(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムイオンを含む原水の導入口を有し、該導入口の上方には処理水の取出口を有する晶析反応塔を備えたカルシウム除去装置において、
前記晶析反応塔は、下部に前記導入口が設けられた反応部と、前記導入口の下方に位置し、かつ前記反応部よりも縮径している分級部と、更に前記分級部の下方に位置する貯留部とから成り、
前記反応部と前記貯留部とはバルブで仕切られており、
前記反応部の下部で、かつ前記分級部の上部の位置にアルカリ剤の供給配管が接続され、
前記反応部の上部と前記分級部の下部との間には、循環配管が設けられて、前記処理水を循環させる循環手段が形成されていることを特徴とするカルシウム除去装置。
【請求項２】
前記分級部の水平方向の断面積は、前記導入口より上方における前記反応部の水平方向の断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載のカルシウム除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地下水、海水、又はゴミ焼却灰の冷却水やゴミ浸出水等、高濃度のカルシウム含有水からカルシウムを除去する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からカルシウムを除去する装置として、カルシウム含有水にアルカリ剤を添加して晶析反応を生じさせ、水中のカルシウムイオンを顆粒状の結晶にして分離回収し、カルシウムイオン濃度の低い処理水を得るものが知られている。
このカルシウム除去装置は、通常、上記反応を生じさせる反応塔を備え、塔の下部から原水を導入し、上部から処理水を取出すようになっている。この場合、反応塔の内部には、原水、又は原水と循環水の混合液から成る上昇水流が形成され、反応によって生じた結晶はこの上昇水流によって塔内に展開される。例えば、反応塔における反応部（上記晶析反応が主に進行する部分）の高さが約３〜５ｍの場合、上昇水流をＬＶ７０〜１５０ｍ/ｈｒ程度とするのが適当である。
【０００３】
そして、上記結晶は塔内で顆粒状に成長した後、塔下部から引き抜かれて系外に排出される。この引抜き作業においては、まず、塔内への通液を停止して前記上昇水流を消失させ、結晶の沈降を促進させる操作が行われる。そして、引抜きが終了した後、通液を再開して通常運転に移行する。この場合、引抜かれた結晶の移送、脱水、乾燥等が円滑に進むよう、引抜き時の結晶の粒径を１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カルシウム除去装置の処理効率や運転操作の効率を向上させるためには、反応塔への通液を停止せずに結晶の引抜きを行うことが必要である。しかしながら、従来のカルシウム除去装置においては、通液を停止せずに引抜きを行うことが困難であるほか、次のような問題があった。
【０００５】
まず、カルシウムの結晶はその比重が約２．６と大きく、反応塔内での沈降速度も極めて大きい（粒径１ｍｍの単一粒子で４００ｍ/ｈｒ以上）。そのため、前述の上昇水流を生じさせたとしても、塔下部には粒径の大きい結晶に混じって小さい結晶も沈降し、これらの粒子が反応塔への通液を行ううちに成長して石垣状に結合し、塔下部に固着するという問題がある。そして、この場合には、通常運転を停止してこの固着物を除去する作業が必要になる。
【０００６】
又、晶析反応は、既に存在している結晶を核とし、その表面に水中のカルシウムイオンが析出することにより進行するが、上述のように粒径の小さい結晶が引抜かれると、その分だけ反応の核となる結晶の数が減少するので、反応塔内に新たな種晶を添加する必要が生じる。
さらに、上記に加え、種々の粒径の結晶が同時に引抜かれた場合、反応塔内に残った結晶の平均粒径が一定にならないために反応効率が変化し、定常的な安定運転が困難となる。
【０００７】
以上のことから、粒径の大きい結晶のみを選択的に引抜き、粒径の小さい結晶を反応塔内に留めるようにすることが重要である。
