重力式ろ過装置と水の浄化方法
【課題】砂等のろ過材を使用した場合でも高速ろ過を可能とすることができる重力式ろ過装置と水の浄化方法を提供する。
【解決手段】ろ過槽の上部に原水流入口２を有し、粒状の充填材で充填層５を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽３において、ろ過槽の底部に処理水流出口７を設け、処理水流出口には、処理水流出口からろ過槽の上方部に向い上端が開放されて、充填層５より上の位置から処理水が排出できる上部流出管８と、処理水流出口からそのまま排出できる水位制御弁１３を有する下部流出管１２とを配備すると共に、ろ過槽には、上部に配備した水位計２６からの信号により水位制御弁を作動させて、ろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように制御する制御手段を有する。
【解決手段】ろ過槽の上部に原水流入口２を有し、粒状の充填材で充填層５を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽３において、ろ過槽の底部に処理水流出口７を設け、処理水流出口には、処理水流出口からろ過槽の上方部に向い上端が開放されて、充填層５より上の位置から処理水が排出できる上部流出管８と、処理水流出口からそのまま排出できる水位制御弁１３を有する下部流出管１２とを配備すると共に、ろ過槽には、上部に配備した水位計２６からの信号により水位制御弁を作動させて、ろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように制御する制御手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上水処理設備、下水処理設備、工場などの廃水処理設備、汚濁の進んだ河川水や湖沼水を浄化する設備に用いられる重力式ろ過装置と水の浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろ過装置は水処理技術の中でも最も古くから用いられており、同時に最も普及している技術である。なかでも、急速ろ過装置や活性炭ろ過装置は上水や工業用水などの浄水処理設備、下水処理設備、排水処理設備において必要不可欠な装置である。これらろ過装置には様々な方式があり、流れ方向の違いで分類すると上向流式と下向流式、まれに横流式がある。また、槽内圧力の違いで分類すると開放型の重力式と密閉型の圧力式とがある。さらに、開放型の重力式をろ過流量の調節機構で分類すると、減衰ろ過型、流量制御型、水位制御型、自然平衡型が存在し、処理水量と処理水質の安定性から自然平衡型が最も広く普及している。
いずれの装置でも、ろ過の継続によりろ過層（充填材層）内に浮遊物質が捕捉されるため次第にろ過抵抗が高くなり、同時に汚染されるため定期的な洗浄を必要とする。
【０００３】
近年、敷地面積の不足や建設資源の節約を目的として、ろ過装置のろ過速度を高速化することが求められている。その際に、最も問題になるのは充填層の通水抵抗である。そのため、従来から用いられてきた砂やアンスラサイト、活性炭、人工軽量骨材などの充填材では、ろ過速度を早くすると通水抵抗が高くなるため、重力式ではろ過槽の高さを高くしたり、圧力式ではポンプ圧力を増加させたりする必要が生じ、好ましくない。
ろ過速度の高速化による通水抵抗の上昇を解決するために、最近では通水抵抗の少ない特殊な繊維状ろ材が開発されている。例えば、特開２００６−３５１３５号公報のように、重力式においてろ過速度（ＬＶ）が５００ｍ／ｄの実施例がある。また、特開２００４−１５４６３７号公報において、密閉式のろ過装置が提案されている。さらには、特開平１１−１３７９１４号公報においては長繊維を束ねて用いるろ過装置が提案されている。
【０００４】
いずれの方式も特殊な繊維状ろ過材の使用が前提であり、それらの寿命は短く、数年から５年程度が限度であり、従来から用いられてきたろ材に比べると著しく劣る。さらに、特殊な繊維状ろ過材の使用は、ろ過材の流出防止のためのスクリーンの配備、もしくは繊維束の一端を固定するなどの対策が不可欠であり、コストや維持管理面でも不利な面が多い。
【特許文献１】特開２００６−３５１３５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５４６３７号公報
【特許文献３】特開平１１−１３７９１４号公報
【非特許文献１】水道施設設計指針２０００（日本水道協会）
【非特許文献２】下水道施設設計指針と解説２００１年度版（日本下水道協会）
【非特許文献３】井出哲夫編著、水処理工学技報堂出版 昭和５１年６月３０日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では、上記問題点をすべて無くし、従来から用いられてきた砂・アンスラサイト・活性炭などのろ過材を使用した場合でもＬＶ３００〜１０００ｍ／ｄの高速ろ過を可能とする、重力式ろ過装置と水の浄化方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では、ろ過槽の上部に原水流入口を有し、粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽において、該ろ過槽の底部に処理水流出口を設け、該処理水流出口には、該流出口からろ過槽の上方部に向い上端が開放されて、充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、前記流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを配備すると共に、前記ろ過槽には、ろ過槽上部に水位計を配備し、該水位計からの信号により下部流出管の水位制御弁を作動させて、ろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように制御する制御手段を有することを特徴とする重力式ろ過装置としたものである。
前記重力式ろ過装置において、前記水位計によりろ過槽内の水位を計測し、その結果に基づき原水流入量を調整する制御手段を有することができ、前記充填材は、砂、アンスラサイト、活性炭又は人工軽量骨材の一種以上からなり、その形状が、球状であるのがよく、前記上部流出管及び下部流出管は、ろ過槽底部に設けた一つの処理水流出口又は別々の処理水流出口に配備することができる。
【０００７】
また、本発明では、粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽に、上部から原水を流入して底部から処理水を得る水の浄化方法において、ろ過槽底部の処理水流出口に、ろ過槽上方部に向い上端が開放されて充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを設けて、水位計によりろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように、前記水位制御弁を制御することを特徴とする水の浄化方法としたものである。
