JP5173538B2 - 水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、水道水、工業用水などを製造する上水処理において利用できる、高速凝集沈殿処理装置を用いた水処理方法に関する。

水道水、工業用水などを製造する上水処理では、原水に含まれる不溶解性成分である濁度成分や藻類などの汚濁物質を凝集沈殿処理や砂ろ過などの固液分離技術で処理している。このうち、凝集沈殿処理は、不溶解性成分のみでなく、溶解性色度や溶解性有機物などの汚濁物質の除去に対しても有効な処理方法であり、広く使用されている。

この凝集沈殿処理方法は、原水に無機凝集剤やｐＨ調整剤を添加して原水中の汚濁物質を析出させたり、無機凝集剤から生成するフロックに汚濁物質を吸着させたりした後に、汚濁物質を含むフロックを原水から沈降分離する処理方法である。

以前は、この凝集沈殿処理には、混和槽、フロック形成槽、沈殿槽を連続して設置し、混和槽で原水と無機凝集剤を混合し、これをフロック形成槽、沈殿槽と移しながらフロックを形成させて原水の浄化を図る、いわゆる横流式沈殿池が採用されていた。しかし、この方法は、フロックの沈殿速度が遅く、一定の原水を処理するのに広い面積が必要であるという欠点があった。

これに対し、沈殿部の上昇流速を速くして沈殿部の設備面積を小さくする方法の一つは、高速凝集沈殿地であり、フロックの形成を既存フロックの存在下で行うことにより、凝集沈殿の効率を向上させることを目的とするものである（非特許文献１）。このものでは、混合槽で無機凝集剤と原水でフロックを形成させ、これを外側の凝集槽に溢流させて凝集槽中のフロックとさらに凝集させて大きなフロックとし、沈殿を速めるとともに、沈殿した一部のフロックは再度混合槽に戻して無機凝集剤と原水のフロック形成に寄与させることにより、フロックの凝集沈降を速める方法である。

また、近年、別の方法としては、バラスト式超高速凝集沈殿地が知られている（特許文献１および特許文献２）。これらの水処理方法は、原水に無機凝集剤を添加、撹拌してフロックを形成した後、砂などのバラスト剤と有機性高分子凝集剤を添加することによって、フロックに砂を付着させてフロックの沈降速度を高める方法である。

ところで、最近の河川水等を凝集沈殿処理して濁度成分等の除去を行う水処理においては、以下のような問題が生じていた。すなわち、近年の河川水の濁度は、上流にダムが建設された影響などにより昭和３０年代や４０年代に比べて低下しており、晴天時には１０度以下となることが多く、１度前後まで低下することも珍しくない。このような濁度が低い原水に対して凝集沈殿処理を行うと、沈降性の悪いフロックが形成され、沈殿処理水濁度の悪化を招くという問題があった。これを防ぐためには、沈降性の悪いフロックを沈降させるために沈殿池の上昇流速、即ち沈殿池の水面積あたりの処理水量を下げざるを得ないという問題があった。

特に、高速凝集沈殿地では、処理できる原水の濁度の範囲に制約があり、上記のような低い濁度の原水では、十分な水処理を行うことが難しいという欠点があった。また、特許文献１や２で示されるような、砂などのバラスト剤と高分子凝集剤を、無機凝集剤と併用するバラスト式超高速凝集沈殿地を用いる処理方法においても、濁度の低い原水を処理する場合には、無機凝集剤によるフロック形成が良好に進行せず、残留する濁度成分によって沈殿処理水濁度が上昇するという問題が生じる。砂などのバラスト剤をフロックに付着させるためには、バラスト剤を沈積させず槽内に分散させてフロックと衝突させなければならないが、バラスト剤の粒径が大きいほど大きな撹拌動力を要し、消費電力量が大きいという問題があった。また、バラスト剤を槽内に分散させることができても、バラスト剤を高分子凝集剤を用いずに無機凝集剤のフロックに付着させることは困難であるため、高分子凝集剤の使用が必須であり、その分、ランニングコストが高くなるという問題があった。更に、流入する原水に対してバラスト剤または凝集補助剤の効果を得るには、それらを常に添加し続けなければならず、運転管理の負荷及び添加に要する動力コストがかかるという問題もあった。

一方、微細砂などの固体粒子を凝集補助剤として原水へ添加して濁度を上げ、高分子凝集剤を併用せずに凝集性を改善する方法も知られている（特許文献３および４）。しかし、この方法では、フロックに取り込まれる固体粒子の特性を見出し、これを選択使用することや、槽内に分散させて固体粒子と凝集剤とを効率よく会合させる条件を見出す必要があり、実用化には更なる検討が必要であった。また、凝集補助剤の使用は、凝集補助剤のランニングコストが生じ、更に汚泥発生量の増加による汚泥処理と処分のランニングコストを高くするという問題があった。

特開平０１−２７０９１２ 特開平９−１４１００６ 特開昭５８−１４９１０ 特開２００６−７０８６ 「水道施設設計指針 ２０００」、第１９９〜２０１頁

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、濁度が１０度以下の原水に対しても、撹拌動力が低く省エネルギーであり、高分子凝集剤を用いずに優れた凝集状態およびフロックの沈降性を得ることができ、凝集補助剤に掛かるランニングコストも低く、清澄な沈殿処理水を安定して得ることのできる水処理方法を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、特に、処理できる原水の濁度の範囲に制約のある高速凝集沈殿地に着目し、低濁度の原水に対する固体粒子の使用に関し検討をおこなった。そして、低濃度の原水であっても十分なフロックを形成させるためには固体粒子の粒径を小さくして単位重量あたりの表面積を大きくし、固体粒子が凝集剤と接触する面積を大きくすると共に、適切な撹拌動力で撹拌する必要があることを知った。すなわち、撹拌動力が小さいと固体粒子や固体粒子を包含したフロックが撹拌槽に沈積してしまい撹拌槽内に十分に分散せず、固体粒子と凝集剤との接触が不十分になる一方、撹拌動力が大き過ぎると動力コストの増大を招き、さらにフロックが大きく成長せずに破壊されてしまう結果、撹拌力が小さくても大きくても、結果的に沈殿処理水濁度が悪化するという問題があることを知った。

