JP4793193B2 - 凝集装置及び凝集方法 - Google Patents

Description

本発明は、天然水を原料とする用水処理や、工場排水又は下水等を処理する廃水処理において、原水に凝集剤を添加して凝集処理を行う凝集装置及び凝集方法に関する。

天然水を原料とする用水処理や、工場排水又は下水等を処理する廃水処理においては、原水に凝集剤を添加して、原水中の懸濁物質、コロイダル成分や有機物質を凝結かつ粗大化させた後、沈殿、浮上、濾過、膜濾過等により固液分離することが行われている。

凝集処理は、後段に位置する沈殿、浮上、濾過、膜濾過等の固液分離効率を高めるためのものであり、凝集剤としては、一般にアルミニウム塩や鉄塩等の無機凝集剤が用いられる。また、無機凝集剤で凝結した粒子を更に粗大化させるための凝集補助剤として高分子凝集剤が併用される場合も多い。

このような無機凝集剤による凝集ないし凝結作用は、原水中に存在するフミン・フルボ質や、藻類が生産する細胞内外の代謝産物等の天然有機物や界面活性剤等の合成化学物質等により阻害を受け、凝集ないし凝結速度が遅くなったり、凝集不良に到ったりする。このような凝集不良が生じると、凝集処理工程の後段に設けられることがある濾過装置に目詰り等の悪影響が生じる。

従来、用水や廃水処理では、最適な凝集条件を設定するために、別途ジャーテスターを用いて凝集剤の添加濃度やｐＨを決定する操作が行われているが、このような操作は一般に煩雑な操作と長い時間を要し、このために、原水の水質変動に対応し得ず、決定した凝集剤添加量やｐＨ調整値を即時的に反映することができない結果、凝集不良を招くことが多い。

特公平６−１０３２９６号公報には、原水への凝集剤添加率や撹拌時間、撹拌速度の組み合せにおいて、最適条件を設定するためのジャーテストを自動的に行うための試験装置が提案されているが、この装置はジャーテスターであり、試験結果を実際の撹拌槽に反映して凝集処理を行うためのものではない。

特許第３２０５４５０号公報には、撹拌槽内の凝集フロックの粒径と溶解性有機物の紫外吸光度を測定し、これらの結果に基いて凝集剤添加量を制御し、また、凝集フロックの粒径から撹拌槽の撹拌機の回転数を決定する薬注装置が提案されている。この装置では、撹拌槽内の溶解性有機物濃度、即ち、凝集剤が添加され撹拌されている凝集液の溶解性有機物濃度を検出し、これを凝集フロックの粒径の検出値と共に、凝集剤添加量の制御の指標とし、一方、撹拌強度は、凝集フロックの粒径に基いて設定しているが、十分に満足し得る凝集処理結果が得られているとは言えず、より一層の改善が望まれている。
特公平６−１０３２９６号公報 特許第３２０５４５０号公報

上記の通り、原水中にフミン質等の天然有機物や、界面活性剤等の合成有機化学物質、あるいはコロイド成分などの濁度成分が存在する場合、凝集作用が阻害される。しかしながら、原水中の有機物濃度を測定し、この測定値に基いて凝集剤添加量を制御しても、薬注量が不足して十分な凝集処理結果が得られなかったり薬注量が過剰となったりすることがある。

本発明者が種々検討を重ねた結果、原水が有機物として分子量の小さいものを多く含んでいる場合、分子量の大きいものを多く含む原水を処理する場合に比べて凝集剤添加量を増やす必要があり、逆に分子量が大きい有機物を多く含む原水の場合には凝集剤添加量は比較的少量でも十分な凝集効果が得られることが知見された。

本発明は、原水中の有機物を分子量に応じて複数の群（画分）に分画し、分画された少なくとも１つの群の有機物濃度に応じて凝集剤添加量を的確に制御する凝集装置及び凝集方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の凝集装置は、原水に凝集剤を添加する凝集剤添加手段と、原水中の有機物を分子量に応じて複数の群に分画する分画手段と、分画された各群の有機物濃度を測定する無機炭素除去機能を有するＴＯＣ計と、該ＴＯＣ計で測定された各群の有機物濃度に基いてそれぞれの凝集剤添加量を決定し、それらの和を前記凝集剤添加手段の凝集剤添加量とする凝集剤添加量制御手段とを備えてなることを特徴とするものである。

