JP5117433B2

JP5117433B2 - 排水の吸着装置

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Publication number: JP5117433B2
Application number: JP2009060935A
Authority: JP
Inventors: 正彦堤; 忍茂庭; 勝也山本; 伸行足利; 聡美海老原; 英武仕入; 和彦納田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: CN101830536A; JP2010214233A; US20100230332A1; CN101830536B; SG165225A1; KR20100103346A; KR101254628B1

Description

本発明は、排水中のリン、ホウ素、フッ素、油分等の被吸着物質を吸着剤により吸着する排水の吸着装置に関する。

従来、排水中のリン等の被吸着物質は、ハイドロタルサイト、硫酸アルミニウムやＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）等の凝集剤、活性炭等の吸着剤により、吸着処理される。これらのうち、ハイドロタルサイトを吸着剤とし、リンを被吸着物質とする従来技術として例えば特許文献１〜３がある。特許文献１〜３の従来技術について図６〜図８を用いて説明する。

特許文献１の吸着剤１０３は、図６に示すように、外表面にハイドロタルサイト３１、中間にバインダーとなるポリ乳酸３２、芯剤にゼオライト粒子３３を有し、これらが内部から順次結合したものである。従来の装置１００において、図７に示すように、排水は、水配管ラインＬ１を介して反応槽１０２の底部に導入され、上昇流となって反応槽１０２内の吸着剤１０３と接触し、上部の排出ラインＬ２から排出される。吸着剤１０３は、反応槽１０２内の排水導入部よりも少し上方に設けた支持体１０６により支持されている。吸着剤１０３を反応槽１０２から回収するための回収ラインＬ３が接続されている。

この従来装置１００において、ハイドロタルサイト３１を表面に有する吸着剤１０３は、供給された排水と接触することによって、排水中に含まれるリン酸イオン３４を吸着する。リン酸イオン３４がハイドロタルサイト３１表面に吸着したものは、図８に示すように吸着済みの吸着剤１０３Ａとなり、回収ラインＬ３の弁１０５を開けて反応槽１０２から取り出される。

特開２００３−２９９９４８号公報特開２００７−１０６６２０号公報特開２００５−６０１６４号公報

しかしながら、上記の従来技術には下記（１）〜（３）の問題点がある。

（１）被吸着物質たるリン酸イオンの含有量が少なくなり、かかるリン酸イオンの純度が低下する。

特許文献１の吸着剤１０３にはハイドロタルサイト３１以外のバインダー３２や芯剤３３等の他の成分が多く含まれているため、吸着剤１０３に吸着されたリン酸イオン濃度が低くなり、リン酸イオンの純度が低下する。純度が低下すれば、リン酸を例えば肥料として使用する場合に生産コストが高くなるといった問題がある。

（２）環境中への影響が大きくなる。

特許文献１の吸着剤１０３にはバインダー３２や芯剤３３の成分が多く含まれているため、これを肥料として用いた場合に、少量では土壌に悪影響を及ぼさないとしても、多量に用いた場合には土壌中に多量に蓄積されて土壌に悪影響を及ぼすおそれがある。すなわち、吸着剤の芯剤３３を構成するゼオライトは一種の砂のようなものであるため、土壌がリン酸を含む肥料でなく、砂を多量に含む土壌に変わるおそれがあり、かえって植物や食品の栽培環境に悪影響を及ぼすようなことが懸念される。

