JP2008018366A - 水処理用濾材又は微生物付着用担体 - Google Patents

Abstract

【課題】水平流方式や下向流方式の濾過装置で使用可能で、耐久性にも優れ、流動床式生物リアクターで使用する微生物付着用の担体としても有効に利用することができる水処理用濾材又は微生物付着用担体を提供する。
【解決手段】ポリエステル系繊維又はポリオレフィン系繊維からなるウェブをニードルパンチで結合させた不織布に、ウレタン系ゴム、シリコン系ゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）のいずれか一種のゴムを含浸させて加熱し、繊維の結合部における弾力性を保持した状態で前記結合部を増強した比重が１以上の水処理用濾材又は微生物付着用担体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水処理用濾材又は微生物付着用担体に関し、詳しくは、水処理設備で原水中の懸濁物を濾過処理して除去する際に使用する水処理用濾材や、原水中の汚染物質を生物処理するための微生物を担持する微生物付着用担体として使用される濾材又は担体の構造に関する。

水処理における濾過装置は古くから用いられており、今日でも、上水処理や下水処理において、急速砂濾過装置が一般的に用いられている。砂等の粒状濾材は、濾層を形成したときの空隙率が４０〜５０％と小さいことから濁質抑留量が少なく、例えばＳＳ濃度が１００ｍｇ／Ｌを超えるような高濃度排水処理には適さない。また、精密な濾過を行う場合には、濾材と濾材との間に形成される間隙の大きさを小さくする必要があり、濾材の粒径は０．２〜２ｍｍ程度となる。このことから、濾過抵抗が大きくなり、高速での濾過が困難となってしまう。また、濾層表部での閉塞を招き易い問題もあった。

これらの問題を解決する手段として、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン系繊維からなる不織布を加工した各種濾材が提案されるとともに、このような濾材を用いた高速濾過装置も数多く提案されている。

濾材の構造としては、例えば、素材が芯をポリプロピレン、鞘をポリエチレンとした熱融着性複合繊維で繊度が１８〜６５デニールである第１フィラメントと、素材がポロプロピレン繊維で繊度が３〜１０デニールである第２フィラメントと、素材が芯をポリプロピレン、鞘をポリエチレンとした熱融着性複合繊維で繊度が１．５から６デニールである第３フィラメントを混綿したウェブをニードルパンチング法により布形化板状体を作製し、この布形化板状体を３〜５ｍｍ角に裁断したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このように、熱融着性複合繊維を混ぜ合せてニードルパンチング法で繊維同士を絡み合わせた後、熱融着法で結合させる不織布の製造方法は、一般的に知られている方法である。

上水処理や下水処理で用いられている急速砂濾過装置の除去対象物が５〜５０μｍ程度の大きさであることから、不織布からなる濾材の内部には、５０〜５００μｍ程度の空隙を有することが好ましく、かつ、水圧に対して変形しない硬さを有していることが望ましい。このことから、前述のように繊度の異なる繊維を混ぜ合わせることは理にかなっている。また、濾材と濾材との間に形成される間隙の大きさを小さくするため、濾材を３〜５ｍｍ角に裁断することも濾過性能を高める効果がある。
特開平１１−１２８６１３号公報

しかしながら、熱融着による結合は、繊維同士の接合点のみで生じ、熱融着性複合繊維の割合を増やしても、接合点を増やすことには限界がある。特に、濾材の強度を高めるための第１フィラメントでは、繊維が太いことから、３〜５ｍｍ角に裁断した場合には、繊維同士の絡み合いが少なく、一本の繊維における接合点は極僅かとなる。さらに、太い繊維では繊維が硬くなることから、濾過抵抗や濾材洗浄時に繰返し加えられる力が接合点に集中し易くなり、接合点が分断され易くなる。

また、第３フィラメントとして細い繊維を混合することで絡み合いを強化し、かつ、結合点を増やす工夫をしているが、熱融着のみでは限界がある。接合点を失った繊維は濾材から脱落し易く、繊維の脱落によって濾材が次第に痩せ細り、有効な濾過が継続できなくなってしまう。

