JP4176915B2 - 固液分離装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、原水に凝集剤を添加して凝集した後、ろ過処理を行う固液分離装置、特に効果的な逆洗を行うものに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、河川水などを原水として、上水や工業用水を製造する場合や、あるいは各種排水を処理する場合において、原水に凝集剤を添加して凝集した後ろ過処理を行う固液分離装置が利用されている。
【0003】
すなわち、原水に凝集剤を添加混合して凝集処理することにより、原水中の懸濁物質を凝集して大径のフロックとする。そして、沈殿池において沈殿しやすいフロックを除去した後、または直接ろ過器に導入し、ここで固形物を分離し清澄な処理水を得ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、凝集処理において、凝集剤注入率やpHを適切なものに維持しないと、凝集が不十分なフロックがろ過器から流出することが知られている。そこで、凝集剤の注入率やpHを適切に保つために、凝集フロックのゼータ電位が適切なものになるように、凝集剤の注入率やpHを制御することが提案されている。しかし、原水水質が変動すると、必ずしも最適な制御を常に行うことはできず、常に適切な凝集処理を行うことは難しい。
【0005】
そこで、凝集処理を補うために、ろ過器の逆洗工程の最後に凝集剤を添加したり、ろ過器の前段またはろ層内へ追加の凝集剤を添加して追加凝集を行うことなども提案されている。
【0006】
しかし、ろ過器の逆洗工程の最後に凝集剤を加える場合、洗浄水に懸濁物質が含まれていると、僅かではあるがフロックが形成される。このため、フロックがろ過器の二次側(処理水側)に抑留され、ろ過再開時における処理水の悪化を招くという問題がある。
【0007】
また、ろ層内での追加凝集を行うためには、設備が複雑になり、ろ過器自体が高価となってしまうという問題がある。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、比較的簡単な構成で効果的なろ過処理を行うことができる固液分離装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原水に凝集剤を添加して凝集した後、ろ過処理を行う固液分離装置において、前記ろ過処理におけるろ材の少なくとも一部に活性アルミナろ材を用いるとともに、逆洗水の少なくとも一部に酸性水を用いることを特徴とする。
【0010】
このように、本発明では、ろ材に活性アルミナろ材を用い、逆洗水に酸性水を用いる。そこで、逆洗時に活性アルミナろ材の表面がわずかに溶け、ろ材表面のゼータ電位が+になる。そこで、逆洗終了後にゼータ電位が−の凝集フロックがろ過器に供給された場合においても、このフロックを活性アルミナろ材が効果的に捕捉し、処理水の悪化を防止することができる。
【0011】
また、前記逆洗は、中性水による逆洗、酸性水による逆洗、中性水による逆洗の三段階を含むことが好適である。このように、中性水による逆洗を最初行うことで、ろ材に捕捉されていた懸濁物質を除去できるため、酸性水による逆洗においてアルミナろ材の処理を効果的なものにできる。また、酸性逆洗の後に、中性水でろ材をすすぐことで、酸性の処理水が流出することを防止できる。さらに、中性水による逆洗を併せて利用することにより、洗浄排水のpHをトータルとしては弱酸性として、洗浄排水についてのpH調整などを不要とできる。
【0012】
また、前記酸性水のpHは、2.0〜5.0であることが好適である。酸性水は、pHがあまり低いとアルミナろ材の溶解が進みすぎ、消耗が激しくなる。一方、pHが高いとアルミナが溶けず、表面の活性化が行えない。そこで、pHは、2.0〜5.0の範囲にあることが好ましく、4.0前後(3.5〜4.5の範囲)とすることが特に好ましい。
