JP2014065008A - 水処理方法および水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】曝気処理を効率的に行うことができる水処理方法および水処理システムを提供する。
【解決手段】本発明の水処理方法は、被処理水を反応槽に導入し曝気処理する工程と、反応槽の槽内水の溶質濃度を高める工程とを有する。槽内水は濃縮手段により溶質濃度を高めることが好ましく、例えば、反応槽からの流出水を濃縮手段により溶質濃度を高めて濃縮水を得て、得られた濃縮水を反応槽に返送することにより槽内水の溶質濃度を高めてもよく、あるいは、反応槽内に設けた濃縮手段により槽内水の溶質濃度を高めてもよい。濃縮手段としては正浸透膜装置を用いることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、曝気処理により被処理水を処理する水処理方法および水処理システムに関する。

従来、微生物存在下で被処理水を曝気処理する活性汚泥法による水処理が広く知られている。曝気処理では、散気装置から空気等の酸素含有ガスを被処理水に供給し、供給された空気中の酸素が被処理水に溶け込んで活性汚泥による生物反応に利用される。曝気処理では、被処理水への酸素溶解効率を高めることが反応を効率的に行う上で重要であり、そのために、曝気処理の際に供給された空気の気泡の大きさを小さくする検討が従来なされてきた。例えば特許文献１には、気泡径の小さい空気を供給できる散気装置として、メンブレン型散気装置が開示されている。

特開２０１１−３６７９１号公報

特許文献１に開示されるように、散気装置の工夫により、曝気処理の際の気泡の大きさを小さくして酸素溶解効率を高めることは可能であるが、曝気処理は一般に多くのエネルギーを要するため、曝気処理の効率化が常に求められている。本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、曝気処理を効率的に行うことができる水処理方法および水処理システムを提供することにある。

上記課題を解決することができた本発明の水処理方法とは、被処理水を反応槽に導入し曝気処理する工程と、反応槽の槽内水の溶質濃度を高める工程とを有するところに特徴を有する。本発明の水処理方法によれば、反応槽の槽内水の溶質濃度を高めることにより、曝気処理の際に供給される気泡の大きさを小さくすることができ、槽内水への酸素溶解効率を高めることができる。その結果、曝気処理の効率化を図ることができる。

槽内水は濃縮手段により溶質濃度を高めることが好ましい。濃縮手段によって槽内水の容量が減り、反応槽をコンパクト化することができる。具体的には、例えば、反応槽からの流出水を濃縮手段により溶質濃度を高めて濃縮水を得て、得られた濃縮水を反応槽に返送することにより槽内水の溶質濃度を高めてもよく、あるいは、反応槽内に設けた濃縮手段により槽内水の溶質濃度を高めてもよい。

濃縮手段としては正浸透膜装置を用いることが好ましく、これにより比較的簡便かつ経済的に槽内水の溶質濃度を高めることができる。具体的には、例えば、反応槽からの流出水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に流出水を存在させ、二次側に流出水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、流出水に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させて濃縮水を得て、得られた濃縮水を反応槽に返送することにより、槽内水の溶質濃度を高めてもよく、反応槽の槽内水に正浸透膜装置を浸漬して設置し、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に槽内水を存在させ、二次側に槽内水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、槽内水に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、槽内水の溶質濃度を高めてもよい。なお、反応槽からの流出水を正浸透膜装置に導入する場合は、正浸透膜装置には被処理水を導入しないことが好ましく、これにより、正浸透膜装置の詰まりが起こりにくくなる。

濃縮手段として正浸透膜装置を用いる場合、本発明の水処理方法は、さらに、高張溶液を逆浸透膜装置に導入して、逆浸透膜装置に備えられた第２半透膜の一次側から二次側に高張溶液中の水を浸透させることにより処理水を得る工程と、前記高張溶液を逆浸透膜装置から正浸透膜装置に返送する工程とを有することが好ましい。この場合、高張溶液が正浸透膜装置と逆浸透膜装置との間を循環する形となり、正浸透膜装置に供給する高張溶液が逆浸透膜装置で濃縮されて溶質濃度が所望程度に高く維持され、正浸透処理を安定して行えるようになる。

濃縮手段として正浸透膜装置を用いる場合はまた、槽内水の溶質濃度と高張溶液の溶質濃度との差が所定値以上となるように、槽内水の一部または濃縮水の一部を処理系外に引き抜く工程をさらに有することが好ましい。槽内水の一部または濃縮水の一部を処理系外に引き抜くことにより、槽内水の溶質濃度が過度に高くなるのが防止され、正浸透膜装置で第１半透膜を挟んだ浸透圧差が確保され、槽内水または流出水を正浸透膜装置で好適に濃縮しやすくなる。この場合、槽内水の一部または濃縮水の一部を浸漬ろ材により固液分離して、ろ過水を処理系外に引き抜くことも好ましい。

曝気処理は微生物存在下で行うことが好ましく、これにより槽内水を好気性生物処理することができ、槽内水中の有機性の溶質（溶解性成分）を除去することができる。

本発明はまた、本発明の水処理方法に好適に用いられる水処理システムも提供する。本発明の水処理システムは、槽内水が保持され、散気装置を備えた反応槽と、槽内水の溶質濃度を高める濃縮手段とを有するところに特徴を有する。

濃縮手段としては、第１半透膜を備え、第１半透膜を挟んで反応槽からの流出水が存在する一次側と流出水よりも高浸透圧の高張溶液が存在する二次側とを有し、流出水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、流出水が濃縮されて濃縮水が得られる正浸透膜装置であることが好ましく、濃縮水を反応槽に返送する濃縮水返送手段がさらに設けられていることが好ましい。この場合、正浸透膜装置は、流出水中に設けられていてもよい。また、第１半透膜の一次側流出部と処理系外とに連通し、濃縮水を処理系外に移送する濃縮水引抜き流路が設けられていることが好ましい。

