以下、本発明を詳細かつ具体的に説明する。
本発明は、少なくとも分離膜、および該分離膜の表面を洗浄する洗浄手段を有する膜ろ過装置を用いて、被ろ過液を前記分離膜によりろ過し、ろ過と同時または逐次的に前記分離膜の表面の洗浄を行う膜ろ過装置の運転条件の決定方法に関するものである。本発明において、分離膜の表面を洗浄する洗浄手段としては、分離膜表面を曝気すること、被ろ過液を流動させること、分離膜を移動させること、分離膜を振動させることなどがあり、分離膜表面に付着している物質を取り除く効果のあるものなら、特にその形態は限定しないが、分離膜表面を曝気する場合には、曝気に伴い被ろ過液が流動するだけでなく、気泡が膜表面に接触するため、分離膜表面に付着している物質が分離膜表面から剥離される効果が大きい。また、分離膜の洗浄を分離膜の下部から曝気することによって行う場合、前記曝気が分離膜の洗浄だけではなく、被ろ過液への酸素供給をも目的とする場合がある。そのような場合には、必要十分量の曝気風量を決定することが重要となるが、その決定方法として、後述のように決定される分離膜の洗浄に必要な曝気風量と酸素供給に必要な曝気風量とで大きい値の曝気風量を曝気風量の適正値として決定する方法や、後述のように決定される分離膜の洗浄に必要な曝気風量に対して酸素供給に必要な曝気風量が大きい場合には、両者の差分の曝気風量を予め別途設置しておいた曝気装置によって補う方法などがある。
また、本発明において被ろ過液とは、懸濁物質を含有するものであり、特に限定しないが、例えば、微生物を含む液体の場合には、一般的に被ろ過液の中には物質としての微生物と微生物の代謝産物が比較的高濃度で存在するため、被ろ過液を膜ろ過した際の抵抗などの変動を予測することが困難となるが、本発明に従えば、被ろ過液を膜ろ過した際の抵抗などの変動を予測することが可能となり、被ろ過液を膜ろ過する膜ろ過装置における洗浄手段の動力値を精度よく決定することが可能となると言う点で、微生物培養液や活性汚泥などの微生物を含む液体であることが好ましい。また、被ろ過液に含まれる懸濁物質の濃度が大きいときに、膜表面の洗浄による膜付着物質の剥離が特に重要となるため、本発明では、懸濁物質の濃度が100mg/L以上の被ろ過液が好ましい。
また、本発明において分離膜とは、被ろ過液に圧力を加えて、もしくは透過側から吸引することによって、被ろ過液中に含まれる一定粒子径以上の物質を捕捉する機能を有するものであり、その捕捉粒子径の違いにより、ダイナミックろ過膜、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などがある。本発明で用いられる分離膜としては、好ましくは、ダイナミックろ過膜、精密ろ過膜、限外ろ過膜である。
また、分離膜の形状としては、平膜や中空糸膜などがあるが、形状は特に限定しない。また、本発明の膜ろ過方法および装置には、分離膜を被ろ過液に浸漬させることを特徴とする浸漬型の膜ろ過方法および装置、分離膜を収容した容器に被ろ過液を送液しながら膜ろ過することを特徴とするクロスフロー型の膜ろ過方法および装置、分離膜の全てまたは一部を被ろ過液に浸漬させ分離膜を回転させることを特徴とする回転型の膜ろ過方法および装置などがある。すなわち、本発明に好ましく適用できる方法および装置として、下水や工場排水や屎尿などの処理に利用される膜分離式活性汚泥法、膜分離工程を含む微生物学的物質生産プロセスなどがある。
本発明は、少なくとも分離膜、および該分離膜の表面を洗浄する洗浄手段を有する膜ろ過装置を用いて、被ろ過液を前記分離膜によりろ過し、ろ過と同時または逐次的に前記分離膜の表面の洗浄を行う膜ろ過装置の運転条件の決定方法であって、被ろ過液の構成成分の種類および構成成分量の時系列的変化を表すデータ、および、膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータから、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、あるいは膜抵抗の変動を予測し、前記予測結果に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定することを含む膜ろ過装置の運転条件の決定方法(図1参照)、あるいは、少なくとも分離膜、および該分離膜の表面を洗浄する洗浄手段を有する膜ろ過装置を用いて、被ろ過液を前記分離膜によりろ過し、ろ過と同時または逐次的に前記分離膜の表面の洗浄を行う膜ろ過装置の運転条件の決定方法であって、被ろ過液の構成成分の種類および構成成分量の時系列的変化を表すデータ、および、膜ろ過圧力の時系列的変化を表すデータから、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは膜抵抗の変動を予測し、前記予測結果に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定することを含む膜ろ過装置の運転条件の決定方法(図2参照)である。
ここにおいて、被ろ過液の構成成分は、被ろ過液を構成する成分のことであり、例えば、遠心分離、ろ紙によるろ過、分離膜によるろ過などによって被ろ過液を分画し、その画分となる液体を構成成分とすることができる。また、本発明では、被ろ過液の構成成分の種類として、上清成分あるいは固形成分を利用することが好ましく、上清成分と固形成分を利用することがさらに好ましく、上清成分と固形成分と溶解成分を利用することが最も好ましい。ここで、上清成分は、例えば、被ろ過液を遠心分離したときの遠心上清、前記膜ろ過装置における分離膜より孔径の大きい分離膜(例えば、前記膜ろ過装置における分離膜として精密ろ過膜や限外ろ過膜などを用いた場合にはろ紙など)を用いて被ろ過液をろ過したときのろ過液などとすることができ、また、固形成分は、例えば、被ろ過液を遠心分離したときの沈殿物、前記膜ろ過装置における分離膜より孔径の大きい分離膜(例えば、前記膜ろ過装置における分離膜として精密ろ過膜や限外ろ過膜などを用いた場合にはろ紙など)を用いて被ろ過液をろ過したときの非膜ろ過液物とすることができる。また、溶解成分は、膜ろ過装置における分離膜、あるいは、前記分離膜と同じ素材の分離膜からの透過液とすることが好ましい。また、被ろ過液の構成成分量とは、前記構成成分中に含まれる溶解物質や懸濁物質などの物質量のことであり、例えば、全有機炭素量(TOC)、化学的酸素要求量(COD)、生物化学的酸素要求量(BOD)、細胞外高分子物質量(EPS)、浮遊固形物濃度(MLSS)、乾燥重量、浮遊固形物強熱減量(MLVSS)などによって測定することができる。本発明では、測定の容易性・精度・自動化を鑑みた場合、TOCに基づいて測定された物質量で規定することを推奨する。
