特開 2024-115634 中和処理装置及び中和処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115634

(43)【公開日】2024-08-27

(54)【発明の名称】中和処理装置及び中和処理方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/66 20230101AFI20240820BHJP

【ＦＩ】

C02F1/66 522B

C02F1/66 510R

C02F1/66 530C

C02F1/66 530P

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021362

(22)【出願日】2023-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】390036504

【氏名又は名称】日特建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001793

【氏名又は名称】弁理士法人パテントボックス

(72)【発明者】

【氏名】阿部 智彦

(72)【発明者】

【氏名】スゲン ワヒュデイ

(57)【要約】

【課題】炭酸ガスの添加量を抑制することのできる中和処理装置を提供する。
【解決手段】中和処理装置１は、排水を貯留する貯留部２と、貯留部２に貯留された排水を連続的に管路７１～７３へ搬送するポンプ３と、管路７１～７３内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加することのできる炭酸ガス添加部４と、を備えている。この炭酸ガス添加部４は、炭酸ガスＣＯ_２が充填されたガスボンベ４１と、ガスボンベ４１に接続されて炭酸ガスＣＯ_２のナノバブルを作る微細孔式ナノバブル発生装置４０と、を備えることが好ましい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

排水を貯留する貯留部と、
前記貯留部に貯留された排水を連続的に管路へ搬送するポンプと、
前記管路内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加することのできる炭酸ガス添加部と、を備える、中和処理装置。

【請求項2】

前記炭酸ガス添加部は、炭酸ガスが充填されたガスボンベと、前記ガスボンベに接続されて炭酸ガスのナノバブルを作る微細孔式ナノバブル発生装置と、を備える、請求項１に記載された中和処理装置。

【請求項3】

前記微細孔式ナノバブル発生装置は、炭酸ガスの直径５０μｍ以下の泡を作ることによって、自己圧壊作用により炭酸ガスの直径５０～３００ｎｍの泡が生成されるようになっている、請求項２に記載された中和処理装置。

【請求項4】

炭酸ガスのナノバブルを、前記管路内の排水流量に対して０．２％以下の流量で添加するようにされている、請求項３に記載された中和処理装置。

【請求項5】

複数の前記微細孔式ナノバブル発生装置が、直列に連結されて多段構成とされている、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された中和処理装置。

【請求項6】

排水を貯留する工程と、
貯留された排水を連続的に管路へ搬送する工程と、
前記管路内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加する工程と、を備える、中和処理方法。

【請求項7】

前記ナノバブルを添加する工程は、炭酸ガスの直径５０μｍ以下の泡を作ることによって、自己圧壊作用により炭酸ガスの直径５０～３００ｎｍの泡が生成されるようになっている、請求項６に記載された中和処理方法。

【請求項8】

前記ナノバブルを添加する工程は、炭酸ガスのナノバブルを、前記管路内の排水流量に対して０．２％以下の流量で添加するようにされている、請求項７に記載された中和処理方法。

【請求項9】

前記ナノバブルを添加する工程は、１サイクルで複数回実行されるようになっている、請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載された中和処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、土木工事現場、建設工事現場、工場等で発生するアルカリ性の濁水や排水（廃水）に炭酸ガスを混入する中和処理装置及び中和処理方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、建設工事等におけるセメント系排水の処理は、硫酸もしくは炭酸ガスによる中和処理が行われてきた。このうち硫酸を用いた中和処理は、少量の添加で、安価に中和処理ができるという利点がある一方、硫酸は劇物に該当していることから取扱いに注意が必要であり、また添加量の調整がシビアであり、過添加で ｐＨ が下がりすぎてしまう、という問題があった。

【0003】

一方、炭酸ガスを用いた中和処理は、仮に過添加となったとしても ｐＨ が ５ 以下に下がることはなく、また屋外で使用する分には安全性が高く、取扱いが容易であるという利点がある。例えば、特許文献１には、中和処理装置と、凝集剤タンクと、凝集剤自動補給装置と、螺旋式ラインミキサを有する凝集装置と、を備える濁水処理装置が開示されている。この特許文献１の構成によれば、装置のコンパクト化と効率との両立を達成することができる、とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－２３９６１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の濁水処理装置を含む従来型の炭酸ガスを用いた中和処理装置は、硫酸と比べると多くの添加が必要で、コストが高いうえ、特に ｐＨ が１２ を超えるような排水の場合、 ｐＨ を下げるのが困難になる、という問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、炭酸ガスの添加量を抑制することのできる、中和処理装置及び中和処理方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成するために、本発明の中和処理装置は、排水を貯留する貯留部と、前記貯留部に貯留された排水を連続的に管路へ搬送するポンプと、前記管路内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加することのできる炭酸ガス添加部と、を備えている。

