JP7382031B2

JP7382031B2 - 上向流傾斜板沈砂槽

Info

Publication number: JP7382031B2
Application number: JP2018196366A
Authority: JP
Inventors: 龍男牧志
Original assignee: 日本エンヂニヤ株式会社
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2038-10-18
Also published as: JP2020062612A

Description

本発明は、水を必要とする水道施設や水力発電施設などにおいて、河川や用水路から取水した原水に混入する砂などの粒子の除去装置に関する。

河川水や農業用水などの原水に混入する砂の粒子を除去する手段として、取水した後に沈砂池を設けることが広く行われている。沈砂池は取水した原水をゆっくりとした横方向の流れで一定時間滞留させ、水よりも比重が大きい粒子を沈降させることで原水から砂の粒子を分離する機能を果たす。しかしながら、砂の粒子を安定して分離するには滞留時間に十分な余裕を持たせる必要があり、構造物としては大きくならざるを得ない。そのために、広い設置面積が必要となること、鉄筋コンクリートで築造することから工期を要すること、工事費や用地買収費を合わせると高額になる、といったデメリットがある。

一方、井戸などからポンプを用いてくみ上げた原水に混入する砂の粒子を除去する手段として、サンドセパレータと呼ばれる装置がある。サンドセパレータはくみ上げた水を筒状の容器の中で回転させ、遠心分離機能で水と砂の粒子を分離する機能を果たす（特許文献１を参照）。しかしながら、砂の粒子を安定して分離するには圧力を加えて水を回転させる必要があり損失抵抗が発生することから、ポンプを用いて圧力を加えるか落差を利用した圧力のある場所でしか使用することができない。そのため、使用できる場所に電力の有無や落差の制約があること、分離できる砂の粒子の大きさに限界があること、といったデメリットがある。

このような背景から、山間部の小規模な水道施設では砂などの粒子を除去する沈砂設備の普及が進まず、安定した水質の確保や浄水処理装置の維持管理負担軽減が喫緊の課題となっており、管理に携わる方々の高齢化も相まって水道施設の存続が危ぶまれる事態となっている。延いては人口流出の要因ともなり、限界集落の進行に拍車をかけている。

そのため、砂などの粒子の除去能力を維持しながら装置本体を小型化し、設置スペースの省スペース化を図るための粒子の沈降方式が提案されている。粒子の沈降方式としては上向流方式（図６）と横流方式（図７）とがあり、図６に示すように上向流方式は、上向流方式沈砂槽３０の流入槽３５に流入する流入水流Ａは水流Ｃとして流入側仕切壁３３の下方を経由し、沈降槽３１を水流Ｄとして上向流流速Ｖupにて上向流し、水流Ｅとして、流出側越流壁３４を越流して流出槽３６に流入し、次いで、流出水流Ｂとして流出する。この方式では、上向流流速Ｖupが粒子の沈降速度Ｖsより小さくすることで粒子を分離沈降することができる。上向流流速Ｖupを小さくするには、沈降槽３１の幅と長さを大きくして沈降槽の流路面積を大きくすればよい。

図７に示す横流方式では、横流方式沈砂槽４０の流入槽４５に流入する流入水流Ａは、流入側整流壁４３を貫通して沈降槽４１に流入し、水流Ｃとして横向流速Ｖhにて沈降槽４１を横向きに流れ、流出側整流壁４４を貫通して流出槽４６に流入し、次いで、流出水流Ｂとして流出する。この方式では、沈降槽４１の深さＨと、沈降槽４１の長さＬ、沈降槽４１内の横向流速Ｖh、粒子の沈降速度Ｖsとの関係が、Ｈ＜Ｌ（Ｖs／Ｖh）となることで粒子を分離することができる。この場合Ｖhを小さくするためには沈降槽４１の幅を広げることが必要であり、設置面積を小さくするには前記の上向流方式の採用が有効である。

そして、上向流方式では粒子の沈降効率を高めるために、沈降層に傾斜板沈降装置を組み込み、沈砂槽の小型化を図ることが行われている(例えば特許文献２)。図８に示す上向流傾斜板沈砂槽５０は、傾斜板沈降装置５１が流入側仕切壁５３と流出側越流壁５４との間に組み込まれている。傾斜板沈降装置５１は、水平面に対して傾斜した複数の傾斜板５２により構成され、これらの傾斜板の間に上向流水流Ｄを通過させ、粒子の沈降効率を高めるものである。しかしながら、この上向流傾斜板沈降装置５０では、傾斜板沈降装置５１が、垂直に設置されている流入側仕切壁５３と流出側越流壁５４との間に組み込まれているため、傾斜板５２の中で、これらの壁に近いものはその長さが１Ｌに対し１Ｓのように短いものが存在する。このような傾斜板の長さが短い部分では十分な沈降効果が得られず、粒子の除去率が低下する。

