JP4189479B2 - 脱水助剤及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、産業排水や家庭排水中のスラッジを脱水処理する際に、脱水率を高めるために有効な脱水助剤及びその製造方法に関するものである。

産業排水や家庭排水中のスラッジを濃縮するために種々の脱水助剤が用いられているが、その中の１つに古紙利用があり、例えば再生紙利用価値の高い低級古紙、色物古紙を粒径０．２５〜１ｍｍ程度に粉砕し、汚泥固形分当り１０〜５０質量％の割合で添加し、ベルトプレスやスクリュープレスを用いて圧搾圧力０．０５〜０．３０ＭＰａで脱水する方法が知られている（非特許文献１、２参照）。

そのほか、これまでに汚泥に凝集剤と古紙粉砕物とを混和して凝集汚泥とし、この凝集汚泥を重力脱水部と加圧脱水部との間を循環走行するろ布を備えたベルトプレス型脱水機に供給して脱水する際に、古紙の混合量及びろ布の走行速度を制御して、脱水ケーキの含水率を安定化する脱水方法（特許文献１参照）、有機汚泥に離解パルプを汚泥ＳＳ当り１〜２０重量％混合したのち、濃縮操作を行う汚泥処理方法（特許文献２参照）、汚泥に凝集剤を混和して凝集させ、その凝集汚泥を一次脱水後、古紙を脱水助剤として混合し、二次脱水する汚泥の脱水方法（特許文献３参照）、し尿処理場で発生する汚泥に無機塩凝集剤を添加して脱水後、脱水ケーキに粉砕貝殻を添加してｐＨ調整を行い、さらに破砕古紙を加えて通気性をよくし、好気性微生物を繁殖させて有機物の分解と悪臭の吸収を行わせるコンポスト化法（特許文献４参照）などが提案されている。

しかしながら、これらの古紙を利用して汚泥を脱水する方法は、含水率９０質量％以上の動物泥状糞や下水汚泥、産業廃液汚泥を含水率７０質量％以下にすることはほとんど不可能であり、また可能であったとしても汚泥に対して２０質量％以上、場合によっては３０質量％以上の古紙を混合しなければならず、そのため脱水ケーキが増量し、その取り扱いが煩雑になるのを免れないという欠点があった。

日本国特開平９−２１６０００号公報（特許請求の範囲その他） 日本国特開平１１−１９６９８号公報（特許請求の範囲その他） 日本国特開２００１−１２１１９９号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００１−３０２３７７号公報（特許請求の範囲その他） 「月刊下水道」、第２１巻、第７３号、ｐ．８５−８８ 「資源環境対策」、１９８８年、第３４巻、第９号、ｐ．２５−３３

以上のような事情のもとで、本発明者の１人は、先に機械的剪断によりメカノケミカル活性が付与された径１０〜３０μｍ、長さ５００〜１０００μｍの微細パルプ繊維からなる高活性セルロースファイバーを脱水助剤として用いることを提案したが（特願２００４−５６９２７号）、この原料として古紙を用いる場合には、脱墨処理などの前処理を施し、かつ制御された条件下で機械的剪断を行うことが必要であるために、脱水助剤の製造費が高くなるのを避けられず、大量の汚泥処理において、脱水助剤のコスト高により経費が大きくなるという欠点があった。
本発明は、このような欠点を克服し、安価な脱水助剤を提供し、大量の汚泥処理その他の廃水処理に要する処理費用を低減することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、効率がよく、しかも安価な脱水助剤を開発するために種々研究を重ねた結果、前記の高活性セルロースファイバーに、これまで未利用のまま廃棄又は焼却されていた木屑をメカノケミカル処理により微粉化し活性化したものを混合すれば、脱水効率を低下させることなくコストを低減させ得ること、及び木製品のサンダー掛け時に発生する研削屑微粉が、上記の活性化した微細木粉としてそのまま利用し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、（Ａ）メカノケミカル処理により活性化された微細木粉と、（Ｂ）高活性セルロースファイバーとの混合物又はその混合物の摩砕化処理物からなる脱水助剤、及び木粉に対し高活性セルロースファイバーを木粉と高活性セルロースファイバーとの合計質量に基づき１０％以下にならない割合で加え、少なくとも３０分間摩砕処理することを特徴とする脱水助剤の製造方法を提供するものである。

