JP3937620B2 - 膜分離装置および水の分離方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃水処理の中でも主に、活性汚泥処理や凝集処理等で行われる固液分離に用いる膜分離装置および水の分離方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膜分離技術は、逆浸透膜や限外ろ過膜、精密ろ過膜を用いて、海水・かん水の脱塩、半導体洗浄用の超純水の製造、食品の分離または濃縮等のように高品位な水が必要とされる用途を中心に研究が進められてきた。しかし、最近では環境保全の観点から、廃水処理にも膜分離技術を適用しようとする研究が進められている。
【０００３】
現在の廃水処理では、多くの場合、沈殿による固液分離プロセスを伴うため、その代替として膜分離技術が実施できれば、高品位な処理水が得られるだけでなく、広大な沈殿池の省略あるいは縮小ができ、スペースメリットが非常に大きい。更に廃水処理では、微生物を含む活性汚泥により、廃水中の有機物を分解した後に、フロック化した汚泥と処理水を分離する活性汚泥処理プロセスが広く用いられている。この活性汚泥処理プロセスでは、処理効率を上げるために、活性汚泥を高濃度化すると、分解処理が進む一方で、後段の沈殿池において汚泥の沈降性不良を生じる場合があり、水質の悪化を防止するための管理作業が煩雑であった。
【０００４】
この汚泥と処理水との固液分離に膜分離技術を利用することで、高濃度活性汚泥処理を行なった場合にも、水質の悪化を伴わず、更に沈殿池を省略でき非常に省スペースとなる。このような点から、高濃度（ＭＬＳＳ 約７，０００〜２０，０００ｍｇ／Ｌ）活性汚泥混合液の固液分離用途に向けての膜分離技術の研究が行われて
いる。
【０００５】
一方で膜分離技術では、素材として有機素材、無機素材等があり、主に平膜、管状膜、中空糸膜等の分離膜が用いられ、使用される方式により適した分離膜モジュールが開発されている。
【０００６】
高濃度における固液分離は分離膜モジュールに原水を循環供給し、膜面に付着する汚れを、循環流でかきとりながら分離するクロスフロー方式が行われており、この方式に合わせた平膜や管状の分離膜を用いた膜モジュールが主として用いられてきた。
【０００７】
しかし、この方式は高濃度の活性汚泥を分離膜モジュール内へ供給することが困難であることに加えて、常に膜面に原水を循環供給し、膜面に付着する汚泥をかきとりながら運転する必要があり、動力を必要とする技術であった。このため、使用用途は再利用水など廃水処理の中でも一部の高度な処理を要する分野に限定されていた。近年になり、槽体内に分離膜モジュールを浸漬して、モジュールの透過側をポンプで吸引、あるいはサイホン等のように水位差を利用して処理水を得る、省エネルギーな浸漬タイプの分離膜モジュールの研究が行われている。更に、特公平４−７０９５８号公報、特公平７−２０５９２号公報、特開平７−２７５６６８号公報に記載のように、この技術を活性汚泥処理に用いれば、好気性の微生物を飼育するために使用されている曝気を利用して、槽体内に形成される旋回流を利用して膜面に付着する汚泥をかきとることができ、更に動力コストの低減がはかれる。
【０００８】
【発明が解決しょうとする課題】
この技術では、曝気で形成される旋回流が各分離膜エレメントの各流路間に均一に上昇して生じるせん断力に加えて、曝気の気泡が膜面に作用することで、ろ過に伴い付着する汚れをかきとる。
【０００９】
しかし、多数の分離膜エレメントを配列した場合、下方からの曝気で各分離膜エレメントの間に均一に流れを与えることは困難であり、加えて、特開平９−２９９９５２号公報に記載のように、各分離膜エレメント間の中には曝気が入らない場所も生じる。このような場合、分離膜エレメント毎の汚れ具合にむらが生じてしまうだけでなく、汚れにより分離膜エレメント間の流路が閉塞し、使用が困難な状況にも陥ってしまう。分離膜エレメント間隔間に確実に曝気の気泡を導くために、特公平８−４７２２号公報に記載された技術がある。この技術では各分離膜エレメント間に曝気手段を設けるため、分離膜エレメント間隔間に気泡を送り込むことができるが、曝気手段自体が上昇流の高速化を阻害するだけでなく、曝気手段の分だけ、分離膜エレメント間隔を大きくする必要があり、コンパクトに配置することができない点が問題であった。
【００１０】
