(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水中の懸濁物に凝集剤を添加する手段と、懸濁物を除去するろ過塔とを有するろ過装置であって、前記ろ過塔は安息角が１８〜３０°の粒状ろ材からなるろ材層を１以上有することを特徴とする、ろ過装置。
【請求項２】
前記ろ過塔は、ろ過処理開始前の空隙率が４０〜６０％であって、かつろ材層高が１０００ｍｍのろ材層にろ過速度２０ｍ／ｈで通液した場合に、下記（１）式で定義される圧密率が０．５〜５．０％となるろ材層を有することを特徴とする、請求項１に記載のろ過装置。
【数１】
0004763670.tif 000006
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理において、懸濁物質を凝集させてろ過処理するろ過装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用水や河川水等を原水として、工場の製造工程水や、水道水を製造する水処理、排水処理等において、懸濁物質の除去のために凝集ろ過処理が広く採用されている。凝集ろ過処理では、例えば原水に対しアルミニウム系の凝集剤等を添加混合し、原水中の懸濁物質をフロック化する。そして、この発生したフロックをろ材で捕捉することで、懸濁物質を除去する。このようにして、清澄なろ過水を得ている。
ろ過装置においては、ろ材が所定量の懸濁物質を捕捉するとろ過抵抗が上昇し、またフロックの流出が大きくなる。このため、ろ材を再生するための洗浄を行う。この洗浄は洗浄用水（通常はろ過水）をろ過装置に逆流させ、捕捉した懸濁物質を除去することによって行う。ところが、この洗浄を行った直後においては、ろ過水中の懸濁物質が増加し、充分なろ過が行えない場合が多い。これは、洗浄によりろ材表面の凝集剤が除去され、ろ過処理再開後は、ろ材表面に凝集剤が充分にコーティングされないまま懸濁物質と凝集剤がろ過装置内に導入されるため、懸濁物質、凝集剤、ろ材がうまく結着できないためと考えられている。
一方、工場用水の処理設備では工業用水を凝集ろ過した後、逆浸透膜ろ過（ＲＯ膜ろ過）を行うことがある。ＲＯ膜ろ過の原水としてはＳＤＩ（Ｓｉｌｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｉｎｄｅｘ）で３．０〜４．０程度の水質が要求される。そのため、凝集ろ過装置でもろ過処理初期から、ＳＤＩが３．０未満という水質で供給することが望まれている。
一般的に、浄水場ではろ過速度５ｍ／ｈ程度の急速砂ろ過池が多く用いられているが、ろ過処理初期の水質悪化を防ぐために、ろ過速度の減速、捨て水等を行っている。工場用水の処理においては、より早いろ過速度での処理が要求される。例えばろ過速度を２０ｍ／ｈ以上とする場合には、上述のようにろ過処理初期には懸濁物質、凝集剤、ろ材がうまく結着できず、ろ過処理初期に濁質成分をＳＤＩで３．０未満とすることはさらに困難となる。
このような、ろ過処理初期の水質悪化防止策として、ろ過速度の減速、ろ過処理初期の捨て水、ろ過処理初期の水の原水槽への返送、ろ過池の洗浄工程の最後での凝集剤添加（例えば、特許文献１）、ろ過池前段またはろ材層内での追加凝集等がある（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１−２５９３１３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３７６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の対策では、ろ過水の水質の改善効果が得られる一方、運転制御の複雑化や、凝集剤注入設備の増設が必要になるという問題点があった。
