JP5967903B2 - 濾過装置 - Google Patents

Description

本発明は濾過装置、特に詳細には、粒径や密度等が互いに異なる複数種類の濾過材を濾過槽内に充填する濾過装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されているように、濾過材の層を内部に有する濾過槽を備え、供給された工業排水、汚水、水道用水等の原液を濾過材の層により濾過して、原液中の汚濁物質（濁質）を除去した濾過液を槽外に排出するタイプの濾過装置が知られている。

このような濾過装置においては、粒径や密度等が互いに異なる複数種類の濾過材が用いられることが多い。すなわち比較的粒径が大きく密度の小さい濾過材からなる濾過層の下に比較的粒径が小さく密度の大きい濾過材からなる濾過層を備え、上の濾過層で比較的大きい濁質を捕捉して濾過し、下の濾過層で比較的小さい濾過しきれなかった濁質を捕捉して濾過するようにして捕捉効率を上げている。

また、濾過材としてアンスラサイトと、除鉄・除マンガン濾過材の２つを適用すれば、前者によって原液の主にＳＳ（浮遊物質）を除去し、後者によって原液を主に除色・除鉄・除マンガンすることも可能になる。このような構成の濾過装置は、濾過槽に濾過砂を充填してなる濾過装置および、濾過槽に除鉄・除マンガン濾過材を充填してなる濾過装置の２つを併せて用いる場合と比べると、設置コストや運転コストを低く抑える上で有利なものとなる。

なお、このように複数種類の濾過材を濾過槽内に充填する場合、それらの濾過材は密度の大きい順に下から配置されて、各々が独自の層をなす。そして逆流洗浄（以下、「逆洗」という）がされているとき、濾過材の各層は上方向に膨張し、層の境界領域では上下の濾過材が一部入り混じる状態となるが、逆洗が終了すると各濾過材は互いの密度差による移動が生じて自然に元通りの成層状態となる。

なお、逆洗とは、濾過槽内において濾過時とは逆方向に清浄な洗浄液を流して、濾過材に付着している濁質を洗浄液中に浮遊させ、この状態で濾過材層よりも上に位置する洗浄液の表層部分ごと濁質を濾過槽外に排出させる、という方法である。

特開２０１１−１３６２６８号公報

しかしながら、上記のような濾過装置では、各濾過層の表層部分では濁質を捕捉できるが、表層以外の部分ではあまり濁質を捕捉することができないため、濁質の捕捉効率をさらに向上させることが望まれている。

本発明は上記のような濾過装置における要望に応えて、濁質の捕捉効率をさらに向上させることを目的とする。

これまで、複数種類の濾過材を濾過槽内に充填する濾過装置においては、例えば日本水道協会が発行している水道施設設計指針に記載されているように、濁質の捕捉効率を維持するために濾過槽内で濾過材同士が混合せずに分離した状態にすることが推奨されてきたため、互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が混合しないように、各濾過材の密度や粒径が決定されてきたが、本願出願人は、濾過装置の濁質の捕捉効率をさらに向上させるべく、当業者におけるこれまでの常識とは相反する、濾過槽内で濾過材同士が混合された混合層が形成される状態についても検討すべく実験を行った。

以下に実験の結果を示す。図２は互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が分離した状態を示す図、図３は互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が混合された混合層が形成された状態を示す図、図４は濾過材の深さ毎の濁質捕捉状態を示すグラフ、図５は図４のグラフの数値を示す表である。

実験の内容については、２つの濾過層１１１、１１２のうち上層１１２の濾過材の密度を変え、互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が分離する場合（混合層無）と、互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が混合された混合層が形成される場合（混合層有）とで、実験用の原液（カオリン（和光純薬）により濁度２０度に調整し、凝集剤としてＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）を２ｍｇ／ｌ添加した水）を濾過槽内に投入した際の濾過材の深さ毎の濁質捕捉状態を測定して比較を行った。

なお、混合層無の場合の上層１１２は、密度１．４４ｇ／ｃｍ^３、粒径１．２ｍｍ（有効径１．２ｍｍ−均等係数１．４）のアンスラサイトからなる深さ２０ｃｍの濾過層であり、混合層有の場合の上層１１２は、密度１．６２ｇ／ｃｍ^３、粒径１．２ｍｍ（有効径１．２ｍｍ−均等係数１．４）のアンスラサイトからなる深さ２０ｃｍの濾過層である。

下層１１１については、両方ともに密度２．６３ｇ／ｃｍ^３、粒径０．６ｍｍ（有効径０．６ｍｍ−均等係数１．３）の濾過砂からなる深さ４０ｃｍの濾過層である。

混合層無の場合は図２に示すように、下層１１１と上層１１２とが完全に分離した状態となり、混合層有の場合は図３に示すように、下層１１１と上層１１２との間に２種類の濾過材同士が混合された混合層１１３が形成される。

