JP4549962B2 - 水処理用発泡性固形凝集剤 - Google Patents

Description

本発明は、水処理用の発泡性固形凝集剤に関する。より詳しくは、工業排水処理、産業排水処理、池、川等のヘドロおよびアオコ処理、上下水道の水処理およびアオコ処理、糞尿処理等の用途に使用される固形凝集剤に関する。

凝集剤を用いて排水処理する場合、一般に使用されている凝集剤としては、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化鉄等に代表される無機系凝集剤と、ポリアクリルアミド等に代表される水溶性高分子からなる有機系凝集剤がある。

無機系凝集剤は主に懸濁粒子の荷電を中和する効果があるため使用後の上澄液の透明度が良く、更に沈澱物から水分を分離し易いという特徴がある反面、生成するフロックが小さいため凝集速度が遅い事や、酸性物質である事が多く処理後にアルカリによる中和処理を行う必要があった。一方、有機系凝集剤は、一般的に高価であり、形成されるフロックは無機系の凝集剤を用いた場合に比して大きいが、懸濁粒子に対する吸着補集力に劣るため上澄液に濁りが残るといった問題や沈澱物フロックからの水分分離が難しいという欠点があった。従って、無機系凝集剤と有機系凝集剤を併用する処理方法が一般的である。この場合には、まず無機系凝集剤を添加した後に急速攪拌してマイクロフロック群を形成させた上で、次のステップで有機系凝集剤を添加し、緩速攪拌してより大きな凝集体群を形成させる処理方法が適応されている。この様に時間差を設けて2種類の凝集剤を別々に投入する方法は、手間が掛かり複数の凝集剤投入手段が必要となる他、設備面積が大きくなるだけでなく、装置自身も大きくなるという不利益があった。

一方、近年になってから、無機凝集剤と有機高分子凝集剤を混合した粉末状の凝集剤を用いる事が提案されている（特開２００４−１５４７２６）。あるいは、石膏や人工ゼオライトあるいはセメントなどの比較的中性領域の材料を主成分とする無機系凝集剤についても提案されている。（特開平９−２７６６０４）
特開２００４−１５４７２６号公報 特開平０９−２７６６０４号公報

凝集剤を粉の形で水処理槽に投入する場合には、粉を一定間隔の時間と量で教習するための装置が高価になるだけでなく、装置内で棚つりなどの現象を発生し、供給がストップするなどのトラブルが時々発生するという問題があった。また、池や湖などで発生するアオコやヘドロ、工事現場での泥水などの凝集処理剤として現場で用いる際に、粉末状だと供給時に風で飛散するなどの恐れがあるだけでなく、広い範囲の地域に撒く事が出来ず手間がかかるという問題があった。更に、半導体工場などの粉塵を嫌う環境下では使えないため、防塵のための手段が望まれていた。
一方で、粉体を造粒化するためにはセルロースや水溶性高分子材料を結合剤に用いる方法が知られているが、この方法では、結合剤の添加量が多くなってしまい、固形材の強度が不十分であったり、凝集処理後に有機物が水中に残ってしまいＣＯＤやＢＯＤの値を上げ、返って汚染の原因になる恐れがあった。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意研究した結果、水処理用凝集剤成分、発泡剤、および成形助剤としての珪酸カルシウムを組み合わせて固形の水処理用凝集剤とすることによって前記の課題を解決させるに至った。

即ち、本発明は、水処理用凝集剤５０〜９０重量部、発泡剤５０〜１０重量部および珪酸カルシウム０．１〜２０重量部（水処理用凝集剤と発泡剤の合計量を100重量部とする）を含有してなることを特徴とする水処理用発泡性固形凝集剤である。

