JP4088018B2 - Purification device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄化装置に関し、特に被処理水からリンを除去するための浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
河川や湖沼などの水域が富栄養化するとアオコの大量発生などにより水環境が悪化する。水域の富栄養化をもたらす主要な成分の一つはリンであり、これを水域中から除去することでアオコの大量発生などは効果的に防止することができるし、また除去したリンは肥料などとして再利用することが可能で、そのようにすることで省資源化にも役立つ。そこで、効率的にしかも肥料などとして再利用することができる形態でリンの除去を行なえる技術が求められることになる。従来、水質浄化のためにリンを除去する技術には凝集沈殿法が代表的なものとして知られている。また例えば特開平9−361120号公報や特開平11−188383号公報に記載されるような技術も知られており、さらに例えば特開平8−281261号公報に記載されるような技術も知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
凝集沈殿法では、水中でのリンの主要な形態であるリン酸イオンと反応してリン酸塩を生成する成分を含んだ例えばポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫酸第二鉄あるいは塩化第二鉄などの凝集剤を被処理水(原水)に添加する。そうすると被処理水中の浮遊物質などが凝集するのと同時に、被処理水中のリン酸イオンが凝集剤のアルミニウムや鉄と反応してリン酸塩を生成し、このリン酸塩が浮遊物質とともに凝集してフロックを形成するので、この凝集フロックを沈殿させることで被処理水からリンを除去することができる。このような凝集沈殿法は、リンの除去という点ではそれなりに有効であるものの、肥料資源などとして再利用できる形態でリンを除去することができにくい。すなわちリンが被処理水中の固形物(浮遊物質)とともに凝集フロックを形成して沈殿するものであることから、回収した沈殿物(汚泥)におけるリンの濃度は低く、沈殿物からリン成分を取り出すのが困難であり、また沈殿物をそのまま肥料とするにもリンの含有量が不足する。特に凝集沈殿法では、形成するフロックが小さいと沈殿速度が遅くなるために凝集沈殿槽が大型化するのを避けられないことから、凝集剤を多量に添加して処理効率を高めるようにするのが一般で、その結果、沈殿物は多量の凝集剤と多量の固形物に僅かなリン酸塩が混在したものとなり、リンの再資源化は実質的に不可能となってしまう。なお凝集沈殿法は、下水中からリンを除去するのにも用いられ、その場合には生物処理と組み合わされる。
【0004】
これに対し、上記特開平9−361120号公報や特開平11−188383号公報に記載される技術では、凝集汚泥をオゾン酸化した後にカルシウムイオンなどを添加することでリンを沈殿させて回収するようにしており、これによりリンの再利用を可能としている。しかし、これらの従来技術では、汚泥とリンを分離するためにオゾン処理や嫌気滞留槽においてリンを一度完全にイオン化する必要があり、さらにその後再び金属イオンを添加してリンを析出させる必要がある。そのためリンイオン化の装置コストあるいはその運転コストが高くなるという問題がある。またリン析出時に生成するリン酸塩の粒径が小さいために沈殿させるのに時間がかかり、リン析出装置が大型化してしまうという問題もある。
【0005】
上記特開平8−281261号公報に記載の技術は、リン酸イオンを磁性酸化鉄微粒子に吸着させて磁気分離で除去するという磁気分離方式によるものであり、大量の汚泥中にリンが埋もれるということは避けられる。しかしこの方式であると吸着に必要な磁性酸化鉄の量が除去したいリンの10〜50倍程度と多くなり、その結果、回収物中のリン濃度が数%程度と低濃度になってしまい、やはり再利用に大きな困難を伴う。また被処理水中のリン酸イオンを効率的に吸着するには強力なリン吸着能力を有する磁性酸化鉄が必要である。そのような磁性酸化鉄は、特開平8−281261号公報に記載されるように、特殊な製造法による必要があり、そのために製造コストが高くなるし、再利用ができないためにランニングコストも高くなってしまう。さらに磁性酸化鉄微粒子は沈殿しやすく、そのために常に強力な攪拌が必要であり、その攪拌動力もランニングコストの増大をもたらす。
【0006】
