ベルトフィルター

ベルトフィルターの図：供給ホッパー内の汚泥は2枚のろ布（緑と紫で表示）に挟まれています。液体は最初に重力によって抽出され、次にローラーを通してろ布を絞り出すことで抽出されます。ろ液は排水口から排出され、固形物は容器に掻き落とされます

ベルトフィルター（ベルトプレスフィルター、ベルトフィルタープレスとも呼ばれる）は、固液分離プロセス、特に化学産業、鉱業、水処理における汚泥の脱水に使用される産業機械です。ベルトフィルタープレスは、リンゴジュース、サイダー、ワイン製造にも使用されています。[ 1 ]ろ過プロセスは、主に一対のろ布とベルトをローラーシステムに通すことで行われます。このシステムは、汚泥またはスラリーを供給し、濾液と固形ケーキ に分離します。

用途

下水処理場におけるベルトフィルター

ベルトフィルターは主に、汚泥やスラリーの脱水[ 2 ]、リンゴ、ナシなどの果物、ワイン製造用のブドウなどの果汁抽出に使用されます。ベルトフィルターは、都市下水・廃水処理、冶金・鉱業、製鉄所、石炭火力発電所、醸造所、染色工場、皮なめし工場、化学工場、製紙工場など、幅広い分野で自治体および産業用途で使用されています。[ 3 ]

ベルトフィルターの用途は、処理可能な汚泥、スラリー、または果物のすり潰しに限られます。都市利用の汚泥には、生汚泥、嫌気性消化汚泥、好気性消化汚泥、ミョウバン汚泥、石灰軟化汚泥、河川水シルトが含まれます。[ 4 ]産業界では、あらゆる汚泥またはスラリーは、食品加工廃棄物、パルプおよび紙廃棄物、化学汚泥、医薬品廃棄物、産業廃棄物処理汚泥、石油化学廃棄物から供給されます。[ 4 ]これらの廃棄物には、混合汚泥、鉱物スラリー、粉塵沈殿物、選別石炭洗浄泥、生物学的汚泥、一次汚泥、わら、木材、または廃紙パルプが含まれます。[ 3 ]

脱水の目的には、輸送および保管コストを削減するために容積を減らすこと、埋め立て処分の前に液体を除去すること、さらなる乾燥または焼却の前に燃料要件を減らすこと、堆肥化に十分な材料を生産すること、陸上で使用する場合の流出と溜まりを避けること、およびその他の乾燥プロセスを最適化することなどがあります。[ 2 ]ベルトフィルターは、これらの特定の用途と供給物のそれぞれに合わせて特別に設計されています。

利点／限界

脱水に使用されるベルトフィルタープレスに類似した物理的な分離プロセスは数多くあり、遠心分離機、真空ディスクフィルター、プレート＆フレームフィルタープレスなどがあります。他の圧縮フィルターと比較すると、ベルトフィルターは比較的低い圧力を使用します。[ 5 ]遠心分離機は石炭残渣処理において水分含有量が低く、コストが低く、操作が簡単ですが、[ 6 ]ベルトフィルターは騒音が少なく、起動と停止時間が大幅に短縮される傾向があります。[ 2 ]

ベルトフィルターは、シンプルで信頼性が高く、入手性が高く、人員が少なく、メンテナンスが容易で、長寿命であると考えられています。[ 2 ] [ 4 ] [ 7 ]ベルトフィルターは、調整や監視を容易にするために、床面から見えるように設置すると最も効果的です。もちろん、これは照明と換気の条件に左右されます。[ 7 ]

ベルトフィルタープレスは廃水処理によく使用されるため、供給汚泥、揮発性排出物、そして処理に使用される化学物質の臭気が問題となる可能性があります。[ 2 ]一つの対策として、過マンガン酸カリウムなどの臭気中和剤を使用する方法があります。[ 2 ]しかし、これは臭気を中和するだけで、ガスや化学物質には影響を与えません。フィルターを密閉することでこれらの問題をすべて抑制できますが、密閉することで、メンテナンスや修理のための機械への視認性やアクセス性が低下し、プロセスの自動化に多大な費用がかかります。[ 2 ] [ 5 ]

ベルトフィルタープレスは、過剰処理能力に対応するように設計されているため、高処理能力でも知られています。[ 5 ] [ 2 ]初期コストが低く[ 5 ]、エネルギーランニングコストも低いです。 [ 4 ]しかし、処理量が1日あたり400万ガロン未満の場合は、ベルトフィルタープレスは、液体輸送、処理施設のレンタル、または乾燥床やリードベッドなどの非機械的な脱水方法を利用するよりもコスト効率が悪い可能性があります。[ 2 ]

