JP2003251345A - 高速固液分離方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 極めて簡単な操作によって、各種原水中の凝
集除去対象物質を、極めて高速度で固液分離できる画期
的固液分離方法、及びその装置を提供する。 【解決手段】 原水に、高分子凝集剤又は無機凝集剤と
高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子
を添加して撹拌し、原水中の凝集対象物質を該固体粒子
表面に付着させたのち、その凝集対象物質付着固体粒子
を含む水を旋回流槽に供給し、旋回流により該固体粒子
を旋回流の渦中心部に集合させて水と固液分離し、該固
体粒子が分離された処理水を流出させることを特徴とす
る高速固液分離方法、及びその装置。前記固液分離され
た付着固体粒子からフロックを剥離除去し、回収した浮
上性固体粒子を循環使用することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工場排水、下水、
上水処理原水などの除去対象物質（懸濁粒子、色度成
分、ＣＯＤ成分、リン酸イオン、重金属イオンなど）を
含有する水（以下「原水」という）の超高速固液分離方
法、そのための装置に関し、従来の凝集沈殿法又は浮上
分離法の５０〜１００倍以上の超高速度で固液分離でき
る技術に関する。

【０００２】

【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、超高速度で固
液分離し、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、従来超高速度で固液分離する優秀な
技術がなかった。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および下水を超高速度で固
液分離できる新技術が待望されている。なお、従来よ
り、原水に加圧溶解空気含有水又は微細気泡を吹き込ん
で、気泡に懸濁粒子を付着させて浮上分離する方法が知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、浮上分離速度がせいぜい１００〜２００ｍｍ／ｍｉ
ｎ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 本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであ
り、極めて簡単な操作によって、各種原水中の凝集除去
対象物質を、極めて高速度で固液分離できる画期的な固
液分離方法、及びその装置を提供することを課題とす
る。

【０００４】

【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検討を行い、原水に発泡スチロ
ールなどの水より比重が小さい浮上性固体粒子（本発明
ではこれを「固体粒子」と呼ぶこともある）を添加し
て、撹拌し水中に分散させながら、少なくとも高分子凝
集剤（ポリマ）を添加すると、速やかに原水中の除去対
象物質が、浮上性固体粒子表面に強く付着した状態にな
ることを見出した。これを旋回流槽（たとえば液体サイ
クロン）に導くと、水より比重が小さい浮上性固体粒子
が、旋回流の渦が引き起こす遠心力によって、渦の中心
部に集まり、ほぼ瞬間的に固液分離されることを見出
し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

【０００５】すなわち本発明は、次の構成からなるもの
である。 （１）原水に、高分子凝集剤又は無機凝集剤と高分子凝
集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子を添加し
て撹拌し、原水中の凝集対象物質を該固体粒子表面に付
着させたのち、その凝集対象物質付着固体粒子を含む水
を旋回流槽に供給し、旋回流により該固体粒子を旋回流
の渦中心部に集合させて水と固液分離し、該固体粒子が
分離された処理水を流出させることを特徴とする高速固
液分離方法。 （２）前記固液分離された水より比重が小さい浮上性固
体粒子、又は該固体粒子と分離固体粒子から付着フロッ
クを剥離除去した浮上性固体粒子を、原水に循環添加す
ることを特徴とする前記（１）記載の高速固液分離方
法。

【０００６】（３）原水に高分子凝集剤又は無機凝集剤
と高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒
子を添加して原水中の凝集対象物質を前記固体粒子の表
面に付着させる凝集付着槽と、この凝集付着槽の流出水
が導入され中心部に分離されたフロック付着固体粒子の
浮上分離した浮上分離スラッジの分離固体粒子チャンバ
ーと前記分離固体粒子の排出管を上部に、下部に処理水
の流出管を備えた旋回流槽と、前記浮上分離固体粒子の
フロック剥離攪拌槽と、剥離フロックを沈殿フロックと
水より比重が小さい浮上性固体粒子の含有水に分離する
分級槽と、前記固体粒子の含有水の凝集付着槽への返送
配管と、浮上分離固体粒子の一部の凝集付着槽への返送
配管とを有することを特徴とする高速固液分離装置。

【０００７】本発明に言う「旋回流槽」とは、たとえば
サイクロンのように、液体中に懸濁する浮上性固体粒子
に与えられる遠心力及び槽半径方向の水の圧力分布を利
用して、固液分離を促進する装置であると定義され、こ
の原理を利用するものであればその構造は任意のものが
適用できる。

【０００８】本発明の除去対象物質は、ＳＳ、コロイド
成分、フミン酸、色素などの色素成分、リン酸イオン、
フッ素イオン、ＣＯＤ成分などである。これらの物質は
無機凝集剤を添加すると不溶化する。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できる
金属イオンの除去にも、当然本発明を適用できる。ま
た、原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、粉末吸着剤を本発明によって超
高速に固液分離することも出来る。