前記浄化方法において、ろ過槽内水位は、水位計からの信号によって原水流入量を調整して制御することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、次の効果がある。
（１） 繊維状ろ過材のような耐久性の乏しい充填材を使用せず、従来から用いられてきた砂、アンスラサイト、活性炭、人工軽量骨材など、安価かつ耐久性の良い充填材を用いて、高速ろ過が可能である。
（２） ろ過槽の高さを大幅に増やしたり、ポンプ動力の増加など余分なエネルギーを使用しないで、効果的に高速ろ過が可能である。
（３） 原水量の急激な変化に対しても、ろ過速度の変化率を最小限に抑えることができるので、安定した処理が可能である。
（４） 処理水を排出する流出管が充填層の上部にあるので、原水の流入が停止しても、充填層が空気にさらされることはなく、万が一、水位制御弁が故障したとしても最低限の処理水量が得られ、自然平衡型の利点を生かせる。
（５） 水位検知に加えて水位変化率を演算させることによって、精巧な水位制御が可能となり、処理の安定性を維持できる。
（６） 球状活性炭を用いると、従来、困難とされた高厚充填が可能となり、設置面積の節約となるので、既設浄水場のＢＡＣ処理増設に有用である。
（７） 機器トラブルがあったとしても常に、充填層は水に浸漬しており、かつサイフォンにより負圧になることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。図１において、原水１は、原水流入管２からろ過槽３の上部に至り、液層４を経由して充填層５に至る。充填層５は、砂、アンスラサイト、活性炭等の従来から使われてきた粒状の充填材が好ましく、特に制約を受けない。したがって、比較的最近開発された人工軽量骨材や造粒活性炭などの、耐久性が従来品と同等もしくは同等以上であるものでもよい。その際、充填材の形状が、球に近い方が通水抵抗が小さいため、本発明を効果的にするためには更に好ましい。原水１に含まれるＳＳもしくは有機物質は、充填層５で捕捉もしくは吸着され、処理水流出口である支持部６を経由して、処理水流出管７に導かれる。支持部６は、砂利層に集水管等埋め込んだ方式、集水ブロック、集水管などを使用することができる。
【００１０】
処理水流出管７には、充填槽５内を常に水で満たすため、充填層より上に位置する上部流出管８、サイフォン防止のための大気開放口９、処理水管１０が接続されており、処理水は自然流下で処理水槽１１に導かれる。一方、処理水流出管７から分岐された下部流出管１２には、水位制御弁１３、配管１４が接続されており、処理水は処理水槽１１に至る。なお、水位制御弁１３に連なる下部流出管１２は、図１のように処理水流出管７から分岐しても良いが、図２のように支持部６から直接導いても良い。水位制御弁１３は、後に説明する液層水位検知装置で検知した電気信号を、アクチュエータ等によって開度調整できる機構を必要とする。バルブの種類としては、閉止能力が高く、かつコントロール能力の良いバタフライ型やグローブ型が望ましい。動作方式としては、電動、電磁、油圧、空気作動等いずれでも良いが、油圧方式は、万が一油が処理水に混入する恐れがあり、処理水の用途によっては好ましくない。さらに、電気信号やバルブ動力の異常が発生した場合、自動的に閉止する機構を備えていることがより好ましい。
【００１１】
ここで、上部流出管８は必要不可欠である。上部流出管８がなく、下部流出管１２と水位制御弁１３だけで水量を制御した場合、水位制御弁１３の僅かな開度の変化で、下部流出管１２を通過する水量が大きく変化するため、ろ過槽３の水位を一定に保つことが困難となる。さらに、ろ過装置の寿命は、数十年と長く、その間には、水位制御弁１３の故障も考慮しておかねばならない。上部流出管８が配備されていれば、充填層が空気にさらされることはなく、設計ろ過速度は困難であっても、自然平衡で流れる分のろ過処理水を確保することができる。一般に、ろ過装置は、単槽で用いられることはまれであり、複数槽設置されている。したがって、長期間の間に、水位制御弁１３が故障したとしても、その影響を最小限に留めることができる。高度成長やバブル期のように、設備投資を頻繁に行い、設備老朽化を考慮しなくとも良い時代は去った。本発明は、万が一の故障に際しても、最小限の投資で最小限の影響に留める発想に基づいたものである。このように、本発明は、ろ過水を処理水上部流出管８と水位制御弁１３のあるラインを使って同時に流すことができるため、ろ過速度の変動を比較的少なくできるため、充填層内に捕捉したＳＳに急激な移動力を発生させることがないため、処理水質の安定性が高い。
【００１２】
処理水流出管以降の構造をこのように構成することによって、次の作用が得られる。図３に示すように、液層４の水位が予め決められた点Ｍに到達するまでは、水位制御弁１３を閉とし、点Ｍに到達した場合には、液層水位が点Ｍを越えないように水位制御弁１３の開度を調節する。水位制御弁１３の開度を調節する手段は特に問わない。液層水位検知装置としては、電極式、水圧式、水晶式、電波式、超音波式、フロート式などがあるが、水圧式や水晶式、フロート式は、逆流洗浄を行なうと短時間で急激な信号変化が生じることから好ましくない。一方、センサーが、直接水に接しないという点から、電波式と超音波式が好ましい。液層４の水位が点Ｍを越えないために、点Ｍより下方の点Ｎを基準としたり、当該基準点を複数設けても良い。また、当該液層水位検知装置からの電気信号を、制御回路で演算し、水位制御弁１３の開度を調節することが望ましい。また、図５に示すように、点Ｎを２点として、液層水位が点Ｎ１から点Ｎ２に移動したときの変化率を求めて、もしくは、点Ｎ１と点Ｎ２の区間を連続的に検出すると共に、連続的な変化率を演算することによって、水位制御弁１３の開度を調節すると、正確な液層水位の調節が可能であると共に、ろ過速度の急激な変化を避けることができ、処理水質が安定する。
【００１３】
本発明を効果的に実施するために、点Ｍの位置は重要である。一般に、点Ｍの位置は、排水ロンダー２３の上端と充填層５の上端との間にあれば良く、できるだけ上位に配置した方が、水位制御弁１３に負担をかけない。つまり、ろ過水量が設計値より少ない場合は、液層４の水位が点Ｎに到達しないので、水位制御弁１３は閉の状態で、ろ過処理水の全量が上部流出管８を流れる。ろ過水量が設計値に近づくと、液層水位は点Ｎを超え、水位制御弁１３が開となる。しかし、その開度は、点Ｎ（点Ｍ）の設定位置が高いほうが小さくなり、このことは制御範囲が広いことを意味する。とは言っても、システムとしての安全性を考慮すると、点Ｍの位置は、排水ロンダー２３から２００〜５００ｍｍ下が適切である。
【００１４】
