JP4656830B2

JP4656830B2 - 固液分離方法及び装置

Info

Publication number: JP4656830B2
Application number: JP2003364322A
Authority: JP
Inventors: 保藏酒井; 進石田
Original assignee: Maezawa Industries Inc
Current assignee: Maezawa Industries Inc
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP2005125248A

Description

本発明は、固液分離方法及び装置に関し、詳しくは、磁性粉と結合した被分離物質、例えば汚泥を磁性体（磁石）によって流体中から分離するための固液分離方法及び装置に関する。

下水や有機排水の処理法として、従来から活性汚泥法が広く行われている。この方法は、基本的に、下水等に含まれる有機物を曝気槽等の処理槽で活性汚泥により分解した後、最終沈殿池で活性汚泥を重力により沈降分離し、ここで分離した活性汚泥を処理槽に返送するという型式となっている。このような活性汚泥法において、近年は、処理水と活性汚泥とを分離する手段として、活性汚泥に磁性粉を添加することによって活性汚泥に着磁性を付与するとともに、この活性汚泥を永久磁石に磁着させて処理水から分離する磁気分離方法・装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、活性汚泥を分離する手段として、通水性ろ過体であるダイナミックろ過膜の表面に活性汚泥粒子からなるダイナミックろ過層を形成してろ過処理を行う方法・装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特公昭６３−５９７５９号公報特開２００１−８７６３５号公報

しかし、通常の磁気分離装置で十分な磁気分離を行うためには、強力な磁性体からなる磁石、例えば、超電導磁石や電磁石等の特殊な磁石を使用する必要があり、装置コストが必要以上に上昇するおそれがある。また、ダイナミックろ過の場合は、ダイナミックろ過膜を洗浄してから、その表面に十分なダイナミックろ過層が形成されるまでの間は、所定のろ過処理（固液分離処理）を行えないという問題があった。

そこで本発明は、磁気分離装置の長所とダイナミックろ過装置の長所とを活かしながら、安価に入手が可能な永久磁石を使用可能で、かつ、ろ過体の洗浄後も直ちに所定の固液分離処理を確実に行うことができる固液分離方法及び装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の固液分離方法は、密閉された容器の内部を通水性ろ過体で仕切って流入室と流出室とに区画した固液分離装置を用いて汚泥懸濁液を固液分離する方法において、前記通水性ろ過体の少なくとも一部に磁性体を用い、汚泥懸濁液中に磁性粉を添加して、該汚泥懸濁液中の汚泥に前記磁性粉を結合させて形成した磁性粉含有汚泥を含む汚泥懸濁液を流入管を介して前記流入室に流入して、前記汚泥懸濁液が前記通水性ろ過体を通る際に、該汚泥懸濁液中の前記磁性粉含有汚泥を、前記通水ろ過体の磁性体に吸着させて、前記通水性ろ過体にダイナミックろ過層を形成しながら、該ダイナミックろ過層にて前記汚泥懸濁液から磁性粉含有汚泥を分離するとともに、前記ダイナミックろ過層を通過した流出室の処理水を流出することを特徴としている。また、本発明の固液分離装置は、密閉された容器の内部を通水性ろ過体で仕切って流入室と流出室とに区画した固液分離装置において、汚泥懸濁液中に磁性粉を添加して、該汚泥懸濁液中の汚泥に前記磁性粉を結合させて形成した磁性粉含有汚泥を含む汚泥懸濁液を流入させる流入管を前記流入室に設け、前記通水性ろ過体を通過した処理水を流出させる流出管を前記流出室に設け、前記通水性ろ過体の少なくとも一部に磁性体を用い、前記汚泥懸濁液が前記通水性ろ過体を通る際に、該汚泥懸濁液中の前記磁性粉含有汚泥を、前記通水ろ過体の磁性体に吸着させて、前記通水性ろ過体にダイナミックろ過層を形成しながら、該ダイナミックろ過層にて前記汚泥懸濁液から磁性粉含有汚泥を分離することを特徴としている。また、前記流入室と流出室とを、水平方向に配置した前記通水性ろ過体と鉛直方向に配置した仕切板とによって区画したこと、あるいは、前記流入室と流出室とを鉛直方向に配置した仕切板によって区画するとともに、該仕切板の流入室側に、複数のろ過体モジュールを設け、該ろ過体モジュールは、前記通水性ろ過体を支持体の両面に設置し、該支持体の内部を前記仕切板を介して前記流出室のみに連通させたことを特徴とし、さらに、前記流入室に濃縮汚泥の抜取管を、前記流出室に加圧空気の導入管及び排気管を設けたことを特徴とし、さらにまた、前記少なくとも一部に磁性体を用いた通水性ろ過体に代えて、上下方向に配置したパイプ状の支持部材の外周に柔軟性を有するプラスチック磁石をスペーサーを介して渦巻き状に巻回した通水性ろ過体を前記容器の内部に設置し、該渦巻き状に巻回した通水性ろ過体の下部に前記流入室を、上部に前記流出室を区画したことを特徴とし、また、前記流入室と汚泥貯留槽との間で活性汚泥懸濁液を循環させるポンプを設けるとともに、前記流出室と処理水貯槽とを、前記ポンプとは別のポンプを介して接続したことを特徴としている。