請求項２の凝集装置は、請求項１において、前記分画手段は、Ｍ_１，Ｍ_２の２個の分画分子量によって有機物を分画するものであり、Ｍ_１は５００〜２０００の間から選定され、Ｍ_２は１０万〜２０万の間から選定された分子量であり、３群の有機物濃度に基いて凝集剤添加量を制御することを特徴とするものである。

請求項３の凝集装置は、請求項１又は２において、前記分画手段は、高速液体クロマトグラフィー又は選択性濾過膜であることを特徴とするものである。

請求項４の凝集装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、さらに、凝集処理後の処理水を処理するＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜又はＲＯ膜処理装置を備えたことを特徴とするものである。

請求項５の凝集装置は、請求項４において、前記膜処理装置の透過性能の検出手段が設けられており、前記凝集剤添加量制御手段は、さらにこの検出手段の検出値に基いて凝集剤添加量を制御することを特徴とするものである。

本発明（請求項６）の凝集方法は、原水に凝集剤を添加することにより凝集処理する凝集方法において、原水中の有機物を分子量に応じて複数の群に分画し、分画された各群の有機物濃度を、無機炭素除去機能を有するＴＯＣ計で測定し、測定された各群の有機物濃度に基いてそれぞれの凝集剤添加量を決定し、それらの和を原水への凝集剤添加量とすることを特徴とするものである。

本発明者が種々研究を重ねた結果、原水中の有機物の分子量に応じ、凝集剤の最適薬注量は異なることが知見された。例えば、低分子量の有機物を凝集処理する場合の凝集剤の最適薬注量は、同一量の高分子量有機物を凝集処理する場合の最適薬注量よりも多い。本発明は、かかる知見に基いて創案されたものである。

本発明では、原水中の有機物を分子量に応じて分画し、各画分の有機物分子量に応じて凝集剤添加量を制御するので、良好な凝集処理を行うことができる。

また、これにより、凝集処理工程の後段にＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜或いはＲＯ膜などの膜分離装置がある場合、これらの膜の汚染を防止ないし抑制することができる。なお、凝集処理した処理水をさらに膜処理装置で処理することにより、良好な水質の処理水が得られる。

なお、各群の有機物濃度をＴＯＣ計などで容易に測定することはできない。これは低濃度の有機物を測定する場合、無機炭素の影響が大きくなるためである。そこで、有機物濃度の測定には無機炭素除去機能を有するＴＯＣ計を使用する。

本発明では、さらに上記膜処理装置の透過性能を検出し、上記各有機物濃度あるいは吸光度の検出値とこの透過性能の検出値とに基いて凝集剤の添加量を制御することにより、きわめて良好な凝集分離処理を行うことができる。

以下に図面を参照して本発明の凝集装置及び凝集方法の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の凝集装置を備える凝集沈殿装置の実施の形態を示す系統図である。

図１において、１は原水槽であり、吸光度測定器１１を備える。２Ａは急速凝集撹拌槽であり、撹拌機２ａとｐＨセンサ１３を備える。この凝集攪拌槽２Ａに凝集剤貯槽４から凝集剤が薬注ポンプ１４を介して供給されると共に、ｐＨ調整用の酸、アルカリが各々の貯槽６，７から薬注ポンプ１５，１６を介して供給される。２Ｂは緩速撹拌槽であり、撹拌機２ｂと凝集状態検知センサ１７を備える。３は沈殿槽である。

沈殿槽３の後段に砂濾過器８と膜濾過装置９が設置されている。膜濾過装置９の膜としては、ＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜、ＲＯ膜が例示される。

なお、前記原水槽１から原水の一部が分取され、分画装置２１にて分子量に応じて複数の群に分画された後、無機炭素除去機能を有するＴＯＣ計２２に供給されるよう構成されている。ただし、原水は原水槽以外の箇所から分取されてもよい。

