JPH09150012A - 沈降分離装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本来の沈降分離作業に支障を及ぼすことな
く、しかもキャリーオーバーを有効に抑制するために、
沈殿槽内の液体の流動条件に適応した適正な条件で阻流
板を設置した沈殿槽を有する沈降分離装置およびその製
造方法を提供する。 【解決手段】 沈殿槽内を複数の要素に分割し、沈殿槽
内の液体の運動を支配する連続の式と運動方程式を差分
方程式に置き換えて所定の境界条件の下でフローパター
ンが一定になるまで繰り返し計算を行って定常状態にお
ける上記各分割要素の流速を得る。この流速の中で沈殿
槽内でキャリーオーバーが発生する直前の最大流速を臨
界流速とし、この臨界流速との関係からキャリーオーバ
ーを抑制することができる阻流板設置条件を任意の液体
流量と任意の液体温度の下で決定し、所定の工程を経て
この阻流板を設置した沈殿槽を有する沈降分離装置を製
造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体、特に、水、
下水、廃水などの処理において、懸濁粒子を含む被処理
液体中から懸濁粒子を両者の比重差を利用して沈降分離
する沈降分離装置およびその装置を製造する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】流通
する被処理液体の懸濁粒子の沈降を妨げる撹乱流の発生
を防止し、また液体中の懸濁粒子が流域の底部に沈着す
るまでに降下しなければならない距離を減少することに
より、分離液の清澄度の向上、分離時間の短縮などの効
果を得ることを目的として、多数の細長い管状通路を一
定の管断面の規則的配列のもとに互いに平行させて密集
した集合体を傾斜させて沈殿槽内に配置し、この管巣状
集合体を通して被処理液体を流過させる傾斜管沈降分離
装置は知られている（例えば、特公昭５５−３７９２７
号公報参照）。この傾斜管沈降分離装置は、液体より比
重の大きい懸濁粒子の沈降分離および液体より比重の小
さい粒子の浮上分離のいずれにも用いられており、多く
の場合、懸濁粒子は固体微粒子である。

【０００３】次に、本発明の理解を容易にするために、
上記した特公昭５５−３７９２７号公報に記載された従
来の傾斜管沈降分離装置に関して、被処理液体中からこ
れより比重の大きい固体微粒子の懸濁物質を沈降分離す
る場合について、図７を参照しながら説明する。

【０００４】図７において、懸濁粒子を含む原水に化学
的凝集剤が添加されて撹拌混合され、この混合物がフロ
ック形成槽１に導入され、凝集剤のフロックは懸濁微粒
子と結合して比重の大きい大粒化された沈殿性のよい粒
子を形成し、この原水は傾斜管沈降分離装置２の流入端
に導かれる。傾斜管沈降分離装置２は、多数の細長い管
状通路を一定の管断面の規則的配列のもとに互いに平行
させて密集した集合体を水平に対して角度αをもって傾
斜配置したものである。上記原水は沈降分離装置２の各
管状通路を通って斜め上向きに分流し、その間に懸濁粒
子と結合したフロックは沈殿し、上記傾斜角度αが沈殿
物質の安息角より大きい角度とされているため、沈殿物
質は管の底面上を液体の流れと反対方向に滑り落ちて傾
斜管沈降分離装置２の流入端のところで排出されて汚泥
集合タンク３の下部に集積され、周期的にあるいは連続
的にそこから除去される。他方、傾斜管沈降分離装置２
の上端から流出した清澄液体は容器４に集められ、そこ
から送り出される。

