JP2018126699A - 晶析方法及び晶析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応槽内の液の混合状態を良好にでき、微細な結晶粒子の装置外部への流出を抑制することが可能なリンの除去方法及びリンの除去装置を提供する。【解決手段】被処理水を上向流で通水し、反応槽１、２内で流動する粒子と接触させることにより、被処理水中の被除去イオンを難溶性塩の結晶として析出させる晶析方法であって、反応槽の下部に旋回流を発生させるように、被処理水及び反応槽１、２の処理水の一部を循環水として反応槽１、２の下部から供給する晶析方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、晶析方法及び晶析装置に関し、例えば、被処理水中に含まれるリン酸イオン、カルシウムイオン、フッ素イオン、炭酸イオン、硫酸イオン等の被除去イオンを難溶性の結晶として析出させて回収することが可能な晶析方法及び晶析装置に関する。

被処理水中から特定のイオンを回収する方法の一つとして晶析法が用いられている。特開２０１６−１７５０８３号公報には、反応塔の内部に筒状の反応筒体を設けた二重筒構造を備え、上向流流れとなっている内筒部へ被処理水を投入し、反応筒体上部から注入されるマグネシウム塩及びアルカリ剤とともに被処理水を循環させることにより、反応筒内でリン酸マグネシウムアンモニウム結晶を造粒することが記載されている。

特許第４１０１５０６号公報には、流動層式晶析反応槽の下部から被処理水、被除去イオンと反応するイオン（ここではマグネシウムイオン）を含む液及び処理水の一部の循環水を供給し、被処理水中の被除去イオンを除去する構造が記載されている。

特開２０１６−１７５０８３号公報 特許第４１０１５０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された装置は、被処理水とマグネシウム塩及びアルカリ剤の適正な混合が難しく、混合状態を良好にするために上向流流速を上げると、未反応の被処理水が外部へ流出する場合がある。

特許文献２に記載された発明は、被処理水とマグネシウムイオンを含む液がともに反応槽下部から流入され、結晶粒子を流動させながら結晶粒子表面でリン酸マグネシウムアンモニウムを結晶化させるため、被処理水とマグネシウムイオンを含む液が混合されやすく、被処理水が未反応のまま流出するというリスクを低減できる。

しかしながら、特許文献２に記載されるような反応槽を用いた場合、被処理水と被除去イオンと反応するイオンを含む液とが、反応槽内に供給された直後に混合されるため、混合状態によっては、反応槽に充填された結晶粒子で結晶化する前に結晶化が起こってしまうことがある。その場合、結晶が回収に適した大きさまで成長できずに、微細な粒子のまま装置外部へ流出するおそれがある。

上記課題を鑑み、本発明は、反応槽内の液の混合状態を良好にでき、微細な結晶粒子の装置外部への流出を抑制することが可能なリンの除去方法及びリンの除去装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討した結果、反応槽内に供給する液を反応槽の下部から供給して反応槽下部に旋回流を生じさせることが有効であるとの知見を得た。

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、被処理水を上向流で通水し、反応槽内で流動する粒子と接触させることにより、被処理水中の被除去イオンを難溶性塩の結晶として析出させる晶析方法であって、反応槽の下部に旋回流を発生させるように、被処理水及び反応槽の処理水の一部を循環水として反応槽の下部から供給する晶析方法が提供される。

本発明に係る晶析方法は一実施態様において、被処理水及び循環水を、反応槽の側面の接線方向からそれぞれ導入することにより、旋回流を発生させることを含む。

本発明に係る晶析方法は別の一実施態様において、循環水に被除去イオンを添加することを含む。

本発明に係る晶析方法は更に別の一実施態様において、反応槽の下部から気体を供給し、反応槽の下部に沈降した難溶性塩の結晶からなる粒子を流動させることを更に含む。

本発明に係る晶析方法は更に別の一実施態様において、反応槽を２層以上備え、第１の反応槽で得られた難溶性塩の結晶からなる粒子を第２の反応槽以降の反応槽へ導入し、第２の反応槽以降の反応槽で得られる難溶性塩の結晶からなる粒子を第１の反応槽へ返送することを含む。

