(57)【要約】【課題】湿式処理により泥水、より一般的には各種の懸濁水を効率的に処理して懸濁粒子を除去することができる懸濁水処理装置を提供する。【解決手段】懸濁水処理装置は、容器１１と、その中に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板１２、１３を有する沈降層と、その下方に設けられた粒子圧密装置１４、１５とを有する。粒子圧密装置１４、１５は、鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜１６が、それらのろ過膜１８が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有する。管路付きろ過膜１６のろ過膜１８は管路１９の側壁の一部を構成する。ろ過膜１８の間隔をＤ、ろ過膜１８により除去しようとする懸濁水中の粒子の半径をａとしたとき、Ｄが２ａ＜Ｄ≦２０ａまたは１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
上記容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤ、上記ろ過膜により除去しようとする懸濁水中の粒子の半径をａとしたとき、Ｄが２ａ＜Ｄ≦２０ａを満足するように選ばれている
ことを特徴とする懸濁水処理装置。
【請求項２】
上記管路付きろ過膜の管路は水平方向に対して角度γ（０度≦γ＜９０度）をなす方向に延在していることを特徴とする請求項１記載の懸濁水処理装置。
【請求項３】
上記管路付きろ過膜は波板の両主面にろ過膜が貼られた構造を有し、上記波板と上記ろ過膜との間の空間が管路を構成することを特徴とする請求項１または２項記載の懸濁水処理装置。
【請求項４】
上記複数の管路付きろ過膜は互いに平行にかつ等間隔で配列されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項５】
上記管路付きろ過膜の上記ろ過膜は疎水性素材からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項６】
上記ろ過膜は不織布または多孔質膜からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項７】
少なくとも一つの上記管路付きろ過膜を膜面に垂直な方向に振動させる振動装置を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項８】
懸濁水の処理時に上記管路付きろ過膜の上記ろ過膜を透過して上記管路に流れ込んだ水を上記管路を通して外部に排出する排出装置を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項９】
上記管路付きろ過膜の上記管路に外部から水を流し込んで逆洗を行うことが可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項１０】
上記沈降層の上記積層傾斜板の一方の側面に処理すべき懸濁水が流入するように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項１１】
上記積層傾斜板の上記一方の側面と上記容器の内壁との間に上記処理すべき懸濁水が当たるように設けられた仕切り板を有することを特徴とする請求項１０記載の懸濁水処理装置。
【請求項１２】
上記仕切り板と上記処理すべき懸濁水が流入する側の上記容器の内壁との間隔をｄ1 、上記仕切り板と上記容器の上記処理すべき懸濁水が流入する側と反対側の内壁との間隔をｄ2 としたとき、ｄ2 ／ｄ1 ≧１０を満足するように選ばれていることを特徴とする請求項１１記載の懸濁水処理装置。
【請求項１３】
上記沈降層は、少なくとも上下二段に設けられた二つの上記積層傾斜板を有し、下段の上記積層傾斜板を構成する上記板の傾斜方向と上段の上記積層傾斜板を構成する上記板の傾斜方向とが互いに異なることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項１４】
上記懸濁水は泥水または藻類を含む水であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の懸濁水処理装置。
【請求項１５】
互いに並列配置された分級装置および懸濁水処理装置を有し、
上記分級装置は、
第一の容器と、
上記第一の容器内に設けられた、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が供給され、上記混合粒子および上記洗浄水を攪拌して上記混合粒子および上記洗浄水が混合した固液混相流を生成するための攪拌層と、
上記攪拌層の上段に設けられた、上記攪拌層から供給される上記固液混相流を一様流にするための、波状スタティックミキサーからなる整流層と、
上記整流層の上段に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流が供給され、上記混合粒子を分級するための、水平方向に対して角度Ψ（０度＜Ψ＜９０度）傾斜した複数の管路を有する分級層とを有し、
上記懸濁水処理装置は、
第二の容器と、
上記第二の容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記第二の容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤ、上記ろ過膜により除去しようとする懸濁水中の粒子の半径をａとしたとき、Ｄが２ａ＜Ｄ≦２０ａを満足するように選ばれている
ことを特徴とする洗浄、分級および処理システム。
【請求項１６】
上記分級層は、水平方向に対して角度Ψ傾斜した複数の筒状の孔を有する構造体または水平方向に対して角度Ψ傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板からなる請求項１５記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項１７】
上記整流層と上記分級層との間に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流を層流にするための層流層をさらに有する請求項１５または１６記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項１８】
上記層流層は、鉛直方向の複数の筒状の孔を有する構造体からなる請求項１７記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項１９】
上記第一の容器と上記第二の容器とを互いに連結するように設けられた、水平方向または上記第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω（０度＜Ω≦１０度）傾斜した複数の管路を有する凝集促進層をさらに有し、
上記分級層を通過した上記固液混相流は上記凝集促進層の一端に供給され、他端から出て上記第二の容器に供給される請求項１５〜１８のいずれか一項記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項２０】
上記凝集促進層は、水平方向の複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層板、上記第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω（０度＜Ω≦１０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板、水平方向の複数の筒状の孔を有する構造体または上記第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω傾斜した複数の筒状の孔を有する構造体からなる請求項１９記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項２１】
上記凝集促進層は、上記凝集促進層の中心軸の方向の最頂部から両側に向かって下向きに水平方向に対して角度Φ（０度＜Φ＜９０度）傾斜した切妻屋根状の複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板または上記凝集促進層の中心軸の方向の最頂部から両側に向かって下向きに水平方向に対して角度Φ（０度＜Φ＜９０度）傾斜し、かつ上記第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω（０度＜Ω≦１０度）傾斜した切妻屋根状の複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板からなる請求項１９記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項２２】
上記凝集促進層の上記管路の底部の上記板上に、上記凝集促進層の中心軸と直交する方向に延在する、上記管路の高さの途中の高さの縦板が上記凝集促進層の中心軸の方向に周期的または非周期的に設けられている請求項２０または２１記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項２３】
上記分級層と上記沈降装置との間または上記分級層と上記凝集促進層との間に、波状スタティックミキサーからなる整流層をさらに有する請求項１５〜２２のいずれか一項記載の洗浄、分級および処理システム。
【請求項２４】
容器と、
上記容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする懸濁水処理装置。
【請求項２５】
互いに並列配置された分級装置および懸濁水処理装置を有し、
上記分級装置は、
第一の容器と、
上記第一の容器内に設けられた、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が供給され、上記混合粒子および上記洗浄水を攪拌して上記混合粒子および上記洗浄水が混合した固液混相流を生成するための攪拌層と、
上記攪拌層の上段に設けられた、上記攪拌層から供給される上記固液混相流を一様流にするための、波状スタティックミキサーからなる整流層と、
上記整流層の上段に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流が供給され、上記混合粒子を分級するための、水平方向に対して角度Ψ（０度＜Ψ＜９０度）傾斜した複数の管路を有する分級層とを有し、
上記懸濁水処理装置は、
第二の容器と、
上記第二の容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記第二の容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする洗浄、分級および処理システム。
【請求項２６】
容器と、
上記容器内に設けられた粒子圧密装置と、
上記容器内の上記粒子圧密装置の上方に、処理すべき懸濁水が当たるように設けられた仕切り板とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする懸濁水処理装置。
【請求項２７】
互いに並列配置された分級装置および懸濁水処理装置を有し、
上記分級装置は、
第一の容器と、
上記第一の容器内に設けられた、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が供給され、上記混合粒子および上記洗浄水を攪拌して上記混合粒子および上記洗浄水が混合した固液混相流を生成するための攪拌層と、
上記攪拌層の上段に設けられた、上記攪拌層から供給される上記固液混相流を一様流にするための、波状スタティックミキサーからなる整流層と、
上記整流層の上段に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流が供給され、上記混合粒子を分級するための、水平方向に対して角度Ψ（０度＜Ψ＜９０度）傾斜した複数の管路を有する分級層とを有し、
上記懸濁水処理装置は、
第二の容器と、
上記第二の容器内に設けられた粒子圧密装置と、
上記第二の容器内の上記粒子圧密装置の上方に、処理すべき懸濁水が当たるように設けられた仕切り板とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする洗浄、分級および処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、懸濁水処理装置ならびに洗浄、分級および処理システムに関し、例えば、泥水などの各種の懸濁水から懸濁粒子を除去する処理や土壌などの洗浄、分級および処理に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
東京電力福島第一原子力発電所の事故から３年が経過した。汚染状況重点調査地域および除染特別地域では、大量のはぎ取り土壌が発生している。これらの汚染土壌を減容化もしくは線量別に分別して中間貯蔵施設に保管する必要がある。汚染土壌の減容化技術としては、主に（Ａ）高温下でセシウムを昇華する方法、（Ｂ）酸により粘土からセシウムを溶脱する方法、（Ｃ）湿式洗浄により土壌から粘土を分離する方法がある。汚染土壌からほぼ完全な形でセシウムを除去するには、（Ａ）の方法が有効であるが、土壌を１３００℃に加熱する必要があり、費用を考えると現実的ではない。また、（Ｂ）の酸で洗浄する方法も、粘土鉱物の層状構造の奥に取り込まれたセシウムを取り出すには層状構造を高温の酸で破壊する必要があり容易ではない。最後の（Ｃ）の湿式洗浄で粘土を分離する方法は、粘土からセシウムを分離することはできないが、従来技術で対応可能である（辻野ら（２０１３、環境省除染技術探索サイト））。ただ、この技術は土壌を線量別に分離することと同じであり、また、土壌から粘土を分離した後も、残りの洗浄土には２０％程度の線量が残存する。
【０００３】
なお、所定粒度以下に分離した一次処理済み泥水内に気泡を混入することにより、一次処理済み泥水内粒子の比重分離を極力阻止しながら脱水処理し、メッシュアンダー下の泥水粒子も積極的に脱水、固化する泥水の固液分離方法およびそれを利用した泥水処理装置が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
一方、従来、土壌の分級は、一般に篩で行われている。しかしながら、篩による分級では、篩の目詰まりが生じたり、分級の閾値（分級可能な粒径下限値）が７５μｍに制約されてしまうといった欠点がある。また、土壌の湿式洗浄においては、土壌の分散に土壌と洗浄水との攪拌が必要であるため、同一槽内で攪拌と分級とを行うことは難しく、攪拌槽と分級槽とが必要になることから、洗浄および分級に必要な装置を小型化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２６３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のことから、除染によって放射能汚染物質を完全に取り除くことは困難であること、また、除染後も風雨によって再汚染されることを考慮した最適な泥水処理が望まれているが、これまではそのような泥水処理が可能な泥水処理装置は提案されていない。
【０００７】
一方、上述のように、篩を用いて土壌を分級する従来の分級装置あるいは土壌洗浄装置では、篩の目詰まりが生じたり、分級の閾値が７５μｍに制約されてしまったり、装置の小型化ができないといった問題があった。
【０００８】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、湿式処理により泥水、より一般的には各種の懸濁水を効率的に処理して懸濁粒子を除去することができる懸濁水処理装置を提供することである。
【０００９】
この発明が解決しようとする他の課題は、粒径分布を有する混合粒子の攪拌および分級を一つの容器内で行うことができることによりシステムの小型化を図ることができ、しかも分級の閾値を連続的に調整することができ、さらに分級後の懸濁水を効率的に処理して懸濁粒子を取り除くことができる洗浄、分級および処理システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明は、
容器と、
上記容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤ、上記ろ過膜により除去しようとする懸濁水中の粒子の半径をａとしたとき、Ｄが２ａ＜Ｄ≦２０ａを満足するように選ばれている
ことを特徴とする懸濁水処理装置である。
【００１１】
ここで、管路付きろ過膜とは、ろ過膜を透過した水を収容して輸送するための管路がろ過膜に一体的に設けられたものを意味する。ろ過膜は、懸濁水中の水は透過し、かつ懸濁水中の除去しようとする粒子は透過しないものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、材質や厚さなどは必要に応じて選ばれる。ろ過膜としては、具体的には、例えば、不織布、多孔質膜、ろ紙などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。不織布の原材料としては、アラミド繊維、ガラス繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維などが挙げられ、具体例を挙げると、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、レーヨン、ナイロン、アクリル、ビニロンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。多孔質膜の原材料としては、例えば、有機高分子などが挙げられるが、これに限定されるものではない。管路付きろ過膜が延在する面の鉛直方向に対する角度βは０度≦β≦１０度の範囲内で必要に応じて選ばれるが、ろ過しようとする粒子が互いに対向するろ過膜の間を通り抜ける間にろ過膜に捕捉される確率の向上を図る観点から、好適には０度≦β≦５度に選ばれ、より好適には０度≦β≦３度に選ばれ、さらに好適には０度≦β≦１度に選ばれ、典型的にはβ＝０度（鉛直方向）に選ばれる。管路付きろ過膜の管路は、一般的には、水平方向に対して角度γ（０度≦γ＜９０度）をなす方向に延在し、典型的には、ほぼ水平方向（γ≒０度）に延在する。管路付きろ過膜は、典型的な例では、波板の両主面にろ過膜が貼られた構造を有するが、波板の一方の主面だけにろ過膜が貼られた構造を有するものであってもよい。これらの場合、波板とろ過膜との間の空間が管路を構成する。複数の管路付きろ過膜は、典型的な例では、互いに平行にかつ等間隔で配列される。これらの複数の管路付きろ過膜のろ過膜の全表面積は、懸濁水中の粒子の圧密の効率の向上を図るためには、他に支障のない限り、可能な限り大きくすることが望ましい。互いに対向するろ過膜の間隔Ｄは２ａ＜Ｄ≦２０ａの範囲内で必要に応じて選ばれる。間隔Ｄの下限を２ａとしたのは、２ａ≧Ｄであれば、ろ過しようとする粒子が互いに対向するろ過膜の間に入り込めないためである。また、間隔Ｄの上限を２０ａとしたのは、間隔Ｄが大き過ぎると、ろ過しようとする粒子の大多数が互いに対向するろ過膜の間を素通りしてしまうことによりろ過膜に捕捉される確率が小さくなり過ぎて圧密の効果がほとんど得られないが、Ｄ≦２０ａ、言い換えるとＤが粒子の粒径（２ａ）の１０倍程度であれば一定の確率でろ過しようとする粒子をろ過膜で捕捉することができ、一定の圧密の効果を得ることができるためである。粒子をろ過膜でより効率的に捕捉することができるようにするためには、好適には２ａ＜Ｄ≦１０ａに選ばれ、より好適には２ａ＜Ｄ≦８ａに選ばれ、さらに好適には３ａ＜Ｄ≦６ａに選ばれるが、これに限定されるものではない。一方、別の観点から考えると、懸濁水の処理が進んでろ過膜の表面に粒子が付着することにより形成される粒子層、特に粘土層の厚さは、管路付きろ過膜の管路内を減圧して吸引により脱水する際の効率を考慮すると、およそ５ｍｍが限界であり、したがって間隔Ｄは、好適には１０ｍｍ以上に選ばれ、余裕を持たせる場合は１１ｍｍ以上に選ばれる。間隔Ｄをこのように選ぶことで、管路付きろ過膜の間の空間が粒子層で閉塞されるのを防止することができる。管路付きろ過膜のろ過膜は、付着した粒子層、例えば粘土層を剥離しやすくするために、好適には疎水性素材からなる。管路付きろ過膜のろ過膜の表面に圧密された粒子層は、そのまま放置しておくと、粒子層がバリアとなってろ過膜を水が透過しにくくなるので、好適には、定期的にあるいは不定期に粒子層の少なくとも一部を剥離除去するようにする。このために、懸濁水処理装置は、例えば、少なくとも一つ、好適には大多数、最も好適には全部の管路付きろ過膜を膜面に垂直な方向に振動させる振動装置を有する。振動装置により管路付きろ過膜を膜面に垂直な方向に振動させることでろ過膜の表面から粒子層の少なくとも一部を強制的に剥離除去することができる。管路付きろ過膜の管路およびろ過膜とも伸縮可能な材料で構成し、管路付きろ過膜を伸縮させることにより、ろ過膜の表面から粒子層の少なくとも一部を強制的に剥離除去するようにしてもよい。懸濁水処理装置は、好適には、懸濁水の処理時に管路付きろ過膜のろ過膜を透過して管路に流れ込んだ水をこの管路を通して外部に排出する排出装置を有する。排出装置は、管路付きろ過膜の管路の一端から水を吸引することができるように管路の一端を負圧に設定することができるように構成する。懸濁水処理装置は、必要に応じて、管路付きろ過膜の管路に外部から水を流し込んで逆洗を行うことが可能に、すなわち管路側からろ過膜に水を流し、ろ過膜を透過する水の圧力でろ過膜を洗浄することが可能に構成される。振動装置による管路付きろ過膜の振動あるいは管路付きろ過膜の伸縮とろ過膜の逆洗とを組み合わせることにより、ろ過膜の表面の粒子層を効果的に剥離除去することができ、取り分け、管路付きろ過膜の振動あるいは伸縮を行った後に逆洗を行うことにより最も効果的にろ過膜の表面の粒子層を剥離除去することができる。