本発明の固液分離方法及び装置によれば、通水性ろ過体に磁性体を用いたことにより、洗浄後のろ過体の表面に、磁性粉と結合した被分離物質が磁力で吸着されてダイナミックろ過層を短時間で形成するので、ろ過体洗浄直後から所定の固液分離処理を行うことができる。また、被分離物質が磁力でろ過体に捕捉されるため、通水性部分の間隔を広くしても、磁性粉と結合した被分離物質を磁力によって確実に捕捉でき、被分離物質が漏出することもない。さらに、通水性部分の間隔を広くすることにより、洗浄頻度を少なくできるとともに、洗浄操作も容易となる。

図１は本発明の固液分離装置の第１形態例を示す説明図である。この固液分離装置は、排水処理装置における生物反応槽の下流側の液面部分に設置して用いられ、生物反応槽内の活性汚泥懸濁液を固液分離して活性汚泥を分離した処理水を得るようにした例を示している。

本形態例に示す固液分離装置は、密閉された容器（ケーシング）１１の内部を、水平方向に配置したろ過体１２と鉛直方向に配置した仕切板１３とによって流入室１４と流出室１５とに区画し、流入室１４に活性汚泥懸濁液の流入管１６を設けるとともに、流出室１５に処理水の流出管１７、濃縮汚泥の抜取管１８、加圧空気の導入管１９及び排気管２０を設けたものである。

また、前記ろ過体１２は、仕切板１３の上下方向中間部に配置されており、ろ過体１２の上面に処理水を貯めておくことができるようにしている。さらに、流入管１６の流入部に、必要に応じてストレーナー２１を設けておくことにより、粗大な夾雑物が容器１１内に流入してろ過体１２を損傷したりするトラブルを回避することができる。また、容器１１の形状は任意であるが、圧力による変形等を考慮して耐圧容器形状とすることもできる。

前記ろ過体１２は、磁性体を含む板状体あるいは膜状体を所定間隔で積層あるいは渦巻き状に巻回し、隣接する板状体間あるいは膜状体間を通水部としたものや、円形、楕円形、長穴等の打抜孔あるいはスリット等を通水部として設けた板状体、適当な目開きを有する網状体等、様々な形状のものを使用可能である。このとき、ろ過体１２の全体を磁性体で形成することもできるが、例えば、通水性を有する適当な非磁性体からなる支持体によって磁性体からなる網状体を支持するようにしたり、通水部となる部分にのみ磁性体を用いたりすることも可能である。また、ろ過体１２の全体を一つの構造体として形成することもできるが、ろ過体１２を適当な大きさの磁性体モジュールに分割形成し、この磁性体モジュールをいくつか組み合わせて前記ろ過体１２を形成することもできる。

