JP5805937B2 - 排水処理方法及び排水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも水性塗料を含む排水の排水処理方法及び排水処理装置の技術に関する。

近年、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）削減の観点から、揮発性有機溶剤を溶媒とする溶剤塗料から水を溶媒とする水性塗料へ切り替える動きが広がりつつある。水性塗料は一般に、水、樹脂（塗膜主成分であり、塗膜となる）、有機溶剤（樹脂を溶解、分散させるもの）、顔料（色づけするもの）、界面活性剤、消泡剤、凍結防止剤、タレ止剤、防錆剤等で構成される。上記有機溶剤は、一般に、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテルアルコール類、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類等で構成される。このうち、一般に、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテルアルコール類は親水性であり、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類は疎水性である。

塗料を使った塗装工程では、様々な塗料がスプレー塗装等により被塗装物に塗装される。しかし、被塗装物に噴霧された水性塗料の塗装効率は必ずしも完全ではない。例えば、自動車の車体への塗装効率は６０％程度であるため、残りの４０％は有効に使用されていない。したがって、塗装ブース等で塗装されなかった過剰の塗料を捕集するため、通常は水洗水で捕集、除去される。そして、水洗水は循環使用される。

水性塗料はその性質から水との分離が容易ではないため、循環使用される水洗水に溶解した状態で蓄積されて、以下の問題が生じていた。
（ａ）発泡による水槽からの排水越流、環境悪化
（ｂ）ＢＯＤ（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ：生物化学的酸素要求量）成分が腐敗し、腐敗臭が発生
（ｃ）塗料成分の水槽、配管等への付着、沈降
（ｄ）高濃度ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ：化学的酸素要求量）、高濃度ＢＯＤのため放流処理が困難

これらの問題を解決するため、従来、薬品処理や、蒸発乾固による処理が行われている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平１１−６７２号公報 特開２００９−２２００４７号公報

しかし、薬品処理の処理方法では、塗料の種類や量により薬品の必要添加量が変化するため、安定した処理が難しい。また、回収した薬品処理水は、水中の塩濃度が増大するため、腐食が進行し、発泡成分の除去が困難であり、汚泥発生量も多大となる。また、蒸発乾固による処理方法では、処理に多大なエネルギーを使用する点で問題がある。

本発明の目的は、処理に必要なエネルギーの効率化、安定した処理、水中の塩濃度の増加を抑制することができる排水処理方法及び排水処理装置を提供することにある。

本発明は、少なくとも水性塗料を含む排水の排水処理方法であって、減圧下にて前記排水を加熱して、前記排水中の低沸点成分を含む水を蒸発させ、高沸点成分を濃縮しながら、前記蒸発した水の熱エネルギーの少なくとも一部を前記減圧下において行われている前記排水の加熱に利用し、前記蒸発した水を回収して、前記減圧下にて加熱される前の前記排水に返送する。

また、前記排水処理方法において、前記排水中の高沸点成分を蒸発乾固することが好ましい。

また、前記排水処理方法において、前記排水の加熱温度を８０〜９５℃の範囲とすることが好ましい。

また、本発明は、少なくとも水性塗料を含む排水の排水処理装置であって、減圧下にて前記排水を加熱して、前記排水中の低沸点成分を含む水を蒸発させ、高沸点成分を濃縮する蒸発濃縮手段と、前記蒸発した水の熱エネルギーの少なくとも一部を、前記蒸発濃縮手段により前記減圧下において行われている前記排水の加熱に利用する熱回収利用手段と、前記蒸発した水を回収して、前記蒸発濃縮手段により前記減圧下にて加熱される前の前記排水に返送する返送手段と、を備える。

また、前記排水処理装置において、前記蒸発濃縮手段に導入される前の前記排水と前記返送手段により前記排水に返送される前の前記蒸発した水とを熱交換させる熱交換器を備えることが好ましい。