（３）吸着剤のハイドロタルサイトが反応槽から流出する。

吸着剤として、バインダー３２や芯剤３３等を含まないで、ハイドロタルサイト３１のみを単体で用いることも考えられる。この場合には、ハイドロタルサイト３１は、特許文献２に記載されているように粒径０．１〜１μｍであるか、または特許文献３に記載されているように粒径１〜２０μｍであるように、サイズが非常に小さい微粒子である。従って、排水の流量によっては、ハイドロタルサイト３１の粒子は反応槽１０２内から水配管ラインＬ１を通って処理水中に流出してしまい、反応槽１０２内から吸着剤であるハイドロタルサイト３１が消失して吸着反応できなくなるといった問題がある。また、同時に、吸着済みの吸着剤としても回収することができなくなるといった問題もある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、環境適合性に優れ、処理槽内の被吸着物質の純度を低下させることなく、吸着剤が反応槽から流出することを有効に防止することができる排水の処理装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、反応槽内における吸着剤の挙動について鋭意研究した結果、吸着剤としてハイドロタルサイト３１にバインダー３２や芯剤３３等の担体を付けなければ、吸着済みの吸着剤を回収した場合に上記（１）と（２）の課題がともに解決されるということを見出した。さらに、ハイドロタルサイト３１は上述したように微粒子であるため、処理水とともに反応槽から流出しやすく、初期の処理能力を維持することが困難であったが、反応槽内における水流、特に流動床吸着剤層を有する反応槽内における水の流動を鋭意研究した結果、吸着剤の流出防止に有効な方策としていくつかの吸着剤流出防止手段を反応槽に設置することを検証してみた。その結果、吸着剤流出防止手段を設けることが上記（３）の課題を解決する上で非常に有効であるということを見出した。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものであり、以下の特徴を有するものである。

本発明に係る排水の吸着装置は、処理対象物質として少なくともリン酸イオンを含む排水が下部に導入され、排水供給または処理水排水に伴う前記反応槽内の排水の上昇流が形成され、上昇する前記排水をハイドロタルサイト粒子を含む吸着剤と接触させて前記処理対象物質を前記吸着剤に吸着させる吸着剤の流動床が形成される反応槽と、前記処理対象物質を含む排水を前記反応槽に供給する排水供給手段と、前記吸着剤を前記反応槽内に投入する吸着剤投入手段と、前記処理対象物質を前記吸着剤に吸着させた後の処理水を前記反応槽から排出する処理水排出手段と、前記処理対象物質が吸着した吸着剤を前記反応槽から排出する吸着剤排出手段と、前記排水中の処理対象物質を前記吸着剤に接触させる間に、前記反応槽内を上昇する水流の向きとは異なる向きの下降流を含む循環流を形成する循環ラインおよび循環ポンプと、を具備することを特徴とする。

本発明の排水の吸着装置によれば、吸着剤を反応槽から流出させることなく、吸着済みの吸着剤の純度を高くすることができる。

本発明の実施の形態に係る排水の吸着装置を示す構成ブロック図。本発明の他の実施の形態に係る排水の吸着装置を示す構成ブロック図。本発明の他の実施の形態に係る排水の吸着装置を示す構成ブロック図。本発明の他の実施の形態に係る排水の吸着装置を示す構成ブロック図。本発明の他の実施の形態に係る排水の吸着装置を示す構成ブロック図。従来の吸着剤の断面模式図。従来の装置を模式的に示す構成ブロック図。回収物質を吸着したときの従来の吸着剤を模式的に示す断面図。

本発明の排水の処理装置は、排水中の処理対象物質を吸着剤と流動接触反応させる反応槽と、前記処理対象物質を含む排水を前記反応槽に供給する排水供給手段と、前記吸着剤を前記反応槽内に投入する吸着剤投入手段と、前記処理対象物質を前記吸着剤に吸着させた後の処理水を前記反応槽から排出する処理水排出手段と、前記処理対象物質が吸着した吸着剤を前記反応槽から排出する吸着剤排出手段と、前記排水中の処理対象物質を前記吸着剤に流動接触反応させる間に、前記吸着剤が前記反応槽内から流出するのを防止する吸着剤流出防止手段と、を有するものである。

上記の吸着剤流出防止手段は、排水供給または処理水排水に伴う反応槽内の流動状態を変化させる反応槽内流動状態変化装置を有するものである。

このような反応槽内流動状態変化装置として、反応槽内を流動する水流の向きとは異なる向きに排水を循環させる循環ラインと循環ポンプを有することが好ましく、また、反応槽内に吸着剤が堆積する吸着剤層から処理水排出手段までの間に配置され、反応槽内を流動する水流に随伴して流出しようとする吸着剤の移動を制限する邪魔板を有することが好ましく、また、反応槽内に吸着剤が堆積する吸着剤層から処理水排出手段までの間に配置され、反応槽内を流動する水流に随伴して流出しようとする吸着剤の移動を制限するろ過膜を有することが好ましい。

