(57)【要約】一実施形態において反応ろ過方法は、フィルタ媒体（２２または７６）を流通する液体から汚染物質をろ過すると同時に、反応フィルタ媒体（２２または７６）を連続して再生することを含む。一実施形態において反応フィルタ媒体（２２または７６）を再生することは、金属粒とフィルタ媒体（２２または７６）とを混合し、その混合物を攪拌することから成る。他の実施形態では、反応フィルタ媒体（２２または７６）を再生することは、フィルタ媒体（２２または７６）を流通する液体に金属を導入し、フィルタ媒体（２２または７６）を攪拌することから成る。一実施形態では、リン、砒素または重金属を水から取り出す方法は、水中のリンまたは砒素に対して５対１から２００対１のモル比で水に鉄塩試薬を導入し、可動砂の層（２２または７６）内にその水を通すことを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応フィルタ媒体（２２又は７６）を連続的に再生すると同時に、前記フィルタ媒体（２２又は７６）を流れる流体から汚染物質をろ過することから成ることを特徴とする反応ろ過方法。
【請求項２】
前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を再生することは、金属粒を前記フィルタ媒体（２２又は７６）と混合し、混合物を撹拌することであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を再生することは、前記フィルタ媒体（２２又は７６）を流れる前記流体に金属塩試薬を導入し、前記フィルタ媒体（２２又は７６）を攪拌することであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記流体は廃水であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を再生することは、前記フィルタ媒体（２２又は７６）を流れる前記廃水中の金属を腐食させ、前記フィルタ媒体（２２又は７６）を攪拌することであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を再生することは、金属塩試薬の、前記廃水中の対象汚染物質に対するモル比が５対１から２００対１で、前記廃水に金属塩試薬を導入することであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
酸化鉄被膜砂層（２２又は７６）を連続的に再生すると同時に、前記砂層（２２又は７６）を流れる廃水から汚染物質をろ過することから成ることを特徴とする反応ろ過方法。
【請求項８】
前記砂層（２２又は７６）を再生することは、鉄粒と砂とを混合し、混合物を攪拌することであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記砂層（２２又は７６）を再生することは、前記砂層（２２又は７６）を流れる前記廃水に鉄塩試薬を導入し、前記砂を攪拌することであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記廃水に鉄を導入することは、前記廃水にＦｅ（ＩＩ）またはＦｅ（ＩＩＩ）の塩を導入することであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
移動中の砂（２２又は７６）と金属粒との混合物に廃水を通すことを特徴とする反応ろ過方法。
【請求項１２】
廃水に金属イオンを導入し、移動中の砂の層（２２又は７６）に前記廃水を通すことを特徴とする反応ろ過方法。
【請求項１３】
水からリン、砒素、セレニウム、または他の重金属を除去する方法であって、
金属塩試薬の、前記水中のリン、砒素、セレニウム、または他の重金属に対するモル比が、５対１から２００対１で前記水に金属塩試薬を導入すること、および
移動中の砂の層（２２又は７６）に前記水を通すことから成ることを特徴とする方法。
【請求項１４】
金属塩試薬の、前記水中の前記リンに対するモル比が、５対１から２００対１で前記水に金属塩試薬を導入することは、金属塩試薬の、前記水中の前記リンに対するモル比が５対１から４０対１で前記水に金属塩試薬を導入することであることを特徴とする請求項１３に記載のリンを除去する方法。
【請求項１５】
前記水に金属塩試薬を導入することは、塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄の、前記水中の前記リンに対するモル比が５対１から４０対１で前記水に塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄を導入することであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
