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沈殿（沈殿物を堆積させる行為）という物理的プロセスは、重力を利用して水中の浮遊物質を除去する水処理に応用されています。 [1]流水の乱流によって混入した固体粒子は、湖や海の静水中で沈殿することにより自然に除去される場合があります。沈殿池は、混入した固体を沈殿により除去することを目的として建設された池です。[2]浄化槽は、沈殿により沈殿する固体を連続的に除去するための機械的手段を備えたタンクです。[3]ただし、浄化では溶解した固体は除去されません。[4]
基礎
浮遊物質（SS）は、水サンプルの体積に応じて、 特定の多孔度のフィルターに保持される乾燥固形物の質量です。これには 10 μm 以上の粒子が含まれます。
コロイドは、定量化の方法に応じて 1 nm (0.001 μm) から 1 μm までのサイズの粒子です。ブラウン運動と静電気力によって重力が釣り合うため、自然に沈降する可能性は低いです。
粒子の限界沈降速度とは、澄んだ静水中での理論的な下降速度です。沈降プロセス理論では、粒子は次の場合にのみ沈降します。
- 垂直上昇流では、上昇水速度は限界沈降速度よりも低くなります。
- 縦方向の流れでは、タンクの長さとタンクの高さの比は、水流の速度と限界沈降速度の比よりも大きくなります。
沈降による浮遊粒子の除去は、粒子の大きさ、ゼータ電位、比重によって異なります。フィルターに保持された浮遊固形物は、比重が水と同程度であれば浮遊状態のままですが、フィルターを通過する非常に密度の高い粒子は沈降する可能性があります。 沈降性固形物は、水が1時間沈降した後、イムホフコーンの底に蓄積された目に見える体積として測定されます。[5]
ニュートンの運動の第二法則とナビエ・ストークス方程式からの導出に加えて、重力理論も採用されています。
ストークスの法則は沈降速度と粒子径の関係を説明する。特定の条件下では、粒子の沈降速度は粒子径の2乗に正比例し、液体の粘度に反比例する。[6]
沈降速度は、粒子がタンク内で沈降するのにかかる滞留時間として定義され、タンク容量の計算を可能にします。沈降タンクの正確な設計と操作は、輸送システムと流れの安定性を維持してシステムから分流された沈殿物を除去することにより、分流システムに入る沈殿物の量を最小限の閾値に抑えるために非常に重要です。これは、可能な限り長い期間、可能な限り低い流速で達成されます。これは、アプローチチャネルを広げ、その底を下げて流速を下げ、沈殿物が重力によって浮遊状態から沈降できるようにすることで実現可能です。より重い粒子の沈降挙動も乱流の影響を受けます。[7]
デザイン
他の形状のタンクでも沈殿は起こる可能性があるが、長方形のタンクではコンベアベルト、円形のタンクでは中心軸の周りを回転するスクレーパーを使用すると、堆積した固形物の除去が最も容易である。 [8]沈殿池と清澄槽は、理論的に100％除去される最小粒子の沈降速度（v s ）に基づいて設計する必要がある。オーバーフロー率は次のように定義される：[要出典]
- 越流速度（v o）＝水流量（Q（m 3 /s））/（沈殿池の表面積（A（m 2））
多くの国では、この値は m 2あたり m 3 /h単位の表面負荷と呼ばれます。オーバーフロー速度は、縁部 (堰など) を越える流れに対して、m 3 /h / m 単位でよく使用されます。
オーバーフロー速度の単位は通常、速度であるメートル/秒（またはフィート/秒）です。沈降速度（vs ）がオーバーフロー速度より大きい粒子は沈降しますが、他の粒子はvs / voの比率で沈降します。各設計には、固体が操作中を移動する際の粒子サイズの変化を理想的に考慮したオーバーフロー速度に関する推奨事項があります。
- 静止ゾーン: 9.4 mm (0.031 フィート)/秒
- フルフロー流域: 4.0 mm (0.013 フィート)/秒
- オフライン流域：毎秒0.46 mm（0.0015フィート）[9]
しかし、流れの急激な変化、風のせん断、洗掘、乱流などの要因により、沈降の効果が減退します。これらの理想的とは言えない条件を補うために、前の式で計算された面積を2倍にすることが推奨されます。[9] また、流域の断面の各ポイントで流量分布を均等にすることも重要です。入口と出口の設計が適切でないと、堆積のための流動特性が極端に悪くなる可能性があります。[引用が必要]
