JP5121983B1 - 凝集剤注入方法及び注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝集処理操作における電気エネルギーを低減する。
【解決手段】凝集剤貯槽、凝集剤移送定量ポンプ、浄化処理終了後の処理水を給水源とする給水装置、インジェクター及びノズル装着注入配管からなる装置を使用することにより、被処理水への分散性及び被処理水との混和効率を大幅に向上させ、凝集剤量及び電気エネルギー使用量の削減するとともに、浄化処理終了後の処理水の給水圧を利用することによる経済性、効率性、安全性を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水場において常用されている凝集処理について、凝集剤と被処理水との混和効率を飛躍的に高め、水運用の経済性と水道水の安全性をさらに向上させるための新しい凝集剤注入方法及びその方法に使用する装置に関するものである。

一般に、浄水場では河川や貯水池などの水源から原水を取水し、凝集、フロック形成、沈殿、ろ過および消毒の単位プロセスを経て、被処理水から懸濁質とコロイド質を除去し、細菌等を無害化し、水道水として供給している。
上記した浄水処理においては、凝集沈澱処理とろ過処理とを組み合わせて行う方法が広く採用されている。
浄水場の一般的な水処理フローでは、混和池で凝集剤等の水処理薬剤が注入され、急速攪拌機等で混和された後、後段のフロック形成池、薬品沈澱池、急速ろ過池を経て、最終的に消毒処理後、家庭などに給水されている。
最終処理水の濁度は、強い塩素耐性を持つクリプトスポリジウム等への対応として厚生労働省が非特許文献１で指導している０．１度以下にまで制御される。

平成８年、埼玉県内のある浄水場において、クリプトスポリジウムによる集団感染症が発生した。クリプトスポリジウムは水道水の安全性、衛生性の要である塩素消毒に対して強い耐性を示すため、厚生労働省は砂ろ過水の濁度を０．１度以下に厳格に管理するよう水道事業者などに通知した（非特許文献１参照）。水道事業者などは本通知を受けて、砂ろ過水の厳格な濁度管理を目的に凝集剤の厳格な注入管理を実施している。

一般に被処理水である原水に凝集剤を注入する場合、凝集剤がクリプトスポリジウムなどの懸濁質を沈澱除去できるまでに凝集するためには、凝集剤と被処理水との急速な攪拌操作による混和が重要である。このため、一般的には機械攪拌装置による強制的な攪拌操作を行っているが（特許文献１参照）、このために消費する電気エネルギー量は極めて多く、この消費エネルギーを削減することが、水道事業者にとって大きな課題となっている。

現行水道法における水道水の濁度基準は２度であるが、上記したようにクリプトスポリジウム問題が発生した後、厚生労働省は砂ろ過水濁度を０．１度以下に管理することを指導している。これを受けて水道事業者は前凝集処理を補完するために、砂ろ過前に凝集剤を注入する、いわゆる後凝集処理を導入し始めている。

後凝集処理はクリプトスポリジウム問題の発生以前からも、「白水」や「赤水」対策として採用される例はあり、微小プランクトンの漏出防止を目的に導入する例もあった（特許文献２参照）。後凝集処理工程における凝集剤の一般的な注入方法は、沈澱処理水に凝集剤の原液を滴下する自然流下方式であり、この注入方式は前凝集工程でも同様である。ところが、上記した自然流下方式は、凝集剤の急速な分散や混和効率が低く、必ずしも確実に適応できているとは言えないのが現状である。

そこで、凝集剤の注入点に機械攪拌装置を設置して混和効率を強制的に高める方法も考えられる。しかしながら、電気エネルギーの大量消費者である水道事業に対して、新たな電気エネルギーを必要とする機械攪拌方式は環境問題より考えて推奨できる方法とは言い難い。

また、凝集剤を原水に一様に均等分散させることを目的に、ディフューザー管を用い、凝集剤を浄化処理終了後の処理水で５０倍程度に希釈して原水に注入する事例がある。
しかしながら、希釈による分散のみでは凝集剤が効果的に作用する撹拌強度を得ることが困難であり、このため、大きな電気エネルギーを消費する機械攪拌装置による混和や長大な直線区間が必要となるベンチュリーフリューム等の縮流部を利用した渦流による混和などの措置がさらに必要となる。（非特許文献２、非特許文献３）

