JP5609174B2 - 水処理システム - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ等に供給する地下水を前処理する水処理システムに関する。

従来より、地下水等の原水に含まれる溶存鉄及び溶存マンガンを、いわゆる接触酸化法によって除去する水処理システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような従来の水処理システムは、塩素剤を添加しながら濾材により溶存鉄及び溶存マンガンを除去する除鉄除マンガン装置と、その処理水を膜分離処理して透過水を製造する膜分離装置と、を備える。

特開２００３−２２０３９４号公報

しかし、従来の水処理システムは、原水中に含まれる溶存鉄及び溶存マンガンの除去に、多量の塩素剤（例えば、次亜塩素酸ナトリウム等）を使用する必要がある。そのため、システムが複雑化すると共に、ランニングコストが増加していた。
また、原水中にアンモニア性窒素を多く含有する場合には、アンモニア性窒素と塩素剤との反応によりクロラミンが生成され、塩素剤の必要量が更に増加していた。加えて、塩素剤の使用により、副生成物（例えば、発癌性のあるトリハロメタン）の生成が問題視される場合もあった。

また、溶存鉄及び溶存マンガンを含む地下水に、次亜塩素酸ナトリウム等の塩素剤を注入したり、この地下水をタンクに貯留すると、地下水が空気と接触することにより溶存鉄が酸化されて、不溶性の水酸化鉄が生成される。そのため、この不溶性の水酸化鉄が、膜分離装置等の詰まり（ファウリング）の原因となっていた。

本発明は、システムを簡素化することができると共に、膜分離装置のファウリングを抑制することができる水処理システムを提供することを目的とする。

本発明は、地下水を物理的手段のみにより還元状態に調整する還元処理装置と、還元状態に調整された地下水をナノ濾過膜又は逆浸透膜により処理し、透過水を製造する膜分離装置とを備え、前記還元処理装置は、地下水を気体分離膜に通過させて溶存酸素を除去する膜式脱酸素装置、地下水を減圧して溶存酸素を除去する減圧式脱酸素装置、又は地下水に窒素ガスを吹き込んで溶存酸素を除去する窒素置換式脱酸素装置のいずれかであり、地下水の酸化還元電位を次式で求められるＥ１からＥ２の範囲に調整する水処理システムに関する。
Ｅ１［Ｖ］＝−０．０５９×ｐＨ値
Ｅ２［Ｖ］＝０．７−０．０５９×ｐＨ値

また、地下水に酸を添加してｐＨ値を６以下に調整する酸添加装置を備えることが好ましい。

また、前記還元処理装置及び前記酸添加装置の後段に、地下水を陽イオン交換体により処理する軟水化装置を備えることが好ましい。

また、前記還元処理装置及び前記酸添加手段の後段に、地下水にスケール分散剤を添加する分散剤添加装置を備えることが好ましい。

本発明によれば、システムを簡素化することができると共に、膜分離装置のファウリングを抑制することができる水処理システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態の水処理システム１を示す構成図である。 本発明の第２実施形態の水処理システム１Ａを示す構成図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の水処理システム１を示す構成図である。
図１に示すように、水処理システム１は、地下水Ｗ１を前処理し、ボイラ（図示せず）等に供給する透過水Ｗ２を製造するものである。

図１に示すように、水処理システム１は、地下水Ｗ１を流通させる第１流通ラインＬ１と、地下水Ｗ１を還元状態に調整する還元処理装置２と、還元状態に調整された地下水Ｗ１を下流側に流通させる第２流通ラインＬ２と、第２流通ラインＬ２に設けられ地下水Ｗ１に酸を添加する酸添加装置３と、第２流通ラインＬ２に設けられるサンドセパレータ４と、第２流通ラインＬ２の下流側の端部に設けられ地下水Ｗ１を軟水化処理する軟水化装置５と、軟水化された地下水Ｗ１を下流側に流通させる第３流通ラインＬ３と、第３流通ラインＬ３に設けられる紫外線照射装置６及びフィルタ７と、第３流通ラインＬ３の下流側の端部に設けられ、軟水化された地下水Ｗ１を膜分離処理することにより透過水Ｗ２を製造する膜分離装置８と、透過水Ｗ２を下流側に流通させる第４流通ラインＬ４と、第４流通ラインＬ４に接続され透過水Ｗ２を貯留する透過水貯留タンク９と、を主体に構成されている。
なお、本明細書でいう「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