さらに、反応槽内に設置したろ過膜を洗浄するための洗浄装置を有することが好ましい。長期連続運転すると、ろ過膜に目詰まりを生じて通水性能が低下するため、洗浄装置を用いてろ過膜を定期的に洗浄して通水性能を回復させる必要がある。このようなろ過膜の洗浄装置として、上記の循環ラインをろ過膜の逆洗水処理に利用することができる。

なお、排水が処理対象物質としてリン酸イオン、ホウ素イオン、フッ素イオン、油分等の成分、好ましくはリン酸イオンを含むものであり、吸着剤はハイドロタルサイト、シリカ、アルミナまたは活性炭であり、好ましくはハイドロタルサイトの微粒子であることが望ましい。ハイドロタルサイト粒子はリン酸イオンを極めてよく吸着するからである。このようなハイドロタルサイト粒子は、無機層状化合物に由来する比重１を超える平均粒径０．１〜２０μｍ程度の微粒子である。

反応槽は固定床、流動床、膨張床のいずれの反応器形態を用いてもよいが、本発明ではとくに反応槽の反応器形態を流動床とすることが好ましい。

さらに、本発明では反応槽が流動床である場合に、上昇流と下降流との流量比を１：０．１〜１：１の範囲とすることが好ましい。この流量比が１：０．１を下回ると、上昇流の流動を有効に変えることができなくなり、吸着剤の流出が増加するようになるからである。一方、流量比が１：１を超えると、流動床としての本来の機能を発揮することができなくなり、吸着剤による吸着効率が低下するからである。

以下、添付の図面を参照して本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して本発明の第１の実施形態に係る排水の処理装置を説明する。

本実施形態の排水の処理装置１は、排水供給ラインＬ１、処理水排出ラインＬ２、吸着剤排出ラインＬ３および循環ラインＬ４がそれぞれ接続され、内部に吸着剤３の流動床が形成される反応槽２を備えている。

反応槽の下部２ｂにはポンプＰ１を有する排水供給ラインＬ１が接続され、排水供給源２１から余剰汚泥の処理工程から排出される汚泥の脱離液（リンイオンを含む）が処理対象排水として反応槽２内に導入されるようになっている。また、反応槽の上部２ａにはポンプＰ２と開閉弁４を有する処理水排出ラインＬ２が接続され、処理水が反応槽２から処理水排出部２２へ排出されるようになっている。処理水排出部２２は次工程につながるものである。また、反応槽下部２ｂ近傍の吸着剤層にはポンプＰ３と開閉弁５を有する排水供給ラインＬ３が接続され、吸着剤３が反応槽２から吸着剤排出部２３へ排出されるようになっている。さらに、反応槽下部２ｂ近傍から中段にかけてポンプＰ４を有する循環ラインＬ４が接続され、循環ラインＬ４を介して反応槽２の下部近傍の排水を反応槽２の中段に送って注入することにより、下降流２６を含む循環流が反応槽２の内部に形成されるようになっている。なお、吸着剤３の流動床から処理水排出ラインＬ２の連通開口までの距離は、吸着剤３が流出しにくいように十分に離れた距離に設定されている。吸着剤３の流動床の上部から処理水排出ラインＬ２の連通開口までの離間距離は、例えばおよそ１．５〜５ｍとすることができる。

本実施形態では吸着剤３として所定粒径（平均粒径０．１〜２０μｍ）のハイドロタルサイト粒子を用いる。反応槽の下部２ｂにはハイドロタルサイト粒子の粒径よりも小さい孔部を有する支持体６が取り付けられており、この支持体６の上にハイドロタルサイト粒子３が堆積している。支持体６に形成された多数の孔部を通って反応槽下部２ｂから排水が上昇流となって通水することによりハイドロタルサイト粒子３の流動床が形成される。

次に本実施形態の作用を説明する。

排水と吸着剤３との接触反応時には、吸着剤排出弁５をＯＦＦに、処理水排出弁４をＯＮにしており、排水は供給ラインＬ１を介して反応槽２の底部空隙部２ｂに供給される。その後、支持体６、ハイドロタルサイト粒子３の層を順次介して水流２５の方向に上方に流動し、さらに処理水排出弁４を有するラインＬ２を介して処理水が排出される。

