JP3305688B2 - 高分子凝集剤およびその製造方法並びに有機性汚泥の脱水方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水処理施設、し尿処
理施設、又は一般工場の排水処理施設から排出される有
機性汚泥を脱水処理するために主として使用する高分子
凝集剤およびその製造方法並びに該高分子凝集剤を用い
て、有機性汚泥を効率よく脱水処理する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】下水処理施設、し尿処理施設又は、一般
工場の排水処理施設から排出される有機性汚泥を処理す
るには、塩化第２鉄と石灰を中心とした無機系電解質を
多量に添加し、オリバーフィルターやフィルタープレス
等の脱水機で処理していたが、無機薬品は、添加量が多
量に必要なことにより、脱水後の脱水ケーキが増量して
しまうことや薬品の取り扱い上の問題或いは、処理設備
の腐食の問題等があり、従って、無機薬品に代えて有機
高分子凝集剤が用いられるようになっている。

【０００３】すなわち、有機性汚泥中に高分子凝集剤を
添加し、汚泥のコンディショニング（調整）をした後、
遠心分離機、ベルトプレス、スクリュープレス又は、こ
れらに類する脱水機で脱水処理する方法が有機性汚泥の
処理手段として主流となっている。そして、脱水後の汚
泥は脱水ケーキと呼び、埋立処分又は焼却処分される
が、近年は、焼却処分される場合が多く、焼却には、燃
料が用いられるため、脱水ケーキは、できるだけ、脱水
工程で水分を少なくし、脱水処理スピードを上げ、処理
量を増し、効率化し、焼却工程でランニングコストを下
げることが望まれる。 このため、遠心分離機の回転数
を上げてより高速化したり、ベルトプレスの圧力を増大
したり、機械的、物理的にエネルギーを増大させる方法
が考えられるが、現状用いられている高分子凝集剤によ
る汚泥のコンディショニングでは、フロック強度が弱
く、しかも、水切れが不十分な為、分離液又は濾過液に
固型分がリークして回収率が低下したり、脱水ケーキの
含水率が高く脱水が不十分で、濾布の剥離性が不良で満
足な処理ができていない場合が多い。

【０００４】又、近年は脱水前の汚泥の貯蔵日数が増加
したり、有機物含量が増加したりしているため、腐敗に
より凝集処理しにくい汚泥が増えている。酸化剤による
汚泥の前処理や酵素による汚泥の前処理が提案されてお
り、汚泥の性状が変化しつつある背景がある。

【０００５】本発明は、これらの問題を解決し、高分子
凝集剤を汚泥に添加コンディショニングしたとき、従来
に比べ著しく巨大なフロックを生成し、充分なフロック
の強度を保ち、脱水することができ、従来より処理量の
増大と脱水ケーキの含水率の低下を図り、汚泥処理の効
率化を目的とする。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】本発明は前記目的を達
成するために鋭意研究を重ねた結果、

【０００７】

【化１７】

【０００８】

【化１８】

【０００９】

【化１９】

【００１０】

【化２０】

【００１１】上記一般式（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）で示される
物質およびこれらを上記一般式（Ｈ）で示される物質と
の混合物が対象となる有機性汚泥に対し、前記目的を達
成しうることを見いだし、本発明を完成するに至った。

【００１２】なお、上記一般式（Ｅ）中、ａ，ｂ，ｃは
任意の正数、Ｒは（ＣＨ₂ −ＣＨ₂−Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ
又は任意の正数〕、Ｒ¹ ，Ｒ² は炭素数１〜４のアルキ
ル基、Ｒ³ は水素又は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ
⁴ ，Ｒ⁵ は水素原子又はメチル基、Ｘ^-はアニオン性対
イオン、Ｍは水素原子又はアルカリ金属イオンを示し、
また、（Ｆ）中、ａ，ｂ，ｃは任意の正数、Ｒは（ＣＨ
₂ −ＣＨ₂ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
¹ ，Ｒ² は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ³ は水素又は
炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ⁴ ，Ｒ⁵ は水素原子又は
メチル基、Ｘ^-はアニオン性対イオン、Ｍは水素原子又
はアルカリ金属イオンを示し、さらに（Ｇ）中、ａ，
ｂ，ｃは任意の正数、Ｒは（ＣＨ₂ −ＣＨ₂ −Ｏ）ｎ
〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ¹ ，Ｒ² は炭素数１〜
４のアルキル基、Ｒ³ は水素又は炭素数１〜４のアルキ
ル基、Ｒ⁴ ，Ｒ⁵ は水素原子又はメチル基、Ｘ^-はアニ
オン性対イオン、Ｍは水素原子又はアルカリ金属イオン
を示す。

