JP5742032B2 - ろ過装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、生活排水（廃水）や工業排水（廃水）などの被処理液に含まれている懸濁物質を分離除去する際に、浮上性粒状ろ材を用いてろ材層を形成するろ過装置の改良に関する。

従来から浮上性の粒状ろ材でろ材層を構成したろ過装置が固液分離や生物処理装置に多く使用されており、下部から被処理液を供給し、浮上性の粒状ろ材中を通過させて、上部に設けた集水ノズルから処理液を取出すようなろ過装置は公知である。
しかし上記のようなろ過装置では、被処理液中の懸濁物質を、主にろ材層の表面で捕捉する表層ろ過となり、ろ材層の表面に捕捉した懸濁物質が蓄積し、ろ材層全体を有効に利用していない状態でもろ材層に目詰まりが生じ、短時間でろ過圧力が上昇するため、頻繁にろ材の洗浄が必要となる。ろ材層の通水路（隣接するろ材同士の間隙）が狭い場合、ろ材層のバランスが悪くなり表層ろ過が起こりやすい。

対して、被処理液中の懸濁物質を、ろ材層の表面だけでなく、ろ材層内部でも捕捉する深層ろ過は、ろ材層のろ過圧力が増大しにくく、１サイクル当りの固形分捕捉量が多い。懸濁物質が通過可能な通水路をろ材層内部まで形成している場合、ろ材層全体を有効に利用できることになる。そこで、空隙率の高い円筒形状のろ材を用いて深層ろ過を行う技術が、特許文献１において提案されている。
また、２種類の粒径の異なるろ材（粒径ａと粒径３〜５ａ）を適量混ぜ合わせてろ材層を形成することにより、ろ材間の間隙を調整し、ろ過圧力をあまり増大せず、ろ過能力を長時間維持させることができるろ過方法が特許文献２において提案されている。

特開平０１−００７９２０号公報 特開平０７−２３２００７号公報

通常、粒状ろ材で構成したろ材層で、懸濁物質を大量に捕捉する清澄ろ過を行う場合、ろ材間の間隙で懸濁物質を捕捉するため、ろ材層を構成するろ材間の間隙を小さくする。この場合、懸濁物質をろ材層表面付近のろ材で大量に補足する表層ろ過となり、早期に目詰まりし、ろ過圧力が上昇してしまう。所定のろ過圧力あるいは所定のろ過継続時間に基づいて洗浄工程に移行するろ過装置では、ろ材層の最深部まで有効にろ過作用を利用できないため、懸濁物質の捕捉量に対して洗浄工程が増加し、処理量が減少する。さらに、被処理液に合わせてろ材間の間隙を調整しなければいけないため、適切な粒径のろ材を選定することや、被処理液の流入圧によりろ材層の圧密度を調整する必要がある。

この発明に係るろ過装置は、浮上性粒状ろ材で構成したろ材層に、下方から上方へ被処理液を通過させてろ過処理を行うろ過装置において、被処理液中の懸濁物質が通過する通水助材をろ材層に混在させて、通水助材をろ材層に均等に分散させたことで、懸濁物質を含む被処理液を適度にろ材層内部へ流入させ、ろ材層表面だけでなくろ材層の内部を有効にろ過作用に利用した深層ろ過ができる。
通水助材の比重をろ材より大きくすれば、ろ材層の上流側表層に通水助材を多く混在させることができ、表層付近での目詰まりが発生し難く、早期目詰まりや、それによるろ過圧力の上昇を防止できる。したがって積極的にろ材層内部に被処理液を流入させ、ろ材層全体を用いた深層ろ過ができる。

具体的には、前記通水助材は、懸濁物質が常時通水助材内部を容易に通過できる空隙を有するので、通水助材を介して容易にろ材層内部まで被処理液を通水させることができる。
また、前記通水助材を繊維で形成すると、懸濁物質は常時通水助材内部を容易に通過できるので、被処理液を適度にろ材層内部へ流入させ、ろ材層全体を用いた深層ろ過ができる。

