JP2012096125A - 膜分離式活性汚泥処理装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有効な膜分離面積を減少させず、均一かつ安定した膜面の洗浄に必要な被処理水の流速を与え好気槽の循環を行う膜分離式活性汚泥処理装置、及びその方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の膜分離式活性汚泥処理装置１０は、槽内に保持した活性汚泥１８によって被処理水１６を生物学的に好気処理する好気槽１２と、好気処理に必要な空気を供給する散気手段２０と、好気槽１２内に浸漬された膜分離手段３０と、を備え、好気槽１２内で膜分離手段３０と散気手段２０を垂直方向に区分けする分離壁５０を形成し、分離壁５０には、散気手段２０の散気によって生じる被処理水１６の上昇流が水面下を側方移動して膜分離処理手段３０側へ流入する上部開口５２と、上部開口５２から流入した上昇流が下降流となって膜分離手段３０の分離膜間を通過し下方から散気手段２０側へ流出する下部開口５４と、を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に活性汚泥を保持した好気槽内に膜分離手段を浸漬した膜分離式活性汚泥処理装置及びその方法に関する。

被処理水中の有機物や窒素、リンなどを高効率に除去する装置として膜分離式活性汚泥処理装置が用いられている。図６はこの種の膜分離式活性汚泥処理装置１００を模式的に示したものである。好気槽１０２には被処理水流入管１０２ａから流入した被処理水１０８が満たされている。好気槽１０２内には活性汚泥１０９が予め高濃度に保持されるとともに、膜分離手段１０４が浸漬されている。膜分離手段１０４としては、両面に分離膜を張った方形の平膜を狭い間隔で横方向に多数枚、並列させた構造のものが一般的に採用されている。膜分離手段１０４の下方には散気手段１０６が配設され、ブロワ１０６ａから供給された空気を膜分離手段１０６に向けて散気する。膜分離手段１０４には平膜を透過した処理水を装置外に排出する吸引ポンプ１０４ａが排出管１０４ｂの途中に設けられている。

上記の構成において、好気槽１０２内に流入した被処理水１０８は活性汚泥１０９によって生物学的に好気処理され、被処理水１０８中の有機物や窒素、リンなどが除去される。膜分離手段１０４では吸引ポンプ１０４ａの吸引力によって膜分離が行われ、活性汚泥１０９と処理水とが固液分離される。平膜を透過した処理水は排出管１０４ｂを介して装置外に排出される。この結果、活性汚泥１０９が好気槽１０２内に留まることになり、好気処理による増殖分と合わせて、好気槽１２内では活性汚泥が高濃度に保持される。

ここで、散気手段１０６からの散気には３つの目的がある。
第１の目的は好気槽１０２内を好気性に維持することである。活性汚泥１０９による生物学的な好気処理には酸素が消費されるので、散気によって酸素を補給して好気槽１０２内の被処理水１０８中の溶存酸素濃度を高く維持することができる。

第２の目的は膜分離手段１０４の分離膜を洗浄することである。平膜の膜面には膜分離によって活性汚泥や種々の固形分が付着、堆積し、そのまま放置すると分離膜の透過性が次第に低下するので、膜面の洗浄を目的として散気が行われる。すなわち、膜分離手段１０４の下方から散気された空気泡は浮力によって上昇する。その上昇過程で平膜の膜面に対して剪断力を付与し、膜面に付着、堆積した固形分を剥離させることができる。

第３の目的は好気槽１０２内に被処理水１０８の循環流を形成することである。散気された空気泡の上昇力及び膜間水路内に気液混合液と、その外部液体との密度差を駆動力として、膜分離手段１０４内では被処理水１０８の上昇流が生じ、膜分離手段１０４の下方から被処理水１０８が吸い込まれる。膜分離手段１０４の上方に押し出された被処理水１０８は次に流路を下降し、再び膜分離手段１０４の下方から吸い込まれる。この被処理水１０８の循環過程で被処理水１０８と活性汚泥１０９とが十分に混合、接触し、活性汚泥１０９による好気処理が活発に進行する。

