JP3597193B2 - 飲料水配管系統の清浄化及び保全方法 - Google Patents

Description

〔背景技術〕
水源中の懸濁固体及び硬度は水源によって組成が大きく異なり、どこの水が用いられても、表面にスケール（水あか）の付着及び堆積を起こすことはよく知られている。スケールの付着及び堆積は都市の住民及び商業的利用者、民間の水道会社等に供給している配水管系統、及び鉱業、石油、農業等の産業で見られるような工業的処理水の配管系統に特に問題を起こす。これらの系統ではスケール及び堆積物の形成はその配管系統を通る水の流れを減少し、利用者の要求に応える管の能力を低下し、工業的処理、灌漑（かんがい）等に必要な、要求される水を与える能力を低下する。例えば都市給水系統で、供給管中のスケール及び堆積物付着のため火事を消すのに充分な水を消火栓が供給できないと、火事の危険が増大することが明らかであろう。或る点で、配水管はこれらの能力低下のため大きな費用をかけて取り替えなければならなくなり、長い供給中断を伴う。
更に、スケール及び堆積物は、微生物の成長を促進すると共に配水管腐食の可能性を増大する。微生物は健康にも悪く、腐食を促進し、スケールと堆積物とを一緒に配管の表面に結合するバイオマスを増殖する。腐食は最終的に配管系統の漏洩を起こし、その漏洩部分を取り替える必要を生ずる。
水用井戸を清浄にするために強酸を用いてきたが、用いた酸によって腐食されるのを防ぐため、処理前に水中ポンプは取り出される。また、有機酸、鉱酸と有機酸との混合物、或は抑制酸組成物（inhibited acid composition）が、ポンプ又は他の装置を取り出す必要なく、水用井戸を清浄にすることが見出されてきた。これらの水用井戸の清浄化方法は、静的及び動的処理を含んでいる。
配水系統に適した清浄化及び保全プログラムは、水流容量の低下、腐食、配水系統又はその一部分の取り替えの必要性を無くす。これらの配管系統を清浄化し、維持する簡単で効果的な方法が必要である。
〔発明の開示〕
本発明によれば、飲料水配管系統をスケールの除去により清浄化する方法で、スケールを除去するためのクリーニング用水溶液を入れる貯槽を与え、その系統のパイプの一部分を、それを通ってクリーニング溶液を循環させるため封鎖し、前記貯槽から前記パイプ部分を通って前記クリーニング溶液を循環し、その溶液をスケール除去のため前記貯槽へ戻すことからなる方法において、前記クリーニング水溶液を、酸化鉄、バイオマス及び堆積物から主になる硫酸塩還元性鉄バクテリアを伴うスケールを前記パイプ部分の内側表面から除去するのに用い、前記パイプ部分が配管系統の地下部分であり、循環するクリーニング溶液を検査し、スケール及び堆積物が前記循環するクリーニング溶液中に溶解し、ゆるくなり、且つ（又は）懸濁したのが観察されるまで、充分な時間前記クリーニング溶液を循環させることを特徴とする方法を与える。
本発明は、配管系統を清浄化し、維持する方法に関する。内部スケール及び堆積物が付着した配管系統を、それら望ましくないスケール及び堆積物が溶液中でゆるくなり（緩和し:loosening）、懸濁する結果が得られる充分な時間、効果的な量の処理水溶液を導入及び循環させることにより清浄化する。然る後、溶解又は懸濁したスケール及び堆積物を含む使用済み処理溶液を、配管系統からフラッシュし、水の流動及び操作が改善されたきれいな配管系統を与える。更に、大きな圧力の水で更にフラッシュし、処理溶液によって緩くなっていた更に別のスケールも除去する。
クリーニング溶液は酸性、中性、又は塩基性でもよい。最も好ましい形として、飲料水配管系統では、鉱酸又は有機酸及びそれらの混合物を酸性処理域溶液として用いる。酸性処理溶液は、スケール及び堆積物の除去を助け、パイプ、バルブ、又は他の配管の表面に対する用いた酸による悪影響を最小にするため、阻止剤、キレート剤、浸透剤及び（又は）分散剤のような添加剤を更に含んでいてもよい。
本発明は、水アカ及び堆積物を配水系統から除去し、適切な水の流れ、操作を維持し、大きな取り替えコスト及び不便さを必要とするような配管系統の腐食を防ぐ、簡単で低コストの効果的な除去方法を与える。
本発明の他の利点及び目的は、次の詳細な記述及び図面を参照して一層よく理解できるであろう。
〔発明の詳細な説明〕
本発明の方法の実施で、有用であることが判明している酸性処理溶液中には、塩酸、硝酸、リン酸、ポリリン酸、フッ化水素酸、ホウ酸、硫酸、亜硫酸等のような鉱酸の水溶液がある。一、二、及び多塩基有機酸の水溶液も有用であることが見出されており、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、グリコール酸、乳酸、酒石酸、ポリアクリル酸、コハク酸、ｐ−トルエンスルホン酸等が含まれる。有用な処理溶液は、上記鉱酸及び有機酸の水性混合物でもよい。
