JP7465523B2

JP7465523B2 - 脱水装置

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Publication number: JP7465523B2
Application number: JP2020061071A
Authority: JP
Inventors: 聖大嶺
Original assignee: Nagasaki University NUC
Current assignee: Nagasaki University NUC
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021159790A

Description

特許法第３０条第２項適用・令和２年２月２０日土木学会西部支部事務局より郵送配布 “令和元年土木学会西部支部研究発表会（令和２年３月７日開催予定の所中止）”にて発表予定の論文「高含水粘土の簡易脱水法における排水材の種類と配置の影響国立大学法人長崎大学高野真央・大嶺聖・蒋宇静・杉本知史・フレミーサムエルオイ・張子晨」を収録したＣＤ－ＲＯＭ・２０１９年５月１０日ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＧＥＯＭＡＴＥ，Ｗｅｂサイトにて掲載ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｇｅｏｍａｔｅｊｏｕｒｎａｌ．ｃｏｍ／ｎｏｄｅ／１５８３

本発明は、高含水比の粘土を脱水する脱水装置に関する。

建設発生土の中で、トラックで運搬できない高含水比の粘土は、産業廃棄物の中で汚泥として取り扱わられ、適切な処理、処分が法律上の義務である。

このような高含水比の粘土の含水比を下げるため、従来から提案されている処理方法として、粘土を広げて乾燥させる天日乾燥がある。しかし、天日乾燥は、低コストであるが、広い場所が必要で、移動や乾燥までの時間もかかる。これに対し、脱水機を使用する方法では、大量の粘土に対する処理ができない。最終的にセメント固化を行うためには、ある程度まで含水比を低下させる必要がある。

高含水比の粘土の脱水方法として、毛細管現象を生じる物質を充填した水抜き菅をホッパー内に配置し、毛細管現象による脱水方法が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。また、貯留槽に溜めた含水汚泥中にシリカゲル担持多孔質材による透水性部材を浸漬し、透水性部材の端部を貯留槽の外に出るように設置して、含水汚泥に含まれる水を、該透水性部材を通じて排出させる脱水方法も従来から知られている（例えば、特許文献２参照）。

高含水比の粘土を袋に注入して脱水を行う処理では、表面よりの脱水が早く、袋の内部は未乾燥のままの問題点あり、この問題に着目して、袋の内部構造を工夫した技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、布やひもを排水材として使う技術が提案されている（例えば、特許文献４参照）。更に、乾燥床自体にシートを敷き、脱水する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。

これに対し、非特許文献１では、粘土が入れられる容器内の底、あるいは底と内部にポリエステル材を入れ、このポリエステル材の一部を容器の外に出し、ポリエステル材の吸水、乾燥プロセスを利用した脱水方法が、本願発明者らにより提案されている。

特開２０１１－０５０９０１号公報特開２０１０－２６４３８３号公報特許第４５３３２０７号公報特許第５６５８１０７号公報特許第３７９９４２２号公報

International Journal of GEOMATE, Nov., 2019 Vol.17, Issue 63, pp. 9 - 16

このように、従来から提案されている脱水方法から、低コスト、効率的、簡易的な脱水技術が検討され、繊維素材等を使い、その排水及び蒸発散効果により、粘土の含水比を低下させる技術が考えられる。

そこで、立方体状の槽の内部に、繊維素材からなる紐を格子状に配置し、紐の一部を槽から露出させる構造を考えた。しかし、このような構造では、所定期間で含水比を液性限界まで低下させることができなかった。

そこで、本発明は、簡単な構成で、効率よく高含水比の粘土の脱水を可能とした脱水装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、高含水比の粘土の含水比を減少させるための脱水装置であって、所定の幅と長さと深さを有し、上面が開口して粘土を収容する槽の上面に、槽の幅方向にまたがって設置される吊下材と、吊下材に上端を固定されて、槽内に吊下される排水材を備え、排水材は、シート状であって、槽の深さを上回らない長さを有し、槽中の任意の点から最も近い排水材までの水平方向距離の平均を、以下の（１）式で求められる平均排水距離（Ｌ）としたとき、時間の経過に伴う粘土の含水比の推移と平均排水距離（Ｌ）との関係に基づき、所定の期間で含水比／液性限界が１以下となるよう、複数枚の排水材が槽の長さ方向に所定の間隔を開けて配置される脱水装置である。

