JP2014100627A - 膜処理装置及び固液分離法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜処理装置の運転において、膜分離モジュールの性能を向上させることができるシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】被処理水を貯留する貯留槽と、該貯留槽内にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置と、膜分離モジュールと、前記貯留槽及び膜分離モジュールの間で被処理水を循環させる循環回路を構成する管とを備え、前記貯留槽の被処理水の固液分離を行う膜処理装置であって、前記膜分離モジュールが、３．６ｍｍ以上の外径を有する塩化ビニル系樹脂によって形成された中空糸膜を分離膜として備え、前記管の一端が、前記貯留槽の下方に連結されていることを特徴とする膜処理装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜処理装置及び固液分離法に関する。

従来から、海水等の淡水化などに膜分離モジュールが用いられているが、被処理水の水質によっては、膜分離モジュールの性能を十分引き出すことができないことがあった。そのために、例えば、被処理水に微細気泡を注入し、膜分離モジュールでろ過する方法が提案されている（例えば、特許文献１から３）。

しかし、特許文献１及び２では、オゾンなどによる微細気泡の強い酸化力を利用して、微細な有機物を除去するものであり、特許文献３では、汚濁物質及び不溶性凝縮物を凝集させるものであることから、被処理水の水質を向上させることができるが、膜自体の処理性能を向上させるものではなかった。
このような状況下において、ろ過システムにおいて、より一層膜分離モジュールにおける膜自体の処理能力を向上させることが強く求められている。

特開２００７−２４５００３号 特開２００９−９５７７４号 特開平１１−２０７３９４号

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、膜分離モジュールの性能を向上させることができる膜処理装置及びこれを用いた固液分離法を提供することを目的とする。

本発明は以下の発明を含む。
（１）被処理水を貯留する貯留槽と、
該貯留槽内にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置と、
膜分離モジュールと、
前記貯留槽及び膜分離モジュールの間で被処理水を循環させる循環回路を構成する管とを備え、
前記貯留槽の被処理水の固液分離を行う膜処理装置であって、
前記膜分離モジュールが、３．６ｍｍ以上の外径を有する塩化ビニル系樹脂によって形成された中空糸膜を分離膜として備え、
前記管の一端が、前記貯留槽の下方に連結されていることを特徴とする膜処理装置。
（２）前記貯留槽が、前記生物反応槽と生物処理水貯留槽とを含む上記に記載の膜処理装置。
（３）被処理水を貯留する貯留槽と、
該貯留槽内にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置と、
膜分離モジュールと、
前記貯留槽及び膜分離モジュールの間で被処理水を循環させる循環回路を構成する管とを備える膜処理装置を用いて、
前記貯留槽の被処理水にマイクロバブルを供給し、該被処理水内に存在する汚泥によるスカムを浮上させ、かつ、貯留槽の下方から被処理水を取水して前記膜分離モジュールに供給し、前記被処理水の固液分離を行う固液分離法。
（４）３．６ｍｍ以上の外径を有する塩化ビニル系樹脂によって形成された中空糸膜を分離膜として備える膜分離モジュールを用いる上記に記載の固液分離法。

本発明によれば、膜分離モジュールの性能を向上させることができる膜処理装置を提供することができる。また、この装置を用いることにより、効率的に固液を分離することができる、固液分離法を提供することができる。

本発明の膜処理装置の概念図である。 本発明で使用される膜分離モジュールの概略断面図である。

本発明の膜処理装置は、槽外型の膜処理装置である。この膜処理装置は、生物処理を行うもののみに限らず、生物処理以外のいわゆる凝集処理にも利用することができるが、活性汚泥によって生物反応を利用して処理された汚泥含有液の固液分離に好適に用いられる膜分離活性汚泥装置であることが好ましい。
このような装置は、少なくとも、被処理水を貯留する貯留槽と、この貯留槽内にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置と、膜分離モジュールと、循環回路とを備える。