上で示したように、除去する必要のあるスケールの種類により、アルカリ性、酸性、又は中性のクリーニング溶液を用いる。EDTA（エチレンジアミン四酢酸）、NTA（ニトリロ三酢酸）、それらの誘導体、即ち、塩基性アルカリ塩等のような金属イオン封鎖剤或はキレート剤も、或る場合には処理溶液に有効であることが判明している。
酸性処理溶液は、配水系統、特にバルブ、消火栓等の金属表面に対する酸性作用を実質的に減少する或る酸抑制剤（acid inhibitor）を含んでいてもよく、酸に対するこれら種々の抑制剤は特許文献によく記載されている。酸抑制剤の典型的な例は、次の米国特許に記載されているが、必ずしもそれが全てではない：米国特許第2,758,970号、第2,807,585号、第2,941,949号、第3,077,454号、第3,607,781号、第3,668,137号、第3,885,913号、第4,089,795号、第4,199,469号、第4,310,435号、第4,541,945号、第4,554,090号、第4,587,030号、第4,614,600号、第4,637,899号、第4,670,186号、第4,780,150号、及び第4,851,149号（それらは参考のためここに入れてある）。
処理溶液は、スケール及び堆積物の除去を助けるため分散剤、浸透剤、又は乳化剤を含んでいてもよい。表面活性剤は、当分野で定義されているように、陰イオン性、陽イオン性、非イオン性、両性のものでもよい。硫酸アルキルエーテル、硫酸アルキル又はアリール、アルカノールアミン、エトキシル化アルカノールアミド、アミンオキシド、アンモニウム及びアルカリ石鹸、ベタイン、スルホン酸アリールナトリウムのようなヒドロトロープ（hydrotrope）、エトキシル化及びプロポキシル化脂肪族アルコール及び砂糖、エトキシル化及びプロポキシル化アルキルフェノール、スルホネート、リン酸エステル、クォーターナリィズ（quarternaries）、スルホサクシネート、及びそれらの混合物が、酸処理溶液と混合して有用であることが判明している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の方法を例示する実験室的試験装置の概略的図面である。
第２図は、飲料水配管系統を清浄にするための野外装置の図面である。
第１図に関し、配管系統からとった試験パイプ試料から酸性処理溶液によるスケール及び堆積物の除去を判定するための実験室的試験装置が示されている。この装置は、15ガロンの酸性処理溶液貯槽５、1200ガロン／時で回転する水中酸性処理溶液循環ポンプ６、１″導入輸送導管７、流出バルブ９、試験パイプ片10の両端のための重質ゴム隔膜シール９、１″排出輸送導管11、及び処理溶液12を有する。試験パイプ片10を約30゜の角度で取付け、処理すべき本質的に全てのパイプ内面と試験溶液が接触するようにする。
例えば、実験室的試験は、40年間以上使用してきた飲料水配管系統から取り出した６″直径のパイプの４フィート断片について行なった。パイプの内側のスケールは、パイプ内面の100％を１〜1 1/2 inの高さまで覆っているノジュール（nodule）からなっていて、それは水が流れるパイプの開口を実質的に小さくしていた。そのスケールの分析は、それが主に酸化物、水酸化物、及び炭酸塩の形の幾らかのカルシウム、マグネシウム及びマンガンを含む鉄と、微細な鉱酸不溶性固体及び幾らかの「バイオマス」と一緒になったものからなることを示していた。これは、付随する腐食と共に硫酸塩還元性鉄バクテリアを伴った典型的なスケールである。
浸透剤を含む12.5％の抑制塩酸／グリコール酸水溶液約10ガロンを貯槽５の中に入れ、24時間試験パイプ10と通って循環させた。２時間循環後、スケールの粒子が壊されて緩くなり、排出輸送導管11中で音が聞こえ、貯槽５に入るのが観察された。処理溶液の色も循環時間と共に次第に暗くなった。24時間後、循環を止め、装置から処理溶液を流出させた。隔膜９を除去し、試験パイプの内部は、スケール及び堆積物固体の約80％が除去されていることが観察された。
第二の同様な処理溶液で試験パイプを21.5時間処理すると、試験パイプの内面の約80％が柔らかいペースト状半固体であるスケール及び（又は）堆積物で依然として覆われているのが観察されたが、それらは幾らかの粒子を含み、検査針で容易に除去することができた。残留するスケールノジュールは、最初の処理が終わってから大きさが実質的に減少していた。第一処理後、残留スケールノジュールを覆っている柔らかい不溶性堆積物を除去するのに高圧水フラッシュを用いれば、第二処理は恐らく不必要であると結論された。
第２図に関し、飲料水配管系統を清浄にするのに用いることができる野外装置及び配水系統の図面が示されている。二つの500ガロン処理溶液貯槽タンク20及び21が、100ガロン／分循環ポンプ22及び観察ガラス23と共に平らな台車（図示されていない）上に取付けられている。この例では、2 1/2導入管24が６″配水パイプ25の650フィート部分に主遮断バルブ26の後に取付けてある。消火栓27及び消火ホース28を用いて酸性処理溶液をタンク20及び21へ戻す。
