JP2020032316A - 排水処理装置及び排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、排水処理に使用される膜自体を簡単にメンテナンスすることができる排水処理装置及び排水処理方法を提供する。【解決手段】夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ排水以外の駆動溶液の間に配設される第１のＦＯ膜１と、第１のＦＯ膜１に駆動溶液を供給する第１の供給管４と、供給された駆動溶液及び排水から駆動溶液に移動した水分を集水する第１の集水管５と、を有する第１の膜エレメントＥ１と、夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され第２のＦＯ膜１と、第２のＦＯ膜１に駆動溶液を供給する第２の供給管４と、供給された駆動溶液及び排水から駆動溶液に移動した水分を集水する第２の集水管５と、を有する第２の膜エレメントＥ２と、を備え、第１のＦＯ膜１及び第２のＦＯ膜１は分離可能な複数の領域から構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、排水処理装置及び排水処理方法に関する。

従来より、精密ろ過膜(ＭＦ（Microfiltration）膜)や限外ろ過膜（ＵＦ（Ultrafiltration）膜）を用いて排水を処理する膜分離活性汚泥法が排水処理方法として知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。膜分離活性汚泥法では、通常、排水に含まれる比較的大きな夾雑物を分離除去する分離除去工程、分離除去工程において除去されなかった夾雑物のうち比較的重い夾雑物を沈殿させる沈澱工程、分離除去工程及び沈澱工程で除去されなかった夾雑物を微生物によって除去する生物処理工程、並びに、生物処理工程後に夾雑物の大半が除去された排水をＭＦ膜やＵＦ膜で濾過する膜濾過工程が実行され、各工程が実行された後の排水処理水は河川等に放流される。

ところで、膜濾過工程では、排水を濾過するためのＭＦ膜やＵＦ膜の表面に夾雑物が付着するファウリングが発生する虞がある。これに対応して、ＭＦ膜やＵＦ膜の近傍に散気管が配置され、散気管から大量の気泡がＭＦ膜やＵＦ膜に曝気されることにより、ＭＦ膜やＵＦ膜へのファウリングが防止されている。

特開昭６２−１８０７０４号公報 特開平７−１８５２６９号公報 特開平１０−０１５５７３号公報

しかしながら、膜濾過工程において、大量の気泡をＭＦ膜やＵＦ膜に曝気する際の消費電力量は大きく、消費電力量の削減が要請されている。消費電力量は膜濾過工程が実行されなければ削減されるところ、簡単且つ迅速な排水処理が損なわれるため、膜濾過工程が実行されないことは妥当でない。また、近年、ＭＦ膜やＵＦ膜以外の膜を用い、生物処理工程を実行しないことによって排水処理の更なる迅速化を図ることが要請されている。そうすると、微生物が除去していた夾雑物も膜濾過工程において除去しなければならず、排水処理で使用される膜へのファウリングは一層深刻化する。その結果、排水処理に使用される膜のファウリングが阻止できない場合がある。この場合、排水処理に使用される膜自体をメンテナンスする必要があるが、簡単にメンテナンスすることができないという問題があった。

本発明の目的は、排水処理に使用される膜自体を簡単にメンテナンスすることができる排水処理装置及び排水処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の排水処理装置は、夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第１の除去手段と、前記第１の除去手段に前記駆動溶液を供給する第１の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第１の集水手段と、を有する第１の膜エレメントと、夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第２の除去手段と、前記第２の除去手段に前記駆動溶液を供給する第２の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第２の集水手段と、を有する第２の膜エレメントと、を備え、前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段は分離可能な複数の領域から構成されていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の排水処理方法は、夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第１の除去手段と、前記第１の除去手段に前記駆動溶液を供給する第１の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第１の集水手段と、を有する第１の膜エレメントと、夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第２の除去手段と、前記第２の除去手段に前記駆動溶液を供給する第２の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第２の集水手段と、を有する第２の膜エレメントと、を備え、前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段は分離可能な複数の領域から構成されている排水処理装置によって実行される排水処理方法において、前記駆動溶液を第１の供給手段及び第２の供給手段から前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段に供給する供給ステップと、前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段が前記排水から前記夾雑物を取り除くとともに、前記排水に含まれる水分が前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段を透過して前記駆動溶液に移動する濾過ステップと、前記駆動溶液及び前記駆動溶液に移動した水分を前記第１の集水手段及び前記第２の集水手段から集水する集水ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、排水処理に使用される膜自体を簡単にメンテナンスすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置が備える膜エレメントを概略的に示す図である。 図１の膜エレメントが分割可能な状態を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置が備える膜モジュールの構造を概略的に示す断面図である。 図３の膜モジュールの変形例を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置を概略的に示す側面図である。 図５の排水処理装置を左方向から見た正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る排水処理装置が備える膜エレメントを概略的に示す図である。 図７のＦＯ膜を備える排水処理装置を概略的に示す側面図である。 図８の排水処理装置の変形例を概略的に示す図である。 図９の排水処理装置の変形例を概略的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る排水処理装置を概略的に示す縦方向断面図である。 図１１の排水処理装置の上面図である。 図１１の排水処理装置のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置が備える膜エレメントを概略的に示す図である。

