本發(fā)明涉及一種有效除去地下水等原水中所含有的超出環(huán)境基準值的砷的方法。
背景技術(shù):
以往,作為從含有超出環(huán)境基準值的砷的地下水等原水中除去砷的處理方法,人們知曉專利文獻1中所示的共沉淀處理法。該共沉淀處理法為,向原水中添加氯化鐵,投放氧化劑,形成氫氧化鐵的懸濁物。接著添加聚合氯化鋁,在原水中使砷和氫氧化鐵凝結(jié)沉淀。
專利文獻1:日本特開平7-289805號公報
技術(shù)實現(xiàn)要素:
但是,在要使原水中的砷與氫氧化鐵凝結(jié)沉淀時,需要針對原水中含有的0.1~0.2mg/l的砷,添加20~40mg/l的氯化鐵和聚合氯化鋁等添加物。因此,鐵/砷的比率(fe/as)成為100~200。
因此,當要除去原水中的砷時,針對原水中含有的砷,需要是其100~300倍這樣大量的添加劑(氯化鐵和聚合氯化鋁)。此時,若針對原水中的砷添加大量的添加劑,則會立即生成比較大的懸濁態(tài)的氫氧化鐵。因此,在原水中的砷只能電氣地離子吸附于氫氧化鐵周圍,砷的捕獲效率變得非常差。而且,大量添加的添加劑會使運行成本暴漲,而且用來除去砷的添加劑的廢棄量也是很大的量。
本發(fā)明是鑒于所述這點而做出的,目的在于提供一種原水處理方法,通過將原水的ph值調(diào)整為中性附近并以高流速做處理來抑制生成懸濁態(tài)的氫氧化鐵,在使添加或存在于該原水中的溶解態(tài)的鐵在微小顆粒狀載體的表面發(fā)生接觸氧化反應而生成的氫氧化鐵上吸附原水中的砷,從而有效提高砷的捕獲效率,能大幅抑制添加劑引起的運行成本暴漲,并能大幅削減添加劑的廢棄量。
為了實現(xiàn)所述目的,本發(fā)明中,原水處理方法的特征在于,包括:第1工序,將含有超出環(huán)境基準值的砷的原水投放到內(nèi)部填充有顆粒狀載體的處理槽中;第2工序,向所述處理槽的原水中添加酸性或堿性的溶液,以將通過所述第1工序投放到所述處理槽內(nèi)部的原水的ph值調(diào)整為6.5~8.5,并以在原水中不能生成氫氧化鐵的懸濁體的流速做處理;第3工序,使添加或存在于通過所述第2工序做了調(diào)整的原水中的溶解態(tài)的鐵在所述載體的表面發(fā)生接觸氧化反應,生成氫氧化鐵覆膜,使所述原水中的砷吸附于所生成的氫氧化鐵或是與所生成的氫氧化鐵形成絡合物,從而捕獲所述原水中的砷。
此外,優(yōu)選在所述第2工序中,將所述處理槽的原水的ph值調(diào)整為6.5~7.5。
此外,優(yōu)選在所述第1工序中,原水自一端連結(jié)于原水投入管且中間具有空氣流入口的原水混氣管嘴的另一端,從所述處理槽的上方投放到所述處理槽的內(nèi)部,此時,利用從另一端壓送原水的所述原水混氣管嘴的引射效應,使空氣從所述空氣流入口流入,與原水混合,從而使原水中的溶解氧濃度為飽和狀態(tài)。
此外,優(yōu)選使結(jié)束了所述第3工序的處理水或者清洗水定期反向流到所述處理槽的內(nèi)部而對所述載體做反向清洗。
總之,如上所述,針對投放到處理槽內(nèi)部的原水,添加酸性或者堿性的溶液這樣的添加劑,將該原水的ph值調(diào)整為6.5~8.5,并以在原水中不能生成氫氧化鐵的懸濁體的流速做處理。而且,添加到或存在于調(diào)整了ph值的原水中的溶解態(tài)的鐵在載體的表面發(fā)生接觸氧化反應,生成氫氧化鐵,由該生成的氫氧化鐵吸附和捕獲原水中的砷。由此,與只能使砷電氣地離子吸附在原水中生成的懸濁態(tài)的氫氧化鐵的周圍的技術(shù)相比,本技術(shù)方案使原水中的鐵以溶解態(tài)在載體的表面發(fā)生接觸氧化反應而在各載體的整個表面生成氫氧化鐵,使砷電氣地離子吸附于在各載體的整個表面生成的氫氧化鐵,或是與該氫氧化鐵形成絡合物,從而捕獲砷。結(jié)果是,能非常高效地連同鐵成分一起捕獲原水中的砷,有效地提高砷的捕獲效率。而且,由于通過添加添加劑將原水的ph值調(diào)整為6.5~8.5,由此能大幅抑制由添加劑引起的運行成本暴漲,并能大幅削減添加劑的廢棄量。
