JP3705590B2 - マンガン含有水の浄水処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水処理場などで用いられるマンガン含有水の浄水処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
上水源として用いられている地下水や河川水中には、溶解性のマンガン、溶解性の鉄が含まれている場合があり、浄水中にこれらの含有量が多いと黒水、赤水の原因となる。このようなマンガン含有水の浄水処理方法としては、従来から接触マンガン砂ろ過法が知られている。
【0003】
この接触マンガン砂ろ過法は、溶解性マンガンを含む原水に連続的に塩素を添加しながら、二酸化マンガンが被覆されたろ過砂(マンガン砂)の充填層に下向流として通水する方法である。溶解性のマンガンは二酸化マンガンを触媒として塩素により速やかに酸化され、新たに触媒能を持つ二酸化マンガンとなって既存のマンガン砂の表面に結合する。このようにして、原水がマンガン砂の充填層中を下向流で通過する間に溶解性マンガンが酸化析出して捕捉されると同時に、原水中の濁質もマンガン砂の充填層によりろ過され除去されることとなる。
【0004】
ところがこの接触マンガン砂ろ過法は、原水中のマンガンを酸化析出させたうえで濁質とともにマンガン砂の充填層で除去する方法であるから、マンガン及び濁質の除去率を確保するためには、充填層を通過する原水の線速を150m/日程度の低速としなければならない。このため処理水量が多い場合には、非常に大型の槽を必要とするという問題があった。また、降雨時のように原水の濁度が上昇したときには充填層が目詰まりしやすいため、頻繁に逆洗を行わねばならなかった。さらにろ過水の濁度を常時0.1以下に維持するためにスロースタート、スローダウンが求められることもあって、運転管理に多くの手数を要するという問題があった。
【0005】
一方、近年においては浄水処理に分離膜が普及しつつあり、原水にPAC(ポリ塩化アルミニウム)等の凝集剤を添加したうえMF膜でろ過することにより、原水に含まれる懸濁物質を除去して清澄な処理水を得ることが行なわれている。しかし原水に含まれるイオン状物質である溶解性マンガンはMF膜によって除去することはできず、PAC凝集とMF膜との組み合わせによっても原水中の溶解性マンガンを除去することは不可能であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決して、原水中の溶解性マンガンをコンパクトな装置で確実に除去することができ、しかも降雨時のように原水の濁度が上昇したときにも閉塞のおそれがなく、運転管理等のメンテナンスも極めて容易なマンガン含有水の浄水処理方法を提供するためになされたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた請求項1の発明は、マンガンを含む原水に塩素を添加しながら、酸化マンガン触媒粒子の充填層に上向流として通水し、この充填層通過水を膜ろ過することにより、充填層において酸化不溶化されたマンガンを除去するマンガン含有水の浄水処理方法であって、前記触媒粒子が10〜30m 2 / gの表面積を持ち、ベータ型の結晶構造からなる酸化マンガン触媒である充填層に、塩素を添加した原水を1000〜2500m / 日の線速で通水し、前記充填層の触媒粒子を流動状態に維持するとともに、前記酸化不溶化されたマンガンと原水中の濁質を前記充填層から送り出してセラミック製MF膜により除去することを特徴とするものである。なた、充填層通過水に凝集剤を添加してフロックを形成させたうえ、膜ろ過する方法を取ることもできる。
【0008】
さらに本発明のマンガン含有水の浄水処理方法において、原水流量の減少時または運転停止時に充填層通過水を原水側に循環させることにより、前記上向流を1000〜2500m / 日の線速で通水し、前記充填層の触媒粒子を流動状態に維持するとともに、前記酸化不溶化されたマンガンと原水中の濁質を前記充填層から充填層通過水として送り出して、充填層の閉塞を防止するよう具体化できる。
【0009】
