JP5135697B2 - 界面活性剤含有排水の処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体・液晶などの電子デバイス製造分野で発生する界面活性剤を含む排水を処理する方法に関する。
半導体・液晶などの電子デバイス製造分野において使用される超純水の製造装置においては、通常、有機物質(TOC)除去装置として逆浸透(RO)膜分離装置が設置されている。特に、TOC数mg/L程度の低濃度TOC含有排水からTOCを除去して超純水製造装置の原水として回収・再利用する排水回収システムにおいて、RO膜分離装置が広く用いられている。
しかし、RO膜分離装置の原水(以下「RO給水」と称す場合がある。)にTOC成分として非イオン性界面活性剤が含まれる場合、RO膜分離装置のRO膜は、非イオン性界面活性剤により著しく汚染され、膜フラックスの低下で処理水量が低下するという問題がある。
従来、この膜汚染の問題を解決するために、一般的にはRO膜分離装置の前段に活性炭吸着塔を設置し、非イオン界面活性剤を吸着除去する方法が採用されてきたが、この方法では、大量の廃棄活性炭が発生するという問題がある。
この非イオン性界面活性剤によるRO膜汚染の問題については、非特許文献1に、非イオン性界面活性剤がある程度分解され、その界面活性能力を失えば、その分解物質はRO膜汚染性がなくなることが報告されている。
また、特許文献1には、RO膜汚染を防止するために、原水をオゾン酸化した後RO膜分離する方法が提案されている。この特許文献1では、オゾン酸化処理水のpHは8〜10となるように調整されるが、このpHアルカリ性のオゾン酸化処理水に酸を添加してpH中性とした後RO膜分離処理が行われている。
また、界面活性剤を含む排水であっても、pHアルカリ性の条件であれば、RO膜を汚染しにくいことが知られており、特許文献2には、TOC含有排水をpH9.5以上のアルカリ性条件下でRO膜分離する方法が提案されている。
特開2005−230731号公報 特開2005−169372号公報 「分離技術会講演要旨集」(2004年6月4日発行)
特許文献1の方法では、RO膜分離に先立ちオゾン酸化を行っているが、RO膜分離はpH中性条件下で行っているため、RO膜分離装置内で微生物が繁殖して膜面を汚染し、経時により膜フラックスが低下するという問題がある。
特許文献2の方法ではpHアルカリ性条件下でRO膜分離しているため、界面活性剤が膜面に付着し難く、膜フラックスの低下を防止し得るが、長期間運転を継続した場合のフラックスの低下は避けられず、また、RO給水中の界面活性剤濃度によっては、早期にフラックス低下が生じる場合もある。従って、RO給水中の界面活性剤はできるだけ除去しておくことが望まれる。
本発明は上記従来の実状に鑑みてなされたものであって、界面活性剤を含有する排水を膜分離処理するに当たり、膜のフラックス低下を防止して、長期に亘り安定な処理を継続する方法を提供することを目的とする。
特に、本発明は、膜分離処理に先立ち、オゾン酸化により排水中の界面活性剤を分解する方法において、膜フラックスの低下を効果的に防止する方法に関する。
本発明(請求項1)の界面活性剤含有排水の処理方法は、界面活性剤含有排水を酸化工程と膜分離工程とで順次処理する方法において、該酸化工程は、該排水をアルカリ性条件下にオゾンと接触させて該排水中の界面活性剤を酸化処理する工程であり、該酸化工程から排出される酸化処理水はpH9〜12で、該酸化処理水中の残留TOC濃度が2〜20mg/Lであり、該膜分離工程は、該酸化工程から排出されるアルカリ性の酸化処理水を膜分離する工程であることを特徴とする
求項の界面活性剤含有排水の処理方法は、請求項1において、前記膜分離工程が逆浸透膜分離工程であることを特徴とする。
請求項の界面活性剤含有排水の処理方法は、請求項1又は2において、前記酸化工程において、前記界面活性剤含有排水中の界面活性剤に対して、2〜10重量倍のオゾンを該排水に供給することを特徴とする。
