JP2022123335A - 傾斜沈降装置 - Google Patents
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Abstract
Description
したがって沈降槽の大きさをその短縮した割合に応じて縮小させることができ、沈降槽の建設コストの縮減に大きく寄与する。
図5(a)に示すように、底面を高さHに傾斜させた場合の沈降距離はhとなり、沈降性能は傾斜装置がない場合に比べてH/h倍増加する。(非特許文献1)水道設計指針2000 ページ196,19~27行に同様の記述がある。
傾斜した多数の隔壁(以後傾斜隔壁(50)と言う)を一体的に立体構成したものを傾斜沈降装置という。
傾斜沈降装置には沈降槽内の水平に流れる部分に設置される水平流式と上昇流に設置される上向流式がある。本発明の傾斜沈降装置は上向流式傾斜沈降装置A0である。
代表的な例を図1に、またその使用例を図2に示す。なお特許文献1のページ(2) 段落3、ペ-ジ(4) FIG1,2にも傾斜沈降装置の代表例が示されている。
汚れの成分の多くは、分離効率を向上させる目的で液中にミョウバン系の凝集剤を投入し、懸濁物質を集塊した数ミリ程度の濁質フロック(3)である。
汚れの付着は、上昇流路内で完全に分離されずに残った微量の濁質フロック(3)が傾斜沈降装置A0の上面において一部が再沈降し流出端(20)に沈着するために発生する。
閉塞状態が発生すると、傾斜装置に流入する流れが不均一となり、一部に短絡流が生じて、分離効率を著しく低下させる。
傾斜沈降装置A0の流出端辺(22)に沈着する濁質フロック(3)は徐々に集塊し、放置するとしだいにマット層(4)を形成する。マット層(4)は脆弱で、対辺の間隔が拡大、すなわち流路断面が拡大すると、マット層の形成途上で層の中央部のひずみεが増し、ひずみεがある限界を超えると濁質フロック(3)同士の結着力を失って破断し、マット層(4)が形成されず、閉塞には至らない。
また傾斜流路(11)の拡大により、流路内に乱流が発生しやすくなり、分離効率が低下する欠点もある。
すなわち、沈降分離性能は図5(a)に示されるように高さHの2枚の傾斜隔壁(50)間の最深垂線hの数に比例し、H/h倍で示される。閉塞を防ぐために傾斜隔壁(50)の間隔pを2倍の2pにすると図5(b)に示すように分離性能はH/2h倍となり、分離性能は2分の1に減ずる。これを補うためには傾斜隔壁(50)の長さを2倍にしなければならない。
傾斜隔壁(50)の長さLを2倍にすると傾斜沈降装置A0の高さHは、傾斜角度が60度の場合H=2Lsin60=1.73Lとなり、1.73倍高くなる。この方法では傾斜沈降装置A0が大きくなり、傾斜沈降装置A0の製作コストや傾斜沈降装置A0を収める沈降槽Bの建設コストが大幅に上昇する。
沈降分離操作は整流域内であることが絶対条件であり、レイノルズ数は非常に重要な要素である。
傾斜沈降装置に求められるレイノルズ数は、濁質フロック(3)による閉塞の恐れがない条件下で低いほど良く、数10から200程度とされている。
一方、特許文献2の段落0007~0011,ペ-ジ(14)図9に示されるように、角型の傾斜管沈降装置A10では管のピッチpを変えずに管の幅方向bを拡幅し、上端面の形状を長方形としてマット層(4)の支点間隔を拡大して、閉塞防止対策とする方法がある。
この場合、ピッチpは変わらないので沈降性能は減じないが、傾斜流路幅が大きくなり、レイノルズ数が増大、管内の流れに乱れが生じやすくなり、分離効率が低下する。
表3のa、d=50mm,b=50mm、とb、d=50mm,b=100mm、の角型傾斜管のレイノルズ数を比較すると、それぞれ77と103となり1.34倍の開きがある。したがってピッチpを変えずに幅方向bを拡幅した傾斜管では、閉塞防止効果は得られるが、レイノルズ数の増加により分離効率は低下する。
