Sheet-type water purification apparatus and method

【発明の詳細な説明】 薄板式浄水装置及び方法発明の分野 本発明は、概して浄水装置及び方法に関する。 この場合、浮遊粒子の除去は、 凝集剤と、上昇する微小気泡の流れを利用する浮揚とによって達成される。 さらに詳しく言えば、本発明は、浮揚タンク内に一段の浮揚を利用する米国特許第４ ，０２２，６９６号と米国特許第４，９３１，１７５号とに記載された一般的な型の改善された浄水装置及び方法に関する。 発明の背景浄水、すなわち水中を浮遊する粒状汚染物の除去は、特に紙及びパルプ工業における製造工程からの廃水の処理や水道水の処理や下水の処理に用いられる。 水は、浮遊粒子の沈降あるいは浮揚によって浄化できる。 周知の沈降方法及び装置は、効率的であるが、最大効率でさえ４０ｌ／ｍ ^２ ／分（０．５ガロン／分／ｆ ｔ ^２ ）程度の比較的遅い沈降速度に制限される。 大量の天然水を処理するとなると、沈降設備を大型にしなければならず、これに伴ってコスト及び所要スペースの増大という不利益を伴う。 浮揚法は、加圧水中に数容量％の空気を溶解し、その後微小気泡の形式でこの空気を放出する。 この微小気泡の形式の空気が、粒子に付着して浮揚スラッジを形成し粒子を水面上へ上昇させる。 粒子は、通常、気泡が導入される前に明礬やポリマーのような従来の剤を使用して凝集されてフロック状にされている。 浮揚法は、約３００１／ｍ ² ／分（７．５ガロン／分／ｆｔ ² ）の浄化速度を理論的に達成できる。 従来実施されている浄化速度は、この理論値よりも低いが、沈降法よりはかなり良い。 浮揚法を利用して水を浄化しようとする本出願人によるいくつかの先攻する試みが、１９５９年に付与された米国特許第２，８７４，８４２号と、１９６５年に付与された米国特許第３，１８２，７９９号とに開示されている。 これらは、 内部に掬具その他の移動構成要素を一切具備しない固定タンクを使用する。 気泡は、主天然水インレットを介して導入されて、内部デフレクター（'８４２号） あるいは多数の内部そらせ板（'７９９号）によってタンク内に案内された。 気泡は、固定構成要素によって案内されていたので、浮揚タンク内の移動部材の乱流によって生じる設計上の問題は存在しなかった。 また、これらの装置は、高流速での処理に適していなかった。 '７９９号の装置は、（ｉ）導入される水が側部から各隣接する対のそらせ板の間の領域へ別々に送られなければならなかったということと、（ｉｉ）浮揚される粒子のための流路がこれを画定する関連そらせ板の鉛直方向位置に依存して変わるということ、の点で追加的な問題を持っていた。 この後者の状態は、装置が導入された水を十分に処理しないか、あるいは遅くなるかのいずれかを意味する。 本出願人は、米国特許第４，０２２，６９６号と、米国特許第４，３７７，４ ８５号と、米国特許第４，６２６，３４５号と、米国特許第４，１８４，９６７ 号と、米国特許第４，９３１，１７５号とを含む、水浄化装置及び方法についてのいくつかの別の米国特許を保有する。 これらは、先の '８４２号と '７９９ 号との装置の性能以上に大きく改善されている。 取り引き名称 ”ＳＰＣ”と ” Ｓｕｐｒａｃｅｌｌ”とで販売されている '６９６号の浄化器では、浮揚が円形タンク内で生じる。 天然水は、中央パイプと、流体継手管と、タンク内に漫漬されていてタンクの周りを回転する多数のアウトレットを備えたインレットパイプとを介してタンク内へ送結される。 水の導入流れは、インレットパイプの回転方向と反対方向に向けられて、回転速度に対して、タンク内に入る水の速度が正味ゼロの速度になるような速度である。 天然水の導入管路組立体と浮揚スラッジを掬うための掬具とが、タンクの周りを回転するキャリッジ上に取りつけられる。 掬具は、本出願人の米国特許第４，１８４，９６７号に開示されているタイプのものが好ましい。 その回転速度は、一回転の時間で浮揚粒子がタンク内に収容される水の表面に到達するようにが設定される。 