また、本発明では、上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量を構成成分量として用いること、あるいは、固形成分の物質量を構成成分量として用いることが好ましく、上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量、および、固形成分の物質量を構成成分量として用いることがさらに好ましい。被ろ過液の上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量、および、固形成分の物質量は、実際に膜を透過することができずに、膜表面に付着することによって抵抗に寄与する物質量であるためである。特に、被ろ過液を膜ろ過する際には、被ろ過液の上清成分の中で膜ろ過装置における分離膜を透過しない物質(その物質量は、上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量として表現される)が膜に付着し、膜抵抗を主として形成していることが多く、被ろ過液の構成成分量として、上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量を用いることによって、より精度良く、分離膜に付着している被ろ過液の構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜抵抗の値の変化を予測することが可能となる。また、被ろ過液の構成成分量として固形成分量のみを用いることによって、被ろ過液全体を包括的かつ容易に定義することができる。また、被ろ過液の固形成分に含まれる物質は、膜に付着すれば抵抗に寄与し、また、前記上清成分の中で膜ろ過装置における分離膜を透過しない物質と比較して膜から剥離しやすいため、膜に付着した前記上清成分の中で膜ろ過装置における分離膜を透過しない物質を巻き込んでともに剥離する効果がある。従って、上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量、および、固形成分の物質量を構成成分量として用いることによって、分離膜に付着している被ろ過液の構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜抵抗の値の変化を予測する際に、上記現象を再現することが可能となる。
また、被ろ過液の構成成分量の時系列的変化を表すデータとは、任意の時間に対する被ろ過液の構成成分量の値を時系列的に組み合わせたものであり、経時的に被ろ過液の構成成分量の値が変動してもよいが、変動せずに一定でも構わない。
また、膜ろ過流量とは、膜から得られる透過液の流量である。また、膜ろ過流量の値を膜面積で除したものが膜ろ過流束である(即ち、膜ろ過流束とは、前記分離膜の単位面積あたりの膜ろ過流量である。)。膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータとは、任意の時間に対する膜ろ過流量の値を時系列的に組み合わせたものであり、経時的に膜ろ過流量の値が変動してもよいが、変動せずに一定でも構わない。また、膜ろ過流量の値を膜ろ過流束に換算し、膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータを膜ろ過流束の時系列的変化を表すデータに置き換えても構わない。
また、膜ろ過圧力とは、分離膜の被ろ過液側の圧力と透過液側の圧力との差として算出されるものであり、ポンプによって加圧あるいは吸引することによって膜ろ過液を得る場合には加圧や吸引圧など、サイフォンの原理を利用して膜ろ過液を得る場合には水頭差などから算出することができる。膜ろ過圧力の時系列的変化を表すデータとは、任意の時間に対する膜ろ過圧力の値を時系列的に組み合わせたものであり、経時的に膜ろ過圧力の値が変動してもよいが、変動せずに一定でも構わない。
また、分離膜に付着している構成成分量とは、膜表面に付着している前記被ろ過液の構成成分に含まれる物質量である。ここで、被ろ過液の構成成分量として2種類以上の物質量(例えば、上清成分の物質量と溶解成分の物質量との差分量と、固形成分の物質量など)を用いる場合には、それぞれの種類の構成成分について、分離膜に付着している構成成分量を意味する。
また、膜抵抗とは、被ろ過液を膜によってろ過する際に発生する抵抗のことであり、一般的に、(1)式によって定義される。
ここで、ΔPは膜ろ過圧力[Pa]、μは膜ろ過液の粘度[Pa・s]、Rは膜抵抗[1/m]、Jは膜ろ過流束[m/s]である。ここで、μは膜ろ過液の粘度を直接測定してもよいが、(2)式に従い、温度から換算してもよい。
ここで、F=0.01257187、B=−0.005806436、C=0.001130911、D=−0.000005723952であり、Tは絶対温度[K]である。すなわち、摂氏温度をσ[℃]とすると、T=σ+273.15として表される。
