JP5853342B2

JP5853342B2 - 固液分離モジュールおよび、固液分離方法

Info

Publication number: JP5853342B2
Application number: JP2011151331A
Authority: JP
Inventors: 金子　聡; 聡金子; 竹男矢野; 豊宝門; 誠宝門; 靖彦開
Original assignee: Mie University NUC; Shima Environmental Business Association
Current assignee: Mie University NUC; Shima Environmental Business Association
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: JP2013017920A

Description

本発明は、下水、産業排水、生活排水等の水処理方法及び水処理装置に関する。

近年、食品・水産加工廃水、化学薬品製造廃水、半導体、液晶、現像廃水、塗料、染料廃水などの産業廃水や、し尿などの生活排水などの処理において、膜分離法が幅広く用いられてきている。さらに、従来の活性汚泥法や凝集沈殿法と膜分離法を組み合わせた方法も開発されてきている。

従来の活性汚泥法では、曝気槽と沈殿槽が必要であるため、広い敷地面積を必要とするなど問題点が指摘されていた。一方、生物処理と膜分離を組み合わせた膜分離活性汚泥法は、従来の沈殿槽が必要でないため、有望な処理方法の一つであると考えられている。
また、薬剤を用いる凝集沈殿法と膜分離法を組み合わせた膜分離凝集沈殿法も、膜分離を利用することにより、槽の大きさを小型化できるなどの利点がある。

膜分離活性汚泥法と膜分離凝集沈殿法では、反応槽内に浸漬型膜分離装置を設置し、浸漬型膜分離装置の下方に散気装置を配置する。散気装置から空気を散気し、空気のエアリフト作用によって発生する上昇流を浸漬型膜分離装置の膜面に掃流して作用させ、膜面に付着するケーキを連続的に洗浄している。その洗浄効果は、液体流、気泡流、固体流の３種類の流れ要素の相乗効果によると考えられる。
また、膜分離活性汚泥法では、散気する空気によって生成する固気液混相の上向流によって汚染物を含む被処理水と活性汚泥との混合液を槽内で循環させながら混合液に酸素を溶解させ、活性汚泥の微生物により汚泥中有機物質を生物処理して除去するが、散気装置は槽内に酸素を供給しつつ、槽内を混合する役割も果たしている。

膜分離凝集沈殿法では、固液を分離する結果として汚泥濃度が高くなり、汚泥濃度の高まりによって膜面が閉塞する傾向が強くなる。これは、膜分離凝集沈殿法では汚染水の分離に有効であるが、ＭＬＳＳ濃度が比較的低く、膜汚染物（バイオフィルム等）が非常に低濃度でないと、汚染水が膜を透過する際に膜汚染物が膜の孔に目詰まることになる。さらに、本来疎水性である膜表面を親水化処理して使用しており、膜汚染物が付着することにより、疎水化する。
このため、膜濾過の駆動力である吸引ポンプ等による吸引圧力を増加させ、散気装置から散気する曝気空気量を大幅に増加させ、上昇流の流速を上げることにより、膜汚染物の付着を防止している。しかしながら、吸引圧力と曝気空気量の増大は、ランニングコストの増大に至る。

また、膜分離活性汚泥法でも、固液分離を行うと汚泥濃度が高くなるため、曝気空気量を増加させた上で、膜濾過の吸引圧力を増加させる必要がある。また、被処理水が高濃度の有機物質を含有している場合、微生物により有機物が完全に分解されず、活性汚泥混合液の粘度が上昇し、その流動性が低下する。その結果、濾過膜の濾過抵抗が異常に大きくなり、通常の濾過圧力では十分な浸透流速を得ることが困難であり、さらに曝気空気量の増加と、膜濾過の吸引圧力の増加が必要となる。このような状況下では、ランニングコストがより一層増加する。

