JP2012176363A - 汚泥分離モジュールおよび汚泥分離システム - Google Patents

Abstract

【課題】膜モジュールの有効面積を維持しつつ、低コスト化を図ることができる汚泥分離モジュールおよびそれを用いた汚泥分離システムを提供することである。
【解決手段】本発明に係る汚泥分離モジュール３００およびそれを用いた汚泥分離システム１００においては、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａにノズル３１０を備える。ノズル３１０は、膜モジュール３２０の原水導入側の略全面に原水を噴射する。
【選択図】図２

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汚泥分離モジュールおよびそれを用いた汚泥分離システムに関する。

従来から、汚泥等の個液分離に関しては、平膜型、チューブラー型の膜モジュールを処理槽内に浸漬して圧力をかけることにより濾過水を得る方式が提案されている。

例えば、特許文献１には、被処理水の濾過水量を十分に確保しやすい浄化槽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記載の浄化槽の運転方法では、濾過膜の多数を並設した膜分離装置を内装するとともに、濾過膜の下方に散気管を設けた膜分離槽を形成してある浄化槽の運転方法であって、予め被処理水を膜分離槽との間で移流、返送可能な脱窒素槽を設け、脱窒素槽から膜分離槽に定常的に被処理水を供給する被処理水供給装置を設け、被処理水供給装置から膜分離槽に過剰に供給された被処理水を脱窒素槽に返送する返送路を設けておき、散気管に常時空気供給するとともに、濾過膜から濾液回収を行う稼働状態と、濾液回収を停止する稼働停止状態とを繰り返す第一工程、および、第一工程における稼働停止状態の時間よりも長く濾過膜から濾液回収を停止する第二工程を交互に繰り返すものである。

また、特許文献２には、長期間にわたって安定した運転を可能にする浸漬型膜分離装置の運転方法について開示されている。

特許文献２記載の浸漬型膜分離装置の運転方法では、被処理水を活性汚泥により処理する処理槽に設置された中空糸膜モジュールによる被処理水の濾過工程と、濾過方向とは逆方向に洗浄水を中空糸膜モジュールに流して中空糸膜モジュールを逆流水洗浄する逆洗工程と、を繰り返し行う浸漬型膜分離装置の運転方法であって、逆洗工程は、塩素又は酸を含む洗浄水を中空糸膜モジュールに流して中空糸膜モジュールを逆流水洗浄する薬液逆洗工程と、薬液逆洗工程後に、清澄水を中空糸膜モジュールに流して中空糸膜モジュールを逆流水洗浄する水逆洗工程と、を備えることを特徴とするものである。

特開平９−９４５９１号公報 特開２０１０−２４７１２０号公報

このように、特許文献１の浄化槽およびその運転方法は、濾過時にエアーを常時または間欠的に供給し、気泡を固形物質に衝突させて剥離して膜の目詰まりを起こりにくくするものである。
また、特許文献２の浸漬型膜分離装置の運転方法は、二次側（濾過経路側）にエアーを供給しつつ、薬液と共に逆洗浄を行うものである。

以上のように、特許文献１または２に記載の各運転方法のいずれも、エアーを利用した洗浄を実施している。エアーを使用する場合、気泡の大きさ、または数量等を制御する必要がある。
当該エアーの供給を制御するためには、散気管等の装置が別途必要となりコストが上昇する。また、エアーを供給するためのコンプレッサおよびボンベ等が別途必要となるため、さらにコストが上昇する。特に、エアー供給に関してはランニングコストが極めて高くなり、汚泥分離システムにおける大きな問題である。

本発明の目的は、膜モジュールの有効面積を維持しつつ、低コスト化を図ることができる汚泥分離モジュールおよびそれを用いた汚泥分離システムを提供することである。

（１）
一局面に従う汚泥分離モジュールは、原水に含まれる汚泥を膜モジュールにより分離する汚泥分離モジュールにおいて、膜モジュールの原水導入側にノズルを備える。ノズルは、膜モジュールの原水導入側の略全面に原水を噴射する。

この場合、汚泥分離モジュールは、膜モジュールに対して原水を噴射するので膜モジュールの原水導入側（膜エレメントの入口）に堆積する汚泥の塊をノズルの噴射による物理的剪断力で除去することができる。したがって、濾過時の有効面積を維持することができるため、透過流束を高く維持することができる。
その結果、膜モジュールの有効面積を維持でき、さらにエアーを利用しないため、汚泥分離システムにおける低コスト化を図ることができる。

