WO2019163426A1 - 好気性生物処理装置 - Google Patents

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WO2019163426A1
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hollow fiber
fiber membrane
biological treatment
water
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PCT/JP2019/002700
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小林　秀樹
哲朗 深瀬
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栗田工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B01D63/04—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F21/00—Dissolving
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/08—Aerobic processes using moving contact bodies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to an aerobic biological treatment apparatus for organic wastewater.
  • the aerobic biological treatment method is widely used as a treatment method for organic wastewater because it is inexpensive. In this method, it is necessary to dissolve oxygen in the water to be treated, and aeration with a diffuser is usually performed.
  • Aeration with a diffuser has a low dissolution efficiency of about 5-20%.
  • more than 2/3 of the power cost in aerobic biological treatment is used for oxygen dissolution.
  • MABR Membrane aeration bioreactor
  • the present invention includes an oxygen-dissolving membrane module having a hollow fiber membrane, the oxygen-dissolving membrane module can be a high-density filling of the hollow fiber membrane, and all the hollow fiber membranes are fluidized beds.
  • An object of the present invention is to provide an aerobic biological treatment apparatus that efficiently contacts a carrier.
  • the aerobic biological treatment apparatus of the present invention includes a reaction tank, a fluidized bed formed by a carrier filled in the reaction tank, and an oxygen dissolution apparatus installed in the reaction tank so that the aeration direction is vertical.
  • a membrane module Comprising a membrane module, an oxygen-containing gas supply means for supplying an oxygen-containing gas to the oxygen-dissolving membrane module, and a water-passing means for upwardly circulating raw water in the reaction tank,
  • a plurality of hollow fiber membrane units each including an upper header, a lower header, and a hollow fiber membrane laid in the vertical direction between the upper header and the lower header are provided.
  • a hollow fiber membrane strand in which a plurality of hollow fiber membranes are arranged together is laid between an upper header and a lower header, and the hollow fiber membrane strand is a hollow fiber membrane strand. They are arranged at intervals through which the fluidized bed carriers pass.
  • a plurality of hollow fiber membrane units are arranged in parallel.
  • the upper headers and the lower headers of each hollow fiber membrane unit are connected.
  • the oxygen-dissolving membrane module has a plurality of hollow fiber membrane units composed of an upper header, a lower header, and a hollow fiber membrane laid vertically between the upper header and the lower header.
  • the hollow fiber membrane can be filled with high density.
  • the hollow fiber membranes are uniformly in contact with the carrier, preventing the organism from growing on the surface of the hollow fiber membrane.
  • A) is the perspective view from the bottom which shows the upper header of each hollow fiber membrane unit,
  • (b) is the BB sectional drawing of (a). It is a perspective view of an oxygen dissolution membrane module. It is a perspective view of the coupling body of an oxygen dissolution membrane module.
  • a single fiber bundle of hollow fiber membranes is referred to as a hollow fiber membrane strand
  • a hollow fiber membrane unit in which about 2 to 6 rows of hollow fiber membrane strands are fixed to the upper and lower headers is referred to as a hollow fiber membrane unit.
  • a unit in which about 3 to 10 units are integrated and fixed to the frame in parallel is called an oxygen-dissolved membrane module.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an aerobic biological treatment apparatus 1 according to an embodiment.
  • This aerobic biological treatment apparatus 1 includes a reaction tank (tank body) 2, a perforated plate such as a punching plate installed horizontally below the reaction tank 2, and a plurality of dispersion nozzles uniformly provided on a flat plate A large-diameter particle layer 4 formed above the water-permeable plate 3, a small-diameter particle layer 5 formed above the large-diameter particle layer 4, and a powder above the small-diameter particle layer 5.
  • a fluidized bed F formed of a bioadhesive fluidized bed carrier such as granular activated carbon, an oxygen-dissolving membrane module 6 at least partially disposed in the fluidized bed F, and a receiving chamber formed below the water permeable plate 3. 7, a raw water spray pipe 8 for supplying raw water into the receiving chamber 7, and a cleaning pipe 9 for supplying a gas for backwashing when the packed bed is cleaned.
  • a trough 10 and an outlet 11 for allowing the treated water to flow out are provided in the upper part of the reaction tank 2.
  • the trough 10 forms an annular flow path along the inner wall of the tank.
  • FIG. 1 shows that the reaction vessel is filled with a fluidized bed carrier, and the biofilm adheres to the surface of the oxygen-dissolved membrane by the shearing force caused by the flow of the carrier so that most of the biofilm adheres to the fluidized bed carrier. At this time, the oxygen-dissolved film is used only for the purpose of supplying oxygen.