好ましい浄化度は、比較的浅い例えば４０．６４〜４５．７２ｃｍ（１６〜１８インチ）の深さのタンクを使ってキャリッジの一回転毎に達成できる。 このＳＰＣユニットは、約１３０ｌ／ｍ ² ／分の速度で浄化する。 これは、沈降法を使用する速度よりもずっと好ましいが、理論的な最高速度の半分よりも遅い。 上記特許に開示されるＳｕｐｒａｃｅｌｌ及び他の浄水器では、共通の設計上の特徴及び制限が存在する。 一つには、フロック状粒子の浮揚は、概して鉛直方向であって、比較的浅く乱流とは無縁の水域内にある。 また、これらの設計の全てにおいて、浮揚スラッジの除去は、傾いた放水パイプに給水する刃付き回転掬具によって行われる。 また、上述で説明したタイプの浄水器の容量を増大するために、あるものは、大きな直径のタンクに組み立てた。 理論的には、あるものは、何らかの浄化負荷を収容するのに十分な大きさのタンクを組み立てできるが、 コスト及び空間の制約が、これらユニットの容量に関して実際的な制限を加えていた。 したがって、本発明の主要な目的は、ユニットの寸法の付随的な増大なしに、 少なくとも二つの要因によって周知の浮揚型浄化器の浄化速度を上げることができる改良された水浄化装置を提供することである。 別の主要な目的は、コストの比較的わずかの増大で上述の生産量（浄化量）の増大を提供することである。 また別の目的は、改善されたスラッジ除去装置を提供することである。 発明の要約凝集剤と、微小気泡を形成するために放出される溶解空気とで処理された天然水の浄化は、タンク内に収容される水域で起こる。 タンクは、概して平坦な底部をもつ。 このタンクは、底壁の一つのセクター内に存在して浄化された水をタンクから引き出すための複数の開口と、沈殿した粒子を収集するための溜め部とを含むことができる。 一組の軽いプレート状の薄板が、タンクを実質的に満たす。 薄板は、一組の概して鉛直方向に方向付けられたチャンネルを画定するように組織化される。 各チャンネルは、概して堅い側壁をもっていて浄化中にはチャンネル内に柱状の水を閉じ込める。 タンクは円形で、薄板は一組の概して同心円状プレートと相互に組み合わさっている一組の半径方向に方向付けられ鉛直方向に方向付けられたプレートである。 同心円プレートは、真っ直ぐな鉛直上昇よりも浮揚経路が長くなるように鉛直方向から傾けられて相互に離されているのが好ましい。 半径方向プレートの全てあるいは少なくとも一部は、自身と底壁との間に滑動シールをもつ。 このシールは、各チャンネル内に水の一部を閉じ込めてタンク内の薄板の移動によって生ずる乱流から各チャンネル内の浮揚浄化を隔離する。 シールはまた、沈降した汚染物を溜め部へ掃く。 薄板の配列とタンクとの間の相対運動を発生するための装置が存在する。 支持構造体は、円筒状の内壁及び外壁との間でチャンネルの配列を支持する蜘蛛状のフレームを含んでいる。 その重量は、中央の管状支持部によって、かつ底壁上を動く一組のホイール上で、支持される。 歯車モータが、タンクを介してフレームとこのフレーム上に支持される薄板とを回転する。 天然水は、分配ボックスを使って円形タンクへ導入される。 分配ボックスは、 タンクの半径方向に亘って延長している。 分配ボックスは、固定式であり、チャンネルの上方のタンクの一つのセクターへ処理して空気を通した水を給水する。 別のボックスが、チャンネルの下方に位置してチャンネル上部への処理した天然水の導入によって入れ替えられて浄化した水を受け取る。 導管が、インレットボックスの直前でタンクの半径方向に亘って延長している。 この導管は、水面に対する長手方向のスロット状の開口と、下方のチャンネルの移動によって運ばれる浮揚したスラッジを導管へ方向付ける掬具とをもつ。 導管内で回転するように取り付けられた可変ピッチのスクリュウ型コンベアが、収集したスラッジを導管に沿ってスラッジアウトレットヘ方向付ける。 