(57)【要約】【課題】沈降促進材添加凝集沈澱処理において、処理の良否への影響度が高い無機高分子凝集剤の分子量に応じて、沈降促進材の濃度を最適に制御可能とし、安定して優れた処理性能を発揮できるようにする。【解決手段】原水中の懸濁物質を無機凝集剤と無機高分子凝集剤と沈降促進材の添加により凝集させる凝集槽と、凝集槽からの被処理水を沈澱処理する沈澱槽と、沈澱槽から沈澱物を引き抜き、汚泥と沈降促進材とに分離して分離された沈降促進材を凝集槽に戻すラインとを備えた沈降促進材添加凝集沈澱装置において、無機高分子凝集剤の分子量を測定し、その分子量に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御する凝集沈澱装置およびその制御方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水中の懸濁物質を無機凝集剤と無機高分子凝集剤と沈降促進材の添加により凝集させる凝集槽と、凝集槽から導入される被処理水中の凝集物を沈澱させ処理水と沈澱物とに分離する沈澱槽と、沈澱槽から沈澱物を引き抜き、引き抜かれた沈澱物を汚泥と沈降促進材とに分離して分離された沈降促進材を凝集槽に戻す引き抜き分離ラインとを備えた沈降促進材添加凝集沈澱装置における制御方法であって、前記無機高分子凝集剤の分子量を測定し、その分子量に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御することを特徴とする、凝集沈澱装置の制御方法。
【請求項２】
前記無機高分子凝集剤の分子量を、該無機高分子凝集剤の注入前の粘度の測定により、測定する、請求項１の凝集沈澱装置の制御方法。
【請求項３】
原水の濁度に応じて前記無機高分子凝集剤の注入率を制御する、請求項１または２の凝集沈澱装置の制御方法。
【請求項４】
前記無機高分子凝集剤の注入率に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載の凝集沈澱装置の制御方法。
【請求項５】
前記無機凝集剤と無機高分子凝集剤を予め混合した凝集剤を注入する、請求項１〜４のいずれかに記載の凝集沈澱装置の制御方法。
【請求項６】
原水中の懸濁物質を無機凝集剤と無機高分子凝集剤と沈降促進材の添加により凝集させる凝集槽と、凝集槽から導入される被処理水中の凝集物を沈澱させ処理水と沈澱物とに分離する沈澱槽と、沈澱槽から沈澱物を引き抜き、引き抜かれた沈澱物を汚泥と沈降促進材とに分離して分離された沈降促進材を凝集槽に戻す引き抜き分離ラインとを備えた沈降促進材添加凝集沈澱装置であって、前記無機高分子凝集剤の分子量を測定し、その分子量に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御する手段を有することを特徴とする凝集沈澱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄水処理、工業用水処理、下水処理、排水処理等において、凝集剤と沈降促進材とを用いて凝集沈澱処理による水処理を行う凝集沈澱装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原水中の懸濁物質を無機凝集剤と高分子凝集剤と沈降促進材（例えば、粒状物、とくに砂）の添加によりフロック状に凝集させる凝集槽と、凝集槽から導入される被処理水中の凝集物を沈澱させ処理水と沈澱物とに分離する沈澱槽と、沈澱槽から沈澱物を引き抜き、引き抜かれた沈澱物を汚泥と沈降促進材とに分離して分離された沈降促進材を凝集槽に戻す引き抜き分離ラインとを備えた沈降促進材添加凝集沈澱装置（たとえば、特許文献１）において、高分子凝集剤として活性ケイ酸や鉄シリカ凝集剤（例えば、水道機工（株）製のＰＳＩ）等の無機高分子凝集剤を用いることがある。
【０００３】
上記ＰＳＩの製造法は、特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されているように、市販の水ガラス（ケイ酸ソーダ）を水で希釈し、そこに硫酸（塩酸、硝酸でも可）を加えてｐＨ４程度に調整し、緩やかに撹拌を行うことによって重合ケイ酸（：ポリシリカ）を生成し、更にそこに塩化第二鉄を加えるというものである。通常製造されているＳｉＯ２  含有率２．２％程度のＰＳＩであれば、常温で１ヶ月以上品質は安定している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３３４２０９号公報
