JP2021020158A - 凝集処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】無機凝集剤及び有機凝集剤の添加量を的確に制御することができる凝集剤注入制御装置を提供する。【解決手段】第1凝集槽3に対し、第1薬注装置4によって無機凝集剤が添加され、第2凝集槽5に対し、第2薬注装置6によって有機凝集剤が添加される。凝集状態モニタリングセンサー10の検出信号が制御器8に入力され、薬注装置4,6が制御される。凝集状態モニタリングセンサー10は、凝集処理液に向ってレーザ光を照射する発光部と、受光光軸を該発光部の発光光軸と直交方向とした受光部とを有し、散乱光強度信号の時間的な変化から、第2凝集槽5内の粒子の粒径分布を求める。【選択図】図1

Description

本発明は、各種産業排水や工業用水あるいは汚泥等を凝集処理する際に用いられる凝集剤注入制御装置に係り、特に、原水又は汚泥に無機凝集剤を添加した後、高分子凝集剤を添加する凝集処理に好適な凝集剤注入制御装置に関する。
各種排水・用水から、濁質および有機物等を除去するために凝集処理を行う場合、塩化鉄やポリ塩化アルミニウムなどの無機凝集剤と高分子凝集剤とを併用することがある。こうした2種類の薬品を用いることで、凝集フロックの粗大化が生じ後段の固液分離操作が容易になるほか、無機凝集剤の添加量を抑えることによる汚泥発生量の削減が可能となる。
また、排水の生物処理によって発生した汚泥を脱水処理する場合、脱水処理に先立ち、塩化鉄やポリ塩化アルミニウムなどの無機凝集剤と、高分子凝集剤とを併用して凝集処理する場合がある。このように無機凝集剤と高分子凝集剤とを併用することで、効率的に汚泥を荷電中和するとともにフロック強度の向上をはかることで、脱水処理後の汚泥(脱水ケーキ)の含水率を大きく低下させることが可能となる。
凝集剤は、被処理水の水質や被処理汚泥の性状に応じて適切な量を添加する必要がある。排水、用水の凝集処理においては、薬品添加量(注入量)が不足すれば、被処理水中に含まれる濁質や有機物の除去が不十分となり、処理水質が悪化する。一方、薬品添加量が過剰であると、薬品が後段へリークし、後段処理での負荷増大や汚染を引き起こす可能性がある。
また、汚泥処理においては、薬品添加量が不足すれば汚泥の荷電中和が不十分となり、更にはフロック強度が低下して脱水ケーキの含水率が上昇したり、脱水分離液に汚泥がリークしたりすることがあった。一方、薬品添加量が過剰となった場合にもフロック強度は低下するため脱水ケーキの含水率が上昇したり、脱水分離液に汚泥がリークしたりすることがあった。
最適な薬品添加量を決定するためには、ジャーテストや凝集、濾過、圧搾テスト(ヌッチェテスト)等の机上テストを行うことが基本的である。しかし、手間を要し、被処理水の水質変動や被処理汚泥の性状変動のたびに机上テストを行うことは、実際の水処理、汚泥処理において、変動に即時対応することができず、現実的ではない。
特許文献1には、レーザー光を水中に向けて照射し、水中のフロック等によって散乱される散乱光を受光して凝集状態を測定する凝集状態モニタリングセンサーを用いて凝集剤添加を制御することが記載されている。
特開2017−26438号公報
凝集状態モニタリングセンサーを用いて凝集剤注入量を制御する場合、有機凝集剤を注入した後に該モニタリングセンサーによって凝集状態をモニタリングし、その結果に基づいて無機凝集剤の注入量を制御することが行われている。
このような凝集状態モニタリングセンサーに基づく薬注制御においては、凝集状態モニタリングセンサーの出力信号の変化が、無機凝集剤及び有機凝集剤のいずれの注入量の影響を大きく受けているかを判断することが重要である。
本発明は、無機凝集剤及び有機凝集剤の添加量を的確に制御することができる凝集処理装置を提供することを目的とする。
