JP2008149282A - 空調機能付中和処理装置及び排水中和と空調を行う方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中和処理で生じる冷熱を利用して、坑内等から排出される排水を中和処理するとともに、坑内等の空気を十分に除湿可能な空調機能付中和処理装置及び排水中和と空調を行う方法を提供する。
【解決手段】空調機能付中和処理装置１０は、空調部２０と中和処理部４０とを含んで構成され、空調部２０は、液化炭酸ガスボンベ２２と、エアーダクト２４と、気化管２６と、ファン２８と、湿度計３０と、湿度監視装置３２とを備え、中和処理部４０は、坑内排水を一時的に貯える一次タンク４２と、一次タンク４２から供給される排水を中和処理する混合器４４及びと反応管４６と、中和処理した処理水を貯える処理水タンク４８と、坑内排水の排出量に応じて炭酸ガスによる中和処理が所定の処理量となるように制御する流量監視装置５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、坑内等から排出される排水を中和処理するとともに空気を冷却除湿する装置及びその方法に関する。

トンネルや坑道などの掘削工事では、掘削機械等から発生する熱が坑内の温度を上昇させ、坑内の作業環境を悪化させてしまうために、従来より坑内の空気を冷却する空調方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、坑内に供給する空気を、冷媒流体が流れるラジエータに通過させることによって冷却する冷房装置が開示されている。

また、特許文献２には、掘削のために坑内に送り込まれる泥水の冷却熱を、冷却水ユニットを介して一次冷却水から二次冷却水へ熱交換させて、冷却された二次冷却水を、切羽付近の空気を吸い込んで吹き出すファン内に設置されるファンコイルに流し、二次冷却水の冷熱を空気へ与えることにより、切羽付近の空間を冷房する冷房装置が開示されている。
特開２０００−３１４２９９号公報 特開平５−２８８３７０号公報

しかしながら、特許文献１又は２に記載される冷房装置では、空気を冷却可能な温度の下限がラジエータからの冷却温度又は泥水温度に制限され、十分な冷却が行われないことがある。

また、空気は露点温度まで冷却されると、空気中の水分が凝結して除湿されることになり、坑内空気を除湿できれば、作業環境を改善する上で好適であるが、空気が十分に冷却されなければ、その除湿効果も低減する。

ところで、トンネルや坑道などの掘削にあたっては、上記のような坑内の空気環境の改善とともに、坑内から排水される坑内排水の処理も必要となる。坑内排水は、地下水、泥水又はセメント等が混合したものであり、アルカリ性になることが多いので、河川や海に排水するに前に中和処理を行う必要があり、一般に、炭酸ガスを混合する方法が用いられている。炭酸ガスは、通常、ボンベ等の高圧容器に封入された液化炭酸ガスを、坑内排水に混合する際に気化して用いる。液化炭酸ガスは、配管内に流して減圧したり熱を与えたりすることで気化するが、その時の液化炭酸ガスが気体になるときに生じる気化熱によって配管は約−８０℃の低温に冷却される。

そこで、本発明は上記のような中和処理で生じる冷熱を利用して、坑内等から排出される排水を中和処理するとともに、坑内等の空気を十分に除湿できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明はアルカリ性又は酸性の排水を中和処理するとともに空気を冷却除湿する空調機能付中和処理装置であって、
液体状態又は気液混合状態の排水中和用ガスが導入され、内部を流通する過程で前記中和用ガスを気化させる気化部と、
前記気化部で気化された中和用ガスを、前記排水に混合して中和する混合器と、
前記装置に空気を導入し、前記導入した空気を前記気化部の外側表面に通過させて、その通過後の空気を給気する送風手段とを備えることを特徴とする（第１の発明）。

本発明による空調機能付中和処理装置によれば、排水を中和処理するとともにガスの気化熱により空気を除湿して空気調和することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記排水は、アルカリ性の排水であり、前記中和用ガスは、炭酸ガスであることを特徴とする。

