JP6172531B2

JP6172531B2 - 膜分離活性汚泥処理装置

Info

Publication number: JP6172531B2
Application number: JP2014172728A
Authority: JP
Inventors: 洋平冨田; 渕上　浩司; 浩司渕上; 亮功刀; 圭馬場; 正人仲野
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP2016047492A

Description

本発明は、下水や工場排水の処理に用いられる膜分離活性汚泥処理装置に関する。

活性汚泥処理装置としては種々のものが知られているが、その一つとして、活性汚泥処理槽内に膜分離装置を設けて、活性汚泥処理を行いながら処理水を膜で分離して抜き出すものがある（特許文献１、２参照）。

特許文献１には、図６に示すように、活性汚泥処理槽１内に、整流板５を介して膜分離装置３及び散気装置４を設け、活性汚泥装置槽１の槽外に水流ポンプ２０を設けて、活性汚泥装置槽１の底部に引抜配管を接続し、水流ポンプ２０によって膜分離装置の膜面に沿って流れる水流を形成するとともに、前記活性汚泥処理槽内に循環水流を形成するようにした膜分離活性汚泥処理装置Ａが記載されている。この装置は膜面洗浄用の散気装置を不要にしてメンテナンスを容易にするとともに、電力消費量を大きく節減して、活性汚泥処理コストを低下させるというものである。

特許文献２には、図７に示すように、活性汚泥処理槽１内に、整流板５を介して膜分離装置３と、活性汚泥への酸素供給と前記膜分離装置３の膜の洗浄を兼ねた散気装置４と、旋回機構付プロペラ式水中攪拌機２２とを備えた膜分離活性汚泥処理装置Ａが記載されている。この装置は、機械力を用いて水流を形成し、これを膜分離装置３の膜面に当てることによって、微細気泡を用いながら膜面を効率よく洗浄し、かつ効率よく酸素供給を行うことにより電力消費量を節減するというものである。

特開２０１２−１５７８４９号公報特開２０１２−１７６３９６号公報

上記特許文献１、２に記載されているような、水流ポンプ２０または旋回機構付プロペラ式水中攪拌機２２を用いて機械的に水流を形成する方法は、膜面に効率よく酸素を供給すると同時に膜面を洗浄する点で好ましい方法である。
しかしながら、水流ポンプ２０を用いる方法では、大流量を供給できるポンプが必要となり、結果として動力コストが高くなり、動力コストを押さえるために間欠運転をする必要がある。
また、旋回機構付プロペラ式水中攪拌機２２による攪拌は、図８に示すような被処理水の円滑な循環を妨げる逆流Ｃが生じたり、膜分離装置３を通過しないバイパス流Ｄが生じたりするため、膜分離装置内部に所定の洗浄水量（流速）を確保することができない。
そこで、本発明の目的は、機械的に水流を形成する膜分離活性汚泥処理装置における前記課題を解決することにある。

本発明者は、上記課題を解決するべく検討を進めた結果、プロペラ式水中攪拌機を用いて機械的に水流を形成する装置を使用すると共に、水流を効率よく膜分離装置に導くためのバッフル板を設けることにより前記課題を解決することができることを見いだして本発明を完成した。

本発明は以下に記載する通りの膜分離活性汚泥処理装置である。
（１）活性汚泥処理槽内に、膜分離装置、プロペラ式縦軸型水中攪拌機及び散気装置を備えてなり、
前記活性汚泥処理槽は
活性汚泥処理槽内を水平方向に二分する整流板によって前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機を収容する領域と膜分離装置を収容する領域とに分けられ、
前記膜分離装置及びプロペラ式縦軸型水中攪拌機はいずれも前記活性汚泥処理槽の壁面及び前記整流板から間隔をおいて配置されており、
前記散気装置は前記膜分離装置の下方に配置されており、
前記整流板の上方と下方とにおいて前記の二つの領域は前記活性汚泥処理槽内で連通していて、前記整流板の上方と下方とを経由して水流が活性汚泥処理槽内を循環するようにした膜分離活性汚泥処理装置であって、
下記のバッフル板Ａ及び／又はバッフル板Ｂを備えたことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置。
バッフル板Ａ：前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機を収容する領域内に、前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機のプロペラの旋回領域以外の領域に水流が通過するのを妨げるように設けられたバッフル板
バッフル板Ｂ：前記膜分離装置を収容する領域内に前記膜分離装置の周囲の領域に水流が通過するのを妨げるように設けられたバッフル板
（２）前記バッフル板Ａが前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機のプロペラの外周部に設けられることを特徴とする上記（１）に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（３）前記バッフル板Ｂが前記膜分離装置の水流流入部の周囲に設けられることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の膜分離活性汚泥処理装置。