金属塩試薬の、前記水中の前記砒素に対するモル比が５対１から２００対１で前記水に金属塩試薬を導入することは、金属塩試薬の、前記水中の前記砒素に対するモル比が１００対１から２００対１で前記水に金属塩試薬を導入することであることを特徴とする請求項１３に記載の砒素を除去する方法。
【請求項１７】
前記水に金属塩試薬を導入することは、塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄の、前記水中の前記リンに対するモル比が１００対１から２００対１で、前記水に塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄を導入することであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
試薬と溶存汚染物質との沈澱反応が少なくともほぼ完全に達成され、前記水に未反応試薬が残るように、廃水に金属塩試薬を十分な量および濃度で添加すること、
パイプ（５６）の曲がり（６６）内での乱流をより多く引き起こし、前記パイプ（５６）の直線部（６４）内での乱流を少なく引き起こすように構成された蛇行パイプ（５６）に前記廃水を流すこと、
前記蛇行パイプ（５６）内での固体、沈殿物、または粒子の堆積を防止するのに十分な流量を維持すると同時に、前記試薬と溶存汚染物質との沈澱反応が少なくともほぼ完全に達成されるように、前記蛇行パイプ（５６）内を流通する廃水の流速を制御すること、および、
可動するフィルタ媒体の層（２２又は７６）に前記廃水を流通させることから成り、
前記廃水中の未反応金属塩試薬は前記フィルタ媒体（２２又は７６）と反応して、前記廃水中に残っている溶存汚染物質を吸着するように、前記フィルタ媒体（２２又は７６）上に反応性酸化金属被膜または反応性水酸化金属被膜を生成することを特徴とする反応ろ過方法。
【請求項１９】
前記汚染物質はリン、砒素、セレニウム、または他の重金属であり、前記金属塩試薬は塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄であり、前記フィルタ媒体（２２又は７６）は砂であることを特徴とする請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記汚染物質はリンであり、移動中の砂の前記層（２２又は７６）に流入する前記廃水中の未反応の塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄は、５対１から４０対１という鉄対リンのモル比を示すことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記汚染物質は砒素であり、移動中の砂の前記層（２２又は７６）に流入する前記廃水中の未反応の塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄、または硫酸鉄は、１００対１から２０対１という鉄対リンのモル比を示すことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記汚染物質は砒素であり、金属塩試薬を添加する前に、前記廃水中の亜砒酸塩を砒酸塩に転換するよう前記廃水を酸化することをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
容器（７０）と、
前記容器（７０）内のろ過室（７４）と、
前記ろ過室（７４）内の反応フィルタ媒体（７６）と、
第１の入口（７２）であって、前記第１の入口（７２）を通って廃水が、前記ろ過室（７４）の下部へ圧送され、そして前記フィルタ媒体（７６）内の上方へ圧送される第１の入口（７２）と、
第２の入口（８９）であって、前記第２の入口（８９）を通って空気が前記ろ過室（７４）の下部へ圧送される第２の入口（８９）と、
再循環管（８６）であって、前記第２の入口（８９）に開口し、前記第２の入口（８９）から上方に垂直方向に延びることで、水とフィルタ媒体との空気を含んだ混合物が前記再循環管を上方に向かって流れる再循環管（８６）と、
前記再循環管（８６）を流れる、水とフィルタ媒体との空気を含んだ混合物から、前記フィルタ媒体（７６）を取り出すように構成された分離機（９０）と、
出口（８４）であって、前記出口（８４）を通して、ろ過された水が前記ろ過室（７４）から取り出される出口（８４）と