本発明は別の一側面において、被処理水を上向流で通水し、内部で流動する粒子と接触させることにより、被処理水中の被除去イオンを難溶性塩の結晶として析出させる反応槽と、反応槽の下部に接続され、反応槽の下部に旋回流を発生させるように、被処理水及び反応槽の処理水の一部の循環水を反応槽の下部から供給する供給管とを備える晶析装置が提供される。

本発明に係る晶析装置は一実施態様において、被処理水及び循環水を供給するための供給管が、反応槽の側面の接線方向に沿ってそれぞれ配置されている。

本発明に係る晶析装置は別の一実施態様において、反応槽を２槽以上備え、第１の反応槽で得られた難溶性塩の結晶を第２の反応槽以降の反応槽へ導入し、第２の反応槽以降の反応槽で得られる難溶性塩の結晶を第１の反応槽へ返送することを含む。

本発明に係る晶析装置は更に別の一実施態様において、反応槽を２層以上備え、第１の反応槽で得られる粒子を反応槽の外部又は他の反応槽内へ供給可能なエアリフト管を備える。

本発明によれば、反応槽内の液の混合状態を良好にでき、微細な結晶粒子の装置外部への流出を抑制することが可能なリンの除去方法及びリンの除去装置が提供できる。

本発明の実施の形態に係る晶析装置の一例を示す概略図である。 被処理水及び循環水を供給する供給管の接続位置を説明する図１のII-IIに沿った断面概略図である。 従来の供給管の接続位置を説明する断面概略図である。 本発明の実施の形態の第１の変形例に係る晶析装置の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態の第２の変形例に係る晶析装置の一例を示す概略図である。 実施例における旋回流の発生状況の評価方法を説明する概略図であり、図６（ａ）は反応槽の側面から見た概略図、図６（ｂ）は図６のＶＩ−ＶＩ方向に沿った断面概略図である。 旋回距離と循環水の供給線速度との関係を表すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る晶析装置は、第１の反応槽１と、第２の反応槽２と、固液分離手段３と、第１の反応槽１及び第２の反応槽２の下部に旋回流を発生させるように、被処理水及び処理水の一部を循環水の一部として第１の反応槽１及び第２の反応槽２の下部から供給する供給管（被処理水供給管１１、２１、循環水供給管１２、２２）を備える。

以下の説明では、第１の反応槽１及び第２の反応槽２の２つの反応槽を用いて被処理水を処理する例を説明するが、反応槽の個数は特に制限されない。即ち、単一の反応槽を用いて被処理水を処理することもできるし、２つ以上の反応槽を用いてもよい。

第１の反応槽１及び第２の反応槽２は、被処理水を上向流で通水し、第１の反応槽１及び第２の反応槽２の内部で流動する粒子と接触させることにより、被処理水中の被除去イオンを難溶性塩の結晶として析出させるための反応槽である。

第１の反応槽１及び第２の反応槽２には、流動層方式の晶析反応槽が用いられる。第１の反応槽１及び第２の反応槽２における晶析反応によって、被処理水中に含まれる所望のイオン、例えば、リン酸イオン、カルシウムイオン、フッ素イオン、炭酸イオン、硫酸イオン等が除去される。第１の反応槽１及び第２の反応槽２内には被除去イオンをその表面で結晶化させるための粒子（種晶）及び薬剤が装入され、図示しないｐＨ計などにより、槽内が晶析反応に好適な条件に維持されている。

第１の反応槽１の上部には、処理水流出管１３が接続されている。第２の反応槽１の上部には処理水流出管２３が接続されている。第１の反応槽１及び第２の反応槽２で処理された処理水は、処理水流出管１３及び処理水流出管２３を介して固液分離手段３へ供給される。

