JP4834713B2 - 固液分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、水処理プロセスにおいて、懸濁物質含有原水を固体と液体とに分離する固液分離装置に関する。

水処理プロセスの一例として、重力沈降、凝集沈澱または加圧浮上等の固液分離処理が利用されている。

重力沈降や凝集沈澱では、沈降槽内に原水を流入し、原水に含まれる懸濁物質と液体との比重を利用して原水の液体よりも比重の大きい懸濁物質を沈降させた後に上澄みを処理水とすることで、原水から懸濁物質と処理水とを分離している。この場合、沈降速度は懸濁物質の比重や粒子の大きさによって異なる。

沈降速度の遅い懸濁物質の場合、沈降槽の容積を大きくして沈降効率を上げたり、傾斜管や傾斜板を利用して沈降効率を上げることで、処理速度の向上を図ることもある。一方、このようにして沈降効率を上げたとしても、依然として１時間以上の滞留時間が必要である等のように滞留時間の減少には限界があり、容積も大きい点が問題である。

また、加圧浮上では、比重が小さい固形物質や油脂等のように浮上性がある懸濁物質の場合、分離液の循環水等に空気を加圧溶解して分離槽に流入させ、発生した微細気泡を懸濁物質に付着させて浮上分離することで、原水から懸濁物質と処理水とを分離している。この加圧浮上では、気泡を付着させた固形物質や油脂等の懸濁物質の上昇速度は、速くても２００mm／min程度である。したがって、加圧浮上でも多くの処理時間が必要な点が問題である。

上述したように、従来の重量沈降や加圧浮上で問題であった処理速度を短縮するため、浮上性の固体粒子に凝集剤を添加し、この固体粒子に分離対象である懸濁物質を付着させ、旋回流によって懸濁物質を中心に収集して分離する方法もある（例えば、特許文献１参照）。また、旋回流の遠心力によって土砂等の比重の大きい固形物質を分離除去する技術もある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２５１３４５号公報 特開２０００−１６７４３２号公報

しかしながら、旋回流で生じる遠心力のみを利用して原水から懸濁物質（固体）と処理水（液体）とに分離することは不十分であった。すなわち、特許文献１に記載の技術は原水に凝集剤を添加することを前提とした処理に対応するものである。また、特許文献２に記載の技術は固体と液体の分離ではなく土砂の分離に関するものである。

上記課題に鑑み、本発明は、容易かつ短時間で原水を懸濁物質（固体）と処理水（液体）とに分離し、回収する固液分離装置を提供する。

本発明に係る固液分離装置は、２つの円錐形を底面で重ね合わせた紡錐形状を有し、流入した原水を内部で旋回させて懸濁物質と処理水とに分離する分離槽と、流入した原水が分離槽内で旋回するように、分離槽の中心より外側に設置される流入管と、分離槽の上部に開口されたフロス排出口を有し、原水よりも比重が小さく分離槽内で浮上した懸濁物質を排出するフロス排出管と、分離槽の底部に開口されたスラッジ排出口を有し、原水よりも比重が大きく分離槽内で沈降した懸濁物質を排出するスラッジ排出管と、原水から懸濁物質が除去された処理水を分離槽から排出する処理水排出管とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、容易かつ短時間で原水を懸濁物質（固体）と処理水（液体）とに分離し、回収することができる。

本発明に係る固液分離装置は、水処理プロセスにおいて用いられる装置であって、懸濁物質を含む原水を懸濁物質と処理水とに分離する。以下に、図面を用いて各実施形態に係る固液分離装置について説明する。

〈第１の実施形態〉
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固液分離装置１ａは、原水を導水する導水ライン１０と、導水ライン１０に接続され、原水を送水する送水ポンプ１１と、送水ポンプ１１と接続される流入管１２と、流入管１２に接続され、送水ポンプ１１によって送水された原水が流入する分離槽１３と、分離槽１３の上部に接続され、分離槽１３内で浮上した懸濁物質（フロス）を排出するフロス排出口１４１を有するフロス排出管１４と、フロス排出管１４を介して、排出されたフロスを回収するフロス回収槽１５と、分離槽１３の下部に接続され、分離槽１３内で沈降した懸濁物質（スラッジ）を排出するスラッジ排出口１６１を有するスラッジ排出管１６と、スラッジ排出管１６を介して、排出されたスラッジを回収するスラッジ回収槽１７と、分離槽１３の上部に接続され、原水からフロスとスラッジが回収された後の処理水を排出する処理水排出口１８１を有する処理水排出管１８とを備えている。