【００１２】
懸濁水処理装置は、典型的には、沈降層の積層傾斜板の一方の側面に処理すべき懸濁水が流入するように構成される。この場合、好適には、積層傾斜板の上記の一方の側面と容器の内壁との間に処理すべき懸濁水が当たるように設けられた仕切り板が設けられる。このように仕切り板を設けることにより、この仕切り板の背後（懸濁水が流入する側と反対側）の懸濁水の濃度を小さく保つことができ、かつ、懸濁水をこの仕切り板に沿って容器底部に導入することができる。この仕切り板は、例えば、鉛直方向に対して角度θ（例えば、−２０度≦θ≦２０度、典型的には−１０度≦θ≦１０度、より典型的には−５度≦θ≦５度）をなす面内に設けられるが、これに限定されるものではない。また、この仕切り板と処理すべき懸濁水が流入する側の容器の内壁との間隔をｄ1 、この仕切り板と容器の、処理すべき懸濁水が流入する側と反対側の内壁との間隔をｄ2 としたとき、ｄ2 ／ｄ1 は、好適には、可能な範囲で大きく選ばれ、具体的には例えばｄ2 ／ｄ1 ≧１０を満足するように選ばれる。こうすることで、仕切り板の下方を通り、仕切り板の背後に回って上昇する上昇流の流速を十分に小さくすることができ、それによって積層傾斜板による粒子の沈降を効率的に行うことができる。好適には、沈降層は、少なくとも上下二段に設けられた二つの積層傾斜板を有する。これらの積層傾斜板を構成する板の傾斜方向は必要に応じて選ばれ、下段の積層傾斜板を構成する板の傾斜方向と上段の上記積層傾斜板を構成する板の傾斜方向とが互いに異なるようにしてもよいし、互いに同じでもよいが、前者のようにすると、積層傾斜板を通って懸濁水が上昇する際に循環流が強くならないようにすることができ、ひいては積層傾斜板による粒子の沈降を効率的に行うことができる。例えば、懸濁水が泥水である場合、積層傾斜板の高さは、積層傾斜板を構成する板の間の間隙における粘土フロックの沈降に伴う上昇流がフロックを巻き上げないようにするために、好適には３０ｃｍ以下に選ばれるが、これに限定されるものではない。
【００１３】
ろ過膜により除去しようとする懸濁水中の粒子の半径ａは、懸濁水中の粒子は必ずしも球形ではないため、一般的には粒子の平均半径を意味するものとする。平均半径は、いくつかの定義が考えられるが、一つの例を挙げると、粒子の最大径と最小径とから、平均半径＝［（最大径／２）＋（最小径／２）］／２と定義することができる。粒子は言うまでもなく立体的形状を有するが、粒子を三次元的に見たときの最大径と最小径とを求めることは簡単ではないので、粒子を撮影した写真あるいは画像から求められる二次元面内での粒子の最大径と最小径とを用いるのが簡便である。また、懸濁水中の粒子の半径は分布を有するのが一般的であるが、この場合、粒子の半径ａとしては懸濁水中の粒子の平均半径のうち最大のものを用いることができる。こうすることで、懸濁水中の粒子の全てを管路付きろ過膜のろ過膜に吸着する確率が高くなる。あるいは、懸濁水中の粒子は必ずしも球形ではなく、粒子の半径も分布を有するのが一般的であるため、粒子の体積に等しい体積を有する球の半径の度数分布の中央値を半径ａとすることも考えられる。この場合、ａより小さい半径を有する粒子もろ過膜に吸着した粒子の表面に付着して捕捉されると考えられる。
【００１４】
懸濁水は、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、泥水や藻類を含む水などである。懸濁水中の粒子は、放射性物質が吸着したものであることもある。
【００１５】
藻類は、酸素発生型光合成を行う生物のうち、主に地上に生息するコケ植物、シダ植物および種子植物を除いたものの総称であり、真性細菌であるシアノバクテリア（藍藻）から、真核生物で単細胞生物であるもの（珪藻、黄緑藻、渦鞭毛藻など）および多細胞生物であるもの（珪藻、黄緑藻、渦鞭毛藻など）などを含む。藻類の中でも微細藻類は、高等植物の１０倍以上の二酸化炭素（ＣＯ2 ）固定能力を有していることから、工場の煙道ガス中のＣＯ2 排出量を削減しながらバイオ燃料を生産することができるシステムの構築を可能にするものとして最近、注目を集めている。微細藻類は数千種あり、そのサイズは３μｍから３０μｍに及ぶ。微細藻類のうち最も注目を集めているものはボトリオコッカス（Botryococcus）属の藻類であり、取り分けボトリオコッカス・ブラウニー（Botryococcus braunii）である。これらの藻類は湖沼や池に豊富に生息するが、これらの藻類からバイオ燃料を生産する際のコスト削減には、燃料集約的な収穫および抽出プロセスの省エネ化が課題とされている。例えば、遠心分離器を使って水と藻類とを分離することは、遠心分離器を稼働させる際の電力消費を考慮すると、燃料の生産コストに見合わない方法である。さらに、泡末浮上分離も微細気泡の生成に動力を要するため、効率的な方法とは言えない。低コストで藻類を水から分離する方法として凝集沈澱法があるが、分離後の水を再利用することを考慮すると、藻類に悪影響を与える凝集剤を用いることはできない。このような状況の中で、この懸濁水処理装置は、低コストで水から藻類を分離することを可能にし、バイオ燃料の生産コストの大幅な低減を可能にするものである。
【００１６】
また、この発明は、
互いに並列配置された分級装置および懸濁水処理装置を有し、
上記分級装置は、
第一の容器と、
上記第一の容器内に設けられた、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が供給され、上記混合粒子および上記洗浄水を攪拌して上記混合粒子および上記洗浄水が混合した固液混相流を生成するための攪拌層と、
上記攪拌層の上段に設けられた、上記攪拌層から供給される上記固液混相流を一様流にするための、波状スタティックミキサーからなる整流層と、
上記整流層の上段に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流が供給され、上記混合粒子を分級するための、水平方向に対して角度Ψ（０度＜Ψ＜９０度）傾斜した複数の管路を有する分級層とを有し、
上記懸濁水処理装置は、
第二の容器と、
上記第二の容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記第二の容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤ、上記ろ過膜により除去しようとする懸濁水中の粒子の半径をａとしたとき、Ｄが２ａ＜Ｄ≦２０ａを満足するように選ばれている
ことを特徴とする洗浄、分級および処理システムである。
【００１７】
この洗浄、分級および処理システムの懸濁水処理装置については、上記の懸濁水処理装置の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１８】
分級装置の攪拌層には、洗浄および分級を行う、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が外部から供給され、これらの混合粒子および洗浄水の攪拌混合が行われる。攪拌層においては、攪拌用のポンプを設けて混合粒子および洗浄水を攪拌してもよいし、高圧ジェットによる水流の力で混合粒子を攪拌してもよいし、これらを併用してもよい。混合粒子の洗浄は主としてこの攪拌層における攪拌混合の過程で行われる。また、攪拌層においては、粒径分布を有する混合粒子のうちの分級により残された粒径が大きい粒子が底部に沈降して堆積するが、こうして堆積した粒子を攪拌層から第一の容器外に取り出し、回収するようにしてもよい。こうして回収した粒子は、再度洗浄を行うために、再び攪拌層に供給するようにしてもよい。
【００１９】
攪拌層から供給される固液混相流は上昇流となって波状スタティックミキサーからなる整流層に供給され、この整流層を通過する過程で固液混相流が繰返し混合されることで整流され、一様流に変換される。ここで、波状スタティックミキサーは、波状の板により構成されたスタティックミキサーである。混合粒子の洗浄はこの整流層における整流の過程でも行われる。
【００２０】
分級層は、典型的には、水平方向に対して角度Ψ傾斜した複数の筒状の孔を有する構造体または水平方向に対して角度Ψ傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板からなる。筒状の孔を有する構造体においては、筒状の孔が管路を構成する。筒状の孔の断面形状は、必要に応じて選ばれが、具体的には、例えば円、楕円、三角形、四角形、五角形、六角形などであり、これらの中でも、筒状の孔を最密充填配置で配列させることができる三角形、四角形または六角形が好適である。管路内の流速が小さい方が分級を容易に行うことができるため、好適には、筒状の孔と孔との間の隔壁の厚さは十分に小さくする。また、積層傾斜板においては、互いに隣接する板の間の空間が、断面形状が矩形の管路を構成する。この場合も、好適には、隔壁となる板の厚さは十分に小さくする。Ψおよびこれらの管路の長さは、分級の閾値、言い換えるとこれらの管路を通過させない粒子の粒径に応じて適宜選択される。分級層の管路の傾斜方向は特に限定されず、必要に応じて選択されるが、例えば、懸濁水処理装置側が高くなるように水平方向に対して角度Ψ傾斜したり、あるいは、懸濁水処理装置と反対側が高くなるように水平方向に対して角度Ψ傾斜したりする。
【００２１】
分級層に供給される固液混相流において粒子の乱流拡散が起きると分級の効率が低下することから、これを防止して分級層による分級を効率的に行うため、洗浄、分級および処理システムは、好適には、整流層と分級層との間に設けられた、整流層を通過した固液混相流を層流にするための層流層をさらに有する。この層流層は、典型的には、鉛直方向の複数の筒状の孔を有する構造体からなる。この構造体においては、筒状の孔が管路を構成する。また、この層流層により粒径が大きい粒子を取り除くことができるため、粒径が大きい粒子による分級層の管路の閉塞を防止することができる。
【００２２】
分級層を通過した固液混相流を分級層を通過する前の固液混相流と区別して懸濁水と言うものとする。分級層を通過した固液混相流、すなわち懸濁水には、混合粒子のうちの粒径が小さい粒子が残存しているが、分級装置の後段に設置された懸濁水処理装置の沈降層においてこれらの粒子を効率的に沈降させるためには、分級層を通過した懸濁水が沈降層に供給される前に可能な限りこれらの粒子の凝集を促進させて粒径を大きくすることが望ましい。そこで、洗浄、分級および処理システムは、好適には、第一の容器と第二の容器とを互いに連結するように設けられた凝集促進層をさらに有する。この凝集促進層は、水平方向または第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω（０度＜Ω≦１０度）傾斜した複数の管路を有する。この場合、分級層を通過した懸濁水は、この凝集促進層の一端に供給され、他方の側面から出て第二の容器に供給される。凝集促進層は、具体的には、例えば、水平方向の複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層板、第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω（０度＜Ω≦１０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板、水平方向の複数の筒状の孔を有する構造体または第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω傾斜した複数の筒状の孔を有する構造体からなる。あるいは、凝集促進層は、例えば、この凝集促進層の中心軸の方向の最頂部から両側に向かって下向きに水平方向に対して角度Φ（０度＜Φ＜９０度）傾斜した切妻屋根状の複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板または凝集促進層の中心軸の方向の最頂部から両側に向かって下向きに水平方向に対して角度Φ（０度＜Φ＜９０度）傾斜し、かつ第二の容器側が低くなるように水平方向に対して角度Ω（０度＜Ω≦１０度）傾斜した切妻屋根状の複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板からなる。必要に応じて、管路の底部の板上に、凝集促進層の中心軸と直交する方向に延在する、管路の高さの途中の高さの縦板を凝集促進層の中心軸の方向に周期的または非周期的に設けてもよく、こうすることで縦板と縦板との間の領域に粒子を捕獲することができ、粒子の沈降を促進し、ひいては凝集を促進することができる。
【００２３】
分級層を通過した懸濁水は、懸濁水処理装置に供給される時点では、必ずしも一様流となっていない。そこで、洗浄、分級および処理システムは、好適には、分級層と懸濁水処理装置との間、または、凝集促進層を設ける場合には分級層と凝集促進層との間に、波状スタティックミキサーからなる整流層をさらに有する。こうすることで、分級層から懸濁水処理装置に供給される固液混相流を一様流とすることができ、粒子の沈降を効率的に行うことができる。
【００２４】
粒径分布を有する混合粒子は、基本的にはどのようなものであってもよく、材質も問わないが、具体的には、例えば、土壌、土壌以外の各種材質の粒子からなる混合粒子、土壌と土壌以外の各種材質の粒子とからなる混合粒子などである。土壌以外の各種材質の粒子からなる混合粒子の一例を挙げると、粒径が小さいカーボン粒子とこのカーボン粒子より粒径が大きい石膏粒子とからなる混合粒子あるいはサイズの異なる藻類である。
【００２５】
また、この発明は、
容器と、
上記容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする懸濁水処理装置である。
【００２６】
この懸濁水処理装置の発明においては、その性質に反しない限り、冒頭に記載した懸濁水処理装置の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２７】
また、この発明は、
互いに並列配置された分級装置および懸濁水処理装置を有し、
上記分級装置は、
第一の容器と、
上記第一の容器内に設けられた、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が供給され、上記混合粒子および上記洗浄水を攪拌して上記混合粒子および上記洗浄水が混合した固液混相流を生成するための攪拌層と、
上記攪拌層の上段に設けられた、上記攪拌層から供給される上記固液混相流を一様流にするための、波状スタティックミキサーからなる整流層と、
上記整流層の上段に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流が供給され、上記混合粒子を分級するための、水平方向に対して角度Ψ（０度＜Ψ＜９０度）傾斜した複数の管路を有する分級層とを有し、
上記懸濁水処理装置は、
第二の容器と、
上記第二の容器内に設けられた、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜した複数の板が互いに間隔を空けて積層された積層傾斜板を有する沈降層と、
上記第二の容器内の上記沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする洗浄、分級および処理システムである。
【００２８】
この洗浄、分級および処理システムの発明においては、その性質に反しない限り、冒頭に記載した懸濁水処理装置ならびにこの懸濁水処理装置を用いた洗浄、分級および処理システムの各発明に関連して説明したことが成立する。
【００２９】
一方、上記の懸濁水処理装置の発明において、沈降層に設けられる積層傾斜板は、粒子圧密装置の上方に、処理すべき懸濁水が当たるように仕切り板を設ければ、必ずしも設けなくてもよい。
【００３０】
そこで、この発明は、
容器と、
上記容器内に設けられた粒子圧密装置と、
上記容器内の上記粒子圧密装置の上方に、処理すべき懸濁水が当たるように設けられた仕切り板とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする懸濁水処理装置である。
【００３１】
この懸濁水処理装置の発明においては、その性質に反しない限り、冒頭に記載した懸濁水処理装置の発明に関連して説明したことが成立する。なお、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍの代わりに、冒頭に記載した懸濁水処理装置の発明における２ａ＜Ｄ≦２０ａを用いてもよい。
【００３２】
また、この発明は、
互いに並列配置された分級装置および懸濁水処理装置を有し、
上記分級装置は、
第一の容器と、
上記第一の容器内に設けられた、粒径分布を有する混合粒子および洗浄水が供給され、上記混合粒子および上記洗浄水を攪拌して上記混合粒子および上記洗浄水が混合した固液混相流を生成するための攪拌層と、
