水処理薬品を選定する際は、実際の処理プロセスに即した混合・沈降条件のもと、同じ代表的な水試料を用いて各候補の性能を比較します。有用なジャーテストでは、実用可能な添加量の範囲を特定し、処理水の水質を確認するとともに、pH変化、汚泥の生成、フロック強度などの運転への影響を把握できます。最も透明度の高い上澄みが得られたジャーが、必ずしも最良の選択とは限りません。

ジャーを準備する前に、処理目標を明確にします。飲料水の清澄化では沈降後の濁度やろ過性能を優先する場合があります。一方、産業排水処理では、色、リン、乳化油、特定の金属の低減も必要になることがあります。目標に応じた測定項目を選びましょう。濁度は懸濁粒子の評価に有用ですが、溶解性汚染物質が除去されたかどうかは確認できません。

候補薬品を選び、有意義な比較条件を設定する

凝集剤は、懸濁物質やコロイド状物質を不安定化させ、粒子同士を凝集させます。一般的な候補には、アルミニウム系・鉄系の塩類や、あらかじめ加水分解された無機凝集剤があります。その性能は、pH、アルカリ度、温度、粒子の性質によって異なります。有機凝集剤は、予定する処理方法や排出要件に適合する場合に検討できます。ポリマーであることが多い高分子凝集剤は、通常、凝集処理の後に試験し、より大きく分離しやすい凝集体の形成を促します。有効な凝集剤の代替として常に使えるわけではありません。

分離プロセスや水質に適した製品から試験を始めます。任意の単一添加量で比較するのではなく、添加量の範囲を設けて製品を比較してください。市販製剤は濃度や密度が異なるため、1リットル当たりの添加量が同じでも、有効成分の量や処理効果が同等とは限りません。供給時の製品添加量を記録し、信頼できる組成データがある場合は、比較可能な有効成分基準の添加量も記録します。

ジャーテストで評価するのは、特定の処理機能であり、水処理システム周辺で使用されるすべての薬品ではありません。たとえば、ジメチルジスルフィド CAS#624-92-0は、製油所の触媒硫化などの用途に関連する物質です。工業用途として記載されているからといって、水の清澄化に用いる凝集剤や高分子凝集剤であるとは限りません。具体的かつ文書化された処理目的があり、適切な安全性評価によって使用が妥当と判断される場合を除き、このような薬品は清澄化のスクリーニング試験の対象外とします。

運転上の課題を代表する水を採取する

薬品を添加する位置から、新鮮な試料を採取します。すべてのジャー、反復試験、分析測定に必要な量を確保し、採取した試料全体を混合してから分注します。これにより、沈降性固形物が最初または最後のジャーだけに偏るのを防げます。乳化状態を変化させたり、壊れやすい粒子を破壊したりするような激しい操作は避けてください。シフト、降雨、製造バッチ間で水質が大きく変動する場合は、いずれの条件も代表しない試料に平均化するのではなく、それぞれの条件を個別に試験します。

必要に応じて、試験開始時のpH、温度、濁度、アルカリ度を測定します。把握しているプロセス変更や既存の薬品添加も記録してください。金属塩系凝集剤の一部はアルカリ度を消費するため、アルカリ度は重要です。緩衝能が限られた水では、添加量の増加に伴ってpHが不適切な範囲に移ることがあります。そのため、初期pHが適切でもアルカリ度が低い試料は、同じpHでも緩衝能が高い試料とは大きく異なる反応を示すことがあります。

可能であれば、試料は速やかに試験します。保管が避けられない場合は、経過時間と保管条件を記録し、試料が処理流入水の状態を保っているかを確認します。温度、生物活性、酸化、粒子の沈降によって、見かけ上の最適条件が変わることがあります。

プロセスに即した添加量系列を組む

清浄なジャーに同量の試料を入れ、容量が許す場合は無処理の対照も設けます。初回スクリーニングでは、低添加量、中間添加量、高添加量を含み、製品情報とプロセス上の制約に適合する広い範囲を設定します。添加量の間隔が大きい試験から単一の最適値を決めるより、性能が最も良かった範囲の周辺で、より狭い添加量系列を追加するほうが有用です。

試験に影響しない水を用いて、希釈液を一貫した方法で調製します。特にポリマーについては、製品ごとの調製・熟成手順に従ってください。濃度、水和状態、混合強度、保管時間によって性能が変わることがあります。適切な容量測定器具で少量を添加し、安定性が不明な場合は使用直前に作業用溶液を調製します。

1リットルのジャーでは、製品の供給時の添加量が10 mg/Lの場合、市販製品10 mgをそのジャーに添加します。作業用溶液を使用する場合は、実際の濃度に基づいて添加量を計算してください。濃度1 g/Lの作業用溶液から製品を10 mg添加するには、10 mLが必要です。すでに行った希釈を考慮し、質量基準の溶液と容量基準の希釈を区別してください。容量で測定する液体製剤では、容量を製品質量に換算するために密度も必要です。

