JP6425067B2 - 膜分離活性汚泥処理装置 - Google Patents

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１〜３参照）。

特許文献１には、図５に示すように、活性汚泥を収容する活性汚泥処理槽１内にガイドパイプ１２を設けてこのガイドパイプ１２内に膜分離装置３を収容し、膜分離装置３の上方に散気装置２を配置し、散気装置２の上方に攪拌装置４を配置し、散気装置２から吐出される気泡Ｇを微細化しながら分散し、かつ膜面に向かうクロスフロー流Ｃを増強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。膜分離された処理水はポンプ１０によって排出される。
この装置は、膜分離装置３に対して充分な流速のクロスフロー流Ｃを形成すると同時に、気泡の微細化、分散効果により効率的な酸素の拡散移動を達成し、散気による反応槽内の好気性条件の維持、循環流による活性汚泥と被処理水の接触効率の向上、クロスフロー流の形成による膜表面の洗浄作用の安定化を達成するというものである。

特許文献２には、図６に示すように、活性汚泥処理槽１内に、散気装置２及び膜分離装置３を設け、活性汚泥処理槽１の槽外に水流ポンプ２０を設けて、活性汚泥処理槽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装置が記載されている。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３には、図７に示すように、活性汚泥処理槽１内に、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２と、旋回機構付プロペラ式水中攪拌機２１とを備えた膜分離活性汚泥処理装置が記載されている。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。

また、前記特許文献３には、膜分離装置３を複数の膜ユニットから構成し、膜ユニットの各々の下部に散気装置と上向きの水流吐出口とを設けると共に、水流ポンプから前記水流吐出口に水を供給する水供給配管に各膜ユニット毎の自動開閉弁を設けて、１または複数の水流吐出口毎に順次切替えて水供給するようにした装置が記載されている。この装置は間欠的に膜面を洗浄することにより電力費などの運転コストを低減することを可能にするものである。

特開２００３−２５１３８６号公報 特開２０１２−１５７８４９号公報 特開２０１２−１７６３９６号公報

上記特許文献１〜３に記載されているような、攪拌装置または水流ポンプ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、攪拌翼を有する攪拌装置による攪拌は形成された水流が拡散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。
また、水流ポンプを用いる方法では、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、動力コストを抑えるために間欠運転をする必要がある。
更に、特許文献３に記載されているような膜ユニットごとに自動開閉弁を設けて選択的に膜ユニットに水流を供給する方法は、実機化を考えると、大口径主ポンプ級のポンプを必要とすること、及び大口径自動開閉弁の分単位の頻繁な切り替えを要する点で問題があり、また、処理動力も膜分離活性汚泥法を導入する目安となる０．４ｋＷ／ｍ^３を上回るものとなる。
本発明は、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を目的とする。

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水流ガイド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、散気装置、膜分離装置及びプロペラ式水中攪拌機を備えてなる膜分離活性汚泥処理装置であって、
前記散気装置と膜分離装置とは水平方向に離隔して配置されており、
前記活性汚泥処理槽はバッフル板によって散気装置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ており、バッフル板の上方と下方において二つの領域は連通しており、
前記プロペラ式水中攪拌機は前記膜分離装置の上方に配置されており、
前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラ部分、該プロペラ部分の上方空間及び該プロペラ部分と膜分離装置の上端との間の空間は筒状の水流ガイドによって囲われており、
前記散気装置を収容する領域では上昇流が形成され、前記膜分離装置を収容する領域では下降流が形成されて循環流が形成されている、
ことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置。
（２）前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分から下方の部分は膜分離装置の周縁部に向かってテーパ形状を有す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）前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分の上部は上方に拡径する上流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（４）前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラの下方には、前記プロペラの回転軸上に前記プロペラのプロペラ直径よりも小径の補助プロペラが設けられると共に、
前記補助プロペラを囲む筒状の補助水流ガイドが設けられていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（５）前記補助水流ガイドは、下流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする上記（４）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、間欠運転をする必要も無いため弁の切り替え等の操作が不要となる。この結果、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。

本発明の装置の一例の概略構成を示す図である。 本発明の装置における水流ガイドの例を示す図である。 本発明の装置における水流ガイドの例を示す図である。 本発明の装置における水流ガイドの例を示す図である。 図２−３（ｆ）に示した水流ガイドを配置した本発明の膜分離活性汚泥処理装置示す図である。 本発明の装置の他の例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。 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。

