カチオン性ポリアクリルアミドエマルジョンが廃水中の有機物を除去するしくみ

ON 21 . Feb . 2024

カチオン性ポリアクリルアミド (CPAM) エマルジョンは、電荷の中和とポリマー架橋によって溶解したコロイド有機物をより大きな分離可能なフロックに変換することにより、廃水から有機物を除去します。

実際には、CPAM は凝集剤 (または凝固助剤) として最もよく機能します。CPAM は、負に帯電した有機粒子、乳化油、フミン酸/フルボ物質を結合して緻密な凝集物にし、沈降、溶解空気浮選 (DAF)、または濾過によって除去できます。

CPAMエマルジョンが実際に「有機物」に与える影響

廃水中の「有機物」は、通常、溶解有機物 (COD/TOC として測定)、COD と色に寄与するコロイド、および有機分を含む浮遊固体の混合物です。 CPAM は主に次の部分をターゲットにします。 コロイドまたは粒子会合 ;これらの固体を除去すると、それに付着している有機物も除去されます。

たとえば、多くの産業廃水 (食品、飲料、紙パルプ、繊維、油性廃水) では、COD の大部分が微細な懸濁/コロイド物質によって運ばれます。 CPAM がフロックサイズと沈降/浮遊速度を増加させると、COD が除去された固形物に結合するため、COD が著しく低下する可能性があります。

メカニズム: カチオン性ポリアクリルアミドエマルションが有機物を除去する仕組み

マイナスに帯電した有機物の電荷中和

廃水中の多くの有機物（フミン物質、リグニン断片、染料分子、脂肪酸、有機物でコーティングされた微粒子の表面など）は、正味の負電荷を示します。 CPAM は正に帯電した基を保持しており、これにより静電反発が減少し、衝突が「付着」して除去可能なマイクロフロックが形成されます。

ポリマー架橋: マイクロフロックを強力で沈降可能なフロックに変える

CPAM 分子は複数の粒子に一度に吸着します。ポリマー鎖のセグメントは 1 つの表面に付着し、他のセグメントは水中に伸びて別の場所に付着し、粒子をより大きくより強力なフロックに「橋渡し」します。ブリッジングは、CPAM がフロックのサイズと堅牢性を高めることで DAF のパフォーマンスと清澄剤の沈降を改善できる主な理由です。

スイープとエンメッシュメント（無機凝集剤を使用した場合）

CPAM は、ミョウバン、第二鉄塩、PAC (ポリ塩化アルミニウム)、または石灰と組み合わせて使用されることがよくあります。無機凝固剤は水酸化物沈殿物を形成し、有機物を溶液から「一掃」します。次に、CPAM はそれらのフロックを強化し、拡大します。溶解有機物が大量に含まれる場合、この組み合わせは、CPAM 単独よりも大きな COD/TOC 削減をもたらすことがよくあります。

エマルション特有の利点: 迅速な活性化と分散

CPAM エマルションは、水中で反転（活性化）する必要がある「逆エマルション」製品です。適切に反転すると、迅速に分散し、高分子量ポリマー鎖を効率的に送達し、低活性用量での迅速なフロックの成長をサポートします。

CPAM が COD/TOC を最も削減できる場合 (および削減されない場合)

CPAM は、有機物が粒子、エマルション、またはコロイドに結合している場合に最も効果的です。本当に溶解した低分子有機物 (糖、アルコール、短鎖酸など) については、上流の凝固剤またはその他の処理によって除去可能な相に変換されない限り、効果は低くなります。

高い利点: カラー/コロイド (腐植物質、染料)、油性エマルション、微細な浮遊固体、スラッジの濃縮および脱水 (有機物が豊富な固体の除去)。
中程度の利点: 凝集剤が沈殿物を生成し、CPAM が沈降/DAF 用の強力なフロックを形成する混合工業廃水。
限られた利点: 凝固ステップを行わないと、少量の溶解有機物が大半を占める廃水。生物学的酸化、吸着 (GAC)、または高度な酸化が必要になる場合があります。

実際的な投与量と操作目標

CPAM の性能は、適切な電荷密度と分子量を選択し、それを適切な活性化と混合で適用することに依存します。出発点として、多くの植物は次のような効果的な治療法を見つけています。 ~1 ～ 10 mg/L 活性ポリマー 、瓶テストによって洗練されました。

