JP2005193164A - 微細粒子の凝集濃縮方法及び凝集濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細粒子凝集物の詰まりが起こりにくく、仮に詰まりなどの異常が発生してもメンテナンス性がよく、効率的に高濃度濃縮のできる微細粒子の凝集濃縮方法及び作製が容易で装置コストが小さい構造が単純な微細粒子の凝集濃縮装置を提供すること。
【解決手段】 少なくともセンターウエルと該センターウエル内側に設けた微細粒子含有液を導入するための注入管を具備した微細粒子の凝集濃縮装置を用いて、微細粒子含有液をセンターウエル内側に設けた注入管上部から導入し、注入液下端から沈降スラリー中へ吐出する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、微細粒子の凝集濃縮方法及び凝集濃縮装置に関する。さらに詳しくは、微細粒子含有液を微細粒子が濃縮された沈降スラリーと清澄液とに分離するに際し、センターウエル内側に設けた注入管上部から微細粒子含有液を導入し注入管下端から沈降スラリー中へ吐出する微細粒子の凝集濃縮方法及び少なくともセンターウエル、該センターウエル内側に設けた微細粒子含有液を導入するための注入管を具備する凝集濃縮装置に関する。

微細粒子含有液から微細粒子を濃縮分離する方法として、従来から沈殿槽を用いて微細粒子をその自重による沈降性を利用して分離する方法が広く用いられている。しかし、例えば微細粒子含有液として活性汚泥を含む廃水を処理する場合などにみられるように、沈降分離性が良くないかあるいは不安定な液に対してはこの方法は必ずしも満足できるものではない。沈殿槽の処理能力は基本的にその面積によって決まるため、処理能力を上げるためには大きな面積が必要となる。さらに、単純な沈殿では一定以上の濃度へ濃縮することは困難であり、例えば通常の汚泥沈殿槽で得られる濃縮汚泥の濃度即ちＭＬＳＳは数千〜一万ｐｐｍ程度である。

微細粒子の凝集性を上げる方法として凝集剤を添加する方法もよく用いられている。しかし、この方法は、例えば活性汚泥の沈降に用いた場合、濃縮した汚泥を活性汚泥処理槽に返送する際に凝集剤も同時に返送されるため微生物処理に対して好ましくなく、また、処理水を放流する際に凝集剤が同時に環境中に放流されることから環境汚染の観点からも望ましいことではない。

これらの問題を解決するため、最近電解質濃度差が１ｐｐｍ以上ある２液の接触界面において電位の異なる微細粒子が凝集する現象を利用した微細粒子の凝集濃縮方法及び凝集濃縮装置が提案されている。例えば特許文献１には微細粒子を含む水からの微細粒子の凝集装置及び凝集方法が、特許文献２には微細粒子含有汚泥液の固液分離方法が、特許文献３、特許文献４には微細粒子を含む希薄な汚濁液からの微細粒子の凝集濃縮装置と凝集濃縮方法が記載されている。これらの要旨は二重管の内管と外管に電位の異なる微細粒子を含む液を層流で通流させ、下流において内管と外管中の液を接触させてフロック含有液とし、該フロック含有液を微細粒子を含む被処理液と混合して更にフロックを形成させ、清澄液と濃縮液に分離するものである。

特公平７−１６５６３号公報 特許第２５５２５４２号公報 特開平７−２４２１７号公報 特開平９−１０３６０９号公報

しかしながら特許文献１〜４に記載された装置は複雑であり作製が難しく製作コストが高くなる。また、装置が複雑であることに関連して、かかる装置を利用して微細粒子の凝集濃縮を行うと、装置内において濃縮された微細粒子凝集物の詰りが起こりやすく、詰りが起こるなどの異常が発生した際のメンテナンスが行いにくいという問題があった。さらに沈降性を維持するためには流入する微細粒子含有液の量、内容の変動に応じ微妙なコントロールを要求されるなど運転安定性もよくなかった。

そこで、本出願人は上記方法の問題を克服するため微細粒子の凝集濃縮装置及び凝集濃縮方法を新たに開発した（特許文献５）。この要旨は、二重管の内管と外管に電位の異なる微細粒子を含む液を通流させてフロックを形成するための二重管と、該二重管の下流において二重管内を通流する液と接触させてさらにフロックを形成させるための被処理液管から構成された混合処理部と、該混合処理部で生成する混合液をフロック含有汚泥と清澄液に分離するための固液分離部からなる凝集濃縮装置及び該凝集濃縮装置を用いた凝集濃縮方法である。
特開２００３−１９０７１１号公報

