JP5033130B2 - 浄水装置および実施方法 - Google Patents

Description

本発明は、浮上領域と膜濾過領域が共通区画(separation commune)を有する、浮上領域、膜濾過領域、および抽出手段を含む浄水装置に関する。

施設において消費または使用されることを目的として、自然環境に放出される前の、処理の対象とされる水は、懸濁物質（微粒子、藻類、細菌など）および溶解物質（有機物、微量汚染物質など）を含有する可能性があり、実に様々な品質特性を有しており、通常、濁度が０．１〜２００ＮＴＵで、温度が０．５℃〜５０℃である。これらの水は浄化処理を必要とする。

浄化には、特に、気泡浮上分離、膜濾過、および静置／膜濾過または浮上／膜濾過の組合せを含む、いくつかの種類がある。

一般にＤＡＦと呼ばれる気泡浮上分離は、飲料水、プロセス水の生成を目的として、廃水公害制御システムにおいて水の浄化に使用される浄化処理の１つである。この方法は、一般に以下の種々のステップを含む。
−コロイドの表面電荷を中和するための凝集、および溶解物質の吸着
−粒子の凝集を可能にする綿状塊状化
−圧力放出によって発生する超微粒気泡を綿状塊状化水と接触させるようにする加圧水の注入
−フロックと浄化水との分離を可能にさせる分離
−浄化水の取水
−浮上した「スラッジ」の回収

浮上技術は非常に多くの改善の対象となっており、たとえば、乱流浮上（米国特許第５，５１６，４３３号）では、浮上領域の下部に、流れを制御し分配する要素を使用し、これらの要素の上流で不均一な流れが得られるようにして、この事象によって上記の特許の主題である内部循環を起こさせている。

この気泡浮上分離は、最適化されてはいるが、粒子と凝固物質の除去に関して１００％の収量が得られておらず、いかなる場合も、浄化水の浮上システム内に留まらない残留フロックを分離するための濾過を必要としている。

膜濾過による浄化では、濾過膜、限外濾過膜、および精密濾過膜が使用され、これらは実際のスクリーンとして作用する物理障壁を定めることを可能とするカットオフ障壁を特徴としている。膜の形状とカットオフ障壁特性にもよるが、限外濾過膜（ＵＦ）と精密濾過膜（ＭＦ）は、懸濁物質、微生物などの粒子を含有する水の浄化に特に適している。浄水における膜の適用限界には以下の２種類がある。
−サイズが膜のカットオフ障壁よりも小さい溶解化合物、有機物、および微粒子の不十分な除去
−濾過中、特に、高濃度の懸濁物質や有機物を含有する水の処理中に停滞する物質（濾過ケーキとして知られる）による膜の目詰まりに関係した水理的能力の限界

粒状媒質に対する濾過と同様に、限外膜濾過および精密膜濾過では、前処理ステップを事前に行うと、その性能が向上する。

日本国特開２００５−０４６６８４には、可溶性有機物を含有する液体排出物の処理用の膜バイオリアクタが記載されている。使用される細菌に酸素を送り込むために、処理領域の下部に、大きい空気および／または酸素バブルを発生させるエアレーション手段が設けられている。これらのバブルはバイオリアクタ全体に広がって攪拌を起すことになるが、この攪拌は浮上領域を生成することができない。

凝固／沈殿と膜濾過処理の組合せは、数年前から公知であり、すでに多くの産業において実施の対象となっている（テキサス州、サン アントニオ；カポット リバー、マルティニーク（San Antonio,Texas;Riviere Capot,Martinique））。この組合せは、凝固しやすい溶解物質の除去の改善、および膜濾過性能の改善に関して有利であることが実証されている。

また、２つの浄化ステップ、すなわち、気泡浮上分離と膜濾過の結合は、試験的研究の規模と産業上の実施（サン ヨアキム（San Joakim））のいずれにおいても周知である。このように、このシステムは、気泡浮上分離のステップとこれに続く膜濾過のステップからなる。各プロセスは独立に管理され、これら２つの技術の組合せから現実的な最適化が行われる可能性はない。

