JP5938738B2

JP5938738B2 - 沈降分離装置および原水の処理方法

Info

Publication number: JP5938738B2
Application number: JP2011226990A
Authority: JP
Inventors: 波多野　倫; 倫波多野
Original assignee: 日本ソリッド株式会社
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: JP2013085998A

Description

本発明は、沈砂池、横流式普通沈殿池および横流式薬品沈殿池、或いは放射流式普通沈殿池および放射流式薬品沈殿池、高速凝集沈殿池、濃縮槽等において、原水中の懸濁粒子または懸濁粒子を凝集フロック化した固形粒子を重力によって固液分離させる装置およびその装置を用いた原水の処理方法に関する。

従来、原水中の懸濁粒子を自然沈降、又は凝集粒子を沈降させる凝集沈殿などの沈降分離装置としては種々のものが提案されている。
例えば沈降分離装置内に流れ方向に対して、整流壁および傾斜板を設置する方法が提案されている。

前記従来技術の傾斜板を設置する技術思想は、原水量を沈殿池の沈降面積で割って得られた値を表面負荷率（水道施設設計指針、日本水道協会発行に記載）で表し、除去率を考える場合の最も基礎になる指針とされている。
そこで、沈殿池の設計は、沈澱池の水面と池底の中間に中間床を入れ水深を浅く沈降面積を２倍にして除去率を２倍に、同様に中間床を２床入れ除去率を３倍にする云う考え方に基づいて、沈澱池内の水深を浅く沈降面積を多面にして、表面負荷率を小さくし、沈降条件を高めようとしたものとなっている。
さらに原水量を小さくする事によっても除去率を上げる方法があり、沈殿池に中間取出し部を設け、途中から上澄水を取り出すことで、原水量を小さくして池全体の除去率を上昇させることが行われている。
また、沈殿池は表面負荷率のみによって能力を評価しやすいが、滞留時間、池内の流速も沈降分離効果と密接な関係にあり、水深を深くして、容量を大きくする事が望ましいとされている。
水道施設設計指針によれば、実際の沈殿池では、池内の水流自体の乱れや外部からの影響で、理想的な状態とはほど遠い乱れた水流状況を呈する。水理学的にいえば、水流自体の乱れはレイノズル数（Ｒｅ）によって決まる。開水路の場合、Ｒｅ≦５００＜層流域＞、Ｒｅ≧２，５００＜乱流域＞であるが、実際の沈殿地ではＲｅ＝１０^４程度の乱流域になる。流況を層流に近づけるために、流速を小さくすると、外部からの影響によって水流の安定が悪くなる傾向がある。この水流の安定性は、フルード数（Ｆｒ）によって決まってくる。Ｆｒ≧１０^−５程度にすると流況は非常に改善されるといわれているが、実際の沈殿地では、Ｆｒ＝１０^−６程度となる。池内の流速を大きくするとフルード数が大きくなり、水流の安定性は増大するが、一方では表面負荷率が大きくなり、除去率が低下し、池底に一度沈殿したスラッジが再び巻き上がる現象も起こってくるので、流速の増加にもおのずと限界がある。流速の安定条件からだけ考えた理想的な池の形状は、Ｒｅ＝５００，Ｆｒ＝１０^−５として試算できるが、Fisherstrom（フィッシャ・ストルム）によれば、そのような池の幅と水深との比は、１：７００と極端に細長くなる。水流の乱れは、水流自体によるもののほかに、外部からの影響によるものも大きい。その主なものは、池内水と流入水との間に生じる水温差や濁度差による密度流、風の作用や流入・流出の不均一さによる偏流等がある。水温差１℃によって生じる短絡流の流速は、池内平均流速の１０倍にも達するほどである。これら外部からの影響による水流の乱れは、実質的に表面負荷率を増大させ、池内通過時間を減少させるので除去率に大きな影響を持つ。偏流による除去率の減少を防ぐためには、（１）池内への流入を出来るだけ均一に行うために、流入部に整流壁を設ける（２）池内からの流出を均一に行うために、流出部にも整流壁を設け、沈殿水を均等に引き出せるように配慮する（３）池の水面に覆蓋を設けて外部からの影響を断ち、水流の安定をはかるといった方法がある。また、傾斜板等の沈降装置においては、密度流による底流れ現象を防止するため、沈降装置直前に整流板を設置することがある。（非特許文献１）
他の方法として、傾斜板の代わりに、原水の水流方向に並列させた状態でシート状膜体を少なくとも原水流入部近傍に、間隔を設けて水面下に多重展張することを特徴とする沈降分離装置が提案されている（特許文献１）。
しかしながら、池内水と流入水との水温差や濁度差で生じる密度流による対流現象を人為で改善する方法がなかった。沈殿池の流入部と流出部に整流壁を設けただけでは、池内の流れを均一化することは出来ず、出口に向かって次第に水流自体は乱れ、流速を速め、表面負荷率が大きくなり、除去率が低下すると云う欠点があった。

