JP4317668B2

JP4317668B2 - 膜磁気分離装置

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Publication number: JP4317668B2
Application number: JP2001078315A
Authority: JP
Inventors: 典英佐保; 隆司水守; 規世西嶋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: DE60127378T2; EP1243559B1; EP1243559A3; EP1243559A2; JP2002273261A; DE60127378D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水質浄化や固液分離等を行なうための膜磁気分離装置に係り、特に被処理水中の磁性物質を通水分離膜により捕捉しこの磁性物質を剥離して磁気的に捕捉して排出するようにした膜磁気分離装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
固液分離等を目的とし、細めの金網等を通水分離膜として粒子を膜で分離し除去する浄化装置が、例えば科学技術誌ＭＯＬ Vol.22, No.12 p47-51, (1984) に記載されている。このような浄化装置においては、ステンレスのウール状磁性細線等でフィルタ部を構成し、このフィルター部を磁場空間の中に配置し、そのフィルター部を被処理水が通過するように構成される。被処理水中の被処理物（例えばアオコや有機物等の汚濁物質）は、その投影面積（または投影直径）が、フィルター部の開口部投影面積よりも大きい場合通過できず捕捉分離され、フィルター部を透過した水は浄化水となる。このまま、同じフィルター部に被処理水を通水し続けると、フィルター部の入口側に被処理物が堆積して通水抵抗が増大し、通水量が極端に低下する。このため、被処理水の通水を停止し、堆積した被処理物のあるフィルター部に浄化水を逆方向から流してフィルター部を洗浄する。その洗浄水と剥離された被処理物の混合水をスラッジとして分離部系から排除し、フィルター部を洗浄再生した後、再び被処理水の通水を開始する構成としている。
【０００３】
また、開口部の投影面積（投影直径）よりも小さい微細な汚濁物質も分離する場合には、予め被処理水に、磁性粉を添加し、凝集剤の硫酸バン土やポリ塩化アルミニウムやポリ硫酸鉄を加えてアルミニュウムイオンや鉄イオンを発生させて撹絆し、被除去物である被処理水中の固形浮遊物や藻類、菌類、微生物等の汚濁物と磁性粉を凝縮剤によって数百マイクロメートル程度の大きさに結合された磁性フロックが形成される。このようにフロックとすることにより、数十マイクロメートルの開口部を有するフィルター部でも微細な汚濁物質を高い除去率で捕捉分離でき、水質の高い浄化水を得ることができる。フィルター部の洗浄構成は上記と同様である。スラッジは最終的には、トラックで処分場や焼却場に運搬されたり、或いはコンポスト化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例では、被処理物が堆積したフィルター部を洗浄水を使用して洗浄し、その洗浄水と被処理物の混合水をスラッジとして分離部系から排除する構成であるため、スラッジの含水率が極めて大きくなってしまっていた。
【０００５】
スラッジをトラックで処分場や焼却場に運搬する場合、スラッジから水が漏れないようにするためには含水率を約８５％に、或いはコンポスト化する場合にはコンポスト時の有機物を分解する微生物の活性化を図るため含水率を約７５％にするように、運搬前やコンポスト処理前にスラッジの含水率を小さくしなければならない。しかし、前述した洗浄水と被処理物の混合水をスラッジとして分離部系から排除する場合のスラッジの含水率は高く９９．５％程度であり、スラッジの体積は運搬時のスラッジの含水率８５％の場合に比べて３０倍にも達する。この差分の水分を脱水する必要があり、スラッジは更に遠心脱水機やベルトプレス機等の脱水手段を使用して脱水処理が行われる。脱水手段投入部でのスラッジの含水率が大きければ大きいほど、処理能力の大きな脱水手段が必要となり、装置コストや運転エネルギー費が増大するという課題があった。
【０００６】
また、従来例では、フィルター部に被処理物が堆積した場合に被処理水の通水を停止し、堆積した被処理物のあるフィルター部に浄化水を逆方向から流して洗浄し、その洗浄水と剥離された被処理物の混合水をスラッジとして分離部系から排除してフィルター部を再生した後、再び被処理水の通水を開始する構成であるため、フィルター部に堆積した被処理物を洗浄することと被処理水中の被処理物を膜へ堆積させることとを交互に行なう必要があり、連続的に濾過することが困難で浄化容量の低下を招くという課題があった。
【０００７】
さらに、従来例では、単なる平面的なフィルター部であるために、フィルター部の通水面積を増大しようとすると、浄化装置の外形が大きくなってしまうため、大量の被処理水の濾過を行なうことが難しいという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、被処理水に含まれる被除去物を大量に効率よく確実に分離可能で、含水率の少ない高密度の被除去物のスラッジを排出することができる膜磁気分離装置を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の代表的な特徴は、被処理水に磁性物を添加し前記被処理水中の汚濁物と前記磁性物を凝集させた被除去物が含まれる前処理水中の前記被除去物が通過できない目開きを有し、この前処理水を濾過する膜による濾過手段と、この濾過手段に堆積した前記被除去物を前記濾過手段の表面から流体力で剥離させる洗浄手段と、前記濾過手段から剥離された前記被除去物に磁場を作用させる磁場発生手段側に移送するための移送手段と、移送されて磁性を有する前記被除去物を捕捉し、磁場発生手段による磁場強度の大きい部分から磁場強度の小さい部分に前記捕捉された前記被除去物を移動するための捕捉移動手段と、磁場強度が小さい部分に移動された前記捕捉移動手段上の磁性を有する前記被除去物を掻き取るための掻き取り手段と、掻き取られた前記被除去物を回収する回収手段とを備える構成にしたことにある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施例における特徴を述べる。