そこで更に、高速凝集沈殿地で連続して安定に運転しながら、十分な大きさのフロックが形成しうる条件を検討したところ、原水および無機凝集剤に特定の粒子径の固体粒子を加え、これを特定の撹拌条件で撹拌することにより、沈降性の高いフロックが得られ、十分に満足のゆく処理水が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、濁度が１０度以下の原水に無機凝集剤を注入し、これらを撹拌部において撹拌翼によって撹拌してフロックを形成させ、該フロックを沈殿部で沈降分離し、沈降した該フロックをスラリとして沈殿部から撹拌部へ戻すとともに、沈殿部上部に生成した沈殿処理水を外部に取り出せるように構成された凝集沈殿装置を用いる水処理方法であって、
（ａ）前記原水に、１０５μｍ以下の粒子の重量割合が９５％以上の固体粒子を更に
添加し、
（ｂ）撹拌部での撹拌を前記撹拌翼の周辺速度を１ｍ／秒以下、Ｇ値を１００〜２５０
秒^−１とすること
を特徴とする水処理方法である。

また本発明は、前記固体粒子が、前記沈殿部及び／または前記撹拌部からのスラリを液体サイクロンで処理し、該スラリから分離回収された固体粒子である前記の水処理方法である。

更に本発明は、前記スラリに含まれる固体粒子の分離回収を、前記液体サイクロンの前段に設けた液体サイクロン原液槽に該スラリを導入してから液体サイクロンへ供給し、スラリから分離回収した固体粒子を該液体サイクロンの濃縮液側に回収するとともに、該固体粒子を分離後のスラリを該液体サイクロン原液槽へ戻す循環処理を、該液体サイクロンの濃縮液中の固体粒子の濃度が所定値に低下するまで行う前記の水処理方法である。

更にまた本発明は、前記循環処理を、循環処理の時間に対応する濃縮液中の固体粒子の濃度を予め求め、該固体粒子の濃度が所定値になる時間まで行う前記の水処理方法である。

また更に本発明は、前記液体サイクロンで分離回収した前記固体粒子を、酸溶液で処理した後撹拌部に添加する上記の何れかの水処理方法である。

本発明によれば、従来技術および従来技術の組合せでは得ることの出来ない以下のような効果を得ることができる。すなわち、濁度が低くて凝集性の悪い原水に対して、凝集反応を促進して良好な凝集沈殿処理を促進することができ、かつ撹拌動力が低く消費電力量を低くするという省エネルギーな凝集沈殿法を提供することができる。

しかも、高分子凝集剤を用いることなく、凝集補助剤を循環使用できるものであるため、凝集補助剤および汚泥処分に掛かるランニングコストが低く、運転管理の負荷を低減しながら、清澄な沈殿処理水を安定して得ることができるものである。

本発明の水処理方法は、撹拌部に原水と無機凝集剤を導入し、ここで撹拌翼によって撹拌してフロックを形成させ、該フロックを沈殿部で沈降分離し、沈降した該フロックがスラリとして沈殿部から撹拌部へ戻るように構成された凝集沈殿装置（いわゆるスラリ循環型高速凝集沈殿装置）を用いるものである。

この凝集沈殿装置は、隅に擂り鉢状の壁を設け、自動的にスラリが撹拌部へ戻るように構成されたものであっても、また、掻き寄せ機を設置し、機械的にスラリが撹拌部へ戻るように構成されたものであっても良い。これら装置の例としては、前記非特許文献１に記載のものを挙げることができる。

本発明の水処理方法は、基本的には従来のものと同様であり、使用される無機凝集剤は、凝集沈殿水処理方法において使用される一般的な凝集剤であれば何れであっても良い。例えば、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）や硫酸バンドなどのアルミニウム系凝集剤、塩化第二鉄などの鉄系凝集剤、その他の無機凝集剤を用いることが可能である。なお、無機凝集剤で凝集を行いフロックを形成した後に有機性高分子凝集剤で凝集を行う場合、前者の無機凝集剤での凝集を「凝結」と称し後者の凝集を「凝集」と称する場合があるが、本発明では有機性高分子凝集剤を用いず無機凝集剤のみを用いるので、明細書中においては無機凝集剤によるものでも「凝集」と称する。

本発明方法の特徴の一つは、無機凝集剤と原水を混合し、フロックを形成させる際に、固体粒子を添加することである。

この固体粒子としては、比重が２.０〜４.０の範囲で、水に不溶解性の粒状物質であれば良い。具体的な固体粒子の例としては、砂、活性炭、カオリンなどが挙げられ、これらの中でも砂が好ましい。更に、主成分がＳｉＯ_２である珪砂がより好ましい。この固体粒子は、１０５μｍ以下の重量割合が９５％以上となる粒度分布であることが重要である。