特許公開２０１０−１８８２２５号

水道設置設計指針２０００発行所社団法人日本水道協会平成１２年３月３１日発行（２０２頁左欄４行目〜２０３頁左欄１３行目）

そこで本発明者は、原水中の懸濁粒子の除去率を低下させる問題点を解消する沈降分離装置の改善方法として、例えば沈殿池流入部近傍に整流可能なシート状膜の抵抗体を多数設け、水域の区画化を図ることで、均一に整流された流れを連続的に得て、水温差及び濁度差で生じる密度流による対流現象を阻止するセル対流を生起して処理出来る、秩序した池内環境を整えることによって、固・液分離が容易に行える沈降分離装置を完成するに至った。

すなわち、本発明は、池内水と流入する原水との間に水温差が生じ、対流現象を起こす恐れのある沈砂池、横流式普通沈殿池および横流式薬品沈殿池、或いは放射流式普通沈殿池および放射流式薬品沈殿池、高速凝集沈殿池、濃縮槽等の沈降分離装置の流入部近傍に、シート状膜を懸濁粒子または凝集フロックを含む原水の水流方向に対して直角に横断するように直列させ、かつ前記直列させたシート状膜の後方に間隔を設けて水面下に多条区画展張することを特徴とし、人為で改善されない対流現象を阻止するセル対流を生起する事で、短絡流や偏流等を防止する沈降分離装置に関する。

本発明の沈降分離装置は、原水の流入部近傍にシート状膜を原水の水流方向に対して直角に横断するように直列させ、かつ前記直列させたシート状膜の後方に間隔を設けて直列展張することでシート状膜に囲われた、流れに影響されにくい多数の区画が造り出され、区画化された水域を設けることで、温度差が段階的に緩和され、水温差及び濁度差で生じる密度流による影響を阻止するセル対流を生起し、均一に整流された流れが安定して連続的に得られ、また、流れの均一化と整流により、通水断面を無駄なく拡大して、沈降に適した流速として固・液分離が容易に行える。さらに区画内では懸濁粒子または凝集フロックの濃度を高めた干渉粒子群のスラッジブランケットゾーンが形成され、沈降促進や凝集効果で、除去率を高めることができる。

さらに直列させたシート状膜の後方に間隔を設けて複数の直列させたシート状膜を多重に展張し、直列させたシート状膜に囲われた区画を水域内に多数形成することで、水温差及び濁度差で生じる密度流による対流現象を阻止するセル対流を生起し、水温の変化や流速が沈澱池初段から順次区画内で緩和されて沈降分離の安定化が保たれ、水温差及び濁度差で生じる密度流による影響を最小限に留め、沈殿池全体の短絡流や偏流などの水流の乱れを抑え、原水中の懸濁粒子または凝集フロックの除去率を向上させることができる。

傾斜板設備を備えた沈降分離装置の縦断面図シート状膜を備えた沈降分離装置の縦断面図シート状膜を直列展張した状態を示す正面図図２の沈降分離装置の平面図シート状膜を備えた沈降分離装置の平面図