図４は濾過材の深さ毎の濁質捕捉状態を示すグラフ、図５は図４のグラフの数値を示す表である。図４のグラフの横軸は上層１１２表面からの深さ（ｍｍ）、縦軸は圧力（ＭＰａ）を示しており、圧力が高い程その深さ位置において多くの濁質を捕捉できていることを示している。

混合層無の場合、０ｍｍと２００ｍｍ、すなわち上層１１２表面付近と下層１１１表面付近のみ圧力が上昇し、それ以外の部分ではほとんど圧力が上昇していない。これは、上層１１２表面付近と下層１１１表面付近以外の部分の濾過材ではほとんど濁質を捕捉できておらず、濾過材が有効に活用されていないことを示している。従って、混合層無の場合における濁質捕捉領域（有効領域）は図２中でグレー表示している部分のみとなる。

これに対して、混合層有の場合、０ｍｍと２００ｍｍ、すなわち上層１１２表面付近と下層１１１表面付近のみならず、５０ｍｍ〜１５０ｍｍの間でも圧力が上昇し、さらにこの影響で０ｍｍの圧力が非常に高い値となっている。これは、上層１１２表面付近と下層１１１表面付近だけでなく、その間に形成された混合層１１３でも濁質を捕捉できていることを示している。

なお、混合層有の場合については、上記以外にも上層１１２の濾過材の密度や粒径を変えて混合層の状態を変化させてみたが、その結果、混合層１１３内においてほぼ均等に２種類の濾過材同士が混ざり合うのではなく、２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態となるようにした場合に、濁質の捕捉効率がより高まることが分かった。

これは混合層無の場合の実験結果からも分かる通り、２種類の濾過材同士の境界面付近のみしか効果的に濁質を捕捉できないため、このような境界面が縞状に複数積層された状態にすることで、濁質の捕捉領域を増やせるからと考えられる。

以上のことから、上記の混合層有の場合の実験については、２つの濾過層１１１、１１２の濾過材について、混合層１１３において２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態となる濾過材の組合せとしている。従って、混合層有の場合における濁質捕捉領域（有効領域）は図３中でグレー表示している部分となる。

さらに、実験用の原液を連続的に濾過槽に注水し、濾過後の液体の濁度が１．０度を超えるまでの時間を計測すると、混合層無の場合は９時間、混合層有の場合は１５時間となり、明らかに混合層有の場合で濁質の捕捉効率が高まっていることが分かった。

すなわち、これまで推奨されてきた仕様とは異なり、濾過材同士が混合された混合層が形成される状態、さらに好ましくは、混合層内において２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態とした方が、濁質の捕捉効率を向上させられることを見出した。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、本発明による濾過装置は、複数種類の濾過材から各々なる複数の濾過層を内部に有する濾過槽を備え、供給された原液を複数の濾過層により濾過する濾過装置であって、互いに隣接する濾過層同士の少なくとも１つの境界部分に、隣接する濾過層の濾過材同士が混合された混合層が構成されていることを特徴とする。

なお、混合層については、濾過槽内に複数種類の濾過材を投入した後、濾過槽内で逆洗等を行って濾過材を移動可能な状態にすることで、各濾過材の密度差による移動が生じた結果、自然に層成されるものである。なお、本明細書において「密度」とは、物質の単位体積あたりの質量を指しており、「比重」と同義である。

また、この混合層は、混合層を構成する２種類の濾過材のうち、粒径が大きい方の濾過材の粒径の５０倍以上の厚さであり、かつ、その層内のどの部分においても混合される２つの濾過材のうちのいずれか一方の濾過材が、粒径が大きい方の濾過材の粒径の１０倍以上の厚さ当たりで少なくとも全体の１０％以上含まれる状態のものを意味し、従来の濾過層同士の境界近傍で若干発生する混合領域とは異なるものである。

本発明の濾過装置では、混合層を構成する２種類の濾過材の密度は、互いに異なるものとしてもよい。
また、混合層内において、混合層を構成する２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態に構成されていることが好ましい。

本発明の濾過装置によれば、複数種類の濾過材から各々なる複数の濾過層を内部に有する濾過槽を備え、供給された原液を複数の濾過層により濾過する濾過装置において、互いに隣接する濾過層同士の少なくとも１つの境界部分に、隣接する濾過層の濾過材同士が混合された混合層が構成されるようにして、実質的な濁質捕捉領域を増加させたので、濁質の捕捉効率を向上させることができる。