本発明のマンガン含有水の浄水処理方法においては、酸化マンガン触媒粒子の充填層に原水を通水することによって原水中のマンガンを酸化不溶化し、その分離を膜により行う。このため本発明においては従来の接触マンガン砂ろ過法とは異なりマンガンの酸化不溶化物を大きく成長させる必要はなく、たとえば0.1μmのMFを膜分離に適用した場合は、不溶化物を0.1μm以上とすれば膜による完全分離が可能となる。このため原水と触媒粒子との接触時間はごく短くてよく、原水を従来に例のない1000〜2500m/日という非常に高線速の上向流として充填層に通水することができる。その結果、触媒粒子を常に流動状態に維持できるので、原水の高濁時にも充填層が閉塞するおそれがない。従って運転管理等のメンテナンスが極めて容易となるうえ、高線速の通水でありながら後記のように、充填層の高さを低く抑えることができるので、設備をコンパクト化することができる。特に請求項2,3に記載の比表面積の大きい触媒粒子を用いた場合には、原水と触媒粒子との接触時間をより短縮できるので、更に優れた効果を得ることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図1において、1は内部に充填層2を備えた接触槽であり、この充填層2には二酸化マンガン触媒粒子が充填されている。触媒粒子としては、10〜30m2/gの表面積を持つ酸化マンガン触媒を用いることが好ましく、特にベータ型の結晶構造を持つ酸化マンガン触媒を用いることが好ましい。なお従来のマンガン砂の表面積は1〜5m2/g程度である。このように、10〜30m2/gの表面積を持つ酸化マンガン触媒を用いれば原水と触媒粒子との接触時間をごく短くすることができる。30m2/gを越える表面積を持つ酸化マンガン触媒は、経済的に入手することが困難である。
【0011】
上記ベータ型の結晶構造を持つ酸化マンガン触媒粒子の好ましい粒径は0.5〜2mm程度、比重は4程度(マンガン砂の比重は3程度)である。このようにマンガン砂より、表面積の大きく、比重の大きな酸化マンガン触媒を用いるので膨張床自体の高さも低くなるなど充填層2の高さを低くすることができる。
【0012】
マンガンを含む原水は必要量の塩素を連続的に添加されながら、接触槽1の下部から1000〜2500m/日の高線速の上向流として充填層2に通水される。この充填層2を通過する間に、原水中の溶解性マンガンは粒子表面の二酸化マンガンを触媒として塩素により速やかに酸化され、二酸化マンガンの酸化不溶化物となる。この反応はごく短時間で進行する。
【0013】
この充填層2における原水の線速は1000〜2500m/日であり、充填層2中の触媒粒子は流動状態となり膨張床を形成する。このため充填層2は常に逆洗操作中のような状態となり、触媒粒子の表面積の低下を防止することができる。またベータ型の結晶構造を持つ酸化マンガン触媒を用いれば、表面積が大きいことに加えて表面電荷も関連して高い処理能力を発揮する。このため降雨時のように原水の濁度が上昇したときにも閉塞するおそれがなく、したがって逆洗操作を行なう必要もない。しかし線速が1000m/日未満であると、触媒粒子の流動が不十分となって降雨時のように原水の濁度が上昇したときに閉塞のおそれが生ずる。逆に2500m/日を越えると原水と触媒粒子との接触時間が短くなるので、充填層2をかなり高くしなければならない。
【0014】
このようにして溶解性マンガンを二酸化マンガンに酸化不溶化した充填層通過水は、次に分離膜3に導かれる。分離膜3の種類は特に限定されるものではないが、逆洗操作が容易で処理水量が大きく、また高濁に強いため、このような高い線速で濁質を接触槽で捕捉させることなく直接膜分離させることが可能であるセラミック膜を用いることが好ましい。分離膜3の膜孔径を1μmより大きくすると接触槽1にて1000〜2500m/日の条件で不溶化したマンガンの除去率が低下する。膜孔径が1μm以下であれば、不溶化マンガンの除去は可能である。しかし、処理水量を確保する為により好ましくは0.1〜1.0μmで行うのがよい。この実施形態では孔径が0.1μmのセラミック製MF膜が用いられている。充填層通過水をこの分離膜3により膜ろ過すれば、触媒粒子の充填層2において酸化不溶化された不溶性マンガンを確実に除去することができる。またこれと同時に、原水中に含まれていた濁質も分離膜3によりろ過され、清澄な処理水を得ることができる。この処理水は上水として利用することができる。
【0015】
なお、原水中の溶解性物質が多い場合には、図2に示すように接触槽1と分離膜3との間に凝集剤添加槽4及び混和槽5を設けることが好ましい。この図2の実施形態では、充填層通過水に凝集剤添加槽4においてPAC等の凝集剤を添加し攪拌機6にて攪拌混合し、混和槽5において攪拌機7で十分混和したうえで分離膜3で膜分離を行なう。このような凝集操作を加えることにより、原水に含まれるマンガン以外の溶解性物質や濁質の除去率を一段と高めることができる。
【0016】
