JP4071364B2

JP4071364B2 - 逆浸透膜分離装置の前処理装置

Info

Publication number: JP4071364B2
Application number: JP19314998A
Authority: JP
Inventors: 哲郎金城; 司品田
Original assignee: Nishihara Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Nishihara Environmental Technology Co Ltd
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: JP2000024673A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆浸透膜分離装置の前処理装置、特に、逆浸透膜における被処理水中のカルシウム成分等によるスケールトラブルや、懸濁微粒子による目詰まりを低減する前処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
逆浸透膜による分離装置は、その分離能に優れていることから、様々な分野で用いられている。逆浸透膜分離装置では、通常被処理水中の水分子は透過し、不要なイオンや分子は透過しにくい選択透過性を有する透過膜が用いられ、被処理水は透過水と、不要なイオンや分子が濃縮された濃縮排水とに分離される。このような逆浸透膜による分離装置は、例えばかん水や海水の淡水化、超純水製造、各種イオンの除去などに用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、逆浸透膜による排水や用水の処理においては、これら被処理水中にカルシウム成分が含まれていることが多く、濃縮した際に硫酸カルシウムや炭酸カルシウム等の難水溶性カルシウム塩が析出して膜にスケールが付着し、処理効率が低下するというトラブルを生じることがある。
【０００４】
スケールを防止する方法として、ヘキサメタリン酸ソーダ等のスケール防止剤を添加する方法や、カルシウム塩を溶解させるために塩酸、硫酸等の酸を添加する方法があるが、これらは何れもカルシウム成分を除去するものではなく、単にスケールトラブルを抑制するものに過ぎず、その効果にも限界がある。よって、逆浸透膜装置でのスケールトラブルを防止し、濃縮倍率を高く設定するためには被処理水中のカルシウム成分を予め除去する必要がある。
【０００５】
被処理水中のカルシウム成分を除去する方法としては、陽イオン交換樹脂によるイオン交換法や、アルカリ剤による析出沈殿法などがある。
イオン交換法は、イオン交換性を有する物質を用いて被処理水中のカルシウムイオンを他のイオンと置換、除去する方法であり、通常イオン交換性に優れる陽イオン交換樹脂が用いられる。代表的なものにはナトリウム型陽イオン交換樹脂がある。
【０００６】
しかしながら、カルシウムイオンをトラップしたイオン交換樹脂を再生すると、硫酸イオンは再生液中に移行してしまうので、イオン交換樹脂は再生することもできず、廃棄処分せざるを得ないので、コストが非常に高くなる。また、イオン交換法では、被処理水中に他の陽イオンが多く存在すれば処理効率が低下し、必要なイオン交換樹脂量が多くなるので、コスト増につながる。
【０００７】
一方、アルカリ剤による析出沈殿法は、被処理水に消石灰（Ｃａ(ＯＨ)₂）、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム等の強塩基を添加し、化学的に難水溶性の炭酸カルシウムを析出させることによりカルシウム成分を除去するものである。その代表的な反応式を下記に示す。
【０００８】

析出沈殿法は、単純な析出反応に基づく方法であり、システム構成も、通常の凝集沈殿設備と類似して、反応槽、攪拌装置、薬品注入装置、析出物排出装置等で構成することができる。
【０００９】
しかしながら、通常の析出沈殿法では、析出する炭酸カルシウムの粒径が小さくて沈殿しにくく、また、一旦沈殿すると固着してしまうので、分離膜への負担になるばかりでなく、攪拌装置や配管へのスケール生成の原因となる。また、生成した炭酸カルシウムは粒径が細かく、取り扱いが面倒であり、さらに、逆浸透膜に供給される被処理水中に懸濁性微粒子として混入すると膜を目詰まりさせてしまう。また、設備の設置面積も大きくなる。