权利要求

本発明は、被処理水中の懸濁物質を凝集沈殿や膜分離により汚泥と処理水とに分離する固液分離システムに関し、とくにフッ素含有排水や重金属含有排水、砒素含有排の処理に好適な固液分離システムに関する。

原水中に懸濁している物質（以下、SS（Suspended Solid）と称することもある。）を沈澱や精密ろ過膜により分離除去する装置が知られている。

また、フッ素含有排水からフッ素を除去する場合やリン含有排水からリンを除去する場合には、一次処理としてカルシウム化合物を添加しフッ化カルシウム（CaF ₂ ）や燐酸カルシウム（Ca ₅ (OH)(PO ₄ ) ₃ ）の不溶化物として沈殿除去した後、二次処理としてアルミニウム化合物や鉄化合物を添加して凝集沈殿させる方法（以下、二段凝集沈殿と称することもある。）が知られている。

図１に従来の二段凝集沈澱装置の概要を示す。 一段目の凝集沈殿装置においては、フッ素・リン含有排水に、第一のCa反応槽110でCa塩を添加してフッ素の不溶化物を形成し、第二のCa反応槽112で必要に応じてCa塩やpH調整剤を添加してリンの不溶化物を形成し、無機反応槽114でAl塩等の無機塩を無機凝集剤として添加するとともにpH調整剤を添加し、さらに凝集槽116で高分子凝集剤を添加して上記不溶化物を凝集させ、沈殿槽118で固液分離することで、一次処理水120を得る。

二段目の凝集沈殿装置においては、上記一次処理水120を原水として、無機反応槽130でAl塩等の無機塩を無機凝集剤として添加するとともにpH調整剤を添加し、無機凝集剤のフロックにフッ素を吸着させ、さらに凝集槽132で高分子凝集剤を添加して上記フロック等を凝集させ、沈殿槽134で固液分離することで、フッ素やSS濃度の低い二次処理水140を得る。

凝集沈澱法では無機凝集剤のアルミニウムを大量に必要とするため、一段目の凝集沈殿装置においては、沈殿槽118から引抜いた汚泥を汚泥溶解槽122においてCa(OH) ₂で溶解させてアルミニウムを取り出し、Ca反応槽110やCa反応槽112、あるいは、無機反応槽114に返送することで、アルミニウムの有効利用を図っている。 二段目の凝集沈殿装置においては、沈殿槽134から引抜いた汚泥のアルミニウムを無機反応槽130に返送することで、アルミニウムの有効利用を図っている。

上記の凝集沈殿システムにおいては、一段目の凝集沈殿装置におけるフロックは、水酸化アルミニウムや水酸化鉄のフロックが、原水中のSSや生成したCaF ₂ 、Ca ₅ (OH)(PO ₄ ) ₃とともに凝集しており、SSやCaF ₂ 、Ca ₅ (OH)(PO ₄ ) ₃を含まない水酸化アルミニウムや水酸化鉄のフロックと比較して、その密度が大きく非常に速い沈降速度が得られる。 しかしながら、二段目の凝集沈殿装置におけるフロックは、水酸化アルミニウムや水酸化鉄が主体であることから、一段目のフロックと比較して沈降速度が小さく、一段目の凝集沈殿装置と同じ大きさの沈殿槽を設置した場合には、キャリーオーバーが発生する。 このため、二段目の凝集沈殿装置の沈殿槽を一段目の沈殿槽に比して数倍も大きくする必要があった。

また、二段目の凝集沈殿装置の原水は、一段目の凝集沈殿装置の原水と比較して水質が良好であるため、凝集剤が凝集する際に核となるものが少なく、二段目の凝集沈殿装置で生成するフロックは強度が弱く、安定に処理するためには、凝集剤を多量に添加する必要があった。

さらに、二段目の凝集沈殿装置の汚泥は濃縮性が悪いため、脱水処理の効率が悪く、含水率が高くなり、汚泥発生量が多いという問題もあった。

本発明は上記の１つ又はそれ以上の課題を解決することを目的としてなされたものである。

本発明は、その実施態様の１つとして、次のような二段固液分離処理方法を含む。 この方法は、被処理水に凝集剤を添加することにより該被処理水中の被処理成分をフロックとして凝集させると共に該フロックを固液分離する固液分離処理を二段直列に行う二段固液分離方法であって、一段目の前記固液分離処理において発生する汚泥を、二段目の前記固液分離処理における被処理水に添加することを特徴とする。