請求項の界面活性剤含有排水の処理方法は、請求項1ないしのいずれか1項において、前記酸化工程はオゾンと過酸化水素との併用による促進酸化工程であることを特徴とする。
請求項の界面活性剤含有排水の処理方法は、請求項1ないしのいずれか1項において、前記酸化工程を経た水中に残留する酸化剤を除去する酸化剤除去工程を有し、該酸化剤除去工程を経た水が、前記膜分離工程に導入されることを特徴とする。
請求項の界面活性剤含有排水の処理方法は、請求項において、前記酸化剤除去工程が活性炭処理工程であることを特徴とする。
本発明の界面活性剤含有排水の処理方法よれば、膜分離処理に先立ち、アルカリ性条件下でオゾン酸化を行って、排水中の界面活性剤を酸化分解し、このアルカリ性の酸化処理水を膜分離処理するため、膜フラックスの低下を防止して長期に亘り安定な処理を継続することができる。
即ち、特許文献1の方法のように、pH中性条件で膜分離処理すると、微生物の繁殖で膜面が汚染され、膜フラックスが低下するが、本発明では、酸化処理水を中和することなく、アルカリ性のまま或いは必要に応じて、さらにアルカリを添加して所定の高pHとなるようにして膜分離装置に給水するので、膜分離装置内での微生物による汚染は抑制され、長時間フラックスの低下を防止することができる。
また、特許文献2の方法では、pHアルカリ性として界面活性剤の膜面付着を防止しているものの、界面活性剤は存在するため長期の運転では界面活性剤によるフラックス低下は避けられず、また、界面活性剤濃度が高い場合には、早期にフラックス低下の問題があるが、本発明では、膜分離に先立ちアルカリ性条件下でオゾン酸化を行って、排水中の界面活性剤を分解除去することができるため、このような問題は解決される。
本発明における酸化工程は、オゾンと過酸化水素との併用による促進酸化工程であっても良い(請求項)。
オゾン酸化処理、又はオゾンと過酸化水素とを併用した促進酸化処理において、排水中のTOCはオゾンや過酸化水素からのヒドロキシラジカルと反応して、まず有機酸のような酸性化合物に変化する。有機酸の生成は、被処理水のpH低下を引き起こすため、このpHが低下した状態でそのままオゾン等を継続して添加しても、オゾン等の反応性が低下してくる。このため、TOCの更なる分解除去のためには、多量のオゾンの添加が必要となる。本発明では、酸化工程(又は促進酸化工程)の水又は酸化工程(又は促進酸化工程)の流出水のpHが、オゾンやヒドロキシラジカルの反応性が高い、pH9〜12のアルカリ領域となるようにpH調整を行うことにより、少ないオゾン使用量で界面活性剤を含むTOCを効率的に分解除去することができる。
本発明におけるアルカリ条件下でのオゾン酸化又はオゾン促進酸化は、上述のようなオゾン使用量の低減のみならず、次のような作用効果もある。
即ち、アルカリ条件下でオゾン酸化又はオゾン促進酸化を行うと酸化処理後、数分以内に酸化処理水中のオゾン濃度は検出下限値以下に減少する。一方、中性〜酸性では、反応後もオゾンが数mg/L検出される場合が多い。これは、オゾンの安定性にpH依存性があるためであり、特に処理対象原水に有機成分が存在すると、アルカリ性では酸化反応が進み続ける。ここで、有機成分が完全に無機化するまでオゾンを添加しなければ、反応直後にTOCが残り、オゾンがない状態を作ることができる。一方、後段のRO膜はオゾンにより酸化劣化を受けやすいので、RO給水となる酸化処理水中の残留オゾンを完全に分解する必要があるが、このようにTOCが残存するオゾン酸化処理水には残留オゾンは存在しないため、残留オゾンの分解装置を設置する必要がない。
なお、RO給水となる酸化処理水中にTOCが残留しても、後述の如く、界面活性剤の界面活性を示す活性部位(疎水性部分と親水性部分との境界部)はオゾンにより変性されることにより、膜汚染性は低減され、界面活性剤による膜フラックス低下の問題は解消される。
