JP5995282B2 - 両性イオン交換樹脂の再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、両性イオン交換樹脂の再生方法に関し、特に、最終処分場においてカルシウムに起因するスケールの発生を防止するためなどに用いられる両性イオン交換樹脂の再生方法に関する。

ごみ処分場等の最終処分場は、リサイクルが困難な廃棄物等を処分するための施設であるが、枯渇化の虞に鑑み、これまで最終処分場で処理されていた廃棄物等の有効利用が推進されている。

都市ごみなどを焼却した際に発生する焼却灰は、最終処分場の枯渇の虞に鑑み、近年、セメント原料としてリサイクルしている。都市ごみ焼却灰のうち、気体とともに運ばれ、集塵装置で回収される飛灰は、１０〜２０％の塩素分を含むため、水洗脱塩設備を用い、飛灰に含まれる水溶性塩素化合物を水洗除去した後、セメント原料として利用している（例えば、特許文献１参照）。

しかし、最終処分場では、その浸出水に含まれるカルシウムイオン（Ｃａ²⁺）と、ＳＯ₄ ^2-から硫酸カルシウム（ＣａＳＯ₄）が生じ、ろ過装置や後段の排水処理工程においてスケールとして装置に付着し、安定運転が阻害されるという問題があった。

そこで、例えば、図５に示すように、最終処分場３０では、調整槽３１に貯留された浸出水Ｗからスケール発生の原因となるカルシウムや、有害な重金属を除去するために薬液反応槽３２で炭酸ナトリウム等の薬剤を添加し、ろ過装置３３でこれらを沈殿除去し、その後、ＣＯＤ処理装置３４、懸濁物質除去装置３５を経て、電気透析装置３６で脱塩を行う。これにより、浸出水Ｗの水量１Ｑに対して０．９Ｑの水量の脱塩水Ｄを放流すると共に、水量０．１Ｑの濃縮水Ｃを蒸発させて塩を回収する。

しかし、上記の方法では、多量の炭酸ナトリウムを添加する必要があるため、薬剤コストが嵩み、運転コストが高騰するという問題があった。

そこで、本出願人は、特許文献２において、図６に示すように、懸濁物質除去装置３５の下流側に両性イオン交換樹脂４１を設け、最終処分場３０の浸出水Ｗを、Ｃａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液Ｌ１と、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液Ｌ２とに分離し、第１の溶液Ｌ１を電気透析装置３６に供給して脱塩を行うことで、多量の炭酸ナトリウムを添加する必要のない最終処分場の浸出水の処理方法を提案した。尚、電気透析装置３６では、浸出水Ｗの水量１Ｑに対して１．１〜１．４Ｑの水量の脱塩水Ｄ、及び水量０．１Ｑの濃縮水Ｃが得られ、脱塩水Ｄを放流し、濃縮水Ｃを蒸発させて塩を回収する。また、両性イオン交換樹脂４１の再生に、浸出水Ｗの水量１Ｑに対して３Ｑの工業用水ＩＷを用いる。

特開平１１−１００２４３号公報 特許第４７６６７１９号公報

特許文献２に記載の最終処分場の浸出水の処理方法は、炭酸ナトリウムを添加する必要がないため、薬剤コストを低減することができて好ましいが、上述のように、両性イオン交換樹脂４１を再生するにあたって、浸出水Ｗの３倍の工業用水ＩＷが必要となるため、水量を確保することが困難な地域等では採用することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであって、水量を確保することが困難な地域等でも、最終処分場の浸出水の処理等に両性イオン交換樹脂を用いることを可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、Ｃａ ²⁺ を含む溶液を両性イオン交換樹脂に供給し、前記Ｃａ ²⁺ が前記両性イオン交換樹脂を通過する速度を利用し、該両性イオン交換樹脂から時間の経過と共に徐々に連続的に排出される液をＣａ ²⁺ 濃度が低い溶液とＣａ ²⁺ 濃度が高い溶液とに分離し、該分離により得られたＣａ ²⁺ 濃度が低い溶液を前記両性イオン交換樹脂の再生水として用いることを特徴とする。

本発明によれば、両性イオン交換樹脂を通過した液であって、該両性イオン交換樹脂によって分離する目的の元素を含まない液を該両性イオン交換樹脂の再生に使用することで、両性イオン交換樹脂の再生に用いる工業用水等の量を低減することができるため、水量を確保することが困難な地域等でも、最終処分場の浸出水の処理等に両性イオン交換樹脂を用いることが可能となる。また、再生に用いる工業用水等の量を低減させながら、カルシウムの分離を行うことができる。