分画装置２１としては、高速液体クロマトグラフィーや、選択性濾過膜を有した濾過装置が例示されるが、これに限定されない。

本発明では、原水中の有機物を２〜４特に３個の群に分画するのが好適である。２個の群に分画する場合、閾値は２０００〜１０万の間から選ばれるのが好ましい。

有機物を３群、即ち分子量Ｍ_１よりも小なる低分子量群と、Ｍ_１〜Ｍ_２の中間分子量群と、Ｍ_２超の高分子量群との３群に分画する場合、Ｍ_１は５００〜２０００の間から選定され、Ｍ_２は１０万〜２０万の間から選定されるのが好ましい。

ＴＯＣ計２２は、分画装置２１で分画された各画分が順次導入され、各画分の有機物濃度を分析し、制御装置２０に出力する。分画された有機物濃度の測定は連続的に行ってもよいし、定期的に分析し代表値を制御に用いてもよい。

制御装置２０へは、吸光度測定器１１、ＴＯＣ計２２、ｐＨセンサ１３及び凝集状態検出センサ１７の各検出値が入力され、凝集剤薬注ポンプ１４、酸薬注ポンプ１５及びアルカリ薬注ポンプ１６の回転数制御信号が出力される。

原水は、原水槽１に導入され、吸光度測定器１１により、原水中の凝集阻害物質濃度が検出され、検出結果が制御装置２０に入力される。吸光度測定器１１は、浸漬型のものであってもサンプリング型のものであってもよい。この吸光度測定器１１としては、波長２００〜４９０ｎｍの紫外部短波長の吸光度計と、波長５００ｎｍから７００ｎｍの可視光の吸光度計を備えたものが好適である。この紫外部、例えば２６０ｎｍの吸光度からフミン・フルボ酸系有機物の濃度を測定することができ、可視光、例えば６６０ｎｍの吸光度から濁度成分の濃度を測定することができる。

なお、天然水の凝集特性を精査したところ、天然水の波長２００ｎｍ〜４９０ｎｍ好ましくは２３０〜３００ｎｍの紫外部吸光度と波長５００ｎｍ〜７００ｎｍ好ましくは５００〜６００ｎｍの可視部吸光度をそれぞれ１波長以上測定した結果から演算された凝集阻害物質濃度と、０．４５μｍメンブレンフィルターを用いて一定量の試料水を濾過するのに要する時間（以下ＫＭＦ値という。）から判断した最適凝集剤添加量との間には相関関係があること、また、凝集阻害物質濃度と上記紫外部及び可視部の吸光度との間には次式のように相関があることが見出された。従って、紫外部及び可視部吸光度をそれぞれ１波長以上測定することにより、凝集阻害物質濃度を推算できる。
（凝集阻害物質濃度）＝［（フミン・フルボ酸系有機物）−（濁度物質）］
＝Ａ×［（紫外部吸光度）−（可視部吸光度）］

本発明者の研究では、この凝集阻害物質濃度を測定することは容易であるが、有機物の分子量によって吸収が異なるため、ＴＯＣ計２２で測定される例えば１０００未満の低分子量の画分の有機物濃度と、吸光度測定器１１で測定される吸光度から求められる凝集阻害物質濃度とに基いて凝集剤添加量を制御してもよい。

原水槽１内の原水は次いで急速凝集撹拌槽２Ａに導入される。この急速凝集撹拌槽２Ａにおいて、原水は、凝集剤貯槽４の凝集剤が薬注ポンプ１４により添加されると共に、酸、アルカリの添加によりｐＨ調整され、撹拌機２ａにより撹拌されて凝集処理される。この急速凝集撹拌槽２Ａ内のｐＨがｐＨセンサ１３により検出され、検出結果が制御装置２０に入力される。急速凝集撹拌槽２Ａから流出した水は、緩速凝集撹拌槽２Ｂに導入され、ゆっくりと撹拌されてフロックが成長する。この緩速撹拌槽２Ｂ内の凝集状態がセンサ１７によって検出される。

