JP5383157B2 - 浄水のための動的処理システムおよび浄水における動的処理のための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、浄水における動的処理のための装置および方法に関する。
従来の都市用水処理（ＭＷＴ）は、凝固（coagulation）、凝結（flocculation）および沈殿のための多段階濾過と逐次プロセスステップとを含む。典型的な場合、最少で２段階の濾過は、粗い２〜３ｍｍのメッシュフィルタを入口に、また２０〜４０μｍのマルチメディアフィルタを終わりに含まなければならないが、多くの公益施設は中間濾過ステップを有する。凝固−凝結―沈殿が組み合わされたプロセスでの水理学的保持時間（流体滞留時間）は、原水の品質に応じて５〜１０時間の長さにすることができる。
次に図１を参照すると、従来の水処理設備が図示されている。これは当然ながら、例示的なシステムにすぎない。図示されるように、システム１０は、地表水、地下水、廃水、汽水、海水などの、様々なタイプの流体のいずれかの供給源１２を含む。この水は、典型的に１ｍｍから３ｍｍの範囲内の粒子が濾別されるように動作可能なスクリーンフィルタ１４に送られる。これらの比較的大きな粒子が除去された後、水のｐＨ調節を行い、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）を、炭素反応器／混合器１６内の供給流に添加する。この化学薬品は、典型的には味および匂いの制御のために添加される。その他の代替例には、オゾンおよびその他の酸化剤を含めてよい。次に、塩素を供給流に添加し、混合器１８内で混合する。次いで、凝固剤（coagulant）（例えば、Ａｌｕｍ、ＦｅＣｌ３、ＡＣＨなど）が添加されるフラッシュ混合を、フラッシュ混合器２０内で行う。高分子量を有する長鎖ポリマーで作製された凝結剤（flocculant）を、凝結段階で添加し、低速混合器２２内で混合する。次いで供給流を沈殿タンク２４に送り、そのタンク内で、重力の影響により流出液から粒子を沈殿させる。次いで沈殿タンクからの流れを、残留する小粒子が除去されるように動作するマルチメディアフィルタ２６に供給する。次いでシステムの産出物を、様々な目的で使用することができる。ある形態では、塩素を産出物に添加する。マルチメディアフィルタを頻繁に逆流洗浄し、この逆流洗浄液を、任意選択で水源に送り返す。この逆流洗浄またはフィードバック経路には、脱水段階２８を備えてもよく、それによって、水が供給源に戻され、スラッジが除去される。
上述のように、記述された浄水プロセスは、相当な時間を必要とする。次に図２を参照すると、例示的なフロー５０から、基本ステップが、急速な混合（凝固を含む）、凝結、沈殿、および濾過を含むことがわかる。図示されるように、急速混合段階５２は、終了するのに３０秒から２分間要する。凝結段階５４は、２０分から４５分の処理時間を必要とする。沈殿５６、または任意のその他の代替の固体除去プロセスは、典型的には少なくとも１時間から４時間（おそらくは１０時間まで）の処理を必要とする。最後に、濾過５８も、決定的な長さの時間を必要とする。この長期にわたる時間は、自治体型精製システムにとって問題になるだけでなく、実験室の環境などのその他の環境で使用される浄水システムにとっても問題である。
したがって、より効率的にかつ効果的に水を精製することができる代替の水処理システムが、利用可能であることが望ましいと考えられる。
本発明は、供給源から水を受け取る入口と、第１の粒子を濾過するように動作可能なフィルタ段階と、前記濾過された水を受け取り、凝固するように動作可能な混合段階と、前記凝固した水を受け取り、凝結剤（flocculant）で処理し、水から第２の粒子を分離するように動作可能な螺旋段階であって、前記螺旋段階の入口が流出液用の出口と濃縮液用の出口とを有する出口に連続流を供給するように構成されている螺旋段階と、前記螺旋段階からの水から第３の粒子を濾過するように動作可能な第２のフィルタ段階と、を含む浄水のための動的処理システムである。
また、前記システムにおいて、前記螺旋段階の出口または前記第２のフィルタ段階から前記供給源または前記螺旋段階の入口へのフィードバック経路をさらに含むことが好ましい。
また、本発明は、供給源から水を受け取るステップと、前記水を濾過して第１の粒子を除去するステップと、前記濾過された水と塩素および凝固剤（coagulant）とをフラッシュ混合するステップと、前記フラッシュ混合の産出物と凝結剤（flocculant）とを螺旋段階で低速混合するステップと、前記螺旋段階で第２の粒子を分離するステップと、前記螺旋段階の産出物を濾過して、第３の粒子を除去するステップと、を含み、前記螺旋段階において、前記低速混合の後に前記第２の粒子の分離が行われ、前記螺旋段階は、チャネルを含む本体を有し、前記チャネルの入口が流出液用の出口と濃縮液用の出口とを有するチャネル出口に連続流を供給するように構成され、凝結剤による処理および第２の粒子の分離が行われるように構成されている、浄水における動的処理のための方法である。
また、前記方法において、前記分離するステップまたは濾過するステップから前記供給源へのフィードバック経路でスラッジを除去するために脱水するステップをさらに含むことが好ましい。
