JP4862005B2 - 水処理方法および水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、上下水道や廃水処理設備において用いられる水処理方法および水処理装置に関するものであり、特に、河川水や地下水などの原水に含まれる溶解性マンガンを除去する水処理方法および水処理装置に関するものである。

従来、上下水道や産業廃水処理場などの浄水処理施設において、膜を利用して原水中の夾雑物を除去処理する膜ろ過を用いた水処理方法あるいは装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような膜ろ過を用いた水処理装置あるいは方法では、原水を連続して膜ろ過すると、膜の表面や微細孔内部に原水中の夾雑物が付着・蓄積して目詰まりを起こし、次第にろ過抵抗が増し、ろ過効率が低下してゆく。こうしたことから、従来は、膜ろ過を安定的に行うために膜の目詰まりを解消する方策として、膜ろ過方向と逆方向に通水することによる逆流洗浄などの物理的洗浄法や、強酸性の薬品を添加することによる薬品洗浄などの化学的洗浄法が用いられる（例えば、特許文献２参照）。

また、膜ろ過のみでは、原水中の溶解性成分を除去することは難しいことから、水質向上のための種々の前処理および後処理が検討されている。特に、マンガンは、地下水、河川水または廃水などの原水中に溶解した状態で多く含有されていることから、膜ろ過では除去することが難しい一方で、酸化して不溶化したマンガンは目詰まりを発生させる原因ともなっている。

このような溶解性マンガンを含む原水の膜ろ過に関する課題に対する解決策として、例えば特許文献２、３および４に示す提案がなされている。

特許文献２には、原水に酸化剤を添加してマンガンを不溶化した後、膜ろ過によってマンガンを除去する一方で、膜ろ過面（１次側）を還元剤で洗浄して膜ろ過面のマンガン酸化物を除去する方法あるいは装置が示されている。

特許文献３には、原水をマンガン砂と接触させることによって、溶解性マンガンを酸化析出させ、次いで膜ろ過によってマンガンを除去する方法あるいは装置が示されている。図６は、特許文献３に示される方法あるいは装置の構成を模式的に表した図である。図６に示すように、溶解性マンガンを含有する原水１は、次亜塩素酸ナトリウムのような酸化剤２が注入されてから、ポンプ３によってマンガン砂利接触装置４へ送り込まれる。マンガン砂利接触装置４にはマンガン砂利が充填されており、ここで原水１中の溶解性マンガンが酸化析出された後、ポンプ５によって膜ろ過装置６に送り込まれ、膜ろ過水７は処理水タンク８へ導入される。この膜ろ過水７の一部は逆洗ポンプ９により膜ろ過装置６に送られて、膜を二次側から洗浄する逆流洗浄水として用いられるようになっている。

特許文献４には、原水に還元剤を添加してマンガンを不溶化させることなく膜ろ過を行う方法あるいは装置が示されている。

特開２００７−１５２１６３号公報 特開２００５−７４３８６号公報 特開２００３−２２０３９４号公報 特開２００１−７９３６７号公報

ところで、上記の特許文献２および特許文献３に示される方法あるいは装置には次のような問題がある。すなわち、酸化して不溶化したマンガンを膜ろ過によって除去することから、膜面に固着するマンガンを除去するための還元剤による膜洗浄が必要である。さらに、マンガン酸化物の除去に使用される還元剤は、原水中に含有する他の金属成分や有機物成分の除去、および膜の殺菌に対しては有効ではないことから、これらに対する薬品洗浄を別途行う必要がある。また、原水中に有機物が混在する場合には、酸化剤を添加することによって有害な副生成物が生成されるおそれもある。

また、上記の特許文献２に示される方法あるいは装置では、処理コストの高いオゾンなどの強い酸化力を持った酸化剤を添加しなければマンガンの不溶化処理が不十分となるおそれがある。また、オゾン酸化処理の制御において、接触時間やオゾン注入量を過不足なく維持することは極めて困難である。

また、上記の特許文献３に示される方法あるいは装置では、比較的少量の酸化剤でマンガンの酸化処理が可能であるが、原水１中の夾雑物を除去せずに通水させるためにマンガン砂利接触装置４におけるろ過抵抗が早期に上昇し、閉塞が生じる。このため、閉塞を解消するためのメンテナンス頻度が増える。