凝集撹拌槽２Ａへの凝集剤添加量は、この実施の形態では、吸光度測定器１１、ＴＯＣ計２２及び凝集状態検出センサ１７の検出値に基いて制御される。即ち、例えば、制御装置２０において、入力された各々の検出値を予め設定した凝集剤添加量の決定式に代入し、その算出結果に基いて薬注ポンプ１４の回転数が制御され、適正量の凝集剤が添加される。この薬注ポンプ１４としては、市販の可変式定量ポンプ等が用いられる。

分子量で分画された各群（画分）の有機物濃度に基いて凝集剤の添加量を制御するには、各画分の有機物濃度に比例定数を乗じ、それらの和を求める。有機物を分子量に応じて低、中間、高の３群に分画する場合であれば、次式（１）に従って凝集剤添加量を演算する。
凝集剤添加量＝ａ・（低分子量有機物濃度）^ｍ＋ｂ・（中間分子量有機物濃度）^ｎ＋
ｃ・（高分子量有機物濃度）^ｐ＋ｄ …（１）
ａ，ｂ，ｃ，ｄは定数である。ｍ，ｎ，ｐは各群の有機物濃度と最適凝集剤添加量との関係から求められる関数の次元であり、通常１としてよい。

このように３群に分画する場合、低、中間分子量を区分する分子量Ｍ_１は５００〜２０００の間から選定されるのが好ましく、中間と高分子量とを区分する分子量Ｍ_２は１０万〜２０万の間から選定されるのが望ましい。

ＴＯＣ計２２による有機物濃度及び吸光度測定器１１による凝集阻害物質濃度に応じて凝集剤の添加量を制御するには、低分子量の画分たとえば上記Ｍ_１よりも低分子量の有機物濃度に応じて決定される添加量と、吸光度から求められる凝集阻害物質濃度に応じて決定される添加量との和とするのが好ましい。一般的には、有機物濃度に係数を乗じ、また凝集阻害物質濃度に係数を乗じて凝集剤添加量を演算することとなる。即ち、
凝集添加量＝ｇ・（低分子量有機物濃度）^ｑ＋ｅ・（凝集阻害物質濃度）^ｒ＋ｆ
である。ｇ，ｅ，ｆは定数である。
なお、ｑ，ｒは低分子量の有機物濃度及び阻害物質濃度と最適凝集剤添加量との関係から求められる関数の次元であり、通常は１としてよい。即ち、前述の通り、凝集阻害物質濃度と有機物濃度の相関は分子量によって異なる。この凝集阻害物質濃度は、紫外部吸光度と可視部吸光度との差に比例するので、阻害物質濃度は、紫外部吸光度と可視部吸光度に係数を乗じて演算するのが好適である。
ただし、凝集阻害物質濃度は、紫外部吸光度のみに比例するものとして演算してもよい。多少精度は低くなるが、簡便に凝集阻害物質濃度を求めることができる。

紫外部吸光度は、２００〜４９０ｎｍ特に２３０〜３００ｎｍ例えば２６０ｎｍの吸光度（Ｅ２６０）とされ、可視部吸光度は、５００〜７００ｎｍ特に６００〜７００ｎｍ例えば６６０ｎｍの吸光度（Ｅ６６０）とされる。

定数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇは、予め有機物濃度測定及び吸光度測定した原水を用いてジャーテストにより測定したＫＭＦ値から決定することができる。

演算式決定例を次に示す。
有機物濃度、（Ｅ２６０−Ｅ６６０）値が異なる原水を分子量１０００で分画した低分子量有機物含有水について凝集試験を行い、ＫＭＦ値が低い値で安定する最小ＰＡＣ添加量を最適ＰＡＣ添加濃度とする。なお、ここでのＫＭＦ値とは、直径４７ｍｍのメンブレンフィルターを用い、真空吸引圧力５００ｍｍＨｇで濾過した時の最初の５００ｍＬ濾過時間及びその後の５００ｍＬ濾過時間を足したものとする。

第２図に最適ＰＡＣ添加濃度とＥ２６０−Ｅ６６０の関係を示し、第３図に最適ＰＡＣ添加濃度と分子量１０００以下の低分子量有機物濃度の関係を示す。

第２図の通り、吸光度に応じた最適ＰＡＣ添加濃度（凝集剤添加濃度）は、
最適ＰＡＣ添加濃度＝２０４．６３×
（紫外部吸光度Ｅ２６０−可視部吸光度Ｅ６６０）+α
で表すことができる。低分子量有機物濃度が増加するに従って、最適ＰＡＣ添加濃度は上昇する。