タンクは、その底壁にドレイン及び自動洗浄弁を備えた溜め部を含んでいて、 薄板と／あるいはそれらのワイパーシールによって運ばれた沈殿した粒子を除去する。 本発明のこれらとその他の特徴及び目的とは、添付図面を参照しつつ次の詳細な説明からさらに十分に理解されるだろう。 図面の簡単な説明図１は、タンクの一つのセクターのみ薄板を図示する本発明による円形タンクの薄板式浄水器の平面図である。 図２は、図１の線２−２に沿って切り取った垂直断面図である。 図３は、チャンネルを形成する薄板の配列の一つのセクターとその支持部との斜視図である。 図４は、図１及び２に図示される一部切り取って図示したスクリュウコンベアの側面図である。 図４Ａは、スクリュウのみの側面図である。 図５は、図４の線５−５に沿って切り取ったスラッジ用コンベアの縦断面図である。 図６は、図４の線６−６に沿って切り取った縦断面図である。 詳細な説明図１〜３は、本発明による浄水器１０を図示する。 この浄水器１０は、概して平らな底壁１２ａと概して円形の内壁１２ｂ及び外壁１２ｃとからなるタンク１ ２を有する。 このタンクは、好ましくは例えば２５．４ｃｍ（１０インチ）の浅さの底壁と床その他取り付け面との間の遊隙１２ｄをもつ例えば全高さが４５．７２ｃｍ（１８インチ）の比較的浅いものである。 タンクの壁の外径は、所望の処理容量に合わせて変わる。 代表的には、３６５．７６〜６０９．６ｃｍ（１２〜２０フィート）の外径である。 このタンクは、浄水の種々の段において水の供給部１４を収容する。 明礬のような剤で処理された天然水が、インレット１６を通じてタンクヘ入る。 タンクの一つのセクターにおいて半径方向に延長する固定式分配ボックス１８が、インレット１ ６からの天然水を受ける。 ボックス１８は、少なくとも一つ、好ましくは二つの減圧弁２０を含んでいる。 減圧弁２０は、空気を溶解した加圧水を天然水に加えながら、微小気泡の流れとして天然水の中へ空気を放出する。 ボックス１８の下側壁１８ａには、一組の開口があって、処理した天然水を上方からタンクヘ給水する。 ボックス１８の下方の底壁１２ａの下に位置するボックス２２は、底壁１ ２ａの一つのセクターの開口２４を介してタンク内の水と液体的連絡をする。 ボックス２２は、天然水が上部から追加されると、タンクの底部から排出される浄化された水を収集する。 ボックス２２もまた固定式である。 このボックスが、収集された浄化水をアウトレット２６へ方向付ける。 本発明の主要な特徴は、一組の薄板２８である。 この薄板２８は、ほぼ鉛直に延長するチャンネル３０の蜂の巣配列でタンクを実質的に満たす。 薄板２８は、 内側壁１２ｂと外側壁１２ｃとの間に延長する半径方向プレート２８ｒと、曲げられて同心円状に配列されたプレート２８ｃと、の二種類からなる。 プレート２８ｒは、切り取った下方の角部２８ｒ'及び２８ｒ”を含んでいる。この角部２８ｒ' 及び２８ｒ”は、支持組立体３２の内壁１２ｂと外壁３２ｂそれぞれに形成される棚状の突起１２ｂ'及び３２ｂ'上に載ってこれらによって位置付けられる。 他の点では、プレート２８ｒは、概して矩形で鉛直に方向付けられる。 プレート２８ｒ及び２８ｃは、好ましくは薄いシート状のプラスチック、例えば厚さ１． ９０５ｍｍ（７５ミル）のもの、から形成される。 このプレートは、好ましくは上方あるいは下方の縁から半分までレーザーカットされたスロットをもつ。 その後、プレート２８ｒ及び２８ｃは、例示されるように、互いに組み合わせてチャンネル３０の配列を形成することができる。 これらのプレートは比較的薄いけれども、この相互組み合わせ構造は、十分な程度の機械的な堅固さを提供して自身を支持しつつ機械的に安定にする。 図示されるように、薄板は、支持フレーム３ ２のスチール壁３２ｃによって画定される八つのセクターに組織化される。 各プレート２８ｃは、隣接プレート３２ｃの間で連続しているのが好ましい。 プレート２８ｒ及び２８ｃは相互に組合わさっているけれども、これらはその他の形態も想定できるし、他の形式でも組み立てできるし、他の材料からも形成できるし、違った断面形状及び寸法をもつチャンネル３０を画定できる。 