ここで、（１）式中、Ｄは、排水材近傍の平面領域を示し、Ｓは、領域Ｄの面積を示し、ｌ _min は、領域Ｄに含まれる任意の点（ｘ，ｙ）の排水材までの最短排水経路を示す。

また、本発明は、高含水比の粘土の含水比を減少させるための脱水装置であって、所定の幅と長さと深さを有し、上面が開口して粘土を収容する槽の上面に、槽の幅方向にまたがって設置される吊下材と、吊下材に上端を固定されて、槽内に吊下される排水材を備え、排水材は、シート状であって、槽の深さを上回らない長さを有し、槽中の任意の点から最も近い排水材までの水平方向距離の平均を、以下の（２）式で求められる平均排水距離（Ｌ）としたとき、時間の経過に伴う粘土の含水比の推移と平均排水距離（Ｌ）との関係に基づき、所定の期間で含水比／液性限界が１以下となるよう、複数枚の排水材が槽の長さ方向に所定の間隔を開けて配置される脱水装置である。

ここで、（２）式中、Ｓは、排水材近傍の平面領域Ｄの面積であり、ΔＳは、領域Ｄをｙ軸、ｘ軸に平行な格子でｍ，ｎ等分して分割した小矩形の面積であり、ｌ _min は、領域ΔＳに含まれる任意の点（ｘ _i ，ｙ _j ）の排水材までの最短排水経路を示す。

本発明によれば、簡単な構成で、効率よく高含水比の粘土の脱水を可能とした脱水装置を提供することができる。また、所定の期間で含水比が所定の値となるように、平均排水距離に基づき、排水材の形、配置を決めることができ、効率の良い脱水が可能となる。

第１の実施の形態の脱水装置の一例を示す側断面図である。第１の実施の形態の脱水装置の一例を示す平面図である。第１の実施の形態の脱水装置の一例を示す正面図である。排水材の一例を示す斜視図である。第１の実施の形態の脱水装置の変形例を示す側断面図である。第１の実施の形態の脱水装置の変形例を示す平面図である。第１の実施の形態の脱水装置の変形例を示す正面図である。第２の実施の形態の脱水装置の一例を示す側断面図である。第２の実施の形態の脱水装置の一例を示す平面図である。第２の実施の形態の脱水装置の一例を示す正面図である。排水材の一例を示す斜視図である。排水材の配置と槽中の任意の点から排水材までの距離との関係を示す説明図である。排水材の配置と槽中の任意の点から排水材までの距離との関係を示す説明図である。矩形の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。矩形の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。矩形の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。短冊状の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。短冊状の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。短冊状の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。平均排水距離と含水比／液性限界との関係を示すグラフである。平均排水距離と含水比／液性限界との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の脱水装置の実施の形態について説明する。

＜本実施の形態の脱水装置の構成例＞
図１Ａは、第１の実施の形態の脱水装置の一例を示す側断面図、図１Ｂは、第１の実施の形態の脱水装置の一例を示す平面図、図１Ｃは、第１の実施の形態の脱水装置の一例を示す正面図である。

第１の実施の形態の脱水装置１Ａは、高含水比の粘土が入れられる槽２に入れられる排水材３Ａと、排水材３Ａを吊下する吊下材４Ａを備える。

槽２は、上面が開口した例えば直方体で、処理する粘土の量に応じた容器等で構成される。槽２は、６面体の底面及び４側面の内側が吸水材２０で覆われる。吸水材２０は、例えば、綿、麻等の天然繊維の糸、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ビニロン、ポリエチレン、ポリウレタン等の化学繊維の糸で編まれた繊維素材であり、槽２の形状に合わせた矩形の布、または短冊状の布の組み合わせ等で構成される。