膜を浮上領域に直接沈めて２つのプロセスを結び付けようとする試みはいくつかなされている。既存の装置では、膜は浮上領域からの浮上水のケーキの下に設置されている。水力学と気泡浮上分離の挙動を理解している当業者であれば、この種の構成の限界が直ちに認識できる。浄水からの超微粒気泡の分離は構造物の大きさに起因して膜の入口で終了しないため、濾過モジュール内に超微粒気泡が蓄積して目詰まりが生じる。それゆえ、この現象を制限する唯一の方法は、濾過膜段階の上方の水頭を高くすることで、これによって構造物の高さが増すことになる。

さらに、浮上領域内の浮上したスラッジのケーキの下に膜を置くと、このケーキが砕かれてこのケーキ内の凝集物質による再懸濁が起り、膜付近の懸濁物質の濃度が濾過膜の性能を損なう程度まで高くなることを覚悟しない限り、空気の注入ができなくなる。

最後に、構造物の排水作業は表面スラッジを除去した後でしか実施できないため、この気泡浮上分離／膜濾過アセンブリの制御は困難である。

さらに、浮上領域と膜の間に流量制御と分配システムを必要とする乱流型の浮上を実施することは困難である。

さらに、膜は設置費の大半を占めるので、浮上に起因するこれらの膜の性能低下に対応するためにこれらの膜の数や表面積を増やすことは高くつく。

米国特許第５，５１６，４３３号 日本国特開２００５−０４６６８４

これらの様々な欠点と困難を背景に、本発明者は、本発明の主題である、水の処理速度を高めてランニングコストに著しい影響を及ぼすことなくプラントの保守を容易にするための装置とプロセスを開発した。

本発明によると、既述のタイプの浄水装置は、浮上水の直進流が濾過領域に向かうように共通区画の下部に開口を備え、これによって濾過と逆洗の両段階において膜には浮上水が下から上に供給されることを特徴としている。理想的には、この開口付近の流動様式は層流となる。

浮上領域は、乱流浮上を安定させることができる手段を備えることが好ましい。

さらに、抽出手段は、区画の上方に設置された２つのオーバフロー部と、浮上領域または濾過領域のいずれかに源を発する流体を受けることを可能とする浮上領域および濾過領域を連通する手段とを備えていることが好ましい。

さらに、濾過領域は区画に分けられていることが好ましい。この場合、各区画を大口径バルブによって他の領域から隔離することができる。

有利には、濾過領域を最高部で完全に開いておくこともできる。

本発明に従った装置の好ましい一実施形態によると、水を層流状態とするためにバッフルまたはフィンを区画内の開口の近くに設けることができる。

また、本発明は、浮上ステップ、膜濾過ステップ、および浮上ステップからなるスラッジの除去ステップを含み、濾過領域に向かう浮上水の流れは浮上水の（濾過）膜への供給が濾過と逆洗の両段階で下から上に向かって行われるような直進流である浄水プロセスに関する。

このプロセスは、浮上水を使ってスラッジの除去に使用される装置の洗浄ステップを含むことが好ましい。

さらに、このプロセスは、除去・回収装置における回収レベルの制御を含むことが好ましい。

好都合なことに、このプロセスには、浮上ステップと濾過ステップの間にさらに試薬を注入するステップを含めることができる。

本発明の他の特徴と利点を、図面を参照して以下の例で説明すると、
−図１は、本発明の装置の模式的平面図であり、左から右へ動く処理されるべき物質の流れを示す、
−図２は、装置の模式的長手方向断面図であり、浮上領域から引き出される汚泥の抽出操作のフェーズに似た図を示す、
−図３は、図２中に見える浮上領域から引き出される汚泥の抽出の詳細を示す、
−図４は、汚泥抽出手段を洗浄するための浮上水の使用の場合を示す、および
−図５は、図４中に見える浮上水の使用の詳細を示す。

図１と図２を参照すると、本発明に従った装置Ｄは以下を含んでいることが分かる。
−処理される原水ＥＢがオーバフローによって浸入する２重の凝集領域ａ１／ａ２
−圧力解放および混合領域ｂ
−流れを分配する要素ｒを備えた浮上領域ｃ
−分散、膜逆洗、および浮上したスラッジの水の共通回収領域ｄ、および
−濾過膜が定置され、処理された水ＥＴが除去される、区画に分けられた領域ｅ