【0008】

また、本発明の中和処理方法は、排水を貯留する工程と、貯留された排水を連続的に管路へ搬送する工程と、前記管路内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加する工程と、を備えている。

【発明の効果】

【0009】

このように、本発明の中和処理装置は、排水を貯留する貯留部と、貯留部に貯留された排水を連続的に管路へ搬送するポンプと、管路内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加することのできる炭酸ガス添加部と、を備えている。このような各要素を備える中和処理装置であれば、ナノバブルが長時間水中に留まる作用によって、従来よりも炭酸ガスの添加量を抑制することができる。つまり、一般に、水に炭酸ガスを入れると、炭酸ガスは、単純に水に溶けるもの（溶存ＣＯ_２）と、水と反応して炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）となるものと、の２つの形態で水中に留まる。しかしながら、これらのＣＯ_２が水に溶ける量や炭酸となる量には限界がある。ナノバブルとして炭酸ガスを加えることで、これら２つの形態に加えて、ナノバブルとしてＣＯ_２が水中に留まるため、より多くのＣＯ_２を水中に入れることができるようになるのである。

【0010】

また、本発明の中和処理方法は、排水を貯留する工程と、貯留された排水を連続的に管路へ搬送する工程と、管路内の排水に炭酸ガスのナノバブルを添加する工程と、を備えている。このような各工程を備える中和処理方法であれば、ナノバブルが長時間水中に留まる作用によって、従来よりも炭酸ガスの添加量を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１の中和処理装置の全体構成を説明する説明図である。

【図2】炭酸ガスの添加部の構成を説明する説明図である。（ａ）は微細孔式ナノバブル発生装置であり、（ｂ）はミリバブル発生装置である。

【図3】実施例１の水酸化カルシウムを使用した模擬排水の実験結果のグラフである。

【図4】実施例１のセメントを使用した模擬排水の実験結果のグラフである。

【図5】実施例１の実験結果をまとめた表である。

【図6】実施例２の模擬排水の実験結果（ｐＨ）のグラフである。（ａ）はミリバブルを添加した結果であり、（ｂ）はナノバブルを添加した結果であり、（ｃ）はＣＯ_２補正流量－処理時間のグラフである。

【図7】実施例２の模擬排水の実験結果（ＯＨ^－減少量）のグラフである。（ａ）はミリバブルを添加した結果であり、（ｂ）はナノバブルを添加した結果であり、（ｃ）はＣＯ_２補正流量－ＯＨ^－減少率のグラフである。

【図8】実施例２の実験結果をまとめた表である。

【図9】実施例３の中和処理装置の全体構成を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。実施例１で実験１について説明し、実施例２で実験２について説明し、実施例３で別形態について説明する。

【実施例0013】

本実施例の中和処理装置（１）は、土木現場や建築現場において、いわゆる濁水処理システムの一部として機能させることのできるものである。実際の現場では、例えば、機械処理脱水方式の濁水処理システムでは、中和処理装置（１）は、ＰＡＣ貯留槽、高分子溶解槽、反応槽、スラリー槽、フィルタープレスなどの設備とともに使用される。

【0014】

（構成・実験条件）
実施例１では、本発明の中和処理装置１の効果を確認するために実施した室内試験について説明する。はじめに、図１を用いて、実施例１の中和処理装置１の全体構成を説明する。中和処理装置１は、図１に示すように、排水（廃水；濁水）を貯留する貯留部２と、貯留部２に貯留された排水を連続的に管路７１～７３へ搬送するポンプ３と、管路７１～７３内の排水に炭酸ガス（ＣＯ_２）のナノバブルを添加することのできる炭酸ガス添加部４と、を備えている。

【0015】

貯留部２は、濁水処理システムでは、例えば原水槽とすることができ、排水（濁水）を受容する水槽である。本実施例では、貯留部２として、２５Ｌの模擬アルカリ性排水を貯留することができる、内容積４０Ｌ程度のバケツを用いた。貯留部２内の排水には、ｐＨ計６４が挿入されており、貯留された排水のｐＨを計測できるようになっている。

【0016】

ポンプ３は、ポンプ流量３０Ｌ／ｍｉｎのポンプである。ポンプ３は、貯留部２に貯留された排水が炭酸ガス添加部４を介して循環するように配置される。すなわち、貯留部２に接続された管路７１、ポンプ３、管路７２、炭酸ガス添加部４、管路７３、貯留部２の順に排水が還流する。