を備えることを特徴とするろ過装置。
【請求項２４】
前記反応フィルタ媒体（７６）は酸化鉄被膜砂から構成されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記反応フィルタ媒体（７６）は砂と鉄粒との混合物から構成されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記反応フィルタ媒体（７６）は、砂と、容量で１０パーセントから３０パーセントの鉄粒との混合物であることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記再循環管（８６）は、前記第２の入口（８９）から前記ろ過室（７４）の上端部に向かって垂直上方に延び、前記再循環管によって前記分離機を出たフィルタ媒体（７６）が前記ろ過室（７４）に戻ることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
反応フィルタ媒体（２２又は７６）を連続的に再生すると同時に前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を流れる流体から汚染物質をろ過する手段を備えることを特徴とするろ過装置。
【請求項２９】
前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を再生する手段は、腐食性金属を前記フィルタ媒体（２２又は７６）と混合する手段と、前記混合物を攪拌する手段とから成ることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記反応フィルタ媒体（２２又は７６）を再生する手段は、腐食性金属を前記フィルタ媒体（２２又は７６）を流れる流体に導入する手段と、前記フィルタ媒体（２２又は７６）を攪拌する手段とから成ることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
リンは、水中で溶存態のオルトリン酸塩、ポリリン酸塩、および合成有機リン化合物として存在する。都市廃水処理場の二次または三次処理水等、一般的なリン含有廃水には、主としてオルトリン酸塩およびポリリン酸塩の形態の溶存態分留のリン化合物、および懸濁態分留の微粒状リン含有固体が存在する。微量レベルの砒素がいくつかの飲料用水源において、また、廃水では高濃度で発見される場合がある。砒素は天然水中では、還元態の亜砒酸塩すなわちＡｓ（ＩＩＩ）、または酸化態の砒酸塩すなわちＡｓ（Ｖ）として存在し得る。
【０００２】
廃水からリン化合物、砒素、および他の汚染物質を除去するのに現在いくつかの方法が用いられている。マイクロ微粒状および他の固体汚染物質は一般的に、砂のような固体媒体を用いたろ過作用及び沈殿作用等により除去され、これにより水よりも濃度が高い固体汚染物質は沈殿する。溶解汚染物質は一般的に、凝集および収着により除去される。凝集では、金属塩溶液を廃水と混合して、汚染物質を溶液から析出させ、次いで、汚染物質はろ過または沈澱により除去される。収着では、汚染廃水は、廃水中に溶存した対象汚染物質と反応する、部分的に帯電したカチオン性境界層を有する固定ろ過媒体、一般的には酸化鉄被膜砂に通される。
【０００３】
従来の固定層式ろ過システムでは、ろ過媒体は、ろ過媒体の粒子間の間質空間が微粒状および固体汚染物質で飽和状態となるため、ろ過効率がすぐに下がるおそれがある。そのため、ろ過媒体を洗浄または交換せねばならないため、コストが高くなるとともに時間がかかることになる。さらに、ろ過媒体を洗浄または交換している間、ろ過プロセスを停止せねばならない。
【０００４】
可動層式ろ過装置は、ろ過媒体から微粒状および固体汚染物質を除去するとともに同時に水をろ過するプロセスを用いることにより、これらの限界を軽減しようとするものである。それでもなお、これらの可動層式ろ過装置は、廃水から溶存汚染物質を除去しないという不都合点を有する。
【０００５】