次に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の脱水助剤における（Ａ）成分として用いる微細木粉は、針葉樹又は広葉樹のいずれの木粉でもよく、また稈が木質化した単子葉植物すなわち竹の粉末でもよく、特に制限はない。この針葉樹としては、例えば、スギ、アカマツ、エゾマツ、トドマツ、ベイマツ、ベイツガ、シトカスプルースなどがあるし、また広葉樹としては、例えばキリ、シナノキ、ブナ、マカバ、カツラ、カエデ、ミズナラ、ケヤキ、シラカシ、レッドラワン、アビトン、マダケ、ホウライダケ、ササなどがある。

本発明の（Ａ）成分としては、これらの木粉を用いるが、これは間伐材チップや木工の切屑の粉砕物又は製材時に発生するのこ屑のような廃棄物を利用することができる。
本発明の（Ａ）成分としては、このような木粉を機械的剪断力を加えてメカノケミカル的に活性化した微細木粉の形で用いることが必要である。

ここでメカノケミカルとは、固体物質に機械的エネルギーを加えて崩壊させ、活性点を形成させて化学的な反応性能を発生させる現象であり、これには崩壊による表面積の増大のみでなく、加えられた機械的エネルギーによる内部エネルギーの蓄積が関係してくる。

この際の機械的エネルギーの印加は、振動ボールミル、回転ボールミル、ロッドミル、アトリションミル、ジェットミル、マイクロアトマイザー、高速かきまぜ機などを用い、乾燥状態又は湿潤状態で粉砕又は摩砕することにより行われるが、特に擂潰機を用いて乾燥状態で摩砕するのが好ましい。この粉砕又は摩砕は、粒径１〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍの微細木粉が得られるまで行うのが好ましいが、これには通常少なくとも３０分、好ましくは１〜３時間の処理時間が必要である。

通常の木材粉末、例えばおが屑は、電子顕微鏡で観察すると、ハニカム構造を有するが、本発明の（Ａ）成分としては、このハニカム構造が破壊されるまでメカノケミカル処理されたものを用いるのが好ましい。特に合板（ベニヤ板）の製造の際の最終仕上げ工程におけるドラムサンダー、ベルトサンダー、ワイルドベルトサンダーなどによるサンダー掛けで発生する研削屑や、木工造形品の仕上げ工程におけるサンドブラストで発生する研削屑は、非常に微細な粉末であり、かつ研摩の際に強力な機械エネルギーが加えられるので、特に好適である。
木粉がヒバ又はヒノキの木粉或いはタケの粉末を含む場合は、殺菌性及び消臭性が付与され、長期間にわたって脱水処理物の腐敗や悪臭発生を防ぐことができる。この際のヒバ又はヒノキの含有割合としては、木粉全体の５〜３０質量％で十分である。

次に、上記の（Ａ）成分と混合する（Ｂ）成分としては、高活性セルロースファイバーが用いられるが、これは例えばセルロース繊維を水中に分散させた状態或いは乾燥状態で機械的エネルギーを加えて該セルロース繊維の全質量の少なくとも５０質量％が径１０〜３０μｍ、長さ５００〜１０００μｍのサイズに微細化するまで撹拌又は摩砕処理することによって製造される。

この際の原料として用いるパルプ繊維は、通常の製紙原料として用いられているアルカリ法木材パルプ、亜硫酸パルプ、ケミカルグランドパルプ、セミケミカルパルプのような木材パルプやバガスパルプ、麻パルプ、竹パルプ、靭皮パルプ、ワラパルプなどの製紙用パルプの中から任意に選ぶことができるが、資源の再生有効利用の上から古紙パルプを用いるのが好ましい。

