JP4689156B2 - 汚泥の脱水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、下水処理場あるいは食品工業、化学工業等の廃水処理施設で発生する有機質汚泥の脱水処理方法に関する。

下水処理場や、食品工場、製紙工場、化学工場等の廃水処理施設では、沈降分離、生物処理等の処理により廃水を浄化させている。かかる廃水処理において発生する汚泥は、スクリューデカンター、ベルトプレス等で脱水処理された後、焼却処分されることが一般的である。また、汚泥の脱水効率向上を目的として、あらかじめ、汚泥に高分子凝集剤を添加混合して汚泥粒子をフロック化することが広く行われている。
ここで、汚泥に対し良好で且つ安定した脱水処理を行うには、汚泥粒子と水とを効率良く分離させること、すなわち、大きなフロックを安定的に形成させ、含水率の低い脱水ケーキを得ることが重要である。しかしながら、汚泥は、廃水の組成やその処理方法によってその質が変動しやすく、大きさや質の安定したフロックを形成させることが難しい。なお、汚泥の質を変動させる具体的要因としては、例えば、下水処理場では、水処理の高度化、汚泥の集中処理等によって発生する腐敗、合流処理から分流式への変更等が挙げられ、食品工業等の産業廃水では、生産品目の変更等が挙げられる。

かかる背景下、種々の高分子凝集剤及び脱水処理方法が提案されている。
例えば、（１）アミド基含有単量体と、カチオン性単量体と、エーテル型単量体又は水酸基含有単量体とからなる高分子凝集剤（特許文献１等）や、（２）有機質汚泥に対して、無機凝集剤および両性高分子凝集剤による脱水処理を順次行うことにより、脱水ケーキの含水率を低下させる脱水処理方法が開示されている（例えば、特許文献２、３等）。
特開平４−９６９１３号公報 特開昭６３−１５８２００号公報 特開平２−１８０７００号公報

しかしながら、（１）特許文献１に記載の高分子凝集剤は、アミド基含有単量体とカチオン性単量体の他に、エーテル型単量体又は水酸基含有単量体を含むものであるが、実施例においては、その大半が前者のエーテル型単量体に関するものであり、後者の水酸基含有単量体を用いたものは僅か一例が記載されているにすぎない。そのため、アミド基含有単量体とカチオン性単量体と水酸基含有単量体を含む高分子凝集剤の組成（各単量体成分の共重合比率等）が凝集性能に与える影響について十分に検討されておらず、汚泥の質に関係なく安定した脱水処理を行えるか否かは不明である。
（２）特許文献２及び３に記載の脱水処理方法では、汚泥に添加する無機凝集剤の種類や添加量が変動すると、両性高分子凝集剤によるフロック形成が安定せず、良好な脱水処理を安定して行うことが難しい。
このように、上記先行公知技術では、汚泥の質によらず安定して大きなフロックを形成させ、且つ含水率の低い脱水ケーキを得ることは困難であった。また、従来は特に、余剰汚泥等の有機質汚泥に対して、安定した脱水処理を行うことが困難であった。

本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、余剰汚泥等の有機質汚泥に対して、安定して大きなフロックを形成させ、含水率の低い脱水ケーキを得ることが可能な汚泥の脱水処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するべく鋭意検討し、高分子凝集剤として水酸基含有高分子、特に水酸基含有水溶性共重合体を用いることにより、粗大な凝集フロックを生成し得ることを見出した。しかしながら、水酸基含有高分子を用いて凝集したフロックは粗大かつ強固ではあるものの、脱水ケーキの含水率については満足のいくものではなかった。
本発明者らは、汚泥中の各種コロイド物質と、凝集剤の水酸基とが互いに結合する結果、強固なフロックが生成される一方、フロック内に水分が取り込まれて除去されにくくなっていると推察してさらに検討を行い、水酸基含有高分子凝集剤の前に、無機凝集剤を用いて脱水処理を行うことにより、粗大なフロックを生成するという水酸基含有高分子凝集剤の特性を損なうことなく、脱水ケーキの含水率を大幅に低減できることを見出し、本発明を完成した。

本発明の汚泥の脱水処理方法は、有機質汚泥に対して、無機凝集剤（Ａ）による処理と水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）による処理を順次行う工程を有し、前記水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が、下記一般式（Ｉ）で表されるアミド基含有単量体（Ｘ）単位と、下記一般式（ＩＩ）で表されるカチオン性単量体（Ｙ）単位と、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート又は２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレートである水酸基含有単量体（Ｚ）単位とを含む水溶性共重合体であることを特徴とする。

（但し、式中、Ｒ^１は水素原子又はメチル基を示し、Ｒ^２及びＲ^３はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数１〜３のアルキル基を示す。）

