JP5163760B2

JP5163760B2 - 再生水の製造装置および方法

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Publication number: JP5163760B2
Application number: JP2011025689A
Authority: JP
Inventors: 敦北中; 博文森川; 宏道岡田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2011088151A

Description

本発明は、下水等の汚水を生物処理し、生物処理後の水を膜処理する水処理方法および水処理装置に関する。

古くから、下水等の汚水は活性汚泥法を中心とした微生物による処理が行われている。また環境保全上の観点から処理水について高い水質が要求される場合は、生物処理のみでは処理できない成分を除去するため、生物処理後に凝集沈殿、砂濾過、オゾン処理等のいわゆる高度処理が行われている。

また近年では、通常の活性汚泥法における最終沈殿池の代わりに精密膜あるいは限外濾過膜を使用する、膜分離活性汚泥法が開発され普及しつつある。膜分離活性汚泥法は、通常の活性汚泥法の最終沈殿池の代わりに膜分離を用いる処理方法で、(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る。(2)処理水に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。等の利点がある。

さらに、近年の水需要の増加に伴って、膜分離活性汚泥処理水を逆浸透膜等の膜処理を行う提案もなされている（特許文献１参照）。当該方法では、きわめて高い水質の再生水を得ることができるため、水不足の地域等で利用が検討されている。

しかしながら、この膜分離活性汚泥法と逆浸透膜処理を組み合わせた処理法において、逆浸透膜の被処理水に含まれる成分による膜のファウリング（膜の目詰まり）あるいは、残留する栄養塩をもとに膜面上で増殖した微生物によりひきおこされるバイオファウリング等により、膜透過水量が減少してしまうという問題が存在する。

透過水量が落ちてしまった逆浸透膜を回復させるためには、酸やアルカリ等を用いた洗浄を実施することとなる。具体的には、被処理水に少量の次亜塩素酸を添加したり、浸透膜への供給液のｐＨを４以下とする酸性水処理工程を組み入れること等が考えられる。（特許文献２参照）

特開平４−３０５２８７号公報（［０００５］〜［０００６］段落）特開２０００−２３７５５５号公報（［０００４］〜［００２０］段落）

しかしながら、水の回収率、装置の稼働率、使用する薬液量削減等の観点から、できるかぎり洗浄時間を短くし洗浄間隔をのばすほうが望ましい。

そこで本発明は、膜分離活性汚泥処理の後段で、逆浸透濾過等を行う再生水製造のための水処理方法において、生物処理水中に含まれる栄養塩をもとに増殖する微生物バイオファウリングを抑制することを目的とする。

本発明は、かかる課題を解決するために以下の構成からなる。すなわち、
（１）活性汚泥を含む処理槽と、該処理槽に浸漬配置された被処理水の濾過を行う濾過膜と、該濾過膜により被処理水を濾過して得られた濾過水を貯留する濾過水槽とを備えた再生水の製造装置であって、該処理槽にリンを凝集させてバイオファウリングを抑制するための凝集剤を添加するための装置と、前記濾過水槽から濾過水を取り出し加圧するポンプと、加圧された濾過水を逆浸透処理する逆浸透膜と、濾過水にファウリング抑制剤を添加するためのファウリング抑制剤添加装置とを備えたことを特徴とする再生水の製造装置。

（２）凝集剤が、ポリ塩化アルミニウム、硫酸鉄および塩化第二鉄からなる群から選ばれる少なくとも１つである（１）に記載の再生水の製造装置。

（３）活性汚泥を含む処理槽内で活性汚泥処理および膜分離をする工程、および前記膜分離活性汚泥処理の後段で逆浸透膜濾過をする工程を組み合わせた、汚水から再生水を製造する水処理方法において、前記逆浸透膜濾過における膜ファウリングに伴う膜差圧上昇、透過水量の減少を防止するため、前記膜分離活性汚泥を含む処理槽内にリンを凝集させてバイオファウリングを抑制するための凝集剤、および、前記逆浸透膜の洗浄もしくはろ過を行う際にファウリング抑制剤を併用することを特徴とする水処理方法。