このように膜分離式活性汚泥処理装置１００は、好気槽１０２内で活性汚泥１０９による好気処理と固液分離を同時進行させることができる。このため、従前の沈殿池を備えた活性汚泥処理装置に比べて沈殿池を省略し、装置のコンパクト化と高効率化を図ることができる。

しかしながら、上記散気の３つの目的を同時に達成するためには難しい問題がある。第１の目的を達成するためには、散気する空気泡をなるべく微細化して単位体積当たりの気液接触面積を増加させる必要がある。しかしながら、空気泡を微細化すると空気泡の上昇力が低下し、膜分離手段１０４の膜面に対して十分な剪断力を付与することができない。このため、第２の目的である膜面の洗浄効果が低下する。また、第３の目的である循環流の形成も不十分となる。逆に、第２、第３の目的を優先して散気する空気泡を粗大にすると被処理水１０８に対する酸素の溶解効率が低下し、活性汚泥による好気処理の効率も溶存酸素の不足により低下するという問題がある。

このように第１の目的と第２、第３の目的の間には散気する空気泡の大きさに関して二律背反の関係があり、散気のみによって３つの目的を同時に達成することは困難である。

特許文献１には、上記問題を解決するため、槽内に保持した活性汚泥によって被処理水を生物学的に好気処理する好気槽と、前記好気槽内に浸漬された膜分離手段と、前記膜分離手段の下方から空気を散気する散気手段と、前記膜分離手段で透過した処理水を排出する処理水排出手段とを備えた膜分離式活性汚泥処理装置において、前記散気手段から散気されて前記膜分離手段の上方域に到達した空気泡を回転羽根によって微細化する気泡微細化手段を設けた構成が開示されている。

特開２００４−２３７２０２号公報

上記構成の場合、微細化される前の粗大な空気泡によって好気槽の循環および、膜分離手段の洗浄を行い、その後空気泡を微細化して酸素を被処理水中に溶存させている。よって、分離膜に接触する空気泡の面積が増大すると有効な分離膜面積が減少するという問題が解決されておらず、このため分離膜後段の吸引ポンプの負荷を強くする必要が生じ、分離膜に大きな負荷を与えることになる。

また上記構成においては、洗浄のための被処理水の流速を得るためには多大な散気量を必要とし、その結果多大な電力量が必要である。特に多数平膜を並列させた場合には、膜の各隙間に均等に散気を送ることは非常に困難である。

さらに、膜面の洗浄に必要な被処理水の流速は処理水の膜透過水量によって決まるが、均一化が困難な散気において必要な流速を与えることは困難であり、通常過剰に散気しているため多大な電力量が必要となる。

そこで本発明は上記問題点に着目し、有効な膜分離面積を減少させず、均一かつ安定した膜面の洗浄に必要な被処理水の流速を与え好気槽の循環を行う膜分離式活性汚泥処理装置、及びその方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る膜分離式活性汚泥処理装置は、槽内に保持した活性汚泥によって被処理水を生物学的に好気処理する好気槽と、前記好気槽内に浸漬された膜分離手段と、前記好気処理に必要な空気を供給する散気による前記好気槽内の上昇流から前記膜分離手段の膜間を上方から下方へ流れる下降流を形成させる散気手段と、を備えたことを特徴としている。

また本発明に係る膜分離式活性汚泥処理装置は、槽内に保持した活性汚泥によって被処理水を生物学的に好気処理する好気槽と、前記好気処理に必要な空気を供給する散気手段と、前記好気槽内に浸漬された膜分離手段と、を備えた膜分離式活性汚泥処理装置において、前記好気槽内で前記膜分離手段と前記散気手段を垂直方向に区分けする分離壁を形成し、前記分離壁には、前記散気手段の散気によって生じた上昇流により、前記膜分離手段側の被処理水が前記散気手段側へ吸い込まれる下部開口と、前記下部開口からの被処理水の排出によって前記散気手段側から前記上昇流が前記膜分離手段側に下降流として流れ込む上部開口と、を設けたことを特徴としている。
この場合において、前記散気手段は、微細空気散気部と粗大空気散気部からなり、前記分離壁の側方に粗大空気散気部を形成するとよい。

