JP2007167738A - クリプトスポリジウム排出に対応した砂ろ過装置と逆洗方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 浄水に用いた砂ろ過装置で逆洗を行う際に、ろ層中にあるクリプトスポリジウムが十分に除去されて残留することがないようにする。
【解決手段】 クリプトスポリジウムを含む原水を下向流でろ過を行う砂ろ過装置において、通常のろ過方向と逆向きにろ過水を逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎでろ層に通水し、ろ砂を流動状態にして水逆流洗浄を行う第１逆洗工程を行い、続いて同様の向きに逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎとして水逆流洗浄を行う第２逆洗工程を行うことにより、ろ層中に滞留したクリプトスポリジウムを排出することを特徴とする砂ろ過装置の逆洗方法。第１逆洗工程と第２逆洗工程の間に、逆洗停止期間を１０秒〜６０秒間設けることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、飲料を目的とした被処理水から懸濁物質を固液分離する浄水処理における砂ろ過装置及びその逆洗方法に関するものである。

近年、クリプトスポリジウム等の耐塩素性病原微生物による感染症が報告されるようになり、これを受けて原水にクリプトスポリジウム等の耐塩素性病原微生物が混入する恐れがある場合には、これらの除去可能な砂ろ過装置等の設置が必要となってきた。
浄水処理において使用される砂ろ過装置は、ろ層において原水中のクリプトスポリジウムやその他の懸濁物質を固液分離し清澄な処理水を得ている。その際ろ過を継続すると、ろ層中には懸濁物質が蓄積する。このため、一定のろ過を行うと、ろ層中に蓄積した物質を除去するための逆洗が必要となる。

砂ろ過装置の逆洗方式は種々あるが、ろ過水を洗浄水として、洗浄用のろ過水をろ層下部からろ層上部へ流す逆流洗浄（通称、逆洗）する方法がある。
逆洗における逆洗速度は、０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎとすることが一般的であり、水道施設設計指針にも記載されている。０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎの洗浄中、洗浄水は膨張したろ層中を下部から上部へ流れ、この時に砂層に蓄積された濁質分やクリプトスポリジウム等の微生物を砂層から分離・排出する。しかし、ろ層中を微視的に観察すると、局所的に旋回流やうず流が形成されている。このため、水流の影響を大きく受けるクリプトスポリジウム等の一部は、この旋回流・うず流により、ろ層上部から排出されることなくろ層中に滞留する。

このろ層中に滞留した物質を除去するために、洗浄終了直前に洗浄速度を段階的に減少させる、いわゆるスローダウン洗浄方式が対策として記載されている（非特許文献１）。
「水道施設設計指針２０００」、日本水道協会。

しかしながら、このスローダウン洗浄方式は、具体的な方法、例えば、何段階で、どのような洗浄速度で、どれだけの時間を設定するのかについては明らかでない。さらに、スローダウン洗浄等の洗浄効果を判定する指標は、一般に濁質分を計測してその除去性から決定されており、本件で扱うクリプトスポリジウム等の微生物に直接着目して採用された方式ではない。

また、旋回流でろ層中に滞留する濁質分やクリプトスポリジウムを除去するためには、早急に旋回流を消減させなくてはならないが、洗浄速度を０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎからろ層が膨張しない程度に低下させた直後には、慣性力により旋回流は残留しており、その後徐々に消えていくこととなる。旋回流が消減するまでは、洗浄水は無駄に排出されることになる。洗浄水はろ過水を用いることから、装置全体の水回収率は低下することになるという問題点があった。

