JP2015073942A - 水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ポリマー水溶液から固形物等を効率的に分離可能な水処理システムを提供することを目的とする。【解決手段】水溶性ポリマーを含む原水を取水する取水部８と、取水部８から流入される原水を撹拌する撹拌装置１と、撹拌後の原水から固形物を分離する分離装置２と、撹拌装置１へ流入する原水及び上記撹拌後の原水の粘度を測定する粘度測定部５、６、５０と、粘度測定部からの測定粘度と所定の目標粘度に基づいて、少なくとも上記撹拌装置１へ投入する添加剤量及び上記撹拌装置の撹拌強度のうち何れかを制御する制御部４とを備え、原水の粘度を調整するよう水処理システムを構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、水溶性ポリマーを含む原水から固形物を分離する水処理システムに関する。

油/ガスの採掘時に随伴して排出される水は随伴水と呼ばれ、随伴水中には砂などの無機系の固形物成分や油分が含まれる他、採掘を行う地域によっては、塩分、有機物、重金属等が多く含まれる。随伴水は主に固形物成分や油分を除去した後、地下圧入や河川・海洋放流によって処分される。また、それらの除去に加えて、塩分、有機物、重金属等を除去した後、かんがい用水やボイラー用水として再利用される場合もある。随伴水から油分を分離するものとして特開２００３―１４４８０５号公報（特許文献1）がある。特許文献１では、随伴水中の油分をエマルジョン化し、その油分を凝集して分離除去する技術が開示されている。

近年、生産量が低下した油/ガス田の生産量（生産井）を回復・増加させることを目的として、石油増進回収（EOR：Enhanced Oil Recovery）が行われている。これは、生産井の周囲に設けた圧入井から、様々な流体を圧入することで、油/ガスの生産井への移動を促し、生産井からの油/ガスの生産量を増加させるものである。石油増進回収法としては、油/ガス層の圧力を増加させるために水を圧入する水攻法、油の粘度を低下させて流動性を高めるために水蒸気等の熱源を圧入する熱攻法、油の界面張力を変化させて流動性を高めるために界面活性剤等を圧入するケミカル攻法などがある。

圧入水を地中の広い範囲に行き渡らせて油/ガスの押し出し効果を高めるために、水溶性ポリマーによって増粘した増粘水を圧入するポリマー攻法も石油増進回収法の一つとして、近年広く行われている。非特許文献1には、圧入水として、水と水溶性ポリマーによる増粘水（ポリマー水溶液）を使用した場合の生産量増加を比較しており、増粘水を用いることで生産量を増加することが示されている。ポリマーとしては、ポリサッカライドやポリアクリルアミドに代表される高分子化合物が使用される。

特開2003-144805号公報

A comparison of 31 Minnelusa polymer floods with 24 Minnelusa water floods、 Proceedings of SPE/DOE symposium on enhanced oil recovery、 Vol.7、 (1990)、 pp557-566

しかしながら特許文献１及び非特許文献１のいずれにおいても、回収された随伴水に含まれる水溶性ポリマーの粘度を調整し随伴水に含まれる固形物の分離を効率的に行う点については何ら考慮されていない。

例えば、ポリマー水溶液の粘度が高い状態で固形物を分離する分離装置に流入すると、比重差による分離等の効率に悪影響を与える。すなわち、高粘度の状態では固形物の移動速度が低下するため沈降分離を好適に行うことが困難となる。

また、水溶性ポリマーは圧入水に限らず、繊維加工、分散剤、乳化剤、抄紙、水処理凝集剤などの広範囲の用途に使用されており、上記課題は一般の産業排水処理において生じ得る。

本発明は、ポリマー水溶液から固形物等を効率的に分離可能な水処理システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、水溶性ポリマーを含む原水を取水する取水部と、取水部から流入される原水を撹拌する撹拌装置と、撹拌後の原水から固形物を分離する分離装置と、少なくとも上記撹拌装置へ流入する原水及び上記撹拌後の原水のうち何れかの粘度を測定する粘度測定部を備え、粘度測定部の測定結果に基づいて、少なくとも上記撹拌装置へ投入する添加剤量及び上記撹拌装置の撹拌強度のうち何れかを決定するよう水処理システムを構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ポリマー水溶液の粘度を分離処理前に調整可能となり、効率的な分離処理が可能な水処理システムを提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る水処理システムの構成図である。 添加剤の添加率とポリマー水溶液粘度との関係を示す図である。 撹拌時間とポリマー水溶液粘度との関係図である。 図１の制御部の処理フロー図である。 本発明の実施例２に係る水処理システムの構成図である。 本発明の実施例３に係る水処理システムの構成図である。 本発明の実施例４に係る水処理システムの構成図である。 図６又は図７におけるスタティックミキサの概略構成図である。 図６又は図７におけるスタティックミキサの概略構成図である。 図６又は図７におけるスタティックミキサの概略構成図である。 本発明の実施例５に係る水処理システムの構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

なお、本明細書では、化学減粘とは、添加剤との化学反応によりポリマーの高分子鎖を収縮又は分解させ化学的に粘度を低下させることであり、また、物理減粘とは、せん断応力等によりポリマーの高分子鎖を切断することで物理的に粘度を低下させることと定義する。

また、本明細書では、ミキサ内に回転部材を有し、ミキサ外部より回転部材を駆動することで内部を通流する原水にせん断力を与えるものをラインミキサと称し、ミキサ内に回転部材を有さず内部を通流する原水にせん断力を与えるものをスタティックミキサと称する。

図１は、本発明の実施例１に係る水処理システムの構成図である。本発明の水処理システムは、原水であるポリマー水溶液に添加剤として、酸化剤、金属塩、ｐＨ調整剤のうち何れか１つ又は複数を投入する添加剤投入部３、投入された添加剤と原水であるポリマー水溶液を撹拌する撹拌装置１、撹拌後の原水から固形物を分離する分離装置２、原水の粘度を測定する第１の測定部５、撹拌後の原水の粘度を測定する第２の測定部６、添加剤投入部３及び撹拌装置１を制御する制御部４から構成される。原水は原水弁１７を介し取水配管８を流れ撹拌装置１に送水され、撹拌後の原水は接続配管９を流れ分離装置２へ送水される。図１において配管を実線、信号線又は制御線を点線で示している。