濃縮手段としては、第１半透膜を備え、第１半透膜を挟んで槽内水が存在する一次側と槽内水よりも高浸透圧の高張溶液が存在する二次側とを有し、槽内水の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、槽内水が濃縮される正浸透膜装置であり、正浸透膜装置が反応槽の槽内水に浸漬して設置されていることも好ましい。

濃縮手段として正浸透膜装置を用いる場合、本発明の水処理システムは、第２半透膜を備え、第２半透膜を挟んで高張溶液が存在する一次側と処理水が存在する二次側とを有し、高張溶液中の水を第２半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより処理水を得る逆浸透膜装置がさらに設けられ、第１半透膜の二次側流出部と第２半透膜の一次側流入部とに連通し、高張溶液を第１半透膜の二次側から第２半透膜の一次側に移送する第１流路と、第２半透膜の一次側流出部と第１半透膜の二次側流入部とに連通し、高張溶液を第２半透膜の一次側から第１半透膜の二次側に移送する第２流路とが設けられていることが好ましい。また、濃縮手段として正浸透膜装置を用いる場合、反応槽と処理系外とに連通し、槽内水を処理系外に移送する槽内水引抜き流路が設けられていることが好ましい。

本発明の水処理方法および水処理システムによれば、反応槽の槽内水の溶質濃度を高めることにより、曝気処理の際に供給される気泡を小さくすることができ、槽内水への酸素溶解効率を高めることができる。その結果、曝気処理の効率化を図ることができる。

本発明の水処理システムの一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。

本発明の水処理方法は、被処理水を反応槽に導入し曝気処理する工程と、反応槽の槽内水の溶質濃度を高める工程とを有するものである。本発明は、被処理水を反応槽に導入して反応槽の槽内水を曝気処理する際、反応槽の溶質濃度を高めることにより、曝気により供給された気泡の大きさを小さくして、曝気処理の効率化を図るものである。以下、本発明の水処理方法と水処理システムについて詳細に説明する。

本発明において処理対象となる被処理水は特に限定されない。被処理水には、曝気処理により処理可能な有機物や無機物が含まれ、例えば、曝気処理により被処理水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）やＢＯＤ（生物学的酸素要求量）が低減されるものが好ましい。被処理水には、例えば、曝気処理により酸化されうる有機化合物が含まれ、このような被処理水を用いれば、本発明の水処理方法または水処理システムにより被処理水中のＣＯＤを低減することができる。被処理水に生物分解性の有機化合物が含まれる場合は、微生物存在下で曝気処理を行うことで、被処理水のＢＯＤ等を低減することができる。被処理水には２価鉄塩等の無機化合物が含まれていてもよく、曝気処理により２価鉄イオンを酸化して不溶化することも可能である。本発明で用いられる被処理水としては、例えば、下水、し尿、畜産糞尿、厨房排水、工場排水、埋立浸出水等が挙げられる。

被処理水は反応槽に導入され、反応槽の槽内水が曝気処理される。曝気処理では、酸素含有ガス（例えば、空気や純酸素）が槽内水に供給され、曝気処理により、例えば、槽内水（被処理水）のＣＯＤ（化学的酸素要求量）やＢＯＤ（生物学的酸素要求量）が低減される。

反応槽には、槽内水を曝気処理するための散気装置が備えられている。散気装置としては、水処理に一般に用いられる公知の散気装置を用いればよい。散気装置は、酸素含有ガスを槽内水に供給するものであってもよく、酸素含有ガスを含む槽内水を反応槽に供給するものであってもよい。

酸素含有ガスを槽内水に供給する場合、散気装置としては、例えば、メンブレン型散気装置、ディフューザー型散気装置、多孔型散気装置等を用いればよい。また、酸素含有ガスを撹拌羽根で細分化しながら槽内水に供給する水中機械式撹拌装置を用いてもよい。

酸素含有ガスを含む槽内水を反応槽に供給する場合は、例えば、ガス供給手段を備えた管路を反応槽の槽内水中に開口して設け、当該管路を通して反応槽に槽内水を供給することにより、管路を流れる槽内水にガス供給手段から酸素含有ガスが供給されて、これを反応槽に供給すればよい。ガス供給手段としては、管路にガス供給口を設けたり、管路にガス供給管を挿入すればよく、ガス供給口やガス供給管の管路に接続しない側の端は、大気開放するか、送風機（ブロア）や圧縮機（コンプレッサー）等を接続して強制的に酸素含有ガスを供給すればよい。ガス供給口やガス供給管の管路に接続しない側の端が大気開放される場合は、管路に槽内水が流れることで、エジェクター効果により大気中の空気が自然吸気され、管路を流れる槽内水中に空気が混入される。管路は、槽内水が反応槽との間を循環するように循環管路として設けることが好ましい。

曝気処理は微生物存在下で行うことが好ましい。曝気処理を微生物存在下で行うことにより、槽内水を好気性生物処理することができ、槽内水中の有機性の溶質（溶解性成分）を除去することができる。微生物存在下で曝気処理する方法としては、活性汚泥法（膜分離活性汚泥法を含む）、担体法、固定床生物膜法等が挙げられる。

反応槽は、少なくとも曝気処理を行う槽を有していればよく、曝気処理を行わない槽を有していてもよい。例えば曝気処理を微生物存在下で行う場合は、反応槽として嫌気槽および／または無酸素槽をさらに設けることにより、被処理水に含まれる窒素および／またはリンを除去することができる。

ところで曝気処理では、供給される酸素含有ガスの槽内水への酸素溶解効率を高くすることが曝気処理の効率化の点から好ましく、そのためには、曝気により槽内水に供給される酸素含有ガスの気泡の大きさを小さくする方が好ましい。そこで本発明の水処理方法では、反応槽の槽内水の溶質濃度を高める工程を設けている。曝気処理では、曝気処理される水の塩濃度（無機イオン濃度）が高いほど、曝気により供給された気泡を小さくできることが経験上知られており、本発明では、反応槽の槽内水の溶質濃度を高める工程を設けることにより、槽内水の酸素溶解効率を高めて、曝気処理の効率化を図っている。