上記の製紙用パルプの中には種々の夾雑物や未離解繊維などが混入していることが多いので、あらかじめスクリーン処理によりこれらを除去し、セルロース繊維としての純度を９７％以上、好ましくは９９％以上に高めたものを原料として用いる。この繊維としては、さらに、叩解して十分に繊維をフイブリル化したものを用いるのが好ましい。

また、古紙パルプは単に水に浸漬して各繊維を離解させたものを用いるが、これはあらかじめ通常の再生紙の場合と同じようにして脱墨処理して、着色顔料、体質顔料、サイズ剤などの製紙用添加剤を除き、セルロース繊維としての純度を９７％以上、好ましくは９９％以上に高めることが必要である。この脱墨処理は、例えばアルカリを加えて蒸煮したのち、セルロース繊維から、きよう雑物を沈降分離し、水溶液中に浮遊するセルロース繊維を捕集することによって行うことができる。この際、脱墨を促進するために、界面活性剤、スルホン化油、ベントナイト、メタケイ酸ナトリウムなどの分散剤を添加することもできる。

次に、この高純度セルロース繊維をメカノケミカル処理して高活性セルロースファイバーを形成させるが、このメカノケミカル処理は、例えば高純度セルロース繊維を水中において、径１０〜３０μｍ、長さ５００〜１０００μｍの微細パルプ繊維になるまで剪断し、機械的エネルギーを印加することによって行われる。このようにして得られる高活性セルロースファイバーは、メカノケミカル処理直後に発光（フォトン）現象が変化するので、これに光線例えば紫外線を照射し、放出されるフォトンを計測することによって、その活性化の程度を知ることができる。そして、本発明において用いる高活性セルロースファイバーとしては、メカノケミカル処理後に紫外線を照射し、照射直後の発光現象を極微弱発光計測装置で解析し、フォトン計測値が処理前に比べ、少なくとも１．５倍に増加したものを用いるのが好ましい。
このような好ましい高活性セルロースファイバーは、例えば有限会社リセルバー社より登録商標名「リセルバー」として市販されている。

本発明の脱水助剤は、（Ａ）成分に対し（Ｂ）成分を両者の合計質量に基づき１０％以下にならない割合、好ましくは４０％以上の割合で混合したものである。
この混合は、乾燥状態の（Ａ）成分と（Ｂ）成分とを所定の割合で、かきまぜ又は振りまぜ、均一に分散させることによって行うこともできるが、両者の混合物を少なくとも３０分間摩砕しながら均一に分散させるのが好ましい。

（Ａ）成分例えばベニヤ板のサンダー掛けの際に発生する屑木粉を単独で用いても、ある程度の脱水促進効果は得られるが、（Ｂ）成分と混合することにより、（Ｂ）成分を単独で使用した場合に匹敵する、あるいは、より高い効果が得られる。

この場合、（Ａ）成分としてメカノケミカル処理により活性化された微細木粉の代りに、粒径３００〜１５００μｍの粗木粉を用い、これを(Ｂ)成分に配合し、これが粒径１〜１００μｍ、好ましくは５〜５０μｍの微粉になるまで摩砕処理して、混合と同時にメカノケミカル的に活性化することもできる。

（Ｂ）成分の高活性セルロースファイバーは、単独処理ではあまり微細化するとその活性が低下するため、単独で用いる場合には前記した範囲内のサイズの繊維として用いなければならないが、（Ａ）成分と混合した状態で微細化すると粒径１〜１００μｍの微粉混合物としても活性低下は生じないので、微粉末状態として利用しうるので有利である。

本発明の脱水助剤を用いて廃液スラッジ例えば下水汚泥を脱水するには、下水汚泥に対し、その中の固形分の質量に基づき５〜３５質量％、好ましくは１０〜２０質量％の脱水助剤を加えて十分に混合する。この処理により下水中の固形分はスラッジ状態の塊りとなって分離する。

