JP5422461B2 - 浄化材、および硝酸性窒素含有水の浄化方法 - Google Patents
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Description
特に、硝酸性窒素は、平成11年に地下水の水質汚濁に係る環境基準の項目に追加されたが、他の項目と比較して環境基準の超過率が高い。そのため、排水や地下水から硝酸性窒素を十分に除去し、水質浄化することが求められている。
硫黄脱窒は、無機物である硫黄を電子供与体として作用させ、水中の硝酸性窒素を還元脱窒するものである。具体的には、嫌気条件下において脱窒細菌が水中の硝酸イオン(NO3 −)をとり込み、硝酸イオン中の酸素で呼吸することで、硝酸性窒素(NO3−N)が窒素ガス(N2)に還元され、大気中へ排気される。
このような浄化材として、カルシウムおよび/またはマグネシウムの炭酸塩を主成分とする物質(例えば炭酸カルシウム、石灰岩、ドロマイト等)と、硫黄とを含有する硝酸性窒素脱窒基質が提案されている(特許文献1〜3参照)。
しかしながら、これら硝酸性窒素脱窒基質では、脱窒細菌が活性化するのに時間がかかるため、排水や地下水等の浄化初期においては硫黄脱窒が進行しにくく、硝酸性窒素の除去が不十分であった。
また、本発明の硝酸性窒素含有水の浄化方法は、前記浄化材に硝酸性窒素含有水を通水させ、水中の硝酸性窒素を脱窒細菌により脱窒することを特徴とする。
本発明の浄化材は、硝酸性窒素を含有する排水や地下水等の水(硝酸性窒素含有水)の浄化に用いられ、ドロマイトと硫黄とを含有する。
ドロマイトは、カルシウムとマグネシウムの複炭酸塩鉱物である。その化学式はCaMg(CO3)2で、カルシウムとマグネシウムの組成比は1:1とされているが、産地等によりその組成比は若干異なることがある。なお、ドロマイト100質量%中に含まれるマグネシウムの量は、おおよそ11質量%である。
ドロマイトは、市販品として入手可能である。
また、ドロマイト中のカルシウムおよびマグネシウムは、脱窒細菌の栄養源となるため、長期間に渡る硫黄脱窒が可能となる。特にマグネシウムはカルシウムよりも脱窒細菌を短期間で効果的に活性化させることができる。そのため、硝酸性窒素含有水の浄化の初期の段階から硫黄脱窒が進行しやすくなり、硝酸性窒素含有水が十分に浄化される。
ただし、浄化材が後述するその他の成分として、マグネサイト(MgCO3)等のマグネシウムを含む化合物(Mg含有化合物)を含有する場合は、ドロマイト由来のマグネシウムとMg含有化合物由来のマグネシウムの合計量が上記範囲内となるように、ドロマイトの含有量を適宜決定する。
硫黄としては、石油脱硫や石炭脱硫プラントの回収硫黄や、天然硫黄などが挙げられ、その形態は固体状(粉末や粒状等)であっても、溶融状態であってもよい。
硫黄の含有量は、浄化材100質量%中、20質量%以上40質量%未満が好ましく、24.5〜35.5質量%がより好ましい。
その他の成分としては、例えばマグネサイト等を代表とする金属の炭酸塩などが挙げられる。マグネサイトはマグネシウムの炭酸塩であり、ドロマイトと同様に脱窒細菌を短期間で活性化させることができる。
なお、浄化材の平均粒径は、任意に選択した100個の浄化材について、ノギス等を用いて測定される最長径の平均値である。
まず、ドロマイトと硫黄と、必要に応じてその他の成分とを混合する。ついで、この混合物を加熱し、硫黄を加熱溶融した後、必要あれば冷却水等で急冷する。ドロマイトと硫黄などを固化した後、固化物を所望の平均粒径になるように粉砕または造粒して浄化材を得る。
なお、硫黄を加熱溶融することに代えて、予め液状化された硫黄を用いてもよい。
加えて、浄化材に含まれるドロマイト中のマグネシウムは、脱窒細菌を短期間で効果的に活性化させることができる。よって、本発明の浄化材によれば、浄化の初期の段階から硫黄脱窒を進行させることができ、硝酸性窒素含有水を十分に浄化できる。
浄化の対象となる硝酸性窒素含有水としては、例えば生活排水、産業排水、農業排水等の各種排水、地下水などが挙げられる。
粉末硫黄30質量部と、ドロマイト(新鉱工業株式会社製、「ドロマイト」、カルシウムとマグネシウムの組成比(Ca:Mg)=1:1)70質量部とを混合機にて混合した。混合物を120℃に加熱して硫黄を加熱溶融した後、冷却水にて急冷固化した。ついで、固化物を粉砕機にて平均粒径が35mmになるように粉砕し、マグネシウム量が7.7質量%の浄化材A(Ca/Mg材)を得た。
粉末硫黄の配合量を50質量部、ドロマイトの配合量を50質量部に変更した以外は実施例1と同様にして、マグネシウム量が5.5質量%の浄化材B(Ca/Mg材)を得た。
粉末硫黄の配合量を70質量部、ドロマイトの配合量を30質量部に変更した以外は実施例1と同様にして、マグネシウム量が3.3質量%の浄化材C(Ca/Mg材)を得た。