特許文献５に記載する装置及び方法によれば、微細粒子凝集物の詰まりの起こりやすさの問題は軽減されたが、装置は依然として複雑であり、異常発生時のメンテナンス性も必ずしも良好であるとはいえなかった。従って、本発明の目的は、微細粒子凝集物の詰まりが起こりにくく、メンテナンス性がよく、高濃度濃縮のできる微細粒子含有液の凝集濃縮方法及び作製が容易で装置コストが小さい構造が単純な微細粒子含有液の凝集濃縮装置を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討し、意外にも、センターウエル内側に設けた注入管から微細粒子含有液を低速で沈降スラリー中に吐出するという簡単な方法で高濃度濃縮が実施できることを見出した。さらに、微細粒子含有液をセンターウエル内側に吐出することにより、気泡を含む凝集物が浮上してもこれが逸流して清澄液を汚染することを防止でき、全体として効率的な濃縮を達成できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は微細粒子含有液を微細粒子が濃縮された沈降スラリーと清澄液とに分離するに際し、センターウエル内側に設けた注入管上部から微細粒子含有液を導入し注入管下端から沈降スラリー中へ吐出することを特徴とする微細粒子の凝集濃縮方法である。

また、本発明のもう一つの発明は本質的にスラリー排出口、清澄液排出口及び沈降スラリー掻き取り手段を有する凝集濃縮装置であって、少なくともセンターウエル、該センターウエル内側に設けた微細粒子含有液を導入するための注入管を具備することを特徴とする凝集濃縮装置である。

本発明によれば、微細粒子凝集物の詰まりが起こりにくく、メンテナンス性がよく、高濃度まで濃縮を行う方法及び作製が容易で装置コストが小さい構造が単純な装置を提供することができ、凝集剤を使用することなく効率よく微細粒子含有液を凝集濃縮することができる。

本発明においては微細粒子含有液を装置内で凝集沈降させ、微細粒子が濃縮され沈降した沈降スラリーと微細粒子の大部分が沈降除去された上澄みである清澄液とに分離する。微細粒子含有液に特に制限はないが、培養、増殖液、醸造廃液、浚渫汚泥、産業排水とその生物処理水、家庭排水とその生物処理水などが挙げられる。代表的なものは産業排水や家庭排水を生物処理した後の活性汚泥を含む排水であり、この場合通常沈降スラリーは沈降汚泥、沈降スラリーと清澄液の界面である沈降スラリー界面は汚泥界面と呼ばれるものである。

本発明の第１の特徴は微細粒子含有液を沈降スラリー中へ吐出することにある。微細粒子含有溶液は装置上部より挿入された注入管を通じて装置内に導入され、注入管下端より吐出される。このとき注入管下端の位置を沈降スラリー界面より下に位置させることにより、微細粒子含有液が沈降スラリー内に吐出される。

微細粒子含有液を沈降スラリー内に吐出するだけで凝集が促進され、さらに通常の沈降操作より高度の濃縮が可能になる原理については明確でないが、沈降スラリーと元の微細粒子含有液の間には測定不能な微細な電位差が発生しており、この電位差が微細粒子の表面電荷に影響を与え一次凝集が起こるものと推定される。

また、従来技術（特許文献１〜５）では一次凝集した粒子をさらに互いに衝突させることで凝集を進めており、そのための専用の場所を設置していた。本発明においては一次凝集した粒子が沈降スラリー内を移動する際に引き続いて凝集が起こるため特別な場所を設置せずとも凝集が進行する。

注入管の下端の位置は沈降スラリー内であれば特に制限はないが、あまり沈降スラリー界面に接近していると、運転中のわずかな界面の変動や揺動によって注入管下端が界面上に出てしまい本発明の効果を奏さなくなるため、沈降スラリー界面との距離が５ｃｍ以上あることが好ましい。一方、注入管下端と沈降スラリー界面との距離があまり離れると微細粒子含有溶液の排出抵抗が上昇し濃縮スラリーが逆流する場合があるため、２０ｃｍ以下であることが好ましい。