（貯留槽）
本発明の膜処理装置を構成する貯留槽は、汚水が収容された槽である。また、貯留槽は、膜処理装置が膜分離活性汚泥装置であれば、活性汚泥及び汚水が収容された槽となる。貯留槽は、単一槽であってもよいが、例えば、図１に示すように、別個に独立した生物反応槽２０と、生物処理水貯留槽２１とからなるものが好ましい。貯留槽を、生物反応槽２０と、生物処理水貯留槽２１に分離することによって、生物処理水貯留槽において、汚泥が浮上したときに、汚泥の偏りの程度による生物処理への影響を回避するためである。
なお、生物反応槽２０は、通常、無酸素槽と好気槽と備えるものが好ましい。無酸素槽は嫌気槽であり、脱窒槽として機能し、好気槽は硝化槽として機能する。
生物反応槽２０が、無酸素層と好気槽とを備える場合、無酸素槽は、その上流側から沈砂後の汚水Ａが導入される。この無酸素槽の内部には通常、攪拌機が設置されており、この攪拌機の駆動に伴って無酸素槽内の汚水が攪拌されて嫌気工程による処理が行われる。
好気槽は、例えば、無酸素槽で処理された汚水が流入される。好気槽内にはエアレーションのために空気供給装置２２に接続されたエア供給管２２ａが配置されており、このエア供給管２２ａから空気が供給される。空気供給装置２２の駆動に伴って好気槽内にエアが供給され、それに伴う好気工程による処理が行われる。

空気供給装置２２は、気体（好ましくは圧縮空気）を供給する装置であり、一般にはブロア、マイクロバブル（例えば、数十μｍ〜数百μｍ程度）発生ブロア、コンプレッサ等が用いられる。通常、気体としては空気が供給されるが、オゾン等を供給し得る装置であってもよい。気泡の大きさは、ステンレス、セラミック、プラスチック、ゴムなどに数十μｍ〜数百μｍ程度のマクロバブル用孔又は１ｍｍ〜数十ｍｍ程度の空気吐出孔を開けた散気管等を利用して、適宜調整することが好ましい。

なお、空気供給装置２２から好気槽に供給する空気の供給量は、好気槽内へ戻される汚泥中の酸素量と空気供給装置２２からの酸素量との合算が目標ＤＯとなるように、好気槽内への循環汚泥の戻し量に応じて調整することが好ましい。これにより、好気槽に必要以上の空気が供給されることがなくなり、空気供給装置２２の稼働率を必要最小限に抑えることでシステムのランニングコストの大幅な削減を図ることができる。

このように、生物反応槽では、まず、汚水中に含まれる窒素化合物が、好気槽における好気工程において活性汚泥により酸化されて硝酸性窒素になり、その後、無酸素槽における嫌気工程によって硝酸性窒素から酸素を奪って窒素ガスを発生させ、これによって脱窒が行われる。また、通常、嫌気工程において活性汚泥からリンが一旦放出され、その後、好気工程によって活性汚泥にリンを過剰採取させることにより脱リンが行われる。脱リンには、金属塩（ＰＡＣ：ポリ塩化アルミニウム）等の凝集剤を用いることができる。
このような処理が生物反応槽内で行われて脱窒及び脱リンが行われる。

貯留槽が、別個に独立した生物反応槽と、生物処理水貯留槽とからなる場合、生物処理水貯留槽には、マイクロバブル発生装置２３が装備されていることが好ましい。このマイクロバブル発生装置２３には、貯留槽、特に、生物処理水貯留槽内において、マイクロバブルを発生させるマイクロバブル供給管２３ａが接続されている。
ここで、マイクロバブルとは、気体（好ましくは圧縮空気）であり、マイクロバブル発生ブロア、コンプレッサ等を用い、ステンレス、セラミック、プラスチック、ゴムなどに数十μｍ〜数百μｍ程度のマクロバブル用孔を開けた散気管等を利用して発生させることができる。通常、気体としては空気が供給されるが、オゾン等であってもよい。

