金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置
【課題】遊離炭酸又は炭酸イオンを含む被処理水から金属イオンを除去する際に、スケール障害を低減させることのできる処理方法、及びそのような処理方法を行なうための処理装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法であり、前記金属含有水を脱炭酸処理する脱炭酸工程Ｓ１と、前記脱炭酸工程を経た処理水にアルカリ剤を添加して、前記金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する金属水酸化物生成工程Ｓ２と、金属水酸化物生成工程Ｓ２を経た処理水に凝集剤を添加して、前記金属水酸化物を含む固形分を凝集させて凝集体を形成させる凝集工程Ｓ３と、凝集工程Ｓ３を経た処理水から前記凝集体を固液分離して沈殿体を形成する固液分離工程Ｓ４と、を備え、前記沈殿体の一部である第１返送物を、脱炭酸工程Ｓ１において前記金属含有水に添加することを特徴とする。
【解決手段】本発明は、金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法であり、前記金属含有水を脱炭酸処理する脱炭酸工程Ｓ１と、前記脱炭酸工程を経た処理水にアルカリ剤を添加して、前記金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する金属水酸化物生成工程Ｓ２と、金属水酸化物生成工程Ｓ２を経た処理水に凝集剤を添加して、前記金属水酸化物を含む固形分を凝集させて凝集体を形成させる凝集工程Ｓ３と、凝集工程Ｓ３を経た処理水から前記凝集体を固液分離して沈殿体を形成する固液分離工程Ｓ４と、を備え、前記沈殿体の一部である第１返送物を、脱炭酸工程Ｓ１において前記金属含有水に添加することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置に関し、さらに詳しくは、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属イオンを含有する原水から金属イオンを除去する場合、原水にアルカリを添加することにより原水をアルカリ性にして、金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換して固液分離する方法が採用される。
【０００３】
ところで、原水が地下水等のように遊離炭酸や炭酸イオンを含む場合、その原水は酸性である。このような酸性の原水にそのままアルカリを添加してアルカリ性にしようとすると、原水に添加するアルカリの量が増加して処理コストが増大することになる。そのため、原水にアルカリを添加する前に、原水に対して曝気処理を施すことにより原水から遊離炭酸や炭酸イオンを除去し、原水を中性に近づける操作が行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、重金属等を含む排水の処理において、汚泥の含水率を低減させることにより汚泥の減容化を図る処理法として、高密度汚泥法（ＨＤＳ法）が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。ＨＤＳ法は、沈殿槽で固液分離された汚泥の一部にアルカリを添加してアルカリ性の汚泥とし、このアルカリ性の汚泥を沈殿槽よりも上流に位置する中和槽に返送して原水を中和する処理法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１１５６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】わかりやすい水処理設計、栗田工業株式会社監修、工業調査会（２００３年）、ｐ１３５−１３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
地下水等のように、遊離炭酸又は炭酸イオンを含有する原水から、例えばＨＤＳ法により金属イオンを除去する場合、特許文献１に記載されたように、原水にアルカリを添加する前に、原水に対して曝気処理を施すことが好ましい。しかし、曝気処理によって原水の遊離炭酸又は炭酸イオンの濃度が低下すると、ｐＨが上昇し原水に含まれるカルシウムイオン（炭酸水素カルシウム等）が炭酸カルシウムとして析出する場合がある。析出した炭酸カルシウムは、スケールとして処理装置に付着して、処理装置の配管を閉塞させる等の障害の原因となる。このような問題は、カルシウムイオンを含有する地下水の処理において、特に顕著に発生する。
【０００８】
本発明は、以上の状況に鑑みてなされたものであり、遊離炭酸又は炭酸イオンを含む被処理水から金属イオンを除去する際に、スケール障害を低減させることのできる処理方法、及びそのような処理方法を行なうための処理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】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、処理水から遊離炭酸又は炭酸イオンを曝気により除去する脱炭酸工程において、沈殿槽で固液分離された汚泥（沈殿体）の一部を処理水に添加することにより、処理装置への炭酸カルシウム（スケール）の付着が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、（１）金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法であり、前記金属含有水を脱炭酸処理する脱炭酸工程と、前記脱炭酸工程を経た処理水にアルカリ剤を添加して、前記金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する金属水酸化物生成工程と、前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に凝集剤を添加して、前記金属水酸化物を含む固形分を凝集させて凝集体を形成させる凝集工程と、前記凝集工程を経た処理水から前記凝集体を固液分離して沈殿体を形成する固液分離工程と、を備え、前記沈殿体の少なくとも一部である第１返送物を、前記脱炭酸工程において前記金属含有水に添加することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、（２）前記沈殿体の一部である第２返送物にアルカリを添加して、前記第２返送物をアルカリ返送物に変換するアルカリ返送物作製工程を備え、前記アルカリ返送物を、前記金属水酸化物生成工程で添加されるアルカリ剤の一部又は全部とすることを特徴とする（１）項記載の金属含有水の処理方法である。
【００１２】
また本発明は、（３）前記沈殿体の一部である第３返送物を、前記凝集工程において前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に添加する（１）項又は（２）項記載の金属含有水の処理方法である。
【００１３】
また本発明は、（４）金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去するための金属含有水の処理装置であり、前記処理装置は、前記金属含有水に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸槽と、前記脱炭酸槽から流出した処理水にアルカリ剤を添加して、当該処理水に含まれる金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する反応槽と、前記反応槽から流出した処理水に凝集剤を添加して、当該処理水に含まれる前記金属水酸化物を凝集させて凝集体とする凝集槽と、前記凝集槽から流出した処理水に含まれる前記凝集体を固液分離して沈殿体とする沈殿槽と、を備え、さらに、前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の少なくとも一部を、前記脱炭酸槽に返送する第１返送ラインを備えることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、（５）前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記反応槽に返送する第２返送ラインを備え、さらに、前記第２返送ラインの途中には、前記第２返送ラインで返送される前記沈殿体にアルカリを添加するための化学反応槽を備えることを特徴とする（４）項記載の金属含有水の処理装置である。
【００１５】
また本発明は、（６）前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記凝集槽に返送する第３返送ラインを備える（４）項又は（５）項記載の金属含有水の処理装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、遊離炭酸又は炭酸イオンを含む被処理水から金属イオンを除去する際に、スケール障害を低減させることのできる処理方法、及びそのような処理方法を行なうための処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様において、処理水及び固形分（汚泥）のフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置に係るものである。以下、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態、及び本発明の金属含有水の処理装置の一実施態様について説明するが、本発明は、これらの実施形態及び実施態様に限定されるものではない。
【００１９】
＜金属含有水の処理装置＞
まず、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明における金属含有水の処理装置の一実施形態を示す模式図である。
【００２０】
本実施形態の金属含有水の処理装置１は、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水である処理水から金属イオンを除去するための装置であり、後に説明する本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様において好ましく使用される。
【００２１】
本実施形態の金属含有水の処理装置１は、脱炭酸槽１０、反応槽２０、凝集槽３０、沈殿槽４０及び化学反応槽５０の各種処理槽と、上記各種処理槽を接続し、処理水の流路である処理水ライン７０と、沈殿槽４０で固液分離された汚泥を上記各種処理槽に返送する返送ライン６０と、汚泥を脱水機へ移送する廃棄ライン６４と、を備える。
【００２２】
脱炭酸槽１０は、金属含有水である処理水に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸処理に使用される処理槽である。脱炭酸槽１０は、脱炭酸処理される処理水の入口１５及び脱炭酸処理された処理水の出口１６が処理水ライン７０に接続され、撹拌装置１１及び曝気装置１２を備える。
【００２３】
脱炭酸処理される処理水は、処理水ライン７０から入口１５に導かれ、脱炭酸槽１０の内部へ投入される。脱炭酸槽１０の内部に投入された処理水は、撹拌装置１１により撹拌されるとともに、曝気装置１２により曝気処理を受けて、その内部に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンが除去される。脱炭酸処理された処理水は、出口１６を通過して脱炭酸槽１０から流出し、処理水ライン７０により反応槽２０へ移送される。
【００２４】
反応槽２０は、処理水にアルカリ剤を添加して、処理水をアルカリ性にすることにより、処理水に含まれる金属イオンを金属水酸化物に変換する水酸化処理に使用される処理槽である。反応槽２０は、水酸化処理される処理水の入口２５及び水酸化処理された処理水の出口２６が処理水ライン７０に接続され、撹拌装置２１及び曝気装置２２を備える。
【００２５】