次に本発明を図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の説明のみに限定されるものではない。
図１は、傾斜板１を備えた沈降分離装置２の縦断面図である。３は緩速撹拌槽で有り、凝集フロックを含む原水（以下原水と称する）４は整流壁５を通り沈殿池６に入る。原水４は沈殿池６を通過し、凝集フロックを沈降させる。更に原水４は傾斜板１を通過し凝集フロックを沈降させ、整流壁５′を通り越流壁７を経て、集水され清水８となる。
しかしながら、冬場或いは夏場などに視られる沈殿池６の池内水と流入する原水４との間に水温差がある場合、沈殿池６内の乱流と水温差による密度流が生じ、人為では改善されない対流現象となって、凝集フロックを上昇させ、沈殿池の流速を速め、沈降しないまま出口まで運ばれてしまうキャリーオーバー現象をまねき、原水中の凝集フロックの除去率を低下させる原因と成っている。
さらに取り残された凝集フロックは傾斜板１を通過し凝集フロックを沈降させるため、傾斜板１の閉塞を速める原因と成っている。

図２は、シート状膜９を備えた沈降分離装置２の縦断面図である。シート状膜９は沈殿池６の原水流入部近傍に原水の水流方向に対して直角に横断するように展張し、該シート状膜９の後方に間隔を設けてシート状膜９′を展張する。該シート状膜９′の後方に傾斜板１を備えている。
整流壁５を通り沈殿池６に入る原水４は、シート状膜９が原水の水流方向に対して直角に横断するように展張する事により、原水４の流れが沈殿池６の出口に向かって次第に生じる水流自体の乱れを防止し、池断面全体に均一に流れるような働きをすることで、沈殿池の必要な水面積を示す表面負荷率を最も有効に表す沈降分離装置となる。
更に、沈殿池６の池内水と流入する原水４との間に生じる水温差がある場合でも、沈殿池６内にシート状膜９及びシート状膜９′を展張し、沈殿池６の流入部近傍にシート状膜９により囲われた区画１０及びシート状膜９とシート状膜９′により囲われた区画１０′は、沈殿池６の容積を小さく分割した区画を形成することで、区画内での水温差が段階的に緩和され、区画内で生じる熱対流（以下セル対流と称す）は、図１に示す様なシート状膜９を備え無い沈殿池に生じる熱対流に比べ小さく、沈殿池の流速を速めることなく、原水中の凝集フロックの除去率を低下さずに処理することができる。
区画１０′を通過した原水４はシート状膜によって凝集フロックを除去し、傾斜板１を通過する為、傾斜板１の閉塞を防止する。

図３は、シート状膜９を直列展張した状態を示す正面図である。シート状膜９の上部はフロート１１を有し、水面に浮かべている。フロート１１の下部にフラッペ１２を有し、フラッペ１２の下端にウエイト１３を有して、フラッペ１２を水深下に直下している。シート状膜９はロープ１４によって直列展張している。
更にフラッペ１２の幅はフロート１１の幅より狭く、シート状膜９を直列連接することにより、水面部は、直列連接するフロート１１の隙間がなく水の流れを止めると共に、寄り戻す力が働き、逆の流れが発生する。水中部は、直列展張するフラッペ１２が隙間を生み、原水４を通す。

図４は、図２の沈降分離装置の平面図である。３は緩速撹拌槽で有り、原水４は整流壁５を通り沈殿池６に入る。シート状膜９は沈殿池６の原水流入部近傍に原水の水流方向に対して直角に横断するように展張し、該シート状膜９の後方に間隔を設けてシート状膜９′を展張する。該シート状膜９′の後方に傾斜板１を備えている。沈殿池６に展張されたシート状膜９およびシート状膜９′により区画１０及び区画１０′を形成する。

