曝気強度の決定方法、水理学的滞留時間の決定方法及びそれを用いた曝気装置の設計方法
【課題】溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素で除去するに際して、pH調整用のアルカリ添加の無駄が省けるような装置の設計手法を提案する。
【解決手段】ステップＳ１００で設定した原水のカルシウム濃度と排ガス中の二酸化炭素濃度とから、ステップＳ２００で二酸化炭素と曝気強度との関係を示す曝気強度関係式
を用いて曝気強度を算出する。この曝気強度を用いて、ステップＳ３００でのベンチ試験に基づきステップＳ４００でICの変動、処理時間を考慮し、ステップＳ５００で水理学的滞留時間（HRT）を決定する。ステップＳ６００でかかる曝気強度、HRTとから曝気装置の仕様を決定する。
【解決手段】ステップＳ１００で設定した原水のカルシウム濃度と排ガス中の二酸化炭素濃度とから、ステップＳ２００で二酸化炭素と曝気強度との関係を示す曝気強度関係式
を用いて曝気強度を算出する。この曝気強度を用いて、ステップＳ３００でのベンチ試験に基づきステップＳ４００でICの変動、処理時間を考慮し、ステップＳ５００で水理学的滞留時間（HRT）を決定する。ステップＳ６００でかかる曝気強度、HRTとから曝気装置の仕様を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水等の処理水に含まれる溶存カルシウムの排ガス中の二酸化炭素によるカルシウム除去技術に関し、特にpH調節用のアルカリ添加量を抑制して溶存カルシウムの除去を行うに際して使用する曝気装置の仕様決定等の設計プロセスに適用して有効な技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来、排水中のカルシウム（カルシウムイオン）の除去は、炭酸ナトリウムを添加することで、炭酸カルシウムとして沈殿し除去している。
【０００３】
一方、建設現場で排出されるコンクリート作業中等に発生するアルカリ性排水に関しては、ガスボンベから１００％の二酸化炭素を通じ、カルシウムを炭酸水素カルシウムにしてスケール発生を防止した状態で廃棄している。かかる方法では、殆どの場合、カルシウムを炭酸カルシウムとして沈殿分離させることは行っていない。
【０００４】
一方、排水処理技術ではないが、炭酸カルシウムを製造する方法として、プラントや発電に際して発生した排ガスを二酸化炭素供給源として利用する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。水酸化カルシウム含有水性懸濁液に５〜１００％の二酸化炭素濃度である排ガスを通すことにより、質の高い軽質炭酸カルシウムを製造する技術が提案されている。５〜１００％の高濃度に二酸化炭素を含む排ガスを積極的に利用することで、不要な二酸化炭素を大気中に放出することなく、炭酸カルシウムとして固定する技術である。
【０００５】
また、本発明者は、５％未満の低濃度の二酸化炭素濃度の排ガスを用いて、効率的に溶存カルシウムの除去を行う技術を特許文献３において提案した。かかる提案において、本発明者は、pH変動幅からカルシウム濃度をモニタリングすることで、効率的に溶存カルシウムの排ガスによる除去が可能であることを示した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１１９４１号公報
【特許文献２】特開２０００−１７８０２４号公報
【特許文献３】特願２００３−４０４８８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように排水処理におけるカルシウム除去技術としては、炭酸ナトリウムの添加による処理技術が一般的である。しかし、かかる処理方法では、カルシウム濃度に対して過剰量の炭酸ナトリウムを添加する必要があり、処理後の排水に際しての塩濃度の増加という新たな問題が発生する。
【０００８】
そこで、本発明者は、二酸化炭素を直接的にカルシウム除去対象とする排水中に通じることにより、炭酸カルシウムとして沈殿させることで、上記塩濃度の増加という問題を回避しながら、容易にカルシウムの除去が行えるのではないかと考えた。
【０００９】
特に、地球温暖化の原因ともなっている焼却場、発電所等で大量に発生する排ガス中の二酸化炭素を利用すれば、排ガス中の二酸化炭素対策としても有効な筈である。このように排ガスを利用することで、二酸化炭素ガスの供給に際して、供給目的のための新たなプラントやエネルギー投入を避けることもでき、排ガス中の二酸化炭素除去、排水中のカルシウム除去の双方を、環境負荷を低減しつつ低コストで併せて行うことができ、極めて優れた技術の提案が行えると考えた。
【００１０】
排ガスを処理水中に曝気し、排ガス中の二酸化炭素で、処理水中の溶存カルシウムを炭酸カルシウムとして除去させることは極当たり前に思いつくことであるが、しかし、かかる除去を効率的に行う点については、これまで十分な研究がなされてこなかったのが現状である。
【００１１】
そこで、本発明者は、排ガスの二酸化炭素を用いて溶存カルシウムの除去を行うに際して、二酸化炭素を過剰量投入してその処理を行ってみた。しかし、過剰量の二酸化炭素の投入は、pHが酸性に傾き、生成した炭酸カルシウムが再溶解するため、別途水酸化ナトリウムを投入して、pHをアルカリ側に傾けるようにpHの調節が必要となった。
【００１２】
このように二酸化炭素を溶存カルシウムの除去に必要な量より過剰量に供給する場合には、常に、pHが酸性側に傾かないようにアルカリ添加を行わなければならず、かかるアルカリ添加の量は長い期間を通じては膨大な量となり、決して好ましい対応ではない。
【００１３】
かかるアルカリ添加は、溶存カルシウムの除去に必要な最小限度の二酸化炭素の供給が行えれば、当然に抑制できるものである。しかし、かかる溶存カルシウムの除去に必要な二酸化炭素の供給を常にモニターする技術はこれまでは提案されていない。
【００１４】
一方、本発明者は、先の特許文献３で、pHの変動幅を監視することで、溶存カルシウムの濃度をモニターする技術を提案した。カルシウムと二酸化炭素は等モルで反応するものであるから、二酸化炭素の供給を適正に監視することについては、pHの変動幅を適切に監視することでも可能な筈である。
【００１５】
しかし、先に提案した系は、二酸化炭素濃度が低い場合についての提案であり、二酸化炭素濃度が高い場合には、先に提案の技術はそのままでは適用できなかった。これは、二酸化炭素の濃度が高いと、二酸化炭素の溶解効率も上がって前述の如くアルカリの過剰添加が発生し、その状況下では、溶液中の無機炭素（IC：Inorganic Carbon、この場合は特に炭酸イオン、炭酸水素イオン）の量が多くなり、pHの変動幅が検出しにくいためではないかと考えた。
【００１６】
特許文献３に提案の如く、排ガス中の二酸化炭素の濃度が低濃度の場合は、溶解効率が低いため、溶液中の無機炭素量も大きくなく、適切なpH変動幅の感度が得られていたものと思われる。実際に、溶液中のICの量が多いと、ICがバッファーとして機能してしまい、pH変動の感度が鈍くなることが確認された。
【００１７】
本発明者の考察では、pHの変動幅を鋭敏に感知できる場合とは、Na/Ca比が理論値近くでなければならないことが分かった。かかるNa/Ca比を理論値に近づけるためには、二酸化炭素の適切な曝気強度と水理学的滞留時間（HRT：Hydraulic Residence Time）の設定が必要と考えた。
【００１８】
しかし、これまでは、本発明者が提案するまでpH変動幅からカルシウム濃度をモニタリングするとの発想がないため、どのように適切な曝気強度、HRTを設定して、実機の処理装置の仕様構成を行えばよいかについては、参考となる知見は無かった。処理が求められる都度、種々の二酸化炭素濃度毎に、各種の溶存カルシウムに対して、種々の曝気強度、HRTで実験を行い、最適値を見出せば確かにその設定は可能ではあるが、しかし、種々の産業分野から排出される排ガス毎には、かかる実験を都度繰り返すことは現実的には不可能である。
【００１９】
