JP7621159B2 - 遠心脱水機及び有機系固体を含有するスラリーの遠心脱水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、下水汚泥、し尿汚泥、工場排水の汚泥、食品や飲料などの製造工程から発生する有機物を含むスラリーを遠心脱水処理する技術に係り、スラリー中に凝集剤を添加することにより脱水ケーキの含水率を低下させる処理において、凝集剤添加率を低減できる遠心脱水機の構造及びスラリーの遠心脱水処理における凝集剤の添加方法に関するものである。

遠心脱水機は、高速回転する円筒形の外筒（ボウル）とその内部に配置するスクリューコンベアを有する装置である。
ボウルに掛かる遠心力は、約２０００～４０００Ｇ（Ｇは重力加速度）である。スクリューコンベアは、ボウルに対して毎分０．５～１０回転の差速をもって回転している。
その脱水原理は、液体（水、水溶液、有機溶剤等）と粉状の固体との比重差により分離するものである。粒子の沈降速度は、ボウル内のスラリーに掛かる遠心力以外に、液体と固体粒子の比重差及び粒子サイズによって決まる。
遠心力により沈降した濃縮物（ケーキ）をスクリューコンベアによりボウル末端に備えたケーキ排出口に送る。また、固体が分籬された液体（分籬液）は、ケーキ排出口とは反対側に備えた排水口から排水する。

遠心脱水機は、種々の産業の生産工程での固液分離に用いられており、あるいは工場排水処理や下水処理場の汚泥処理にも用いられている。
また。装置内の沈殿を促進するために、脱水処理前に凝集剤を添加する場合がある。無機物の固体粒子を含むスラリーを処理する場合は、液体と固体の比重差が大きく遠心力による沈殿が速やかに起きることから凝集剤添加をしない場合（無薬注）や添加しても少量であることが多い。

一方、有機系の固体を含むスラリーの場合は、液体と固体の比重差が小さいため、見掛けの粒子径が大きくないと良好な脱水処理ができない場合が多い。特に、下水汚泥、し尿汚泥、発酵残渣汚泥などのバクテリア処理をした汚泥では、事前の凝集処理によるフロック生成が上手くできないと、遠心脱水処理でケーキ含水率が低下しない。

凝集剤の添加方法としては、高分子凝集剤の１種類の薬剤を添加する一液法と、高分子凝集剤と無機凝集剤の２種類の薬剤を添加する二液法がある。高分子凝集剤は、ポリアクリルアミド系、ポリアクリル酸エステル系、ポリメタアクリル酸エステル系などでアニオン系、カチオン系、両性系があり、汚泥性状に応じて適正な種類を選ぶ。また、無機凝集剤は、ポリ硫酸第二鉄や塩化第二鉄、硫酸第一鉄、硫酸アルミニウムポリ塩化アルミニウム消石灰などが一般的に用いられ、石炭灰を用いる例も報告されている。

一液法は、比較的脱水が容易な汚泥処理に用いられている。二液法は、脱水が困難な汚泥処理、又はより低含水率のケーキが求められる処理に用いられる。二液法では、スラリーを遠心脱水機に供給する前に、全凝集剤をスラリーに添加すると以下の問題がある。

すなわち、スラリーの固形物濃度が低い時点で無機凝集剤を添加するので、水中での固形物と無機凝集剤の接触効率が低く、無機凝集剤の添加率が高くなる問題がある。また、スラリーを遠心脱水機内に供給する際に、機内の水流の影響でせっかく生成したフロックが崩壊する問題がある。このため、二液法では、無機凝集剤を脱水機内でスラリーに添加する方法が行われている。

二液法は、脱水促進に効率的であるが、さらに高分子凝集剤と無機凝集剤の添加方法を改善すると、比較的少量の凝集剤添加率でも良好な含水率が得られている。例えば、特許文献１には、無機凝集剤液をデカンタ型の遠心脱水機中に添加する装置構成が記載されている。この装置では、無機凝集剤液がノズル経由でスラリー中に添加されることで効果的な脱水処理が可能であることが記載されている。

また、特許文献２に記載の技術では、デカンタ型遠心脱水機、すなわちボウルの一側のケーキ排出側に、円筒直径がボウルの一側に向けて狭まるテーパーを持つ形式の遠心脱水機において、脱水機に供給される前のスラリーに高分子凝集剤を添加し、更に無機凝集剤を脱水機内のスラリー供給室内でスラリーに添加混合する方法が記載されている。この方法では、脱水機外で無機凝集剤を添加するよりも効率的に凝集が可能であるとしている。

また、特許文献３に記載の方法では、直胴型遠心脱水機、すなわちボウルの脱水に寄与する部分のボウル径が一定である遠心脱水機において、高分子凝集を脱水処理前のスラリーに添加し、その後に脱水機内で脱水中のスラリーに無機凝集剤を添加する装置が記載されている。

このように、無機凝集剤を脱水中のスラリーに添加することで、無機凝集剤の添加量を低減する効果があるとしている。無機凝集剤はボウルとスクリューコンベアの間のスラリー保持空間に供給される。無機凝集剤を供給する際には、脱水がやや進んだ汚泥（ケーキ）の表面又は内部に供給することが更に良いとしている。

特開昭６３－１８５４６６ 特開２０１２－１１３００ 特開２０１２－１８７５７０

有機系スラリー処理において、凝集剤を添加する際の技術としては二液法が望ましい。しかし、従来技術の二液法では、ただ単に、遠心脱水機の遠心力が働く以前に、スラリーに高分子凝集を添加し、遠心脱水機内で無機凝集剤を添加しており、脱水機内でのケーキ形成状態に適合するように、無機凝集剤を添加するとの考えがなかった。このように、従来技術では、いずれも最適な添加方法とは言えず必要最小限以上の効果は得られていなかった。

特許文献１では、無機凝集剤を含む水（以降、凝集剤液と称する）をノズル経由で脱水機内のスラリーに供給することで効率を高めていた。しかしながら、この方法では、ただ単に、脱水機内のスラリーに無機凝集剤液を添加すればよいのと考えしかなく、凝集剤液の最適な添加位置や液がスラリー水に流入する際の凝集剤液の流勢の影響などに特別な配慮がなかったことから十分な効果が得られない虞があった。

