JP2006087310A

JP2006087310A - 膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法

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Publication number: JP2006087310A
Application number: JP2004273397A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Hatanaka; 千秋畑中; Masahiro Eguchi; 正浩江口; Akira Era; 彰恵良
Original assignee: Organo Corp; Institute of National Colleges of Technologies Japan; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】長期的に安定して高負荷処理を達成できる膜型バイオリアクターを提供する。
【解決手段】膜の内部に気体が供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、前記膜の外部にもガスを供給することを特徴とする膜型バイオリアクター、およびそれを用いた液体処理方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法に関し、特に膜の表面に微生物からなる生物膜を固定化し、生物膜を適切な状態に保って排水処理や下水処理の分野、および生物膜を用いた有用物質の生産分野等に好適に適用可能な膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法に関する。

膜、特に中空糸膜の表面に微生物からなる生物膜を固定化し、中空糸膜の内部からガスを供給するバイオリアクター、いわゆるメンブレンエアレーションバイオリアクター（以下、ＭＡＢＲと略称する。）は、研究レベルとしては数多く発表されている（例えば、特許文献１）。主に、有用物質を生産するバイオリアクターの効率化を目指した取り組みとして研究されているが、近年では排水処理、下水処理への適用も試みられている。

従来下水処理、排水処理場などで行われている生物処理は、散気装置などを用いて空気を水槽に供給するエアレーションが実施されているが、ほとんどのエアーは利用されずに泡のまま装置外に出ていくため、通常、酸素利用効率は５〜10％程度である。これに対し、ＭＡＢＲでは気泡を出さずに中空糸膜の外側表面に付着した微生物群からなる生物膜に直接ガスを供給できるため、酸素利用効率が90〜100％となり、上記エアレーションに伴うエネルギーを大幅に削減することが可能である。

ただし、ＭＡＢＲは膜を用いるためコストが高く、実用化するには従来のエアレーション装置よりはるかに高負荷（５〜10倍程度）で処理できることがポイントなる。このため、ＭＡＢＲを用いた高負荷処理の研究が行われており、短期間では高負荷処理を達成しているが、処理性能が長期的に安定しないことが問題となっていた。以上のようなことから、ＭＡＢＲは高負荷、省エネルギーな装置として有望であるが、長期的な性能安定性、コスト面などで課題があり、実用には至っていないのが現実である。
特開平１１−１６２号公報

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、長期的に安定して高負荷処理を達成し、ＭＡＢＲを実用化することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らは、好気性のＭＡＢＲ装置を用いて処理性能が安定せず有機物除去率が悪くなる原因について検討した。この結果、高負荷運転に伴い微生物が増殖し、中空糸膜表面についた生物膜が肥大化し液側（中空糸膜外部）の溶存酸素が不充分で嫌気化していること、および生物膜の過剰な肥大により膜同士がくっつき有効な表面積が激減し、液がショートパスを起こして充分に反応していないことをつきとめた。

そこで、様々な手法を検討した結果、中空糸膜外側の液側にエアレーションを行うことで高負荷条件でも中空糸膜表面の生物膜全体に溶存酸素が行き渡り、好気的条件を維持して有効に生物膜が利用できることを見出した。また、過剰な生物膜を適正な量に維持するために、膜外側エアレーションによるせん断力により剥離・洗浄操作を導入することで、高負荷運転を安定して維持できることを見出した。

すなわち本発明に係る膜型バイオリアクターは、膜の内部に気体が供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、前記膜の外部にもガスを供給することを特徴とするものからなる。膜としては、平膜等中空糸膜以外の膜の使用も可能ではあるが、膜表面に効率よく広い面積にて生物膜を形成して処理するためには、中空糸膜を用いることが好ましい。

この本発明は、ＭＡＢＲの基本理念と背反し気泡によるエアレーションを一部併用することを特徴としており、従来のＭＡＢＲの研究からは類推できないものである。このように膜の外部側においてエアレーションを併用するが、高負荷条件で適量のエアレーションの併用であれば、従来のエアレーションにおける費用の1/10程度に下げながら、高負荷の安定運転が可能であることを見出したものである。

本発明に係る膜型バイオリアクターにおいては、上記膜の内部と外部に同一のガスが供給されることが好ましく、これによって装置全体の簡素化をはかることができる。ただし、必要に応じて、異種のガスを供給することも可能である。

