下水汚泥浮上濃縮実験結果
ExperimenllS

FJoclfcITionOn

WdSl'eofThickening

Acllivc]11ed

S(udge(環)技術部

計画策1課

平Takaaki

井明

孝Hirai原田
Hajime Harada
Solidconcentration

reasedinversely

thickening
The

subjectThe

test

properties(WAS)
activatedsludgeincreasein organic
contents

has

been

WAS

of

fundamental

theof
as

of

the

results
ofshows

bubbles

tospecify

theandtopredict

the

the

behavior

such

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popularisstudyexperlmentS

becoming

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in

WAS.

in

froth,

theandis dec‑

thickeners

recentfloatation

years,

sludge.

floatation

of
limit

In
the

concentratepossiblegas

themecbanisms

tensionsurfacein gravity

thickened

waste

元

concentration

includingbythickeningoffloating

determination

thesludge.

ofphysicalsizes.

測定は冬期と夏期に行った｡

lま浮急造はデ鯛物質の比重が1以下のものから,11.

以上のものでも固液分離ができる特長を有している.一般

発生気泡径の測定
実験装置は,第1国に示すように,加圧容器の上部に,に浮上濃縮法の操作変数としては,気団比(A/S),固形物負荷(LS)などがあり,汚泥性状を示す指標としては,取り付けたものである｡試料を加圧容器に入れ,所定の圧内寸10cmxlOcm,高さ92cmのアクリル樹月旨製角筒をSVIが用いられている｡しかし,これらの数値だけでは力で加圧空気を5分間溶解させた後,角筒に加圧字夜を導入

到達横縞固形物(フロス)濃度の予測が困難で,設計値にし,角簡内に発生する気泡の径を実態顕微鏡により測定し対して大きく変動することがある｡
本研究は,浮上潰縮法におけるフロス濃度の予測を正確た｡に行えるようにし,また,フロス漢度を少しでも増加させるために,浮上濃縮機構の解明を含めて基礎的に検討を加い加圧力4kg/cm2,固形物負荷(LS)次に,第2図に示す実験装置(浮上面積1.51m2)を用100kg/m2,気えようとするものである｡今回,気泡の挙動を中心に基礎固比(A/S)
0.025の条件で連続運転を行い,定常状態に達した時点で内径8cm,長さ100cmの円筒状サンプリ実験を行い,シミュレ‑S'ヨンを実施したので,結果を報ング器具を用いて鉛直方向のフロスをサンプリングし,告する｡

cm間隔で,存在する気泡の径を実態顕微鏡により測定し1.実験方法

た｡

1. 1下水処理水の表面張力の測定

1. 3で,24時間採取した上澄水をじゅうぶん撹拝したのち,分間静置し, Ringmethod装置で表面張力を測定した｡

10

フロス層内気泡のガス組成の分析
第1図の加圧容器の吐き出し口に風船を取り付け,下水処理場の最終沈殿池から,自動採水器で1時間間隔l24kg/cm2に加圧した混合液を風船の中でフロスとして発生さ10

せ無効空気と分離水を取り去り,所定の時間放置した後,

FIoa血gpll)eFr()th c()llector

1･Taste acti＼,atedsludge
1)

M

Froth＼＼r.A,S
feed punll)

1､bickelled
sludgeFr〔)也talll(●●●'･r･.●1TierりSCOl)e140･■●IJlI

Recyc一e育l＼‑ater

1､reate〔lLJ

Circulati(〕IつCI)ressure＼･esse

CotllpreSSOr

第1図
実験装置
Fig.
TestNo.

3(1989/12)

Airtalll(1device

第2図(Floatation tester)Vol. 38

water‑Puml)

Fig.

実験装置フロー
2Flowdiagram

神鋼パンテツク技報oftestplant∂3

を及ぼすため測定を行った｡表面張力により発生する圧力フロス内の気体を採取し,ガスクロマtグラフイ一によるガス組成分析を行った｡実験はすベて20oCの恒温窒にて(P♂)は次式に示される｡

行った｡
1.

