JPH10118531A - 底質分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多数のサイクロンを用いることなく、しかも
動力も少ない状態で、完璧な土砂の分離に近づけるよう
にした底質分離装置の提供を目的とする。 【解決手段】 タワーＩの円筒状容器接線方向から飽和
空気量を含む加圧水８、９と土砂を含む水６とを流入さ
せて旋回流を作り、遠心分離と浮上分離の効果、更には
微細気泡の付着又はキャビテーションによる洗浄にて大
粒径粒子や中小粒径粒子と微細粒子、有機分との分離を
効果的に行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上水道の原水に含
まれる浮遊粒子除去の前処理装置、または海域の魚養殖
場の下部底泥の清掃装置や底質改良装置など、水底の土
壌改質等に係る底質分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、川や海などの水底の土壌改質は行
なわれていないのが現状であり、必要に応じて水底土壌
を浚渫して除去する、埋立などのように水中コンクリー
トで局所的に固める、サンドドレーンにて土中の水を抜
いて締め固める、等の方法が採られていた。土砂からの
微小粒径粒子や有機分を含む粒子の除去に限れば、フィ
ルタを使う方法やサイクロンを多段化したものが存在す
るが、フィルタの場合には目詰まり、摩耗等の問題が無
視できず実用性が低い。

【０００３】このため、サイクロンを多段に配置した構
造が着目される。図１０はサイクロンの原理とその形状
を例示したものであるが、サイクロンは図１０（ａ）に
示すように内部流動状況としては、原液を円筒部の接線
方向から流入してうずを生じ、下降旋回流が生じて円錐
部下端出口から粗粒及び液体が排出されると共に中心部
の上昇旋回流により上端出口から微粒及び液体が排出さ
れるものであり、標準サイクロンについてはサイクロン
胴体の径Ｄ_C を基にした寸法基準があり分離性能圧力損
失も定式化されている。

【０００４】一般的に液体サイクロンへの液流入速度
は、圧力損失が流量の２乗に比例し液体ではキャビテー
ションが発生しないという条件下のため、ガス体のよう
に高速にはできないが、この液流入速度を一定とした場
合、粒体分離性能として５０％分離粒径Ｄ₅₀（サイクロ
ンに入る粒子群を粒径別に分けた時、その５０％がサイ
クロン分離される粒子径のこと）は、サイクロン円筒径
Ｄ_c の１／２乗に比例し、圧力損失ΔＨはサイクロン円
筒径Ｄ_c の４乗に反比例することが知られる。したがっ
て、５０％分離粒径を１桁小さくしようとするつまり５
０％分離できる粒子径を１／10まで小さくしようとする
と、サイクロン円筒径は１／100 となりかつ圧力損失は
１０⁴ 倍となり、実用にならない。

【０００５】このため、図１１に示すようにサイクロン
を多段に構成し、サイクロンにて粒子を分離していくに
際し、第１段サイクロンＦにて粗大粒子を分離した後、
圧力損失を小さくするため液流量を分流し、分流した各
々に中粒子径粒子を分離する第２段サイクロンＳを設
け、更に細粒子径粒子を分離する第３段サイクロンＴを
分流して設けるというサイクロンシステムを用いてい
る。また、この多段のサイクロンシステムにあっても、
圧力損失は、各段毎のサイクロンの圧力損失の総合計と
なるので、全体として大きなものとなり、液を流入させ
るポンプのヘッドを大きくとる必要が生じ、このポンプ
を駆動する動力費は無視できない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の多段のサイクロ
ンシステムにより、大粒径粒子を除去することは容易で
あるが、粘土質のような微小粒子径土砂や有機分を含む
微小粒子の分離は、微小粒子用の小型サイクロンに順次
落して処理していくことになり、短時間で所望の流量を
流そうとすると数多くのサイクロンが必要になり設備、
費用、処理効率等の問題が生じ、また前述の如く大きな
圧力損失のため多大な動力を要する。更には、大粒径粒
子に付着した微粒径土砂や有機分の分離はできにくいと
いう問題もある。