すなわち、ろ過体１２は、該ろ過体１２を構成する磁性体の磁極間に、磁性粉と結合した活性汚泥（磁性粉含有汚泥）を含む活性汚泥懸濁液が通過できる隙間あるいは通孔等の通水部を有する磁性体で形成され、磁性粉含有汚泥を磁性体の隙間あるいは通孔に磁力で吸着させ、この吸着した磁性粉含有汚泥、さらに、磁性体に吸着した磁性粉含有汚泥に堆積する磁性粉含有汚泥やその他の固形分によってダイナミックろ過層を形成することができれば、任意の構造、形状を採用することが可能である。

前記磁性体としては、超電導磁石や電磁石等の特殊な磁石を採用することもできるが、磁性粉含有汚泥の分離を実質的にダイナミックろ過層で行うため、磁力のみによって磁性粉含有汚泥の全てを懸濁液から分離するものではないため、一般的で、安価に入手が可能な永久磁石、例えばフェライト磁石を用いることができる。なお、電磁石、超電導磁石等と強磁性マトリックスとの組み合わせを用いた場合には、逆洗時に励磁力をゼロにすることができるので、逆洗効果を上げることができる。

この固液分離装置で活性汚泥を分離するためには、あらかじめ活性汚泥に磁性粉を結合させて磁性粉含有汚泥の状態にしておく必要がある。使用する磁性粉には、適当なものを選定できるが、１０μｍ以上の大きさの磁性粉は活性汚泥に対して重すぎるため、重力によって活性汚泥から分離してしまうことが多いので、これよりも小さなものが好ましく、通常は０．０５〜２μｍの範囲のものが最適である。超微粒子状の磁性粉を使用することも可能であるが、磁性粉のコストが上昇するので好ましくない。

また、磁性粉の保磁力は、０〜２００Ｏｅが適当であり、保磁力が大き過ぎる磁性粉は、自身の磁力によって凝集し、活性汚泥から分離して沈降してしまう欠点がある。さらに、長期の使用を考慮すると、常温の水中で溶解したり、変質したりすることがほとんどない酸化物系の磁性粉を使用することが好ましく、特に、コスト等を考慮すると、粒径が０．１〜１．０μｍ、例えば０．４μｍ程度の四三酸化鉄粉が最適である。

磁性粉の濃度（添加量）は、低すぎると活性汚泥を分離するために超電導磁石のような強力な磁石（磁性体）が必要となり、逆に濃度が高すぎると磁性粉のコストが上昇することになるので、活性汚泥のＭＬＶＳＳが１に対して０．０１から１０の濃度範囲になるようにすることが好ましく、通常は、活性汚泥のＭＬＶＳＳと同程度の濃度となるように設定すればよい。

このような磁性粉は、生物反応槽や循環系統等の適当な位置で活性汚泥懸濁液中に投入されると、直ちに活性汚泥に吸着保持された状態となり、磁性体に引き寄せられる磁性粉含有活性汚泥となる。この磁性粉含有活性汚泥は、一般の排水処理装置では、そのほとんどあるいは全量が返送汚泥と共に循環するので、活性汚泥懸濁液への磁性粉の添加混合は、通常は、固液分離を開始する前に１回だけ行えばよいが、水処理施設の状況に応じて適宜追加することもできる。また、磁性粉を添加する際には、系内を循環する活性汚泥の全体に満遍なく磁性粉が吸着するように、活性汚泥を循環させながら適当な量の磁性粉を適当な間隔で添加することが好ましい。

