JP2008055299A - 凝集沈殿処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フロック形成池での攪拌機の回転数に着目し、原水条件や凝集状況に応じた攪拌機の回転数制御を行い、より効率的な凝集沈殿処理が可能となった凝集沈殿処理装置を提供する。
【解決手段】原水を混和池１３に流入させ、ここで凝集剤を注入して急速攪拌し、この後フロック形成池１６で攪拌しながらフロック形成し、沈殿池１８で沈澱処理する凝集沈殿処理装置で、フロック形成池１６における攪拌強度と被処理水の粘性係数から求まる速度勾配Ｇと、フロック直径及びフロック数とに基いてフロック形成速度Ｎを求める関係式を用い、フロック形成速度Ｎを目標値とし、フロック状態測定手段２５による測定結果から求まる被処理水中のフロック直径及びフロック数から目標値Ｎを達成する前記速度勾配Ｇを求め、フロック形成池１６での攪拌強度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水場などで用いられ、原水水質や凝集状態に応じて適切な攪拌強度を演算し、自動制御する凝集沈殿処理装置に関する。

浄水場では、河川などから取水した原水に含まれる濁質を除去するために、凝集沈殿処理が広く用いられている。この凝集沈殿処理は、原水に凝集剤を注入してフロックを形成させ、このフロックを沈殿させて上澄水を得るものである。

このような凝集沈殿処理では、凝集剤の注入率や混和地における攪拌速度が凝集沈殿効果に大きな影響を与えるので、これらを如何に制御するかについて提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３２０５４５０号公報

上記提案では、混和池における攪拌強度が等しい小規模なモデル攪拌槽を備え、実際の浄水プラントと同条件で原水の凝集反応を起こさせ、必要な凝集剤注入率を決定している。このため、実際の浄水プラントとは別に小規模なモデル攪拌槽を備えなければならず、設備上の無駄が多い。

ここで、凝集処理では、運転員からのアクチュエータ（操作量）として、凝集剤注入率と攪拌機の回転数が考えられる。凝集剤注入率に関しては、原水水質(原水濁度、ｐＨ、水温など)に応じて適切に凝集剤を注入することが求められており、凝集剤フィードフォワード（ＦＦ）制御が行われていることが一般的である。一方、フロック形成池での攪拌機の回転数（攪拌強度）はＧＴ値=23,000〜210,000の範囲内で通常一定の場合が多い。このＧＴ値が大きいとフロック形成速度は増大するが、大きすぎるとせん断力の増加によってフロック破壊が生じるといった問題がある。しかし、現状では、この回転数は設備導入当初想定した値が慢性的に設定されている。

なお、ＧＴ値において、Ｇ値はフロック形成速度勾配を表し、Ｔはフロック形成池の滞留時間を表す。一般に、これらを乗じたＧＴ値が攪拌の条件（評価）式として用いられている。

本発明の目的は、フロック形成池での攪拌機の回転数に着目し、原水条件や凝集状況に応じた攪拌機の回転数制御を行い、より効率的な凝集沈殿処理が可能となった凝集沈殿処理装置を提供することにある。

本発明による凝集沈殿処理装置は、原水を混和池に流入させ、ここで凝集剤を注入し急速攪拌して混和させ、この後フロック形成池で攪拌しながらフロック形成し、沈殿池で沈澱処理する凝集沈殿処理装置であって、前記原水の水質測定手段、前記混和池への原水流入流量測定手段、被処理水のフロック形成状態を測定するフロック状態測定手段から、それぞれ測定結果を入力するデータ計測手段と、前記原水水質及び前記混和池への原水流入流量に基いて凝集剤の注入量を求める凝集剤注入演算手段と、前記フロック形成池における攪拌強度と被処理水の粘性係数から求まる速度勾配Ｇと、フロック直径及びフロック数とに基いてフロック形成速度Ｎを求める関係式を用い、上記フロック形成速度Ｎを目標値とし、前記フロック状態測定手段の測定結果から求まる前記被処理水中のフロック直径及びフロック数から目標値Ｎを達成する前記速度勾配Ｇを求め、前記フロック形成池での攪拌強度を求める攪拌強度演算手段とを備えたことを特徴とする。

