JP7050201B1 - 異種液体混合装置および水処理設備 - Google Patents

Abstract

【課題】注入口から流れ経路内に注入された第２液体を流れ経路内で十分に攪拌して第１液体と混合することができる異種液体混合装置を提供する。【解決手段】第１液体２が流れる流れ経路２０中に第２液体１６を注入して混合する異種液体混合装置４であって、複数のラインミキサー９，１０が直列に接続され、各ラインミキサー９，１０は、流れ経路２０の上流側から、第２直管部３２と、内径が下流側ほど拡大する拡径部３３と、第２直管部３２の内径よりも大きい内径の第３直管部３４とを順次有しており、第２液体１６を第１液体２中に注入する注入経路３７の注入口３８が最上流端のラインミキサー９内へ突入して開口し、注入口３８は、流れ経路２０の軸方向Ｌにおいて第３直管部３４内に対応した位置で且つ流れ経路２０の径方向Ｒにおいて第２直管部３２の内面と第３直管部３４の内面との中間近傍位置で、開口している。【選択図】図３

Description

本発明は、第１液体が流れる流れ経路中に第２液体を注入して混合する異種液体混合装置および異種液体混合装置を備えた水処理設備に関する。

従来、この種の異種液体混合装置としては、例えば図１８に示すように、水１１０に洗剤１１１を混合して洗浄液１１２を生成する洗浄液生成器１０１がある。この洗浄液生成器１０１は、器体１０２と、流入口１０３から流出口１０４にわたって器体１０２内に形成された第１流路１０５と、第１流路１０５の途中に設けられ且つ流路断面積が最小となるベンチュリー部１０６と、ベンチュリー部１０６の周壁部１０７に開設された注入口１０８と、注入口１０８に連通する第２流路１０９とを有している。

尚、注入口１０８はベンチュリー部１０６の周壁部１０７から径方向における内側へ突出した突部１０７ａに形成されている。

水１１０は、流入口１０３から器体１０２内に流入し、第１流路１０５を流れる。また、洗剤１１１は第２流路１０９を通って注入口１０８から第１流路１０５に注入される。これにより、水１１０と洗剤１１１とが第１流路１０５において混合されて洗浄液１１２が生成され、洗浄液１１２が流出口１０４から器体１０２の外部に流出する。

この際、ベンチュリー部１０６において水１１０の流れが加速されるため、ベンチュリー部１０６の下流側において流速の高い流れが発生する。

尚、上記のような洗浄液生成器１０１は例えば下記特許文献１に記載されている。

特開２０１９－１３６６４８

しかしながら上記の従来形式では、注入口１０８をベンチュリー部１０６に設けているため、注入口１０８から第１流路１０５に注入された洗剤１１１は、ベンチュリー部１０６で加速された水１１０の流れに乗って短時間で一気に下流側へ流れ、洗剤１１１を第１流路１０５内で十分に攪拌することができないといった問題がある。

例えば、上記のような洗浄液生成器１０１を異種液体混合装置として用いて、懸濁物質を含む原水に凝集剤を注入して混合する場合、原水は、流入口１０３から器体１０２内に流入し、第１流路１０５を流れる。また、凝集剤は第２流路１０９を通って注入口１０８から第１流路１０５に注入される。

しかしながら、この場合においても、上記と同様に、注入口１０８から第１流路１０５に注入された凝集剤は、ベンチュリー部１０６で加速された原水の流れに乗って短時間で一気に下流側へ流れてしまうため、凝集剤を第１流路１０５内で十分に攪拌することができないといった問題がある。また、ベンチュリー部１０６の周壁部１０７に形成された突部１０７ａによって、注入口１０８の下流側に原水の滞留域が生じ、注入口１０８から注入された凝集剤が滞留域に面する周壁部１０７や注入口１０８に析出してしまうことがある。

本発明は、注入口から流れ経路内に注入された第２液体を流れ経路内で十分に攪拌して第１液体と混合することができる異種液体混合装置および水処理設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明は、第１液体が流れる流れ経路中に第２液体を注入して混合する異種液体混合装置であって、
複数のラインミキサーが直列に接続され、
各ラインミキサーは、流れ経路の上流側から、第２直管部と、内径が下流側ほど拡大する拡径部と、第２直管部の内径よりも大きい内径の第３直管部とを順次有しており、
第２液体を第１液体中に注入する注入経路の先端の注入口が少なくとも最上流端のラインミキサー内へ突入して開口し、
注入口は、流れ経路の軸方向において第３直管部内に対応した位置で且つ流れ経路の径方向において第２直管部の内面と第３直管部の内面との中間近傍位置で、開口しており、
第２直管部の内径をｄとし、第３直管部の内径をＤとし、流れ経路の径方向における注入口から第３直管部の内面までの寸法をＢとし、流れ経路の径方向における注入口から第２直管部の内面までの寸法をＣとすると、
中間近傍位置とは、０．１×（Ｄ－ｄ）≦Ｂを満足し、且つ、０．１５×（Ｄ－ｄ）≦Ｃを満足する位置であるものである。

これによると、第１液体は、各ラインミキサー内を流れる際、各ラインミキサーの第２直管部を通過して拡径部で流路が拡大される。このため、各ラインミキサーの拡径部の上流端部から下流の領域において、第１液体の流れが流れ経路の内面から剥離し、速度勾配が大きくなり、拡径部の内面および第３直管部の内面に沿って渦流が発生する。

この状態で、第２液体を注入経路の注入口から最上流端のラインミキサーの第３直管部内に注入することにより、第２液体は、拡径部内と第３直管部内とにわたって発生する渦流中に注入され、渦流によって攪拌される。これにより、第２液体は、最上流端のラインミキサーを流れる際、最上流端のラインミキサーの拡径部内から第３直管部内において速やかに広範囲に拡散する。

