JP2017029893A - アンモニアストリッピング処理におけるスケール抑制方法、及びそれを用いたアンモニアストリッピング処理 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアストリッピング時おける、排水中に含まれるカルシウムイオン又はマグネシウムイオンの影響で生成するスケールを、定期的な除去作業やスケール分散剤の使用に頼らず低コストで抑制する方法の提供。【解決手段】二酸化炭素を低減したガスを用意する工程と、ガスをアンモニアストリッピング装置のアンモニア放散部に導入する工程と、排水をアンモニアストリッピング処理に適切なｐＨにしアンモニア放散部に導入する工程と、ガスを用いて導入された排水からアンモニアを放散させる工程と、処理済みの排水をアンモニア放散部から排出する工程とを含む、方法。【選択図】なし

Description

本発明は、アンモニアストリッピング処理におけるスケール抑制方法、及びそれを用いたアンモニアストリッピング処理に関するものである。

工場排水中のアンモニアを除去することを目的として、アンモニアストリッピング装置が多く採用されているが、排水中にカルシウムやマグネシウムなどを多量に含む場合には装置内部で硬質スケールが生成する。また、アンモニアを含む排水中にカルシウムやマグネシウム、炭酸イオン等が含まれていない場合でも、排水処理剤にカルシウムを含む消石灰などをアルカリ剤として用い、アンモニアストリッピングを行うと上記同様、装置内で硬質スケールが生成する。

スケールが成長すると、処理効率が低下するとともに、装置の運転が困難な状況になるため、装置を停止し、人力による内部清掃を行う必要がある。清掃時には排水処理が行えないことや清掃にかかる費用などが問題となっている。

スケールの低減方法としては、排水中にスケール分散剤を投入する方法が挙げられる（特許文献１）。しかしながら、排水量が多くなるに従い、スケール分散剤の使用量が多くなり、多額のコストが発生する。

また、特許文献２は、カルシウムイオンやマグネシウムイオンを積極的に沈殿させて、凝集沈殿処理を行って、カルシウムイオンやマグネシウムイオンを排水から除去する方法が開示されている。しかし凝集沈殿処理は、設備が大がかりとなり、既存の設備に付加しにくいという欠点がある。

特許文献３には、カルシウムイオンを含む金属の除去方法が列挙されている。例えば、イオン交換樹脂などを用いて金属イオンを吸着して除去する方法が開示されているが、イオン交換樹脂を定期的に再生する必要があり、簡便ではない。

特開２０１２−１８７４７２号公報 特開２００１−２７６８９１号公報 特開平１１−３３３４５５号公報

スケール分散剤や凝集沈殿等に頼らない、比較的低コストの新しいスケール生成抑制方法を提供する。

装置内に生成する硬質スケールは主に炭酸塩であり、これは排水中のカルシウムやマグネシウム等のアルカリ土類金属と炭酸イオンが反応して生成している。

スケールを生成する原因となる炭酸イオンは、排水に溶解している炭酸イオンと、アンモニアストリッピング時に供給する空気に含まれる二酸化炭素が装置内で排水に溶解して生成する炭酸イオンであることがわかった。排水に溶解して装置に供給されている炭酸イオンは除去することは困難であるが、使用する空気中の二酸化炭素は低減可能であると考え、新規なスケール抑制方法を発明した。

すなわち、本発明の１つは、スケール生成を抑制しながら、排水をアンモニアストリッピング処理する方法であって、二酸化炭素を低減したガスを用意する工程と、前記ガスを、アンモニアストリッピング装置のアンモニア放散部に導入する工程と、排水をアンモニアストリッピング処理に適切なｐＨにし、アンモニア放散部に導入する工程と、導入されたガスを用いて、導入された排水からアンモニアを放散させる工程と、処理済みの排水を、アンモニア放散部から排出する工程とを含む、方法である。