また、図１は、処理水槽１１の水位Ｘが常に処理水流出管７より低い位置にあるが、図２のように、処理水槽１１の水位Ｘが処理水流出管７より高く、かつ処理水槽１１の水位Ｘが変化する場合も想定される。このような場合、処理水槽１１の水位Ｘを検出し、所定値Ｙより高いときには、原水ポンプ３１の吐出量を下げたり、原水流入弁３２の開度を絞ることによって、ろ過槽３への原水１の供給量を減らすことができる。この場合、液層４の水位が次第に低下し、充填層５の通水抵抗が減少し、さらに、水位制御弁１３の開度を絞ることによって、ろ過槽３の負荷量を漸減的に減らすことができる。特に、処理水を飲料水や工業用水、雑用水に利用する場合では、処理水槽水位Ｘが高いということは、水供給に余裕のある場合であり、原水量を減らすことは理にかなったことである。
このようにして、ろ過水は、上部流出管８と配管１０及び水位制御弁１３と配管１４を通り、処理水槽１１に至る。処理水槽１１には、ろ過処理水移送ポンプ１５が配備され、場合によっては自然流下により系外に移送される。また、配管１８から逆流洗浄水１９として、逆流洗浄ポンプ２０に供給されるよう配備されている。
【００１５】
ろ過の継続と共に、充填層５のろ過抵抗が増大する。この場合には、逆流洗浄（逆洗）を行なう。逆流洗浄の開始は、液層水位が点Ｍを越えた時点で良く、もしくは点Ｍより上方の予め決めた点を設定し、この点を越えた時点でも良い。さらに、予め決めたろ過時間を経過した時点で、もしくは、水量と原水ＳＳと処理水ＳＳの差の積から、捕捉ＳＳ量を演算して予め定めた値になった時点で、逆流洗浄を開始しても良い。
逆流洗浄では、逆流洗浄ポンプ２０を稼動させ、必要に応じ空気配管２２から空気を送り込むこともできる。充填層５に捕捉されたＳＳは、排水ロンダー２３を経由して配管２４から洗浄排水２５として系外に排出される。洗浄排水２５が清浄になった時点で逆流洗浄を終了し、再びろ過を開始する。
【００１６】
ところで、非特許文献３によれば、通水（ろ過）抵抗は、Ｌｅｖａの式から求めることができる。同文献では、充填材の初期空隙比を水道用砂の場合は０．４５と算出している。ろ過が継続され、充填層内にＳＳが捕捉された状態は空隙比が減少した状態として数値で表現することができる。具体例を述べると充填層に水道用砂を用いた場合の逆流洗浄前の通水抵抗は、最大で１ｍ程度であり、これ以上ろ過を継続しても、水は充填層をほとんど通過せず、液層水位だけを上げ、そのまま放置すると排水ロンダーから原水が流出することが知られている。そこで、表１に示すように、充填層の逆流洗浄前の空隙比を０．３５と仮定してＬｅｖａの式にあてはめると、ケース１の水温５℃の場合、通水抵抗（ｈ０）は１．１ｍとなり、最大限にＳＳを捕捉していると判断することができる。つまり、一般的な清澄ろ過において、逆流洗浄後のろ過開始時の充填材空隙比は０．４５であるが、ろ過の継続と共に充填材と充填材との間にＳＳが捕捉され、空隙がＳＳで満たされ、およそ空隙比として０．３５になると、通水抵抗が１．１ｍになり、これ以上のろ過が困難になると考えることができる。
【００１７】
【表１】
【００１８】
表１は、Ｌｅｖａの式を用いてケース１からケース７の各種条件において、空隙比０．３５となった場合の通水抵抗を算出した結果である。もちろん、充填層の空隙比０．３５がすべての条件で、ろ過継続の限界点を表すとは言い切れない。しかし、各種条件における通水抵抗を概ね把握するには十分と考えられる。このような解析法は、従来試みられたことがなく、本発明において初めて開示されたものであり、本発明に関わる重要かつ独創的な考え方である。
ケース１は、先に述べたように、上水道における清澄ろ過（急速ろ過）の標準的な条件であり、ろ過速度はＬＶ１２０ｍ／ｄ、充填層高は０．６ｍ、充填材粒径は０．６ｍｍである。ケース２は、砂による高速ろ過の例であり、ろ過速度はＬＶ４００ｍ／ｄ、充填層高は１ｍ、充填材粒径は０．８ｍｍである。ケース２の、冬季（５℃）の洗浄前通水抵抗は３．５ｍ程度と計算される。ケース３は、砂の代わりにアンスラサイトを用いた高速ろ過の例であり、ろ過速度はＬＶ１０００ｍ／ｄ、充填層高は２ｍ、充填材粒径は２ｍｍである。ケース４は、アンスラサイトと砂との二層高速ろ過例であり、ろ過速度はＬＶ１０００ｍ／ｄ、充填層高はアンスラサイト１ｍ・砂０．５ｍ、充填材粒系はアンスラサイト３ｍｍ・砂１．５ｍｍである。ケース５は、活性炭の標準的なろ過例であり、ろ過速度はＬＶ２４０ｍ／ｄ、充填層高は２ｍ、充填材粒径は１．２ｍｍである。ケース６は、標準的な活性炭を用いた場合の高速ろ過例であり、ろ過速度はＬＶ３６０ｍ／ｄ、充填層高は３ｍ、充填材粒径は１．２ｍｍである。ケース７は、形状係数が１に近い球状活性炭を用いた高速ろ過例であり、ろ過速度はＬＶ３６０ｍ／ｄ、充填層高は３ｍ、充填材粒径は１．２ｍｍである。
【００１９】
各ケースで空隙比が０．３５となった場合の通水抵抗（洗浄前の通水抵抗）を冬季（５℃）で計算すると、ケース１で１．１ｍ、ケース４で１．８ｍ、ケース５で１．８ｍとなった。つまり、自然平衡型の重力ろ過装置において、十分にＳＳを充填層内に捕捉するためには、ケース１以外では、装置高さを少なくとも１ｍ以上高くしなければならないことになるので、現実的な対応として、充填層上端と排水ロンダー流出口との間を２ｍ以上にしている。同様に、ケース２、６のように、洗浄前の通水抵抗が３ｍ以上になる場合は、重力式では難しく、ポンプで加圧する圧力式ろ過にしなければならない。本発明では、ろ過槽をことさら高くせずとも、さらにはポンプ等の新たなエネルギーを与えずとも、自然平衡型の重力式清澄ろ過が可能である。
また、ケース６と７を比較すると、活性炭の形状が異なるだけで、通水抵抗が著しく異なることが解る。球状活性炭のように、形状係数が１に近いと通水抵抗が大幅に低下するので、本発明の適用範囲を拡大することができる。
【実施例】
【００２０】
実施例１
浄水処理への適用例
河川水を原水とした凝集沈殿処理水のろ過について、本発明と従来法を比較した。実施例１は表１のケース２に相当し、比較条件を表２に示す。
本発明では、図１・図３に示す装置を使用し、デジタル超音波センサー２６は排水ロンダー２３より３００ｍｍ下方を点Ｍ（水位制御点）、さらに５０ｍｍ下方を点Ｎ（基準点）に設定した。従来法では、図１・図３に示す装置を使用しているが、デジタル水位センサー２６、下部流出管１２、水位制御弁１３は備えていない。なお、ろ過槽の高さが大きく違うのは、フリーボード高さの違いによる。
【００２１】
【表２】
注１：フリーボード高さとは充填層上端から排水ロンダー流出口までの距離
【００２２】
原水濁度が１〜２度程と比較的安定した時期に逆流洗浄を行い、ろ過経過時間が５〜１０時間の様子を図４に示す。水温は７〜８℃であった。当初のろ過速度はＬＶ１０ｍ／ｈ（２４０ｍ／ｄ）で運転し、６時間後に原水ポンプ吐出量を徐々に上げて、ろ過速度をＬＶ１８ｍ／ｈ（４３０ｍ／ｄ）になるように設定した。なお、図４に示すろ過速度は、ろ過処理水量から算出したものである。
