第 57 回下水道研究発表会 N-10-1-4

濃縮汚泥移送における流動特性について(公財)愛知水と緑の公社〇若尾 貞仁・畔柳 裕充
兵神装備(株) 西村 太作

中日本建設コンサルタント(株) 中根 進
1 はじめに筆者らはこれまで分離濃縮を採用した場合の濃縮汚泥移送における問題に関して調査１）を行ってきたが、過去に調査を行った以外の浄化センターにおいても安定した送泥ができないといった問題が顕在化している。
愛知県流域下水道の境川浄化センター(以下境川という)においては重力濃縮汚泥の移送管が 350 m ほどある箇所があり、供用開始当時(2012 年 12 月)には無閉塞型渦巻ポンプで送泥していた。しかし、汚泥が高濃度の場合には、計画上の引抜量に満たない送泥しかできない状況であったため、現在では当該ポンプにて隣接する余剰濃縮汚泥貯留槽へ送り、余剰濃縮汚泥と混合して一軸ネジ式ポンプにて長距離の送泥をしている状況である。過去の調査では粘度計による粘度測定を行い、重力濃縮汚泥が非ニュートン流体であり擬塑性流体であることを示し、濃縮汚泥の流動特性値として固形物濃度別の擬塑性粘性指数ｎ、擬塑性粘性係数μｐを明らかにした。また矢作川浄化センター(以下矢作川という)の汚泥移送管に設置した圧力計から直管部の圧力損失を測定したが、実測した圧力損失は粘度計粘度測定で得た流動特性値から推定した圧力損失よりかなり大きな値であった。
本稿では、矢作川の直管部から得られた圧力損失から濃縮汚泥の流動特性値を求め、他処理場の濃縮汚泥の配管損失計算に利用できるかを調査した。また、新たに境川にて異形管を含む重力濃縮汚泥移送管に圧力計を設置し、境川での濃縮汚泥の流動特性値を調査し比較を行った。

表 2.1 設計上のポンプ諸元

種類
計画吐出量
清水配管損失境川移送管の設計上における配管の圧力損失は、表 2.1 に示す清水で濃度補正係数の損失に対して汚泥濃度 3.1 ％を考慮した補正係数 1.94 を乗じており、 汚泥配管損失
実揚程
図 2.1 に示すように設計値に対して余裕のあるポンプが設置されている。 全揚程

無閉塞型渦巻ポンプ

1.14.239
1.948.24-2.675.57

2 境川浄化センター濃縮汚泥移送状況

2019 年 11 月及び翌年 1 月に引抜量を計測した。その結果を図 2.2 に示す。汚泥濃度 33～4％で 0.2 m /min 以下の引抜量となっており計画量 1.1m3/min には全く届いていない。
3 調査

全揚程ンに切り替え汚泥濃度と汚泥m

供用開始当時の汚泥移送ライ

201816141210864
201.2

計画引抜量 1.1 m3/min

1

汚泥引抜量 m3/min

このポンプであらためてm3/min
m－mmm

設計値

00.5
11.5
吐出量 m3/min

2

図 2.1 設計上の管路抵抗曲線とポンプ特性曲線(境川)0.80.60.4

2019/11,2020/010.200123456

濃縮汚泥濃度(計器濃度) ％図 2.2 計画上の引抜量と実測値(境川)

3.1 移送管圧力計測装置
図 3.1 に矢作川の直管部(φ150mm×約 126m，一軸ネジ式ポンプ)及び境川の異形管を含む移送管(φ150mm×約 294m,無閉塞型渦巻ポンプ)に圧力計を設置した概要図を示す。これを流動特性値を測定する装置とする。

移送管上下流の圧力差ΔP を計測し、吐出量から流速を計

・矢作川

P

200φ

150φ×125.85m

粘性指数ｎ、擬塑性粘性係数μｐ)を求める。
ｎ

圧力計2

圧力計1 P

算することによって式(１)から逆算して流動特性値(擬塑性ΔＰ ｎ＋２３ｎ＋１ μＰｖｎ
… (１)
＝２

Ｌ
 ｎ  ｄｎ＋１

データロガー

一軸ネジ Ｃ式ポンプ

Δｐ：圧力Pa
Ｌ ：長さmｎ ：擬塑性粘性指数μp ：擬塑性粘性係数
ｄ ：内径mＶ ：管内平均流速 m/sec

汚泥貯留槽

汚泥濃度

Ｆ

吐出量

PP2区画
重力濃縮槽

・境川式(１)の流動特性値は、濃度によって異なる値であり、擬塑性流体の擬塑性粘性指数ｎ＜1.0 である。
3.2 計器濃度と差圧および流動特性値
本調査での汚泥濃度は現地に設置してある濃度計の値(以図 3.1 圧力計測概要図

下計器濃度という)である。

0.5
圧力損失ΔＰ/Ｌ mH2O/m

矢作川では 2012 年 11 月、12 月に、境川は 2020 年 1 月、3 月に差圧を測定した。その結果を図 3.2 に示すが、境川の圧力損失は異形管を含んでいるのにもかかわらず直管部で計測した矢作川より小さい値となった。また境川は、ポンプ締切運転状態となり濃度が3.4％以上で圧力損失にほとんど変化がなかった。
次に各処理場の計器濃度を 1.0％ごとに分割し、その区間の流量●：矢作川

