JP2021000597A

JP2021000597A - 水処理装置及び水処理方法

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Publication number: JP2021000597A
Application number: JP2019114840A
Authority: JP
Inventors: 鳥羽　裕一郎; Yuichiro Toba; 裕一郎鳥羽; 祐司島村; Yuji Shimamura
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: JP7312032B2

Abstract

【課題】除去対象物質及び酸化マグネシウム粉末の流出の少ない処理水を得ることが可能な水処理装置を提供する。【解決手段】水処理装置１は、除去対象物質を含む被処理水と酸化マグネシウム粉末とを混合し、前記除去対象物質を前記酸化マグネシウム粉末に吸着させる反応槽１６と、反応槽１６で得られた除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液に有機高分子凝集剤を添加する凝集剤添加装置２４と、前記有機高分子凝集剤が添加された、前記除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液を汚泥と処理水とに分離する沈殿装置２６と、沈殿装置２６で分離した前記汚泥の少なくとも一部を前記反応槽に返送する汚泥配管（２８ａ、２８ｃ）と、反応槽１６内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、汚泥配管（２８ａ、２８ｃ）によって反応槽１６に返送される前記汚泥の返送量を制御する制御装置３４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、酸化マグネシウム粉末を用いて、除去対象物質を含有する被処理水を処理する水処理装置及び水処理方法に関する。

各種産業で排出されるホウ素、フッ素、セレン、シリカ、重金属、懸濁物質等の物質を高い濃度で含む排水は、それらの物質を排水基準以下まで処理して放流する必要がある。例えば、石炭を燃焼して発電等を行う発電設備では、排ガスを浄化するための脱硫設備が設置され、例えば、アルカリ剤を溶解させた水により、排ガス中の硫黄分や集塵機で除去されなかった煤塵等を除去している。硫黄分や煤塵等を吸収した水は適宜、脱硫設備から脱硫排水として排出され、排水基準以下にまで処理されて海洋等に放流される。

この脱硫排水には、通常、石炭等に含まれるホウ素、フッ素、シリカ、重金属（鉄、鉛、銅、クロム、カドミウム、水銀、亜鉛、ヒ素、マンガン、ニッケル等）等が含有される。中でもホウ素は、ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）等として高い濃度で含有されることがあり、２００〜５００ｍｇ−Ｂ／Ｌ程度存在することもある。

これらの物質を対象とした水処理では、水酸化マグネシウムを１４００℃以下の温度で焼成して得た酸化マグネシウムを、除去対象物質を含む被処理水に添加する処理方法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。酸化マグネシウムはホウ酸、フッ素イオン、シリカ等を同時に除去することができ、且つ固液分離性が良いという利点がある。

また、特許文献３には、フッ素イオン１０〜５０ｍｇ／Ｌ、ホウ素１００ｍｇ／Ｌ未満といった低濃度の除去対象物質を含む被処理水にポリ塩化アルミニウム塩等の可溶性金属化合物を添加し、その後に酸化マグネシウム等の難溶性金属化合物を添加し、ホウ酸等を不溶化させ固液分離し、分離した固形分を被処理水に返送する方法が提案されている。

ところで、高濃度の除去対象物質を含む被処理水に対し、酸化マグネシウムを用いて処理する場合、酸化マグネシウムに除去対象物質を効果的に吸着させることができる点で、酸化マグネシウムを粉末の状態で直接被処理水に添加することが好ましい。例えば、ホウ酸又はホウ酸イオンをホウ素濃度で１００ｍｇ／Ｌ以上含む被処理水の場合、その被処理水からホウ酸又はホウ酸イオンを目的とする濃度まで除去するには、酸化マグネシウム粉末を１ｇ／Ｌ以上で添加することが好ましい。

しかし、酸化マグネシウム粉末の添加量が多いと汚泥発生量が多くなり、酸化マグネシウム粉末のコストも高くなる傾向にあるため、除去対象物質に対する酸化マグネシウム粉末の吸着能力ができるだけ有効に使われる条件で反応させる必要がある。例えば、酸化マグネシウム粉末は除去対象物質を比較的緩やかな速度で吸着するため、反応時間は、少なくとも１時間以上とすることが好ましく、２時間以上とすることがより好ましい。

一方、上記反応時間を確保することができる容量の反応槽を設けるとなると、反応槽を含め大型の装置が必要となることから、これを改善する技術として、反応後、固液分離した酸化マグネシウム粉末を含む汚泥の全部または一部を、反応槽に返送し、被処理水と混合する技術が提案されている（例えば、特許文献３）。これにより、小型の反応槽でも、除去対象物質に酸化マグネシウム粉末が接触する時間が長くなり、酸化マグネシウム粉末の吸着能力が有効に使われる。

特開２００１−３０８７２号公報特許第４３３６１４８号公報特許第５９４３１７６号公報

しかし、固液分離した酸化マグネシウム粉末を含む汚泥を反応槽に返送し続けると、固液分離により得られた処理水に酸化マグネシウム粉末が多く流出してしまうという問題がある。特に、除去対象物質が高濃度に含有された被処理水を対象とする場合には、処理水への酸化マグネシウム粉末の流出が顕著となる。一方、固液分離した酸化マグネシウム粉末を含む汚泥を反応槽にほとんど返送しないと、反応槽における酸化マグネシウム粉末の固形物滞留時間が短くなり、除去対象物質が酸化マグネシウム粉末に十分に吸着されず、固液分離により得られた処理水に除去対象物質が多く流出してしまうという問題がある。特に、被処理水に懸濁物質を含む場合、固形物滞留時間は更に短くなり、処理水への除去対象物質の流出が顕著となる。

