JP2017064587A - 水処理用担体および水処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多孔質材料からなる水処理用担体であって、多孔質構造を形成するセルの平均セル径が1mm未満であり、透水性の異なる領域を有していることを特徴とする水処理用担体;水処理方法。
【選択図】図1
Description
本発明者が特許文献1または2に記載の担体を一般的な水処理装置に用いて検討したところ、いずれの担体も吸着量が少ないことがわかった。
具体的に、本発明および本発明の好ましい構成は、以下のとおりである。
多孔質構造を形成するセルの平均セル径が1mm未満であり、
透水性の異なる領域を有していることを特徴とする水処理用担体。
[2] [1]に記載の水処理用担体は、セルのセル径が1mm未満のセルが80%以上であることが好ましい。
[3] [1]または[2]に記載の水処理用担体は、平均セル径が0.3〜0.7mmであることが好ましい。
[4] [1]〜[3]のいずれか一つに記載の水処理用担体を含む処理槽に原水を通過させる工程を含む水処理方法。
本明細書中、水処理用担体のセル径は、「セルの最も長い径とそれに直交する径の長さの平均値」を意味する。
本発明の水処理用担体(以下、水処理用担体のことを担体とも言う)は、多孔質材料からなる水処理用担体であって、
多孔質構造を形成するセルの平均セル径が1mm未満であり、
透水性の異なる領域を有していることを特徴とする水処理用担体である。
このような構成により、本発明の担体は、水処理に用いた場合に吸着量が多い。水処理用担体(処理液中で担体に微生物が繁殖)の一部に透水性の異なる領域を設けることにより担体中に十分に微生物を繁殖させることができ、担体に形成された平均セル径が小さいことにより処理水中の物質を吸着した場合の吸着強度が強く、一度吸着した物質を脱離しにくくなるためと思われる。本発明の担体により吸着される物質は特に制限はないが、例えば浮遊物質(SS)や金属を挙げることができる。本発明の担体は、少なくとも金属吸着量が多いことが好ましい。
本発明の担体は、多孔質構造を形成するセルの平均セル径が1mm未満である。本明細書中、「セル」とは、例えば担体が気泡構造を有する場合の1つずつの気泡を意味する。
本発明の担体は、平均セル径が1mm未満であり、水処理に用いた場合に吸着量を多くしやすくする観点から、平均セル径が0.1〜0.9mmであることが好ましく、平均セル径が0.3〜0.7mmであることがより好ましく、平均セル径が0.4〜0.6mmであることが特に好ましい。また、本発明の担体におけるセル径の中央値は、平均セル径と一致することが好ましい。
本発明の担体は、透水性の異なる領域を有する。本明細書中、「透水性の異なる領域」とは、水処理用担体の平均的な透水性に比べて、透水性の異なる領域を意味する。
透水性の異なる領域は、透水性の高い領域であることが好ましい。本明細書中、「透水性の高い領域」とは、担体の平均的な透水性に比べて、透水性の高い領域を意味する。
本発明の担体は、透水性に異方性を有することが好ましい。一般にセル構造(特に気泡構造)を有する担体の場合、セル構造は同一形状のセルの繰り返しで形成されることが多く、このようなセル構造を有する担体は透水性に異方性を有さない。なお、本発明の担体の透水性を直接測定することは困難であるため、透水性の高い領域であることは、担体の材料や透水性の高い領域の材料の透水性を公知の方法で別途求めて、判断することが好ましい。
透水性の異なる領域として、「穴(担体を貫通していなくてもよい)」、「貫通孔」、「他の部分と同一の材料で且つ平均セル径が大きい領域」、あるいは「他の部分と素材が異なる領域」などが挙げられる。このような透水性の異なる領域を有することにより、担体内部への生物付着量を増やすことができ、水処理に用いた場合に吸着量を多くしやすくなる。なお、本発明の担体の有する透水性の異なる領域は、これらの具体例に限定されるものではない。これらの中でも、透水性の異なる領域は、貫通孔であることが好ましい。
透水性の異なる領域は、セルと接触していることが好ましい。
透水性の異なる領域が穴または貫通孔である場合、穴または貫通孔の直径は担体が立方体の時、その立方体の1辺の長さに対して10%〜60%であることが好ましく、20%〜40%であることがより好ましい。
