(57)【要約】【課題】ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法及び装置であって、従来の上向流ろ過方法及び装置に比べると、安価に、そしてろ材粒子を均等に、簡単に、十分洗浄しつつろ過対象原液を上向流ろ過できる上向流ろ過方法及び装置を提供する。【解決手段】ろ過対象原液Ｌ’をろ材粒子層４０を内蔵するろ過槽１の下部から流入させ、ろ材粒子層４０中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法及び装置であって、ろ過槽１下部において流入する原液Ｌ’の高速上昇流を生じさせ、該高速上昇流によりろ過槽１下部のろ材粒子４を洗浄しつつ原液Ｌ’をろ材粒子層４０中に上昇させてろ過するとともに原液Ｌ’の一部を該洗浄によりろ材粒子４から除去された汚染物質とともにろ過槽１下部から排出するとともに、洗浄されたろ材粒子４をリンス通路５から、リンス液（ろ過後液Ｌ）でリンスしつつろ材粒子層４０上へ戻す上向流ろ過方法及び装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろ過対象原液をろ材粒子層を内蔵するろ過槽の下部から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法であって、ろ過槽下部において流入する原液の高速上昇流を生じさせ、該高速上昇流によりろ過槽下部のろ材粒子を洗浄しつつ原液をろ材粒子層中に上昇させてろ過するとともに原液の一部を該洗浄によりろ材粒子から除去された汚染物質とともにろ過槽下部から排出することを特徴とする上向流ろ過方法。
【請求項２】
洗浄されたろ材粒子をろ材粒子層上へ戻す請求項１記載の上向流ろ過方法。
【請求項３】
前記ろ過槽として円筒状部、該円筒状部の下端部に連設された倒立円錐形状部及び該倒立円錐形状部の下端部に連設され、前記円筒状部の内径より小内径の小円筒状部を有するものを採用するとともに前記ろ材粒子を該小円筒状部、倒立円錐形状部及び円筒状部の一部に充填し、ろ過対象原液を該小円筒状部内へその中心軸線方向から流入させて前記高速上昇流を発生させるとともに上向き流速を高めることで、ろ過槽下部のろ材粒子を流動化させるとともに該流動化したろ材粒子より上側のろ材粒子を支える請求項１又は２記載の上向流ろ過方法。
【請求項４】
前記小円筒状部内にろ材粒子と液を分離する分離装置に接続されたリフトパイプを挿入し、前記倒立円錐形状部及びその上の円筒状部において生じる圧力損失を利用して該小円筒状部内の原液の一部を前記洗浄によりろ材粒子から除去された汚染物質とともに、又は該汚染物質及び洗浄されたろ材粒子とともに該リフトパイプ中を前記分離装置へ搬送し、該分離装置から汚染物質を含む液を排出する請求項３記載の上向流ろ過方法。
【請求項５】
前記分離装置から洗浄後のろ材粒子をろ材粒子層上に戻す請求項４記載の上向流ろ過方法。
【請求項６】
前記ろ過槽としてろ材粒子層の上方にろ過液溢流堰を有するものを採用するとともに前記分離装置として汚染物質含有液を溢流排出させる排液用溢流堰を有するものを採用し、前記両堰を同高さに設定するとともにろ過液溢流堰の液溢流部分の全長に対する排液用溢流堰の液溢流部分の全長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくする請求項４又は５記載の上向流ろ過方法。
【請求項７】
前記両堰として円形堰を採用し、ろ過液溢流堰の周長に対する排液用溢流堰の周長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくする請求項６記載の上向流ろ過方法。
【請求項８】
前記ろ過槽として、前記倒立円錐形状部内に、前記小円筒状部からの原液上昇流及び該倒立円錐形状部上方からのろ材粒子下降を該倒立円錐形状部内各部において均一化するための漏斗状整流器を有するものを採用する請求項３から７のいずれかに記載の上向流ろ過方法。
【請求項９】
ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過装置であり、
ろ材粒子層を収容し、該ろ材粒子層上にろ過液層を生じさせるろ過槽と、
前記ろ過槽内に挿入されたリフトパイプと、
前記リフトパイプの上端部に接続されたろ材粒子と液を分離する分離装置とを備えており、
前記ろ過槽は、円筒状部、該円筒状部の下端部に連設された倒立円錐形状部及び該倒立円錐形状部の下端部に連設され、前記円筒状部の内径より小内径の小円筒状部を有しており、
前記円筒状部は前記ろ過液層を保持する部分を含んでいるとともに該部分からろ過液をろ過槽外へ放出するろ過液放出口部を有しており、前記小円筒状部はその中心軸線方向から前記原液を流入させて該原液の高速上昇流を発生させる原液供給口部を有しており、
前記分離装置は前記リフトパイプからのろ材粒子及び液を流入させるケース及び該ケースから排液するための排液口部を有しており、
前記リフトパイプは下端部が前記小円筒状部内に開口しており、上端部が前記分離装置のケース内に開口していることを特徴とする上向流ろ過装置。
【請求項１０】