従って、オゾン酸化工程では酸化処理水のpHがアルカリ性になるように反応pHを調整すること、及び、有機成分を完全分解せずにTOCを残すことが重要である。
そして、本発明ではこのpHアルカリ性の酸化処理水を膜分離工程に供給することで、微生物の繁殖による膜フラックスの低下を防止することができる。即ち、後述の如く、本発明において、排水中の界面活性剤はオゾン酸化により分解されてその活性部位が変性され、易生物分解性となるため、このような易生物分解性の成分を含む酸化処理水が膜分離工程に導入されると、微生物の繁殖による膜フラックス低下を引き起こし、これを防止するためには多量のスライム防止剤の添加が必要となるが、本発明によれば、微生物が繁殖し難いアルカリ性の酸化処理水を膜分離工程に供給することにより、このような微生物による膜フラックスの低下を防止することができる。このため、スライム障害の問題を引き起こすことなく、従って、スライム防止剤の添加を不要とし、薬剤コストを低減して安定な処理を行うことができる。
このようなアルカリ条件での膜分離処理を行う上で、その前段にアルカリ条件でのオゾン酸化を行うことは、オゾン酸化処理水のpH調整を不要とすることができる点において好適である。ただし、本発明においては、オゾン酸化処理水に更にアルカリ剤を添加して膜分離処理を行ってもよい。
本発明において、オゾン酸化により、排水中の界面活性剤は完全に無機化するまで分解する必要はなく、界面活性剤の界面活性部位が変性されればよい。即ち、非特許文献1に記載されるように、界面活性剤は、その界面活性の機能がなくなれば膜汚染性は軽減される。一方で、界面活性剤のオゾン酸化では、界面活性剤のうち、酸化されやすい活性部位が優先的に酸化される。本発明では、少なくとも界面活性剤の活性部位が酸化されればよく、オゾン酸化で変性された界面活性剤の分解物が酸化処理水中にTOCとして残留していてもよい。若干のTOCが残留するようなオゾン酸化条件では、オゾンが殆ど消費された状態であり、膜分離装置へのオゾンの流入が防止できる点においても好ましい。
従って、本発明において、酸化工程から排出される酸化処理水は、pH9〜12であり、かつ残留TOCを含有し、その残留TOC濃度が2〜20mg/Lである。しかして、このような濃度でTOCを残留させるために、酸化工程において、界面活性剤含有排水中の界面活性剤に対して、2〜10重量倍のオゾンを供給することが好ましい(請求項)。
また、本発明における膜分離工程はRO膜分離工程であることが好ましい(請求項)。
また、酸化工程を経た水中に残留する酸化剤を除去する酸化剤除去工程を設け、酸化剤除去工程を経た水を膜分離工程に導入するようにしてもよく(請求項)、この場合、酸化剤除去工程としては活性炭処理工程が好適である(請求項)。
以下に図面を参照して本発明の界面活性剤含有排水の処理方法の実施の形態を詳細に説明する。
図1(a),(b)は本発明の界面活性剤含有排水の処理方法の実施の形態を示す系統図である。
図1(a)では、原水(界面活性剤含有排水)に、必要に応じて過酸化水素(H)等の酸化剤を添加し、次いで、オゾン反応塔1内の水のpHがアルカリ性、好ましくはpH9〜12となるように水酸化ナトリウム(NaOH)等のアルカリを添加した後、オゾン反応塔1でオゾン酸化処理し、オゾン酸化処理水をRO膜分離装置2でRO膜分離処理して処理水を得る。3はオゾン発生機である。
原水へのH等の酸化剤の添加は必ずしも必要とされないが、酸化剤を添加することにより、オゾンの酸化力をより強いヒドロキシラジカル発生に利用して酸化分解効率を高めることができ、オゾン添加量のより一層の低減を図ることができるため、酸化剤の添加は好ましい。
使用する酸化剤としては、ヒドロキシラジカルを発生させることができるものであれば特に制限はないが、Hは好適な酸化剤である。
酸化剤の添加箇所は原水がオゾンと接触する前であれば良く、アルカリ剤の添加後であっても良い。