上記攪拌層の上段に設けられた、上記攪拌層から供給される上記固液混相流を一様流にするための、波状スタティックミキサーからなる整流層と、
上記整流層の上段に設けられた、上記整流層を通過した上記固液混相流が供給され、上記混合粒子を分級するための、水平方向に対して角度Ψ（０度＜Ψ＜９０度）傾斜した複数の管路を有する分級層とを有し、
上記懸濁水処理装置は、
第二の容器と、
上記第二の容器内に設けられた粒子圧密装置と、
上記第二の容器内の上記粒子圧密装置の上方に、処理すべき懸濁水が当たるように設けられた仕切り板とを有し、
上記粒子圧密装置は、
鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす面内に延在する複数の管路付きろ過膜が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有し、
上記管路付きろ過膜のろ過膜は管路の側壁の一部を構成し、
上記ろ過膜の間隔をＤとしたとき、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍを満足するように選ばれている
ことを特徴とする洗浄、分級および処理システムである。
【００３３】
この洗浄、分級および処理システムの発明においては、その性質に反しない限り、冒頭に記載した懸濁水処理装置ならびにこの懸濁水処理装置を用いた洗浄、分級および処理システムの各発明に関連して説明したことが成立する。なお、１０ｍｍ≦Ｄ≦５０ｍｍの代わりに、冒頭に記載した懸濁水処理装置の発明における２ａ＜Ｄ≦２０ａを用いてもよい。
【００３４】
上記の懸濁水処理装置ならびに洗浄、分級および処理システムは、例えば、浄水製造装置として用いることもできる。すなわち、泥水などの懸濁水を上記の懸濁水処理装置または洗浄、分級および処理システムで処理することにより、懸濁水中の粒子を除去することができるため、粒子が除去された水を得ることができ、必要に応じて浄水を得るための従来公知の方法を用いてさらに浄化することにより、浄水を得ることができる。
【発明の効果】
【００３５】
この発明によれば、湿式処理により泥水、より一般的には各種の懸濁水を効率的に処理して懸濁粒子を除去することができる懸濁水処理装置を提供することができる。また、粒径分布を有する混合粒子の攪拌および分級を一つの容器内で行うことができることによりシステムの小型化を図ることができ、しかも分級の閾値を連続的に調整することができ、さらに分級後の懸濁水を効率的に処理して懸濁粒子を取り除くことができる洗浄、分級および処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置を示す略線図である。
【図２】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の沈降層を構成する積層傾斜板を示す断面図である。
【図３】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の粒子圧密装置を示す斜視図である。
【図４】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の粒子圧密装置を構成する管路付きろ過膜を説明するための斜視図および断面図である。
【図５】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の粒子圧密装置と容器の内壁との結合部の構成を示す断面図である。
【図６】試験管に入れられたカオリン水溶液に凝集剤としてＰＡＣを添加することにより生成されたフロックの一例を示す図面代用写真である。
【図７】容器内をフロックが沈降していくときの経時変化を示す図面代用写真である。
【図８】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて実際にフロックの圧密を行った結果を示す図面代用写真である。
【図９】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機において積層傾斜板を取り外してフロックの圧密を行った結果を示す図面代用写真である。
【図１０】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いてフロックの圧密を行った後の粒子圧密装置を示す図面代用写真である。
【図１１】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いてフロックの圧密を行った後のろ過膜の様子、水で逆洗した後のろ過膜の様子およびバイブレーターで加振を行った後のろ過膜の様子を示す図面代用写真である。
【図１２】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いてフロックの圧密を行った後のろ過膜の様子、バイブレーターによる加振後のろ過膜の様子および加振後に水で逆洗した後のろ過膜の様子を示す図面代用写真である。
【図１３】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の粒子圧密装置の具体的な構成例を示す側面図および断面図である。
【図１４】水中の粘土層を伝搬する横波の波長と加振振動数との関係を粘土層の厚さを変えて求めた結果を示す略線図である。
【図１５】振動によりろ過膜の表面の粘土層を剥離除去する方法を説明するための略線図である。
【図１６】この発明の第一の実施の形態による懸濁水処理装置の粒子圧密装置を構成する管路付きろ過膜を伸縮可能に構成し、管路付きろ過膜を伸縮することによりろ過膜の表面の粘土層を剥離除去する方法を説明するための略線図である。
【図１７】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す断面図である。
【図１８】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す斜視図である。
【図１９】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の整流層を構成する波状スタティックミキサーの構成を説明するための略線図である。
【図２０】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の層流層の構成を説明するための略線図である。
【図２１】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の構成を説明するための略線図である。
【図２２】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の構成を説明するための略線図である。
【図２３】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の原理を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の原理を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の原理を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の原理を説明するための略線図である。
【図２７】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の原理を説明するための略線図である。
【図２８】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の分級層の原理を説明するための略線図である。
【図２９】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの具体的な第一の構成例を示す斜視図である。
【図３０】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの具体的な第二の構成例を示す斜視図である。
【図３１】図３０に示す洗浄、分級および処理システムの攪拌層への土壌および水の供給方法を説明するための一部拡大図である。
【図３２】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの具体的な第三の構成例を示す斜視図である。
【図３３】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの分級装置の各層の機能を検証するために行った実験で用いた分級装置を示す図面代用写真である。
【図３４】図３３に示す分級装置の特定位置における固液混相流の外観を示す図面代用写真である。
【図３５】図３３に示す分級装置の分級層の下側を流れる細粒砂プルームを示す図面代用写真である。
【図３６】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機を示す図面代用写真である。
【図３７】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機ならびに図３６に示す試作機において沈降装置を用いないものの各測点におけるＳＳの測定結果を示す略線図である。
【図３８】図３６の測点１、２におけるＳＳの測定結果を示す略線図である。
【図３９】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機を用いて土壌の洗浄および分級を行ったときの原土壌の粒径分布、分級装置における粒径分布および沈降装置における粒径分布の測定結果を示す略線図である。
【図４０】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機を用いて放射能汚染土壌の洗浄および分級を行う原土壌の粒径分布および分級後の土壌の粒径分布を示す略線図である。
【図４１】この発明の第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機を用いて放射能汚染土壌の洗浄および分級を行ったときの分級装置の各層における固液混相流の外観を示す略線図である。
【図４２】この発明の第三の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す断面図である。
【図４３】この発明の第四の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す断面図である。
【図４４】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す断面図である。
【図４５】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおける凝集促進層の具体的な第一の構成例を示す断面図である。
【図４６】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおける凝集促進層の具体的な第二の構成例を示す断面図である。
【図４７】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおける凝集促進層の具体的な第三の構成例を示す平面図、断面図および一部拡大図である。
【図４８】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの具体的な第四の構成例を示す斜視図である。
【図４９】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの具体的な第五の構成例を示す斜視図である。
【図５０】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムの具体的な第六の構成例を示す斜視図である。
【図５１】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機の構成を示す斜視図である。
【図５２】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機における凝集促進層の構成を示す断面図である。
【図５３】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機における凝集促進層の他の構成を示す断面図である。
【図５４】この発明の第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて粒子圧密装置を省略した試作機により洗浄および分級を行った後の測点１、２におけるＳＳの測定結果を示す略線図である。
【図５５】この発明の第六の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す断面図である。
【図５６】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置を示す略線図である。
【図５７】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置において用いられる仕切り板の役割を説明するための略線図である。
【図５８】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置において用いられる仕切り板の設置位置を説明するための略線図である。
【図５９】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置において用いられる積層傾斜板の傾斜板間の流れを説明するための略線図である。
【図６０】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を示す図面代用写真である。
【図６１】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す図面代用写真である。
【図６２】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す図面代用写真である。
【図６３】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す図面代用写真である。
【図６４】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す図面代用写真である。
【図６５】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す略線図である。
【図６６】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す略線図である。
【図６７】この発明の第七の実施の形態による懸濁水処理装置の試作機を用いて行った実験の結果を示す略線図である。
【図６８】この発明の第八の実施の形態による懸濁水処理装置の要部を示す略線図である。
【図６９】この発明の第八の実施の形態による懸濁水処理装置の要部を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」という。）について図面を参照しながら説明する。
【００３８】
〈第一の実施の形態〉
［懸濁水処理装置］
図１に第一の実施の形態による懸濁水処理装置を示す。
図１に示すように、懸濁水処理装置１は、上部が開口した容器１１と、容器１１の内部に上下二段設けられた積層傾斜板１２、１３からなる沈降層と、容器１１の内部の沈降層の下方に上下二段設けられた粒子圧密装置１４、１５とを有する。容器１１の形状は必要に応じて選ばれ、図１に示す容器１１の形状は一例に過ぎない。また、容器１１の内部に設ける積層傾斜板および粒子圧密装置の段数は特に限定されず、一段あるいは三段以上設けてもよい。
【００３９】
積層傾斜板１２、１３を構成する傾斜板は、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜している。これらの容器１１および積層傾斜板１２、１３の大きさは特に限定されず、必要に応じて選択される。積層傾斜板１２、１３の大きさは必要に応じて選ばれるが、一例を挙げると、高さは２０〜４０ｃｍ、好適には２０〜３０ｃｍ、幅および奥行は１５〜３５ｃｍである。積層傾斜板１２と積層傾斜板１３との間には隙間を設けてもよいし、設けなくてもよい。積層傾斜板１２、１３は、互いに間隔を空けて積層された複数の傾斜板からなる。積層傾斜板１２、１３を構成する傾斜板の傾斜方向は必要に応じて選ばれ、積層傾斜板１２と積層傾斜板１３との傾斜板の傾斜方向が互いに異なるようにしてもよいし、互いに同じでもよいが、ここでは、積層傾斜板１２の傾斜板は図１の手前側が高くなるように傾斜し、積層傾斜板１３の傾斜板は図１の手前側が低くなるように傾斜している。こうすることで、積層傾斜板１２、１３の傾斜板に沿って滑り落ちる粒子が容器１１の一方の壁面に偏らないようにすることができる。処理を行う懸濁水は、上段の積層傾斜板１３の一方の側面からその内部に入るようになっている。図２ＡおよびＢは積層傾斜板１２、１３の正面図および側面図である。図２ＡおよびＢに示すように、積層傾斜板１２を構成する傾斜板１２ａおよび積層傾斜板１３を構成する傾斜板１３ａは、水平方向に対して角度α（０度＜α＜９０度）傾斜している。αは、好適には５０〜７０度、より好適には５５〜６５度、例えば約６０度に選ばれる。処理を行う懸濁水は、最初に、上段の積層傾斜板１３の傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間１３ｂを傾斜板１３ａに沿って流れ、続いて下段の積層傾斜板１２の傾斜板１２ａと傾斜板１２ａとの間の隙間１２ｂを傾斜板１２ａに沿って流れ、その過程で傾斜板１３ａ、１２ａ上に粒子が沈降して堆積し、傾斜板１３ａ、１２ａを滑り落ちて最終的に積層傾斜板１２から出て行く。必要に応じて、積層傾斜板１２、１３を構成する傾斜板１２ａ、１３ａの少なくとも一つの少なくとも一部、例えば傾斜板１２ａ、１３ａの表面を磁石で構成してもよい。このように傾斜板１２ａ、１３ａの少なくとも一部を磁石で構成することにより、粒子が常磁性を示す場合、この粒子は磁石による磁界により磁化するため、粒子は磁力により傾斜板１２ａ、１３ａに引き付けられる。このため、粒子は傾斜板１２ａ、１３ａに沈降しやすくなる。こうして傾斜板１２ａ、１３ａに沈降した粒子は凝集し、傾斜板１２ａ、１３ａを滑り落ちる。この手法は、例えば、放射能汚染土壌に含まれるセシウムイオンを含む粘土は常磁性を示すことが知られており、このような粘土を除去するときに有効である。特に、最初に固液混相流が流入する上段の積層傾斜板１３の傾斜板１３ａ、取り分け上部の傾斜板１３ａを磁石で構成することが望ましい。積層傾斜板１２を通過した粒子は粒子圧密装置１５、１４を順次通り、圧密される。粒子圧密装置１４、１５で圧密された粒子は、最終的に、粒子圧密装置１４の下方に沈降し、容器１１の底部に設けられた排出口１１ａから外部に取り出す。
【００４０】
粒子圧密装置１４、１５は同様に構成されているので、以下においては粒子圧密装置１４についてのみ説明する。図３は粒子圧密装置１４を示す。図３に示すように、粒子圧密装置１４は、鉛直方向に対して角度β（０度≦β≦１０度）をなす長方形の形状を有する複数の管路付きろ過膜１６が、それらのろ過膜が互いに対向するように互いに間隔を空けて水平方向に配列されたものを有する。この管路付きろ過膜１６の集合体は、全体として直方体の形状を有する。これらの管路付きろ過膜１６は、最も好適には、β＝０度、すなわち鉛直方向に延在する。また、これらの管路付きろ過膜１６は、典型的には、互いに平行にかつ等間隔で配列される。
