JP3788145B2

JP3788145B2 - 水処理方法及び水処理装置

Info

Publication number: JP3788145B2
Application number: JP34236999A
Authority: JP
Inventors: 繁樹澤田
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: JP2001149950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカルシウムイオン及びフッ素イオンを含む水を原水とする水処理方法及び水処理装置に係り、特に、フッ素イオンを含有する半導体製造工程の洗浄排水の回収再利用に当たり、この回収水を工水、市水等と混合して脱イオン処理する際に、濃縮水側で生じるフッ化カルシウムのスケール障害を防止して効率的な水処理を行う方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＲＯ膜濾過装置は、イオン交換樹脂のような再生を行う必要がないことから、脱イオン手段として好適に使用されているが、このＲＯ膜濾過装置を長期間安定に運転を継続するためには、原水中の濁質を予め除去する必要がある。この除濁手段としては、従来、凝集処理と、沈殿、浮上、砂濾過手段等を組み合わせた方法が用いられてきた。しかし、この方法では硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等のアルミニウム系凝集剤や、塩化第二鉄、ポリ硫酸鉄等の鉄系凝集剤を用いた凝集処理が必要とされ、原水の水質変動に対応した凝集剤の添加量の調整やｐＨ条件の調整等、煩雑な操作が必要となるという欠点があった。
【０００３】
近年、ＭＦ（精密濾過）膜やＵＦ（限外濾過）膜による膜濾過技術の進歩により、ＲＯ膜濾過に先立つ除濁手段として、ＭＦ膜やＵＦ膜を用いた膜濾過装置が採用されるようになってきた。ＵＦ又はＭＦ膜濾過装置であれば、用いた膜の孔径以上の濁質成分を確実に除去することができることから、必ずしも凝集処理を必要とせず、定期的な膜の逆洗操作を自動で組み込むことにより、簡便かつ確実に原水の除濁を行える。
【０００４】
ところで、半導体製造工場において発生する半導体チップの洗浄排水は、回収して脱イオン処理等を施すことにより純度を高めた後再利用されているが、この回収水の再利用に当っては、回収水に補給水としての工水、市水、井水等を混合して脱イオン処理が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カルシウムイオンを含む工水、市水、井水等をＭＦ又はＵＦ膜濾過装置で除濁処理した後、フッ素イオンを含む回収水と混合してＲＯ膜濾過装置で脱イオン処理すると、ＲＯ膜濾過装置のＲＯ膜面でフッ化カルシウム結晶が析出し、ＲＯ膜にスケール障害が生じる。
【０００６】
このフッ化カルシウムのスケール障害を防止するためには、ＲＯ膜濾過装置の前段にカルシウムイオンを除去するためのイオン交換処理が必要となることから、処理設備が複雑になり、処理コストが高騰するという問題がある。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点を解決し、カルシウムイオンを含有する工水、市水等とフッ素イオンを含有する回収水とを混合してＲＯ膜濾過装置で脱イオン処理するに当たり、イオン交換処理を必要とすることなく、スケール生成成分を効率的に除去して、ＲＯ膜面でのフッ化カルシウムのスケール障害を効果的に防止し、安定かつ効率的な処理を長期に亘り維持することができる水処理方法及び水処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の水処理方法は、カルシウムイオン及びフッ素イオンを含む原水を水処理する方法において、該原水をｐＨ８以上に調整すると共に原水に炭酸カルシウム結晶と燐酸及び／又は燐酸塩とを添加して炭酸カルシウム結晶を核としてフロロアパタイトを生成させた後、ＭＦ膜又はＵＦ膜により膜濾過処理して該フロロアパタイトを除去し、その後ＲＯ膜濾過処理することを特徴とする。
【０００９】
本発明の水処理装置は、カルシウムイオン及びフッ素イオンを含む原水の水処理装置において、該原水のｐＨ調整手段、原水に燐酸及び／又は燐酸塩を添加する手段並びに原水に炭酸カルシウム結晶を添加する手段を有する、炭酸カルシウム結晶を核としてフロロアパタイトを生成させる前処理手段と、該前処理手段の後段に設けられた、該フロロアパタイトを除去するＭＦ膜又はＵＦ膜を備える膜濾過手段と、該膜濾過手段の後段に設けられたＲＯ膜濾過装置とを備えてなることを特徴とする。
【００１０】
カルシウムイオン及びフッ素イオンを含む原水をｐＨ８以上に調整して炭酸カルシウム結晶と燐酸及び／又は燐酸塩とを添加することにより、原水中のフッ素イオンから難溶性のフロロアパタイトを生成させることができる。この難溶性のフロロアパタイトは、ＵＦ膜又はＭＦ膜で効率的に除去することができるため、後段の脱イオン処理において、フッ化カルシウムのスケール障害を防止することができる。
【００１１】
ところで、半導体洗浄排水（回収水）にはイソプロピルアルコール等の有機溶媒が含まれており、これを分解除去する必要がある。従来技術では、このような有機溶媒を除去するために、別途活性炭設備や紫外線酸化装置等のＴＯＣ除去装置を設ける必要があった。