本発明では、ろ過処理初期から、ＳＤＩが３．０未満のろ過水が得られるろ過装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のろ過装置は、被処理水中の懸濁物に凝集剤を添加する手段と、懸濁物を除去するろ過塔とを有するろ過装置であって、前記ろ過塔は安息角が１８〜３０°の粒状ろ材からなるろ材層を１以上有することを特徴とする。前記ろ過塔は、ろ過処理開始前の空隙率が４０〜６０％であって、かつろ材層高が１０００ｍｍのろ材層にろ過速度２０ｍ／ｈで通液した場合に下記（１）式で定義される圧密率が０．５〜５．０％となるろ材層を有することが好ましい。
【０００５】
【数１】
0004763670.tif 000002
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ろ過処理初期から、ＳＤＩが３．０未満のろ過水が得られるろ過装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明のろ過装置について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明の一実施形態であるろ過装置１０の模式図である。ろ過装置１０は精製前の原水である被処理水（以下、原水という）を一時的に貯蔵する受槽１２と、凝集剤タンク１４、酸タンク１６、ろ過塔２０、ろ過処理をした水を貯蔵する水槽２８を有している。
受槽１２は内部にポンプ３０を有し、ポンプ３０に接続された配管５０ａはバルブ４２ａと流量計３２を経由して、ラインミキサ１８と接続されている。ラインミキサ１８の二次側の配管５０ｄはバルブ４２ｂを経由し、分岐６０ａに至る。分岐６０ａでは配管５０ｆと配管５０ｅに分岐している。配管５０ｅはバルブ４２ｃを経由して、図示されない排出口へと接続されている。一方、配管５０ｆはろ過塔２０の上部に接続されている。
ろ過塔２０は第１ろ材層２４と、第２ろ材層２６と、差圧計３８を有している。ろ過塔２０の底部には第２ろ材層２６に使用される粒状ろ材の粒径よりも小さな目開きの支持材が設置され、その上に粒状ろ材が充填されて第２ろ材層２６が形成されている。第２ろ材層２６の上部には、さらに第１ろ材層２４に使用される粒状ろ材が充填されて第１ろ材層２４が形成されている。第１ろ材層２４の上部にはフリーボードが設けられている。
ろ過塔２０の下部に接続されている配管５０ｇは分岐６０ｂで配管５０ｈと５０ｉに分岐している。配管５０ｉはバルブ４２ｄを経由して、水槽２８へ接続されている。水槽２８に接続された配管５０ｈは、ポンプ４０とバルブ４２ｅを経由して分岐６０ｂで配管５０ｇと合流している。凝集剤タンク１４はポンプ３４を経由して配管５０ｂにより、酸タンク１６はポンプ３６を経由して配管５０ｃにより、ラインミキサ１８の一次側で配管５０ａと合流している。
【０００８】
ろ過塔２０が有する第１ろ材層２４と第２ろ材層２６の少なくとも一方は、安息角が１８〜３０°の粒状ろ材が充填されて形成されている。ここで、安息角とは、注入法（ＪＩＳ  Ｒ９３０１−２−２）により求まる角度である（以降において同じ）。
粒状ろ材において、同じ材質で、かつ同じ平均粒径で安息角が異なる場合、安息角が大きいということは、粒状物同士の摩擦力が大きい、すなわち表面の凹凸や角が多いと考えられる。安息角の大きい粒状ろ材は、凸部や角同士で接触している比率が相対的に高く、ろ材層における空隙率が高くなる。この空隙は、粒状ろ材同士の接触面積が小さく、不安定な空間である。従って、ろ材層に対して、通水による圧力が加わったり、外部からの振動等による衝撃が加わると、粒状ろ材間の接触面積が小さいために空隙が崩れ易い。