【００４１】
管路付きろ過膜１６は、図４Ａに示すような矩形波状の凹凸形状を有する長方形の波板１７の両主面に、図４Ｂに示すようにろ過膜１８が平坦に貼られたものであり、この例では、ろ過膜１８が波板１７の全体を包むように貼られている。管路付きろ過膜１６のろ過膜１８としては、例えば、不織布、多孔質膜、ろ紙などが用いられ、必要に応じて選ばれる。波板１７の凹部あるいは凸部の延在する方向は粒子圧密装置１４の長手方向に平行であり、この例では水平方向である。図４Ｃに示すように、波板１７とろ過膜１８との間の空間が管路１９を構成する。管路１９は管路付きろ過膜１６の長手方向の一端から他端にわたって延在している。管路付きろ過膜１６は、必要に応じて、その膜面に垂直な方向に振動させることができるように構成される。具体的には、例えば、管路付きろ過膜１６の一端にバイブレーター（振動装置）が取り付けられる。
【００４２】
粒子圧密装置１４の長手方向の両端にはそれぞれ平板２０、２１が互いに平行に取り付けられている。平板２０には縦長の長方形の孔が互いに平行に設けられており、この孔に管路付きろ過膜１６の一端が嵌め込まれていて管路１９の一端が平板２０の外部に露出している。平板２０の外面には、平板２０の外部に露出した管路付きろ過膜１６を取り巻くようにＯ−リング２２が長方形の形状に取り付けられている。Ｏ−リング２２は平板２０の外面に形成された溝に埋め込まれており、この溝に位置決めされている。管路付きろ過膜１６の他端は平板２１と密着しており、管路１９の他端はこの平板２１により塞がれている。
【００４３】
粒子圧密装置１４、１５の一端に設けられた平板２０は容器１１の内壁に固定されている。平板２０が容器１１の内壁に固定された部分の詳細を図５に示す。図５に示すように、平板２０の外面に設けられたＯ−リング２２が容器１１の内壁に押し付けられることにより容器１１の内壁とＯ−リング２２と平板２０とにより囲まれた空間２３が容器１１の内部の空間と分離されている。容器１１の側壁にはこの空間２３と連通するように孔１１ａが設けられており、この孔１１ａに配管２４が接続されている。
【００４４】
図１に示すように、配管２４は貯水タンク２５に接続されている。貯水タンク２５は配管を介して真空ポンプ２６と接続されており、この真空ポンプ２６により貯水タンク２５の内部、従って配管２４を介して貯水タンク２５と接続されている容器１１の内壁とＯ−リング２２と平板２０とにより囲まれた空間２３を減圧して負圧に設定することができるようになっている。このため、粒子圧密装置１４、１５の管路付きろ過膜１８の管路１９の内部を負圧にすることができ、この管路１９を通して水を平板２０に向かって吸引することができる。これによって、管路１９内に平板２０に向かう方向の水流を作ることができ、管路１９の一端から空間２３および配管２４を介して貯水タンク２５内に水を排出し、水２７を貯めるようになっている。真空ポンプ２６は必ずしも常時運転する必要はなく、貯水タンク２５の内部の圧力が一定以下になった時点で運転を停止してもよい。貯水タンク２５の下部には配管２８が接続されており、この配管２８の途中にポンプ２９が接続されている。貯水タンク２５内に溜まった水２７はこのポンプ２９により配管２９を通して、容器１１の上部の側壁に設けられた受液槽３０に送出されるようになっており、これによって懸濁水処理装置全体を水が循環するようになっている。
【００４５】
［懸濁水処理装置の動作方法］
次に、上述のように構成されたこの懸濁水処理装置の動作方法について説明する。
【００４６】
まず、図１に示すように、容器１１内には上段の積層傾斜板１３が水没する深さまで水が入っているものとする。粒子を除去する処理を行う懸濁水を容器１１の上部から上段の積層傾斜板１３の一方の側面に供給する。具体的には、懸濁水を、傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間１３ｂに、傾斜板１３ａの傾斜方向と直交する方向から供給する。処理を行う懸濁水が泥水である場合には、あらかじめ凝集剤を添加してフロック（粒子が凝集したもので、内部に不動水を持ち、有効密度は水に近い）を生成しておく。この場合、処理の対象は、フロックを含む懸濁水である。上述のように傾斜板１３ａの傾斜方向と直交する方向から積層傾斜板１３の側面に懸濁水が供給されることにより、積層傾斜板１３が流れを阻害せず、乱れも小さくなる。こうして積層傾斜板１３の傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間１３ａに供給された懸濁水は傾斜板１３ａに沿って流れ、その過程で懸濁水中の粒子が傾斜板１３ａ上に沈降堆積し、最終的に積層傾斜板１３の下部から落下する。積層傾斜板１３の下部から出て行く懸濁水は、下段の積層傾斜板１２の傾斜板１２ａと傾斜板１２ａとの間の隙間１２ｂに入り、傾斜板１２ａに沿って流れ、その過程で懸濁水中の粒子が傾斜板１２ａ上に沈降堆積し、最終的に積層傾斜板１２の下部から落下する。こうして積層傾斜板１２の下部から落下した粒子は上段の粒子圧密装置１５の管路付きろ過膜１６の間に入り、徐々に沈降していく。この際、既に述べたように、管路付きろ過膜１６の管路１９は負圧になっているため、図４Ｃに示すように、ろ過膜１８を通って水が管路１９内に吸引される。管路１９内に吸引された水は管路１９内を平板２０に向かって流れて空間２３（図５参照。）に入り、さらに配管２４を通って貯水タンク２５に放出される。管路付きろ過膜１６の間の水中を落下する粒子のうち、ろ過膜１８に接触したものはろ過膜１８に付着する。この際、懸濁水がろ過膜１８側に吸引されることから、ろ過膜１８への粒子の付着が促進される。こうして粒子がろ過膜１８に付着すると、時間の経過とともに粒子が堆積して粒子層が形成され、その厚さが次第に増加する。上段の粒子圧密装置１５の管路付きろ過膜１６のろ過膜１８に付着しないで素通りした粒子は、下段の粒子圧密装置１４の管路付きろ過膜１６の間に入り、その一部がろ過膜１８に付着し、上述と同様にろ過膜１８に粒子層が形成される。こうしてろ過膜１８に粒子層が形成されることにより、粒子が圧密される。粒子の圧密がある程度行われた時点で、粒子圧密装置１４、１５の管路付きろ過膜１６の管路１９に上記の水の吸引方向と逆方向に水を流し（逆洗）、管路１９に面したろ過膜１８に裏側から圧力を掛けることにより、ろ過膜１８の表面に形成された粒子層の一部または全部を剥離除去し、容器１１の底部の排出口１１ａから外部に取り出す。また、必要に応じて、図３の矢印で示すように、バイブレーターにより平板２１側の管路付きろ過膜１６を膜面に垂直方向に例えば数百Ｈｚで加振することにより、ろ過膜１８に形成された粒子層をろ過膜１８から剥離除去する。
【００４７】
以上により、懸濁水中の粒子が除去され、目的とする懸濁水の処理が行われる。この処理は、必要に応じて、複数回、繰り返し行ってもよい。
【００４８】
図１に、懸濁水が、所定の分級を行った後の泥水である場合について、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【００４９】
［懸濁水処理装置による懸濁水処理実験］
次に、この懸濁水処理装置の試作機を用いて泥水処理実験を行った結果について説明する。
【００５０】
積層傾斜板１２、１３の高さは２０ｃｍ、幅および奥行は１５ｃｍ、傾斜板１２ａ、１３ａの間隔は２ｃｍ、傾斜板１２ａ、１３ａの傾斜角αは６０度である。また、粒子圧密装置１４、１５の管路付きろ過膜１６の高さは１００ｍｍ、幅は２００ｍｍであり、この管路付きろ過膜１６が７枚、水平方向に互いに平行に配列されていて管路付きろ過膜１６の間隔Ｄは約２０ｍｍである。平板２０、２１の大きさは高さ１５０ｍｍ、幅３００ｍｍである。管路付きろ過膜１６のろ過膜１８としてはポリプロピレン製の不織布を用いた。管路付きろ過膜１６の波板１７としては、矩形波状の断面形状を有する１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形のポリカーボネート製波板（全体の厚さは約３ｍｍ、波のピッチは約３ｍｍ、板の厚さは０．５ｍｍ）を用いた。
【００５１】
フロックの沈降および圧密について基礎的な実験を行った。処理を行う泥水としては、分級槽を通して分離された泥水を用いた。この泥水に凝集剤としてポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）を添加し、フロックを生成した。図６Ａに、フロックの一例として、試験管に入れたカオリン水溶液にＰＡＣを添加して生成したフロックの写真を示す。図６Ｂは、図６Ａの一部を拡大した写真である。カオリン水溶液中のカオリナイトの粒径は数μｍである。図６ＡおよびＢに示すように、フロック同士が接触してネットワーク構造を形成し、フロックが沈降するにしたがってネットワーク構造が変形しながら圧密が行われる。図６ＡおよびＢより、フロックは不定形の形状を有するものの、平均半径は概ね数ｍｍ程度であることが分かる。
【００５２】
図７ＡおよびＢは、幅４０ｃｍ、奥行２０ｃｍのタンクにおいてカオリン水溶液にＰＡＣを添加して生成したフロックの沈降実験を行った結果を示し、フロックが生成されてから次第に沈降していく様子を３０秒間隔で撮影した写真である。図７Ａの左から右に、続いて図７Ｂの左から右に３０秒ずつ経過している。カオリンの体積比は０．０１程度である。図７ＡおよびＢより、フロックの表層はほぼ一定速度で沈降しているため、この領域は沈降ゾーンに分類される。沈降速度が一定であり、フロックはゲル化せずに沈降していると考えられる。沈降速度はほぼ一定であるため、ネットワーク構造の変形抵抗は無視できると考えられる。
【００５３】
図１に示す懸濁水処理装置の試作機に流量２０Ｌ／ｍｉｎで水を循環させ、３０秒毎に５０ｇのカオリンを投入し、泥水の流入流出および沈降実験を行った。その結果を図８に示す。図８では、左から容器内にフロックが流入し、右上から処理水が流出する。積層傾斜板の傾斜板によりフロックが分離され、容器内の粒子圧密装置を設置した層にネットワーク構造を有するフロックが堆積していることが分かる。比較のために、積層傾斜板を設置しないで同様な実験を行ったときに容器の上部を撮影した写真を図９に示す。図９を図図８と比べると、積層傾斜板によるフロックの沈降効果が著しいことが分かる。積層傾斜板の各傾斜板は、フロックが沈降しやすいように流れを整流するとともに、フロックの沈降および成長を促進する。したがって、粒子圧密装置は、積層傾斜板の直下に設置することで、沈降フロックを吸着しやすくなることが分かる。
【００５４】
図１０Ａは粒子圧密装置の吸引部を示す写真である。図１０ＢおよびＣは、フロックの圧密実験を行った後の粒子圧密装置をそれぞれ斜め方向および上方から撮影した写真である。図１０ＢおよびＣより、不織布からなるろ過膜１８の表面に粘土が付着しているのが分かる。ろ過膜１８の表面に付着した粘土層の厚さは数ｍｍであり、厚くなるにつれて透水性が低下する。そこで、管路付きろ過膜１６の管路１９に平板２０側から水を流して逆洗を行うことにより、この粘土層をろ過膜１８の表面から剥離除去する。ここで、管路付きろ過膜１６の管路１９の吸引圧力（サクション圧）は、例えば、ゲージ圧で−８０ｋＰａ程度である。
【００５５】
泥水中の固体成分の減容化の度合いを見るために、容器１１内に堆積したフロックおよびろ過膜１８に付着した粘土の含水比を測定した。測定結果を表１に示す。表１より、含水比は、自由落下で自重のみの圧縮では７００％程度と大きいが、粒子圧密装置による圧密では１００％程度まで低下していることが分かる。
【００５６】
【表１】
2015199056.tif 000003
【００５７】
以上のことから、粒子圧密装置１４、１５による減容化は泥水処理の効率を上げる上で有効であることが分かる。
【００５８】
次に、圧密粘土の剥離および沈降について説明する。粒子圧密装置１４、１５の性能を維持するためには、粒子圧密装置１４、１５の管路付きろ過膜１６のろ過膜１８の表面に付着した圧密粘土を定期的あるいは不定期に剥離除去する必要がある。この剥離が有効でないと、ろ過膜１８による泥水のサクション（吸引）量が減り、フロックの圧密処理量が低減するため、この懸濁水処理装置を連続的に稼働させることができない。
【００５９】
図１１Ａは、ろ過膜１８を構成する不織布の表面にサクションにより粘土層が付着した様子を示す写真、図１１Ｂは、表面に粘土層が付着した不織布を逆洗した後の様子を示す写真である。この不織布表面の粘土層は、逆洗のみでは、亀裂やホール（孔）が生じ、局部的に除去されるのみであり、再びサクションを掛けると、直ぐにフロックで塞がってしまう。そこで、管路付きろ過膜１６の一端にバイブレーターを固定し、数百Ｈｚで管路付きろ過膜１６の膜面に垂直方向に加振した。図１１Ｃは、加振後の管路付きろ過膜１６の不織布の表面を示す写真である。図１１Ｃより、加振によって、サクションにより不織布表面に付着していた粘土層が不織布表面から浮き上がることが分かった。
【００６０】
図１２Ａは、ろ過膜１８を構成する不織布の表面にサクションにより粘土層が付着した様子を示す写真、図１２Ｂは、数百Ｈｚでの加振後の不織布表面の様子を示す写真、図１２Ｃは、加振後に逆洗を行ったときの不織布表面の様子を示す写真、図１２Ｄは、加振後に逆洗を行ったときの不織布表面を膜面にほぼ平行な方向から撮影した写真である。図１２Ｄには、管路付きろ過膜の一端側に設置されたバイブレーターが示されている。図１２ＣおよびＤより、加振によって不織布と粘土層との間に隙間が生じ、逆洗で粘土層が剥離し落下したことにより、不織布表面の粘土層のかなりの部分が剥離除去されていることが分かる。すなわち、加振後に逆洗を行うことにより、逆洗の効果が著しく現れることが分かる。
【００６１】
図１３は、泥水処理を行う場合に用いて好適な粒子圧密装置の一例を示す。管路付きろ過膜１６は、間隔を狭くして多数配置し、ろ過膜１８の全表面積が大きくなるようにすることが好ましい。この例では、管路付きろ過膜１６の高さは９８ｍｍ、厚さは３ｍｍ、ピッチは１０ｍｍ、個数は１６、互いに対向するろ過膜１８の間隔は７ｍｍである。管路付きろ過膜１６の両端の平板２０、２１は幅が２００ｍｍ、高さが１４０ｍｍである。
【００６２】
ここで、ろ過膜１８の設計方法について説明する。容器１１内に設置する粒子圧密装置１４、１５のろ過膜１８の全表面積ＳT は、ろ過膜１８を通過する水の流速をＵS とおくと、ＵS ＳT がＱ／ｎ（ただし、Ｑは泥水の処理流量、ｎは積層傾斜板通過後の泥水の濃縮割合）に等しくなるように選ぶ必要がある。すなわち、ＳT ＝Ｑ／（ｎＵS ）となる。ＵS はろ過膜１８に粘土が付着すると低下し、粘土層の厚さおよび含水比に依存する。１／ｎは、泥水に凝集剤を加えることで生成したフロックが積層傾斜板の傾斜板で沈降した後のネットワーク構造を有するフロックの初期泥水に対する比率である。例えば、懸濁物質（浮遊物質）（ＳＳ（suspended solid)) の量、すなわちＳＳ量が１００００の泥水にＰＡＣを添加し（含水比は９９０／１０×１００％）、沈降したフロックの含水比が７００％のとき、ｎ＝９９０／７０となる。一方、粘土が付着したろ過膜１８の浸透流速は、
【数１】
2015199056.tif 000004
となる。式（１）の右辺のΔｈ／Δｘは動水勾配であり、Δｘは距離、Δｈは水頭差である。粘土の透水係数は、含水比にも依存するがｋ〜１０-7ｃｍ／ｓとし、Δｈ〜１０ｍ、Δｘ〜２ｍｍとすると、ＵS 〜１０-3ｃｍ／ｓ程度である。また、本実験の処理流量をＱ＝２０Ｌ／ｍｉｎとすると、ＳT 〜１．５×１．５ｍ2 となる。以上のことから、沈降フロックを全て圧密するためには、ろ過膜１８の全表面積をかなり大きくする必要があることが分かる。
【００６３】
また、管路付きろ過膜１６のろ過膜１８の間隔Ｄは、既に述べたように２ａ＜Ｄ≦２０ａを満足するように選ばれるが、この範囲内で、フロックが管路付きろ過膜１６の間を通過する間にトラップされる条件から決定する。まず、フロックの半径（平均半径）をａ、密度をρS とすると、単一フロックの沈降速度は、ストークス則を使って、
【数２】
2015199056.tif 000005
となる。フロックは、径が大きいが密度は小さく、また、これらを求めることは難しいため、沈降速度ＵV は実験から数ｃｍ／ｓ程度であるとする。したがって、一般にＵV ≫ＵS であるから、鉛直配置のろ過膜１８では、フロックを引き付けることはできない。すなわち、ろ過膜１８は、極近傍を落下するフロックのみをトラップすることになる。したがって、フロックがろ過膜１８の表面に接触する機会を増やすためには、管路付きろ過膜１６の間隔、したがって互いに対向するろ過膜１８の間隔Ｄは狭い程良い。例えば、互いに対向するろ過膜１８の間隔Ｄがフロックの半径ａの数倍程度であれば、沈降するフロックがろ過膜１８の表面に接触することにより沈降速度が遅くなり、トラップされやすいと考えられる。
【００６４】
ろ過膜１８の加振振動数および粘土層の剥がれについて考察する。ろ過膜１８を加振すると、ろ過膜１８の表面に付着した粘土層とろ過膜１８とが振動するが、粘土層の固有振動数とろ過膜１８の固有振動数とが互いに異なるため、ろ過膜１８からの粘土の剥離が生じると考えられる。
【００６５】
まず、ろ過膜１８の固有振動数を大まかに見積もる。ろ過膜１８の単位幅当たりの張力をＴ、単位面積当たりの密度をρとすると、ろ過膜１８上の変位の伝播速度ｃは、
【数３】
2015199056.tif 000006
となる。したがって、基本振動数ｆは次式となる。
【数４】
2015199056.tif 000007
ここで、ｌ（筆記体のエル）は波板１７の両面のろ過膜１８の間隔である。仮に波速ｃをｘ（ｍ／ｓ）とすると、ｌ＝ｙ（ｍｍ）でｆ＝５００ｘ／ｙ（Ｈｚ）となる。ろ過膜１８として不織布を用いるとすると、特に、伸長せずに接着した不織布の場合は張力が小さいため、波速ｃは非常に小さくなり、不織布を伝播する波速ｃはメートル毎秒のオーダー以下であると考えられる。図１３に示す粒子圧密装置の場合、ｌ＝３ｍｍであり、不織布の固有振動数は１００〜１０００Ｈｚのオーダーとなる。管路付きろ過膜１６の作製の際に不織布の張力が０に近いとすれば、固有振動数はさらに低下する。
【００６６】
次に、粘土層の固有振動数を求める。粘土層を伝わる波動には、Ｐ波（縦波）とＳ波（横波）とがあり、これらの波の速度は粘土の含水比などに依存する。以下では、平均的な値として、Ｐ波、Ｓ波の速度をそれぞれ、代表的な値としてＣP ＝１００ｍ／ｓ、ＣS ＝２００ｍ／ｓとし、また、粘土層の密度を１５００ｋｇ／ｍ3 とする。
【００６７】
水中に置かれた粘土層を表面法線方向に加振すると、粘土層は水から圧力を受けるため、振動数は低下する。この際の粘土層の振動数と波長との関係（分散関係式）は、次式で与えられる（S.V.Sorokin and C.J.Chapman:Asymptotic analysis of nonlinear vibration of an elastic plate under heavy fluid loading,J.Sound and Vibration 284(2005)1131-1144)。
【数５】
2015199056.tif 000008
ただし、
【数６】
2015199056.tif 000009
である。ここで、ρc は粘土の密度、ｈは粘土層の厚さ、ωおよびｋは粘土層の振動各周波数および波数、ρflは水の密度、Ｃflは水中音速である。式（５）の左辺の最終項は、粘土層が水から受ける圧力に起因する。