図１の膜エレメントは、正浸透膜１（以下、「ＦＯ（Forward Osmosis）膜１」という。）を備える。ＦＯ膜１には溶質濃度の異なる２種類の溶液が接触し、低濃度側の溶媒が高濃度側の溶液に移動する正浸透作用に基づいてＦＯ膜１は排水中の夾雑物及び溶解性物質を除去する。このとき、半透膜としてＦＯ膜１ではなく、ＭＦ膜、ＵＦ膜又はＲＯ（Reverse Osmosis）膜を用いると、排水から夾雑物及び溶解性物質を除去するためにＭＦ膜、ＵＦ膜又はＲＯ膜に対して強い圧力を加える必要があるが、ＦＯ膜１を用いると、そのような圧力を加える必要はない。したがって、ＦＯ膜１はＭＦ膜、ＵＦ膜及びＲＯ膜に比べてエネルギー効率に関し優位な膜である。

本実施の形態では、ＦＯ膜１は排水（供給溶液）に浸漬されるとともに、ＦＯ膜１の内部に形成された流路に海水等の駆動溶液（ＤＳ（Draw Solution））を流通させる。駆動溶液は排水よりも溶質濃度が高いため、ＦＯ膜１が排水から受ける圧力は駆動溶液から受ける圧力よりも高く、正浸透作用によって排水に含まれる水分のみがＦＯ膜１を浸透してＦＯ膜１内部の駆動溶液に移動し、夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜１の排水側の表面に残存する。その後、ＦＯ膜１を浸透した水分は、駆動溶液とともにＦＯ膜１の内部に形成された流路から流出して排水処理装置から排出される。

図１の膜エレメントは、円板状のＦＯ膜１（除去手段）、固定ボス３、供給管４（供給手段）及び集水管５（集水手段）から構成されており、固定ボス３、供給管４及び集水管５は一体となって、ＦＯ膜１を取り付けるための保持器を構成している。

図１において、供給管４は固定ボス３が有する駆動溶液通過部３２からＦＯ膜１の外周部方向に延在し、供給管４の両側にはＦＯ膜１に駆動溶液を供給する多数の穴（供給孔）が設けられている。また、集水管５は固定ボス３が有する混合液通過部３３からＦＯ膜１の外周部方向に延在し、集水管５の両側にはＦＯ膜１を浸透した水分及び駆動溶液の混合液（以下、単に「混合液」という。）を集水する多数の穴（集水孔）が設けられている。

図１において、駆動溶液は、固定ボス３の駆動溶液通過部３２から供給管４に流入し、次いで、供給管４の両側に設けられた多数の穴からＦＯ膜１の内部に形成させた流路に流入する。このとき、ＦＯ膜１は排水に浸漬しているため、ＦＯ膜１が排水から受ける圧力は等駆動溶液から受ける圧力よりも高く、排水中の水分がＦＯ膜１内に浸透する。浸透した水分は駆動溶液に混合され、ＦＯ膜１内部の流路を集水管５に向かって流通する。続いて、混合液は、集水管５の両側の多数の穴から集水管５に流入し、その後、集水管５から固定ボス３の混合液通過部３３に集水される。このように、ＦＯ膜１が複数の供給孔を有する供給管４及び複数の集水孔を有する集水管５を備えることにより、ＦＯ膜１に効率的に駆動溶液を供給し効果的な膜分離を行うことができる。

なお、本発明で使用するＦＯ膜１は内部に駆動溶液が流通する流路を有するが、例えば、駆動溶液が流通する流路材層の両面にＦＯ膜１を積層した構造のものを使用することができる。

図２は、図１の膜エレメントが分割可能な状態を概略的に示す図である。

膜エレメントは、固定ボス３、供給管４及び集水管５から構成される保持器がＦＯ膜を保持する複雑な構造を有するが、図２のように、ＦＯ膜１は、供給管４及び集水管５に囲まれた領域を構成する複数のＦＯ膜部材に分割可能であって保持器に着脱可能な構造とすることができる。このような構造により、ＦＯ膜エレメントのメンテナンス性を向上させることができる。分割されたＦＯ膜部材の形状としては扇状、二等辺三角形状等が挙げられ、同一形状の複数のＦＯ膜部材を用いることにより円板状や正多角形状のＦＯ膜を形成することができる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置が備える膜モジュールの構造を概略的に示す断面図である。

図３の膜モジュールは、第１の膜エレメントＥ１と、第２の膜エレメントＥ２と、回転軸２と、固定ボス３とを備えている。第１の膜エレメントＥ１と第２の膜エレメントＥ２は固定ボス３により回転軸２に固定されている。回転軸２は、両端に設けた軸受け６により、排水で満たされた排水処理槽に当該モジュールが水没する状態で取り付けられる。回転軸２内部の右端部には駆動溶液を供給管４に供給するための供給部３０が設けられ、供給部３０はスイベルジョイント９に接続されている。また、回転軸２内部の左端部には、集水管５から集水された混合液を集水する集水部３１が設けられ、集水部３１はスイベルジョイント９に接続されている。固定ボス３の内部は、供給部３０から供給された駆動溶液が通過する駆動溶液通過部３２と、ＦＯ膜を浸透した水分及び駆動溶液の混合液が通過する混合液通過部３３とに区分されている。