前記分離装置のケースの底部から前記ろ過槽の円筒状部のろ過液層保持部分内へ延びる、ろ材粒子リンス通路を兼ねるろ材粒子戻し管が設けられている請求項９記載の上向流ろ過装置。
【請求項１１】
前記ろ過液放出口部がろ過液溢流堰を含んでおり、前記分離装置における排液口部は排液用溢流堰を含んでおり、該両堰は同高さに設定されており、ろ過液溢流堰の液溢流部分の全長に対する排液用溢流堰の液溢流部分の全長の割合がろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しい請求項９又は１０記載の上向流ろ過装置。
【請求項１２】
前記ろ過液溢流堰及び排液用溢流堰はいずれも円形堰であり、ろ過液溢流堰の周長に対する排液用溢流堰の周長の割合がろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しい請求項１１記載の上向流ろ過装置。
【請求項１３】
前記ろ過槽の倒立円錐形状部内に、前記小円筒状部からの原液上昇流及び該倒立円錐形状部上方からのろ材粒子下降を該倒立円錐形状部内各部において均一化するための漏斗状整流器が設置されている請求項９から１２のいずれかに記載の上向流ろ過装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過装置で現在製造、販売されているものの代表的なものは特公昭５６−５１８０８号公報に記載されている装置を原型とするものである。
【０００３】
同公報に開示されている上向流ろ過方法及び装置は、ろ過槽として、穀物サイロのように、円筒状部の下に倒立円錐形状部を連設した形態のものを採用し、該倒立円錐形状部及びその上の円筒状部の一部に砂等のろ材粒子を充填し、ろ過対象原液を該倒立円錐形状部へ導入し、ろ材粒子層中に立ち上げた管路からろ材粒子層中を上昇させ、ろ過後液をろ過槽から放出する。
【０００４】
また、倒立円錐形状部内へ上方からエアリフトパイプを挿入し、汚染されたろ材粒子を液の一部とともに該パイプによりろ過槽下部から上昇させて洗浄装置へ導き、該液については洗浄装置から排出させつつろ材粒子については洗浄装置を構成しているろ材粒子戻し管中の洗浄路へ流入させ、該洗浄路に設けたプレート等の汚染凝集体破壊用の突起物に衝突させながら、また該洗浄路内に設けた複雑な迷路構造物に衝突させながら下降させる一方、ろ過槽中のろ材粒子層上のろ過液の一部を洗浄液として該洗浄路中へ流入上昇させ、該洗浄液にて汚染ろ材粒子を洗浄するようにし、洗浄後のろ材粒子はろ材粒子層上に落下させ、洗浄後の洗浄液は洗浄装置から排出させる。全体として、ろ過槽中のろ材粒子は上方から下方へ移動し、汚染されたろ材粒子はろ過槽の倒立円錐形状部へ集められ、そこから洗浄装置へ搬送される。
【０００５】
また、ろ過槽には、その倒立円錐形状部の下部におけるろ材粒子の自重による圧密化を抑制するため、傘状の支持体が設けられる。さらに、洗浄後のろ材粒子がろ材粒子層上に均一に散布されるように、ろ材粒子層の上方に孔のあいた円錐状の拡散傘も設けられる。
【特許文献１】特公昭５６−５１８０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の上向流ろ過方法及び装置においては、汚染ろ材粒子の搬送のためにエアリフトパイプを用いるため、コンプレッサ又はブロワが必要であり、それだけコスト高につく。
【０００７】
また、エアリフトパイプ内を空気と、ろ材粒子と、液とが混合されながら高速で上昇するため、ろ材粒子の衝突によるパイプ内面の損傷が著しく、短期間でパイプ壁に孔あき等が生じ、エアリフトパイプを交換しなければならず、それだけランニングコストが高くつく。
【０００８】
しかも、ろ材粒子はエアリフトパイプ内面と激しく衝突するが、ろ材粒子は液流に同伴して上昇するため、ろ材粒子同士が直接衝突しあうことは少ない。従ってエアリフトパイプの消耗は激しい割りには、エアリフトパイプ中だけでは十分なろ材粒子の洗浄効果が得られない。
【０００９】
そこで、汚染ろ材粒子を前記洗浄路内へ導き、前記突起物や前記迷路構造物に衝突させることで洗浄効果を高めるようにしているが、洗浄路を上昇してくる洗浄液中を落下するろ材粒子の相対下降速度は洗浄されたろ材粒子がろ材粒子層上へ落下する速度程度、すなわち終末沈降速度程度（十数ｃｍ／ｓ程度）であり、ろ材粒子がエアリフトパイプ内を上昇する速度（数ｍ／ｓ程度）よりも遅く、突起物や迷路構造物に衝突することによる洗浄効果はごくわずかである。
【００１０】
また、洗浄後ろ材粒子をろ材粒子層上に均一に戻し散布するための前記孔のあいた拡散傘が存在することによりろ材粒子層の上面が覆い隠され、通常運転中にはろ過装置上部からろ材粒子層のろ材粒子の状態を点検することができず、不具合の発見が遅れ、重大化させる原因になっている。
【００１１】
また、前記ろ過層内にはろ材粒子の自重を支える傘状の支持体が設けられているため、ろ材粒子は該支持体に沿って支持体周辺部から下方へ流下するのであるが、該支持体周辺部にろ材粒子のブリッジが生じやすい。支持体周辺部とろ過槽内面の間の距離は一般に製作誤差があるため一様ではなく、このようなブリッジが生じると、幅の広い部分からはより多くのろ材粒子が落下し、ろ材粒子層のろ材粒子が各部均一に下降移動することができず、ろ材粒子の洗浄にばらつきが生じる。
