WO2022168948A1 - 水処理装置及び方法 - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
- C02F1/78—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with ozone
Definitions
- the present invention relates to a water treatment apparatus and method for treating raw water containing iron and manganese.
- the raw water contains TOC components, there is a risk of reacting with chlorine and generating trihalomethanes.
- An object of the present invention is to provide a water treatment apparatus and method that can oxidize and remove Fe ions and Mn ions without being affected by the ammonia concentration in raw water.
- the water treatment apparatus of the present invention has means for supplying ozone to raw water containing iron and manganese for oxidation treatment, and a filter for filtering the oxidation-treated water.
- the water treatment method of the present invention includes a step of supplying ozone to raw water containing iron and manganese to oxidize it, and a filtering step of filtering the oxidized water.
- the raw water further contains ammonia nitrogen.
- Fe ions and Mn ions were oxidized with sodium hypochlorite, but in the present invention, instead of sodium hypochlorite, ozone is supplied to raw water to oxidize Fe ions and Mn ions, Remove by filtration. Since ozone does not react with ammonia in raw water, according to the present invention, Fe ions and Mn ions can be oxidized and removed without being affected by the concentration of ammonia in raw water. In addition, since sodium hypochlorite is not added to the raw water, the risk of trihalomethane formation can be reduced.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a water treatment device according to an embodiment
- FIG. 1 is a configuration diagram of a pure water production device
- FIG. 1 is a configuration diagram of a pure water production device
- FIG. 1 shows a water treatment apparatus according to an embodiment, raw water is introduced into an ozone reaction tank 1, and ozone gas is supplied from an ozone generator (not shown). If the raw water contains SS (suspended solids) or TOC, a coagulating sedimentation device, a pressurized flotation device, or the like may be provided upstream of the ozone reaction tank 1 .
- SS suspended solids
- TOC a coagulating sedimentation device
- a pressurized flotation device or the like
- a tank in which ozone gas is drawn into the raw water by an ejector, or a tank having a configuration in which an ozone gas blow-out nozzle is installed at the bottom of the tank can be used, but is not limited to this.
- the divalent Fe ions and Mn ions in the raw water are oxidized by the ozone gas blown into the raw water to become trivalent ions.
- the unreacted ozone gas is extracted from the upper portion of the ozone reaction tank 1 and sent to an ozone gas treatment apparatus such as an ozone gas treatment tower (activated carbon tower, etc.).
- the amount of ozone to be supplied is preferably 0.8 to 10 times, particularly about 1 to 3 times the total equivalent for oxidizing divalent Fe ions and Mn ions in raw water to trivalent.
- the water containing trivalent Fe ions and Mn ions is sent from the ozone reaction tank 1 to the filter 2 and filtered to become treated water.
- the filter 2 is filled with a filter medium such as sand or anthracite.
- the filter medium may be sand having a particle size of about 0.1 to 1 mm, particularly about 0.1 to 0.5 mm, serving as a filter medium and carrier, and carrying the main body of the catalyst on its surface.
- This catalyst body is prepared by immersing the sand in an aqueous solution of manganese chloride or manganese sulfate, drying it, then immersing it in an aqueous solution of a permanganate such as potassium permanganate, drying it, and applying it to the surface of the sand.
- Manganese oxide hydrate such as MnO 2 .H 2 O is the main component.
- a coagulant may be added on the inlet side of the filter 2 to coagulate and filter precipitated oxides of Fe and Mn.
- a slime inhibitor may be added on the inlet side of the ozone reaction tank 1 or the inlet side of the filter 2 to prevent slime from being generated inside the filter 2 .
- a pH adjusting tank, a relay tank, or the like may be installed at an arbitrary location.
- An activated carbon tower for excess ozone removal may be installed at an arbitrary location after the ozone reaction tank.
- Fe 2+ and Mn 2+ are preferentially oxidized even if NH 4 —N coexists, so extra injection of ozone is unnecessary. Ammonia remaining in the effluent from the filter can be removed in the pure water production process installed on the downstream side.
- the amount of chemicals to be injected is greatly reduced, and it is possible to reduce chemical costs and labor for chemical management. This effect is particularly remarkable when the concentration of ammonia in the raw water is high.
- a water treatment method that does not use an ORP meter is exemplified by injecting ozone in a slightly excessive amount to Fe 2+ and Mn 2+ and removing excess ozone by installing an activated carbon tower in the latter stage. Moreover, according to this embodiment, since sodium hypochlorite is not added to the raw water, the risk of generating trihalomethanes can be reduced.
- FIG. 2 shows an example of the configuration of a pure water production system, in which the water treatment apparatus shown in FIG. 1 is installed as a pretreatment process 3.