以上のように従来の技術は、リンの除去能だけで見ればそれなりに有効であるものの、回収したリンの再資源化という点ではそれが実質的に不可能であったり、また可能であってもそれに要するコストが実用性の上で大きな阻害要因となっている。本発明は、このような従来の事情を背景になされてものであり、水質浄化としてのリンの除去を効率的に行なえるとともに、肥料などとして再利用することが容易である形態でのリンの回収を低コストで行なうことを可能とする浄化装置の提供を目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被処理水からリンを除去する浄化装置において、被処理水へ金属塩を添加し、金属イオンと被処理水中のリン酸イオンとの反応で生成される磁性を有するリン酸塩を生成させるリン酸塩生成手段と、上記被処理水中のリン酸塩を含む凝集フロックを被処理水から分離する固液分離手段と、この固液分離手段で分離した凝集フロックを、PH調整法又は機械式分解又は熱分解、あるいは酸化分解法を用いて、分解するフロック分解手段と、このフロック分解手段で凝集フロックを分解した後にリン酸塩を分離する超電導磁石式の磁気分離手段と、を備えた浄化装置を開示する。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図1に第1の実施形態による浄化装置の構成をそのフローとともに模式化して示す。本実施形態の浄化装置は、河川や湖沼など水域の浄化に用いられることを前提としており、リン酸塩生成部Aと磁気分離部Bを備えている。リン酸塩生成部Aは、リン酸塩生成手段を形成する攪拌槽(反応槽)2、鉄イオン貯槽(リン酸塩生成用薬剤貯槽)6およびアルカリ貯槽(pH調整用薬剤貯槽)7を備えている。攪拌槽2には水域から図外のポンプで取水した被処理水(原水)1が導かれ、そこで鉄イオン貯槽6からリン酸塩生成用薬剤が注入バルブ10を介して注入される。リン酸塩生成用薬剤には、水中で金属イオンを与え、この金属イオンとリン酸イオンとの反応で磁性を有するリン酸塩を析出させる金属塩が用いられる。そのような金属塩としては、鉄イオンを与えるものとして例えば硫酸第1鉄、硫酸第2鉄、塩化第1鉄、塩化第2鉄などがある。この他にニッケルイオンやコバルトイオンあるいはマンガンイオンを与える金属塩も好ましいものとして用いることができる。リン酸塩生成用薬剤は原水1のリン酸イオン濃度に応じた量で添加するようにする。つまり原水1のリン酸イオン濃度を測定し、その結果に応じた量で薬剤を添加する。このような制御を行なうことで、必要以上に薬剤が添加されるのを避けることができる。例えば鉄イオンを与える薬剤が添加されると原水1のリン酸イオンが鉄イオンと反応してリン酸鉄が生成する。この反応は、攪拌槽2における攪拌により鉄イオンを原水に均一に混合させることで促進される。つまり攪拌槽2は、より効率よくリン酸鉄を生成するのに機能する。
【0009】
本発明は、超電導磁石で得られるような強力な磁場であればリン酸鉄のように比較的磁性の低いものでも吸引可能であるという知見に基づいており、超電導磁石式の磁気分離部Bにおける強力な磁気吸引力によりリン酸鉄自体を直接に吸着分離することで被処理水中からリンを除去するもので、このことで再資源化を容易とする形態でリンの回収を行なうことができる。すなわち析出したリン酸鉄に被処理水中の固形浮遊物などと凝集フロックを形成させることなく、リン酸鉄だけを単独に磁気吸着させて回収するものであり、したがって磁気分離部Bでのリン酸鉄の分離に際してリン酸鉄が凝集フロックを形成していないことを好ましい条件としている。そのために本実施形態の浄化装置は凝集防止手段を備えている。本実施形態の凝集防止手段は、例えばNaOH等のアルカリを貯留してあるアルカリ貯槽7、アルカリ貯槽7から攪拌槽2に注入するアルカリの量を制御する注入バルブ8、および攪拌槽2内の被処理水のpHを測定するpHセンサ11などからなる。一般的に、被処理水中のリン酸鉄や固形浮遊物はpH6〜8の範囲において凝集しやすく、この範囲を外れると凝集は起こりにくくなる。そこで本実施形態ではpHセンサ11により攪拌槽2内の被処理水のpHを測定し、pHが8以上となるように注入バルブ8を制御しながらNaOH等のアルカリをアルカリ貯槽7から添加するようにしている。
【0010】
以上のようにしてリン酸鉄を生成させた被処理水は配管12を通って磁気分離部Bに導入される。磁気分離部Bは、磁気分離手段である超電導磁気分離器25、リン貯槽30、洗浄用のボンベ31それに各種の配管系からなる。その超電導磁気分離器25は、超電導磁石19のボア内に、ステンレス430等の磁性体で形成した一対の磁気フィルタ5a、5bを設置した構造となっている。磁気フィルタ5a、5bは、対称構造であり、それぞれ折り返し流路構造となっている。つまり内側流路17から入ってフィルタ内を通過しながら折り返して外側流路18から流出する構造となっている。また磁気フィルタ5a、5bは、一体的に接続されており、その一体状態で往復動を行い、この往復動により磁気フィルタ5aと磁気フィルタ5bが選択的に超電導磁石19のボア内に入るようにされている。図の例では磁気フィルタ5aが超電導磁石19のボア内に入っており、この場合には弁15、22が開いて、弁16、23が閉じた状態となり、配管12を流れる被処理水は磁気フィルタ5aに流入し、そこでリン酸鉄の磁気分離を受けながら配管20を通って処理水24として水域に戻される。
【0011】
