(57)【要約】【課題】フロック形成及び沈降用の溜まりが不要で、処理時間が大幅に低減可能な水処理システムを提供することである。【解決手段】システム１００は、粒子を含有する投入原水１０２を受容する入口部と、投入原水１０２を凝集剤及びアルカリ性物質と混合するパイラルミキサ１０８と、投入原水１０２内の粒子の凝集を促進させる熟成フロックを収容する緩衝液タンク１１０と、緩衝液タンク１１０の内容物を排水及び凝集粒子を含有する廃液に分離するスパイラル分離機１１２と、排水に関する第１経路と凝集粒子を有する廃液に関する第２経路とを提供する出口部と、を備える。【選択図】図４
2010069481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を含有する原水を受容するように作用する入口部と、
原水を凝集剤及びアルカリ性物質と混合するように作用するミキサと、
ミキサの出力を受容し、原水内の粒子の凝集を促進させる熟成フロックを収容するように作用する緩衝液タンクと、
緩衝液タンクの内容物を排水及び凝集粒子を含有する廃液に分離するように作用するスパイラル分離機と、
排水に関する第１経路と凝集粒子を有する廃液に関する第２経路とを提供するように作用する出口部と、
を備えることを特徴とする水処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、ミキサがスパイラルミキサであることを特徴とするシステム。
【請求項３】
粒子を含有する原水を受容するステップと、
アルカリ成分を添加して水のｐＨを調整するステップと、
原水に凝集剤を混合するステップと、
原水と凝集剤との混合物に、原水内の粒子の凝集を促進する熟成フロックを注入ステップと、
原水を排水及び凝集粒子を含有する廃液に分離するステップと、
を含むことを特徴とする水処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、分離がスパイラル式分離であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理システム及び水処理方法に関し、特に、熟成フロックをシード添加して水処理工程における凝集を加速するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水処理の中心的要素には、凝集、フロック形成、沈降及び物理的濾過の連続した処理ステップが含まれる。一般的に、クーロン反発力を遮断してサブミクロン粒子のピンフロックへの凝集を促進するため、化学的凝集剤が用いられる。
【０００３】
フロックを固定して、沈降槽により速く沈殿する大きな実体を形成するため、長鎖重合体の形態を有する凝集剤を加えることも可能である。最初の３段階を通じての水圧持続時間は、投入される水の水質及び能力に応じて、５〜１０時間とすることができる。
【０００４】
従来の水処理を実行する改変可能な方法は、例えば、特許文献１に開示されている。この方法の特徴は、高いスケーリング性、モジュール性、小フットプリント、高い処理能力、純流体的連続フロー、無膜、サイズ選択的な遮断、及び加速された塊状集積作用の速度論が含まれることである。このシステムは、中立的浮力のものを含むいかなる密度の粒子に対しても作用する。これらの特徴により、凝集剤の使用量を５０％減らしても同じ濁度の低下を実現することができる。これは、流体せん断効果に起因するピンフロックのコンパクトさと、自己限定的な狭いサイズの分布によるものである。これらの組み合わせ効果として、流体構造におけるミクロンサイズのピンフロックの抽出により、フロック形成及び沈降ステップを潜在的に除くことができ、その結果、場所的及び化学的コスト、運用経費の低減、原水から処理水までのより高速な処理時間により、大幅な節約がもたらされる。
【０００５】
設計上、主に考慮されることは、システムの水圧持続時間と比較したピンフロック成長のための凝集時間である。インラインのピンフロック形成及びその後のスパイラル分離機による除去に関しては、２つの時間スケールが比較可能であるか、少なくともこれら２つの時間スケールの差異が最小化されることが好ましいであろう。
【０００６】
