JP4984460B2 - 分離膜の洗浄方法、ならびに有機性汚水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機性汚水を導入して活性汚泥により処理する生物処理槽と、この生物処理槽内の活性汚泥混合液を固液分離する膜分離装置とを有した有機性汚水処理装置、およびそれを用いて、前記膜分離装置の中に配された分離膜を洗浄する方法に関する。

従来、下水等の有機性汚水を処理する装置においては、通常の活性汚泥法における最終沈殿池の代わりに精密濾過膜あるいは限外濾過膜を使用する、膜分離活性汚泥法が実用化されつつある。膜分離活性汚泥法の特徴としては、(1)生物反応槽の生物量（一般にＭＬＳＳ）を高く保ち、設置面積を小さくすることができ、(2)処理水に懸濁物質（ＳＳ）が流出することがなく清澄な処理水を得ることができる、などの利点がある。

また、膜分離活性汚泥法は、膜の下方からの空気曝気により膜面を常時洗浄することが普通であるが、長時間運転を続けると膜透過流束が低下してしまう。ここで、膜透過流束を低下させる原因となる物質を次亜塩素酸ナトリウムやクエン酸等により定期的に薬液洗浄する必要がある。膜の薬液洗浄条件は、被処理水質、活性汚泥性状、運転膜透過流束や膜の種類により異なるが、できるかぎり少量の薬液で、効率的に薬液洗浄を実施する必要がある。

従来から、濾過膜の細孔に膜目詰まりが生じ、透過流束の減少や膜間差圧の上昇がみられた場合、膜分離装置全体あるいは膜エレメントを槽外に取り出して洗浄したり、槽内に膜分離装置を浸漬したまま膜透過水流路に薬液を注入したりする膜洗浄方法が用いられているが、後者の槽内洗浄方法（以下、「インライン洗浄」と称する。）が主流になりつつある。

また、薬液洗浄するに際し、インライン洗浄方法では、薬液により濾過膜を均一に洗浄するのが困難であるため、濾過膜の透過性が安定しにくく、また、薬液が微生物に悪影響を及ぼす恐れがあるため、薬液の濃度を高くできないなどの問題がある。

かかる問題を解決するために、膜分離装置の透過水流路内に膜面付着物質を分解する薬液を注入して濾過膜を透過させるとともに、透過水流路内の薬液が濾過膜に接触する状態を１〜２時間維持し、その後、透過水流路内に前記薬液とほぼ同等量の洗浄水を注入して濾過膜を透過させる方法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−６６８４４号公報（［０００６］〜［０００９］段落）

ところで、上記した膜分離活性汚泥法において、汚染された膜を次亜塩素酸ナトリウム水溶液などの薬液を用いて透過水流路からインライン洗浄する場合、薬液を膜分離装置より高い位置におき、水頭差により膜分離装置の透過側から薬液を注入する方法があるが、通常は、薬液の注入濃度、薬液の注入速度、薬液の注入圧力を薬液注入中に変化させることはない。

しかし、注入の水頭差が小さすぎて注入速度が遅すぎる場合、濾過膜内部に薬液が均一に行き渡らず、かつ逆圧による汚れ成分の剥離効果が乏しく、効率的に洗浄できないなどの問題があった。一方、高い水頭差をかけて薬液注入を行う場合には、膜洗浄にかかる時間にわたって、膜に高い圧力がかかってしまうため、膜が膨れて破損してしまう可能性があった。

また、注入薬液濃度についても、高濃度で連続的に注入すればより高い洗浄効果が期待されるが、 (1)高濃度で薬液を連続注入することにより、生物反応槽内の活性汚泥を死滅させてしまうおそれがあり、 (2)使用する薬液量をできるだけ削減する必要がある、という問題があった。

本発明では、上記問題を鑑みて、膜分離活性汚泥法における膜のインライン薬液洗浄に関して、薬液が膜面に均一にいきわたり、かつ効率的に膜を洗浄する方法、ならびにかかる方法を実現することができる有機性汚水処理装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するための本発明、以下の構成からなる。