水酸化処理される処理水は、処理水ライン７０から入口２５に導かれ、反応槽２０の内部へ投入される。反応槽２０の内部に投入された処理水は、撹拌装置２１により撹拌されるとともに、後に説明する第２返送ライン６２からアルカリ剤であるアルカリ返送物（図示せず）の投入を受ける。アルカリ返送物は、アルカリが添加された汚泥であり、アルカリ性の物質である。このため、アルカリ返送物（アルカリ剤）が添加された処理水は、アルカリ性となり、その内部に含まれている金属イオンが水に不溶の金属水酸化物に変換される。水酸化処理された処理水は、金属水酸化物等の固形分とともに、出口２６を通過して反応槽２０から流出し、処理水ライン７０により凝集槽３０へ移送される。
【００２６】
なお、水酸化処理において、処理水に添加されるアルカリ剤は、後述するアルカリ返送物に限定されず、各種のアルカリをアルカリ剤として使用してもよい。このようなアルカリとしては、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２等が例示され、中でもＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等が好ましく使用される。各種のアルカリをアルカリ剤として処理水に添加する場合、反応槽２０にアルカリ添加ライン（図示せず）を設ける。
【００２７】
処理水にアルカリ剤を添加する際、除去対象となる金属の種類に応じて、処理水のｐＨが所定の範囲となるようにアルカリ剤を添加することが好ましい。この所定のｐＨ範囲は、除去対象金属に応じて、例えば以下のような範囲となる。
Ｃｒ；ｐＨ５以上、好ましくはｐＨ＝５．５〜６．５
Ｃｕ；ｐＨ６以上、好ましくはｐＨ＝７〜８
Ｚｎ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｎｉ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｆｅ２＋；ｐＨ９以上（ただしＦｅ２＋を空気酸化する場合はｐＨ７以上、好ましくはｐＨ＝７．５〜８．５）
Ｆｅ３＋；ｐＨ３以上、好ましくはｐＨ＝３．５〜４．５
Ｍｎ；ｐＨ１０以上、好ましくはｐＨ＝１０〜１１
Ｃｄ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９．５〜１０．５
処理水のｐＨを上記範囲とすることにより、処理水に含まれる金属イオンを十分に金属水酸化物に変換することができる。なお、処理水の好ましいｐＨ範囲に上限を設けたのは、アルカリ剤の過剰添加等による無駄を除くためである。
【００２８】
なお、反応槽２０において処理水を水酸化処理する際、処理水中にＦｅ２＋が含有されている場合には、曝気装置２２により曝気処理を受けることが好ましい。処理水がアルカリ性条件下で曝気処理を受けることにより、Ｆｅ２＋がＦｅ３＋に変換され、その後、Ｆｅ３＋が水に不溶のＦｅ（ＯＨ）３に変換される。このような作用により、処理水に含まれていたＦｅ２＋が固体として除去可能な状態になる。
【００２９】
凝集槽３０は、水に不溶の金属水酸化物を含む処理水に凝集剤を添加することにより、金属水酸化物等の固形分の凝集体を形成させる凝集処理に使用される処理槽である。凝集槽３０は、凝集処理される処理水の入口３５及び凝集処理された処理水の出口３６が処理水ライン７０に接続され、撹拌装置３１及び凝集剤投入ライン３３を備える。
【００３０】
凝集処理される処理水は、処理水ライン７０から入口３５に導かれ、凝集槽３０の内部へ投入される。凝集槽３０の内部に投入された処理水は、撹拌装置３１により撹拌されるとともに、凝集剤投入ライン３３から凝集剤（図示せず）の添加を受ける。これにより、処理水の内部に含まれていた金属水酸化物等の固形分が凝集して凝集体を形成する。凝集処理された処理水は、凝集体とともに、出口３６を通過して凝集槽３０から流出し、処理水ライン７０により沈殿槽４０へ移送される。
【００３１】
凝集剤としては、公知の凝集剤を特に制限なく使用することができる。このような凝集剤としては、アニオン性又はノニオン性の高分子凝集剤が例示され、中でもポリアクリルアミドの加水分解物、又はアクリルアミドとアクリル酸もしくはその塩との共重合物等が好ましく使用される。
【００３２】
沈殿槽４０は、先に説明した凝集処理によって生成した固体の凝集体を、沈殿により処理水から固液分離する沈殿処理に使用される処理槽である。沈殿槽４０は、沈殿処理される処理水の入口４５及び沈殿処理により固液分離された処理水の出口４６が処理水ライン７０に接続されている。また、沈殿槽４０は、沈殿する凝集体をその底部に集め、沈殿した凝集体をラインにより排出するために、底部に近づくにつれて縮径した形状を有することが好ましい。
【００３３】
沈殿槽４０の底部には、凝集体が沈殿した沈殿体（汚泥）を沈殿槽４０から排出するための返送ライン６０及び廃棄ライン６４が接続されている。返送ライン６０及び廃棄ライン６４は、一体のラインとして沈殿槽４０の底部に接続され、その一体のラインは、沈殿槽４０に接続される側と反対側の端部において、脱水機（図示せず）に接続された廃棄ライン６４と返送ライン６０とに分岐する。廃棄ライン６４と返送ライン６０との分岐点には、廃棄ライン６４と返送ライン６０とに分配される沈殿体（汚泥）の比率を調整するための弁が設けられることが好ましい。なお、この場合、タイマー弁の開閉を制御して分配比率を調整することができる。
【００３４】
沈殿処理される処理水は、処理水ライン７０から入口４５に導かれ、沈殿槽４０の内部へ投入される。沈殿槽４０の内部に投入された処理水に含まれる凝集体は、重力により、沈殿槽４０の底部に向けて沈降し、沈殿槽４０の底部で凝集体の集合体である汚泥となる。その結果、沈殿槽４０の上澄みである処理水から凝集体が除去され、固液分離が完了する。固液分離により凝集体が除去された処理水は、出口４６を通過して沈殿槽４０から流出し、処理水ライン７０により、金属含有水の処理装置１の外部へと移送される。金属含有水の処理装置１の外部へと移送された処理水は、金属イオンが除去された処理水として各種用途に使用される。
【００３５】
次に、返送ライン６０について説明する。返送ライン６０は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を、脱炭酸槽１０、凝集槽３０、及び化学反応槽５０を経由して反応槽２０に返送するためのラインである。返送ライン６０は、沈殿槽４０の底部で廃棄ライン６４と分岐した後、第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ライン６３に分岐する。返送ライン６０から、第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ラインのそれぞれが分岐する箇所には、各返送ライン６１、６２、６３に分配される沈殿体（汚泥）の比率を調製するための弁が設けられることが好ましい。
【００３６】
なお、第１返送ライン６１及び第２返送ライン６２に分配される沈殿体（汚泥）の比率は、汚泥返送比（＝返送汚泥量［ｋｇ］／原水の汚泥発生量［ｋｇ］）が所定範囲となるように設定される。第１返送ライン６１の好ましい汚泥返送比は５〜１０程度であり、第２返送ライン６２の好ましい汚泥返送比は除去対象とする金属種によって異なり、Ｆｅの場合は１５〜２５、好ましくは２０程度であり、Ｃｕの場合は４０〜７０、好ましくは５０程度であり、その他金属では２０〜３０である。
第３返送ライン６３によって返送される汚泥量は、凝集槽３０内の汚泥濃度が１％以上となるように返送されることが好ましい。汚泥発生量が多く、第３返送ライン６３による汚泥返送を行わなくても凝集槽３０内の汚泥濃度が１％以上となる場合には、第３返送ライン６３による汚泥返送は不要である。
【００３７】
第１返送ライン６１は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を脱炭酸槽１０に返送するためのラインである。第１返送ライン６１が存在することにより、脱炭酸処理される処理水に固形分である汚泥が供給される。
【００３８】
既に述べたように、脱炭酸処理により処理水から遊離炭酸又は炭酸イオンが除去されると、処理水に含まれるカルシウムイオン（炭酸水素カルシウム）が水に不溶の炭酸カルシウムとなり、析出する。このとき、固形分である汚泥が処理水に含まれていると、炭酸カルシウムは、汚泥の粒子の表面に析出するので、析出した炭酸カルシウムが金属含有水の処理装置１の壁面にスケールとして付着することが抑制される。したがって、本実施形態の金属含有水の処理装置１が第１返送ライン６１を備えることにより、スケール障害が抑制される。
【００３９】
第３返送ライン６３は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を凝集槽３０に返送するためのラインである。第３返送ライン６３が存在することにより、凝集処理される処理水に固形分である汚泥が供給される。
【００４０】
既に述べたように、凝集処理は、処理水に含まれる金属水酸化物等の固形分を、凝集剤によって凝集体とする処理である。この処理を行なうに際して、処理水の中に固形分である汚泥を供給すると、供給された汚泥が凝集体を形成するための核となり、処理水に含まれる懸濁物を効率的に凝集することができ、清澄な処理水を得ることができる。
【００４１】
第２返送ライン６２は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を、化学反応槽５０を経由して反応槽２０に返送するためのラインである。第２返送ライン６２が存在することにより、アルカリが添加された汚泥がアルカリ剤として反応槽２０に供給される。
【００４２】
化学反応槽５０は、第２返送ライン６２の途中に設けられ、第２返送ライン６２によって返送された汚泥にアルカリを添加することで、その汚泥を、汚泥粒子の表面にアルカリが付着したアルカリ剤に変換するアルカリ処理に使用される処理槽である。化学反応槽５０は、アルカリ処理される汚泥の入口５５及びアルカリ処理された汚泥（アルカリ剤）の出口５６が第２返送ライン６２に接続され、撹拌装置５１及びアルカリ投入ライン５３を備える。
【００４３】
アルカリ処理される汚泥は、第２返送ライン６２から入口５５に導かれ、化学反応槽５０の内部へ投入される。化学反応槽５０の内部に投入された汚泥は、撹拌装置５１により撹拌されるとともに、アルカリ投入ライン５３からアルカリ（図示せず）の添加を受ける。これにより、化学反応槽５０の内部に存在する汚泥は、アルカリ剤となる。
【００４４】
アルカリ処理に使用されるアルカリとしては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２等が例示され、中でもＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等が好ましく使用される。また、アルカリ処理におけるアルカリの添加量は、反応槽２０で設定された所定ｐＨ範囲に調整するのに必要な量とされることが好ましい。
【００４５】
アルカリ処理された汚泥であるアルカリ剤は、出口５６を通過して、化学反応槽５０から流出し、第２返送ライン６２により反応槽２０へ移送される。
【００４６】
反応槽２０に移送されたアルカリ剤（汚泥）は、既に述べたように、反応槽２０の内部に存在する処理水をアルカリ性にして、金属イオンを水に不溶の金属水酸化物を変換するために使用されるが、このように、表面にアルカリが付着した汚泥粒子をアルカリ剤として使用することにより、汚泥粒子が核となって、金属水酸化物の密な粒子を形成させる。その結果、汚泥の減容化につながることになる。
【００４７】
本実施形態の金属含有水の処理装置１によれば、以下の効果が奏される。
【００４８】
本実施形態の金属含有水の処理装置１は、沈殿槽４０で生じた沈殿体（汚泥）の一部を、脱炭酸槽１０に返送する第１返送ライン６１を備える。そのため、脱炭酸処理により生じた炭酸カルシウムは、汚泥の粒子の表面に析出し、金属含有水の処理装置１の壁面にスケールとして付着することが抑制される。したがって、炭酸カルシウムの析出を原因とするスケール障害の発生が抑制される。
【００４９】
