JP4577122B2 - 生物処理水の高度処理方法及び生物処理水用凝集促進剤 - Google Patents

Description

本発明は、各種産業排水や生活排水等の排水を生物処理して得られる生物処理水を無機凝集剤で凝集処理した後、固液分離処理し、得られた分離水を膜分離処理する生物処理水の高度処理方法に係り、特に、このような生物処理水の高度処理において、膜供給水として許容される水質を満たすために必要な無機凝集剤量を低減した上で、凝集処理後の水質を向上させる生物処理水の高度処理方法に関する。

従来、各種産業排水や生活排水等の排水を生物処理して得られる生物処理水を更に高度処理として膜分離する場合、膜分離処理に先立ち、種々の有機凝集剤や無機凝集剤を生物処理水に添加して生物処理水中に含まれる濁質、生物代謝物等の不純物質を凝集、固液分離処理することが行われている。即ち、生物処理水中の濁質、生物代謝物等の不純物質は、膜の目詰まりの原因となるため、膜分離に先立ち、これを予め凝集、固液分離して除去する必要がある。

しかし、この場合、分離膜の目詰まりを引き起こすことなく、長期間安定して膜分離処理を継続し得るに十分な膜供給水を得るためには、濁質、生物代謝物等の不純物が高度に除去された分離水を得る必要があり、そのためには、無機凝集剤のみによる凝集処理では、多量の無機凝集剤が必要となるという問題があった。無機凝集剤を大量に添加することは、薬剤コストの高騰のみならず、汚泥発生量の増大につながり、工業的に不利である。しかも、無機凝集剤のみを用いた凝集処理では、凝集処理水の水質も十分に満足し得るものではなかった。

凝集剤として、有機凝集剤と無機凝集剤とを併用する方法もあるが、有機凝集剤としてカチオン系高分子を用いると、生物処理水に対しては少量の無機凝集剤低減効果しか得られず、また、どのような有機凝集剤であっても、その添加量が過剰になると処理後の水質が悪化することが確認されている。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理した後固液分離し、分離水を膜分離処理する生物処理水の高度処理方法において、少ない無機凝集剤添加量で、膜供給水として膜の目詰まりを十分に防止し得る高水質の分離水を得ることができる生物処理水の高度処理方法を提供することを目的とする。

本発明はまた、このような生物処理水の高度処理方法に用いられる生物処理水用凝集促進剤を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の生物処理水の高度処理方法は、生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理した後固液分離し、分離水を膜分離処理する生物処理水の高度処理方法において、該生物処理水に、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加した後、前記無機凝集剤を添加することを特徴とする。

請求項２の生物処理水の高度処理方法は、請求項１において、前記生物処理水に前記水溶性高分子を添加して撹拌した後、前記無機凝集剤を添加することを特徴とする。

請求項３の生物処理水の高度処理方法は、請求項１又は２において、前記水溶性高分子が下記(1)〜(3)の重合体の１種又は２種であることを特徴とする。
(1) ビニルフェノールの単独重合体
(2) 変性ビニルフェノールの単独重合体
(3) ビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールと疎水性ビニルモノマーとの共重合体
請求項４の生物処理水の高度処理方法は、請求項３において、前記(1)〜(3)の重合体の１種又は２種以上を、アルカリ水溶液として液状で用いることを特徴とする。

本発明（請求項５）の生物処理水用凝集促進剤は、生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理する際に、該無機凝集剤の添加に先立ち、該生物処理水に添加するための凝集促進剤であって、上記(1)〜(3)の重合体粉末の１種又は２種以上を含むことを特徴とする。
本発明（請求項６）の生物処理水用凝集促進剤は、生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理する際に、該無機凝集剤の添加に先立ち、該生物処理水に添加するための凝集促進剤であって、上記(1)〜(3)の重合体の１種又は２種以上を含むアルカリ水溶液であることを特徴とする。

本発明によれば、無機凝集剤の添加に先立ち生物処理水にフェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加することにより、高水質の膜供給水を得るために必要な無機凝集剤量を大幅に低減すると共に、凝集処理水の水質も著しく向上させることができる。

本発明において、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を用いることによる無機凝集剤量の低減及び凝集処理水の水質向上の効果の作用機構の詳細は不明であるが、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を生物処理水に添加した時、通常のカチオン系高分子では除去できない、生物処理水中の負荷電を持たないもしくは負荷量の小さい濁質、生物代謝物等の不純物が何らかの形でフェノール性水酸基を有する水溶性高分子と反応し、その状態で析出するか、或いはフェノール性水酸基を有する水溶性高分子が析出するときにこれらを巻き込んで析出することによるものと推察される。このように不溶化した生物処理水中の濁質、生物代謝物等の不純物は、更に無機凝集剤により凝集されて、効率的に固液分離される。