本発明による空調機能付中和処理装置によれば、排水がアルカリ性である際に、中和用ガスとして炭酸ガスを用いることにより、排水を中和処理できる。さらに、炭酸ガスの気化熱によって気化部の冷却温度がより低温になるので、地下水や泥水などを冷媒として用いる場合よりも冷却効率が高く、より大量の空気を冷却除湿することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記排水を一時的に貯えるタンクと、前記タンクに貯えられた排水を前記混合器へ供給するポンプと、前記タンクに貯えられた排水がなくならないように、かつ前記タンクから前記混合器へ前記排水が常時供給されるように前記ポンプの送水流量を調節する流量制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明による空調機能付中和処理装置によれば、常に中和処理が行われることになり、ついては炭酸ガスが気化部の管内に常に流れることになるので、空気を常時除湿することができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、前記空調機能付中和処理装置内に導入された空気が通過する前記気化部の長さは変更可能であることを特徴とする。

本発明による空調機能付中和処理装置によれば、装置内に導入して給気する空気の冷却度合いを調節できる。これにより、例えば、坑内等から排出される排水量やタンク内の排水貯水量によって中和処理量が増減し、中和処理に使用される炭酸ガス量も増減して、装置内を通過する空気の冷却除湿効果に変動が生じる場合でも、この変動を気化部の長さの変更することにより緩和することができる。このように、坑内等の空気の温度及び湿度を一定基準内に維持させることができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記気化部を通過した空気の湿度を測定する湿度計と、前記湿度計により測定された湿度に応じて、前記空調機能付中和処理装置内に導入された空気が通過する前記気化部の長さを調節する長さ調節手段とを備えることを特徴とする。

本発明による空調機能付中和処理装置によれば、坑内等の空気の湿度の高低にかかわらず装置内を通過した空気が所望の湿度になるように制御することができる。

第６の発明は、アルカリ性又は酸性の排水を処理するとともに空気を冷却除湿する方法であって、気化部内部に液体状態又は気液混合状態の排水中和用ガスを流通させて気化させ、空気を前記気化部の外側表面に通過させ、前記気化させた前記中和用ガスを前記排水と混合して中和するとともに、前記気化部を通過させた空気を空調に用いることを特徴とする。

本発明によれば、中和処理で生じる冷熱を利用して、坑内等から排出される排水を中和処理するとともに、坑内等の空気を十分に除湿できる。

以下、本発明の好ましい一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。本実施形態は、例えば、トンネルの掘削工事にて坑内から排出される排水（以下、坑内排水という）を中和処理し、また、坑内空気を冷却除湿するための装置（以下、空調機能付中和処理装置という）として用いる。

図１は、本実施形態に係る空調機能付中和処理装置の構成図である。
図１に示すように、空調機能付中和処理装置１０は、坑内空気を冷却除湿する空調部２０と、坑内排水を中和処理する中和処理部４０とを含んで構成される。なお、同図は、空調機能付中和処理装置１０のうち発明の主要部である空調部２０及び中和処理部４０のみを抜粋して示したものであり、通常、中和処理において実施される汚泥凝集や汚泥採取等のその他処理部についてはその記載を省略している。

空調部２０は、液化炭酸ガスボンベ２２と、エアーダクト２４と、気化管２６と、ファン２８と、湿度計３０と、湿度監視装置３２とを備える。
液化炭酸ガスボンベ２２には、高圧下で液化された炭酸ガスが封入されており、炭酸ガスは、気化管２６の出口側に設けられた減圧弁３４を開くことで気化管２６内を流れて中和処理部４０に供給される。

エアーダクト２４は、吸入した空気を冷却除湿して給気するための流路である。
気化管２６は、熱伝導性の高い金属管等からなり、エアーダクト２４に吸入される空気と、気化管２６内の炭酸ガスとの間で熱交換が行われる。この気化管２６は、エアーダクト２４内で空気との接触面積を広くするために、例えば、エアーダクト２４の内周に沿うようにらせん状に配管されている。なお、気化管２６に放熱フィンを設けて空気との接触面積をより広くしてもよい。気化管２６内には液化炭酸ガスボンベ２２から液体状態又は気液混合状態の炭酸ガスが供給され、供給された炭酸ガスは、気化管２６内を流れる過程で気化するとともに断熱膨張することにより、気化管２６は約−８０℃の低温に冷却される。これによりエアーダクト２４内に導入された空気はその冷熱により冷却され、温度が露点温度まで下がることで除湿が行われる。