後凝集処理においては、制御可能な注入率の下限は凝集剤として２ｍｇ／Ｌ程度であることが望ましいとされている。しかしながら、実際には、実用的な注入率として５〜１０ｍｇ／Ｌの範囲で注入している例が多いとされている。このような過剰注入により、ろ過池への懸濁物負荷が増大してろ層の洗浄頻度が増加するので、浄水効率が低下する問題がある。したがって、注入率のさらなる低減化を可能とする新たな注入方法の開発が、水道事業者の間で期待されているところである。

特開平７−１１２１０３号公報 特開平４−１１９０５号公報

厚生労働省告示「水道におけるクリプトスポリジウム等対策指針」 （平成１９年） 大阪市水道局「柴島浄水場第４混和池における硫酸アルミニウムの 分散状況調査について」（昭和５８年） 大阪市水道局「柴島浄水場第２急速ろ過系における硫酸アルミニウ ム注入方法の改良」（昭和４２年）

前述のとおり、凝集操作では凝集剤を被処理水に注入した後、急速に混和する必要があるため、機械攪拌装置による方式が一般に採用されている。機械攪拌装置は大きな電気エネルギーを消費する問題を有している。このため、撹拌操作時における電気エネルギーの低減化が課題となっている。

また、後凝集処理において、制御可能な注入率の下限値は２ｍｇ／Ｌ程度が望ましいとされているが、実際の現場では、実用的には５〜１０ｍｇ／Ｌの範囲で注入している例が多いとされている。このような凝集剤の過剰注入により、ろ層の目詰まりが頻発し、ろ層の洗浄頻度が増加するため、浄水効率が低下することから、処理性を確保するという観点からの最適注入率の特定とその具体的な方法を見出すことも課題となっている。

本発明の凝集剤注入方法及び装置は、浄水場構内の給水圧を利用したインジェクター方式を採用することで電気エネルギーの消費を最大限削減した環境配慮型の凝集剤注入方法及び装置とするとともに、被処理水との急速な混和を可能とするために、従来の原液滴下による自然流下方式に替えて、ノズルを介した凝集剤希釈液の噴霧注入方式を採用したものである。

すなわち、本発明は、凝集剤貯槽、凝集剤移送定量ポンプ、浄化処理終了後の処理水を給水源とする給水装置、インジェクター及びノズル装着注入配管を含む注入装置を採用するものであり、従来の原液滴下による自然流下方式に比べて水との混和効率を大幅に向上
させた凝集剤注入方法及び装置である。

これまでインジェクターを利用した噴霧による凝集剤注入方法は他に実施例がないため、ノズルの形状選定、必要給水圧、構内水と凝集剤の混合比率に関する室内実験を繰り返すことで、最終的な凝集剤注入方法及び装置を完成したものである。
以下に、その内容を具体的に説明する

本発明の凝集剤注入方法は、浄化処理終了後の処理水の水圧を駆動力とするインジェクターを利用し、被処理水が流出する堰部位に対して凝集剤希釈液の噴霧注入方式を採用することにより、被処理水への分散効果を高めると共に、被処理水との急速な混和を可能としている（請求項１の発明）。また、堰部の被処理水が落下する位置エネルギーによって得られる撹拌により、電気エネルギーの消費を最大限削減した環境配慮型の混和方式とする方法である。

すなわち、本発明は、凝集剤貯槽、凝集剤移送定量ポンプ、浄化処理終了後の処理水を給水源とする給水装置、インジェクター及びノズル装着注入配管を組み合わせて使用する注入方法であり、従来の自然流下方式や希釈によるディフューザー方式に比べて被処理水との分散及び混和効率を大幅に向上させて凝集剤注入率、電気エネルギー使用量を削減する方法である。

本発明の凝集剤注入方法は、被処理水の越流部における水面上又は被処理水中に希釈された凝集剤を噴霧するものであり（請求項２の発明）、噴霧注入方式の採用と注入部位として被処理水が堰より落下している部位を選択することにより、混和効率の向上を図るものである。

凝集剤は被処理水に対して急速に混和する必要がある。このため、機械攪拌装置の攪拌強度（Ｇ値）は１００／秒以上に設計されている。本発明の堰落下部への凝集剤の注入方法では、落下部位でのＧ値が水頭差０．５ｍで機械攪拌装置と同等の１００／秒程度の攪拌強度を得ることができるので、電気エネルギーの大幅削減が可能である（請求項２、請求項３の発明）。