特許文献１のデカンタ式脱水機では、ボウル長さ方向に平行なパイプから脱水室内にノズルを伸ばしていることから、該ノズルが長いことによりノズルの根元と先端部との距離が大きくなっていた。この結果、ノズル末端と先端との遠心力の差が大きくなり、凝集剤液の水勢が大きくなりすぎて、無機凝集剤がスラリー中に広く分散してしまい、最適な添加位置のみに無機凝集剤を添加することができていなかった。
また、凝集剤液の水流が強すぎることからフロックを破壊する虞もあった。さらに、ノズル先端がスラリー水面よりも内側（空気中）にあることから、無機凝集剤がスラリーに入る前に空気を巻き込んで沈殿状態を攪乱する虞もあった。

特許文献２では、幾つかの無機凝集剤の添加方法が記載されている。例えば、第一の方法として、高分子凝集剤は供給配管中に添加し、無機凝集剤は、デカンタ型の脱水機機内でケーキがテーパー部において集積してスクリューコンベア円筒面に接する部分に添加する方法が記載されている。
また、第二の方法として、ケーキがテーパー部においてスクリューコンベア円筒面に接する部分に加え、更にケーキがまだスクリューコンベア円筒面に接しない直胴部分と、テーパー部分の接線部分の２箇所に添加する方法が記載されている。

凝集剤が最も効果的に機能するのは、固体粒子から適度に水の分離が進んだ時点、つまり水とケーキの境界部の近くである。この境界部は、遠心力によりスラリーが凝集を始めた時点であり、水の多い部分とケーキが濃縮を始めた境界部分である。
ここでは、ケーキの水分が低下していると同時に、流動性もある程度維持できている。このため、無機凝集剤と固体粒子との接触効率が良好で、かつ内部での無機凝集剤の分散も良好である。
しかし、上記の従来技術での方法では、ケーキが十分に形成された部分に無機凝集剤を添加することで、接触効率を向上させる効果はあるものの、添加された時点でのケーキの含水率は、すでに本来の目標よりも低くなっている。
このため、ケーキの内部の流動性が低下しており、添加された無機凝集剤の分散が悪化していた。前述の２つの方法のうち、第一の方法においては、ケーキがスラリー水面よりもかなり上部にまで堆積しており、相当量の水分が脱水された状態である。このように、脱水されて集積状態がある程度以上に進んだケーキに無機凝集剤を添加するため、ケーキ内の無機凝集剤の拡散が不十分になる虞があった。

また、第二の方法においては、無機凝集剤の一部が、まだ含水率の高いケーキ中に添加されるため、この点では改善されているものの、やはりケーキ表面が水面から大きく上がった部分に無機凝集剤を添加している。
また、前段の添加位置においては、無機凝集剤の添加口からケーキ表面までの距離があるため、空中で無機凝集剤を含む水が霧散して、効果的にケーキ内に無機凝集剤が添加されない虞があった。
さらに、前段と後段の無機凝集剤の比率を制御できないことから、ケーキの脱水状態に応じて適正に無機凝集剤を添加できない虞もあった。この結果、この方法では、二液法の効果を最大限に発揮できなかった。

特許文献３の方法では、高分子凝集剤を供給配管中に添加し、直胴型脱水機内でスラリー中の汚泥分が濃縮されてケーキとなってスクリューニンベア円筒面に接する部分に、無機凝集剤を添加する方法が記載されている。
ここでは、スラリー水位は低く、ケーキが水面よりも大きく隆起している状態である。このようなスラリー水位とケーキの存在分布の関係から直胴式遠心脱水機の二液法であっても、スラリー水位よりも大きく隆起し、脱水がある程度進んだケーキに、無機凝集剤を添加していた。従って、流動性が乏しいケーキに無機凝集剤が添加されていたことから無機凝集剤の分散が悪い虞があった。

更に、遠心脱水機では、原料スラリーの性状変化による固体濃度や凝集性の変化と処理水量の変動により、脱水状態が変化してケーキが形成され始める位置が大きく変わる。
このため、ボウルの長さ方向において１箇所の凝集剤添加口を設けるだけでは、無機凝集剤の添加に最適な状態のケーキに無機凝集剤を添加することが困難であった。
そこで、特許文献２では、ボウルの長さ方向においてスクリューコンベア円筒に設置される凝集剤添加口を複数設けていた。ここでは、凝集剤添加口を複数個設置されていた。また、添加効率を高めるために、ノズルを設置していた。
しかしながら、このように多数の凝集剤供給口を設置する装置では、個々の凝集剤供給口における流量制御が困難であり、適正な場所に適正な量の凝集剤を添加することができなかった。ノズルについても、ただ単にノズルを経由して凝集剤を添加すればよいとの考えしかなく最適な位置やノズル長さについての検討が行われてこなかった。

更に、特許文献２では、スラリー供給側に最も近い凝集剤添加口では、ケーキ及び水位に対して大きく距籬があるため、ノズルなしでは、凝集剤を含む水が霧散してしまい、上手くスラリー又はケーキに添加できない虞があった。
また、ノズルから無機凝集剤を含む水を添加する場合においても、ノズル長さに十分な配慮がなかったために、ノズルが脱水室の幅（ボウル内面からスクリューコンベア円筒外面との間隔）に対して１／３程度と長いものになっていた。
この結果、ノズルが長すぎてしまい、スクリューコンベア円筒とノズル先端の間の部分のスラリーに凝集剤を添加することが困難である。また、ノズルの入口部と出口部の遠心力差が大きくなり、凝集剤がノズルから勢いよく流出してしまっていた。
このため、凝集剤が脱水室の中心側に少なく、ボウル内面付近に集中してしまうという凝集剤の偏在の虞があった。
更に、ノズル先端からスラリー水位までの距離が大きいために、スラリー水位よりもボウルの中心側にあるケーキの固形物濃度の高い部分に添加されている。このため、特に横方向の凝集剤の分散が悪化していた。しかし、ノズルを短くすると、水位とノズル先端が離れすぎてしまい、凝集剤が隆起したケーキ層を貫通できず、凝集が必要である水面下の比較的高含水率のケーキに十分に凝集剤を添加できない虞があった。