4

フロス内部の気体の体積変化の測定
第3国に示すテスターのフロス発生筒に越流管を取り付pq=けた装置に,フロスを発生させた後,円筒を密閉し,越流管の水位により気体の体積を測定したo
実験はすベて20

ここに,r̲̲呈g̲̲

a1.

r

5
フロスの鉛直方向の体積分率の算出
本実験においては,汚泥は水中で存在するため,湿潤状態における汚泥の体積を固体分の体積として算出した｡こ:気泡径

フロス層内に存在する気泡の累加体積分布より求まる体
P♂は上積平均径が約400′∠m(2.2参照)であったので,(3000rpm)で20分間

こでいう湿潤状態とは汚泥1360G
遠･b分離機にかけ,沈積した汚泥の状態とする｡

式より3500dyn/cm2となる｡これは大気圧980000dyn/第1園の加圧容器に,気固比(A/S,析出空気量kg/汚泥kg):表面張力(夏場平均値70.1×10￣8N/mとする

oCの恒温窒にて行った｡

cm2に比べ充分/J＼さい｡従って,表面張力が気泡の径に与える影響は,無視してよいと考えられる｡

0.025に設定した混合液を,圧力4kg/cm2で5分間静置した後,3本の円筒にフロスを形成させる｡所定の時間静置した後,フロスを鉛直方向に1cmごとに採取し,2. 2

発生気泡

湿潤状態の固体分の質量と体積を求める｡次に各層の全質

次処理水のみを用いて,加圧力を3量から固体分の質量を差し引いたものを気体分の体積とし5kg/cm2と変化させて,吐き出し口より上方33cmの所でて,各層の気･妻夜･固相の体積分率を求めた｡

測定した発生気泡の累加体積分布を第4囲に示す｡気泡の2.実廉結果およぴ考察

体積平均径は,それぞれ74･2FLm,2.

た｡すなわち,加圧力を上げると,発生気泡の径が′トさくなる傾向が認められたo
次に,活性汚泥混合き夜を用い4kg

第1図のフローテーションテスタ‑に,下水処理場の21表面弓長力
下水処理場の処理水の表面弓長力の平均値は,冬期が59.6kg/cm2,71･2iJm,4kg/cm2,68･Oflmであっ20 oc)で処理水の密度は,1.0005t/m3×10￣3N/m(atであった｡また夏期に行った測定では,表面張力の平均値20oC)で,処理水の密度は1.0002は70.1×10￣8N/m(at/cm2t/m3より離れるにつれて径の大きな気泡が現われるが200J‑￠以上の径の気泡は存在しない｡一方その時形成されたフロの加圧力で汚泥フロックに付着している気泡の径を33cm,58cmの位置で測定した結吐き出し口から13cm,果を第5図に示す｡汚泥が存在する場合には,吐き出し口となり,蒸留水に近い結果が得られた｡この原因としては次のようなことが考えられる｡(1)夏の方が使用水量が多くなるため,洗剤などの界面ス層内の気泡の径を,フロス層の下部より18‑38mm,63‑83mmの3カ所にて測定した結果を第6国に示す｡その結果,フロス層内に存在する気泡は,体積平均径で, 390FLm￠となり200FLm￠以上の径の大きな38/‑58mm,活性剤がうすめられている｡(2)夏場は,気温･水温が高いため,処理能力に優れ冬場より良好な上澄水を得ている｡

気泡が存在する｡また,フロス層内の気泡の分布状態はほ

微細気泡は表面張力により気泡の圧縮を受け,浮力に影響

とんど均一で変化が見られない｡これらのことよりフロス層内の気泡はフロス層最下部において結合し,その後成長することがないと考えられる｡
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Ⅵ･もtel･le＼7el

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口4A

Pressure

50Bubble

第4図Fig.

34

実験装置
3Testdevice

3kgfノ･■em

D､+o

13▲

33

▲

1jia()ロ;‑)只

kgf/cn＼･essel0

第3園Oo▲

1口▲【】=ooo▲d凸▲【】

玉0▲o

凸▲:AQD〔)o▲Fig.

1O()
diameter15()

発生気泡累加体積
4Accumulated
generatedvolumebubbles

()

(/1m)

第5園
of

神鋼パンテツク技報

Fig.

100150.=)りBul)ble dja】Tleter (JLm)

汚泥付着気泡累加体積
5Accumulated
adheredVol.

of bubbles

volumeto33

sludgeNo.