一方、図９に示す傾斜板沈降装置６１のように、槽内部の流入側仕切壁６３の取付角度θsと流出側越流壁６４の取付角度θeを傾斜板６２の傾斜角度θkと同じ角度とすることが提案されている（特許文献３の段落００１１、図２参照）。このような構造とすれば各傾斜板の長さを均一化することができ、すべての傾斜板の沈降効果が平準化し、粒子の除去率を高めることが期待できる。しかしながら、図９に示す構造においては、傾斜板沈降装置６１の下方を流れる水流Ｃから分かれ、各傾斜板６２の間を上向流する水流は流入槽６５に近い水流Ｄ1の流速Ｖnに対し、流入槽６５から離れた水流Ｄ2の流速Ｖfは速くなり、傾斜板沈降装置６１では位置による沈降効果の差異を生じ、全体の粒子の除去率の低下となる。これは、傾斜板沈降装置６１の下方を流れる水流Ｃは水平方向に流れ、流出側越流壁６４の下部に突き当たり、急激に上向きの流れに変わるため、流入槽６５から離れた水流Ｄ2の水量が多くなり、結果的に流速ＶfがＶnより速くなるためである。

特開２０１７－７０８９０号公報特開昭６３－１１９８１１号公報特開平５－２００２０５号公報

本発明の課題は、前記した従来技術の上向流傾斜板沈砂槽における問題点を解消し、粒子の除去能力を維持しながら装置本体を小型化し設置スペースを小さくし、軽量化して容易に運搬設置を可能とし、安価に提供可能な装置とすることで山間部の小さな水道施設への普及を促進し水道施設の存続を図ることができる沈砂槽を提供することである。

本発明の上向流傾斜板沈砂槽は、水平面に対して傾斜した複数の傾斜板が一定間隔で配置されている傾斜板沈降装置を、流入側仕切壁と流出側越流壁との間に組み込んだ上向流傾斜板沈砂槽において、流入側仕切壁と流出側越流壁は前記傾斜板と同一の傾斜角度で設置されており、前記傾斜板は、その下端を結ぶ平面が流入側から流出側に向けて水平面より下方に傾斜して配置されていることを特徴とする。そして、前記傾斜板は長さがすべて同一であることが好ましい。

そして、前記上向流傾斜板沈砂槽には、流入槽への流入経路に流入流量調整弁が設けられ、流出側越流壁の上縁部中央に切り欠き部が設けられて流出流量測定堰とされ、該堰により測定された流出流量に応じて、流入流量が調整可能であることが好ましい。また、流出流量測定堰は三角堰であることが好ましい。

また、流入槽にオーバーフロー装置や、流入槽下部に堆積土砂を排出するための排泥管が設けられているのが好ましく、そして流出側越流壁の下部を沈砂槽本体の底面でなく流出側側面に固定し、沈降土砂の堆積スペースが拡大されていることが好ましい。

さらに、前記傾斜板沈降装置は複数の傾斜板が一体化されユニット化されており、上向流傾斜板沈砂槽本体に着脱可能となっていることが好ましい。また、前記傾斜板沈降装置及び上向流傾斜板沈砂槽本体の構成材料が軽量化の観点より合成樹脂であることが好ましい。

尚、本発明においては、粒子、土砂は水中に混入・懸濁している粒子の全てを意味しており、土砂以外にも凝集物、フロック等の粒子を包括するものであり、水中において重力により沈降するすべての粒子を意味する。

本発明において、傾斜板沈降装置に一定間隔で配置されている各傾斜板は、その下端を結ぶ平面が流入側から流出側に向けて水平面より下方に傾斜して配置されており、各傾斜板は流入側仕切壁から流出側越流壁に近づくと共に順次引き下げられた構造となっているため、傾斜板の間を流れる水流の流速が流入側仕切壁と流出側越流壁との間で均一化されることにより、傾斜板の沈降効果の平準化ができ、小型化した沈砂槽でも粒子を効率的に分離除去することができる。

そのため、沈砂池の機能を小型化した小型沈砂槽として工場生産による製品化が可能となり、車両による運搬や重機を要する工事が困難な山間部の水源にも設置することができる。そして、安価な沈砂槽の提供と設置工事費の大幅な低減、工期の短縮の実現により、従来は設置出来なかった山間部の小規模な水道施設へも導入・普及を図ることが可能となる。