  • a non-porous oxygen-dissolving film is used as the oxygen-dissolving film, and an oxygen-containing gas is vented from the outside of the tank to the primary side of the oxygen-dissolving film through the pipe, and the exhaust is discharged outside the tank through the pipe. It is configured to do. Therefore, an oxygen-containing gas is passed through the oxygen-dissolved film at a low pressure, passes oxygen as oxygen molecules between constituent atoms of the oxygen-dissolved film (dissolves in the film), and is brought into contact with the water to be treated as oxygen molecules. Since oxygen is dissolved directly in water, no bubbles are generated.
  • This method uses a molecular diffusion mechanism based on a concentration gradient, and does not require aeration using a diffuser tube as in the prior art.
  • hydrophobic material it is preferable to use a hydrophobic material as the material for the oxygen-dissolving film because it is difficult to be immersed in the film. A trace amount of water vapor enters even a hydrophobic film.
  • FIG. 2 shows the arrangement of the hollow fiber membrane units
  • FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of the upper header of each hollow fiber membrane unit
  • FIG. 4 shows an example of the oxygen-dissolving membrane module 6.
  • the oxygen-dissolving membrane module 6 is a non-porous hollow fiber membrane strand 22 (preferably a hollow fiber membrane having a diameter of about 50 to 1000 ⁇ m, preferably 5 to 50, particularly preferably about 10 to 30 as an oxygen-dissolving membrane. It is the one using In this embodiment, the hollow fiber membrane strands 22 are arranged in the vertical direction, and the upper end of each hollow fiber membrane strand 22 is connected to the upper header 20 and the lower end is connected to the lower header 21. The inside of the hollow fiber membrane strand 22 communicates with the upper header 20 and the lower header 21, respectively.
  • Each header 20, 21 is a hollow tube made of a potting material.
  • each unit is connected and integrated by a frame (not shown).
  • each upper header 20 is connected to the upper manifold 23, and each lower header 21 is connected to the lower manifold 24.
  • each of the headers 20 and 21 has a rectangular outer shape in a cross section perpendicular to the longitudinal direction.
  • the upper header 20 is provided with an air circulation hole 20a on the upper side, and the lower surface portion is thick.
  • the upper end portion of the hollow fiber membrane strand 22 is embedded in this thick portion, and the upper end surface is open toward the air circulation hole 20a.
  • the lower header 21 has a vertically symmetrical structure with the upper header 20, an air circulation hole is provided on the lower side, and the upper surface portion is thick.
  • the lower end portion of the hollow fiber membrane strand 22 is embedded in this thick portion, and the lower end surface is open toward the air circulation hole of the lower header 21.
  • hollow fiber membrane strands 22 are arranged in parallel in two rows on one upper header 20 and lower header 21 in the header longitudinal direction.
  • the distance a between the rows of the hollow fiber membrane strands 22 (FIG. 3B) is preferably about 10 to 1000 times, particularly about 50 to 200 times the average particle diameter of the activated carbon that is the fluidized bed carrier.
  • interval b of the header longitudinal direction of hollow fiber membrane strands 22 may closely_contact
  • the interval c between the adjacent headers 20 and 20 and between the headers 21 and 21 is not particularly limited.
  • the length in the longitudinal direction of each header 20 and 21 is preferably about 500 to 2000 mm, but is not limited thereto.
  • the oxygen-containing gas is supplied to the upper part of the oxygen-dissolving membrane module 6 and discharged from the lower part of the oxygen-dissolving membrane module 6.
  • An oxygen-containing gas such as air flows from the upper header 20 through the hollow fiber membrane strand 22 to the lower header 21, during which oxygen passes through the hollow fiber membrane strand 22 and dissolves in the water in the reaction vessel 2.
  • a plurality of oxygen-dissolving membrane modules 6 may be arranged in a line, and the manifolds 23 and 24 of each module may be connected to a common upper connecting pipe and lower connecting pipe, respectively.
  • a blower 26 and an air supply pipe 27 are provided, thereby constituting an oxygen-containing gas supply means.
  • the air supply pipe 27 is connected to the upper manifold 23 through the upper communication pipe 41.
  • a lower communication pipe 42 for exhaust gas is connected to the lower manifold 24.
  • the lower connection pipe 42 is connected to the discharge pipe 29.
  • the discharge pipe 29 is provided so as to have a downward slope (including a vertically downward direction), and extends to the outside of the reaction tank 2. In FIG. 1, the discharge pipe 29 is drawn to the side of the reaction tank 2, but may be drawn downward from the bottom of the reaction tank 2.