なお、酸化剤の添加量については特に制限はなく、原水の水質、用いる酸化剤の種類に応じて適宜決定されるが、一般的にはHであれば原水に添加するオゾン量に対して重量比で0.1〜1の範囲とすることが好ましい。
なお、促進酸化手段はH等の酸化剤の添加の他、紫外線照射を適用することもできる。
オゾン反応塔1としては、オゾンやヒドロキシラジカルの反応性の高いアルカリ性領域を維持しながら、オゾンを効率的に原水に吸収させて反応を進行させることができるものであれば特に制限はなく、図1に示すように反応塔1の上部に設けられた散水板1aから原水を散水し、オゾン発生機3より送給されるオゾンを、塔下部の散気管1bから散気するタイプのものの他、機械式撹拌機を有する開放水槽であっても良い。また、配管に設置したラインミキサーや渦流ポンプのような流路内オゾン供給手段であってもよい。ただし、オゾンと原水とを十分に接触させて、原水中の界面活性剤を含むTOCを高度に酸化分解させるために、反応槽を設けることが好ましい。
本発明においては、このオゾン反応塔1内の水又はオゾン反応塔1の流出水の水のpHが9〜12、特に10〜11となるようにアルカリ剤を添加する。この調整pHが9未満では、pHアルカリ性とすることによるオゾン酸化分解効率の向上効果を十分に得ることができない。pH12を超える強アルカリ性条件では、オゾンの自己分解が促進され、未分解の界面活性剤が残留するようになり、好ましくない。
このpH調整のためのアルカリ剤としては、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)などの無機物系アルカリ剤が用いられる。アルカリ剤は、オゾン反応塔1への原水導入配管に添加しても良く、オゾン反応塔1に添加しても良い。
ただし、このアルカリ剤添加は必ずしも必要とされず、原水がpH12程度の高pH値である場合には、これを特にpH調整することなく、そのままオゾン酸化処理に供することができる。
オゾン添加方法としても特に制限はなく、図1に示す如く、オゾン発生機3からのオゾンをオゾン反応塔1内に散気管1bで散気する方法やエジェクターで注入する方法など、常法に従って行うことができる。また、オゾンは、処理水などを用いてこれに溶解させたオゾン水として添加しても良い。
オゾンの添加量は、原水の水質(界面活性剤濃度)、酸化剤の併用の有無及びその添加量によって異なるが、通常、原水中のTOCに対して10重量倍以下、特に2〜10重量倍、とりわけ6〜8重量倍とすることが好ましい。
即ち、界面活性剤の活性部位と界面活性剤のオゾンとの反応は反応速度が高いため、少量のオゾンで速やかに反応する。界面活性剤を炭酸ガスにまで完全に酸化分解する場合のオゾンの必要量は、界面活性剤に対し20〜50重量倍程度とするのが好ましいが、前述の如く、本発明では必ずしも界面活性剤を完全に分解する必要がなく、界面活性剤に対して2〜10重量倍程度のオゾンで界面活性剤の界面活性をなくする程度に酸化分解することが好ましい。しかして、酸化処理水に残留する変性された有機物(TOC)は、界面活性剤と異なり、膜のフラックス低下への影響は殆どなく、また、膜分離で効率的に除去される。
このように、界面活性剤を完全に酸化分解せずに、活性部位のみを変性することにより、酸化処理中に残留するTOCの程度は、2〜20mg/Lである。この残留TOC濃度が低過ぎるとオゾンとの反応性が悪くなる傾向にあり、高過ぎると界面活性剤の分解(変性)が十分でない場合がある。
ただし、RO給水となる酸化処理水は、pHがアルカリ性であれば良く、TOCが必ずしも残留していなくても良い。しかし、TOCが残留していることは、オゾンが残留していないことを示し、膜の酸化劣化の防止の点で好ましい。
なお、酸化処理中にTOCが残留せずオゾンが残留している場合には、後述の酸化剤除去工程でこれを除去すれば良い。
図1(a)では、オゾン反応塔1の酸化処理水は、次いでRO膜分離装置2でRO膜分離処理される。