槽内水の溶質濃度を高める方法としては、槽内水に溶質を添加する方法と槽内水の水を除去する方法の大きく２つの方法が挙げられる。槽内水に溶質を添加する場合、溶質は、水処理の除去対象以外の物質を用いることが好ましく、例えば、塩化ナトリウム等の無機塩類を用いることが好ましい。槽内水に溶質を添加する方法としては、例えば、無機塩類の固体や溶液（槽内水よりも高濃度の溶液）を槽内水に添加する方法が挙げられる。槽内水の水を除去する方法としては、槽内水の水を蒸発させる方法や、半透膜を用いて水を浸透除去する方法等が挙げられる。

槽内水は、濃縮手段により溶質濃度を高めることが好ましい。すなわち、濃縮手段により槽内水に含まれる水を除去して、槽内水の溶質濃度を高めることが好ましい。濃縮手段によって槽内水の容量が減り、反応槽をコンパクト化することができる。濃縮手段としては、槽内水の溶質濃度を高めることができるものであれば特に限定されず、蒸発器、蒸留器、逆浸透膜装置、正浸透膜装置等が挙げられる。

濃縮手段は、反応槽内に設置してもよく、反応槽外に設置してもよい。前者の場合、濃縮手段を反応槽に設け、濃縮手段により反応槽の槽内水の溶質濃度を高めることができる。後者の場合、反応槽からの流出水を濃縮手段により溶質濃度を高めて濃縮水を得て、得られた濃縮水を反応槽に返送することにより、槽内水の溶質濃度を高めることができる。

例えば、濃縮手段として蒸発器や蒸留器等の加熱手段を用いる場合は、反応槽内に濃縮手段を設けると、槽内水の全部を加熱することとなり多大なエネルギーが必要となるため、濃縮手段を反応槽外に設置して、反応槽からの流出水を加熱濃縮して反応槽に返送することが好ましい。濃縮手段として加熱手段を用いる場合は、加熱により一部の水が除去された流出水を反応槽に返送することが好ましい。

濃縮手段として逆浸透膜装置を用いる場合は、槽内水に活性汚泥等の固形分が含まれると、これを直接逆浸透膜装置で処理すると装置の詰まりが発生して、安定して槽内水を処理することが困難となる。従って、濃縮手段として逆浸透膜装置を用いる場合は、逆浸透膜装置を反応槽外に設置して、反応槽からの流出水を精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）等による前処理を行った上で逆浸透膜装置に導入して水を浸透除去し、得られた濃縮水を反応槽に返送することが好ましい。

濃縮手段として正浸透膜装置を用いる場合は、正浸透膜装置は反応槽内に設置しても、反応槽外に設置してもよい。正浸透膜装置による処理では、処理対象水に含まれる固形分の濃度や大きさに対する許容範囲が広く、活性汚泥等の固形分が含まれる槽内水を正浸透膜装置で処理しても装置の詰まりが起こりにくい。従って、正浸透膜装置を反応槽内に設置して、槽内水を直接処理することが実用上可能となる。もちろん、正浸透膜装置を反応槽外に設置して、反応槽からの流出水を処理することもできる。

反応槽からの流出水を濃縮手段で処理する場合、流出水は固液分離されて固形分濃度が低減されたものを濃縮手段で処理してもよく、反応槽からの流出水には固液分離されて固形分濃度が低減された流出水も含まれる。

反応槽からの流出水を濃縮手段で処理することにより得られた濃縮水は、濃縮水返送手段により反応槽に返送される。濃縮水は槽内水よりも溶質濃度が高くなっているため、濃縮水を反応槽に返送することにより、反応槽の槽内水の溶質濃度（塩濃度）が高められる。濃縮水返送手段は、濃縮手段と反応槽とに連通する返送流路として設けられ、濃縮水を濃縮手段から反応槽に移送できるものであればよい。濃縮水の反応槽への移送は自然流下により行ってもよく、返送流路にポンプ等を設けることにより行ってもよい。

反応槽からの流出水を濃縮手段で処理する場合、得られる濃縮水は少なくとも一部を反応槽に返送すればよい。例えば、濃縮水の一部を反応槽に返送し、他部を処理系外に引き抜いてもよく、これにより、槽内水の溶質濃度が過度に高くなるのが防止され、槽内水の溶質濃度を所望範囲に調整することができるようになる。また、同様の目的で、反応槽から槽内水の一部を処理系外に引き抜いてもよい。なお、処理系外とは、反応槽と濃縮手段以外（ただし、反応槽より前段ではない）の任意のプロセスを意味する。処理系外に移送された濃縮水または槽内水は、水質に応じて、下水や河川等に放流されるか、さらに処理が施される。さらなる処理は。従来公知の方法から適宜選択して行えばよい。

濃縮手段としては、正浸透膜装置を用いることが好ましい。濃縮手段として正浸透膜装置を用いれば、比較的簡便かつ経済的に反応槽の槽内水や流出水から水を除去して、溶質濃度を高めることができる。以下には、濃縮手段として正浸透膜装置を用いた水処理方法および水処理システムについて、詳細に説明する。

正浸透膜装置は、処理対象水中の水を浸透させるための半透膜を備えている。処理対象水としては、具体的には、反応槽の槽内水や反応槽からの流出水が挙げられる。なお本発明では、正浸透膜装置に備えられた半透膜を「第１半透膜」と称する。

正浸透膜装置に備えられる第１半透膜は、少なくとも水分子が透過し、一定の大きさ以上の分子やイオンが透過しない膜であれば特に限定されず、公知の半透膜を用いることができる。第１半透膜としては、逆浸透処理に一般に用いられる半透膜を使用してもよく、膜を構成する材料や膜の形式等は特に限定されない。膜の構成材料としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホン等が挙げられ、膜の形式としては、中空糸膜、スパイラル膜、チューブラ膜等が挙げられる。