また、上記の特許文献４に示される方法あるいは装置では、原水に還元剤を添加することによって膜面へのマンガンの目詰まりを抑制することは可能である。しかしながら、原水中に含有する他の金属成分が処理水へ漏洩するため、良好な処理水質が得られないおそれがある。また、金属成分を除去していない原水に酸化剤を添加して、バイオファウリング防止のための殺菌操作を行うとマンガンが析出して、その後のろ過工程において、高濃度のマンガンが膜ろ過水へと漏洩するおそれがある。また、飲料水として使用するためには塩素殺菌が必要である。このため、還元剤を含有する膜ろ過水に塩素を添加することとなって、薬品の使用量が増加する。さらに、塩素の添加によりマンガンが析出し配管を汚すおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、マンガンによる膜目詰まりを抑制する簡便な水処理方法および水処理装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る水処理方法は、溶解性マンガンを含む原水に凝集剤を添加・混合する凝集剤添加工程と、前記凝集剤添加工程による処理水を膜ろ過する膜ろ過工程と、前記膜ろ過工程による膜ろ過水に酸化剤を添加する酸化剤添加工程と、前記酸化剤添加工程による処理水を、マンガン除去剤が充填されたマンガン除去装置に通過させることによって前記酸化剤添加工程による処理水に含まれるマンガンを除去するマンガン除去工程と、前記マンガン除去工程による処理水に硫酸を添加する硫酸添加工程と、前記硫酸添加工程による処理水を用いて前記膜ろ過工程に用いられる膜を洗浄する膜洗浄工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る水処理方法は、上記の発明において、前記マンガン除去剤は、マンガン砂であることを特徴とする。

また、本発明に係る水処理装置は、溶解性マンガンを含む原水に凝集剤を添加・混合した処理水を膜ろ過する膜ろ過手段と、前記膜ろ過手段による膜ろ過水に酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、前記酸化剤添加手段による処理水を、マンガン除去剤が充填されたマンガン除去装置に通過させることによって前記酸化剤添加手段による処理水に含まれるマンガンを除去するマンガン除去手段と、前記マンガン除去手段からの処理水に硫酸を添加した膜洗浄用水を用いて前記膜ろ過手段の膜を洗浄する膜洗浄手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る水処理装置は、上記の発明において、前記マンガン除去剤は、マンガン砂であることを特徴とする。

本発明によれば、原水中の溶解性マンガンを酸化析出することなく膜ろ過を行うので、マンガンによる膜目詰まりを抑制することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る水処理方法および装置の好適な実施の形態（参考実施例１，２および実施例）を詳細に説明する。図１は、本発明の水処理装置１００の参考実施例１による概略構成を示す系統図である。

（参考実施例１）
図１に示すように、参考実施例１の水処理装置１００は、膜ろ過手段としての膜モジュール１２と、酸化剤添加手段としての酸化剤注入設備１４と、マンガン除去手段としての除マンガン設備１６と、処理水槽１８と、膜洗浄手段としての逆洗ポンプ２０とを備えている。除マンガン設備１６は、マンガン除去剤としてのマンガン砂が充填されたマンガン砂層（不図示）を有する。本発明では、第一段目として膜ろ過を行い、第二段目でマンガン砂によるろ過を行う。

まず、河川水や地下水などの水源から取水した原水１を供給ポンプ３で汲み上げて膜モジュール１２へ通水する。ここで、原水１には溶解性マンガンが含有されている。このように、本発明では原水１に酸化剤を添加しないで膜ろ過を行うので、原水１中の溶解性マンガンは酸化することなく膜モジュール１２を通過する。そして、膜では原水１中のＳＳと微粒子とが除去されることになる。このため、ＳＳや微粒子が固着することによるろ過膜の目詰まりは、酸や硫酸などの通常の薬液による洗浄によって容易に解消することが可能である。

そして、膜モジュール１２を通過して得られた膜ろ過水２２に、酸化剤注入設備１４から酸化剤としての次亜塩素酸ナトリウム２４を添加する。酸化剤が添加された膜ろ過水２２は、供給ポンプ５により除マンガン設備１６のマンガン砂層を通過させられ、析出した酸化マンガンはマンガン砂に接触して原水中から除去される。このようにすることで、除マンガン設備１６のマンガン砂層ではＳＳや濁度物質による詰まりが生じない。したがって、マンガン砂層における通水性能が向上する。また、マンガン砂層を通過したろ過水２６は、処理水タンク１８に貯留され、処理水２８として需要先に供給される一方で、このろ過水２６を逆洗ポンプ２０によって膜モジュール１２に導くことにより膜を逆洗することができる。この場合、このろ過水２６はマンガンを殆ど含有しないので膜モジュール１２の二次側にマンガンが析出する心配はない。