本発明における粒状ろ材において、安息角が１８〜３０°なのは、安息角が１８°未満であると、通水前の初期空隙率と圧密率が共に低くなりすぎて、ろ過処理開始時におけるろ材への凝集剤接触が不足し、ろ過処理初期に懸濁物質を充分に除去できないためである。一方、安息角が３０°を超えると、初期空隙率と圧密率が共に高くなりすぎて、ろ過時間が短くなり、懸濁物質を充分に捕捉できないためである。
【０００９】
本発明におけるろ材層の初期空隙率は４０〜６０％であることが好ましい。初期空隙率が４０％未満であると、ろ過処理開始時から差圧が大きくなり、結果としてろ過継続時間が短くなってしまう。また、６０％を超えると、ろ材の間隙あるいは目開きが大きくなり、発生したフロックのうち特に微小なものをろ材間で捕捉しにくくなるためである。
ここで、初期空隙率とは、ろ過処理開始前の第１ろ材層２４、第２ろ材層２６における空隙率をいい、下記式（２）により求められる。具体的には、ろ材層の体積から粒状ろ材の体積を除いた体積、すなわち空隙がろ材層の体積に占める割合である。また、粒状ろ材の体積は、粒状ろ材の質量を粒状ろ材の比重で除して求めることができる。
【００１０】
【数２】
0004763670.tif 000003
【００１１】
本発明における安息角が１８〜３０°のろ材の圧密率は、０．５〜５．０％であることが好ましい。
圧密率が０．５％未満であると、ろ過処理開始時において、ろ材への凝集剤接触が不足して、ろ過処理初期において懸濁物質をフロック化できず、懸濁物質を充分に除去できない。また、圧密率が５．０％を超えると、ろ過時間が短くなり、懸濁物質を充分に除去できないためである。
本発明における圧密率とは、高さ１０００ｍｍのろ材層にろ過速度２０ｍ／ｈで通水した場合のろ材の減少の度合いであって、前記式（１）で定義される圧密率（％）で表される。なお、ろ過速度２０ｍ／ｈで通水後に、ろ過速度を遅くした際に、ろ過速度に応じて圧密率が小さくなることを要しない。
【００１２】
本発明におけるろ材の材質は特に限定されることはなく、例えば、ケイ砂、アンスラサイト、ポリエステル製粒状繊維ろ材等が挙げられる。
第１ろ材層２４と第２ろ材層２６に使用する粒状ろ材は、同じ材質であっても良いし、異なる材質であっても良く、原水の水質等やろ過水に求める水質に応じて決定することができる。例えば第１ろ材層２４にはアンスラサイトを充填し、第２ろ材層２６にはケイ砂を充填したものが用いられる。
ただし、少なくとも第１ろ過２４と第２ろ材層２６のいずれかのろ材層には、安息角１８〜３０°のろ材が充填される。
【００１３】
第１ろ材層２４の高さＤ１と、第２ろ材層２６の高さＤ２は特に限定されず、原水の汚染状態、処理量等を勘案して決定することができるが、Ｄ１、Ｄ２はそれぞれ４００〜１２００ｍｍであることが好ましい。４００ｍｍ未満であると原水が粒状ろ材と接触する時間が短くなり、原水中の懸濁物質を充分に除去できないおそれがあるためである。一方、１２００ｍｍを超えると、洗浄水を多量に使用する必要があり、水回収率が大きく低下してしまうためである。
また、第１ろ材層２４の高さＤ１と第２ろ材層２６の高さＤ２の比率は特に限定されず、原水中の汚染物や、ろ過処理後の水（以下、ろ過水という）に求める清浄度等を勘案して決定することができる。
【００１４】
ろ過装置１０による原水のろ過処理方法について説明する。
まず、原水Ａが受槽１２に流入される。バルブ４２ｃ、４２ｅを閉じ、バルブ４２ａ、４２ｂ、４２ｄを開ける。凝集剤タンク１４から凝集剤をポンプ３４により、酸タンク１６から酸溶液をポンプ３６にてラインミキサ１８の一次側に送液する。送液された凝集剤と酸溶液はラインミキサ１８を経由してろ過塔２０の上部に流入される。流入した凝集剤と酸溶液は第１ろ材層２４と第２ろ材層２６のろ材内を拡散しながら流通し、ろ材表面に凝集剤の被膜が形成される。