【０００７】本発明は、上述の問題に鑑み、数多くのサ
イクロンを必要とせず、動力も小なくし完璧な分離に近
づけるようにした底質分離装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め本発明は、次の発明特定事項を有する。 （１）下部円錐状を有する円筒状容器を備え、この円筒
状容器の接線方向にポンプからの土砂を含む水の流入口
を備え、上記円筒状容器の接線方向に飽和空気量を含む
加圧水の流入口を備え、上記円筒状容器上端に流出口を
備えると共に下部円錐状下端に粒子の排出口を備え、た
ことを特徴とする。 （２）上記（１）において、上記加圧水の流入口は円筒
状容器の上部と下部とに別々に備えたことを特徴とす
る。 （３）上記（１）又は（２）において、上記加圧水の流
入口は円筒状容器の中空軸方向に対して所望角度に可動
できるようにしたことを特徴とする。 （４）上記（１）において、上記円筒状容器の上部にこ
の円筒状容器より径の大きな円筒状容器を備え、この径
の大きな円筒状容器の周囲下部に排出口を備えたことを
特徴とする。 （５）上記（１）において、上記下部円錐状を有する円
筒状容器からなるタワーＩに対して、その後段にタワー
Ｉの流出口からの水が流入する流入口を接線方向に設け
た円筒状容器と下部円錐状とを有するタワーIIを備え、
このタワーIIには下部円錐状下端には排出口を備え上端
には流出口を備えたことを特徴とする。 （６）上記（５）において、上記タワーIIには円筒状容
器上部側壁にバイパス出口を備えたことを特徴とする。 （７）上記（５）において、上記タワーIIは傾斜させて
配置したことを特徴とする。 （８）上記（１）において、円筒状容器の土砂を含む水
の流入口とポンプとの間にエジェクタを備えたことを特
徴とする。 （９）上記（１）において、ポンプによる浚渫土砂上に
拡散防止膜をかぶせたことを特徴とする。 （１０）上記（５）において、タワーIIの後段には沈澱
ろ過槽を備えたことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】ここで、図１〜図９を参照して本
発明の実施の形態の一例を説明する。図１は全体の構成
を示しており、タワーＩは、固体、気体、液体の３相を
扱い、従来のサイクロンとは異なる一種の遠心分離器で
あり、このタワーＩの後段に備えたタワーIIも同様の遠
心分離器である。タワーＩへ流入される掘削された土砂
６は、ポンプ３を介して流入口７へ流れ込み、他方、空
気、酸素、又は酸素リッチの空気を過飽和に溶解した加
圧水４，５がそれぞれの流入口８，９へ流入される。こ
の場合、加圧水４，５もポンプ（図示省略）により流入
されるものである。また、タワーＩより排出される水
は、下端の排出口１２より大粒径土砂と共に排出される
と共に、上端の流出口１０からミクロ気泡と微粒径土砂
や有機分との混合物が流出される。

【００１０】図２にてタワーＩの内部流動状況を示す。
図２の如く、タワーＩの上部では円筒形接線方向に加圧
水４の流入口８が連通され、タワーＩの中部では円筒形
接線方向に土砂・水６の流入口７が連通され、そして、
タワーＩの下部にて円筒形接線方向に加圧水５の流入口
９が連通されている。

