JP4202207B2 - 凝集分離装置 - Google Patents

Description

この発明は、水処理分野に関し、より詳細には原水中の懸濁成分を不溶性の粒状物質のまわりに凝集させてフロックとし、このフロックを粒状物質と共に沈降させて処理水を得る凝集分離装置に関するものである。

従来の凝集分離装置は、凝集スペース、沈降スペース、スラッジ回収タンクおよびスラッジ／砂分離器を限定する一連の相互連結室を含んでいる。凝集スペースは混合室を含み、ここでは未処理液体に凝集剤と細砂が付加され、未処理液体内に含まれているコロイドが不安定化される。さらに凝集スペースは中間凝集室を含み、ここでは不安定化されたコロイドが細砂の粒子のまわりに凝集する。なお、混合室内には、未処理液体を供給するパイプと、凝集剤を供給するパイプと、分離器から細砂を供給するパイプが通じている。混合室はそれぞれ攪拌装置を含んでいる。

沈降スペースは分離板装置を備えた室を含んでいる。この室の上部には、清澄化された液体を除去するためのパイプと結合する液体取出し手段が備えられている。さらに、分離板装置の下側に収集されたスラッジを除去するためのスラッジ除去手段が、スラッジをスラッジ回収タンクに運ぶために備えられている。スラッジ回収手段と分離器は、ポンプ手段を備えたパイプによって連結され、細砂を含んだスラッジがスラッジ回収手段から分離器に送られるようになっている。分離器は実際には液体サイクロンから成り、その取出口からスラッジが細砂を含まずに一方のパイプに排出され、再生された細砂は混合室に他方のパイプによって回収される（例えば、特許文献１参照）。

特許第２６３４２３０号（第３頁第１７−２９行、第１図）

従来の凝集分離装置には、コロイドを細砂のまわりに凝集させてフロックを形成し、細砂の重さによって沈降速度や処理能力を上昇させるという利点がある。しかし、細砂を液体サイクロンによって混合室に回収する際に、本来の細砂よりも重い大きな砂が細砂に混入することがある。また、未処理液体が例えば合流式下水道である場合にも、雨水と共に大きな砂が混合室に流入することがある。したがって、従来の凝集分離装置では、細砂よりも重い大きな砂が流入した場合に次のような問題点が発生する。
（ａ）大きな砂はフロックを凝集させる核とならないばかりでなく、逆にフロックを破壊することがあり、処理速度を低下させる。
（ｂ）大きな砂が細砂と共に循環しながら内部に蓄積し、処理能力を低下させる。
（ｃ）大きな砂を循環させるためにポンプ手段の吐出圧力を上昇させる必要性が生じ、運転コストを上昇させる。
（ｄ）大きな砂はパイプを閉塞させ易く、処理能力を低下させるばかりでなく保守作業量を増加させる。
（ｅ）大きな砂が細砂と同等の粒子であっても、増加して循環すると上記（ｂ）〜（ｄ）に記載の内容と同様になる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、大きな粒状物質が流入した場合でも、粒状物質の大きさを所定範囲内に収めて処理速度や処理能力を良好に維持することができる凝集分離装置を得ることにある。

この発明に係る凝集分離装置は、無機凝集剤が注入された原水に添加物を注入して撹拌する注入撹拌室、該注入撹拌室から流入する混合物を撹拌するフロック形成室、該フロック形成室から流入する混合物を沈殿分離する固液分離室、および該固液分離室で分離した沈殿物から粒状物質を回収する粒状物質回収サイクロンからなる凝集分離装置において、
前記フロック形成室から混合物を引き抜く引抜用ポンプと、該引抜用ポンプで引き抜いた混合物から粒状物質を排除する粒状物質排除サイクロンと、前記フロック形成室の混合物の濃度を測定する濃度測定器と、該濃度測定器で測定した混合物の濃度に基づき前記引抜用ポンプおよび前記粒状物質排除サイクロンを制御するコントローラとを備えているものである。

