JP5743095B2

JP5743095B2 - 膜分離活性汚泥装置

Info

Publication number: JP5743095B2
Application number: JP2011246509A
Authority: JP
Inventors: 洋平冨田; 渕上　浩司; 浩司渕上; 辻　猛志; 猛志辻; 秀明野間; 山本　勝一郎; 勝一郎山本
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: JP2012176396A

Description

本発明は、下水や工場排水の処理に用いられる膜分離活性汚泥装置に関する。

活性汚泥装置は種々のものが知られているが、そのなかに、活性汚泥処理槽内に膜分離装置を備えたものがある（例えば、特許文献１）。これは、活性汚泥処理を行いながら処理水を膜で分離して抜き出すものであり、例えば、図７に示すように、活性汚泥処理槽１に膜分離装置２と、散気装置３、３‘を設けて、この散気によって、活性汚泥菌への酸素の供給と気泡による膜面の洗浄を行っている。

特開２００４−３３７７８７号公報

通常、膜の洗浄は、常時膜の直下よりスクラビング（散気）して行っており、洗浄効果を高めるために粗大気泡（気泡径１〜１０ｍｍ）が専ら用いられる。散気は、膜の洗浄のほかに活性汚泥への酸素供給を目的としているが、酸素溶解効率が、微細気泡による散気の場合２０％程度であるのに比べて、粗大気泡の場合は１０％程度と低い。よって、多くの場合には膜洗浄に必要なスクラビングだけでは活性汚泥の酸素供給をまかなうことができず、別途微細気泡による散気を行っており、ブロワの電力消費量が多くなる。通常、膜分離活性汚泥法の電力消費量は０．８ｋＷｈ／ｍ^３程度であり、標準活性汚泥法の値に比べてきわめて大きく運転費がかさむ。

本発明の目的は、膜の洗浄と酸素供給を効率よく行って、電力消費量を節減できる膜分離活性汚泥装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、機械力を用いて水流を形成し、これを膜面に当てることによって、微細気泡を用いながら膜面を効率よく洗浄できるようにして、このような目的を達成したものである。

すなわち、本発明は、活性汚泥処理槽内に、浸透型膜分離装置と、活性汚泥への酸素供給と前記膜分離装置の膜の洗浄を兼ねた散気装置と、前記膜の面に向けた水流を形成する水流形成装置を備えた膜分離活性汚泥装置を提供するものである。

本発明者らは、上記装置において、膜モジュールにおける水流速が０．１〜１．０ｍ／ｓであることが好ましく、また、この流速を低動力で発生させるために、機械力として旋回機構付プロペラ式水中攪拌機又は水流ポンプの使用が有効であることも見出した。また、膜分離装置を複数の膜ユニットとして、それぞれに短時間水流を供給するだけでも充分な膜洗浄効果が得られることを見出した。さらに散気を間欠的に行うことによって膜表面のせん断力を増大させ、膜の洗浄効果を高めることができることも見出した。

従って、本発明は、上記装置において、水流形成装置が旋回機構付プロペラ式水中攪拌機である装置、水流形成装置が水流ポンプである装置、これらの水流形成装置によって形成される水流速が膜モジュール内において０．１〜１．０ｍ／ｓである装置、および散気装置が間欠運転可能である装置をも提供するものである。

本発明は、また、水流ポンプを用いた上記装置において、浸透型膜分離装置が複数の膜ユニットからなり、かつ、前記膜ユニットが、各々の下部に散気装置と上向きの水流吐出口を備え、水流ポンプより前記水流吐出口への水供給配管に各膜ユニット毎の自動開閉弁が設けられ、１または複数の水流吐出口毎に順次切替えて水供給を可能とされている装置をも提供するものである。

本発明により、電力消費量を大きく節減して、活性汚泥処理コストを低下させることができる。

本発明の装置の一例の概略構成を示す側面断面図である。本発明の装置の別の例の概略構成を示す側面断面図である。本発明の装置のさらに別の例の概略構成を示す側面断面図である。図３の装置を平面で示した図である。膜面を洗浄できる流速を測定した装置の構成を示す図である。図５の装置で測定した膜間差圧の経時変化を示すグラフである。従来の装置の概略構成を示す側面断面図である。

本発明の装置の本体である活性汚泥処理槽は、活性汚泥を収容して水処理を行なわせる槽であり、形状は、円筒形等種々の形態をとりうるが、通常は箱型である。

この活性汚泥処理槽内には膜分離装置を設ける。膜は、活性汚泥と処理水を分離するもので、膜の孔径に関しては精密濾過膜あるいは限外濾過膜を適用することができる。膜の形状は、平膜タイプ、中空糸タイプ、チューブラータイプ等を用いることができ、膜の透過流束と処理水量を基に適切な面積の膜を設置する。膜の配置は、通常は水流および気泡流を妨げないように互いに平行とする。