正浸透膜装置は第１半透膜を挟んで一次側と二次側を有する。本発明において、半透膜を挟んだ一次側と二次側とは、半透膜を浸透する水の透過方向に基づき定められ、水は全体として半透膜の一次側から二次側に浸透する。なお、水が全体として半透膜の一次側から二次側に浸透するとは、水分子の一部が半透膜の二次側から一次側に浸透したとしても、全体としてみれば、水分子は半透膜の一次側から二次側に浸透する方が優勢であることを意味する。正浸透膜装置は、第１半透膜を挟んで第１半透膜の一次側と二次側とに区分され、第１半透膜の一次側には処理対象水が存在することとなる。

正浸透膜装置では、第１半透膜の二次側に、処理対象水よりも高浸透圧の高張溶液が存在している。つまり正浸透膜装置では、第１半透膜を挟んだ一次側に存在する処理対象水の浸透圧が相対的に低くなり、二次側に存在する高張溶液の浸透圧は相対的に高くなる。正浸透膜装置では、処理対象水と高張溶液の浸透圧差を利用して、処理対象水中の水が第１半透膜の一次側から二次側に浸透することとなる。

高張溶液は、溶質が溶解した水溶液であり、処理対象水よりも高い浸透圧を示すものであれば、特に限定されない。等温条件では、高張溶液が処理対象水よりも高浸透圧であることは、高張溶液が処理対象水よりも高い溶質濃度（モル濃度）を有することを意味する。高張溶液は人工的に調製してもよく、外部に存在する溶質濃度の高い溶液を高張溶液として利用するものであってもよい。前者の場合、溶質としては水に可溶な物質を用いればよく、例えば、塩類、糖類、水溶性高分子等を溶質として用いることができる。また、半透膜や機器に不具合を与えなければ、溶質として酸やアルカリを用いてもよい。後者の場合、海水や塩湖水等のかん水；尿等を高張溶液として用いることができる。また、し尿処理水や埋立浸出水処理水、一部の工場廃水処理水等は塩類を比較的高濃度に含んでいる場合があり、このような処理水を高張溶液として用いてもよい。

高張溶液は、逆浸透処理により調製してもよい。例えば、外部に存在する溶質濃度の高い溶液の溶質濃度を逆浸透処理によりさらに高めて、高張溶液として用いてもよい。また、正浸透処理工程では、第１半透膜の一次側から二次側に水が浸透することにより高張溶液が希釈されるが、水で希釈された高張溶液を逆浸透処理により濃縮して溶質濃度を高めて、再び正浸透膜装置の第１半透膜の二次側に供給してもよい。

処理対象水と高張溶液の浸透圧は、ｖａｎ’ｔ Ｈｏｆｆの式に基づき、溶質濃度（モル濃度）と温度をパラメータとして求めることができる。あるいは、処理対象水と高張溶液とを半透膜を挟んで同一液面高さとなるように設置した後、それぞれの液面高さの変化を観察することで、処理対象水と高張溶液の浸透圧の大小を判別してもよい。この場合、高張溶液の液面高さが高くなれば、高張溶液が処理対象水よりも浸透圧が高いと判断される。

正浸透膜装置を反応槽内に設ける場合は、反応槽の槽内水に正浸透膜装置を浸漬して設置されることとなる。そして、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に槽内水を存在させ、二次側に槽内水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、槽内水に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、槽内水の溶質濃度を高めることができる。この場合、反応槽の槽内水に正浸透膜装置を浸漬設置することにより、正浸透膜装置が設置される水深に対応して第１半透膜の一次側の槽内水に水圧がかかり、第１半透膜の一次側から二次側への水の浸透が促進されて、槽内水の濃縮を好適に行いやすくなる。

正浸透膜装置を反応槽内に設ける場合、正浸透膜装置は散気装置の上方に位置するように設けることが好ましい。このように正浸透膜装置を設けることにより、散気装置から供給された気泡によって正浸透膜装置の第１半透膜の膜面をクロスフロー方式で洗浄することができ、第１半透膜の目詰まりを防止して、正浸透処理を安定して行いやすくなる。

正浸透膜装置を反応槽外に設ける場合は、反応槽からの流出水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に流出水を存在させ、二次側に流出水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、流出水に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させて濃縮水を得て、得られた濃縮水を反応槽に返送することにより、槽内水の溶質濃度を高めることができる。この場合、反応槽からの流出水は反応槽の槽内水よりも固形分濃度（浮遊物質濃度）の低いものとすることもできるため、第１半透膜の目詰まりを防止して、正浸透処理を安定して行いやすくなる。なお、正浸透膜装置を反応槽外に設ける場合は、正浸透膜装置に被処理水を直接導入しないことが好ましく、これにより、正浸透膜装置の詰まりが起こりにくくなり、正浸透処理を安定して行いやすくなる。

次に、本発明の水処理方法と水処理システムの構成例について、図面を参照して説明する。なお、本発明は、図面に示した実施態様に限定されるものではない。

図１には、本発明の水処理システムの第１実施態様を示した。図１に示した水処理システムは、槽内水２２を保持し、散気装置２を備えた反応槽１と、槽内水２２の溶質濃度を高める濃縮手段として正浸透膜装置３とを有する。正浸透膜装置３は反応槽１の外に設けられ、反応槽１からの流出水２３が正浸透膜装置３に導入される。