また、aとc、d=100mm, b=100mm、では、77対154で2倍の開きがある。
この考案では平板である側板の上部辺が突出した形になり、補強もなく破損しやすい。またプラスチック材が使用される場合には暴露による紫外線による強度劣化の心配もある。さらに運搬時の取り扱いが容易でなく、また運用中に沈降槽内の機器メンテナンスのために傾斜装置上を移動することがあるが、上部歩行は著しく困難であるなど欠点もある。
これを図7の段差zの解析図を用いて説明する。ABは各傾斜隔壁の流出端、Kは傾斜流路(11)を直角に切断した位置、Cは傾斜流路(11)を傾斜角度θで切断した位置である。
流出端A,Bがあり、隔壁のピッチはPである。段差がゼロの場合、流出端間の距離はピッチPであるが、段差がCに達するまでは、流出端間はピッチPより狭まり、その後拡大して行く。
流出端A,B点における集塊した濁質フロック(マット層)の成長は、A,B間の中間点Mまでを半径とする円で模式的に示される。各円が接した段階で閉塞が生じるとする。
CにおけるAとの中間点をNとすると、曲線MNは各段差における円がAに最も近い位置を示し、段差Kでもっと接近し、段差CのN点でMと等しくなり、その後拡大して行く。
図8は、傾斜流路(11)の流出端を水平に切断した流出端AとB、直角に切断したAとK、傾斜角度θで切断したAとCそれぞれについて集塊する濁質フロック(3a)の成長外形線を右斜線で示した、また、濁質フロックの集塊は側壁上端でも発生し、側壁上端の集塊フロック(3b)の成長の外形線を左斜線で示した。
段差zが増すごとに、重なり部分は少なくなり、段差Kでは重なり部分がわずかであるが、Aにおける集塊の外形線が接近しており、マット層(4)を形成しやすく閉塞を生みやすい。
段差Cでは重なり部分がなく、また、近接した集塊フロックが無いので、閉塞には至らない。
Cより下方では、傾斜隔壁の長さが短くなり沈降性能の減少、また、側壁の破損が生じやすくなるので推奨できない。
傾斜隔壁(50)が傾斜管(60)で構成される場合、傾斜管(60)を直角に切断するか傾斜角θで切断するかで、K点やC点が得られる。
垂線での切断は、無駄に傾斜壁を短くすることになり、沈降性能を低下させるので推奨出来ない。
傾斜管沈降装置として代表的な傾斜角度60度、管径d=50mmの場合、z(k)=25mm、z(c)=50mmとなり、濁質フロックの性状や運用条件により25mm以上から50mmの間で採用される。
例えば、傾斜隔壁(50)の傾斜角度θを60度、隔壁対面間隔dを50mm、隔壁高さHを600mmとすると、ピッチp=50/sin60≒58mm、隔壁長L=H/sin60≒693mmとなる。
傾斜隔壁(50)の欠くべき高さzを、直角切断時の25mmから60度切断時の50mmとする。これを傾斜隔壁(50)の切欠く長さℓに置き換えると28.9mmから57.7mmとなる。
これは傾斜隔壁(50)長さL=693mmの4.2%から8.3%になるが、段差zは傾斜隔壁(50)数の半分に限定されるので、影響は2.1%から4.2%である。
したがって傾斜隔壁(50)をℓだけ欠いたことによる沈降性能の低下は2.1%から4.2%であり、これに傾斜沈降装置の効率70~90%を加味すれば、機能上の分離性能に及ぼす影響はほとんど無視することができる。
国内の水道施設設計指針である
ペ-ジ196 ,7~16行では、傾斜沈降装置の効率への言及は無いが、ゆとりを持たせた設計基準内に、効率は収められているので、特に効率について規定はしていない。類似文献の旧基準では傾斜板式沈降装置70%、傾斜管式沈降装置90%としたものがある。