図１は、ヴェオリアによるアクティフローと呼ばれる既知の商業的システムで用いられる安定したフロック形成技術を示すものであり、これは凝集及び沈降を加速するため、凝集工程におけるシード添加粒子としてマイクロサンドを導入することにより、この問題を解決するものである。１２０μｍの大型マイクロサンドにより、凝集のためのより大きな表面積が得られる。また、２．６５という高い密度は、急速な沈降を促進する。
【０００７】
図示するように、プロセス１０は、（１２において）システム内に水が注入され、（１４において）凝集剤が加えられるプロセスである。このようにして、一次粒子が形成され、（１６において）マイクロサンドが加えられる。次に、（１８において）高分子材料が加えられ、（２０において）フロックが形成される。この従来のシステムにおける粒子又はフロックは、マイクロサンドに付着するものと理解される。図２及び３においてより詳細に示すように、このシステムは多くの短所を有する。例えば、一次粒子とマイクロサンドとの配合では、マイクロサンドからフロック又は一次粒子を除去し、マイクロサンドを清浄化し、さらなる処理のためにマイクロサンドを再注入するためのフィードバック及びリサイクルを行なう必要がある。マイクロサンドのリサイクルは、１００％効率的ではないので、新たなマイクロサンドを一定量加えなければならず、その結果、材料及び設備に関して付加的な費用がかかることになる。
【０００８】
図２及び３は、マイクロサンドのリサイクルシステムの概略を示す。システム４０は、処理ユニット４２と、ハイドロサイクロン装置５０とを備えている。動作中、システム内に凝集剤５４とともに水５２が注入される。ミキサ５６は、水５２と凝集剤５４とを混合する。この混合された配合物には、ハイドロサイクロン装置５０によりマイクロサンド５８が加えられる。次に、ミキサ６０が、マイクロサンド５８を水５２及び凝集剤５４の配合物と混合する。そして、この混合物に重合体６２が加えられる。これは、ミキサ６４により混合され、処理ユニット４２のタンク６８に給送される。ミキサ６６を用いて、タンク６８に給送される材料が混合され、処理水は、タンク６８の最上部からすくい取られる。特に、マイクロサンド混合物を含む材料は、タンク６８の底部からフィードバックライン７０を介してハイドロサイクロン装置５０にフィードバックされる。ハイドロサイクロン装置５０は、汚泥７２からマイクロサンド５８を分離するように動作する。
【０００９】
この点について、図３を参照すると、ハイドロサイクロン装置５０が示されている。図示するように、ハイドロサイクロン装置５０は、フィードバックライン７０に関する入口部と、汚泥７２及びマイクロサンド５８に関する出口部とを備える。ねじ付きらせん軸７４は、マイクロサンド５８から汚泥７２を分離するように材料に対し作用することが理解される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１２８３３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この既知の技術の利点は、処理時間及びフットプリントが低減されるということである。しかしながら、粒状かつ不溶性のマイクロサンドを、ハイドロサイクロンを用いて回収する必要があり、マイクロサンドポンプのための付加的動力が必要となるといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書で記述される実施形態において、水処理システムは、粒子を含有する原水を受容するように作用する入口部と、原水を凝集剤と混合するように作用するミキサと、ミキサの出力を受容し熟成フロック（例えば、好ましくは少なくともスパイラル分離機のカットオフサイズであるもの）を受容するように作用する緩衝液タンクにおいて、熟成フロックは原水内の粒子の（例えば、少なくともスパイラル分離機のカットオフサイズである凝集体への）成長を促進するように作用する緩衝液タンクと、緩衝液タンクから混合物を排水及び凝集粒子を含有する廃液に分離するように作用するスパイラル分離機と、排水に関する第１経路と凝集粒子を有する廃液に関する第２経路とを提供するように作用する出口部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本明細書で記述される別の実施形態において、入口部は、メッシュフィルタを備える。
