(57)【要約】【課題】希薄懸濁水のような排水中の凝集除去対象物質の懸濁粒子を、極めて高速度で固液分離できる新規な浮上分離方法及び装置を提供する。【解決手段】排水に、有機性ＳＳの共存下で、少なくともカチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤を添加し、気泡を生じさせて、気泡界面に排水中の懸濁粒子と有機性ＳＳを付着させ、浮上分離する排水の高速浮上分離方法。排水に、有機性ＳＳの共存下で、少なくとも無機凝集剤を添加し、気泡を生じさせたのち、カチオン基を持つ界面活性剤もしくは高分子凝集剤を添加して、気泡界面に排水の凝集粒子及び有機性ＳＳを付着させ、浮上分離する高速浮上分離方法。有機性ＳＳが活性汚泥であることが好ましい。及びその装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水に、有機性ＳＳの存在下で、少なくともカチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤を添加し、気泡を生じさせて、気泡界面に排水中の懸濁粒子と有機性ＳＳを付着させ、浮上分離することを特徴とする排水の高速浮上分離方法。
【請求項２】
排水に、有機性ＳＳの存在下で、少なくとも無機凝集剤を添加し、気泡を生じさせたのち、カチオン基を持つ界面活性剤もしくは高分子凝集剤を添加して、気泡界面に排水の凝集粒子及び有機性ＳＳを付着させ、浮上分離することを特徴とする排水の高速浮上分離方法。
【請求項３】
前記気泡の平均気泡径が６００〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高速浮上分離方法。
【請求項４】
前記有機性ＳＳが活性汚泥であることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の高速浮上分離方法。
【請求項５】
無機凝集剤を添加した又は添加しない懸濁粒子を含む排水に、空気を導入して気泡を発生させる気泡分散手段と、有機性ＳＳが共存した前記気泡が分散された排水にカチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤を添加する凝集撹拌槽と、気泡界面に原水中の懸濁粒子と有機性汚泥が付着された気泡が分散された排水を固液分離する浮上分離槽とを有することを特徴とする排水の高速浮上分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水、工場排水などの、懸濁粒子を比較的少量含有する希薄懸濁水のような排水の高速浮上分離方法及び装置に関し、従来の加圧溶解空気による浮上分離法（「ＤＡＦ」と略称される）の５倍以上の高速度で、浮上分離できる水処理技術に関する技術であり、汚泥の脱水などの前で行われる汚泥の浮上濃縮技術とは異なる技術である。
【０００２】
本発明の除去対象物質は、ＳＳ、コロイド粒子などの懸濁成分、及びフミン酸、フルボ酸、リン酸イオン、フッ素イオン、ＣＯＤ成分などの溶解成分である。これらの溶解物質は、無機凝集剤を添加してフロック化し、懸濁粒子に転換することで除去できる。
また、キレート剤、アルカリ又は硫化物を添加して金属キレート不溶化物、金属水酸化物、金属硫化物などとして不溶化することにより金属イオンを除去する際にも、当然本発明を適用して、不溶化により生じた懸濁粒子を除去することができる。更に、被処理水に粉末活性炭などの粉末吸着剤を添加し、被吸着物質を吸着したのち、水中の粉末吸着剤を本発明によって高速に浮上分離することもできる。
【０００３】
本発明は、特に有機性の懸濁粒子を含有する合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯと略称される）又は下水処理施設に流入する下水（特に雨天時下水）の高速固液分離技術として、極めて好適な新技術である。
【０００４】
【従来の技術】
最近、合流式下水道における雨天時越流水（ＣＳＯ）の、公共用水域への汚濁負荷が大きな問題になっている。合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）は、短時間に膨大な水量が発生するので、高速度で固液分離して、ＳＳが除去された処理水を公共用水域に放流する必要があるが、従来高速度で固液分離する技術としては、砂を添加して沈降性が大きいフロックを形成させる技術が公知である。しかし、砂を回収して再利用する工程でサイクロン、管路などの磨耗が激しく、砂をフロックに付着させる工程に、５〜１０分と言うかなりの時間が必要であると言う欠点があった。
【０００５】
