JP6301668B2 - マンガン含有水の処理装置および処理方法 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
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Description
本発明は、浄水処理場等で用いられる、鉄／マンガン含有水の処理装置および処理方法に関する。
上水源となる河川水や地下水等には溶解性鉄や溶解性マンガンが含まれている場合がある。このような鉄およびマンガンのうち少なくとも１つを含む鉄／マンガン含有水中の溶解性鉄や溶解性マンガンを除去する方法としては、接触マンガン砂ろ過法が知られている。接触マンガン砂ろ過法は、原水をマンガン砂の酸化処理槽中を下向流で通過させる間に、溶解性マンガンを酸化析出させ、マンガン砂に捕捉させる方法である。
また、鉄／マンガン含有水の高速処理を行う方法として、鉄／マンガン含有水に塩素等の酸化剤を添加しながら、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽に例えば１，０００ｍ／日以上の高線速の上向流として通水して、原水中の鉄およびマンガンを酸化析出させ、この酸化処理槽の通過水をセラミック製ＭＦ膜（孔径０．１μｍ）により膜ろ過することにより、酸化析出物を除去する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この方法は、従来型の接触マンガン砂ろ過法と比べて、高線速で酸化処理槽に原水を通水できるため、設備を小型化することができるうえ、原水中の濁質による閉塞が少ないため、酸化処理槽の洗浄頻度も少なくできるという利点を持つ。
しかし、特許文献１のように、酸化処理槽の通過水をセラミック製ＭＦ膜によりろ過する方法では、処理水のマンガン含有濃度を水道事業体が目標処理水質に設定していることの多い０．００５ｍｇ／Ｌ未満の値にしようとした場合、酸化処理槽の通水ＳＶを１００（１／ｈ）程度としなければならず、触媒使用量が増えてしまうという課題があった。また、触媒使用量の増加に伴い、酸化処理槽の装置高さも高くなってしまうという課題もあった。
本発明の目的は、従来装置と比べ、酸化触媒の使用量を大幅に削減することができ、酸化処理槽の装置高さも抑制可能な鉄／マンガン含有水の処理装置および処理方法を提供することにある。
本発明は、溶解性マンガンの含有量が０．５〜５ｍｇ／Ｌの範囲であるマンガン含有水に酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、前記酸化剤が添加された酸化剤添加水を酸化処理する、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽と、前記酸化処理された酸化処理水を膜ろ過する膜ろ過手段と、を備え、前記酸化処理槽の通水ＳＶが、１００〜３００（１／ｈ）の範囲であり、かつ、処理目標水質に応じて次式（１）により求められるＳＶ以下であり、
通水ＳＶ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
前記膜ろ過に使用する膜が、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であり、前記膜ろ過手段により得られた処理水のマンガン含有濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ未満である、マンガン含有水の処理装置である。
通水ＳＶ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
前記膜ろ過に使用する膜が、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であり、前記膜ろ過手段により得られた処理水のマンガン含有濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ未満である、マンガン含有水の処理装置である。
また、本発明は、溶解性マンガンの含有量が０．５〜５ｍｇ／Ｌの範囲であるマンガン含有水に酸化剤を添加する酸化剤添加工程と、前記酸化剤が添加された酸化剤添加水を、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽に通水して酸化処理する酸化処理工程と、前記酸化処理された酸化処理水を膜ろ過する膜ろ過工程と、を含み、前記酸化処理槽の通水ＳＶが、１００〜３００（１／ｈ）の範囲であり、かつ、処理目標水質に応じて次式（１）により求められるＳＶ以下であり、
通水ＳＶ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
