JP4670520B2 - 外部動力を利用した混合装置 - Google Patents

Description

この発明は、原液を濃縮脱水するための凝集処理に関し、特に、原液と凝集剤を高速で撹拌混合してフロックを生成させる混合装置の改良に関する。

従来、スクリュープレスやベルトプレスを使用して原液を濃縮脱水、或いは加圧脱水する場合、前処理操作として高分子凝集剤や無機凝集剤を原液に供給して凝集混和槽で撹拌混合し、フロックを造粒させることが良く知られている。そして、加圧脱水機の凝集装置として、スクリュープレスの前段に撹拌機付のラインミキサーと凝集混和槽を配設した汚泥の凝集装置も、例えば、特許文献１に記載してあるように公知である。また、凝集剤が供給された移送配管に小径の細径配管と、細径配管に連なる滞留槽を配設した凝集反応装置も、例えば、特許文献２に記載してあるように公知である。

特許第３３６４９１８号公報（段落番号０００７及び段落番号０００８、図２及び図３） 特許第３５３９４２８号公報（段落番号００２４乃至段落番号００２６、図３）

圧搾脱水を目的とするスクリュープレスやベルトプレスは、供給する原液を脱水に適したフロックに造粒する必要があり、フロックを造粒させる従来型の凝集混和槽は、長い滞留時間が必要で槽容量が大きくなっていた。また、撹拌効果を上げるためには槽内径に合わせた撹拌羽根が必要で、凝集混和槽が大きくなればなるほど撹拌羽根は大きくなる。撹拌動力は羽根の大きさと回転数で大きく変化し、特に羽根の大きさの影響は大きい。流体の粘度は常時変化しており、最適凝集状態を得るために回転数も変化させる必要がある。従来の動力計算は、使用範囲の最高粘度と最高回転数の状態で計算をするため、安全率が大きくなり、無駄な動力設定になっている。また、ラインミキサーは配管内に邪魔板状の羽根を入れて流速によって撹拌効果を持たせるものが多く、ラインミキサーは滞留時間が従来型凝集混和槽の１．０〜３．０％程度で良く、邪魔板状の羽根も小さくなる利点がある。しかし、流入する原液は、流速と粘度が常時変化するため、流速だけでは十分な撹拌力が得られない欠陥がある。

特許文献１に記載の従来の凝集装置は、一つの混和槽と可変速撹拌機を設けたラインミキサーを組合わせてあり、汚泥を搬送しながら強力な撹拌混和が可能となる。強固なフロックが形成され、スクリュープレスでの高圧搾脱水が可能となるが、主に濃度の低い原液の濃縮を目的とする濃縮脱水機の前処理装置としては、設備が大がかりとなり、設備費も高くなる。そして、特許文献２に記載の凝集反応装置は、撹拌羽根がないため、汚泥中の夾雑物が管内に絡みつくことがなく、装置もコンパクトとなるものであるが、高粘度の原液にあっては、凝集剤との混合が不十分となり、脱水機での回収率が悪くなる恐れがある。本願発明では、撹拌機を設けた凝集混和槽とラインミキサーの利点を利用して、混合装置の撹拌翼を外部動力に連結し、強制的に高速撹拌を可能として、同時に凝集体積の小型化を図ったものである。

この発明に係わる外部動力を利用した混合装置の要旨は、凝集剤を添加した原液を濃縮脱水するための前処理装置において、円筒ケーシングに内設した撹拌室の端部に駆動軸を垂設し、駆動軸に配設した回転板に板状の羽根板を放射状に垂設し、羽根板の羽根高さを中心部より外周方向に向かって縮小して、回転板と羽根板で円錐状の撹拌翼を構成すると共に、円筒ケーシングに接線状の原液供給管を連結して羽根板の先端部の近傍に向かって開口し、円筒ケーシングの排出管を撹拌翼の反対側の撹拌室の端部に開口し、円筒ケーシングの原液供給管と排出管の口径を、撹拌室の内径の２０〜６５％としたもので、凝集剤を添加した原液を羽根板の先端部の近傍に接線方向から流入させるので、原液に遠心力を与えスムーズに流動させることができる。そして、最も撹拌力の強い羽根板の先端部の近傍に、凝集剤を添加した原液を接線方向から供給するので、撹拌翼による原液の遠心力の増加と体積膨張による撹拌効果の上昇が得られ、混合効率を高めることができる。また、撹拌翼の羽根板の羽根巾を遠心力が発生する方向に狭くしたので、撹拌翼に繊維の絡み付きがなく、高速回転が可能となる。撹拌機が小さくでき、撹拌室の凝集体積も小型化が可能となる。そして、凝集体積の小型化をする混合装置は、円筒ケーシングの原液供給管と排出管の口径を、撹拌室の内径の２０〜６５％としたもので、撹拌室入口での流速を高め、原液に遠心力を与えながら撹拌翼で撹拌し、容積の小さい円筒ケーシングの滞留時間を短くして凝集させることができる。