被処理水に磁性粉を添加し、凝集剤の硫酸バン土やポリ塩化アルミニウムやポリ硫酸鉄を加えてアルミニュウムイオンや鉄イオンを発生させて撹絆し、被除去物である被処理水中の固形浮遊物や藻類、菌類、微生物等の汚濁物と磁性粉を凝縮剤によって数百マイクロメートル程度の大きさに結合させた磁性フロックを形成させる。或いは、被処理水に化学反応により磁性を有するような物質を加えて磁性粒子を生成し、被除去物である被処理水中の固形浮遊物や藻類、菌類、微生物等の汚濁物を前記磁性粒子に吸着させ、数百マイクロメートル程度の大きさに結合させた磁性フロックを形成させる。或いは、被処理水中にアルミニュウムや鉄電極を配置し、電気化学反応によりアルミニュウムイオンや鉄イオンを発生させて撹絆し、被除去物である被処理水中の固形浮遊物や藻類、菌類、微生物等の汚濁物と磁性粉を、凝縮剤によって数百マイクロメートル程度の大きさに結合させた磁性フロックを形成させる。この磁性フロックは数十マイクロメートルの目開きを有した開口部を通過できず高い除去率で捕捉分離され堆積物となり、膜を透過した水は水質に優れた浄化水となる。
【００１１】
開口部を形成する膜を回転するドラム状の濾過ユニットの両側面及び外周面に設置し、この濾過ユニットを回転軸の軸方向に複数段に配置する。被処理水液面以下の部位にある磁性フロック堆積物を有する膜面を被処理水液面上の大気部まで移動させる。大気部に移動した膜面上の磁性フロックは、濾過ユニットの内側に配置した洗浄水ノズルから噴射される洗浄水で膜面上から洗い流されて剥離し、移送手段により磁場発生手段側に移送される。
【００１２】
被処理水液面部に磁場発生手段を配置し、更にこの磁場発生手段を囲むように捕捉移動体を配置する。移送手段により移送された磁性フロックは、磁場発生手段の磁気力が作用して捕捉移動手段側に移動し、捕捉移動体上に付着する。この時の磁気力で磁性フロック中の或る程度の余分な非磁性物質である水分は磁性フロックから分離し、重力で捕捉移動体面を伝って流下したり滴下して含水率は低下する。また、磁場発生手段の磁気力により磁性フロックは移動体面上で磁気圧縮され磁性フロック中の余分な水分は磁性フロックから押し出され、重力で移動体面を伝って流下したり滴下して含水率は更に含水率は低下し、含水率は例えば９５％程度まで低下する。
【００１３】
捕捉移動体は単独で磁場発生手段から遠ざかる方向に移動し、磁気力が減少した部位で例えばへら等の掻き取り手段で捕捉移動体面上から掻き取り、磁性フロックを剥離させこれをスラッジとして分離部から除去する。
【００１４】
この場合、洗浄水を使用して膜面を確実に再生でき、再び被処理水液面以下の部位に戻す。一方、移動体面はへらで磁性物を剥した後再生され、捕捉移動体は再び磁場発生手段に近づく方向に移動し、磁性フロックをその面上に付着させる。なお、洗浄水としては、例えば膜を通過した水をポンプ等で加圧して使用する。
【００１５】
本構造により、磁場発生手段及び捕捉移動手段で捕捉されて移動する際に水分を除去できるので、含水率９５％程度の高濃度スラッジとして回収できる。従って、スラッジの体積は、従来技術の洗浄水と堆積物の混合水をスラッジとして分離部系から排除するスラッジの含水率９９．５％の場合に比べ、約１／１０となる。このため、スラッジをトラックで処分場や焼却場に運搬する場合やコンポスト化する場合、運搬時にスラッジから水が漏れないように含水率を約８５％にする場合や、コンポストにするために有機物を分解する微生物の活性化を図るように含水率を約７５％にする場合、スラッジの含水率を小さくするため、遠心脱水機やベルトプレス機等の脱水手段が必要とされるが、それらの脱水手段の処理量は従来に比べ１／１０の能力のものでよく、かつ脱水水分量も１／１０でよいから、脱水手段の装置コストや運転エネルギー費が大幅に低減できる。
【００１６】
また、本構造により、膜の通水面積を増大して大量の被処理水を通水し、多量の磁性フロックが膜に堆積しても洗浄水の流体力で確実に剥離することができると共に、移送手段により剥離した多量の磁性フロックを磁場発生手段側に移動し、磁場発生手段及び捕捉移動体を用いて良好に排出することができる。
【００１７】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づき説明する。図１〜図６は本発明の第１実施例である。図１は本発明の第１実施例を示す膜磁気分離装置とその周辺の系統図、図２は図１に示す膜磁気分離装置の縦断面図、図３は図２の膜磁気分離装置の要部を断面で示した平面図、図４は図２の膜磁気分離装置の膜ユニット単体の正面図、図５は図４の膜ユニットのユニット枠単体の正面図、図６は図４の膜ユニットを取り付ける際に使用するパッキンの正面図である。
【００１８】
図１に示すように、被処理水である原水は、水源（例えば貯水池）１から、導管２、大きなゴミを取るためのフィルタ３を通り、ポンプ４によって原水貯槽５に汲み上げられる。この原水６にシーディング剤調整装置７から、四三酸化鉄等の磁性粉、ｐＨ調整剤、アルミニュウムイオンや鉄イオンを提供する凝集剤（ポリ塩化アルミニウム、塩化鉄、硫酸第二鉄等の水溶液等）、及び高分子補強剤等を導管８を通じて加え、撹絆槽９に供給される。攪拌槽９にはモータ１０で回転駆動される攪拌翼１１が設けられ、これにより撹絆されて数百マイクロメートル〜数ミリメートル程度の大きさの磁性フロックが形成され、前処理水１２として生成される。前処理水１２は矢印Ａで示すように導管１３を通り、膜磁気分離装置１４に通水される。
【００１９】
