多段流動床式活性炭吸着装置『マルチアクトス』
州u[T;sTc(ge(商標登録出願中)

F[LIidized‑bed

TredTmenTCcrbonA{†iycrfed

SysferTI

技術開発本部

Mum‑ACTS野
Akira(環)技術部桝Kohei

Multi‑ACTS,

multistage

fluidized‑bed

activatedmarketMulti‑ACTS

since

April

in

to

carbontreatedtreatmenthasthetank

まえがsim山ation

and
the

on

the
methodthemaintenance
waste

water

overallcapacityofassumlng

treatment

carbondemands

ofcomparedwithless consumption

as

such

estimated

reactors

response

advantages

system,have

weexaminedlmanywater,
easy
operation
testof Multi‑ACTSof pilotit's data,stirred1993,

soandfromactivated
Thison.

cokingcoefficient
COnCentration

plant.

Further,ofadsort氾roftreated平

Mastldabeen

introduces

paper

田

耕

theonwaste
Ⅵ7ater.
type
activatedstabilizedcarlx)n,

果of

fixed‑1xd

conventionalofhas

system,treatment

advanced

研究開発部
田
Noda
製品開発課

byOn

water

each
by

qualityoftheresultstheuseofstage

andcontinuousmodel.

き

1994年度を目標年度として1991年より推進されている第3次総量規制に見られるように,水質規制は年々強化されつつある｡それに伴って,各水処理メーカは廃水の高度処理技術の開発に力を注ぐようになり,技術力の進歩にも目ぎましいものが見られる｡

活性炭吸着法は,高度処理技術の1つとして昔から知らに代わって数多く用いられるようになっている｡
当社は,千代田化工建設(樵)より多段流動床式活性炭吸着装置(CT‑242)の実施権を1991年10月に得て,それ以級,商品化のための実証テス†を実施してきたが,そのテスTlも無事終了したことから1993年4月より商品名『マルチアクTlス(Multi‑ACTS)』として販売を開始した｡
本報では,『マルチアクトス』の紹介と,その実証テストの問題から敬遠される場合が多かった｡しかし,活性炭ト結果,さらに,そのテストデ‑タを用いた各段における駄括容量係数KLa及び処理水i濃度予測のためのシミュレの性能向上,多段流動床式活性炭吸着装置の出現,さらに前述したような状況により,改めて活性炭吸着法が脚光を1.多段流動床式活性炭吸着装置『マルチアクトれている技術であるが,活性炭費用によるランニングコスーション方法について検討した結果を報告する｡

浴びるようになってきた｡

ス』

多.段流動床式活性炭吸着装置は,固定床式と比較して活1.

1

マルチアクトスのプロセスフロー

性炭の消費量が少ないこと,活性炭供給量を制御すること第1図にマルチアクトスの標準的なフロ‑を示す｡吸着によって処理水の水質を維持出来ること,運転管理が容易なことなどの多くの利点があることから,最近,固定床式

塔は‑塔多段式であり,廃水中の汚濁物質ほ,トレイで仕切られた各段において流動している活性炭によって吸着除I
Sequenceco□tr()IUV￣￣二=■

Multistage
Waste

I

fluidized‑bed adsorberwater【tankCarbonstorage

taTlk

Treatedwaterta】1kLS

LSUV.
FlI
I
ll‑‑‑

Spent carb()∩storage

第1図

tank

F王

Blo＼＼,case

マルチアクトス(Multi‑ACTS)のプロセスフロー

Fig.

IVol.

37 No.

Flow

diagram3of Multi･ACTS(1993/12)

神鋼パンテツク技報41第1表

粒状活性炭の物性

Table

1

Propertiesof grantllar activatedcarbonsize [mesbコ

Meanparticle diameter[mm]

Uniformity

coefficientト]
density [g/cm3]

Tme
Mean

particle density

Bulk

density

Total

pore

[g/cm8][cm8/g]volumeSpecificsurface

Surfacearea

Iodine[g/cm3]out

adsorptivearea[m2/g]of particle [cm2/g]

capacity[mg/g]

20/40

8/32

0.55

1.25

1.40

1.65

2. 00

マルチアクトスと固定床式の経済比較

2

Economicalcomparisonand fixed bed type

Adsorption

2. 01

0. 80

0. 77

0. 49

0. 47

0. 75

0. 77

1 150.0136.

