JP5917230B2 - 脱水ケーキ含水率測定装置、汚泥脱水装置及び汚泥脱水装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、下水道処理分野及び産業廃水処理分野に適用される脱水ケーキ含水率測定装置、汚泥脱水装置及び汚泥脱水装置の運転方法に関する。

従来、浄水処理施設や下水処理施設では、処理過程において発生する沈殿汚泥や生物的処理汚泥（活性汚泥等）を、濃縮、脱水、乾燥した後に焼却処理や埋立処理を行っている。
この汚泥の処理、処分を効率的に行うために、例えば、ベルトプレス、遠心脱水機、スクリュープレス等、汚泥を高分子凝集剤で調質して脱水する脱水機を使用している。これらの脱水機を運転するにあたって、汚泥処理量とともに、高分子凝集剤の注入率、脱水ケーキの含水率が主要管理項目となるが、ケーキ含水率は汚泥性状の変動や高分子凝集剤の調質状態により影響を受ける。

また、脱水ケーキは焼却やコンポストとして処理されるが、これらの設備の運転管理上、脱水ケーキの含水率を一定にすることが望まれる。焼却処分においては、燃料の使用量、埋立て処分では運搬費や埋立地の容量に影響する。そのために、脱水ケーキはできる限り低い含水率で、均一な所定の含水率で排出されることが望まれる。
脱水ケーキの含水率の測定は、分析（例えば、『下水試験方法上巻（１９９７年版）』（社団法人日本下水道協会）Ｐ２９２〜Ｐ２９８に記載の『第６節 蒸発残留物及び含水率（固形分及び水分）』等の下水試験方法による）に準じて行っており、サンプリングした試料汚泥を加熱乾燥させ、乾燥の前後の試料汚泥の重量差から求めた水分量に基づいて試料汚泥の含水率（重量パーセント）を算出している。このため、含水率の測定に一定の時間を必要とするとともに、測定値が連続値でなく離散値となるために、測定値を脱水機にフィードバックして含水率の制御を行うことは困難であった。

しかし、従来は、汚泥脱水における脱水ケーキ用の含水率測定装置において、リアルタイムに連続測定できるもので信頼性が高く精度がよいものがなかった。
過去に光学式、電気伝導率式、色差計式などの含水率測定装置の開発が試みられてきたが、何れも信頼性に乏しく実用的には至らなかった。
一方、従来からの赤外線水分計等による簡易的分析試験は、比較的信頼性は高いが、１検体づつの測定であり、しかも測定時間が３０分〜１時間程度を要するものでリアルタイム・連続測定からはほど遠いものであった。

そこで、脱水ケーキの含水率をリアルタイムで測定することができる脱水ケーキの含水率測定装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の脱水ケーキの含水率測定装置は、スクリーン外筒を備えた連続圧入式脱水機から排出される脱水ケーキの含水率を測定する含水率測定装置であって、連続圧入式脱水機における脱水ケーキ排出部のスクリーン外筒又は脱水ケーキ排出部の接続管に、先端部に対向した一対の送受信アンテナを備えたマイクロ波含水率計を備え、一対の送受信アンテナと脱水ケーキとの間に空隙が生じないように一対の送受信アンテナの対向方向を、脱水ケーキ排出部を移動する脱水ケーキの移動方向に対してほぼ直交する方向に向けるように構成されている。

特許第４３４２４７８号公報

しかしながら、特許文献１の脱水ケーキの含水率測定装置は、実用化されているものの非常に高価である。そのため、脱水機に標準装備することができず、オプションとして別売りされており、広く普及することができないという問題がある。
また、特許文献１の脱水ケーキの含水率測定装置では、先端部に対向した一対の送受信アンテナを備えたマイクロ波含水率計が、汚泥に直接接していないと測定できないため、脱水ケーキ中のエアー溜りや異物により、測定異常値が生じる虞がある。
また、脱水ケーキは、汚泥に高分子凝集剤が添加されているので、機器類に付着しやすく、特許文献１の脱水ケーキの含水率測定装置では、送信アンテナと受信アンテナとの間に脱水ケーキが付着又は滞留して正確な測定ができなくなる。そのため、測定部の掃除が、例えば、数日に１回程度必須であり、メンテナンスに難点がある。