また、下水処理施設に流入する下水は、最初沈殿池で沈殿分離されたのち、活性汚泥処理されるが、最初沈殿池のＳＳの除去率が悪いため、凝集剤を添加して凝集沈殿処理する例が北欧で普及している。しかし、凝集沈殿速度が小さく、大きな沈殿池を必要とする欠点がある。そのため、ＣＳＯ及び下水を高速度で固液分離できる新技術が待望されている。
【０００６】
また、従来より、懸濁粒子を含有する、いわゆる懸濁水のような排水（以下「原水」ともいう）に加圧溶解空気含有水を吹き込んで、生成する粒径数１０μｍの微細気泡に懸濁粒子を付着させて浮上分離する方法が、（特許文献１）などに広く知られている。
しかし、従来の方法では、浮上分離速度がせいぜい２００ｍｍ／ｍｉｎ程度と小さく、また空気圧縮機、空気溶解設備などの付帯設備が必要という欠点がある。
【０００７】
また汚泥の濃縮技術の分野において、常圧浮上濃縮法が公知である。この技術は、文献（たとえば、（非特許文献１）参照）に記載されているように、水に起泡助剤（たとえばアニオン界面活性剤）を添加して空気を吹き込み、タービン翼で撹拌することによって微細気泡を生成させ、この微細気泡と余剰活性汚泥などの下水汚泥を混合し、さらに高分子凝集剤を添加して汚泥と気泡を付着させ、気泡の浮力によって汚泥粒子を浮上分離して汚泥を濃縮する技術である。図３に汚泥の常圧浮上濃縮法のフローシートを示す。
【０００８】
このように、常圧浮上濃縮法は、汚泥の濃縮技術であり、下水のＣＳＯのような希薄懸濁水の固液分離技術には適用できず、その適用例はすべて汚泥濃縮に限られている。また、その実施には、起泡助剤、気泡用水、高分子凝集剤が不可欠である。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１１３４７１号公報
【非特許文献１】
環境技術誌、２００２年第３１巻第２号ｐｐ１３５〜
【００１０】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明は、汚泥の濃縮のような高濃度のＳＳを含んだ汚泥スラリの濃縮ではなく、排水、例えば懸濁水中の凝集除去対象物質を起泡助剤、起泡用水を使用することなく、極めて高速度で固液分離できる新規な浮上分離方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を行い、次の新知見を得た。すなわち、懸濁粒子を含有する原水に、加圧浮上分離法のような気泡径が数１０μｍの微細気泡でなく、径が数１００μｍの気泡を分散させた状態で、カチオン基を持つ界面活性剤（又はカチオン基を有する高分子凝集剤）を添加しても、原水中の微細懸濁粒子は、径が数１００μｍと大きい気泡にほとんど付着しないが、これに対し、原水に活性汚泥（有機性排水を生物処理するのに利用される微生物群）、又は最初沈殿池汚泥（初沈汚泥）などの有機性汚泥を少量添加して同様な操作を行うと、驚くべきことに有機性汚泥が原水中の微細な懸濁粒子の、径が大きい気泡への付着の媒介剤として作用し、原水中の微細な懸濁粒子が活性汚泥とともに気泡界面に強く付着し、高速度で浮上し（浮上速度は気泡径の２乗に比例して大きくなる）、清澄な処理水を分離出来るという重要な現象を発見した。
本発明者らは、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、下記の手段によって上記の課題を解決した。
（１）排水に、有機性ＳＳの存在下で、少なくともカチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤を添加し、気泡を生じさせて、気泡界面に排水中の懸濁粒子と有機性ＳＳを付着させ、浮上分離することを特徴とする排水の高速浮上分離方法。
（２）排水に、有機性ＳＳの存在下で、少なくとも無機凝集剤を添加し、気泡を生じさせたのち、カチオン基を持つ界面活性剤もしくは高分子凝集剤を添加して、気泡界面に排水の凝集粒子及び有機性ＳＳを付着させ、浮上分離することを特徴とする排水の高速浮上分離方法。
（３）前記気泡の平均気泡径が６００〜１０００μｍであることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の高速浮上分離方法。
（４）前記有機性ＳＳが活性汚泥であることを特徴とする、前記（１）又は（２）記載の高速浮上分離方法。
【００１３】
（５）無機凝集剤を添加した又は添加しない懸濁粒子を含む排水に、空気を導入して気泡を発生させる気泡分散手段と、有機性ＳＳが共存し、前記気泡が分散された排水にカチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤を添加する凝集撹拌槽と、気泡界面に原水中の懸濁粒子と有機性汚泥が付着された気泡が分散された排水を固液分離する浮上分離槽とを有することを特徴とする排水の高速浮上分離装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の高速浮上分離技術の一実施態様を示す系統図である。
