JP4379147B2 - 水処理装置及び水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、被処理水を逆浸透（ＲＯ）膜処理する水処理装置及び水処理方法に係り、詳しくは、ＲＯ膜の透過流束低下要因物質を予め分離除去することにより、ＲＯ膜装置において長期に亘って高透過流束を維持する水処理装置及び水処理方法に関する。

表面緻密層と多孔質支持層からなり、溶媒分子は通すが溶質分子を通さないＲＯ膜により、海水の一段淡水化が可能になった。その後、ＲＯ膜の利用分野が広がり、低圧力で運転可能な低圧ＲＯ膜が開発され、下水二次処理水、工場排水、河川水、湖沼水、ゴミ埋め立て浸出水などの浄化にもＲＯ膜が利用されるようになった。

溶質の阻止率が高いＲＯ膜の透過水は、良好な水質を有するので再利用が可能である。しかし、ＲＯ膜による処理を継続すると、膜の透過流束が低下し、同処理水量を得るための操作圧力が上昇するためＲＯ膜の洗浄が必要となる。

ＲＯ膜の洗浄は、処理の停止を伴い、総処理水量の低下や洗浄排水の増加による水回収率の低下に繋がるため、できる限り洗浄の頻度を少なくすることが好ましい。このため、ＲＯ膜処理においては、ＲＯ膜への供給水をある程度清澄にすることにより、ＲＯ膜において高透過流束を維持するための前処理が必要となる。

そこで、本出願人は先に、ＲＯ膜の透過流束が低下する原因物質の一つとして、被処理水に含まれる界面活性物質（非イオン界面活性剤）を取り上げ、原水中の非イオン界面活性剤を除去する前処理を行うことにより、ＲＯ膜の透過流束低下を防いで、長期間に亘って安定した運転を行うことが可能となることを見出し、被処理水中の非イオン界面活性剤の濃度を１０ｍｇ／Ｌ未満とする前処理を行った後、ＲＯ膜に通水する水処理方法を提案した（特願２００２−２８１１８７。以下「先願」という。）。

ところで、水中に溶存する界面活性物質の除去方法としては、従来より泡沫分離処理が用いられている（特許第２６４７１０４号公報）。泡沫分離処理は、被処理水に気相を吹き込み泡沫層を形成させ、泡沫水に界面活性物質を濃縮して分離する処理である。しかしながら、泡沫分離処理は、界面活性物質が数十ｍｇ／Ｌ以上で溶存するような高濃度においては効果が得られるものの、低濃度の場合、特に界面活性物質が数ｍｇ／Ｌ以下で溶存し、連続的に泡沫層を形成できないような低濃度の場合においては、溶存する界面活性物質を効率的に分離することはできない。

そこで、被処理水中に界面活性物質が低濃度で溶存する場合には、吸着処理や生物処理、更には酸化分解処理の適用が考えられる。

このうち、吸着処理は、活性炭やゼオライトといった固体の吸着剤を用いて、溶存する界面活性物質を吸着除去する方法であり、この処理によれば界面活性物質が低濃度の場合であっても処理が可能である。

生物処理は、微生物により溶存する界面活性物質を資化、分解する方法であり、界面活性物質が低濃度である場合には、スポンジや活性炭といった担体に微生物を担持することにより、低濃度においても処理が可能である。

酸化分解処理は、オゾンや過酸化水素といった酸化剤を用いて酸化分解する方法であり、この方法によっても低濃度の界面活性物質を分解することが可能である。

しかしながら、固体吸着剤を用いた吸着処理においては、吸着剤の吸着除去量に限度があるため、遅かれ早かれ吸着剤は破過に到ることとなり、吸着剤が破過した場合には吸着剤の交換や再生といった操作が必要となる。また、被処理水中には対象とする界面活性物質の他にも多くの有機物質が含まれており、これら有機物質も吸着剤に吸着されることとなるため、このような共存有機物質が多く含まれる被処理水においては、吸着剤は早期に破過してしまうこととなり非効率的である。