処理すべきパイプ部分25を二つの主要な水遮断バルブ26及び29を、全ての供給管バルブ、典型的には30及び31と共に閉じることにより孤立させる。バルブ32及び33を閉じて、1000ガロンの酸性処理溶液をタンク20及び21中で調製する。接続部34を開き、処理溶液を、バルブ33及び35を開き、循環ポンプ22のスイッチを入れることにより装置中に入れた。開いた接続部からきた水のpHを、次に処理すべき部分中の水と酸性処理溶液とが置換されたことを示す減少が認められるまで、検査する。循環ポンプ22を止め、接続部34を接続する。次にバルブ36及び37を閉じ、バルブ32を開いて循環させる。次に循環ポンプ22を再び始動させ、処理期間中駆動する。バルブ37は閉じてスケール固体がタンク20中に蓄積するようにし、同時に処理溶液が38を通ってタンク21の方へ溢流できるようにし、それによって処理中閉塞が起きる機会を減少する。
次に第２図の装置で処理溶液を５時間循環させた。のぞき窓23を通して処理溶液を観察すると、時間と共に次第に暗く変色するのが分かる。処理が終わった時、循環ポンプ22を止め、バルブ33及び35を閉じる。主遮断バルブ26をゆっくり開き、タンク20及び21が一杯になった時に認められるように処理溶液が移されるまで装置中に新しい水を入れる。次にバルブ32を閉じる。消火ホース28を次に消火栓27から外し、主遮断バルブ26を一杯にひらいて、処理された水道管25の高圧フラッシュを行わせる。フラッシュ水が消火栓27から出てきた時、それはかなりのスケール及び堆積物固定で色が暗かった。フラッシュ水が固体を含まなくなるまで充分な時間継続し、然る後、配水系統のその処理部分を使用状態へ戻す。
処理前の消火栓27を通る流量は、ピトット・ゲージ（Pitot Gauge）により588ガロン／分であることが決定された。処理後、その流量は790ガロン／分であることが決定された。これは34.5％の増大である。
また、その配水系統の消火栓及びバルブの機械的作動の改良も達成された。クリーニング溶液の流れは配水系統中を逆にしてクリーニング効率を更に向上させるようにしてもよい。上記クリーニング溶液は、飲料水配管系統に対する全国衛生財団（National Sanitation Foundation）（ミシガン州アン・アーバー、NSFインターナショナル）基準60の条件に合うものである。
用いられるクリーニング溶液の他の例は次の通りである：

本発明の好ましい態様として、上記予備混合クリーニング溶液を約12.5重量％の量で水と一緒に野外で用い、地下飲料水配管系統を清浄にする。しかし一層一般的には、スケールの量、清浄にすべき管体積、循環時間、及びその他の因子のような変数により、野外では水と一緒に約５〜約50重量％の量でその溶液を用いる。成分の一層広い範囲の無水薬品の量は、約１％〜27％のHCl、0.1％〜４％のグリコール酸、0.04％〜１％のキシレンスルホン酸ナトリウム、及び約0.1％〜2.5％のトリエタノールアミン／ジエタノールアミン混合物（今後TEAとして言及する）である。
上記化学成分を地下飲料水管を清浄にするために野外で混合してもよく、例えば、塩酸を、グリコール酸、キシレンスルホン酸ナトリウム及びTEAの濃厚物に添加してもよいことは理解されるべきである。飲料水配管系統では、清浄にすべきパイプの地下部分を系統の残りの部分から封鎖する。上の第２図で例示したように、次にクリーニング溶液をタンクからパイプ部分に導入し、もしそのパイプ部分が水に存在するならば、クリーニング溶液を導入することによってそれを除去する。クリーニング溶液をパイプ部分に導入した後、その地下パイプ部分を通るクリーニング溶液の循環を開始し、スケール及び堆積物の可溶化、緩和及び（又は）懸濁を起こすのに充分な時間循環する。
上記予備混合物中、酸（HCl及びグリコール酸）とTEA塩基との化学量論的1:1当量の石鹸が過剰の酸によって形成する。この組成物は、主に酸化鉄、バイオマス及び堆積物からまる硫酸塩還元性鉄バクテリアを伴うスケールの除去に対して、野外で効果的に働くことが判明している。これらの1:1石鹸は、上で言及した係属中の1991年５月16日に出願された特許出願Serial No.07/700,780、現在の米国特許第_______号にも記載されており、それらの記載は参考のため全体的にここに入れてある。これらの石鹸は一層一般的には鉱酸及び（又は）有機酸と、アミン及びアンモニアのような塩基との石鹸の範疇に入る。これらの石鹸の別の例には、TEAとグリコール酸（ヒドロキシ酢酸としても知られている）;TEAと酢酸;TEAとクエン酸;TEAと安息香酸；塩酸とアンモニア；硫酸とアンモニア；硝酸とアンモニア;TEAと塩酸;TEAと硫酸;TEAと硝酸；アンモニアとグリコール酸；アンモニアと安息香酸；及びアンモニアとｐ−トルエンスルホン酸；の1:1石鹸が含まれる。従って、1:1石鹸を用いた酸性型の別のクリーニング溶液を用いて、本発明の原理に従い飲料水管からスケール及び堆積物を効果的に可溶化、緩和及び（又は）懸濁するのに用いることができることは分かるであろう。