【特許文献２】
特許第１７８４３７３号公報
【特許文献３】
特許第２７３２０６７号公報
【特許文献４】
特開２００１−７０７０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような無機高分子凝集剤を使用する場合、沈降促進材の濃度が高すぎると、フロック形成時に沈降促進材が十分に取り込まれない上、フロックを破砕してしまうことが分かった。沈降促進材の濃度が低いと、フロックの密度が高くならないため、沈澱槽にて十分に固液分離されない。また、フロックが破砕されると、沈澱槽で処理水と沈澱物とを分離する際に、目標とする分離性能が得られない。従って、とくに無機高分子凝集剤を使用する場合には、従来よりも厳密に沈降促進材の濃度を制御する必要がある。
【０００６】
ところで、無機高分子凝集剤の分子量は、重合条件（ｐＨ、温度、Ｎａ、Ｋなどの塩濃度、時間）によって決まる。ｐＨや温度、時間は製造装置の制御により概ね一定であるが、気温や湿度、装置の設置条件などによりいくらかは変動する。またＮａ、Ｋなどの塩濃度は、原料の品質などにより多少ばらつきがある。従って無機高分子凝集剤の分子量は常に一定とは限らない。また、意図的に重合条件を変化させて、無機高分子凝集剤の分子量を変化させる場合もある。
【０００７】
参考として、有機高分子凝集剤の場合、分子量８００万〜１，６００万（オルフロック）で、凝集槽における最適沈降促進材濃度は０．５〜２．０％である。これに対し無機高分子凝集剤の場合、分子量数十万〜百万（ＰＳＩでは４５万〜５５万）で、凝集槽における最適沈降促進材濃度は０．２〜０．５％であり、相当狭い最適範囲となっている。有機高分子凝集剤の場合、最適範囲は広いものの、とくにアクリルアミドモノマーの問題が残されており、水道用途での使用には未だ躊躇しているのが現状である。
【０００８】
従って、無機高分子凝集剤を使用することが望まれる場合が多い。水面積負荷が１〜５ｍ／ｈの通常の凝集沈澱処理であれば、無機高分子凝集剤の分子量のばらつきが±１０％程度あっても処理にほとんど影響を与えないが、水面積負荷２０〜５０ｍ／ｈと通常の凝集沈澱処理の１０倍以上となる沈降促進材添加凝集沈澱処理においては、処理水水質、特に濁度に対して影響が出てくる。
【０００９】
そこで本発明の課題は、とくに沈降促進材添加凝集沈澱処理において、処理の良否への影響度が高い無機高分子凝集剤の分子量に応じて、沈降促進材の濃度を最適に制御可能とし、安定して優れた処理性能を発揮できるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る凝集沈澱装置の制御方法は、原水中の懸濁物質を無機凝集剤と無機高分子凝集剤と沈降促進材の添加により凝集させる凝集槽と、凝集槽から導入される被処理水中の凝集物を沈澱させ処理水と沈澱物とに分離する沈澱槽と、沈澱槽から沈澱物を引き抜き、引き抜かれた沈澱物を汚泥と沈降促進材とに分離して分離された沈降促進材を凝集槽に戻す引き抜き分離ラインとを備えた沈降促進材添加凝集沈澱装置における制御方法であって、前記無機高分子凝集剤の分子量を測定し、その分子量に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御することを特徴とする方法からなる。
【００１１】
この制御方法においては、上記無機高分子凝集剤の分子量を、該無機高分子凝集剤の注入前の粘度の測定により、測定することができる。すなわち、後述の如く、実際に行われる無機高分子凝集剤の注入量の範囲においては、該無機高分子凝集剤の分子量と粘度とが、実質的に比例関係、あるいは実質的に１：１の対応関係にあることが確認されており、粘度計などを用いて粘度を測定することにより、実質的に無機高分子凝集剤の分子量を測定することができる。
【００１２】
また、この制御方法においては、原水の濁度に応じて上記無機高分子凝集剤の注入率を制御することが好ましい。原水の濁度が高ければ、注入すべき最適な無機高分子凝集剤の注入率も高くなる。また、この無機高分子凝集剤の注入率に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御することが好ましい。つまり、原水の濁度が高く、無機高分子凝集剤の注入率が高くなれば、それだけ分離すべき原水中の懸濁物質も多いわけであるから、より多量に凝集フロックを形成して沈澱分離に供する必要があるので、これに対応して沈降促進材の濃度を制御することが好ましい。この無機高分子凝集剤は、無機凝集剤と別々に注入することもできるし、無機凝集剤と無機高分子凝集剤を予め混合した凝集剤を注入することもできる。前述のＰＳＩは、このように予め混合した形態の凝集剤の一種である。このように予め混合した凝集剤であっても、無機凝集剤自体には殆ど粘度がないので、混合した凝集剤の粘度を測定すれば、その測定値は実質的に無機高分子凝集剤の粘度とみなすことができ、その粘度に対応した無機高分子凝集剤の分子量を測定することができる。
