JP5518372B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理水中に含まれるリンを回収するための水処理装置に係り、特に下水道や、食品加工工場等の産業排水処理に用いられる、活性汚泥法をはじめとする生物学的排水処理から排出される、余剰汚泥の処理工程から排出される水処理装置に係り、特に、被処理水中に含まれるリンを回収再利用するための水処理装置に関する。

現在、世界的な将来のリン資源枯渇化が予測され、リン資源の確保を輸入に依存する国内事情から、排水中のリン回収技術が注目されている。

これまで、排水中のリンは、環境系への排出は富栄養化の一因であることから、その除去と排出状況管理が必須とされ、このため、リンの除去技術にもっとも注力されていた。代表的なリン除去技術として、微生物のリン蓄積能を利用する生物学的リン除去方法や、凝集沈殿法によるリン除去法がある。

これらのリン除去方法を直接リン回収利用手段とするためには、例えば、生物学的リン除去法から発生する余剰汚泥の焼却や化学処理等のプロセスが必要であり、多量の薬剤や、複数の処理工程を配する必要があった。例えば、リンを資源として再利用するために、使用する薬品や、由来する汚泥等に含有する不純物の影響を排除する必要もあるため、その調整や精製工程が必要となる。これらの実情を鑑み、リンを選択的に吸着するリン吸着剤を利用する水処理技術が注目されている。陰イオンを選択的に除去する素材として、陰イオン交換体として、陰イオン交換樹脂や、ハイドロタルサイト様の無機層状化合物をベースとしたリン吸着剤や、種々金属をベースとした吸着剤などがあり、これらの製法や、この素材特性を発展させたリン吸着剤およびリン吸着剤を利用したリン回収に関して、多くの方法が提案されている。

例えば、前記吸着剤を利用したリン回収システムの例として、特許文献１がある。

特許文献１は、生物処理汚泥の可溶化手段と固液分離手段とリン吸着手段を備える排水処理装置に関するものである。

特開２００６−３４６５５５公報

特許文献１の排水処理装置は、汚泥可溶化手段によって排出される汚泥可溶化手段の処理物が生物処理手段と循環し、処理物の一部が汚泥分離後手段を介して、リン吸着手段に供給する。よって、汚泥分離手段の形式によっては固形分が除去され、リン吸着手段に供給される。排水中のリン濃度の低減は可能になるが、吸着剤能の低減でのリン吸着飽和後には吸着剤の交換やリン脱離や再利用を例示しており、リン吸着剤の被処理水中に含有する溶解性不純物がリン吸着剤を備えるリン吸着手段に残存する。このため、吸着したリンを吸着剤から脱離操作する際に、リン吸着剤の被処理水中に含有する不純物が回収するリン液に混入する。従って、例示されているリン酸塩としての回収工程に不純物を含む課題がある。

また別の課題として、リン含有排水でのリン除去において、リンを含有する被処理水中に含有する不純物について、リン吸着除去後に、リンを脱離するアルカリ液を通水する場合、アルカリ液に脱離され、通水済みアルカリ液に移動するリンの他に、被処理水中に含まれる不純物がリンを脱離するアルカリ液に混入するため、リン回収液へ不純物が混入するという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、生物学的水処理工程から排出される汚泥処理工程から排出される汚泥脱離液を被処理水とし、該被処理水中に含まれるリンを、吸着剤を用いて分離し、被処理水中の不純物の混入を抑制して、リンを回収する水処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の水処理装置は、被処理水中に含有するリンを回収するリン吸着剤と、前記リン吸着剤を充填する反応器と、前記反応器への被処理水の導入経路と、前記反応器からのリン除去済みの被処理水の排出経路と、リン吸着済みのリン吸着剤からリンを脱離するリン脱離薬液を通水する通水手段と、通水処理された前記リン脱離薬液からリン酸塩を得るリン回収手段とを有し、前記反応器に保持された被処理水排出後に、前記反応器に上向流により液体を導入することを特徴とする。

