JP2012176343A - 膜濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜モジュールの濾過性能低下を抑え、かつ膜モジュールによる汚泥分離を効率化することができる膜濾過装置を提供することである。
【解決手段】本発明に係る膜濾過装置１００は、原水タンク２０１から膜モジュール３００まで循環ポンプ２０２により汚泥原水が送られ、該汚泥原水を濾過することができる。また、バイパス配管２５２から膜モジュール３００を経由して戻し配管２５３から原水タンク２０１へ原水を循環させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜モジュールを使用して原水タンクの汚泥原水を濾過する膜濾過装置に関する。

従来から、下水または産業排水等に対して、種々の汚泥処理装置が用いられている。当該汚泥処理の工程において、溶解性有機成分を餌に微生物が増殖する。その結果、いわゆる汚泥が発生する。

近年、汚泥処理装置の一方式として、膜濾過が用いられている。例えば、特許文献１には、膜濾過排水処理装置に用いられる膜モジュールの中空糸膜の内側に付着・堆積する汚泥量を軽減できる膜濾過排水処理装置およびその運転方法について開示されている。

特許文献１記載の膜濾過排水処理装置では、被処理排水を膜モジュールによって膜ろ過する膜濾過排水処理装置において、膜モジュールの両端に設けられた供給口に、被処理排水を交互に切り替えて供給する配管系を設けたことを特徴とするものである。

特開２０００−６１６４７号公報

以上のように、特許文献１記載には、膜濾過排水処理装置が、供給側に２つの供給口を設け、バルブの切替えにより供給流路を変更することで中空糸膜の内側に付着・堆積する汚泥量を軽減できると記載されている。

しかしながら、特許文献１記載の膜濾過排水処理装置では、膜モジュールにおいて、汚泥を凝集させることを防止し、交互に非処理排水を切り替えているため、汚泥は、細かく細分化される。また、循環タンク内に攪拌機を設けているため、細かい汚泥は、沈殿されることなく、再度供給側に供給されてしまうという問題が生じ、膜モジュールのみに着目すれば、有効であるが、膜濾過装置全体として、着目すると効率が低下し、問題が発生する。

本発明の目的は、膜モジュールの濾過性能低下を抑え、かつ膜モジュールによる汚泥分離を効率化することができる膜濾過装置を提供することである。

（１）
一局面に従う膜濾過装置は、中空糸膜エレメントを複数収納した膜モジュールを使用して原水タンクの汚泥原水を濾過する膜濾過排水処理装置において、少なくとも原水タンクから膜モジュールの入口までを接続する主配管と、主配管に介挿され、汚泥原水を送るポンプと、膜モジュールの入出口間をバイパスするバイパス配管と、主配管からバイパス配管への流入を制御するバイパスバルブと、バイパスバルブより膜モジュールの入口側の主配管から原水タンクまでを接続する戻し配管と、戻し配管の流入を制御する戻しバルブと、を備えたものである。

本発明における膜濾過装置は、原水タンクから膜モジュールまでポンプにより汚泥原水が送られ、該汚泥原水を濾過することができる。また、バイパス配管から膜モジュールを経由して戻し配管から原水タンクへ原水を循環させることができる。

この場合、原水を用いて膜モジュールの洗浄を行うことができる。その結果、膜モジュールの濾過性能低下を抑え、かつ膜モジュールによる汚泥分離を効率化し、結果的に単位期間当たりに得られる透過水量の増大を図ることができる。
さらに、濾過水を利用しないため、濾過効率の低下を防止することができる。

（２）
膜濾過装置において、ポンプおよび膜モジュールの間に介挿された圧力計と、バイパスバルブおよび戻しバルブの開閉を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。

この場合、制御部は、圧力計の数値に応じてバイパスバルブおよび戻しバルブの開閉を制御する。すなわち、圧力計の数値が所定の数値よりも高い場合、膜モジュールが詰まっていると考えられ、バイパス配管から膜モジュールを通過して戻し配管へ原水が流れるように、バイパスバルブおよび戻しバルブの開閉を制御することができる。

（３）
膜濾過装置において、主配管の採水口が、原水タンクの中間の深さ位置に設けられていてもよい。

この場合、原水タンクの中間の深さ位置に主配管の採水口が設けられているので、汚泥を多く含む原水を採水することを防止することができる。特に、原水タンクは、エアレーション等の撹拌が無く、原水が静置されているため、汚泥を多く含む原水を採水することを防止することができる。