【００１３】本発明で適用する下記一般式（Ａ）

【００１４】

【化２１】

【００１５】で表示するカチオン性モノマーは、ジアル
キルアミノエチルメタクリレートの四級アンモニウム塩
であり、具体例としては、ジメチルアミノエチルメタク
リレートの塩化メチル四級化物、ジエチルアミノエチル
メタクリレートの塩化メチル四級化物、塩化ベンジル四
級化物などであり単独で用いても、複数の四級化物を組
み合わせてもよい。

【００１６】また、本発明で適用する下記一般式（Ｂ）

【００１７】

【化２２】

【００１８】で表示するカチオン性モノマーはジアルキ
ルアミノエチルアクリレートの四級アンモニウム塩であ
り、具体例としては、ジメチルアミノエチルアクリレー
トの塩化メチル四級化物、同様のジエチル硫酸四級化
物、塩化ベンジル四級化物などであり、単独又は、組合
わせでも良い。

【００１９】さらに、本発明で適用する下記一般式
（Ｃ）

【００２０】

【化２３】

【００２１】で表わすノニオン性モノマーは、具体例と
しては、メタクリルアミド、アクリルアミドなどであ
り、単独でも組合わせでも良い。

【００２２】また、本発明で適用する下記一般式（Ｄ）

【００２３】

【化２４】

【００２４】で表示するアニオン性モノマーは、具体例
としてはアクリル酸、メタクリル酸及びそれらのアルカ
リ金属塩、又は部分中和塩があり、単独又は組合わせで
もよい。

【００２５】上記のモノマー類を混合し、所定濃度の水
溶液とし重合開始剤の存在下、場合によっては連鎖移動
剤の存在下に公知の各種重合方法（水溶液重合、懸濁重
合、逆相乳化重合、塊状重合ｅｔｃ．）により共重合体
を得る。

【００２６】前記一般式（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）で表示する
共重合体又は高分子凝集剤に於ける各モノマーの組成比
は、いかなる割合も可能であるが、アニオン性モノマー
５０モル％以下好ましくは１モル％〜１５モル％、ノニ
オン性モノマー０〜９５モル％、カチオン性モノマー１
〜９９モル％の範囲内が好適である。

【００２７】本発明に於ては、アニオン性モノマーの存
在が必須で、アニオン性モノマーのカルボキシル基を介
して、例えば、化学架橋結合を得るものである。

【００２８】本発明に係る化学架橋結合は、組成比に於
て、四級アンモニウム塩カチオン性モノマーのモル比が
高い程、化学架橋反応の生成が緩やかになり、又、アニ
オン性モノマーの組成比が３モル以下になると同様に化
学架橋反応が生じにくくなる。

【００２９】一般に有機汚泥中の微細な汚泥粒子は、表
面がマイナスに荷重しており、凝集フロックを得るに
は、表面のマイナス荷電をプラス電荷で中和してやるい
わゆる凝結（Ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ）と粒子同志を橋
わたし（架橋）接着して大きなフロックとしてやる凝集
（Ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ）が必要であるが、高分子
凝集剤は、凝結と凝集の両機能をもち、汚泥を凝集し大
きなフロックを形成する能力をもつ。本発明では、この
高分子凝集剤のもつ両機能のうち特に凝集機能を共重合
体鎖の化学架橋による高分子化により又、同時に物理的
に生じる物理架橋、すなわち官応基同志のクーロン力に
より生ずるポリイオンコンプレックスとにより、直鎖状
である通常の高分子凝集剤に比べ、極度に巨大化したフ
ロックを生成させるものである。

【００３０】又、本発明の高分子凝集剤により生成した
フロックは、巨大であるばかりでなく、非常に強固であ
ることから、強力な剪断力がかけられる場合、例えば、
ベルトプレス脱水機の圧力を上げ脱水率を上げようとす
る場合や遠心分離機の遠心力を上げ分離効率を上げよう
とする場合などに生成したフロックがこわれにくく、よ
り含水率を下げ、処理量を増やすのに貢献する。

【００３１】本発明の処理対象とする有機性汚泥として
は、下水、し尿、一般産業の排水処理施設から排出され
る生汚泥、活性汚泥により生ずる余剰汚泥、混合生汚
泥、消化槽より生ずる消化汚泥、凝集沈澱槽から生ずる
凝沈浮上汚泥、又これらが数種混合した混合汚泥等があ
る。