【００６８】
図１４ＡおよびＢは、式（５）から計算した粘土層を伝搬する横波の波長Ｌと加振振動数ｆとの関係を示す。例えば、図１４Ａによれば、粘土層の厚さｈが４ｍｍのとき、２００Ｈｚで加振すると波長Ｌは３０ｃｍ程度であり、波長Ｌを１０ｃｍにするには１ｋＨｚで加振する必要がある。図１４Ｂは、加振振動数を固定したとき、薄い粘土層ほど波長が短いことを示す。粒子圧密装置の他端を加振して粘土層を剥離するには、ろ過膜１８上の粘土層が伸縮される方が良いので、１ｋＨｚ程度の高周波振動を与える方が効率的に粘土層を剥離することができると考えられる。
【００６９】
例えば、図１０Ａ、ＢおよびＣに示す粒子圧密装置の長さは２０ｃｍであり、粘土層の厚さを４ｍｍ、加振振動数を２００Ｈｚとすると波長Ｌは３０ｃｍとなり、０．６波長が粘土層に非一様性を付加することになる。ろ過膜１８上の波数が大きいほど、粘土層には多くの亀裂が入るため、加振振動数は高い程良い。ただ、粒子圧密装置のバイブレーターの入力エネルギーを一定とすると、振動数と振幅とが逆比例するので、実際に使用する装置では、振動数と振幅とのいずれを優先するかは、加振実験などで調べる必要がある。
【００７０】
以上のことから、水中で不織布表面に付着した粘土を加振によって効率的に剥離するためには、式（５）にしたがってろ過膜１８の長さより短い波長の波を発生させるような振動数で加振すればよい。また、不織布と粘土層との固有振動数に差異があるほど、剥離しやすいと考えられるため、不織布を張力が働かない程度に接着する方が良い。極端な場合は、不織布を波板１７の周囲のみで接着し、その他の部分では接着しない方が、不織布の変形が大きくなるため、剥離に有利である。ただ、剥離には、粘土層の加速度、加振により誘起される水流も存在するため、より詳細な検討を行うことが望ましい。
【００７１】
最後に、より厳密な議論は、不織布・粘土・水の層状構造を界面の応力が連続する条件で解析し、界面に滑りや剥離が生じる条件を求めることで可能となる。図１５ＡおよびＢに不織布の表面の粘土層が振動する様子を示す。ただ、粘土層の破壊や音響流で誘起される水の流れによる粘土の侵食の影響なども実際は関与しており、実験的研究を進める必要がある。また、ろ過膜１８に用いる膜は、粘土が剥がれやすいように、不織布よりも多孔質膜の方が良い。さらに、粘土を吸着したろ過膜１８を容器１１から取り出し、空気中でさらに吸引脱水し、粘土を剥離回収することも考えられる。
【００７２】
粒子圧密装置１４、１５の管路付きろ過膜１６を膜面に垂直方向に振動させる代わりに、図１６に示すように、管路付きろ過膜１６を伸縮可能に構成し、平板２０、２１を水平方向に振動させることにより管路付きろ過膜１６を伸縮させるようにしてもよい。管路付きろ過膜１６を伸縮させることにより、ろ過膜１８に付着した粒子層を効果的に剥離除去することが可能である。ろ過膜１８は疎水性素材のものを用いるのが好ましい。
【００７３】
以上のように、第一の実施の形態によれば、泥水などの懸濁水を積層傾斜板１２、１３に通すことにより懸濁水中の粒子を沈降成長させた後、粒子圧密装置１４、１５に通すことにより粒子を効率的に圧密することができる。これによって、懸濁水中の粒子を減容化することができる。
【００７４】
〈第二の実施の形態〉
［洗浄、分級および処理システム］
図１７および図１８に第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す。ここで、図１７は断面図、図１８は斜視図である。図１７および図１８に示すように、この洗浄、分級および処理システムは、互いに並列配置された分級装置１１０および懸濁水処理装置１を有する。
【００７５】
分級装置１１０は、上部が開口した容器１１１と、容器１１１の底部に設けられた攪拌層１１２と、攪拌層１１２の上段に設けられた整流層１１３と、整流層１１３の上段に設けられた層流層１１４と、層流層１１４の上段に設けられた分級層１１５とを有する。容器１１１の形状は特に限定されないが、典型的にはほぼ直方体の形状を有する。これらの容器１１１、攪拌層１１２、整流層１１３、層流層１１４および分級層１１５の大きさは特に限定されず、必要に応じて選択される。これらの大きさの一例を挙げると、容器１１１、攪拌層１１２、整流層１１３、層流層１１４および分級層１１５の幅および奥行はいずれも２０〜４０ｃｍ、容器１１１の高さは６０〜１００ｃｍ、攪拌層１１２の高さは１０〜２０ｃｍ、整流層１１３の高さは２０〜４０ｃｍ、層流層１１４の高さは５〜１０ｃｍ、分級層１１５の高さは１０〜２０ｃｍである。
【００７６】
攪拌層１１２は、洗浄および分級の対象である、粒径分布を有する混合粒子、例えば土壌や藻類などと洗浄水とを攪拌混合し、混合粒子および洗浄水が混合した固液混相流を生成するためものである。攪拌層１１２には、容器１１１の外部から混合粒子および洗浄水を供給することができるようになっている。具体的には、例えば、この攪拌層１１２の周囲の部分の容器１１１の側壁に設けられた開口（図示せず）を通じて洗浄物導入管（図示せず）が接続され、この洗浄物導入管の一端に設けられた洗浄物投入口（図示せず）に投入される混合粒子を洗浄物導入管から攪拌層１１２内に供給することができるようになっている。また、例えば、攪拌層１１２の周囲の部分の容器１１１の側壁に洗浄水導入管（図示せず）が接続され、この洗浄水導入管から攪拌層１１２の内部に洗浄水を供給することができるようになっている。あるいは、例えば、容器１１１の手前で洗浄水導入管に上方から洗浄物導入管を接続し、洗浄水導入管から洗浄水の高圧ジェットを供給し、それによって洗浄物導入管から混合粒子を吸い込み、これらの混合粒子および洗浄水を攪拌層１１２の内部に供給するようにしてもよい。こうして攪拌層１１２内に供給された混合粒子および洗浄水は、例えば、この攪拌層１１２の内部に設けられた攪拌用ポンプ（図示せず）により攪拌混合され、混合粒子および洗浄水からなる固液混相流が生成される。容器１１１の手前で洗浄水導入管に上方から洗浄物導入管を接続し、洗浄水導入管から洗浄水の高圧ジェットを供給する場合は、攪拌層１１２の内部に攪拌用ポンプを設けても設けなくてもよく、いずれにしても混合粒子および洗浄水を攪拌層１１２内で攪拌混合することができる。攪拌層１１２の底部には分級層１１４による分級により残された粒子が沈降して堆積するが、こうして堆積した粒子は、この攪拌層１１２の底部に設けられた堆積物取り出し用の取り出し口（図示せず）から外部に取り出すことができるようになっている。
【００７７】
整流層１１３は、攪拌層１１２で攪拌混合されて鉛直方向に吐出される固液混相流を水平面内で一様にするためのものであり、波状スタティックミキサーからなる。この固液混相流は、波状スタティックミキサーを下から上に通過する間に繰り返し攪拌され、その過程で整流され、通過後には一様流に変換されるようになっている。整流層１１３を構成する波状スタティックミキサーの一例について説明する。図１９Ａは波板１１６の一例を示す。図１９Ａに示すように、この波板１１６から一点鎖線で示す四角形の部分を切り出す。この四角形の波板１１６の各辺は波の山および谷が延びる方向に対して４５度傾斜している。図１９Ｂに示すように、こうして切り出した四角形の波板１１６を複数、波の山および谷が延びる方向が互いに直交するように重ね合わせる。重ね合わせる波板１１６の大きさおよび枚数は、容器１１１の大きさなどに応じて適宜決められる。そして、図１９Ｃに示すように、こうして波板１１６を重ね合わせた直方体状の波板積層体１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを並列配置して整流層１１３とする。ただし、整流層１１３を構成する波板積層体の数は１個または２個あるいは４個以上であってもよい。波板１１６の大きさ、全体の厚さおよび波のピッチは必要に応じて選ばれるが、一例を挙げると、大きさは２０ｃｍ×２０ｃｍ、全体の厚さは９ｍｍ、波のピッチは３２ｍｍである。波板１１６を構成する板材の厚さの一例を挙げると０．７ｍｍである。
【００７８】
層流層１１４は、整流層１１３から鉛直上方に吐出される一様な固液混相流を鉛直方向の層流にするためのものである。層流層１１４は、固液混相流が低レイノルズ数流れとなるように設計され、乱流拡散がなく粒子が拡散しないように複数の鉛直方向の筒状の孔からなる管路を有する構造体により構成される。図２０Ａに層流層１１４の断面構造の一例を示す。図２０Ａに示すように、層流層１１４は、隔壁１１４ａで隔てられた鉛直方向の筒状の孔１１４ｂからなる管路が二次元面内に複数配置された構造体からなる。図２０Ｂ、ＣおよびＤに層流層１１４の平面図の例を示す。図２０Ｂに示す例では、隔壁１１４ａで隔てられた断面形状が正三角形の筒状の孔１１４ｂからなる管路が二次元面内に設けられている。図２０Ｃに示す例では、隔壁１１４ａで隔てられた断面形状が正方形の筒状の孔１１４ｂからなる管路が二次元面内に設けられている。図２０Ｄに示す例では、隔壁１１４ａで隔てられた断面形状が六角形の筒状の孔１１４ｂからなる管路が二次元面内に設けられている。
【００７９】
層流層１１４では、具体的には、例えば、筒状の孔１１４ｂ内の流れのレイノルズ数Ｒｅは円管流が層流になる条件であるＲｅ＜２３００を満たすように設計される。流量をＱ、容器１１１および孔１１４ｂの内径（等価直径）をそれぞれｈA 、ｈa とすると、容器１１１内のレイノルズ数ＲｅA および孔１１４ｂ内のレイノルズ数Ｒｅa はそれぞれ
【数７】
2015199056.tif 000010
となる。ここで、孔１１４ｂの仕切りの隔壁１１４ａの断面積は孔１１４ｂの断面積に比べて無視できるとし、ｈA 2 ＝Ｎｈa 2 （Ｎは孔１１４ｂの数）とした。したがって、孔１１４ｂを通過する流れのレイノルズ数Ｒｅa は、容器１１１を通過する流れのレイノルズ数ＲｅA のＮ-1/2倍となり、層流化が可能となる。例えば、ｈA ＝１ｍ、ｈa ＝４ｍｍとすれば、Ｒｅa はＲｅA の４ｍｍ／１ｍ＝０．００４倍となる。また、孔１１４ｂを通過する流れのレイノルズ数Ｒｅa の下限値を２０００とおくと、容器１１１を通過する流れのレイノルズ数ＲｅA は２０００×（１ｍ／４ｍｍ）＝５０００００となるから、これより処理流量の上限値が決定される。
【００８０】
分級層１１５は、層流層１１４から鉛直上方に吐出される一様な層流の固液混相流の混合粒子を分級するためのものであり、良く知られた以下の原理に基づいて設計される。すなわち、洗浄水の比重より比重が大きい粒子（例えば、比重が１より大きい粒子）の沈降時間は沈降距離が小さいほど短くなるため、洗浄水中での粒子の沈殿は傾斜管路を設置することで促進される。したがって、洗浄水中に空間的に密に傾斜管路を設置すると効果的に沈降粒子を捕獲することができる。図２１Ａに分級層１１５の断面構造の一例を示す。図２１Ａに示すように、分級層１１５は、隔壁１１５ａで隔てられた水平方向に対して傾斜した筒状の孔１１５ｂからなる傾斜管路が二次元面内に複数配置された構造体からなる。図２１Ｂ、ＣおよびＤに分級層１１５の平面図の例を示す。図２１Ｂに示す例では、隔壁１１５ａで隔てられた断面形状が正三角形の筒状の孔１１５ｂからなる管路が二次元面内に設けられている。図２１Ｃに示す例では、隔壁１１５ａで隔てられた断面形状が正方形の筒状の孔１１５ｂからなる管路が二次元面内に設けられている。図２１Ｄに示す例では、隔壁１１５ａで隔てられた断面形状が六角形の筒状の孔１１５ｂからなる管路が二次元面内に設けられている。また、図２２Ａに分級層１１５の断面構造の他の例を示す。図２２Ａに示すように、分級層１１６は、隔壁１１５ａで隔てられた水平方向に対して傾斜した断面形状が長方形の筒状の孔１１５ｂからなる傾斜管路が二次元面内に複数配置された構造体からなる。図２２Ｂにこの分級層１１５の平面図を示す。水平方向に対するこれらの傾斜管路の傾斜角度はΨ（０度＜Ψ＜９０度）である。これらの傾斜管路の傾斜方向は必要に応じて選択されるが、例えば、懸濁水処理装置１側が高くなるように水平方向に対して角度Ψ傾斜させ、あるいは、懸濁水処理装置１と反対側が高くなるように水平方向に対して角度Ψ傾斜させる。
【００８１】
分級層１１５による分級の原理を図２３を用いて詳細に説明する。図２３は、水平方向に対して傾斜した孔からなる傾斜管路内の上昇流により、洗浄水の比重より比重が大きい粒子が流れにより上方に移流する様子を示す。図２３に示すように、傾斜管路の入口の下端を原点とし、時間をｔで表して傾斜管路に沿う方向の座標軸Ｘ（ｔ）、傾斜管路に垂直な方向の座標軸Ｚ（ｔ）を取って傾斜管路内の粒子の位置を（Ｘ（ｔ），Ｚ（ｔ））と表す。傾斜管路の管路長はｌである。粒子には重力ｍｇ（ｍは粒子の質量、ｇは重力加速度）が鉛直方向に働く。粒子は傾斜管路に沿って距離Ｌだけ遡上すると傾斜管路の底面に沈降する。沈降した粒子は傾斜管路の底面に沿って滑動し、下端の入口から排出される。粒子のレイノルズ数が１に比べて十分小さい場合には、ストークスの抵抗則にしたがって粒子軌跡を次式のように予測することができる。
【数８】
2015199056.tif 000011
ここで、γは粒子の比重、φは粒径（粒子の外径）、νは流体の動粘性係数、Ｕm は平均流速、ｃは粒子の体積比である。また、ｆ（ｃ）は粒子濃度の増加に伴う沈降速度の低減割合であり、１個の粒子が周りの粒子の影響を受けずに沈降するときにはｆ（ｃ）＝１、周りの粒子の影響を受けて沈降するときはｆ（ｃ）＜１となる。粒子が傾斜管路の底面に沈降するまでの距離（遡上長さ）Ｌは式（８）を用いて求めることができる。すなわち、式（８）を解いて、Ｚ（ｔ）＝0 のときのＸ（ｔ）＝Ｌを求めると
【数９】
2015199056.tif 000012
となる。ここで、Ψは傾斜管路の水平方向からの傾斜角（０度＜Ψ＜９０度）、ｈは管路の高さ、ｎは二次元ポアズイユ流れでは６、円管ポアズイユ流では８となる。式（９）から、傾斜管路を通過させない粒子の最大粒径が、管路高さｈおよび遡上長さＬの関数として決定される。この原理にしたがえば、傾斜管路の傾斜角Ψを可変にすることで、分級する粒子の閾値、言い換えると分級可能な粒径下限値を容易にしかも連続的に調整することができる。
【００８２】
図２４、図２５および図２６は予測式（９）から計算した遡上長さＬである。ただし、Ｕm ＝０．５２ｃｍ／ｓ、γ＝２．７、ν＝０．０１ｃｍ2 ／ｓ、ｃ＝０、ｆ（ｃ）＝１、容器１１１の等価直径ｈA ＝４０ｃｍとした。図２４より、例えば、管路の高さ（ｈ）が２．５４ｍｍ、長さ（Ｌ）が１０ｃｍの傾斜管路において、流量Ｑが５０Ｌ／ｍｉｎの場合、粒径φが３０μｍの粒子を通過させないためには傾斜角Ψをおよそ８０度以下、粒径φが２０μｍの粒子では６３度以下にする必要がある。また、図２５より、例えば、管路の高さ（ｈ）が２．５４ｍｍ、長さ（Ｌ）が１０ｃｍの傾斜管路において、流量Ｑが１８０Ｌ／ｍｉｎの場合、粒径φが５０μｍの粒子を通過させないためには傾斜角Ψをおよそ７７度以下、粒径φが３０μｍの粒子では５２度以下にする必要がある。また、図２６より、例えば、管路の高さ（ｈ）が３ｍｍ、長さ（Ｌ）が１０ｃｍの傾斜管路において、流量Ｑが１８０Ｌ／ｍｉｎの場合、粒径φが５０μｍの粒子を通過させないためには傾斜角Ψをおよそ７２度以下にする必要がある。一方で、傾斜管路の傾斜角Ψについては、傾斜管路の底面に沈降した粒子が底面を滑動して管路入口から排出されるためには、底面と粒子との摩擦係数μがμ＜ｔａｎΨを満たす必要がある。ただし、摩擦係数μに関しては、ポンプなどの機械振動により値の低下が期待できる。
【００８３】
ところで、傾斜管路を通過する流れのレイノルズ数をＲｅとすると、Ｒｅ＝Ｕｈ／ν＝（ｈ／ｈA ）ＲｅA である。図２７は、臨界レイノルズ数Ｒｅc を１０００としたとき、傾斜管路を通過する流れのレイノルズ数ＲｅがＲｅc になるときのｈを流量Ｑに対して求めたものである。図２７より、傾斜管路を通過する流れのレイノルズ数ＲｅがＲｅc になるときのｈは流量Ｑが大きくなるほど小さくなることが分かる。
【００８４】
また、図２８は、粒径がφ＝５μｍまたは１０μｍであるときの予測式（９）から計算したＬ／ｈである。ただし、Ｕm ＝０．５２ｃｍ／ｓ、γ＝２．７、ν＝０．０１ｃｍ2 ／ｓ、ｃ＝０、ｆ（ｃ）＝１、容器１１１の等価直径ｈA ＝４０ｃｍ、流量Ｑが５０Ｌ／ｍｉｎとした。図２８より、例えば、φ＝５μｍの粒子を通過させないためには、Ψ＝４０度のとき、Ｌ／ｈを約４００程度以上とする必要があることが分かる。例えば、分級で土壌から粘度成分のみを分離する場合を考えると、分級の閾値をシルトの最小径である５μｍ程度とする必要があるため、このような場合に有効である。
【００８５】
懸濁水処理装置１は、第一の実施の形態による懸濁水処理装置１と基本的に同様な構成を有するが、分級装置１１０と接続されることにより容器１１の形状などが異なる。懸濁水処理装置１の動作方法も第一の実施の形態による懸濁水処理装置１と基本的に同様である。容器１１１と容器１１との互いに接する側壁には、例えば長方形の開口部３１が設けられている。開口部３１の下辺は少なくとも分級層１１５以上の高さにある。分級層１１５から供給される分級後の懸濁水は上段の積層傾斜板１３の側面からその内部に入るようになっている。積層傾斜板１２、１３を通過した粒子は、粒子圧密装置１４、１５で圧密される。懸濁水は、容器１１と積層傾斜板１２、１３との間に設けられた隙間を通って上昇し、積層傾斜板１３を越えた時点で、図１７に示すように、容器１２１の壁面に設けられた堰状の排出口３２を越えて外部に流出する。
【００８６】
［洗浄、分級および処理システムの動作方法］
次に、上述のように構成されたこの洗浄、分級および処理システムの動作方法について説明する。
【００８７】
まず、分級装置１１０の容器１１１の外部から攪拌層１１２に粒径分布を有する混合粒子および洗浄水を供給し、これらの混合粒子および洗浄水を攪拌混合し、これらの混合粒子および洗浄水からなる固液混相流を生成する。この固液混相流は乱流状態となっている。混合粒子の洗浄は主としてこの攪拌層１１２における攪拌混合の過程で行われる。この固液混相流は洗浄水により上流に運ばれて波状スタティックミキサーからなる整流層１１３に供給され、この整流層１１３を通過する過程で一様流に変換される。混合粒子の洗浄はこの整流層１１３における整流の過程でも行われる。こうして一様流とされた固液混相流は層流層１１４に供給され、この層流層１１４を通過する過程で層流となり、沈降速度の大きな粒子が分級され、一般的には粒径が大きい粒子成分が取り除かれる。層流層１１４で層流とされた固液混相流は分級層１１５に供給され、この分級層１１５を通過する過程で所定の粒子成分を分級する。この分級層１１５による分級の閾値は、この分級層１１５の管路の高さｈ、言い換えると孔１１５ｂの径（等価直径）および長さｌにより調整することができる。
【００８８】