そこで、本発明者は、都度、使用する排ガス毎に膨大な実験を行うことなく、適切な曝気強度、HRTの設定が行える手法の確立が急務と考えた。
【００２０】
排ガスの生成経緯によっては、二酸化炭素の濃度が高濃度の場合もある、あるいは低濃度の場合もある。現実的要請としては、二酸化炭素の濃度の如何に関係なく、種々の排ガスで処理が行えることが望ましい。複数の排ガスチャンネルを使用する場合には、低濃度の排ガスでも、高濃度の排ガスでも、同様に適用できることが望まれる。適切な曝気強度、HRTの設定が行えれば、かかる現実的要請に十分に応えられる筈である。
【００２１】
本発明の目的は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素で除去する装置において、pH調整用アルカリの過剰添加を抑制することにある。
【００２２】
本発明の目的は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素で除去するに際して、pH調整用アルカリの過剰添加を抑制する装置の設計手法を提案することにある。
【００２３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２５】
すなわち、本発明は溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の曝気強度の決定方法であって、前記曝気強度は、前記二酸化炭素の濃度と前記曝気強度との関係を示す曝気強度関係式から算出されることを特徴とする。かかる構成において、前記曝気強度関係式は、アルカリ(例えば、水酸化ナトリウム)添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が2.5以下である場合における前記二酸化炭素濃度と前記曝気強度の逆数の自然対数の相関から得られた曝気強度関係式であることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の水理学的滞留時間（HRT）の決定方法であって、HRT＝（溶存カルシウム量／排ガスとして供給される二酸化炭素量）×１００／（前記溶存カルシウムの前記二酸化炭素との反応効率）とで示される水理学的滞留時間関係式から算出されることを特徴とする。かかる構成において、前記反応効率は、アルカリ(例えば、水酸化ナトリウム)添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が２である場合における前記二酸化炭素の曝気強度と前記反応効率との相関から得られた反応効率関係式であることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、上記説明の曝気強度の決定、水理学的滞留時間の決定等の曝気装置の仕様決定の設計プロセスに必要な要素構成を組み込むことで、排ガス中の二酸化炭素の濃度に拘わらず、溶存カルシウムの二酸化炭素による除去を、pHの変動幅を管理することで効率的に行うものである。すなわち、本発明は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する曝気装置の仕様を決定する曝気装置の設計方法であって、上記いずれかの曝気強度の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする。あるいは、上記構成のいずれかの水理学的滞留時間の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２９】
本発明を適用することで効率的に排ガス中の二酸化炭素により溶存カルシウムの除去を行うために使用する曝気装置の設計が行える。例えば、ベンチ試験を行わなくても、関係式から設計仕様を得ることができる。
【００３０】
そのため、アルカリの過剰添加がないため、無駄な曝気を減らすことができ、適切な装置仕様を設定することができるため、イニシャル・ランニングコストを削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る曝気装置の仕様決定方法の手順を示すフロー図である。
【図２】曝気強度と二酸化炭素濃度の関係を示す説明図である。
【図３】pHの変動幅とICとの関係を示す説明図である。
【図４】曝気装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図５】反応効率と曝気強度の関係を示す説明図である。
【図６】バッチ処理の実験結果を示す説明図である。
【図７】HRT＝２時間に設定した場合の連続処理でのIC変動とCa２＋濃度の推移状況を示す説明図である。
【図８】HRT＝３時間に設定した場合の連続処理でのIC変動とCa２＋濃度の推移状況を示す説明図である。
【図９】HRTとICとの関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、排ガスをカルシウムが溶存している排水等の処理水中に曝気し、溶存カルシウムを除去する曝気装置の仕様決定に必要な要素技術、及びそれを用いた曝気装置の仕様決定方法に関わる設計プロセス技術である。
【００３３】
図１は、本発明に係る曝気装置の仕様決定方法におけるフロー図である。ステップＳ１００で、除去が必要なカルシウムが溶存している処理水中への排ガスを曝気するに際しての初期条件を設定する。かかる初期条件とは、カルシウム除去が必要な処理水等の原水中のカルシウム濃度と、かかる溶存カルシウムの除去に使用する排ガス等のガス中の二酸化炭素濃度である。
【００３４】
本発明では、曝気装置の仕様決定における設計プロセスとして、図１に示すように、二通りのフローを考えた。すなわち、第一のルートは、ステップＳ１００、ステップＳ２００、ステップＳ３００、ステップＳ４００、ステップＳ５００を経て、ステップＳ６００で曝気装置のポンプ仕様、ブロア仕様、槽容量等の実機の仕様決定を行うルートである。
【００３５】
第二のルートは、簡易設計プロセスとして利用できるもので、ステップＳ１００から直接ステップＳ５００の水理学的滞留時間（HRT）の決定を行い、ステップＳ６００で実機の設計を行うルートである。
【００３６】
以下、上記２ルートのそれぞれについて、設計プロセスをそのステップ毎に詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、第一のルートについて説明する。すなわち、ステップＳ１００、ステップＳ２００、ステップＳ３００、ステップＳ４００、ステップＳ５００を経て、ステップＳ６００に至るルートである。
【００３８】
ステップＳ１００では、前述の如く、初期条件の設定を行う。通常は、実機設計にあたり与えられる条件としては、排ガス中の二酸化炭素濃度（CO2濃度）、原水の溶存カルシウム濃度（Ca濃度）であるため、かかる排ガス中の二酸化炭素濃度、処理水等の原水のカルシウム濃度を初期条件として設定する。
【００３９】
かかる設定した初期条件に基づき、ステップＳ２００で実機に必要とされる曝気強度を決定する。かかる曝気強度の決定に際して、本発明では、初めて、実験により求められた新規提案の実験式を用いて曝気強度を算出する。かかる実験式を用いて曝気強度の算出を行うため、使用する排ガス毎に初期条件に見合った適切な曝気強度を決定するための種々の曝気強度での溶存カルシウムの除去実験を繰り返す手間が省ける。
【００４０】
尚、本発明では、アルカリ消費量を示す指標として、Na／Ca比を用いた。二酸化炭素を用いたCa除去では、式１のような化学反応が行われるため、Ca１molに対してNa２molが消費される。そのため、溶存カルシウムの除去に必要量の二酸化炭素が供給されたとした場合のNa／Ca比は理論的には２である。
【００４１】
【数１】
【００４２】
次に、かかるNa／Ca比を指標として、二酸化炭素濃度から式２を用いて曝気強度を決定する。
【００４３】
【数２】
【００４４】