本発明の膜分離活性汚泥処理装置を使用することにより、別途膜面洗浄用の機器を設置する必要が無く、水流発生に必要な機器によって形成される水流のみで膜洗浄を行うことができ、また、分離膜に均一に水流を当てることができる。このため、効率的な膜洗浄が可能となり、電力消費量を大きく節減して、活性汚泥処理コストを低下させることができる。

本発明の膜分離活性汚泥処理装置の実施形態を示す図である。図１に示す装置のＸ−Ｘ線断面を示す図である。本発明の装置を説明するための参考図である。本発明の装置の他の実施形態を示す図である。本発明の装置の他の実施形態を示す図である。従来の装置の概略構成を示す図である。従来の装置の概略構成を示す図である。図７の装置の水流の状態を示した図である。

以下、本発明の膜分離活性汚泥処理装置について本発明の実施形態の一つを示す図１に基づいて詳細に説明する。
本発明の膜分離活性汚泥処理装置１００は基本的な構成として、活性汚泥処理槽１と前記活性汚泥処理槽１内に設けられた水流発生装置としてのプロペラ式縦軸型水中攪拌機２、膜分離装置３及び散気装置４を含んでいる。
以下、各構成要素について説明する。

（活性汚泥処理槽）
本発明の装置の本体である活性汚泥処理槽１は、活性汚泥を収容して水処理を行なわせる槽であり、形状は、円筒形等種々の形態をとり得るが、通常は箱型である。
活性汚泥処理槽１内にはプロペラ式縦軸型水中攪拌機２と膜分離装置３とが整流板５を介して水平方向に離隔して配置されている。また、膜分離装置３の下方には活性汚泥菌に酸素を供給するための散気装置４が設置されている。

整流板５は活性汚泥処理槽１をプロペラ式縦軸型水中攪拌機２が設置された領域と膜分離装置３が設置された領域とに分割し、整流板５の上方及び下方において二つの領域が連通している。整流板５は活性汚泥処理槽１内に循環水流を円滑に形成させるためのものである。
膜分離装置３の下方に設置された散気装置４から散気された気泡によって膜分離装置３が設置された領域においては上昇流が形成され、また、プロペラ式縦軸型水中攪拌機２が設置された領域ではプロペラ２１の旋回によって下降流が形成され、この結果、槽内に循環水流が形成される。

（散気装置）
散気装置４は、気泡を噴出させて、活性汚泥への酸素供給と膜分離装置３の膜の洗浄を行うものである。散気装置４は基本的に通常の散気装置と同様でよく、箱や管などの形をしたマニホールドに多数の空気噴出口を設けたものである。空気噴出口は、微細孔でよく、ノズルを取付けてもよい。細孔の孔径は酸素溶解効率を高くするために微細気泡を形成するように定められる。気泡の径は０．５〜４ｍｍ程度、特に０．５〜１．０ｍｍ程度とするのがよい。気泡径が過大では十分な酸素溶解効率が得られず、気泡径が過小であると散気装置の圧力損失が高くない安定した運転を行うことが困難となる。０．５〜１．０ｍｍの気泡径であれば、３０〜４０％の酸素溶解効率が得られるため、好適である。この気泡径では気泡による膜洗浄効果は十分には得られないが、後述する水流による洗浄を併用するため、膜の運転には特に支障は無い。

散気風量に関しては、粗大気泡と微細気泡を散気する従来の方式では、膜の洗浄に必要な粗大気泡の風量が、膜投影面積から決定され、その際の酸素溶解効率から算出される酸素供給量と活性汚泥の必要酸素量との差分から、微細気泡の風量が決定される。
これに対し、本発明では、後述するプロペラ式水中攪拌機２を用いて膜洗浄に必要なせん断力を確保するため、微細気泡だけを用いて散気を行うことができ、その風量は活性汚泥の必要酸素量から決定される。

（膜分離装置）
膜分離装置３は活性汚泥と処理水とを分離するもので、膜の孔径に関しては精密濾過膜あるいは限外濾過膜を適用することができる。膜の形状は、平膜タイプ、中空糸タイプ、チューブラータイプ等を用いることができ、膜の透過流束と処理水量を基に適切な面積の膜を設置する。膜の配置は、通常は水流および気泡流を妨げないように互いに平行とする。
膜分離装置３が中空糸タイプの膜の場合には、膜の孔径は０．０１〜１μｍ程度の範囲であるものが好ましく、特に０．０２〜０．５μｍの範囲にあるものが清澄な処理水質が得られて経済的な透過水流束が得られるために多く用いられる。