【０００９】なお、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の超高速固液分
離技術としても極めて好適な新技術である。

【００１０】

【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。なお、実施の形態を説明する全図
において、同一機能を有するものは同一符号を付けて説
明する。まず、全体のフローを説明する。図1は、本発
明の超高速固液分離技術の一実施態様を示す系統図であ
る。

【００１１】原水１に凝集剤（高分子凝集剤３単独又は
無機凝集剤４と高分子凝集剤３の併用）と、粒径３０〜
３０００μｍ程度で比重が０．１以下の浮上性固体粒子
２を添加し、凝集付着槽1で撹拌し、浮上性固体粒子２
を槽1内に分散流動させると、除去対象物質のフロック
が浮上性固体粒子２の表面に、速やかに（１０〜３０秒
程度）付着コーティングされて一体化した状態になる。

【００１２】この付着固体粒子を含む水６を液体サイク
ロンなどの旋回流槽７に流入させると、遠心力及び槽半
径方向の水の圧力分布の相違によって、浮上性固体粒子
２が瞬間的に渦の中心部に集まり、また水が外筒８の内
面側に集まることによって固液分離され、清澄な処理水
１２が槽の外筒壁に取り付けられた処理水流出部から流
出する。

【００１３】旋回流槽７への原水１の流入方法は、接線
方向に流入させ、槽７内に強い旋回流を生起させる。そ
の際、流入水流の持つ運動エネルギーで槽７内に旋回流
の渦を起こさせても良いが、槽７内に渦生起のための撹
拌翼を設置し、これをモ一ターで回転させ強い渦流を起
こすようにしても良い。なお、図１の旋回流槽７は、渦
の生起を容易にするために、接線方向に流入した原水１
が槽７の外筒８の内面及び内筒９の外面に沿って旋回流
として流れ、内筒９の外面にフロックを表面にコーディ
ングされた粒子２が集合、集中するように構成されてい
る。

【００１４】本発明の分離メカニズムは、次のように考
える。砂などの水より比重の大きい粒子を液体サイクロ
ンで分離する場合は、砂が遠心力によってサイクロンの
壁１９側に分離されるのであるが、本発明の場合は、水
の比重が浮上性固体粒子２の比重よりも大きいので、図
２のように旋回流によって水に与えられる圧力分布が、
サイクロンの壁１９の側ほど大きくなる。サイクロン壁
１９側に近い方の浮上性固体粒子２の表面の圧力が、サ
イクロン中心部１８側の浮上性固体粒子２の表面の圧力
よりも大きくなる。この圧力差を△Pとする。一方、浮
上性固体粒子２の比重が水より小さいので、浮上性固体
粒子２に及ぼされる遠心力Gは非常に小さく、△P＞Gと
なる。この結果、液より比重の小さい浮上性固体粒子２
はサイクロンの渦中心部に集まるのである。この逆に、
砂などの水より比重の大きい浮上性固体粒子は、△P＜G
となり、砂がサイクロンの壁に集まるのである。

【００１５】本発明の「凝集フロック付着浮上性固体粒
子」の渦流による固液分離速度は極めて大きく、驚くべ
きことに、旋回流槽７の要所滞留時間は０．３分以下と
いう驚くほど短時間で良い。したがって、従来の凝集沈
殿装置、浮上分離装置の所要滞留時間（１〜２時間程
度）に比べ、驚異的にコンパクトな装置で固液分離でき
る。

【００１６】本発明者の実験によれば、原水１に添加す
る浮上性固体粒子２の粒径は、過度に大きいと凝集フロ
ックが浮上性固体粒子２表面に付着しにくくなり、過度
に小さいと渦中心部に集まる力が小さくなるので、３０
〜３０００μｍ程度とするのが好適である。より好まし
くは、１００〜２０００μｍ、さらに好ましくは３００
〜１０００μｍの範囲である。本発明に適用するために
最適な浮上性固体粒子２を種々検討した結果、発泡スチ
ロールなどの発泡プラスチツク微粒子が好適である。特
に発泡スチロールは、発泡倍率を変えることによって、
比重が０．０１〜０．１程度と極めて小さい値を任意に
選択できること、極めて浮上力が大きいこと、また低価
格であること、強度が比較的大きく、強撹拌によっても
破壊しないなどの特性があるので最適である。