上記式２を用いて、初期条件で設定した二酸化炭素濃度から曝気強度を求めることができる。かかる式２は、例えば、溶存カルシウムを、種々の二酸化炭素濃度、種々の曝気強度で除去する実験を行い、かかる実験によって得られたデータの中から、アルカリ添加量の無駄が少なかった（Na／Ca比が2.5以下）実験データを選抜し、図２に示すその二酸化炭素濃度と曝気強度逆数の対数の相関から得られたものである。
【００４５】
図２に示す実際の回帰式から得られた値は、ａ＝0.286、ｂ＝0.22であった。本発明者は、上記回帰式のａ、ｂについては、回帰式の95％信頼区間を考慮して、ａ＝0.189〜0.383、ｂ＝−0.651〜0.211の範囲に設定するのが適切と判断した。
【００４６】
すなわち式２で示す曝気強度関係式を用いることで、使用するガスの二酸化炭素濃度が分かれば、Na／Ca比をほぼ理論値に抑制しながら、溶存カルシウムの除去を行うことが可能な曝気強度を推定することができる。
【００４７】
このようにしてステップＳ２００で、初期条件として設定した排ガス中の二酸化炭素濃度から曝気強度を決定するが、かかる決定した曝気強度からステップＳ３００でベンチ試験を行い、実際に原水を用いてバッチ処理あるいは連続処理を行い、ステップＳ４００で処理時間とIC変動とを実際に則して調べ、ステップＳ５００でそれらの実測値を基に最適な水理学的滞留時間（HRT）を決定する。
【００４８】
すなわち、ステップＳ３００で原水をラボにてバッチ試験により処理し、ステップＳ４００でCa濃度100mg/lを下回るのに要する処理時間と、IC(Inorganic Carbon)の変動を調べ、ステップＳ５００で最適なHRTを決定する。より高精度にHRTを決定するためには、所定量貯留した原水に排ガスを曝気して処理するバッチ処理とは異なり、原水を曝気槽に連続的に流し入れ、曝気槽で排ガスを曝気させ、曝気槽から連続的に曝気された原水を沈殿槽に流し出すという連続処理試験で、溶液中のCa濃度と、ICの推移から設計HRTの検討を行ってもよい。
【００４９】
連続処理においては推移しているIC量がCaに対するバッファー能力に当たるため、このIC量を増減させることでpHの変動幅の感度を調節することができる。このIC量とpHの変動幅の関係を、図３に示す。図３ではpHの変動とその時の平均IC濃度を示している。図３に示すように、IC濃度が低いほどpH変動が大きく、IC濃度が高くなると変動が小さくなることが分かる。IC濃度が低いほどpH変動幅の感度は上がるが、溶液のバッファー能力もさがるため、原水Ca濃度の変動に対応しきれない可能性もでてくる。逆にIC濃度が高ければ、バッファー能力は上がるがアルカリが過剰に添加されることになる。そこで、本発明者は、多くの実測値から連続処理における判定基準を式３の如く設定した。
【００５０】
【数３】
【００５１】
このようにしてステップＳ５００で初期条件の二酸化炭素濃度、カルシウム濃度に最適なHRTが決定され、併せてステップＳ２００で決定された曝気強度とから、ステップＳ６００で、例えば、図４に示すような実機としての曝気装置１０の仕様決定を行う。
【００５２】
曝気装置１０は、図４に示すように、その曝気槽１０ａが溶存カルシウムの除去を必要とする原水を貯留して置く調整槽２０と、原水供給ポンプ２１を介して連絡され、所定流量で原水が曝気装置１０の曝気槽１０ａ内に連続的に流入されるようになっている。併せて、曝気槽１０ａは、槽内の溶存カルシウムの二酸化炭素による除去に際してのpH調整用の水酸化ナトリウム貯留槽３０と、水酸化ナトリウム注入ポンプ３１を介して連絡され、必要に応じて所要の水酸化ナトリウムの供給が随時行えるようになっている。
【００５３】
また、曝気槽１０ａには、二酸化炭素のガス供給原４０としての燃焼装置４０ａが、その排ガス出入口４１と、ブロア４２を介して連絡され、曝気槽１０ａ内に所要の曝気強度で排ガスの曝気が行えるようになっている。
【００５４】
さらに、図４に示すように、曝気槽１０ａ内には、pHコントローラ５０のセンサ５１が設けられ、溶存カルシウムの二酸化炭素による除去反応に際してのpHの監視が行えるようになっている。pHコントローラ５０は、水酸化ナトリウム注入ポンプ３１に連絡され、センサ５１で検知されたpHに応じて、水酸化ナトリウムの注入の開始あるいは停止を随時水酸化ナトリウム注入ポンプ３１で行えるようになっている。
【００５５】
また、曝気槽１０ａには、図４に示すように、溶出口（オーバーフロー口）１１が設けられ、二酸化炭素と溶存カルシウムの反応が終了した液が、図示はしないが、沈殿槽等に随時溶出されるようになっている。
【００５６】
すなわち、かかる構成の曝気装置１０において、原水についての水処理装置の日処理量からポンプの選定を行い、併せてステップＳ５００で決定したHRTから曝気槽１０ａの容量を決定する。さらに、ステップＳ２００で決定した曝気強度から曝気量を決定し、ブロア４２の仕様を選定する。このようにして実機の曝気装置１０の仕様決定を行えばよい。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、第二のルートについて説明する。かかる第二のルートは、前記第一のルートで示すステップＳ３００、ステップＳ４００におけるベンチ試験を行うことができない場合の簡易設計方法として提案するものである。
【００５８】
すなわち、予め種々の濃度の溶存カルシウムについて、種々の曝気強度、種々の二酸化炭素濃度の排ガスを用いて実際に溶存カルシウムの除去実験を行い、かかる実験データなに基づき得られた実験式に基づき、初期条件として与えられた原水のカルシウム濃度、排ガスの二酸化炭素濃度から、計算でHRTを決定するものである。すなわち、図１では、破線で示すように、ステップＳ１００から直接にステップＳ５００に至るルートである。
【００５９】
本実施の形態では、ステップＳ１００で、前記実施の形態で説明したと同様に、初期条件として原水のカルシウム濃度、排ガスの二酸化炭素濃度を設定する。次にステップＳ５００で、先ず前述の式２の曝気強度関係式から初期条件で設定された二酸化炭素濃度に見合った曝気強度を算出する。かかる式２で算出した曝気強度に基づき、Na／Ca比が２となる場合の水理学的滞留時間を計算で求める。
【００６０】
カルシウムが溶存している液体に排ガスを曝気させて、排ガス中の二酸化炭素で溶存カルシウムを除去するいわゆる気液接触反応では、その反応効率は、水温、気圧、水質等様々な因子に影響される。特に、本発明の適用を想定する処分場浸出水等の処理水では、水質変動が大きいため、計算で反応効率を導き出すことは容易ではない。
【００６１】
そこで、本発明者は、様々な条件下で曝気実験を行い、かかる曝気実験のデータからNa／Ca比が２となる場合のデータを抽出し、かかるデータに基づいて曝気強度と反応効率との関係を定めることを着想した。図５に、このようにしてNa／Ca比が２となる場合のデータから得られた曝気強度と反応効率との関係を示した。かかる関係から、図５に示す直線で示される式４（回帰式）を得た。かかる式４は、曝気強度と反応効率との関係を示した反応効率関係式である。
【００６２】
【数４】
【００６３】
図５に示す実際の回帰式から得られた値は、α＝−49.16、β＝74.94であった。本発明者は、上記回帰式のα、βについては、回帰式の95％信頼区間を考慮して、α＝−73.11〜−25.22、β＝57.33〜92.54の範囲に設定するのが適切と判断した。
【００６４】
かかる式４から、式２の曝気強度関係式から算出した曝気強度に基づき、反応効率を求める。このようにして求めた反応効率から、式５で示す水理学的滞留時間関係式により、水理学的滞留時間（HRT）を求めればよい。
【００６５】
【数５】
【００６６】
このようにして第二のルートによる場合は、ステップＳ５００で、式２、式４、式５を用いて、ステップＳ１００で設定した初期条件に見合った曝気強度、水理学的滞留時間（HRT）を計算から求めることとなる。その後は、前記実施の形態１で説明したと同様に、ステップＳ６００で、ステップＳ５００で算出した曝気強度、HRTに基づき実機の曝気装置のブロア等の仕様を決定すればよい。
【００６７】
尚、図５では、横軸の曝気強度に対して、縦軸では反応効率を示しているが、かかる反応効率は、以下の式６、式７を用いて、図５の作成に使用した実験データから算出した。