せっかく除去した汚泥を、再び被処理水に添加するなどということは、通常は想像できないことである。 しかし出願人が見出したところによれば、一段目の固液分離処理において発生する汚泥を二段目の固液分離処理における被処理水に添加することにより、添加された汚泥が核となって、二段目の固液分離処理におけるフロックの形成や強度が安定化し、フロックの大きさや密度が大きくなる。 この結果、添加する凝集剤の量を従来技術に比べて減らすことができ、さらに、固液分離手段として凝集沈殿処理を用いる場合は、フロックの大きさや密度が大きくなるため、従来技術に比べて二段目の固液分離処理におけるフロックの沈降速度を高めることができ、このため二段目の固液分離処理に用いられる固液分離槽を従来に比べて大幅に小型化することができる。

また、固液分離手段として、膜分離装置を用いることも考えられる。 従来、固液分離手段として膜分離装置を用いた場合は、特に二段目の固液分離処理において、フロックの主成分が水酸化アルミニウムとなるため、フロックが膜に付着し易く、膜の閉塞を起こしやすい場合があった。 本発明によれば、添加された汚泥が核となって安定性の高いフロックが形成されるため、フロックが膜に付着しづらくなり、膜の閉塞が発生しづらくなる。

このように、一段目の固液分離処理において発生する汚泥を二段目の固液分離処理における被処理水に添加するこという本発明の特徴により、二段目の固液分離処理におけるフロックの形成や強度が安定化し、常時、良好な処理水を得ることができる。

本発明は、被処理水がフッ素含有排水である場合に特に好適に適用しうる。 ただし本発明がフッ素含有排水のみに適用しうる訳ではなく、他の対象にも適用しうる。 被処理水がフッ素含有排水の場合は、凝集剤としてアルミニウム塩を用いることができる。

出願人による試験結果によれば、上記の二段固液分離処理方法において、二段目の固液分離処理において添加する汚泥の量は100mg-drySS/l以上とすることが好ましく、好ましくは、100〜2000mg-drySS/l、さらに好ましくは、100〜400mg-drySS/lである。 さらに好ましくは、200〜400mg-drySS/lである。

上記の二段固液分離処理方法において、被処理水がフッ素含有排水の場合、二段目の固液分離処理によって発生する汚泥には、多量のアルミニウムが含まれている。 そこで上記の二段固液分離処理方法は、一段目の固液分離処理において発生する汚泥に加え、二段目の固液分離処理において発生する汚泥をも、再処理してアルミニウムイオンを取り出し、取り出したアルミニウムイオンを凝集剤として再利用するという実施態様を含む。 汚泥の再処理には、例えば良く知られているように、汚泥をCa(OH) ₂で溶解させることでアルミニウムを取り出すという方法を用いることができる。 この実施態様では、二段目の固液分離処理において発生する汚泥を再処理することで、アルミニウムの再利用による処理経費の節減効果を得ることができると共に、汚泥の濃縮性や脱水効率の向上という効果をも得ることができる。

上記の実施態様を考えると、本発明は、次のような二段固液分離方法をも含んでいる。 この方法は、被処理水に凝集剤を添加することにより該被処理水中の被処理成分をフロックとして凝集させると共に該フロックを固液分離する固液分離処理を二段直列に行う二段固液分離処理方法であって、前記二段目の固液分離処理において発生する汚泥を、前記一段目の固液分離処理において発生する汚泥と共に再処理してアルミニウムイオンを取り出し、該取り出したアルミニウムイオンを前記凝集剤として再利用することを特徴とする。

上述の本発明による二段固液分離処理方法を実行するシステムとして、本発明は、次のような二段固液分離システムを含む。 このシステムは、被処理水に凝集剤やpH調整剤を添加することにより該被処理水中の被処理成分をフロックとして凝集させると共に該フロックを固液分離する固液分離設備を二段直列に配置する二段固液分離処理システムであって、一段目の前記固液分離設備から汚泥を回収する汚泥回収系と、該回収された汚泥を二段目の前記固液分離設備における被処理水に添加する汚泥添加系と、を備えることを特徴とする。