此外,通過在所述第2工序中將處理槽的原水的ph值調(diào)整為6.5~7.5,能使表面電荷只帶負電且隨著ph值接近堿性側(cè)而帶電量增大的砷、和以ph值8.5為界而隨著接近酸性側(cè)而表面電荷的正電荷的帶電量增大的溶解態(tài)的鐵,在彼此的等電點(isoelectricpoint)附近更高效地進行離子吸附或是形成絡合物,能使砷牢固地吸附于遍及各個載體的整個表面的氫氧化鐵,能非常有效地連同鐵成分一起捕獲原水中的砷。
此外,在第1工序中,利用從處理槽的上方向處理槽的內(nèi)部壓送原水的原水混氣管嘴的引射效應,使空氣從空氣流入口流入,使原水中的溶解氧濃度為飽和狀態(tài),從而不必做曝氣處理,就能容易地結(jié)合溶解氧的氧化能力使原水中的溶解鐵成分在載體表面發(fā)生接觸氧化而成為氫氧化鐵,即使是原水中包含有二氧化硅等,也能不產(chǎn)生膠體狀的二氧化硅鐵地高效地氧化鐵成分。
再者,通過使結(jié)束了第3工序的處理水或清洗水定期反向流動到處理槽的內(nèi)部而反向清洗載體,能夠利用反向清洗水(處理水或清洗水),將形成于載體表面的氫氧化鐵連同吸附于其上的砷一起清洗掉,排出到處理槽的外部,能持續(xù)發(fā)揮載體對原水的處理效果。
附圖說明
圖1是示意性地表示本發(fā)明實施方式的原水處理方法所用的原水處理裝置的一個例子的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2是圖1的原水處理裝置所使用的原水混氣管嘴的立體圖。
圖3是表示as-fe-o-h-s系的ph-eh圖表的圖。
圖4是分別表示氫氧化鐵和砷的伴隨著ph變化的表面電荷量的變化的特性圖。
圖5是表示以lv=200m/天的線速度進行處理槽中的處理時的原水中的砷濃度相對于添加劑(鐵溶液)的添加量的關(guān)系的特性圖。
圖6是表示以lv=400m/天的線速度進行處理槽中的處理時的原水中的砷濃度相對于添加劑(鐵溶液)的添加量的關(guān)系的特性圖。
圖7是示意性地表示本實施方式的變形例的原水處理方法中所用的原水處理裝置的一個例子的結(jié)構(gòu)簡圖。
具體實施方式
以下,基于附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。
圖1表示的是示意性地表示本發(fā)明實施方式的從原水中除去砷的原水處理方法中所用的原水處理裝置的一個例子的結(jié)構(gòu)簡圖。
在圖1中,附圖標記1是原水處理裝置,該原水處理裝置1具備:內(nèi)部填充有顆粒狀的載體10的處理槽11、向該處理槽11的內(nèi)部投放原水g的原水投放管12、從處理槽11的內(nèi)部取出處理水的取出管13。處理槽11使用的是平面視圖呈矩形的筒狀的槽。
在處理槽11的底部堆積到該處理槽11的高度的大致25%(例如約600mm)的支承礫石材料17之上,載體10堆積到處理槽11的高度的約50%(例如約1000~1200mm)。該載體10使用粒徑約為0.6mm的硅砂。另一方面,作為支承礫石材料17使用分為四層171~174的彼此粒徑不同的河礫石。該支承礫石材料17由用粒徑約為12~20mm的河礫石層疊到約300mm高的最下層171、位于該最下層171之上且用粒徑約為6~12mm的河礫石層疊到約100mm高的中下層172、位于該中下層172之上且用粒徑約為3~6mm的河礫石層疊到約100mm高的中上層173、以及層疊于該中上層173之上且用粒徑約為1~3mm的河礫石層疊到約100mm高的最上層174構(gòu)成。需要說明的是,支承礫石材料優(yōu)選是河礫石,但是只要性能同于河礫石,就不做任何限定。此外,載體10不限于硅砂,除此之外,可以使用無煙煤或石榴子石等。