被処理水２１は反応槽１に導入されて曝気処理され、反応槽１からの流出水２３が正浸透膜装置１に導入される。正浸透膜装置３は、第１半透膜を挟んで一次側と二次側を有する。反応槽１からの流出水２３は、第１半透膜の一次側に導入され、第１半透膜の二次側には流出水２３よりも高浸透圧の高張溶液２５が導入される。その結果、正浸透膜装置３では、第１半透膜の一次側に流出水２３が存在し、二次側に流出水２３よりも高浸透圧の高張溶液２５が存在することとなる。正浸透膜装置３では、この状態で流出水２３に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、流出水２３が濃縮されて濃縮水２４が得られる。

濃縮水２４は反応槽１からの流出水２３が濃縮されて、槽内水２２よりも高い溶質濃度を有している。図１に示した水処理システムでは、濃縮水２４を反応槽１に返送するための濃縮水返送手段として、正浸透膜装置３の第１半透膜の一次側流出部と反応槽１に連通した返送流路１４が設けられ、濃縮水２４が返送流路１４を通って反応槽１に返送されている。その結果、槽内水２２の溶質濃度が高められ、反応槽１で散気装置２から供給された気泡を小さくして、槽内水２２への酸素溶解効率を高めることができ、曝気処理の効率化を図ることができる。

図１に示した水処理システムでは、第１半透膜の二次側に導入する高張溶液２５に海水を用いている。海水を海からポンプで汲み上げて正浸透膜装置３に供給し、正浸透膜装置３から排出された高張溶液２６を海に戻している。このように、高張溶液２５として海水を用いることにより、低コストに正浸透処理を行うことができる。

正浸透膜装置３で濃縮された濃縮水２４は、一部を反応槽１に返送し、他部を処理系外に引き抜いている。そのために、第１半透膜の一次側流出部と処理系外とに連通する濃縮水引抜き流路１５を設け、濃縮水２４が濃縮水引抜き流路１５を通って処理系外に移送されている。このとき、濃縮水２４を処理系外へ引き抜く量が増えるほど、反応槽１の槽内水２２の溶質濃度が低くなり、反応槽１からの流出水２３の溶質濃度も低減することができる。その結果、正浸透膜装置１で第１半透膜を挟んだ浸透圧差が確保され、流出水２３を好適に濃縮しやすくなる。従って、濃縮水２４は、反応槽１の槽内水２２の溶質濃度と正浸透膜装置３の高張溶液２５の溶質濃度との差が所定値以上となるように、処理系外へ引き抜くことが好ましい。なお、前記所定値は、正浸透処理を好適に行える第１半透膜の浸透圧差に基づき、適宜設定される。

図１に示した水処理システムにおいて反応槽１で活性汚泥処理が行われる場合は、正浸透膜装置３は活性汚泥の固液分離手段としても機能し得る。この場合、正浸透膜装置３はいわゆる最終沈殿池としての機能も果たす。また、返送流路１４は汚泥を反応槽１に返送するための流路として機能し、濃縮水引き抜き流路１５は余剰汚泥を引き抜くための流路として機能することとなる。

図２には、本発明の水処理システムの第２実施態様を示した。第２実施態様の水処理システムは、正浸透膜装置３を反応槽１の槽内水２２に浸漬設置している点と、反応槽１の槽内水２２を一部引き抜いて濃縮機１７に導入している点と、高張溶液として海水を用いるのではなく、高張溶液を逆浸透膜装置で処理しながら循環利用している点で、第１実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第１実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図２に示した水処理システムは、正浸透膜装置３が反応槽１の槽内水２２に浸漬設置され、正浸透膜装置３が散気装置２の上方に位置するように設けられている。槽内水２２が正浸透膜装置３で処理され、槽内水２２中の水が正浸透膜装置３の第１半透膜の一次側から二次側に浸透することにより、槽内水２２の溶質濃度が高められる。その結果、反応槽１において散気装置２から供給された気泡を小さくすることができ、槽内水２２への酸素溶解効率を高めて、曝気処理の効率化を図ることができる。

図２に示した水処理システムでは、曝気処理を微生物存在下で行っており、反応槽１で槽内水２２を曝気処理（好気性生物処理）することにより汚泥が発生する。従って、反応槽１から、汚泥を含む槽内水２２を定期的に処理系外に引き抜いて、反応槽１の槽内水２２の微生物濃度（活性汚泥濃度）を所望程度に調整するとともに、槽内水２２の溶質濃度と正浸透膜装置３の高張溶液２５の溶質濃度との差が所定値以上となるように調整している。そのために、反応槽１と処理系外とに連通した槽内水引抜き流路１６を設け、槽内水２２が槽内水引抜き流路１６を通って処理系外に移送されている。

反応槽１から引き抜かれた槽内水２２は、濃縮機１７で固液分離され、濃縮分離液２８と濃縮汚泥２９が得られる。固液分離されて固形分濃度が低減された濃縮分離液２８は、水質に応じてそのまま放流されるか、さらに処理が施される。あるいは、濃縮分離液２８を反応槽１に返送して、反応槽１で再び曝気処理を施してもよい。濃縮汚泥２９はそのまま処分してもよいし、さらに脱水等の減容化処理を施してもよい。

図２に示した水処理システムでは、第２半透膜を備えた逆浸透膜装置７をさらに有している。逆浸透膜装置７としては、逆浸透処理に用いられる公知の装置を用いればよく、逆浸透膜装置７の第２半透膜を構成する材料や膜の形式等は特に限定されない。

逆浸透膜装置７は第２半透膜を挟んで一次側と二次側を有する。そして、正浸透膜装置３の第１半透膜の二次側流出部と逆浸透膜装置７の第２半透膜の一次側流入部とに連通して第１流路８が設けられ、逆浸透膜装置７の第２半透膜の一次側流出部と正浸透膜装置３の第１半透膜の二次側流入部とに連通して第２流路９が設けられている。なお、第１半透膜の二次側流入部と二次側流出部、第２半透膜の一次側流入部と一次側流出部は、それぞれ、高張溶液２５，２６が流入する部分または流出する部分として定められる。