また、従来技術では、ボウルの円周方向の無機凝集剤の分散についての十分な配慮がなされていなかった。遠心脱水機のボウルの直径は２５０～８００ｍｍであることが一般的であり、円周長さは約０．８～２．５ｍになる。従って、円周方向において２、３箇所での無機凝集剤の添加では、円周方向に十分に拡散しない虞があった。この結果、円周方向に多数の無機凝集剤の供給口を設けて分散状態を改善していた。
その数は中型機で４箇所程度であり、大型機では８箇所程度となることが一般的であり、このような多数の供給口から無機凝集剤を含む水を供給すると、個々の供給口での流量制御ができず、無機凝集剤の偏在が抑制できない虞があった。

このように、従来技術では、高分子凝集剤を遠心脱水処理の前に添加し、無機凝集剤を遠心脱水処理されているスラリー又はケーキ中に無機凝集剤を添加する方法において添加位置や無機凝集剤を含む水を添加する水流の影響についての十分な配慮がなく二液法においても無機凝集剤の消費量が十分に減少しない虞があった。従ってこれらの問題を解決する新しい遠心脱水機とスラリーの処理方法が求められていた。

（１）本発明に係る遠心脱水機は、一方向に回転する直胴型のボウルと、前記ボウルと同回転軸心廻りに差速をもって回転するスクリューフライトを有するコンベアを備え、前記コンベアのコンベア円筒部と前記ボウルの間に脱水室を有し、前記コンベアは、高分子凝集剤を伴うスラリーを前記脱水室に供給するスラリー供給口と、無機凝集剤を含む凝集剤液を前記脱水室に供給する凝集剤液供給口を前記コンベア円筒部に有する構造をなす遠心脱水機であり、前記ボウルは、分離水排出口とケーキ排出口を回転軸心方向の相反する側に有し、前記凝集剤液供給口は、前記スラリー供給口の位置から前記ケーキ排出口の方向に、前記スラリー供給口の位置と前記ケーキ排出口の位置との距離の０．２２～０．４４倍の距離を隔てた位置にあって前記脱水室内の機内スラリーの濃縮境界に対応し、前記コンベア円筒部の円周方向で２～４箇所、かつ前記コンベア円筒部の長さ方向で２箇所以内に設置し、前記凝集剤液供給口に前記コンベア円筒部の外面から突出するノズルを有し、前記ノズルはノズル先端が前記スラリーに浸漬し、前記脱水室内のスラリー水位が、前記ボウルの直径方向において前記コンベア円筒部の外面からの離隔距離が２０ｍｍ以内の範囲に位置し、または、前記コンベア円筒部の外面が前記脱水室内の前記スラリーに浸かる状態とすることを特徴とする。

（２）本発明に係る遠心脱水機は、一方向に回転する直胴型のボウルと、前記ボウルと同回転軸心廻りに差速をもって回転するスクリューフライトを有するコンベアを備え、前記コンベアのコンベア円筒部と前記ボウルの間に脱水室を有し、前記コンベアは、高分子凝集剤を伴うスラリーを前記脱水室に供給するスラリー供給口と、無機凝集剤を含む凝集剤液を前記脱水室に供給する凝集剤液供給口を前記コンベア円筒部に有する構造をなす遠心脱水機であり、前記ボウルは、分離水排出口とケーキ排出口を回転軸心方向の相反する側に有し、前記凝集剤液供給口は、前記スラリー供給口の位置から前記ケーキ排出口の方向に、前記スラリー供給口の位置と前記ケーキ排出口の位置との距離の０．２２～０．４４倍の距離を隔てた位置にあって前記脱水室内の機内スラリーの濃縮境界に対応し、前記コンベア円筒部の円周方向で２～４箇所、かつ前記コンベア円筒部の長さ方向で２箇所以内に設置し、前記凝集剤液供給口に前記コンベア円筒部の外面から突出するノズルを有し、前記ノズルはノズル先端が前記スラリーに浸漬し、前記分離水排出口の越流頂は、前記ボウルの直径方向において前記ボウルの内面に最も近い部分が、前記コンベア円筒部の外面からの離隔距離が２３ｍｍ以内の範囲に位置することを特徴とする。

（３）本発明に係る遠心脱水機において、前記ボウルは、脱水室内の脱水に有効な範囲の全長に渡って前記スラリーに浸漬していることを特徴とする。

（４）本発明に係る遠心脱水機は、一方向に回転する直胴型のボウルと、前記ボウルと同回転軸心廻りに差速をもって回転するスクリューフライトを有するコンベアを備え、前記コンベアのコンベア円筒部と前記ボウルの間に脱水室を有し、前記コンベアは、高分子凝集剤を伴うスラリーを前記脱水室に供給するスラリー供給口と、無機凝集剤を含む凝集剤液を前記脱水室に供給する凝集剤液供給口を前記コンベア円筒部に有する構造をなす遠心脱水機であり、前記ボウルは、分離水排出口とケーキ排出口を回転軸心方向の相反する側に有し、前記凝集剤液供給口は、前記スラリー供給口の位置から前記ケーキ排出口の方向に、前記スラリー供給口の位置と前記ケーキ排出口の位置との距離の０．２２～０．４４倍の距離を隔てた位置にあって前記脱水室内の機内スラリーの濃縮境界に対応し、前記コンベア円筒部の円周方向で２～４箇所、かつ前記コンベア円筒部の長さ方向で２箇所以内に設置し、前記凝集剤液供給口に前記コンベア円筒部の外面から突出するノズルを有し、前記ノズルはノズル先端が前記スラリーに浸漬することを特徴とする。