また、本実施形態の金属含有水の処理装置１は、沈殿槽４０で生じた沈殿体（汚泥）の一部を、反応槽２０に返送する第２返送ライン６２を備え、さらに、第２返送ライン６２の途中には、第２返送ライン６２で返送される沈殿体（汚泥）にアルカリを添加するための化学反応槽５０を備える。そのため、第２返送ライン６２で返送される沈殿体（汚泥）は、アルカリを含有するアルカリ剤として反応槽２０に添加されることになり、このアルカリ剤が金属イオンを金属水酸化物に変換するとともに、アルカリ剤（汚泥）の粒子が核となって、金属水酸化物の密な粒子を形成させるため、汚泥の減容化につながることになる。
【００５０】
また、本実施形態の金属含有水の処理装置１は、沈殿槽４０で生じた沈殿体（汚泥）の一部を、凝集槽３０に返送する第３返送ライン６３を備える。そのため、凝集槽３０に供給された汚泥が凝集体を形成するための核となり、処理水に含まれる懸濁物を効率的に凝集することができ、清澄な処理水を得ることができる。
【００５１】
次に、本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施態様の金属含有水の処理方法において、処理水及び固形分（汚泥）のフローを示す図である。図２において、実線は、処理水のフローを示し、破線は、固形分（汚泥）のフローを示す。なお、以下の説明において、上記本発明の金属含有水の処理槽値の一実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
本実施態様の金属含有水の処理方法は、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する処理方法であり、脱炭酸工程Ｓ１、金属水酸化物生成工程Ｓ２、凝集工程Ｓ３、固液分離工程Ｓ４及びアルカリ返送物作製工程Ｓ５を備える。
【００５３】
本実施態様の金属含有水の処理方法が適用される処理水は、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含む。このような処理水としては、地下水、鉱山廃水等が例示されるが、特に限定されない。
【００５４】
［脱炭酸工程Ｓ１］
まず、本実施態様の金属含有水の処理方法における脱炭酸工程Ｓ１について説明する。
この工程は、処理水（金属含有水）から遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸処理を行なう工程である。本実施態様の金属含有水の処理方法では、アルカリ剤を処理水に添加することにより処理水をアルカリ性とし、処理水に含まれる金属イオンを金属水酸化物に変換して除去する。しかし、処理水に遊離炭酸又は炭酸イオンが含まれていると、処理水の緩衝性が強くなるため、これを中和するためのアルカリ剤が余分に必要になり、処理コストが増大する要因となる。そこで、本実施態様の金属含有水の処理方法では、処理水にアルカリ剤を添加するのに先立ち、処理水から遊離炭酸や炭酸イオンを除去する脱炭酸処理を行なう。
【００５５】
処理水に含まれる遊離炭酸や炭酸イオンを除去するには、処理水を曝気装置により曝気する方法、処理水を強く撹拌する方法、処理水の上方から処理水の液面に向かって処理水を勢い良く噴射させる方法等が例示されるが、これらに限定されない。
【００５６】
ここで、処理水の脱炭酸処理が進行すると、処理水のｐＨが上昇し、処理水に含まれるカルシウムイオンが水に不溶な炭酸カルシウムとして析出し、これが処理装置の壁面等に付着してスケール障害を引き起こす原因となる。そこで、本実施態様では、後に説明する固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥（沈殿体）の少なくとも一部を、第１返送物として、脱炭酸工程Ｓ１における処理水に添加する。これにより、脱炭酸処理に伴って生じた炭酸カルシウムを汚泥の粒子の表面に析出させることができ、炭酸カルシウムが処理装置の壁面等に析出することが抑制される。その結果、スケール障害の発生が抑制される。なお、固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥の「少なくとも一部」を第１返送物とする、とは、例えば、処理の開始時点などのように、固液分離工程Ｓ４で得られる汚泥が少ない場合等では、固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥の全部を第１返送物とすることが好ましいが、そのように固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥の全部を第１返送物とすることを排除しないという意味である。
【００５７】
脱炭酸工程Ｓ１における処理水に、固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥（第１返送物）を添加する量としては、汚泥返送比として３以上、好ましくは５〜１０である。スケール抑制の点では返送汚泥量は多いほど好ましいが、実用上は返送汚泥比として１０以下で十分な効果を得ることができる。
【００５８】
脱炭酸工程Ｓ１の後、遊離炭酸又は炭酸イオンが除去された処理水、並びに脱炭酸工程Ｓ１で添加された第１返送物は、金属水酸化物生成工程Ｓ２に付される。
【００５９】
［金属水酸化物生成工程Ｓ２］
次に、金属水酸化物生成工程Ｓ２について説明する。
この工程は、脱炭酸工程Ｓ１を経た処理水にアルカリ剤を添加して、処理水をアルカリ性にすることにより、処理水に含まれる金属イオンを水に不溶な金属水酸化物に変換する工程である。
【００６０】
金属水酸化物生成工程Ｓ２では、処理水をアルカリ性にするために、処理水にアルカリ剤を添加する。アルカリ剤としては、水に溶解し、その水溶液をアルカリ性とすることのできるものであれば、特に制限なく使用することができる。このようなアルカリ剤としては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２等が例示され、中でもＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等が好ましく使用される。処理水にアルカリ剤を添加する際には、アルカリ剤が処理水全体に行き渡るようにするために、処理水を撹拌することが好ましい。
【００６１】
アルカリ剤は、固体のまま処理水に添加してもよいし、水溶液として添加してもよい。アルカリ剤の添加量は、除去対象となる金属の種類に応じて、処理水のｐＨが所定の範囲となるよう調整されることが好ましい。この所定のｐＨ範囲は、除去対象金属に応じて、例えば以下のような範囲となる。
Ｃｒ；ｐＨ５以上、好ましくはｐＨ＝５．５〜６．５
Ｃｕ；ｐＨ６以上、好ましくはｐＨ＝７〜８
Ｚｎ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｎｉ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｆｅ２＋；ｐＨ９以上（ただしＦｅ２＋を空気酸化する場合はｐＨ７以上、好ましくはｐＨ＝７．５〜８．５）
Ｆｅ３＋；ｐＨ３以上、好ましくはｐＨ＝３．５〜４．５
Ｍｎ；ｐＨ１０以上、好ましくはｐＨ＝１０〜１１
Ｃｄ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９．５〜１０．５
処理水のｐＨを上記範囲とすることにより、処理水に含まれる金属イオンを十分に金属水酸化物に変換することができる。なお、処理水の好ましいｐＨ範囲に上限を設けたのは、アルカリ剤の過剰添加等による無駄を除くためである。
【００６２】
ここで使用されるアルカリ剤は、その一部又は全部が、後に説明するアルカリ返送物作製工程Ｓ５で作製されたアルカリ返送物であることが好ましい。アルカリ返送物とは、後に説明する固液分離工程Ｓ４で得られた沈殿体（汚泥）の一部である第２返送物と、アルカリ水溶液とを混合して作製されたものであり、このようなアルカリ返送物に含まれる沈殿体（汚泥）の粒子の表面には、アルカリが付着している。このようなアルカリ返送物をアルカリ剤として使用することにより、処理水に含まれる金属イオンは、アルカリ剤である沈殿体（汚泥）粒子の表面での金属水酸化物に変換され、その後、その金属水酸化物が沈殿体（汚泥）の粒子の表面に析出する。そのため、金属水酸化物の析出物の体積が大きくなり、金属水酸化物の沈降速度を大きくすることができる。
【００６３】
また、金属水酸化物生成工程Ｓ２では、処理水にＦｅ２＋が含有されている場合には、処理水に対して曝気処理を施すことが好ましい。処理水が地下水である場合、処理水には金属イオンとしてＦｅ２＋が含まれる場合があるが、このような場合には、曝気処理によりＦｅ２＋を酸化してＦｅ３＋に変換し、その後、水に不溶のＦｅ（ＯＨ）３に変換することができる。
【００６４】
金属水酸化物生成工程Ｓ２の後、処理水、並びに脱炭酸工程Ｓ１で添加された第１返送物及び金属水酸化物生成工程Ｓ２で添加されたアルカリ返送物（第２返送物）は、凝集工程Ｓ３に付される。
【００６５】
［凝集工程Ｓ３］
次に、凝集工程Ｓ３について説明する。
この工程は、金属水酸化物生成工程Ｓ２を経た処理水に凝集剤を添加して、金属水酸化物生成工程Ｓ２で生成した金属水酸化物を含む固形分を凝集させる工程である。
【００６６】
凝集工程Ｓ３では、処理水に対して凝集剤を添加する。処理水に対して凝集剤を添加することにより、処理水に含まれる金属水酸化物等の固形分が凝集体となり、次に説明する固液分離工程Ｓ４で、その凝集体を重力で沈降させることができるようになる。処理水に添加される凝集剤としては、アニオン性又はノニオン性の高分子凝集剤が例示され、中でもポリアクリルアミドの加水分解物、又はアクリルアミドとアクリル酸もしくはその塩との共重合物等が好ましく使用される。処理水に凝集剤を添加する際には、凝集剤が処理水全体に行き渡るようにするために、処理水を撹拌することが好ましい。
【００６７】
処理水に凝集剤を添加する量は、特に限定されないが、１〜１０ｍｇ／Ｌであることが好ましく、２〜５ｍｇ／Ｌであることがより好ましい。
【００６８】
本実施態様の凝集工程Ｓ３では、後に説明する固液分離工程Ｓ４で得られた沈殿体（汚泥）の一部を、第３返送物として凝集工程Ｓ３における処理水に添加することが好ましい。これにより、添加された第３返送物に含まれる沈殿体（汚泥）の粒子が凝集体を形成させる際の核となり、凝集効率を高めることができる。そのため、清澄な処理水を得ることができる。
【００６９】
凝集工程Ｓ３における処理水に、第３返送物（固液分離工程Ｓ４で得られた沈殿体）を凝集工程Ｓ３における汚泥濃度が１％以上、好ましくは１．５〜４％となるよう添加することが好ましい。このように凝集工程Ｓ３における汚泥濃度を調整することにより、後段の固液分離工程Ｓ４において清澄な処理水を得ることができる。
【００７０】
凝集工程Ｓ３の後、処理水、形成された凝集体、並びに脱炭酸工程Ｓ１で添加された第１返送物、金属水酸化物生成工程Ｓ２で添加されたアルカリ返送物（第２返送物）及び凝集工程Ｓ３で添加された第３返送物は、固液分離工程Ｓ４に付される。
【００７１】
［固液分離工程Ｓ４］
次に、固液分離工程Ｓ４について説明する。
この工程は、凝集工程Ｓ３を経た処理水から、凝集工程Ｓ３で形成させた凝集体を固液分離して沈殿体を形成する工程である。すなわち、処理水に含まれる凝集体を重力により沈降させ、液体である処理水から固体である凝集体を分離する工程である。沈降した凝集体は沈降体を形成し、この沈降体は汚泥となる。
【００７２】
固体である沈降体が分離された処理水は、金属イオンが除去された処理水として各種用途に使用される。また、処理水から分離された沈降体（汚泥）は、汚泥として脱水機により脱水されて廃棄処分される他、その一部が、既に述べたように、脱炭酸工程Ｓ１及び凝集工程Ｓ３でそのまま使用され、又は後に説明するアルカリ返送物作製工程Ｓ５を経て金属水酸化物生成工程Ｓ２で使用される。
【００７３】
［アルカリ返送物作製工程Ｓ５］
次に、アルカリ返送物作製工程Ｓ５について説明する。
この工程は、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部である第２返送物にアルカリを添加して、この第２返送物をアルカリ返送物に変換することで、アルカリ返送物を作製する工程である。作製されたアルカリ返送物は、既に述べたように、金属水酸化物生成工程Ｓ２で使用される。
【００７４】
