JP6453661B2 - 処理システム及び処理方法 - Google Patents
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Description
代表的な濾過機構としては、表面濾過、深層濾過(デプス濾過)、ケーク濾過と呼ばれる機構がある。いずれの場合も、フィルターに被処理水を通過させて、被処理水中からSS粒子を除去すると、フィルターの表面にSS粒子からなるケークが形成されてケーク濾過へ移行する。
発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意検討を重ね、処理槽のフィルターとして、以下に示す第1フィルターまたは第2フィルターを用いればよいことを見出した。
第1フィルターは、表面に配置された針状構造物と、平均孔径0.5〜10.0μmの貫通孔とを有し、針状構造物の平均高さが0.2〜2.5μmであり、針状構造物の数が単位面積当たり1.2〜10.0個/μm2である。
第2フィルターは、表面に近接配置された複数の多面体構造物と、平均孔径1.0〜20μmの貫通孔とを有し、多面体構造物の最大外形寸法の平均値が0.5〜10μmである。
次に、第1の実施形態の処理システムを、図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態の処理システム(処理装置)を示す模式図である。図1に示す処理システム100Aは、被処理液槽111と、マイクロバブル発生装置101と、処理槽112と、処理液槽114と、濃縮汚泥タンク116と、ポンプ113、115とを有している。
処理槽112の本体117の上部は円筒状であり、下部は底面に向かって徐々に断面形状が小さくなる逆円錐形状を有している。このことにより、本体117内に収容された被濾過液中で沈降するSS粒子の濃縮が促進される。
配管101には、ポンプ113と、マイクロバブル発生装置101とが設置されている。
ポンプ113は、被処理液槽111から処理槽112の被処理液領域112aに被処理液を圧送する。
配管101gには、ポンプ115が設置されている。ポンプ115は、フィルター121を洗浄する際に、処理液槽114から配管101g、配管101e、配管101cを介して処理槽112の処理液領域112bに処理液を洗浄液として圧送する。
汚泥濃縮タンク116と処理槽112とは、配管101bによって連結されている。配管101bと処理槽112とは、処理槽112の本体117の底面で接続されている。また、配管101bと汚泥濃縮タンク116とは、汚泥濃縮タンク116の上部で接続されている。
第1フィルターとしては、例えば、図2および図3に示すフィルターが用いられる。図2は、フィルターを示す平面模式図である。図3は、図2に示すフィルターの一部を拡大して示した断面模式図である。図2および図3に示すフィルター1は、SS粒子を含む処理液を通過させて一定量のSS粒子を捕捉した後のものである。
フィルターを電子顕微鏡で観察し、縦2μm横2μm面積4μm2の正方形内に存在する針状構造物の頂点の数を、4箇所測定する。そして、4箇所で測定した針状構造物の頂点の数を平均し、単位面積(1μm2)当たりの針状構造物の数を算出する。
フィルター1を埋め込み樹脂で固定して切断し、その切断面をイオンミリングで平滑化して、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて撮影する。その後、撮影したフィルター基材の断面の拡大写真におけるフィルター基材の表面の略延在方向に沿って、10μm当たりの針状構造物の数を測定する。そして、測定した針状構造物の数から単位長さ(1μm)当たりの針状構造物の数を算出する。
フィルター1を製造するには、まず、綾織されて網目状とされた線材2を用意する。
次いで、線材2の表面全面に、めっき処理を用いて、下地層4を形成する。下地層4を形成するためのめっき処理としては、従来公知の方法を用いることができる。例えば、ニッケルまたはニッケル合金からなるめっき層3を形成する前に、ステンレスからなる線材2の表面に下地層4を形成する場合には、電解ニッケルめっき処理または無電解ニッケルめっき処理を用いて、ニッケルまたはニッケル合金からなる下地層4を形成することが好ましい。
また、めっき層3を形成するためのめっき処理を行った後、必要に応じて、フィルターの耐久性を向上させるために、めっき層3の表面に、他の金属や有機物などを用いて別の被覆層を形成してもよい。