また生物処理においても、先述のように処理は可能であるものの、低濃度の界面活性物質をＲＯ膜での影響がなくなるまで十分に分解するためには、長期の馴養が必要となったり、共存有機物質がある場合にはこの共存有機物質の分解が優先し、十分な界面活性物質の分解がなされないなど制御が非常に難しい。更には、微生物より界面活性物質が二酸化炭素と水まで完全に分解されるわけではないため、界面活性物質の低分子化により、ＲＯ膜での透過流束低下を回避できたとしても、低分子の有機物質によりＲＯ膜での有機物質の除去率が低下し、半導体工場の排水などにおいてＲＯ膜処理水を用水処理の原水として再利用しようとする場合には、ＲＯ膜を透過して原水中に含まれる低分子化された有機物質が用水処理の負荷を高めることが問題となる。

また、酸化分解処理においても、生物処理と同様であり、処理は可能であるものの、共存する他の有機物質の影響、ＲＯ膜処理水の悪化が問題となる。

なお、１９６５年にＲ．Ｌｅｍｌｉｃｈらにより、“Nonfoaming Bubble Adsorptive Separation”法が提案され、染料が溶存する水溶液を満たした塔に気泡を分散させることにより、塔の垂直方向に染料の濃度勾配が生じることが報告された(Dorman,D.C.Lemlich,R.,“Separation of Liquid Mixtures by Non-foaming Bubble Fractionation.”Nature,207,145-146(1965)、Shah,G.N.,Lemlich,R.,“Separation of Dyes in Nonfoaming Adsorptive Bubble Columns.”Ind.Eng.Chem.Fundam.,9,350-355(1970))。
特願２００２−２８１１８７号 特許第２６４７１０４号公報 Dorman,D.C.Lemlich,R.,"Separation of Liquid Mixtures by Non-foaming Bubble Fractionation."Nature,207,145-146(1965) Shah,G.N.,Lemlich,R.,"Separation of Dyes in Nonfoaming Adsorptive Bubble Columns."Ind.Eng.Chem.Fundam.,9,350-355(1970)

本発明は、被処理水中に低濃度で溶存し、ＲＯ膜において透過流束を低下させる要因となる界面活性物質をＲＯ膜処理の前段で選択的かつ効率的に除去し、ＲＯ膜の高透過流束を長期に亘って安定に維持しうる水処理装置及び水処理方法を提供することを目的とする。

本発明の水処理装置は、直径５０μｍ以下の気泡により被処理水を吸着処理する気泡塔と、該気泡塔からの吸着処理水を逆浸透膜処理する逆浸透膜装置とを備えてなり、該気泡塔は、上部にオーバーフロー壁が設けられていると共に、上部にミストの吸引分離装置が設けられていることを特徴とする。

本発明の水処理方法は、被処理水を直径５０μｍ以下の気泡により吸着処理した後、逆浸透膜処理する水処理方法であって、該気泡塔の上部でミストを吸引分離すると共に、該気泡塔の上部から被処理水の一部をオーバーフローさせ、水回収率７５〜９５％で吸着処理することを特徴とする。

なお、以下において、本発明における直径５０μｍ以下の気泡による吸着処理を「非泡沫分離処理」と称す場合がある。

本発明者は、この非泡沫分離処理が、微細な気泡を吸着剤とした吸着処理であり、気相を連続的に吹き込むのみで良く、吸着剤の交換や再生が不要であり、さらには廃吸着剤に由来する固形廃棄物の発生がないこと、また吸着処理は非分解処理であり、被処理水中の有機物質の低分子化は起こらず、ＲＯ膜処理と組み合わせた場合においても前述のような低分子化した有機物質の透過による処理水の悪化は起こらないことに注目すると共に、被処理水中に低濃度で溶存しＲＯ膜において透過流束を低下させる界面活性物質等の物質を、この非泡沫分離処理を用いることにより、被処理水中にその他の溶解性有機物質が共存するような場合であっても選択的に吸着除去でき、ＲＯ膜において高透過流束を維持できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明に係る非泡沫分離処理は、特許第２６４７１０４号公報に記載されるような泡沫分離法とは異なり、泡沫層を形成する必要はなく、従って、本発明においては、気泡塔から、泡沫層（少なくとも泡沫層が多量に存在する液）を流出させる管は不要である。