本発明では、被ろ過液の構成成分の種類および構成成分量の時系列的変化を表すデータ、および、膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータから、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、あるいは膜抵抗の値の変動を予測(以下、予測ステップ1とする)、あるいは、被ろ過液の構成成分の種類および構成成分量の時系列的変化を表すデータ、および、膜ろ過圧力の時系列的変化を表すデータから、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは膜抵抗の値の変動を予測(以下、予測ステップ2とする)する。
ここで、予測とは、インプットとなる時系列的変化を表すデータ(即ち、予測ステップ1の場合は、被ろ過液の構成成分の種類および構成成分量の時系列的変化を表すデータ、および、膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータであり、予測ステップ2の場合は、被ろ過液の構成成分の種類および構成成分量の時系列的変化を表すデータ、および、膜ろ過圧力の時系列的変化を表すデータである。)から、対象とする変動(即ち、予測ステップ1の場合は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、あるいは膜抵抗の値の変動であり、予測ステップ2の場合は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは膜抵抗の値の変動である。)をアウトプットとして出力することである。前記、予測ステップ1あるいは予測ステップ2の手段としては、ニューラルネットなどを利用して実データを学習させた結果に基づいて予測する方法、入力されたデータの関数として膜抵抗の値や膜ろ過圧力の値の変化を表現する方法があるが、本発明においては、前記被ろ過液の構成成分量の時系列的変化を表すデータ、膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータ、あるいは、膜ろ過圧力の時系列的変化を表すデータに基づいて、前記分離膜に付着している構成成分量の値を計算する計算ステップ100を含む予測方法であることが好ましい。このことにより、予測ステップ1の場合は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、あるいは膜抵抗の値の変動を、予測ステップ2の場合は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは膜抵抗の値の変動を、より精度良く予測することが可能となる。
また、前記計算ステップ100が、前記分離膜に付着した構成成分量の変化量を、前記被ろ過液の構成成分に含まれる物質が分離膜に付着する速度と剥離する速度との差として表現される計算式に基づいて計算される計算ステップ101であることがさらに好ましい。このことにより、分離膜に付着している構成成分量の変化量を計算することができ、それによって、任意の時間tiの分離膜に付着している構成成分量の値があれば、一定時間後のti+1における分離膜に付着している構成成分量の値が計算できる。さらに、膜ろ過流量の値や膜ろ過流束の値や膜ろ過圧力の値が一定でなく変動している場合などについても、被ろ過液の構成成分の膜付着量の変動を計算することが可能となる。また、前記被ろ過液の構成成分に含まれる物質が前記分離膜から剥離する速度が、前記分離膜に付着している構成成分量の値の2次以上の高次式に基づいて決定されることが、さらに好ましい。このことによって、予測ステップ1の場合は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、あるいは膜抵抗の値の変動を、予測ステップ2の場合は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは膜抵抗の値の変動を、より精度良く予測することが可能となる。
また、前記分離膜に付着している上清成分の物質量の変化量を表現した計算式が、前記分離膜に付着している固形成分の物質量の値を含んでいる、あるいは、前記分離膜に付着している固形成分の物質量の変化量を表現した計算式が、前記分離膜に付着している上清成分の物質量の値を含んでいる計算式であることが最も好ましい。このことによって、分離膜に付着している固形成分に含まれる物質が、膜に付着している上清成分に含まれる非膜透過性の物質を巻き込んでともに剥離する現象(被ろ過液の固形成分は、膜に付着すれば抵抗に寄与し、また上清成分に含まれる非膜透過性の物質と比較して膜から剥離しやすいため)を予測することが可能となり、被ろ過液を膜ろ過する膜ろ過装置における洗浄手段の動力値を精度よく決定することが可能となる。
ここにおいて、前記予測ステップ1および前記予測ステップ2における計算手順として以下のような手順がある。
前記予測ステップ1および前記予測ステップ2は、任意の時刻における膜ろ過流束の値あるいは膜ろ過圧力の値を計算する計算ステップ10、任意の時刻における分離膜に付着している構成成分量の値を計算する計算ステップ20、任意の時刻における膜抵抗の値を計算する計算ステップ30によって構成され、時刻を更新しながら、前記計算ステップ10、前記計算ステップ20、および、前記計算ステップ30を繰り返すことによって、前記予測ステップ1あるいは前記予測ステップ2において、予測対象としている値の時間変化(すなわち、変動)を求めることができる。
ここで、前記計算ステップ10では、前記(1)式に従うことが好ましい。このとき、(1)式を次のような(1’)式に変換してもよい。
ここで、Qは膜ろ過流量[m
3/s]、Aは膜面積[m
2]である。
(1)式あるいは(1’)式を用いることにより、予測ステップ1の場合には任意の時刻における膜ろ過圧力の値を、予測ステップ2の場合には任意の時刻における膜ろ過流量の値あるいは膜ろ過流束の値を計算することができる。