【００１２】
また、通常、前記洗浄装置において洗浄液は排液用溢流堰から排出され、ろ過後液の大半はろ過液溢流堰から放出されるのであるが、洗浄通路内を上昇する洗浄液が前記迷路構造物等の障害物により大きな圧損を受けるため、ろ過後液放出側と洗浄液排出側に液位差が生じる。ろ過対象原液の流入量や温度が変化すると、この液位差が変化するので、ろ過後液放出と洗浄液排出の流量の比率も変化してくる。この比率を一定に保つためには、排液用溢流堰の高さ位置又は液溢流部の長さ（堰幅）を調節しなければならず、負荷変動や液温の季節変動のたびに装置上の高所作業が必要になるので危険である。
【００１３】
また、従来のろ過装置では、装置の運転を数日間停止すると、エアリフトを再起動するのが困難になる場合がある。一般的には、その原因の一つは、運転停止時にエアリフトパイプ内部にあったろ材粒子が沈降し、エアリフトパイプ内部でマッドボール化するためであり、もう一つの原因は、エアリフトパイプ入口周辺のろ材粒子がマッドボール化するためと考えられている。
【００１４】
しかしながら、本発明者は運転停止前に水道水で十分に洗浄して停止した場合でも、翌日にはエアリフトの起動が困難になることを実験で確認したので、かかるマッドボール化が原因ではない。本当の原因は、エアリフトパイプとろ材粒子の線膨張率の違いと、気温の変動による装置内部温度の変動である。実験ではパイプとしてステンレススチール製のものを用い、ろ材粒子としてろ過砂（主成分石英）を用いた。これについてさらに説明すると、日中の気温が高いときに運転を停止すると、装置内部の水温は外気温度に暖められて上昇する。内部水温が上昇すると、ステンレススチール製リフトパイプは膨張し、内径が大きくなるが、石英が主成分のろ過砂は殆ど膨張しないので、自重によりリフトパイプ内に生じた隙間を埋めるように崩落する。夜間になり、外気温度が下がると、内部水温も低下する。このときステンレススチール製リフトパイプは収縮し、内径が小さくなる。このときろ過砂は殆ど収縮しないので、リフトパイプによる圧縮応力を受ける。この圧縮応力が、石英の座屈軸加重を超えると、ろ過砂の粒が破壊され、強固なブリッジが形成される。実験により最高水温と最低水温の差が５℃程度でもステンレススチール製リフトパイプが閉塞することが確認された。
【００１５】
そこで本発明は、ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法及び装置であって、前記従来の上向流ろ過方法及び装置に比べると、安価に、そしてろ材粒子を均等に、簡単に、十分洗浄しつつろ過対象原液を上向流ろ過できる上向流ろ過方法及び装置を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の上向流ろ過方法及び装置を提供する。
（１）上向流ろ過方法
ろ過対象原液をろ材粒子層を内蔵するろ過槽の下部から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法であって、ろ過槽下部において流入する原液の高速上昇流を生じさせ、該高速上昇流によりろ過槽下部のろ材粒子を洗浄しつつ原液をろ材粒子層中に上昇させてろ過するとともに原液の一部を該洗浄によりろ材粒子から除去された汚染物質とともにろ過槽下部から排出する上向流ろ過方法。
【００１７】
このろ過方法によると、ろ過槽下部に発生させるろ過対象原液の高速上昇流により汚れの大きいろ過槽下部のろ材粒子が攪拌され、ろ材粒子同士が衝突することで該粒子に付着している汚染物質がろ材粒子から容易に脱落し、前記従来の上向流ろ過方法に比べると、汚染ろ材粒子それぞれが均等に、簡単に、十分洗浄される。
【００１８】
ろ過対象原液はこのようにろ材粒子の洗浄に利用される一方、その大半はろ材粒子層中を上昇してろ過される。原液の一部は該洗浄によりろ材粒子から除去された汚染物質とともにろ過槽下部から排出される。
洗浄されたろ材粒子は、ろ材粒子層上へ戻してもよい。そのようにすれば、ろ材粒子層のろ材粒子を下降移動させつつ、順次洗浄して再使用に供することができる。
【００１９】
ろ過対象原液の高速上昇流は、ろ過槽下部の形状等を工夫する程度のことで発生させることができ、前記従来方法のようにエアリフトパイプのためのコンプレッサやブロアの設置は必要ないので、それだけコスト安に済むし、騒音も少ない。また、エアリフトパイプを採用しないので、その摩耗による交換の必要もなく、それだけランニングコストが安価に済む。
【００２０】
ろ材粒子としては、ろ過用砂のほか、アンスラサイト、ガーネット、ガラスビーズ、セラミックなど、ろ過対象原液よりも比重の大きな粒子を使用することができる。
【００２１】
前記ろ過槽としては、代表例として、円筒状部、該円筒状部の下端部に連設された倒立円錐形状部及び該倒立円錐形状部の下端部に連設された、前記円筒状部の内径より小内径の小円筒状部を有するものを採用することができる。かかるろ過槽を採用するときは、ろ材粒子を該小円筒状部、倒立円錐形状部及び円筒状部の一部に充填し、ろ過対象原液を該小円筒状部内へその中心軸線方向から流入させて前記高速上昇流を発生させるとともに上向き流速を高めることで、ろ過槽下部のろ材粒子を流動化させるとともに該流動化したろ材粒子より上側のろ材粒子を支えることができる。