次いで、このスラッジ状の汚泥を含む下水に有機高分子凝集剤を、０．１〜０．５質量％濃度の水溶液として添加する。この際の添加量は、下水中の固形分質量に基づき０．１〜２０質量％、好ましくは０．５〜１０質量％の範囲内で選ばれる。この有機高分子凝集剤としては、ノニオン系、カチオン系又は両性合成高分子凝集剤が用いられる。

このノニオン系合成高分子凝集剤としては、例えばポリアクリルアミド、ポリエチレンオキシド、尿素−ホルマリン樹脂を挙げることができるし、カチオン系合成高分子凝集剤としては、例えばポリアミノメチルアクリルアミド、ポリビニルイミダゾリン、キトサン、アイオネン系共重合体、エポキシアミン系共重合体を、また両性合成高分子凝集剤としては、例えば、レシチン系両性界面活性剤、カゼイン分解物系両性界面活性剤などを挙げることができる。

この中で特に好ましいのは、アクリロイルオキシアルキルトリアルキルアンモニウム塩又はメタクリロイルオキシアルキルトリアルキルアンモニウム塩の単独重合体及びこれらのアンモニウム塩とアクリルアミドとの共重合体である。これらの重合体又は共重合体の分子量としては、３，０００ないし１００，０００の範囲が適当である。
このような合成高分子凝集剤は、例えば液状高分子凝集剤「Ｅ−５１３」及び「Ｅ−５５５」（いずれもハイモ社製）として市販されている。

この有機合成高分子凝集剤によるスラッジの凝集が十分に行われない場合には、必要に応じ無機高分子凝集剤を併用することができる。この無機高分子凝集剤としては、例えばポリ硫酸鉄（ＩＩＩ）、ポリ塩化鉄（ＩＩＩ）、ポリ塩化アルミニウム、ポリ硫酸アルミニウムなどがある。これらの無機高分子凝集剤は、通常５〜１５質量％濃度の水溶液として有機高分子凝集剤の使用量の１．０〜２０倍量、好ましくは２．０〜５．０倍量の割合で下水汚泥に添加される。

下水汚泥の組成は、生成環境、季節により変動するので、この組成に応じ脱水助剤及び有機高分子凝集剤の使用量を、上記範囲内において適宜増減することが必要である。

この下水汚泥の処理に際しては、脱水助剤と有機高分子凝集剤の添加順序が重要であり、先ず脱水助剤を加えてかきまぜ、スラッジを形成させたのち、有機高分子凝集剤を添加させる。この添加順序を逆にすると、脱水効果が低下する。このスラッジを形成させるには、少なくとも１分間、好ましくは３〜５分間激しくかきまぜることが必要である。

次に、このようにして形成させたスラッジに、有機高分子凝集剤を添加し、かきまぜると、次第にフロックが形成してくるので、十分にフロックを形成させたのちに、搾液処理を行う。このフロック形成に要する時間は少なくとも２分、通常は３〜１０分で十分であるが、必要ならば、さらに長い時間処理することもできる。

このようにして十分にフロック形成させた処理物を、例えばスクリュープレス方式、ベルトプレス方式又は加圧ろ過方式により搾液する。この際のプレス圧力としては、通常３０〜１００ｋＰａ、好ましくは約５０ｋＰａ又はそれ以上の範囲内で選ばれる。これよりも低い圧力を用いる方式、例えば真空脱水方式を用いることもできるが、脱水助剤の脱水性能は、圧力が高ければ高いほど発揮されるので、できるだけ高いプレス圧力の搾液機を用いて行うのが好ましい。

本発明の脱水助剤は、下水汚泥の脱水のみでなく、水産加工廃液、食品廃液、製紙廃液、動物糞尿などの各種産業廃液の処理に用いて、含水率６５％以下まで効率よく脱水することができる。

