WO2020129707A1 - 排水処理装置及び排水処理方法 - Google Patents

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WO2020129707A1
WO2020129707A1 PCT/JP2019/047842 JP2019047842W WO2020129707A1 WO 2020129707 A1 WO2020129707 A1 WO 2020129707A1 JP 2019047842 W JP2019047842 W JP 2019047842W WO 2020129707 A1 WO2020129707 A1 WO 2020129707A1
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wastewater
driving solution
solution
solute concentration
water
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PCT/JP2019/047842
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English (en)
French (fr)
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拓 藤原
進 石田
太郎 三好
タン フォン グェン
ゾルザヤ ガンバト
Original Assignee
国立大学法人高知大学
前澤工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/58—Multistep processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • 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
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes

Definitions

  • the present invention relates to a wastewater treatment device and a wastewater treatment method.
  • a wastewater treatment facility that uses a FO (Forward Osmosis) membrane to treat wastewater such as sewage containing contaminants, soluble substances, and water has been known (see, for example, Patent Document 1).
  • the FO membrane is located between wastewater such as sewage and a driving solution DS (Draw Solution) such as seawater.
  • DS Driving Solution
  • the solute concentration of the driving solution DS is higher than the solute concentration of the wastewater
  • the pressure received from the wastewater by the FO membrane is the driving solution. Since the pressure is higher than the pressure received from the DS, only the water contained in the wastewater permeates the FO membrane and moves to the driving solution DS, and the impurities and soluble substances contained in the wastewater are captured by the FO membrane. As a result, the wastewater is concentrated.
  • FIG. 7 is a block diagram schematically showing a conventional wastewater treatment equipment 70.
  • the wastewater treatment equipment 70 of FIG. 7 includes wastewater introduction equipment 71, treatment tank 72, FO membrane unit 73, driving solution introduction equipment 74, driving solution.
  • a circulation facility 75, a methane fermentation tank 76, and pumps P1, P2, P3, P4, and P5 (see Table 1 for the discharge amount of each pump) are provided, and the processing tank 72 has an FO membrane unit 73.
  • the FO film unit 73 is composed of an FO film support material (not shown) and an FO film 73a, and the FO film support material and the FO film 73a are configured to have an internal space V.
  • the wastewater introduction facility 71 stores, for example, wastewater from which foreign matters (screen residue) such as dust trapped by a screen and a sludge generated based on the coagulation sedimentation method have been removed.
  • the wastewater stored in the wastewater introduction facility 71 is transferred to the treatment tank 72 by the pump P1, and the treatment tank 72 is filled with the wastewater.
  • the FO membrane unit 73 is immersed in the waste water filling the processing tank 72.
  • the drive solution introduction facility 74 stores seawater, which is the drive solution DS from which foreign substances have been removed by a screen or the like.
  • the drive solution DS stored in the drive solution introducing equipment 74 is transferred to the drive solution circulating equipment 75 by the pump P2.
  • the driving solution circulation equipment 75 is connected to the FO membrane unit 73 and the pumps P3 and P5, and the driving solution DS transferred to the driving solution circulation equipment 75 circulates through the driving solution circulation equipment 75 and the FO membrane unit 73 by the pump P3, It is discharged from the driving solution circulation equipment 75 by the pump P5, for example, into the ocean.
  • the drive solution DS of the drive solution circulation equipment 75 flows into the internal space V of the FO membrane unit 73 when circulating the drive solution circulation equipment 75 and the FO membrane unit 73. Therefore, the FO film 73a is located between the drainage filling the treatment tank 72 and the drive solution DS flowing into the internal space V, and the solute concentration of the drive solution DS is higher than the solute concentration of the drainage filling the treatment tank 72. At this time, the water contained in the waste water filling the processing tank 72 permeates the FO film 73a and moves to the internal space V.
  • the driving solution DS that has flowed into the internal space V and the moisture that has permeated the FO membrane 73a and moved to the internal space V are mixed and collected in the driving solution circulation facility 75, and the waste water that fills the processing tank 72 is Concentrated.
  • the concentrated wastewater of the treatment tank 72 is transferred to the methane fermentation tank 76 by the pump P4.
  • the methane fermentation tank 76 has methane bacteria that decompose organic matter contained in the concentrated wastewater, and when the organic matter contained in the wastewater concentrated with methane bacteria is decomposed, biogas and digestive liquid are generated, and biogas is used as energy. Be recovered as. It is said that the concentration of organic substances decomposed in the methane fermentation tank 76 should be higher from the viewpoint of ensuring stable recovery of biogas. For example, the value of sewage or COD Cr concentrated 15 times or more is 30,000 to 50,000 mg/L. The sewage sludge shown by is used for the production of biogas in the methane fermentation tank 76.
  • wastewater for example, sewage contains many salts, and when the salts dissociate in sewage, chloride ions, sulfate ions, sodium ions, ammonium ions, nitrate ions, phosphate ions, etc. are generated.
  • the salt concentration of sewage is 100 to 1000 mg/L, but the salt concentration of sewage treated at a sewage treatment plant near a brackish water area may reach 2000 to 3000 mg/L.
  • the SO membrane when the FO membrane is placed between the sewage and the seawater (driving solution DS) and the sewage is concentrated, the COD Cr and salt concentrations of the sewage increase, but the salt concentration of the sewage depends on the osmotic pressure generated in the FO membrane. Does not exceed the solute concentration of seawater of 30,000 to 35,000 mg/L. Then, for example, even if an FO membrane is placed between sewage having a salt concentration of 2000 mg/L and seawater, the sewage cannot be concentrated 25 times and the solute concentration of the sewage cannot be 50000 mg/L (the sewage (See Table 2 for the relationship between the concentration ratio and the COD Cr of sewage or the salt concentration of sewage.).
  • An object of the present invention is to provide a wastewater treatment device and a wastewater treatment method capable of realizing sufficient concentration of wastewater.
  • the wastewater treatment apparatus of the present invention provides a first wastewater containing impurities, a soluble substance and water, and a first driving solution containing water and other than the first wastewater. If the pressure received from the first wastewater is higher than the pressure received from the first driving solution, the moisture contained in the first wastewater is transmitted and the contaminants and the soluble substance are disposed between the first wastewater and the first driving solution.
  • the pressure received from the second drain is higher than the pressure received from the second driving, the moisture contained in the second drain is transmitted, and the impurities and Second removing means for trapping a soluble substance to concentrate the second wastewater, wherein the solute concentration of the first wastewater is lower than the solute concentration of the second wastewater, The solute concentration of the driving solution is lower than the solute concentration of the second driving solution.
  • the wastewater treatment method of the present invention provides a first wastewater containing impurities, a soluble substance and water, and a first driving solution containing water and other than the first wastewater. If the pressure received from the first wastewater is higher than the pressure received from the first driving solution, the moisture contained in the first wastewater is transmitted and the contaminants and the soluble substance are disposed between the first wastewater and the first driving solution.
  • the pressure received from the second drain is higher than the pressure received from the second driving, the moisture contained in the second drain is transmitted, and the impurities and Second removing means for trapping a soluble substance to concentrate the second wastewater, wherein the solute concentration of the first wastewater is lower than the solute concentration of the second wastewater, A solute concentration of the driving solution is lower than a solute concentration of the second driving solution, in a wastewater treatment method using a wastewater treatment device, wherein the water contained in the second wastewater is the second removing means.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a wastewater treatment facility 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the wastewater treatment facility 10 of FIG. 1 includes wastewater introduction facility 11, treatment tanks 12, 13, FO membrane units 14, 15, driving solution introduction facility 16, driving solution circulation facilities 17, 18, methane fermentation tank 19, and pump P6.
  • P7, P8, P9, P10, P11, P12, P13 see Table 3 for the discharge amount of each pump
  • the processing tank 12 has an FO film unit 14
  • the processing tank 13 has an FO film unit 15.
  • the FO film units 14 and 15 are composed of an FO film support material (not shown) and FO films 14a and 15a, and the FO film support material and FO films 14a and 15a are configured to have internal spaces S and T. There is.
  • the wastewater introduction facility 11 is, for example, wastewater from which settled sludge generated based on the coagulation sedimentation method and foreign matters (screen residue) such as dust trapped by a screen and the like are removed, and includes contaminants, soluble substances and water. It stores drainage water including.
  • the wastewater stored in the wastewater introduction facility 11 is transferred to the treatment tank 12 by the pump P6, and the treatment tank 12 is filled with the wastewater (first wastewater) transferred from the wastewater introduction facility 11 to the treatment tank 12.
  • the FO membrane unit 14 is immersed in the waste water filling the treatment tank 12. Further, the wastewater filling the treatment tank 12 is transferred to the treatment tank 13 by the pump P7 after the low solute concentration wastewater concentration treatment described later is executed, and the treatment tank 13 is the wastewater transferred from the treatment tank 12 to the treatment tank 13 (first 2 drainage).
  • the FO membrane unit 15 is immersed in the waste water filling the treatment tank 13.
  • the drive solution introduction facility 16 stores seawater, which is the drive solution DS from which foreign substances have been removed by a screen or the like.
  • the drive solution DS stored in the drive solution introducing equipment 16 is transferred to the drive solution circulating equipment 17 by the pump P8.
  • the driving solution circulating equipment 17 is connected to the FO membrane unit 15 and the pumps P9 and P10, and the driving solution DS (second driving solution) transferred from the driving solution introducing equipment 16 to the driving solution circulating equipment 17 is driven by the pump P9.
  • the circulation equipment 17 and the FO membrane unit 15 are circulated.
  • the drive solution DS circulating in the drive solution circulation equipment 17 and the FO membrane unit 15 flows into the internal space T of the FO membrane unit 15 when passing through the FO membrane unit 15.
  • the FO film 15a (second removing means) is located between the drainage filling the processing tank 13 and the drive solution DS flowing into the internal space T.
  • the FO film 15a has a pore diameter of 0.0001 to 0.001 ⁇ m, contaminants and soluble substances having a diameter larger than the pore diameter of the FO film 15a are captured on the drain side of the FO film 15a. ..
  • the collected water is collected in the driving solution circulation equipment 17. That is, since the water contained in the waste water filling the processing tank 13 moves to the driving solution DS flowing into the internal space T, the waste water filling the processing tank 13 is concentrated.
  • the concentrated wastewater of the treatment tank 13 (hereinafter, referred to as “concentrated wastewater”) is transferred to the methane fermentation tank 19 by the pump P13 after the high solute concentration wastewater concentration processing described below is executed.
  • the FO film 15a is not particularly limited as long as it has a pore size that allows water molecules to pass therethrough and trap contaminants and soluble substances, and a conventionally known FO film can be used.
  • the driving solution DS circulating through the driving solution circulation equipment 17 and the FO membrane unit 15 is transferred from the driving solution circulation equipment 17 to the driving solution circulation equipment 18 by the pump P10.