第３図の通り、最適ＰＡＣ添加濃度は比例定数４６．１２９で低分子量有機物濃度に比例する。従って、
最適ＰＡＣ添加濃度＝４６．１２９×（低分子量有機物濃度［ｍｇ／Ｌ］）＋
２０４．６３×（Ｅ２６０−Ｅ６６０［abs.／５０ｍｍ］）−１９．３５
と表すことができる。

酸、アルカリの薬注ポンプ１５，１６は、凝集攪拌槽２内のｐＨが５．０〜８．０となるように制御装置２０によって制御される。
上記の緩速凝集撹拌槽２Ｂに設置された凝集状態検出センサ１７としては、緩速凝集撹拌槽２Ｂの液体を別の沈殿槽に移送して、一定時間沈降させた上澄みの濁度を検出する装置とセンサや、凝結ないし凝集した粒子のゼータ電位や流動電位を検出する装置とセンサ等も用いることもできるが、緩速凝集撹拌槽２Ｂ内にて凝結ないし凝集した粒子間の清澄度を検出する光遮断式微粒子センサや光散乱式微粒子センサが好適に用いられる。

緩速凝集撹拌槽２Ｂ内でゆっくりと撹拌されることによりフロックが成長した凝集処理水は、沈殿槽３に導入されて凝結、凝集粒子が沈降分離され、上澄水が砂濾過器８及び膜濾過装置９で順次に処理される。

なお、図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるものではない。

例えば、図１では、分画装置２１とＴＯＣ計２２とを別個に設けているが一体化させてもよい。

図１では、凝集剤を凝集撹拌槽２Ａに添加しているが、凝集剤は、凝集撹拌槽２Ａへの原水導入配管に注入しても良い。更に、図１では、凝集処理水の固液分離手段として沈殿槽３を示したが、浮上槽などであってもよい。
また、膜濾過装置９の透過性能の検出手段を設け、さらにこの検出手段の検出値に基いて凝集剤添加量を制御するようにしてもよい。この透過性能の検出手段としては、透過差圧計や、透過流束測定装置などを用いることができる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例１（３群の有機物濃度に基く制御）
有機物汚染の進んだＡ湖水を水源とする凝集・沈殿・砂濾過・ＵＦ膜濾過施設において、図１に示す凝集沈殿装置を用いて、本発明による凝集沈澱処理を行った。砂濾過器８は有効径０．４５ｍｍの濾過砂を６００ｍｍ積層したカラムを用いた。凝集撹拌槽２Ａ，２Ｂは有効容量３００ｍ^３のパドル式撹拌機付きの角型撹拌槽であり、原水量は３０ｍ^３／ｈ、急速凝集撹拌槽の滞留時間は６分とした。急速凝集撹拌槽２Ａでは６０ｒｐｍ、緩速凝集撹拌槽２Ｂでは３０ｒｐｍで撹拌した。

分画装置２１としては、高速液体クロマトグラフィー（カラムはＯｈｐａｋ ＳＢ８０４ＨＱ）を用い、分子量１０００、１６万で３段的に分画し、各々の有機物濃度に基いて凝集剤添加量を制御した。

凝集剤としてはポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）を用いた。なお、ＰＡＣ添加量を制御する演算式は、予め、Ａ湖水を用いたジャーテストの結果から求め、次の通りとした。
ＰＡＣ添加濃度（ｍｇ／Ｌ）＝７１．７７８×（低分子量有機物濃度［ｍｇ／Ｌ］）
＋５８．４１６×（中間分子量有機物濃度［ｍｇ／Ｌ］）＋３６．８９２×（
（高分子量有機物濃度［ｍｇ／Ｌ］）＋１４．３１
また、急速凝集撹拌槽２ＡのｐＨは６．５となるように酸、アルカリの薬注制御を行った。