領域ａにおける凝集時間は、５〜２５分で、典型的には５〜１０分である。領域ｃにおける浮上時間は５〜１０分である。領域ｅにおける滞留時間は２〜５分である。

以上のように、この装置には、米国特許第５，５１６，４３３号に記載されたような、乱流浮上と、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、または超濾過の各種の膜による水中膜濾過との２つの浄化技術を使用しており、この２つの技術の各装置が共用されるように、中空糸膜の形状として渦巻状または平面状のものが使われている。

この種の構成は、乱流浮上に関して現在知られている範囲では、実施されたことはなく、浮上ユニット内部よりも循環のさらに多い乱流浮上は、膜の適正な作動に求められる循環に適合しない。

特に、乱流浮上は、水流分布が均一になるように浮上領域ｃの下部に定置された、流れｒを分配する要素を含む。浮上水はこれらの流れの分配要素の下に集められる。本発明では、この浮上水（浮上領域ｃの下流）を使用して、残留フロックを破壊しないように層流の中の膜モジュールに供給する最適な水流を作り、そして水の上方への供給と、上方に向かう気泡の流れとを合体することができる。

文字「ｊ」は、圧縮空気ａｃを混合領域ｂの下部に注入することによって浮上領域ｃの上部に超微粒気泡１ｂのベッドを作ることができる装置を表す。装置ｊは、混合ポット、すなわち垂直注入管によって内部から延びるボディ、を含んでいる。非常に細かい気泡、特に顕微鏡的大きさの気泡を得るために、注入管の下端には圧力解放ノズルが備えられている。これらの超微粒気泡は、処理の対象となる水に存在する不純物を塊状にしてスカム層ｅｃ、すなわちフロックを形成する。

注入される前に圧縮空気ａｃは、濾過領域ｅの底部でポンプ装置ｓｐによって揚水と混合される。

超微粒気泡の注入は、上流に設置された凝集領域ａと下流に設置された浮上領域ｃとから圧力解放および混合領域ｂを分離する壁ｍとｎによって形成されたチャネル内で行われる。水の循環が処理されるように、壁ｍは底部に開口を備え、壁ｎはその上部においてスカム層ｅｃと同じ高さに開口を備えている。

超微粒気泡のベッド１ｂはスカム層ｅｃの下にある。浄化は超微粒気泡の層１ｂにおいて行われる。

浮上領域と膜モジュールを結合する領域に関わる超低速を考慮すると、浮上領域で生じるフロックが大きなエネルギーの浪費を伴って移送されることはない。（このような）大きなエネルギー消散を伴う移送は、例えばダクト内、またはポンプによって、発生するものである。したがって、これらのフロックはその脆さにも係らず、その凝集力と濾過性を保っている。これは、流れが膜を通過しうるという点において、明らかに寄与していると言える。

一般に水平および／または垂直に並置されたモジュールから構成される濾過膜は、濾過領域ｅに挿入されてアセンブリを形成している。濾過は、陰圧を作り透過物を吸い上げるポンプ（図示せず）を用いて行われるか、あるいは、浮上水に沈められた膜の高濃度側と膜の透過水側との、膜に水を通過させる駆動力を提供する圧力差を維持しうるようにしたサイフォンなどの部品を用いて行われる。

以下に説明するように、本発明では浮上プロセスと膜濾過プロセスを適合させるために調整を行う。
浮上水は、水中膜の透過物回収装置を通して構造物から除去される。

表面で集められた浮上スラッジの出口、および分散水または逆洗水の出口は、共通回収領域ｄにある構造物の上部に作られており、これによって、建造が容易になり、運用が簡素化される。さらに、分散水および／または逆洗水の供給によって浮上したスラッジの移送を容易にすることができるが、その濃度と物理的状態が流れを妨げることもあるため、その時点で希釈水を提供する必要がある。

出口は、主に膜濾過領域ｅに関係するように定置される。限外濾過膜と精密濾過膜が定置された領域ｅからの出口は、排出と膜の化学洗浄とに援助される逆洗作業を行えるようにするために必要である。

