JP2015024409A - 再生水製造方法、及び再生水製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】常時多量のオゾンを必要とせず、低コストで膜面の閉塞を防止しつつ、排水から安定して再生水を得ることができる再生水製造方法、及び再生水製造システムを提供する。
【解決手段】再生水製造方法は、通常モード時に、オゾン発生器にて発生させたオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、オゾン処理の前に、又は後に、原水に凝集剤を注入し、オゾン処理及び凝集剤の注入の後に、原水の分離膜による膜ろ過を行う工程を含む。そして分離膜の上流側と下流側の圧力差の膜差圧を測定し、その膜差圧の上昇速度が所定の値を超えた場合に洗浄モードとし、その洗浄モード時に、通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めることにより、分離膜の洗浄を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、下水処理水その他の各種の排水を原水として再生水を得る再生水製造方法、及び再生水製造システムに関するものである。

水資源の有効利用を図るために、各種の排水を膜ろ過して再生水を得る技術が開発されている。例えば、特許文献１、２には、浄水処理場のろ過池の洗浄排水を膜ろ過することにより、洗浄水として再利用する方法が開示されている。これら特許文献１、２に記載の発明の場合には排水の性状が比較的良好であるが、排水が下水排水のように多量の有機物などの微細固形物を含有するような場合には、排水を膜ろ過すると膜面が排水中の有機物などの微細固形物によって短時間のうちに閉塞してしまい、運転不能となるおそれがある。

このような膜面の閉塞を防止する技術としては、特許文献３、４に示されるように、原水中にオゾンを添加して膜面閉塞の原因となる有機物を分解してしまう方法がある。しかし、有機物を十分に分解するためには多量のオゾンを必要とする。しかし、オゾン発生器は、それ自体が高価である上に、オゾン発生には多量の電力を消費し、オゾン発生器のメンテナンスにも費用を要するため、ランニングコストが高くなるという問題がある。

また多量のオゾンを添加した場合、有機物の分解が進み、膜面を通過してしまうため、膜ろ過水中の残留有機物濃度が高まり、却って再生水の水質が低下するという問題がある。これらの理由により、排水を膜ろ過して再生水を得るためにオゾンを利用することはほとんど行われておらず、特許文献３、４は何れも浄水処理を主目的とするものである。

なお特許文献５には、下水二次処理水にプレオゾン処理、生物膜ろ過処理、オゾン処理、膜ろ過処理を行う再生水の製造方法が記載されている。しかしこの方法も多量のオゾンを必要とするうえ、原水の性状変動等によってプレオゾン処理のオゾンが誤って生物膜ろ過処理工程に流入すると生物膜の活性が低下し、処理水質が悪化するおそれもあり、実用運転は容易ではないと考えられる。

特開平１１−２３５５８７号公報 特開２００１−８７７６４号公報 特開２００３−２８５０５９号公報 特許第３４４９２４８号公報 特開２００２−１３６９８１号公報

水質は、日変動や季節変動がある。また、降雨などにより生物処理（前処理）への負荷が変化し、原水水質（二次処理水）が変動する。つまり、通常、排水性状（水質や水量）や水温は変化するので、最適なオゾン投入量は一定ではない。

オゾン投入量を一定にする場合は、排水性状の変動により不足がないようにオゾン投入量を高めに設定する。そうすると、オゾン設備の運転費が高くなる。そこで、溶存オゾン濃度などを指標として、排水性状に応じて投入オゾン量を制御することによりオゾン設備の運転費を削減できる。この方法では、制御遅れや制御値を低く設定したことにより、徐々にろ過膜の膜面が汚れ、閉塞する可能性がある。

本発明の課題は、常時多量のオゾンを必要とせず、低コストで膜面の閉塞を防止しつつ、排水から安定して再生水を得ることができる再生水製造方法、及び再生水製造システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者らは、一時的に洗浄用オゾンを原水に投入することにより、分離膜の閉塞を防止することができることを見いだした。すなわち、本発明によれば、以下の再生水製造方法、及び再生水製造システムが提供される。

［１］ 通常モード時に、オゾン発生器にて発生させたオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、前記オゾン処理の前に、又は後に、前記原水に凝集剤を注入し、前記オゾン処理及び前記凝集剤の注入の後に、前記原水の分離膜による膜ろ過を行う工程を含み、前記分離膜の上流側と下流側の圧力差の膜差圧を測定し、その膜差圧の上昇速度が所定の値を超えた場合に洗浄モードとし、その洗浄モード時に、前記通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを前記原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めることにより、前記分離膜の洗浄を行う再生水製造方法。