前記膜ろ過に使用する膜が、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であり、前記膜ろ過工程により得られた処理水のマンガン含有濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ未満である、マンガン含有水の処理方法である。
通水ＳＶ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
前記膜ろ過に使用する膜が、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であり、前記膜ろ過工程により得られた処理水のマンガン含有濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ未満である、マンガン含有水の処理方法である。
本発明では、鉄／マンガン含有水の処理において、酸化処理槽の通水ＳＶを１００〜３００（１／ｈ）の範囲とし、膜ろ過に使用する膜を孔径０．０３μｍ以下の膜とすることにより、従来装置と比べ、酸化触媒の使用量を大幅に削減することができ、酸化処理槽の装置高さも抑制することが可能となる。
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
本発明の実施形態に係る鉄／マンガン含有水の処理装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。鉄／マンガン含有水処理装置１は、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽１２と、膜ろ過手段としての膜ろ過装置１４とを備える。鉄／マンガン含有水処理装置１は、原水槽１０と、処理水槽１６とを備えてもよい。
鉄／マンガン含有水処理装置１において、原水槽１０の入口には、原水配管２６が接続され、原水槽１の出口と酸化処理槽１２の下部入口とは、ポンプ２０を介して、原水供給配管２８により接続され、酸化処理槽１２の上部出口と膜ろ過装置１４の入口とは、酸化処理水配管３０により接続され、膜ろ過装置１４の出口と処理水槽１６の入口とは、処理水配管３２により接続され、処理水槽１６の出口には処理水排出配管３４が接続されている。処理水槽１６の下部は、ポンプ２２を介して逆洗配管３６により、処理水配管３２の途中に接続されている。原水供給配管２８の途中には、酸化剤添加手段としての酸化剤槽１８の出口がポンプ２４を介して酸化剤供給配管３８により接続されている。
本実施形態に係る鉄／マンガン含有水の処理方法および鉄／マンガン含有水処理装置１の動作について説明する。
原水である、鉄およびマンガンのうち少なくとも１つを含む鉄／マンガン含有水は、必要に応じて原水配管２６を通して原水槽１０に貯留された後、ポンプ２０により原水供給配管２８を通して酸化処理槽１２へ送液される。この際、原水には原水供給配管２８の途中で、酸化剤槽１８から酸化剤がポンプ２４により酸化剤供給配管３８を通して添加され（酸化剤添加工程）、酸化剤添加水として酸化処理槽１２に送液される。本実施形態では、酸化剤槽１８、ポンプ２４および酸化剤供給配管３８が酸化剤添加手段として機能する。なお、原水への酸化剤の添加は、原水槽１０において行われてもよいし、原水槽１０と酸化処理槽１２との間に別途、酸化剤混合槽を設けて、酸化剤混合槽において行われてもよい。
酸化処理槽１２において、二酸化マンガンを含む酸化触媒により触媒層が形成され、酸化剤添加水は上向流により触媒層に通水され、二酸化マンガンを含む酸化触媒により酸化処理される（酸化処理工程）。鉄／マンガン含有水に酸化剤が添加されながら、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽１２に通水されることにより、溶存鉄および溶存マンガンが酸化析出される。
酸化処理された酸化処理水は、酸化処理水配管３０を通して膜ろ過装置１４へ送液され、膜ろ過装置１４において酸化析出された鉄およびマンガン等の析出物がろ過され、除去される（膜ろ過工程）。
膜ろ過された処理水は、処理水配管３２を通して処理水槽１６へ送液され、貯留される。処理水槽１６の処理水の少なくとも一部は、処理水排出配管３４を通して系外へ排出され、膜ろ過装置１４の膜の洗浄が必要となった場合、処理水の少なくとも一部は、ポンプ２２により逆洗配管３６を通して膜ろ過装置１４へ出口側から送液されて、膜ろ過装置１４の逆洗に用いられてもよい（逆洗工程）。逆洗排水は、逆洗排水出口より逆洗排水配管４０を通して排出される。