その後、第１液体と第２液体との混合液は、最上流端のラインミキサーの下流側に接続されたラインミキサー内を流れる際、上記下流側のラインミキサーの拡径部内と第３直管部内とにわたって発生する渦流によってさらに攪拌される。これにより、第２液体は、上記下流側のラインミキサーを流れる際、上記下流側のラインミキサーの拡径部内から第３直管部内において速やかに広範囲に分散する。

従って、ラインミキサーを１台だけ用いて第１液体と第２液体とを混合する場合に比べて、第１液体と第２液体とを十分に且つ均一に混合することができる。

本第２発明は、第１液体が流れる流れ経路中に第２液体を注入して混合する異種液体混合装置であって、
複数のラインミキサーが直列に接続され、
各ラインミキサーは、流れ経路の上流側から、第２直管部と、内径が下流側ほど拡大する拡径部と、第２直管部の内径よりも大きい内径の第３直管部とを順次有しており、
第２液体を第１液体中に注入する注入経路の先端の注入口が少なくとも最上流端のラインミキサー内へ突入して開口し、
注入口は、流れ経路の軸方向において拡径部内に対応した位置で且つ流れ経路の径方向において第２直管部の内面と拡径部の内面の所定箇所との中間近傍位置で、開口しており、
拡径部の内面の所定箇所とは注入口から流れ経路の径方向における外方へ面した箇所であり、
第２直管部の内径をｄとし、第３直管部の内径をＤとし、流れ経路の径方向における注入口から拡径部の内面の所定箇所までの寸法をＢとし、流れ経路の径方向における注入口から第２直管部の内面までの寸法をＣとすると、
中間近傍位置とは、０．１×（Ｄ－ｄ）≦Ｂを満足し、且つ、０．１５×（Ｄ－ｄ）≦Ｃを満足する位置であるものである。

これによると、第１液体は、各ラインミキサー内を流れる際、各ラインミキサーの第２直管部を通過して拡径部で流路が拡大される。このため、各ラインミキサーの拡径部の上流端部から下流の領域において、第１液体の流れが流れ経路の内面から剥離し、速度勾配が大きくなり、拡径部の内面および第３直管部の内面に沿って渦流が発生する。

この状態で、第２液体を注入経路の注入口から最上流端のラインミキサーの拡径部内に注入することにより、第２液体は、拡径部内と第３直管部内とにわたって発生する渦流中に注入され、渦流によって攪拌される。これにより、第２液体は、最上流端のラインミキサーを流れる際、最上流端のラインミキサーの拡径部内から第３直管部内において速やかに広範囲に拡散する。

その後、第１液体と第２液体との混合液は、最上流端のラインミキサーの下流側に接続されたラインミキサー内を流れる際、上記下流側のラインミキサーの拡径部内と第３直管部内とにわたって発生する渦流によってさらに攪拌される。これにより、第２液体は、上記下流側のラインミキサーを流れる際、上記下流側のラインミキサーの拡径部内から第３直管部内において速やかに広範囲に分散する。

従って、ラインミキサーを１台だけ用いて第１液体と第２液体とを混合する場合に比べて、第１液体と第２液体とを十分に且つ均一に混合することができる。

本第３発明における異種液体混合装置は、各ラインミキサーは、第２直管部の上流側に、第１直管部と、内径が下流側ほど縮小する縮径部とを順次有し、
第１直管部の内径が第２直管部の内径よりも大きいものである。

これによると、第１液体は、各ラインミキサーを流れる際、第１直管部を流れ、縮径部を経て第２直管部を流れる際に加速され、拡径部で流路が拡大される。このように、第１直管部の内径を第２直管部の内径よりも大きくすることで、第１液体が各ラインミキサーの流れ経路を流れる時の圧力損失を低く抑えることができる。

本第４発明における異種液体混合装置は、第１直管部と第３直管部とは同径であり、
上流側のラインミキサーの第３直管部と下流側のラインミキサーの第１直管部とが同径の接続管を介して接続されているものである。

これによると、各ラインミキサーの拡径部の上流端部から下流の領域において、第１液体の流れが流れ経路の内面から剥離して、速度勾配が大きくなり、拡径部の内面および第３直管部の内面さらには接続管の内面に沿って渦流が発生する。

これにより、接続管を介して上流側のラインミキサーの第３直管部と下流側のラインミキサーの第１直管部とを接続した方が、接続管を介さずに、上流側のラインミキサーの第３直管部と下流側のラインミキサーの第１直管部とを直に接続した場合に比べて、渦流の発生領域を流れ方向において長く確保することができる。このため、第１液体と第２液体とを十分に且つ均一に混合することができる。

本第５発明における異種液体混合装置は、最上流端のラインミキサーの注入口から下流側のラインミキサーの拡径部の上流端部までの距離が１０００ｍｍ以内であるものである。

これによると、速度勾配は、各ラインミキサーの拡径部において最大になり、拡径部から下流側へ離れるほど小さくなる。このため、攪拌力は各ラインミキサーの拡径部から下流側へ離れるほど減衰していく。

従って、最上流端のラインミキサーの攪拌力が大幅に減衰してしまう前に、下流側のラインミキサーの攪拌力が拡径部において最大になるため、攪拌力が長く持続し、これにより、第１液体と第２液体とを十分に且つ均一に混合することができる。

本第６発明は、第１発明から第５発明のいずれかに記載の異種液体混合装置を備えた水処理設備であって、
第２液体は液体の凝集剤であり、
第１液体は凝集剤によって凝集される被凝集物を含む水であり、
最下流端のラインミキサーの下流側に凝集混和装置が接続され、
凝集混和装置は、下部の流入口と上部の流出口との間に上向流路が形成される少なくとも１台の混和槽を有しているものである。