本明細書に記述される実施形態の一態様において、システムは、供給源から水を受け取る入口と、第１の粒子を濾過するように動作可能なフィルタ段階（filter stage）と、濾過された水を受け取りかつ凝固するように動作可能な混合段階（mixing stage）と、凝固した水を受け取り、凝結剤で処理し、水から第２の粒子を分離するように動作可能な螺旋段階（spiral stage）と、水から第３の粒子を濾過するように動作可能な第２のフィルタ段階（second filter stage）と、出口とを含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第１のフィルタ段階は、スクリーンフィルタである。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、螺旋段階は、単一の螺旋装置に組み込まれる。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、混合段階は、単一の螺旋装置に組み込まれる。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、混合段階は、フラッシュ混合器に組み込まれる。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、螺旋段階は、凝固した水を受け取り凝結剤で処理する第１の螺旋装置と、水から第２の粒子を分離する第２の螺旋装置とに組み込まれる。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第２のフィルタ段階は、フィルタ装置である。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、システムはさらに、供給源へのフィードバック経路を含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、フィードバック経路は、脱水のための螺旋段階を含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第１の粒子は、その直径が約１〜３ｍｍである。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第２の粒子は、その直径が約５μｍ以上である。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第３の粒子は、その直径が０．５μｍ以上である。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、方法は、供給源から水を受け取るステップと、水を濾過して第１の粒子を除去するステップと、濾過した水を塩素および凝固剤とフラッシュ混合するステップと、第１の螺旋段階の産出物を螺旋段階で凝結剤と低速混合するステップと、螺旋段階の第２の粒子を分離するステップと、螺旋段階の産出物を濾過して第３の粒子を除去するステップとを含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、水を濾過して第１の粒子を除去するステップは、水をスクリーンに通すステップを含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、低速混合し分離するステップは、単一の分離装置で実現される。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、螺旋段階の産出物を濾過するステップは、この産出物を、多重の媒体または膜フィルタを有するフィルタに通すステップを含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、方法はさらに、フィードバック経路内で脱水するステップを含む。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第１の粒子は、その直径が約１〜３ｍｍである。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第２の粒子は、その直径が約５μｍ以上である。
本明細書に記述される実施形態の別の態様において、第３の粒子は、その直径が０．５μｍ以上である。
本明細書に記述される実施形態は、処理時間、化学薬品コスト、土地利用、および運用諸経費を著しく削減するために、流体の動的処理に膜のない濾過を組み込んだ、水処理に対する変形アプローチを表す。このアプローチでは、水が様々な螺旋段階を通って移送されるので、濾過と化学処理との混成能力をもたらす。
システムの特徴には、限定するものではないが下記の事項が含まれる。
１）システムに対するＴＳＳ（総懸濁固形分）投入量を軽くするための、フロント−エンド（front-end）としての螺旋粒子抽出能力の使用。プロセスのフロント−エンドでのフラッシュ混合も、化学反応速度を高め、より完全な反応をもたらす。
２）急速な放物線流動からの高速剪断および凝固剤によって、加速される凝集速度（agglomeration kinetics）に対する理想的な均一サイズの種粒子が得られる、狭い流動チャネルでの動的移送能力の使用。