これらの状況を改善するために、様々な方法が提案されている。例えば、特許文献１では、散気装置とともに超音波振動子を付随した浸漬型膜分離装置を提案している。曝気空気により生起するクロスフロー流によって液面を洗浄し、さらに、超音波の照射によって被処理水中にキャビテーション気泡を発生させ、かかるキャビテーション気泡が消失する際の衝撃力を膜に及ぼし、膜面付着物による透過流速の低下を一層の防止している。

また、特許文献２では、膜分離活性汚泥法の散気方法として、浸漬型膜分離装置を配置した反応槽において、所定量の空気を第１散気装置と第２散気装置とに分けて供給し、浸漬型膜分離装置の下方に配置した第１散気装置から散気する微細気泡によって第１曝気ゾーンを形成し、第１散気装置の上方に配置した第２散気装置から散気する粗大気泡と第１散気装置から散気する微細気泡とによって第２曝気ゾーンを形成し、第１曝気ゾーンで微細気泡による単独曝気によって槽内の活性汚泥混合液に高い溶解効率の下で酸素供給し、第２曝気ゾーンで粗大気泡と微細気泡との混合曝気によって酸素供給し、粗大気泡と微細気泡のエアリフト作用によって生起する気液混相の上向流を掃流として浸漬型膜分離装置の膜面に作用させて、膜面に付着するケーキの連続的な洗浄を行っている。

一方、特許文献３では、膜分離活性汚泥法において、その洗浄効果を高めるために、洗浄粒体を添加し、この洗浄粒体が曝気空気の気泡流及びそれにより正起される液体流によって槽内を流動し、気体流及び液体流と共に膜面の堆積物を剥がし取るため、目詰まりは生じにくく、透過流速の低下を一層防止している。

特開２０１０−１４９０６４号特開２００１−２１２５８７号特開平１１−１９７６８５号

しかしながら、特許文献１に述べられた方法では、超音波振動子が高価であり、分離膜自体を破壊する可能性があるなどの問題点が存在している。また、特許文献２に記載された手法では、粗大気泡と微細気泡のエアリフト作用によって生起する気液混相の上向流を掃流として浸漬型膜分離装置の膜面に作用させるため、膜面に被処理水が近づき難い問題点が指摘されており、その結果、膜濾過の吸引圧力が大きくなる欠点がある。一方、洗浄粒体を添加して連続的に処理を行っていると、膜を損傷する、若しくは洗浄粒体が微粉化し、それ自体が目詰まりの原因になっているなどの問題点がある。さらに、これら提案されている技術においても、膜面に付着するケーキの連続的な洗浄効果はまだ十分であるとは言えず、ある一定以上の膜濾過吸引圧力が必要であった。

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、改良型曝気装置を備えた浸漬型膜分離汚水処理装置と、それを有利に実施する方法を提供することにある。

第一の発明（請求項１）は濾過ユニットの発明であって、本濾過ユニットは膜分離活性汚泥処理槽や、膜分離凝集沈澱槽内に浸漬して使用される。
本濾過ユニットの外観は略長方形の枠体に脚部が設けられた構造を採る。枠体は１対の短辺枠部材と１対の長辺枠部材とからなり、これら各部材対をそれぞれ対向配置させ、長方形部が形成されるよう組まれる。このとき、一対の長辺枠部材については、脚部とする部位を長方形枠から突出させ、一対の脚部にする。
また、長方形枠体部の両面は分離膜で覆うので、濾過ユニットの長方形枠体内部には、枠体と分離膜で作られる閉鎖空間が形成される。
この分離膜は３層のフィルムが積層されて構成され、中間のフィルムには全面に貫通孔を有するポリエチレンテレフタレートフィルムが用いられ、両面のフィルムには、厚さ０．１〜０．３ｍｍで全面に微細な貫通孔を有するポリテトラフロロエチレンフィルムが用いられる。
これら３層のフィルムは接着されることなく重ねて取り付けられる。