そこで、各分離膜エレメントをコンパクトに配置でき、均一に洗浄しながら長期間運転できるための膜装置が必要であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
「複数の平面状の分離膜エレメントが、所定の間隔で並べられて膜ユニットを形成し、該膜ユニットが、噴気孔を有する曝気手段とともに槽体内に配置され、分離膜エレメントに連通して分離膜エレメントの透過水を取出す水取出手段が接続された膜分離装置であって、該曝気手段が、少なくとも、膜ユニットの各分離膜エレメントの側端に対し外側の横方向で、かつ分離膜面の高さの位置に設けられていることを特徴とする膜分離装置。」、
「前記膜分離装置を用いて、槽体内に原水が存在する状態で、曝気手段の噴気孔から曝気しながら、膜を通じて水取出手段から透過水を取り出すことを特徴とする水の分離方法。」、
「ケーシング内の膜収容部内に取り出し自在に複数の平面状の分離膜エレメントが鉛直に配置され、ケーシングの膜収容部の側壁面に、噴気孔を有する管状の曝気手段が配置され、かつ、曝気手段の噴気孔が、ケーシング内の各分離膜エレメントの側端同士の間に対峙していることを特徴とする膜分離用ケーシング。」
を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１３】
図１は本発明の膜分離装置の一例である。
【００１４】
本発明は複数の平面状の分離膜エレメント１が所定の間隔で並べられた膜ユニット２に、曝気手段３を少なくとも膜ユニットの横に設けることで、コンパクトに各分離膜エレメント間に曝気を送り込むことができる。
【００１５】
膜ユニット２に曝気手段３を取付ける場合に、膜ユニットの下方に取付けると槽内に大きな旋回流が形成されるが、分離膜エレメント間には気泡が導かれない箇所もあり、汚れにより流路が閉塞する箇所が生じてくるため、分離膜エレメント間に気泡を導けるように曝気手段を配置する必要がある。気泡を分離膜エレメント１間に導くために、下方に配置した曝気手段を膜ユニットに近接させると、気泡は分離膜エレメント間に導かれるが、その一方で曝気手段自体が、発生する上昇流の抵抗になる。また、分離膜エレメントの間に曝気手段を配置すると、気泡は導けるが、曝気手段の分だけの分離膜エレメントの間隔が必要になり、設置面積が大きくなる。
【００１６】
これに対して、曝気手段３の噴気孔を膜ユニット２の各分離膜エレメント１の側端に対し外側の横方向で、かつ分離膜面の高さの位置に設けると、上昇流の抵抗とならずに、コンパクトに分離膜エレメント間に気泡を導くことが可能になる。
【００１７】
膜ユニット２は複数の分離膜エレメントが所定の間隔で配置されたものであり、さらに分離膜エレメントを鉛直に配置すると、曝気による旋回流が各分離膜エレメント間を上昇する際に、せん断力が最も大きく作用するため最も好ましい。各分離膜エレメント１を並べる間隔は小さいと高い速度の上昇流が得られ、設置面積もコンパクトになるが、大きいと汚泥が付着堆積した場合にも分離膜エレメント間が閉塞しにくくなる。間隔については適宜選定するのがよく、特に限定されるものではない。曝気手段３は少なくとも膜ユニット２の各分離膜エレメントの側端に対し外側の横方向に設けられる。膜ユニットの分離膜エレメントの側端に対し外側の横方向とは、分離膜エレメント１の膜面を正面とした場合にその分離膜エレメントの左右の側端に対し外側の横方向の位置に設けることを指す。このように配置することで分離膜エレメント各間隔間に曝気および曝気による上昇流を付与することができる。
【００１８】
曝気手段３はフロアやコンプレッサーなどの給気手段８から気体を供給され、曝気手段に設けた噴気孔（以下、単に孔という。）から気体を噴出するものであればよい。焼結材料などで構成され、微細な孔から気泡を発するものでもよく、単にパイプ等に多数の孔９が設けられており、粗大な気泡を発するものでもよい。活性汚泥処理等で用いる場合などに、孔が汚泥により閉塞しないようなものであれば、特に限定されるものではない。好ましくは孔９が分離膜エレメント１の各間隔間に対峙するように曝気手段が配置されていることで、曝気による上昇流に関わらず分離膜エレメント間に気泡が送り込まれる。この場合、膜ユニットと曝気手段は近接している方が更に好ましい。より好ましくは、更に曝気手段が膜ユニットの各分離膜エレメントの両側端の各々に対し外側の横方向に設けられていることで、これにより、孔を設けた一つの曝気手段に給気することで、分離膜エレメントの側端同士の各間隔間に気泡を送り込める。特に好ましくは曝気手段が高さ方向に複数段設けられていることで、これにより高さの高い分離膜エレメントを使用した場合に生じる流路における部分的な閉塞も防止することができる。また曝気手段は地上に対してほぼ水平に設けられていることで、孔からの曝気が行ないやすくなる。