透水性の異なる領域が他の部分と同一の材料で且つ平均セル径が大きい領域である場合、他の部分と同一の材料で且つ平均セル径が大きい領域に存在するセルのみの平均セル径は他の部分の平均セル径に対して2倍〜6倍であることが好ましく、3倍〜4倍であることがより好ましい。
透水性の異なる領域が他の部分と素材が異なる領域である場合、他の部分と素材が異なる領域に用いられる素材の材質は、後述の担体の材質として挙げた材質の中から選択することができる。また、担体に貫通孔を一度設けた後、貫通孔に他の素材を充填して、他の部分と素材が異なる領域を形成してもよい。
図1に本発明の水処理用担体の一例の概略図を示した。なお、本発明の担体の構造および形状は、図面によって限定されるものではない。
図1(A)および図1(B)に示した本発明の水処理用担体31の一例は、透水性の高い領域1を貫通孔として有する。図1(B)に示した本発明の水処理用担体31は、表面に平均セル径が1mm未満のセル3を有する。
気泡構造は、連続気泡構造であることが好ましく、気泡自体が繋がり、担体を貫通する貫通孔が形成されている構造であることが好ましい。連続気泡構造であることで、原水は担体を通過しやすい。連続気泡構造を有する担体は、吸水性に優れたスポンジ状の構造体とすることができる。
キューブ状の担体を用いる場合、1辺の長さは5〜60mmであることが好ましく、10〜30mmであることがより好ましい。また、担体が球状である場合は、担体の直径は5〜60mmであることが好ましく、10〜30mmであることがより好ましい。
担体の材質としては特に制限はないが、たとえば樹脂を用いることができる。本発明の担体に用いられる樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム、エラストマー等を挙げることができる。これらの中でも、熱可塑性樹脂が、生物親和性が高く、水処理に用いた場合に吸着量を多くしやすい観点から好ましい。
上述した樹脂、ゴム、エラストマーは、単独で使用することもでき、また、2種類以上を混合して使用することもできる。
発泡体は、例えば、エマルジョンを発泡させ、固化することで成形することができる。ここで、エマルジョンとは、上述した樹脂等を分散媒に分散した分散体であり、ラテックスとも呼ばれるものである。上述した樹脂等を分散させる分散媒としては、水や有機溶剤を使用することができる。また、樹脂を分散媒に分散する方法としては、各種の公知の方法が使用でき、例えば、樹脂の原料であるモノマーを分散媒に分散、乳化し、重合する方法を使用することができる。また、樹脂溶液を作製し、分散媒に分散、乳化する方法を使用することができる。また、自然界の植物、動物から得られるエマルジョンを使用することもでき、例えば、天然ゴムラテックスが挙げられる。
本発明で用いる担体の空隙率は90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましい。ここで、空隙率は、(単位体積あたりの原料重量−単位体積あたりの担体乾燥重量)/(単位体積あたりの原料重量)×100で求めることができる。
本発明の担体の真比重は、1.050〜1.200g/cm3であることが好ましく、1.100〜1.150g/cm3であることがより好ましく、1.120〜1.130g/cm3であることが特に好ましい。
担体が水処理の処理槽中で浮上するためには、担体の見かけ比重は1.0未満であることが必要である。なお、本明細書において、見かけ比重とは、含水状態における担体の質量を担体の体積で除して求めた比重であり、担体の実質的な比重を示すものである。具体的には、樹脂製の多孔質体を50cm3のメスシリンダーに見かけ容積で30cm3量り取り、その質量から算出することができる(単位:g/cm3)。
本発明で用いる担体の見かけ比重は、0.1以上1.0未満であることが好ましく、0.5以上1.0未満であることがより好ましく、0.8以上1.0未満であることがさらに好ましい。担体の見かけ比重を上記範囲とすることにより、空隙率や比表面積を所望の範囲とすることができる。これにより、担体の浮上性を高めることができる。
本発明で用いる担体の比表面積は、1000m2/m3以上であることが好ましく、2000m2/m3以上であることがより好ましい。さらに、比表面積は1000〜6000m2/m3であることが好ましく、2000〜5000m2/m3であることがより好ましい。