この構成では、保守作業は浮上領域ｃの作業と独立に行うことができる。一方、複数の区画に分割されている膜濾過領域ｅでは、設置された膜の表面の一部分が保守作業の影響を受ける可能性があるが、ユニットの他の部分の作業が影響を受けることはない。

本発明の第２の目的は、乱流浮上に対する制御システムと膜濾過プロセスを結合することである。

水中膜から抽出される透過物の流量は、浮上領域ｃからの流量と一致するはずである。したがって、透過物の流量は、装置の入口における水位に応じて制御される。特に、濾過段階では、透過物のわずかな下層流が浮上したスラッジの回収位置と同じ高さで水のオーバフローによって押し出されるため、スラッジが排出されやすい。

膜ブロックの逆洗の際、不純物を膜から分離するために水は膜の接線方向に注入される。装置の供給流量は一定に保たれる。膜を通過せずに回収領域ｄに回収されることになる浮上水の一部は、膜の区画を希釈する逆洗水を援助し、これは下から上に流れる。この後、汚れた逆洗水は構造物の上部から排出される。出口のオーバフローレベルは、固定される場合もあるが、制御システムが備えられて所望の回収レベルに応じて適応できるようにされる場合もある。

排出される逆洗の間、膜のブロックは大口径の隔壁バルブｖによって浮上ユニットｃから分離されるため、膜ブロックを選択的に排出することができる。逆洗のこのような実施によって、膜のより良好な希釈と濾過ケーキのより適切な除去が可能になる。

スラッジを水圧によって除去する間、膜透過流速は制御システムによって制限され、装置内の水位を上昇させることができ、したがってスラッジを水圧によって除去することができる。

化学洗浄の間、膜ブロックは化学洗浄ステップの過程で隔壁バルブｖによって浮上ユニットｃから隔離される。

構造物を完全に排水する間、膜ブロックと浮上ユニットｃは同時に排水される。

装置の構造上、濾過領域ｅの流れは上方に向かって一定に保たれる。逆洗の間、膜の一番汚れた部分から生じる粒子は、表面に近い浮上水の速度がほぼゼロであることから最上部に見られ、したがって、清浄な部分に再び堆積することはない。

乱流浮上段階で形成されるフロックは２つの特性を持っている。すなわち、一方で、水そのものの性質と、下流の膜濾過を損なう可能性のある凝集剤の過剰投与を避けねばならないことを考えるとフロックは脆く、他方で、高濃度の粒子（気泡の層）を含む領域では「熟成」されていて、濾過することが容易であり、膜の表面に形成されたケーキがより水を通しやすい。

濾過膜で濾過されたフロックは、プロセスのこの段階で、ポンプによる排水、または排出口、またはその他の水回収、および移送手段に関係して起きる変化から守られた構造を有する。浮上ユニットの分離領域と膜濾過との間のフロックのフロー時間は１０〜６０秒で、典型的には３０秒である。

この残渣の、つまり物理的に保存された状態にあるフロックの目詰まり性は、構造的変化を受けた、一般に、移送部品および移送構造物を通過する際の解膠（defloculation）されるフロックに比べて低下している。目詰まり性が低いこのフロックは、濾過膜のカットオフ障壁という要因を背景として濾過膜に保持されている。この後、目詰まり性が低いこのフロックは、水などの流体の通過に対する低比抵抗を特徴とする、有孔率が大きい濾過膜表面での粒子の蓄積に対応した濾過ケーキを形成し、したがって、一般に＋５〜＋２５％の高い濾過流量を、また典型的には＋１０〜＋２０％の濾過流量を利用することができる。

浮上領域ｃと膜濾過領域ｅの構成では、凝固剤、ＣＡＰ、ポリマー、酸、または塩基による水の中間調整を行うことができるため濾過プロセスの最適化が可能である。

簡単な凝固の場合、凝固剤処理レベルは、フロックの浮遊度特性を助長するためのジャーテスト（jar test）から最適化されうる。この後、浮上はその最適性能で実施される。つづいて、浮上領域ｃと濾過領域の間に新たに凝固剤の投与を追加することによって、フロックの特性を変え、膜濾過をさらに適切なものにすることができる（水流に対するケーキの抵抗の低下、逆洗中のケーキ分離の容易化）。一般に、得られる透過物の品質に影響を与えずに、この２回目の凝固剤注入によって膜濾過をより正確に制御し、濾過流量を増加して化学洗浄動作の頻度を減らすことが可能になる。