３）沈殿槽内に沈殿させる前に、数百ミクロンのサイズまで凝集（agglomerate）させることが可能な従来の粒子に依拠するのではなく、螺旋装置によって、５μｍ程度に小さいピンフロック（pin flocc）（凝固の終わりと凝結の初めとの間の転移点での粒度）を除去することが可能。このプロセスは、加速された凝集ももたらす。
４）付随する化学薬品と共に、凝結および沈殿ステップを完全にまたはほぼ除去することが可能。これは、土地利用および保全労力の削減も可能にするであろう。
５）化学薬品の漸増的用量が可能。
１）システムに対するＴＳＳ（総懸濁固形分）投入量を軽くするための、フロント−エンド（front-end）としての螺旋粒子抽出能力の使用。プロセスのフロント−エンドでのフラッシュ混合も、化学反応速度を高め、より完全な反応をもたらす。
２）急速な放物線流動からの高速剪断および凝固剤によって、加速される凝集速度（agglomeration kinetics）に対する理想的な均一サイズの種粒子が得られる、狭い流動チャネルでの動的移送能力の使用。
３）沈殿槽内に沈殿させる前に、数百ミクロンのサイズまで凝集（agglomerate）させることが可能な従来の粒子に依拠するのではなく、螺旋装置によって、５μｍ程度に小さいピンフロック（pin flocc）（凝固の終わりと凝結の初めとの間の転移点での粒度）を除去することが可能。このプロセスは、加速された凝集ももたらす。
４）付随する化学薬品と共に、凝結および沈殿ステップを完全にまたはほぼ除去することが可能。これは、土地利用および保全労力の削減も可能にするであろう。
５）化学薬品の漸増的用量が可能。
この関連で、図３（ａ）および（ｂ）は、本明細書に記述される実施形態による、例示的な水処理プラントの概略を示す。これらの実施形態は、従来のシステムの選択された構成要素の代わりに、図３（ａ）に記載される楕円内に示される構成要素を用いた状態を示す。例えば、凝結ステップの除去によって、フットプリントが縮小し、化学薬品の使用が減少する。
図３（ａ）に示すように、システム１００は、水源１０２からの水を処理するのに使用される。システムは、比較的大きい粒子を供給流から除去するように動作可能なスクリーンフィルタ１０４を含む。これらの粒子は、典型的には１ｍｍから３ｍｍの範囲内である。その他のより大きい粒子および物体（例えば、魚、ごみなど）も、このスクリーンを通して濾別される。任意選択のｐＨ調節は、流体がシステム内を進行するときに行ってもよい。
システム１００はさらに、第１の段階１０６、第２の螺旋段階１０８、および第３の螺旋段階１１０を含む。螺旋段階は、単一の螺旋分離装置内に組み込んでよいことが理解されよう。代替例として、螺旋段階のいずれか１つを、それ自体の固有の螺旋分離装置で実現してもよい。いずれにせよ、第１の段階１０６は、フラッシュ混合段階である。この段階は、フラッシュ混合器、乱流混合器、または別の螺旋混合段階の形をとってよいことを理解すべきである。螺旋混合段階を本明細書で使用する場合、十分な量の乱流を螺旋段階に導入して、十分な混合を実現する。第２の螺旋段階１０８は、螺旋低速混合段階である。また、第３の螺旋段階は、螺旋分離段階である。第３の段階では、５μｍ以上の粒子が典型的には流体から分離される。
フィルタ１１２もシステムに設けられる。フィルタ１１２は、様々な形をとってよい。しかし、１つの形態では、例えば物理的障害に関するＥＰＡの指示に準拠するように、多重の濾過媒体または膜フィルタを含む。フィルタ装置１１２によって濾過される粒子は、典型的には０．５μｍ以上の範囲内にある。システム１００には、脱水を行う任意選択の螺旋段階１１４も示されている。この段階では、螺旋脱水装置がフィルタ１１２からの逆流流体を受け取り、水からスラッジを分離して、その水を水源に戻す。
動作中、システム１００は、地下水、地表水、汽水、海水、または廃水を含んでよい供給源１０２から、水を受け取る。この水を、スクリーンフィルタ１０４に通して濾過することにより、記述される範囲内の第１の群の粒子が除去される。次いで水の供給流を、フラッシュ混合段階１０６で、過マンガン酸カリウム、凝固剤、および塩素と共にフラッシュ混合する。次に凝結剤を、螺旋低速混合段階１０８内で供給流にゆっくりと混合する。第３の螺旋段階１１０では、別の群の粒子を供給流から分離させる。上述のように、これらの粒子は、典型的には５μｍ以上の範囲内にある。次いでフィルタ１１２は、一般により小さくかつ０．５μｍ以上の範囲内にある第３の群の粒子を濾別する。次いで産出物を、様々な用途のいずれかに合わせて送る。
フィルタ１１２は、やはり水源に送り返される水からスラッジを分離するために流体を任意選択の螺旋脱水段階１１４に供給することになる、逆流洗浄プロセスにかけてもよいことを理解すべきである。
次に図３（ｂ）を参照すると、所望の分離を実現するために、フラッシュ混合器および単一の螺旋装置を使用する、別の実施形態が示されている。図示されるように、システム１０１は、供給流から比較的大きい粒子（例えば、１ｍｍから３ｍｍの範囲またはそれ以上の粒子／物体）を濾別するように動作可能なスクリーンフィルタ１０４を含む。また、凝固剤およびその他の適切な化学薬品を供給流中にフラッシュ混合するように動作可能な、フラッシュ混合器１０５も示されている。乱流混合は、フラッシュ混合器１０５または分離装置内で実現してもよい。螺旋装置１０９が示されている。螺旋装置１０９は、入口１０７と出口１１５および１１３を含む。螺旋装置１０９は、従来のシステムの凝結および沈殿段階に効果的に取って代わり、螺旋分離の使用を通して実質的に同様の目的が達成されるように設計されている。凝結剤も同様に、この段階で添加してよい。
