特許 7596688 マンガン及び鉄含有水の処理方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】マンガン及び鉄含有水の処理方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/64 20230101AFI20241203BHJP

   C02F 1/72 20230101ALI20241203BHJP

   C02F 1/76 20230101ALI20241203BHJP

   C02F 1/52 20230101ALI20241203BHJP

   B01D 24/02 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

C02F1/64 A

C02F1/72 B

C02F1/76 Z

C02F1/52 Z

B01D23/10 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020161048

(22)【出願日】2020-09-25

(65)【公開番号】P2022054063

(43)【公開日】2022-04-06

【審査請求日】2023-07-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000001063

【氏名又は名称】栗田工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086911

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100144967

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 隆之

(72)【発明者】

【氏名】後藤 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】新井 伸説

【審査官】石岡 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－３０１４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３９０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３４２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０３９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１８６６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０２Ｆ１／５２－１／６４

Ｃ０２Ｆ１／７０－１／７８

Ｃ０２Ｆ３／２８－３／３４

Ｃ０２Ｆ９／００

Ｂ０１Ｄ２１／００－２１／３４

Ｂ０１Ｄ２４／００－３７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原水に過酸化水素を、該原水中のアンモニア性窒素１ｍｇ／Ｌに対して５～８ｍｇ／Ｌ添加する工程と、
次いで生物活性炭塔に通水する工程と、
該生物活性炭塔流出水に次亜塩素酸ナトリウムを添加する工程と
その後、濾過する工程と
を有し、
前記生物活性炭塔に通水する工程の前段に除鉄工程を有さず、前記原水は、除鉄工程を経ることなく、前記生物活性炭塔に通水されるマンガン及び鉄含有水の処理方法。

【請求項2】

前記次亜塩素酸ナトリウムを添加する工程の後に、凝集剤を添加し、その後、濾過する工程を行う請求項１のマンガン及び鉄含有水の処理方法。

【請求項3】

原水に過酸化水素を、該原水中のアンモニア性窒素１ｍｇ／Ｌに対して５～８ｍｇ／Ｌ添加する手段と、
過酸化水素を添加した原水が通水される生物活性炭塔と、
該生物活性炭塔の流出水に次亜塩素酸ナトリウムを添加する手段と、
該次亜塩素酸ナトリウムが添加された水が通水される濾過器と
を有し、
前記生物活性炭塔の前段に除鉄手段を有さず、前記原水は、除鉄手段を経ることなく、前記生物活性炭塔に通水されるマンガン及び鉄含有水の処理装置。

【請求項4】

前記濾過器の濾材は、砂粒子の表面に酸化マンガン水和物を付着させたマンガン砂である請求項３のマンガン及び鉄含有水の処理装置。

【請求項5】

前記次亜塩素酸ナトリウムが添加された水に凝集剤を添加する手段を備え、該凝集剤が添加された水が前記濾過器に通水される請求項３又は４のマンガン及び鉄含有水の処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マンガン及び鉄含有水の処理方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

泥炭地帯の地下水など、マンガン及び鉄を含有する水からマンガン及び鉄を除去する水処理方法として、被処理水に次亜塩素酸ナトリウムを添加してマンガン及び鉄を酸化すると共に必要に応じ凝集剤を添加した後、濾過砂で濾過する方法が知られている。濾過砂としては、砂粒子の表面に酸化マンガン水和物を担持させたものが用いられる（特許文献１，２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１１－１２８７４２号公報

【文献】特開２０１０－２１４３１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

泥炭地帯の地下水のようなマンガン、鉄やフミン質などの有機物を含有している水を純水装置の原水等に用いる場合、純水装置の樹脂や膜等機能材の劣化を防止するために、前処理装置でこれらの物質を除去することが必要になる。

【0005】

マンガン及び鉄含有水からマンガン及び鉄を除去するために、上記の通り、原水に次亜塩素酸ナトリウム及び凝集剤を注入し添加した後、濾過する方法が行われている。この方法においては、次亜塩素酸ナトリウムによりマンガンや鉄を十分に酸化することが必要であり、酸化力の高い遊離塩素が検出されるようになる次亜塩素酸ナトリウムの添加量を十分に多くする必要がある。

【0006】

しかし、原水がアンモニアを含有している場合、次亜塩素酸はＦｅやＭｎと反応するよりも先にアンモニアと反応してクロラミンとなると共に、有機物もＦｅやＭｎよりも先に反応して有機塩素となる。そのため、次亜塩素酸ナトリウム添加当初は、酸化力の低い結合塩素や有機塩素が生成し、酸化力の強い遊離塩素は生成しない。

【0007】

このため、遊離塩素が検出されるようになるまで、アンモニアや有機物に消費される量以上の多量の次亜塩素酸ナトリウムを添加することが必要になり、薬品コストが増大する。また、臭気や環境負荷の面からも課題がある。