【０００５】しかしながら、このような傾斜管沈降分離
装置において、沈降分離されなかった懸濁物質が使用期
間を経るにつれて傾斜管表面に徐々に堆積する結果生じ
る汚泥や付着藻類を適当なタイミングで洗浄しなけれ
ば、通過流路が閉塞されて偏流を起こすことがあり、効
果的な分離作業ができなくなってしまう。特に、夏期な
ど藻類が発生しやすい時期には、頻繁に洗浄を行わなけ
ればならない。この洗浄方法として、本出願人は、図８
に示すように、矢示方向に沿って沈殿槽５の底部を常時
一定の速度で走行しながら底部に溜まったスラッジを掻
き取ることができる台車６に具備した散気管７から所定
量のエアを吐出することにより、沈降分離作業を中断す
ることなく、複数の傾斜管８表面に付着・堆積した汚泥
や藻類を除去し、処理後の水をトラフＴに集水する構造
である「沈降分離装置用洗浄装置の発明」に関する特許
出願をした（平成６年特許願第２７５２１１号）。

【０００６】ところが、毎年夏期になると、原水中に含
まれる懸濁粒子が傾斜管で補足されずに流れと同伴して
上昇する、いわゆる『キャリーオーバー現象』が起き
る。この現象は、早朝から午前中にかけて一定温度の水
が充満している沈殿槽内に、午後になって気温の上昇に
伴いやや温度の高い原水が供給されることにより、密度
が異なる流体同志が引き起こす自然対流現象によって引
き起こされるものである。

【０００７】このキャリーオーバーを抑制する手段とし
て傾斜管直上に流れを遮る阻流板を設置することが有効
であることは知られているが、キャリーオーバーを効果
的に抑制するための阻流板の適正な設置条件（枚数・間
隔）については知られていない。

【０００８】本発明は沈降分離装置におけるこのような
問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、本
来の沈降分離作業に支障を及ぼすことなく、しかもキャ
リーオーバーを有効に抑制するために、沈殿槽内の液体
の流動条件に適応した適正な条件で阻流板を設置した沈
殿槽を有する沈降分離装置およびその製造方法を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、沈殿槽内を複数の要素に分割し、沈殿槽内
の液体の運動を支配する連続の式と運動方程式を差分方
程式に置き換えて所定の境界条件の下でフローパターン
が一定になるまで繰り返し計算を行って定常状態におけ
る上記各分割要素の流速を得、この流速の中で沈殿槽内
でキャリーオーバーが発生する直前の最大流速を臨界流
速とし、該臨界流速との関係からキャリーオーバーを抑
制することができる阻流板設置条件を任意の液体流量と
任意の液体温度の下で決定し、所定の工程を経て該阻流
板の設置された沈殿槽を有する沈降分離装置を製造する
方法を第一の発明とし、沈殿槽内に設置した傾斜板また
は傾斜管内を流通する懸濁粒子を含む被処理液体から該
懸濁粒子を両者の比重差を利用して沈降分離する沈降分
離装置において、任意の液体流量と任意の液体温度の下
でキャリーオーバーが発生する直前の沈殿槽内の最大流
速である臨界流速との関係から決定したキャリーオーバ
ーを抑制することができる条件の阻流板が上記傾斜板ま
たは傾斜管上部に設置されている沈殿槽を有することを
特徴とする沈降分離装置を第二の発明とし、沈殿槽内に
設置した傾斜板または傾斜管内を流通する懸濁粒子を含
む被処理液体から該懸濁粒子を両者の比重差を利用して
沈降分離する沈降分離装置において、被処理液体が水で
あり、処理水量が８５０Ｔｏｎ／時であり、沈殿槽内に
ある水の温度と沈殿槽内に流入する水の温度との差が約
１℃／日であり、キャリーオーバーが発生する直前の沈
殿槽内の最大流速である臨界流速が約２．１mm／秒であ
るとき、沈殿槽のほぼ全長にわたって８枚以上の阻流板
が上記傾斜板または傾斜管上部に設置されていることを
特徴とする沈降分離装置を第三の発明とする。キャリー
オーバーの生じない沈降分離装置を製造しようとする場
合、沈殿槽内の液体の流れの解明が必須であり、既存の
流速計や温度計を用いて実際に流れや温度を計測するこ
とが考えられるが、沈殿槽内の大半は微速流れ（２mm／
sec 程度以下）であるため、沈殿槽内の流れを簡便かつ
正確に計測することは困難である。このような場合には
流動数値解析の手法を用いて沈殿槽内流動を解析する手
法が有利であり、計算条件を変化させて繰り返し計算を
行うことにより、多くの詳細なデータを得ることができ
る。流動数値解析では、液体の運動を支配する偏微分方
程式（連続の式と運動方程式）を所定の境界条件にて解
析する。

