JP7292113B2

JP7292113B2 - 水処理装置及び方法

Info

Publication number: JP7292113B2
Application number: JP2019105282A
Authority: JP
Inventors: 亮張; 吉包高橋
Original assignee: Maezawa Industries Inc
Current assignee: Maezawa Industries Inc
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: JP2020195976A

Description

本発明は、水処理装置及び方法に関し、詳しくは、オゾン酸化処理と膜処理とを組み合わせて効率よく高度浄水処理を行うことができる水処理装置及び方法に関する。

中国やアジア諸国といった急速な都市化が進む地域では、上水供給に問題が発生するケースが多く、水需要の増加問題に加えて水源汚染による品質問題も発生している。凝集沈殿と砂ろ過とを組み合わせた従来の浄水処理は、きれいな水源を前提にしているため、水源汚染によって溶解性有機物が大幅に増加すると、十分に処理しきれずに処理水に残ってしまうこともある。溶解性有機物が残留した処理水に塩素を添加して水道として給水すると、基準を超えるトリハロメタンを生成する危険性が高くなるので、高度浄水処理を付加して有機物を除去する必要がある。

高度浄水処理としては、オゾン酸化処理による有機物の酸化を採用するとともに、砂ろ過に代えて膜分離を採用するものがあり、特に、膜分離中の膜モジュールに向けてオゾンを散気することにより、膜表面に付着した様々な懸濁物質を酸化して膜モジュールから除去し、高度浄水処理を効率よく行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、固液分離、オゾン酸化処理、活性炭処理を終えた被処理水を膜分離槽に導入し、膜透過水を導出するとともに、濃縮水を原水側に給水することも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１５－６１７１６号公報特許第３３８４０２９号公報

しかし、都市の旧市街にある古い浄水場を更新する場合、浄水場の周囲が家屋やビルなどに囲まれていて高度浄水処理設備を増設するための敷地を確保することができないことが多い。このため、敷地を増加させずに高度浄水処理を可能とする各種方式が検討されており、その多くは膜ろ過を組み合わせた浄水処理方式となっている。

そこで本発明は、溶解性有機物や溶解性金属成分を多く含む原水であっても、狭い敷地内で効率よく高度浄水処理を行うことができる水処理装置及び方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の水処理装置は、原水を浄化処理して上水を得る水処理装置において、原水に凝集剤を添加混合する凝集槽と、該凝集槽で凝縮した凝集物を分離する固液分離槽と、該固液分離槽で分離した分離水中の懸濁成分を分離濃縮する膜モジュール及び該膜モジュールに向けてオゾンを散気するオゾン散気手段を有する膜分離槽と、膜分離槽で前記膜モジュールを透過した透過水を活性炭で処理する活性炭処理塔とを備えるとともに、前記膜分離槽内で前記懸濁成分が濃縮され、オゾン散気を受けた濃縮水を前記凝集槽に向けて返送して循環させる濃縮水返送経路を備えていることを特徴としている。さらに、前記濃縮水返送経路を用いた前記原水に対する前記濃縮水の循環率が５０％以上であることを特徴としている。

また、本発明の水処理方法は、原水を浄化処理して上水を得る水処理方法において、原水に凝集剤を添加して原水中の凝集成分を凝集させる凝集工程と、該凝集工程で凝集した凝集物を含む固形物を固液分離する固液分離工程と、該固液分離工程で分離した分離水中に含まれる懸濁成分を膜モジュールで分離濃縮する膜分離工程と、該膜分離工程で前記膜モジュールに向けてオゾンを散気するオゾン散気工程と、前記膜分離工程で膜を透過した透過水の活性炭処理を行う活性炭処理工程とを有するとともに、前記膜分離工程で膜モジュールを透過しなかった成分が濃縮され、オゾン散気を受けた濃縮水を前記凝集工程に返送して循環させる濃縮水返送工程を有していることを特徴としている。さらに、前記濃縮水返送工程における前記原水に対する前記濃縮水の循環率が５０％以上であることを特徴としている。

さらに、前記原水に含まれる除去対象成分の一つが溶解性マンガンであること、前記オゾン散気工程は、前記膜分離工程における分離水中の全有機炭素（ＴＯＣ）に対するオゾンの供給量が０．８以上に設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、原水中の有機物を効率よく除去できるとともに、溶解性金属成分、例えばマンガンも効果的に除去することができる。

本発明の水処理装置の一形態例を示す系統図である。全有機炭素（ＴＯＣ）に対するオゾンの割合とトリハロメタン生成能除去率との関係を示す図である。オゾン添加率とマンガン除去率との関係を示す図である。膜モジュール運転時間に対する膜差圧の上昇状態と、濃縮水循環率との関係を示す図である。