アルカリ返送物作製工程Ｓ５において、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部である第２返送物は、そこに含まれる水分とともにアルカリと混合される。ここで使用されるアルカリの種類としては、先に説明した金属水酸化物生成工程Ｓ２で例示したアルカリと同様のものが挙げられる。アルカリは、水溶液として汚泥（第２返送物）に添加することが好ましいが、これに限定されない。汚泥とアルカリとを混合する際、撹拌機を使用することが好ましい。
【００７５】
アルカリ返送物を作製する際に、汚泥（第２返送物）に添加するアルカリの量は、金属水酸化物生成工程Ｓ２において、処理水を所定のｐＨ範囲に調整するのに必要な量であることが好ましい。金属水酸化物生成工程Ｓ２における処理水のｐＨ範囲については、既に説明した通りである。
【００７６】
アルカリ返送物作製工程Ｓ５で作製されたアルカリ返送物は、金属水酸化物生成工程Ｓ２におけるアルカリ剤として、処理水に添加される。
【００７７】
本実施態様の金属含有水の処理方法によれば、以下の効果が奏される。
本実施態様の金属含有水の処理方法は、固液分離工程Ｓ４で作製された沈殿体（汚泥）の一部である第１返送物を、脱炭酸工程Ｓ１において、処理水である金属含有水に添加する。そのため、脱炭酸処理に伴って生じた炭酸カルシウムを汚泥の粒子の表面に析出させることができ、炭酸カルシウムが処理装置の壁面等に析出することが抑制される。その結果、スケール障害の発生が抑制される。
【００７８】
＜変形例＞
以上、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態、及び本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様について具体的に説明したが、本発明は、上記の実施形態及び実施態様に限定されず、本発明の構成の範囲において適宜変更を加えて実施することができる。
【００７９】
例えば、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態では、処理水の脱炭酸を行なうために、脱炭酸槽１０に曝気装置１２を備えるが、曝気装置１２の代わりに、強力な撹拌装置や、処理水の噴射装置を備え、これらを使用して脱炭酸を行なってもよい。また、上記金属含有水の処理槽値の一実施形態は、反応槽２０に曝気装置２２を備えるが、曝気装置２２を備えなくてもよい。
【００８０】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、第２返送ライン６２及び化学反応槽５０、並びに第３返送ライン６３を備えるが、これらを備えなくてもよいし、あるいは、第２返送ライン６２及び化学反応槽５０、又は第３返送ライン６３のいずれかを備えてもよい。
【００８１】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態は、脱炭酸槽１０、反応槽２０、凝集槽３０及び化学反応槽５０に撹拌装置１１、２１、３１、５１を備えるが、これらの撹拌装置の一部又は全部を備えなくてもよい。
【００８２】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、返送ライン６０及び廃棄ライン６４が一体のラインとして沈殿槽４０の底部に接続され、その一体のラインから返送ライン６０及び廃棄ライン６４が分岐するが、返送ライン６０及び廃棄ライン６４がそれぞれ沈殿槽４０の底部に接続されてもよい。
【００８３】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、返送ライン６０から第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ライン６３が分岐するが、第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ライン６３の一部又は全部が沈殿槽４０の底部に接続されてもよい。
【００８４】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、反応槽２０に、アルカリ返送物を添加するための第２返送ライン６２を備えるが、反応槽２０に他のアルカリを添加するためのラインを備えてもよい。
【００８５】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態、及び上記金属含有水の処理方法の一実施態様では、沈殿槽４０（固液分離工程Ｓ４）で発生した汚泥を脱炭酸槽１０（脱炭酸工程Ｓ１）等に返送するが、これら実施形態又は実施態様で発生した汚泥ではない汚泥、すなわち、外部で発生した汚泥を脱炭酸槽１０（脱炭酸工程Ｓ１）等で使用してもよい。
【実施例】
【００８６】
以下、本発明の金属含有水の処理方法について、実施例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００８７】
［原水］
以下の実施例１及び比較例１〜２の金属含有水の処理方法において、処理の対象とした原水は、ｐＨ６．５、鉄（Ｆｅ２＋）濃度６０ｍｇ／Ｌ、アルカリ度２５０ｍｇ／Ｌ、カルシウム濃度５００ｍｇ／Ｌである。
【００８８】
［実施例１］
実施例１の金属含有水の処理方法は、脱炭酸工程Ｓ１、金属水酸化物生成工程Ｓ２、凝集工程Ｓ３、固液分離工程Ｓ４を備え、さらに、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部にアルカリを添加するアルカリ返送物作製工程Ｓ５を備える。原水（処理水）の流量は、８０Ｌ／ｈである。また、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部を、脱炭酸工程Ｓ１及び凝集工程Ｓ３における処理水へ返送するとともに、アルカリ返送物作製工程Ｓ５におけるアルカリ返送物の作製のために返送し、アルカリ返送物作製工程Ｓ５で作製されたアルカリ返送物を金属水酸化物生成工程Ｓ２における処理水へ返送した。
脱炭酸工程Ｓ１では、撹拌装置及び曝気装置を備えた容量２０Ｌの脱炭酸槽を使用して、曝気のために処理水へ導入される空気の流量が８０Ｌ／ｈとなる条件で曝気を行なった。脱炭酸後の処理水のｐＨは、６．５である。また、金属水酸化物生成工程Ｓ２では、撹拌装置及び曝気装置を備えた容量２０Ｌの反応槽を使用し、曝気を行いながら、アルカリ返送物を添加した。また、凝集工程Ｓ３では、撹拌装置を備えた容量５Ｌの凝集槽を使用し、凝集槽内部の処理水に対して、凝集剤としてアクリル酸とアクリルアミドとの共重合物を３ｍｇ／Ｌの割合で添加した。また、固液分離工程Ｓ４では、直径３０ｃｍの沈殿槽を使用した。さらに、アルカリ返送物作製工程Ｓ５では、撹拌装置を備えた容量０．５Ｌの化学反応槽を使用し、返送された汚泥に対して、そのｐＨが７．５となるになるように水酸化ナトリウムを添加し、混合した。その他、詳細な条件を表１に示す。
【００８９】
［実施例２］
固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部を、凝集工程Ｓ３における処理水へ返送しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例２の金属含有水の処理を行った。詳細な条件を表１に示す。
【００９０】
［比較例１］
脱炭酸工程Ｓ１を備えず、かつ凝集工程Ｓ３の処理水に対して、固液分離工程Ｓ４で生じた汚泥を返送しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例１の金属含有水の処理を行なった。詳細な条件を表１に示す。
【００９１】
［比較例２］
脱炭酸工程Ｓ１を備えず、かつ固液分離工程Ｓ４で生じた汚泥の返送を一切行なわなかったこと以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例２の金属含有水の処理を行なった。なお、固液分離工程で生じた汚泥の返送を一切行なわないので、アルカリ返送物作製工程Ｓ５も行なっていない。ここで、比較例２の汚泥は沈降速度が遅いとの理由から、比較例２の金属含有水の処理方法では、固液分離工程Ｓ４で使用した沈殿槽を直径４０ｃｍとした。詳細な条件を表１に示す。
【００９２】
【表１】
【００９３】
実施例１〜２及び比較例１〜２の金属含有水の処理方法により、原水を処理した結果を表２に示す。なお、表２に示す数値のうち、処理後の浮遊粒子量、汚泥の含水率、脱炭酸槽のスケール付着速度及び反応槽のスケール付着速度以外の数値は、処理を行なった原水１Ｌあたりの数値である。
また、表２におけるスケールの付着速度は、各槽に炭素鋼製テストピース（ＳＰＣＣ，３０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ）を設置し、運転８日後のテストピースの重量変化より算出した。
【００９４】
【表２】
【００９５】
表２から、実施例１及び２では、比較例１及び２よりも汚泥発生量及びケーキ発生量が少なく、汚泥が減容化されていることがわかる。また、脱炭酸工程Ｓ１を有する実施例１及び２では、脱炭酸工程を有しない比較例１及び２に比べて水酸化ナトリウム使用量が少なくなることがわかる。このことから、本発明の金属含有水の処理方法を使用することにより、汚泥の減容化や処理コストの削減が可能なことが理解される。
また、凝集槽への汚泥の返送を行った実施例１では、凝集槽への汚泥の返送を行わなかった実施例２よりも、処理後の浮遊粒子量が少なく、かつ汚泥の含水率が少ない傾向だった。このことから、凝集槽への汚泥の返送を行うことにより、処理後の処理水がより清澄なものとなり、かつ汚泥の脱水処理が軽減されることが理解される。
さらに、実施例１及び２並びに比較例１と比較例２とを比較すると、アルカリ剤として、アルカリ返送物を使用することにより、反応槽へのスケール付着が抑制されることが理解される。
【符号の説明】
【００９６】
１ 金属含有水の処理装置
１０ 脱炭酸槽
２０ 反応槽
３０ 凝集槽
４０ 沈殿槽
５０ 化学反応槽
６０ 返送ライン
６１ 第１返送ライン
６２ 第２返送ライン
６３ 第３返送ライン
６４ 廃棄ライン
７０ 処理水ライン
Ｓ１ 脱炭酸工程
Ｓ２ 金属水酸化物生成工程
Ｓ３ 凝集工程
Ｓ４ 固液分離工程
Ｓ５ アルカリ返送物作製工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置に関し、さらに詳しくは、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属イオンを含有する原水から金属イオンを除去する場合、原水にアルカリを添加することにより原水をアルカリ性にして、金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換して固液分離する方法が採用される。
【０００３】
ところで、原水が地下水等のように遊離炭酸や炭酸イオンを含む場合、その原水は酸性である。このような酸性の原水にそのままアルカリを添加してアルカリ性にしようとすると、原水に添加するアルカリの量が増加して処理コストが増大することになる。そのため、原水にアルカリを添加する前に、原水に対して曝気処理を施すことにより原水から遊離炭酸や炭酸イオンを除去し、原水を中性に近づける操作が行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、重金属等を含む排水の処理において、汚泥の含水率を低減させることにより汚泥の減容化を図る処理法として、高密度汚泥法（ＨＤＳ法）が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。ＨＤＳ法は、沈殿槽で固液分離された汚泥の一部にアルカリを添加してアルカリ性の汚泥とし、このアルカリ性の汚泥を沈殿槽よりも上流に位置する中和槽に返送して原水を中和する処理法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１１５６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】わかりやすい水処理設計、栗田工業株式会社監修、工業調査会（２００３年）、ｐ１３５−１３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
