(57)【要約】【課題】  炭酸ガスの溶解効率が高く、コンパクトな反応槽によるアルカリ排水中和システムを提供する。また、処理コスト面においても従来の中和システムより優れたアルカリ排水中和システムを提供する。【解決手段】  アルカリ排水を中和処理するシステムであって、微細気泡発生装置を設けた反応槽よりなり、該微細気泡発生装置にアルカリ排水と炭酸ガスを導入し、炭酸ガスの微細気泡を分散したアルカリ排水を該微細気泡発生装置により反応槽中に導入するアルカリ排水中和システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ排水を中和処理するシステムであって、微細気泡発生装置を設けた反応槽よりなり、該微細気泡発生装置にアルカリ排水と炭酸ガスを導入し、炭酸ガスの微細気泡を分散したアルカリ排水を該微細気泡発生装置により反応槽中に導入することを特徴とするアルカリ排水中和システム。
【請求項２】
さらに発電機を備え、前記炭酸ガスが該発電機から排出された排気ガスをガス分離膜により該排気ガスより二酸化炭素濃度を高濃度としたものであることを特徴とする請求項１記載のアルカリ排水中和システム。
【請求項３】
前記微細気泡発生装置がベンチュリ型微細気泡発生装置であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ排水中和システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ排水中和システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種工場から排出される多量のアルカリ性の排水は、一般に排水の水質規制に応じて硫酸を注入して中和処理がなされている。しかし、硫酸を使用した中和では、処理排水中に残留した硫酸イオンが、生態系に悪影響を及ぼす危険性があり、また、下水道への悪臭、腐食が発生する恐れがあった。そこで、アルカリ排水中和剤としての硫酸の代替物質として、排ガスなどの炭酸ガスの利用が検討されている。例えば、特許文献１には、中和使用する槽を２槽以上とし、それぞれの槽の排水に燃焼排ガスを挿入し、１槽目でｐＨ９〜８まで中和し、２槽目以降においてｐＨ８以下まで中和する高アルカリ排水の中和方法が示されている。
【０００３】
しかし、反応（溶解）効率の悪さ、また、コストの面から、アルカリ排水中和システムにおいて、中和剤として炭酸ガスを導入することには問題点が残されていた。
【特許文献１】特開２００３−１２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、炭酸ガスの溶解効率が高く、コンパクトな反応槽によるアルカリ排水中和システムを提供することを目的とする。また、処理コスト面においても従来の中和システムより優れたアルカリ排水中和システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、鋭意検討した結果、微細気泡発生器を用いることにより、炭酸ガスの溶解効率をアップさせ、コンパクトな反応槽を実現しうることを見出した。
すなわち、本発明は、
（１）アルカリ排水を中和処理するシステムであって、微細気泡発生装置を設けた反応槽よりなり、該微細気泡発生装置にアルカリ排水と炭酸ガスを導入し、炭酸ガスの微細気泡を分散したアルカリ排水を該微細気泡発生装置により反応槽中に導入することを特徴とするアルカリ排水中和システム、および、
（２）さらに発電機を備え、前記炭酸ガスが該発電機から排出された排気ガスをガス分離膜により該排気ガスより二酸化炭素濃度を高濃度としたものであることを特徴とする（１）項記載のアルカリ排水中和システム、および、
（３）前記微細記載発生装置がベンチュリ型微細気泡発生装置であることを特徴とする（１）または（２）項に記載のアルカリ排水中和システム