これによると、異種液体混合装置において、凝集剤が水に注入されて十分に攪拌混合され、水と凝集剤との混合液が異種液体混合装置から混和槽に供給され、混和槽の上向流路において緩速攪拌されることで、混合液中に形成された凝集フロックが成長して粗大化する。

この際、凝集剤と水とが異種液体混合装置において十分に且つ均一に攪拌混合されているため、少ない台数の混和槽で十分に粗大化した凝集フロックを得ることができる。

以上のように本発明によると、注入口から流れ経路内に注入された第２液体を流れ経路内で十分に攪拌して第１液体と混合することができる。

本発明の第１の実施の形態における異種液体混合装置を備えた水処理設備の模式図である。 同、水処理設備の異種液体混合装置と凝集混和装置の図である。 同、異種液体混合装置の断面図である。 同、異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの一部拡大断面図である。 同、異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの内部の流れを示す断面図であり、試験品Ｓ２を用いた場合を示す。 同、異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの内部の流れを示す断面図であり、試験品Ｓ１を用いた場合を示す。 同、異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの内部の流れを示す断面図であり、試験品Ｓ３を用いた場合を示す。 同、異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの内部の流れを示す断面図であり、試験品Ｓ４を用いた場合を示す。 本発明の第２の実施の形態における異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの一部拡大断面図である。 同、異種液体混合装置の最上流側のラインミキサーの内部の流れを示す一部拡大断面図である。 本発明の第３の実施の形態における異種液体混合装置の断面図である。 同、異種液体混合装置と凝集混和装置の図である。 ラインミキサーの速度勾配の分布を示すグラフである。 異種液体混合装置内の速度勾配の分布を示すグラフであり、ラインミキサーを１台のみ単独で用いた場合を示す。 異種液体混合装置内の速度勾配の分布を示すグラフであり、２台のラインミキサーを直結して用いた場合を示す。 異種液体混合装置内の速度勾配の分布を示すグラフであり、接続管を介して２台のラインミキサーを接合して用いた場合を示す。 本発明の第４の実施の形態における異種液体混合装置の断面図である。 従来のラインミキサーの断面図である。

以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、図１に示すように、１は浄水等の水処理設備であって、上流側から下流側にわたって、原水２（第１液体の一例）を貯留する原水貯留槽３と、異種液体混合装置４と、凝集混和装置５と、膜分離装置６（固液分離装置の一例）と、原水２を膜分離装置６で膜ろ過により固液分離することによって得られた処理水７を回収する処理水槽８とを有している。

これら原水貯留槽３と異種液体混合装置４と凝集混和装置５と膜分離装置６と処理水槽８とはそれぞれ配管路１１～１４を介して接続されている。

図２，図３に示すように、異種液体混合装置４は、原水２が流れる流れ経路２０中に液体の凝集剤１６（第２液体の一例）を注入して混合するものである。尚、原水２は凝集剤１６によって凝集される懸濁物質（被凝集物の一例）を含んでいる。また、凝集剤１６は例えばポリ塩化アルミニウム等を溶解した液体である。

異種液体混合装置４は直列に接続された２台（複数台）のラインミキサー９，１０を有している。各ラインミキサー９，１０はそれぞれ、管状の本体２１と、本体２１の両端に設けられたフランジ２２，２３とを有している。

このうち、最上流側のラインミキサー９の入口側のフランジ２２は配管路１１に設けられたフランジ１７に接合され、下流側に接続されたラインミキサー１０の出口側のフランジ２３は配管路１２に設けられたフランジ１８に接合されている。また、最上流側のラインミキサー９の出口側のフランジ２３と下流側のラインミキサー１０の入口側のフランジ２２とが接合されている。

流れ経路２０は、各ラインミキサー９，１０の本体２１内にそれぞれ形成されており、上流側端部に入口２５を有し、下流側端部に出口２６を有している。

また、各ラインミキサー９，１０の本体２１はそれぞれ、流れ経路２０の上流側から、第１直管部３０と、第１直管部３０よりも内径が下流側ほど次第に縮小する縮径部３１と、縮径部３１の下流端部の内径と等しい第２直管部３２と、第２直管部３２の下流端部よりも内径が下流側ほど次第に拡大する拡径部３３と、拡径部３３の下流端部の内径と等しい第３直管部３４とを順次有している。

第３直管部３４の内径Ｄは第２直管部３２の内径ｄよりも大きく、内径Ｄと内径ｄとの比率は約１．５：１～３：１の範囲に設定されている。また、第１直管部３０の内径Ｄ´は、第２直管部３２の内径ｄよりも大きく、第３直管部３４の内径Ｄと同じである。

また、拡径部３３は第２直管部３２の下流端部からなだらかなスロープを描いて拡大しており、流れ経路２０の軸心５０に対する拡径部３３の傾斜角度αは３０°～５０°の範囲に設定されている。

凝集剤１６を原水２中に注入する注入管３７（注入経路の一例）が最上流側のラインミキサー９の本体２１に接続されている。注入管３７の先端に形成された注入口３８は、流れ経路２０の軸方向Ｌにおいて第３直管部３４内に面した位置にあり、且つ、流れ経路２０の径方向Ｒにおいて第２直管部３２の内面と第３直管部３４の内面との中間近傍位置で開口している。

尚、注入口３８から第３直管部３４内への凝集剤１６の注入方向は流れ経路２０の軸心５０に対して直角となる方向である。

図４に示すように、上記径方向Ｒにおける注入管３７の注入口３８から第３直管部３４の内面までの寸法をＢとし、上記径方向Ｒにおける注入管３７の注入口３８から第２直管部３２の内面までの寸法をＣとすると、上記第２直管部３２の内面と第３直管部３４の内面との中間近傍位置とは以下の関係式［１］［２］を同時に満足する位置である。
０．１×（Ｄ－ｄ）≦Ｂ・・・関係式［１］
０．１５×（Ｄ－ｄ）≦Ｃ・・・関係式［２］
また、注入管３７の注入口３８は拡径部３３の直後の位置で開口している。ここで、軸方向Ｌにおける第３直管部３４の上流端部３４ａから第３直管部３４の内径Ｄに相当する長さだけ下流側を下流限位置Ｅとすると、上記拡径部３３の直後の位置とは、軸方向Ｌにおいて、第３直管部３４の上流端部３４ａから下流限位置Ｅまでの領域Ｆ内にある位置と定義される。