【００６８】
【数６】
【００６９】
【数７】
【００７０】
次に、上記説明の実施の形態１、２について、下記の実施例に基づきより具体的に説明する。
【実施例】
【００７１】
（実施例１）
本実施例では、前記実施の形態１で説明した図１に示す第一のルートにより実機の曝気装置の仕様決定に関係する設計プロセスについて説明する。
【００７２】
例えば、ステップＳ１００では、初期条件を、原水Ca濃度1100mg/l、排ガスCO2濃度2.2%として設定した。
【００７３】
ステップＳ２００では、かかる初期条件に基づき、式２を用いて曝気強度を算出した。曝気強度の算出は、式８に示すようにして行った。尚、式８では、式２に示すａ、ｂを、図２に示す直線から得られた値、すなわちａを0.286、ｂを−0.22に設定している。
【００７４】
【数８】
【００７５】
この曝気強度0.66に従い、ステップＳ３００でベンチ試験(曝気槽12リットル、曝気量8 l/min)を行った。先ず、バッチでCa除去を行った。その結果を図６に示す。さらにステップＳ４００として、処理時間、ICの変動をチェックした。２時間辺りではCaは目標値である100mg/lを下回り、ICは増加傾向が見られ始めた。この結果から、HRT=2h（２時間）前後で、Ca除去が可能であることが分かった。
【００７６】
次に、この結果を受けて、ステップＳ５００で示すように、最適のHRTの決定を行う。すなわち、HRT=2hとHRT=3h（３時間）に設定して連続処理実験を行った。図７にHRT=2hの結果を、図８にHRT=3hの結果を示す。
【００７７】
かかる実験の結果、両処理ともCa濃度が100 mg/l以下は満足した。HRT=2hではICの減少傾向とCa濃度の増加が見られ、HRT=3hではICの高濃度での推移とCa濃度の低下傾向が確認された。かかる結果から、HRT=2hでは、目標値を満足することは可能と思われるが、ICに余裕が無い状態になると考えられ、式３からHRT=3hではアルカリが過剰に投入されている状態と考えられた。
【００７８】
Ca濃度が100mg/l以下のIC濃度とHRTは、図９に示すように、二酸化炭素の溶解効率分だけICは増加するため線形の関係になる。そのため図７、８に示した連続処理HRT=2h、3hで推定されたIC濃度（HRT=2hのときIC=80mg/l、HRT=3hのときIC=330mg/l）から本連続処理におけるICとHRTとの関係を、式９として求めることができる。一方、式3より推移ICを200mg/lに設定すると、この事例に関する最適HRTは2.5時間であると決定された。
【００７９】
【数９】
【００８０】
このようにして第一のルートのステップＳ２００、ステップＳ５００で設定された曝気強度、HRTに基づき曝気装置１０の仕様を決定すればよい。
【００８１】
（実施例２）
本実施例では、図１に示す第二のルートでの実機の曝気装置の仕様決定に関係する設計プロセスについて説明する。
【００８２】
かかる第二のルートでは第一のルートとは異なり、ステップＳ１００で設定された初期条件の原水のカルシウム濃度、排ガスの二酸化炭素濃度とから、直接的に、式２、式４を用いて曝気強度、HRTを算出するものである。
【００８３】
すなわち、式２の曝気強度関係式から、ステップＳ１００で設定した初期条件に見合った曝気強度を算出する。例えば、本実施例でも、初期条件は上記実施例１と同様に設定すると、上記式８に示す要領で、曝気強度が算出される。
【００８４】
かかる算出された曝気強度を、式４の反応効率関係式に代入して、以下の式１０に示すように反応効率を算出する。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
尚、式１０では、α、βの値は図５に示す直線から得られた値に、すなわちα＝−49.16、β＝74.938に設定した。
【００８７】
このようにして算出された反応効率を、式５の水理学的滞留時間関係式に代入して、HRTを以下の式１１に示すようにして求める。
【００８８】
【数１１】
【００８９】
式１１から算出したHRTは、1.8時間となったが、ステップＳ１００で設定した初期条件の下、先の図７に示すように、実際にHRT＝２時間において連続処理した際のアルカリ消費量の実測値が、ほぼNa／Ca比の理論値２と同等であったことから、第一のルートとは異なり、ステップＳ３００、Ｓ４００でのベンチ試験等の実験を経なくても、かなりの高精度でHRTの試算ができることが分かる。すなわち、第二のルートは十分に利用できる方法である。
【００９０】
以上の如く、本発明を適用することで、Na/Ca比が理論値に近い（アルカリの過剰添加のない）状態で溶存カルシウムの除去処理を行うことができ、Na/Ca比を理論値に近づけることで、過剰添加アルカリ量を削減し、溶液中のIC量を削減することができる。そのため、ICに基づくバッファー能が下がり、pH変動が現れやすくなりカルシウム濃度も管理しやすくなる。
【００９１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の排ガスの二酸化炭素による溶存カルシウムの除去処理に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 曝気装置
１０ａ 曝気槽
１１ 溶出口（オーバーフロー口）
２０ 調整槽
２１ 原水供給ポンプ
３０ 水酸化ナトリウム貯留槽
３１ 水酸化ナトリウム注入ポンプ
４０ ガス供給原
４０ａ 燃焼装置
４１ 排ガス出入口
４２ ブロア
５０ pHコントローラ
５１ センサ
Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００、Ｓ４００、Ｓ５００ ステップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水等の処理水に含まれる溶存カルシウムの排ガス中の二酸化炭素によるカルシウム除去技術に関し、特にpH調節用のアルカリ添加量を抑制して溶存カルシウムの除去を行うに際して使用する曝気装置の仕様決定等の設計プロセスに適用して有効な技術である。
【背景技術】
【０００２】
従来、排水中のカルシウム（カルシウムイオン）の除去は、炭酸ナトリウムを添加することで、炭酸カルシウムとして沈殿し除去している。
【０００３】
一方、建設現場で排出されるコンクリート作業中等に発生するアルカリ性排水に関しては、ガスボンベから１００％の二酸化炭素を通じ、カルシウムを炭酸水素カルシウムにしてスケール発生を防止した状態で廃棄している。かかる方法では、殆どの場合、カルシウムを炭酸カルシウムとして沈殿分離させることは行っていない。
【０００４】
一方、排水処理技術ではないが、炭酸カルシウムを製造する方法として、プラントや発電に際して発生した排ガスを二酸化炭素供給源として利用する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。水酸化カルシウム含有水性懸濁液に５〜１００％の二酸化炭素濃度である排ガスを通すことにより、質の高い軽質炭酸カルシウムを製造する技術が提案されている。５〜１００％の高濃度に二酸化炭素を含む排ガスを積極的に利用することで、不要な二酸化炭素を大気中に放出することなく、炭酸カルシウムとして固定する技術である。
【０００５】
また、本発明者は、５％未満の低濃度の二酸化炭素濃度の排ガスを用いて、効率的に溶存カルシウムの除去を行う技術を特許文献３において提案した。かかる提案において、本発明者は、pH変動幅からカルシウム濃度をモニタリングすることで、効率的に溶存カルシウムの排ガスによる除去が可能であることを示した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１１９４１号公報
【特許文献２】特開２０００−１７８０２４号公報