本発明は、カルシウム除去装置における上記した問題を解決し、反応塔への通液を停止することなくカルシウム結晶の引抜き作業を可能とするとともに、塔内に留まる結晶の平均粒径を一定とし、効率的かつ安定した運転を可能としたカルシウム除去装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の本発明に係るカルシウム除去装置は、カルシウムイオンを含む原水の導入口を有し、該導入口の上方には処理水の取出口を有する晶析反応塔を備えたカルシウム除去装置において、
前記晶析反応塔は、下部に前記導入口が設けられた反応部と、前記導入口の下方に位置し、かつ前記反応部よりも縮径している分級部と、更に前記分級部の下方に位置する貯留部とから成り、
前記反応部と前記貯留部とはバルブで仕切られており、
前記反応部の下部で、かつ前記分級部の上部の位置にアルカリ剤の供給配管が接続され、
前記反応部の上部と前記分級部の下部との間には、循環配管が設けられて、前記処理水を循環させる循環手段が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
又、前記分級部の水平方向の断面積は、前記導入口より上方における前記反応部の水平方向の断面積より小さいことが好ましい（請求項２）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して本発明に係るカルシウム除去装置について説明する。
図１において、カルシウム除去装置１は、晶析反応塔２、循環手段６等を備えている。そして、カルシウムイオンを含む原水１０は、晶析反応塔２の中央部よりやや下方（反応部２ｄの下部）に設けられた導入口２ａを経て、晶析反応塔２の内部を上昇する過程で後述する晶析反応を生じ、晶析反応塔２上部の取出口（溢流堰）２ｂから処理水１２として取り出される。
【００１１】
晶析反応塔２は、頂部が開口する略円筒状をなし、上部側から、反応部２ｄ、分級部２ｃ、貯留部２ｅが順に形成されている。
反応部２ｄは晶析反応が主に進行する部分であり、その下部にはアルカリ剤（例えばＮａ2Ｃｏ3）１６の供給配管２５が接続されている。そして、反応によって生じたカルシウム塩粒子４は、上昇水流Ｆによって反応部２ｄの内部を展開・浮遊している。
【００１２】
分級部２ｃは、反応部２ｄ及び貯留部２ｅに比べて縮径になっていて、逆円錐台状（例えば水平面との角度が６０°以上）のテーパ部２ｆを介して反応部２ｄの下端に一体化している。そして、分級部２ｃの内部には、カルシウム塩粒子４が沈降、堆積している。
分級部２ｃと貯留部２ｅの間には、後述するカルシウム塩粒子４の引抜き用のバルブ２Ｖが配設され、貯留部２ｅの下端には、カルシウム塩粒子４を系外に移送するためのバルブ２９Ｖが配設されている。そして、貯留部２ｅの上部には、カルシウム塩粒子４の系外への移送を容易にするための移送水１４の給水配管２７，２８及び空気抜き配管３１が接続されている。
【００１３】
循環手段６をなす循環配管６ａは、その流入側が反応部２ｄの上部に接続され、その流出側は分級部２ｃの下部に接続されている。そして、原水のカルシウムイオン濃度に応じて作動制御されるポンプ６ｐにより、循環配管６ａを介して処理水１２が適宜分級部２ｃに戻る循環系をなすとともに、反応塔２の内部では分級部２ｃから塔頂部へ向う上昇水流Ｆを形成している。
【００１４】
カルシウムを含む原水１０としては、特に制限されず、カルシウムイオン濃度を２０〜５０００ｐｐｍ含む原水を処理対象とすることができる。なお、原水のＳＳ濃度が高い場合、例えば、原水中のＳＳ濃度が１０００ｐｐｍを超える場合、晶析反応で析出する結晶にＳＳ分が混入し、結晶が軽くなって塔内を浮上する虞があるので、反応塔２の前段にＳＳ除去手段を設け、原水中のＳＳ濃度を１００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
【００１５】
この場合、用いるＳＳ除去手段に特に制限はなく、砂濾過や膜濾過などの濾過手段や、任意の凝集剤を用いて凝集沈殿を行う凝集沈殿槽を用いることができる。
次に、このカルシウム除去装置１を用いてカルシウムの除去を行う方法について説明する。
【００１６】