［２］ 前記膜差圧の値は、水温補正、または圧力計の設置高さの違いによる高さ補正を行った値である前記［１］に記載の再生水製造方法。

［３］ 前記原水の濁度を測定し、その濁度が所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない前記［１］または［２］に記載の再生水製造方法。

［４］ 前記通常モード時の投入オゾン量またはオゾン消費量を測定し、前記投入オゾン量またはオゾン消費量が、所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない前記［１］〜［３］のいずれかに記載の再生水製造方法。

［５］ オゾンを発生するオゾン発生器を有し、通常モード時に前記オゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、間欠的に洗浄モードとし、その洗浄モード時に前記通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを前記原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めるオゾン処理部と、前記オゾン処理の前に、又は後に、前記原水に凝集剤を注入する凝集剤注入部と、前記オゾン処理部及び前記凝集剤注入部の下流に、前記原水の分離膜による膜ろ過を行う膜ろ過部と、前記分離膜の上流側と下流側の圧力差の膜差圧を測定する膜差圧測定手段と、を備え、前記膜差圧測定手段による膜差圧の上昇速度が所定の値を超えた場合に、前記オゾン処理部が前記洗浄モードとし、前記洗浄用オゾンを前記原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高める再生水製造システム。

［６］ 前記膜差圧の値は、水温補正、または圧力計の設置高さの違いによる高さ補正を行った値である前記［５］に記載の再生水製造システム。

［７］ 前記原水の濁度を測定する濁度測定手段を備え、前記濁度測定手段による前記濁度が所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない前記［５］または［６］に記載の再生水製造システム。

［８］ 前記通常モード時の投入オゾン量またはオゾン消費量が、所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない前記［５］〜［７］のいずれかに記載の再生水製造システム。

通常モード時にオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、洗浄モード時に通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めることにより、分離膜を洗浄して膜差圧を減少させることができる。これにより、分離膜の閉塞を防止し、薬洗間隔を長くすることができる。また、間欠的にオゾンの発生を多くするため、オゾン発生量を常時多くする必要がなく、ランニングコストを低減しつつ、分離膜の閉塞を防止することができる。

本発明の実施形態１の再生水製造システムを示す図である。 洗浄モードにおけるオゾン投入量を説明するグラフである。 本発明の実施形態２の再生水製造システムを示す図である。 本発明の実施形態３の再生水製造システムを示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

（実施形態１）
本発明の再生水製造システム１０は、オゾンを発生するオゾン発生器３を有するオゾン処理部１１と、オゾン処理の前に、又は後に、原水に凝集剤を注入する凝集剤注入部１２と、オゾン処理部１１及び凝集剤注入部１２の下流に、原水の分離膜８による膜ろ過を行う膜ろ過部１３と、を備える。オゾン処理部１１は、通常モード時にオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、間欠的に洗浄モードとし、その洗浄モード時に通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高める。

図１に、本発明の実施形態１の再生水製造システムを示す。下水処理場の最終沈殿池１から排出された排水は、オゾン接触塔２、凝集槽４、膜ろ過部１３の分離膜８に導かれるように構成されている。本実施形態では、原水となる排水は、下水処理場の最終沈殿池１の下水処理水である。しかし、排水の種類はこれに限定されるものではなく、返流水、工場排水、ゴミ浸出水、屎尿、農業廃水、畜産排水、養殖排水などを処理した排水や浄水原水であってもよい。

オゾン接触塔２には、オゾンを供給するオゾン発生器３が備えられており、オゾン制御部９によってオゾンの投入が制御される。したがって、オゾン接触塔２、オゾン発生器３、オゾン制御部９は、オゾン処理部１１を構成する。

オゾン発生器３は、無声放電法、紫外線法、化学生成法、電解法などによりオゾンを発生するものであれば限定されないが、大量のオゾンを得るには、無声放電法が好ましい。オゾン発生器３は、電源投入により所定の濃度のオゾンを発生し、原水は、オゾン接触塔２においてオゾン発生器３から投入されたオゾンと接触する。本発明においては原水とオゾンとの接触の手段は、特に限定されるものではなく、上向流式であっても下向流式であってもよく、散気板または散気筒からオゾンを噴出させる方法であっても、イジェクタを用いて微細気泡（ナノバブル、マイクロバブル）としてオゾンを吹き込む方法であってもよい。オゾンによる原水中の固形分の凝集改善効果はごく短時間に行われる。