続いて、流量計３２で監視しながら、受槽１２の原水をポンプ３０を用いて所定の流量で送液する。送液された原水はラインミキサ１８で凝集剤、酸溶液と混合されてろ過塔２０の上部に流入される。ろ過塔２０に流入された原水は第１ろ材層２４を流通し、次いで第２ろ材層２６内を流通する。この間、原水中の懸濁物質は凝集剤によりフロック化し、フロック化した懸濁物質は、第１ろ材層２４および第２ろ材層２６に充填されたろ材により捕捉されつつ流通する。懸濁物質が除去されたろ過水は、ろ過塔２０の下部より流出される。流出したろ過水は水槽２８にて貯蔵される。そして、必要に応じてろ過水Ｂとして送液される。
【００１５】
上述のろ過処理を継続していくと、次第に第１ろ材層２４、第２ろ材層２６に捕捉される懸濁物質が増加し、ろ材が飽和して懸濁物質を捕捉できなくなる。そこで、ろ過塔２０に設置された差圧計３８によりろ過抵抗を監視し、ろ材が完全に飽和する前に、洗浄によるろ材の再生を行う。ろ材の再生はいわゆる逆洗によって行う。
具体的には、ポンプ３０を停止して、原水の送液を止めて上述のろ過処理を終了する。次いで、バルブ４２ａ、４２ｂ、４２ｄを閉じ、バルブ４２ｃ、４２ｅを開ける。水槽２８内のろ過水を、ポンプ４０により送液し、送液されたろ過水は配管５０ｈ、分岐６０ｂ、配管５０ｇを経由して、ろ過塔２０の下部から上昇流でろ過塔２０内に流通される。上昇流となったろ過水は、第１ろ材層２４、第２ろ材層２６の粒状ろ材に捕捉された懸濁物質を粒状ろ材表面から除去しながら、ろ過塔２０の上部から流出され、配管５０ｆ、分岐６０ａ、配管５０ｅを経由して図示されない排出口より排出される。逆洗終了後は、再度、上述のろ過処理を開始する。
【００１６】
前記凝集剤は特に限定されず、用途に合わせて選択することができ、例えば無機アルミニウム系、鉄系等の凝集剤が挙げられる。この内、無機アルミニウム系の凝集剤が好ましく、中でもポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）が特に好ましい。
また、凝集剤の添加量は特に限定されないが、原水に対して２〜３０ｍｇ／ｌになるよう添加することが好ましい。２ｍｇ／ｌ未満であるとろ過処理開始初期に粒状ろ材表面の被膜形成が不充分となり、原水中の懸濁物質のフロック化と除去が充分に行えないおそれがある。一方、３０ｍｇ／ｌを超える濃度では、第１ろ材層２４または第２ろ材層２６の上部で、凝集剤がフロック化し、ろ材を閉塞させてしまうおそれがあるためである。
【００１７】
前記酸溶液は原水を目的のｐＨとすることができれば特に限定されず、塩酸、硫酸等の水溶液を挙げることができる。
【００１８】
原水は特に限定されることはなく、河川水、海水、地下水、水道水、工業排水等、いずれであっても良い。
【００１９】
本発明のろ過装置によるろ過速度はＬＶ（線速度）で表され、ｍ／ｈで示される値である。ろ過処理速度は特に限定されることはないが、ＬＶ＝１０〜４０ｍ／ｈが好ましく、２０〜３０ｍ／ｈがより好ましい。ろ過速度が１０ｍ／ｈ未満であると多量のろ過水を得るためにはろ過面積を大きくしなくてはならず、４０ｍ／ｈを超えると懸濁物質を充分に除去できない可能性があるためである。さらに、ＬＶ＝２０〜３０ｍ／ｈであれば、ろ過面積を小さく抑えながら、懸濁物質を確実に除去することができるため、より好ましい。
【００２０】
逆洗時の通水速度はろ過速度と同じくＬＶで表される。逆洗の通水速度はろ材の粒径と密度、つまり沈降速度によって限定されるが、洗浄精度と効率の観点から、２０〜５０ｍ／ｈで行うことが好ましい。
また、通水量は、第１ろ材層２４と第２ろ材層２６の空隙体積の合計に対して、体積比で１．５〜５倍量とすることが好ましい。１．５倍量未満であると洗浄が不充分となるおそれがあり、５倍量を超えると多量の洗浄水を要し、かつ廃液も増量し好ましくないためである。
【００２１】