以下では、水処理システムが随伴水の処理に用いられる場合を例に説明する。なお、本発明の水処理システムは随伴水の処理に限らず、海水淡水化、生活排水処理、工業用排水処理等の各種水処理システムに適用されるものである。

粘度が高い随伴水は、シェールガス/オイル及びポリマー攻法で石油増進回収を行っている油/ガスの掘削現場で発生する。これらの現場では、水溶性ポリマーによって増粘した水を地中に圧入している。ポリマーとしてはポリサッカライドやポリアクリルアミドに代表される高分子化合物が使用される。ポリサッカライドは、単糖分子が多数結合した高分子化合物で、ペクチン、グァーガム、キサンタンガム、タマリンドガム、カラギーナン、プロピレングリコール、カルボキシメチルセルロースなどがあり、食品添加物としても広く利用されている。ポリアクリルアミドはアクリルアミドが多数結合した高分子化合物で、排水処理用の凝集剤としても使用される。なお、ポリマーの種類はこれらに限定されず、あらゆる高分子化合物から、圧入する油層/ガス層の状態や用途に応じて適切な種類のものが使用される。

次に、添加剤投入部３からの添加剤による化学減粘について説明する。原水であるポリマー水溶液に酸化剤を添加し、撹拌装置１により原水と酸化剤との混合液を撹拌する。撹拌装置１の水槽内で、酸化剤と原水を混合して化学反応させることにより原水であるポリマー水溶液の粘度を低下させる（化学減粘）。撹拌装置１を構成する水槽の材質は、耐油性、耐食性および耐酸性を備えたものとし、形状は角型あるいは丸型のものが使用できる。丸型水槽の場合は、水槽の内側にバッフルプレートを設けると、水槽内の混合効果が高まる。ここで、バッフルプレートとは、丸型水槽の内壁の所定の位置に水槽の中央へ向かい突き出た形状を有するプレートであり、撹拌装置１の撹拌翼により生成されたポリマー水溶液の流れはこのバッフルプレートに衝突し、乱流を発生させ酸化剤との混合効果を高めることができるものである。撹拌装置１は槽内を隈なく撹拌できる能力を持ったものを使用する。酸化剤添加により酸化処理を行う水槽の容量は少なくとも1分以上の平均滞留時間を持つものが好適に用いられる。また、原水が随伴水の場合は、原水の溶存酸素濃度の上昇を防ぐため、水槽は空気と接することのない密閉水槽あるいは水槽内を窒素等の不活性ガスでパージすることにより嫌気状態とすることが望ましい。その理由は次に述べる。

酸化剤としては、オゾン、次亜塩素塩、過酸化水素のいずれかを用いることができる。また、酸化作用を向上させるために、添加剤として酸化剤に加え金属塩を同時に注入してもよいし、ｐＨ調整剤を注入してもよい。但し、過酸化水素は原水の溶存酸素を増加させる原因となる。原水が随伴水で、その処理水を圧入水として再利用する場合、溶存酸素は地中で油/ガスを分解するバクテリアが繁殖する原因となるため、処理水に溶存酸素がないことが求められる。従って、原水が随伴水で、圧入水として再利用する場合は、過酸化水素以外の酸化剤の使用が望ましい。酸化剤として次亜塩素酸ナトリウム（NaClO）を用いる場合は、塩化ナトリウムを含む塩水から電気分解の原理で次亜塩素酸ナトリウムを生成する装置を添加剤投入部３に設ければよい。原水が随伴水の場合は、塩分を多く含む場合が多いので、分離装置２による固形物分離後の処理水を利用して次亜塩素酸ナトリウムを生成できる。水処理システムを海洋の近くに設置する場合は海水をくみ上げ利用することができる。また、海水淡水化設備に本実施例の水処理システムが隣接する場合は、逆浸透膜であるＲＯ膜ベッセルから排出される塩分濃度が高い排出水を用いることができる。

ポリアクリルアミド系のポリマー水溶液に、酸化剤として次亜塩素酸ナトリウムを添加して撹拌したときの減粘効果を説明する。図２は、添加剤の添加率とポリマー水溶液粘度との関係を示す図である。実験条件として、１，０００ｍｇ／Ｌのポリアクリルアミド系のポリマー水溶液、水温２０℃、ポリマー水溶液に添加する次亜塩素ナトリウムの添加率を変え、水溶液の粘度（ｍＰａ・ｓ）を測定した。粘度の測定は、コーンプレート型粘度計を使用した。コーンプレート型粘度計のコーン型ローターの回転数１００ｒｐｍでの測定粘度をプロットしたものを図２に示している。図２に示されるように、次亜塩素酸ナトリウムの添加率を増加させるに従いポリマー水溶液の粘度は低下している。次亜塩素酸ナトリウムの添加率６０ｍｇ／Ｌでポリマー水溶液の粘度は３．２ｍＰａ・ｓ、添加率７０ｍｇ／Ｌでポリマー水溶液の粘度は２．８ｍＰａ・ｓの値を示した。ここで水の粘度は概ね１.０ｍＰａ・ｓ以上、３.０ｍＰａ・ｓ以下であり、概ね水の粘度と同等となるまで減粘するためには、次亜塩素酸ナトリウムの添加率を６０ｍｇ／Ｌ以上とすればよい。また、水の粘度と同等になるまでポリマー水溶液の粘度を減粘することで以降の分離装置２による固形物の分離効果を向上できる。ポリマーは、分子中に存在する同じ電荷を持った活性点同士が反発することで分子鎖を広げ、これにより粘度が高められている。酸化剤はそのような活性点を失活させるため、電荷による反発がなくなり、分子鎖が収縮して糸まり状になることで粘度が低下する（化学減粘）。