また、固液分離装置１ａは、図１に示すように、処理水排出管１８から処理水の一部を取り込む循環ライン１９ａと、循環ライン１９ａを介して送水される処理水を貯水する循環槽２０と、循環槽２０から導水ライン１０に処理水を送水する循環ライン１９ｂを備えている。

分離槽１３は、２つの円錐形により形成される両円錐である。流入管１２は、図２に示すように、分離槽１３の中心（中心軸Ｃ）より外側に接続されており、流入管１２を介して分離槽１３に原水が流入すると、流入した原水によって分離槽１３の中心軸Ｃと略一致する軸を回転軸とする旋回流が発生する。

原水は、液体（例えば、水）と固体（懸濁物質）とを含むが、分離槽１３内で原水が旋回すると、原水の液体より比重が小さい懸濁物質（フロス）は、遠心力によって中心軸Ｃの方向に移動しながら浮上してフロス排出管１４から排出される。また、原水の液体より比重が大きい懸濁物質（スラッジ）は、遠心力によって分離槽１３の内壁方向に移動しながら沈降してスラッジ排出管１６から排出される。原水からフロスとスラッジが排出された後の処理水は、処理水排出管１８から排出される。

図２に示す一例では、フロス排出管１４よりも細い処理水排出管１８が、フロス排出管１４の内部に配置（挿通）され、フロス排出管１４と処理水排出管１８の中心が、中心軸Ｃと略一致するように配置（挿通）されている。また、図２に示す例では、フロス排出口１４１は分離槽１３の上端（頂部）に接続され、処理水排出口１８１は分離槽１３の中央付近（中層部）に位置しており、各排出口１４１，１８１の位置は分離している。上述したようにフロスは旋回しながら浮上して分離槽１３の中心軸Ｃの方向に移動するため、フロスが中心軸Ｃの周辺に集合するよりも下方に処理水排出口１８１を配置しておけば、処理水排出管１８から排出する処理水にフロスが含まれるのを防止できる。なお、図２に示す例では、スラッジを排出するスラッジ排出口１６１は、分離槽１３の下端（底部）に接続されている。

このように、分離槽１３の形状を両円錐にしたことにより、分離槽１３内で液体が上下方向に流れやすくなるため旋回が生じやすくなり、旋回速度を上げ、懸濁物質と処理水との分離効率を向上させることができる。

また、固液分離装置１ａでは、図１に示すように、循環槽２０に処理水を貯水した後、循環槽２０に貯水した処理水を循環ライン１９ｂを介して原水に混合することができる。例えば、分離槽１３に流入する原水の量が少ない場合、フロスを浮上させ、スラッジを沈降させるために十分な強さの旋回流が生じないが、原水に処理水を混合させることで、分離槽１３への流入量を確保し、フロスの浮上とスラッジの沈降に必要な旋回流を発生させることができる。

なお、図１及び図２に示す例では、分離槽１３の上部に処理水排出管１８を有しているが、分離槽１３の下部に処理水排出管１８を有していても良い。

上述したように、第１の実施形態に係る固液分離装置１ａでは、両円錐の分離槽１３を利用することで、分離槽１３における懸濁物質と処理水との分離効率を向上することができる。

《変形例》
図２に示した例では、フロス排出管１４の内部に、フロス排出管１４よりも細い処理水排出管１８が配置されている例で説明したが、図３に示すように、処理水排出管１８の内部に、処理水排出管１８よりも細いフロス排出管１４が配置される構成でもよい。

図３に示す一例では、処理水排出口１８１を分離槽の上端（頂部）に接続し、フロス排出口１４１を処理水排出口１８１よりも低い位置に配置して、各排出口１８１，１４１の位置を分離させている。上述したようにフロスは旋回しながら浮上して分離槽１３の中心に集合する。すなわち、ある程度の高さになったとき、フロスは分離槽１３の中心軸Ｃの方向に集まってくるため、フロスが原水中の中心軸Ｃに集合するよりも高い位置にフロス排出口１４１が存在していれば、フロス排出口１４１が処理水排出口１８１よりも低い位置にあってもよい。

図３に示す変形例の場合でも、図２に示した場合と同様に、両円錐の分離槽１３を利用しているため、分離槽１３における懸濁物質と処理水との分離効率を向上することができる。

〈第２の実施形態〉
図４を用いて第２の実施形態に係る固液分離装置１ｂについて説明する。第２の実施形態に係る固液分離装置１ｂにおいて、図１及び図２を用いて上述した固液分離装置１ａと同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