【特許文献３】特願２００３−４０４８８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように排水処理におけるカルシウム除去技術としては、炭酸ナトリウムの添加による処理技術が一般的である。しかし、かかる処理方法では、カルシウム濃度に対して過剰量の炭酸ナトリウムを添加する必要があり、処理後の排水に際しての塩濃度の増加という新たな問題が発生する。
【０００８】
そこで、本発明者は、二酸化炭素を直接的にカルシウム除去対象とする排水中に通じることにより、炭酸カルシウムとして沈殿させることで、上記塩濃度の増加という問題を回避しながら、容易にカルシウムの除去が行えるのではないかと考えた。
【０００９】
特に、地球温暖化の原因ともなっている焼却場、発電所等で大量に発生する排ガス中の二酸化炭素を利用すれば、排ガス中の二酸化炭素対策としても有効な筈である。このように排ガスを利用することで、二酸化炭素ガスの供給に際して、供給目的のための新たなプラントやエネルギー投入を避けることもでき、排ガス中の二酸化炭素除去、排水中のカルシウム除去の双方を、環境負荷を低減しつつ低コストで併せて行うことができ、極めて優れた技術の提案が行えると考えた。
【００１０】
排ガスを処理水中に曝気し、排ガス中の二酸化炭素で、処理水中の溶存カルシウムを炭酸カルシウムとして除去させることは極当たり前に思いつくことであるが、しかし、かかる除去を効率的に行う点については、これまで十分な研究がなされてこなかったのが現状である。
【００１１】
そこで、本発明者は、排ガスの二酸化炭素を用いて溶存カルシウムの除去を行うに際して、二酸化炭素を過剰量投入してその処理を行ってみた。しかし、過剰量の二酸化炭素の投入は、pHが酸性に傾き、生成した炭酸カルシウムが再溶解するため、別途水酸化ナトリウムを投入して、pHをアルカリ側に傾けるようにpHの調節が必要となった。
【００１２】
このように二酸化炭素を溶存カルシウムの除去に必要な量より過剰量に供給する場合には、常に、pHが酸性側に傾かないようにアルカリ添加を行わなければならず、かかるアルカリ添加の量は長い期間を通じては膨大な量となり、決して好ましい対応ではない。
【００１３】
かかるアルカリ添加は、溶存カルシウムの除去に必要な最小限度の二酸化炭素の供給が行えれば、当然に抑制できるものである。しかし、かかる溶存カルシウムの除去に必要な二酸化炭素の供給を常にモニターする技術はこれまでは提案されていない。
【００１４】
一方、本発明者は、先の特許文献３で、pHの変動幅を監視することで、溶存カルシウムの濃度をモニターする技術を提案した。カルシウムと二酸化炭素は等モルで反応するものであるから、二酸化炭素の供給を適正に監視することについては、pHの変動幅を適切に監視することでも可能な筈である。
【００１５】
しかし、先に提案した系は、二酸化炭素濃度が低い場合についての提案であり、二酸化炭素濃度が高い場合には、先に提案の技術はそのままでは適用できなかった。これは、二酸化炭素の濃度が高いと、二酸化炭素の溶解効率も上がって前述の如くアルカリの過剰添加が発生し、その状況下では、溶液中の無機炭素（IC：Inorganic Carbon、この場合は特に炭酸イオン、炭酸水素イオン）の量が多くなり、pHの変動幅が検出しにくいためではないかと考えた。
【００１６】
特許文献３に提案の如く、排ガス中の二酸化炭素の濃度が低濃度の場合は、溶解効率が低いため、溶液中の無機炭素量も大きくなく、適切なpH変動幅の感度が得られていたものと思われる。実際に、溶液中のICの量が多いと、ICがバッファーとして機能してしまい、pH変動の感度が鈍くなることが確認された。
【００１７】
本発明者の考察では、pHの変動幅を鋭敏に感知できる場合とは、Na/Ca比が理論値近くでなければならないことが分かった。かかるNa/Ca比を理論値に近づけるためには、二酸化炭素の適切な曝気強度と水理学的滞留時間（HRT：Hydraulic Residence Time）の設定が必要と考えた。
【００１８】
しかし、これまでは、本発明者が提案するまでpH変動幅からカルシウム濃度をモニタリングするとの発想がないため、どのように適切な曝気強度、HRTを設定して、実機の処理装置の仕様構成を行えばよいかについては、参考となる知見は無かった。処理が求められる都度、種々の二酸化炭素濃度毎に、各種の溶存カルシウムに対して、種々の曝気強度、HRTで実験を行い、最適値を見出せば確かにその設定は可能ではあるが、しかし、種々の産業分野から排出される排ガス毎には、かかる実験を都度繰り返すことは現実的には不可能である。
【００１９】
そこで、本発明者は、都度、使用する排ガス毎に膨大な実験を行うことなく、適切な曝気強度、HRTの設定が行える手法の確立が急務と考えた。
【００２０】
排ガスの生成経緯によっては、二酸化炭素の濃度が高濃度の場合もある、あるいは低濃度の場合もある。現実的要請としては、二酸化炭素の濃度の如何に関係なく、種々の排ガスで処理が行えることが望ましい。複数の排ガスチャンネルを使用する場合には、低濃度の排ガスでも、高濃度の排ガスでも、同様に適用できることが望まれる。適切な曝気強度、HRTの設定が行えれば、かかる現実的要請に十分に応えられる筈である。
【００２１】
本発明の目的は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素で除去する装置において、pH調整用アルカリの過剰添加を抑制することにある。
【００２２】
本発明の目的は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素で除去するに際して、pH調整用アルカリの過剰添加を抑制する装置の設計手法を提案することにある。
【００２３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２５】
すなわち、本発明は溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の曝気強度の決定方法であって、前記曝気強度は、前記二酸化炭素の濃度と前記曝気強度との関係を示す曝気強度関係式から算出されることを特徴とする。かかる構成において、前記曝気強度関係式は、アルカリ(例えば、水酸化ナトリウム)添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が2.5以下である場合における前記二酸化炭素濃度と前記曝気強度の逆数の自然対数の相関から得られた曝気強度関係式であることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の水理学的滞留時間（HRT）の決定方法であって、HRT＝（溶存カルシウム量／排ガスとして供給される二酸化炭素量）×１００／（前記溶存カルシウムの前記二酸化炭素との反応効率）とで示される水理学的滞留時間関係式から算出されることを特徴とする。かかる構成において、前記反応効率は、アルカリ(例えば、水酸化ナトリウム)添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が２である場合における前記二酸化炭素の曝気強度と前記反応効率との相関から得られた反応効率関係式であることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、上記説明の曝気強度の決定、水理学的滞留時間の決定等の曝気装置の仕様決定の設計プロセスに必要な要素構成を組み込むことで、排ガス中の二酸化炭素の濃度に拘わらず、溶存カルシウムの二酸化炭素による除去を、pHの変動幅を管理することで効率的に行うものである。すなわち、本発明は、溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する曝気装置の仕様を決定する曝気装置の設計方法であって、上記いずれかの曝気強度の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする。あるいは、上記構成のいずれかの水理学的滞留時間の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２９】