マイクロバブル発生装置２１は、少なくともろ過時に駆動させ、ろ過前から駆動させることが好ましい。このように、被処理水にマイクロバブルを導入することによって、先行技術に記載されているように、有機物等を除去することができるとともに、貯留槽内に存在する汚泥によるスカムを浮上させることができる。このようなスカムの浮上によって、効率的にスカムを除去することが可能となり、膜分離モジュールへの被処理水への供給を安定的かつ効率的に行うことができ、膜分離モジュールを構成する中空糸膜自体の特性を長期間にわたって維持及び向上させることができる。
なお、浮上したスカムは、公知の方法により貯留槽から除去することが好ましい。あるいは、貯留槽が生物反応槽と生物処理水貯留槽とからなる場合、生物反応槽に戻してもよい。

（膜分離モジュール）
膜分離モジュール１は、例えば、図２に示すように、複数本の中空糸膜２と、筒状のケース１０とを備えるものが挙げられる。
中空糸膜２としては、例えば、特開２０１２−１６６２０１等に開示されたものを用いることができ、中空糸膜の外径、長さ、数等は、得ようとする膜分離モジュールの特性等に応じて、適宜調整することができる。特に、本発明における中空糸膜は、いわゆる大口径（例えば、外径が３．６ｍｍ程度以上、４．０ｍｍ程度以上、さらに５．３ｍｍ程度以上、１０ｍｍ程度以下）のものが好ましい。また、外径と肉厚の比であるＳＤＲ値が５．８〜３４であるものが好ましい。さらに、自立構造を有する単一主要構成素材による中空糸膜であることが好ましい。特に、塩化ビニル系樹脂によって形成された中空糸膜であるものが好ましい。これによって、高い処理能力を実現することができる。

ここで、単一主要構成素材とは、その主要材料が単一材料、つまり、主要素材が１種であることを意味する。例えば、中空糸膜を形成する素材（例えば、膜を構成する樹脂）において、１種の樹脂が５０質量％以上（好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、８０％以上、さらに好ましくは８５％以上）を占めていることを意味し、あるいは、その１種の樹脂の性質が構成素材の性質を支配していることを意味する。具体的には、１種の樹脂が５０〜９９質量％を有する素材を意味する。ただし、単一材料には、一般に中空糸膜の製造、樹脂の加工の際に通常用いられる添加剤は含まない。言い換えると、強度が弱い素材は、より強度の強い素材（セラミック、不織布等）から形成される支持体との複合体としなければ、所望の形状、例えば、円筒形状、チューブ形状等を維持することができないため、膜を形成する素材以外に、水処理膜としての使用時に所望の形状を保持できるよう、膜を支持する構造体として、筒状のセラミック又は筒状に成形した不織布等を伴っていた。

しかし、ここでの単一主要構成素材による中空糸膜は、筒状などの所望の形状を変化させないような、異なる材料／素材（例えば、不織布、紙、金属、セラミック等）から形成される支持体を伴わず、単一主要構成素材による単層構造で形成された膜を意味し、異なる材料／素材による積層構造を採らない。そして、このような構造であっても、中空糸膜としての使用時に円筒、チューブ形状等の所望の形状が保持されるほどに十分な強度を有し、すなわち「自立構造」を有している。

筒状のケース１０は、複数本の中空糸膜２を収納する。筒状のケース１０としては、金属、プラスチック類等の種々の材料のものを使用することができるが、一般的にケース成型が容易で、機械的強度を確保することができるプラスチックが用いられる。使用するプラスチック、例えば、アクリル系樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル系樹脂等が挙げられる。

中空糸膜２は、所定本数束ねて中空糸膜束とし、その中空糸膜束を筒状ケース１０に合わせて所定の長さに切断してケース内に、ストレート状に収容されることが好ましい。複数本の中空糸膜２は、ケース１０内において、その両端面１０ａ、１０ｂ側がシール材１１を介してシールされている。このシールは、例えば、遠心成形によるポッティングなどによって形成することができる。また、シールの材料は、初期に粘性をもち、経時的に硬化し、最終的に所定硬度に到達する材質のものが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。