図示されるように、チャンネルは、隣接プレート２８ｒが発散しているのでこれらの半径方向の位置の関数として１２．９０ ３２〜５１．６１２８ｃｍ ² （２〜８ｉｎｃｈ ² ）で変わる断面積をもつほぼ矩形の断面を持つ。 チャンネルの各々はほぼ鉛直方向に延長しているけれども、これらは傾いているのが好ましい。 これらの隣接する傾いた壁２８ｃは、十分に接近しながら互いに離れている。 そのため、回転軸３４に直交する水平な平面へのプレート２８ｃ の投影は、互いに重なる。 （図示されるように）水平方向から約６０度の好ましい角度で、かつ４０．６４〜５０．８ｃｍ（１６〜２０インチ）の標準的なタンクの深さで５．０８ｃｍ（２インチ）の内側プレートの間隔では、重なりは、チャンネルの鉛直方向高さに依存して、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％である。 重なりの程度は、直線的な鉛直上昇を使用する比較可能な浄化装置と比較して、この傾きによって生ずる増大した処理容量の直接的な測定法である。 別言すれば、チャンネルの傾斜は、気泡が上昇するときに水面まで運ばれる凝集粒子のための長い経路を形成する。 この長い経路と浮揚効率の付随的な増大とは、半径あるいは深度いずれのタンクの寸法を大きくすることによっても達成されない。 傾斜は、水平方向から４５度〜９０度の範囲である。 チャンネルがタンクを介して支持フレーム３２によって回転されることも重要である。 したがって、各チャンネルは、タンク内に収容される水を介して概して水平方向に連続して移動する。 この方向は、チャンネルの内側によって画定される傾斜した浮揚プロセスの方向を横断する方向である。 従来では、乱流が浮揚プロセスを妨げることから、タンク内でいずれの部材の移動も避けることと、あるいは水中の乱流を最小にするように構成要素及びこれらの移動を構成することとが重要であった。 本発明では、チャンネル３０を形成する薄板が、タンク１２の内容積のほとんどを占める。 水域内のこの固まりの移動が乱流を作る。 さらに、薄板はタンクの回りに十分に配列されるので、タンク内には開水面（オープンウォータ）は存在しない。 このとき、上述した従来のＳｕ ｐｒａｃｅｌｌ ａｎｄ ＳＡＦ （'４８５）の浄化器の場合のように、機構がその水域を介して移動するとこの浮揚が生じ得る。 したがって、薄板が相互連結されて固い側壁（プレート２８ｒ及び２８ｃの部分）によって囲まれるチャンネルを形成することと、これらのプレートの交わる結合点が漏れ流に概して耐えることとは重要である。 この構造体が、柱状水を各チャンネル内に「閉じ込め」 て、タンクを介して横向きに柱状水を運ぶときに乱流から柱状水を遮断する。 さらに、各柱状水はこれを囲み画定しているチャンネル壁に対しては相対的な移動をしないので、この柱状水内の浮揚浄化は、水に対して正味ゼロの速度で生ずる。 気泡は、プレート２８ｃ、 ２８ｃの傾きによる浮揚経路の延長部を除けば真っ直ぐな障害のない経路で水面までフロック状粒子を運ぶ。 乱流から浮揚プロセスを隔離することは、チャンネル及び底壁１２ａとチャンネル及び分配ボックス１８とのそれぞれの間の滑動シール３６、３８によって援助される。 シール３６は、各プレート２８ｒの下方縁に沿って固定される。 プレート２８ｒが回転するとき、各シールの下方縁は底壁１２ａに沿って進む。 チャンネルの開放した下方端部を介して浮揚プロセスに影響することから、このシールが、薄板及びフレームの移動によって生じる乱流をブロックする。 このシールは、また、フロック状粒子を溜め部４０へ掃く。 この溜め部４０では、フロック状粒子をアウトレット４０ａへ流し出す。 アウトレット４０ａは、自動ピンチバルブ４１の動作により定期的に清浄にされる。 分配ボックスの底部のシール３８ は、チャンネル３０の上端に係合する。 