本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、安価で測定精度が高く信頼性があり、リアルタイムに連続測定できる脱水ケーキ含水率測定装置、汚泥脱水装置及び汚泥脱水装置の運転方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、汚泥脱水装置の脱水ケーキ排出部の外側部に固定されるフレームと、前記フレームに取り付けられ、前記脱水ケーキ出口部に向かって移動する脱水ケーキの排出路内に挿入される作用合力検出部と、前記フレームに取り付けられ、前記作用合力検出部が検出した作用合力を電気信号に変換するロードセルと、前記ロードセルに連絡し、前記ロードセルが検出した電気信号を含水率に変換する制御装置と、前記制御装置に連絡し、前記含水率を表示する表示装置とを備え、前記作用合力検出部は、前記脱水ケーキ出口部に向かって移動する脱水ケーキの圧力と摩擦応力の各方向の作用合力を受け止める作用棒と、前記フレームと前記脱水ケーキ排出部の外側部とを貫通する開口を通過させた前記作用棒の根本部を先端部に固定するベースプレートと、前記フレームから立設されるブラケットに軸着される前記ベースプレートを軸支するヒンジピンと、前記ベースプレートの後端部側に設けた伝達子とを備え、前記伝達子が前記ロードセルに前記作用合力を付与することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の脱水ケーキ含水率測定装置において、前記作用棒は、前記脱水ケーキ出口部に向かって湾曲又は折曲することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の脱水ケーキ含水率測定装置において、前記作用合力検出部は、前記作用棒の基部側を固着する前記ベースプレートを前記ブラケットに前記ヒンジピンを軸着するのに、前記ブラケットと前記ヒンジピンとの間に介挿されているフランジ付きブシュを備えることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３の何れか記載の脱水ケーキ含水率測定装置において、前記制御装置は、実験により複数の脱水ケーキの作用合力をそれぞれ前記作用合力検出部で検出し、異なる電気信号を生じさせた前記脱水ケーキ毎の含水率を定法に従って求め、各前記電気信号と各前記含水率とをプロットして、脱水ケーキの作用合力と含水率との相関を対応づける検量線を作成し、前記検量線の傾きから最大出力信号及び最低出力信号で表示しなければならない含水率を求め、前記最大出力信号及び最低出力信号にそれぞれ対応する前記含水率を格納する格納部と、前記作用合力検出部が検出した作用合力により前記ロードセルから出力される電気信号に基づいて前記検量線から対応する含水率を求め、当該含水率を表示装置に出力する演算部とを備えることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、汚泥を脱水してろ液と脱水ケーキとに分離する汚泥脱水装置において、請求項１乃至請求項４の何れか記載の脱水ケーキ含水率測定装置を、前記汚泥脱水装置の脱水ケーキ出口部に設けてなることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項５記載の汚泥脱水装置において、前記脱水ケーキ出口部の内面で、前記作用合力検出部の両側部側に位置し、脱水処理後の前記脱水ケーキを排出方向に並行に案内する脱水ケーキ整流ガイドを設けてなることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項５又は請求項６記載の汚泥脱水装置の運転方法において、前記脱水ケーキ出口部に向かって移動する脱水ケーキの作用合力を作用合力検出部で逐次検知する工程と、前記作用合力を前記ロードセルにて電気信号に逐次変換する工程と、前記電気信号を前記制御装置にて予め求められた前記検量線に基づいて含水率に逐次変換する工程と、前記含水率を表示装置に逐次表示する工程とを備えることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項７記載の汚泥脱水装置の運転方法において、定期的又は汚泥性状の変化が生じた際に、再度、複数の脱水ケーキの作用合力をそれぞれ前記作用合力検出部で検出し、異なる電気信号を生じさせた前記脱水ケーキ毎の含水率を定法に従って求め、各前記電気信号と各前記含水率とをプロットして、脱水ケーキの作用合力と含水率との相関を対応づける検量線を作成し直し、前記検量線の傾きから最大出力信号及び最低出力信号で表示しなければならない含水率を求め、前記最大出力信号及び最低出力信号にそれぞれ対応する前記含水率を前記制御装置に格納することを特徴とする。

本発明によれば、脱水ケーキの含水率を脱水ケーキの作用合力から間接計測するので、測定精度が高く、異物、エア溜まり等によるイレギュラー的な異常値が生じない。
また、本発明によれば、リアルタイムに連続測定が可能である。
また、本発明によれば、構造が簡単で、故障が生じにくい。
また、本発明によれば、清掃等が不要でメンテナンスフリーである。
また、本発明によれば、製造コストが安価（従来製品マイクロ波式の１／８〜１／５程度）であるため、脱水機に標準装備することが可能となった。
また、本発明によれば、作用合力検知領域に脱水ケーキ整流ガイドを設けるので、作用合力検知部に掛かる力を常にスクリュー軸方向に制限することが可能となり、測定精度を高めることができる。

本発明に係る汚泥脱水装置を縦型のスクリュープレス式脱水機に適用した一実施形態を示す構成図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置の平面図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置の側面図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置の背面図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置の作用を示す縦断面図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置の制御系のブロック図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置における作用棒の原理を説明する図である。 図１に設けた脱水ケーキ含水率測定装置の制御装置に格納されている含水率表示値と出力信号電圧との相関及び検量線を示す図である。 脱水ケーキ含水率と作用合力との関係を示す図である。 脱水ケーキ固形物濃度と作用合力との関係を示す図である。 含水率実測値と含水率表示値との関係を示す図である。 本発明に係る脱水ケーキ含水率測定装置の別の例を示す側面図である。 本発明に係る汚泥脱水装置を横型のスクリュープレス式脱水機に適用した一実施形態を示す構成図である。 図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明に係る汚泥脱水装置を回転加圧脱水機に適用した一実施形態を示す正面図である。 図１５に示す回転加圧脱水機の側面図である。 図１６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１〜図６は、本発明に係る汚泥脱水装置を縦型のスクリュープレス式脱水機１に適用した一実施形態を示す。本実施形態に係るスクリュープレス式脱水機１は、本発明に係る脱水ケーキ含水率測定装置１００を備えている。
本実施形態に係るスクリュープレス式脱水機１は、縦型の円筒形状を為す外筒スクリーン３と、テーパ状の軸７の外周に螺旋状でかつ各羽根の外形が等しいスクリュー羽根９を設け、外筒スクリーン３内に軸小径部７ａを下部にして回転自在に配置されるテーパ状のスクリュー５と、スクリュー５の軸小径部７ａ側に設けられるスラッジ供給口１３と、スクリュー５の軸大径部７ｂ側に設けられるケーキ出口１５と、外筒スクリーン３の外周に設けられ、外筒スクリーン３から搾り出るろ液を受ける外筒１７と、スクリュー５を回転駆動する駆動装置１９と、スラッジ供給口１３に連絡し、スラッジを圧送するポンプ（図示せず）とを備えている。