出口１１５は、図示されるように、サイズが１〜５マイクロメートルよりも大きい粒子を含む廃水流に接続する。また、縮小された（reduced）凝固タンク１１９が内部に配置されていてもよい、任意選択の再循環経路１１７も示されている。再循環経路は、装置１０９の入口１０７に接続される。出口１１３は、図３（ａ）に関連して既に記述されたように動作しかつ構成された、フィルタ１１２に接続する。
螺旋装置の螺旋巻きプロトタイプの１つの例が、図４（ａ）に示されている。この装置は、１００ｍＬ／分のスループットに合わせて設計される。図示されるように、図４（ａ）は、入口２０２と、出口２０６に接続する少なくとも１つの螺旋チャネルを含む本体部分２０４とを含む、螺旋装置２００を示す。出口２０６は、スプリットチャネル出口、即ち、流出液用の単一チャネル出口２０５と濃縮液用の単一チャネル出口２０７とを含む。図４（ｂ）に示すように、螺旋装置の本体２０４は、単一の螺旋状に巻かれたチャネル２１０からなってもよい。代替例として、図４（ｃ）は、本体２０４が８個の並列チャネル２１０、２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、および２２４に分割される実施形態を示す。所望のスループット、製造オプション、および製作コストに応じて、その他の数の並列チャネルが可能であることが理解されよう。
螺旋装置２００は、上述の単一螺旋段階または多重の企図される螺旋段階が、内部に組み込まれるように構成してよい。当然ながら、フラッシュ混合、低速混合、および分離の目的は、段階のそれぞれの設計において考慮される。例えば、段階のそれぞれのチャネル幅および流動速度が、螺旋装置の実現の際に考慮される。これに関連して、図示される螺旋装置は単なる１つの例であることも理解すべきである。本明細書に記述される実施形態の目的を達成するために、任意の類似する螺旋装置を実現してよい。例えば、米国特許出願１１／６０６，４６０に記載の螺旋装置を使用してよい。企図されるシステムの螺旋装置を実現するために、任意の適切な材料を使用してよいことを、理解すべきである。
さらに、螺旋チャネルの寸法は、実現に応じて様々に変えてよい。しかし１つの形態では、螺旋装置の直径が１２インチであり、高さは１インチから１６インチまで様々に変えてよい。寸法は、システムの圧力および出力に影響を与えてよい。同様に、実際のチャネルの寸法は、圧力および出力に影響を与えてよい。一般に、より高い圧力（狭いチャネルの結果、得ることができる）がより高い出力でもたらされることになる。
また、装置は、システムを通して産出物および／またはより大きいスループットのより大きな制御が実現されるように、カスケード式にかつ／または並列に配置してよい。例示的な目的で使用される単なる１つの例として、次に図５を参照すると、本明細書に記述される実施形態のその他の実施形態が示されている。この実施形態では、精製システム５００が、異なるサイズの粒子を単離するために２段階螺旋分離システムを含む。図示される例示的なシステムでは、１から１０マイクロメートルの範囲の粒子が単離される。図示されるように、システムは、入口５０６並びに第１の出口５０８および第２の出口５１０を有する、螺旋分離器５０４に接続する入力水源５０２を含む。第２の出口５１０は、入口５２２を経て第２の螺旋分離器５２０に接続される。螺旋分離器５２０は、図示されるように、第１の出口５２４および第２の出口５２６を含む。
動作中、カスケード式螺旋段階を備えたシステム５００は、廃水流中に第１の螺旋分離器から出力される１０マイクロメートル超の粒子と、さらなる処理のために第２の螺旋分離器５２０に入力される１０マイクロメートル未満の粒子との間の粒子の、最初の分離を促進させる。次いで第２の螺旋分離器は、１マイクロメートル超の粒子を分離し、これらの粒子が内部に存在する流体を、出口５２４を介して出力する。残された流体または流出物は、出口５２６を通して出力される。このように、システム５００は、様々なサンプリング処理に合わせて１から１０マイクロメートルの間の粒子を単離することができる。この概念は、小さいサイズ範囲の粒子の分別が実現されるように、より小さいサイズのカットオフの螺旋構造を続けてカスケード配列することにより、拡げることができる。
図６（ａ）および６（ｂ）を参照すると、例示的な並列システムが示されている。図６（ａ）の実施形態は、螺旋巻き装置である螺旋装置７００を示す。その他のタイプの螺旋装置を使用してもよく、これは単なる１つの例である。
この装置７００は、入口７０６、第１の出口７０８、および第２の出口７１０を有する、螺旋状に巻かれた本体７０４を含む。装置７００は、図６（ｂ）に示されるように、複数の装置７００が並列に、流体マニフォールドからの水口主管７２０に接続されるシステムに配置してよい。同様に、装置の第１の出口ラインが、第１の出口主管７２２に接続されている。装置７００の第２の出口ラインは、第２の出口主管７２４に接続されている。