また、計算ステップ20では、上記のように、前記分離膜に付着している構成成分量の変化量を、前記被ろ過液の構成成分に含まれる物質が分離膜に付着する速度と剥離する速度との差として表現される計算式に基づいて計算される計算ステップ101であることが好ましく、前記分離膜に付着している上清成分の物質量の値の変化量を表現した計算式が、前記分離膜に付着している固形成分の物質量の値を含んでいる、あるいは、前記分離膜に付着している固形成分の物質量の値の変化量を表現した計算式が、前記分離膜に付着している上清成分の物質量の値を含んでいる計算式であることがさらに好ましい。このような計算式として、例えば、次の(3)式および(4)式があり、本発明においては、(3)式および(4)式に従うことを推奨する。しかし、本発明の範囲は(3)式及び(4)式に限定されるものではない。
ただし、(τ−λx・ΔP)≧0、(τ−λp・ΔP)≧0である。
ここで、Xは固形成分に含まれる物質量[gC/m3]、Pは上清成分に含まれる非膜透過性物質の物質量[gC/m3]、Xmは単位膜面積あたりの分離膜に付着した固形成分に含まれる物質量[gC/m2]、Pmは単位膜面積あたりの分離膜に付着した上清成分に含まれる非膜透過性物質の物質量[gC/m2]、tは時間[s]、τは膜洗浄力[−]、γxは固形成分に含まれる物質の剥離係数[1/m/s]、γpは上清成分に含まれる非膜透過性物質の剥離係数[1/m/s]、λxは固形成分に含まれる物質の摩擦係数[1/Pa]、λpは上清成分に含まれる非膜透過性物質の摩擦係数[1/Pa]、ηxは固形成分に含まれる物質の密度の逆数[m3/gC]、ηpは上清成分に含まれる非膜透過性物質の密度の逆数[m3/gC]である。ここで、(3)式及び(4)式の右辺の第1項は、構成成分に含まれる物質が分離膜に付着する速度、及び、第2項は、構成成分に含まれる物質が分離膜から剥離する速度を示している。また、(3)式及び(4)式の両辺に膜面積Aを乗ずることによって、(3)式の左辺を分離膜に付着した固形成分に含まれる物質量の変化量、(4)式の左辺を分離膜に付着した上清成分に含まれる非膜透過性物質の物質量の変化量に、右辺の膜ろ過流束Jを膜ろ過流量Qに変換することが可能である。また、後述のように、膜洗浄力τを、洗浄手段の動力値の関数として表現した場合には、その関数をτに代入することによって、(3)式及び(4)式を膜洗浄力ではなく洗浄手段の動力値に関する計算式に変換することが可能である。
また、前記のように、分離膜に付着している構成成分量の変化量を、前記被ろ過液の構成成分に含まれる物質が分離膜に付着する速度と剥離する速度との差として表現される計算式に基づく場合、分離膜に付着した被ろ過液の構成成分量に関する微分方程式として表現されるが、そのとき、この微分方程式を解く方法として、Euler法や、Runge−Kutta法や、Runge−Kutta−Gill(RKG)法などがある。
計算ステップ20を上記のように行うことにより、任意の時刻における分離膜に付着している構成成分量の値を計算することができる。
また、前記計算ステップ30では、例えば、(5)式に従うことにより任意の時刻における膜抵抗の値を計算できる。
ここで、Rmは初期膜抵抗の値[1/m]、αxは前記Xmの単位量あたりの抵抗発生量[m/gC]、αpは前記Pmの単位量あたりの抵抗発生量[m/gC]である。
以上のように、前記計算ステップ10、前記計算ステップ20、および、前記計算ステップ30の3つの計算ステップによって、予測対象の値の変動を計算することができるが、膜抵抗の値の変動のみを予測する場合には、前記計算ステップ10を省略し、前記計算ステップ20および前記計算ステップ30の2つの計算ステップで構成することも可能である。例えば、前記計算ステップ20において、予測ステップ1の場合には、膜ろ過圧力の値を含む計算式(例えば(3)式や(4)式)を用いるとき、前記計算ステップ10において膜ろ過圧力の値の計算のために利用する計算式(例えば(1)式)を、前記計算ステップ20における膜ろ過圧力の値を含む計算式に代入した計算式を前記計算ステップ20に用いることによって、前記膜ろ過圧力の値を計算する計算ステップを省略でき、予測ステップ2の場合には、膜ろ過流量や膜ろ過流束の値を含む計算式(例えば(3)式や(4)式)を用いるとき、前記計算ステップ10において膜ろ過流量や膜ろ過流束の値の計算のために利用する計算式(例えば(1)式)を、前記計算ステップ20における膜ろ過流量や膜ろ過流束の値を含む計算式に代入した計算式を前記計算ステップ20に用いることによって、前記膜ろ過圧力の値を計算する計算ステップを省略できる。同様に、予測ステップ1の場合には膜ろ過圧力の値の変動のみを、予測ステップ2の場合には膜ろ過流量あるいは膜ろ過流束の値の変動のみを予測する場合には、前記計算ステップ30を省略し、前記計算ステップ10および前記計算ステップ20の2つの計算ステップで構成することも可能である。例えば、前記計算ステップ10において、膜ろ過抵抗の値を含む計算式(例えば(1)式)を用いる場合、前記計算ステップ30において膜抵抗の値の計算のために利用する計算式(例えば(5)式)を、前記計算ステップ10における膜抵抗の値を含む計算式に代入した計算式を前記計算ステップ10に用いることによって、前記計算ステップ30を省略できる。上記のように、計算ステップ10あるいは計算ステップ30は適宜省略することが可能であるが、計算ステップ20は省略しないことが推奨される。
また、前記計算ステップ10、前記計算ステップ20、および、前記計算ステップ30では、予め決められた計算式に従って計算するが、それら計算式の中に各計算ステップの説明において記述された値やデータや物質量以外のパラメータが含まれる場合がある。そのような場合、前記各計算ステップにおける計算を行う上でパラメータの値を決定する必要がある。本発明においては、パラメータの値の決定方法は特に限定しないが、膜ろ過装置の分離膜と同じ素材・形状の分離膜を用いて、被ろ過液あるいは被ろ過液の構成成分を実際にろ過し、そのときの膜ろ過圧力の値、膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値、膜抵抗の値の変化を実測または算出し、その結果に基づいてパラメータを推定または決定することが好ましい。これは、前記のようなパラメータの中には、利用する被ろ過液と分離膜の性質によって決定されるものが多く含まれており、前記のようなパラメータの推定・決定方法に従うことによって、前記予測を精度良く行うことが可能となり、被ろ過液を膜ろ過する膜ろ過装置における洗浄手段の動力値を精度よく決定することが可能となるためである。