（４）
膜濾過装置において、戻し配管には、汚泥除去装置が介挿されてもよい。

この場合、戻し配管に汚泥除去装置が介挿されているので、膜モジュールの詰まりを発生させた汚泥を汚泥除去装置で取り除くことができる。したがって、汚泥の塊を原水タンクへ戻すことを防止できる。

（５）
膜濾過装置において、バイパスバルブおよび戻しバルブの開閉を制御する制御部をさらに備えてもよい。

この場合、制御部は、所定期間においてバイパスバルブおよび戻しバルブの開閉を制御する。すなわち、膜モジュールの詰まるタイミングが判明している場合、当該所定期間において膜モジュールが詰まると考えられ、予め所定期間で、バイパス配管から膜モジュールを通過して戻し配管へ原水が流れるように、バイパスバルブおよび戻しバルブの開閉を制御することができる。

本発明の一実施の形態に係る膜濾過装置の一例を示す模式図である。 膜モジュールの内部構造の一例を示す模式的断面図である。 膜濾過装置における制御部の動作を示すフローチャートである。 膜濾過装置を使用した場合の透過流速変化を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態においては、膜濾過装置の一例を示しつつ説明を行う。

（一実施の形態）
まず、図１は、本発明の一実施の形態に係る膜濾過装置の一例を示す模式図である。

図１に示すように、膜濾過装置１００は、原水経路２００、膜モジュール３００、濾過水経路４００および制御部５００を備える。制御部５００には、エアーコンプレッサが内蔵される。

図１の原水経路２００は、原水タンク２０１、循環ポンプ２０２、流量計２０３、圧力計２０４、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１２，ＡＶ２１４，ＡＶ２１５、第１主配管２５０、第２主配管２５１、バイパス配管２５２および戻し配管２５３を含む。

また、図１の濾過水経路４００は、濾過水タンク４０１、逆洗ポンプ４０２、流量計４０３，エアーオペレーションバルブＡＶ４１１，ＡＶ４１２、濾過水配管４５０および逆洗配管４５１を含む。

また、膜モジュール３００は、原水経路２００および濾過水経路４００の間に設けられ、原水経路２００を流れる原水から濾過水経路４００へ濾過水を受け渡す機能を有する。当該膜モジュール３００の詳細については後述する。

（原水経路の主配管）
次いで、原水経路２００の詳細について説明する。原水経路２００は、原水タンク２０１に第１主配管２５０の一端側（採取口）が接続され、第１主配管２５０の他端が膜モジュール３００の原水導入側３２０ａ（図２参照）に接続される。なお、第１主配管２５０の一端側（採取口）は、原水タンク２０１の鉛直方向深さの約１／３から２／３までの深さ位置に配設される。
また、第１主配管２５０には、循環ポンプ２０２、流量計２０３、圧力計２０４およびエアーオペレーションバルブＡＶ２１１が介挿される。

第２主配管２５１の一端側は、膜モジュール３００の原水排出側３２０ｂ（図２参照）に接続され、第２主配管２５１の他端側は、原水タンク２０１に接続される。第２主配管２５１には、エアーオペレーションバルブＡＶ２１２が介挿される。

（原水経路のバイパス配管）
図１の圧力計２０４およびエアーオペレーションバルブＡＶ２１１の間の第１主配管２５０にバイパス配管２５２の一端側が接続され、バイパス配管２５２の他端側は、エアーオペレーションバルブＡＶ２１２より膜モジュール３００の原水排出側３２０ｂ（図２参照）の第２主配管２５１に接続される。

（原水経路の戻し配管）
戻し配管２５３の一端側は、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１より膜モジュール３００の原水導入側３２０ａ（図２参照）の第１主配管２５０に接続され、戻し配管２５３の他端側は、原水タンク２０１に接続される。戻し配管２５３には、エアーオペレーションバルブＡＶ２１５が介挿される。

（濾過経路）
次いで、図１の濾過水経路４００の詳細について説明する。濾過水配管４５０の一端側は、２つに分岐されており、当該分岐された配管は、膜モジュール３００に接続され、濾過水配管４５０の他端側は、濾過水タンク４０１に接続される。
また、濾過水配管４５０には、流量計４０３およびエアーオペレーションバルブＡＶ４１１が介挿されている。
さらに、濾過水タンク４０１の底側に、逆洗配管４５１の一端が接続され、逆洗配管４５１の他端が流量計４０３よりも濾過水タンク４０１側の濾過水配管４５０に接続される。
逆洗配管４５１には、逆洗ポンプ４０２およびエアーオペレーションバルブＡＶ４１２が介挿される。