一方、枠体には枠体部材を貫通して閉鎖空間に連通する吸引パイプが設けられる。吸引パイプは濾過ユニットの短辺枠体端面から短辺枠体を貫通して、濾過ユニット内部に形成された閉鎖空間に連通して設けられる。
この濾過ユニットは膜分離活性汚泥処理槽や、膜分離凝集沈澱槽に浸漬され脚部を各槽の底に当接させ、底面に垂直に立てた状態で使用される。
また、膜分離活性汚泥槽或いは、膜分離凝集沈澱槽内の被処理水は、分離膜の微細な貫通膜で濾過されて、濾過ユニットの長方形枠体内の空間に流入する。これが分離膜による濾過であり、この過程で固液分離が実施される。濾過された被処理水は吸引パイプを経由して吸引ポンプに吸引され、膜分離活性汚泥槽或いは、膜分離凝集沈澱槽外に排出される。

前記散気管には内径は３５〜４５ｍｍのパイプが用いられ、散気管表面には内径９〜１１ｍｍのエア吹き出し用の散気孔が設けられる。散気管は膜分離活性汚泥処理槽底部又は、膜分離凝集沈澱槽底部に敷設され槽底部で気泡を放出させる。また、濾過ユニットは膜分離活性汚泥処理槽や膜分離凝集沈澱槽の底面に対し垂直に立てられる。散気管から噴出する気泡の上昇速度は０．９〜１．１ｍ／秒、散気密度は、分離膜の単位面積当たりに換算して１１〜１４Ｌ／分／ｍ２に設定される。槽底部で発生した気泡は槽表面まで浮上するが、気泡の一部は濾過ユニットの分離膜表面を伝わりながら浮上する。これら気泡の浮上作用により、濾過ユニットの分離膜表面には絶えず掃流が形成され、分離膜表面に付着するケーキが連続的に洗浄される。

また、濾過ユニットには脚部が設けられており分離膜は槽底面より所定の高さに位置するため、掃流は分離膜全体を残すことなく一様に洗浄する。
一方、濾過ユニットは連続使用すると目詰まりが逐次蓄積し、濾過能力が次第に低下する。
従って、濾過能力が許容限界を下回った段階では逆洗浄作業を実施し、濾過能力を回復させる作業が必要になる。本第二の発明では、分離膜表面は散気管の気泡で作られる掃流の洗浄効果で、逆洗浄作業が必要となる期間を大幅に延長させることができる。
また散気によって生成する上昇流には、被処理水と膜分離活性汚泥とを混合させながら槽内を撹拌、循環させ、同時に被処理水に酸素を溶解させ、膜分離活性汚泥微生物を活性化させる役割も果たしている。

本発明の固液分離方法は第一の発明として述べた濾過ユニットを膜分離活性汚泥処理槽や、膜分離凝集沈澱槽内に設置して実施される。
即ち、濾過ユニットの脚部を膜分離活性汚泥処理槽や、膜分離凝集沈澱槽の底面に当接させて立てる。
次いで、濾過ユニット上部の吸引パイプに接続されている吸引ポンプを作動させる。これにより濾過ユニットの内外に差圧が発生し、膜分離活性汚泥槽内或いは、膜分離凝集沈澱槽内の水が濾過フィルムの貫通孔で固液分離されて、濾過ユニット内部に流入する。流入した処理水は吸引パイプを経由して吸引ポンプにより槽外に排出される。
即ち膜分離活性汚泥処理槽や、膜分離凝集沈澱槽内の被処理水は、濾過ユニットの分離膜による濾過工程で固液分離される。

本発明では濾過ユニットの濾材としてポリエチレンテレフタレートの基膜にポリテトラフルオロエチレンフィルムを被覆した分離膜を用い、また、槽底面には散気管を敷設し底面より気泡を浮上させている。このため、空気が被処理水中を浮上する気泡が作る上昇気体流と、気体流の上昇に伴う液体流と、液体流が懸濁する固形物の流動により起こる固体流の３種類の流れが発生し、これら３種類の流れの相乗効果により、分離膜面に付着するケーキは連続的、且つ効率的に洗浄される。

また、前記３種類の流れの相乗効果により、濾過膜の濾過抵抗の小さい状態を維持し易い。従って、濾過圧力が小さいので、膜分離装置の消費電力が節約でき稼働コストが低下する。