【００１３】
本発明に係る凝集沈澱装置は、上記のような制御を実施可能な構成を備えたもので、原水中の懸濁物質を無機凝集剤と無機高分子凝集剤と沈降促進材の添加により凝集させる凝集槽と、凝集槽から導入される被処理水中の凝集物を沈澱させ処理水と沈澱物とに分離する沈澱槽と、沈澱槽から沈澱物を引き抜き、引き抜かれた沈澱物を汚泥と沈降促進材とに分離して分離された沈降促進材を凝集槽に戻す引き抜き分離ラインとを備えた沈降促進材添加凝集沈澱装置であって、前記無機高分子凝集剤の分子量を測定し、その分子量に応じて凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御する手段を有することを特徴とするものからなる。
【００１４】
上記のような本発明に係る凝集沈澱装置およびその制御方法においては、無機高分子凝集剤の分子量を、粘度測定等を介して測定し、その分子量に対応した最適な凝集槽内沈降促進材の濃度に制御される。前述の如く、無機高分子凝集剤の分子量に対応する沈降促進材の最適な濃度範囲は比較的狭い範囲に限定されるが、本発明に係る制御により、確実に目標とする濃度範囲内に納められることになる。したがって、沈降促進材を取り込むことによる凝集フロックの形成が良好に行われるとともに、沈降促進材の濃度が高すぎる場合のフロック破砕も適切に防止されることになり、目標とする凝集沈澱処理性能、ひいては優れた処理水水質が得られるとともに、その性能が安定して維持されることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る凝集沈澱装置１を示している。凝集沈澱装置１は、原水供給ライン２を介して供給される原水３を受け入れる凝集槽４と、凝集槽４から導入される被処理水中の凝集物を沈澱させ処理水６と沈澱物７とに分離する沈澱槽５とを有している。凝集槽４には、その入口に一体に形成された注入部８にて、無機凝集剤と無機高分子凝集剤が注入され、本実施態様では、これらが混合された無機・高分子混合凝集剤９（たとえば、前述のＰＳＩ）の形態でポンプ１０により注入されるようになっている。この凝集剤９の注入ライン１１には、バイパス部を介して無機高分子凝集剤の粘度を測定する粘度計１２が設けられている。混合凝集剤９であっても、無機凝集剤にはほとんど粘度がないので、混合凝集剤９の粘度測定は、実質的に無機高分子凝集剤の粘度測定となる。
【００１６】
凝集槽４には攪拌機１３が設けられており、槽内が攪拌機１３により攪拌されつつ、原水中の懸濁物質が、上記無機・高分子混合凝集剤９の添加と、沈降促進材回収・供給装置１４からの沈降促進材１５の添加により、フロック状に凝集される。沈降促進材１５は、粒状物、とくに本実施態様では、粒径が所定の範囲に調整された砂からなる。この沈降促進材１５の添加量は、沈澱槽５から引き抜きポンプ１６、引き抜き分離ライン１７を介して送られてきた沈澱物７を砂・汚泥分離サイクロン１８で分離した沈降促進材１５（砂）を凝集槽４内へ添加するものと、必要に応じて貯留タンク１９から添加されるものからなる。貯留タンク１９は、サイクロン１８からの分離・回収沈降促進材１５のうち凝集槽４内へ添加しない余剰の沈降促進材１５を貯留するものである。余剰の沈降促進材１５の貯留タンク１９への供給は、コントロール弁２０によって制御され、貯留タンク１９から凝集槽４への添加は、コントロール弁２１によって制御される。なお、貯留タンク１９は新たな沈降促進材１５の補充タンクとしても併用される。砂・汚泥分離サイクロン１８で分離された汚泥は、汚泥排水管２２を介して排出される。なお、沈澱槽５には、傾斜板２３が設けられており、処理水６と沈澱物７との分離効率が高められているとともに、処理水６側への汚泥の流出が抑えられている。
【００１７】