  • the remainder of the oxygen-containing gas that did not dissolve in the oxygen-dissolving film is exhausted outside the tank through the discharge pipe 29.
  • the end of the pipe 29 is arranged to be lower than the lower end of the oxygen-dissolving membrane module 6 (the lowest one among the lower ends of the modules when there are a plurality of modules 6). Therefore, when the condensed water is contained in the exhaust gas, the condensed water flows out to the tank 32 below the discharge pipe 29.
  • the water in the tank 32 may be sent to the reaction tank 2 by the pump 33 and the pipe 34.
  • An exhaust gas pipe 30 for exhausting the exhaust gas to the outside of the tank may be connected to the discharge pipe 29 inside or outside the tank.
  • the condensed water is discharged through the discharge pipe 29.
  • the end of the exhaust gas pipe 30 may be disposed at a position higher than the lower end of the oxygen-dissolving membrane module.
  • the exhaust gas pipe 30 has only an upward gradient or a vertically upward direction without a downward gradient.
  • a valve (not shown) may be provided downstream from the branch point of the exhaust pipe 29 with the exhaust gas pipe, and the condensed water may flow out into the tank 32 by opening the valve.
  • the valve may be either an automatic valve or a manual valve.
  • the valve for discharging the condensed water may be opened continuously or intermittently. In the case of intermittent operation, in normal operation, once a day to once every 30 days (at most once a day, at least once a month for 10 seconds), preferably once a day Drain by opening the valve once every 15 days.
  • the packed amount of the fluidized bed carrier such as activated carbon is preferably about 30 to 70%, particularly about 40 to 60% of the volume of the reaction vessel.
  • the development rate of the activated carbon fluidized bed is about 10 to 20%, but in this case, the activated carbon flow is uneven and flows vertically and horizontally. As a result, the membrane installed at the same time is rubbed by activated carbon and worn out.
  • the fluidized bed carrier such as activated carbon needs to be sufficiently fluidized, and the development rate is desirably 20% or more, for example, about 20 to 50%.
  • a gel material other than activated carbon can be used under the same conditions as the fluidized bed carrier.
  • a gel material other than activated carbon for example, polyvinyl alcohol gel, polyacrylamide gel, polyurethane foam, calcium alginate gel, zeolite, plastic and the like can also be used.
  • activated carbon when used as the carrier, it is possible to remove a wide range of pollutants by the interaction between the activated carbon adsorption and biodegradation.
  • activated carbon it is not specifically limited, such as coconut charcoal, coal, charcoal.
  • the shape is preferably spherical charcoal, but may be ordinary granular charcoal or crushed charcoal.
  • the average particle diameter of a carrier such as activated carbon is preferably about 0.2 to 1.2 mm, particularly about 0.3 to 0.6 mm.
  • a carrier such as activated carbon
  • the optimum particle size is determined by the concentration of waste water, and if it is TOC: 50 mg / L, it is preferably about 0.2 to 0.4 mm.
  • raw water is introduced into the receiving chamber 7 through the spray pipe 8, and is circulated upward through the water permeable plate 3 and the large and small diameter particle layers 4 and 5, and SS is generated. Then, in the fluidized bed F of the granular activated carbon adhered to the biofilm, the water is flowed upward in a transient manner, undergoes a biological reaction, and is taken out as treated water from the upper clarified region through the trough 10 and the outlet 11.
  • Oxygen-containing gas such as air supplied from the air supply pipe 27 flows downward through the oxygen-dissolving membrane module 6 and then flows out from the lower end position of the oxygen-dissolving module 6 to the lower connecting pipe 42 through the lower header and the lower manifold 24. Then, the exhaust air is exhausted from the exhaust pipe 29 (or from the exhaust gas pipe 30 when the exhaust gas pipe 30 is provided) to the atmosphere. The condensed water flows out to the tank 32 through the discharge pipe 29. However, an oxygen-containing gas such as air may be ventilated in an upward flow through the oxygen-dissolving membrane module 6.
  • a non-porous oxygen-dissolving membrane is installed in a fluidized bed of a biological carrier such as activated carbon to increase the amount of oxygen supplied, there is no upper limit to the organic wastewater concentration of the target raw water.
  • the flowing activated carbon enters between the hollow fiber membrane strands 22 while maintaining a fluid state, Evenly contacts the yarn membrane strand 22.
  • the surface of the oxygen-dissolving film is rubbed with activated carbon to prevent the organism from adhering to propagation, so that oxygen is efficiently dissolved from the oxygen-dissolving film into the water to be treated.
  • the oxygen supply amount from the oxygen-dissolving membrane and the organic matter decomposition rate by the fluidized bed carrier-attached biofilm are balanced, and stable biological treatment is performed.
