(57)【要約】【課題】河川水、湖水、地下水、下水道、産業廃水などの凝集膜分離法を用いた除濁処理において、凝集フロックが微細化せず、ろ過膜細孔内に凝集フロックが侵入して目詰まりすることが起こりにくく、ろ過抵抗が上昇しにくい処理装置および処理方法を提供する。【解決手段】  被処理水供給ポンプを用いて加圧した被処理水を、ろ過膜を用いてろ過する水処理方法において、被処理水に凝集剤を添加し、凝集フロックを形成させずに被処理水供給ポンプに導き混合攪拌し、凝集反応せしめた後、ろ過膜を用いてろ過する。【選択図】図１
2005246157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水供給ポンプを用いて加圧した被処理水を、ろ過膜を用いてろ過する水処理方法であって、被処理水に凝集剤を添加し、凝集フロックを形成させずに被処理水供給ポンプに導き混合攪拌し、凝集反応せしめた後、ろ過膜を用いてろ過することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
被処理水槽と、被処理水供給ポンプと、ろ過膜とをこの順序で備え、さらに、被処理水槽と被処理水供給ポンプとを結ぶ配管に凝集剤を直接添加する凝集剤添加装置を、そして、被処理水供給ポンプとろ過膜との間に反応槽を備えてなることを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
反応槽の上部と下部それぞれに弁を備えてなることを特徴とする請求項２に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理方法および水処理装置に関するものである。詳しくは、河川水、湖水、地下水、下水道、産業廃水などの除濁処理装置および除濁処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、河川水、湖水、地下水、下水道、産業廃水などの除濁処理技術として、砂ろ過法、凝集沈殿法などを主要プロセスとしてシステムが構築され、処理が行われてきた。しかし、砂ろ過法や凝集沈殿法では、広大な設備面積を必要としたり、被処理水の状況によっては、厳密な運転管理を行わないと十分な分離が行えないなどの問題がクローズアップされてきており、その欠点を解消することができる技術として、ろ過膜を用いた膜分離法が幅広く採用されている。この膜分離法においては、さらに除濁効率を高めるために、被処理水に凝集剤を添加して凝集反応を行って凝集フロックを生成させ、この凝集フロックを含む凝集処理水をポンプでろ過膜に圧送して固液分離する凝集膜分離方法が知られている（たとえば、特許文献１〜５参照）。
【０００３】
しかしながら従来の凝集ろ過方法では、被処理水を貯留する被処理水槽に凝集剤を添加して被処理水槽内で凝集反応を行った後に、ポンプを介してろ過膜に送水していたため、せっかく形成した凝集フロックがポンプで微細化し、微細化した凝集フロックがろ過膜細孔内に侵入して目詰まりを起こし、ろ過抵抗がすぐに上昇するという欠点があった。
【０００４】
この問題を回避する方法として、たとえば特許文献６に記載されるように、ろ過膜の入口側、すなわち被処理水供給ポンプの後で凝集剤を被処理水に添加する方法も考えられる（特許文献６参照）。しかしながらこの方法では、被処理水が凝集剤と接触してからすぐに膜ろ過されるため、凝集反応時間が短く、凝集フロックの形成が不十分で、未だろ過膜の目詰まりが起こりやすいという欠点があった。
【０００５】
さらにこれらの問題を回避するため、原水に凝集剤を加えて凝集槽で凝集反応を行ってフロックを生成させた後、凝集処理液を濾材が充填された大気非開放の濾過槽にポンプにより上向流で圧送することにより、ポンプで破砕されたフロックを再凝集させると共に、濾過槽から漏洩させた再凝集物を含む液を膜分離装置で固液分離する方法や（たとえば、特許文献７参照）、原水に凝集剤を加えて凝集処理を行ってフロックを生成させた後、凝集処理水をポンプで濾材が充填された再凝集槽に圧送し、有機高分子凝集剤を混合することで再凝集処理を行い、その後膜分離装置で濃縮水と処理水とに分離する方法（たとえば、特許文献８、９参照）も考えられる。しかしながらいずれの場合にも、凝集槽に凝集剤を添加し、凝集槽内で凝集反応を行った後にポンプで圧送しているため、せっかく形成した凝集フロックがポンプで微細化してしまい、濾材が充填された再凝集槽が必要になる。さらに、後者では有機高分子凝集剤を混合する再凝集処理が必要になり、有機高分子凝集剤を添加する部位がポンプの後であるため、ポンプで加圧された部分に注入するために設備が大がかりになる。またいずれの場合にもポンプの手前に凝集槽を設ける必要があるため、設置面積が大きくなるうえに、凝集槽に流入する原水の流量調節は、簡易な方法であるオーバーフロー調節が一般的であるが、これらの方法を採用すると、凝集剤の添加量を原水の流入量に比例して添加することが不可能であり、またオーバーフローによって凝集剤の一部が廃棄されるため、凝集剤の添加量が過大になるという多くの課題が存在した。