また、上記膜外部へのガス供給圧力としては、膜内部へのガス供給圧力よりも低いことが好ましい。すなわち、膜内部へはある程度の圧力をもってガスを供給することにより、膜の外部側表面の生物膜にガスを適切に供給できるが、膜外部に供給されるガスは、生物膜を形成する微生物にガスを供給することが目的ではなく、膜外側エアレーションによるせん断力により剥離・洗浄操作を導入することで過剰な生物膜の生成を防止し生物膜を適正な量に維持することが目的であるから、供給圧力は不要であり、気泡の浮力を利用したエアレーションでよい。

上記膜の内部と外部に供給されるガスとしては、液体処理の目的に応じたガスを使用できる。本発明は酸素を必要とする通常の好気性のＢＯＤ処理ばかりではなく、硝化処理や無酸素条件での脱窒処理、嫌気処理などにも利用することが可能であり、非常に有用な発明である。供給するガスは、好気性の場合には空気または酸素をを用いることができ、嫌気性の場合は窒素ガス、炭酸ガスなどを、またメタン資化性細菌、水素資化性細菌などを利用する場合は、各々メタンガス、水素ガスを用いることができる。

また、本発明に係る膜型バイオリアクターにおいては、膜の外部に供給されるガスの流量制御手段を有することが好ましく、液体処理の目的に応じて供給ガス量を制御あるいは調節することが好ましい。これによって、必要最小限のランニングコストでの長期安定運転が可能になる。

膜の外部へのガスの供給は、連続的に行うこともでき、間欠的に行うこともできる。連続的に行う場合には、必要に応じて、膜の外部へのガスの供給量を、予め定められた間隔で予め定められた一定時間増加するように制御することもできる。また、被処理液の性状に応じて上記膜の外部へのガスの供給量を制御することもできる。さらに、生物膜の肥大化に伴う被処理液の通液抵抗の増加に応じて、膜の外部へのガスの供給量を制御することもできる。これらにより、生物膜の過剰な成長を適切に抑えることが可能になり、高負荷処理の場合にも、長期間にわたって安定した運転が可能になる。

本発明に係る液体処理方法は、このような膜型バイオリアクターを用いて液体を処理することを特徴とする方法からなる。

本発明に係る膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法においては、膜外側へのエアレーションを併用することにより、従来の単なるエアレーションによる生物処理装置に比較してはるかに高負荷（５〜10倍程度）で、かつ省スペースにて、しかも長期間安定して、所望の液体処理が可能になる。また、エアレーション動力費用についても約1/10程度にできる画期的なＭＢＡＲの実用化が可能となる。

また、本発明は、排水処理や下水処理の分野に限らず、微生物を用いた有用物質生産のためのバイオリアクターにも適用することができる。

このように本発明によれば、従来のＭＡＢＲで問題となっていた高負荷運転時における長期性能安定性の課題を解決することが可能となる。この課題を解決することで、高負荷運転が可能となり、装置の小型化、膜本数を減らすことが可能となり、ＭＡＢＲの実用化が経済的に可能となる。特に、比較的高濃度の排水を処理する工場、または下水処理場のようにばっ気動力費用が膨大な施設においては、ばっ気動力費用を1/10程度に抑えながら高負荷運転を行うことが可能になり、排水処理システムの生物処理を根本的に変えることのできる可能性があり、本発明の実用価値は極めて高い。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る膜型バイオリアクター１を示している。膜型バイオリアクター１内には、多数の中空糸膜２が設けられており、本実施態様では、中空糸膜２には、親水化したポリスルフォン膜（例えば、孔径0.1μm）のデッドエンド型（先端が接着されている）が用いられている。中空糸膜２の内部には、コンプレッサー３を用いて例えば0.5MPaで空気を供給し、膜外部にはブロワー４を用い散気管５を介して空気が気泡状態で供給される。この際、膜型バイオリアクター１内における中空糸膜２への固定化微生物膜と酸素（空気）、原水との接触効率をより高めるために、循環ポンプ６を設置してもよい。被処理液は、例えば原水として原水槽７から供給ポンプ８を介して供給され、膜型バイオリアクター１で処理された後、処理水９として排出される。比較のために、図２に従来の膜型バイオリアクター１１を示すが、図１の膜型バイオリアクター１に比べ、中空糸膜２の外部へのエアレーション系は設けられていない。

