JP4761216B2 - 二段式凝集混和槽 - Google Patents

Description

この発明は、形状の異なる二組の撹拌翼を凝集混和槽に上下二段に配設し、凝集剤を添加したスラリーを急速撹拌と緩速撹拌を行って、フロックを造粒させる二段式凝集混和槽の改良に関する。

従来、スクリュープレスやベルトプレスを使用してスラリーを濃縮脱水、或いは加圧脱水する場合、前処理操作として高分子凝集剤や無機凝集剤をスラリーに供給して凝集混和槽で撹拌混合し、フロックを造粒させることが良く知られている。そして、円筒状の処理槽に垂下した回転軸に、平板形放射状翼と円板基部に固定した平板形後退翼を上下二段に配設し、槽底から凝集スラリーを供給して造粒させる凝集反応装置は、例えば、特許文献１に記載してあるように公知である。また、円筒状の固液分離槽に撹拌軸を垂設し、撹拌軸に止着したディスクの先端にタービン翼を固定し、固液分離槽に垂下した撹拌軸に十字型或いは格子状のパドル撹拌翼を止着して、懸濁物を造粒分離させる固液分離装置も、例えば、特許文献２に記載してあるように公知である。
特許第３１４６３７１号公報（段落番号０００６及び段落番号０００７、図３） 特許第３３６８９７８号公報（段落番号００１０及び段落番号００２０、図１及び図２）

従来、圧搾脱水を目的とするスクリュープレスやベルトプレスは、スラリーを脱水に適したフロックに造粒させる必要がある。フロックを造粒させる従来型の二段式凝集混和槽は、長い滞留時間が必要で槽容量も大きくなり、設備費も高くなる。また、撹拌効果を上げるためには槽内径に合わせた撹拌羽根が必要であり、二段式凝集混和槽が大きくなればなるほど撹拌羽根は大きくなる。撹拌動力は羽根の大きさと回転数で大きく変化し、特に羽根の大きさは撹拌動力に大きく影響する。流入するスラリーは、流速と粘度が常時変化するため、最適凝集状態を得るために回転数も変化させる必要がある。従来の特許文献１に記載の凝集反応装置は、円板に垂設した平板形後退翼と平板形放射状翼で良好な凝集フロックが造粒でき、旋回循環流が短絡することがなく、凝集混和槽の大型化も可能となるが、同じ回転軸に止着してある一対の撹拌翼は、常時変化するスラリーの流速と粘性に応じて、最適凝集状態の回転数の選定が難しく、急速撹拌も困難となる。繊維質を多く含む下水スラリー等では、円板基部から周方向に突設する先端が湾曲した平板形後退翼に絡まる恐れがある。

また、特許文献２に記載の凝集反応装置は、パドル撹拌翼とタービン翼が夫々異なる回転数で撹拌でき、タービン翼で被処理液を分散させて、パドル撹拌翼で大容量処理が可能となるものであるが、円筒状の固液分離槽は必要以上に容積が大きくなる。円筒状の凝集混和槽が大型化すると、タービン翼の撹拌部分で旋回循環流が短絡し、フロックの造粒が不均一となる恐れがある。繊維質を多く含む下水スラリー等では、ディスクに止着したタービン翼に繊維質が絡まる恐れがある。本願発明は、凝集混和槽を急速撹拌部と緩速撹拌部に分割し、急速撹拌羽根と緩速撹拌羽根を組み合わせ、撹拌手段を工夫して良好なフロックを造粒し、同時に二段式凝集混和槽の凝集体積の小型化を図るものである。

