プラントのオペレーター、プロセスエンジニア、都市下水システムや産業下水システムの管理者など、廃水処理に少しでも取り組んだことがある人なら、凝集が処理プロセス全体の中で最も重要で、多くの場合最も注意が必要なステップの 1 つであることをご存知でしょう。凝集とは、小さな懸濁粒子 (沈殿物、バクテリア、有機物を考えてください) が凝集し始めて、その後の沈降または濾過のステップで簡単に除去できる、より大きく重い凝集塊になることです。目標は、すぐに沈降するのに十分な密度のフロックを作成することですが、分離する前にバラバラになるほど大きくなったり壊れたりしないようにすることです。しかし、多くのオペレーターが必ずしも重視しているわけではありませんが、適切な混合装置がこのステップを成功させるか失敗させるかが決まるということです。そこでサイドエントリーの下水撹拌機が登場します。
私は工業用混合装置で 12 年以上働いており、間違った撹拌機スタイルの選択に起因する凝集問題のトラブルシューティングを何百ものプラントで支援してきました。私のキャリアの初期に、私は中規模の自治体の処理施設が苦戦しているのを何か月も見てきました。処理施設のフロックが小さすぎて沈降できなかったか、浄化装置内でバラバラになり、排水の濁度が上昇し、化学薬品の再投与に余分なコストがかかっていました。トップエントリー撹拌機を適切なサイズのサイドエントリー下水撹拌機に交換して初めて、凝集効率がわずか 2 週間で 28% 向上しました。その経験が私に強く印象に残っています。だからこそ、この特定の機器が凝集にどのような影響を与えるのか、そしてなぜこの機器が下水処理において他のタイプの撹拌機よりも優れた選択肢であるのかを正確に説明したいと考えています。
サイドエントリー撹拌機が凝集にどのような影響を与えるかを理解するには、まず凝集に必要なもの、つまりゆっくりとした、穏やかな、一貫したせん断を思い出す必要があります。急速な混合を使用して小さなマイクロフロックを作成する凝集とは異なり、凝集は低速混合に依存して、マイクロフロックが壊れることなく衝突して結合することを促します。せん断力が大きすぎると（高速トップエントリー撹拌機など）、凝集塊がバラバラになりますが、混合が小さすぎると粒子が決して会わないため、最終的には濁った下水流だけが残ります。サイドエントリー撹拌機は完璧なバランスを実現するように設計されており、その仕組みを以下に示します。
まず、サイドエントリー撹拌機がタンクの側面、通常は液面からタンク直径の 1/3 ～ 1/2 の位置に水平に取り付けられます。この配置により、タンク全体をデッドゾーンなしで循環させる、大きく安定した流れのパターンが形成されます。これは、大型タンクではトップエントリーおよびボトムエントリーの撹拌機がよく苦労することです。デッドゾーンとは、混合が弱すぎるか存在しないスポットであり、粒子はそこに留まり、決して凝集を形成しません。数百万ガロンを収容できる下水タンクにとって、これは大きな問題です。凝集に 50,000 ガロンの曝気タンクを使用している場合、トップエントリー撹拌機では羽根車の周囲の狭い領域しかカバーできず、タンクの端では混合が不十分になる可能性があります。対照的に、サイドエントリー撹拌機はタンク全体を通過する均一な流れを生成し、すべての粒子が衝突するチャンスを確実に得ます。
それをフロック科学と結び付けてみましょう。下水にはさまざまな粒子サイズ、密度、帯電量が含まれています。フロックが形成されるためには、2 つの粒子がファンデルワールス力によって互いに引き寄せられるほど十分に近づく必要があります。この衝突は、撹拌機によって生成される流体の流れによって発生します。サイドエントリー撹拌機のインペラは放射状の流れを生成し、タンクの壁に沿って移動し、その後下方に曲がり、中心に向かって戻り、連続的なループを形成します。このタイプの流れは「軸方向 - 放射状」流れと呼ばれ、タンクのサイズに応じて通常 20 ～ 50 rpm の一定した低速で粒子を移動させるため、凝集には理想的です。特に大型タンクのトップエントリー撹拌機は、流れを下方に押し出すために先端速度が速いことが多く、必要以上に乱流が発生し、せん断力が増大し、脆弱なフロックが破壊される可能性があります。
