JP4018667B2 - 塩類含有処理水の脱塩方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、し尿、ごみ埋立て浸出水などのような高濃度の塩類を含有する有機性廃水を生物処理、凝集処理、固液分離膜処理（例えば、精密ろ過膜処理または限外ろ過膜処理）などを組合せて処理することによって得られる塩類含有処理水から、その塩類を工業塩などとして利用可能な結晶塩として回収することができる脱塩方法及びその装置に関するものである。

し尿やごみ埋立て浸出水などの有機性廃水の処理方法としては、例えば、ＢＯＤ（生物的酸素要求量）成分の除去を目的とした生物処理、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）成分、色度成分及びＳＳ（懸濁物質）などの除去を目的とした凝集処理および固液分離膜処理があり、それらの処理方法を組合せて処理することが一般的である。

しかし、し尿やごみ埋立て浸出水などの有機性廃水は、低希釈処理を行った場合、有機物などの汚染物質を処理しても、処理水中には高濃度の塩類が含まれるため、放流する際には、河川の水質保護、あるいは、農業用水への影響も考慮しなければならない。そのため、最近では、有機性汚濁成分だけでなく、塩類も除去する必要性が高まってきている。

し尿の処理水から塩類を除去する方法として、固液分離膜と逆浸透膜を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法は塩類を含まない処理水を得る一方で、塩類を高濃度に含む濃縮液は放流するものなので、根本的な解決にはなっていない。

また、ごみ埋立て浸出水などの高濃度塩類を含有する処理水から塩類を逆浸透膜や電気透析膜を用いて除去する方法において、逆浸透膜処理や電気透析膜処理で脱塩を行う前または脱塩を行った後にキレート樹脂を用いて重金属を除去し、膜分離の濃縮液を蒸発乾燥して塩分を固形物として回収する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
この方法では、高価な逆浸透膜装置や電気透析膜装置が必要である上に、重金属処理装置が必要である。また、キレート樹脂は再生が必要であり、取扱いが複雑である。さらに、濃縮液の水分を全量蒸発させるので、得られる固形物は重金属以外のものが雑多に混入したものになる。

また、し尿系汚水に凝集剤を加えて、沈殿分離などの固液分離を行い、汚泥と分離液とに分け、分離液を蒸発処理し、蒸気を凝縮した後、逆浸透膜を透過させて塩類を含まない処理水を得る一方、蒸発処理の残留濃縮液を脱水汚泥などと一緒に焼却炉で焼却処理して灰として処分する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この方法でも、上記と同様に種々雑多なものを含有する固形物しか得られない。

特開平９−１７４０５１号公報 特開２００１−７０９８９号公報 特開昭６３−１２３５００号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高価な逆浸透
膜や電気透析膜などを使用することなく、高濃度塩類を含有する有機性廃水の処理水から脱塩する方法及びその装置を提供することである。

本発明は、上述した課題を達成するためになされたもので、以下の手順で解決された。
塩類を含有する処理水の脱塩方法であって、塩類を含有する有機性廃水を生物処理、凝集処理、固液分離処理することによって得られる塩類含有処理水を、複数の蒸発缶を用いて多段濃縮し、最終的にナトリウムを含む塩類を析出させて分離するようにした。

前記塩類含有処理水中に含まれるカルシウム塩などを、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階で、予め炭酸塩として除去すること、前記塩類含有処理水中の有機物を、予め活性炭吸着処理または／およびオゾン酸化処理で除去した後に、前記カルシウム塩などを、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階で、予め炭酸塩として除去することも特徴とする。

塩類を含有する処理水の脱塩装置であって、塩類を含有する有機性廃水を生物処理、凝集処理、固液分離処理することによって得られる塩類含有処理水を、順次濃縮して、最終的にナトリウムを含む塩類を析出させる複数の蒸発缶と、析出した塩類を分離する遠心分離機を備えるようにした。