この発明のろ過装置を形成するろ材層は、被処理液に含有する懸濁物質を捕捉する浮上性粒状ろ材（以下、ろ材とする）と、懸濁物質を含有する被処理液をろ材層の下流側へ通水させる通水助材とを混合して構成している。ろ過工程において、通水助材を介して容易にろ材層内部まで被処理液を通水させるので、ろ材層表面だけでなくろ材層の内部を有効にろ過作用に利用する深層ろ過となる。そのため、懸濁物質の大量捕捉、ろ過圧力の上昇防止、ろ過継続時間の増大が図れる。単に懸濁物質を捕捉する間隙を広げ、通水路を確保した深層ろ過とは違い、ろ材間の間隙は狭いため、清澄ろ過が可能となる。また、通水助材を混在させる割合を変更するだけで様々な被処理液に対応でき、ろ材そのものを変更する必要がなく、処理水のＳＳ濃度の調整も可能となる。

この発明に係る上向流式のろ過装置である。 同じく、矩形状通水助材の概略図である。 同じく、球状通水助材の概略図である。 同じく、モール状通水助材の概略図である。 同じく、円筒状通水助材の概略図である。 同じく、ろ過装置のろ材層の概略構成図である。 同じく、ろ材層の一部拡大図である。 同じく、表層分散したろ材層の概略構成図である。 この発明と従来技術に係るろ過圧力とろ過継続時間の比較表である。

この発明に係るろ過装置を図面に基づき詳述すると、図１は上向流方式のろ過装置１である。ろ過槽２内には、下端から所定の高さに、ろ材４が流出するのを防止するろ材流出防止下側スクリーン６ａが配設されるとともに、上端から所定の低さに、ろ材４が流出するのを防止するろ材流出防止上側スクリーン６ｂが配設されている。そして、ろ材流出防止上側スクリーン６ｂの下側に、所定の厚さのろ材層３が形成されている。
ろ材層３は、ろ材４および通水助材５が混在したもので構成してある。
なお、このろ過装置１に使用するろ材４および通水助材５は、比重が１．０未満のろ材４および通水助材５を使用する。

被処理液供給管７は、ろ材流出防止下側スクリーン６ａの下側から被処理液を供給するように、ろ過槽２に接続されている。
洗浄装置８は、攪拌羽根を回転させることで、ろ材層３を構成するろ材４および通水助材５を攪拌して洗浄できる。洗浄装置８はろ過槽２底面の外側から、ろ材流出防止下側スクリーン６ａの上側部分まで貫通させて配設されている。
ろ過槽２のろ材流出防止下側スクリーン６ａよりも下側部分には、被処理液（被処理水）などを排出する排出管９が接続されている。
ろ過槽２のろ材流出防止上側スクリーン６ｂよりも上側部分には、処理液（処理水）を排出する処理液排出管１０が接続されている。

ろ材４はろ材間の間隙で懸濁物質を捕捉する。またこのろ材４は、粒径や被処理液の圧入圧により、ろ材間の間隙が変化する。したがって、これらの条件を変更することによりろ過性能を調整することも可能である。ろ材４と通水助材５の混合率を調整することでも、様々な被処理液に対応できる。
ろ材４は被処理液中で浮上し、ろ材層３を形成するのに適したろ材４であり、独立気泡を有する軟化系樹脂や、ＰＰ（ポリプロピレン）・ＰＥ（ポリエチレン）等の熱可塑性樹脂を使用できる。また形状も、球形、円筒形、不定形、その他任意の形状の粒状ろ材が使用できる。

本発明に係る通水助材５は、通水性を有しており、通水助材５の一方から他方へ懸濁物質を含む被処理液が通過するのに十分な空隙あるいは開口を有している。ろ材層３はろ材４と通水助材５が混在しているので、通水助材５により上流側のろ材層３で捕捉されていない懸濁物質を被処理液と共に下流側へ通水させる。そして、下流側のろ材層３にて上流側で通水された懸濁物質を捕捉する。
ろ材層３表面で多くの懸濁物質を捕捉しても、ろ材層３内部に適度に通水助材５が混在しているので、ろ材層３内部への通水路が確保でき、ろ過圧力が上昇し難い。通水助材５がろ材層３内部に被処理液を導いて、ろ材層３内部での深層ろ過を促進させる。そのため1回のろ過時間を長く設定でき、処理量が増大する。