本実施形態では、被処理液の処理を開始する前に、開閉弁105cを閉じることにより、処理槽112と汚泥濃縮タンク116との連通を遮断する。また、三方弁105aを切り替えることにより、配管101cと配管101dとを連通させ、三方弁105bを切り替えることにより、処理液槽114からの処理液の流出を止める。
次に、ポンプ113を駆動して、配管101aを介して被処理液槽111から処理槽112に向かって被処理液を圧送する。また、マイクロバブル発生装置101を駆動して、配管101a内を通過する被処理液に気泡を供給する(気泡含有工程)。このことにより、10〜100μmの気泡を含む被濾過液が生成され、処理槽112の被処理液領域112aに供給される。被濾過液は、25℃1気圧で換算した体積の空気を単位体積当たり0.1〜5.0体積%含むことが好ましい。
生成した処理液は、配管101cと配管101dとを介して処理液槽114に供給され、貯留される。
一定量のSS粒子を捕捉したフィルター1を洗浄する方法としては、フィルター1の被濾過液を通過させたのと反対向きに、洗浄液を供給する方法(逆洗)が挙げられる。
次に、ポンプ115を駆動して、配管101gと配管101eと配管101cを介して、処理液槽114からフィルター121の処理液領域112bに、洗浄液として処理液を圧送し、フィルター1を逆洗する。
さらに、図1に示すように、処理槽112内のフィルター121が上下方向に延在しているため、剥離したケーク7は、重力によって落下し、フィルター121に再付着しにくい。
これらのことから、本実施形態では、フィルター1を逆洗することにより、フィルター1に形成されていたケーク7およびフィルター1上に付着していたSS粒子が速やかに除去される。
また、処理槽112の本体117の底部には、濃縮したSS粒子が堆積する。このため、間欠的に開閉弁105cを開けることにより、処理槽112と汚泥濃縮タンク116とを連通させ、濃縮したSS粒子を含む被濾過液を、処理槽112から汚泥濃縮タンク116へと輸送する。
第2フィルターとしては、例えば、図5に示すフィルターが用いられる。図5は、フィルターの表面を撮影した顕微鏡写真である。
図5に示すフィルターは、図2および図3に示すフィルター1における複数の針状構造物5に代えて、表面に近接配置された複数の多面体構造物を有する。
すなわち、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて拡大したフィルターの写真を撮影し、画像処理を行う。具体的には、平面視で、めっき層3の被覆された貫通孔8の内壁に接する内接円の直径を、一つの写真に対して代表的な10か所を選択して測定し、その平均値を貫通孔8の平均孔径と定義する。
隣接する貫通孔8間の最短距離の平均値は、めっき層3によって被覆された線材2の平均線径である。このため、隣接する貫通孔8間の最短距離の平均値として、めっき層3によって被覆された線材2の平均線径を用いて、開孔率を算出する。
次いで、めっき層3に被覆された線材2の平均線径をA、貫通孔8の平均孔径をBとして、B2/(A+B)2で算出される値を開孔率と定義する。
このように、図5に示すフィルターを用いた場合、ケーク7に流路7aが形成されたり、ケーク7が剥離してケーク7の一部が重力によって落下したりしても、SS粒子の除去性能の低下が生じにくく、優れた濾過性能が得られる。
次に、第2の実施形態の処理システムを、図面を参照して説明する。
図6は、第2の実施形態の処理システム(処理装置)を示す模式図である。図6に示す処理システム100Bは、被濾過液をフィルター131の被処理液領域132a側の面に略平行に流動させながら、フィルター131で濾過するクロスフロー方式のものである。
図6に示す処理システム100Bにおいて、図1に示す処理システム100Aと同じ部材については、同じ符号を付し、説明を省略する。
配管101には、図1に示す処理システム100Aと同様に、ポンプ113と、マイクロバブル発生装置101とが設置されている。
配管127には、ポンプ115が設置されている。ポンプ115は、上側フィルター131aおよび下側フィルター131bを洗浄する際に、処理液槽114から配管127、配管126を介して処理槽132の処理液領域132bに、処理液を洗浄液として圧送する。
本実施形態では、被処理液の処理を開始する前に、三方弁105dを切り替えて、配管124と配管122とを連通させ、処理槽132と汚泥濃縮タンク116との連通を遮断する。また、三方弁105bを切り替えることにより、処理液槽114からの処理液の流出を止める。