水道で常用されている凝集剤は、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、硫酸アルミニウム、ポリシリカ鉄（ＰＳＩ）であるが、本装置はいずれの凝集剤にも応用可能である。処理量が少なく、かつ凝集剤注入率が２ｍｇ／Ｌ程度と低い場合、原液注入においては注入量が微量となるため、注入ムラが発生しやすく、処理性が低下する問題が発生する。

しかし、本発明の凝集剤注入方法は、凝集剤を浄化処理終了後の処理水により２倍〜１０００倍に希釈して注入する方法であるため、注入量そのものが増加し、注入ムラが発生しない。この効果は、実証実験により１０００倍までの希釈においても凝集性能を損なうことが無いことで実証されている。前凝集処理の希釈倍率は、希釈に必要な水量を削減するために２倍から５０倍が望ましい。また、後凝集処理の希釈倍率は注入ムラを避けるために１００倍から１０００倍が望ましい（請求項４の発明）。

凝集剤注入装置では、凝集剤の析出物による目詰まり事故が発生しやすい。とりわけ、凝集剤を希釈して使用する方式では、析出物による事故が頻繁に発生する可能性が高い。このため、定期的な分解清掃が必要である。本発明の凝集剤注入方法においても凝集剤の析出物による目詰まりの可能性がある。目詰まりがインジェクターからノズルにかけて発生すると注入停止事故につながり、水道水の安定供給が確保できない重大な問題が発生する。このため、析出物を重点的に洗浄除去することが必要である。

本方法では、浄化処理終了後の処理水により凝集剤を希釈注入する方法であることから、一定間隔で浄化処理終了後の処理水のみを通水することで上記部位の洗浄が可能である。このため、分解清掃することなく析出物を容易に洗浄除去できるので、安定した注入管理が可能である（請求項５の発明）。
この洗浄処理は、凝集剤の希釈倍率より考えて、前凝集処理の場合、１月に１回程度、配管滞留時間の３倍量時間程度の洗浄、後凝集処理の場合、１０日に１回程度、配管滞留時間の３倍量時間程度の洗浄が望ましい。

本発明の凝集剤注入方法はこれまで他で採用された実例がないため、噴霧装置の形状選定、必要水圧、凝集剤の希釈混和比率に関する室内実験、さらに、それらの室内実験結果に基づき実際の浄水場での実証実験を繰り返すことで、最終的な凝集剤の注入方法及び装置を完成したものである。

本発明の凝集剤注入方法は、被処理水との分散性及び混和効率を大きく向上させることが可能である。このことは、必要凝集剤量の削減（実証実験より３割から４割の削減効果）を可能とし、また堰部の水流が落下する際の位置エネルギーによって得られる撹拌により混和をしていることから、電気エネルギーの大幅削減が期待できる。

後凝集処理では制御可能な注入率の下限は凝集剤として２ｍｇ／Ｌ程度、実用的には５〜１０ｍｇ／Ｌの範囲で注入している例が多いとされている。しかしながら、分散性及び混和効率が飛躍的に向上した本発明においては、図５−１と図５−２に示すように、注入率の下限は０．２５ｍｇ／Ｌにまで低減可能であることが実証できた。このことにより、ろ過池への懸濁物負荷が大幅に減少するので、浄水場の経済的、効率的、安定的な運用が可能となる。

図１は一般的な浄水場における浄水プロセス及び本発明の凝集剤注入装置の 設置箇所を示すものである。 図２は従来の自然流下方式による注入法（図２−１）と本発明の注入法（図 ２−２）を示すものである。 図３は本発明の注入装置全体を示すものである。 図４は神奈川県内のある浄水場での実証実験結果であり、注入方式別の注入 率をパラメーターとした損失水頭の上昇速度を示すものである。 図５−１と図５−２は神奈川県内のある浄水場での実証実験結果であり、ク リプトスポリジウムに相当する３〜７μｍ粒子数の注入方式別減少率を示す ものである。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明に係る凝集剤注入方法及び装置について、その実施の形態について説明する。
本発明は、浄水場構内の給水圧を利用したインジェクター方式を採用することで電気エネルギーの消費を最大限削減した環境配慮型の凝集剤注入方法及び装置であり、被処理水との急速な混和を可能とするために、従来の原液滴下による自然流下方式に替えて、インジェクターを用い、ノズルを介して注入する凝集剤希釈液の噴霧注入方式を採用したものである。
また、凝集剤の噴霧部位を被処理水の越流部とすることにより、凝集剤のより効果的な混和状態を可能とするものである