槽２は、槽２の大きさに合わせて縫製、接着等により上面が開口した６面体とされた吸水材２０が内側に入れられ、底面及び４側面が吸水材２０で覆われる構成としても良い。

なお、槽２は、吸水材２０の形状が保持できれば、底面及び４側面が板状の部材で覆われていなくても良く、柱状の部材を組み合わせた枠で構成されていても良いし、網目状の部材で構成されていても良い。

排水材３Ａは、シート状であって、綿、麻等の天然繊維の糸、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ビニロン、ポリエチレン、ポリウレタン等の化学繊維の糸で編まれた繊維素材、あるいは、不織布、多孔質樹脂をシート状とした多孔質樹脂シート等である。図２は、排水材の一例を示す斜視図である。排水材３Ａは、槽２の形状に合わせた矩形のシートで構成される。排水材３Ａは、矢印Ｇ１で示す幅方向の長さが、最大で槽２の幅Ｇ１０より若干狭い程度の長さ、矢印Ｈ１で示す高さ方向の長さが、槽２の深さＨ１０と同等あるいは若干短い程度の長さである。

吊下材４Ａは、槽２の幅Ｇ１０より若干広い程度の長さを有し、槽２の幅方向にまたがって設置される。複数本の吊下材４Ａは、槽２の上面の開口の所定の位置に、互いが平行となる向きで所定の間隔をあけて取り付けられる。各吊下材４Ａは、矩形の排水材３Ａの上端部が取り付けられる。

脱水装置１Ａは、吊下材４Ａが槽２の上面の開口に直接取り付けられる構成でも良い。また、脱水装置１Ａは、複数本の吊下材４Ａが、槽２の上面の開口からの高さを異ならせて取り付けられるようにしても良い。

図３Ａは、第１の実施の形態の脱水装置の変形例を示す側断面図、図３Ｂは、第１の実施の形態の脱水装置の変形例を示す平面図、図３Ｃは、第１の実施の形態の脱水装置の変形例を示す正面図である。

脱水装置１Ａ′において、槽２は、上面が開口した例えば直方体で、処理する粘土の量が多い場合、地盤を採掘した穴等で構成される。また、槽２の大きさ等に応じて、吸水材２０を６面体の立体とすることが難しい場合、槽２の底面、４側面の形状に合わせた矩形の吸水材２０を、槽２の底面及び４側面に敷いても良い。

槽２が直方体である場合、排水材３Ａは、槽２の長手方向に延伸する矩形で、複数枚の排水材３Ａが、槽２の短手幅方向に所定の間隔を開けて配置される構成でも良い。また、排水材３Ａは、槽２の短手方向に延伸する矩形で、複数枚の排水材３Ａが、槽２の長手方向に所定の間隔を開けて配置される構成でも良い。

脱水装置１Ａ′は、吊下材４Ａが枠体４０Ａを介して槽２の上面の開口に取り付けられる構成でも良い。

枠体４０Ａは、槽２の上面の開口を露出させる矩形で、槽２に対して着脱可能に取り付けられる。枠体４０Ａは、複数本の吊下材４Ａが、互いが平行となる向きで所定の間隔をあけて取り付けられる。また、枠体４０Ａは、複数本の吊下材４Ａが、槽２の上面の開口からの高さを異ならせて取り付けられるようにしても良い。

以上の構成により、脱水装置１Ａ、１Ａ′は、吊下材４Ａに排水材３Ａが取り付けられ、排水材３Ａが取り付けられた複数の吊下材４Ａが、直接、または、枠体４０Ａを介して、槽２の上面の開口に所定の間隔で取り付けられる。これにより、脱水装置１Ａ、１Ａ′は、複数枚の排水材３Ａが、槽２の長さ方向に所定の間隔を開けた状態で、槽２の内部に吊下された形態となる。