酸化剤の添加率は、原水の粘度や目標とする処理水の粘度、水溶性ポリマーの種類によって大きく異なるため、事前にラボ試験を行い、処理対象となる水溶性ポリマーに対して最も減粘効果の高い酸化剤の種類や、その添加率を決定することが望ましい。図２に示す実験条件では、６０ｍｇ／Ｌ以上の添加率で水の粘度とほぼ同等となるよう減粘される。また、反応条件のｐＨとして、望ましくは２.０以上、１０.０以下、さらに望ましくは４.０以上、８.０以下である。図２に示す実験条件では、ｐＨは７．２から８.０の範囲を示した。

また、図２には、添加剤として金属塩である２価の鉄イオンを添加したときのポリマー水溶液の粘度の変化を示している。実験条件は、次亜塩素酸ナトリウムの場合と同様に、１０００ｍｇ／Ｌのポリアクリルアミド系のポリマー水溶液、水温２０℃、ポリマー水溶液に添加する２価の鉄イオン添加率を変え、それぞれの添加率でポリマー水溶液の粘度（ｍＰａ・ｓ）を測定した。粘度の測定には、コーンプレート型粘度計を使用した。添加率を増加するに従いポリマー水溶液の粘度は低下している。２価の鉄イオンの添加率30ｍｇ／Ｌでポリマー水溶液の粘度は２．９ｍＰａ・ｓ、添加率４０ｍｇ／Ｌでポリマー水溶液の粘度は２．２ｍＰａ・ｓ、添加率５０ｍｇ／Ｌでポリマー水溶液の粘度は１．９ｍＰａ・ｓの値を示している。従って、添加率３０ｍｇ／Ｌ以上とすることで水と同等の粘度にまで減粘することが可能となる。これにより、ポリマー水溶液の粘度を水の粘度と同等になるまで減粘でき、分離装置２による固形物の分離効果を向上できる。

図２においては、酸化剤である次亜塩素酸ナトリウム、金属塩である２価の鉄イオンをそれぞれ独立に添加した場合のポリマー水溶液の粘度の変化を示しているが、添加剤として、次亜塩素酸ナトリウムと２価の鉄イオンを同時に添加することで減粘効果が相乗的に向上する。金属塩である2価の鉄イオンは、過酸化水素と同時に添加すると、下記の化学反応により酸化力の強いヒドロキシラジカル（ OH・やOOH・ ）が生じるため好適に用いられる。1価の銅イオンも同様の働きをするため好適に用いられる。また、金属塩は前述したポリマー分子中の活性点に直接作用して失活させる効果もあるため、金属塩のみ添加してもよい。金属塩の注入率は、原水の粘度や目標とする処理水の粘度にもよるが、原水量に対して数ｍｇ／Ｌ以上、数１００，０００ｍｇ／Ｌ以下の量を添加するのが好ましい。図２に示す２価の鉄イオンの場合は、３０ｍｇ／Ｌ以上とするのが望ましい。なお、金属塩の種類は、上述の鉄イオン及び銅イオンに限られず、水溶性ポリマーの種類に応じて、予め最適なものを実験により選定するのが望ましい。
Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH・ + OH^-
Fe³⁺ + H₂O₂ → Fe²⁺ + OOH・ + H⁺
次に、撹拌装置１による物理減粘について説明する。撹拌装置１の撹拌翼の最外周速度が０．５ｍ／ｓ以上、２０ｍ／ｓ以下で回転することにより、撹拌装置１の水槽内の流れ場に高いせん断力を与えられる（物理減粘）。撹拌翼の形状としては、プロペラ翼、パドル翼、タービン翼等の汎用の形状でもよいが、回転体の最外周に鋭角な突起を持ったものは、流れ場に高いせん断力を誘起するため好適に用いられる。流体に与えるエネルギーの指標であるＧ値としては数１、０００（１／ｓ）以上、数１、０００、０００（１／ｓ）以下程度となる。なお、Ｇ値は次式で表される。

ここで、νは流体の動粘度（ｍ^２／ｓ）、Ｖは流体の体積（ｍ^３）、Ｃ_Ｄは撹拌翼の抵抗係数（無次元）、Ａｉはそれぞれの翼の面積（ｍ^３）、ｖは翼の周速度（ｍ／ｓ）である。翼の周速度は次式（２）で表される。

ここで、ｒは翼の回転半径（ｍ）、Ｎは翼の回転数（ｒｐｍ）である。式（１）及び式（２）より、Ｇ値は回転数Ｎの３／２乗に比例して増加する。

図３は、撹拌時間とポリマー水溶液粘度との関係図である。実験条件として、３００ｍｇ／Ｌのポリアクリルアミド系のポリマー水溶液を撹拌する撹拌装置１の構成として、撹拌翼外径は３５ｍｍ、回転数は８０００ｒｐｍ、最外周速度は１５ｍ／ｓ、処理量は１Ｌ、Ｇ値は約５０００（１／ｓ）である。添加剤の添加は行っていない。ポリマーを構成する高分子鎖が、撹拌によるせん断応力により物理的に切断され、ポリマーの分子量が低下することで粘度が低下する。図３に示されるように、撹拌時間１分でポリマー水溶液の粘度は１.８ｍＰａ・ｓ、撹拌時間３分でポリマー水溶液の粘度は１.１ｍＰａ・ｓの値を示した。水の粘度は概ね１．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下であることから、撹拌時間を１分以上とすることでポリマー水溶液の粘度を水の粘度にまで減粘でき分離装置２による固形物の分離効果を向上することができる。

なお、撹拌強度は、撹拌装置１の水槽の容積、撹拌翼の速度及び撹拌時間
により規定されるものであり、水槽の容積は固定であるため、撹拌強度の制御は撹拌翼の速度又は撹拌時間により制御される。本実施例においては、撹拌時間を制御する場合を説明したが、撹拌翼の速度を制御しても良い。この場合、撹拌翼を駆動するモータの回転数を増加させることによりポリマー水溶液の粘度を減少させることができる。

なお、撹拌装置１による物理減粘に加え、上述の添加剤（酸化剤、金属塩、ｐＨ調整剤）を添加してもよい。この場合、添加剤による化学減粘と撹拌装置１による物理減粘の相乗効果で、より高い減粘効果を得ることができる。