正浸透膜装置３の第１半透膜の二次側から流出した高張溶液２６は、第１流路８を通って、逆浸透膜装置７の第２半透膜の一次側に移送される。逆浸透膜装置７では、高張溶液２６が第２半透膜の一次側に存在することとなり、一方、第２半透膜の二次側には、高張溶液２６よりも低浸透圧の処理水２７が存在している。逆浸透膜装置７では、この状態で第２半透膜の一次側に存在する高張溶液２６を加圧することにより、高張溶液２６中の水を第２半透膜の一次側から二次側に浸透させて処理水２７を得る。その結果、高張溶液２６は逆浸透膜装置７で水が除去されて、溶質濃度が高められる。溶質濃度が高められ、逆浸透膜装置７の第２半透膜の一次側から流出した高張溶液２５は、第２流路９を通って、正浸透膜装置３の第１半透膜の二次側に移送される。つまり、正浸透膜装置３から流出した高張溶液２６は、逆浸透膜装置７に導入されて溶質濃度が高められ、溶質濃度が高められた高張溶液２５は逆浸透膜装置７から正浸透膜装置３に返送されることとなる。

図２に示した水処理システムでは、このように高張溶液２５，２６を正浸透膜装置３と逆浸透膜装置７との間を循環させることにより、正浸透膜装置３に供給する高張溶液２５の溶質濃度を所望程度に高く維持して、正浸透処理を安定して行うことができるようになる。つまり、正浸透膜装置３から流出した高張溶液２６は、正浸透膜装置３に流入する高張溶液２５よりも水で希釈されて溶質濃度が低下するが、高張溶液２６をそのまま正浸透膜装置３に再び供給すると、正浸透膜装置３の第１半透膜の一次側と二次側との間に十分な浸透圧差が確保されず、第１半透膜を透過する水の浸透量が減ってしまうところ、正浸透膜装置３から流出した高張溶液２６を逆浸透膜装置７で処理して正浸透膜装置３に返送することにより、溶質濃度が高められた高張溶液２５を正浸透膜装置３に供給でき、正浸透処理を安定して行うことができるようになる。

また、高張溶液２５，２６は、基本的に正浸透膜装置３と逆浸透膜装置７の間の閉じた系を循環しているため、不純物等の混入が防止され、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）や活性炭等による前処理を行うことなく逆浸透処理を比較的簡便に行うことが可能となる。

第２流路９には、正浸透膜装置３に導入する高張溶液２５の溶質濃度調整手段が設けられていることが好ましい。図２では、第２流路９に調整タンク１１が設けられ、調整タンク１１に溶質または希釈水の供給装置１２が設けられ、供給装置１２から溶質または希釈水を供給することにより、高張溶液２５の溶質濃度を調整できるように構成されている。正浸透膜装置３において被処理水２１中の水の第１半透膜の浸透量を調整するためには、高張溶液２５の溶質濃度を調整することが主な操作因子となる。従って、逆浸透膜装置７から流出する高張溶液２５が所望程度の溶質濃度を有していない場合は、第２流路９に設けられた溶質濃度調整手段により、高張溶液２５の溶質濃度を調整することが好ましい。

高張溶液２５，２６には、正浸透膜装置３の第１半透膜または逆浸透膜装置７の第２半透膜を洗浄するための薬剤や、ファウリングを防止するための薬剤を加えてもよい。このような薬剤としては、酸、アルカリ、殺菌剤、酸化剤等が挙げられる。

図３には、本発明の水処理システムの第３実施態様を示した。第３実施態様の水処理システムは、反応槽１の流出水２３を正浸透膜装置３で処理している点と、第１流路８に調整タンク１０を設けている点と、反応槽１から引き抜いた槽内水２２を沈殿槽１８と濃縮機１７で固液分離処理している点で、第２実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第２実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図３に示した水処理システムでは、第１実施態様と同様に、正浸透膜装置３が反応槽１の外に設けられ、反応槽１からの流出水２３が正浸透膜装置３に導入されている。正浸透膜装置３からは濃縮水２４が得られ、濃縮水２４が返送流路１４を通って全量反応槽１に返送されている。

反応槽１からは槽内水２２が槽内水引抜き流路１６を通って処理系外に移送されている。このとき、反応槽１から引き抜かれた槽内水２２は、沈殿槽１８で固液分離され、固形分濃度が低減された上澄み３０と汚泥３１とに分離されている。汚泥３１はさらに濃縮機１７に導入されて固液分離され、濃縮分離液２８と濃縮汚泥２９が得られる。上澄み３０と濃縮分離液２８は、水質に応じてそのまま放流されるか、さらに処理が施される。濃縮汚泥２９はそのまま処分してもよいし、さらに脱水等の減容化処理を施してもよい。

図３に示した水処理システムではまた、高張溶液２５，２６の循環ラインの第１流路８に調整タンク１０を設け、第２流路９に調整タンク１１を設けている。調整タンク１０は、正浸透膜装置３から流出した高張溶液２６を受け入れて貯留するとともに、高張溶液２６を第１流路８を介して逆浸透膜装置７に供給することができる。調整タンク１１は、逆浸透膜装置７から流出した高張溶液２５を受け入れて貯留するとともに、高張溶液２５を第２流路９を介して正浸透膜装置３に供給することができる。このように調整タンク１０，１１を設けることにより、正浸透膜装置３と逆浸透膜装置７の処理をそれぞれ独立して行えるようになる。

例えば、図２に示した水処理システムでは、逆浸透膜装置７に導入される高張溶液２６の量は、正浸透膜装置３の処理能力、すなわち、正浸透膜装置３に導入される高張溶液２５の量と第１半透膜の水の浸透量に依存する。しかし、図３に示した水処理システムでは、正浸透膜装置３の処理能力の変動を調整タンク１０によって緩和することができ、逆浸透膜装置７に導入する高張溶液２６の量を、正浸透膜装置３の処理能力から独立して設定することができる。同様に、逆浸透膜装置７の処理能力の変動を調整タンク１１によって緩和することができ、正浸透膜装置３に導入する高張溶液２５の量を、逆浸透膜装置７の処理能力から独立して設定することができる。