【００１２】
本発明では、ＭＦ又はＵＦ膜濾過装置の入口側でオゾンを注入することにより、イソプロピルアルコール等の有機溶媒の分解を促進することができ、これにより、これらの有機物によるＭＦ又はＵＦ膜の膜汚染を防止して、長期に亘り高い透過流束を維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１，２は本発明の水処理装置の実施の形態を示す系統図である。なお、図１，２において、同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
【００１５】
図１の水処理装置では、カルシウムイオン含有水とフッ素イオン含有水とを混合した原水を、まず、原水槽１に導入してｐＨ調整及び薬剤の添加を行う。図１において、この原水槽１は後段のＭＦ膜濾過装置２の循環水槽を兼ねるものである。
【００１６】
なお、本発明において、処理するカルシウムイオン含有水としては、工業用水、市水、井水、河川水等の天然水等が挙げられる。また、フッ素イオン含有水としては、半導体製造工程、液晶製造工程等から排出されるフッ素イオンを含有する回収水が挙げられる。
【００１７】
原水槽１では、原水に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等のアルカリを添加してｐＨを８以上に調整すると共に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）結晶と燐酸（Ｈ_３ＰＯ_３）及び／又は燐酸塩を添加して所定時間攪拌することにより、フロロアパタイトを生成させる。
【００１８】
ここで調整ｐＨを８以上とするのは、フロロアパタイトの生成を促進するためであり、また、ＣａＣＯ_３結晶はフロロアパタイト結晶生成のための核として添加する。
【００１９】
調整ｐＨは過度に高くても後段のｐＨ調整も含め、薬剤コストが嵩むため、ｐＨ８〜１０程度、特に８〜９程度とするのが好ましい。
【００２０】
また、ＣａＣＯ_３結晶としては粒径５０〜５００μｍ程度のものを用いるのが好ましく、その添加量は原水に対して１〜２０ｍｇ／Ｌ程度とするのが好ましい。
【００２１】
また、燐酸及び／又は燐酸塩の添加量は原水のフッ素イオンの１〜２モル倍程度とするのが好ましく、通常の場合、原水に対してＰ換算濃度で２〜８ｍｇ／Ｌ程度添加するのが好ましい。燐酸塩としては、燐酸のナトリウム塩、カリウム塩等が挙げられる。
【００２２】
なお、この原水槽１には、必要に応じて塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂）等のカルシウム塩を添加して、カルシウムイオンを補給しても良い。即ち、フロロアパタイトの生成のためには、フッ素イオンに対して５〜１０モル倍程度のカルシウムイオンが共存することが好ましいことから、原水中にこのカルシウムイオンが不足する場合には、適宜カルシウム塩を添加して、カルシウムイオン濃度が５〜２０ｍｇ／Ｌ程度となるように調整する。
【００２３】
この原水槽１では、フロロアパタイトの生成のために滞留時間１０分以上を確保することが好ましく、フロロアパタイトの生成効率及び処理効率の面から、この滞留時間は１０〜３０分程度とするのが好ましい。
【００２４】
原水槽１での水は、次いでポンプＰ_１により、ＭＦ膜濾過装置２に通水して膜濾過処理する。この膜濾過処理により、フロロアパタイトが除去される。この膜濾過はクロスフロー形式で行うのが好ましく、循環水は原水槽１に返送する。このようにＭＦ膜の濃縮水を循環することにより原水槽１内の種晶濃度を高めて、フロロアパタイトの生成をより一層促進することができるようになる。
【００２５】
ＭＦ膜濾過装置２の透過水は次いで中間貯留槽３で、塩酸（ＨＣｌ）等の酸を添加してｐＨ８以下、好ましくはｐＨ５〜８に調整する。このようにｐＨを中性〜酸性側に調整することにより、後段のＲＯ膜濾過装置４のＲＯ膜面での炭酸カルシウムのスケール障害を防止することができる。
【００２６】
また、図１の装置では、炭酸カルシウムのスケール障害をより確実に防止するために、ＲＯ膜濾過装置４の前段の中間貯留槽３にスケール防止剤を添加している。
【００２７】
ここで、スケール防止剤としては特に制限は無いが、カルシウム塩の分散効果のある分散剤、具体的にはホスホン塩、アクリル酸、重合燐酸系分散剤や、カルシウムやフッ素とキレート作用のあるキレート剤、具体的にはエチレンジアミン四酢酸ナトリウム等を用いることができる。このようなスケール防止剤の添加量は５〜１０ｍｇ／Ｌ程度とするのが好ましい。
【００２８】
中間貯留槽３の水はポンプＰ_２によりＲＯ膜濾過装置４に通水して、ＲＯ膜濾過する。このＲＯ膜濾過において、原水中のフッ素イオンやカルシウムイオンが予めＭＦ膜濾過装置２で除去されているため、フッ化カルシウムのスケール障害を引き起こすことなく、安定かつ効率的な処理を継続することができる。
【００２９】
ところで、前述の如く、半導体洗浄排水（回収水）にはイソプロピルアルコール等の有機溶媒が含まれており、このような有機物は、ＭＦ膜濾過装置２の膜汚染の原因となるため、これを除去する必要がある。
【００３０】