外筒スクリーン３は、例えば、ＳＵＳ３０４製の金網やパンチングプレートを用いる。そして、ろ過穴は、例えば、後述する濃縮ゾーンの穴径が１．０〜１．５ｍｍ、ろ過ゾーンの穴径が０．７〜１．０ｍｍ、圧搾ゾーンの穴径が０．５〜０．６ｍｍとされている。本実施形態では、濃縮ゾーンの穴径１．２ｍｍ、ろ過ゾーンの穴径０．８ｍｍ、圧搾ゾーンの穴径０．５ｍｍとした。なお、外筒スクリーン３の長さ及び口径は、任意であるが、本実施形態では、外筒スクリーン３の長さを６６０ｍｍ、外筒スクリーン３の口径を２００ｍｍとした。

スクリュー５は、例えば、ＳＵＳ３０４材で構成されている。スクリュー５の軸７は、外筒スクリーン３との間で形成されるろ室１１が、脱水ケーキ排出側に向かって容積を連続的に小さくするように、汚泥投入側から脱水ケーキ排出側に向かって太くなるテーパ状にしてある。
そして、スクリュー羽根９のピッチは、軸７と同様に、ろ室１１が脱水ケーキ排出側に向かって容積を連続的に小さくするように、汚泥投入側から脱水ケーキ排出側に向かって小さくなるように設定されている。このスクリュー羽根９のピッチは、ケーキ排出口に向かうほど小さくしてある。

外筒スクリーン３とスクリュー５と外筒１７とは、スラッジ供給口１３に連絡する受け部２５を介して水密機構を用いて架台２３上に立設されている。受け部２５は背の低い円筒状を為し、その上辺は外筒１７の下面となっており、外筒スクリーン３は受け部２５の上辺を同軸小径円で開口した孔内面に水密シールを介することで、外筒１７へ受け部２５内の汚泥がショートパスするのを防ぐ。スクリュー５は軸７の下端を受け部２５の下辺に同軸小径円で開口した孔に水密シールを介して貫通し、その下部に軸小径部７ａの下端部を備えている。スクリュー５の軸７の外側とスクリュー羽根９との間の空間は受け部２５に連絡している。

スクリュー５には、スクリュー５の軸小径部７ａの下端部から受け部２５を貫通して架台２３内に突出する軸２７が取り付けられて図示しない軸受けにより支持されて回転自在になっている。駆動装置１９は、架台２３上に設置された駆動モータ１９ａと、スクリュー５の軸２７に設けたスプロケット３３と、駆動モータ１９ａの駆動軸３７に設けたスプロケット３９と、スプロケット３３，３９に張り渡されたチェーン３５とで構成されている。外筒スクリーン３の下端部には、外筒スクリーン３を受け止める金具２９に連結し、スクリュー５の軸２７の外側に同軸上に配置される中空状軸３１が取り付けられている。中空状軸３１の下端近傍には、スプロケット４１が取り付けられ、架台２３上に設置された外筒スクリーン３の駆動装置４３の駆動軸４５に設けたスプロケット４７にチェーン４９を介して連結されている。

外筒１７下方には、ろ液を排出するための排出口２１が設けられている。また、外筒１７には、脱水運転と脱水運転との間の運転停止時に外筒スクリーン３の逆洗を行うための水噴霧ノズル５１が上下に亘り複数設置されている。外筒スクリーン３の逆洗は、運転停止時に圧力水による洗浄スプレーで外筒スクリーン３を洗浄するが、このときに外筒スクリーン３を駆動装置４３により回転駆動して、外筒スクリーン３の外面全体を洗浄する。
外筒１７の上部側には、スクリュー５の軸大径部側７ｂの終端側を覆う筒部５３が設けられている。筒部５３の領域には、スクリュー５のスクリュー羽根９は存在しない。

また、筒部５３の上部には、出口コーン５７が設置されている。出口コーン５７は、スクリュー５の終端部側から上方に向かって拡大するようにコーン部５７ａを形成している。そして、出口コーン５７は、スクリュー５の終端部の外周部を覆い、スクリュー５の終端部側の軸７に設けられた軸５９の根本部を覆うようにして設置されている。また、出口コーン５７は、スクリュー５の終端部側の軸７に設けられた軸５９を摺動回転自在に取り囲み、自身も上下移動可能に位置する出口制御シリンダ６１によって筒部５３から排出される脱水ケーキをコーン部５７ａで押圧しながら排出量を調整するように構成されている。

出口制御シリンダ６１は、ピストン６１ａの上下のシリンダ室６１ｂ，６１ｃに、圧縮空気配管６３を取り付け、これら圧縮空気配管６３を介して圧縮空気供給源(図示せず)に連絡している。これにより、シリンダ室６１ｃに圧縮空気が多く供給されると、出口制御シリンダ６１に螺子止め固着された出口コーン５７が押し下げられ、シリンダ室６１ｂに圧縮空気が多く供給されると、逆に出口コーン５７が持ち上げられることとなる。

出口コーン５７の周囲には、筒部５３に連結する脱水汚泥収納部６５が形成され、ケーキ掻き寄せ刃６７が回転自在に配置されている。ケーキ掻き寄せ刃６７は、上部に脱水汚泥収納部６５の周囲内面に同軸に回転可能かつ上下移動を拘束されて滑り支持されたラック７１と間接的に固定されているので、ラック７１と噛合する平歯車７３を設けた軸７５を取り付け、この軸７５に平歯車７７を設け、この平歯車７７を、スクリュー５の終端部に連結する軸５９に設けた平歯車６９と噛合させることによって、スクリュー５の回転と同期しかつ変速して、ケーキ掻き寄せ刃６７は脱水汚泥収納部６５内を回転することができる。