実施例２
分画装置２１とＴＯＣ計とを一体化した装置を用いた他は実施例１と同様にして試験を行った。結果を表１に示す。
通水試験結果を表１に示す。

比較例１
吸光度の測定によるＰＡＣ添加量制御を行わず、ＰＡＣ添加量を６０ｍｇ／Ｌと一定としたこと以外は実施例１と同様にして凝集沈殿処理を行った。

比較例２
ＰＡＣ添加濃度をＥ２６０−Ｅ６６０にのみ基いて制御した。即ち、分画した各有機物濃度はＰＡＣ添加制御に採用せず、ＰＡＣ添加濃度を次式で制御した。
ＰＡＣ添加濃度＝５１７×（Ｅ２６０−Ｅ６６０）−１０．６

［実施例１〜２と比較例１〜２との比較］
５月の晴天、降雨により水質変動が生じた時期にそれぞれ１ヶ月の通水を行った。なお、同じ原水を使用するため、実施例１〜２と比較例１〜２を並列して行った。通水試験期間中の原水のＥ２６０と、ＰＡＣ添加濃度、凝集沈殿処理水ＫＭＦ値、ＵＦ膜の濾過差圧ΔＰ上昇速度を表１に示した。

なお、ここでのＫＭＦ値とは、直径４７μｍのメンブレンフィルターを用い、真空吸引圧力５００ｍｍＨｇで濾過した時の最初の５００ｍＬ濾過時間及びその後の５００ｍＬ濾過時間を足したものとする。

実施例１では、分画した各有機物濃度に基いてＰＡＣ添加量を制御したことにより、ＫＭＦ値及びΔＰ上昇速度が低い値で推移した。実施例２でも同様の効果が得られた。
比較例１，２では、いずれもΔＰが急激に上昇した。

本発明の凝集装置を備える凝集沈殿装置の実施の形態を示す系統図である。 ＰＡＣ添加濃度を示すグラフである。 ＰＡＣ添加濃度を示すグラフである。

１ 原水槽
２Ａ 急速凝集撹拌槽
２Ｂ 緩速凝集撹拌槽
３ 沈殿槽
４ 凝集剤貯槽
８ 砂濾過器
９ 膜濾過装置
１１ 吸光度測定器
１３ ｐＨセンサ
１４，１５，１６ 薬注ポンプ
１７ 凝集状態検出センサ
２０ 制御装置
２１ 有機物分画装置
２２ 有機物濃度計

Claims (6)

1. 原水に凝集剤を添加する凝集剤添加手段と、
   原水中の有機物を分子量に応じて複数の群に分画する分画手段と、
   分画された各群の有機物濃度を測定する無機炭素除去機能を有するＴＯＣ計と、
   該ＴＯＣ計で測定された各群の有機物濃度に基いてそれぞれの凝集剤添加量を決定し、それらの和を前記凝集剤添加手段の凝集剤添加量とする凝集剤添加量制御手段とを備えてなることを特徴とする凝集装置。
2. 請求項１において、前記分画手段は、Ｍ_１，Ｍ_２の２個の分画分子量によって有機物を３群に分画するものであり、Ｍ_１は５００〜２０００の間から選定され、Ｍ_２は１０万〜２０万の間から選定された分子量であり、３群の有機物濃度に基いて凝集剤添加量を制御することを特徴とする凝集装置。
3. 請求項１又は２において、前記分画手段は、高速液体クロマトグラフィー又は選択性濾過膜であることを特徴とする凝集装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、さらに、凝集処理後の処理水を処理するＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜又はＲＯ膜処理装置を備えたことを特徴とする凝集装置。
5. 請求項４において、前記膜処理装置の透過性能の検出手段が設けられており、前記凝集剤添加量制御手段は、さらにこの検出手段の検出値に基いて凝集剤添加量を制御することを特徴とする凝集装置。
6. 原水に凝集剤を添加することにより凝集処理する凝集方法において、
   原水中の有機物を分子量に応じて複数の群に分画し、分画された各群の有機物濃度を、無機炭素除去機能を有するＴＯＣ計で測定し、測定された各群の有機物濃度に基いてそれぞれの凝集剤添加量を決定し、それらの和を原水への凝集剤添加量とすることを特徴とする凝集方法。

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