また、本発明に係る非泡沫分離処理は、加圧浮上処理とも異なる処理である。即ち、加圧浮上処理は気泡を凝集フロックや懸濁性の粗粒子（非溶解性）に吸着させて浮上分離する処理であり、溶解性の物質を対象とした処理ではない。また、ストークスの式に示されるように、加圧浮上処理では、気泡径は気泡の浮上速度に関係し（表１に「ストークスの式より算出した気泡径と浮上速度（上昇速度）及び気泡比表面積との関係（気相は空気）」を示す。）、浮上性を確保するため気泡径は１００μｍ（上昇速度約２０ｍ／ｈｒ）以上、微細気泡を用いる場合であっても５０μｍ（上昇速度約５ｍ／ｈｒ）よりも大きくする必要があり、用いる気泡の径において、微細気泡を用いる本発明の非泡沫分離処理とは全く異なる。

加えて、気泡単位表面積当たりの溶解性有機物質の吸着量は非常に少なく（図１，３に「非イオン界面活性剤水溶液での非泡沫分離処理試験で得られた吸着等温線図（気相は空気。気泡径約２０μｍ）」を示す。）、気泡径の大きな気泡を用いる加圧浮上処理においては、気泡の表面積が少なく（気泡径１０倍で表面積１００分の１）、溶存する界面活性剤物質を十分に吸着することはできない。

また、非泡沫分離処理では、被処理水中に分散させた微細気泡を効果的に分離する（後述の如く、被処理水の一部をオーバーフローさせると共に、ミストを分離する）処理を実施しなければ、効果を得ることはできない点においても加圧浮上処理とは大きく異なる。

更に、加圧浮上処理においては多くの場合、凝集剤などの薬品を併用するが、本発明の非泡沫分離処理においては凝集剤のような薬品が不要である点においても大きく異なる。

本発明の水処理装置及び水処理方法によれば被処理水中に低濃度で溶存し、ＲＯ膜において透過流束を低下させる要因となる界面活性物質をＲＯ膜処理の前段で選択的かつ効率的に除去し、ＲＯ膜の高透過流束を長期に亘って安定に維持することができる。

以下に図面を参照して本発明の水処理装置及び水処理方法の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の水処理装置及び水処理方法の実施の形態を示す系統図である。

１は非泡沫分離塔（気泡塔）、２は膜濾過装置、３はＲＯ膜装置であり、被処理水は非泡沫分離塔１、膜濾過装置２及びＲＯ膜装置３の順で処理される。非泡沫分離塔の下部には気泡発生手段４が設けられており、また塔上部には、オーバーフロー壁５が設けられている。また、塔上部には、図示しないミストの吸引分離装置が設けられている。

被処理水は非泡沫分離塔１の塔上部から導入され、下向流で塔内を流通する間に気泡発生手段４からの微細気泡により吸着処理され、処理水は塔下部から抜き出される。被処理水の一部はオーバーフロー壁５より系外へ排出される。

非泡沫分離塔１からの非泡沫分離処理水は次いで膜濾過装置２で除濁処理された後、ＲＯ膜装置３でＲＯ膜処理され、ＲＯ膜装置３の透過水が処理水として取り出される。膜濾過装置２及びＲＯ膜装置３の濃縮水はそれぞれ系外へ排出される。

非泡沫分離塔１における非泡沫分離処理において、吸着剤として吹き込む気相の種類に特に制限はなく、酸素や窒素、その他各種気相を用いることができる。特に空気は、ボンベやＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）といった付帯設備を必要としないため好適に用いることができる。

また、気相の吹き込み方法に関しても特に制限はなく、散気管やエゼクタなど各種吹き込み手段を用いることができる。特に微細な気泡を発生させるという観点において、エゼクタとラインミキサの併用や過流ポンプを好適に用いることができる。また、後述の実施例に示すように、水の電気分解により塔内で気泡を発生させても良い。