次に、撹拌装置１の上流側の原水の粘度を測定する第１の測定部５及び撹拌装置１の下流側の原水、すなわち撹拌後の原水の粘度を測定する第２の測定部６について説明する。

第１の測定部５及び第２の測定部６として、市販のインライン型の粘度測定装置を用いればよい。本実施例では、第１の測定部５を撹拌装置１の原水流入部（取水配管８）に、第２の測定部６を撹拌装置１の流出部（接続配管９）に設置している。粘度の測定原理としては、毛細管式、振動式、回転式等があるが、いずれの原理に基づいた粘度測定装置も好適に用いられる。粘度の変化の周期が長い場合、例えば日単位で変化する場合は、インライン型の粘度測定装置を用いずに、例えば１日に１回測定部から原水を採取して、実験室等で粘度を測定し、その結果に基づいて添加剤の添加率の調整や撹拌装置の撹拌強度の調整を行ってもよい。このように実験室等で粘度を測定する場合は、上述のコーンプレート型粘度計が好適に使用できる。測定部から原水を採取して実験室等で粘度を測定する場合、第１の測定部５及び第２の測定部６は、それぞれの場所での原水の採取部となるが、採取した原水の粘度を測定することで、測定部を設けた場合と同一の作用、効果を得ることができる。また、撹拌装置１に流入する原水の粘度が高くなると、撹拌装置１の撹拌翼のトルクが大きくなり、撹拌翼を駆動するモータに流れる電流も増加する。従って、予め原水の粘度とモータのトルクや電流との相関を測定しておき、トルクや電流の測定値から間接的に粘度を測定してもよい。また、原水の粘度が高くなると、原水が流れる配管の圧力損失が変化するため、予め原水の粘度と圧力損失の相関を測定しておき、前記配管に設けた圧力計の測定値から間接的に粘度を測定してもよい。

制御部４の動作について説明する。制御部４は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリを備え、メモリに記憶されたプログラムを読み出し各種処理を実行する。ここで、メモリには、上述の図２に示される添加剤としての酸化剤、金属塩の添加率と原水であるポリマー水溶液の粘度との関係が記憶されている。また、図３に示す撹拌装置の撹拌時間とポリマー水溶液の粘度との関係及び図示しない撹拌装置の撹拌翼の速度とポリマー水溶液との関係をメモリに格納している。そして、目標粘度として例えば２．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下の値も格納されている。

ここで、目標粘度の値を２．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下とする理由について説明する。随伴水の粘度は主として水温と塩分濃度に依存する。随伴水の水温及び塩分濃度は油／ガスの採掘地域によって大きく異なり、水温は５℃以上、８０℃以下、塩分濃度は３．０％以上、３０％以下の範囲である場合が多い。粘度が最も高い値を示すのは、水温が５℃、塩分濃度が３０％の場合であり、粘度は３ｍＰａ・ｓとなる。他方粘度が最も低い値を示すのは、水温が８０℃、塩分濃度が０％（すなわち淡水）の場合であり、粘度は０.３ｍＰａ・ｓとなる。

従って、水溶性ポリマーを含まない随伴水の粘度は０．３ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下となり、既存の随伴水処理装置は、随伴水の粘度が３．０ｍＰａ・ｓ以下であることを前提に設計される場合が多い。本実施例では、目標粘度をその範囲のうち高めの値である２．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下に設定する。これは目標粘度を高めに設定することで、減粘するために必要な添加剤の使用量を節約できるからである。また、目標粘度を高めの値に設定することで、処理後の水をポリマー攻法に再利用する場合においても、再び増粘するために必要な水溶性ポリマーの使用量を節約することもできる。

図４は、図１の制御部の処理フローである。制御部４は、第１の測定部５より撹拌装置１へ流入する原水（ポリマー水溶液）の測定粘度を取り込む（ステップＳ４１）。取り込んだ測定粘度と予め記憶された目標粘度とを比較し、測定粘度が目標粘度を超えるか判定する（ステップＳ４２）。判定の結果、測定粘度が目標粘度以下の場合処理を終了し、測定粘度が目標粘度を超える場合、次のステップへ進む。

次のステップでは、メモリに格納された添加剤の添加率とポリマー水溶液の粘度との関係、撹拌装置の撹拌翼の速度とポリマー水溶液の粘度との関係及び撹拌時間とポリマー水溶液の粘度との関係を参照し、目標粘度と測定粘度の差分に応じて少なくとも添加剤の添加率の調整及び撹拌装置の撹拌強度の調整のうち何れかを実行する（ステップＳ４３）。ここで、添加剤の添加率の調整は、上記差分に応じた添加率を前記参照結果から求め、求めた添加率を指令値として添加剤投入部３へ出力する。また、撹拌装置の撹拌強度の調整は、上記差分に応じた撹拌翼の速度を前記参照結果から求め、求めた撹拌翼の速度を指令値として撹拌装置１へ出力する。なお、撹拌時間は撹拌装置１の滞留時間で決まるため、通常は一定にされるが、原水弁１７で撹拌装置１への流入量を制御し、撹拌時間を制御することも可能である。
次に、第２の測定部６からの測定粘度、すなわち撹拌後の原水の測定粘度を取り込む（ステップＳ４４）。取り込んだ測定粘度と予めメモリに記憶された目標粘度とを比較し、測定粘度が目標粘度を超えるかを判定する（ステップＳ４５）。判定の結果、測定粘度が目標粘度以下の場合処理を終了する。測定粘度が目標粘度を超える場合、次のステップへ進む。

次のステップでは、測定粘度が目標粘度の１１０％を超えるかそれ以内かを判定する（ステップＳ４６）。判定の結果、測定粘度が目標粘度の１１０％以下の場合、測定粘度と目標粘度の差分に応じて少なくとも添加剤の添加率の調整及び撹拌装置１の撹拌強度の調整のうち何れかを実行する（ステップＳ４３）。測定粘度が目標粘度の１１０％を超えた場合次のステップへ進む。次のステップでは原水弁１７を絞り、第２の測定部６の測定粘度が目標粘度以下になるまで、撹拌装置１に流入する原水の量を一時的に減少又は停止する（ステップＳ４７）。その結果、測定粘度が目標粘度の１１０％以下になったら（ステップＳ４６）、測定粘度と目標粘度の差分に応じて少なくとも添加剤の添加率の調整及び撹拌装置１の撹拌強度の調整のうち何れかを実行する（ステップＳ４３）。