本発明では、攪拌強度演算手段は、混和池流入流量の変化（Ｔの変化）に対して、ＧＴ値が一定になるようＧ値を演算する。

また、本発明では、フロック状態測定手段は、水中カメラであり、撮影されたフロック画像の画像解析により、被処理水中のフロック直径及びフロック数を求める。

また、本発明では、フロック状態測定手段として、フロックの粒径分布を計測可能な光学センサを用い、測定したフロック粒径分布から、被処理水中のフロック直径及びフロック数を求めるようにしてもよい。

また、本発明では、攪拌強度演算手段は、凝集剤の種類に応じて目標値となるフロック形成速度Ｎの値を設定してもよい。

また、本発明では、攪拌強度演算手段は、攪拌強度に対応する電力消費が設定されており、予め設定された電力消費に関する制約条件に基き、攪拌強度を決定するようにしてもよい。

さらに、本発明では、少なくとも攪拌強度演算手段はサーバに設定され、演算に要する測定値及び演算結果は、通信回線を介して凝集沈澱処理プロセス側とデータ授受するように構成してもよい。

本発明によれば、被処理水のフロック形成状態を測定し、測定結果を基にフロック形成池における適正な攪拌速度を求めて攪拌することから、より効率的な凝集沈殿処理を行うことができる。また、攪拌機の回転数制御を行うにあたって、攪拌エネルギーによる電力消費の低減や薬品注入量を最適にコントロールすることも可能である。

以下、本発明による凝集沈殿処理の一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

まず、対象となるプロセスについて、図１を用いて説明する。図１は、浄水場における凝集処理プロセスを表す。凝集沈殿処理プロセスの目的は、沈殿池濁度の値が目標値となるように、処理すべき原水に適正な凝集剤を注入し、適度な攪拌を行って、原水中に含まれる濁質をフロック化し、その後の沈殿ろ過処理によって濁質除去を行うことである。沈殿池濁度に影響を及ぼす要素(外乱)としては、原水濁度や水温、原水ｐＨ、攪拌池での攪拌強度、沈殿池の状態などが考えられる。そこで、これらの状態に応じて適切に凝集剤を注入し、適切な攪拌強度を保つ必要がある。

図１に示す本プロセスは、河川などの取水源から原水を取水し、着水井１１、活性炭接触池１２、混和池１３、フロック形成池１４、沈殿池１５などによって浄水処理を行う一般的な浄水場を想定している。

着水井１１は、取水した原水を貯留する。活性炭接触池１２は、活性炭との接触により、原水に着色した色や臭いなどを除去する。混和池１３は、原水に対し凝集剤注入装置１４によって凝集剤を注入し、攪拌機１５により急速攪拌する。フロック形成池１６は、凝集剤を注入され、混和された被処理水を、攪拌機１７により比較的低速で攪拌し、フロックを形成させる。沈殿池１８は、フロックを形成した被処理水から、フロックを沈殿させ、上澄水を処理水として排出する。

着水井１１への取水配管、及び混和池１３への流入配管にはそれぞれ流量計１９，２０が設けられている。流量計２０は、混和池１３への原水流入流量測定手段となる。また、混和池１３の前段、例えば、活性炭接触池１２には、原水の水質測定手段として、原水濁度計２１、原水ｐＨ計２２、原水水温計２３がそれぞれ設けられる。さらに、沈殿池１８の出口には処理水の濁度を測定する濁度計２４が設けられる。また、被処理水のフロック形成状態を測定するため、例えば、沈殿池１８内に、フロック状態測定手段（詳細は後述する）２５を設けている。

上述した各測定手段により測定された値は、攪拌強度制御装置３０を構成するデータ計測手段３１に入力され、記憶手段３２に記憶される。攪拌強度制御装置３０には外部から目標値３３、例えば、目標凝集状態が入力される。また、フロック形成池１６の攪拌機１７に対する制約条件３４、例えば、回転数上／下限値、電力消費量許容値などが入力される。