この発明に係わる凝集反応装置は、凝集混和槽に撹拌羽根を上下二段に配設し、凝集剤を添加したスラリーを上向流で供給して撹拌混合する凝集装置において、凝集混和槽を下半部の急速撹拌部と上半部の緩速撹拌部に分割し、急速撹拌部の胴内径を緩速撹拌部の胴内径より小径として、急速撹拌部に立設した駆動軸に片面突状の急速撹拌翼を配設し、緩速撹拌部に垂下した駆動軸に平板状の緩速撹拌翼を配設すると共に、急速撹拌翼を回転板の表面に複数枚の羽根板を放射状に垂設して先端角部を円弧上に切欠いたタービン片翼で構成し、緩速撹拌翼を平板状のパドル翼で構成したもので、凝集混和槽の急速撹拌部の胴内径を緩速撹拌部の胴内径より小径とすれば、凝集混和槽の急速撹拌部の凝集体積も小型化が可能となり、撹拌翼の大きさの変更も容易となる。そして、急速撹拌部と緩速撹拌部が一体となっているため、繋ぎ配管の必要がなく凝集混和槽をコンパクトにできる。そして、急速撹拌翼を形成する羽根板の羽根高さを遠心力が発生する方向に狭くし、或いは、切欠いてあるので、多くの繊維を含むスラリーでも羽根に絡み付きがなく、撹拌翼を急速回転させることができる。繊維の絡み付きがないので駆動軸に偏荷重がかかることもなく、安定した運転が可能となる。

小径の急速撹拌部と大径の緩速撹拌部に分割する凝集混和槽は、急速撹拌部と緩速撹拌部の容積比を１対３〜１対２０としたもので、容積の小さい凝集混和槽に流入してきた小容量のスラリーを急速撹拌により撹拌混合し、急速撹拌部での槽内回転を容積の大きい緩速撹拌部で減速し、差速効果により乱流を起こして適度なフロックを造粒させることができる。スラリーの処理量に応じて急速撹拌部と緩速撹拌部の容積比を設定できる。

凝集混和槽の供給口と排出口は、急速撹拌部の周壁に設けた原液の供給口をタービン片翼の先端部近傍に開口すると共に、緩速撹拌部の上部周壁に排出口を開口したもので、凝集剤を添加したスラリーを最も撹拌力の強い撹拌翼の先端部の近傍に流入させるので、スラリーに遠心力を与えスムーズに流動させて混合効率を高める。

凝集混和槽に配設する撹拌翼の周速度は、急速撹拌部のタービン片翼の外周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとして、緩速撹拌部のパドル翼の外周速を１０〜１００ｍ／ｍｉｎとしたもので、タービン片翼とパドル翼が別駆動のため、スラリーの常時変化する流速と粘性に応じて、適切な回転数を設定して最適凝集状態を得ることができる。

凝集混和槽にスラリーと凝集剤を供給し、撹拌混合して造粒させるスラリーの滞留時間を０．５〜４分としたもので、小容量の急速撹拌部での急速撹拌と大容量の緩速撹拌部での緩速撹拌を組合せることにより、スラリーの滞留時間を短くして凝集効果を高めることができる。タービン片翼とパドル翼のそれぞれの外形寸法は、急速撹拌部と緩速撹拌部の槽内径の６０〜９０％とすれば、凝集剤を添加した小容量の急速撹拌部のスラリーに最も強い撹拌力を与える配置となり、スラリーが滞留し易い大容量の緩速撹拌部の内周壁近傍での移動も行われ、槽内全体の均一な撹拌混合が行われ、凝集混和槽での滞留時間を大幅に短縮できる。

本願発明に係わる二段式凝集混和槽は上記のように構成してあり、小容量の急速撹拌部の撹拌翼と大容量の緩速撹拌部の撹拌翼の適切な回転数を設定すれば、スラリーの滞留時間を短くして差速効果による混合効率を高め、最適なフロックを造粒させることができる。急速撹拌部と緩速撹拌部が一体となっているため、コンパクトな凝集混和槽となり、繊維を含むスラリーでも急速撹拌翼に繊維の絡み付きがなく、急速回転でも駆動軸に偏荷重がかからずに安定した運転が行なわれる。凝集混和槽の大型化と大容量処理も可能となる。

本願発明に係わる二段式凝集混和槽を図面に基づき詳述すると、先ず、図１はこの発明に係る二段式凝集混和槽のフローチャートであって、凝集混和槽１は片面突状の急速撹拌翼２を配設した下半部の急速撹拌部３と、平板状の緩速撹拌翼４を配設した上半部の緩速撹拌部５に分割し、急速撹拌部３の胴内径を緩速撹拌部５の胴内径より小径としてある。急速撹拌部３の胴内径を緩速撹拌部５の胴内径より小径とすれば、急速撹拌部３の凝集体積の小型化が可能となり、急速撹拌翼２の大きさの変更も容易となる。急速撹拌部３と緩速撹拌部５が一体となっているため、繋ぎ配管の必要がなくコンパクトな凝集混和槽１となる。急速撹拌部３に連結した原液供給管７に薬液供給管６が接続してあり、スラリーと凝集剤を急速撹拌部３に供給し、凝集混和槽１で撹拌混合した凝集スラリーを緩速撹拌部５に連結した排出管８からスクリュープレス９に供給する。