また、気化管２６は、同図に示すように、例えば、バルブＶ１又はＶ２の切り替えにより、その長さを複数段階（同図の例では３段階）に変更できるようになっている。バルブＶ１及びＶ２を切り替えて気化管２６の長さを長くするほど空気の冷却除湿効果は向上することになる。気化管２６を通過して気化された炭酸ガスは、中和処理部４０に供給されて、坑内排水の中和処理に用いられる。

ファン２８は、エアーダクト２４内へ空気を導入し、エアーダクト２４内で冷却除湿された空気を給気するためのものである。
また、エアーダクト２４の給気口には湿度計３０が設置されている。湿度監視装置３２は湿度計３０によって測定された湿度に応じてバルブＶ１及びバルブＶ２の切り替えを制御するようになっている。なお、具体的な制御については後述する。

中和処理部４０は、地下水、泥水又はセメント等が混合してアルカリ性になった坑内排水を、河川や海に排水するに前に中和処理を行うためのものであり、坑内排水を一時的に貯える一次タンク４２と、一次タンク４２から送水される排水に炭酸ガスを混合して中和処理する混合器４４及び反応管４６と、中和処理した処理水を貯える処理水タンク４８と、坑内排水の排出量に応じて常時中和処理を行うように制御する流量監視装置５０とを備える。

一次タンク４２には、坑内排水管５２から坑内排水が流入し、一次タンク４２に貯えられた排水は、その内部に設置されたポンプ５４及び混合器送水管５６により混合器４４へ送水されるようになっている。坑内排水管５２には、坑内排水の流量Ｑ１を測定する流量計Ｆ１が設置され、混合器送水管５６には、一次タンク４２から混合器４４への送水流量Ｑ２を測定する流量計Ｆ２が設置されている。流量監視装置５０はこれらの流量Ｑ１及びＱ２に応じて、ポンプ５４の送水流量を制御する。

そして、一次タンク４２から混合器４４へ送水された排水は、混合器４４で、気化管２６からの炭酸ガスと混合され、反応管４６に移送されて中和処理される。

処理水タンク４８には、中和処理された処理水が貯えられる。また、処理水タンク４８には、処理水のＰＨを測定するためのＰＨ計５８が設置されている。流量監視装置５０はＰＨ計５８により測定されたＰＨ値によって空調部２０の減圧弁３４の開閉を制御して、中和処理部に移送する炭酸ガス量を調節する。

次に、上記説明した空調機能付中和処理装置１０の具体的な運転方法について説明する。
空調機能付中和処理装置１０の運転は、坑内空気の冷却除湿を常時行うことを基準として制御されている。すなわち、エアーダクト２４内の空気を常時冷却除湿するためには、気化管２６に炭酸ガスを常に流す必要があるので、混合器４４にも炭酸ガスが常に供給される。この場合、一次タンク４２から混合器４４へ供給される炭酸ガスに見合った量の坑内排水が混合器４４に供給されなければ、炭酸ガスが過剰となって中和処理された処理水は酸性になってしまう。したがって、混合器４４へ供給される炭酸ガスに見合った量の坑内排水が、常に一次タンク４２から混合器４４へ供給されなければならない。

しかしながら、一次タンク４２から混合器４４へ所定量の坑内排水を送水しつづけると排水量と送水量のバランスによっては、一次タンク４２に貯えられた坑内排水が最終的になくなってしまうことも考えられる。この場合中和処理ができなくなるので、液化炭酸ガスボンベ２２からの炭酸ガスの供給も停止することになり、坑内空気の冷却除湿もできなくなる。

そこで、流量監視装置５０は、一次タンク４２内の坑内排水がなくならないように、流量計Ｆ１及び流量計Ｆ２によって測定される流量Ｑ１と流量Ｑ２とを監視して、これら流量に応じてポンプ５４による送水流量Ｑ２を制御している。