本発明の凝集処理装置は、第1配管又は第1凝集槽と、該第1配管又は第1凝集槽に無機凝集剤を添加する無機凝集剤添加装置と、無機凝集剤が添加された液が、該第1配管又は第1凝集槽から導入される第2配管又は第2凝集槽と、該第2配管又は第2凝集槽に有機凝集剤を添加する有機凝集剤添加装置と、該第2配管又は第2凝集槽の凝集液と接するように設けられた凝集状態モニタリングセンサーと、該凝集状態モニタリングセンサーの検出値に基づいて、前記無機凝集剤添加装置及び有機凝集剤添加装置を制御する制御器とを有し、該凝集状態モニタリングセンサーは、水中にレーザ光を照射する照射部及び散乱光を受光する受光部を有し、該制御器は、散乱光強度信号の時間的な変化から、第2配管又は第2凝集槽内のフロック形成状態を判断する凝集処理装置であって、該制御器は、前記凝集状態モニタリングセンサーの検出信号から該凝集状態モニタリングセンサーの測定領域における粒子数に占める第1設定粒径よりも小さい小径粒子の割合と、第2設定粒径よりも大きい大径粒子の割合とに基づいて制御を行う。
本発明の一態様では前記制御器は、前記小径粒子の割合が第1所定値よりも少なく、且つ前記大径粒子の割合が第2所定値よりも多いときに有機凝集剤の添加量を減少させる。
本発明の一態様では、前記制御器は、前記小径粒子の割合が前記第1所定値よりも多く、且つ前記大径粒子の割合が第3所定値(ただし、第3所定値は第2所定値よりも小さい。)よりも少ないときには、有機凝集剤の添加量を増加させる。
本発明の一態様では、前記第2配管又は第2凝集槽にpH計が設けられており、前記制御器は、前記小径粒子の割合が前記第1所定値よりも多く、且つ前記大径粒子の割合が第3所定値よりも多いときには、前記pH計のpHに基づいて、無機凝集剤の添加量を制御する。
本発明の一態様では、前記制御器は、前記pH計のpHが第1設定pHよりも高い場合、pHが第2設定pH(ただし、第2設定pHは第1設定pHよりも低い。)となるまで無機凝集剤の添加量を増大させる。
本発明の一態様では、前記制御器は、前記第2凝集槽のpHが第1設定pHよりも低い場合、pHが該第1設定pHよりも高くなるまで無機凝集剤の添加量を減少させる。
本発明の凝集処理装置では、有機凝集剤が添加された液中の凝集状態を凝集状態モニタリングセンサーによってモニタリングし、小径粒子及び大径粒子の割合に応じて、無機凝集剤及び無機凝集剤の注入量を的確に制御することができる。
実施の形態に係る凝集処理装置の構成図である。 凝集状態モニタリングセンサーの構成図である。 凝集状態モニタリングセンサーの計測領域の模式図である。 図4a,4bは凝集状態モニタリングセンサーの検出波形図である。 制御方法を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して実施の形態に係る凝集剤注入制御装置について説明する。
図1の通り、この凝集剤注入制御装置では、被処理汚泥である原汚泥は、流量計2を有する流入管1を介して第1凝集槽3に導入され、第1薬注装置4によって無機凝集剤が添加される。第1凝集槽3には撹拌機3aが設置されている。
第1凝集槽3内で凝集処理された液(第1凝集処理液)は、移流口(又は移流管)を介して第2凝集槽5に導入され、第2薬注装置6によって有機凝集剤が添加される。第2凝集槽5には撹拌機5aのほか、pH計7と凝集状態モニタリングセンサー10が設置されており、その検出信号が制御器8に入力される。制御器8はこの検出信号に基づいて第1及び第2薬注装置4,6を制御する。
第2凝集槽8内で凝集処理された汚泥は、固液分離工程に送られる。
無機凝集剤としては塩化第二鉄、硫酸第二鉄、ポリ塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄などの鉄系無機凝集剤や塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウムなどのアルミ系無機凝集剤が挙げられる。