を提供するものである。
本発明において、「微細気泡」とは、好ましくは径が１ｍｍ以下の気泡であり、より好ましくは０．０５〜０，５ｍｍの径のものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、アルカリ排水を中和するためのシステムとして、コンパクトな中和装置とすることができる。
また、従来の炭酸ガスを用いるアルカリ処理の場合に比べ、コストを圧縮させ、さらに、硫酸を用いたアルカリ排水処理の場合と同レベルまでコストを削減することができる。
さらに、本実施例の中和システムは、発電機などから排出される燃焼排ガスを用いて、さらなるコスト削減と利便性を得ることが可能である。排ガスでアルカリ排水を中和するシステムでは、二酸化炭素ボンベを携帯することなく、排水処理ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のアルカリ排水中和システムは、微細気泡発生装置を設けた反応槽よりなり、該微細気泡発生装置にアルカリ排水と炭酸ガスを導入し、炭酸ガスの微細気泡をアルカリ排水に発生させ、この微細気泡含有液を反応槽に導入するものである。
【０００８】
本発明に用いられる、微細気泡発生装置は、液体中に微細気泡を発生させるものであれば、特に限定はないが、例えばベンチュリ型微細気泡発生装置はシンプルかつ高性能であるので好ましく用いることができる。ベンチュリ型微細気泡発生装置としては、例えば特開２００３−２３０８２４号公報に記載の微小気泡生成装置をあげることができる。
【０００９】
また、本発明に用いられる反応槽は、従来のアルカリ排水中和システムに用いられる任意の反応槽に上記の微細気泡発生装置を適宜設けて用いることができる。また、本発明のシステムにおいては、同程度の中和能力を有する従来のシステムに比べ、より小型化した部材を用いることができる。また、従来のアルカリ排水中和システムに用いられていたポンプ、配管、流量計などを適宜用いることができる。
【００１０】
本発明の好ましい一つの実施態様では、アルカリ排水中和システムは、ベンチュリ型微細気泡発生装置を設けた反応槽と、ポンプとを備え、該ベンチュリ型微細気泡発生装置にアルカリ排水が該ポンプにより送り込む同時に、炭酸ガスをベンチュリ管のくびれ部分の手前から導入し、炭酸ガスの微細気泡を分散したアルカリ排水をベンチュリ型微細気泡発生装置により反応槽中に吐出させる。そこでは微細気泡を形成していた炭酸ガスがアルカリ排水中に溶解し、アルカリ排水が中和される。
【００１１】
本発明のシステムで処理されるあるアルカリ排水は、ｐＨが１２以上でも十分に中和可能である。システムの運用上、好ましくはｐＨ９〜１２である。また、排水中のアルカリイオン濃度は、０．０２ｍｏｌ／ｌでも十分に中和可能である。
【００１２】
炭酸ガスの反応効率が４３．５％程度の従来のアルカリ処理の場合、処理量が１００ｍ３として、導入した炭酸ガスは約１０ｋｇであり、炭酸ガスの単価が１５０円／ｋｇとすると、約１５００円のコストがかかることになる。この場合、反応効率が４３．５％であるので、実際の反応に要する炭酸ガスは４．３５ｋｇ、すなわち約１００ｍｏｌとなる。
これに対し、本発明のシステムでは炭酸ガスの反応効率はほぼ１００％となり、従来のシステムと比較して単純にガス代を６５０円程度にまで引き下げることができる。一方、ポンプの電気代を考えると、１００ｍ３の水を１２０ｋＰａ程度昇圧するとし、ポンプ効率を０．７程度と見積もると約１７ＭＪ（４．７ｋＷｈ）のエネルギーが必要となる。電気代の単価を１５円／ｋＷｈとすると全体の電気代は約７０円となる。上記のガス代と合わせると、処理に要するコストは約７２０円となり、炭酸ガスの反応効率が４３．５％程度の従来のアルカリ処理の場合に比べ、コストを半分程度まで圧縮することができる。