本発明の実施により、次のような効果がもたらされる。まず第１に、本発明の水処理用発泡性固形凝集剤は、排水に添加した際に、排水中に凝集剤成分を速やかにかつ均一に拡散することができる。これは、本発明の凝集剤を粉の状態で添加した時に比べて遜色のない凝集効果を発揮出来る。しかも、成型助剤などは凝集剤と一緒に沈降してしまうためＢＯＤやＣＯＤに悪影響を及ぼさない。更に、屋外で凝集剤を汚水に添加する際、例えば池や湖などに発生したアオコなどを凝集させる際にも粉塵を発生させる事無く添加する事が可能である。また、粉塵を嫌う半導体工場での排水処理にも問題なく使用することが出来る。

本発明の水処理用発泡性固形凝集剤について以下具体的に説明する。

本発明の水処理用発泡性固形凝集剤に配合される水処理用凝集剤としては、通常水処理に使用される粉体状の無機系または有機系の凝集剤が特に限定されず利用できる。

具体的には、無機系凝集剤としては、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、アンモニウムミョウバン、カリミョウバン、アルミン酸ナトリウム、ポリ塩化アルミニウムなどのアルミニウム塩、塩化第一鉄、塩化第二鉄、ポリ硫酸鉄、シリカ鉄などの鉄塩、ニ水石膏、半水石膏などの石膏、人工または合成ゼオライトのナトリウム型、カルシウム型、鉄型など、天然ゼオライト、火山灰、石炭灰などの灰成分、セメントなどが挙げられ、これらの1種または2種以上を使用することも可能である。

有機系凝集剤としては、水溶性の高分子物質、たとえば、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸塩、アクリルアミドとアクリル酸塩の共重合体、アルギン酸、アルギン酸塩、ポリビニルアルコール、ＣＭＣ、ＭＣ（メチルセルロース）、アルギン酸塩、キサンタンガム、グアガム、ＨＥＣ（ヒドロキシエチルセルロース）、ポリエチレンオキサイト、キトサン、寒天、ゼラチン、ポリマレイン酸、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルスルホン酸、ポリイミド、ポリアミン、ポリアクリル酸エステル等とこれらの変性物が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用することもできる。また、これらの共重合物を使用することも可能であり、アクリル酸ソーダとアクリルアミドの共重合物が特に好ましい。

無機系凝集剤と有機系凝集剤は単独あるいは組み合わせて使うことが可能であるが、無機系凝集剤を主体とする凝集剤が好ましい。具体的には、無機系凝集剤１００重量部に対して有機系凝集剤０．１〜２０重量部の範囲で組み合わせるのが好ましい。有機系凝集剤の含有量が多すぎると過剰な有機系凝集剤がフロックに取り込まれなくなり、処理水中に残存し、二次凝集の原因となることがある。少なすぎるとフロックの強度が弱くなり脱水しがたいフロックとなり、極端に少ない場合、フロックが微細となり、脱水不可能となる場合がある。

水処理用粉末凝集剤の製剤中における配合量は、特に限定されるものではないが、
凝集剤と発泡剤の合計１００重量部に対して５０〜９０重量部である事が好ましい。下限より少なければ、凝集性能が不足してくるため好ましくなく、上限を超えると発泡性能が不足してくることになる。

本発明に使用する発泡剤としては、アルカリあるいはアルカリ土類の炭酸塩、例えば炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸アンモニウム、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、セスキ炭酸ナトリウムなどが挙げられ、単独または２種以上併用してもよい。この中でも、アルカリの炭酸塩が水中で溶解し易いため好適に用いられる。発泡剤は、水処理用凝集剤５０〜９０重量部に対して、発泡剤５０〜１０重量部の範囲で添加されて用いられる。発泡剤の添加量が少ないと発泡効果が少なくなり、多すぎると凝集効果が十分に得られなくなるため好ましくない。

本発明の水処理用発泡性固形凝集剤においては、凝集処理工程で発泡剤による自己崩壊性が十分に得られない場合には、上記発泡剤に発泡助剤を組み合わせて配合するのが好ましい。該発泡助剤としては水溶性固体酸が好適に用いられる。水溶性固体酸からなる発泡助剤を発泡剤と併用することにより、水中に投下された固形凝集剤の発泡が促進され、その結果として錠剤の崩壊時間が大幅に短縮される事になる。