【００１９】
本発明の分離膜エレメントの一例とその断面模式図を図２に示す。
【００２０】
平面状の分離膜エレメント１は必ずしも限定されるものではないが、分離膜５が有機素材を用いた平膜であるような場合には、少なくとも支持部材４の片面に分離膜５が形成され、分離膜５を通った処理水が分離膜エレメント１から取出される構造となるのが一般的である。分離膜は両面に形成されていると膜面積が大きく取れ、更に好ましい。
【００２１】
この場合、分離膜エレメントは平面を構成する骨格を有する支持部材４とそれを覆う分離膜５からなる。平面状の支持部材は、必ずしも限定されるものではないが、分離膜エレメント間の流れにより反りや撓み等の変形を生じにくいような剛性を有していることが好ましい。支持部材は構造については、板状の部材を用いることも好ましいが、部分的に骨格を形成し、それにより変形を防止することも軽量で取扱いやすく好ましい。しかし、素材についてはこれらに特に限定されるものではない。
【００２２】
また、素材としてもプラスチック素材であれば軽量で取扱いも簡便であり好ましい。また金属材料を用いることも、高い剛性が得られ好ましい。しかし、素材についてはこれらに特に限定されるものではない。
【００２３】
分離膜エレメント１は特に限定されるものではないが、支持部材４が形成する平面を覆うように、分離膜の周縁部が支持部材と液密に接合したものであることが好ましい。支持部材のほぼ全平面を分離膜で覆うと、膜面積が大きく取れ、更に好ましい。分離膜を透過した処理水は、分離膜と支持部材の間の空間を通って取出される。この分離膜を通過した処理水を取出す水取出手段６と接続するために、支持部材にはノズル１４などが設けられていることが特に好ましい。
【００２４】
分離膜５と支持部材４の間には、膜を透過した処理水が流通しやすいように流路材１７等が設けられていることが好ましい。流路材１７は支持部材、分離膜のどちらかと一体のものであってもよく、支持部材に流路材の機能が付与されてるものがより好ましい。しかし、少なくとも平面状の支持部材と分離膜から構成されるものであれば特に限定されるものではない。必ずしも限定するものではないが、分離膜５として無機素材を用いた際には、分離膜自体が充分な剛性を有していれば、支持部材４を不要または、特に剛性の小さなもので構成することもよい。分離膜エレメントの内側を処理水が流通しやすいように構成されていることが好ましい。このような場合には分離膜と支持部材は一体に形成できれば更に好ましいが、その構成などは特に限定されるものではない。
【００２５】
このような平面状の分離膜エレメント複数個で膜ユニット２を形成した場合には、各々の分離膜エレメント１を個々に水取出手段６を接続してもよいが、個々の分離膜エレメントを集液部材７に接続して、集液部材７と水取出手段６を接続すれば、水取出手段も少なく、簡略化され好ましい。
【００２６】
水取出手段６はポンプのようなものを用いれば、安定して処理水を吸引できるため、好ましい。また、槽体内の水位を利用した水位差によって、膜透過に必要な差圧を付与することも好ましく、この方法であれば運転動力を大幅に軽減できる。この場合には透過ライン中を真空ポンプで減圧することで、処理水内の気泡によるサイホン切れなどを防止でき、更に好ましい。水取出手段としては以上のような例があげられるが、処理水を取得可能であれば特に限定されるものではない。更に、膜ユニット２の下方にも曝気手段を設けることで、槽内に多くの旋回流を生じさせることができ、その上昇流に加えて、各分離膜エレメント間隔内の膜面を曝気の気泡で洗浄できる。しかし、散気手段の設置は膜ユニットの横のみでもよく、特に限定されるものではない。また、高さ方向に複数段の曝気手段を設けた場合には、各曝気手段から曝気量を調節する手段１０を有することで水深による曝気手段からの曝気量の偏りを防止できる。
【００２７】
次に、本発明の膜分離装置に用いる膜ユニット及び曝気手段の一例として、膜分離用ケーシングの一例を図３に示す。