図３において、駆動溶液は回転軸２の右側にあるスイベルジョイント９を経由し、次いで、供給部３０及び駆動溶液通過部３２を順次通過して供給管４に供給される。また、集水管５に集水された混合液は、混合液通過部３３及び集水部３１を順次通過してスイベルジョイント９を経由し、膜モジュールの外部に排出される。このような構成の膜モジュールは、駆動装置７に接続され、駆動装置７を駆動させることによって回転軸２を中心に回転する。なお、隣接する膜エレメントの設置間隔は、ＦＯ膜１による膜分離効率とＦＯ膜表面のファウリング物質の除去効率を考慮して適宜設定することができる。

図４は、図３の膜モジュールの変形例を概略的に示す図である。

図４の膜モジュールは、その構成、作用が図３の膜モジュールと基本的に同じであり、ＦＯ膜１を回転軸２に固定する固定ボス３が、隣接する固定ボス３と互いに当接した状態で固定されている点で図３の膜モジュールと異なる。図４の構成とすることにより、複数の膜エレメントを強固に固定した膜モジュールを作製することができ、排水処理装置自体の耐久性を高めることができる。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置を概略的に示す側面図である。

図５の排水処理装置は第１の膜モジュール１０ａ，第２の膜モジュール１０ｂ，第３の膜モジュール１０ｃを備え、各膜モジュール１０は、複数の円板状膜エレメントと、これを一定間隔で固定する回転軸２とから構成されている。１つの膜モジュールを構成する複数のＦＯ膜１は、隣接する膜モジュールを構成するＦＯ膜１と交互に重なり合うように設置されている。

具体的に、第１の膜モジュール１０ａは、ＦＯ膜１ａ（第１の除去手段）と、ＦＯ膜１ａを固定する第１の回転軸２ａと、ＦＯ膜１ａから離間して第１の回転軸２ａに固定されたＦＯ膜１ａａ（第２の除去手段）及びその他のＦＯ膜とを備え、第１の回転軸２ａを中心に回転する。また、第２の膜モジュール１０ｂは、ＦＯ膜１ｂ（第３の除去手段）と、ＦＯ膜１ｂを固定する第２の回転軸２ｂと、ＦＯ膜１ｂから離間して第２の回転軸２ｂに固定されたその他のＦＯ膜とを備え、第２の回転軸２ｂを中心に回転する。第２の膜モジュール１０ｂを構成するＦＯ膜１ｂは、第１の膜モジュール１０ａを構成するＦＯ膜１ａ及びＦＯ膜１ａａの間に介在するように設置される。

図５の排水処理装置を排水に浸漬させて膜モジュール１０ａ〜１０ｃをゆっくりと回転させることにより、ＦＯ膜表面の近傍にせん断流が発生し、ＦＯ膜の表面に蓄積したファウリング物質を効果的に除去することができる。

図６は、図５の排水処理装置を左方向から見た正面図である。

膜モジュールの回転方向は特に限定されることはなく、隣接する膜モジュールの回転方向は同方向であっても逆方向であってもよいが、第１の膜モジュール１０ａ及び第３の膜モジュール１０ｃが回転する方向は、隣接する第２の膜モジュール１０ｂが回転する方向と同一方向とするのがよい。このような構成にすることにより、ＦＯ膜表面の近傍にせん断流をより効率的に発生させ、ＦＯ膜の表面に蓄積したファウリング物質をより効果的に除去することができる。

膜エレメントが備える供給管４及び集水管５の表面には、ブラシ、スポンジ及びゴム板等のワイパー機構（清掃手段）を設けることができる（図１及び図３）。このワイパー機構を設けることにより、膜エレメントが回転した際に、ワイパー機構を備えた膜エレメントに対向するＦＯ膜の表面に蓄積したファウリング物質を効果的に除去することができる。例えば、図５の排水処理装置において、ＦＯ膜１ａ又はＦＯ膜１ａａに設けた供給管４及び／又は集水管５の表面にワイパー機構を設けて膜エレメントを回転させることにより、隣接するＦＯ膜１ｂの表面に蓄積したファウリング物質を効率的に除去することができる。また、ＦＯ膜１ｂに設けた供給管４及び／又は集水管５の表面にワイパー機構を設けて膜エレメントを回転させることにより、隣接するＦＯ膜１ａ又はＦＯ膜１ａａの表面に蓄積したファウリング物質を効率的に除去することができる。また、前記ワイパー機構（清掃手段）を清掃する他の清掃手段を対向する膜エレメントに設けることもできる。さらに、ＦＯ膜１の近傍に邪魔板を設けてもよい。これにより、ＦＯ膜周辺にせん断流をさらに効率的に発生させることができる。

ＦＯ膜１は内部に流路が形成されているため、駆動溶液の圧力及び浸透圧により膨張又は収縮する場合がある。これを防止するため、ＦＯ膜１の内部又は外部に支持材（補強手段）を設けることができる。ＦＯ膜１の内部に支持材を設ける場合には、例えば、ポリエステル等の樹脂製の多孔体や不織布等を支持材として用い、支持材の表面上にＦＯ膜１を積層した積層構造とすることができる。また、ＦＯ膜１の外部に支持材を設ける場合には、ナイロンやポリエチレン等の樹脂製の網をＦＯ膜１の表面上に設置することができる。このような支持体（補強手段）を設けることにより、ＦＯ膜１の膨張又は収縮を防止しＦＯ膜１に十分な強度を付与し、もって、安定した排水処理を実行することができる。

