(57)【要約】【課題】特別な設備を必要とすることなく、安価にかつ効果的にろ過によるＣＯＤ除去処理を行う。【解決手段】移床式上向流砂ろ過装置２において、金属類を担持させたろ過砂を用いる。原水は原水分散装置９から上向きに流れ、ろ過層６を通過するうちにろ過され、処理水となり、ろ過砂はろ過層６を徐々に上から下に流れる。ろ過砂が原水分離装置９よりも下に存在する間に、ろ過砂に吸着されたＣＯＤ成分が、速度は遅いながらも生物分解を受け、かつ逆洗排水を混入することによって難分解性のＣＯＤを分解可能な微生物群が形成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろ過槽内に充填したろ過砂に原水を通過させてろ過処理を行う砂ろ過装置において、
前記ろ過砂として、金属類を担持させたろ過砂を用いることにより、溶解性ＣＯＤを除去するようにしたことを特徴とする砂ろ過装置。
【請求項２】
前記砂ろ過装置は、ろ過槽の下部から供給された原水が上向流となってろ過砂を通過して処理水となる移床式上向流砂ろ過装置である請求項１に記載の砂ろ過装置。
【請求項３】
前記砂ろ過装置から排出される逆洗排水が原水に混入される請求項２に記載の砂ろ過装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の砂ろ過装置に用いるろ過砂の製造方法であって、
金属硝酸塩を硝酸溶液に溶解させ、ｐＨを調整する工程と、溶液中に未処理のろ過砂を投入した後、ＮａＯＨを添加してｐＨを再調整する工程と、溶液を撹拌し、その後に遠心分離する工程と、遠心分離により得られた固体分を純水で洗浄し、その後に乾燥させる工程を経ることにより、金属類を担持させたろ過砂を得ることを特徴とするろ過砂の製造方法。
【請求項５】
前記純水による洗浄は、上澄み液の電気伝導度が１０００μＳ／ｃｍ以下になるまで行われる請求項４に記載のろ過砂の製造方法。
【請求項６】
前記金属硝酸塩は、硝酸鉄又は硝酸アルミニウムである請求項４又は５に記載のろ過砂の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃水等の被処理水中のＣＯＤを低減させることのできる砂ろ過装置とそれに用いるろ過砂の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、下水道の整備にしたがって、公共用水域の水質汚濁は改善されてきている。しかし、閉鎖性水域（東京湾や伊勢湾、瀬戸内海、あるいは琵琶湖などの湖沼）でのＣＯＤ濃度は一向に低下していない。これは、窒素、リンなどの栄養塩類の除去が必要なこともあるが、処理水中に通常の水処理では分解できないＣＯＤが残留することも大きな一因である。なお、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）という用語は水質汚濁の指標であるが、以下の説明において、処理水中に含まれる有機物などの物質の意味で用いることもある。
【０００３】
従来、ＣＯＤを除去する技術としては、凝集沈殿による方法、オゾン処理による方法、生物活性炭による方法などが知られている。また、ろ過を行う担体に生物膜を付着させてＣＯＤなどの除去を行う生物膜ろ過の技術もある（特許文献１，２）。更に、オゾン処理と生物膜ろ過とを組み合わせた技術も提案されている（特許文献３，非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３７２１９号公報
【特許文献２】特開平１１−１２８９６８号公報
【特許文献３】特開平９−２９２８５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】曽根啓一ほか、「オゾンと分離膜を組み合わせた下水再生水製造システム」、衛生工学シンポジウム論文集、２００１年１１月１日、Ｐ．２２０−２２４
【０００６】
しかしながら、凝集沈殿による方法では、薬剤費が高価であり、また、オゾン処理、生物活性炭による方法では、設備費及びランニングコストが高価であり、これが導入する際のネックになっている。また、生物膜ろ過による方法では、生物膜の蓄積による性能低下の防止に留意する必要があるなど、維持管理が複雑であり、またその効果が低いという問題点がある。