  • the arrangement density of the hollow fiber membrane strands 22 is high, the amount of biological treatment per unit volume in the reaction tank is large.
  • the dissolution power of oxygen is small compared to preaeration and direct aeration.
  • the oxygen-containing gas may be a gas containing oxygen, such as air, oxygen-enriched air, or pure oxygen. It is desirable that the gas to be vented passes through a filter to remove fine particles in advance.
  • the aeration rate is preferably about twice the equivalent amount of oxygen required for biological reactions. If it is less than this, BOD and ammonia will remain in the treated water due to insufficient oxygen, and if it is greater, the air flow will be unnecessarily increased and the pressure loss will be increased, so the economy will be impaired.
  • the aeration pressure is slightly higher than the pressure loss of the hollow fiber generated at a predetermined aeration amount.
  • the blower it is sufficient that the discharge wind pressure is equal to or lower than the water pressure coming from the water depth. However, it is necessary to be more than the pressure loss of piping. Usually, the pipe resistance is about 1 to 2 kPa.
  • a general-purpose blower having a pressure of 0.5 MPa or less can be used even at a water depth of 5 m or more, and a low-pressure blower of 0.1 MPa or less is preferably used.
  • the supply pressure of the oxygen-containing gas is higher than the pressure loss of the hollow fiber membrane, and the membrane must not be crushed by water pressure. Since the pressure loss of the flat membrane and the spiral membrane is negligible compared to the water pressure, the pressure is extremely low, about 5 kPa or more, water depth pressure or less, desirably 20 kPa or less.
  • the pressure loss varies depending on the inner diameter and length. Since the amount of air vent is a membrane 1 m 2 per 50 ⁇ 200 mL / day, film air quantity when the doubled length is doubled, the air quantity even Maku ⁇ becomes doubled only doubles Don't be. Therefore, the pressure loss of the membrane is directly proportional to the membrane length and inversely proportional to the diameter.
  • the value of pressure loss is about 3 to 20 kPa for hollow fibers having an inner diameter of 50 ⁇ m and a length of 2 m.