凝集槽４には、固形分濃度計２４が付設されており、実質的に凝集槽４内における沈降促進材１５の濃度を測定できるようになっている。固形分濃度計２４からの測定信号は、制御装置としての演算器２５に送られる。演算器２５からは、コントロール弁２０、２１に作動信号が送られ、それによって貯留タンク１９から凝集槽４内への沈降促進材１５の添加量が制御されるとともに、サイクロン１８から凝集槽４内への沈降促進材１５の添加量およびサイクロン１８から貯留タンク１９への沈降促進材１５の分岐供給量が制御され、この制御を介して凝集槽４内における沈降促進材１５の濃度が制御される。この沈降促進材１５の濃度制御には、粘度計１２からの無機高分子凝集剤の粘度測定信号が用いられ、無機高分子凝集剤の粘度に応じた沈降促進材１５の濃度に制御される。
【００１８】
なお、上記実施態様では、無機・高分子混合凝集剤９を凝集槽４内、とくにその入口部の注入部８に注入するようにしたが、図１に２点鎖線で示すように、原水供給ライン２にラインミキサー２６を配置してその直前に注入するようにすることもできる。また、ラインミキサー２６に代えて攪拌機を備えた混和槽を設置してもよい。
【００１９】
このように構成された凝集沈澱装置１においては、無機高分子凝集剤の分子量が、凝集槽４へ注入前の無機・高分子混合凝集剤９の粘度測定を通して、測定され、測定された無機高分子凝集剤の分子量に応じて、凝集槽４内の沈降促進材１５の濃度が、予め把握された最適な濃度に制御される。また、この制御は、導入される原水３の濁度に応じて無機・高分子混合凝集剤９（とくに無機高分子凝集剤）の注入率を適宜変更制御し、さらに、無機・高分子混合凝集剤９（とくに無機高分子凝集剤）の注入率に応じて凝集槽４内の沈降促進材１５の濃度を制御することにより、より最適な沈降促進材濃度に制御できる。沈降促進材１５の最適濃度範囲は比較的狭いものの、上記のような制御により確実に目標とする範囲内への制御が可能となる。しかも、この制御を連続的に行うことにより、常時最適な条件で良好な凝集沈澱処理を継続することができ、安定して優れた処理水水質を得ることができる。
【００２０】
【実施例】
図１に示した装置を用いて、本発明に係る凝集沈澱装置およびその制御方法による効果を確認した。
ダム水を原水とする浄水処理において、急速砂ろ過の前処理として、本発明による凝集沈澱処理を行った。図１に示した装置を用いたが、その装置仕様、運転条件は以下の通りである。
【００２１】
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（ＰＳＩは、市販の水ガラス（ケイ酸ソーダ）をＳｉ濃度３．０％となるように市水で希釈し、そこに希硫酸を加えてｐＨ４．０  ±０．２  に調整し、温度を３０〜４０℃に保ちながら１時間緩やかに撹拌を行うことによって重合ケイ酸（＝ポリシリカ）を生成し、更にそこにＦｅＣｌ３濃度３８％の塩化第二鉄をＳｉとＦｅのモル比、Ｓｉ：Ｆｅ＝３：１となるように加えことにより得られる無機凝集剤と無機高分子凝集剤の混合物である。そのＰＳＩを貯槽に移し、通水実験に用いた。）
【００２２】
・粘度計：ＰＳＩの粘度を測定、回転式粘度計（サンプルにローターを浸し、ローターをモータで回転させ一定速度にした時に発生するトルク（力）をバネのねじれ（トルクセンサー）で測定し粘度を求めもの。ここでは、ブックフィールド社製ＣＡＰ１０００を用いた。粘度計の指示値は電気的信号により取り出すことが可能であり、その信号を演算器に送信し制御を行った。ところで、粘度計には超音波式、落球式、振動式など様々な測定方式があり、１〜１００  ｍＰａ・ｓの範囲を測定でき、指示値を電気信号で取り出せるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、西華産業製  超音波粘度計  ＦＵＶ−１などがある。）
・固形分濃度計；超音波式、超音波工業社製固形分濃度計を用いた。空気中、液体中あるいは固体中を伝わる超音波の伝播速度を測定し、演算処理し濃度として表すものである。
【００２３】
粘度計により得られたＰＳＩの粘度と限外膜分離法により得られたＰＳＩ中の無機高分子凝集剤の平均分子量との関係を調べたところ、分子量は粘度の０．３乗に比例して変化することが分かった。ただし、温度、濃度が一定条件の場合である。従って、温度補正、濃度補正を行う必要があるが、本実施例の場合、２４℃±１℃の恒温ジャケット内に粘度計を設置しているので、温度補正は行っていない。また濃度補正は、Ｆｅ２Ｏ３  含有率１．０％、ＳｉＯ２含有率２．２％で一定としているため必要ない。
【００２４】
