JP4937779B2 - 有機質汚泥の脱水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機質汚泥の脱水処理方法に関する。

従来、汚泥の脱水処理では、ベルトプレス、スクリュープレス、スクリューデカンタ等による機械的な脱水方法が一般的である。このような脱水処理では、汚泥中にある微細な固形物粒子を凝集させた凝集フロックを形成させ、固液分離することにより脱水を行う。

したがって、形成させる凝集フロックは大きく、強度が高いほど脱水に適している。このような凝集フロックを形成させることができれば、効率良く汚泥が脱水され、清澄性の優れた脱離液及び含水率の低い脱水ケーキが得られる。

従来では、大きく、高強度な凝集フロックを形成させるために、カチオン性高分子凝集剤が広く用いられている。しかしながら、製紙工場排水処理、下水処理、屎尿処理等で発生する有機分比率の高い有機質汚泥では、カチオン性高分子凝集剤を添加しても強度の低い凝集フロックしか形成されない。そのため、機械的な脱水の工程中に凝集フロックが壊れ、脱水効率が著しく低下する。

そこで、有機質汚泥に硫酸バンド、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、ポリ鉄等の無機凝結剤を添加し、次いで高分子凝集剤を添加する方法が行われている。しかし、この方法は、添加した無機成分が脱水ケーキ中に多量に残り、脱水ケーキの焼却後に出る灰分が増大するため、廃棄物量の点で大きな課題を抱えている。

特許文献１では、無機凝結剤ではなく、有機凝結剤を使用する方法が提供されている。しかし、単に有機凝結剤と高分子凝集剤とを組み合わせて使用するだけでは、凝集フロックの強度を大幅に改善するには至っていない。

また、無機鉱物質粉末を多量に含んだ排水の脱水処理方法では、排水にジアリルアミン系高分子を添加し、次いで第一の高分子凝集剤としてカチオン又はアニオン性高分子凝集剤を添加し、さらに第一の高分子凝集剤と反対の電荷を有する第二の高分子凝集剤を添加して、機械的に脱水する方法が示されている（特許文献２）。

しかし、特許文献２の方法は、無機鉱物質粉末を多量に含む排水に対するものであり、有機分比率が高い有機質汚泥の脱水処理では十分に効果を発揮しない。そのため、有機分を多く含有する有機質汚泥を、廃棄物量を増大させることなく、高い効率で脱水できる方法が望まれている。
特開２００２−３５５６８２号公報 特開２００４−１６９６２号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、有機分比率の高い有機質汚泥に対して、廃棄物量を増大させずに、大きく、強度の高い凝集フロックが形成でき、高い脱水性を確保できる有機質汚泥の脱水処理方法を提供する。

上記の課題を達成するために、本発明は、有機質汚泥の脱水処理方法であって、（ａ）有機質汚泥に有機凝結剤を添加して混合する段階と、（ｂ）その有機凝結剤を加えた有機質汚泥にノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤を添加して混合する段階と、（ｃ）その後、有機質汚泥に、さらにカチオン性高分子凝集剤を添加、混合する段階と、（ｄ）その後、有機質汚泥を機械的に脱水する段階とを含み、
前記ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤中のアクリルアミドユニット含有率が８０ｍｏｌ％以上であり、前記カチオン性高分子凝集剤中のアクリルアミドユニット含有率が５０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする有機質汚泥の脱水処理方法を提供する。

また、前記の有機質汚泥の脱水処理方法では、有機凝結剤として、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート系重合体、ジメチルアミン系重合体、縮合系ポリアミン、からなる群から選択された少なくとも一つを用いることが望ましい。

さらに、本発明は、有機凝結剤の添加量（Ｘ）、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量（Ｙ）が、次式で示された範囲内であることが望ましい。
１≦Ｘ／（Ａ−Ｂ）≦２０
５≦Ｙ／（Ａ−Ｂ）≦５０
ここで、Ｘは有機凝結剤（純分）の添加量で処理対象汚泥に対する量（ｐｐｍ）、Ｙはノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量で処理対象汚泥に対する量（ｐｐｍ）、Ａは処理対象汚泥の強熱減量（％）、Ｂは処理対象汚泥の粗浮遊物（％）を意味する。

本発明の方法によれば、有機分比率の高い有機質汚泥であっても、廃棄物量を増大させることなく、大きく、強度の高い凝集フロックを形成させることができ、有機質汚泥を効率良く脱水できる。