図１は、本発明の水処理装置の一形態例を示している。本形態例に示す水処理装置は、原水流入経路１１ａから流入する溜池水や河川水などの原水に、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）などの凝集剤及び水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）や硫酸などのｐＨ調整剤を添加経路１１ｂから必要に応じて添加して原水中の懸濁物質を凝集させる凝集工程を行う凝集槽１１と、該凝集槽１１で凝集した凝集フロックを沈殿させて分離する固液分離工程を行う沈殿槽１２と、該沈殿槽１２の上澄み水を被処理水として膜分離工程を行うための膜分離槽１３と、該膜分離槽の透過水に対して活性炭処理工程を行うための活性炭吸着ろ過塔１４と、膜分離槽１３内の濃縮水を前記凝集槽１１に返送して循環させるための濃縮水返送工程を行う濃縮水返送経路１５とを備えている。

本形態例に示す水処理装置は、基本的に、既存の浄水設備における砂濾過槽を膜分離槽１３に更新したものであって、敷地の拡大を伴う設備の増設は行わずに設置可能な構成を有している。

前記膜分離槽１３は、前記特許文献１に記載された処理槽と同様に、槽内に浸漬された状態で膜分離を行う膜モジュールと、膜分離を行っている処理中の膜モジュールに向けてオゾン（オゾン含有ガス）を散気してオゾン散気工程を行うオゾン散気手段（図示せず）とを有しており、処理中に膜モジュールに付着した懸濁成分を酸化するようにしている。これにより、被処理水の有機物や微生物の分解除去処理、滅菌処理、殺菌処理を行っている。また、膜モジュール洗浄用の空気散気手段を設けておくことにより、膜モジュールに付着している懸濁成分を逆洗時に物理的に剥離させることができる。

次に、本形態例装置と同様の構成の実験装置を使用して実験を行った結果を説明する。凝集槽１１は５０Ｌのポリエチレンタンクであり、必要に応じてポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、次亜塩素酸ナトリウム（次亜）、硫酸、苛性ソーダを添加できるようにしている。凝集槽１１に設置した攪拌機の回転数は３０８ｒｐｍとした。沈殿槽１２は２００Ｌのポリエチレンタンクであり、滞留時間６０分とした。膜分離槽１３は、φ３５０×Ｈ２０００（有効水深１０００～１３００）の塩ビ製カラムで、滞留時間は３０分とした。使用した膜は、ＰＴＦＥ製外圧式中空糸精密ろ過膜（ＭＦ膜）で、膜面積６ｍ２の実験用膜エレメント（膜モジュール）を使用した。処理量は３．３Ｌ／ｍｉｎであり、４．７５ｍ３／ｄａｙである。また、濃縮水返送経路１５を用いた循環率（循環流量／処理水量）は５０％と１００％とに設定した。

オゾンは、酸素濃縮装置で濃縮した酸素を原料にオゾン発生装置を用いてオゾンを発生させ、オゾン含有酸素の状態でセラミック製のディフューザを用いたオゾン散気手段から膜分離槽内の膜エレメント（膜モジュール）下部に注入した。また、溶解効率を把握するため、膜分離槽１３の排オゾン濃度を測定した結果、オゾン溶解効率は９５％以上であることを確認した。オゾンは、膜モジュールの逆洗時を除いて連続供給した。さらに、処理水の水質は、運転開始後、２４時間経過して水質が安定した状態になってからサンプリングして測定した。

原水には溜池水を使用し、表１に示すＮｏ．１からＮｏ．５の各条件で処理を行った。Ｎｏ．１からＮｏ．３の処理フローは循環なし、Ｎｏ．４の処理フローは循環率５０％、Ｎｏ．５の処理フローは循環率１００％に設定した。原水の水質及びＮｏ．１からＮｏ．３の各条件で処理したときの除去率を表２に示す。表２から、濃縮水返送経路１５による返送、循環を行わないときには、オゾン散気の有無（Ｎｏ．１，２）において、オゾンを散気したときのＴＯＣ、ＤＯＣ、色度、ＵＶ２６０の除去率が大きく向上していることから、オゾンによる酸化の効果が確認できる。しかし、上水としての目標水質には不十分である。例えば、総トリハロメタン生成能を０．１ｍｇ／Ｌ以下にするためには、５０％以上の除去率が必要であるが、Ｎｏ．１からＮｏ．３では、これを満たすことができなかった。また、マンガンの除去率は、Ｎｏ．２では１７．５％で非常に低く、次亜注入によって前塩素処理を行ったＮｏ．３ではマンガンの除去率は満足できるものであったが、総トリハロメタン生成能が増加してしまうことになる。この結果から、対象としている原水にはオゾンを消費する物質が多く、目標水質を得るには多くのオゾン注入率が必要であることが想像できる。

通常、マンガンは前塩素処理によって除去されるが、Ｎｏ．３の実験では、マンガンの除去は前塩素の追加によって改善されていることがわかるが、塩素とオゾンとの組み合わせによって総トリハロメタン生成能が増加しているので、上水用としては採用できない。また、前処理としてマンガン除去設備を設置することも可能であるが、敷地面積の増大を必要とするため、これも採用できない。