【００１１】タワーＩへ流入する土砂・水６は、円筒形
のタワーＩの接線方向に流入して旋回流を生じる。同様
に加圧水４，５についてもタワーＩの接線方向に流入し
て旋回流を生ずる。この場合、加圧水４はタワーＩの中
空軸中心付近の低圧部にて多数のミクロ気泡を放出し、
このミクロ気泡は上昇旋回流の遠心力の働きが小さくて
中央部に集まりやすい微粒径土砂や有機分と混合し、界
面張力により気泡に付着し、この付着により比重低下し
てタワーＩ内の旋回流中心部に更に集まり、この結果遠
心力によりタワーＩの側壁に付着する大粒径粒子から容
易に分離できることとなる。この場合、加圧水４による
ミクロ気泡は、小さい粒子を付着させるためには小さい
程良好であるため、飽和加圧水４により２０〜３０μｍ
径の微細気泡を多く発生させることが好ましい。更に、
加圧水４はミクロ気泡の発生と共にタワーＩ内の旋回流
の強さを調整する機能も有するため流入口８を水平方向
のみならず、図１にφにて示すように水平方向に対して
上下方向に角度をもたせて流入口８より上方の旋回力を
緩和させる必要もある。このことは旋回流が強過ぎる場
合には排出すべき大粒径土砂も上部より流出する事態も
考えられることから旋回を弱めるために必要であり、場
合によってはタワーＩの接線方向平面内にて流入口８の
向きを旋回流とは全く逆方向として加圧水４を流入され
る可能性もある。

【００１２】流入口９は円筒形のタワーＩの下部に接線
方向に連通され、加圧水５が旋回流を生じるように流入
する。この流入口９への加圧水５は、前述した加圧水４
よりも少し高圧にして流入させ、タワーＩ流入直後の壁
面付近にて多数のミクロ気泡を放出させ、遠心分離され
た壁面の大粒径土砂と激しい混合を行なわせ、タワーＩ
の中心部に混合した気泡と微粒径土砂や有機分とが集ま
る。この場合、加圧水５の気泡と土砂中の微粒径粒子や
有機分とを旋回流乱流により強力に混合、付着させると
共に、側壁を重力落下する大粒径粒子の中で加圧水５に
よりキャビテーションを生ぜしめることにより大粒径粒
子の周りに付着する微粒径粒子をはがしキャビテーショ
ンによる微細気泡に付着させるいわゆる洗浄作用も生じ
ている。

【００１３】また、タワーＩ内での大粒径粒子は、強い
乱れの中にて水、気泡が交互に激しく衝突するため、大
粒径粒子表面の微小径粒子がはじき飛ばされるという効
果もある。タワーＩの上端部分にはじゃま板１１が配置
され、タワーＩ内中心部に集まった気泡群が流出口１０
へストレートに通り抜けるのを防止するために設置して
いる。このじゃま板１１は上昇する気泡群を側壁方向へ
押しやることにより、混合気泡と付着効果とを一段と高
めることができる。ここで、流出口１０の位置を図１Ａ
−Ａ矢視の如くタワーＩの中央上部に置くとタワーＩの
旋回流のエネルギは全てタワーＩ内にて散逸する。流出
口１０をタワーＩの周りの接線方向とするとき、旋回流
のエネルギの一部が回収されてタワーIIへの連結管内に
入り全体の圧力損失が減少する効果もあるが、壁面の中
粒径粒子の存在によりこの粒子をもタワーIIへ送り出す
可能性も生じる。したがって、状況に応じて流出口１０
をタワーＩ上端中央に設けたり接線方向に設けることに
なる。

【００１４】以上タワーＩでの大粒径粒子の分離と内部
流動状態をまとめると、次のようになる。タワーＩに流
入口７より流入する有機分を含む土砂と水の混合水６は
接線方向より流入する為、タワーＩ内で強い旋回流を生
じ、遠心分離によって大きい粒径の粒子は側壁にとばさ
れて分離される。他方、タワーＩの中心部付近には遠心
分離機能で分離しきれない小さな粒径の粒子が多数浮遊
している。ここへ加圧水４が導入されると中心部付近は
周辺部より圧力が低い為、２０〜３０μｍ径の多くのミ
クロ気泡が発生し、浮遊している微粒径粒子や有機分な
どに付着する。タワーＩの更に下方にて、加圧水５は加
圧水４より少し高圧にし、流入直後の壁面で気泡を発生
する。この気泡はキャビテーションにより発生するが、
サイクロン等の旋回流の場では壁面が最も圧力が高い
為、この発生した気泡が高圧でつぶれて壁面エロージョ
ンを生じることはない。加圧水５の流入口９は土砂６と
水の流入口７より下部にある為、加圧水５の流入する壁
面には遠心分離された粒径の大きい粒子が壁面をつたっ
て重力落下中である。この中へ加圧水５が流入し、キャ
ビテーション気泡（２０〜３０μｍ径）を発生する為、
大粒径粒子の周囲に付着した微粒径粒子や有機分を大粒
径粒子からはじきとばすと共に、気泡そのものが分離さ
れた微粒径粒子や有機分に付着し、遠心分離効果により
中心部へ分離搬送する効果をもつ。微粒径粒子、有機分
に付着したものを含め、加圧水４，５より発生したミク
ロ気泡はタワーＩの中心部を通って上部へ上り、流出口
１０よりタワーIIへ流出する。同時に、タワーＩの下端
排出口１２から分離された大粒径土砂が排出される。