ここで、上記の例ではステップＳ４６における判定基準を目標粘度の１１０％としたが、この数値は１２０％に設定することも可能である。これは、一般的に原水の粘度が４．０ｍＰａ・ｓを超えると後段の分離措置２に顕著な処理能力の低下や変動が見られるが、ステップＳ４６における判定基準を目標粘度上限値３．０ｍＰａ・ｓの１１０％である３．３ｍＰａ・ｓとした場合に限らず、目標粘度上限値３.０ｍＰａ・ｓの１２０％である３.６ｍＰａ・ｓとした場合でも、ステップＳ４７により粘度が４．０ｍＰａ・ｓを超えないように制御できるからである。制御部４は、上述のステップＳ４１からステップＳ４７までを所定の周期で実行する。

なお、目標粘度を２．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・s以下に設定したが後段の分離装置２の処理能力に応じて粘度の目標値を設定しても良い。このような制御をすることで、粘度が数１０ｍＰａ・ｓ以上、数１００ｍＰａ・ｓ以下の排水（原水）について、その粘度が変動しても、常に後段の分離装置２がその本来の処理能力を発揮できるので、常に良好な水質の処理水が得られる。

なお、本実施例においては、撹拌装置１に流入する原水の粘度と撹拌装置１から流出する原水の粘度の双方を測定する構成としたが、いずれか一方のみの原水の粘度を測定するよう構成しても良い。

次に、分離装置２について説明する。分離装置２としては、固形物成分や油分を水との比重差の違いを利用して分離する分離装置が好適に用いられる。例えば、比重の違う油分と水を、遠心力を利用して分離するハイドロサイクロン（Hydrocyclone）、断面形状が波型の傾斜板を用いて効率よく固形物成分と油分を同時に分離するCPIセパレータ（Corrugated Plate Interceptor）、細かい気泡を固形物成分や油分に付着させ、その比重を軽くし、浮上させて水中から分離する浮上分離装置（DAF：Dissolved Gas Floatation）、固形物成分や油分を含む原水に凝集剤を注入して、それらの粒子同士を凝集させて、粗大なフロックと呼ばれる塊をつくり、そのフロックを重力で沈降させて水中から分離する凝集沈殿装置（Coagulating Sedimentation）が挙げられる。分離装置２として、上記の装置に限らず、比重差を利用して固形物成分や油分を水中から分離する装置であれば他の形態の装置を用いてもよい。本実施例においては、分離装置２に流入する原水（ポリマー水溶液）は、撹拌装置１又は添加剤投入部３の動作により２．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下になるように制御されている。従って、原水の粘度が変動しても、分離装置２によって常に安定して固形物成分や油分を分離できる。

本実施例によれば、分離装置２へ流入する原水の粘度を低減できるため、粘度が数１０ｍＰａ・ｓ以上、数１００ｍＰａ・ｓ以下の原水に対しても、既存設備の処理容量を増加させることなく、固形物成分や油分を確実に除去できる。また、第２の測定部６により撹拌装置１から排出された処理水(撹拌後の原水)の粘度を測定し、その結果に基づいて、撹拌装置１又は添加剤投入部３を制御できるため、原水の粘度が変動しても安定した固形物成分や油分の除去が可能となる。従って、原水が随伴水の場合は、分離装置２から処理水が排出される配管をガス田の圧入井に接続する構成を備えることで、固形物成分や油分が除去された処理水を好適に圧入水として再利用できる。ただし、ポリマー攻法に再利用する場合、粘度を増加するために処理水に水溶性ポリマーを混入する必要がある。このときの水溶性ポリマーの必要量は処理水の粘度が高いほど少なくて済むので、処理水をポリマー攻法に再利用する場合は、図４における目標粘度を、３.０Ｐａ・ｓ以下を条件にできるだけ高めの値に設定して処理することで、水溶性ポリマーの使用量を節約することができる。

一方、処理水を圧入水として再利用しない場合は、分離装置２の処理性能と添加剤の使用量及び撹拌強度との関係から適切な目標粘度を設定すればよい。例えば、原水の流入量が分離装置２の能力に対して余裕がない場合は、目標粘度を低めの０．３ｍＰａ・ｓ以上、１．０ｍＰａ・ｓ以下に設定することにより、分離装置２の負荷を小さくすることができる。第１の測定部５の粘度の測定結果に基づいて目標粘度を設定すると分離装置２の処理性能と添加剤の使用量及び撹拌強度を適正に制御することができる。例えば、第１の測定部５の粘度の測定結果が、一般的に後段の分離装置２の処理能力の低下がみられる４．０ｍＰａ・ｓを超えた場合、目標粘度を高めの２．０ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下に設定し、添加剤の使用量を節約したり、撹拌のみで目標粘度を得ることも可能である。また、目標粘度を低めの０．３ｍＰａ・ｓ以上、１．０ｍＰａ・ｓ以下に設定して分離装置２の処理能力に余裕を持たせることも可能である。更に、第１の測定部５の粘度測定結果が３．０ｍＰａ・ｓ以下の場合であっても、目標粘度を０．３ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下の範囲において適値に設定することにより、添加剤使用量の節約、撹拌強度の調整により必要となる分離性能を得ることができる。

図５は、本発明の実施例２に係る水処理システムの構成図である。図５において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。本実施例では、撹拌装置１に代えてラインミキサ１０を備える点が実施例１と異なる。