通水助材５は圧密しても形状が維持できるだけの構造であり、例えば、十分な強度を有する部材、あるいは繊維径が大きい等の構造で形成している。具体的には、通水助材５をプラスチック等の合成樹脂やＰＰ・ＰＥ等の合成繊維で形成してもよい。
通水助材５の内部はろ材間の間隙よりはるかに大きな空隙を有し、その内部に通じる開口は少なくとも２以上を有している。通水助材５の内部空隙および開口は、懸濁物質を含む被処理液が通過するのに十分な大きさである。懸濁物質を含む被処理液は、通水助材５の一方の開口から内部の空隙に流入し、内部の空隙を通って他方の開口から流出する。開口から通水助材５の内部空隙を通り、ろ材層３の下流側に通水できる大きさであれば形状、大きさ等は特定しない。内部と外部を連通させる開口は、対称位置に２以上を設けることが望ましい。
通水助材５を構成する部材は、ろ材層３内部で圧密されても、容易に圧縮による変化がない。そのため、ろ過運転中でもろ材層３は通水助材内部の空隙による通水路を常時確保できる。
通水助材５の大きさをろ材４とほぼ同等とすると、ろ材間の間隙と、ろ材４と通水助材間の間隙がほぼ同等となり、ろ材層３で偏重ろ過が発生し難い。
また、通水助材５の一部、例えば表面に繊維を立毛させて、通水助材表面で懸濁物質を捕捉できるようにしてもよい。

図２は通過性能を有する矩形状通水助材５ａであって、矩形状に形成している。ウェーブ状のフィラメントで互いに接着し、その内部に多大な空隙を有している繊維で構成されており、繊維間を粗く構成しているので、内部は懸濁物質を含む被処理液が通過できる十分な空隙を有する。
図３は通過性能を有する球状通水助材５ｂであって、球状に形成している。矩形状通水助材５ａと同様に、繊維間を粗く構成しているので、内部は懸濁物質を含む被処理液が通過できる十分な空隙を有する。
図４は通過性能を有するモール状通水助材５ｃであって、モール状に形成している。矩形状通水助材５ａと同様に、繊維間を粗く構成しているので、内部は懸濁物質を含む被処理液が通過できる十分な空隙を有する。
図５は通過性能を有する円筒状通水助材５ｄであって、円筒状に形成している。矩形状通水助材５ａと同様に、繊維間を粗く構成しているので、内部は懸濁物質を含む被処理液が通過できる十分な空隙を有する。
また、これらの通水助材５は被処理液の通水時に、通水圧力により形状が変形しないように、通水助材５を構成する繊維を太くして強度を高めてもよい。さらに、繊維間を密にすることで、ろ過機能を備えることもできる。

図６はろ材層の概略構成図であって、ろ過槽２にろ材４と通水助材５を充填し、混在させた状態でろ材層３を形成している。浮上ろ過を行うにあたり、ろ過対象とする被処理液の比重を１．０とすると、ろ材４および通水助材５の見掛け比重は１．０未満である。ろ材４と通水助材５の比重がそれぞれ１．０未満であるので、ろ過槽２の上方にろ材層３が形成され、図１に示す上向流方式のろ過装置１となる。