図７（ａ）には、コールターカウンタを使用した定量結果が示されており、９９．１％の抽出効率の微粒子出口で、濃度に３００倍の差があることがわかる。装置はさらに、性能が改善されるように最適化することができる。図７（ｂ）には、出口チャネル２０５および濃縮液チャネル２０７を有する単一チャネル２１０が示されている。分離にかけられた粒子は、２１１で示される。
図８は、本明細書に記述される実施形態を採用した場合の、コスト優位を評価するためのデータを含む。２０００年の米国における日々の飲料水使用量は、４３，３００ＭＧＤであり、全使用水量の１０．６％を占める。凝固および凝結のための全化学薬品コストは、原水に応じて＄２Ｂ（２０億ドル）から＄４Ｂ（４０億ドル）である。飲料水に関する年間米国総取引量は、＄４１Ｂ（４１０億ドル）である。ネフェロ分析単位（nephelometric units）（ＮＴＵ）での濁度は、水処理のタイプおよびレベルを決定するために水産業で使用される均一単位（uniform metric）である。これは、光の透過および散乱の尺度であり、粒度、密度、および色の作用を含む。流出液の流れの中の粒子をサブミクロンサイズに縮小するために、螺旋装置を使用することによって、濁度は０．７８ＮＴＵ未満に低下する（図８）。図９のデータを使用すると、２３ＮＴＵの濁度の低下によって、年間＄２．１Ｂ（２１億ドル）（４３，３００×２３×５．７９＝＄５．７６６Ｍ（５７６万６千ドル）／日＠２．１０４Ｂ／年）という化学薬品コストをもたらす可能性がある。図１０（ａ）および１０（ｂ）は、３０ｎｍ粒子が２０分で１μｍ粒子に成長すると仮定して推定された凝集速度（rate of agglomeration）に基づいた、凝固および沈殿を組み合わせた時間を示す。凝固および沈殿を組み合わせた時間が４時間未満の場合、適切な粒度は、４４分で７０μｍである。凝結剤コストが全化学薬品コストの５０％であると仮定すると、凝結剤ステップをなくした際の節減は、年間＄６９８Ｍ（６９８万ドル）である。本明細書で使用される数は、螺旋装置の化学薬品コスト優位を表す。その他のコスト優位には、用地コストおよび関連する建設コストが含まれる。
様々な螺旋段階を通した移送中の水の動的処理は、凝集速度（agglomeration kinetics）を高めるために、凝固剤および高剪断速度の使用に依拠する。概念の証明は、螺旋装置を用いた場合と用いない場合の従来のジャー試験を使用する、水処理実験で実証される。ジャー試験は、水処理プロセスにおいて凝集（aggregation）／凝結／沈殿の用量および性能を最適化するための、標準的な実験室規模の手順である。必要とされる凝固剤のタイプおよび量は、サンプル水の濁度および天然ｐＨ（native pH）に依存する。本発明者等のサンプル水は、その濁度レベルが２５から３０ＮＴＵの間であり、天然ｐＨ値は約９である。標準的なジャー試験は、典型的には３つの段階（phase）で行われる。第１の段階では、液体を高速で撹拌し（例えば、２７５から２８０ｒｐｍ）、その撹拌中に、凝固剤を素早く添加し、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を使用してサンプルのｐＨレベルを９の値に調節する。第２の段階では、撹拌を、いくらかの混合を促進させるがより大きいフロック（floc）を成長させる中程度のレベルにまで低下させる（例えば２５から３０ｒｐｍ）。第３の段階では、外部からの撹拌は行わないが、粒子はさらに大きく成長し、溶液から沈降する。
標準的なジャー試験の第１の修正例において（以後、「段階的凝固剤添加（step wise coagulant addition）」と呼ぶ）、本発明者等は、凝固剤を少ない用量で徐々に添加し、これらの添加のそれぞれの後に、ｐＨレベルを９の値に調節した。
第２の修正例において（以後、「修正ジャー試験（modified jar test）」と呼ぶ）、本発明者等は、流体を、段階１の間および任意選択で段階２の間に、螺旋チャネル装置を通して固定流量でポンプ送出した。チャネル内部の平均剪断速度は、従来のスクエアジャー（square jar）に相当する約３００／秒である。これに対して、円筒状ガラスビーカー内部の平均剪断速度は、高速および低速混合段階のそれぞれに関して１００／秒および１０／秒である。
図１１は、ジャー試験用の実験装置１０００を示す。凝集（aggregation）および凝結は、１０００ｍｌのガラスビーカー１００１で行われる。混合は、種々の速度で動作することができる舶用タービンロータおよび／またはスターラ１０１２により実現される。修正されたジャー試験では、液体を螺旋チャネル１００４に押し出すために、追加の蠕動ポンプ１００３を使用する。流体入口１００５および出口１００６は沈められるが、沈殿物の回収が妨げられないように、底面から十分上方にある。これらの入口および出口は、互いに対して直径に沿って反対側にも位置付けられる。全ての実験において、濁度の値を頻繁な時間間隔で記録して、凝結の進行をモニタする。装置１０００におけるその他の試験装置も例示するが、説明を簡略化するために、詳細には論じない。