本発明の水処理方法は、本発明の水処理用担体を含む処理槽に原水を通過させる工程を含む水処理方法である。
このような構成により、本発明の水処理方法は、水処理に用いた場合に吸着量が多い担体を用いることで、処理水中の物質の量を大きく低下させることができる。
本発明の水処理方法では、処理槽が曝気槽であることが好ましい。曝気槽としては公知のものとすることができ、例えば空気を槽内に供給できることが好ましい。
中でも、本発明の水処理方法は水処理に用いた場合に物質の吸着量が多い担体、特に金属吸着量や浮遊物質(SS)の吸着量が多い担体を用い、処理水中の物質の量を大きく低下させることができる。さらに、原水の分析では検出されない微量の物質(例えば金属)を担体で吸着し、担体中に捕捉することができる。
本発明の水処理方法で吸着できる物質は、元素として、Na、Mg、Al、Si、P、Cl、S、K、Ca、Ba、Ti、Cr、Mn、Sn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Br、Pbなどを挙げることができる。これらの中でも、本発明の水処理方法では、元素として、Al、Si、P、S、Ca、Mn、Fe、Znを吸着することが好ましい。本発明の水処理方法では、金属を吸着することがより好ましく、重金属を吸着することが特に好ましい。
本発明の担体または本発明の水処理方法を用いた水処理装置について説明する。
このような水処理装置には、水処理に用いた場合に物質の吸着量が多い本発明の担体を用いるため、処理水中の物質の量を大きく低下させることができる。
図4は、本発明の水処理方法の一例を用いた水処理装置の概略図である。図4に示した本発明の水処理方法を用いた水処理装置では、本発明の水処理用担体31を含む処理槽10に原水11を通過させる。処理槽10で処理された原水は処理槽10を通過し、処理水12として処理槽10から下流に排出される。
図5は、本発明の水処理方法の他の一例を用いた水処理装置の概略図である。図5に示した本発明の水処理方法を用いた水処理装置では、本発明の水処理用担体31を含む処理槽10から排出された処理水12が、第2の処理槽20を通過する。第2の処理槽20としては特に制限はなく、任意の水処理用担体32を用いた曝気槽としてもよく、本発明の担体を用いた曝気槽としてもよい。本発明の水処理方法では水処理に用いた場合に物質の吸着量が多い本発明の担体を用いるため、第2の処理槽20はSS除去装置ではなくてもよい。
以下、本発明の水処理方法および水処理装置の好ましい態様を順に説明する。
処理槽10には、本発明の水処理用担体31が充填される。図4では、処理槽10には本発明の水処理用担体31が充填されている。図5では、処理槽10には本発明の水処理用担体31が充填されており、第2の処理槽20には水処理用担体32が充填されている。
本発明の水処理用担体31は、処理槽10に直接または任意の部材を介して固定されて充填されていても、流動状態で(固定されずに)充填されていてもよいが、流動状態で充填されていることが水処理に用いた場合に物質の吸着量が多くなる観点から好ましい。さらに、本発明の水処理用担体31は、処理槽10中で目詰まりを起こさないようにする観点から、処理槽10中で沈降しているよりも浮上していることが好ましい。本発明の水処理用担体31を処理槽10中で沈降させずに浮上させる方法としては、吸着量が多くなり過ぎないように一定時間後に担体を洗浄する方法などを挙げることができる。
本発明の水処理用担体31の処理槽10中における充填率は、担体の流動を妨げない観点から、10〜60%であることが好ましく、20〜50%であることがより好ましく、30〜40%であることが特に好ましい。
水処理に用いた場合に物質の吸着量が多い本発明の担体を用いるため、処理槽10の下流には、浮遊物質(SSとも言う)を担体で捕捉できるSS除去装置を設けてもよく、設けなくてもよく、コストの観点から設けないことが好ましい。
本発明の水処理方法においてSS除去装置を設ける場合のSS除去装置では、濾過、浮上処理、沈澱処理等の方法を用いることが好ましい。