従来法のろ過速度には、変曲点があるのが特徴的である。これは、原水量が増えると、槽内液位が上昇しながらろ過が継続されるためであり、変曲点はろ過速度が急激に変化していることを表している。ろ過速度の変化により、充填槽に補足されたＳＳが漏出し、処理水濁度が上昇したものと考えられる。一方、本発明では、槽内液位はほぼ一定に保たれ、原水ポンプの吐出量増大が、そのまま処理水量に反映されるため、変曲点を持たない。その結果、処理水濁度は大きな影響を受けていない。また、経過時間７時間半において、原水量を徐々にもとの水量に戻したところ、本発明は従来法に比べて、早く安定することがわかった。
さらに、本発明では、液層水位は常に点Ｍと点Ｎの間に維持できたが、従来法では、液層水位は７００ｍｍ程度の変化があり、このことも処理水濁度の安定さに影響を与えていると思われる。
【００２３】
実施例２
下水処理への適用例
下水処理水中のＳＳは、有機質である活性汚泥が主成分であり、河川水のＳＳが無機質であるのと対照的である。実施例２は表１のケース４に相当する。活性汚泥は比較的付着性が高く、充填材径が大きくても捕捉されやすい。また、上段のアンスラサイト層からＳＳの一部が流出しても、下の砂層で捕捉されるため、確実な処理が可能である。
実施例２では図３を図５のように改造し、充填材として有効径（１０％通過粒子径）３ｍｍのアンスラサイトを１ｍ、その下に有効径１．５ｍｍの砂を５００ｍｍ充填した。また、デジタル超音波センサー２６は排水ロンダー２３より３００ｍｍ下方を点Ｍ（水位制御点）、さらに１００ｍｍ下方をＮ１点、さらに２００下方をＮ２点に設定し、各Ｎ点を液位水位が通過する場合には、連続的に液位水位を検出し、その変化率を演算し、変化率に応じて水位制御弁の開度を調節できる構造にした。
【００２４】
運転結果を図６に示す。原水は、嫌気好気活性汚泥法の最終沈殿池流出水であり、水温は１５〜１７℃、ＳＳは５〜７ｍｇ／Ｌである。逆流洗浄後のろ過速度はＬＶ５００ｍ／ｄに設定し、ろ過経過８時間後に２倍の１０００ｍ／ｄに上昇させた。液層水位は、当初Ｎ１点よりやや低いところにあったが、ろ過速度の増加に伴い、Ｎ１点から徐々に上昇し始めた。水位を、連続的に検出すると共に、変化率（上昇速度）を演算し、水位制御弁の開度を調整し始める。このようにして、Ｎ１点を液層水位が通過した時点から水位制御弁が開かれるため、原水量の急激な増加に対して、液層水位が緩慢に変化することになる。しばらくすると、Ｎ２点に到達するので、水位制御弁の開度をさらに上げると、液位水位は低下する。このような制御を繰り返すことで、図６に示すように、液位水位はＭ点とＮ２点の間にほぼ保つことができる。処理水ＳＳをみると、８時間後に大幅なろ過速度の変化があったにもかかわらず、大きな影響を受けていないことがわかる。
【００２５】
実施例３
活性炭ろ過装置への適用例
本発明をサイフォン式活性炭ろ過装置に適用した実施例を、図７に示す。配管１４は、洗浄時水位低下弁に連なる配管１２から分岐して、水位制御弁１３を配備した。もともとある洗浄時水位低下配管ラインを利用するだけで、本発明を実現できる。
さらに、表１のケース７のように、形状係数が１に近い有効径１．２ｍｍの球状活性炭を用いると、充填槽高を３ｍにまで高くしても、ろ過速度ＬＶ３６０ｍ／ｄ、空間速度ＳＶ５（１／ｈ）、通水抵抗が水温５℃でも３ｍ未満の処理を実現することができる。これは、ＢＡＣ処理装置（生物活性炭処理のこと）として有効で、ろ過と吸着の両方を行うことができ、その結果、表１のケース５の条件に比べると、活性炭ろ過槽の設置面積は２／３となる。既設浄水場において、ＢＡＣ処理を追加する場合には極めて有効である。
【００２６】
なお、上記充填容積速度（ＳＶ）は、（１）式のように定義され、活性炭ろ過装置のように、ＳＳ除去ばかりではなく吸着操作を主目的とした場合の処理性能を表すことができる。すなわち、高速化して同じ吸着性能を得るためには、充填層厚（Ｄ）を高くすることを意味し、ろ過速度ＬＶの上昇による通水抵抗増大に加えて、充填層厚上昇による通水抵抗増大が生じる。本発明はこのような場合でも効果を発揮できる。
ＳＶ ＝ ＬＶ ／ Ｄ・・・・・・・・（１）
ここで、ＳＶ：充填容積速度（１／ｄ）、ＬＶ：ろ過速度（ｍ／ｄ）、Ｄ：充填層厚（ｍ）
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の重力式ろ過槽の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の重力式ろ過槽の他の例を示す概略構成図。
【図３】実施例１に用いるろ過槽の内部の一例を示す説明図。
【図４】実施例２に用いるろ過槽の内部の一例を示す説明図。
【図５】ろ過速度及びろ過水濁度とろ過時間の関係を示すグラフ（実施例１）。
【図６】ろ過速度及びろ過水濁度とろ過時間の関係を示すグラフ（実施例２）。
【図７】実施例３に用いた重力式ろ過槽の断面構成図。
【符号の説明】
【００２８】
１：原水、２：原水流入管、３：ろ過槽、４：液層、５：充填層、６：支持部、７：処理水流出管、８：上部流出管、９：大気開放口、１０：処理水管、１１：処理水槽、１２：下部流出管、１３：水位制御弁、１４、１６、１８：配管、１５：ポンプ、１７：処理水、１９：逆流洗浄水、２１：空気、２３：排水ロンダー、２５：洗浄排水、２６：デジタル超音波センサー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上水処理設備、下水処理設備、工場などの廃水処理設備、汚濁の進んだ河川水や湖沼水を浄化する設備に用いられる重力式ろ過装置と水の浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろ過装置は水処理技術の中でも最も古くから用いられており、同時に最も普及している技術である。なかでも、急速ろ過装置や活性炭ろ過装置は上水や工業用水などの浄水処理設備、下水処理設備、排水処理設備において必要不可欠な装置である。これらろ過装置には様々な方式があり、流れ方向の違いで分類すると上向流式と下向流式、まれに横流式がある。また、槽内圧力の違いで分類すると開放型の重力式と密閉型の圧力式とがある。さらに、開放型の重力式をろ過流量の調節機構で分類すると、減衰ろ過型、流量制御型、水位制御型、自然平衡型が存在し、処理水量と処理水質の安定性から自然平衡型が最も広く普及している。
いずれの装置でも、ろ過の継続によりろ過層（充填材層）内に浮遊物質が捕捉されるため次第にろ過抵抗が高くなり、同時に汚染されるため定期的な洗浄を必要とする。
【０００３】
近年、敷地面積の不足や建設資源の節約を目的として、ろ過装置のろ過速度を高速化することが求められている。その際に、最も問題になるのは充填層の通水抵抗である。そのため、従来から用いられてきた砂やアンスラサイト、活性炭、人工軽量骨材などの充填材では、ろ過速度を早くすると通水抵抗が高くなるため、重力式ではろ過槽の高さを高くしたり、圧力式ではポンプ圧力を増加させたりする必要が生じ、好ましくない。
ろ過速度の高速化による通水抵抗の上昇を解決するために、最近では通水抵抗の少ない特殊な繊維状ろ材が開発されている。例えば、特開２００６−３５１３５号公報のように、重力式においてろ過速度（ＬＶ）が５００ｍ／ｄの実施例がある。また、特開２００４−１５４６３７号公報において、密閉式のろ過装置が提案されている。さらには、特開平１１−１３７９１４号公報においては長繊維を束ねて用いるろ過装置が提案されている。