ＦＯ膜の外部に網等の補強手段を設ける場合には、補強手段の表面にさらに細毛等の清掃手段を設けることができる。このような構成により、膜エレメントが回転する際に補強手段に設けた細毛等の清掃手段が清掃機能を示すため、対向するＦＯ膜１の表面に蓄積したファウリング物質をさらに効率的に除去することができる。

次いで、本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置によって実行される排水処理方法について説明する。

上述したように、本発明の第１の実施の形態に係る排水処理装置は、複数の膜エレメントを備える。各膜エレメントはＦＯ膜１、固定ボス３、供給管４及び集水管５から構成され（図１）、複数の膜エレメントは固定ボス３により一定間隔で回転軸２に固定されている（図５）。回転軸２内部の右端部には駆動溶液を供給管４に供給するための供給部３０が設けられ、左端部には、集水管５から集水された混合液を集水する集水部３１が設けられている（図３）。固定ボス３の内部は、供給部３０から供給された駆動溶液が通過する駆動溶液通過部３２と、ＦＯ膜を浸透した水分及び駆動溶液の混合液が通過する混合液通過部３３とに区分されている（図３）。

駆動溶液は供給部３０を経由して駆動溶液通過部３２に流入し、次いで、供給管４に供給される（図３）。その後、駆動溶液は供給管４の両側に設けられた多数の穴からＦＯ膜１の内部に形成された流路に供給される（供給ステップ）（図１）。このとき、ＦＯ膜１は排水に浸漬しているため、ＦＯ膜１が排水から受ける圧力は駆動溶液から受ける圧力よりも高い。そのため、排水に含まれる水分がＦＯ膜１を透過して駆動溶液に移動するとともに、排水中の夾雑物及び溶解性物質がＦＯ膜１に取り除かれる（濾過ステップ）。次いで、ＦＯ膜１を透過した水分は駆動溶液と混合され、ＦＯ膜１内部の流路を集水管５に向かって流通する。ＦＯ膜１を浸透した水分と駆動溶液の混合液は集水管５の両側の多数の穴から集水管５に流入し（図１）、集水管５、混合液通過部３３、及び集水部３１を順次通過して排水処理装置から排出される（集水ステップ）（図３）。

すなわち、本実施の形態によれば、ＦＯ膜１に隣接する供給管４（供給手段）に駆動溶液（ＤＳ）を供給すれば、強い圧力をかけることなく上記供給ステップ、濾過ステップ及び集水ステップが進行し、排水から夾雑物及び溶解性物質を取り除くとともに、排水中の水分を駆動溶液側に容易に移動させることができるため、エネルギー効率の高い膜分離を行うことができる。また、ＦＯ膜１は供給管４及び集水管５に囲まれた領域を構成する複数のＦＯ膜部材に分割可能であるため、排水処理に使用されるＦＯ膜１自体を簡単にメンテナンスすることができる。なお、膜エレメントを分割して定期的にメンテナンスすることにより、本実施の形態に係る下水処理方法は長期的且つ継続的に実行される。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態で上述したＦＯ膜１と基本的に同じ機能を有するＦＯ膜１１ａ，１１ｂを用いた排水処理装置について説明する。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る排水処理装置が備える膜エレメントを概略的に示す図である。

図７の膜エレメントは、ＦＯ膜１１ａを有する膜エレメントＥ１（第１の膜エレメント）及びＦＯ膜１１ｂを有する膜エレメントＥ２（第２の膜エレメント）であり、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂはいずれも３つに分割可能な構成である。ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの横方向の一端には、駆動溶液が流入する供給管１４（供給手段）が設けられ、供給管１４にはＦＯ膜１１ａ，１１ｂと接する部分に多数の穴（供給孔）が設けられている。また、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの横方向の他端には、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂを浸透した水分と駆動溶液が混合した混合液を集水する集水管１５（集水手段）が設けられ、集水管１５にはＦＯ膜１１ａ，１１ｂと接する部分に多数の穴（集水孔）が設けられている。

図７において、駆動溶液は供給管１４に供給され、次いで、供給管１４の多数の供給孔からＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部に形成させた流路に流入する。このとき、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂは排水に浸漬しているため、ＦＯ膜が排水から受ける圧力は駆動溶液から受ける圧力よりも高く、排水中の水分のみがＦＯ膜１１ａ，１１ｂ内に浸透し、夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜１１ａ，１１ｂの排水側の表面に残存する。ＦＯ膜１１ａ，１１ｂを浸透した水分と駆動溶液は混合され、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部の流路を集水管１５に向かって流通する。その後、集水管１５の多数の集水孔から集水された混合液は集水管１５内を移動し、排水処理槽から排出される。このように、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂが複数の供給孔を有する供給管１４及び複数の集水孔を有する集水管１５を備えることにより、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂに効率的に駆動溶液を供給し効果的な膜分離を行うことができる。