【００１４】
本明細書で記述される別の実施形態において、ミキサは、スパイラルミキサである。
【００１５】
本明細書で記述される別の実施形態において、システムは、さらに、熟成フロックを形成するためのタンクを備える。
【００１６】
本明細書で記述される別の実施形態において、成長したフロックのサイズ及び濃度により制御される小粒子の最適な凝集を実現するために、熟成フロックの寿命が最小化される。
【００１７】
本明細書で記述される別の実施形態において、システムは、さらに、第２経路と緩衝液タンクとの間のフィードバックラインを備える。
【００１８】
本明細書で記述される別の実施形態において、システムは、さらに、排水を濾過するフィルタ装置を備える。
【００１９】
本明細書で記述される別の実施形態において、水処理方法は、粒子を含有する原水を受容すること、アルカリ分を添加すること、原水を凝集剤と混合すること、原水と凝集剤との混合物に原水内の粒子の成長を促進する熟成フロックを注入すること、及び原水を排水及び凝集粒子を含有する廃液に分離することを含む。
【００２０】
本明細書で記述される別の実施形態において、混合方式は、スパイラル式混合である。
【００２１】
本明細書で記述される別の実施形態において、熟成フロックが生成されたタンクから熟成フロックが注入される。
【００２２】
本明細書で記述される別の実施形態において、分離方式は、スパイラル式分離である。
【００２３】
本明細書で記述される別の実施形態において、水処理方法は、さらに、注入ステップにおいて、熟成フロックとして注入されるよう廃液を緩衝液タンクに戻すことを含む。
【００２４】
本明細書で記述される別の実施形態において、水処理方法を実施するための手段が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術の代表図である。
【図２】従来技術の代表図である。
【図３】従来技術の代表図である。
【図４】本発明に係る実施形態における水処理システムを示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態におけるジャーテストのデータを示す図である。
【図６】本発明に係る実施形態における水処理システムを示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態における経時的な獨度変化のデータを示す図である。
【図８Ａ】本発明に係る実施の形態におけるジャーテストにおける粒子サイズ分布のデータを示す図である。
【図８Ｂ】本発明に係る実施の形態におけるジャーテストにおける粒子サイズ分布のデータを示す図である。
【図９】本発明に係る実施の形態における組み込まれたスパイラル装置（入口及び出口部分）を示す図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態における組み込まれたスパイラル装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書で記述される実施形態は、シード粒子として熟成フロック（例えば、約３０分以下の間に処理されるフロックなど）を導入して、原水と凝集剤との混合後すぐに形成される小さなピンフロックの凝集を促進することにより、前述のシステムで用いられるマイクロサンドの使用を回避するシステム及び方法を対象とする。熟成フロックは、一般的に、スパイラル分離機の廃液流から抽出又は再利用される大きな凝集体、或いは別のタンク内で凝集剤や有機及び／又は無機のナノ粒子から生成される大きな凝集体であって、例えば、原水内で自然に発生するものであることが理解される。シード粒子は、スパイラル式分離後、廃液流と共に分離されるので、回収する必要がない。シードフロックを形成するための付加的な化学薬品は、凝集に関する薬品使用量の５０％低減によりオフセットされる。ある実施形態では、熟成フロックをオフラインで準備し、必要に応じて緩衝液タンク内に定期的に注入する。別の実施形態では、より熟成した下流側のフロックを、必要に応じて緩衝液タンクにフィードバックする。