  • raw water examples include, but are not limited to, semiconductors, liquid crystal manufacturing process wastewater, food factory wastewater, and the like.
  • the SS concentration in the raw water is high, it is preferably supplied to the biological treatment apparatus after pretreatment and removal of SS.
  • the biologically treated water from the biological treatment apparatus may be further treated.
  • examples of such treatment include coagulation sedimentation treatment for removing SS and biological sludge in the treated water.

Abstract

好気性生物処理装置１は、反応槽（槽体）２と、該反応槽２の下部に水平に設置された透水板３と、該透水板３の上側に形成された大径粒子層４と、該大径粒子層４の上側に形成された小径粒子層５と、該小径粒子層５の上側に配置された酸素溶解膜モジュール６と、前記透水板３の下側に形成された受入室７と、該受入室７内に原水を供給する原水散布管８と、受入室７内において散気を行うように設置された散気管９等を有する。酸素溶解膜モジュール６は、上部ヘッダー２０、下部ヘッダー２１及び両ヘッダー２０，２１に架設された中空糸膜ストランド２２とを有する。

Description

好気性生物処理装置
　本発明は、有機性排水の好気性生物処理装置に関する。
　好気性生物処理方法は安価であるため有機性廃水の処理法として多用されている。本方法では、被処理水への酸素の溶解が必要であり、通常は散気管による曝気が行われている。
　散気管による曝気は溶解効率が５～２０％程度と低い。また、散気管の設置される水深にかかる水圧以上の圧力で曝気することが必要であり、高圧で多量の空気を送風するため、ブロワの電力費が高い。通常は、好気性生物処理における電力費の２／３以上が酸素溶解のために使用されている。
　中空糸膜を用いたメンブレンエアレーションバイオリアクター（ＭＡＢＲ）は、気泡の発生なしで酸素溶解できる。ＭＡＢＲでは、水深にかかる水圧よりも低い圧力の空気を通気すればよいため、ブロワの必要圧力が低く、また、酸素の溶解効率が高い。
特開２００６－８７３１０号公報
　本発明は、中空糸膜を有した酸素溶解膜モジュールを備え、この酸素溶解膜モジュールが中空糸膜を高密度に充填したものとすることが可能であり、かつすべての中空糸膜が流動床担体と効率よく接触する好気性生物処理装置を提供することを目的とする。
　本発明の好気性生物処理装置は、反応槽と、該反応槽内に充填された担体により形成された流動床と、該反応槽内に通気方向が上下方向となるように設置された酸素溶解膜モジュールと、該酸素溶解膜モジュールに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、該反応槽に原水を上向流通水する通水手段とを備えてなり、前記酸素溶解膜モジュールは、上部ヘッダーと、下部ヘッダーと、該上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に上下方向に架設された中空糸膜とで構成された中空糸膜ユニットを複数有する。
　本発明の一態様では、中空糸膜の単糸が複数本引き揃えられた中空糸膜ストランドが上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に架設されており、該中空糸膜ストランドは、中空糸膜ストランド同士の間を流動床担体が通過する間隔をおいて配列されている。
　本発明の一態様では、複数の中空糸膜ユニットが平行に配列されている。
　本発明の一態様では、各中空糸膜ユニットの上部ヘッダー同士及び下部ヘッダー同士が連結されている。
　本発明では、酸素溶解膜モジュールは、上部ヘッダーと、下部ヘッダーと、該上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に上下方向に架設された中空糸膜とで構成された中空糸膜ユニットを複数有するので、中空糸膜を高密度充填することができる。また、中空糸膜ストランドの間隔を流動床担体が通過するものとすることにより、各中空糸膜が担体と満遍なく接触し、中空糸膜表面での生物の付着繁殖が防止される。
実施の形態に係る生物処理装置の縦断面図である。 酸素溶解膜モジュールの中空糸膜ユニットの配列を示す斜視図である。 （ａ）は各中空糸膜ユニットの上部ヘッダーを示す下方からの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。 酸素溶解膜モジュールの斜視図である。 酸素溶解膜モジュールの連結体の斜視図である。