3(1989/12)

さらに第2図の実験装置の連続運転の定常状態における02が消費されると,炭酸ガス(Co∑)の発生が考えられるため,フロス層内の気泡の累加体積分布は,第7図のようになり,体積平均径は410FLm￠
であった｡連続運転(定常状

CO2ガス濃度の経時変化を測定した｡その結果を第9図に示すo第8,態)においてもフロス層内の気泡の形態は,第1園のテス

9図より02の消費につれてCO2が発生していることがわかる｡しかし,
CO2の潰度は最大でメ‑を用いて行った非定常実験とほとんど差異は認められない｡定常状態において,気泡径が若干大きくなっているも2‑3%にすぎず,計算値の02操度33%との間に大きな差違が生じている｡これは,CO2ガスが水に溶け易いたのは,フロスの掻き取りによる影響と考えられる｡

めに,発生と同時に水中に溶け込むためと考えられる｡
また,これらの結果より気泡が汚泥に付着し,フロスを形成する状態をまとめると次のようになる｡

20時間を経過するとメタンガス(CH4)が検出され,フロス層内が嫌気状亘削こなっていることを示したo(1)吐き出し口より発生した気泡は,体積平均径約702.

〃mで汚泥と付着する｡(2)汚泥と付着した気泡は,固液分離部を通過する間にフロス内ガスの体積変化の一例を第10園に示す｡フロス発生後2時間程度までは体積が減少しているが,これは,若干増大する｡ (体積平均径で約100/∠m)(3)固液分離部を通過した気泡は,フロス層最下部にお前述の実験結果より02の消費によるものであると考えら
02のス分析によると, CO2ガスは発生するものの最大2‑3%程度の濃度で,体積の増加に影響が出るほどではない｡まい｡￠フロス内部の気体の体積変化れる｡しかし,その後,体積ほ増加を示しており,消費と前後して他のガスが発生していることがわかる｡ガいて増大し,体積平均径で400/∠m￠まで成長する｡(4)最下層を除くフロス層内では気泡の成長,合体はな
2. 3

4

フロス層内気泡のガス組成

CfI4.ガスも20時間後までは検出されなかったため,た,フロス内部のガス組成の経時変化を第8園に示す｡フロ

気体の体積の増加の原因となっているのは,脱窒による窒

ス内の酸素(02)は4時間で完全に消費され無酸素状態となっているo析出空気量中に占める02の割合は,素ガス(N2)の発生によるものと考えられる｡また｡
4kg/間後以降の体積の増加は,2.3,cm2の圧力下での酸素(02)と窒素(N2)の水に対する溶解量の違いにより計算値33%(実測値は24%)となる｡

20時

CE4ガスの発生のためである｡

2.4の結果をまとめると次のようになる｡

フロス層内においては,フロス形成後,約4時間で無酸素状態になり,気相の体積は約2‑3割減少する｡それと33%がつまり,浮上濃縮においては析出する空気量中,02が消費されることによりフロス内の空気02であり,前後して,脱窒反応が起こり気相の体積は増加する｡約20量は,最大33%減少または変化する｡

時間経過するとフロス層内は嫌気状態となり,

CH4ガス

99()9.〜)
959E)

9()

S
㌔＼tlA

⊂AQ＼Oo0♂

こノ禦△く)

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二聖(1J♪∂i;.=Ti■J3i0A

18‑3t3Ll)U10(1訓0.rう()Ol'･ul)hle(liallleter (ノLm)

定常状態におけるフ(JU第6園<ロス内気泡累加体積

1Fig.

フロス内気泡累加体積Fig.

10()

第7国

(〕0､)

38‑.I)Ao0‑1()6.I))‑Lq3●

6of bubbles

Accumulated

6()0

7

Accumulatedof bllbbles

volume
in

10()

froth

2()り:う00
Bubble

400

60O

500

diameter

7()()

in

volumefroth(in continuousion)

operat(urn)

6()
hT二:i1j) i():,
×

追7;
〔′〕

昆'a HJ)‑I.3

聖(L:,×105

U(じU

501I.､

･3

ヽoo1O

川

2り′l､iz】1ビ(hl･)Fig.

フロス内気泡のガス組成の経時変化
8Variationof volume
in frothof gas

Vol.

3350♂o.

.)

第8園

5:)

No.

3(1989/12)

+:i

126

第9国
Fig.

CO2濃度の経時変化
9Variationof CO皇COntent

fractionト音+ 4と与′1､i】11e(llr)

Til11Lゝ (hl･)

第10囲

フロス内ガスの体積変化

Fig.