高分子凝集剤を用いない凝集沈殿方法において、固体粒子を無機凝集剤と反応させ、フロックに速やかに取り込ませるには、比重と粒径を適切に選定する必要がある。具体的には、固体粒子の粒径が大き過ぎると単位重量あたりの表面積が小さいために、凝集剤やフロックとの接触面積が小さくなってしまい、フロックに取り込まれずに沈殿処理水へ流出したり、撹拌部に沈積してしまうという問題が生じる。また、比重が小さいと、フロックに取り込まれた後にフロック同士が合体して大きなフロックに成長しても、フロックの沈降速度が遅く、沈殿部で十分に沈降しない結果となる。一方、比重が大きい固体粒子を用いる場合は、これを原水および撹拌部に均一に分散させるために撹拌強度を大きくしなければならず撹拌動力の増加、コスト増加となる。同様、撹拌動力の増加は粒径が大きい場合にも生じる。

しかも、固体粒子の粒径が大きかったり、比重が大きい場合は、固体粒子やフロックが撹拌部に沈積してしまうことを防ぐために撹拌力を大きくすることが必要になるが、そうすると、フロックが剪断されて微細になってしまい、沈殿部で沈降し得るフロックが得られないという問題も生じる。

このようなことから、本発明方法で用いる固体粒子は、単位重量あたりの表面積が大きく、凝集剤およびフロックと接触する面積が大きいものが好ましく、このようなものを選択することで反応効率を高めているのである。

また、本発明の別の特徴は、上記粒径の固体粒子を、フロックあるいは無機凝集剤と反応させる際の撹拌力を適切に調整することである。

この撹拌力は、具体的にはＧ値が１００〜２５０秒^−１で、撹拌翼周辺速度１ｍ／秒以下に調整されるが、これによって、撹拌部に固体粒子やフロックを沈積させず、フロックを剪断せず、動力コストを低く抑えるということが可能となる。この撹拌を行う撹拌翼としては、剪断作用と吐出作用を兼ね備えたディスクタービン翼がよく、ディスクの下方のみに翼板が垂直に取り付いた平タービン翼がより好ましい。なお、ここでＧ値および撹拌翼周辺速度は、撹拌部の撹拌翼についての値である。Ｇ値は１００〜１５０秒^−１がより好ましい。

ここでＧ値は以下のように定義される値である（日本水道協会 水道施設設計指針２０００ Ｐ１８８）。

Ｐ：単位時間単位体積あたりの仕事量 ［Ｊ／（ｍ^３・ｓ）］
μ： 粘性係数 ［ｋｇ／（ｍ・ｓ）］
Ｇ ： 速度勾配 ［１／ｓ］
但し、Ｐは、下式から求められる。

Ｗ ： 動力 ［Ｊ／ｓ］
ｎ ： 撹拌翼の回転数 ［１／ｓ］
Ｔ ： 撹拌翼にかかるトルク ［Ｎｍ］
Ｖ ： 槽容積 ［ｍ^３］

ところで、原水の濁度が低い場合、混和池での凝集反応を促進する方法として、特許文献３に示されているような凝集補助剤（凝集助剤とも言う）を原水に添加する方法が知られている。原水の濁質は凝集反応の核になるため、凝集補助剤を加え、原水の濁度を高めることで凝集反応が促進される。

濁度が低い原水に対して、砂などの凝集補助剤を添加して凝集反応を促進する場合、凝集補助剤の添加を中断すると、中断直後から凝集反応の促進が行われなくなる。このため、原水の濁質がフロックに十分に取り込まれない状態や、凝集反応が十分に進行しない状態の水が沈殿部へ流入し、沈殿処理水の水質悪化を招くことがある。一方、バラスト剤を添加してフロックの沈降速度を速める場合、バラスト剤の添加を中断すると中断直後からバラスト剤を含まないフロックが形成される。このため、沈降速度の遅いフロックが沈殿部へ流入して沈殿処理水の水質悪化を招く。

これに対し本発明方法で用いるスラリ循環型高速凝集沈殿装置では、沈殿部の固体粒子包含スラリを常に撹拌部へ返送し、撹拌部と沈殿部を循環させている。このため、固体粒子の添加を中断しても、固体粒子を含むスラリが存在するため、処理性能は低下しない。そして、処理の継続に伴って装置内の汚泥量が増加するので排泥を行い、排泥とともに固体粒子が排出され、循環している固体粒子量は減少するが、凝集沈殿処理性能が保持される範囲でスラリが固体粒子を包含していれば固体粒子を連続添加する必要はなく、間欠的に固体粒子を補充すればよい。

よって、本発明方法では固体粒子の添加を厳密に管理する必要はなく、簡易な運転管理で清澄な沈殿処理水を安定して得ることができる。

本発明には、掻き寄せ機を持たないスラリ循環型高速凝集沈殿装置を採用することによって、沈殿部から撹拌部へ固体粒子包含スラリを返送するためにポンプなどの設備および動力を要しない方法も含む。この方法では、撹拌翼は撹拌翼中央から槽周部へ向かう水平方向の噴出水流を形成する構造を有し、撹拌翼からの噴出水流によって撹拌部からその上部のフロック形成部経由で沈殿部へ原水量を超える水量が流れる。原水量を超える分の水量は沈殿部から撹拌部へ固体粒子包含スラリとなって自然に返送される。

本発明の更に別の特徴としては、固体粒子の循環利用を挙げることができる。すなわち、有機性高分子凝集剤を用いずに固体粒子をフロックに素早く取り込ませ、かつ固体粒子の沈積を防止するためには、固体粒子として上記したような粒径の細かい粒子が適している。しかし、粒径の細かい粒子をフロックから高い収率で分離回収することは難しく、固体粒子が排泥とともに排出され、汚泥処理系で処分されることになるが、その場合は、固体粒子にかかるランニングコストと廃棄物増加のランニングコストの双方の増加を招く結果となる。