本発明では、上記のように予測された結果に基づいて、前記洗浄手段の動力値を決定する。かかる洗浄手段の動力値の決定方法としては、仮想的な膜洗浄力の値から、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜抵抗の変動を予測し、前記予測結果に基づいて、前記仮想的な膜洗浄力の値の是非を判断し、前記判断結果において是と判断された前記仮想的な膜洗浄力の値から膜洗浄力の適正値を決定し、前記決定された膜洗浄力の適正値に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定すること、あるいは、仮想的な前記洗浄手段の動力値から、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜抵抗の変動を予測し、前記予測結果に基づいて、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値の是非を判断し、前記判断結果において是と判断された前記仮想的な前記洗浄手段の動力値から前記洗浄手段の動力の適正値を決定し、前記決定された洗浄手段の動力の適正値に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定することが好ましい。
ここにおいて、膜洗浄力とは、膜表面に付着している膜付着物質を剥離させるための応力であり、当該膜洗浄力の値は、膜表面に発生する剪断力の値、膜表面の被ろ過液の流速の値、前記剪断力や前記流速に基づいて算出された値、あるいは、洗浄手段の動力値などに基づいて算出された値とすることが好ましく、また、後述のように、任意の洗浄手段の動力値に対する膜洗浄力の値を、前記計算ステップ100あるいは前記計算ステップ101を含む予測方法によってキャリブレーションされた結果に基づいて決定することによって、膜洗浄力の値と洗浄手段の動力値との関係を求めた結果から決定することも好ましい。このことにより、膜洗浄力を直接的に測定、あるいは、安全率をかけたり、関数として表現したりなど、間接的に算出することが可能となる。
また、洗浄手段の動力値とは、例えば、分離膜の洗浄を分離膜の下部から曝気することによって行うときには、曝気風量や曝気ブロアの出力値などが相当し、分離膜の洗浄を被ろ過液を流動させることによって行うときには、その流動を生じさせるための動力(例えば、液体ポンプによって被ろ過液を流動させる場合には液体ポンプの出力値)などが相当し、分離膜の洗浄を分離膜を移動させることによって行うときには、その移動速度やそのための動力値(例えば、回転ろ過膜の場合には、回転速度やその回転を発生させるためのモーターの出力値)などが相当し、分離膜の洗浄を振動させることによって行うときには、その振動の程度(例えば、周波数)やそのための動力値(例えば、モーターの出力値)などのことである。
また、仮想的な膜洗浄力の値および仮想的な洗浄手段の動力値は、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜抵抗の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜ろ過圧力の変動の予測のために利用することを前提として設定された値である。ここで、仮想的とは、実データに必ずしもよらないことを意味し、最終的に決定される膜洗浄力の適正値や洗浄手段の動力の適正値とは異なったものである可能性があることを前提としていることによる。
また、前記予測結果に基づいて、前記仮想的な膜洗浄力の値の是非、あるいは、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値の是非を判断する方法としては、前記分離膜に付着している構成成分量の値、膜抵抗の値あるいは膜ろ過圧力の値があらかじめ決定された所定値以下、あるいは、膜ろ過流束の値あるいは膜ろ過流量の値があらかじめ決定された所定値以上となったときに、前記仮想的な膜洗浄力の値、あるいは、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値を是と判断することや、前記予測結果において、前記分離膜に付着している構成成分量の値、膜抵抗の値あるいは膜ろ過圧力の値が収束するときに、前記仮想的な膜洗浄力の値、あるいは、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値を是と判断することが好ましい。このことにより、膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値を客観的に決定することができる。
ここにおいて、所定値は、あらかじめ設定しておく必要があるが、その所定値を、膜ろ過圧力を発生させるポンプの出力最大値に基づいて決定する方法、膜ろ過圧力を発生させるポンプのエネルギー消費許容最大値に基づいて決定する方法、膜の寿命や洗浄間隔を増加させるために膜抵抗の値や膜ろ過圧力の値の許容最大値に基づいて決定する方法、あらかじめ計画された膜ろ過流量を満足するために膜ろ過流束の値や膜ろ過流量の値の許容最小値に基づいて決定する方法などが例示される。例えば、所定値を、膜ろ過圧力を発生させるポンプの出力最大値とした場合、膜ろ過条件が非と判断されるときには、当初予定していた膜ろ過液量が獲得できないことになり、膜ろ過条件が是と判断されるときには、予定している膜ろ過液量が獲得できることとなる。