熟成フロックは、相対寿命及び実現されるシステムの関数なので、様々な形状をとりうる。熟成フロックのサイズは、例えば、処理において使用されるスパイラル分離機のカットオフサイズを上回るものである。例えば、カットオフサイズを上回るフロックは、廃液流内で分離機から取り出されるような大きさを有する。また、少なくともいくつかの用途では、熟成は３０分で十分であるが、より短い時間とすることも可能である。例えば、用途によっては、４分間のフロック熟成で十分である。この点について、少なくともいくつかの形状においては、熟成フロックの寿命を最小化することにより、加齢フロックのサイズ及び濃度双方により制御される小粒子の最適な凝集を実現することができる。
【００２７】
図４は、本明細書で記述される実施形態によるスパイラル式分離を用いた水処理システムの概略を示す。凝集剤の投入前に、塩基の形でアルカリ分がインラインで加えられる。これにより、処理を通して原水のｐＨが調整される。凝集剤は、スパイラルミキサ内での混合以前に導入され、スパイラル式分離及びフロックの抽出の前に、緩衝液タンク内に熟成フロックが注入される。この基礎的技法により、本明細書で記述される実施形態の目的達成が可能になる。
【００２８】
本明細書で記述される実施形態において、例示的なシステム１００が図示されている。システム１００は、適切な入口部において、投入水源１０２からメッシュフィルタ１０４を通過して原水を受容する。メッシュフィルタ１０４は、投入水から相対的に大きな粒子を濾過するように設計されている。例えば、フィルタ１０４は、２ｍｍ〜５ｍｍメッシュの材料で形成することができる。少なくとも１つの形態においては、メッシュフィルタ１０４による濾過後に、投入水に塩基の形でアルカリ分が加えられてｐＨが調整される。いかなる適切な塩基を使用してもよい。少なくとも１つの形態においては、塩基を加えた後に、凝集剤を投入水に加えてもよい。いかなる適切な凝集剤を使用してもよい。
【００２９】
システム１００は、さらに、投入水及び凝集剤を受容するミキサ１０８、例えば、スパイラルミキサを備える。図４に示すスパイラルミキサは、２つの目的に資する。第１に、入口部で流入する流体に角度をつけて、スパイラル流路の下方壁に衝突するときに無秩序的混合を生じさせるフラッシュ式混合機能を提供する。第２に、もろいフロックの急速な成長を制限するせん断速度を実現するために、流路内での高せん断駆動流が設定される。この結果、フロックは、稠密で、狭いサイズ範囲内で均一なものとなる。この稠密で均一な大きさのフロックにより、急速な凝集が確実に実現される。ミキサ１０８は、緩衝液タンク１１０に接続される出力を有する。ミキサ１０８は、様々な形状をとりうるが、例えば、上記のスパイラルミキサが使用される。緩衝液タンク１１０は、熟成フロックの注入を受容するように配置される。様々な形状の熟成フロックが使用可能であるが、少なくともスパイラル分離機のカットオフサイズであるものが最も望ましい。その理由は、そのような熟成フロックは、スパイラル分離機により効果的に除去され、そして、熟成フロック上に凝集する原水中の粒子も除去されるからである。少なくとも１つの形態において、ピンフロックサイズへの凝集を加速するために有効であれば、約３０分熟成させたフロックが使用される。小粒子の凝集速度は、加えられる熟成フロックの濃度及びサイズにより制御可能である。
【００３０】
緩衝液タンク１１０の出力は、排水出力１１４を有するスパイラル分離機１１２に接続される。排水出力１１４は、スパイラル分離機１１２により投入流体から分離された排水をさらなる濾過機構１１６に送る。濾過機構１１６の出力は、一般的に、様々な方法で利用可能な処理水を含んでいる。スパイラル分離機１１２は、廃液が移送される第２出力管１１８を有する。廃液は、適切な方式で処理するか、システム内でフィードバックライン１２０に沿って再循環させることができる。フィードバックライン１２０は、システムにとってオプションであるが、ある形態では、フィードバックライン１２０は、熟成フロックとしてシステムに再注入すべき廃液のフィードバックを行なう。フィードバックライン１２０の代わりとして、熟成フロックをタンク１２２内で発生させて、緩衝液タンク１１０内に注入することも可能である。これらの方法の組合せを１つのシステムで実現することも可能である。