図１，図２に示すように、凝集混和装置５は、異種液体混合装置４の下流側に設けられており、異種液体混合装置４によって混合された原水２と凝集剤１６との混合液４０中に形成された凝集フロックを成長させ粗大化させるための緩速攪拌装置の一種である。

凝集混和装置５は、２台（複数台）の混和槽５１，５２と、両混和槽５１，５２間に接続される接続管路５３と、上下方向に蛇行した蛇行流路５４とを有している。各混和槽５１，５２はそれぞれ、上下両端が閉鎖された縦長の円筒状の槽であり、下部に流入口５５を有するとともに、上部に流出口５６を有している。
接続管路５３の上端は上流側の混和槽５１の流出口５６に接続され、接続管路５３の下端は下流側の混和槽５２の流入口５５に接続されている。また、蛇行流路５４は、混和槽５１，５２内に形成された上向流路５８と、接続管路５３内に形成された下向流路５９とを有している。尚、上向流路５８は流入口５５と流出口５６との間に形成される。各混和槽５１，５２の内径は接続管路５３の内径よりも大きく、これにより、上向流路５８の流路断面積は下向流路５９の流路断面積よりも大きい。

また、下流側のラインミキサー１０が配管路１２を介して上流側の混和槽５１の流入口５５に接続されている。

図１に示すように、膜分離装置６は、異種液体混合装置４によって混合された原水２と凝集剤１６との混合液４０を膜ろ過して固液分離するものである。

以下、上記構成における作用を説明する。

図１に示すように、原水２は、原水貯留槽３から、順次、異種液体混合装置４の上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とに供給され、これらのラインミキサー９，１０において原水２と凝集剤１６とが混合されて混合液４０となる。その後、混合液４０は、凝集混和装置５の上流側の混和槽５１に供給され、さらに上流側の混和槽５１から接続管路５３を通って下流側の混和槽５２に供給される過程において、混合液４０中に形成された凝集フロックが成長して粗大化する。その後、混合液４０は混和槽５２から膜分離装置６に供給されて固液分離され、膜分離装置６で得られた処理水７が処理水槽８に回収される。

このような一連の水処理において、原水２と凝集剤１６とは上流側のラインミキサー９で以下のように混合され攪拌される。

図３に示すように、原水貯留槽３から上流側のラインミキサー９に供給された原水２は、このラインミキサー９の入口２５から流れ経路２０に流れ込み、流れ経路２０を流れた後、出口２６から流れ出る。このとき、原水２は、第１直管部３０を流れた後、縮径部３１を経て第２直管部３２を流れる際に加速され、拡径部３３で漸拡される。このため、図５に示すように、拡径部３３の上流端部から下流の領域において、原水２の流れが流れ経路２０の内面から剥離して、速度勾配が大きくなり、拡径部３３の内面および第３直管部３４の内面に沿って渦流４５が発生する。

尚、点４６は拡径部３３の上流端部において原水２の流れが剥離する剥離点を示している。また、第２直管部３２の下流側の中央部には、原水２が上流側から下流側へ速い流速で流れる本流４７が形成されており、渦流４５は本流４７の周囲に発生する。

この状態で、凝集剤１６を注入管３７の注入口３８から上流側のラインミキサー９の第３直管部３４内に注入することにより、凝集剤１６は、第３直管部３４内の渦流４５中に注入され、渦流４５によって注入口３８の上流側にも逆流する。これにより、凝集剤１６が拡径部３３から第３直管部３４の全体にわたり分散されて供給され、攪拌がより促進されるため、原水２と凝集剤１６とが第３直管部３４内において十分に且つ均一に混合され、原水２に含まれる懸濁物質（被凝集物）が凝集剤１６と速やかに反応して凝集が開始され、上流側のラインミキサー９の下流側において、凝集フロックが形成される。

これにより、凝集剤１６が注入口３８の下流側において第３直管部３４内に析出するのを防止することができ、第３直管部３４が析出した凝集剤１６で閉塞されるといった不具合の発生を防ぐことができる。

また、注入管３７の注入口３８は、流れ経路２０の軸方向Ｌにおいて、拡径部３３の直後の位置で開口しているとともに、流れ経路２０の径方向Ｒにおいて、第２直管部３２の内面と第３直管部３４の内面との中間近傍位置すなわち先述した関係式［１］［２］を同時に満足する位置で開口しているため、凝集剤１６を注入口３８から第３直管部３４内に発生する渦流４５中に確実に注入することができる。

例えば、第３直管部３４の内径Ｄを２５ｍｍ、第２直管部３２の内径ｄを１３ｍｍとすると、上記関係式［１］に基づいて注入管３７の注入口３８から第３直管部３４の内面までの寸法Ｂは１．２ｍｍ以上に設定され、且つ、上記関係式［２］に基づいて注入口３８から第２直管部３２の内面までの寸法Ｃは１．８ｍｍ以上に設定されている。

下記表１は、内径Ｄを２５ｍｍ、内径ｄを１３ｍｍとし、寸法Ｂを１ｍｍ、３ｍｍ、６ｍｍ、１２．５ｍｍの４段階に設定した時の上流側のラインミキサー９の下流側に流出される混合液４０中の総粒子数および上流側のラインミキサー９の第３直管部３４における凝集剤１６の析出の有無を調べた実験結果を示している。