例えば、坑内排水管５２を通じて一次タンク４２に貯えられる坑内排水の流量Ｑ１が、ポンプ５４によって一次タンク４２から混合器４４へ排水を供給する流量Ｑ２よりも少ない場合（Ｑ１＜Ｑ２）には、この状態で運転を継続すれば一次タンク４２内の坑内排水がなくなってしまう。このような場合には、空調機能付中和処理装置１０は次のような運転を行う。

図２は、流量Ｑ１が流量Ｑ２よりも少ない場合（Ｑ１＜Ｑ２）における空調機能付中和処理装置１０の動作を示すフローチャートである。
図２に示すように、先ず、流量監視装置５０は送水流量Ｑ２を減少させるようにポンプ５４を制御する（Ｓ２１０）。

この場合、坑内排水の送水流量Ｑ２が減少すると、炭酸ガスの混合器への供給量を調節しなければ、炭酸ガスの供給量が過多となってしまい、処理水が酸性になってしまう。そこで、流量監視装置５０は、上記ポンプ５４の制御と同時に空調部２０の減圧弁３４を閉めて気化管２６への炭酸ガスの供給量も減少させる（Ｓ２２０）。

また、炭酸ガスの供給量の減少にともなって、エアーダクト２４を通過する空気の冷却除湿効果も低下する。この冷却除湿効果は、湿度計３０によって測定される湿度によって判断されており、湿度監視装置３２は、湿度が所定の基準値以下にならない場合、その湿度の値に応じて、炭酸ガスの流れる気化管２６の接続数を１段から２段、又は２段から３段へと増加するようにバルブＶ１又はＶ２を切替え、空気の冷却除湿効果を向上させて所定の基準値以下の湿度になるように制御する（Ｓ２３０）。

一方、坑内排水の流量Ｑ１がポンプ５４による混合器へ排水を供給する流量Ｑ２よりも多い場合（Ｑ１＞Ｑ２）には、この状態で運転を継続すれば一次タンク４２から坑内排水が溢れてしまうことになる。このような場合には、空調機能付中和処理装置１０は次のような運転を行う。

図３は、流量Ｑ１が流量Ｑ２よりも多い場合（Ｑ１＞Ｑ２）における空調機能付中和処理装置１０の動作を示すフローチャートである。
図３に示すように、湿度監視装置３２は、送水流量Ｑ２を増加させるようにポンプ５４を制御する（Ｓ３１０）とともに、空調部２０の減圧弁３４を開けて炭酸ガスの供給量も増加させる（Ｓ３２０）。さらに、炭酸ガスの供給量が増加すると冷却除湿効果も向上するので、湿度監視装置３２は、湿度計３０によって測定される湿度に応じて、気化管２６の接続数が３段から２段、又は２段から１段へと減少するようにバルブＶ１及びＶ２を切替えて、冷却除湿効果を抑制させて空気を冷却除湿し過ぎないようにする（Ｓ３３０）。

以上説明した本実施形態による空調機能付中和処理装置１０によれば、坑内空気を冷却除湿する空調部２０と、坑内排水を中和処理する中和処理部４０とを備えることにより、坑内排水を中和処理するとともに坑内空気を炭酸ガスの気化熱で冷却し、さらに炭酸ガスの断熱膨張により冷却することで坑内空気を除湿して空気調和することができる。

また、気化管２６内に流す冷媒として炭酸ガスを用いることにより、その気化熱及び断熱膨張による冷熱によって気化管２６の冷却温度が約―８０℃と低温になるので、地下水や泥水などを冷媒として用いる場合よりも冷却効率が高く、より大量の坑内空気を冷却除湿することができる。

また、本実施形態による空調機能付中和処理装置１０によれば、坑内排水を貯える一次タンク４２と、一次タンク４２に貯えた排水を混合器４４へ供給するポンプ５４と、一次タンク４２に貯えられた坑内排水がなくならないように、かつ一次タンク４２から混合器４４へ坑内排水が常時供給されるようにポンプ５４の送水流量を調節する流量監視装置５０を備えることにより、常に中和処理が行われることになり、ついては炭酸ガスが気化管２６の管内に常に流れることになるので、坑内空気を常時除湿することができる。