【００３１】
本明細書で記述される実施形態では、スパイラル装置の曲がった流路を用いて、例えば、水などの流体内を流れる中立的浮遊性粒子（例えば、水又は粒子が存する流体と実質的に同じ密度を有する粒子）などの粒子に遠心力を伝えて、流体からのそのような粒子の分離を容易にするスパイラル分離機を使用する。熟成フロックは、その特性が有機質、可溶性、かつ非粒状であるから、中立的浮遊性粒子を分離する技術は、ここで特に有用である。しかしながら、他の分離技法も考えられる。例えば、これらの技法には、らせん状流路内の流体の流れに発生する様々な力を利用して、例えば、流路の形状及び速度の関数として粒子を分離するものがある。これらの力は、遠心力及び圧力駆動力を含む。
【００３２】
中立的浮遊性粒子の場合、そのような粒子が流路を流れると、チューブラピンチ効果によって粒子は管帯内を流れる。伝達された遠心力は、管帯を混乱させ（例えば、管帯を流路の中心から外れた様態で流動させ）、その結果、管帯が流路の内壁に向かって非対称的に慣性移動する。この力の平衡により、懸濁微粒子が抽出のための狭い帯域に集束及び圧縮される。分離の原理は、内部側壁付近で非対称的な慣性平衡を得るために、遠心力と流体の力とのつり合いをとることである。入口流が内壁に向かって角度をつけて衝突すると、壁の摩擦を利用して衝突流を引き寄せるコアンダ効果により、より早期の帯形成が可能になる。上記の移動は、選択された稼動状態に基づき外壁に向けることも可能である。
【００３３】
図９を参照すると、流路１０は、入口流を内壁に向けて角度θ傾ける入口１１を有する。したがって、管帯１８は、出口１４に向かってより早期に形成される。当然ながら、管帯１８が流れない残余の流体のための第２出口１６も図示されている。いかなる適切な機構又は技法を用いても上記入口角度を実現可能である。図９では、入口及び出口部分のみが図示されている。
【００３４】
図１０は、入口３０２と、スパイラル流路３０４と、出口３０６及び３０８と、を有する（スパイラル分離機１１２又はスパイラルミキサ１０８として動作可能な）スパイラル装置３００を示す。スパイラル装置としては、様々な構成を用いることが可能である。これに関して、例えば、構成に応じて、入口をらせんの外周又は（図１０に示すように）中央に配置可能である。選択された稼動状態に基づき、（図９の管帯１８のような）粒子流を第２出口１６に通すことも可能である。
【００３５】
同様に、スパイラルミキサ１０８は、様々な形状をとりうる。これに関して、スパイラルミキサは、スパイラル分離機と実質的に同様の物理的形状を、小規模及び／又は機能的な変更とともにとりうる。図９を参照すると、流体の受容における角度θは、（上記のように）流体の粒子を分離ではなく混合するため、十分な乱流を流路内で生成するように調整される。上記のように、フロックの成長は、せん断力の結果としての混合状態において制御される。出口は、図示するように、分離する、又は単一の出口としてもよい。
【００３６】
再び図４を参照すると、稼動中において、粒子を含有する原水は、適切な入口からシステム１００に投入及び受容され、メッシュで濾過され凝集剤と混合される。この水は、緩衝液タンク１１０に受容され、そこで好ましくはスパイラル分離機１１２のカットオフサイズ又はそれを上回る熟成フロックの独立した注入が行なわれる。これに関して、スパイラル分離機１１２は、原水を排水及び廃液の流れ又は経路に分離するように作用する。ここで、廃液は、熟成フロックの注入の結果として相対的迅速に形成された凝集粒子を含んでいる。スパイラル分離機１１２から出力が行なわれると、処理された排水が利用可能となる。一方、廃液は、処理される、又は熟成フロックとしてリサイクルするために再循環させることができる。
【００３７】
本明細書で記述されるフロックの熟成及びその利点は、凝集速度論の観点から説明することができる。凝集速度論は、経時的な様々なサイズの凝集体の進化を記述するものである。同一粒子（サイズａ0の一次粒子）の初期の分散を想定すると、ｋ個の一次粒子を含む凝集体の数密度Ｎｋの時間進化は、式（１）により記述することができる。
