(57)【要約】【課題】原水に含まれるアンモニアの塩素酸化処理において、使用する塩素量を低減することができる水処理装置及び水処理方法を提供する。【解決手段】原水に含まれるアンモニアの塩素酸化処理において、原水のｐＨを所定の範囲に調整し、塩素剤を添加して原水中のアンモニアをモノクロラミンとした後、その塩素処理水に紫外線を照射してモノクロラミンを分解することによって、使用する塩素量を低減することができる水処理装置及び水処理方法を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水に含まれるアンモニアの処理を行う水処理装置であって、
原水のｐＨを７．５〜８．６の範囲に調整するｐＨ調整手段を備えた反応槽と、
前記範囲にｐＨ調整されたｐＨ調整原水に塩素剤を添加する塩素剤添加手段と、
前記塩素剤を添加した塩素処理水に紫外線を照射する紫外線照射手段と、
を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水処理装置であって、
前記紫外線を照射した紫外線処理水の一部を前記反応槽へ返送する返送手段をさらに有することを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
原水に含まれるアンモニアの処理を行う水処理方法であって、
原水のｐＨを７．５〜８．６の範囲に調整するｐＨ調整工程と、
前記範囲にｐＨ調整されたｐＨ調整原水に塩素剤を添加する塩素剤添加工程と、
前記塩素剤を添加した塩素処理水に紫外線を照射する紫外線照射工程と、
を含むことを特徴とする水処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載の水処理方法であって、
前記紫外線を照射した紫外線処理水の一部を前記塩素剤添加工程へ返送する返送工程をさらに含むことを特徴とする水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浄水処理、環境浄化、工業用水処理、下水処理、排水処理等において、原水に含まれるアンモニアの処理を行う水処理装置及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飲料用原水や排水中にアンモニアが存在する場合、その処理方法として、塩素剤による酸化処理（塩素酸化処理）、生物酸化処理、ストリッピング処理等がある。また、過酸化水素等の酸化剤を排水に添加し、紫外線を照射してアンモニアを硝酸へ酸化する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
それらの中でも、次亜塩素酸ナトリウム等を用いた下記式で表される塩素酸化処理が多く用いられているが、アンモニアを完全に塩素酸化処理して分解し窒素にするためには、アンモニアと塩素との濃度比が１：１０程度となるような塩素が必要である。
２ＮＨ３  ＋  ３ＮａＯＣｌ  →  Ｎ２  ＋  ３ＨＣｌ  ＋  ３ＮａＯＨ
【０００４】
また、アンモニアと塩素を濃度比１：５程度で反応させると、クロラミン（モノクロラミン：ＮＨ２Ｃｌ及びジクロラミン：ＮＨＣｌ２）が生成することが知られている。
ＮＨ３  ＋  ＮａＯＣｌ  →  ＮＨ２Ｃｌ  ＋  ＮａＯＨ
ＮＨ３  ＋  ２ＮａＯＣｌ  →  ＮＨＣｌ２  ＋  ２ＮａＯＨ
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１５５７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の通り、アンモニアを完全に塩素酸化処理するためには、濃度比でアンモニアの１０倍程度と大量の塩素が必要であり、処理水中の塩化物イオン濃度が増加するという問題があった。一方、塩素酸化処理に使用する塩素の添加量を低減すると、クロラミンが生成し、アンモニアを完全に分解することができなかった。
【０００７】