本発明では、無機凝集剤とフェノール性水酸基を有する水溶性高分子とを併用するが、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加することによる無機凝集剤使用量の低減効果が著しく大きいため、全体としての薬剤使用量は無機凝集剤のみを用いる場合に比べて非常に少なく、従って、薬剤コストの低減、汚泥発生量の低減を図った上で、後段の膜分離処理において、膜の目詰まりを防止して長期に亘り安定した膜分離処理を継続することができる。

なお、本発明において、生物処理水に無機凝集剤を添加する前にフェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加することは極めて重要であり、無機凝集剤添加後にフェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加しても、本発明による効果は得られない。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明で用いるフェノール性水酸基を有する水溶性高分子について説明する。

本発明で用いるフェノール性水酸基を有する水溶性高分子は、特に下記(1)〜(3)の１種又は２種以上であることが好ましい。
(1) ビニルフェノールの単独重合体
(2) 変性ビニルフェノールの単独重合体
(3) ビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールと疎水性ビニルモノマーとの共重合体

上記(2)の変性ビニルフェノールとしては、例えば、アルキル基やアリル基等で置換されたビニルフェノール、ハロゲン化ビニルフェノール等、フェニル基が何らかの化合物で化学修飾されたビニルフェノールが挙げられる。

また、(3)の疎水性ビニルモノマーとしては、例えばエチレン、アクリロニトリル、メタクリル酸メチル等の水不溶性又は水難溶性のビニルモノマーが挙げられる。このような疎水性ビニルモノマーと、ビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールとの共重合体中のビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールの割合は、モル比で０．５以上、特に０．７以上であることが好ましい。この割合が０．５未満であると、後述のアルカリ水溶液に対しても難溶性ないし不溶性となり好ましくない。

前記(1)〜(3)のビニルフェノール系重合体は、その重量平均分子量が５０００以上例えば５０００〜１０００００であることが好ましく、このような分子量の重合体は、通常、粉末で提供される。

本発明の生物処理水用凝集促進剤は、このようなビニルフェノール系重合体を含むものである。

前記(1)〜(3)のビニルフェノール系重合体は水には不溶ないし難溶であるが、アルカリ水溶液には溶解する。従って、これらのビニルフェノール系重合体は、アルカリ水溶液として液状で用いることもできる。

この場合、アルカリ水溶液のアルカリ性物質としては、各種アルカリ金属又はアルカリ土類金属等の水酸化物やアンモニア、アミン類が挙げられるが、入手のし易さ及び取り扱い性から、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）又は苛性カリ（ＫＯＨ）が好ましい。

上記ビニルフェノール系重合体のアルカリ水溶液の調製には、例えば、前記ビニルフェノール系重合体粉末を水に懸濁させ、この中にアルカリ性物質を添加して、褐色ないし黒褐色の水溶液とする。従って、アルカリ性物質の添加量はビニルフェノール系重合体粉末が溶解する量であれば良く、一般には１０〜３０重量％のアルカリ水溶液となるように添加される。

このアルカリ水溶液中の前記ビニルフェノール系重合体の濃度は任意であるが、一般には５〜２０（ｗ／ｖ）％程度とするのが好ましい。

このようなビニルフェノール系重合体のアルカリ水溶液は、液状であるため、添加量の制御が容易で、少量添加が可能であるという利点を有する。

本発明においては、このようなフェノール性水酸基を有する水溶性高分子、好ましくはビニルフェノール系重合体のアルカリ水溶液を生物処理水に添加して所定時間撹拌した後、無機凝集剤を添加して更に撹拌して凝集処理する。これにより、生物処理水に含まれる濁質、生物代謝物等の不純物質が速やかに析出、凝集する。

フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加する際の生物処理水のｐＨは中性、もしくはアルカリ性が好ましく、特にｐＨ６以上、例えば６〜９が好ましい。このｐＨが６未満であると添加時に水溶性高分子が析出してしまい、不純物質を凝集する能力が落ちてしまう。従って、生物処理水のｐＨが７未満である場合には、必要に応じてアルカリを添加してｐＨ調整を行う。

フェノール性水酸基を有する水溶性高分子の添加量は、少な過ぎるとフェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加したことによる本発明の効果を十分に得ることができず、多過ぎても効果は変わらないが経済的でないことから、処理対象の生物処理水の水質や必要な無機凝集剤の低減効果によっても異なるが、通常生物処理水に対して有効成分量で２〜５０ｍｇ／Ｌとすることが好ましい。

フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加した後に添加する無機凝集剤としては、特に制限はなく、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）、硫酸バンド（Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３）、その他、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を塩酸（ＨＣｌ）又は硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）で溶解したものなどのアルミニウム塩や、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ_３）、硫酸第二鉄（Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３）、硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ_４）等の鉄塩等の１種又は２種以上を用いることができる。

本発明においては、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を用いたことにより、このような無機凝集剤の添加量を大幅に低減することができる。無機凝集剤の添加量は、生物処理水の水質、用いる無機凝集剤の種類、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子の添加量等によっても異なるが、通常１００〜５００ｍｇ／Ｌ程度で良好な凝集処理水を得ることができる。

無機凝集剤を添加する際のｐＨは、当該無機凝集剤による処理に最適なｐＨであれば良く、例えば塩化第二鉄であればｐＨ４〜７、ポリ塩化アルミニウムであればｐＨ５〜７となるように必要に応じて酸、アルカリ等を添加してｐＨ調整を行う。

なお、生物処理水を添加した後は、１〜１０分程度撹拌して、生物処理水中の濁質、生物代謝物等の不純物質とフェノール性水酸基を有する水溶性高分子とを十分に接触させて反応させることが好ましい。また、その後、無機凝集剤を添加した後も、１〜１０分程度撹拌して十分に凝集処理することが好ましい。

凝集処理水の固液分離は、沈殿槽、浮上槽、濾過等により行うことができる。これらの固液分離手段を組み合わせ、沈殿槽で固液分離した後濾過を行っても良い。

凝集処理水を固液分離して得られた分離水を膜分離処理する膜分離装置としては、逆浸透膜分離装置、限外濾過膜分離装置、精密濾過膜分離装置等を用いることができる。これらの膜分離装置を２種以上に配置して更に高度な処理を行ってもよい。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。

実施例１
ＴＯＣ：２５０ｍｇ／Ｌの排水をＢＯＤ槽負荷：１．５ｋｇ−ＢＯＤ／ｍ^３／ｄで生物処理を行って得られた生物処理水（ＴＯＣ：８ｍｇ／Ｌ、ＳＳ：１００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ：８）に、急速攪拌（１８０ｒｐｍ）下、ポリビニルフェノール（重量平均分子量９２００）の１０（ｗ／ｖ）％アルカリ水溶液を１０ｍｇ／Ｌ（ポリビニルフェノール換算添加量で１ｍｇ／Ｌ）添加し、５分間急速攪拌を行った。次に、塩化第二鉄（３８重量％ＦｅＣｌ_３水溶液）をその添加量を変えて添加し、塩酸水溶液を添加することによりｐＨ５にｐＨ調整し、更に５分間の急速攪拌（１８０ｒｐｍ）を行った。その後、１０分の緩速攪拌（３０ｒｐｍ）を行った。

このような凝集処理で得られた凝集処理水をＮｏ．５Ａ濾紙で濾過した後、濾液をφ４７ｍｍ、孔径０．４５μｍの酢酸セルロースメンブンレンフィルターを用いて−５００ｍｍＨｇで減圧濾過した。このとき、初めの５００ｍＬを濾過するのに要する時間をＴ１（ｓ）、次の５００ｍＬを濾過する時間をＴ２（ｓ）とし、ＭＦＦ＝Ｔ２／Ｔ１で処理水の水質の評価を行った。ＭＭＦは小さい程、水質が良好である。

このときの塩化第二鉄のＦｅＣｌ_３換算添加量と、ＭＦＦとの関係を図１に示した。

比較例１
実施例１において、ポリビニルフェノールを添加せず、塩化第二鉄添加量を５５０ｍｇ／Ｌ（ＦｅＣｌ_３換算）としたこと以外は同様にして凝集処理を行い、同様に評価を行って、結果を図１に示した。

比較例２
実施例１において、ポリビニルフェノールの代りにアミン系カチオン高分子（ジアリルジメチルアンモニウムクロライド、分子量：１０万）を添加したこと以外は同様にして凝集処理を行い、同様に評価を行って、結果を図１に示した。

図１より次のことが明らかである。塩化第二鉄のみを添加した比較例１に比べて、塩化第二鉄の添加に先立ち、アミン系カチオン高分子、ポリビニルフェノールを１０ｍｇ／Ｌを添加した比較例２、実施例１では同量の塩化第二鉄添加量においても水質が向上（ＭＦＦ値が減少）し、また、ポリビニルフェノールを用いた実施例１の方が、アミン系カチオン高分子を用いた比較例２よりもその効果が高かった。