本発明によれば、被処理水中の不純物の混入を抑制しつつ薬液消費を抑えた、被処理水からのリンを回収する水処理装置を提供することができる。

本発明の実施例１における水処理装置の構成図。 本発明の実施例２における水処理装置の構成図。 本発明の実施例３における水処理装置の構成図。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の水処理装置の実施例１を示す構成図である。

この水処理装置は、食品加工工場等の産業排水処理に用いられる、活性汚泥法をはじめとする生物学的排水処理から排出される、余剰汚泥の処理工程から排出される汚泥脱離液の水処理装置に適用され、特に該汚泥の由来する生物学的水処理工程上流側へ返送される経路を有する生物学的排水処理工程を有する水処理装置に適用される。

被処理水１は、その余剰汚泥の処理工程である汚泥脱離液に由来する。ここでいう余剰汚泥の処理工程とは、汚泥濃縮や汚泥脱水工程、嫌気性消化処理の汚泥脱離液いずれであってもよい。また、被処理水１は、下水処理の汚泥処理工程に適用した場合、排水量や水質が安定していることから、計画的なリン回収に寄与することができるため、さらに望ましい。被処理水１は、リン吸着剤２を具有する第１反応器３−１および第２反応器３−２に導入される。

ここで、リン吸着剤２とは、例えば、特開２００９−５６４５７に示される有機金属錯体をベースとしたリンを化学的に可逆に吸着脱離を繰り返し操作でき、排水中のリン吸着後に、吸着剤からのリン脱離に用いられる脱離液の選択性が広い、リンを選択的に吸着できる素材から選ばれることが望ましい。リン吸着剤２の一例として、アミノ基を一または二以上その構造の一端に有している有機系高分子（単独のアミノ基のみも含む）である窒素含有化合物と、この窒素含有化合物を担持する担体と、窒素含有化合物に固定化された、亜鉛イオン、銅イオン、鉄イオンおよびジルコニウムイオンの群から選ばれる少なくとも一つの金属イオンと、を有したリン吸着剤が挙げられる。担体としては、シリカゲル、アルミナ、ガラス、カオリン、マイカ、タルク、クレイ、水和アルミナ、ウォラストナイト、鉄粉、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、炭化珪素、窒化珪素、炭酸カルシウム、炭素、硫酸バリウム、ボロン、フェライトなどを用いることができる。第１反応器３−１や第２反応器３−２は、被処理水１導入時は固定床形態で運用される。また、被処理水１に含まれるリンを連続的に除去するため、第１反応器３−１と第２反応器３−２は、いずれか一方が被処理水１の通液している際は、他方は被処理水１以外の通水操作を実施する操作を行うことが望ましい。

被処理水１は、第１反応器３−１や第２反応器３−２に導入され含有するリンをリン吸着剤２で除去された後、第１、第２処理水排出経路４−１，４−２から、それぞれ排出される。第１反応器３−１や第２反応器３−２にて被処理水１を導入し、リンを吸着したリン吸着剤２は、その後、被処理水１の通水を停止の後、第１反応器３−１や第２反応器３−２に保持される液を、第１、第２処理水排出経路４−１，４−２から、排出される。この排出においては、例えば第１反応器３−１や第２反応器３−２上部にベント等を設け、排出を促進するなどの措置をすることが望ましい。

第１反応器３−１や第２反応器３−２に保持される液の排出を終えた後、第１反応器３−１や第２反応器３−２下部にそれぞれ配される第１反応器液導入経路５−１や第２反応器液導入経路５−２から液を導入し、第１反応器３−１や第２反応器３−２に保持されるリン吸着剤２が液体と接触させるようにする。ここで、第１反応器３−１や第２反応器３−２下部にそれぞれ配される第１反応器液導入経路５−１や第２反応器液導入経路５−２から導入する液は、特に成分は限定しないが、リン吸着剤２の変質や本水処理装置の構造材の腐食を起こさず、また、リン吸着剤２への吸着能を有する成分、その後の工程に影響を及ぼすイオン成分や固形分を含有しないことが望ましい。また、第１反応器３−１や第２反応器３−２に通水される被処理水１に含まれる不純物がリン吸着剤２に蓄積する可能性がある場合、第１反応器液導入経路５−１や第２反応器液導入経路５−２から導入する液を用いて吸着剤２を逆洗することもできる。