【００１３】
さらに、本発明のシステムにおいては、ガス溶解速度が十分に高いことから、用いる炭酸の純度を９７％から半分程度までガス代を引き下げることができ、硫酸を用いたアルカリ排水処理の場合と同レベルまでコストを削減することが可能である。
【００１４】
また、本発明の中和システムは、燃焼排ガスを用いるさらなるコスト削減と利便性を得ることが可能である。一般に発電機としてもちいられているガソリンエンジンの排ガスはほぼ量論比燃焼を行っていることから、排ガスの１５％程度が二酸化炭素である。本実施例ではこの排ガスでアルカリ排水を中和するので、二酸化炭素ボンベを携帯することなく、廃水処理ができる。
【００１５】
別の好ましい実施態様では、アルカリ排水中和システムは、発電機をさらに備え、ベンチュリ型微細気泡発生装置に導入される炭酸ガスを、該発電機から排出された排気ガスをガス分離膜により該排気ガスより二酸化炭素濃度を高濃度としたものである。
【００１６】
本発明に用いることができる発電機、およびガス分離膜は、通常用いられる発電機、およびガス分離膜をそれぞれ適宜用いることができる。
【００１７】
この実施態様における、中和に必要な二酸化炭素量と発電機（ガソリンエンジン）から排出される二酸化炭素量のバランスについて検討すると、次のようになる。
二酸化炭素の排出原単位は、ガソリン１リットル当たり０．６４３３ｋｇ−Ｃとされている。ガソリンの密度は約０．７２４２ｋｇ／ｌであるから、ガソリン１ｋｇ当たり０．８８８３ｋｇ−Ｃ、すなわち３．２５７ｋｇ−ＣＯ２となる。ガソリンを炭化水素と考えるとガソリン中の水素の割合はモル比で、０．８８８３／１２：（１−０．８８８３）＝１：１．５１となる。したがって、ガソリンを完全燃焼させると排ガス中の１５．４％が二酸化炭素となる。
【００１８】
ところで、１００ｍ３のアルカリ排水の中和には１００ｍｏｌの二酸化炭素が必要であるから、燃焼排ガスからこの量を得るためには、ガソリン１．８４リットル燃やす必要がある。一方、ガソリン１．８４リットルを燃焼させると、３４．５（ＭＪ／ｌ）（燃焼熱）×１．８４（ｌ）＝６３．５ＭＪ＝１７．６ｋＷｈの燃焼熱が得られる。発電機の効率を２０％程度とすると、３．５ｋＷｈの電力が得られ、ポンプの動力に若干足りないくらいである。実際には、多少余裕を持って二酸化炭素の量を確保するのが適切であるので、ガソリンは３リットル程度燃やすのが適切である。ここで排出された、排ガスをワンパスでアルカリ排水の全量を中和できる場合には、このままベンチュリ微細気泡発生装置に送られる。しかし、二酸化炭素濃度が１５％の排ガスではワンパスでの中和が困難な場合には、余った電力で排ガスの膜分離をして二酸化炭素濃度を増加させることができる。二酸化炭素と窒素の膜透過性には大きな差があることから、小型の分離器で、５０〜６０％程度の分離ができ、高濃度の二酸化炭素を有する炭酸ガスにより、効率的なアルカリ中和ができる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
図１は、本実施例システムを示す概略説明図である。反応槽１は、幅１００ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ１０００ｍｍの容器である。反応槽１の下部には、ベンチュリ型微細気泡発生装置２が設けられている。ベンチュリ型微細気泡発生装置２は最大流量毎分１０リットルのものである。アルカリ排水溶液３はポンプ４で吸い上げ、導入管５を介してベンチュリ型微細気泡発生装置２に送り込む。同時に二酸化炭素（炭酸ガス）６を、導入管７を介してベンチュリ型微細気泡発生装置２に導入し、微細気泡８を反応槽１の溶液中に発生させる。反応槽１には下から高さ約６００ｍｍの場所に排水口９が取り付けられ、排出管１０を介して中和水１１が排出される。また、導入管５，７にはそれぞれ途中に、アルカリ排水および炭酸ガスの流量を測定するための流量計（図示せず）が設置されている。