【0008】

本発明は、被処理水がマンガン及び鉄の他にアンモニアや、フミン質等の有機物を含む場合に、次亜塩素酸ナトリウムを多量に添加することなく、マンガン及び鉄を十分に酸化して除去することができるマンガン及び鉄含有水の処理方法及び装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のマンガン及び鉄含有水の処理方法は、原水に過酸化水素を添加するか又は空気を混入させる工程と、次いで生物活性炭塔に通水する工程と、該生物活性炭塔流出水に次亜塩素酸ナトリウムを添加する工程と、その後、濾過する工程とを有する。

【0010】

本発明方法の一態様では、原水に過酸化水素を添加する。

【0011】

本発明方法の一態様では、次亜塩素酸ナトリウムを添加する工程の後に、凝集剤を添加し、その後、濾過工程を行う。

【0012】

本発明のマンガン及び鉄含有水の処理装置は、原水に過酸化水素を添加するか又は空気を混入させる手段と、過酸化水素を添加するか又は空気を混入させた原水が通水される生物活性炭塔と、該生物活性炭塔の流出水に次亜塩素酸ナトリウムを添加する手段と、該次亜塩素酸ナトリウムが添加された水が通水される濾過器とを有する。

【0013】

本発明装置の一態様では、濾過器の濾材は、砂粒子の表面に酸化マンガン水和物を付着させたマンガン砂である。

【0014】

本発明装置の一態様では、次亜塩素酸ナトリウムが添加された水に凝集剤を添加する手段を備え、該凝集剤が添加された水が前記濾過器に通水される。

【発明の効果】

【0015】

本発明では、次亜塩素酸ナトリウムが原水中のアンモニアや有機物と反応して消費されるのを防止するために、次亜塩素酸ナトリウムの添加前に生物活性炭塔を設置する。また、生物活性炭塔内の微生物により有機物の分解と硝化反応が進むにつれ原水中の酸素が消費されるため、本発明では、生物活性炭塔の前段において過酸化水素を添加するか、又は曝気装置やエゼクター等の空気供給手段で空気を供給する。これにより、次亜塩素酸ナトリウムを多量に添加することなく、マンガン及び鉄を十分に酸化して除去することができる。

【0016】

なお、過酸化水素を添加することにより、効率的に酸素を溶解でき、かつ注入設備も小型となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施の形態に係るマンガン及び鉄含有水の処理方法の構成図である。

【図2】比較例に係るマンガン及び鉄含有水の処理方法の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

【0019】

図１の通り、原水は、原水槽（図示略）から原水配管１を介して生物活性炭塔３に供給される。原水は、マンガン、鉄、アンモニア及びフミン質などの有機物を含んだものである。このような原水としては、泥炭地帯の地下水、河川水、湖沼水、ダムの貯水や農業用水などが例示される。泥炭地帯の地下水の水質の一例をあげると、マンガン０．１～５μｇ／Ｌ、鉄０．１～５μｇ／Ｌ、アンモニア性窒素濃度０．１～１０μｇ／Ｌ、ＴＯＣ０．５～１０μｇ／Ｌである。

【0020】

この原水配管１に対し過酸化水素添加手段２から過酸化水素が過酸化水素水溶液の形態で添加される。過酸化水素の添加量は、アンモニア性窒素１ｍｇ／Ｌに対し５～８ｍｇ／Ｌ特に５．５～６．５ｍｇ／Ｌ程度が好適である。過酸化水素が添加された原水を撹拌するためのラインミキサ等の撹拌手段が配管２に設置されてもよい。

【0021】

配管２からの水が生物活性炭塔３を通過する間に生物活性炭塔３内の微生物によって有機物の分解反応とアンモニアの硝化反応が進行し、原水中の有機物濃度及びアンモニア性窒素濃度が低下する。生物活性炭塔３への通水ＳＶは２～２０ｈ^－１特に１０～２０ｈ^－１程度が好適である。

【0022】

生物活性炭塔３の流出水は、配管４を介して滞留槽６に流れ、この配管４の途中で、次亜塩素酸ナトリウムの添加手段５によって次亜塩素酸ナトリウムが添加される。次亜塩素酸ナトリウムの添加量は、原水中のマンガン及び鉄をＭｎＯ_２及びＦｅ_２Ｏ_３に酸化するのに必要な当量と、配管４内を流れる水の残存有機物及び残存アンモニアを酸化するのに要する当量の合計の１．１～２倍特に１．２～１．５倍の当量とすることが好適である。