前記含有処理水に含まれるカルシウム塩などを炭酸塩として除去するための軟化装置を、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階に設けること、前記軟化装置の前段に、塩類含有処理水中に含まれる有機物を除去するための活性炭吸着装置または／およびオゾン酸化装置を備えることも特徴とする。

本発明によれば、し尿やごみ埋立て浸出水などの高濃度の塩類を含有する有機性廃水を生物処理、凝集処理、固液分離膜処理などを組合せて処理することによって得られる処理水を、複数の蒸発缶を用いて順次濃縮するために、蒸発缶のスケーリングが抑制され、スケール除去などのメンテナンス作業の低減化を図ることができる。
また、蒸発缶で発生した蒸気を冷却して回収される凝縮水は塩類を含まない処理水のため、再利用が可能である。

また、高濃度塩類を含む処理水を、予め活性炭処理または／およびオゾン酸化処理を施すことにより、蒸発缶内での有機物による発泡が防止でき、また、着色の少ない結晶塩が得られる。
さらに、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階にカルシウムなどを除去する軟化装置を設けることにより、蒸発缶のスケーリング防止でき、装置の操業を安定化することができる。

以下、本発明に関する好適な実施形態を添付図面に沿って説明するが、本発明は下記の実施の形態になんら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
図１は本発明の一実施形態の構成例を示す概略図、図２は本発明の他の実施形態の構成例を示す概略図である。なお、図１と図２において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１において、１はし尿や浄化槽汚泥に含まれる夾雑物を分離するドラムスクリーンなどの分離機、２はＢＯＤなどの有機物の除去や、アンモニア態窒素および硝酸・亜硝酸態窒素を窒素ガスに変換する一次硝化脱窒素槽である。３は残留する窒素を除去する二次硝化脱窒素槽である。４は汚泥と処理水を分離する第一段目膜分離装置、５はＣＯＤ成分や着色成分を凝集するための凝集槽、６は凝集物などの固形物と処理水を固液分離するための第二段目膜分離装置である。
７は高濃度の塩類を含有する処理水の水槽で、脱塩が必要な脱塩原水槽である。

８、９、１０は脱塩原水を順次濃縮するための第一段目の蒸発缶、第二段目の蒸発缶および第三段目の蒸発缶（以下、第一段目蒸発缶、第二段目蒸発缶、第三段目蒸発缶、または、単に、蒸発缶と記す）である。通常、最終段の蒸発缶（図１の例では第三段目蒸発缶）で塩類の大部分が析出するので、この蒸発缶は晶析缶と呼ばれることが多いが、ここでは蒸発缶と記す。

１１は蒸発缶の加熱源として使用される水蒸気を供給する水蒸気ボイラ、１２は蒸発缶で結晶化して析出した塩類を分離するための遠心分離機である。
１４、１５、１６は蒸発缶８、９、１０内で気化した蒸気を凝縮させるための水冷式のコンデンサである。１７はコンデンサの凝縮水を処理するための活性炭処理装置、１８は処理水を消毒するための接触槽である。

し尿や浄化槽汚泥などのし尿系汚水は送液管Ｌ１を介して分離機１に供給され、分離機１のスクリーンで大きな固形物である夾雑物が取り除かれる。
次いで、一次硝化脱窒素槽２、二次硝化脱窒素槽３および第一段目膜分離装置４からなる生物処理装置ＡによってＢＯＤ成分などの有機物の除去と脱窒が行われる。二次硝化脱窒素槽３には、必要に応じて栄養源としてメタノールなどが添加される（図示されていない）。
生物処理水である生物膜分離装置４の透過液は送液管Ｌ２を介して凝集槽５に供給される。

凝集槽５にはポリ硫酸鉄、塩化鉄、硫酸アルミニウムあるいはポリ塩化アルミニウムなどの無機凝集剤と水酸化ナトリウムなどのｐＨ調整剤が添加され、ＣＯＤ成分、リン、着色成分などが凝集する。凝集槽５の処理液は送液管Ｌ３を介して、凝集膜分離装置６に供給されて凝集物などの固形物が分離除去される。第二段目膜分離装置６の透過液は、通常、活性炭吸着処理および消毒処理を施して、処理水として放流されるが、高濃度の塩類を含有しているので、脱塩原水槽７に貯留される。