また、本発明においては、前記判断結果において是と判断された前記仮想的な膜洗浄力の値から膜洗浄力の適正値を決定し、あるいは、前記判断結果において是と判断された前記仮想的な前記洗浄手段の動力値から前記洗浄手段の動力の適正値を決定する。膜ろ過の省エネやコスト削減の目的から、洗浄手段の動力値はできるだけ小さい値である方が好ましく、膜洗浄力は洗浄手段の動力値が大きくなればそれに伴い大きくなるため、洗浄手段の動力値と同様に小さい値である方が好ましい。よって、前記判断結果において是と判断される前記仮想的な膜洗浄力の値の中で最小となる仮想的な膜洗浄力の値を膜洗浄力の適正値とすること、および、前記判断結果において是と判断される前記仮想的な洗浄手段の動力値の中で最小となる仮想的な洗浄手段の動力値を洗浄手段の動力の適正値とすることが好ましい。
上記に説明した膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値の決定方法として、例えば、図5に示した方法がある。図5は、本発明を実施するためのフローチャートの一例である。まず、被ろ過液の構成成分量の時系列的な変化を表すデータ、膜ろ過流量の時系列的な変化を表すデータ、および、n通りの任意の仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を準備する。被ろ過液の構成成分量の時系列的な変化を表すデータ、膜ろ過流量の時系列的な変化を表すデータを利用し、仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値には、仮に1番目の値(膜洗浄力1あるいは動力値1とする)を利用する。ここにおいて、予測ステップ1を利用する場合には、これらのデータ及び値に基づいて、予測ステップ1に基づいて分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、あるいは膜抵抗の変動を予測し、その予測結果に基づいて、仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値の是非を判断する。この判断結果を判断結果1とする。同様に、2番目〜n番目までの仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を利用して、予測を行い、その予測結果に基づいて仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値の是非を判断し、判断結果2〜判断結果nを得る。上記のようにして得られた判断結果1〜判断結果nに基づいて、膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値を決定する。ここにおいて、予測ステップ2を利用する場合には、これらのデータ及び値に基づいて、予測ステップ1に基づいて分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動あるいは膜抵抗の変動を予測し、その予測結果に基づいて、仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値の是非を判断する。この判断結果を判断結果1とする。同様に、2番目〜n番目までの仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を利用して、予測を行い、その予測結果に基づいて仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値の是非を判断し、判断結果2〜判断結果nを得る。上記のようにして得られた判断結果1〜判断結果nに基づいて、膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値を決定する。
また、本発明では、前記判断結果において、前記仮想的な膜洗浄力の値を非と判断したときに、前記仮想的な膜洗浄力の値を所定量増加させた後に、再び仮想的な膜洗浄力の値から、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜抵抗の変動を予測し、該予測結果に基づいて、前記所定量増加後の仮想的な膜洗浄力の値の是非を判断すること、および、前記判断結果において、前記仮想的な膜洗浄力の値を是と判断したときに、前記仮想的な膜洗浄力の値を膜洗浄力の適正値とすること、あるいは、前記判断結果において、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値を非と判断したときに、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値を所定量増加させた後に、再び仮想的な前記洗浄手段の動力値から、前記分離膜に付着している構成成分量の変動、膜ろ過圧力の変動、膜ろ過流量の変動、膜ろ過流束の変動、あるいは、膜抵抗の変動を予測し、該予測結果に基づいて、前記所定量増加後の仮想的な前記洗浄手段の動力値の是非を判断すること、および、前記判断結果において、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値を是と判断したときに、前記仮想的な前記洗浄手段の動力値を前記洗浄手段の動力の適正値とすることが好ましい。
