(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高アルカリ水を処理するための装置であって、
傾斜面に設けられたフレームと、前記フレームに高所から低所に向かって所定間隔隔てて配置された多数のトレイとを備え、
前記トレイの各々が、下部トレイと上部トレイとを有する上下２段構造となっており、上部トレイに流入した被処理水が、上流側の端部から下部トレイに落下し、次いで下部トレイの下流側の端部から一段下位にある上部トレイに流入することによって、被処理水が大気と接触した状態で高所から低所に向かって流下するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記下部トレイが、矩形の底板と、下流側に設けられた下流部側板と、上流側に設けられた上流部側板と、左右に設けられた側部側板とを有し、前記下流部側板に、一段下位にあるトレイに被処理水を放流するための越流部が設けられており、
前記上部トレイが、矩形の底板と、下流側に設けられた下流部側板とを有し、
前記下部トレイの底板に配置された複数の突起に前記上部トレイを載せることによって、前記上部トレイの底板が流下方向に向かって傾斜した状態で、前記下部トレイの底板との間に一定の空間が維持されるように組み立てられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高アルカリ水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事において、地盤中の方解石などの炭酸塩鉱物の溶解等に起因して、アルカリ性の排水が発生する場合がある。このような排水の中には、ｐＨが９を超えるアルカリ性の排水（以下「高アルカリ水」という）もあり、高アルカリ水をそのまま放流すると、水質汚染の原因となるため、種々の処理が施されている。
【０００３】
従来、高アルカリ水の処理方法としては、二酸化炭素の液化ボンベを準備し、液化ボンベから高アルカリ水に二酸化炭素を注入することによって中和する方式が主流となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の方法によると、二酸化炭素の液化ボンベを準備したり交換したりしなければならず、手間と費用を要するという不都合がある。とりわけ、このような高アルカリ水が、地盤中の炭酸塩の溶解に起因して高アルカリ性を呈するようになった地下水である場合には、工事後であっても高アルカリ水が発生することとなり、半永久的に処理しなければならないため、その処理費用は膨大なものとなる。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、高アルカリ水を比較的簡単な装置で容易かつ安価に処理することができる高アルカリ水処理方法および処理装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の方法および装置は、大気中の二酸化炭素を高アルカリ水に溶解させることによって、高アルカリ水のｐＨを低下させようとするものである。
【０００７】
気体の液体への溶解速度又は吸収速度を理論的に考察する際には、一般的に、二重境膜説が用いられる。二重境膜説とは、気相と液相との界面に、気相側にも液相側にも乱れのない薄い境膜が形成され、境膜での被吸収物質の移動は拡散が支配的となり、物質移動の抵抗となるという考え方である。境膜を通しての物質移動については、水への溶解度の低い気体では液相側の液境膜が律速となり、水への溶解度の高い気体では気相側の気境膜（あるいはガス境膜）が律速となる。したがって、二酸化炭素が水に比較的溶解しにくいことを考慮すると、二酸化炭素を水に溶解させるには、液相側の液境膜の厚さを減少させることが効果的であると推測される。
【０００８】
本発明者は、まず予備実験として、水を二酸化炭素に接触させることによって、水のｐＨがどの程度変化するのかを検討した。この実験においては、既知の接触面積Ａ（＝2500cm2）および容積Ｖ（＝２Ｌ又は４Ｌ、すなわち水深ｈ＝２cm又は４cm）を有する容器に水を入れ、種々の条件（静置状態、マグネチックスターラーによる攪拌状態）の下で、ｐＨがどの程度変化するのかを調べた。
【０００９】
その結果（図８参照）、静置状態よりも攪拌状態、攪拌状態よりも曝気状態のほうが、ｐＨ低下が早いことがわかる。また、単位容積あたりの接触面積が大きいほうが、ｐＨ低下が早いことがわかる。
【００１０】
上述のように、水と空気とを接触させることによって、ｐＨを低下させることができた。なお、攪拌や曝気の効果を確認することができたが、攪拌器（マグネチックスターラー）や曝気装置の使用には動力設備の設置が不可欠であることから、本発明では、攪拌や曝気と同じ原理を使用しないこととした。
【００１３】