まず、配管２１を介して導入口２ａから原水１０を反応部２ｄに導入する。反応部２ｄにはアルカリ剤１６が供給され、カルシウムの結晶（炭酸カルシウム等）が析出するｐＨ条件（例えばｐＨ９〜１１）に調整されている。ここで、ｐＨの調整は、反応塔２の上部に配設されたｐＨ計３３により処理水１２のｐＨをモニタし、その値に応じてポンプ２５ｐの作動を制御することにより行われる。
【００１７】
そして、反応部２ｄの内部に既に析出したカルシウム塩粒子４、あるいは予め反応部２ｄに添加されている種晶を核として、上述の晶析反応が進行する。つまり、核となる結晶の周囲に炭酸カルシウムが析出して結晶が成長し、ある程度以上の大きさ（重さ）になると反応塔２の下方に向って沈降するようになっている。この場合、反応部２ｄからテーパ部２ｆ、分級部２ｃに向うに従って各部の直径（水平方向の断面積）は小さくなり、その逆に上昇水流Ｆの大きさは分級部２ｃで最も大きくなる。
【００１８】
そのため、種々の粒径のカルシウム塩粒子は、上昇水流Ｆの大きい分級部２ｃを通過する際に分級され、最も粒径の大きい（重い）粒子が分級部２ｃの下部に堆積し、粒径の小さい粒子は分級部２ｃの上部に堆積する。そして、分級部２ｃにおける上昇水流によっても沈降しない微細な粒子は、反応部２ｄを展開・浮遊する。
【００１９】
一方、分級部２ｃの下部に蓄積された大径の粒子は、以下のようにして引抜かれる。まず、バルブ２Ｖを開いて分級部２ｃから貯留部２ｅに大径粒子を移動させる。そして、所定量の大径粒子が貯留部２ｅに貯留された時点でバルブ２Ｖを閉じ、一方でバルブ２７Ｖａを開き、配管２７を介して貯留部２ｅに移送水１４を導入し、さらにバルブ２９Ｖを開いて大径粒子を配管２９より系外へ取り除く。
【００２０】
同時にバルブ２７Ｖｂを開き、配管２８を介して移送水１４を配管２９に導入し、貯留部２ｅから排出されたカルシウム塩粒子を含む水と合流させてカルシウム塩粒子を移送する。
以上のようにして、原水１０に含まれるカルシウムがイオン除去され、例えばカルシウムイオン濃度が５ｐｐｍ以下の処理水１２となって、取出口２ｂから配管２３を介して排出される。
【００２１】
このように本発明においては、分級部２ｃにおける上昇水流を大きくしているため、粒径の小さい粒子が大きい粒子に混じって沈降することが防止され、そのため両者が石垣状になって塔内に固着することが回避される。この場合、分級部２ｃにおける上昇水流の値を調整すれば、反応部２ｄを展開する粒子の径を制御し、反応効率を定常状態に保つことができる。
【００２２】
上記した分級効果を生じさせるためには、分級部２ｃでの上昇水流をＬＶ２００ｍ/ｈｒ以上とするのが好ましく、より好ましくは３００〜８００ｍ/ｈｒとする。上昇水流をこのような値とするには、分級部２ｃの水平方向の断面積Ｓcを、導入口２ａより上方における反応塔（反応部２ｄに相当）の水平方向の断面積Ｓdより小さくすればよく、例えばＳcをＳdの１/３以下とするのが好ましい。より好ましくはＳcをＳdの１/３〜１/８とする。このようにすると、粒径１〜２ｍｍのカルシウム結晶を、反応部２ｄに約３０〜６０％の展開率で展開させることができる。
【００２３】
又、分級部２ｃは導入口２ａより下側に設ける。このような構造とすることで、原水が分級部２ｃで反応することを防ぐと同時に、微細な結晶が展開している反応部２ｄでの微細な結晶を核とした反応を促進することができる。
さらに、本発明においては、結晶の引抜きを行う貯留部２ｅと上昇水流Ｆを生じさせる循環系（分級部２ｃと塔頂部との間）とが、バルブ２Ｖによって仕切られている。従って、上記循環系での通液を停止して上昇水流Ｆを消失させることなく結晶の引抜きを行うことができ、運転操作の効率が向上する。
【００２４】
更に、貯留部２ｅの結晶を引き抜いたのち、バルブ２９Ｖを閉じ、バルブ３１Ｖ，２７Ｖａおよび２７Ｖｂを開いて貯留部２ｅに移送水１４を導入し、貯留することにより、次回の結晶引き抜き工程においてバルブ２Ｖを開いたときに分級部２ｃより上に存在する結晶が水とともに一気に貯留部２ｅに落下することを防ぐことができる。
【００２５】
ところで、晶析反応は、生成した結晶、あるいは種晶を核として進行するが、原水１０中のカルシウムイオン濃度が高くなり過ぎると、種晶を核としない微細な結晶が溶液中から直接析出するようになる（自己析出）。ところが、この自己析出が生じると大径の結晶が得られ難くなるので、引抜き操作が困難になる。