【０００４】
いずれの方式も特殊な繊維状ろ過材の使用が前提であり、それらの寿命は短く、数年から５年程度が限度であり、従来から用いられてきたろ材に比べると著しく劣る。さらに、特殊な繊維状ろ過材の使用は、ろ過材の流出防止のためのスクリーンの配備、もしくは繊維束の一端を固定するなどの対策が不可欠であり、コストや維持管理面でも不利な面が多い。
【特許文献１】特開２００６−３５１３５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５４６３７号公報
【特許文献３】特開平１１−１３７９１４号公報
【非特許文献１】水道施設設計指針２０００（日本水道協会）
【非特許文献２】下水道施設設計指針と解説２００１年度版（日本下水道協会）
【非特許文献３】井出哲夫編著、水処理工学技報堂出版 昭和５１年６月３０日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明では、上記問題点をすべて無くし、従来から用いられてきた砂・アンスラサイト・活性炭などのろ過材を使用した場合でもＬＶ３００〜１０００ｍ／ｄの高速ろ過を可能とする、重力式ろ過装置と水の浄化方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では、ろ過槽の上部に原水流入口を有し、粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽において、該ろ過槽の底部に処理水流出口を設け、該処理水流出口には、該流出口からろ過槽の上方部に向い上端が開放されて、充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、前記流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを配備すると共に、前記ろ過槽には、ろ過槽上部に水位計を配備し、該水位計からの信号により下部流出管の水位制御弁を作動させて、ろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように制御する制御手段を有することを特徴とする重力式ろ過装置としたものである。
前記重力式ろ過装置において、前記水位計によりろ過槽内の水位を計測し、その結果に基づき原水流入量を調整する制御手段を有することができ、前記充填材は、砂、アンスラサイト、活性炭又は人工軽量骨材の一種以上からなり、その形状が、球状であるのがよく、前記上部流出管及び下部流出管は、ろ過槽底部に設けた一つの処理水流出口又は別々の処理水流出口に配備することができる。
【０００７】
また、本発明では、粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽に、上部から原水を流入して底部から処理水を得る水の浄化方法において、ろ過槽底部の処理水流出口に、ろ過槽上方部に向い上端が開放されて充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを設けて、水位計によりろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように、前記水位制御弁を制御することを特徴とする水の浄化方法としたものである。
前記浄化方法において、ろ過槽内水位は、水位計からの信号によって原水流入量を調整して制御することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、次の効果がある。
（１） 繊維状ろ過材のような耐久性の乏しい充填材を使用せず、従来から用いられてきた砂、アンスラサイト、活性炭、人工軽量骨材など、安価かつ耐久性の良い充填材を用いて、高速ろ過が可能である。
（２） ろ過槽の高さを大幅に増やしたり、ポンプ動力の増加など余分なエネルギーを使用しないで、効果的に高速ろ過が可能である。
（３） 原水量の急激な変化に対しても、ろ過速度の変化率を最小限に抑えることができるので、安定した処理が可能である。
（４） 処理水を排出する流出管が充填層の上部にあるので、原水の流入が停止しても、充填層が空気にさらされることはなく、万が一、水位制御弁が故障したとしても最低限の処理水量が得られ、自然平衡型の利点を生かせる。
（５） 水位検知に加えて水位変化率を演算させることによって、精巧な水位制御が可能となり、処理の安定性を維持できる。
（６） 球状活性炭を用いると、従来、困難とされた高厚充填が可能となり、設置面積の節約となるので、既設浄水場のＢＡＣ処理増設に有用である。
（７） 機器トラブルがあったとしても常に、充填層は水に浸漬しており、かつサイフォンにより負圧になることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。図１において、原水１は、原水流入管２からろ過槽３の上部に至り、液層４を経由して充填層５に至る。充填層５は、砂、アンスラサイト、活性炭等の従来から使われてきた粒状の充填材が好ましく、特に制約を受けない。したがって、比較的最近開発された人工軽量骨材や造粒活性炭などの、耐久性が従来品と同等もしくは同等以上であるものでもよい。その際、充填材の形状が、球に近い方が通水抵抗が小さいため、本発明を効果的にするためには更に好ましい。原水１に含まれるＳＳもしくは有機物質は、充填層５で捕捉もしくは吸着され、処理水流出口である支持部６を経由して、処理水流出管７に導かれる。支持部６は、砂利層に集水管等埋め込んだ方式、集水ブロック、集水管などを使用することができる。
【００１０】
処理水流出管７には、充填槽５内を常に水で満たすため、充填層より上に位置する上部流出管８、サイフォン防止のための大気開放口９、処理水管１０が接続されており、処理水は自然流下で処理水槽１１に導かれる。一方、処理水流出管７から分岐された下部流出管１２には、水位制御弁１３、配管１４が接続されており、処理水は処理水槽１１に至る。なお、水位制御弁１３に連なる下部流出管１２は、図１のように処理水流出管７から分岐しても良いが、図２のように支持部６から直接導いても良い。水位制御弁１３は、後に説明する液層水位検知装置で検知した電気信号を、アクチュエータ等によって開度調整できる機構を必要とする。バルブの種類としては、閉止能力が高く、かつコントロール能力の良いバタフライ型やグローブ型が望ましい。動作方式としては、電動、電磁、油圧、空気作動等いずれでも良いが、油圧方式は、万が一油が処理水に混入する恐れがあり、処理水の用途によっては好ましくない。さらに、電気信号やバルブ動力の異常が発生した場合、自動的に閉止する機構を備えていることがより好ましい。
【００１１】