【００２２】
前記小円筒状部内にろ材粒子と液を分離する分離装置に接続されたリフトパイプを挿入し、前記倒立円錐形状部及びその上の円筒状部において生じる圧力損失を利用して該小円筒状部内の原液の一部を前記洗浄によりろ材粒子から除去された汚染物質とともに、又は該汚染物質及び洗浄されたろ材粒子とともに該リフトパイプ中を前記分離装置へ搬送し、該分離装置から汚染物質を含む液を排出するようにしてもよい。
【００２３】
この場合、分離装置に流入する洗浄後ろ材粒子についは、必要に応じ、これを取り出し、さらにリンスしてろ過槽内へ戻す等してもよいが、該分離装置から洗浄後のろ材粒子をろ材粒子層上に戻すようにしてもよい。そうすれば、ろ材粒子層のろ材粒子を下降移動させつつ、順次洗浄して再使用に供することができる。いずれにしてもリフトパイプを採用する場合、通水を停止した後、夜間にリプトパイプが内部のろ材粒子を締めつける圧縮力は、温度差、リフトパイプの材料の線膨張係数、弾性係数によって決まる。そこで、弾性係数の小さい材料でリフトパイプを形成することが望ましい。具体例として、全層高耐蝕特殊積層管（例えば富士化工株式会社製フジパイプ７０００）でリフトパイプを挙げることができる。このパイプでリフトパイプを試作し、清浄な水道水で１日通水し、夕方通水を停止した。１週間後、再起動したところ、通水開始から数秒程度でろ過砂リフトが順調に再開した。
【００２４】
前記ろ過槽としてろ材粒子層の上方にろ過後液を放出するためのろ過液溢流堰を有するものを採用するとともに前記分離装置として汚染物質含有液を溢流排出させる排液用溢流堰を有するものを採用し、前記両堰を同高さに設定するとともにろ過液溢流堰の液溢流部分の全長に対する排液用溢流堰の液溢流部分の全長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくしてもよい。
【００２５】
このようにすれば、原液の供給流量、温度、液質等が変動しても排液流量とろ過液放出流量の比率は設計流量における比率と一致する。負荷変動や液温の季節変動のたびに堰の高さ位置を調整したり、堰の液溢流部の長さ（堰幅）を調整するという手間を省ける。
【００２６】
前記両堰として断面円形堰を採用し、ろ過液溢流堰の周長に対する排液用溢流堰の周長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくしてもよい。ここで「円形堰の周長」としては、円形堰の円の内側から外側へ溢流させるときには該堰の内周長とし、円形堰の円の外側から内側へ溢流させるときには該堰の外周長とする場合を代表例として挙げることができる。
【００２７】
また、前記ろ過槽として、前記倒立円錐形状部内に、前記小円筒状部からの原液上昇流及び該倒立円錐形状部上方からのろ材粒子下降を該倒立円錐形状部内各部において均一化するための漏斗状整流器を有するものを採用してもよい。
【００２８】
（２）上向流ろ過装置
ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過装置であり、
ろ材粒子層を収容し、該ろ材粒子層上にろ過液層を生じさせるろ過槽と、
前記ろ過槽内に挿入されたリフトパイプと、
前記リフトパイプの上端部に接続されたろ材粒子と液を分離する分離装置とを備えており、
前記ろ過槽は、円筒状部、該円筒状部の下端部に連設された倒立円錐形状部及び該倒立円錐形状部の下端部に連設され、前記円筒状部の内径より小内径の小円筒状部を有しており、
前記円筒状部は前記ろ過液層を保持する部分を含んでいるとともに該部分からろ過液をろ過槽外へ放出するろ過液放出口部を有しており、前記小円筒状部はその中心軸線方向から前記原液を流入させて該原液の高速上昇流を発生させる原液供給口部を有しており、
前記分離装置は前記リフトパイプからのろ材粒子及び液を流入させるケース及び該ケースから排液するための排液口部を有しており、
前記リフトパイプは下端部が前記小円筒状部内に開口しており、上端部が前記分離装置のケース内に開口している上向流ろ過装置。
【００２９】
このろ過装置によると、ろ過槽の小円筒状部の原液供給口部から供給されたろ過対象原液は上向き流速が高められ、これにより、ろ過槽下部のろ材粒子を流動化させるとともに該流動化したろ材粒子より上側のろ材粒子を支えつつ、ろ材粒子層中を上昇してろ過され、ろ材粒子層上にろ過後の液層を形成しつつろ過液放出口部からろ過槽外へ放出される。
【００３０】
また、これとともに小円筒状部では、原液の高速上昇流により汚れの大きいろ過槽下部のろ材粒子が攪拌され、ろ材粒子同士が衝突することで該粒子に付着している汚染物質がろ材粒子から容易に脱落し、前記従来の上向流ろ過装置に比べると、汚染ろ材粒子それぞれが均等に、簡単に、十分洗浄される。
【００３１】
洗浄されたろ材粒子とろ材粒子から除去された汚染物質を含んでいる原液の一部は、倒立円錐形状部及びその上の円筒状部における圧力損失を利用して、リフトパイプ中を上昇せしめられ、分離装置へ搬送される。洗浄後の液は該分離装置の排液口部から排出される。