有機凝集剤としてはカチオン性又は両性の高分子凝集剤、とりわけカチオン性高分子凝集剤が好適である。カチオン性高分子凝集剤としては、ジメチルアミノエチルアクリレート或いはその四級化物、ジメチルアミノエチルメタクリレート或いはその四級化物などのカチオン性単量体の単独重合物やアクリルアミドとの共重合物、ポリビニルアミジン、ポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロリド)、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、ポリ(2−ビニル−1−メチルピリニジウム)、ジアルキルアミン‐エピクロルヒドリン重縮合物、ポリリジン、キトサン、ジエチルアミノエチルデキストランなどが挙げられる。
両性高分子凝集剤としては、ジメチルアミノエチルアクリレート或いはその四級化物やジメチルアミノエチルメタクリレート或いはその四級化物などのカチオン性単量体と、アクリルアミドなどのノニオン性単量体と、アクリル酸或いはその塩などとの共重合物を用いることができる。
本発明の高分子凝集剤は、30℃の1規定NaCO水溶液中における固有粘度が0.1〜20dL/g程度のものを好適に用いることができる。
また、本発明の高分子凝集剤は、汚泥の脱水処理に供する場合には架橋されたものを好適に用いることができる。
凝集状態モニタリングセンサー10は、好ましくは、特許文献1に記載のものが用いられる。図2はこの凝集状態モニタリングセンサーのプローブ部分の構成を示している。このプローブは、直交する面11a,11b及びそれらが交わる頂部11cを有したブロック11と、面11aに沿って設けられた、凝集処理液に向ってレーザ光を照射する発光部12と、面11bに沿って設けられた、受光光軸を該発光部12の発光光軸と直交方向とした受光部13とを有する。また、凝集状態モニタリングセンサー10は、発光部12の発光作動及び受光部13の受光信号の解析を行うために、発光回路、検波回路及び計測回路(図示略)を備えている。計測回路は、タイミング回路、A/D変換部、演算部等を有する。
特許文献1と同様に、発光部12から、頂部11c近傍の計測領域Aに照射されたレーザー光が計測領域A内の粒子によって散乱され、この散乱光が受光部13で受光され、この受光強度の経時変化に基づいて凝集状態が計測される。なお、ブロック11は不透明材料よりなる。
発光回路は、タイミング回路からの信号に応じて発光部に一定の変調周波数を持った電気信号を送り、レーザ発光を行わせる。発光部は、発光回路からの信号によって、レーザ光を発光する。受光部は、レーザ光が水中の懸濁物に当たって発生した散乱光を受けて、電気信号に変換する。検波回路は、受光部からの電気信号から変調成分を除去し、散乱光強度に応じた受光電圧を出力する。
計測回路 は、発光回路に発光のための信号(特定の周波数変調波)を送信すると共に、検波回路からの信号をデジタル信号に変換し、論理演算して凝集に関する情報を出力する。
この凝集状態モニタリングセンサーとしては、特許文献1のモニタリング装置、特にそれが特許された特許第6281534号公報に記載のモニタリング装置を好適に用いることができるが、これに限定されるものではない。
なお、特許第6281534号の凝集モニタリング装置は、
「 凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、
計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、
前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、
前記散乱光受光部に得られる受光信号の振幅を計測する振幅計測手段を含み、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算部と、
を備え、
前記振幅計測手段は、前記受光信号が上昇から下降に変化する第1の変曲点および下降から上昇に変化する第2の変曲点を検出し、前記第1の変曲点および第2の変曲点のレベル差から前記振幅を計測することを特徴とする凝集モニタリング装置。」
である。