【００１０】沈殿槽内の液体の流動を流動数値解析によ
り求めるための方法を概略説明すると、まず解析を行う
領域を小さい要素に分割する。解析条件により異なる
が、領域内を概ね５〜６万個に分割する。作成した沈殿
槽内の要素に関し、所定の境界条件の下で電算機を用
い、上記偏微分方程式を差分方程式に置き換えて近似解
を求める方法が便宜である。以下、具体的な方法につい
て次項に記載する。

【００１１】

【発明の実施の形態】キャリーオーバーを有効に抑制す
るために沈殿槽内の液体の流動条件に適応した適正な条
件で阻流板を設置した沈殿槽を有する沈降分離装置の製
造方法について、工程順に説明する。

【００１２】(1) 沈殿槽内の流動数値解析条件 沈殿槽の条件 解析対象の沈殿槽は、長さ（Ｌ）が２５ｍ、水面から池
底までの深さ（Ｄ）が５ｍ、奥行きが１０ｍであり、こ
の沈殿槽の断面を図１に示す。沈殿槽の他の寸法は図１
に示す通りである。なお、奥行きとは図１の紙面直角方
向を示す。この沈殿槽の処理水量は８５０Ｔｏｎ／時で
あり、この水量に基づく原水流入流速は５．６mm／秒、
複数の傾斜管８内の上昇流速は約１．１mm／秒である。
解析に使用した水の物性は、温度＝３０〜３２℃、比重
＝１、粘性係数＝０．００１Ｐａ・ｓ、比熱＝４１８０
Ｊ／ｋｇ・Ｋ、体膨張係数＝０．２９／Ｋである。

【００１３】 阻流板の条件 キャリーオーバーを抑制する手段として、傾斜管上部に
設置する阻流板９の枚数と設置間隔は図２（ａ）〜
（ｆ）に示す通りであり、それぞれ阻流板は３枚、４
枚、５枚、８枚、１２枚、１６枚である。

【００１４】(2) 解析方法 夏場においては、午後１時３０分頃には原水の温度上昇
によるキャリーオーバーが発生し、午後１時〜１時３０
分の間がキャリーオーバーを生じない限界の時間帯であ
ると考えられるので、このときの水温（３０．７°）に
てキャリーオーバーが生じない限界状況における沈殿槽
内の流動状態の数値解析を行った。すなわち、上記水温
の下で圧力の変化率が十分小さくなって流れが一定にな
るまで繰り返し計算を行い、各分割要素の流速を求め
た。次に、キャリーオーバーが生じる時間帯（１３時３
０分〜１７時）の水温（３０．９〜３１．７°）にて同
様に沈殿槽内の流動状態の数値解析を行い、各分割要素
の流速を求めた。

【００１５】(3) キャリーオーバー抑制のための阻流板
の設置条件の決定 臨界流速の決定 キャリーオーバーが発生しない限界の時間帯である午後
１時〜１時３０分の間の傾斜管上部の流速分布をプロッ
トした結果は図３（ｂ）に示す通りである。図３（ｂ）
の横軸は沈殿槽の長手方向の距離、縦軸は流速を示す。
この流速分布の中で最大流速がキャリーオーバーを起こ
さない『臨界流速』（＝フロックの沈降速度と流速がほ
ぼバランスする流速）である。図３（ｂ）より、処理水
量８５０Ｔｏｎ／時の臨界流速は約２．１mm／秒である
ことが分かる。従って、この流速を超える流れが沈殿槽
内に発生したならば、フロックは沈降することなく流体
に同伴してしまう。