本発明に用いるバイオリアクターの中空糸膜としては、孔径0.01〜3μm、好ましくは0.1〜1μm程度の各種多孔性膜（ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、テフロン、シリコンなどの多孔性膜）を用いることができる。さらに、好ましくは膜の表面を親水化処理して、微生物との親和性、およびバブリング圧力を高めたものが好ましい。中空糸膜内部へのガス供給は溶存ガス濃度を高めるためにガス分圧を高くすることができる図１に示したようなコンプレッサー、または高圧ボンベによる供給が好ましい。ただし、ガス供給圧は高すぎると気泡を生じること、また膜の耐圧もあることから、0.01〜2MPa、好ましくは0.03〜0.5MPa程度で供給することが好ましい。膜の外側のガス供給は、通常のエアレーションで実施されているようなブロワーなどを用いることが望ましい。その際、空気LV（空気線速度）で表す空気供給量としては、多すぎると本来のＭＡＢＲの長所である高い酸素利用効率がなくなり、低すぎると本発明の目的を達成できないため、１〜100m/hr、好ましくは2.5〜50m/hrであることが好ましい。

また、安定した長期運転を行うためには、肥大化した生物膜を定期、または不定期に剥離することが望ましいが、膜外側のガスをこの目的のために定常の約1.1〜5倍、好ましくは1.5〜3倍程度の空気LVに増加することが有効である。膜の外部へのガスの供給は、連続的に行うこともでき、間欠的に行うこともできるが、連続的に行う場合において上記のように膜の外部へのガスの供給量を増加する場合には、予め定められた間隔で予め定められた一定時間増加するように制御することが好ましい。このガス供給量を増加する運転時間としては、１〜60分、好ましくは５分〜30分が運転上、効果上で適当である。

本発明の実施例として、原水に表１に示す焼酎粕廃液を用いて、図１に示した装置（膜型バイオリアクター容量2.85Ｌ）で好気性の生物処理を実施した。比較例として図２に示した膜の外側をばっ気をしない従来のＭＡＢＲ装置を用いて実験を行った。通水30日目までは、両系とも処理水の除去率を見ながら徐々に負荷を上げていった。図１の実験系においては、装置が立ち上がった後に膜外側のエアレーションを１日１回５分間のみLVを通常（LV=10）の２倍（LV=20）にし、生物膜の過剰な肥大化を抑制しながら運転をした。

図３に処理水のＴＯＣ濃度（mg/L）の測定結果を示す。両系とも装置の立ち上げも含めて、当初１．５ヶ月程度は通常行われている生物膜処理装置の３倍程度の高負荷運転で順調に処理ができていたが、従来のＭＡＢＲ装置では徐々に処理水質が低下してきた。それに対し、本発明の装置では長期間にわたって安定した処理性能を維持することができた。

本発明の一実施態様に係る膜型バイオリアクターの概略構成図である。従来の膜型バイオリアクターの概略構成図である。図１と図２の装置を用いて行った実験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１本発明に係る膜型バイオリアクター
２中空糸膜
３コンプレッサー
４ブロワー
５散気管
６循環ポンプ
７原水槽
８供給ポンプ
９処理水
１１従来の膜型バイオリアクター

Claims

膜の内部に気体が供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、前記膜の外部にもガスを供給することを特徴とする膜型バイオリアクター。
前記膜が中空糸膜からなる、請求項１の膜型バイオリアクター。
前記膜の内部と外部に同一のガスが供給される、請求項１または２の膜型バイオリアクター。
前記膜外部へのガス供給圧力が膜内部へのガス供給圧力よりも低い、請求項１〜３のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
前記膜の内部と外部に供給されるガスが空気または酸素である、請求項１〜４のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
前記膜の内部と外部に供給されるガスが水素ガス、窒素ガス、炭酸ガス、メタンガスのいずれかである、請求項１〜４のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
前記膜の外部に供給されるガスの流量制御手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
前記膜の外部へのガスの供給量が、予め定められた間隔で予め定められた一定時間増加される、請求項１〜７のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
被処理液の性状に応じて前記膜の外部へのガスの供給量が制御される、請求項１〜８のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
被処理液の通液抵抗の増加に応じて前記膜の外部へのガスの供給量が制御される、請求項１〜９のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
請求項１〜１０のいずれかに記載の膜型バイオリアクターを用いて液体を処理することを特徴とする液体処理方法。