超電導磁石19のボア内に入っている磁気フィルタ5aには超電導磁石19によって2T(テスラ)以上の高磁場がかかっており、磁気フィルタ5aを構成する磁性細線近傍には高い磁場勾配が生じている。そして磁気フィルタ5a内を流れる被処理水中のリン酸鉄は前記高磁場によって磁化され、磁気フィルタ5aの磁性細線に吸引される。この吸引力はリン酸鉄の磁化と磁性細線近傍の磁場勾配の積に比例するため、超電導磁石19が発生する磁場強度が大きければ大きいほどリン酸鉄の除去率は大きくなる。ここで、磁気フィルタ5a内を流れる被処理水中にはリン酸鉄の他にもさまざまな浮遊物質が含まれているが、これらはリン酸鉄に比べて磁化率が小さいため、リン酸鉄を吸引する磁気条件では吸引されず、処理水24に含まれたまま水域に戻される。
【0012】
以上のようにして磁気フィルタ5aによるリン酸鉄の吸着分離を続けると、磁気フィルタ5aにリン酸鉄が徐々に堆積し、それに応じて磁気フィルタ5aの分離性能が低下してくる。そこで所定時間通水を継続した後には磁気フィルタ5bに切り換える。それには一体接続の磁気フィルタ5a、5bを左に移動させるか、あるいは超電導磁石19を右に移動させることで、磁気フィルタ5aを超電導磁石19のボア外の低磁場空間に出し、代わりに磁気フィルタ5bを超電導磁石19のボア内の高磁場空間に位置させる。それとともに弁15、22を閉じ、弁16、23を開けて被処理水を磁気フィルタ5bに導くようにし、磁気フィルタ5bで分離運転を行う。そしてこの間に低磁場空間で磁気フィルタ5aの洗浄再生を行なう。それには弁26、27を開けてボンベ31より洗浄用空気あるいは洗浄水を注入して磁気フィルタ5aが保持しているリン酸鉄を洗い流し、洗い流したリン酸鉄はリン貯槽30に貯える。磁気フィルタ5bについても磁気フィルタ5aの分離運転中に同様な洗浄再生を施すことになるが、その場合には弁28、29を開けることになる。なお本実施形態ではボンベ31から洗浄用空気や洗浄水を供給するようにしているが、これに代えて処理水24を洗浄に用いるようにすることも可能である。
【0013】
以上のように本浄化装置は、富栄養化の原因となるリンを他の固形浮遊物質などと混ぜ合わさせることなくリン酸鉄として単独に分離回収することができる。このため回収したリン酸鉄は純度の高いものであり、回収リンの再利用が容易となる。回収リンの再利用の形態としては、回収リンがリン酸鉄の形態であることから、肥料が特に好ましいものとして挙げられる。回収したリン酸鉄はほぼそのままの状態で肥料とすることも可能であるが、窒素やカリウム等を適宜添加することで、より優れた肥料とすることができる。また本浄化装置は、リンの析出に用いる薬剤に低コストである硫酸鉄や塩化鉄を用いることができ、しかもその使用量を被処理水のリン酸イオン濃度と同等程度で済ませることができるので、上記従来の方法に比べてランニングコストを格段に低いものに抑えることができる。
【0014】
ここで、参考までに実験例について述べる。実験ではリンを含む試験水に硫酸第二鉄を添加し、pHを8以上に制御した状態で超電導磁気分離器に通水した。超電導磁気分離器の印加磁場は2Tとした。その結果、77%のリンを除去することができた。上記のように磁気分離器における吸引力はリン酸鉄の磁化と磁性細線近傍の磁場勾配の積に比例することから、より高磁場とすることでさらに除去率を高めることができると考えられる。超電導磁石方式を用いる本発明の場合には高磁場を得ることは容易である。例えば、安価なNbTi超電導線で構成した超電導磁石でも5〜7T程度の高磁場を容易に発生させることができる。またNb3 SnやNb3 Alなどの超電導材、あるいは高温超電導材などで形成した超電導磁石を用いると、さらに高磁場を発生させることができる。したがって本発明によればきわめて高いリン除去率を達成でき、しかも処理速度が速くて効率の高い処理となることが分かる。
【0015】
図2に第2の実施形態による浄化装置の構成をそのフローとともに模式化して示す。本実施形態の浄化装置は、リン酸塩生成部Aと磁気分離部Bの間に、固液分離部Cとフロック分解部Dが追加されている点で第1の実施形態のそれと相違している。以下、この相違点を重点的に説明する。本実施形態では、被処理水に対して水溶液タイプの鉄系凝集剤を薬剤として鉄イオン貯槽6から添加するとともに、攪拌槽2のpHを凝集性が高くなるように制御する。そのため攪拌槽2においてリン酸鉄が被処理水中の浮遊物質とともに凝集フロックを形成する。この凝集フロックは固液分離部Cに固液分離手段として設けてある沈殿槽3で沈殿し、汚泥となって被処理水から分離される。沈殿槽3には汚泥引き抜き管14が接続されており、この汚泥引き抜き管14で引き抜かれた汚泥は、フロック分解部Dにフロック分解手段として設けてあるpH調整槽(分解槽)4に導かれる。pH調整槽4では、pHセンサ32によりバルブ9を制御しながらアルカリ貯槽7からアルカリを添加してpHを高め、これにより凝集剤の凝集効果を低減させて凝集フロックを分解させる。この凝集フロックの分解により非凝集状態であるリン酸鉄を含んだ被処理水が得られるので、これを磁気分離部Bに通し、第1の実施形態と同様にして磁気分離を行なう。