そこで、本発明の目的は、除去対象物質を含む被処理水に対し酸化マグネシウム粉末を添加する処理において、除去対象物質及び酸化マグネシウム粉末の流出の少ない処理水を得ることが可能な水処理装置及び水処理方法を提供することにある。

本発明の水処理装置は、撹拌機を備え、前記撹拌機により、除去対象物質を含む被処理水と酸化マグネシウム粉末とを混合し、前記除去対象物質を前記酸化マグネシウム粉末に吸着させる反応槽と、前記反応槽で得られた除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液に有機高分子凝集剤を添加する凝集剤添加手段と、前記有機高分子凝集剤が添加された、前記除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液を汚泥と処理水とに分離する固液分離手段と、前記固液分離手段で分離した前記汚泥の少なくとも一部を前記反応槽に返送する汚泥返送手段と、前記固液分離手段で分離した前記汚泥の少なくとも一部を系外へ排出する汚泥排出手段と、前記反応槽内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、前記汚泥返送手段によって前記反応槽に返送される前記汚泥の返送量を制御する制御部と、を有する。

また、前記水処理装置において、前記酸化マグネシウム粉末は、細孔表面積が８０ｍ^２／ｇであり、前記反応槽に添加される前記酸化マグネシウム粉末の添加量は、１ｇ／Ｌ以上であることが好ましい。

また、前記水処理装置において、前記除去対象物質は、ホウ素イオン、フッ素イオン、溶存シリカのうちの少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。

また、本発明の水処理方法は、除去対象物質を含む被処理水と酸化マグネシウム粉末とを混合し、前記除去対象物質を前記酸化マグネシウム粉末に吸着させる反応工程と、前記反応工程で得られた除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液に有機高分子凝集剤を添加する凝集剤添加工程と、前記有機高分子凝集剤が添加された、前記除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液を汚泥と処理水とに分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離した前記汚泥の少なくとも一部を前記反応工程に返送する汚泥返送工程と、前記固液分離工程で分離した前記汚泥の少なくとも一部を系外へ排出する汚泥排出工程と、を有し、前記汚泥返送工程では、前記反応工程の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、前記反応工程に返送される前記汚泥の返送量を制御する。

また、前記水処理方法において、前記酸化マグネシウム粉末は、細孔表面積が８０ｍ^２／ｇであり、前記反応工程に添加される前記酸化マグネシウム粉末の添加量は、１ｇ／Ｌ以上であることが好ましい。

また、前記水処理方法において、前記除去対象物質は、ホウ素イオン、フッ素イオン、溶存シリカのうちの少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。

本発明によれば、除去対象物質を含む被処理水に対し酸化マグネシウム粉末を添加する処理において、除去対象物質及び酸化マグネシウム粉末の流出の少ない処理水を得ることが可能な水処理装置及び水処理方法を提供することができる。

本実施形態に係る水処理装置の構成の一例を示す模式図である。本実施形態に係る水処理装置の構成の他の一例を示す模式図である。本実施形態に係る水処理装置の構成の他の一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本実施形態の水処理装置において処理される被処理水は、酸化マグネシウム粉末に吸着される除去対象物質を含む水であればよい。除去対象物質としては、例えば、ホウ酸、ホウ酸イオン、フッ化物イオン、溶存シリカ等が挙げられる。本実施形態の水処理装置は、特に、ホウ酸またはホウ酸イオン濃度が高く、ホウ素濃度換算で２００ｍｇ/Ｌ以上含有する水に有効である。

被処理水としては、例えば、石炭火力発電の脱硫排水やめっき排水、ガラス製造排水などが挙げられる。なお、本実施形態で用いられる酸化マグネシウム粉末は、水中の懸濁物質も凝集させることができるため、被処理水には、除去対象物質以外の懸濁物質を含んでもよい。ただし、懸濁物質濃度は特に限定されないが、例えば、１０００ｍｇ/Ｌ以下が好ましい。

また、被処理水の水温としては、特に限定されるものではなく、例えば、２０℃程度の常温でも良いが、好ましくは３０℃〜５０℃である。被処理水の水温が３０℃〜５０℃の範囲であると、酸化マグネシウム粉末への除去対象物質の吸着速度が高くなり、反応工程時間が短縮できたり、良好な処理水質が得られたりする場合がある。

図１は、本実施形態に係る水処理装置の構成の一例を示す模式図である。図１に示す水処理装置１は、被処理水配管１０、給粉装置１２、撹拌機１４を備える反応槽１６、移送配管１８ａ、撹拌機２０を備える混合槽２２、凝集剤添加装置２４、移送配管１８ｂ、沈殿装置２６、汚泥配管２８ａ，２８ｂ，２８ｃ、バルブ３０ａ，３０ｂ、汚泥ポンプ３２、制御装置３４を備える。

給粉装置１２は、酸化マグネシウム粉末を供給する給粉手段として機能する。給粉装置１２は、貯槽３５、粉体定量器３６、粉体供給配管３８を含む。給粉装置１２は、例えば、反応槽１６の上に設置される。粉体供給配管３８の一端は粉体定量器３６を介して貯槽３５に接続され、他端は反応槽１６に接続される。図１に示す給粉装置１２は一例であって、これに限定されない。