分級層１１５で分級された懸濁水は容器１１１、１１の側壁に設けられた開口３１を通って懸濁水処理装置１の容器１１内に入り、図２ＡおよびＢに示すように、積層傾斜板１３の一方の側面の傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間１３ｂに、傾斜板１３ａの傾斜方向と直交する方向、すなわち水平方向から供給される。このように傾斜板１３ａの傾斜方向と直交する方向から積層傾斜板１３の側面に懸濁水が供給されることにより、積層傾斜板１３が流れを阻害せず、乱れも小さくなる。こうして積層傾斜板１３の傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間１３ａに供給された懸濁水は傾斜板１３ａに沿って流れ、その過程で懸濁水中の粒子が傾斜板１３ａ上に沈降堆積し、最終的に積層傾斜板１３の下部から落下する。積層傾斜板１３の下部から出て行く懸濁水は、下段の積層傾斜板１２の傾斜板１２ａと傾斜板１２ａとの間の隙間１２ｂに入り、傾斜板１２ａに沿って流れ、その過程で懸濁水中の粒子が傾斜板１２ａ上に沈降堆積し、最終的に積層傾斜板１２の下部から落下する。積層傾斜板１２の下部から落下した粒子は、粒子圧密装置１５、１４を順次通って圧密される。その後、粒子圧密装置１５、１４で圧密された粒子層はろ過膜１８から剥離除去されて容器１１の底部に落下し、排出口１１ａから外部に取り出される。一方、積層傾斜板１３、１２を通過した懸濁水は、これらの積層傾斜板１２、１３と容器１１との間の隙間を通って上昇し、容器１１の側壁に設けられた排出口３２から外部に越流する。こうして容器１１の外に越流した懸濁水は、例えば、配管を介して攪拌層１１２に戻され、洗浄水として使用される。
【００８９】
［洗浄、分級および処理システムの具体的な構成例］
次に、この洗浄、分級および処理システムの具体的な構成例について説明する。
【００９０】
図２９は第一の構成例を示す。図２９に示すように、この第一の構成例では、容器１１１の底部が下に先すぼまりの四角錐状の形状を有しており、その内部に攪拌層１１２が設けられている。攪拌層１１２の側壁には洗浄物を攪拌層１１２に導入するための導入管１４１が接続されている。導入管１４１の上端には洗浄物を投入するための投入口１４２が設けられている。攪拌層１１２の側壁にはまた、洗浄水を攪拌層１１２に導入するための導入管１４３が接続されている。また、攪拌層１１２の内部には攪拌ポンプ１４４が設置されており、この攪拌ポンプ１４４により攪拌層１１２の内部に供給された混合粒子および洗浄水を攪拌混合することができるようになっている。導入管１４３は高圧ポンプ１４５を介して直方体状の受液槽１４６の底部に接続されている。受液槽１４６は容器１１の側壁上部の排出口３２の前方下部に取り付けられており、排出口３２を越えて外に越流した懸濁水を受け入れることができるようになっている。
【００９１】
懸濁水処理装置１については基本的には第一の実施の形態と同様である。
【００９２】
一例として、粒径分布を有する混合粒子が土壌（土砂、細粒砂）である場合についてこの第一の構成例による洗浄、分級および処理システムの動作を説明する。
【００９３】
まず、攪拌用ポンプ１４４としての攪拌用水中ポンプおよび高圧ポンプ１４５を稼働させた状態で投入口１４２に洗浄および分級しようとする土壌を投入する。投入された土壌は導入管１４１を通って攪拌層１１２に導入される。こうして攪拌層１１２に導入された土壌は、高圧ポンプ１４５により導入管１４３から攪拌層１１２に導入された高速ジェット水流により攪拌混合されるとともに、攪拌用ポンプ１４４でさらに攪拌混合される。こうして攪拌層１１２内に土壌および水からなる非一様流の固液混相流（泥水）が生成される。この固液混相流は、高速ジェット水流により上流に運ばれる。そして、まず、波状スタティックミキサーからなる整流層１１３を通過することにより、非一様流の固液混相流は一様流に変換される。次に、この固液混相流の一様流は層流層１１４を通る過程で層流とされ、沈降速度の大きな粒子が取り除かれる。層流層１１４で層流とされた固液混相流は分級層１１５に入り、この分級層１１５を通過する過程で粒径が数十μｍ以上のシルトが分級される。攪拌層１１２の底部に形成された堆積物は、必要に応じて、土砂取り出し口から取り出される。
【００９４】
分級装置１１０を通過した懸濁水中の主としてシルトあるいはシルトおよび粘土は、懸濁水処理装置１の上段の積層傾斜板１３の側面の傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間に入り、傾斜板１３ａに沿って沈降し、さらに下段の積層傾斜板１２の傾斜板１２ａと傾斜板１２ａとの間の隙間に入り、傾斜板１２ａに沿って沈降する。積層傾斜板１２から沈降した粒子は粒子圧密装置１４、１５により圧密される。粒子圧密装置１４、１５の管路付きろ過膜１６のろ過膜１８に付着した粒子層は最終的には剥離除去され、容器１１の底部に溜まり、排出口１１ａから外部に取り出される。
【００９５】
懸濁水処理装置１の容器１１の排出口３２から越流した水は受液槽１４６の中に入り、導入管１４３から高圧ポンプ１４５により攪拌層１１２に戻される。
【００９６】
図２９に、固液混相流（泥水）の流れを細い破線の矢印で、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【００９７】
図３０は第二の構成例を示す。図３０に示すように、この第二の構成例では、容器１１１の底部が下に先すぼまりの四角錐状の形状を有しており、その内部に攪拌層１１２が設けられている。導入管１４１は上方から導入管１４３と接続されている。この場合、攪拌層１１２の内部には攪拌ポンプ１４４が設置されていない。この第二の構成例のその他の構成は第一の構成例と同様である。
【００９８】
一例として、粒径分布を有する混合粒子が土壌である場合についてこの第二の構成例による洗浄、分級および処理システムの動作を説明する。
【００９９】
まず、高圧ポンプ１４５を稼働させた状態で投入口１４２に洗浄および分級しようとする土壌を投入する。図３１に示すように、投入された土壌は導入管１４１を通って導入管１４１と導入管１４３との合流部に到達し、導入管１４３から供給される高速ジェット水流により導入管１４３内に吸い込まれる。こうして土壌および水が攪拌層１１２に導入され、高速ジェット水流により攪拌混合される。こうして攪拌層１１２内に土壌および水からなる固液混相流（泥水）が生成される。この後の動作は第一の構成例と同様である。
【０１００】
図３０に、固液混相流（泥水）の流れを細い破線の矢印で、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【０１０１】
図３２は第三の構成例を示す。図３２に示すように、この第三の構成例では、懸濁水処理装置１は第一の構成例と同様に構成されている。第二の構成例と同様に、導入管１４１は上方から導入管１４３と接続され、攪拌層１１２の内部には攪拌ポンプ１４４が設置されていない。攪拌層１１２の底部には攪拌層１１２の底に沈降した堆積物を外部に取り出すための排出管１４７が接続されている。この排出管１４７の途中にはサンドポンプ１４８が接続され、排出管１４７から回収された土砂をこのサンドポンプ１４８で上方に移送し、回収口１４９から洗浄土砂回収装置１５０に回収するようになっている。回収口１４９の側壁には導入管１５１が接続されており、この導入管１５１から泥水が投入口１４２に供給されるようになっている。この第三の構成例のその他の構成は第一の構成例と同様である。
【０１０２】
一例として、粒径分布を有する混合粒子が土壌である場合についてこの第三の構成例による洗浄、分級および処理システムの動作を説明する。
【０１０３】
まず、高圧ポンプ１４５およびサンドポンプ１４８を稼働させた状態で投入口１４２に洗浄および分級しようとする土壌を投入する。投入された土壌は導入管１４１を通って導入管１４１と導入管１４３との合流部に到達し、導入管１４３から供給される高速ジェット水流により導入管１４３内に吸い込まれる。こうして土壌および水が攪拌層１１２に導入され、高速ジェット水流により攪拌混合され、土壌および水からなる固液混相流（泥水）が生成される。この後の動作は第一の構成例と同様である。一方、攪拌層１１２の底部から水を含んだ土砂が導入管１４７内に取り出され、サンドポンプ１４８により回収口１４９に戻される。回収口１４９に戻った水を含んだ土砂から土砂成分が洗浄土砂回収装置１５０に回収されるとともに、泥水が投入口１４２に投入される。
【０１０４】
一方、懸濁水処理装置１においては、第一の構成例と同様に粒子圧密装置１４、１５により圧密が行われ、ろ過膜１８に付着した粒子層は最終的に剥離除去されて、容器１１の排出口１１ａから外部に取り出される。
【０１０５】
図３２に、固液混相流（泥水）の流れを細い破線の矢印で、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【０１０６】
［分級装置１１０を構成する各層の機能の検証実験］
分級装置１１０を構成する各層の機能を検証するために実験を行った。そのために、図３３に示すような分級装置を製作した。整流層１１３としては、一辺が２０ｃｍの正方形のポリカーボネート製の波板（全体の厚さは９ｍｍ、波のピッチは３２ｍｍ、板の厚さは０．７ｍｍ）を４４段重ねた高さ２０ｃｍ、幅４０ｃｍ、奥行４０ｃｍの大きさの直方体状のものを２段重ねて合計４０ｃｍの厚さとしたものを用いた。層流層１１４としては、図２０Ｄに示すように、断面形状が六角形の直径１ｃｍの筒状の孔１１４ｂが蜂の巣状に配列した高さ５ｃｍ、幅４０ｃｍ、奥行４０ｃｍの大きさの直方体状の構造体を用いた。分級層１１５としては、図２０Ｄに示すように、断面形状が六角形の直径３ｍｍの筒状の孔１１５ｂが蜂の巣状に配列した高さ１０ｃｍ、幅４０ｃｍ、奥行４０ｃｍの大きさの直方体状の構造体を水平方向から２７度程度傾斜させたものを用いた。この場合、孔１１５ｂの水平方向に対する傾斜角Ψは６３度程度である。図３３には示されていないが、整流層の下には攪拌用水中ポンプを含む攪拌層１１２が設けられており、この攪拌層１１２に外部から土壌および水が供給されるようになっている。流量Ｑは５０Ｌ／ｍｉｎとした。本実験の目的は、篩を使用せずに細粒砂を分級することなので、土壌洗浄の際に発生した沈降細粒砂を原砂として使用した。Ｄ50（原砂の粒径分布において割合が５０％になるときの粒径）＝１３２μｍで、原砂は粒径５１μｍ以下の細粒分が１６％程度含まれている。
【０１０７】
図３３に示すように、整流層の下の攪拌層では強い乱流状態となっている。整流層は、攪拌層で生じた大規模渦を分断し平均流が鉛直上向きに一様になるように設計されている。さらに層流層では、乱流拡散で分散しているシルトや砂が重力と流体抗力の作用で沈降もしくは上昇する。この層流層を通過する土粒子の最大径は筒状の孔の径（管路）の孔経にほぼ依らず、流量のみに依存すると考えられる。最後に、分級層の筒状の孔（管路）を通過できなかった土粒子は、分級層の下部からプルームとなって沈降する。また、本実験における分級層の筒状の孔（管路）の傾斜角Ψは上述のように６３度程度であり、筒状の孔（管路）を通過する粒子の最大粒径は式（９）によれば２０μｍとなる。
【０１０８】
図３４は分級時の各層通過後の流体を容器の側壁に取り付けたバルブから採取した試料をカメラで撮影した写真である。層流層通過後の試料と分級層通過後の試料とを比較すると、固液混相流（泥水）の濁度に明瞭に差が表れており、層流層通過後の試料に比べて分級層通過後の試料の濁度は大幅に低下している。分級層通過後、さらに孔径１〜２μｍのろ布（フィルター膜）を通過させた後の試料の濁度はさらに低下している。
【０１０９】
図３５は分級層下部の写真である。図３５に示すように、分級層の傾斜した筒状の孔（管路）を通過できない土粒子が筒状の孔の底面に沿って排出され、分級層の底部に沿って細粒砂プルームとして落下する様子が観察された。
【０１１０】
［洗浄、分級および処理システムによる土壌洗浄実験］
次に、この洗浄、分級および処理システムを用いて土壌洗浄実験を行った結果について説明する。
【０１１１】
洗浄、分級および処理システムの分級装置１１０および懸濁水処理装置１における各層の効果を検証するために、図３６に示すような土壌洗浄、分級および処理システムの試作機を製作し、土壌の洗浄および分級の実験を行った。ただし、この試作機においては、懸濁水処理装置１の粒子圧密装置１４、１５は設けられていない。実験流量Ｑ＝９１Ｌ／ｍｉｎ、分級装置１１０および懸濁水処理装置１の槽内の全水量は３１５Ｌであり、濁水は大凡３〜４分で１回循環する。図３６中の各測点で試料を採取し、ＳＳ量を計測した。測点１は攪拌層にありＳＳ量が最大となる。測点２は層流層通過直後、測点３は分級層通過直後、測点４は排出口であり、ここを通過した水が再び攪拌槽（測点１）に戻る。測点５は懸濁水処理装置１の沈降層を構成する上段の積層傾斜板通過直後、測点６は懸濁水処理装置１の底部である。
【０１１２】
図３７Ａは、粒子圧密装置１４、１５が設けられていない懸濁水処理装置１が設置された図３６に示す試作機におけるＳＳ量の測定結果を示す。図３７Ａより、分級層通過後（測点３）にＳＳ量が大幅に低下し、沈降層（測点４）ではさらに低下していることが分かる。測点６では、沈殿した粒子によりＳＳ量が大きくなっている。一方、図３７Ｂは、図３６に示す試作機において懸濁水処理装置１を設置しなかった場合のＳＳ量の測定結果を示す。図３７Ｂを図３７Ａと比較すると、懸濁水処理装置１がない場合は、時間経過後もＳＳ量の低下が少ないことから、濁水が沈降することなく試作機内を循環していると考えられる。
【０１１３】
図３８は層流層通過前後（測点１、２）の粒径分布を示し、図の曲線の下の面積がＳＳ量を表す。層流層通過後の固液混相流中の粒子は粒径１００μｍ以下の粒子がほとんどを占めている。理論上は、流量が９１Ｌ／ｍｉｎのときは、層流層（孔径３／１６インチ）では粒径約１４０μｍ以上の粒子は通過することができないということと合致する。また、懸濁水処理装置１を設置することで、層流層下流のＳＳ量が低下していることが分かる。
【０１１４】
図３９は、攪拌層に設けられた攪拌用水中ポンプを３０分間稼動し、土壌の撹拌、分級および沈殿を行った後の分級装置および懸濁水処理装置１に堆積した土砂の粒径分布（確率分布関数（probability distribution function)）を示す。篩による計測のため５１μｍ以下の粒径分布は測定することができなかった。分級層（孔径１／８インチ）では理論上は粒径２５μｍ以上の粒子が通過することができないが、粒径５０μｍ程度の粒子も通過している。原因として考えられるのは、分級層の傾斜した筒状の孔（管路）底部に沈降した粒子により管路断面積が小さくなり流速が増大したこと、固液混相流の固体成分の濃度増加による沈降速度の減少、乱流拡散などが考えられる。
【０１１５】
この試作機は分級の閾値を制御することができ、分級層の筒状の孔（管路）の孔径の凡そ百分の一以上の粒子を分級することができる。また、本実験で用いた傾斜した筒状の孔（管路）はＬ／ｈ＝５０程度であり、分級の閾値が数十μｍと大きいため、シルトもこの傾斜した筒状の孔（管路）を通過した。ただ、本懸濁水処理装置１においては、準備の都合上、両端に傾斜板のない大きな空間が存在したが、懸濁水処理装置１のＳＳ量を半減させる程の効果があった。排出口に向かう流れの流速をできる限り一様とし、流速を小さくすることが重要なため、傾斜板を排出口に向かって平行に配置した。
【０１１６】
例えば、分級で土壌から粘土成分のみを分離することにより除染効果が上がるとすれば、分級の閾値をシルトの最小径である５μｍ程度とする必要がある。この場合には、分級層の筒状の孔（管路）の傾斜角Ψが４０度のとき、筒状の孔（管路）の孔経の４００倍の長さが必要となる（図２８参照）。
【０１１７】
［洗浄、分級および処理システムによる放射能汚染土壌の洗浄実験］
次に、図３６に示す土壌洗浄、分級および処理システムの試作機を用いて、放射能汚染土壌の洗浄（除染）および分級を行った結果について説明する。本実験の目的は、篩を使用せずに細粒砂を分級することなので、土壌洗浄の際に発生した沈降細粒砂を原砂として使用した。原砂の粒度分布を図４０に示す。図４０に示すように、原砂は粒径５１μｍ以下の細粒分が３８％程度含まれている。原砂に含まれる放射性物質の放射能は表１に示す通りである。
【０１１８】
【表２】
2015199056.tif 000013
【０１１９】
放射能汚染土壌中に含まれる粘土の層状構造を酸により破壊すれば、粘土内部に取り込まれているセシウムイオンを粘土から脱離させることができることが知られている。酸としては、原子力発電所の配管洗浄で用いられているシュウ酸が利用されている。シュウ酸はステンレス鋼表面に酸化皮膜を生成し、ステンレス鋼の腐食を防止する機能があり、ポンプを腐食しないこと、および、後処理が容易なことが利点として挙げられている。そこで、除染にはシュウ酸を用いた。
【０１２０】
実験手順は以下の通りである。
（１）原砂１．５ｋｇを分級装置の攪拌層に投入し、分級装置の固液混相流を、沈降装置を通して１５分間循環し、粘土やシルトを分級する。
（２）シュウ酸水和物１．５ｋｇ（０．０８ｍｏｌ／Ｌの酸）を分級装置の攪拌層に投入し、分級装置のみで固液混相流を２０分間循環し、洗浄を行う。
（３）分級装置の固液混相流を、沈降装置を通して１０分間循環し、粘土やシルトを分級する。この際、各層通過後の固液混相流を採取する。
（４）分級装置の攪拌層の攪拌用水中ポンプを停止し、撹拌層の底部に沈降している細粒土を採取し、粒径分布および放射線量の計測を行う。
【０１２１】
実験結果は以下の通りである。図４１は各層通過後の流体を容器の側壁に取り付けたバルブから採取した試料をカメラで撮影した写真である。層流層通過後の試料と分級層通過後の試料とを比較すると、濁度に明瞭に差が表れている。ここで、ろ布通過後の試料は、孔径１〜２μｍのろ布を通過した試料である。
【０１２２】
実験手順（４）のシュウ酸洗浄および分級終了後の細粒土について、粒径分布および放射線量を計測した。粒径分布を図４０に示す。図４０に示すように、原砂に比べて、粒径５１μｍ以下のものが減少し、粒径５１〜１０６μｍのものの割合が増加している。表２に原砂およびシュウ酸洗浄砂の放射線量の計測値を示す。洗浄後の放射線密度（Ｂｑ／ｋｇ）の低減は、５１μｍ以下の表面積が大きい土粒子成分の減少とシュウ酸によるセシウムの土粒子からの脱離とにより、本実験では両者を判別することはできない。これらを明確にするには、粒度分布のより精密な計測およびシュウ酸の効果を別途検証する必要がある。
【０１２３】
以上のように、放射能汚染土壌のシュウ酸による洗浄効果および傾斜管路による分級効果を実験的に調べた。シュウ酸による洗浄では、除染率を少なくとも５０％以上にするためには、高濃度の酸（１ｍｏｌ／Ｌ以上）を使用せざるを得ないことが判明した。また、分級装置は分級の閾値を制御することができ、傾斜管路の孔径の凡そ百分の一以上の粒径の粒子を分級することができる。ただ、本実験で用いた分級層の傾斜管路はＬ／ｈ＝５０程度であり、分級の閾値が数十μｍと大きいため、粘土粒子以外のシルトも分級層を通過した。
【０１２４】
例えば、分級で放射能汚染土壌から粘土成分のみを分離することにより除染効率が上がるとすれば、分級の閾値をシルトの最小径である５μｍ程度とする必要がある。既に述べたように、この場合には、傾斜管路の傾斜角Ψが４０度のとき、傾斜管路の長さとしてその孔径の４００倍の長さが必要となる（図２８参照）。
【０１２５】
以上のように、第二の実施の形態によれば、粒径分布を有する混合粒子、例えば土壌の攪拌（分散）および分級を分級装置１１０の容器１１１内で行うことができることにより、分級装置１１０および懸濁水処理装置１により洗浄、分級および処理システムを構築することができるため、洗浄、分級および処理システムの小型化を図ることができる。また、この洗浄、分級および処理システムは、分級装置１１０の分級層１１５の傾斜管路の管路の高さおよび長さを調整することにより、分級の閾値を連続的に調整することができる。さらに、懸濁水処理装置１では、粒子圧密装置１４、１５により懸濁水中の粒子の圧密を行うことができるため、懸濁水の減容化を図ることができる。