【0016】
本実施形態によると、一旦凝集フロックを形成させ、これを被処理水から固液分離した後に磁気分離にかけるようにしているので、水域から取水して装置に導入した被処理水の殆どを固液分離部Cにおいて沈殿槽3の上澄み水13として水域に戻することができる。そのため、水域から装置に導入する被処理水の全体量に比べて格段に少ない量の被処理水を磁気分離部Bに通水させるだけで済み、したがって処理能力を同じとすれば、磁気分離部Bを大幅に小型化でき、同じ大きさの磁気分離部Bであれば処理能力を大幅に高めることができる。
【0017】
以上の第2の実施形態では固液分離に沈殿槽3による沈殿法を用いていたが、これに代えて例えば比重差分離法や砂付加高速凝集法あるいは磁気分離法等を用いることができる。磁気分離法を用いる場合には、例えばマグネタイト等の磁性粒子を凝集剤とともに添加し、マグシード式磁気分離法で磁気分離を行なうのが好ましい例である。また本実施形態では処理水24をそのまま水域に放流するようにしているが、処理水24に凝集沈殿などによる浮遊物質除去処理を施すようにするのも好ましいことである。すなわち処理水24は固液分離部Cまでの処理により高濃度に浮遊物質を含むようになっており、したがってより効率的にその除去を行なえる状態になっている。そこでこの条件を活かして浮遊物質除去処理を施すことで、リン除去に併せて浮遊物質除去による浄化も効率的に行なうことができる。処理水24に凝集沈殿法で浮遊物質除去処理を施す場合には、鉄イオン貯槽6の凝集剤やアルカリ貯槽7のアルカリを利用すると貯蔵タンクを増やさずに済み、装置の小型化や低コスト化を図れる。処理水24から浮遊物質除去で生じた汚泥は、これに回収リン酸鉄を加えることで良質な肥料とすることが可能であり、そのようにすることでより一層再利用性を高めることができる。また本実施形態では凝集フロックの分解にpH調整法を用いていたが、これに代えて例えば機械式分解や熱分解あるいはオゾンや過酸化水素を用いた酸化分解等も用いることができる。
【0018】
以上の第1、第2の各実施形態による浄化装置は、これを陸上に設置して用いることもできるし、またその全体または一部を船に搭載して船上処理の形態で用いることもできる。さらにリン酸塩生成部については、水域そのものをそれにあてることも可能である。すなわち必要ならばその一部を仕切るなどして水域に薬剤を直接に投入し、それからその薬剤投入の被処理水を磁気分離部に導いて磁気処理を施す方式とすることもできる。また以上の各実施形態では、攪拌槽2やpH調整槽4を設けてそこにおける攪拌で反応を促進させるようにしていたが、これに代えてスタティックミキサや配管の蛇行を利用することで攪拌作用を得て反応を促進させる構成とすることも可能である。また以上の各実施形態では、河川や湖沼などの水域の浄化に用いることを前提にしていたが、本発明による浄化装置は下水道水や工場排水などの脱リン浄化などに用いても同様な効果を得ることができる。下水道水の処理の場合には、生下水を被処理水とすることもできるし、活性汚泥法で処理した処理水を被処理水とすることもできる。
【0019】
本発明は磁気分離に超電導磁石式を用いることに特徴があるが、超電導磁石の冷却には液体ヘリウム等の冷媒を用いる方式と冷凍機伝導冷却方式が可能であり、冷凍機伝導冷却方式とすれば冷媒タンクを設置する必要がないことなどから省スペースを図れ、また操作性にも優れたものとすることができる。
【0020】
図3に第3の実施形態による浄化装置のフローを示す。薬剤として上記のような金属塩を用いることから、リン酸塩が生成するのと同時に金属水酸化物(金属イオンが鉄イオンである場合には水酸化鉄)もかなりの量で生成する。この金属水酸化物も超電導磁石式の磁気分離で回収することが可能である。ただリン酸塩を再利用しやすくするためにはリン酸塩と金属水酸化物を別々に回収するのが望ましい。リン酸塩と金属水酸化物を別々に回収するには、リン酸塩と金属水酸化物の磁性が異なることを利用する。具体的には、超電導磁気分離器にそれぞれ磁気力の異なる複数の磁気フィルタを設け、磁気力の低い磁気フィルタを上流側に配置した構成とする。このような超電導磁気分離器に被処理水を通すと、各磁気フィルタによりリン酸塩(リン酸鉄)と金属水酸化物(水酸化鉄)のそれぞれを分離して回収することができる。回収した水酸化鉄は酸で溶かすことによって再び添加用の鉄イオンとして再利用することができる。一方、回収したリン酸鉄を肥料などに再利用できることは上記各実施形態の場合と同様である。なお図3の例は図2の浄化装置を前提にしたものであるが、図1の浄化装置についても本実施形態の構成を同様に適用することができる。
【0021】