本発明の膜分離式活性汚泥処理方法は、好気槽に散気手段を備え、前記好気槽に保持した活性汚泥によって好気処理した後、処理水を膜分離手段によって膜分離する膜分離式活性汚泥処理方法であって、前記好気槽内の前記膜分離手段と前記散気手段を区分けして、前記散気手段の散気によって好気槽内に上昇流を発生させて、前記上昇流を前記膜分離手段の上部から流入させて、膜間を下降させて、前記膜分離手段の下部から排出し還流させることを特徴としている。

本発明に係る膜分離式活性汚泥処理装置、及びその方法によれば、以下の効果を奏する。
第１に散気手段は、好気処理に必要な空気を供給する散気による好気槽内の上昇流から膜分離手段の膜間を上方から下方へ流れる下降流を形成させているため、分離膜に活性汚泥が堆積することを抑制するのみならず、分離膜に堆積した活性汚泥を被処理水が剥ぎ取り、好気槽内に被処理水及び活性汚泥を返流し循環させることになる。よって、均一な流れを膜面へ与えろ過を行ない易くし、散気の場合よりも効果的に分離膜の洗浄を行って単位面積当たりの膜分離の効率の低下を防止し、また散気気泡による有効膜面積の低下を防止できる。

従来の膜分離手段の下方に散気手段を配置して散気の上昇流（散気と被処理水の気液混合相流）による洗浄と比べ、本発明の下降流は、被処理水の液単相流であるために剪断力が高くなりやすく、洗浄力を向上する効果が得られる。

第２に散気手段は、従来の膜分離手段の下方に配置した散気手段による上向流を発生させるための散気が不要になる。このため、酸素を被処理水に溶存させる目的に特化した設計が可能である。よって活性汚泥に対する溶存酸素の供給は高効率の微細気泡散気のみで行うことになるので、散気に必要な電力を削減することができる。

第３には処理水の膜透過水量に併せて散気手段による上向流速を変化させることが可能であるため、従来の常に散気を続ける場合とは異なり省電力化、省動力化が可能である。

本発明の膜分離式活性汚泥処理装置の実施形態を模式的に示した図である。 本発明の膜分離式活性汚泥処理装置の説明図である。 汚泥流速と膜透過水量の関係を示すグラフである。 膜分離式活性汚泥処理装置の変形例１の構成概略を示す図である。 膜分離式活性汚泥処理装置の変形例２の構成概略を示す図である。 従来の膜分離式活性汚泥処理装置の説明図である。

本発明の膜分離式活性汚泥処理装置及びその方法の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は本発明の膜分離式活性汚泥処理装置の実施形態を模式的に示した図である。図２は本発明の膜分離式活性汚泥処理装置の説明図である。図１に示すように膜分離式活性汚泥処理装置１０は、好気槽１２、散気手段２０、膜分離手段３０、分離壁５０を主な構成要件としている。

好気槽１２は流入管１４を介して供給された被処理水１６を満たした水槽であり、槽内には所定量の活性汚泥１８が保持されている。活性汚泥１８は複合微生物が含まれたものである。複合微生物としては、例えば硝化細菌群、脱窒細菌群、嫌気性アンモニア酸化細菌群などがある。さらに、純粋菌株として、例えば硝化細菌、脱窒細菌、嫌気性アンモニア細菌、アオコ分解菌、ＰＣＢ分解菌、ダイオキシン分解菌、環境ホルモン分解菌などが含まれる。

好気槽１２内には溶存酸素を被処理水１６中に溶解させる目的で微細な空気泡（不図示）を放出可能な散気手段２０が配設されている。散気手段２０はブロワ２２と散気管２４からなり、ブロワ２２から空気を供給し、散気管２４から微細な空気泡（不図示）を放出して好気槽１２中の溶存酸素濃度を高濃度に維持することができる。また好気槽１２に保持される活性汚泥１８は溶存酸素を呼吸しつつ、被処理水１６中に含まれるアンモニアを硝酸性窒素にする好気処理を行うことができる。本発明の散気手段２０は、好気槽１２を平面視したとき、上方に後述する膜分離手段３０が配置されていない箇所に配置している。