本発明は、原水に含まれるアンモニアの塩素酸化処理において、使用する塩素量を低減することができる水処理装置及び水処理方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、原水に含まれるアンモニアの処理を行う水処理装置であって、原水のｐＨを７．５〜８．６の範囲に調整するｐＨ調整手段を備えた反応槽と、前記範囲にｐＨ調整されたｐＨ調整原水に塩素剤を添加する塩素剤添加手段と、前記塩素剤を添加した塩素処理水に紫外線を照射する紫外線照射手段と、を有する。
【０００９】
また、前記水処理装置において、前記紫外線を照射した紫外線処理水の一部を前記反応槽へ返送する返送手段をさらに有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、原水に含まれるアンモニアの処理を行う水処理方法であって、原水のｐＨを７．５〜８．６の範囲に調整するｐＨ調整工程と、前記範囲にｐＨ調整されたｐＨ調整原水に塩素剤を添加する塩素剤添加工程と、前記塩素剤を添加した塩素処理水に紫外線を照射する紫外線照射工程と、を含む。
【００１１】
また、前記水処理方法において、前記紫外線を照射した紫外線処理水の一部を前記塩素剤添加工程へ返送する返送工程をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、原水に含まれるアンモニアの塩素酸化処理において、原水のｐＨを所定の範囲に調整し、塩素剤を添加して原水中のアンモニアをモノクロラミンとした後、その塩素処理水に紫外線を照射してモノクロラミンを分解することによって、使用する塩素量を低減することができる水処理装置及び水処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
塩素酸化により原水中のアンモニアの処理を行う場合、使用する塩素の添加量を低減すると、クロラミン（モノクロラミン：ＮＨ２Ｃｌ及びジクロラミン：ＮＨＣｌ２）が生成する。そこで、そのクロラミンを何らかの方法で分解すれば、使用する塩素の添加量を低減した上で、アンモニアを完全に分解することができる。クロラミンは紫外線により分解されることが知られており、本発明者らは、塩素酸化処理後の紫外線によるクロラミンの分解を検討したが、塩素酸化反応時のｐＨ、あるいは紫外線の波長、照射効率等によって、クロラミンが残留することがわかった。
【００１５】
そこでさらに検討したところ、アンモニアに塩素を反応させてクロラミンが生成する場合、反応時のｐＨにより、モノクロラミンとジクロラミンの生成割合が異なり、ｐＨ７．０前後では若干ジクロラミンが生成されるのに対し、ｐＨ７．５〜８．６の範囲ではほとんど全てモノクロラミンが生成されることがわかった。また、モノクロラミンは主に２５０ｎｍ付近の紫外線、ジクロラミンは２２０ｎｍもしくは２９０ｎｍ付近の紫外線を照射することにより分解されることが知られている（例えば、大瀧ら、「土木学会第４５回年次学術講演会要旨集」、平成２年９月、ｐ．９００−９０１参照）。そこで、アンモニアを含む原水のｐＨを７．５〜８．６の範囲に調整し、塩素の添加量を低減して塩素酸化反応を行い、生成したモノクロラミンをモノクロラミンが分解し易い波長の紫外線で分解することにより、使用する塩素の添加量を低減した上で、アンモニアをほぼ完全に分解することができることがわかった。
【００１６】
本発明の実施形態に係る水処理装置の一例を図１に示し、その構成について説明する。本実施形態に係る水処理装置１は、原水槽１０と、反応槽１２と、ｐＨ調整手段であるｐＨ調整装置１４（ｐＨ調整剤注入ポンプ３８、ｐＨ調整剤貯槽４０）及びｐＨ測定装置１６と、塩素剤添加手段である塩素剤添加装置１８（塩素剤注入ポンプ３４、塩素剤貯槽３６）と、紫外線照射手段である紫外線照射装置２０と、ｐＨ制御手段である制御部２２とを備える。
【００１７】
水処理装置１において、原水槽１０の上部には、配管２４の一端が接続され、他端は揚水ポンプ２６を介して、深井戸等の原水源２８等に接続されている。また、原水槽１０の下部には、原水流入管３０の一端が原水ポンプ３２を介して接続され、他端は反応槽１２の下部に接続されている。反応槽１２の上部には、塩素剤注入ポンプ３４を介して塩素剤貯槽３６が、ｐＨ調整剤注入ポンプ３８を介してｐＨ調整剤貯槽４０がそれぞれ接続されている。また、反応槽１２には撹拌機４２及びｐＨ測定装置１６が設置されている。反応槽１２の下部は塩素処理水流出管４４により紫外線照射装置２０の入口と接続され、紫外線照射装置２０の出口は処理水流出管４６により処理水槽（図示せず)等と接続されている。また、処理水流出管４６の途中には塩素剤注入ポンプ３４を介して塩素剤貯槽３６が接続されている。制御部２２は、ｐＨ測定装置１６及びｐＨ調整剤注入ポンプ３８にそれぞれ接続されている。