オゾン処理部１１は、オゾン制御部９の制御によって通常モードまたは洗浄モードとされる。通常モードでは、所定の量のオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理する。洗浄モードでは、通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高める。つまり、オゾン発生器３の出力を一時的に上げる（電圧または電流値を上げる）ことにより、ガスオゾン濃度を増加させる。溶存オゾン濃度の測定は、オゾン接触塔２から膜ろ過部１３前の何れかの場所で行う。

凝集槽４には、凝集剤注入ポンプ６を介して凝集剤貯留槽７が備えられており、凝集剤注入ポンプ６によって凝集剤貯留槽７から凝集剤が注入されるように構成されている。凝集槽４、凝集剤注入ポンプ６、凝集剤槽７は、凝集剤注入部１２を構成する。凝集剤の種類としては、ＰＡＣ、塩化第二鉄、硫酸バンド、高分子凝集剤、ＰＳＩ（ポリシリカ鉄凝集剤）などを使用すればよい。排水は、凝集槽４において急速攪拌や緩速攪拌により凝集剤と混合され、凝集フロックが形成される。なお、凝集手段としてラインミキサを使用してもよい。

膜ろ過部１３には、分離膜８が備えられており、分離膜８としては、ＭＦ膜またはＵＦ膜を用いることができる。前段階で良好なフロックが形成されているため、膜面が閉塞されにくく、またオゾン処理部１１が、洗浄モード時に洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めるため、高められた溶存オゾンによって分離膜８が洗浄される。膜の材質は、高分子膜であってもセラミック膜であってもよく、膜形状は、モノリス型の他に、チューブラー膜、ハニカム膜、中空糸膜、平膜など任意である。また、膜は内圧式であっても外圧式であっても良い。さらに膜ろ過方式は、全量ろ過方式でもクロスフロー方式でも良い。

本発明の再生水製造方法は、通常モード時に、オゾン発生器３にて発生させたオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、オゾン処理の前に、又は後に、原水に凝集剤を注入し、オゾン処理及び凝集剤の注入の後に、原水の分離膜８による膜ろ過を行う工程を含む。そして、間欠的に洗浄モードとし、その洗浄モード時に、通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めることにより、ろ過膜の洗浄を行う方法である。

まず、下水処理場の最終沈殿池１から排出された排水を、オゾン接触塔２に導入する。なお、最終沈殿池１とオゾン接触塔２の間に、生物膜ろ過や担体法などの生物処理や、砂ろ過や繊維ろ過などの簡易ろ過装置を設置することもできる。オゾン接触塔２にて排水中に添加されたオゾンは、排水中に含まれる微細固形物と接触することにより、微細固形物の表面性状を易凝集性に改質する。図２に示すように、再生水製造システム１０において、オゾン処理部１１のオゾン制御部９が、洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めることにより、分離膜８を洗浄し、分離膜８の閉塞を防止する。図２中の膜差圧とは、分離膜８の上流側と下流側の圧力差である。オゾン投入量を一時的に増加させることにより、分離膜８を洗浄して膜差圧を減少させることができる。

オゾン接触塔２における間欠的な洗浄用オゾンの投入は、流入水質の変動が比較的少ない水に対しては、一定時間ごとに行うように制御することができる。また、次のように制御することもできる。例えば下水流入水は、水質の変動が比較的少ないが、１日の間でも流量変動や濃度変動があり、そのパターンはほぼ一定である。下水流入汚濁物濃度は、一般に昼から夜高く、夜中から朝方低い。処理場での水滞留時間は半日程度なので、下水二次処理水質は、夜中から朝方高く、昼から夜低くなる。このパターンを生かして、昼から夜の水質が比較的良好な時間はオゾン発生器３の能力に余裕があるので、この時間帯に溶存オゾン濃度を高めて膜面洗浄を行う。

（実施形態２，３）
図３に、本発明の実施形態２の再生水製造システム１０を、図４に実施形態３の再生水製造システム１０を示す。

図３の実施形態２の再生水製造システム１０は、分離膜８の上流側と下流側の圧力差の膜差圧を測定する膜差圧測定手段１５を備える。膜差圧測定手段１５による膜差圧の上昇速度が所定の値を超えた場合に洗浄モードとし、洗浄用オゾンを原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高める。膜差圧の値は、水温補正や高さ補正（圧力計の設置高さの違いを補正）を行った値も使用することができる。