本実施形態では、鉄／マンガン含有水に酸化剤を添加しながら、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽１２に通水することにより、溶存鉄および溶存マンガンを酸化析出させ、その酸化処理水を膜ろ過する鉄／マンガン含有水の処理において、酸化処理槽１２の通水ＳＶを１００〜３００（１／ｈ）の範囲とし、膜ろ過には孔径０．０３μｍ以下の膜、好ましくは孔径０．０１μｍのＵＦ膜を使用する。
酸化処理槽１２の後段の膜ろ過装置１４として孔径０．０３μｍ以下の膜、好ましくは孔径０．０１μｍのＵＦ膜を使用することにより、ＭＦ膜（孔径０．１μｍ）では除去することが困難であった微細なマンガン粒子も除去することができるため、より良好な処理水質を得ることができる。酸化処理水中のマンガン粒子径は酸化処理槽１２の通水ＳＶが大きくなるほど、小さくなる傾向にあるため、例えば特許文献１に記載の運転方法で、酸化処理槽の通水ＳＶを１００とした場合は、処理水質０．００５ｍｇ／Ｌ未満を達成できても、ＳＶ２００とした場合には、処理水質が０．００５ｍｇ／Ｌ以上となってしまう。一方、酸化処理槽１２の後段の膜ろ過装置１４で孔径０．０３μｍ以下の膜、好ましくは孔径０．０１μｍのＵＦ膜を用いた場合は、酸化処理槽１２の通水ＳＶを２００とした場合でも、酸化処理水中のマンガン粒子径は０．０１μｍ以上となり、処理水質０．００５ｍｇ／Ｌ未満を十分に達成することができる。
酸化処理槽１２の通水ＳＶは、１００〜３００（１／ｈ）の範囲である。酸化処理槽１２の通水ＳＶが１００（１／ｈ）未満であると、触媒使用量が増加して装置高さが高くなり、３００（１／ｈ）を超えると、処理水質が０．００５ｍｇ／Ｌを上回ってしまう場合がある。
また目標処理水質がそこまで厳しくない場合は、その水質に応じて通水ＳＶを変化させることが可能となり、より触媒使用量の削減、酸化処理槽１２の装置高さの低下が可能となる。通水ＳＶは以下の式（１）から決定でき、目標処理水質との関係は表１のようになる。
通水ＳＶ ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
通水ＳＶ ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
酸化剤としては、次亜塩素酸ナトリウム、さらし粉、過マンガン酸カリウム、二酸化塩素等が挙げられ、ランニングコスト、汎用性等の点から、次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。
酸化剤の添加量は、例えば、鉄／マンガン含有水中の溶解性鉄に対しては、鉄の含有量１モルに対して０．５モル以上２モル以下の範囲、溶解性マンガンに対しては、マンガン含有量１モルに対して１モル以上４モル以下の範囲である。酸化剤の添加量が上記の値未満であると、反応が不十分となる場合があり、過剰に入れすぎると、コスト面で不利となる上に、トリハロメタン生成量が増大する場合がある。
酸化処理槽１２で用いられる二酸化マンガンを含む酸化触媒としては、例えば、二酸化マンガンが粒状、固形状となった酸化触媒や、マンガン砂等が挙げられる。また、二酸化マンガンとしては、特に制限はなく、α型、β型、ε型、γ型、λ型、δ型およびＲ型の結晶構造を有する二酸化マンガンが挙げられ、これらのうち、反応性等の点から、β型の結晶構造を有する二酸化マンガンが好ましい。
酸化処理槽１２では、二酸化マンガンを含む酸化触媒は上向流で原水が触媒層に通水されることにより、流動状態となり膨張床が形成される。
二酸化マンガンを含む酸化触媒の密度は、２．８ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。二酸化マンガンを含む酸化触媒の密度が２．８ｇ／ｃｍ３未満であると、高速で通水した場合に触媒が展開し、酸化処理槽１２の槽高が高くなる場合がある。
二酸化マンガンを含む酸化触媒の粒径は、０．４ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲であることが好ましい。二酸化マンガンを含む酸化触媒の粒径が０．４ｍｍ未満であると、触媒の展開率が上がり、粒径の小さいものが流出する場合があり、２．０ｍｍを超えると、触媒表面積が減り、反応効率が低下する場合がある。
酸化処理槽１２における反応温度は、例えば、１℃〜５０℃の範囲である。
膜ろ過装置１４で用いられるろ過膜は、孔径０．０３μｍ以下の膜であり、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であることが好ましい。
処理対象となる鉄／マンガン含有水は、鉄およびマンガンのうち少なくとも１つを含み、少なくともマンガンを含むことが好ましく、通常は鉄およびマンガンの両方を含む。鉄／マンガン含有水中の溶解性鉄の含有量は、例えば０．１〜１０ｍｇ／Ｌの範囲であり、溶解性マンガンの含有量は、例えば０．０１〜５ｍｇ／Ｌの範囲である。
