JP2006101805A

JP2006101805A - 中空糸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

Info

Publication number: JP2006101805A
Application number: JP2004295215A
Authority: JP
Inventors: Akira Era; 彰恵良; Masahiro Eguchi; 正浩江口
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】長期的に安定して高負荷処理を達成し、中空糸膜型バイオリアクターを実用化する。
【解決手段】処理槽内の被処理液に浸漬され上下が開口したケーシングと、ケーシングの内部に配置されたガス透過性を有する複数の中空糸膜と、中空糸膜の内部にガスを供給するガス供給手段と、ケーシングの下方に設置され中空糸膜の外部にガスを供給する散気手段とを有し、中空糸膜の外表面には、中空糸膜の内部に供給されるガスを利用する生物膜が形成されるとともに、中空糸膜の外部に供給されるガスにより、ケーシングの内部に上向流が生じ、ケーシングの外部に下向流が生じる構成となっている中空糸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、中空糸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中空糸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。

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、ＭＡＢＲ法の性能を決定する要因とその要因を阻害する条件等について検討した。ＭＡＢＲ法の性能を決定する最も大きな要因は、膜内部から液側へのガス溶解速度である。ガス溶解速度は膜液体界面におけるせん断力が重要な要因であり、液の攪拌が激しいほど、ガス溶解速度が大きくなることが知られている。また、攪拌が不十分であると、生物膜が過剰に肥大化し、膜同士が集合してしまう結果、排液中の被処理物質との接触効率が低下し、処理性能が低下する。これまでの報告例では、ポンプによる循環や攪拌機などの機械攪拌が試されているが、大規模装置への適用を鑑みた場合には、動力エネルギーが高額となり、本来の省エネルギー型装置という特徴を発揮できない。また、膜面に均一にせん断力を加えることが困難であり、スケールアップが難しい。

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上向流を伴うエアレーションを行うことで、安定した高負荷処理を達成しつつ、そのエアレーションのための動力を極めて低い動力に抑えることができることを見出した。

すなわち本発明に係る中空糸膜型バイオリアクターは、処理槽内の被処理液に浸漬され上下が開口したケーシングと、該ケーシングの内部に配置されたガス透過性を有する複数の中空糸膜と、該中空糸膜の内部にガスを供給するガス供給手段と、前記ケーシングの下方に設置され前記中空糸膜の外部にガスを供給する散気手段とを有し、前記中空糸膜の外表面には、中空糸膜の内部に供給されるガスを利用する生物膜が形成されるとともに、前記中空糸膜の外部に供給されるガスにより、ケーシングの内部に上向流が生じる構成となっていることを特徴とするものからなる。

このような構成を有する中空糸膜型バイオリアクターにおいては、ケーシング下方の散気手段からの曝気により、ケーシング内には、エアリフト流により上向流が発生し、ケーシングの外部には下向流が形成される。併せて、バブリングの効果によって、膜面に高いせん断力をかけることできる。その結果、中空糸膜内部からのガスに対しては高いガス溶解速度が得られるとともに、膜面に形成された生物膜を適正な厚みに安定して保つことができるようになる。

処理槽内の混合、攪拌を良好とし、ケーシング内の上向流速を高くするためには、ケーシングの投影面積と槽底面面積の比率が重要である。該比率としては、１：２〜１：４程度が好ましい。また、中空糸膜外面での液流速としては10cm/S以上が好ましい。ケーシングの投影面積に対する散気手段からの曝気風量は、10〜100ｍ／ｈ程度が好ましい。さらに、ケーシング内部の中空糸膜の充填率が高すぎると、液流速に対して抵抗となるため、高い液流速を得ることが難しくなる。したがって、充填率としては、５〜50％程度が好適である。この処理槽内に設置するケーシングと中空糸膜は複数組でもよく、容易にスケールアップを行うことができる。

この本発明に係る中空糸膜型バイオリアクターは、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の研究では想像できないものであった。しかし、高負荷条件で適量のエアレーションの併用であれば、従来の単なるエアレーション（単なる曝気）に関わる費用の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。本発明により、従来の生物処理装置に比較して圧倒的（５〜10倍）に高負荷、省スペースで処理を行うことが可能になり、エアレーション動力費用が1/10程度にできる画期的なＭＡＢＲの実用化が可能となる。

本発明に係る膜型バイオリアクターにおいては、上記ガス供給手段と散気手段により供給されるガスを同一のガスとすること、つまり、中空糸膜の内部と外部に同一のガスが供給することができ、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、上記ガス供給手段と散気手段により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用いることができ、酸素を必要とする好気性のＢＯＤ処理や硝化処理を従来法の10倍以上の負荷で処理することが可能である。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、上記処理槽内の該処理槽と上記ケーシングの間に、適切な下降流の流路が形成されていることが好ましい。これにより、ケーシング内に生じた上向流が、処理槽内上部で円滑に下降流へと転換し、散気手段により供給されるガスにより、処理槽内に望ましい攪拌用循環流が生じる。

本発明に係る液体処理方法は、このような中空糸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。

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。すなわち、散気手段により供給されるガスによるエアリフト効果により、小さな動力をもって高い上向流流速が得られ、望ましい攪拌効果が得られる。また、中空糸膜面への気泡の接触による、肥大化した生物膜の洗浄効果が期待される。さらに、スケールアップも容易である。これらにより、従来、課題であった攪拌動力費用を削減でき、かつ、長期間にわたって安定した高い処理性能を得ることができる。