さらに、傾斜流路(11)の拡大に伴う傾斜沈降装置A0の大型化は不要となり、傾斜沈降装置A0を収容する沈降槽Bの容積は最小限に維持できるので、沈降槽Bの建設コストの増大も避けられる。
また、本発明の傾斜沈降装置A12,A14,A22の製造コストは、段差zをつけるために特別な工程を必要とせず、製造コストは従来と変わらない。
傾斜沈降装置流出端辺(22)に確認される汚れは美観を損なうが、本発明の傾斜沈降装置A14の流出端辺(22)の区画数は概略2分の1に減ずるので、大幅に改善される。
図14に傾斜管沈降装置A14の側壁(40)高さにある流出端辺(22)の上面パターン図を示す。(a)は従来の傾斜沈降装置A11の上面パターン図で区画数が多く、 (b) (c)は段差をつけた本考案の上面パターン図で区画数は概略2分の1に減少している。
側壁(40)を介した両傾斜管の辺をそろえたものが(b)、1ピッチずらせて配置したものが(c)である。
図2 傾斜沈降装置使用例の沈降槽側断面模式図
図3 閉塞に至る傾斜管沈降装置の挙動を示す流出端の平面と側断面模式図
図4 傾斜沈降装置の流出端における閉塞防止対策比較図
図5 傾斜沈降装置原理図
図6 マット層形成防止のメカニズムを示す流出端の平面と側断面模式図
図7 段差zの解析図
図8 集塊した濁質フロックのモデル図
図9 沈降性能計算図
図10 各種傾斜管側断面模式図
図11 従来型傾斜管沈降装置と発明2の段差付き傾斜管沈降装置部分組立斜視図
図12 発明2の段差付き傾斜管沈降装置全体組立斜視図
図13 発明3の傾斜板沈降装置組立斜視図
図14 各種傾斜管沈降装置の上端面パターン図
図15 傾斜管切断方向解析図
なお、これら部材の組立方法は、接着や溶着、圧着、嵌合など様々な方法が用いられる。
図10(a)は管の流出端を水平に切断し、1ピッチの間隔を開けて並べたもの、図10(b)は管の流出端を直角に切断し、連続で並べたものを示している。間隔をあけるか連続にするかは管の部材の特性により自由に決定される。
また、図10(b)に示すように直角に切断したものは、特許文献4のSheet4/11FIG2、特許文献5のペ-ジ311,Fig1に例があるが少ない。
底辺(31)側を頂点として上辺(30)側への反対方向であっても沈降性能に変わりはないが、切断後の突起の角度、切断長に違いがある。
これを図15を用いて説明する。いずれの方向から段差zで切断しても、沈降面積の減少に直接影響する欠落長さℓは同じであるので、沈降性能に違いはない。しかし切断角度α1〉〉α2、切断長a1〈〈a2となり、突起の角度が緩く、切断長の短い上辺(30)から底辺(31)が強度上優位である。
さらに、列を組み合わせて複合化、モジュール化することにより傾斜装置を自立した構造として、強度を保ち傾斜沈降装置の設置を容易にする。
なお、側壁(40)を介して隣接する傾斜隔壁(50)の上辺(30)を、隣り合う傾斜隔壁(50)の上辺(30)と同一線上に一致させる方法、もしくは交互に位置をずらせて配置する方法があるが、そのいずれでも良い。
なお、隣接する傾斜管(60)の間隔は目的に応じて自由に選択できるが、特殊な場合を除いて通常1ピッチとする。
1ピッチの間隔で傾斜管を配置しても装置の沈降性能は変わらないが、ピッチを狭くすると沈降性能は増大するが、閉塞の危険が伴う。反対にピッチが広くなれば沈降性能を減ずることになる。
さらに、図11(b)のように側壁(40)を介して隣接する傾斜隔壁(50)の上辺(30)を、隣り合う傾斜隔壁(50)の上辺(30)と同一線上にそろえる方法、もしくは図12の組立図のように交互に位置をずらせて配置する方法があるが、そのいずれでも良く、また、ずらしの寸法に決まりはない。ずらせて結合した場合には、流出端辺(22)の上辺(3)が側壁(40)の補強となり、強度が増す。