また、本発明の１つは、排水をアンモニアストリッピング処理するための装置であって、アンモニアストリッピング処理に使用する空気から二酸化炭素を実質的に除去する手段と、排水をアンモニアストリッピング処理に適切なｐＨに調整する手段と、二酸化炭素を除去した空気を用いて、ｐＨを調整した排水中のアンモニアを放散する手段とを含む装置である。

また、本発明の１つは、アンモニアストリッピング処理において、スケール生成を抑制する方法であって、大気中の空気を水酸化ナトリウム水溶液に接触させ、二酸化炭素を実質的に除去した空気（以下、二酸化炭素除去空気という場合がある）を、アンモニアストリッピング処理に用いる、方法である。

本発明のアンモニアストリッピング処理におけるスケール生成を抑制させる方法は、堆積するスケールの原料となる炭酸イオンの持ち込みを抑制することでスケールの低減をしようとする従来にない方法であり、スケール分散剤を用いなくても、スケール生成速度を低減することができるため、スケール除去にかかる費用を低減することができる。さらに、本発明のスケール抑制技術は、凝縮沈殿処理やイオン交換と比較しても、低費用でスケールを抑制できる。

図１は、実排水を用いた実験室レベルの実験の模式図を示す。 図２は、実施例１の実験結果をグラフ化した図である。○は二酸化炭素含有空気の結果、●は二酸化炭素除去空気の結果を示す。 図３は、火力発電所の排水の１／２０００の処理量の実験の模式図を示す。

［アンモニアストリッピング処理におけるスケールの抑制］
一般的に、アンモニアストリッピングとは、工場排水に含まれるアンモニウムイオンを除去するための方法であって、濃度の高いアンモニウムイオンを含む排水にアルカリ剤を添加し、アルカリ性にした後、スチームを供給して温度を上昇させ、空気を供給し、アンモニアの放散を促進することにより、アンモニウムイオンを気体のアンモニアに変えて系外に放出する方法である。

本発明の排水とは工場の排水、特に火力発電所などの排水を言う。本発明では、アンモニウムイオンの除去を目的としているため、本発明の排水には、アンモニウムイオンが含まれていることを想定している。

本発明では、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等のいわゆるスケールを低減させるために、炭酸塩の原料である二酸化炭素を減少させて、生成するスケールを減少させようとするものである。

排水中に溶解している二酸化炭素を低減させることは難しいが、アンモニア放散に用いるガス（例えば、空気）から二酸化炭素を低減させれば、スケールの生成量を減少させることができる。

本発明において、アンモニア放散に使用される気体は、不活性で、二酸化炭素濃度を低減したものを使用することができる。例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、二酸化炭素濃度を低減した空気などが使用できるが、低コスト化及び既存の装置に使用することができる等の利点から、二酸化炭素濃度を低減させた空気を用いることが好ましい。

空気に含まれる二酸化炭素を低減させる方法は、特に限定されない。例えば、（ｉ）アルカリ溶液に空気を接触させる方法、（ｉｉ）圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）、（ｉｉｉ）ソーダライムを用いる方法などが挙げられるが、除去率や簡便性の観点で（ｉ）アルカリ溶液に空気を接触させる方法が好ましいが、この方法に限定されるものではない。

使用するアルカリ溶液は、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などが挙げられ、濃度は、５重量％〜５０重量％、好ましくは１０重量％〜３０重量％である。

空気を水酸化ナトリウム水溶液に接触させる方法としては、水酸化ナトリウム水溶液を空気の気流部にスプレーする、または水酸化ナトリウム水溶液に空気をバブリングするなどの気液接触による方法が一般的である。

空気を水酸化ナトリウム水溶液にバブリングした後は、デミスターを通過させ、空気中に含んでいる液体の微粒子を除去してから使用することが好ましい。

使用する空気は、実質的に二酸化炭素を除去したものが好ましい。実質的に二酸化炭素を除去した場合の空気中の二酸化炭素濃度は、好ましくは１０ｐｐｍ以下、より好ましくは１ｐｐｍ以下である。したがって、二酸化炭素が所定の濃度になるように、二酸化炭素を除去する手段を適切に選択する。