原水投放管12由鋼管等構(gòu)成,其上設有未圖示的送水泵。該原水投放管12的下游側(cè)延伸到處理槽11的上方并一分為二,各分支端分別連接原水混氣管嘴14、14的一端141、141。原水混氣管嘴14不限于兩個,可以只設置一個或是設置三個以上。
圖2表示原水處理裝置1中使用的原水混氣管嘴14的立體圖。如該圖2所示,各原水混氣管嘴14分別以軸線朝向大致鉛直方向的方式配置,其另一端142(下端)形成有使原水g以噴射水流的形式噴出的原水噴出口。各原水混氣管嘴14的內(nèi)徑設定為大致5~30mm。此外,各原水混氣管嘴14的軸線方向大致中間部附近設置有唯一的空氣導入口143。該空氣導入口143設定為與各原水混氣管嘴14大致相同的大小。
從原水投放管12經(jīng)由各原水混氣管嘴14送來的原水g以使處理槽11內(nèi)部的水深維持在規(guī)定深度這樣的流速(例如線速度lv=200~400m/天)投放。此外,各原水混氣管嘴14的下端142浸漬于處理槽11內(nèi)部的原水g。而且,空氣導入口143位于處理槽11內(nèi)部的比原水g的水面ga靠上方的位置,以順暢地向原水混氣管嘴14內(nèi)取入空氣。這種情況下,處理槽11的載體10的表層面在同時滿足位于處理槽11內(nèi)部高度的大致40%位置的基礎上,與各原水混氣管嘴14的下端142(原水噴出口)隔開規(guī)定間隔(例如約300mm)地位于該下端142的下方。
此外,在原水投放管12的比一分為二的部位靠上游側(cè)的位置連接有用于對處理槽11的原水g添加添加劑的添加劑供給管15的下游端。該添加劑供給管15的上游端連接有添加劑供給源151,利用設于該添加劑供給管15中途的閥芯152的開關(guān)動作,使來自添加劑供給源151的添加劑經(jīng)由添加劑供給管15混入到原水投放管12,添加劑在被各原水混氣管嘴14做了攪拌的狀態(tài)下添加到處理槽11的原水g中。這種情況下,原水g基本上不含鐵成分,使用的是ph值比中性略高的弱堿性的泉水,因此,從這個觀點出發(fā),使用ph值比中性低的酸性的鐵溶液(鐵的溶解體)作為添加劑。
圖3是表示as-fe-o-h-s系的ph-eh圖表的圖,圖4是分別表示氫氧化鐵和砷的伴隨著ph變化的表面電荷量的變化的特性圖。圖3中,鐵隨著成為氧化還原電位eh走低的還原狀態(tài)而容易以離子形式存在,但是,在離子狀態(tài)下,鐵成不了除去砷的載體,因此,需要鐵保持某種程度以上的氧化狀態(tài)。這在圖3中是比用虛線圈起來的線靠右上的區(qū)域(用空心箭頭表示的區(qū)域)。此時,泉水等原水g的ph值一般在中性(ph值=7)附近,因此,需要使氧化還原電位eh保持在0附近以上(氧化還原狀態(tài)的調(diào)整)。
如圖4所示,氫氧化鐵的表面電荷在ph值比8.5靠酸性側(cè)越發(fā)帶正電。另一方面,砷的表面電荷在ph值的所有區(qū)域中都帶負電,越靠酸性側(cè)則負電的電荷越小。從這個觀點出發(fā),在容易操縱并除去砷這點上,為了使氫氧化鐵的表面電荷和砷的表面電荷接近彼此的等電點,將原水g的ph值調(diào)整為6.5~7.5。此時,處理槽11的原水g的ph值可以處于再大一點范圍而調(diào)整為6.5~8.5,這種情況下,使氫氧化鐵的表面電荷和砷的表面電荷位于彼此間離開些許的等電點附近,因此,能高效地除去砷。
