JP3755756B2

JP3755756B2 - 高速固液分離方法及び装置

Info

Publication number: JP3755756B2
Application number: JP2002057413A
Authority: JP
Inventors: 克之片岡; 和彰島村; 俊博田中; 孝幸加太
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2022-03-04
Also published as: JP2003251345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工場排水、下水、上水処理原水などの除去対象物質（懸濁粒子、色度成分、ＣＯＤ成分、リン酸イオン、重金属イオンなど）を含有する水（以下「原水」という）の超高速固液分離方法、そのための装置に関し、従来の凝集沈殿法又は浮上分離法の５０〜１００倍以上の超高速度で固液分離できる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、合流式下水道における雨天時越流水（ＣＳＯ）の、公共用水域への汚濁負荷が大きな問題になっている。合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）は、短時間に膨大な水量が発生するので、超高速度で固液分離し、ＳＳが除去された処理水を公共用水域に放流する必要があるが、従来超高速度で固液分離する優秀な技術がなかった。
また下水処理施設に流入する下水は、最初沈殿池で沈殿分離されたのち、活性汚泥処理されるが、最初沈殿池のＳＳの除去率が悪いため、凝集剤を添加して凝集沈殿処理する例が北欧で普及している。しかし、凝集沈殿速度が小さく、大きな沈殿池を必要とする欠点がある。そのためＣＳＯおよび下水を超高速度で固液分離できる新技術が待望されている。
なお、従来より、原水に加圧溶解空気含有水又は微細気泡を吹き込んで、気泡に懸濁粒子を付着させて浮上分離する方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、浮上分離速度がせいぜい１００〜２００ｍｍ／ｍｉｎ程度と小さく、また空気圧縮機、空気溶解設備などの付帯設備が必要という欠点がある
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、極めて簡単な操作によって、各種原水中の凝集除去対象物質を、極めて高速度で固液分離できる画期的な固液分離方法、及びその装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を行い、原水に発泡スチロールなどの水より比重が小さい浮上性固体粒子（本発明ではこれを「固体粒子」と呼ぶこともある）を添加して、撹拌し水中に分散させながら、少なくとも高分子凝集剤（ポリマ）を添加すると、速やかに原水中の除去対象物質が、浮上性固体粒子表面に強く付着した状態になることを見出した。
これを旋回流槽（たとえば液体サイクロン）に導くと、水より比重が小さい浮上性固体粒子が、旋回流の渦が引き起こす遠心力によって、渦の中心部に集まり、ほぼ瞬間的に固液分離されることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００５】
すなわち本発明は、次の構成からなるものである。
（１）原水に、高分子凝集剤又は無機凝集剤と高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子を添加して撹拌し、原水中の凝集対象物質を該固体粒子表面に付着させたのち、その凝集対象物質付着固体粒子を含む水を旋回流槽に供給し、旋回流により該固体粒子を旋回流の渦中心部に集合させて水と固液分離し、該固体粒子が分離された処理水を流出させ、前記固液分離された水より比重が小さい浮上性固体粒子、又は該固体粒子と分離固体粒子から付着フロックを剥離除去した浮上性固体粒子を、原水に循環添加することを特徴とする高速固液分離方法。
【０００６】
（２）原水に高分子凝集剤又は無機凝集剤と高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子を添加して原水中の凝集対象物質を前記固体粒子の表面に付着させる凝集付着槽と、この凝集付着槽の流出水が導入され中心部に分離されたフロック付着固体粒子の浮上分離した浮上分離スラッジの分離固体粒子チャンバーと前記分離固体粒子の排出管を上部に、下部に処理水の流出管を備えた旋回流槽と、前記浮上分離固体粒子のフロック剥離攪拌槽と、剥離フロックを沈殿フロックと水より比重が小さい浮上性固体粒子の含有水に分離する分級槽と、前記固体粒子の含有水の凝集付着槽への返送配管と、浮上分離固体粒子の一部の凝集付着槽への返送配管とを有することを特徴とする高速固液分離装置。