原水１に、たとえばエジェクタ３を介して空気４などの水に溶解しにくいガスを吸引して、粒径数１００μｍの気泡を原水１に分散させる。次に気泡を分散させた原水１に活性汚泥などの有機性汚泥５を少量（１００〜３００ｍｇ／リットル程度）添加し、カチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤７を添加して、凝集撹拌槽６で０．５分程度撹拌すると、添加汚泥５にカチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤７が吸着する。有機性ＳＳとしては、活性汚泥、初沈汚泥などの有機性排水の処理施設に存在する有機性汚泥が好適である。なお、原水中にもともと有機性汚泥由来のＳＳが含まれている場合は、外部から有機性ＳＳを添加する必要はない。
【００１５】
カチオン基吸着汚泥８はカチオン基吸着によって界面が疎水化しているため、気液界面が疎水性である気泡群に効果的に付着し、カチオン基吸着汚泥８に原水１中の懸濁粒子（原水に無機凝集剤を添加する場合は「凝集粒子」となっている）及び気泡が付着・一体化する。これを浮上分離槽９に導入する。
【００１６】
浮上分離槽９の浮上分離部では、「気泡径が大きい気泡と添加した汚泥５と原水１中の懸濁粒子」が一体化したものが、浮上速度１ｍ／ｍｉｎ以上で高速浮上分離され、槽下部に極めて清澄な処理水が分離されてくるので、槽下部から極めて清澄な処理水１０が流出する。浮上分離物（浮上物、フロス）１１は適宜フロス貯槽１２に引き抜く。なお、図１中、２は無機凝集剤であり、原水１中の懸濁粒子の一次凝集性を高める作用を有する。
原水１に添加する有機性汚泥５の量は、汚泥５添加後の原水１のＳＳが、汚泥５添加前の原水１のＳＳの２〜５倍程度に増加するように、汚泥５の添加量を設定すればよい。
【００１７】
なお、原水１に気泡を分散させるのに、エジェクタ３を例示したが、もちろんエジェクタ３以外に任意の気泡分散手段（たとえば、スタチックミキサーによる気泡分散、微細気泡散気管からの散気、タービン翼などによる気泡微細化など）を適用してよい。当然、気泡を分散させる場合に、気泡が安定する（壊れにくい）ように界面活性剤などの起泡剤を添加しても構わない。
【００１８】
本発明の最重要ポイントは、ＣＳＯのような希薄懸濁水に、「加圧浮上法よりも気泡径が大きい気泡」および「活性汚泥、初沈汚泥などの有機性ＳＳ」を共存した状態で、カチオン基を持つ界面活性剤又は高分子凝集剤を添加するという技術思想である。
【００１９】
カチオン基を持つ高分子凝集剤とは、カチオンポリマ及び両性ポリマ（アニオン基とカチオン基の両者を有するポリマ）を意味する。カチオン基を持つ界面活性剤とは、カチオン界面活性剤、及びカチオン基とアニオン基の両方をもつ両性界面活性剤を意味する。
【００２０】
本発明に好適なカチオンポリマの種類としては、たとえばポリジメチルジアリルアンモニウムクロライド、ポリエチレンイミン、縮合ポリアミン、ジメチルアミノエステルメタクリレートメチルクロライド４級塩、ポリアミジンなどの汚泥脱水助剤に使われている公知のもので良い。
また両性ポリマとしては、ポリアクリル酸エステル、アクリルアミドアクリル酸エステル共重合体などが好適である。
【００２１】
更に本発明に好適なカチオン界面活性剤としては、第４級アンモニウム塩が挙げられ、たとえばモノアルキルアンモニウムクロライド、ジアルキルアンモニウムクロライドが代表例である。
両性界面活性剤としてはベタイン型、グリシン型など公知の両性界面活性剤を利用すればよい。
【００２２】
有機性ＳＳが共存する原水にカチオン基を有するポリマを添加する場合は、添加した汚泥が凝集することが明確に観察できるが、カチオン基を持つ界面活性剤を添加する場合は、外観上特に凝集しているようには見えない。しかし、カチオン界面活性剤が汚泥と気泡界面に吸着し、原水中の微細ＳＳと添加汚泥と気泡の３者が一体化した状態が形成されるのが確認できる。
【００２３】
図２は、本発明の他の好適実施例である。図２では、気泡を浮上分離部に直接供給する点が図１と異なる。なお、図１で示したものと同一機能を有するものは、同一符号を用いて示す。
【００２４】
すなわち、原水１に有機性汚泥５及びカチオン基を有する界面活性剤又は高分子凝集剤７を添加し、撹拌槽６で撹拌すると、添加汚泥５にカチオン基が吸着し、カチオン基吸着汚泥８に原水１中の懸濁粒子（原水１に無機凝集剤２を添加する場合は凝集粒子）が付着し一体化する。次に、撹拌槽６の流出液を、下部に散気部材である散気管１４が設置された浮上分離槽９に導入する。散気管１４からは粒径数１００μｍの気泡が吐出される。カチオン基吸着汚泥８は、カチオン基吸着によって界面が疎水化しているため、気液界面が疎水性である気泡群に効果的に付着し、浮上分離される。浮上物（フロス）１１は槽９の上部に形成され、清澄な処理水１０が槽９の下部から流出する。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものでない。