この固液分離装置は、各管に設けられているバルブ１６Ｖ，１７Ｖ，１８Ｖ，１９Ｖ，２０Ｖを所定の順序で開閉することにより、固液分離処理（ろ過処理）と洗浄処理とを交互に繰り返し行えるようにしている。すなわち、流入管１６のバルブ１６Ｖ、流出管１７のバルブ１７Ｖ及び排気管２０のバルブ２０Ｖを開き、抜取管１８のバルブ１８Ｖ及び導入管１９のバルブ１９Ｖを閉じた状態とすることにより、容器１１の内外の水位差によって容器１１外の活性汚泥懸濁液が容器内に流入してろ過処理を行うことができ、ろ過体１２を通過した処理水は、仕切板１３の上端をオーバーフローして流出管１７から生物反応槽の外部に流出する。

また、これとは逆に、バルブ１６Ｖ，１７Ｖ，２０Ｖを閉じ、バルブ１８Ｖ，１９Ｖを開くとともに、導入管１９から加圧空気を導入することにより、ろ過体１２の上方に貯留されている処理水を加圧空気の圧力でろ過体１２を通して下方に流すことができ、これによってろ過体１２の表面に堆積したダイナミックろ過層を洗い流してろ過体１２を洗浄することができ、洗浄排水（濃縮汚泥）は、抜取管１８に抜き取られた後、通常は生物反応槽の上流側に返送される。

この洗浄操作は、タイマーによって予め設定した時間間隔で行ったり、生物反応槽の水位の上昇を検知して行ったり、この固液分離装置から流出する処理水の濁度を検出して行ったりすることができる。このようにして定期的にろ過体１２の洗浄操作を行うことにより、安定した状態で効率よく固液分離を継続することができる。また、より確実な洗浄操作を行うため、空洗等の補助手段を併用することもできる。

そして、洗浄操作後にろ過処理を開始するときには、バルブ１６Ｖ，１７Ｖ，２０Ｖを開き、バルブ１８Ｖ，１９Ｖを閉じることにより、排気管２０から容器１１内の加圧空気が排出されるとともに、容器１１内に活性汚泥懸濁液が流入してろ過体１２の通水部を通って上昇するが、このとき、活性汚泥懸濁液中の磁性粉含有汚泥は、ろ過体１２を構成する磁性体に引き寄せられてろ過体１２の表面に吸着するので、処理水中に汚泥が漏れ出ることはほとんどない。しかも、磁力によって磁性粉含有汚泥を強制的にろ過体１２の表面に堆積させることにより、ろ過体１２の表面にダイナミックろ過層を短時間で形成することができるので、所定の固液分離性能を短時間で発揮することができる。

また、物理的に汚泥をトラップしてダイナミックろ過層を形成する場合は、洗浄後の処理水中への汚泥の漏出を考慮すると、ろ過体１２の通水部をそれほど大きくすることはできなかったが、このようにして磁力で汚泥をトラップしてダイナミックろ過層を形成することにより、通水部の大きさを０．０５〜数ｍｍにまで広げることが可能となり、磁性体の磁力が強ければ数ｃｍとすることも可能である。さらに、ろ過処理をダイナミックろ過層によって行うので、従来の磁気分離装置に比べて、より高効率での固液分離が可能となり、磁性粉と結合しない懸濁成分の分離も行うことができる。さらに、基本的には、一般のダイナミックろ過と同じ手法であるため、従来からダイナミックろ過で行われている各種操作、例えば水酸化ジルコニウムを添加しての酵素やＲＮＡの分離を適用することができ、加えて、磁性体である酸化鉄によって溶解リンの除去も可能である。

図２及び図３は、本発明の固液分離装置の第２形態例を示すもので、図２は断面平面図、図３は断面正面図である。この固液分離装置は、容器内に複数のろ過体を設置して大容量の処理に対応できるようにした例を示している。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した固液分離装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例に示す固液分離装置は、容器１１内を流入側と流出側とに仕切る仕切板３１に、複数のろ過体モジュール３２を設けている。このろ過体モジュール３２は、前述のように形成したろ過体１２を支持体３３の両面に設置し、支持体３３の内部を仕切板３１を介して流出室１５のみに連通させている。また、流入室１４内には、活性汚泥懸濁液の流れを均一化するための整流板３４を設けている。