第１流通ラインＬ１は、ポンプ等（図示せず）によって地下から汲み上げられた井戸水等の地下水Ｗ１を還元処理装置２に流通させる。

還元処理装置２は、地下水Ｗ１を化学的手段により還元状態に調整する。具体的には、還元処理装置２は、地下水Ｗ１の酸化還元電位（ＯＲＰ値）を、次式（１）で求められるＥ１から、次式（２）で求められるＥ２の範囲に調整する。酸化還元電位Ｅ１は、汲み上げ時点における地下水Ｗ１の酸化還元電位の実測値が含まれる上限値である。酸化還元電位Ｅ２は、水の還元電位の理論値である。
Ｅ１［Ｖ］＝−０．０５９×ｐＨ値・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｅ２［Ｖ］＝０．７−０．０５９×ｐＨ値・・・・・・・・・・・・・・（２）

本実施形態においては、還元処理装置２は、地下水Ｗ１に還元剤を添加する還元剤添加装置として構成される。還元処理装置２は、地下水Ｗ１中の溶存酸素量に対し、１〜２倍当量の還元剤を添加する。還元剤としては、例えば、重亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム等が挙げられる。

酸添加装置３は、添加点Ｊ１において第２流通ラインＬ２に接続される。酸添加装置３は、地下水Ｗ１に酸を添加することにより、地下水Ｗ１のｐＨ値を６以下に調整する。酸としては、例えば、塩酸、硫酸等が挙げられる。

サンドセパレータ４は、地下水Ｗ１に混入する砂等の固形粒子を除去する。具体的には、サンドセパレータ４は、揚水中に地下水Ｗ１に混入した固形粒子を遠心分離作用によって除去するように構成されている。

軟水化装置５は、第２流通ラインＬ２の下流側端部に接続されている。軟水化装置５は、陽イオン交換体５ａと、図示しないコントロールバルブ及び再生剤供給装置と、を有する。陽イオン交換体５ａは、ナトリウム型の陽イオン交換体であり、例えば、強酸性陽イオン交換樹脂からなる。

軟水化装置５は、第２流通ラインＬ２を流通する地下水Ｗ１を、陽イオン交換体５ａに導入してイオン交換処理することにより、溶存鉄、溶存マンガン、硬度成分（カルシウムイオン及びマグネシウムイオン）及びアンモニア性窒素等の陽イオンが除去された軟化水を製造する。

コントロールバルブは、軟水化装置５の内部に設けられ、軟水化装置５を流通する流体（軟水化される前の地下水Ｗ１、軟水化された地下水Ｗ１、陽イオン交換体５ａを再生させる再生剤溶液等）の流路を制御する。再生剤供給装置は、陽イオン交換体５ａを再生させる再生剤溶液を、陽イオン交換体５ａに供給可能に構成される。再生剤溶液としては、例えば、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液が挙げられる。

第３流通ラインＬ３は、軟水化装置５によって軟水化された地下水Ｗ１を下流側に流通させる。第３流通ラインＬ３には、硬度監視装置（図示せず）が設けられる。硬度監視装置は、軟水化された地下水Ｗ１の硬度を監視（測定）する。

紫外線照射装置６は、第３流通ラインＬ３に設けられ、軟水化装置５により軟水化された地下水Ｗ１に紫外線を照射する。紫外線照射装置６によって紫外線を照射する場合、膜分離装置８（後述）の上流側における溶存鉄及び溶存マンガンの濃度が０．０５ｐｐｍ以下であることが好ましい。

フィルタ７は、第３流通ラインＬ３に設けられ、紫外線照射装置６により紫外線照射処理された地下水Ｗ１から懸濁物質を除去する。フィルタ７には、例えば、ワインド（糸巻き）フィルタ等を用いることができる。

膜分離装置８は、所定の分離膜８ａを有する。膜分離装置８は、還元処理装置２によって還元状態に調整された地下水Ｗ１を、この分離膜８ａにより膜分離処理し、透過水Ｗ２及び濃縮水（図示せず）を製造する。分離膜８ａとしては、例えば、ナノ濾過膜又は逆浸透膜が挙げられる。

ナノ濾過膜においては、溶存シリカの除去率は１から１０％であり、塩化物イオンの除去率及び硫酸イオンの除去率は４０から６０％である。また、逆浸透膜においては、溶存シリカの除去率は９０％以上であり、塩化物イオンの除去率及び硫酸イオンの除去率は９０％以上である。

なお、膜分離装置８において透過水Ｗ２と共に製造される濃縮水（図示せず）は、系外に排出されるようになっている。また、この濃縮水は、膜分離装置８の上流側に還流されてもよい。