図4に第4の実施形態による浄化装置のフローを示す。本実施形態は第3の実施形態の変形例で、凝集フロックを被処理水から分離するのに磁気分離を用いている。凝集フロックを磁気分離するには、フロック形成部2(攪拌槽2が対応する)の上流側で磁性粒子34を注入することで凝集フロックに磁性粒子を取り込ませ、この磁性粒子を利用して磁気分離を行なう。磁性粒子にはリン酸塩や金属水酸化物よりも磁性の大きいものを用い、凝集フロックの分解後に被処理水中に残る磁性粒子は超電導磁気分離器25おいてリン酸塩や金属水酸化物の分離位置よりも上流側で回収する。回収した磁性粒子35は、添加磁性粒子34として再利用する。
【0022】
図5と図6に上記第4の実施形態における浄化装置の磁気分離部に用いることのできる超電導磁気分離器の構成を示す。図5はその断面構造を模式化して示しており、図6はその平面構造を模式化して示している。本実施形態の超電導磁気分離器は、リン酸塩と金属水酸化物それに磁性粒子の各分離対象物(被回収物)を別々に磁気分離するために3個の磁気フィルタ42、43、44を有している。これらの磁気フィルタ42、43、44は、一つの超電導磁石45で形成される磁場空間内でそれぞれの磁気力が異なるように配置されている。具体的には、下側の流入口41から流入して上側の流出口49へ流出するように鉛直に設けられた被処理水の流路に沿って3個の磁気フィルタ42、43、44をこの順番で直列に配列し、超電導磁石45からのそれぞれの距離が異なるようにしている。つまり3個の磁気フィルタ42、43、44が超電導磁石45からの距離に応じた磁場強度を受けるようにしている。超電導磁石45は、真空容器内に設置することで外部と断熱され、冷凍機48で冷却することにより超電導状態を保つようにされている。そして電源47かり電流を供給することで磁場を発生し、一旦磁場を発生させれば永久電流モードで運転することが可能である。
【0023】
最下部(最上流側)にある磁気フィルタ42は、最も磁気力が小さく、3種の被回収物の内で最も磁性の強い磁性粒子(例えばマグネタイトやヘマタイト)を吸引分離するのに用いられる。その上側(下流側)の磁気フィルタ43と磁気フィルタ44は、この順番で磁気力が大きくなり、それぞれの磁気力に応じてリン酸塩または金属水酸化物を吸引分離する。磁気フィルタ42、43、44は、何れもドーナツ型に形成され、回転可能とされており、この回転により被処理水の流路に位置していた部分が洗浄部42a、43a、44aに移り、そこで高圧水や高圧空気の注入による洗浄再生を受ける。洗浄で磁気フィルタから剥がし落とされた分離対象物は回収槽50に回収される。これらの洗浄部42a、43a、44aは、磁気フィルタ42、43、44を図6に示すように配置することで、互いに重なることがないように120°ずつずれるようにされている。また洗浄部42a、43a、44aは、超電導磁石45の磁場をなるべく受けないように配慮されている。具体的には、超電導磁石45の磁場空間からできるだけ離すように洗浄部42a、43a、44aを配置するとともに、鉄等の磁性材料で形成した磁気シールド46で超電導磁石45を覆っている。
【0024】
本実施形態のように一つの超電導磁石45で形成される磁場空間内に複数の磁気フィルタ42、43、44をそれぞれの磁気力が異なるように配置する構成は、複数の分離対象物を別々に磁気分離する必要のある場合の装置構造について、その小型化を図れ、また低コスト化も可能であるという利点がある。つまり複数の分離対象物を別々に磁気分離するについては、各分離対象物ごとに超電導磁気分離器を設ける構成とすることもできるが、これに比べ、本実施形態の構成は装置の小型化や低コスト化を図れる。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、水質浄化としてのリンの除去を効率的に行なえるとともに、肥料などとして再利用することが容易である形態でのリンの回収を低コストで行なうことを可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態による浄化装置の構成をそのフローとともに示す図である。
【図2】第2の実施形態による浄化装置の構成をそのフローとともに示す図である。
【図3】第3の実施形態による浄化装置のフローを示す図である。
【図4】第4の実施形態による浄化装置のフローを示す図である。
【図5】他の実施形態による超電導磁気分離器の断面構造を模式化して示す図である。
【図6】図5の超電導磁気分離器の平面構造を模式化して示す図である。
【符号の説明】
1 被処理水
2 反応槽(リン酸塩生成手段)
3 沈降槽(固液分離手段)
4 分解槽(フロック分解手段)
5a、5b 磁気フィルタ
6 鉄イオン貯槽
7 アルカリ槽
19 超電導磁石
25 超電導磁気分離器(磁気分離手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a purification device, and more particularly to a purification device for removing phosphorus from water to be treated.