本発明を適用することで効率的に排ガス中の二酸化炭素により溶存カルシウムの除去を行うために使用する曝気装置の設計が行える。例えば、ベンチ試験を行わなくても、関係式から設計仕様を得ることができる。
【００３０】
そのため、アルカリの過剰添加がないため、無駄な曝気を減らすことができ、適切な装置仕様を設定することができるため、イニシャル・ランニングコストを削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る曝気装置の仕様決定方法の手順を示すフロー図である。
【図２】曝気強度と二酸化炭素濃度の関係を示す説明図である。
【図３】pHの変動幅とICとの関係を示す説明図である。
【図４】曝気装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図５】反応効率と曝気強度の関係を示す説明図である。
【図６】バッチ処理の実験結果を示す説明図である。
【図７】HRT＝２時間に設定した場合の連続処理でのIC変動とCa２＋濃度の推移状況を示す説明図である。
【図８】HRT＝３時間に設定した場合の連続処理でのIC変動とCa２＋濃度の推移状況を示す説明図である。
【図９】HRTとICとの関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、排ガスをカルシウムが溶存している排水等の処理水中に曝気し、溶存カルシウムを除去する曝気装置の仕様決定に必要な要素技術、及びそれを用いた曝気装置の仕様決定方法に関わる設計プロセス技術である。
【００３３】
図１は、本発明に係る曝気装置の仕様決定方法におけるフロー図である。ステップＳ１００で、除去が必要なカルシウムが溶存している処理水中への排ガスを曝気するに際しての初期条件を設定する。かかる初期条件とは、カルシウム除去が必要な処理水等の原水中のカルシウム濃度と、かかる溶存カルシウムの除去に使用する排ガス等のガス中の二酸化炭素濃度である。
【００３４】
本発明では、曝気装置の仕様決定における設計プロセスとして、図１に示すように、二通りのフローを考えた。すなわち、第一のルートは、ステップＳ１００、ステップＳ２００、ステップＳ３００、ステップＳ４００、ステップＳ５００を経て、ステップＳ６００で曝気装置のポンプ仕様、ブロア仕様、槽容量等の実機の仕様決定を行うルートである。
【００３５】
第二のルートは、簡易設計プロセスとして利用できるもので、ステップＳ１００から直接ステップＳ５００の水理学的滞留時間（HRT）の決定を行い、ステップＳ６００で実機の設計を行うルートである。
【００３６】
以下、上記２ルートのそれぞれについて、設計プロセスをそのステップ毎に詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、第一のルートについて説明する。すなわち、ステップＳ１００、ステップＳ２００、ステップＳ３００、ステップＳ４００、ステップＳ５００を経て、ステップＳ６００に至るルートである。
【００３８】
ステップＳ１００では、前述の如く、初期条件の設定を行う。通常は、実機設計にあたり与えられる条件としては、排ガス中の二酸化炭素濃度（CO2濃度）、原水の溶存カルシウム濃度（Ca濃度）であるため、かかる排ガス中の二酸化炭素濃度、処理水等の原水のカルシウム濃度を初期条件として設定する。
【００３９】
かかる設定した初期条件に基づき、ステップＳ２００で実機に必要とされる曝気強度を決定する。かかる曝気強度の決定に際して、本発明では、初めて、実験により求められた新規提案の実験式を用いて曝気強度を算出する。かかる実験式を用いて曝気強度の算出を行うため、使用する排ガス毎に初期条件に見合った適切な曝気強度を決定するための種々の曝気強度での溶存カルシウムの除去実験を繰り返す手間が省ける。
【００４０】
尚、本発明では、アルカリ消費量を示す指標として、Na／Ca比を用いた。二酸化炭素を用いたCa除去では、式１のような化学反応が行われるため、Ca１molに対してNa２molが消費される。そのため、溶存カルシウムの除去に必要量の二酸化炭素が供給されたとした場合のNa／Ca比は理論的には２である。
【００４１】
【数１】
【００４２】
次に、かかるNa／Ca比を指標として、二酸化炭素濃度から式２を用いて曝気強度を決定する。
【００４３】
【数２】
【００４４】
上記式２を用いて、初期条件で設定した二酸化炭素濃度から曝気強度を求めることができる。かかる式２は、例えば、溶存カルシウムを、種々の二酸化炭素濃度、種々の曝気強度で除去する実験を行い、かかる実験によって得られたデータの中から、アルカリ添加量の無駄が少なかった（Na／Ca比が2.5以下）実験データを選抜し、図２に示すその二酸化炭素濃度と曝気強度逆数の対数の相関から得られたものである。
【００４５】
図２に示す実際の回帰式から得られた値は、ａ＝0.286、ｂ＝0.22であった。本発明者は、上記回帰式のａ、ｂについては、回帰式の95％信頼区間を考慮して、ａ＝0.189〜0.383、ｂ＝−0.651〜0.211の範囲に設定するのが適切と判断した。
【００４６】
すなわち式２で示す曝気強度関係式を用いることで、使用するガスの二酸化炭素濃度が分かれば、Na／Ca比をほぼ理論値に抑制しながら、溶存カルシウムの除去を行うことが可能な曝気強度を推定することができる。
【００４７】
このようにしてステップＳ２００で、初期条件として設定した排ガス中の二酸化炭素濃度から曝気強度を決定するが、かかる決定した曝気強度からステップＳ３００でベンチ試験を行い、実際に原水を用いてバッチ処理あるいは連続処理を行い、ステップＳ４００で処理時間とIC変動とを実際に則して調べ、ステップＳ５００でそれらの実測値を基に最適な水理学的滞留時間（HRT）を決定する。
【００４８】
すなわち、ステップＳ３００で原水をラボにてバッチ試験により処理し、ステップＳ４００でCa濃度100mg/lを下回るのに要する処理時間と、IC(Inorganic Carbon)の変動を調べ、ステップＳ５００で最適なHRTを決定する。より高精度にHRTを決定するためには、所定量貯留した原水に排ガスを曝気して処理するバッチ処理とは異なり、原水を曝気槽に連続的に流し入れ、曝気槽で排ガスを曝気させ、曝気槽から連続的に曝気された原水を沈殿槽に流し出すという連続処理試験で、溶液中のCa濃度と、ICの推移から設計HRTの検討を行ってもよい。
【００４９】
連続処理においては推移しているIC量がCaに対するバッファー能力に当たるため、このIC量を増減させることでpHの変動幅の感度を調節することができる。このIC量とpHの変動幅の関係を、図３に示す。図３ではpHの変動とその時の平均IC濃度を示している。図３に示すように、IC濃度が低いほどpH変動が大きく、IC濃度が高くなると変動が小さくなることが分かる。IC濃度が低いほどpH変動幅の感度は上がるが、溶液のバッファー能力もさがるため、原水Ca濃度の変動に対応しきれない可能性もでてくる。逆にIC濃度が高ければ、バッファー能力は上がるがアルカリが過剰に添加されることになる。そこで、本発明者は、多くの実測値から連続処理における判定基準を式３の如く設定した。
【００５０】
【数３】
【００５１】
このようにしてステップＳ５００で初期条件の二酸化炭素濃度、カルシウム濃度に最適なHRTが決定され、併せてステップＳ２００で決定された曝気強度とから、ステップＳ６００で、例えば、図４に示すような実機としての曝気装置１０の仕様決定を行う。
【００５２】
曝気装置１０は、図４に示すように、その曝気槽１０ａが溶存カルシウムの除去を必要とする原水を貯留して置く調整槽２０と、原水供給ポンプ２１を介して連絡され、所定流量で原水が曝気装置１０の曝気槽１０ａ内に連続的に流入されるようになっている。併せて、曝気槽１０ａは、槽内の溶存カルシウムの二酸化炭素による除去に際してのpH調整用の水酸化ナトリウム貯留槽３０と、水酸化ナトリウム注入ポンプ３１を介して連絡され、必要に応じて所要の水酸化ナトリウムの供給が随時行えるようになっている。
【００５３】
また、曝気槽１０ａには、二酸化炭素のガス供給原４０としての燃焼装置４０ａが、その排ガス出入口４１と、ブロア４２を介して連絡され、曝気槽１０ａ内に所要の曝気強度で排ガスの曝気が行えるようになっている。