急速混合の時間と強度、緩速混合の時間、沈降時間、添加位置、採水深さを系列全体で一定に保ちます。可能であれば、実際のプラントで利用できる混合・分離工程に近い条件を使用します。実験室用撹拌機の回転速度は、実設備の混合強度と直接比較できません。容器形状、撹拌翼のサイズ、液深によって、水に伝わるエネルギーが変わるためです。

pHは別の変数として試験する

性能がpHによって大きく変わる場合は、選定した凝集剤の添加量を一定にし、実用的なpH範囲を調べる別のジャー系列を用意します。初期pHと最終pHの両方を記録してください。添加前に設定したpHが、実際にフロックが形成されるときのpHとは限りません。酸やアルカリを添加する場合は、局所的な高濃度や添加タイミングが結果に影響するため、その添加方法と混合順序も手順に含めます。

後段のプロセスで許容できないpHでのみ低い残留濁度が得られても、その結果をそのまま実用に適用することはできません。許容可能な運転範囲を定める際は、腐食、生物処理、ろ過、最終的な放流水または製品水の要件を考慮してください。

フロックを観察し、水質を測定する

急速混合中に薬品が均一に分散しているかを確認します。緩速混合中は、目視できるフロックが現れるまでの時間、相対的な大きさ、形状が保たれているかを観察します。沈降後は、明瞭な汚泥層、浮遊物、沈降固形物の上に残る微粒子を確認します。穏やかな混合で壊れる大きなフロックや、採水時に再懸濁するフロックは、ポンプ、流路、フィルターを通過する際に良好な性能を示さないことがあります。

各ジャーで沈降層を乱さないよう、同じ経過時間に同じ深さから上澄みを採取します。外観だけに頼らず、校正済みの計器で濁度を測定してください。処理目標に応じて、試料に適した方法を用い、色、溶解性有機物、リン、金属、油など、関連する成分を分析します。溶解性成分と全量の測定では、一貫したろ過・保存手順を適用してください。そうしないと、粒子状物質の除去と溶解性成分の除去の区別が曖昧になります。

こうした観察結果は次の試験の指針になりますが、それだけで原因を特定できるわけではありません。たとえば、ジャーが濁っている原因には、添加不足と過剰添加の両方が考えられます。添加量系列と最終pHの測定がないまま薬品を単純に追加すると、最適条件からさらに離れてしまう可能性があります。

凝集剤とポリマーの組み合わせを比較する

実用可能な凝集剤とpH範囲を特定した後、凝集剤の条件を一定にして、高分子凝集剤の添加量を少数の範囲で試験します。通常は初期の凝集剤分散後など、予定するプラントの添加順序に対応した位置でポリマーを添加します。ポリマーを添加しない凝集剤のみのジャーと組み合わせを比較してください。ポリマーによって沈降が速くなっても残留濁度が高くなる場合は、実際の沈殿池やフィルターがそのトレードオフに対応できるかを確認します。

ポリマーの電荷タイプ、分子特性、調製方法は性能に影響します。ポリマーの過剰添加は、粘着性または分散した物質を生じさせ、後段の分離を妨げたり、残留ポリマーに関する懸念を高めたりすることがあります。また、実験室でのごく少量の添加は希釈やピペッティングの誤差の影響を受けやすいため、わずかな差を有意とみなす前に、新たに調製した溶液で有望な結果を再確認します。

比較条件は絞り込みます。凝集剤、ポリマー、pH、混合条件を同時に変えると、どの変更が結果を引き起こしたのか判断しにくくなります。有望な組み合わせを特定した後は、主要因子を一度に一つずつ変えるか、相互作用を解釈できるように計画された試験マトリックスを使用します。

ジャーテストの結果を運転条件の選定に活用する

単一のジャーで得られた最も低い測定値ではなく、処理目標を安定して満たす添加量の範囲を選定します。近接する添加量を比較し、有力な条件を繰り返し試験するとともに、厳しい水質条件の試料も含めます。ある条件で残留濁度がわずかに高くても、原水水質の広い範囲で安定し、使用可能な分離設備に適したフロックが得られるなら、より望ましい場合があります。

上澄み以外への影響も確認します。凝集剤の添加量を増やすと汚泥の発生量が増え、汚泥処理に影響することがあります。また、pH調整によって別の管理要件が加わります。金属塩系凝集剤では、処理水の仕様に関係する場合、アルミニウムまたは鉄の残留量を評価します。濁度が低くても、許容できない残留物が生じたり、処理しにくい汚泥が発生したりする添加量は、適切な選択とはいえません。

水源と採取時刻、基準測定値、製品の識別情報、溶液の調製方法、添加量、混合順序、沈降時間、採水方法、分析結果を記録します。単位は一貫して記載してください。市販製品、有効成分、該当する場合は金属含有量を基準とする添加量は、それぞれ異なる値です。後から性能変化を当初の試験と比較できるよう、優先する範囲だけでなく、観察結果や採用しなかった条件も記録します。

本格導入の前に、リスクに応じた管理下のプラント試験またはパイロット試験で、選定条件を確認します。ジャーテストは凝集と沈降を模擬しますが、連続流、短絡流、汚泥ブランケットの挙動、フィルター運転など、実設備のすべての特性を再現するものではありません。試験中は処理水の水質、pH、薬品注入量、固形物の処理状況を監視し、実際のプロセス応答に基づいて運転範囲を調整します。