撹拌翼の回転数を２００〜８００回転／分としたもので、円筒ケーシングの原液を高速撹拌により瞬間的に撹拌混合させることができる。高速撹拌させる撹拌翼は小さくできるので、混合装置の凝集体積も小型化が可能となり、撹拌翼の大きさの変更も容易である。撹拌翼に繊維の絡み付きがなく、多量の繊維を含む原液でも、撹拌翼を高速回転させることができ、安定した運転が可能となる。

本願発明に係わる外部動力を利用した混合装置は上記のように構成してあり、従来の凝集混和槽は、羽根を大きくして低速撹拌で原液と高分子凝集剤を撹拌混合するため、十分混合できていない場合があるが、この発明にあっては、撹拌翼を高速で回転して原液と凝集剤を撹拌混合するので、羽根翼を小さくでき、撹拌混合する円筒ケーシングも小さくなる。従来の脱水機では供給する原液は強固なフロックが要求されるため、凝集混和槽で撹拌混合によるフロックの造粒が必要になるが、濃縮を目的とした使用では、濃縮脱水機の中で造粒しながら重力ろ過を行なうことが可能であり、凝集装置は強固なフロックは必要なく高分子等の凝集剤と原液を混合するだけで良い。

本願発明に係わる外部動力を利用した混合装置を図面に基づき詳述すると、先ず、図１はこの発明に係る混合装置の縦断面図であって、混合装置１は、筒形状の円筒ケーシング２に上下のカバープレート３とテールプレート４で密閉状の撹拌室５を形成してあり、円筒ケーシング２のカバープレート３に配設した駆動機架台６に駆動機７が支架してある。駆動機架台６に支架した駆動機７はカップリング８を介して駆動軸９を連結してあり、駆動軸９はカバープレート３の近傍の撹拌室５の端部に垂下して、駆動軸９に撹拌翼１０を止着してある。図２は撹拌室に垂設した撹拌翼の要部拡大図であって、駆動軸９は円筒ケーシング２のカバープレート３に連結したベアリングユニット１１に嵌合して、カバープレート３に配設したオイルシール１２で水密状に外嵌してある。撹拌室５に垂設した駆動軸９は、撹拌翼１０の中心部に嵌着した連結管１３に挿通して、先端部に抜け止め防止用のエンドプレート１４を螺着してある。

図３は撹拌翼の外形図であって、撹拌翼１０は、円板状の回転板１５に平板状の羽根板１６・・・を放射状に配設してある。撹拌翼１０の羽根板１６の羽根高さを、中心部より外周方向に向かって縮小して、羽根板１６の先端部１６ａを傾斜させ、撹拌翼１０の側面視を円錐状に形成してある。撹拌翼１０の羽根板１６の羽根高さを遠心力が発生する方向に狭くして、撹拌翼１０に繊維等が絡み難い形状としてある。図１に示す駆動機７はインバーター（図示せず）で変速可能としてあり、駆動機７をインバーターで変速させて撹拌翼１０の回転数を２００〜８００回転／分としてある。撹拌翼１０を高速回転させても羽根板１６に繊維の絡み付きがなく、多量の繊維を含む原液でも、安定した運転が可能となる。高速撹拌させる撹拌翼１０は小さくできるので、撹拌室５の凝集体積も小型化が可能となり、円筒ケーシング２を小さくすることができる。撹拌翼１０を高速回転させることにより、撹拌翼１０の大きさも簡単に変更できる。円筒ケーシング２の原液を高速撹拌により瞬間的に撹拌混合して、撹拌翼１０の撹拌力を変更することで、広範囲の原液処理量に適用できる。なお、この発明の実施例では平板状の６枚の羽根板１６を放射状に回転板１５に垂設してある。図示を省略するが、この羽根板１６は外周部を回転方向後方に湾曲状に形成させてもよいものである。