凝集（aggregation）には種々の形態がある。小粒子および／または低速撹拌では、拡散主導凝集（diffusion driven aggregation）が支配する。より大きい粒子（約１μｍ以上）および／または高速混合速度では、凝集は剪断によって支配される。この場合、粒子に対する剪断力は凝集サイズと共に増大し、最終的には個々の（１次）粒子間の結合力を超えることになるので、最大粒度が制限される。粒子の凝集および凝結のほとんどは、サンプル液が撹拌されないうちに、または適度に撹拌される場合にのみ生ずる。この場合、拡散主導凝集は、数μｍよりも小さいサイズの粒子にとって支配的な成長形態である。全粒子数は、下式の通り、時間と共に減少する。拡散主導（またはブラウン運動（perikinetic））凝集の場合、τは、流体の粘度、温度、粒子の初期濃度、および成長する凝集体（aggregate）のタイプ（ばらばらで軽いのか、または圧密化して稠密なのか）に依存する。
（１）
（式中、Ｎ０は、実験開始時の粒子濃度であり、ｔは時間であり、τはプロセスの特徴的時間尺度である）
（１）
（式中、Ｎ０は、実験開始時の粒子濃度であり、ｔは時間であり、τはプロセスの特徴的時間尺度である）
濁度は、粒子の光吸収並びに光散乱の両方を含む尺度である。サンプル液内の粒子濃度またはサイズ分布の正確な測定ではないが、本発明者等は、依然として、粒子散乱が測定値を支配する場合には、ＮＴＵ値の同様の時間依存性を予測してよい。測定された濁度対時間曲線をモデル予測と比較するために、本発明者等は、実験データを下記の関数に当てはめる。
（２）
但し上式は、時間オフセットおよび一定バックグラウンドを加えることによって方程式（１）から導き出されたものであり、
（３）
さらに下記の通りである。
（４）
（２）
但し上式は、時間オフセットおよび一定バックグラウンドを加えることによって方程式（１）から導き出されたものであり、
（３）
さらに下記の通りである。
（４）
＜標準ジャー試験対段階的凝固剤添加の比較＞
凝集（aggregation）プロセスを開始するために、凝固剤を添加し、ｐＨを約９のアルカリレベルに調節する。これら２種の物質をサンプル液体に添加する速度および順序は、溶液のイオン強度およびコロイド粒子の表面電荷が定義されるようなものである。凝固剤は、注入ポイントでサンプル溶液を不安定化させ、かつ局所粘度を実質的に増大させる非常に大きいが緩やかに接続されたフロックの形成をもたらすので、この段階での高速混合は、必須である。十分な剪断によって、このフロックの網状構造が破壊され、サンプル体積内の凝固剤全ての良好な混合が促進されることになる。標準ジャー試験では、全ての凝固剤を最初に高速で添加し、次いでｐＨを１Ｎ ＮａＯＨ溶液で調節する。本明細書において、本発明者等は、この標準プロセスと、凝固剤を少量ずつ添加した後すぐにＮａＯＨ溶液でｐＨレベルを調節する段階的手順とを比較する。
凝集（aggregation）プロセスを開始するために、凝固剤を添加し、ｐＨを約９のアルカリレベルに調節する。これら２種の物質をサンプル液体に添加する速度および順序は、溶液のイオン強度およびコロイド粒子の表面電荷が定義されるようなものである。凝固剤は、注入ポイントでサンプル溶液を不安定化させ、かつ局所粘度を実質的に増大させる非常に大きいが緩やかに接続されたフロックの形成をもたらすので、この段階での高速混合は、必須である。十分な剪断によって、このフロックの網状構造が破壊され、サンプル体積内の凝固剤全ての良好な混合が促進されることになる。標準ジャー試験では、全ての凝固剤を最初に高速で添加し、次いでｐＨを１Ｎ ＮａＯＨ溶液で調節する。本明細書において、本発明者等は、この標準プロセスと、凝固剤を少量ずつ添加した後すぐにＮａＯＨ溶液でｐＨレベルを調節する段階的手順とを比較する。
図１２は、凝固剤としてミョウバンを使用した、汚水サンプルに対するこれら両方の手法に関する、時間の関数としての濁度測定値を示す。凝固剤（８０ｍｇ／Ｌ）およびＮａＯＨは、５分の高速混合段階の開始時に添加し、その後、２５分の低速混合段階が続き、その後に、凝集体（aggregate）が沈降する。段階的手順では、凝固剤を、それぞれ１０ｍｇを８ステップで添加した。最終的なｐＨを９に調節するのに必要なＮａＯＨ溶液の総量は、標準の場合の１．１ｍｌから段階的凝固剤添加プロセスの場合に１．２ｍｌの間で様々であり、溶液のイオン組成および／またはコロイド粒子の表面電荷の差がわずかであることを示唆している。図１０から、本発明者等は、凝固剤の段階的添加の後すぐにｐＨ調節を行うことによって、より速くより完全な濁度低下をもたらすことがわかる。図１３は、実験データとモデル予測との比較を示す。方程式（８）は、データにじつに良く当てはまり、ブラウン運動モデルは、これらジャー試験の実験の両方における凝集プロセスをうまく説明することを、示唆している。本発明者等が、コロイド粒子の同じ初期濃度で開始し、かつ本発明者等が両方の実験で温度を同じに保つと仮定した場合、段階的凝固剤プロセスのより速い凝集速度では、コロイド粒子が、溶液内をより速く拡散するより稠密な凝集体を形成することが示唆される。言い換えると、凝固剤添加中に、本発明者等のサンプル水の天然ｐＨ近くにｐＨを維持することにより、結果的により速い凝集をもたらす圧密種子フロックの形成を助ける。
＜標準ジャー試験対修正ジャー試験の比較＞