- FIG. 2 shows an example of the configuration of a pure water production system, in which the water treatment apparatus shown in FIG. 1 is installed as a pretreatment process 3.
- the treated water from the pretreatment process 3 (treated water from the filter 2) is sent to the pure water production process 4.
- Examples of the pure water production process 4 include, but are not limited to, those equipped with one or more of an ion exchange device, a reverse osmosis (RO) device, an electrodeionization device, and the like.
- Example 1 2 mg/L of ozone was injected into well water containing 3 mg/L of Fe 2+ , 0.5 mg/L of Mn 2+ , 3 mg/L of NH 4 -N, and 1 mg/L of TOC. In addition, ozone was injected into the well water in the form of ozone gas.
- each well water was filtered through a membrane filter with a pore size of 1 ⁇ m, the concentrations of Fe, Mn, NH 4 —N and TOC in the filtered water were measured, and the respective removal rates were calculated. Table 1 shows the results.
- the methods for measuring the concentrations of Fe, Mn, and NH 4 —N are the methods specified in JIS K0101 (industrial water test method). TOC was measured with a TOC meter.
- Example 2 The test was conducted under the same conditions as in Example 1, except that the amount of ozone added was 5 mg/L (Example 2) or 10 mg/L (Example 3). Table 1 shows the results.
- the Fe and Mn concentrations in the treated water decreased as the amount of ozone injected increased. Also, the removal rates of ammonia and TOC are low, and it can be seen that ozone is hardly consumed for the oxidation of ammonia and TOC.
Abstract
原水中のアンモニア濃度に影響を受けずにＦｅ、Ｍｎを酸化して除去することができる水処理装置及び方法が提供される。鉄及びマンガンを含有する原水に対しオゾンを供給して酸化処理するオゾン反応槽１と、酸化処理水を濾過する濾過器２とを有する水処理装置。この水処理装置を用いた、鉄及びマンガン含有水の処理方法。原水がさらにアンモニア性窒素を含有する場合に好適である。
Description
本発明は、鉄及びマンガンを含む原水を処理する水処理装置及び方法に関する。
井水など、ＦｅやＭｎを含む水から純水を製造する場合、地中から汲上げた地下水は、通常、無酸素状態の還元性雰囲気にあることから、それに含まれる鉄およびマンガンは、いずれも２価のイオン（Ｆｅ２＋およびＭｎ２＋）の状態で溶解している。特許文献１，２には、地中から汲上げた地下水に対して次亜塩素酸ナトリウム水溶液を注入することで次亜塩素酸ナトリウムを添加して２価イオンを３価に酸化し、水酸化物とした後、除鉄・除マンガン装置で濾過処理することが記載されている。
特許文献２に記載されているように、原水中にアンモニア性窒素が共存する場合、Ｆｅ２＋とＭｎ２＋の酸化反応よりも先にアンモニアの酸化反応に次亜塩素酸ナトリウムが消費されるため、次亜塩素酸ナトリウムを多量に注入する必要がある。