また、混合層内において、混合層を構成する２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態とすることで、実質的な濁質捕捉領域を効果的に増加させることができる。

本発明の一実施形態による濾過装置を示す一部破断側面図 互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が分離した状態を示す図 互いに隣接する濾過層を構成する濾過材同士が混合された混合層が形成された状態を示す図 濾過材の深さ毎の濁質捕捉状態を示すグラフ 図４のグラフの数値を示す表

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による濾過装置１００の一部破断側面形状を示すものである。

図示のようにこの濾過装置１００は、後述する複数の濾過材が充填される濾過槽１０１を有している。この濾過槽１０１は、典型的な形状として、その上部と下部が湾曲凸面で閉鎖された円筒形の外殻体１０２を有し、複数の支持脚１０３（図では１つのみ表示）によって床面や地面の上に支持されている。外殻体１０２の側面上部には、井戸水等の濁質を含む水すなわち原水を導入する原水供給管１０４が形成されている。この原水供給管１０４は層内部まで延ばされ、層中心部において上方に曲げられ、先端には上方に開いたラッパ管１０５が接続されている。一方、外殻体１０２の底面には排出口１０６が接続され、そしてこの底面上には、後述するプレート１１０を下方から支持する支持部材１０７が固定されている。また外殻体１０２の上面には、大径のマンホール１０８が形成されている。

濾過槽１０１の下端に近い位置においてその内部には、多数のストレーナ１０９を有するプレート１１０が固定されている。そしてその上には、密度２．６３ｇ／ｃｍ^３、粒径０．６ｍｍ（有効径０．６ｍｍ−均等係数１．３）の濾過砂からなる第１濾過層１１１と、密度１．６２ｇ／ｃｍ^３、粒径１．２ｍｍ（有効径１．２ｍｍ−均等係数１．４）のアンスラサイトからなる第２濾過層１１２とがこの順に配置されている。

第１濾過層１１１の濾過材および第２濾過層１１２の濾過材として上記の組合せとした場合、濾過槽１０１内に上記の２種類の濾過材を投入した後、濾過槽１０１内で逆洗等を行って濾過材を移動可能な状態にすることで、各濾過材の密度差による移動が生じて、第１濾過層１１１と第２濾過層１１２との間に濾過砂とアンスラサイトとが混合された混合層１１３が自然に層成される。

また、第１濾過層１１１の濾過材および第２濾過層１１２の濾過材として上記の組合せとした場合、図３に示すように、混合層１１３内において２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態となり、「課題を解決するための手段」の部分で詳細に説明した通り、実質的な濁質捕捉領域が大幅に増加するため、濾過装置１００の濁質の捕捉効率を大幅に向上させることができる。

以上の構成を有する濾過装置１００を使用する際、原水は図中矢印１２０で示すように原水供給管１０４から濾過槽１０１内に供給される。この原水はラッパ管１０５の上端から越流して濾過槽内の第２濾過層１１２、混合層１１３、第１濾過層１１１をこの順に通過して濾過される。こうして濁質が除去された後の濾過液は、ストレーナ１０９を通過して濾過槽１０１の底面上に溜まり、排出口１０６から外部に供給される。

なお、以上説明した実施形態の濾過装置１００は、２種類の濾過層を有するものであるが、本発明は、３種類の以上の濾過層を有する濾過装置に対しても適用可能である。この場合、互いに隣接する濾過層同士の全ての境界部分で混合層が構成されるようにするのが好ましいが、少なくとも１つの境界部分で混合層が構成されるようにすれば、本発明の効果を得ることができる。

また、前述の特許文献１に示されているような濾過材洗浄手段を必要に応じて組み合わせることも可能である。

また、本発明は、上記のような濾過装置の態様に限らず、例えば濾過池等、複数種類の濾過材から各々なる複数の濾過層を有する濾過装置や濾過施設であれば、どのようなものにも応用することが可能である。

１００ 濾過装置
１０１ 濾過槽
１１１ 第１濾過層
１１２ 第２濾過層
１１３ 混合層

Claims (2)

1. 複数種類の濾過材から各々なる複数の濾過層を内部に有する濾過槽を備え、供給された原液を前記複数の濾過層により濾過する濾過装置であって、
   互いに隣接する濾過層同士の少なくとも１つの境界部分に、隣接する濾過層の濾過材同士が混合された混合層が構成され、
   該混合層内において、該混合層を構成する２種類の濾過材同士の境界面が縞状に複数積層された状態に構成されていることを特徴とする濾過装置。
2. 前記混合層を構成する２種類の濾過材の密度が互いに異なることを特徴とする請求項１記載の濾過装置。