図２及び図３により複数段の膜磁気分離装置１４の構造を説明する。通水分離膜を構成する膜１５は、ステンレス鋼の細線、銅の細線、或いはポリエステル繊維等で網状構成され、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの目開きの開口部を有している。この膜１５は、円周の四分の一の大きさの扇状に形成され、その両側から外周部を保持するように枠１８（図５参照）が例えばエポキシ樹脂等の接着剤で気密的に接着されている。この膜１５及び枠１８により膜ユニット１６（単体状態の図４参照）が構成される。
【００２０】
膜ユニット１６は、濾過ユニット本体１７の両側面に水密性を有するパッキン２０（図６参照）を介してビス等で取り付けらている。具体的には、膜ユニット１６は、ドラム状の濾過ユニット本体１７の両側面の開口を覆うようにビス孔１１０にビス等を通して取り付けられている。なお、図２においては、説明のために４分の１の側面にしか膜ユニット１６を配置して示していないが、実際には側面全周にわたって四つの膜ユニット１６が配置された状態で運転される。そして、濾過ユニット本体１７は、外周面及び両側面が開口された中空のドラム形状をした枠体で形成されている。
【００２１】
通水分離膜を構成する膜２２は、膜１５と同様に、ステンレス鋼の細線、銅の細線、或いはポリエステル繊維等で網状に構成され、数マイクロメートルから数十マイクロメートルの目開きの開口部を有している。この膜２２は、濾過ユニット本体１７の外周面の開口を塞ぐように全周にわたって取り付けられている。膜１５を有する膜ユニット１６、濾過ユニット本体１７及び膜２２によりドラム状の濾過ユニット１９が構成される。このように濾過ユニット１９の外周面及び両側面に膜１５及び膜２２を有することにより、濾過面積が大幅に増大し、浄化容量を大幅に増大することができる。
【００２２】
濾過ユニット１９は、回転する水平な中空軸２３に複数段（この実施例では２段）に取り付けられ、回転可能に配置されて濾過手段が構成される。中空軸２３は、複数段の濾過ユニット１９の中央を貫通して設けられ、その一側端部がロッド２４に接合され、他側端部が外槽２６のノズル２７内に挿入されて支持されている。ロッド２４は、外槽２６のノズル７５内に挿入されて支持され、その先端部が外槽２６外部に突出してモータ２５の回転軸に取り付けられている。
【００２３】
また、このロッド２４は、外槽２６のノズル７５内において、摺動抵抗が小さい高分子材料等で製作されたリング状の摺動体７６、７７で水密性を維持しながら回転摺動するように支持されている。そして、中空軸２３の他側端部は、外槽２６のノズル２７内において、摺動抵抗が小さい高分子材料等で製作されたリング状の摺動体２８、２９で水密性を維持しながら回転摺動するように支持されている。また、中空軸２３の他側端部は、水槽３８内に浄化水５６を供給するように、外槽２６のノズル２７より外方において開口されている。
【００２４】
上述した摺動体２８、２９の間には、ノズル２７に設けられた通水口３０から、外槽２６の内部の前処理水１２の水圧より若干圧力の高い水が導入されるように構成されている。例えば、図示していないが、外槽２６の内部の前処理水１２の水位よりも高い位置に設けた水槽に、浄化水５６の一部をポンプで揚水させ、この水槽下部と通水口３０を導管で連通させることで、前処理水１２の水圧より若干圧力が高い水の導入が実現できる。摺動体７６、７７の間には、上記と同様にして、ノズル７５に設けられた通水口７８から、外槽２６の内部の前処理水１２の水圧より若干圧力の高い水が導入されるように構成されている。このように構成することにより、より一層水密性を向上することができる。
【００２５】
モータ２５が回転することにより、ロッド２４を介して中空軸２３が回転され、これに伴って濾過ユニット１９が水平な回転軸心で回転する。濾過ユニット１９は、前処理水１２の液面が中央に位置するように配置され、下半分が前処理水１２内に浸漬され、回転によって浸漬部が大気部に連続的に露出される。
【００２６】
洗浄水配管３４は、中空軸２３内に同軸に延びるように設けられその中央配管と、膜１５及び２２の内側に対向して配置された洗浄ノズル３５〜３７に連通するように中空軸２３を貫通して半径方向に延びる配管とから構成されている。この洗浄水配管３４は、中空軸２３から排水される浄化水を受ける水槽３８内に溜まった浄化水の一部を使用するポンプ３９に連通されている。洗浄ノズル３５〜３７は、濾過ユニット１９内に配置されている。洗浄ノズル３５、３６は、前処理水１２の液面上方に位置する部分で、両側面の膜１５の半径方向の全幅にわたって洗浄水を噴射できるように設けられている。また、洗浄ノズル３７は、前処理水１２の液面上方に位置する部分で、外周面の膜２２の軸方向のほぼ全幅にわたって洗浄水を噴射できるように設けられている。
【００２７】
水槽３８の浄化水は、ポンプ３９を運転することにより、洗浄水配管３４に供給され、さらに洗浄ノズル３５〜３７から膜１５及び膜２２に噴射される。これにより、膜１５及び膜２２に堆積された磁性フロック５５が剥離される。この場合、濾過ユニット１９を回転することにより、洗浄ノズル３５〜３７から噴射される洗浄水で膜が一回転中に一度必ず洗浄されるようになっているので、連続的に洗浄が行われる。このように洗浄手段はポンプ３９、洗浄水配管３４、洗浄ノズル３５〜３７により構成される。
【００２８】
一方、捕捉移動手段を構成する円筒体４１は、非磁性のステンレス鋼製やプラスチック製等で形成されており、その両端部が外槽２６のノズル４３内に挿入され支持されている。この円筒体４１の両端部は、外槽２６の両側のノズル４３内において、摺動抵抗が小さい高分子材料等で製作されたリング状の摺動体４４、４５で水密性を維持しながら回転摺動するように支持されている。摺動体４４、４５の間には、上述したノズル２７、７５の場合と同様にして、ノズル４３に設けられた通水口４６から、外槽２６の内部の前処理水１２の水圧より若干圧力の高い水が導入されるように構成されている。