ベルトフィルターは、一部の飼料の処理には効果が低い。飼料が消化槽から十分に混合されていない限り、固形分含有量の異なる飼料を処理する場合、ベルトフィルターの使用は、オペレーターの注意が必要になり、人件費が上昇するため、コストが高くなる。[ 2 ]グリースや油分の多い飼料は、ベルトフィルターを目詰まりさせてケーキ内の固形分率を低下させる可能性があり[ 2 ]、鋭利な物体によるベルトの損傷を防ぐために、すべての飼料をふるいにかける必要がある。飼料の種類は、洗浄プロセスにも影響を与える可能性がある。ベルトフィルターは頻繁に洗浄する必要があり、大量の水と時間を消費する。[ 2 ]水と時間の無駄、および関連コストは、洗浄システムを自動化し、排水を使用することで削減できる。[ 2 ]

利用可能な設計

ベルトフィルターの設計は、メーカーの設計と性能データ、稼働中の設備、パイロットテスト、類似プラントの調査、および廃水固形物の試験[ 2 ]に基づいて作成され、処理対象の汚泥またはスラリーから所望の脱水固形物率が得られます

ベルトフィルタープレスには、前処理ゾーン、重力排水ゾーン、線形圧縮 (低圧) ゾーン、ローラー圧縮 (高圧) ゾーンの 4 つの主なゾーンがあります。[ 2 ] [ 5 ]供給物とプロセスに応じて凝集および/または凝固された前処理済みのスラリーは、重力排水ゾーンで濃縮されます。[ 5 ]重力排水ゾーンは、自由水の重力排水が起こる平坦または傾斜したベルトです。[ 2 ]重力排水エリアは、供給固形物濃度に応じてサイズが決まります。標準サイズは 1.5% 以上の固形物濃度に使用できますが、圧縮前に自由水をより多く排水するには、1.5 ~ 2.5% の供給固形物に対しては、より長い排水エリアまたは拡張サイズのセットアップを使用する必要があります。供給固形物が 1.5% 未満の希薄汚泥の場合、独立した重力排水ベルトを使用できます。[ 8 ]加圧ゾーンまたはウェッジゾーンでは、上下2本のベルトを使用して原料を挟み込みますが[ 2 ]、独立した重力ゾーンには専用のベルトが備えられており、ベルトフィルターは3ベルトシステムとなっています。ケーキの必要条件に応じて、ベルトフィルターには洗浄段階、赤外線、高温ガス、さらにはマイクロ波による乾燥段階を追加することができます。[ 7 ]

ベルトフィルターは非常に汎用性が高く、処理対象となるスラッジ、スラリー、またはマッシュフルーツなどに合わせて作られています。不快な臭気、揮発性排出物、病原体、硫化水素などの有害ガスが発生する飼料または処理プロセスの場合、 [ 2 ] [ 7 ]、ベルトフィルターはドラフトチャンバーを内蔵するか、気密ハウジングに完全に密閉することができます。[ 7 ] 密閉構造により可視性が低下し、腐食が増加するため、ベルトフィルタープロセスは自動化も可能です。[ 2 ]高度なベルトプレスフィルター設計では、広いろ過面積、追加のローラー、および可変ベルト速度が採用されています。[ 2 ]

プロセス特性

ベルトプレスフィルターは、廃水流量ではなく、重量または体積による固形物処理能力に基づいて設計されています。固形物濃度は、供給水に含まれる一次固形物と、処理中に沈殿する可能性のある固形物の濃度に基づいて決定する必要があります。プロセスの固形物濃度は変化するため、設計は変化する供給水固形物濃度に対応できる能力を備えていなければなりません。[ 2 ]

ベルトプ​​レスフィルターへの供給量は、固形物の種類、目的の製品、フィルターの設計によって異なります。ほとんどの汚泥の種類において、供給固形物濃度は通常1～10%の範囲です。[ 2 ]得られた脱水汚泥（またはケーキ）の乾燥固形物濃度は通常12～50%の範囲です。[ 9 ]供給固形物濃度が低いとケーキの水分含有量が増加し、供給固形物濃度が高いと固形物ろ過速度が向上し、最終製品がより乾燥します。[ 5 ]