本発明によれば、処理に必要なエネルギーの効率化、配管等への塗料成分の付着・沈降や発泡による水槽からの排水越流、環境悪化の防止、さらに、薬品使用による水中の塩濃度の増加を抑制でき、かつ低コストな処理をすることができる。

本発明の実施形態に係る排水処理装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る排水処理装置の構成の一例を示す模式図である。 比較例の排水処理装置の構成を示す模式図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る排水処理装置の構成の一例を示す模式図である。図１に示す排水処理装置１は、水性塗料排水槽１０、蒸発濃縮機１２（蒸発濃縮手段）、濃縮水槽１４、圧縮機１６及び蒸発水供給ライン３２（熱回収利用手段）、熱交換器１８、排水ポンプ２０、濃縮水ポンプ２２、真空ポンプ２４、排水流入ライン２６、濃縮水循環ライン２８、濃縮水排出ライン３０、蒸発水返送ライン３４（返送手段）、排気ライン３６、補助蒸気ライン３７を備える。

本実施形態で用いられる蒸発濃縮機１２は、排水中の低沸点成分を含む水を間接的な加熱により蒸発させ、高沸点成分を濃縮することができる構造を有していれば、特に制限されるものではないが、蒸発が行われる場である蒸発部と、熱源と被加熱体との間で、伝熱板や伝熱管等の伝熱体を介して間接的に熱交換が行われる間接加熱部とを少なくとも備える。図１に示す蒸発濃縮機１２は、蒸発缶１２ａ（蒸発部）、間接加熱部３８、補助蒸気ライン３７、補助蒸気供給源を備えている。蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａ内に設置される間接加熱部３８は、例えば、特開２００４−２３７１３６号公報、特開２００８−１８８５１４号公報記載のように、多数本の伝熱管から構成され、その各伝熱管が水平横向きとなるように設けられている。そして、各伝熱管の一端には入口ヘッダーが、他端には出口ヘッダーが各々設けられており、加熱蒸気が伝熱管の内側を通ることで伝熱管外側の被加熱液が加熱される。また、本実施形態の蒸発濃縮機１２は、必ずしも上記に制限されるものではなく、例えば、特開２００９−０９０２２８号公報記載のように、蒸発缶と、該蒸発缶の外部に設置された熱交換器である間接加熱部を備えるものであってもよい。この熱交換器は、蒸気導入口と、凝縮水出口と、水平横向きの多数本の伝熱管を有する。そして、伝熱管の内部を被加熱液が通過する間に、蒸気導入口から導入された蒸気が伝熱管の外部から被加熱液を加熱する。また、特開平５−８４４０１号公報記載のように、間接加熱部が上記伝熱管の代わりに、中空プレート状のヒーティングエレメント等により構成される中空構造であってもよい。このような中空構造の間接加熱部は中空構造の内側と外側で熱交換が可能である限り、その形状は特に制限されるものではない。

ここで、本実施形態における低沸点成分とは、蒸発させる圧力と温度条件下において、水と共に蒸発した成分であり、高沸点成分とは、蒸発させる圧力と温度条件下において、水と共に蒸発しなかった成分である。例えば、大気圧中での沸点が１７１〜１７２℃の水性塗料溶剤であるエチレングリコールモノブチルエーテル（通称ブチルセロソルブ）は、９０℃、０．０７ＭＰａ条件で水と共に蒸発するため低沸点成分である。

水性塗料排水槽１０には、少なくとも水性塗料を含む排水が貯留される。この水性塗料排水槽１０には、排水流入ライン２６の一端が接続され、他端は排水ポンプ２０及び熱交換器１８を介して、蒸発缶１２ａに接続されている。蒸発缶１２ａの下方には、濃縮水循環ライン２８の一端が接続され、他端は濃縮水ポンプ２２を介して蒸発缶１２ａの上方に接続されている。また、濃縮水循環ライン２８には、濃縮水排出ライン３０の一端が接続され、他端は濃縮水槽１４に接続されている。また、蒸発缶１２ａの上方には、蒸発水供給ライン３２の一端が接続され、他端は、圧縮機１６を介して間接加熱部３８（入口側：例えば入口ヘッダー）に接続されている。また蒸発水返送ライン３４の一端は間接加熱部３８（出口側：例えば出口ヘッダー）に接続され、他端は、熱交換器１８を介して水性塗料排水槽１０に接続される。また、排気ライン３６の一端は、熱交換器１８と蒸発缶１２ａ間の蒸発水返送ライン３４に接続され、他端は真空ポンプ２４を介して大気に開放されている。また、補助蒸気ライン３７の一端は、蒸発水供給ライン３２に接続され、他端は補助蒸気供給源（不図示）に接続される。