【特許文献１】特開平２−１８０６９３号公報
【特許文献２】特開平５−１９２６５９号公報
【特許文献３】特開平９−２９０７０号公報
【特許文献４】特開２００１−２８６８７２号公報
【特許文献５】特開平１０−１８０００８号公報
【特許文献６】特開平７−６０２４８号公報
【特許文献７】特開２００１−２５９６５４号公報
【特許文献８】特開２００３−１７０１７２号公報
【特許文献９】特開２００３−１７０１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決し、河川水、湖水、地下水、下水道、産業廃水などの凝集膜分離法を用いた除濁処理において、ろ過抵抗が上昇しにくい処理装置および処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用するものである。すなわち、
（１）被処理水供給ポンプを用いて加圧した被処理水を、ろ過膜を用いてろ過する水処理方法であって、被処理水に凝集剤を添加し、凝集フロックを形成させずに被処理水供給ポンプに導き混合攪拌し、凝集反応せしめた後、ろ過膜を用いてろ過することを特徴とする水処理方法。
（２）被処理水槽と、被処理水供給ポンプと、ろ過膜とをこの順序で備え、さらに、被処理水槽と被処理水供給ポンプとを結ぶ配管に凝集剤を直接添加する凝集剤添加装置を、そして、被処理水供給ポンプとろ過膜との間に反応槽を備えてなることを特徴とする水処理装置。
（３）反応槽の上部と下部それぞれに弁を備えてなることを特徴とする上記（２）に記載の水処理装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、河川水、湖水、地下水、下水道、産業廃水などの凝集膜分離法を用いた除濁処理において、凝集フロックを微細化せずにろ過膜に供給することができ、膜細孔内に凝集フロックが侵入することによって生じる目詰まり、さらにはろ過抵抗の上昇を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明における水処理装置を図１に示す実施態様に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明に係る水処理装置の一実施態様を示す概略フロー図である。
【００１１】
図１に示す水処理装置は、被処理水槽１と、凝集剤添加装置２と、被処理水供給ポンプ３と、反応槽４と、ろ過膜５とをこの順序で備えている。被処理水６は被処理水槽１に供給され、除濁処理水７はろ過膜５の透過側から得られる。
【００１２】
被処理水槽１は、被処理水を貯えることができれば特に問題はなく、コンクリート槽、繊維強化プラスチック槽などが好ましく用いられる。また、被処理水の貯留量を一定量に保ち、被処理水供給ポンプ３を常時運転可能にするために、被処理水槽１の上部に排水口を備え、被処理水の供給量を被処理水供給ポンプの吐出量よりも多くして、排水口から被処理水をオーバーフローさせることができるようにすることも好ましい。
【００１３】
凝集剤添加装置２は、被処理水槽１と被処理水供給ポンプ３とを結ぶ配管内に凝集剤を直接添加できるように配管に直結して設けられている。凝集剤添加装置２は、凝集剤に対して耐久性があり、被処理水槽１と被処理水供給ポンプ３とを結ぶ配管（被処理水ライン）に凝集剤を定量的に供給することができれば特に問題はなく、通常は硬質塩化ビニル製またはポリエチレン製の薬液タンクおよびダイヤフラム式またはプランジャー式の薬液定量注入ポンプとの組み合わせが用いられる。凝集剤添加装置２の供給圧は、供給部位が被処理水槽１と被処理水供給ポンプ３とを結ぶ配管であるため、被処理水槽１の被処理水頭圧以上であればよく、被処理水供給ポンプとろ過膜との間に凝集剤を供給していた従来法のように、被処理水供給ポンプの吐出圧力以上に高める必要がない。
【００１４】