すなわち、原水にアンモニアとＦｅ２＋とＭｎ２＋とが共存する場合、有効塩素要求量は、ＮＨ４－Ｎ＝１ｍｇ／Ｌに対し約１０ｍｇ／Ｌ（理論要求量は約８ｍｇ／Ｌ）、Ｆｅ２＋＝１ｍｇ／Ｌに対し約０．６ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ２＋＝１ｍｇ／Ｌに対し約１．３ｍｇ／Ｌである。そのため、例えばＦｅ２＋＝３ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ２＋＝１ｍｇ／Ｌの水に対する有効塩素要求量は約４．１ｍｇ／Ｌ ａｓ Ｃｌ２であるのに対し、Ｆｅ２＋＝３ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ２＋＝１ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４－Ｎ＝３ｍｇ／Ｌの水に対する有効塩素要求量は約３４．１ｍｇ／Ｌ ａｓ Ｃｌ２と著しく多くなる。
このように、原水にアンモニアが微量含まれるだけで、次亜塩素酸ナトリウム注入量が非常に多くなるので、薬品費が増える、薬注設備が大きくなるなどの課題が生じる。
また、原水にＴＯＣ成分が含まれる場合、塩素と反応してトリハロメタンが発生するリスクがある。
また、原水中のアンモニア濃度などが変動する場合は、ＯＲＰ計を設置して不連続点管理を行い、十分な次亜塩素酸ナトリウム注入量となるように制御する必要がある。
本発明は、原水中のアンモニア濃度に影響を受けずにＦｅイオン、Ｍｎイオンを酸化して除去することができる水処理装置及び方法を提供することを課題とする。
本発明の水処理装置は、鉄及びマンガンを含有する原水に対しオゾンを供給して酸化処理する手段と、酸化処理水を濾過する濾過器とを有する。
本発明の水処理方法は、鉄及びマンガンを含有する原水に対しオゾンを供給して酸化処理する工程と、酸化処理水を濾過する濾過工程とを有する。
本発明の一態様では、原水がさらにアンモニア性窒素を含有する。
従来法では、次亜塩素酸ナトリウムによりＦｅイオンとＭｎイオンを酸化していたが、本発明においては次亜塩素酸ナトリウムの代わりにオゾンを原水に供給してＦｅイオンとＭｎイオンを酸化し、濾過により除去する。オゾンは原水中のアンモニアと反応しないので、本発明によると、原水中のアンモニア濃度に影響を受けずにＦｅイオン、Ｍｎイオンを酸化して除去することができる。また、原水に次亜塩素酸ナトリウムを添加しないので、トリハロメタンの生成リスクを低減できる。
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
図１は実施の形態に係る水処理装置を示すものであり、原水はオゾン反応槽１に導入され、オゾン発生機（図示略）からのオゾンガスが供給される。原水にＳＳ（懸濁物質）やＴＯＣが含まれる場合は、オゾン反応槽１の前段に凝集沈殿装置や加圧浮上装置などを設けてもよい。
オゾン反応槽１としては、エゼクタによりオゾンガスを原水に巻き込ませるものや槽内の下部にオゾンガス吹出ノズルを設置した構成を有したものなどを用いることができるが、これに限定されない。
オゾン反応槽１では、原水中に吹き込まれたオゾンガスにより原水中の２価のＦｅイオン及びＭｎイオンが酸化処理されて３価のイオンとなる。なお、未反応のオゾンガスは、オゾン反応槽１の上部から抜き出され、オゾンガス処理塔（活性炭塔など）等のオゾンガス処理装置に送られる。
オゾンの供給量は、原水中の２価のＦｅイオン及びＭｎイオンを３価に酸化するための合計当量の０．８～１０倍、特に１～３倍程度が好適である。
３価のＦｅイオン及びＭｎイオンを含む水は、オゾン反応槽１から濾過器２に送水され、濾過処理されて処理水となる。この濾過器２内には、砂やアンスラサイトなどの濾材が充填されている。
濾材は、粒径０．１～１ｍｍ特に０．１～０．５ｍｍ程度の砂を濾材兼担体とし、その表面に触媒本体を担持したものであってもよい。この触媒本体は、上記砂を塩化マンガンや硫酸マンガンの水溶液に浸漬し、乾燥したのち、さらにこれを過マンガン酸カリウムなどの過マンガン酸塩の水溶液に浸漬し、乾燥して、砂の表面に形成したもので、ＭｎＯ２・Ｈ２Ｏなどの酸化マンガン水和物を主体とするものである。この濾過砂の表面で、原水中に含まれるＦｅイオン，Ｍｎイオンは酸化物の固体の微小粒子となり、この微小粒子は濾過砂の層によって濾別され、この層に捕獲される。これにより、濾過器２から、ＦｅイオンおよびＭｎイオンが除去された処理水が得られる。
なお、濾過器２の入口側で凝集剤を添加し、析出するＦｅやＭｎの酸化物を凝集濾過するようにしてもよい。
また、オゾン反応槽１の入口側、または濾過器２の入口側でスライム抑制剤を添加し、濾過器２内でのスライム発生を防止するようにしてもよい。ｐＨ調整槽や中継槽などを任意の箇所に設置してもよい。余剰オゾン除去用の活性炭塔をオゾン反応槽以降の任意の箇所に設置してもよい。
本実施形態のオゾンによる酸化では、ＮＨ４－Ｎが共存してもＦｅ２＋とＭｎ２＋が優先的に酸化されるため、余分なオゾン注入が不要である。濾過器流出水中に残存したアンモニアは後段側に設置される純水製造プロセスにて除去可能である。
従って、次亜塩素酸ナトリウムを添加する場合に比べて薬注量が大幅に低減され、薬品費の削減、薬品管理の手間の削減が可能である。この効果は、特に原水中のアンモニア濃度が高い場合に顕著である。