次に、本実施形態に係る排水処理装置１の動作について説明する。

水性塗料を含む排水は、水性塗料排水槽１０に貯留される。水性塗料は一般に、水、樹脂（塗膜主成分であり、塗膜となる）、有機溶剤（樹脂を溶解、分散させるもの）、顔料（色づけするもの）、界面活性剤、消泡剤、凍結防止剤、タレ止剤、防錆剤等で構成される。上記有機溶剤は、一般に、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテルアルコール類、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類等で構成される。このうち、一般に、アルコール類、エステル類、ケトン類、エーテルアルコール類は親水性であり、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類は疎水性である。水性塗料の低沸点成分としては、主に有機溶剤等が挙げられる。また、水性塗料の高沸点成分としては、主に樹脂、顔料、界面活性剤、消泡剤等が挙げられる。また、水性塗料を含む排水には、溶剤塗料、洗浄液等が含まれていてもよい。

水性塗料排水槽１０に貯留された水性塗料を含む排水（以下、単に排水と略す場合がある）は、排水ポンプ２０により排水流入ライン２６を通り、熱交換器１８に導入される。そして、熱交換器１８により、排水は、蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａから排出される蒸気（低沸点成分を含む蒸発した水分）と熱交換される。ここで、蒸発した水分の方が排水より高温であるため、排水は予熱されることとなる。予熱された排水は、排水流入ライン２６を通り蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａに供給される。本実施形態のように、蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａに導入される排水を予め加熱させることができる点で、蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａに導入される前の排水と蒸発水返送ライン３４により排水に返送される前の蒸発した水とを熱交換させる熱交換器１８を設置することが好ましい。

蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａに供給された排水は、蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａ内に設置された間接加熱部３８からの熱によって間接的に加熱される。運転初期では、補助蒸気供給源で発生した蒸気が補助蒸気ライン３７から間接加熱部３８（例えば、各伝熱管）に供給されることにより、間接加熱部３８が加熱され、加熱された間接加熱部３８からの熱により排水が間接的に加熱される。ここで、蒸発缶１２ａの内部は、真空ポンプ２４により減圧されているため、排水中の水及び低沸点成分（以下、低沸点成分を含む水と記載する場合がある）は、飽和蒸気圧に等しい比較的低い温度で蒸発する。一方、排水中の高沸点成分は濃縮されていき、底部に高沸点成分を含む濃縮水として貯留される。また、高沸点成分を含む濃縮水は濃縮水ポンプ２２により、蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａから排出され、濃縮水循環ライン２８を通り、蒸発缶１２ａの上部から蒸発缶１２ａ内の間接加熱部３８（例えば各伝熱管の外側面）に散布される。これにより、散布された排水（濃縮水も含む）は間接加熱部３８内部の蒸気によって高温となるため、間接加熱部３８の表面で排水中の低沸点成分を効果的に蒸発させることができる。