【００３８】
【数１】
2010069481.tif 000003
【００３９】
ここで、τは、処理に関する固有の時間スケールであり、カーネルＫ（ｉ，ｊ）は、サイズｉ及びｊの粒子が相互に衝突する効率を示す。サイズｉの粒子は、ｉ個の一次粒子からなる凝集体である。数密度Ｎｋは、サイズｋの粒子の濃度を時間ｔ＝０における粒子の全体濃度で除したものとして定義される。式（１）の右辺の第１項は、サイズｉ及びｋ−ｉの２つのより小粒子の衝突によるサイズｋの凝集体形成を記述している。第２項は、他の凝集体との衝突によるサイズｋの凝集体の消失を記述している。衝突カーネルＫ（ｉ，ｊ）は、粒子を結合させる物理的な駆動力に依存している。
【００４０】
小粒子（サブミクロン粒子）に関しては、拡散による（ペリキネティックな）凝集が支配的である。この種の速度論に関して、衝突の頻度は、２つの拡散粒子が互いに出会う割合により決定され、衝突核及び時間スケールは、式（２ａ）、式（２ｂ）により与えられる。
【００４１】
【数２ａ】
2010069481.tif 000004
【００４２】
【数２ｂ】
2010069481.tif 000005
【００４３】
ここで、ａｉ（ａｊ）は、サイズｉ（ｊ）の凝集体の半径、ｋＢはボルツマン因子、Ｔは、絶対温度、ηは、流体の粘性、Ｎ０は、総計初期粒子数密度である。
【００４４】
コロイド懸濁液の攪拌により、せん断を導入した（オルソキネティックな）凝集速度論が加わる。この場合、衝突の頻度は、半径ａｉ＋ａｊの円を描いて移動するサイズｉの粒子の割合として計算され、それにより衝突核及び時間スケールが与えられる。
【００４５】
【数３ａ】
2010069481.tif 000006
【００４６】
【数３ｂ】
2010069481.tif 000007
【００４７】
ここで、γは、せん断速度、φは、固体体積率である。
【００４８】
式（３ｂ）から分かるように、オルソキネティックな凝集速度は、粒子のサイズとともに増大し、代表的な１／ｓのせん断速度に関しては、１μｍを超える粒子のペリキネティックな凝集速度を上回る。
【００４９】
大粒子（＞１μｍ）の化学種を小粒子（＜１μｍ）と混合する場合、２つの競合する凝集速度論が観察される。小粒子は、ペリキネティックな凝集速度で成長する。同時に、より大きな粒子は、オルソキネティックな凝集速度で、より小さな粒子を「一掃」する。第２のプロセスは、式（４）により記述される。
【００５０】
【数４】
2010069481.tif 000008
【００５１】
ここで、τls＝π／γφlであり、φlは、大粒子の体積率である。
【００５２】
大粒子間の凝集を無視すると（すなわち、Ｎｌが一定であると仮定すると）、式（４）を積分して小粒子に関する数密度を得ることができる。
【００５３】
【数５】
2010069481.tif 000009
【００５４】
ここで、時間スケールτlsは、小粒子のサイズ及び／又は濃度には依存せず、大粒子の体積率及び攪拌速度のみによって与えられる。
【００５５】
表１は、ペリキネティック及びオルソキネティック凝集に関する代表的な時間スケールを示す。予期されるように、ペリキネティックな凝集速度はサブミクロン粒子に関してより高速である。この凝集モードでは、凝集体が除去の容易なサイズに達する前（即ち、数μｍを超える以前）に多くの粒子対粒子衝突が起こる必要があるので、これらの凝集時間は、水処理プロセスで必要な実際の凝集時間に対して非常に低い範囲にある。
【００５６】
【表１】
2010069481.tif 000010
【００５７】
表２は、スイープ粒子の様々なサイズ及び濃度における「スイープ」凝集の代表的な時間スケールを示す。スイープ粒子の濃度が低い場合でも、時間スケールは、ペリキネティックな凝集に関するものと同等である。スイープモードにおいて、ある小粒子とある大粒子との１回の衝突の結果、容易に分離される凝集体が得られるという事実と合わせると、スイープモードの凝集に関して、はるかに高い除去効率が得られるという結果になる。
【００５８】
【表２】
2010069481.tif 000011
【００５９】
本明細書で記述される実施形態の有効性を実証するため２組の実験（ジャーテスト及びインラインフロック分離）を行った。