（但し、式中、Ｒ^４は水素原子又はメチル基を示し、Ｒ^５及びＲ^６はそれぞれ独立に炭素数１〜４のアルキル基を示し、Ｒ^７は水素原子又は炭素数１〜１８のアルキル基又はベンジル基を示し、Ｘ⁻は陰イオンを示す。）

本発明の汚泥の脱水処理方法によれば、汚泥の質によらず、余剰汚泥等の有機質汚泥に対して安定して大きなフロックを形成させ、含水率の低い脱水ケーキを得ることができ、安定して良好な脱水処理を行うことができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の汚泥の脱水処理方法は、有機質汚泥に対して、異なる凝集剤を用いた２段階の凝集脱水処理を行う工程を有することを特徴としている。以下、各段階の脱水処理について説明する。

「１段目の脱水処理」
１段目の脱水処理では、無機凝集剤（Ａ）を用いて処理を行う。
無機凝集剤（Ａ）としては、無機系の凝集剤であれば特に限定されず、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第一鉄、ポリ硫酸鉄等の市販の無機凝集剤を用いることができる。なお、これら無機凝集剤は１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。
処理方法は特に限定されないが、例えば、有機質汚泥に対して、無機凝集剤（Ａ）を必要に応じて適宜希釈して添加し、汚泥と共に攪拌混合する方法等が好適である。

「２段目の脱水処理」
２段目の脱水処理では、特定の高分子凝集剤を用いて処理を行う。本発明では、高分子凝集剤として、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）を用いる。また、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）としては、凝集性能の観点から、アミド基含有単量体（Ｘ）単位とカチオン性単量体（Ｙ）単位と水酸基含有単量体（Ｚ）単位とを含む水溶性共重合体が特に好ましい。

アミド基含有単量体（Ｘ）としては、アミド基を含有する単量体であれば特に限定されないが、凝集性能に優れた水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が得られることから、下記一般式（Ｉ）で示される単量体が好ましい。

（但し、式中、Ｒ^１は水素原子又はメチル基を示し、Ｒ^２及びＲ^３はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数１〜３のアルキル基を示す。）
上記一般式（Ｉ）で示されるアミド基含有単量体（Ｘ）の具体例としては、例えば (メタ)アクリルアミド、Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−イソプロピル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド等が挙げられる。これらは１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、得られる水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）の水に対する溶解性、及び高分子量化の観点から、アクリルアミド等が特に好ましい。

水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）におけるアミド基含有単量体（Ｘ）の含有量は特に限定されないが、強いて言えば５〜６５質量％の範囲が好ましい。アミド基含有単量体（Ｘ）の含有量が６５質量％を超えると、重合体の分子量が極端に高くなって水溶性が低下する傾向にあり、さらには重合体に架橋を生じさせ、水に対して不溶な物質が生成される恐れもある。

カチオン性単量体（Ｙ）としては、カチオン性の単量体であれば特に限定されないが、凝集性能に優れた水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が得られることから、下記一般式（II）で示される単量体が好ましい。特に、アミノ基含有単量体（Ｘ）の酸による中和物及び／又は４級アンモニウム塩が好ましい。

（但し、式中、Ｒ^４は水素原子又はメチル基を示し、Ｒ^５及びＲ^６はそれぞれ独立に炭素数１〜４のアルキル基を示し、Ｒ^７は水素原子又は炭素数１〜１８のアルキル基又はベンジル基を示し、Ｘ^-は陰イオンを示す。）

一般式（II）で示されるカチオン性単量体（Ｙ）の具体例としては、例えばジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートの塩酸塩、硫酸塩、メチルクロライド４級化物、ジメチル硫酸４級化物、ベンジルクロライド４級化物、ベンジルによる４級化物のＢＦ_４塩、ｐ−トルエンスルホン酸メチルエステルによる４級化物、オクチルブロマイド４級化物等のジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート誘導体；ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレートの塩酸塩、硫酸塩等のジエチルアミノエチル（メタ）アクリレート誘導体等が挙げられる。これらは１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）の水に対する溶解性、及びパルプ等に対する凝集性の観点から、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートのメチルクロライド４級化物等が特に好ましい。

水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）におけるカチオン性単量体（Ｙ）の含有量は特に限定されず、適宜設計することができる。

水酸基含有単量体（Ｚ）としては、水酸基を含有する単量体であれば特に限定されないが、凝集性能に優れた水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が得られることから、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート等が好ましい。これらは１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）の水に対する溶解性、及びパルプ等に対する凝集性の観点から、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレートが好ましい。