攪拌強度制御装置３０を構成する凝集状態評価手段３６は、前記目標値３３及びデータ計測手段３１に入力された各測定値から、現状の凝集状態を評価する。また、攪拌強度演算手段３７は、前記制約条件３４や測定された凝集状態に基づき、目標値を達成するための攪拌強度を算出する。算出された攪拌強度は、攪拌機回転数制御設備３８に出力され、フロック形成池１６の攪拌機１７の回転数を制御する。凝集剤注入演算手段３９は、原水水質に基づき凝集剤の注入率を求め、凝集剤注入設備１４による凝集剤の注入量を制御する。

なお、凝集剤注入設備１４により原水に注入される凝集剤には、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）や硫酸アルミニウム（硫酸ばんど）等を用いる。

上記構成において、凝集処理プロセスにおいてオペレータが操作（意識）する量（制御量）は一般には凝集剤注入率である。凝集剤注入率に関しては、原水水質に関する水質測定値（原水濁度、水温、原水ｐＨ）から注入すべき凝集剤をフィードフォワード（ＦＦ）で演算して注入する。

ＦＦ制御対象：凝集剤注入プロセス（凝集剤注入点(混和池１３)〜沈殿池１８の出口）
制御入力：凝集剤注入率
制御出力：沈殿池出口濁度
外乱：原水濁度、水温、原水ＰＨ など
原水濁度からその時に適切な凝集剤注入率を導出する演算式は一般的に次式（１）のように書くことができる。

Ａｌ_２Ｏ_３＝ａ×Ｔ_ｂ ^ｎ＋ｂ ・・・（１）
ここで、
Ａｌ_２Ｏ_３：凝集剤注入率演算値[mg/L]
Ｔ_ｂ：原水濁度[mg/L]
ａ、ｂ，ｎ：パラメータ である。

本発明は、上記のようなＦＦ制御を実施していても、沈殿池１８の出口濁度が所望な値にならない場合に攪拌強度もコントロールすることを特徴としている。

凝集処理における攪拌の機能を分解して考えると、凝集剤を注入後できるだけ急速に攪拌して、濁質を微小なフロックに凝集させる混和池１３での前段と、生成した微小フロックを大きく成長させるために、緩やかに攪拌するフロック形成池１６での後段とに分けられる。前段を混和、後段をフロック形成という。

混和池１３での攪拌は、一般的に攪拌機１５としてフラッシュミキサを用いており、急速に攪拌して凝集剤を原水中に均一に拡散させることが目的である。ここで、このフラッシュミキサの回転数（＝速度勾配(1/s)）をＧとすると、回転翼の形状や混和池の容量に対して次式（２）の通り一意に決定される。

ここで、
ρ：水の密度（例えば、1.0×10³kg/m³、20℃）
Ｃ：攪拌翼の抵抗係数（＝1.5）
α_ｉ：攪拌翼iの運動方向に直角な面積（m²）
ν_ｉ：攪拌翼iの平均速度（m/s）
μ：水の粘性係数（例えば、1.0×10^-3kg/m・s、20℃）
Ｖ：混和池の容量（m³）
である。

このように、フラッシュミキサの回転数（＝速度勾配(1/s)）Ｇは式（２）の通り一意に決定されるので、本発明はフロック形成池１６での攪拌に着目する。

フロック形成池１６でのフロック形成は、混和後、直ちに行い、かつ形成されたフロックの過剰流動による破壊、途中での沈殿防止に留意する必要がある。滞留時間は２０〜４０分間が適当とされている。滞留時間が短すぎると、攪拌エネルギーを十分に与えたとしても、フロック形成効果は著しく低下する。つまり、水流によるせん断作用が過大となりフロックが破壊する。したがって、フロック形成池１６での攪拌強度（エネルギー）は、混和池１３で生成した微小なフロックを破壊することなく、大きくする必要がある。