このため、本発明者らはクリプトスポリジウムオーシストのトレーサーを用いて、ろ過実験を行い、最適な逆洗方法を行うためのろ過装置の運転方法を検討した。
そして、水逆流洗浄を行う逆洗工程の逆洗速度を、ろ材を流動化状態にする、及びすることのない強弱の水逆洗工程をこの順に組合わせること、さらに、ろ材を流動化状態にすることのない弱い水逆洗工程の洗浄時間を特定の時間に設定すれば、クリプトスポリジウムを十分排出することが可能となり、さらに全体として洗浄水量を少なく済ませることができることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記の構成とすることにより上記の課題を解決することができた。
（１）クリプトスポリジウムを含む原水を下向流でろ過を行う砂ろ過装置において、通常のろ過方向と逆向きにろ過水を逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎでろ層に通水し、ろ砂を流動状態にして水逆流洗浄を行う第１逆洗工程を行い、続いて同様の向きに逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎとして水逆流洗浄を行う第２逆洗工程を行うことにより、ろ層中に滞留したクリプトスポリジウムを排出することを特徴とする砂ろ過装置の逆洗方法。
（２）第１逆洗工程と第２逆洗工程の間に、逆洗停止期間を１０秒〜６０秒間設けることを特徴とする前記（１）記載の砂ろ過装置の逆洗方法。
（３）クリプトスポリジウムを含む原水を、下向流でろ過を行う砂ろ過装置において、第２逆洗工程の洗浄時間（Ｔｒ）は、ろ層高さをＬ１、ろ層上部から逆洗排水越流部までの高さをＬ２、逆洗速度０．１０〜０．２０ｍ／ｍｉｎの設定値をＬＶ１とした場合に、Ｔｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）÷ＬＶ１以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の砂ろ過装置の逆洗方法。

（４）上部に被処理原水の流入配管及び逆洗水の排出配管、中間部に支持体に支承されたろ層、底部にろ過水排出配管及び逆洗水量調整用バルブを具備した逆洗水流入配管を有するクリプトスポリジウムを排出するためのろ過塔を備えた砂ろ過装置において、請求項１〜３のいずれか１項に記載の逆洗方法を行うために、前記逆洗水流入配管中に逆洗水をろ層に流入させる水量を、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎと０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの２段階に調節可能とするバルブを配設したことを特徴とする砂ろ過装置。

すなわち、本発明の骨子は、下記に示す事項から成るものである。
本発明で逆洗を行う装置では、上記間題を解決するために、逆洗速度を０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎで所定の時間逆洗を行った後、逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎ、好ましくは０．１５〜０．２ｍ／ｍｉｎに低下させて洗浄を行う。または、洗浄水となるろ過水の使用量を減少させて装置全体の水回収率を向上させるため、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎで所定の時間逆洗を行った後、逆洗を１０秒〜６０秒間停止し、再び逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎとして逆洗を行う。
逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの洗浄時間は、ろ層の高さをＬ１、ろ層上部から逆洗排水越流部までの高さをＬ２とした場合、洗浄速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎのろ層高さの設定値ＬＶ１で除した時間Ｔｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）÷ＬＶ１以上とする。なお、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎで所定の時間逆洗を行った後、逆洗を１０秒〜６０秒間停止する工程を設けた場合には、逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの洗浄時間は（Ｌ１＋Ｌ２）÷Ｌｖ１とするのが逆洗水量を低減できるため好ましい。
以上のように逆洗を行うろ過装置とすることで、ろ層中に滞留したクリプトスポリジウムを十分に排出し、安全で安定した水処理が可能となる。

以上の結果から、クリプトスポリジウムを含む原水を処理する砂ろ過装置を逆洗する場合、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎのろ層を流動化させる第１逆洗工程の後、逆洗速度が０．１０〜０．２０ｍ／ｍｉｎの第２洗浄工程を行うことにより、ろ層内からクリプトスポリジウムを十分排出することが可能となり、安全なろ過水を得ることが可能となる。逆洗速度が０．１０ｍ／ｍｉｎ未満の場合はろ層内のクリプトスポリジウムを十分排出できず、また、逆洗速度が０．２ｍ／ｍｉｎより大きい場合はろ層内の一部に旋回流が生じクリプトスポリジウムを十分に排出することが困難となる。よって、逆洗速度を上記範囲に設定することで、安定した水処理が可能となる。また、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎのろ層が流動化した状態から一旦洗浄を１０秒〜６０秒間停止し、第１逆洗工程でろ層内に生じた局所流を消減させて、その後に逆洗速度０．１０〜０．２０ｍ／ｍｉｎの第２洗浄工程の洗浄を行うと、全体として洗浄水量を少なく済ませることができる。停止時間が１０秒未満の場合は、第一逆洗工程で生じた局所流を消滅させることができず、また、停止時間が６０秒より長い場合は、装置の待機工程が長くなるため適切でない。さらに、第２逆洗工程は、時間Ｔｒ（＝ろ層とろ層上部から洗浄水排出口までの、洗浄水の滞留時間）の間、行うことにより、クリプトスポリジウムの排出を効率的に行うことができる。