第１ろ材層２４、第２ろ材層２６の洗浄のタイミングは、差圧計３８によるろ過抵抗の設定の他、経験的に得られる時間に基づくタイマー設定により行っても良い。さらに逆洗は、ろ過水を用いた逆流洗浄に加えて、表面洗浄あるいは空気洗浄を組み合わせて行うことができる。表面洗浄とは第１ろ材層２４の上面に水を吹き付けて、第１ろ材層２４上部のろ材に付着した懸濁物質を水流によって剥離させる洗浄方法である。空気洗浄とはろ過塔２０の下部より空気を流通させ、ろ材表面を空気が通過するときの剪断力により、ろ過塔２０内のろ材に付着した懸濁物質を剥離させる洗浄方法である。
【００２２】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を損なわない範囲で変更することができる。
上述の実施形態ではろ過塔２０内は第１ろ材層２４と第２ろ材層２６を有するが、ろ材層は１層だけであっても構わないし、３層以上であっても良い。また、使用する粒状ろ材は２以上の粒状ろ材を混合したものであっても良い。ここで、２種以上の粒状ろ材を混合する場合には、混合後の粒状ろ材の安息角が１８〜３０°であることが必要である。
上述の実施形態では、第２ろ材層２６の上に、直接第１ろ材層２４に使用する粒状ろ材を充填して第１ろ材層２４を形成しているが、第１ろ材層２４と第２ろ材層２６の境界面に支持体が設けられていても良い。
上述の実施形態では、ｐＨ調整のために酸溶液を用いたが、原水のｐＨが酸性である場合や、凝集剤の添加によってｐＨが大きく低下する場合等には、アルカリ溶液を添加して原水のｐＨを調整しても良い。
【００２３】
本発明のろ過装置によれば、ろ材層が適度な空隙を有するために、ろ過処理開始初期に各ろ材は、凝集剤と充分に接触することができ、凝集剤による皮膜が形成される。また、ろ材層は適度な圧密率を有するために、通液後には粒状ろ材間の空隙が縮小し、ろ過時間を適切なものとすることができる。結果、ろ過処理開始直後から、原水中の懸濁物質に対して高い除去能力を有し、ＳＤＩが３．０未満のろ過水を得ることができる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、実施例に限定されるものではない。
（ＳＤＩの測定）
直径４７ｍｍ、孔径０．４５μｍのメンブレンフィルタを用いて、ろ過水を２０６ｋＰａの加圧下でろ過した。始めの５００ｍｌのろ過に要した時間Ｔ１を測定し、続けて１５分間ろ過した後、さらに５００ｍｌのろ過水をろ過するのに要した時間Ｔ２を測定し、次式によりＳＤＩ値を求めた。
【００２５】
【数３】
0004763670.tif 000004
【００２６】
（差圧の測定）
ろ過塔の二次側の圧力を一定の状態で、ろ過塔一次側の圧力を測定し差圧（ゲージ圧）とした。
【００２７】
（実施例１）
内径２００ｍｍ、高さ４０００ｍｍのカラム（ろ過面積＝０．０３１４ｍ２）に、ろ材としてケイ砂１（水道用規格品、有効径：０．６ｍｍ、均等係数：１．１、安息角：１８°）を充填し、ろ材層とした。このろ材層を逆洗（空気洗浄速度：４０ｍ／ｈ×１０分、水逆洗速度：３６ｍ／ｈ×１２分）した後に自然沈降させ、ろ材層高を１０００ｍｍとした。次いで、工業用水（濁度：１、ｐＨ：７．２〜７．５）を、３０ｍ／ｈのろ過速度で１２時間通液した。この際、ＰＡＣが１０ｍｇ／ｌとなるように添加した。同時に、塩酸を添加して、原水のｐＨが６．５となるように調整した。通液開始後１５〜７２０分の間で測定したろ過水のＳＤＩを図２に示し、ろ過塔の差圧測定結果を図３に示す。また、ろ材の規格並びに圧密率を表１に示す。
【００２８】
（実施例２）
ろ材のケイ砂１を、アンスラサイト１（水道用規格品、有効径：０．８ｍｍ、均等係数：１．２、安息角：２２°）とした他は実施例１と同様にして行った。ＳＤＩ測定結果を図２に、ろ過塔の差圧を図３に、ろ材の規格と圧密率を表１に示す。
【００２９】
（実施例３）