（１）有機性汚水を導入して活性汚泥により生物処理する生物処理槽と、該生物処理槽内の活性汚泥混合液を固液分離する膜分離装置とを有した有機性汚水処理装置を構成する、前記膜分離装置の中に配された分離膜の洗浄方法であって、前記膜分離装置の透過液側から薬液を注入して、前記分離膜を薬液洗浄するに際し、薬液を注入するいずれかの時において、（Ｉ）薬液の注入濃度、かつ、（ＩＩ）薬液の注入速度または薬液の注入圧力のうち少なくともひとつ、を変動させることを特徴とする分離膜の洗浄方法。

（２）分離膜を薬液洗浄する前に、該分離膜を、実質的に薬液を含まない水により洗浄する、（１）に記載の分離膜の洗浄方法。

（３）有機性汚水を導入して活性汚泥により生物処理する生物処理槽と、該生物処理槽内の活性汚泥混合液を固液分離する膜分離装置とを有した有機性汚水処理装置であって、該有機性汚水処理装置は、前記膜分離装置の中に配された分離膜を洗浄するために前記膜分離装置の透過液側から薬液を注入する薬液注入手段と、（Ｉ）薬液の注入濃度、かつ、（ＩＩ）薬液の注入速度または薬液の注入圧力のうち少なくともひとつ、を変動させる変動手段とを具備することを特徴とする有機性汚水処理装置。

（４）さらに、前記膜分離装置の透過液側から実質的に薬液を含まない水を注入する水注入手段を具備することを特徴とする、（３）に記載の有機性汚水処理装置。

下水や工場廃水等の有機性汚水を導入して、活性汚泥により生物処理する生物処理槽と、この生物処理槽内の活性汚泥混合液を固液分離する膜分離装置とを有した有機性汚水処理装置の運転に際し、前記膜分離装置の分離膜を透過液側から薬液洗浄するに際し、（Ｉ）薬液の注入濃度、かつ、（ＩＩ）薬液の注入速度または薬液の注入圧力のうち少なくともひとつを、薬液注入時中に変動させることにより、薬品洗浄にかかる薬液の削減および薬液洗浄の効率化を図ることが可能となる。

以下、本発明における実施の形態を図１に基づいて説明する。なお、本発明は以下に例示する実施の形態に限定されるものではない。

本発明の分離膜の洗浄方法に用いられる有機性汚水処理装置は、有機性汚水である被処理水１を活性汚泥（生物）処理後、固液分離するための膜分離装置２と、該膜分離装置２を浸漬するための生物処理槽３を有し、分離膜を空気洗浄する空気供給装置５と散気器４、生物処理槽３から処理水を取水する吸引ポンプ６、洗浄用の薬液を貯留する薬原液タンク７と薬液を送液するための薬原液ポンプ８、薬液を希釈するための希釈水タンク９と希釈水を送液するための希釈水ポンプ１０、薬原液ポンプ８と希釈水ポンプ１０の送液量を調整するための制御装置１１からなる。

ここで、膜分離装置２に積載される膜エレメントは、分離膜の取り扱い性や物理的耐久性を向上させるために、例えば、フレームの両面に濾過水流路材を挟んで分離膜を接着した平膜エレメント構造であることが好ましい。この構造は特に限定されるものではなく、中空糸膜を用いたエレメントであっても構わないが、平膜エレメント構造は、膜面に平行な流速を与えた場合の剪断力による汚れの除去効果が高いことから、本発明に適している。なお平膜エレメント構造には、回転平膜構造も含まれる。

膜分離装置２の膜構造としては、特に限定されるものではないが多孔質膜や、多孔質膜に機能層を複合化した複合膜などが好ましい。これらの膜の具体例としては、ポリアクリロニトリル多孔質膜、ポリイミド多孔質膜、ポリエーテルスルホン多孔質膜、ポリフェニレンスルフィドスルホン多孔質膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜、ポリフッ化ビニリデン多孔質膜、ポリプロピレン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜等の多孔質膜が挙げられるが、ポリフッ化ビニリデン多孔質膜やポリテトラフルオロエチレン多孔質膜は耐薬品性が高いため、特に好ましい。さらに、これら多孔質膜に機能層として架橋型シリコーン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリルブタジエン、エチレンプロピレンラバー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子を複合化した複合膜を挙げることができる。