本発明において、このRO膜分離装置2に導入されるRO給水は、pHアルカリ性、好ましくはpH9〜12、特に好ましくはpH10〜11の酸化処理水である。このRO給水のpHが9未満であると、微生物の繁殖による膜フラックス低下の問題が起こる。ただし、このRO給水のpHが過度に高いと、原水の水質によってはRO膜分離装置におけるスケール障害のおそれがあり、また、RO膜分離装置2の透過水を回収、再利用する場合においても、放流する場合においても、多量の酸を添加してpH中性に調整する必要が生じ、好ましくない。
このRO膜分離装置2のRO膜として耐アルカリ性の低い酢酸セルロース系RO膜は適用することはできず、耐アルカリ性を有するもの、例えば、ポリエーテルアミド複合膜、ポリビニルアルコール複合膜、芳香族ポリアミド膜など、好ましくは、芳香族ポリアミド系複合膜が挙げられる。このRO膜は、スパイラル型、中空糸型、管状型等、いかなる型式のものであっても良い。
このRO膜分離装置2の透過水は、処理水として系外へ取り出され、通常、純水装置の原水や冷却塔の補給水などに再利用される。
図1(b)においては、オゾン反応塔1からの流出水は、活性炭濾過塔4に導入され、残留するオゾン及び/又はH等の酸化剤が除去された後、RO膜分離装置2に導入される点が図1(a)に示す方法と異なり、その他は同様にして処理が行われる。この活性炭濾過塔4における処理条件は、オゾン反応塔1の流出水中の酸化剤の残留量に応じて適宜決定される。この活性炭処理によれば、オゾン酸化処理水中に残留するTOCを更に除去することができる。
図1(a),(b)に示すように、界面活性剤を含有する原水をオゾン酸化処理した後、必要に応じて活性炭処理してRO膜分離装置2に導入することにより、RO膜分離装置2におけるフラックスの低下を引き起こすことなく、長期に亘り安定な処理を行って、TOCが高度に除去された高水質処理水を得ることができる。
なお、図1は、本発明の実施の形態の一例を示すものであって、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、RO膜分離装置に導入される酸化処理水或いは活性炭処理水のpHが十分なアルカリ性でない場合には、RO給水となる酸化処理水或いは活性炭処理水に更にアルカリ剤を添加してpH調整した後RO膜分離処理を行っても良い。また、原水がカルシウムイオン、マグネシウムイオン等の硬度成分を含む場合には、濃縮によるスケール障害を防止するために、このRO給水にスケール防止剤を添加しても良い。
この場合、RO給水に添加するスケール防止剤としては、アルカリ領域で解離して金属イオンと錯体を形成し易いエチレンジアミン四酢酸(EDTA)やニトリロ三酢酸(NTA)などキレート系スケール防止剤が好適に用いられるが、その他、(メタ)アクリル酸重合体及びその塩、マレイン酸重合体及びその塩などの低分子量ポリマー、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸及びその塩、ヒドロキシエチリデンジホスホン酸及びその塩、ニトリロトリメチレンホスホン酸及びその塩、ホスホノブタントリカルボン酸及びその塩などのホスホン酸及びホスホン酸塩、ヘキサメタリン酸及びその塩、トリポリリン酸及びその塩などの無機重合リン酸及び無機重合リン酸塩などを使用することができる。
また、酸化処理後の膜分離処理は、RO膜分離処理に限らず、ナノフィルター(NF)膜分離処理であっても良い。ただし、TOCの除去面から、RO膜分離処理が好ましい。
本発明で処理する原水は、界面活性剤を含有する排水であるが、通常、その界面活性剤濃度は0.2〜10mg/L程度であり、本発明ではこのような界面活性剤含有排水を酸化処理することにより界面活性剤濃度0.1〜1mg/L、TOC5〜15mg/L程度の酸化処理水を得、これをRO膜分離処理して、TOC0.5〜1mg/L程度の処理水を得ることが好ましい。
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