また、流出流量の測定に基づく流入量の調整やオーバーフロー装置により、安定した粒子の分離除去を維持することができる。そして、堆積土砂の排出管、堆積スペースの拡大や傾斜板沈降装置のユニット化などにより、沈砂槽の維持管理が従来の沈砂池の清掃作業と比較して軽作業となることから、維持管理に関わる高齢者の方々への負担軽減に寄与する沈砂槽となる。さらには、効率的に土砂の粒子を分離除去できることから、浄水処理における後段のろ過装置への負担が軽減し、ろ過装置の清掃や点検などの維持管理費用の削減が期待出来る。

さらに、小水力発電施設の沈砂池として利用すれば、上記の発明効果に加え水車の摩耗を抑制する効果が期待でき、水車の製品寿命延長に伴う維持管理費用の低減に寄与し、発電施設の稼働率向上と相まって採算性向上が期待できる。

傾斜板沈降装置を組み込んだ本発明の上向流傾斜板沈砂槽の断面説明図。上記沈砂槽に流入流量調整弁と流出流量測定堰、オーバーフロー装置、および槽本体下部に堆積土砂の排出管が設けられた上向流傾斜板沈砂槽の断面説明図。沈砂槽本体と該本体に取り付けるユニット化した着脱可能な傾斜板ユニットの説明図。本発明の上向流傾斜板沈砂槽の試作実施例の上面図と断面側面図。本発明の上向流式沈砂槽を取水堰に設置した実施例の説明図。従来技術の上向流方式沈砂槽の断面説明図。従来技術の横向流方式沈砂槽の断面説明図。従来技術の傾斜板沈降装置による上向流傾斜板沈砂槽の断面説明図。図８の別形態の上向流傾斜板沈砂槽の断面説明図。

以下本発明の実施形態につき、図１～５を用いて説明する。

図１は、傾斜板沈降装置１を組み込んだ本発明の上向流傾斜板沈砂槽の概念を説明する断面説明図である。この上向流傾斜板沈砂槽では、流入水流Ａは流入槽５に流入し、複数の傾斜板２が一定間隔で配置された傾斜板沈降装置１の下方を水流Ｃとして流れ、各傾斜板間を水流Ｄ1、Ｄ2などとして上向流し、粒子を除去された水流Ｅとして流出槽６に流れ込み、流出水流Ｂとして沈砂槽外に流出する。

傾斜板沈降装置１は、流入側仕切壁３と流出側越流壁４との間に組み込まれており、各傾斜板２は、水平面に対して流入側に向けて傾斜して配置されている。この傾斜板沈降装置１を組み込んでいる流入側仕切壁３と流出側越流壁４も同様に傾斜しており、すべての傾斜板２が有効に利用されている。そして、沈砂槽本体の側壁と流入側仕切壁により形成される流入槽５は、下に向かって拡大する構造となっており、流入槽５に流入した水の流れが穏やかになることで槽底部の堆積土砂１００の粒子の巻き上げ防止効果が得られる。

さらに、傾斜板沈降装置１では、配置された各傾斜板２は、それらの下端部７を結ぶ平面が水平面に対して角度θiで下方に傾斜して配置されており、流入側仕切壁３から流出側越流壁４に近づくと共に順次引き下げられて配置された構造となっている。この構造により、傾斜板沈降装置１の下方を通過する水流Ｃは順次引き下げられた下端部７の作用により水流Ｃの流れが抑制され、前記した水平方向の流れが流出側越流壁４の下部に突き当たり、急激に上向きの流れに変わる状況が緩和される。そのため、水流Ｃから分岐した水流Ｄ1、Ｄ2のそれぞれの流速ＶnとＶfとの差が少なくなり、傾斜板沈降装置１における各傾斜板２の沈降効果が平準化され、粒子の除去効率を高めることができる。

さらに、図１に示すように各傾斜板２の長さをすべて同一とすることにより、その上端部を結ぶ平面が水平面に対して下方に傾斜する角度θOは角度θiと等しくなり越流壁４に向かって流れる水流Ｅの流速も均一化され、傾斜板上に堆積した粒子の再浮上抑制効果が得られる。各傾斜板２と水平面となす傾斜角度は特に限定はされないが、５０～７０°程度にて配置される。