このようなことから安価でＣＯＤ除去が行えるシステムの構築が望まれているところである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、特別な設備を必要とすることなく、安価にかつ効果的にろ過によるＣＯＤ除去処理を実現することのできる砂ろ過装置を提供し、併せてその砂ろ過装置に用いるろ過砂の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、第１発明による砂ろ過装置は、
ろ過槽内に充填したろ過砂に原水を通過させてろ過処理を行う砂ろ過装置において、
前記ろ過砂として、金属類を担持させたろ過砂を用いることにより、溶解性ＣＯＤを除去するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記砂ろ過装置は、ろ過槽の下部から供給された原水が上向流となってろ過砂を通過して処理水となる移床式上向流砂ろ過装置であるのが好ましい（第２発明）。
【００１０】
第２発明において、前記砂ろ過装置から排出される逆洗排水が原水に混入されるのが好ましい（第３発明）。
【００１１】
また、第４発明によるろ過砂の製造方法は、
前記第１発明〜第３発明のいずれかの砂ろ過装置に用いるろ過砂の製造方法であって、
金属硝酸塩を硝酸溶液に溶解させ、ｐＨを調整する工程と、溶液中に未処理のろ過砂を投入した後、ＮａＯＨを添加してｐＨを再調整する工程と、溶液を撹拌し、その後に遠心分離する工程と、遠心分離により得られた固体分を純水で洗浄し、その後に乾燥させる工程を経ることにより、金属類を担持させたろ過砂を得ることを特徴とするものである。
【００１２】
前記第４発明において、前記純水による洗浄は、上澄み液の電気伝導度が１０００μＳ／ｃｍ以下になるまで行われるのが好ましい（第５発明）。
【００１３】
ここで、前記金属硝酸塩は、硝酸鉄又は硝酸アルミニウムであるのが良い（第６発明）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ろ過砂が金属類を担持しているので、ろ過砂の表面を正電荷に帯電させることができる。一方、水中に溶存している有機物のうち、特に下水処理水に含有されるフミン質などの有機物は負電荷に帯電していることが多いため、正電荷に帯電されたろ過砂のＣＯＤ吸着能力が飛躍的に大きくなり、ＣＯＤの吸着除去効果が維持できるようになる。したがって、これまで不可能であった溶解性のＣＯＤ除去をろ過と同時に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るろ過砂の製造方法を示すフロー図
【図２】本発明の他の実施形態に係るろ過砂の製造方法を示すフロー図
【図３】実施例１及び比較例１の吸着テストを行った系の模式図
【図４】実施例１及び比較例１の吸着テスト結果を示すグラフ
【図５】実施例２及び比較例２の移床式上向流砂ろ過装置の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明による砂ろ過装置とそれに用いるろ過砂の製造方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
本発明は、ろ過砂の表面に金属を担持させてその表面を正電荷に帯電させることにより、負電荷に帯電したＣＯＤを吸着する能力が飛躍的に向上するという知見に基づくものである。なお、ろ過砂によるＣＯＤの吸着は、処理を継続するうちに破過に至るが、吸着固定されている間に徐々に生物分解を受け、継続的な除去が可能である。
【００１８】
ろ過砂に担持させる金属としては、陽イオンとなるものであれば特に限定されないが、アルカリ土類金属をはじめとする典型金属や、遷移金属が好ましい。中でも、鉄やマンガン、アルミニウムが好ましい。
【００１９】
図１、図２には、金属担持砂（ろ過砂）の製造方法を表すフロー図が例示されている。図１は、鉄を担持させる場合、図２は、アルミニウムを担持させる場合の例である。
【００２０】
＜ろ過砂の表面に鉄を担持させる方法について（図１）＞