ケーキ掻き寄せ刃６７は、スクリューの終端部側の軸７に連結される軸５９からの回転力を伝達する回転伝達機構（図示せず）によって回転される。
筒部５３には、例えば、略正方形状の開口５３ａが設けられている。開口５３ａには、後述する脱水ケーキ含水率測定装置１００の作用合力検出部１１０の作用棒１１１をろ室１１内に挿入するために使用される。また、筒部５３の内面には、開口５３ａの両側に脱水ケーキ整流ガイド５３ｂが設けられている。
脱水ケーキ整流ガイド５３ｂは、後述する脱水ケーキ含水率測定装置１００の作用合力検出部１１０の突起部１０２ａの上下端より少し眺めに設けられている。脱水ケーキ整流ガイド５３ｂは、は、脱水ケーキＤＣとスクリュー羽根９との連れ周りを防止し、脱水ケーキＤＣの進行方向がスクリュー軸方向に一定になるように脱水ケーキＤＣの流れを制御する機能を有する。

脱水ケーキ含水率測定装置１００は、筒部５３の開口５３ａからろ過室１１内に作用棒１１１を挿入して筒部５３の外側部にパッキン１０６を介して固定されている。
脱水ケーキ含水率測定装置１００は、図１〜図６に示すように、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属材料から成り、筒部５３の外側部に固定されるフレーム１０１と、フレーム１０１に取り付けられ、出口コーン５７に向かって移動する脱水ケーキＤＣの排出路内に作用棒１１１が挿入される作用合力検出部１１０と、フレーム１０１に取り付けられ、作用合力検出部１１０が検出した脱水ケーキＤＣの作用合力を電気信号に変換するロードセル１２０と、ロードセル１２０に連絡し、ロードセル１２０が検出した電気信号を増幅する増幅器１２５と、増幅器１２５で増幅された電気信号を含水率に変換する制御装置１３０と、制御装置１３０に連絡し、含水率を表示する表示装置１４０とを備えている。

フレーム１０１は、筒部５３の曲率に合致する湾曲面を有する、例えば、略正方形状の取付壁面１０２と、この取付壁面１０２の下端面に取り付けられるベースプレート１０３と、取付壁面１０２の背面側に対向して取り付けられる２つのブラケット１０４とを備えている。
取付壁面１０２には、筒部５３に設けた略正方形状の開口５３ａ内に装着される端面が略正方形状の突起部１０２ａが設けられている。この突起部１０２ａには、作用合力検出部１１０の作用棒１１１を挿通するため開口１０２ｂが中央部に設けられている。また、取付壁面１０２の四隅には、フレーム１０１を筒部５３にボルト１０５にて固定するための穴１０２ｃが設けられている。なお、筒部５３と取付壁面１０２との間には、パッキン１０６が介装される。また、筒部５３には、ボルト１０５を螺着するためのねじ穴（図示せず）がそれぞれ設けられている。

作用合力検出部１１０は、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属材料から成る作用棒１１１と、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属材料から成り、作用棒１１１の根本部を先端部に固着するベースプレート１１２と、例えば、黄銅等の金属材料から成り、ベースプレート１１２の両側部に設けたフランジ付きブシュ１１７と、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属材料から成り、フレーム１０１のブラケット１０４とフランジ付きブシュ１１７との間に軸着されるヒンジピン１１４と、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属材料から成り、ベースプレート１１２の後端部側に設けた六角ボルトから成る伝達子１１５とを備えている。

作用棒１１１は、表面が摩擦抵抗を小さくするために、例えば、磨き仕上げを施したり、硬質クロムメッキを施したりしてある。そして、作用棒１１１は、例えば、図５に示すように、矢印方向に進行する脱水ケーキＤＣの中に挿入されて脱水ケーキＤＣの作用合力を検出するために、脱水ケーキＤＣの移動方向（矢印方向）に湾曲する、例えば、φ８ｍｍ〜φ１０ｍｍ程度の硬質クロムメッキを施したＳＵＳ３０４等の金属材料から成る棒材によって構成されている。作用棒１１１の根本部は、ベースプレート１１２の先端部に溶接によって固着されている。
また、作用棒１１１は、フレーム１０１の開口１０２ｂ内に装着されたオイルシール等のシール機構１１６内を挿通して取り付けられている。

ベースプレート１１２をフレーム１０１のブラケット１０４にヒンジピン１１４を軸着する際に、ブラケット１０４とヒンジピン１１４との間には、フランジ付きブシュ１１７が介挿されている。また、軸着されたヒンジピン１１４は、Ｃ形止め輪１１８で固定されている。
六角ボルトから成る伝達子１１５は、作用棒１１１が検出する脱水ケーキＤＣの作用合力をロードセル１２０に正確に伝達するために、作用棒１１１が無検出時のレベルを調整するように設けられている。