　まず本発明では中空糸膜の単糸の束を中空糸膜ストランドと呼び、中空糸膜ストランドの配列２～６列ほどを上下ヘッダーに固定したものを中空糸膜ユニットと呼び、中空糸膜ユニット３～１０ユニットほどを並列して枠体に固定するなどして一体化したものを酸素溶解膜モジュールと呼ぶ。以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。
　図１は実施の形態に係る好気性生物処理装置１の縦断面図である。この好気性生物処理装置１は、反応槽（槽体）２と、該反応槽２の下部に水平に設置されたパンチングプレート等の多孔板や、平板に複数の分散ノズルを均等に設けたものなどの透水板３と、該透水板３の上側に形成された大径粒子層４と、該大径粒子層４の上側に形成された小径粒子層５と、小径粒子層５の上側に粉粒状活性炭等の生物付着流動床担体により形成された流動床Ｆと、流動床Ｆ内に少なくとも一部が配置された酸素溶解膜モジュール６と、前記透水板３の下側に形成された受入室７と、該受入室７内に原水を供給する原水散布管８と、充填層の洗浄時に逆洗のためのガス等が供給される洗浄配管９等を有する。反応槽２の上部には、処理水を流出させるためのトラフ１０及び流出口１１が設けられている。トラフ１０は槽内壁に沿って環状流路を形成している。
　図１は、反応槽に流動床担体を充填して、酸素溶解膜の表面への生物膜の付着を担体の流動による剪断力によって抑制して生物膜の大部分が流動床担体に付着するようにしたものであり、このとき、酸素溶解膜は酸素供給の目的のみに用いられる。
　図１では、酸素溶解膜として非多孔質（ノンポーラス）の酸素溶解膜を用い、酸素含有気体を槽外から配管を通じて酸素溶解膜の一次側に通気して、排気は配管を通じて槽外に排出するように構成している。そのため、酸素含有気体を、低圧で酸素溶解膜に通気し、酸素を酸素分子として酸素溶解膜の構成原子の間を通過し（膜に溶解し）、酸素分子として被処理水と接触させる。酸素を水に直接溶解させるので気泡が生じない。この方法は、濃度勾配による分子拡散のメカニズムを用いており、従来のように散気管などによる散気が不要となる。
　酸素溶解膜の素材として疎水性の素材を用いると膜中に浸水しづらいので好ましい。疎水性の膜であっても微量の水蒸気は浸入する。
　図２は、中空糸膜ユニットの配列を示し、図３は各中空糸膜ユニットの上部ヘッダーの断面斜視図であり、図４は酸素溶解膜モジュール６の一例を示している。この酸素溶解膜モジュール６は酸素溶解膜として非多孔質の中空糸膜ストランド２２（直径５０～１０００μｍ程度の中空糸膜の単糸を好ましくは５～５０本特に好ましくは１０～３０本程度、引き揃えたもの）を用いたものである。この実施の形態では、中空糸膜ストランド２２は上下方向に配列されており、各中空糸膜ストランド２２の上端は上部ヘッダー２０に連なり、下端は下部ヘッダー２１に連なっている。中空糸膜ストランド２２の内部は、それぞれ上部ヘッダー２０及び下部ヘッダー２１内に連通している。各ヘッダー２０，２１はポッティング材よりなる中空管状である。
　図２の通り、１対のヘッダー２０，２１と中空糸膜ストランド２２とからなる中空糸膜ユニットが複数個平行に配列されている。各ユニットがフレーム（図示略）によって連結されて一体化されている。図４の通り、各上部ヘッダー２０が上側マニホルド２３に連結され、各下部ヘッダー２１が下側マニホルド２４に連結されている。
　図３の通り、この実施の形態では、各ヘッダー２０，２１は長手方向と垂直な断面の外形が長方形状である。上部ヘッダー２０には上側に空気流通孔２０ａが設けられ、下面部が肉厚となっている。中空糸膜ストランド２２の上端部はこの肉厚部分に埋設され、上端面が空気流通孔２０ａ間に向って開放している。下部ヘッダー２１は、上部ヘッダー２０と上下対称の構造を有しており、下側に空気流通孔が設けられ、上面部が肉厚となっている。中空糸膜ストランド２２の下端部はこの肉厚部分に埋設され、下端面が下部ヘッダー２１の空気流通孔内に向って開放している。
　図３の通り、１本の上部ヘッダー２０及び下部ヘッダー２１に、中空糸膜ストランド２２が２列に並列してヘッダー長手方向に配列されている。中空糸膜ストランド２２の列同士の間隔ａ（図３（ｂ））は、流動床担体である活性炭の平均粒径の１０～１０００倍特に５０～２００倍程度が好ましい。また、中空糸膜ストランド２２同士のヘッダー長手方向の間隔ｂは密着していても間隔を空けてもよい。
　隣接するヘッダー２０，２０同士及びヘッダー２１，２１同士の間隔ｃは、特に限定されない。各ヘッダー２０，２１の長手方向の長さは５００～２０００ｍｍ程度が好ましいが、これに限定されない。
　酸素溶解膜モジュール６の上部に酸素含有ガスを供給し、酸素溶解膜モジュール６の下部から排出する。空気等の酸素含有ガスは上部ヘッダー２０から中空糸膜ストランド２２を通って下部ヘッダー２１へ流れ、この間に酸素が中空糸膜ストランド２２を透過して反応槽２内の水に溶解する。
　図５の通り、複数の酸素溶解膜モジュール６が一列に配列され、各モジュールのマニホルド２３，２４がそれぞれ共通の上部連絡配管、下部連絡配管に連結されてもよい。