フロックは、互いに衝突しながら粗大化していき、この衝突過程の基礎的な理論式として次式（３）が与えられている（水道施設設計指針より）。

ここで、
Ｎ：単位時間単位体積あたりのフロックの衝突回数（1/m³・s）
ｎ′：単位体積中の直径ｄ′のフロック数（1/m³）
ｎ″：単位体積中の直径ｄ″のフロック数（1/m³）
Ｐ：単位時間単位体積あたりの仕事量（攪拌強度でもある）
μ：水の粘性係数（例えば、1.0×10^-3kg/m・s、20℃）
Ｇ：速度勾配（1/s）（水温により変動）
である。

上記式（３）から、フロックの衝突結合の回数、すなわちフロック形成速度Ｎは、次の関係にある
ａ．フロック粒子数（ｎ′ｎ″）に比例する
ｂ．フロック粒子径（ｄ′ｄ″）の３乗に比例する
ｃ．Ｇ値に比例する
しかしながら、これまでの浄水場の運転は、前述したように、Ｇ値一定であり、フロック形成速度が常に適正な状態であるとはいえないのが現状である。そこで、上記ａ．ｂ．ｃに着目し、フロックの粒子数や粒子径さらには滞留時間や原水水質に応じて攪拌強度をコントロールすることによって、常に適切な凝集処理を行うようにした。

図１において、データ計測手段３１では、凝集剤注入率や原水濁度などのプロセス状態量を計測する。データ記憶手段３２では、データ計測手段３１で計測されたプロセス状態量の実績値を記憶する。また、凝集状態評価手段３６では、データ計測手段３１で計測されたプロセス状態量に基づいて現在の凝集状態（ＧＴ値）が適切かを判断する。

ここでは、判断基準としてフロック形成速度が一定になることが適切な凝集状態であるとする。上述のａ．ｂから、フロックの形成速度Ｎを一定にするためには、フロック粒子数や粒子径（フロック粒径分布）を認識する必要がある。これらは、凝集状態測定手段２５により測定する。その方法はいくつか考えられるが、（１）水中カメラによるフロック画像解析や（２）光学的センサによるフロック粒径分布解析などを用いる。

（１）では、生成したフロックの撮影画像を解析してフロックの粒径分布などを求める手法であり、公知の画像解析技術により実現できる。

（２）は、二波長の光学センサを用いる手法である。すなわち、被処理水に光を当てて、帰ってくる波長から、フロックの粒径分布を読み取る。そして、これら粒径分布から公知の分析手法によりフロック粒子数や粒子径を求める。

攪拌強度演算手段３７では、凝集状態評価手段３６の判断に基づいて、適切なＧ値を演算し、求めた値を攪拌機回転数制御設備３８に出力し、攪拌機１７を制御する。すなわち、速度勾配Ｇは、式（４）から混和池１６における攪拌強度Ｐと被処理水の粘性係数μとから求まる。攪拌強度Ｐは、前記式（２）から、攪拌機１７のプロペラの大きさや角度などに基づくもので、単位体積当りどれだけのエネルギーで回っているかを表す。

前記式（３）は、上記Ｇ値と、フロック直径及びフロック数とに基いてフロック形成速度Ｎを求める関係式である。したがって、上記フロック形成速度Ｎを目標値とし、前記フロック状態測定手段２５による測定結果から求まる前記被処理水中のフロック直径及びフロック数（ｄ′ｄ″ｎ′ｎ″）から、前記式（３）により、目標値Ｎを達成する前記速度勾配Ｇが求められる。このように、フロック形成池１６での攪拌強度を求める攪拌強度演算手段３７によって、測定により得られたフロック粒径分布に応じてＧ値も変動させることにより、フロック形成速度Ｎを一定に保つことができる。

なお、凝集状態（ＧＴ値）は、上記Ｇ値のほかに滞留時間Ｔ値が関係するので、混和池流入流量の変化（Ｔの変化）に対して、ＧＴ値が一定になるようＧ値を演算する。

また、凝集剤として、アルミ系に代わる代替凝集剤として、注目されつつある鉄系凝集剤、例えば、ポリシリカ鉄凝集剤（ＰＳＩ）を用いた場合、従来のアルミ系凝集剤（ＰＡＣ、硫酸ばんど）よりも強い攪拌が必要となる。このため、攪拌強度演算手段３７は凝集剤の種類に応じて攪拌強度を変化させるように構成する。すなわち、凝集剤の種類に応じて、式（３）において目標値となるフロック形成速度Ｎの値を設定することで、対応する攪拌強度を得ることができる。