ベンジャミン他に付与の米国特許第５，３６９，０７２号は、廃水から固形汚染物質および溶存汚染物質の双方を除去するのに、固定層式または可動層式システムのいずれにおいてもろ過媒体として用いられる酸化鉄被膜砂を作製する方法を記載している。かかるろ過媒体を固定層式システムに用いる場合、固体汚染廃棄物を除去するのに定期的にろ過媒体を洗浄または交換せねばならないという不都合点が依然としてある。この媒体を可動層式システムで使用すればこれらの不都合点を克服することができるであろうが、どちらのシステムにもおける、記載されている酸化鉄被覆砂の使用に共通した不都合点を克服してない。すなわち、酸化鉄被膜砂の反応表面が吸着した汚染物質で飽和状態となるため、交換または再生される必要がある。ベンジャミンの提示では、特定の吸着表面から特定の汚染物質イオンを脱着することが知られているｐＨ範囲内の溶液で、飽和状態のろ過媒体を取り扱うことにより、吸着した汚染物質を脱着することができると述べている。したがって、固定層式または可動層式システムのいずれにおいても、ろ過媒体をｐＨ溶液で濯ぐことができるようにするために水のろ過を停止せねばならない。
【０００６】
環境問題およびより厳しくなっている政府規制により、多くの産業が、費用効果的であるとともに効率のよい水処理解決法を探究している。さらに、微量で存在すると考えられる汚染物質を水からろ過することができる必要性が認識されている。例えば、従来の凝集沈澱法の除去能力は、１０億分の５００よりも低い汚染レベルでは著しく低下する。しかしながら、科学研究により、１００億分の１０から２０よりも高い、水中で取り巻くリンレベルは、富栄養化をもたらす可能性があることが分かっている。米国環境保護庁（ＥＰＡ）は、流出物中のリンのより低い下限を要求している。現在、ＥＰＡによる全体リンの河口水基準値は０．１０ｍｇ／Ｌである。大量排出器は、その規制許可において許容されているレベルに下げられている。
【発明の開示】
【０００７】
本発明の実施形態は、汚染物質が比較的わずかな量で存在しているとしても、ろ過装置を通る流れを増大させることにより廃水から汚染物質をより効率的に除去するために開発された。本明細書および特許請求の範囲で用いられる「廃水」とは、処理される全ての水、すなわち必ずしも高汚染水ではなく、ほんの微量のリン、砒素、または他の汚染物質（単一または混合溶液中の有機物または無機物）しか含んでいなくてもよいことを意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の各種実施形態を実施するのに用いることができる可動層式粒子放射状ろ過システム１０を示す。図１を参照すると、廃水は、入口管１４を通って垂直方向に向いた円筒処理容器１２に流入する。容器１２は、フィルタ室１６、ステム１８、および拡張重力沈降室２０を備える。フィルタ室１６は、砂層２２、酸化鉄被膜砂、砂粒および鉄粒、および別の適したフィルタ媒体を備える。入口管１４はフィルタ室１６内へと下方に延びる。廃水は、入口管１４の穿孔下部２４に沿って砂２２内に排出される。処理水はフィルタ室１６から穿孔外周２６を通してスリーブ２８に流入し、出口管３０を通して容器１２から排出される。入口管１４の下部２４の穿孔およびフィルタ室１６の外周２６の穿孔は、砂が穿孔を通らないように必要に応じて選択される。
【０００９】
容器１２の比較的狭いステム１８は、フィルタ室１６と拡張室２０とを接続している。拡張室２０の底部付近にはスラッジ除去ポート３２が位置している。フィルタ室１６の底部から拡張管２０の上部にかけて再循環管３４が延びている。空気圧縮機３６が、フィルタ室１６の底部に位置する再循環管３４に空気を圧送して、空気、水、砂、および容器１２を介してろ過された粒子を反時計回りに移動させる。フラッパーバルブ等の逆流防止器３８により、再循環管３４内の物質が圧縮機３６に逆流することが防止される。必要または所望であれば、再循環管３４に付随した流れ制御弁３９、採取管４０、採取弁４２、および除掃口４３、ならびにステム１８のサイトガラス４４を設けることもできる。
【００１０】
運転中に、入口管１４からフィルタ室１６に供給された廃水は、放射状に砂２２を通ってスリーブ２８に流入し、処理水として出口管３０から流出する。砂２２は重力の影響下で次々に容器１２内を通って下方に移動する。空気が混入した使用済の砂と水との混合物がフィルタ室１６の底部から流れて、廃水から除去された汚染物質とともに再循環管３４から拡張室２０に向かって戻る。空気が拡張室２０の上部の雰囲気に晒されて、システムの加圧が防止される。砂２２の圧力水頭は、拡張室２０に戻る使用済みの砂粒子から汚染物質を濯ぎ落とすために処理水の一部がフィルタ室１６からステム１８を上方に移動して拡張室２０に流入するよう維持される。この時点で砂よりは密集していない汚染物質を、高い濃度で保有しているこの濯ぎ水は、室２２から移動してスラッジ除去ポート３２を通して流出する。好適な一運転では、ろ過のための砂層の頂部はフィルタ室１６の高さの４分の３である。拡張室２０および幅狭ステム１８は、初めに砂２２の底部に移動してから、管３４を介して拡張室２０内に存在する水中に再循環されたろ過された粒子を含有する、砂と水との希釈混合物を収容している。入口管１４、出口３０および３２、ならびに再循環管３４における水流はバランスが保たれ、汚染物質を保有する入水の理想的な５〜１０％が、スラッジ除去ポート３２から排出される。