二酸化炭素除去空気は、アンモニアストリッピング装置のアンモニア放散部に導入される。アンモニア放散部において、排水中のアンモニアを気化させて、系外に排出させる。アンモニアストリッピングは、６０〜９０℃程度の温度で行う。

アンモニアストリッピングする対象である排水、特に工場排水は、水酸化ナトリウム水溶液などを使用して、ｐＨを上げてから行う。アンモニアストリッピング処理をする場合、排水のｐＨは、通常９から１２、好ましくは１０〜１１程度で行う。

排水のｐＨを上げるために用いられる水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、５重量％〜５０重量％、好ましくは１０重量％〜３０重量％である。したがって、上述した二酸化炭素除去に使用する水酸化ナトリウム水溶液としても使用することができる。すなわち、アンモニアストリッピングのｐＨ調整ための水酸化ナトリウム水溶液を貯蔵するタンクから、水酸化ナトリウム水溶液を分取して、二酸化炭素除去のために使用することもできる。このようにすることにより、既存の設備を利用することができ、コンパクト化を図ることができる。

さらに、排水の中に炭酸イオンが実質的に含まれていない場合は、消石灰を排水中に投入し、ｐＨを上げることもできる。消石灰は、消石灰に水を含ませ、スラリー状などにしてから投入する。消石灰は、水酸化ナトリウムを使用するよりも低価格である。また、消石灰の使用は、排水中に炭酸イオンが含まれていない場合のみ使用するため、投入によりスケールが発生することもない。消石灰を使用する場合も、排水のｐＨは、通常９から１２、好ましくは１０〜１１程度にする。

所定のｐＨにした排水は、送液ポンプなどを利用して、アンモニアストリッピング装置のアンモニア放散部に導入される。排水（液体）の体積流量（室温）と、二酸化炭素除去空気の体積流量（室温）との比は、１：１０〜１：１０００であり、好ましくは１：２０〜１：５００である。

アンモニア放散部では、６０〜９０℃の加熱下で、導入された二酸化炭素除去空気等のガスを用いて、排水中のアンモニウムイオンを気化する。気化されたアンモニアは、水に再溶解させアンモニア水として再利用したり、ボイラー排ガスの処理剤として活用できる。また、そのまま大気中に放出されるか、もしくは、触媒により分解され、無害の窒素等とした後、大気に放出することもできる。

二酸化炭素除去空気を用いても、アンモニア除去率が変わらず、アンモニアストリッピング装置内、特にアンモニア放散部内の炭酸カルシウム等のスケール量が大幅に削減できる。

以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
実排水を用いた実験室レベルの実験による結果
（１）試験方法
ステンレス製の模擬配管にｐＨおよび温度を調整した排水を通し、これに、空気および二酸化炭素除去空気を曝気させて、模擬配管内に生成するスケール量を測定した。

（２）試験装置
この試験に使用した装置を図１に示す。実排水を含むタンク５からの排水（２０Ｌ）は、循環ポンプ２Ｂで循環攪拌され、ｐＨを連続測定しながら、２５％水酸化ナトリウム溶液を容器３から定量ポンプ２Ａで自動注入し、ｐＨを表１に示す所定の値に制御した。ｐＨを調整した排水の一部を定量ポンプ２Ｃ、２ＤでＳＵＳ製の模擬配管６Ａ，６Ｂに送水した。通水流量は各々１３．９ ｍｌ/ｍｉｎ（２０ Ｌ/ｄａｙ）とした。ＳＵＳ製の模擬配管６Ａ，６Ｂは、制御された恒温水槽７内に設置され、８０℃の温度条件を維持するようにした。模擬配管６Ａへの空気は室内空気（二酸化炭素を含む）を供給し、模擬配管６Ｂへ供給する二酸化炭素除去空気は室内空気を２５% ＮａＯＨ溶液バブリング容器８に供給し、二酸化炭素の除去を行った後、供給した。実験は２４時間継続して行った。カルシウムの付着速度の測定結果を表１に示す。また、ＣＯ_２量の有無やｐＨへの依存性について、図２においてグラフで表す。