（参考実施例２）
次に、参考実施例２について説明する。図２は、参考実施例２の水処理装置２００の実施例２による概略構成を示す系統図である。

図２に示すように、参考実施例２の水処理装置２００は、膜ろ過手段としての膜モジュール１２と、膜処理水槽３０と、酸化剤添加手段としての酸化剤注入設備１４と、マンガン除去手段としての除マンガン設備１６と、処理水槽１８と、膜洗浄手段としての逆洗ポンプ２０とを含んで構成される。この構成において、河川水や地下水などの水源から取水した原水１は、供給ポンプ３により膜モジュール１２へと通水される。得られた膜ろ過水２２は、膜処理水槽３０に貯留される。膜処理水槽３０の膜ろ過水２２は、供給ポンプ３２により汲み上げられ、酸化剤注入設備１４より酸化剤が注入されてから除マンガン設備１６へ導入される。ここで、酸化剤としては、次亜塩素酸ナトリウム、二酸化塩素、オゾンなどを使用することができる。この場合、処理水２８を飲料水として使用する場合には、次亜塩素酸ナトリウムを使用すれば利便性がよい。

除マンガン設備１６によって処理された処理水２６は処理水槽１８に貯留され、処理水２８として需要先に供給されることとなる。また、処理水槽１８に貯留された処理水２６の一部は、逆洗ポンプ２０により膜モジュール１２へ通水され、膜の逆流洗浄に利用される。

なお、この場合、逆流洗浄による定期的な物理洗浄による代わりに、膜洗浄用薬品注入設備３４から薬品を膜洗浄用水としての処理水２６に注入・添加することによる薬品洗浄を行ってもよいし、これらの洗浄方法を併用してもよい。この薬品としては、硫酸や次亜塩素酸ナトリウムなどを使用することができる。ここで、本発明の実施形態では、マンガンを除去した処理水２６を洗浄に用いるため、殺菌剤を兼ねている酸化剤による薬品洗浄が可能である。この場合、例えば、処理水２６に酸化剤注入設備１４と接続された洗浄用酸化剤注入設備１４ａから酸化剤を注入・添加するようにしてもよい。

次に、本発明の水処理装置２００による効果について図３を用いて説明する。図３は、膜ろ過における膜間差圧の経時変化を示す概略図であり、本発明の水処理装置２００による方法と従来による方法とを比較したものである。横軸は膜の運転時間を、縦軸は膜間差圧を示している。図３に示すように、本発明の水処理装置２００では、膜ろ過の運転時間が経過しても膜間差圧の値はほぼ一定値に維持されており、還元剤を使用することなく安定した膜ろ過運転が可能であることがわかる。これに対して、膜ろ過の前に酸化剤の添加を行っている従来の方法では運転時間の経過と共に膜間差圧が上昇しており、ろ過抵抗は経時的に上昇する傾向にあることがわかる。

（実施例１）
次に、実施例１について説明する。図４は、本発明の水処理装置３００の実施例１による概略構成を示す系統図である。図４に示すように、水処理装置３００は、膜ろ過の前処理として凝集剤を注入する構成となっている。なお、膜モジュール１２から下流側の構成は参考実施例２の水処理装置２００と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付して表すこととし、詳細な説明は省略する。

水処理装置３００は、河川水などの水源から取水した原水１に対して凝集剤を添加する凝集剤注入設備３６と、原水１と凝集剤とを攪拌する攪拌機構３８とを備える。凝集剤が凝集剤注入設備３６から添加され、攪拌機構３８によって攪拌された原水１は、供給ポンプ３によって膜モジュール１２へ通水される。河川水など有機物が含まれる原水の場合には、このような凝集操作を経てから膜ろ過することが望ましい。

次に、本発明の水処理装置３００による効果について図５を用いて説明する。図５は、本発明の水処理装置３００による工程１と、従来の工程２とを比較した模式図を示している。図５に示すように、各工程１、２とも原水１に凝集剤を添加し、凝集処理を行った水を膜処理するようになっている。そして、工程１では、凝集剤を添加した原水１を膜ろ過した後で塩素を添加し、次いで除マンガン設備１６でマンガン除去を行うようにされている。一方、工程２では、凝集剤を添加した原水１を膜ろ過する前に塩素を添加し、膜ろ過のみによってマンガン除去を行うようにされている。なお、各工程１、２において添加する塩素濃度は、残留塩素として０．５ｍｇ／Ｌとなるように添加している。

本発明の水処理装置３００による工程１では、マンガン砂によりマンガンの酸化が十分に行われているため、除マンガン設備１６を経た処理水中のマンガン濃度は定量限界以下であった。このように、工程１では、膜ろ過によってマンガンを除去する場合に課題であった水質を満たした。