これに対し本発明では、液体サイクロンを用いて固体粒子を排泥から分離回収して再利用することが可能となる。

すなわち、本発明においては、固体粒子として粒径１０５μｍ以下が重量割合で９５％以上となる粒度分布のものを選定しており、このような細かい物質を液体サイクロン処理で効率的に回収することは難しい。そこでまず、排泥を液体サイクロンで処理する場合、液体サイクロン流入液のＳＳ濃度が高すぎると液体サイクロンの閉塞を生じ易くなるので、液体サイクロン流入液のＳＳ濃度を１５ｗ／Ｖ％（１５０，０００ｍｇ／Ｌ）を越えないように管理し、必要に応じて排泥を希釈して液体サイクロン処理することで、上記問題を回避できる。

また、本発明では、沈殿部または撹拌部から排出する排泥を一旦液体サイクロン原液槽へ受け入れた後、ポンプによって排泥を液体サイクロンに通水する。液体サイクロンから排出されるスラリを液体サイクロン原液槽へ返送し、分離した固体粒子は固体粒子貯留槽へ受ける。液体サイクロン原液槽の排泥を液体サイクロンに循環通水することによって固体粒子の回収率を向上させることが可能になる。

この循環処理によって排泥中の固体粒子濃度は低下するので、一定濃度以下に達した時点で排泥からの固体粒子回収処理を終了する。液体サイクロン処理において固体粒子の多くは排泥側ではなく濃縮液側へ分離されるため、濃縮液の固体粒子濃度は排泥よりも高くなる。よって固体粒子濃度の測定は濃縮液を対象に行った方が試料量が少なくてよく、測定の処理も簡易に行うことができる。このような理由により、この固体粒子濃度の測定は、排泥中に低濃度で存在する固体粒子量を測定するよりも、液体サイクロンから分離されて固体粒子貯留槽へ流入する固体粒子濃度を測定することが容易であるので、これを測定することが好ましい。また、処理対象排泥量と液体サイクロン処理液量とから、予め固体粒子回収率が所定の値に達するまでの時間を確認しておき、処理時間に基づいて処理の終了を判断しても良い。

固体粒子を包含している排泥から固体粒子を回収する場合、固体粒子からフロックを物理的に剥離しても、固体粒子表面にはフロックが完全には除去されておらず付着していることがある。このようなフロックが付着した固体粒子は、フロックが付着していない固体粒子に比べ、凝集剤との反応性が低い。このため、このような固体粒子を撹拌部に添加しても、フロックに取り込まれないまま沈殿部へ流下して沈殿処理水へ流出する危険がある。

そこで本発明では、液体サイクロンで分離回収した固体粒子を再利用するに際して、表面に付着しているフロックを処理、除去する手段を併用することが好ましい。

固体粒子の再利用にあたって用いられる手段としては、浄水場のｐＨ調整剤として使用される酸である硫酸や炭酸の溶液が望ましい。そして、沈殿部から排出した排泥に酸を添加するとフロックを溶解するために大量の酸が必要になるので、液体サイクロンで排泥から分離された固体粒子へ酸を添加することが望ましい。分離した固体粒子にもフロックは混在しているが、混在するフロックを完全に溶解する必要はないため、使用する酸の量も少なくてよく経済的である。更に、固体粒子の表面にフロックが強固に固着してしまうことを防止する観点から、アルミニウム系凝集剤の場合、ｐＨをフロックの溶解が増加するｐＨ６以下にすればよく、ｐＨ５〜６に調整することがより好ましい。具体的な方法としては、スラリを液体サイクロンで処理して得られる固体粒子を、固体粒子貯留槽へ受け入れた後、固体粒子貯留槽内のｐＨを５〜６になるように槽内を撹拌しながら酸を添加すれば良い。ｐＨを所定の値に保つ時間は長く必要なく、５分以上であればよい。

また、酸添加処理後の酸性液を撹拌部でのｐＨ調整剤として用いることも可能である。この際、酸性液から固体粒子を分離して用いる必要はなく、固体粒子を含んだままの酸性スラリとして添加することもできる。

なお、浄水処理においてアルミニウム系凝集剤を用いた場合、凝集時のｐＨが７．５を越えるとアルミニウムはアルミン酸イオン（ＡｌＯ_２ ⁻）として溶解し、濃度が急激に増加することが知られている（例えば、藤田賢二著；水処理薬品ハンドブック（２００３） の図−２.１.３など）。浄水処理においては、水道水質基準におけるアルミニウム及びその化合物基準値はアルミニウムとして０．２ｍｇ／Ｌ以下であり、ｐＨが７．５を越える場合にはＡｌＯ_２ ⁻として溶解するアルミニウム濃度が増加するために基準値を逸脱する可能性が高くなる。

この対策として、凝集処理、特に撹拌部或いはその上流で酸を添加してｐＨを低減することが有効であるが、本発明で行う処理後の酸性液を撹拌部でのｐＨ調整剤として用いる方法は、原水の低濁度対策とｐＨ低減対策を併せて行うことができる。更に、固体粒子に付着していたフロックが酸で溶解されて再び添加されることから、凝集剤添加率を低減する効果もある。

次に本発明の実施形態のいくつかを、図面を用いてより具体的に説明する。なおこれは本発明の実施の形態を例示的に説明するためのものであって、本発明の態様をこれに限定することを意図したものではないことはいうまでもない。

