JP2022123846A - 傾斜沈降装置 - Google Patents
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Abstract
Description
水平流式は、被分離水が傾斜装置に水平に流入し、流出して行くが、上向流式は傾斜装置の下方から流入し、上方に流出していく。いずれの方式でも分離された濁質は傾斜装置の下方に沈降して槽底に滞積する。
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。
傾斜沈降装置には前述したように沈降槽内を水平に流れる部分に設置される水平流式と上昇流部分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1/3 第1図にも傾斜沈降装置の代表例が示されている。
上向流式に用いられる傾斜沈降装置は原則1段であり、水平流式のように階層を重ねる多段式はない。
傾斜板沈降装置A20には傾斜管沈降装置を構成する側壁(40)は無く、傾斜板(51)の両端はフリーである。
傾斜板は薄い平板であり、剛性強度を増すためにいろいろな形状の補強リブが付いている。平板の大きさは1m四方から幅1m長さ2mなど多数あるが標準的なものは決まっていない。
多数の傾斜板を水平に等間隔に並べて支持枠等に固定し傾斜板沈降装置をなす。各傾斜板の長さLもしくは高さHはすべて同一であり、また上辺(30)と底辺(31)の高さは沈降性能を最大限に発揮するため同一である。
傾斜板(51)が並行して並ぶピッチは一般的に70mmから150mmの範囲で採用される。ピッチが狭いほうが大きな沈降性能が得られ有利だが、濁質による閉塞が心配される。また広くすると沈降性能が劣り、それを補うためには装置を大型化する必要がある。
また、傾斜板(51)は傾斜管(60)に比較して材料の剛性が低く、たわみが出やすいのでピッチを傾斜管(60)並みに狭くすることができない。
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(21)に沈着するために発生する。
傾斜板沈降装置A20は、傾斜管沈降装置A10と比較して、隔壁を持たないので、閉塞が発生しにくくなるが、閉塞を完全に防ぐことは出来ない。
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。
傾斜板沈降装置A20の流出端(21)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εmx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枚の傾斜板(51)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板(51)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。
傾斜板(51)の長さLを2倍にすると傾斜板沈降装置A20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。この方法では傾斜板沈降装置A20が大きくなり、傾斜板沈降装置A20の製作コストや傾斜板沈降装置A20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。
傾斜板沈降装置A20では、傾斜管沈降装置A10と比較して側壁(40)が無くオープンな水路であるため濡れ壁面積Deが大きくなり、レイノルズ数は数倍から数十倍になる。
したがって、隣り合う傾斜板の間隔を拡大することは沈降分離性能を大きく損なう恐れがある。
傾斜板沈降装置の場合、閉塞防止対策として水路幅を拡大すると、沈降性能の大幅な低下は避けられない。
表3の水路幅a100mmとb200mmのレイノルズ数を比較すると、それぞれ308と616となり2倍の開きがある。したがって水路幅を2倍に拡大したことにより、レイノルズ数は大きく増加し層流域を超えて分離効率は大幅に低下する。
従って傾斜流路(11)の拡大による分離性能の大幅な低下は避けられないことが理解される。
図4(a)の従来の傾斜板沈降装置では、流出端(21)に付着した濁質が成長し、隣り合う濁質塊と合体してマット層(4)が形成され、閉塞が起きている状態、図4(b)は流出端の間隔は、2倍の2pとなり、付着した濁質は、マット層(4)を形成することなく、ひずみ限界εmxを超えて崩壊する。図4(c)は同一高さの流出端間の距離は2pであるのでマット層(4)は形成されないが、下方に段差のある流出端(21)でも濁質の集塊は発生しており、下方の濁質の集塊が上方の濁質の集塊に合体されなければ、マット層(4)は形成されない。
これを図6の段差zの解析図を用いて説明する。A、B、Cは従来型傾斜板(51)(以後長手傾斜板(51a)という)の流出端、B1は段差のある傾斜板(以後短手傾斜板51bという)の流出端で傾斜流路(11)を直角に切断した形状の位置、B3は同じく短手傾斜板の流出端で、傾斜流路(11)を傾斜角度θで切断した形状の位置、B2の位置はピッチpの2分の1を半径とする円弧が線ABに接する短手傾斜板(51b)上の位置である。
αは長手傾斜板(51a)の流出端から短手傾斜板(51b)の流出端を結んだ直線が長手傾斜板(51a)となす内側の角度をいう。一般的に傾斜板(51)の傾斜角度θは60度であり、Bの位置はα=120度、B1の位置はα=90度、B2の位置はα≒85度、B3の位置はα=θ=60度となる。
流出端A、B、C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ブリッジが発生し閉塞が始まる。
流出端A、B、C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B3に達するまでは、Aを起点とする流出端間k1はピッチpより狭まり、B3より下方では拡大して行く。反対にCを起点とする流出端間k2は段差のないB以降pより拡大して行く。
B3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、傾斜流路(11)を直角に切断した形状の段差B1点でもっと接近し、傾斜角θで切断した形状の段差B3点のNでMと等しくなり、その後拡大して行く。