図４には、本発明の水処理システムの第４実施態様を示した。第４実施態様の水処理システムは、正浸透膜装置３を流出水槽４の流出水２３中に設けている点と、濃縮水２４の一部を処理系外に引き抜いて濃縮機１７に導入している点と、調整タンク１０と調整タンク１１を繋ぐ第３流路１３を設けている点で、第３実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第３実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図４に示した水処理システムでは、正浸透膜装置３が、反応槽１からの流出水２３が導入される流出水槽４内に設けられ、正浸透膜装置３が流出水２３中に浸漬設置されている。反応槽１からの流出水２３が流出水槽４に供給されることにより、流出水２３が正浸透膜装置３の第１半透膜の一次側に導入されることとなる。正浸透膜装置３を流出水２３中に設けることにより、正浸透膜装置３が設置される水深に対応して第１半透膜の一次側の流出水２３に水圧がかかり、第１半透膜の一次側から二次側への水の浸透が促進されて、流出水２３の濃縮を好適に行いやすくなる。

図４に示した水処理システムではまた、調整タンク１０と調整タンク１１とに接続する第３流路１３を設けている。調整タンク１０と調整タンク１１の高張溶液２５，２６の貯留量は、正浸透膜装置３と逆浸透膜装置７での処理の進行に伴い、所定の上限値に達する場合がある。例えば、図３に示した水処理システムでは、このような場合、調整タンク１０または調整タンク１１から高張溶液２５，２６が溢れるのを防ぐために、正浸透膜装置３と逆浸透膜装置７の稼働を停止せざるを得なくなる。しかし、調整タンク１０と調整タンク１１を繋ぐ第３流路１３を設けていれば、調整タンク１０または調整タンク１１の高張溶液２５，２６の貯留量が所定の上限値を超えても、高張溶液２５，２６を、調整タンク１０と調整タンク１１の一方から他方に移送することができ、正浸透膜装置３と逆浸透膜装置７を安定稼働させることができる。

流出水２３は、流出水槽４で正浸透膜装置３によって濃縮され、濃縮水２４が流出水槽４から排出される。流出水槽４から排出された濃縮水２４は、一部が返送流路１４を通って反応槽１に返送され、他部が濃縮水引抜き流路１５を通って処理系外に移送される。流出水槽４からの濃縮水２４は、濃縮機１７で固液分離され、濃縮分離液２８と濃縮汚泥２９が得られる。濃縮分離液２８は、水質に応じてそのまま放流されるか、さらに処理が施される。濃縮汚泥２９はそのまま処分してもよいし、さらに脱水等の減容化処理を施してもよい。

図５には、本発明の水処理システムの第５実施態様を示した。図５は、図４に示した水処理システムの点線で囲った部分（反応槽１と流出水槽４周り）の変形例が示されている。第５実施態様の水処理システムは、反応槽１を嫌気槽１ａと好気槽１ｂとで構成し、好気槽１ｂに固液分離のための浸漬ろ材６を設けている点と、流出水槽４に正浸透膜装置３の下方に散気装置５を設けている点で、第４実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第４実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図５に示した水処理システムでは、反応槽１が嫌気槽（無酸素槽）１ａと好気槽１ｂとで構成されており、好気槽１ｂに浸漬ろ材６が設けられている。被処理水２１は、反応槽１の嫌気槽１ａにまず導入され、その後好気槽１ｂに導入される。好気槽１ｂからの流出水２３は一部が硝化循環液３２として嫌気槽１ａに返送され、このように処理することにより被処理水２１中の窒素を生物学的に除去することができる。すなわち、被処理水２１中の有機性窒素が好気槽１ｂで硝化され、これが嫌気槽１ａに返送されて被処理水２１中のＢＯＤを用いて脱窒されることにより、被処理水２１中の有機性窒素を窒素ガスとして除去することができる。

好気槽１ｂからの流出水２３は、硝化循環液３２として用いられる以外に、正浸透膜装置３が浸漬設置された流出水槽４に導入される。そして、流出水槽４から排出された濃縮水２４は、一部が反応槽１の嫌気槽１ａに返送され、他部が濃縮水引抜き流路１５を通って処理系外に移送されている。

図５に示した水処理システムではまた、反応槽１の好気槽１ｂの槽内水２２に、固液分離のための浸漬ろ材６が浸漬設置されている。浸漬ろ材６により槽内水２２の一部が固液分離され、溶質濃度の高いろ過水３３が処理系外に引き抜かれる。これにより、槽内水２２の溶質濃度を所望する程度に調整することが容易になる。ろ過水３３は、水質に応じて、下水や河川等に放流されるか、さらに処理が施される。さらなる処理は従来公知の方法から適宜選択して行えばよい。

浸漬ろ材６は、散気装置２の上方に設けるようにすることが好ましく、このように浸漬ろ材６を設けることにより、散気装置２から供給された気泡によって浸漬ろ材６の表面（膜面）をクロスフロー方式で洗浄して、浸漬ろ材６による安定した固液分離処理が実現できる。

浸漬ろ材６としては、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）を用いればよい。浸漬ろ材６を構成する材料や形式等は特に限定されず、膜の構成材料としては、例えば、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル等の有機膜；アルミナやジルコニア等の無機膜等が挙げられ、膜の形式としては、中空糸膜、管状膜、平板状膜、モノリス膜等が挙げられる。

図５に示した水処理システムではまた、流出水槽４に、正浸透膜装置３の下方に散気装置５が設けられている。このように散気装置５を設けることにより、散気装置５から供給された気泡によって正浸透膜装置３の第１半透膜の膜面をクロスフロー方式で洗浄することができ、第１半透膜の目詰まりを防止して、正浸透処理を安定して行いやすくなる。