本願請求項１に記載の高アルカリ水処理装置は、傾斜面に設けられたフレームと、前記フレームに高所から低所に向かって所定間隔隔てて配置された多数のトレイとを備え、前記トレイの各々が、下部トレイと上部トレイとを有する上下２段構造となっており、上部トレイに流入した被処理水が、上流側の端部から下部トレイに落下し、次いで下部トレイの下流側の端部から一段下位にあるトレイの上部トレイに流入することによって、被処理水が大気と接触した状態で高所から低所に向かって流下するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本願請求項２に記載の高アルカリ水処理装置は、前記請求項１の装置において、前記下部トレイが、矩形の底板と、下流側に設けられた下流部側板と、上流側に設けられた上流部側板と、左右に設けられた側部側板とを有し、前記下流部側板に、一段下位にあるトレイに被処理水を放流するための越流部が設けられており、前記上部トレイが、矩形の底板と、下流側に設けられた下流部側板とを有し、前記下部トレイの底板に配置された複数の突起に前記上部トレイを載せることによって、前記上部トレイの底板が流下方向に向かって傾斜した状態で、前記下部トレイの底板との間に一定の空間が維持されるように組み立てられることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、動力設備を必要とせずに、高アルカリ水のｐＨを比較的容易かつ安価に減少させることができる。本発明の装置は、構造が簡単であるので、故障も少なく、維持コストを低廉に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る高アルカリ水処理方法および装置について説明する。本発明の高アルカリ水処理方法は、処理しようとする高アルカリ水（以下「被処理水」という）を大気と接触させた状態で高所から低所に向かって流下させる段階を含んでいる。
【００１７】
本明細書の「課題を解決するための手段」の項において、水と空気との接触によるｐＨの減少について説明したが、被処理水を大気と接触させた状態で高所から低所に流下させることによって、ｐＨがどの程度減少するのかを検証するための実験を実施した。
【００１８】
実験は、図９に示されるように、給水槽（ＥＬ９０４．５ｍ）から受水槽（ＥＬ８９７．５ｍ）に至る斜面（高低差７ｍ、法面勾配１：１．８）に水路を設置することによって行われた。水路として、越流１回当たりの落差を１５ｃｍ（越流幅３０ｃｍ）としたセキ板を設置した型式（Ａタイプ）と、越流１回当たりの落差を３０ｃｍ（越流幅３０ｃｍ）としたセキ板を設置した型式（Ｂタイプ）の２種類を準備して比較検討した。なお、ｐＨの測定箇所は、給水槽の箇所（測定箇所０）、受水槽の箇所（測定箇所３）および、給水槽と受水槽の中間の２箇所（測定箇所１、２）の計４点とした。実験における流量は、Ａタイプでは、１．０リットル／秒、０．３リットル／秒、０．０７リットル／秒、０．０２リットル／秒の４種類、Ｂタイプでは、１．０リットル／秒、０．３リットル／秒、０．１リットル／秒の３種類とした。
【００１９】
実験の結果は、図１０に示すとおりである。図１０から分かるように、ｐＨ変化率は、ほぼ線形的に変化しており、流量が少ない程その傾向が強い。また、ＡタイプとＢタイプではｐＨ変化量に殆ど差がないことも読み取ることができる（Ａタイプ、Ｂタイプとも、大気との接触面積は同じである）。
【００２０】
方法論および実験結果を裏付けるため、理論解を求めた。
一般に、大気から二酸化炭素が溶解するときは気相と液相の界面に薄い境膜が形成され、この境膜が物質移動の抵抗となるが、二酸化炭素のように水への溶解度の低い気体の場合、液境膜での拡散速度が律速となることが知られている。
ここで、液境膜による反応速度は、大気と平衡状態にあるＨ2ＣＯ3 濃度をＣSとおき、アルカリ性の排水のＨ2ＣＯ3濃度であるＣとの差の一次反応で表現される。
【００２１】
【数１】
0005314388.tif 000002
【００２２】
しかし、上記方程式の解と実験結果とでは隔たりがあった（図１２）ことから、Ｈ2ＣＯ3濃度の反応速度には何らかの反応を阻害する要因が存在すると考え、式（１）にパラメータλを導入して式（２）とした。
【００２３】
【数２】
0005314388.tif 000003
式（２）を解くと、
【００２４】
【数３】
0005314388.tif 000004
となる。
ただし、速度係数Ｋは、
【００２５】
【数４】
0005314388.tif 000005
【００２６】
図１１は実験と理論値におけるｐＨ変化量と流量の相関関係を示したグラフ（横軸に流量を対数表示、縦軸にｐＨ変化量を表示）である。図１１から分かるように実験と理論値はほぼ一致しており、両者ともある流量範囲では線形的であり、越流セキの落差にはほとんど左右されない傾向を示している。なお、λの値はＡタイプでは４．５×１０-9mol/L/s、Ｂタイプでは７．９×１０-9mol/L/sとした。
【００２７】
本発明の高アルカリ水処理方法では、被処理水の流下段階において、被処理水と大気との接触面積を大きくするのが好ましい。これは、「課題を解決するための手段」の項において説明した予備実験から導き出される結果である。
【００２８】
次に、本発明の好ましい実施の形態に係る高アルカリ水処理装置について説明する。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る高アルカリ水処理装置は、傾斜面に設けられたフレーム１２と、フレーム１２に高所から低所に向かって所定間隔隔てて配置された多数のトレイ１４とを備えている。
【００２９】
フレーム１２には、図２に示されるように、高所から低所に向かって所定間隔隔てて、トレイ支持用の多数の戸当り１２ａが設けられている。戸当り１２ａは、アングル材や角形鋼管等の鋼材を組み立てて形成されている。フレーム１２は好ましくは、コンクリートで形成されている。
【００３０】
図３は、トレイ１４のひとつを示した斜視図、図４は、トレイ１４のひとつを示した分解斜視図である。トレイ１４は、下部トレイ１６と上部トレイ１８とを備えた上下２段構造となっており、フレーム１２の戸当り１２ａにそれぞれ支持されている。下部トレイ１６および上部トレイ１８は、アクリル樹脂や硬質塩化ビニル樹脂などの適当な材料で形成されている。