さらに本発明においてはセンターウエルを使用し、注入管をセンターウエル内側に設置することにより、微細粒子含有液をセンターウエル内側に吐出させる。センターウエルは例えば円筒形などの上下が解放された形状を有する隔壁である。微細粒子が汚泥などの場合、微細粒子やその凝集物は微細気泡を含むことが多く、そのためしばしば凝集物がスカム状の異物を形成して浮上し、清澄液を汚濁させる。これに対しこのように吐出位置をセンターウエル内側とすることで凝集物が浮上した場合でもセンターウエル内側を浮上するようにできる。

センターウエルは、その上端が清澄液液面より上になるように設置されることが好ましい。センターウエル上端が該液面より上にあることによってセンターウエル内側を浮上した凝集物はセンターウエル内部に留まり、浮上した凝集物によってセンターウエル外側の清澄液が汚濁されるのを防ぐことができる。

センターウエル下端の高さについては凝集物がセンターウエル外側へ浮上しない限りにおいて特に制限はないが、凝集物がセンターウエル外側へ浮上することを確実に防ぐ観点から、センターウエル下端は沈降スラリー界面より下にあることが好ましい。この観点からはセンターウエル下端は注入管下端と同じ高さかそれより下にあることが好ましいが、その結果センターウエル下端が沈降スラリー界面よりあまり下になると、センターウエル外部、装置周壁との間の沈降スラリーが長時間滞留しやすくなり、例えば沈降スラリーが汚泥の場合異常発酵するなどの不都合を生じやすいため、センターウエル下端は注入管下端とほぼ同じ高さにすることがさらに好ましい。

微細粒子の凝集性は、微細粒子含有液を沈降スラリー内へ吐出する注入管からの吐出速度に大きく影響される。ここで吐出速度は吐出流量を注入管下端出口断面積で除することにより算出される。吐出速度が小さいほど凝集性は向上するため、吐出速度は上記注入管下端出口における線速度として１０ｃｍ／秒以下であることが好ましい。しかしながらあまり吐出速度を小さくすると当然微細粒子含有液の処理能力が低下するため、１ｃｍ／秒以上であることが好ましい。

吐出速度を小さくし、処理能力を大きくするためには注入管の断面積を大きくすればよい。しかし、注入管径をあまり大きくすると凝集性が低下する場合があり、その場合には適切な管径の注入管を複数設置、使用することが好ましい。

沈降スラリー界面と微細粒子含有液の吐出位置との関係を一定に保つためには、該界面が著しく変動することは好ましくない。従って該界面を一定に保つための制御を行うことが好ましい。界面を一定に保つための制御の方法としては界面検知計を設置してその信号で沈降スラリー排出ポンプの運転をオンオフ制御し沈降スラリー界面の位置を一定幅内に保つ方法などが挙げられる。

センターウエル内に微細気泡を含む凝集粒子が浮上した場合、これをそのまま放置して再度沈降するのを待ってもよいが、浮上する量が多い場合などはこれを強制的に沈降させることが好ましい。強制的に沈降させる方法としては、浮上物上部より液をシャワーにより散布する方法などが挙げられる。

微細粒子含有液は吐出された後、微細粒子が凝集して濃縮された沈降スラリーと微細粒子の大部分が除去された上澄部の清澄液に分離する。清澄液の抜取り方法に特に制限はないが、装置上部からオーバーフローによって装置外へ抜取られる方法が好ましく採用される。一方、沈降スラリーの抜取り方法にも特に制限はないが、装置底部のスラリー排出口よりポンプにて排出する方法が好ましく用いられる。

また、沈降スラリーの排出を容易にするため、好ましくは掻き取り翼などの掻き取り手段を用いて装置底部に付着した微細粒子凝集物を掻き取る方法を併用する。

本発明の装置は本質的にスラリー排出口、清澄液排出口及び沈降スラリー掻き取り手段を有する凝集濃縮装置であって、該凝集濃縮装置は、少なくともセンターウエル、該センターウエル内側に設けた微細粒子含有液を導入するための注入管を具備することを特徴とする凝集濃縮装置である。上記「本質的に」とは装置にその機能を果たす部分が存在することを、「少なくとも」とは、それ以外の補助的な機器例えば攪拌機、整流のためのバッフルなどを備えていても構わないことを意味する。