表TableFix.y,ebed《Conditions

Multi‑ACTS

Mesh

第 21caseof:

Concentrationof wastewater

Concentrationof treatedFlow∇astewaterof《Results ofcasewaterq‑0.15C*2･0:

Co‑30[mg/e]:

Ct‑20[mg/β]:

F‑5000⊂m3/d]

study》

120.0

4

Multi‑ACTS

study》

isotherms

rate

betweenMuユti‑ACTS

Fixed

bed

中3600×6stages

4,4400×4xx

type

62. 3

1050.01077.0【Adsorber】
Specification

去される｡廃水は,吸着塔下部より流入し,上向流で各段

one

columntwo000H

colurrulS【Activated carbon】の活性炭と接触後,処理水としてオーバーフローする｡活性炭は,圧送タンク法などのスラl)‑輸送手段を用いて最Amountof holding[ton]Amountof consumption[kg/dコ

上段(1段目)に供給された後,順次下段方向‑移送さCoefficient

れ,PR着能力の低下した老炭が最下段より抜き出される｡
活性炭の最適供給速度は,あらかじめ室内テストにより決of utilization[%コ16554036519055

定するが,この供給速度を変えることによってj京水のi葉度変動にも対応することが出来る｡【マルチ7ク†スの利点】

また,これら一連の操作は,ほぼ連続自動運転システム①′J＼粒径の活性炭を使用するため,吸着速度が大きく,になっているので,運転管理は非常に簡単であり,大幅な省力化が可能となる｡
1.

2

かつ活性炭の利用効率も高い｡④活性炭は,常に廃水と向流接触状態にあり,また,マルチアクトスの利点

マルチアクトスと固定床式で使用する標準的な活性炭の物性比較表を第1表に示す｡一般的に,水処理で用いる活デッドスペースの少ないtレイ構造により,接触効性炭は,材質は石炭系で,形状はハンドリングが容易で再(彰活性炭の供給量を調整することによって,原水裸度生可能な粒状炭を用いる場合が多く,このことは両形式にが変動しても処理水の水質を維持できる｡@活性炭の利用効率が高くとれるため,ランニングコ率が高い｡

おいて共通している｡最も大きな相違点は,粒径が異なるストを低減できる｡(ら‑塔多原式であり,吸着速度が大きいので,装置がことであり,固定床式では,圧損の問題から活性炭の5粒径をあまり′J＼さく出来ないのに対し,マルチアクトスでは,流動床式であるので小粒径(20/40メッシュ)の活性炭をコンパクトになり設置面積を削減できる｡㊥流動床式であるので,原水中の汚濁物質による閉塞使用することが出来る｡実廃水における活性炭吸着は,粒がなく,固定床式のような逆洗設備が不要である｡

内の拡散が律速となることが多いので,粒径が小さい程,(う運転管理が容易である｡

粒子外表面奉貢が大きくなり,吸着速度も増大するため,マ/レチアクトスの大きさをコンパク†にすることが可能とな
FJo

また,マ)i,チアクースの最も大きな利点は,活性炭のもつ吸着能力を十分に使いきることが出来る点にある｡固定床式吸着塔の工学的設計手法は,一定形の吸着帯が形成さ

1. 3

マルチアクトスと国定床式との経済比較

マルチアクトスと従来の固定床式との経済比較をするた
めに,ある対象廃水を仮定して条件を設定し,それぞれの装置設計を行った｡その条件及び試算結果の詳細を第2表に示す｡

れるという概念を用いているが,この吸着帯は吸着され易

今回対象とした廃水の場合,マルチアクトスは固定床式

い系(フロイント1)ッヒ型吸着等温線の傾きが′J＼さい)でと比較して,活性炭保有量は1/3以下,活性炭消費量は2/3以下という結果となり,経済的にかなり有利なことがわかのみ形成され,難吸着性の廃水では吸着帯は形成されずに伸びていくので設計が困難となり,吸着能力を使いきっていない活性炭を抜き出すことが多くなる｡それに対して,る｡また,装置の大きさもかなりコンパクトになっており,敷地面積は削減されることになる｡

マルチ7クトスほ,最下原より吸着能力の低下した活性炭のみを徐々に抜き出していくため,活性炭の使用効率が高く,活性炭の消費量を低減することが出来る｡

2.