【０１２６】
〈第三の実施の形態〉
［洗浄、分級および処理システム］
図４２に第三の実施の形態による洗浄および分級システムを示す。図４２に示すように、この洗浄、分級および処理システムにおいては、分級装置１１０と懸濁水処理装置１との間に波状スタティックミキサーからなる整流層１６１が設けられている。より詳細には、分級装置１１０の容器１１１および懸濁水処理装置１の容器１１の側壁に設けられた開口部３１に整流層１６１が設けられている。この場合、分級装置１１０による分級後の懸濁水は整流層１６１に水平方向から入り、整流されて一様流となった後に懸濁水処理装置１の積層傾斜板１３の側面に供給される。
【０１２７】
この洗浄、分級および処理システムの上記以外のことは第二の実施の形態と同様である。また、この洗浄、分級および処理システムの動作は、分級装置１１０による分級後の固液混相流が整流層１６１により整流されて一様流となった後に懸濁水処理装置１の積層傾斜板１３の側面に供給されることを除いて、第二の実施の形態と同様である。
【０１２８】
この第三の実施の形態によれば、第二の実施の形態と同様な利点に加えて、整流層１６１により整流されて一様流となった固液混相流を懸濁水処理装置１の積層傾斜板１３の側面に供給することができるので、積層傾斜板１３による粒子の沈降をより効率的に行うことができるという利点を得ることができる。
【０１２９】
〈第四の実施の形態〉
［洗浄、分級および処理システム］
図４３に第四の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す。図４３に示すように、この洗浄、分級および処理システムにおいては、第二の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを土壌の洗浄、分級および処理に使用する場合に、分級装置１１０による分級後の、粘土およびシルトを含む懸濁水を懸濁水処理装置１（図４３においては図示せず）に供給し、凝集沈澱させ、水は再使用し、沈澱した土壌は分級装置１１０の攪拌層１１２に戻すようにする。そして、分級装置１１０の攪拌層１１２の底部に溜まった土砂成分（砂および細粒分）を取り出し、分級装置１１０と直列に接続された、分級装置１１０と同様な構成を有する分級装置１６５の攪拌層に供給し、分級装置１６５において薬品洗浄および分級を行う。こうして薬品洗浄および分級を行った固液混相流（低濃度のシルトと薬品とを含む）を分級装置１６５から取り出し、フィルター膜でろ過を行う。ろ過されたシルトはフィルター膜に残され、フィルター膜を透過した薬品は再使用することができる。
【０１３０】
この第四の実施の形態によれば、第二の実施の形態と同様な利点に加えて、洗浄に用いる水、薬品および土壌の有効利用を図ることができるという利点を得ることができる。
【０１３１】
〈第五の実施の形態〉
［洗浄、分級および処理システム］
図４４に第五の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す。図４４に示すように、この洗浄、分級および処理システムにおいては、分級装置１１０と懸濁水処理装置１との間に凝集促進層１７１が設けられている。より詳細には、分級装置１１０の容器１１１と懸濁水処理装置１の容器１１とが開口部３１に設けられた凝集促進層１７１を介して連結されている。凝集促進層１７１は、分級装置１１０の分級層１１５による分級後の固液混相流から可能な限り粒子を沈降堆積させて粒径を大きくすることにより、懸濁水処理装置１の積層傾斜板１２、１３による粒子の沈降の効率の向上を図るためのものである。凝集促進層１７１の大きさは特に限定されず、必要に応じて選ばれが、例えば、凝集促進層１７１の中心軸の方向の長さは１０〜２０ｃｍ、幅は２０〜４０ｃｍ、高さは２０〜３０ｃｍである。
【０１３２】
図４５は凝集促進層１７１の具体的な構成例を示す。図４５に示すように、この例では、凝集促進層１７１は、鉛直方向に互いに間隔を空けて積層された水平面に平行な複数の隔壁１７１ａを有し、隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間に断面形状が細長い長方形の孔１７１ｂ（管路）が形成されている。隔壁１７１ａの厚さは、隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間の距離、言い換えると各管路の高さに比べて十分に小さくするのが好ましい。この凝集促進層１７１においては、隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間の管路の高さを利用して粒子の沈降距離を小さくする。すなわち、図４５に示すように、分級装置１１０から入ってくる懸濁水中の粒子は、一定の距離移動した後に管路の底部の隔壁１７１ａ上に沈降し、堆積することで凝集する。管路の底部の隔壁１７１ａ上に凝集した粒子は流れのせん断力により懸濁水処理装置１にフラッシュされ、積層傾斜板１３の側面に入る。また、管路の底部の隔壁１７１ａ上に沈降堆積した粒子により管路が閉塞されると流速が大きくなるため、隔壁１７１ａ上に沈降堆積した粒子はフラッシュされやすくなる。
【０１３３】
図４６は凝集促進層１７１の他の構成例を示す。図４６に示すように、この例では、凝集促進層１７１は、懸濁水処理装置１側が分級装置１１０側に比べて低くなるように水平方向に対して角度Ω傾斜している。Ωは例えば０度＜Ω≦１０度、好適には０度＜Ω≦５度である。この例では、凝集促進層１７１が、懸濁水処理装置１側が分級装置１１０側に比べて低くなるように水平方向に対して角度Ω傾斜しているので、管路の底部の隔壁１７１ａ上に沈降し、凝集した粒子を凝集促進層１７１の外部に排出しやすくなる。
【０１３４】
図４７Ａ〜Ｄは凝集促進層１７１のさらに他の構成例を示す。ここで、図４７Ａは平面図、図４７Ｂは凝集促進層１７１の中心軸を含む鉛直断面図、図４７Ｃは図４７Ａの縦板１７１ｃと縦板１７１ｃとの間の部分の隔壁１７１ａに平行な方向の断面図、図４７Ｄは図４７Ｂの縦板１７１ｃと縦板１７１ｃとの間の領域（一点鎖線で囲んだ領域）に粒子が捕獲される様子を示す拡大断面図である。図４７Ａ〜Ｄに示すように、この凝集促進層１７１は、鉛直方向に互いに間隔を空けて積層された水平面に平行な複数の隔壁１７１ａを有し、隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間に断面形状が細長い長方形の孔１７１ｂ（管路）が形成されている。隔壁１７１ａの厚さは隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間の距離、言い換えると各流路の高さに比べて十分に小さくするのが好ましい。各管路の底部の隔壁１７１ａには、分級装置１１０と懸濁水処理装置１とを結ぶ方向、言い換えると凝集促進層１７１の中心軸と直交する方向に延在する縦板１７１ｃが凝集促進層１７１の中心軸の方向に等間隔で設けられている。各管路内の流れを妨げないように、縦板１７１ｃの高さは各管路の高さより小さく、縦板１７１ｃと管路の天井部の隔壁１７１ａとの間の間隔が十分に大きくなるようにする。この場合、図４７Ｄに示すように、各管路においては、縦板１７１ｃと縦板１７１ｃとの間の矩形の領域内の流速は非常に小さくなるため、この矩形の領域内に捕獲された粒子は容易に沈降集積する。また、図４７Ｃに示すように、隔壁１７１ａは切妻屋根の形状を有し、管路に直交する方向の最頂部から両側に向かって二つの傾斜面が本を伏せたような山形の形状を有するため、縦板１７１ｃと縦板１７１ｃとの間の矩形の領域内に捕獲された粒子は両側に向かって排出されやすくなっている。ただし、隔壁１７１ａは切妻屋根の形状ではなく、水平に形成してもよい。
【０１３５】
［洗浄、分級および処理システムの具体的な構成例］
次に、洗浄、分級および処理システムの具体的な構成例について説明する。
図４８は第四の構成例を示す。図４８に示すように、この第四の構成例では、図２９に示す第一の構成例において、分級装置１１０と懸濁水処理装置１との間に凝集促進層１７１が設けられている。その他のことは第一の構成例と同様である。
【０１３６】
一例として、粒径分布を有する混合粒子が土壌である場合についてこの第四の構成例による洗浄、分級および処理システムの動作を説明する。
【０１３７】
まず、攪拌用ポンプ１４４としての攪拌用水中ポンプおよび高圧ポンプ１４５を稼働させた状態で投入口１４２に洗浄および分級しようとする土壌を投入する。投入された土壌は導入管１４１を通って攪拌層１１２に導入される。こうして攪拌層１１２に導入された土壌は、高圧ポンプ１４５により導入管１４３から攪拌層１１２に導入された高速ジェット水流により攪拌混合されるとともに、攪拌用ポンプ１４４でさらに攪拌混合される。こうして攪拌層１１２内に土壌と水とからなる固液混相流（泥水）が生成される。この固液混相流は、高速ジェット水流により上流に運ばれる。そして、まず、波状スタティックミキサーからなる整流層１１３を通過することにより固液混相流は一様流に変換される。次に、この固液混相流の一様流は層流層１１４を通る過程で層流とされ、沈降速度の大きな粒子が分級される。層流層１１４で層流とされた固液混相流は分級層１１５に入り、この分級層１１５を通る過程で粒径が数十μｍ以上のシルトが分級される。
【０１３８】
分級装置１１０を通過した土壌成分（シルトおよび粘土）は、凝集促進層１７１に入り、シルトが可能な限り凝集され、せん断流によりフラッシュされて懸濁水処理装置１に入る。こうして懸濁水処理装置１に入った懸濁水は懸濁水処理装置１の上段の積層傾斜板１３の側面の傾斜板１３ａと傾斜板１３ａとの間の隙間に入り、傾斜板１３ａに沿って沈降し、さらに下段の積層傾斜板１２の傾斜板１２ａと傾斜板１２ａとの間の隙間に入り、傾斜板１２ａに沿って沈降する。積層傾斜板１２から沈降する粒子は粒子圧密装置１４、１５で圧密される。最終的に、粒子圧密装置１４、１５のろ過膜１８に付着した粒子層は剥離除去され、容器１１の底部の排出口１１ａから外部に取り出される。分級装置１１０の容器１１１の排出口３２から越流した固液混相流は受液槽１４６の中に入り、導入管１４３から高圧ポンプ１４５により攪拌層１１２に戻され、洗浄水として用いられる。
【０１３９】
図４８に、固液混相流（泥水）の流れを細い破線の矢印で、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【０１４０】
図４９は第五の構成例を示す。図４９に示すように、この第五の構成例では、図３０に示す第二の構成例において、分級装置１０と懸濁水処理装置１との間に凝集促進層１７１が設けられている。その他のことは第二の構成例と同様である。
【０１４１】
一例として、粒径分布を有する混合粒子が土壌が水である場合についてこの第五の構成例による洗浄、分級および処理システムの動作を説明する。
【０１４２】
まず、高圧ポンプ１４５を稼働させた状態で投入口１４２に洗浄および分級しようとする土壌を投入する。図４９に示すように、投入された土壌は導入管１４１を通って導入管１４１と導入管１４３との合流部に到達し、導入管１４３から供給される高速ジェット水流により導入管１４３内に吸い込まれる。こうして土壌および水が攪拌層１１２に導入され、高速ジェット水流により攪拌混合される。こうして攪拌層１１２内に土壌と水とからなる固液混相流（泥水）が生成される。この後の動作は第四の構成例と同様である。
【０１４３】
図４９に、固液混相流（泥水）の流れを細い破線の矢印で、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【０１４４】
図５０は第六の構成例を示す。図５０に示すように、この第六の構成例では、図３２に示す第三の構成例において、分級装置１０と懸濁水処理装置１との間に凝集促進層１７１が設けられている。その他のことは第三の構成例と同様である。
【０１４５】
一例として、粒径分布を有する混合粒子が土壌である場合についてこの第六の構成例による洗浄、分級および処理システムの動作を説明する。
【０１４６】
まず、高圧ポンプ１４５およびサンドポンプ１４８を稼働させた状態で投入口１４２に洗浄および分級しようとする土壌を投入する。投入された土壌は導入管１４１を通って導入管１４１と導入管１４３との合流部に到達し、導入管１４３から供給される高速ジェット水流により導入管１４３内に吸い込まれる。こうして土壌および水が攪拌層１１２に導入され、高速ジェット水流により攪拌混合される。こうして攪拌層１１２内に土壌と水とからなる固液混相流（泥水）が生成される。この後の動作は第四の構成例と同様である。一方、攪拌層１１２の底部から水を含んだ土砂が導入管１４７内に取り出され、サンドポンプ１４８により回収口１４９に戻される。回収口１４９に戻った水を含んだ土砂から土砂成分が洗浄土砂回収装置１５０に回収されるとともに、泥水が投入口１４２に投入される。
【０１４７】
一方、懸濁水処理装置１においては、積層傾斜板１２、１３により沈降した粒子が粒子圧密装置１４、１５で圧密される。最終的に、粒子圧密装置１４、１５のろ過膜１８に付着した粒子層は剥離除去されて容器１１の底部の排出口１１ａから外部に取り出される。
【０１４８】
図５０に、固液混相流（泥水）の流れを細い破線の矢印で、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。
【０１４９】
この洗浄、分級および処理システムの実施例について説明する。図５１は実施例による洗浄、分級および処理システムを示す。図５１に示すように、この洗浄、分級および処理システムにおいては、容器１１１の底部が下に先すぼまりの四角錐状の形状を有しており、その内部に攪拌層１１２が設けられている。攪拌層１１２の側壁には洗浄水を攪拌層１１２に導入するための導入管１４３が接続されている。導入管１４３は高圧ポンプ１４５を介して直方体状の受液槽１４６の底部に接続されている。受液槽１４６は容器１１の側壁上部の排出口３２の前方下部に取り付けられており、排出口３２を越えて外に越流した固液混相流を受け入れることができるようになっている。
【０１５０】
懸濁水処理装置１の容器１１内には、二段の積層傾斜板１２、１３が設けられ、その下方に粒子圧密装置１４、１５が設置されている。
【０１５１】
分級装置１０と懸濁水処理装置１との間に凝集促進層１７１が設けられている。
【０１５２】
凝集促進層１７１としては、図５２または図５３に示すものを用いた。図５２に示す凝集促進層１７１は、隔壁１７１ａが切妻屋根の形状ではなく、水平であることを除いて、図４７Ａ〜Ｄに示すものと同様である。図５２に示すように、凝集促進層１７１の全長は１５０ｍｍ、隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間の間隔（管路の高さ）は２４ｍｍ、縦板１７１ｃの間隔は１０ｍｍである。また、図５３に示す凝集促進層１７１は、図４５に示すものと同様である。図５３に示すように、凝集促進層１７１の全長は１００ｍｍ、隔壁１７１ａと隔壁１７１ａとの間の間隔（管路の高さ）は５ｍｍである。
【０１５３】
分級装置１１０と懸濁水処理装置１との全体に水を循環させながら、カオリン１００ｇを受液槽１４６に投入し、凝集促進層１７１の入口（測点１）と出口（測点２）とで７分間の積算濃度（ＳＳ）を測定した。図５４に測定結果を示す。図５４に示すように、いずれも、カオリンの沈降効果があり、凝集促進層１７１の入口に入ってくる流れの流速（ｕ）（図５２および図５３参照）の増加に伴って沈降効果は低減すること、および、測点１と測点２とのＳＳ量は大差がないことが分かった。
【０１５４】
この第五の実施の形態によれば、第二の実施の形態と同様な利点に加えて、分級装置１１０と懸濁水処理装置１との間に凝集促進層１７１が設けられていることにより、分級装置１１０からの固液混相流に含まれる粒径の小さい粒子をこの凝集促進層１７１で可能な限り凝集させて粒径を大きくすることができ、それによって懸濁水処理装置１の積層傾斜板１２、１３による粒子の沈降を効率的に行うことができるという利点を得ることができる。
【０１５５】
〈第六の実施の形態〉
［洗浄、分級および処理システム］
図５５に、第六の実施の形態による洗浄、分級および処理システムを示す。図５５に示すように、この洗浄、分級および処理システムにおいては、分級装置１１０と懸濁水処理装置１との間に、分級装置１１０から懸濁水処理装置１に向かって順に波状スタティックミキサーからなる整流層１６１および凝集促進層１７１が設けられている。その他のことは第にの実施の形態と同様である。
【０１５６】
この第六の実施の形態によれば、第三および第五の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【０１５７】
〈第七の実施の形態〉
［懸濁水処理装置］
図５６に第七の実施の形態による懸濁水処理装置を示す。
図５６に示すように、懸濁水処理装置１は、上部が開口した容器１１と、容器１１の内部に上下二段に設けられた積層傾斜板１２、１３からなる沈降層と、容器１１の内部の沈降層の下方に設けられた粒子圧密装置１４とを有する。容器１１の形状は必要に応じて選ばれるが、図５６においては、容器１１の上部が直方体、下部が逆四面体の形状を有する場合が示されている。積層傾斜板１２、１３は全体として直方体の形状を有し、それらの外周の四面が容器１１の各側面とほぼ平行になるように容器１１内に設置されている。積層傾斜板１２、１３の一方の側面と容器１１の内壁との間には後述の仕切り板２０５が設置されるため、この一方の側面と容器１１の内壁との間には隙間を設ける必要があるが、積層傾斜板１２、１３の他方の側面と容器１１の内壁との間には隙間を設けても設けなくてもよい。一方、積層傾斜板１２、１３の前後の面と容器１１の内壁との間には、フロックおよび分離された水が上下に移動できるように隙間（一般的には４〜６ｍｍ、例えば５ｍｍ程度）を設ける。容器１１の内部の沈降層に設ける積層傾斜板の段数は特に限定されず、一段あるいは三段以上設けてもよい。同様に、容器１１の内部に設ける粒子圧密装置の段数も特に限定されず、二段以上設けてもよい。積層傾斜板の高さは、傾斜板間の隙間における粒子、例えば粘土フロックの沈降に伴う上昇流が粒子を巻き上げないようにするために、好適には３０ｃｍ以下にするが、これに限定されるものではない。積層傾斜板１２、１３および粒子圧密装置１４の詳細については第一の実施の形態と同様である。容器１１の上部の、積層傾斜板１３の一方の側面に対向する側壁には例えば長方形または正方形の開口２０１が設けられており、この開口２０１を覆うように容器１１の側壁に、処理すべき懸濁水を外部から流入させるための流路２０２が取り付けられている。流路２０２の断面形状は、典型的には長方形または正方形であるが、これに限定されるものではない。また、容器１１の側壁上部のうち開口２０１に対向する部分に例えば長方形または正方形の排出口２０３が設けられており、この排出口２０３を覆うように容器１１の側壁に、排出口２０３を越えて外に越流した懸濁水を受け入れるための受液槽２０４が取り付けられている。
【０１５８】