このシール１１間のケース側面には、中空糸膜２の外側空間と連通する管（図示せず）が接続され、ろ過水取出口として、一次管口１２が配置されている。この一次管口１２は２以上配置されていてもよい。ケース１０には、シール材１１よりも端面（片端面又は両端面）１０ａ、１０ｂ側に、上述した複数本の中空糸膜２の内側（中空内）空間と連通する被処理水を供給又は取出すための管（図示せず）が接続される二次管口１３（被処理水を供給又は取出口）を備えている。
なお、このような膜分離モジュール自体は従来から公知であり、例えば、特開昭６２−１４０６０７号公報、特開平６−３１９９６１号公報、特開２００９−１８３８２２号公報等に記載された種々のものを利用することができる。
また、膜分離モジュールは、１つのみを用いてもよいし、２つ以上を直列で、並列で又は直列及び並列を組み合わせて連結して用いてもよい。

（循環回路を構成する管）
循環回路は、貯留槽及び膜分離モジュールの間で被処理水を循環させる経路であって、そのような経路を構成するために、本発明の膜処理装置は、管を備えている。この管は、主に、供給管と戻し管とを有している。
例えば、図１に示す膜処理装置、特に膜分離活性汚泥装置では、これら生物処理水貯留槽２１、膜分離モジュール１、供給管２５及び戻し管２６によって循環回路が構成されている。

供給管２５は、貯留槽から膜分離モジュール１に被処理水を供給するための管であり、一端が貯留槽（特に、生物処理水貯留槽側）の下方に接続され、他端が膜分離モジュール１の二次管口１３の一方に接続されている。ここで、貯留槽の下方とは、上述したように、マイクロバブル発生装置から供給されたマイクロバブルによって、貯留槽内に存在する汚泥によるスカムを浮上させるために、そのようなスカムを被処理水とともに膜分離モジュールへ供給しない程度の位置であればよい。具体的には、貯留槽の深さの中央よりも下方、貯留槽の底部から貯留槽の深さの１／３程度の範囲内などが挙げられる。このような貯留槽の下方に管を接続し、貯留槽から被処理水を取水することにより、スカムの膜分離モジュールへの混入を防止又は回避することが可能となり、中空糸膜自体の特性を長期間にわたって維持及び向上させることができる。つまり、膜分離モジュールに対して、低ＭＬＳＳの被処理水を供給することができ、膜分離モジュールの閉塞のリスクを低減させることができる。

また、マイクロバブル処理された被処理水が、膜分離モジュールに供給されることとなるが、被処理水中に、マイクロバブルによるエアが含有されることから、この被処理水が膜分離モジュールの膜内面に付着した場合に、エアによって、被処理水中に含有される汚泥の膜内面への接触を防止又は回避することができ、膜内面への汚泥又は汚物の付着及び固着を低減することが可能となる。また、被処理水の引き続きの供給又は通常行われる逆洗等の際に、汚泥物質を容易に除去することが可能となる。

供給管２５は、貯留槽から膜分離モジュール１の間に被処理水を供給するための供給手段２４を備えている。供給手段２４としては、膜分離モジュール１に被処理水を送液することができるものであれば特に制限されるものではなく、水位差や空気圧等を利用してろ過、逆流洗浄を行なえるような装置、膜分離モジュール１の下流（被処理水側）において、被処理水を、吸水、揚水、圧出等し得る装置、例えば、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻斜流ポンプ、斜流ポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、歯車ポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプなど、種々のポンプを用いることができる。この供給手段２７を利用して、膜分離モジュール１に対して、内外膜間差圧を負荷することができる。また、この供給手段２４を用いることにより、ろ過水を取り出した後に膜分離モジュール１から排出される被処理水、つまり、汚泥を含有する濃縮物を、適当な速度、流量で、貯留槽に戻すことが可能となる。