図８は、図７のＦＯ膜１１ａ，１１ｂを備える排水処理装置を概略的に示す側面図である。

図８の排水処理装置は、複数の膜エレメントの上端部及び下端部がクランク１２（変位手段）に固定され、膜エレメントＥ１及び膜エレメントＥ２が一定間隔で交互に配置されている。クランク１２は基軸部分及び凹凸部分を有し、基軸部分に膜エレメントＥ２が固定され、凹凸部分に膜エレメントＥ１が固定されている。クランク１２は駆動装置７に接続されており、駆動装置７を駆動させてクランク軸を回転させることにより、膜エレメントＥ２は固定されたまま、膜エレメントＥ１が一定周期で上下動する。これにより、ＦＯ膜１１ａ（第１の除去手段）がＦＯ膜１１ｂ（第２の除去手段）に対して変位する。なお、クランク機構１２の代わりにカム機構を用いてＦＯ膜１１ａを移動させてもよい。さらに、図８では、膜エレメントＥ１のみを上下動させているが、クランクの形状を変えることにより、膜エレメントＥ２を同時に上下動させてもよい。

ＦＯ膜１１ａをＦＯ膜１１ｂに対して相対的に変位させることにより、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの表面の近傍にせん断流を発生させることができ、ＦＯ膜の表面に蓄積されたファウリング物質を効果的に除去することができる。

次いで、本実施の形態に係る排水処理装置によって実行される排水処理方法について説明する。

上述したように、本実施の形態に係る排水処理装置（図８）には、複数の膜エレメントＥ１，Ｅ２が一定間隔で交互に配置されている。各膜エレメントＥ１，Ｅ２は、分割可能な３つのＦＯ膜から構成され、各ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの両端部には供給管１４及び集水管１５が設けられている（図７）。各膜エレメントＥ１，Ｅ２の上端部及び下端部はクランク１２（変位手段）に固定され、クランク１２は駆動装置７に接続されている。

駆動装置７が駆動してクランク１２が回転すると、膜エレメントＥ２は固定されたまま、膜エレメントＥ１が上下動する。一方、駆動溶液が各膜エレメントＥ１，Ｅ２に設けられた供給管１４に供給され、次いで、駆動溶液は供給管１４の多数の穴（供給孔）からＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部に形成させた流路に供給される（供給ステップ）。このとき、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂは排水に浸漬しているため、ＦＯ膜が排水から受ける圧力はＤＳから受ける圧力よりも高く、排水に含まれる水分がＦＯ膜１１ａ，１１ｂを透過して駆動溶液に移動するとともに、排水から夾雑物及び溶解性物質が取り除かれる（濾過ステップ）。続いて、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂを透過した水分は駆動溶液と混合され、ＦＯ膜１内部の流路を集水管１５（集水手段）に向かって流通する。その後、集水管１５の多数の穴（集水孔）から集水された混合液は各膜エレメントＥ１，Ｅ２に設けられた集水管１５内を移動し、排水処理装置から排出される（集水ステップ）。

すなわち、本実施の形態によれば、各膜エレメントＥ１，Ｅ２のＦＯ膜ＦＯ膜１１ａ，１１ｂに設けられた供給管１４に駆動溶液を供給すれば、強い圧力をかけることなく上記供給ステップ、濾過ステップ及び集水ステップが進行し、排水から夾雑物及び溶解性物質を取り除くとともに、排水中の水分を駆動溶液側に容易に移動させることができるため、エネルギー効率の高い膜分離を行うことができる。また、膜エレメントＥ１，Ｅ２はそれぞれ複数のＦＯ膜１１ａ，１１ｂに分割可能であるため、排水処理に使用されるＦＯ膜１自体を簡単にメンテナンスすることができる。なお、膜エレメントＥ１，Ｅ２を分割して定期的にメンテナンスすることにより、本実施の形態に係る排水処理方法は長期的且つ継続的に実行される。

図９は、図８の排水処理装置の変形例を概略的に示す図である。

図９の排水処理装置は、その構成、作用が図８の排水処理装置と基本的に同じであり、膜エレメントＥ１の下端部を排水処理槽の底面に固定されたゴムやバネ等の伸縮材１３（振動手段）に固定している点で図８の排水処理装置と異なる。

図９において、膜エレメントＥ１の下端部を伸縮材１３（振動手段）に固定することにより、クランプ軸を回転させて膜エレメントＥ１を上下動させた際に、膜エレメントＥ１の下端部が排水処理槽の底部に適度に固定されるため、ＦＯ膜１１ａのＦＯ膜１１ｂに対する変位の自由度を高めることができる。伸縮材１３の材質は排水に対して耐食性のある樹脂や金属等が用いられ、伸縮材１３の強度と長さはＦＯ膜１１ａがＦＯ膜１１ｂに対して変位する範囲を考慮して適宜設定される。

図１０は、図９の排水処理装置の変形例を概略的に示す図である。

図１０の排水処理装置は、その構成、作用が図９の排水処理装置と基本的に同じであり、膜エレメントＥ１の上端部が直線状の固定部材に固定され、該固定部材がバイブレーター８に接続されている点で図９の排水処理装置と異なる。

具体的に、図１０の排水処理装置は、膜エレメントＥ２を固定しつつ、膜エレメントＥ１の上端部を直線状の固定部材に固定し、下端部を排水処理槽の底面に固定されたゴムやバネ等の伸縮材（振動手段）に固定するよう構成される。バイブレーター８用いて該固定部材を所定の周波数で振動させることにより、ＦＯ膜１１ａをＦＯ膜１１ｂに対して一定周期で振動させ変位させることができる。図１０の排水処理装置は、図８や図９の排水処理装置に比べＦＯ膜１１ａの振動の振幅は小さいが、振動周波数を任意に設定することができ、ＦＯ膜１１ａの振動の振幅を変更することができる。