したがって、流入室１４に流入した活性汚泥懸濁液は、支持体３３両面のろ過体１２を通過して支持体３３内から流出室１５に流出する。そして、ろ過体１２を通過する際に、活性汚泥懸濁液中の磁性粉含有汚泥が前述のようにしてろ過体１２のダイナミックろ過層で分離される。この固液分離装置においても、容器１１に接続した各管のバルブを開閉することにより、前記同様にろ過処理と洗浄操作とを交互に繰り返して行うことができる。

図４及び図５は、本発明の固液分離装置の第３形態例を示すもので、図４は系統図、図５はろ過体の平面図である。この固液分離装置は、円筒形容器４１の内部に、パイプ状の支持部材４２の外周に柔軟性を有するプラスチック磁石４３をスペーサー４４を介して渦巻き状に巻回したろ過体４５を設置し、該円筒形容器４１の底部に活性汚泥懸濁液をポンプ４６によって汚泥貯留槽４７との間で循環させる循環流入管４８及び循環流出管４９を設けるとともに、円筒形容器４１の上部にポンプ５０を備えた処理水流出管５１を設けて処理水貯槽５２に接続したものである。

循環流入管４８及び循環流出管４９によって円筒形容器４１の下部と汚泥貯留槽４７とを循環する活性汚泥懸濁液は、その一部が処理水流出管５１のポンプ５０により吸引されてろ過体４５を上方に通過し、該ろ過体４５で磁性粉含有汚泥が分離される。汚泥分離後の処理水は、処理水流出管５１から処理水貯槽５２に送られる。

この固液分離装置は、スペーサー４４の大きさ（太さ）やプラスチック磁石４３の磁力を調節することによって磁性粉含有汚泥の分離性能を調整することができるので、実装置に適用する前の実験装置として最適である。

図４及び図５に示す構造の固液分離装置を作成した。プラスチック磁石には、幅３ｃｍ、厚さ２ｍｍ、両面多極着磁、直磁ピッチ５ｍｍのものを用いた。このプラスチック磁石を、外径１８ｍｍの支持部材（アクリル管）の外周に、１．５ｍｍのスペーサーを介して直径が５ｃｍになるまで巻き付け、内径５ｃｍのアクリル管からなる円筒形容器内に挿入した。ろ過体としての有効面積（磁石とギャップ（隙間）部分を含む）は、約１８ｃｍ^２である。

また、原料汚泥には、下水処理場で採取した活性汚泥をポリペプトン、グルコースを主成分とした合成下水で馴養したものを用いた。この汚泥に、磁性粉として、市販の四三酸化鉄をＭＬＶＳＳと同濃度になるように加え、濃縮して、ＭＬＶＳＳ約５０００ｍｇ／Ｌ、磁性粉濃度約約５０００ｍｇ／Ｌの活性汚泥懸濁液を調製し、これを分離実験に使用した。

その結果、積算流量２００ｍＬまでは、汚泥の漏れはほとんど認められず、略１００％の固液分離を達成することができた。また、透過圧力も、水頭として、最初の１００ｍＬろ過時点で０．７ｃｍ、２００ｍＬろ過時点で２．４ｃｍ、５００ｍＬろ過以降は５〜６ｃｍで略一定となった。さらに、通過液側からろ過体に水を流すことにより、余分な汚泥を洗い流すことができた。

本発明の固液分離装置は、各種排水処理（生物処理）における汚泥の分離をはじめとして、水酸化鉄や水酸化アルミニウムの分離、上水汚泥の分離、メタン発酵槽の汚泥の分離等、被処理流体中の被分離物質が磁性粉と結合可能な状態のものであれば、各種用途に適用可能である。

本発明の固液分離装置の第１形態例を示す説明図である。本発明の固液分離装置の第２形態例を示す断面平面図である。同じく断面正面図である。本発明の固液分離装置の第３形態例を示す系統図である。同じくろ過体の平面図である。