この発明は、粒状物質排除手段を備えているので、被処理水に大きな粒状物質が含まれていても、濃度測定手段の測定結果に基づいて被処理水から大きな粒状物質を排除することができ、粒状物質の粒度の分布を管理することができる。したがって、形成したフロックが大きな粒状物質によって破壊されることがないので、フロックの沈降速度すなわち処理速度を良好に維持することができる。また、大きな粒状物質が内部に蓄積することがないので、処理能力を良好に維持することができる。さらに、循環ラインの圧力を高める必要もなく、循環ラインを閉塞させることもないので、保守作業量や運転コストの増加を抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を説明するための実施の形態１における凝集分離装置を示すものである。図１において、この凝集分離装置は例えば合流式下水道越流水（ＣＳＯ）からの原水（被処理水）を処理する処理槽１を備えている。この処理槽１には、その原水を導入するパイプ２、無機凝集剤３を導入するパイプ４、および高分子凝集剤５を導入するパイプ６が通じている。また、処理槽１には、添加物７を備えた添加物供給手段８から添加物７を導入するパイプ９が通じている。処理槽１の最後流側の上部はパイプ１０を介して図示しない水処理施設などに通じており、下部はパイプ１１、循環用ポンプ１２を介して第１のサイクロン（粒状物質回収手段）１３に通じている。そして、第１のサイクロン１３の下部はパイプ１４を介して処理槽１に通じ、上部はパイプ１５を介して図示しない汚泥処理施設などに通じている。なお、無機凝集剤３と高分子凝集剤５の注入位置は、無機凝集剤３を高分子凝集剤５よりも先に注入できるように配置する必要がある。

処理槽１は、上流側から順次に例えば急速攪拌室２１、注入攪拌室２２、フロック形成室２３、および固液分離室２４に分かれている。上述した原水を導入するためのパイプ２と無機凝集剤３からのパイプ４とは急速攪拌室２１に通じており、この急速攪拌室２１には攪拌装置２５が備わっている。また、上述した高分子凝集剤５からのパイプ６と添加物供給手段８からのパイプ９は注入攪拌室２２に通じており、この注入攪拌室２２にも攪拌装置２６が備わっている。そして、フロック形成室２３にも攪拌装置２７が備わっている。なお、高分子凝集剤５の注入点は、注入攪拌室２２またはフロック形成室２３の入口部もしくはフロック形成室２３の攪拌装置２７の真下部のいずれであってもよく、必要に応じて分注すればよい。

通常、原水は砂や懸濁物質と共にＣＯＤ成分、リン成分などを含んでいる。無機凝集剤３は懸濁物質を凝集し易くするためのものであり、塩化鉄、硫酸バンド、ＰＡＣなどとすることができる。高分子凝集剤５は懸濁物質を更に大きくするためのものであり、例えばアニオン系を用いることができる。添加物７は懸濁物質をフロック化する核となり、フロックに重量を与えてその沈降速度を増加させるものであり、この実施の形態１では微粒砂を用いている。また、添加物７は沈降促進剤と呼ばれることもあるが、微粒砂の代りに酸化ジルコニウム、ガーネットなどの不溶性の粒状物質を使用することができる。

なお、この発明に係る凝集分離装置を説明するために用いる混合物とは、原水、無機凝集材３、高分子凝集材５および添加物７が混合したものを指している。また、この発明に係る凝集分離装置を説明するために用いる粒状物質とは、添加物７だけを指すこともあるが、添加物７と原水に含まれている砂との和を指すことが多い。あるいは、この実施の形態１では混合物を急速攪拌室２１から引き抜くので、原水に含まれている砂だけを指す場合もある。したがって、原水に砂が含まれているか否かによって、混合物に含まれている粒状物質の量が増減することになる。