沈殿池と浄化槽は、長い長方形（図 1.a）として設計することができ、水力学的に安定しており、大容量の制御が容易です。円形の浄化槽（図 1.b）は、一般的な濃縮槽（レーキを使用しない）として、または上向流タンク（図 1.c）として機能します。[引用が必要]
沈殿効率はタンクの深さに依存しません。前進速度が十分に低く、沈殿した物質がタンクの底から再浮遊しない場合でも、沈殿池や浄化槽を設計する際は、深さが低すぎないように注意しながら、面積が依然として主なパラメータとなります。[引用が必要]
主なプロセス特性の評価
沈殿池と浄化槽は、浮遊物質が沈殿できるように水を保持するように設計されています。沈殿原理により、粒子の比重、サイズ、せん断抵抗に応じて適切な処理技術を選択する必要があります。粒子のサイズと密度、および固体の物理的特性に応じて、4 種類の沈殿プロセスがあります。
- タイプ 1 – 希釈、非凝集、自由沈降（各粒子が独立して沈降します。）
- タイプ 2 – 希薄、凝集性（粒子は沈殿すると凝集する可能性があります）。
- タイプ 3 – 濃縮懸濁液、ゾーン沈降、沈降阻害 (汚泥濃縮)。
- タイプ 4 – 濃縮懸濁液、圧縮（汚泥濃縮）。
それぞれの沈降速度は異なる要因によって制御されます。[10]
離散粒子の沈降
妨害されない沈降は、近くの粒子からの干渉を受けることなく、非常に低い濃度の離散粒子を除去するプロセスです。一般に、溶液の濃度が全懸濁物質 500 mg/L 未満の場合、沈降は離散的であると見なされます。[11]西部のレースウェイ排水の全懸濁物質 (TSS) 濃度は、通常、正味 5 mg/L 未満です。オフライン沈殿池排水の TSS 濃度は、正味 100 mg/L 未満です。[12]離散沈降中、粒子は独立した速度でサイズと形状を維持します。浮遊粒子の濃度がこのように低いと、粒子衝突の確率は非常に低く、その結果、凝集率はほとんどの計算で無視できるほど小さくなります。したがって、沈殿池の表面積が沈降速度の主な要因になります。すべての連続流沈殿池は、入口ゾーン、沈殿ゾーン、スラッジゾーン、出口ゾーンの 4 つの部分に分かれています (図 2)。
入口ゾーンでは、流れは同じ方向に確立されます。水が出口ゾーンに向かって流れると、沈殿ゾーンで沈殿が起こります。その後、浄化された液体は出口ゾーンから流出します。スラッジゾーン：沈殿物はここで集められ、通常、粒子がスラッジゾーンに到達すると水の流れから除去されると想定されます。[9]
理想的な長方形の沈殿槽では、沈殿ゾーンでは、臨界粒子が沈殿ゾーンの上部から入り、沈殿速度はスラッジゾーンに到達するのに最小の値になり、出口ゾーンの端では、この臨界粒子の速度成分は垂直方向 (v s ) と水平方向 (v h ) の沈殿速度になります。
図 1 から、粒子が沈降するのに必要な時間。
- t o =H/v h =L/v s (3)
タンクの表面積は WL であり、v s = Q/WL、v h = Q/WH です。ここで、Q は流量、W、L、H はタンクの幅、長さ、深さです。
式1によれば、これは沈殿槽の性能を制御する基本的な要素でもあり、オーバーフロー率と呼ばれています。[13]
式 2 はまた、沈降した物質がタンクの底から再び浮遊しない程度に前進速度が低い場合にのみ、沈殿タンクの深さが沈殿効率とは無関係であることを示しています。
凝集粒子の沈殿
水平沈殿タンクでは、一部の粒子は図 1 の対角線に沿わず、成長するにつれて沈降速度が速くなります。つまり、深さが深く、滞留時間が長いほど、粒子は成長し、沈降速度が速くなるということです。ただし、同じ滞留時間が長く浅いタンクに分散されると、衝突の可能性はさらに高くなります。実際、水圧による短絡を回避するために、タンクは通常、滞留時間を数時間に設定して 3 ～ 6 m の深さで作られています。
ゾーン沈降挙動