また、前記分離により得られたＣａ ²⁺ 濃度が低い溶液を電気透析装置に供給し、該電気透析装置から排出された脱塩水を前記再生水として用いることができ、電気透析装置の脱塩水を利用しながら再生に用いる工業用水等の量を低減することができる。

さらに、前記両性イオン交換樹脂の再生には、ＳＯ₄ ^2-イオンを含む脱塩水を用いることができる。これによって、電気透析装置の陰イオン交換膜に一価選択性陰イオン交換膜を利用することが可能となる。

また、上記両性イオン交換樹脂の再生方法において、前記Ｃａ ²⁺ を含む溶液は最終処分場の浸出水であり、該浸出水中のＣａ ²⁺ とＣｌ ^- とが前記両性イオン交換樹脂を通過する速度の差を利用し、該両性イオン交換樹脂から時間の経過と共に徐々に連続的に排出される液を、Ｃａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液と、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液とに分離し、該分離により得られた第１の溶液を前記電気透析装置に供給することができる。これによって、水量を確保することが困難な地域等でも、最終処分場の浸出水の処理に両性イオン交換樹脂を用いることが可能となる。

以上のように、本発明に係る両性イオン交換樹脂の再生方法を用いることにより、水量を確保することが困難な地域等でも、最終処分場の浸出水の処理等に両性イオン交換樹脂を用いることが可能となる。

本発明に係る両性イオン交換樹脂の再生方法を適用した最終処分場の浸出水の処理方法の一例を説明するための概略図である。 両性イオン交換樹脂の再生水に工業用水を用いて最終処分場の浸出水を処理した際の、両性イオン交換樹脂を通過した処理液に含まれる各成分の濃度を示す。 両性イオン交換樹脂の再生水に電気透析装置の脱塩水を用いて最終処分場の浸出水を処理した際の、両性イオン交換樹脂を通過した処理液に含まれる各成分の濃度を示す。 本発明に係る両性イオン交換樹脂の再生方法を適用した最終処分場の浸出水の処理方法の他の例を説明するための概略図である。 従来の最終処分場の浸出水の処理方法の一例を説明するための概略図である。 従来の最終処分場の浸出水の処理方法の他の例を説明するための概略図である。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明においては、最終処分場の浸出水の処理に両性イオン交換樹脂を用い、この処理の過程で両性イオン交換樹脂の再生を行う場合を例にとって説明する。

図１は、最終処分場の浸出水処理システム（以下、「処理システム」と略称する）の一例を示し、この処理システム１は、調整槽１１に貯留された浸出水Ｗから有害な重金属を除去するために薬剤を添加する薬液反応槽１２と、重金属を沈殿除去するシックナー１３と、ＣＯＤ処理装置１４と、懸濁物質除去装置１５と、両性イオン交換樹脂１６と、電気透析装置１７とで構成される。この装置構成は、図６に示した従来の処理システムと同様である。

両性イオン交換樹脂１６は、懸濁物質除去装置１５から排出された浸出水Ｗに含まれるカルシウムを除去するために備えられる。両性イオン交換樹脂とは、母体を架橋ポリスチレン等とし、同一官能基鎖中に四級アンモニウム基とカルボン酸基等を持たせて、陽イオン陰イオンの両方とイオン交換をさせる機能を持たせた樹脂である。例えば、三菱化学株式会社製の両性イオン交換樹脂、ダイヤイオン（登録商標）、ＡＭＰ０３を用いることができる。この両性イオン交換樹脂１６は、水溶液中の電解質と非電解質の分離を行うことができるとともに、電解質の相互分離を行うこともできる。

電気透析装置１７は、懸濁物質除去装置１５から排出された浸出水Ｗの塩分の濃縮と脱塩を行うために備えられる。電気透析装置の陰イオン交換膜には、一価選択性陰イオン交換膜を利用することもできる。

次に、上記構成を有する処理システム１の動作について、図１を参照しながら説明する。

最終処分場１０において、調整槽１１に貯留された浸出水Ｗから有害な重金属を除去するために薬液反応槽１２で薬剤を添加し、シックナー１３でこれらを沈殿除去し、ＣＯＤ処理装置１４、懸濁物質除去装置１５を経て、両性イオン交換樹脂１６でカルシウムを除去する。尚、両性イオン交換樹脂１６でのカルシウム除去及び樹脂の再生に関する動作は後述する。