図２は、流入流量調整弁９と流出流量測定堰８、オーバーフロー装置１０、および槽本体下部に堆積土砂を排出するための排泥管１１が設けられた上向流傾斜板沈砂槽の説明図である。水流Ｄが傾斜板沈降装置１を上向流することで粒子を分離除去された水流Ｅが、流出槽６に越流する流出側越流壁４の上縁部中央に切り欠き部が設けられて流出量測定堰８とされ、越流する流量を測定できる。切り欠き部を逆三角形とし、それに目盛りを入れた三角堰とすることが好ましいが、必ずしも三角堰でなく四角堰や全幅堰でもよい。

上記流出側越流壁４の上部を流出量測定堰８として流出量を簡易に測定することで、上向流傾斜板沈砂槽の性能が適切に発揮される処理能力に対し、水の流入水量が適切かどうかを一目で判断できるので、水流Ａの流量を流入流量調整弁９により調整して処理能力を十分に発揮させることができる。

また、流入槽５に設置したオーバーフロー装置１０は、装置の能力を著しく超える過大な流入流量に対し保護機能を果たすもので、沈砂槽内での上限水位ＨＷＬを超える過剰流入水を流入槽に設けたオーバーフロー装置１０にて装置外へ水流Ｆとして排出する。この過剰流入水の排出により、底部に堆積した堆積土砂１００の粒子が再浮上するのを抑制すると共に、密度の小さい浮遊性の粒子や塵芥を排出することができる。

さらに、沈砂槽本体下部に堆積土砂１００を槽外に排出するための排泥管１１が設けられ、堆積土砂１００を排泥流Ｇとして排出することができる。この排泥管には排出弁が設けられ、適宜堆積土砂１００を排出することができる。

図３、４は本発明の上向流傾斜板沈砂槽の実施例であり、沈砂槽本体は約５００ｍｍ立方程度の内容積の小型の上向流傾斜板沈砂槽である。本実施例では、傾斜板２を複数まとめて一体化した傾斜板ユニット１２として、沈砂槽本体に着脱可能となっている。図３の（ａ）が沈砂槽本体を示し、（ｂ）が傾斜板ユニットを示す。（ｂ）に示す傾斜板ユニット１２は複数の傾斜板２が傾斜板ユニット側面板１３に取付けられて構成されている。本実施例では水平面に対して傾斜角度６５°で取付けられている。そして、これらの傾斜板２は流出方向に向けて順次引き下げられて配置されており、傾斜板の下端７は流出方向に段階的に下がった構造となっており、前記したようにこの構造により、傾斜板沈降装置としての傾斜板ユニットの下方に流入した水流Ｃの流れを抑制し、傾斜板間を流れる水流を平準化し、粒子の除去効率を高めることができる。傾斜板ユニット１２は（ａ）に示す沈砂槽本体の挿入部１４に挿入し、流入側仕切壁３と流出側越流壁４との間に装着して傾斜板沈降装置として使用され、清掃時には取り外すことにより、清掃作業を容易とすることができる。

図４は、傾斜板ユニットを装着した上向流傾斜板沈砂槽を示し、上図が平面図であり、下図が断面側面図である。傾斜板ユニット１２は、側面板１３を沈砂槽本体の側面に密着させて、流入側仕切壁３と流出側越流壁４との間に装着して傾斜板沈降装置としている。流入槽５に流れ込む流入水流Ａは、流入槽内で左右に分岐している流入管１７より流れ込んだのち、傾斜板ユニット１２の下方に流れ込み、水流Ｄとして傾斜板２の間を上向流することで粒子を分離除去され、次いで、上縁部中央に逆三角形の切り込み部が設けられ三角堰とされた流出側越流壁４を越流して、粒子が分離除去された水は流出槽６に流れ込み流出管１８より流出水流Ｂとして流出される。

この沈砂槽内は、流出側越流壁４の上部を三角堰としており、槽内水位は壁の上端部と逆三角形の下部頂点に対応する水位ＨＷＬとＬＷＬとの間に保って運用し使用される。そして、流入槽５にはオーバーフロー装置として越流堰１５と排出管１６設けられており、越流堰１５の上端と水位ＨＷＬは同一の高さに設定されており、流入水流Ａの流量が過大となり、上限水位ＨＷＬを超えるような場合には、過剰流入水は越流堰１５を越流させて排出管１６より装置外へ水流Ｆとして排出し、安定した粒子の分離除去を維持する。

図３、４に示す小型上向流傾斜板沈砂槽では、軽量化の観点より、傾斜板沈降装置となる傾斜板ユニットや沈砂槽本体の構成材料として、合成樹脂であるポリカーボネートが用いられている。