  • the driving solution circulating equipment 18 is connected to the FO membrane unit 14 and the pumps P11 and P12, and the driving solution DS transferred from the driving solution introducing equipment 17 to the driving solution circulating equipment 18 is driven by the pump P11 to the driving solution circulating equipment 18 and the FO membrane unit.
  • the driving solution DS (first driving solution) that circulates in the driving solution circulating equipment 18 and the FO membrane unit 14 is transferred from the driving solution circulating equipment 17, the water contained in the waste water filling the processing tank 13 is removed. Including. Therefore, the solute concentration of the driving solution DS transferred from the driving solution introducing facility 17 to the driving solution circulating facility 18 by circulating the driving solution circulating facility 17 and the FO membrane unit 15 is changed from the driving solution introducing facility 16 to the driving solution circulating facility 17. It is lower than the solute concentration of the transferred driving solution DS.
  • the FO film 14a (first removing means) is located between the drainage filling the processing tank 12 and the drive solution DS flowing into the internal space S.
  • the water contained in the waste water filling the treatment tank 12 permeates the FO film 14a and moves to the internal space S, and the drive solution DS flowing into the internal space S and the water permeating the FO film 14a and moving to the internal space are mixed.
  • the collected water is collected in the driving solution circulating equipment 18.
  • the waste water filling the treatment tank 12 moves to the driving solution DS flowing into the internal space S, the waste water filling the treatment tank 12 is concentrated. Further, the drive solution DS circulating in the drive solution circulation equipment 18 and the FO membrane unit 14 is discharged from the drive solution circulation equipment 18 by the pump P12, for example, into the ocean.
  • the methane fermentation tank 19 has methane bacteria that are anaerobic bacteria, and the methane bacteria performs methane fermentation treatment on the concentrated wastewater transferred from the treatment tank 13. As a result, biogas and digestive juice are produced, and the biogas is recovered as energy. On the other hand, dehydration treatment is performed on the digestive juice, and the digestive juice is separated into a dehydrated cake and a dehydrated filtrate. The dehydrated cake is utilized as garden soil, cement raw material, etc. to reduce the load on the environment, and the dehydrated filtrate is returned to the processing tank 12, for example.
  • the wastewater filling the treatment tanks 12 and 13 has anaerobic bacteria, and the anaerobic bacteria may decompose organic substances contained in the wastewater in the treatment tanks 12 and 13.
  • anaerobic bacteria first hydrolyze organic matter to produce soluble amino acids and the like.
  • the produced amino acids and the like are taken into the cells of the anaerobic bacterium and metabolized and decomposed to produce acetic acid, hydrogen, carbon dioxide and the like.
  • methane as biogas is produced from acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide.
  • the organic matter for producing biogas is consumed in the treatment tanks 12 and 13, the organic matter utilized in the methane fermentation tank 19 is reduced, and the methane fermentation treatment in the methane fermentation tank 19 is not efficiently executed. There is.
  • aeration devices for aerating gas such as air and oxygen to waste water may be installed in the treatment tanks 12 and 13.
  • aerator aerates the wastewater filling the treatment tanks 12 and 13 with a gas such as air or oxygen
  • the activity of anaerobic bacteria in the wastewater filling the treatment tanks 12 and 13 is slowed down.
  • the organic matter contained in the wastewater can be prevented from being decomposed before being transferred to the methane fermentation tank 19.
  • the aeration amount of the gas aerated to the waste water filling the treatment tanks 12 and 13 is controlled based on the oxidation-reduction potential ORP (Oxidation-reduction Potential) of the waste water to which the gas is aerated.
  • ORP Oxidation-reduction Potential
  • the oxidation-reduction potential ORP is an anaerobic bacterium. It may be controlled within the range of -200 to -100 mV to slow down the activity of the.
  • a pH adjusting agent may be added to the wastewater filling the processing tanks 12 and 13. If the pH of the waste water filling the treatment tanks 12 and 13 is 6 or less, the activity of the anaerobic bacteria is slowed down. Therefore, the treatment tanks 12 and 13 are equipped with an addition device (acid supply means) for adding a pH adjusting agent to the waste water. Good.
  • an inorganic acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or the like or an organic acid such as formic acid, acetic acid, propionic acid or the like is used, and the pH of the waste water is adjusted to 4 to 6, for example.
  • an organic acid When an organic acid is used as a pH adjuster, the organic acid itself becomes a substrate for methane fermentation, and as a result, the amount of biogas produced in the methane fermentation tank 19 increases. On the other hand, even if an inorganic acid is used as a pH adjuster, the inorganic acid itself does not serve as a substrate for methane fermentation, so an organic acid is preferably used as the pH adjuster.
  • the wastewater introduction facility 11 of the present embodiment wastewater from which sedimented sludge generated based on the coagulation-sedimentation method and foreign matters (screen residue) such as dust trapped by a screen is stored.
  • the removed settled sludge and screen residue contain organic matter (hereinafter referred to as "removed organic matter"). Since acid fermentation of the removed organic matter gives an organic acid, the organic acid obtained from the removed organic matter may be used as a pH adjuster. Thereby, the removed organic matter can be effectively utilized without being discarded.
  • the biogas when the organic substances contained in the wastewater cannot be suppressed from being decomposed before being transferred to the methane fermentation tank 19, when the biogas is generated in the treatment tanks 12 and 13, the biogas is
  • the gas may be recovered by a gas holder (recovery means) and used as energy.
  • the biogas floats from the wastewater toward the surface of the wastewater.
  • the lids are attached to the treatment tanks 12 and 13, the biogas gathers in the space between the water surface of the waste water and the lids.
  • the treatment tanks 12 and 13 transfer the biogas to the bottoms of the treatment tanks 12 and 13, and the FO membrane unit 14 from the bottoms of the treatment tanks 12 and 13. 15 may be provided with a supply device (supply means) for supplying the biogas.
  • supply means for supplying the biogas.
  • FIG. 2 is a flow chart showing the procedure of wastewater treatment executed by the wastewater treatment facility 10 of FIG.
  • wastewater from which the settled sludge generated based on the coagulation sedimentation method and foreign matters (screen residue) such as dust trapped by the screen is removed is stored in the wastewater introduction facility 11 (S201).
  • the wastewater stored in the wastewater introduction facility 11 is transferred to the treatment tank 12 by the pump P6, the treatment tank 12 is filled with the wastewater, and the FO membrane unit 14 included in the treatment tank 12 is immersed in the wastewater ( (S202), the FO membrane unit 14 performs a low solute concentration wastewater concentration process (FIG. 4) that concentrates the wastewater filling the treatment tank 12 until a preset concentration ratio is reached (S203).
  • the wastewater filling the treatment tank 12 is concentrated until reaching a preset concentration ratio
  • the wastewater is transferred to the treatment tank 13 by the pump P7, and the treatment tank 13 is filled with the wastewater.
  • the FO membrane unit 15 included in the treatment tank 13 is immersed in the wastewater (S204), and the FO membrane unit 15 concentrates the wastewater filling the treatment tank 13 until a preset concentration ratio is reached.
  • a concentration process (FIG. 3) is executed (S205).
  • the wastewater stored in the wastewater introduction facility 11 is subjected to a two-stage concentration process (low solute concentration wastewater concentration process (S203) and high solute concentration wastewater concentration process (S205)).
  • the solute concentration C FS0 of wastewater that is stored in the waste water introduced plant 11 is lower than the effluent solute concentration C FS1 to meet the treatment tank 12, the solute concentration C FS1 drainage satisfying the processing tank 12 fills the treating tank 13
  • the solute concentration of waste water is lower than C FS2 .
  • the methane fermentation tank 19 has a methane bacterium that is an anaerobic bacterium, and the methane bacterium performs the methane fermentation treatment on the concentrated wastewater transferred from the treatment tank 13 (S206).
  • the methane bacterium performs the methane fermentation treatment on the concentrated wastewater transferred from the treatment tank 13 (S206).
  • biogas and digestive juice are produced, and the biogas is recovered as energy.
  • the digestive juice is subjected to dehydration treatment, whereby the digestive juice is separated into a dehydrated cake and a dehydrated filtrate.
  • the dehydrated cake is utilized as garden soil, cement raw material, etc. to reduce the load on the environment, and the dehydrated filtrate is returned to the processing tank 12, for example. Then, this process ends.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the high solute concentration wastewater concentration process of step S205 in FIG.
  • seawater which is the driving solution DS from which foreign matters such as dust have been removed by a screen or the like, is stored in the driving solution introducing equipment 16 (S301), and the driving solution DS( The solute concentration C DS0 ) is transferred to the driving solution circulation equipment 17 by the pump P8.
  • the drive solution DS transferred to the drive solution circulating equipment 17 is circulated through the drive solution circulating equipment 17 and the FO membrane unit 15 by the pump P9 (S302).
  • the driving solution DS flows into the internal space T of the FO membrane unit 15 from the driving solution circulating facility 17 (S303), and the FO membrane 15a drains the processing tank 13 and the driving solution flowing into the internal space T. It is located between DS.
  • the FO film 15a is located between the wastewater containing contaminants, soluble substances, and water and the seawater that is the driving solution DS, and when the solute concentration of the seawater is higher than the solute concentration of the wastewater, The contained water permeates the FO film 15a and moves to the driving solution DS, and the contaminants and the soluble substances contained in the waste water are captured by the FO film 15a.
  • the wastewater is concentrated and the driving solution DS is diluted with the moisture that has permeated the FO film 15a (S304).
  • the drive solution DS (solute concentration C DS0 ) stored in the drive solution introduction facility 16 is transferred to the drive solution circulation facility 17 and circulated through the drive solution circulation facility 17 and the FO membrane unit 15 Since the concentration C DS1 ) is diluted while circulating through the driving solution circulating facility 17 and the FO membrane unit 15, the solute concentration C DS1 of the driving solution DS circulating through the driving solution circulating facility 17 and the FO membrane unit 15 is It is lower than the solute concentration C DS0 of the driving solution DS stored in the solution introduction facility 16.
  • the solution DS is transferred to the driving solution circulation equipment 18 by the pump P10. Further, the concentrated waste water filling the treatment tank 13 is transferred to the methane fermentation tank 19 (S305). Then, this process ends.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the low solute concentration wastewater concentration process of step S203 in FIG.
  • the drive solution DS (solute concentration C DS2 ) transferred from the drive solution circulation equipment 17 to the drive solution circulation equipment 18 is circulated through the drive solution circulation equipment 18 and the FO membrane unit 14 by the pump P11.
  • the driving solution DS flows into the internal space S of the FO membrane unit 14 from the driving solution circulating equipment 18 (S402), and the FO membrane 14a drains the processing tank 12 and the driving solution flowing into the internal space S. It is located between DS.