【００２６】
（実施例１）  合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）の処理試験
雨天時下水越流水：ＣＳＯ（ＳＳ：２３０ｍｇ／リットル）に塩化第２鉄を４０ｍｇ／リットル添加し、２０秒間急速撹拌を行った後、活性汚泥を有機性ＳＳとして５００ｍｇ／リットル添加し、撹拌槽下部の微細気泡散気管から平均径６００μｍの気泡を、気泡量として０．１ｋｇ・ａｉｒ／ｋｇ・ＳＳ供給しつつ、カチオン系高分子凝集剤（エバグロースＣ１０４Ｇ：エバラ製作所製品）を０．５％対ＳＳ添加して、１分間撹拌した。
この結果、「気泡、汚泥、原水の懸濁粒子の凝集粒子が一体化したもの」が形成された。
【００２７】
これを浮上分離槽に供給したところ、浮上分離速度（浮上分離部の原水下降流速）と処理水ＳＳの関係は、第１表に示すようであった。浮上分離速度１．２ｍ／ｍｉｎという高速分離条件でも、処理水ＳＳは充分低濃度であった。浮上分離速度の限界値は１．８ｍ／ｍｉｎであった。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
（比較例１）
実施例１において活性汚泥を添加しなかったこと以外は、すべて同一条件で試験した。この結果、第１表に示すように、浮上分離速度０．２ｍ／ｍｉｎにおいても原水ＳＳはほとんど除去できなかった。この原因は、気泡粒径が大きいため、カチオンポリマを添加しても、原水の懸濁粒子が気泡界面に付着しないためであった。
【００３０】
（実施例２）  合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）の処理試験（その２）
雨天時下水越流水：ＣＳＯ（ＳＳ：２３０ｍｇ／リットル）に、活性汚泥をＳＳとして７００ｍｇ／リットル添加し、撹拌槽下部の微細散気管から平均径６００μｍの気泡を、気泡量として０．１ｋｇ・ａｉｒ／ｋｇ・ＳＳ供給しつつ、カチオン系界面活性剤（アーマックＴ５０：ライオン（株）製品）を０．２％対ＳＳ添加して、１分撹拌した。この結果、気泡に汚泥と原水懸濁粒子の凝集粒子が付着し一体化した。
これを浮上分離速度１．５ｍ／ｍｉｎで浮上分離槽に供給した結果、効果的に浮上分離され、ＳＳ：１８ｍｇ／リットルの処理水が得られた。
【００３１】
（比較例２）
比較のために、有機性ＳＳとして活性汚泥を添加しなかったこと以外は、実施例２と同一条件で試験したところ、気泡界面に原水中の懸濁粒子が付着しないため、浮上分離速度０．２ｍ／ｍｉｎの条件でも全く浮上分離できず、処理水ＳＳは８１０ｍｇ／リットルとなり、処理不能であった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の優れた効果が得られた。
（１）従来の排水の浮上分離技術では不可能であった高速度で、排水中の凝集除去対象物質を浮上分離できる。
（２）したがって、たとえば合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）などのように、短時間に膨大な水量が発生する原水の高速固液分離に極めて好適であり、非常にコンパクトな装置でＣＳＯの懸濁粒子を除去できる。
（３）汚泥の常圧浮上濃縮法で必要な起泡助剤を使用しないので、処理水の発泡トラブルが起きない。
（４）汚泥の常圧浮上濃縮法で必要な起泡用水を使用しないので、用水必要量が少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速浮上分離技術の一実施態様を示す系統図である。
【図２】本発明の別の好適な実施態様を示す系統図である。
【図３】従来技術の汚泥の常圧浮上濃縮法のフローシートである。
【符号の説明】
１  原水
２  無機凝集剤
３  エジェクタ
４  空気
５  有機性汚泥
６  凝集撹拌槽
７  カチオン系高分子凝集剤
８  カチオン基吸着汚泥
９  浮上分離槽
１０  処理水
１１  浮上物
１２  フロス貯槽
１３  攪拌槽
１４  散気管
２１  汚泥
２２  気泡用水
２３  気泡助剤
２４  空気
２５  起泡用攪拌装置
２６  混合装置
２７  高分子凝集剤
２８  浮上分離装置
２９  分離水
３０  濃縮汚泥
【図１】
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【図２】
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【図３】
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