膜面部における水流の流速は０．１ｍ／ｓ以上とすることによって、洗浄効果が得られるが、好ましくは０．２〜０．５ｍ／ｓである。
水流の流速が０．５ｍ／ｓである場合、通常の中空糸膜を洗浄すると圧力損失は１０〜３０ｃｍＡｑ程度となり、これが水流発生装置に必要な揚程である。この程度の低揚程ではポンプよりもプロペラの方が動力消費は小さくなる。
水流を膜面に当てる角度はできるだけ浅いことが好ましく、０〜４５度程度が適当である。活性汚泥処理槽１に垂直に配置した膜において、槽全体に旋回流を生じさせることにより、効率的に膜面に平行な水流を生じることができる。

（プロペラ式縦軸型水中攪拌機）
プロペラ式縦軸型水中攪拌機２は、機械力によって水流を形成するものである。
プロペラ式縦軸型水中攪拌機２のプロペラ２１が旋回することによって被処理水の下降流を形成され、水流は整流板５の下方を通過して膜分離装置３に導かれる。
このとき、後述するバッフル板Ａを設けることにより水流がスムーズに膜分離装置３に導かれる。

（バッフル板）
本発明においては、水流を効率よく膜分離装置に導くために、活性汚泥処理槽１におけるプロペラ式縦軸型水中攪拌機２が設置された領域及び／又は膜分離装置３が設置された領域に水流の通過を妨げるバッフル板を設置する。

本発明の一つの実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図２は図１に示す装置のＸ−Ｘ線断面を矢印で示す方向に向かって見た図である。
本実施形態では、図１及び図２に示すように、プロペラ式縦軸型水中攪拌機２が設置された領域においては、プロペラ式縦軸型水中攪拌機２のプロペラ２１の旋回する領域以外の領域を水流が通過するのを妨げるバッフル板Ａ１１を設けると共に、膜分離装置３が設置された領域においては、膜分離装置３の水流流入部の周囲を水流が通過するのを妨げるバッフル板Ｂ１２を設けている。
バッフル板Ａ１１及びバッフル板Ｂ１２の両方を設けることが好ましいが、バッフル板Ａ１１のみ又はバッフル板Ｂ１２のみを設けても良い。

上記のように、バッフル板Ａ１１、バッフル板Ｂ１２を設置することによって水流が十分に整流され、散気装置４で発生した気泡が膜ユニット内に均一に供給され、気泡による均一な上向流が形成される。均一な上向流が形成されることにより膜分離装置３の膜に対して均一に水流を当てることが可能となる。
また、膜分離装置３の下方から散気装置４によって散気することにより、上向きの水流が形成されるためにプロペラ式縦軸型水中攪拌機２の運転に必要な動力を削減することができる。

図３は図１に示されたものにおいてバッフル板Ａ１１及びバッフル板Ｂ１２を設けなかった場合を示す図である。バッフル板Ａ１１及びバッフル板Ｂ１２を設けない場合は、図３に示すようにプロペラ式縦軸型水中攪拌機２を設けた領域においては膜分離装置３の方向に向かわない逆流Ｃが生じるため円滑な循環流が形成されず、また、膜分離装置３を設けた領域においては膜分離装置３の水流流入部の周囲を通過するバイパス流Ｄが生じるため膜分離装置３内部に所定の洗浄水量（流速）を確保することができなくなる。

被処理水の滞留を避けるために、バッフル板Ａ１１はプロペラ２１の外周部に設けることが好ましく、また、バッフル板Ｂ１２は膜分離装置３の水流流入部の周囲に設けることが好ましい。
また、装置の製作上の精度の観点及びメンテナンスの容易性の観点から、プロペラがバッフル板に当らないように、プロペラより若干深い水深にバッフル板をセットすることが有利な場合もあるので、バッフル板Ａ１１、バッフル板Ｂ１２の設置位置は前記した位置から多少上方側又は下方側にずれていても構わない。

図１、２ではバッフル板Ａ１１、バッフル板Ｂ１２としては平板状である場合を示したが、バッフル板Ａ１１及びバッフル板Ｂ１２は図４に示すように下流に向かって縮径するテーパ形状を有するものであってもよい。
このようにテーパ形状とすることにより被処理水が滞留するのを防ぐことができる。

図５に本発明の他の実施形態を示す。
図５は分離膜として中空糸膜３１を使用する場合の中空糸膜３１の設置方向と水流の方向との関係を示す図である。
膜分離装置３で使用する中空糸膜３１の強度が高くない場合は、図５（ａ）に示したように中空糸膜３１の長手方向に沿って水流を形成させることにより膜３１（特に膜３１と集水部３２との接続部）にかかる応力を小さくすることができ、膜の破断の可能性を低くすることができるので好ましい。
一方、図５（ａ）に示すような水流とした場合、集水部３２の水流方向への投影面積が大きく通水抵抗が大きくなるという問題がある場合には、図５（ｂ）に示したように、中空糸膜３１の長手方向と直交する方向に水流を形成させて通水抵抗を小さくすることが好ましい。