表１より、適切なｐＨに排水を調整し、二酸化炭素除去空気を用いた場合は、カルシウム（Ｃａ）の付着量速度が低減することがわかった。

また、図２からも、黒丸（●）で示す二酸化炭素除去空気は、白丸（〇）で示す二酸化炭素含有空気よりも、カルシウム付着速度は小さいことがわかった。また、ｐＨ９以下では、カルシウム付着速度は小さいが、アンモニア除去率も小さく、アンモニアの除去がほとんど起こっていないので、この様な条件での運用は考えられない。

［実施例２］
火力発電所の排水の１／２,０００の処理量での実験結果
（１） 試験方法
ステンレス製の模擬配管にｐＨおよび温度を調整した排水にて連続通水を行い、これに、空気および二酸化炭素除去空気を曝気させて、模擬配管内に生成するスケール量を測定した。また、アンモニア濃度を測定することにより、アンモニア除去率も測定した。

（２）試験装置および試験条件
この連続通水試験に使用した装置を図３に示す。実機排水貯槽Ｓ５中にある排水のｐＨは約７、カルシウム濃度は４５０−６００ｐｐｍであり、実機排水貯槽Ｓ５より供給し、排水のｐＨをｐＨ調整槽Ｓ６で連続測定しながら、貯槽Ｓ３から２５％水酸化ナトリウム溶液Ｓ４をｐＨ調整槽Ｓ６に自動注入し、ｐＨを所定の値（ｐＨ＝１０〜１１）に制御した。ｐＨを調整した排水の一部を定量ポンプＳ２Ｂでアンモニア放散部のＳＵＳ製の模擬配管に送水した。模擬配管の下部には、取り外し可能な付着部Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂを設け、この部分に付着したスケール量を測定した。Ｓ１０Ａに付着したスケールは、二酸化炭素除去空気を用いた場合のものであり、Ｓ１０Ｂに付着したスケールは、二酸化炭素を除去しない大気中の空気を用いた場合のものである。なお、二酸化炭素除去空気は、ブロアＳ２Ｃを用いて大気Ａから得られた空気を用いて、二酸化炭素除去部Ｓ８のスプレー装置により、２５％ＮａＯＨ水溶液Ｓ４をスプレーして、二酸化炭素を除去することにより得た。二酸化炭素濃度は、二酸化炭素濃度計Ｓ９で測定した。

排水の通水流量は各々１．０Ｌ/ｈｒ（１６．７ｍｌ／ｍｉｎ）とした。ＳＵＳ製の模擬配管を含むアンモニア放散部は、加熱器Ｓ７で８０℃を維持するようにした。アンモニア放散部への空気は大気ガスＡを供給し、二酸化炭素除去空気は大気ガスＡを２５％ＮａＯＨ溶液を用いた二酸化炭素除去部の処理容器に供給し二酸化炭素の除去を行った後、アンモニア放散部に供給した（空気流量はいずれも３００Ｌ／ｈｒ（５．０Ｌ／ｍｉｎ）。