図２は凝集混和槽の縦断面図であって、凝集混和槽１の下端のテールプレート１０に連結した駆動機架台１１に急速撹拌モーター１２が吊設してあり、凝集混和槽１の急速撹拌部３に垂設した駆動軸１３に急速撹拌翼２を止着してある。凝集混和槽１の上端のカバープレート１４に連結した駆動機架台１５に緩速撹拌モーター１６が載置してあり、凝集混和槽１の緩速撹拌部５に垂下した駆動軸１７に緩速撹拌翼４としてパドル翼４ａを止着してある。原液供給管７を連結した急速撹拌部３の周壁の供給口７ａが急速撹拌翼２の突状先端部近傍に開口してあり、排出管８を連結した排出口８ａが緩速撹拌部５の上部周壁に開口してある。急速撹拌翼２の突状先端部に流入させるスラリーに、遠心力を与えながらスラリーの流速を高め、急速撹拌部３でのスラリーの槽内回転を緩速撹拌部５のパドル翼４ａで減速し、スラリーと凝集剤を均等に撹拌混合して、短い滞留時間で凝集させることができる。なお、原液供給管７と排出管８は、凝集混和槽１に接線状に連結しても、或いは、交差状に連結しても良いものである。

図３は急速撹拌翼の外形図であって、急速撹拌モーター１２に連動連結する片面突状の急速撹拌翼２は、円板状の回転板２２の表面に複数の羽根板２３・・・を放射状に垂設して先端角部２３ａを円弧状に切欠いたタービン片翼２４を構成してある。回転板２２の中心部に駆動軸１３に連結する連結管１９を嵌着してある。タービン片翼２４を形成する羽根板２３の羽根高さを遠心力が発生する外周方向に円弧状に切欠いたので、多くの繊維を含むスラリーでもタービン片翼２４に繊維の絡み付きがなく、急速回転させることができる。繊維の絡み付きがないので、タービン片翼２４を急速回転させても駆動軸に偏荷重がかかることがなく、安定した運転が可能となる。

図２に示す凝集混和槽１は、分割する急速撹拌部３と緩速撹拌部５の容積比を概略１対３〜２０としてあり、スラリーの処理量又はスラリーの性状に応じて容積比を設定する。小容量の急速撹拌部３凝集混和槽１に流入してきたスラリーを急速撹拌翼２で急速撹拌し、大容量の緩速撹拌部５で減速し、適度なフロックに造粒させる。小容量の急速撹拌部３での急速撹拌と大容量の緩速撹拌部５での緩速撹拌を組合せることにより、スラリーの滞留時間を短くして凝集効果を高め、凝集混和槽１での滞留時間を短くできるので、凝集混和槽１のスラリーの滞留時間を０．５〜４分としてある。

図２に示す凝集混和槽１の急速撹拌部３と緩速撹拌部５に配設する撹拌翼の撹拌速度は、急速撹拌翼２のタービン片翼２４の外周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとして、緩速撹拌部５のパドル翼４ａの外周速を１０〜１００ｍ／ｍｉｎとしてある。急速撹拌部３での槽内回転を緩速撹拌部５で減速し、差速効果により乱流を起こして適度なフロックを造粒することができる。タービン片翼２４とパドル翼４ａが別駆動のため、季節変動や汚泥性状の変動に対しても、常時変化するスラリーの流速と粘性に応じて、それぞれの適切な回転数を設定すれば、最適凝集状態を得ることができる。タービン片翼２４、及びパドル翼４ａのそれぞれの外形寸法は、急速撹拌部３と緩速撹拌部５の槽内径の６０〜９０％としたもので、凝集剤を添加した小容量の急速撹拌部３のスラリーに最も強い撹拌力を与える配置となり、スラリーが滞留し易い大容量の緩速撹拌部５の内周壁近傍での移動も行われ、槽内全体の均一な撹拌混合が行われ、凝集混和槽１での滞留時間を大幅に短縮できる。