原水４の流れを図４で説明する。
整流壁５を通り沈殿池６に入った原水４は、区画１０の原水流入部近傍のシート状膜９の抵抗体により停滞するが、フラッペ１２（図示せず）の隙間から原水が通過する。通過した原水４は区画１０′に入りシート状膜９′により停滞させられるが、フラッペ１２′（図示せず）の隙間から水を通過する。シート状膜９′の後方の傾斜板１、整流壁５′を通り、越流壁７を経て、集水され清水８となる。

シート状膜９前後の原水４の流れを順を追って説明する。整流壁５を通りぬけた原水４は池断面を均等に流入し、シート状膜９に向かって直角に流れようとする。しかしシート状膜９の抵抗によって、原水の一部は直列連接するフロート１１によって水の流れを止めると共に、寄り戻す力が働き、逆の流れが発生する。また水中部では、フラッペ１２によりフラッペ１２の手前に停滞し、他の原水はフラッペ１２の抵抗を避けるように速さを増してフラッペ１２の隙間を通水するため、原水４の流れはフラッペ１２によって曲げられる。フラッペ１２の隙間を通水した原水４は、フラッペ１２の抵抗体から解放され拡がり遅くなり、原水４の一部はフラッペ１２の背後に回り込み停滞し淀み域を形成する。他の原水は区画１０′を通り抜け、フラッペ１２′によって曲げられる。フラッペ１２′を通水した原水４は、フラッペ１２′の抵抗体から解放され拡がり遅くなり、傾斜板１へと向かう。

更に凝集フロックの挙動を原水４の流れと共に説明する。
区画１０の原水４はシート状膜９の抵抗によって停滞することで、流れの中に淀み域が出来て、理想的な沈降条件が形成される。流れの中の淀み域で、凝集フロックは濃度を高め、自然発生的なスラッジブランケットゾーンを形成する。凝集フロックは濃度が高まることで、凝集フロックの重力で周囲の凝集フロックを引き寄せながら濃度を増し、重力が強く成る。これを繰り返し、沈降を促進する。同様に凝集フロック密度が高くなるほど、濁度差による密度流を生起させ、前記凝集フロックは濃度が高まる時に生じる同様な効果をもたらす。沈降する凝集フロックは、フラッペ１２手前の面を滑り落ちる。
また、フラッペ１２の隙間を通過した原水４は、フラッペ１２の背面に回り込み停滞し、原水４の凝集フロックをフラッペ１２の背面の淀み域に取り込みながら、淀み域の凝集フロックの濃度を高め、自然発生的なスラッジブランケットゾーンを形成する。凝集フロックの密度が高まることで、凝集フロックは重力で周囲の凝集フロックを引き寄せる。するとさらに密度が増し、重力が強く成る。これを繰り返し、沈降を促進する。沈降する凝集フロックは、フラッペ１２の背面を滑り落ちる。
つぎに区画１０′を通水する原水４はシート状膜９′の抵抗によって停滞することで、フラッペ１２の前後で取りこぼした原水４中の凝集フロックは前記フラッペ１２の隙間を通過した時に生じる同様な挙動をフラッペ１２′の前後で生じながら次第に凝集フロックを沈降除去することで除去効率を向上させることが出来る。

沈殿池６の池内水と流入する原水４との間に水温差がある場合の凝集フロックの挙動を原水４の流れと共に説明する。
熱対流が起こる原因として、水温差と熱対流の強さが関係すると知られている。水温差が小さければ、熱対流は起こらず、水温差があっても、熱対流の強さに関係する粘性・濃度が高ければ熱対流は起こらない。熱対流の強さより水温差が勝った時に熱対流は起こる。
水温差のある原水４が整流壁５を通り、沈殿池６の区画１０に入る。区画１０は沈殿池の容積を小さく分割したものであり、その区画内では凝集フロックの濃度が高いために熱伝達が速く温度差が生れにくいこと、凝集フロックの濃度が高いために熱対流の強さが大きい為、熱対流を起こしにくい。
つづいてシート状膜９を通水した原水４は区画１０′に入る。区画１０′は区画１０同様に沈殿池の容積をさらに小さく分割したものであり、凝集フロックの濃度が区画１０程ではないが原水４より高いために、熱対流を起こり難くしている。
たとえ凝集フロックの濃度が低く熱対流の強さより、温度差が勝り、熱対流が起きたとしても、区画内の熱対流はセル対流となり、水温差による密度流による影響を阻止する。