（３）試験結果
試験結果を表２、３に示した。アンモニアストリッピング前の実機排水に含まれるＮＨ_４ ^＋濃度は１,５６０ ｍｇ／Ｌであったが、アンモニアストリッピング後は空気供給側で４４０ ｍｇ／Ｌ、二酸化炭素除去空気供給側で３２０ ｍｇ／Ｌとなり、ｐＨが１０−１１、反応温度が８０℃付近で７割以上のアンモニアの除去ができることを確認した（表２参照）。アンモニア放散部の底部（図３における付着部Ｓ１０Ａ，Ｓ１０Ｂ）に付着したスケール量は、空気供給側では４９ ｍｇ／ｈ、二酸化炭素除去空気供給側では１７ ｍｇ／ｈとなり、空気中の二酸化炭素を除去することによってアンモニアストリッピング時のスケール生成を約１／３に抑制できることが確認できた。実施例１と同様、アンモニアストリッピング装置の曝気用空気から二酸化炭素を除去することにより、装置内部のスケーリング障害を１／３程度に軽減できることを示唆している。

図１について
１・・・実排水を用いた小規模実験装置、２・・・各種ポンプ、３・・・２５％ＮａＯＨ水溶液容器、４・・・ｐＨ計、５・・・実排水を含むタンク、６Ａ，６Ｂ・・・ＳＵＳ製模擬配管、７・・・恒温水槽、８・・・２５％ＮａＯＨ水溶液バブリング容器、９・・・ｐＨ制御器

図３について
Ｓ１・・・実排水を用いた中規模実験装置、Ｓ２・・・各種ポンプ、Ｓ２Ｂ・・・定量ポンプ、Ｓ２Ｃ・・・ブロア、Ｓ３・・・２５％ＮａＯＨ水溶液貯槽、Ｓ４・・・２５％ＮａＯＨ水溶液、Ｓ５・・・実機排水貯槽、Ｓ６・・・ｐＨ調整槽、Ｓ７・・・加熱器、Ｓ８・・・二酸化炭素除去部（２５％ＮａＯＨ水溶液スプレー装置）、Ｓ９・・・ＣＯ_２濃度計、Ｓ１０Ａ，Ｓ１０Ｂ・・・付着部（付着量測定場所）、Ｓ１１Ａ，Ｓ１１Ｂ・・・処理済水、Ｓ１２Ａ，Ｓ１２Ｂ・・・ＮＨ_３排出（大気放出）、Ｓ１３・・・ｐＨ調節計、Ｓ１４・・・流量計

Claims (7)

1. スケール生成を抑制しながら、排水をアンモニアストリッピング処理する方法であって、
   二酸化炭素濃度を低減したガスを用意する工程と、
   前記ガスを、アンモニアストリッピング装置のアンモニア放散部に導入する工程と、
   排水をアンモニアストリッピング処理に適切なｐＨにし、アンモニア放散部に導入する工程と、
   導入されたガスを用いて、導入された排水からアンモニアを放散させる工程と、
   処理済みの排水を、アンモニア放散部から排出する工程とを含む、方法。
2. 前記ガスは、二酸化炭素を実質的に除去した空気である、請求項１に記載の方法。
3. 二酸化炭素濃度を実質的に除去した空気は、大気中の空気を水酸化ナトリウム水溶液に接触させ、二酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減させることによって得られる、請求項２に記載の方法。
4. 二酸化炭素を実質的に除去するために用いられる水酸化ナトリウム水溶液と同じ濃度の水酸化ナトリウム水溶液が、前記排水を適切なｐＨにするために用いられる、請求項３に記載の方法。
5. 前記排水が炭酸イオンを含まない場合に、前記排水を適切なｐＨにするために消石灰を用いる、請求項３に記載の方法。
6. 排水をアンモニアストリッピング処理するための装置であって、
   アンモニアストリッピング処理に使用する空気から二酸化炭素を実質的に除去する手段と、
   排水をアンモニアストリッピング処理に適切なｐＨに調整する手段と、
   二酸化炭素を実質的に除去した空気を用いて、ｐＨを調整した排水中のアンモニアを放散する手段とを含む装置。
7. アンモニアストリッピング処理において、スケール生成を抑制する方法であって、大気中の空気を水酸化ナトリウム水溶液に接触させることにより、二酸化炭素を実質的に除去した空気を、アンモニアストリッピング処理に用いる、方法。