JP5629650B2 - 水処理プロセス及びその浄水装置 - Google Patents
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従来の有機酸除去で最も一般的に用いられるイオン交換樹脂は粒子径が0.1〜2mm程度の樹脂粒子表面のアミノ基に有機酸がトラップさせる。粒子径が小さいほど粒子の表面積が大きくなるので多くの有機酸をトラップできる。しかし本実施形態の場合、加える凝集剤が水溶性のため、粒子径があたかも数オングストロームのイオン交換樹脂を用いたのと同じように高効率で有機酸をトラップできる。そのため従来のイオン交換樹脂を用いた場合に比べて同じ量だけ添加した場合の有機酸トラップ量は格段に大きくなる。
(A)凝集剤
(i)金属塩
金属塩の金属種としては、鉄,アルミニウム,ネオジム,ディスプロシウム等三価の金属が挙げられる。このうち、地球上に豊富に存在し安価で、入手しやすい点で鉄,アルミニウムが好ましい。また、より安価である点で鉄が望ましい。
酸性基を有する高分子は酸性基としてカルボキシル基、あるいはスルホン酸基が考えられる。このうちカルボキシル基を有する高分子としては安価でかつ三価の金属イオンとイオン結合しやすい点でポリアクリル酸が最も好適である。このほかアミノ酸由来のポリアスパラギン酸,ポリグルタミン酸等も毒性が低いという特徴がある。
スルホン酸基を有する高分子としてはポリビニルスルホン酸,ポリスチレンスルホン酸が挙げられる。これらスルホン酸基はカルボキシル基よりも酸性度が大きいため、金属イオンとのイオン結合を形成する割合が高く、安定な凝集物を得られる点で好ましい。
なお、カルボキシル基を有する高分子はおむつ,生理用品等、世の中で多々使われており、入手しやすく、且つ安価である点で、スルホン酸基を有する高分子より好適である。
有機酸の酸性基の酸性度が低い場合、三価の金属イオンとイオン結合を形成する割合が低下する。そこで、酸性基を有する高分子を添加する前に塩化ナトリウムや塩化カリウム等の無機塩を汚水に添加することにより三価の金属イオンとイオン結合する有機酸の割合が高まる。これは塩を添加して水中に溶解している有機物を析出させる塩析と類似の効果により、汚水中に溶解できる有機酸の許容割合が下がっていると推定している。
(i)凝集方法の概略
以下、凝集方法の概略について(a)〜(e)に述べる。有機酸を凝集物にする方法は前述の図2の通りである。なお、酸性基を図2ではカルボキシル基で説明しているが、スルホン酸基でも同様である。
(a)有機酸5を含む汚水にカルボキシル基を有する水溶性高分子6を添加する。
(b)汚水中に有機酸とカルボキシル基を有する水溶性高分子が共存した形になる。
(c)鉄の塩7を加える。
(d)鉄のイオンと有機酸のカルボキシル基、及び水溶性高分子のカルボキシル基がイオン結合する。
(e)水に不溶の凝集物8が形成される。
有機酸の除去率を高める方法は後で加える高分子を添加する前に汚水中に無機の塩を添加しておく方法が挙げられる。これは前述したように塩析に類似の効果により除去率が高まるものと推定される。加える無機の塩は自然界に豊富に存在する塩化ナトリウムが好適である。特に海底油田の汚水処理の場合は海水中の平均塩化ナトリウム濃度が約3%なので、そのレベルまでは添加しても環境に与える影響は軽微なので特に好適である。
前述(ii)のように酸性基を有する高分子の溶液を添加する際はなるべく激しく攪拌する方が有機酸を凝集物に効率的にトラップできる。しかし、攪拌が激しすぎると凝集物のサイズが小さくなりすぎ、濾過層を通す際に詰まりやすくなるので、処理速度が低下する恐れもある。
本実施形態の凝集剤は汚水中の有機酸除去を目的としているが、上記のように縣濁物質も一緒に除去できる。そのため、従来縣濁物質除去で一般的なポリ塩化アルミニウムとポリアクリルアミドを用いた凝集を行う必要が無いので、水の浄化プロセス負荷(コスト,処理時間)低減につながるメリットがある。