図１に示すように、撹拌室５の端部に配設した撹拌翼１０の下方近傍の、円筒ケーシング２の側壁に原液の供給口１７が撹拌室５に直交させて開口してあり、撹拌翼１０の反対側の撹拌室５の端部に排出口１８を開口してある。図４は混合装置の横断面図であって、円筒ケーシング２に薬液供給管１９を分岐させた原液供給管２０が接線状に円筒ケーシング２の供給口１７に連結してあり、この発明の実施例では、撹拌翼１０の羽根板１６を４枚としてある。高分子凝集剤を添加した原液を撹拌室５に接線方向から流入させて、撹拌翼１０による原液の遠心力の増加と体積膨張による撹拌効果の上昇が得られ、混合効率を高めることができる。原液と高分子凝集剤を最も撹拌力の強い羽根板１６の先端部１６ａの近傍に供給して、高速回転させる撹拌翼１０の渦流で原液と高分子凝集剤を瞬間的に撹拌混合する。高分子凝集剤を添加した原液を撹拌翼１０に近い部位に供給するため撹拌が確実に行われ、撹拌室５での瞬時混合の効率が良くなる。円筒ケーシング２の排出口１８に排出管２１が連結してあり、円筒ケーシング２の原液供給管２０と排出管２１の口径を、撹拌室５の内径の２０〜６５％としてあり、容積の小さい円筒ケーシング２の滞留時間を短くして凝集させる。この発明の実施例では、撹拌室５の滞留時間を１〜２秒として、瞬間的に高速撹拌し、原液と凝集剤を混合して混合液を排出管２１から排出する。

図５は混合装置を配設したミキシングフローチャートであって、この発明の実施例では、８０Ａの原液の供給管路２２に２０Ａの薬注管路２３から溶解した凝集剤を添加し、原液を容量８．０リットルの混合装置１に供給する。凝集剤を添加した原液を撹拌室５に１〜２秒間滞留させて、動力０．２Ｋｗの駆動機７で、回転数３００回転／分で高速撹拌し、瞬間的に撹拌混合させる。凝集剤を混合した原液を８０Ａの原液の供給管路２５からスクリュープレス型の濃縮脱水機２４に供給して、濃縮脱水機２４の始端部で造粒させながら固液分離を行って、濃縮した汚泥をさらに脱水させるようにしてある。

外部動力を利用した混合装置を検討するため、従来の凝集混和槽とラインミキサーを対比して、それぞれの持つ長所と短所を比較した。従来の凝集混和槽では、原液と高分子凝集剤を撹拌混合するために滞留時間は２〜４分程度必要であり、長い滞留時間を要するために凝集混和槽の容量が大きくなる。従来の凝集混和槽は、低速撹拌のため、羽根が小さいと原液と高分子凝集剤との混合効率が悪く、充分に混合できない。また、撹拌効果を上げるためには、凝集混和槽の内径に合わせた撹拌羽根が必要であり、撹拌羽根を大きくしている。通常適正な羽根外径は槽内径の約８０％程度を基準にしており、槽が大きくなればなるほど羽根外径は大きくなる。撹拌動力は羽根の大きさと回転数で大きく変わり、特に羽根の大きさの影響は大きい。そして、撹拌動力は流体の粘度も影響し、最適凝集状態を得るためには、変化する液体の粘度に応じて、回転数も変動させる必要がある。動力計算は、使用範囲の最高粘度と最高回転数の状態で計算するため、安全率が大きくなり無駄な動力設定になっている。凝集混和槽の適正回転数は撹拌羽根の周速を約１１０ｍ／ｍｉｎを基準としており、凝集混和槽の容量が５００リットルでは、羽根外径が６００ｍｍとなり、回転数は約６０回転／分程度が基準となる。