ロードセル１２０は、ベースプレート１０３に設けたロードセル取付台座１０７に取り付けられている。本実施形態では、ロードセル１２０として、例えば、定格出力が１．０ｍＶ／Ｖ以上の圧縮型ロードセルが用いられている。圧縮型ロードセルでは、定格荷重時で０．０５ｍｍ程度の機械的たわみが生じる。その影響でシール機構部では、０．０２ｍｍ〜０．０３ｍｍの変位が生じるが、シール性の機能上で支障ないレベルである。
ロードセル１２０には、図６に示すように、信号ケーブル１２１が取り付けられ、増幅器１２５に連絡している。増幅器１２５では、例えば、ロードセル１２０が検出した電気信号１．５ｍＶ／Ｖを電気信号ＤＣ０〜１０Ｖに増幅する。増幅器１２５には、信号ケーブル１２６が取り付けられ、制御装置１３０に連絡している。制御装置１３０は、ロードセル１２０で変換され、増幅器１２５で増幅された電気信号を含水率の数値に変換する。制御装置１３０には、信号ケーブル１３１が取り付けられ、表示装置１４０に連絡している。表示装置１４０は、制御装置１３０で変換された含水率の数値を表示する。

制御装置１３０は、複数の脱水ケーキＤＣの作用合力をそれぞれ作用合力検出部１１０の作用棒１１１で予備的に検出し、異なる電気信号を生じさせた脱水ケーキＤＣ毎の含水率を定法に従って求め、図８に示すように、記電気信号と記含水率とをプロットして、脱水ケーキＤＣの作用合力と含水率との相関を対応づける検量線を作成し、検量線の傾きから最大出力信号及び最低出力信号で表示しなければならない含水率を求め、最大出力信号及び最低出力信号にそれぞれ対応する含水率を格納する格納部と、作用合力検出部１１０の作用棒１１１が検出した作用合力によりロードセル１２０から出力される電気信号に基づいて検量線から対応する含水率を求め、その含水率を表示装置１４０に出力する演算部とを備えている。

ここで、移動する脱水ケーキＤＣ中の作用棒１１１に作用する力と脱水ケーキＤＣ中の含水率との関係を説明する。
流体中を運動する物体表面に働く流体から受ける力は、物体の運動と逆方向の成分として抵抗Ｄといい、物体の面に垂直な成分（圧力）と物体の面に水平な成分（摩擦応力）とに分けられる（出典：理化学辞典 第５版、２００１年６月２０日、株式会社岩波書店）。
例えば、移動する脱水ケーキＤＣ中の丸棒形状の作用棒１１１の表面では、図７に模式的に示すような圧力と摩擦効力が分力として働いていると考えられる。図７に示す分力は、作用棒１１１の側面である０°と１８０°との点では作用棒１１１には摩擦応力としての分力τ_l（１８０°の点の摩擦応力は図示せず）、２７０°の点では作用棒１１１の上下面である２７０°と９０°の点の圧力差としての分力Ｐ_l、１８０°〜２７０°間においては、１８０°〜２７０°間における圧力Ｐ₂と摩擦応力の合力τ₂と９０°〜１８０°間における圧力と摩擦応力の合力（図示せず）の合力差としての分力Ｆ、２７０°〜０°間においては、２７０°〜０°間における圧力と摩擦応力の合力と９０°〜１８０°間における圧力と摩擦応力の合力の合力差としての分力（図示せず）である。

本実施形態の作用棒１１１では、これらの分力が合わさり、合力（本明細書において、この合力を作用合力と称する。）となって作用棒１１１に作用すると考えられる。
一般に、前述の抵抗Ｄは、流体の密度をρ、物体と流体の相対速度をＵ、物体の代表的な面積（例えば、流体の進行方向へ投影した面積）をＳ、抵抗係数をＣ_D（Ｃ_Dはレイノルズ数を含む関数）すると、Ｄ＝（１／２）ρＡＵ²ＳＣ_D（数式１）が定義されることが知られている（出典：理化学辞典 集５版、２００１年８月２０日、株式会社岩波書店）。
数式１は、流体の含水率に影響される流体密度ρと抵抗係数Ｃ_Dとによって構成されているため、抵抗Ｄは流体の含水率に影響される。すなわち、作用棒１１１に作用する作用合力は脱水ケーキＤＣの含水率に影響されることが分かる。
なお、ここでは、作用棒１１１の形状が丸棒の場合を示したが、本発明の脱水ケーキ含水率測定装置は一般的な数式である数式１で示される現象を利用したものであり、作用棒１１１の形状によって装置の基本的な作動原理は変らないことは明らかである。

次に、制御装置１３０による校正方法を図８を用いて説明する。
図８は、初期設定で出力信号電圧０Ｖ＝含水率表示値１００％、出力信号電圧１０Ｖ＝含水率表示値５０％と設定する。
最初は、その電気信号のあるレベルが何％の含水率であるかは、不明であるため、電気信号と表示する含水率とを合致させるには、ある２点以上の電気信号を検出した時のそれぞれの脱水ケーキを少量サンプリングして、分析（例えば、『下水試験方法上巻（１９９７年版）』（社団法人日本下水道協会）Ｐ２９２〜Ｐ２９８に記載の『第６節 蒸発残留物及び含水率（固形分及び水分）』等の下水試験方法による）で実際の含水率を計量する。図８の例では、出力信号電圧７．０Ｖの時の分析含水率は７５．０％、出力信号電圧２．０Ｖの時の分析含水率は８５．０％である。