【００３２】これら有機性汚泥を脱水する場合、通常は
高分子凝集剤をポリマー分で０．１〜０．２％の水溶液
とし、それを汚泥に１〜２％／ｓｓの割合で添加し、調
整槽で、緩速撹拌し、凝集フロックを形成させた後、遠
心分離機、ベルトプレス等の脱水機で脱水される。

【００３３】近年は、汚泥中の有機物の含有量が増え、
汚泥濃度が高くなり、又、長時間滞留により腐敗し、粒
子径の小さくなった汚泥が多くなってきている。

【００３４】この様な汚泥に対しては従来のカチオン性
高分子凝集剤のみでは、フロックが充分大きくならず、
又添加量を増やすと再分配現象が起こり、フロックが逆
に小さくなってしまうという問題がある。

【００３５】本発明の処理方法は、従来に比べ著しく巨
大で強固なフロックを生成し、汚泥濃度の変動や高分子
凝集剤の添加量による再分散現象が起こりにくいめ、常
に安定した脱水処理ができ、又、処理量が上がり、含水
率が下がるものである。

【００３６】本処理方法は、前記した各種汚泥に適用で
きるが、これら有機性汚泥に前工程で鉄塩、アルミニウ
ム塩等の無機多価金属塩を添加した汚泥に適用しても良
い。

【００３７】対象汚泥ごとに最適高分子凝集剤を選定し
てやる必要があるが、請求項１乃至３の凝集剤の場合
は、共重合比率を選んでやれば良く、請求項４の場合
は、共重合比率及び混合比率を選んでやれば良い。

【００３８】本発明で適用した共重合体の部分架橋は、
架橋剤を配合することにより化学反応を起こさせ架橋す
る化学架橋と、水素結合やイオン結合による高分子鎖
間、又は、高分子鎖内での物理的結合による物理架橋の
両者がある。

【００３９】本発明でいう物理架橋とは、共重合体鎖中
のアニオン基とカチオン基との高分子鎖間及び高分子鎖
内の結合であり、これは例えば、溶液ＰＨを酸性側にす
ることにより結合がはなれる可逆性をもち、一方の化学
架橋は、不可逆結合である。

【００４０】本発明で用いる架橋剤は、カルボキシル基
を有する共重合体に於いて、カルボキシル基と化学反応
することにより架橋する能力を有する架橋剤であればい
ずれでも良く、例えば、ジエポキシ化合物、環状エポキ
シ化合物、ジ及びポリイソシアナート化合物、ジ及びポ
リメチロールフノール樹脂、アジリジン化合物、アミン
化合物、ジアルデヒド化合物などがあるが特に好ましい
のは、ジエポキシ化合物でさらに水溶性のものが実用上
好ましい。その具体例としては、たとえばエチレングリ
コールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコール
ジグリシジルエーテル、グリセリントリグリシジルエー
テルなどが挙げられる。

【００４１】これら架橋剤は単独又は、２種以上の併用
でもかまわない。さらには、架橋剤以外の架橋方法とし
て、放射線架橋、光架橋、プラズマ架橋によっても、有
効な架橋が生成する場合がある。

【００４２】又本発明の架橋剤は、重合と同時に架橋反
応を起こさせても、重合後、生成したポリマーに架橋剤
を反応させても良い。

【００４３】本発明に係る重合操作は、水溶液重合、塊
状重合、懸濁重合、逆相乳化重合、いずれの方法でも良
く、その製品形態もエマルジョン状、粉末状、水溶液状
などいずれの場合も含まれる。

【００４４】但し、組成において、部分化学架橋の割合
が増大してくると、製品形態が水溶液状、粉状について
は、製品として著しく溶解性が遅くなってくるため逆相
乳化重合などによるエマルジョン製品が最も好ましい。
エマルジョン製品は、ポリマーの粒子径が０．１〜数ミ
クロンときわめて小さいため、エマルジョン製品（ラテ
ックスポリマー）を水に希釈溶解する場合、きわめて短
い時間で均一溶解液を得ることができる。従って粉末状
製品、水溶液状製品では、水に希釈溶解することが時間
的に実用上不可能な程度の部分化学架橋ポリマーでも、
エマルジョン製品（ラテックスポリマー）であれば、極
めて短時間で均一な希釈溶解液を得ることができ、本発
明の目的をより達成し易いものとする。