次に、この発明の実施の形態１における凝集処理装置の特徴を説明する。処理槽１のフロック形成室２３には、混合物の中の粒状物質の割合を測定する濃度測定器（濃度測定手段）３１が設けてある。この種の濃度測定器３１には超音波式濃度計、赤外線濃度計などを使用することができる。図１では濃度測定器３１はパイプ３２、３３による循環式として示してあるが、その代りに投込式とすることができる。処理槽１の急速攪拌室２１には、パイプ３４と引抜用ポンプ３５を介して第２のサイクロン（粒状物質排除手段）３６が接続してある。また、引抜用ポンプ３５の後流側において、パイプ３４はバルブ（図示せず）と分岐路３４ａを介して沈砂池などに接続してある。第２のサイクロン３６は、混合物を処理槽１から自然に流下させるように配置することも可能である。第２のサイクロン３６の上部はパイプ３７を介して処理槽１の注入攪拌室２２に通してあり、下部はパイプ３８を介して沈砂池などに通してある。そして、上述の各電気機器はコントローラ（制御手段）３９に電気的に接続してあり、自動制御が可能としてある。

ここで、添加物供給手段８から供給する添加物７の大きさは１００〜４００μｍとしてある。また、第１のサイクロン１３は、１００μｍ以上の大きさの粒状物質を処理槽１へのパイプ１４に流出させ、１００μｍ以下の大きさの粒状物質を含む沈殿物、つまり汚泥を汚泥処理施設などへのパイプ１５に排出するようにしてある。さらに、第２のサイクロン３６は、４００μｍ以上の大きさの粒状物質を沈殿池などへのパイプ３８に排出し、４００μｍ以下の大きさの粒状物質を含んだ混合物を処理槽１へのパイプ３７に流出させるようにしてある。そして、コントローラ３９には、添加物供給手段８、引抜用ポンプ３５などを指令するための基準値が設定してある。

このような構成の凝集分離装置では、処理槽１の急速攪拌室２１に流入した原水に無機凝集剤３が流入し、この無機凝集剤３は攪拌装置２５の作用によって原水中に急速かつ均一に拡散する。次に、無機凝集剤３を含んだ原水は急速攪拌室２１から注入攪拌室２２に流入し、注入攪拌室２２ではその原水に高分子凝集剤５と添加物７が流入し、これらの高分子凝集剤５と添加物７は攪拌装置２６の作用によって原水中に均一に拡散し、混合物となる。さらに、混合物は注入攪拌室２２からフロック形成室２３に流入し、攪拌装置２７の作用を伴ってフロックが粒状物質のまわりに大きく凝集する。そして、フロックを含んだ混合物はフロック形成室２３から固液分離室２４に流入し、粒状物質と共にフロックが沈殿して沈殿物となり、沈殿物の上部には処理水が発生する。この処理水は水処理装置などに向かうパイプ１０に流出する。

一方、固液分離室２４で生じた沈殿物は、パイプ１１と循環用ポンプ１２を介して第１のサイクロン１３に流入する。第１のサイクロン１３は、沈殿物の中から１００μｍ以上の大きさの粒状物質を分離して処理槽１へのパイプ１４に排出し、残った汚泥を汚泥処理施設などへのパイプ１５に排出する。このように、粒状物質は処理槽１、パイプ１１、循環用ポンプ１２、第１のサイクロン１３、パイプ１４を循環しながらフロックを形成するための核となり、フロックの沈降速度を増大させて処理能力を良好に維持する。

この間に、濃度測定器３１は処理槽１から混合物を導入し、混合物中の粒状物質の割合を測定する。コントローラ３９は濃度測定器３１からの測定値と予め設定してある基準値とを比較する。そして、測定値が基準値よりも小さくなったときに、コントローラ３９は添加物供給手段８を指令し、測定値が基準値に一致するまで添加物７を処理槽１内に供給する。これに対し、雨水などが合流して濃度測定器３１の測定値が上昇した場合には、コントローラ３９は引抜用ポンプ３５を指令し、急速攪拌室２１から混合物を引き抜いて第２のサイクロン３６に向けるか沈砂池などへ向ける。