地下水等のように、遊離炭酸又は炭酸イオンを含有する原水から、例えばＨＤＳ法により金属イオンを除去する場合、特許文献１に記載されたように、原水にアルカリを添加する前に、原水に対して曝気処理を施すことが好ましい。しかし、曝気処理によって原水の遊離炭酸又は炭酸イオンの濃度が低下すると、ｐＨが上昇し原水に含まれるカルシウムイオン（炭酸水素カルシウム等）が炭酸カルシウムとして析出する場合がある。析出した炭酸カルシウムは、スケールとして処理装置に付着して、処理装置の配管を閉塞させる等の障害の原因となる。このような問題は、カルシウムイオンを含有する地下水の処理において、特に顕著に発生する。
【０００８】
本発明は、以上の状況に鑑みてなされたものであり、遊離炭酸又は炭酸イオンを含む被処理水から金属イオンを除去する際に、スケール障害を低減させることのできる処理方法、及びそのような処理方法を行なうための処理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】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、処理水から遊離炭酸又は炭酸イオンを曝気により除去する脱炭酸工程において、沈殿槽で固液分離された汚泥（沈殿体）の一部を処理水に添加することにより、処理装置への炭酸カルシウム（スケール）の付着が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、（１）金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法であり、前記金属含有水を脱炭酸処理する脱炭酸工程と、前記脱炭酸工程を経た処理水にアルカリ剤を添加して、前記金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する金属水酸化物生成工程と、前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に凝集剤を添加して、前記金属水酸化物を含む固形分を凝集させて凝集体を形成させる凝集工程と、前記凝集工程を経た処理水から前記凝集体を固液分離して沈殿体を形成する固液分離工程と、を備え、前記沈殿体の少なくとも一部である第１返送物を、前記脱炭酸工程において前記金属含有水に添加することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、（２）前記沈殿体の一部である第２返送物にアルカリを添加して、前記第２返送物をアルカリ返送物に変換するアルカリ返送物作製工程を備え、前記アルカリ返送物を、前記金属水酸化物生成工程で添加されるアルカリ剤の一部又は全部とすることを特徴とする（１）項記載の金属含有水の処理方法である。
【００１２】
また本発明は、（３）前記沈殿体の一部である第３返送物を、前記凝集工程において前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に添加する（１）項又は（２）項記載の金属含有水の処理方法である。
【００１３】
また本発明は、（４）金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去するための金属含有水の処理装置であり、前記処理装置は、前記金属含有水に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸槽と、前記脱炭酸槽から流出した処理水にアルカリ剤を添加して、当該処理水に含まれる金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する反応槽と、前記反応槽から流出した処理水に凝集剤を添加して、当該処理水に含まれる前記金属水酸化物を凝集させて凝集体とする凝集槽と、前記凝集槽から流出した処理水に含まれる前記凝集体を固液分離して沈殿体とする沈殿槽と、を備え、さらに、前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の少なくとも一部を、前記脱炭酸槽に返送する第１返送ラインを備えることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、（５）前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記反応槽に返送する第２返送ラインを備え、さらに、前記第２返送ラインの途中には、前記第２返送ラインで返送される前記沈殿体にアルカリを添加するための化学反応槽を備えることを特徴とする（４）項記載の金属含有水の処理装置である。
【００１５】
また本発明は、（６）前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記凝集槽に返送する第３返送ラインを備える（４）項又は（５）項記載の金属含有水の処理装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、遊離炭酸又は炭酸イオンを含む被処理水から金属イオンを除去する際に、スケール障害を低減させることのできる処理方法、及びそのような処理方法を行なうための処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様において、処理水及び固形分（汚泥）のフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、金属含有水の処理方法及び金属含有水の処理装置に係るものである。以下、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態、及び本発明の金属含有水の処理装置の一実施態様について説明するが、本発明は、これらの実施形態及び実施態様に限定されるものではない。
【００１９】
＜金属含有水の処理装置＞
まず、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明における金属含有水の処理装置の一実施形態を示す模式図である。
【００２０】
本実施形態の金属含有水の処理装置１は、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水である処理水から金属イオンを除去するための装置であり、後に説明する本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様において好ましく使用される。
【００２１】
本実施形態の金属含有水の処理装置１は、脱炭酸槽１０、反応槽２０、凝集槽３０、沈殿槽４０及び化学反応槽５０の各種処理槽と、上記各種処理槽を接続し、処理水の流路である処理水ライン７０と、沈殿槽４０で固液分離された汚泥を上記各種処理槽に返送する返送ライン６０と、汚泥を脱水機へ移送する廃棄ライン６４と、を備える。
【００２２】
脱炭酸槽１０は、金属含有水である処理水に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸処理に使用される処理槽である。脱炭酸槽１０は、脱炭酸処理される処理水の入口１５及び脱炭酸処理された処理水の出口１６が処理水ライン７０に接続され、撹拌装置１１及び曝気装置１２を備える。
【００２３】
脱炭酸処理される処理水は、処理水ライン７０から入口１５に導かれ、脱炭酸槽１０の内部へ投入される。脱炭酸槽１０の内部に投入された処理水は、撹拌装置１１により撹拌されるとともに、曝気装置１２により曝気処理を受けて、その内部に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンが除去される。脱炭酸処理された処理水は、出口１６を通過して脱炭酸槽１０から流出し、処理水ライン７０により反応槽２０へ移送される。
【００２４】
反応槽２０は、処理水にアルカリ剤を添加して、処理水をアルカリ性にすることにより、処理水に含まれる金属イオンを金属水酸化物に変換する水酸化処理に使用される処理槽である。反応槽２０は、水酸化処理される処理水の入口２５及び水酸化処理された処理水の出口２６が処理水ライン７０に接続され、撹拌装置２１及び曝気装置２２を備える。
【００２５】
水酸化処理される処理水は、処理水ライン７０から入口２５に導かれ、反応槽２０の内部へ投入される。反応槽２０の内部に投入された処理水は、撹拌装置２１により撹拌されるとともに、後に説明する第２返送ライン６２からアルカリ剤であるアルカリ返送物（図示せず）の投入を受ける。アルカリ返送物は、アルカリが添加された汚泥であり、アルカリ性の物質である。このため、アルカリ返送物（アルカリ剤）が添加された処理水は、アルカリ性となり、その内部に含まれている金属イオンが水に不溶の金属水酸化物に変換される。水酸化処理された処理水は、金属水酸化物等の固形分とともに、出口２６を通過して反応槽２０から流出し、処理水ライン７０により凝集槽３０へ移送される。
【００２６】
なお、水酸化処理において、処理水に添加されるアルカリ剤は、後述するアルカリ返送物に限定されず、各種のアルカリをアルカリ剤として使用してもよい。このようなアルカリとしては、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２等が例示され、中でもＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等が好ましく使用される。各種のアルカリをアルカリ剤として処理水に添加する場合、反応槽２０にアルカリ添加ライン（図示せず）を設ける。
【００２７】
処理水にアルカリ剤を添加する際、除去対象となる金属の種類に応じて、処理水のｐＨが所定の範囲となるようにアルカリ剤を添加することが好ましい。この所定のｐＨ範囲は、除去対象金属に応じて、例えば以下のような範囲となる。
Ｃｒ；ｐＨ５以上、好ましくはｐＨ＝５．５〜６．５
Ｃｕ；ｐＨ６以上、好ましくはｐＨ＝７〜８
Ｚｎ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｎｉ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｆｅ２＋；ｐＨ９以上（ただしＦｅ２＋を空気酸化する場合はｐＨ７以上、好ましくはｐＨ＝７．５〜８．５）
Ｆｅ３＋；ｐＨ３以上、好ましくはｐＨ＝３．５〜４．５
Ｍｎ；ｐＨ１０以上、好ましくはｐＨ＝１０〜１１
Ｃｄ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９．５〜１０．５
処理水のｐＨを上記範囲とすることにより、処理水に含まれる金属イオンを十分に金属水酸化物に変換することができる。なお、処理水の好ましいｐＨ範囲に上限を設けたのは、アルカリ剤の過剰添加等による無駄を除くためである。
【００２８】
なお、反応槽２０において処理水を水酸化処理する際、処理水中にＦｅ２＋が含有されている場合には、曝気装置２２により曝気処理を受けることが好ましい。処理水がアルカリ性条件下で曝気処理を受けることにより、Ｆｅ２＋がＦｅ３＋に変換され、その後、Ｆｅ３＋が水に不溶のＦｅ（ＯＨ）３に変換される。このような作用により、処理水に含まれていたＦｅ２＋が固体として除去可能な状態になる。
【００２９】
凝集槽３０は、水に不溶の金属水酸化物を含む処理水に凝集剤を添加することにより、金属水酸化物等の固形分の凝集体を形成させる凝集処理に使用される処理槽である。凝集槽３０は、凝集処理される処理水の入口３５及び凝集処理された処理水の出口３６が処理水ライン７０に接続され、撹拌装置３１及び凝集剤投入ライン３３を備える。
【００３０】
凝集処理される処理水は、処理水ライン７０から入口３５に導かれ、凝集槽３０の内部へ投入される。凝集槽３０の内部に投入された処理水は、撹拌装置３１により撹拌されるとともに、凝集剤投入ライン３３から凝集剤（図示せず）の添加を受ける。これにより、処理水の内部に含まれていた金属水酸化物等の固形分が凝集して凝集体を形成する。凝集処理された処理水は、凝集体とともに、出口３６を通過して凝集槽３０から流出し、処理水ライン７０により沈殿槽４０へ移送される。
【００３１】
凝集剤としては、公知の凝集剤を特に制限なく使用することができる。このような凝集剤としては、アニオン性又はノニオン性の高分子凝集剤が例示され、中でもポリアクリルアミドの加水分解物、又はアクリルアミドとアクリル酸もしくはその塩との共重合物等が好ましく使用される。