【０００７】
本発明に言う「旋回流槽」とは、たとえばサイクロンのように、液体中に懸濁する浮上性固体粒子に与えられる遠心力及び槽半径方向の水の圧力分布を利用して、固液分離を促進する装置であると定義され、この原理を利用するものであればその構造は任意のものが適用できる。
【０００８】
本発明の除去対象物質は、ＳＳ、コロイド成分、フミン酸、色素などの色素成分、リン酸イオン、フッ素イオン、ＣＯＤ成分などである。これらの物質は無機凝集剤を添加すると不溶化する。
また、キレート剤、アルカリ又は硫化物を添加して金属キレート不溶化物、金属水酸化物、金属硫化物などとして不溶化できる金属イオンの除去にも、当然本発明を適用できる。
また、原水に粉末活性炭などの粉末吸着剤を添加し、被吸着物質を吸着したのち、粉末吸着剤を本発明によって超高速に固液分離することも出来る。
【０００９】
なお、本発明は、特に有機性の懸濁粒子を含有する合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯと略称される）又は下水処理施設に流入する下水の超高速固液分離技術としても極めて好適な新技術である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明する全図において、同一機能を有するものは同一符号を付けて説明する。
まず、全体のフローを説明する。
図1は、本発明の超高速固液分離技術の一実施態様を示す系統図である。
【００１１】
原水１に凝集剤（高分子凝集剤３単独又は無機凝集剤４と高分子凝集剤３の併用）と、粒径３０〜３０００μｍ程度で比重が０．１以下の浮上性固体粒子２を添加し、凝集付着槽1で撹拌し、浮上性固体粒子２を槽1内に分散流動させると、除去対象物質のフロックが浮上性固体粒子２の表面に、速やかに（１０〜３０秒程度）付着コーティングされて一体化した状態になる。
【００１２】
この付着固体粒子を含む水６を液体サイクロンなどの旋回流槽７に流入させると、遠心力及び槽半径方向の水の圧力分布の相違によって、浮上性固体粒子２が瞬間的に渦の中心部に集まり、また水が外筒８の内面側に集まることによって固液分離され、清澄な処理水１２が槽の外筒壁に取り付けられた処理水流出部から流出する。
【００１３】
旋回流槽７への原水１の流入方法は、接線方向に流入させ、槽７内に強い旋回流を生起させる。その際、流入水流の持つ運動エネルギーで槽７内に旋回流の渦を起こさせても良いが、槽７内に渦生起のための撹拌翼を設置し、これをモ一ターで回転させ強い渦流を起こすようにしても良い。
なお、図１の旋回流槽７は、渦の生起を容易にするために、接線方向に流入した原水１が槽７の外筒８の内面及び内筒９の外面に沿って旋回流として流れ、内筒９の外面にフロックを表面にコーディングされた粒子２が集合、集中するように構成されている。
【００１４】
本発明の分離メカニズムは、次のように考える。
砂などの水より比重の大きい粒子を液体サイクロンで分離する場合は、砂が遠心力によってサイクロンの壁１９側に分離されるのであるが、本発明の場合は、水の比重が浮上性固体粒子２の比重よりも大きいので、図２のように旋回流によって水に与えられる圧力分布が、サイクロンの壁１９の側ほど大きくなる。サイクロン壁１９側に近い方の浮上性固体粒子２の表面の圧力が、サイクロン中心部１８側の浮上性固体粒子２の表面の圧力よりも大きくなる。この圧力差を△Pとする。
一方、浮上性固体粒子２の比重が水より小さいので、浮上性固体粒子２に及ぼされる遠心力Gは非常に小さく、△P＞Gとなる。この結果、液より比重の小さい浮上性固体粒子２はサイクロンの渦中心部に集まるのである。
この逆に、砂などの水より比重の大きい浮上性固体粒子は、△P＜Gとなり、
砂がサイクロンの壁に集まるのである。
【００１５】
本発明の「凝集フロック付着浮上性固体粒子」の渦流による固液分離速度は極めて大きく、驚くべきことに、旋回流槽７の要所滞留時間は０．３分以下という驚くほど短時間で良い。したがって、従来の凝集沈殿装置、浮上分離装置の所要滞留時間（１〜２時間程度）に比べ、驚異的にコンパクトな装置で固液分離できる。
【００１６】
本発明者の実験によれば、原水１に添加する浮上性固体粒子２の粒径は、過度に大きいと凝集フロックが浮上性固体粒子２表面に付着しにくくなり、過度に小さいと渦中心部に集まる力が小さくなるので、３０〜３０００μｍ程度とするのが好適である。より好ましくは、１００〜２０００μｍ、さらに好ましくは３００〜１０００μｍの範囲である。