本実施形態にあっては、ＯＲＰ計による管理が不要である。ＯＲＰ計を用いない水処理方法としては、Ｆｅ２＋とＭｎ２＋に対してやや過剰にオゾンを注入し、余剰オゾンは後段に活性炭塔を設けて除去するなどの方法が例示される。また、この実施形態によると、原水に次亜塩素酸ナトリウムを添加しないので、トリハロメタンの生成リスクが低減できる。
本発明の水処理装置及び方法は、純水製造システムの前処理プロセス等に好適に適用できる。図２は純水製造システムの構成の一例を示すものであり、前処理プロセス３として図１に示す水処理装置が設置されている。
前処理プロセス３の処理水（濾過器２からの処理水）は、純水製造プロセス４に送水される。純水製造プロセス４としては、イオン交換装置、逆浸透（ＲＯ）装置、電気脱イオン装置などの１又は２以上を備えたものが例示されるが、これに限定されない。
［実施例１］
Ｆｅ２＋３ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ２＋０．５ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４－Ｎ３ｍｇ／Ｌ、ＴＯＣ １ｍｇ／Ｌを含有する井水に対し、オゾンを２ｍｇ／Ｌ注入した。なお、オゾンをオゾンガスの形態で井水に注入した。
Ｆｅ２＋３ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ２＋０．５ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４－Ｎ３ｍｇ／Ｌ、ＴＯＣ １ｍｇ／Ｌを含有する井水に対し、オゾンを２ｍｇ／Ｌ注入した。なお、オゾンをオゾンガスの形態で井水に注入した。
１分経過後、各井水を孔径１μｍのメンブレンフィルタで濾過し、濾過水のＦｅ、Ｍｎ、ＮＨ４－Ｎ及びＴＯＣ濃度を測定し、各々の除去率を算出した。結果を表１に示す。
なお、Ｆｅ、Ｍｎ、ＮＨ４－Ｎの濃度測定方法はそれぞれＪＩＳ Ｋ０１０１（工業用水試験方法）に規定された方法である。ＴＯＣはＴＯＣ計により測定した。
［実施例２，３］
オゾン添加量を５ｍｇ／Ｌ（実施例２）又は１０ｍｇ／Ｌ（実施例３）としたこと以外は実施例１と同一条件で試験を行った。結果を表１に示す。
オゾン添加量を５ｍｇ／Ｌ（実施例２）又は１０ｍｇ／Ｌ（実施例３）としたこと以外は実施例１と同一条件で試験を行った。結果を表１に示す。
表１の通り、処理水のＦｅ、Ｍｎ濃度はオゾン注入量が増加するにつれて低下した。また、アンモニアとＴＯＣの除去率は低く、オゾンはアンモニアやＴＯＣの酸化にはほとんど消費されないことがわかる。
なお、上記の井水に次亜塩素酸ナトリウムを添加して２価のＦｅイオン及びＭｎイオンを３価に酸化するために必要な有効塩素量とＮＨ４－Ｎを酸化するのに必要な有効塩素量をそれぞれ計算した。
前述の通り、ＮＨ４－ＮをＮ２に酸化し、２価Ｆｅイオン及びＭｎイオン各１ｍｇを３価イオンに酸化するのに必要な有効塩素量は、ＮＨ４－Ｎ＝１ｍｇ／Ｌに対し約８ｍｇ／Ｌ、Ｆｅ＝１ｍｇ／Ｌに対し約０．６ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ＝１ｍｇ／Ｌに対し約１．３ｍｇ／Ｌである。そのため、上記原水（ＮＨ４－Ｎ３ｍｇ／Ｌ、Ｆｅ２＋３ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ２＋０．５ｍｇ／Ｌ）中のＮＨ４－Ｎ、Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋を酸化するために必要な有効塩素要求量の合計は８×３＋０．６×３＋１．３×０．５＝約２６．５ｍｇ／Ｌである。ＮＨ４－Ｎが含まれない場合（Ｆｅ＝３ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ＝０．５ｍｇ／Ｌのみの原水の場合）の有効塩素要求量は３×０，６＋１．３×０．５＝約２．５ｍｇ／Ｌであるので、原水がＮＨ４－Ｎを含むことにより、ＮＨ４－Ｎを含まない場合に比べて約１０．８倍の次亜塩素酸ナトリウムを注入する必要があることが分かる。
本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
本出願は、２０２１年２月８日付で出願された日本特許出願２０２１－１８２７８に基づいており、その全体が引用により援用される。
本出願は、２０２１年２月８日付で出願された日本特許出願２０２１－１８２７８に基づいており、その全体が引用により援用される。
１ オゾン反応槽
２ 濾過器
３ 前処理プロセス
４ 純水製造プロセス
２ 濾過器
３ 前処理プロセス
４ 純水製造プロセス
Claims (4)
- 鉄及びマンガンを含有する原水に対しオゾンを供給して酸化処理する手段と、
酸化処理水を濾過する濾過器と
を有する水処理装置。 - 原水がさらにアンモニア性窒素を含有する請求項１の水処理装置。
- 鉄及びマンガンを含有する原水に対しオゾンを供給して酸化処理する工程と、
酸化処理水を濾過する濾過工程と
を有する水処理方法。 - 原水がさらにアンモニア性窒素を含有する請求項３の水処理方法。
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