マルチ7クースは,その他にも数多くの利点を有しているが,主なものとして次の点が挙げられる｡

在でも数カ所で順調に稼働中であるが,当社では,販売を

42

実証テスト

マルチアクトスは,既に千代田化工建設(秩)によって6機の納入実績があり(サラブレッド242(CT‑242)),現開始する前に次のようなパイロフトテスTlを実施した｡

神鋼パンテツク技報

Vol.

37

No.

3(1993/12)

l7tt

l
写真1

パイロット装置

Photo.

1

Pilotplant2

写真of Muユti‑ACTS

圧送タンクの外観
2

Photo.

0utsideviewof blowcase

10O

2. 1実施期間5〔)1992年11月ノー1993年1月
2. 2

対象廃水

20

コークス炉からの排出水(安水)を,活性汚泥,炉過した処理水を対象廃水とした｡

耳ヒ亡

川･三r

安水‑

活性汚泥■‑.炉過‑マルチアクT,スO

⊂)l

2. 3

装置仕様(写真1)

2. 3.

1使用活性炭L)

第1表に示される物性の活性炭を用いた｡

り10

コ

2. 3. 2吸着塔
形式:竪型円筒形C

20

Co‑48.2 [mg/A ]Temp. ‑25 cC

塔高:7950H
2. 3.

31OO[mg/E]

塔径:少1150
段数:

5()

第2図

5段
活性炭供給方法

Fig･

フロイントリッヒ型吸着等温線
2Adsorption

isotherms

byFreundlichtype

活性炭の供給方法には,エジェクグー法,スラリーポン
プ法及び圧送タンク法などがあるが,本テストでは,活性炭の摩耗が少なく,計量槽としても用いることが出来る圧【フロインナリッヒ型吸着等温式】

送タンク法を採用した(写真2)0q‑k･C*n2. 4

ここで,テスト条件対象廃水について,あらかじめ室内テス温線の減克と通水カラムテストを行い,:吸着量:平衡‡貴度[mg/β]k,n:フロイントl)ッヒ式の係数C*トとして吸着等吸着特性を調べた｡(1)[mg/g]

q

今回の対象廃水の吸着等温線は,第2囲に示したように吸着等温線は,静的な吸着特性として,平衡吸着量を把直する目的で測定される｡吸着等温式には,数種類の塾が屈折型であり,次式のような2本のフロイントリッヒ塾の吸着等温式で近似される｡

知られているが,液相吸着系の場合はフロイントリッヒ型

低味度側:

q‑2.7×10￣6×C*5･8で整理されることが多い｡

高濃度側:

q‑5･1×Vol.

S7No.

3(1993/12)

神鋼パンテツク技報

loll ×C*1･4(2)(3)
43

フロイン†l)ッヒ型吸着等温線において,係数nの値は両対数グラフの傾きを表しており,この値が1以下の時

2. 5は,低濃度でも吸着量が大きく,活性炭吸着法は効果的で研究所内において既にテス十済みで(1993年7月′‑10月の約4カ月間にわたって活性炭移送について同装置を用いてテスト結果
活性炭の移送及び連続自動運転については,当社の技術あるが,2以上の時は,て濃度が低くなるに従って吸着量が著しく低下するので効果的ではない｡言い換えると,屈折確認テストを実施した),運転操作上のチェックは終えて

点‡濃度Cxほ現実上の処理できる限界濃度を表しているといたため,今回のテストでは,数日間の予備運転後,実廃水の通水を開始した｡

5.8と言える｡本廃水の場合,低濃度側の直線の懐きは,非常に大きく,屈折点濃度Cx‑15.6[mg/e]以下に処理原水,水i柴度を下げるのは難しいと考えられる｡

2ノ‑5霞目の出口及び処理水(1段目出口)潰度
4図に示した｡水質規制の指定項目はの経時変化を第3,また,通水カラムテストは,動的な吸着特性,すなわち,吸着速度の指標として総括容量係数KLaを測定し,吸着塔:の段数を推定するために行う｡そのKLa推算法の第 3表