  • the FO film 14a is located between the wastewater containing contaminants, soluble substances and water and the seawater that is the driving solution DS, and when the solute concentration of the seawater is higher than the solute concentration of the wastewater, the FO film is discharged.
  • the contained water permeates the FO film 14a and moves to the driving solution DS, and the impurities and soluble substances contained in the waste water are captured by the FO film 14a.
  • the wastewater is concentrated and the driving solution DS is diluted with the moisture that has permeated the FO film 14a (S403).
  • the driving solution DS (solute concentration C DS1 ) circulating in the driving solution circulating facility 17 and the FO membrane unit 15 is transferred to the driving solution circulating facility 18, and the driving solution circulating in the driving solution circulation facility 18 and the FO membrane unit 14. Since the DS (solute concentration C DS2 ) is diluted while circulating through the driving solution circulating equipment 18 and the FO membrane unit 14, the solute concentration C DS2 of the driving solution DS circulating through the driving solution circulating equipment 18 and the FO membrane unit 14 Is lower than the solute concentration C DS1 of the driving solution DS circulating in the driving solution circulating facility 17 and the FO membrane unit 15.
  • the water and the driving solution DS in the waste water that has permeated the FO membrane 14a are discharged from the FO membrane unit 14 and collected in the driving solution circulation equipment 18, and the driving solution circulation equipment 18 and the FO membrane unit 14 are circulated.
  • the solution DS is discharged from the driving solution circulation equipment 18 by the pump P12, for example, into the ocean (S404). Then, this process ends.
  • wastewater having a solute concentration of 500 mg/L (hereinafter, referred to as “treated wastewater” in the present embodiment) is transferred from the wastewater introduction facility 11 to the treatment tank 12 by the pump P6, and the treated wastewater is 5 times in the treatment tank 12.
  • the solute concentration of the waste water to be treated was concentrated from 500 mg/L to 2500 mg/L.
  • the treated wastewater that has been concentrated five times (hereinafter referred to as "five times concentrated wastewater” in this embodiment) is transferred to the treatment tank 13 by the pump P7.
  • the 5-fold concentrated wastewater was further concentrated 5-fold in the treatment tank 13, and the solute concentration of the 5-fold concentrated wastewater was concentrated from 2500 mg/L to 12500 mg/L. That is, the wastewater to be treated was concentrated 25 times in the treatment tank 13.
  • the treated wastewater concentrated 25 times (hereinafter referred to as “25 times concentrated wastewater” in this example) was transferred to the methane fermentation tank 19 by the pump P13.
  • seawater as the driving solution DS is transferred from the driving solution introducing equipment 16 to the driving solution circulating equipment 17 by the pump P8, and the driving solution DS transferred to the driving solution circulating equipment 17 passes through the FO membrane unit 15 to drive the solution.
  • the driving solution circulation equipment 17 and the FO membrane unit 15 are circulated.
  • the solute concentration of the driving solution DS decreases due to the water content in the wastewater that has passed through the FO membrane 15a when passing through the FO membrane unit 15, but in the present embodiment, the solute concentration of the driving solution DS is 35000 mg/L or less. It decreased to 30200 mg/L.
  • the drive solution DS circulating in the drive solution circulation equipment 17 and the FO membrane unit 15 is transferred from the drive solution circulation equipment 17 to the drive solution circulation equipment 18 by the pump P10, and the drive solution DS transferred to the drive solution circulation equipment 18 is the FO membrane. It returns to the driving solution circulating equipment 18 via the unit 14, and circulates through the driving solution circulating equipment 18 and the FO membrane unit 14. At this time, the solute concentration of the driving solution DS decreases due to the water content in the wastewater that has passed through the FO membrane 14a when passing through the FO membrane unit 14, but in the present embodiment, the solute concentration of the driving solution DS is from 30200 mg/L. It dropped to 17900 mg/L.
  • the drive solution DS circulating in the drive solution circulation equipment 18 and the FO membrane unit 14 was discharged into the ocean by the pump P12.
  • membrane flux the amount of water that permeates the FO membranes 14a and 15a per unit time and unit area
  • solute concentration of the driving solution DS the solute of the concentrated treated wastewater.
  • Jw represents a membrane flux [L ⁇ m ⁇ 2 ⁇ h ⁇ 1 (lmh)] and A represents a water permeability coefficient [L ⁇ m ⁇ 2 ⁇ h ⁇ which is a characteristic value of the FO membranes 14a and 15a.
  • ⁇ bar a reflection coefficient representing the semi-permeability of the FO films 14a and 15a
  • ⁇ is the osmotic pressure difference [bar] between the driving solution DS and the drainage separated by the FO films 14a and 15a.
  • ⁇ P indicates the load [bar] on the FO membranes 14a and 15a other than the osmotic pressure based on the driving solution DS and the drainage.
  • the membrane flux Jw is proportional to the osmotic pressure difference ⁇ between the driving solution DS and the drainage, with the proportionality coefficient being A ⁇ . Further, the osmotic pressure difference ⁇ is proportional to the solute concentration difference ⁇ TDS [mg/L] of the driving solution DS and the waste water (Equation 2).
  • B is an eigenvalue determined based on the solute contained in the driving solution DS and the wastewater. Therefore, the membrane flux Jw is approximately proportional to the solute concentration difference ⁇ TDS [mg/L] between the driving solution DS and the waste water, where the proportionality coefficient is A ⁇ B (Equation 3).
  • the solute concentration of the driving solution DS was 17900 mg/L
  • the solute concentration of the 5-fold concentrated wastewater was 2500 mg/L
  • the difference in solute concentration between the driving solution DS and the 5-fold concentrated wastewater is 15400 mg/L
  • the membrane flux is 3.08 lmh based on Equation 4. Since the treatment amount of the waste water in the treatment tank 12 is 10000 m 3 /day based on the discharge amount of the pump P6, the area of the FO film 15a required to obtain the 5-fold concentrated waste water in the treatment tank 12 is 135,000 m 2 .
  • the solute concentration of the driving solution DS is 30200 mg/L
  • the solute concentration of the 25 times concentrated wastewater is 12500 mg/L.
  • the difference in solute concentration between the DS and the 25 times concentrated waste water is 17700 mg/L
  • the membrane flux is 3.53 lmh based on the equation 4. Since the treatment amount of the waste water in the treatment tank 13 is 2000 m 3 /day based on the discharge amount of the pump P7, the area of the FO film 14a required to obtain the 25 times concentrated waste water in the treatment tank 13 is 23600 m 2 . Therefore, the area of the FO membranes 14a and 15a required to obtain the 25-fold concentrated wastewater in the wastewater treatment facility 10 is 158600 m 2 .
  • the driving solution circulation equipment 75 and the FO membrane unit 73 are used.
  • a circulating drive solution DS is used.
  • the solute concentration of the driving solution DS circulating in the driving solution circulation equipment 75 and the FO membrane unit 73 is 17900 mg/L corresponding to the solute concentration of the driving solution DS circulating in the driving solution circulation equipment 18 and the FO membrane unit 14,
  • the solute concentration difference between the 25-fold concentrated wastewater obtained by the DS and the wastewater treatment facility 70 is 5400 mg/L, and based on Equation 4, the membrane flux is 1.08 lmh.
  • the area of the FO film 73a required to obtain the 25 times concentrated waste water in the treatment tank 72 is 386000 m 2 . Therefore, the area (158,600 m 2 ) of the FO membranes 14a and 15a required to obtain 25 times concentrated wastewater in the wastewater treatment equipment 10 is equal to the area of the FO membrane 73a required to obtain 25 times concentrated wastewater in the wastewater treatment equipment 70 ( Since it is about 41% of 386,000 m 2 ), the cost required for the FO membrane used for wastewater treatment can be suppressed.
  • the area of the FO membranes 14a, 15a necessary for concentrating the wastewater is determined according to the concentration ratio of the wastewater filling the treatment tanks 12, 13. Therefore, the concentration ratio of the effluent may be set so that the area of the FO films 14a and 15a necessary for concentrating the effluent filling the treatment tanks 12 and 13 is minimized. Further, when setting the concentration ratio of the wastewater filling the treatment tanks 12 and 13, the amount of organic matter in the wastewater decomposed by the anaerobic bacteria contained in the wastewater filling the treatment tanks 12 and 13 may be taken into consideration.
  • the solute concentration of the driving solution DS used in the treatment tank 12 is the driving solution DS used in the treatment tank 13 and the driving solution DS that has passed through the FO film 15a. It is composed of water contained in the wastewater that has moved to. Therefore, the solute concentration of the driving solution DS used in the treatment tank 12 (hereinafter, referred to as “low solute concentration driving solution”) is the solute concentration of the driving solution DS used in the treatment tank 13 (hereinafter, “high solute concentration driving solution”). Solution))). Further, since the wastewater concentrated in the treatment tank 12 is further concentrated in the treatment tank 13, the solute concentration of the wastewater concentrated in the treatment tank 12 (hereinafter referred to as “low solute concentration wastewater”) is in the treatment tank 13. It is lower than the solute concentration of the concentrated wastewater (hereinafter referred to as "high solute concentration wastewater”).
  • the high solute concentration driving solution is used for concentrating the high solute concentration wastewater
  • the low solute concentration driving solution is used for the low solute concentration wastewater. Since it is used for concentration, a constant osmotic pressure to the FO membranes 14a, 15a can be secured, and thus sufficient concentration of waste water can be realized.
  • the driving solution DS used in the processing tank 12 the driving solution DS used in the processing tank 13 and containing water in the waste water filling the processing tank 13 is used. That is, since the driving solution DS used for concentrating the waste water in the treatment tank 13 is reused when condensing the waste water in the treatment tank 12, the driving solution DS can be effectively utilized without being wasted. ..
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a modification of the wastewater treatment facility 10 of FIG.
  • the wastewater treatment facility 50 of FIG. 5 includes a treatment tank 51, a FO membrane unit 52, a concentrated drive solution introduction facility 53, a concentrated drive solution circulation facility 54, and pumps P14, P15, P16,. P17, P18, P19, P20 (see Table 4 for the discharge amount of each pump), and the processing tank 51 has an FO film unit 52.
  • the FO film unit 52 is composed of an FO film support material (not shown) and an FO film 52a, and the FO film support material and the FO film 52a are configured to have an internal space U.
  • FO film support material not shown
  • FO film support material and the FO film 52a are configured to have an internal space U.
  • the waste water filling the treatment tank 13 after the high solute concentration waste water concentration treatment has been executed is transferred to the treatment tank 51 by the pump P14, and the treatment tank 51 is filled with the waste water.
  • the FO membrane unit 52 is immersed in the waste water filling the treatment tank 51.