貯槽３５には、酸化マグネシウム粉末が貯留されている。酸化マグネシウム粉末は、細孔表面積が８０ｍ^２/ｇ以上であることが好ましく、さらに、粒径が１〜５μｍの範囲であることがより好ましい。貯槽３５の容量は、例えば、好ましくは酸化マグネシウム粉末必要量の１日分以上、より好ましくは７日分以上を貯留できる容量である。

粉体定量器３６は、酸化マグネシウム粉末を定量し、安定的な供給ができるものであればよく、例えば、升に充填された酸化マグネシウム粉末をすり切って容積計量を行い、スクレーパーで、粉体供給配管３８まで運ぶ型式等を用いるのが良い。

酸化マグネシウム粉末は、重力で粉体供給配管３８を落下し、反応槽１６に添加される。粉体供給配管３８には、乾燥空気を供給する空気供給装置（例えばブロア等）が接続されることが望ましい。粉体供給配管３８を酸化マグネシウム粉末が落下する際に、空気供給装置から粉体供給配管３８に乾燥空気を供給することにより、例えば、粉体供給配管３８における酸化マグネシウム粉末の落下を補助することや吸湿防止を図ることができる。

酸化マグネシウム粉末の添加量としては、除去対象物質の種類、濃度、水温、要求処理水質等によって適宜設定されるものであるが、例えば、１ｇ／Ｌ以上であることが好ましく、１ｇ／Ｌ〜６ｇ／Ｌの範囲がより好ましい。酸化マグネシウム粉末の添加量は、あらかじめ、ビーカテスト等で決定するのが良い。

反応槽１６は撹拌機１４を備えている。反応槽１６には、被処理水配管１０から除去対象物質を含む被処理水が供給される。また、反応槽１６には、給粉装置１２から酸化マグネシウム粉末が供給される。この際、反応槽１６には、後述する沈殿装置２６から排出された汚泥が供給される。そして、反応槽１６では、撹拌機１４により、除去対象物質を含む被処理水、酸化マグネシウム粉末等が混合され、除去対象物質（例えば、ホウ酸またはホウ酸イオン等）が、酸化マグネシウム粉末へ吸着される。そして、反応槽１６内では、除去対象物質が酸化マグネシウム粉末に吸着した除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末を含む溶液（以下、第１処理液と称する場合がる）が得られる。

反応槽１６の容量は、例えば、水滞留時間で０．５〜５時間程度の容量であることが好ましく、１時間〜３時間程度の容量であることがより好ましい。反応槽１６の容量が小さいと、ホウ酸またはホウ酸イオン等の除去対象物質が酸化マグネシウム粉末に十分に吸着せず、最終的に得られる処理水に多くの除去対象物質が残留したり、酸化マグネシウム粉末を被処理水に多量に添加することが必要になったりする場合がある。一方、除去対象物質と酸化マグネシウム粉末との吸着反応は、５時間を超えると、それ以上あまり促進されなくなることから、水滞留時間で５時間以下の容量とすることが好ましい。

反応槽１６には固形物濃度計４０が設置されている。固形物濃度計４０は、反応槽１６における固形物濃度を迅速に測定できるものがよく、例えば、即時測定が可能な点で、超音波式濃度計等が望ましい。なお、超音波式濃度計の場合、センサー部が反応槽１６内の液中に浸漬される。

移送配管１８ａは、その一端が反応槽１６に接続され、他端が混合槽２２に接続されており、反応槽１６で得られた第１処理液を混合槽２２に移送するための移送手段として機能する。なお、図での説明は省略するが、移送手段は、反応槽１６に隣接して配置され、反応槽１６内の第１処理液が越流するように構成された越流槽を備え、その越流槽に移送配管１８ａの一端を接続してもよい。このような越流槽を設けることで、越流槽を設けない場合と比較して、反応槽１６における水位変動を抑えて、安定した混合が可能となる。

凝集剤添加装置２４は、例えば、有機高分子凝集剤が収容されるタンク、吐出ポンプ、配管等から構成され、混合槽２２内の第１処理液に有機高分子凝集剤を添加する装置である。有機高分子凝集剤としては、アニオン性でも、カチオン性でも良く、例えば、アクリルアミドとアクリル酸の共重合物、アクリルアミド・ジアルキルアミノエチルアクリレート共重合物等が挙げられる。有機高分子凝集剤は、１種単独でも、２種以上を組み合わせてもよい。有機高分子凝集剤はあらかじめ清澄な水等で０．１ｇ/Ｌ〜３ｇ/Ｌ程度に溶解された液体として用いられることが望ましい。

混合槽２２は撹拌機２０を備えている。混合槽２２では、撹拌機２０により、第１処理液と有機高分子凝集剤とが混合される。有機高分子凝集剤の凝集作用により、第１処理液中の除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末（懸濁物質も含む）が凝集して、フロック化するため、その後の沈殿装置２６による固液分離が容易となる。混合槽２２の容量としては、例えば、水滞留時間で１〜１０分程度で良い。

移送配管１８ｂは、その一端が混合槽２２に接続され、他端が沈殿装置２６に接続されており、混合槽２２内の高分子凝集剤が添加された第１処理液を沈殿装置２６に移送するための移送手段として機能する。

沈殿装置２６は、高分子凝集剤が添加された第１処理液を汚泥と処理水とに固液分離する固液分離手段として機能する。固液分離により得られる処理水（以下、第２処理水と称する場合がある）には、除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末や未反応の酸化マグネシウム粉末、懸濁物質等が除去された清澄な水であり、汚泥には、除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末、未反応の酸化マグネシウム粉末、懸濁物質等が含まれる。