水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）における水酸基含有単量体（Ｚ）の含有量は特に限定されないが、強いて言えば５〜６０質量％の範囲が好ましい。水酸基含有単量体（Ｚ）の含有量が５質量％未満では、水酸基含有単量体（Ｚ）を共重合させたことによる凝集性能の向上効果が顕著に発現せず、水酸基含有単量体（Ｚ）を共重合させていないものとの性能差が顕著に現れない傾向にある。一方、含有量が６０質量％を超えると、水酸基の導入によって水素結合が増し、水に対して不溶な物質が生成される傾向にある。

水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）の製造方法は特に限定されないが、成分（Ｘ）〜（Ｚ）を所定の比率で水溶液中にて共重合する水溶液重合が好適である。
例えば、攪拌機能を備えた密閉可能な容器内に単量体（Ｘ）〜（Ｚ）を所定比率で仕込み、窒素を通じて系内の酸素濃度を低下させた状態で重合開始剤を投入する。次いで、加熱または活性エネルギー線の照射、薬剤の添加等により重合を開始させ、一定時間保持し重合を完結させることによって、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が得られる。
なお、重合に際しては、凝集性能や不溶解物量に影響を与えない範囲で、上述の単量体以外の他の単量体を共重合させることも差し支えない。同様に、連鎖移動剤、重合禁止剤、キレート剤等を適宜添加することも可能である。
重合開始剤としては、公知の一般的なアゾ系開始剤、活性エネルギー線分解型開始剤、レドックス系開始剤等を使用することができる。
重合開始温度は特に限定されず、重合開始剤の種類に応じて適宜設定される。重合濃度も特に限定されないが、後の乾燥工程を考慮すれば、できるだけ高濃度で実施することが有効である。

水溶液重合法では、水溶液中に分散された含水状態の水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が得られる。これをそのまま用いても良いが、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）は含水状態では長期保存安定性が十分ではなく、多量の水を水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）と共に運搬することは、運搬の作業性や低コストの観点からも好ましくないことから、水分を含まない固体状態とすることが好ましい。含水状態の水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）を非含水固体状態とする方法は特に限定されないが、アセトン等の溶媒を用いて脱水した後加熱乾燥する方法、含水状態の水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）を直接加熱乾燥する方法等が挙げられる。中でも、低コストの観点から、後者の方法が好ましい。

２段目の脱水処理における処理方法も特に限定されないが、例えば、無機凝集剤（Ａ）による処理を終えた有機質汚泥に対して、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）を必要に応じて適宜希釈して添加し、汚泥と共に攪拌混合する方法等が好適である。また、水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）による凝集効果に悪影響を及ぼさない範囲内で、他の成分、例えばスルファミン酸等の固体酸、無水亡硝、塩化ナトリウム等の無機塩類を適宜添加混合して、凝集処理を行うことも差し支えない。

以上のように、異なる２種類の凝集剤を用いて凝集脱水処理を行った後、スクリューデカンター、ベルトプレス等を用いてプレス脱水し、脱水処理が完了する。

本発明によれば、無機凝集剤（Ａ）と水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）とを用いて２段階で凝集脱水処理を行う構成を採用しているので、汚泥の質によらず、安定して大きなフロックを形成させ、含水率の低い脱水ケーキを得ることができ、安定して良好な脱水処理を行うことができる。

以下、本発明を実施例および比較例によってさらに詳細に説明するが、これらは本発明を何ら限定するものではない。
凝集剤としては以下に記載のものを用いた。なお、無機凝集剤は１０倍に希釈し、高分子凝集剤は０．３質量％水溶液に調整して用いた。
＜無機凝集剤＞
ＰＳ：ポリ硫酸鉄
ＳＢ：硫酸バンド

（実施例１〜７、比較例１〜５）
ｐＨ：６．４、ＳＳ：１．２１％、強熱減量（以下「ＶＴＳ」と略す）：８５．３％なる性状の食品余剰汚泥を用いて脱水試験を実施した。
まず、５００ｍｌビーカーに上記汚泥を３００ｍｌ採取し、これに無機凝集剤を添加し、ヒネリカイ型攪拌機を用い６００ｒｐｍの回転数で２０秒間混合した。次いで、高分子凝集剤水溶液を添加し、更に同攪拌条件にて３０秒間混合し、脱水処理を行った。なお、比較例１、２では、無機凝集剤による処理を行わず、直接高分子凝集剤による処理を行った。
以上のようにして生成されたフロックの粒径を目視により測定した。次いで、凝集した汚泥をろ布（敷島カンバス社製Ｔ−１１７９Ｌ）を敷いたヌッチェに移しろ過性能を測定した。さらに１分経過後ヌッチェを外し０．１ＭＰａの圧力でプレス脱水し、脱水ケーキの含水率を求めた。
各例において用いた凝集剤および添加量、並びに評価結果を表２に示す。