図５に示した水処理システムでは、流出水槽４でも曝気処理が行われていると見なすことができる。従って、図５に示した水処理システムは、曝気処理された反応槽１からの流出水２３を正浸透膜装置３で濃縮して、得られた濃縮水２４を反応槽１に返送することにより槽内水２２の溶質濃度を高めていると見なすことができるとともに、曝気処理している流出水槽４の槽内水を正浸透膜装置３で濃縮して流出水槽４の槽内水の溶質濃度を高めているとも見なすことができる。

図６には、本発明の水処理システムの第６実施態様を示した。図６は、図４に示した水処理システムの点線で囲った部分（反応槽１と流出水槽４周り）の他の変形例が示されている。第６実施態様の水処理システムは、固液分離のための浸漬ろ材６を流出水槽４に設けている点で、第５実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第５実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図６に示した水処理システムでは、固液分離のための浸漬ろ材６が流出水槽４の流出水２３中に浸漬設置されている。この場合、浸漬ろ材６は濃縮水２４中に浸漬設置されているとも見なすことができ、濃縮水２４の一部が浸漬ろ材６により固液分離されて、ろ過水３３が処理系外に引き抜かれている。この場合もまた、第５実施態様の水処理システムと同様の効果が得られる。

本発明は、下水、し尿、畜産糞尿、厨房排水、工場排水、埋立浸出水等の水処理に用いることができる。

１： 反応槽
２： 散気装置
３： 正浸透膜装置
７： 逆浸透膜装置
８： 第１流路
９： 第２流路
１４： 返送流路
１５： 濃縮水引抜き流路
１６： 槽内水引抜き流路
２１： 被処理水
２２： 槽内水
２３： 流出水
２４： 濃縮水
２５，２６： 高張溶液
２７： 処理水

Claims (16)

1. 被処理水を反応槽に導入し曝気処理する工程と、
   前記反応槽の槽内水の溶質濃度を高める工程とを有することを特徴とする水処理方法。
2. 前記反応槽からの流出水を濃縮手段により溶質濃度を高めて濃縮水を得て、得られた濃縮水を前記反応槽に返送することにより、前記槽内水の溶質濃度を高める、または、前記反応槽内に設けた濃縮手段により前記槽内水の溶質濃度を高める請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記濃縮手段として正浸透膜装置を用い、前記反応槽からの流出水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に前記流出水を存在させ、二次側に前記流出水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、前記流出水に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させて前記濃縮水を得る請求項２に記載の水処理方法。
4. 前記被処理水を前記正浸透膜装置に導入しない請求項３に記載の水処理方法。
5. 前記反応槽の槽内水に正浸透膜装置を浸漬して設置し、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に前記槽内水を存在させ、二次側に前記槽内水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、前記槽内水に含まれる水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、前記槽内水の溶質濃度を高める請求項２に記載の水処理方法。
6. さらに、前記高張溶液を逆浸透膜装置に導入して、逆浸透膜装置に備えられた第２半透膜の一次側から二次側に高張溶液中の水を浸透させることにより処理水を得る工程と、
   前記高張溶液を前記逆浸透膜装置から前記正浸透膜装置に返送する工程とを有する請求項３〜５のいずれか一項に記載の水処理方法。
7. さらに、前記槽内水の溶質濃度と前記高張溶液の溶質濃度との差が所定値以上となるように、前記槽内水の一部または前記濃縮水の一部を処理系外に引き抜く工程を有する請求項３〜６のいずれか一項に記載の水処理方法。
8. 前記槽内水の一部または前記濃縮水の一部を、浸漬ろ材により固液分離してろ過水を処理系外に引き抜く請求項７に記載の水処理方法。
9. 前記曝気処理を微生物存在下で行う請求項１〜８のいずれか一項に記載の水処理方法。
10. 槽内水が保持され、散気装置を備えた反応槽と、
    前記槽内水の溶質濃度を高める濃縮手段とを有することを特徴とする水処理システム。
11. 前記濃縮手段が、第１半透膜を備え、第１半透膜を挟んで反応槽からの流出水が存在する一次側と前記流出水よりも高浸透圧の高張溶液が存在する二次側とを有し、前記流出水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、前記流出水が濃縮されて濃縮水が得られる正浸透膜装置であり、
    前記濃縮水を前記反応槽に返送する濃縮水返送手段がさらに設けられている請求項１０に記載の水処理システム。
12. 前記正浸透膜装置は、前記流出水中に設けられている請求項１１に記載の水処理システム。
13. 前記第１半透膜の一次側流出部と処理系外とに連通し、前記濃縮水を処理系外に移送する濃縮水引抜き流路が設けられている請求項１１または１２に記載の水処理システム。
14. 前記濃縮手段が、第１半透膜を備え、第１半透膜を挟んで前記槽内水が存在する一次側と前記槽内水よりも高浸透圧の高張溶液が存在する二次側とを有し、前記槽内水の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、前記槽内水が濃縮される正浸透膜装置であり、正浸透膜装置が前記反応槽の槽内水に浸漬して設置されている請求項１０に記載の水処理システム。
15. 第２半透膜を備え、第２半透膜を挟んで高張溶液が存在する一次側と処理水が存在する二次側とを有し、高張溶液中の水を第２半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより処理水を得る逆浸透膜装置がさらに設けられ、
    第１半透膜の二次側流出部と第２半透膜の一次側流入部とに連通し、高張溶液を第１半透膜の二次側から第２半透膜の一次側に移送する第１流路と、
    第２半透膜の一次側流出部と第１半透膜の二次側流入部とに連通し、高張溶液を第２半透膜の一次側から第１半透膜の二次側に移送する第２流路とが設けられている請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の水処理システム。
16. 前記反応槽と処理系外とに連通し、前記槽内水を処理系外に移送する槽内水引抜き流路が設けられている請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の水処理システム。

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