図１に示す沈殿装置２６は、沈殿槽４２と、沈殿槽４２底部に設けられたスクレーパー４４とを有する。スクレーパー４４は、モータ４６に接続された支持部材４８に固定され、モータ４６によって支持部材４８が回転することにより、スクレーパー４４が回転する。スクレーパー４４の回転によって、沈殿槽４２の底部に堆積した汚泥が、沈殿槽４２内の底部中央に掻き寄せられる。

図１に示す水処理装置１では、汚泥配管２８ａ，２８ｂが、固液分離手段で分離した汚泥の少なくとも一部を系外に排出する汚泥排出手段として機能する。また、図１に示す水処理装置１では、汚泥配管２８ａ，２８ｃが、固液分離手段で分離した汚泥の少なくとも一部を反応槽１６に返送する汚泥返送手段として機能する。汚泥配管２８ａには汚泥ポンプ３２が設置され、必要に応じて流量計ＦＩが設置される。汚泥配管２８ａの一端は沈殿槽４２に接続され、他端は、汚泥配管２８ｂの一端及び汚泥配管２８ｃの一端に接続されている。汚泥配管２８ｂには、バルブ３０ａが設けられ、汚泥配管２８ｂの他端は系外に開放されている。また、汚泥配管２８ｃには、バルブ３０ｂが設けられ、汚泥配管２８ｃの他端は反応槽１６に接続されている。したがって、沈殿槽４２に堆積した汚泥は、汚泥配管２８ａ，２８ｂを通り、系外へ排出されたり、汚泥配管２８ａ，２８ｃを通り、反応槽１６に返送されたりする。

制御装置３４は、反応槽１６に設置された固形物濃度計４０、バルブ３０ａ，３０ｂと電気的に接続されている。制御装置３４は、固形物濃度計４０により計測された固形物濃度が入力される。制御装置３４は、バルブ３０ａ，３０ｂの開閉を制御する。特に、制御装置３４は、固形物濃度計４０から入力された固形物濃度に基づいて、反応槽１６内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、汚泥配管２８ａ，２８ｃを通り反応槽１６に返送される汚泥の返送量を制御する。汚泥返送量の制御の具体例については、後述するが、制御装置３４は、例えば、バルブ３０ｂの開・閉時間を制御することで、反応槽１６に返送される汚泥の返送量を制御する。なお、制御装置３４は、汚泥ポンプ３２と電気的に接続され、汚泥ポンプ３２の起動・停止、起動時の出力等を制御することで、反応槽１６に返送される汚泥の返送量を制御してもよい。

図１に示す水処理装置１の全体動作の一例を説明する。

被処理水配管１０から除去対象物質を含む被処理水が反応槽１６に供給される。また、給粉装置１２から酸化マグネシウム粉末が反応槽１６に供給される。反応槽１６内では、撹拌機１４により、被処理水と酸化マグネシウム粉末とが混合され、酸化マグネシウム粉末に除去対象物質が吸着される（反応工程）。

反応槽１６内の第１処理液（除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末を含む溶液）は移送配管１８ａを通り、混合槽２２に移送される。また、凝集剤添加装置２４から有機高分子凝集剤が混合槽２２内の第１処理液に添加される（凝集剤添加工程）。混合槽２２内では、有機高分子凝集剤と第１処理液とが混合され、除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末等が凝集して、フロック化する。

有機高分子凝集剤が添加された第１処理液は、移送配管１８ｂを通り、沈殿槽４２に移送される。沈殿槽４２内では、有機高分子凝集剤が添加された第１処理液が汚泥と第２処理水とに分離される（固液分離工程）。第２処理水は、沈殿槽４２の上部から処理水排出管５０を通り、系外へ排出される。

沈殿槽４２内の汚泥の一部は、汚泥ポンプ３２を稼働させ、バルブ３０ａ，３０ｂを開くことにより、汚泥配管２８ａ，２８ｂを通り系外へ排出されたり（汚泥排出工程）、汚泥配管２８ａ，２８ｃを通り、反応槽１６に返送されたりする（汚泥返送工程）。反応槽１６への汚泥返送により、反応槽１６内では、給粉装置１２から供給された酸化マグネシウム粉末に除去対象物質が吸着するだけでなく、返送された汚泥に含まれる未反応の酸化マグネシウム粉末や除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末にも除去対象物質が吸着される。

ここで、制御装置３４は、反応槽１６内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、バルブ３０ｂの開閉を制御して、汚泥配管２８ａ，２８ｃを通る汚泥の返送量を制御する。以下に、汚泥返送量の制御例を説明する。

制御装置３４には、バルブ３０ｂの基準開時間及び基準閉時間が記憶されている。さらに、制御装置３４には、基準開時間に対して段階的に時間を長くした第１開時間及び第２開時間（基準開時間＜第１開時間＜第２開時間）を記憶させ、段階的に時間を短くした第３開時間及び第４開時間（第４開時間＜第３開時間＜基準開時間）を記憶させる。また、制御装置３４には、基準閉時間に対して段階的に時間を長くした第１閉時間及び第２閉時間（基準閉時間＜第１閉時間＜第２閉時間）を記憶させ、段階的に時間を短くした第３閉時間及び第４閉時間（第４閉時間＜第３閉時間＜基準閉時間）を記憶させる。