液晶製造工程の水洗水(TOC=11mg/L、非イオン界面活性剤2mg/L)を原水として、これにNaOHを添加してpH10.5に調整した。これにオゾンガスを吹き込み、50mg/L相当のオゾンを溶解させた。得られたオゾン酸化処理水はpH9.6、電気伝導率19mS/m、TOC=8mg/L、非イオン界面活性剤=0.5mg/L以下、残留オゾン=0.5mg/L以下であった。
この酸化処理水をRO膜分離装置に通水した。RO膜としては芳香族ポリアミド系複合膜を用い、膜間差圧約1.2MPa、回収率75%で運転した。
その結果、透過水量(フラックス)0.6m/m/dを2週間維持して処理を継続することができ、RO膜分離装置の透過水の水質はpH9.8、電気伝導率1.2mS/m、TOC=0.8mg/Lであった。
実施例2
実施例1で原水とした液晶製造工程の水洗水に、過酸化水素10mg/Lを添加した後、NaOHを加えてpH10.5に調整した。これにオゾンガスを吹き込み、40mg/L相当のオゾンを溶解させた。得られたオゾン酸化処理水はpH9.4、電気伝導率18mS/m、TOC=9mg/L、非イオン界面活性剤=0.5mg/L以下、残留オゾン=0.5mg/L以下、過酸化水素=5mg/Lであった。
この処理水を活性炭濾過器にSV10hr−1の通水速度で通水した後、実施例1と同じ条件でRO膜分離装置に通水した。
その結果、透過水量(フラックス)0.7m/m/dを2週間維持して処理を継続することができ、透過水の水質はpH9.5、電気伝導率1.0mS/m、TOC=0.6mg/Lであった。
比較例1
実施例1と同様にして得られたオゾン酸化処理水に塩酸を添加してpH6.5に調整し、結合塩素系スライム防止剤としてキシダ化学社製「クロラミンT」を10mg/L添加した後、実施例1と同じ条件でRO膜分離装置に通水した結果、透過水量(フラックス)が徐々に低下し、1週間後に0.3m/m/dになった。透過水の水質はpH6.3、電気伝導率0.3mS/m、TOC=0.2mg/Lであった。
以上の結果から、本発明によれば、界面活性剤含有排水をオゾンにより酸化処理した後RO膜分離処理する場合において、界面活性剤によるRO膜汚染を防止して膜フラックスを高く維持して安定な処理を継続することができることが分かる。
本発明の界面活性剤含有排水の処理方法の実施の形態を示す系統図である。
1 オゾン反応塔
2 RO膜分離装置
3 オゾン発生機
4 活性炭濾過塔

Claims (6)

  1. 界面活性剤含有排水を酸化工程と膜分離工程とで順次処理する方法において、
    該酸化工程は、該排水をアルカリ性条件下にオゾンと接触させて該排水中の界面活性剤を酸化処理する工程であり、
    該酸化工程から排出される酸化処理水はpH9〜12で、該酸化処理水中の残留TOC濃度が2〜20mg/Lであり、
    該膜分離工程は、該酸化工程から排出されるアルカリ性の酸化処理水を膜分離する工程であることを特徴とする界面活性剤含有排水の処理方法。
  2. 請求項1において、前記膜分離工程が逆浸透膜分離工程であることを特徴とする界面活性剤含有排水の処理方法。
  3. 請求項1又は2において、前記酸化工程において、前記界面活性剤含有排水中の界面活性剤に対して、2〜10重量倍のオゾンを該排水に供給することを特徴とする界面活性剤含有排水の処理方法。
  4. 請求項1ないしのいずれか1項において、前記酸化工程はオゾンと過酸化水素との併用による促進酸化工程であることを特徴とする界面活性剤含有排水の処理方法。
  5. 請求項1ないしのいずれか1項において、前記酸化工程を経た水中に残留する酸化剤を除去する酸化剤除去工程を有し、該酸化剤除去工程を経た水が、前記膜分離工程に導入されることを特徴とする界面活性剤含有排水の処理方法。
  6. 請求項において、前記酸化剤除去工程が活性炭処理工程であることを特徴とする界面活性剤含有排水の処理方法。
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