蒸発濃縮機１２により蒸発した低沸点成分を含む水（水蒸気）は、蒸発水供給ライン３２を通り圧縮機１６に供給される。圧縮機１６及び蒸発水供給ライン３２は、蒸発した水の熱エネルギーを、蒸発濃縮機１２の蒸発缶１２ａ内に設置された間接加熱部３８（例えば各伝熱管）に供給する熱回収利用手段として機能するものである。具体的には、蒸発した低沸点成分を含む水（水蒸気）は、圧縮機１６により圧縮・昇温され、蒸発水供給ライン３２を通り、間接加熱部３８（例えば、各伝熱管）に供給されることにより、間接加熱部３８が加熱され、加熱された間接加熱部３８からの熱により蒸発缶１２ａの底部に貯留する排水が間接的に加熱される。なお、圧縮機１６により圧縮・昇温された蒸発水により、排水を十分に加熱することができれば、補助蒸気の供給を停止してもよい。

このように、蒸発した水の熱エネルギーを回収利用することで、エネルギーを有効活用することができ、排水処理に必要なエネルギーの効率化を図ることができる。本実施形態では、蒸発した水の熱エネルギーの少なくとも一部を、蒸発缶１２ａ内に設置された間接加熱部３８に供給する機能を有するものであれば、必ずしも圧縮機１６及び蒸発水供給ライン３２の構成に限定されるものではなく、例えば、圧縮機１６に代えてエゼクター等を用いてもよい。また、本実施形態で用いる圧縮機１６も上記機能を有するものであれば、その構成は特に制限されるものではない。

間接加熱部３８（例えば各伝熱管）を通過した低沸点成分を含む水（気体から液体）は、蒸発水返送ライン３４から熱交換器１８に導入される。そして、熱交換器１８により、低沸点成分を含む水（液体）は、蒸発缶１２ａに導入される前の水性塗料を含む排水と熱交換される。ここで、水性塗料を含む排水の方が、低沸点成分を含む水より低温であるため、低沸点成分を含む水は冷却されることとなる。冷却された低沸点成分を含む水は、熱交換器１８から蒸発水返送ライン３４を通り水性塗料排水槽１０に返送される。水性塗料排水槽１０に返送される低沸点成分の中には、生物処理阻害性を含むものがあり、水性塗料を溶解する成分が含まれているため、上記のように、排水に低沸点成分を返送（供給）することにより、腐敗による悪臭や、水性塗料排水槽１０の壁面及び各ライン等への塗料付着等を抑制することができる。本実施形態では、蒸発した水を回収して排水に返送する返送手段として、蒸発水返送ライン３４のみの構成を例としたが、これに制限されるものではなく、例えば、ポンプ等を蒸発水返送ライン３４に設置した構成等としてもよい。また、本実施形態では、蒸発水返送ライン３４は、水性塗料排水槽１０に接続された構成を例としているが、排水流入ライン２６に接続した構成等であってもよい。

また、濃縮水循環ライン２８を通る高沸点成分を含む濃縮水の一部は、濃縮水排出ライン３０を通り、濃縮水槽１４に貯留される。濃縮水槽１４に貯留された濃縮水（高沸点成分を含む）は、装置を無排水システムとすることができる点で、乾燥機等の蒸発乾固装置により蒸発乾固されることが好ましい。

このような排水処理を行うことによって、処理に必要なエネルギーの効率化、配管等への塗料成分の付着・沈降や発泡による水槽からの排水越流、環境悪化の防止、さらに、薬品使用による水中の塩濃度の増加を抑制でき、かつ低コストな処理をすることができる。

本実施形態では、蒸発缶１２ａの内部を真空ポンプ２４により減圧させているが、蒸発缶１２ａは、排水を加熱して低沸点成分を含む水を蒸発させることができればよいため、必ずしも蒸発缶１２ａの内部を真空ポンプ２４により減圧しておく必要はない。さらに、本実施形態では、低沸点成分を効率的に蒸発させる点で、濃縮水を濃縮水ポンプ２２等により循環させることが好ましいが、必ずしも濃縮水を循環させる必要はない。

蒸発缶１２ａ内部における排水の加熱温度は、排水中の低沸点成分、高沸点成分等の種類によって適宜設定されるものであるが、排水の加熱時に起こる発泡を抑制する点で、６０〜１００℃の範囲が好ましく、８０〜９５℃の範囲がより好ましい。