固液分離手段３は、第１の反応槽１及び第２の反応槽２で得られた処理水中に含まれる難溶性塩の結晶からなる微細な粒子を例えば沈降分離などにより固液分離することが可能な手段である。図１では、固液分離手段３として、第１の反応槽１及び第２の反応槽よりもタンク径を大きくして液上昇流速を小さくするようにした沈殿槽を用いた例を示すが、この構成には限定されない。固液分離手段３は省略することも可能である。

固液分離手段３で得られた上澄み液は、固液分離手段３の処理水として固液分離手段３の上部から処理水流出管３３を介して外部へ排出される。固液分離手段３の底部に沈積した難溶性塩の結晶からなる粒子は、固液分離手段３の底部に接続された抜取管３４を介して、連続的或いは間欠的に第１の反応槽１または第２の反応槽２に供給することが可能である。処理水流出管３３を介して外部へ排出される処理水の一部は、循環水として循環水返送管３５を介して循環水供給管１２、２２から第１の反応槽１及び第２の反応槽２内へそれぞれ供給される。

第１の反応槽１及び第２の反応槽２は、反応槽の底部に、反応槽の底部へ向けてその断面積が次第に小さくなる錐体状の粒子沈殿部１ａ、２ａを備えている。粒子沈殿部１ａ、２ａには、第１の反応槽１及び第２の反応槽２内を流れる上向流に逆らって、重力により沈降した比較的粒径の大きな難溶性塩の結晶からなる粒子が堆積している。

第１の反応槽１の粒子沈殿部１ａに堆積した粒子は、例えば、粒子沈殿部１ａの底部に接続された抜取管１４を介して回収することができる。第２の反応槽２の粒子沈殿部２ａに堆積した粒子は、粒子沈殿部２ａの底部に接続された抜取管２４を介して第１の反応槽１へ供給することができる。

第２の反応槽２の粒子沈殿部２ａに堆積した粒子を第１の反応槽１内へ供給することで、第１の反応槽１で晶析する難溶性塩の粒子サイズを大きくすることができる。なお、図１では、第１の反応槽１の底部から粒子を回収する例を示しているが、反対の構成、即ち、第１の反応槽１の底部に沈殿した粒子を第２の反応槽２へ供給し、第２の反応槽２内において粒子を粗大化させ、粗大化した粒子を第２の反応槽２の底部から抜き出すような構成を採用しても構わない。

粒子沈殿部１ａ、２ａには、それぞれ被処理水供給管１１、２１及び循環水供給管１２、２２が接続されている。被処理水供給管１１、２１及び循環水供給管１２、２２を介して、被処理水及び循環水がそれぞれ供給されることにより、粒子沈殿部１ａ、２ａ内に旋回流を生じさせることができるように構成されている。

第１の反応槽１及び第２の反応槽２で進行する晶析反応によって生成された結晶の粒子径が大きくなりすぎると、偏流が起こり、被処理水と循環水と粒子の接触効率が低下することがあることが分かった。そこで、本実施形態では、第１の反応槽１及び第２の反応槽２の下部に旋回流を発生させるように構成することで、第１の反応槽１及び第２の反応槽２内の混合状態が良好になるため、各反応槽の下部において、被処理水中の被除去イオンと、この被除去イオンと反応する粒子を含む液体とが直接接触することにより発生し得る微細な結晶粒子の生成を抑制することができる。

粒子沈殿部１ａ、２ａに旋回流を生じさせる態様としては、以下に制限されるものではないが、例えば、第１の反応槽１及び第２の反応槽２の下部から供給される被処理水及び循環水を、第１の反応槽１及び第２の反応槽２の側面の接線方向からそれぞれ導入することが好ましい。

具体的には、例えば図２に示すように、被処理水供給管１１及び循環水供給管１２が、粒子沈殿部１ａの側面の接線方向に接続されており、被処理水及び循環水を、第１の反応槽１の側面の接線方向からそれぞれ導入することで、第１の反応槽１の下部、即ち、粒子沈殿部１ａに旋回流を発生させることが好ましい。