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Ａ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内に設けられた散気装置２、膜分離装置３、水流発生装置としてのプロペラ式水中攪拌機４を含んでいる。
以下、膜分離活性汚泥処理装置Ａを構成する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内には散気装置２と膜分離装置３とが水平方向に離隔して配置されている。

活性汚泥処理槽１はバッフル板５によって散気装置２を収容する領域と膜分離装置３を収容する領域とに分けられている。この場合、バッフル板５の上方と下方において二つの領域が連通するようにする。
このバッフル板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り、バッフル板５で仕切られた一方の領域に活性汚泥菌に酸素を供給するための散気装置２を設置するとその領域には散気された気泡によって上昇流が形成される。そこで、他方の領域に膜分離装置３を設置すると、槽内に循環水流が形成されるために膜分離装置３の水流は下降流になる。
また、活性汚泥処理槽１には、溶存酸素濃度計、ｐＨ計、温度計などが適宜設けられる。

（散気装置）
散気装置２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の膜の洗浄とを行うものである。散気装置２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。

（プロペラ式水中攪拌機）
プロペラ式水中攪拌機４は、機械力によって水流を形成するものである。
プロペラ式水中攪拌機４はその撹拌翼（以下「プロペラ」ともいう）６が膜分離装置３に対向するように、かつ水流の方向が膜分離装置３に向くように配置される。
散気装置２から吐出された気泡は、散気装置２が収容された領域内で被処理水の上昇流を生じ、この上昇流はバッフル板５の上方から膜分離装置３が収容された領域に移動し、次いでプロペラ式水中攪拌機４のプロペラ６によって下降流となり、水流が膜分離装置３に導かれる

（水流ガイド）
水流ガイドの例を図２に示す。
図２−１（ａ）に示すように、水流ガイド８を設けることによって、プロペラ６で駆動した被処理水の下降流が滞留することなく、効率よく膜分離装置３に向かう。更に、膜分離装置３に導かれる水流は流路断面に対して一様な速度分布を有するようになる。
水流ガイド８の形状は円筒状、角筒状、テーパ付円筒状、テーパ付角筒状とすることができるが、プロペラ６の部分では円筒状である形状とする。
水流ガイド８は、プロペラ式水中攪拌機４のプロペラ６を囲む部分から上方の部分は、旋回する流れが全てプロペラ部に供給される形状を有しており、プロペラ６を囲む部分から下方の部分は膜分離装置３の周縁部に繋がる形状を有している。

図２−１（ａ）に示したものではプロペラ６の回転面積が膜分離装置３の流入部の面積よりも小さいため、水流ガイドの下方部分は下流側に向かって広がるテーパ形状を有している。
図２−１（ｂ）に示すものにおいては、水流ガイドは直筒状であり、プロペラが水流ガイドの上端部分に配置されている。
図２−１（ｃ）に示すものにおいては、プロペラ６の回転面積が膜分離装置３の流入部の面積よりも大きいため、水流ガイドの下方部分は下流側に向かって狭まるテーパ形状を有している。
図２−２（ｄ）に示すものは、図２−１（ｂ）に示すものにおいて、プロペラ６を水流ガイドの中央部に配置したものである。
図２−２（ｅ）に示したものは、上流側の水流ガイドを下流側に向かって狭まるテーパ形状とし、下流側の水流ガイドを直筒状としたものである。このような形状とすることにより多くの処理水を膜分離装置３に導くことができる。
図２−３（ｆ）に示したものは、上流側の水流ガイドを上流側に向かって広がるテーパ形状とし、下流側の水流ガイドを下流側に向かって広がるテーパ形状としたものである。
図２−３（ｇ）に示したものは、上流側の水流ガイドを上流側に向かって広がるテーパ形状とし、下流側の水流ガイドを下流側に向かって狭まるテーパ形状としたものである。

図２−３（ｆ）に示したものの使用形態を図３に示す。
図３（ａ）は膜分離活性汚泥処理装置の縦断面図であり、図３（ｂ）はその平面図である。図２−３（ｆ）に示した構造の水流ガイドを図３（ａ）に示したように設けることにより、この水流ガイドは膜分離装置の上流側には図３（ｂ）のＥで示すような旋回流がプロペラ部以外には流入しない構造を形成し、図３（ａ）における網掛け部分は通水しない領域Ｄとなる。このため、旋回流の全てがプロペラ６及び膜分離装置３を通過するようになる。この実施形態は多くの処理水を膜分離装置３に導くことができるので好ましい。