前記の生物膜分離装置４や凝集膜分離装置６に使用される分離膜としては、固液分離が主体のため、通常、精密ろ過膜や限外ろ過膜が使用される。膜ろ過の方式としては固定膜や回転可能な膜（例えば、回転平膜など）を被処理水に浸漬して使用する方法など各種の方式が採用される。また、使用する膜の形状としては平膜、チューブラ膜、中空糸膜などが使用される。

高濃度の塩類を含む脱塩原水は、脱塩原水槽７より送液管Ｌ４を介して、蒸気ボイラ１１から水蒸気が供給される第一段目蒸発缶８、次いで、第二段目蒸発缶９、さらに、第三段目蒸発缶１０へと順次送られる。
第一段目蒸発缶８で脱塩原水は約１０倍に濃縮され、濃縮液はカルシウム塩などの析出を防止するために、必要により酸などを添加してｐＨを調節し、さらに、第二段目蒸発缶９で約４倍に濃縮される。すなわち、第二段目の蒸発缶９では脱塩原水に対して約４０倍に濃縮される。

第二段目蒸発缶９で濃縮された濃縮液は、第三段目蒸発缶１０へ供給され、ここでさらに約５倍、脱塩原水に対して約２００倍に濃縮され、溶解している塩類の結晶化が行われる。
第三段目蒸発缶１０からは結晶化した塩類を含有する高濃度スラリの状態で排出され、スラリ配管Ｌ５を介して遠心分離機１２に供給される。遠心分離機１２よって結晶化した塩（ＮａＣｌ、Ｎａ_２ＳＯ_４など）が濃縮液から分離され、工業塩などとして回収される。

遠心分離機１２によって結晶塩を分離された母液は、母液タンク１３に貯留され、送液管Ｌ６を介して、第三段目蒸発缶１０へ戻されて再び濃縮され、結晶塩が回収される。母液の一部は結晶化に適さない物質の蓄積を防ぐために排液管Ｌ７を介して系外へ排出される。

一方、蒸発缶８、９、１０の蒸気はそれぞれコンデンサ１４、１５、１６によって冷却され、凝縮水は活性炭処理装置１７に供給されて処理される。活性炭処理装置１７の処理水は塩分や有機物などを含まないので、一部はプロセス用水や中水などとして利用され、残部は接触槽１８で次亜塩素酸ナトリウムなどの消毒剤によって殺菌処理を行った後放流される。

第一段目蒸発缶８および第二段目蒸発缶９内での塩類含有処理水の加熱は、例えば、水蒸気を熱源として、蒸発缶内に設置した伝熱管による熱交換により行い、第三段目蒸発缶１０内の加熱も水蒸気を熱源として、シェルアンドチューブ式の熱交換器による熱交換で行われる。熱源として電気ヒータを使用することも可能である。
また、蒸発缶８、９、１０の形式についても各種のものを適宜組合せて使用することが可能である。
さらに、蒸発操作は回分式、連続式のいずれでもよく、複数の蒸発缶を用いる多重効用法や多段フラッシュ法などによる蒸発方式も採用することが可能である。

なお、図１の実施形態においては三つの蒸発缶を使用する場合について説明したが、さらに蒸発缶を追加して４段以上にしてもよい。
蒸発缶を多段に設ける本発明の方法によって、各段の濃縮倍率などを個別に設定して対象スケール物質の濃度調整を行ったり、また、スケールの発生しやすい濃縮度の高い蒸発缶内のｐＨ調整を行うことができるので、し尿やごみ埋立て浸出水のような雑多な、しかも高濃度の塩類を含有する処理水においても、蒸発缶、その他の系内配管などにおけるスケーリング発生を効果的に抑制することが可能である。