【００１８】
次に、本実施形態に係る水処理装置１の動作及び水処理方法について説明する。深井戸水等の原水（被処理水）は原水源２８から揚水ポンプ２６により汲み上げられ、原水槽１０に送液される。さらに、原水は、原水槽１０から原水ポンプ３２により反応槽１２へと送液される。
【００１９】
次に、ｐＨ調整剤貯槽４０からｐＨ調整剤注入ポンプ３８によりｐＨ調整剤が反応槽１２内の原水に注入され、撹拌機４２により撹拌されながら、原水のｐＨが７．５〜８．６の範囲に調整される（ｐＨ調整工程）。このとき、ｐＨ測定装置１６により原水のｐＨが測定され、その測定値に基づいて制御部２２によりｐＨ調整剤注入ポンプ３８による注入量が制御される。なお、ここでは反応槽１２中の原水にｐＨ調整剤が添加されているが、原水流入管３０等へのライン注入としても良い。
【００２０】
本実施形態に係る方法では、原水のｐＨを７．５〜８．６の範囲に調整し、原水のアンモニア態窒素濃度に応じて所定量の塩素剤を添加することにより、原水中のアンモニアを塩素によりモノクロラミンとする。ｐＨが７．５未満であると、ジクロラミンの生成割合が増えてしまう。また、ｐＨが８．６を超えると処理水のｐＨを中性付近とするために後段で再度ｐＨ調整工程が必要となる。また、モノクロラミンの生成割合が高くなるため、上記ｐＨは７．５〜８．５の範囲が好ましく、８．０〜８．５の範囲がより好ましい。
【００２１】
ｐＨ調整剤としては、原水が酸性の場合は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、水酸化カルシウム等の公知のアルカリが挙げられるが、水酸化ナトリウムが好ましい。また、アルカリは速やかに均一化させるために水溶液の状態で添加することが好ましい。また原水がアルカリ性の場合は、硫酸、塩酸、りん酸等の公知の酸が挙げられるが、硫酸が好ましい。また、急激な中和反応を避けるため、アルカリあるいは酸は５％〜３０％、好ましくは１０％〜２０％の水溶液として添加することが好ましい。原水のｐＨが７．５〜８．６の範囲である場合には、ここではｐＨ調整剤を添加しなくてもよい。原水が深井戸水の場合、ｐＨは通常６．５〜７．０程度であるので、ｐＨ調整剤として水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液が用いられる。
【００２２】
原水のｐＨ調整後、塩素剤貯槽３６から塩素剤注入ポンプ３４により塩素剤が反応槽１２内のｐＨ調整されたｐＨ調整原水に注入され、撹拌機４２により撹拌されながら、原水の塩素酸化処理が行われる（塩素剤添加工程）。塩素酸化処理の反応時間としては５分〜６０分程度、好ましくは１５分〜２０分程度とすればよい。
【００２３】
塩素剤としては、塩素ガス、次亜塩素酸ナトリウム、液化塩素、クロラミン、二酸化塩素等を用いることができるが、次亜塩素酸ナトリウム、液化塩素を用いることが好ましく、次亜塩素酸ナトリウムを用いることがより好ましい。次亜塩素酸ナトリウム等を使用した塩素剤添加工程における塩素注入率は、紫外線照射装置２０の出口において残留塩素濃度が０．１ｍｇ／Ｌ〜１．０ｍｇ／Ｌとなるように調整を行うことが好ましい。
【００２４】
また、塩素剤添加工程においても、ｐＨ測定装置１６により塩素処理水のｐＨが測定され、その測定値に基づいて必要に応じて制御部２２によりｐＨ調整剤注入ポンプ３８によるｐＨ調整剤の注入が行われ、原水のｐＨが７．５〜８．６の範囲、好ましくは７．５〜８．５の範囲になるように調整されてもよい。
【００２５】
次に、塩素酸化処理された塩素処理水は、紫外線照射装置２０へと送液され、紫外線照射処理が行われる（紫外線照射工程）。紫外線照射工程では、塩素処理水に紫外線が照射され、塩素酸化処理により生成したクロラミン等が分解される。