図１は、スラリ循環型高速凝集沈殿装置を用いた本発明水処理方法の一実施態様を示す模式図である。本図において、１は凝集沈殿装置（スラリ循環型高速凝集沈殿装置）、２は原水、３は撹拌モーター、４は沈殿部、５は沈殿処理水、６は無機凝集剤、７は固体粒子、８は排泥、９は液体サイクロン原液槽をそれぞれ示す。また、１０は排泥移送ポンプ、１１は液体サイクロン、１２は固体粒子貯留槽、１３は固体粒子移送ポンプ、１４は液体サイクロン処理汚泥を示し、１５は撹拌部、１６はフロック形成部、１７は撹拌翼、１８は擂り鉢状部、２２は外側ドラフトチューブ、２３は内側ドラフトチューブ、２８はスラリ界面、２９はスラリブランケットを示す。また、Ａはフロック形成部から沈殿部へ溢出するスラリ（以下、「溢出スラリ流」という）を、Ｂは沈殿部から撹拌部へ流入するスラリ（以下、「流入スラリ流」という）を示す。

本態様においては、無機凝集剤６は、原水２の装置への流入前に添加され、その後に凝集沈殿装置１の撹拌部１５へ流入する。撹拌部１５では、撹拌モーター３によって駆動する撹拌翼１７によって原水２、沈殿部４からの流入スラリ流Ｂが撹拌されており、ここへ固体粒子７を添加し、原水２に添加した無機凝集剤６による凝集を起こさせる。生成するフロックは固体粒子７を包含した状態で、撹拌翼１７の回転による上昇力で、フロック形成部１６に引き上げられ、更に沈殿部４へ流入する溢出スラリ流Ａとなり、沈殿部４へ流入する。撹拌部１５で生成したフロックは、内側ドラフトチューブ２３で囲まれたフロック形成部１６を緩やかに水流撹拌されながら上昇し、その後、外側ドラフトチューブ２２と内側ドラフトチューブ２３の隙間を通過して沈殿部４へ流下する。フロック形成部１６と該隙間はどちらも、撹拌部１５で形成したフロック同士を合体させて大きく成長させるために存在し、フロック形成部１６ではフロックが沈降しない程度の撹拌を行う。この撹拌は撹拌部１５での撹拌より弱く、撹拌部１５から撹拌翼１７によって噴出される水流による撹拌でよく、別の撹拌翼を設けて撹拌しても良い。

フロック形成部１６でより大きく凝集したスラリは、撹拌部１５から次々上昇してくるフロックにより、内側ドラフトチューブ２３の上部から溢流し、フロック形成部１６から沈殿部４へ向かう下降流となり、沈殿部４の底部へ向かって流入する。沈殿部４では、処理水５の上昇流速とつり合う終端速度のフロックが、スラリブランケット２９を形成しており、スラリブランケット２９を通過して清澄化された水は、スラリ界面２８を経て上部へ流れ沈殿処理水５として外部へ流出する。一方、沈殿部４へで沈降するスラリは、更に沈殿部から撹拌部への流入スラリ流Ｂとなり、撹拌部１５へ戻る。

撹拌部１５からフロック形成部１６へ流れる水量は、撹拌部１５へ原水２が流入する水量よりも大きいが、これは撹拌翼１７による水の噴出し作用によるものである。このため、フロック形成部１６から沈殿部４へ流れる水量の一部は、沈殿部４の底部において撹拌部１５へ吸込まれる。この沈殿部４の底部における撹拌部１５への流れが流入スラリ流Ｂであり、沈殿部４の底部のスラリは、ポンプなどの流体移送手段を用いることなく撹拌部１５へ返送される。

上記した水処理に伴って装置内の汚泥総量が増加した時点で、増加分を沈殿部４の下部から排泥８として液体サイクロン原液槽９へ排出する。排泥８は、固体粒子７を包含しており、それらの混合スラリを排泥移送ポンプ１０で液体サイクロン１１へ導出し、液体サイクロン処理汚泥１４と固体粒子７に分離する。固体粒子７は、固体粒子貯留槽１２に貯留され、必要により酸溶液２０により、フロックの除去を行うことができる。そして、必要に応じて固体粒子移送ポンプ１３によって撹拌部１５へ注入される。

本態様において使用する固体粒子７は、前記の通り、粒度分布が１０５μｍ以下の重量割合が９５％以上のものであり、更に１０μｍ以下の重量割合が３０％以下であって、比重が２.０以上かつ４.０以下が好ましい。固体粒子７の材質は溶出物が極力少ない材質とすべきであり、具体的には珪砂などが挙げられる。また固体粒子貯留槽１２では、必要に応じて酸溶液２０を添加して固体粒子７の表面に付着した無機凝集剤６由来のフロックを溶解除去することが可能である。ここで使用する酸溶液としては、硫酸、炭酸等の溶液を挙げることができる。また、固体粒子７の補充は、固体粒子貯留槽１２へ行うことが出来る。

固体粒子貯留槽１２から固体粒子移送ポンプ１３を介して撹拌部１５へ固体粒子７を間欠注入する場合、注入停止時には固体粒子７を含む液がこの配管内に残留することになる。この固体粒子７の配管内での沈積・固着を防止するためには、注入停止に併せて配管内をフラッシングすればよい。フラッシングに用いる水としては、沈殿処理水でもよく、汚泥処理からの返送水でもよい。