【００１１】
図１のシステムは、酸化鉄被膜砂層を連続的に再生するとともに同時に廃水の流入流れから汚染物質をろ過するプロセスを実施するのに用いられる。このプロセスでは、ろ過作用および吸着作用することにより汚染物質を除去する反応ろ過媒体を作製し、使用する。反応ろ過媒体は、吸着作用等、化学プロセスにより廃水から汚染物質を除去するさらなる能力を有する任意のろ過媒体である。反応ろ過媒体である酸化鉄被膜砂層が水から汚染物質を取り分け、砂粒の反応表面が水から汚染物質を吸着する。一実施形態では、砂層２２中において体積で１０〜３０％の割合の金属鉄粒が、腐食性金属鉄の固体相反応表面と、フィルタ層の砂と反応して反応酸化鉄被膜砂を生成するＦｅ（ＩＩ）およびＦｅ（ＩＩＩ）の塩等、溶存鉄の供給源を提供する。金属鉄と砂との混合物の水溶液の強い還元性は、汚染水中に溶存している有機溶剤の還元劣化等の化学反応に有用である。標準水素電極に対するマイナス２００ｍＶよりも低い還元ポテンシャルは、鉄対砂が３０％の混合物で観察される。
【００１２】
代替的な一実施形態では、フィルタ媒体上に反応表面を形成することが可能な試薬の、対象汚染物質に対するモル比が５対１〜２００対１等で、フィルタ媒体上に反応表面を形成することが可能な試薬が廃水の流入流れに添加される。亜鉛および銅等の他の金属またはマンガン、アルミニウムの可溶種類が適する試薬を提供すると考えられるが、様々な汚染物質との反応性が立証されているとともに水処理において現在広範に使用されていることにより、通常鉄が試薬として用いられる。リンまたは砒素が対象汚染物質である場合は、例えば塩化第二鉄が好適な試薬である。任意の処理すべき対象廃水では、添加された活性試薬のための代替の競合的反応経路が存在する。これらの経路は、廃水中の特定の水化学に起因するであろう。例えば、高レベルの溶存炭酸塩または溶存態リン酸塩を有する廃水は、砒素等の対象汚染物質と競合的な添加された鉄塩と反応することができる。フィールド試験では、Ｆｅ（ＩＩＩ）の砒素水に対するモル比は、１００対１を超えるものであった。これらの試験では、飲料用水源における砒素の注入口濃度は、パイロットスケールの動作で１分あたり１０ガロンの比率で処理し、約１０億分の４０から１０億分の５未満に減少する。しかしながら、他の水タイプは、代替的で競合的な反応経路が少ないであろう。フィールド試験により、十分に超過の試薬が砂の反応表面に送達されて酸化鉄被膜砂を形成することを確実にするために、任意の個々の処理環境の最適なモル比を求めることが好ましい。試薬のバランスをとることにおけるさらなる考慮は、試薬の添加を最小限にするよう努めることに向けられ、プロセス流出物が溶存鉄または他の試薬で過度に高くなってさらなる処理または排出の問題を生じさせないことを確実にする。また、余剰な試薬の消費により、プロセスの動作コストが不所望に高くなる。
【００１３】
溶解されたリンおよび懸濁したリンを除去する際、フィールド試験により、このプロセスにおいて首尾のよい高流量で、低濃度の除去が５対１から４０対１の鉄対リンのモル比で起こることが示されている。実際の試薬用量は、全ての競合する反応経路での、ほぼ完全な溶液反応及び浸透を確実にし、溶液中の残留鉄が砂層と反応することができるように最適化されることが好ましい。いくつかのリン汚染試験廃水では、適正な条件バランスを最適化することにより、８対１でリンに対する鉄の好適な比が得られる。この例では塩化第二鉄である金属塩試薬は、砂の表面と反応して酸化鉄被膜砂（ＩＯＣＳ）を形成する。ＩＯＣＳは、リンおよび砒素等の水中汚染物質のための静止相除去経路を提供する。廃水中の汚染物質は、高効率吸着及びイオン交換除去のための「静止」（ゆっくりと可動している）ＩＯＣＳ層上に「可動」相として晒される。可動砂の物理的作用は、砂粒の表面を磨耗し、鉄塩と水汚染物質のさらなる反応のために活性部位を再生することである。したがって、汚染物質の結合のために再生された反応部位は、連続的に流水に晒される。磨耗された砂，鉄の混入物質固体は、砂層のろ過作用の洗浄により除去される。処理水は、汚染物質が実質的に除去された状態で砂ろ過層を出て、排出または処理後のプロセスに備える。
【００１４】