処理対象となる鉄／マンガン含有水としては、例えば、河川水、地下水、湖沼水等が挙げられる。
本実施形態に係る鉄／マンガン含有水の処理装置および処理方法は、例えば、浄水処理場、地下水の用水処理等において好適に適用可能である。
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
酸化処理槽内の二酸化マンガンを含む酸化触媒の充填量を変えて、通水ＳＶと酸化処理水のマンガン粒子径との関係を確認した。二酸化マンガンを含む酸化触媒として、粒径（有効径）０．５ｍｍ、密度４．０ｇ／ｃｍ３のβ型の結晶構造を有する酸化マンガン粒子を用い、カラム（φ２６ｍｍ×２０００ｍｍ）にその酸化マンガン粒子を充填して触媒層を形成し、流速１，２００ｍ／日で、上向流で通水を行った。原水マンガン濃度は０．５ｍｇ／Ｌ、酸化剤として次亜塩素酸ナトリウムを注入し、残留塩素濃度が０．４ｍｇ／Ｌとなるようにした。酸化処理水を、孔径がそれぞれ１．０、０．２０、０．１０、０．０１μｍのフィルタでろ過し、処理水のマンガン濃度を測定した。結果を図１、表２に示す。
酸化処理槽の通水ＳＶを高くするほど、処理水中に粒子径の小さいマンガン粒子が増えることがわかった。目標処理水マンガン濃度を０．００１ｍｇ／Ｌ未満とした場合、ＭＦ膜ろ過相当の０．１μｍフィルタを用いた場合は、ＳＶ１００を超えると目標を達成できないという結果であったが、ＵＦ膜ろ過相当の０．０１μｍフィルタを用いた場合は、ＳＶ２００でも目標達成可能という結果となった。
すなわち本装置を用いることにより、従来装置と比べ、酸化触媒の使用量を大幅に削減でき、装置高さも抑制可能な鉄／マンガン含有水の処理装置および処理方法が実現可能となることが確認できた。
また、表２のφ＜０．０１μｍのマンガン濃度と通水ＳＶの値から、ＵＦ膜を使用した場合の処理目標水質と通水ＳＶとの関係について近似直線を求め、上記式（１）で計算されるＳＶ以下で通水すれば処理目標水質を達成できることがわかった。処理目標水質がそこまで厳しくない場合は、さらに酸化触媒の使用量を削減できることがわかった。
１ 鉄／マンガン含有水処理装置、１０ 原水槽、１２ 酸化処理槽、１４ 膜ろ過装置、１６ 処理水槽、１８ 酸化剤槽、２０，２２，２４ ポンプ、２６ 原水配管、２８ 原水供給配管、３０ 酸化処理水配管、３２ 処理水配管、３４ 処理水排出配管、３６ 逆洗配管、３８ 酸化剤供給配管、４０ 逆洗排水配管。
Claims (2)
- 溶解性マンガンの含有量が０．５〜５ｍｇ／Ｌの範囲であるマンガン含有水に酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、
前記酸化剤が添加された酸化剤添加水を酸化処理する、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽と、
前記酸化処理された酸化処理水を膜ろ過する膜ろ過手段と、
を備え、
前記酸化処理槽の通水ＳＶが、１００〜３００（１／ｈ）の範囲であり、かつ、処理目標水質に応じて次式（１）により求められるＳＶ以下であり、
通水ＳＶ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
前記膜ろ過に使用する膜が、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であり、前記膜ろ過手段により得られた処理水のマンガン含有濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ未満であることを特徴とする、マンガン含有水の処理装置。 - 溶解性マンガンの含有量が０．５〜５ｍｇ／Ｌの範囲であるマンガン含有水に酸化剤を添加する酸化剤添加工程と、
前記酸化剤が添加された酸化剤添加水を、二酸化マンガンを含む酸化触媒が充填された酸化処理槽に通水して酸化処理する酸化処理工程と、
前記酸化処理された酸化処理水を膜ろ過する膜ろ過工程と、
を含み、
前記酸化処理槽の通水ＳＶが、１００〜３００（１／ｈ）の範囲であり、かつ、処理目標水質に応じて次式（１）により求められるＳＶ以下であり、
通水ＳＶ＝（処理目標水質＋０．０１）÷０．００００５ 式（１）
前記膜ろ過に使用する膜が、孔径０．０１μｍ以下のＵＦ膜であり、前記膜ろ過工程により得られた処理水のマンガン含有濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ未満であることを特徴とする、マンガン含有水の処理方法。
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