【００５４】
さらに、図４に示すように、曝気槽１０ａ内には、pHコントローラ５０のセンサ５１が設けられ、溶存カルシウムの二酸化炭素による除去反応に際してのpHの監視が行えるようになっている。pHコントローラ５０は、水酸化ナトリウム注入ポンプ３１に連絡され、センサ５１で検知されたpHに応じて、水酸化ナトリウムの注入の開始あるいは停止を随時水酸化ナトリウム注入ポンプ３１で行えるようになっている。
【００５５】
また、曝気槽１０ａには、図４に示すように、溶出口（オーバーフロー口）１１が設けられ、二酸化炭素と溶存カルシウムの反応が終了した液が、図示はしないが、沈殿槽等に随時溶出されるようになっている。
【００５６】
すなわち、かかる構成の曝気装置１０において、原水についての水処理装置の日処理量からポンプの選定を行い、併せてステップＳ５００で決定したHRTから曝気槽１０ａの容量を決定する。さらに、ステップＳ２００で決定した曝気強度から曝気量を決定し、ブロア４２の仕様を選定する。このようにして実機の曝気装置１０の仕様決定を行えばよい。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、第二のルートについて説明する。かかる第二のルートは、前記第一のルートで示すステップＳ３００、ステップＳ４００におけるベンチ試験を行うことができない場合の簡易設計方法として提案するものである。
【００５８】
すなわち、予め種々の濃度の溶存カルシウムについて、種々の曝気強度、種々の二酸化炭素濃度の排ガスを用いて実際に溶存カルシウムの除去実験を行い、かかる実験データなに基づき得られた実験式に基づき、初期条件として与えられた原水のカルシウム濃度、排ガスの二酸化炭素濃度から、計算でHRTを決定するものである。すなわち、図１では、破線で示すように、ステップＳ１００から直接にステップＳ５００に至るルートである。
【００５９】
本実施の形態では、ステップＳ１００で、前記実施の形態で説明したと同様に、初期条件として原水のカルシウム濃度、排ガスの二酸化炭素濃度を設定する。次にステップＳ５００で、先ず前述の式２の曝気強度関係式から初期条件で設定された二酸化炭素濃度に見合った曝気強度を算出する。かかる式２で算出した曝気強度に基づき、Na／Ca比が２となる場合の水理学的滞留時間を計算で求める。
【００６０】
カルシウムが溶存している液体に排ガスを曝気させて、排ガス中の二酸化炭素で溶存カルシウムを除去するいわゆる気液接触反応では、その反応効率は、水温、気圧、水質等様々な因子に影響される。特に、本発明の適用を想定する処分場浸出水等の処理水では、水質変動が大きいため、計算で反応効率を導き出すことは容易ではない。
【００６１】
そこで、本発明者は、様々な条件下で曝気実験を行い、かかる曝気実験のデータからNa／Ca比が２となる場合のデータを抽出し、かかるデータに基づいて曝気強度と反応効率との関係を定めることを着想した。図５に、このようにしてNa／Ca比が２となる場合のデータから得られた曝気強度と反応効率との関係を示した。かかる関係から、図５に示す直線で示される式４（回帰式）を得た。かかる式４は、曝気強度と反応効率との関係を示した反応効率関係式である。
【００６２】
【数４】
【００６３】
図５に示す実際の回帰式から得られた値は、α＝−49.16、β＝74.94であった。本発明者は、上記回帰式のα、βについては、回帰式の95％信頼区間を考慮して、α＝−73.11〜−25.22、β＝57.33〜92.54の範囲に設定するのが適切と判断した。
【００６４】
かかる式４から、式２の曝気強度関係式から算出した曝気強度に基づき、反応効率を求める。このようにして求めた反応効率から、式５で示す水理学的滞留時間関係式により、水理学的滞留時間（HRT）を求めればよい。
【００６５】
【数５】
【００６６】
このようにして第二のルートによる場合は、ステップＳ５００で、式２、式４、式５を用いて、ステップＳ１００で設定した初期条件に見合った曝気強度、水理学的滞留時間（HRT）を計算から求めることとなる。その後は、前記実施の形態１で説明したと同様に、ステップＳ６００で、ステップＳ５００で算出した曝気強度、HRTに基づき実機の曝気装置のブロア等の仕様を決定すればよい。
【００６７】
尚、図５では、横軸の曝気強度に対して、縦軸では反応効率を示しているが、かかる反応効率は、以下の式６、式７を用いて、図５の作成に使用した実験データから算出した。
【００６８】
【数６】
【００６９】
【数７】
【００７０】
次に、上記説明の実施の形態１、２について、下記の実施例に基づきより具体的に説明する。
【実施例】
【００７１】
（実施例１）
本実施例では、前記実施の形態１で説明した図１に示す第一のルートにより実機の曝気装置の仕様決定に関係する設計プロセスについて説明する。
【００７２】
例えば、ステップＳ１００では、初期条件を、原水Ca濃度1100mg/l、排ガスCO2濃度2.2%として設定した。
【００７３】
ステップＳ２００では、かかる初期条件に基づき、式２を用いて曝気強度を算出した。曝気強度の算出は、式８に示すようにして行った。尚、式８では、式２に示すａ、ｂを、図２に示す直線から得られた値、すなわちａを0.286、ｂを−0.22に設定している。
【００７４】
【数８】
【００７５】
この曝気強度0.66に従い、ステップＳ３００でベンチ試験(曝気槽12リットル、曝気量8 l/min)を行った。先ず、バッチでCa除去を行った。その結果を図６に示す。さらにステップＳ４００として、処理時間、ICの変動をチェックした。２時間辺りではCaは目標値である100mg/lを下回り、ICは増加傾向が見られ始めた。この結果から、HRT=2h（２時間）前後で、Ca除去が可能であることが分かった。
【００７６】
次に、この結果を受けて、ステップＳ５００で示すように、最適のHRTの決定を行う。すなわち、HRT=2hとHRT=3h（３時間）に設定して連続処理実験を行った。図７にHRT=2hの結果を、図８にHRT=3hの結果を示す。
【００７７】
かかる実験の結果、両処理ともCa濃度が100 mg/l以下は満足した。HRT=2hではICの減少傾向とCa濃度の増加が見られ、HRT=3hではICの高濃度での推移とCa濃度の低下傾向が確認された。かかる結果から、HRT=2hでは、目標値を満足することは可能と思われるが、ICに余裕が無い状態になると考えられ、式３からHRT=3hではアルカリが過剰に投入されている状態と考えられた。
【００７８】
Ca濃度が100mg/l以下のIC濃度とHRTは、図９に示すように、二酸化炭素の溶解効率分だけICは増加するため線形の関係になる。そのため図７、８に示した連続処理HRT=2h、3hで推定されたIC濃度（HRT=2hのときIC=80mg/l、HRT=3hのときIC=330mg/l）から本連続処理におけるICとHRTとの関係を、式９として求めることができる。一方、式3より推移ICを200mg/lに設定すると、この事例に関する最適HRTは2.5時間であると決定された。
【００７９】
【数９】
【００８０】
このようにして第一のルートのステップＳ２００、ステップＳ５００で設定された曝気強度、HRTに基づき曝気装置１０の仕様を決定すればよい。
【００８１】
（実施例２）
本実施例では、図１に示す第二のルートでの実機の曝気装置の仕様決定に関係する設計プロセスについて説明する。
【００８２】
かかる第二のルートでは第一のルートとは異なり、ステップＳ１００で設定された初期条件の原水のカルシウム濃度、排ガスの二酸化炭素濃度とから、直接的に、式２、式４を用いて曝気強度、HRTを算出するものである。
【００８３】
すなわち、式２の曝気強度関係式から、ステップＳ１００で設定した初期条件に見合った曝気強度を算出する。例えば、本実施例でも、初期条件は上記実施例１と同様に設定すると、上記式８に示す要領で、曝気強度が算出される。
【００８４】