被処理水供給管１１及び循環水供給管１２を利用して旋回流を発生させることにより、旋回流を発生させるための特別な装置を組み入れる場合に比べて、経済的で装置サイズを小さくすることができ、簡易な構成で槽内を安定した流動状態に維持できる。図示を省略しているが、第２の反応槽２も同様に、被処理水供給管２１及び循環水供給管２２が、粒子沈殿部２ａの側面の接線方向に接続されていることが好ましい。

なお、図２の例では、被処理水供給管１１及び循環水供給管１２の延在方向が互いに平行となるように粒子沈殿部１ａに接続される例を示しているが、図２に示す配置関係には限定されないことは勿論である。即ち、被処理水供給管１１及び循環水供給管１２は、必要に応じて設置箇所を変更したり、供給管の設置個数を変更したりすることもできることは勿論である。

被処理水供給管１１、２１及び循環水供給管１２、２２が粒子沈殿部１ａ、２ａに接続される高さ方向の位置は、少なくとも、粒子沈殿部１ａ、２ａに沈殿した粒子を流動させることが可能な位置であれば特に制限されない。

被処理水と循環水の供給線速度を上げるほど、液の旋回距離が長くなり、第１及び第２の反応槽１、２の下部の混合状態が良好になる。そのため、循環水の第１及び第２の反応槽１、２への流入量を増加させて循環水の供給線速度を高めることにより、より効果的に旋回流を生じさせることができる。

以下に限定されるものではないが、例えば、被処理水の供給線速度を０．１〜２．０ｍ／ｓとした場合に、循環水の供給線速度を０．５ｍ／ｓ以上、より典型的には１．０ｍ／ｓ以上、更に典型的には１．０〜５．０ｍ／ｓとすることで、適正な旋回流を発生させることができる。旋回流の発生装置を第１の反応槽１及び第２の反応槽２に配置しても構わない。

図１に示すように、循環水返送管３５には、イオン供給手段４が接続されている。イオン供給手段４は、循環水に対し、被処理水中に含まれる被除去イオンを補充する手段である。例えば、被処理水中に含まれる被除去イオンとして、マグネシウムイオンを除去したい場合には、イオン供給手段４から循環水返送管３５を流れる循環水に対してマグネシウムイオンを添加することにより、第１及び第２の反応槽１、２内にマグネシウムイオンがより拡散されやすくなるため、各反応槽１、２内に十分な量のマグネシウムイオンを流動させることができ、各反応槽１、２内におけるリン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）粒子の生成反応をより効率的に進めることができる。

更には、第１及び第２の反応槽１、２の下部から気体を供給し、第１及び第２の反応槽１、２の下部に沈降した難溶性塩の結晶からなる粒子を流動させることが好ましい。粒径の大きな粒子は、沈降しやすく流動しにくいため、被処理水及び循環水を第１及び第２の反応槽１、２の下部へ供給するだけでは、旋回流が適切に発生しない場合がある。第１及び第２の反応槽１、２の下部から例えば圧縮空気などの気体を供給することで、第１及び第２の反応槽１、２内に適切な流動状態を作り出すことが容易になる。

図１の例では、反応槽撹拌のための気体の供給位置が、被処理水及び循環水が供給される位置よりも高い位置から供給される例を示しているが、第１及び第２の反応槽１、２の下部、具体的には粒子沈殿部１ａ、２ａに沈降する粒子を流動させることができる態様であれば、その具体的設置位置は図１に示す例に限定されないことは勿論である。

従来の晶析反応槽においては、被処理水供給管１１１及び循環水供給管１１２の接続位置が、反応槽の高さ方向に垂直な断面に沿った円形状の反応槽断面の接線方向に対して垂直になるように接続されていた（図３参照）。そのため、被処理水及び循環水が、反応槽内部に供給された直後に混合され、微細な粒子が生成され、この微細な粒子が槽内部の上向流に乗って反応槽外部へ排出される場合があった。

