2021 第 58 回下水道研究発表会 N-10-4-2

圧力計測式粘度測定装置および実管による濃縮汚泥の流動特性について(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 はじめに既報１）にて、境川浄化センターの擬塑性流体を示す濃縮汚泥の流動特性(擬塑性粘性指数ｎ、擬塑性粘性係数μｐ)を汚泥移送管に設置した圧力計から固形物濃度別に算定した。汚泥の予想配管抵抗を計算するにはせん断速度を変化させて粘度を測定し、汚泥の流動特性を求める必要がある。しかし濃縮汚泥はし渣や無機物等の固形物が含まれる流体のため、精度良く計測することが難しい。そこで手軽に直管の圧力を計算できるよう共同研究者である兵神装備(株)が可搬式の測定装置を開発し、圧力計測式粘度測定装置(以下、「測定装置」という。
)と名付けた。
この測定装置を用い４浄化センター5 種類の濃縮汚泥 (境川(A 系、B 系)、矢作川、衣浦西部、衣浦東部)の圧力損失を測定し、濃縮汚泥の流動特性を得た。合わせて、境川 B 系濃縮汚泥について移送管でも圧力測定を行い、測定装置から得ら

写真-1 測定装値れる圧力との比較を行った。
2 測定装置による濃縮汚泥の流動特性値
2.1 測定装置概要
口径 15A(内径 16.1mm)及び 25A(内径 27.6mm)の細管

図-1 測定装値概略図

二種類を使い一軸ネジ式ポンプで汚泥を循環させる装置を製作した。装置の写真を写真-1 に示し、概略図を図-1 に示す。圧力計は図-1 のように 4 箇所に設置し、直管部 3.8m×２箇所、90゜曲管２個の圧力を測定できるようにした。
2.2 測定装置による流動特性
直管圧力の測定に際し、管内流速を各 5 点変化させて測定し

図-2 流動特性の一例た。A 点-B 点間と C 点-D 点間の圧力差を直管部 3.8 m の圧力損

表-1 測定装置による流動特性値

失とし、測定結果からもとめた流動特性の一例を図-2 に示す。
測定装置を用いて測定した結果についても、実管の結果と同様に濃縮汚泥が擬塑性流体の性質を示していることがわかる。
2.3 測定装値による流動特性値
2020 年度の調査で得られた流動特性値を表-1 に、表-1 から濃度(TS)と擬塑性粘性指数ｎ、擬塑性粘性係数μp の関係を線形関数と指数関数で回帰して図-3、図-4 に示す。

No

計測日処理場

調査汚泥

1 2020/7/6
境川
A系重力濃縮2 2020/7/6
境川
A系重力濃縮3 2020/7/6
境川
A系重力濃縮4 2020/9/8
境川
B系重力濃縮5 2020/9/8
矢作川 1区画重力濃縮
6 2020/9/8 衣浦西部
重力濃縮
7 2020/9/8 衣浦東部
重力濃縮
8 2020/11/11
境川
B系重力濃縮9 2020/11/11
境川
B系重力濃縮10 2020/11/12
境川
B系重力濃縮11 2021/3/9
境川
B系重力濃縮12 2021/3/9
境川
B系重力濃縮採集
回数122311145511TS
[％]
3.06
3.24
3.24
3.42
3.28
2.14
3.10
3.49
3.24
3.24
3.92
3.92

液温 粘性係数 粘性指数
[℃]
[-]
[-]
26.2 1.9696 0.4400
26.3 2.0550 0.4172
26.3 2.3028 0.3188
30.0 2.0461 0.3569
30.9 1.2507 0.3033
30.9 0.5748 0.2477
31.0 1.4552 0.3482
18.7 2.1121 0.3988
18.7 1.7617 0.3507
15.5 1.7033 0.3349
18.5 3.8092 0.433918.5 3.4024 0.4641

内径[mm]
27.627.6
16.1
27.627.627.627.627.6
27.627.627.627.6

図-3 濃縮汚泥濃度(TS)と擬塑性指数ｎの関係

図-4 濃縮汚泥濃度(TS)と擬塑性係数μp の関係得られた流動特性値から(1)式を使い境川浄化センターの移送管 150mm を想定し、濃度別の直管１ｍあたりの損失を計算する。濃度別に管内流速と圧力損失の関係を図-5 に示した。