【００２９】
円筒体４１の一端のフランジ４８はロッド４９に接合され、ロッド４９はモータ５０の回転軸に取り付けられている。従って、モータ５０を回転することにより、円筒体４１が回転する。そして、円筒体４１は、その回転軸心が濾過ユニット１９の回転軸心とほぼ同じ高さに位置して対向するように配置され、その下半分が前処理水１２に浸漬する状態で回転可能に配置される。
【００３０】
磁場発生手段を構成する磁石４０は、高温超電導バルク体磁石やレーストラック型の超電導コイル式磁石で構成され、本実施例では永久磁石群となるように円筒体４１の内部で支持材４２に固定されている。磁石４０群は、円筒体４１に近接して前処理水１２の液面部の高さ位置に対向して配置されている。これにより、円筒体４１は、磁石４０群が近接している部分が磁場強度の大きい部分となり、これから離れている部分が磁場強度の小さい部分となる。なお、磁石４０群を固定した支持材４２は、円筒体４１の他端開口から挿入され、外槽２６に図示しない支持部材を介して固定されている。
【００３１】
掻き取り手段を構成する平板状のへら５１は、外槽２６にばね等の弾性体を介して支持固定され、その一端部が円筒体４１の磁場強度の小さい部分の表面に軽く接触するように配置され、他端部がスラッジ槽５３の上部に位置するように配置されている。へら５１の両側には側壁６９が取り付けられ、スラッジが前処理水１２側に漏れるのを防止するように構成されている。側壁６９及びへら１５は前処理水側とは水密性を有している。なお、へら１５の先端は硬質ゴム等で構成することが好ましい。
【００３２】
また、濾過ユニット１９間及び濾過ユニット１９と外槽２６との間には、樋５４がそれぞれ配置され、外槽２６に支持材を介して固定されている。この樋５４は、移送手段を構成するものであり、前処理水１２の液面の上方に位置すると共に、洗浄水配管３４、３５の若干下方に位置してこれらより若干両側に長く延びており、膜１５を洗浄した洗浄水及び剥離された磁性フロック５５を円筒体４１近傍に移送するように傾斜して設けられている。
【００３３】
また、水避け板５９は、移送手段を構成するものであり、濾過ユニット１９外周面と円筒体４１の間に位置して洗浄ノズル３７に対向して配置され、洗浄ノズル３７からのシャワー水が円筒体４１に降りかかることを防止すると共に、剥離された磁性フロック５５を円筒体４１の近傍に移送する機能を有している。
【００３４】
前処理水１２は、外槽２６の底部に連通された導管１３から外槽２６内の濾過ユニット１９外側に流入され、さらに膜１５、２２を通過して濾過ユニット１９内に通水される。この時、前処理水中の磁性フロック５５は膜１５、２２の外面に捕捉され、膜１５、２２を通過して磁性フロック５５が分離された水は浄化水５６となり、図３矢印Ｂで示すように中空軸２３から外槽２６の外部に流出する。この流出した浄化水５６は、水槽３１に一旦貯められ、配管５７を通って貯水池１に放流される。前処理水１２が膜１５、２２を通水する動力は前処理水１２と浄化水５６との間の液面位差である。
【００３５】
磁性フロック５５は、図２で時計回りに回転する濾過ユニット１９の膜１５、２２が前処理水１２に浸漬されている部分の外面に濾過され、通水抵抗によって膜面に付着し、堆積物となって前処理水１２の液面側に移動し、さらにその液面上方の大気部に移動した後、洗浄ノズル３５〜３７から放出されるシャワー水により剥離される。このように、膜１５、２２は液面上方に移動した部分で磁性フロック５５が剥離されて再生される。
【００３６】
さらに、磁性フロック５５は樋５４及び水避け板５９により磁石４０群及びそれに近接する円筒体４１の近傍に位置する前処理水１２の水面部に移送される。すなわち、濾過ユニット１９の両側面に配置された膜１５から剥離された磁性フロック５５は、洗浄水と一緒に樋５４を伝わり円筒体４１側に流される。また、濾過ユニット１９の外周面に配置された膜２２から剥離された磁性フロック５５は、洗浄水と一緒に水避け板５９に衝突して円筒体４１の近傍の前処理水１２面上に流下される。ここで、膜１５から剥離された磁性フロック５５は、剥離した個所の直下の前処理水１２の水面には落下しないので、直ぐに再び膜１５で濾過され膜面を詰まらせることがない。従って、膜１５の通水速度を低下させずに高い通水速度を維持できるので、浄化容量を大きくすることができる。
【００３７】
磁石４０群及びそれに近接する円筒体４１の近傍に位置する前処理水１２の水面部に移送された磁性フロック５５は、例えば表面磁場強度０．５テスラの磁石４０群の磁気勾配により磁石４０群に向かって高速で磁気力で移動する。この移動した磁性フロック５５は、磁石４０群の外側を回転移動する非磁性のステンレス鋼製やプラスチック製等の円筒体４１面上に付着する。従って、膜１５、２２から剥離された磁性フロック５５は樋５４及び水避け板５９により効率よく円筒体４１面上に付着する。
【００３８】
図２で反時計回りに回転する円筒体４１上に付着した磁性フロック５５は水面上の大気部に露出する。この時の磁性フロック５５中の余分な水分が重力分離し、円筒体４１面上を流下したり滴下し、磁性フロック５５が濃縮され、さらには、磁石４０群の磁気力により磁気圧縮されて磁性フロック５５が濃縮される。そして、水避け板５９により、洗浄ノズル３７からのシャワー水が円筒体４１上の磁性フロック５５に降りかかることを防止しているので、磁性フロック５５の濃縮が可能である。このようにして、モータ５０の回転動力の少ないエネルギーで磁性フロック５５の含水率は９５％程度まで低下させることができる。
【００３９】
円筒体４１面上の濃縮された磁性フロック５５は、円筒体４１の回転により回転移動し、磁石４０群から遠ざかることによって磁石４０群による磁気吸引力が小さくなり、掻き取り手段の平板状のへら５１で円筒体４１面上で剥離され、スラッジ槽５３にスラッジとして分離捕集される。スラッジ槽５３内のスラッジは、スラッジ槽５３下部に配置したかき寄せ板６０群とこれに結合したロッド６１をモータ６２で回転させることにより、後方に移送されて出口６３から排出される。