第４流通ラインＬ４の上流側の端部は、膜分離装置８に接続されている。第４流通ラインＬ４の下流側の端部は、透過水貯留タンク９（後述）に接続されている。第４流通ラインＬ４は、膜分離装置８において製造された透過水Ｗ２を下流側の透過水貯留タンク９に流通させる。

透過水貯留タンク９は、第４流通ラインＬ４の下流側の端部に接続され、透過水Ｗ２を貯留する。透過水貯留タンク９には、第５流通ラインＬ５が接続されている。
第５流通ラインＬ５は、透過水貯留タンク９に貯留された透過水Ｗ２をボイラ（図示せず）に流通させる。

以上のように構成された水処理システム１の流通ラインの適宜の箇所には、図示しないポンプ手段やバルブ手段が設けられている。また、水処理システム１は、図示しない制御装置によって運転を制御される。

次に、水処理システム１の動作について図１を参照しながら説明する。図１に示すように、地下水Ｗ１は、第１流通ラインＬ１により還元処理装置２に流通される。還元処理装置２においては、地下水Ｗ１中の溶存酸素量に対し、１〜２倍当量の還元剤が添加される。これにより、地下水Ｗ１の酸化還元電位（ＯＲＰ値）は、式（１）で求められるＥ１から、式（２）で求められるＥ２の範囲（還元状態）に調整される。

そのため、発癌性のあるトリハロメタンの発生原因となる塩素剤を使用する必要がない。また、地下水Ｗ１に含まれる鉄分は、第一鉄イオン（Ｆｅ^２＋）の状態（溶存状態）となる。更に、地下水Ｗ１において、好気性微生物の繁殖が抑制される。

次に、還元処理装置２により還元状態に調整された地下水Ｗ１は、酸添加装置３により、添加点Ｊ１において酸を添加され、地下水Ｗ１のｐＨ値が６以下に調整される。これにより、後段の膜分離装置８の分離膜８ａにおいて、カルシウム系スケールの生成を抑制する。また、地下水Ｗ１の中のコロイド状鉄は、溶存鉄に変わる。

酸添加装置３により酸を添加された地下水Ｗ１は、サンドセパレータ４において、砂等の固形粒子が除去される。そのため、軟水化装置５による地下水Ｗ１の軟水化に先立って、地下水Ｗ１から固形粒子を除去しておくことにより、陽イオン交換体５ａ等の詰まりが抑制される。

固形粒子が除去された地下水Ｗ１からは、膜分離装置８による膜分離に先立って、軟水化装置５において硬度成分が除去される。そのため、分離膜８ａでのカルシウム系スケールの生成が抑制される。また、この膜分離に先立って、地下水Ｗ１から溶存鉄及び溶存マンガンが除去される。そのため、従来必要であった除鉄除マンガン装置等が不要になると共に、分離膜８ａでの鉄ファウリングが抑制される。更に、膜分離装置８に供給される地下水Ｗ１の溶存塩類が分離膜８ａで除去しやすいナトリウムイオンに置換される。そのため、膜分離装置８で製造される透過水Ｗ２の純度が向上する。

なお、軟水化装置５を経た地下水Ｗ１の硬度は、第３流通ラインＬ３に設けられた硬度監視装置（図示せず）によって監視（測定）される。そして、地下水Ｗ１の硬度が所定の閾値に達した場合には、軟水化装置５の再生剤供給装置（図示せず）によって再生剤溶液が陽イオン交換体５ａに供給される。これにより、陽イオン交換体５ａが再生する。

次に、軟水化装置５を経た地下水Ｗ１は、紫外線照射装置６により紫外線を照射される。そのため、地下水Ｗ１の中の好気性微生物等が殺菌され、後段の膜分離装置８の分離膜８ａにおいて、好気性微生物等の繁殖が抑制される。

次に、紫外線照射装置６を経た地下水Ｗ１は、フィルタ７によって微粒子等の懸濁物質が除去される。そのため、膜分離装置８による地下水Ｗ１の膜分離処理に先立って、地下水Ｗ１から懸濁物質を除去しておくことにより、分離膜８ａの詰まりが抑制される。

フィルタ７を経た地下水Ｗ１は、膜分離装置８に導入され、分離膜８ａにより膜分離処理される。これにより、地下水Ｗ１から透過水Ｗ２が製造される。その際、アンモニア性窒素や有機物も除去される。
膜分離装置８により製造された透過水Ｗ２は、第４流通ラインＬ４を流通して透過水貯留タンク９に貯留される。透過水貯留タンク９に貯留された透過水Ｗ２は、第５流通ラインＬ５を流通してボイラ（図示せず）等に供給される。