【００３２】
リフトパイプ中におけるろ材粒子及び原液の上昇速度は、前記圧力損失に基づくものであり、それは従来のエアリフトパイプ中をろ材粒子等が上昇するときの、パイプ内面を短期間で損傷する程の高速と比べると低速であり、リフトパイプは長期にわたり支障なく使用でき、それだけランニングコストは安価に済む。
また、リフトパイプ中を汚染物質含有原液及び洗浄されたろ材粒子を搬送するのにポンプやブロア等は不要であり、それだけコスト安に済むし、騒音が少ない。
【００３３】
前記分離装置に流入する洗浄後ろ材粒子についは、必要に応じ、これを取り出し、さらにリンスしてろ過槽内へ戻す等してもよいが、該分離装置から洗浄後のろ材粒子をろ材粒子層上に戻すようにしてもよい。しかし、例えば分離装置のケースの底部から前記ろ過槽の円筒状部のろ過液層保持部分内へ延びるろ材戻し管を設け、この戻し管により、ろ材粒子をろ過槽内のろ材粒子層上へ戻すようにしてもよい。そうすれば、ろ材粒子層のろ材粒子を下降移動させつつ、順次洗浄して再使用に供することができる。
【００３４】
該戻し管にリンス通路を兼ねさせ、ろ過後液の一部を該リンス通路に上昇せしめ、これにより洗浄後ろ材粒子をさらにリンス処理してもよい。戻し管を上昇したリンス後の液は前記の汚染物質含有液とともに分離装置から排出すればよい。
【００３５】
前記ろ過液放出口部をろ過液溢流堰を含む構成とし、前記分離装置における排液口部を排液用溢流堰を含む構成とし、該両堰は同高さに設定し、ろ過液溢流堰の液溢流部分の全長に対する排液用溢流堰の液溢流部分の全長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくしてもよい。
【００３６】
このようにすれば、前記ろ過方法で説明したと同様、原液の供給流量、温度、液質等が変動しても排液流量とろ過液放出流量の比率は設計流量における比率と一致する。負荷変動や液温の季節変動のたびに堰の高さ位置を調整したり、堰の液溢流部の長さ（堰幅）を調整するという手間を省ける。
【００３７】
前記両堰として円形堰を採用し、ろ過液溢流堰の周長に対する排液用溢流堰の周長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくしてもよい。「円形堰の周長」については既述のろ過方法における説明と同様である。
【００３８】
前記ろ過槽の倒立円錐形状部内に、前記小円筒状部からの原液上昇流及び該倒立円錐形状部上方からのろ材粒子下降を該倒立円錐形状部内各部において均一化するための漏斗状整流器を設置してもよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る上向流ろ過装置の１例の概略構成を示す図である。
このろ過装置はろ過槽１と、ろ過槽１内に挿入された、断面円形のリフトパイプ２と、ろ材粒子と液を分離する分離装置３とを備えている。
【００４０】
ろ過槽１は、上下に長い円筒状部１１、その下端部に連設された倒立円錐形状部１２及びその下端部に連設された、円筒状部１１の内径より小内径の小円筒状部１３を有している。小円筒状部１３はろ材粒子の洗浄部として利用される。
【００４１】
ろ材粒子４は小円筒状部１３、倒立円錐形状部１２及び円筒状部１１の途中まで充填される。
【００４２】
円筒状部１１はろ材粒子層４０上に形成されるろ過後液Ｌの層を保持する部分を含んでいるとともに該部分からろ過液（ろ過後の液）Ｌをろ過槽１外へ放出するろ過液放出口部１１１を有している。小円筒状部１３はその中心軸線方向からろ過対象原液Ｌ’を流入させて該原液の高速上昇流を発生させる細い径の原液供給口部１３１を有している。ろ過液放出口部１１１は円形のろ過液溢流堰で形成されている。該ろ過液溢流堰はろ過槽１上端部の内周面に沿って形成されている。ろ過液溢流堰１１１の外側領域にはろ過液放出管１１１ａを接続してある。
【００４３】
リフトパイプ２はろ過槽１の中央部に配置され、図示を省略した支持部材によりろ過槽１内に架設されている。分離装置３はリフトパイプ２からのろ材粒子及び液を流入させるケース３１及び該ケースから排液するための排液口部３１１を有している。リフトパイプ２は下端部が小円筒状部１３内においてその上部領域で開口しており、上端部が分離装置ケース３１の内底部に開口している。
【００４４】
分離装置３における排液口部３１１は円形の排液用溢流堰で形成されている。排液用溢流堰３１１の円の内側領域に対して排液管３１１ａを接続してある。該排液用溢流堰３１１は前記ろ過液溢流堰１１１と同高さ位置にある。堰１１１と３１１の高さがろ過装置運転時の基準液位１６となる。ろ過液溢流堰１１１の内周長に対する排液用溢流堰３１１の外周長の割合はろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくしてある。
【００４５】
また、分離装置ケース３１の上端開口は排液用溢流堰３１１より高位置にあり、該上端開口部は蓋体３１２で閉じられている。蓋体３１２の略中央部から仕切り板３１４が下ろし設けられている。仕切り板３１４の下端は堰３１１の高さ位置と同高さ位置にあり、この仕切り板３１４と堰３１１側のケース壁のそれぞれにはケース内空間部を大気に連通させる均圧孔３１５及び３１６が形成されている。