尚、上記総粒子数とは、原水２と凝集剤１６との混合液４０中に含まれる微小粒子（０．１～０．４μｍの粒子）の総数であり、基準となる一定の総粒子数をＮ個と表示している。上流側のラインミキサー９内で原水２と凝集剤１６とが十分に且つ均一に混合されると、このラインミキサー９の下流側において、混合液４０中の微小粒子が多数集合して粗大化するため、混合液４０中に含まれる微小粒子の総粒子数が減少する。従って、総粒子数が少ないほど、凝集剤１６が十分に攪拌混合され、凝集効果が高いことを意味している。

上記表１によると、寸法Ｂを３ｍｍに設定した試験品Ｓ２の場合、寸法Ｃは３ｍｍとなり、上記関係式［１］［２］（すなわち、１．２ｍｍ≦Ｂで、且つ、１．８ｍｍ≦Ｃ）を同時に満たすため、総粒子数が少なく、凝集剤１６が析出せず、凝集効果が高い。この場合、図５に示すように、凝集剤１６は、注入口３８から渦流４５の中心部分に注入されるため、渦流４５によって注入口３８の上流側および下流側へ速やかに拡散する。これにより、原水２と凝集剤１６とが十分に且つ均一に混合される
また、寸法Ｂを１ｍｍに設定した試験品Ｓ１の場合、寸法Ｃは５ｍｍとなり、上記関係式［１］［２］（すなわち、１．２ｍｍ≦Ｂで、且つ、１．８ｍｍ≦Ｃ）を同時に満たさないため、注入された凝集剤１６が原水２と十分に攪拌混合されず、総粒子数が多く検出されていることから、凝集効果が低いことがわかる。さらに、未反応の凝集剤１６が注入口３８の下流域に析出する現象も確認された。この場合、図６に示すように、凝集剤１６は注入口３８から第３直管部３４の内面付近（近傍）に注入されるが、第３直管部３４の内面付近における原水２の流速は非常に遅いので、凝集剤１６の多くは、注入口３８の周囲に滞留したまま、拡散し難い。

また、寸法Ｂを６ｍｍに設定した試験品Ｓ３の場合、寸法Ｃは０ｍｍとなり、上記関係式［１］［２］（すなわち、１．２ｍｍ≦Ｂで、且つ、１．８ｍｍ≦Ｃ）を同時に満たさないため、注入された凝集剤１６が原水２と十分に攪拌混合されず、総粒子数が多く検出されていることから、凝集効果が低いことがわかる。さらに、未反応の凝集剤１６が注入口３８の下流域に析出する現象も確認された。この場合、図７に示すように、凝集剤１６は渦流４５の上流側から下流側へ向かう流れに注入されるため、凝集剤１６の多くが、注入後、直ちに原水２の本流４７に合流して注入口３８の下流側へ流れてしまい、注入口３８の上流側へ拡散し難い。

さらに、寸法Ｂを１２．５ｍｍに設定した試験品Ｓ４の場合、寸法Ｃは－６．５ｍｍとなり、上記関係式［１］［２］（すなわち、１．２ｍｍ≦Ｂで、且つ、１．８ｍｍ≦Ｃ）を同時に満たさないため、注入された凝集剤１６が原水２と十分に攪拌混合されず、総粒子数が多く検出されていることから、凝集効果が低いことがわかる。さらに、未反応の凝集剤１６が注入口３８の下流域に析出する現象も確認された。この場合、図８に示すように、注入口３８から第３直管部３４内に注入された凝集剤１６の多くは、主に、第３直管部３４内の渦流４５ではなく、流速の速い本流４７に注入されるため、第３直管部３４内で十分に攪拌される間も無く、本流４７に乗って短時間のうちに一気に下流側へ流されてしまう。これにより、上流側のラインミキサー９の下流側において混合液４０中に形成される凝集フロックの数が少なくなり、多くの微小粒子が混合液４０中に残ったままになるため、総粒子数が極端に多くなる。

その後、混合液４０は、上流側のラインミキサー９から下流側のラインミキサー１０内を流れる際、下流側のラインミキサー１０の拡径部３３の内面および第３直管部３４の内面に沿って発生する渦流４５によってさらに攪拌される。これにより、凝集剤１６は、下流側のラインミキサー１０を流れる際、下流側のラインミキサー１０の拡径部３３内から第３直管部３４内において速やかに広範囲に分散する。

従って、２台のラインミキサー９，１０を用いた方が、ラインミキサーを１台だけ用いて原水２と凝集剤１６とを混合する場合に比べて、原水２と凝集剤１６とを十分に且つ均一に混合することができる。

その後、図２に示すように、原水２と凝集剤１６との混合液４０が混和槽５１，５２の上向流路５８を流れる際、混合液４０の平均流速が低下するので、混合液４０が緩速攪拌され、混合液４０中の粒子同士が会合し易くなり、凝集フロックが成長して粗大化する。これにより、図１に示すように、混合液４０が膜分離装置６で固液分離される際、凝集フロックが膜分離装置６のろ過膜の膜面に付着しても、逆洗によってろ過膜を十分に洗浄し、ろ過性能を回復させることができる。

下記表２は凝集状態の評価を調べた結果を示している。このうち、条件（１）とは、ラインミキサー９を１台のみ単体で使用し、このラインミキサー９の下流側に２台の混和槽５１，５２を接続した形態のものである。また、条件（２）とは、第１の実施の形態のように２台のラインミキサー９，１０を直結し、下流側のラインミキサー１０の下流側に２台の混和槽５１，５２（図２参照）を接続した形態のものである。

採水（１）の欄に記載されている数値は、上流側の混和槽５１内の上部から採取した混合液４０中に含まれる残留アルミニウムの量［ｍｇ／リットル］を示している。採水（２）の欄に記載されている数値は、下流側の混和槽５２内の上部から採取した混合液４０中に含まれる残留アルミニウムの量［ｍｇ／リットル］を示している。