第１反応器液導入経路５−１や第２反応器液導入経路５−２から液を導入した後、第１反応器３−１や第２反応器３−２には、第１脱離薬液導入経路６−１や第２脱離薬液導入経路６−２から、リン吸着剤２が被処理水１に含有するリンを吸着した後に、リンを脱離する成分を含有する薬液が導入され、それぞれ、第１脱離薬液通水処理水排出経路７−１や第２脱離薬液通水処理水排出経路７−２から、被処理水１に由来するリンと脱離薬液に由来する成分を含んだ液が排出される。ここで、第１脱離薬液導入経路６−１や第２脱離薬液導入経路６−２にて導入される薬液は、吸着剤２の特性や、構成する機器構造物や、リン晶析物への影響が小さい成分から選択することが望ましく、例えば水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性を呈する成分や、希塩酸などを用いることができる。該薬液のリン酸塩晶析物の純度維持の観点からは、特に水酸化ナトリウム水溶液を用いることが望ましい。

第１脱離薬液通水処理水排出経路７−１や第２脱離薬液通水処理水排出経路７−２から排出されるリン含有液は、晶析槽８に導入される。晶析槽８では、晶析薬液９の導入と、攪拌装置１０による混合操作が行われる。ここでいう晶析薬液９とは、カルシウム塩などのリンと固形塩を形成する成分を添加することが望ましく、さらに望ましくは水酸化カルシウムを用いるとよい。また、晶析槽８にはリン酸ヒドロキシアパタイトなどの種晶を事前におよび／または連続的に供給することが望ましい。この連続的な種晶の供給は、晶析槽８から排出される液の晶析物を固液分離する晶析固液分離槽１１にて得られる晶析物の一部を晶析物返送経路１３によって供給しても良い。結果として、リンは晶析物排出経路１２を介して、リン回収物が得られる。なお、晶析槽８と晶析固液分離槽１１は、同一槽内にこれらの機能を組み込んだ単一槽としてもよく、あるいは多段処理とした構成としても良い。

次に本実施の形態における効果作用について示す。

被処理水１は、汚泥の固液分離操作によって排出される脱離液であり、通常、浮遊固形分を含有する。このため、吸着剤を用いるプロセスにおいては、この浮遊固形分が吸着剤層に蓄積して吸着剤の汚損を引き起こす可能性と、繰り返し使用する吸着剤においては、吸着剤層から排出される液を用いた後段プロセスに混入する可能性がある。さらに、被処理水１に含有するその他の不純物も、繰り返し使用する吸着剤においては、吸着剤層から排出される液を用いた後段プロセスに混入する可能性がある。

このため、被処理水１に含まれる不純物類を排する構成を有する、繰り返し使用する吸着剤を利用する水処理装置の構成が求められる。そこで、本実施例１では、以下の方法で、不純物類を排除する。

第１に、被処理水１を第１反応器３−１および第２反応器３−２に通水し被処理水１中に含有するリンを吸着剤２で除去した後、第１処理水排出経路４−１および第２処理水排出経路４−２から、第１反応器３−１および第２反応器３−２に保持される液をそれぞれ排出し、被処理水１に由来する溶解性の不純物類を中心とした影響を排除する。これにより、その後晶析槽８に導入される第１脱離薬液通水処理水排出経路７−１、第２脱離薬液通水処理水排出経路７−２から排出されるリン吸着剤２からのリン含有の脱離薬液中への被処理水１中の不純物の影響を排除する。

第２に、被処理水１中に含まれる浮遊固形分不純物は、第１反応器３−１および第２反応器３−２に通水時にリン吸着剤２に蓄積した場合、その後第１反応器液導入経路７−１、第２反応器液導入経路７−２から導入される液による逆洗操作によって排除されるため、その後晶析槽８に導入される第１脱離薬液通水処理水排出経路７−１、第２脱離薬液通水処理水排出経路７−２から排出されるリン吸着剤２からのリン含有の脱離薬液中への被処理水１中の浮遊固形分の影響を排除する。これらの不純物排除操作に加えて、晶析槽８にて目的とするリン酸塩結晶種を常時保持することにより、リン回収物の形態を維持することができる。