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

参考例
段ボール古紙から再生した高純度セルロース繊維（不純分含量１質量％以下、径３０〜１００μｍ、長さ２〜２．５ｍｍ）を摩砕機（秋木鉄工社製、製品名「木材破砕機Ｋ−３０００」）により、１分間又は３分間摩砕してメカノケミカル的に活性化することにより、サンプル２（径２５〜３５μｍ、長さ１〜１．５ｍｍ）及びサンプル３（径１０〜１３μｍ、長さ０．８〜１．０ｍｍ）を得た。

このようにして得たサンプル２及び３と未処理の高純度セルロース繊維（サンプル１）について、以下のようにしてケミルミネッセンス試験を行った。
径５０ｍｍのステンレス鋼製シャーレにサンプル１０ｍｇを入れ、ＬＥＤ−ＵＶ（波長３７５ｍｍ）を１０秒間照射し、１秒後に大気中室温（２４℃）において、極微弱発光計測装置（東北電子産業社製、登録商標名「ケミルミネッセンスアナライザーＭＬＡ−ＧＯＬＤＳ」）を用いて、発生フォトン数を計測した。
この結果を表１に示す。

実施例１
高活性セルロースファイバー（参考例で得たサンプル３）とラワン微粉（ベニヤ板サンダー仕上げ時発生粉、平均粒径３０μｍ）とを、表２に示す質量比で混合し、擂潰機［（株）石川工場製、製品名「石川式撹拌擂潰機ＡＧＡ」］を用いて、６０分間擂り潰すことにより、微粉末状（平均粒径３０μｍ）の脱水助剤を調製した。

仙塩浄化センター下水処理場から採取した下水汚泥（含水率９６質量％）２０リットルに上記の脱水助剤８０ｇ（汚泥固形分に対し１０質量％に相当）を添加し、２分間かきまぜてスラッジ形成したのち、高分子凝集剤（浅田化学工業社製，商品名「イシフロックＩＣＤ３８３２」）の０．２％水溶液を５２０ｍｌ（汚泥固形分に対し１．３質量％固形分に相当）を加え、３分間かきまぜたところ、汚泥中にフロックが形成された。
このように処理した下水汚泥を、次に手搾り機を用い、８ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で１０分間脱水し、得られた脱水ケーキの含水率を測定した。
この際のフロックの性状及び得られた脱水ケーキの含水率を表２に示す。
なお、表中におけるフロックの形状の評価は以下の意味をもつ。

（１）大きさ
Ａ：平均径１０ｍｍ以上
Ｂ：平均径５ｍｍ以上１０ｍｍ未満
Ｃ：平均径３ｍｍ以上５ｍｍ未満
Ｄ：平均径３ｍｍ未満

（２）硬さ
Ａ：形状維持するが指で圧しても凹みを生じない。
Ｂ：形状維持するが指で圧すと凹みを生じる。
Ｃ：形状維持するが指で圧すと容易に中まで入る。
Ｄ：軟らかくて形状維持できない。

（３）握り感
Ａ：しっかり握れる
Ｂ：やっと握れる
Ｃ：全く握れない

表２から明らかなように、木粉を配合しても、高活性セルロースファイバーの脱水能力は十分に保持される上に、繊維状の高活性セルロースファイバーと異なり、粉末状で添加しうるので、形成されるフロックの性状はむしろ向上する。

比較例
実施例１における脱水助剤の代りに、古紙の離解ファイバー２５質量％を用いる以外は、実施例１と同じ条件で下水汚泥の脱水処理を行ったところ、フロックの性状は、大きさＤ、硬さＤ、握り感Ｃで、搾った後に生じた脱水ケーキの含水率は８１．５質量％であった。

実施例２
Ｔ養豚場から排出された泥状動物糞尿（含水率９５．３質量％）２０リットルに対し、実施例１で用いた脱水助剤（Ｎｏ．５試料）２００ｇ（糞尿中の固形分に対し２１．３質量％に相当）を添加し、２分間かきまぜてスラッジ形成したのち、液状両性高分子凝集剤（ハイモ社製，商品名「Ｅ−５１３」）の０．２８質量％水溶液２．０リットル（糞尿中の固形分に対し０．６０質量％に相当）を加え、約３分間かきまぜた。
この処理により、フロックが形成され、汚水部分と分離してくる。次いで、この処理物をスクリュープレス式汚泥脱水機（新明和社製、製品名「ＳＳＰ−１０００」）により、回転速度２．４回／分で脱水した。
このようにして含水率６３．５質量％の脱水ケーキを得た。この際のフロックの性状は大きさＢ、硬さＢ、握り感Ｂであった。