生物処理槽３は、被処理水と活性汚泥の混合液である活性汚泥混合液を貯え、膜分離装置２を活性汚泥に浸漬することができれば特に制限されるものではなく、コンクリート槽、ステンレス槽、繊維強化プラスチック槽などが好ましく用いられる。また、生物処理槽３の内部が複数に分割されていても構わないし、複数に分割されている槽のうち一部を膜分離装置２を浸漬する槽として、他方を脱窒槽として利用し、被処理水を互いの分割されている槽間で循環されるようにしていてもよい。

空気供給装置５により送風された空気は、散気器４により膜分離装置２に供給され、散気による洗浄が行われる。散気器４は、空気が膜表面全体を散気する構造のものであればよく、管に孔をあけた構造のものや、セラミック製の散気板などが用いられるが特に限定するものではない。空気供給装置５とは圧縮空気を送風する装置のことで、一般にはブロア、コンプレッサ等が用いられる。なお本発明の水処理方法の使用に当たっては、散気器からの空気の送出、吸引機構の作動を間欠的に行ってもよい。

吸引ポンプ６は、活性汚泥から処理液を膜分離装置２により分離するために使用される。また、濾過方法として吸引ポンプを使用せず、水頭圧力差のみで濾過する方法をとっても構わない。吸引ポンプ６としては、膜分離装置２から処理水を得ることができるポンプであれば特に問題はなく、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が用いられる。

薬原液タンク７に貯蔵された薬原液は、薬原液注入ポンプ８により送液希釈水タンク９に貯蔵されて希釈水により配管内で希釈され、洗浄用の薬液となる。ここで洗浄に使用する薬液に関して、膜の汚れに応じたものを使用できれば特に限定するものではないが、通常有機性の汚れについては希釈後の濃度が１０ｍｇ／Ｌ〜１００００ｍｇ／Ｌ程度の次亜塩素酸ナトリウムが、無機性の汚れについては希釈後の濃度が０．１質量％〜１０質量％程度のシュウ酸、クエン酸、硫酸などの酸が好ましく用いられる。また薬原液タンク７および薬原液ポンプ８については、使用する薬原液に対して耐性を有し定量的に供給することができれば特に問題はなく、通常は、硬質塩化ビニル製またはポリエチレン製の薬液タンク、およびダイヤフラム式またはプランジャー式の薬液定量注入ポンプとの組み合わせがしばしば用いられるが、これに限ったものではない。

希釈水タンク９に貯蔵された希釈水は、希釈水ポンプ１０により送液され、薬原液ポンプ８により送液された薬原液と混合され、薬液として膜分離装置２の透過液側に送液される。すなわち、薬原液と希釈水とを薬原液ポンプ８ならびに希釈水ポンプ１０により送液し、混合して、本発明で用いられる薬液とし、当該薬液を膜分離装置２の透過液側に送液する、薬液注入手段により、前記前記膜分離装置の中に配された分離膜に薬液を注入し、分離膜を洗浄することができるのである。なお、薬原液と希釈水の混合は、十分に混合されていればよく、管内で行っても、混合槽を設けて行ってもよい。

希釈水には水道水や膜分離活性汚泥装置の処理水などが用いられるが、できるかぎり有機物等の汚染が少ない清浄な水であることが好ましい。希釈水タンク９および希釈水ポンプ１０については、希釈水を定量的に供給することができれば特に問題はなく、通常は硬質塩化ビニル製またはポリエチレン製の薬液タンクおよびダイヤフラム式またはプランジャー式の薬液定量注入ポンプとの組み合わせがしばしば用いられるがこれに限ったものではない。

制御装置１１は、薬原液ポンプ８と希釈水ポンプ１０の送液量の変動を調整するためのものであるが、薬原液ポンプ８と希釈水ポンプ１０の送液量の変動の調整に際しては、制御装置１１を介して制御しても、人の手を介して手動により制御してもかまわない。制御方法として特に限定するものでないが、ＯＮ−ＯＦＦ制御の他、インバーターによる制御、人による場合は流量バルブによる制御が好ましく用いられ、制御装置１１としてはＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）やＰＣ（パーソナルコンピューター）が使用される。