【００２６】
照射する紫外線の波長としては、クロラミン、特にモノクロラミンが分解し易い波長を含むものであれば特に制限はないが、上記の通り、モノクロラミンが分解し易い２５０ｎｍ付近の波長を含むものが好ましい。
【００２７】
紫外線ランプとしては、例えば、水銀ランプ、アマルガムランプ、キセノンランプ等を使用することができる。水銀ランプは、ランプ内への水銀蒸気の封入圧により、低圧、中圧、高圧に分類され、それぞれ紫外線の波長分布が異なる。本実施形態における紫外線照射に用いられる紫外線ランプとしては、２５０ｎｍ付近が主たる発光波長である低圧水銀ランプが好ましい。低圧水銀ランプは、ランプの消費電力が少なく、ランプの寿命が長いなどの特徴を有する。
【００２８】
紫外線照射装置２０により照射される紫外線の照射量は、クロラミンを分解することができればよく、特に制限はないが、１０ｍＪ／ｃｍ２〜２００ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることが好ましく、５０ｍＪ／ｃｍ２〜１００ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることがより好ましい。
【００２９】
紫外線照射処理が行われた処理水（紫外線処理水)は、処理水流出管４６を通って、処理水槽等に放出される。なお、処理水槽等への放出前に必要に応じて、処理水流出管４６に接続された塩素剤注入ポンプ３４により塩素剤貯槽３６から塩素剤が添加されてもよい。これにより、処理水に未分解のアンモニアが残留している場合に、確実にアンモニアを分解することができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態に係る水処理装置及び水処理方法により、使用する塩素の添加量を低減した上で、アンモニアをほぼ完全に分解（処理水中のアンモニア態窒素濃度として、例えば０．０５ｍｇ／Ｌ以下）することができる。
【００３１】
本発明の他の実施形態に係る水処理装置の一例を図２に示し、その構成について説明する。本実施形態に係る水処理装置３は、上記水処理装置１の構成に加えて、返送手段である返送用配管４８及び返送用ポンプ５０を備える。
【００３２】
水処理装置３において、処理水流出管４６には返送用配管４８の一端が接続され、その他端は返送用ポンプ５０を介して反応層１２の上部に接続されている。
【００３３】
水処理装置３において、紫外線照射処理が行われた処理水の一部は返送用ポンプ５０により返送用配管４８を通って、反応槽１２に返送される（返送工程）。返送量は処理水質に応じて決めればよい。これにより、処理水中に残留したアンモニアを確実にクロラミンとすることができ、さらに使用塩素量を低減することができる。また、処理水中に残留した未分解のクロラミンを再度紫外線処理することにより、クロラミンをより確実に分解することができる。
【００３４】
本実施形態に係る水処理装置及び水処理方法は、上水処理施設、下水処理施設、産業排水処理施設、産業用水処理施設等の各種処理工程において、上工水道水、下水、下水２次処理水、河川水、湖沼水、凝集沈殿上澄み水、各種工程中間水、各種回収水、各種廃水等の処理に使用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例を挙げ、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。
【００３６】
＜実施例１＞
地下水中に含まれるアンモニアを、図２の装置を用いて処理水量１２００ｍ３／ｄａｙにて分解処理した。アンモニア態窒素濃度８．０ｍｇ／Ｌ、ｐＨ＝６．９、水温１８．０℃の深井戸水を揚水ポンプ２６を用いて、５０ｍ３／ｈｒにて原水槽１０に送った。更に原水ポンプ３２により、原水槽１０から反応槽（有効容量１５ｍ３）１２へ送り、反応槽１２内の液を撹拌機４２で撹拌しながら、ｐＨ＝８．０±０．２になるように、反応槽１２に２０％水酸化ナトリウム水溶液を投入した後、１１％（Ｃｌ２換算）次亜塩素酸ナトリウムを塩素濃度で４０ｍｇ／Ｌ（アンモニア態窒素濃度に対して５倍量）となるように添加した。反応槽１２における反応時間は１５分とした。