2.4 曲管の形状圧力損失について

図-5 汚泥濃度別の管内流速と圧力損失(ΔP/L)の関係

曲管による損失が実管の圧力損失の測定結果に影響を与えていないか検証するため、擬塑性流体の配管の曲管の損失係数λについて調べる。測定装置には、2 箇所に 90゜曲管が使われている。
曲管の損失は形状損失と考え、摩擦損失分を差し引く。図-6 に示す曲管の損失水頭を表す(２)式と(３)式及び(４)式が等しくなるため、測定数値を代入して 90゜曲管 1 箇所あたりの損失係数λを求め、図-7 に示した。流速が速くなると曲管損失は 0 に近づく。

図-6 90゜曲管の損失係数λの算定

境川Ｂ地区の移送管 294 m には 45゜～90゜の曲管が 41 個あるが、実管の流速は、0.1～1.0 m/sec(約 0.11m3/min～1.1m3/min)であり、測定装置で推定した曲管損失はほぼ 0 となる。よって曲管による損失は考慮しなくてよいことがわかった。

図-7 管内流速と曲管の損失係数λの関係

3 境川Ｂ系重力濃縮汚泥移送管の圧力調査
重力濃縮汚泥の移送管φ150×294 m の無閉塞型渦巻ポンプの吐出側と移送先の混合汚泥槽側に圧力計を設置し、実管の圧力を調査した(図-8)。
調査は表-2 に示す測定日にて実施し、移送管上下流の圧力差ΔP と吐出量から流速を計算することによって上記(１)式から逆算して流動特性値(擬塑性粘性指数ｎ、擬塑

図-8 境川移送管による圧力計測概要図
表-2 汚泥移送管調査による濃縮汚泥の流動特性値と圧力損失(m 当り)性粘性係数μｐ)を求める。

測定日

表-2 の汚泥濃度(計器濃度)と流動特性値の関係を図-9、図-10 に示す。擬塑性粘性指数ｎはバラツキが大き2019/11/13

3.53

0.254

10.32

2019/12/2

2.06

0.709

1.32

0.052

2019/12/10

3.63
3.41
3.50
3.60
3.69
3.81
4.53
4.55
3.26
2.70
3.09
3.39

0.018
0.008
0.005
0.021
0.036
0.028
0.024
0.054
0.640
0.635
0.565
0.308

19.32
19.01
19.29
18.09
17.19
17.68
16.6718.613.661.38
2.23
6.02

0.057
0.054
0.054
0.054
0.054
0.054
0.059
0.060
0.055
0.047
0.048
0.049

いが、前掲図-3 に示す測定装置から得た値と同じような傾向であった。図-10 に示す擬塑性粘性係数μｐは、前掲
図-4 に示す値より一桁大きい結果となった。流動特性値

2020/1/31を使って汚泥濃度別に管内流速に対する圧力損失(Δ2020/3/2
2020/3/9
2020/9/29P/L)を求め、図-11 に示す。

2020/11/11

図-9 濃縮汚泥濃度(計器濃度)と擬
塑性指数 n の関係

汚泥濃度 擬塑性指数 擬塑性係数 計測ΔP/L％
nμP
mH 2O/m0.055

図-10 濃縮汚泥濃度(計器濃度)と 図-11 実管による汚泥濃度別の管内流速と圧力損失(ΔP/L)
擬塑性係数μp の関係

φ150 の移送管の圧力損失(ΔP/L)は、測定装置から得た流動特性値を使った圧力損失(ΔP/L)に較べて流速 1.0m/sec、濃度 4.0％時で 2.6 倍の値と高い結果になったが、原因は特定できなかった。
4 課題
新しく圧力計測式粘度測定装値を開発し、圧力差から重力濃縮汚泥の流動特性値を推定できるようなった。
しかし、擬塑性粘性係数μｐの値が移送管で求めた値より小さいこともあり、移送管の圧力損失(ΔP/L)を再現できなかった。その理由の一つに曲管の損失があるのではと考えたが、実管の流速付近では曲管の損失は無視できることが明らかになった。
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が、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、一軸ネジ式ポンプを使って調査を行っていきたい。
【参考文献】１）若尾 貞仁・畔柳 裕充・西村 太作・中根 進：濃縮汚泥移送における流動特性について2020 年第 57 回下水道研究発表会 N-10-1-4【問合わせ先】中日本建設コンサルタント(株)水工技術本部 中根 進
TEL052-232-6055 E-mail s_nakane@nakanihon.co.jp