ここで、上部流出管８は必要不可欠である。上部流出管８がなく、下部流出管１２と水位制御弁１３だけで水量を制御した場合、水位制御弁１３の僅かな開度の変化で、下部流出管１２を通過する水量が大きく変化するため、ろ過槽３の水位を一定に保つことが困難となる。さらに、ろ過装置の寿命は、数十年と長く、その間には、水位制御弁１３の故障も考慮しておかねばならない。上部流出管８が配備されていれば、充填層が空気にさらされることはなく、設計ろ過速度は困難であっても、自然平衡で流れる分のろ過処理水を確保することができる。一般に、ろ過装置は、単槽で用いられることはまれであり、複数槽設置されている。したがって、長期間の間に、水位制御弁１３が故障したとしても、その影響を最小限に留めることができる。高度成長やバブル期のように、設備投資を頻繁に行い、設備老朽化を考慮しなくとも良い時代は去った。本発明は、万が一の故障に際しても、最小限の投資で最小限の影響に留める発想に基づいたものである。このように、本発明は、ろ過水を処理水上部流出管８と水位制御弁１３のあるラインを使って同時に流すことができるため、ろ過速度の変動を比較的少なくできるため、充填層内に捕捉したＳＳに急激な移動力を発生させることがないため、処理水質の安定性が高い。
【００１２】
処理水流出管以降の構造をこのように構成することによって、次の作用が得られる。図３に示すように、液層４の水位が予め決められた点Ｍに到達するまでは、水位制御弁１３を閉とし、点Ｍに到達した場合には、液層水位が点Ｍを越えないように水位制御弁１３の開度を調節する。水位制御弁１３の開度を調節する手段は特に問わない。液層水位検知装置としては、電極式、水圧式、水晶式、電波式、超音波式、フロート式などがあるが、水圧式や水晶式、フロート式は、逆流洗浄を行なうと短時間で急激な信号変化が生じることから好ましくない。一方、センサーが、直接水に接しないという点から、電波式と超音波式が好ましい。液層４の水位が点Ｍを越えないために、点Ｍより下方の点Ｎを基準としたり、当該基準点を複数設けても良い。また、当該液層水位検知装置からの電気信号を、制御回路で演算し、水位制御弁１３の開度を調節することが望ましい。また、図５に示すように、点Ｎを２点として、液層水位が点Ｎ１から点Ｎ２に移動したときの変化率を求めて、もしくは、点Ｎ１と点Ｎ２の区間を連続的に検出すると共に、連続的な変化率を演算することによって、水位制御弁１３の開度を調節すると、正確な液層水位の調節が可能であると共に、ろ過速度の急激な変化を避けることができ、処理水質が安定する。
【００１３】
本発明を効果的に実施するために、点Ｍの位置は重要である。一般に、点Ｍの位置は、排水ロンダー２３の上端と充填層５の上端との間にあれば良く、できるだけ上位に配置した方が、水位制御弁１３に負担をかけない。つまり、ろ過水量が設計値より少ない場合は、液層４の水位が点Ｎに到達しないので、水位制御弁１３は閉の状態で、ろ過処理水の全量が上部流出管８を流れる。ろ過水量が設計値に近づくと、液層水位は点Ｎを超え、水位制御弁１３が開となる。しかし、その開度は、点Ｎ（点Ｍ）の設定位置が高いほうが小さくなり、このことは制御範囲が広いことを意味する。とは言っても、システムとしての安全性を考慮すると、点Ｍの位置は、排水ロンダー２３から２００〜５００ｍｍ下が適切である。
【００１４】
また、図１は、処理水槽１１の水位Ｘが常に処理水流出管７より低い位置にあるが、図２のように、処理水槽１１の水位Ｘが処理水流出管７より高く、かつ処理水槽１１の水位Ｘが変化する場合も想定される。このような場合、処理水槽１１の水位Ｘを検出し、所定値Ｙより高いときには、原水ポンプ３１の吐出量を下げたり、原水流入弁３２の開度を絞ることによって、ろ過槽３への原水１の供給量を減らすことができる。この場合、液層４の水位が次第に低下し、充填層５の通水抵抗が減少し、さらに、水位制御弁１３の開度を絞ることによって、ろ過槽３の負荷量を漸減的に減らすことができる。特に、処理水を飲料水や工業用水、雑用水に利用する場合では、処理水槽水位Ｘが高いということは、水供給に余裕のある場合であり、原水量を減らすことは理にかなったことである。
このようにして、ろ過水は、上部流出管８と配管１０及び水位制御弁１３と配管１４を通り、処理水槽１１に至る。処理水槽１１には、ろ過処理水移送ポンプ１５が配備され、場合によっては自然流下により系外に移送される。また、配管１８から逆流洗浄水１９として、逆流洗浄ポンプ２０に供給されるよう配備されている。
【００１５】
ろ過の継続と共に、充填層５のろ過抵抗が増大する。この場合には、逆流洗浄（逆洗）を行なう。逆流洗浄の開始は、液層水位が点Ｍを越えた時点で良く、もしくは点Ｍより上方の予め決めた点を設定し、この点を越えた時点でも良い。さらに、予め決めたろ過時間を経過した時点で、もしくは、水量と原水ＳＳと処理水ＳＳの差の積から、捕捉ＳＳ量を演算して予め定めた値になった時点で、逆流洗浄を開始しても良い。
逆流洗浄では、逆流洗浄ポンプ２０を稼動させ、必要に応じ空気配管２２から空気を送り込むこともできる。充填層５に捕捉されたＳＳは、排水ロンダー２３を経由して配管２４から洗浄排水２５として系外に排出される。洗浄排水２５が清浄になった時点で逆流洗浄を終了し、再びろ過を開始する。
【００１６】
ところで、非特許文献３によれば、通水（ろ過）抵抗は、Ｌｅｖａの式から求めることができる。同文献では、充填材の初期空隙比を水道用砂の場合は０．４５と算出している。ろ過が継続され、充填層内にＳＳが捕捉された状態は空隙比が減少した状態として数値で表現することができる。具体例を述べると充填層に水道用砂を用いた場合の逆流洗浄前の通水抵抗は、最大で１ｍ程度であり、これ以上ろ過を継続しても、水は充填層をほとんど通過せず、液層水位だけを上げ、そのまま放置すると排水ロンダーから原水が流出することが知られている。そこで、表１に示すように、充填層の逆流洗浄前の空隙比を０．３５と仮定してＬｅｖａの式にあてはめると、ケース１の水温５℃の場合、通水抵抗（ｈ０）は１．１ｍとなり、最大限にＳＳを捕捉していると判断することができる。つまり、一般的な清澄ろ過において、逆流洗浄後のろ過開始時の充填材空隙比は０．４５であるが、ろ過の継続と共に充填材と充填材との間にＳＳが捕捉され、空隙がＳＳで満たされ、およそ空隙比として０．３５になると、通水抵抗が１．１ｍになり、これ以上のろ過が困難になると考えることができる。
【００１７】
【表１】
【００１８】
表１は、Ｌｅｖａの式を用いてケース１からケース７の各種条件において、空隙比０．３５となった場合の通水抵抗を算出した結果である。もちろん、充填層の空隙比０．３５がすべての条件で、ろ過継続の限界点を表すとは言い切れない。しかし、各種条件における通水抵抗を概ね把握するには十分と考えられる。このような解析法は、従来試みられたことがなく、本発明において初めて開示されたものであり、本発明に関わる重要かつ独創的な考え方である。