図８に示すように、出力電気信号と分析含水率との関係を表す検量線を作成する。
その検量線の傾きから、最大出力信号（本例では、１０Ｖ）で表示しなければならない含水率が求められ（本例では、６８％）、また、最低出力信号（本例では、０Ｖ）で表示しなければならない含水率（本例では、８９％）が求められる。
この最大と最小との電気出力信号に対する表示すべき数値を制御装置１３０の格納部に格納する。
以後の計測で図８に示す検量線に従って、出力される電気信号に対して含水率が表示されるようになる。
定期的（１ヶ月に１回程度）もしくは、汚泥性状の変化等で測定誤差が大きくなった場合に上記の校正作業を行うことで、常に高い測定精度を維持することができる。

なお、本実施形態に係るスクリュープレス式脱水機１を適用する処理場は、設置場所ごとに汚水性状が変わるので、設置したときに検量線の作成を行う。
ここで、脱水ケーキの作用合力は脱水ケーキの粘度と相関性があり、さらに、脱水ケーキの粘度は、主に脱水ケーキに含まれる水分によって大きく影響される。このため、脱水ケーキに含まれる水分が脱水ケーキの作用合力に及ぼす影響に比べると、汚泥の組成による影響は小さくなる。
また、脱水ケーキの作用合力に大きく影響するような汚泥の組成の変化は、下水処理場での汚泥の滞留時間が数日あることから１日の中では生じない。さらに、天候の影響は、通常、雨水は直接河川に排除し、汚水のみを下水処理場で処理する分流式を行っているので無視することができる。

本発明者は、脱水ケーキ含水率と作用合力との関係、及び脱水ケーキ固形物濃度と作用合力との関係について、下水嫌気性消化汚泥を用いて実験を行った。
その結果を、図９、図１０に示す。
図９、図１０から明らかなように、脱水ケーキ固形物濃度（含水率の逆）と作用合力とは高い相関があることが確認された。
図１１は、実測した含水率と、本実施形態によって得られた含水率とをプロットした結果を示す。
図１１から明らかなように、測定精度は±１．２％に収まっている。
この結果は、高精度なマイクロ波含水率計を用いる場合の誤差±１．０％と比較しても殆ど遜色がないことを示している。

次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態に係るスクリュープレス式脱水機１においては、図１に示すように、スクリュー５の軸小径部７ａから軸大径部７ｂに向かって濃縮ゾーン(水分９８〜９５％）、ろ過ゾーン（９５〜８８％）、圧搾ゾーン（８８〜７５％）を構成するように、ろ室１１を形成している。

次に、本実施形態に係る縦型のスクリュープレス式脱水機１の作用を説明する。
凝集剤を加えてフロック化した例えば２〜３ｍｍの固形物からなる凝集汚泥を、ポンプ(図示せず）から例えば３０〜５０Ｐｓの圧力でスラッジ供給口１３から外筒スクリーン３内に導入し、超低速回転（０．０８〜１ｒｐｍ）のスクリュー５により濃縮ゾーン内をスクリュー羽根９によって外筒スクリーン３との間に形成されるろ室１１内で脱水させながら搬送する。

濃縮ゾーンの入口汚泥含水率は、９８％〜９５％（逆に言うと、固形物濃度２％〜５％（重量比））であり、スクリュープレス式脱水機１に導入された汚泥は、圧力の高いろ室１１から外筒スクリーン３の外側の圧力の低い外筒１７と外筒スクリーン３との間の空間へ流れる流れに乗って外筒スクリーン３の内面に付着堆積するとともに、スクリュー羽根９で掻き取るので、スクリュー５の進行方向上流側の刃面にも付着し、後段のろ過ゾーンへ搬送される。スクリュー羽根９が通過して直ぐは外筒スクリーン３が剥き出しとなり、羽根ピッチ間のろ室１１にある水が一気に外筒１７との間に形成されるろ過室７９に流れる。

そして、脱水された汚泥は、圧搾ゾーンから出口コーン５７による押圧力を受けながら脱水汚泥収納部６５内に流入し、回転式ケーキスクレーパ６７によってケーキ出口１５から排出される。
この際、脱水ケーキＤＣはスクリュー５の回転により出口コーン５７に向かって推進するが、その進行方向はスクリュー軸方向に一定になるとは限らないが、筒部５３の内面には作用棒１１１の両側に脱水ケーキ整流ガイド５３ｂが設けられているので、作用棒１１１に掛かる力を常にスクリュー軸方向に制限することができる。
また、脱水ケーキ整流ガイド５３ｂにより、脱水ケーキＤＣとスクリュー羽根９との連れ周りを防止できる。

筒部５３に設けた脱水ケーキ含水率測定装置１００は、筒部５３の開口５３ａ内に挿入された作用棒１１１が、出口コーン５７に向かって移動する脱水ケーキＤＣから受ける作用合力をヒンジピン１１４を支点にして伝達子１１５を介してロードセル１２０に負荷荷重として伝達する。作用棒１１１は、脱水ケーキＤＣの進行方向へ湾曲しているので、髪の毛のような繊維状物質がからみついても、脱水ケーキＤＣの移動により脱落する。
ロードセル１２０は、検出した電気信号１．５ｍＶ／Ｖ以上の電気信号を、増幅器１２５にてＤＣ０〜１０Ｖに増幅し、制御装置１３０において、増幅器１２５で増幅された電気信号を含水率の数値に変換し、表示装置１４０に変換された含水率の数値として表示される。

以上のように、本実施形態では、スクリュープレス式脱水機１による脱水作用により脱水された脱水ケーキＤＣが筒部５３の領域に達すると、作用合力検出部１１０の作用棒１１１が脱水ケーキＤＣから受ける作用合力をヒンジピン１１４を介して伝達子１１５からロードセル１２０に伝え、ロードセル１２０で電気信号に変換し、増幅器１２５にて増幅した電気信号を制御装置１３０に入力し、制御装置１３０は格納されている検量線に演算部がその電気信号の出力信号電圧をプロットし、含水率を求め、その値を表示装置１４０に表示させる。
従って、本実施形態によれば、リアルタイムで脱水ケーキＤＣの含水率を表示装置１４０を介してオペレータに示すことが可能となる。