本実施形態では、沈殿部４から返送された流入スラリＢ、原水２および無機凝集剤６と、固体粒子７が撹拌部１５において撹拌翼１７の撹拌力によって混合され、凝集反応が行われる。しかし、固体粒子７の粒径が大きい場合、凝集反応によって生成するフロックは沈殿部４から返送されたスラリと固体粒子７を包含して沈降性が増す。このため、撹拌部１５の撹拌を強力に行わなければ、フロックおよび固体粒子７が撹拌部１５に沈積してしまい処理不良を招く。このため、本実施形態では、固体粒子７の粒度分布を１０５μｍ以下の粒子の重量割合が９５％以上とすることによって、Ｇ値が１００〜２５０秒^−１かつ撹拌翼１７の周辺速度が１ｍ／秒以下の弱い撹拌で、フロックおよび固体粒子７が撹拌部１５に沈積することを抑制している。

また本態様では、沈殿部４のスラリは沈殿部から撹拌部への流入スラリ流Ｂとなり撹拌部１５へ返送され、返送のためにポンプなどの流体移送手段を用いる必要がない。返送されるスラリは固体粒子７を包含しているため、固体粒子７を常時注入する必要はなく、スラリが包含している固体粒子７の濃度が低下した時点で注入を行えばよい。

図２は、図１とは別のタイプである掻き寄せ機付きスラリ循環型高速凝集沈殿装置への本発明方法の適用態様を模式的に示す図面である。図中、１９は掻き寄せ機を、２１は底部ピットを示し、他の数字は、図１と同じである。

本態様においては、無機凝集剤６が混和された原水２は、撹拌部１５へ中央低部から流入される。また、沈殿部４の底部に堆積するスラリは、掻き寄せ機１９によって撹拌部１５へ戻される。撹拌部１５の底部ピット２１に溜まるスラリは、排泥８としてを排出する。この底部ピット２１からの排泥８は、一旦液体サイクロン原液槽９に貯留された後、排泥移送ポンプ１０を介して液体サイクロン１１へ送られ、ここで排泥８は、固体粒子７と液体サイクロン処理汚泥１４とに分離される。そして、固体粒子７は固体粒子貯留槽１２で貯留され、図１の態様と同様、必要に応じて撹拌部１５へ添加される。

本実施態様では、沈殿部４のスラリを撹拌部１５へ戻すために、掻き寄せ機１９を用いている点に特徴があり、水流のみでは撹拌部１５へ返送されないスラリを確実に返送することが可能である。このことによって、図１の実施態様で必要になる沈殿部４の底部に擂鉢状部１８を設ける必要がなく、沈殿部４を大きくし、ひいては装置の大型化が可能である。

図３は、図１のスラリ循環型高速凝集沈殿装置において、固体粒子貯留槽１２を省いた簡易型の実施態様のものである。この態様では、液体サイクロン１１で分離した固体粒子７を貯留せず、すぐに撹拌部１５へ添加する形態である。この固体粒子７を包含するフロック（排泥８）は液体サイクロン原液槽９に貯留し、必要に応じて液体サイクロン１１で処理を行って添加する。液体サイクロン原液槽９に十分な量の排泥８を貯留している場合は、排泥８の一部は廃棄排泥８ｂとして固体粒子７を包含したままで汚泥処理設備（図なし）へ排出する。

この態様の装置では、液体サイクロン１１で分離回収した固体粒子７をすぐに撹拌部１５へ注入するものであるため、固体粒子貯留槽１２と固体粒子移送ポンプ１３を設ける必要がない。また、分離回収した固体粒子７を一旦貯留する場合には、固体粒子貯留槽内１２での固体粒子７の沈積を防止するためには撹拌を行う必要があるが、固体粒子７を貯留しない本態様ではそのような撹拌が不要になり、撹拌動力を要しないという利点がある。

図４は、図１のスラリ循環型高速凝集沈殿装置において、液体サイクロン原液槽９を省いた簡易型の実施態様のものである。この態様では、排泥８は貯留せず、沈殿部４からの排出後すぐに液体サイクロン１１で固体粒子７を排泥８から分離回収する態様である。分離回収後の固体粒子７は固体粒子貯留槽１２へ貯留し、必要に応じて撹拌部１５へ添加する。

この態様では、排泥８を貯留するための液体サイクロン原液槽９が存在しないため、液体サイクロン原液槽９内での排泥８の沈積を防止するための撹拌が不要になり、撹拌動力を要しないという利点がある。

図５は、１台の液体サイクロン１１を用いながら、固体粒子７の回収率を向上させるシステムの実施態様を示すもので、沈殿部４からの排泥８から、固形粒子７を撹拌部１５に戻す間の構成のみを示している。図中、２６は液体サイクロン流入弁、２７は液体サイクロン流出弁を示す。

この態様は、１台の液体サイクロン１１で、排泥８を二段処理する形態である。すなわち、排泥８をまず、第１液体サイクロン原液槽９ａに受け、２つの液体サイクロン流入弁２６のうち、２６ａを開、２６ｂを閉とし、２つの液体サイクロン流出弁２７のうち、２７ａを開、２７ｂを閉とする。この状態で、排泥移送ポンプ１０を作動させ、排泥８を液体サイクロン１１に圧送する。この工程で分離された固形粒子７は、固体粒子貯留槽１２に送られ、排出される液体サイクロン処理汚泥１４は、第２液体サイクロン原液槽９ｂで受ける。その後、液体サイクロン流入弁２６ａを閉、液体サイクロン流入弁２６ｂを開、液体サイクロン流出弁２７ａを閉、液体サイクロン流出弁２７ｂを開とし、排泥移送ポンプ１０を作動させて、第２液体サイクロン原液槽９ｂから液体サイクロン処理汚泥１４を液体サイクロン１１に圧送する。この工程で分離された固形粒子７は、固体粒子貯留槽１２に送られて貯留され、排出される液体サイクロン処理汚泥１４ｂは汚泥処理設備（図示せず）へ排出する。