従来の単段式凝集混和槽とライン挿入式高速撹拌機（以下ラインミキサーと呼称する）を対比して、それぞれの持つ長所と短所を比較・検討した。従来の単段式凝集混和槽では、スラリーと高分子凝集剤を撹拌混合するために滞留時間が４分以上必要であり、長い滞留時間を要するために凝集混和槽の容量が大きくなる。単段式凝集混和槽の撹拌羽根は低速撹拌のため、羽根が小さいとスラリーと高分子凝集剤との混合効率が悪く充分に混合できない。撹拌効果を上げるためには、凝集混和槽の内径に合わせた撹拌羽根が必要であり、撹拌羽根を大きくしている。通常適正な羽根外径は槽内径の約８０〜８５％程度を基準にしており、槽が大きくなればなるほど羽根外径は大きくなる。撹拌動力は羽根の大きさと回転数で大きく変わり、特に羽根の大きさの影響は大きい。撹拌動力は流体の粘度も影響し、最適凝集状態を得るためには、変化する液体の粘度に応じて、回転数も変動させる必要がある。動力計算は、使用範囲の最高粘度と最高回転数の状態で計算するため、安全率が大きくなり無駄な動力設定となっている。凝集混和槽の適正回転数は撹拌羽根の外周速を約１１０ｍ／ｍｉｎを基準としており、凝集混和槽の容量が５００リッターでは、羽根外径が６００ｍｍとなり、回転数は約６０ｒｐｍ程度が基準となる。

一方、従来の邪魔板状の羽根を配設したラインミキサーは、配管内に流入する流体の流速により撹拌効果を持たせている。配管内に流入する流速は常時変化し、スラリーと凝集剤の撹拌は、流速だけでは十分な撹拌力が得られない欠陥がある。ラインミキサーは滞留時間が脱水機用では単段式凝集混和槽の１０％以下で良く、邪魔板状の羽根も小さい長所がある。仮に羽根を回転させるとすれば、ラインミキサーは槽容量が小さく、５０リッターの場合、羽根外径は２９０ｍｍとなり、回転数は１２０ｒｐｍでよい。これからすればラインミキサーの羽根の回転数は、凝集混和槽の約２倍である。撹拌羽根の大きさは凝集混和槽がラインミキサーの径で２倍、幅で６倍あり、必要動力はラインミキサーの３．５〜４倍になる。加圧脱水機ではスラリーの凝集状態は、強固なフロックが要求されるため、スラリーと高分子凝集剤を撹拌混合し、充分に造粒させたスラリーの供給が必要である。単段式の凝集混和槽では混合・造粒を同一槽内で行うため、長い滞留時間と槽サイズに合った大きな撹拌翼が必要になる。一方ラインミキサーは混合が目的であるため、小さい容量の方が混合し易い。このため、羽根径も小さくでき動力も小さくなる長所がある。

従来の単段式凝集混和槽とラインミキサーの特徴を考慮して、凝集混和槽に急速撹拌部と緩速撹拌部を組合せ、その二段式凝集混和槽のスラリーの混合投入位置、羽根の構造、撹拌力を検討した。先ず、高分子凝集剤を添加したスラリーの混合投入位置は、
ａ．スラリーの投入位置を撹拌羽根の先端部の回動軌跡に近いところにすれば、最も撹拌力の強い位置となり、混合効率を高めることができる。次に、撹拌混合する羽根の構造と撹拌力は、
ｂ．繊維の絡み付き防止は重要な要素であり、繊維が多いスラリーでは絡み付きが早く、短期であっても安定した連続運転が出来ない。撹拌力は脱水機では混合率・フロック強度を良くするため羽根周速は１１０ｍ／ｍｉｎ程度を基準に決めている。例えば５００リッターの単段式凝集混和槽を考えると羽根の外径を槽内径の８０％とすると回転数は６０ｒｐｍ程度となり、これを５０リッターの混合装置で同機能を持たせるためには１２０ｒｐｍが必要になる。
ｃ．急速撹拌させる撹拌翼は小さくできるので、撹拌室の凝集体積も小型化が可能となる。凝集混和槽のスラリーを急速撹拌により撹拌混合すれば、撹拌翼の撹拌力を変更することで、広範囲のスラリー処理量に適用できる。
そこで、駆動機はインバーターで変速可能として、撹拌翼の周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎに設定することにした。