また好気槽１２内には膜分離手段３０が配設され、被処理水１６に浸漬されている。膜分離手段３０は、両面に分離膜を張った複数の矩形の平膜３２を一定の間隔を空けて並べて形成されている。隣り合う平膜同士の隙間は４〜１０ｍｍ程度である。また、各平膜３２の両側の側面は揃えられるとともに、側面に側板を接合して複数の平膜３２を一体化させている。これにより平膜３２の側面方向は封止され、上端及び下端が開口（上方開口３８，下方開口３９）され、平膜３２の間に形成された複数の隙間は矩形の断面形状を有する。各平膜３２の外部は被処理水１６に接し、内部は排出管４０を介して処理水吸引ポンプ４２と接続されている。処理水吸引ポンプ４２により吸引することで平膜３２の外部と内部との圧力差を発生させ、被処理水１６から活性汚泥１８と処理水とを固液分離し、処理水を平膜３２内部に透過させ、処理水吸引ポンプ４２を通じて系外に排出する。このとき活性汚泥は平膜３２の分離膜に堆積していく。この堆積の厚みが大きいほど単位面積当たりの分離膜の分離効率が低下する。

好気槽１２内の散気手段２０と膜分離手段３０の間には、分離壁５０を設けている。分離壁５０は、好気槽１２内に配置した散気手段２０と膜分離手段３０を垂直方向に区分けする壁であり、槽内の水面下と底面近傍にそれぞれ開口（上部開口５２、下部開口５４）を形成している。上部開口５２は、散気手段２０の散気による上昇流が水面下で側方へ移動して散気手段２０側から膜分離手段４０側へ流入する開口であり、好気槽１２の水面下付近に設けている。一方、下部開口５４は、膜分離手段３０の膜間を下降した下降流が排出される開口であり、好気槽１２の底面付近に設けている。

また図２に示すように膜分離手段３０を好気槽１２の中心に設置して、膜分離手段３０を挟むように好気槽１２の両側面に散気手段２０の散気管２４を配置し、上部及び下部開口５２，５４を備えた分離壁５０を取り付ける構成としてもよい。

上記構成による膜分離式活性汚泥処理装置の汚泥処理方法について以下説明する。
上記構成の膜分離式活性汚泥処理装置１０において、好気槽１２には被処理水１６の流入管１４から流入した被処理水１６が張り込まれている。また好気槽１２には活性汚泥１８が予め高濃度に保持されている。さらに分離壁５０によって好気槽１２内を二分割し、それぞれ散気手段２０及び膜分離手段３０を配置している。膜分離手段３０は両面に分離膜を張った方形の平膜３２を狭いピッチで横方向に多数枚並列させた構造である。隣り合う平膜３２との間隙は４〜１０ｍｍであり、この間隙を被処理水１６及び活性汚泥１８が通過する過程で膜分離処理が行なわれる。このとき吸引ポンプ４２により吸引することで平膜３２の外部と内部との圧力差を発生させ、被処理水１６から活性汚泥１８と処理水とを固液分離し、処理水を平膜３２内部に透過させて処理槽外へ排出する。

一方、散気手段２０により好気槽１２内へ散気を行うと、好気槽１２内に保持された生物処理に必要な溶存酸素を供給できる。また散気手段１２で散気を行うと、空気の上昇、換言するとエアリフト効果により被処理水１６および活性汚泥１８の上昇流が発生する。本発明の上昇流は、膜分離手段３０の分離膜表面の流れ方向に十分な剪断力を与える高い流速を備えている。膜分離手段３０の膜間水路内では、膜表面から膜内に浸透する膜面に対して水平方向に流れる被処理水と、分離膜の膜面に沿って上方から下方に流れる被処理水の２方向の流れが生じている。この膜面に沿って上方から下方に流れる被処理水の流れが膜表面に付着した活性汚泥を剥ぎ落とす剪断力として作用している。