第２の実施形態に係る固液分離装置１ｂは、第１の実施形態に係る固液分離装置１ａと比較すると、分離槽１３の上部に配置される第１処理水排出管１８ａに加え、分離槽１３の下部に配置される第２処理水排出管１８ｂを備えている点で異なる。また、固液分離装置１ｂでは、第１処理水排出管１８ａがバルブ１８２ａを有し、第２処理水排出管１８ｂがバルブ１８２ｂを有し、このバルブ１８２ａ，１８２ｂの開閉を調整する調整装置２１を備えている点で異なる。

図５に示す一例では、フロス排出管１４よりも細い第１処理水排出管１８ａが、フロス排出管１４の内部に配置（挿通）され、フロス排出管１４と第１処理水排出管１８ａの中心が、分離槽１３の中心軸Ｃと略一致するように配置されている。また、スラッジ排出管１６よりも細い第２処理水排出管１８ｂがスラッジ排出管１６の内部に配置（挿通）され、スラッジ排出管１６と第２処理水排出管１８ｂの中心が、分離槽１３の中心軸Ｃと略一致するように配置されている。

分離槽１３では、流入した原水によって旋回流が発生すると、遠心力によってフロスが中心軸Ｃの方向に移動しながら浮上してフロス排出管１４から排出される。また、遠心力によってスラッジが分離槽１３の内壁の方向に移動しながら沈降してスラッジ排出管１６から排出される。さらに、原水からフロスとスラッジが分離された処理水は、第１処理水排出管１８ａ又は第２処理水排出管１８ｂから排出される。固液分離装置１ｂでは、このように、分離槽１３の上下に設けられる処理水排出管１８ａ，１８ｂから処理水が排出されるため、分離槽１３内では、内壁面に沿った上向きの流れと下向きの流れが起こりやすく、懸濁物質の回収を促進させることができる。

また、固液分離装置１ｂでは、調整装置２１によって、各処理水排出管１８ａ，１８ｂによるの処理水の排出量をセンサ（図示せず）によって測定し、この排出量に応じてバルブ１８２ａ，１８２ｂを調整し、各処理水排出管１８ａ，１８ｂからの処理水の排出をコントロールして各処理水排出管１８ａ，１８ｂからの処理水の排出をコントロールして、懸濁物質の回収を効果的にすることもできる。

また、固液分離装置１ｂでは、調整装置２１によって、原水に含まれるフロスとスラッジの含有率に応じてバルブ１８２ａ，１８２ｂを調整し、各処理水排出管１８ａ，１８ｂからの処理水の排出をコントロールして、処理水への懸濁物質の混入を防止することもできる。例えば、スラッジよりもフロスが多い場合、第２処理水排出管１８ｂからのみ処理水を排出したり、第２処理水排出管１８ｂから排出する処理水の量を第１処理水排出管１８ａから排出する処理水の量よりも多くするようにバルブ１８２ａ，１８２ｂを調節することが考えられる。また、フロスよりもスラッジが多い場合、第１処理水排出管１８ａからのみ処理水を排出したり、第１処理水排出管１８ａから排出する処理水の量を第２処理水排出管１８ｂから排出する処理水の量よりも多くするようにバルブ１８２ａ，１８２ｂを調節することが考えられる。

なお、図４に示す例では、調整装置２１によってバルブ１８２ａ，１８２ｂの開閉を調整して各処理水排出管１８ａ，１８ｂから排出する処理水の比率を変更しているが、重力により、旋回する原水は上方向への流れより下方向への流れの方が強くなると考えられる。そのため、上下方向の流れが同等になるように、例えば、第１処理水排出管１８ａの径を第２処理水排出管１８ｂの径よりも細く求め、このように求めた径の処理水排出管１８ａ，１８ｂを利用することで、バルブ１８２ａ，１８２ｂを使用しなくてもバルブ１８２ａ，１８２ｂを使用する場合と同様の効果を得ることができる。また、固液分離装置１ｂで処理する原水に含まれるフロスとスラッジの含有率があらかじめ把握している略一定比率の場合には、この含有率に応じた処理水を排出できるように各処理水排出管１８ａ，１８ｂの径を調整することで、バルブ１８２ａ，１８２ｂを使用する場合と同様の効果を得ることができる。

図４に示す例では、第２処理水排出管１８ｂから排出される処理水が、第１処理水排出管１８ａから排出される処理水に合流するものとして表わしているが、合流しなくてもよい。

また、図５に示す例では、フロス排出管１４よりも細い処理水排出管１８ａがフロス排出管１４の内部に配置される構成であるが、図３で上述した場合と同様に、処理水排出管１８ａよりも細いフロス排出管１８ａが処理水排出管１８ａの内部に配置されていても良い。