取出管13沿著處理槽11的底面向大致水平方向延伸地配置,埋設于支承礫石材料17。該取出管13是用于將用載體10對處理槽11內(nèi)部的原水g作過處理而得到的處理水取出到處理槽11外的管路,具有直徑比支承礫石材料17的粒徑小的多個孔部131、131、……。此外,處理槽11外的取出管13一分為二,在各分支部分分別設有閥芯132、133。取出管13的一側(cè)分支部分(閥芯132側(cè))連接于用于取出被處理槽11處理過的處理水的取出路徑,而另一側(cè)分支部分(閥芯133側(cè))連接于向處理槽11供給反向清洗水的供給路徑。而且,在處理槽11處理過的處理水從取出管13經(jīng)由一側(cè)分支部分取出到取出路徑時,使一側(cè)分支部分的閥芯132打開,使另一側(cè)分支部分的閥芯133保持關(guān)閉,另一方面,在做后述的反向清洗時,在來自供給路徑的反向清洗水從另一側(cè)分支部分經(jīng)由取出管13供給到處理槽11時,使另一側(cè)分支部分的閥芯133打開,一側(cè)分支部分的閥芯132保持關(guān)閉,由此,使得從處理槽11取出處理水和針對處理槽11供給反向清洗水得以順暢進行。這種情況下,取出路徑的下游端連接于處理水的貯存箱(未圖示),該貯存箱上還連接有供給路徑的上游端,反向清洗水使用的是,從取出管13經(jīng)由取出路徑取出來的處理水以貯存箱為起點經(jīng)由供給路徑反向流動得到的水。
此外,取出管13用于向處理槽11內(nèi)部供給反向清洗水而反向清洗載體10。在向處理槽11內(nèi)部供給反向清洗水時,使用未圖示的泵。此外,在處理槽11的上端設有排出管16的排出口161,在將反向清洗載體10時從取出管13供給來并在處理槽11的內(nèi)部溢流的反向清洗水排出到處理槽11外之際,使用該排出管16。在這種情況下,反向清洗水使用的是經(jīng)由取出管13已取出到處理槽11外的處理水,該反向清洗水再次經(jīng)由取出管13反向流動到處理槽11內(nèi)。此時,載體10的反向清洗一天做一次、做20~30分鐘即可。另外,反向清洗水只要是經(jīng)由取出管13反向流動到處理槽11內(nèi)的反向流動水即可,可以是任何形式的反向流動水,反向清洗水也可以是從與處理水的貯存箱非接觸地另行設置的供給管路供給的反向清洗水經(jīng)由取出管13反向流動到處理槽11內(nèi)。
接著,對利用原水處理裝置1進行的原水的處理方法的順序的一個例子做說明。
首先,在第1工序中,使載體10的表層面之上的原水g的水深維持規(guī)定的深度,并從送水泵經(jīng)由原水投入管12和各原水混氣管嘴14向處理槽11內(nèi)部投放溶解氧為飽和狀態(tài)的原水g。
接著,在第2工序中,利用測量器(未圖示)測量處理槽11內(nèi)部的原水g的ph值。此時,原水g使用的是弱堿性的泉水,因此,使添加劑供給管15的閥芯152做打開動作而從添加劑供給源151將酸性的鐵溶液(鐵的溶解體)作為添加劑混入到原水投放管12,并使酸性的鐵溶液在被各原水混氣管嘴14做過攪拌的狀態(tài)下添加到處理槽11的原水g中,以將投放到處理槽11內(nèi)部的原水g的ph值調(diào)整到6.5~7.5。
然后,在第3工序中,結(jié)合由各原水混氣管嘴14形成的溶解氧的氧化能力,利用接觸氧化反應,使原水g中的溶解鐵成分即溶解性亞鐵離子在載體10(主要是載體10的中層部附近部分)的整個表面生成氫氧化鐵覆膜(2fe2++1/2o2+4oh-+h2o→2feooh·h2o)。此時,原水g中的溶解性亞鐵離子(溶解鐵成分)通過接觸氧化反應在載體10的整個表面各自形成氫氧化鐵覆膜,原水g中的砷吸附于該氫氧化鐵。