【0017】

そして、本実施例のナノバブルを添加する炭酸ガス添加部４は、炭酸ガスが充填されたガスボンベ４１と、微細孔式ナノバブル発生装置４０と、から構成されている。微細孔式ナノバブル発生装置４０は、図２（ａ）に示すように、入口４０ａと、入口４０ａに直交する出口４０ｂと、出口４０ｂ方向に延びる円筒部内に設置される特殊セラミック４０ｃと、から構成されている。特殊セラミック４０ｃには、表面に無数の微細な孔が形成されており、この孔を炭酸ガスＣＯ_２が通過するようになっている。

【0018】

ガスボンベ４１に充填された炭酸ガスＣＯ_２は、圧力計６２を見ながらレギュレータバルブ６１で圧力を調整（減圧）されて炭酸ガス添加部４に圧送される。炭酸ガスＣＯ２の流量は、炭酸ガス添加部４の手前に配置されたフロート式の流量計６３で計測される。

【0019】

ここにおいて、本実施例では炭酸ガス添加部４の構成として、微細孔式ナノバブル発生装置４０を使用する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、旋回流式、エゼクター式、ベンチュリ式、混合蒸気直接接触凝集式、超音波振動式なども使用することができる。もちろん、連続的にナノバブルを発生できる点、他の動力・薬品が特に必要ない点などを考慮すると、微細孔式ナノバブル発生装置４０を使用することが好ましい。

【0020】

本実験において、微細孔式ナノバブル発生装置４０としては、具体的には、株式会社安斉管鉄製の小型のもの（通過水量５～３０Ｌ／ｍｉｎ）を用いた。この微細孔式ナノバブル発生装置４０は、５０μｍ以下の泡を連続的に大量に安定して作ることができる。

【0021】

そして、生成された５０μｍ以下の泡は、自らの表面張力作用により自己縮小し、１分ほどで自己圧壊して、５０～３００ｎｍの泡となる。縮小圧壊したナノバブルは、密度が高く、マイナスの電荷の作用でお互いにぶつかって大きくなる可能性が低いため、水面へ上昇することなく、長時間水中に漂うことができる。

【0022】

一方、比較例のミリバブル発生装置４０Ｍは、図２（ｂ）に示すように、入口４０ａと、入口４０ａに直交する出口４０ｂと、出口４０ｂ方向に延びる円筒部内の基端部に出口４０ｂに正対する向きに設置される細いノズル４０ｄと、から構成されている。なお、ここでは従来の炭酸ガス中和装置の添加方法によってできる気泡を便宜上「ミリバブル」と記載している。実際には、ミリバブルに加えてマイクロバブルなども含まれる可能性がある。

【0023】

実験では、水酸化カルシウム又はセメントを使用して、２５Ｌの模擬アルカリ性排水（それぞれｐＨ１１、ｐＨ１２）を作製した。そして、模擬アルカリ性排水のｐＨが本装置によってｐＨ＝８以下となるまでの時間を計測した。なお、実際の水質基準は、ｐＨ＝８．６とされることが多い。

【0024】

（実験結果）
実験結果は、図３～図５に示す通りである。水酸化カルシウムを使用して作製したｐＨ＝１１程度の模擬排水と、セメントを使用して作製したｐＨ＝１２程度の模擬排水に対し、炭酸ガスを０．０５Ｌ／ｍｉｎの流量で添加した試験の結果である。

【0025】

図３に示すように、水酸化カルシウムを用いた試験では、試験開始後すぐにｐＨが減少し始めており、ナノバブルでは約５分でｐＨ＝８まで下がった。ミリバブルも同様の傾向だが、減少勾配が緩やかであり、約１７分でｐＨ＝８まで下がった。

【0026】

他方、図４に示すように、セメントを用いた試験では、試験開始後１０分程度は横ばいだが、その後はｐＨが減少し始めており、ナノバブルでは約１７分でｐＨ＝８まで下がった。ミリバブルでも同様の傾向だが、横ばいの時間が長くなっており、約３２分でｐＨ＝８まで下がった。なお、セメントを用いた試験の方が、水酸化カルシウムを用いた試験よりも処理時間が長いのは、実験開始時点の ｐＨ が、１１（水酸化カルシウム模擬排水）と１２（セメント模擬排水）と異なっていたことが原因である。

【0027】

したがって、図５にまとめたように、試験の結果、いずれもミリバブルに比べてナノバブルの方がｐＨ＝８以下になるまでの時間が短くなった。すなわち、本実施例の中和処理装置１を使用すれば、少ない炭酸ガス添加量で中和処理が可能となることが確認された。

【実施例0028】

以下、図６～図８を用いて、実施例１で説明した実験１とは別の実験２について説明する。なお、実施例１で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