シート状膜を展張する場所は、水温差による熱対流の防止を考慮すれば、凝集フロックの濃度が高い原水流入部近傍から傾斜板の手前まで、もしくは沈殿池の原水流入部近傍から中間までに原水の流入方向に対して直角に横断するように直列展張し、直列展張したシート状膜の後方に間隔を設けて、直列展張したシート状膜を複数展張することが望ましい。

最初の直列展張したシート状膜の展張位置は、整流壁を有する沈殿地の場合、整流壁からシート状膜までの間隔を１〜４ｍ好ましくは２〜３ｍが最適である。
また、傾斜板を有する沈殿地の場合、傾斜板の手前からシート状膜までの間隔を１．５ｍ以上離す事が望ましい。
更に沈殿池側壁とシート状膜までの間隔は０．１ｍ以下が好ましいが０．１ｍ以上離れる場合は、阻流壁または阻流板・阻流止めを設ける。

直列展張したシート状膜を複数展張するときの直列展張したシート状膜の間隔は０．６〜４ｍ好ましくは１〜３ｍが最適である。

図５はシート状膜を備えた沈降分離装置一例を示す平面図である。
沈殿池の幅にもよるが、原水の流入方向に対し並行に縦断するようにシート状膜９″を直列展張させ、原水の流入方向に対して直角に横断するように直列展張したシート状膜９及びシート状膜９′と交差させ、より小さな区画１０′を多数設ける事で、人為では改善されない対流現象を緩和させ、偏流等を防止する区割りによりセル対流を生じさせ、水温差による凝集フロックの除去率の低下を防止するだけでなく、シート状膜前後の淀み域による凝集フロックの引き込み効果による凝集フロックの除去率を向上させることができる。

沈殿池側壁と原水の流入方向に対し並行に縦断するようにシート状膜９″を直列展張させた時の沈殿池側壁とシート状膜９″間隔およびシート状膜９″同士の間隔は０．６〜４ｍ好ましくは１〜２．５ｍが最適である。

シート状膜のフラッペ１２を構成する素材としては、金属類、硬質合成樹脂等からなる剛性素材或いは、ゴム、軟質合成樹脂等からなる柔性素材のいずれも使用し得る。フラッペ１２の厚みとしては、０．５〜５ｍｍ好ましくは１〜３ｍｍが最適である。

フラッペ１２の下端のウエイト１３の重量としては、フロートの浮力やフラッペ１２の丈長にもよるが、１ｍ当たり、１〜４ｋｇが好ましい。

本発明の沈降分離装置は、濁度差で生じる対流現象をシート状膜によって区画内のセル対流で、原水中の凝集フロックの除去率を向上させることが出来る。

１・・・・傾斜板
２・・・・沈降分離装置
３・・・・緩速撹拌槽
４・・・・原水
５・・・・整流壁
６・・・・沈殿池
７・・・・越流壁
８・・・・清水
９・・・・シート状膜
１０・・・・区画
１１・・・・フロート
１２・・・・フラッペ
１３・・・・ウエイト
１４・・・・ロープ

Claims

池内水と流入する原水との間に水温差が生じ、対流現象を起こす恐れのある沈降分離装置において、原水流入部近傍のみにシート状膜を原水の水流方向に対して直角に横断するように直列させ、前記直列させたシート状膜の後方に間隔を設けて、シート状膜を原水の水流方向に対して直角に横断するように水面下に多条区画展張することを特徴とする沈降分離装置。
請求項１の沈降分離装置において、原水流入部近傍のみにシート状膜を原水の水流方向に対して並行に縦断するように直列させ、かつ原水の水流方向に対して直角に横断するように直列させたシート状膜を前記水流方向に対して並行して設けたシート状膜と交差させるように設け、水面下に多条区画展張することを特徴とする沈降分離装置。