本実施形態の好気槽１２では、分離膜の膜間水路内が被処理水の単相部であり、その外側の散気手段２０側の槽内が被処理水と散気の気液混相部となる。気液混相部は単相部に比べ比重が下がっている。上昇流は、この単相部と気液混相部に密度差を与えることにより発生させることができる。具体的には、分離壁５０の開口部の開口面積、好気槽１２内の散気スペース、散気手段２０による散気量などを変化させることにより密度差を調整することができる。

この気液混相部と単相部の密度差によって発生した上昇流により、単相部（膜分離手段２０）の下方では散気手段２０側へ吸い込まれる被処理水の流れが生じる（矢印Ａ）。また単相部の上方では、被処理水の排出による下方の流れによって、散気手段側から被処理水が膜分離手段側へ下降流として流れ込む（矢印Ｂ）。このように上昇流は、槽内の水面下まで上昇すると側方移動する。側方移動した上昇流は、分離壁５０の上部開口５２から膜分離手段３０側へと流入する。このとき散気の気泡は槽外へ排出され被処理水と活性汚泥の流れとなる。上部開口５２から流入した被処理水１６及び活性汚泥１８の上昇流は、膜分離手段３０の上方開口３８で下降流となる。この下降流は膜分離手段３０の膜間を下方開口３９に向かう流れとなり、流れ方向が逆転する。下降流の通過により、分離膜に活性汚泥が堆積することを抑制するのみならず、分離膜に堆積した活性汚泥を被処理水１６に剥ぎ取らせる。下降流は下部開口５４から散気手段２０側へ吸い込まれて（排出されて）、再び上昇流となり好気槽１２内を還流する。

これにより、従来の散気手段による上昇流の場合よりも効果的に分離膜の洗浄を行って単位時間・単位面積当たりの膜分離の効率の低下を防止し、また散気気泡による有効膜面積の低下を防止でき、連続して安定したろ過を実現できる。

また散気手段２０は、酸素を被処理水１６に溶存させる目的に特化した設計が可能である。よって、活性汚泥１８に対する溶存酸素の供給は高効率の微細な空気泡による散気のみで行うことになるので、散気に必要な電力を削減することができる。
さらに、処理水の透過水量に応じて被処理水１６の流速を変化させることが可能なので、従来の常に散気を続ける場合とは異なり省電力化が可能である。

また生物処理に必要な散気によって発生した被処理水１６及び活性汚泥１８の上昇流によって形成される下降流によって分離膜表面に付着した活性汚泥１８の洗浄に必要な活性汚泥流速を与えるようにしているため、従来のような洗浄用の散気手段を設ける必要がない。

ところで本発明者は、分離膜面上の被処理水の速度に対する分離膜の単位時間・単位面積当たりの処理水の膜分離水量を調査した。図３は汚泥流速と膜透過水量の関係を示すグラフである。同図の横軸は膜面汚泥速度（ｍ／ｓ）を示し、縦軸は平均Ｆｌｕｘ（ｍ／ｄ）を示している。図示のように、膜面汚泥速度を上げていくほど、平均Ｆｌｕｘが上昇、すなわちろ過水量が上昇するため、速度を早くすると、活性汚泥の分離膜への堆積が抑制される、または堆積された分離膜が被処理水の早い流速により剥ぎ取られたものと解釈することができる。

図４は膜分離式活性汚泥処理装置の変形例１の構成概略を示す図である。変形例１の膜分離式活性汚泥処理装置１０Ａの構成と、図１に示す膜分離式活性汚泥処理装置１０と異なる構成は、散気手段の構成である。その他の構成は図１の膜分離式活性汚泥処理装置１０と同一の構成であり、その詳細な説明を省略する。

図４に示すように、変形例１の膜分離式活性汚泥処理装置１０Ａの散気手段２０Ａは、微細空気散気部２６と粗大空気散気部２８とから構成されている。微細空気散気部２６と粗大空気散気部２８はそれぞれ配管を介してブロア２２を接続させている。

微細空気散気部２６は、酸素溶解効率の高い微細散気が可能な構成である。一方、粗大空気散気部２８は、前記微細空気散気部２６による散気気泡よりも大きい気泡（空気）を散気可能な構成である。また粗大空気散気部２８は、微細空気散気部２６よりも好気槽１２内の分離壁５０の側方に形成している。