水処理装置は洗浄設備を有していても、有していなくてもよい。本発明の水処理用担体31などの担体を洗浄する際には、水処理装置から担体を取り出して洗浄してもよく、水処理装置内で逆流洗浄をしてもよく、洗濯機等によって負荷をかけて洗浄してもよい。水処理装置は洗浄設備を有さないことが水処理装置自体をさらに簡素化できて好ましい。本発明で用いる担体は優れた強度を有し、耐久性に優れていることが好ましく、耐久性に優れる担体を用いる場合は、水処理装置は洗浄設備を有さないことが好ましい。
株式会社イノアックコーポレーション製のウォーターフレックスシリーズのAQ−20を用いて、担体1つ当たりに直径φ4mmの貫通孔(透水性の高い領域である、透水性の異なる領域)を担体の2つの対向する面の中心を貫通するように1つずつドリルで開け、以下の比較例1の担体を作製した。
(比較例1の担体)
担体 : 1cm3のポリウレタン
貫通孔 : 直径φ4mm(透水性の異なる領域)
平均セル径: 1.6mm
セル数 : 18個/25mm
セル径1mm以上のセルの個数割合:100%
セル径1mm未満のセルの個数割合:0%
空隙率 : 95%
真比重 : 1.044g/cm3
形状 :立方体
サイズ :10mm×10mm×10mm
担体のセル径は、走査型電子顕微鏡を用いて写真を撮影し、写真内(約3mm四方)で観察できるセルの最も長い径とそれに直交する径の長さを測定し、その平均とした。平均セル径は、担体表面から観察できた全てのセル径の相加平均として求めた。
なお、かさ体積/実体積(%)の換算は、サイズ5mm×5mm×5mmの場合100/65、サイズ10mm×10mm×10mmの場合100/55、サイズ15mm×15mm×15mmの場合100/52を用いる。
株式会社イノアックコーポレーション製のウォーターフレックスシリーズのAQ−15を用いて、担体1つ当たりに直径φ4mmの貫通孔(透水性の高い領域である、透水性の異なる領域)を担体の2つの対向する面の中心を貫通するように1つずつドリルで開け、以下の実施例1の担体を作製した。
(実施例1の担体)
担体 : 1cm3のポリウレタン
貫通孔 : 直径φ4mm(透水性の異なる領域)
平均セル径: 0.5mm
セル数 : 49個/25mm
セル径1mm以上のセルの個数割合:0%
セル径1mm未満のセルの個数割合:100%
空隙率 : 96%
真比重 : 1.122g/cm3
形状 :立方体
サイズ :10mm×10mm×10mm
<吸着>
実施例1または比較例1の担体を、それぞれ別の宮本製作所製活性汚泥試験装置の処理槽(容量5L)に、担体の充填率35%となるように流動状態で投入した。曝気流量3L/分となるように、以下の実機相当の条件1で水処理を行った。実施例1の水処理を行った際、実施例1の担体は、浮上していた担体と沈降していた担体があったが、以下の測定では浮上していた担体のみを測定に用いた。浮上と沈降は、流動している担体への物質の吸着量の差によるものと推定される。
なお、曝気流量は処理槽内に流入する空気の流入速度を意味し、供給水量は処理槽に流入する原水の流入速度を意味する。
(条件1)
供給水量:160mL/分
見かけの滞留時間:31分
上記の条件1で水処理を行った後の実施例1および比較例1の担体(吸着サンプル)を、半日間、乾燥風に曝して乾燥した時の質量を測定した。
一方、水処理を行う前の実施例1および比較例1の担体(新品サンプル)の質量を、半日間、乾燥風に曝して乾燥した時の質量を別に測定した。
吸着サンプルを乾燥した後の質量から、新品サンプルを乾燥した後の質量を減じた値を、実施例1および比較例1の担体を用いて水処理をした場合の吸着量とした。得られた結果を下記表1に記載した。
上記の条件1で水処理を行った後の実施例1および比較例1の担体(吸着サンプル)3個中の各元素の元素強度(X線ピーク強度;単位kcps)を、波長分散型蛍光X線分析装置としてスペクトリス社製社製の製品名PW−2404を用い、蛍光X線にて測定した。
一方、水処理を行う前の実施例1および比較例1の担体(新品サンプル)3個中の各元素の元素強度を、同様に蛍光X線にて測定した。
吸着サンプル3個中の各元素の元素強度から、新品サンプル3個中の各元素の元素強度を減じた値を、実施例1および比較例1の担体を用いて水処理をした場合の各元素の吸着強度とした。得られた結果を下記表1に記載した。
また、用いた実施例1および比較例1の水処理に用いた原水3L中の各元素の元素強度を、同様に蛍光X線にて測定した。得られた結果を下記表2に記載した。