（５）本発明に係る遠心脱水機において、前記ノズルの長さは、５ｍｍ以上、かつ前記ボウルの内面と前記コンベア円筒部の外面との距雜の０．２５倍以下であることを特徴とする。

本発明によれば、有機汚泥などの有機物を含むスラリーの遠心脱水処理で高分子凝集剤と無機凝集剤を合わせて添加する二液添加において、脱水機内に的確な状態で無機凝集剤を添加することが可能となる。この結果、従来技術以上に無機凝集剤の添加比率を削減することができ、脱水処理費用を削減でき、脱水ケーキの後処理工程での費用削減が削減できる。

本発明の実施の形態における遠心脱水機の構造を示す側面図であり、脱水に寄与するボウルの全長がスラリーに浸漬しており、ボウルの直径が一定で、コンベア円筒部の直径がケーキ排出部の近傍で拡大するテーパーを有する構造を示している。 同実施の形態における遠心脱水機での機内のスラリー水とケーキの存在状態を示す概略図である。 図２におけるＦ部のケーキ排出部の拡大概略図である。 本発明の他の実施の形態における遠心脱水機の構造を示す側面図であり、ボウルの直径及びコンベア円筒の直径が一定である構造を示している。 分離水排出口の例示の図であり、（ａ）は分離水が越流する部分が直線である場合を示し、（ｂ）は円弧である場合を示している。 分離水排出口の例示の図であり、（ａ）は分離水が越流する部分がＶ型である場合を示し、（ｂ）は凹型である場合を示している。

以下に本発明に係る実施の形態を説明する。本発明に係る有機系固体を含有するスラリーの遠心脱水処理方法において、スラリーは、有機物を含むものであり、大豆、小麦、大麦等の食品の懸濁液や、下水汚泥、し尿汚泥、消化汚泥などの有機系排水である。
本発明に係る有機系固体を含有するスラリーの遠心脱水処理方法では、有機物含有率（強熱減量ＶＴＳ）が約５０％以上のものが処理対象となる。また、下水汚泥、し尿汚泥、混合汚泥、生汚泥などのＶＴＳが６０％以上のスラリー水の場合に効果が大きい。また、ＶＴＳが６５％以上では更に効果が大きい。なお、一般にスラリー中の固形物濃度は１～５質量％程度である。

本発明の実施の形態に係る遠心脱水機の構造を図１に例示する。また、図２は、図１の脱水機内の物質の存在状態を示す概略図である。以下、図１と図２を用いて本発明の遠心脱水機の構造を説明する。
主な構成部品は、処理水（以下においてスラリーと称する）を保持するボウル１と、ボウル１の内面に沈殿している凝集物（以下においてケーキと称する）を搬送するコンベア３０であり、コンベア３０はコンベア円筒部２とスクリューフライト３からなる。
遠心脱水機は、コンベア円筒部２の外面とボウル１の内面の間に、スラリー保持空間である脱水室４を形成し、ボウル１の回転軸心方向の相反する一側に分離水排出口１５を有し、他側にケーキ排出隙間１３を有する。

図１に示すように、コンベア円筒部２は、外面にスラリー供給口７が開口し、スラリー供給口７の周辺で一定の直径の形状を有し、一側のケーキ排出隙間１３に向けて途中から直径が広大するテーパーの形状を有する。これは、脱水室４から排出されるケーキ１８を圧縮する構造になっているものであるが、コンベア円筒部２の直径が脱水処理に有効な範囲で一定である構造であっても良い。
遠心脱水機は、ボウル１が高速回転することで遠心力を発生させる。ボウル１にかかる遠心力は２０００～４００ＯＧ程度である。このため、ボウル１やコンベア円筒部２を回転させるモーターやコンベア円筒部２とボウル１とに差速を付ける差速装置が設置されているが、本発明の装置の説明に直接関係がないため、図中では省略している。この差速装置により、ボウル１とコンベア円筒部２は、毎分０．５～２０回転程度の差速で回転している。この回転数の差によりスクリューフライト３がケーキ１８をケーキ排出隙間１３の方向に移動させる。

スラリーには、遠心脱水機に供給される前に、もしくは脱水室４に流入する段階で、高分子凝集剤が添加される。高分子凝集剤は、ポリアクリルアミド系、ポリアクリル酸エステル系ポリメタアクリル酉麦エステル系などでアニオン系カチオン系両性系があり、汚泥性状に応じて適正な種類を選ぶ。

コンベア円筒部２は内部にスラリー供給室６を有し、スラリー供給口７がスラリー供給室６に連通している。また、コンベア円筒部２の回転軸心方向に配置したスラリー供給パイプ５がスラリー供給室６に連通しており、スラリーはスラリー供給パイプ５を通してスラリー供給室６に供給され、更にスラリー供給口７から脱水室４に流入する。
遠心脱水機内の遠心力場では、脱水室４の機内スラリー１６中の固形物がボウル１の内面側に沈殿してケーキ１８を形成する。ケーキ１８は、スクリューフライト３の回転によりケーキ排出隙間１３に向けて搬送される。
搬送に伴って徐々に脱水が進んだケーキ１８は、脱水室４の末端に設置されているケーキ排出部入口１２からケーキ排出隙間１３に入り、ケーキ排出口１４から機外に排出される。
一方、固形物を除去された後の機内スラリー１６の水分は、分離水排出口１５から排出される。脱水室４のスラリー水位１７は、分離水排出口１５の越流頂の位置、つまりボウル１の直径方向においてボウル１の内面に最も近い越流頂の位置によって決まるものである。この位置は、図２中の点ａで示されており、回転中心からの距離が線Ａで示されている。

本実施の形態において使用する無機凝集剤は、ポリ硫酸第二鉄や塩化第二鉄、硫酸第一鉄、硫酸アルミニウムポリ塩化アルミニウム消石灰などから適正な種類のものを選定する。
無機凝集剤を含む水（以下において凝集剤液と称する）は、スラリー供給口７とは別の経路で脱水室４に供給される。スラリー供給パイプ５とは別に、コンベア円筒部２の回転軸心方向に配置した凝集剤液供給パイプ８がコンベア円筒部２の内部に設けた凝集剤液供給室９に通じている。凝集剤液供給室９の凝集剤液は、コンベア円筒部２の外面に開口する凝集剤液供給口１０を通して脱水室４に流入する。