以上説明したように、本実施例の水処理装置においては、リン吸着剤を充填する反応器にリンを含有する被処理水が導入されることにより、リン吸着剤にリンが捕捉された後、反応器に保持されるリン除去済みの処理水排出経路から反応器が保持する液を排出する手段によって、被処理水に由来する不純物を含むリン吸着済み処理水が排出されるため、リンを吸着したリン吸着剤を保持する反応器内に保持される不純物濃度を低減することができる。またリン吸着済みのリン吸着剤を保持する反応器に上向流による液を導入することによって、下向流では除去できない、反応器内の吸着剤充填部に残存する気相を排除できるため、その後に導入するリン脱離薬液の通水手段におけるリン脱離薬液との接触が均質化されるため、リン吸着剤に捕捉されたリンを効率よく脱離できる。これらの手段によって、リン脱離薬液の通水処理水のリン酸塩を得る晶析手段によるリン回収において、不純物が少なく安定なリン脱離薬液の通水処理水を被処理水とすることで、リン回収物であるリン酸塩を得る晶析手段への不純物が低減し、リン回収物への不純物混入を抑制することができるため、排水中からのリン回収を適切に運用する水処理装置を提供できる。

あるいはリン吸着済みのリン吸着剤を保持する反応器に上向流による液を導入する手段が、リン吸着剤に導入される不純物を排除する逆洗手段とすることにより、リン脱離手段にて排出される通水済みリン脱離液への不純物の混入を抑制できるため、リン回収物であるリン酸塩を得る晶析手段への不純物が低減し、リン回収物への不純物混入を抑制する水処理装置を提供できる。

リン脱離手段にて用いるリン脱離薬液をアルカリ薬液とすることにより、リン脱離手段にて排出される通水済みリン脱離液へのリンに由来する陰イオン以外の陰イオン不純物の混入を抑制することができるため、リン酸塩を得る晶析手段への陰イオン不純物が低減し、リン回収物への不純物混入を抑制する水処理装置を提供できる。

また、晶析手段がリン脱離薬液の通水処理水とリン酸ヒドロキシアパタイトおよび水酸化カルシウム液と接触する手段とすることにより、晶析手段においてリン酸ヒドロキシアパタイトを結晶核とし、リン脱離薬液の通水処理水をリン源、水酸化カルシウム液をカルシウム源としたリン酸ヒドロキシアパタイトとしての晶析リン回収が適切に行える水処理装置を提供できる。

リン吸着剤を充填する反応器を複数配し、通水液の切替えによって被処理水中のリンを連続的に除去および回収することによって、貯留槽等を設けずに排水から連続的にリンを回収することにより、リン回収装置でのリン負荷変動やメンテナンス等で、被処理水源となる上流に位置する排水処理施設への影響を抑制し、安定にリン除去・回収する水処理装置を提供できる。

この水処理装置を余剰汚泥の処理工程から排出される排水に適用するメリットとしては、通常、処理工程から排出される汚泥脱離液は、汚泥の由来する生物学的水処理工程の上流側へ返送される。このため、リン再資源化をするための水処理装置としての目的を有する本発明により、処理系全体系内への流入水や処理系全体からの流出水部分に適用する場合と比べ、処理系全体から系外に排出される放流中でのリン濃度変動に伴う水質汚濁のリスクも軽減できる。

すなわち実施例１に示された水処理装置によれば、被処理水１に含まれる不純物の影響を排したリン吸着剤の繰り返し利用によるリン除去と不純物の混入を抑制したリン回収の運用が可能となるため、排水中からのリン回収操作を効率よく適切に運用できる。

図２は、本発明の実施例２を示す構成図である。図１の実施例１と同じ構成および作用には、同一符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