本発明における非泡沫分離処理において、被処理水中に分散させる微細気泡の気泡径は５０μｍ以下であることが必要とされ、特に２０μｍ以下、とりわけ１０μｍ以下が望ましい。即ち、本発明の非泡沫分離処理においては、微細気泡表面への溶解性界面活性物質の吸着を主目的とするため、気泡の表面積はできる限り大きい方が好ましい。吹き込む気相の量が等しい場合、被処理水中に分散させる微細気泡の比表面積は、気泡径に反比例（気泡径１０分の１で比表面積１０倍）するため、気泡径を小さくして表面積を拡大することが好ましい。

気泡量は非泡沫分離塔１内の被処理水の滞留時間、被処理水の水質、所望とする処理水水質等との関係で決定されるが、例えば、非泡沫分離塔内の滞留時間１０〜６０分、Ｇ／Ｌ（ガス流量／液流量）＝０．１〜０．６、ＬＶ＝０．１〜５ｍ／ｈｒの条件で行うことが好ましい。

この非泡沫分離塔１の上部では、微細気泡の破泡によりミストが発生し、このミストは吸着分離した界面活性物質を含むものであることから、吸引分離する。また、被処理水の一部は図１に示す如くオーバーフローして、水回収率７５〜９５％で非泡沫分離処理することが膜分離の効率的な分離の点で好ましい。

図１において、非泡沫分離処理水は膜濾過装置２で除濁処理される。この膜濾過装置２は必ずしも必要とされないが、膜濾過装置２を設けることにより、被処理水中の濁質を除去し、ＲＯ膜装置３の汚染をより一層軽減し、透過流束の低下を抑制することができる点において好ましい。

除濁手段としては、通常の砂濾過や小型濾過装置、ＭＦ（精密濾過）膜、ＵＦ（限外濾過）膜など通常ＲＯ膜給水の処理で使用される除濁手段を使用することができる。この場合、除濁手段の位置は特に限定されないが、図１に示す如く、非泡沫分離塔１の後段に設けると、界面活性剤などによる除濁手段へのファウリングをも抑制することも可能となる。

本発明におけるＲＯ膜処理に用いるＲＯ膜については特に制限はなく、各種材質、各種形状のＲＯ膜を用いることができる。材質として特に、定圧で運転でき、除去率も高く、しかしながら有機物汚染しやすいとされるポリアミド系複合膜を好適に用いることができる。形状としては特に、膜の充填率が高く、コンパクトで高透過水量を得ることができるスパイラル型エレメントのＲＯ膜モジュールを好適に用いることができる。

以下に、実施例、比較例及び実験例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例により何ら限定されるものではない。

実施例１
半導体工場の排水を被処理水として、図１の水処理装置により試験を実施した。

半導体工場の排水を非泡沫分離塔１に導き、非泡沫分離塔１にて溶解性の界面活性物質を除去し、次いで膜濾過装置２にて懸濁物質を除去した後、ＲＯ膜装置３にてＲＯ膜処理を実施した。

非泡沫分離塔１では、塔上部から被処理水を導入し、水の電気分解により気泡径約２０μｍの気泡（酸素と水素）を発生させ、滞留時間５０分、Ｇ／Ｌ（ガス流量／液流量）＝０．６、ＬＶ＝０．２ｍ／ｈｒの条件にて界面活性物質を分離除去し、塔下部より処理水を取り出した。塔上部で発生する微細気泡破滅によるミストは吸引分離すると共に、塔上部から被処理水の一部をオーバーフローさせ、回収率９０％にて連続運転した。

非泡沫分離塔１からの非泡沫分離処理水は、公称孔径０．４５μｍのＭＦ膜（ＨＡＷＰ，日本ミリポア（株））で膜濾過処理した後、ポリアミド系ＲＯ膜（ＮＴＲ７５９ＨＲ，日東電工（株））にて操作圧力１．２ＭＰａ，２５℃で定圧濾過し、透過流束の変化を観察し、結果を図２に示した。

また、被処理水、非泡沫分離処理水、非泡沫分離濃縮水（ミスト、オーバーフロー水）においては、それぞれ全有機物炭素量（以下「ＴＯＣ」）を測定（ＴＯＣ−５０００Ａ，（株）島津製作所）すると共に、被処理水及び非泡沫分離処理水の非イオン界面活性剤濃度（ＡＰＥ，ＡＥ−ＥＬＩＳＡキット，武田薬品工業（株））を測定し、結果を表２に示した。