上記単段式凝集混和槽のスラリーの混合投入位置、羽根の構造、撹拌力の検討事項の結果から、ラインミキサーを応用する急速撹拌部と、単段式の凝集混和槽を応用する緩速撹拌部を組合すこととした。急速撹拌部で高分子凝集剤とスラリーを急速撹拌した後、緩速撹拌部でゆっくりと流動させれば、差速効果により強固なフロックが生成されたスラリーを加圧脱水機に供給して、高圧搾脱水の実現が予測できる。実測データーを取るため、図１に示すフローチヤートの凝集混和槽として、容量が８リッターの急速撹拌部と９２リッターの緩速撹拌部に分割した二段式凝集混和槽と、従来の容量が１００リッターの単段式凝集混和槽を使用した。先ず、下水混合生汚泥を対象原液として、原液濃度２．０％のスラリーと、注入率１．１％の高分子凝集剤をそれぞれ単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽に供給し、０．８〜１．６ｍｉｎの滞留時間で撹拌混合して造粒させた。原液濃度と高分子凝集剤注入率の同じ運転条件の凝集スラリーをスクリュープレスに圧送し、脱水ケーキの水分を略７６％〜８１％に変動させた時のろ過速度の差を調査した。二段式凝集混和槽及び単段式凝集混和槽による下水混合生汚泥の凝集スラリーに対するスクリュープレスの能力比較を表１に示す。

表２は表１の単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽の実測データーに基づき、横軸にケーキ水分（％）、縦軸にろ過速度（ｋｇ／ｈ）を表した下水混合生汚泥に対するスクリュープレスのケーキ水分−処理量の関係図である。

また、下水消化汚泥を対象原液として実証試験を行った。原液濃度１．７％のスラリーと、注入率１．７％の高分子凝集剤をそれぞれ単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽に供給し、１．７〜５．４ｍｉｎの滞留時間で撹拌混合して造粒させた。その凝集スラリーをスクリュープレスに供給し、脱水ケーキの水分を略８２％〜８６％に変動させた時のろ過速度の差を調査した。その結果のスクリュープレスの能力比較を表３に示す。

表４は表３の単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽の実測データーに基づき、横軸にケーキ水分（％）、縦軸にろ過速度（ｋｇ／ｈ）を表した下水消化汚泥に対するスクリュープレスのケーキ水分−処理量の関係図である。

表５は、スクリュープレスの同等のケーキ水分に対する混合生汚泥のろ過速度を表１及び表２の能力比較のグラフから抜出して、単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽の同じケーキ水分に対する処理量を分かり易く対比した表である。

実験結果から、表１の実証データーによる混合生汚泥では、表５に示すように、ケーキ水分７８％では、単段式凝集混和槽はろ過速度が８３．０ｋｇ／ｈ、二段式凝集混和槽はろ過速度が９８．６ｋｇ／ｈとなっており、二段式凝集混和槽の凝集スラリーに対するスクリュープレスの処理量が１５．６ｋｇ／ｈ多い。そして、ケーキ水分７９．５％では、単段式凝集混和槽はろ過速度が１１７．７ｋｇ／ｈ、二段式凝集混和槽はろ過速度が１４８．５ｋｇ／ｈとなっており、二段式凝集混和槽の凝集スラリーのほうが処理量が３０．８ｋｇ／ｈ多くなっている。即ち、ケーキ水分が高くなるほど、単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽との凝集スラリーに対するスクリュープレスの処理量の開きが大きくなつていることが分かる。

表６は、スクリュープレスの同等のケーキ水分に対する消化汚泥のろ過速度を表３及び表４の能力比較のグラフから抜出して、単段式凝集混和槽と二段式凝集混和槽の同じケーキ水分に対する処理量を分かり易く対比した表である。