[0002]
[Prior art]
When water bodies such as rivers and lakes become eutrophied, the water environment deteriorates due to the large-scale occurrence of blue sea bream. One of the main components that brings eutrophication of the water area is phosphorus, and removing this from the water area can effectively prevent the occurrence of large-scaled sea bream, and the removed phosphorus can be used as fertilizer. It can be reused as a resource, and it helps to save resources. Therefore, there is a need for a technology that can remove phosphorus efficiently and in a form that can be reused as fertilizer. Conventionally, a coagulation precipitation method is known as a typical technique for removing phosphorus for water purification. Further, for example, techniques described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-361120 and 11-188383 are also known, and further, for example, techniques described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-281261 are also known. Yes.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the coagulation precipitation method, it contains components that react with phosphate ions, which are the main form of phosphorus in water, to form phosphates, such as polyaluminum chloride, aluminum sulfate, ferric sulfate or ferric chloride. Is added to the water to be treated (raw water). As a result, suspended substances in the treated water aggregate, and at the same time, phosphate ions in the treated water react with the aggregating agents aluminum and iron to form phosphates, which aggregate together with the suspended substances. Therefore, phosphorus can be removed from the water to be treated by precipitating the aggregated floc. Such a coagulation-precipitation method is effective in terms of removing phosphorus, but it is difficult to remove phosphorus in a form that can be reused as a fertilizer resource. In other words, since the phosphorus precipitates by forming aggregated flocs together with the solid matter (floating matter) in the water to be treated, the concentration of phosphorus in the recovered sediment (sludge) is low, and the phosphorus component is taken out from the sediment. In addition, even if the precipitate is used as a fertilizer, the phosphorus content is insufficient. Especially in the coagulation sedimentation method, if the flocs to be formed are small, the sedimentation rate becomes slow, and it is inevitable that the coagulation sedimentation tank will be enlarged. Therefore, a large amount of coagulant is added to increase the processing efficiency. However, as a result, the precipitate is a mixture of a large amount of flocculant and a large amount of solid matter with a small amount of phosphate, making it impossible to recycle phosphorus. The coagulation sedimentation method is also used to remove phosphorus from sewage, in which case it is combined with biological treatment.
[0004]
On the other hand, in the techniques described in the above Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-361120 and 11-188383, phosphorus is precipitated and recovered by adding calcium ions and the like after ozone oxidation of the coagulated sludge. This makes it possible to reuse phosphorus. However, in these conventional techniques, it is necessary to completely ionize phosphorus once in an ozone treatment or an anaerobic retention tank in order to separate sludge and phosphorus, and then it is necessary to add metal ions again to precipitate phosphorus. . Therefore, there exists a problem that the apparatus cost of phosphorus ionization or the operation cost becomes high. Moreover, since the particle size of the phosphate produced | generated at the time of phosphorus precipitation is small, it takes time to make it precipitate, and there also exists a problem that a phosphorus precipitation apparatus will enlarge.