水処理システムは、原水であるポリマー水溶液を取水する取水配管８、取水配管８に接続され通流する原水の粘度を測定する第１の測定部５、取水配管８に接続され流入する原水にせん断応力を付与するラインミキサ１０、ラインミキサ１０から排出される原水を分離装置２へ通流する接続配管９、接続配管９に取り付けられラインミキサ１０から排出される原水の粘度を測定する第２の測定部６を備えている。また、取水配管８内を流れる原水へ添加剤を投入する添加剤投入部３、第１の測定部５によるラインミキサ１０に流入する原水の測定粘度及び第２の測定部６によるラインミキサ１０から排出する原水の測定粘度に基づき添加剤投入部３を制御する制御部４も備えている。ラインミキサ１０内の回転部材は外部のモータにより回転駆動される。

なお、添加剤投入部３から投入される添加剤については、実施例１と同様に、酸化剤、金属塩及びｐＨ調整剤のいずれか又はこれらの組み合わせであるため、ここでは説明を省略する。

ラインミキサ１０を流れる原水に与えられるせん断力は、回転部材の駆動動力により定まるものであり、本実施例における原水粘度の調整は、回転部材の駆動動力、すなわち、モータの回転数、添加剤の添加率を制御することで実行する。本実施例における制御部４の動作は、図４において説明したステップＳ４３において、少なくともモータの回転数及び添加剤の添加率のうち何れか一方を調整することで実行する。

本実施例によれば、分離装置２へ流入する原水の粘度を低減できるため、粘度が数１０ｍＰａ・ｓ以上、数１００ｍＰａ・ｓ以下の排水について、既存設備の処理容量を増加させることなく、固形物成分や油分を確実に除去できる。また、第２の測定部６によりラインミキサ１０から排出された処理水(撹拌後の原水)の粘度を測定し、その結果に基づいて、ラインミキサ１０の駆動力、添加剤投入部３を制御できるため、原水の粘度が変動しても安定した固形物成分や油分の除去が可能となる。従って、原水が随伴水の場合は、分離装置２から処理水が排出される配管をガス田の圧入井に接続する構成を備えることで、固形物成分や油分が除去された処理水を好適に圧入水として再利用できる。

図６は、本発明の実施例３に係る水処理システムの構成図である。図６において、実施例１及び実施例２と同様の構成要素に同一の符号を付している。本実施例では、撹拌装置１内の原水を循環する循環ライン２２、循環ライン２２に設置されたスタティックミキサ２０及び循環ポンプ２１を新たに設けたことが実施例１と異なる。

ここで、スタティックミキサ２０の構造について説明する。図８は、図６又は図７におけるスタティックミキサの概略構成図である。図８においてスタティックミキサ２０は配管内に流入部から流出部にわたり対向する第１の螺旋状固定翼１２と第２の螺旋状固定翼１３を備えている。図６に示す撹拌装置１内の原水は循環ポンプ２１によりスタティックミキサ２０に送水される。送水された原水の流れは、それぞれの螺旋状固定翼１２、１３により逆向きの旋回流となり、これら旋回流が干渉することにより原水に対しせん断力を与える構造となっている。

また、図９は、図６又は図７におけるスタティックミキサ２０の他の構成を示すものである。図９において、スタティックミキサ２０は、内部に円盤状であってその外周縁部に流体の流入方向へ突き出る構造の分散部材１４を備えている。循環ポンプ２１によりスタティックミキサ２０に送水された原水の流れは分散部材１４に衝突し、分散部材１４の外周縁部と内壁との間隙をとおり下流側へと流れる。この間隙を流れるときに原水に対しせん断力を与える構造となっている。また、図１０は、図６又は図７におけるスタティックミキサ２０の他の構成を示すものである。図１０において、スタティックミキサ２０は、流路幅縮小部１５と流路幅拡大部１６とを備えた構造となっている。循環ポンプ２１によりスタティックミキサ２０へ送水された原水は流路幅縮小部１５を通り流路幅拡大部１６へ流出する際にキャビテーション力によりせん断力が与えられる。

図６において、原水粘度の調整は、少なくとも循環水の流量、添加剤の添加率及び撹拌装置１の撹拌強度のうちのいずれかを制御することで実行する。本実施例における制御部４の動作は、図４において説明したステップＳ４３において、少なくとも循環水の水量、添加剤の添加率及び撹拌強度のうち何れかを調整することで実行する。

スタティックミキサ２０における原水粘度の調整は、スタティックミキサ２０に供給される循環水の流量を調整することにより行われる。原水に与えられるせん断力の大きさは流量が多いほど大きいため、減粘効果を大きくしたい場合は循環水の流量を増加するよう制御すればよい。本実施例においては、スタティックミキサ２０により物理減粘を行うものであるため、撹拌装置１に対しては撹拌強度の調整を行うことなく、最小限の撹拌を継続するのみでよい。すなわち、物理減粘をスタティックミキサ２０及び撹拌装置１とで分担でき、この分担率は適宜設定可能である。

本実施例によれば、分離装置２へ流入する原水の粘度を低減できるため、粘度が数１０ｍＰａ・ｓ以上、数１００ｍＰａ・ｓ以下の排水について、既存設備の処理容量を増加させることなく、固形物成分や油分を確実に除去できる。また、第２の測定部６により撹拌装置１から排出された処理水(撹拌後の原水)の粘度を測定し、その結果に基づいて、スタティックミキサ２０の流量、撹拌装置１、添加剤投入部３を制御できるため、原水の粘度が変動しても安定した固形物成分や油分の除去が可能となる。従って、原水が随伴水の場合は、分離装置２から処理水が排出される配管をガス田の圧入井に接続する構成を備えることで、固形物成分や油分が除去された処理水を好適に圧入水として再利用できる。

図７は、本発明の実施例４に係る水処理システムの構成図である。図７において、実施例１及び実施例２と同様の構成要素には同一の符号を付している。本実施例においては、スタティックミキサ２０及び昇圧ポンプ２３を有することが実施例２と異なる。