図２の装置では、ＭＦ膜濾過装置２の入口側でオゾンを注入することにより、イソプロピルアルコール等の有機溶媒の分解を促進し、これにより、これらの有機物によるＭＦ膜の膜汚染を防止して、長期に亘り、高い透過流束を維持する。
【００３１】
この場合、オゾンは、ＭＦ膜濾過装置２の透過水中に溶存オゾンが残留するように注入するのが好ましく、通常の場合、ＭＦ膜透過水の残留オゾン濃度が０．２〜１ｍｇ−Ｏ_３／Ｌ程度となるようにオゾンを注入するのが好ましい。
【００３２】
また、このように、オゾンを注入した場合には、後段のＲＯ膜濾過装置４に残留オゾンが流入しないように、中間貯留槽３に還元剤を添加することが好ましい。還元剤の添加は、系内を還元雰囲気として微生物の増殖を抑制する上でも有効である。
【００３３】
ここで還元剤としては特に限定されるものではないが、チオ硫酸ナトリウム、重亜硫酸ナトリウム、ヒドラジン等を用いることができ、特に重亜硫酸ナトリウムを用いるのが好ましい。
【００３４】
還元剤の添加量は残留オゾンの還元除去に十分な量であれば良く、通常残留オゾン濃度の１．２〜２倍程度添加するのが好ましい。
【００３５】
このように、フロロアパタイトの生成と共に、オゾン注入によるＴＯＣの除去及び残留オゾンの還元除去を行うことにより、膜の透過流束を安定させると共に、より一層高水質の処理水を得ることができる。
【００３６】
なお、図１，２に示す装置は本発明の実施の形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるものではない。
【００３７】
例えば、ＲＯ膜濾過装置の前段の膜濾過装置としてはＭＦ膜濾過装置の他、ＵＦ膜濾過装置であっても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、図１，２ではフロロアパタイト生成のための調整槽を、原水槽と循環槽と兼用させているが、原水槽、調整槽、循環槽を各々独立して設けても良い。いずれの場合においても、ｐＨ調整を行ってフロロアパタイトを生成させる槽で滞留時間１０分以上を確保することが好ましい。
【００３９】
また、図１，２では、脱イオン装置として、薬品による再生処理が不要な点から、ＲＯ膜濾過装置を用いる。ＲＯ膜濾過装置は単独で用いても、ＲＯ膜濾過装置を２段以上に配置しても良く、また、ＲＯ膜濾過装置とその後段に電気再生式脱イオン装置を配した併用装置として用いても良い。
【００４０】
また、本発明では、必要に応じて、炭酸イオンの除去を目的としてＲＯ膜濾過装置等の脱イオン装置（２段に設ける場合には前段のＲＯ膜濾過装置）の前段又は後段に脱炭酸装置を設けても良い。この場合、脱炭酸装置は特に限定されるものでは無く、脱炭酸塔、脱気膜、真空脱気、窒素脱気、加温脱気装置等、通常用いられるものを採用することができる。
【００４１】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４２】
実施例１
図１に示す装置により、本発明に従って、水処理を行った。
【００４３】
原水としては、カルシウムイオン含有水とフッ素イオン含有水との混合水を擬すために、神奈川県営水道水（Ｃａ濃度５２ｍｇ／Ｌ）にフッ酸（ＨＦ）をＦ換算濃度で５ｍｇ／Ｌの割合で添加した水を用いた。
【００４４】
ＭＦ膜濾過装置２としては、公称孔径０．２μｍの４フッ化ポリエチレン（ＰＴＦＥ）製平膜よりなるスパイラル型ＭＦ膜モジュール（栗田工業（株）製「ＫＭＯ２１２Ｒ」）を装填したものを用いた。
【００４５】
また、ＲＯ膜濾過装置４としては、ポリアミド系のスパイラル型ＲＯ膜モジュール（日東電工（株）製「ＥＳ−１０」）を装填したものを用いた。
【００４６】
原水槽１においては、原水にＮａＯＨを添加してｐＨを８．５に調整すると共に、平均粒径５０μｍのＣａＣＯ_３結晶を１０ｍｇ／Ｌ添加し、Ｈ_３ＰＯ_４をＰ換算濃度で４０ｍｇ／Ｌ添加した。また、ＣａＣｌ_２をＣａ換算濃度で４０ｍｇ／Ｌ添加した。この原水槽１の滞留時間は１８分とした。
【００４７】
この原水槽１の水は、ＭＦ膜濾過装置２に通水し、濃縮水は原水槽１に返送するクロスフロー形式で膜濾過した。このＭＦ膜濾過装置２では７．５分間隔で透過水側に空気を押し込んで逆洗すると共に原水側にも空気を導入してエアスクラビングを行い、ＭＦ膜面の汚染物質を系外へ排出した。この逆洗に当たり、水回収率が９５％となるように逆洗排水量を調整した。従って、ＭＦ膜濾過装置２において、原水のＳＳ成分と添加したＣａＣＯ_３の濃縮倍率は２０倍となった。
【００４８】
ＭＦ膜濾過装置２の透過水は中間貯留槽３でＨＣｌを添加してｐＨ７．０に調整すると共に、ヘキサメタリン酸ナトリウムを１０ｍｇ／Ｌ添加した後、ＲＯ膜濾過装置４に通水した。ＲＯ膜濾過装置４の操作圧力は７５０ｋＰａとし、水回収率８０％でＲＯ膜濾過を行った。
【００４９】
以上の処理条件を表１にまとめて記載する。
【００５０】
このような処理において、ＭＦ膜濾過装置２の透過水の水質は表２に示す通りであった。
【００５１】
また、ＲＯ膜濾過装置４における透過流束の維持率を、１４日通水後の透過流束Ｊを通水初期の透過流束Ｊ_０で除して求め、結果を表３に示した。
【００５２】
比較例１
実施例１において、原水槽１において、ＮａＯＨとＨ_３ＰＯ_４を添加しなかったこと以外は同様にして処理を行った。
【００５３】
このときの処理条件、ＭＦ膜濾過装置２の透過水の水質、ＲＯ膜濾過装置４のＪ／Ｊ_０を各々表１，表２，表３に示した。
【００５４】
【表１】