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑み成されたものであり、その目的は、被処理水中のカルシウム成分に起因するスケールトラブルや、懸濁性微粒子による膜の目詰まりを低減して逆浸透膜の負荷を抑制し、逆浸透膜分離処理を安定して効率よく行うための前処理装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が前記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、被処理水中のカルシウム成分を、核粒子存在下でアルカリ剤と反応させ、炭酸カルシウムとして核粒子に晶析、積層させてこれを除去し、さらに得られた反応液を凝集、濾過して逆浸透膜に供給することにより、逆浸透膜の負荷が著しく低減化され、濃縮倍率を高く設定することが可能となる。また、逆浸透膜の洗浄頻度が軽減でき、装置の運転時間が飛躍的に延長されることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
すなわち、本発明にかかる逆浸透膜分離装置の前処理装置は、被処理水導入手段およびアルカリ剤注入手段を備えると共に、カルシウム塩析出用の核粒子の添加手段および排出手段を有する流動床式カルシウム除去工程と、
ｐＨ調整手段、凝集剤添加手段および攪拌手段を有し、流動床式カルシウム除去工程処理水を凝集処理する凝集工程と、
洗浄手段を有し、凝集フロックを含む凝集工程処理水を濾過処理する濾過工程と、
からなることを特徴とする。
【００１３】
なお、本発明の前処理装置において、流動床式カルシウム除去工程は、
核粒子が流動する晶析反応槽と、
被処理水が流入する被処理水導入槽と、
晶析反応槽と被処理水導入槽との間に設けられた仕切部材とを備え、
前記仕切部材には晶析反応槽側に被処理水導入ノズルおよびアルカリ剤注入ノズルが配設されていることが好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前述のように、本発明にかかる逆浸透膜分離装置の前処理装置は、流動床式カルシウム除去工程、凝集工程、及び濾過工程を含む。図１に、その代表的なフローチャートを示す。
【００１５】
被処理水は流動床式カルシウム除去工程に供給され、ここで被処理水中のカルシウム成分が除去される。流動床式カルシウム除去工程の処理水（以下、反応液）は、凝集工程で凝集処理され、凝集工程の処理水（以下、凝集液）は、濾過工程で濾過処理される。濾過工程の処理水（以下、濾過水）は、逆浸透膜分離装置へと供給することができる。
以下、各工程について説明する。
【００１６】
流動床式カルシウム除去工程
本発明の流動床式カルシウム除去工程は、反応液中に晶種となる核粒子を添加し、この核粒子にカルシウム成分を炭酸カルシウムとして晶析、積層させ、成長肥大した核粒子（ペレット）を系外に排出することでカルシウム成分の除去を行うものである。この晶析反応は、上記アルカリ剤による析出沈殿法と同じ化学反応に基づくが、析出反応が起こる前に析出の場となる核粒子をあらかじめ多量に存在させておくことにより、炭酸カルシウムが速やかに核粒子に晶析、積層するので、カルシウム塩の微粒子の生成が少なく、微粒子による汚泥が発生しにくい。晶析、積層により成長した核粒子（ペレット）は反応槽内を流動しにくくなり、槽下部に沈降するため、槽下方より容易に抜き取って排出することができる。また、核粒子及びペレットは粒状で易脱水性であるため、取り扱いも容易である。また、炭酸カルシウムの析出は、核粒子の存在によって、より低い濃度で始まるために、通常の析出沈殿法と比較して反応が速やかで、且つ少ない薬剤量で行うことができ、非常に効率的である。
【００１７】
従って、被処理水中のカルシウム成分の除去に、流動床式カルシウム除去装置を用いることが大変有効である。
流動床式カルシウム除去工程において添加する核粒子としては、晶析反応の核となり得るものであれば特に限定されないが、排出されるペレットを再利用する場合には、純度を上げるためにも炭酸カルシウム製のものが好ましい。排出された炭酸カルシウムは、粉砕して反応槽へ添加する核粒子として再利用可能であり、また、家禽の栄養源、化学工業原料、農業利用（土壌改良等）、酸性化した排水の中和剤等としても用いることができる。特に、家禽の栄養源、化学工業原料とする場合には純度の高いことが要求されるが、炭酸カルシウムを核粒子として用いれば、排出されるペレットの炭酸カルシウム純度は９５％以上とすることが可能である。
【００１８】
核粒子は通常粒径が０．１〜０．５ｍｍのものを定期的に補給し、晶析反応により粒径が０．５〜２．５ｍｍに成長肥大したら反応槽下部より適宜排出すればよい。なお、ペレットの排出頻度は、その生成量により適宜調整すればよいが、通常１〜２回／日程度である。
また、アルカリ剤としては、本発明の目的に反しない限り特に限定されない。
【００１９】
凝集工程、濾過工程
流動床式カルシウム除去工程の反応液は、さらに凝集処理および濾過処理を行うことにより反応液中の懸濁物質を除去でき、逆浸透膜への負担を軽減することができる。
【００２０】