【００２８】
膜ユニット２を形成する際には、図３のように、分離膜エレメント１を所定の間隔で並べやすいようなケーシング１１を用いることが好ましい。この場合、ケーシング１１の膜収容部内に取り出し自在に複数の分離膜エレメントが鉛直に配置されており、ケーシングの膜収容部の側壁面に、噴気孔を有する管状の曝気手段が横向きで配置され、かつ、曝気手段の噴気孔が、ケーシング内の各分離膜エレメントの側端同士の間に対峙している構造を有するものである。具体的には、膜収容部の側壁面に所定の間隔で溝などが設けてあるケーシングを用い、このケーシングの膜収容部の側壁面に曝気手段を横向きで配置し、散気手段の噴気孔が、各分離膜エレメントの側端同士の間に開口するように設けていればよい。しかし、これらについては、特に限定されるものではない。
【００２９】
このような膜ユニット、曝気手段からなる装置を槽体１５内に配置する。水取出手段６については槽体外に設けることが好ましいが、特に限定されるものではない。槽体には処理する原水が流入することが好ましく、原水については廃水処理であれば、活性汚泥混合液、凝集処理液などがあげられるが、使用用途に応じて必要な原水を供給すればよく、特に限定されるものではない。形状については開放した槽体であることが好ましいが、旋回流を生じ、膜ユニットを配置可能な表面積と水深を有していれば特に限定されるものではない。
【００３０】
本発明の分離膜エレメントに使用する分離膜は、限外濾過膜、精密濾過膜が適当であり、低圧での分離が可能な逆浸透膜でも良い。膜面で汚れを除去し、処理水を取出せるものであれば、膜構造においても対称膜、非対称膜等を限定するものではない。
【００３１】
分離膜は平膜であることが好ましく、織物や不織布に代表される支持布帛の片面あるいは両面にコーティングされたものが一般に用いられ、強度面で優れ好ましいが、支持部材に剛性を有していれば、分離膜単独も更に好ましい。また板状の無機素材からなる分離膜であれば、分離膜自体が剛性を有しており、より好ましいが、特に限定されるものではない。
【００３２】
更に、素材としては、分離膜が形成されるものであれば有機素材、無機素材いずれでもよく特に限定されるものではない。有機素材としてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリビニルアルコール、セルロースアセテート、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン等が代表的である。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例を用いて更に詳細に説明する。
【００３４】
＜実施例１＞
図２に示すように、分離膜エレメント１の構成としては、支持部材４をＡＢＳ樹脂製の板状部材（高さ１ｍ、幅０．３ｍ、厚さ１０ｍｍ）の上部に矩形の貫通部を有し、その貫通部と連通して処理水を取出し可能な接続用ノズル設けたものとし、分離膜５にはポリスルホンを不織布の基材にコーティングしたものを、流路材１７として厚さ０．７ｍｍ、空隙率８０％のネットとした。支持部材４の両面のほぼ全面を覆うように分離膜５の周縁部で接着材により貼付け、接着していない分離膜５と支持部材４の間に流路材１７を設けたものを分離膜エレメント１とした。この分離膜エレメント１を、図３のようにケーシング１１として脚部１３の高さが０．５ｍで膜収容部分に分離膜エレメント１を収容する７ｍｍの溝を８ｍｍ毎に設けたものを製作し、この分離膜エレメント（膜面積約０．５５ｍ２）１８枚を収容した。
【００３５】
更にこのケーシング１１の膜収容部１２の両側壁外側には、長さ０．３ｍのポリ塩化ビニル製のパイプに８ｍｍ毎に直径５ｍｍの孔を有する曝気手段３を水平に高さ方向に等間になるように３段（高さ０．７ｍ、１ｍ、１．３ｍ）取付け、側壁を通して、膜収容部１２の分離膜エレメント間に曝気可能なように構成し、計６本の曝気手段３を配置した。この膜ユニット２を図１のように各分離膜エレメント１のノズル１４を集液部材７に接続し、その集液部材７を介して水取出手段６として設けたマグネットギアポンプに接続した。膜ユニット２に取り付けた曝気手段３はそれぞれ給気調節手段１０として減圧弁を介して、高さ毎に独立に曝気が可能なように可能なように給気手段８として、コンプレッサーに接続してある。膜ユニット２と曝気手段３を実験用水槽水深（２．４ｍ）内に配置し、産業廃水処理場の活性汚泥槽（活性汚泥濃度ＭＬＳＳ１０，０００〜１４，０００ｍｇ／ｌ）から原水を移液して実験を行った。水取出手段６である吸引ポンプで吸引し、ろ過線速度が１ｍ／ｄａｙとなるようにろ過を行なった。この際に、側壁に取り付けた３段６カ所のの曝気手段３から各３０Ｌ／ｍｉｎで曝気を行った。３００時間でろ過差圧は、１９ｋＰａと安定していた。