CPAMエマルジョンのメイクダウン（活性化）ガイダンス

典型的なメイクダウン濃度: 0.1～0.5% アクティブ（ポンプ輸送性と迅速な分散のバランスをとるために一般的に使用されます）。
可能であれば、きれいな希釈水を使用してください。濁度の高い希釈水はポリマーを早期に消費してしまう可能性があります。
適切な反転/エージングを確実に行う: 活性化が不十分な場合、用量が高くても「貧弱なフロック」のように見えることがよくあります。

ポリマーの架橋を保護する混合ターゲット

CPAM は、初期分散を迅速に行い、その後穏やかに混合してフロックをせん断することなく成長させる必要があります。過剰に混合するとフロックが断片化し、浮選/沈降による有機物の除去が減少する可能性があります。

迅速な混合: 高エネルギー 約30～60秒 ポリマーを分散させるため。
凝集: 穏やかに混合 ～5 ～ 20 分 架橋とフロックの強度を最大化します。

pHと凝固剤の組み合わせ

溶解有機物が目立つ場合、CPAM とミョウバン/鉄/PAC を組み合わせると除去が改善されることがよくあります。まず無機凝固剤の pH を最適化し、次に CPAM の用量を調整してフロックサイズを構築し、分離を改善します。

CPAM エマルションが有機物を除去可能なフロックにどのように変換するかを制御する主要な操作変数。
変数	観察できること	動作調整
投与量不足	小さくてゆっくりと沈降するフロック。高濁度/CODキャリーオーバー	CPAMを少しずつ増やしてください。活性化と分散を確認する
過剰摂取	「再安定化された」罰金。滑りやすいフロック。排水の濁度が高い	投与量を減らしてください。より低い電荷密度グレードを考慮する
せん断力が大きすぎる	フロックは形成されてから壊れます。不安定な DAF ブランケットまたは清澄剤	高エネルギーミックスを短縮します。ポンプのせん断を軽減します。穏やかな凝集を伸ばす
高溶解有機物	CPAMのみによる限定的なCOD低下	ミョウバン、第二鉄、または PAC を追加/最適化します。その後、凝固助剤としてCPAMを使用します

有機物の除去に重点を置いたジャーテストアプローチ

ジャーテストでは、濁度だけでなく、システムに関連する有機指標 (COD、TOC、UV254、色、オイルおよびグリース) も測定する必要があります。これにより、CPAM の選択は透明度だけでなく「有機物の除去」にも合わせて行われます。

無機凝固剤の必要性をスクリーニングします。ミョウバン/鉄/PAC を数回の用量でテストし、溶解した有機物 (色/UV254/COD) が反応するかどうかを確認します。
凝集助剤として CPAM を追加します。 1 ～ 3 mg/L 有効 次に、実用的な帯域全体で調整します (たとえば、固形物と廃水の種類に応じて 0.5 ～ 10 mg/L 有効)。
フロックの形成時間、フロックのサイズ、せん断抵抗を観察します。次に、一定の分離時間の後、沈降/浮遊処理された上清の COD/TOC (または UV254/色) を測定します。
毎日の負荷変動に対する感度を下げるために、単一の「最適な」ジャーだけでなく、安定したパフォーマンスを提供する用量ウィンドウを選択します。

一般的な障害モードと修正

濁度除去は良好だがCOD低減効果は弱い: 有機物は主に溶解します。無機凝集剤の添加・最適化、pH調整、吸着・生物処理の検討。
フロックは「糸状」に見え、次のように引き継がれます。 過剰投与または水圧条件に対して高すぎる分子量。用量を減らすかグレードを切り替える。下流のせん断を軽減します。
シフトごとに一貫性のないパフォーマンス: エマルジョンが完全に反転していない、希釈水の水質が変化している、または廃水料金の需要が変動している。メイクダウンを標準化し、エージング時間をチェックし、飼料管理を厳格化します。
DAF ブランケットの不安定性: ポリマーの添加が早すぎる/遅すぎる、または射出時のせん断力が高い。注入ポイントを移動し、穏やかな凝集時間を増やし、気泡/化学物質のタイミングを確認します。