【0029】

（構成・実験条件）
実施例２では、本発明の中和処理装置１の最適な炭酸ガスの添加量を推定するために実施した室内試験について説明する。全体構成は、実施例１の中和処理装置１の全体構成と同様である。すなわち、中和処理装置１は、図１に示すように、排水（廃水；濁水）を貯留する貯留部２と、貯留部２に貯留された排水を連続的に管路７１～７３へ搬送するポンプ３と、管路７１～７３内の排水に炭酸ガス（ＣＯ_２）のナノバブルを添加することのできる炭酸ガス添加部４（微細孔式ナノバブル発生装置４０を有する）と、を備えている。

【0030】

実験では、水酸化カルシウムを使用して、２５Ｌの模擬アルカリ性排水（ｐＨ１１．０７～１１．１３）を作製した。そして、炭酸ガスを添加しながら、模擬アルカリ性排水のｐＨの変化を計測した。そして、炭酸ガスの流量を、０．０１～０．１Ｌ／ｍｉｎで変化させて（各ケースでは流量は一定に保持している）、最適な流量を推定した。

【0031】

なお、使用した流量計は気体の密度、圧力で表示値が変わるため、流量計の表示値を「設定流量」と記載し、ＣＯ_２密度と試験時に測定した圧力を用いて補正した流量を「補正流量」と記載した。初期のｐＨは試験ケース毎に異なるため、試験を開始して、ｐＨが１１．０となった時点から、ｐＨが８．０になるまでの時間を「処理時間」とした。そして、ｐＨの低下を水酸化物イオンＯＨ^－の減少と考えて、その開始直後（１分程度まで）の減少勾配を「ＯＨ^－減少率」とした。

【0032】

（実験結果）
実験結果は、図６～図８に示す通りである。水酸化カルシウムを使用して作製したｐＨ＝１１程度の模擬アルカリ性排水に対し、炭酸ガスの流量を０．０１～０．１０Ｌ／ｍｉｎの範囲で固定して、それぞれ添加し続けた試験の結果である。

【0033】

まず図６（ａ）～（ｃ）を用いて、ｐＨ値に基づいて結果を確認する。従来型のミリバブルを用いた場合、図６（ａ）に示すように、炭酸ガスＣＯ_２の流量が０．０１、０．０３、０．０５Ｌ／ｍｉｎのときは、ＰＨ＝８まで下がるのにそれぞれ５０分弱、２０分弱、１１分弱を要している。一方、ナノバブルを用いた場合、図６（ｂ）に示すように、炭酸ガスＣＯ_２の流量が０．０１、０．０３、０．０５Ｌ／ｍｉｎのときは、ＰＨ＝８まで下がるのにそれぞれ２６分弱、１３分弱、８分弱を要している。

【0034】

したがって、図６（ｃ）に示すように、ミリバブルとナノバブルを処理時間の点で比べると、炭酸ガスＣＯ_２の流量が０．０６Ｌ／ｍｉｎ以下のときは、大きく時間短縮されている。これを排水流量（３０Ｌ／ｍｉｎ）でみれば、排水流量に対して概ね０．２％以下のときは、時間短縮されていることになる。このように添加する時間が短縮されれば、すなわち、添加量の抑制となり、費用も削減される。

【0035】

なお、炭酸ガスＣＯ_２の流量が０．０６Ｌ／ｍｉｎを超えるときは、ミリバブルとナノバブルで処理時間に大きな差はない。これは、炭酸ガスＣＯ_２の流量が増えれば、ミリバブルでも中和に必要な量が飽和しており、ナノバブルにする必要がないためであると考えられる。

【0036】

次に、図７（ａ）～（ｃ）を用いて、ＯＨ^－減少量に基づいて結果を確認する。従来型のミリバブルを用いた場合、図７（ａ）に示すように、開始後１０分間では、流量が０．０１、０．０３Ｌ／ｍｉｎと少ないときはＯＨ^－減少量は時間経過にしたがって直線的に増加するが、流量が多いときはＯＨ－減少量は開始直後の立ち上がりはよいが、その後は横ばいとなる。同様に、ナノバブルを用いた場合、図７（ｂ）に示すように、開始後１０分間では、流量が０．０１、０．０３Ｌ／ｍｉｎと少ないときはＯＨ^－減少量は時間経過にしたがって上に凸で増加するが、流量が多いときはＯＨ－減少量は開始直後の立ち上がりはよいが、その後は横ばいとなる。

【0037】

したがって、図７（ｃ）、図８に示すように、ミリバブルとナノバブルをＯＨ^－減少率の点で比べると、ＣＯ_２補正流量の全範囲において、ナノバブルの方がミリバブルと比べて、ＯＨ^－減少率が大きくなっている。すなわち、開始直後の ｐＨ が高い領域においては、ナノバブルの方がミリバブルよりも水酸化物イオンを中和する能力が高いと考えられる。

【0038】

なお、この他の構成および作用効果については、実施例１と略同様であるため説明を省略する。