表３の実証データーによる消化汚泥では、表６に示すように、ケーキ水分８３％では、単段式凝集混和槽はろ過速度が１６．０ｋｇ／ｈ、二段式凝集混和槽はろ過速度が２５．１ｋｇ／ｈとなっており、二段式凝集混和槽のほうが処理量が９．１ｋｇ／ｈ多い。ケーキ水分８４．５％では、単段式凝集混和槽はろ過速度が２８．７ｋｇ／ｈ、二段式凝集混和槽はろ過速度が３７．２ｋｇ／ｈとなっており、二段式凝集混和槽のほうが処理量が８．５ｋｇ／ｈ多い。即ち、消化汚泥ではケーキ水分に関係なく二段式凝集混和槽の凝集スラリーに対するスクリュープレスの処理量が多いことが実測データーから判断できる。

本発明に係わる二段式凝集混和槽は、急速撹拌部と緩速撹拌部が一体となっているため、コンパクトな凝集混和槽となる。撹拌翼に繊維の絡み付きがなく、急速撹拌でも安定した運転が行なわれ、凝集混和槽の大型化と大容量処理も可能となる。そして、小容量の急速撹拌部と大容量の緩速撹拌部の適切な撹拌翼の回転数を設定すれば、差速効果により混合効率も高まり、二段式凝集混和槽でのスラリーの滞留時間が短縮されて最適なフロックを造粒することができる。従って、高圧搾と大容量処理を必要とするスクリュープレスやベルトプレスの前段に設置する凝集混和槽に適するものとなる。

この発明に係る二段式凝集混和槽のフローチャートである。 同じく、二段式凝集混和槽の縦断面図の要部拡大図である。 同じく、急速撹拌翼の外形図である。

１ 凝集混和槽
２ 急速撹拌翼
３ 急速撹拌部
４ 緩速撹拌翼
４ａ パドル翼
５ 緩速撹拌部
７ａ 供給口
８ａ 排出口
１３、１７ 駆動軸
２２ 回転板
２３ 羽根板
２３ａ 先端角部
２４ タービン片翼

Claims (6)

1. 凝集混和槽に撹拌羽根を上下二段に配設し、凝集剤を添加したスラリーを上向流で供給して撹拌混合する凝集装置において、凝集混和槽（１）を下半部の急速撹拌部（３）と上半部の緩速撹拌部（５）に分割し、急速撹拌部（３）の胴内径を緩速撹拌部（５）の胴内径より小径として、急速撹拌部（３）に立設した駆動軸（１３）に片面突状の急速撹拌翼（２）を配設し、緩速撹拌部（５）に垂下した駆動軸（１７）に平板状の緩速撹拌翼（４）を配設すると共に、急速撹拌翼（２）を回転板（２２）の表面に複数枚の羽根板（２３・・・）を放射状に垂設して先端角部（２３ａ）を円弧上に切欠いたタービン片翼（２４）で構成し、緩速撹拌翼（４）を平板状のパドル翼（４ａ）で構成したことを特徴とする二段式凝集混和槽。
   
2. 凝集混和槽（１）の急速撹拌部（３）と緩速撹拌部（５）の容積比を１対３〜１対２０としたことを特徴とする請求項１に記載の二段式凝集混和槽。
3. 上記急速撹拌部（３）の周壁に設けた原液の供給口（７ａ）をタービン片翼（２４）の先端部近傍に開口すると共に、緩速撹拌部（５）の上部周壁に排出口（８ａ）を開口したことを特徴とする請求項１又は２に記載の二段式凝集混和槽。
4. 上記急速撹拌部（３）のタービン片翼（２４）の外周速を１００〜３００ｍ／ｍｉｎとして、緩速撹拌部（５）のパドル翼（４ａ）の外周速を１０〜１００ｍ／ｍｉｎとしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の二段式凝集混和槽。
5. 上記凝集混和槽（１）で造粒させるスラリーの滞留時間を０．５〜４分としたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の二段式凝集混和槽。
6. 上記タービン片翼（２４）とパドル翼（４ａ）のそれぞれの外形寸法は、急速撹拌部（３）と緩速撹拌部（５）の槽内径の６０〜９０％としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の二段式凝集混和槽。