【００１５】タワーＩの上端流出口１０から流出した気
泡、微粒径土砂、有機分、水並びに中小粒径土砂は、タ
ワーIIへ送られタワーIIにて拡巾流入口１３を介して流
入する。タワーIIでは拡巾流入口１３は接線方向に取付
けられ、流量が低下してゆっくりした旋回流を発生させ
る。ここではタワーＩにて分離しきれなかった小粒径粒
子を分離する。すなわち、タワーIIへ接線方向から混合
物を導入すると弱い旋回流を生じ、比重差で粒子を分離
する浮上分離効果により、更には遠心力による分離効果
により小粒径粒子を下部排出口１４から排出できる。ま
た、微粒径土砂、有機分、ミクロ気泡を含んだ水は上部
流出口１５から流出して分離される。更に、流出口１５
から流出する水量を減らすためタワーIIの上部にバイパ
ス出口１６を接線方向に備えて水を抜出し、流量調整弁
１７を介してポンプ３の吸込側に戻している。このタワ
ーIIの内部流動状況を図３に示している。また、図４
は、タワーIIを傾斜させて設置した構成を示しており、
重力落下による小粒径粒子が容器下端に到達するより早
くタワーIIの壁面に到達しかつ遠心力にて壁面に付くこ
とによって分離効率が良くなり、バイパス出口１６から
固体粒子が出にくくなる。

【００１６】以上のタワーIIでの働きは次のようにな
る。流入口１３よりタワーIIに流入するのは、水、気
泡、微粒径土砂、有機分、及びタワーＩで分離しきれな
かった小粒径土砂粒子である。タワーIIへの流入水は接
線方向に小さい速度（１m/s 以下）で入り、タワー内に
ゆっくりした旋回流を生じる。この旋回流により流入し
た小粒径粒子の大半が遠心分離される。また、気泡を含
んだ水は中心部に集まり上昇していく。この過程で重力
の効果により中に含まれた小粒径粒子が気泡を含む水よ
り沈降、分離するいわゆる浮上分離が行なわれる。旋回
がかかっている為に気泡に付着した微粒径粒子、有機分
は他の多くの気泡と共に中心部に集まり流出口１５より
流出する。この為、タワーII内の上方の側壁周辺にはき
れいな水が分離されて生じることになり、本例ではこれ
をポンプ３の吸込側へバイパスし再利用している。これ
は流出口より流出する水の中の微粒径粒子や有機分を処
理する為には搬送水量が少ない程、望ましいからであ
る。タワーIIを傾斜させた場合の内部流動現象はタワー
IIが直立している時と殆ど同じであるが、重力沈降する
小粒径粒子がタワーIIの下方の側壁に到達する距離が短
い分だけ、浮上分離の効率が上昇すると共に、粒子群が
片側の側壁に集まる為、バイパス出口１６からの流出水
に固体粒子が入りにくくなるメリットがある。流出口１
５から流出する流体には水、気泡、微粒径土砂、有機分
が含まれるが、水をバイパスすることもあり、気泡によ
るエアリフトの効果が期待できる。本例では水中、陸上
いずれにても作動するが、水中に設置する場合、このエ
アリフトの効果はポンプ動力を低減できる。