【００５５】
【表２】

【００５６】
【表３】

【００５７】
表２より明らかなように、実施例１では、ＭＦ膜透過水のＦ濃度は１．０ｍｇ／Ｌ以下となり、Ｃａ濃度も原水濃度より大幅に低下した。このＭＦ膜透過水をｐＨ調整すると共にスケール防止剤を添加してＲＯ膜濾過装置に通水した実施例１では、１４日通水後も透過流束の低下は殆ど認められなかった。
【００５８】
一方、原水にＮａＯＨとＨ_３ＰＯ_４を添加しなかった比較例１ではＭＦ膜透過水のＣａ濃度及びＦ濃度が共に高く、１４日通水後のＲＯ膜の透過流束比は１５％も低下した。
【００５９】
実施例２
図２に示す装置により、本発明に従って、水処理を行った。
【００６０】
原水としては、カルシウムイオン含有水とフッ素イオン含有水との混合水を模擬するために、神奈川県営水道水（Ｃａ濃度５２ｍｇ／Ｌ）にＨＦをＦ換算濃度で５ｍｇ／Ｌの割合で添加すると共に、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）をＴＯＣとして０．５ｍｇ／Ｌ添加した水を用いた。
【００６１】
ＭＦ膜濾過装置２の入口側では、オゾンを５ｍｇ−Ｏ_３／Ｌとなるように添加した。また、中間貯留槽３では、ＨＣｌ，ヘキサメタリン酸ナトリウムと共に、重亜硫酸ナトリウム５ｍｇ／Ｌを添加して、ＭＦ膜透過水に残留する溶存オゾンを除去すると共に還元雰囲気にすることにより微生物の増殖を抑えてＲＯ膜濾過装置４に供給した。
【００６２】
その他、用いた濾過装置や処理条件は実施例１と同様とした。
【００６３】
この処理条件を表４にまとめて記載する。
【００６４】
このような処理において、ＭＦ膜濾過装置２の透過水の水質は表５に示す通りであった。
【００６５】
また、３〜５日の連続通水を行った際、１日１回実施したエアスクラビング後のＭＦ膜の膜差圧から、その差圧上昇速度を求めてＭＦ膜の濾過安定性を評価し、結果を表６に示した。
【００６６】
更に、このＭＦ膜透過水をＲＯ膜濾過装置に通水して得られたＲＯ膜透過水の平均ＴＯＣ濃度とＴＯＣ除去率を表７に示した。
【００６７】
実施例３
実施例２において、ＭＦ膜濾過装置２の入口側でオゾン注入を行わなかったこと以外は同様にして処理を行った。
【００６８】
このときの処理条件、ＭＦ膜濾過装置２の透過水の水質、ＭＦ膜の差圧上昇速度及びＲＯ膜透過水の平均ＴＯＣ濃度、ＴＯＣ除去率を各々表４，表５，表６，表７に示した。
【００６９】
【表４】