図１０において、膜エレメントＥ１の振動方向は上下方向のみならず、ＦＯ膜同士の対向状態を維持するような横方向や円弧方向であってもよく、いずれの方向でもＦＯ膜表面のファウリング物質を除去する効果がある。膜エレメントＥ１の振動方向は、膜エレメントＥ１の上端部を固定する固定部材を振動させる方向を調節することにより設定することができ、振動発生機構はバイブレーターに限らず振動性能やコスト面で優位な機構を選定することができる。

本実施の形態で使用するＦＯ膜１１ａ，１１ｂには、本発明の第１の実施の形態に係るＦＯ膜１について説明した清掃手段や補強手段、さらには補強手段に設けた清掃手段と同様の手段を適用することができる。例えば、多段のＦＯ膜１１ａ，１１ｂのそれぞれの上端部及び／又は下端部の横方向に、ブラシ、スポンジ及びゴム板等のワイパー機構（清掃手段）を設けることができる。このような清掃手段を用いることにより、ＦＯ膜１１ａがＦＯ膜１１ｂに対して変位した際に、対向するＦＯ膜の表面に蓄積したファウリング物質を効果的に除去することができる。また、前記ワイパー機構（清掃手段）を清掃する他の清掃手段を対向する膜エレメントに設けることもできる。さらに、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの近傍に邪魔板を設けてもよい。これにより、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂ周辺にせん断流をさらに効率的に発生させることができる。

また、本実施の形態においては、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部又は外部に支持材（補強手段）を設けることができる。ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部に支持材を設ける場合には、例えば、ポリエステル等の樹脂製の多孔体や不織布等を支持材として用い、支持材の表面上にＦＯ膜１１ａ，１１ｂを積層した積層構造とすることができる。また、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの外部に支持材を設ける場合には、ナイロンやポリエチレン等の樹脂製の網をＦＯ膜１１ａ，１１ｂの表面上に設置することができる。このような支持材（補強手段）を設けることにより、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの膨張を防止しＦＯ膜に十分な強度を付与することができる。

ＦＯ膜の外部に網等の補強手段を設ける場合には、補強手段の表面にさらに細毛等の清掃手段を設けることができる。このような構成により、ＦＯ膜が変位する際に補強手段に設けた細毛等の清掃手段が清掃機能を示すため、対向するＦＯ膜の表面に蓄積したファウリング物質をさらに効率的に除去することができる。

また、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂは、ＦＯ膜１１ａを浸透した水分及び駆動溶液の混合液がＦＯ膜１１ａの内部に形成された流路を通過する方向と、ＦＯ膜１１ｂを浸透した水分及び駆動溶液の混合液がＦＯ膜１１ｂの内部に形成された流路を通過する方向とが逆方向となるように設置されるのがよい。排水中の水分がＦＯ膜１１ａ，１１ｂを浸透する際に、その浸透圧によってＦＯ膜１１ａ，１１ｂの一部が膨張又は収縮する場合があるが、このような構成により、隣接するＦＯ膜１１ａ，１１ｂ全体としての変形を抑制することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本発明の第３の実施の形態では、第２の実施の形態で説明したＦＯ膜１１ａ，１１ｂ（図７）を用いた排水処理装置であって第２の実施の形態で説明した排水処理装置とは異なる構成の排水処理装置について説明する。

図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る排水処理装置を概略的に示す縦方向断面図である。

図１１に示した排水処理装置は、上下方向に振動可能な振動フレーム１６（第１の固定手段）と、排水処理槽に固定した固定フレーム１７（第２の固定手段）とを備える。振動フレーム１６には複数の膜エレメントＥ１が一定間隔で固定され、固定フレーム１７には複数の膜エレメントＥ２が一定間隔で固定されている。振動フレーム１６の上端はカム機構１８（変位手段）に連結され、また、振動フレーム１６はバネやゴム等の伸縮材により固定フレーム１７に連結されている。振動フレーム１６が固定フレーム１７に連結されているとき、膜エレメントＥ１，Ｅ２が一定間隔で交互に配置され、振動フレーム１６、固定フレーム１７、及びＦＯ膜１１ａ，１１ｂは排水処理槽内の排水に浸漬されている。各膜エレメントＥ１，Ｅ２は分割可能な３つのＦＯ膜１１ａ，１１ｂから構成されている。

図１２は、図１１の排水処理装置の上面図である。

図１２において、振動フレーム１６は固定フレーム１７の内側に嵌合するように設置されている。カム機構１８は駆動装置７に連結し、駆動装置７が駆動すると、カム機構１８は回転する。これにより、振動フレーム１６が一定の周期で上下方向に移動し、振動フレーム１６は固定フレーム１７に対して一定の周期で変位する。その結果、隣接するＦＯ膜１１ａはＦＯ膜１１ｂに対して相対的に振動する。このような構成により、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂ表面の近傍にせん断流が発生し、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの表面に蓄積するファウリング物質を効果的に除去することができる。なお、カム機構１８の代わりにクランク機構や種々のバイブレーターを用いて振動フレーム１６を振動させてもよい。