以上に説明した第１実施形態の水処理システム１によれば、以下に示す各効果が奏される。
第１実施形態の水処理システム１は、地下水Ｗ１を還元状態に調整する還元処理装置２と、還元状態に調整された地下水Ｗ１を分離膜８ａにより処理し、透過水Ｗ２を製造する膜分離装置８とを備え、還元処理装置２は、地下水Ｗ１の酸化還元電位を、式（１）で求められるＥ１から、式（２）で求められるＥ２の範囲（還元状態）に調整する。

そのため、発癌性のあるトリハロメタンの発生原因となる塩素剤を使用することなく、アンモニア性窒素や有機物を地下水Ｗ１から除去する水処理システムを簡素化して構成することができる。また、不溶性の水酸化鉄の生成による分離膜８ａの鉄ファウリングを抑制しながら、鉄分を溶存鉄の状態のまま地下水Ｗ１から除去することができる。また、好気性微生物の繁殖による分離膜８ａのバイオファウリングを抑制し、安定した生産水量を確保することができる。

従って、第１実施形態の水処理システム１によれば、除鉄・除マンガン処理のために従来必要とされていた次亜塩素酸ナトリウム等の添加処理や、防食のための脱酸素処理を不要にすることができる。これにより、水処理システム１を簡素化することができると共に、膜分離装置８のファウリングを抑制することができる。

また、第１実施形態の水処理システム１においては、地下水Ｗ１に酸を添加してｐＨ値を６以下に調整する酸添加装置３を備える。
そのため、膜分離装置８において、分離膜８ａでのカルシウム系スケールの生成を抑制することができ、安定した生産水量を確保することができる。また、地下水Ｗ１の中のコロイド状鉄を溶存鉄に変え、かつ溶存鉄の状態のまま地下水Ｗ１から鉄分を除去することができる。

また、第１実施形態の水処理システム１においては、還元処理装置２及び酸添加装置３の後段に、地下水Ｗ１を陽イオン交換体５ａにより処理する軟水化装置５を備える。
そのため、膜分離装置８による膜分離に先立って、地下水Ｗ１から硬度成分を除去しておくことにより、分離膜８ａでのカルシウム系スケールの生成を抑制することができる。また、膜分離装置８による膜分離に先立って、地下水Ｗ１から溶存鉄及び溶存マンガンを除去しておくことにより、分離膜８ａでの鉄ファウリングを抑制することができる。更に、膜分離装置８に供給される地下水Ｗ１の溶存塩類を分離膜８ａで除去しやすいナトリウムイオンに置換しておくことにより、透過水Ｗ２の純度を向上することができる。

また、第１実施形態の水処理システム１においては、還元処理装置２は、地下水Ｗ１に還元剤を添加する還元剤添加装置である。
そのため、地下水Ｗ１の中の溶存酸素量に対し、１〜２倍当量の還元剤を添加するのみで、酸化還元電位（ＯＲＰ値）を容易に前記Ｅ１〜Ｅ２の範囲に調整することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態については、主として、第１実施形態とは異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。他の実施形態において特に説明しない点は、第１実施形態についての説明が適宜適用又は援用される。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態について図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の第２実施形態の水処理システム１Ａを示す構成図である。
図２に示すように、第２実施形態の水処理システム１Ａは、前記第１実施形態における水処理システム１の軟水化装置５（図１参照）に代えて、分散剤添加装置１０を備える。その他の構成は、第１実施形態の水処理システム１と同様である。

具体的には、図２に示すように、分散剤添加装置１０は、還元処理装置２及び酸添加装置３の後段に配置されるサンドセパレータ４の後段に配置され、サンドセパレータ４を経た地下水Ｗ１にスケール分散剤を添加する。
スケール分散剤は、地下水Ｗ１の硬度成分やシリカ成分等を分散させてスケールの析出を抑制するものである。スケール分散剤としては、例えば、ポリアクリル酸、ポリマレイン酸及びこれらのアルカリ金属塩等が挙げられる。

次に、水処理システム１Ａの動作について図２を参照しながら説明する。還元処理装置２からサンドセパレータ４における動作は、第１実施形態の水処理システム１の動作と同様であるので、重複説明を省略する。