実施例２に示された水処理装置は、第３反応器３−３、第３処理水排出経路４−３、第３反応器液導入経路５−３、第３脱離薬液導入経路６−３、第３脱離薬液通水処理水排出経路７−３を配し反応器系統を３系統とし、吸着剤の再生薬液である再生薬液導入経路１５と該再生薬液の排出のための、再生処理水排出経路１６を配し、被処理水１の第１反応器３−１、第２反応器３−２および第３反応器３−３導入前に固液分離装置２１を配したものであり、その他は実施例１の水処理装置と同一のため、説明を省略する。

被処理水１に含有する不純物固形分を除去する被処理水固液分離装置２１を配することにより、吸着剤２への固形分の蓄積を抑制することができる。ここで、被処理水固液分離装置２１とは、膜分離技術などを用いればよい。膜分離を用いる場合、維持のための薬液洗浄などに伴う廃液が、第１〜第３反応器３−１〜３に混入しないように洗浄液排出配管を別途設けるなど措置を講じる必要がある。この場合、第１〜３反応器３−１〜３での第１〜３反応器液排出経路５−１〜３による液導入を併用する逆洗を排除してもよい。

また、吸着剤２からのリン脱離する第１〜３脱離薬液導入経路を介する脱離薬液の導入のみでは、リン吸着剤２を再度リン吸着可能な状態に操作が難しい場合、再生薬液導入経路１５により、再生薬剤を導入し、リン吸着剤２の吸着能を保持する操作するが、ここでいう再生薬剤とは、脱離薬剤と比べ、陰イオン含有成分濃度がより高濃度な薬剤を用いればよく、吸着剤２の性能低下等を引き起こす可能性のある成分を除外し、通液後に別途排水処理等が不要な物質から選定することが望ましく、例えば塩化ナトリウムなどを用いることができる。

以上説明したように、前記リン脱離薬液は、最終的にリン酸塩を得る晶析手段におけるリン晶析手段の被処理水となるため、リンの回収リン酸塩形態によっては、リンを脱離でき、かつリン酸塩晶析への影響の小さい薬液から選定することが望ましいため、このリン脱離薬液のみでは、リン吸着剤が所定のリン吸着能に回復しない場合は、別途リン吸着剤の再生薬液を通水することにより、リン吸着剤を繰り返して排水中からのリン除去・回収に用いることができる水処理装置が提供できる。

またリン吸着剤を具有する反応器に導入する被処理水に含有する不純物のひとつである固形分を予め除去することにより、リン吸着剤内部への固形分の蓄積を抑制できるため、反応器へ導入する手段に掛かる負荷上昇を抑制しつつ、リン脱離手段にて排出される通水済みリン脱離液への不純物の混入を抑制できるため、リン回収物であるリン酸塩を得る晶析手段への不純物が低減し、リン回収物への不純物混入を抑制する水処理装置を提供できる。

すなわち実施例２に示された水処理装置によれば、被処理水中の浮遊固形分の影響を速やかに排除し、リン吸着剤の繰り返し利用をより適切に執り行うことができるため、排水中からのリン除去および回収操作を効率よく適切に運用できる。

図３は、本発明の実施例３を示す構成図である。図１の実施例１と同じ構成および作用には、同一符号を付して説明を省略あるいは簡素化する。

実施例３に示された水処理装置は、第１〜２反応器液導入経路５−１〜２に第１−０、２−０脱離薬液導入経路１７−１，２を配し、第１〜２脱離薬液通水処理水排出経路７−１〜２上に脱離薬液通水処理水固液分離装置１８を配したものであり、その他は実施例１の水処理装置と同一のため、説明を省略する。

第１〜２反応器３−１〜２に保持される被処理水１由来液を排出した後、第１〜２反応器液導入経路５−１〜２にて上向流にて液を導入した後、その一部または全てを第１−０、２−０脱離薬液導入経路１７−１，２を介して、リン吸着剤２の脱離薬液を導入する。この薬液導入により、第１〜２脱離薬液通水処理水排出経路７−１〜２から排出される回収リン成分や、脱離薬液濃度の濃度変動を抑制できるため、晶析槽８に導入される水質をより均質化することができるため、リン回収操作を適切に運用できる。

