脱水と清澄化の本質は懸濁液の固液分離です。脱水は液相を固相から分離することであり、清澄化は液相から固相を除去することです。濃縮は懸濁液中の固相の濃度を高めることであり、分級は懸濁液中の異なる粒径の粒子を、ある臨界粒径dkpに基づいて、dkpより大きい粒子とdkpより小さい粒子の2つのグループに分けることです。分離は、一般的に2つの混ざらない液相の分離を指します。液液2相が連続相である場合、2相の分離は密度のみに関係します。一方が連続相で、もう一方が分散相である場合は、エマルジョンの分離となります。エマルジョンの2相分離は、密度差だけでなく、分散相の液滴サイズ、表面張力などの要因にも関係しており、分離は困難です。遠心分離は物理的なプロセスであり、分離の難易度は材料の材質と遠心分離機の分離特性に依存します。
1. 遠心脱水
遠心脱水には、濾過遠心分離機と沈降遠心分離機の2種類があります。
濾過遠心分離機は、フィルタースクリーンや網などのろ材を用いて、遠心力の作用で固形粒子をろ材上に保持し、液体をろ材を通して排出することで固液分離を行います。このタイプの機械は、消費電力が少なく、ろ過ケーキを洗浄でき、固形粒子の脱水率が高いという特徴があります。固液密度差が小さく、粒子サイズがミクロン以上の材料粒子に適しており、供給液の固形分濃度は30%～60%まで許容されます。
脱水工程中に結晶などの材料粒子が破壊されることを許容する場合は、スクレーパーアンロード式遠心分離機を選択できます。結晶などの材料粒子が破壊されないようにする場合は、ピストンアンロード式、手押し式、遠心アンロード式の遠心分離機を選択できます。脱水性能は、材料自体の吸水性に加えて、遠心分離機の分離係数、分離時間、フィルターメッシュの目開き、材料の多孔度、粘度、表面張力、フィルターケーキ層の疎水性などにも関連しています。
固形分濃度が低い、粘度が高い、粒子サイズが細かい、または非晶質菌糸体の場合、フィルター遠心分離機は一般的に適していません。粒子が細かすぎるとフィルターを通過しやすく、材料漏れが発生します。フィルターが細かすぎると疎水性が悪くなり、機械の処理能力と粒子の脱水性能が低下します。非晶質菌糸体と油性粒子はフィルターを詰まらせやすいです。これらの材料には、フィルターなしの沈降遠心分離機の使用をお勧めします。
沈降遠心分離機は、固相と液相の密度差を利用します。遠心分離において、固相は密度が大きく、遠心分離機ドラムの内壁に沈降します。沈降物はドラム内のスパイラルコンベアを通して機械外に排出されます。液相は密度が小さく、ドラムの中央に集まり、オーバーフローポートから流出することで、固液分離と脱水の目的を達成します。このタイプの機械は分離係数が高く、フィルターがありません。固液分離は、2つの相の密度差を利用します。特に、非晶質菌糸体、油性スラッジ、高粘度微粒子に適しています。
このモデルは、原料中の固形分濃度を高くする必要はありません。様々な材料の固形分濃度は、1％～40％（質量分率）の範囲で調整可能です。粒子径はミクロン以上です。しかし、このタイプの機械は沈殿物の洗浄効果が低く、濾過遠心分離機よりもエネルギー消費量が多く、脱水効果も濾過遠心分離機よりも劣ります。
2. 遠心分離
清澄化とは、大量の液相から少量の固相を除去することを指します。医薬品、食品、飲料などの業界で広く使用されています。物質の固形分含有量が少なく、粒子径が小さいため、分離にはより高い分離係数を持つディスク式分離機または管状遠心分離機を使用する必要があります。場合によっては、精密フィルターや膜分離機も使用されます。
3. 遠心濃縮
濃縮により、懸濁液中の固形分濃度を高めることができます。例えば、元の懸濁液中の固形分濃度が0.5% ds（質量分率、dsは乾燥固形分、絶乾固形分を指します）の場合、重力沈降、遠心沈降、またはろ過により、固形分濃度は3%～5% ds増加します。このプロセスは濃縮プロセスです。濃縮プロセス中に液相は大幅に減少します。
例えば、都市下水処理場における汚泥濃縮の場合、固形分濃度0.5% dsの二次汚泥100m³を5% dsまで濃縮する場合、固形分濃度を5% dsにするには、二次汚泥100m³から90m³の液体を除去する必要があります。これにより、その後の汚泥脱水量が大幅に削減され、選定する脱水機の機種とサイズもそれに応じて縮小されます。一般的に使用される遠心濃縮機には、水平スパイラルアンロード沈降遠心分離機、ディスクノズルスラグセパレーター、ハイドロサイクロン、回転式スクリーン濃縮機などがあります。
4. 遠心分級
粒子分級は、懸濁液中の粒子の大きさの違いに基づいており、粒子の沈降速度も異なります。異なる沈降速度を用いて懸濁液中の粒子を粒子サイズに応じて2つ以上の粒子群に分ける方法は湿式分級と呼ばれ、ガス媒体を用いて粒子分級する方法は乾式分級と呼ばれます。
湿式遠心分級の一般的な機種には、水平スパイラルアンロード沈降遠心分離機があります。このタイプの機械のスパイラル排出口は十字形の長溝状になっており、機械供給管の出口位置を軸方向に前後に移動させることで、粒子の沈降時間を調整できます。固相と液相の密度差と分級に必要な臨界粒径dkpに応じて、適切な分離係数、差速、および供給管の出口位置を選択することにより、dkpより大きい粒子は沈殿物として沈降し、ドラムの小端にあるスラグ排出口から排出されます。一方、dkpより小さい粒子は液相に留まり、液相に沿ってドラムの大端にあるオーバーフロー口から排出されます。これにより、連続的な粒子分級が実現されます。良好な分級効果を得るには、懸濁液の固液比を適切にするとともに、分級工程中に適切な量の分散剤を添加することで、小さな粒子の凝集を防ぐ必要があります。
処理量が極めて少ない粒子分級には、三脚式沈降遠心分離機を選択できますが、分離係数が低いため、より小さな粒子を分級することはできません。
5. 遠心分離
遠心分離とは、液液、液液固の二相または三相分離を指します。ただし、各相は互いに混ざり合わない不均質系でなければなりません。分離原理は、相間の密度差を利用することです。一般的な用途としては、食用油の加工における油水分離と油石鹸分離、燃料油および潤滑油の精製における油水スラグ分離などがあります。使用される遠心分離機には、ディスク型手動スラグ分離機とディスク型ピストンスラグ分離遠心分離機があります。パーム油、コールタール、オリーブオイルの精製における油水スラグ分離には、水平スパイラルアンロード式三相遠心分離機が主に使用されます。医薬品、食品、飲料における液液分離および液液固分離には、処理能力が小さいため、一般的に管状分離機が使用されます。