図3は、図2の計測領域Aにおけるレーザー光Lの光軸と垂直な断面を示す模式図である。図3の通り、ある時点では、計測領域Aに5個の粒子が存在している。この時点で計測領域Aに照射されたレーザー光が、各粒子によって散乱され、散乱光Sが受光部13に入射する。この時点から所定時間Δt(好ましくは0.1〜10mSecの間から選定された時間。例えば、約1mSec)が経過した時点では、計測領域Aに存在する粒子数が変動する(理論上は、粒子数が変化しないこともあるが、粒子がブラウン運動し、また凝集槽5内の汚泥液が撹拌されているので、通常は該粒子数は変動する。)。
粒子数が変動すると、それに連動して散乱光強度が変動し、受光部13の受光強度が変動する。
粒子の粒径が大きいほど、1個の粒子が計測領域Aに出入りしたときの該受光強度の変動幅が大きいものとなる。従って、この受光強度の変動幅から、計測領域Aに出入りした粒子の粒径の大小を検出することができる。すなわち、任意の時刻tの受光強度と、Δt経過後の時刻tk+1の受光強度との差は、該Δtの間に計測領域Aに出入りした粒子の表面積に比例した値となる。
図4aは、凝集状態モニタリングセンサーの受光信号を信号処理して得られる凝集状態モニタリングセンサー出力信号の経時変化の一例を示している。図4aにおける出力信号は、受光部13の受光強度に比例した値であり、単位は、例えばmVである。
図4aは、時刻t,t…tの各時刻において測定された信号強度をプロットしたグラフであり、各時刻の間隔Δt(すなわちt−tk−1)は前述の通り、好ましくは0.1〜10mSec、例えば1mSecである。
図4bは、図4aにおいて、極小点P,P…と、極大点Q,Q…とを記入し、極小点と極大点との差(以下、ピーク差ということがある。)h,h…を記入した説明図である。
上述の通り、任意の時刻tk−1の信号強度と時刻tの信号強度との差hは、時刻tk−1〜t間に計測領域A出入りした粒子の表面積に比例した値である。
時刻t〜tのΔt・z秒間(zは例えば200とされ、Δt=1mSecである場合Δt×zは0.2秒となる。)におけるすべてのピーク差h,h…hより、この時刻t〜tの間に計測領域A付近に存在する粒子の粒径分布が検出される。
この検出原理を図4bに従って説明する。図4において、ピーク差hは小径の粒子が検出されたことを表わし、ピーク差hは大径の粒子が検出されたことを表わし、ピーク差hはそれらの間の粒径の粒子が検出されたことを表わす。ピーク差hは、hの粒子よりも若干大きい程度の粒子が検出されたことを表わす。
従って、凝集状態モニタリングセンサー出力信号の強度差に基準値h,h(h<h)を定めておき、n個のピーク差h〜hのうちh以下の範囲に属するピーク差の個数Nと、h〜hの範囲に属するピーク差の個数Nと、h以上の範囲に属するピーク差の個数Nとをカウントし、総個数N(=N+N+N)に占めるN,N,Nの比率N/N,N/N,N/Nを算出することにより、全粒子数に占める小径粒子の割合、中径粒子の割合及び大径粒子の割合が求められる。
なお、所定の時間間隔で発光、非発光を繰り返すことで発光素子の使用時間を延長することができる。例えば、発光時間を0.2秒/回、発光間隔を2秒とした場合、連続で発光した場合に比較して発光素子の使用時間(寿命)を10倍に延長することが可能となる。このように、発光と非発光とを繰り返す場合には、連続した発光時間内(上記の例では0.2秒)で粒子の割合を求めるのではなく、例えば、発光と非発光とを繰り返す10分間の計測時間の中で、検出された粒子数に対する小粒子、大粒子の割合を求めることができる。
一般に、凝集剤の薬注量が不足すると凝集不良となり、全粒子数に占める小径粒子の割合が多くなる。有機凝集剤の薬注量が過剰であると、大径粒子の割合が過度に多くなる。
このような凝集特性を考慮して、第2凝集槽5内に設置した凝集状態モニタリングセンサー10の検出信号に従って、無機凝集剤及び有機凝集剤の薬注量が適正となるように制御する。この制御フローチャートの一例を図5に示す。
この例では、出力信号の強度差(信号強度差)の基準値ha、hbをそれぞれ350mV、2000mVとし、信号強度差350mV以下の範囲に属する粒子を小径粒子(以下、小粒子)とし、2000mV以上の範囲に属する粒子を大径粒子(以下、大粒子)とした。信号強度差10mV以下については、外乱との差異が不明であるため、計測対象外とした。