【0013】
また、前記ろ過処理におけるろ材は、活性アルミナろ材の層と、その他の粒状ろ材の層とを少なくとも含む多層構成になっていることが好適である。例えば、粒径の大きい活性アルミナを上方に、粒径の小さい砂やガーネット等を下方に用いることにより、ろ過形態をより体積ろ過とすることができ、ろ過経継時間を長くすることができる。また、砂などのろ材においても、酸性水の逆洗によって、付着物を減少することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。
【0015】
図1は、本実施形態に係る凝集分離装置の全体構成を示す図である。河川水、湖沼水などの原水は、まず混和槽10に流入される。この混和槽10には、凝集剤貯槽12からの凝集剤が凝集剤ポンプ14によって供給される。凝集剤は、PACなどの無機アルミニウム凝集剤である。そして、混和槽10には、攪拌機16が設けられており、原水と凝集剤が急速攪拌される。この混和槽10において、凝集剤が混和された凝集剤混和水は、凝集槽18に流入する。この凝集槽18には、緩速攪拌機20が配置されており、凝集剤混和水が緩速攪拌され、凝集フロックの合体、粗大化が図られる。
【0016】
次に、凝集槽18からの緩速攪拌後の凝集剤混和水は、傾斜板沈殿槽22に流入する。この傾斜板沈殿槽22は、仕切板22aにより入口側と排出側に仕切られており、入口側に槽深の深い沈殿部22bが形成されている。そして、この沈殿部22bの下部は、沈殿汚泥を貯留する汚泥貯留部分22cになっている。また、排出側には多数の傾斜板22dが配置されて傾斜板沈殿部22eが形成されている。凝集剤混和水は沈殿部22bに流入され、ここで沈殿処理された後、仕切り板22aの下を通過して、傾斜板沈殿部22eを上向流で通過する。そして、この傾斜板沈殿部22eの傾斜板22dを通過する際にさらに沈殿処理がなされ、スラッジが槽底へ向けて沈殿する。傾斜板沈殿部22eの槽底は、汚泥貯留部分22cに向けて深くなるように傾斜しているため、沈殿スラッジは重力により汚泥貯留部分22cに移動する。そして、傾斜板沈殿部22eを通過した上澄みが傾斜板沈殿槽22から排出される。なお、傾斜板沈殿槽22の汚泥貯留部分22cに沈殿した汚泥は、適宜引き抜かれ別途処分される。
【0017】
このような凝集沈殿処理により、傾斜板沈殿槽22からの沈殿処理水は、懸濁固形物のかなりの部分は除去されたものになっている。この沈殿処理水は、ろ過器24に流入される。このろ過器24は、活性アルミナのろ層24bと、砂のろ層24aの二層のろ過層を有する圧力式の急速ろ過器である。
【0018】
ここで、ろ層24bとして利用されている活性アルミナは、例えばミリサイズの球状のものであり、活性アルミナ粒子はその内部に微細な細孔を有しており、これにより優れた吸着力を示す。例えば、半径20オングストローム前後の微細な細孔が0.4cc/g程度存在するため、300m2/g程度の大きな比面積を有している。
【0019】
また、ろ層24aについて、砂に代えガーネットなどを利用したり、砂及びガーネットを多層とすることも好適である。そして、このろ過器24のろ過処理水は、処理水タンク26に貯留された後、配水される。
【0020】
また、この処理水タンク26内の処理水は、逆洗ポンプ28によりろ過器24の底部に供給できるようになっている。そこで、ろ過器24に処理水を上向流で供給し、ろ過器24内のろ層を逆洗できるようになっている。
【0021】