注入管の形状に特に制限はないが、注入管内で微細粒子含有液の流れが乱れることは好ましくないため円筒形の直管が好ましく用いられる。注入管の径は、吐出流速を好ましい低速にすることと必要な処理量とから決定される。注入管の内径が大きくなりすぎると凝集性が低下する場合があるため注入管の内径は１５ｃｍ以下が好ましい。従って処理量が大きく１本の注入管では注入管径が大きくなりすぎる場合は注入管を複数設置することが好ましい。

センターウエルの形状にも特に制限はないが、通常は円筒状のものが好ましく用いられる。センターウエルの内側断面積についても特に制限はないが、槽本体の断面積の１／５〜１／４０程度のものが好ましく用いられる。センターウエルの位置についても特に制限はないが槽中央付近に設置されることが好ましい。

また、好ましくは凝集濃縮装置に１個に対し１個のセンターウエルを用いるが、センターウエルの数についても特に制限はなく槽の面積が大きい場合一つの沈殿槽に複数のセンターウエルと、それに対応した数の注入管を設置しても構わない。

注入管はセンターウエル内側に設置される。注入管の位置はセンターウエル内側であれば特に制限されない。注入管下端とセンターウエル下端の高さの関係は沈降の状況によって適宜決められるが、ほぼ同じ高さであることが好ましい。また、注入管及びセンターウエル下端の高さは、装置運転条件において沈降スラリー界面より下にできるように設置されていれば特に制限はないが、微細粒子凝集濃縮装置本体の槽高に対し下から１／２より下、１／１０より上が好ましい。なお、ここでいう槽高とは、沈降スラリー掻き取りのための底部傾斜部分などを除く溶液を貯蔵できる部分の高さ、即ち通常は装置ストレート部の高さを言う。

微細粒子凝集濃縮装置本体の形状、大きさについては特に制限はなく、凝集対象の微細粒子及びそれを含む液の種類、処理量などに応じて任意に決定される。通常の沈降分離に用いられる槽本体をそのまま用いることも可能である。装置本体は分離された沈降スラリーと清澄液を抜取るためのスラリー抜取り口と清澄液抜取り口を備える。スラリー抜取り口は好ましくは装置最下部に設置され、スラリーはここから好ましくはポンプによって排出される。清澄液抜取り口は装置上部に備えて直接ここから抜取っても良いが、好ましくは清澄液をオーバーフローさせるための壁の外側に設置される。

微細粒子凝集濃縮装置には沈降スラリーを抜取ることを容易にするための掻き取り手段を設置する。掻き取り手段としては、通常の汚泥処理設備に設置される公知の掻き取り翼などが使用できる。掻き取り翼は種々の方法で設置、駆動させることができるが、例えば駆動軸を介して装置上部のモーターにより駆動されることができる。駆動軸が存在する場合、センターウエルは駆動軸がセンターウエルの内側に入るように設置されることが好ましい。通常、掻き取り翼は周速が２〜３ｍ／分程度となるよう運転される。

本発明の装置の一態様を図１に示す。清澄液抜取り口８、スラリー抜取り口１２、掻き取り翼４を具備した凝集濃縮装置３内にセンターウエル１と、その内側に注入管２を設置する。微細粒子含有液は、微細粒子含有液導入管１５から微細粒子含有液注入ポンプ１６により注入管２に導入される。導入された微細粒子含有液は沈降スラリー界面１０より下にある注入管の下端より吐出される。清澄液はオーバーフローによって清澄液液面１１を一定としオーバーフローした清澄液は清澄液抜取り口８から抜取られオーバーフロー管９によって送り出される。送り出された清澄液はそのまま放流するか、必要に応じて後処理を施した後放流される。沈降スラリーは排出を容易にするため、モーター５によって駆動軸６を介して駆動される掻き取り翼４によって掻き取られる。沈降スラリーはスラリー抜取り口１２よりポンプ１４によって沈降スラリー界面がセンターウエル下端及び注入管下端より上で安定するよう制御しながら抜取られ、沈降スラリー抜き取り管１３から排出される。排出された沈降スラリーは、必要に応じ返送して再利用され、あるいは圧搾、乾燥などの処理がなされる。