なお、一般に、前述の鉄塩系又はアルミニウム塩系無機凝集剤の添加量が多くなるほど、液中のpHが低下する(無機凝集剤の添加量が適正量である場合、凝集処理液のpHは一般に4.0〜4.5以下になる。)。そこで、図5のフローでは、pH計7の検出pHも参照して無機凝集剤の薬注量を制御するものとした。
スタート後、ステップ1において、小粒子の割合が少ない(例えば35%以下)であるか判断する。小粒子の割合が少ない場合、ステップ2に進み、大粒子の割合が非常に多い(例えば20%以上)か判断する。大粒子の割合が20%未満であれば、無機凝集剤及び有機凝集剤のいずれも添加量は適正であると判断し、ステップ1に戻る。
ステップ2において、大粒子の割合が20%以上のときには、有機凝集剤の添加量が過剰であると考えられるので、ステップ3に進み、有機凝集剤(ポリマー凝集剤)の添加量を所定量減少させ、所定時間そのままとし、所定時間経過後、大粒子の割合が20%未満(かつ10%以上)の適正範囲となっているか判断する(ステップ4)。そして、大粒子の割合が適正範囲となるまで有機凝集剤の添加量を減少させ、大粒子の割合が適正範囲となった後、ステップ1に戻る。
ステップ1において、小粒子の割合が35%超であるときには、無機凝集剤及び有機凝集剤の一方又は双方の添加量不足により凝集不良が生じていると考えられる。そこで、ステップ1からステップ5に進み、大粒子の割合が多い(10%以上)か判断する。大粒子の割合が多い(例えば10%以上)のときには、有機凝集剤の添加量は適正であるが、無機凝集剤の添加量が過剰か又は不足であることにより凝集不良が生じていると考えられるので、ステップ5からステップ6に進み、pH計7の検出pHが4.5より高いか判断する。
ステップ6においてpH>4.5のときには、無機凝集剤の添加量が不足していると考えられるので、ステップ7に進み、無機凝集剤の添加量を所定量増加させ、所定時間待機し、所定時間経過後に再度pHを検出する(ステップ8)。pH≦4.0となるまで無機凝集剤の添加量を増加させ、pH≦4.0となった後、ステップ1に戻る。
ステップ5において、大粒子の割合が10%未満のときには、有機凝集剤の添加量が不足していると考えられるので、ステップ5からステップ9に進み、有機凝集剤の添加量を所定量増加させ、所定時間待機する。所定時間経過後、大粒子の割合が10%以上(かつ20%未満)の適正範囲となっているか判断する(ステップ10)。そして、大粒子の割合が該適正範囲となるまで有機凝集剤の添加量を増加させた後、ステップ1に戻る。
ステップ6において、pH≦4.5のときには、無機凝集剤の添加量が過剰であると考えられるので、ステップ11に進み、無機凝集剤の添加量を所定量減少させた後、所定時間待機する。所定時間経過後に再度pHを検出し(ステップ12)、pHが依然として4.5以下である場合には、さらに無機凝集剤の添加量を減少させ、pHが4.5以上になった後、ステップ1に戻る。
このようにして、凝集状態モニタリングセンサー10及びpH計7を用いて無機凝集剤及び有機凝集剤の添加量が適正となるように制御することができる。
図5の説明では、粒子の大小を区別するための出力信号の強度差の基準値ha及びhbはそれぞれ350mV、2000mVに設定したが、これに限定されるものではない。すなわち、基準値ha、hbは凝集状態モニタリングセンサー10の仕様(発光部12からのレーザー光強度、受光部13からの受光信号の処理方法、その他)、測定対象(用水、排水、汚泥)、無機凝集剤や有機凝集剤の種類、及び凝集処理装置、固液分離装置(脱水処理装置)によって異なる。このため、基準値ha及びhbは、実際に適用する処理対象、処理装置、処理薬剤を用い、処理薬剤の添加量を種々変動させた試験を事前に実施することで適宜設定される。