ここで、この逆洗ポンプ28からろ過器24に至る逆洗水のラインには、酸貯槽30からの酸(酸性溶液)が酸ポンプ32によって添加されるように構成されている。そこで、酸ポンプ32を制御することによって、ろ過器24に供給される逆洗水には、適宜酸が添加され、酸性水による逆洗が行われる。ここで、酸貯槽30に貯留される酸としては、塩酸や硫酸が使用される。
【0022】
また、酸添加混合後の逆洗水のpHは、2.0〜5.0程度が好ましい。処理水のアルカリ度の変動は非常に少ないため、処理水への酸添加量は、ほぼ一定でかまわない。しかし、酸添加後の逆洗水のpHを測定し、逆洗水のpHが所定の値、例えば、4.0程度になるように、酸ポンプ32を制御することも好適である。
【0023】
「ゼータ電位の説明」
ここで、ゼータ電位について説明する。ゼータ電位は、固体と液体の界面を横切って存在する電気的ポテンシャルを示すものであり、水中の懸濁物質についての表面荷電を示す。通常、河川水等に含まれる懸濁物質(粘度成分や藻類等)は負に帯電しており、懸濁物質が各々負に帯電していることから電気的に反発し、凝集しにくい状態になっている。凝集剤は、この電位の中和をまず行い反発力を弱め、その後に集塊化つまり凝集を行う。従って、凝集フロックのゼータ電位は中和点つまりゼロに近い方が望ましい。通常、原水中の懸濁物質のゼータ電位は−20mV以下で、凝集フロックのゼータ電位は−10mV以上となっている。
【0024】
ここで、浄水処理で一般に用いられる凝集沈殿・急速ろ過法において、急速ろ過器より、特にろ過開始直後に微小なフロックが流出することが知られている。この微小なフロックのゼータ電位は、−15mV以下と低く、凝集が十分に行われていないことが知られている。
【0025】
「逆洗処理の説明」
通水を継続していくと、次第にろ層に捕捉される懸濁物質が増加しろ材が飽和して、ろ過器24はそれ以上懸濁物質を捕捉できなくなる。これは、ろ過抵抗の上昇や、処理水濁度の上昇等によって確認できる。しかし、通常はろ材が完全に飽和する前に、洗浄によりろ材の再生を行う。洗浄のタイミングは、経験的に得られる時間に基づくタイマー設定や、ろ抗検知器によるろ過抵抗の設定により行われる。通常の急速ろ過器の洗浄では、ろ過水を用いた逆流水洗浄や、逆流水洗浄に表面洗浄あるいは空気洗浄を組み合わせて行われるが、本実施形態では逆流水洗浄を行う。
【0026】
特に、本実施形態では、(i)まずろ過処理水をそのままで逆流させる中性水による洗浄を行い、(ii)次にろ過水に硫酸または塩酸を加え、逆流洗浄に利用する逆洗水のpHを4.0前後として酸性水による逆流洗浄を行い、(iii)最後に再びろ過処理水をそのままで中性水による逆流させる洗浄を行う。
【0027】
ここで、活性アルミナの表面が僅かに溶ける条件は、pH4.0付近で、それより低いと溶解が急激に起こり粒径の減少が著しくなり、それ以上だと溶解があまり起こらず表面が活性化つまり活性アルミナろ材表面のゼータ電位が高くならない。そこで、pH4.0前後の逆洗水を用いて、逆洗を行う。なお、酸性水のpHは、少なくとも3.0〜5.0の範囲内にあることがよく、3.5〜4.5の範囲内に制御することが好適である。
【0028】
これによって、活性アルミナろ材の表面がわずかに溶け、表面のゼータ電位は+30mV〜+60mV程度にまで回復する。逆洗前の活性アルミナろ材表面はフロックで覆われており、そのゼータ電位は、−10mV〜−5mV程度になっており、フロックの捕捉能力が弱い。ところが、酸性水の逆洗によって、ゼータ電位が+となり、フロック捕捉能力が回復する。これによって、逆洗直後においてもフロックを十分捕捉することができ、逆洗後の処理水の悪化を防止することができる。
【0029】
また、最初のろ過水による洗浄によって、除去しやすい懸濁物質を除去し、ろ材に捕捉されている懸濁質を減少することができ、酸性水による洗浄の効果を高めることができる。また、最後のろ過水による洗浄によって、ろ材をすすぐことができ、ろ材の表面状態を正常のものに戻すことができる。また、ろ過再開の際に酸性液がろ過水として排出されることを防止することができる。