さらに本発明は、次のような二段固液分離システムを含む。 このシステムは、被処理水に凝集剤を添加することにより該被処理水中の被処理成分をフロックとして凝集させると共に該フロックを固液分離する固液分離設備を二段直列に配置する二段固液分離処理システムであって、汚泥を再処理して該汚泥からアルミニウムイオンを取り出すアルミニウム回収系を備え、一段目の前記固液分離設備が、該一段目の固液分離設備から発生した汚泥を回収して前記アルミニウム回収系へ供給する第１の汚泥回収系を備え、二段目の前記固液分離設備が、該二段目の固液分離設備から発生した汚泥を回収して前記アルミニウム回収系へ供給する第２の汚泥回収系を備えることを特徴とする。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面を参照して説明する。

図２は、本発明の一実施態様に係る二段凝集沈殿システム200の構成及び処理フローの概略を示す図である。 二段凝集沈殿システム200は、図１に示した従来の二段凝集沈殿システムと同様、一段目と二段目の凝集沈殿装置を備える。 被処理水（原水）は、まず一段目の凝集沈殿装置202に流入し、Ca反応槽210，無機反応槽214，凝集槽216，固液分離手段（沈殿槽）218を順に通る間に浄化処理される。

Ca反応槽210では、除去対象が原水にイオン等として溶解している場合には、pH調整剤やCa塩等を添加して不溶化物を形成させる。 例えば、除去対象が銅や亜鉛等の重金属である場合には、NaOHやCa(OH) ₂ 、NaHCO ₃などのアルカリ剤を添加して、pHを６〜１２、好ましくは、８〜１１、さらに好ましくは、９〜１０に調整することで、重金属イオンを水酸化物として不溶化させる。 あるいは、有機凝結剤を添加して凝結させてもよい。 また、除去対象がフッ素やリンである場合には、CaCl ₂やCa(OH) ₂等のCa塩を添加し、フッ化カルシウムやリン酸カルシウムとして不溶化させる。 このとき、pHは、３〜１２、好ましくは４〜１１に維持される。

無機反応槽214では、PACや硫酸バン土等のAl塩や、FeCl _３やポリ鉄等のFe塩等の凝集剤を添加して、被処理水中の懸濁物質や不溶化物とともに、水酸化アルミニウムや水酸化鉄のフロックを形成させる。 この場合の反応pHは、凝集剤としてAl塩を使用する場合には、５〜８．５、好ましくは６〜７．５に維持される。 凝集剤としてFe塩を使用する場合には、反応pHは、５〜１２、好ましくは、６〜１０．５に維持される。

凝集槽216では、必要に応じて、高分子凝集剤を添加してフロックを成長させることで固液分離を効率的に行うことができる。 高分子凝集剤としては、カチオン系、アニオン系、ノニオン系のいずれでもよく、凝集効果の高いものを適宜採用すればよい。

固液分離手段（沈殿槽）218では、沈殿によって被処理水が処理済み水と汚泥とに分離させられる。 汚泥は汚泥溶解槽222へ送られ、酸またはアルカリによる溶解処理によって、アルミニウムが取り出される。 取り出されたアルミニウムはCa反応槽210や無機反応槽214で再利用される。

次に、沈殿槽218で得られた処理水（以下、一次処理水と称することもある）を、二段目の凝集沈殿装置に流入させる。 二段目の凝集沈殿装置204は、無機反応槽230，凝集槽232，固液分離手段（沈殿槽）234等を備える。 無機反応槽230では、PACや硫酸バン土等のAl塩や、FeCl _３やポリ鉄等のFe塩等の凝集剤を添加して、水酸化アルミニウムや水酸化鉄のフロックを形成させる。 この場合の反応ｐHは、凝集剤としてAl塩を使用する場合には、５〜８．５、好ましくは６〜７．５に維持される。 凝集剤としてFe塩を使用する場合には、反応ｐHは、５〜１２、好ましくは、６〜１０．５に維持される。