下記表1および表2中、検出されなかった元素については、NDと記載した。
一方、平均セル径が1.0mm以上である比較例1の担体は、吸着量が0.059gと少なかった。なお、比較例1の担体は、Fe、Ca、S、Zn、Mn、Alの吸着強度が高かった。
なお、上記表2より、以下のことがわかった。
実施例1の担体において多くの金属類が原水に比べて高い強度で検出されている。特に実施例1の担体ではMn、Zn、Feの強度が非常に高い。これらの元素は原水の分析では検出されなかった。微量の元素が担体中に捕捉され濃縮されたと考えられる。
比較例2では、得られた比較例1の担体を、宮本製作所製活性汚泥試験装置の処理槽(容量5L)に、担体の充填率35%となるように流動状態で投入した。曝気流量3L/分となるように、以下の実機相当の条件1と、処理水量増加(滞留時間短縮)の条件2で水処理を行った。
なお、曝気流量は処理槽内に流入する空気の流入速度を意味し、供給水量は処理槽に流入する原水の流入速度を意味する。
(条件1)
供給水量:160mL/分
見かけの滞留時間:31分
(条件2)
供給水量:300mL/分
見かけの滞留時間:17分
JIS−K0102−14.1 工場排水試験法 懸濁物質。
また、水処理を行った後の担体への生物付着量を後述の方法で確認した。
<原水>
条件1および条件2に用いた原水は、水温が平均23.9℃、SSが20mg/Lであった。
条件2に用いた原水は、水温が平均23.9℃、SSが20mg/Lであった。
比較例2において、比較例1の担体を用いる代わりに、実施例1の担体を用いた以外は比較例2と同様にして、水処理を行った。
<SS>
比較例2より、SSについて、平均セル径1.0mm以上である比較例1の担体を用いた処理水では条件1では26mg/L程度、条件2では27mg/L程度であり、SSが原水より多くなったため、水処理に用いた場合に吸着量が少ないことがわかった。SSが原水より多くなった理由として、比較例1の担体は溶存BOD成分を不溶態であるSSに変換する変換能が高いためと考えられる。
これに対し、実施例2の水処理の結果、平均セル径1.0mm未満である実施例1の担体を用いた処理水では条件1では21mg/L程度、条件2では12mg/L程度であり、特に条件2の場合にSSが減少したため、水処理に用いた場合に吸着量が多いことがわかった。条件2の場合にSSが減少した理由として、比較例1の担体を用いた比較例2の水処理の結果では条件2の場合にSSが減少していないことから滞留時間短縮による影響ではなく、実施例1の担体の表面に形成された生物膜によるSS吸着効果によるものであると考えられる。
比較例1の水処理用担体を用いて水処理を行い、担体に微生物が固着した状態で、比較例1の水処理用担体を切断した切断面を写した写真を、図2(A)に示した。水処理を行う前の比較例1の水処理用担体の写真を図2(B)に示した。実施例1の水処理用担体を用いて水処理を行い、水処理用担体に微生物が固着した状態で、実施例1の水処理用担体を切断した切断面を写した写真を、図3(A)に示した。水処理を行う前の実施例1の水処理用担体の写真を図3(B)に示した。図2(A)、図2(B)、図3(A)および図3(B)より、透水性の異なる領域(貫通孔)を有する比較例1および実施例1の水処理用担体は、内部まで生物が入り込んでいることがわかり、表面のみ生物が付着するような従来の担体と比較して生物付着量が多くなることがわかった。
3 平均セル径が1mm未満のセル
10 処理槽
11 原水
12 処理水
20 第2の処理槽
31 本発明の水処理用担体
32 水処理用担体
Claims (4)
- 多孔質材料からなる水処理用担体であって、
多孔質構造を形成するセルの平均セル径が1mm未満であり、
透水性の異なる領域を有していること
を特徴とする水処理用担体。 - 前記セルのセル径が1mm未満のセルが80%以上である請求項1に記載の水処理用担体。
- 前記平均セル径が0.3〜0.7mmである請求項1または2に記載の担体。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の水処理用担体を含む処理槽に原水を通過させる工程を含む水処理方法。
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