両性イオン交換樹脂１６では、懸濁物質除去装置１５からの浸出水Ｗを、Ｃａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液Ｌ１と、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液Ｌ２とに分離し、第１の溶液Ｌ１を電気透析装置１７に供給して脱塩を行う。電気透析装置１７では、浸出水Ｗの水量１Ｑに対して１．１〜１．４Ｑの水量の脱塩水Ｄを両性イオン交換樹脂１６の再生水として両性イオン交換樹脂１６に戻し、水量０．１Ｑの濃縮水Ｃを蒸発させて塩を回収する。

次に、両性イオン交換樹脂におけるカルシウム除去及び樹脂の再生について、図２及び図３を中心に参照しながら説明する。

図２は、図６に示した両性イオン交換樹脂４１に、原水として最終処分場３０の浸出水Ｗを通液し、再生水として浸出水Ｗの３倍の量の工業用水（新水）ＩＷを通液した場合の通液量と、両性イオン交換樹脂４１を通過した処理液に含まれる各成分の濃度の関係を示す。尚、両性イオン交換樹脂４１のカラムは、φ４０ｍｍ×Ｈ７６０ｍｍ、樹脂量９５５ｍｌで、このカラムに浸出水Ｗを９５５ｍｌ通水した後に、工業用水ＩＷを２８６５（９５５×３）ｍｌ通水し、排出された液の濃度を測定した。１時間に樹脂量９５５ｍｌの４倍の速度（ＳＶ：４）で通水した。

図２に明示されるように、浸出水Ｗを通水している間は、両性イオン交換樹脂４１から若干の塩化カルシウムを含む水（ＣａＣｌ₂水）が排出され、その後工業用水ＩＷを通水すると、まず、Ｃａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液（Ｃａ除去水）が排出され、次に、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液（ＣａＣｌ₂水）が排出される。Ｃａ除去水及びＣａＣｌ₂水の各々のカルシウム成分、及び水量は表１、表２に示す通りである。

図３は、図１に示した両性イオン交換樹脂１６に、原水として最終処分場１０の浸出水Ｗを通液し、再生水として浸出水Ｗの３倍の量の脱塩水Ｄ、すなわち、両性イオン交換樹脂１６から排出された第１の溶液（Ｃａ除去水）Ｌ１を電気透析装置１７おいて脱塩して得られた水を通液した場合の通液量と、両性イオン交換樹脂１６を通過した処理液に含まれる各成分の濃度の関係を示す。尚、両性イオン交換樹脂１６のカラムは、φ４０ｍｍ×Ｈ７６０ｍｍ、樹脂量９５５ｍｌで、このカラムに浸出水Ｗを９５５ｍｌ通水した後に、脱塩水Ｄを２８６５（９５５×３）ｍｌ通水し、排出された液の濃度を測定した。１時間に樹脂量９５５ｍｌの４倍の速度（ＳＶ：４）で通水した。

図３に明示されるように、浸出水Ｗを通水している間は、両性イオン交換樹脂１６からＣｌ^-を含む水が排出され（Ａの領域）、その後脱塩水Ｄを通水すると、まず、Ｃａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液（Ｃａ除去水）が排出され（Ｂの領域）、次に、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液（ＣａＣｌ₂水）が排出される（Ｃの領域）。各領域での塩素及びカルシウム成分、及び水量は表３、表４に示す通りである。

このように、両性イオン交換樹脂１６の再生水として脱塩水Ｄを用いた場合でも、浸出水Ｗからカルシウムを分離することができるため、図１に示したように、両性イオン交換樹脂１６に浸出水Ｗの水量１Ｑに対して１．９〜１．６Ｑの水量の工業用水ＩＷと、１．１〜１．４Ｑの水量の脱塩水Ｄを再生水として用い、水量１．２〜１．５Ｑの第１の溶液Ｌ１と、水量２．５〜２．８Ｑの第２の溶液Ｌ２を得ることができ、第１の溶液Ｌ１を電気透析装置１７で処理し、第２の溶液Ｌ２を放流する。