排水材３Ａが取り付けられた槽２は、上面の開口から高含水粘土が入れられる。槽２において、高含水粘土が入れられる量は、高含水粘土の上面が、吊下材４Ａに取り付けられた排水材３Ａの上端を覆う程度で良い。

槽２では、外気に触れる粘土の表面で、粘土中の水分が蒸発する。また、槽２の底面及び４側面の内側を覆う吸水材２０で、粘土中の水分が吸水される。但し、槽２の開口した上面での蒸発、及び、槽２の底面及び４側面での吸水材２０による吸水だけでは、効率の良い脱水を行うことができない。

そこで、脱水装置１Ａ、１Ａ′を使用し、槽２中の粘土に排水材３Ａが入れられることで、粘土中の水分が排水材３Ａで吸水される。排水材３Ａに吸収された水分は、繊維素材の排水及び蒸発散効果により、排水材３Ａを伝わって排水材３Ａの粘土より露出した部位に運ばれ、外気に触れて蒸発する。これにより、排水材３Ａが乾燥する。そして、排水材３Ａでの吸水、排出、乾燥を繰り返すことで、粘土の含水比が低下する。

図４Ａは、第２の実施の形態の脱水装置の一例を示す側断面図、図４Ｂは、第２の実施の形態の脱水装置の一例を示す平面図、図４Ｃは、第２の実施の形態の脱水装置の一例を示す正面図である。

第２の実施の形態の脱水装置１Ｂは、槽２に入れられる排水材３Ｂと、排水材３Ｂを吊下する吊下材４Ｂを備える。

排水材３Ｂは、第１の実施の形態と同じシート状素材である。図５は、排水材の一例を示す斜視図である。排水材３Ｂは、短冊状のシート、布等で構成される。排水材３Ｂは、矢印Ｇ２で示す幅方向の長さが、槽２の幅Ｇ１０より狭い長さ、矢印Ｈ１で示す高さ方向の長さが、槽２の深さＨ１０と同等あるいは若干短い程度の長さである。

吊下材４Ｂは、槽２の幅Ｇ１０より若干広い程度の長さを有し、槽２の上面の開口の所定の位置に、複数本の吊下材４Ｂが、互いが平行となる向きで所定の間隔をあけて取り付けられる。吊下材４Ｂは、複数本の短冊状の排水材３Ｂの上端部が取り付けられる。

脱水装置１Ｂは、吊下材４Ｂが槽２の上面の開口に直接取り付けられる構成でも良いし、図示しない枠体を介して槽２の上面の開口に取り付けられる構成でも良い。また、枠体４０Ｂは、複数本の吊下材４Ｂが、槽２の上面の開口からの高さを異ならせて取り付けられるようにしても良い。

以上の構成により、脱水装置１Ｂは、吊下材４Ｂに複数本の排水材３Ｂが取り付けられ、複数本の排水材３Ｂが取り付けられた複数の吊下材４Ｂが、直接、または、枠体４０Ｂを介して、槽２の上面の開口に所定の間隔で取り付けられる。これにより、脱水装置１Ｂは、複数本の排水材３Ｂが、槽２の幅方向及び長さ方向に所定の間隔を開けた状態で、槽２の内部に吊下された形態となる。

排水材３Ｂが取り付けられた槽２は、上面の開口から高含水粘土が入れられる。槽２において、高含水粘土が入れられる量は、高含水粘土の上面が、吊下材４Ｂに取り付けられた排水材３Ｂの上端を覆う程度で良い。

脱水装置１Ｂでは、外気に触れる粘土の表面で、粘土中の水分が蒸発する。また、槽２の底面及び４側面の内側を覆う吸水材２０で、粘土中の水分が吸水される。但し、槽２の開口した上面での蒸発、及び、槽２の底面及び４側面での吸水材２０による吸水だけでは、効率の良い脱水を行うことができない。