スラリー供給室６と凝集剤液供給室９は、隔壁２１によって区分けされている。ただし、遠心力によりスラリーも凝集剤液もコンベア円筒部２の内面に張り付くため、両室を完全に仕切る構造の隔壁２１でなく、内面周辺を仕切る部分的な板を設置しても同様の結果が得られる。
なお、凝集剤液の供給経路は、必ずしも図１に記載の構造である必要はなく、凝集剤液を供給する配管がスラリー供給パイプ５と二重管になっている構造や、外部から続くパイプにディヒューザーが付いて凝集剤液を円周方向に分配する構造などの別の構造でも構わない。ただし、凝集剤液を一度コンベア円筒部２の内壁に当てることで凝集剤液の流勢を止めることがより望ましい。

凝集剤液供給口１０は、コンベア円筒部２の円周方向に２～４箇所に設けている。また、凝集剤液の供給位置毎のバラツキを防止するため、コンベア円筒部２の長さ方向には、２箇所以内の設置が望ましく、１箇所であることが最も良い場合が多い。さらに、無機凝集剤の一層の効率向上のために、凝集剤夜供給口１０にノズル１１が設置されている。

図２、図３は、コンベア円筒部２の遠心脱水機内で機内スラリー１６等が存在する状態を示す概略図および拡大概略図である。この図２、図３をもとに、本発明の実施の形態に係る遠心脱水機及び方法を説明する。
脱水室４の内部において、機内スラリー１６は遠心力によりボウル１の内面に張り付いた状態である。従って、スラリー水位１７は、ボウル１の内面よりも回転中心側にある。
本実施の形態では、スラリー水位１７とコンベア円筒部２の外面の間隔を２０ｍｍ以下にする。凝集剤液供給口１０からの凝集剤液を機内スラリー１６に添加する。この添加位置は機内スラリー１６の固形物がある程度凝集した部分である。ここで固形物がある程度凝集した部分とは、固形物濃度が１０～２０質量％程度の軽度に脱水された状態のものを云い、以下においてはこの部分を濃縮境界１９と称する。

従来技術では、凝集剤液は、脱水室４内のスラリー水位１７よりも離れた位置から空中に放出されるか、スラリー水位１７から大きく隆起した部分のケーキ１８に添加されていた。
この結果、凝集剤液が空中に霧散することで凝集剤液が機内スラリー１６に入り込まない問題や、流動性の悪い状態の低含水部分のケーキ１８の表面部分のみに添加される問題があった。従来技術の方法でのスラリー水位１７から隆起したケーキ１８は、比較的固形物濃度が高い状態である。この部分に無機凝集剤が直接添加される場合は、ケーキ１８の流動性が乏しく凝集邦Ｎ夜の分散が悪い問題があった。

本実施の形態では、これを解消するために、スラリー水位１７をコンベア円筒部２の外面に近づけることで、ケーキ１８がスラリー水位１７よりも大きく隆起しない状態にする。
この条件では、適度な水分の領域を安定して維持でき、かつボウル１の直径方向と長さ方向での固形物濃度の変化率が小さく、凝集剤添加に最適な固形物濃度の位置を広く取れる利点がある。
この結果、スラリーの脱水状態が変化するなどの理由で濃縮境界１９の位置が移動しても、濃縮境界１９が幅広いことから適正状態である濃縮境界１９に凝集剤液を添加することが可能な利点がある。
そのために、本実施の形態では、スラリー水位１７をコンベア円筒部２の外面からの離隔距離２０ｍｍ以内の位置、またはコンベア円筒部２の外面が機内スラリー１６に浸かっている状態にする。
また、スラリー水位１７とコンベア円筒部２の外面との離隔距離を２０ｍｍ以下にすることで、脱水室４に供給されるスラリーが機内スラリー１６の水面に衝突する速度が低下し、高分子凝集剤によってできたフロックが破壊されない効果もある。また、凝集剤液が空中で霧散しない効果もある。
なお、スラリー水位１７の位置は、図２中の点ｂで示し、回転中心からの距籬は、線Ｂによって示している。また、コンベア円筒部２の外面は、図２中の点ｃで示し、回転中心からの距離は線Ｃで示している。

スラリー水位１７とコンベア円筒部２の外面との離隔距離を２０ｍｍ以内、またはコンベア円筒部２の外面が機内スラリー１６に浸かっている状態にするためには、分籬水排出口１５の位置が重要である。分籬水排出口１５の一般的な形状は、図５に示すようなものであり、直線状又は緩い曲線状、円弧状のもので、幅が３０～６０ｍｍの越流堰の形状をなすのが通常である。
この通常の越流堰における越流水位２０は、ボウル１の直径方向におけるボウル１の内面に最も近い部分の越流頂より３～６ｍｍ程度回転中心に近い位置になる。この分籬水排出口１５での越流水位２０の高さも考慮して、越流堰の高さ、つまりボウル１の直径方向におけるボウル１の内面に最も近い部分の越流頂の位置を決める。
従って、コンベア円筒部２の外面に対してボウル１の直径方向に回転中心から外側に２３ｍｍ出た位置よりも回転中心の側に越流堰の越流頂を設置することで、確実にスラリー水位１７をコンベア円筒部２の外面からの離隔距離２０ｍｍ以内に維持できる。

また、分離水排出口１５の形状が、図６に示すようなＶ型や凹型などの特殊な形状の場合は、越流水位２０が６ｍｍ以上となる場合もある。この場合は、開口面積のうち水の流れる部分の面積を１００～２００平方ｍｍであるとして越流高さを想定すると実際の高さとほぼ一致する。
従って、分離水排出口１５が特殊な形状をなす場合は、スラリー水位１７がコンベア円筒部２の外面から最も離れた位置となる離隔距離２０ｍｍの条件に加えて、分離水排出口１５のボウル１の内面に最も近い部分の越流頂から面積１００平方ｍｍに相当する仕切り線の位置を、コンベア円筒部２の外面からの離隔距離２０ｍｍにすることでスラリー水位１７の位置を、本発明が定義する範囲内に設定できる。