Variation

10of gas

volume(in froth)

神鋼パンテツク技報

35

力,間隙水が気泡に対して相対運動するときに気泡に作用を発生して再び気相の体積が増加する｡
気相の体積は,浮力に関係する因子であるため,気相のする流体粘性力,気泡が汚泥粒子に対して相対運動すると体積の変動は,フロス層の浮力,ひいてはフロスの濃縮力きに作用する応力の和が0になっていると考える｡この考に影響を与える｡実装置の一般的運転状態(固形物負荷
100kg/m2･d,フロス厚1m,フロス濃度4%,連続運

えかたに基づいた連続式と運動方程式は,次の仮定のもとに導かれる｡
仮定伝)においては,フロスの滞留時間は8′‑9時間あるため,脱窒反応までを考慮に入れる必要がある｡つまり,汚(1)汚泥の性状は均一であるo

泥の酸素消費速度や,汚泥中の全窒素量,および硝化･脱窒反応速度などを新たに因子として加える必要がある｡(2)汚泥粒子および液体の圧縮は無視しえる｡(3)汚泥粒子の濃縮と液体の排出は,‑軸的に行われるo

2. 5(4)各相の運動のレイノルズ数は,慣性を無視できるはフロスの鉛直方向の体積分率ど′J→さい｡

8時間後のフロス1時間後,4時間後,フロス形成後,の鉛直方向の体積分率の変化とA/Sの変化を第11図に示す.
8時間後と時間の経過とと1時間後に比べ4時間後,(5)汚泥の各相聞の相対速度は,汚泥全体の移動速度VLもに気体分率は増加している｡これは,前述のように,酸(6)フロス層表面まで,液体は毛管現象により引き上げ影響されない｡
られる｡

素の消費や,脱窒作用によるN2ガスの発生が関係しているものと考えられる｡フロス層下部を除くフロス層内で連続式

は,固相の深さ方向の体積分率にあまり変化が見られない′｢

6aVx!‑‑oため,フロスの圧密はぎ夜体の減少によるところが大きく,垂直方向に一様K:濃縮されている｡

液相:

一方,操作因子として与えた設定A/Sは0.025kg･Air/kg･SSであったのに対し,フロスに実際に付着している気固相:一票＋警‑o
気相:警十警‑f(x･t)

泡量より求まるA/Sは,ほとんどが低い値となっている｡
その原因としては,汚泥VL付着しないまま系外に出てしま･

lob‑i;

しう無効空気や,気体の体積の減少などが考えられる｡実装

Eg‑Cg戸aB＋Tpq

置において,無効空気はフロス層を乱す原因となり,また,装置の高効率化のためにも,無効空気の発生を少なくする

vl‑elVIIノズルなどの開発が必要である｡
また,浮上操縮にあたっては,析出空気量より無効空気

ここに,e量を除いた有効A/Sを考える必要がある｡

3.

シミュレーションモデル

:体積分率:体積速度(空塔速度)

Ⅴ:実速度:単位水平面当りの気相の質量速度f(a, t) :汚泥単位体積当りのガス発生速度
R:気体定数
T:絶対温度の変形分による有効応力,気泡による浮力,間隙水が汚泥

Pa:水圧に対して相対運動するときに汚泥粒子に作用する流体粘性

P♂

A/S

Volume0.O;‑)

0.5

1,O

Volume

Ⅰ一iqしIidso‑id十Gas〜ゝ+

:∃

:
〇d〔=〕
.i36

り.5

1.0A′ s∈7,,,1'＼/ ＼∫㌔ Gas､3IQ)
亡t:JA/SAfter.)

ゝ+V＼＼solidsU(1石＼J〇＼101 hour∈〜＼Liq叫∫/‑u:〜JF＼Afterll＼＼GasC,)
くJっこ⊃
.q

10

第11囲s()一ids

I/{Jゝ+A′′ノ■′s･･･一J/Fig.

こ′r一〜0.05＼∈UlJ

1,O().025

1･'()1ulTle
fracti()ll⊂:
く⊃IC)
UOJ)

(kg‑air/kg‑drySS, 20 oc )

()

【勺I

50.05cG

I､空A/S

0.025
fraction

一三′こ)
'Jヽン̲

:表面張力による気泡内圧力(kg‑air/kg‑dr),SS,20 oC )0fraction

vg‑∈gVg

Vs‑c‑sVs

Ⅴ

粒子間接触による有効応力,汚泥粒子忙挟まれている気泡0.025

ミ1＋Es＋eg‑1

Ng

ミュt/‑ションを行った｡
3. 1理論的考察
浮上漬縮においては汚泥粒子(固相)の水中重量,汚泥20 oC I
A/S (kg･al'r/kg‑drySS,,1,s,ど:添字で,それぞれ液･固･気相を表す｡
Cg :汚泥単位体積当りの気相分の質量

基礎的な実験事実を考慮に入れ,次の考え方に基づきジ0Ng‑CgVg

Li(itli〔1＼.iz;こ】＼/＼/After

4 ら()ul‑S

8 hot+rS

フロスの体積分率及びA/Sの鉛直分布の経時変化
fraction and A/Sof volume

Variation

神鋼パンテツク技報

Vol.