本発明に適用するために最適な浮上性固体粒子２を種々検討した結果、発泡スチロールなどの発泡プラスチツク微粒子が好適である。特に発泡スチロールは、発泡倍率を変えることによって、比重が０．０１〜０．１程度と極めて小さい値を任意に選択できること、極めて浮上力が大きいこと、また低価格であること、強度が比較的大きく、強撹拌によっても破壊しないなどの特性があるので最適である。
【００１７】
浮上性固体粒子２の比重は特に重要で、０．２以下、好ましくは０．０２〜０．２程度の非常に軽量な粒子を使用すると、旋回流槽７内で渦中心部に極めて効果的に集まりやすいので、大きな固液分離速度を得る上で非常に重要である。
浮上性固体粒子２の原水１への添加量として好適な範囲は、少なすぎると浮上性固体粒子２に付着しないフロックが残留し、多すぎるといたずらにハンドリング量が増え煩雑になるので、浮上性固体粒子２嵩容積で、原水1リットル当たり、５〜２００ｍｌ、より好ましくは１０〜５０ｍｌ程度（単位：ｍｌ浮上性固体粒子／リットル−水）が好適範囲である。
【００１８】
無機凝集剤４を使用する場合の添加率は原水水質によって変化するが、下水を本発明によって処理する場合は、ＰＡＣでは１００〜１５０ｍｇ／リットル、塩化第２鉄では５０〜１００ｍｇ／リットル程度である。リン除去などのイオンを除去する場合以外は、無機凝集剤４の添加は不可欠ではなく、カチオン系ポリマで代替できる場合が多い。
【００１９】
高分子凝集剤３としては、有機高分子凝集剤（「ポリマ」ともいう）はアニオン性、ノニオン性、カチオン性、両性ポリマのいずれか、またはこれらを併用する。その注入率は、下水の場合１〜５ｍｇ／リットル程度で十分である。
また、無機高分子凝集剤である重合シリカ（活性シリカとも呼ばれる）を使用することも出来る。さらに、無機凝集剤４液中に重合シリカを共存させた凝集剤（たとえば鉄シリカ凝集剤）を使用することも出来る。
【００２０】
本発明にとって、最も効果的な凝集付着方法を検討した結果、原水１に無機凝集剤４又は有機性カチオンポリマを添加して撹拌したのち、有機性ノニオン（又はアニオン）ポリマと有機性両性ポリマを添加する方法が、非常に粘着性が大きく、フロック強度が強いフロックが形成され、極めて効果的に浮上性固体粒子２の表面に、付着コーティングする凝集フロックを形成できることを見出した。
【００２１】
しかして、次に渦中心部に分離された付着固体粒子１０を、槽７の内筒９の下端開口部から内筒９を上昇させて槽７上部の分離固体粒子チャンバー１１に流入させる。
分離固体粒子チャンバー１１から付着固体粒子１０を、ポンプ１３、エアリフト、又はコンベヤ機構などの任意の移送機構で槽７外に取り出し、フロック剥離攪拌槽１４に送り、付着フロックを浮上性固体粒子２から剥離する。そのあと、分級槽１５に送り、剥離フロックを沈殿させ、浮上性固体粒子２を浮上させ、洗浄された浮上性固体粒子２を原水１に循環する。
剥離したフロックは、沈殿汚泥１６として汚泥処理工程に供給し、処理処分する。なお分級槽１５の上から、原水１の一部を流しこみ、剥離したフロツクを洗い流すようにしても良い。
【００２２】
なお、剥離槽１４を経由させずに、経路Ａから付着固体粒子１０の一部を原水１に循環させても良い。この方法では、フロック剥離攪拌槽１４に送られる浮上性固体粒子量が、全量の付着固体粒子１０のフロック剥離攪拌槽１４に送る場合より少なくなり、剥離部容積、剥離エネルギが減少できる利点がある。経路Ａから循環された付着固体粒子１０の表面には、既にフロックが付着しているので、新たなフロックがその上に雪だるま式に付着してゆく。
【００２３】
図１では、内筒９を持つ旋回流槽７を示したが、図３のように内筒を設けない槽を使用すること当然出来る。
図3の場合は、フロック付着固体粒子は、渦中心に集まって固液分離され、その状態で、上部の分離粒子チャンバー１１に浮上してゆく。また、図３ではフロック付着固体粒子から固体粒子を回収し循環使用する経路を省略したものである。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものでない。旋回流槽としては液体サイクロンを適用した。
【００２５】
実施例1 合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）の処理試験