水溶性固体酸は特に限定されないが、例えば、クエン酸、コハク酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、シュウ酸、リンゴ酸、アジピン酸、リン酸二水素ナトリウム、ホウ酸、リン酸二水素カリウム、などが挙げられる。また、これら水溶性固体酸は単独または２種以上を併用してもよい。発泡剤および発泡助剤の配合量は任意の配合で添加できるが、通常発泡剤１００重量部に対して発泡助剤を１０〜１５０重量部添加して用いられる。発泡助剤がこの添加量よりも少ないと十分な発泡補助効果が得られにくく、多すぎると空気中の水分を吸湿しやすくなり、使用前に発泡が起こるなどの恐れがあるため包装容器が高価なものになってしまう。

本発明の水処理用発泡性固形凝集剤において、固形にし且つその形状を維持するために成形助剤が使用される。本発明においては数ある成型助剤の中で珪酸カルシウムを選択し使用したことに特徴がある。即ち、当該成型助剤として珪酸カルシウムが必須であり、更に該珪酸カルシウムの中でも、ジャイロライト型結晶構造、即ち２CaO・３SiO_２・ｎSiO_２・ｍH₂O（但し、n、ｍは正の数）の結晶構造を有し、かつSiO₂／CaOモル比が１．６〜４．２であり、平均粒径が１００μ以下のものが添加量が少なくても成形助剤としての効果をもたらすだけでなく、成形圧力も低圧で成形できるため特に好ましい。

このジャイロライト型結晶構造を有する珪酸カルシウムは、顕微鏡写真を撮る事によって確認が出来、該形状がバラの花びらに似た花弁状構造をしているものであり、一般には、「フローライト」（株式会社 トクヤマ製）と言う製品名で市販されている。この花弁状の結晶構造を有する珪酸カルシウムは、吸液性に優れているため固形凝集剤中に含まれる水分を取り込むことができ、特に湿気に弱い石膏などの成分を安定化することが可能となる点でも極めて好ましい成型助剤である。

珪酸カルシウムの添加量としては、水処理用凝集剤と発泡剤の合計１００重量部に対して、０．１〜２０重量部、更に好ましくは０．１〜１０重量部を添加して用いる事が好ましい。添加量がこの範囲よりも少ないと固形化が難しくなり、多過ぎると水中での崩壊性も低下するだけでなく、高価なものになってしまう。

本発明の水処理用発泡性固形凝集剤には、性能を損なわない限り、滑沢剤、凝集剤成分の安定化剤などの補助剤を添加してもよく、また一部担体を併用してもよい。滑沢剤としては、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸、滑石、水素添加植物油、タルクなどがあげられるが、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウムが好ましい。

本発明の水処理用発泡性固形凝集剤は固形とすることが必須であるが、その形態は、造粒物あるいは錠剤のどちらでも構わない。本発明の水処理用発泡性固形凝集剤の固形化方法としては、転動造粒法、圧縮型造粒法、攪拌型造粒法、押し出し造粒法、破砕型造粒法などがあるが、凝集剤成分の中に無機系凝集材と有機系凝集材が混在している場合や石膏などの成分を含有している場合には、凝集剤の保存安定性の低下や凝集サイトの失活を避けるため乾式造粒法を用いる事が好ましい。錠剤を作製する場合には、直接打錠する方法だけでなく、一旦、上述した造粒法を用いて造粒したものを打錠する事も可能である。

水処理用発泡性固形凝集剤の使用方法としては、一般に用いる方法が何ら制限無く用いられる。例えば、円盤状に作製した錠剤を筒の中に複数の錠剤を積み重ねた状態で入れ、一定時間毎に錠剤を１つずつ水中に自動落下させる供給機を用いる事も可能である。この場合は、棚つりなどの現象も発生せず、安価な装置での供給が可能となる。また、錠剤を一つずつ袋で包装して保管し、海外などで飲料水の確保が難しい地域で、泥水などに投入し上澄みを飲用水とするなどの用途も考えられる。更に、池や湖などの広い地域に投下するためには、砲丸の形の固形物を作製し、バズーカ砲で打ち込む方法などが考えられる。この場合には、球状整粒機を用いた固形化により、目的の固形物が得られる。