すなわち、隣接する傾斜平板(51)の流出端辺(22)の交互に等しく段差zを設ければ良い。
そしてこの方式の場合も、傾斜流路(11)の拡幅もないのでレイノルズ数は低く保たれ沈降性能は維持される。また、製作コストは従来方法をそのまま踏襲できるので、同等か安価になる利点もある。
長手傾斜板(51a)と短手傾斜板(51b)を交互に配列し、段差zを設ける。
しかしながら、傾斜板の場合、側壁(40)が無いので、傾斜管に比べてより大きい段差が要求され、傾斜角θが最も推奨される。
h 沈降距離、H 傾斜隔壁高さ、L 傾斜隔壁長さ、ℓ 切欠き長さ、p 傾斜隔壁ピッチ、b 傾斜隔壁の幅、d 傾斜隔壁の対面距離または傾斜管径、ε ひずみ、εmx 限界ひずみ、z 段差、θ 傾斜隔壁または傾斜管の傾斜角、α 傾斜管の切断角度、a1 上辺から底辺に向かって切断、a2 底辺から上辺に向かって切断、
3 濁質フロック、3a 傾斜隔壁流出端集塊フロック、3b 側壁流出端集塊フロック、4 マット層、11 傾斜流路、20 流入端、21 流出端、22 流出端辺、23 流入側、24 流出側、30 傾斜管上辺、31 傾斜管底辺、
33 上面、40 側壁、50 傾斜隔壁、51 傾斜平板または傾斜板、51a 長手傾斜板、51b 短手傾斜板、53 波板傾斜板、60 傾斜管、60a 水平端傾斜管、60b 直角端傾斜管、60c 鋭角端傾斜管、70 傾斜板支持枠、
例えば、傾斜隔壁(50)の傾斜角度θを60度、隔壁対面間隔dを50mm、隔壁高さHを600mmとすると、ピッチp=50/sin60≒58mm、隔壁長L=H/sin60≒693mmとなる。
傾斜隔壁(50)の欠くべき高さzを、直角切断時の25mmから60度切断時の50mmとする。これを傾斜隔壁(50)の切欠く長さlに置き換えると28.9mmから57.7mmとなる。
これは傾斜隔壁(50)長さL=693mmの4.2%から8.3%になるが、段差zは傾斜隔壁(50)数の半分に限定されるので、影響は2.1%から4.2%である。
したがって傾斜隔壁(50)をlだけ欠いたことによる沈降性能の低下は2.1%から4.2%であり、これに傾斜沈降装置の効率70~90%を加味すれば、機能上の分離性能に及ぼす影響はほとんど無視することができる。
底辺(31)側を頂点として上辺(30)側への反対方向であっても沈降性能に変わりはないが、切断後の突起の角度、切断長に違いがある。
これを図15を用いて説明する。いずれの方向から段差zで切断しても、沈降面積の減少に直接影響する欠落長さlは同じであるので、沈降性能に違いはない。しかし切断角度α1〉〉α2、切断長a1〈〈a2となり、突起の角度が緩く、切断長の短い上辺(30)から底辺(31)が強度上優位である。
h 沈降距離、H 傾斜隔壁高さ、L 傾斜隔壁長さ、l 切欠き長さ、p 傾斜隔壁ピッチ、b 傾斜隔壁の幅、d 傾斜隔壁の対面距離または傾斜管径、ε ひずみ、εmx 限界ひずみ、z 段差、θ 傾斜隔壁または傾斜管の傾斜角、α 傾斜管の切断角度、a1 上辺から底辺に向かって切断、a2 底辺から上辺に向かって切断、
3 濁質フロック、3a 傾斜隔壁流出端集塊フロック、3b 側壁流出端集塊フロック、4 マット層、11 傾斜流路、20 流入端、21 流出端、22 流出端辺、23 流入側、24 流出側、30 傾斜管上辺、31 傾斜管底辺、
33 上面、40 側壁、50 傾斜隔壁、51 傾斜平板または傾斜板、51a 長手傾斜板、51b 短手傾斜板、53 波板傾斜板、60 傾斜管、60a 水平端傾斜管、60b 直角端傾斜管、60c 鋭角端傾斜管、70 傾斜板支持枠、
これを図7の段差zの解析図を用いて説明する。ABは各傾斜隔壁の流出端、Kは傾斜流路(11)を直角に切断した形状の位置、Cは傾斜流路(11)を傾斜角度θで切断した形状の位置である。