すなわち、最初にコントローラ３９は混合物が第２のサイクロン３６に向かうように制御する。これにより、第２のサイクロン３６は４００μｍ以上の大きさの粒状物質を沈砂池などへのパイプ３８に排出し、４００μｍ以下の大きさの粒状物質を含む混合物を処理槽１へのパイプ３７に流出させる。一方、所定の時間が経過しても測定値が基準値まで低下しない場合には、コントローラ３９は混合物が分岐路３４ａを介して沈砂池などへ向かうように制御する。そして、測定値が基準値まで低下したときに、コントローラ３９は引抜用ポンプ３５の作動を停止させる。

上記装置内を循環する添加物７の量を１５０ｋｇとし、第１回目に装置を４時間稼動させた。この間に、１時間目、２時間目、３時間目の濃度はそれぞれ１００００ｍｇ／Ｌ、１２５００ｍｇ／Ｌ、１３０００ｍｇ／Ｌと時間ごとに増加した。そのときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合はそれぞれ０％、１０％、２０％であった。そして、濃度が１３０００ｍｇ／Ｌになったときに引抜用ポンプ３５と第２のサイクロン３６が５分間作動した。これにより、１０分後には濃度が１１０００ｍｇ／Ｌに低下し、このときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合は１５％であった。そして、合計４時間後の濃度は１１５００ｍｇ／Ｌとなり、このときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合は２０％であった。

２回目の運転は１回目に停止したときと同じ条件で開始した。１時間目、２時間目の濃度はそれぞれ１２０００ｍｇ／Ｌ、１３０００ｍｇ／Ｌと時間ごとに増加した。そのときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合はそれぞれ３０％、３６％であった。そして、濃度が１３０００ｍｇ／Ｌになったときに引抜用ポンプ３５と第のサイクロン３６が５分間作動した。これにより、５分後には濃度が１４０００ｍｇ／Ｌになり、このときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合は２５％であった。同時に、引抜用ポンプ３５と第２のサイクロン３６が更に作動し、５分後には濃度が１１５００ｍｇ／Ｌに低下し、このときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合は２０％であった。そして、合計３時間目、４時間目の濃度はそれぞれ１１０００ｍｇ／Ｌ、１１５００ｍｇ／Ｌとなり、そのときの４００μｍ以上の大きさの粒状物質の割合はそれぞれ２３％、２０％であった。

このように、実施の形態１における凝集分離装置では、濃度が５０００〜１４０００ｍｇ／Ｌの範囲で運転した場合に、懸濁物質除去率が８０％以上という結果を得て、良好に運転できた。これに対し、従来の凝集分離装置では、濃度が１００００ｍｇ／Ｌ程度である場合で、４００μｍ以下の大きさの粒状物質が１００％（４００μｍ以上の大きさの粒状物質が０％）であるときに除去率は８５％であり、４００μｍ以下の大きさの粒状物質が８０％（４００μｍ以上の大きさの粒状物質が２０％）であるときは除去率が８２％となり、４００μｍ以上の大きさの粒状物質が増加すると除去率が低下した。

以上のように、この実施の形態１における凝集分離装置では、第１のサイクロン１３によって処理槽１内の混合物中の粒状物質の大きさを１００μｍ以上に維持するとともに、大きな粒状物質を含んだ原水が処理槽１に流入した場合には、その大きな粒状物質を第２のサイクロン３６によって排除するか、分岐路３４ａを介して外部へ直接排除するので、混合物中の粒状物質の大きさを１００〜４００μｍの範囲内に自動的に維持すること、すなわち混合物中の粒状物質の大きさ（粒度）を自動管理することができる。