尚、上記残留アルミニウムとは、凝集剤１６に由来するアルミニウムの内、未反応のアルミニウム分を抽出したものである。

残留アルミニウムの量が多いほど、未反応の凝集剤１６が多く、凝集状態が悪いと判断される。反対に、残留アルミニウムの量が少ないほど、未反応の凝集剤１６が少なく、凝集状態が良好であると判断される。

上記表２によると、条件（１）のときの残留アルミニウム量と条件（２）のときの残留アルミニウム量との差は、採水（１）においては０％であるが、採水（２）においては－９．８％である。これらの数値は以下のようにして算出される。
（０．０２５２－０．０２５２）×１００／０．０２５２＝０［％］
（０．０１９３－０．０２１４）×１００／０．０２１４＝－９．８［％］
これにより、下流側の混和槽５２内において残留アルミニウムの量が大幅に減少しているため、下流側の混和槽５２内において凝集反応が良好に行われていることがわかる。これは、混和槽５１，５２の上流側において２台のラインミキサー９，１０を直結しているため、１台のラインミキサーを単体で用いた場合に比べて、両ラインミキサー９，１０において原水２と凝集剤１６とが十分に且つ均一に混合されているためであると考えられる。

上記第１の実施の形態では、径方向Ｒにおける注入口３８の位置を、上記関係式［１］［２］が同時に満足する位置に設定しているが、好ましくは寸法Ｂと寸法Ｃとが等しくなる位置に設定してもよい。

（第２の実施の形態）
先述した第１の実施の形態では、図４に示すように、注入管３７の注入口３８は第３直管部３４内にあるが、以下に説明する第２の実施の形態では、図９，図１０に示すように、注入口３８は拡径部３３内にある。すなわち、注入口３８は、流れ経路２０の軸方向Ｌにおいて拡径部３３内に面した位置にあり、且つ、流れ経路２０の径方向Ｒにおいて第２直管部３２の内面と拡径部３３の内面の所定箇所Ｇとの中間近傍位置で開口している。

尚、所定箇所Ｇとは、注入口３８から流れ経路２０の径方向Ｒにおける外方へ面した箇所である。

また、注入口３８から拡径部３３内への凝集剤１６の注入方向は流れ経路２０の軸心５０に対して直角となる方向である。

上記径方向Ｒにおける注入口３８から拡径部３３の内面の所定箇所Ｇまでの寸法をＢとし、上記径方向Ｒにおける注入口３８から第２直管部３２の内面までの寸法をＣとすると、上記第２直管部３２の内面と拡径部３３の内面の所定箇所Ｇとの中間近傍位置とは以下の関係式［１］［２］を同時に満足する位置である。
０．１×（Ｄ－ｄ）≦Ｂ・・・関係式［１］
０．１５×（Ｄ－ｄ）≦Ｃ・・・関係式［２］
以下、上記構成における作用を説明する。

図１０に示すように、凝集剤１６を注入口３８から上流側のラインミキサー９の拡径部３３内に注入することにより、凝集剤１６は、上流側のラインミキサー９の拡径部３３内と第３直管部３４内とにわたって発生する渦流４５中に注入され、渦流４５によって十分に攪拌される。これにより、凝集剤１６が拡径部３３内から第３直管部３４内において速やかに広範囲に拡散するため、原水２と凝集剤１６とが第３直管部３４内において十分に且つ均一に混合され、原水２に含まれる懸濁物質が凝集剤１６と速やかに反応して凝集が開始され、上流側のラインミキサー９の下流側において、凝集フロックが形成される。

また、注入口３８は、流れ経路２０の径方向Ｒにおいて、第２直管部３２の内面と拡径部３３の内面の所定箇所Ｇとの中間近傍位置すなわち先述した関係式［１］［２］を同時に満足する位置で開口しているため、凝集剤１６を注入口３８から上流側のラインミキサー９の拡径部３３内に発生する渦流４５中に確実に注入することができる。

その後、原水２と凝集剤１６との混合液４０は、上流側のラインミキサー９から下流側のラインミキサー１０内を流れる際、下流側のラインミキサー１０の拡径部３３の内面および第３直管部３４の内面に沿って発生する渦流４５によってさらに攪拌される。これにより、凝集剤１６は、下流側のラインミキサー１０を流れる際、下流側のラインミキサー１０の拡径部３３内から第３直管部３４内において速やかに広範囲に分散する。

上記第１および第２の実施の形態では、２台のラインミキサー９，１０を直列にして直結しているが、３台以上のラインミキサーを直列にして直結してもよい。

（第３の実施の形態）
先述した第１の実施の形態では、図３に示すように、上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とが直結されているが、以下に説明する第３の実施の形態では、図１１，図１２に示すように、上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とが、接続管６５を介して、所定の間隔をあけて接続されている。

接続管６５は、直管部６６と、直管部６６の両端に設けられた接続フランジ６７，６８とを有している。直管部６６の内径Ｄａは両ラインミキサー９，１０の第１直管部３０の内径Ｄ´ならびに第３直管部３４の内径Ｄと同じである。

上流側のラインミキサー９の出口側のフランジ２３と接続管６５の一方の接続フランジ６７とが接合され、下流側のラインミキサー１０の入口側のフランジ２２と接続管６５の他方の接続フランジ６８とが接合されている。

最上流端のラインミキサー９の注入口３８から下流側のラインミキサー１０の拡径部３３の上流端部３３ａまでの距離Ａが１０００ｍｍ以内に設定されている。尚、この距離Ａは５２０ｍｍ～７００ｍｍが好ましい。

また、凝集混和装置５は１台の混和槽５１のみを有している。

以下、上記構成における作用を説明する。

各ラインミキサー９，１０の拡径部３３の上流端部３３ａから下流の領域において、原水２の流れが流れ経路２０の内面から剥離して、速度勾配が大きくなり、拡径部３３の内面および第３直管部３４の内面さらには接続管６５の直管部６６の内面に沿って渦流４５が発生する。