パイロットテストの運転条件

Table

30perating

conditionsof pilot plant

詳細については既に報告したとおりである1)｡

1run

2run

以上のような室内テスT‑の結果に基づいて,パイロットテストの運転条件は,第3表で示される条件に設定した｡

Linear

ここで,活性炭の供給量は,吸着等温線測定結果の屈折点を考慮して,目標処理水深度を20[mg/e]に設定して決Feedingrate

Holdingof activated

定した｡

Feeding

rate

2

14937

carbon[kg/stageコ

2932

of activated carbon[kg/d]
betweentransportations

221734velocity[m/も]Intervalofwastewater[m8/d]of activatedI(

carbon[hr]6()'2L/〜･･･････････‑●‑

Wastewater

一一▲‑‑

Fiftb stage

5()

i()
▲

一/＼
I‑I‑ー￣‑‑‑‑o‑‑‑

2り1()

1)

1()

2()

40

:川

各段濃度の経時変化(run3Time

courses10‑‑‑→ゝ‑‑‑Sec()nd‑‑￣{トーーー

Treatedstage

watel‑

7()[m/h]の場合)

LV‑20
inof concentration

60;‑)

Tllird stage

[br]

tFig.

stage;I;I:
I:II:://:'ご＼ニ;言I:iI̲‑:;Il;,i;I‑̲:i,I,炎恵三ヰ虹:￡二‑A‑:#‑:f‑:領主
‑i:

3り

第3国

FourthIstage

each

5()
iiノ‑‑＋

1Vaste町ater‑一▲‑‑Fiftb stage‑‑I‑I

FourthiI)3〔)1▲￣′/こJ2‖̲̲̲▲/

1りstage

二三‑にニニー̲I:i
芸去去t,:i‑:i/‑:i‑:=二当‑‑‑○一‑‑Third‑‑一一ゝ一‑‑Sec()ndstage‑‑‑{ーーTreatedwaterstage

占り01()

20

3り

50

ト川

60

Fig.

44

各段濃度の経時変化(run4Time

coursesof concentration

2809()

10〔)

[hr]t

第4図70

LV‑15in[m/h]の場合)
eachstage

神鋼パンテツク技報

VTol. 87No.

3(1993/12)

Treale(1!州watL､1･分8()
7()

CICl60?

†ヒLDLji50U⊂)

4(IFirst｢￣+†stage●●:C2CI●●2()††C'2C :))1()

See()nd stage‥()

102030

4050

COD
第5園

lFig.

607()

90

80

100

[mg/QlRelationshipbetween††

TOCとCODの関係
5TOC

andCOD
Thirdstage

CODであるが,分析の容易さからTOCによって評価した｡また,

TOCとCODには,第5国のような関係がある｡

通水開始後,しIlCl†I

C11Cll＋ i††

LV‑15[m/h]のテストでは約46時間,

LV‑20[m/h]のテストでは約31時間で段間移送(パルn‑thstageス)操作を行っており,そのパルスを行うまでは各段濃度は徐々に上昇する傾向があり,パルス直後に通水開始時の状態に戻っている｡その後,各段濃度は再度上昇し,この動作が繰り返される｡しかし,処理水潰度は,どちらの空塔速度においても目標処水濃度の20[mg/e]

L=1￣Fに維持さafteI‑t)efore

Pulse

Pulse

れており,室Fj;jテスト結果より決定した活性炭供給量が適当量であったことを示している｡

3.多段吸着塔における各段のKLaの検討l

活性炭の吸着速度ほ,液本体と活性炭粒子内の濃度差を推進力として,次の式で近似される場合が多い｡

ter

第6国
.I,･

Fig.

dd冒‑KLa(C‑C*)

ここで,

(4)