本発明の実施の形態によれば、第１及び第２の反応槽１、２の側面の接線方向、第１及び第２の反応槽１、２の高さ方向に垂直な断面に沿った円形状の反応槽断面の接線方向に沿って被処理水供給管１１、２１及び循環水供給管１２、２２が接続されている。そのため、被処理水供給管１１、２１及び循環水供給管１２、２２から被処理水及び循環水を供給することによって、第１及び第２の反応槽１、２の下部に旋回流を発生させることができる。これにより、第１及び第２の反応槽１、２内の液の混合状態を良好にすることができ、微細な粒子の装置外部への排出を抑制することができる。

（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態及び運用技術が明らかとなろう。

図１に示す晶析装置では、第２の反応槽２の底部に沈殿する粒子を、粒子沈殿部２ａの底部に接続された抜取管２４を介して第１の反応槽１へ供給する例を説明したが、図４に示すように、第１の反応槽１と第２の反応槽２との間に、エアリフト管５を使用することも可能である。

エアリフト管５は、第１の反応槽１の装置上部に収容された内筒１０内と第２の反応槽２の下部との間に接続されている。これにより、エアリフト管５は、第１の反応槽１の内筒１０内で生成された難溶性塩の結晶からなる微細な粒子を、第２の反応槽２内へ送ることが可能である。また、エアリフト管５は、第２の反応槽２内において成長して粒径が大きくなった粗大な粒子を第１の反応槽１へ送り込むこともできる。図４に示す晶析装置によれば、微細な結晶粒子の装置外部への流出を更に抑制して難溶性塩の結晶からなる粒子の回収効率を向上させることが更に可能となる。

図５に示すように、第１及び第２の反応槽１、２にそれぞれ、第１及び第２の反応槽１、２で得られる粒子を第１及び第２の反応槽１、２の外部へ排出可能なエアリフト管５ａ、５ｂをそれぞれ配置してもよい。エアリフト管５ａ、５ｂは、エアリフト管を洗浄するための洗浄水を受け入れる洗浄水受入部５２ａ、５２ｂと、洗浄水受入部５２ａ、５２ｂよりも下部に設けられたバルブ５１ａ、５１ｂと、洗浄水受入部よりも上部に設けられた気泡分離部５３ａ、５３ｂと、気泡分離部５３ａ、５３ｂに接続され、気泡分離部５３ａ、５３ｂにおいて気泡が分離された粒子を含む液体を反応槽の外部へ排出するスラリー排出部５４ａ、５４ｂとを備える。洗浄水受入部５２ａ、５２ｂには循環水返送管３５が接続され、これにより第１及び第２の処理水の一部の循環水を洗浄水として利用することが可能である。或いは、洗浄水受入部５２ａ、５２ｂから清水を供給し、この清水を洗浄水として供給するようにしてもよい。図５の例では、エアリフト管５ｂは、第２の反応槽２で得られる粒子を第１の反応槽１内へ供給することができる。エアリフト管５ａは、第１の反応槽１で得られる粒子を第１の反応槽１の外部へ排出することができる。図５に示す晶析装置によれば、微細な結晶粒子の装置外部への流出を更に抑制することが更に可能となり、装置の洗浄及びメンテナンス作業も容易になる。

このように、本発明の実施の形態に係る晶析装置及び晶析方法は種々の変形を加えることが可能であり、本発明は上記の開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものである。そのため、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲において変形し具体化し得るものである。

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。

流動層方式の模擬晶析反応槽を用いて、模擬晶析反応槽内部の旋回流の発生状況を観察した。模擬晶析反応槽においては、図６（ａ）に示すように、反応槽１の下部に形成された錐体状部分をなす粒子沈殿部１ａの側面に、被処理水供給管１１及び循環水供給管１２を、反応槽１の高さ方向に対して略垂直になるように接続するとともに、図６（ｂ）に示すように、被処理水供給管１１及び循環水供給管１２の延在方向（長さ方向）が、粒子沈殿部１ａの内側面に対する接線方向と同じになるように模擬晶析反応槽に接続した。このような模擬晶析反応槽に対し、被処理水を供給量８．３Ｌ／ｍｉｎ、供給線速度０．５ｍ／ｓの一定速度で供給し、循環水供給管１２（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の位置）から供給する循環水の供給線速度を０．５〜５．０ｍ／ｓの間で変化させて、模擬晶析反応槽内に沈積するＭＡＰ粒子の流動状況を評価した。試験条件を表１に示す。