表１に、工程２における膜を薬品洗浄した場合における薬品廃水の水質データを示す。ここで、洗浄用の薬品としては、重亜硫酸ナトリウム０．１％、硫酸（ｐＨ２．５）、次亜塩素酸ナトリウム１０ｍｇ／Ｌの薬品を用い、接触時間は全て２０分とした。

表１によれば、還元剤として用いた重亜硫酸ナトリウムは、マンガンの除去に対しては効果的であるが、その他の金属成分（アルミニウム、鉄）の除去に対しては効果的でないことがわかる。一方、硫酸は、マンガン以外の金属成分やＴＯＣ（有機物成分）の除去に有効であり、膜の生物膜生成抑制として一般に用いられる次亜塩素酸ナトリウムは、アルミニウムやＴＯＣの除去に有効であった。これらのことから、重亜硫酸ナトリウムはマンガン除去には有効であるが、その他の目詰まり成分には有効ではなく、膜の安定運転のためにはその他の薬剤が必要なことがわかる。

以上、本発明の実施形態（参考実施例１，２および実施例１）について説明してきたが、本発明の水処理方法および水処理装置によれば、溶解性マンガンを含有する原水をろ過処理する場合において、マンガンによる膜の閉塞が起きることなく膜ろ過できる一方で、膜の洗浄に係る操作を簡便にすることができる。また、膜ろ過の後処理としてマンガン砂との接触を行い、原水中のマンガンを除去することができる。この場合、十分なマンガン酸化処理を行うことで処理水質を向上させることができる。さらに、膜の洗浄および殺菌においても還元剤を使用する必要がなく、金属成分を除去した水を洗浄用水として使用することができる。

また、溶解性有機物が原水中に多く含まれる場合には、上記の実施例１のように、凝集剤を添加・混和した後に膜ろ過を行うことで原水中の夾雑物を除去することができる。そして、その処理後に酸化剤の添加を行うことにより、酸化剤による副生成物の生成を抑制できる。また、本発明の水処理方法および水処理装置によれば、有機物がマンガン砂層に蓄積することによるろ過閉塞を抑制できることから、様々の水質の原水に対して適用することができる。

本発明に参考実施例１による概略構成を示す系統図である。 本発明の参考実施例２による概略構成を示す系統図である。 膜間差圧の経時変化を示した概略図であり、本発明の方法と従来の方法とを比較した図である。 本発明の実施例１による概略構成を示す系統図である。 本発明の工程１と従来の工程２とを比較した模式図である。 従来の水処理装置あるいは方法の概略構成の系統図である。

符号の説明

１ 原水
３，５，３２ 供給ポンプ
１２ 膜モジュール
１４ 酸化剤注入設備
１６ 除マンガン設備
１８ 処理水槽
２０ 逆洗ポンプ
３０ 膜処理水槽
３４ 膜洗浄用薬品注入設備
３６ 凝集剤注入設備
３８ 攪拌機構
１００，２００，３００ 水処理装置

Claims (4)

1. 溶解性マンガンを含む原水に凝集剤を添加・混合する凝集剤添加工程と、
   前記凝集剤添加工程による処理水を膜ろ過する膜ろ過工程と、
   前記膜ろ過工程による膜ろ過水に酸化剤を添加する酸化剤添加工程と、
   前記酸化剤添加工程による処理水を、マンガン除去剤が充填されたマンガン除去装置に通過させることによって前記酸化剤添加工程による処理水に含まれるマンガンを除去するマンガン除去工程と、
   前記マンガン除去工程による処理水に硫酸を添加する硫酸添加工程と、
   前記硫酸添加工程による処理水を用いて前記膜ろ過工程に用いられる膜を洗浄する膜洗浄工程と、を含む
   ことを特徴とする水処理方法。
2. 前記マンガン除去剤は、マンガン砂であることを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
3. 溶解性マンガンを含む原水に凝集剤を添加・混合した処理水を膜ろ過する膜ろ過手段と、
   前記膜ろ過手段による膜ろ過水に酸化剤を添加する酸化剤添加手段と、
   前記酸化剤添加手段による処理水を、マンガン除去剤が充填されたマンガン除去装置に通過させることによって前記酸化剤添加手段による処理水に含まれるマンガンを除去するマンガン除去手段と、
   前記マンガン除去手段からの処理水に硫酸を添加した膜洗浄用水を用いて前記膜ろ過手段の膜を洗浄する膜洗浄手段と、を備える
   ことを特徴とする水処理装置。
4. 前記マンガン除去剤は、マンガン砂であることを特徴とする請求項３に記載の水処理装置。

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