本実施形態において、排水処理装置１の初期運転時や圧縮機１６の能力が低い場合等では、圧縮機１６による熱の回収利用が十分に行われず、排水の加熱が不十分となって、低沸点成分と高沸点成分との分離が効率的に行われない場合がある。そのため、排水処理装置１の初期運転時や圧縮機１６の能力が低い場合等では、補助蒸気供給源で発生した補助蒸気を補助蒸気ライン３７から蒸発缶１２ａ内の間接加熱部３８に供給し、排水の加熱に利用することが好ましい。例えば、小型ボイラー等を補助蒸気供給源として、小型ボイラーで発生した補助蒸気を利用してもよいし、工場内において、廃蒸気が余っている場合等は、その廃蒸気を発生する設備を補助蒸気供給源として、その設備で発生した蒸気を利用してもよい。

図２は、本発明の他の実施形態に係る排水処理装置の構成の一例を示す模式図である。図２に示す排水処理装置２において、図１に示す排水処理装置１の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図２に示す排水処理装置２は、蒸発水排出ライン４０を備えている。

蒸発水排出ライン４０の一端は、蒸発水返送ライン３４に接続され、他端は濃縮水排出ライン３０に接続されている。本実施形態では、より安定した無排水システムとするために、蒸発水の一部を蒸発水排出ライン４０から濃縮水排出ライン３０を通して、濃縮水槽１４に貯留させ、その後、濃縮水と共に蒸発乾固させることが好ましい。なお、本実施形態では、蒸発水の一部を蒸発乾固させることができればよいため、例えば、蒸発水排出ライン４０を直接脱水機、乾燥機等の蒸発乾固装置に接続させても良いし、濃縮水槽１４に接続して、濃縮水と共に蒸発乾固装置により蒸発乾固させてもよい。

以下、実施例及び比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例では、図１に示す排水処理装置を用いて、以下の表１の条件で試験を行った。

実施例の排水処理装置の運転を１ヶ月行った結果、水性塗料を含む排水を水性塗料排水槽に添加し続けても、水量及び熱量のバランスがよく、安定して装置を運転することができた。また、蒸発缶から排出される濃縮水の水量をコントロールすることで、濃縮倍率を安定させることができた。実施例の濃縮倍率は、排水に対して１０倍濃縮とすることができた。

また、実施例では、蒸発水の水量もほとんど変化せず、安定した運転を行えた。このことから、１０倍濃縮の濃縮水において伝熱効率の低下は見られなかった事が推察された。また、蒸発水の電気伝導率を測定すると、１０〜４０μＳ／ｃｍと一定であった。このことから、実施例では、蒸発濃縮機の蒸発缶内の排水の発泡が抑制され、蒸発水への濃縮水の混入が防止されていることを確認した。

また、実施例の排水処理装置の運転開始から１ヶ月を通して、水性塗料排水槽における塗料の付着、腐敗等の問題は起こらなかった。このことから、水性塗料水槽に返送した低沸点成分中には、生物処理阻害性、塗膜溶解性等を含む成分が含まれていると云える。さらに、実施例の排水処理装置から得られる濃縮水に蒸発乾固処理を行ったが、問題なく乾固させることができた。

また、表１の条件で試験を行った後、温度条件の影響について確認した。表１の条件で試験を行った後、蒸発温度を６０℃、蒸発圧力を０．０２ＭＰａ、加熱蒸気温度を７０℃としたところ、蒸発缶内で発泡が激しく起こり、蒸発した低沸点成分を含む水が汚染され、低沸点成分と高沸点成分との分離効率が低下した。また、表１の条件で試験を行った後、蒸発温度を９８℃、蒸発圧力を０．０９ＭＰａ、加熱蒸気温度を１１０℃としたところ、２４時間の運転で蒸発水量が９ｋｇ／ｈから８ｋｇ／ｈへ低下した。通常、塗料は高温であるほど樹脂が硬化し、スケールとなりやすい。この事から、蒸発温度が６０℃と低温の場合は発泡が激しく起こり、蒸発温度が９８℃と高温の場合はスケールによる伝熱効率が低下し、蒸発温度が９０℃の場合には、発泡、スケールの問題が発生しない事が分かった。