評価方法は以下に準じて行った。図６（ｂ）の断面において粒子が旋回した距離を旋回距離Ｌとし、図６（ａ）のＶＩ−ＶＩ断面を基準点として反応槽１の高さ方向に流動していない粒子が存在する最も高い高さを不動高さＨとした。供給線速度と旋回距離との関係を図７に示す。

本実施例によれば、被処理水供給管１１及び循環水供給管１２の延在方向が粒子沈殿部１ａの内側面に対する接線方向と同じになるように模擬晶析反応槽に接続することで、反応槽１内に旋回流を発生させることができた。更に、本実施例によれば、供給線速度を早くするほど旋回距離Ｌが長くなり、不動高さＨが低くなり、ＭＡＰ粒子の流動状態が良好になることが分かった。

１…第１の反応槽
２…第２の反応槽
１ａ、２ａ…粒子沈殿部
３…固液分離手段
４…イオン供給手段
５、５ａ、５ｂ…エアリフト管
１０…内筒
１１、２１…被処理水供給管
１２、２２…循環水供給管
１３…処理水流出管
１４…抜取管
２３…処理水流出管
２４…抜取管
３３…処理水流出管
３４…抜取管
３５…循環水返送管
５１ａ、５１ｂ…バルブ
５２ａ、５２ｂ…洗浄水受入口
５３ａ、５３ｂ…気泡分離部
５４ａ、５４ｂ…スラリー排出部
１１１…被処理水供給管
１１２…循環水供給管

Claims (9)

1. 被処理水を上向流で通水し、反応槽内で流動する粒子と接触させることにより、前記被処理水中の被除去イオンを難溶性塩の結晶として析出させる晶析方法であって、
   前記反応槽の下部に旋回流を発生させるように、前記被処理水及び前記反応槽の処理水の一部を循環水として前記反応槽の下部から供給することを特徴とする晶析方法。
2. 前記被処理水及び前記循環水を、前記反応槽の側面の接線方向からそれぞれ導入することにより、前記旋回流を発生させることを含む請求項１に記載の晶析方法。
3. 前記循環水に被除去イオンを添加することを含む請求項１又は２に記載の晶析方法。
4. 前記反応槽の下部から気体を供給し、前記反応槽の下部に沈降した前記難溶性塩の結晶からなる粒子を流動させることを更に含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の晶析方法。
5. 前記反応槽を２層以上備え、第１の反応槽で得られた難溶性塩の結晶からなる粒子を第２の反応槽以降の反応槽へ導入し、前記第２の反応槽以降の反応槽で得られる難溶性塩の結晶からなる粒子を前記第１の反応槽へ返送することを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の晶析方法。
6. 被処理水を上向流で通水し、内部で流動する粒子と接触させることにより、前記被処理水中の被除去イオンを難溶性塩の結晶として析出させる反応槽を備える晶析装置であって、
   前記反応槽の下部に接続され、前記反応槽の下部に旋回流を発生させるように、前記被処理水及び前記反応槽の処理水の一部を循環水として前記反応槽の下部から供給する供給管を備えることを特徴とする晶析装置。
7. 前記被処理水及び前記循環水を供給するための前記供給管が、前記反応槽の側面の接線方向に沿ってそれぞれ配置されていることを含む請求項６に記載の晶析装置。
8. 前記反応槽を２槽以上備え、第１の反応槽で得られた難溶性塩の結晶を第２の反応槽以降の反応槽へ導入し、前記第２の反応槽以降の反応槽で得られる難溶性塩の結晶を前記第１の反応槽へ返送することを含む請求項６又は７に記載の晶析装置。
9. 前記反応槽を２層以上備え、第１の反応槽で得られる粒子を前記反応槽の外部又は他の反応槽内へ供給可能なエアリフト管を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の晶析装置。