JP2011056384A - 膜分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理槽内で発生するクロスフロー流による膜ユニットの膜面洗浄効果を高める膜分離装置を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の膜分離装置１０は、処理槽１２内に複数の平膜を前記処理槽１２の底面から離間させて浸漬し被処理水を膜分離する膜ユニット３０と、前記膜ユニット３０の下部から散気する散気手段２０と、を備え、前記膜ユニット３０の上面開口面積をａとし、前記膜ユニット３０の下部吸い込み部の総面積をｂとしたとき、上面開口面積ａと下部吸い込み部の総面積ｂの比率ａ／ｂが１．５〜２．８の範囲を満たすことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に下水及び工業排水などの被処理水を満たした処理槽に浸漬配置され、処理後の被処理水を膜分離する膜分離装置に関する。

従来の膜分離式水処理装置は、次のような目的で膜分離装置の下部に散気手段を設けて気泡を発生させている（例えば特許文献１〜３に示す）。
第１の目的は好気槽内を好気性に維持することである。活性汚泥による生物学的な好気処理には酸素が必要なため、散気によって酸素を補給して好気槽内の被処理水中の溶存酸素濃度を高く維持することができる。

第２の目的は膜分離装置の分離膜を洗浄することである。平膜の膜面には膜分離によって活性汚泥や種々の懸濁物質が付着、堆積し、そのまま放置すると分離膜の透過性が次第に低下するので、膜面の洗浄を目的として散気が行われる。すなわち、膜分離装置の下方から散気された空気泡は浮力によって上昇する。その上昇過程で平膜の膜面に対して剪断力を付与し、膜面に付着、堆積した懸濁物質を剥離させることができる。

第３の目的は好気槽内に被処理水の循環流を形成することである。散気された空気泡の上昇力及び膜間水路内に気液混合液と、その外部液体との密度差を駆動力として、膜分離装置内では被処理水の上向流が生じ、膜分離装置の下方から被処理水が吸い込まれる。膜分離装置の上方に押し出された被処理水は次に流路を下降し、再び膜分離装置の下方から吸い込まれる。この被処理水の循環過程で被処理水と活性汚泥とが十分に混合、接触し、活性汚泥による好気処理が活発に進行する。

第３の目的で示す上向流（クロスフロー流）は、十分な流速が確保できない場合や膜分離装置内に複数配置された平膜と平膜の間で不均一が生じると膜面へ懸濁物質が蓄積してろ過圧力が増加し、膜面から被処理水を得ることが困難となる。

特開２００１−１６２１４１号公報 特開平８−５７２６９号公報 特開平１１−５７４２６号公報

一般に、クロスフロー流は散気手段から気泡発生量を増加させることで流速の向上が見込めるものの、浸漬型の膜分離装置では、クロスフロー流の流速の向上に伴って散気手段の汚泥等の吸い込む領域の吸い込み抵抗が増加して吸い込み後の流れが乱れてしまう。このため、当該各膜間水路へのクロスフロー流の不均一化を招き、平膜に懸濁物質が付着する箇所が残ってしまい、十分な洗浄効果が得られずろ過能力が低下するおそれがある。

また、汚泥が吸い込む領域の開口面積を大きく設定することも考えられてきたが、開口面積を大きくとると逆に吸い込み流速が低下して、被処理水中の懸濁物質が膜分離装置の周辺下部に堆積して腐敗することになる。腐敗した懸濁物質は、装置のメンテナンス時に舞い上がり平膜に付着して目詰まりを促進する要因となっていた。
そこで本発明は、処理槽内で発生するクロスフロー流による膜ユニットの膜面洗浄効果を高める膜分離装置を提供することを目的としている。

本発明の膜分離装置は、処理槽内に複数の平膜を前記処理槽の底面から離間させて浸漬し被処理水を膜分離する膜ユニットと、前記膜ユニットの下部から散気する散気手段と、を備えた膜分離装置であって、前記膜ユニットの上面開口面積をａとし、前記膜ユニットの下部吸い込み部の総面積をｂとしたとき、上面開口面積ａと下部吸い込み部の総面積ｂの比率ａ／ｂが１．５〜２．８の範囲を満たすことを特徴としている。

膜分離装置の下部に設けた散気手段から供給される気泡の上昇に伴って形成されるクロスフロー流を効率的に形成することで、膜分離装置の周辺下部への懸濁物質の堆積及び腐敗を防止しながら膜面洗浄効果を高めることでろ過圧力の増加を抑えることができる。
従って、膜ユニットによるろ過水量を増加させることができる。また膜の薬品洗浄によるメンテナンスの頻度を低減することができる。