【００４５】

【実施例】次に実施例を上げ本発明をより具体的に説明
するが、本発明は、これらの例によって限定されるもの
ではない。

【００４６】

【第一実施例】５００ｍｌセパラブルフラスコに５０％
アクリルアミド５３．２９重量部、７８％ジメチルアミ
ノエチルメタクリレートの塩化メチル四級化物（ＤＭ
Ｃ）１９．９７重量部、８０％アクリル酸４．５０重量
部、５０％ＮａＯＨ４．０重量部、アゾ系開始剤０．０
３重量部、脱イオン水３９２．４７重量部を仕込み、撹
拌下窒素置換した後、３６°Ｃで２４Ｈｒ密閉静置重合
し、さらに５０°Ｃで２４Ｈｒ保持し、反応を終了し
た。

【００４７】得られた塊状物をミートチョッパーで粗砕
し、減圧乾燥機で品温が５０°Ｃ以上に上がらない様に
乾燥した後、微粉砕機で粉砕し、粉末状ポリマーを得
た。

【００４８】以下同様の方法で組成比のみを変えサンプ
ルを作成した。

【００４９】サンプルを表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】表１の各サンプルをポリマー分で０．１％
になる様に、純水で溶解し、下水処理場より採取した汚
泥に所定量添加して、ポリマーの添加量と生成したフロ
ックの大きさ及び強度を比較した。

【００５２】３００ｍｌトールビーカーに汚泥を２００
ｇ正確にはかりとり所定量のポリマーを添加し、ジャー
テスター（撹拌羽根タテ４５ｍｍ×ヨコ２０ｍｍの長方
形板羽根を撹拌シャフトに２連で取り付けたもの）にて
回転数６０ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間撹拌後のフロックの
大きさを計測した。その後、生成したフロックを回転数
２００ｒ．ｐ．ｍ．で３０秒間強撹拌しフロックの大き
さを計測し、フロック強度の判定をした。

【００５３】

【表２】

【００５４】なお、フロックの大きさは、表３、表５お
よび表７と同様、図１の「フロック粒径判定表」に基
き、各表中の「ＳＰ」はフロック粒径８ｍｍ以上の巨大
フロックを意味する。

【００５５】

【表３】

【００５６】以上の通りで、実施例１乃至４は比較例１
乃至４と比較し、従来の市販高分子凝集剤では得られな
い巨大なフロックを得られ、比較例のように添加量を増
やすことによる再分散現象が生じることなく、凝集効果
が優れているものと認められるのである。

【００５７】

【第二実施例】実施例１の凝集剤を構成する共重合体と
市販の共重合体を混合して実施例５の高分子凝集剤（サ
ンプル）として比較例５−（１）と比較例５−（２）を
比較した。

【００５８】

【表４】

【００５９】Ｃ下水処理場より採取した汚泥に対し第一
実験例と同様の方法で比較評価した。

【００６０】

【表５】

【００６１】実施例５のものも、再分散現象は起らず、
しかも、従来の市販高分子凝集剤では得られない巨大な
フロックを得られ凝集効果が優れていることが判明し
た。

【００６２】

【第三実施例】表６の凝集剤サンプルを評価した。

【００６３】

【表６】

【００６４】評価方法 Ｄ下水処理場の余剰汚泥（ＰＨ ７．２５ アルカリ度
１９９０ ＳＳ ２３０４０ ＴＳ ２．５５％ 有
機物 ７３．０％）に市販品ＰＡＣ（ポリ塩化アルミニ
ウム水溶液）を所定量添加し均一に混合後、高分子凝集
剤を添加し汚泥調整槽で充分混合し、フロックを形成さ
せた後、スクリューデカンターで脱水した。

【００６５】実施例６は比較例６に比べ強固なフロック
を形成し、脱水ケーキの含水率、回収率ともに優れた結
果となった。

【００６６】

【表７】

【００６７】

【本発明の作用効果】本発明は、ポリマー鎖に化学反応
によって橋かけを形成させるもの（化学架橋）と水素結
合やイオン結合による橋かけの形成（ポリイオンコンプ
レックス）によるポリマー（高分子）鎖の物理的絡み合
い（物理的架橋）との両作用により著しく巨大で強固な
凝集フロックの生成を可能にしたものである。従って汚
泥の脱水工程での汚泥処理量の増大及び含水率の低減を
はかることができ又、難脱水性の汚泥に対しても有効に
作用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フロックの大きさを判定するためのフロック粒
径判定表である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 21/01 C02F 11/00 - 11/20