図３は、比較例の排水処理装置の構成を示す模式図である。図３に示す比較例の排水処理装置は、水性塗料排水槽４２、蒸発乾固装置４４、排水流入ライン４６、排水ポンプ４８を備える。この水性塗料排水槽４２には、排水流入ライン４６の一端が接続され、他端は排水ポンプ４８を介して、蒸発乾固装置４４に接続されている。

水性塗料排水槽４２には、少なくとも水性塗料を含む排水を貯留し、また濃度調整のため補給水を供給した。排水を排水ポンプ４８により排水流入ライン４６から蒸発乾固装置４４に供給し、排水を蒸発乾固させた。蒸発乾固装置４４は、水や低沸点成分を蒸発させ、高沸点成分を固体化できる温度まで昇温できるものを使用した。蒸発乾固装置４４は、高温のプレート（熱源）に排水を吹き付け乾燥し、蒸発乾固装置４４から蒸発したガスを排出し、プレートから固化物（ケーキ）を掻き取り出した。比較例の排水処理装置のその他の運転条件については、以下の表２に示した。

比較例の排水処理装置は、蒸発乾固装置から蒸発したガスを大気中に放出するだけで、水性塗料排水槽に返送していないため、水性塗料排水槽内に、生物処理阻害性、塗膜溶解性を有する成分を含む低沸点成分の濃度が増加しない。その結果、比較例の排水処理装置の運転を開始すると、腐敗による悪臭、及び水性塗料排水槽内の壁面や排水流入ライン内への水性塗料の付着が観察された。

１，２ 排水処理装置、１０，４２ 水性塗料排水槽、１２ 蒸発濃縮機、１２ａ 蒸発缶、１４ 濃縮水槽、１６ 圧縮機、１８ 熱交換器、２０，４８ 排水ポンプ、２２ 濃縮水ポンプ、２４ 真空ポンプ、２６，４６ 排水流入ライン、２８ 濃縮水循環ライン、３０ 濃縮水排出ライン、３２ 蒸発水供給ライン、３４ 蒸発水返送ライン、３６ 排気ライン、３７ 補助蒸気ライン、３８ 間接加熱部、４０ 蒸発水排出ライン、４４ 蒸発乾固装置。

Claims (5)

1. 少なくとも水性塗料を含む排水の排水処理方法であって、
   減圧下にて前記排水を加熱して、前記排水中の低沸点成分を含む水を蒸発させ、高沸点成分を濃縮しながら、前記蒸発した水の熱エネルギーの少なくとも一部を前記減圧下において行われている前記排水の加熱に利用し、前記蒸発した水を回収して、前記減圧下にて加熱される前の前記排水に返送することを特徴とする排水処理方法。
2. 前記排水中の高沸点成分を蒸発乾固することを特徴とする請求項１記載の排水処理方法。
3. 前記排水の加熱温度を８０〜９５℃の範囲とすることを特徴とする請求項１又は２記載の排水処理方法。
4. 少なくとも水性塗料を含む排水の排水処理装置であって、
   減圧下にて前記排水を加熱して、前記排水中の低沸点成分を含む水を蒸発させ、高沸点成分を濃縮する蒸発濃縮手段と、
   前記蒸発した水の熱エネルギーの少なくとも一部を、前記蒸発濃縮手段により前記減圧下において行われている前記排水の加熱に利用する熱回収利用手段と、
   前記蒸発した水を回収して、前記蒸発濃縮手段により前記減圧下にて加熱される前の前記排水に返送する返送手段と、を備えることを特徴とする排水処理装置。
5. 前記蒸発濃縮手段に導入される前の前記排水と前記返送手段により前記排水に返送される前の前記蒸発した水とを熱交換させる熱交換器を備えることを特徴とする請求項４記載の排水処理装置。

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