濾過ユニットは連続的に使用すると、分離膜表面に除去困難な堆積物が付着し、次第に濾過能力が低下する。この堆積物を除去し、分離膜の濾過機能を回復させるため、一般に逆圧洗浄を行う。逆圧洗浄では吸引ポンプによる吸引方向を逆転させて清浄水を、濾過ユニット内に圧送し、濾過ユニットの内圧を高め分離膜の微細な貫通孔から清浄水を噴出させる。この時、微細孔を閉塞させていた堆積物は分離膜より脱落し、微細孔は初期状態に復帰し、分離膜は所期の固液分離機能を回復させる。
本発明に従う固液分離方法では、３種類の流れの相乗効果により分離膜に堆積物が付着し難く、透過流速の低下が起こり難いため、逆圧洗浄が必要になる頻度が低下し、濾過ユニットの稼働率が増加する。

分離膜は本来疎水性である膜表面を親水化して用いるが、汚れが付着するに従って疎水化する。本発明に従う固液分離方法では、膜面に対する汚れの付着が起こりにくいため、膜表面の親水性が持続でき、膜の高寿命化が図れる。

濾過ユニットの外観分離膜の構成固液分離モジュール膜分離活性汚泥処理装置膜分離凝集沈澱処理装置屎尿処理装置における汚水処理プロセス透過水量をパラメータとした膜分離膜分離活性汚泥法に於ける透過差圧の経日変化透過水量をパラメータとした膜分離膜分離凝集沈澱法に於ける透過差圧の経日変化

本発明に係る濾過ユニットを図１に示す。濾過ユニット１０は一対の短辺枠体１５，１５と、一対の長辺枠体１４，１４が、長辺枠体の一方に脚部を形成して長方形に組まれる。
また、枠体の両面は分離膜１１で覆われる。分離膜１１は図２に示すように３層構造になっており、中心のポリエチレンテレフタレートフィルム１２の両側にＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレンフィルム）１３、１３が重ねられる。
ＰＴＦＥ膜の膜厚は０．１〜０．３ｍｍの範囲内で適宜選定されるが、特に有利には、０．２ｍｍ厚さが採用される。この場合、膜厚が小さ過ぎると、充分な膜強度が保てず、液体流、気泡流、固体流などの上昇流により膜表面が傷つけられ、膜が破れるなどの恐れがある。また、膜厚が厚すぎると、気泡の浮上に伴い発生する上昇流のため、分離膜１１の吸引圧力が増加するなどの問題が生じる。
濾過ユニット１０の短辺枠体１５には吸引パイプ１６が枠体を貫通して設けられる。
また、吸引パイプ１６の先端には図３に示す吸引チューブ１８が取り付けられ、吸引チューブ１８の先端は吸引ポンプ２５に接続される。吸引ポンプが作動すると濾過ユニット１０の内部が吸引される。

濾過ユニット１０は脚部を下方にして、図３に示すように、槽底面に垂直に立てた状態に保持される。また、反応槽の底面には散気管２０が敷設される。散気管２０の内径は３５〜４５ｍｍの範囲であり、特に有利には、４０ｍｍが採用される。この散気管２０の内径が小さ過ぎると、散気管内に圧力差が生じエアレーションが不均一になる。逆に大き過ぎると、散気に必要な印加圧力が大きくなり装置の大型化と、消費電力の増大を招く。

また、散気管２０の表面に設けられる散気孔２１の内径は、９〜１１ｍｍの範囲内であるが、特に有利には１０ｍｍの孔径が採用される。散気孔２１の径が小さ過ぎると、気泡が細かくなり、分離膜１１表面に接触する気泡の数が低下し、充分な洗浄効果を得ることが困難になる。逆に孔径が大き過ぎると、気泡径が大きくなり、気泡が分裂し易く、分離膜の洗浄効果にばらつきが生じ、分離膜の洗浄効果を低下させる。