【００１６】 適正な阻流板設置条件の決定 図２に示す阻流板の設置条件ならびに『阻流板無し』の
場合について沈殿槽内の流動状態を数値解析し、傾斜管
上部の流速分布をプロットした図が図４（ａ）〜（ｄ）
および図５（ａ）〜（ｃ）である。これらの図中の枚数
は阻流板の数を示し、横軸は沈殿槽の長手方向の距離、
縦軸は流速を示す。図４（ａ）〜（ｄ）および図５
（ａ）〜（ｃ）において、破線は臨界流速を示してお
り、この臨界流速よりも大きい流速成分によってフロッ
クのキャリーオーバーが生じると考えられる。なお、図
５（ｄ）は図２（ｂ）の阻流板の配置とは異なり、４枚
の阻流板を沈殿槽のほぼ全長にわたって等間隔で設置し
た場合の傾斜管上部の流速分布を示す図である。

【００１７】臨界流速以上の流速成分を積分してその流
量を求め、阻流板枚数に対してプロットしたものが図６
である。図６における記号『□』は阻流板４枚を沈殿槽
のほぼ全長にわたって等間隔で設置した場合を示し、記
号『○』は図２の条件で阻流板を設置した場合ならびに
『阻流板無し』の場合を示す。図６より、阻流板枚数の
増加に伴って臨界流速以上の流量が減少しており、その
値をゼロにするためには、傾斜管上部に沈殿槽のほぼ全
長にわたって阻流板を１２枚以上設置すればよいことが
分かる。なお、キャリーオーバー現象の程度は処理水
量、水温ならびに沈殿槽内にある水の温度と沈殿槽内に
流入する水の温度との差に依存し、ここで行った計算結
果は、水量が８５０Ｔｏｎ／時、水温が３０〜３２℃、
水の温度差が約１℃／日の場合であり、これらの条件が
異なれば最適の阻流板設置条件も異なる。従って、本実
施例以外の水量、水温、水の温度差の場合は、それらの
条件に基づき、上記手法を用いて最適の阻流板設置条件
を求めればよいのである。水の温度差が本実施例より小
さい場合は、阻流板の枚数はより少なくてよいことにな
る。逆に水の温度差が本実施例より大きい場合は、最適
の阻流板枚数は本実施例より増えることになる。すなわ
ち、本発明によれば、任意の液体流量と任意の液体温度
の下で最適の阻流板設置条件を求めることができるので
ある。

【００１８】(4) 阻流板の有無によるキャリーオーバー
の発生状況の確認実験 上記結果に基づいて、「阻流板が無い場合」、「阻流板
が４枚の場合（図２（ｂ）の配置）」、「阻流板が８枚
の場合（図２（ｄ）の配置）」の３つの場合について、
キャリーオーバーの程度を実際の沈殿槽で調査した。原
水流入温度は以下の表１に示す通りであり、その評価は
処理水の濁度を測定することにより行った。その濁度測
定結果を以下の表２に示すが、濁度の数値が大きいとキ
ャリーオーバーが多いということを示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】表２より、濁度は、「阻流板が無い場
合」、「阻流板が４枚の場合」、「阻流板が８枚の場
合」の順に小さくなっている。この結果は図６に示す結
果と一致している。なお、阻流板が８枚の場合の濁度は
実操業上問題ないレベルである。

【００２２】また、上記したごとく、水量、水温条件が
異なれば８枚以下、あるいは逆に８枚以上になることも
あるのである。

【００２３】以上のようにして求めた適正な条件で阻流
板を設置した沈殿槽を有する沈降分離装置は、次のよう
な一般的に行われている製作工程に従って製造すること
ができる。すなわち、阻流板は図２に示されるように、
沈殿槽の傾斜管上部に設置される単なる板であるので、
材質さえ決定されれば、沈殿槽の大きさと阻流板の枚数
から求められる所定の寸法で阻流板を切断機で切断すれ
ばよい。このようにして所定寸法に切断された阻流板を
傾斜管上部に取り付ける際には、固定用の治具を阻流板
に設けたり、孔をあけたりする必要があるが、これは実
際の現場の状況に合わせて任意に製作することができ
る。かくして、最適の阻流板設置条件を有する沈降分離
装置が製作されることとなるのである。