本発明の水処理用発泡性凝集剤を使用して凝集処理する場合、必要な設備としては、汚水や汚泥と凝集沈降剤とを水槽中で攪拌翼を用いて攪拌する方法だけでなく、水流を渦巻き状のラインを通す事によって攪拌する方法や、水中ポンプ，水中ジェットポンプ，汚泥吸引車などが考えられる。特に、本発明の水処理用発泡性固形凝集剤は、従来に比べれば簡単な設備で使用可能であり、設備負担は大幅に軽減させることを可能とする画期的な発明である。

実施例１
以下に示す市販の水処理用凝集剤を入手し、発泡剤として炭酸水素ナトリウム、成形助剤として花弁状の結晶構造を有する珪酸カルシウム（製品名：フローライト、株式会社トクヤマ製）を混合して加圧下で成形し、水処理用発泡性固形凝集剤を得た。
市販凝集剤１「製品名：ZEOフロック」環境理化学株式会社製の石膏系凝集剤
市販凝集剤２「製品名：アクアフロックSL」人工ゼオライト系凝集剤（鈴木産業株式会社製）
市販凝集剤３「製品名：WITグラインダー」飛灰が主成分の凝集剤（株式会社WIT）
（フライアッシュ４０％、硫酸カルシウム１０％）
市販凝集剤４「製品名：きよまる君」火山灰由来の無機物を主成分とする凝集剤（株式会社柳生防水技研製）
市販凝集剤５「製品名：水夢」人工ゼオライト系凝集剤（株式会社ISAA製）
市販凝集剤６「製品名：ハイパー・フロック」ポリマーと無機質主成分の凝集剤（株式会社ホウショウEG製
市販凝集剤７「製品名：びわ湖瞬間凝集剤（サンプル）」セメント＆人工ゼオライト系凝集剤（東亜工業株式会社製）
得られた錠剤を以下の基準で、水中での崩壊性と凝集能力を評価した。その結果を表１に示す。

１．錠剤化の有無
シリンダー式の加圧装置を用いて、４０〜１２０kg/cm²で1分間加圧した後、サンプルを取り出して錠剤化の有無を確認した。
○印：錠剤になり、手で持っても壊れない。
×印：粉のままで錠剤化せず、取り出す時に崩れてしまう状態。

２．水中での崩壊性観察
２０ｍｌの水が入ったガラスサンプル瓶に上記水処理用固形凝集剤を投入し、静置したままで錠剤が崩壊して行く状態を観察した。
印：水中に投入された直後に発泡し、しかも水中で自ら上下に動き速やかに崩壊
印：水中に投入されてから速やかに発泡が始まり、数分以内に崩壊
△印：水中に投入されてしばらく経った後にゆっくりと崩壊が始まる。
×印：水中に投入されても発泡せず、長時間崩壊しない。

３．汚水に対する凝集能力
１００ｍｌの水が入ったＰＥＴボトル内にベントナイト１ｇを添加して懸濁させ、この懸濁液に上記水処理用固形凝集剤０．１ｇを投入し激しく３０秒間攪拌した後に静置し様子を観察した。
◎印：静置により数分後にフロックが生成し、上澄液も透明な状態。
印：静置して数分後にフロックが生成するが、上澄液が若干不透明な状態。
印：静置してしばらくして小さなフロックが生成するが沈降が遅い。
×印：静置してもフロックが生成しない。

実施例２
水処理用凝集剤として実施例１の代わりに表２に示す組成のものを調整し、発泡剤として炭酸水素ナトリウム、成形助剤としてフローライトを用い、錠剤化圧力４０ｋｇ／ｃｍ^２で成型した後に錠剤化の有無、崩壊性、凝集性能を実施例１と同様な方法で評価した。その結果を表２に示す。