（４）センサーにより逆浸透膜のファウリングを示す指示値が導出され、該指示値を指標として、凝集剤あるいはファウリング抑制剤の最適添加量、および最適添加時期を制御することを特徴とする（３）に記載の水処理方法。

（５）凝集剤が、ポリ塩化アルミニウム、硫酸鉄および塩化第二鉄からなる群から選ばれる少なくとも１つである（３）または（４）に記載の水処理方法。
である。

生物処理水中に含まれる栄養塩をもとに増殖するバイオファウリングを抑制することができ、特に、使用する濾過膜の素材により高い濃度の塩素剤等を使用できない場合にも効果的に再生水を製造することを可能とするものである。

本発明の構成例を示す図である。実施例１で得られた本発明の効果を示す図である。

本発明は、膜分離活性汚泥処理と逆浸透膜濾過を使用した水処理方法において、逆浸透膜面上に形成されるバイオファウリングが、膜分離活性汚泥処理水中に含まれる炭素、窒素、リンの栄養塩により引き起こされ、特にリンの含有量が少ない被処理水についてはバイオファウリングがおこりにくいという我々の検討結果から着想したものである。すなわち、逆浸透膜の前段で制限栄養塩であるリンを除去できていれば、逆浸透膜のバイオファウリングを効率的に抑制することが可能となる。

具体的には、膜分離活性汚泥処理と逆浸透膜濾過を組み合わせた水処理方法において、活性汚泥を含む処理槽内に凝集剤を添加し、あらかじめリンを凝集しておく。凝集したリンは不溶物となるため、膜分離活性汚泥における膜により分離される。これにより膜分離活性汚泥処理水、すなわち逆浸透膜被処理水に含まれるリンの含有量を減少させることができ、バイオファウリングの抑制が可能となる。さらに、バイオファウリング抑制をより確実なものとするため、０．１〜１０mg/Lの次亜塩素酸塩を被処理水に添加したり、浸透膜への供給液のｐＨを４以下とする酸性水処理工程を組み入れることとする。また殺菌剤を併用する場合でも凝集剤を添加することにより、従来ファウリング抑制剤のみで必要であった使用量よりも大幅に削減することができる。

図１には、膜分離活性汚泥法に逆浸透膜濾過を組み合わせた再利用処理システムのフロー図を示す。被処理水１を濾過して濾過水を得るための濾過膜２と、該濾過膜２を被処理水に浸漬するための処理槽３と、濾過膜２により被処理水１を濾過して得られた濾過水を貯留する濾過水槽４と、該濾過水槽４から濾過水をとりだし加圧するポンプ５と、加圧された濾過水を逆浸透処理する逆浸透膜６と、濾過水を殺菌するためのファウリング抑制剤添加装置７と、処理槽３に凝集剤を添加する凝集剤添加装置１０と、凝集剤・ファウリング抑制剤の最適添加量、最適添加時期を制御する凝集剤・ファウリング抑制剤添加制御装置１１と膜のファウリングを測定するセンサー１２からなる。

ここで、濾過膜２は、濾過膜の取り扱い性や物理的耐久性を向上させるために、たとえばフレームの両面に濾過水流路材を挟んで濾過膜を接着した平膜エレメント構造をしている。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かまわないが、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。濾過膜２の膜構造としては、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挙げられるが、特に限定されるものではない。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が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。

膜分離活性汚泥槽３は、被処理水を貯え、濾過膜２を被処理水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、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、処理槽３の内部が複数に分割されていてもかまわないし、複数に分割されている槽のうち一部を濾過膜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。

濾過水槽４は、濾過水を貯留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、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、被処理水を濾過膜２で濾過するために、濾過膜２と濾過水槽４との間にポンプ等を設けていてもかまわないし、水頭圧力差をかけるために、濾過水槽４内の濾過水液面が、処理槽３内の被処理水液面よりも低くなるようにしていてもかまわない。