かかる算出された曝気強度を、式４の反応効率関係式に代入して、以下の式１０に示すように反応効率を算出する。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
尚、式１０では、α、βの値は図５に示す直線から得られた値に、すなわちα＝−49.16、β＝74.938に設定した。
【００８７】
このようにして算出された反応効率を、式５の水理学的滞留時間関係式に代入して、HRTを以下の式１１に示すようにして求める。
【００８８】
【数１１】
【００８９】
式１１から算出したHRTは、1.8時間となったが、ステップＳ１００で設定した初期条件の下、先の図７に示すように、実際にHRT＝２時間において連続処理した際のアルカリ消費量の実測値が、ほぼNa／Ca比の理論値２と同等であったことから、第一のルートとは異なり、ステップＳ３００、Ｓ４００でのベンチ試験等の実験を経なくても、かなりの高精度でHRTの試算ができることが分かる。すなわち、第二のルートは十分に利用できる方法である。
【００９０】
以上の如く、本発明を適用することで、Na/Ca比が理論値に近い（アルカリの過剰添加のない）状態で溶存カルシウムの除去処理を行うことができ、Na/Ca比を理論値に近づけることで、過剰添加アルカリ量を削減し、溶液中のIC量を削減することができる。そのため、ICに基づくバッファー能が下がり、pH変動が現れやすくなりカルシウム濃度も管理しやすくなる。
【００９１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の排ガスの二酸化炭素による溶存カルシウムの除去処理に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 曝気装置
１０ａ 曝気槽
１１ 溶出口（オーバーフロー口）
２０ 調整槽
２１ 原水供給ポンプ
３０ 水酸化ナトリウム貯留槽
３１ 水酸化ナトリウム注入ポンプ
４０ ガス供給原
４０ａ 燃焼装置
４１ 排ガス出入口
４２ ブロア
５０ pHコントローラ
５１ センサ
Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００、Ｓ４００、Ｓ５００ ステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の曝気強度の決定方法であって、
前記曝気強度は、前記二酸化炭素の濃度と前記曝気強度との関係を示す曝気強度関係式から算出されることを特徴とする曝気強度の決定方法。
【請求項２】
請求項１記載の曝気強度の決定方法において、
前記曝気強度関係式は、アルカリ添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が2.5以下である場合における前記二酸化炭素濃度と前記曝気強度の逆数の相関から得られた関係式であることを特徴とする曝気強度の決定方法。
【請求項３】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の水理学的滞留時間（HRT）の決定方法であって、
前記水理学的滞留時間（HRT）は、HRT＝（溶存カルシウム量／排ガスとして供給される二酸化炭素量）×１００／（前記溶存カルシウムの前記二酸化炭素との反応効率）で示される水理学的滞留時間関係式から算出されることを特徴とする水理学的滞留時間の決定方法。
【請求項４】
請求項３記載の水理学的滞留時間の決定方法において、
前記反応効率は、アルカリ添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が２である場合における前記二酸化炭素の曝気強度と前記反応効率との相関から得られた反応効率関係式であることを特徴とする水理学的滞留時間の決定方法。
【請求項５】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する曝気装置の仕様を決定する曝気装置の設計方法であって
請求項１または２記載の曝気強度の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする曝気装置の設計方法。
【請求項６】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する曝気装置の仕様を決定する曝気装置の設計方法であって、
請求項３または４記載の水理学的滞留時間の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする曝気装置の設計方法。
【請求項１】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の曝気強度の決定方法であって、
前記曝気強度は、前記二酸化炭素の濃度と前記曝気強度との関係を示す曝気強度関係式から算出されることを特徴とする曝気強度の決定方法。
【請求項２】
請求項１記載の曝気強度の決定方法において、
前記曝気強度関係式は、アルカリ添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が2.5以下である場合における前記二酸化炭素濃度と前記曝気強度の逆数の相関から得られた関係式であることを特徴とする曝気強度の決定方法。
【請求項３】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する際の水理学的滞留時間（HRT）の決定方法であって、
前記水理学的滞留時間（HRT）は、HRT＝（溶存カルシウム量／排ガスとして供給される二酸化炭素量）×１００／（前記溶存カルシウムの前記二酸化炭素との反応効率）で示される水理学的滞留時間関係式から算出されることを特徴とする水理学的滞留時間の決定方法。
【請求項４】
請求項３記載の水理学的滞留時間の決定方法において、
前記反応効率は、アルカリ添加でpHを調節しながら溶存カルシウムを二酸化炭素で除去するに際してNa／Ca比が２である場合における前記二酸化炭素の曝気強度と前記反応効率との相関から得られた反応効率関係式であることを特徴とする水理学的滞留時間の決定方法。
【請求項５】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する曝気装置の仕様を決定する曝気装置の設計方法であって
請求項１または２記載の曝気強度の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする曝気装置の設計方法。
【請求項６】
溶存カルシウムを排ガス中の二酸化炭素の曝気で除去する曝気装置の仕様を決定する曝気装置の設計方法であって、
請求項３または４記載の水理学的滞留時間の決定方法を使用するステップを有することを特徴とする曝気装置の設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２２１２１７（Ｐ２０１０−２２１２１７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２９９１９（Ｐ２０１０−１２９９１９）
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【分割の表示】特願２００５−１０１４１６（Ｐ２００５−１０１４１６）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【出願人】（５９２１４１９２７）三井造船環境エンジニアリング株式会社 (15)
【出願人】（５９１０５２２３９）財団法人エンジニアリング振興協会 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【分割の表示】特願２００５−１０１４１６（Ｐ２００５−１０１４１６）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【出願人】（５９２１４１９２７）三井造船環境エンジニアリング株式会社 (15)
【出願人】（５９１０５２２３９）財団法人エンジニアリング振興協会 (8)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]