図１４（ａ）および（ｂ）は、標準と、追加の螺旋装置を使用するジャー試験の実験に関する濁度測定値を比較する。この場合、サンプルを最初に高速で撹拌した。３分後、スターラを停止させた。修正を加えた装置では、液体を、断面が３×３ｍｍ２の螺旋チャネルを通して３３３ｍｌ／分の流量で、高速撹拌しながら３分間、その後さらに２７分間ポンプ送出した。この流量で、チャネル内部の平均剪断速度は、円筒状ビーカー（段階１中）内部の平均剪断速度よりも約１桁分大きい。標準ジャー試験の場合、ＮＴＵの読取りは、高速撹拌を停止した直後に低下する（四角注釈付き曲線）。修正ジャー試験では、ＮＴＵの読取りは、サンプル流体をチャネル内に押し出す間の３０分間は高いままである（図１４（ｂ）参照）が、その後、より速く低下する（円注釈付き曲線）。流体チャネル内の実質的により高い剪断速度は、凝固剤を添加した直後に形成された初期フロックのより過酷な破壊を引き起こすことになり、小さくて非常に圧密化されたフロック（１次粒子）だけが、存続することになる。その一方で、サンプル流体をチャネル内に循環させた状態の３０分間で、全ての凝固剤がサンプル内でうまく混合され、ポンプを停止させた後に素早い凝集が開始された。標準ジャー試験では、形成される緩いフロックは、高速混合中であっても破壊されない。そのサイズが大きいので、より圧密化された凝集体よりもゆっくりと拡散することになり、成長プロセスの終了はより遅くなるであろう。
図１４（ａ）および（ｂ）は、標準と、追加の螺旋装置を使用するジャー試験の実験に関する濁度測定値を比較する。この場合、サンプルを最初に高速で撹拌した。３分後、スターラを停止させた。修正を加えた装置では、液体を、断面が３×３ｍｍ２の螺旋チャネルを通して３３３ｍｌ／分の流量で、高速撹拌しながら３分間、その後さらに２７分間ポンプ送出した。この流量で、チャネル内部の平均剪断速度は、円筒状ビーカー（段階１中）内部の平均剪断速度よりも約１桁分大きい。標準ジャー試験の場合、ＮＴＵの読取りは、高速撹拌を停止した直後に低下する（四角注釈付き曲線）。修正ジャー試験では、ＮＴＵの読取りは、サンプル流体をチャネル内に押し出す間の３０分間は高いままである（図１４（ｂ）参照）が、その後、より速く低下する（円注釈付き曲線）。流体チャネル内の実質的により高い剪断速度は、凝固剤を添加した直後に形成された初期フロックのより過酷な破壊を引き起こすことになり、小さくて非常に圧密化されたフロック（１次粒子）だけが、存続することになる。その一方で、サンプル流体をチャネル内に循環させた状態の３０分間で、全ての凝固剤がサンプル内でうまく混合され、ポンプを停止させた後に素早い凝集が開始された。標準ジャー試験では、形成される緩いフロックは、高速混合中であっても破壊されない。そのサイズが大きいので、より圧密化された凝集体よりもゆっくりと拡散することになり、成長プロセスの終了はより遅くなるであろう。
図１５は、方程式（３）のブラウン運動凝集モデル（perikinetic aggregation model）に対する実験データの当てはめを示す。この場合も、当てはめは優れており、濁度の低下は、溶液中の全粒子数の減少に密接に関係するようであることが、示唆される。長時間での濁度の読取りのより速い低下は、当てはめモデルに含まれない沈殿によってより引き起こされ易いが、緩いフロックよりも圧密化された粒子に対して、より大きな効果を発揮すると予測される。
まとめると、凝集動態（aggregation dynamics）は、凝固剤添加の速度および形態と、ｐＨ調節とに極めて依存する。凝固剤濃度の初期の不均一性によって、適用される撹拌速度でも破壊されない大きな緩いフロックが生成されるようである。これらの緩いフロックは、より遅い成長速度をもたらす大きなサイズが原因で、拡散速度が遅い。サンプル液のｐＨの即座の調節が行われる段階的凝固剤添加によって、大きく緩いフロックの制御されない成長が防止され、そのより速い拡散速度によって、より速く成長するより圧密化された凝集体の形成が促進される。十分な流量（十分に大きい剪断速度を引き起こす）でチャネル内をサンプル液が移動することにより、凝集体の成長が防止されることになり、凝固剤添加中に形成される緩いフロックが破壊されることになる。サンプル液がマイクロチャネル内をもはや移動しなくなると、凝集体は素早く成長し、やはり圧密化された粒子が形成されることを示唆している。
本明細書に記述される実施形態の利点には、下記の事項が含まれる。
１）１μｍまでのデザインカットオフに基づいた微粒子抽出
２）動的処理−凝集体動力学の移送および強化
３）中間濾過ステップの置換
４）ＴＳＳ投入を軽減するための、ＭＷＴへのフロント−エンド
５）カスケード式動作
６）並列可能な動作
７）拡大縮小可能な高スループットの連続流
８）より短い処理時間、より小さいフットプリント、低ＴＣＯ（所有権の全コスト：total cost of ownership）
９）凝結および沈殿ステップの除外−化学薬品、土地、および労働力や電力などを含めた運転雑費の節約
１０）水中でのその他の適用例に関しては、限定するものではないがＩＣ製作再利用、冷却搭水、ＭＢＲ（膜バイオリアクタ）、ＲＯ（逆浸透）の前処理、および廃水再利用
１）１μｍまでのデザインカットオフに基づいた微粒子抽出
２）動的処理−凝集体動力学の移送および強化
３）中間濾過ステップの置換
４）ＴＳＳ投入を軽減するための、ＭＷＴへのフロント−エンド
５）カスケード式動作
６）並列可能な動作
７）拡大縮小可能な高スループットの連続流