例えば、処理量の約９割を担う第一段目蒸発缶８は脱塩原水に対して約１０倍濃縮のため、塩の結晶化はほとんど起こらないので、スケーリングの影響を受けず連続運転が可能である。
一方、第二段目蒸発缶９では脱塩原水に対して約４０倍に濃縮されるため、スケールを形成する塩類の濃度が飽和、または、過飽和となるので、スケーリングが生じる可能性があり、連続運転には不向きである。しかし、ｐＨ調整をしてカルシウム塩などの対象塩類の溶解度を上げてスケーリングを抑えることが可能である。

また、仮に第二段目蒸発缶９内にスケーリングが生じたとしても、小型の第二段目蒸発缶９のみのスケーリング除去を行えばよく、使用する薬品の節約や作業の短縮が可能になる。

次に、図２に示す本発明の他の実施形態について説明する。
図２において、１９は活性炭処理装置、Ｂはカルシウム塩などを不溶性の炭酸塩にする反応槽２０と、生成物を沈殿分離などによって分離するための固液分離槽２１からなる軟化装置である。
図２に示す実施形態は図１の実施形態に、処理すべき塩類含有の処理水を、予め前処理するための工程である活性炭処理装置１９を第一段目蒸発缶８の前段に、また、第一段目蒸発缶の後段に軟化装置Ｂを設けたものである。

すなわち、図１の実施形態においては、処理すべき塩類含有処理水を送液管Ｌ４を介して、直接第一段目蒸発缶８へ供給したが、図２の実施形態では処理すべき塩類含有処理水中の有機物や着色成分を、予め活性炭処理装置１９を通して除去した後、送液管Ｌ８を介して第一段目蒸発缶８に供給するようにしている。

また、第一段目蒸発缶８の後段に溶解性のカルシウム塩やマグネシウム塩などを不溶性の炭酸塩に変換するために炭酸ソーダあるいは炭酸イオンを含有する温泉水などと、中和剤（アルカリまたは酸）を添加して反応させる反応槽２０と、生成した炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなどを沈殿分離する固液分離槽２１とからなる軟化装置Ｂを設けて、カルシウムやマグネシウムなどのスケーリングを引き起こす成分を除去するようにしたものである。

し尿やごみ埋立て浸出水などの高濃度塩類を含有する有機性廃水は、前述した生物処理、凝集処理、固液分離膜処理などを組合せて処理することにより、かなりの程度浄化されるが、し尿処理水では胆汁色素の酸化物やヘモグロビン変性物など難分解性の有機物が残存している。また、ごみ埋立て浸出水の処理水には難分解性のフミン酸やフルボ酸が残存する。

これらの残存有機物は濃縮度の高い第三段目蒸発缶１０内において発泡現象を引き起こす。発泡が起こると、凝縮液側に高濃度の塩類を含む泡が流出し、放流水の水質を悪化させる。また、それらの難分解性の物質は着色成分であるため、回収される結晶塩は黒色などの色を呈し、工業用塩類などとして利用する際の障害となる。

上記の問題を引起こす胆汁色素の酸化物、ヘモグロビン変性物、フミン酸、フルボ酸などの有機物は活性炭に吸着され得るので、それらを含む塩類含有処理水を第一段目の蒸発缶８に供給する前に、予め活性処理装置１９に通すことによって除去することができる。
また、活性炭吸着処理の代わりに、オゾン酸化処理を行ってそれらの有機物を分解除去することも可能である。また、オゾン酸化処理の後に、さらに、活性炭処理を行うようにすることも可能である。

活性炭処理装置１９、または、オゾン酸化処理装置（図示されていない）を設けて有機物を除去することにより、着色のない塩類の回収ができるだけでなく、蒸発缶内の濃縮液中の有機物の量が低減するので、濃縮率が上げられ、系外に排出する廃液を低減できるという利点もある。

高濃度塩類を含む処理水中には、通常、カルシウムやマグネシウムなどが溶解していることが多く、それらが蒸発濃縮によって固形の炭酸塩や硫酸塩となって蒸発缶など各種の機器に付着してスケーリングが発生する。