被処理水供給ポンプ３は、被処理水を加圧するとともに凝集剤と被処理水とを混合攪拌することができれば特に制限されるものではなく、遠心ポンプ、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻斜流ポンプ、斜流ポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、歯車ポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプなどを用いることができるが、膜分離するために必要な圧力にまで容易に加圧できることから、遠心ポンプ、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプなどが好ましく用いられる。
【００１５】
反応槽４は、混合攪拌された凝集剤と被処理水とを少なくとも凝集反応時間滞留させることができれば特に問題はなく、繊維強化プラスチック槽、ステンレス槽などが好ましく用いられる。反応槽４の耐圧性としては、被処理水供給ポンプ３の吐出圧力に耐えることができれば特に問題はないが、あまり耐圧性が高すぎても反応槽の重量が重くなりすぎて好ましくなく、０．２ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下が好ましい。
【００１６】
そして、反応槽４の上部にはエア抜きのための弁４１を設けることが好ましい。この弁４１を用いて反応槽４内の気体を抜くことで、反応槽４内に被処理水を満たすことができ、凝集反応時間を最大にすることができる。また、反応槽４の下部には、凝集沈殿フロックを排出するための弁４２を設けることが好ましい。この弁４２を用いることで、反応槽４内に沈殿した凝集フロックを反応槽４外に取り出すことができ、余分な凝集フロックをろ過膜５に送り出すことを防ぐことができる。
【００１７】
弁４１および弁４２は、反応槽４の耐圧性と同程度の耐圧性を有していれば特に問題はなく、仕切弁、玉形弁、ボール弁などが好ましく用いられる。
【００１８】
ろ過膜５は、ろ過膜の取り扱い性や物理的耐久性を向上させるために、耐圧容器の中に充填されたエレメント構造をしていることが好ましい。このエレメント構造は特に限定されるものではなく、封筒状の平膜を流路材と共に多孔質中心管のまわりに巻囲してなるスパイラル型平膜エレメントであっても構わないが、エアスクラビングによる物理洗浄を行うことで、膜面に付着した凝集フロックを除去することができる、中空糸膜を用いたエレメントが本発明に適している。
【００１９】
ろ過膜５の膜構造としては、多孔質膜や、多孔質膜に機能層を複合化した複合膜などが挙げられるが、特に限定されるものではない。これら膜の素材としては、ポリアクリロニトリル多孔質膜、ポリイミド多孔質膜、ポリエーテルスルホン多孔質膜、ポリフェニレンスルフィドスルホン多孔質膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜、ポリフッ化ビニリデン多孔質膜、ポリプロピレン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜等の多孔質膜が挙げられるが、ポリフッ化ビニリデン多孔質膜やポリテトラフルオロエチレン多孔質膜が耐薬品性が高いため、特に好ましい。さらに、これら多孔質膜に機能層として架橋型シリコーン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリルブタジエン、エチレンプロピレンラバー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子を複合化した複合膜を挙げることもできる。
【００２０】
ろ過膜５の種類としては、凝集フロックを被処理水からろ別できるほど小さい細孔を有していれば特に問題はないが、あまりに細孔径が小さすぎてもろ過圧力が高くなりすぎて好ましくはなく、マイクロフィルトレーション（ＭＦ）膜や、ウルトラフィルトレーション（ＵＦ）膜などが好ましく用いられる。
【００２１】
上述の水処理装置において、水処理方法は次のように行われる。すなわち、被処理水に、凝集剤添加装置２を用いて凝集剤を添加し、凝集フロックを形成させずに被処理水供給ポンプ３に導き混合攪拌する。そして、供給ポンプ３によって凝集剤と混合攪拌された被処理水は反応槽４内に移送され、反応槽４内で凝集反応して、さらにろ過膜５に供給されて膜ろ過される。
【００２２】
ここで凝集剤としては、被処理水中の濁質成分を凝集させる効果があるものであれば特に問題はなく、無機凝集剤である硫酸アルミニウム（硫酸バンド）、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄などや、高分子凝集剤であるノニオン系ポリアクリルアミド、アニオン系ポリアクリルアミド、カチオン系ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ソーダなどを単独であるいは混合して用いることができる。凝集剤の添加量としては、無機凝集剤では無機凝集剤中の金属が被処理液に対して０．５〜１００ｍｇ／Ｌであることが好ましく、高分子凝集剤では高分子凝集剤が被処理液に対して０．１〜２０ｍｇ／Ｌであることが好ましい。凝集剤の添加量が少なすぎると、被処理水中の濁質成分を凝集させる効果が少なくなって好ましくなく、凝集剤の添加量が多すぎると、凝集剤がろ過膜面に付着してろ過膜が目詰まりを起こすため好ましくない。