そして、本発明の膜分離汚水処理装置の散気の上昇速度は、９０〜１１０ｃｍ／秒の範囲内で適宜に選定されるが、特に有利には１００ｃｍ／秒の上昇速度が採用される。この上昇速度が小さ過ぎると、膜面に汚染物が付着しやすく、また分離膜の目詰まりが起こりやすくなる。逆に、この上昇速度が大き過ぎると、散気気泡の分離膜上の滞留時間が短くなり、膜面に付着するケーキの連続的な洗浄効果が低下する。

また、本発明にあっては、散気管からの散気量は、分離膜の単位面積当たりの散気密度に換算して１１〜１４Ｌ／分／ｍ^２に設定される。これは分離膜１枚あたり９〜１１Ｌ／分の散気量になる。特に有利には１２Ｌ／分／ｍ^２の散気量が採用される。この散気量が小さ過ぎると、膜面に汚染物が付着しやすくなるため、分離膜の目詰まりが起こりやすく、また、この散気量が大き過ぎても、濾過膜の濾過抵抗が大きくなるため、膜濾過の吸引圧力が大きくなり、膜濾過が行えない恐れが生じる。

図４は固液分離モジュールを膜分離活性汚泥装置内に設置した場合の実施例である。膜分離活性汚泥槽３０内には、濾過ユニット１０と散気管２１からなる固液分離モジュール１７が複数個設置される。なお濾過ユニット１０はセル２３構成して組み立てられるので、膜分離活性汚泥槽３０内の撹拌流に対しても安定して定位置を保持できる。濾過ユニット１０の上部には吸引チューブ１８があり、濾過水は順次吸引チューブ１８を経由して図示しない吸引ポンプに吸引される。この結果濾過ユニット１０の内部と膜分離活性汚泥槽３０の内部とに差圧が生じ、膜分離活性汚泥槽３０の内部から濾過ユニット１０の内部に分離膜１１により、活性汚泥３１と分離濾過された濾過水が流入する。セル２３は膜分離活性汚泥槽３０内に複数設置され、処理能力は各セルに設置される濾過ユニットの総数で決まる。濾過ユニット１０内部に吸引された濾過水は次工程の生物膜透過水槽に輸送される。

図５は固液分離モジュールを膜分離凝集沈澱装置内に設置した場合の実施例である。基本的には膜分離活性汚泥装置の場合と同じ構成になる。膜分離凝集沈澱槽４０内には、濾過ユニット１０と散気管２１からなる固液分離モジュール１７が複数個設置される。なお濾過ユニット１０はセル２３構成して組み立てられるので、膜分離凝集沈澱槽４０内の撹拌流に対しても安定して定位置を保持できる。濾過ユニット１０の上部には吸引チューブ１８があり、濾過水は順次吸引チューブ１８を経由して吸引ポンプ２５に吸引される。この結果濾過ユニット１０の内部と膜分離凝集沈澱槽４０の内部とに差圧が生じ、膜分離凝集沈澱槽４０の内部から濾過ユニット１０の内部に分離膜１１により、凝集剤により凝集された固形物４１と分離濾過された濾過水が流入する。セル２３は膜分離凝集沈澱槽３０内に複数設置され、処理能力は各セルに設置される濾過ユニットの総数で決まる。濾過ユニット１０内部に吸引された濾過水は次工程の活性炭原水槽に輸送される。

以下に本発明の好適な一実施の形態を実施例によって具体的に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものでなく、本発明の範囲で様々に改変して実施することができる。