次に、ポンプ113を駆動して、配管101a介して被処理液槽111から処理槽132の本体137内の被処理液領域132a、132aに被処理液を圧送する。また、マイクロバブル発生装置101を駆動して、配管101a内を通過する被処理液に気泡を供給する(気泡含有工程)。このことにより、10〜100μmの気泡を含む被濾過液が生成され、処理槽132の被処理液領域域132a、132aに供給される。被濾過液は、25℃1気圧で換算した体積の空気を単位体積当たり0.1〜5.0体積%含むことが好ましい。
その後、再び、三方弁105dを切り替えて、配管124と配管122とを連通させる。そして、被処理液貯槽111に、新たなSS粒子を含む水などの被処理液を導入し、処理工程を再開する。
一定量のSS粒子を捕捉した上側フィルター131aおよび下側フィルター131bを洗浄する方法としては、上側フィルター131aおよび下側フィルター131bの被濾過液を通過させたのと反対向きに、洗浄液を供給(逆洗)する方法が挙げられる。
次に、ポンプ115を駆動して、配管127と配管126とを介して処理液槽114からフィルター131の処理液領域132bに洗浄液として処理液を圧送し、上側フィルター131aおよび下側フィルター131bを逆洗する。このことにより、上側フィルター131aおよび下側フィルター131bに形成されていたケーク7およびフィルター上に付着していたSS粒子が除去される。
例えば、第1フィルターとして、複数の貫通孔を形成してなる板状の基材と、基材のうち少なくとも被濾過液が流入する一次面側に形成された複数の針状構造物とを有するウエッジフィルターを用いてもよい。
図9に示すウエッジフィルター212の有する複数の針状構造物205は、図2および図3に示すフィルター1の有する複数の針状構造物5と同じである。また、ウエッジフィルター212の有する板状の基材211は、図2および図3に示すフィルターの線材2と同じ材料で形成されたものである。以下、ウエッジフィルター212についての説明において、図2および図3に示すフィルターと同じ構成については、説明を省略する。
貫通孔213、213…は、基材211の一次面211aと二次面211bとを結ぶ円筒形の孔である。貫通孔213、213…は、一次面211aに沿って千鳥配列となるように配置されている。
また、ウエッジフィルター212は、一次面211a側を平面視した場合に、一次面211a全体の面積に対する貫通孔213の面積の割合(貫通孔213の面積/一次面211a全体の面積)である開孔率が0.46以上、63.0以下であるものを用いることが好ましい。
図11は、ウエッジフィルターの他の例を端面側から見た時の断面図である。図11に示すウエッジフィルター260は、第一の濾過体261、第二の濾過体271、第三の濾過体281からなる3枚のウエッジフィルターが、重ねて配置されたものである。第一の濾過体261、第二の濾過体271、第三の濾過体281としては、貫通孔263、273、283の直径をそれぞれ異ならせた図9に示すウエッジフィルター212を用いることができる。
例えば、図12に示すウエッジフィルター291では、平面形状が矩形を成す貫通孔292を格子状に等間隔で配列している。
また、図13に示すウエッジフィルター294では、平面形状が長方形を成す貫通孔295を千鳥配列となるように形成している。
更に、図14に示すウエッジフィルター297では、平面形状が六角形を成す貫通孔298を千鳥配列となるように形成している。
また、複数の貫通孔の配列形態に関しても、例えば、図12に示す均等配列、図9、図13、図14に示す千鳥配列の他に、ランダムに配列することもでき、限定されるものでは無い。
ノッチフィルター310では、少なくとも被濾過液が流入する内周面312a側、即ち、内周面312a側に臨む線材311の平坦面311fに、複数の針状構造物305が形成されている。
ノッチフィルター310は、図18に示すように、互いに隣接する線材311間の隙間における最も狭い部分の幅をs、線材311の配列方向に沿った前記線材311の幅をwと規定した時に、下記式(1)で表される一次面の面積に対する前記隙間316の面積を示す開孔率Gが、0.8%以上、60.0%以下であることが好ましい。
G={s/(s+w)}×100・・・(1)
図19に示すノッチフィルター370は、延伸方向に対して直角な断面形状が台形を成す線材371をコイル状に巻回させ、中空の筒状体にした濾過体372を備えている。線材371は、互いに隣接する線材371どうしの間を所定幅の隙間376を保って離間させるように、外周面372b側で支持部材373に支持されている。
ノッチフィルター370では、被濾過液が流入する平坦な内周面372a側と、隙間376の内表面とに、複数の針状構造物305が形成されている。