実施例３
塩釜市団地水産加工業協同組合内水処理施設からの脱潤した排水スカム（含水率９３．３質量％）２０リットルに対し、実施例１で用いた脱水助剤（Ｎｏ．５試料）２００ｇ（スカム中の固形分に対し、１１．５質量％に相当）を添加し、２２００ｒｐｍで５分間かきまぜたのち、両性タイプ高分子凝集剤（浅田化学工業社製、商品名「パラロック４１０Ｋ１０１」）８．７ｇを０．２質量％水溶液として加え、さらに３分間かきまぜることによりフロックを浮上させた。このフロックの性状は、大きさＡ、硬さＢ、握り感Ｂであった。
次に、このフロックを含む排水を実施例２で用いたのと同じスクリュープレスで脱水処理したところ、含水率５５質量％の残滓ケーキを得た。

本発明の脱水助剤は、これまで未利用のまま廃棄されていた木粉を利用して、脱水助剤の成分として用いることができるため、原料コストを低減しうる。また、この脱水助剤を用いると、各種の生活排水、産業排水から生じる含水汚泥を、６５％以下の含水量になるまで脱水することができる。したがって、この脱水助剤で処理された汚泥は、コンポスト原料として使用することができる。また、含水量が６５％以下になると通常、体積は約２分の１になるので、その後の焼却、埋立てなどの廃棄物処理に際しても、処理量を著しく減じることができるという利点がある。したがって、本発明の脱水助剤は、各種廃液処理の際のスラッジの脱水用として好適に利用することができる。

Claims (12)

1. （Ａ）メカノケミカル処理により活性化された微細木粉と、（Ｂ）高活性セルロースファイバーとの混合物からなる脱水助剤。
2. （Ａ）メカノケミカル処理により活性化された微細木粉と、（Ｂ）高活性セルロースファイバーとの混合物の摩砕化処理物からなる脱水助剤。
3. （Ａ）成分がヒバ又はヒノキの微細木粉を５〜３０質量％の割合で含有する微細木粉である請求の範囲第１又は２項記載の脱水助剤。
4. （Ｂ）成分の混合割合が、（Ａ）成分と（Ｂ）成分の合計質量に基づき１０％以下にならない範囲である請求の範囲第１、２又は３項記載の脱水助剤。
5. （Ａ）成分が木製品のサンダー掛け時に発生する研削屑微粉である請求の範囲第１ないし４項のいずれかに記載の脱水助剤。
6. 木製品のサンダー掛け時に発生する研削屑微粉がヒバ又はヒノキの微細木粉５〜３０質量％を含有する請求の範囲第５項記載の脱水助剤。
7. 木粉に対し高活性セルロースファイバーを木粉と高活性セルロースファイバーとの合計質量に基づき１０％以下にならない割合で加え、少なくとも３０分間摩砕処理することを特徴とする脱水助剤の製造方法。
8. 木粉が粒径３００〜１５００μｍの粗木粉である請求の範囲第７項記載の脱水助剤の製造方法。
9. 粗木粉がヒバ又はヒノキの木粉を含む請求の範囲第８項記載の脱水助剤の製造方法。
10. 粗木粉が粒径１〜１００μｍの微粉になるまで摩砕混合する請求の範囲第８又は９項記載の脱水助剤の製造方法。
11. 木粉がサンダー掛け時に発生する研削屑微粉である請求の範囲第７項記載の脱水助剤の製造方法。
12. 木粉がサンダー掛け時に発生する研削屑微粉とヒバ又はヒノキの木粉との混合物である請求の範囲第１１項記載の脱水助剤の製造方法。