以上のように、本実施の形態では、電気透析装置１７の脱塩水Ｄを両性イオン交換樹脂１６の再生水の一部に利用することにより、両性イオン交換樹脂１６の再生に用いる工業用水ＩＷの量を従来の２／３〜１／２に低減しながら、浸出水Ｗからカルシウムを分離することができる。

次に、本発明に係る両性イオン交換樹脂の再生方法を適用した最終処分場の浸出水の処理方法の他の例について図４を参照しながら説明する。

同図に示す処理システム２１は、図１に示した処理システム１で懸濁物質除去装置１５の後段に配置された両性イオン交換樹脂１６を調整槽１１の直後に配置した点のみ処理システム１と異なる。その他の構成は、図１の処理システム１と同様であるため、同じ構成要素については同一の参照番号を付してそれらについての説明を省略する。

この処理システム２１では、調整槽１１からの浸出水Ｗを直接両性イオン交換樹脂１６に導入し、電気透析装置１７の脱塩水Ｄを両性イオン交換樹脂１６の再生水の一部に利用しながら、両性イオン交換樹脂１６でＣａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液Ｌ１と、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液Ｌ２とに分離し、第１の溶液Ｌ１を薬液反応槽１２、重金属を沈殿除去するシックナー１３、ＣＯＤ処理装置１４、及び懸濁物質除去装置１５を通過させた後、電気透析装置１７に供給して脱塩を行う。電気透析装置１７では、浸出水Ｗの水量１Ｑに対して１．１〜１．４Ｑの水量の脱塩水Ｄを両性イオン交換樹脂１６の再生水として両性イオン交換樹脂１６に戻し、水量０．１Ｑの濃縮水Ｃを蒸発させて塩を回収する。一方、両性イオン交換樹脂１６からの第２の溶液Ｌ２を放流する。浸出水Ｗ及び脱塩水Ｄの塩素濃度、及びカルシウム濃度は、表５に示す通りである。

この処理システム２１では、両性イオン交換樹脂１６からの第２の溶液Ｌ２を放流するため、第２の溶液Ｌ２に有害物質が含まれない場合に実現可能な構成であるが、処理システム２１においても、電気透析装置１７の脱塩水Ｄを両性イオン交換樹脂１６の再生水の一部に利用することにより、両性イオン交換樹脂１６の再生に用いる工業用水ＩＷの量を従来の２／３〜１／２に低減しながら、浸出水Ｗからカルシウムを分離することができる。

１ 処理システム
１０ 最終処分場
１１ 調整槽
１２ 薬液反応槽
１３ シックナー
１４ ＣＯＤ処理装置
１５ 懸濁物質除去装置
１６ 両性イオン交換樹脂
１７ 電気透析装置
２１ 処理システム
Ｃ 濃縮水
Ｄ 脱塩水
ＩＷ 工業用水
Ｌ１ 第１の溶液
Ｌ２ 第２の溶液
Ｗ 浸出水

Claims (4)

1. Ｃａ ²⁺ を含む溶液を両性イオン交換樹脂に供給し、
   前記Ｃａ ²⁺ が前記両性イオン交換樹脂を通過する速度を利用し、該両性イオン交換樹脂から時間の経過と共に徐々に連続的に排出される液をＣａ ²⁺ 濃度が低い溶液とＣａ ²⁺ 濃度が高い溶液とに分離し、
   該分離により得られたＣａ ²⁺ 濃度が低い溶液を前記両性イオン交換樹脂の再生水として用いることを特徴とする両性イオン交換樹脂の再生方法。
2. 前記分離により得られたＣａ ²⁺ 濃度が低い溶液を電気透析装置に供給し、該電気透析装置から排出された脱塩水を前記再生水として用いることを特徴とする請求項１に記載の両性イオン交換樹脂の再生方法。
3. 前記脱塩水は、ＳＯ₄ ^2-イオンを含むことを特徴とする請求項２に記載の両性イオン交換樹脂の再生方法。
4. 前記Ｃａ ²⁺ を含む溶液は最終処分場の浸出水であり、
   該浸出水中のＣａ ²⁺ とＣｌ ^- とが前記両性イオン交換樹脂を通過する速度の差を利用し、該両性イオン交換樹脂から時間の経過と共に徐々に連続的に排出される液を、Ｃａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-濃度が高い第１の溶液と、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度が低い第２の溶液とに分離し、
   該分離により得られた第１の溶液を前記電気透析装置に供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の両性イオン交換樹脂の再生方法。

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