図７はろ材層の一部拡大図であって、ろ材４と通水助材５が混在してろ材層３を構成している。
ろ材層３に被処理液を通水すると、ろ材層３表面付近に位置するろ材間の間隙で懸濁物質が捕捉される。懸濁物質を取り除かれた処理液と、一部の捕捉できなかった懸濁物質を含む被処理液は、ろ材間の間隙、通水助材５内部の空隙、ろ材４と通水助材５の間隙を通過してろ材層３内部へと流入する。その際、ろ材層３内部のろ材間の間隙で懸濁物質が捕捉される。
ろ材層３には通水助材５が混在しており、被処理液に含まれる懸濁物質は通水助材５を容易に通過できる。通水助剤を通過した後、下流側にろ材４があれば、ろ材間の間隙に応じて懸濁物質が捕捉される。さらに、そこでも捕捉されなかった懸濁物質を含む被処理液は、ろ材間の間隙、通水助材５内部の空隙、ろ材４と通水助材５の間隙を通過して、よりろ材層３深層へと流入する。この過程を繰り返すことで、懸濁物質を捕捉していく。
このようにして、通水助材５を介してろ材層３内部に懸濁物質を含む被処理液を通水させることで、ろ材間の捕捉率は低下させずに、通水助材５によってろ材層３下層まで懸濁物質を流入させることができるので、ろ材層３内部でも効率よくろ過を行い、ろ材層３全体を有効に利用できる深層ろ過とすることができる。

図６に示すように、ろ材４と通水助材５の比重は、上向流方式のろ過装置１の場合、ともに０．１以上１．０未満であれば適度に分散する。ろ材４と通水助材５とで比重差を少なく設定し、さらに、同形状のろ材４と通水助材５を用いた場合、図６に示すように、攪拌・洗浄を行っても均等に混在してろ材層３を形成する均等分散となる。

図８に示すように、ろ材４と通水助材５とで比重差を大きくなるよう設定、あるいは異形状のろ材４と通水助材５を用いた場合、攪拌・洗浄を行うと比重、形状の相違により、通水助材５をろ材層３の上流側に編重させた表層分散とすることができる。通水助材５をろ材層３の表層寄りに多く混在させた場合、ろ材４の目詰まりが発生しやすい表層付近のろ過圧力の上昇を防止でき、積極的にろ材層３の内部に被処理液を流入させて懸濁物質を捕捉できる。

ろ材４と通水助材５の混合比を調整することで、様々な被処理液に対応可能であり、大きさの異なる多種のろ材４を準備する必要がない。条件に応じてろ材層３の圧密度を調整することにより、ろ材間の間隙を設定できる。

次に、図１に記載のろ過装置におけるろ過の一例について説明する。
被処理液供給管７からろ過槽２内に被処理液を供給することにより、被処理液はろ材４と通水助材５で構成されたろ材層３内を上向してろ過され、処理液排出管１０を介して排出される。ろ材層３では表層で懸濁物質を捕捉しつつ、通水助材５により懸濁物質を内部にも流入させることで深層ろ過を行う。
そして、例えば、ろ材層３で捕捉した懸濁物質による目詰まりにより、ろ過圧力が上昇した場合、または累積稼働時間が所定時間に達した場合、または処理液が所定の基準に達しなくなったならば、洗浄装置８の攪拌羽根が回転することによりろ材層３を洗浄する。
このように、ろ過槽２内の攪拌羽根が回転すると、旋回流によってろ材４および通水助材５が攪拌されることにより、ろ材層３で捕捉していた懸濁物質が剥離、沈降し、排出管９を介して排出される。なお、ろ材層３を洗浄する場合、ろ過槽２内へ供給する洗浄液（洗浄水）は、所定の基準に達した洗浄水、例えば、処理液（処理水）を供給してもよい。

従来のろ材４のみで構成したろ材層３と、本発明のろ材４と通水助材５を混在させて構成したろ材層３とで、上向流方式のろ過装置１により、比較試験を行った。ろ材、通水助材、ろ過装置は下記の仕様とした。
被処理液 ：凝集させた放流水
ろ材 ：ろ材４ Φ３ｍｍ ＰＰペレット
通水助材 ：モール状通水助材５ｃ Φ３×３ｍｍ モール状通水助材
本体槽高さ：４０００ｍｍ
本体槽内径：Φ６００ｍｍ
通水速度 ：４０ｍ／ｈ

図９はこの発明と従来技術に係るろ過圧力とろ過継続時間の比較表であって、立軸をろ過圧力（ｋＰａ）、横軸をろ過継続時間（ｈ）としている。ろ過圧力が１５ｋＰａまで上昇すると、ろ材４から懸濁物質を取り除くために、ろ材洗浄が必要となる。