ベルトプ​​レスフィルターへの入力は、通常、乾燥固形物負荷率（ベルト幅あたりの時間当たりの乾燥固形物質量）として測定されます。繰り返しになりますが、入力固形物負荷はスラッジの種類とフィルター媒体に依存するため、稼働中のベルトプレスフィルターの乾燥固形物負荷率には大きなばらつきがあります。通常、低固形物負荷率は40～230 kg/h/mベルト幅の範囲に収まり、高固形物負荷率は300～910 kg/h/mベルト幅の範囲になります。[ 9 ]負荷は生産率の測定に重要ですが、重力排水セクションで形成されるケーキの厚さを考慮することも重要です。ケーキの厚さは、ろ過媒体の透過性とろ過速度に影響します。[ 5 ]最適なケーキの厚さを決定するには、特定のスラッジの種類に関するテストを実施する必要があります。濾液の回収が重要な場合は、ケーキ洗浄ステップを導入する必要があるかもしれません。

ベルトプ​​レスフィルターの主な目的はプロセススラッジを脱水することであり、この脱水の大部分は重力排水ゾーンで行われます。重力排水ゾーンでは、固形物濃度が 5 ～ 10 % 増加します。[ 2 ]重力排水ゾーンでの脱水度は、固形物の種類、フィルター メディア、およびスラッジ調整によって大きく異なります。重力排水ゾーンで達成される脱水は、スラッジがベルト上に十分に広がっていない場合や滞留時間が不十分な場合は悪影響を受けます。[ 9 ]スラッジ調整とは、粒子の凝集を促進して濃縮スラッジを形成し、脱水を促進するために化学物質を追加することです。脱水は界面活性剤の追加によって促進され、凝集は高分子量ポリマーの追加によって達成されます。凝集は、最適なポリマー投与量、ポリマー希釈および混合によって改善されます。供給スラリーのpH も監視および制御する必要があります。pH が低いと凝集が低下するためです。[ 10 ]ポリマーや混合量が多すぎると凝集に悪影響を与え、運転コストを大幅に増加させる可能性があるため、各調整パラメータの最適値を見つけることが重要です。[ 10 ]スラッジ調整の効果は重力排水ゾーンで最も顕著に現れ、最適な調整戦略を決定できる実験室規模で容易に再現できます。[ 10 ]ベルトプレスフィルターを工業的に実現可能にするには、経済的に効率的である必要があり、したがって最大の処理能力が求められます。十分な調整がない場合、重力排水が一般的に制限工程となりますが、最適な希釈により、制限工程を圧縮ゾーンに移行できます。[ 10 ]

ベルトプ​​レスフィルターの圧縮ゾーンでは、フィルターケーキは2本のベルトの間で圧縮され、ローラー上を通過して圧力をかけられます。ローラーの最適な数があり、それ以上の数では必ずしもより乾燥した製品が得られるとは限りません。より乾燥した製品を得るには、プレス時間を長くするのではなく、ベルト速度を下げる必要があります。[ 11 ]

ベルトプ​​レスフィルターの全体的な性能は、汚泥の種類、供給固形物濃度、コンディショニングなどのパラメータの変動が最小限に抑えられることで向上します。[ 9 ]

ベルトプ​​レスフィルターの効率は、製品ケーキの乾燥固形分含有量、固形分回収率、およびベルト上での汚泥の横方向移動に基づいて評価されることが多い。[ 11 ]固形分回収率は、供給汚泥から回収された乾燥固形分の割合である。固形分回収率はフィルター材に依存しており、フィルター材は脱水を促進するために良好な透過性を備えつつ、固形分回収率が大幅に低下しない程度に小さい孔径を有するものを選択する必要がある。ベルトプレスフィルターには、目詰まりによってベルトの透過性が低下しないように、効果的なベルト洗浄部が備えられていることが重要である。[ 5 ]固形分回収率は濾液の品質に直接関連するため、フィルター材とプロセス構成は、ケーキと濾液の所望の品質を満たす必要がある。乾燥固形分含有量は脱水度の指標である。ベルト速度が低下すると、脱水度は増加する。[ 11 ]ベルト速度が低下すると、プロセス容量は低下する。入力質量流量とベルト速度の間には、以下の相関関係がある。[ 11 ]

Q0＝m0sbLsludge0{\displaystyle Q_{0}=m_{0}s_{b}L_{sludge0}}

ここで、Q 0 = 質量流量（kg/s）、m 0 = 質量負荷（kg/m 2）、s b = ベルト速度（m/s）、L sludge0 = ベルト全体のスラッジの初期幅（m）。したがって、低いベルト速度で工業規模の経済的なスループットを維持するためには、ベルト全体のスラッジの質量負荷と幅を増やす必要があります。固形物負荷を増やすとケーキの乾燥固形物濃度がわずかに低下しますが、スラッジがベルトから溢れる可能性が大幅に増加することが判明しています。[ 11 ]ベルト上のスラッジの横方向の移動は、スラッジがベルトの幅全体にどれだけ広がるかの尺度です。横方向のスラッジ移動の増加は、スラッジがベルトの端から逃げて濾液に溢れていることを意味します。したがって、横方向のスラッジ移動の増加は、濾液の品質と乾燥固形物の回収に悪影響を及ぼします。