C

:液本体濃度C*:吸石墨qに対する平衡潰度[mg/e][mg/g]:吸着量qt:活性炭層密度

KLa

[1/h]

4園に見られるように,最下段の1驚度低下幅がこの現象を考察するために,杏.投出口演度の測定データを基にして,次のような考え方で各.段ごとのKLaの推算

37

No.

eachstage

beforeand after
carbon1.1節においてプロセスの説明をしたように,最上段(1段目)より供給された新しい活性炭は,ある間隔(パルス最も大きくなっている｡

Volt(Pulse) of activated[br]に従って′トさくなると言われており2),最下段の最も古い活性炭は吸]'l.=速度が小さいはずであるが,テスト結果でを行ってみた｡

oftransportation[g‑AC/e]:総括容量係数
総括容量係数KLaは,活性炭の吸着量qが大きくなる

は,第3,Concentration[mg/e]:時間

I'Ⅵ..Tag

パルス前後の各段濃度仮定6間隔)で下段方向へ一段ごとに段間移送し,最終的に最下̲殴より抜き出される｡この段間移送時の流体及び活性炭の下降流がプラグフローであると仮定すると,パルス前後における各.殴濃度ほ第6図のようになる｡また,吸着塔の各段を完全混合槽として,各段漬度と吸着量がパルス前後の平均値であると仮定すると,第n段における物質収支と吸茄速度式は,次のようになる｡

3(1993/12)

神鋼パンテツク技報45第4表

各段のKLa推算結果

Table4Estimatedinresults of KLao□stage

eachadsorber

1run(LV‑20F, Ct[1/屯]KLa[m/h])(LV‑15First stage

2run

R.(lo‑0(1】[m/h])
CnFirst stage

5.2

3.5

stage

9.1

14.3

stage

13.8

32. 2

stage

14.0

22.0

36. 4

35.1

SecondThird
FourthFifth

1l‑thstaL,estage(1‖CnFillal stager】

R,臥q<･l㌧

IJ,C‥《物質収支式》
第7図w

AAqtq‑‑F･･Fig.

(91n‑t!‑Cn‑1)

完全混合槽列モデル
7Continuous(5)2stirredtankreactors

mcKlel《吸着速度式》

Q*9±‑2C*n‑1 )(6)‑(‑Cn＋妄IQ二1pea?tb‑KLa(8), (9)式による各.段の吸着量が,に試行錯誤法を用いて,ここで,

C:液本体潰度C*:吸着量qに対する平衡壬柴度[mg/e][mg/e]となるようKLaを最上段より順次決定していく｡

各.段濃度のデータ及び各.段のKLaを推算した結果を第n(ただし,』qa‑』qb

LV‑15と204表に示す｡推算結果からわかるように,[m/h]のどちらの場合もよく似た傾向があり,最上段(節q‑EAqn)
n‑1fJk)のKLaが最も小さく,最下段(老炭)のKLaが最も』q:各段における吸着量t:時間:
1段あたりの活性炭保有量

W[mg/g][g]は,実廃水が多成分系であることによると考えられる｡す:通水量[e/h]β:活性炭層密度[g/e]:総括容量係数[1/h]

なわも,吸着塔の下部より流入された廃水は,多成分中の易吸着性成分から選択的に吸着され,最上.段に達するころには難吸着性成分だけが残存するため,第6表のようなKLaの傾向となるのである｡

ただし,添字nは段数を表す｡
また,』tを一段分の活性炭が供給されるパ/レス間隔時
間Tpとすると,活性炭供給量Rは次式となる｡

RニーTWp

これは,吸着量の大きい老炭ほどKIJaほ小さいという見解と矛盾した結果であるが,この原因

F

KLa大きくなっているo[hr]このように,実廃水のような多成分系の場合,各段の成分組成が変化していくため,各.段ごとのKLaを推定する(7)

ことは非常に困難である｡そこで,塔全体での平均的なKLaを,室内テストより推定し,その値を段数決定のためのパラメータとして用いることにした｡

このRとTpを用いて,+qa‑4.推定したKLaを用いた処理水濃度のシミュ(5), (6)式を変形すると,レーション
KLaを,パラメータとして室内テストより推定される(8)度数を決定することの妥当性を検討するために,処理水濃早(Cn＋1‑Cn‑1)￣￣￣う豆￣￣￣度のシミュレーション法を考案した｡