反応槽１６内の固形物濃度が、２５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲になるよう調整する場合を例にすると、まず、制御装置３４は、基準開時間の間バルブ３０ｂを開放させ、基準開時間に達したら、基準閉時間の間バルブ３０ｂを閉じさせる。これを繰り返している間に、固形物濃度計４０により検出された固形物濃度が２６ｇ／Ｌを下回ったら、制御装置３４は、第１バルブ３０ｂが閉じている時間を基準閉時間より短い第１閉時間に変更し（或いは第１バルブ３０ｂが開放している時間を基準開時間より長い第１開時間に変更し）、変更した時間に基づいてバルブ３０ｂを開閉させる。これにより、反応槽１６に返送する汚泥返送量は増加する。更に固形物濃度計により検出された固形物濃度が２５ｇ/Ｌを下回ったら、第１バルブ３０ｂが閉じている時間を第１閉時間より短い第２閉時間に変更し（或いは第１バルブ３０ｂが開放している時間を第１開時間より長い第２開時間に変更し）、変更した時間に基づいてバルブ３０ｂを開閉させる。これにより、反応槽１６に返送する汚泥返送量は更に増加する。逆に、固形物濃度計４０により検出された固形物濃度が２９ｇ/Ｌを上回ったら、バルブ３０ｂが閉じている時間を基準閉時間より長い第３閉時間に変更し（或いはバルブ３０ｂが開放している時間を基準開時間より短い第３開時間に変更し）、変更した時間に基づいてバルブ３０ｂを開閉させる。これにより、反応槽１６に返送する汚泥返送量が減少する。更に固形物濃度計４０により検出された固形物濃度が、３０ｇ/Ｌを上回ったら、バルブ３０ｂが閉じている時間を第３閉時間より長い第４閉時間に変更し（或いはバルブ３０ｂが開放している時間を第３開時間より短い第４開時間に変更し）、変更した時間に基づいてバルブ３０ｂを開閉させる。これにより、反応槽１６に返送する汚泥返送量はさらに増加する。

このようにして、制御装置３４は、反応槽１６への汚泥返送量を増減させて、反応槽１６内の固形物濃度を目的とする固形物濃度の範囲に制御する。上記制御例は一例であって、これに限定されるものではなく、反応槽１６に返送される汚泥返送量を制御して、反応槽１６内の固形物濃度を５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲に制御すればよい。なお、バルブ３０ａ，３０ｂは、例えば、タイマーで自動開閉できる自動バルブ等であり、制御装置３４は、設定した開時間及び閉時間をバルブ３０ａ，３０ｂに送信し、バルブ３０ａ、３０ｂは、その時間の間、自動で開閉する。

固液分離した汚泥には、酸化マグネシウム粉末が含まれているため、固液分離した汚泥を反応槽１６に返送して、反応槽１６内の固形物濃度を高くするほど、酸化マグネシウム粉末を含む固形物の装置内での滞留時間が長くなり、除去対象物質と酸化マグネシウム粉末との接触率が増え、酸化マグネシウム粉末の吸着能力が効率的に使われる。その結果、処理水への除去対象物質の流出が抑えられる。しかし、固液分離した汚泥を反応槽１６に返送し続けて、反応槽１６内の固形物濃度を高くし過ぎると、酸化マグネシウム粉末等の固形分が増え過ぎて、固液分離により得られる処理水への酸化マグネシウム粉末等の固形分の流出が多くなる。なお、反応槽１６内の固形物濃度が高くなり過ぎると、有機高分子凝集剤を添加しても、酸化マグネシウム粉末等を十分にフロック化できず、固液分離により得られる処理水への酸化マグネシウム粉末等の固形分の流出を効果的に抑制できない。そして、除去対象物質や酸化マグネシウム粉末の流出の少ない処理水を得るには、本実施形態のように、反応槽１６に返送する汚泥の返送量を制御して、反応槽１６内の固形物濃度を５ｇ／Ｌ〜３０ｇ/Ｌの範囲とする必要がある。反応槽１６内の固形物濃度は、１０ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲とすることが好ましい。また、酸化マグネシウム粉末の添加量が、１ｇ／Ｌ〜６ｇ／Ｌの場合には、反応槽１６内の固形物濃度は、２０ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲とすることが好ましい。

図２は、本実施形態に係る水処理装置の構成の他の一例を示す模式図である。図２に示す水処理装置２において、図１に示す水処理装置１と同様の構成については同一の符号を付している。図２に示す水処理装置２は、撹拌機１４ａを備える第１反応槽１６ａと、撹拌機１４ｂを備える第２反応槽１６ｂと、を有する。また、汚泥配管２８ｃは分岐して、第１反応槽１６ａ及び第２反応槽１６ｂそれぞれに接続されている。また、図２に示す水処理装置２では、凝集剤添加装置２４から供給される有機高分子凝集剤が、第２反応槽１６ｂと沈殿装置２６とを接続する移送配管１８ｂを通る第１処理液（除去対象物質吸着酸化マグネシウム粉末を含む溶液）に添加される。

第１反応槽１６ａには、被処理水配管１０から除去対象物質を含む被処理水が供給され、給粉装置１２から酸化マグネシウム粉末が供給される。また、沈殿装置２６から排出される汚泥が汚泥配管２８ａ，２８ｃを通って返送される。そして、第１反応槽１６ａでは、被処理水、酸化マグネシウム粉末（及び汚泥）が撹拌機１４ａにより混合される。したがって、第１反応槽１６ａの容量は、被処理水、酸化マグネシウム粉末、および汚泥の受け入れが安定的になされ、撹拌機１４ａによる混合が可能な容量であることが望ましく、例えば、水滞留時間で３分〜１０分程度の容量が好ましい。小さい容量の槽で強度の強い撹拌を行うことで、例えば、酸化マグネシウム粉末、汚泥及び被処理水の均一な混合がなされる。