（２）
汚泥分離モジュールにおいて、膜モジュールは、濾過膜を筒状に形成した中空糸状膜をケーシング内に複数収納されてもよい。

この場合、膜モジュールが中空糸状膜からなるので、中空糸状膜の開口部側においてノズルの噴射による大きな物理的剪断力を発生させることができる。したがって、濾過時の有効面積を維持することができる。なお、この場合中空糸状膜の開口部は、ノズルの噴射方向と垂直な面に配設される。

（３）
汚泥分離モジュールにおいて、膜モジュールの原水排出側から原水導入側へ原水が循環されるバイパス配管が設けられていることが好ましい。

この場合、バイパス配管により膜モジュールの原水排出側から原水導入側へ原水が循環されるので、バイパス配管を流れて還流された水の勢いを利用してノズルからより強く噴射することができる。

（４）
汚泥分離モジュールにおいて、ノズルは、第１導入口および第２導入口を備え、第１導入口は、噴出口に流通し、第２導入口は、噴出口の噴出先方向に設けられたディフューザ流路の導入口側に設けられてもよい。

この場合、ノズルの第１導入口から導かれた原水は、噴出口から噴射され、当該噴出口から噴射された原水の周囲に第２導入口から導入されたノズル周辺の水が合わされ、ディフューザ流路において高圧かつ高流量の水流として、膜モジュールの原水導入側の略全面に噴射することができる。その結果、膜モジュールの原水導入側に堆積する汚泥の塊をノズルの噴射による物理的剪断力で除去することができる。
特に、第１導入口が循環ポンプから送られてくる原水の流路に直結され、バイパス配管によりノズル周辺に水を還流させて、さらに当該水を第２導入口へ流入させた場合、当該ノズルの噴射による大きな物理的剪断力を発生させることができる。

（５）
汚泥分離モジュールにおいて、ノズルは、原水の噴射領域を決定する噴射領域ガイドを有し、噴射領域ガイドにより決定された原水の噴射領域が、膜モジュールの原水導入側の略全面の領域と一致してもよい。

この場合、ノズルから噴射された原水が、膜モジュールの原水導入側の略全面の領域と一致するので、噴射された原水が勢いを維持したまま膜モジュールの原水導入側の略全面の領域に噴射することができる。その結果、原水の勢いによる物理的剪断力を最大限に利用することができる。

（６）
汚泥分離モジュールにおいて、ディフューザ流路は、噴射領域ガイドからなってもよい。

この場合、ディフューザ流路は、噴射領域ガイドからなるので、噴射領域を決定しつつ、膜モジュールの原水導入側に対して、高圧力の原水を噴射することができる。

（７）
他の局面に従う汚泥分離システムは、原水に含まれた汚泥を分離する汚泥分離モジュールを用いた汚泥分離システムにおいて、膜モジュールの原水導入側にノズルを備える。ノズルは、膜モジュールの導入側の略全面に原水を噴射する。

この場合、汚泥分離システムでは、原水を噴射し、膜モジュールの原水導入側（膜エレメントの入口）に堆積する汚泥の塊をノズルの噴射による物理的剪断力で除去する汚泥分離モジュールを用いるので、汚泥の分離効率を高く維持することができる。
その結果、膜モジュールの有効面積を維持でき、さらにエアーを利用しないため、汚泥分離システムにおける低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る汚泥分離モジュールを用いた汚泥分離システムの一例を示す模式図である。 汚泥分離モジュールの一例を示す模式的断面図である。 汚泥分離モジュールのノズルを説明するための模式的断面図である。 汚泥分離モジュールのノズルを説明するための模式的斜視図である。 実施例と比較例との結果を示す模式図である。 実施例と比較例との結果を示す模式図である。 膜モジュールの他の例を示す模式図である。 膜モジュールのさらに他の例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、汚泥分離モジュールを用いた汚泥分離システム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汚泥分離モジュールを用いた汚泥分離システムの一例を示す模式図である。

図１に示すように、汚泥分離システム１００は、原水経路２００、汚泥分離モジュール３００および濾過水経路４００を備える。

（原水経路）
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、逆止弁２０５、ニードル弁２１２，２１３、第１主配管２５０、第２主配管２５１および戻し配管２５４を含む。

また、図１の濾過水経路４００は、濾過水タンク４０１、濾過用ポンプ４０２、逆洗ポンプ４０３、圧力計４０４、濾過水流量計４０５、洗浄水流量計４０６、逆止弁４０７、濾過水配管４５０および逆洗配管４５１を含む。