ポンプ５は、濾過水を加圧することができれば特に制限されるものではなく、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を用いることができるが、逆浸透処理するために必要な圧力にまで容易に加圧できることから、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプなどが好ましく用いられる。

逆浸透膜６は、濾過水中の溶質や懸濁物質を、再生水として利用可能な濃度にまで低減することができる性能を有していれば特に問題はないが、溶存有機物が膜面に付着するケミカルファウリング（化学的汚れ）や、溶存有機物を栄養源にして微生物が増殖して膜面に付着するバイオファウリング（生物的汚れ）が起こりにくい、低ファウリング逆浸透膜であることが好ましい。低ファウリング逆浸透膜の例としては、東レ株式会社製ＴＭＬ２０、日東電工株式会社製ＬＦ１０（膜表面の荷電を中性とし、親水性基を導入し、荷電物質の吸着や鉄コロイドなどの重金属の影響を受けにくくした膜）、Hydranautic社製ＬＦＣ１、ＬＦＣ３、ダウ社製ＢＷ３０−３６５ＦＲなどが挙げられる。また、濾過水中の溶質や懸濁物質の濃度が低ければ、逆浸透膜として、２ｎｍ程度より小さい粒子や高分子を阻止する液体分離膜であるナノフィルトレーション膜を使用しても特に問題はない。

次に、凝集剤添加装置１０について説明する。凝集剤添加装置１０は凝集剤に対して耐久性があり、凝集剤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。凝集剤は膜分離活性汚泥の生物反応槽に添加し、リンを凝集するものである。凝集剤の種類として一般的には、PAC（ポリ塩化アルミニウム）、硫酸鉄、塩化第二鉄、硫酸鉄などの無機系凝集剤、その他有機系の凝集剤などの使用も考えられる。ここでは、膜分離活性汚泥法における生物反応槽に凝集剤を添加することから、微生物に対して阻害を示さないものが望ましい。凝集剤の注入率は、被処理水の溶解性全リン濃度、凝集剤添加モル比および設計水量から算出する。

ファウリング抑制剤添加装置７は、殺菌剤に対して耐久性があり、殺菌剤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。また、殺菌剤添加装置には、濾過水中に含まれる塩素イオンを次亜塩素酸イオンに賦活化する水電解消毒装置も含まれる。

ここでファウリング抑制剤としては、逆浸透膜表面上での微生物増殖あるいは微生物およびその代謝物の膜面への付着を防ぐ効果があるものを用いることができる。有機酸や無機酸、次亜塩素酸ナトリウム、クロラミン、二酸化塩素、オゾン、過酸化水素、ホルムアルデヒド、過酢酸などが高い殺菌効果を有していることから好ましい。有機酸や無機酸としては、安価でかつ少量で高い殺菌効果を有している硫酸が我々の経験からは特に好ましい。またファウリング抑制剤は、複数の種類を混合して用いることもできる。一般に殺菌剤として有機酸や無機酸を用いる場合は、濾過水のｐＨが４以下となる添加量であることが好ましく、高い殺菌効果を発現するために、ｐＨが３以下となる添加量であることがさらに好ましいが、あまりｐＨが低すぎても逆浸透膜が劣化するため、ｐＨが２以上となる添加量であることが好ましい。次亜塩素酸ナトリウムを用いる場合は、殺菌効果を発現するために遊離残留塩素濃度が０．０１ｐｐｍ以上となる添加量であることが好ましいが、あまり濃度が高すぎても逆浸透膜が劣化するため、１．０ｐｐｍ以下となる添加量であることが好ましい。クロラミンを用いる場合は、殺菌効果を発現するためにクロラミン濃度が０．１ｐｐｍ以上となる添加量であることが好ましいが、あまり濃度が高すぎても逆浸透膜が劣化するため、１０ｐｐｍ以下となる添加量であることが好ましい。

凝集剤・ファウリング抑制剤制御装置１１は、あらかじめ組み込んでおいたプログラムにより凝集剤・ファウリング抑制剤の最適添加量・最適添加時期等を計算、制御する装置であり、パソコン等が使用される。