本発明の膜分離装置の構成概略図である。 本発明の膜分離装置の説明図である。 底部流速とａ／ｂの関係を示す図である。 ろ過圧力と運転日数の関係の説明図である。

本発明の膜分離装置の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の膜分離装置の構成概略図である。
図示のように、膜分離装置１０は、処理槽１２内に設置している。処理槽１２は流入管１４を介して供給された被処理水１６を満たした好気槽であり、槽内には所定量の活性汚泥１８が保持されている。活性汚泥１８は複合微生物が含まれたものである。複合微生物としては、一例として硝化細菌群、脱窒細菌群、嫌気性アンモニア酸化細菌群などがある。さらに、純粋菌株として、例えば硝化細菌、脱窒細菌、嫌気性アンモニア細菌、アオコ分解菌、ＰＣＢ分解菌、ダイオキシン分解菌、環境ホルモン分解菌などが含まれる。

膜分離装置１０は膜ユニット３０と、散気手段２０を主な構成要件としている。
膜ユニット３０は、処理槽１２の被処理水１６中に浸漬されている。膜ユニット３０は、両面に分離膜を張った複数の矩形の平膜３２を一定の間隔を空けて並べて形成されている。隣り合う平膜同士の隙間は４〜１０ｍｍ程度である。また、各平膜３２の両側の側面は揃えられるとともに、側面に側板を接合して複数の平膜３２を一体化させている。これにより平膜３２の側面方向は封止され、上端及び下端が開口（上部開口３８，下部開口３９）され、平膜３２の間に形成された複数の隙間は矩形の断面形状を有する。各平膜３２の外部は被処理水１６に接し、内部は排出管４０を介して処理水吸引ポンプ４２と接続されている。処理水吸引ポンプ４２で吸引することにより平膜３２の外部と内部との圧力差を発生させ、被処理水１６から活性汚泥１８と処理水とを固液分離し、処理水を平膜３２内部に透過させ、処理水吸引ポンプ４２を通じて系外に排出する。このとき活性汚泥は平膜３２の分離膜に堆積していく。この堆積の厚みが大きいほど単位面積当たりの分離膜の分離効率が低下する。

膜ユニット３０の下部には、支持脚５０及びケーシング６０が形成されている。
図２は本発明の膜分離装置の説明図である。図示のように支持脚５０は、膜ユニット３０の底面の四隅に接続し、膜ユニット３０の底面が処理槽１２の底面から所定の高さを維持するように支持している。なお本実施形態では支持脚５０を膜ユニット３０底面の四隅に４本接続した構成を示しているが、支持脚５０は膜ユニット３０を処理槽１２の底面から所定の高さに維持することができる構成であれば、その他の構成を採用することもできる。

ケーシング６０は、支持脚５０と膜ユニット３０の接続部を囲む筒状に形成している。ケーシング６０を設けることにより後述する散気手段２０からの上昇する気泡が膜ユニット３０の底面から側部へ流出することを防止し、膜ユニット３０の底面から気泡を流れ込み易くすることができる。

処理槽１２内には溶存酸素を被処理水１６中に溶解させる目的で微細な空気泡（不図示）を放出可能な散気手段２０が配設されている。散気手段２０はブロワ２２と散気管２４からなり、ブロワ２２から空気を供給し、散気管２４から微細な空気泡を放出して処理槽１２中の溶存酸素濃度を高濃度に維持することができる。散気管から放出される空気の量は、上面開口面積１ｍ^２当たり１．３〜２．０ｍ^３／ｍｉｎが好適である。また処理槽１２に保持される活性汚泥１８は溶存酸素を呼吸しつつ、被処理水１６中に含まれるアンモニアを硝酸性窒素にする好気処理を行うことができる。本発明の散気手段２０は、処理槽１２を平面視したとき、上方に膜ユニット３０が配置されている箇所に取り付けている。

上記構成による膜分離装置１０において、膜ユニット３０の上下開口３８，３９とクロスフロー流速の関係について以下説明する。
処理槽１２内では、散気手段２０の散気により、膜分離装置１０内において図１に示すようなクロスフロー流（矢印Ａ）が発生する。クロスフロー流は、膜ユニット３０の平膜３２間を通過したのち上部開口３８から流れ出ると、水面に沿って処理槽１２の側面へ移動し（矢印Ｂ）、ついで側面を上下方向に向かって流れる下降流（矢印Ｃ）となる。そして側面を沿って移動した下降流が膜ユニット３０の下部開口へ流れ込む。このとき流れ込む領域は、処理槽１２の底面から所定の高さに取り付けた膜ユニット３０の底面までの側面領域、換言すれば膜ユニット３０の４本の支持脚５０で形成された立方体の側面領域（下部吸い込み部）となる。下部吸い込み部へ流入した被処理水（矢印Ｄ）は、散気により再度クロスフロー流（矢印Ａ）となる。

このような処理槽１２の被処理水の循環経路において、図示のような例えば箱状の膜ユニット３０の場合、上部開口３８から排出される被処理水の面積、即ち上面開口面積ａは、膜ユニット３０の一方の辺（開口部内側寸法）をＷ１、他方の辺（開口部内側寸法）をＬ１とすると、Ｗ１×Ｌ１となる。