ケース１は、先に述べたように、上水道における清澄ろ過（急速ろ過）の標準的な条件であり、ろ過速度はＬＶ１２０ｍ／ｄ、充填層高は０．６ｍ、充填材粒径は０．６ｍｍである。ケース２は、砂による高速ろ過の例であり、ろ過速度はＬＶ４００ｍ／ｄ、充填層高は１ｍ、充填材粒径は０．８ｍｍである。ケース２の、冬季（５℃）の洗浄前通水抵抗は３．５ｍ程度と計算される。ケース３は、砂の代わりにアンスラサイトを用いた高速ろ過の例であり、ろ過速度はＬＶ１０００ｍ／ｄ、充填層高は２ｍ、充填材粒径は２ｍｍである。ケース４は、アンスラサイトと砂との二層高速ろ過例であり、ろ過速度はＬＶ１０００ｍ／ｄ、充填層高はアンスラサイト１ｍ・砂０．５ｍ、充填材粒系はアンスラサイト３ｍｍ・砂１．５ｍｍである。ケース５は、活性炭の標準的なろ過例であり、ろ過速度はＬＶ２４０ｍ／ｄ、充填層高は２ｍ、充填材粒径は１．２ｍｍである。ケース６は、標準的な活性炭を用いた場合の高速ろ過例であり、ろ過速度はＬＶ３６０ｍ／ｄ、充填層高は３ｍ、充填材粒径は１．２ｍｍである。ケース７は、形状係数が１に近い球状活性炭を用いた高速ろ過例であり、ろ過速度はＬＶ３６０ｍ／ｄ、充填層高は３ｍ、充填材粒径は１．２ｍｍである。
【００１９】
各ケースで空隙比が０．３５となった場合の通水抵抗（洗浄前の通水抵抗）を冬季（５℃）で計算すると、ケース１で１．１ｍ、ケース４で１．８ｍ、ケース５で１．８ｍとなった。つまり、自然平衡型の重力ろ過装置において、十分にＳＳを充填層内に捕捉するためには、ケース１以外では、装置高さを少なくとも１ｍ以上高くしなければならないことになるので、現実的な対応として、充填層上端と排水ロンダー流出口との間を２ｍ以上にしている。同様に、ケース２、６のように、洗浄前の通水抵抗が３ｍ以上になる場合は、重力式では難しく、ポンプで加圧する圧力式ろ過にしなければならない。本発明では、ろ過槽をことさら高くせずとも、さらにはポンプ等の新たなエネルギーを与えずとも、自然平衡型の重力式清澄ろ過が可能である。
また、ケース６と７を比較すると、活性炭の形状が異なるだけで、通水抵抗が著しく異なることが解る。球状活性炭のように、形状係数が１に近いと通水抵抗が大幅に低下するので、本発明の適用範囲を拡大することができる。
【実施例】
【００２０】
実施例１
浄水処理への適用例
河川水を原水とした凝集沈殿処理水のろ過について、本発明と従来法を比較した。実施例１は表１のケース２に相当し、比較条件を表２に示す。
本発明では、図１・図３に示す装置を使用し、デジタル超音波センサー２６は排水ロンダー２３より３００ｍｍ下方を点Ｍ（水位制御点）、さらに５０ｍｍ下方を点Ｎ（基準点）に設定した。従来法では、図１・図３に示す装置を使用しているが、デジタル水位センサー２６、下部流出管１２、水位制御弁１３は備えていない。なお、ろ過槽の高さが大きく違うのは、フリーボード高さの違いによる。
【００２１】
【表２】
注１：フリーボード高さとは充填層上端から排水ロンダー流出口までの距離
【００２２】
原水濁度が１〜２度程と比較的安定した時期に逆流洗浄を行い、ろ過経過時間が５〜１０時間の様子を図４に示す。水温は７〜８℃であった。当初のろ過速度はＬＶ１０ｍ／ｈ（２４０ｍ／ｄ）で運転し、６時間後に原水ポンプ吐出量を徐々に上げて、ろ過速度をＬＶ１８ｍ／ｈ（４３０ｍ／ｄ）になるように設定した。なお、図４に示すろ過速度は、ろ過処理水量から算出したものである。
従来法のろ過速度には、変曲点があるのが特徴的である。これは、原水量が増えると、槽内液位が上昇しながらろ過が継続されるためであり、変曲点はろ過速度が急激に変化していることを表している。ろ過速度の変化により、充填槽に補足されたＳＳが漏出し、処理水濁度が上昇したものと考えられる。一方、本発明では、槽内液位はほぼ一定に保たれ、原水ポンプの吐出量増大が、そのまま処理水量に反映されるため、変曲点を持たない。その結果、処理水濁度は大きな影響を受けていない。また、経過時間７時間半において、原水量を徐々にもとの水量に戻したところ、本発明は従来法に比べて、早く安定することがわかった。
さらに、本発明では、液層水位は常に点Ｍと点Ｎの間に維持できたが、従来法では、液層水位は７００ｍｍ程度の変化があり、このことも処理水濁度の安定さに影響を与えていると思われる。
【００２３】
実施例２
下水処理への適用例
下水処理水中のＳＳは、有機質である活性汚泥が主成分であり、河川水のＳＳが無機質であるのと対照的である。実施例２は表１のケース４に相当する。活性汚泥は比較的付着性が高く、充填材径が大きくても捕捉されやすい。また、上段のアンスラサイト層からＳＳの一部が流出しても、下の砂層で捕捉されるため、確実な処理が可能である。
実施例２では図３を図５のように改造し、充填材として有効径（１０％通過粒子径）３ｍｍのアンスラサイトを１ｍ、その下に有効径１．５ｍｍの砂を５００ｍｍ充填した。また、デジタル超音波センサー２６は排水ロンダー２３より３００ｍｍ下方を点Ｍ（水位制御点）、さらに１００ｍｍ下方をＮ１点、さらに２００下方をＮ２点に設定し、各Ｎ点を液位水位が通過する場合には、連続的に液位水位を検出し、その変化率を演算し、変化率に応じて水位制御弁の開度を調節できる構造にした。
【００２４】
運転結果を図６に示す。原水は、嫌気好気活性汚泥法の最終沈殿池流出水であり、水温は１５〜１７℃、ＳＳは５〜７ｍｇ／Ｌである。逆流洗浄後のろ過速度はＬＶ５００ｍ／ｄに設定し、ろ過経過８時間後に２倍の１０００ｍ／ｄに上昇させた。液層水位は、当初Ｎ１点よりやや低いところにあったが、ろ過速度の増加に伴い、Ｎ１点から徐々に上昇し始めた。水位を、連続的に検出すると共に、変化率（上昇速度）を演算し、水位制御弁の開度を調整し始める。このようにして、Ｎ１点を液層水位が通過した時点から水位制御弁が開かれるため、原水量の急激な増加に対して、液層水位が緩慢に変化することになる。しばらくすると、Ｎ２点に到達するので、水位制御弁の開度をさらに上げると、液位水位は低下する。このような制御を繰り返すことで、図６に示すように、液位水位はＭ点とＮ２点の間にほぼ保つことができる。処理水ＳＳをみると、８時間後に大幅なろ過速度の変化があったにもかかわらず、大きな影響を受けていないことがわかる。
【００２５】
実施例３
活性炭ろ過装置への適用例
本発明をサイフォン式活性炭ろ過装置に適用した実施例を、図７に示す。配管１４は、洗浄時水位低下弁に連なる配管１２から分岐して、水位制御弁１３を配備した。もともとある洗浄時水位低下配管ラインを利用するだけで、本発明を実現できる。
さらに、表１のケース７のように、形状係数が１に近い有効径１．２ｍｍの球状活性炭を用いると、充填槽高を３ｍにまで高くしても、ろ過速度ＬＶ３６０ｍ／ｄ、空間速度ＳＶ５（１／ｈ）、通水抵抗が水温５℃でも３ｍ未満の処理を実現することができる。これは、ＢＡＣ処理装置（生物活性炭処理のこと）として有効で、ろ過と吸着の両方を行うことができ、その結果、表１のケース５の条件に比べると、活性炭ろ過槽の設置面積は２／３となる。既設浄水場において、ＢＡＣ処理を追加する場合には極めて有効である。
【００２６】