流出端A,Bがあり、隔壁のピッチはPである。段差がゼロの場合、流出端間の距離はピッチPであるが、段差がCに達するまでは、流出端間はピッチPより狭まり、その後拡大して行く。
流出端A,Bにおける集塊した濁質フロック(マット層)の成長は、A,B間の中間点Mまでを半径とする円で模式的に示される。円は集塊フロックの成長外形線で、各円が接した段階で閉塞が生じるとする。
CにおけるAとの中間点をNとすると、曲線MNは各段差における円がAに最も近い位置を示し、段差Kでもっと接近し、段差CのN点でMと等しくなり、その後拡大して行く。
図8は、傾斜流路(11)の流出端を水平に切断した形状の流出端AとB、直角に切断した形状 のAとK、傾斜角度θで切断した形状のAとCそれぞれについて集塊する濁質フロック(3a)の成長外形線を右斜線で示した、また、濁質フロックの集塊は側壁上端でも発生し、側壁上端の集塊フロック(3b)の成長の外形線を左斜線で示した。
傾斜隔壁(50)が傾斜管(60)で構成される場合、傾斜管(60)を直角に切断した形状とするか傾斜角θで切断した形状とするかで、K点やC点が得られる。
垂線で切断された形状は、無駄に傾斜壁を短くすることになり、沈降性能を低下させるので推奨出来ない。
図10(a)は管の流出端が水平に切断された形状で、1ピッチの間隔を開けて並べたもの、図10(b)は管の流出端が直角に切断された形状で、連続で並べたものを示している。間隔をあけるか連続にするかは管の部材の特性により自由に決定される。
また、図10(b)に示すように直角に切断された形状のものは、特許文献4のSheet4/11FIG2、特許文献5のペ-ジ311,Fig1に例があるが少ない。
底辺(31)側を頂点として上辺(30)側への反対方向であっても沈降性能に変わりはないが、切断された形状の角度、辺長に違いがある。
これを図15を用いて説明する。いずれの方向から段差zで切断された形状としても、沈降面積の減少に直接影響する欠落長さlは同じであるので、沈降性能に違いはない。しかし切断された形状の角度α1〉〉α2、辺長a1〈〈a2となり、突起の角度が緩く、辺長の短い上辺(30)から底辺(31)が強度上優位である。
Claims (3)
- 水面下にある多数の平行した傾斜隔壁が水平に等間隔で並んで傾斜流路を構成し、傾斜流路の側面をはさむ傾斜隔壁と等しい高さの垂直な側壁とで単列の傾斜沈降装置を形作り、側壁を介して隣接する複数の列で構成された傾斜沈降装置であって、傾斜隔壁が管もしくは管状に接合された部材の傾斜管で構成され、その全ての傾斜管の流出端辺の上辺を先端として底辺に向けて20度以上90度未満の鋭角をなす角度で切断することにより、傾斜した段差を有した傾斜管沈降装置であって、比重差を利用して液体から懸濁物質を分離する上向流式沈降槽に使用される複数列の傾斜管沈降装置。
- 全ての傾斜管の流出端辺の上辺を先端として底辺に向けて傾斜管の傾斜角度以上90度未満の鋭角で切断することにより、傾斜した段差を有する傾斜管を一定の間隔を開けて配列した、請求項1の傾斜管沈降装置
- 水面下にある多数の平行した傾斜隔壁が等間隔で水平に並んで傾斜流路を構成する傾斜沈降装置であって、傾斜隔壁が傾斜平板もしくは波板状の傾斜板で構築され、傾斜板支持枠に対面して固定された傾斜隔壁2枚を1対として、その一方の傾斜隔壁の流出端辺の高さを、他の傾斜隔壁の流出端辺の高さより低くし、交互に段差zを設けた、傾斜隔壁の間隔が50mmから150mmの範囲内にある、比重差を利用して液体から懸濁質を分離する上向流式沈降槽に使用される傾斜隔壁の交互に段差を有した傾斜板沈降装置
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