Ｓ１：硝酸鉄の水和物（Ｆｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ）２５．２５ｇを秤量する。
Ｓ２：秤量した上記硝酸鉄の水和物を０．１規定（Ｎ）の硝酸（ＨＮＯ３）に溶解し、ＭＱ水（超純水）で１０Ｌにメスアップする。なお、この溶液は、無色でｐＨ＝１．０である。
Ｓ３：溶液中に市販のろ過砂を投入する。
Ｓ４：１規定（Ｎ）の硝酸（ＨＮＯ３）でｐＨ＝２．５に再調整し、１時間放置した砂の入った液に５規定（Ｎ）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）をｐＨ＝３．０になるまで添加する。なお、この溶液は、色がイエローブラウンに変化する。
Ｓ５：溶液を撹拌しながら、１規定（Ｎ）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）でｐＨ＝８．０になるまで滴下する。
Ｓ６：３時間撹拌を続け、１規定（Ｎ）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）でｐＨ＝８．０に再調整する。このとき、溶液の色はブラウンになる。
Ｓ７：２４時間暗所で撹拌し、７０００ｇで１５分遠心分離する。
Ｓ８〜Ｓ９：遠心分離により得られた固体分をＭＱ水で洗浄する。この洗浄を、溶液の上澄み液の電気伝導度が１０００μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンス）以下になるまで行う。
Ｓ１０：上澄み液が所定の電気伝導度になると、乾燥させ、暗所で保存する。
【００２１】
＜ろ過砂の表面にアルミニウムを担持させる方法について（図２）＞
Ｔ１：硝酸アルミニウムの水和物（Ａｌ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ）７．５０ｇを秤量する。
Ｔ２：秤量した上記硝酸アルミニウムの水和物を０．１規定（Ｎ）の硝酸（ＨＮＯ３）に溶解し、ＭＱ水（超純水）で１０Ｌにメスアップする。
Ｔ３：溶液中に、ケイ酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３・９Ｈ２Ｏ）５．６８４ｇを添加する。なお、この溶液はｐＨ＝３．０である。
Ｔ４：溶液中に市販のろ過砂を投入する。
Ｔ５：１規定（Ｎ）の硝酸（ＨＮＯ３）でｐＨ＝２．５に再調整し、１時間放置した砂の入った液に１規定（Ｎ）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）をｐＨ＝７．０になるまで滴下する。なお、この溶液は、ｐＨ＝４．５で濁度が初めて確認され、ｐＨ＝７．０で相当白濁する。
Ｔ６：２４時間撹拌を続けると、ｐＨ＝６．５に落ち着くので、１規定（Ｎ）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）でｐＨ＝７．０に再調整する。
Ｔ７：１ヶ月撹拌（１０分／２４時間）を続け、７０００ｇで１５分遠心分離する。
Ｔ８〜Ｔ９：遠心分離により得られた固体分をＭＱ水で洗浄する。この洗浄を、溶液の上澄み液の電気伝導度が１０００μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンス）以下になるまで行う。
Ｔ１０：上澄み液が所定の電気伝導度になると、乾燥させ、暗所で保存する。
【００２２】
なお、上述のステップＳ１０，Ｔ１０において、乾燥、暗所保存するのは、保管中の変質を防止することを目的としたものである。乾燥方法としては、熱風による乾燥は調質した砂が変質するため不適であり、凍結乾燥や室温での通気乾燥が好ましい。また、長期保管する場合は、乾燥状態を保持（例えば少量であればデシケータ内で、大量であれば乾燥室内で保管）することが好ましい。
【００２３】
＜実施例１、比較例１＞