図４の実施形態３の再生水製造システム１０は、原水の濁度を測定する濁度測定手段１６を備える。濁度測定手段１６によって測定された濁度は、オゾン制御部９に入力され、濁度測定手段１６による濁度が所定の値を超える場合には洗浄モードとしないように構成することもできる。また、分離膜８の透過前の溶存オゾン濃度を測定する溶存オゾン濃度測定手段５を備える。通常モード時の投入オゾン量またはオゾン消費量が、所定の値を超える場合には洗浄モードとしないように構成することもできる。具体的には、オゾン制御部９が、濁度測定手段１６によって測定された濁度に基づいて投入オゾン量を変動するように構成し、投入オゾン量が所定の値以下の場合に、洗浄モードとするように構成する。または、オゾン消費量を検出し、オゾン消費量が所定の値以下の場合に、洗浄モードとするように構成する。このように構成すると、例えば河川水のように、通常は原水水質が安定しているが、降雨などにより急激に原水水質が悪化し膜差圧上昇速度が速くなる場合に、原水水質が良好になった後に、溶存オゾン濃度を上昇させて膜差圧を低下させることができる。なお、濁度測定手段１６及び溶存オゾン濃度測定手段５のいずれか一方を備えるように構成してもよい。また、投入オゾン量やオゾン消費量は、投入オゾン濃度／排オゾン濃度／オゾンガス流量／処理対象液流量から求められるが、オゾンガス流量／処理対象液流量がほぼ一定ならば計算上これらを省略し、投入オゾン濃度や投入オゾン濃度から排オゾン濃度を差し引いた値を指標とすることも可能である。

さらに、排水の溶存オゾン濃度を計測する溶存オゾン濃度測定手段５による溶存オゾン濃度の測定値によって凝集剤注入ポンプ６を制御し、凝集剤の注入を制御するように構成することもできる。

次に、実施形態２，３の再生水製造システム１０の運転方法を説明する。実施形態１と同様に、下水処理場の最終沈殿池１から排出された排水を、オゾン接触塔２に導入する。膜洗浄間隔（洗浄用オゾンの投入間隔）は、膜差圧上昇速度とパルスで変化させる溶存オゾン濃度から決めるとよい。膜洗浄間隔は、１〜１０日に１回でよく、例えば、下記の表１のように制御することができる。なお、膜差圧上昇速度とは、以下の通りである。膜ろ過部１３では膜差圧（原水側と処理水側の圧力差）を定期的に測定している。膜分離は定期的に逆洗を行い、この逆洗直後の膜差圧（初期膜差圧）を経過時間でプロットし、その勾配から膜差圧上昇速度を求める。例えば膜差圧上昇速度が１ｋＰａ／日とは、１日に初期膜差圧が１ｋＰａずつ上昇することを表している。

例えば、膜差圧上昇速度が、０．２ｋＰａ／日である場合について説明する。溶存オゾン濃度が１ｍｇ／Ｌとなるように洗浄用オゾンを添加する場合、５日に１回１時間添加し、溶存オゾン濃度が２ｍｇ／Ｌとなるように洗浄用オゾンを添加する場合、５日に１回０．５時間添加すれば、膜差圧の上昇を抑えることができ、長期間安定した膜ろ過運転が可能となる。

実施形態３のように、溶存オゾン濃度測定手段５や濁度測定手段１６を備えている場合で、流入水質が悪く、定期的に溶存オゾン濃度を高められなかった場合は、２〜３回分をまとめて行えばよい。そして、溶存オゾン濃度を高めている時間を延ばせばよい。

また、例えば河川水のように、通常は原水水質が安定しているが、降雨などにより急激に原水水質が悪化し膜差圧上昇速度が速くなる場合がある。この場合は、原水水質が良好になった後に、溶存オゾン濃度を上昇させて膜差圧を低下させる。原水水質が良好になったか否かは、原水濁度やオゾン投入量（溶存オゾン濃度制御を行っている場合）を見れば判断することができる。

以上のように、オゾン接触塔２にてオゾンと接触することにより原水中の固形分の凝集性が高められた原水は、凝集槽４に送られるが、凝集前の原水中の溶存オゾン濃度が溶存オゾン濃度計５によって測定される。

このようにしてオゾンによって凝集性が改善された原水に凝集剤が注入されると、原水の固形分は速やかに凝集してフロックを形成する。また、原水の性状が悪くオゾンの消費量が多いために凝集前の原水中の溶存オゾン濃度が低下した場合には、より多くの凝集剤が注入するようにすると、やはり良好なフロックが形成される。その後、分離膜８により膜ろ過が行われ、膜ろ過水が再生水として取り出される。