【００４０】
排出されたスラッジは、図１に示すように配管６４を通してスラッジ槽６５に貯められる。そして、運搬時にスラッジから水が漏れないように含水率が約８５％に、或いはコンポスト時の有機物を分解する微生物の活性化を図るために含水率が約７５％になるように、運搬前或いはコンポスト処理前に遠心分離機やベルトプレス機等の脱水手段６６によって濃縮される。この濃縮されたスラッジは、スラッジ槽６５からトラックで処分場や焼却場に運搬したり、後段の堆肥化槽６７に流路６８を通して移送されて堆肥化槽６７でコンポスト化される。なお、堆肥化した後、堆肥を粉状に破砕し肥料中の磁性粉や生成磁性物質を他の磁石磁気分離装置で回収して再利用しても良い。
【００４１】
また、前処理水１２を生成する過程で磁性フロック５５に取りこまれず、かつ膜１５、２２で濾過され、洗浄水で前処理水１２に戻された非磁性の汚濁粒子は、次第に壁７０で仕切られた円筒体４０下部の内槽７１の底部に沈降する。これらは、ポンプ１７１により定期的に取水口７３から吸い込まれ、導管７４を通り原水貯槽５の上流側に戻され、磁性フロック５５化されて磁気力により分離される。
【００４２】
本実施例によれば、ドラム状の濾過ユニット１９の外周面のみならず側面にも膜２２、１５を設けているので、通水膜面積を大きくでき、浄化容量を増大できる。また、膜１５を濾過ユニット１９の両側面に設けているので、さらに通水膜面積を大きくできて浄化容量を増大することができる。特に、このような濾過ユニット１９を複数段設けているので、通水膜面積を飛躍的に増大することができ、浄化容量を格段に増大することができる。そして、濾過ユニット１９の膜１５面から剥離された磁性フロック５５を樋５４により磁石４０の磁界内に導くことができる。これにより、膜１５から洗浄されて剥離した磁性フロック５５は、剥離した個所の下方の前処理水１２の水面には落下しないので、膜１５の通水速度を低下させずに高い通水速度を維持でき、通水面積を広く取れることと相俟って、浄化容量を大きくすることができる。また、磁石４０近傍に集められた磁性フロック５５を磁気分離で回転円筒体４１外面上に捕集し、これを水面上に移動させて分離できるので、含水率９５％程度の高濃度スラッジで回収できる。従って、スラッジの体積は、従来技術の水による洗浄後のスラッジの含水率９９．５％の場合に比べ、約１／１０となる。従って、スラッジをトラックで処分場や焼却場に運搬する場合やコンポスト化する場合の処理前にスラジの含水率を小さくするための、遠心脱水機やベルトプレス機等の脱水手段の処理量は１／１０の能力のものでよく、脱水手段の装置コストや脱水運転エネルギー費が大幅に低減する効果が生じる。
【００４３】
図７〜図９に本発明の第２実施例を示す。図７は本発明の第２実施例で使用する一方の膜ユニットの正面図、図８は本発明の第２実施例で使用する他方の膜ユニットの正面図、図９は本発明の第２実施例で使用するスペース枠の正面図である。
【００４４】
本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、目開きの大きさが異なる膜８１、８５を取りつけた２種類の膜ユニット８０、８４を空隙を開けて積層して膜ユニットを構成している。膜ユニット８０は、目開き数十マイクロメートルの膜８１を両側からユニット枠８２で挟んでユニット枠８２内側全面に取りつけたものである。膜ユニット８４は、目開き数百マイクロメートルの膜８５を両側からユニット枠８６で挟み、ユニット枠８６の内側に開口部８８を有して取りつけたものである。この２つの膜ユニット８０、８４を厚さ数ミリメートルから数十ミリメートルのスペース枠８９を挟んで、膜ユニット８４が外側になるように濾過ユニット本体１７の側面に水密性を有するパッキン２０を介してビス等で取り付ける。
【００４５】
本実施例によれば、大きいサイズの磁性フロック５５は膜８５で濾過され、膜８５の目開きサイズより小さい磁性フロック５５は膜８５を通過して膜８１で濾過される。これにより、膜８１の表面が磁性フロック５５で覆われるまでの時間を長くできる。そして、目開きサイズが大きい膜８５は、通水時の流動抵抗が小さく、水が通り易いため、膜８５の通水速度は膜８１の通水速度に比べて格段に速い。従って、膜８１、８５での時間平均的な通水速度を高い値に維持できる。洗浄時は、膜８１の内側から洗浄水を膜８５に届くように噴射して、膜８１、８５を同時に洗浄する。膜８１を洗浄した洗浄水は、開口部８８から短時間で排出される。これによって、浄化性能を高い値に維持しながら処理量を大幅に増加することができる。なお、以上に説明した目開きを異なる膜を積層した膜ユニットをドラム状の外周面にのみ配置して複数段ではない濾過手段を構成しても、膜の通水速度を増加させ処理容量を大きくできる膜磁気分離装置を提供できる。
【００４６】
図１０及び図１１に本発明の第３実施例の二つの例を示す。図１０は本発明の第３実施例の膜分離装置の磁石近傍の一例の断面図、図１１は本発明の第３実施例の膜分離装置の磁石近傍の他例の断面図である。
【００４７】
本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、本実施例では、磁場発生手段を構成する磁石４０群近傍の円筒体４１の外周部位に整流手段９０、９１を設けている。具体的には、円筒体４１と濾過ユニット本体１７の間に、磁性フロック５５を磁気吸引し、円筒体４１の外表面に効率よく付着させるように、整流板９０、９１を配置している。この整流板９０、９１によれば、磁石４０群周りの水面部の流れの乱れを和らげ、磁気吸引力により磁性フロック５５が円筒体４１方向にスムースに移動することができる。図１０の例では水面に対し整流板９０を水面とほぼ平行に配置しているが、図１１の例では水面に対し整流板９１を角度を持たせてよりその効果を有するようにしている。磁石４０群周りの水面部の流れの乱れは、濾過ユニット本体１７の回転による攪拌乱れや、洗浄水の落下による水面部の流動によって生じるが、整流板９０、９１によりその乱れが緩和され、磁石４０群の磁気吸引力による磁性フロック５５の移動がスムースに行われ、効率よく磁性フロック５５を磁気分離することができる。また、整流板９０、９１は、非磁性の材質で製作することが好ましく、板の表裏に貫通する多孔を有した板や金網等で構成しても同様な効果が生じる。