さらに、従来の不織布からなる濾材は、何れも、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系繊維を用いているため、比重が１よりも小さく、水処理にあっては浮上性の濾材となる。したがって、濾過方式としては、水平流方式や下向流方式の採用も可能であるが、上向流方式が一般的となる。例えば、水平流方式では濾材の浮上性が強すぎると洗浄が困難となることから、比重が１に近い濾材の使用が好ましい。また、下向流方式には、発泡スチロール等の浮上性の非常に強い濾材を除いては適用が困難である。

そこで本発明は、水平流方式や下向流方式の濾過装置で使用することができ、しかも耐久性にも優れ、流動床式生物処理装置（流動床式生物リアクター）で使用する微生物付着用の担体としても有効に利用することができる水処理用濾材又は微生物付着用担体を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の水処理用濾材又は微生物付着用担体は、比重が１以上の水処理用濾材又は微生物付着用担体であって、ポリエステル系繊維又はポリオレフィン系繊維からなるウェブをニードルパンチで結合させた不織布に、ウレタン系ゴム、シリコン系ゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）のいずれか一種のゴムを含浸させて加熱し、繊維の結合部における弾力性を保持した状態で前記結合部を増強したことを特徴とし、特に、前記ゴムの含浸重量が繊維重量に対して１０〜２００％であることを特徴としている。また、前記ゴムの含浸に代えて、繊維重量に対する含浸重量が１０〜２００％のアクリル系樹脂又はフェノール系樹脂を含浸させることもできる。

さらに、本発明の水処理用濾材又は微生物付着用担体は、前記不織布が比重調整用の金属系繊維を含むこと、前記不織布が材質が異なる複数種の繊維又は太さが異なる複数種の繊維が組み合わされていること、前記繊維の太さが４〜１００デニールであり、前記不織布の繊維密度が０．０５〜０．３ｇ／ｃｍ^３であること、前記不織布を、厚さが２〜２０ｍｍで、一辺の長さが２〜２０ｍｍの多角形状あるいは直径が２〜２０ｍｍの円形状に裁断して水処理用濾材又は微生物付着用担体として使用することを特徴としている。

本発明の水処理用濾材又は微生物付着用担体は、比重が１以上なので、水平流方式や下向流方式の濾過装置での使用が可能であり、流動床式生物リアクターの担体としても使用することができる。また、ゴムや樹脂を含浸させているので、耐久性を大幅に向上させることができる。比重の調整はゴム等の含浸量を適宜設定することで行うことができるが、ステンレス鋼等の金属系繊維を混ぜ合わせることによって任意の比重に容易に調整することができ、材質や太さが異なる複数種の繊維を組み合わせることにより、適当な強度や空隙、表面状態を得ることができる。

図１は本発明の水処理用濾材又は微生物付着用担体の一形態例を示す斜視図、図２は本発明の水処理用濾材を使用した濾過装置の一例を示す説明図である。

本発明の水処理用濾材又は微生物付着用担体（以下、これらをまとめて濾材という。）１１は、ポリエステル系繊維又はポリオレフィン系繊維からなるウェブをニードルパンチで結合させた不織布に、ウレタン系ゴム、シリコン系ゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴムのいずれか一種のゴムを含浸させて加熱し、繊維の結合部における弾力性を保持した状態で前記結合部を増強したものである。

前記ポリエステル系繊維としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等を用いることができ、ポリオレフィン系繊維しては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等を使用することができる。使用するポリエステル系繊維やポリオレフィン系繊維には、任意の太さ（繊度）のものを使用できるが、繊度は４〜１００デニール（４．４４〜１１１ｄｔｅｘ）の範囲が適当であり、不織布としたときの繊維密度は０．０５〜０．３ｇ／ｃｍ^３の範囲が好ましい。ここで、繊度や密度が小さすぎると強度が不足することがあり、繊度や密度が大きすぎると繊維同士の絡み合いが少なくなって分断しやすくなってしまう。また、不織布の厚さは、ゴムを含浸させて加熱した後の厚さが２〜２０ｍｍになるようにすることが好ましい。