凝集物形成時に、凝集物内に磁性粉、或いは鉄粉を含有させておくことで磁気分離による凝集物除去が可能になる。
先に述べたように、高分子量の有機酸は、凝集剤を用いた工程で除去することが可能であるが、低分子量の有機酸が、一部水中に残存する。このような、低分子量の有機酸などは、一般的に揮発性が高い。従って、水中に、このような有機物を含んでいる場合には、水を加熱することによって、揮発過程を促進させ、水中から有機物を除去することが可能となる。
本実施形態の浄水装置の基本構成について図5を使って説明する。
汚水はポンプ21により、配管22を通って、第一の混合槽23に投入される。この中の液体はオーバーヘッドスターラー24によって攪拌される。ここで、汚水の液性を確認する。この図では省略されているが液性を確認するためのpHセンサが第一の混合槽中に設けられている。
第一の混合槽内の汚水に酸性基を有する水溶性高分子の水溶液を混合させた後、第一の混合槽中の液をポンプ31を用いて、配管32を通して第二の混合槽33に投入する。この中の液体はオーバーヘッドスターラー34によって攪拌されている。
三価の金属塩の水溶液を投入すると第二の混合槽中で凝集物が生成する。凝集物が混ざった状態の液はバルブ38を開けることにより濾過部39に流れ込む。流れ込んだ液は濾過用の砂からなる濾過層40で濾過され、その後多孔質部材41により、再度濾過され有機酸が低減された水として出てくる。
この加熱処理した水を取りだすことによって、低分子量から高分子量の有機物を除去した浄水を得ることができる。
本実施形態の浄水装置のうち沈降槽を有するものの基本構成について図6を使って説明する。
この装置の構成は濾過部の代わりに、沈降槽43を持つ。この構成により凝集物を沈降槽下部に沈殿させ、上澄み液を次の加熱槽91に投入し、上記形態1と同様の処理により、低分子量から高分子量の有機物を除去した浄水を得ることができる。
本実施形態の浄水装置のうち濾過部に濾過層の目詰まりを防止する機構を有するものの基本構成について図7を使って説明する。
本実施形態の浄水装置のうち磁気分離方式を利用したものの基本構成について図8を使って説明する。
汚水はポンプ51により、配管52を通って、第一の混合槽53に投入される。この中の液体はオーバーヘッドスターラー54によって攪拌される。ここで、汚水の液性を確認する。この図では省略されているが液性を確認するためのpHセンサが第一の混合槽中に設けられている。
ここで得られた液を次の加熱槽91に投入し、上記形態1と同様の処理により、低分子量から高分子量の有機物を除去した浄水を得ることができる。
本実施形態の浄水装置のうち磁気分離方式でドラムを2個備えたものの基本構成について図9を使って説明する。
この装置は表面がメッシュのドラム69上に凝集物を集めた後、ドラム内部から少量の水を吹き出し、これにより凝集物をドラムのメッシュ上から剥がし、ドラム74の方に飛ばし、ドラム74の表面に付着させる。このドラムの表面はメッシュではなく金属板である。
本実施形態の浄水装置のうち磁気分離方式で凝集物除去槽75を別に設けたものの基本構成について図10を使って説明する。
これは第二の混合槽で形成した凝集物を、同じ槽中で磁気分離するのではなく、別の槽(凝集物除去槽)に移し、そこで磁気分離を行うものである。凝集物除去槽に入れる処理水の量はバルブ76で制御する。
本実施形態の浄水装置のうち磁気分離方式でドラムが1個で且つ凝集物除去槽77を別に設けたものの基本構成について図11を使って説明する。
これは凝集物除去槽の底とドラムの距離を小さくすることで、凝集物をドラムにほぼ完全に付着させる。こうしてドラム1個で浄化を行う。ドラムに付着した凝集物はスクレイパーで取り除く。この方式はドラムが1個で浄化できるため凝集物除去槽、ひいては装置の省スペース化が図れるため、好適である。
以上で示した浄水装置では、加熱槽が、凝集剤を用いる工程の後に配置される装置であった。しかし、加熱槽は、凝集剤を用いる工程の前に配置されてもよく、その基本構成について、図12を使って説明する。なお、加熱槽を、凝集剤を用いる工程の前に配置する構成は、先の形態2から形態7に示した装置においても同様に適用することができる。