シール３６及び３８が分配ボックス１８ の下方と整列した収集ボックス２２の上方を通過する時、天然水とチャンネル３ ０内に収容されている浄化された水との直接的な交換がなされることをシール３ ６及び３８は保証する。 分配ボックス１８と収集ボックス２２の両方は、タンク１２に面するそれぞれの壁に開口の配列をもっていて、チャンネルヘ及びチャンネルからの直接的な液体の移動を可能にしている。 このため、天然水の給水速度は、任意のある時間に給水されるチャンネルの容量とこれらチャンネルの回転速度と整合されて各チャンネル３０へ入る天然水がこれと等容量の浄化された水をボックス２２へ押し出すことを保証する。 この等容量は、また好ましくはチャンネル内に収容できる水の最大容量にのみ等しく、浄化水収集ボックス２２への天然水の直接給水を避けている。 タンク内の水位は、チャンネルを形成する薄板の上方縁より数ｃｍ（数インチ）上方が好ましい。 チャンネル全てからの浮揚スラッジは、水のこの連続する上層面上に集まる。 浮揚したスラッジの固まりのゆっくりした回転が、回転する薄板に対する水力継手により生じる。 この固まりの運動量が、スラッジをスラッジ収集器４２へ運ぶ。 スラッジ収集器４２は、概して円筒形のハウジング４４と、水位にある長手方向の開口４４ａと、掬具４６ と、シャフト４８ａによって定義される中心軸について回転するためにハウジング４４内に取り付けられたスクリュウコンベア４８とをもつ。 特に図４〜６に関して、掬具４６は、湾曲状の延長部あるいは開口４４ａでハウジング４４の下端から延長するリップである。 このリップは、浮揚したスラッジの下方を切り進んでスラッジをハウジング４４の内部へ方向づけるように位置付けられる。 開口４４ａの上方縁は、水位より上方かつ浮揚したスラッジの上方縁の上方にあるように切られた真っ直ぐな縁である。 モータ４９は、掬い取ったスラッジを導管沿いの軸方向に収集導管５０へねじ山を駆動させる方向に可変の回転速度でスクリュウコンベアを回転する。 スクリュウの羽根４８ｂは、一定の直径からなるが、可変ピッチである。 この直径は、ハウジング４４を塞いでいて、収集したスラッジの全てを押し出す。 可変ピッチの、好ましくはシャフト４８ａの長手方向に４： １の変化度は、アウトレット５０に隣接する外側端部でのスクリュウ上の重い集積負荷にもかかわらず一定の推進力を提供する。 シャフト４８ａは、好ましくはステンレス製の連続棒である。 羽根は、連続の組立体あるいは組み合わせとして形成されてもよい。 いずれの場合でも、羽根は、シャフトに溶接されて、できるだけ滑らかにすべきである。 歯車モータ５２は、管状の中心支持部５６上に支持される駆動軸５３と中心の軸受け組立体５４とを介して支持フレーム３２を推進する。 フレームは、蜘蛛形壁３２ｃによって結合される内側及び外側の円形壁１２ａ及び３２ｂを含んでいる。 蜘蛛形壁３２ｃは、チャンネルの八つのセクターを画定する。 外壁３８ｂの内側に延長する円形フランジ３８ｄに固定されるホイール５８は、フレーム３２ とこれらの外側縁でフレーム上に支持する薄板とを支持しながら底壁１２ａ上を転がる。 内壁１２ａは、歯車モータ５２の制御の下で回転する。 円形シール６０ は、回転する内壁１２ａと固定式底タンク壁１２ａとの間に滑動シールを形成する。 外側キャリッジ壁３２ｂもまたタンクを介して回転するが、外側フレーム壁３２ｂから接近して離れている外側タンク壁１２ｃは、固定である。 固定式支持梁６２は、タンク１２の頂部を横切って弦沿いに延長して、タンクの外壁１２ｃで支持される。 梁６２は、ボックス１８及び２２と掬具組立体４６とを機械的に支持する。 動作において、浄化水のアウトレット導管２６内のバルブ６４は、従来の水位センサーあるいは好ましくは米国特許第４，９３１，１７５号に開示されるタイプの赤外線レベル検出器に応答して、タンク１２の底部からボックス２２を介しての浄化水の流量を制御する。 バルブ６４が、タンク１２内の水位６６を一定に維持する。 