以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の脱水処理方法は、有機質汚泥に有機凝結剤を添加して混合した後、その有機質汚泥にノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤を添加して混合し、その後、さらにカチオン性高分子凝集剤を添加して混合し、最後に機械的に脱水する、４つの段階を含む。

まず、第１段階として、有機質汚泥に有機凝結剤を添加し、混合する。有機凝結剤としては、一般的に使用されているものが使用可能であり、例えば、分子量が１０^６以下の、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート系重合体、ジアリルアミン系重合体、縮合系ポリアミン、ジシアンジアミドとホルマリンの縮合物、ポリエチレンイミン、ポリビニルイミダゾリン、ポリビニルピリジン、ポリビニルアミン、ポリビニルアミジンなどが挙げられる。なかでも、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート系重合体、ジアリルアミン系重合体、縮合系ポリアミンが好適に用いられる。

上記のジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート系重合体としては、例えば、ジメチルアミノエチルメタアクリレート塩化メチル四級塩の単独重合体、ジメチルアミノエチルメタアクリレート塩化メチル四級塩とアクリルアミドとの共重合体、ジメチルアミノエチルアクリレート塩化メチル四級塩とアクリルアミドとの共重合体等が挙げられる。

また、ジアリルアミン系重合体としては、例えば、ジメチルジアリルアミン塩の単独重合体、ジメチルジアリルアミン塩とアクリルアミドとの共重合体、ジメチルジアリルアミン塩と二酸化硫黄との共重合体等が挙げられる。

また、縮合系ポリアミンの例としては、ジアルキルアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物、アルキレンジアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物、アルキレンジクロライドとアルキレンポリアミンとの縮合物等が挙げられる。ここで、ジアルキルアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物としては、例えば、ジメチルアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物、ジエチルアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物が挙げられ、アルキレンジアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物としては、ヘキサメチレンジアミンとエピクロルヒドリンとの縮合物が挙げられる。

有機凝結剤の添加量（Ｘ）は、対象とする有機質汚泥によっても異なるが、式（１）に示した範囲内であることが好ましい。
１≦Ｘ／（Ａ−Ｂ）≦２０ ・・・（１）
ここで、Ｘは有機凝結剤（純分）の添加量で処理対象汚泥に対する量（ｐｐｍ）、Ａは処理対象汚泥の強熱減量（％）、Ｂは処理対象汚泥の粗浮遊物（％）を意味する。なお、Ａは社団法人日本下水道協会発行の「下水道試験方法１９９７年版上巻」の第４章第８節「強熱減量」に、Ｂは同書の第４章第１０節「粗浮遊物」に基づいて算出した値である。

有機凝結剤の添加量（Ｘ）が式（１）の範囲内であれば、範囲未満のときよりも形成される凝集フロックが高強度になる。また、有機凝結剤の添加量（Ｘ）が範囲内であれば、範囲を超えるときよりも大きな凝集フロックが形成される。そのため、より高い効率で有機質汚泥を脱水できる。

次に、第２段階として、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤を添加し、混合する。ノニオン性高分子凝集剤としては、例えば、アクリルアミドの単独重合体、アクリルアミドと少量のノニオン性モノマーとの共重合体等が挙げられる。
また、アニオン性高分子凝集剤のとしては、アクリルアミド単独重合体の部分加水分解物、ノニオン性モノマーとアニオン性モノマーとの共重合体が挙げられる。ここで、ノニオン性モノマーとしては、アクリルアミド、メタクリルアミド、酢酸ビニル、２−ヒドロキシエチルメタクリレート等、アニオン性モノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、２−アクリルアミド−２−メチルスルフォン酸、マレイン酸、フマル酸、及びこれらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩が挙げられる。

また、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤としては、アクリルアミドを８０ｍｏｌ％以上含有するポリマーであることが好ましい。例えば、アクリルアミド単独重合体やアクリルアミドを８０ｍｏｌ％以上含有している、アクリルアミドとアクリル酸塩の共重合体、アクリルアミドと２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸（塩）の共重合体、アクリルアミド、アクリル酸塩と２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸（塩）の３元共重合体等が挙げられる。

ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量（Ｙ）は、対象とする有機質汚泥によっても異なるが、式（２）により得られる範囲内であることが好ましい。
５≦Ｙ／（Ａ−Ｂ）≦５０ ・・・（２）
ここで、Ｙはノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤（純分）の添加量で処理対象汚泥に対する量（ｐｐｍ）、Ａは処理対象汚泥の強熱減量（％）、Ｂは処理対象汚泥の粗浮遊物（％）を意味し、Ａ及びＢの算出は前記と同様の方法で行う。

ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量（Ｙ）は、式（２）に示した範囲内であれば、範囲未満のときに比べてより高強度な凝集フロックが形成され、脱水性が高くなる。また、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量（Ｙ）が、式（２）に示す範囲内であれば、範囲を超える場合よりも脱水後の含有率が低くなる。

第３段階では、さらにカチオン性高分子凝集剤を添加し、混合する。カチオン性高分子凝集剤としては、一般に使用されているものが使用可能であり、例えば、カチオン性モノマーの（共）重合体、カチオン性モノマーとノニオン性モノマーとの共重合体等が使用できる。また、カチオン性高分子凝集剤として、カチオン性モノマー、ノニオン性モノマーと共にアニオン性モノマーを共重合させた両性ポリマーも使用できる。

分子内にアミジン単位を有するカチオン性高分子凝集剤も使用できる。共重合に使用されるカチオン性モノマーとしては、例えば、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジメチルアミノプロピル（メタ）アクリルアミド、もしくはこれらの中和塩、４級塩等、ノニオン性モノマーとしては、アクリルアミド、メタクリルアミド、酢酸ビニル、２−ヒドロキシエチルメタクリレート等が挙げられる。

また、カチオン性高分子凝集剤は、アクリルアミドを５０ｍｏｌ％以上含有する、カチオン性モノマーとノニオン性モノマーの共重合体であることが望ましい。カチオン性高分子凝集剤の添加量は脱水処理する汚泥により異なり、適宜選択される。

以上のような３つの段階により凝集フロックを形成させ、その後、その汚泥を機械的に脱水する。上記の通りに、有機凝結剤、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤、カチオン性高分子凝集剤をこの順序で添加すれば、最も効率良く有機質汚泥を脱水できる。ここで、本発明の脱水処理方法は、脱水がより困難な、有機分比率４５％以上の有機質汚泥に対して特に有効である。汚泥の有機分比率（％）は、（蒸発残留物（％）−強熱残留物（％））／強熱残留物（％）＊１００で算出される。このような有機質汚泥の具体例としては、製紙工場排水処理により発生する汚泥、下水処理により発生する汚泥、屎尿処理により発生する汚泥等が挙げられる。

以上、本発明の有機質汚泥の脱水処理方法によれば、有機分比率の高い有機質汚泥であっても、強度が高く、大きな凝集フロックを形成させることができ、効率の良い脱水処理が可能になる。

以下、実施例及び比較例を具体的に示して本発明を説明する。ただし、本発明は以下の記載によって限定されるものではない。本実施例及び比較例で用いた有機質汚泥を表１、有機凝結剤、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤、カチオン性高分子凝集剤を表２〜４にそれぞれ示す。また、形成された凝集フロック及び最終的に得られた脱水ケーキの評価は、社団法人日本下水道協会発行の「下水試験方法１９９７年版上巻」の第４章「一般汚泥試験」に従って実施した。

実施例１
表１記載の汚泥Ａ（３００ｍｌ）を５００ｍｌビーカーに入れ、有機凝結剤として表２記載のＯ−１を６ｐｐｍ（純分換算）添加して攪拌した。その後、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤として表３記載のＡ−１を３０ｐｐｍ（純分換算）添加して攪拌した。その後にカチオン性高分子凝集剤として表４記載のＫ−１を３０ｐｐｍ添加して攪拌した。攪拌は、全てスパチュラを用いて２０秒間手攪拌した。

前記操作により形成した凝集フロック全てを、ロート上に設置した平織りの濾布（ポリプロピレン製、５０メッシュ）上に移し、濾液を分離した。また、濾液の清澄性の評価として、濾液中の浮遊物質量（ＳＳ）を、上記書籍の第４章第９節「浮遊物質」に従って測定した。

凝集フロックの評価は、濾布上に残った凝集フロックを濾布上にて転がし、その転がる状態を判定することにより行った。判定基準を以下に示す。
凝集フロックが数個の団子状となる ： ◎ （高強度）
凝集フロックが棒状となる ： ○ （中強度）
凝集フロックがシート状にしかならない ： × （低強度）