【００３６】
＜実施例２＞
実施例１のケーシング１１の脚部５の高さ０．２ｍの位置には曝気手段を更に２本取り付け、２本の曝気手段から各１５Ｌ／ｍｉｎで曝気し、更に、側壁に設けた曝気手段３段６カ所から各２５Ｌ／ｍｉｎで曝気し、水取出手段６で同様に吸引して運転した。３００時間でろ過差圧は１２ｋＰａで安定していた。
【００３７】
＜比較例＞
実施例２と同様に水取出手段６で同様に吸引し、側壁に設けた３段から曝気を行わず、脚部に設けた２本の曝気手段からのみ各９０Ｌ／ｍｉｎで曝気した。３００時間でろ過差圧は約３０ｋＰａに達し、その後も運転を継続すると３８０時間で５５ｋＰａに達し、運転継続が困難となった。槽体内の活性汚泥を排出し、分離膜エレメントを取出したところ、前後端に並べられた分離膜エレメントの流路間はほとんど活性汚泥により閉塞していた。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、コンパクトに各分離膜エレメント間隔間に気泡を導くことができ、均一に分離膜エレメントを洗浄しながら運転することができるため、分離膜エレメントの寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜分離装置の一例。
【図２】本発明の分離膜エレメントの一例とその断面模式図
【図３】本発明の膜ユニットの一例。
【符号の説明】
１：分離膜エレメント
２：膜ユニット
３：曝気手段
４：支持部材
５：分離膜
６：水取出手段
７：集液部材
８：給気手段
９：孔
１０：給気調節手段
１１：ケーシング
１２：膜収容部
１３：脚部
１４：ノズル
１５：槽体
１６：液面
１７：流路材

Claims (8)

1. 複数の平面状の分離膜エレメントが、所定の間隔で並べられて膜ユニットを形成し、該膜ユニットが、噴気孔を有する曝気手段とともに槽体内に配置され、分離膜エレメントに連通して分離膜エレメントの透過水を取出す水取出手段が接続された膜分離装置であって、該曝気手段が、少なくとも、膜ユニットの各分離膜エレメントの側端に対し外側の横方向で、かつ分離膜面の高さの位置に設けられていることを特徴とする膜分離装置。
2. 該曝気手段の噴気孔が、所定の間隔で並べられた分離膜エレメントの側端同士の間に対峙するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の膜分離装置。
3. 該曝気手段が、膜ユニットの各分離膜エレメントの両側端の各々に対し外側の横方向の位置に、かつ、上下方向に複数段設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜分離装置。
4. 更に膜ユニットの下方に噴気孔を有する曝気手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜分離装置。
5. 該曝気手段の噴気孔から曝気する量を調節する手段を、曝気手段に連通して設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の膜分離装置。
6. 請求項１〜５のいずれかの膜分離装置を用いて、槽体内に原水が存在する状態で、曝気手段の噴気孔から曝気しながら、膜を通じて水取出手段から透過水を取り出すことを特徴とする水の分離方法。
7. 請求項６記載の水の分離方法において、上下方向に複数段設けた曝気手段からの曝気量を段毎に調節しながら曝気することを特徴とする水の分離方法。
8. ケーシングの膜収容部内に取り出し自在に複数の平面状の分離膜エレメントが鉛直に配置され、ケーシングの膜収容部の側壁面に、噴気孔を有する管状の曝気手段が横向きで配置され、かつ、曝気手段の噴気孔が、ケーシング内の各分離膜エレメントの側端同士の間に対峙していることを特徴とする膜分離用ケーシング。

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