【0030】
さらに、中性水による逆洗を併せて利用することにより、洗浄排水のpHをトータルとしては弱酸性として、洗浄排水につてのpH調整などが不要になる。
【0031】
ところで、適切なpHで洗浄を行った場合でも、徐々に粒径は減少し、ある粒径以下になると沈降速度が逆洗速度よりも著しく小さくなり、逆洗によって排水と一緒にろ過池から排出されてしまう。従って活性アルミナろ材の補給が必要となる。しかし、酸性水のpHなどを適切なものとしていれば、その補給のペースは、それほど大きくなく、半年毎に5%程度の補給で十分である。
【0032】
なお、本実施形態の装置においても、逆洗時に空気洗浄を併用したり、ろ過器への流入水へ追加の凝集剤を添加してもよい。また、凝集剤としてはアルミ系のものが好ましいが、鉄系の凝集剤や高分子凝集剤を利用することもでき、複数の凝集剤を併用することも好適である。さらに、凝集沈殿汚泥を酸処理し、これを凝集助剤として混和槽に返送してもよい。また、ろ過器として、急速ろ過器ではなく、重力式のろ過器など他の形式のろ過器を採用することもできる。
【0033】
【実施例】
図1の装置を用いて、実験を行った。実験条件を以下に示す。
【0034】
「実験条件」
・原水流量:23.6m3/d
・混和槽10:滞留時間4分
・傾斜板沈殿槽22:滞留時間40分、上昇速度5cm/min
・ろ過器24仕様:φ500mm×H4000mm(ろ過面積0.196m2)
・ろ過速度(LV:空塔速度):5m/h(120m/d)
・ろ層24bのろ材:活性アルミナ(比重1.5、有効径1.0mm、均等係数1.4、ろ層高400mm)
・ろ層24aのろ材:ケイ砂(比重2.5、有効径0.6mm、均等係数1.4、ろ層高300mm)
・通水時間:48時間(タイマーにより洗浄開始)
・原水濁度:8〜30度
・原水pH:7.2〜7.5
・ろ過処理水pH:6.9〜7.3
・凝集剤:PAC(ポリ塩化アルミニウム)10〜30mg/l
・目標処理水濁度:0.1度未満
・洗浄条件:(i)水逆洗 LV=40m/h×4分、(ii)酸性水逆洗 LV=40m/h×3分、(iii)水逆洗 LV=40m/h×3分(すすぎ)
・逆洗水:中性水はろ過処理水(pH6.9〜7.3)、酸性水は硫酸にてpH4.0に調整した。
【0035】
「実験結果」
このように、濁度8〜30度の原水に凝集剤としてPACを10〜30mg/L添加し、凝集沈殿処理を行った後、活性アルミナろ材・砂(ケイ砂)の二層のろ層からなる急速ろ過器24にてろ過処理を行い処理水を得た。
【0036】
そして、48時間の通水継続毎にろ材の逆洗を行った。この逆洗は、(i)中性水、(ii)酸性水、(iii)中性水という3段階の逆洗である。また、この時生成される洗浄排水のpHは、中性のろ過処理水の場合が約7.0、酸性水を用いた逆洗排水が約4.5で、水量比が中性水:酸性水=7:3であるため、洗浄排水全体でのpHは、6.0前後となる。従って、この条件においては、排水処理において、特にアルカリ剤の添加を行う必要はなかった。
【0037】
ここで、再生直後の活性アルミナろ材のゼータ電位は、+30mV〜+60mVであった。LV5m/hで30分通水後のゼータ電位は+20mV〜+30mV、通水90分後のゼータ電位は+10mV〜+20mV、そして洗浄前の通水48時間後のゼータ電位は、活性アルミナろ材表面がフロックで覆われているため−10mV〜−5mVとなっている。
【0038】
一方、洗浄終了後から通水時間90分間において、ろ過処理水に流出する微小なフロックのゼータ電位−15mV〜−25mVで、明らかに荷電中和の点で凝集条件が十分ではなかった。しかしながら、ろ材自体のゼータ電位が+であることにより中和され、ろ材表面に吸着される。それ以降は、処理水に含まれる凝集剤の作用により、ろ材表面がコーティングされるため、未凝集のフロックの流出を抑止することができ、常に良好なろ過処理が可能となった。