なお、上記充填容積速度（ＳＶ）は、（１）式のように定義され、活性炭ろ過装置のように、ＳＳ除去ばかりではなく吸着操作を主目的とした場合の処理性能を表すことができる。すなわち、高速化して同じ吸着性能を得るためには、充填層厚（Ｄ）を高くすることを意味し、ろ過速度ＬＶの上昇による通水抵抗増大に加えて、充填層厚上昇による通水抵抗増大が生じる。本発明はこのような場合でも効果を発揮できる。
ＳＶ ＝ ＬＶ ／ Ｄ・・・・・・・・（１）
ここで、ＳＶ：充填容積速度（１／ｄ）、ＬＶ：ろ過速度（ｍ／ｄ）、Ｄ：充填層厚（ｍ）
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の重力式ろ過槽の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の重力式ろ過槽の他の例を示す概略構成図。
【図３】実施例１に用いるろ過槽の内部の一例を示す説明図。
【図４】実施例２に用いるろ過槽の内部の一例を示す説明図。
【図５】ろ過速度及びろ過水濁度とろ過時間の関係を示すグラフ（実施例１）。
【図６】ろ過速度及びろ過水濁度とろ過時間の関係を示すグラフ（実施例２）。
【図７】実施例３に用いた重力式ろ過槽の断面構成図。
【符号の説明】
【００２８】
１：原水、２：原水流入管、３：ろ過槽、４：液層、５：充填層、６：支持部、７：処理水流出管、８：上部流出管、９：大気開放口、１０：処理水管、１１：処理水槽、１２：下部流出管、１３：水位制御弁、１４、１６、１８：配管、１５：ポンプ、１７：処理水、１９：逆流洗浄水、２１：空気、２３：排水ロンダー、２５：洗浄排水、２６：デジタル超音波センサー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろ過槽の上部に原水流入口を有し、粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽において、該ろ過槽の底部に処理水流出口を設け、該処理水流出口には、該流出口からろ過槽の上方部に向い上端が開放されて、充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、前記流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを配備すると共に、前記ろ過槽には、ろ過槽上部に水位計を配備し、該水位計からの信号により下部流出管の水位制御弁を作動させて、ろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように制御する制御手段を有することを特徴とする重力式ろ過装置。
【請求項２】
前記ろ過槽には、前記水位計によりろ過槽内の水位を計測し、該計測結果に基づき原水流入量を調整する制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の重力式ろ過装置。
【請求項３】
前記粒状の充填材は、砂、アンスラサイト、活性炭又は人工軽量骨材の一種以上からなり、その形状が、球状であることを特徴とする請求項１又は２記載の重力式ろ過装置。
【請求項４】
前記上部流出管及び下部流出管は、ろ過槽底部に設けた一つの処理水流出口、又は、別々の処理水流出口に配備することを特徴とする請求項１、２又は３記載の重力式ろ過装置。
【請求項５】
粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽に、上部から原水を流入して底部から処理水を得る水の浄化方法において、ろ過槽底部の処理水流出口に、ろ過槽上方部に向い上端が開放されて充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを設けて、水位計によりろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように、前記水位制御弁を制御することを特徴とする水の浄化方法。
【請求項６】
前記ろ過槽内水位は、水位計からの信号によって原水流入量を調整して制御することを特徴とする水の浄化方法。
【請求項１】
ろ過槽の上部に原水流入口を有し、粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽において、該ろ過槽の底部に処理水流出口を設け、該処理水流出口には、該流出口からろ過槽の上方部に向い上端が開放されて、充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、前記流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを配備すると共に、前記ろ過槽には、ろ過槽上部に水位計を配備し、該水位計からの信号により下部流出管の水位制御弁を作動させて、ろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように制御する制御手段を有することを特徴とする重力式ろ過装置。
【請求項２】
前記ろ過槽には、前記水位計によりろ過槽内の水位を計測し、該計測結果に基づき原水流入量を調整する制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の重力式ろ過装置。
【請求項３】
前記粒状の充填材は、砂、アンスラサイト、活性炭又は人工軽量骨材の一種以上からなり、その形状が、球状であることを特徴とする請求項１又は２記載の重力式ろ過装置。
【請求項４】
前記上部流出管及び下部流出管は、ろ過槽底部に設けた一つの処理水流出口、又は、別々の処理水流出口に配備することを特徴とする請求項１、２又は３記載の重力式ろ過装置。
【請求項５】
粒状の充填材で充填層を形成する逆流洗浄機構を有する自然平衡型重力式ろ過槽に、上部から原水を流入して底部から処理水を得る水の浄化方法において、ろ過槽底部の処理水流出口に、ろ過槽上方部に向い上端が開放されて充填層より上の位置から処理水が排出できる上部流出管と、流出口からそのまま排出できる水位制御弁を有する下部流出管とを設けて、水位計によりろ過槽内水位が予め定めた点を越えないように、前記水位制御弁を制御することを特徴とする水の浄化方法。
【請求項６】
前記ろ過槽内水位は、水位計からの信号によって原水流入量を調整して制御することを特徴とする水の浄化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２４７０５９（Ｐ２０１０−２４７０５９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９８６２０（Ｐ２００９−９８６２０）
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（５９１０３０６５１）荏原エンジニアリングサービス株式会社 (94)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（５９１０３０６５１）荏原エンジニアリングサービス株式会社 (94)
【Ｆターム（参考）】
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