図20に示すノッチフィルター390は、複数の線材391を面状に配列させた濾過体392と、線材391を支持する支持部材393とを備えている。濾過体392は、延伸方向に直角な断面形状が三角形を成す複数本の線材391を平面上に配列し、平板状に成形したものである。
支持部材393は、例えば、断面が矩形や三角形の線材からなり、濾過体392の他面392b側で線材391に接合されている。支持部材393は、線材391の配列方向に沿って延在し、複数の線材391と接合している。支持部材393と線材391とは、例えば、焼結によって接合されている。
ノッチフィルター390では、図20における上側となる一面(一次面)392a側から被濾過液を流入させ、他面(二次面)392bから濾過後の処理水を流出させる。ノッチフィルター390では、被濾過液が流入する平坦な一面392aに、複数の針状構造物305が形成されている。
例えば、第2フィルターとして、上述したウエッジフィルターまたはノッチフィルターにおける複数の針状構造物に代えて、表面に近接配置された複数の多面体構造物を有するものを用いてもよい。ウエッジフィルターまたはノッチフィルターの有する複数の多面体構造物は、図5に示すフィルターの有する複数の針状構造物と同じであるので、説明を省略する。
(実施例1)
ステンレス製の平織りの金網(目開き45μm,線径32μm)を用意した。これを円筒状に成形し、リンと亜鉛とニッケルとを含むめっき浴中に浸漬し、ニッケルめっき処理を行った。このことにより、ステンレス鋼線(線材)で形成された金網をニッケル亜鉛合金からなる下地層で被覆した。
実施例1のフィルターの表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、表面に針状構造物が形成されているか否かを確認した。その結果、表面に複数の針状構造物が形成されていた。
水道水中に、SS粒子として平均粒子径1.0μmのアルミナ粒子(バイカロックスCR1.0)を500mg/Lの濃度で分散させ、被処理液を供給する配管を介して処理槽に圧送した。そして、処理槽に被処理液を供給する配管に設置されたマイクロバブル発生装置の空気導入部から、配管内を移動するアルミナ粒子を含む水道水に高圧空気を導入して気泡を供給し、マイクロバブル発生装置の混合部であるオリフィスにアルミナ粒子を含む水道水と気泡とを通過させて、気泡を含む被濾過液とした。
また、アルミナ粒子を含む水道水に導入した高圧空気の導入量(気泡含有量)は、25℃1気圧で換算した体積の空気を被処理液中に単位体積当たり0.5体積%含む量とした。
「初期リーク」
濾過試験により得られた処理液の濁度を、濁度計を用いて濁度を測定し、濾過試験を開始してから、処理液の濁度が20NTU以下になるまでの時間を初期リークとした。
「濾過速度」
濾過開始1分後から5分後までの間にフィルターを通過した被濾過液の量を測定し、濾過開始1分後から5分後までの平均の濾過速度を調べた。
「処理液濁度」
初期リークが終了してから5分後までの間にフィルターを通過した被濾過液の濁度を測定し、その平均値を処理液濁度とした。
マイクロバブル発生装置を駆動させずに、アルミナ粒子を含む水道水を被処理液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
実施例1のフィルターと同様の円筒状の金網にニッケルめっき処理を行って、実施例1のフィルターと同じ貫通孔の平均孔径を有し、針状構造物の形成されていない比較例2のフィルターを得た。そして、比較例2のフィルターを用いたこと以外は、実施例1と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
マイクロバブル発生装置を駆動させずに、アルミナ粒子を含む水道水を被処理液として用いたこと以外は、比較例2と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
アルミナ粒子を含む水道水に導入した高圧空気の導入条件を変更して、表2に示す気泡の直径および気泡含有量としたこと以外は、実施例1と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
実施例1のフィルターと、単位面積(1μm2)当たりの針状構造物の数および針状構造物の形状が異なるフィルターを用いたこと以外は、実施例1と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
実施例1のフィルターと、貫通孔の平均粒径、単位面積(1μm2)当たりの針状構造物の数および針状構造物の形状が異なるフィルターを用いたこと以外は、実施例1と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