従来の邪魔板状の羽根を配設したラインミキサーは、配管内に流入する流体の流速により撹拌効果を持たせている。配管内に流入する流速は変化し、原液と凝集剤の撹拌は、流速だけでは十分な撹拌力が得られない欠陥がある。ラインミキサーは滞留時間が凝集混和槽の１．０％以下で良く、羽根も小さい長所がある。
仮に羽根を回転させるとすれば、ラインミキサーは槽容量が小さく、外径は１７０ｍｍであるので２０５回転／分でよい。これからすればラインミキサーの羽根の回転数は、凝集混和槽の約３．４倍である。撹拌羽根の大きさは凝集混和槽がラインミキサーの径で３．５倍、幅で１２倍あり必要動力はラインミキサーの３．５〜４倍になる。

原液の凝集状態は、加圧脱水機では強固なフロックを生成させた原液が要求されるため、原液と高分子凝集剤を撹拌混合して、造粒させた原液の供給が必要である。濃縮脱水機では強固なフロックは必要がなく、高分子凝集剤と原液を混合するのが主目的で、濃縮脱水機の中で造粒しながら重力ろ過を実施することができる。高分子凝集剤と原液を混合するだけでよければ、撹拌羽根を高速で回転し瞬間的に混合することが可能となる。高速回転させれば、撹拌羽根を混合槽内全体に覆う必要がなくなり、撹拌羽根を小さくできる。撹拌羽根が小さくなれば、凝集容積の小型化も可能となる。

開発する混合装置の原液の混合投入位置、羽根の構造、撹拌力を検討した。先ず、高分子凝集剤を添加した原液の混合投入位置は、
Ａ．投入位置を撹拌羽根に近いところにすれば、最も撹拌力の強いところに位置して、混合効率を上げることができる。
Ｂ．円周の接線方向から供給すれば、原液に遠心力を与え、原液の流れをスムーズにできる。
Ｃ．供給管路の流速は１〜３ｍ／ｓｅｃを標準とするが、混合装置の撹拌室の入口では、撹拌羽根による撹拌効率を上げるため、汚泥の入口を撹拌羽根の回転と同方向の接線位置としてある。効率よく接線方向に入れるためには、入口径は撹拌胴径の２０〜６５％が最も適当といえる。上記の検討に基づき、原液の混合投入位置を撹拌羽根の近傍で、円周の接線方向から供給し、原液の遠心力と撹拌羽根により作られた遠心力の相乗効果を得て、さらに、凝集に適した撹拌を得るため、円筒ケーシングの原液入口と排出口に連結する原液の供給管と排水管の口径を、撹拌室の内径の２０〜６５％に決定した。

次に、撹拌混合する羽根の構造と撹拌力は、
Ａ．繊維の絡み付き防止は重要な要素である。繊維が多い原液ではからみつきが速く短期であっても連続で安定した運転に支障を来す。撹拌力は脱水機では混合率・フロック強度を良くするため羽根周速は１１０ｍ／ｍｉｎ程度を基準に決めている。例えば５００リットルの凝集混和槽を考えると羽根の外径を槽内径の８０％とすると回転数は６０回転／分程度、これを８リットルの混合装置で同機能を持たせるためには２０５回転／分が必要になる。高速撹拌させる撹拌翼は小さくできるので、撹拌室の凝集体積も小型化が可能となる。円筒ケーシングの原液を高速撹拌により瞬間的に撹拌混合して、撹拌翼の撹拌力を変更することで、広範囲の原液処理量に適用できる。そこで、駆動機はインバーターで変速可能として、撹拌翼の回転数を２００〜８００回転／分とすることにした。