【００６０】
ジャーテスト：ジャーテストは、水処理分野において、原水の浄化のための薬品使用量の決定に用いられる標準的方法である。代表的なテスト量は、決定された使用量を運転流量にスケールアップして２Ｌとなる。標準的なジャーテストに関するプロトコルは、以下の条件等を含む。
【００６１】
２分の急速混合。
【００６２】
１ＮのＮａＯＨ（塩基として）２．３ｍｌ及び１％ミョウバン（凝集剤として）１１０ｍｇ／Ｌを開始濁度２６ＮＴＵの原水に添加。
【００６３】
２８分の緩慢混合。
【００６４】
３０分での混合停止及びフロックの沈殿。
【００６５】
本明細書で記述される実施形態を試験するための変形されたジャーテストプロトコルは、以下の条件等を含む。
【００６６】
２分の急速混合。
【００６７】
１ＮのＮａＯＨ（塩基として）２．３ｍｌ及び１％ミョウバン（凝集剤として）１１０ｍｇ／Ｌを開始濁度２６ＮＴＵの原水に添加。
【００６８】
２８分の緩慢混合。
【００６９】
３０分フロックの第１バッチを２分で添加（１００ｍｌ）し、第２バッチを６分で添加（５０ｍｌ）する。すべてのフロックは、緩慢混合状態で注入される。３０分フロックは、合計１５０ｍｌがジャーに添加される。
【００７０】
３０分での混合停止及びフロックの沈殿。
【００７１】
図５は、改変及び標準のジャーテスト実験における時間の関数としての計測濁度の低下を示す。変形ジャーテストにおいて、３０分での混合停止直後の急激な低下は、より急速な凝集及び沈降を示している。濁度の漸近値は、さらに数ＮＴＵ低く、より効率的な濁度低下を示している。
【００７２】
インラインフロック分離：インラインフロック分離の概略を図６に示す。システム２００を参照すると、右側から、投入ジャー２０２からの投入水に１ＮのＮａＯＨが加えられ、ポンプ２０４によりスパイラルミキサ２０６を介して第２緩衝液タンク２０８に注入される。より速い塊状集積作用を促進するとともに、サイズが均一のフロックを生成するため、凝集剤はスパイラルミキサ２０６の直前に注入される。より急速な凝集のためのシードとして作用するように、より熟成した３０分フロックが緩衝液タンクに注入される。３０分フロックは、合計で１５０ｍｌがタンクに添加される。水は、さらに、第２緩衝液タンク２０８より低い高さＨに配置されたスパイラル分離機２１２内を流れる。この重力で駆動される流れにより、ポンプ操作なしの運転が可能になる。流体は、排水流及び廃液流に分離され、回収されて、排水ジャー２１６及びフロック回収ジャー２１４に収容される。濁度低下の決定のため、回収された排水流及び廃液流に対して、ＮＴＵ計測が経時的に行なわれる。４分の緩衝時間を用いると、ミキサと分離機の間で流体インピーダンスが一致する。
【００７３】
４分フロックに関する回収された排水流及び廃液流内の計測濁度を図７に示す。廃液流（上部曲線）は、フロック沈降時に漸近値まで低下する高い初期濁度（開始濁度）を示す。排水流（下部曲線）は、漸近値まで低下が継続するより低い開始濁度を示す。すべてのフロックが、スパイラル分離機により除去されると、理想の曲線は（廃液流と比較して）はるかに低い濁度での平坦線となるべきである。この曲線は、排水流に混入して熟成及び沈降を続けるカットオフ分離を下回る少量の小フロックを示す。使用量及び注入速度の双方を最適化して望ましい平坦線挙動を得るため、さらに多くの作業を行なうことも可能である。
【００７４】
３０分フロック及び４分フロック双方の分離を実証するため付加的な実験を行なった。スパイラル分離機の平面から４フィート（約１２１．９２ｃｍ）上方のシェルフ上にフロックを配置することにより、重力を用いて３０分フロックを分離する構成とした。集められた排水は、廃液流と比較して透明であった。３０分フロック及び４分フロック双方に関する分離及び集められた排水及び廃液流の比較は、３０分フロックを用いてより明らかとなる。表３は、提案されたスパイラルシステムと比較した従来の水処理に関する処理時間の比較を要約したものである。
【００７５】
【表３】
2010069481.tif 000012
【００７６】