0.40.30.2▲：境川

0.1から流速を計算し、圧力計間の差圧より流動特性値を式(１)から逆0算して求め、各区間の各平均濃度に対する平均差圧と流動特性値を0求める。境川では、今回までの調査では計器濃度 3.4％以上しか得性指数ｎ、図 3.4 に擬塑性粘性係数μｐを示す。擬塑性粘性指数ｎ0.90となり、境川の擬0.80

塑性粘性係数μｐ0.70

は、矢作川と同じ回帰線上に乗っているものと、下回0.400.30

今回の調査では境0.10

川の流動特性値の回帰式は得られなかった。

y = -0.1334x + 1
R² = 0.7546

0.50

0.20

5650

●：矢作川

0.60

るものとがあった。

4％60

擬塑性係数μpとで差がある結果
擬塑性指数ｎ1.0023
計器濃度Ｃ

図 3.2 平均計器濃度と平均差圧の関係られていないが、図 3.3 に計器濃度(2.0～5.0％)に対する擬塑性粘は、矢作川と境川

1μp＝0.39×Ｃ^3.0040●：矢作川

302010▲：境川

▲：境川

0.00
01234計器濃度Ｃ ％56

図 3.3 計器濃度と擬塑性粘性指数ｎの関係

00123計器濃度Ｃ4％56

図 3.4 計器濃度と擬塑性粘性係数μｐの関係

4.実管の流動特性値を使った境川浄化センターの圧力損失と汚泥引抜量
過去に矢作川で調査した直管部の流動特性値を使って境川の引抜量を再現してみる。
矢作川の流動特性値の回帰式から式(1)を使って口径 150mm の管内平均流速 0.2、0.35、0.6、1.0m/sec における直管１m 当たりの圧力損失(ΔP/L)を計算し、図 4.1 に示す。濃度とともに圧力損失は上昇する傾向が20得られた。次に境川管路延0.6長 350 m の圧力損失を設計

0.5160.414らポンプ吐出量ごとに計算し、管路抵抗曲線を図 4.2に描き、無閉塞型渦巻ポン

0.6 m/sec
0.1

100.35 m/sec
流速0.2 m/sec

mH2O/m0123
計器濃度 ％

吐出量0.09 m3/min

1286420吐出量を推定した。その結計画引抜量 1.1 m3/min に対

1 m/sec

0.2プの特性曲線との交点から
果汚泥濃度 3.1％においてm0.3

全揚程

対して実管の流動特性値か圧力損失 ΔP／L値である計器濃度 3.1％に濃度3.1％

18

口径0.15m4500

図 4.1 口径 150mm の管内流速別、計器濃度Ｃと圧力損失(ΔP/L)

22.5

図 4.2 ポンプ特性曲線と管路抵抗曲線より求める吐出量

し吐出量 0.09 m3/min しか引抜きできないことが明らかになった。
同様に汚泥濃度 2.5～4.5％に対して矢作川の流動特性値

0.5
11.5
吐出量 m3/min

1.2から境川の管路抵抗曲線を求め、吐出量(汚泥引抜量)を推定4.3 に実線で示す。矢作川の流動特性値から推定した吐出量は、実測値よりやや小さい値となった。回帰式の実測値との相関に、やや課題が残る結果となった。
5. まとめとあとがき

計画引抜量 1.1 m3/min

1
汚泥引抜量 m3/min

し、図 2.2 に 2020 年 3 月に測定したデータを加えたうえで図0.80.6矢作川の流動特性値より0.4

2019/11、2020/01～030.2

境川では、異形管を含んだ圧力損失であるため、ΔP/L (mあたりの圧力損失)は矢作川より境川が大きい値を示すと考00えていたが、今回の調査では逆の結果となった。
矢作川の直管部での差圧から流動特性値を推定し図 3.3、図 3.4 を得たが、境川では現在までの調査では汚泥濃度 3.4％12345
濃縮汚泥濃度(計器濃度) ％6

図 4.3 計器濃度と汚泥引抜量の実績値と流動特性値を使った汚泥引抜量の関係以上でのデータしか得られていないこともあり、流動特性値の回帰式を得るまでには至らなかった。
矢作川と境川の実管から推定した流動特性値は、擬塑性粘性指数ｎについては矢作川より境川が小さく、擬塑性粘性係数μｐは同程度か高濃度帯では境川が小さい結果となった。境川において、矢作川の流動特性値から推定した管路抵抗曲線と無閉塞型渦巻ポンプの特性曲線から推定した汚泥引抜量を、実測引抜量と比較したが一致はしなかった。
境川の無閉塞型渦巻ポンプの吐出圧は図 4.2 のポンプ特性曲線から分かるように締切時でも全揚程で 14 mと高くなく、特に高濃度帯においては差圧を求める調査を行うのが難しかった。また今回の調査では特定の汚泥濃度（3.4～4.0％）付近に片寄ったデータしか得られておらず、過去調査との比較及び回帰式の決定までを行うことが出来なかった。上記のまとめも限定的な結果から得たものとなっているため、今後は調査濃度の分布及び点数を増やし再度検討を行っていくとともに、無閉塞型渦巻ポンプによる高濃度帯での調査は難しいため、低濃度帯での調査を実施することで過去調査との比較及び回帰式の検討を行いたい。
【参考文献】１）丸山 司,藁科 亮,犬飼 茂,中根 進：重力濃縮汚泥の流動特性と移送管の閉塞
誌論文集 令和元年 11 月号【問合わせ先】中日本建設コンサルタント(株) 水工技術本部
TEL：052-232-6055

中根 進

E-mail： s_nakane@nakanihon.co.jp

下水道協会