符号の説明

１１…容器（ケーシング）、１２…ろ過体、１３…仕切板、１４…流入室、１５…流出室、１６…流入管、１７…流出管、１８…抜取管、１９…導入管、２０…排気管、２１…ストレーナー、３１…仕切板、３２…ろ過体モジュール、３３…支持体、３４…整流板、４１…円筒形容器、４２…支持部材、４３…プラスチック磁石、４４…スペーサー、４５…ろ過体、４６…ポンプ、４７…汚泥貯留槽、４８…循環流入管、４９…循環流出管、５０…ポンプ、５１…処理水流出管、５２…処理水貯槽

Claims

密閉された容器の内部を通水性ろ過体で仕切って流入室と流出室とに区画した固液分離装置を用いて汚泥懸濁液を固液分離する方法において、前記通水性ろ過体の少なくとも一部に磁性体を用い、汚泥懸濁液中に磁性粉を添加して、該汚泥懸濁液中の汚泥に前記磁性粉を結合させて形成した磁性粉含有汚泥を含む汚泥懸濁液を流入管を介して前記流入室に流入して、前記汚泥懸濁液が前記通水性ろ過体を通る際に、該汚泥懸濁液中の前記磁性粉含有汚泥を、前記通水ろ過体の磁性体に吸着させて、前記通水性ろ過体にダイナミックろ過層を形成しながら、該ダイナミックろ過層にて前記汚泥懸濁液から磁性粉含有汚泥を分離するとともに、前記ダイナミックろ過層を通過した流出室の処理水を流出することを特徴とする汚泥懸濁液の固液分離方法。
密閉された容器の内部を通水性ろ過体で仕切って流入室と流出室とに区画した固液分離装置において、汚泥懸濁液中に磁性粉を添加して、該汚泥懸濁液中の汚泥に前記磁性粉を結合させて形成した磁性粉含有汚泥を含む汚泥懸濁液を流入させる流入管を前記流入室に設け、前記通水性ろ過体を通過した処理水を流出させる流出管を前記流出室に設け、前記通水性ろ過体の少なくとも一部に磁性体を用い、前記汚泥懸濁液が前記通水性ろ過体を通る際に、該汚泥懸濁液中の前記磁性粉含有汚泥を、前記通水ろ過体の磁性体に吸着させて、前記通水性ろ過体にダイナミックろ過層を形成しながら、該ダイナミックろ過層にて前記汚泥懸濁液から磁性粉含有汚泥を分離することを特徴とする固液分離装置。
前記流入室と流出室とを、水平方向に配置した前記通水性ろ過体と鉛直方向に配置した仕切板とによって区画したことを特徴とする請求項２記載の固液分離装置。
前記流入室と流出室とを鉛直方向に配置した仕切板によって区画するとともに、該仕切板の流入室側に、複数のろ過体モジュールを設け、該ろ過体モジュールは、前記通水性ろ過体を支持体の両面に設置し、該支持体の内部を前記仕切板を介して前記流出室のみに連通させたことを特徴とする請求項２記載の固液分離装置。
前記少なくとも一部に磁性体を用いた通水性ろ過体に代えて、上下方向に配置したパイプ状の支持部材の外周に柔軟性を有するプラスチック磁石をスペーサーを介して渦巻き状に巻回した通水性ろ過体を前記容器の内部に設置し、該渦巻き状に巻回した通水性ろ過体の下部に前記流入室を、上部に前記流出室を区画したことを特徴とする請求項２記載の固液分離装置。
前記流入室に濃縮汚泥の抜取管を、前記流出室に加圧空気の導入管及び排気管を設けたことを特徴とする請求項３又は４記載の固液分離装置。
前記流入室と汚泥貯留槽との間で活性汚泥懸濁液を循環させるポンプを設けるとともに、前記流出室と処理水貯槽とを、前記ポンプとは別のポンプを介して接続したことを特徴とする請求項５記載の固液分離装置。