また、この条件で適正な脱水性能を得るためには、ケーキ排出口１４の面積中心の位置（ケーキ排出の代表位置、図３の点ｄ）を、分離水排出口１５の堰部分の位置に対して、回転中心から直径方向に－２０ｍｍから＋１５ｍｍの範囲内にすれば更に良い。この距離が零又は正の値である状態は、つまりケーキ排出口１４のボウル１の内面に最も近い位置が水面よりも水中に入ってしまう状態である。この状態において、浸漬の程度が軽度であれば、ケーキ排出隙間１３はケーキで詰まっている状態であるために、スラリー水の越流は起きない。しかし、浸漬の距籬が１５ｍｍ以上では、ケーキ１８と一緒に水が流出するため、安定した脱水が困難になる。また、浸漬の距雜が負の値で－２０ｍｍよりも回転中心の側に近い場合は、ケーキ排出の際にケーキ１８を掻き上げる距離が長くなり、排出抵抗の大きい低含水率ケーキの排出が不安定になる。

なお、ここでケーキ排出の代表位置をケーキ排出口１４の面積中心に選んだ理由を以下に述べる。ケーキ排出口１４の形状には種々のものが適用可能であるため、特定部位の位置を代表位置とすることができないが、ケーキ排出口１４の面積中心が最も代表性があるためである。
その位置関係は、図３のケーキ隙間部の拡大概略図に示すように、回転軸心を含む断面においてケーキ排出隙間１３でのボウル１の内面が直線状をなす場合は、ボウル１の内面に垂直な面（図３中に線Ｅで示す）の面積中心で示される。
ボウル排出部２２の内面が真っ直ぐでなく局面である場合は、回転軸心を含む断面におけるボウル排出部２２の内面上でのケーキ排出部入口９の位置と脱水ケーキ排出口１１の位置を直線で結んだ線に垂直な面として、脱水ケーキ排出口１１の面積中心を採用すると良い。

更に、凝集剤液供給口１０にノズル１１を設置する場合は、凝集剤の効果が大きい。ノズル１１がない場合は、ただ単に無機凝集剤液を添加するだけで流れに勢いがなく、コンベア円筒部２の周辺に漂うだけである。
この結果、機内スラリー１６の全体ヘの無機凝集剤液の混合が遅れて、凝集剤の添加効率が悪くなる。一方、ノズル１１を設置すると、凝集剤液供給口１０の位置とノズル１１の先端の位置とにおいて、ボウル１の回転中心からの距離の差に応じて遠心力の差が生じるために、凝集剤液の流れに勢いが生じてボウル１の直径方向ヘの分散が改善する効果がある。

コンベア円筒部２の外面からボウル１の直径方向に突出するノズル１１の適切な長さは、５ｍｍ以上、かつ脱水室４の幅の０．２５倍以下が良い。ノズル１１の長さが５ｍｍ以下では、凝集剤液の水流の勢いが足りず、凝集剤液がコンベア円筒部２の近傍の機内スラリー１６にのみに流れて行き、最終的には機内スラリー１６中の水分の多い部で薄まってしまい、十分な効果が出ない場合がある。
一方、ノズル１１の長さが５ｍｍ以上であれば、ノズル１１の根元と先端の遠心力差が大きくなり、凝集剤液の水流に適度な勢いがついてスラリー中に広がりやすい。しかし、ノズル１１の長さが脱水室４の幅の０．２５倍以上の場合、凝集剤液の流れの勢いが強すぎてしまい、凝集剤液がボウル１の内面周辺に偏在する問題が起きやすくなる。また、ノズル１１の長さが脱水室４の０．２倍以下であると更に望ましい。

ノズル１１の先端部が機内スラリー１６中に浸漬している場合は、凝集剤液が空中に霧散することがないため、凝集剤効果が大きくなる。従って、このような条件を作るためには、ノズル１１の先端部は、機内スラリー１６の水位よりもボウル１の内面に近い位置にある（機内スラリー１６に浸漬している）ことが良い。この状態であれば、濃縮境界１９やケーキ１８にノズル１１が突っ込んでいない場合は、空中ヘの凝集剤液の露散が皆無となることから一層の効果が得られる。

機内スラリー１６の中にケーキ１８の全部または大部分が浸漬している状態であれば、濃縮境界１９では固形物濃度が徐々に変化し、濃縮境界１９の厚みは以下のようになる。つまり、濃縮境界１９は、回転軸心方向に沿った脱水室４の長さ方向において、スラリー供給口７からケーキ排出隙間１３の方に向けて、スラリー供給口７からケーキ排出口１４までの長さ（以下に有効脱水長と称する）の約０．１５から０．２倍の長さに広がる。また、濃縮境界１９は、ボウル１の直径方向に沿った脱水室４の幅方向において、脱水室４の幅の約４０～６０％に広がる。ここで、脱水室４の幅とは、凝集剤液供給口１０の位置でのボウル１の内面とコンベア円筒部２の外面の間隔で定義される。

また、本発明者らは実験によって以下の知見を得ている。すなわち、濃縮境界１９のボウル１の長手方向の位置は、処理条件により変わり、正常な脱水性能を得られる場合は、スラリー供給口７から有効脱水長の０．２２～０．４４倍の位置において濃縮境界１９の高水分側がスラリー水位１７から隆起し、濃縮境界１９がコンベア円筒部２の外面に接することが判明した。
なお、濃縮境界１９の位置変動は、スラリーの性状（固形物濃度、ＰＨ、ＶＴＳ、電気伝導度、混在物などに影響される）やスラリー濃度の変化が原因である。