【００４６】
分離装置３のケース３１の底部にはろ材粒子をリンスするリンス通路を提供する、断面円形のろ材粒子戻し管５が連通形成されており、該戻し管５はリフトパイプ２の上端部に外嵌している。パイプ２は戻し管５の中央に位置している。
なお、これら戻し管５及びパイプ２の上方位置にあたる分離装置ケースの蓋体３１５の部分に観測窓３１３を設けてある。
【００４７】
また、ろ過槽１の倒立円錐形状部１２内には、小円筒状部１３からの原液上昇流及び該倒立円錐形状部上方からのろ材粒子下降を該倒立円錐形状部内各部において均一化するための漏斗状整流器１４を架設してある。
【００４８】
以上説明したろ過装置によると次のようにろ過処理が実施される。
ろ過槽１の小円筒状部１３の原液供給口部１３１から供給されたろ過対象原液Ｌ’は細い口部１３１を通過することで高速上昇流となって流入し、上向き流速が高められ、これにより、ろ過槽下部のろ材粒子４を流動化させるとともに該流動化したろ材粒子より上側のろ材粒子を支えつつ、ろ材粒子層４０中を上昇してろ過され、ろ材粒子層上にろ過後の液層を形成しつつろ過液溢流堰１１１からろ過槽外へ放出される。
【００４９】
また、これとともに小円筒状部１３では、原液Ｌ’の高速上昇流により汚れの大きいろ過槽下部のろ材粒子４が攪拌され、ろ材粒子同士が衝突することで該粒子に付着している汚染物質がろ材粒子から容易に脱落し、前記従来の上向流ろ過装置に比べると、汚染ろ材粒子それぞれが均等に、簡単に、十分洗浄される。
【００５０】
洗浄されたろ材粒子とろ材粒子から除去された汚染物質を含んでいる原液の一部は、倒立円錐形状部及びその上の円筒状部における圧力損失に基づいてリフトパイプ２中を上昇せしめられ、分離装置３のケース３１へ搬送される。洗浄後の液は該ケース３１における排液用溢流堰３１１から排出される。
【００５１】
リフトパイプ２中におけるろ材粒子４及び汚染物質含有原液Ｌ”は前記圧力損失に基づいて従来のエアリフトパイプ中をろ材粒子等が上昇するときより低速で上昇する。従って、パイプ内面の損傷は長期にわたり抑制される。それだけランニングコストは安価に済む。リフトパイプ２中の原液及びろ材粒子搬送にはポンプやブロア等は不要であり、それだけコスト安に済む。
【００５２】
前記分離装置３のケース３１に流入したろ材粒子４は、該ケース３１からろ材粒子戻し管（リンス通路）５へ流入し、該管５を上昇してくるリンス液（ろ過後液）によりリンスされつつろ過槽１内のろ材粒子層４０上へ落下する。かくして、ろ材粒子層４０のろ材粒子４を下降移動させつつ、順次洗浄して再使用に供することができる。リンス通路５を上昇したリンス後の液は汚染物質含有液Ｌ”とともに分離装置３の溢流堰３１１から排出する。
【００５３】
断面円形のろ過液溢流堰１１１と断面円形の排液用溢流堰３１１は同高さに設定してあり、且つ、ろ過液溢流堰１１１の内周長（内径）に対する排液用溢流堰３１１の外周長（外径）の割合をろ過液設計流量（堰１１１から流出するろ過液の設計上の流量）に対する排液設計流量（堰３１１から流出する排液の設計上の流量）の割合に等しくしてあるから、原液Ｌ’の供給流量、温度、液質等が変動しても排液流量とろ過液放出流量の比率が設計流量における比率と一致し、負荷変動や液温の季節変動のたびに堰の高さ位置を調整したり、堰の液溢流部の長さ（堰幅）を調整するという手間が省ける。
【００５４】
また、ろ過槽１の倒立円錐形状部１２内には漏斗状整流器１４を設置してあるから、小円筒状部１３からの原液上昇流及び倒立円錐形状部１２上方からのろ材粒子４の下降を該倒立円錐形状部内各部において均一化でき、それだけ円滑にろ過及びろ材粒子の洗浄を行える。
【００５５】
以上説明したろ過装置についてさらに次の説明を付加しておく。
前記リンス通路５内を上昇するリンス液（ろ過後液）は、リンス通路の内壁とリフトパイプ２の外壁との間で摩擦損失を生じる。上記の両堰１１１、３１１の性能を維持するためには、この摩擦損失を小さくする必要がある。摩擦損失を小さくするためには、リンス通路５の有効断面積を十分に大きくすればよい。一方、リンス通路５内を上昇するリンス液の流速とリンス通路５外を上昇するろ過液の流速が異なる場合は、流速が速い方に縮流による圧力損失が生じる。縮流による圧力損失を最小限に抑えるためには、リンス液の上昇速度が最大となる運転条件において、リンス液の上昇速度とろ過液の上昇速度を一致させればよい。そのためには、ろ過部の有効断面積（ここでは円筒状部１１におけるろ過領域の有効断面積）とリンス通路５内の有効断面積の比率を、リンス液量が最大となる運転条件においてろ層を通るろ過液の流量とリンス液の流量の比率に一致させればよい。
【００５６】
リフトパイプ２から噴出するリフト液（汚染物質含有原液）の流量は、洗浄部（ここでは小円筒状部１３）の圧力によって変化する。洗浄部の圧力は、ろ過装置に流入する原液の流量と温度及び原液に含まれる懸濁物質の濃度によって変化する。原液流量が多い場合、液温が低い場合、及び懸濁物質濃度が高い場合には、円筒状部１１及び倒立円錐形状部１２における圧損、さらに言えばそれら部分におけるろ材粒子層の圧損が大きくなる。その結果、洗浄部の圧力が高くなり、リフトパイプ２から噴出するリフト液の流量が増加する。