本発明の実施の形態における汚水処理システムの汚水処理のフロー全体を図６に示す。ここに述べる実験結果は、国内で稼働している屎尿処理施設で実施した本発明の検証結果である。
固液分離モジュール１７は、膜分離活性汚泥処理槽３０と、膜分離凝集沈澱槽４０の２カ所に設置した。各槽で使用した濾過ユニット１０の分離膜１１には市販のポリエチレンテレフタレートフィルムと、市販のポリテトラフロロエチレンフィルムを用いた。分離膜１１のサイズは０．４ｍ×２ｍで膜分離活性汚泥処理槽３０と、膜分離凝集沈澱槽４０に各１５０枚設置した。
散気管２０には内径は４０ｍｍの塩化ビニールパイプを使用し、散気管２０に設けられる散気孔２１の内径は１０ｍｍとした。散気管２０は濾過ユニット１０の下方、各槽の底に敷設される。散気管から放出される空気量は１５００Ｌ／分とした。したがって、散気量は分離膜１枚当たりに換算すると１０Ｌ／分となる。ちなみに、この時の気泡の上昇速度は１００ｃｍ／秒であった。

まず、膜分離膜分離活性汚泥法に於ける分離膜の透過能力維持データを図７に示す。
測定は、濾過ユニットに於ける分離膜の透過水量をパラメータにして、濾過ユニット内外の圧力差の経日変化を測定したもので、透過水量１．２５、１．５、２、２．５、３ｍ^３/ｈの何れの場合も１００日経過後であっても透過能力が十分維持されている。
次に、膜分離凝集沈澱法に於ける分離膜の透過能力維持データを図８に示す。
測定は、濾過ユニットに於ける分離膜の透過水量をパラメータにして、濾過ユニット内外の圧力差の経日変化を測定したもので、透過水量１．２、１．８、２．５、３ｍ^３/ｈの何れの場合も１５０日経過後であっても透過能力が十分維持されている。

これらの実験では、ＰＴＦＥ分離膜の洗浄のために非常に有効な流れが生成されていることが確認された。空気のエアリフト作用によって発生する上昇流が分離膜面の掃流として作用し、膜面に付着するケーキの連続的な洗浄を非常に向上させている結果となっている。

本発明は膜分離活性汚泥処理装置や、膜分離凝集沈澱装置に最も有効に活用されるが、砂利採取場等における懸濁水の濾過や、その他様々な水の濾過用途に活用できる。

１０濾過ユニット
１１分離膜
１２ポリエチレンテレフタレートフィルム
１３ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレンフィルム）
１４短辺枠体
１５長辺枠体
１６吸引パイプ
１７固液分離モジュール
１８吸引チューブ
２０散気管
２２気泡
２３セル
３０膜分離活性汚泥処理槽
４０膜分離凝集沈澱処理槽

Claims

膜分離活性汚泥処理槽又は、膜分離凝集沈澱槽内に設置されて使用され、濾過ユニットと
散気管とで構成される固液分離モジュールであって、
前記濾過ユニットが脚部を有する長方形枠体と、該枠体の枠領域両面を覆う分離膜と、前
記枠体を貫通して設けられる吸引パイプとで構成されており、
前記枠体が１対の短辺枠部材と１対の長辺枠部材とが、前記一対の長辺枠部材の一方が長
方形の枠領域から突出して一対の脚部を形成するように組まれており、
前記分離膜が全面に貫通孔を有するポリエチレンテレフタレートフィルムの両側に、厚さ
０．１〜０．３ｍｍ、直径０．０１〜０．５μｍの貫通孔を全面に有するポリテトラフロ
ロエチレンフィルムを重ねて構成され、
前記、吸引パイプが前記短辺枠体の一方を貫通し、前記枠部材と前記分離膜により形成さ
れる閉鎖空間に連通して設けられ、
前記散気管は内径が３５〜４５ｍｍ、散気孔の内径が９〜１１ｍｍであって、前記膜分離
活性汚泥処理槽又は、前記膜分離凝集沈澱槽の底面に敷設されて気泡を発生させ、
前記濾過ユニットが前記濾過ユニットの分離膜表面を前記気泡が伝わって浮上するよう、
前記膜分離活性汚泥処理槽又は、前記膜分離凝集沈澱槽の底面に脚部を当接して立設され、
前記気泡の上昇速度が０．９ｍ／秒〜１．１ｍ／秒、前記分離膜単位面積当たりの散気密
度が１１〜１４Ｌ／分／ｍ２であることを特徴とする固液分離モジュール。