また、第１〜２脱離薬液通水処理水排出経路７−１〜２上に脱離薬液通水処理水固液分離装置１８を配することにより、脱離薬液通水処理水に混入する固形分をより排除して、晶析槽８に液を導入することができるため、晶析槽８における固形分不純物の影響を排することができる。ここで、脱離薬液通水処理水固液分離装置１８とは、膜分離の維持のための薬液洗浄などに伴う廃液が晶析槽に混入しないよう洗浄工程を切り替えるなど措置を講じた上で、公知の膜分離装置などを用いればよい。

以上説明したように、リン吸着済みのリン吸着剤を保持する反応器に上向流による液を導入する手段にて用いられる液が、リン脱離薬液とすることにより、リン脱離手段にて排出される通水済みリン脱離液への上向流により導入する液の影響を抑制できるため、リン回収物であるリン酸塩を得る晶析手段への、上向流により導入する液の影響も抑制される水処理装置を提供できる。

予めリン脱離手段にて排出される通水済みリン脱離液から排出され、リン回収物であるリン酸塩を得る晶析手段への導入系路上に固液分離手段を配することにより、不純物が低減し、晶析手段でのリン回収物への不純物混入を抑制する水処理装置を提供できる。

すなわち実施例３に示された水処理装置によれば、リン回収のための晶析槽へ流入する固液分の影響や、薬液成分の濃度変動を抑制したリン回収操作ができるため、排水中からのリン除去および回収操作を効率よく適切に運用できる。

なお、本発明は、上記実施例１〜３そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１ 被処理水
２ リン吸着剤
３−１ 第１反応器
３−２ 第２反応器
４−１ 第１処理水排出経路
４−２ 第２処理水排出経路
５−１ 第１反応器液導入経路
５−２ 第２反応器液導入経路
５−３ 第３反応器液導入経路
６−１ 第１脱離薬液導入経路
６−２ 第２脱離薬液導入経路
６−３ 第３脱離薬液導入経路
７−１ 第１脱離薬液通水処理水排出経路
７−２ 第２脱離薬液通水処理水排出経路
７−３ 第３脱離薬液通水処理水排出経路
８ 晶析槽
９ 晶析薬液
１０ 攪拌装置
１１ 晶析物固液分離装置
１２ 晶析物排出経路
１３ 晶析物返送経路
１４ 晶析処理水
１５ 再生薬液導入経路
１６ 再生処理水排出経路
１７−１ 第１−０脱離薬液導入経路
１７−２ 第２−０脱離薬液導入経路
１８ 脱離薬液通液処理水固液分離装置
２１ 被処理水固液分離装置

Claims (2)

1. 被処理水中に含有するリンを回収するリン吸着剤と、
   前記リン吸着剤を充填する複数の反応器と、
   前記反応器への被処理水の導入経路と、
   前記反応器からのリン除去済みの被処理水の排出経路と、
   リン吸着済みのリン吸着剤からリンを脱離する、アルカリ薬液であるリン脱離薬液を下向流で通水する通水手段と、
   通水処理された前記リン脱離薬液を、リン酸ヒロドキシアパタイトおよび水酸化カルシウム液と接触させることにより、リン酸塩を得るリン回収手段と、
   前記反応器から被処理水排出後に、前記反応器に上向流により液体を導入する導入手段と、
   前記リン脱離薬液の通液後にリン吸着剤の再生薬液を下向流で通水するリン吸着剤再生手段と、
   前記反応器から前記リン回収手段の導入経路上に配した固液分離手段と、
   前記リン回収手段からの排出経路上に配した固液分離手段とを有し、
   前記複数の反応器で、前記通水手段と前記リン吸着剤再生手段を切替えて、被処理水中のリンを連続的に除去および回収することを特徴とする水処理装置。
2. 前記被処理水が、生物学的水処理に由来する汚泥処理工程から排出される汚泥脱離液であることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
   

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