　この酸素溶解膜モジュール６に空気を供給するために、ブロワ２６と給気配管２７とが設けられており、これにより酸素含有ガス供給手段が構成されている。給気配管２７は上部連絡配管４１を通じて上部マニホルド２３に接続されている。下部マニホルド２４には排ガス用の下部連絡配管４２が接続されている。下部連絡配管４２は排出配管２９が接続している。排出配管２９は、下り勾配（鉛直下向きを含む）を有するように設けられ、反応槽２外にまで延設されている。図１では排出配管２９は反応槽２の側方に引き出されているが、反応槽２の底部から下方に引き出されてもよい。
　図１の通り、酸素溶解膜に溶解しなかった酸素含有気体の残部が排出配管２９を通じて槽外に排気される。配管２９の末端は、酸素溶解膜モジュール６の下端（モジュール６が複数のときは各モジュール下端の中で最も下位のもの）より低い位置となるよう配置されている。そのため、排気に凝縮水が含まれる場合は排出配管２９の下方のタンク３２に凝縮水が流出する。タンク３２内の水は、ポンプ３３及び配管３４によって反応槽２に送水されてもよい。
　槽内または槽外において、排出配管２９に、排気を槽外に排出する排ガス配管３０を接続してもよい。この場合、凝縮水は排出配管２９を通じて排出される。排ガス配管３０の末端は、酸素溶解膜モジュールの下端より高い位置に配置されてもよい。凝縮水の溜まりができないようにするために、排ガス配管３０を下り勾配を有さず上り勾配または鉛直上向きのみで構成することが好ましい。排出配管２９の排ガス配管との分岐点より下流側にバルブ（図示略）を設け、バルブを開くことにより凝縮水がタンク３２に流出するように構成してもよい。
　バルブは自動弁、手動弁のいずれでもよい。凝縮水を排出するためのバルブの開放は、連続式でも間欠式でもよい。間欠式の場合は、通常の運転では、１日に１回～３０日に１回（多くても日に１回数秒、少なければ月に１回数十秒）、好ましくは１日に１回～１５日に１回、バルブを開くことにより排水する。
　活性炭等の流動床担体の充填量は反応槽の容積の３０～７０％程度、特に４０～６０％程度が好ましい。この充填量は、多いほうが生物量が多く活性は高いが、多すぎると担体が流出するおそれがある。従って、流動床が２０～５０％程度活性炭相が展開するＬＶ７～３０ｍ／ｈｒ特に８～１５ｍ／ｈｒで通水するのが良い。展開率が２０％よりも低いと、目詰まり、短絡のおそれがある。展開率が５０％よりも高いと、担体流出のおそれがあると共に、ポンプ動力コストが高くなる。
　通常の生物活性炭では、活性炭流動床の展開率は１０～２０％程度であるがこの場合、活性炭の流動状態が不均一で上下左右に流動する。結果として同時に設置した膜が活性炭によってこすられ、すり減って消耗することになる。これを防止するため、本発明では、活性炭等の流動床担体は十分に流動させることが必要で、展開率は２０％以上例えば２０～５０％程度とするのが望ましい。
　なお、平均粒径０．６ｍｍの活性炭をＬＶ１５ｍ／ｈｒで流動させると、展開率２０～３０％の流動状態となる。平均粒径０．３ｍｍの活性炭をＬＶ８～１０ｍ／ｈｒで流動させると、展開率は２０～３０％となる。
　本発明では、流動床担体として活性炭以外のゲル状物質、多孔質材、非多孔質材等も同様の条件で使用できる。例えば、ポリビニルアルコールゲル、ポリアクリルアミドゲル、ポリウレタンフォーム、アルギン酸カルシウムゲル、ゼオライト、プラスチック等も用いることができる。ただし、担体として活性炭を用いると、活性炭の吸着作用と生物分解作用による相互作用により、広範囲な汚濁物質の除去を行うことが可能である。なお、活性炭の場合、やしがら炭、石炭、木炭等特に限定されない。形状は球状炭が好ましいが、通常の粒状炭や破砕炭でも良い。
　活性炭等の担体の平均粒径は０．２～１．２ｍｍ特に０．３～０．６ｍｍ程度が好ましい。平均粒径が大きいと高ＬＶとすることが可能であり、処理水の一部を反応槽に循環する場合は循環量を増やせるため高負荷が可能となる。しかし、比表面積が小さくなるため、生物量が少なくなる。平均粒径が小さいと、低ＬＶで流動できるため、ポンプ動力が安価となる。かつ、比表面積が大きいため、付着生物量が増える。
　最適粒径は廃水の濃度によって決定され、ＴＯＣ：５０ｍｇ／Ｌであれば０．２～０．４ｍｍ程度が好ましい。
　このように構成された好気性生物処理装置１において、原水は散布管８を通じて受入室７に導入され、透水板３及び大径・小径の粒子層４，５を上向流通水されてＳＳが濾過され、次いで生物膜付着の粉粒状活性炭の流動床Ｆにおいて、一過式で上向流通水され生物反応を行って上部清澄領域からトラフ１０と流出口１１を通じて処理水として取り出される。
　給気配管２７から供給された空気等の酸素含有気体は、酸素溶解膜モジュール６を下向流通気した後、酸素溶解モジュール６の下端位置より下部ヘッダー、下部マニホルド２４を通じて下部連絡配管４２に流出し、排空気は排出配管２９から（または排ガス配管３０を設けたときは排ガス配管３０から）大気中へ排出される。凝縮水は排出配管２９を通じてタンク３２へ流出する。ただし、空気等の酸素含有気体は、酸素溶解膜モジュール６に上向流で通気されてもよい。
　本発明では、活性炭等の生物担体の流動床に非多孔性の酸素溶解膜を設置することで、供給酸素量が多くなるため、対象とする原水の有機性排水濃度に上限が無い。