キャリッジ３２が天然水分配ボックス１８と浄化水収集ボックス２２ との間で薄板を回転すると、浄化水が薄板のチャンネルの底から引き出され、同量の処理された天然水がチャンネルへ流れ込む。 上述したように、フレーム３２ の回転速度は、薄板がボックス間で回転すると水の交換が自動的に起こる、チャンネルの容量と、このインレット／アウトレットのセクターの大きさと、ボックス１８へ及びボックス２２からの流速と、に整合される。 凝結剤／凝固剤と気泡とを混合された天然水で満たされると、薄板がタンクの周りに回転するとき、薄板はチャンネル３０内に柱状の水を閉じ込める。 完全な一回転は、約１〜２分毎に生じる。 この時間間隔中に、浮揚が、浮遊した固体汚染物を水から分離する。 これら汚染物は、傾斜した経路に沿って気泡に載って上昇し、タンクに収容される水の表面に浮揚してスラッジの層を形成する。 水位は、薄板の上方縁上方にある。 掬具４６は、インレットボックス１８の直前の回転の最後で薄板の頂部からスラッジを掬い取る。 この時点では、チャンネルは、浄化した水だけを含む。 この回転中、底部のシール３６は、沈降した不純物をインレットボックス１８の直前に位置する溜め部４０へ掃く。 この薄板式浄化器とこの動作の方法とは、'６９６のＳｕｐｒａｃｅｌｌの浄化器の約２倍の約２６０ｌ／ｍ ² ／分の浄化速度を作り出す。 Ｓｕｐｒａｃｅｌ ｌの浄化器もまた正味ゼロの速度原理で動作するが、タンク内には薄板は存在しない。 その結果、与えられた直径の浄化器は、増大した処理容量（スループット）を処理できるし、あるいはより小型の装置で同一処理容量が処理できる。 薄板は、好ましい製造コストをもたらすレーザーによって予めカットしておくことができる。 薄板式浄化器は、クリーニングが重要である応用においてクリーニングを困難にしているかもしれない。 しかしながら、多くの応用に対して、増大浮揚速度及び／あるいは小型寸法であることは、クリーニングの重要さに勝る。 プロセスとして見ると、本発明は、処理した天然水をタンク内の面で閉じられた概して鉛直方向に延長するチャンネルの配列内に閉じ込めることと、その後浄化がチャンネル内で生じている間タンク内で横方向にチャンネルを移動することとを含んでいる。 このプロセスは、チャンネルを傾けることと、固定点で水を追加することと、固定点で浄化した水を引き出すこととを含んでいる。 このプロセスは、浄化が完了した後浮揚したスラッジを除去することを含んでいる。 前記移動することは、チャンネル内に何ら著しい乱流を起こさずに、かつ上昇する泡がチャンネル内に閉じ込められた関連水域に対して正味ゼロの速度を経験してフロック状の粒子を取り去るように、生じる。 最も最近の比較可能な単一段の浄化器（これもまた二段目の浄化として砂層や同等のものを使用していない）を用いて達成できる約二倍の浄化速度で天然水から浮遊した粒状汚染物を除去する浄化器及び動作方法が記載されていた。 本発明の増大した性能は、与えられている処理速度に対してさらに小型の装置を、あるいは同一寸法のタンク対して増大した処理速度を、可能にする。 本発明がその好ましい実施例について記載されたけれども、種々の修正や変更が上述の説明と添付図面から当業者に見いだされることは理解されるだろう。 例えば、円形のタンクの実施例は同心円状に曲げられたプレート２８ｃについて記載されたけれども、これらが平坦あるいは平坦なセグメントから形成することもできる。 また、これらは、種々の方法で半径方向プレートに接合できるし、あるいは単一体として形成できるし、あるいは切断面で接合できる。 異なる固定式のインレットとアウトレットと掬具との機構が使用できる。 異なるシールが使用できる。 本発明は、またベッドの底部で第二段の砂フィルタと結合して使用することもできる。 このとき、薄板がバックウォッシュ中にタンク内にフィルタ材料を保持するように働く。 これら及びその他の修正及び変更は、請求の範囲に記載されているものと考える。

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