Cn＋Cn‑しC*n＋C*n‑I

Aqb‑KLa(p22)×Tp(9)

第丁図のように,多段流動床式吸着塔を完全混合槽モデルと仮定すると,第n段の物質収支と吸着速度式ほ次のようになる｡

46

神鋼パンテツク技報

Vol･

37

No･

3(1993/12)

くl《物質収支式》
ddCtn‑F(Cn＋1‑Cn)＋R(qp‑qn‑1)
Ⅴ6()

･

5り

ddqtn

(10)

･‑w

J＼‑‑‑‑＼ノ‑‑‑･1u

ぎ30〈吸着速度式》■Jdqn+⊥dtKLa‑(cn‑c*n)＋
＼y▲▲

(11)

(qn‑qn‑1)

y▲⊥W

TP,

p2()

1()

2()

Ⅴ

ここで,

[β]

:流体容積
:通水量

F6り

[β/b]

Cn＋1

:

n段の入口濃度Cn:n.段の出口主祭度[mg/e][mg/e]

R:活性炭供給量(‑抜き出し量)

qn:

1OO

80

[hr]
第8国
Fig.

処理水濃度のシミュV‑ション結果[mノ仏]の場合)(run 2LV‑158

Simulated

result of treated water[g/b][mg/g]

n段の活性炭の吸着量:
n‑1段の活性炭の吸着量qn‑1

推達した平均的KLaを用いて段数を決定しても,実用上問題ないと言える｡

l[mg/g]

むすびW:活性炭充填量[g]

以上,当社が1993年4月より販売を開始した多段流動床

t:時間:総括容量係数[hr]式活性炭吸着装置『マルチアクトス』の紹介を中心に,本装置の実証テスT‑及びそのテスTlデータを基にした各段のKLa
C*n[1/h]

総括容量係数KLa,処理水潰度のシミュレーション方法:吸着量qnに平衡な吸着量[mg/e]n(ただし,の検討結果について報告した｡
実証テストは,満足できる処理結果が得られ,また,そqn‑i'Aqn)
n二‑1

れらはマ/L,チアクトスを最適設計するための貴重なデ‑メ[g/e]:活性炭層密度
実際のシミュレ‑ションは,(10),(a)式を差分の形に直し.,'て,通水開始直後をt‑0として逐次計算を行う｡ただし,各段のKLaは,多成分系の実廃水の場合,各･段ごとに成分組成が変動するために,塔軸方向のKLaを正確に推最上段のみ最初は空の状態からスター†し,一定の供給速度Rで充填していき,パルス直後には,通水開始時の状態定することは非常に困難であるが,実用上は室内テストよにもどるものとする｡また,二段目から最下段は,パルス

また,今回行ったシミュレーション法は,原水濃度や活性炭供給量が変動した場合‑の応用ができることから,本アンダーライン部は省略できる｡
その計算例を第8囲に示す｡ただし,り推定した平均的な(ll)式の間には段間の活性炭移送が起こらないとすると(10),lとすることができた｡

KLaで評価して問題ない｡

装置の運転管理の手法として役立つと考えられる｡
KLaの値には,今後,さらに水質規制の強化が予想されることから,宿室内テストより推算した値を用いた｡

性炭吸着装置の活躍する場面も多くなると予想されるが,シミュレーション結果は,テストデ‑タと良く一致しており,本シミュレーション法及び室内テストから得たKLa値が妥当であることを示している｡現実のKLaは,従来の固定床式に代わってマルチアク†スが環境保護に大塔軸方向に廃水の種類によって複雑な挙動を示すと考えられるため,推定することは困難であるが,堂内テストからVol.

S7

No.

3(1993/12)

いに役立つであろうと期待している｡〔参考文献〕
1)野田ほか‥神鋼パンテツク技報,2)後藤忠一ほか:日本化学会誌,

神鋼パンテツク技報

Vol.
No.

8,

36,

No.

1,

(1992).

(1976).

47