したがって、この実施の形態１における凝集分離装置では、流入した原水に含まれている粒状物質によってフロックが破壊されるようなことはなく、フロックを良好に形成することができ、処理速度を良好に維持することができる。また、粒状物質が循環しても内部に蓄積することはなく、処理能力を低下させることはない。さらに、循環用ポンプ１２の吐出圧力を上昇させる必要がなく、運転コストの上昇を抑制することができる。また、粒状物質がパイプ１１、１４などの循環ラインを閉塞させることがないので、処理能力を良好に維持し、かつ保守作業量の増加を抑制することができる。そして、混合物を急速攪拌室２１から引き抜くので、処理槽１に流入した直後の大きな粒状物質を引き抜くことになり、大きな粒状物質による影響を最小限に抑えることができる。

実施の形態２．
図２は、この発明を説明するための実施の形態２における凝集分離装置を示すものである。図１と同一の部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。上述の実施の形態１における濃度測定器３１は混合物を処理槽１の底部から引き抜く循環式としたが、この実施の形態２における濃度測定器４１はセンサ式として処理槽１の上方に設けてある。すなわち、濃度測定器４１のセンサ部４１ａを処理槽１内の所定位置に設け、センサ部４１ａに至るリード線をパイプ４２で保護してある。この際に、センサ部４１ａを実施の形態１のパイプ３２の取込口３２ａと同様な位置に設ければ、実施の形態１と同等の測定値を得ることができる。また、この濃度測定器４１はセンサ式に代えて実施の形態１と同様に循環式または投込式としてもよいことは言うまでもない。

そのうえに、上述の実施の形態１では混合物を処理槽１の急速攪拌室２１の底壁から引き抜いたが、この実施の形態２ではフロック形成室２３の底壁から引き抜いている。すなわち、フロック形成室２３には、パイプ４３と引抜用ポンプ４４を介して第２のサイクロン４５が接続してある。また、引抜用ポンプ４４と第２のサイクロン４５の間において、パイプ４３はバルブ（図示せず）と分岐路４３ａを介して沈砂池などに接続してある。第２のサイクロン４５の上部はパイプ４６を介して処理槽１の注入攪拌室２２に接続してあり、下部はパイプ４７を介して沈砂池などに接続してある。そして、各電気機器はコントローラ４８に接続し、自動制御を可能としてある。

さらに、この実施の形態２における濃度測定器４１、第２のサイクロン４５およびコントローラ４８は上述の実施の形態１における濃度測定器３１、第２のサイクロン３６およびコントローラ３９と同様としてある。したがって、この実施の形態２における凝集分離装置は、固液分離室２４に流出する直前の大きな粒状物質を排除することができるので、第１のサイクロン１３から処理槽１に戻る粒状物質の大きさが４００μｍ以下に限定され、処理能力を向上させることができる。

実施の形態３．
図３は、この発明を説明するための実施の形態３における凝集分離装置を示すものである。この実施の形態３における凝集分離装置は実施の形態２の変形としてあるので、図２と同一の部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。上述の実施の形態２では処理槽１を４室で構成したが、この実施の形態３では実施の形態２で存在していた急速攪拌室２１を省き、処理槽５１を注入攪拌室２２、フロック形成室２３および固液分離室２４の３室で構成してある。さらに、無機凝集剤３からのパイプ４は原水を導入するパイプ５２の途中に連通してある。したがって、この実施の形態３における凝集分離装置は実施の形態２と同様な作用効果を奏するうえに、実施の形態２では必要であった急速攪拌室２１を省いたことにより設置スペースを狭くすることができ、かつ実施の形態２では必要であった攪拌装置２５が不要となったことにより設備コストおよび運転コストを削減することができる。

実施の形態４．
図４は、この発明を説明するための実施の形態４における凝集分離装置を示すものである。この実施の形態４における凝集分離装置は実施の形態１の変形であるので、図１と同一の部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。上述の実施の形態１では処理槽１を１つで構成したが、この実施の形態４では実施の形態１の処理槽１を第１の処理槽５３と第２の処理槽５４に分割し、第１の処理槽５３を急速攪拌室２１、注入攪拌室２２およびフロック形成室２３の３室で構成し、第２の処理槽５４に固液分離室２４を含めてある。そして、第１の処理槽５３と第２の処理槽５４をパイプ５５によって接続してある。この実施の形態４における凝集分離装置は、実施の形態１と同様な作用効果を奏するうえに、第２の処理槽５４の配置の自由度が向上し、設置スペースの有効利用が可能となる。