また膜ユニット３０の下部開口３９へ流れ込む被処理水の面積は、前述の膜ユニット３０の４本の支持脚５０で形成された立方体の側面領域（下部吸い込み部）の総面積ｂとなる。下部吸い込み部の総面積ｂは、支持脚５０間の一方の辺をＷ２、他方の辺をＬ２、処理槽１２の底面からケーシング６０の下端までの距離をＨ１とすると、Ｈ１×Ｗ２×２＋Ｈ１×Ｌ２×２となる。

なお上面開口面積ａ及び下部吸い込み部の総面積ｂは、膜ユニットの形状により各面積の求め方が異なり、上面開口面積ａは膜ユニットから排出される領域の面積とし、下部吸い込み部の総面積ｂは膜ユニットに流れ込む領域の総面積と定義する。従って例えば円筒状の膜ユニットであれば、上面開口面積ａは、上面の円形状の領域であり、下部吸い込み部の総面積ｂは高さＨ１とする円筒の外表面の領域となる。

次に上面開口面積ａと下部吸い込み部の総面積ｂの比率ａ／ｂについて以下説明する。
図３は底部流速とａ／ｂの関係を示す図である。具体的には、Ｗ１＝Ｗ２＝１８０ｍｍ、Ｌ１＝Ｌ２＝１２００ｍｍ、散気の空気量＝０．３ｍ^３／ｍｉｎ（上面開口面積１ｍ^２当たり１．３９ｍ^３／ｍｉｎ）とし、距離Ｈ１を変化させ実験した結果である。同図は縦軸を底部流速（ｍ／ｓ）とし、横軸をａ／ｂとし、ａ／ｂを１から３まで変化させたときの底部流速の関係を示したグラフである。図示のようにａ／ｂを１から３まで増加していくと、ａ／ｂが２．０から２．５の範囲で最大流速となる下向きの放物曲線となる。また一般的な生物反応タンクにおいて、活性汚泥の沈降防止に必要とされる底部流速０．１（ｍ／ｓ）以上が得られるａ／ｂの範囲は１．５〜２．８の範囲となる。

ここでａ／ｂ＝１．０は従来の膜分離装置であり、従来の膜分離装置は、下部吸い込み部の総面積ｂが広すぎるため、吸い込み流速が低下することが考えられる。そこで下部吸い込み部の総面積ｂを１以上とすると吸い込み領域が狭められて、槽内を循環してきた被処理水が吸い込まれる単位面積当たりの吸い込み流量が従来の膜分離装置と比べて多くなるため底部流速が上がったものと考えられる。

一方、ａ／ｂが３の場合には、下部吸い込み部の総面積ｂが小さすぎるため被処理水及び活性汚泥の混合液の吸い込み抵抗が増加し、底部流速は低下してしまう。
そこで上面開口面積ａと下部吸い込み部の総面積ｂの比率ａ／ｂの範囲は、底部流速０．１（ｍ／ｓ）以上となる１．５〜２．８の範囲であることが望ましい。

図４はろ過圧力と運転日数の関係の説明図である。同図の縦軸はろ過圧力（ｋＰａ）を示し、横軸は運転日数（日）をそれぞれ示している。従来の膜ろ過装置（ａ／ｂ＝１．０）は初期稼働時のろ過圧力１０ｋＰａから約２日でろ過圧力２０ｋＰａに達している。一方、本発明の膜分離装置（ａ／ｂ＝２．０）は、初期稼働時から４日でろ過圧力２０ｋＰａに達しており、ろ過圧力の増加率を従来の膜分離装置と比べて約半分に低減することができる。これは、図３に示すように底部流速の実測結果が汚泥沈降防止に必要とされる底部流速０．１ｍ／ｓを確保できているため、槽底部への腐敗汚泥の堆積を防止できたことによる効果である。

このような本発明の膜分離装置によれば、膜分離装置の下部に設けた散気手段から供給される気泡の上昇に伴って形成されるクロスフロー流を効率的に形成することで、膜分離装置の周辺下部への懸濁物質の堆積及び腐敗を防止しながら膜面洗浄効果を高めることでろ過圧力の増加を抑えることができる。

１０………膜分離装置、１２………好気槽、１４………流入管、１６………被処理水、１８………活性汚泥、２０………散気手段、２２………ブロア、２４………散気管、３０………膜ユニット、３２………平膜、３８………上部開口、３９………下部開口、４０………排出管、４２………処理水吸引ポンプ、５０………支持脚、６０………ケーシング。

Claims (1)

1. 処理槽内に複数の平膜を前記処理槽の底面から離間させて浸漬し被処理水を膜分離する膜ユニットと、
   前記膜ユニットの下部から散気する散気手段と、
   を備えた膜分離装置であって、
   前記膜ユニットの上面開口面積をａとし、前記膜ユニットの下部吸い込み部の総面積をｂとしたとき、上面開口面積ａと下部吸い込み部の総面積ｂの比率ａ／ｂが１．５〜２．８の範囲を満たすことを特徴とする膜分離装置。