図１３は、図１１の排水処理装置のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

振動フレーム１６及び固定フレーム１７のそれぞれには、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部に形成された流路に駆動溶液を供給する供給口と、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂを浸透した水分及び駆動溶液の混合液を集水する集水口が設けられている。また、図７と同様に、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの横方法の一端には、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂに駆動溶液（ＤＳ）を供給する供給管１４が設けられ、供給管１４にはＦＯ膜１１ａ，１１ｂに駆動溶液を供給する多数の穴（供給孔）が設けられている。さらに、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの横方法の他端には、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂを浸透した水分及び駆動溶液の混合液を集水する集水管１５（集水手段）が設けられ、集水管１５にはＦＯ膜から混合液体集める多数の穴（集水孔）が設けられている。

次いで、本実施の形態に係る排水処理装置によって実行される排水処理方法について説明する。

本実施の形態に係る排水処理装置（図１１〜１３）は、振動フレーム１６、固定フレーム１７及びカム機構１８を備え、各フレームには複数の膜エレメントＥ１、Ｅ２が一定間隔で設置されている。各膜エレメントＥ１，Ｅ２は分割可能な３つのＦＯ膜１１ａ，１１ｂから構成され、各ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの両端部には供給管１４及び集水管１５が設けられている（図７）。また、膜エレメントＥ１，Ｅ２は排水に浸漬され、カム機構１８には駆動装置７が連結している。

駆動装置７が駆動してカム機構１８が回転すると、固定フレーム１７は固定されたまま、振動フレーム１６が上下動する（図１１）。一方、駆動溶液が振動フレーム１６及び固定フレーム１７に供給され（図１３）、各膜エレメントＥ１，Ｅ２に設けられた供給管１４に供給され、次いで、駆動溶液は供給管１４の多数の穴（供給孔）からＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部に形成させた流路に供給される（供給ステップ）。このとき、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂは排水に浸漬しているため、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂが排水から受ける圧力は駆動溶液から受ける圧力よりも高く、排水に含まれる水分がＦＯ膜１１ａ，１１ｂを透過して駆動溶液に移動するとともに、排水から夾雑物及び溶解性物質が取り除かれる（濾過ステップ）。次いで、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂを透過した水分は駆動溶液と混合され、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂ内部の流路を集水管１５に集水される。その後、集水管１５の多数の穴（集水孔）から集水された混合液は各膜エレメントＥ１，Ｅ２に設けられた集水管１５内を移動し、排水処理装置から排出される（集水ステップ）。

すなわち、本実施の形態によれば、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂに設けられた供給管１４に駆動溶液を供給すれば、強い圧力をかけることなく上記供給ステップ、濾過ステップ及び集水ステップが進行し、排水から夾雑物及び溶解性物質を取り除くとともに、排水中の水分を駆動溶液側に容易に移動させることができるため、エネルギー効率の高い膜分離を行うことができる。また、膜エレメントＥ１及びＥ２は複数のＦＯ膜１１ａ，１１ｂに分割可能であるため、排水処理に使用されるＦＯ膜１１ａ，１１ｂ自体を簡単に交換し、膜エレメントＥ１，Ｅ２をメンテナンスすることができる。なお、膜エレメントＥ１，Ｅ２を分割して定期的にメンテナンスすることにより、本実施の形態に係る排水処理方法は長期的且つ継続的に実行される。

駆動溶液は振動フレーム１６及び固定フレーム１７とは独立した供給手段によりＦＯ膜１１ａ，１１ｂに設けた供給管１４に供給されてもよい。また、混合液は、振動フレーム１６及び固定フレーム１７とは独立した流出手段によりＦＯ膜に設けた集水管１５から排出されてもよい。

また、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂは、ＦＯ膜１１ａを浸透した水分及び駆動溶液の混合液がＦＯ膜１１ａの内部に形成された流路を通過する方向と、ＦＯ膜１１ｂを浸透した水分及び駆動溶液の混合液がＦＯ膜１１ｂの内部に形成された流路を通過する方向とが逆方向となるように設置されるのがよい。排水中の水分がＦＯ膜１１ａ，１１ｂを浸透する際に、その浸透圧によってＦＯ膜１１ａ，１１ｂの一部が膨張又は収縮する場合があるが、このような構成により、隣接するＦＯ膜１１ａ，１１ｂ全体としての変形を抑制することができる。

本実施の形態で使用するＦＯ膜には、本発明の第１の実施の形態に係る円板状のＦＯ膜について説明した清掃手段や補強手段、さらには補強手段に設けた清掃手段をあてはめることができる。例えば、多段のＦＯ膜のそれぞれの上端部及び／又は下端部の横方向にブラシ等のワイパー機構（清掃手段）を設けることにより、振動フレーム１６を上下動させてＦＯ膜を相対的に変位させる際に対向するＦＯ膜の表面のファウリング物質を効果的に取除することができる。また、前記ワイパー機構（清掃手段）を清掃する他の清掃手段を対向する膜エレメントに設けることもできる。さらに、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの近傍に邪魔板を設けてもよい。これにより、ＦＯ膜周辺にせん断流をさらに効率的に発生させることができる。

また、本実施の形態においては、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの膨張を防止しＦＯ膜１１ａ，１１ｂに十分な強度を付与するため、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部又は外部に支持材（補強手段）を設けることができる。ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの内部に支持材を設ける場合には、例えば、ポリエステル等の樹脂製の多孔体や不織布等を支持材として用い、支持材の表面上にＦＯ膜１１ａ，１１ｂを積層した積層構造とすることができる。また、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの外部に支持材を設ける場合には、ナイロンやポリエチレン等の樹脂製の網をＦＯ膜の表面上に設置することができる。ＦＯ膜１１ａ，１１ｂの外部に網等の補強手段を設ける場合には、補強手段の表面にさらに細毛等の清掃手段を設けると、ＦＯ膜１１ａ，１１ｂが変位する際に細毛が清掃機能を示すため、対向するＦＯ膜１１ａ，１１ｂの表面に蓄積したファウリング物質をさらに効率的に除去することができる。