散気装置は、気泡を噴出させて、活性汚泥への酸素供給と膜分離装置の膜の洗浄を行うものである。構造は、基本的に通常の散気装置と同様でよく、箱や管などの形をしたマニホールドに多数の空気噴出口を設けたものである。空気噴出口は、微細孔でよく、ノズルを取付けてもよい。空気噴出口の口径は、酸素溶解効率を高くするために微細気泡を形成するように定められ、気泡の径は０．５〜４ｍｍ程度、特に０．５〜１．０ｍｍ程度とするのがよい。気泡径が過大では十分な酸素溶解効率が得られず、過小では散気装置の圧力損失が高く、安定した運転を行うことが困難である。０．５〜１．０ｍｍの気泡径であれば、３０〜４０％の酸素溶解効率が得られるため、好適である。この気泡径では気泡による膜洗浄効果は十分には得られないが、後述する水流による洗浄を併用するため、膜の運転には特に支障は無い。

散気風量に関しては、粗大気泡と微細気泡を散気する既存方式では、膜の洗浄に必要な粗大気泡の風量が、膜投影面積から決定され、その際の酸素溶解効率から算出される酸素供給量と活性汚泥の必要酸素量との差分から、微細気泡の風量が決定される。本発明の方式では、微細気泡だけを用いて散気を行うが、その風量は活性汚泥の必要酸素量から決定される。ただし、微細気泡だけでは膜洗浄に必要なせん断力が得られないために、別途機械攪拌力による水流を与え、膜洗浄に必要なせん断力を確保する。

また、一定流ではなく流速に変化をつけることが洗浄効果の観点から好ましく、散気を間欠流とすることによってこの効果が得られる。間欠流とする機構については、エアライン電磁弁のタイマーによる開閉制御が考えられるが、別途エアラインに蓄気室を設け、蓄気室の吐出口が一定圧力以上で開放するような機構とすることによっても、簡易に実現することができる。開放間隔は１〜３０回／分程度、好ましくは、５〜１５回／分程度とするのがよい。開放間隔が過小では膜の目詰まりが進行する。

水流形成装置は、機械力によって水流を形成するものであり、攪拌機や水中ポンプを設置する方法があるが、旋回機構付プロペラ式水中攪拌機を用いると、攪拌機が旋回するため、膜の全面に均等に水流を当てることができるため好適である。膜面部の流速を０．１ｍ／ｓ以上とすることによって、洗浄効果が得られるが、好ましくは０．２〜０．５ｍ／ｓである。

膜面を洗浄できる流速を調べた装置の構成を図５に示す。この装置は、１本の中空糸を透明塩ビ筒内に筒長方向に設置した膜分離装置と、活性汚泥槽からなり、活性汚泥槽の底部からは透明塩ビ筒の下部へ液を送るチューブが接続され、透明塩ビ筒の上部からは活性汚泥層の上面に液を戻すチューブが接続されて、活性汚泥槽内液の循環ラインが形成されている。この循環ラインの途中には循環ポンプ、圧力計、流量計および流量調整弁が設けられている。中空系の下部は、透明塩ビ筒の下端を突き抜けており、そこには吸引ポンプと圧力計が取り付けられている。中空系の下端の下には中空糸で濾過された液を受けるビーカが配置されている。この装置を用いて流速を０．２５ｍ／ｓ、０．４ｍ／ｓ、０．５５ｍ／ｓに変えて膜間差圧の経時変化を調べた結果を図６に示す。同図に示すように、流速が０．２５ｍ／ｓと０．４ｍ／ｓでは膜間差圧が時間と共に上昇して目詰まりを生じているが、流速が０．５５ｍ／ｓでは膜間差圧がほぼ一定で充分に洗浄が行われていることを示している。その結果、膜面を流れる流速が０．５ｍ／ｓ以上であれば充分に洗浄効果があることがわかった。

水流を膜面に当てる角度はできるだけ浅いことが好ましく、０〜４５度程度が適当である。活性汚泥処理槽に垂直に配置した膜において、槽全体に旋回流を生じさせると、効率的に膜面に平行な水流を生じることができる。

水流形成装置として、水流ポンプも本発明の装置に有効である。水流ポンプは、水流を膜面に当てることによって微細気泡を用いながら膜面を効率よく洗浄するものであり、水流の吐出口は膜の下部から垂直に上向きとして膜面と平行な水流を形成するようにすることが好ましい。全ての膜の下から水流を吐出させるようにすれば、部分的に水流の弱いところがなくなり、膜全体を効率よく水流洗浄することができる。この水流ポンプは、活性汚泥も強制的に槽内循環させる作用も発揮する。水流ポンプの位置は槽内外を問わない。