戻し管２６は、膜分離モジュール１から排出される被処理水を貯留槽、特に、生物処理水貯留槽に戻すために、一端が膜分離モジュール１の二次管口１３の他方に接続され、他端が貯留槽上方（特に、生物処理水貯留槽上方）に配置されている。これにより、また、いわゆる大口径の中空糸膜を用いた膜分離モジュールを利用し、さらに膜分離モジュールを槽外に設けた膜分離活性汚泥法を採用することと相まって、低エネルギーで膜処理装置を運転することができ、かつ、高い処理能力を有することができる。
戻し管２６は、貯留槽への被処理水（濃縮物）の流量を調整し得る流量調整手段（図示せず）を備えることが好ましい。このような流量調整手段としては、通常用いられる弁を利用することができる。この弁の開度を調整することによって、貯留槽への被処理水の流量を任意に調整することができる。

このように、本発明の膜処理装置では、浸漬型のＭＢＲとは異なり、被処理水を循環させるために用いる循環ポンプなしで（供給ポンプのみで）、貯留槽、例えば、生物反応槽に戻すことができるために、循環ポンプ駆動用のエネルギーを削減することができる。
また、上述したように、膜分離モジュールにおいて、大口径の中空糸膜を用いることにより、膜分離モジュールを貯留槽外に設置して、かつ膜分離モジュールに対して内圧式で被処理水を供給することが可能となるため、高い膜面流速を得ることができ、これによって、中空糸膜の洗浄を行うことができるため、高処理量かつ低エネルギーの運転が可能になる。

本発明の膜処理装置は、上述した貯留槽、膜分離モジュール及び循環回路を構成する管、任意に供給手段等に加えて、図１に示すような、ろ過水槽２７、逆洗ポンプ３０、これらを任意に連結する管２８、２９等の少なくとも１つを備えていることが好ましい。また、これらに加えて／の代わりに、膜分離モジュールにエアを供給し得る空気供給装置、薬液槽、薬液ポンプ、開閉弁、超音波発生装置等が任意の部位に設けられていてもよい。なお、逆洗ポンプを用いずに、水位差や空気圧等を利用して逆流洗浄等を行なえるような装置を用いてもよいし、供給ポンプを逆洗ポンプとして利用することもできる。また、膜分離モジュールにエアを供給するための空気供給装置に代えて、超音波発生装置を利用してもよい。超音波は、例えば、十数ｋＨｚ〜数ＧＨｚ程度の周波数のものが挙げられる。超音波は、膜分離モジュール１にのみ付与することが好ましく、常時付与してもよいし、間欠的に付与してもよい。

ろ過水槽２７は、膜分離モジュール１の下流において、膜分離モジュール１でろ過された水を収容するために配置される。
ろ過水槽２７には、ろ過水の一部を逆洗に利用することができるように、膜分離モジュール１からのろ過水が通る管２８とは全く又は一部別の経路において、逆洗ポンプ３０を介して膜分離モジュール１（特に、別の一次管口１２）に連結される管２９が備えられていることが好ましい。
逆洗ポンプ３０は、逆洗の際にろ過水を膜分離モジュール１に供給するために使用するポンプであり、上述した供給手段で例示したポンプと同様のものを利用することができる。
このような逆洗ポンプ３０の駆動によって、膜分離モジュール１の中空糸膜の内側面に付着している固形物を容易に剥離除去することが可能となり、高い能力でのろ過動作を安定して行うことができ、活性汚泥処理システムの高性能化を図ることができる。その結果、単位時間当たりに得られる処理水の量を増大（高フラックス化）させることができ、高性能の水処理を実現することができる。
逆洗の際には、当該分野で公知の薬液を用いて、薬液洗浄を行ってもよい。