粘度計の指示値をもって分子量の変化と捉え、凝集槽内の沈降促進材濃度を変化させた。ＰＳＩ中の無機高分子凝集剤の平均分子量と最適な沈降促進材濃度との関係は、事前の実験により確認しておいた。その関係を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
上記において、粘度計指示値１３．０未満ないし３０．５以上となった場合は、異常と見なし運転停止とする。この凝集槽内での最適沈降促進材濃度を決定するために行った予備実験においては、原水濁度が一定の条件で、平均分子量４５万、４７万、４９万、５１万、５３万、５５万について、凝集槽内での沈降促進材濃度を変化させ、沈澱処理水濁度が最小となる時の沈降促進材濃度を最適促進材濃度とした。例えば、原水濁度はカオリンを用いて１００度±１０度とし、ＰＳＩ中の無機高分子凝集剤の平均分子量が５１万でＰＳＩ注入率４０ｍｇ／Ｌとした場合、凝集槽での最適沈降促進材濃度を０．３０〜０．４０％まで０．０１％ずつ変化させたところ、０．３２〜０．３８％の時が最も沈澱処理水濁度が低くなった。
【００２７】
ところで、表１はＰＳＩ注入率を４０ｍｇ／Ｌで一定とした場合のものである。当然、ＰＳＩ注入率が変化すると凝集槽での最適沈降促進材濃度も変化する。原水濁度はカオリンを用いて１０度、５０度、１００度、ＰＳＩ中の無機高分子凝集剤の平均分子量が５１万のものを用いて通水実験を行った。ＰＳＩの最適注入率は、沈降促進材を添加しない状態でビーカー試験を実施し、最適値を求めておいた。その最適ＰＳＩ注入率において沈降促進材濃度を変化させ、沈澱処理水濁度が最小となる時の促進材濃度を最適沈降促進材濃度とした。その結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
前述の表１の関係を用いて、粘度計によるＰＳＩの粘度＝ＰＳＩ中の無機高分子凝集剤の平均分子量の測定とそれに応じた凝集槽での固形分濃度（固形物濃度）を演算器を用いた自動制御により沈降促進材を増減させて変化させた場合（本発明に係る制御を行った場合）と、制御を行わず凝集槽での固形分濃度を０．５％で一定とした場合の比較データを図２に示す。
【００３０】
図２に示す結果から明らかなように、本発明に係る制御を行った場合には、無機高分子凝集剤の分子量（無機高分子凝集剤の粘度〔粘度計の指示地〕）が変動する場合にあっても、安定して優れた処理水水質（処理水濁度）を得ることができ、無機高分子凝集剤の分子量に応じて凝集槽における沈降促進材濃度を最適な範囲内に制御することが極めて有効な手法であることが確認された。
【００３１】
なお、図１のフローでは、無機凝集剤と無機高分子凝集剤の混合物の粘度を測定したが、無機高分子凝集剤単独、たとえばＰＳＩについて言えば、塩化第二鉄を混合する前の重合ケイ酸の粘度を測定して、凝集槽内の沈降促進材の濃度を制御することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る凝集沈澱装置およびその制御方法によれば、高分子凝集剤として特に無機高分子凝集剤を用いる場合に、フロック形成を確実に行えるようになり、それにより沈澱処理水質を安定させることが可能となった。本発明はとくに、無機高分子凝集剤は分子量が小さいことから沈降促進材の濃度の影響を受けやすいので、無機高分子凝集剤を使用する凝集沈澱処理に有効な手段となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る凝集沈澱装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る制御を行った場合と行わなかった場合との比較試験の結果を示す特性図である。
【符号の説明】
１  凝集沈澱装置
２  原水供給ライン
３  原水
４  凝集槽
５  沈澱槽
６  処理水
７  沈澱物
８  注入部
９  無機・高分子混合凝集剤（無機凝集剤と無機高分子凝集剤の混合物）
１０  ポンプ
１１  凝集剤注入ライン
１２  粘度計
１３  攪拌機
１４  沈降促進材回収・供給装置
１５  沈降促進材
１６  引き抜きポンプ
１７  引き抜き分離ライン
１８  砂・汚泥分離サイクロン
１９  貯留タンク
２０、２１  コントロール弁
２２  汚泥排水管
２３  傾斜板
２４  固形分濃度計
２５  制御装置としての演算器
２６  ラインミキサー
【図１】
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【図２】
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