上記ＰＳＩは、低水温・低濁度の原水や藻類・色度成分が多い原水に対しても優れた凝集効果を発揮する。また、農作物の育成にＰＳＩを含む汚泥は有効な肥料となりうる。

なお、攪拌強度演算手段３７に、攪拌強度に対応する電力消費を設定しておき、予め設定された電力消費に関する制約条件に基き、攪拌強度を決定してもよい。このようにすれば、電力消費についても満足できる、バランスのとれた制御を行うことができる。

また、少なくとも攪拌強度演算手段３７を、例えば、ＡＳＰ（アプリケーションサービスプロバイダ）のサーバに設定し、演算に要する測定値及び演算結果は、通信回線を介して凝集沈澱処理プロセス側とデータ授受するように構成してもよい。

以上の構成により、フロックの粒子数や粒子径さらには滞留時間や原水水質に応じて攪拌強度をコントロールすることによって、常に適切な凝集処理を行うことが可能となる。

本発明による凝集沈殿処理装置の一実施の形態を説明するシステム構成図である。

符号の説明

１３ 混和池
１４ 凝集剤注入設備
１５，１７ 攪拌機
１６ フロック形成池
１８ 沈殿池
２０ 混和池への原水流入流量測定手段
２１，２２，２３ 原水水質測定手段
２５ 凝集状態測定手段
３１ データ計測手段
３７ 攪拌強度演算手段
３９ 凝集剤注入演算手段

Claims (7)

1. 原水を混和池に流入させ、ここで凝集剤を注入し急速攪拌して混和させ、この後フロック形成池で攪拌しながらフロック形成し、沈殿池で沈澱処理する凝集沈殿処理装置であって、
   前記原水の水質測定手段、前記混和池への原水流入流量測定手段、被処理水のフロック形成状態を測定するフロック状態測定手段から、それぞれ測定結果を入力するデータ計測手段と、
   前記原水水質及び前記混和池への原水流入流量に基いて凝集剤の注入量を求める凝集剤注入演算手段と、
   前記フロック形成池における攪拌強度と被処理水の粘性係数から求まる速度勾配Ｇと、フロック直径及びフロック数とに基いてフロック形成速度Ｎを求める関係式を用い、上記フロック形成速度Ｎを目標値とし、前記フロック状態測定手段の測定結果から求まる前記被処理水中のフロック直径及びフロック数から目標値Ｎを達成する前記速度勾配Ｇを求め、前記フロック形成池での攪拌強度を求める攪拌強度演算手段と
   を備えたことを特徴とする凝集沈殿処理装置。
2. 攪拌強度演算手段では、混和池流入流量の変化（Ｔの変化）に対して、ＧＴ値が一定になるようＧ値を演算することを特徴とする請求項１に記載の凝集沈殿処理装置。
3. フロック状態測定手段は、水中カメラであり、撮影されたフロック画像の画像解析により、被処理水中のフロック直径及びフロック数を求めることを特徴とする請求項１記載の凝集沈殿処理装置。
4. フロック状態測定手段は、フロックの粒径分布を計測可能な光学センサであり、測定したフロック粒径分布から、被処理水中のフロック直径及びフロック数を求めることを特徴とする請求項１記載の凝集沈殿処理装置。
5. 攪拌強度演算手段は、凝集剤の種類に応じて目標値となるフロック形成速度Ｎの値を設定することを特徴とする請求項１記載の凝集沈殿処理装置。
6. 攪拌強度演算手段は、攪拌強度に対応する電力消費が設定されており、予め設定された電力消費に関する制約条件に基き、攪拌強度を決定することを特徴とする請求項１記載の凝集沈殿処理装置。
7. 少なくとも攪拌強度演算手段はサーバに設定され、演算に要する測定値及び演算結果は、通信回線を介して凝集沈澱処理プロセス側とデータ授受することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の凝集沈殿処理装置。

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