[0005]
The technique described in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-281261 is based on a magnetic separation system in which phosphate ions are adsorbed on magnetic iron oxide fine particles and removed by magnetic separation, and phosphorus is buried in a large amount of sludge. Can be avoided. However, with this method, the amount of magnetic iron oxide necessary for adsorption increases to about 10 to 50 times the amount of phosphorus to be removed, and as a result, the concentration of phosphorus in the recovered product becomes as low as several percent, After all, there is great difficulty in reuse. Further, in order to efficiently adsorb phosphate ions in the water to be treated, magnetic iron oxide having strong phosphorus adsorption ability is required. Such a magnetic iron oxide is required to be produced by a special manufacturing method as described in JP-A-8-281261, and therefore the manufacturing cost is high and the running cost is high because it cannot be reused. turn into. Further, the magnetic iron oxide fine particles are likely to precipitate, and therefore strong stirring is always required, and the stirring power also increases the running cost.
[0006]
As described above, the conventional technology is effective as far as the phosphorus removal ability is concerned, but it is substantially impossible or possible in terms of recycling recovered phosphorus. However, the cost required for this is a major impediment to practicality. The present invention is made against the background of such a conventional situation, and it is possible to efficiently remove phosphorus as water purification and to recycle phosphorus as a fertilizer and the like. An object of the present invention is to provide a purification device that enables recovery at a low cost.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a purification apparatus for removing phosphorus from water to be treated by adding a metal salt to the water to be treated, and a magnetic phosphate produced by a reaction between metal ions and phosphate ions in the water to be treated. The phosphate production means to be generated, the solid-liquid separation means for separating the aggregated floc containing the phosphate in the treated water from the treated water, and the aggregated floc separated by the solid-liquid separation means, the PH adjustment method or Floc decomposition means for decomposing using mechanical decomposition, thermal decomposition, or oxidative decomposition method, and superconducting magnet type magnetic separation means for separating phosphate after decomposing the aggregated floc by this floc decomposition means A purifying device is disclosed.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows the configuration of the purification apparatus according to the first embodiment together with the flow thereof. The purification apparatus of the present embodiment is premised on being used for purification of water areas such as rivers and lakes, and includes a phosphate generation unit A and a magnetic separation unit B. The phosphate production unit A includes a stirring tank (reaction tank) 2, an iron ion storage tank (phosphate generation chemical storage tank) 6, and an alkali storage tank (pH adjustment chemical storage tank) 7 that form phosphate generation means. ing. To-be-treated water (raw water) 1 taken by a pump (not shown) from the water area is introduced into the
[0009]
The present invention is based on the knowledge that a magnetic field as strong as that obtained with a superconducting magnet can attract even a relatively low magnetic material such as iron phosphate. Phosphorus is removed from the water to be treated by directly adsorbing and separating iron phosphate itself with a strong magnetic attraction force. This makes it possible to recover phosphorus in a form that facilitates recycling. That is, only the iron phosphate is magnetically adsorbed and collected without causing the precipitated iron phosphate to form aggregated flocs with solid suspended matters in the water to be treated. Accordingly, the phosphoric acid in the magnetic separation section B is recovered. It is a preferable condition that iron phosphate does not form aggregated floc during the separation of iron. For this purpose, the purification device of the present embodiment includes agglomeration preventing means. The aggregation preventing means of the present embodiment includes, for example, an alkali storage tank 7 that stores alkali such as NaOH, an injection valve 8 that controls the amount of alkali injected from the alkali storage tank 7 into the stirring
[0010]
The water to be treated in which iron phosphate is generated as described above is introduced into the magnetic separation section B through the
[0011]
A high magnetic field of 2T (Tesla) or more is applied to the
[0012]
If the adsorption and separation of iron phosphate by the
[0013]
As described above, the present purification device can separately separate and recover phosphorus that causes eutrophication as iron phosphate without mixing it with other solid suspended substances. For this reason, the recovered iron phosphate has a high purity, and the recovered phosphorus can be easily reused. As a form of reuse of recovered phosphorus, fertilizer is particularly preferable because recovered phosphorus is in the form of iron phosphate. The recovered iron phosphate can be used as a fertilizer in an almost intact state, but a more excellent fertilizer can be obtained by appropriately adding nitrogen, potassium, or the like. In addition, this purification device can use low-cost iron sulfate or iron chloride as the chemical used for the precipitation of phosphorus, and can use the same amount as the phosphate ion concentration of the water to be treated. As a result, the running cost can be significantly reduced as compared with the conventional method.
[0014]
Here, an experimental example is described for reference. In the experiment, ferric sulfate was added to test water containing phosphorus, and water was passed through the superconducting magnetic separator with the pH controlled to 8 or higher. The applied magnetic field of the superconducting magnetic separator was 2T. As a result, 77% of phosphorus could be removed. As described above, since the attractive force in the magnetic separator is proportional to the product of the magnetization of iron phosphate and the magnetic field gradient in the vicinity of the magnetic wire, it is considered that the removal rate can be further increased by using a higher magnetic field. In the case of the present invention using the superconducting magnet system, it is easy to obtain a high magnetic field. For example, even a superconducting magnet composed of an inexpensive NbTi superconducting wire can easily generate a high magnetic field of about 5 to 7T. Further, when a superconducting magnet formed of a superconducting material such as Nb3 Sn or Nb3 Al or a high temperature superconducting material is used, a higher magnetic field can be generated. Therefore, according to the present invention, it can be seen that an extremely high phosphorus removal rate can be achieved, and the processing speed is high and the processing is highly efficient.