凝集工程では、無機凝集剤や高分子凝集剤を用いて、流動床式カルシウム除去工程の反応液中の懸濁物質を凝集させる。このとき、ｐＨ調整剤により、適当なｐＨに調整することが好ましい。用いる凝集剤は本発明の目的に反せず、且つ後段の工程において問題を起こさない限り特に限定されず、例えば、通常排水の凝集処理に用いられる無機凝集剤、高分子凝集剤を適宜選択して用いることができる。
【００２１】
凝集工程の凝集液は濾過工程で濾過され、凝集液中の凝集フロックが除去される。濾過工程では、通常、砂濾過装置が利用され、多くの場合は急速砂濾過装置が採用される。
次に、図２に本発明にかかる前処理装置の一例の概略図を示す。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２２】
図２に示す前処理装置は、流動床式カルシウム除去装置１、凝集装置２、及び濾過装置３を有する。
流動床式カルシウム除去装置１は、反応槽１０、被処理水導入手段１２、アルカリ剤注入手段１４、核粒子添加手段１６、ペレット排出手段１８、反応液排出手段２０を備えている。
【００２３】
被処理水は、導入手段１２から反応槽１０に導入される。被処理水中のカルシウム成分は、アルカリ剤と反応して炭酸カルシウムとなり、核粒子添加手段１６より添加されて反応槽内を流動する核粒子に晶析、積層し、核粒子の粒子径を増大させる。粒子径の大きくなった核粒子（ペレット）は、単位容積あたりの晶析反応面積が減少して反応効率が低下し、流動性も低下して沈降するので、定期的にペレット排出手段１８により排出し、新たに核粒子を補給する。
【００２４】
一方、カルシウム成分が除去された反応液は反応槽上部の反応液排出手段２０から反応槽外に排出されるが、通常は反応槽上部から反応液をオーバーフローさせればよい。
凝集装置２は、凝集槽２２、反応液導入手段２４、凝集液排出手段２６、ｐＨ調整剤注入手段２８、無機凝集剤注入手段３０、高分子凝集剤注入手段３２を備えている。
【００２５】
前記流動床式カルシウム除去装置１から排出された反応液は、反応液導入手段２４により凝集槽２２に導入される。反応液中に含まれる微細なカルシウム化合物やその他の懸濁粒子は、適当なｐＨ条件下で無機凝集剤及び高分子凝集剤と反応し、フロックとなって凝集する。このようなフロックを含んだ凝集液は、凝集液排出手段２６により凝集槽２２から排出される。
【００２６】
濾過装置３は、濾過槽３４、凝集液導入手段３６、濾過水排出手段３８、及び逆流洗浄手段４０を備え、濾過槽３４内には濾材充填層４２を有する。逆流洗浄手段４０は、通常、空気や水等を噴射することができるようにポンプやブロアー等が設けられている。
【００２７】
凝集装置２から排出された凝集液は、凝集液導入手段３６により濾過槽３４に導入され、濾材充填層４２で濾過される。濾過水は濾過水排出手段３８により濾過槽３４から排出される。
濾過装置３には、通常、砂濾過装置や急速濾過装置が用いられ、濾材は定期的に逆流洗浄される。この逆流洗浄により生じる逆洗排水は逆洗排水排出手段４４より排出され、適宜処理される。
【００２８】
濾過水は、逆浸透膜分離装置へ直接送ることも可能であるが、水質や水量による負荷を軽減するために、一旦濾過水貯留槽４６に貯留して均質化し、ここからポンプ等により定量的に逆浸透膜分離装置へ供給することが好ましい。また、濾過水貯留槽４６を設ければ、この濾過水を逆流洗浄用水として利用することができる。
【００２９】
また、本発明の前処理装置においては、原水槽４８を設け、ここに被処理水を一旦貯留して水質を均質化し、これをポンプ等により流動床式カルシウム除去装置１へ定量的に供給することが望ましい。
図３に、本発明で用いられる流動床式カルシウム除去装置の好適な例を示す。
【００３０】
反応槽１１０は底を有する容器で、筒形、好ましくは円筒形である。反応槽１１０内の下方には仕切部材１５０が設けられ、これにより、反応槽は晶析反応槽１５２と被処理水導入槽１５４とに分けられている。被処理水導入槽１５４は被処理水導入設備１１２と通じている。
【００３１】
仕切部材１５０は、被処理水導入ノズル１１２ａ及びアルカリ剤注入ノズル１１４ａを有し、被処理水導入ノズル１１２ａは晶析反応槽１５２と被処理水導入槽１５４とに通じている。アルカリ剤注入ノズル１１４ａは晶析反応槽１５２とアルカリ剤注入設備１１４とに通じている。このように晶析反応槽及び被処理水導入槽を仕切部材で隔てて一体化し、ノズルを仕切部材上に設けることによって、被処理水を晶析反応槽１５２内へ均一に導入し、且つ装置の省スペース化をはかることができる。
【００３２】
核粒子添加部１１６は、装置が小規模で核粒子添加量も少ない場合には、晶析反応槽上部より適宜投入してもよいが、通常はポンプなどの添加装置を利用し、晶析反応槽１５２内下部に核粒子が添加されるように設置される。
ペレット排出部１１８は、晶析反応槽下部に設けられている。