【００１７】浮上性固体粒子２の比重は特に重要で、
０．２以下、好ましくは０．０２〜０．２程度の非常に
軽量な粒子を使用すると、旋回流槽７内で渦中心部に極
めて効果的に集まりやすいので、大きな固液分離速度を
得る上で非常に重要である。浮上性固体粒子２の原水１
への添加量として好適な範囲は、少なすぎると浮上性固
体粒子２に付着しないフロックが残留し、多すぎるとい
たずらにハンドリング量が増え煩雑になるので、浮上性
固体粒子２嵩容積で、原水1リットル当たり、５〜２０
０ｍｌ、より好ましくは１０〜５０ｍｌ程度（単位：ｍ
ｌ浮上性固体粒子／リットル−水）が好適範囲である。

【００１８】無機凝集剤４を使用する場合の添加率は原
水水質によって変化するが、下水を本発明によって処理
する場合は、ＰＡＣでは１００〜１５０ｍｇ／リット
ル、塩化第２鉄では５０〜１００ｍｇ／リットル程度で
ある。リン除去などのイオンを除去する場合以外は、無
機凝集剤４の添加は不可欠ではなく、カチオン系ポリマ
で代替できる場合が多い。

【００１９】高分子凝集剤３としては、有機高分子凝集
剤（「ポリマ」ともいう）はアニオン性、ノニオン性、
カチオン性、両性ポリマのいずれか、またはこれらを併
用する。その注入率は、下水の場合１〜５ｍｇ／リット
ル程度で十分である。また、無機高分子凝集剤である重
合シリカ（活性シリカとも呼ばれる）を使用することも
出来る。さらに、無機凝集剤４液中に重合シリカを共存
させた凝集剤（たとえば鉄シリカ凝集剤）を使用するこ
とも出来る。

【００２０】本発明にとって、最も効果的な凝集付着方
法を検討した結果、原水１に無機凝集剤４又は有機性カ
チオンポリマを添加して撹拌したのち、有機性ノニオン
（又はアニオン）ポリマと有機性両性ポリマを添加する
方法が、非常に粘着性が大きく、フロック強度が強いフ
ロックが形成され、極めて効果的に浮上性固体粒子２の
表面に、付着コーティングする凝集フロックを形成でき
ることを見出した。

【００２１】しかして、次に渦中心部に分離された付着
固体粒子１０を、槽７の内筒９の下端開口部から内筒９
を上昇させて槽７上部の分離固体粒子チャンバー１１に
流入させる。分離固体粒子チャンバー１１から付着固体
粒子１０を、ポンプ１３、エアリフト、又はコンベヤ機
構などの任意の移送機構で槽７外に取り出し、フロック
剥離攪拌槽１４に送り、付着フロックを浮上性固体粒子
２から剥離する。そのあと、分級槽１５に送り、剥離フ
ロックを沈殿させ、浮上性固体粒子２を浮上させ、洗浄
された浮上性固体粒子２を原水１に循環する。剥離した
フロックは、沈殿汚泥１６として汚泥処理工程に供給
し、処理処分する。なお分級槽１５の上から、原水１の
一部を流しこみ、剥離したフロツクを洗い流すようにし
ても良い。

【００２２】なお、剥離槽１４を経由させずに、経路Ａ
から付着固体粒子１０の一部を原水１に循環させても良
い。この方法では、フロック剥離攪拌槽１４に送られる
浮上性固体粒子量が、全量の付着固体粒子１０のフロッ
ク剥離攪拌槽１４に送る場合より少なくなり、剥離部容
積、剥離エネルギが減少できる利点がある。経路Ａから
循環された付着固体粒子１０の表面には、既にフロック
が付着しているので、新たなフロックがその上に雪だる
ま式に付着してゆく。

【００２３】図１では、内筒９を持つ旋回流槽７を示し
たが、図３のように内筒を設けない槽を使用すること当
然出来る。図3の場合は、フロック付着固体粒子は、渦
中心に集まって固液分離され、その状態で、上部の分離
粒子チャンバー１１に浮上してゆく。また、図３ではフ
ロック付着固体粒子から固体粒子を回収し循環使用する
経路を省略したものである。

【００２４】

【実施例】以下、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。旋回流槽としては液体サイクロンを適用し
た。

【００２５】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、３０秒
間急速撹拌を行った後、平均粒径１０００μm、比重
０．１の発泡スチロール微粒子を２０（ｍｌ／リットル
原水）添加して凝集付着槽に分散流動させながら、ポリ
マ（ノニオン性ポリアクリルアミドポリマ：分子量１５
００万、商品名エバグロースＮ８００及び両性ポリマ：
エバグロースＢ０３４）をそれぞれ１．５ｍｇ／リット
ル添加し、１５秒撹拌したところ、凝集マイクロフロッ
クが発泡スチロール表面にしっかりと付着コーティング
された。こののち、滞留時間０．３分の液体サイクロン
（旋回流の流速３ｍ／秒）で流入させた。