８）より短い処理時間、より小さいフットプリント、低ＴＣＯ（所有権の全コスト：total cost of ownership）
９）凝結および沈殿ステップの除外−化学薬品、土地、および労働力や電力などを含めた運転雑費の節約
１０）水中でのその他の適用例に関しては、限定するものではないがＩＣ製作再利用、冷却搭水、ＭＢＲ（膜バイオリアクタ）、ＲＯ（逆浸透）の前処理、および廃水再利用
１０，１００，１０１ システム、１２ 供給源、１４，１０４ スクリーンフィルタ、１６，１８ 混合器、２０，１０５ フラッシュ混合器、２２ 低速混合器、２４ 沈殿タンク、２６ マルチメディアフィルタ、２８ 脱水段階、５０ フロー、５２ 急速混合段階、５４ 凝結段階、５６ 沈殿、５８ 濾過、１０２ 水源（供給源）、１０６ 第１の段階（フラッシュ混合段階）、１０７，２０２，５０６，５２２，７０６ 入口、１０８ 第２の螺旋段階（螺旋低速混合段階）、１０９，２００，７００ 螺旋装置、１１０ 第３の螺旋段階、１１２ フィルタ（フィルタ装置）、１１３，１１５，２０６ 出口、１１４ 任意選択の螺旋段階（螺旋脱水段階）、１１７ 再循環経路、１１９ 凝固タンク、２０４，７０４ 本体（本体部分）、２０５ 単一チャネル出口（出口チャネル）、２０７ 単一チャネル出口（濃縮液チャネル）、２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２２０，２２２，２２４ チャネル、２１１ 粒子、５００ 精製システム（システム）、５０２ 入力水源、５０４ 螺旋分離器、５０８，５２４，７０８ 第１の出口、５１０，５２６，７１０ 第２の出口、５２０ 第２の螺旋分離器、７２０ 水口主管、７２２ 第１の出口主管、７２４ 第２の出口主管、１０００ 実験装置、１００１ ガラスビーカー、１００３ 蠕動ポンプ、１００４ 螺旋チャネル、１００５ 流体入口、１００６ 出口、１０１２ スターラ。
Claims (6)
- 供給源から水を受け取る入口と、
第１の粒子を濾過するように動作可能なフィルタ段階と、
前記濾過された水を受け取り、凝固するように動作可能な混合段階と、
前記凝固した水を受け取り、凝結剤で処理し、水から第２の粒子を分離するように動作可能な螺旋段階であって、前記螺旋段階の入口が流出液用の出口と濃縮液用の出口とを有する出口に連続流を供給するように構成されている螺旋段階と、
前記螺旋段階からの水から第３の粒子を濾過するように動作可能な第２のフィルタ段階と、
を含むことを特徴とする、浄水のための動的処理システム。 - 請求項１に記載のシステムであって、前記螺旋段階の出口または前記第２のフィルタ段階から前記供給源または前記螺旋段階の入口へのフィードバック経路をさらに含むことを特徴とするシステム。
- 供給源から水を受け取るステップと、
前記水を濾過して第１の粒子を除去するステップと、
前記濾過された水と塩素および凝固剤とをフラッシュ混合するステップと、
前記フラッシュ混合の産出物と凝結剤とを螺旋段階で低速混合するステップと、
前記螺旋段階で第２の粒子を分離するステップと、
前記螺旋段階の産出物を濾過して、第３の粒子を除去するステップと、
を含み、
前記螺旋段階において、前記低速混合の後に前記第２の粒子の分離が行われ、前記螺旋段階は、チャネルを含む本体を有し、前記チャネルの入口が流出液用の出口と濃縮液用の出口とを有するチャネル出口に連続流を供給するように構成され、凝結剤による処理および第２の粒子の分離が行われるように構成されていることを特徴とする、浄水における動的処理のための方法。 - 請求項３に記載の方法であって、前記分離するステップまたは濾過するステップから前記供給源へのフィードバック経路でスラッジを除去するために脱水するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
- 供給源から水を受け取る入口と、
第１の粒子を濾過するように動作可能なフィルタ段階と、
前記濾過された水を受け取り、凝固するように動作可能な混合段階と、
前記凝固した水を受け取り、凝結剤で処理し、水から第２の粒子を分離するように動作可能な分離段階であって、前記分離段階は、流出液用の第１の出口と濃縮液用の第２の出口とを有する出口に連続流を供給するように構成されている入口を有するチャネルを含む分離段階と、
前記分離段階からの水から第３の粒子を濾過するように動作可能な第２のフィルタ段階と、
を含むことを特徴とする、浄水のための動的処理システム。 - 供給源から水を受け取るステップと、
前記水を濾過して第１の粒子を除去するステップと、
前記濾過された水と塩素および凝固剤とをフラッシュ混合するステップと、
前記フラッシュ混合の産出物と凝結剤とを低速混合するステップと、
前記低速混合の産出物を濾過して、第３の粒子を除去するステップと、
を含み、
装置において前記低速混合の後に第２の粒子の分離が行われ、前記装置は、チャネルを含む本体を有し、前記チャネルの入口が流出液用の出口と濃縮液用の出口とを有するチャネル出口に連続流を供給するように構成され、凝結剤による処理および第２の粒子の分離が行われるように構成されていることを特徴とする、浄水における動的処理のための方法。
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