上記詳細な記述を参考にすることにより、家、ホテル、プラント、会社等のような家庭及び工業用配水系統を清浄にする方法を種々変更した方法が当業者には明らかになるであろう。その方法は、主に酸化鉄、バイオマス及び堆積物からなる硫酸塩還元性鉄バクテリアを伴うスケールが付着した地下飲料水配管系統を清浄にするのに特に有利である。

Claims (14)

1. 水配管系統をスケール（水あか）の除去により清浄化する方法で、スケールを除去するためのクリーニング水溶液を入れるための貯槽（20、21）を与え、前記配管系統中のパイプ部分（25）を通って貯槽（20、21）から前記クリーニング溶液を循環し、スケールを除去するために前記溶液を貯槽（20、21）へ戻すことを包含する清浄化方法において、
   主に酸化鉄、バイオマス及び堆積物からなる硫酸塩還元性鉄バクテリアを伴うスケールを前記水配管系統の内側表面から除去するのに前記クリーニング水溶液は適しており、然も、
   前記パイプ部分（25）は配管系統の一部分であり、
   前記部分（25）を、それを通って前記クリーニング溶液を循環させるために封鎖し、
   前記クリーニング水溶液が酸性である、
   ことを含む清浄化法。
2. 二つの消火栓（27）の間で前記パイプ部分（25）を封鎖し、前記消火栓（27）の一つを貯槽（20、21）に接続し、前記パイプ部分を通って前記クリーニング溶液をポンプで送ることにより前記クリーニング溶液を循環する、請求項１に記載の方法。
3. 使用済みクリーニング溶液を除去した後、奇麗な水で配管系統をフラッシュすることを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 使用済みクリーニング溶液、スケール及び（又は）堆積物を除去するために、配管系統を高圧水でフラッシュすることを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記配管系統は地下にあり、地下部分は、 該方法を実施してそれを通って該クリーニング水溶液を 循環させるために封鎖されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 酸性溶液が更に、スケール及び堆積物の除去を補助する、酸抑制剤、キレート剤、表面活性剤、浸透剤、分散剤、及びそれらの混合物からなる群から選択された添加剤を含む、請求項５に記載の方法。
7. 酸が、鉱酸、有機酸、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項５又は６に記載の方法。
8. 鉱酸が、塩酸、硝酸、リン酸、ポリリン酸、フッ化水素酸、ホウ酸、硫酸、亜硫酸、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項７に記載の方法。
9. 有機酸が、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、グリコール酸、乳酸、酒石酸、ポリアクリル酸、コハク酸、ｐ−トルエンスルホン酸、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項７又は８に記載の方法。
10. クリーニング溶液が、塩酸、グリコール酸、アルカノールアミン、及び表面活性剤の混合物である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. クリーニング溶液が、酸と塩基との化学量論的1:1当量の石鹸を含有し、然も、前記酸が鉱酸及び有機酸からなる群から選択され、前記塩基がアミン及びアンモニアからなる群から選択され、スケールと反応するのに効果的な量の遊離酸が前記溶液中に存在する、請求項１〜10のいずれか１項に記載の方法。
12. クリーニング溶液の調製、貯蔵、及び廃棄のための貯槽がトラックに積まれている、請求項１〜11のいずれか１項に記載の方法。
13. 配水管系統が家庭又は工業用配水系統である、請求項１〜12のいずれか１項に記載の方法。
14. 処理水溶液が、飲料水配管系統で用いる飲料水処理薬品についての米国衛生財団基準60（US National Sanitation Foungation Standard 60）の条件に合う、請求項１〜13のいずれか１項に記載の方法。

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