【００２６】この結果、フロック付着発泡スチロール微
粒子は、瞬間的にサイクロン内の渦中心部に集まり固液
分離された。処理水をサイクロンの下部の壁面から取り
出した。処理水ＳＳは４ｍｇ／リットルとなり、下水中
のＳＳが超高速度で効率よく分離された。

【００２７】比較例１ 実施例１において発泡スチロール微粒子を添加しない以
外は、すべて同一条件で試験した。この結果、フロック
は全く固液分離されず、すべてが処理水に流出した。処
理水ＳＳは３５０ｍｇ／リットルと著しく悪く、処理不
可能であった。

【００２８】実施例２ 富栄養化の進んだ湖沼水（濁度２．８９度、色度６５
度、ｐＨ８．２、Ｍアルカリ度６５ｍｇ／リットル、過
マンガン酸カリウム消費量１０．０ｍｇ／リットル）を
上水原水とし、上水処理の試験を行った。この原水に、
塩化第２鉄を３２ｍｇ／リットル添加し、１分急速撹拌
を行ったのち、発泡スチロール微粒子（粒径６００ミク
ロン、比重０．１２）を嵩容積比で１０％添加し、アニ
オン系ポリアクリルアミド（エバグロースＡ１５１）を
１ｍｇ／リットル添加し、２０秒急速撹拌を行った。こ
のあと滞留時間０．５分のサイクロンに供給した結果、
フロック付着発泡スチロール微粒子が渦の中心部に集ま
り、清澄な処理水（濁度０．８度、色度１２度、過マン
ガン酸カリウム消費量４．０ｍｇ／リットル）を取り出
すことが出来た。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、以下の優れた効果が得
られる。 （１）従来の技術では不可能であった超高速度で、原水
中の凝集除去対象物質を分離できる。本発明において原
水が清澄な処理水に変換される全所要時間は、１〜１．
５分間と驚くほど短時間であり、その分離速度は従来の
凝集沈殿、気泡による浮上分離技術の５０〜１００倍以
上である。 （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
する原水の超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）分離された浮上性固体粒子は、容易に回収して再
利用できるので、固体粒子を使い捨てる必要がなく、運
転コストが非常に安い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速固液分離プロセスの一実施態様を
示す系統図である。

【図２】本発明の固体粒子の分離機構の原理を説明する
模式図である。

【図３】本発明の高速固液分離プロセスの固体粒子の循
環系を省略した別の実施態様を示す系統図である。

【符号の説明】

１ 原水 ２ 浮上性固体粒子 ３ 高分子凝集剤 ４ 無機凝集剤 ５ 凝集付着槽 ６ 付着固体粒子を含む水 ７ 旋回流槽 ８ 外筒 ９ 内筒 １０ 分離された付着固体粒子 １１ 分離固体粒子チャンバー １２ 処理水 １３ ポンプ １４ フロック剥離撹拌槽 １５ 分級槽 １６ 沈殿汚泥 １７ 回収固体粒子 １８ サイクロン中心 １９ サイクロン壁 Ａ 経路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 俊博 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 加太 孝幸 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 4D015 BA29 BB12 BB14 CA01 CA14 DA04 DA13 DB01 DB03 DC06 DC07 DC08 EA33 EA39 4D037 AA01 AA11 AA13 AB02 BA01 BA28 CA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原水に、高分子凝集剤又は無機凝集剤と
   高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子
   を添加して撹拌し、原水中の凝集対象物質を該固体粒子
   表面に付着させたのち、その凝集対象物質付着固体粒子
   を含む水を旋回流槽に供給し、旋回流により該固体粒子
   を旋回流の渦中心部に集合させて水と固液分離し、該固
   体粒子が分離された処理水を流出させることを特徴とす
   る高速固液分離方法。
2. 【請求項２】 前記固液分離された水より比重が小さい
   浮上性固体粒子、又は該固体粒子と分離固体粒子から付
   着フロックを剥離除去した浮上性固体粒子を、原水に循
   環添加することを特徴とする請求項1記載の高速固液分
   離方法。
3. 【請求項３】 原水に高分子凝集剤又は無機凝集剤と高
   分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子を
   添加して原水中の凝集対象物質を前記固体粒子の表面に
   付着させる凝集付着槽と、この凝集付着槽の流出水が導
   入され中心部に分離されたフロック付着固体粒子の浮上
   分離した浮上分離スラッジの分離固体粒子チャンバーと
   前記分離固体粒子の排出管を上部に、下部に処理水の流
   出管を備えた旋回流槽と、前記浮上分離固体粒子のフロ
   ック剥離攪拌槽と、剥離フロックを沈殿フロックと水よ
   り比重が小さい浮上性固体粒子の含有水に分離する分級
   槽と、前記固体粒子の含有水の凝集付着槽への返送配管
   と、浮上分離固体粒子の一部の凝集付着槽への返送配管
   とを有することを特徴とする高速固液分離装置。