また、ポンプにタイマーを接続して水流ポンプの作動をコントロールできるようにすることができる。例えば、膜からの処理水の吸引を一定時間毎に停止させて、その停止期間中に水流ポンプを作動させて効率よく水流洗浄を行うこともできる。このタイムスケジュールは適宜定めることができるが、例えば、処理水の吸引を５〜６０分行って３０秒〜５分間吸引を停止し、その間に水流ポンプを作動させて水流洗浄を行う。

本発明の装置においては、一つの膜分離装置を１ユニットとして複数の膜ユニットを設けることができる。そして、各膜ユニットの下部に散気装置と上向きの水流吐出口を設け、水流ポンプより前記水流吐出口への水供給配管に各膜ユニット毎の自動開閉弁を、１または複数の水流吐出口毎に順次切り替えて水を供給できるようにする。これは、本発明者が、膜面の洗浄は、洗浄の全時間水流を流す必要はなく、短時間の水流供給を間欠的に行なっても充分な膜面洗浄を達成できることを見出したことによるものである。各膜分離装置毎に適切な運転条件が異なるので実験でこれを求めるのがよい。適切な運転条件は膜面差圧の経時変化を調べることで設定でき、電力費などの運転コストも考慮して定める。一般的には水流を長時間にわたって停止するのは好ましくなく、水流の停止時間は３０秒〜５分間程度とし、それに対して各膜ユニット毎の適切な水流供給時間を定めるのがよい。

こうして定めた１回の水流供給時間で各膜ユニットに順次水流を供給し、全膜ユニットについて水流供給が終了する時間を１サイクルとし、吸引ポンプの停止時間中に１〜５サイクル程度の水流洗浄を実施する。

この方式により、１台のポンプで複数の膜ユニットの洗浄を担当させることができ、電力をさらに節減することができる。

活性汚泥処理槽には、その外、溶存酸素濃度計、ｐＨ計、温度計などが適宜設けられる。

本発明の一実施態様である膜分離活性汚泥装置の概略構成を図１に示す。

この装置の活性汚泥処理槽１は箱型で、内部は邪魔板６で２つの領域に区分され、その一方に膜分離装置２と散気装置３が、そして他方には水流形成装置４が設置されている。

膜分離装置２は中空糸タイプの膜を垂直に多数配置したもので、上下端が集水部に接続されており、吸引ポンプ８によってろ液を得られる。膜の孔径は０．０１〜１μｍ程度の範囲である場合が多く、特に０．０２〜０．５μｍの範囲にあるものが清澄な処理水質が得られて経済的な透過水流束が得られるために多く用いられる。

散気装置３は、平板や直管形状であり、表面はゴムや金属板、あるいはセラミック焼結体等で構成され、気泡放出用の細孔が多数形成されている。この細孔から放出される気泡は散気面直上部で径が１．５ｍｍ程度である。各直管は連結管で連結され、槽外のブロワ５に接続されている。

水流形成装置４は、旋回機構付プロペラ式水中攪拌機が用いられている。この攪拌機は処理槽の上方に設置された駆動装置の動力を槽下部に設置されたプロペラに伝達する軸の回転に伴い、プロペラが左右に旋回する機構を備えた攪拌機である。この攪拌機によって形成される水流が活性汚泥処理槽内で旋回流を形成するとともに、膜設置部では上昇流となるように、処理槽１の膜分離装置と反対側の側面下部に取付けられている。本設備構成によって、膜表面の上向きの流速は最大値で０．４ｍ／ｓとすることができた。また、本装置では散気装置の空気供給部に圧力弁を設けることによって、散気を間欠的に実施した。

図７の装置で粗大気泡を散気して膜表面の汚泥を剥離しながら、下水を用いて通水実験したところ、単位処理水量当りの所要動力は０．８０ｋＷｈ／ｍ^３であった。一方、同じ膜分離装置でありながら、本発明の装置では散気動力が０．５１ｋＷｈ／ｍ^３、攪拌機動力が０．０４ｋＷｈ／ｍ^３と合計で０．５５ｋＷｈ／ｍ^３に減少させることができた。

本発明の別の実施態様である膜分離活性汚泥装置の概略構成を図２に示す。

この装置は、水流形成装置４に水流ポンプを用いた以外は実施例１と同じである。ただし、邪魔板は無いケースもある。邪魔板を設置する目的は同じで、旋回流を作ることで、膜面に対し上向流を作る、または、上向流の流速を上げることである。