第２反応槽１６ｂには、第１反応槽１６ａで得られた混合液が移送配管１８ａを介して供給され、また、沈殿装置２６から排出された汚泥が汚泥配管２８ａ，２８ｃを通って返送される。第２反応槽１６ｂを設けることにより、酸化マグネシウム粉末への除去対象物質の吸着を促進させることができる。第１反応槽１６ａ及び第２反応槽１６ｂの容量は、合計で、水滞留時間で０．５〜５時間程度の容量が好ましい。

第２反応槽１６ｂには、固形物濃度計４０が設置されている。したがって、制御装置３４は、第２反応槽１６ｂ内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、第１反応槽１６ａ及び第２反応槽１６ｂに返送される汚泥の返送量を制御する。図２に示す水処理装置２のように、複数の反応槽を直列に接続する場合には、最後段の反応槽内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように汚泥の返送量を制御すればよい。

複数の反応槽は、直列に設置する場合に限定されず、並列に設置されてもよい。但し、並列に設置された複数の反応槽の全てにおいて、固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように汚泥の返送量を制御する必要がある。

図２に示す沈殿装置２６は、スラッジブランケット型の沈殿装置であり、沈殿槽４２と、沈殿槽４２内に設けられ、沈殿槽４２内を処理室５１と濃縮室５２とに区画する隔壁５４と、沈殿槽４２内に設けられるディストリビュータ５６と、を備える。

沈殿槽４２内に設けられる隔壁５４は、上部が開口した筒状体であり、筒状の隔壁５４の内側が濃縮室５２となり、筒状の隔壁５４の外側が処理室５１となる。筒状の隔壁５４により区画された濃縮室５２には、汚泥配管２８ａの一端が接続されている。沈殿槽４２内の処理室５１には、汚泥を含むスラッジブランケット層５８及びその上の第２処理水を含む処理水層６０が形成されている。濃縮室５２の上端（隔壁５４の上端）の位置は、スラッジブランケット層５８の上端の位置とほぼ同じである。

沈殿槽４２内に設けられるディストリビュータ５６は、第２反応槽１６ｂ内の第１処理水が移送配管１８ｂを介して供給される入口と、スラッジブランケット層５８の底部付近に設けられ、第１処理水が吐出される出口とを有する。また、ディストリビュータ５６は、スラッジブランケット層５８の上端より低い位置に設けられる撹拌翼６２を有する。また、ディストリビュータ５６はモータ４６に接続された支持部材４８に固定され、モータ４６によって支持部材４８が回転することにより、ディストリビュータ５６が回転する。そして、ディストリビュータ５６は、回転しながら、第１処理水を吐出することによって、スラッジブランケット層５８が形成され、スラッジブランケット層５８の上に、清澄な第２処理水を含む処理水層６０が形成される。第２処理水の一部は、処理水層６０の上端部から、処理水排出管５０を経て系外に排出される。スラッジブランケット層５８内に含まれる汚泥は、筒状の隔壁５４を越流して、沈殿槽４２内の濃縮室５２に貯留される。濃縮室５２内に貯留された汚泥は、汚泥配管２８ａ，２８ｂを通って系外へ排出されたり、汚泥配管２８ａ，２８ｃを通って、第１反応槽１６ａや第２反応槽１６ｂに返送されたりする。なお、反応槽への汚泥の返送量の制御は、前述の通りである。

スラッジブランケット層５８を形成することで、酸化マグネシウム粉末等を含む汚泥がスラッジブランケット層５８内で濃縮されるため、沈殿槽４２での水滞留時間よりも、酸化マグネシウム粉末と除去対象物質の接触時間（すなわち固形物滞留時間）が長くなるため、除去対象物質の除去効果が高くなる。また、スラッジブランケット層５８内で濃縮された汚泥は、隔壁５４を越流して濃縮室５２に貯留されるため、汚泥の破砕が起きにくく、固液分離性が高くなる。したがって、処理水排出管５０から排出される第２処理水は、酸化マグネシウム粉末や除去対象物質の流出の少ないより清澄な処理水となる。

沈殿装置２６の固液分離速度としては、沈殿槽４２の単位沈殿面積あたり、１時間当たり５ｍ^３以下であるのが良い。

沈殿装置としては、図１及び図２に示す沈殿装置２６に限定されず、例えば、沈殿槽４２内にスラッジブランケット層５８を形成しない上向流式沈殿装置や横流式沈殿装置でも良い。但し、より清澄な処理水を得る点で、スラッジブランケット型の沈殿装置が好ましい。

また、沈殿装置２６は固液分離手段の一例である。したがって、固液分離手段としては、沈殿装置２６に限定されるものではなく、第１処理液を汚泥と処理水（第２処理水）とに固液分離することができるものであればよく、例えば、遠心濃縮法が適用される遠心分離機、浮上濃縮法が適用される分離機、スクリーンを用いた分離機等が挙げられる。