【００３２】
沈殿槽４０は、先に説明した凝集処理によって生成した固体の凝集体を、沈殿により処理水から固液分離する沈殿処理に使用される処理槽である。沈殿槽４０は、沈殿処理される処理水の入口４５及び沈殿処理により固液分離された処理水の出口４６が処理水ライン７０に接続されている。また、沈殿槽４０は、沈殿する凝集体をその底部に集め、沈殿した凝集体をラインにより排出するために、底部に近づくにつれて縮径した形状を有することが好ましい。
【００３３】
沈殿槽４０の底部には、凝集体が沈殿した沈殿体（汚泥）を沈殿槽４０から排出するための返送ライン６０及び廃棄ライン６４が接続されている。返送ライン６０及び廃棄ライン６４は、一体のラインとして沈殿槽４０の底部に接続され、その一体のラインは、沈殿槽４０に接続される側と反対側の端部において、脱水機（図示せず）に接続された廃棄ライン６４と返送ライン６０とに分岐する。廃棄ライン６４と返送ライン６０との分岐点には、廃棄ライン６４と返送ライン６０とに分配される沈殿体（汚泥）の比率を調整するための弁が設けられることが好ましい。なお、この場合、タイマー弁の開閉を制御して分配比率を調整することができる。
【００３４】
沈殿処理される処理水は、処理水ライン７０から入口４５に導かれ、沈殿槽４０の内部へ投入される。沈殿槽４０の内部に投入された処理水に含まれる凝集体は、重力により、沈殿槽４０の底部に向けて沈降し、沈殿槽４０の底部で凝集体の集合体である汚泥となる。その結果、沈殿槽４０の上澄みである処理水から凝集体が除去され、固液分離が完了する。固液分離により凝集体が除去された処理水は、出口４６を通過して沈殿槽４０から流出し、処理水ライン７０により、金属含有水の処理装置１の外部へと移送される。金属含有水の処理装置１の外部へと移送された処理水は、金属イオンが除去された処理水として各種用途に使用される。
【００３５】
次に、返送ライン６０について説明する。返送ライン６０は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を、脱炭酸槽１０、凝集槽３０、及び化学反応槽５０を経由して反応槽２０に返送するためのラインである。返送ライン６０は、沈殿槽４０の底部で廃棄ライン６４と分岐した後、第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ライン６３に分岐する。返送ライン６０から、第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ラインのそれぞれが分岐する箇所には、各返送ライン６１、６２、６３に分配される沈殿体（汚泥）の比率を調製するための弁が設けられることが好ましい。
【００３６】
なお、第１返送ライン６１及び第２返送ライン６２に分配される沈殿体（汚泥）の比率は、汚泥返送比（＝返送汚泥量［ｋｇ］／原水の汚泥発生量［ｋｇ］）が所定範囲となるように設定される。第１返送ライン６１の好ましい汚泥返送比は５〜１０程度であり、第２返送ライン６２の好ましい汚泥返送比は除去対象とする金属種によって異なり、Ｆｅの場合は１５〜２５、好ましくは２０程度であり、Ｃｕの場合は４０〜７０、好ましくは５０程度であり、その他金属では２０〜３０である。
第３返送ライン６３によって返送される汚泥量は、凝集槽３０内の汚泥濃度が１％以上となるように返送されることが好ましい。汚泥発生量が多く、第３返送ライン６３による汚泥返送を行わなくても凝集槽３０内の汚泥濃度が１％以上となる場合には、第３返送ライン６３による汚泥返送は不要である。
【００３７】
第１返送ライン６１は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を脱炭酸槽１０に返送するためのラインである。第１返送ライン６１が存在することにより、脱炭酸処理される処理水に固形分である汚泥が供給される。
【００３８】
既に述べたように、脱炭酸処理により処理水から遊離炭酸又は炭酸イオンが除去されると、処理水に含まれるカルシウムイオン（炭酸水素カルシウム）が水に不溶の炭酸カルシウムとなり、析出する。このとき、固形分である汚泥が処理水に含まれていると、炭酸カルシウムは、汚泥の粒子の表面に析出するので、析出した炭酸カルシウムが金属含有水の処理装置１の壁面にスケールとして付着することが抑制される。したがって、本実施形態の金属含有水の処理装置１が第１返送ライン６１を備えることにより、スケール障害が抑制される。
【００３９】
第３返送ライン６３は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を凝集槽３０に返送するためのラインである。第３返送ライン６３が存在することにより、凝集処理される処理水に固形分である汚泥が供給される。
【００４０】
既に述べたように、凝集処理は、処理水に含まれる金属水酸化物等の固形分を、凝集剤によって凝集体とする処理である。この処理を行なうに際して、処理水の中に固形分である汚泥を供給すると、供給された汚泥が凝集体を形成するための核となり、処理水に含まれる懸濁物を効率的に凝集することができ、清澄な処理水を得ることができる。
【００４１】
第２返送ライン６２は、沈殿槽４０で固液分離された汚泥の一部を、化学反応槽５０を経由して反応槽２０に返送するためのラインである。第２返送ライン６２が存在することにより、アルカリが添加された汚泥がアルカリ剤として反応槽２０に供給される。
【００４２】
化学反応槽５０は、第２返送ライン６２の途中に設けられ、第２返送ライン６２によって返送された汚泥にアルカリを添加することで、その汚泥を、汚泥粒子の表面にアルカリが付着したアルカリ剤に変換するアルカリ処理に使用される処理槽である。化学反応槽５０は、アルカリ処理される汚泥の入口５５及びアルカリ処理された汚泥（アルカリ剤）の出口５６が第２返送ライン６２に接続され、撹拌装置５１及びアルカリ投入ライン５３を備える。
【００４３】
アルカリ処理される汚泥は、第２返送ライン６２から入口５５に導かれ、化学反応槽５０の内部へ投入される。化学反応槽５０の内部に投入された汚泥は、撹拌装置５１により撹拌されるとともに、アルカリ投入ライン５３からアルカリ（図示せず）の添加を受ける。これにより、化学反応槽５０の内部に存在する汚泥は、アルカリ剤となる。
【００４４】
アルカリ処理に使用されるアルカリとしては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２等が例示され、中でもＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等が好ましく使用される。また、アルカリ処理におけるアルカリの添加量は、反応槽２０で設定された所定ｐＨ範囲に調整するのに必要な量とされることが好ましい。
【００４５】
アルカリ処理された汚泥であるアルカリ剤は、出口５６を通過して、化学反応槽５０から流出し、第２返送ライン６２により反応槽２０へ移送される。
【００４６】
反応槽２０に移送されたアルカリ剤（汚泥）は、既に述べたように、反応槽２０の内部に存在する処理水をアルカリ性にして、金属イオンを水に不溶の金属水酸化物を変換するために使用されるが、このように、表面にアルカリが付着した汚泥粒子をアルカリ剤として使用することにより、汚泥粒子が核となって、金属水酸化物の密な粒子を形成させる。その結果、汚泥の減容化につながることになる。
【００４７】
本実施形態の金属含有水の処理装置１によれば、以下の効果が奏される。
【００４８】
本実施形態の金属含有水の処理装置１は、沈殿槽４０で生じた沈殿体（汚泥）の一部を、脱炭酸槽１０に返送する第１返送ライン６１を備える。そのため、脱炭酸処理により生じた炭酸カルシウムは、汚泥の粒子の表面に析出し、金属含有水の処理装置１の壁面にスケールとして付着することが抑制される。したがって、炭酸カルシウムの析出を原因とするスケール障害の発生が抑制される。
【００４９】
また、本実施形態の金属含有水の処理装置１は、沈殿槽４０で生じた沈殿体（汚泥）の一部を、反応槽２０に返送する第２返送ライン６２を備え、さらに、第２返送ライン６２の途中には、第２返送ライン６２で返送される沈殿体（汚泥）にアルカリを添加するための化学反応槽５０を備える。そのため、第２返送ライン６２で返送される沈殿体（汚泥）は、アルカリを含有するアルカリ剤として反応槽２０に添加されることになり、このアルカリ剤が金属イオンを金属水酸化物に変換するとともに、アルカリ剤（汚泥）の粒子が核となって、金属水酸化物の密な粒子を形成させるため、汚泥の減容化につながることになる。
【００５０】
また、本実施形態の金属含有水の処理装置１は、沈殿槽４０で生じた沈殿体（汚泥）の一部を、凝集槽３０に返送する第３返送ライン６３を備える。そのため、凝集槽３０に供給された汚泥が凝集体を形成するための核となり、処理水に含まれる懸濁物を効率的に凝集することができ、清澄な処理水を得ることができる。
【００５１】
次に、本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施態様の金属含有水の処理方法において、処理水及び固形分（汚泥）のフローを示す図である。図２において、実線は、処理水のフローを示し、破線は、固形分（汚泥）のフローを示す。なお、以下の説明において、上記本発明の金属含有水の処理槽値の一実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
本実施態様の金属含有水の処理方法は、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する処理方法であり、脱炭酸工程Ｓ１、金属水酸化物生成工程Ｓ２、凝集工程Ｓ３、固液分離工程Ｓ４及びアルカリ返送物作製工程Ｓ５を備える。
【００５３】
本実施態様の金属含有水の処理方法が適用される処理水は、金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含む。このような処理水としては、地下水、鉱山廃水等が例示されるが、特に限定されない。
【００５４】
［脱炭酸工程Ｓ１］
まず、本実施態様の金属含有水の処理方法における脱炭酸工程Ｓ１について説明する。
この工程は、処理水（金属含有水）から遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸処理を行なう工程である。本実施態様の金属含有水の処理方法では、アルカリ剤を処理水に添加することにより処理水をアルカリ性とし、処理水に含まれる金属イオンを金属水酸化物に変換して除去する。しかし、処理水に遊離炭酸又は炭酸イオンが含まれていると、処理水の緩衝性が強くなるため、これを中和するためのアルカリ剤が余分に必要になり、処理コストが増大する要因となる。そこで、本実施態様の金属含有水の処理方法では、処理水にアルカリ剤を添加するのに先立ち、処理水から遊離炭酸や炭酸イオンを除去する脱炭酸処理を行なう。
【００５５】
処理水に含まれる遊離炭酸や炭酸イオンを除去するには、処理水を曝気装置により曝気する方法、処理水を強く撹拌する方法、処理水の上方から処理水の液面に向かって処理水を勢い良く噴射させる方法等が例示されるが、これらに限定されない。
【００５６】
ここで、処理水の脱炭酸処理が進行すると、処理水のｐＨが上昇し、処理水に含まれるカルシウムイオンが水に不溶な炭酸カルシウムとして析出し、これが処理装置の壁面等に付着してスケール障害を引き起こす原因となる。そこで、本実施態様では、後に説明する固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥（沈殿体）の少なくとも一部を、第１返送物として、脱炭酸工程Ｓ１における処理水に添加する。これにより、脱炭酸処理に伴って生じた炭酸カルシウムを汚泥の粒子の表面に析出させることができ、炭酸カルシウムが処理装置の壁面等に析出することが抑制される。その結果、スケール障害の発生が抑制される。なお、固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥の「少なくとも一部」を第１返送物とする、とは、例えば、処理の開始時点などのように、固液分離工程Ｓ４で得られる汚泥が少ない場合等では、固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥の全部を第１返送物とすることが好ましいが、そのように固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥の全部を第１返送物とすることを排除しないという意味である。