これにより、接続管６５を介して上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とを接続した方が、第１の実施の形態に示したように接続管６５を介さずに上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とを直に接続した場合に比べて、渦流４５の発生領域を軸方向Ｌ（流れ方向）において長く確保することができる。このため、原水２と凝集剤１６とを十分に且つ均一に混合することができる。

図１３は、出入口の口径が５０Ａのラインミキサー９の速度勾配の分布を示すグラフであり、横軸はラインミキサー９の注入口３８から下流側への距離［ｍ］を示し、縦軸は流れ経路２０の各断面の平均速度勾配［１／秒］を示す。尚、横軸の「０」の地点が注入口３８の位置である。

これによると、速度勾配は、拡径部３３において最大になり、拡径部３３から下流側へ離れるほど次第に小さくなる。尚、速度勾配は攪拌力と同義であり、速度勾配が大きくなるほど攪拌力が増大し、速度勾配が小さくなるほど攪拌力が減少するといった相関関係を有している。このため、攪拌力は、速度勾配と同様に、ラインミキサー９の拡径部３３から下流側へ離れるほど減衰していく。

従って、第３の実施の形態では、最上流端のラインミキサー９の攪拌力が大幅に減衰してしまう前に、下流側のラインミキサー１０の攪拌力が拡径部３３において最大になるため、攪拌力が長く持続し、これにより、原水２と凝集剤１６とを十分に且つ均一に混合することができる。

図１４～図１６は、各ラインミキサー９，１０内の速度勾配の分布を示すグラフであり、横軸は最上流端のラインミキサー９の拡径部３３の上流端部３３ａ（図４，図１１参照）から下流側への距離［ｍｍ］を示し、縦軸は流れ経路２０の各断面の速度勾配［１／秒］を示す。このうち、図１４のグラフＧ１はラインミキサー９を１台のみ単独で用いた場合を示しており、横軸のＷ１の領域がラインミキサー９の拡径部３３の位置に相当し、矢印Ｐがラインミキサー９の注入口３８の位置に相当する。これによると、速度勾配は、拡径部３３において最大になり、拡径部３３から下流側へ離れるほど次第に小さくなることがわかる。

また、図１５のグラフＧ２は、先述した第１の実施の形態（図３参照）のように２台のラインミキサー９，１０を直結して用いた場合を示しており、横軸のＷ１で示した領域が上流側のラインミキサー９の拡径部３３の位置に相当し、矢印Ｐが上流側のラインミキサー９の注入口３８の位置に相当し、Ｗ２で示した領域が下流側のラインミキサー１０の拡径部３３の位置に相当する。

また、図１６のグラフＧ３は、第３の実施の形態（図１１参照）のように接続管６５を介して２台のラインミキサー９，１０を接合して用いた場合を示している。横軸のＷ３で示した領域が接続管６５の位置に相当する。

これによると、上流側のラインミキサー９の攪拌力（速度勾配と同義）が大幅に減衰してしまう前に、下流側のラインミキサー１０の攪拌力が拡径部３３において最大になるため、攪拌力が長く持続することがわかる。

下記表３は凝集状態の評価を調べた結果を示している。このうち、条件（１）とは先述した表２中の条件（１）と同じ形態のものである。また、条件（３）とは、第３の実施の形態のように接続管６５を介して２台のラインミキサー９，１０を接合し、下流側のラインミキサー１０の下流側に２台の混和槽５１，５２（図２参照）を接続したものである。また、採水（１）および採水（２）の欄は表２と同じものである。

上記表３によると、条件（１）のときの残留アルミニウム量と条件（３）のときの残留アルミニウム量との差は、採水（１）においては－８．３％であり、採水（２）においては－１０．６％である。これらの数値は以下のようにして算出される。
（０．０２５５－０．０２７８）×１００／０．０２７８＝－８．３［％］
（０．０２１９－０．０２４５）×１００／０．０２４５＝－１０．６［％］
これにより、両方の混和槽５１，５２内においてそれぞれ残留アルミニウムの量が大幅に減少しているため、両方の混和槽５１，５２内においてそれぞれ凝集反応が良好に行われていることがわかる。これは、混和槽５１，５２の上流側において２台のラインミキサー９，１０を接続管６５を介して接合しているため、これらラインミキサー９，１０および接続管６５において原水２と凝集剤１６とが十分に且つ均一に混合されているためであると考えられる。

また、条件（１）のときの採水（２）の残留アルミニウム量と条件（３）のときの採水（１）の残留アルミニウム量との差は４．１％である。この数値は以下のようにして算出される。
（０．０２５５－０．０２４５）×１００／０．０２４５＝４．１［％］
これによると、条件（３）のときの採水（１）の残留アルミニウム量は条件（１）のときの採水（２）の残留アルミニウム量とほとんど変わらないので、条件（３）の場合、２台の混和槽５１，５２を１台に減らしても、残留アルミニウム量を条件（１）とほぼ同等の値まで低下させることができる。

これにより、図１１，図１２に示すように、上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とを、接続管６５を介して所定の間隔をあけて接続することにより、原水２と凝集剤１６とが異種液体混合装置４において十分に且つ均一に攪拌混合されるため、１台の混和槽５１のみで十分に成長して粗大化した凝集フロックを得ることができ、混和槽の台数を減らすことができる。

上記第３の実施の形態では、図１１に示すように、接続管６５は直管部６６と接続フランジ６７，６８とを有しているが、直管部６６の代わりに曲管部を有していてもよい。例えば９０°に屈曲した曲管部を有する接続管６５を介して、上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とを接合することにより、上流側のラインミキサー９の向きと下流側のラインミキサー１０の向きとを直交させてもよい。