なお、上記実施形態では、オゾン処理部１１の下流に、凝集剤注入部１２がある例を説明したが、凝集剤注入部１２の下流に、オゾン処理部１１があるように構成することもできる。このように構成すると、凝集槽４における凝集剤の注入にてフロックを形成しなかった固形分のみオゾン処理を行えばよいので、オゾンの消費量を減少させることができる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（試験１）
オゾン接触塔２、凝集槽４、膜ろ過部１３の順に原水を流通させて処理する再生水製造システム１０にて、表２に示すように、溶存オゾン濃度を１時間変化させて膜差圧の改善率を調べた。比較例１のように、溶存オゾン濃度が０．７５ｍｇＯ_３／Ｌの場合、膜差圧は改善しなかった。一方、溶存オゾン濃度が、実施例１のように１．０ｍｇＯ_３／Ｌの場合は、膜差圧改善率は、１．５ｋＰａ／ｈｒ、実施例２のように２．０ｍｇＯ_３／Ｌの場合は、膜差圧改善率は、２．５ｋＰａ／ｈｒであった。

（試験２）
表３の比較例２のように、溶存オゾン濃度を０．７５ｍｇＯ_３／Ｌと一定にすると、分離膜８は、９０日ごとに薬洗する必要があった。一方、実施例３のように、溶存イオン濃度を１日に１時間１．０ｍｇＯ_３／Ｌに増加すると、薬洗間隔を１２０日とすることができた。また、実施例４のように、溶存イオン濃度を２日に１時間２．０ｍｇＯ_３／Ｌに増加しても、薬洗間隔を１２０日とすることができた。

以上から、オゾン発生器３の能力が余っているときに、溶存オゾン濃度を高めて運転すると膜差圧が低下することが分かった。これにより、常時高濃度オゾンを投入しないでも、長期間安定した運転が可能となる。

本発明の再生水製造システムは、下水処理水、返流水、工場排水、ゴミ浸出水、屎尿、農業廃水、畜産排水、養殖排水や浄水原水などの処理に使用することができる。

１：最終沈殿池、２：オゾン接触塔、３：オゾン発生器、４：凝集槽、５：溶存オゾン濃度測定手段、６：凝集剤注入ポンプ、７：凝集剤貯留槽、８：分離膜、９：オゾン制御部、１０：再生水製造システム、１１：オゾン処理部、１２：凝集剤注入部、１３：膜ろ過部、１５：膜差圧測定手段、１６：濁度測定手段。

Claims (8)

1. 通常モード時に、オゾン発生器にて発生させたオゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、
   前記オゾン処理の前に、又は後に、前記原水に凝集剤を注入し、
   前記オゾン処理及び前記凝集剤の注入の後に、前記原水の分離膜による膜ろ過を行う工程を含み、
   前記分離膜の上流側と下流側の圧力差の膜差圧を測定し、その膜差圧の上昇速度が所定の値を超えた場合に洗浄モードとし、その洗浄モード時に、前記通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを前記原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めることにより、前記分離膜の洗浄を行う再生水製造方法。
2. 前記膜差圧の値は、水温補正、または圧力計の設置高さの違いによる高さ補正を行った値である請求項１に記載の再生水製造方法。
3. 前記原水の濁度を測定し、その濁度が所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない請求項１または２に記載の再生水製造方法。
4. 前記通常モード時の投入オゾン量またはオゾン消費量を測定し、前記投入オゾン量またはオゾン消費量が、所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない請求項１〜３のいずれか１項に記載の再生水製造方法。
5. オゾンを発生するオゾン発生器を有し、通常モード時に前記オゾンを原水に投入して原水をオゾン処理し、間欠的に洗浄モードとし、その洗浄モード時に前記通常モード時よりも多い洗浄用オゾンを前記原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高めるオゾン処理部と、
   前記オゾン処理の前に、又は後に、前記原水に凝集剤を注入する凝集剤注入部と、
   前記オゾン処理部及び前記凝集剤注入部の下流に、前記原水の分離膜による膜ろ過を行う膜ろ過部と、
   前記分離膜の上流側と下流側の圧力差の膜差圧を測定する膜差圧測定手段と、を備え、
   前記膜差圧測定手段による膜差圧の上昇速度が所定の値を超えた場合に、前記オゾン処理部が前記洗浄モードとし、前記洗浄用オゾンを前記原水に投入して溶存オゾン濃度を間欠的に高める再生水製造システム。
6. 前記膜差圧の値は、水温補正、または圧力計の設置高さの違いによる高さ補正を行った値である請求項５に記載の再生水製造システム。
7. 前記原水の濁度を測定する濁度測定手段を備え、前記濁度測定手段による前記濁度が所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない請求項５または６に記載の再生水製造システム。
8. 前記通常モード時の投入オゾン量またはオゾン消費量が、所定の値を超える場合には前記洗浄モードとしない請求項５〜７のいずれか１項に記載の再生水製造システム。

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