さらに、材質が異なる複数種の繊維や太さが異なる複数種の繊維を組み合わせることにより、所望の強度や空隙等を容易に得ることができる。例えば、２０〜４０デニールの繊維と、１０〜２０デニールの繊維と、１〜２０デニールの繊維とを組み合わせることにより、２０〜４０デニールの繊維で濾材１１の耐久性の向上、１０〜２０デニールの繊維で懸濁成分除去効率の向上、１〜２０デニールの繊維で濾材１１の携帯保持性の向上を図ることができる。また、主体となる繊維に比べて融点の低い繊維、例えば主体となる繊維がポリエステル（融点２２５〜２６０℃）の場合には、編成ポリエステル（融点１８０〜２２０℃）、ポリプロピレン（融点１６５〜１７３℃）等を混合することにより、ニードルパンチ後の融着加熱処理の際の繊維同士の結合を効果的に行うことができる。

これらの繊維からなるウェブは、短繊維、長繊維のいずれでもよく、ウェブのニードルパンチ処理は、一般に使用されるニードルパンチ機を用いることができ、針の太さ、植針数、パンチ密度も適宜設定することができる。ニードルパンチ処理によって形成された不織布へのウレタン系ゴム、シリコン系ゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴムの含浸は、これらのゴムを含む液状物に不織布を浸漬し、適当な力で絞ることで行うことができる。不織布へのゴムの含浸量は、絞り力を選択することによって調整することができる。ゴムの含浸重量は、不織布における繊維重量に対して、より正確にはＤＰＵ換算（乾燥後の樹脂重量÷繊維重量×１００）で、１０〜２００％の範囲が適当であり、１０％未満ではゴムを含浸させた効果を十分に得ることができず、２００％を超えると、濾材や担体として必要な空隙が少なくなって濾材１１としての機能を十分に発揮できなくなることがある。

また、濾材１１の比重は、繊維の種類や不織布へのゴムの含浸量を調整することによって任意の比重を得ることが可能であるが、特に、比重が０．９３前後のポリオレフィン系繊維を使用するときには、比重調整用の金属系繊維、例えばステンレス鋼製繊維を混ぜ合わせることにより、濾材の比重を容易に１以上に調整することができる。

このようにして液状のゴムを含浸させた後に加熱し、ゴムとしての弾性を発揮させることにより、各繊維の結合部における弾力性を保持した状態で前記結合部を増強することができる。このようにして得たゴム含浸不織布は、適当な大きさ、通常は、厚さが２〜２０ｍｍで、一辺の長さが２〜２０ｍｍの多角形状あるいは直径が２〜２０ｍｍの円形状に裁断した状態で濾材１１として使用される。この裁断サイズが小さいと濾過抵抗が大きくなることがあり、裁断サイズが大きいと濾材同士の隙間から濁質成分がリークしてしまうことがある。適当なサイズに裁断した濾材１１は、結合部が増強されているため、濾過操作で繰返し加えられる力によって接合部が分断されることがほとんどなく、濾過性能を損なうことなく、濾材１１の耐久性を大幅に向上させることができる。

また、前記ゴムの含浸に代えて、不織布全体を、ノニルフェノールを含まないアクリル系、ウレタン系のエマルジョンを使用して樹脂加工することもできる。アクリル系、ウレタン系の樹脂は、ポリエステル繊維との相性を考慮すれば特に限定されるものではないが、例えば、大日本インキ製「DICNAL E-8290WH」（アクリル酸エステル共重合体）、「VONDIC 1520」（ポリエーテル系ポリウレタン樹脂）等の非ノニフェノールタイプを使用することができる。このとき、ノニルフェノールを含まない樹脂を使用することにより、作業性や環境負荷に悪影響を及ぼすことがない。これらの樹脂を、前記ゴムと同様にして不織布に含浸させて硬化させることによって得た濾材は、ゴムを含浸させた濾材に比べて硬く、弾力性が乏しいため、接合面が破断されやすいものの、従来のこの種の濾材に比べて耐久性を大幅に向上させることができる。

ここで、濾材１１の原料となるオレフィン系繊維は、比重が０．９３前後であり水に浮くため、濾材や微生物担体として使用した場合に空気等のガスが付着し易く、より浮上し易くなる。したがって、下向流式の濾過装置や上向流速によって展開させる方式の流動床式生物リアクターでは、オレフィン系繊維のみで作成された不織布を使用することができない。一方、ポリエステル繊維は比重が１．３８であることから、単独でも水に沈む濾材や微生物担体が得られる。繊維密度を０．１３ｇ／ｃｍ^３とした場合、水中での見かけの比重は１．０４となり、水に沈み、かつ洗浄時には流動化しやすい濾材又は微生物担体が得られる。