【００５７】
脱炭酸工程Ｓ１における処理水に、固液分離工程Ｓ４で得られた汚泥（第１返送物）を添加する量としては、汚泥返送比として３以上、好ましくは５〜１０である。スケール抑制の点では返送汚泥量は多いほど好ましいが、実用上は返送汚泥比として１０以下で十分な効果を得ることができる。
【００５８】
脱炭酸工程Ｓ１の後、遊離炭酸又は炭酸イオンが除去された処理水、並びに脱炭酸工程Ｓ１で添加された第１返送物は、金属水酸化物生成工程Ｓ２に付される。
【００５９】
［金属水酸化物生成工程Ｓ２］
次に、金属水酸化物生成工程Ｓ２について説明する。
この工程は、脱炭酸工程Ｓ１を経た処理水にアルカリ剤を添加して、処理水をアルカリ性にすることにより、処理水に含まれる金属イオンを水に不溶な金属水酸化物に変換する工程である。
【００６０】
金属水酸化物生成工程Ｓ２では、処理水をアルカリ性にするために、処理水にアルカリ剤を添加する。アルカリ剤としては、水に溶解し、その水溶液をアルカリ性とすることのできるものであれば、特に制限なく使用することができる。このようなアルカリ剤としては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２等が例示され、中でもＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等が好ましく使用される。処理水にアルカリ剤を添加する際には、アルカリ剤が処理水全体に行き渡るようにするために、処理水を撹拌することが好ましい。
【００６１】
アルカリ剤は、固体のまま処理水に添加してもよいし、水溶液として添加してもよい。アルカリ剤の添加量は、除去対象となる金属の種類に応じて、処理水のｐＨが所定の範囲となるよう調整されることが好ましい。この所定のｐＨ範囲は、除去対象金属に応じて、例えば以下のような範囲となる。
Ｃｒ；ｐＨ５以上、好ましくはｐＨ＝５．５〜６．５
Ｃｕ；ｐＨ６以上、好ましくはｐＨ＝７〜８
Ｚｎ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｎｉ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９〜１０
Ｆｅ２＋；ｐＨ９以上（ただしＦｅ２＋を空気酸化する場合はｐＨ７以上、好ましくはｐＨ＝７．５〜８．５）
Ｆｅ３＋；ｐＨ３以上、好ましくはｐＨ＝３．５〜４．５
Ｍｎ；ｐＨ１０以上、好ましくはｐＨ＝１０〜１１
Ｃｄ；ｐＨ９以上、好ましくはｐＨ＝９．５〜１０．５
処理水のｐＨを上記範囲とすることにより、処理水に含まれる金属イオンを十分に金属水酸化物に変換することができる。なお、処理水の好ましいｐＨ範囲に上限を設けたのは、アルカリ剤の過剰添加等による無駄を除くためである。
【００６２】
ここで使用されるアルカリ剤は、その一部又は全部が、後に説明するアルカリ返送物作製工程Ｓ５で作製されたアルカリ返送物であることが好ましい。アルカリ返送物とは、後に説明する固液分離工程Ｓ４で得られた沈殿体（汚泥）の一部である第２返送物と、アルカリ水溶液とを混合して作製されたものであり、このようなアルカリ返送物に含まれる沈殿体（汚泥）の粒子の表面には、アルカリが付着している。このようなアルカリ返送物をアルカリ剤として使用することにより、処理水に含まれる金属イオンは、アルカリ剤である沈殿体（汚泥）粒子の表面での金属水酸化物に変換され、その後、その金属水酸化物が沈殿体（汚泥）の粒子の表面に析出する。そのため、金属水酸化物の析出物の体積が大きくなり、金属水酸化物の沈降速度を大きくすることができる。
【００６３】
また、金属水酸化物生成工程Ｓ２では、処理水にＦｅ２＋が含有されている場合には、処理水に対して曝気処理を施すことが好ましい。処理水が地下水である場合、処理水には金属イオンとしてＦｅ２＋が含まれる場合があるが、このような場合には、曝気処理によりＦｅ２＋を酸化してＦｅ３＋に変換し、その後、水に不溶のＦｅ（ＯＨ）３に変換することができる。
【００６４】
金属水酸化物生成工程Ｓ２の後、処理水、並びに脱炭酸工程Ｓ１で添加された第１返送物及び金属水酸化物生成工程Ｓ２で添加されたアルカリ返送物（第２返送物）は、凝集工程Ｓ３に付される。
【００６５】
［凝集工程Ｓ３］
次に、凝集工程Ｓ３について説明する。
この工程は、金属水酸化物生成工程Ｓ２を経た処理水に凝集剤を添加して、金属水酸化物生成工程Ｓ２で生成した金属水酸化物を含む固形分を凝集させる工程である。
【００６６】
凝集工程Ｓ３では、処理水に対して凝集剤を添加する。処理水に対して凝集剤を添加することにより、処理水に含まれる金属水酸化物等の固形分が凝集体となり、次に説明する固液分離工程Ｓ４で、その凝集体を重力で沈降させることができるようになる。処理水に添加される凝集剤としては、アニオン性又はノニオン性の高分子凝集剤が例示され、中でもポリアクリルアミドの加水分解物、又はアクリルアミドとアクリル酸もしくはその塩との共重合物等が好ましく使用される。処理水に凝集剤を添加する際には、凝集剤が処理水全体に行き渡るようにするために、処理水を撹拌することが好ましい。
【００６７】
処理水に凝集剤を添加する量は、特に限定されないが、１〜１０ｍｇ／Ｌであることが好ましく、２〜５ｍｇ／Ｌであることがより好ましい。
【００６８】
本実施態様の凝集工程Ｓ３では、後に説明する固液分離工程Ｓ４で得られた沈殿体（汚泥）の一部を、第３返送物として凝集工程Ｓ３における処理水に添加することが好ましい。これにより、添加された第３返送物に含まれる沈殿体（汚泥）の粒子が凝集体を形成させる際の核となり、凝集効率を高めることができる。そのため、清澄な処理水を得ることができる。
【００６９】
凝集工程Ｓ３における処理水に、第３返送物（固液分離工程Ｓ４で得られた沈殿体）を凝集工程Ｓ３における汚泥濃度が１％以上、好ましくは１．５〜４％となるよう添加することが好ましい。このように凝集工程Ｓ３における汚泥濃度を調整することにより、後段の固液分離工程Ｓ４において清澄な処理水を得ることができる。
【００７０】
凝集工程Ｓ３の後、処理水、形成された凝集体、並びに脱炭酸工程Ｓ１で添加された第１返送物、金属水酸化物生成工程Ｓ２で添加されたアルカリ返送物（第２返送物）及び凝集工程Ｓ３で添加された第３返送物は、固液分離工程Ｓ４に付される。
【００７１】
［固液分離工程Ｓ４］
次に、固液分離工程Ｓ４について説明する。
この工程は、凝集工程Ｓ３を経た処理水から、凝集工程Ｓ３で形成させた凝集体を固液分離して沈殿体を形成する工程である。すなわち、処理水に含まれる凝集体を重力により沈降させ、液体である処理水から固体である凝集体を分離する工程である。沈降した凝集体は沈降体を形成し、この沈降体は汚泥となる。
【００７２】
固体である沈降体が分離された処理水は、金属イオンが除去された処理水として各種用途に使用される。また、処理水から分離された沈降体（汚泥）は、汚泥として脱水機により脱水されて廃棄処分される他、その一部が、既に述べたように、脱炭酸工程Ｓ１及び凝集工程Ｓ３でそのまま使用され、又は後に説明するアルカリ返送物作製工程Ｓ５を経て金属水酸化物生成工程Ｓ２で使用される。
【００７３】
［アルカリ返送物作製工程Ｓ５］
次に、アルカリ返送物作製工程Ｓ５について説明する。
この工程は、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部である第２返送物にアルカリを添加して、この第２返送物をアルカリ返送物に変換することで、アルカリ返送物を作製する工程である。作製されたアルカリ返送物は、既に述べたように、金属水酸化物生成工程Ｓ２で使用される。
【００７４】
アルカリ返送物作製工程Ｓ５において、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部である第２返送物は、そこに含まれる水分とともにアルカリと混合される。ここで使用されるアルカリの種類としては、先に説明した金属水酸化物生成工程Ｓ２で例示したアルカリと同様のものが挙げられる。アルカリは、水溶液として汚泥（第２返送物）に添加することが好ましいが、これに限定されない。汚泥とアルカリとを混合する際、撹拌機を使用することが好ましい。
【００７５】
アルカリ返送物を作製する際に、汚泥（第２返送物）に添加するアルカリの量は、金属水酸化物生成工程Ｓ２において、処理水を所定のｐＨ範囲に調整するのに必要な量であることが好ましい。金属水酸化物生成工程Ｓ２における処理水のｐＨ範囲については、既に説明した通りである。
【００７６】
アルカリ返送物作製工程Ｓ５で作製されたアルカリ返送物は、金属水酸化物生成工程Ｓ２におけるアルカリ剤として、処理水に添加される。
【００７７】
本実施態様の金属含有水の処理方法によれば、以下の効果が奏される。
本実施態様の金属含有水の処理方法は、固液分離工程Ｓ４で作製された沈殿体（汚泥）の一部である第１返送物を、脱炭酸工程Ｓ１において、処理水である金属含有水に添加する。そのため、脱炭酸処理に伴って生じた炭酸カルシウムを汚泥の粒子の表面に析出させることができ、炭酸カルシウムが処理装置の壁面等に析出することが抑制される。その結果、スケール障害の発生が抑制される。
【００７８】
＜変形例＞
以上、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態、及び本発明の金属含有水の処理方法の一実施態様について具体的に説明したが、本発明は、上記の実施形態及び実施態様に限定されず、本発明の構成の範囲において適宜変更を加えて実施することができる。
【００７９】
例えば、本発明の金属含有水の処理装置の一実施形態では、処理水の脱炭酸を行なうために、脱炭酸槽１０に曝気装置１２を備えるが、曝気装置１２の代わりに、強力な撹拌装置や、処理水の噴射装置を備え、これらを使用して脱炭酸を行なってもよい。また、上記金属含有水の処理槽値の一実施形態は、反応槽２０に曝気装置２２を備えるが、曝気装置２２を備えなくてもよい。
【００８０】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、第２返送ライン６２及び化学反応槽５０、並びに第３返送ライン６３を備えるが、これらを備えなくてもよいし、あるいは、第２返送ライン６２及び化学反応槽５０、又は第３返送ライン６３のいずれかを備えてもよい。
【００８１】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態は、脱炭酸槽１０、反応槽２０、凝集槽３０及び化学反応槽５０に撹拌装置１１、２１、３１、５１を備えるが、これらの撹拌装置の一部又は全部を備えなくてもよい。
【００８２】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、返送ライン６０及び廃棄ライン６４が一体のラインとして沈殿槽４０の底部に接続され、その一体のラインから返送ライン６０及び廃棄ライン６４が分岐するが、返送ライン６０及び廃棄ライン６４がそれぞれ沈殿槽４０の底部に接続されてもよい。
【００８３】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、返送ライン６０から第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ライン６３が分岐するが、第１返送ライン６１、第２返送ライン６２及び第３返送ライン６３の一部又は全部が沈殿槽４０の底部に接続されてもよい。
【００８４】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態では、反応槽２０に、アルカリ返送物を添加するための第２返送ライン６２を備えるが、反応槽２０に他のアルカリを添加するためのラインを備えてもよい。
【００８５】
また、上記金属含有水の処理装置の一実施形態、及び上記金属含有水の処理方法の一実施態様では、沈殿槽４０（固液分離工程Ｓ４）で発生した汚泥を脱炭酸槽１０（脱炭酸工程Ｓ１）等に返送するが、これら実施形態又は実施態様で発生した汚泥ではない汚泥、すなわち、外部で発生した汚泥を脱炭酸槽１０（脱炭酸工程Ｓ１）等で使用してもよい。