また、汚泥分離モジュール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。当該汚泥分離モジュール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の他端が汚泥分離モジュール３００の入口側に接続される。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、逆止弁２０５、ニードル弁２１３、流量計２０３および圧力計２０４が介挿される。

第２主配管２５１の一端側は、汚泥分離モジュール３００の出口側に接続され、第２主配管２５１の他端側は、原水タンク２０１に接続される。

（原水経路の戻し配管）
戻し配管２５４の一端側は、逆止弁２０５より汚泥分離モジュール３００の入口側の第１主配管２５０に接続され、戻し配管２５４の他端側は、原水タンク２０１に接続される。また、戻し配管２５４には、ニードル弁２１２が介挿される。なお、当該戻し配管２５４は、第１主配管２５０内を流れる原水の流量を調整できるよう設けられている。詳細は、後述する。

（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、汚泥分離モジュール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、圧力計４０４、濾過用ポンプ４０２、流量計４０５、および逆止弁４０８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の他端が圧力計４０４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４０３、逆止弁４０７および洗浄水流量計４０６が介挿される。

（濾過動作時の流れ）
図１に示すように、汚泥分離システム１００において濾過動作を行う場合、循環ポンプ２０２が駆動され、原水タンク２０１から原水が第１主配管２５０内を流れる。
この場合、第１主配管２５０に介挿されたニードル弁２１３と、戻し配管２５４に介挿されたニードル弁２１２との開閉を制御することにより、第１主配管２５０を流れる原水の流量を調整することができる。

そして、流量が調整された原水は、循環ポンプ２０２、逆止弁２０５、ニードル弁２１３、流量計２０３、圧力計２０４を通過し、汚泥分離モジュール３００で濾過が行われる。
汚泥分離モジュール３００において濾過された水は、濾過水経路４００へ移動され、濾過されず残った原水の一部は、第２主配管２５１内を流れて原水タンク２０１へ戻る。

また、濾過用ポンプ４０２が駆動され、汚泥分離モジュール３００内の膜モジュール３２０のケーシング３３０（図２参照）内が負圧にされる。その結果、膜エレメント３２１（図２参照）の内側にかかる原水の正圧および膜エレメント３２１の外側に生じる負圧により濾過を行い、効率よく濾過水を得ることができる。濾過水経路４００へ与えられた濾過水は、濾過水配管４５０内を流れ、圧力計４０４、流量計４０５および逆止弁４０８を介して濾過水タンク４０１に貯留される。

（逆洗浄時の流れ）
図１に示すように、汚泥分離システム１００において逆洗浄動作を行う場合、逆洗ポンプ４０３を駆動され、濾過水タンク４０１から濾過水が、逆止弁４０７、洗浄水流量計４０６を介して逆洗配管４５１内を流れ、次いで、圧力計４０４を介して、濾過水配管４５０内を流れ、汚泥分離モジュール３００に供給される。

汚泥分離モジュール３００に供給された濾過水は、第２主配管２５１を介して原水タンク２０１に戻される。

（汚泥分離モジュールの構造）
続いて、汚泥分離モジュール３００の構造について説明する。図２は、汚泥分離モジュール３００の一例を示す模式的断面図であり、図３および図４は、汚泥分離モジュール３００のノズル３１０を説明するための模式図である。

図２に示すように、汚泥分離モジュール３００は、主にノズル３１０、膜モジュール３２０、ケーシング３３０、およびバイパス配管３４０を含む。
また、図３および図４に示すように、ノズル３１０は、第１導入口３１１、第２導入口３１２、第１噴出口３１３およびディフューザ流路３１４を含む。

図２に示すように、膜モジュール３２０は、ケーシング３３０内に収容される。膜モジュール３２０は、複数の中空糸の膜エレメント３２１からなる。なお、図示していないが、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａおよび原水排出側３２０ｂは、いずれも接着、または互いの膜エレメント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３２０に原水が流れＦ２５０の方向で流入される。そして、図３に示すように、第１導入口３１１から第１噴出口３１３を通して、噴射流Ｆ３１１が生成される。
一方、第１噴出口３１３の周囲には、第２導入口３１２が設けられており、第２導入口３１２の周囲には、後述するバイパス配管３４０から還流された原水が存在する。