また、本実施形態による空調機能付中和処理装置１０によれば、気化管２６の長さは、バルブＶ１及びバルブＶ２の切替えにより変更可能であるため、空気の冷却除湿効果を調節できる。これにより、坑内から排出される排水量や一次タンク４２内の排水貯水量によって中和処理量が増減し、中和処理に使用される炭酸ガス量も増減して、エアーダクト２４内を通過する空気の冷却除湿効果に変動が生じる場合でも、この変動を気化管２６の長さの変更することにより緩和できる。このように、坑内空気の温度及び湿度を一定基準内に調節することができる。

また、本実施形態による空調機能付中和処理装置１０によれば、湿度計３０と、湿度監視装置３２とを備えることにより、湿度計３０により測定された湿度に応じて、バルブＶ１及びバルブＶ２の切替えによって気化管２６の長さを変更して、坑内の湿度の高低にかかわらず空気が所望の湿度になるように制御することができる。

本実施形態に係る空調機能付中和処理装置１０の構成図である。 流量Ｑ１が流量Ｑ２よりも少ない場合（Ｑ１＜Ｑ２）における空調機能付中和処理装置１０の動作を示すフローチャートである。 流量Ｑ１が流量Ｑ２よりも多い場合（Ｑ１＞Ｑ２）における空調機能付中和処理装置１０の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 空調機能付中和処理装置
２０ 空調部
２２ 液化炭酸ガスボンベ
２４ エアーダクト
２６ 気化管
２８ ファン
３０ 湿度計
３２ 湿度監視装置
３４ 減圧弁
４０ 中和処理部
４２ 一次タンク
４４ 混合器
４６ 反応管
４８ 処理水タンク
５０ 流量監視装置
５２ 坑内排水管
５４ ポンプ
５６ 混合器送水管
５８ ＰＨ計
Ｆ１、Ｆ２ 流量計
Ｖ１、Ｖ２ バルブ
Ｑ１、Ｑ２ 流量

Claims (6)

1. アルカリ性又は酸性の排水を中和処理するとともに空気を冷却除湿する空調機能付中和処理装置であって、
   液体状態又は気液混合状態の排水中和用ガスが導入され、内部を流通する過程で前記中和用ガスを気化させる気化部と、
   前記気化部で気化された中和用ガスを、前記排水に混合して中和する混合器と、
   前記装置に空気を導入し、前記導入した空気を前記気化部の外側表面に通過させて、その通過後の空気を給気する送風手段とを備えることを特徴とする空調機能付中和処理装置。
2. 前記排水は、アルカリ性の排水であり、
   前記中和用ガスは、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１に記載の空調機能付中和処理装置。
3. 前記排水を一時的に貯えるタンクと、
   前記タンクに貯えられた排水を前記混合器へ供給するポンプと、
   前記タンクに貯えられた排水がなくならないように、かつ前記タンクから前記混合器へ前記排水が常時供給されるように前記ポンプの送水流量を調節する流量制御手段とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の空調機能付中和処理装置。
4. 前記空調機能付中和処理装置内に導入された空気が通過する前記気化部の長さは変更可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空調機能付中和処理装置。
5. 前記気化部を通過した空気の湿度を測定する湿度計と、
   前記湿度計により測定された湿度に応じて、前記空調機能付中和処理装置内に導入された空気が通過する前記気化部の長さを調節する長さ調節手段とを備えることを特徴とする請求項４に記載の空調機能付中和処理装置。
6. アルカリ性又は酸性の排水を処理するとともに空気を冷却除湿する方法であって、
   気化部内部に液体状態又は気液混合状態の排水中和用ガスを流通させて気化させ、
   空気を前記気化部の外側表面に通過させ、
   前記気化させた前記中和用ガスを前記排水と混合して中和するとともに、前記気化部を通過させた空気を空調に用いることを特徴とする排水中和と空調を行う方法。

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