  • the concentrated drive solution introduction facility 53 stores concentrated drive solution CDS (Concentrated Draw Solution), for example, concentrated seawater generated when seawater is converted to fresh water. Therefore, the solute concentration of the concentrated drive solution CDS stored in the concentrated drive solution introduction equipment 53 is the drive solution DS stored in the drive solution introduction equipment 16, the drive solution circulating equipment 17, and the drive solution circulating in the FO membrane unit 15. It is higher than the solute concentration of any of DS and the driving solution DS circulating in the driving solution circulating facility 18 and the FO membrane unit 14.
  • CDS Concentrated Draw Solution
  • the concentrated drive solution CDS stored in the concentrated drive solution introduction facility 53 is transferred to the concentrated drive solution circulation facility 54 by the pump P15.
  • the concentrated drive solution circulation equipment 54 is connected to the FO membrane unit 52 and the pump P16, and the concentrated drive solution CDS transferred to the concentrated drive solution circulation equipment 54 circulates through the concentrated drive solution circulation equipment 54 and the FO membrane unit 52 by the pump P16. ..
  • the concentrated drive solution CDS circulating through the concentrated drive solution circulation facility 54 and the FO membrane unit 52 flows into the internal space U of the FO membrane unit 52, and the FO membrane 52a flows into the drainage filling the processing tank 51 and the internal space U. It is located between the concentrated driving solution CDS.
  • the water contained in the waste water filling the treatment tank 51 passes through the FO film 52a and moves to the internal space U, and the concentrated drive solution CDS flowing into the internal space U and the FO film 52a move to the internal space U.
  • the concentrated wastewater of the treatment tank 51 is transferred to the methane fermentation tank 19 by the pump P17.
  • the concentrated drive solution CDS circulating in the concentrated drive solution circulation equipment 54 and the FO membrane unit 52 is transferred from the concentrated drive solution circulation equipment 54 to the drive solution circulation equipment 17 by the pump P18.
  • the driving solution circulation equipment 17 is connected to the FO membrane unit 15 and the pumps P9 and P19, and the driving solution DS transferred from the driving solution introduction equipment 16 to the driving solution circulation equipment 17 and the concentrated driving solution circulation equipment 54 to the driving solution circulation equipment 17
  • the concentrated drive solution CDS (hereinafter, referred to as “mixed drive solution DS”) transferred to the device is circulated through the drive solution circulation facility 17 and the FO membrane unit 15 by the pump P9, and the drive solution circulation facility 17 is driven by the pump P19. Transferred to the circulation facility 18.
  • the driving solution circulating equipment 18 is connected to the FO membrane unit 14 and the pumps P11 and P20, and the mixed driving solution DS circulates through the driving solution circulating equipment 18 and the FO membrane unit 14 by the pump P11 and the driving solution circulating equipment 18 by the pump P20. From, for example, released into the ocean.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the wastewater treatment executed by the wastewater treatment facility 50 of FIG. 5, and is a flowchart showing the procedure of a modified example of the wastewater treatment of FIG.
  • Steps S201 to S206 of FIG. 6 are the same as steps S201 to S206 of FIG. 2, and only points different from FIG. 2 will be described below.
  • the concentrated drive solution introduction facility 53 stores the concentrated drive solution CDS, for example, concentrated seawater generated when seawater is converted to fresh water.
  • the concentrated drive solution CDS is transferred from the concentrated drive solution introduction facility 53 to the concentrated drive solution circulation facility 54 by the pump P15, and the concentrated drive solution CDS transferred to the concentrated drive solution circulation facility 54 is concentrated drive solution circulation facility 54 by the pump P16.
  • the FO membrane unit 52 is circulated (S602). At this time, the concentrated driving solution CDS flows into the internal space U of the FO membrane unit 52 from the driving solution circulating equipment 54 (S603), and the FO membrane 52a fills the treatment tank 51 and discharges the contaminants, the soluble substances and the water. And the concentrated drive solution CDS that has flowed into the internal space U.
  • the solute concentration of the concentrated drive solution CDS is extremely high and higher than the solute concentration of the wastewater, so that the water contained in the wastewater permeates the FO membrane 52a and moves to the concentrated drive solution CDS, and also the impurities contained in the wastewater. And the soluble substance is captured by the FO film 52a.
  • the wastewater is concentrated and the concentrated drive solution CDS is diluted with the water that has permeated the FO film 52a (S604).
  • the concentrated drive solution CDS is transferred to the drive solution circulation equipment 17 by the pump P18.
  • the concentrated waste water of the treatment tank 51 is transferred to the methane fermentation tank 19 by the pump P17 (S605), and this processing ends after the methane fermentation processing of step S206 is executed (S206).
  • the wastewater stored in the wastewater introduction facility 11 is subjected to three-stage concentration processing (processing in the processing tanks 12, 13, 51).
  • the solute concentration C FS0 of wastewater that is stored in the waste water introduced plant 11 is lower than the effluent solute concentration C FS1 to meet the treatment tank 12, the solute concentration C FS1 drainage satisfying the processing tank 12 fills the treating tank 13