本発明の凝集剤注入装置は、図１に示す浄水プロセスの前凝集工程である混和池及び／
又は後凝集工程である沈澱池とろ過池との間に設置され、いずれの場所においても被処理水が越流により攪拌される場所に設置されることにより混和効率の向上が図られている。
本発明の注入方式を採用する場合は、混和効率の向上により図１に示す混和池で従来使用されている攪拌装置の省略又は電動機出力を低減することが可能である。
例えば、越流部である堰落下部への凝集剤の注入方法では、落下部位でのＧ値が水頭差０．５ｍで機械攪拌装置と同等の１００／秒程度の攪拌強度を得ることができる。

本発明の注入方法では凝集剤はインジェクターを用いて浄化処理終了後の処理水により希釈された状態で使用され、図２−２に示されるように、被処理水の水面上又は被処理水中に噴霧される。
この噴霧方式を採用することにより、従来例（図２−１）の自然流下方式に比べ、混和効率が格段に向上し、さらに、噴霧場所として被処理水が攪拌される場所を選択することにより凝集剤の使用量を大幅に低減することが可能となった。

本発明の注入方法で使用する装置は図３に示すとおりであり、凝集剤の希釈に浄化処理終了後の処理水の給水圧を利用したインジェクター方式を採用することで電気エネルギーの消費を最大限削減することが可能となり、また、凝集剤の水中への分散が容易となり凝集剤の混和効率の向上にも寄与している。

さらに、従来の凝集剤原液を注入する場合は注入量が微量となるため、注入ムラが発生しやすく、処理性が低下する問題が発生するが、本発明では凝集剤を浄化処理終了後の処理水により２倍〜１０００倍に希釈して注入する方法であるため、注入量そのものが増加し、注入ムラが発生しない。
この効果は、後で示す実証実験により、１０００倍までの希釈においても凝集性能を損なうことが無いことで実証されている。前凝集処理の希釈倍率は、希釈に必要な水量を削減するために２倍から５０倍が望ましい。また、後凝集処理の希釈倍率は注入ムラを避けるために１００倍から１０００倍が望ましい。

また、凝集剤注入装置では、凝集剤の析出物による目詰まり事故が発生しやすい。とりわけ、凝集剤を希釈して使用する方式では、析出物による事故が頻繁に発生する可能性が高い。このため、析出物を重点的に洗浄除去することが必要となる。
本発明の凝集剤注入方法では、噴霧装置の噴霧注入配管やノズル部分は、浄化処理終了後の処理水のみを定期的に流すことで簡単に洗浄浄化することが可能であり、析出物による浄水効率の低下を防止することができる。
この洗浄処理は、凝集剤の希釈倍率より考えて、前凝集処理の場合、１月に１回程度、配管滞留時間の３倍量時間程度の洗浄、後凝集処理の場合、１０日に１回程度、配管滞留時間の３倍量時間程度の洗浄が望ましい。さらに洗浄効率を高めるために超音波洗浄器を付加することも可能である。

[実施例１]
神奈川県内の浄水場で、従来の自然流下方式による凝集剤の注入方法と本発明の凝集剤注入方法との比較を一定期間行なった。使用した凝集剤はポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）であり、実施時期は９月〜１２月の３ヶ月間である。
その結果は、「図４ 注入方式と損失水頭上昇速度の比較」に示すとおりである。損失水頭の上昇速度は、砂層での濁質の抑留量が多いほど早くなる傾向にあり、各注入方式でのポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）の混和効率の程度を表している。

この図４が示す結果は以下のとおりである。
従来の自然流下方式による凝集剤の注入方法では、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）注
入率１ｍｇ／Ｌの場合、損失水頭の上昇速度は約０．１６ｍ／ｄである。これに対し、本発明の噴霧による処理方式では、同等の損失水頭の上昇速度を得るには注入率０．６〜０．７ｍｇ／Ｌですみ、少量の凝集剤添加で同等の効果が得られることを示しており、本発明の混和効率の高さを明確に示すものである。

このことは、本発明の噴霧による処理方式を採用した場合は、従来の自然流下方式による凝集剤の注入方法に比べ、６０〜７０％程度のポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）注入率で同等の濁質除去効果が得られることを意味し、従来の自然流下方式と比べた本発明の噴霧による処理方式の効果は明らかである。
この効果の差は、従来の自然流下方式が連続注入ではなく注入にムラがあること、さらに、本発明の噴霧を用いた方式とは混和効率で違いがあることにも起因するものと考えられる。