このように、薬原液ポンプ８と希釈水ポンプ１０の両方の送液量を制御装置１１により制御することにより、薬液注入手段により膜分離装置２の透過液側に注入される、薬液の注入濃度、薬液の注入速度、薬液の注入圧力を制御することが可能となる。そして、本発明は、膜分離装置２の中に配された分離膜を洗浄するにあたり、前記膜分離装置２の透過液側から薬液を注入して、前記分離膜を薬液洗浄するに際し、薬原液ポンプ８と希釈水ポンプ１０の両方の送液量を当該制御装置１１により制御することで、薬液を注入するいずれかの時において薬液の注入濃度、薬液の注入速度、薬液の注入圧力のうち少なくともひとつを変動させるのである。すなわち、前記制御装置１１を、薬液の注入濃度、薬液の注入速度、または薬液の注入圧力を変動させる変動手段として機能させることで、薬液を注入するいずれかの時において薬液の注入濃度、薬液の注入速度、薬液の注入圧力のうち少なくともひとつを変動させ、その変動量を調整することができるのである。

ここで、分離膜を薬液洗浄する際に使用される薬品は、前述の通り膜を汚染している物質により異なる。有機性の汚染については希釈後の濃度が１０ｍｇ／Ｌ〜１００００ｍｇ／Ｌ程度の次亜塩素酸ナトリウム溶液、無機性の汚染については希釈後の濃度が０．１質量％〜１０質量％程度のシュウ酸やクエン酸水溶液が好ましく使用されるが、その他、分離膜の汚れに応じて過酸化水素水、オゾン化水、水酸化ナトリウム溶液水等も用いられる。

薬液の注入は、通常膜エレメントの透過側（二次側）から活性汚泥側（一次側）に注入することにより行われる。そして、薬液の注入方法としては、上述の通り薬液の注入濃度、薬液の注入速度、薬液の注入圧力のうち、少なくとも、ひとつを変動させることにより行われ、注入濃度を変動させる方法の具体例、およびその効果については、以下に掲げるものが挙げられる。

ｉ）間欠的に薬液を注入する方法：
任意の時間ポンプにより薬液を注入し、任意の時間ポンプを停止する、間欠的に薬液注入を行うものであり、薬液の注入速度および薬液の注入圧力を変動させるものである。連続注入するのに比較して、効率的な洗浄および使用薬品量の削減が期待できる。

ii）最初は高濃度薬液で洗浄を行い、徐々に洗浄する薬液の濃度を減少させる方法：
薬液の注入時に薬液濃度を変動させるものである。一定濃度で注入するのと比較し、効率的な洗浄および使用薬品量の削減が期待できる。

iii）高流量→低流量→高流量→低流量といった具合に、流量を時系列的に変化させる方法：
薬液の注入量および薬液の注入圧力を変化させて洗浄する方法である。膜の内部に脈動を与えることにより、効果的な洗浄効果が期待できる。

iv）最初は低流量で洗浄を行い、徐々に洗浄する薬液の流量を増加させる方法：
薬液の注入量および薬液の注入圧力を変動させる洗浄方法である。効果的な薬液洗浄の他、使用する薬品量を削減するものである。

v）ii）とiv）を組み合わせた洗浄方法：
薬液の注入濃度とともに薬液の注入量および薬液の注入圧力を変動させる洗浄方法である。効果的な薬液洗浄の他、使用する薬品量を削減するものである。

その他の洗浄の方法として、前記膜分離装置の透過液側から実質的に薬液を含まない水を注入する水注入手段を設け、分離膜を薬液洗浄する前に、実質的に薬液を含まない水を用いて分離膜の洗浄を行い、その後、上記の通りの薬液洗浄を行う方法も考えられる。これは、最初に分離膜を水で洗浄することにより、薬液洗浄のみで分離膜の洗浄を行うのに比して、消費される薬液量が減少し、結果として使用する薬液量の削減が図れるからである。