  • the solute concentration C FS2 of the waste water is lower, and the solute concentration C FS2 of the waste water filling the treatment tank 13 is lower than the solute concentration C FS3 of the waste water filling the treatment tank 51.
  • the solute concentration (solute concentration C CDS ) of the concentrated drive solution CDS stored in the concentrated drive solution introduction equipment 53 is the drive solution DS (solute concentration C DS0 ) stored in the drive solution introduction equipment 16, and the drive solution circulation.
  • higher than the solute concentration of the circulating equipment 17 and FO membrane unit 15 drives solution DS (solute concentration C DS1) or drive solution circulating equipment 18 and FO membrane unit 14 circulates the driving solution DS (solute concentration C DS2).
  • the waste water concentrated in the treatment tank 13 is further concentrated in the treatment tank 51.
  • concentrated seawater generated when seawater is converted to fresh water is used as the concentrated driving solution CDS for concentrating the wastewater.
  • the solute concentration of concentrated seawater is generally 7 to 8%, and the osmotic pressure and membrane flux generated in the FO membrane 52a are larger than when seawater having a solute concentration of about 3% is used. It can be easily concentrated.
  • concentrated seawater for example, must be sufficiently grasped about the water pressure and habitat in the sea area when it is discarded into the ocean, but since it is used for concentrating wastewater, it can save time and effort. ..

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Abstract

要約　十分な排水の濃縮を実現することができる排水処理装置及び排水処理方法を提供する。　排水処理装置１０は被処理排水を濃縮する処理槽１２、処理槽１２で濃縮された排水を更に濃縮する処理槽１３、処理槽１２に配設され且つＦＯ膜支持材及びＦＯ膜１４ａによって内部空間Ｓを有するように構成されるＦＯ膜ユニット１４、処理槽１３に配設され且つＦＯ膜支持材及びＦＯ膜１５ａによって内部空間Ｔを有するように構成されるＦＯ膜ユニット１５、ＦＯ膜ユニット１４が有する内部空間Ｓに供給される駆動溶液ＤＳをＦＯ膜ユニット１４との間で循環する駆動溶液循環設備１８、及びＦＯ膜ユニット１５が有する内部空間Ｔに供給される駆動溶液ＤＳをＦＯ膜ユニット１５との間で循環する駆動溶液循環設備１７を備え、処理槽１２で使用される駆動溶液ＤＳは、処理槽１２で濃縮された排水を更に濃縮するために処理槽１３で使用された駆動溶液ＤＳと、ＦＯ膜１５ａを透過して駆動溶液ＤＳに移動した被処理排水に含まれる水分とで構成される。

Description

排水処理装置及び排水処理方法
　本発明は排水処理装置及び排水処理方法に関する。
　従来より、ＦＯ（Forward Osmosis）膜を用いて夾雑物、溶解性物質及び水分を含む下水等の排水を処理する排水処理設備が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＦＯ膜は下水等の排水及び海水等の駆動溶液ＤＳ（Draw Solution）の間に位置し、駆動溶液ＤＳの溶質濃度が排水の溶質濃度よりも高いとき、ＦＯ膜が排水から受ける圧力が駆動溶液ＤＳから受ける圧力よりも高いため、排水に含まれる水分のみがＦＯ膜を透過して駆動溶液ＤＳに移動し、排水に含まれる夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜に捕捉される。その結果、排水は濃縮される。
　図７は従来の排水処理設備７０を概略的に示すブロック図であり、図７の排水処理設備７０は、排水導入設備７１、処理槽７２、ＦＯ膜ユニット７３、駆動溶液導入設備７４、駆動溶液循環設備７５、メタン発酵槽７６、及びポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５（各ポンプの吐出量は表１参照。）を備え、処理槽７２はＦＯ膜ユニット７３を有する。また、ＦＯ膜ユニット７３はＦＯ膜支持材（不図示）及びＦＯ膜７３ａから構成され、ＦＯ膜支持材及びＦＯ膜７３ａが内部空間Ｖを有するように構成されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　排水導入設備７１は、例えば、凝集沈殿法に基づいて発生した沈澱汚泥及びスクリーン等によって捕捉されたゴミ等の異物（スクリーンかす）が除去された排水を貯留している。排水導入設備７１に貯留されている排水はポンプＰ１によって処理槽７２に移送され、処理槽７２はその排水によって充たされる。ＦＯ膜ユニット７３は処理槽７２を充たす排水に浸漬される。
　駆動溶液導入設備７４はスクリーン等によって異物が除去された駆動溶液ＤＳである海水を貯留している。駆動溶液導入設備７４に貯留されている駆動溶液ＤＳはポンプＰ２によって駆動溶液循環設備７５に移送される。駆動溶液循環設備７５はＦＯ膜ユニット７３及びポンプＰ３，Ｐ５に接続され、駆動溶液循環設備７５に移送された駆動溶液ＤＳはポンプＰ３によって駆動溶液循環設備７５及びＦＯ膜ユニット７３を循環するとともに、ポンプＰ５によって駆動溶液循環設備７５から、例えば、海洋中に放流される。
　駆動溶液循環設備７５の駆動溶液ＤＳは、駆動溶液循環設備７５及びＦＯ膜ユニット７３を循環するとき、ＦＯ膜ユニット７３の内部空間Ｖに流入する。したがって、ＦＯ膜７３ａは処理槽７２を充たした排水と、内部空間Ｖに流入した駆動溶液ＤＳとの間に位置し、駆動溶液ＤＳの溶質濃度が処理槽７２を充たす排水の溶質濃度よりも高いとき、処理槽７２を充たす排水に含まれる水分はＦＯ膜７３ａを透過して内部空間Ｖに移動する。その結果、内部空間Ｖに流入した駆動溶液ＤＳ及びＦＯ膜７３ａを透過して内部空間Ｖに移動した水分は混合され、駆動溶液循環設備７５に集水されるとともに、処理槽７２を充たす排水は濃縮される。濃縮された処理槽７２の排水はポンプＰ４によってメタン発酵槽７６に移送される。
　メタン発酵槽７６は濃縮された排水に含まれる有機物を分解するメタン菌を有し、メタン菌が濃縮された排水に含まれる有機物を分解すると、バイオガス及び消化液が生成され、バイオガスはエネルギーとして回収される。メタン発酵槽７６で分解される有機物の濃度は安定したバイオガスの回収を確保する観点から高いほうがよいとされ、例えば、１５倍以上に濃縮された下水やＣＯＤCrの値が30000～50000mg/Lを示す下水汚泥がメタン発酵槽７６でのバイオガスの生成に用いられる。
　ところで、排水、例えば、下水は多くの塩類を含み、塩類が下水中で解離すると、塩化物イオン、硫酸イオン、ナトリウムイオン、アンモニウムイオン、硝酸イオン、リン酸イオン等が生じる。一般的に、下水の塩類濃度は100～1000mg/Lであるが、汽水域付近の下水処理場で処理される下水の塩類濃度は2000～3000mg/Lに達する場合がある。
特開２０１８－０１５６８４号公報
　しかしながら、下水及び海水（駆動溶液ＤＳ）の間にＦＯ膜を配置して下水を濃縮すると、その下水のＣＯＤCr及び塩類濃度は上昇するが、ＦＯ膜に生じる浸透圧の関係から下水の塩類濃度が海水の溶質濃度30000～35000mg/Lを越えることはない。そうすると、例えば、塩類濃度が2000mg/Lの下水及び海水の間にＦＯ膜を配置しても、その下水を２５倍濃縮し、その下水の溶質濃度を50000mg/Lとすることはできない（下水の濃縮倍率と、下水のＣＯＤCr又は下水の塩類濃度との関係は表２参照。）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　すなわち、駆動溶液ＤＳの溶質濃度に制約され、十分な排水の濃縮を実現することができないという問題があった。
　本発明の目的は、十分な排水の濃縮を実現することができる排水処理装置及び排水処理方法を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の排水処理装置は、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第１の排水、並びに、水分を含み且つ前記第１の排水以外の第１の駆動溶液の間に配設され、前記第１の排水から受ける圧力が前記第１の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第１の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第１の排水を濃縮する第１の除去手段と、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第２の排水、並びに、水分を含み且つ前記第２の排水以外の第２の駆動溶液の間に配設され、前記第２の排水から受ける圧力が前記第２の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第２の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第２の排水を濃縮する第２の除去手段と、を備え、前記第１の排水の溶質濃度は前記第２の排水の溶質濃度よりも低く、前記第１の駆動溶液の溶質濃度は前記第２の駆動溶液の溶質濃度よりも低いことを特徴とする。
　上記目的を達成するために、本発明の排水処理方法は、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第１の排水、並びに、水分を含み且つ前記第１の排水以外の第１の駆動溶液の間に配設され、前記第１の排水から受ける圧力が前記第１の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第１の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第１の排水を濃縮する第１の除去手段と、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第２の排水、並びに、水分を含み且つ前記第２の排水以外の第２の駆動溶液の間に配設され、前記第２の排水から受ける圧力が前記第２の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第２の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第２の排水を濃縮する第２の除去手段と、を備え、前記第１の排水の溶質濃度は前記第２の排水の溶質濃度よりも低く、前記第１の駆動溶液の溶質濃度は前記第２の駆動溶液の溶質濃度よりも低いことを特徴とする排水処理装置を用いた排水処理方法において、前記第２の排水に含まれる水分が前記第２の除去手段を透過して前記第２の駆動溶液に移動する移動ステップと、前記第２の駆動溶液に移動した水分及び前記第２の駆動溶液が前記第２の除去手段に供給される供給ステップと、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、十分な排水の濃縮を実現することができる。