【実施例】
【００８６】
以下、本発明の金属含有水の処理方法について、実施例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００８７】
［原水］
以下の実施例１及び比較例１〜２の金属含有水の処理方法において、処理の対象とした原水は、ｐＨ６．５、鉄（Ｆｅ２＋）濃度６０ｍｇ／Ｌ、アルカリ度２５０ｍｇ／Ｌ、カルシウム濃度５００ｍｇ／Ｌである。
【００８８】
［実施例１］
実施例１の金属含有水の処理方法は、脱炭酸工程Ｓ１、金属水酸化物生成工程Ｓ２、凝集工程Ｓ３、固液分離工程Ｓ４を備え、さらに、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部にアルカリを添加するアルカリ返送物作製工程Ｓ５を備える。原水（処理水）の流量は、８０Ｌ／ｈである。また、固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部を、脱炭酸工程Ｓ１及び凝集工程Ｓ３における処理水へ返送するとともに、アルカリ返送物作製工程Ｓ５におけるアルカリ返送物の作製のために返送し、アルカリ返送物作製工程Ｓ５で作製されたアルカリ返送物を金属水酸化物生成工程Ｓ２における処理水へ返送した。
脱炭酸工程Ｓ１では、撹拌装置及び曝気装置を備えた容量２０Ｌの脱炭酸槽を使用して、曝気のために処理水へ導入される空気の流量が８０Ｌ／ｈとなる条件で曝気を行なった。脱炭酸後の処理水のｐＨは、６．５である。また、金属水酸化物生成工程Ｓ２では、撹拌装置及び曝気装置を備えた容量２０Ｌの反応槽を使用し、曝気を行いながら、アルカリ返送物を添加した。また、凝集工程Ｓ３では、撹拌装置を備えた容量５Ｌの凝集槽を使用し、凝集槽内部の処理水に対して、凝集剤としてアクリル酸とアクリルアミドとの共重合物を３ｍｇ／Ｌの割合で添加した。また、固液分離工程Ｓ４では、直径３０ｃｍの沈殿槽を使用した。さらに、アルカリ返送物作製工程Ｓ５では、撹拌装置を備えた容量０．５Ｌの化学反応槽を使用し、返送された汚泥に対して、そのｐＨが７．５となるになるように水酸化ナトリウムを添加し、混合した。その他、詳細な条件を表１に示す。
【００８９】
［実施例２］
固液分離工程Ｓ４で生成した汚泥の一部を、凝集工程Ｓ３における処理水へ返送しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例２の金属含有水の処理を行った。詳細な条件を表１に示す。
【００９０】
［比較例１］
脱炭酸工程Ｓ１を備えず、かつ凝集工程Ｓ３の処理水に対して、固液分離工程Ｓ４で生じた汚泥を返送しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例１の金属含有水の処理を行なった。詳細な条件を表１に示す。
【００９１】
［比較例２］
脱炭酸工程Ｓ１を備えず、かつ固液分離工程Ｓ４で生じた汚泥の返送を一切行なわなかったこと以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例２の金属含有水の処理を行なった。なお、固液分離工程で生じた汚泥の返送を一切行なわないので、アルカリ返送物作製工程Ｓ５も行なっていない。ここで、比較例２の汚泥は沈降速度が遅いとの理由から、比較例２の金属含有水の処理方法では、固液分離工程Ｓ４で使用した沈殿槽を直径４０ｃｍとした。詳細な条件を表１に示す。
【００９２】
【表１】
【００９３】
実施例１〜２及び比較例１〜２の金属含有水の処理方法により、原水を処理した結果を表２に示す。なお、表２に示す数値のうち、処理後の浮遊粒子量、汚泥の含水率、脱炭酸槽のスケール付着速度及び反応槽のスケール付着速度以外の数値は、処理を行なった原水１Ｌあたりの数値である。
また、表２におけるスケールの付着速度は、各槽に炭素鋼製テストピース（ＳＰＣＣ，３０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ）を設置し、運転８日後のテストピースの重量変化より算出した。
【００９４】
【表２】
【００９５】
表２から、実施例１及び２では、比較例１及び２よりも汚泥発生量及びケーキ発生量が少なく、汚泥が減容化されていることがわかる。また、脱炭酸工程Ｓ１を有する実施例１及び２では、脱炭酸工程を有しない比較例１及び２に比べて水酸化ナトリウム使用量が少なくなることがわかる。このことから、本発明の金属含有水の処理方法を使用することにより、汚泥の減容化や処理コストの削減が可能なことが理解される。
また、凝集槽への汚泥の返送を行った実施例１では、凝集槽への汚泥の返送を行わなかった実施例２よりも、処理後の浮遊粒子量が少なく、かつ汚泥の含水率が少ない傾向だった。このことから、凝集槽への汚泥の返送を行うことにより、処理後の処理水がより清澄なものとなり、かつ汚泥の脱水処理が軽減されることが理解される。
さらに、実施例１及び２並びに比較例１と比較例２とを比較すると、アルカリ剤として、アルカリ返送物を使用することにより、反応槽へのスケール付着が抑制されることが理解される。
【符号の説明】
【００９６】
１ 金属含有水の処理装置
１０ 脱炭酸槽
２０ 反応槽
３０ 凝集槽
４０ 沈殿槽
５０ 化学反応槽
６０ 返送ライン
６１ 第１返送ライン
６２ 第２返送ライン
６３ 第３返送ライン
６４ 廃棄ライン
７０ 処理水ライン
Ｓ１ 脱炭酸工程
Ｓ２ 金属水酸化物生成工程
Ｓ３ 凝集工程
Ｓ４ 固液分離工程
Ｓ５ アルカリ返送物作製工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法であって、
前記金属含有水を脱炭酸処理する脱炭酸工程と、
前記脱炭酸工程を経た処理水にアルカリ剤を添加して、前記金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する金属水酸化物生成工程と、
前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に凝集剤を添加して、前記金属水酸化物を含む固形分を凝集させて凝集体を形成させる凝集工程と、
前記凝集工程を経た処理水から前記凝集体を固液分離して沈殿体を形成する固液分離工程と、を備え、
前記沈殿体の少なくとも一部である第１返送物を、前記脱炭酸工程において前記金属含有水に添加することを特徴とする金属含有水の処理方法。
【請求項２】
前記沈殿体の一部である第２返送物にアルカリを添加して、前記第２返送物をアルカリ返送物に変換するアルカリ返送物作製工程を備え、
前記アルカリ返送物を、前記金属水酸化物生成工程で添加されるアルカリ剤の一部又は全部とすることを特徴とする請求項１記載の金属含有水の処理方法。
【請求項３】
前記沈殿体の一部である第３返送物を、前記凝集工程において前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に添加する請求項１又は２記載の金属含有水の処理方法。
【請求項４】
金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去するための金属含有水の処理装置であって、
前記処理装置は、
前記金属含有水に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸槽と、
前記脱炭酸槽から流出した処理水にアルカリ剤を添加して、当該処理水に含まれる金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する反応槽と、
前記反応槽から流出した処理水に凝集剤を添加して、当該処理水に含まれる前記金属水酸化物を凝集させて凝集体とする凝集槽と、
前記凝集槽から流出した処理水に含まれる前記凝集体を固液分離して沈殿体とする沈殿槽と、を備え、
さらに、前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の少なくとも一部を、前記脱炭酸槽に返送する第１返送ラインを備えることを特徴とする金属含有水の処理装置。
【請求項５】
前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記反応槽に返送する第２返送ラインを備え、
さらに、前記第２返送ラインの途中には、前記第２返送ラインで返送される前記沈殿体にアルカリを添加するための化学反応槽を備えることを特徴とする請求項４記載の金属含有水の処理装置。
【請求項６】
前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記凝集槽に返送する第３返送ラインを備える請求項４又は５記載の金属含有水の処理装置。
【請求項１】
金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去する金属含有水の処理方法であって、
前記金属含有水を脱炭酸処理する脱炭酸工程と、
前記脱炭酸工程を経た処理水にアルカリ剤を添加して、前記金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する金属水酸化物生成工程と、
前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に凝集剤を添加して、前記金属水酸化物を含む固形分を凝集させて凝集体を形成させる凝集工程と、
前記凝集工程を経た処理水から前記凝集体を固液分離して沈殿体を形成する固液分離工程と、を備え、
前記沈殿体の少なくとも一部である第１返送物を、前記脱炭酸工程において前記金属含有水に添加することを特徴とする金属含有水の処理方法。
【請求項２】
前記沈殿体の一部である第２返送物にアルカリを添加して、前記第２返送物をアルカリ返送物に変換するアルカリ返送物作製工程を備え、
前記アルカリ返送物を、前記金属水酸化物生成工程で添加されるアルカリ剤の一部又は全部とすることを特徴とする請求項１記載の金属含有水の処理方法。
【請求項３】
前記沈殿体の一部である第３返送物を、前記凝集工程において前記金属水酸化物生成工程を経た処理水に添加する請求項１又は２記載の金属含有水の処理方法。
【請求項４】
金属イオン及びカルシウムイオン並びに遊離炭酸若しくは炭酸イオンを含有する金属含有水から金属イオンを除去するための金属含有水の処理装置であって、
前記処理装置は、
前記金属含有水に含まれる遊離炭酸又は炭酸イオンを除去する脱炭酸槽と、
前記脱炭酸槽から流出した処理水にアルカリ剤を添加して、当該処理水に含まれる金属イオンを水に不溶の金属水酸化物に変換する反応槽と、
前記反応槽から流出した処理水に凝集剤を添加して、当該処理水に含まれる前記金属水酸化物を凝集させて凝集体とする凝集槽と、
前記凝集槽から流出した処理水に含まれる前記凝集体を固液分離して沈殿体とする沈殿槽と、を備え、
さらに、前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の少なくとも一部を、前記脱炭酸槽に返送する第１返送ラインを備えることを特徴とする金属含有水の処理装置。
【請求項５】
前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記反応槽に返送する第２返送ラインを備え、
さらに、前記第２返送ラインの途中には、前記第２返送ラインで返送される前記沈殿体にアルカリを添加するための化学反応槽を備えることを特徴とする請求項４記載の金属含有水の処理装置。
【請求項６】
前記沈殿槽で生じた前記沈殿体の一部を、前記凝集槽に返送する第３返送ラインを備える請求項４又は５記載の金属含有水の処理装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１７７６４０（Ｐ２０１１−１７７６４０Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４３７２９（Ｐ２０１０−４３７２９）
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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