比較例１
実施例１のＮｏ１について、成型助剤または発泡剤を使用しなかった時の評価結果を表３に示した。

表３から明らかな様に、成型助剤としてフローライト（珪酸カルシウム）を使わない場合には凝集剤の錠剤化が出来ず、その結果として錠剤の崩壊性も評価することが出来なかった。一方、錠剤化前の粉について凝集性を調べてみたが凝集剤単独と比べて遜色は無かった。また、フローライトを凝集剤の成型助剤として使った場合には錠剤化することが出来たが、発泡剤（アルカリ炭酸塩）を使用しない場合には崩壊性が不十分であった。凝集剤を水中で崩壊させるために水溶性のポリマーとしてポリビニルピロリドンあるいは水溶性の塩として塩化カリウムを用いた場合には、錠剤化は可能であったが崩壊性は不十分であった。その結果として、凝集性も不十分な結果となった。

これは、フローライトが花弁状の結晶構造を有する事により、錠剤する際に凝集剤ならびに発泡剤同士を繋ぎ留める効果を有しており、凝集時には凝集物と一緒にフロックを形成して水中から分離されるためと考えられる。更に、炭酸塩は水中で発泡するため凝集剤の助剤を急速に崩壊、分散させる効果を有しているが、一方、水溶性ポリマーや水溶性の塩は水中で溶解するのに時間がかかるだけでなく、発泡性が無いため凝集剤の崩壊性が不十分だったものと考えられる。

比較例２
水処理用凝集剤として実施例１で使用した市販凝集剤１、発泡剤として炭酸水素ナトリウムを用い、成形助剤をフローライトに代えて結晶性セルロース（製品名セオラスFC-30、旭化成工業製）、無水リン酸水素カルシウム（製品名：フジカリン、富士化学工業製）、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム（製品名：ノイシリン、富士化学工業製）を使用した場合の錠剤化の有無、崩壊性、凝集性能を実施例１と同様な方法で評価した。その結果を表４に示す。

表４から明らかな様に、凝集剤の成形助剤として、フローライト（珪酸カルシウム）の代わりに、賦形剤として知られている結晶セルロース、無水リン酸水素ナトリウムあるいはメタケイ酸アルミン酸マグネシウムを使った場合には、比較的低圧での成形時には添加量を２５重量％まで上げても錠剤化することができず、高圧成形で始めて錠剤化することが出来た。この理由は定かではないが、表３の結果と同様にフローライトは花弁状の結晶性構造を有するために、錠剤化する際に凝集剤ならびに発泡剤同士を繋ぎ留める効果が優れていることによるものと考えられる。

Claims (6)

1. 水処理用凝集剤５０〜９０重量部、発泡剤５０〜１０重量部および珪酸カルシウム０．１〜２０重量部（水処理用凝集剤と発泡剤の合計量を100重量部とする）を含有してなることを特徴とする水処理用発泡性固形凝集剤。
2. 発泡補剤が、発泡剤１００重量部に対して１０〜１５０重量部含有されてなることを特徴とする請求項１記載の水処理用発泡性固形凝集剤。
3. 水処理用凝集剤が、無機物を主成分とする粉末状の凝集剤であることを特徴とする請求項１または２記載の水処理用発泡性固形凝集剤。
4. 水処理用凝集剤が、石膏、セメントまたはゼオライトの少なくとも1種を主成分とする凝集剤であることを特徴とする請求項１または２記載の水処理用発泡性固形凝集剤。
5. 発泡剤が、アルカリの炭酸塩であることを特徴とする請求項１または２記載の水処理用発泡性固形凝集剤。
6. 珪酸カルシウムが、花弁状構造を有する珪酸カルシウムであることを特徴とする請求項１または２記載の水処理用発泡性固形凝集剤。