図２，表２より次のことが明らかである。

即ち、ＲＯ膜装置３においては、通水直後、純水透過流束（通水０時間）から約２割程度の透過流束の低下が見られたが、その後は安定し、透過流束０．７７ｍ／ｄを通水開始後約１２０時間維持することができた。

また、ＴＯＣの測定結果より、非泡沫分離処理によるＴＯＣ成分の濃縮分離が確認できた。この結果より、非泡沫分離処理が、気泡の吹き込みによるＶＯＣ（揮発性有機炭素）成分の揮発等によるものではなく、微細気泡界面での吸着、濃縮、分離による処理であり、ＲＯ膜における透過流束低下要因物質の除去に有効な処理であることが分かる。

また、非イオン界面活性剤の分析結果より、被処理水中にはＡＥ、ＡＰＥあわせて５．３ｍｇ／Ｌの非イオン界面活性剤が検出されたが、非泡沫分離処理水においてはいずれも０．１ｍｇ／Ｌ以下となっており、非泡沫分離処理において、非イオン界面活性剤を選択的に除去することができることが分かる。

比較例１
非泡沫分離処理を実施しないこと以外は実施例１と同様に処理を実施してＲＯ膜の透過流束の経時変化を図２に示した。

図２より明らかなように、ＲＯ膜装置では通水直後より急激な透過流束の低下が確認され、通水約３０時間後には純水透過流束（通水０時間の値）の半分以下の透過流束となってしまった。

この結果は、ＲＯ膜でケミカルファウリングが発生していることを示唆しており、被処理水中に溶存する界面活性物質である非イオン界面活性剤の影響と推察された。

実験例１
実施例１における非泡沫分離塔において、気泡径約２０μｍとなるように空気を吹き込み、非イオン界面活性剤（ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル 日本油脂（株）製ＮＳ２０８．５）の水溶液を通水して非イオン界面活性剤の吸着量と平衡濃度との関係を調べ、結果を図３に示した。

図３より、気泡表面積当りの界面活性剤吸着量は非常に少量であり、非イオン界面活性剤を低濃度まで除去するためには大きな表面積が必要であることが分かる。

本発明の水処理装置及び水処理方法の実施の形態を示す系統図である。 実施例１及び比較例１におけるＲＯ膜の透過流束の経時変化を示すグラフである。 非イオン界面活性剤水溶液での非泡沫分離処理試験で得られた吸着等温線を示すグラフである。

符号の説明

１ 非泡沫分離塔
２ 膜濾過装置
３ ＲＯ膜装置

Claims (4)

1. 直径５０μｍ以下の気泡により被処理水を吸着処理する気泡塔と、該気泡塔からの吸着処理水を逆浸透膜処理する逆浸透膜装置とを備えてなり、該気泡塔は、上部にオーバーフロー壁が設けられていると共に、上部にミストの吸引分離装置が設けられていることを特徴とする水処理装置。
2. 請求項１において、該気泡塔において、被処理水の滞留時間１０〜６０分、Ｇ／Ｌ（ガス流量／液流量）＝０．１〜０．６、ＬＶ＝０．１〜５ｍ／ｈｒの条件、かつ、被処理水の一部をオーバーフローさせて水回収率７５〜９５％で吸着処理が行われることを特徴とする水処理装置。
3. 被処理水を気泡塔に導入して直径５０μｍ以下の気泡により吸着処理した後、逆浸透膜処理する水処理方法であって、該気泡塔の上部でミストを吸引分離すると共に、該気泡塔の上部から被処理水の一部をオーバーフローさせ、水回収率７５〜９５％で吸着処理することを特徴とする水処理方法。
4. 請求項３において、該気泡塔において、被処理水の滞留時間１０〜６０分、Ｇ／Ｌ（ガス流量／液流量）＝０．１〜０．６、ＬＶ＝０．１〜５ｍ／ｈｒの条件で吸着処理を行うことを特徴とする水処理方法。

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