以上で示した浄水装置では、さらに加熱工程によって回収した低分子量有機物を燃料として再利用することで、加熱工程の熱源として利用する。この有機物回収及び熱源利用の過程を図13を用いて説明する。
本実施形態の油分回収,浄水システムの基本構成について図14を使って説明する。
油分抽出プラント81ではオイルサンドに水蒸気を吹き込み、油分を砂から分離する。水蒸気を吹き込むと、油分が加熱され、粘土が低下し水蒸気由来の熱水と混合された油濁水として、砂から分かれる。油濁水は放置することにより比重の違いで油分と水分に分離するので、上層の油分(通称ビチュメン)を回収することにより油分抽出は終了する。抽出された油分は、製油工程で沸点の違いにより、ガソリン,重油,アスファルト等に分離し、各種産業で使われる。
2 汚濁微粒子
3 フロック
4 磁性粉
5 有機酸
6 カルボキシル基を有する水溶性高分子
7 鉄の塩
8 凝集物
21,26,29,31,36,51,56,59,61,66,94 ポンプ
22,27,30,32,37,52,57,60,62,67,72,82,84,86,95 配管
23,53 第一の混合槽
24,34,54,64,68,93 オーバーヘッドスターラー
25,55 塩酸の水溶液のタンク
28,58 酸性基を有する水溶性高分子の水溶液のタンク
33,63 第二の混合槽
35 三価の金属塩の水溶液のタンク
38,76 バルブ
39 濾過部
40 濾過層
41 多孔質部材
42,73 第二の混合槽に液を投入する部分の先端
43 沈降槽
44 表面に凹凸のあるディスク
45 濾過層攪拌機構
65 金属塩の水溶液のタンク
69,74 ドラム
70 スクレイパー
71 凝集物集積容器
75,77 凝集物除去槽
81 油分抽出プラント
83 浄水装置
85 水蒸気発生装置
87 ベルトコンベア
91 加熱槽
92 ヒーター
Claims (9)
- 有機物を含む汚水から有機物を除去する水処理プロセスにおいて、
凝集剤を用いて前記汚水中の有機物を凝集物として除去する第一の工程と、
前記第一の工程の前または後に実施され、前記汚水または前記第一の工程で凝集物が除去された処理水を加熱し、前記汚水または処理水に含まれる有機物を揮発させる第二の工程と、を備え、
前記第二の工程で揮発した有機物を回収し、回収した有機物を、前記第二の工程で汚水又は処理水を加熱する燃料として用いることを特徴とする水処理プロセス。 - 前記凝集剤は、酸性基を有する高分子と三価の金属塩とを含むことを特徴とする請求項1に記載の水処理プロセス。
- 前記酸性基がカルボキシル基であることを特徴とする請求項2に記載の水処理プロセス。
- 前記第二の工程は、前記汚水または処理水の温度を40℃以上100℃以下とすることを特徴とする請求項1に記載の水処理プロセス。
- 前記第二の工程は、前記汚水または処理水の温度を60℃以上100℃以下とすることを特徴とする請求項1に記載の水処理プロセス。
- 前記第一の工程は、磁性粉を加える工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の水処理プロセス。
- 有機物を含む汚水から有機物を除去する浄化装置において、
前記汚水に凝集剤を添加して、前記汚水中の有機物を凝集物として除去する第一の機構と、
前記第一の機構の上流または下流側に設置され、前記汚水または前記第一の機構で凝集物が除去された処理水を加熱し、揮発した有機物を回収する第二の機構と、を備え、
回収した有機物を、前記汚水又は処理水を加熱する燃料として用いることを特徴とする浄水装置。 - 前記凝集剤は、酸性基を有する高分子と三価の金属塩とを含むことを特徴とする請求項7に記載の浄水装置。
- 磁性粉を加える機構を備えることを特徴とする請求項7に記載の浄水装置。
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