本発明の実施の形態に係る排水処理設備を概略的に示す図である。 図１の排水処理設備によって実行される排水処理の手順を示すフローチャートである。 図２におけるステップＳ２０５の高溶質濃度排水濃縮処理の手順を示すフローチャートである。 図２におけるステップＳ２０３の低溶質濃度排水濃縮処理の手順を示すフローチャートである。 図１の排水処理設備の変形例を概略的に示す図である。 図５の排水処理設備によって実行される排水処理の手順を示すフローチャートであり、図２の排水処理の変形例の手順を示すフローチャートである。 従来の排水処理設備を概略的に示すブロック図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る排水処理設備１０を概略的に示す図である。
　図１の排水処理設備１０は、排水導入設備１１、処理槽１２，１３、ＦＯ膜ユニット１４，１５、駆動溶液導入設備１６、駆動溶液循環設備１７，１８、メタン発酵槽１９、及びポンプＰ６，Ｐ７，Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３（各ポンプの吐出量は表３参照。）を備え、処理槽１２はＦＯ膜ユニット１４を有し、処理槽１３はＦＯ膜ユニット１５を有する。また、ＦＯ膜ユニット１４，１５はＦＯ膜支持材（不図示）及びＦＯ膜１４ａ，１５ａから構成され、ＦＯ膜支持材及びＦＯ膜１４ａ，１５ａが内部空間Ｓ，Ｔを有するように構成されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　排水導入設備１１は、例えば、凝集沈殿法に基づいて発生した沈澱汚泥及びスクリーン等によって捕捉されたゴミ等の異物（スクリーンかす）が除去された排水であって、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水を貯留している。排水導入設備１１に貯留されている排水はポンプＰ６によって処理槽１２に移送され、処理槽１２は排水導入設備１１から処理槽１２に移送された排水（第１の排水）によって充たされる。ＦＯ膜ユニット１４は処理槽１２を充たす排水に浸漬される。また、処理槽１２を充たす排水は後述の低溶質濃度排水濃縮処理が実行された後にポンプＰ７によって処理槽１３に移送され、処理槽１３は処理槽１２から処理槽１３に移送された排水（第２の排水）によって充たされる。ＦＯ膜ユニット１５は処理槽１３を充たす排水に浸漬される。
　駆動溶液導入設備１６はスクリーン等によって異物が除去された駆動溶液ＤＳである海水を貯留している。駆動溶液導入設備１６に貯留されている駆動溶液ＤＳはポンプＰ８によって駆動溶液循環設備１７に移送される。駆動溶液循環設備１７はＦＯ膜ユニット１５及びポンプＰ９，Ｐ１０に接続され、駆動溶液導入設備１６から駆動溶液循環設備１７に移送された駆動溶液ＤＳ（第２の駆動溶液）はポンプＰ９によって駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する。
　駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳは、ＦＯ膜ユニット１５を経由するとき、ＦＯ膜ユニット１５の内部空間Ｔに流入する。これにより、ＦＯ膜１５ａ（第２の除去手段）は処理槽１３を充たした排水と、内部空間Ｔに流入した駆動溶液ＤＳとの間に位置する。このとき、ＦＯ膜１５ａは０．０００１～０．００１μｍの孔径を有するので、ＦＯ膜１５ａの孔径よりも大きい径を有する夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜１５ａの排水側で捕捉される。　
　処理槽１３を充たす排水に含まれる水分はＦＯ膜１５ａを透過して内部空間Ｔに移動し、内部空間Ｔに流入した駆動溶液ＤＳ及びＦＯ膜１５ａを透過して内部空間に移動した水分は混合され、駆動溶液循環設備１７に集水される。すなわち、処理槽１３を充たす排水に含まれる水分が内部空間Ｔに流入した駆動溶液ＤＳに移動するので、処理槽１３を充たす排水は濃縮される。なお、濃縮された処理槽１３の排水（以下、「濃縮排水」という。）は後述の高溶質濃度排水濃縮処理が実行された後にポンプＰ１３によってメタン発酵槽１９に移送される。なお、ＦＯ膜１５ａとしては、水分子を透過し夾雑物及び溶解性物質を捕捉する孔径を有するものであれば特に限定されず、従来公知のＦＯ膜を使用することができる。
　また、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳは、ポンプＰ１０によって駆動溶液循環設備１７から駆動溶液循環設備１８に移送される。駆動溶液循環設備１８はＦＯ膜ユニット１４及びポンプＰ１１，Ｐ１２に接続され、駆動溶液導入設備１７から駆動溶液循環設備１８に移送された駆動溶液ＤＳはポンプＰ１１によって駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する。
　ここで、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳ（第１の駆動溶液）は駆動溶液循環設備１７から移送されているため、処理槽１３を充たす排水に含まれる水分を含む。したがって、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環して駆動溶液導入設備１７から駆動溶液循環設備１８に移送された駆動溶液ＤＳの溶質濃度は駆動溶液導入設備１６から駆動溶液循環設備１７に移送された駆動溶液ＤＳの溶質濃度よりも低い。
　駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳは、ＦＯ膜ユニット１４を経由するとき、ＦＯ膜ユニット１４の内部空間Ｓに流入する。これにより、ＦＯ膜１４ａ（第１の除去手段）は処理槽１２を充たした排水と、内部空間Ｓに流入した駆動溶液ＤＳとの間に位置する。処理槽１２を充たす排水に含まれる水分はＦＯ膜１４ａを透過して内部空間Ｓに移動し、内部空間Ｓに流入した駆動溶液ＤＳ及びＦＯ膜１４ａを透過して内部空間に移動した水分は混合され、駆動溶液循環設備１８に集水される。すなわち、処理槽１２を充たす排水に含まれる水分が内部空間Ｓに流入した駆動溶液ＤＳに移動するので、処理槽１２を充たす排水は濃縮される。また、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳはポンプＰ１２によって駆動溶液循環設備１８から、例えば、海洋中に放流される。
　メタン発酵槽１９は嫌気性細菌であるメタン菌を有し、メタン菌は処理槽１３から移送された濃縮排水にメタン発酵処理を施す。これにより、バイオガス及び消化液が生成され、バイオガスはエネルギーとして回収される。一方、消化液には脱水処理が実行され、消化液は脱水ケーキ及び脱水ろ液に分離される。脱水ケーキは環境への負荷を低減するために園芸用土やセメント原料等に活用され、脱水ろ液は、例えば、処理槽１２に返送される。
　ところで、処理槽１２，１３を充たす排水は嫌気性細菌を有し、その嫌気性細菌が排水中に含まれる有機物を処理槽１２，１３で分解する場合がある。具体的に、嫌気性細菌は、まず、有機物を加水分解し、可溶性のアミノ酸等を生成する。次いで、生成されたアミノ酸等が嫌気性細菌の細胞内に取り込まれて代謝分解され、酢酸や水素、二酸化炭素等が生成される。その後、酢酸や水素、二酸化炭素からバイオガスとしてのメタン等が生成される。そうすると、処理槽１２，１３でバイオガスを生成するための有機物が消費され、メタン発酵槽１９で活用される有機物が減少し、メタン発酵槽１９でのメタン発酵処理が効率的に実行されないという問題がある。
　これに対応して、例えば、排水に空気や酸素等の気体を曝気する曝気装置（曝気手段）が処理槽１２，１３に設置されてもよい。曝気装置が処理槽１２，１３を充たす排水に空気や酸素等の気体を曝気すると、処理槽１２，１３を充たす排水が有する嫌気性細菌の活動は鈍化する。これにより、排水中に含まれる有機物がメタン発酵槽１９に移送される前に分解されるのを抑制することができる。
　処理槽１２，１３を充たす排水に曝気される気体の曝気量は気体が曝気される排水の酸化還元電位ＯＲＰ（Oxidation-reduction Potential）に基づいて制御され、例えば、酸化還元電位ＯＲＰは嫌気性細菌の活動を鈍化させるために－２００～－１００ｍＶの範囲内で制御されるのがよい。
　また、排水中に含まれる有機物がメタン発酵槽１９に移送される前に分解されるのを抑制するために、処理槽１２，１３を充たす排水にｐＨ調整剤を添加してもよい。処理槽１２，１３を充たす排水のｐＨが６以下であれば嫌気性細菌の活動は鈍化するため、処理槽１２，１３は排水にｐＨ調整剤を添加する添加装置（酸供給手段）を備えてもよい。ｐＨ調整剤には、例えば、塩酸や硝酸、硫酸等の無機酸又はギ酸や酢酸、プロピオン酸等の有機酸が使用され、例えば、排水のｐＨは４～６に調整される。
　有機酸がｐＨ調整剤として用いられる場合、有機酸自体がメタン発酵の基質になり、その結果、メタン発酵槽１９で生成されるバイオガスの生成量は増加する。一方、無機酸がｐＨ調整剤として用いられても無機酸自体はメタン発酵の基質にならないので、有機酸がｐＨ調整剤に用いられるのがよい。
　ところで、本実施の形態における排水導入設備１１には、凝集沈殿法に基づいて発生した沈澱汚泥及びスクリーン等によって捕捉されたゴミ等の異物（スクリーンかす）が除去された排水が貯留されているが、除去された沈澱汚泥及びスクリーンかすには有機物（以下、「除去有機物」という。）が含まれている。除去有機物を酸発酵すると、有機酸が得られるので、除去有機物から得られた有機酸がｐＨ調整剤として用いられてもよい。これにより、除去有機物を廃棄することなく有効に活用することができる。
　さらに、排水中に含まれる有機物がメタン発酵槽１９に移送される前に分解されるのを抑制することができず、処理槽１２，１３でバイオガスが生成されたとき、そのバイオガスを、例えば、ガスホルダー（回収手段）で回収してエネルギー等として利用してもよい。
　また、処理槽１２，１３でメタン発酵が進行してバイオガスが生成されると、バイオガスは排水中から排水の水面に向けて浮上する。処理槽１２，１３に蓋を取り付けると、そのバイオガスは排水の水面及び蓋の間の空間に集まる。その空間に集まったバイオガスを利用するために、処理槽１２，１３はそのバイオガスを処理槽１２，１３の底部に移送する移送管と、処理槽１２，１３の底部からＦＯ膜ユニット１４，１５にそのバイオガスを供給する供給装置（供給手段）とを備えてもよい。これにより、収集されたバイオガスがＦＯ膜ユニット１４，１５に噴射されるので、ＦＯ膜ユニット１４，１５の表面を洗浄することができるとともに、処理槽１２，１３を充たす排水を撹拌することができる。
　図２は、図１の排水処理設備１０によって実行される排水処理の手順を示すフローチャートである。
　図２において、まず、凝集沈殿法に基づいて発生した沈澱汚泥及びスクリーン等によって捕捉されたゴミ等の異物（スクリーンかす）が除去された排水が排水導入設備１１に貯留される（Ｓ２０１）。排水導入設備１１に貯留されている排水はポンプＰ６によって処理槽１２に移送されるとともに、処理槽１２はその排水によって充たされ且つ処理槽１２が有するＦＯ膜ユニット１４はその排水に浸漬され（Ｓ２０２）、ＦＯ膜ユニット１４は処理槽１２を充たす排水を、予め設定されている濃縮倍率に到達するまで濃縮する低溶質濃度排水濃縮処理（図４）を実行する（Ｓ２０３）。
　次いで、処理槽１２を充たす排水が予め設定されている濃縮倍率に到達するまで濃縮されると、その排水はポンプＰ７によって処理槽１３に移送されるとともに、処理槽１３はその排水によって充たされ且つ処理槽１３が有するＦＯ膜ユニット１５はその排水に浸漬され（Ｓ２０４）、ＦＯ膜ユニット１５は処理槽１３を充たす排水を、予め設定されている濃縮倍率に到達するまで濃縮する高溶質濃度排水濃縮処理（図３）を実行する（Ｓ２０５）。
　すなわち、排水導入設備１１に貯留されている排水には２段階の濃縮処理（低溶質濃度排水濃縮処理（Ｓ２０３）及び高溶質濃度排水濃縮処理（Ｓ２０５））が施される。したがって、排水導入設備１１に貯留されている排水の溶質濃度ＣＦＳ０は処理槽１２を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ１よりも低く、処理槽１２を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ１は処理槽１３を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ２よりも低い。
　続いて、濃縮された処理槽１３の排水はポンプＰ１３によってメタン発酵槽１９に移送される。メタン発酵槽１９は嫌気性細菌であるメタン菌を有し、メタン菌は処理槽１３から移送された濃縮排水にメタン発酵処理を実行する（Ｓ２０６）。これにより、バイオガス及び消化液が生成され、バイオガスはエネルギーとして回収される。一方、消化液には脱水処理が実行され、これにより、消化液は脱水ケーキ及び脱水ろ液に分離される。脱水ケーキは環境への負荷を低減するために園芸用土やセメント原料等に活用され、脱水ろ液は、例えば、処理槽１２に返送される。その後、本処理は終了する。
　図３は、図２におけるステップＳ２０５の高溶質濃度排水濃縮処理の手順を示すフローチャートである。
　図３において、まず、スクリーン等によってゴミ等の異物が除去された駆動溶液ＤＳである海水が駆動溶液導入設備１６に貯留され（Ｓ３０１）、駆動溶液導入設備１６に貯留されている駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ０）はポンプＰ８によって駆動溶液循環設備１７に移送される。駆動溶液循環設備１７に移送された駆動溶液ＤＳはポンプＰ９によって駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する（Ｓ３０２）。