しかし、無機反応槽230においては、そのままでは被処理水たる一次処理水中に懸濁物質等のフロック形成時に核となる物質が少なく、フロックの強度が弱く、フロックの安定性が悪い。 そこで二段凝集沈殿システム200では、汚泥引抜きポンプ・汚泥の排出・運搬用の配管・汚泥供給ポンプ等からなる汚泥供給系224を備え、沈殿槽218から引き抜いた汚泥を、あえて一次処理水へ添加する。 これによって、フロックの強度や安定性を向上させ、処理水水質を維持したまま、処理効率や経済性を改善する。 汚泥の添付は、一次処理水220が二段目の凝集沈殿装置204に流入する前に行っても良いし、二段目の凝集沈殿装置内の反応槽、例えば図２に示されるように無機反応槽230に添加しても良い。

凝集槽232では、必要に応じて、高分子凝集剤を添加してフロックを成長させることで固液分離を効率的に行うことができる。 高分子凝集剤としては、カチオン系、アニオン系、ノニオン系のいずれでもよく、凝集効果の高いものを適宜採用すればよい。 沈殿槽234では沈殿によって被処理水が処理済み水と汚泥とに分離させられる。

次に、本発明の別の実施例を説明する。 図３は、本発明の実施例２に係る二段凝集沈殿システム300の構成及び処理フローの概略を示す図である。 二段凝集沈殿システム300は、図２に示した二段凝集沈殿システム200と同様、一段目の凝集沈殿装置302と二段目の凝集沈殿装置304とを備える。 二段凝集沈殿システム300の構成要素のうち、二段凝集沈殿システム200と同様の構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。 一段目の凝集沈殿装置302がカルシウム反応槽312を備えることが、図２の二段凝集沈殿システム200と異なるが、カルシウム反応槽312は図１のカルシウム反応槽112と同じものであり、非処理水にリンが含まれている場合にCa塩やpH調整剤を添加してリンの不溶化物を形成するための反応槽である。

二段凝集沈殿システム300は、固液分離手段（沈殿槽）334から汚泥を抜き取って汚泥溶解槽322に供給する、汚泥供給系336を有するところが二段凝集沈殿システム200と異なる。 汚泥供給系336は、汚泥引抜きポンプ・汚泥の排出・運搬用の配管・汚泥供給ポンプ等からなる。 沈殿槽334や溶解槽322の機能は、二段凝集沈殿システム200の沈殿槽234や溶解槽222と同じであるが、これらにそれぞれ汚泥の引き抜き口，供給口が設けられているところが沈殿槽234や溶解槽222とは異なる。

沈殿槽334に沈殿する汚泥には、多量のアルミニウムが含まれているため、これを再利用するようにシステムを構成すれば、アルミニウムの購入にかかる費用を節約できると共に、汚泥量を減少させることができる。

試験例１

本発明の効果及び適当な汚泥の添付量を調べるために、以下のような、従来法と本発明法との比較試験を行った。

原水として、図１に示すフッ素処理装置の一段目凝集沈殿処理装置の処理水を使用した。 原水のフッ素濃度は7mg/lであった。 添加する汚泥は、一段目凝集沈殿処理装置の沈殿槽から引抜いたフッ化カルシウム主体の汚泥を濃縮したものを使用した。 汚泥のSS濃度は２．１２％であった。

ビーカーに１Lの原水を採り、所定量の汚泥を添加した後、500mg/lのPACを添加し１５分間、150rpmで急速攪拌を行った。 その後、2mg/lのON-1H（オルガノ（株）製高分子凝集剤、商品名：”オルフロック”）を添加し、150rpmで急速攪拌を１分、40rpmで緩速攪拌を５分間行った。 ５分静置した後、上澄み液を採取し、フッ素イオン濃度を測定した。 また、フロック径分布、および、フロックの沈降速度を測定した。

表１は、上記実験の結果である。 Run-1は、汚泥を添加しない場合（比較例）であり、Run-2，3，4，5は、汚泥の添加量を変えて実験を行った。 Run-2の結果より、汚泥を100mg/l添加することで、フロック径分布が改善されていること、及び、フロック径が1mm以下のフロックの沈降速度まで改善されていることがわかる。 さらに、Run-3，4，5の結果より、汚泥を200mg/l以上添加することで、フロックの強度や安定性も改善されることがわかる。 しかし、200mg/l以上添加しても、フロック径分布や安定性・沈降速度が改善せず、フッ素濃度のみ上がってしまうことも見出された。 これは次の理由によるものと考えられる。