例えば、図3(予測ステップ1を用いる場合)および図4(予測ステップ2を用いる場合)に、仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を変更する変更ステップ40を備えた場合のフローチャートの例を示す。ここでは、まず、十分に小さな値の仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を準備し、前記予測ステップ1あるいは前記予測ステップ2によって予測を行う。前記予測の結果から仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を判断し、その判断結果が非となるときに、変更ステップ40において仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を所定量増加させ、再度、予測ステップ1あるいは予測ステップ2以降を繰り返し行う。このとき、判断結果が是となるときに用いた仮想的な膜洗浄力の値あるいは仮想的な洗浄手段の動力値を、それぞれ膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値とする。このような手順に従えば、図5で示した手順より効率的に膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値を決定することができる。また、変更ステップ40において、判断結果が是となる仮想的な膜洗浄力の値と、非となる仮想的な膜洗浄力の値との間の仮想的な膜洗浄力の値に変更することによって、膜洗浄力の適正値として推定される範囲を次第に小さくする方法や、変更ステップ40において、判断結果が是となる仮想的な洗浄手段の動力値と、非となる仮想的な洗浄手段の動力値との間の仮想的な洗浄手段の動力値に変更することによって、洗浄手段の動力の適正値として推定される範囲を次第に小さくする方法があるが、このような方法に従う場合、最終的に膜洗浄力の適正値あるいは洗浄手段の動力の適正値を決定する際には、前記図3あるいは図4で示した手順に従うことが好ましい。
本発明では、前記決定された前記洗浄手段の動力の適正値に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定する。このとき、前記洗浄手段の動力の適正値をそのまま洗浄手段の動力値として決定しても良く、また、本発明が対象とする膜ろ過装置においては、膜洗浄力が必要十分量よりも小さいときには急速な膜目詰まりを引き起こす危険を孕むため、より安全にするために、洗浄手段の動力の適正値に一定値を安全率として乗じたり、一定値を加えたりしてもよい。
また、本発明では、前記決定された前記膜洗浄力の適正値に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定する。このとき、前記膜洗浄力の適正値に基づいて洗浄手段の動力の適正値を決定し、前記決定された洗浄手段の動力の適正値に基づいて前記洗浄手段の動力値を決定することが好ましい。その方法として、任意の洗浄手段の動力に対する膜表面に発生する剪断力の値、あるいは膜表面における被ろ過液の流速の値を求め、前記膜表面に発生する剪断力の値、あるいは前記膜表面における被ろ過液の流速の値に基づいて膜洗浄力の値を決定することによって、膜洗浄力の値と洗浄手段の動力値との関係を求め、前記関係に基づいて、膜洗浄力の適正値から洗浄手段の動力の適正値を決定する方法、分離膜表面に発生する剪断力の値あるいは膜表面における被ろ過液の流速の値が測定できる膜ろ過装置において、予め膜洗浄力の値と膜表面に発生する剪断力の値あるいは膜表面における被ろ過液の流速の値との関係を関数などとして表現し、膜洗浄力の適正値に対応する前記剪断力の値(剪断力適正値)あるいは流速の値(流速適正値)を決定し、分離膜表面に発生する剪断力の測定値あるいは膜表面における被ろ過液の流速の測定値が、前記決定された剪断力適正値あるいは流速適正値となるように、洗浄手段の動力値を調整する方法、任意の洗浄手段の動力値に対する膜洗浄力の値を、後述のキャリブレーションの結果に基づいて決定することによって、膜洗浄力の値と洗浄手段の動力値との関係を求め、膜洗浄力の適正値から洗浄手段の動力の適正値を決定する方法などがある。
本発明では、任意の洗浄手段の動力値に対する膜洗浄力の値を、前記予測ステップ1あるいは前記予測ステップ2によってキャリブレーションされた結果に基づいて決定することによって、膜洗浄力の値と洗浄手段の動力値との関係を求め、前記関係に基づいて、前記膜洗浄力の適正値から前記洗浄手段の動力の適正値を決定することが好ましい。ここで、キャリブレーションとは、仮想データとして膜洗浄力の値を与えたときの前記膜抵抗予測ステップによる予測結果と、実際に膜ろ過したときに観察・測定される実測値との差異が小さくなるような膜洗浄力を求めることである。その方法として、本発明では次のようなキャリブレーション手順200あるいはキャリブレーション手順210に従うことを推奨する。
キャリブレーション手順200は以下の通りである。
(1)膜ろ過装置において、任意の膜ろ過流束パターンあるいは膜ろ過流量のパターンのもと、任意の一定の膜洗浄力を与えながら(即ち、洗浄手段の動力値を一定にしながら)、被ろ過液を分離膜によって膜ろ過し、そのろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化を計測する。
(2)前記(1)の膜ろ過における、膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の時系列的変化を表すデータ、および、被ろ過液の構成成分量の時系列的変化を表すデータを用意する。
(3)前記予測ステップ1により、前記(2)によって用意されたデータをもとに、仮想データとして任意の膜洗浄力の値を与えたときの膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化を計算する。
(4)前記(1)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化と、前記(3)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化との差の積分値(和)を求める。
(5)前記(3)によって与えた膜洗浄力の値を変更する。
(6)前記(2)〜(5)を繰り返し、仮想データとして与えた膜洗浄力の値と、それに対する前記(4)で求めた前記(1)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化と、前記(3)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の変化の値との差の積分値(和)の組を求める。