この作用の際、循環ポンプＰ４を駆動することによって、反応槽２の底部近傍の水が循環ラインＬ４を介して反応槽２の中央部に循環供給される。この中央部に供給された水は、下降流２６として反応槽２の内部を下降する。この下降流２６によりハイドロタルサイト粒子３の上昇流２５の方向への移動が抑制され、ポンプＰ４を有する循環ラインＬ４と反応槽２内の下部から中央部までの位置の間にハイドロタルサイト粒子３が保持される。これにより反応槽２からのハイドロタルサイト粒子３の流出が防止される。

また、排水中のリン酸イオンは、ハイドロタルサイト粒子３と接触反応して、同粒子３の表面に吸着される。吸着済みハイドロタルサイト粒子３Ａは、吸着剤排出弁５をＯＮにすることで、ラインＬ３を介して吸着剤排出部２３に回収される。

本実施形態の効果を説明する。

本実施形態の装置１では、反応槽２の内部に邪魔板や膜などの他の吸着剤流出防止装置を設けなくとも、ポンプＰ４を有する循環ラインＬ４を反応槽２の外部に設置できるので、反応槽２へのハイドロタルサイト粒子３の投入や追加投入が上方の吸着剤投入装置２４から反応槽２内に投入でき、運転が簡易化する。

また、反応槽２内の構造がシンプルとなり、同槽２内を洗浄も容易にすることが可能となる。

さらに、循環ポンプＰ４の流量を制御することにより、ハイドロタルサイト粒子３の粒径や充填量あるいは排水の流量に応じて、ハイドロタルサイト粒子３の流出防止が可能となる。すなわち、ハイドロタルサイト粒子３が小さい場合、または充填量が小さい場合、または排水の流量が大きい場合には、ハイドロタルサイト粒子３が流出しやすくなる。本実施形態ではハイドロタルサイト粒子３の流動床から処理水排出ラインＬ２の連通開口までの距離を十分な高さ距離（例えば１．５〜５ｍ）に離間させているが、それでも上昇流２５が強いときにハイドロタルサイト粒子３が流出することがある。従って、かかる場合には、循環ポンプＰ４の流量を増加させることにより、ハイドロタルサイト粒子３の流出を効果的に防止することができる。

図１に示す装置を用いて、排水として余剰汚泥の処理工程から排出される汚泥の脱離液（リンイオンを含む）を処理対象とし、吸着剤として平均粒径１μｍのハイドロタルサイト粒子を用いて、排水中のリン酸イオンを吸着させた。また、上昇流と下降流との流量比を１対０．５として運転した。その結果、反応槽からの吸着剤の流出を大幅に低減することができた。

また、本実施形態の変形例として、図２に示すように排水の処理装置１Ｂは、反応槽２の上方に吸着剤供給源１０、ポンプ１１および吸着剤投入ライン１２を備えている。ポンプ１１を駆動させると吸着剤供給源１０からライン１２を通って新品の吸着剤３が反応槽２内に投入される。この場合の効果として、吸着済みのハイドロタルサイト粒子３が排出されて反応槽２内の充填量が低減しても、追加投入して接触反応の効率が低下せずに運転可能である。

（第２の実施形態）
図３を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と共通する重複部分の説明は省略する。

本実施形態の装置１Ｃでは、吸着剤３の流動床から処理水排出ラインＬ２の連通開口までの間のスペースに邪魔板８を設置している。邪魔板８は、通水のための少なくとも１つの開口部８ａを有し、吸着剤流動床から流れてくる上昇流２５の一部を制限するものである。この邪魔板開口部８ａの直上の位置に循環ラインＬ４が開口し、上流側の槽底部近傍からの排水を開口部８ａに向けて下向きに注入し、下降流２６を形成するようにしている。

本実施形態の装置１Ｃによれば、循環ポンプＰ４を有する循環ラインＬ４と開口部８ａを有する邪魔板８との組み合わせにより形成される下降流２６の作用により、ハイドロタルサイト粒子３の一部、粒径の小さいものが上方に流出した場合であっても、邪魔板８で遮断することができ、同粒子３の流出をさらに抑制できる。

また、弁５を有する吸着剤排出ラインＬ３の設置場所は反応槽２の下部２ｂのみに制限されるものではなく、反応槽２の上部２ａに配置することもできる。この効果としては、吸着済みのハイドロタルサイト粒子を上方に流動させながら回収することができるので、回収効率が向上できるというメリットがある。