【００１７】図５はタワーＩの変形例であり、図１，図
２に示すタワーＩの上部にタワーＩより径の大きな円筒
容器１８及び土砂流出口１９を備えている。この径の大
きな円筒容器１８（トップハットディスクと称する）の
上部板２０は傘状に形成され、水中の空気泡が効率良く
流出口１０へ出るように周辺より中心を高くしてある。
このトップハットディスクの目的は中粒径粒子の回収に
ある。タワーＩの下部で旋回流の遠心力で大きな粒径の
粒子は殆どが回収されるが、旋回流が強くて上部まで持
出されるものも存在する。この上部まで持出された中粒
径粒子を回収する為、タワーＩの上部にトップハットデ
ィスク１８を設けるとタワーＩから出た旋回流がトップ
ハットディスク１８中で拡がり、その周囲では旋回流の
流速が大きく低下し、遠心力で側壁にはりついた中粒径
粒子が周辺下部へ落下し、土砂排出口１９にて回収され
る。尚、トップハットディスク１８の中へタワーＩが突
出した形となっており、この突出した高さの範囲で土砂
を回収し、土砂排出口１９より外部へ抽出することがで
きる。勿論、この土砂排出口１９よりの排出土砂は、タ
ワーＩの下部排出口１２からの土砂と同じく気泡と水で
洗われ、濁りの原因となる微粒径粒子を殆ど含まないも
のとなる。図１，図２に示すタワーＩでは旋回流が強い
傾向にあり、このため中粒径粒子の回収が低くなること
も考えられる。したがって、中粒径粒子の回収率向上の
ため、トップハットディスク１８にて中粒径粒子を壁面
に集めて回収することができる。この場合、トップハッ
トディスク１８の形状によりタワーIIの代りに小粒径粒
子の回収も可能であるが、小粒径、中粒径、大粒径と確
実に分離したいときにはタワーIIが必要になる。

【００１８】図６は、図１と異なる土砂取り込み方を示
しており、ポンプ３により土砂を取りこむ部分に関し、
図１に示す様に水と土砂の混合物として直接とり込むの
でなく、ポンプの吐出口をエジェクタ２１に通し、これ
により浚渫土砂６を吸引する。この方法によればポンプ
の回転羽根を土砂による摩耗等により損傷することがな
い。また、エジェクタ２１の吸込ラインをフレキシブル
チューブにすることにより広範囲の土砂等を吸引するこ
とができる。

【００１９】図７は水底の土砂を掘削、浚渫する時に、
濁水が周囲に拡散しない様に、拡散防止膜２２を図示し
ない掘削装置の上にかぶせると共に、タワーIIからの戻
り水（バイパス水）を拡散防止膜２２の上に設置された
リングヘダー２３に入れ、拡散防止膜２２の周りにウォ
ーターカーテンを発生せしめ、工事により濁水の拡散を
完全に防止する。

【００２０】図８は、タワーIIよりの流出する水、気
泡、微粒径土砂、有機分の混合物から微粒径土砂、有機
分を分離する構成の一例であり、２４は沈澱ろ過槽で、
詳細を図９に示す。ろ過槽２４は通常２基設置し、交互
に使用し、使用しない時はろ過材の再生を行なう。図９
にてタワーIIより流出した水、気泡、微粒径土砂、有機
分の混合物はまず、上流槽２５に入り、ここで流速を低
下させた後、傾斜したろ過材設置槽２６に流入し、上部
より下部へろ過し、微粒径土砂、有機分はろ過材２７の
表面付近に残り、水は下部水路２８より下流側へ流出す
る。この水は清澄な水であり、任意の水域へ放流可能で
ある。なお、タワーIIより流出する水の中の微粒径土
砂、有機分の処理については、電気的に粒子を回収し、
バイオ技術により有機分処理を行なう方法も考えられ
る。