雨天時下水越流水：ＣＳＯ（ＳＳ２３０ｍｇ／リットル）に塩化第２鉄を４０ｍｇ／リットル添加し、３０秒間急速撹拌を行った後、平均粒径１０００μm、比重０．１の発泡スチロール微粒子を２０（ｍｌ／リットル原水）添加して凝集付着槽に分散流動させながら、ポリマ（ノニオン性ポリアクリルアミドポリマ：分子量１５００万、商品名エバグロースＮ８００及び両性ポリマ：エバグロースＢ０３４）をそれぞれ１．５ｍｇ／リットル添加し、１５秒撹拌したところ、凝集マイクロフロックが発泡スチロール表面にしっかりと付着コーティングされた。こののち、滞留時間０．３分の液体サイクロン（旋回流の流速３ｍ／秒）で流入させた。
【００２６】
この結果、フロック付着発泡スチロール微粒子は、瞬間的にサイクロン内の渦中心部に集まり固液分離された。処理水をサイクロンの下部の壁面から取り出した。処理水ＳＳは４ｍｇ／リットルとなり、下水中のＳＳが超高速度で効率よく分離された。
【００２７】
比較例１
実施例１において発泡スチロール微粒子を添加しない以外は、すべて同一条件で試験した。この結果、フロックは全く固液分離されず、すべてが処理水に流出した。処理水ＳＳは３５０ｍｇ／リットルと著しく悪く、処理不可能であった。
【００２８】
実施例２
富栄養化の進んだ湖沼水（濁度２．８９度、色度６５度、ｐＨ８．２、Ｍアルカリ度６５ｍｇ／リットル、過マンガン酸カリウム消費量１０．０ｍｇ／リットル）を上水原水とし、上水処理の試験を行った。
この原水に、塩化第２鉄を３２ｍｇ／リットル添加し、１分急速撹拌を行ったのち、発泡スチロール微粒子（粒径６００ミクロン、比重０．１２）を嵩容積比で１０％添加し、アニオン系ポリアクリルアミド（エバグロースＡ１５１）を１ｍｇ／リットル添加し、２０秒急速撹拌を行った。
このあと滞留時間０．５分のサイクロンに供給した結果、フロック付着発泡スチロール微粒子が渦の中心部に集まり、清澄な処理水（濁度０．８度、色度１２度、過マンガン酸カリウム消費量４．０ｍｇ／リットル）を取り出すことが出来た。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の優れた効果が得られる。
（１）従来の技術では不可能であった超高速度で、原水中の凝集除去対象物質を分離できる。本発明において原水が清澄な処理水に変換される全所要時間は、１〜１．５分間と驚くほど短時間であり、その分離速度は従来の凝集沈殿、気泡による浮上分離技術の５０〜１００倍以上である。
（２）したがって、たとえば合流式下水道の雨天時越流水（ＣＳＯ）などのように、短時間に膨大な水量が発生する原水の超高速固液分離に極めて好適であり、非常にコンパクトな装置でＣＳＯの懸濁粒子を除去できる。
（３）分離された浮上性固体粒子は、容易に回収して再利用できるので、固体粒子を使い捨てる必要がなく、運転コストが非常に安い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速固液分離プロセスの一実施態様を示す系統図である。
【図２】本発明の固体粒子の分離機構の原理を説明する模式図である。
【図３】本発明の高速固液分離プロセスの固体粒子の循環系を省略した別の実施態様を示す系統図である。
【符号の説明】
１原水
２浮上性固体粒子
３高分子凝集剤
４無機凝集剤
５凝集付着槽
６付着固体粒子を含む水
７旋回流槽
８外筒
９内筒
１０分離された付着固体粒子
１１分離固体粒子チャンバー
１２処理水
１３ポンプ
１４フロック剥離撹拌槽
１５分級槽
１６沈殿汚泥
１７回収固体粒子
１８サイクロン中心
１９サイクロン壁
Ａ経路

Claims

原水に、高分子凝集剤又は無機凝集剤と高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子を添加して撹拌し、原水中の凝集対象物質を該固体粒子表面に付着させたのち、その凝集対象物質付着固体粒子を含む水を旋回流槽に供給し、旋回流により該固体粒子を旋回流の渦中心部に集合させて水と固液分離し、該固体粒子が分離された処理水を流出させ、前記固液分離された水より比重が小さい浮上性固体粒子、又は該固体粒子と分離固体粒子から付着フロックを剥離除去した浮上性固体粒子を、原水に循環添加することを特徴とする高速固液分離方法。
原水に高分子凝集剤又は無機凝集剤と高分子凝集剤、及び水より比重が小さい浮上性固体粒子を添加して原水中の凝集対象物質を前記固体粒子の表面に付着させる凝集付着槽と、この凝集付着槽の流出水が導入され中心部に分離されたフロック付着固体粒子の浮上分離した浮上分離スラッジの分離固体粒子チャンバーと前記分離固体粒子の排出管を上部に、下部に処理水の流出管を備えた旋回流槽と、前記浮上分離固体粒子のフロック剥離攪拌槽と、剥離フロックを沈殿フロックと水より比重が小さい浮上性固体粒子の含有水に分離する分級槽と、前記固体粒子の含有水の凝集付着槽への返送配管と、浮上分離固体粒子の一部の凝集付着槽への返送配管とを有することを特徴とする高速固液分離装置。