また、塩化第二鉄のみを用いた比較例１の場合の水質（ＭＦＦ＝１．３）を満たすために必要な塩化第二鉄添加量は、ポリビニルフェノール１０ｍｇ／Ｌとの併用の実施例１では約３００ｍｇ／Ｌとなり、無機凝集剤添加量を約半分に低減することができた。また、処理後の到達水質も向上した。

実施例２
実施例１において、ポリビニルフェノールの添加量を種々変え、塩化第二鉄添加量を２７０ｍｇ／Ｌ（ＦｅＣｌ_３換算）としたこと以外は同様に凝集処理を行い、同様にＭＦＦを調べ、ＭＦＦとポリビニルフェノール添加量との関係を図２に示した。

比較例３
実施例２において、ポリビニルフェノールを塩化第二鉄添加後に添加したこと以外は同様にして凝集処理を行い、同様に評価を行って、結果を図２に示した。

図２より明らかなように、ポリビニルフェノールを塩化第二鉄添加後に添加した比較例３では、ポリビニルフェノール添加量が増えるにしたがって水質が悪化する場合もあり、良好な結果は得られなかった。一方、塩化第二鉄添加前にポリビニルフェノールを添加した実施例２では、ポリビニルフェノールの添加量が増えると水質が向上した。

実施例４
実施例１と同様にしてポリビニルフェノール１０ｍｇ／Ｌと塩化第二鉄４００ｍｇ／Ｌ（ＦｅＣｌ_３換算）とを用いて生物処理水を凝集処理した後、沈殿槽で固液分離し、その後、砂濾過塔で濾過して水を逆浸透膜分離装置（ポリアミド系スパイラル膜モジュール内蔵）に操作圧０．７５ＭＰａで通水した膜分離処理した。このときの比透過流束を調べ、その経時変化を図３に示した。なお、比透過流束とは、所定操作圧力での初期における超純水の透過流束の値で１．０ｍ／ｄを除した値を、実測の透過流束にかけて算出したものである。

比較例４
実施例３において、ポリビニルフェノールを添加せず、塩化第二鉄の添加量を６４０ｍｇ／Ｌ（ＦｅＣｌ_３換算）としたこと以外は同様にして凝集、固液分離、膜分離処理を行って、比透過流束の経時変化を図３に示した。

図３より、本発明によれば、少ない凝集剤使用量で、良好な水質の膜供給水を得、膜の目詰まりを防止して膜分離を長期に亘り安定に継続することができることが分かる。

実施例１及び比較例１，２における評価結果を示すグラフである。 実施例２及び比較例３における評価結果を示すグラフである。 実施例３及び比較例４における評価結果を示すグラフである。

Claims (6)

1. 生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理した後固液分離し、分離水を膜分離処理する生物処理水の高度処理方法において、
   該生物処理水に、フェノール性水酸基を有する水溶性高分子を添加した後、前記無機凝集剤を添加することを特徴とする生物処理水の高度処理方法。
2. 請求項１において、前記生物処理水に前記水溶性高分子を添加して撹拌した後、前記無機凝集剤を添加することを特徴とする生物処理水の高度処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記水溶性高分子が下記(1)〜(3)の重合体の１種又は２種であることを特徴とする生物処理水の高度処理方法。
   (1) ビニルフェノールの単独重合体
   (2) 変性ビニルフェノールの単独重合体
   (3) ビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールと疎水性ビニルモノマーとの共重合体
4. 請求項３において、前記(1)〜(3)の重合体の１種又は２種以上を、アルカリ水溶液として液状で用いることを特徴とする生物処理水の高度処理方法。
5. 生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理する際に、該無機凝集剤の添加に先立ち、該生物処理水に添加するための凝集促進剤であって、下記(1)〜(3)の重合体粉末の１種又は２種以上を含むことを特徴とする生物処理水用凝集促進剤。
   (1) ビニルフェノールの単独重合体
   (2) 変性ビニルフェノールの単独重合体
   (3) ビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールと疎水性ビニルモノマーとの共重合体
6. 生物処理水に無機凝集剤を添加して凝集処理する際に、該無機凝集剤の添加に先立ち、該生物処理水に添加するための凝集促進剤であって、下記(1)〜(3)の重合体の１種又は２種以上を含むアルカリ水溶液であることを特徴とする生物処理水用凝集促進剤。
   (1) ビニルフェノールの単独重合体
   (2) 変性ビニルフェノールの単独重合体
   (3) ビニルフェノール及び／又は変性ビニルフェノールと疎水性ビニルモノマーとの共重合体

Images