然后,因在載體10的整個表面上各自生成的氫氧化鐵覆膜構(gòu)成催化劑,促進了溶解性亞鐵離子的接觸氧化反應,形成氫氧化鐵(2fe2++1/2o2+4oh-+h2o→2fe(oh)3)。在形成該氫氧化鐵之際,切實地捕獲砷。
圖5是表示以lv=200m/天的線速度進行處理槽11中的處理時的原水g中的砷濃度相對于添加劑(鐵溶液)的添加量的關(guān)系的特性圖。圖6是表示以lv=400m/天的線速度進行處理槽11中的處理時的原水g中的砷濃度相對于添加劑(鐵溶液)的添加量的關(guān)系的特性圖。
在此,對向處理槽11的原水g中添加的添加劑(酸性的鐵溶液)的添加量做說明。如圖5所示,了解到的是,在第2工序中的處理槽11中的原水g的處理速度以高速(lv=200m/天的線速度)進行時,如果相對于原水g中的0.13mg/l的砷濃度添加1.0mg/l的鐵溶液,則可以使處理砷濃度為環(huán)境基準值以下地對砷做處理,此時的鐵/砷比率(fe/as)為約8.3。另一方面,如圖6所示,了解到的是,在第2工序中的處理槽11中的原水g的處理速度以更高速(lv=400m/天的線速度)進行時,如果相對于原水g中的0.13mg/l的砷濃度添加1.25mg/l的添加劑,則可以使處理砷濃度為環(huán)境基準值以下地對砷做處理,此時的鐵/砷比率(fe/as)為約10。此時,了解到的是,通過在第2工序中的處理槽11中的原水g的處理速度以高速(lv=200m/天的線速度或lv=400m/天的線速度)進行,原水g中不能生成氫氧化鐵的懸濁體,在不想在原水g中生成氫氧化鐵的懸濁體的情況下,處理槽11中的原水g的處理以線速度lv=200m/天以上的高速進行即可。
而后,處理槽11內(nèi)部的原水g,作為通過在載體10的整個表面吸附氫氧化鐵和伴隨著該氫氧化鐵的形成所捕獲到的砷而除去了該氫氧化鐵和砷的處理水,經(jīng)由取出管13從處理槽11的內(nèi)部排出。反復進行該操作,在經(jīng)過了大致一天的時刻,花約20~30分鐘的時間進行載體10的反向清洗。通過該反向清洗,利用反向清洗的水流,使形成于載體10的整個表面的氫氧化鐵和伴隨形成該氫氧化鐵所捕獲到的砷脫離載體10的表面,連同處理槽11內(nèi)部溢流的反向清洗水一起被經(jīng)由排出管16排出到處理槽11外。
因此,在本實施方式中,針對投放到處理槽11內(nèi)部的原水g,添加酸性的鐵溶液這樣的添加劑,將該原水g的ph值調(diào)整到6.5~7.5,利用接觸氧化反應,使做過了該調(diào)整的原水g中的溶解鐵成分即溶解性亞鐵離子在載體10的整個表面上生成為氫氧化鐵覆膜,由該氫氧化鐵吸附原水g中的砷。此時,載體10表面的氫氧化鐵覆膜構(gòu)成催化劑,促進溶解性亞鐵離子的接觸氧化反應,切實捕捉在形成氫氧化鐵時吸附于氫氧化鐵的砷。因此,與只是能在原水中生成的懸濁態(tài)的氫氧化鐵的周圍電氣地離子吸附砷的情況相比,原水g中的溶解態(tài)的鐵在各載體10的表面發(fā)生接觸氧化反應,于在各個載體10的整個表面生成的氫氧化鐵上電氣地離子吸附砷或是與砷形成絡合物,能非常高效地捕獲原水g中的砷。
此時,就向處理槽11的原水g中添加的添加劑(酸性的鐵溶液)的添加量而言,在使原水g的處理速度以高速(lv=200m/天的線速度)進行時,添加量相對于原水g中的0.13mg/l的砷濃度為1.0mg/l足以,另一方面,在使原水g的處理速度以更高速(lv=400m/天的線速度)進行時,添加量相對于原水g中的0.13mg/l的砷濃度為1.25mg/l足以。由此,如果是鐵/砷的比率(fe/as)為大約8.3~大約10,就可以使處理砷濃度為環(huán)境基準值以下地處理砷,因而,考慮了安全性,鐵/砷的比率(fe/as)只要是12就足夠,相比于因為砷只是電氣地離子吸附于懸濁態(tài)的氫氧化鐵周圍而使得鐵/砷的比率(fe/as)成為100~200的情況,本發(fā)明可以將添加劑的添加量大幅地減小到其大致1/10~1/20。結(jié)果是,伴隨著用原水處理裝置1除去砷時的添加劑的大幅削減,能大幅抑制運行成本暴漲,而且還可以大幅削減添加劑的廢棄量。