上記の検討事項の結果に基づき検討した回転可能な撹拌羽根を設けた容量が８．０リットルの混合装置と、容量が８．０リットルの従来の邪魔板状の羽根を入れたラインミキサーと、従来の撹拌羽根を設けた容量が５００リットルの凝集混和槽を使用して、高分子凝集剤を添加した原液を撹拌混合し、スクリュープレス型の濃縮脱水機に供給して、実測データーを取って濃縮状態を測定することとした。
Ａ．従来の凝集混和槽には、濃度が１．１８％の原液に添加率が０．４１％と０．４５％の高分子凝集剤をそれぞれ添加して、槽内での滞留時間４５秒で撹拌混合した後、濃縮脱水機に供給した。
Ｂ．本願発明に係わる外部動力を利用した混合装置には、原液濃度１．１７％の原液に添加率０．３９％と０．４１％の高分子凝集剤をそれぞれ供給し、ミキサー内での滞留時間１秒で瞬間的に撹拌混合した後、濃縮脱水機に供給した。
Ｃ．従来の配管内に邪魔板状の羽根を入れたラィンミキサーと凝集混和槽を並列した混合装置には、原液濃度１．１６％の原液に添加率０．４０％と０．４１％の高分子凝集剤を供給し、槽内での滞留時間ラィンミキサー１秒＋凝集混和槽４５秒で撹拌混合した後、濃縮脱水機に供給した。
その実測データーを表１に示す。その結果は、本願発明の混合装置は、凝集混和槽より、濃縮濃度が１．４４〜１．７％向上し、ＳＳ回収率が−０．６〜３．８％であった。即ち、撹拌混合させる滞留時間が著しく減少し、高分子凝集剤の添加率も少なくして、濃縮濃度とＳＳ回収率が向上することを示している。そして、本願発明の混合装置は、従来のラインミキサー＋凝集混和槽より濃縮濃度が０．３１〜０．５２％向上し、ＳＳ回収率が−０．７〜１．７％であった。即ち、撹拌混合させる滞留時間が著しく減少し、濃縮濃度が向上し、ＳＳ回収率も多少向上することを示している。

実験結果から、本願発明に係わる外部動力を利用した混合装置は、次の作用効果を奏することを示している。
Ａ．原液および高分子凝集剤を撹拌室の直前に混入し、撹拌翼に近い場所へ供給することにより撹拌室での瞬時混合の効率が良くなった。
Ｂ．撹拌室より細い管で撹拌室の軸の直角方向から入れることにより、撹拌室へ入る原液の遠心力の増加と体積膨張による撹拌効果上昇が得られた。
Ｃ．通常凝集混和槽は原液の滞留時間が２〜４分必要であり、撹拌翼も大きく動力が大きい。混合装置は滞留時間が１〜２秒で良いため撹拌翼が小さく省エネメリットがある。凝集混和槽は５００リットルとすれば、撹拌動力は０．７５ｋｗであるが、混合装置では０．２ｋｗで良く、撹拌動力が小さくなる。

本発明に係わる外部動力を利用した混合装置は、撹拌羽根を高速で回転して原液と凝集剤を瞬間的に撹拌混合するので、羽根翼を小さくでき、撹拌混合する円筒ケーシングも小さくすることができる。濃縮を目的とした使用では、凝集装置は強固なフロックは必要なく、高分子と原液を混合するだけで良く、濃縮脱水機の中で造粒しながら重力ろ過を行なうことが可能である。したがって、濃縮を目的とする濃縮機の混合装置となるもので、特に、原液の濃縮をろ過機内で行なえるスクリュープレスやベルトプレスの前段に設置する混合装置に適するものである。

同じく、混合装置の横断面図である。 同じく、円筒ケーシングのカバープレートに垂下した撹拌翼の要部拡大図である。 同じく、撹拌翼の外形図である。 同じく、混合装置の横断面図である。 この発明に係る混合装置のミキシングフローチャートである。

符号の説明

２ 円筒ケーシング
５ 撹拌室
９ 駆動軸
１０ 撹拌翼
１５ 回転板
１６ 羽根板
１６ａ 先端部
２０ 原液供給管
２１ 排出管

Claims (2)

1. 凝集剤を添加した原液を濃縮脱水するための前処理装置において、円筒ケーシング（２）に内設した撹拌室（５）の端部に駆動軸（９）を垂設し、駆動軸（９）に配設した回転板（１５）に板状の羽根板（１６・・・）を放射状に垂設し、羽根板（１６）の羽根高さを中心部より外周方向に向かって縮小して、回転板（１５）と羽根板（１６）で円錐状の撹拌翼（１０）を構成すると共に、円筒ケーシング（２）に接線状の原液供給管（２０）を連結して羽根板（１６）の先端部（１６ａ）の近傍に向かって開口し、円筒ケーシング（２）の排出管（２１）を撹拌翼（１０）の反対側の撹拌室（５）の端部に開口し、円筒ケーシング（２）の原液供給管（２０）と排出管（２１）の口径を、撹拌室（５）の内径の２０〜６５％としたことを特徴とする外部動力を利用した混合装置。
2. 上記撹拌翼（１０）の回転数を２００〜８００回転／分としたことを特徴とする請求項１に記載の外部動力を利用した混合装置。