【００５７】
排液用溢流堰３１１とろ過液用溢流堰１１１の高さを等しくした場合、両堰から溢流する液流量の比率は堰の周長に比例するので、原液供給流量又はＳＳ（懸濁物質）の増大、及び（又は）該原液温度の低下によってリフトパイプ２から噴出するリフト液の流量が増加すると、分離装置ケース３１の底部に連通するリンス通路５中を上昇するリンス液の流量が減少し、原液の供給流量、温度、懸濁物質の濃度が変化しても、排液流量とろ過液放出流量の比率を常に一定に保つことができる。
【００５８】
ただし、原液流量（原液供給流量）が設計最大流量より増えたり、懸濁物質濃度が設計濃度より増大すると、リフトパイプ２から噴出するリフト液の流量が、設計排液流量より増加する。排液用溢流堰３１１から排出される排液流量の原液流量に対する比率は常に一定なので、過剰なリフト液はリンス通路５を通じて円筒状部１１内のろ過液相側に逆流し、ろ過液を汚染する。
【００５９】
また、原液流量が設計最小流量より減少すると、装置全体の圧損が低下し、リフトパイプ２から噴出するリフト液の流量が極端に減少する。これによりリフトパイプ２内の流速が遅くなると、ろ材粒子４を押し上げる能力がなくなるので流動状態から沈静状態に変化し、高速上昇流によるろ材粒子の洗浄が停止し、装置内のろ材粒子層に懸濁物質が蓄積され、洗浄部の圧力が上昇する。圧力が高くなると、リフト液の流量は増えるが、ろ材粒子の循環が再開する前にろ材粒子層が保持できる懸濁物質の限界量をこえて、ろ過液側に懸濁物質がリークし、ろ過液を汚染する。
【００６０】
そこでこのような問題が生じないように、原液設計流量や排液設計流量、懸濁物質の設計濃度を定めることが好ましい。しかしながら、上記のように原液流量が、設計最大流量より多い場合及び設計最小流量より少ない場合にはろ過液質は低下するが、運転自体は継続することができる。リフト液の逆流により、ろ過液が汚染された場合であっても、高濃度汚染の洗浄排液は分離されているので、ろ過液中の懸濁物質の濃度は原液中の懸濁物質の濃度よりは低い濃度になる。
【００６１】
前記ろ過装置では、原液流量が一定であっても、原液の液質によって洗浄部内の圧力が変化する。原液中の懸濁物質濃度が上昇すると、該圧力が上昇し、リフト液量と揚ろ材粒子量が増加し、懸濁物質濃度に適した揚ろ材粒子量で平衡状態に到達する。したがって、年間を通じて、原液の液質に変動がある場合でも、安定した連続運転、オンオフ運転が可能である。ただし、設計最高液温よりに液温が上昇すると、洗浄部内の圧力が低下し、リフトパイプ２の機能が停止するので、設計最高液温はこのような問題が生じないように設定しておけばよい。
【００６２】
前記整流器１４に関してさらに説明すると、円錐部１２の中に漏斗状の整流器１４を設けているので、ろ材粒子層のろ材粒子は、ろ過槽周辺部を除いてろ過槽断面積のほぼ全面にわたって下方へ移動する。ろ過槽１の内壁面と接触しているろ材粒子の移動はきわめて遅いので、該壁面の摩耗が少なく、長期の運転にわたり該壁面に孔があくことはない。かかる整流器がない場合、洗浄部（本例では小円筒状部１３）から上方のろ材粒子層へ上昇流入する原液は、該ろ材粒子層の中心部だけを流れやすくなるので、ろ過後液の液質は原液とほぼ同じものとなる。特に、ポリ塩化アルミニウムを過剰注入した場合には、ろ材粒子層表面に直径数センチメートルの中空の短絡液路が出現し、大量の原液が噴出し、リフトパイプ２はろ材粒子の揚送を停止してしまう恐れがある。この点前記整流器を設けることでこのような問題発生を抑制できる。
【００６３】
前記従来型の上向流ろ過装置では、ろ材粒子層の上方にろ材粒子の洗浄装置や排液用の溢流堰、戻しろ材粒子を分散させる分散傘等の構造物が設けてあるので、ろ過槽１内のろ材粒子の点検が困難であり、また、ろ過槽１に対するろ材粒子の投入と取り出しが困難である。この点、本発明に係る前記ろ過装置では、分離装置３下部のリンス通路５内にろ材粒子や液の流れに対する障害物が存在しないため、ろ層上部からろ過槽１内部のろ材粒子４の様子を点検することが可能であり、また、蓋３１２を開けてろ材粒子を投入することにより、均一な円錐形にろ材粒子を堆積させることができる。また、軟質ビニルホース等からなるサイホン管でろ過槽１内のろ材粒子４を取出すこともできる。サイホン管から流出するろ材粒子と液は、装置外床面に設置したフレキシブルコンテナバッグなどで受ければ、数時間程度でろ材粒子を抜き取ることも可能である。後始末も簡単である。
【００６４】
以上説明した上向流ろ過装置によるろ過実験例を次に示す。
（１）実験条件
＜ろ材粒子４＞
有効径１．０ｍｍ、均等係数１．４、真比重２．６２の茨城県鹿島市産出の砂ろ過砂の積み高さＨ１：通液を停止状態で倒立円錐形状部１２上端から８００ｍｍ。
ろ材粒子層の上部に生じる砂山の高さＨ１’は約２３０ｍｍ。
＜ろ過槽１＞
円筒状部１１：内径Ｄ＝８００ｍｍ、高さＨ＝２０００ｍｍ
円錐形状部１２：高さＨ２＝３５０ｍｍ、円錐頂角４５゜
小円筒状部１３：内径ｄ＝１００ｍｍ、高さＨ３＝２００ｍｍ