【００２３】
凝集剤を添加してから被処理水供給ポンプ３を用いて混合攪拌するまでの時間は、凝集フロックを形成させないために３０秒以内であることが好ましい。
【００２４】
反応槽４内で凝集反応時間は、凝集フロックを十分に形成させるために１分以上であることが好ましいが、あまり長すぎると凝集反応に必要な反応槽４の大きさが大きくなりすぎて好ましくなく、１０分以内であることが好ましい。また、反応槽４内での凝集反応を効率的に生じせしめるために、凝集反応を生じせしめる被処理水に塩酸、硫酸、硝酸、クエン酸、シュウ酸、リンゴ酸などの酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアなどのアルカリや、リン酸一水素ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸一水素カリウム、リン酸二水素カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウムなどのｐＨ調整剤を添加し、凝集反応中の被処理水のｐＨを５〜１１の間に保つようにすることも好ましい。
【００２５】
そして、被処理水を反応槽内４に最初に導入するときは、被処理水供給ポンプ３を稼働させてすぐに、反応槽４の上部に設けられている弁４１を開放し、弁４１から被処理水が出てきた後に弁４１を閉にしておくことが好ましい。このようにすることで、反応槽４内の気体を抜いて反応槽４内に被処理水を満たし、反応槽４内の容積を凝集反応に有効に利用することができる。また、被処理水供給ポンプ３の稼働を継続させると、被処理水とともに気体が徐々に送り込まれ、反応槽４内の上部に気体が徐々に貯まるが、弁４１を１日１回程度開放し、この気体を抜くことも、反応槽４内の容積を凝集反応に有効に利用するために好ましい。
【００２６】
さらに、被処理水供給ポンプ３の稼働中に、反応槽４の下部に設けられている弁４２を１日１回程度開放し、反応槽４内に沈殿した凝集フロックを反応槽４外に取り出すことが好ましい。このようにすることで、反応槽４内の容積を凝集反応に有効に利用することができ、また、余分な凝集フロックをろ過膜５に送り出すことを防ぐことができる。
【００２７】
そして、反応槽４内で凝集反応せしめた被処理水中は、凝集フロックが形成されているので、被処理水を被処理水供給ポンプ３の吐出圧力をもって凝集フロックとともにろ過膜５に移送し、ろ過処理する。
【００２８】
なお、上記の方法によってろ過処理した除濁処理水７を、除濁処理水槽に貯え、必要に応じてこの除濁処理水をろ過膜５の透過側からろ過とは逆の方向に流すし、ろ過膜５を洗浄することも好ましい。このような逆洗によって、ろ過膜面に付着した凝集フロックを洗い流し、ろ過膜のろ過抵抗をさらに上昇させにくくすることができる。さらにこの洗浄中に、次亜塩素酸ナトリウム、過酸化水素、二酸化塩素、クロラミンなどの酸化剤や、塩酸、硫酸、硝酸、クエン酸、シュウ酸、リンゴ酸などの酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアなどのアルカリを添加することも、ろ過膜面に付着した凝集フロックの洗浄効果を高めるうえで好ましい。
【００２９】
さらに上記の方法によってろ過処理された除濁処理水７を、ナノフィルトレーション（ＮＦ）膜や逆浸透（ＲＯ）膜を用いてろ過し、工業用水や生活用水、飲料水などとして再利用することも好ましい実施態様である。
【実施例】
【００３０】
実施例１
図１に示す水処理装置を使用し、曝気−沈殿処理を行った下水二次処理水を被処理水６としてろ過運転を行った。
【００３１】
凝集剤添加装置２として、最大吐出量３Ｌ毎時の薬液注入ポンプ（Ａｌｌｄｏｓ製９７シリーズ）、被処理水供給ポンプ３として、全揚程３０ｍ吐出量６ｍ3毎時の垂直多段遠心ポンプ（Ｇｒｕｎｄｆｏｓ製ＣＲＮ５−８）、反応槽４として、内容積２００Ｌ、耐圧０．５ＭＰａのステンレス製耐圧タンクを使用した。反応槽４には、上部にボール弁４１（ＫＩＴＺ製ＵＴＫＭ−１５Ａ）および下部にボール弁４２（ＫＩＴＺ製ＵＴＫＭ−２０Ａ）を設けた。ろ過膜５として、膜面積７２ｍ2のＰＶＤＦ中空糸ＭＦ膜モジュール（東レ（株）製ＨＦＭ−２０２０）を使用した。
【００３２】