そこで、脱水装置１Ｂを使用し、槽２中の粘土に排水材３Ｂが入れられることで、粘土中の水分が排水材３Ｂで吸水される。排水材３Ｂに吸収された水分は、繊維素材の排水及び蒸発散効果により、排水材３Ｂを伝わって排水材３Ｂの粘土より露出した部位に運ばれ、外気に触れて蒸発する。これにより、排水材３Ｂが乾燥する。そして、排水材３Ｂでの吸水、排出、乾燥を繰り返すことで、粘土の含水比が低下する。

図６Ａ及び図６Ｂは、排水材の配置と槽中の任意の点から排水材までの距離との関係を示す説明図で、以下に、排水材３Ａ、３Ｂの配置と、粘土の含水比の低下率との関係を、槽２中の任意の点から排水材３Ａ、３Ｂまでの距離に基づき検証した。

図６Ａでは、例えば第２の実施の形態の脱水装置１Ｂのように、短冊状の排水材３Ｂが配置されている場合を示す。槽２中の任意の点から、最も近い排水材３Ｂまでの水平方向距離の平均を平均排水距離と称す。

図６Ａに示すように、排水材３Ｂを規則的に配置したときの平均排水距離（Ｌ）を以下の（１）式に示す。

ここで、（１）式中、Ｄは、図６Ａに示すように、排水材３Ｂ近傍の平面領域を示し、Ｓは、領域Ｄの面積を示し、ｌ_minは、領域Ｄに含まれる任意の点（ｘ，ｙ）の排水材３Ｂまでの最短排水経路を示す。

また、図６Ｂに示すように、排水材３Ａまたは排水材３Ｂの近傍の平面領域Ｄを格子状に分割した場合は，平均排水距離（Ｌ）が以下の（２）式で近似的に求められる。

ここで、（２）式中、Ｓは、排水材近傍の平面領域Ｄの面積であり、ΔＳは、領域Ｄをｙ軸、ｘ軸に平行な格子でｍ，ｎ等分して分割した小矩形の面積であり、ｌ_minは、領域ΔＳに含まれる任意の点（ｘ_i，ｙ_j）の排水材までの最短排水経路を示す。

図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、矩形の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、短冊状の排水材の配置と平均排水距離の関係を示す説明図である。

図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃでは、槽２の幅が１ｍ、長さが１ｍで、矩形の排水材３Ａの幅が１ｍである。図７Ａでは、排水材３Ａを１２ｃｍ間隔で配置した。この配置での平均排水距離は、Ｌ＝３．００ｃｍである。図７Ｂでは、排水材３Ａを１０ｃｍ間隔で配置した。この配置での平均排水距離は、Ｌ＝２．５０ｃｍである。図７Ｃでは、排水材３Ａを８ｃｍ間隔で配置した。この配置での平均排水距離は、Ｌ＝２．００ｃｍである。

図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃでは、槽２の幅が１ｍ、長さが１ｍである。図８Ａでは、幅１０ｃｍの短冊状の排水材３Ｂを１０ｃｍ間隔で配置した。この配置での平均排水距離は、Ｌ＝１．８０ｃｍである。図８Ｂでは、幅１１ｃｍの短冊状の排水材３Ｂを１１ｃｍ間隔で配置した。この配置での平均排水距離は、Ｌ＝２．０６ｃｍである。図８Ｃでは、幅６ｃｍの短冊状の排水材３Ｂを１４ｃｍ間隔で配置した。この配置での平均排水距離は、Ｌ＝２．０３ｃｍである。

図９Ａ及び図９Ｂは、平均排水距離と含水比／液性限界との関係を示すグラフで、図９Ａ、図９Ｂにおいて、
Ｗ１：１日後の含水比
Ｗ７：７日後の含水比
ＷＬ：液性限界
である。

含水比／液性限界が１を超えると、粘土が液体であるとみなされ、含水比／液性限界が１以下であれば、粘土が塑性体であるとみなされる。本実施の形態の脱水装置１Ａ、１Ａ′、１Ｂでは、所定の期間で含水比／液性限界が１以下となることを目指す。