以下、本発明の砂ろ過装置の逆洗方法について、図面を参照しつつ説明する。
図１は逆洗直前のろ過塔全体の模式図、図２は第１逆洗工程時にろ層が流動化した状態におけるろ過塔全体の模式図、図３は第１逆洗工程時の流動化した状態におけるろ層の一部を拡大した模式図、図４はろ層を流動化させない状態で逆洗中（第２逆洗工程の状態）の、ろ層の一部を拡大した模式図である。

ろ過の継続とともに、図１に示すように、ろ層２では濁質分およびクリプトスポリジウム３の捕捉が顕著となり閉塞が生じる。このため、図２に示すように、ろ過塔１下部からろ過水を使用した洗浄水４をろ層２に通水し逆洗を行う。逆洗水４の逆洗速度は通常０．６ｍ／ｍｉｎ〜０．９ｍ／ｍｉｎとして、ろ層２を膨張させ流動化状態にする。この時、ろ層２内の水流は乱流状態であり、ろ層部２全体としては下部から上部へ洗浄水４が流れているが、局所的には図３に示すように旋回流・うず流８が発生するため、ろ層２内に蓄積された濁質分６やクリプトスポリジウムの一部９はろ層２から排出されず滞留する。

逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎのろ層２を流動化状態にさせた第１逆洗工程を継続してもほとんど濁質分６が排出されなくなると、バルブ７を調節して逆洗速度を０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎに低下させる。すると、ろ層２は流動化を停止し、ろ層２内の旋回流やうず流８も消減する。このため、ろ層２内の旋回流やうず流８に取り込まれて残留していたクリプトスポリジウム９は、０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの逆洗水流によりろ層２上部に移動し、ろ層２から排出される。逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの第２洗浄工程は、ろ層２とろ層２上部から洗浄排水排出部における洗浄水４の滞留時間を少なくともＴｒ以上継続する。

なお、逆洗速度を０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎから０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎに落とした直後は、慣性力でろ層２内の旋回流・うず流８は残留している。このため、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎの状態から、バルブ７を一旦閉とし、１０秒〜６０秒経過後に再び逆洗速度０．１５〜０．２ｍ／ｍｉｎで逆洗を行うと、ろ層２内の旋回流・うず流８は消減しており、洗浄水量は比較的少なく済む。

このようにして、クリプトスポリジウムを含む原水を処理する砂ろ過装置を逆洗する場合、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎのろ層２を流動化させる第１逆洗工程から、時間Ｔｒの間、逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの第２逆洗工程とすることで、ろ層２内からクリプトスポリジウム９を十分排出することが可能となり、安全なろ過水を得ることが可能となり、安定した水処理が可能となる。また、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎのろ層２が流動化した状態から一旦洗浄を１０秒〜６０秒間停止し、ろ層２内に発生した旋回流・うず流８をその間に消滅させて、その後に逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの第２逆洗工程の洗浄を行うと、全体として洗浄水量を少なく済ませることができる。
なお、ろ過工程及び洗浄工程の運転操作には該当する配管ラインのバルブ操作等、当然必要となる操作はあるが、ここでは説明を省略する。

以下に本発明を実施例により具体的且つ詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何等制限されるものではない。