以上、この発明に係る凝集処理装置を実施の形態１〜４において説明したが、当業者であれば上述の実施の形態１〜４は例として説明したものであって、特許請求の範囲を逸脱することなくその他いろいろな例が可能であることが分かるであろう。例えば、濃度測定器３１、４１には超音波式濃度計、赤外線濃度計以外の型式のものを使用することができ、第１のサイクロン１３、第２のサイクロン３６、４５はその他の形式の分離手段を用いることができる。また、コントローラ３９、４８によって全体を自動制御するように構成したが、一部を手動操作するように構成することができる。さらに、基準値である１００μｍや４００μｍが実質的で概略的な数値であること、コントローラ３９、４８に設定する粒状物質の基準値や濃度の基準値が原水や処理水の質や量などに合わせて変更可能であることも言うまでもない。

その他に、原水を処理槽１、５１、５３に導入するパイプ２、５２はコンクリート製などの流路であってもよいことは言うまでもない。また、図１〜図４において、添加物供給手段８からのパイプ９と第１のサイクロン１３からのパイプ１４とを合流させてあるが、合流させる必要のないことも言うまでもない。この場合に、第１のサイクロン１３からのパイプ１４の注入位置は高分子凝集剤５からのパイプ６の注入位置の近傍に位置させるのが好ましいが、必要に応じてフロック形成室２３に位置させてもよく、この場合も同様の作用効果が得られる。そして、引抜用ポンプ３５、４４は処理槽１、５１、５３から離して図示してあるが、それらの底壁に設置することができる。また、引抜用ポンプ３５、４４による混合物の引抜きを容易にするため、処理槽１、５１、５３内に掻寄機、スクリューコンベアなどを設けたり、処理槽１、５１、５３の底壁を傾斜させたりすることも望ましい。

この発明の活用例として、上記の合流式水道越流水（ＣＳＯ）の処理に加えて、全体的には河川、湖沼、海域などの浄化、より詳細には下水二次処理水の高度処理、降雨時流出水の処理などがある。また、この発明は好気性ろ床などの逆洗排水処理、最初沈殿池の代替、降雨時の初期汚濁水対策などにも利用可能である。

この発明の実施の形態１における凝集分離装置を示す概略ブロック構成図である。 この発明の実施の形態２における凝集分離装置を示す概略ブロック構成図である。 この発明の実施の形態３における凝集分離装置を示す概略ブロック構成図である。 この発明の実施の形態４における凝集分離装置を示す概略ブロック構成図である。

符号の説明

１、５１、５３ 処理槽
３ 無機凝集剤供給手段
５ 高分子凝集剤供給手段
８ 添加物供給手段
１３ 第１のサイクロン（粒状物質回収手段）
３１、４１ 濃度測定器（濃度測定手段）
３６、４５ 第２のサイクロン（粒状物質排除手段）

Claims (1)

1. 無機凝集剤が注入された原水に添加物を注入して撹拌する注入撹拌室、
   該注入撹拌室から流入する混合物を撹拌するフロック形成室、
   該フロック形成室から流入する混合物を沈殿分離する固液分離室、
   および
   該固液分離室で分離した沈殿物から粒状物質を回収する粒状物質回収サイクロン
   からなる凝集分離装置において、
   前記フロック形成室から混合物を引き抜く引抜用ポンプと、
   該引抜用ポンプで引き抜いた混合物から粒状物質を排除する粒状物質排除サイクロンと、
   前記フロック形成室の混合物の濃度を測定する濃度測定器と、
   該濃度測定器で測定した混合物の濃度に基づき
   前記引抜用ポンプおよび前記粒状物質排除サイクロンを制御するコントローラと
   を備えていることを特徴とする凝集分離装置。

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