上記したように、本発明方法は触媒粒子の充填層2に原水を1000〜2500m/日の高線速の上向流として通水するものであるが、原水流量の減少時または運転停止時にはこのような高線速を維持することができない。そこで、請求項6の発明では、図3に示すように接触槽1と分離膜3との間に処理水タンク8と循環ライン9とを設け、原水流量の減少時または運転停止時には、充填層通過水を処理水タンク8から原水側に循環させることにより高線速を維持し、充填層の閉塞を防止する。
【0017】
このように本発明では、酸化マンガン触媒粒子の充填層2に原水を1000〜2500m/日の高線速の上向流として通水することによって原水中のマンガンを酸化不溶化し、その分離を分離膜3により行うようにしたので、マンガンの酸化不溶化物を大きく成長させなくても完全分離が可能となる。このため原水と触媒粒子との接触時間は短くてよく、原水を非常に高線速の上向流として充填層2に通水することができる。その結果、充填層2内の触媒粒子を常に流動状態に維持でき、原水の高濁時にも充填層が閉塞するおそれがない。従って運転管理等のメンテナンスが極めて容易となるうえ、設備をコンパクト化することができる。
以下に本発明の実施例を示す。
【0018】
【実施例】
(実施例1)
図1に示した本発明のフローと、従来技術である接触マンガン砂ろ過法とによって、0.2mg/Lの溶解性マンガンを含有する原水の処理を行った。接触槽のLV(線速)を様々に変えて処理水の総マンガン(T‐Mn)濃度を測定したところ、図4の通りの結果が得られた。すなわち、黒丸で示した接触マンガン砂ろ過法の場合にはLVが1000m/日を超えると総マンガン濃度が急激に増加したのに対して、白丸で示した本発明方法によれば、LVが1000m/日を超えても総マンガン濃度はほぼゼロのままであった。
【0019】
(実施例2)
次に接触槽のSV(空塔速度)と膜ろ過水(処理水)の総マンガン濃度との関係を図5に示した。使用した原水中の溶解性マンガン濃度は0.05〜0.06mg/L、LVは1500m/日、添加した次亜塩素酸濃度は0.5mg/Lである。図5に示されるように、水質基準である0.05mg/Lのクリアを目標とするならば、従来のマンガン砂を用いた砂ろ過法でもよい。しかし快適水質基準である0.01mg/Lのクリアを目標とするならば、表面積の大きい酸化マンガン触媒を使用する必要がある。なお、従来のマンガン砂を用いる場合にはSVを50h-1以下とする必要があり、これは既存急速ろ過層高さの2倍以上、すなわち1.2m以上の触媒層を必要とすることとなって圧力損失が大きくなる。
【0020】
なお、図5のデータから好ましいSVを従来法では10h-1、本発明法では100h-1と仮定して計算すると、原水の処理量が1万m3/日の場合、従来法ではマンガン砂ろ過槽の容積を少なくとも40m3とすることが必要であるのに対して、本発明では接触槽の容積を4m3とすれば十分である。このように、本発明によれば装置容積を非常にコンパクト化することができる。
【0021】
(実施例3)
図6にSVと膜ろ過マンガン除去率との関係を示した。使用した原水中の溶解性マンガン濃度は0.05mg/L、LVは1500m/日、添加した次亜塩素酸濃度は0.5mg/Lである。図6に示すように、既存マンガン砂に比べて酸化マンガン触媒は酸化力が大きいため、高流速接触条件、高SVで酸化が可能である。LV=1500m/日接触での膜ろ過で完全除去は、酸化マンガン触媒では100h−1で可能であり、既存マンガン砂は10h−1で可能となるが、接触槽の層高さに換算すると酸化マンガン触媒の場合には0.6mでよいのに対して、既存マンガン砂の場合には6mとなり、圧力損失が大きくなる。
【0022】
(実施例4)
図7に、LVと膜ろ過水の総マンガン濃度との関係を示した。使用した原水中の溶解性マンガン濃度は0.05〜0.06mg/L、添加した次亜塩素酸濃度は0.5mg/Lである。酸化マンガン触媒を用いた場合、LVは1000〜2500m/日、SVは100h−1で最も好ましい結果が得られることが分かる。
【0023】
(実施例5)
酸化マンガン触媒を用い、120日間にわたりマンガン含有水の浄水処理を継続し、その間の原水濁度、充填層の圧損変化、処理水のマンガン濃度を測定し、図8、9、10に示した。図8のように原水濁度が大きく変化したときにも、図9に示されるように充填層の圧損はほとんど変化しなかった。また図10に示されるように、膜ろ過水のマンガン濃度は2μg/L以下のレベルに安定に保たれていた。これらのデータは、充填層の洗浄操作なしでも長期間の安定運転が可能であることを示している。
【0024】
(実施例6)