以下、代表的な実施例に基づいて説明する。しかし、本発明は以下の実施例によって制限されるものではない。

ここでは約３ヶ月間にわたり、都市下水を対象に表１に示す条件で処理を行ってきた分離膜（東レ製 下廃水用浸漬膜（ＰＶＤＦ製）１．４ｍ^２）、２セットについて、それぞれを異なる洗浄方法によりインライン洗浄を実施した（１セットは１．４ｍ^２×５枚）。薬品注入後は、十分な洗浄効果が得られるよう、２時間放置し、その後濾過を開始し透過流速の回復率をみた。洗浄条件は以下に示すものであり、薬液は次亜塩素酸ナトリウム５０００ｍｇ／Ｌ、薬液量は１セットあたり２５Ｌ（膜１枚あたり５Ｌ）と洗浄条件i）ii）とも同様である。

洗浄条件i）注入速度一定（２．５Ｌ／ｍｉｎの注入速度）で、次亜塩素酸ナトリウム５０００ｐｐｍを注入した場合（従来の方法）
洗浄条件ii）高注入速度（４．５Ｌ／ｍｉｎ）→低注入速度（０．５Ｌ／ｍｉｎ）のサイクルを８回くりかえし、次亜塩素酸ナトリウムの注入量を時系列的に変化させた場合。（本発明の実施例）
図２には、注入速度の時系列的な変化を示す。洗浄条件ii）では薬液注入速度を変化させることにより、薬液注入に脈動を与えた。洗浄の結果、膜洗浄による回復率としては表２の通りとなった。なお回復率は、３ヶ月前の運転初期における膜の透過流束と膜洗浄後の膜の透過流束を比較したものである。洗浄の検討結果によると、洗浄条件ii）が洗浄条件i）と比較して、４％回復率が高く、洗浄ii）の薬液洗浄の優位性が確認された。

本発明は、排水処理として膜分離活性汚泥法を採用している下水処理場、工場などで広く適用することができ、膜分離活性汚泥法には欠かせない薬品洗浄の効率アップや使用薬品の削減に有効である。すなわち、処理プラント全体としての維持管理の簡素化やコスト低減に資するものと考えられる。

本発明の分離膜の洗浄方法の実施に用いられた有機性汚水処理装置の概略図である。 実施例（および、従来の方法）で用いられた有機性汚水処理装置の薬液注入手段の運転方法を示す概略図である。

符号の説明

１：被処理水
２：膜分離装置
３：生物処理槽
４：散気器
５：空気供給装置
６：吸引ポンプ
７：薬原液タンク
８：薬原液ポンプ
９：希釈水タンク
１０：希釈水ポンプ
１１：制御装置

Claims (4)

1. 有機性汚水を導入して活性汚泥により生物処理する生物処理槽と、該生物処理槽内の活性汚泥混合液を固液分離する膜分離装置とを有した有機性汚水処理装置を構成する、前記膜分離装置の中に配された分離膜の洗浄方法であって、前記膜分離装置の透過液側から薬液を注入して、前記分離膜を薬液洗浄するに際し、薬液を注入するいずれかの時において、（Ｉ）薬液の注入濃度、かつ、（ＩＩ）薬液の注入速度または薬液の注入圧力のうち少なくともひとつ、を変動させることを特徴とする分離膜の洗浄方法。
2. 分離膜を薬液洗浄する前に、該分離膜を、実質的に薬液を含まない水により洗浄する、請求項１に記載の分離膜の洗浄方法。
3. 有機性汚水を導入して活性汚泥により生物処理する生物処理槽と、該生物処理槽内の活性汚泥混合液を固液分離する膜分離装置とを有した有機性汚水処理装置であって、該有機性汚水処理装置は、前記膜分離装置の中に配された分離膜を洗浄するために前記膜分離装置の透過液側から薬液を注入する薬液注入手段と、（Ｉ）薬液の注入濃度、かつ、（ＩＩ）薬液の注入速度または薬液の注入圧力のうち少なくともひとつ、を変動させる変動手段とを具備することを特徴とする有機性汚水処理装置。
4. さらに、前記膜分離装置の透過液側から実質的に薬液を含まない水を注入する水注入手段を具備することを特徴とする、請求項３に記載の有機性汚水処理装置。

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