スタティックミキサ２０は、上述の図８ないし図１０のいずれかを用いることができ、所定の原水流量で所要の減粘効果が得られるものを適用すればよい。原水粘度が大きくなるとスタティックミキサ２０の圧力損失が大きくなり、所定の原水流量を得られない場合がある。そのためスタティックミキサ２０へ原水を送水する取水配管８に昇圧ポンプ２３を設けている。本実施例における原水粘度の調整は、昇圧ポンプ２３による原水流入量の調整及び添加剤の添加率の調整のうち何れかにより実行する。図４において説明したステップＳ４３において、少なくとも原水の流入量及び添加剤の添加率のうち何れかを調整する。スタティックミキサ２０は、上述のとおり所定の原水流量で所要の減粘効果が得られるものが用いられるが、仮に、想定を超える原水粘度の上昇が生じ、第２の測定部６による測定粘度が目標粘度を超えた場合は、添加剤の添加率の調整を実行する。

本実施例によれば、分離装置２へ流入する原水の粘度を低減できるため、粘度が数１０ｍＰａ・ｓ以上、数１００ｍＰａ・ｓ以下の排水について、既存設備の処理容量を増加させることなく、固形物成分や油分を確実に除去できる。また、第２の測定部６によりスタティックミキサ２０から排出された処理水(撹拌後の原水)の粘度を測定し、その結果に基づいて、スタティックミキサ２０の流量、添加剤投入部３を制御できるため、原水の粘度が変動しても安定した固形物成分や油分の除去が可能となる。従って、原水が随伴水の場合は、分離装置２から処理水が排出される配管をガス田の圧入井に接続する構成を備えることで、固形物成分や油分が除去された処理水を好適に圧入水として再利用できる。

図１１は、本発明の実施例に係る水処理システムの構成図である。図１１において実施例１と同様の構成要素には同一の符号を付している。本実施例においては、撹拌装置１に流入する原水（ポリマー水溶液）の粘度と撹拌装置１から流出する原水の粘度を測定する測定部を１つの測定部５０で実現した点が実施例１と異なる。

水処理システムは、撹拌装置１に原水を取り込むための取水配管８に一端が接続され、撹拌装置１と分離装置２とを接続する接続配管９に他端が接続されたバイパス流路７を備えている。取水配管８から分岐された原水を測定部５０へ流入させる、又は接続配管９から分岐された原水を測定部５０へ流入させることのいずれかを切り替える切替弁１１を備えている。測定部５０に流入し粘度が測定された原水は排水管を介して排水される。

切替弁１１により取水配管８を介して撹拌装置１へ流入する原水の一部を測定部５０に取り込み、測定された原水粘度を制御部４が取り込む（図４におけるステップＳ４１に相当）。また、切替弁１１により接続配管９を介して撹拌装置１から流出する原水の一部を測定部５０に取り込み、測定された撹拌後の原水粘度を制御部４が取り込み（図４におけるステップＳ４４に相当）。制御部４は、図４におけるステップＳ４２及びステップＳ４３、ステップＳ４５及びステップＳ４６を実施例１と同様に実行する。

本実施例においては、実施例１と比較し粘度測定部の数を減らすことができ、部品点数を少なくできる。

本実施例によれば、分離装置２へ流入する原水の粘度を低減できるため、粘度が数１０ｍＰａ・ｓ以上、数１００ｍＰａ・ｓ以下の排水について、既存設備の処理容量を増加させることなく、固形物成分や油分を確実に除去できる。また、測定部５０により撹拌装置１から排出された処理水(撹拌後の原水)の粘度を測定し、その結果に基づいて、撹拌装置１又は添加剤投入部３を制御できるため、原水の粘度が変動しても安定した固形物成分や油分の除去が可能となる。従って、原水が随伴水の場合は、分離装置２から処理水が排出される配管をガス田の圧入井に接続する構成を備えることで、固形物成分や油分が除去された処理水を好適に圧入水として再利用できる。

上記実施例１から実施例５においては、水溶性ポリマーとしてポリアクリルアミドを用いた場合について説明したが、ポリサッカライドと呼ばれる多糖類系ポリマーについても適切な酸化剤や金属塩を選定することで、ポリアクリルアミドと同様の効果を得ることができる。例えば、ポリサッカライドは増粘多糖類として食品に表示されるように、増粘剤、安定剤、ゲル化剤、糊料としての用途で食品添加物として広く使用されており、製品の食感などを微調整するために粘度調整剤が使用される。本発明の水処理システムにおいても、そのような粘度調整剤を使用することで、水溶性ポリマーとしてポリサッカライドが含まれる原水に対して安定的に処理を行うことができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 撹拌装置
２ 分離装置
３ 添加剤投入部
４ 制御部
５ 第１の測定部
６ 第２の測定部
７ バイパス流路
８ 取水配管
９ 接続配管
１０ ラインミキサ
１１ 切替弁
１２ 第１の螺旋状固定翼
１３ 第２の螺旋状固定翼
１４ 分散部材
１５ 流路幅縮小部
１６ 流路幅拡大部
１７ 原水弁
２０ スタティックミキサ
２１ 循環ポンプ
２２ 循環ライン
２３ 昇圧ポンプ

Claims (17)