凝集剤液は、濃縮境界１９の周辺に的確に添加されることが良い。本発明者らの実験では、凝集剤液供給口１０がスラリー供給口７から有効脱水長の０．２２倍の距離を隔てた位置にあれば、濃縮境界１９が凝集剤液供給口１０から最も遠い有効脱水長の０．４倍の距離を隔てた位置にある場合でも、凝集剤液はボウル１の回転軸心方向の水流により濃縮境界１９に届くため、凝集剤効果が十に得られることが判明した。
また、凝集剤液供給口１０がスラリー供給口７から有効脱水長の０．４４倍の距離を隔てた位置にあれば、濃縮境界１９が凝集斉川夜供給口１０から最も遠い有効脱水長の２倍の距離を隔てた位置にある場合でも、濃縮境界１９の厚みの範囲内に凝集剤液を供給できる。
このように、スラリー水位１７がコンベア円筒部２に近い、又はコンベア円筒部２の外面が機内スラリー１６に浸漬している状態では、濃縮境界１９の幅が大きいため、濃縮境界１９の位置が変わっても安定して凝集剤の効果が十分に得られる。

本発明の効果を従来型のデカンタ型遠心脱水機よりも大きくするために必要な遠心脱水機の構造は、図１に示すように、ボウル１の遠心脱水機能がある部分全域が機内スラリー１６中に浸かっており、ケーキ１８を排出する部分の断面積が、脱水室４の断面積よりも小さい構造である。
以上に説明した効果を得るためには、図１に示す遠心脱水機以外に、図３に示すような、コンベア円筒部２が全長に渡って直胴の遠心脱水機でもコンベア円筒部２の外面とスラリー水位１７の関係を、上記に記載の条件（スラリー水位１７とコンベア円筒部２の距離が２０ｍｍ以内）とすれば、同様の効果が得られる。

図１に示す構造を有する実験用の遠心脱水機を用いて、本発明の上記の条件下で有機物固体を含むスラリーの処理を行った。
この脱水機は、図１に示した構造を有し、標準で毎時２ｍ^３のスラリーを処理する容量の遠心脱水機（遠心脱水機Ａ）であり、２５００Ｇの遠心力を作用させてスラリーを脱水させた。
この本発明の装置条件を備えた直胴型の遠心脱水機Ａ（実施例）と本発明の装置条件を逸脱したデカンタ型の遠心脱水機（比較例）とで比較実験を行った。
また、図１に示した構造を有し、コンベア円筒部２の形状が違う毎時５ｍ^３のスラリーを処理する大型の直胴型の遠心脱水機Ｂでも性能確認実験を行った。これらの遠心脱水機の仕様を表１に示す。

実験では、消化汚泥、下水汚泥、混合汚泥を処理した。凝集剤は、高分子凝集剤にカチオン系アクリル酸ジメチルアミノエステル（ＫＰ１２０５Ｅ）（三菱ケミカル株式会社製）を使用し、無機凝集剤にポリ硫酸第一鉄（日鉄鉱業株式会社製）を使用した。脱水性能の評価は、ケーキ含水率と汚泥回収率を用いた。強熱減量（ＶＴＳ）及びケーキ含水率は、財団法人下水道協会発行の下水試験方法上巻Ｐ．２９６～２９７に記載の方法に従って測定した。実験結果は表２に示す。

実験１
ＶＴＳが７６質量％の消化汚泥に対して一定量の高分子凝集剤及び無機凝集剤を添加して脱水処理した。
実施例１～７は、ノズル１１を設置していない遠心脱水機Ａと、遠心脱水機Ｂで行った。また、比較例１は、遠心脱水機Ａにおいてスラリー水位１７とコンベア円筒部２の距離を２３ｍｍとして行い、比較例３は、デカンタ型の遠心脱水機で脱水処理した。
実験２
実施例８～１３は、ノズル１１を設置した遠心脱水機Ａとノズル１１を設置していない遠心脱水機Ａを用いて、７３．６質量％の下水汚泥に対して一定量の高分子凝集剤及び無機凝集剤を添加して脱水処理した。また、比較例２は、ノズル１１を設置した遠心脱水機Ａにおいてスラリー水位１７とコンベア円筒部２の距離を２４ｍｍとして行った。
実験３
実施例１４は、ノズル１１を設置していない遠心脱水機Ａを用いて、ＶＴＳが６１．２質量％の消化汚泥に対して一定量の高分子凝集剤及び無機凝集剤を添加して脱水処理した。また、比較例４は、デカンタ型の遠心脱水機で脱水処理した。
各実験における高分子凝集剤の添加率は、固形分に対して１．２質量％で、無機凝集剤の添加率は、鉄分換算で固形物に対して４質量％であった。

実験１の実施例１～８では、脱水処理後のケーキ含水率が７３．６～７６．３質量％となり、比較例１と比較例３の７８～８０質量％に比べて良好な成績であった。また、汚泥回収率も９７％以上での問題なかった。ただし、本発明のより良い条件である凝集剤液供給口１０の位置が有効脱水長の０．２２から０．４４倍の範囲を外れる実施例４と実施例６では、ケーキ含水率がそれぞれ７６．２質量％と７６．３質量％とやや高い結果となった。

実験２の実施例９～１４では、ケーキ含水率が７０．３～７３．８質量％であり、比較例２の７４．６質量％よりも良好な成績であった。ただし、ノズル１１がない条件、ノズル１１の長さが３ｍｍと短い条件、及びノズル１１をスラリー水中に浸漬していな条件の処理では、ケーキ含水率が高くなる傾向にあった。比較例２では、スラリー水位とコンベア円筒部２の外面との位置の差が２０ｍｍ以上で、かつノズルをスラリー水中に浸漬していない条件であったので、ケーキ含水率が高い結果となった。

低ＶＴＳの汚泥の処理での効果確認のために行った実験３では、本発明の条件を満たす遠心脱水機での実験である実施例１５では、ケーキ含水率が６８．２質量％であったのに対して、従来技術のデカンタ型遠心脱水機の処理では、ケーキ含水率が７１～７３質量％であった。