一般的に、排出ケーキの最小設計厚さは3～5mmです。[ 5 ]これにより、ケーキが排出するのに十分な厚さになり、ベルトから簡単に取り外せるようになります。

デザインのヒューリスティック

最も一般的な脱水方法は、コストが高く、製品水分量が少ない順に、濃縮機、深層濃縮機、ベルトプレス、メンブレンフィルタープレスの順です。一般的に、遠心分離機などの競合技術は、同じケーキ乾燥度において、ベルトプレスフィルターと比較して大きなコスト優位性を示しません。凝集剤のコストは、脱水装置の主要な運用コストとなることがよくあります。ベルトプレスフィルターは、メンブレンフィルタープレスと遠心分離機を除く、上記のプロセスの中で凝集剤の消費量が最も少ないのが一般的です。[ 12 ]

原料固形分濃度を高めると、固形分濾過速度が向上し、ケーキ水分含有量が最小限に抑えられ、より均質なケーキが生成されます。これらはいずれも望ましい結果です。原料固形分濃度を高めることが現実的でない場合は、前処理工程で凝集剤を添加することで同様の効果が得られます。凝集剤の最適な添加量は、スラリーの 粘度をモニタリングすることで見つけることができます。

均一なケーキが望ましいのは、原料スラリーが薄すぎると層状化により濾過ケーキの水分含有量が高くなるためです。均一なケーキを得るための最小原料濃度は、スラリーサンプルを観察することで決定されます。急速な沈降が起こると、形成される濾過ケーキは均一ではなく、濾過速度が低下します。[ 5 ]

水平ベルトプレスフィルターのケーキ排出最小厚さは約5mmである。[ 5 ]

ベルトプ​​レスフィルターの機能にはベルトの選択が重要であり、様々な材質と織り方から選択できます。ベルトプレスフィルターのフィルタークロスは、所望の濾液の透明度を維持しながら、可能な限り目開きを高くする必要があります。プレコートを使用する場合は、プレコートの損失を防ぐ必要があります。軽いクロスはより透明な濾液を生み出し、目詰まりもそれほど起こりませんが、耐久性と寿命は重いクロスよりも大幅に短くなります。[ 5 ]シームレスベルトとシームベルトの両方が利用可能です。シームベルトはシーム部分が摩耗しやすく、ローラーとドクターブレードの摩耗を引き起こします。ジッパータイプとクリッパータイプのシームベルトも利用可能で、ジッパータイプは切れ目が少ないため寿命が長くなります。シームレスベルトは寿命が最も長くなりますが、より高価です。また、ベルトプレスがシームレスベルトと互換性があることを確認する必要があります。[ 9 ]

原料スラリーの温度を上げると、液相の粘度が低下します。これは濾過速度の向上とケーキ水分の減少に寄与するため、有益です。脱液ケーキに乾燥蒸気を通すことで残留水分の温度を上げるなど、他の乾燥方法を用いることでも同様の利点が得られます。[ 5 ]

ケーキ洗浄が必要な場合、または最終的なケーキ水分が重要なパラメータとなる場合、ケーキの厚さを制御または制限する必要がある場合があります。ケーキ洗浄時間が支配的な要因となる場合、排出に必要な最小ケーキ厚さに達したときに最大濾過速度が得られます。洗浄に必要な時間は、ケーキ厚さの比の2乗に比例して増加します。例えば、ケーキの厚さが2倍になると、洗浄時間はおよそ4倍になります。

必要な後処理システム

ベルトプレスフィルターでは、まれな状況を除き、完全に透明なろ液を得ることはできません。そのため、ろ液を再利用または廃棄物として排出する前に、さらなる処理が必要になる場合があります。フィルターが清澄装置または濃縮装置の下流にある場合、ろ液（および洗浄水）を清澄装置に再循環させることで、必要なろ液の透明度を下げ、より耐久性のある布を使用できるようになります。リサイクルまたは再利用が不可能な場合は、ろ液は法律およびライセンス要件に従って排出する必要があります。排出前に、浄化された水のさらなる処理（ろ過または化学処理）が必要になる場合があります。[ 5 ]

フィルターケーキは通常、固形分濃度が十分に高いため、プロセスへの再循環、埋立／堆肥化、焼却など、あらゆる処分方法に対応できます。ベルトプレスフィルターから得られるフィルターケーキは、ポリマー含有量が高いため、他の脱水プロセスで発生する塩化第二鉄と石灰で調整されたケーキよりも、上記の処分方法に適しています。[ 9 ]