しかし、製造直後の濾材は疎水性であることから、内部まで水が浸透し難く、浮上する場合があり、メタン発酵、脱窒、ＡＮＡＭＭＯＸ等のガス発生を伴う生物リアクターの担体として用いる場合には、発生したガスが付着して浮上する可能性がある。このため、このような用途に使用する場合、単に繊維密度を大きくするだけだと空隙率が小さくなって性能低下を招くが、前述のように、有機繊維に比べて比重が格段に大きいステンレス等の金属系繊維を適量混合することにより、高い空隙率を維持したまま、比重の大きい濾材や微生物担体を作成することができる。

繊度４０デニール（４４．４ｄｔｅｘ）のレギュラーポリエステル４０％、繊度１５デニール（１６．７ｄｔｅｘ）のレギュラーポリエステル１５％、繊度６デニール（６．６７ｄｔｅｘ）のレギュラーポリエステル５％、及び、繊度１５デニール（１６．７ｄｔｅｘ）低融点ポリエステル４０％からなるウェブをニードルパンチで結合させた後、熱風を当てて熱融着させ、幅１ｍ、厚さ５．５ｍｍ、繊維密度０．１３ｇ／ｃｍ^３の生地（不織布）を約４００ｍ作成した。

この生地に、ＤＰＵ換算で約２０％のウレタンゴムを含浸させて乾燥し、生地の補強を行った。補強後の生地を、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５．５ｍｍの直方体に裁断して図１に示す形状の濾材１１を作成した。この濾材１１の比重は約１．０４であった。このようにして作成した濾材１１を、図２に示す濾過装置２０に充填して濾過処理を行った。

この濾過装置２０は、撹拌機付きの下降流方式であって、円筒状の密閉容器２１内に設けた上部スクリーン２２と下部スクリーン（濾材支持板）２３との間に濾材１１を充填するとともに、洗浄時に濾材１１を撹拌するためのスクリューリボン型撹拌機２４を設置している。このスクリューリボン型撹拌機２４は、容器上部に設けられた駆動部２４ａでスイベルジョイント２５を介して中空の回転軸２４ｂを回転させるもので、スクリュー支持部材２４ｃには、空気導入管２６からスイベルジョイント２５、回転軸２４ｂを介して供給される洗浄用空気を噴出する複数の散気孔２４ｄが設けられている。

上部スクリーン２２の上面には、スクリューリボン型撹拌機２４の回転軸２４ａに取り付けられて一体に回転するスクレーパー２７が設けられ、上部スクリーン２２の周囲にはスクリーンかす排出部２２ａが設けられている。また、上部スクリーン２２の上方には原水流入部２８、吸・排気管２９及びレベルセンサ３０がそれぞれ設けられている。一方、下部スクリーン２３の下方には、濾過水導出部３１、逆洗水導入部３２及び洗浄排水排出部３３がそれぞれ設けられている。

原水は、原水流入部２８から密閉容器２１の上部に流入し、上部スクリーン２２で粗大な夾雑物を除去された後、濾材１１が充填された濾層を下降流で通過することにより、原水中の懸濁成分が濾材１１に捕捉されて原水中から除去され、下部スクリーン２３を通って密閉容器２１の下部から濾過水導出部３１に処理水として流出する。濾材１１の洗浄は、スクリューリボン型撹拌機２４を回転させながら散気孔２４ｄから洗浄用空気を噴出する空洗操作と、逆洗水導入部３２及び洗浄排水排出部３３を交互に開閉する逆洗操作及び排水操作とを適宜組み合わせて行われる。

前記濾材１１を充填した前記濾過装置２０に下水二次処理水を導入して濾過処理を行った。なお、濾過条件及び洗浄条件は、同規模の濾過装置に準じて行った。その結果、良好な濾過性能が得られ、濾材１１の耐久性は、ウレタンゴムで補強しなかったものに比べて大幅に向上した。すなわち、繊度４０デニールの太い繊維を用いたことによる濾材の強度向上と、ウレタンゴムを用いたことによる弾力性向上とによって、濾過性能及び耐久性を大幅に向上させることができた。また、実験中に濾材を取り出して外観を観察したところ、従来の濾材では繊維のほつれが見られるが、本実施例の濾材ではほつれはまったく観察されなかった。