[0015]
FIG. 2 schematically shows the configuration of the purification apparatus according to the second embodiment together with the flow thereof. The purification apparatus of this embodiment is different from that of the first embodiment in that a solid-liquid separation part C and a floc decomposition part D are added between the phosphate production part A and the magnetic separation part B. Yes. Hereinafter, this difference will be described mainly. In the present embodiment, an aqueous iron coagulant is added to the water to be treated from the iron ion storage tank 6 as a chemical agent, and the pH of the stirring
[0016]
According to the present embodiment, the flocs flocs are once formed and subjected to magnetic separation after solid-liquid separation from the water to be treated. Therefore, most of the water to be treated introduced into the apparatus after taking water from the water area is solidified. In the liquid separation part C, the
[0017]
In the second embodiment described above, the precipitation method using the
[0018]
The purification apparatuses according to the first and second embodiments described above can be used by installing them on land, or can be used in the form of onboard processing by mounting all or part of them on a ship. . Furthermore, it is also possible to apply the water area itself about the phosphate production | generation part. In other words, if necessary, a part of the medicine can be partitioned and the chemical can be directly introduced into the water area, and then the treated water into which the chemical has been introduced is guided to the magnetic separation unit to perform the magnetic treatment. Further, in each of the above embodiments, the stirring
[0019]
The present invention is characterized by the use of a superconducting magnet system for magnetic separation. However, a cooling system such as liquid helium and a refrigerator conduction cooling system can be used for cooling the superconducting magnet. For example, it is not necessary to install a refrigerant tank, so that space can be saved and operability can be improved.
[0020]
FIG. 3 shows a flow of the purification apparatus according to the third embodiment. Since the metal salt as described above is used as a drug, a significant amount of metal hydroxide (or iron hydroxide when the metal ion is an iron ion) is generated at the same time as the phosphate is formed. This metal hydroxide can also be recovered by superconducting magnet type magnetic separation. However, in order to facilitate the reuse of phosphate, it is desirable to collect phosphate and metal hydroxide separately. In order to collect the phosphate and the metal hydroxide separately, the fact that the magnetism of the phosphate and the metal hydroxide is different is used. Specifically, the superconducting magnetic separator is provided with a plurality of magnetic filters having different magnetic forces, and a magnetic filter having a low magnetic force is disposed on the upstream side. When the water to be treated is passed through such a superconducting magnetic separator, each of the magnetic filters can separate and recover each of phosphate (iron phosphate) and metal hydroxide (iron hydroxide). The recovered iron hydroxide can be reused as iron ions for addition again by dissolving with an acid. On the other hand, the recovered iron phosphate can be reused as fertilizer as in the case of the above embodiments. The example in FIG. 3 is based on the purification device in FIG. 2, but the configuration of the present embodiment can be similarly applied to the purification device in FIG.
[0021]
FIG. 4 shows a flow of the purification apparatus according to the fourth embodiment. This embodiment is a modification of the third embodiment and uses magnetic separation to separate the aggregated floc from the water to be treated. In order to magnetically separate the agglomerated flocs, the magnetic particles are taken into the agglomerated flocs by injecting the magnetic particles 34 on the upstream side of the floc forming unit 2 (which the
[0022]
FIG. 5 and FIG. 6 show the configuration of a superconducting magnetic separator that can be used in the magnetic separation part of the purification apparatus in the fourth embodiment. FIG. 5 schematically shows the cross-sectional structure, and FIG. 6 schematically shows the planar structure. The superconducting magnetic separator according to the present embodiment includes three
[0023]
The
[0024]
The configuration in which a plurality of
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, phosphorus can be efficiently removed as water purification, and phosphorus can be recovered at a low cost in a form that can be easily reused as fertilizer. It becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a purification device according to a first embodiment together with the flow thereof.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a purification device according to a second embodiment together with the flow thereof.
FIG. 3 is a diagram showing a flow of a purification device according to a third embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a flow of a purification device according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a superconducting magnetic separator according to another embodiment.
6 is a diagram schematically showing a planar structure of the superconducting magnetic separator of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Water to be treated 2 Reaction tank (phosphate production means)
3 Settling tank (Solid-liquid separation means)
4 Decomposition tank (floc disassembling means)
5a, 5b Magnetic filter 6 Iron ion storage tank 7 Alkali tank 19
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