33

No.

3(1989/12)

20:座標軸(鉛直上向正)∬t:時間である｡

運動方程式(三s(Ps‑Pl)＋Eg(Pg‑Pl))g‑0

全体:豊(pl＋Ps･Pg)･Pl液相:†忘(vl‑普)/Ja:去十K(i二疎石う;≡￣20

宅〇FLl･去･旨(vl一警)?‑o
固相:

∂Ps/∫

∂妄￣￣
￣丘il二盲話7て両ラ‑4n

第12固完(vl‑‑警)

持泥固体分率の鉛直分布
Fig.

;; ＋βes(Ps‑Pl)g‑G(￡s)(Vg‑‑Vs)

0.20
Solid fraction＋ (1‑㍗)￡g(Pg‑Pl)g‑0

気相‥雷一首(‑Fa‑gS(es1‑e‑;‑)r‑Es話(vl‑‑Eぎ写)･G(es)

i＋Pl:過剰間隙水圧

αPs

:有効応力

:汚泥固相乾燥密度:汚泥の湿潤体積と乾燥体積の比Pa｡:大気圧

P(70:大気圧下での表面弓長力むこよる圧力

同園中の実線(…)は実測値である｡実測結果では固体分:透水係数(K‑E(el))

率がほぼ一定となるのに15cmほど要しているのに,計算数ではわずか5cmしか要していない｡またフロス層上部では,実測結果の方が計算値に比べ固体分率が大きくなって∂ :気相の存在に上る透水係数の変化分を示す係数いる｡これは仮定において,汚泥内におけるガスの発生を無視したこと,透水係数(K)および有効応力負担率

β･ ㍗:固相の水中重量と気相の浮力の固相あるい(β,㍗)の与え方,または実測サンプル深取時に不撹乱採取は液相における負担比率を示す係数になっていない可能性があることなどの理由によるものでである｡

ある｡

実際例への適用2of solid

分率の分布を求めた1例を第12図に破線(‑‑‑)で示す｡

G(es) :気･固相同の相対速度を応力に変換する関3.

variation

fract ion

上式を,数値積分にて解くことにより,鉛直方向の固体:気相が伝達する有効応力〃 :液相の分子粘性係数

K12Verticalである｡

Pg

汚泥のガス発生速度は,汚泥の性状(活性度)にかかわ実際例への適用をするにあたって,次のように仮定する｡(1)現象は定常である｡

iPsd(1 ‑β)es(Ps‑Pl)ど(Vg‑‑一書‑‑vs)＋r￡g(Pg‑Pl)g‑0
ここに,0･4(I(2)固･気相閤の相対速度は無視できるほど′トさい.
(3)汚泥内KL̲おけるガス発生は無視できるほど′J＼さい｡(4)気泡表面の粘性抵抗は気泡が充分/J＼さいので固体壁についてのものと同一である｡

上記の仮定のもとに,連続式と運動方程式より,次式が導かれる｡

る因子であり,今後,汚泥の挙動についても検討を加えていく必要がある｡
む
すび
浮上濃縮機構の原理の解明にまでは致らなかったが,義面張力,発生気泡径,フロス層内の気体の挙動,フロス層の体積分率などについての知見を得ることができた｡
今後,さらに実験的な検討を加え,浮上濃縮機構の原理解明さらに実装置の改良と研究を進めていくつもりである｡

dEs

desd∬

dPs

RTP

最後に,本研究を行うにあたり,ご指導いただいた九州〔長一‑esごIE;‑(qo･警〔告〕大学教援の楠田哲也博士と同大学水工土木研究室の方々に
lg∬
Pa. ＋Po.

･(1‑r)賢一〔含〕‑‑一芸ト(β(ps‑pl)(Pg ‑Pl)i‑pf.Tpq去(‑i‑a:1fxpqム)
1 ･:体積流速(a‑0)

q:有効気固比
〔i‑]

33

egg

〔参考文献〕
平井孝明:浮上濃縮機構に関する基礎的研究､第1)楠田哲也
442‑444,1988｡
25回下水道研究発表会講演概要集pp.

ここに,Vol.

感謝の意を表す｡

No.

3(1989/12)

2)楠田哲也,古賀誠司,平井孝明:浮上濃縮機構に関する基礎的研究( Ⅰ),第26回下水道研究発表会講演概要集,528,

神鋼パンテツク技報

pp.

526‑19890β7