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中空糸膜型バイオリアクター１を示している。処理槽２には被処理液３が供給され、処理槽２内の被処理液３中に、上下が開口したケーシング４が浸漬されている。このケーシング４の内部に、ガス透過性を有する複数の中空糸膜５と上下に延びるように配置されている。図１には一つのケーシング４のみ示してあるが、必要に応じて複数並設することにより、容易にスケールアップをはかることができる。中空糸膜５には、例えば、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）が用いられる。複数の中空糸膜５に対し、ガス供給手段としてのコンプレッサー６を用い、該中空糸膜５の内部にガスが供給される。ケーシング４の下方には、中空糸膜５の外部にガスを供給する散気手段としての散気管７が設置され、ブロワ８を用い散気管７を介して例えば空気が気泡状態で供給される。

上記中空糸膜５の外表面には、中空糸膜５の内部に供給されるガスを利用する生物膜（図示略）が形成されるとともに、上記中空糸膜５の外部に供給されるガスにより、ケーシング４の内部に上向流９が生じる構成となっている。ケーシング４と処理槽２の内面との間には、下降流用の十分な流路面積を有する流路１０が形成されており、上記上向流９はケーシング４の上方で方向転換して下降流１１とされる。これによって処理槽２内の液が適切に循環されるとともに、とくにケーシング４の内部で望ましい攪拌効果が得られる。被処理液３は、この中空糸膜型バイオリアクター１で処理された後、処理液１２として排出される。

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。

比較のために、図２に従来の中空糸膜型バイオリアクターの一例を示すが、この中空糸膜型バイオリアクター２１では、図１の中空糸膜型バイオリアクター１に比べ、中空糸膜の外部へのエアレーション系は設けられていない。コンプレッサー２２から供給されたガスが中空糸膜２３の内部に供給され、中空糸膜２３内部に供給されたガスは、気泡となることなく、膜細孔より液中へ溶解していく。中空糸膜２３の外表面には、生物膜が形成されており（図示略）、溶解したガスを利用し、液中の被処理物質（有機物、窒素化合物など）を分解する。図示例では、容器２４の下部から、被処理液２５が流入し、処理液２６は上部から流出する。また、循環ポンプ２７により、容器２４上部から容器２４下部へと容器２４内の被処理液が循環され、容器２４内に上向流速を生起させることで、膜表面にせん断力を加えるようになっている。

図１に示した本発明に係る中空糸膜型バイオリアクター１においては、中空糸膜内部へのガスの供給機構については、図２に示した従来装置と同様であるが、ブロワ８から供給されたガスは、散気管７を介して、気泡として液中に供給される。この際、気泡がケーシング４内に均一に分散するように、散気管７が可能な限り密に配置されていることが好ましい。該気泡の供給により、エアリフト流（上向流）が生起され、中空糸膜表面にせん断力が加えられる。このとき、気泡の上昇およびエアリフト流はケーシング４によって制限されるので、効果的に、中空糸膜外表面にせん断力を加えることができるわけである。一方、ケーシング４の外部では、下降流が生起され、処理槽内全体は非常によく混合される。好気性ＢＯＤ処理を例に挙げると、一般にＢＯＤ１ｇの分解に必要な酸素は、0.5ｇ程度とされている。散気手段（気泡）からの酸素供給量は、1/10〜1/5に過ぎず、残りは膜面から（無気泡で）供給される。つまり、小さな動力で、効果的な攪拌、中空糸膜外表面の洗浄、それによる生物膜の適切な厚みの維持が可能になり、長期間にわたって安定した処理性能が得られる。

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。

符号の説明

１本発明に係る膜型バイオリアクター
２処理槽
３被処理液
４ケーシング
５中空糸膜
６ガス供給手段としてのコンプレッサー
７散気手段としての散気管
８ブロワ
９上向流
１０下降流用の流路
１１下降流
１２処理液
２１従来の膜型バイオリアクター

Claims

処理槽内の被処理液に浸漬され上下が開口したケーシングと、該ケーシングの内部に配置されたガス透過性を有する複数の中空糸膜と、該中空糸膜の内部にガスを供給するガス供給手段と、前記ケーシングの下方に設置され前記中空糸膜の外部にガスを供給する散気手段とを有し、前記中空糸膜の外表面には、中空糸膜の内部に供給されるガスを利用する生物膜が形成されるとともに、前記中空糸膜の外部に供給されるガスにより、ケーシングの内部に上向流が生じる構成となっていることを特徴とする中空糸膜型バイオリアクター。
前記ガス供給手段と前記散気手段により供給されるガスが同一のガスである、請求項１の中空糸膜型バイオリアクター。
前記ガス供給手段と前記散気手段により供給されるガスが空気または酸素である、請求項１または２の中空糸膜型バイオリアクター。
前記ガス供給手段と前記散気手段により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または２の中空糸膜型バイオリアクター。
前記処理槽内の該処理槽と前記ケーシングの間に、下降流の流路が形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の中空糸膜型バイオリアクター。
請求項１〜５のいずれかに記載の中空糸膜型バイオリアクターを用いて被処理液を処理することを特徴とする液体処理方法。