そこで、循環手段６により、カルシウムイオン濃度の低い処理水１２の一部を分級部２ｃの下部へ循環させて、反応部２ｄにおけるカルシウムイオン濃度を低減させることが好ましい。このようにすると、（炭酸）カルシウムの過飽和度が低下するので、上述の自己析出を防止することができる。この場合、反応部２ｄにおけるカルシウムイオン濃度が１００ｍｇ/Ｌ以下となるように循環を行うことが好ましく、より好ましくは２０〜８０ｍｇ/Ｌとなるように循環を行う。なお、上記したカルシウムイオン濃度の調整は、原水のカルシウムイオン濃度の測定値に基づいて適宜ポンプ６ｐの作動を制御して循環水の流量を調整することにより行えばよい。
【００２６】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
【実施例】
図１に示すカルシウム除去装置を用い、カルシウムイオン濃度：４００ｍｇ/Ｌ、ｐＨ：７．５の原水１０を処理した。
反応塔の大きさは、塔頂部から分級部の下端までの高さ：３０００ｍｍ、反応部の直径（水平方向の断面積）：１５０ｍｍφ、分級部の高さ：５００ｍｍ、分級部の直径：７０ｍｍφであった。
【００２８】
そして、この反応塔に、供給量１８０Ｌ/ｈｒで上記原水１０を導入し、反応部における上昇水量（循環水量）をＬＶ１００〜１５０ｍ/ｈｒ（空塔速度）の間でそれぞれ変化させ、このときの分級部における上昇水量をＬＶ４５０〜７００ｍ/ｈｒとして、それぞれ試験を行った。アルカリ剤としてはＮａ2ＣＯ3を用い、反応部におけるｐＨを１０とし、この状態で炭酸カルシウムの結晶を成長させ、それに応じて循環水量を増加させていく試験を約２ヶ月間行った。
【００２９】
その後、貯留部に貯留された顆粒状の結晶を引抜き、その中から約１００個の結晶を抽出して外観観察及び粒径測定に供した。結晶の形状は球形に近く、又、どれもほぼ同一の粒径であった。なお、粒径測定は、光学顕微鏡下で行い、個数平均粒径（Σ（ｎｄ）/Σｎ）を求めた。但し、ｎは粒子数、ｄは粒径を表す。
図２から明らかなように、分級部における上昇水量を増大させると、引抜かれた結晶の粒径が大きくなることがわかる。又、いずれの上昇水量においても、反応部における結晶の粒径は、引抜かれた結晶の粒径より小さかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係るカルシウム除去装置は、反応塔の一部に上昇水流の大きい分級部を設けているので、通液を停止させることなく反応によって生じたカルシウム塩粒子を粒径によって分級し、大径粒子のみを引抜くことができる。そして、その結果、各粒径の粒子が石垣状になって反応塔に固着することが防止され、運転操作の効率を向上させることができる。
【００３１】
又、小径粒子が大径粒子に混じって引抜かれることがないので、反応塔の内部に新たな種晶を添加する必要が少なくなる。
さらに、所定の大きさの粒子のみを引抜くので、反応塔内には一定の平均粒径の粒子が滞留し、その結果として反応効率を向上させるとともに定常的な安定運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカルシウム除去装置を示す模式図である。
【図２】引抜かれた結晶の平均粒径と分級部における上昇水量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１                    カルシウム除去装置
２                    反応塔
２ａ                  導入口
２ｂ                  取出口
２ｃ                  分級部
４                    カルシウム塩粒子
６                    循環手段
１０                  カルシウムを含む原水
１２                  処理水
【図１】
0003770303.tif 000002
【図２】
0003770303.tif 000003