　具体的に、駆動溶液ＤＳは駆動溶液循環設備１７からＦＯ膜ユニット１５の内部空間Ｔに流入し（Ｓ３０３）、ＦＯ膜１５ａは処理槽１３を充たした排水と、内部空間Ｔに流入した駆動溶液ＤＳとの間に位置する。これにより、ＦＯ膜１５ａは夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水と、駆動溶液ＤＳである海水との間に位置し、海水の溶質濃度がその排水の溶質濃度よりも高い場合、排水に含まれる水分はＦＯ膜１５ａを透過して駆動溶液ＤＳに移動するとともに、排水に含まれる夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜１５ａに捕捉される。その結果、排水は濃縮されるとともに、駆動溶液ＤＳはＦＯ膜１５ａを透過した水分によって希釈される（Ｓ３０４）。
　つまり、駆動溶液導入設備１６に貯留されている駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ０）は、駆動溶液循環設備１７に移送され、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ１）は、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する間に希釈されるので、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳの溶質濃度ＣＤＳ１は、駆動溶液導入設備１６に貯留されている駆動溶液ＤＳの溶質濃度ＣＤＳ0よりも低い。
　次いで、ＦＯ膜１５ａを透過した排水中の水分及び駆動溶液ＤＳはＦＯ膜ユニット１５から出て駆動溶液循環設備１７に集水されるとともに、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳはポンプＰ１０によって駆動溶液循環設備１８に移送される。また、処理槽１３を充たす濃縮排水はメタン発酵槽１９に移送される（Ｓ３０５）。その後、本処理は終了する。
　図４は、図２におけるステップＳ２０３の低溶質濃度排水濃縮処理の手順を示すフローチャートである。
　図４において、まず、駆動溶液循環設備１７から駆動溶液循環設備１８に移送された駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣDS2）はポンプＰ１１によって駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する。具体的に、駆動溶液ＤＳは駆動溶液循環設備１８からＦＯ膜ユニット１４の内部空間Ｓに流入し（Ｓ４０２）、ＦＯ膜１４ａは処理槽１２を充たした排水と、内部空間Ｓに流入した駆動溶液ＤＳとの間に位置する。
　これにより、ＦＯ膜１４ａは夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水と、駆動溶液ＤＳである海水との間に位置し、海水の溶質濃度がその排水の溶質濃度よりも高い場合、排水に含まれる水分はＦＯ膜１４ａを透過して駆動溶液ＤＳに移動するとともに、排水に含まれる夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜１４ａに捕捉される。その結果、排水は濃縮されるとともに、駆動溶液ＤＳはＦＯ膜１４ａを透過した水分によって希釈される（Ｓ４０３）。
　つまり、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ１）は、駆動溶液循環設備１８に移送され、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ２）は、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する間に希釈されるので、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳの溶質濃度ＣＤＳ２は、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳの溶質濃度ＣＤＳ１よりも低い。
　次いで、ＦＯ膜１４ａを透過した排水中の水分及び駆動溶液ＤＳはＦＯ膜ユニット１４から出て駆動溶液循環設備１８に集水されるとともに、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳはポンプＰ１２によって駆動溶液循環設備１８から、例えば、海洋中に放流される（Ｓ４０４）。その後、本処理は終了する。
　次に、排水処理設備１０を用いた排水処理に係る実施例について説明する。
　まず、溶質濃度500mg/Ｌの排水（以下、本実施例において「被処理排水」という。）が排水導入設備１１からポンプＰ６によって処理槽１２に移送され、被処理排水は処理槽１２で５倍に濃縮され、被処理排水の溶質濃度は500mg/Ｌから2500mg/Ｌまで濃縮された。５倍に濃縮された被処理排水（以下、本実施例において「５倍濃縮排水」という。）はポンプＰ７によって処理槽１３に移送される。５倍濃縮排水は処理槽１３で更に５倍に濃縮され、５倍濃縮排水の溶質濃度は2500mg/Ｌから12500mg/Ｌまで濃縮された。すなわち、被処理排水は処理槽１３で２５倍に濃縮された。２５倍に濃縮された被処理排水（以下、本実施例において「２５倍濃縮排水」という。）はポンプＰ１３によってメタン発酵槽１９に移送された。
　また、駆動溶液ＤＳである海水が駆動溶液導入設備１６からポンプＰ８によって駆動溶液循環設備１７に移送され、駆動溶液循環設備１７に移送された駆動溶液ＤＳはＦＯ膜ユニット１５を経由して駆動溶液循環設備１７に戻り、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する。このとき、駆動溶液ＤＳの溶質濃度はＦＯ膜ユニット１５を経由する際にＦＯ膜１５ａを透過した排水中の水分によって低下するが、本実施例では、駆動溶液ＤＳの溶質濃度は35000mg/Ｌから30200mg/Ｌに低下した。
　駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳは駆動溶液循環設備１７からポンプＰ１０によって駆動溶液循環設備１８に移送され、駆動溶液循環設備１８に移送された駆動溶液ＤＳはＦＯ膜ユニット１４を経由して駆動溶液循環設備１８に戻り、駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する。このとき、駆動溶液ＤＳの溶質濃度はＦＯ膜ユニット１４を経由する際にＦＯ膜１４ａを透過した排水中の水分によって低下するが、本実施例では、駆動溶液ＤＳの溶質濃度は30200mg/Ｌから17900mg/Ｌに低下した。駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳはポンプＰ１２によって海洋中に放流された。
　ところで、一般的に、単位時間及び単位面積当たりにＦＯ膜１４ａ，１５ａを透過する水分量（以下、「膜フラックス」という。）と、駆動溶液ＤＳの溶質濃度及び濃縮された被処理排水の溶質濃度の差との間には、一定の関係性が存在する（式１）。
　Ｊｗ＝Ａ（σ×Δπ―ΔＰ）　　　　　（式１）
　上記式１において、Ｊｗは膜フラックス[Ｌ・ｍ-2・ｈ-1（l.m.h）]を示し、ＡはＦＯ膜１４ａ，１５ａの特性値である水透過係数[Ｌ・ｍ-2・ｈ-1・bar]を示し、σはＦＯ膜１４ａ，１５ａの半透性を表す反射係数を示し、ΔπはＦＯ膜１４ａ，１５ａに隔てられた駆動溶液ＤＳと排水との間の浸透圧差[bar]を示し、ΔＰは駆動溶液ＤＳ及び排水に基づく浸透圧以外のＦＯ膜１４ａ，１５ａへの負荷[bar]を示す。通常、ΔＰはΔπに対して極めて小さく、上記式１においてΔＰは無視することができる。したがって、膜フラックスＪｗは比例係数をＡσとして駆動溶液ＤＳ及び排水の浸透圧差Δπに比例する。また、浸透圧差Δπは駆動溶液ＤＳ及び排水の溶質濃度差ΔＴＤＳ[mg/L]に比例する（式２）。
　Δπ＝Ｂ×ΔＴＤＳ　　　　　（式２）
　上記式２において、Ｂは駆動溶液ＤＳ及び排水に含まれる溶質に基づいて定まる固有値である。したがって、膜フラックスＪｗは比例係数をＡσＢとして駆動溶液ＤＳ及び排水の溶質濃度差ΔＴＤＳ[mg/L]に概ね比例する（式３）。
　Ｊｗ＝ＡσＢ×ΔＴＤＳ　　　　　（式３）
　本実施例では、膜フラックスＪｗ及び溶質濃度差ΔＴＤＳの実測データと、上記式３とに基づいて、膜フラックスＪｗ及び溶質濃度差ΔＴＤＳの具体的な関係が得られた（式４）。
　Ｊｗ＝２．０×１０－４×ΔＴＤＳ　　　　　（式４）
　本実施例において、被処理排水から５倍濃縮排水を処理槽１２で得たとき、駆動溶液ＤＳの溶質濃度は17900mg/Ｌであり、５倍濃縮排水の溶質濃度は2500mg/Ｌであるため、駆動溶液ＤＳ及び５倍濃縮排水の溶質濃度差は15400mg/Ｌであり、式４に基づくと膜フラックスは3.08 l.m.hである。処理槽１２での排水の処理量はポンプＰ６の吐出量に基づき10000m3/dayであるので、処理槽１２で５倍濃縮排水を得るために必要なＦＯ膜１５ａの面積は135000m2である。
　また、５倍濃縮排水から２５倍濃縮排水を処理槽１３で得たとき、駆動溶液ＤＳの溶質濃度は30200mg/Ｌであり、２５倍濃縮排水の溶質濃度は12500mg/Ｌであるため、駆動溶液ＤＳ及び２５倍濃縮排水の溶質濃度差は17700mg/Ｌであり、式４に基づくと膜フラックスは3.53 l.m.hである。処理槽１３での排水の処理量はポンプＰ７の吐出量に基づき2000m3/dayであるので、処理槽１３で２５倍濃縮排水を得るために必要なＦＯ膜１４ａの面積は23600m2である。したがって、排水処理設備１０で２５倍濃縮排水を得るために必要なＦＯ膜１４ａ，１５ａの面積は158600m2である。
　一方、従来の排水処理設備７０を用いて溶質濃度500mg/Ｌの被処理排水から溶質濃度12500mg/Ｌまで濃縮された２５倍濃縮排水を得るために、駆動溶液循環設備７５及びＦＯ膜ユニット７３を循環する駆動溶液ＤＳが使用される。駆動溶液循環設備７５及びＦＯ膜ユニット７３を循環する駆動溶液ＤＳの溶質濃度は駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳの溶質濃度に相当する17900mg/Ｌであり、駆動溶液ＤＳ及び排水処理設備７０で得られた２５倍濃縮排水の溶質濃度差は5400mg/Lであり、式４に基づくと膜フラックスは1.08 l.m.hである。
　処理槽７２での排水の処理量はポンプＰ１の吐出量に基づき10000m3/dayであるので、処理槽７２で２５倍濃縮排水を得るために必要なＦＯ膜７３ａの面積は386000m2である。したがって、排水処理設備１０で２５倍濃縮排水を得るために必要なＦＯ膜１４ａ，１５ａの面積（158600m2）は排水処理設備７０で２５倍濃縮排水を得るために必要なＦＯ膜７３ａの面積（386000m2）の約４１％であるので、排水処理に使用されるＦＯ膜に必要な経費を抑制することができる。
　処理槽１２，１３を充たす排水の濃縮倍率に応じてその排水の濃縮に必要なＦＯ膜１４ａ，１５ａの面積が決定される。したがって、処理槽１２，１３を充たす排水の濃縮に必要なＦＯ膜１４ａ，１５ａの面積が最小となるようにその排水の濃縮倍率を設定してもよい。また、処理槽１２，１３を充たす排水の濃縮倍率を設定するとき、処理槽１２，１３を充たす排水に含まれる嫌気性細菌によって分解される排水中の有機物の量を考慮してもよい。
　本実施の形態の排水処理設備１０によれば、処理槽１２で使用される駆動溶液ＤＳの溶質濃度は、処理槽１３で使用された駆動溶液ＤＳと、ＦＯ膜１５ａを透過して駆動溶液ＤＳに移動した排水に含まれる水分とで構成される。したがって、処理槽１２で使用される駆動溶液ＤＳの溶質濃度（以下、「低溶質濃度駆動溶液」という。）は処理槽１３で使用される駆動溶液ＤＳの溶質濃度（以下、「高溶質濃度駆動溶液」という。）よりも低い。また、処理槽１３では、処理槽１２で濃縮された排水が更に濃縮されるため、処理槽１２で濃縮される排水の溶質濃度（以下、「低溶質濃度排水」という。）は処理槽１３で濃縮される排水の溶質濃度（以下、「高溶質濃度排水」という。）よりも低い。
　処理槽１２，１３を充たす排水の溶質濃度と、駆動溶液ＤＳの溶質濃度との濃度差が大きいほど、ＦＯ膜１４ａ，１５ａへの大きな浸透圧が生じ、処理槽１２，１３を充たす排水に含まれる水分がＦＯ膜１４ａ，１５ａを透過して駆動溶液ＤＳに移動しやすいところ、高溶質濃度駆動溶液は高溶質濃度排水を濃縮するために使用され、低溶質濃度駆動溶液は低溶質濃度排水を濃縮するために使用されるので、ＦＯ膜１４ａ，１５ａへの一定の浸透圧を確保することができ、もって、十分な排水の濃縮を実現することができる。
　また、処理槽１２で使用される駆動溶液ＤＳには、処理槽１３で使用され且つ処理槽１３を充たす排水中の水分を含む駆動溶液ＤＳが使用される。すなわち、処理槽１３での排水の濃縮に使用された駆動溶液ＤＳは処理槽１２で排水を濃縮する際に再利用されるので、駆動溶液ＤＳを無駄にすることなく有効に活用することができる。
　図５は、図１の排水処理設備１０の変形例を概略的に示す図である。図５の排水処理設備５０は、図１の排水処理設備１０に加えて処理槽５１、ＦＯ膜ユニット５２、濃縮駆動溶液導入設備５３、濃縮駆動溶液循環設備５４、及びポンプＰ１４、Ｐ１５，Ｐ１６，Ｐ１７，Ｐ１８，Ｐ１９，Ｐ２０（各ポンプの吐出量は表４参照。）を備え、処理槽５１はＦＯ膜ユニット５２を有する。ＦＯ膜ユニット５２はＦＯ膜支持材（不図示）及びＦＯ膜５２ａから構成され、ＦＯ膜支持材及びＦＯ膜５２ａが内部空間Ｕを有するように構成されている。以下、図１の排水処理設備１０と異なる点のみ説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図５において、処理槽５１には、高溶質濃度排水濃縮処理が実行された後の処理槽１３を充たす排水がポンプＰ１４によって移送され、処理槽５１はその排水によって充たされる。その結果、ＦＯ膜ユニット５２は処理槽５１を充たす排水に浸漬される。