【００７０】
【表５】

【００７１】
【表６】

【００７２】
【表７】

【００７３】
表５より明らかなように、実施例２，３のいずれにおいても、ＭＦ膜透過水のＣａ，Ｆ濃度は同様に低下しているが、オゾンを注入した実施例２では、更にＴＯＣも大幅に低下している。
【００７４】
また、表６より明らかなように、ＭＦ膜透過水中に残留オゾンが検出される条件で通水した実施例２では、透過流束５ｍ／ｄａｙと高流束としても膜の差圧上昇速度は極めて低く、安定した通水が可能であり、かつＭＦ膜でのＴＯＣ除去率も６２％と高い値を示した。これに対して、オゾンを注入しなかった実施例３では膜の差圧上昇速度は極めて高く、この運転を継続すれば１週間に１回の高頻度で薬品洗浄する必要が生じることが確認された。また、ＭＦ膜でのＴＯＣの除去性は殆ど認められなかった。
【００７５】
更に、表７より明らかなように、ＲＯ膜自体でのＴＯＣ除去率にはオゾンを注入した実施例２とオゾンを注入しない実施例３とで大差はないが、実施例２では、ＭＦ膜でのＴＯＣの除去効果により、ＲＯ膜にてＴＯＣ０．０５ｍｇ／Ｌ以下の高水質の処理水を得ることができた。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の水処理方法及び水処理装置によれば、カルシウムイオンを含有する工水、市水等とフッ素イオンを含有する回収水とを混合してＲＯ膜濾過装置等で脱イオン処理するに当たり、イオン交換処理を必要とすることなく、ＭＦ又はＵＦ膜濾過装置でスケール生成成分を効率的に除去して、ＲＯ膜面でのフッ化カルシウムのスケール障害を効果的に防止し、安定かつ効率的な処理を長期に亘り維持することができる。
請求項２，４によれば、原水中の有機物を効率的に分解することにより、有機物によるＭＦ又はＵＦ膜の膜汚染を防止して、長期に亘り高い透過流束を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水処理装置の実施の形態を示す系統図である。
【図２】本発明の水処理装置の別の実施の形態を示す系統図である。
【符号の説明】
１原水槽
２ＭＦ膜濾過装置
３中間貯留槽
４ＲＯ膜濾過装置

Claims

カルシウムイオン及びフッ素イオンを含む原水を水処理する方法において、
該原水をｐＨ８以上に調整すると共に原水に炭酸カルシウム結晶と燐酸及び／又は燐酸塩とを添加して炭酸カルシウム結晶を核としてフロロアパタイトを生成させた後、ＭＦ膜又はＵＦ膜により膜濾過処理して該フロロアパタイトを除去し、その後ＲＯ膜濾過処理することを特徴とする水処理方法。
請求項１において、膜濾過処理する水にオゾンを注入することを特徴とする水処理方法。
カルシウムイオン及びフッ素イオンを含む原水の水処理装置において、
該原水のｐＨ調整手段、原水に燐酸及び／又は燐酸塩を添加する手段並びに原水に炭酸カルシウム結晶を添加する手段を有する、炭酸カルシウム結晶を核としてフロロアパタイトを生成させる前処理手段と、
該前処理手段の後段に設けられた、該フロロアパタイトを除去するＭＦ膜又はＵＦ膜を備える膜濾過手段と、
該膜濾過手段の後段に設けられたＲＯ膜濾過装置とを備えてなることを特徴とする水処理装置。
請求項３において、膜濾過手段の前段にオゾン注入手段が設けられていることを特徴とする水処理装置。