実施例１におけるウレタンゴムをアクリル樹脂に代えた以外は実施例１と同様の操作を行って比重が約１．０４の濾材を作成した。実施例１と同じ濾過装置を使用して同条件で濾過処理を行ったところ、濾過性能及び耐久性に良好な結果が得られた。但し、洗浄時のスクリューリボン型撹拌機２４の回転速度を上げると、実施例１の濾材１１に比べて濾材の弾力性が乏しいため、一部の濾材に破断が見られた。

また、ウレタンゴムに代えてシリコンゴムやＮＢＲ、ＳＢＲ等のゴムを使用しても実施例１と同様な結果が得られ、アクリル樹脂に代えてフェノール樹脂を使用した場合も、実施例２と同様の結果が得られた。

さらに、低融点ポリエステルをレギュラーポリエステルに置き換え、熱風を当てて熱融着させる工程を省いた以外は実施例１と同様の操作を行って比重が約１．０４の濾材を作成した。実施例１と同じろ過装置を使用してろ過処理を行ったところ、ろ過性能及び耐久性に良好な結果が得られた。また、同様に熱融着させる工程を省いて、シリコンゴム、ＮＢＲ、ＳＢＲ等のゴムを使用した場合にも実施例１と略同様の結果が得られ、アクリル樹脂、フェノール樹脂を使用した場合にも実施例２と略同様の結果が得られた。熱融着させる工程を省いた場合に耐久性が若干低下した場合もあったが、材料数の削減や製造工程の短縮が図れた。

このようにして作成した各濾材を微生物付着用担体として使用し、流動床式生物リアクターに充填して生物処理を行ったが、微生物の付着性も耐久性も良好な結果が得られた。また、上向流方式の流動床式生物リアクターの場合、担体をリアクター内の全体にわたって均一に流動化させることができた。

本発明の濾材（水処理用濾材又は微生物付着用担体）の一形態例を示す斜視図である。 本発明の水処理用濾材を使用した濾過装置の一例を示す説明図である。

符号の説明

１１…濾材（水処理用濾材又は微生物付着用担体）、２０…濾過装置、２１…密閉容器、２２…上部スクリーン、２２ａ…スクリーンかす排出部、２３…下部スクリーン（濾材支持板）、２４…スクリューリボン型撹拌機、２４ａ…駆動部、２４ｂ…回転軸、２４ｃ…スクリュー支持部材、２４ｄ…散気孔、２５…スイベルジョイント、２６…空気導入管、２７…スクレーパー、２８…原水流入部、２９…吸・排気管、３０…レベルセンサ、３１…濾過水導出部、３２…逆洗水導入部、３３…洗浄排水排出部

Claims (8)

1. 比重が１以上の水処理用濾材又は微生物付着用担体であって、ポリエステル系繊維又はポリオレフィン系繊維からなるウェブをニードルパンチで結合させた不織布に、ウレタン系ゴム、シリコン系ゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴムのいずれか一種のゴムを含浸させて加熱し、繊維の結合部における弾力性を保持した状態で前記結合部を増強したことを特徴とする水処理用濾材又は微生物付着用担体。
2. 前記ゴムの含浸重量が繊維重量に対して１０〜２００％であることを特徴とする請求項１記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。
3. 前記ゴムの含浸に代えて、アクリル系樹脂又はフェノール系樹脂を含浸させたことを特徴とする請求項１記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。
4. 前記アクリル系樹脂又はフェノール系樹脂の含浸重量が繊維重量に対して１０〜２００％であることを特徴とする請求項３記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。
5. 前記不織布は、比重調整用の金属系繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。
6. 前記不織布は、材質が異なる複数種の繊維又は太さが異なる複数種の繊維が組み合わされていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。
7. 前記繊維の太さが４〜１００デニールであり、前記不織布の繊維密度が０．０５〜０．３ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。
8. 前記不織布を、厚さが２〜２０ｍｍで、一辺の長さが２〜２０ｍｍの多角形状あるいは直径が２〜２０ｍｍの円形状に裁断したことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の水処理用濾材又は微生物付着用担体。

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