懸濁液中の粒子の濃度が増加すると、粒子同士が接近しすぎて互いに独立して沈降できなくなり、隣接する粒子によって押しのけられた流体の速度場が重なり合うようになります。また、沈降する粒子によって押しのけられた液体の正味の上向きの流れもあります。この結果、粒子の沈降速度が低下し、この効果は沈降阻害として知られています。
一般的に、妨害沈降が発生します。粒子濃度が非常に高いため、懸濁液全体が「ブランケット」として沈降する傾向があります。これは、濃度の不連続性によって分離されたいくつかの異なるゾーンを区別することが容易なため、ゾーン沈降として知られています。図 3 は、ゾーン沈降特性を示す懸濁液の典型的なバッチ沈降カラム テストを示しています。このような懸濁液を沈降カラム内に放置しておくと、カラムの上部近くに明確な界面が形成され、沈降スラッジの塊が浄化された上澄みから分離されます。懸濁液が沈降すると、この界面は同じ速度で下方に移動します。同時に、その沈降した懸濁液と懸濁ブランケットの間には、底部近くの界面があります。懸濁液の沈降が完了すると、下部の界面が上方に移動し、下方に移動する上部の界面と出会います。
圧縮沈下
沈降粒子は互いに接触し、非常に高い粒子濃度で沈殿タンクの底に近づくと浮上します。そのため、沈降速度が低下するにつれて、調整マトリックス内でのみさらなる沈降が発生します。これは、ゾーン沈降図の下部領域で説明できます (図 3)。圧縮ゾーンでは、沈降した固形物は重力 (固形物の重量) によって圧縮され、沈殿した固形物は上にある固形物の重量によって圧縮され、空間が狭くなるにつれて水が絞り出されます。
アプリケーション
飲料水処理
飲料水処理における沈殿は、一般的に化学凝固と凝集のステップに続いて行われ、これにより粒子がより大きなサイズのフロックにグループ化されます。これにより、浮遊物質の沈降速度が上がり、コロイドが沈降します。
廃水処理
沈殿法は何千年もの間、廃水処理に利用されてきました。[14]
下水の一次処理は、沈殿によって浮遊性固形物と沈降性固形物を除去することである。[15] 一次浄化槽は、浮遊性固形物と浮遊性固形物に埋め込まれた汚染物質の含有量を減らす。[16] : 5–9 家庭排水の処理には大量の試薬が必要であるため、予備的な化学凝固と凝集は通常使用されず、システムの次の段階で残りの浮遊性固形物が削減されます。ただし、凝集と凝集は、コンパクトな処理プラント（「パッケージ処理プラント」とも呼ばれる）を構築したり、処理水をさらに洗練したりするために使用できます。[17]
「二次浄化槽」と呼ばれる沈殿槽は、活性汚泥法、散水ろ床法、回転生物接触装置などの二次処理法で生成された生物の塊を除去する。[16] : 13
参照
参考文献
- ^ Omelia, C (1998). 「湖沼、貯水池、水処理施設における凝固と沈殿」水科学技術37 ( 2): 129. doi :10.1016/S0273-1223(98)00018-3.
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- ^ ハンマー、マークJ.水と廃水処理技術。ジョン・ワイリー＆サンズ（1975年）。ISBN 0-471-34726-4。pp.223–225。
- ^ Reinsel, M.、Apex Engineering。「無機汚染物質に対する工業用水処理：物理的処理プロセス」Water Online、2018年10月15日アクセス
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- ^ ルイジアナ州ニューオーリンズ下水道水道局 (2013)。「キャロルトン工場における浄水プロセス」2013 年 10 月 14 日にアクセス。
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- ^ Steel, EW & McGhee, Terence J. Water Supply and Sewerage. (第5版) McGraw-Hill (1979). ISBN 0-07-060929-2 . pp. 469–475
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文献
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