表２に示すように、無機凝集剤（Ａ）と水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）による脱水処理を順次行った実施例１〜７ではいずれも、生成されたフロックは十分な大きさと良好なろ過性能を有し、脱水ケーキ含水率も低く、良好な結果が得られた。また無機凝集剤や水酸基含有高分子凝集剤の種類を変更しても試験成績に大きな変化はなく、安定して処理を行うことができた。
これに対して、無機凝集剤による処理を行わなかった以外は実施例１、５と同様に脱水試験を行った比較例１、２では、生成されたフロックは実施例１、５に比して小さく、またろ液量が少なくろ過性能にも劣るものであった。さらに、汚泥の脱水ケーキ含水率も実施例に比して高く、劣るものであった。
水酸基含有高分子凝集剤の代わりにカチオン系凝集剤を用いて脱水試験を行った比較例３、４では、生成されたフロックが著しく小さく、不良であった。
水酸基含有高分子凝集剤の代わりに両性高分子凝集剤を用いて脱水試験を行った比較例５では、生成されたフロックの大きさは実施例と同等であったが、フロックのろ過性能、汚泥の脱水ケーキ含水率は、実施例に比して劣るものであった。

（実施例８〜１０、比較例６〜８）
ｐＨ：５．５、ＳＳ：２．８４％、ＶＴＳ：７２．３％なる性状の下水混合汚泥を用いた以外は、先の実施例／比較例と同様に、脱水試験を実施した。
生成されたフロックの粒径を同様に測定した。次いで、凝集した汚泥をろ布を敷いたヌッチェに移しろ過性能を同様に測定した。さらに、１分間ろ過濃縮した汚泥をろ布上で３０回転がしてフロックの強度（団粒性）を下記判断基準に基づき評価した。その後０．１ＭＰａの圧力でプレス脱水し、脱水ケーキの含水率を求めた。
各例において用いた凝集剤および添加量、並びに評価結果を表３に示す。
＜フロック強度の判定基準＞
◎：ろ布上で転がすことにより水が切れ、凝集汚泥が数個の団子状になる。
○：ろ布上で転がすことにより水が切れ、凝集汚泥が一塊状になる。
△：ろ布上で転がすことにより水が切れるが、凝集汚泥が崩れ塊状にならない。
×：ろ布上で転がすと、凝集汚泥が崩れて流れドロドロになる。

表３に示すように、無機凝集剤（Ａ）と水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）による凝集脱水処理を順次行った実施例８〜１０ではいずれも、生成されたフロックは十分な大きさと強度を有し、脱水ケーキ含水率も低く、良好な結果が得られた。また無機凝集剤や水酸基含有高分子凝集剤の種類を変更しても試験成績に大きな変化はなく、安定して処理を行うことができた。
これに対して、無機凝集剤による処理を行わなかった比較例６では、生成されたフロックは実施例に比して小さく、フロック強度も劣るものであった。さらに、脱水ケーキ含水率も実施例に比して高く、劣るものであった。
水酸基含有高分子凝集剤の代わりにカチオン系凝集剤を用いて脱水試験を行った比較例７では、生成されたフロックが著しく小さく、不良であった。
水酸基含有高分子凝集剤の代わりに両性高分子凝集剤を用いて脱水試験を行った比較例８では、生成されたフロックの大きさや強度は良好であったが、脱水ケーキ含水率は、実施例に比して劣るものであった。

本発明の汚泥の脱水処理方法は、下水処理場あるいは食品工場、製紙工場、化学工場等の廃水処理施設で発生する有機質汚泥の脱水処理に好適に用いられる。

Claims (1)

1. 有機質汚泥に対して、無機凝集剤（Ａ）による処理と水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）による処理を順次行う工程を有し、
   前記水酸基含有高分子凝集剤（Ｂ）が、下記一般式（Ｉ）で表されるアミド基含有単量体（Ｘ）単位と、下記一般式（ＩＩ）で表されるカチオン性単量体（Ｙ）単位と、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート又は２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレートである水酸基含有単量体（Ｚ）単位とを含む水溶性共重合体であることを特徴とする汚泥の脱水処理方法。
   

   

   （但し、式中、Ｒ^１は水素原子又はメチル基を示し、Ｒ^２及びＲ^３はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数１〜３のアルキル基を示す。）
   

   

   （但し、式中、Ｒ^４は水素原子又はメチル基を示し、Ｒ^５及びＲ^６はそれぞれ独立に炭素数１〜４のアルキル基を示し、Ｒ^７は水素原子又は炭素数１〜１８のアルキル基又はベンジル基を示し、Ｘ⁻は陰イオンを示す。）