図３は、本実施形態に係る水処理装置の構成の他の一例を示す模式図である。図３に示す水処理装置３において、図１に示す水処理装置１と同様の構成については同一の符号を付している。図３に示す水処理装置３は、撹拌機１４ａを備える第１反応槽１６ａと、撹拌機１４ｂを備える第２反応槽１６ｂと、を有する。第２反応槽１６ｂには、固形物濃度計４０が設置されている。また、汚泥配管２８ｃは、後段の第２反応槽１６ｂに接続されている（前段の第１反応槽１６ａには接続されていない）。したがって、図３に示す水処理装置３では、制御装置３４によって、第２反応槽１６ｂ内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、第２反応槽１６ｂに返送される汚泥の返送量が制御される。なお、図での説明は省略するが、汚泥配管２８ｃが、前段の第１反応槽１６ａに接続され、後段の第２反応槽１６ｂに接続されていなくてもよい。この場合、制御装置３４によって、第２反応槽１６ｂ内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、第１反応槽１６ａに返送される汚泥の返送量が制御される。いずれにしろ、複数の反応槽を直列に接続する場合には、反応槽への汚泥の返送量を制御して、最後段の反応槽内の固形物濃度を５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲とすることができれば、どの反応槽に汚泥を返送してもよい。

本実施形態に係る水処理装置によれば、除去対象物質を含む被処理水に対し酸化マグネシウム粉末を添加する処理において、除去対象物質及び酸化マグネシウム粉末の流出の少ない処理水を得ることができる。

また、本実施形態に係る水処理装置によれば、以下の効果を奏する場合がある。
（１）沈殿装置から排出される汚泥を反応槽に返送することで、装置内での酸化マグネシウム滞留時間を長くとることができ、除去対象物質の吸着が進み、処理水中の除去対象物質残留濃度がより低減される。
（２）スラッジブランケット型の沈殿装置を採用することで、固液分離性が向上するため、酸化マグネシウム粉末等の処理水への流出をより抑えることができ、また、高速での固液分離が可能となる。
（３）また、酸化マグネシウム滞留時間を長くとることができることで、反応槽容量を小さくすることが可能となる。また、反応槽内の固形物濃度を３０ｇ／Ｌ以下に制限することで、処理水質が良好に保たれ、固液分離速度も上げることができるため、沈殿槽容量が小さくなり、結果として設備費を削減することが可能となる。
（４）処理水への酸化マグネシウム粉末を含む固形物の流出が減ることで、水処理装置の後段におけるろ過等の後処理の負荷が小さくなり、後段処理が簡便となる。したがって、後段処理を含めた処理システム全体の運転コストを削減することができる。
（５）また、これらに付随して、沈殿槽への流入固形物濃度が制限され、固液分離において排出される汚泥の濃度が上がり過ぎず、配管が酸化マグネシウム粉末で閉塞され難くなり、装置の運転管理が容易になる。

以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図３に示す水処理装置を用いて、以下に示す処理条件で、水処理を行った。但し、汚泥配管２８ｂ，２８ｃに設置されたバルブ３０ａ，３０ｂの開閉は、手動で行った。

＜被処理水＞
純水にホウ酸をホウ素濃度が５００ｍｇＢ／Ｌになるよう添加し、水酸化ナトリウム溶液及び塩酸でｐＨを６．５〜７．０の範囲に調整したものを被処理水として用いた。

＜酸化マグネシウム粉末＞
水酸化マグネシウム（和光純薬製試薬１級）を５５０℃で９０分焼成して得た酸化マグネシウム粉末を用いた。得られた酸化マグネシウム粉末は、ＢＥＴ法で測定した細孔表面積が１５０ｍ^２／ｇであった。

＜有機高分子凝集剤＞
アニオン性アクリルアミド（オルガノ株式会社製）を、純水で１００ｍｇ／Ｌの濃度で溶解したものを有機高分子凝集剤として用いた。

＜処理装置＞
第１反応槽容量：１Ｌ
第２反応槽容量：１Ｌ
混合槽容量：０．５Ｌ
沈殿装置：上向流式（スラッジブランケット層なし）
沈殿槽の形状：直動部円筒、底部ホッパー
沈殿槽容量：２Ｌ
酸化マグネシウム粉末の添加：第１反応槽
汚泥の返送：第２反応槽
第２反応槽内の固形物濃度測定方法：ＪＩＳＫ０１０２（懸濁物質）に記載の方法

＜処理条件＞
被処理水通水流量：３．６Ｌ／ｈ
酸化マグネシウム粉末添加量：４．０ｇ／Ｌ
有機高分子凝集剤添加量：３ｍｇ／Ｌ
汚泥の返送流量：１．１Ｌ／ｈ
反応槽水滞留時間：第１反応槽は１７分、第２反応槽２は１７分、合計３３分
系外への汚泥の排出：定常時は１５分毎にバルブを手動で開け、所定量排出。所定量とは、１５分間に装置に添加する酸化マグネシウム粉末を被処理水９００ｍＬに添加し２時間反応させて５分間沈殿させた沈殿物の体積と同等の沈殿物体積となる汚泥量。

＜比較例１＞
通水開始時において、第２反応槽への汚泥返送を行わず、被処理水を５時間通水した。４．５時間の時点で、第２反応槽内の固形物濃度、沈殿装置から排出された処理水のＳＳ及び残存ホウ素濃度を測定した。また、残存ホウ素濃度の測定値をもとに、被処理水からのホウ素除去率を計算した。処理水のＳＳの測定は、ＪＩＳＫ０１０２（懸濁物質）に記載の方法、処理水の残存ホウ素濃度の測定はＪＩＳＫ０１０２（ホウ素メチレンブルー吸光光度法）に記載の方法に基づいて行った。