次に、図１に示されるようにして鉄を担持させたろ過砂の効果を確認するために、市販のフミン酸ナトリウムを溶解させた水を原水とし、図３に示されるようにカラム１にろ過砂を充填した状態で原水に接触させることによる吸着テストを実施した。このとき用いた砂は、有効径１．０ｍｍ、均等係数１．４以下のろ過砂である。実施例１としては、上記ろ過砂に鉄を担持させたものを使用し、比較例１としては、市販のろ過砂をそのまま使用した。そして、原水を連続的にカラム１に流入させ、原水及び処理水のＣＯＤ濃度を測定することにより評価を行った。なお、ろ層の逆洗浄は実施しなかった。
【００２４】
上記吸着テストの結果が図４に示されている。図４から明らかなように、比較例１では、原水濃度と処理水濃度との比率がほぼ１であり、ＣＯＤ濃度に変化が見られないのに対し、実施例１ではＣＯＤ吸着能力が格段に改善されていることがわかる。この結果、ろ過砂に鉄などの金属類を担持させることによって、ろ過砂のＣＯＤ吸着能力を大幅に高めることができることが明らかとなった。したがって、このようなろ過砂を用いた砂ろ過装置は、ろ過層によるろ過と併せて、溶解性のＣＯＤ成分の除去が可能になることが明らかである。
【００２５】
＜実施例２、比較例２＞
実施例２として、図５に示されるような移床式上向流砂ろ過装置２のろ過層６に上述の鉄を担持させたろ過砂を充填し、下水二次処理水を対象として連続運転を実施した。その際、砂ろ過装置２の逆洗排水を原水の１０％混入させて原水流入管７から供給した。この結果、溶解性ＣＯＤ除去率は約４０％であることが確認された。一方、比較例２としては、上記移床式上向流砂ろ過装置２に市販のろ過砂を充填し、下水二次処理水を対象として連続運転を実施した。この結果、溶解性ＣＯＤは除去できなかった。
【００２６】
ここで、この移床式上向流砂ろ過装置２は、筒状部３の下部が逆コーン状の底部４とされた容器５内にろ過砂が充填されてろ過層（砂層）６が形成されるよう構成されている。原水は原水流入管７からガイドパイプ８および原水分散装置９を介してろ過層６の下部に供給される。原水分散装置９は、複数本（４〜８本）の下面が開放されたパイプである。こうして、原水は原水分散装置９の下部より流出し、ろ過層６を上部へと流れる間にろ過層６によりろ過され、ろ過後の処理水は上部からオーバーフローされて集水トラフ１０に流れ、次のプロセスへと送られる。一方、容器５下部にはエアリフト管１１が挿入されており、このエアリフト管１１に空気を吹き込むことにより、内部の空気＋砂＋原水の比重と、周囲の砂＋水の比重差による循環力の発生により、汚れた砂と原水がエアリフト管１１内部を上昇する。この上昇中に、砂は空気と水とにより撹拌洗浄される。上昇した空気と砂と水は分離器１２で分離され、砂はサンドウォッシャー１３でろ過水と対向流で洗浄され、再びろ過層６へ戻される。水は、洗浄排水となりオリフィスプレート（孔のあいた板）１４の孔を通り洗浄排水管１５に流れる。
【００２７】
この移床式上向流砂ろ過装置２において、原水は原水分散装置９から上向きに流れ、ろ過層６を通過するうちにろ過され、処理水となる。一方、ろ過砂はろ過層６を徐々に上から下に流れ、原水分離装置９より下方部分はろ過に寄与していない時間となる。実施例２で、実施例１よりもＣＯＤ除去効果が大きく向上したのは、ろ過砂が原水分離装置９よりも下に存在する間に、ろ過砂に吸着されたＣＯＤ成分が、速度は遅いながらも生物分解を受け、かつ逆洗排水を混入することによって難分解性のＣＯＤを分解可能な微生物群が形成されたためと考えられる。したがって、移床式上向流砂ろ過装置は、ＣＯＤを除去するろ過に適した装置であると言える。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明では、安価にかつ効果的に溶解性のＣＯＤ除去をろ過と同時に行うことができるため、産業上の利用効果が大である。
【符号の説明】
【００２９】
１    カラム
２    移床式上向流砂ろ過装置
６    ろ過層（砂層）
７    原水流入管
９    原水分散装置
１０    集水トラフ
１１    エアリフト管
１２    分離器
１３    サンドウォッシャー
１５    洗浄排水管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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