【００２１】以上の説明ではタワーＩにて加圧水４，５
を別々の流入口８，９から入れた例を示しているが、加
圧水４，５を分けることなく、流入口８から加圧水４を
入れるだけでも分離機能が発揮される。このため、流入
口９を除いた構造としてタワーＩを得ても良い。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、大
粒径粒子、及び中・小粒径粒子を土砂から効率良く分離
させるに当り、従来のようにサイクロンを多数多段にす
る必要がなく保守も簡単となりまた吸い込みポンプ動力
も従来程必要なく小型で済む。更には、旋回流による遠
心分離効果、加圧飽和水によるキャビテーション洗浄効
果、ミクロ気泡と微粒径粒子、有機分の付着を利用した
浮上分離効果を組合せることにより、掘削した土砂と水
の混合物から土砂中の微粒径粒子と有機分のみを水中に
分離することができ、排出される大きい粒子は水中で攪
拌しても微粒径粒子、有機分を含まない為、全く濁りが
なく、この点従来サイクロンにより分離した粒子のよう
に濁らず、分離性能が格段に向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の全体構成及び各部
矢視図。

【図２】図１のタワーＩの内部流動模式図。

【図３】図１のタワーIIの内部流動模式図。

【図４】タワーIIを傾斜させた場合の内部流動模式図。

【図５】タワーＩの他の例を示す構成図。

【図６】エジェクタを加えた全体構成図。

【図７】拡散防止膜を加えた全体構成図。

【図８】沈澱ろ過槽を加えた全体構成図。

【図９】図８の沈澱ろ過槽の機構図。

【図１０】従来のサイクロンの形状と流動を示す図。

【図１１】従来のサイクロンシステムの概念図。

【符号の説明】

Ｉ，II タワー ３ ポンプ ４，５ 加圧水 ７，８，９ 流入口 １０，１５ 流出口 １１ じゃま板 １２，１４ 排出口 １３ 拡巾流入口 １６ バイパス出口 １８ 円筒容器（トップハットディスク） １９ 土砂流出口 ２０ 上部板 ２１ エジェクタ ２２ 拡散防止膜 ２３ リングヘダー ２４ 沈澱ろ過槽

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部円錐状を有する円筒状容器を備え、 この円筒状容器の接線方向にポンプからの土砂を含む水
   の流入口を備え、 上記円筒状容器の接線方向に飽和空気量を含む加圧水の
   流入口を備え、 上記円筒状容器上端に流出口を備えると共に下部円錐状
   下端に粒子の排出口を備え、 た底質分離装置。
2. 【請求項２】 上記加圧水の流入口は円筒状容器の上部
   と下部とに別々に備えた請求項１記載の底質分離装置。
3. 【請求項３】 上記加圧水の流入口は円筒状容器の中空
   軸方向に対して所望角度に可動できるようにした請求項
   １又は２記載の底質分離装置。
4. 【請求項４】 上記円筒状容器の上部にこの円筒状容器
   より径の大きな円筒状容器を備え、この径の大きな円筒
   状容器の周囲下部に排出口を備えた請求項１記載の底質
   分離装置。
5. 【請求項５】 上記下部円錐状を有する円筒状容器から
   なるタワーＩに対して、その後段にタワーＩの流出口か
   らの水が流入する流入口を接線方向に設けた円筒状容器
   と下部円錐状とを有するタワーIIを備え、このタワーII
   には下部円錐状下端には排出口を備え上端には流出口を
   備えた請求項１記載の底質分離装置。
6. 【請求項６】 上記タワーIIには円筒状容器上部側壁に
   バイパス出口を備えた請求項５記載の底質分離装置。
7. 【請求項７】 上記タワーIIは傾斜させて配置した請求
   項５記載の底質分離装置。
8. 【請求項８】 円筒状容器の土砂を含む水の流入口とポ
   ンプとの間にエジェクタを備えた請求項１記載の底質分
   離装置。
9. 【請求項９】 ポンプによる浚渫土砂上に拡散防止膜を
   かぶせた請求項１記載の底質分離装置。
10. 【請求項１０】 タワーIIの後段には沈澱ろ過槽を備え
    た請求項５記載の底質分離装置。