　また、平均粒径０．２～１．２ｍｍの生物担体をＬＶ７～２０ｍ／ｈｒの上向流により流動させて形成した流動床で運転するため、激しい撹乱にさらされることがない。したがって、多量の生物を安定して維持できるため、負荷を高くとることができる。
　この場合、ａ，ｂを５～１０ｍｍ程度とし、ｃを５～１０ｍｍ程度とした場合、流動している活性炭が各中空糸膜ストランド２２同士の間にも流動状態を保ったまま入り込み、各中空糸膜ストランド２２に満遍なく接触する。この結果、酸素溶解膜の表面が活性炭で擦られて生物の付着繁殖が防止されるので、酸素溶解膜から被処理水中に酸素が効率よく溶解する。これにより、酸素溶解膜からの酸素供給量と、流動床担体付着生物膜による有機物分解速度のバランスがとれ、安定した生物処理が行われる。また、中空糸膜ストランド２２の配列密度が高いため、反応槽内の単位容積当りの生物処理量が多い。
　また、本発明では酸素溶解膜を使用するため、プリエアレーション、直接曝気と比較すると、酸素の溶解動力が小さい。
　これらのことから、本発明によると、低濃度から高濃度までの有機性排水を高負荷で、かつ安定して処理することが可能となる。
＜酸素含有ガス＞
　酸素含有ガスは空気、酸素富化空気、純酸素等、酸素を含む気体であればよい。通気する気体はフィルターを通過させて微細粒子を予め除去することが望ましい。
　通気量は生物反応に必要な酸素量の当量から２倍程度が望ましい。これよりも少ないと酸素不足で処理水中にＢＯＤやアンモニアが残存し、多いと通気量が不必要に多くなることに加えて圧力損失が高くなるため、経済性が損なわれる。
　通気圧力は所定の通気量で生ずる中空糸の圧力損失よりもわずかに高い程度が望ましい。
＜ブロワ＞
　ブロワは、吐出風圧が水深からくる水圧以下のもので十分である。但し、配管等の圧損以上であることは必要である。通常、配管抵抗は１～２ｋＰａ程度である。
　５ｍの水深の場合、通常は０．５５ＭＰａ程度までの出力の汎用ブロワが用いられ、それ以上の水深では高圧ブロワが用いられてきている。
　本発明では、５ｍ以上の水深であっても０．５ＭＰａ以下の圧力の汎用ブロワを用いることができ、０．１ＭＰａ以下の低圧ブロワを用いることが好ましい。
　酸素含有ガスの供給圧は、中空糸膜の圧力損失より高く、さらに膜が水圧でつぶれないこと、が条件となる。平膜、スパイラル膜は膜の圧損が水圧と比較すると無視できるため、極めて低い圧力、５ｋＰａ程度以上、水深圧力以下、望ましくは２０ｋＰａ以下である。
　中空糸膜の場合、内径と長さによって圧力損失は変化する。通気する空気量は膜１ｍ２あたり５０～２００ｍＬ／ｄａｙであるから、膜長さが２倍になると空気量は２倍になり、膜径が２倍になっても空気量は２倍にしかならない。したがって、膜の圧力損失は膜長さに正比例し、直径に反比例する。
　圧力損失の値は、内径５０μｍ、長さ２ｍの中空糸で３～２０ｋＰａ程度である。
＜原水の前処理及び生物処理水の後処理＞
　本発明では、原水としては、半導体、液晶製造工程排水、食品工場排水などが例示されるが、これらに限定されない。原水中のＳＳ濃度が高い場合には、前処理してＳＳを除去した後、生物処理装置に供給するのが好ましい。
　本発明では、生物処理装置からの生物処理水をさらに処理してもよい。このような処理としては、処理水中のＳＳや生物汚泥を除去するための凝集沈殿処理などが例示される。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　本出願は、２０１８年２月２０日付で出願された日本特許出願２０１８－０２８１９７に基づいており、その全体が引用により援用される。
　１　好気性生物処理装置
　２　反応槽
　６　酸素溶解膜モジュール
　２０，２１　ヘッダー
　２２　中空糸膜
　２７　給気配管
　２９　排出配管
　３０　排ガス配管
　３１　バルブ
　３２　タンク

Claims (4)

  1. 　反応槽と、
    　該反応槽内に充填された担体により形成された流動床と、
    　該反応槽内に通気方向が上下方向となるように設置された酸素溶解膜モジュールと、
    　該酸素溶解膜モジュールに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
    　該反応槽に原水を上向流通水する通水手段と
    を備えてなり、
    　前記酸素溶解膜モジュールは、上部ヘッダーと、下部ヘッダーと、該上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に上下方向に架設された中空糸膜とで構成された中空糸膜ユニットを複数有する好気性生物処理装置。
  2. 　中空糸膜の単糸が複数本引き揃えられた中空糸膜ストランドが上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に架設されており、該中空糸膜ストランドは、中空糸膜ストランド同士の間を流動床担体が通過する間隔をおいて配列されている請求項１の好気性生物処理装置。
  3. 　複数の前記中空糸膜ユニットが平行に配列されている請求項１又は２の好気性生物処理装置。
  4. 　各中空糸膜ユニットの上部ヘッダー同士及び下部ヘッダー同士が連結されている請求項３の好気性生物処理装置。
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