また、本実施形態によれば、脱水ケーキＤＣの含水率を脱水ケーキＤＣの作用合力から間接計測するので、従来のマイクロ波含水率計を用いる脱水ケーキの含水率測定装置のように、脱水ケーキＤＣ中のエアー溜りや異物により、測定異常値が生じるという不具合が解消される。
また、作用合力検出部１１０の作用棒１１１は、脱水ケーキＤＣの進行方向に湾曲するとともに、表面が摩擦抵抗を小さくするために、例えば、磨き仕上げを施したり、硬質クロムメッキを施したりしてあるので、脱水ケーキＤＣや髪の毛等が付着しようとしても、脱水ケーキＤＣの移動によって容易に脱落して付着することがない。
そのため、殆ど清掃が不要であるから、メンテナンスの必要がない。

また、本実施形態に係る脱水ケーキ含水率測定装置１００は、スクリュープレス式脱水機１の筒部５３に作用合力検出部１１０の作用棒１１１を挿入するだけの簡単な構造であるから、故障を生じ難い。しかも、製造コストが安価（従来製品マイクロ波式の１／８〜１／５程度）であるため、脱水機に標準装備することが可能となった。
また、本実施形態では、作用合力検知領域に脱水ケーキ整流ガイド５３ｂを設けるので、作用合力検知部１１０の作用棒１１１に掛かる力を常にスクリュー軸方向に制限することが可能となり、測定精度を高めることができる。

なお、上記実施形態では、作用棒１１１を湾曲する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図１２に示すように、脱水ケーキＤＣの進行方向に対し４０°〜６０°程度の角度αをもって直線上の作用棒１１１を折り曲げても良い。
また、上記実施形態では、ロードセル１２０として、圧縮型ロードセルを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、引張圧縮両用型ロードセル、ビーム形ロードセル、トルク変換器、動ひずみ測定器を用いても良い。
なお、ビーム形ロードセル、トルク変換器、動ひずみ測定器を用いる場合には、ビーム形ロードセル、トルク変換器、動ひずみ測定器が作用棒１１１からの作用合力を検知するための伝達機構を変更する必要がある。

また、上記実施形態では、本発明に係る汚泥脱水装置を縦型のスクリュープレス式脱水機１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図１３、図１４に示す横型スクリュープレス脱水機１Ａ又は図１５〜図１７に示す回転加圧脱水機１Ｂに適用しても良い。
図１３、図１４に示す横型スクリュープレス脱水機１Ａでは、上記実施形態における筒部５３に相当する筒部５３Ａに脱水ケーキ含水率測定装置１００を同様に装着すれば良い。
筒部５３Ａには、上記実施形態と同様に、作用合力検知領域に脱水ケーキ整流ガイド５３ｂが設けられている。
横型スクリュープレス脱水機１Ａは、例えば、モータ８０によってスクリュー軸８１を回転し、原液をスクリュー軸８１内に導入し、スクリュー軸８１に設けた穴８２から外筒スクリュー８３との間に押し出し、ろ液をろ液受トラフ８４から外部に流出させ、脱水ケーキをプレッサー８５を介して排出するように構成されている。

また、図１５〜図１７に示す回転加圧脱水機１Ｂでは、ケーキ出口５３Ｂに脱水ケーキ含水率測定装置１００を装着すれば良い。
回転加圧脱水機ｌＢは、例えば、駆動装置により駆動力が与えられる回転軸９０と、回転軸９０の周りに固定される内輪スペーサ９１と、内輪スペーサ９１の外側に配置される外輪スペーサ９２と、ドーナツ状のフィルタエレメントで構成され、一端部が内輪スペーサ９１に固定され、他端部が外輪スペーサ９２に接するように配置される２枚のスクリーン９３と、ほぼ水平に、かつ、回転軸９０の軸方向と直交する方向に保持される隔壁板９４と、隔壁板９４の外側端部と外輪スペーサ９２の基端部との間に形成される原液入口９５と、隔壁板９４の外側端部と外輪スペーサ９２の終端部との間に形成されるケーキ出口５３Ｂと、内輪スペーサ９１、隔壁板９４及び外輪スペーサ９２間に形成される濾過室９６と、濾過室９６内での加圧脱水処理時に濾液が外部に漏れないように回転加圧脱水機１Ｂを水密状態に覆うカバー９７とを備える。

原液は、回転する内輪スペーサ９１及び２枚のスクリーン９３との間に生じる摩擦力によって、濾過室９６内を脱水ケー出口５３Ｂに向かって向へ順次進行していく。
ここで、２枚のスクリーン９３は多数の小孔を有している。そのため、原液が濾過室９６内を脱水ケーキ出口５３Ｂに向かって向へ順次進行していくに従って、原液中の水分は２枚のスクリーン９３の小孔を抜けて、濾液室９６へ次第に排出されていき、さらに装置下部にある濾液出口から回転加圧脱水機外へ排出される。
このようにして、機内への導入時は液体の状態であった原液は、濾過室９６を通過するまでの間に半固形状となり、最終的には、脱水ケーキとなって、脱水ケーキ出口５３Ｂから機外へと排出される。