反応槽１２から流出した塩素処理水に紫外線照射装置（低圧水銀ランプ１２本、定格電力１．４ｋＷ）２０にて紫外線（主波長２５０ｎｍ）を照射した。紫外線照射量は５０ｍＪ／ｃｍ２、紫外線照射装置２０における処理水量は６０ｍ３／ｈｒとし、このうち１０ｍ３／ｈｒは反応槽１２へ返送するものとした。アンモニアを完全に酸化分解するためには、追加塩素が必要であり、処理水流出管４６において１１％次亜塩素酸ナトリウムをさらに５．０ｍｇ／Ｌ添加した。本実施例によりアンモニアを分解処理行うために必要な全塩素添加率は４５ｍｇ／Ｌであった。処理水の水質は、アンモニア態窒素濃度＜０．０１ｍｇ／Ｌ、ｐＨ＝８．２、残留塩素濃度は０．５ｍｇ／Ｌであった。表１に結果をまとめる。なお、測定方法は上水試験法（２００１）に準じた。
【００３７】
＜比較例１＞
従来の塩素酸化処理法（紫外線照射なし）によりアンモニアの処理を行った。実施例１と同じ原水を用い、１１％次亜塩素酸ナトリウムを塩素濃度で８５ｍｇ／Ｌ（アンモニア態窒素濃度に対して１０．６倍量）となるように添加し、反応時間は３０分で処理を行った。処理水の水質は、アンモニア態窒素濃度０．５ｍｇ／Ｌ、ｐＨ＝７．５、残留塩素濃度は０．０５ｍｇ／Ｌであった。表１に結果をまとめる。
【００３８】
＜比較例２＞
また、比較例２として、実施例１の反応槽１２において水酸化ナトリウム水溶液によるｐＨ調整を行わずに、１１％次亜塩素酸ナトリウムを塩素濃度で４０ｍｇ／Ｌ（アンモニア態窒素濃度に対して５倍量）となるように添加し、反応時間１５分で処理を行い、処理水に実施例１と同条件の紫外線照射を行った。アンモニアを完全に酸化分解するための追加塩素として、さらに２４ｍｇ／Ｌの塩素が必要であり、アンモニアを分解処理するために必要な全塩素添加率は６４ｍｇ／Ｌであった。処理水の水質は、アンモニア態窒素濃度＜０．０１ｍｇ／Ｌ、ｐＨ＝７．４、残留塩素濃度は０．７ｍｇ／Ｌであった。表１に結果をまとめる。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
実施例１の方法によりアンモニアを分解処理した場合、比較例１の従来の塩素酸化処理法と比較すると（４５〔ｍｇ／Ｌ〕／８５〔ｍｇ／Ｌ〕）×１００＝５３％と、従来法の５３％の塩素添加量にて処理が可能であった。また、塩素剤処理及び紫外線照射処理を用いた処理法の場合でも、比較例２のようにｐＨ調整を行わずに次亜塩素酸ナトリウムとの反応を行った場合と比較すると、（４５〔ｍｇ／Ｌ〕／６４〔ｍｇ／Ｌ〕）×１００＝７０％と、ｐＨ無調整時の７０％の塩素添加量にて処理が可能であった。
【００４１】
このように、実施例１のようにアンモニアを酸化処理する場合、塩素添加量を従来の塩素酸化処理法の１／２程度とすることが出来た。従来の方法に比べて塩素添加量を大幅に低減できることから、飲料水用途の場合、塩化物イオン濃度（基準値２００ｍｇ／Ｌ以下）、蒸発残留物（基準値５００ｍｇ／Ｌ以下）等の水質項目においても改善された。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る水処理装置の一例の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る水処理装置の他の例の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１，３  水処理装置、１０  原水槽、１２  反応槽、１４  ｐＨ調整装置、１６  ｐＨ測定装置、１８  塩素剤添加装置、２０  紫外線照射装置、２２  制御部、２４  配管、２６  揚水ポンプ、２８  原水源、３０  原水流入管、３２  原水ポンプ、３４  塩素剤注入ポンプ、３６  塩素剤貯槽、３８  ｐＨ調整剤注入ポンプ、４０  ｐＨ調整剤貯槽、４２  撹拌機、４４  塩素処理水流出管、４６  処理水流出管、４８  返送用配管、５０  返送用ポンプ。
【図１】
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【図２】
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