従来のろ材４のみで構成したろ材層３では、１０時間でろ過圧力が１５ｋＰａまで上昇している。これは、１０時間毎にろ材洗浄が必要であることを示している。
一方、本発明のろ材４と通水助材５を混在させて形成しているろ材層３では、ろ過圧力が上昇するまでの時間が飛躍的に長くなった。
具体的には、ろ材４を９０％、通水助材５を１０％として均等に混在させたろ材層３’では、１０時間でろ過圧力が２ｋＰａまでしか上昇しない。１５ｋＰａまでろ過圧力が上昇するのに１８時間を要する。なお、１８時間後のろ過処理後の処理液中のＳＳ濃度は、従来技術と本発明とで差異はなかった。
また、ろ材４を８０％、通水助材５を２０％として均等に混在させたろ材層３’’では、１５ｋＰａまでろ過圧力が上昇するのに２２時間を要する。しかし、１２時間が経過すると、ろ過処理後の処理液中のＳＳ濃度が急上昇し、ブレイクスルー現象が確認できた。

従来のろ材４のみで構成したろ材層３は、ろ材４，４同士の間隙が狭いため、ろ材層３の表面付近に堆積しているろ材４が短時間に多くの懸濁物質を捕捉する。しかし、懸濁物質の捕捉により、ろ材４の通水面積が減少し、ろ過装置としては短時間にろ過圧力が上昇する。
一方、ろ材４と通水助材５を混在させて形成しているろ材層３では、被処理液が通水助材５を通じてろ材層３内部へと通水される。特に、通水助材５を１０％混入したろ材層３では、ろ材層３表面付近のろ材４により懸濁物質を捕捉しても、適度に通水助材５を通じてろ材層３内部へと通水する通路が確保される。そして、通水助材５を通じて通水される被処理液は、通水助材５の下流側のろ材４により懸濁物質が捕捉される。結果的にろ材層３全体を有効に利用することになるので、ろ過面積が大きく、ろ過圧力の上昇が緩やかとなる。
なお、通水助材５の割合を増加させると、ろ材層３の下流側で多くの懸濁物質を捕捉することがあり、ブレイクスルー現象が発生しやすくなる。また、ろ材層３の上流から下流まで通水助材５が連結して通水路を形成する場合があり、処理液中のＳＳ濃度が高くなることがある。
ろ材４と通水助材５の混合比率は、被処理液の性状や処理水量、ろ過装置１に応じて適宜選択してよい。ろ過圧力の上昇時間やブレイクスルー現象を考慮すれば、ろ材４と通水助材５の混合比率は、９．５〜７．０：０．５〜３．０が望ましい。

ろ材と通水助材の混合比を調整することにより、被処理液の性状や処理条件に応じてろ材層の機能を最適化できるので、表層ろ過になりやすい凝集ろ過や公濁度水、あるいはプール等の高清澄度が要求される特殊な用途にもろ材層全体を有効に利用できるものである。

３ ろ材層
４ ろ材
５ 通水助材

Claims (4)

1. 浮上性の粒状ろ材で形成したろ材層に、下方から上方へ被処理液を通過させてろ過処理を行うろ過装置において、被処理液中の懸濁物質が通過する通水助材（５）をろ材層（３）に混在させて、通水助材（５）をろ材層（３）に均等に分散させたことを特徴とするろ過装置。
2. 浮上性の粒状ろ材で形成したろ材層に、下方から上方へ被処理液を通過させてろ過処理を行うろ過装置において、被処理液中の懸濁物質が通過する通水助材（５）をろ材層（３）に混在させて、通水助材（５）の比重をろ材（４）の比重より大きくし、通水助材（５）を下流側のろ材層（３）より上流側のろ材層（３）に多く分散させたことを特徴とするろ過装置。
3. 前記通水助材（５）は、懸濁物質が常時通水助材（５）内部を容易に通過できる空隙を有することを特徴とする請求項１または２に記載のろ過装置。
4. 前記通水助材（５）を、繊維で形成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のろ過装置。

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