ろ過液溢流堰１１１：内径６８７ｍｍ
＜リフトパイプ２＞
全層高耐蝕特殊積層管（富士化工株式会社製）
内径２３．２ｍｍ、全長１９７５ｍｍ
＜分離装置３＞
排液用溢流堰３１１：外径７６．３ｍｍ
＜ろ材粒子戻し管（リンス通路）５＞
内径：１７９ｍｍ
＜液流量及び公称ろ過面積＞
ろ過液設計流量：原液流量（ろ過対象原液供給流量）の９０％
分離装置からの排液設計流量：原液流量の１０％
公称ろ過面積：０．５ｍ２  
原液流量：最小  ４．６ｍ３  ／ｈ、  最大  １０．４ｍ３  ／ｈ
＜ろ過対象原液＞
ろ過対象原液として上水に懸濁物質として４５ミクロン篩処理したカオリン（キシダ化学製）を２０ｇ／ｍ３  から４０ｇ／ｍ３  を添加したものを採用した。実験によってはさらに凝集剤としてポリ塩化アルミニウム（キシダ化学製）を適量注入したものを採用した。
【００６５】
懸濁物質の測定は、ＪＩＳ  Ｋ  ０１０２  １４．１に従い、孔径１μｍのガラス繊維ろ紙（ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製  ＧＳ−２５）を使用し、濁度をＨＡＣＨ社製  濁度計２１００Ｐによって測定した。
【００６６】
様々な条件で３時間〜８時間の連続ろ過実験を行った。定常ろ過状態の確認は、原液供給口部１３１における原液圧力とろ過液の散乱光濁度により行った。
【００６７】
原液の懸濁物質濃度が３０ｇ／ｍ３  で、ポリ塩化アルミニウムを注入しない場合、原液温度２０℃において、原液流量が４．６ｍ３  ／ｈから６．９ｍ３  ／ｈの範囲では、定常ろ過状態におけるろ過水の懸濁物質は１５ｇ／ｍ３  以下であった。このときの懸濁物質の除去率は５０％以上である。
【００６８】
原液の懸濁物質濃度が３０ｇ／ｍ３  で、ポリ塩化アルミニウムを酸化アルミとして１ｐｐｍ注入した場合、原液温度２０℃において、原液流量が４．６ｍ３  ／ｈから６．９ｍ３  ／ｈの範囲では、定常ろ過状態におけるろ過水の懸濁物質は５ｇ／ｍ３  以下であった。このときの懸濁物質の除去率は７５％以上である。
【００６９】
カオリンとポリ塩化アルミニウムを注入した原液による実験を完了した後、ろ過砂層を上水で洗浄することなく運転を停止し、１週間放置してから運転を再開したところ、数秒でリフトパイプ２における砂のリフトが再開し、１５分程度で原液入口圧力もろ過水質も定常状態に到達し、盆暮れやゴールデンウィークなどの連休の間、装置の運転を停止していても、装置の運転再開には支障がないことが確認できた。
【００７０】
本装置に限らず、上向流ろ過装置では、ろ材粒子層に保持されるＳＳ量（懸濁物質量）が原液流量によって変化し、原液流量が多いほど、保持されるＳＳ量が少なくなる。したがって、小原液流量で数時間連続運転した後、大原液流量で通液すると、小原液流量で保持されていた大量のＳＳを保持することが不可能になり、ろ過液中に高濃度のＳＳが数十分にわたって流出する。従って、一定負荷で連続運転、又は原液槽のレベルスイッチなどにより、一定負荷でオンオフ運転することは好ましいが、逆に原液槽などの水位を一定に保つために、原液流量を自動制御で調節し、ろ過装置の負荷を変動させることは好ましくない。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、ろ過対象原液をろ材粒子層に下方から流入させ、該ろ材粒子層中に上昇させてろ過する上向流ろ過方法及び装置であって、前記従来の上向流ろ過方法及び装置に比べると、安価に、そしてろ材粒子を均等に、簡単に、十分洗浄しつつろ過対象原液を上向流ろ過できる、寿命の長い、信頼性の高い上向流ろ過方法及び装置を提供することができる。
【００７２】
ろ過槽としてろ材粒子層の上方にろ過液溢流堰を有するものを採用するとともにろ材粒子と洗浄用液とを分離する分離装置として汚染物質含有液を溢流排出させる排液用溢流堰を有するものを採用し、前記両堰を同高さに設定するとともにろ過液溢流堰の液溢流部分の全長に対する排液用溢流堰の液溢流部分の全長の割合をろ過液設計流量に対する排液設計流量の割合に等しくする場合には、年間を通じてろ過対象原液の液質や温度が変動しても、ろ過液と排液の比率が常に一定しているので、連続運転および自動オンオフ運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る上向流ろ過装置の１例の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１  ろ過槽
１１  円筒状部
１１１  ろ過液放出口部（ろ過液溢流堰）
１１１ａ  ろ過液放出管
１２  倒立円錐形状部
１３  小円筒状部（洗浄部）
１３１  原液供給口部
１４  漏斗状整流器
２  リフトパイプ
３  分離装置
３１  ケース
３１１  排液口部（排液用溢流堰）
３１１ａ  排液管
３１２  ケース蓋体
３１３  観測窓
３１４  仕切り板
３１５、３１６  均圧孔
４  ろ材粒子
４０  ろ材粒子層
５  リンス通路を兼ねるろ材粒子戻し管
Ｌ  ろ過液（ろ過後液）
Ｌ’  ろ過対象原液
Ｌ”  汚染物質含有原液
１６  基準液位
【図１】
2004209384.tif 000003