収着とは、溶液から不飽和溶質を鉱物上に取り出すことである。収着質とは、溶液から取り出された種であり、収着媒とは、溶液種が吸着される固体である。吸着には３つのタイプがある；水和した種として鉱物表面に溶質が保持される吸着、溶質が表面で鉱物構造へ取り込まれる吸収、イオンが収着媒上に、先に存在している同様の帯電イオンと換わることにより表面に収着するようになるイオン交換がある。表面電荷を獲得し固定した砂中のケイ酸塩等の鉱物表面は、ｐＨなどの水質及び砂の表面の電荷と複合するイオン塩などの溶解した溶質によって修正される。固定された表面電荷、鉱物の特性、および水の特性であるｐＨに起因して、鉱物表面は正味のゼロ陽子電荷の点（ＰＺＮＰＣ）を生み出す。ＰＺＮＰＣは、組織表面電荷がゼロの点でのｐＨである。ＰＺＮＰＣよりも低いｐＨでは正味の表面電荷は正であり、ＰＺＮＰＣよりも高いｐＨでは正味の表面電荷は負である。これらの表面電荷により、溶液からそれぞれ逆荷電のアニオンまたはカチオンを引き付けさせることができる。正に帯電したＦｅ（ＩＩＩ）等の多量の溶存成分は、表面が全体的に正に帯電するようになり、このことによって、リンおよび砒素等のアニオンが引き付けられるようになる程度まで、砂中のケイ酸塩などの負に帯電した表面に引き付けられる。シリカすなわちＳｉＯ2はＰＺＮＰＣが２と低いが、オキシ水酸化鉄すなわちα−ＦｅＯＯＨはＰＺＮＰＣが７．８であり、水酸化鉄すなわちＦｅ（ＯＨ）3はＰＺＮＰＣが８．５である。砂表面に形成する酸化鉄の量が増えると、砂粒のＰＺＮＰＣが増えるため、正味の表面電荷が正となり、よって、約６〜８の高ｐＨレベルでリン酸塩および砒酸塩等のアニオンが引き付けられる。飲料用水および廃水を含め、たいていの環境水は、これらの範囲内の中立的なｐＨレベルで存在する。したがって、砂に対する酸化鉄の選択を加えることにより、有用な収着媒が形成される。
【００１５】
図１に示すような可動砂層式システムでは、凝集された汚染物質は、その時点ではろ過可能な固体廃物の形態にあり、拡張室１８での連続的な濯ぎを経てスラッジ除去ポート３２を介してシステムから除去される。この連続的な濯ぎおよび廃物除去プロセスは、飲料用水中の砒素等の危険物質の場合に特に重要である。通常は流入流水の５〜１０％である濯ぎ，廃水流れは、リサイクルされ、浄化作用または沈殿作用による懸濁固体の分離に続く、プロセスに戻される。粒子状ろ過物が砂上および砂中に残ったままである固定層式システムでは、凝集した汚染廃物を除去するのに砂層を定期的に洗浄または交換する。
【００１６】
図２は、廃水が金属塩試薬で前処理される、本発明の一実施形態により構成された新規の可動層式ろ過システム５０を示す。図２を参照すると、ろ過システム５０は、前反応器システム５２および反応ろ過システム５４を備える。廃水は、入口管５８および流量制御弁６０を介して前反応器５２の蛇行配管５６に圧送される。金属塩または他の適した試薬は、入口管５８のすぐ下流にある試薬入口ポート６２から蛇行配管５６に導入される。好ましくは、蛇行配管５６は、入口管５８に比して配管５６内の流れを遅くするように入口管５８よりも実質的に大きい。流れが低速であることにより、試薬が廃水と混合して廃水中の汚染物質と反応するのに利用可能な時間が増える。廃水流は、小さい入口管５８から大きい蛇行配管５６にかけての移行部付近でより乱れた流れとなる。この乱流に試薬を導入することは混合に役立つ。
【００１７】
廃水と試薬との混合流は、蛇行配管５６の直線部６４および緩やかな湾曲部６６を流通する。廃水と試薬との混合流は、この混合流を反応フィルタシステム５４へ送る出口管６８へ入る蛇行配管５６を出る。十分な量及び濃度を提供した前述の過量取り込みにより、（１）前反応器システム５２における試薬と溶存汚染物質との同時沈澱および凝集反応を可能にし、均衡および拡散が更なる反応を限定するプロセスを限定するレベル弱くする完全な状態に近づくことができ、（２）競合反応性経路を試薬とともに天然水で飽和させることができ、かつ、（３）反応フィルタシステム５４におけるフィルタ媒体を活性化するのに十分に余剰な試薬を混合物に残すことができる。余剰な試薬の量は、作用溶液の反応能力、および酸化鉄被膜砂の連続形成のために砂ろ過層に余剰な試薬を送達する要望によって決まる。
【００１８】
蛇行配管５６内の流れを比較的低速にすることにより、沈澱物のより良好な凝集が可能となる。直線部６４により、乱流が少なくなり凝集を高めることが可能となる。周期的な緩やかな湾曲部６６が、さらなる乱流を導入するとともに維持することで、流れの渦を導入して、周期的に流れ溶液を混合する。好ましくは、蛇行混合配列により、２〜８分間の流れ速度の減少が可能となり、十分な予反応時間が可能となる。配列の設計では、予備処理アセンブリにおいて沈澱固体が堆積するのを防ぐのに十分な流量を維持することを考慮する必要がある。たいていの用途での蛇行配管５６の実際の長さおよび直径は、所要の反応時間（通常は１〜５分）と、所要の流速と、部位の配備場所に利用できるスペースと、および処理水中の競合的な反応の存在とを最大限利用することに起因する。