本実施態様を採用することにより、排泥８からの固体粒子７の回収率を高くすることが可能である。すなわち、固体粒子７を包含する排泥８を、液体サイクロン１１に１回通して得られる固体粒子７の回収率は、固体粒子７の粒径が大きいほど高いことが知られている。本発明で用いる固体粒子７のように粒径が小さい場合には、液体サイクロン１１での回収率が低下し、１回の処理では分離されない固体粒子７が、液体サイクロン処理汚泥１４へ流出してしまう。しかし、本実施態様のように、分離されなかった固体粒子７を含む液体サイクロン処理汚泥１４を第２液体サイクロン原液槽９ｂへ一旦回収し、再び液体サイクロン１１での処理を行うことによって、固体粒子７の回収率が向上し、新規に注入する固体粒子７に掛かるコストを抑制することが可能である。

上記のような効果は、液体サイクロン１１を２台使用し、１回目の処理と２回目の処理をそれぞれ別の２台の液体サイクロン１１で行うことが可能であるが、本実施形態のように、複数の液体サイクロン流入弁２６および液体サイクロン流出弁２７を使い分けることにより、サイクロン１１と排泥移送ポンプ１０を共有することが可能になり、設備の削減、装置の省スペース化が可能になる。

図６は、１台の液体サイクロン１１で排泥８を循環処理することにより、固体粒子７の回収率を向上させるシステムの実施態様を示すもので、図５と同様、沈殿部４からの排泥８から、固形粒子７を撹拌部１５に戻す間の構成のみを示している。

この態様では、２つの液体サイクロン流出弁２７のうち、２７ａを開、２７ｂを閉とした状態で、液体サイクロン原液槽中の排泥８を、液体サイクロン１１に圧送する。この工程で分離された固形粒子７は、固体粒子貯留槽１２に送られ貯留されるが、液体サイクロン処理汚泥１４は、最初の液体サイクロン原液槽９に戻り、再び液体サイクロン１１へ圧送され、循環処理が行われる。再度の液体サイクロン１１処理で分離回収された固体粒子７は、固体粒子貯留槽１２に貯留され、液体サイクロン処理汚泥１４は、再度最初の液体サイクロン原液槽９に戻り、再び液体サイクロン１１へ圧送され、処理される。この操作を繰り返し、液体サイクロン処理汚泥１４に含まれる７固体粒子の濃度が低減した後、液体サイクロン流出弁２７ｂを開、液体サイクロン流出弁２７ａを閉として液体サイクロン処理汚泥１４ｂを排出する。

本態様では、液体サイクロン１１での処理時間と液体サイクロン処理汚泥１４に含まれる固体粒子７の濃度との関係を予め確認しておいたり、液体サイクロン１１での処理時間と液体サイクロン１１から固体粒子貯留槽１２へ分離回収されるスラリに含まれる固体粒子７の濃度との関係を予め確認しておけば、液体サイクロン処理汚泥１４に含まれる固体粒子７の濃度をその都度測定する必要はない。すなわち、液体サイクロン処理汚泥１４に含まれる固体粒子７の濃度または分離回収されるスラリに含まれる固体粒子７の濃度が所定の目標値以下になるまで、予め求めた処理時間との関係に基づいて処理を所定時間継続すれば良く、所定時間処理した後に液体サイクロン流出弁２７ａと２７ｂの開閉切替を行うことで、適切に循環処理が可能となる。

なお、液体サイクロン１１での処理時間と液体サイクロン処理汚泥１４に含まれる固体粒子７の濃度との関係は、液体サイクロン原液槽内９の排泥量によって異なる。このため、液体サイクロン原液槽９内の排泥量ごとに、前記の関係を確認しておくことが望ましい。また、液体サイクロン原液槽９内の排泥が、液体サイクロン１１を循環する見かけの循環回数と液体サイクロン処理汚泥１４に含まれる固体粒子７の濃度との関係を予め確認しておき、固体粒子７の濃度が目標値以下になるまでの循環回数に対応する時間まで処理することも可能である。液体サイクロン原液槽９内の排泥が、液体サイクロン１１を循環する見かけの回数は、液体サイクロン原液槽９内の排泥量Ｖ、液体サイクロン１１の処理流量υ、処理時間ｔによって決まり、υｔ／Ｖで表される。この場合、液体サイクロン原液槽９内の排泥量が任意の値でも処理時間を決めることが可能である。

本実施態様のように液体サイクロン１１で循環処理することによって、固体粒子７の回収率の向上が可能であり、更に設備の削減、装置の省スペース化が可能になる。

以下に実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら制約されるものではない。

実 施 例 １
図７に示す実験装置を用い、本発明方法を実施した。実験装置の仕様と運転条件を表１に示す。なお、原水としては水道水にカオリンを添加した人工原水であり、濁度を３度に調整して用いた。また、無機凝集剤としてはＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）を用い、固体粒子としては、粒径が１０５μｍ以下の重量割合が９７％、８０％、５６％の３通りの珪砂を用いて試験を行った。撹拌動力は、撹拌機モーターに取り付けたトルク計の値から算出した。実験装置で用いた撹拌翼は、ディスクタービン翼であり、ディスクの下方のみに翼板が垂直に取り付いた平タービン翼を用いた。この実験結果は表２に示す。