上記第１～第３の実施の形態では、上流側のラインミキサー９と下流側のラインミキサー１０とを同一形状にしているが、形状や大きさが異なっていてもよい。

（第４の実施の形態）
先述した第３の実施の形態では、図１１に示すように、直管部６６と接続フランジ６７，６８とを有する接続管６５を用いて、両ラインミキサー９，１０を接続しているが、以下に説明する第４の実施の形態では、図１７に示すように、接続管６５は、接続フランジ６７，６８を有さず、直管部６６のみを有している。

また、上流側のラインミキサー９は出口側のフランジ２３を有しておらず、下流側のラインミキサー１０は入口側のフランジ２２を有していない。

接続管６５の直管部６６は、上流側のラインミキサー９の第３直管部３４の出口側端部と下流側のラインミキサー１０の第１直管部３０の入口側端部とに一体的に設けられている。

これによると、上記第３の実施の形態と同様の作用および効果を得ることができる。

上記第３および第４の実施の形態ではそれぞれ、図１１，図１７に示すように、１本の接続管６５を介して、２台のラインミキサー９，１０を間隔をあけて直列に接続しているが、複数本の接続管６５を介して、３台以上のラインミキサーを間隔をあけて直列に接続してもよい。

上記各実施の形態では、図３，図１１，図１７に示すように、注入管３７を最上流側のラインミキサー９のみに接続し、凝集剤１６を最上流側のラインミキサー９のみに注入しているが、最上流側のラインミキサー９とこのラインミキサー９以外のラインミキサー１０とにそれぞれ注入管３７を接続して凝集剤１６を注入してもよい。

１ 水処理設備
２ 原水（第１液体）
４ 異種液体混合装置
５ 凝集混和装置
９，１０ ラインミキサー
１６ 凝集剤（第２液体）
２０ 流れ経路
３０ 第１直管部
３１ 縮径部
３２ 第２直管部
３３ 拡径部
３３ａ 拡径部の上流端部
３４ 第３直管部
３７ 注入管（注入経路）
３８ 注入口
５１，５２ 混和槽
６５ 接続管
Ａ 最上流端のラインミキサーの注入口から下流側のラインミキサーの拡径部の上流端部までの距離
Ｄ 第３直管部の内径
ｄ 第２直管部の内径
Ｄ´ 第１直管部の内径
Ｄａ 直管部の内径
Ｇ 所定箇所
Ｌ 軸方向
Ｒ 径方向

Claims (6)

1. 第１液体が流れる流れ経路中に第２液体を注入して混合する異種液体混合装置であって、
   複数のラインミキサーが直列に接続され、
   各ラインミキサーは、流れ経路の上流側から、第２直管部と、内径が下流側ほど拡大する拡径部と、第２直管部の内径よりも大きい内径の第３直管部とを順次有しており、
   第２液体を第１液体中に注入する注入経路の先端の注入口が少なくとも最上流端のラインミキサー内へ突入して開口し、
   注入口は、流れ経路の軸方向において第３直管部内に対応した位置で且つ流れ経路の径方向において第２直管部の内面と第３直管部の内面との中間近傍位置で、開口しており、
   第２直管部の内径をｄとし、第３直管部の内径をＤとし、流れ経路の径方向における注入口から第３直管部の内面までの寸法をＢとし、流れ経路の径方向における注入口から第２直管部の内面までの寸法をＣとすると、
   中間近傍位置とは、０．１×（Ｄ－ｄ）≦Ｂを満足し、且つ、０．１５×（Ｄ－ｄ）≦Ｃを満足する位置であることを特徴とする異種液体混合装置。
2. 第１液体が流れる流れ経路中に第２液体を注入して混合する異種液体混合装置であって、
   複数のラインミキサーが直列に接続され、
   各ラインミキサーは、流れ経路の上流側から、第２直管部と、内径が下流側ほど拡大する拡径部と、第２直管部の内径よりも大きい内径の第３直管部とを順次有しており、
   第２液体を第１液体中に注入する注入経路の先端の注入口が少なくとも最上流端のラインミキサー内へ突入して開口し、
   注入口は、流れ経路の軸方向において拡径部内に対応した位置で且つ流れ経路の径方向において第２直管部の内面と拡径部の内面の所定箇所との中間近傍位置で、開口しており、
   拡径部の内面の所定箇所とは注入口から流れ経路の径方向における外方へ面した箇所であり、
   第２直管部の内径をｄとし、第３直管部の内径をＤとし、流れ経路の径方向における注入口から拡径部の内面の所定箇所までの寸法をＢとし、流れ経路の径方向における注入口から第２直管部の内面までの寸法をＣとすると、
   中間近傍位置とは、０．１×（Ｄ－ｄ）≦Ｂを満足し、且つ、０．１５×（Ｄ－ｄ）≦Ｃを満足する位置であることを特徴とする異種液体混合装置。
3. 各ラインミキサーは、第２直管部の上流側に、第１直管部と、内径が下流側ほど縮小する縮径部とを順次有し、
   第１直管部の内径が第２直管部の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の異種液体混合装置。
4. 第１直管部と第３直管部とは同径であり、
   上流側のラインミキサーの第３直管部と下流側のラインミキサーの第１直管部とが同径の接続管を介して接続されていることを特徴とする請求項３に記載の異種液体混合装置。
5. 最上流端のラインミキサーの注入口から下流側のラインミキサーの拡径部の上流端部までの距離が１０００ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の異種液体混合装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の異種液体混合装置を備えた水処理設備であって、
   第２液体は液体の凝集剤であり、
   第１液体は凝集剤によって凝集される被凝集物を含む水であり、
   最下流端のラインミキサーの下流側に凝集混和装置が接続され、
   凝集混和装置は、下部の流入口と上部の流出口との間に上向流路が形成される少なくとも１台の混和槽を有していることを特徴とする水処理設備。

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