【００４８】
図１２に本発明の第４実施例を示す。図１２は本発明の第４実施例の膜分離装置に用いるシーディング剤調整装置の構成図である。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、本実施例では、シーディン剤調整装置７を改良したものである。
【００４９】
従来では、予め製造、市販されている粉状の磁性紛に適量の水を加えスラリーとし、これをタンクに入れ、磁性紛の沈降を防ぐために攪拌しながら適量をポンプで原水に注入する。また、凝集剤には、３価の鉄イオンを有するポリ硫酸第二鉄の水溶液を別のタンクに入れ、適量をポンプで原水に注入する。高分子補強剤は、粒状の補強材を水にとき、水溶液にしてこれをタンクに入れ、適量をポンプで原水に注入する。磁性紛の四三酸化鉄を水に混合して使用する場合、四三酸化鉄の比重が水に比べて遥かに大きいため、攪拌強度が小さいと、タンク底部に沈澱し、タンク内での磁性粉濃度が不均一となる。このため、タンク内から一定の量をポンプで原水に注入するときに、四三酸化鉄の注入濃度が一定とならず、磁性フロックへの四三酸化鉄の含有量がばらついて磁気力が不足する磁性フロックが生じ、磁気分離性能が低下して磁性フロックを正常に回収できず、膜外面の磁性フロック濃度が極端に高まってしまう。これにより、膜がすぐに目詰まりするようになり浄化性能が大幅に低下する。一方、回転攪拌強度が大きいと、タンク側部に遠心力で移動し、タンク内での磁性紛濃度が不均一となり、タンク内から一定の量をポンプで原水に注入するときに、上記と同様な問題が生じる。
【００５０】
そこで本実施例では、シーディング剤調整装置７を以下のように構成する。四三酸化鉄は、次の方法で化学的に生成する。すなわち、凝集剤として使用するポリ硫酸第二鉄の水溶液槽９２から一部の溶液をポンプ９３で反応槽９４に配管９５を通じて供給する。ポリ硫酸第二鉄の水溶液は酸性で、３価の鉄イオンを反応槽９４に供給する。一方、塩化鉄の水溶液槽９６から一部の溶液をポンプ９７で反応槽９４に配管９８を通じて供給する。塩化鉄の水溶液で、２価の鉄イオンを反応槽９４に供給する。さらに、水酸化ナトリウムの水溶液槽９９から一部の溶液をポンプ１００で反応槽９４に配管１０１を通じて供給する。このようにして、反応槽９４では、３価の鉄イオンと２価の鉄イオンを約２：１に割合で混合した水溶液を、水酸化ナトリウム水溶液等の約ｐＨ１２のアルカリ水溶液中に加えて化学反応させ、水溶液中に中間生成物として強磁性の四三酸化鉄の微小粒子を生成する。この化学反応過程は次式による。
【００５１】

この磁性微粒子を配管１０２通じて、原水６から磁性フロックを生成する撹絆槽９に通じる槽１０３中に注入される。槽１０３には、他に凝集剤としてポリ硫酸第二鉄の水溶液をポリ硫酸第二鉄の水溶液槽９２からポンプ１０５で所定量を注入し、また、原水のｐＨが高い場合には水酸化ナトリウムの水溶液を水酸化ナトリウムの水溶液槽９９からポンプ１０５で配管１０６を通じて所定量を注入し、攪拌槽９で攪拌混合し、磁性フロックの微小フロックを生成する。この攪拌槽９の中盤の場所に、高分子補強剤槽１０７からポンプ１０８を通じて所定量を導管１０９を通じて加えて攪拌混合し、微小フロック同士を結合し大きな磁性フロックを生成する。
【００５２】
本実施例によれば、ポリ硫酸第二鉄と塩化鉄は水溶液で反応槽９４内へ注入できるので、前記２流体の流量を制御することにより正確に四三酸化鉄量を生成できる。これにより、均一な磁性フロックを生成し、浄化性能を最適に維持することができる。
【００５３】
図１３及び図１４に本発明の第５実施例を示す。図１３は本発明の第５実施例の膜分離装置の縦断面図、図１４は図１３の膜磁気分離装置の要部を断面で示した平面図である。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、本実施例では、樋１１１を膜１５との隙間がほとんどないようにドラム状の濾過ユニット本体１７に固定し、濾過ユニット本体１７と一体となって回転するように構成したものである。本実施例によれば、膜面上を磁性フロックを含む洗浄水が降下する場合、この洗浄水を樋１１１で受けることができ、その下方の水面下の膜１５の濾過性能の低下を防止できる。また、濾過ユニット本体１７の時計周りの回転時に、重力方向の流路勾配が取れるように、かつ、洗浄時に前処理水１２の水面上に落ちた磁性フロック５５を磁石４０側に押しやるように樋１１１は濾過ユニット本体１７の外周部に向かって広がる渦状の曲線形状をしている。これにより、磁性フロック５５を磁石４０側に確実に移送することができる。
【００５４】
図１５及び図１６に本発明の第６実施例を示す。図１５は本発明の第６実施例の膜分離装置の縦断面図、図１６は図１５の膜磁気分離装置の要部を断面で示した平面図である。本実施例において、上述した第５実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、本実施例では、磁石４０群の長さを短くし、この範囲に洗浄された磁性フロック５５が集まるようにガイド手段を設けた構造である。具体的には、洗浄された磁性フロック５５を磁気分離する部位に開口面を持ち、両側及び底部を囲むように、静止固定されれ底板１１２と側板１１３を配置し、前記開口面の範囲のみに、磁石４０群を配置している。底板１１２は磁性フロック５５が停留しないように円弧断面を有し、かつ両側の底部が盛り上がり前記開口面側に下りの傾斜を有し、磁性フロック５５が開口面側に移動し易いような構造となっている。
【００５５】