【００２４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、沈殿槽内
の流体の流動条件に適応した適正な条件で阻流板を設置
した沈殿槽を有する沈降分離装置の製造方法を提供する
ことができる。

【００２５】請求項２および３記載の発明によれば、本
来の沈降分離作業に支障を及ぼすことなく、しかもキャ
リーオーバーを有効に抑制することができる沈殿槽を有
する沈降分離装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】流動数値解析に使用した沈殿槽モデルの概略構
成を示す図である。

【図２】流動数値解析に使用した沈殿槽モデルの傾斜管
上部への阻流板設置条件を説明する図である。

【図３】図３（ａ）は沈殿槽モデルの概略構成を示す図
であり、図３（ｂ）はキャリーオーバーが生じない限界
状況のときの傾斜管上部の流速分布を示す図である。

【図４】図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞ
れ阻流板が０枚、３枚、４枚、５枚のときの傾斜管上部
の各流速分布を示し、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそ
れぞれ、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の阻流板設置条件
に対応する図である。

【図５】図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ阻流板
が８枚、１２枚、１６枚のときの傾斜管上部の各流速分
布を示し、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図２
（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の阻流板設置条件に対応する図
であり、図５（ｄ）は４枚の阻流板を沈殿槽のほぼ全長
にわたって等間隔で設置した場合の傾斜管上部の流速分
布を示す図である。

【図６】阻流板枚数と臨界流速以上の流量との関係を示
す図である。

【図７】従来の傾斜管沈降分離装置の概略構成図であ
る。

【図８】従来の沈殿槽の側断面図である。

【符号の説明】

１…フロック形成槽 ２…傾斜管沈降分離装置 ３…汚泥集合タンク ４…容器 ５…沈殿槽 ６…台車 ７…散気管 ８…傾斜管 ９…阻流板 Ｔ…トラフ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 沈殿槽内を複数の要素に分割し、沈殿槽
   内の液体の運動を支配する連続の式と運動方程式を差分
   方程式に置き換えて所定の境界条件の下でフローパター
   ンが一定になるまで繰り返し計算を行って定常状態にお
   ける上記各分割要素の流速を得、この流速の中で沈殿槽
   内でキャリーオーバーが発生する直前の最大流速を臨界
   流速とし、該臨界流速との関係からキャリーオーバーを
   抑制することができる阻流板設置条件を任意の液体流量
   と任意の液体温度の下で決定し、所定の工程を経て該阻
   流板の設置された沈殿槽を有する沈降分離装置を製造す
   る方法。
2. 【請求項２】 沈殿槽内に設置した傾斜板または傾斜管
   内を流通する懸濁粒子を含む被処理液体から該懸濁粒子
   を両者の比重差を利用して沈降分離する沈降分離装置に
   おいて、任意の液体流量と任意の液体温度の下でキャリ
   ーオーバーが発生する直前の沈殿槽内の最大流速である
   臨界流速との関係から決定したキャリーオーバーを抑制
   することができる条件の阻流板が上記傾斜板または傾斜
   管上部に設置されている沈殿槽を有することを特徴とす
   る沈降分離装置。
3. 【請求項３】 沈殿槽内に設置した傾斜板または傾斜管
   内を流通する懸濁粒子を含む被処理液体から該懸濁粒子
   を両者の比重差を利用して沈降分離する沈降分離装置に
   おいて、被処理液体が水であり、処理水量が８５０Ｔｏ
   ｎ／時であり、沈殿槽内にある水の温度と沈殿槽内に流
   入する水の温度との差が約１℃／日であり、キャリーオ
   ーバーが発生する直前の沈殿槽内の最大流速である臨界
   流速が約２．１mm／秒であるとき、沈殿槽のほぼ全長に
   わたって８枚以上の阻流板が上記傾斜板または傾斜管上
   部に設置されていることを特徴とする沈降分離装置。