２つのｐＨ値における凝固の場合、望ましい利点は有機物をより確実に除去することである。溶解天然有機物の主成分であるフミン酸とフルボ酸の凝固が酸性媒質においてより有効であることは、当業者にとって周知である。主たるｐＨの限界は、凝固の原因であるＦｅとＡｌイオンの溶解度の増加に関係している。本発明では、有機物の最適除去が可能な浮上領域での酸性ｐＨ、および濾過膜によって保持されるように残留凝固剤を沈殿させるための濾過膜上流における迅速なｐＨ補正、の２つのｐＨ値における凝固を実施することができる。

水をカルシウム／炭素平衡に戻すための最終ｐＨ補正の場合、濾過ステップの後に最終補正が、水酸化ナトリウムを加えるか（ただし、この溶液によって処理水中のナトリウムイオン濃度が著しく高くなるうえに、これは高価な試薬である）、または石灰水の注入によって実施されることができ、後者の場合は高価で使用しにくい石灰飽和器の建設を必要とする。石灰水を加えることによる浮上領域ｃと膜の間のｐＨの部分補正では、膜が生石灰化されていない石灰を保持することができるため石灰水の測定を予想することができるのに対して、カルシウムイオンはケーキの濾過性を高める。

乱流気泡浮上分離および水中膜濾過を結合した、本発明の新規の浄水プロセスの有効性を実証するために、パイロット試験が実施された。

［実施例１］
表層水の浄化
試作機に供給する水の質を下表に示す。水は、貯水槽から供給され、低濁度で、高濃度の有機物（ＣＯＴ−ＵＶ）および青粉を含み、青粉の濃度はおそらく５００００藻類／ｍｌに達していることを特徴とする。

水理学的性能を下表に詳しく示す。

［実施例２］
開放された取水口における海水の前処理
試作機に供給する水の質を下表に示す。

水理学的性能を下表に詳しく示す。

［実施例３］
試作機に供給する水の質を下表に示す。本研究は都市廃水の三次処理における開発の適用に関する。

水理学的性能を下表に詳しく示す。

結論として、本発明による装置から以下の結果が得られる。
−構造物と装置の共用による土地占有面積と設備費の低減
−制御の簡素化につながるプロセスの様々なステップの共通管理、および
−浮上ステップと膜濾過ステップの水理学的性能の向上、すなわち、所要の膜表面積の低減を可能とするこの組合せから生じる特定の水理条件に関係した浄化プロセス全体の改善

先に述べた３つの場合における試験的研究から、直接膜濾過に比べ、さらに溶解空気浮上構造物と膜濾過の単純な並置に比べ、本システムは小型で経済的であることが実証された。小型で経済的であることは、２つのプロセスに共通の装置を使用していること、および単純に並置されたシステムに比べて各処理ステップの性能が改善されたことに関係している。

本発明に従った装置の平面略図であり、処理される物質は左から右に流れる。 浮上領域から生じるスラッジを除去処理する段階における図１の装置に類似した装置の縦断面略図である。 図２に見られる浮上領域から生じるスラッジの除去の詳細である。 スラッジ抽出手段の洗浄に浮上水を使用する場合における図２の図に類似した図である。 図４に見られる浮上水の使用の詳細である。

符号の説明

ａ 凝集領域
ｂ 混合領域
ｃ 浮上領域
ｄ 抽出手段
ｅ 膜濾過領域
ｍ 壁
ｎ 壁
ｏ 開口
Ｐ 共通区画
ｒ 分配要素
ｖ 大口径バルブ
１ｂ ベッド
ａｃ 圧縮空気
ｅｃ スカム層
ｓｐ ポンプ装置
ＥＢ 原水
ＥＴ 水

Claims (12)