本実施例によれば、洗浄により膜から剥離した磁性フロック５５が、底板１１２と側板１１３内部の空間に一旦溜まり、濾過ユニット１９の回転及び洗浄水の前記空間への流入の水循環流れにより、前記開口面側に移動するので、磁石４０群で確実に磁気分離して円筒体４１で回収できる。これにより、磁石４０群を短くでき、磁石４０のコストを低減できる。特に、磁石４０にコイル式超伝導磁石や超伝導バルク体磁石を適用する場合、磁石４０が高価であるため、磁石の短尺化によるコスト低減の効果がさらに大きくなる。また、磁性フロック回収のスラッジ槽５３やかき寄せ板６０群も短くできるので、さらに装置コストを低減できる効果がある。
【００５６】
図１７、図１８に本発明の第７実施例を示す。図１７は本発明の第７実施例の膜分離装置の縦断面図、図１８は図１７のＸ−Ｘ線断面図である。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、本実施例では、磁性フロック５５を濾過するための回転する膜１１５の回転軸と、磁性フロック５５を回収する円筒体４１の回転軸がほぼ直交するように配置し、回転する膜１１５の回転軸を垂直方向に配置したものである。ドラム状の濾過ユニット本体１１４の外周面のほぼ全面に膜１１５が取り付けられている。濾過ユニット本体１１４は、前処理水１２の水面部から上方に位置する円筒壁１１６と、前処理水１２内に位置する底板１１７と、円筒壁１１６の上面に位置する上板１１９と、円筒壁１１６及び底板１１７を連結する枠１１８とを一体化して構成されている。上板１１９はロッド１２０に接続されモータ１２１の駆動により回転運動する。上板１１９には通気性を有するように孔１２２を設けている。
【００５７】
前処理水１２は、配管１２３から外槽１２４内に流入し、整流板１２５により濾過ユニット本体１１４の両円周部の外側に配流される。磁性フロック５５は膜１１５で濾過され、浄化水は、膜１１５を通過して中空軸１２６の上部から内部に流入し、さらに水槽１２７に一旦溜まり、上部出口１２８から装置外に排出される。水槽１２７底部には上部出口１２８より下部の位置に取水口を有するポンプ１２９を配置し、浄化水の一部を洗浄水として使用し、ポンプ１２９により洗浄水配管１３０に加圧水を供給する。洗浄水は、洗浄水配管１３０を通り、２箇所のノズル１３１から膜１１５に向けて噴射される。
【００５８】
ここで、膜１１５外面に付着した磁性フロック５５は膜１１５から剥離し、底板１１７底部に取り付けた硬質ゴム製等の弾性を有するリング状の円盤１３２と側壁１３３に囲まれた空間に剥離される。この円盤１３２と側壁１３３に囲まれた空間に剥離された磁性フロック５５が停留しないように、洗浄水の一部をポンプ１３５により供給して、ノズル１３６より上向きの水流を生じさせて磁石４０群側に移送する。これにより、磁性フロック５５は、磁石４０群の磁気力で磁気分離され、円筒体４１で回収され、側壁ガイド１３４によりスラッジ槽５３に送りこまれる。なお、ポンプ１３５の代わりに微細気泡発生装置を使用し、微細気泡を含んだ気泡水を供給して磁性フロックを積極的に浮上させても同様に磁性フロックの停留を防止できる。また、送風機１３７を設け、配管１３８を通じてノズル１３９から圧縮空気を円筒体４１表面に向けて噴射することにより、円筒体４１外面上の被除去物の水分を前処理水１２側に戻すことができる。
【００５９】
また、水中紫外線ランプ１４０を設け、図１８で時計方向に回転する膜１１５の洗浄された面に紫外線を照射し、膜面に停留するバクテリア等の微生物を殺菌し膜目が生物膜で閉塞されることを防止している。
【００６０】
本実施例によれば、ドラム状の濾過ユニット本体１１４の外周面に設けられた膜１１５を全面的に前処理水１２の水面下に容易に配置できるので、濾過面積が広く取れ、処理量を増加することができる。また、膜１１５の外周面の一部の空間に磁気分離を設ければ、磁性フロック全量を磁気分離して回収できるので、磁石４０群を短くでき、磁石４０のコストを低減できる。また、磁性フロック回収のスラッジ槽５３やかき寄せ板６０群も短くできるので、さらに装置コストを低減できる効果がある。この場合、磁性フロック５５の洗浄部の膜外側に洗浄水の一部を供給し、洗浄した磁性フロックの移動水流を与えることにより、磁性フロック５５が停留することなく、全量を容易に磁気分離して回収することができる。また、円筒体４１外面にノズル１３９から圧縮空気を噴射することで、回収する磁性フロック５５に含まれる水分を切り、水分を前処理水１２側に戻すことができるので、回収スラッジの含水率をさらに低減し、回収スラッジの体積をさらに低減することができる。
【００６１】
図１９に本発明の第８実施例を示す。図１９は本発明の第８実施例の膜分離装置の縦断面図である。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。すなわち、本実施例では、磁石４０群の磁気分離範囲に洗浄された磁性フロック５５が集まるように濾過ユニット本体１７の回転を利用したものである。濾過ユニット本体１７の両側面に配置した樋１１１にドーナツ状の円盤１４１を一体化し、円盤１４１の数箇所に支柱１４２を設け、これに螺旋状のかき寄せ板１４３を一体化して設けている。樋１１１と、かき寄せ板１４３が円盤１４１とともに回転するため、図１９で上部の樋１１１を通じて流れ出た洗浄水は、前処理水１２の水面付近を漂いながら、かき寄せ板１４３磁石４０群側に押し出され、全量が磁石４０群で前処理水１２から磁気分離される。本実施例によれば、濾過ユニット本体１７の回転を利用して磁性フロック５５を磁石４０側に移動でき、磁石４０のコスト低減を図ることができる。
【００６２】
上記各実施例においては、四三酸化鉄を注入して磁性フロック５５を生成する場合について説明したが、磁気発生手段で生成する磁界及び磁気勾配が非常に大きい場合には、鉄系凝集剤による凝集時に生成されたフロックの母体となる水酸化第２鉄が弱磁性であるので、四三酸化鉄を注入しなくても、磁気分離してフロックを回収できる。従って、この場合は、図１２の反応槽９４は必要としない。
【００６３】