【００１９】
前処理された廃水は、入口管７２を通って垂直方向に向いた反応性ろ過システム５４の円筒処理容器７０に流入する。入口管７２は、容器７０の中央に位置する。容器７０は、砂層７６または別の適したフィルタ媒体を収容しているフィルタ室７４を備える。入口管７２は、廃水を穿孔マニホルド７８を通して砂層７６の下部に排出するようにフィルタ室７４に向かって下方に延びている。フィルタ室７４に圧送された廃水は、完全に水が処理されると、砂７６内を上がって、フィルタ室７４の上部付近のバッフル８０を越して、ベースン８２に入り、出口管８４を介して容器７０から取り出される。
【００２０】
フィルタ室７４の底部から頂部にかけて容器７０の中央に再循環管８６が延びている。入口管７２は再循環管８６の中央から下方に向かって延びている。入口流排出マニホルド７８は、再循環管８６の開口から外側に延びている。空気圧縮機８８が、空気入口管８９を介して容器７０の底部の使用済みの砂および水に空気を圧送する。使用済みの砂と水との空気を含んだ混合物は、廃水から除去された汚染物質とともに再循環管８６を通って砂および粒子，水の分離機９０へ向かって上方に進む。分離機９０は概して、例えば、物理的分離、重力分離、粒径分離、磁気分離、膜分離、またはサイクロン分離を用いることができる任意の適した分離装置を表す。分離機９０によって混合物から取り出された砂は、再循環でフィルタ室７４に戻る。この時点で、高汚染の廃水がスラッジ除去ポート９４から取り出される。砂７６は、重力の影響下で容器７０内を連続的に下方に移動する。
【００２１】
リンは、水中および廃水中で溶存態のオルトリン酸塩、ポリリン酸塩、および合成有機リン化合物として存在する。都市廃水処理場の二次または三次処理水等、一般的なリン含有廃水には、主としてオルトリン酸塩（ＰＯ43-）およびポリリン酸塩の溶解粒が、また、リン含有固体の浮遊粒またはミクロ粒子の溶解粒が存在する。微量レベルの砒素がいくつかの飲料用水源において発見される場合があり、また、廃水では高濃度で発見される場合がある。砒素は、天然水中では還元態の亜砒酸塩、すなわちＡｓ（ＩＩＩ）または酸化砒酸塩，Ａｓ（Ｖ）の形態で存在する。砒酸塩は、鉄塩およびアルミニウム塩と反応して不溶性化合物を生成する。亜砒酸塩汚染物質を有する水が塩素等の酸化剤で処理され、反応金属塩とのさらなる反応が可能となる。通常、塩化第二鉄または硫酸塩が金属塩試薬として用いられ、水からリンおよび砒素が除去されるが、他の塩および鉄の化合物が用いられてもよい。
【００２２】
上述したシステムでは、余剰な鉄イオンが、廃水中の溶液の粒子状Ｆｅ−ＡｓまたはＦｅ−Ｐ固体及び余剰Ａｓ又はＰとともに砂層７６へ入る。鉄イオンは砂表面と反応して、酸化鉄被膜砂（ＩＯＣＳ）を形成する。ＩＯＣＳは、溶液から溶液に残留しているＡｓ，Ｐを収着する。可動砂の物理作用によって、砂粒の表面が磨耗され、さらなるＩＯＣＳの形成およびＦｅ−ＡｓまたはＦｅ−Ｐの反応のために活性部位が補給される。したがって、砂表面の微小侵食により、ＡｓやＰの結合のための新たな反応部位が、流水に連続的に提供されることとなる。
【００２３】
リンの場合、塩化第二鉄の、廃水中のリンに対するモル比が５対１〜４０対１の好適なモル比で塩化第二鉄が添加される。前反応器システムにより、前反応が可能となり、砂層反応フィルタシステムにおけるろ過を受けやすいＦｅＰＯ4等の金属リン酸塩、藍鉄鋼、およびヒューミック−フルビック有機リン固体が生成される。藍鉄鋼は、鉄カチオンおよびリン酸塩の溶液中で迅速に形成される、熱力学的に非常に安定した化合物である。余剰な鉄塩試薬は、未反応のまま砂層に通され、砂層にて砂の表面に結合して鉄被膜砂、すなわちリン酸塩とポリリン酸塩との反応表面を形成する。金属カチオンは、固体砂表面上のケイ酸塩および他の負に帯電した基と選択的に結合する。この結合により、鉄被膜砂表面上に部分的に帯電したカチオン性境界層が得られ、この境界層は可溶性オルトリン酸塩およびポリリン酸塩と反応する。このプロセスの希釈溶液反応経路では拡散プロセスがほぼ排除されるため、このプロセスの可動相（処理水）および静止相（鉄被膜砂）の構成により、リンをほぼ定量的に除去することができる。試験により、このプロセスでは、９９％を上回る効率で検出限界（１０億分の１）未満まで、オルトリン酸塩を除去することができ、かつ、最初の濃度から９０％を上回る効率でリン全体を１０億分の４０未満になるまで除去することができる。