本発明の装置の別の態様を図２に示す。ここでは複数の注入管２、注入管１７が使用されている。それ以外の部分は図１と同様である。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。

注入管、センターウエル、掻き取り翼を具備した図１に示すような凝集濃縮装置を用いて汚泥水の濃縮を実施した。装置本体は内径０．３ｍ、ストレート部１ｍの沈殿槽を使用し、センターウエルは円筒形で内径１０ｃｍのものを、注入管は内径１ｃｍの直管を使用した。センターウエル下端及び注入管下端の位置は沈殿槽ストレート部下部より２５ｃｍとした。また、汚泥掻き取り翼の駆動軸下端にはリボン翼を直接溶接した。汚泥水は化学工場の排水処理において稼動中の活性汚泥設備曝気槽より配管で抜き出し、ポンプで試験装置内へ導入した。運転中は掻き取り翼を毎分３回転で回して汚泥を掻き取りつつ、随時濃縮汚泥を抜取り、汚泥界面をストレート部下部より３０ｃｍ付近で安定させた。従って注入管下端及びセンターウエル下端は汚泥界面より５ｃｍ下に位置させた。清澄液はオーバーフローによってオーバーフロー管より槽外へ排出した。この装置、運転状況において汚泥水注入量を０．３Ｌ（リットル、以下同じ）／分から０．６Ｌ／分まで変動させて汚泥の濃縮を実施した。結果を表１に示す。いずれの条件でも運転中詰りなどのトラブルは発生しなかった。いずれの実施例においても比較例に示す通常の沈降によって得られるより高い濃度まで汚泥濃縮が実現されている。その濃縮効果は吐出速度を小さくするほど顕著に表れる。

比較例
センターウエル下端位置を凝集濃縮装置本体ストレート部下から４０ｃｍの位置に設置し、センターウエル下端が汚泥界面より上となるようにし、注入管を設置せず、汚泥水はセンターウエル内側の装置上部から注入する以外は実施例３と同様に汚泥の濃縮を実施した。結果を表１に示す。以上の結果から本発明の効果は明らかである。

本発明で使用する微細粒子の凝集濃縮装置の概略図の一例である。 本発明で使用する微細粒子の凝集濃縮装置の概略図の別の例である。

符号の説明

１ センターウエル
２ 注入管
３ 凝集濃縮装置本体
４ 掻き取り翼
５ モーター
６ 駆動軸
７ リボン翼
８ 清澄液抜取り口
９ オーバーフロー管
１０ 沈降スラリー界面
１１ 清澄液液面
１２ スラリー抜取り口
１３ 沈降スラリー抜き取り管
１４ 沈降スラリー抜取りポンプ
１５ 微細粒子含有液導入管
１６ 微細粒子含有液注入ポンプ
１７ 注入管

Claims (7)

1. 微細粒子含有液を微細粒子が濃縮された沈降スラリーと清澄液とに分離するに際し、センターウエル内側に設けた注入管上部から微細粒子含有液を導入し注入管の下端から沈降スラリー中へ吐出することを特徴とする微細粒子の凝集濃縮方法。
2. 該センターウエルの下端を沈降スラリー内、上端を清澄液液面より上に保つ請求項１記載の微細粒子の凝集濃縮方法。
3. 該注入管の下端と沈降スラリーの界面との距離が５ｃｍ以上である請求項１又は２記載の微細粒子の凝集濃縮方法。
4. 該注入管の下端とセンターウエルの下端が槽内において同一の高さにある請求項１〜３記載の微細粒子の凝集濃縮方法。
5. 微細粒子含有液の注入管からの吐出速度が１０ｃｍ／秒以下である請求項１〜４記載の微細粒子の凝集濃縮方法。
6. 本質的にスラリー排出口、清澄液排出口及び沈降スラリー掻き取り手段を有する凝集濃縮装置であって、該凝集濃縮装置は、少なくともセンターウエル、該センターウエル内側に設けた微細粒子含有液を導入するための注入管を具備することを特徴とする凝集濃縮装置。
7. 該センターウエル下端と該注入管の下端が槽内において同一の高さに位置し槽高に対し下から１／２より下、下から１／１０より上にある請求項６記載の微細粒子の凝集濃縮装置。
   

Images