表2に示すように、実施例1〜6では、初期リークが5秒以下であり、短時間でケークが形成されていた。また、実施例1〜6では、濾過速度が1.1m/h以上であり、十分な濾過流量を確保できることが確認できた。しかも、実施例1〜6では、処理液の濁度が0.1NTU以下であり、SS粒子が十分に除去されていた。
また、針状構造物の形成されていない比較例2では、針状構造物を有する実施例1と比較して、初期リークが長かった。また、比較例2では、濁度が10NTUであり、SS粒子が十分に除去されなかった。しかも、比較例2では、実施例1と比較して、濾過速度も遅かった。
また、比較例3では、比較例2と同様に、初期リークが長かった。
フィルター表面の観察位置を、水平面に対して45°傾けて固定した。そして、観察位置を含む斜面における観察位置よりも約2センチ上方の位置に1L/minの水量でイオン交換水を供給し、斜面に沿ってイオン交換水を流下させた。イオン交換水の供給は、目視でケークの状態に変化が無くなるまで継続した。
図7は、洗浄試験後の実施例1のフィルターを撮影した写真である。図7に示すように、実施例1では、貫通孔の周辺を除く大部分のフィルターの表面にはケークが付着していなかった。
また、図8は、洗浄試験後の比較例1のフィルターを撮影した写真である。図8に示すように、比較例1では、貫通孔の周辺だけでなく、フィルターの表面の大部分にケークが付着していた。
実施例1と同様にして、ステンレス鋼線(線材)で形成された金網をニッケル亜鉛合金からなる下地層で被覆した。
その後、下地層を形成しためっき浴中に、添加剤として2−ブチン−1,4−ジオールを添加して、ニッケルめっき処理を行った。このことにより、下地層で被覆された線材を被覆するめっき層を形成し、実施例7のフィルターを得た。
そして、実施例7のフィルターを用いたこと以外は、実施例1と同様にして表4に示す条件で濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
実施例7のフィルターと貫通孔の平均孔径、多面体構造物の平均最大外形寸法、基材の線径、開孔率が異なること以外は、実施例7と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。
表4に示すように、実施例7〜8では、初期リークが5秒以下であり、短時間でケークが形成されていた。また、実施例7〜8では、濾過速度が1.1m/h以上であり、十分な濾過流量を確保できることが確認できた。しかも、実施例7〜8では、処理液の濁度が0.1NTU以下であり、SS粒子が十分に除去されていた。
実施例1のフィルターを、図6に示すクロスフロー方式の処理システムを模擬した処理槽に設置し、実施例1と同様にして表4に示す条件で濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。その結果を表4に示す。
マイクロバブル発生装置を駆動させずに、アルミナ粒子を含む水道水を被処理液として用いたこと以外は、実施例7と同様にして濾過試験を行ない、実施例1と同様にして初期リーク、濾過速度、濁度を調べた。その結果を表4に示す。
表4に示すように、アルミナ粒子を含む水道水に気泡を導入せずに被処理液として用いた比較例4では、気泡を含む被濾過液を処理した実施例7と比較して、濾過速度が遅かった。
Claims (4)
- 被処理液に気泡を供給して10〜100μmの気泡を含む被濾過液を生成する気泡発生装置と、
前記被濾過液をフィルターで濾過する処理槽とを有し、
前記フィルターが、表面に配置された針状構造物と、平均孔径0.5〜10.0μmの貫通孔とを有する第1フィルターであり、前記針状構造物の平均高さが0.2〜2.5μmであり、前記針状構造物の数が単位面積当たり1.2〜10.0個/μm2である処理システム。 - 前記被濾過液が、25℃1気圧で換算した体積の空気を単位体積当たり0.1〜5.0体積%含む請求項1に記載の処理システム。
- 前記フィルターが、上下方向に延在している請求項1または請求項2に記載の処理システム。
- 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の処理システムを用いて被処理液を処理する処理方法であって、
被処理液に気泡を供給して10〜100μmの気泡を含む被濾過液を生成する気泡含有工程と、
前記被濾過液をフィルターで濾過して処理液を生成する処理工程とを有する処理方法。
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