1. 水溶性ポリマーを含む原水を取水する取水部と、
   前記取水部から流入される前記原水を撹拌する撹拌装置と、
   撹拌後の原水から固形物を分離する分離装置と、
   少なくとも前記撹拌装置へ流入する原水及び前記撹拌後の原水のうち何れかの粘度を測定する粘度測定部を備え、
   前記粘度測定部の測定結果に基づいて、少なくとも前記撹拌装置へ投入する添加剤量及び前記撹拌装置の撹拌強度のうち何れかを決定することを特徴とする水処理システム。
2. 請求項１に記載の水処理システムであって、
   前記粘度測定部からの測定粘度と所定の目標粘度に基づいて、少なくとも前記撹拌装置へ投入する添加剤量及び前記撹拌装置の撹拌強度のうち何れかを制御する制御部を備えたことを特徴とする水処理システム。
3. 請求項２に記載の水処理システムであって、
   前記粘度測定部は、前記撹拌装置の上流側に設けられた第１の粘度測定部と、前記撹拌装置の下流側に設けられた第２の粘度測定部からなり、
   前記制御部は、前記第１の粘度測定部からの測定粘度と前記所定の目標粘度との差分及び前記第２の粘度測定部からの測定粘度と前記所定の目標粘度との差分から、少なくとも前記添加剤の投入量及び前記撹拌装置の撹拌強度のうち何れかを決定することを特徴とする水処理システム。
4. 請求項１又は２に記載の水処理システムであって、
   前記撹拌装置へ投入される添加剤は、少なくとも酸化剤、金属塩及びｐＨ調整剤のうち何れかであることを特徴とする水処理システム。
5. 請求項４記載の水処理システムであって、
   前記酸化剤は、オゾン、次亜塩素塩、過酸化水素のいずれかであって、前記金属塩は、鉄イオン又は銅イオンであることを特徴とする水処理システム。
6. 請求項２又は３に記載の水処理システムであって、
   前記制御部は、目標粘度を０.３ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下の範囲で設定し、前記目標粘度と測定粘度とを比較することを特徴とする水処理システム。
7. 水溶性ポリマーを含む原水を通流する取水配管と、
   前記取水配管に接続され、流入する原水にせん断力を与えるラインミキサと、
   前記ラインミキサから流出する原水から固形物を分離する分離装置と、
   少なくとも前記ラインミキサの上流側及び下流側のうち何れか一方の原水粘度を測定する粘度測定部を備え、
   前記粘度測定部の測定結果に基づいて、少なくとも前記取水配管内に投入する添加剤の投入量及び前記ラインミキサの駆動動力のうち何れかを決定することを特徴とする水処理システム。
8. 請求項７に記載の水処理システムであって、
   前記粘度測定部からの測定粘度と所定の目標粘度に基づいて、少なくとも前記添加剤の投入量及び前記ラインミキサの駆動動力のうち何れかを制御する制御部を備えたことを特徴とする水処理システム。
9. 請求項８に記載の水処理システムであって、
   前記粘度測定部は、前記ラインミキサの上流側に設けられ前記原水粘度を測定する第１の粘度測定部と、前記ラインミキサの下流側に設けられラインミキサ通流後の原水粘度を測定する第２の粘度測定部を備え、
   前記制御部は、前記第１の粘度測定部からの測定粘度と前記所定の目標粘度との差分及び前記第２の粘度測定部からの測定粘度と前記所定の目標粘度との差分から、少なくとも前記添加剤の投入量及び前記ラインミキサの駆動動力のうち何れかを制御することを特徴とする水処理システム。
10. 水溶性ポリマーを含む原水を通流する取水配管と、
    前記取水配管から流入される前記原水を撹拌する撹拌装置と、
    前記撹拌装置内の原水を循環する循環ラインと、
    前記循環ラインに設けられ原水にせん断力を与えるスタティックミキサと、
    前記撹拌装置より流出する原水から固形物を分離する分離装置と、
    少なくとも前記撹拌装置へ流入する原水及び前記撹拌装置から流出する原水のうち何れかの粘度を測定する粘度測定部を備え、
    前記粘度測定部による測定結果に基づいて、少なくとも前記取水配管内に投入する添加剤の投入量、前記撹拌装置の撹拌強度及び前記循環ラインを通流する原水の流量のうち何れかを決定することを特徴とする水処理システム。
11. 請求項１０に記載の水処理システムであって、
    前記粘度測定部からの測定粘度と所定の目標粘度に基づいて、少なくとも前記添加剤の投入量、前記撹拌装置の撹拌強度及び前記循環ラインを通流する原水の流量のうち何れかを制御する制御部を備えたことを特徴とする水処理システム。
12. 水溶性ポリマーを含む原水を通流する取水配管と、
    前記取水配管に接続され、流入する原水にせん断力を与えるスタティックミキサと、
    前記スタティックミキサから流出する原水から固形物を分離する分離装置と、
    少なくとも前記スタティックミキサの上流側及び下流側のうち何れか一方の原水粘度を測定する粘度測定部と、
    前記ラインミキサの上流側に設けられ、前記取水配管内に添加剤を投入する添加剤投入部を備え、
    前記粘度測定部による測定結果に基づいて、少なくとも前記添加剤の投入量及び前記スタティックミキサに流入する原水の流量のうち何れかを決定することを特徴とする水処理システム。
13. 請求項１２に記載の水処理システムであって、
    前記粘度測定部からの測定粘度と所定の目標粘度に基づいて、少なくとも前記添加剤の投入量及び前記スタティックミキサに流入する原水の流量のうち何れかを制御する制御部を備えたことを特徴とする水処理システム。
14. 請求項７、１０または１２に記載の水処理システムであって、
    前記取水配管内に、少なくとも酸化剤、金属塩及びｐＨ調整剤のうち何れかを投入することを特徴とする水処理システム。
15. 請求項１４に記載の水処理システムであって、
    前記酸化剤は、オゾン、次亜塩素塩、過酸化水素のいずれかであって、前記金属塩は、鉄イオン又は銅イオンであることを特徴とする水処理システム。
16. 請求項８、１１または１３に記載の水処理システムであって、
    前記制御部は、目標粘度を０.３ｍＰａ・ｓ以上、３．０ｍＰａ・ｓ以下の範囲で設定し、前記目標粘度と測定粘度とを比較することを特徴とする水処理システム。
17. 水溶性ポリマーを含む原水を通流する取水配管と、
    前記取水配管に接続され前記原水を撹拌する撹拌装置と、
    撹拌後の原水から固形物を分離する分離装置と、
    粘度測定部と、
    前記撹拌装置と分離装置とを接続する接続配管と、
    一端が前記取水配管に接続され、他端が前記接続配管に接続されたバイパス流路と、
    前記バイパス流路に設けられ、前記取水配管から取り込まれた原水又は前記接続配管から取り込まれた撹拌後の原水のいずれか一方を前記粘度測定部へ通流させる切替弁と、
    前記粘度測定部からの測定粘度と所定の目標粘度に基づいて、少なくとも前記撹拌装置へ投入する添加剤量及び前記撹拌装置の撹拌強度のうち何れかを制御する制御部とを備えたことを特徴とする水処理システム。

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