清澄ろ過、コゼニーカルマンの式

こんにちは、ヘルメット犬(@helmet_dog)です。

この記事では

について試験に出題されやすい部分をサクッと整理します!

清澄ろ過とは

沈降分離や浮上分離で除去しきれなかった微量の懸濁物をさらに除去し、清澄な水を得る技術です。
懸濁物質を含む水をろ材(砂など)を通過させることで、ろ材に懸濁物質を捕捉し、分離します。

砂ろ過(ろ材に砂を用いるろ過)には緩速砂ろ過(ろ過速度4~5m/日)と急速砂ろ過(120~150m/日)があります。
上水道：緩速、急速いずれも用いられる。
排水処理：主に急速が用いられる。

捕捉される粒子はろ材の空隙に比べてはるかに小さく、これは凝集作用があるためと考えられています。
→凝集性のないコロイドでは砂ろ過は適用できない。

重力式と圧力式がありますが、圧力のかけ方が異なるだけで、基本の原理は同じです。

重力式、圧力式の作動原理は以下の動画がわかりやすいです。後述しますが逆洗時の様子も描かれていますね。

Filtraflo TGV

Sand Filter

ろ材は一般に砂が用いられ、他にもアンステラサイトやザクロ石(ガーネット)が用いられます。
アンステラサイト：無煙炭(最も炭化度の進んだ石炭)を破砕し粒状にしたもの
ザクロ石：ケイ酸塩の鉱物

上水道では有効径0.5~0.7mm、均等係数1.7以下の砂が用いられる。
有効径：ろ材試料をふるい分けした際に全質量の10%が通過するふるい目の大きさに相当する粒子径。
均等係数：粒子径が均一なほど小さい値を示す指標。

ろ材を通過するときに生じる圧力差はコゼニー-カルマンの式で表されます。

ろ過が進むとろ材に懸濁物質が捕捉され、ろ過抵抗が増大します。

ろ過抵抗が大きくなると洗浄操作が必要になります。式からわかるように、ろ過抵抗はろ過速度uに比例します。

ろ過抵抗が設定値に到達すると、ろ材に捕捉された懸濁物質を除去する為、逆洗します。

洗浄が不十分だと、長い期間にマッドボール(異物に濁質が付着した塊)が生成しやすくなります。

逆流の洗浄効果は、ろ材層の流動化されてろ材粒子同士の衝突回数が最多の時、最大になります。