また、上記実施例においては、磁場発生手段に永久磁石を使用した場合について説明したが、冷却後に着磁されたビスマス系やサマリウム系やガドリリウム系の酸化物超電導材のバルクを使用すればさらに大きな磁場を提供でき、少ない磁性紛の添加量でも磁性フロックの分離回収性能は向上する。また、磁場発生手段にレーストラック状の細長い空間に高い磁界を発生する超電導コイルを使用しても同様な効果を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理水に含まれる被除去物を大量に効率よく確実に分離可能で、含水率の少ない高密度の被除去物のスラッジを排出することができる膜磁気分離装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す膜磁気分離装置とその周辺の系統図である。
【図２】図１に示す膜磁気分離装置の縦断面図である。
【図３】図２の膜磁気分離装置の要部を断面で示した平面図である。
【図４】図２の膜磁気分離装置の膜ユニット単体の正面図である。
【図５】図４の膜ユニットのユニット枠単体の正面図である。
【図６】図４の膜ユニットの取り付けに使用するパッキンの正面図である。
【図７】本発明の第２実施例で使用する一方の膜ユニットの正面図である。
【図８】本発明の第２実施例で使用する他方の膜ユニットの正面図である。
【図９】本発明の第２実施例で使用するスペース枠の正面図である。
【図１０】本発明の第３実施例の膜分離装置の磁石近傍の一例の縦断面図である。
【図１１】本発明の第３実施例の膜分離装置の磁石近傍の他例の縦断面図である。
【図１２】本発明の第４実施例の膜分離装置に用いるシーディング剤調整装置の構成図である。
【図１３】本発明の第５実施例の膜分離装置の縦断面図である。
【図１４】図１３の膜磁気分離装置の要部を断面で示した平面図である。
【図１５】本発明の第６実施例の膜分離装置の縦断面図である。
【図１６】図１５の膜磁気分離装置の要部を断面で示した平面図である。
【図１７】本発明の第７実施例の膜分離装置の縦断面図である。
【図１８】図１７のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１９】本発明の第８実施例の膜分離装置の縦断面図である。
【符号の説明】
７…シーディング剤調整装置、１２…前処理水、１３…導管、１４…膜分離装置、１５…膜（網）、１６…膜ユニット、１７…濾過ユニット本体、１８…枠、１９…濾過ユニット、２２…膜（網）、２３…中空軸、２４…ロッド、２５…モータ、２６…外槽、２７…ノズル、３４…洗浄水配管、３５、３６、３７…洗浄ノズル、３８…水槽、３９…ポンプ、４０…磁石、４１…円筒体（捕捉移動手段）、４２…支持材、５１…へら、５３…スラッジ槽、５４…樋、５５…磁性フロック、５６…浄化水、５７…配管、６０…かき寄せ板、６１…ロッド、６２…モータ、６３…出口、６４…配管、６５…スラッジ槽、６６…脱水手段、６７…堆肥化槽。

Claims

被処理水に磁性物を添加し前記被処理水中の汚濁物と前記磁性物を凝集させた被除去物が含まれる前処理水中の前記被除去物が通過できない目開きを有し、この前処理水を濾過する膜による濾過手段と、
この濾過手段に堆積した前記被除去物を前記濾過手段の表面から流体力で剥離させる洗浄手段と、
前記濾過手段から剥離された前記被除去物に磁場を作用させる磁場発生手段側に移送するための移送手段と、
移送されて磁性を有する前記被除去物を捕捉し、磁場発生手段による磁場強度の大きい部分から磁場強度の小さい部分に前記捕捉された前記被除去物を移動するための捕捉移動手段と、
磁場強度が小さい部分に移動された前記捕捉移動手段上の磁性を有する前記被除去物を掻き取るための掻き取り手段と、
掻き取られた前記被除去物を回収する回収手段とを備えることを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項１記載の膜磁気分離装置において、
前記濾過手段は前記前処理水を外周面及び側面で濾過するドラム状に形成されていることを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項１記載の膜磁気分離装置において、
前記濾過手段は前処理水を外周面及び側面で濾過するドラム状に形成した濾過ユニットを回転可能に複数段に設けたものであることを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項１記載の膜磁気分離装置において、
前記洗浄手段は前記被除去物を大気部で前記膜による濾過手段から剥離するものであり、前記移送手段は、前記濾過手段の側方で被処理水液面上方に位置し、被処理水液面上方で前記濾過手段を洗浄した洗浄水及び剥離された被除去物を前記濾過手段の外周部に導くように傾斜した樋を有していることを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項４に記載の膜磁気分離装置において、
前記樋は前記濾過手段と一体化されて前記濾過手段と共に回転することを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項１記載の膜磁気分離装置において、
前記膜による濾過手段は、前処理水中の異なる大きさの被除去物が通過できない大きさの目開きを有する膜を隙間を空けて複数層に配置し、前記前処理水を濾過する順に大きな目開きの膜から小さな目開きの膜となるように設けられていることを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項１記載の膜磁気分離装置において、
前記磁場発生手段近傍の前記捕捉手段外周部位に整流手段を設けたことを特徴とする膜磁気分離装置。
請求項１記載の膜磁気分離装置において、
前記磁場発生手段を前記濾過手段の濾過幅または前記洗浄手段の洗浄水の流出幅より小さい長さで形成し、前記膜による濾過手段から剥離された被除去物を前記磁場発生手段の方向に案内するためのガイド手段を設けたことを特徴とする膜磁気分離装置。