（膜モジュールの構造）
続いて、膜モジュール３００の構造について説明する。図２は、膜モジュール３００の一例を示す模式的断面図である。

図２に示すように、膜モジュール３００は、主に膜エレメント３２０およびケーシング３３０からなる。膜エレメント３２０は、複数の中空糸の膜３２１からなる。なお、図示していないが、膜モジュール３００の原水導入側３２０ａおよび原水排出側３２０ｂは、いずれも接着、または互いの膜３２１の隙間を閉塞する構造を有する。

図２に示すように、膜モジュール３００に流れＦ２５０の方向で原水が流入される。流れＦ２５０が膜モジュール３００の各膜３２１を通過しつつ濾過され、濾過水は濾過水配管４５０に流れＦ４５０の方向に排出される。

一方、原水は若干ずつ濃縮されながら、膜モジュール３００の原水排出側３２０ｂから第２主配管２５１に流れＦ２５１の方向に排出される。

続いて、図１に示した膜濾過装置１００の動作について説明する。図３は
膜濾過装置１００における制御部５００の動作を示すフローチャートである。

まず、図３に示すように、制御部５００は、循環ポンプ２０２を駆動する（ステップＳ１）。制御部５００は、圧力計２０４の数値を取得する（ステップＳ２）。そして、制御部５００は、圧力計２０４の数値が所定の値を超えたか否かを判定する（ステップＳ３）。

（汚泥除去動作）
ステップＳ３の処理において、制御部５００は、圧力計２０４の数値が所定の値を超えたと判定した場合、所定の時間、汚泥除去動作を行い、（ステップＳ４）処理後、後述するステップＳ７へ移動する。
なお、本実施で圧力計２０４の数値に基づいて判定する理由は、圧力計２０４において所定圧力が上昇する現象が、膜モジュール３００内の膜に汚泥が溜まっており、原水の流れに負荷がかかっていることを示すためである。ここで、所定の値とは、濾過動作における圧力計２０４の値の１１０％以上から５００％以下までの範囲の値であり、所定の時間とは、例えば、数秒以上から数時間以下までの間である。

汚泥除去動作において、制御部５００は、内蔵されたエアーコンプレッサを作動し、エアーオペレーションバルブＡＶ２１４，ＡＶ２１５，ＡＶ４１１を開放させ、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１２，ＡＶ４１２を閉塞させる。

この場合、循環ポンプ２０２が駆動され、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１２が閉塞され、エアーオペレーションバルブＡＶ２１４，ＡＶ２１５が開放されているので、原水タンク２０１から第１主配管２５０、バイパス配管２５２、膜モジュール３００、戻し配管２５３および原水タンク２０１まで、原水が循環する。

それにより、濾過動作時に膜モジュール３００内の膜３２１の原水導入側３２０ａに蓄積され、かつ後述する逆洗浄動作において除去できない程度の大きな汚泥の塊を、原水タンク２０１内に戻すことができる。その結果、原水タンク２０１内で汚泥の塊が沈降し、再度原水経路２００に混入する可能性が著しく低くなり、膜モジュール３００による濾過効率を高めることができる。

（濾過動作）
一方、ステップＳ３の処理において、膜濾過装置１００の制御部５００は、作業終了か否かを判定する（ステップＳ５）。そして、作業終了しないと判定した場合、制御部５００は、２０分間濾過動作を行う（ステップＳ６）。
濾過動作において制御部５００は、内蔵されたエアーコンプレッサを作動し、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１２，ＡＶ４１１を開放させ、エアーオペレーションバルブＡＶ２１４，ＡＶ２１５，ＡＶ４１２を閉塞させる。

この場合、循環ポンプ２０２が駆動され、エアーオペレーションバルブＡＶ２１４，ＡＶ２１５が閉塞され、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１２が開放されているので、原水タンク２０１から第１主配管２５０、膜モジュール３００、第２主配管２５１および原水タンク２０１まで、原水が循環する。

そして、循環ポンプ２０２による原水の圧力が膜モジュール３００に加わるため、原水が膜モジュール３００において一部濾過され、濾過水配管４５０、流量計４０３、エアーオペレーションバルブＡＶ４１１を通して濾過水タンク４０１に貯留される。

（逆洗浄動作）
続いて、制御部５００は、２０分の濾過動作後、またはステップＳ４の汚泥除去動作後、膜３２１の微細孔の閉塞物を除去するための逆洗浄動作を行う（ステップＳ７）。逆洗浄動作は、後述する処理を２０秒間実施し、その後ステップＳ１へ戻り処理を繰り返す。