【0023】

滞留槽６は、滞留時間が０．５～５ｈ特に１～３ｈとなる程度となる容積を有することが好ましい。滞留槽６に撹拌手段を設けてもよい。

【0024】

滞留槽６内の水は、配管７を流れ、その途中で凝集剤添加手段８から凝集剤が添加された後、濾過器９に供給され、濾過される。

【0025】

凝集剤としては、水処理で通常使用されるポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）などの無機凝集剤が好適に使用でき、その添加量は５～５０ｍｇ／Ｌ程度が好適である。なお、凝集剤添加後の水を撹拌するためのラインミキサを配管７に設置してもよい。また、凝集剤添加後の水を凝集反応槽（図示略）に導入してポリマー凝集剤を添加し撹拌してもよい。また、滞留槽６からの水を凝集反応槽（図示略）に導入し、この凝集反応槽にて凝集剤やポリマー凝集剤を添加してもよい。

【0026】

濾過器９としては、砂濾過器が好適であり、特に濾材としてマンガン砂（砂粒子の表面に酸化マンガンを付着させたもの）が好適である。マンガン砂としては種々の公知のものを用いることができ、例えば特許文献１のように砂を塩化マンガンや硫酸マンガンの水溶液に浸漬し、乾燥した後、過マンガン酸塩水溶液に浸漬し、乾燥することにより酸化マンガン水和物を表面に形成したものなどを用いることができる。

【0027】

濾過器９へのマンガン砂での通水ＳＶは５～３０ｈ^－１特に１０～２０ｈ^－１程度が好適である。

【0028】

ただし、生物活性炭塔３で発生する菌体由来のＳＳがマンガン砂表面に堆積することによる鉄及びマンガンの除去性能低下を防止するために、濾過器９は、マンガン砂以外にアンスラサイトなどの濾材を用いた二層ろ過とすることが好ましい。二層ろ過とする場合には、アンスラサイトを上段に、マンガン砂を下段に設置することが好ましい。

【0029】

濾過器９で濾過されることにより生じた濾過水は、配管１０から必要に応じ濾過水槽（図示略）を介して純水製造装置等に送水される。

【0030】

この図１の方法及び装置によると、原水に過酸化水素を添加した後、生物活性炭塔３に通水して有機物やアンモニアを酸化した後、次亜塩素酸ナトリウムを添加するので、次亜塩素酸ナトリウムが有機物やアンモニアと反応して消費されることが抑制される。

【0031】

これにより、図２に示す比較例のように、配管１を流れる原水に直ちに次亜塩素酸ナトリウムを添加する方法及び装置に比べて、次亜塩素酸ナトリウムの使用量が格段に少なくて足りる。

【0032】

本発明の作用効果を以下にさらに詳細に説明する。
原水中のアンモニウムイオンと次亜塩素酸ソーダとは、次式に従って反応してクロラミン（ＮＨ_２Ｃｌ）が生成する。

【0033】

ＮＨ_４ＯＨ＋ＮａＣｌＯ→ＮＨ_２Ｃｌ＋ＮａＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（１）

【0034】

遊離塩素が検出されるにはクロラミンが次式に従って完全に硝化されるまで次亜塩素酸を注入する必要がある。

【0035】

ＮＨ_２Ｃｌ＋３ＮａＣｌＯ→ＨＮＯ_３＋３ＮａＣｌ＋ＨＣｌ …（２）

【0036】

（１）及び（２）式より、１当量のアンモニア性窒素Ｎを硝化させ、その後遊離塩素が検出されるまでには、理論上４倍当量の次亜塩素酸ナトリウムが必要となる。すなわち１ｍｇ／ＬのＮに対して、４倍×３５．５／１４＝１０．１倍のＣｌが消費され、約１００ｍｇ／Ｌの１０％ＮａＣｌＯ水溶液が消費される。

【0037】

従って、過酸化水素を添加しない場合では、アンモニア性窒素１ｍｇ／Ｌを含有する水を遊離塩素が検出されるまで次亜塩素酸ナトリウムを添加するには、理論上ＮａＣｌＯの１０％水溶液が約１００ｍｇ／Ｌ必要である。

【0038】

これに対し、原水に過酸化水素を添加して生物活性炭塔３に通水することにより、アンモニア性窒素の大部分が生物活性炭塔での硝化作用により分解される。そのため、本発明によると、従来方法に比べてアンモニア性窒素の酸化（硝化）分の量の次亜塩素酸ナトリムが低減される。しかも、生物活性炭塔３では有機物の一部も吸着除去されるので、次亜塩素酸ナトリウムの必要添加量はさらに少なくて足りるようになる。

【0039】

なお、図２の装置は、過酸化水素添加手段２及び生物活性炭塔３を省略したこと以外は図１の装置と同一構成であり、同一符号は同一部分を示している。

【0040】

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は上記以外の形態とされてもよい。例えば、図１では過酸化水素添加手段２を設置しているが、曝気やエゼクターで空気（気泡）を原水に混入させるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0041】

３ 生物活性炭塔
６ 滞留槽
９ 濾過器

【図1】

【図2】