上述したように、第２の実施形態に係る固液分離装置１ｂでは、両円錐の分離槽１３を利用することで、分離槽１３における上下方向への流れを発生しやすくなるため、懸濁物質と処理水との分離効率を向上することができる。また、処理水排出管１８ａ，１８ｂからの排出量を調整し、上下方向への流れを調整することで、分離効率を向上することができる。

《変形例》
図５に示した例では、フロス排出管１４よりも細い第１処理水排出管１８ａが、フロス排出管１４の中を通り、フロス排出管１４と第１処理水排出管１８ａの中心が、中心軸Ｃと略一致するように配置され、スラッジ排出管１６よりも細い第２処理水排出管１８ｂがスラッジ排出管１６の中を通り、スラッジ排出管１６と第２処理水排出管１８ｂの中心が、中心軸Ｃと略一致するように配置されていた。しかし、図６に示すように、フロス排出管１４の端に第１処理水排出管１８ａが配置され、フロス排出管１４の内壁と第１処理水排出管１８ａの外壁とが接触していてもよい。また、第２処理水排出管１８ｂについても、スラッジ排出管１６の端に第２処理水排出管１８ｂが配置され、スラッジ排出管１６の内壁と第２処理水排出管１８ｂの外壁とが接触していてもよい。

例えば、原水に含まれるフロスが比較的重くて分離槽１３内で中心に集まりにくい物質である場合や、原水に含まれるスラッジが比較的軽くて分離槽１３内で内壁に移動しにくい物質である場合でも、旋回流の中心軸とも略一致する分離槽１３の中心軸Ｃから処理水排出管１８ａ，１８ｂをずらすことで、処理水への懸濁物質の混入を防止できる。

図６に示す変形例の場合でも、分離効率を向上することができる。また、原水の液体と懸濁物質との比重差が小さい場合であっても、処理水への懸濁物質の混入を防止して分離精度を向上することができる。

〈第３の実施形態〉
図７を用いて第３の実施形態に係る固液分離装置１ｃについて説明する。第３の実施形態に係る固液分離装置１ｃにおいて、図１及び図２を用いて上述した固液分離装置１ａと同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

第３の実施形態に係る固液分離装置１ｃは、第１の実施形態に係る固液分離装置１ａと比較すると、流入管１２に微細気泡を発生して原水に供給する微細気泡発生装置２２を有している点で異なる。

特に比重の小さく、原水である液体と懸濁物質（フロス）との密度差が小さいとき、遠心力を利用して中心軸Ｃの方向へ移動させにくく、分離効率を高めることができない場合がある。この場合、分離槽１３に流入する前の原水に微細気泡発生装置２２で発生した微細気泡を供給し、このフロスに微細気泡を付着させて浮力を高めることで、比重の小さい懸濁物質の分離精度を向上することができる。

上述したように、第３の実施形態に係る固液分離装置１ｃでは、両円錐の分離槽１３を利用することで、分離槽１３における懸濁物質と処理水との分離効率を向上することができる。また、原水に微細気泡を供給し、フロスに付着させることで、比重の小さい懸濁物質の分離精度を向上することができる。

〈第４の実施形態〉
図８を用いて第４の実施形態に係る固液分離装置１ｄについて説明する。第４の実施形態に係る固液分離装置１ｄにおいて、図１及び図２を用いて上述した固液分離装置１ａと同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。また、図７を用いて上述した固液分離装置１ｃと同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

第４の実施形態に係る固液分離装置１ｄは、第３の実施形態に係る固液分離装置１ｃと比較すると、フロス排出管１４に圧力調整弁２３を有している点で異なる。

フロスに微細気泡が付着している場合、微細気泡発生装置２２を用いていない場合と比較すると、フロスは膨化してフロス回収槽１５で回収されるフロスの容積が増加する。したがって、分離槽１３で回収するフロスの容積を減らすため、圧力調整弁２３でフロスに圧力をかけて消泡し、フロスの容積を調節する。具体的には、予め原水の比重、フロスの比重およびスラッジの比重から、最適な圧力を求め、圧力調整弁２３では、この圧力を利用してフロスに付着している微細気泡を消泡する。

上述したように、第４の実施形態に係る固液分離装置１ｄでは、両円錐の分離槽１３を利用することで、分離槽１３における懸濁物質と処理水との分離効率を向上することができる。また、原水に微細気泡を供給し、フロスに付着させることで、比重の小さい懸濁物質の分離精度を向上することができる。さらに、微細気泡が付着したフロスを消泡することで、フロスの容積を減少させることができる。

〈第５の実施形態〉
図９を用いて第５の実施形態に係る固液分離装置１ｅについて説明する。第５の実施形態に係る固液分離装置１ｅにおいて、図１及び図２を用いて上述した固液分離装置１ａと同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