この結果から明らかなように、いずれの処理条件でも沈殿処理水の濁度に有意な差はなく０.７度未満を得ることができた。砂の粒径１０５μｍ以下の割合が９７％である実施例１、実施例２および比較例１を比べると、いずれの処理でも砂またはフロックの沈積が生じていない。よって、撹拌は、撹拌翼の周辺速度０.６３ｍ／秒、撹拌部のＧ値は１７５秒^−１で十分であり、Ｇ値が３１０分^−１では無駄に撹拌動力を消費することになる。

一方、実施例１、比較例２および比較例５を比べると、砂粒径１０５μｍ以下の割合が少なくなるに従い、即ち粒径が大きくなるに従い、砂および砂含有フロックが撹拌部に沈積し易くなる。このことは、砂およびフロックの沈積を防止するには、粒径が大きい砂を用いるほど大きな撹拌動力が必要になることを意味する。

撹拌部またはフロック形成部に砂やフロックが沈積すると、撹拌が不均一になり、そのまま放置すると沈殿処理水の水質悪化を招く。よって、砂添加時には、撹拌部またはフロック形成部への沈積が生じないように運転することが重要である。

以上の結果より、添加する砂の粒径を適切に選定し、撹拌部のＧ値と撹拌翼の周辺速度を低く抑えることで、撹拌動力を低く抑えた省エネルギー運転が可能であることが明らかとなった。

本発明によれば、濁度が低くて凝集性の悪い原水に対して、高速凝集沈殿装置であっても十分な水処理を行うことができる。

そして、この高速凝集沈殿法は、余分な高分子凝集剤を必要とせず、撹拌動力が少なく、消費電力量を低いものであるため、省エネルギーであり、かつ経済的な水処理が可能となる。

スラリ循環型高速凝集沈殿装置を用いた本発明方法の一態様を示す模式図である。 掻き寄せ機付きスラリ循環型高速凝集沈殿装置を用いた本発明方法の一態様を示す模式図である。 固体粒子貯留槽を省いた、簡易型のスラリ循環型高速凝集沈殿装置を用いた本発明方法の一態様を示す模式図である。 液体サイクロン原液槽を省いた、簡易型のスラリ循環型高速凝集沈殿装置を用いた本発明方法の一態様を示す模式図である。 １つの液体サイクロンで、排泥を二段処理する態様を示す模式図である。 １つの液体サイクロンで、排泥を循環処理する態様を示す模式図である。 実施例１で用いた実験装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ … … 凝集沈殿装置
２ … … 原水
３ … … 撹拌モーター
４ … … 沈殿部
５ … … 沈殿処理水
６ … … 無機凝集剤
７ … … 固体粒子
８ … … 排泥
９ … … 液体サイクロン原液槽
１０ … … 排泥移送ポンプ
１１ … … 液体サイクロン
１２ … … 固体粒子貯留槽
１３ … … 固体粒子移送ポンプ
１４ … … 液体サイクロン処理汚泥
１５ … … 撹拌部
１６ … … フロック形成部
１７ … … 撹拌翼
１８ … … 擂り鉢状部
１９ … … 掻き寄せ機
２０ … … 酸溶液
２１ … … 底部ピット
２２ … … 外側ドラフトチューブ
２３ … … 内側ドラフトチューブ
２４ … … トルク計
２５ … … センターウエル
２６ … … 液体サイクロン流入弁
２７ … … 液体サイクロン流出弁
２８ … … スラリ界面
２９ … … スラリブランケット
Ａ … … フロック形成部から沈殿部へ溢流するスラリ流
Ｂ … … 沈殿部から撹拌部へ流入するスラリ流

Claims (7)

1. 濁度が１０度以下の原水に無機凝集剤を注入し、これらを撹拌部において撹拌翼によって撹拌してフロックを形成させ、該フロックを沈殿部で沈降分離し、沈降した該フロックをスラリとして沈殿部から撹拌部へ戻すとともに、沈殿部上部に生成した沈殿処理水を外部に取り出せるように構成された凝集沈殿装置を用いる水処理方法であって、
   （ａ）前記原水に、１０５μｍ以下の粒子の重量割合が９５％以上の固体粒子を更
   に添加し、
   （ｂ）撹拌部での撹拌を前記撹拌翼の周辺速度を１ｍ／秒以下、Ｇ値を１００〜
   ２５０秒^−１とすること
   を特徴とする水処理方法。
2. 高分子凝集剤を使用しない、請求項１記載の水処理方法。
3. 前記固体粒子が、前記沈殿部及び／または前記撹拌部からのスラリを液体サイクロンで処理し、該スラリから分離回収された固体粒子である請求項１または２に記載の水処理方法。
4. 前記スラリに含まれる固体粒子の分離回収を、前記液体サイクロンの前段に設けた液体サイクロン原液槽に該スラリを導入してから液体サイクロンへ供給し、スラリから分離回収した固体粒子を該液体サイクロンの濃縮液側に回収するとともに、該固体粒子を分離後のスラリを該液体サイクロン原液槽へ戻す循環処理を、該液体サイクロンの濃縮液中の固体粒子の濃度が所定値に低下するまで行う請求項３に記載の水処理方法。
5. 前記循環処理を、循環処理の時間に対応する濃縮液中の固体粒子の濃度を予め求め、該固体粒子の濃度が所定値になる時間まで行う請求項４に記載の水処理方法。
6. 前記液体サイクロンで分離回収した前記固体粒子を、酸溶液で処理した後、撹拌部に添加する請求項３ないし５の何れかに記載の水処理方法。
7. 酸溶液が硫酸または炭酸の溶液である請求項６に記載の水処理方法。
   

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