凝集フロックの転がし判定後、凝集フロックを上下２枚の濾布（敷島キャンバス製、Ｔ１１７９Ｌ、ポリエステル製）で挟み、エアーシリンダにて７．８５ＭＰａ・ｃｍ^２の圧力で６０秒間プレスして脱水し、得られた脱水ケーキの含水率を測定した。

実施例２〜１３及び比較例１〜８はいずれも、汚泥、有機凝結剤、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤、カチオン性高分子凝集剤の種類以外、全て同様の方法で各種評価を実施した。実施例及び比較例の各条件を表５に、評価結果を表６に示す。

全ての条件が適している実施例１〜３では、高強度な凝集フロックが形成され、得られた脱水ケーキの含水率も非常に低かった。例えば、最も標準的な条件である実施例１の含水率は、６５％という良好な値であった。また、浮遊物質量（ＳＳ）も７２ｐｐｍと良好な値であった。これらの結果は、有機凝結剤、高分子凝集剤、有機質汚泥の種類を変えてもほぼ同様であった（実施例４、５、１２、１３）。

これに対し、有機凝結剤の添加量（Ｘ）が式（１）に示す範囲未満である場合（実施例７）や、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量（Ｙ）が式（２）に示す範囲未満である場合（実施例９）は、凝集フロックの強度は中程度であった。また、アクリルアミド含有率の低い高分子凝集剤を添加した場合も（実施例１０、１１）、凝集フロックの強度は中程度であった。このとき、得られた脱水ケーキの含水率は７０〜７３％であった。このように脱水性はある程度高くなるものの、その効果は実施例１〜３に比べて低い。

また、有機凝結剤やノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量が、式（１）、式（２）の範囲よりも多い場合は（実施例６、８）、高強度な凝集フロックが形成された。しかし、得られた脱水ケーキの含水率は７２〜７３％であり、効果はあるものの実施例１〜３に比べると脱水性は低くなる。

一方、カチオン性高分子凝集剤を単独で使用したり（比較例１〜３）、有機凝結剤や高分子凝集剤のうちいずれかを使用しない場合（比較例４〜６）は、形成した凝集フロックの強度が非常に低かった。そのため、得られる脱水ケーキの含水率は非常に高かった。別の有機質汚泥でも結果はほぼ同様であった（比較例７、８）。

以上のように、本発明の脱水処理方法に従えば、有機分比率の高い有機質汚泥であっても、少量の添加物で、大きく、強度の高い凝集フロックを形成でき、有機質汚泥を効率良く脱水できる。したがって、本発明の脱水処理方法は、製紙工場排水処理、下水処理、屎尿処理等、様々な分野で応用が可能である。

Claims (3)

1. 有機質汚泥の脱水処理方法であって、
   （ａ）有機質汚泥に有機凝結剤を添加して混合する段階と、
   （ｂ）有機凝結剤を加えた有機質汚泥にノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤を添加して混合する段階と、
   （ｃ）その後、有機質汚泥に、さらにカチオン性高分子凝集剤を添加、混合する段階と、
   （ｄ）その後、有機質汚泥を機械的に脱水する段階とを含み、
   前記ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤中のアクリルアミドユニット含有率が８０ｍｏｌ％以上であり、前記カチオン性高分子凝集剤中のアクリルアミドユニット含有率が５０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする有機質汚泥の脱水処理方法。
2. 有機凝結剤として、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート系重合体、ジメチルアミン系重合体、縮合系ポリアミン、からなる群から選択される少なくとも一つを使用することを特徴とする、請求項１記載の有機質汚泥の脱水処理方法。
3. 有機凝結剤の添加量（Ｘ）、ノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量（Ｙ）が、次式で得られる範囲内にあることを特徴とする、請求項１又は２に記載の有機質汚泥の脱水処理方法。
   １≦Ｘ／（Ａ−Ｂ）≦２０
   ５≦Ｙ／（Ａ−Ｂ）≦５０
   （ここで、Ｘは有機凝結剤（純分）の添加量で処理対象汚泥に対する量（ｐｐｍ）、Ｙはノニオン及び／又はアニオン性高分子凝集剤の添加量で処理対象汚泥に対する量（ｐｐｍ）、Ａは処理対象汚泥の強熱減量（％）、Ｂは処理対象汚泥の粗浮遊物（％）を意味する。）