実施例１
図５に、クリプトスポリジウムトレーサー添加実験のフローを示す。実験では比較検討用に、図５のトレーサーの注入設備以外は図５と同様の設備を別に１系列設置した。第１表にろ過塔の仕様、第２表に通水条件を示す。河川水を沈殿処理した沈殿水にクリプトスポリジウムの代替トレーサー（材質ポリメチルメタアクリレート、粒径５．０μｍ、比重１．１９、日本光研工業株式会杜製）を原水槽で混合して実験原水とし、アクリル製の透明材質で製作したろ過塔を用いてろ過実験を行った。ろ砂の５％は予め緑色に着色し、ろ砂の流動状態がより明確になるようにした。実験は、クリプトスポリジウムトレーサーを添加して第１逆洗工程と第２逆洗工程を実施する本発明の実施例（実験Ａ）、同様にクリプトスポリジウムトレーサーを添加し第１逆洗工程後に１０秒〜６０秒間逆洗を停止し、その後第２逆洗工程を行う本発明の別の実施例（実験Ｂ）、クリプトスポリジウムトレーサーを添加せず、第１逆洗工程だけを行う比較検討（実験Ｃ）の３種の実験を行った。
なお、図５において、１０は沈殿水、１１はクリプトスポリジウムトレーサー、１２はこれらを混合する原水槽、１３はポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、１４は処理水槽、１５は排水処理槽、１は先に図１及び図２において説明した砂ろ過塔である。

注：旧建設省土木研究所資料第３５３３号（１９９８年１月）による調査結果で、河川水中のクリプトスポリジウムオーシスト数は０．０５〜３．２個／Ｌ（リットル）で、最大値である３．２個／Ｌはクリプトスポリジウム集団感染直後の河川水の値。これを除くと０．１個／Ｌ以下。

４７時間３０分のろ過運転後を行うと、図１に示すようにクリプトスポリジウムを含む濁質分３はろ層に捕捉され、ろ過抵抗の上昇が見られた。このため、ろ過水を洗浄水として、図２に示すようにバルブ７を開度調節して逆洗速度０．７ｍ／ｍｉｎで逆洗を行った（第１逆洗工程）。すると、ろ層中に捕捉されていた濁質分が、ろ層上部へ浮上し、ろ過塔から排出されて行く様子が目視された。ろ砂の粒子は、ろ層全体的に垂直方向を主として旋回しており、局所的には垂直方向以外にも旋回している様子が見られた。この時、ろ砂表面に濁質分を付着させながら、ろ層を旋回しているろ砂も見られた。微細な濁質分に着目すると、ろ砂の間隙で局所的な水流により旋回している様子も観察された。

第１逆洗工程の時間は、一般的にはろ層に捕捉された濁質量により異なるが、実験では１０分間第１逆洗工程を実施した。その後、バルブ７の開度を調節して逆洗速度を０．１５ｍ／ｍｉｎに低下させた（第２逆洗工程）。第２逆洗工程は、ろ層とろ層上部における逆洗水の滞留時間である６分間実施した。逆洗速度を０．７ｍ／ｍｉｎから０．１５ｍ／ｍｉｎに低下させると、ろ層内において砂の流動は目視で徐々に減少し、１０秒〜６０秒後には見られなくなった。

次に、同様にろ過運転を行いろ過閉塞後、逆洗速度０．７ｍ／ｍｉｎの第１逆洗工程を実施し、その後、逆洗を１０秒〜６０秒間停止した。すると、ろ層内のろ砂の旋回等の流動は数十秒で見られなくなった。その後、逆洗速度０．１５ｍ／ｍｉｎで逆洗（第２逆洗工程）を行った。この場合、洗浄水の所要量は、逆洗を停止しない場合に比して、１〜６Ｌだけ少なく済んだ。即ち、逆洗水量は０．６３〜３．６６％削減可能であった。

第３表に、逆洗速度０．７ｍ／ｍｉｎの第１逆洗工程が終了する直前の洗浄排水と、終了直後に装置を停止してろ層内から採水を行った際の、クリプトスポリジウムトレーサーの検出結果を示す。洗浄排水からはトレーサーは検出されなかったが、ろ層内から採水した試水からは検出された。このことから、逆洗速度０．７ｍ／ｍｉｎの洗浄だけでは、ろ層内に滞留したクリプトスポリジウムを十分除去出来ないことがわかる。

第４表に、逆洗終了後、ろ過再開直後の水質分析結果を示す。本発明による逆洗方法を採用すると、クリプトスポリジウムトレーサーは検出されなかった。ろ過水濁度はろ過開始直後から０．０４度以下であり、清澄なろ過水をろ過初期から得ることが可能となった。一方、比較系ではクリプトスポリジウムが検出され、ろ過水濁度が０．１度以下となったのはろ過開始から２０分経過後であった。このことから、本発明の逆洗方法を用いない場合、少なくとも２０分以上、ろ過水は排水（捨水）する必要がある。