尚、上記の構成材料としては、ポリカーボネートだけでなく、各種の合成樹脂を用いることができ、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリスチレン系共重合体、例えばＡＢＳ、ＡＳ、ＡＡＳ、ＡＥＳなど、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂及びガラス繊維や炭素繊維などで強化した繊維強化熱可塑性樹脂、並びにポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などの繊維強化熱硬化性樹脂（ＦＲＰ）などを例示することができる。

図５は、本発明の小型上向流傾斜板沈砂槽２０を取水堰２１から取水して使用している実施例を示す。この実施例では、取水堰２１に設置された取水装置２２から導水した水流を流入管１７にて取り込み、傾斜板ユニット１２にて混入する砂などの粒子を分離除去して、流出管１８より粒子が分離除去された水を得ている。取水装置２２は河川の表流水を取水するに当たり、装置本体の上面開口部にウェッジワイヤースクリーンなどを取り付け、表流水に含まれる落ち葉などの浮遊物を取り除くために、小型上向流傾斜板沈砂槽２０での処理に先立ち、設置したものである。

上記の実施例で得た流出水は、浮遊物や粒子が分離除去されており、水道施設や水力発電施設などに好ましく利用できる水となった。

１：傾斜板沈降装置２：傾斜板
３：流入側仕切壁４：流出側越流壁
５：流入槽６：流出槽
７：下端部（傾斜板）８：流出流量測定堰
９：流入流量調節弁１０：オーバーフロー装置
１１：排泥管１２：傾斜板ユニット
１３：傾斜板ユニット側面板１４：傾斜板ユニット挿入部
１５：越流堰１６：排出管
１７：流入管１８：流出管
１９：排泥管２０：小型上向流傾斜板沈砂槽
２１：取水堰２２：取水装置
１００：堆積土砂
Ａ：流入水流Ｂ：流出水流Ｃ、Ｄ、Ｅ：槽内水流
Ｆ：オーバーフロー排水流Ｇ：排泥流
Ｖn、Ｖf：傾斜板間の流速
θi、θo：傾斜板セットの下端線または上端線と水平線との角度
ＷＬ：水位ＨＷＬ：上限水位ＬＷＬ：下限水位
以下に示すのは従来技術についての符号である。
３０：上向流方式沈砂槽４０：横流方式沈砂槽
３１、４１：沈降槽５０、６０：上向流傾斜板沈砂槽
５１、６１：傾斜板沈降装置５２、６２：傾斜板
３３、５３、６３：流入側仕切壁３４、５４、６４：流出側越流壁
４３：流入側整流壁４４：流出側整流壁
３５、４５、５５、６５：流入槽３６、４６、５６、６６：流出槽
Ｖs：粒子の沈降速度Ｖup：上向流速
Ｖh；横向流速

Claims

水平面に対して傾斜した複数の傾斜板が一定間隔で配置されている傾斜板沈降装置を、流入側仕切壁と流出側越流壁との間に組み込んだ上向流傾斜板沈砂槽において、流入側仕切壁と流出側越流壁は前記傾斜板と同一の傾斜角度で設置されており、前記傾斜板は、長さがすべて同一であり、その下端を結ぶ平面が流入側から流出側に向けて水平面より下方に傾斜して配置されていることにより、各傾斜板の間を上向流する水流である、前記流入側仕切壁に近い水流Ｄ1の流速Ｖnと、前記流出側越流壁に近い水流Ｄ2の流速Ｖfとが均一化されていることを特徴とする上向流傾斜板沈砂槽。
流入槽への流入経路に流入流量調整弁が設けられ、流出側越流壁の上縁部中央に切り欠き部が設けられて流出流量測定堰とされ、該堰により測定された流出流量に応じて、流入流量が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の上向流傾斜板沈砂槽。
前記流出流量測定堰は三角堰であることを特徴とする請求項２に記載の上向流傾斜板沈砂槽。
流入槽にオーバーフロー装置が設けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の上向流傾斜板沈砂槽。
流入槽下部に堆積土砂を排出するための排泥管が設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の上向流傾斜板沈砂槽。
流出側越流壁の下部を上向流傾斜板沈砂槽本体の底面でなく、流出側側面に固定し、沈降土砂の堆積スペースを拡大したことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の上向流傾斜板沈砂槽。
前記傾斜板沈降装置は複数の傾斜板が一体化されユニット化されており、上向流傾斜板沈砂槽本体に着脱可能となっていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の上向流傾斜板沈砂槽。
前記傾斜板沈降装置及び上向流傾斜板沈砂槽本体の構成材料が合成樹脂であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の上向流傾斜板沈砂槽。