最近の開発

ベルトプレスフィルター技術における重要な開発には、3本のベルトを使用した布の開発とV折りベルトなどがあります。布の開発には、異なる種類の糸を組み合わせてそれぞれの利点を組み合わせた二重織りが含まれます。[ 5 ]従来のワイヤーベルトよりも長寿命で耐久性の高い二重織りワイヤーベルトも利用可能です。[ 13 ]

3本のベルトを用いたベルトプレスフィルターは、独立した速度制御が可能で、加圧ゾーンと重力ゾーンに異なるベルトタイプを採用しています。[ 8 ] [ 14 ]これにより、フィルターシステムは、希釈された供給汚泥（供給固形物濃度1.5%未満）で発生する高い水力負荷にも対応できます。3ベルトシステムは、機械的な複雑さを犠牲にすることで、生産速度とケーキ固形物濃度の両方においてより効率的です。[ 8 ]

V折りベルトはベルトフィルタープレスに似ていますが、主な違いは中心線に沿って折り畳まれた単一のベルトのみを使用することです。この技術はまだ広く実証されていません。最終的な乾燥重量固形分含有量は通常9～13%で、これは競合技術よりも低い値です。現在、この技術は小規模用途（ベルトの最大サイズが0.75mであるため、1時間あたり約3000Lのスラリー処理）に適しています。V折りベルトは設置面積が小さく、エネルギーと洗浄水の消費量が少なく、資本コストと運用コストが低いという利点があります。また、自己追跡機能を備え、さまざまな組成の汚泥を処理できるため、オペレーターの介入が少なくて済みます。[ 15 ]

参照

参考文献

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  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v wバイオソリッド技術ファクトシート：ベルトフィルタープレス、米国環境保護庁、2000年
  3. ^ a b http://www.china-blackstone.com Archived 6 October 2017 at the Wayback Machine , Zhengzhou Black Stone Machinery Co. LTD., 2012, 1 October 2013
  4. ^ a b c d http://www.beltfilterpress.com、Komline-Sanderson、2013年、「ベルトフィルタープレス」、Komline-Sanderson Engineering Corporation、ピーパック、米国、2013年10月2日閲覧
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p R. Perry, D. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook , 8th edition, McGraw-Hill, 2007, New York
  6. ^ Mohanty, MK Wang, Z. Huang, Z., Hirschi, J., 2004,スチールベルトフィルターの脱水性能の最適化, 石炭準備ジャーナル, 24:53 68
  7. ^ a b c d e Sparks, T.,固液ろ過 - コストと環境への影響を最小限に抑え、品質と生産性を最大化するためのユーザーガイド、Elsevier、ポートランド、2012
  8. ^ a b c http://www.beltfilterpress.com、Komline-Sanderson、「GRSシリーズIII Kompressベルトフィルタープレス」、Komline-Sanderson、2013年10月1日
  9. ^ a b c d e f設計情報レポート：ベルトフィルタープレス、米国環境保護庁、1986年
  10. ^ a b c d Richard A. Poduska PE Ph.D. & BH Collins Jr.,ベルトフィルタープレスの動作を決定するための簡単な実験室技術, Environmental Technology Letters, 1980, 1:12, p. 547-556
  11. ^ a b c d e Oliver, J. および Vaxelaire, J.,ベルトフィルタープレスによる都市汚泥の脱水：運転パラメータの影響, Journal of Chemical Technology and Biotecnology, 2005, 80, p. 948-953
  12. ^ http://www.acarp.com.au/abstracts.aspx?repId=C14012、Bickert. G、「オーストラリアの石炭処理工場における尾鉱脱水技術」、オーストラリア石炭協会研究プログラム、報告書番号C14012、2004年、2013年10月2日閲覧
  13. ^ http://spirofil-averinox.com/product-groups/synthetic-woven-belts 2013年7月24日アーカイブ、 Wayback MachineよりSpirofil-Averinox, 2012, "Synthetic Woven Belts & Synthetic Filter Cloth", Spirofil-Averinox, 2013年10月2日閲覧
  14. ^ http://www.engamerica.com/uploaded/Doc/BDP_Belt_Filter_Press.pdf、BDP Industries、「Model 3DPTM Belt Filter Press」、BDP Industries New York、米国、2013年10月2日閲覧
  15. ^ Young. D, Ochre. P, Kuijvenhoven. K, V折りベルト脱水技術、第31回クイーンズランド州水道産業ワークショップ - 運用スキル、セントラル・クイーンズランド大学、2006年
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