水流ポンプ４は活性汚泥処理槽１の槽外に取付けて、活性汚泥処理槽１の底部に引抜配管が接続され、一方、散気装置３と膜分離装置２の間には膜分離装置２の直下に水流を吹出する配管が設けられている。この配管は途中で多管に分岐され、それぞれに多数のノズルが上方に向けて垂直に膜全体を水流洗浄できるように均等に配置されている。

この実施例２の水流ポンプを用いた場合と、実施例１のプロペラ攪拌機を用いた場合と、従来の散気洗浄を行った場合の、下水１ｍ^３を処理するための動力を比較した結果を表１に示す。

本発明の別の実施態様である膜分離活性汚泥装置の概略構成を図３に側面断面図で、図４に平面図で示す。

この装置は、膜ユニット２１が８基配置され、各々の下部には散気装置３と上向きの水流吐出口４１を有する水流形成装置４を設けられ、各散気装置３は連結されて槽外のブロワ５に接続されている。各水流形成装置４は、いずれも自動開閉弁４３を介して水流洗浄ポンプに接続されている。４２は水流洗浄ポンプと水流吐出口４１を結ぶ水供給管である。各自動開閉弁はコンピュータ（図示されていない）によってその開閉が自動制御されている。処理される原水は原水ポンプ７によって活性汚泥処理槽１に投入されて活性汚泥処理され、処理水は吸引ポンプ８で吸引されて膜を通過して系外に出される。そして、各膜ユニット２１はコンピュータの指令によって自動開閉弁４３が開閉して洗浄水流の供給、停止を行う。この自動開閉弁４３の開閉は、膜洗浄中は、いずれか１つのみの自動開閉弁４３が開いており、水流は１基のポンプで供給されるようになっている。吸引ポンプにはタイマー４４が接続されており、これにより、処理水の吸引を一定時間ごとに停止させて、その停止期間中に水流ポンプを作動させて水流洗浄を効率よく行うことができる。

図５に示す装置を用い、ＭＦ膜とＵＦ膜について、洗浄水流量と洗浄水流の供給時間と停止時間を変えて膜間差圧の変化を測定した結果を表２、表３、に示す。

表２の結果から、１分運転−７分停止では膜間差圧が上昇し、２分運転−６分停止の条件から徐々に膜表面にケーキが堆積して洗浄が不十分になっていたことが分かる。０．８ｍ^３／分で１０秒運転−５０秒停止が最も好ましかった。

この経験から、水流量を０．８ｍ^３／分とし、運転時間を１０〜３０秒とし、停止時間を１０５〜１６０秒にして膜間差圧の変化を調べた結果を表３に示す。

この結果、１５秒運転−１０５秒停止で膜面を洗浄でき、これにより、１台のポンプで８基の膜ユニットの洗浄を担当させることができることが分かった。

本発明により、活性汚泥処理に使用する電力を大幅に節減することができるので、膜分離活性汚泥処理設備に広く利用できる。

１活性汚泥処理槽
２浸透型膜分離装置
２１膜ユニット
３、３‘ 散気装置
４水流形成装置
４１水流吐出口
４２水供給管
４３自動開閉弁
４４タイマー
５、５‘ ブロワ
６邪魔板
７原水ポンプ
８吸引ポンプ

Claims

活性汚泥処理槽内に、浸透型膜分離装置と、活性汚泥への酸素供給と前記膜分離装置の膜の洗浄を兼ねた散気装置と、前記膜の面に向けた水流を形成する水流形成装置を備えた膜分離活性汚泥装置であって、前記水流形成装置が、前記活性汚泥処理槽を２つの領域に区分する邪魔板を挟んで前記浸透型膜分離装置と反対側の槽側面下部に取り付けられた旋回機構付プロペラ式水中撹拌機であることを特徴とする膜分離活性汚泥装置。
活性汚泥処理槽内に、浸透型膜分離装置と、活性汚泥への酸素供給と前記膜分離装置の膜の洗浄を兼ねた散気装置と、前記膜の面に向けた水流を形成する水流形成装置を備えた膜分離活性汚泥装置であって、前記浸透型膜分離装置が複数の膜ユニットからなり、前記水流形成装置が、前記膜ユニットの各々の下部に散気装置とともに設けられた上向きの水流吐出口とそれに水を送る水流ポンプであり、かつ、前記水流ポンプより前記水流吐出口への水供給配管に各膜ユニット毎の自動開閉弁が設けられ、１または複数の水流吐出口毎に順次切替えて水供給を可能とされていることを特徴とする膜分離活性汚泥装置。
前記散気装置と前記水流形成装置によって形成される水の流速が膜モジュール内において０．１〜１．０ｍ／ｓであること特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の膜分離活性汚泥装置。
前記散気装置が間欠運転であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の膜分離活性汚泥装置。