図６にろ過再開直後の濁度の経過を示す。逆洗速度０．７ｍ／ｍｉｎの第１逆洗工程と０．１５ｍ／ｍｉｎの第１逆洗工程の間で逆洗を１０秒〜６０秒間停止させると、１０秒〜６０秒間停止しない場合よりも、運転再開後のろ過水は比較的清澄になった。これは、目視観察でも見られたように、１０秒〜６０秒間の停止により、ろ層内の旋回・うず流が十分消滅し、第２逆洗工程により、クリプトスポリジウムを含む微粒子を効率的に除去できたことによる。

本発明のクリプトスポリジウム排出に対応した砂ろ過装置の逆洗方法によれば、ろ層内からクリプトスポリジウムを十分排出することが可能となり、安全なろ過水を得ることが可能となるとともに、全体として洗浄水量を少なく済ませることができるので、水道施設に広く利用することが可能となる。

逆洗直前のろ過塔全体の模式図である。 逆洗時、ろ層が流動化した状態におけるろ過塔全体の模式図である。 逆洗時、ろ層が流動化した状態におけるろ層の一部を拡大した模式図である。 ろ層を流動化させない状態で逆洗中のろ層の一部を拡大した模式図である。 装置フローを示した図である。 実施例における濁度の測定結果を示した図で、本発明の効果を示す図である。

符号の説明

１ ろ過塔
２ ろ層（ろ砂）
３ ろ過の継続とともにろ層に蓄積した濁質分及びクリプトスポリジウム
４ 逆洗水（洗浄水）全体の流れ
５ 逆洗でろ層から排出された濁質分及びクリプトスポリジウム
６ 逆洗時、ろ層内の局所流れによりろ層内に保持された濁質分及びクリプトスポリジウム
７ バルブ（逆洗水量調整用）
８ ろ層内に局所的に発生したうず流
９ クリプトスポリジウム
１０ 沈殿水
１１ クリプトスポリジウムトレーサー
１２ 原水槽
１３ ＰＡＣ
１４ 処理水槽
１５ 排水処理槽

Claims (4)

1. クリプトスポリジウムを含む原水を下向流でろ過を行う砂ろ過装置において、通常のろ過方向と逆向きにろ過水を逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎでろ層に通水し、ろ砂を流動状態にして水逆流洗浄を行う第１逆洗工程を行い、続いて同様の向きに逆洗速度０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎとして水逆流洗浄を行う第２逆洗工程を行うことにより、ろ層中に滞留したクリプトスポリジウムを排出することを特徴とする砂ろ過装置の逆洗方法。
2. 第１逆洗工程と第２逆洗工程の間に、逆洗停止期間を１０秒〜６０秒間設けることを特徴とする請求項１記載の砂ろ過装置の逆洗方法。
3. クリプトスポリジウムを含む原水を、下向流でろ過を行う砂ろ過装置において、第２逆洗工程の洗浄時間（Ｔｒ）は、ろ層高さをＬ１、ろ層上部から逆洗排水越流部までの高さをＬ２、逆洗速度０．１０〜０．２０ｍ／ｍｉｎの設定値をＬＶ１とした場合に、Ｔｒ＝（Ｌ１＋Ｌ２）÷ＬＶ１以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の砂ろ過装置の逆洗方法。
4. 上部に被処理原水の流入配管及び逆洗水の排出配管、中間部に支持体に支承されたろ層、底部にろ過水排出配管及び逆洗水量調整用バルブを具備した逆洗水流入配管を有するクリプトスポリジウムを排出するためのろ過塔を備えた砂ろ過装置において、請求項１〜３のいずれか１項に記載の逆洗方法を行うために、前記逆洗水流入配管中に逆洗水をろ層に流入させる水量を、逆洗速度０．６〜０．９ｍ／ｍｉｎと０．１０〜０．２ｍ／ｍｉｎの２段階に調節可能とするバルブを配設したことを特徴とする砂ろ過装置。
   

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