図２は、Ｎｏ．２と略同じ条件で濃縮水返送経路１５による返送、循環（原水に対す循環率５０％）を行ったＮｏ．４のオゾン添加率と総トリハロメタン生成能の除去率との関係を示すもので、循環を行わないＮｏ．２における総トリハロメタン生成能の除去率を同時に示している。この結果から、濃縮水の返送を行うことにより、膜分離槽１３内の濃縮水の固形分濃度が低下し、オゾンを消費するスカベンジャ物質濃度が低下したことが寄与したと思われる。一方、オゾン／ＴＯＣ比が２を超えると循環率５０％と循環なしにおける総トリハロメタン生成能の除去率に差がなくなり、除去率の上限に差異がないことが分かった。特に、オゾン／ＴＯＣ比が０．８以上では、総トリハロメタン生成能の除去率に大きな差が出ている。

一方、マンガンの除去率について、循環率５０％の条件（Ｎｏ．４）での結果を図３に示す。オゾン添加率２０ｍｇ／Ｌまでは、マンガンの除去率が増加し、その後、除去率の低下が見られた。この現象は既に報告されているものであって、過剰なオゾンの注入によってマンガンが過マンガン酸に酸化され、マンガンの除去率が低下したためである。一方、オゾン添加率を過剰に（２３ｍｇ／Ｌ）添加した場合、循環率を高くすると、膜分離槽内で生成された過マンガン酸が返送、循環によって凝集槽に移送され、原水中のマンガンを酸化することができるため、マンガン除去率が向上することを確認した。

また、図４には、Ｎｏ．２（循環なし、直線で図示）と、Ｎｏ．４（循環率５０％、破線で図示）及びＮｏ．５（循環率１００％、一点鎖線で図示）の三つの条件における膜差圧の上昇のパターンを示す。膜差圧の上昇は、返送、循環を行ったほうが上昇を抑えることができる結果であった。循環率５０％と循環率１００％との間には有意義な差はないが、循環なしと比べると、明らかに膜圧損の増加率が低下している。

これらの実験結果から、オゾンの使用によって有機物の除去を促進できるが、マンガンのような金属イオンは効果的に除去されず、濃縮水返送経路１５を設けて膜分離槽１３内の濃縮水を返送、循環させることにより、有機物の除去とともに、マンガンの除去も促進できることがわかる。特に、オゾン／ＴＯＣを０．８以上に設定することにより、有機物及びマンガンの除去を確実に行うことが可能である。

１１…凝集槽、１１ａ…原水流入経路、１１ｂ…添加経路、１２…沈殿槽、１３…膜分離槽、１４…活性炭吸着ろ過塔、１５…濃縮水返送経路

Claims

原水を浄化処理して上水を得る水処理装置において、原水に凝集剤を添加混合する凝集槽と、該凝集槽で凝縮した凝集物を分離する固液分離槽と、該固液分離槽で分離した分離水中の懸濁成分を分離濃縮する膜モジュール及び該膜モジュールに向けてオゾンを散気するオゾン散気手段を有する膜分離槽と、膜分離槽で前記膜モジュールを透過した透過水を活性炭で処理する活性炭処理塔とを備えるとともに、前記膜分離槽内で前記懸濁成分が濃縮され、オゾン散気を受けた濃縮水を前記凝集槽に向けて返送して循環させる濃縮水返送経路を備えていることを特徴とする水処理装置。
前記濃縮水返送経路を用いた前記原水に対する前記濃縮水の循環率が５０％以上であることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
原水を浄化処理して上水を得る水処理方法において、原水に凝集剤を添加して原水中の凝集成分を凝集させる凝集工程と、該凝集工程で凝集した凝集物を含む固形物を固液分離する固液分離工程と、該固液分離工程で分離した分離水中に含まれる懸濁成分を膜モジュールで分離濃縮する膜分離工程と、該膜分離工程で前記膜モジュールに向けてオゾンを散気するオゾン散気工程と、前記膜分離工程で膜を透過した透過水の活性炭処理を行う活性炭処理工程とを有するとともに、前記膜分離工程で膜モジュールを透過しなかった成分が濃縮され、オゾン散気を受けた濃縮水を前記凝集工程に返送して循環させる濃縮水返送工程を有していることを特徴とする水処理方法。
前記濃縮水返送工程における前記原水に対する前記濃縮水の循環率が５０％以上であることを特徴とする請求項３記載の水処理方法。
前記原水に含まれる除去対象成分の一つが溶解性マンガンであることを特徴とする請求項３又は４記載の水処理方法。
前記オゾン散気工程は、前記膜分離工程における分離水中の全有機炭素に対するオゾンの供給量が０．８以上に設定されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項記載の水処理方法。