　一方、濃縮駆動溶液導入設備５３には、濃縮駆動溶液ＣＤＳ（Concentrated Draw Solution）、例えば、海水を淡水に変換したときに発生する濃縮海水が貯留されている。したがって、濃縮駆動溶液導入設備５３に貯留されている濃縮駆動溶液ＣＤＳの溶質濃度は駆動溶液導入設備１６に貯留されている駆動溶液ＤＳ、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳ、及び駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳのいずれの溶質濃度よりも高い。
　濃縮駆動溶液導入設備５３に貯留されている濃縮駆動溶液ＣＤＳはポンプＰ１５によって濃縮駆動溶液循環設備５４に移送される。濃縮駆動溶液循環設備５４はＦＯ膜ユニット５２及びポンプＰ１６に接続され、濃縮駆動溶液循環設備５４に移送された濃縮駆動溶液ＣＤＳはポンプＰ１６によって濃縮駆動溶液循環設備５４及びＦＯ膜ユニット５２を循環する。
　濃縮駆動溶液循環設備５４及びＦＯ膜ユニット５２を循環する濃縮駆動溶液ＣＤＳは、ＦＯ膜ユニット５２の内部空間Ｕに流入し、ＦＯ膜５２ａは処理槽５１を充たした排水と、内部空間Ｕに流入した濃縮駆動溶液ＣＤＳとの間に位置する。処理槽５１を充たす排水に含まれる水分はＦＯ膜５２ａを透過して内部空間Ｕに移動し、内部空間Ｕに流入した濃縮駆動溶液ＣＤＳ及びＦＯ膜５２ａを透過して内部空間Ｕに移動した水分は混合され、濃縮駆動溶液循環設備５４に集水される。すなわち、処理槽５１を充たす排水に含まれる水分が内部空間Ｕに流入した濃縮駆動溶液ＣＤＳに移動するので、処理槽５１を充たす排水は濃縮される。したがって、処理槽５１を充たす排水の溶質濃度は処理槽１２,１３を充たす排水の溶質濃度よりも高い。なお、濃縮された処理槽５１の排水はポンプＰ１７によってメタン発酵槽１９に移送される。
　また、濃縮駆動溶液循環設備５４及びＦＯ膜ユニット５２を循環する濃縮駆動溶液ＣＤＳは、ポンプＰ１８によって濃縮駆動溶液循環設備５４から駆動溶液循環設備１７に移送される。駆動溶液循環設備１７はＦＯ膜ユニット１５及びポンプＰ９，Ｐ１９に接続され、駆動溶液導入設備１６から駆動溶液循環設備１７に移送された駆動溶液ＤＳ及び濃縮駆動溶液循環設備５４から駆動溶液循環設備１７に移送された濃縮駆動溶液ＣＤＳ（以下、「混合駆動溶液ＤＳ」という。）はポンプＰ９によって駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環するとともに、ポンプＰ１９によって駆動溶液循環設備１７から駆動溶液循環設備１８に移送される。駆動溶液循環設備１８はＦＯ膜ユニット１４及びポンプＰ１１，Ｐ２０に接続され、混合駆動溶液ＤＳはポンプＰ１１によって駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環するとともに、ポンプＰ２０によって駆動溶液循環設備１８から、例えば、海洋中に放流される。
　図６は、図５の排水処理設備５０によって実行される排水処理の手順を示すフローチャートであり、図２の排水処理の変形例の手順を示すフローチャートである。図６のステップＳ２０１～Ｓ２０６は図２のステップＳ２０１～Ｓ２０６と同一であり、以下、図２と異なる点のみ説明する。
　図６において、高溶質濃度排水濃縮処理（Ｓ２０５）が終了すると、処理槽１３を充たす排水は予め設定されている濃縮倍率に基づいて濃縮され、その排水はポンプＰ１４によって処理槽５１に移送される（Ｓ６０１）。これにより、処理槽５１はその排水によって充たされ且つ処理槽５１が有するＦＯ膜ユニット５２はその排水に浸漬される。
　濃縮駆動溶液導入設備５３には、濃縮駆動溶液ＣＤＳ、例えば、海水を淡水に変換したときに発生する濃縮海水が貯留されている。濃縮駆動溶液ＣＤＳは濃縮駆動溶液導入設備５３からポンプＰ１５によって濃縮駆動溶液循環設備５４に移送され、濃縮駆動溶液循環設備５４に移送された濃縮駆動溶液ＣＤＳはポンプＰ１６によって濃縮駆動溶液循環設備５４及びＦＯ膜ユニット５２を循環する（Ｓ６０２）。このとき、濃縮駆動溶液ＣＤＳは駆動溶液循環設備５４からＦＯ膜ユニット５２の内部空間Ｕに流入し（Ｓ６０３）、ＦＯ膜５２ａは処理槽５１を充たし且つ夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水と、内部空間Ｕに流入した濃縮駆動溶液ＣＤＳとの間に位置する。
　通常、濃縮駆動溶液ＣＤＳの溶質濃度は極めて高く、排水の溶質濃度よりも高いため、排水に含まれる水分はＦＯ膜５２ａを透過して濃縮駆動溶液ＣＤＳに移動するとともに、排水に含まれる夾雑物及び溶解性物質はＦＯ膜５２ａに捕捉される。その結果、排水は濃縮されるとともに、濃縮駆動溶液ＣＤＳはＦＯ膜５２ａを透過した水分によって希釈される（Ｓ６０４）。
　ＦＯ膜５２ａを透過した排水中の水分及び濃縮駆動溶液ＣＤＳはＦＯ膜ユニット５２から出て濃縮駆動溶液循環設備５４に集水されるとともに、濃縮駆動溶液循環設備５４及びＦＯ膜ユニット５２を循環する濃縮駆動溶液ＣＤＳはポンプＰ１８によって駆動溶液循環設備１７に移送される。一方、濃縮された処理槽５１の排水はポンプＰ１７によってメタン発酵槽１９に移送され（Ｓ６０５）、本処理はステップＳ２０６のメタン発酵処理が実行された後に（Ｓ２０６）終了する。
　なお、排水導入設備１１に貯留されている排水には３段階の濃縮処理（処理槽１２,１３，５１での処理）が施される。したがって、排水導入設備１１に貯留されている排水の溶質濃度ＣＦＳ０は処理槽１２を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ１よりも低く、処理槽１２を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ１は処理槽１３を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ２よりも低く、処理槽１３を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ２は処理槽５１を充たす排水の溶質濃度ＣＦＳ３よりも低い。
　また、濃縮駆動溶液導入設備５３に貯留されている濃縮駆動溶液ＣＤＳの溶質濃度（溶質濃度ＣＣＤＳ）は駆動溶液導入設備１６に貯留されている駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ０）、駆動溶液循環設備１７及びＦＯ膜ユニット１５を循環する駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ１）又は駆動溶液循環設備１８及びＦＯ膜ユニット１４を循環する駆動溶液ＤＳ（溶質濃度ＣＤＳ２）の溶質濃度よりも高い。
　本変形例によれば、図１の排水処理設備１０を用いた場合と同様の効果を奏することができる。
　また、本変形例によれば、処理槽５１において、処理槽１３で濃縮された排水を更に濃縮している。このとき、濃縮駆動溶液ＣＤＳとして海水を淡水に変換したときに発生する濃縮海水が排水の濃縮に使用されている。濃縮海水の溶質濃度は一般的に７～８％であり、ＦＯ膜５２ａに生じる浸透圧及び膜フラックスは溶質濃度３％程度の海水を使用する場合よりも大きいので、処理槽５１での排水を簡単に濃縮することができる。さらに、濃縮海水は、例えば、海洋中に廃棄する際に廃棄される海域の水勢や生息生物を十分に把握しなければならないが、排水の濃縮に使用されるので、その手間を省くことができる。
　以上、本発明について、上述した実施の形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。
ＤＳ　駆動溶液
ＣＤＳ　濃縮駆動溶液
Ｓ，Ｔ，Ｕ　内部空間
１２,１３,５１　処理槽
１４，１５，５２　ＦＯ膜ユニット
１４ａ，１５ａ，５２ａ　ＦＯ膜
１１　排水導入設備
１６　駆動溶液導入設備
１７，１８　駆動溶液循環設備

Claims (13)

  1. 　夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第１の排水、並びに、水分を含み且つ前記第１の排水以外の第１の駆動溶液の間に配設され、前記第１の排水から受ける圧力が前記第１の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第１の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第１の排水を濃縮する第１の除去手段と、
    　夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第２の排水、並びに、水分を含み且つ前記第２の排水以外の第２の駆動溶液の間に配設され、前記第２の排水から受ける圧力が前記第２の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第２の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第２の排水を濃縮する第２の除去手段と、を備え、
    　前記第１の排水の溶質濃度は前記第２の排水の溶質濃度よりも低く、前記第１の駆動溶液の溶質濃度は前記第２の駆動溶液の溶質濃度よりも低いことを特徴とする排水処理装置。
  2. 　前記第１の駆動溶液は前記第２の排水に含まれる水分を含むことを特徴とする請求項１記載の排水処理装置。
  3. 　前記第１の駆動溶液の溶質濃度及び前記第１の排水の溶質濃度の差又は前記第２の駆動溶液の溶質濃度及び前記第２の排水の溶質濃度の差と、前記第１の除去手段のフラックス又は前記第２の除去手段のフラックスとに基づいて前記第１の除去手段の面積又は前記第２の除去手段の面積を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の排水処理装置。
  4. 　前記第１の排水の濃縮倍率及び前記第２の排水の濃縮倍率は前記第１の除去手段の面積又は前記第２の除去手段の面積に基づいて設定されることを特徴とする請求項３記載の排水処理装置。
  5. 　前記第１の排水の濃縮倍率及び前記第２の排水の濃縮倍率は前記第１の排水に含まれる有機物が分解される量又は前記第２の排水に含まれる有機物が分解される量に基づいて設定されることを特徴とする請求項３又は４記載の排水処理装置。
  6. 　前記第１の排水又は前記第２の排水において、メタン発酵が進行してバイオガスが生成された場合に、前記バイオガスを回収する回収手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排水処理装置。
  7. 　前記第１の排水又は前記第２の排水において、メタン発酵が進行してバイオガスが生成された場合に、前記バイオガスを前記第１の除去手段又は前記第２の除去手段に供給する供給手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排水処理装置。
  8. 　前記第１の排水又は前記第２の排水に気体を曝気する曝気手段を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の排水処理装置。
  9. 　前記第１の排水又は前記第２の排水に曝気される気体の曝気量はＯＲＰに基づいて制御されることを特徴とする請求項８記載の排水処理装置。
  10. 　前記第１の排水又は前記第２の排水に酸を供給する酸供給手段を有し、前記酸の量は前記第１の排水又は前記第２の排水のｐＨに基づいて制御されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の排水処理装置。
  11. 　前記供給される酸が有機酸であることを特徴とする請求項１０記載の排水処理装置。
  12. 　前記有機酸が、排水に含まれる有機物を発酵することによって得られることを特徴とする請求項１１記載の排水処理装置。
  13. 　夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第１の排水、並びに、水分を含み且つ前記第１の排水以外の第１の駆動溶液の間に配設され、前記第１の排水から受ける圧力が前記第１の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第１の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第１の排水を濃縮する第１の除去手段と、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む第２の排水、並びに、水分を含み且つ前記第２の排水以外の第２の駆動溶液の間に配設され、前記第２の排水から受ける圧力が前記第２の駆動溶液から受ける圧力よりも高い場合、前記第２の排水に含まれる水分を透過するとともに、前記夾雑物及び溶解性物質を捕捉して前記第２の排水を濃縮する第２の除去手段と、を備え、前記第１の排水の溶質濃度は前記第２の排水の溶質濃度よりも低く、前記第１の駆動溶液の溶質濃度は前記第２の駆動溶液の溶質濃度よりも低いことを特徴とする排水処理装置を用いた排水処理方法において、
    　前記第２の排水に含まれる水分が前記第２の除去手段を透過して前記第２の駆動溶液に移動する移動ステップと、
    　前記第２の駆動溶液に移動した水分及び前記第２の駆動溶液が前記第１の除去手段に供給される供給ステップと、を有することを特徴とする排水処理方法。
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