上記においては、膜処理装置のなかでも、特に、膜分離活性汚泥装置として詳細に説明したが、上記の説明において、生物処理槽を凝集処理槽と、生物処理水貯留槽を処理水貯留槽と読み替えることにより、生物処理以外の凝集処理を実現し得る膜処理装置とすることができる。
このような膜処理装置によって、生物処理に加え、生物処理以外の凝集処理においても、上述したように、スカム又は凝集物、油脂分等を浮上させることができる。

本発明の膜処理装置は、その対象、目的、用途等に応じて、当該分野で公知の方法によって、水処理に利用することができる。
通常、被処理水を、貯留槽から供給手段２４によって、膜分離モジュール１に供給する。膜分離モジュール１では、例えば、一定の内外膜間差圧を負荷し、その膜間差圧を利用して、水のみが中空糸膜を透過し、浮遊物（汚物等）が中空糸膜により捕集される。これによって、ろ過水を得、得られたろ過水がろ過水槽２７に送り込まれる。このようなろ過は、通常、所定時間、連続的に行なわれる。

膜分離モジュール１における加圧方式は、内圧式又は外圧式のいずれの方式でもよいが、特に、内圧式、つまり、中空糸膜の内側に被処理水を供給し、中空糸膜の外側にろ過水を取り出す方式が好ましい。膜分離モジュールに使用される中空糸膜は上述したように、大口径であるために、濁度の高い水を閉塞することなく、処理することができる。また、内圧ろ過によって加圧できることにより、比較的高い膜間差圧を超えて高圧ろ過運転ができる。
膜分離モジュール１は、デッドエンドろ過（全ろ過）及びクロスフローろ過のいずれでもよい。膜分離モジュールに使用される中空糸膜が大口径である場合には、小口径のものに比較して、より大量の原水をより短時間で処理することができるとともに、小口径のものに比較して、中空糸膜がより閉塞しにくいことから、デッドエンドろ過が好ましい。

本発明の膜処理装置は、河川水及び地下水の除濁、工業用水の清澄、排水及び汚水処理、海水淡水化の処理等の水の精製等のために使用される水処理装置として、広範に利用することができ、経済的かつ効率的な水処理を行なうことができる。

１ 膜分離モジュール
２ 中空糸膜
１０ ケース
１０ａ、１０ｂ 端面
１１ シール材
１２ 一次管口
１３ 二次管口
２０ 生物反応槽
２１ 生物処理水貯留槽
２２ 空気供給装置
２２ａ エア供給管
２３ マイクロバブル発生装置
２３ａ マイクロバブル供給管
２４ 供給手段
２５ 供給管
２６ 戻し管
２７ ろ過水槽
２８、２９ 管
３０ 逆洗ポンプ

Claims (4)

1. 被処理水を貯留する貯留槽と、
   該貯留槽内にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置と、
   膜分離モジュールと、
   前記貯留槽及び膜分離モジュールの間で被処理水を循環させる循環回路を構成する管とを備え、
   前記貯留槽の被処理水の固液分離を行う膜処理装置であって、
   前記膜分離モジュールが、３．６ｍｍ以上の外径を有する塩化ビニル系樹脂によって形成された中空糸膜を分離膜として備え、
   前記管の一端が、前記貯留槽の下方に連結されていることを特徴とする膜処理装置。
2. 前記貯留槽が、前記生物反応槽と生物処理水貯留槽とを含む請求項１に記載の膜処理装置。
3. 被処理水を貯留する貯留槽と、
   該貯留槽内にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置と、
   膜分離モジュールと、
   前記貯留槽及び膜分離モジュールの間で被処理水を循環させる循環回路を構成する管とを備える膜処理装置を用いて、
   前記貯留槽の被処理水にマイクロバブルを供給し、該被処理水内に存在する汚泥によるスカムを浮上させ、かつ、貯留槽の下方から被処理水を取水して前記膜分離モジュールに供給し、前記被処理水の固液分離を行う固液分離法。
4. ３．６ｍｍ以上の外径を有する塩化ビニル系樹脂によって形成された中空糸膜を分離膜として備える膜分離モジュールを用いる請求項３に記載の固液分離法。