すなわち、除去対象物質がイオン等の溶解性物質である場合、引抜き汚泥中に除去対象物質が含まれている。 凝集剤の吸着効果や共沈効果にも限界があることから、汚泥を大量に添加すると、二次処理水中の除去対象物質濃度が増加（処理水水質が悪化）する。 汚泥濃度は一般的に1〜2%程度であることから、汚泥の添加量が2000mg-drySS/l以上の場合（汚泥濃度が2％の場合には、原水に対して１０％の汚泥を添加することになる）には、処理水質が悪化する。 一方、汚泥の添加量が少なすぎると、汚泥の添加によるフロックの強度や安定性の改善効果が薄い。 そこで、汚泥の添加量としては、100mg-drySS/l以上添加することが好ましく、好ましくは、100〜2000mg-drySS/l、さらに好ましくは、200〜400mg-drySS/lであると言える。

試験例２

図３に示す二段凝集沈殿処理システム300の性能を、従来技術との比較において試験した。 試験においてはフッ素・リン含有排水の処理を行った。 一段目と二段目の沈殿槽の大きさは同一に設計した。

一段目の沈殿槽218から、原水水量の１５％に相当する汚泥を引抜き、引抜いた汚泥の1/3（原水水量の5%）を、二段目の無機反応槽230に移送すると共に、残りの汚泥（原水水量の10%）を一段目の汚泥溶解槽322に移送した。

また、二段目の沈殿槽334から引抜いた汚泥の全部を一段目の汚泥溶解槽322に移送し、一段目の沈殿槽218から移送した汚泥と共に、Ca(OH) ₂で溶解した後、Ca反応槽210，312に返送し、汚泥中のAlを有効利用した。 本実施例では、二段目の沈殿槽334からの引抜き汚泥の全部を移送したが、一部を移送するだけでもよい。

Ca反応槽210のｐHは、３〜４に維持し、Ca反応槽312のｐHは、６〜１０に維持した。 また一段目の無機反応槽214にはPACを500mg/l添加し、二段目の無機反応槽230にはPACを300mg/l添加した。

試験の結果、二次処理水のSS濃度は1mg/l以下であり、フッ素イオン濃度は２〜５mg/lであった。 また、一段目の沈殿槽218における、引抜き汚泥の汚泥濃度は2.6%であり、フィルタープレスで脱水した後の脱水ケーキの含水率は60%であった。

（比較例）
二段凝集沈殿処理システム300を使用するが、一段目の凝集沈殿処理において発生する汚泥を二段目の凝集沈殿処理における被処理水に添加せずにシステムを運転した。 装置の大きさや他の条件は試験例と同様に設定した。

運転の結果、比較例においては、二段目の沈殿槽334において、キャリーオーバーが発生し、二次処理水のSS濃度は10mg/l以上であった。 また、フッ素イオン濃度は６〜８mg/lであった。 また、二段目の沈殿槽334における引抜き汚泥の汚泥濃度は0.1%であり、フィルタープレスで脱水した後の脱水ケーキの含水率は70%であった。 さらに試験例と比較して含水率が増加した結果、脱水ケーキの発生量は３３％増加した。

この試験結果により、本発明によるシステムが、二段目の凝集沈殿処理において、フッ素除去能力・フロックの沈殿に必要な時間・汚泥の濃縮性・脱水ケーキの発生量の全てにおいて、従来技術よりも優れていることが確認できる。 しかもこれらの効果は、従来の装置にほとんど設備を追加することなく、安価に得ることができる。

以上、本発明のより深い理解のために本発明を実施例を用いて説明したが、本発明の範囲がこれらの実施態様によって制限を受けるものではない。 本発明が、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な実施形態が可能であることは、言うまでもない。

従来の二段凝集沈殿システムの構成及び処理フローの概略を示す図である。

本発明の第1実施例に係る二段凝集沈殿システム200の構成及び処理フローの概略を示す図である。

本発明の第２実施例に係る二段凝集沈殿システム300の構成及び処理フローの概略を示す図である。

符号の説明

200 二段凝集沈殿システム
202 一段目の凝集沈殿装置
204 二段目の凝集沈殿装置
210 Ca反応槽
214 無機反応槽
216 凝集槽
218 固液分離手段（沈殿槽）
230 無機反応槽
232 凝集槽
234 固液分離手段（沈殿槽）
312 カルシウム反応槽
322 溶解槽
334
沈殿槽