1. 浮上領域（ｃ）と、膜濾過領域（ｅ）と、スラッジの抽出手段（ｄ）とを含み、浮上領域（ｃ）と膜濾過領域（ｅ）が共通区画（Ｐ）を有する浄水装置であって、
   抽出手段（ｄ）は共通区画（Ｐ）の上方に位置し、浮上領域（ｃ）と濾過領域（ｅ）のオーバフロー部と連通手段を備え、
   壁（ｎ）は、その上部において開口部を有し、混合領域（ｂ）と浮上領域（ｃ）を分離し、
   流れを分配する要素（ｒ）が、浮上領域（ｃ）の底部に配置されており、
   共通区画（Ｐ）がその下部に濾過領域（ｅ）の方向への、流れを分配する前記要素の下に集まる浮上水の直進流を許容する開口（ｏ）を備え、
   これによって、前記膜には濾過段階と逆洗段階の両方において下から上に浮上水が供給されることを特徴とする、浄水装置。
2. 抽出手段（ｄ）が共通区画（Ｐ）の上方に設置された２つのオーバフロー部（ｄ１、ｄ２）を備え、かつ浮上領域（ｃ）または濾過領域（ｅ）のいずれかを起源とする流体を受け入れることを可能にする浮上領域（ｃ）と濾過領域（ｅ）の連通手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の浄水装置。
3. 濾過領域（ｅ）が、並置された膜モジュールで構成される区画からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の浄水装置。
4. 濾過領域（ｅ）の各区画が、大開口部を有する壁面バルブ（ｖ）によって浮上領域（ｃ）から分離されうることを特徴とする、請求項３に記載の浄水装置。
5. 濾過領域（ｅ）がその最上部で完全に開いていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の浄水装置。
6. 水の層流状態を作り出すためにバッフルまたはフィンが区画（Ｐ）の開口（ｏ）の近くに設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の浄水装置。
7. 浮上ステップと、膜濾過ステップと、浮上ステップから得られたスラッジを抽出するステップと、を含み、
   浮上領域（ｃ）と、膜濾過領域（ｅ）と、スラッジの抽出手段（ｄ）とを含み、浮上領域（ｃ）と膜濾過領域（ｅ）が共通区画（Ｐ）を有する浄水装置であって、
   抽出手段（ｄ）は共通区画（Ｐ）の上方に位置し、浮上領域（ｃ）と濾過領域（ｅ）のオーバフロー部と連通手段を備え、
   壁（ｎ）は、その上部において開口部を有し、混合領域（ｂ）と浮上領域（ｃ）を分離し、流れを分配する要素（ｒ）が、浮上領域（ｃ）の底部に配置されており、
   共通区画（Ｐ）がその下部に濾過領域（ｅ）の方向に浮上水の直進流を許容する開口（ｏ）を備え、
   これによって、前記膜には濾過段階と逆洗段階の両方において下から上に浮上水が供給される浄水装置によって実施される
   浄水プロセスであって、
   圧縮空気の注入が混合領域（ｂ）の底部になされ、
   浮上領域（ｃ）の底部に配置された流れを分配する前記要素（ｒ）によって、浮上領域（ｃ）への水流分布が均一となり、かつ、流れを分配する前記要素の下に浮上水が集まり、この浮上水は、浮上領域（ｃ）の下流を使用して膜モジュールに供給され、
   濾過領域に向う浮上流が、濾過段階と逆洗段階の両方において前記膜に下から上に供給されるように流れることを特徴とする、浄水プロセス。
8. 膜の逆洗段階で前記濾過領域から流れる浮上水を膜の接線方向に注入して、スラッジを抽出する装置を洗浄するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の浄水プロセス。
9. スラッジを抽出する装置に備えた制御システムを用いて、オーバフローの回収を所望するレベルに制御することを含むことを特徴とする、請求項７または８に記載の浄水プロセス。
10. 浮上ステップと濾過ステップの間に新たに試薬を注入するステップを含むことを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の浄水プロセス。
11. 海水、汽水、表層水、あるいは都市または産業からの処理廃水を浄化する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置の使用。
12. 海水、汽水、表層水、あるいは都市または産業からの処理廃水を浄化する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のプロセスの利用。

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