【0039】
また、処理の継続に従い、ろ材の粒径は徐々に減少するので、活性アルミナろ材の補給が必要となる。しかし、その補給のペースは、1年間で5〜10%程度であり、実際には、定期的に5%程度ずつ補給すればろ過器としての性能を維持できることがわかった。また、1年間で10%の場合、6ヶ月に一回補給を行えばよい。
【0040】
図2に、本実施形態の活性アルミナろ材を有し、酸性水による逆洗を行うろ過器24(実施例)と、アンスラサイト・砂の二層のろ層を有し酸性水による逆洗を行わないろ過器(比較例)との比較を示す。実施例のろ過器24では、洗浄が終了し、通水開始直後からろ過水の濁度は、0.05度以下となっているが、比較例のろ過器では、通水開始から30分までは0.1度以上となっている。
【0041】
また、6ヶ月間通水を行ったろ材について、コアサンプルを取り出して、ろ材への付着物量を調査した結果、ろ材1L当たりの付着物量(乾燥重量)は実施例ろ過器24では4.0g/L、比較例のろ過器では23.0g/Lとなっていた。
【0042】
酸性水洗浄を行っていることにより、実施例のろ過器24では、付着物質の量が非常に少なく、洗浄が十分に行われているが、酸性水洗浄を行っていない比較例のろ過器では、多くの付着物があり、洗浄が不十分であることが分かった。このように、ろ材への付着物が多いと、ろ過抵抗が増え、ろ過継続時間が短縮し、水回収率も減少する。
【0043】
なお、ろ材として活性アルミナろ材を使用しても、酸性水による洗浄を行わなかった場合には、上述のような効果的なろ過は行えない。また、活性アルミナろ材を使用しないろ過器で酸性水による洗浄を行った場合、ろ材への付着物の減少については、ある程度効果がある。しかし、上述のような洗浄後における良好なろ過処理水を得ることはできない。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、酸性水による逆洗によって、活性アルミナの表層が活性化され、凝集不良による微小なフロックのろ過池からの流出を低減することが可能となる。また、活性アルミナのろ材と砂などの他のろ材の槽からなる複層ろ過器を採用した場合においても、酸性洗浄を行うことにより、砂やガーネットに関しても再生が十分になされ、ろ材の寿命が延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態の装置の構成を示す図である。
【図2】 実施形態の装置における処理の効果を説明する図である。
【符号の説明】
10 混和槽、18 凝集槽、22 傾斜板沈殿槽、24 ろ過器、30 酸貯槽、32 酸ポンプ。
Claims (4)
- 原水に凝集剤を添加して凝集した後、ろ過処理を行う固液分離装置において、
前記ろ過処理におけるろ材の少なくとも一部に活性アルミナろ材を用いるとともに、逆洗水の少なくとも一部に酸性水を用いることを特徴とする固液分離装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記逆洗は、中性水による逆洗、酸性水による逆洗、中性水による逆洗の三段階を含むことを特徴とする固液分離装置。 - 請求項2に記載の装置において、
前記酸性水のpHは、2.0〜5.0であることを特徴とする固液分離装置。 - 請求項1〜3のいずれか1つのに記載の装置において、
前記ろ過処理におけるろ材は、活性アルミナろ材の層と、その他の粒状ろ材の層とを少なくとも含む多層構成になっていることを特徴とする固液分離装置。
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