図９Ａ、図９Ｂから、平均排水距離を短くすることで、効率の良い脱水ができることが判った。図９Ｂに示すように、１週間（７日間）で液性限界まで含水比を低下させるには、平均排水距離（Ｌ）を、２．０ｃｍ以下にする必要があることが判った。

ここで、平均排水距離をより短くすれば、脱水の効率は上がるが、必要な排水材の量と配置の工数も増えるため、結果としてコスト上昇につながる。また乾燥後の粘土が取り出しにくく、作業性の点からも不利である。

以上のことから、矩形の排水材３Ａの場合、図７Ｃの配置が好ましく、短冊状の排水材３Ｂの場合、図８Ａに示す配置が好ましいことが判る。

これにより、所定の期間で含水比／液性限界が所定の値となるように、（１）式または（２）式で求められる平均排水距離（Ｌ）に基づき、排水材３Ａまたは排水材３Ｂの形、配置を決めることができ、効率の良い脱水が可能となる。

１Ａ、１Ａ′１Ｂ・・・脱水装置、２・・・槽、２０・・・吸水材、３Ａ、３Ｂ・・・排水材、４Ａ、４Ｂ・・・吊下材、４０Ａ、４０Ｂ・・・枠体

Claims

高含水比の粘土の含水比を減少させるための脱水装置であって、
所定の幅と長さと深さを有し、上面が開口して前記粘土を収容する槽の上面に、前記槽の幅方向にまたがって設置される吊下材と、
前記吊下材に上端を固定されて、前記槽内に吊下される排水材を備え、
前記排水材は、シート状であって、前記槽の深さを上回らない長さを有し、前記槽中の任意の点から最も近い前記排水材までの水平方向距離の平均を、以下の（１）式で求められる平均排水距離（Ｌ）としたとき、時間の経過に伴う前記粘土の含水比の推移と平均排水距離（Ｌ）との関係に基づき、所定の期間で含水比／液性限界が１以下となるよう、複数枚の前記排水材が前記槽の長さ方向に所定の間隔を開けて配置される
ことを特徴とする脱水装置。

ここで、（１）式中、Ｄは、排水材近傍の平面領域を示し、Ｓは、領域Ｄの面積を示し、ｌ _min は、領域Ｄに含まれる任意の点（ｘ，ｙ）の排水材までの最短排水経路を示す。
高含水比の粘土の含水比を減少させるための脱水装置であって、
所定の幅と長さと深さを有し、上面が開口して前記粘土を収容する槽の上面に、前記槽の幅方向にまたがって設置される吊下材と、
前記吊下材に上端を固定されて、前記槽内に吊下される排水材を備え、
前記排水材は、シート状であって、前記槽の深さを上回らない長さを有し、前記槽中の任意の点から最も近い前記排水材までの水平方向距離の平均を、以下の（２）式で求められる平均排水距離（Ｌ）としたとき、時間の経過に伴う前記粘土の含水比の推移と平均排水距離（Ｌ）との関係に基づき、所定の期間で含水比／液性限界が１以下となるよう、複数枚の前記排水材が前記槽の長さ方向に所定の間隔を開けて配置される
ことを特徴とする脱水装置。

ここで、（２）式中、Ｓは、排水材近傍の平面領域Ｄの面積であり、ΔＳは、領域Ｄをｙ軸、ｘ軸に平行な格子でｍ，ｎ等分して分割した小矩形の面積であり、ｌ _min は、領域ΔＳに含まれる任意の点（ｘ _i ，ｙ _j ）の排水材までの最短排水経路を示す。
前記排水材は、前記槽の幅を上回らない幅を有する矩形状である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脱水装置。
前記排水材は、前記槽の幅より短い幅を有する短冊状であって、
前記槽の幅方向にも所定の間隔を開けて配置される
ことを特徴とする請求項１～請求項３の何れか１項に記載の脱水装置。