シード添加及び非添加の場合における粒子サイズの範囲に関する粒子濃度が示される。シード添加の場合は、より大きなシード粒子を用いた増強された凝集により小粒子の濃度が低くなる。シード添加の場合は、２５〜３０μｍの範囲にピークを示す。これは、混合停止直後の平均サイズのフロックを表わしている。
【００７７】
ＮＴＵが体積率に比例し、せん断を導入した運動が混合中の沈降より優位であると仮定することにより、ｔｓｅｄ＞ｔｍｉｘの場合、粒子は沈降しないことを意味する。これは、混合中の溶液内に最大の粒子が滞留するか否かの基準となる。
【００７８】
【数６】
2010069481.tif 000013
【００７９】
ここで、Ｇは、せん断速度、Δρは、粒子及び水の密度の差である。パラメータαは、混合の終了と最初のＮＴＵ計測の間の時間に、実験的データから推算される。体積率は、式（７）により与えられる。
【００８０】
【数７】
2010069481.tif 000014
【００８１】
時間の関数としての粒子サイズＲ（ｔ）は、粒子沈降と共に減少し、式（８）として導出される。
【００８２】
【数８】
2010069481.tif 000015
【００８３】
対応する粒子密度は、式（９）して推算される。
【００８４】
【数９】
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【００８５】
３２〜４５分の間隔時間において、実験的データとの適合性から抽出される粒子サイズ分布を、標準的なジャーテストでシード粒子注入を比較する２セットの繰り返し実験に関して図８に示す。「シード添加」の場合を「標準」と比較すると、より大きな粒子との凝集により「シード添加」の場合では、小粒子が少なくなることが分かる。「シード添加」の場合の２５μｍでの明確なピークは、混合終了時の粒子のサイズを示す。図８Ｂは、原水の粒状物質の大半がより大きな凝集体として捕捉されていることを強調するため、粒子体積を乗ずることにより重み付けされる。
【００８６】
本明細書で記述される実施形態では、少なくとも以下の利点がもたらされる。
【００８７】
フロック形成及び沈降用の溜まりが不要で、処理時間が大幅に低減されるインライン凝集、フロック形成、及び分離による水処理システムを提供できる。
【００８８】
フロック形成のための粒子凝集に関するシード添加及び加速をもたらす熟成フロックの注入。
【００８９】
必要に応じて、熟成フロックをオフラインで準備して、緩衝液タンク内に注入することが可能である。
【００９０】
必要に応じて、熟成フロックを緩衝液タンク内に注入するため下流から再循環させることが可能である。
【００９１】
シード粒子の回収が不要である。
【００９２】
シード回収のためのポンプ設備又は動力の追加を必要としない。
【００９３】
熟成フロックのために使用される凝集剤は、凝集剤使用量の５０％まで低減することにより相殺される。
【００９４】
シード添加は、凝集を加速させることを目的として、他の用途に関しても適切である。
【００９５】
上記及び他の特徴及び機能、又はそれらの代替物を望ましく組み合わせて他の多くの異なるシステム又は用途を実現可能であることが了解されよう。現時点で予見又は予期されない様々な代替、変更、変形又は改良も後に当業者により実施することができ、それらも特許請求の範囲に包含されるものと考えられる。
【符号の説明】
【００９６】
１０  流路、１１  入口、１４  出口、１６  第２出口、１８  管帯、１００  システム、１０２  投入原水、１０４  ２ｍｍ〜５ｍｍメッシュ、１０８  スパイラルミキサ、１１０  緩衝液タンク、１１２  スパイラル分離機、１１４  排水出力、１１６  濾過機構、１１８  第２出力管、１２０  フィードバックライン、１２２  タンク、２００  システム、１０２  投入ジャー、２０４  ポンプ、２０６  スパイラルミキサ、２０８  第２緩衝液タンク、２１２  スパイラル分離機、２１４  フロック回収ジャー、２１６  排水ジャー、３００  スパイラル装置、３０２  入口、３０４  スパイラル流路、３０６、３０８  出口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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