以下に実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
活性汚泥処理槽１としては、水深２．０ｍ、水平断面が３．０ｍ×２．２ｍの箱状の槽を３台配置した。
プロペラ式縦軸型水中攪拌機２としては、回転直径が１．４ｍでプロペラ部での流速が１．０〜１．２ｍ／ｓ以上となるように設定した。
膜分離装置３として２．２ｍ×０．９ｍ×０．４ｍの箱型で、分離膜は孔径０．２μｍのＭＦ膜モジュールを採用した。膜面積は１０８ｍ^２であった。処理水取り出し口は、膜モジュールの外側に設置されたセンターパイプを通じて、系外に取り出す構造とした。
散気位置４は水深１．６ｍに設定した。散気量は６７．６ｍ^３／ｈ、即ち被処理水に対する通気倍率として３０ｖｖｈとなるように設定した。
プロペラの旋回領域以外の領域にバッフル板１１を設置し、膜分離装置３の水流流入部の周囲にバッフル板１２を設置した。バッフル板Ａ１１、バッフル板Ｂ１２としてはＳＵＳ製の板を用いた。

被処理水はＢＯＤ濃度が８０ｍｇ／Ｌであるものを用い、処理水量を５４ｍ^３／ｄとなるように設定した。ＭＬＳＳ濃度は６，０００〜１０，０００ｍｇ／Ｌ程度に維持するように適宜、余剰汚泥を排出した。
この結果、処理水のＢＯＤは、１．５ｍｇ／Ｌ以下を達成でき、良好な生物処理を行うことができた。反応槽内のＤＯは、常に１．３ｍｇ／Ｌ以上を保持できた。
単位処理水量当りの曝気および膜洗浄に対する所要動力はブロワ動力０．３９ｋＷｈ／ｍ^３、攪拌動力０．３９ｋＷｈ／ｍ^３で、合計０．７８ｋＷｈ／ｍ^３であった。

［比較例１］
図６に示される装置を用いた。すなわち、プロペラ式縦軸型水中攪拌機２に代えて、水流発生用ポンプ２０を用い、膜分離装置３、散気装置４は実施例１で用いたものを用いた。
この結果、処理水のＢＯＤは、１．５ｍｇ／Ｌ以下を達成でき、良好な生物処理を行うことができた。反応槽内のＤＯは、常に１．０ｍｇ／Ｌ以上を保持できた。
また、単位処理水量当りの曝気および膜洗浄に対する所要動力はブロワ動力０．３９ｋＷｈ／ｍ^３、攪拌動力０．４８ｋＷｈ／ｍ^３で、合計０．８７ｋＷｈ／ｍ^３であった。

本発明の膜分離活性汚泥処理装置は、活性汚泥処理に使用する電力を節減することができるので、膜分離活性汚泥処理設備に広く利用することができる。

１活性汚泥処理槽
２プロペラ式縦軸型水中攪拌機
３膜分離装置
４散気装置
５整流板
６モータ
１０ポンプ
１１バッフル板Ａ
１２バッフル板Ｂ
２０水流ポンプ
２１プロペラ
２２旋回機構付プロペラ式水中攪拌機
３１中空糸膜
３２集水部
１００膜分離活性汚泥処理装置
Ｃ逆流
Ｄバイパス流

Claims

活性汚泥処理槽内に、膜分離装置、プロペラ式縦軸型水中攪拌機及び散気装置を備えてなり、
前記活性汚泥処理槽は
活性汚泥処理槽内を水平方向に二分する整流板によって前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機を収容する領域と膜分離装置を収容する領域とに分けられ、
前記膜分離装置及びプロペラ式縦軸型水中攪拌機はいずれも前記活性汚泥処理槽の壁面及び前記整流板から間隔をおいて配置されており、
前記散気装置は前記膜分離装置の下方に配置されており、
前記整流板の上方と下方とにおいて前記の二つの領域は前記活性汚泥処理槽内で連通していて、前記整流板の上方と下方とを経由して水流が活性汚泥処理槽内を循環するようにした膜分離活性汚泥処理装置であって、
下記のバッフル板Ａ及び／又はバッフル板Ｂを備えたことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置。
バッフル板Ａ：前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機を収容する領域内に、前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機のプロペラの旋回領域以外の領域に水流が通過するのを妨げるように設けられたバッフル板
バッフル板Ｂ：前記膜分離装置を収容する領域内に前記膜分離装置の周囲の領域に水流が通過するのを妨げるように設けられたバッフル板
前記バッフル板Ａが前記プロペラ式縦軸型水中攪拌機のプロペラの外周部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
前記バッフル板Ｂが前記膜分離装置の水流流入部の周囲に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜分離活性汚泥処理装置。