（第３の実施形態）
図４を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と共通する重複部分の説明は省略する。

本実施形態の装置１Ｄでは、吸着剤３の流動床から処理水排出ラインＬ２の連通開口までの間のスペースに平均ポアサイズ０．1μｍの通水孔を有するろ過膜９を設置している。

本実施形態の装置１Ｄにおいては、ハイドロタルサイト粒子３が上方に流出しても、ろ過膜９で完全に遮断され、同粒子３はこのろ過膜９の下方に保持され、清澄な水のみが弁４を有する排出ラインＬ２を介して処理水として得られる。

本実施形態の装置１Ｃによれば、０．１μｍのろ過膜９を配したので、ハイドロタルサイト粒子３の粒径のいかんに拘わらず、完全に同粒子３の流出を抑制することができる。

本実施形態の変形例として、他のポアサイズ０．１〜２０μｍのろ過膜を使用することができる。この場合の効果として、ハイドロタルサイト粒子３が大きい場合、例えば平均粒径が１０μｍで、ろ過膜５μｍの場合には、膜表面の目詰まりが低減できるという効果を有する。

（第４の実施形態）
図５を参照して本発明の第４の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と共通する重複部分の説明は省略する。

本実施形態の装置１Ｅでは、循環ポンプＰ４を有する循環ラインＬ４とろ過膜９とを組み合わせて用いている。

本実施形態の装置１Ｄによれば、ろ過膜９が目詰まりした場合であっても、接触反応運転を停止することなく、循環ポンプＰ４を運転するだけで、ろ過膜９を洗浄でき、膜表面の目詰まり物質を剥離させることが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…排水の吸着装置、
２…反応槽、２ａ…上部、２ｂ…下部、
３…吸着剤（ハイドロタルサイト粒子）、
４，５…弁、６…支持体、８…邪魔板、８ａ…開口部、９…ろ過膜、
１０…吸着剤供給源、１１…吸着剤輸送ポンプ、１２…吸着剤投入ライン、
２１…排水供給源、２２…処理水排出部、２３…吸着剤排出部、
２４…吸着剤投入装置、
２５…上昇水流、２６…下降水流、
Ｌ１…供給ライン、Ｌ２，Ｌ３…排出ライン、Ｌ４…循環ライン、
Ｐ１…供給ポンプ、Ｐ２，Ｐ３…排出ポンプ、
Ｐ４…循環ポンプ（反応槽内流動状態変化装置）。

Claims

処理対象物質として少なくともリン酸イオンを含む排水が下部に導入され、排水供給または処理水排水に伴う前記反応槽内の排水の上昇流が形成され、上昇する前記排水をハイドロタルサイト粒子を含む吸着剤と接触させて前記処理対象物質を前記吸着剤に吸着させる吸着剤の流動床が形成される反応槽と、
前記処理対象物質を含む排水を前記反応槽に供給する排水供給手段と、
前記吸着剤を前記反応槽内に投入する吸着剤投入手段と、
前記処理対象物質を前記吸着剤に吸着させた後の処理水を前記反応槽から排出する処理水排出手段と、
前記処理対象物質が吸着した吸着剤を前記反応槽から排出する吸着剤排出手段と、
前記排水中の処理対象物質を前記吸着剤に接触させる間に、前記反応槽内を上昇する水流の向きとは異なる向きの下降流を含む循環流を形成する循環ラインおよび循環ポンプと、
を具備することを特徴とする排水の吸着装置。
前記反応槽内に吸着剤が堆積する吸着剤層から前記処理水排出手段までの間に配置され、前記反応槽内を流動する水流に随伴して流出しようとする吸着剤の移動を制限する邪魔板をさらに有することを特徴とする請求項１記載の排水の吸着装置。
前記反応槽内に吸着剤が堆積する吸着剤層から前記処理水排出手段までの間に配置され、前記反応槽内を流動する水流に随伴して流出しようとする吸着剤の移動を制限するろ過膜をさらに有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の排水の吸着装置。
前記ろ過膜を洗浄する洗浄装置をさらに有することを特徴とする請求項３記載の排水の吸着装置。
前記吸着剤が平均粒径０．１〜２０μｍの単体のハイドロタルサイト粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の排水の吸着装置。