また、振動フレーム１６を伸縮材により固定フレーム１７に連結する場合には、伸縮材の強さやフレームの浮力を調整することにより、カム機構１８の回転に要する動力を最小にすることができる。さらに、駆動装置７を排水の水面よりも上部に設け、振動フレーム１６及び固定フレーム１７を含むユニット全体を釣り上げて排水処理槽の外部に取り出せる構成とすることにより、メンテナンス性の良い排水処理装置とすることができる。

上述した本発明の第１の実施の形態〜第３の実施の形態に係る排水処理装置による排水処理が終了した後には、排水中の夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜１，１１ａ，１１ｂの表面に付着するので、簡単に脱水ケーキを得ることができる。

また、本発明の第１の実施の形態〜第３の実施の形態に係る排水処理装置は既存の下水処理場の更新に適用できる。駆動溶液には、精製処理や濾過処理等が施された海水が使用できる場合がある。既存の下水処理場では、標準活性汚泥法（生物処理）が用いられる場合が多いが、本発明の排水処理装置では、生物処理を実行することなく有機物等を除去することができる。なお、本発明の排水処理装置は排出された夾雑物及び溶解性物質に基づいてエネルギーとして利用されるバイオガスを生成することができ、もって、資源の有効活用に寄与することができる。

このように、本発明の排水処理装置は、既存の排水処理場の設備に容易に適用させることができ、複雑な生物処理設備を省いた迅速な処理が可能であるとともに、エネルギー効率の高いプロセス設計を可能とする。

以上、本発明について、上述した実施の形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。

本発明は、排水処理に使用される膜自体を簡単にメンテナンスすることができる。

１，１ｃ ＦＯ膜
１ａ ＦＯ膜（第１の除去手段）
１ａａ ＦＯ膜（第２の除去手段）
１ｂ ＦＯ膜（第３の除去手段）
２ 回転軸
２ａ 第１の回転軸
２ｂ 第２の回転軸
３ 固定ボス
４ 供給管
５ 集水管
６ 軸受け
７ 駆動装置
８ バイブレーター
９ スイベルジョイント
Ｅ１ 第１の膜エレメント
Ｅ２ 第２の膜エレメント
１０ 膜モジュール
１０ａ 第１の膜モジュール
１０ｂ 第２の膜モジュール
１０ｃ 第３の膜モジュール
１１ａ，１１ｂ ＦＯ膜
１２ クランク
１３ 伸縮材
１４ 供給管
１５ 集水管
１６ 振動フレーム
１７ 固定フレーム
１８ カム機構
３０ 供給部
３１ 集水部
３２ 駆動溶液通過部
３３ 混合液通過部

Claims (7)

1. 夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第１の除去手段と、前記第１の除去手段に前記駆動溶液を供給する第１の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第１の集水手段と、を有する第１の膜エレメントと、
   夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第２の除去手段と、前記第２の除去手段に前記駆動溶液を供給する第２の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第２の集水手段と、を有する第２の膜エレメントと、を備え、
   前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段は分離可能な複数の領域から構成されていることを特徴とする排水処理装置。
2. 前記第１の供給手段及び前記第２の供給手段の各々は前記駆動溶液を供給するための複数の供給孔を有し、前記第１の集水手段及び前記第２の集水手段の各々は前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水するための複数の集水孔を有することを特徴とする請求項１記載の排水処理装置。
3. 前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段を清掃する清掃手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の排水処理装置。
4. 前記第１の除去手段又は前記第２の除去手段は前記清掃手段を清掃する他の清掃手段を有することを特徴とする請求項３記載の排水処理装置。
5. 前記第１の除去手段又は前記第２の除去手段は補強手段を有することを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれか１項に記載の排水処理装置。
6. 前記補強手段は清掃手段を有することを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれか１項に記載の排水処理装置。
7. 夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第１の除去手段と、前記第１の除去手段に前記駆動溶液を供給する第１の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第１の集水手段と、を有する第１の膜エレメントと、夾雑物及び溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から受ける圧力が前記駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合に前記排水から前記夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に移動する第２の除去手段と、前記第２の除去手段に前記駆動溶液を供給する第２の供給手段と、前記供給された駆動溶液及び前記排水から前記駆動溶液に移動した水分を集水する第２の集水手段と、を有する第２の膜エレメントと、を備え、前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段は分離可能な複数の領域から構成されている排水処理装置によって実行される排水処理方法において、
   前記駆動溶液を第１の供給手段及び第２の供給手段から前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段に供給する供給ステップと、
   前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段が前記排水から前記夾雑物を取り除くとともに、前記排水に含まれる水分が前記第１の除去手段及び前記第２の除去手段を透過して前記駆動溶液に移動する濾過ステップと、
   前記駆動溶液及び前記駆動溶液に移動した水分を前記第１の集水手段及び前記第２の集水手段から集水する集水ステップと、を有することを特徴とする排水処理方法。