逆洗浄動作において、制御部５００は、内蔵されたエアーコンプレッサを作動し、エアーオペレーションバルブＡＶ２１２，ＡＶ４１２を開放させ、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１４，ＡＶ４１１を閉塞させる。その後、制御部５００は、循環ポンプ２０２を停止させ、逆洗ポンプ４０２を動作させる。

この場合、逆洗ポンプ４０２が駆動され、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１４，ＡＶ４１１が閉塞され、エアーオペレーションバルブＡＶ２１２，ＡＶ４１２が開放されているので、濾過水タンク４０１から逆洗配管４５１、濾過水配管４５０、膜モジュール３００、第２主配管２５１、原水タンクまで濾過水が送られる。

その結果、膜モジュール３００の膜３２１の微細孔につまった汚泥を、濾過水による逆洗浄動作で除去することができる。

以上のように、制御部５００は、一定時間（２０秒）の逆洗浄動作後に、再度濾過動作に入り、圧力計２０４が所定圧力を検知する場合以外、連続して濾過動作および逆洗浄動作を繰り返すことになる。そして、制御部５００は、ステップＳ５の処理において、作業終了と判定した場合には、循環ポンプ２０２を停止し（ステップＳ８）、終了する。

なお、本実施の形態においては、図３のステップＳ２の処理において圧力計２０４の数値を取得し、判定を行ったが、これに限定されず、各流量計の数値をさらに利用してもよい。

また、本実施の形態においては、作業終了をステップＳ５の処理として規定したが、これに限定されず、いずれの処理の段階の前後に配置させてもよい。

なお、本実施の形態においては、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，ＡＶ２１４をそれぞれ設けることとしているが、これに限定されず、３方弁を用いてもよい。

なお、本実施の形態において圧力計２０４の所定の値は、濾過動作における圧力計２０４の値の１１０％以上から５００％以下までの値であることとしているが、これに限定されず、他の任意の数値であってもよい。また、本実施の形態において汚泥除去動作の所定の時間を数秒以上から数時間以下までとしているが、これに限定されず、数秒以上から数月以下までの任意の時間であってもよい。

また、制御部５００は、流量計２０３および圧力計２０４の数値から循環ポンプ２０２および第１主配管２５０の異常を検知するシステムを別途設けてもよい。

（実施例１）
本発明に係る膜濾過装置１００の実験を行った。本実験においては、膜モジュール３００として、日本ノリット株式会社（ＮＯＲＩＴ）製のＭＦ（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）膜、１３ＰＥ、Ｆ４８３５を用いた。当該膜形状は、中空糸であり、中空糸内径は５．２ｍｍであり、収納本数は１０８本であり、内径膜材質は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる。
また、原水の排水浮遊物質（ＳＳ）濃度は、１００００ｍｇ／Ｌに設定した。

さらに、循環ポンプ２０２として、荏原製作所製（ＭＤＰＡ４０）を用いた。また、循環ポンプ２０２は、４０Ｌ／ｍｉｎの定量吐出を行うようインバーター制御を行った。この時、圧力計２０４の初期数値は０．０４ＭＰａであった。

実施例における汚泥除去動作の開始条件（図３ステップＳ３）、すなわち圧力計２０４の所定の数値は、０．０６ＭＰａとし、０．０６ＭＰａを超えた場合、１分間汚泥除去動作（図３ステップＳ４）を実施した後、逆洗浄動作（図３ステップＳ７）に移行するよう制御した。

また、濾過動作時（図３ステップＳ６）において、膜モジュール３００を経由して濾過される濾過水の量は流量計４０３にて計測し、透過流束を積算した。２０分の濾過工程終了後、または汚泥除去動作後に２０秒間の逆洗浄動作（図３ステップＳ７）を実施した。逆洗ポンプ４０２として、荏原製作所製（ＭＤＰＡ４０）を用いた。逆洗時の流量は１．６Ｌ／ｍｉｎとなるよう、インバーター制御を行った。

（比較例１）
比較例１においては、実施例１の膜濾過装置１００を用いて、原水タンク２０１から第１主配管２５０、膜モジュール３００、第２主配管２５１、原水タンク２０１まで戻る方向に連続して２０分動作させた後、２０秒間の逆洗浄動作（図３ステップＳ７）を実施した。以後、連続して濾過動作と逆洗浄動作とを交互に継続させた。

（比較例２）
比較例２においては、２０分毎に自動的に濾過動作（図３のステップＳ６）および汚泥除去動作（図３のステップＳ４）を切り替えて実施した。また、当該切り替えの間には濾過水による逆洗浄動作（図３のステップＳ７）を２０秒間実施して連続運転を行った。