特に、脱塩原水に対して濃縮率が高い第二段目蒸発缶９内の伝熱管表面にはスケーリングが発生することがある。しかし、軟化装置Ｂを設けて、カルシウムやマグネシウムなどを、予め取り除くことにより、この問題を防止することが可能である。
なお、図では軟化装置Ｂを第一段目蒸発缶８の後段に設置しているが、第一段目蒸発缶８の前段に配置することも可能である。

高濃度の塩類を含有するこのような処理水を、予め活性炭処理装置１９や軟化装置Ｂを設けて処理することにより、第二段目蒸発缶９でのスケーリング問題や第三段目蒸発缶１０内での発泡問題および回収結晶塩の着色問題を解決することができる。
すなわち、活性炭処理装置１９あるいはオゾン酸化処理装置（図示していない）または／および軟化装置Ｂを設ける図２の実施形態では、図１に示す実施形態に比べて、スケーリング問題の更なる改善ができ、また、着色のない工業塩を回収することが可能である。

なお、図１および図２の実施形態では、主にし尿を例に説明したが、産業廃水など各種の高濃度塩類を含有する有機性の廃水についても、同様に適用し、同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を模式的に示す概略図である。 本発明の他の実施形態を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１ 分離機
２ 一次硝化脱窒素槽
３ 二次硝化脱窒素槽
４ 第一段目膜分離槽
５ 凝集槽
６ 第二段目膜分離槽
７ 脱塩原水槽
８ 第一段目蒸発缶
９ 第二段目蒸発缶
１０ 第三段目蒸発缶
１１ 蒸気ボイラ
１２ 遠心分離機
１３ 母液タンク
１４、１５、１６ コンデンサ
１７、１９ 活性炭処理装置
１８ 接触槽
２０ 反応槽
２１ 固液分離槽
Ａ 生物処理装置
Ｂ 軟化装置

Claims (7)

1. 塩類を含有する有機性廃水を生物処理、凝集処理、固液分離処理することによって得られる塩類含有処理水を、複数の蒸発缶を用いて多段濃縮し、最終的に塩類を析出させて分離する塩類含有処理水の脱塩方法であって、前記塩類含有処理水中に含まれるカルシウム塩などを、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階で、予め炭酸塩として除去して、最終的にナトリウムを含む塩類を析出させて分離することを特徴とする塩類含有処理水の脱塩方法。
2. 前記塩類含有処理水中の有機物を、予め活性炭吸着処理または／およびオゾン酸化処理で除去した後に、前記カルシウム塩などを、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階で、予め炭酸塩として除去することを特徴とする請求項１記載の塩類含有処理水の脱塩方法。
3. 前記複数の蒸発缶の第二段目蒸発缶において、ｐＨ調整を行いカルシウム塩などの対象塩類のスケーリングを抑えることを特徴とする請求項１、請求項２記載の塩類含有処理水の脱塩方法。
4. 前記塩類を析出させて分離した後、工業塩として回収することを特徴とする請求項１乃至３記載の塩類含有処理水の脱塩方法。
5. 塩類を含有する有機性廃水を生物処理、凝集処理、固液分離処理することによって得られる塩類含有処理水を、順次濃縮して、最終的にナトリウムを含む塩類を析出させる複数の蒸発缶と、析出した塩類を分離する遠心分離機を備える塩類含有処理水の脱塩装置であって、前記塩類含有処理水に含まれるカルシウム塩などを炭酸塩として除去するための軟化装置を、第一段目の蒸発缶の直前または直後の段階に設けることを特徴とする塩類含有処理水の脱塩装置。
6. 前記軟化装置の前段に、塩類含有処理水中に含まれる有機物を除去するための活性炭吸着装置または／およびオゾン酸化装置を備えることを特徴とする請求項５記載の塩類含有処理水の脱塩装置。
7. 前記複数の蒸発缶の第二段目蒸発缶において、ｐＨ調整を行いカルシウム塩などの対象塩類のスケーリングを抑えることを特徴とする請求項５記載の塩類含有処理水の脱塩装置。
   

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