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記一般式（Ｃ）（Ｄ）で示す各モノマ
   ーと一般式（Ａ）（Ｂ）で示すモノマーの一方又は双方
   との、かつ、希釈溶解可能に部分的に架橋結合した、下
   記一般式（Ｅ）で示される共重合体で成る高分子凝集
   剤。 【化１】 【化２】 【化３】 【化４】 【化５】 なお、式中、ａ，ｂ，ｃは任意の正数、Ｒは（ＣＨ_２
   −ＣＨ_２ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
   ^１ ，Ｒ^２ は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^３ は水素
   又は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^４ ，Ｒ^５ は水素原
   子又はメチル基、Ｘ⁻はアニオン性対イオン、Ｍは水素
   原子又はアルカリ金属イオンを示す。
2. 【請求項２】 下記一般式（Ｃ）（Ｄ）で示す各モノマ
   ーと一般式（Ａ）（Ｂ）で示すモノマーの一方又は双方
   との、かつ、希釈溶解可能に部分的に架橋結合した、下
   記一般式（Ｆ）で示される共重合体で成る高分子凝集
   剤。 【化６】 【化７】 【化８】 【化９】 【化１０】 なお、式中、ａ，ｂ，ｃは任意の正数、Ｒは（ＣＨ_２
   −ＣＨ_２ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
   ^１ ，Ｒ^２ は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^３ は水素
   又は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^４ ，Ｒ^５ は水素原
   子又はメチル基、Ｘ⁻はアニオン性対イオン、Ｍは水素
   原子又はアルカリ金属イオンを示す。
3. 【請求項３】 下記一般式（Ｃ）（Ｄ）で示す各モノマ
   ーと一般式（Ａ）（Ｂ）で示すモノマーの一方又は双方
   との、かつ、希釈溶解可能に部分的に架橋結合した、下
   記一般式（Ｇ）で示される共重合体で成る高分子凝集
   剤。 【化１１】 【化１２】 【化１３】 【化１４】 【化１５】 なお、式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄは任意の正数、Ｒは（ＣＨ
   _２ −ＣＨ_２ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
   ^１ ，Ｒ^２ は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^３は水素又
   は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^４ ，Ｒ^５ は水素原子
   又はメチル基、Ｘ⁻ はアニオン性対イオン、Ｍは水素
   原子又はアルカリ金属イオンを示す。
4. 【請求項４】 下記一般式（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）で示され
   る共重合体全部又は一部と下記一般式（Ｈ）で示される
   共重合体を任意の割合で混合した高分子凝集剤。 【化１６】 なお、式中、ａ，ｂ，ｃは任意の正数、Ｒは（ＣＨ_２
   −ＣＨ_２ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
   ^１ ，Ｒ^２ は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^３ は水素
   又は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^４ ，Ｒ^５ は水素原
   子又はメチル基、Ｘ⁻はアニオン性対イオン、Ｍは水素
   原子又はアルカリ金属イオンを示す。 【化１７】 なお、式中、ａ，ｂ，ｃは任意の正数、Ｒは（ＣＨ_２
   −ＣＨ_２ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
   ^１ ，Ｒ^２ は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^３ は水素
   又は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^４ ，Ｒ^５ は水素原
   子又はメチル基、Ｘ⁻はアニオン性対イオン、Ｍは水素
   原子又はアルカリ金属イオンを示す。 【化１８】 なお、式中、ａ，ｂ，ｃ，ｄは任意の正数、Ｒは（ＣＨ
   _２ −ＣＨ_２ −Ｏ）ｎ〔ｎはゼロ又は任意の正数〕、Ｒ
   ^１ ，Ｒ^２ は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^３は水素又
   は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ^４ ，Ｒ^５ は水素原子
   又はメチル基、Ｘ⁻ はアニオン性対イオン、Ｍは水素
   原子又はアルカリ金属イオンを示す。 【化１９】
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の
   高分子凝集剤を単独で、又は、硫酸バンド、塩化第二
   鉄、ＰＡＣ等無機薬品と共に添加して有機性汚泥を凝集
   処理し、しかる後、脱水機を用いて脱水することを特徴
   とする有機性汚泥の脱水方法。
6. 【請求項６】 下記一般式（Ｃ）（Ｄ）で示す各モノマ
   ーと一般式（Ａ）（Ｂ）で示すモノマーの一方又は双方
   を一般式（Ｉ）で示す架橋剤の存在下で共重合反応さ
   せ、又は共重合反応させた後、一般式（Ｉ）で示す架橋
   剤で架橋反応させることを特徴とする高分子凝集剤の製
   造方法。 【化２０】 【化２１】 【化２２】 【化２３】 【化２４】