下水用サイドエントリー撹拌機のもう 1 つの重要な利点は、可変タンク容量に対応できることです。多くの処理プラントにある凝集タンクは、常に容量いっぱいに満たされているわけではありません。たとえば、流量が少ない時間帯には、60% しか満たされていない可能性があります。液面より上に取り付けられたトップエントリー撹拌機は、液面の高さの変化に調整できないため、タンクが半分も満たされると、インペラの一部が水面上に出てしまい、混合が不均一になります。ただし、サイドエントリー撹拌機は最低液面よりも下に設置されているため、タンクがどれほど満たされていても安定して動作します。この信頼性は、下水の流量が変化した場合でも、一貫したフロック サイズに変換されます。これは、プラントが嵐や産業排水からの変動する流入に対処する際にますます重要になります。
工場長から「凝集には一般的な大型タンク撹拌機を使えばいいのでは？」とよく質問されます。一般的な大型タンク撹拌機は化学物質の混合や固形物の懸濁に使用できますが、サイドエントリーモデルは下水の凝集という特有のニーズに合わせて設計されています。下水は均一な液体ではなく、有機物、砂、脂肪、油、グリース (FOG) が含まれており、これらはすべて時間の経過とともに撹拌翼に蓄積する可能性があります。サイドエントリー撹拌機の羽根車の設計は、固形物を捕らえない幅広のブレードと滑らかな表面を備え、汚れを防ぐように最適化されています。インペラが汚れると、流れが乱れ、混合が不均一になり、凝集不良が発生します。プラントが使用している一般的な大型タンク撹拌機を使用しているのを見てきましたが、30 日で汚れが付着し、毎日の清掃が必要になりますが、サイドエントリーの下水撹拌機は清掃間隔が 6 ～ 12 か月で、ダウンタイムと人件費が削減されます。
下水処理プラントにとって大きな懸念事項であるエネルギー効率についてもお話しましょう。下水処理プラントは最もエネルギーを大量に消費する産業施設の一部であり、混合がプラントの総エネルギー使用量の最大 30% を占めています。サイドエントリー撹拌機は、タンク全体を循環させるのに必要な電力が少ない水平流路を使用するため、大型タンクではトップエントリー撹拌機よりも効率的です。 50,000 ガロンの凝集タンクのサイドエントリー撹拌機は 15 馬力を使用する可能性がありますが、同じタンクのトップエントリー撹拌機は同じ流速を達成するために 25 馬力を必要とする可能性があります。電力使用量の削減により、エネルギー料金が削減されるだけでなく、液体を移動させるために撹拌機がそれほど激しく働かなくなるため、より安定した混合環境が生まれます。凝集には安定した混合が重要です。出力が変動すると流量が変動するため、フロックの形成が不均一になる可能性があります。
では、これを具体的にするために実際の例を見てみましょう。昨年、私は一次下水浄化装置に苦労している食品加工工場と協力しました。この工場では懸濁物質と有機物を多く含む廃水を生成しており、凝集タンクのトップエントリー撹拌機が非常に大きな剪断力を発生させていたため、凝集塊のサイズはわずか 20 ～ 30 ミクロンで、沈降するには小さすぎたため、廃水の濃度は 120 NTU (比濁濁度単位) で、地域の排出制限である 5 NTU をはるかに上回っていました。トップエントリーユニットを、40,000ガロンのタンクに適合するサイズのサイドエントリーの下水撹拌装置に置き換えました。 10 日以内に、フロックのサイズは 80 ～ 100 ミクロンに増加し、清澄剤のオーバーフローは濁りから透明になり、濁度は 4 NTU に低下しました。また、一貫した混合により凝集剤 (ポリマー) が均一に分散されるため、不均一な混合を補うための追加の化学薬品を必要としなかったため、ポリマーの使用量を 18% 削減しました。