さらに、図5の説明では、ステップ1,2,5などで小粒子や大粒子の割合を一例として35%、20%、10%と設定しているが、この値も基準値haやhbと同様に測定対象(用水、排水、汚泥)、無機凝集剤や有機凝集剤の種類、及び凝集処理装置、固液分離装置(脱水処理装置)によって異なる。したがって、これらの割合についても、処理薬剤の添加量を種々変動させた試験を事前に実施することで適宜設定される。
なお、凝集汚泥をサンプリングして目視等によって凝集フロック粒径を測定し、そのときの凝集状態モニタリングセンサー出力信号と対比することにより、凝集状態モニタリングセンサー出力信号と凝集粒子の粒径とを直接的に関連づけるようにしてもよい。
前記図4bでは、極大点と、その直前の極小点との差を求めているが、極大点と、その直後の極小点との差を求めてもよい。また、1つの極大点の直前及び直後の極小点を直線で結び、極大点から極大点下方の該直線までの距離を求めて、上記の差としてもよい。
図1では、凝集槽3,5を設置しているが、無機凝集剤を配管1で添加し、凝集槽3を省略してもよい。
また、図1では、第2凝集槽5に有機凝集剤を添加するものとしているが、第2粒子槽5の代わりに第2配管を設置し、該第2配管に有機凝集剤を添加してもよい。
凝集状態モニタリングセンサー10は、第2凝集槽5からの凝集液流出配管に設置されてもよい。また、第2凝集槽5内の液が導入される計測槽を設け、この計測槽に凝集状態モニタリングセンサー10を設置してもよい。
3,5 凝集槽
4,6 薬注装置
8 制御器
10 凝集状態モニタリングセンサー

Claims (6)

  1. 第1配管又は第1凝集槽と、
    該第1配管又は第1凝集槽に無機凝集剤を添加する無機凝集剤添加装置と、
    無機凝集剤が添加された液が、該第1配管又は第1凝集槽から導入される第2配管又は第2凝集槽と、
    該第2配管又は第2凝集槽に有機凝集剤を添加する有機凝集剤添加装置と、
    該第2配管又は第2凝集槽の凝集液と接するように設けられた凝集状態モニタリングセンサーと、
    該凝集状態モニタリングセンサーの検出値に基づいて、前記無機凝集剤添加装置及び有機凝集剤添加装置を制御する制御器と
    を有し、
    該凝集状態モニタリングセンサーは、水中にレーザ光を照射する照射部及び散乱光を受光する受光部を有し、
    該制御器は、散乱光強度信号の時間的な変化から、第2配管又は第2凝集槽内のフロック形成状態を判断する
    凝集処理装置であって、
    該制御器は、前記凝集状態モニタリングセンサーの検出信号から該凝集状態モニタリングセンサーの測定領域における粒子数に占める第1設定粒径よりも小さい小径粒子の割合と、第2設定粒径よりも大きい大径粒子の割合とに基づいて制御を行う
    凝集処理装置。
  2. 前記制御器は、前記小径粒子の割合が第1所定値よりも少なく、且つ前記大径粒子の割合が第2所定値よりも多いときに有機凝集剤の添加量を減少させることを特徴とする請求項1の凝集処理装置。
  3. 前記制御器は、前記小径粒子の割合が前記第1所定値よりも多く、且つ前記大径粒子の割合が第3所定値(ただし、第3所定値は第2所定値よりも小さい。)よりも少ないときには、有機凝集剤の添加量を増加させることを特徴とする請求項2の凝集処理装置。
  4. 前記第2配管又は第2凝集槽にpH計が設けられており、
    前記制御器は、前記小径粒子の割合が前記第1所定値よりも多く、且つ前記大径粒子の割合が第3所定値よりも多いときには、前記pH計のpHに基づいて、無機凝集剤の添加量を制御することを特徴とする請求項2又は3の凝集処理装置。
  5. 前記制御器は、前記pH計のpHが第1設定pHよりも高い場合、pHが第2設定pH(ただし、第2設定pHは第1設定pHよりも低い。)となるまで無機凝集剤の添加量を増大させることを特徴とする請求項4の凝集処理装置。
  6. 前記制御器は、前記第2凝集槽のpHが第1設定pHよりも低い場合、pHが該第1設定pHよりも高くなるまで無機凝集剤の添加量を減少させることを特徴とする請求項4又は5の凝集処理装置。
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