而且,可以保證以線速度為lv=400m/天這樣的高速來處理原水g,可以充分確保原水g的處理能力。
此外,經(jīng)由各原水混氣管嘴14向處理槽11內(nèi)部投放溶解氧為飽和狀態(tài)的原水g,因此,不需要曝氣處理,結(jié)合溶解氧的氧化能力,容易使原水g中的溶解鐵成分在載體10的表面生成氫氧化鐵,即使原水g中含有二氧化硅等,也能不產(chǎn)生膠體狀的二氧化硅鐵地高效地氧化鐵成分。
此外,使經(jīng)由取出管13取出到處理槽11外的處理水定期反向流動到處理槽11的內(nèi)部而反向清洗載體10,因此,在載體10表面生成的氫氧化鐵連同吸附于該氫氧化鐵的砷一起被反向清洗水(處理水)洗掉而經(jīng)由排出管16排出到處理槽11外,能連續(xù)地發(fā)揮由載體10得到的原水g的處理效果。
需要說明的是,本發(fā)明不限于上述實施方式,包含其它各種變形例。例如,在上述實施方式中,使用了平面視圖呈矩形的筒狀的處理槽11,也可以如圖7所示,使用平面視圖呈圓形的筒狀的處理槽21。該處理槽21具備帶底圓筒狀的處理槽本體22和蓋在該處理槽本體22的上端部且直徑大于該處理槽本體22的大直徑的處理槽分體23。處理槽分體23具有帶底圓筒狀的下部件231(其在底部的中心附近具有與處理槽本體22的外徑大致一致的孔部230)和大致圓板形狀的上部件233(其具有供各原水混氣管嘴14插通的插通孔232,并從上方將下部件231的開口閉塞)。處理槽分體23的下部件231在孔部230插通有處理槽本體22的外表面的狀態(tài)下以水密狀熔接于上端部。此外,來自各原水混氣管嘴14的原水g一度駐留于與處理槽本體22的外表面之間的環(huán)狀的貯留部234,從處理槽本體22的上端溢流、投放到該處理槽本體22的內(nèi)部。而且,下部件231的底部連接有排出管26的排出口261,該排出管26用于將在反向清洗載體10時從取出管13供給并從處理槽22的上端溢流到貯留部234的反向清洗水排出到貯留部234外,通過設于該排出管26上的閥芯262的打開動作將反向清洗水排出到貯留部234外。
此外,在上述實施方式中,為了將投放到處理槽11內(nèi)部的原水g的ph值調(diào)整為6.5~7.5,將酸性的鐵溶液(鐵的溶解體)作為添加劑混入到原水投放管12,但是,也可以是為了將投放到處理槽內(nèi)部的原水的ph值調(diào)整為6.5~8.5,從添加劑供給源將酸性的鐵溶液(鐵的溶解體)作為添加劑混入到原水投放管。在后一種情況下,砷和溶解態(tài)的鐵能在彼此的等電點附近高效地相互拉近,砷能被充分地吸附于遍及各個載體的整個表面上的氫氧化鐵的覆膜,能連同鐵成分一起將原水中的砷高效地捕獲。
此外,在上述實施方式中,原水g使用的是因基本不含鐵成分而ph值比中性略高的弱堿性的泉水,但是,原水g也可以使用因含有過多鐵成分而導致ph值比中性低的酸性的泉水。在后一種情況下,為了將投放到處理槽內(nèi)部的原水的ph值調(diào)整為6.5~7.5(或者6.5~8.5),需要替代酸性的溶液,將堿性的溶液作為添加劑混入到到原水投放管中。
附圖標記說明
g、原水;10、載體;11、處理槽;12、原水投放管;14、原水混氣管嘴;143、空氣流入口;21、處理槽。