センサー１２は、逆浸透膜６の膜差圧もしくは膜濾過流速等の、膜のファウリングの程度を測定するためのものであり、一般的には圧力計や流量計が用いられ、水配管内に設置できるものが望ましい。圧力計については逆浸透膜の一次側、二次側それぞれに取り付けられ、その差を求めることにより膜差圧とし、一般には市販のデジタル型圧力計が使用される。また流量計は逆浸透膜透過水側に取り付けられ、フロート型流量計、電磁流量計、超音波流量計などが適用できるが、制御装置に測定値を送信できるものであれば特に制限されるものではない。

以下では、処理フローを概説する。

被処理水１は、処理槽3内で処理される。活性汚泥濃度として、２０００mg/L〜２００００mg/L程度で被処理水の滞留時間は通常１時間〜２４時間であるが、被処理水性状に応じて最適なものを採択するのがよい。次に、活性汚泥処理された水は濾過膜２により濾過される。濾過された水は濾過水槽４に貯えられ、ポンプ５を介して逆浸透膜６に供給される。逆浸透膜を透過した水は処理水９として再生水等の用途に利用される。一方、逆浸透膜の濃縮水９は、系外へ排出される。ここで、本発明では処理槽3内に凝集剤添加装置1０により凝集剤が、ファウリング抑制剤添加装置７でファウリング抑制剤が添加される。それぞれの最適添加量や最適添加時期等は、センサー１２の指示値を指標に、凝集剤、ファウリング抑制剤制御装置１１により決定される。凝集剤・ファウリング抑制剤制御装置１１は、あらかじめ組み込んでおいたプログラムにより凝集剤・ファウリング抑制剤の最適添加量・最適添加時期等を計算、制御する装置であり、フィードバック制御等が使用される。具体的な制御方法として、定圧濾過運転を実施している場合などは、あらかじめ定めた膜濾過流速になるように凝集剤・殺菌剤の注入量をコントロールすることになる。また低圧ろ過運転を行っている場合は、膜濾過流速が定めた値以下となった時期に、通常行っているファウリング抑制剤の添加量と凝集剤の添加量を増加させるといった方法が考えられる。なお、制御の方法に関しては水処理装置の稼働状況を見極めた上で最適なものを採択するのがよい。

上記の方法により逆浸透処理して製造された水が、再生水として使用される。

次に本発明を実施例を用いて説明する。

［実施例１］
以下に示す膜分離活性汚泥法と低圧RO膜濾過装置を用い、処理実験を行った。なお膜分離活性汚泥法条件を表１に、低圧RO膜濾過法条件を表２に示す。

本検討では、ファウリング防止方法の比較検討として、
(1)低圧RO膜：ファウリング抑制剤、凝集剤なし
(2)低圧RO膜：ファウリング抑制剤のみ
(3)低圧ＲO膜：ファウリング抑制剤＋凝集剤あり
の３種類について検討した。なおファウリング抑制剤としては硫酸を使用しｐＨ２．５の条件でRO膜を１日１回１時間洗浄した。また凝集剤としては、PAC（ポリ塩化アルミニウム）を使用し注入率はＡｌ/Ｐモル比が３程度になるように膜分離活性汚泥槽に連続的に注入した。

(1)〜(3)それぞれについて約１ヶ月の連続通水を行った。
検討結果を膜透過フラックス/初期膜透過フラックス（Ｃ/Ｃ_０）について図２に示す。検討結果によると、膜透過フラックスはファウリング抑制剤、凝集剤を併用したものが最も良好で、次にファウリング抑制剤のみ、両方なしの順であった。またファウリング抑制剤および凝集剤を併用したものは、３０日経過後もフラックス低下がほとんどおきなかった。