１ 縦型のスクリュープレス式脱水機
１Ａ 横型スクリュープレス脱水機
１Ｂ 回転加圧脱水機
１００ 脱水ケーキ含水率測定装置
３ 外筒スクリーン
５ スクリュー
９ スクリュー羽根
１５、５３Ｂ ケーキ出口
５３、５３Ａ 筒部
５３ａ、１０２ｂ 開口
５３ｂ 脱水ケーキ整流ガイド
５７ 出口コーン
１００ 脱水ケーキ含水率測定装置
１０１ フレーム
１０２ 取付壁面
１０２ａ 突起部
１０３、１１２ ベースプレート
１０４ ブラケット
１１０ 作用合力検出部
１１１ 作用棒
１１４ ヒンジピン
１１５ 伝達子
１１７ フランジ付きブシュ
１２０ ロードセル
１２５ 増幅器
１３０ 制御装置
１４０ 表示装置

Claims (8)

1. 汚泥脱水装置の脱水ケーキ排出部の外側部に固定されるフレームと、
   前記フレームに取り付けられ、前記脱水ケーキ出口部に向かって移動する脱水ケーキの排出路内に挿入される作用合力検出部と、
   前記フレームに取り付けられ、前記作用合力検出部が検出した作用合力を電気信号に変換するロードセルと、
   前記ロードセルに連絡し、前記ロードセルが検出した電気信号を含水率に変換する制御装置と、
   前記制御装置に連絡し、前記含水率を表示する表示装置と
   を備え、
   前記作用合力検出部は、
   前記脱水ケーキ出口部に向かって移動する脱水ケーキの圧力と摩擦応力の各方向の作用合力を受け止める作用棒と、
   前記フレームと前記脱水ケーキ排出部の外側部とを貫通する開口を通過させた前記作用棒の根本部を先端部に固定するベースプレートと、
   前記フレームから立設されるブラケットに軸着される前記ベースプレートを軸支するヒンジピンと、
   前記ベースプレートの後端部側に設けた伝達子と
   を備え、前記伝達子が前記ロードセルに前記作用合力を付与する
   ことを特徴とする脱水ケーキ含水率測定装置。
2. 請求項１記載の脱水ケーキ含水率測定装置において、
   前記作用棒は、前記脱水ケーキ出口部に向かって湾曲又は折曲することを特徴とする脱水ケーキ含水率測定装置。
3. 請求項１または請求項２記載の脱水ケーキ含水率測定装置において、
   前記作用合力検出部は、
   前記作用棒の基部側を固着する前記ベースプレートを前記ブラケットに前記ヒンジピンを軸着するのに、前記ブラケットと前記ヒンジピンとの間に介挿されているフランジ付きブシュを備えることを特徴とする脱水ケーキ含水率測定装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか記載の脱水ケーキ含水率測定装置において、
   前記制御装置は、
   実験により複数の脱水ケーキの作用合力をそれぞれ前記作用合力検出部で検出し、異なる電気信号を生じさせた前記脱水ケーキ毎の含水率を定法に従って求め、各前記電気信号と各前記含水率とをプロットして、脱水ケーキの作用合力と含水率との相関を対応づける検量線を作成し、前記検量線の傾きから最大出力信号及び最低出力信号で表示しなければならない含水率を求め、前記最大出力信号及び最低出力信号にそれぞれ対応する前記含水率を格納する格納部と、
   前記作用合力検出部が検出した作用合力により前記ロードセルから出力される電気信号に基づいて前記検量線から対応する含水率を求め、当該含水率を表示装置に出力する演算部と
   を備えることを特徴とする脱水ケーキ含水率測定装置。
5. 汚泥を脱水してろ液と脱水ケーキとに分離する汚泥脱水装置において、
   請求項１乃至請求項４の何れか記載の脱水ケーキ含水率測定装置を、前記汚泥脱水装置の脱水ケーキ出口部に設けてなる
   ことを特徴とする汚泥脱水装置。
6. 請求項５記載の汚泥脱水装置において、
   前記脱水ケーキ出口部の内面で、前記作用合力検出部の両側部側に位置し、脱水処理後の前記脱水ケーキを排出方向に並行に案内する脱水ケーキ整流ガイドを設けてなる
   ことを特徴とする汚泥脱水装置。
7. 請求項５又は請求項６記載の汚泥脱水装置の運転方法において、
   前記脱水ケーキ出口部に向かって移動する脱水ケーキの作用合力を作用合力検出部で逐次検知する工程と、
   前記作用合力を前記ロードセルにて電気信号に逐次変換する工程と、
   前記電気信号を前記制御装置にて予め求められた前記検量線に基づいて含水率に逐次変換する工程と、
   前記含水率を表示装置に逐次表示する工程と
   を備えることを特徴とする汚泥脱水装置の運転方法。
8. 請求項７記載の汚泥脱水装置の運転方法において、
   定期的又は汚泥性状の変化が生じた際に、再度、実験により複数の脱水ケーキの作用合力をそれぞれ前記作用合力検出部で検出し、異なる電気信号を生じさせた前記脱水ケーキ毎の含水率を定法に従って求め、各前記電気信号と各前記含水率とをプロットして、脱水ケーキの作用合力と含水率との相関を対応づける検量線を作成し直し、前記検量線の傾きから最大出力信号及び最低出力信号で表示しなければならない含水率を求め、前記最大出力信号及び最低出力信号にそれぞれ対応する前記含水率を前記制御装置に格納する
   ことを特徴とする汚泥脱水装置の運転方法。

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