【００３１】
下部トレイ１６は、矩形の底板１６ａと、下流側に設けられた下流部側板１６ｂと、上流側に設けられた上流部側板１６ｃと、左右に設けられた側部側板１６ｄ、１６ｅと有している。下部トレイ１６の下流部側板１６ｂには、一段下位にあるトレイ１４に被処理水を放流するための越流部１６ｆが設けられている。越流部１６ｆは、下部トレイ１６内において被処理水に一定の滞留時間を付与するため（換言すると、下部トレイ１６内で被処理水が水深ｈ1を維持するように）、底板１６ａの上面より上方ｈ1に位置する箇所１６ｆ１から切除されている（図６（ｂ）参照）。また、好ましくは下流部側板１６ｂの下部に、裏漏りを防止するため、裏漏り防止用突起１６ｇが設けられている（図６（ｂ）参照）。
【００３２】
上部トレイ１８は、矩形の底板１８ａと、下流側に設けられた下流部側板１８ｂとを有しており、上流側の側部は開放している。底板１８ａの上流側の端部には、裏漏り防止用突起１８ａ１が設けられている（図６（ａ）参照）。上部トレイ１８の底板１８ａの横幅ｗuは、下部トレイ１６の側部側板１６ｄ、１６ｅの内法寸法ｗdと実質的に同一となるように形成されている（図４参照）。
【００３３】
トレイ１４は、下部トレイ１６の底板１６ａとの間に一定の空間が維持されるように上部トレイ１８を下部トレイ１６の上方に配置することによって、組み立てられる。トレイ１４の組み立ては、下部トレイ１６の底板１６ａに配置された複数の突起１６ａ１に上部トレイ１８を載せることによって行われる。なお、好ましくは、上部トレイ１８は、底板１８ａが流下方向に向かって傾斜するように配置されている（図５参照）。
【００３４】
次に図７を参照して、高アルカリ水処理装置１０の作動について説明する。上部トレイ１８の下流側に流入した被処理水（矢印Ａ参照）は、上部トレイ１８が流下方向に傾斜しているため、上部トレイ１８に一定時間貯留する。その際、上部トレイ１８に貯留した被処理水と大気とが接触して、大気中の二酸化炭素が被処理水に溶解する。上部トレイ１８に貯留した被処理水が一定量を超えると、上部トレイ１８の上流側の端部から下部トレイ１６の上流側の端部に落下する（矢印Ｂ参照）。下部トレイ１６に落下した被処理水は、下部トレイ１６の越流部１６ｆの下端１６ｆ１が底面１６ａから高さｈ1のところに位置しているため、下部トレイ１６内の被処理水の水深がｈ1になるまで下部トレイ１６内に貯留する。その際、下部トレイ１６に貯留した被処理水と大気とが接触して、大気中の二酸化炭素が被処理水に溶解する。下部トレイ１６に貯留した被処理水の水深がｈ1を超えると、被処理水は、下部トレイ１６の越流部１６ｆから、一段下位にあるトレイ１２に落下する（矢印Ｃ参照）。各トレイ１２において以上の状態を繰り返すことによって、被処理水を、大気と接触させた状態で高所から低所に向かって流下させ、これにより被処理水のｐＨを減少させる。
【００３５】
なお、上述のトレイの構造や形状は例示的なものであって、高所から低所に向かって流下する被処理水と大気との接触面積を大きくすることができる他の構造や形状を採用してもよい。
【００３６】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る高アルカリ水処理装置の全体を示した斜視図である。
【図２】図１の装置のフレームを示した斜視図である。
【図３】図１の装置のトレイのひとつを示した斜視図である。
【図４】図１の装置のトレイのひとつを示した分解斜視図である。
【図５】図３のトレイの断面図である。
【図６】図６（ａ）は図５の部分６ａの拡大図、図６（ｂ）は図５の部分６ｂの拡大図である。
【図７】図１の装置の作動を説明するための図である。
【図８】水を二酸化炭素に接触させることによるｐＨの変化率を検証した予備実験の結果を示したグラフである。
【図９】被処理水を大気と接触させた状態で高所から低所に流下させた場合のｐＨの減少度を検証するための実験の形態を示した図である。
【図１０】図９の実験の結果を示したグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、図９の実験におけるｐＨ変化量と流量の相関関係を示したグラフ、図１１（ｂ）は、図９の実験における必要越流幅とｐＨ変化量との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  高アルカリ水処理装置
１２  フレーム
１４  トレイ
１６  上部トレイ
１８  下部トレイ
【図１】
0005314388.tif 000006
【図２】
0005314388.tif 000007
【図３】
0005314388.tif 000008
【図４】
0005314388.tif 000009
【図５】
0005314388.tif 000010
【図６】
0005314388.tif 000011
【図７】
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【図８】
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【図９】
0005314388.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
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