図３に示すように、噴射流Ｆ３１１の流れに従って、バイパス配管３４０から還流された原水が第２導入口３１２から流れＦ３１２の方向に導入される。そして、噴射流Ｆ３１１と流れＦ３１２とが合わさって、ディフューザ流路３１４から高圧力の流れＦ３１４として噴射される。
ディフューザ流路３１４は、図２および図３に示すように、ディフューザ流路３１４から噴射される高圧力の流れＦ３１４の噴射領域が、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａの膜エレメント３２１の開口面（断面方向）が存在する領域と一致するように形成されている。

その結果、高圧力の流れＦ３１４は、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａ（膜エレメント３２１の入口）に対する物理的剪断力を発生させる。それにより、汚泥が膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａに蓄積されない。

そして、高圧力の流れＦ３１４が膜モジュール３２０の各膜エレメント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として排出される。

一方、濾過されない原水は若干ずつ濃縮されながら、膜モジュール３２０の原水排出側３２０ｂにおいて、一部がバイパス配管３４０を通して流れＦ３４０となり、第２導入口３１２の近傍に充満され、残りが第２主配管２５１に流れＦ２５１の方向に排出される。

ここで、本実施の形態に係る汚泥分離モジュール３００における流れおよび噴射流れの割合は、流れＦ２５０は１０リットルの場合に、流れＦ４５０は１リットルであり、流れＦ２５１は９リットルであり、流れＦ３１４は、４０リットルであり、流れＦ３４０は３０リットルである。

（実施例）
本発明に係る汚泥分離システム１００の実験を行った。本実験においては、膜エレメント３２１として、日本ノリット株式会社（ＮＯＲＩＴ）製のＭＦ（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）膜、１３ＰＥ、Ｆ４８３５を１０８本用いた。当該膜形状は、中空糸であり、中空糸内径は５．２ｍｍであり、内径膜材質は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる。
さらに、噴射用のノズル３１０としてスプレーイングシステムスジャパンのタンクミキシングエダクタ（Ｙ３３１８０−ＰＰ）を用いた。
また、原水の排水浮遊物質（ＳＳ）濃度は、９７００ｍｇ／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、１０Ｌ／ｍｉｎの定量吐出となるように、ニードル弁２１３およびニードル弁２１２を用いて調整を行った。
さらに濾過ポンプ４０２として、兵神装備株式会社（ＮＹ１５）を用いた。
また、濾過用ポンプ４０２は、１Ｌ／ｍｉｎの設定流量となるようインバータ制御を行った。
さらに逆洗ポンプ４０３として、荏原製作所製（ＭＤＰＡ４０）を用いた。また、逆洗ポンプ４０３は、１Ｌ／ｍｉｎの設定流量となるよう、インバータ制御を行った。

実施例における逆洗浄動作の頻度は、１９分間濾過動作を行った後、１分間の逆洗浄動作を行う条件に設定した。

（比較例）
比較例においては、上記の実施例の汚泥分離システム１００における汚泥分離モジュール３００のノズル３１０を取り外し、同一条件で実施した。

図５および図６は、実施例と比較例との結果を示す模式図である。

図５の縦軸は原水圧力（ＭＰａ）を示し、横軸は透水時間（ｍｉｎ）を示す。
また、図６の縦軸は、透過流束（ｍ／Ｄ）を示し、横軸は透水時間（ｍｉｎ）を示す。

図５の結果から、実施例の汚泥分離モジュール３００を用いた場合、比較例と比べて、濾過経時における圧力上昇を大きく抑制できたことがわかる。
また、図６の結果から、実施例の汚泥分離モジュール３００を用いた場合、比較例と比べて、濾過経時における透過流束の低下を大きく防止できたことがわかる。

（他の例）
なお、上記の実施の形態において、汚泥分離モジュール３００として、ノズル３１０を１個用いることとしたが、これに限定されず、図７および図８に示すように、ノズルを複数個用い、個々の領域を分担させてもよい。図７においては、霧のいけうち製（株式会社いけうち （ＪＪＸＰ−ＰＰ））の７個のノズルを用い、それぞれ領域ＡＲ１，〜，領域ＡＲ７に対して噴射領域を有する。また、図８においては、霧のいけうち製（株式会社いけうち （ＶＶＰ−ＰＰ））１１個のノズルを用い、それぞれ領域ＡＲ１，〜，領域ＡＲ１１に対して噴射領域を有する。