ドロマイト50質量部の代わりに、炭酸カルシウム50質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして浄化材D(Ca材)を作製した。
浄化試験には、図1に示す浄化装置を用いた。
図1に示す浄化装置1は、硝酸性窒素含有水を貯蔵する原水タンク10と、硫黄脱窒により浄化が行われる4つのカラム20a、20b、20c、20dと、各カラムにて浄化された処理水をそれぞれ回収する処理水タンク30a、30b、30c、30dと、原水タンク10から各カラムに硝酸性窒素含有水を供給する原水ポンプ40とを具備する。
原水タンク10には、硝酸性窒素含有水として、硝酸性窒素濃度が30mg/Lとなるように硝酸カリウム(KNO3)を水道水に溶解させた原水を貯蔵した。
カラム20a、20b、20c、20dとしては、内径26mm、長さ600mmのガラス製カラムを用い、各カラムを並列に接続した。
カラム20bには、砂利(平均粒径2mm)を充填し、支持層21bを形成した。ついで、支持層21b上に、比較例1にて作製した浄化材B(Ca/Mg材)を充填し、浄化層22bを形成した。支持層21bの高さは20mm、浄化材の充填量は290mL、浄化層22bの高さは550mmであった。
カラム20cには、砂利(平均粒径2mm)を充填し、支持層21cを形成した。ついで、支持層21c上に、比較例2にて作製した浄化材C(Ca/Mg材)を充填し、浄化層22cを形成した。支持層21cの高さは20mm、浄化材の充填量は290mL、浄化層22cの高さは550mmであった。
カラム20dには、砂利(平均粒径2mm)を充填し、支持層21dを形成した。ついで、支持層21d上に、比較例4にて作製した浄化材D(Ca材)を充填し、浄化層22dを形成した。支持層21dの高さは20mm、浄化材の充填量は290mL、浄化層22dの高さは550mmであった。
原水タンク10から硝酸性窒素含有水(原水)を、通水量1.0mL/分、カラム内の滞留時間4.8時間の供給条件で各カラムに連続供給し、硝酸性窒素含有水を実施例1および比較例1〜3で作製した浄化材にそれぞれ通水させ、浄化試験を行った。
なお、浄化試験は水温15〜20℃で行った。また、カラム20aにて浄化された処理水は処理水タンク30aに、カラム20bにて浄化された処理水は処理水タンク30bに、カラム20cにて浄化された処理水は処理水タンク30cに、カラム20dにて浄化された処理水は処理水タンク30dにそれぞれ回収した。
なお、図2中、「実施例1」はカラム20aを通過し、浄化材Aにより浄化された処理水の結果、「比較例1」はカラム20bを通過し、浄化材Bにより浄化された処理水の結果、「比較例2」はカラム20cを通過し、浄化材Cにより浄化された処理水の結果、「比較例3」はカラム20dを通過し、浄化材Dにより浄化された処理水の結果、「原水」は浄化前の硝酸性窒素含有水の結果である。
すなわち、実施例1では、浄化の初期の段階から脱窒細菌の活性化を促進させ、硫黄脱窒を進行できた。
炭酸カルシウムと硫黄からなる浄化材Dを用いた比較例3の場合も、比較例1、2の結果と同様であり、硝酸性窒素の除去は不十分であった。
すなわち、比較例1〜3では、脱窒細菌が活性化するのに時間がかかるため、浄化の初期の段階では硫黄脱窒が進行しにくかった。
ドロマイトの優位性を確認することを目的として、以下に示す実験(浄化試験2)を行った。
浄化材として、比較例1、3で作製した浄化材B、Dを用い、先の浄化試験1を9ヶ月継続して行った。浄化試験前と後において、試験に用いた各浄化材の質量を測定した。なお、浄化試験後の浄化材については、60℃で16時間乾燥させてから質量を測定した。また、浄化試験2中に各カラムに通水した硝酸性窒素含有水のトータル量から、各カラムに流れた硝酸性窒素量(g)を求めた。これらの結果を表1に示す。
また、硝酸性窒素量の単位当たりの浄化材の消費量を求めたところ、浄化材Bは9.4gであったのに対し、浄化材Dは10.0gであり、この結果からも、ドロマイトは炭酸カルシウムに比べて消費が少ないことが示された。
よって、脱窒細菌により硝酸性窒素含有水を浄化する際には、ドロマイトの方が炭酸カルシウムよりも優位である。
10:原水タンク、
20a、20b、20c、20d:カラム、
21a、21b、21c、21d:支持層、
22a、22b、22c、22d:浄化層、
30a、30b、30c、30d:処理水タンク、
40:原水ポンプ。
Claims (2)
- 硝酸性窒素含有水の浄化材であって、
ドロマイトと硫黄とを含有し、かつマグネシウム量が6.6質量%を超え、8.8質量%以下であり、
前記ドロマイトと硫黄の混合物を加熱して硫黄を加熱溶融した後の固化物を粉砕または造粒してなることを特徴とする浄化材。 - 請求項1に記載の浄化材に硝酸性窒素含有水を通水させ、水中の硝酸性窒素を脱窒細菌により脱窒することを特徴とする硝酸性窒素含有水の浄化方法。
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