実施例6は、充填層の入口部分と出口部分における次亜塩素酸濃度の違いを測定したものである。先ず従来のマンガン砂ろ過法においては、図11に示すように充填層の入口部分では次亜塩素酸濃度は高いが、出口部分では大幅に低下している。従来法は溶解性マンガンを酸化不溶化後、砂ろ過により捕捉除去する為に、酸化されたマンガン粒子を大きく成長させなければならない。マンガン粒子が0.1〜1.0μm程度であれば、砂ろ過層を通りぬけ、処理水中に含まれてしまう。よって、酸化マンガン粒子を大きく成長するための次亜塩素が必要であり、次亜塩素添加量が多くなる。それに比べて、本発明法は0.1μm以上の酸化マンガン粒子にするための次亜塩素添加量でよく、図12に示すように次亜塩素添加量は少なくてよい。そのため次亜塩素酸によるトリハロメタン発生のおそれもない。
なお、図13は従来のマンガン砂ろ過法におけるマンガン濃度を、図14は本発明法におけるマンガン濃度を示すグラフである。図14に示すように、本発明によれば入口部分において溶解性であったマンガンの全てが、出口部分においては不溶性マンガンに変換されていることが分かる。
【0025】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のマンガン含有水の浄水処理方法によれば、原水中の溶解性マンガンをコンパクトな装置で確実に除去することができ、黒水、赤水の発生を防止できる。しかも本発明では原水を酸化マンガン触媒粒子の充填層に1000〜2500m/日の高線速の上向流として通水するので、降雨時のように原水の濁度が上昇したときにも閉塞のおそれがなく、逆洗操作も不要であるから、運転管理等のメンテナンスも極めて容易となる利点がある。さらに充填層の塩素添加量が少ないため、トリハロメタン発生のおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1の発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図2】請求項1の発明の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図3】請求項6の発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図4】実施例1におけるLVとマンガン濃度との関係を示すグラフである。
【図5】実施例2におけるSVとマンガン濃度との関係を示すグラフである。
【図6】実施例3におけるSVとマンガン除去率との関係を示すグラフである。
【図7】実施例4におけるSVとマンガン濃度との関係を示すグラフである。
【図8】実施例5における原水濁度の変化を示すグラフである。
【図9】実施例5における充填層の圧損変化を示すグラフである。
【図10】実施例5における処理水のマンガン濃度の変化を示すグラフである。
【図11】実施例6における従来法での入口、出口の塩素濃度のグラフである。
【図12】実施例6における本発明法での入口、出口の塩素濃度のグラフである。
【図13】実施例6における従来法での入口、出口のマンガン濃度のグラフである。
【図14】実施例6における本発明法での入口、出口のマンガン濃度のグラフである。
【符号の説明】
1 接触槽、2 充填層、3 分離膜、4 凝集剤添加槽、5 混和槽、6 攪拌機、7 攪拌機、8 処理水タンク、9 循環ライン
Claims (3)
- マンガンを含む原水に塩素を添加しながら、酸化マンガン触媒粒子の充填層に上向流として通水し、この充填層通過水を膜ろ過することにより、充填層において酸化不溶化されたマンガンを除去するマンガン含有水の浄水処理方法であって、前記触媒粒子が10〜30m 2 / gの表面積を持ち、ベータ型の結晶構造からなる酸化マンガン触媒である充填層に、塩素を添加した原水を1000〜2500m / 日の線速で通水し、前記充填層の触媒粒子を流動状態に維持するとともに、前記酸化不溶化されたマンガンと原水中の濁質を前記充填層から送り出してセラミック製MF膜により除去することを特徴とするマンガン含有水の浄水処理方法。
- 充填層通過水に凝集剤を添加してフロックを形成させたうえ、膜ろ過する請求項1に記載のマンガン含有水の浄水処理方法。
- 請求項1または2に記載のマンガン含有水の浄水処理方法において、原水流量の減少時または運転停止時に充填層通過水を原水側に循環させることにより、前記上向流を1000〜2500m / 日の線速で通水し、前記充填層の触媒粒子を流動状態に維持するとともに、前記酸化不溶化されたマンガンと原水中の濁質を前記充填層から充填層通過水として送り出して、充填層の閉塞を防止することを特徴とするマンガン含有水の浄水処理方法。
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