ろ材のケイ砂１を、アンスラサイト２（水道用規格品、有効径：０．８ｍｍ、均等係数：１．２、安息角：２５°）とした他は実施例１と同様にして行った。ＳＤＩ測定結果を図２に、ろ過塔の差圧を図３に、ろ材の規格と圧密率を表１に示す。
【００３０】
（実施例４）
ろ材のケイ砂１を、ポリエステル製粒状繊維ろ材１（安息角：３０°）とした他は実施例１と同様にして行った。ＳＤＩ測定結果を図２に、ろ過塔の差圧を図３に、ろ材の規格と圧密率を表１に示す。
【００３１】
（比較例１）
ろ材のケイ砂１を、ケイ砂２（水道用規格品、有効径：０．６ｍｍ、均等係数：１．４、安息角：１５°）とした他は実施例１と同様にして行った。ＳＤＩ測定結果を図２に、ろ過塔の差圧を図３に、ろ材の規格と圧密率を表１に示す。
【００３２】
（比較例２）
ろ材のケイ砂１を、ポリエステル製粒状繊維ろ材２（安息角：４０°）とした他は実施例１と同様にして行った。ＳＤＩ測定結果を図２に、ろ過塔の差圧を図３に、ろ材の規格と圧密率を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0004763670.tif 000005
【００３４】
表１より、実施例１〜４のろ材は、ＬＶ＝２０ｍ／ｈにおける圧密率が、いずれも０．６〜３．０％の範囲にあり、比較例１は０．５％未満であり、比較例２は５．０％を超えていた。
図２は、実施例１〜４、比較例１、２における、ろ過水のＳＤＩの経時変化を表したグラフである。各凡例はそれぞれ（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２、（ｃ）実施例３、（ｄ）実施例４、（ｅ）比較例１、（ｆ）比較例２の結果を表している。図２の結果から、実施例１〜４では通水開始１５分後の測定においてもＳＤＩが３．０未満であった。一方、比較例１ではＳＤＩが３．０未満となるまでに１時間３０分以上を要することがわかった。また、比較例２では、ろ過継続時間にかかわらず、ＳＤＩを３．０未満にできないことがわかった。実施例１は実施例２〜４に比べて、通水処理終了までの１２時間にわたって、ＳＤＩは低い値であった。このことから、ＳＤＩによる水質評価を行った場合には、アンスラサイトや繊維ろ材に比べて、ケイ砂が好ましいといえる。
図３は、実施例１〜４、比較例１、２における、差圧（ろ過抵抗）の経時変化を表したグラフである。凡例は図２と同じである。図３の結果から、ろ過処理開始後１５〜２４０分間においては、各ろ材の差圧は、比較例２（ポリエステル製粒状繊維ろ材２）＜実施例４（ポリエステル製粒状繊維ろ材１）＜実施例３（アンスラサイト２）＜実施例２（アンスラサイト１）＜実施例１（ケイ砂１）＜比較例１（ケイ砂２）の順で、差圧が高い傾向で推移している。このことから、有効差圧を同じにした場合には、ろ過処理開始後初期段階においては、ろ過継続時間は繊維ろ材が長く、ケイ砂が短くなることがわかった。
従って、原水の水質、通水時間とろ過水水質を考慮して、適切なろ材を選定することで、ろ過塔の洗浄頻度の低減や、ろ過水の水質向上が図ることができる。例えば、ケイ砂１とアンスラサイト２を組み合わせた２層ろ過とすれば、各々単独の場合よりもろ過継続時間の延長、あるいはろ過水ＳＤＩの向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態にかかるろ過装置の模式図である。
【図２】実施例および比較例のＳＤＩの経時変化を表すグラフである。
【図３】実施例および比較例における差圧の経時変化を表すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０    ろ過装置
１４    凝集剤タンク
２０    ろ過塔
２４    第１ろ材層
２６    第２ろ材層
【図１】
0004763670.tif 000007
【図２】
0004763670.tif 000008
【図３】
0004763670.tif 000009