しかしながら、段差が生じることにより、集塊した濁質フロックのブリッジは弱くなり崩壊しやすくなる機序を考慮するとB1からB3も効果が期待できる、BからB1までの段差は顕著な閉塞防止効果は得られない。
実際には、円の右下下方に濁質が付着することはほとんど認められないが、解析を簡単にするため円で表記した。
段差zがB1に達するまでは重なり部分が増して行き、B1より下方では重なり部分が減少に転じ、B3で重なり部分が消滅する。B3以下では近接した集塊フロックが無いので、閉塞には至らない。
しかしながら、B3より下方では、傾斜板(51b)の長さが短くなり、沈降性能の減少が無視できなくなるので推奨されない。
例えばp=80mmとするとz(1) ≒35mm、z(3)≒70mmとなる。p=150mmとするとz(1) =65mm、z(3)=130mmとなる。
傾斜板沈降装置として代表的な傾斜角度60度、p=80mmの場合、z(1)=35mm、z(3)=70mmとなり、35~70mmの間で適宜採用される。濁質フロックの性状に粘着性が懸念される場合は、d=100mmとして、z(1)=50mmからz(3)=100mmの間で採用される。
例えば、傾斜板(51)の傾斜角度θを60度、傾斜板対面間隔dを70mm、傾斜板高さHを800mmとすると、ピッチp=70/sin60≒80mm、隔壁長L=H/sin60≒920mmとなる。
傾斜板(51)の欠くべき高さzを、直角切断形状時の35mmと60度切断形状時の70mmとする。これを傾斜板(51)の切欠く長さlに置き換えると40mmから80mmとなる。
これは傾斜隔壁(50)長さL=920mmの4.3%から8.7%になるが、段差zは傾斜板(51)数の半分に限定されるので、影響は2.2%から4.4%である。
したがって傾斜板(51)をlだけ欠いたことによる沈降性能の低下は2.2%から4.4%であり、これに傾斜板沈降装置の効率70%を加味すれば、1%~2%となり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、傾斜板沈降装置の効率への言及は無いが、設計基準内にゆとりを持たせ、効率は収められているので、特に効率について言及されていない。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。
有効な段差を設けることにより、濁質フロック(3)の集塊によるマット状の閉塞状態が忌避され長期にわたり運転を継続することができる。
段差を設けることにより沈降性能は1%程度減少するが、傾斜板の高さが増すごとにその影響は縮小し無視できる。
したがって沈降装置の大きさを従来と変えないでよい。
さらに、従来のように傾斜流路(11)の拡大による傾斜板沈降装置A22の大型化は不要となり、傾斜板沈降装置A22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。
傾斜板沈降装置流出端辺(22)に確認される汚れは美観を損なうが、本発明の傾斜板沈降装置A22の流出端辺(22)の数は2分の1に減ずるので、大幅に改善される。
図9に傾斜板沈降装置A20の流出端辺(22)の上面パターン図を示す。(a)は従来の傾斜板沈降装置A21の上面パターン図で区画数が多く、 (b) は段差をつけた本考案の傾斜板沈降装置A22の上面パターン図で区画数は2分の1に減少している。
長手傾斜板(51a)の流出端(21)と短手傾斜板(51b)の流出端(21)を直線で結び、長手傾斜板(51a)となす角度αで規定される。
角度αは、濁質フロック(3)の性状により選択され、粘着性がほとんど認められなければα=90度以下の鋭角、粘着性が認められる場合はα=θ(傾斜角度)が望ましい。
なお、いずれの傾斜板(51a,51b)の下端は傾斜装置の高さに合わせて水平である。
なお、これら部材の組立方法は、ピッチに合わせて、ボルトやビスで接合、挟み込み、接着、溶着、嵌合など様々な方法が用いられる。
傾斜板沈降装置A20の設置方法は、上方からの吊り下げ、もしくは装置下部に設置された桁の上に並べられる方法がとられる。
多数の傾斜板(50)を複合化、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、強度を保ち傾斜板沈降装置の設置を容易にする方法もある。
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、濁質フロック(3)の性状により閉塞が発生しやすい場合は、より大きな段差が要求され、傾斜角θが最も推奨される。
しかしながら、長手傾斜板(51a) と短手傾斜板(51b)のピッチは変わらないので沈降槽における沈降性能は維持される。
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 長手傾斜板の流出端と短手傾斜板の流出端を直線で結んだ内側の角度
3 濁質フロック、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 傾斜板上辺、31 傾斜板底辺、33 上面、40 側壁、50 傾斜隔壁、51 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、70 傾斜板支持枠
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、傾斜流路の側面は仕切りが無くフリーであり、傾斜隔壁は平板状の傾斜板で構成され、対面する2枚の傾斜板を一対とし、その一方の流出端高さを他方の流出端高さより低くし、交互に段差を設けたことを特徴とする上向流式沈降槽に使用される段差付き傾斜板沈降装置。
- 段差の大きさが、高いほうの傾斜板の流出端から低いほうの傾斜板の流出端を結んだ直線が高いほうの傾斜板となす内側の角度が90度以下となる、交互に段差を設けた請求項1の傾斜板沈降装置。
- 段差の大きさが、内側の角度が90度以下45度以上なる、請求項1、請求項2の傾斜板沈降装置。
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