この懸濁水処理装置１においては、容器１１内に、流路２０２が取り付けられている側の容器１１の内壁とこの内壁と対向する積層傾斜板１２、１３の一方の側面との間に仕切り板２０５が設けられている。この仕切り板２０５は、鉛直方向に対して角度θ（例えば、−２０度≦θ≦２０度）をなす面内に存在し、典型的には鉛直面内に存在する。また、この仕切り板２０５は、好適には、積層傾斜板１２、１３の一方の側面とほぼ平行に設けられる。また、好適には、この仕切り板２０５は、積層傾斜板１２、１３の一方の側面の近くに、最も好適にはほぼ接触して設けられるが、これに限定されるものではない。この仕切り板２０５は、積層傾斜板１２、１３の一方の側面のうち、少なくとも流路２０２から流出する懸濁水が当たる部分を遮蔽することができる大きさを有していればよいが、好適には、例えば、上段の積層傾斜板１３の一方の側面の最上部から下段の積層傾斜板１２の一方の側面の最下部のうち、上から４０〜７０％程度の範囲を遮蔽するように設けられる。図５６においては、一例として、仕切り板２０５が、積層傾斜板１３の一方の側面の最上部から下段の積層傾斜板１２の側面の上半分を遮蔽することができる大きさを有する場合が示されている。
【０１５９】
仕切り板２０５の役割について説明する。図５７ＡおよびＢはそれぞれ仕切り板２０５がない場合および仕切り板２０５がある場合を示し、いずれも容器１１の内部の概略を示したものである。図５７Ａに示すように、仕切り板２０５がない場合は、流路２０２から流出する懸濁水は、積層傾斜板１２、１３の側面に直接供給され、懸濁水中の粒子、例えばフロックが沈降層の上部に拡散することで、上部の濁水濃度が大きくなる。そして、この上部の濁水濃度の上昇によって、容器１１内に流入する濁水は、さらに上部を流れ、容器１１の外部に流出する。このとき、容器１１内の沈降層の上部では流速が速いため、懸濁水中の粒子は沈降し難く、したがって沈降の効率が必ずしも高くない。これに対し、図５７Ｂに示すように、仕切り板２０５がある場合は、流路２０２から流出する懸濁水は、この仕切り板２０５に当たった後、この仕切り板２０５と容器１１の内壁との間をこの仕切り板２０５に沿って下方に流れ、さらに仕切り板２０５の下方を通って仕切り板２０５の背後に回り込み、上昇する。仕切り板２０５の背後では懸濁水の流速が小さいため、上部の濁水濃度が小さくなる。そして、この上部の濁水濃度の低下によって、粒子を含む濁水は、密度差により上部に浸入し難くなる。同時に、濁水を沈降層の底部に導くことができる。このとき、容器１１内の上部では流速が遅いため、懸濁水中の粒子は沈降しやすく、したがって沈降の効率が高い。
【０１６０】
次に、容器１１内の仕切り板２０５の設置位置について説明する。図５８に示すように、仕切り板２０５と容器１１の、懸濁水の流入側の内壁との間の距離をｄ1 、仕切り板２０５と容器１１の、懸濁水の流入側と反対側の内壁との間の距離をｄ2 、容器１１内への流入懸濁水層の厚さをｄとする。ｄ1 は、懸濁水の沈降層流入時の抵抗を小さくするために、好適には、流入懸濁水層の厚さｄ程度とする。また、ｄ2 は、上昇流の流速が十分に小さくなるようにするために、可能な範囲で大きく取り、好適には少なくともｄ2 ／ｄ1 ≧１０とする。
【０１６１】
第一の実施の形態と同様に、粒子圧密装置１４により粒子が除去されたろ過水は、配管２４（図５６においては図示せず）を通って貯水タンク２５に蓄積されるようになっている。貯水タンク２５、真空ポンプ２６、配管２８およびポンプ２９については第一の実施の形態と同様である。ただし、この場合、ポンプ２９により配管２８を通して送られる水２７は、容器１１内の仕切り板２０５の背後に戻されるようになっている。このようにすることにより、仕切り板２０５の背後の濁水濃度を低く保つことができ、沈降の効率の向上を図ることができる。
【０１６２】
［懸濁水処理装置の動作方法］
次に、上述のように構成されたこの懸濁水処理装置の動作方法について説明する。
【０１６３】
まず、図５６に示すように、容器１１内には上段の積層傾斜板１３が水没する深さまで水が入っているものとする。粒子を除去する処理を行う懸濁水を流路２０２から容器１１の沈降層内に流入させる。処理を行う懸濁水が泥水である場合には、あらかじめ凝集剤を添加してフロックを生成しておく。この場合、処理の対象は、フロックを含む懸濁水である。沈降層内に流入した懸濁水は仕切り板２０５に当たった後、仕切り板２０５と容器１１の内壁との間を仕切り板２０５に沿って下方に流れ、さらに仕切り板２０４の下方を通って仕切り板２０４の背後に回り込み、積層傾斜板１２、１３を順次通って上昇する。積層傾斜板１２、１３では、次のようにして粒子の沈降が起きる。ここでは、積層傾斜板１２について説明するが、積層傾斜板１３についても同様である。図５９に示すように、積層傾斜板１２を構成する傾斜板１２ａ間の隙間１２ｂに下方から懸濁水が流入すると、懸濁水中の粒子は下側の傾斜板１２ａ上に沈降し、その後、傾斜板１２ａ上を滑って下方に向かい、積層傾斜板１２から離れて下方に沈降する。一方、粒子（フロック）が分離した低濃度懸濁水は傾斜板１２ａ間の隙間１２ｂを上昇する。最終的に積層傾斜板１２の下部から落下した粒子（フロック）は容器１１の底部に沈澱し、沈澱層を形成する。粒子圧密装置１４は常時運転してもよいが、ある程度の厚さの沈澱層が形成された時点で粒子圧密装置１４を運転するだけでも十分である。粒子圧密装置１４を運転すると、既に述べたように、管路付きろ過膜１６の管路１９は負圧になるため、ろ過膜１８を通って水が管路１９内に吸引される。管路１９内に吸引された水は管路１９内を平板２０に向かって流れて空間２３（図５参照。）に入り、さらに配管２４を通って貯水タンク２５に放出される。管路付きろ過膜１６の間の水中を落下する粒子のうち、ろ過膜１８に接触したものはろ過膜１８に付着する。この際、懸濁水がろ過膜１８側に吸引されることから、ろ過膜１８への粒子の付着が促進される。こうして粒子がろ過膜１８に付着すると、時間の経過とともに粒子が堆積して粒子層が形成され、その厚さが次第に増加する。こうしてろ過膜１８に粒子層が形成されることにより、粒子が圧密される。図５６においては、ろ過膜１８に粒子層２０６が付着した様子が示されている。粒子の圧密がある程度行われた時点で、粒子圧密装置１４の管路付きろ過膜１６の管路１９に上記の水の吸引方向と逆方向に水を流し（逆洗）、管路１９に面したろ過膜１８に裏側から圧力を掛けることにより、ろ過膜１８の表面に形成された粒子層の一部または全部を剥離除去し、容器１１の底部の排出口１１ａから外部に取り出す。また、必要に応じて、図３の矢印で示すように、バイブレーターにより平板２１側の管路付きろ過膜１６を膜面に垂直方向に例えば数百Ｈｚで加振することにより、ろ過膜１８に形成された粒子層をろ過膜１８から剥離除去する。粒子圧密装置１４で圧密された粒子は、最終的に、粒子圧密装置１４の下方に沈降し、容器１１の底部に設けられた排出口１１ａから外部に取り出す。
【０１６４】
以上により、懸濁水中の粒子が除去され、目的とする懸濁水の処理が行われる。この処理は、必要に応じて、複数回、繰り返し行ってもよい。
【０１６５】
図５６に、懸濁水が、所定の分級を行った後の泥水である場合について、砂・シルト・粘土の流れを太い破線の矢印で模式的に示す。図５６中、左下に向かう矢印は、懸濁水から粒子が放出される様子を模式的に示したものである。
【０１６６】
［懸濁水処理装置による懸濁水処理実験］
次に、この懸濁水処理装置の試作機を用いて懸濁水処理実験を行った結果について説明する。
【０１６７】
図６０にこの試作機の一例を示す。この試作機においては、容器内において、積層傾斜板は三段設けられており、二段目および三段目の積層傾斜板はフロックの流出を抑えるために容器１１の流出側の内壁に密着するように設置され、一段目の積層傾斜板は二段目および三段目の積層傾斜板から右側に少しずれた位置に設けられている。容器は直方体の形状を有し、高さ約７０ｃｍ、幅約４０ｃｍ、奥行約４０ｃｍである。各積層傾斜板の高さは２０ｃｍ、幅および奥行は１５ｃｍ、傾斜板の間隔は７ｍｍ、傾斜板の傾斜角αは６０度である。また、粒子圧密装置の管路付きろ過膜の高さは１００ｍｍ、幅は２００ｍｍであり、この管路付きろ過膜が７枚、水平方向に互いに平行に配列されていて管路付きろ過膜の間隔Ｄは約１２ｍｍである。平板の大きさは高さ１５０ｍｍ、幅３００ｍｍである。管路付きろ過膜のろ過膜としてはポリプロピレン製の不織布を用いた。管路付きろ過膜の波板としては、矩形波状の断面形状を有する１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形のポリカーボネート製波板（全体の厚さは約３ｍｍ、波のピッチは約３ｍｍ、板の厚さは０．５ｍｍ）を用いた。
【０１６８】
仕切り板の効果を確認するために仕切り板の長さ（高さ）を変えて基礎的な実験を行った。
【０１６９】
図６１および図６２にその結果を示す。図６１に示す例では、二段目および三段目の積層傾斜板の側面全体を遮蔽するように仕切り板が設置されており、図６２に示す例では、三段目、すなわち最上段の積層傾斜板の側面だけを遮蔽するように仕切り板が設置されている。これらの仕切り板は、ほぼ鉛直面内に、かつ積層傾斜板の一方の側面に平行に設置されている。この場合、図５８に示すｄ1 ＝８ｍｍ、ｄ2 ＝３２ｍｍである。また、積層傾斜板の幅は仕切り板と容器の内壁との間の間隔とほぼ同一である。また、二段目の積層傾斜板と三段目の積層傾斜板との傾斜板の傾斜方向は互いに同一であり、α＝６０度である。処理を行う懸濁水としては、カオリン水溶液に凝集剤としてＰＡＣを添加し、フロックを生成した懸濁水を用いた。図６１に示す例では、仕切り板の背後において上昇流が強くなり、フロックが巻き上げられ、容器外に流出する。これに対し、図６２に示す例では、仕切り板の背後において上昇流が弱く、フロックの巻き上がりが小さくなる。
【０１７０】
図６３は、二段の積層傾斜板を用い、一段目の積層傾斜板の幅を約３０ｃｍ、二段目の積層傾斜板の幅を約１５ｃｍとし、一段目の積層傾斜板と二段目の積層傾斜板との傾斜板の傾斜方向は互いに逆とし、α＝６０度として実験を行った結果を示す。この例では、二段目の積層傾斜板の側面の上半分だけ遮蔽するように仕切り板が設置されている。この場合、仕切り板は、鉛直方向に対して時計方向に約θ＝５度傾斜している。処理を行う懸濁水としては、土壌水に凝集剤としてＰＡＣを添加し、フロックを生成した懸濁水を用いた。この図６３に示す例では、二段目の積層傾斜板の一方の側面と仕切り板との間の空間で静水域が形成されるため、積層傾斜板が存在しなくても上昇流が抑えられている。ただし、仕切り板の背後全領域に積層傾斜板を設置するのが有効である。
【０１７１】
図６４ＡおよびＢは、二段の積層傾斜板を用い、いずれの積層傾斜板も幅を約３０ｃｍとし、一段目の積層傾斜板と二段目の積層傾斜板との傾斜板の傾斜方向は互いに逆とし、α＝６０度として実験を行った結果を示し、図６４Ｂは図６４Ａから一定時間経過した後の写真である。仕切り板は二段目の積層傾斜板の側面および一段目の積層傾斜板の側面の上半分を遮蔽するように、かつ鉛直方向に対して時計方向に約θ＝５度傾斜して設置されている。処理を行う懸濁水としては、カオリン水溶液に凝集剤としてＰＡＣを添加し、フロックを生成した懸濁水を用いた。流入懸濁水のＳＳ量は１００００、流出懸濁水のＳＳ量は１００であった。図６４ＡおよびＢに示す例では、いずれも仕切り板の背後において上昇流が弱く、フロックの上昇がブロックされていることが分かる。
【０１７２】
次に、積層傾斜板を用いる場合と用いない場合とについて仕切り板の効果を検証するために行った沈降実験の結果について説明する。このために、ＳＳ量が１００００の粘土濁水の沈降実験を行った。その結果を図６５ＡおよびＢ、図６６および図６７に示す。ここで、図６５ＡおよびＢは、処理を行う懸濁水としてカオリン水溶液に凝集剤としてＰＡＣを添加したものを用い、仕切り板を用いず、流量を２０Ｌ／ｍｉｎとした場合を示し、図６５Ａは積層傾斜板を用いない場合、図６５Ｂは積層傾斜板を用いた場合を示す。また、図６６は、処理を行う懸濁水として名古屋粘土の粘土水を用い、仕切り板および積層傾斜板とも用い、流量を２０Ｌ／ｍｉｎとした場合を示す。図６７は、処理を行う懸濁水としてカオリン水溶液に凝集剤としてＰＡＣを添加したものを用い、粒子圧密装置により吸引を行い、仕切り板および積層傾斜板とも用い、流量を１５Ｌ／ｍｉｎとした場合を示す。
【０１７３】
図６５ＡおよびＢから分かるように、積層傾斜板を用いない場合は処理用の容器に対する流入前と流入後とでＳＳ量はあまり変わらず、フロックの沈降効果はほとんど得られていないのに対し、積層傾斜板を用いた場合は流入前に比べて流入後のＳＳ量は約１／４と大幅に減少している。また、図６６から分かるように、積層傾斜板、仕切り板とも用いた場合は、沈降層に入る前のＳＳ量は３０００〜４５００であったが、沈降層を通った後のＳＳ量は数百以下に激減している。また、図６７から分かるように、積層傾斜板、仕切り板とも用いた場合は、沈降層に入る前のＳＳ量は４５００〜６５００であったが、沈降層を通った後のＳＳ量は数百以下に激減している。これらの結果は、仕切り板により粘土フロックの容器外への流出が大幅に抑えられていることを示す。
【０１７４】
この第七の実施の形態によれば、第一の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【０１７５】
〈第八の実施の形態〉
［懸濁水処理装置］
図６８に第八の実施の形態による懸濁水処理装置を示す。
図６８に示すように、この懸濁水処理装置１においては、容器１１内の沈降層を構成する積層傾斜板が上下に多段に配置された複数の積層傾斜板３０１〜３０４からなり、これらの積層傾斜板３０１〜３０４のそれぞれの高さは３０ｃｍ以下、例えば２０〜３０ｃｍに選ばれている。また、これらの積層傾斜板３０１〜３０４を構成する傾斜板の傾斜方向は交互に互いに反対になっている。このように高さが３０ｃｍ以下と低い積層傾斜板を複数、多段に配置することにより、上昇流を分散させることができる。また、傾斜板の傾斜角αは、好適には５０〜７０度、より好適には５５〜６５度、例えば６０度に選ばれる。傾斜板の間隔は、好適には５〜９ｍｍ、より好適には６〜８ｍｍ、例えば７ｍｍに選ばれる。積層傾斜板の段数は必要に応じて選ばれ、特に限定されないが、例えば三段から十段であり、図６８においては四段の場合が示されている。この懸濁水処理装置１のその他のことは第一の実施の形態による懸濁水処理装置１と同様である。
【０１７６】
この第八の実施の形態によれば、第七の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【０１７７】
〈第九の実施の形態〉
［懸濁水処理装置］
図６９に第九の実施の形態による懸濁水処理装置を示す。
図６９に示すように、この懸濁水処理装置１においては、第七の実施の形態と同様に容器１１内に仕切り板２０５が設けられているが、積層傾斜板が設けられていないことが第七の実施の形態と異なる。この懸濁水処理装置１のその他のことは第七の実施の形態による懸濁水処理装置１と同様である。
【０１７８】
この懸濁水処理装置１においては、外部から容器１１に流入する懸濁水は仕切り板２０５に当たり、この仕切り板２０５と容器１１の内壁との間を通り、仕切り板２０５に沿って下方に流れ、仕切り板２０５の下方を通ってから上昇する。このとき、仕切り板２０５の背後は流速が小さいため、上部の懸濁水の濃度が小さくなる。上部の懸濁水の濃度の低下によって、フロックを含む懸濁水は、密度差により上部に浸入し難くなる。同時に、懸濁水を容器１１の底部に導く。このように、この懸濁水処理装置１においては、仕切り板２０５の背後の上部における流速が小さいため、積層傾斜板が設けられていなくても、フロックが効率的に沈降する。図６９中、容器１１内に示した水平な破線は、フロックとその上の水層との界面を示したものである。
【０１７９】
この第九の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【０１８０】
〈第十の実施の形態〉
［洗浄、分級および処理システム］
この第十の実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいては、第二〜第六のいずれかの実施の形態による洗浄、分級および処理システムにおいて、懸濁水処理装置として第七〜第九の実施の形態のいずれかによる懸濁水処理装置を用いることを除いて、第二〜第六のいずれかの実施の形態による洗浄、分級および処理システムと同様である。
【０１８１】
この第十の実施の形態によれば、第二〜第六のいずれかの実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【０１８２】
〈第十一の実施の形態〉
［浄水製造装置］
第十一の実施の形態においては、浄水製造装置について説明する。
第一〜第十の実施の形態による懸濁水処理装置あるいは洗浄、分級および処理システムにおいては、懸濁水処理装置１１の粒子圧密装置１３、１５でろ過された水２７が貯水タンク２５に蓄えられる。この浄水製造装置においては、この貯水タンク２５内の水２７を浄水として利用する。この貯水タンク２５内の水２７をそのまま浄水として利用することも可能であるが、好適には、貯水タンク２５とは別の浄水タンクを用意し、貯水タンク２５の水２７をこの浄水タンクに移して利用される。貯水タンク２５の水２７を浄水タンクに移す場合には、その途中あるいは浄水タンクに設置される蛇口などに従来公知の各種の浄水フィルター（中空糸フィルターなど）を設置し、この浄水フィルターにより水２７中に残存する各種の物質を除去するようにしてもよい。特に、フロック形成のために懸濁水にＰＡＣなどの凝集剤を添加する場合は、この凝集剤も吸着除去可能な浄水フィルターが用いられる。浄水タンクには、必要に応じて濁度計を設置し、濁度管理を行う。
【０１８３】
この第十一の実施の形態によれば、泥水などの懸濁水から浄水を容易に製造することができるため、例えば、浄水の入手は困難であるが、泥水は容易に得られる地域にこの浄水製造装置を設置し、この浄水製造装置に泥水を投入するだけで必要に応じて浄水を容易に製造することが可能である。
【０１８４】
以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１８５】
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
【符号の説明】
【０１８６】
１…懸濁水処理装置、１１…容器、１２、１３…積層傾斜板、１２ａ、１３ａ…傾斜板、１２ｂ、１３ｂ…隙間、１４、１５…粒子圧密装置、１６…管路付きろ過膜、１７…波板、１８…ろ過膜、１９…管路、２０、２１…平板、２５…貯水タンク、１１０…分級装置、１１１…容器、１１２…攪拌層、１１３、１６１…整流層、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ…波板積層体、１１４…層流層、１１４ａ…隔壁、１１４ｂ…孔、１１５…分級層、１１５ａ…隔壁、１１５ｂ…孔、１１６…波板、１２１…容器、１２２、１２３…積層傾斜板、１２２ａ、１２３ａ…傾斜板、１２２ｂ、１２３ｂ…隙間、３１…開口部、３２…排出口、１４１、１４３、１４７、１５１…導入管、１４４…攪拌用ポンプ、１４５…高圧ポンプ、１４６…受液槽、１４８…サンドポンプ、１４９…回収口、１５０…洗浄土砂回収装置、１７１…凝集促進層、１７１ａ…隔壁、１７１ｂ…隙間、１７１ｃ…縦板、２０１、２０３…開口、２０２…流路、２０４…受液槽、２０５…仕切り板、２０６…粘土層
【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図４１】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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