被処理水に凝集剤が添加される部位と、被処理水供給ポンプ３との間にある被処理水の体積は、５Ｌとなるようにした。すなわち、被処理水供給ポンプ３が被処理水を供給する水量が５０Ｌ／分のとき、被処理水に凝集剤を添加してから被処理水供給ポンプ３を用いて混合攪拌するまでの時間は、５／５０＝１／１０分＝６秒になる。
【００３３】
上記の装置を用い、流量５０Ｌ／分の全量ろ過運転を３０分、除濁処理水７に次亜塩素酸ナトリウムを塩素濃度２００ｐｐｍとなるように添加した水を原水とした逆洗浄（１００Ｌ／分の曝気も伴う）を１分、１００Ｌ／分の曝気による空気洗浄を０．５分、排水１分、給水１分を１サイクルとするろ過運転を１カ月継続した。運転初期に弁４１を開放して反応槽４内の気体を抜いた。また、１日１回弁４１を開放して運転中に反応槽４内に貯まった気体を抜き、さらに、１日１回弁４２を開放して運転中に反応槽４内に沈殿した凝集フロックを反応槽４外に取り出した。被処理水に凝集剤が添加されてから被処理水供給ポンプ３で混合攪拌されるまでの時間は６秒であり、凝集フロックは形成されていなかった。また、反応槽４内で凝集反応せしめる時間は４分であった。凝集剤としては塩化第二鉄を、鉄濃度として被処理水に対して３ｐｐｍとなるように添加した。
【００３４】
この結果、運転初期のろ過差圧は１４ｋＰａであったものが、運転１カ月経過後のろ過差圧は１８ｋＰａと、差圧上昇速度は４ｋＰａ／月と低いものであった。なお、ろ過差圧は、運転中のろ過膜入口における被処理水供給圧力と、ろ過膜出口におけるろ過処理した除濁処理水吐出圧力との差によって求められる。
【００３５】
実施例２
反応槽４の内容積を５０Ｌ、反応槽４内で凝集反応せしめる時間を１分としたこと以外は実施例１と同条件で、ろ過運転を１カ月継続した。
【００３６】
この結果、運転初期のろ過差圧は１４ｋＰａであったものが、運転１カ月経過後のろ過差圧は３０ｋＰａと、差圧上昇速度は１６ｋＰａ／月と低いものであった。
【００３７】
実施例３
反応槽４の内容積を５００Ｌ、反応槽４内で凝集反応せしめる時間を１０分としたこと以外は実施例１と同条件で、ろ過運転を１カ月継続した。
【００３８】
この結果、運転初期のろ過差圧は１４ｋＰａであったものが、運転１カ月経過後のろ過差圧は１８ｋＰａと、差圧上昇速度は４ｋＰａ／月と低いものであった。
【００３９】
比較例１
図２に示す水処理装置を使用し、曝気−沈殿処理を行った下水二次処理水を被処理水６としてろ過運転を行った。すなわち、被処理水槽１と、凝集剤添加装置２と、被処理水供給ポンプ３と、ろ過膜５とをこの順序で設け、反応槽４を設けず、十分に凝集反応させずにろ過膜で膜ろ過した以外は実施例１と同条件でろ過運転を１カ月継続した。
【００４０】
この結果、運転初期のろ過差圧は１４ｋＰａであったものが、運転１カ月経過後のろ過差圧は１５０ｋＰａと、差圧上昇速度は１３６ｋＰａ／月と高いものであった。
【００４１】
比較例２
図３に示す水処理装置を使用し、曝気−沈殿処理を行った下水二次処理水を被処理水６としてろ過運転を行った。すなわち、被処理水槽１と、内容積２００Ｌの凝集反応槽８と、被処理水供給ポンプ３と、反応槽４と、ろ過膜５とをこの順序で設けるとともに、被処理水供給ポンプ３の前段で十分に凝集反応が行われるように、凝集剤添加装置２を凝集反応槽８に直結するように構成し、凝集反応槽８内で形成された凝集フロックを被処理水供給ポンプ３で微細化させて送水したこと以外は実施例１と同条件でろ過運転を１カ月継続した。
【００４２】
この結果、運転初期のろ過差圧は１４ｋＰａであったものが、運転１カ月経過後のろ過差圧は３０ｋＰａと、差圧上昇速度は１６ｋＰａ／月と高いものであった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、河川水、湖水、地下水、下水道、産業廃水などの凝集膜分離法を用いた除濁処理に好適に利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る水処理装置の一実施態様を示す概略フロー図である。
【図２】比較例１で使用した水処理装置の概略フロー図である。
【図３】比較例２で使用した水処理装置の概略フロー図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：被処理水槽
２：凝集剤添加装置
３：被処理水供給ポンプ
４：反応槽
５：ろ過膜
６：被処理水
７：除濁処理水
８：凝集反応槽
４１：弁
４２：弁
【図１】
2005246157.tif 000003
【図２】
2005246157.tif 000004
【図３】
2005246157.tif 000005