＜実施例１〜４及び比較例２〜３＞
その後、被処理水の通水、酸化マグネシウム粉末の添加を行いつつ、第２反応槽への汚泥返送をしばらく行い（系外への汚泥排出は行わない）、第２反応槽内の固形物濃度を増大させた。そして、上記条件で、汚泥の系外排出を開始した。これを５時間継続した。４．５時間の時点で、第２反応槽内の固形物濃度、沈殿装置から排出された処理水のＳＳ及び残存ホウ素濃度を測定し、残存ホウ素濃度の測定値をもとに、被処理水からのホウ素除去率を計算した（実施例１）。さらに、この操作を５回繰り返し、第２反応槽内の固形物濃度を増大させながら、各サイクルにおいて、４．５時間の時点で、第２反応槽内の固形物濃度、沈殿装置から排出された処理水のＳＳ及び残存ホウ素濃度を測定し、残存ホウ素濃度の測定値をもとに、被処理水からのホウ素除去率を計算した（実施例２〜４、比較例２〜３）。

表１に、実施例１〜４及び比較例１〜３の第２反応槽内の固形物濃度、処理水のＳＳ及び被処理水からのホウ素除去率を示す。

実施例１〜４は、沈殿装置から排出された汚泥を第２反応槽に返送して、第２反応槽内の固形物濃度を１１〜３０ｇ／Ｌの範囲とした条件であるが、この場合、処理水のＳＳは４８〜８３ｍｇ／Ｌ、被処理水からのホウ素除去率は６０〜６７％であった。とくに、実施例２〜４のように、第２反応槽内の固形物濃度を２３〜３０ｇ／Ｌに保持した条件では、６４〜６７％の高いホウ素除去率であった。

一方、比較例１は、沈殿装置から排出された汚泥を第２反応槽に返送せず、第２反応槽内の固形物濃度を３．７ｇ／Ｌとした条件であるが、この場合、処理水ＳＳは３９ｍｇ／Ｌと良好だったものの、被処理水からのホウ素除去率は４８％と低かった。すなわち、比較例１では、実施例と比べて、ホウ素の流出が多い処理水となった。

また、比較例２〜３は、沈殿装置から排出された汚泥を第２反応槽に返送して、第２反応槽内の固形物濃度を３４〜３７ｇ／Ｌの範囲とした条件であるが、この場合、被処理水からのホウ素除去率は６０〜６３％と比較的高かったものの、処理水ＳＳは１５１〜１９７ｍｇ／Ｌと高い値であった。すなわち、比較例２〜３では、実施例と比べて、酸化マグネシウム粉末の流出が多い処理水となった。

１〜３水処理装置、１２給粉装置、１４，１４ａ，１４ｂ，２０撹拌機、１６反応槽、１６ａ第１反応槽、１６ｂ第２反応槽、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ移送配管、２２混合槽、２４凝集剤添加装置、２６沈殿装置、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ汚泥配管、３０ａ，３０ｂバルブ、３２汚泥ポンプ、３４制御装置、３５貯槽、３６粉体定量器、３８粉体供給配管、４０固形物濃度計、４２沈殿槽、４４スクレーパー、４６モータ、４８支持部材、５０処理水排出管、５１処理室、５２濃縮室、５４隔壁、５６ディストリビュータ、５８スラッジブランケット層、６０処理水層、６２撹拌翼。

Claims

撹拌機を備え、前記撹拌機により、除去対象物質を含む被処理水と酸化マグネシウム粉末とを混合し、前記除去対象物質を前記酸化マグネシウム粉末に吸着させる反応槽と、
前記反応槽で得られた除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液に有機高分子凝集剤を添加する凝集剤添加手段と、
前記有機高分子凝集剤が添加された、前記除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液を汚泥と処理水とに分離する固液分離手段と、
前記固液分離手段で分離した前記汚泥の少なくとも一部を前記反応槽に返送する汚泥返送手段と、
前記固液分離手段で分離した前記汚泥の少なくとも一部を系外へ排出する汚泥排出手段と、
前記反応槽内の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、前記汚泥返送手段によって前記反応槽に返送される前記汚泥の返送量を制御する制御部と、を有することを特徴とする水処理装置。
前記酸化マグネシウム粉末は、細孔表面積が８０ｍ^２／ｇであり、
前記反応槽に添加される前記酸化マグネシウム粉末の添加量は、１ｇ／Ｌ以上であることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
前記除去対象物質は、ホウ酸、ホウ素イオン、フッ化物イオン、溶存シリカのうちの少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の水処理装置。
除去対象物質を含む被処理水と酸化マグネシウム粉末とを混合し、前記除去対象物質を前記酸化マグネシウム粉末に吸着させる反応工程と、
前記反応工程で得られた除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液に有機高分子凝集剤を添加する凝集剤添加工程と、
前記有機高分子凝集剤が添加された、前記除去対象物質吸着マグネシウム粉末を含む溶液を汚泥と処理水とに分離する固液分離工程と、
前記固液分離工程で分離した前記汚泥の少なくとも一部を前記反応工程に返送する汚泥返送工程と、
前記固液分離工程で分離した前記汚泥の少なくとも一部を系外へ排出する汚泥排出工程と、を有し、
前記汚泥返送工程では、前記反応工程の固形物濃度が５ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌの範囲となるように、前記反応工程に返送される前記汚泥の返送量を制御することを特徴とする水処理方法。
前記酸化マグネシウム粉末は、細孔表面積が８０ｍ^２／ｇであり、
前記反応工程に添加される前記酸化マグネシウム粉末の添加量は、１ｇ／Ｌ以上であることを特徴とする請求項４に記載の水処理方法。
前記除去対象物質は、ホウ素イオン、フッ素イオン、溶存シリカのうちの少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の水処理方法。