【００２１】
図２は、本実施例システムに用いることができるベンチュリ型微細気泡発生装置の好ましい態様を一部縦断面により示す概略説明図である。該装置はベンチュリ管２１とノズル２２を有し、ベンチュリ管２１とノズル２２は流体連通可能に連結されている。ノズル２２の端部側壁にはアルカリ排水導入口２３が設けられておりアルカリ排水導入管２４が連結される。また、ノズル２２の底壁を挿通し炭酸ガス導入管２５が設けられている。アルカリ排水導入口２３からアルカリ排水を導入し、かつ炭酸ガス導入管２５から炭酸ガスを導入すると、ベンチュリ管２１のスロート２６を超えた空間で微細気泡が発生し、放出口２６から反応槽内へ放出される。
【００２２】
試験例１
実施例１のシステムを用い、アルカリ排水の中和試験を行った。反応効率は反応槽入口１２および排出口１０のｐＨ、液体と気体の流量、アルカリイオン濃度から理論的に評価すともに、目視による気泡径変化の観察も行った。ｐＨ測定には、ｐＨイオン濃度計（堀場製作所、Ｆ−２３）と複合ｐＨ電極（堀場製作所、６３６６−１０Ｄ）を用いた。アルカリイオンについては、おもにナトリウムとカルシウムが存在すると仮定し、その濃度測定には、ナトリウム電極（堀場製作所、１５１２Ａ−１０Ｃ）とカルシウム電極（堀場製作所、８２０３−１０Ｃ）を用いた。それぞれの電極の校正はメーカー推奨の方法に従って行った。
【００２３】
ここで用いたアルカリ排水３の成分について測定した結果は以下のとおりであった。
ｐＨ：９．３５（２５．０℃），
Ｎａ＋：０．００２８ｍｏｌ／ｌ，
Ｃａ２＋：微量
【００２４】
一方、アルカリ排水中の陰イオンとしては、塩素イオン、炭酸水素イオン、炭酸イオンなどが考えられる。ここでは、アルカリ排水が緩衝溶液であると仮定し、重要となる炭酸水素イオン、炭酸イオンのみが存在するとして平行理論と比較した。平衡理論では以下の関係が成り立つ。
【００２５】
【数１】
2006281075.tif 000003
【００２６】
このときの平衡定数は以下のように与えられる。
Ｋ１＝［ＨＣＯ３−］［Ｈ＋］／［ＣＯ２］，
Ｋ２＝［ＣＯ３２−］［Ｈ＋］／［ＨＣＯ３−］，
Ｋｗ＝［Ｈ＋］［ＯＨ−］
また、電気的な中和条件から
［Ｎａ＋］＋［Ｈ＋］＝［ＯＨ−］＋［ＨＣＯ３−］＋［ＣＯ３２−］
が成り立つ。以上の式を解くと、用いたアルカリ排水３のイオンの濃度は以下のように定まる。
【００２７】
【表１】
2006281075.tif 000004
【００２８】
上記アルカリ排水３の溶液を毎分約６リットルの割合で、ポンプ４で吸い上げ、ベンチュリ型微細気泡発生装置２に送り込む。同時に９７％純度の炭酸ガス６を毎分約０．３５リットルの割合で導入し、微細気泡８（径約０．２ｍｍ）を発生させ、反応槽１に導入する。中和処理後、排水口１０より排出した中和水１１を別のポリタンクに溜め、試験後にそのｐＨを測定した。試験前後の測定結果と平衡理論により計算したそれぞれのイオン濃度を表２に示す。
【００２９】
【表２】
2006281075.tif 000005
【００３０】
毎分約６リットルの割合で流した溶液に毎分約０．３５リットルの二酸化炭素を完全に溶解させると、２５℃換算（２４．８リットル／ｍｏｌ）で０．００２３５ｍｏｌ／ｌ溶解することになる。表２より試験前後の炭素を含む物質の量を比較すると、試験後に０．００２３８ｍｏｌ／ｌ増加しており、完全溶解値とほぼ一致する。この結果より、導入した炭酸ガスがほぼ完全に溶解し、中和が達成されたと考えることができる。また、完全に溶解することは反応槽上部において、気泡の大きさがまったく変化しないことからも理解できる。ｐＨ＝６．６では溶液に溶存可能な１気圧の炭酸ガス量の約１３％しか溶解していないことから、気泡内に炭酸ガスが残存していれば、気泡径が変化するはずである。したがって、気泡径が変化しない事実は、導入した炭酸ガスのすべてが溶解し、代わりに溶液に溶解していた空気が気泡内に析出し、完全にガス置換されたことを意味している