[実施例２]
実施例１と同じ浄水場で、同一期間、凝集剤の注入方式と注入効果との関係を、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）注入による微粒子数の減少の程度を測定することによって確認した。ここで使用する「減少率」は、次式に従って算出した。

減少率（％）＝[対照系の測定値−実験系の測定値]÷[対照系の測定値]×１００

測定する微粒子は、クリプトスポリジウムの大きさに相当する３〜７μｍの粒子を対象とした。図５−１と図５−２は注入方式別の３〜７μｍの粒子数の減少率を示すものである。

図５−１に示すように、従来の自然流下方式による凝集剤の注入方法では、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）の注入率１ｍｇ／Ｌで減少率が８０％程度であったものが、注入率を０．５ｍｇ／Ｌ、０．２５ｍｇ／Ｌと減らすと減少率が０％に低下し、微粒子を除去することができなくなった。
これに対し、本発明の噴霧による処理方式を採用した場合は、図５−２に示すように、水面噴霧、水中噴霧の両方式とも、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）の注入率１ｍｇ／Ｌ、０．５ｍｇ／Ｌ、０．２５ｍｇ／Ｌのいずれの場合も減少率は５０％を維持しており、安定した微粒子除去効果が得られた。
本発明の注入方法では、注入率が０．２５ｍｇ／Ｌの低い場合であっても、優れた微粒子除去効果を有することが示されている。
これらの結果からも、本発明の注入方法が、従来の自然流下方式による凝集剤の注入方法に比べて高い微粒子除去効果を有することがうかがえる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、凝集剤貯槽、凝集剤移送定量ポンプ、浄化処理終了後の処理水を給水源とする給水装置、インジェクター及びノズル装着注入配管を含む凝集剤注入装置とその装置を用いる凝集剤注入方法であり、従来の凝集剤注入方法及び装置に比べて、被処理水への分散性及び被処理水との混和効率を大幅に向上させた方法である。

被処理水との急速な混和を得るために、凝集剤の噴霧部位を被処理水の越流部とすると同時に希釈凝集剤の噴霧注入方式を採用している。この結果、撹拌に必要な電気エネルギーの消費を削減した環境配慮型の注入方式となる。凝集剤注入率や電気エネルギーの削減
など経済性の向上、析出物の発生による注入事故を回避できるなど運転の安定性を飛躍的に向上させることが可能である。

１ 凝集剤貯槽
２ 凝集剤注入装置
３ 浄化処理終了後の処理水を給水源とする給水装置
４ 手動弁
５ 凝集剤供給管
６ 凝集剤移送定量ポンプ
７ 検流器
８ 圧力計
９ 背圧弁
１０ インジェクター
１１ 減圧弁
１２ 凝集剤注入管
１３ ノズル噴霧装置
１４ 被処理水越流部

Claims (5)

1. 浄水場における凝集処理工程で用いられる凝集剤の注入方法において、浄化処理終了後の処理水と凝集剤とをインジェクターに導入し、凝集剤の希釈、混合を行うと同時に、該希釈された凝集剤溶液を噴霧ノズルが装着された噴霧装置から、被処理水の越流部であって、被処理水の水面上又は被処理水中に噴霧することを特徴とする浄水場における凝集剤の注入方法。
2. 上記凝集処理工程が混和池に設置された前凝集処理工程及び／又は沈殿池とろ過池の間に設置された後凝集処理工程であることを特徴とする請求項１に記載の凝集剤の注入方法。
3. 上記凝集剤がポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、硫酸アルミニウム、ポリシリカ鉄であり、被処理水の処理水量、濁度の変動に対応して注入量が変動する混和池に設置された前凝集処理工程及び／又は沈殿池とろ過池の間に設置された後凝集処理工程において、その変動に対応して希釈倍率を２倍から１０００倍に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の凝集剤注入方法。
4. 凝集剤注入系に一定の間隔で浄化処理終了後の処理水のみを流すことによりインジェクターから噴霧ノズルまでを洗浄する工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の凝集剤の注入方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の凝集剤の注入方法に用いる注入装置であって、凝集剤貯槽、凝集剤移送定量ポンプ、浄化処理終了後の処理水を給水源とする給水装置、インジェクター及びノズル装着注入配管を含むことを特徴とする注入装置。

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