【００３３】
被処理水は、被処理水導入設備１１２から被処理水導入ノズル１１２ａを通って晶析反応槽１５２内に導入され、晶析反応槽下部でアルカリ剤注入ノズル１１４ａから注入されたアルカリ剤溶液と混合されて、晶析反応槽内を上昇する。被処理水中のカルシウム成分はアルカリ剤と反応して、炭酸カルシウムとなり、晶析反応槽１５２内を流動する核粒子に晶析、積層する。粒子径が増大した核粒子（ペレット）は槽内の流動に抗して仕切部材１５０上に沈降するようになり、この結果晶析反応槽１５２内の核粒子分布は底部から上部に向かって、次第に粒径が小さくなる傾向を示す。
【００３４】
仕切部材上に集まったペレットは、ペレット排出部１１８から排出される。ペレット排出部としては、例えば、ペレット排出弁を備えた排出管等を設け、排出弁を一定時間開くことにより、ペレットを多量に含む液として容易に排出することができる。排出液中のペレットは、砂のような固形粒子であり、水切れが非常に良いので、排出量が少なければ、網かご等に直接排出することができる。また、排出量が多ければ、貯留場所へポンプ移送して、適宜処理すればよい。
【００３５】
一方、カルシウム成分が除去された反応液は反応槽上部の反応液排出部１２０からオーバーフローさせればよい。
流動床式カルシウム除去装置では、晶析反応槽１５２内で被処理水とアルカリ剤との混合や核粒子との接触が効率よく行われるように、各部分の位置や形状等を調整することが望ましい。図４にその好適な形態の一例を示す。
【００３６】
同図において、被処理水用ノズル１１２ａ及びアルカリ剤用ノズル１１４ａは、それぞれ晶析反応槽１５２内に複数の噴出口を有している。アルカリ剤用ノズル１１４ａの噴出口は被処理水用ノズル１１２ａの噴出口よりも上方に設けることが好ましい。こうすることにより、被処理水とアルカリ剤の混合が速やかに行われ、晶析反応槽内における上向き流として理想的な栓流（プラグフロー）を得ることができる。
【００３７】
また、被処理水導入ノズル１１２ａは、噴出口が図中の矢印のように、上向き流に対して垂直となるような形状にすれば、運転停止時における核粒子やペレットの逆流防止に有効である。
また、核粒子添加部１１６を、被処理水導入ノズル１１２ａ及びアルカリ剤注入ノズル１１４ａの上方に配置することで、晶析反応槽内で被処理水と核粒子とが効率よく接触することが可能となる。
【００３８】
【実施例】
実施例１
硫酸イオン含有排水から硫酸イオンを除去する逆浸透膜分離装置の前処理装置として、図２の前処理装置を用いて下記条件下で前処理を行ったところ、運転を２０日間連続して行った場合にも逆浸透膜における膜圧上昇や破損などの問題は特に認められなかった。
【００３９】
一方、本発明の前処理装置において、流動床式カルシウム除去装置１の代わりに通常のアルカリ剤による析出沈殿装置を用いた場合には、５日で膜圧上昇が認められ、また、生成した汚泥の排出や固液分離が非常に困難であった。
（運転条件）
被処理水量７５ｍ^３／日
アルカリ剤注入量１．５ｍｏｌ-Ｎａ_２ＣＯ_３／ｌ
逆浸透膜供給量７５ｍ^３／日
透過水量５０ｍ^３／日
【００４０】
【発明の効果】
本発明の逆浸透膜分離装置の前処理装置は、被処理水中のカルシウム成分を、核粒子の存在下、アルカリ剤により晶析させて除去後、凝集、濾過を行うことにより、被処理水中のカルシウム成分及び懸濁性微粒子が良好に除去されるので、スケール生成などのトラブルを防止でき、逆浸透膜分離装置への負担を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる前処理装置のフローシートである。
【図２】本発明の一実施例にかかる前処理装置の概略構成の説明図である。
【図３】図２の流動床式カルシウム除去装置の一例を示す図である。
【図４】図３の流動床式カルシウム除去装置の部分拡大図である。
【符号の説明】
１ … 流動床式カルシウム除去装置
２ … 凝集装置
３ … 濾過装置

Claims

被処理水導入手段およびアルカリ剤注入手段を備えると共に、カルシウム塩析出用の核粒子の添加手段および排出手段を有する流動床式カルシウム除去工程と、
ｐＨ調整手段、凝集剤添加手段および攪拌手段を有し、流動床式カルシウム除去工程処理水を凝集処理する凝集工程と、
洗浄手段を有し、凝集フロックを含む凝集工程処理水を濾過処理する濾過工程と、
からなることを特徴とする逆浸透膜分離装置の前処理装置。
請求項１記載の前処理装置において、流動床式カルシウム除去工程は、
核粒子が流動する晶析反応槽と、
被処理水が流入する被処理水導入槽と、
晶析反応槽と被処理水導入槽との間に設けられた仕切部材とを備え、
前記仕切部材には晶析反応槽側に被処理水導入ノズルおよびアルカリ剤注入ノズルが配設されていることを特徴とする逆浸透膜分離装置の前処理装置。