また、上記のように、ノズル３１０は、ディフューザ流路３１４を有することとしたが、これに限定されず、汚泥蓄積を防止し得る充分な圧力で原水を噴出することができる任意のノズルであれば用いることができる。

さらに、本実施の形態においては、膜モジュール３２０として円筒形の膜モジュール３２０を例示したが、これに限定されず、図８に示すように、角筒形状であってもよく、他の任意の形状であってもよい。
また、本実施の形態において説明した中空糸のチューブ型に限定されず、他のプリーツ型、スパイラル型、モノリス型の膜モジュール３２０であってもよい。

なお、本実施の形態においては、濾過水を逆洗浄動作に使用することとしているが、これに限定されず、薬剤、薬液等を水に混合、または薬剤、薬液等を単独で使用してもよい。

以上のように、本実施の形態に係る汚泥分離モジュール３００およびそれを用いた汚泥分離システム１００においては、ノズル３１０を用いて膜モジュール３２０に対して原水を噴射するので、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａに堆積する汚泥の塊をノズル３１０の噴射による物理的剪断力で除去することができる。したがって、膜モジュール３２０の有効面積を維持することができるため、透過流束を高く維持することができる。その結果、膜モジュール３２０の膜エレメント３２１の有効面積を維持できる。さらにエアーを利用しないため、汚泥分離システム１００における低コスト化を図ることができる。

また、ノズル３１０の第１導入口３１１から導かれた原水は、ノズル３１０の第１噴出口３１３から噴射され、当該第１噴出口３１３から噴射された原水の周囲に第２導入口３１２から導入された原水が合わされ、ディフューザ流路３１４において高圧かつ高流量の原水として、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａの略全面に噴射することができる。その結果、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａに堆積する汚泥の塊をノズル３１０の噴射による物理的剪断力で除去することができる。

また、バイパス配管３４０により膜モジュール３２０の原水排出側３２０ｂから第２導入口３１２へ原水が循環されるので、原水排出側３２０ｂを流れる原水の流速を有効利用することができる。
さらに、ディフェーザ流路３１４によりガイドされた原水の噴射領域が、膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａの略全面の領域と一致するので、効率よく噴射された原水を膜モジュール３２０の原水導入側３２０ａの略全面に噴射することができる。

本発明においては、膜モジュール３２０が膜モジュールに相当し、汚泥分離モジュール３００が汚泥分離モジュールに相当し、原水導入側３２０ａが原水導入側に相当し、ノズル３１０がノズルに相当し、第１導入口３１１が第１導入口に相当し、第２導入口３１２が第２導入口に相当し、第１噴出口３１３が噴出口に相当し、ディフューザ流路３１４がディフューザ流路およびに相当し、バイパス配管３４０がバイパス配管に相当し、汚泥分離システム１００が汚泥分離システムに相当する。

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 汚泥分離システム
３００ 汚泥分離モジュール
３１０ ノズル
３１１ 第１導入口
３１２ 第２導入口
３１３ 第１噴出口
３１４ ディフューザ流路
３２０ 膜モジュール
３２０ａ 原水導入側
３４０ バイパス配管

Claims (7)

1. 原水に含まれる汚泥を膜モジュールにより分離する汚泥分離モジュールにおいて、
   前記膜モジュールの原水導入側にノズルを備え、
   前記ノズルは、前記膜モジュールの原水導入側の略全面に前記原水を噴射することを特徴とする汚泥分離モジュール。
2. 前記膜モジュールは、濾過膜を筒状に形成した中空糸状膜をケーシング内に複数収納されたことを特徴とする請求項１記載の汚泥分離モジュール。
3. 前記膜モジュールの原水排出側から前記原水導入側へ当該原水が循環されるバイパス配管が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の汚泥分離モジュール。
4. 前記ノズルは、第１導入口および第２導入口を備え、
   前記第１導入口は、噴出口に流通し、
   前記第２導入口は、前記噴出口の噴出先方向に設けられたディフューザ流路の導入口側に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の汚泥分離モジュール。
5. 前記ノズルは、原水の噴射領域を決定する噴射領域ガイドを有し、
   前記噴射領域ガイドにより決定された原水の噴射領域が、前記膜モジュールの原水導入側の略全面の領域と一致することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の汚泥分離モジュール。
6. 前記ディフューザ流路は、前記噴射領域ガイドからなることを特徴とする請求項５記載の汚泥分離モジュール。
7. 前記請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の汚泥分離モジュールを用いたことを特徴とする汚泥分離システム。