分散剤添加装置１０は、サンドセパレータ４を経た地下水Ｗ１にスケール分散剤を添加する。これにより、地下水Ｗ１の硬度成分やシリカ成分等が分散する。そのため、膜分離装置８の分離膜８ａにおいて、スケールの析出が抑制される。
分散剤添加装置１０によりスケール分散剤を添加された地下水Ｗ１は、紫外線照射装置６により紫外線を照射され、更にフィルタ７により懸濁物質が除去された後、膜分離装置８に導入される。膜分離装置８では、分離膜８ａにより膜分離されることにより透過水Ｗ２が製造される。

以上に説明した第２実施形態の水処理システム１Ａによれば、前記第１実施形態の水処理システム１と同様の効果が奏されると共に、以下に示す各効果が奏される。
第２実施形態の水処理システム１Ａは、前記第１実施形態の水処理システム１の軟水化装置５に代えて、分散剤添加装置１０を備える。

そのため、酸添加装置３の異常により、膜分離装置８において、濃縮水（図示せず）中でスケール核が生成した場合であっても、分散剤添加装置１０により添加されたスケール分散剤によって、スケール核を分散させることができる。従って、分離膜８ａでのカルシウム系スケールの生成を抑制することができる。
また、還元処理装置２の異常により、地下水Ｗ１中で不溶性の水酸化鉄が生成した場合であっても、分散剤添加装置１０により添加されたスケール分散剤によって、その不溶性の水酸化鉄を分散させることができる。そのため、分離膜での鉄ファウリングを抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
前記第１実施形態及び前記第２実施形態においては、酸添加装置３は、還元処理装置２の下流側の添加点Ｊ１において、地下水Ｗ１に酸を添加するものとして説明したが、これに制限されない。例えば、酸添加装置３は、還元処理装置２の上流側（第１流通ラインＬ１）において、地下水Ｗ１に酸を添加するように構成されてもよい。

また、前記第１実施形態及び前記第２実施形態においては、還元処理装置２は、地下水Ｗ１に還元剤を添加する還元剤添加装置（化学的手段）として構成されるものとして説明したが、これに制限されない。例えば、還元処理装置２は、地下水Ｗ１を物理的手段により還元状態に調整するように構成されてもよい。

具体的には、還元処理装置２は、地下水Ｗ１を気体分離膜に通過させて溶存酸素を除去する膜式脱酸素装置（図示せず）であってもよい。また、還元処理装置２は、地下水Ｗ１を減圧して溶存酸素を除去する減圧式脱酸素装置（図示せず）であってもよい。また、地下水Ｗ１に窒素ガスを吹き込んで溶存酸素を除去する窒素置換式脱酸素装置（図示せず）であってもよい。
還元処理装置２を前記脱酸素装置として構成することにより、地下水Ｗ１をこの脱酸素装置に通水するだけで、酸化還元電位（ＯＲＰ値）を容易に前記Ｅ１〜Ｅ２の範囲に調整することができる。

また、酸添加装置３の後段において、前記脱酸素装置により地下水Ｗ１を処理する場合には、地下水Ｗ１の脱炭酸処理がなされる。そのため、膜分離装置８において、透過水Ｗ２の純度を向上させることができる。

１，１Ａ 水処理システム
２ 還元処理装置（還元剤添加装置）
３ 酸添加装置
５ 軟水化装置
５ａ 陽イオン交換体
８ 膜分離装置
８ａ 分離膜
１０ 分散剤添加装置
Ｗ１ 地下水
Ｗ２ 透過水

Claims (4)

1. 地下水を物理的手段のみにより還元状態に調整する還元処理装置と、
   還元状態に調整された地下水をナノ濾過膜又は逆浸透膜により処理し、透過水を製造する膜分離装置とを備え、
   前記還元処理装置は、地下水を気体分離膜に通過させて溶存酸素を除去する膜式脱酸素装置、地下水を減圧して溶存酸素を除去する減圧式脱酸素装置、又は地下水に窒素ガスを吹き込んで溶存酸素を除去する窒素置換式脱酸素装置のいずれかであり、地下水の酸化還元電位を次式で求められるＥ１からＥ２の範囲に調整する水処理システム。
   Ｅ１［Ｖ］＝−０．０５９×ｐＨ値
   Ｅ２［Ｖ］＝０．７−０．０５９×ｐＨ値
2. 地下水に酸を添加してｐＨ値を６以下に調整する酸添加装置を備える請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記還元処理装置及び前記酸添加装置の後段に、地下水を陽イオン交換体により処理する軟水化装置を備える請求項２に記載の水処理システム。
4. 前記還元処理装置及び前記酸添加装置の後段に、地下水にスケール分散剤を添加する分散剤添加装置を備える請求項２に記載の水処理システム。

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