これによりファウリング抑制剤に加えて凝集剤を添加する効果が明らかとなり、バイオファウリングを抑制するには本発明が有効であることが明らかとなった。

［実施例２］
膜分離活性汚泥法と低圧RO膜濾過装置、さらにある一定の膜ろ過流束以下となった場合にファウリング抑制剤および凝集剤を注入制御し、膜ファウリングを抑制する水処理プロセス例についてみていく。実施例の構成については図１に示したとおりで低圧ROの膜ろ過流速が流量計の測定値で０．７ｍ／ｄａｙ以下となったタイミングでファウリング抑制剤のひとつである硫酸を添加しｐＨ２の酸性で洗浄するとともに約１時間連続的に凝集剤を注入する制御とした。なお、膜ろ過流速が０．７ｍ／ｄａｙ以上にならない通常時におけるファウリング抑制剤による洗浄についてはｐＨ２．５の条件で１日１回、１時間の条件で定期的に行い、膜ろ過流速が０．７ｍ／ｄａｙを超えた場合のみファウリング抑制剤、凝集剤を併用することとした。この結果、約２ヶ月の運転期間中ほぼ安定した膜ろ過フラックスを得ることができた。これらの検討から、当該実施例を採用することにより、運転期間中ある濃度の凝集剤を連続的に凝集剤を添加する方法と比較して、約30%使用凝集剤量を減らすことができた。

このように、水質に応じた制御方法を採用することにより使用する薬剤の使用量を削減することが可能であるので、より最適な制御方法を採用することが望ましい。

本発明では、膜分離活性汚泥と逆浸透膜を組み合わせた再生水製造方法において、逆浸透膜表面上で微生物増殖あるいは微生物およびその代謝物の膜面への付着などによる逆浸透膜の透過性能や分離性能の低下（いわゆるバイオファウリング）を凝集剤、ファウリング抑制剤を効率的に使用し防止する方法を提供する。

下排水を膜分離活性汚泥法かつ逆浸透膜で処理し再生水を製造する場合において、装置を稼働する上で大きな障害の１つである逆浸透膜のバイオファウリング防止に大きく奇与するものである。

１：被処理水
２：濾過膜
３：処理槽
４：濾過水槽
５：ポンプ
６：逆浸透膜
７：ファウリング抑制剤添加装置
８：再生水
９：濃縮水
１０：凝集剤添加装置
１１：凝集剤・ファウリング抑制剤添加制御装置
１２：センサー

Claims

活性汚泥を含む処理槽と、該処理槽に浸漬配置された被処理水の濾過を行う濾過膜と、該濾過膜により被処理水を濾過して得られた濾過水を貯留する濾過水槽とを備えた再生水の製造装置であって、該処理槽にリンを凝集させてバイオファウリングを抑制するための凝集剤を添加するための装置と、前記濾過水槽から濾過水を取り出し加圧するポンプと、加圧された濾過水を逆浸透処理する逆浸透膜と、濾過水にファウリング抑制剤を添加するためのファウリング抑制剤添加装置とを備えたことを特徴とする再生水の製造装置。
凝集剤が、ポリ塩化アルミニウム、硫酸鉄および塩化第二鉄からなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項１に記載の再生水の製造装置。
活性汚泥を含む処理槽内で活性汚泥処理および膜分離をする工程、および前記膜分離活性汚泥処理の後段で逆浸透膜濾過をする工程を組み合わせた、汚水から再生水を製造する水処理方法において、前記逆浸透膜濾過における膜ファウリングに伴う膜差圧上昇、透過水量の減少を防止するため、前記膜分離活性汚泥を含む処理槽内にリンを凝集させてバイオファウリングを抑制するための凝集剤、および、前記逆浸透膜の洗浄もしくはろ過を行う際にファウリング抑制剤を併用することを特徴とする水処理方法。
センサーにより逆浸透膜のファウリングを示す指示値が導出され、該指示値を指標として、凝集剤あるいはファウリング抑制剤の最適添加量、および最適添加時期を制御することを特徴とする請求項３に記載の水処理方法。
凝集剤が、ポリ塩化アルミニウム、硫酸鉄および塩化第二鉄からなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項３または４に記載の水処理方法。