本発明は、下水汚泥、し尿汚泥、消化汚泥、工場排水の汚泥、食品や飲料などの製造工程から発生する有機物を含むスラリーの脱水や固液分籬の処理に適用できる。

１ ボウル
２ コンベア円筒部
３ スクリューフライト
４ 脱水室
５ スラリー供給パイプ
６ スラリー供給室
７ スラリー供給口
８ 凝集剤液供給パイプ
９ 凝集剤液供給室
１０ 凝集剤液供給口
１１ ノズル
１２ ケーキ排出部入口
１３ ケーキ排出隙間
１４ ケーキ排出口
１５ 分離水排出口
１６ 機内スラリー
１７ スラリー水位
１８ ケーキ
１９ 濃縮境界
２０ 越流水位
２１ 隔壁
３０ コンベア
Ａ 回転中心から分離水排出口１２のボウル２の内面に最も近い位置までの距離を示す垂直線
Ｂ スラリー水位１７の回転中心からの距離を示す垂直線
Ｃ コンベア円筒部２の外面の回転中心からの距離を示す垂直線
Ｄ ケーキ排出口１１の面積中心と回転中心との距離を示す垂直線
Ｅ ケーキ排出口１１の面積を算出する際の基準面を示す線
ａ 分雛水排出口１２のボウル２の内面に最も近い位置を示す点
ｂ スラリー水位１７の位置を示す点
ｃ コンベア円筒部２の外面の位置を示す点
ｄ ケーキ排出口１１の面積中心の位置を示す点

Claims (5)

1. 一方向に回転する直胴型のボウルと、前記ボウルと同回転軸心廻りに差速をもって回転するスクリューフライトを有するコンベアを備え、
   前記コンベアのコンベア円筒部と前記ボウルの間に脱水室を有し、
   前記コンベアは、高分子凝集剤を伴うスラリーを前記脱水室に供給するスラリー供給口と、無機凝集剤を含む凝集剤液を前記脱水室に供給する凝集剤液供給口を前記コンベア円筒部に有する構造をなす遠心脱水機であり、
   前記ボウルは、分離水排出口とケーキ排出口を回転軸心方向の相反する側に有し、
   前記凝集剤液供給口は、前記スラリー供給口の位置から前記ケーキ排出口の方向に、前記スラリー供給口の位置と前記ケーキ排出口の位置との距離の０．２２～０．４４倍の距離を隔てた位置にあって前記脱水室内の機内スラリーの濃縮境界に対応し、前記コンベア円筒部の円周方向で２～４箇所、かつ前記コンベア円筒部の長さ方向で２箇所以内に設置し、前記凝集剤液供給口に前記コンベア円筒部の外面から突出するノズルを有し、前記ノズルはノズル先端が前記スラリーに浸漬し、
   前記脱水室内のスラリー水位が、前記ボウルの直径方向において前記コンベア円筒部の外面からの離隔距離が２０ｍｍ以内の範囲に位置し、
   または、前記コンベア円筒部の外面が前記脱水室内の前記スラリーに浸かる状態とすることを特徴とする遠心脱水機。
2. 一方向に回転する直胴型のボウルと、前記ボウルと同回転軸心廻りに差速をもって回転するスクリューフライトを有するコンベアを備え、
   前記コンベアのコンベア円筒部と前記ボウルの間に脱水室を有し、
   前記コンベアは、高分子凝集剤を伴うスラリーを前記脱水室に供給するスラリー供給口と、無機凝集剤を含む凝集剤液を前記脱水室に供給する凝集剤液供給口を前記コンベア円筒部に有する構造をなす遠心脱水機であり、
   前記ボウルは、分離水排出口とケーキ排出口を回転軸心方向の相反する側に有し、
   前記凝集剤液供給口は、前記スラリー供給口の位置から前記ケーキ排出口の方向に、前記スラリー供給口の位置と前記ケーキ排出口の位置との距離の０．２２～０．４４倍の距離を隔てた位置にあって前記脱水室内の機内スラリーの濃縮境界に対応し、前記コンベア円筒部の円周方向で２～４箇所、かつ前記コンベア円筒部の長さ方向で２箇所以内に設置し、前記凝集剤液供給口に前記コンベア円筒部の外面から突出するノズルを有し、前記ノズルはノズル先端が前記スラリーに浸漬し、
   前記分離水排出口の越流頂は、前記ボウルの直径方向において前記ボウルの内面に最も近い部分が、前記コンベア円筒部の外面からの離隔距離が２３ｍｍ以内の範囲に位置することを特徴とする遠心脱水機。
3. 前記ボウルは、脱水室内の脱水に有効な範囲の全長に渡って前記スラリーに浸漬していることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心脱水機
4. 一方向に回転する直胴型のボウルと、前記ボウルと同回転軸心廻りに差速をもって回転するスクリューフライトを有するコンベアを備え、
   前記コンベアのコンベア円筒部と前記ボウルの間に脱水室を有し、
   前記コンベアは、高分子凝集剤を伴うスラリーを前記脱水室に供給するスラリー供給口と、無機凝集剤を含む凝集剤液を前記脱水室に供給する凝集剤液供給口を前記コンベア円筒部に有する構造をなす遠心脱水機であり、
   前記ボウルは、分離水排出口とケーキ排出口を回転軸心方向の相反する側に有し、
   前記凝集剤液供給口は、前記スラリー供給口の位置から前記ケーキ排出口の方向に、前記スラリー供給口の位置と前記ケーキ排出口の位置との距離の０．２２～０．４４倍の距離を隔てた位置にあって前記脱水室内の機内スラリーの濃縮境界に対応し、前記コンベア円筒部の円周方向で２～４箇所、かつ前記コンベア円筒部の長さ方向で２箇所以内に設置し、前記凝集剤液供給口に前記コンベア円筒部の外面から突出するノズルを有し、前記ノズルはノズル先端が前記スラリーに浸漬することを特徴とする遠心脱水機。
5. 前記ノズルの長さは、５ｍｍ以上、かつ前記ボウルの内面と前記コンベア円筒部の外面との距雜の０．２５倍以下であることを特徴とする請求項４に記載の遠心脱水機。

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