図４は、実施例１、比較例１、比較例２の結果を示す模式図である。

図４に示すように、実施例１の結果から通水日数（Ｄ）が経過しても、透過流速（ｍ／Ｄ）が０．８から低下することを防止できた。
一方、比較例１の結果から、通水日数（Ｄ）が経過するにつれて、膜モジュール３００が詰まるため、４０日経過後、透過流速（ｍ／Ｄ）が０．６２まで、約２０％程度低下した。
さらに、比較例２の結果から通水日数（Ｄ）が経過するにつれて、膜モジュール３００は詰まらずとも、原水タンク２０１内の汚泥が再循環され、４０日経過後、透過流速（ｍ／Ｄ）が０．７まで約１２％程度低下した。

以上のように、本実施の形態に係る膜濾過装置１００においては、原水を用いて膜モジュール３００の洗浄を行うことができる。その結果、膜モジュール３００の濾過性能低下を抑え、かつ膜モジュール３００による汚泥分離を効率化し、結果的に単位期間当たりに得られる透過水量の増大を図ることができる。
さらに、濾過水を利用しないため、濾過効率の低下を防止することができる。

また、制御部５００は、圧力計２０４の所定の値に応じてエアーオペレーションバルブＡＶ２１１，２１４，２１５の開閉を制御することで、膜モジュール３００内の汚泥の塊を除去することができる。

また、本実施の形態に係る膜濾過装置１００においては、濾過動作および逆洗浄動作の繰り返しを実施しつつ、圧力計２０４が所定の数値を超えた場合のみ、さらに汚泥除去動作を実施する。その結果、濾過動作後の逆洗浄動作において膜３２１の微細孔の閉塞を除去することができ、逆洗浄動作において除去できない膜モジュール３００の入口側の汚泥の塊を汚泥除去動作において除去することができる。

さらに、原水タンク２０５の中間の深さ位置に第１主配管２５０の採水口が設けられているので、汚泥を多く含む原水を採水することを防止することができる。

本発明においては、膜モジュール３００が膜モジュールに相当し、原水タンク２０１が原水タンクに相当し、膜濾過装置１００が膜濾過装置に相当し、第１主配管２５０、第１主配管２５０および第２主配管２５１が主配管に相当し、循環ポンプ２０２がポンプに相当し、バイパス配管２５２がバイパス配管に相当し、エアーオペレーションバルブＡＶ２１１，２１４がバイパスバルブに相当し、戻し配管２５３が戻し配管に相当し、エアーオペレーションバルブＡＶ２１５が戻しバルブに相当し、圧力計２０４が圧力計に相当し、制御部５００が制御部に相当する。

本発明の好ましい一実施の形態は上記の通りであるが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

１００ 膜濾過装置
２０１ 原水タンク
２０２ 循環ポンプ
２０４ 圧力計
２５０ 第１主配管
２５１ 第２主配管
２５２ バイパス配管
２５３ 戻し配管
３００ 膜モジュール
５００ 制御部
ＡＶ２１１，ＡＶ２１４，ＡＶ２１５ エアーオペレーションバルブ

Claims (5)

1. 膜モジュールを使用して原水タンクの汚泥原水を濾過する膜濾過装置において、
   少なくとも前記原水タンクから前記膜モジュールの入口までを接続する主配管と、
   前記主配管に介挿され、原水を送るポンプと、
   前記膜モジュールの入出口間をバイパスするバイパス配管と、
   前記主配管から前記バイパス配管への流入を制御するバイパスバルブと、
   前記バイパスバルブより前記膜モジュールの入口側の前記主配管から前記原水タンクまでを接続する戻し配管と、
   前記戻し配管の流入を制御する戻しバルブと、を備えた膜濾過装置。
2. 前記ポンプおよび前記膜モジュールの間に介挿された圧力計と、
   前記バイパスバルブおよび前記戻しバルブの開閉を制御する制御部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力計の数値に応じて前記バイパスバルブおよび前記戻しバルブの開閉を制御することを特徴とする請求項１記載の膜濾過装置。
3. 前記主配管の採水口が、前記原水タンクの中間の深さ位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の膜濾過装置。
4. 前記戻し配管には、汚泥除去装置が介挿されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の膜濾過装置。
5. 前記バイパスバルブおよび前記戻しバルブの開閉を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、所定期間において前記バイパスバルブおよび前記戻しバルブの開閉を制御することを特徴とする請求項１記載の膜濾過装置。