この例は、私がすべてのお客様に伝えていることを強調しています。凝集に適した混合装置を選択することは、単に「混合する」ことだけではなく、扱う粒子に合わせてせん断と流れを制御することです。幅広い粒径を持ち、機器を汚す傾向がある下水の場合、サイドエントリー型撹拌機は、流れの均一性、せん断速度、汚れ耐性、およびタンク容量への適応性のバランスが取れているため、トップエントリー型またはボトムエントリー型のモデルよりも優れています。
もちろん、すべてのサイドエントリー撹拌機が同じというわけではありません。下水凝集用の装置を探している場合、化学品製造などを目的とした一般的なサイドエントリーミキサーではなく、廃水用途に特化して設計されたユニットが必要です。一般的なサイドエントリーミキサーは、下水に必要な耐食性を備えていないか、羽根車の設計によりせん断が大きくなりすぎる可能性があります。そのため、下水処理のための工業用混合を専門とするサプライヤーと協力することが重要です。オプションを調べていると、小規模な都市プラント用のコンパクトなユニットから産業施設用の大規模ユニットまで、さまざまなタンク サイズや流量に合わせたさまざまなモデルが見つかります。
特に予算が厳しい工場管理者にとって、撹拌機のタイプを切り替えるのは大きな投資のように感じるかもしれません。しかし、データは投資収益率を裏付けています。水環境連盟（WEF）による 2022 年の調査によると、凝集用のサイドエントリー型撹拌機にアップグレードしたプラントでは、排水の濁度が平均 22% 減少し、ポリマーの使用量が 15% 減少し、混合に使用するエネルギーが 10% 減少したことがわかりました。これらの節約はすぐに加算されます。100 万ガロンの凝集タンクを備えたプラントの場合、化学薬品とエネルギーのコストが年間数万ドル削減され、メンテナンスのためのダウンタイムも削減されます。
これで終わりにさせていただきます。凝集は、安定した低剪断混合に依存して大きな沈降可能な凝集塊を形成する繊細なプロセスです。サイドエントリーの下水撹拌機は、タンク全体に均一な流れパターンを作成し、さまざまな液体レベルに適応し、汚れを防ぎ、他のタイプの撹拌機よりも効率的にエネルギーを使用することで、これを実現します。右サイドエントリーユニットは凝集を改善するだけでなく、運用コストを削減し、コンプライアンスリスクを軽減し、機器の寿命を延ばします。
凝集プロセスのアップグレードを検討している場合、または小さな凝集、高濁度、頻繁な装置洗浄などの問題に対処している場合は、ニーズに合わせて特別に設計されたオプションを検討することをお勧めします。小規模な自治体の工場を管理している場合でも、大規模な産業施設を管理している場合でも、適切な混合装置を選択することが、処理を改善しコストを削減するための第一歩です。サイドエントリー撹拌機が凝集プロセスでどのように機能するかについて詳しく知りたい場合は、お気軽にお問い合わせください。
参考文献:
- 水環境連盟。 （2022年）。廃水凝集のための混合技術: パフォーマンスとコストの分析。 WEFプレス、バージニア州アレクサンドリア。
- バーンズ、D.、ブリス、PJ (2019)。下水処理: 原則と実践 (第 5 版)。 IWA出版、ロンドン。
- ドイツ語、RM (2020)。凝集プロセスにおける混合: せん断速度と流動パターン。環境工学ジャーナル、146(8)、04020067。
- メトカーフ＆エディ。 （2014年）。廃水工学: 処理と資源回収 (第 5 版)。マグロウヒル教育、ニューヨーク州。
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