【００２４】
上述したプロセスでは、資源保全回収法（RCRA 42 U.S.C. s/s 6901 et seq.）により指示された毒特性浸出処置法（ＴＣＬＰ）により非危険物に分類されているとともに埋立地に堆積させることができる砒酸鉄固体、および低級徐放性肥料として農業用途に使用することができる硫酸鉄固体を生成することが示されている。
【００２５】
反応フィルタ媒体は、反応性酸化鉄層を連続的に新しくする助けとなる可動層で展開される。可動は、例えば、流体流を用いて層を流動化または移動させることにより、オーガーまたは混合棒等の機械的作用により、超音波を用いる等の音波作用、または圧縮空気を用いる物理的輸送により得られる。
【００２６】
他の実施形態も可能である。例えば、フィルタ媒体は、溶存鉄と反応して反応性酸化表面を形成することができる任意の天然または合成、有機または無機の基体とすることができる。フィルタ媒体の粒径は、ろ過および所望の流量のレベルに適した寸法である。以下に挙げる無機物質：砂、シリカビーズまたはシリカ粒、高ケイ酸ガラス、ガラスビーズ、ガラス砂、ゼオライト、鉱物砂（例えばオリビン）、ヘマタイト、ゲーサイト、珪藻土、オキシ水酸化鉄粒、酸化鉄粒、セラミックビーズまたは顆粒、金属鉄粒またはビーズ、金属鉄被膜ビーズまたは顆粒、および合成または天然の鉄被膜砂が好適なろ過媒体を提供することが予想される。以下に挙げる有機物質：ポリスチレンビーズ、ポリエチレンビーズ、変性カチオン性表面ポリマービーズ、変性アニオン性表面ポリマービーズ、混合または純ポリマービーズまたは顆粒、およびポリマー被膜無機ビーズまたは顆粒が好適なろ過媒体を提供することが予想される。これらの物質のいくつかは、塩化第二鉄溶液等の活性試薬を添加することにより維持または補足することができる自然に生じる反応部位を有する。砂の既知のろ過特性、その低コストでの使用、その水処理の通常用途、酸化鉄被膜砂を形成するように係合する内球および外球酸化金属のためのその天然反応性ケイ酸塩表面、およびその磨耗特性により、砂は可動層プロセスでは活性ろ過媒体の好適な実施形態である。
【００２７】
好適なろ過媒体としては、腐食金属鉄粒または鉄化合物を結合する能力を有するイオン交換樹脂が挙げられる。腐食金属鉄粒により、水中の微量の塩素系溶剤を除去するのに用いることができる還元プロセスが可能となる。試験により、図１のシステムで展開された鉄−砂層の容量３０パーセントは、標準水素電極に対してマイナス２００ｍＶの溶液酸化還元ポテンシャルを有することが示されている。鉄粒または鉄粒と砂との静止層の通常の配置では、反応性金属鉄表面の多孔の損失または表面安定化処理の影響を受ける。可動層配置の移動により、金属鉄表面およびその関連した化学反応部位の連続的なリフレッシュ、並びに、ろ過能力の維持が可能となる。最初に１０億分の２〜１０億分の３のリンを含有していた汚染廃水からリンを除去するにあたり９８％の効率が示された。
【００２８】
環境によっては、例えば砒素を除去する場合、亜砒酸塩をイオン反応性砒酸塩に転換するよう廃水を予め酸化させることが望ましいであろう。天然溶液中の範囲内で中立的なｐＨの亜砒酸塩は非イオン性であるため、通常、ほとんどの処理設備では反応しない。予め酸化させることは、塩素化、超音波処理、オゾン処理等の従来の水酸化処理を用いて行うことができる。予め酸化させる作業は、完全な水処理プロセス列の一部とすることができ、ろ過、空気混和、化学処理、凝集、浄化、および飲料用水の通常の処理および除菌に必要とされる他の作業等、他の従来の廃水処理プロセスの前または後に行われる。
【００２９】
本発明を上記の例示的な実施形態を参照して示し説明してきた。しかしながら、添付の特許請求項に定義された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の形態、詳細、および実施形態がなされ得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の各種実施形態の実施のために用いられる移動層式粒子ろ過システムを示す図である。
【図２】図２は、廃水が試薬により前処理される、本発明の一実施形態に従って構成された移動層式ろ過システムを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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