水流ガイド８の形状はプロペラのサイズと膜分離装置のサイズとの関係で種々の形状を採用することができる。
プロペラ上流部は図３（ａ）に示したように水流がプロペラ以外の領域を通過しない構造、例えば、プロペラ上流部は上流側に向かって拡大するテーパを有していることが好ましい。
この場合、プロペラのサイズが膜分離装置の流入部のサイズよりも大きい場合にはプロペラ下流部は図２−１（ｃ）、図２−３（ｇ）に示したように下流側に向かって縮小するテーパを有するようにする。
また、プロペラのサイズが膜分離装置の流入部と同じであればプロペラ下流部は図２−１（ｂ）、図２−２（ｄ）、（ｅ）に示したような直筒状のものとする。
さらに、プロペラのサイズが膜分離装置の流入部よりも小さい場合にはプロペラ下流部は図２−１（ａ）、図２−３（ｆ）に示したような下流側に向かって拡大するテーパを有するようにする。

このような水流ガイド８を設けることによって、プロペラ６で駆動した被処理水の下降流が滞留することなく、効率よく膜分離装置３に向かう。更に、膜分離装置３に導かれる水流は流路断面に対して一様な速度分布を有するようになる。

（補助水流ガイド及び補助プロペラ）
上記図１に示したものでは、水流が膜面に均一に供給されるが、膜分離装置３に導かれる水流をより効果的に均一に膜面に供給するには、図４に示すように、水流ガイド８の内側に補助プロペラ７及びこの補助プロペラ７を囲う下流側に向かって広がるテーパ形状を有する補助水流ガイド９を設けることが好ましい。
プロペラが膜部よりも小さくプロペラ下部が広がる形状の場合、プロペラは不完全ではあるものの指向性を有するため、最拡部に効果的に水流を供給できない。補助水流ガイド９により直進的に膜部に流入する流体を最拡部に供給させ、水流として不足する中央部を補助プロペラ７にて供給することで、より効果的に均一に膜面に水流が供給することができる。

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の箱状の槽を用いた。
散気装置２の散気位置を水深１．５ｍ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。
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、膜モジュールの中央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。
前記プロペラ式水中攪拌機４は、回転直径が１．４ｍでプロペラ部での流速が１．０〜１．２ｍ／ｓとなるように設定した。

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１．５ｍｇ／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、散気装置２、膜分離装置３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 散気装置
３ 膜分離装置
４ プロペラ式水中攪拌機
５ バッフル板
６ プロペラ（攪拌翼）
７ 補助プロペラ
８ 水流ガイド
９ 補助水流ガイド
１０ ポンプ
１２ ガイドパイプ
２０ 水流ポンプ
２１ 旋回機構付プロペラ式水中攪拌機
Ａ 膜分離活性汚泥処理装置
Ｃ クロスフロー流
Ｄ 通水しない領域
Ｅ 旋回流がプロペラ部以外に流入しない構造部
Ｇ 気泡

Claims (5)

1. 活性汚泥処理槽内に、散気装置、膜分離装置及びプロペラ式水中攪拌機を備えてなる膜分離活性汚泥処理装置であって、
   前記散気装置と膜分離装置とは水平方向に離隔して配置されており、
   前記活性汚泥処理槽はバッフル板によって散気装置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ており、バッフル板の上方と下方において二つの領域は連通しており、
   前記プロペラ式水中攪拌機は前記膜分離装置の上方に配置されており、
   前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラ部分、該プロペラ部分の上方空間及び該プロペラ部分と膜分離装置の上端との間の空間は筒状の水流ガイドによって囲われており、
   前記散気装置を収容する領域では上昇流が形成され、前記膜分離装置を収容する領域では下降流が形成されて循環流が形成されている、
   ことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置。
2. 前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分から下方の部分は膜分離装置の周縁部に向かってテーパ形状を有す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。
3. 前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分の上部は上方に拡径する上流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
4. 前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラの下方には、前記プロペラの回転軸上に前記プロペラのプロペラ直径よりも小径の補助プロペラが設けられると共に、
   前記補助プロペラを囲む筒状の補助水流ガイドが設けられている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活性汚泥処理装置。
5. 前記補助水流ガイドは、下流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項４に記載の膜分離活性汚泥処理装置。

Images