【００３１】
以上から、アルカリ排水を中和するためのシステムとして、本実施例のシステムは優れた機能を示し、ベンチュリ型微細気泡発生装置を用いることによりコンパクトな中和装置とすることができた。
【００３２】
試験例２
さらに高アルカリ溶液の中和が可能かどうかを検討するため、炭酸ガスの流量を毎分約３．１リットルまで増加させた溶解効率について評価した。前の実験と同様の実験を行った結果、排水口より排出した溶液のｐＨ値として５．６という値を得た。平衡理論より物質の濃度を計算すると以下のようになる。
【００３３】
【表３】
2006281075.tif 000006
【００３４】
毎分約６リットルの割合で流した溶液に毎分約３．１リットルの二酸化炭素を完全に溶解させると、２５℃換算（２４．８リットル／ｍｏｌ）で０．０２０８ｍｏｌ／ｌ溶解することになる。表３より実験前後の炭素を含む物質の量を比較すると、試験後に０．０２０６ｍｏｌ／ｌ増加しており、完全溶解値とほぼ一致する。したがって、試験例１と同様に導入した炭酸ガスがほぼ完全に溶解していることが推論できる。気泡の大きさ反応槽上部において変化していないことがわかり、流量比として、水の約半分の体積流量を導入しても本実施例のシステムで十分溶解させることができる。アルカリ濃度から考えれば、ｐＨが１２強かつ約０．０２ｍｏｌ／ｌのアルカリ排水程度まで中和可能であることがわかる。
【００３５】
試験例１および２によりベンチュリ型微細気泡発生装置を用いることによりコンパクトな中和装置となり、しかも高アルカリ排水まで対応可能であることがわかった。
【００３６】
実施例２
図２に本実施例の燃焼排ガスを利用した中和システムの概略説明図を示す。反応槽１の下部には、ベンチュリ型微細気泡発生装置２が設けられ、アルカリ排水溶液３はポンプ４で吸い上げ、導入管５を介してベンチュリ型微細気泡発生装置２に送り込む。一方、発電機として用いられるガソリンエンジン１３から排出された排気ガスは矢印１４に従って配管を介してガス分離膜１５で窒素ガス等１６が分離され、高濃度の二酸化炭素ガスとなる。高濃度二酸化炭素ガスは、矢印１７に従って導入管７を介してベンチュリ型微細気泡発生装置２で導入し、微細気泡８を反応槽１の溶液中に発生させる。反応槽１設けられた排水口９から排出管１０を介して中和水１１が排出される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１のシステムの概略説明図である。
【図２】ベンチュリ型微細気泡発生装置の概略説明図である。
【図３】実施例３のシステムの概略説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    反応槽
２    ベンチュリ型微細気泡発生装置
３    アルカリ排水
４    ポンプ
５、７    導入管
６    二酸化炭素（炭酸ガス）
８    気泡
９    排出口
１０  排出管
１１  中和水
１２  反応槽入口
１３  ガソリンエンジン（発電機）
１４  排気ガスの流れ
１５  ガス分離膜
１６  窒素ガス等
１７  高濃度二酸化炭素ガスの流れ
２１  ベンチュリ管
２２  ノズル
２３  アルカリ排水導入口
２４  アルカリ排水導入管
２５  炭酸ガス導入管
２６  炭酸ガス導入口
２７  スロート
２８  放出口
【図１】
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【図２】
2006281075.tif 000008
【図３】
2006281075.tif 000009