このような変形例１の構成によれば、分離壁５０の側方下部に粗大気泡を散気可能な粗大空気散気部２８を配置しているので、粗大気泡による上昇流速が高まり、エアリフト効果が増して、被処理水１６及び活性汚泥１８の上昇流による下降流の下降流速を増大させることができる。よって分離膜に活性汚泥が堆積することを抑制するのみならず、分離膜に堆積した活性汚泥を被処理水が剥ぎ取り易くなる。

図５は膜分離式活性汚泥処理装置の変形例２の構成概略を示す図である。変形例２の膜分離式活性汚泥処理装置１０Ｂの構成と、図４に示す膜分離式活性汚泥処理装置１０Ａと異なる構成は、散気手段の構成である。その他の構成は膜分離式活性汚泥処理装置１０と同一の構成であり、その詳細な説明を省略する。

図５に示すように、変形例２の膜分離式活性汚泥処理装置１０Ｂの散気手段２０Ｂは、微細空気散気部２６と粗大空気散気部２８に加えて、膜分離手段３０の下方となる好気槽１２の底部に第２の粗大空気散気部２９を取り付けている。第２の粗大空気散気部２９も微細空気散気部２６と同様に配管を介してブロア２２に接続させている。

このような変形例１の構成によれば、膜分離手段３０によるろ過停止時に、膜分離手段３０下部に設置した第２の粗大気泡散気部２９による散気を実施し、膜分離手段３０に対し上昇流を形成して分離膜に付着した活性汚泥１８を洗浄することができる。

１０………膜分離式活性汚泥処理装置、１２………好気槽、１４………流入管、１６………被処理水、１８………活性汚泥、２０………散気手段、２２………ブロア、２４………散気管、２６………微細空気散気部、２８………粗大空気散気部、２９………第２の粗大空気散気部、３０………膜分離手段、３２………平膜、３８………上方開口、３９………下方開口、５０………分離壁、５２………上部開口、５４………下部開口、１００………膜分離式活性汚泥吸引装置、１０２………好気槽、１０４………膜分離手段、１０６………散気手段、１０８………被処理水、１０９………活性汚泥。

Claims (4)

1. 槽内に保持した活性汚泥によって被処理水を生物学的に好気処理する好気槽と、
   前記好気槽内に浸漬された膜分離手段と、
   前記好気処理に必要な空気を供給する散気による前記好気槽内の上昇流から前記膜分離手段の膜間を上方から下方へ流れる下降流を形成させる散気手段と、
   を備えたことを特徴とする膜分離式活性汚泥処理装置。
2. 槽内に保持した活性汚泥によって被処理水を生物学的に好気処理する好気槽と、
   前記好気処理に必要な空気を供給する散気手段と、
   前記好気槽内に浸漬された膜分離手段と、
   を備えた膜分離式活性汚泥処理装置において、
   前記好気槽内で前記膜分離手段と前記散気手段を垂直方向に区分けする分離壁を形成し、
   前記分離壁には、
   前記散気手段の散気によって生じた上昇流により、前記膜分離手段側の被処理水が前記散気手段側へ吸い込まれる下部開口と、
   前記下部開口からの被処理水の排出によって前記散気手段側から前記上昇流が前記膜分離手段側に下降流として流れ込む上部開口と、
   を設けたことを特徴とする膜分離式活性汚泥処理装置。
3. 前記散気手段は、微細空気散気部と粗大空気散気部からなり、前記分離壁の側方に前記粗大空気散気部を形成したことを特徴とする請求項２に記載の膜分離式活性汚泥処理装置。
4. 好気槽に散気手段を備え、前記好気槽に保持した活性汚泥によって好気処理した後、処理水を膜分離手段によって膜分離する膜分離式活性汚泥処理方法であって、
   前記好気槽内の前記膜分離手段と前記散気手段を区分けして、
   前記散気手段の散気によって好気槽内に上昇流を発生させて、
   前記上昇流を前記膜分離手段の上部から流入させて、
   膜間を下降させて、前記膜分離手段の下部から排出し還流させることを特徴とする膜分離式活性汚泥処理方法。

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