第５の実施形態に係る固液分離装置１ｅは、第１の実施形態に係る固液分離装置１ａと比較すると、原水に含まれている有価物を吸着する吸着粒子を原水に添加する吸着粒子添加装置２４を有している点で異なる。

ここで、「有価物」とは、例えば、亜鉛、ニッケル、インジウム等の希少金属類や、リン、油分、又は、ホウ素であり、原水から回収して、再利用することのできる物質である。また、「吸着粒子」とは、例えば、金属粒子に、有価物を吸着する特性のある物質をコーティングした粒子である。

原水中に含まれる懸濁物質が原水の液体より比重が大きい物質（スラッジ）のみでスラッジ排出管１６からのみ懸濁物質を回収しており、原水に有価物が含まれている場合、吸着粒子添加装置２４は、有価物を吸着する原水の液体よりも比重が小さい吸着粒子を原水に供給する。このようにすれば、有価物を吸着粒子に吸着させてフロス排出管１４から回収することができるため、固液分離に加え、有価物の回収も可能になる。

一方、原水中に含まれる懸濁物質が原水の液体より比重が小さい物質（フロス）のみでフロス排出管１４からのみ懸濁物質を回収しており、原水に有価物が含まれている場合、吸着粒子添加装置２４は、有価物を吸着する原水の液体よりも比重が大きい吸着粒子を原水に供給する。このようにすれば、有価物を吸着粒子に吸着させてスラッジ排出管１６から回収することができるため、固液分離に加え、有価物の回収も可能になる。

上述したように、第５の実施形態に係る固液分離装置１ｅでは、両円錐の分離槽１３を利用することで、分離槽１３における懸濁物質と処理水との分離効率を向上することができる。また、原水に有価物を吸着する吸着粒子を供給することで、固液分離の際に有価物の回収も行なうことができる。

第１の実施形態に係る固液分離装置の構成を説明する図である。 第１の実施形態に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。 第１の実施形態の変形例に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。 第２の実施形態に係る固液分離装置の構成を説明する図である。 第２の実施形態に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。 第２の実施形態の変形例に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。 第３の実施形態に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。 第４の実施形態に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。 第５の実施形態に係る固液分離装置の分離槽における懸濁物質及び処理水の分離と排出について説明する図である。

符号の説明

１ａ〜１ｅ…固液分離装置
１０…ライン
１１…ポンプ
１２…流入管
１３…分離槽
１４…フロス排出管
１４１…処理水排出口
１５…フロス回収槽
１６…スラッジ排出管
１６１…スラッジ排出口
１７…スラッジ回収槽
１８，１８ａ，１８ｂ…処理水排出管
１８１…処理水排出口
１８２ａ，１８２ｂ…バルブ
１９ａ，１９ｂ…循環ライン
２０…循環槽
２１…調整装置
２２…微細気泡発生装置
２３…圧力調整弁
２４…吸着粒子添加装置

Claims (2)

1. ２つの円錐形を底面で重ね合わせた紡錘形状を有し、流入した原水を内部で旋回させて懸濁物質と処理水とに分離する分離槽と、
   流入した原水が前記分離槽内で旋回するように、前記分離槽の中心より外側に設置される流入管と、
   前記分離槽の上部に開口されたフロス排出口を有し、原水よりも比重が小さく前記分離槽内で浮上した懸濁物質を排出するフロス排出管と、
   前記フロス排出管の径よりも細く構成されて当該フロス排出管の内部に挿通され、前記フロス排出口よりも低くかつ前記スラッジ排出口より高い中層部に排出口が位置し、原水から懸濁物質が除去された処理水を前記分離槽から排出する第1処理水排出管と、
   前記分離槽の底部に開口されたスラッジ排出口を有し、原水よりも比重が大きく前記分離槽内で沈降した懸濁物質を排出するスラッジ排出管と、
   前記スラッジ排出管の径よりも細く構成されて当該スラッジ排出管の内部に挿通され、前記フロス排出口よりも低くかつ前記スラッジ排出口より高い中層部に排出口が位置し、原水から懸濁物質が除去された処理水を前記分離槽から排出する第２処理水排出管と、
   を備えることを特徴とする固液分離装置。
2. 前記第１処理水排出管は第１バルブを有し、
   前記第２処理水排出管は第２バルブを有し、
   前記分離槽に流入する原水のフロスとスラッジの含有率に応じて前記第１バルブと前記第２バルブの開閉を調整する調整装置を備えることを特徴とする請求項１記載の固液分離装置。

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