(7)前記(6)において求められた仮想データとして与えた膜洗浄力の値と、それに対する前記(4)で求めた前記(1)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化と、前記(3)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の変化の値との差の積分値(和)の組の中から、前記(4)で求めた前記(1)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化と、前記(3)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過圧力の値または膜抵抗の値の変化との差の積分値(和)が最小となる膜洗浄力の値を、前記(1)において与えた一定の膜洗浄力の値とする。
また、キャリブレーション手順210は以下の通りである。
(11)膜ろ過装置において、任意の膜ろ過圧力パターンのもと、任意の一定の膜洗浄力を与えながら(即ち、洗浄手段の動力値を一定にしながら)、被ろ過液を分離膜によって膜ろ過し、そのろ過過程における膜ろ過流束の値、膜ろ過流量または膜抵抗の値の変化を計測する。
(12)前記(11)の膜ろ過における、膜ろ過圧力の時系列的変化を表すデータ、および、被ろ過液の構成成分量の時系列的変化を表すデータを用意する。
(13)前記予測ステップ2により、前記(12)によって用意されたデータをもとに、仮想データとして任意の膜洗浄力の値を与えたときの膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化を計算する。
(14)前記(11)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化と、前記(13)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化との差の積分値(和)を求める。
(15)前記(13)によって与えた膜洗浄力の値を変更する。
(16)前記(12)〜(15)を繰り返し、仮想データとして与えた膜洗浄力の値と、それに対する前記(14)で求めた前記(11)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化と、前記(13)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化との差の積分値(和)の組を求める。
(17)前記(16)において求められた仮想データとして与えた膜洗浄力の値と、それに対する前記(14)で求めた前記(11)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化と、前記(13)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化との差の積分値(和)の組の中から、前記(14)で求めた前記(11)において計測された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化と、前記(13)における計算された膜ろ過過程における膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値または膜抵抗の値の変化との差の積分値(和)が最小となる膜洗浄力の値を、前記(11)において与えた一定の膜洗浄力の値とする。
ここで、前記(1)における膜ろ過流束のパターンあるいは膜ろ過流量のパターン、あるいは前記(11)における膜ろ過圧力パターンは、それぞれ、実際の膜ろ過装置の運転における膜ろ過流束の値あるいは膜ろ過流量の値あるいは膜ろ過圧力の値の範囲内を変動させるものが好ましく、また、実際の膜ろ過装置において間欠運転を行うときには、間欠条件を含むものが好ましい。このことによって膜洗浄力を精度良く決定することが可能となる。また、前記(3)あるいは前記(13)において利用する膜抵抗予測方法は、同じ被ろ過液および分離膜を用いた別の膜ろ過試験を行い、その膜ろ過圧力の値、膜ろ過流束あるいは膜ろ過流量の値、あるいは、膜抵抗の値の変化を十分に予測できていることを確認したものを用いることが好ましい。また、前記(5)あるいは前記(15)における変更は、所定値の増加あるいは減少とすることが好ましい。ここで、所定値をできるだけ小さい値とすることで、より精度よく膜洗浄力の値を決定することができる。
また、前記(3)において利用する仮想的な膜洗浄力の値を、まず十分に小さい値から与え、前記(5)における変更を所定値の増加とし、前記(4)において求めた積分値が、前回の計算値より大きくなるときに計算を停止し、前回の計算において前記(3)において利用する仮想的な膜洗浄力の値を前記(1)で与えた膜洗浄力の値として決定するという方法や、前記(13)において利用する仮想的な膜洗浄力の値を、まず十分に小さい値から与え、前記(15)における変更を所定値の増加とし、前記(14)において求めた積分値が、前回の計算値より大きくなるときに計算を停止し、前回の計算において前記(13)において利用する仮想的な膜洗浄力の値を前記(11)で与えた膜洗浄力の値として決定するという方法も好ましい。ただし、前記(3)において利用する仮想的な膜洗浄力の値を横軸に、前記(4)において求めた積分値の関係を最小となる膜洗浄力の値を縦軸にグラフ化したときに、必ずしも極小値が一つとは限らないので、決定された膜洗浄力の値を用いたときの前記(3)における予測結果と前記(1)における実測値を比較しておくことや、前記(13)において利用する仮想的な膜洗浄力の値を横軸に、前記(14)において求めた積分値の関係を最小となる膜洗浄力の値を縦軸にグラフ化したときに、必ずしも極小値が一つとは限らないので、決定された膜洗浄力の値を用いたときの前記(13)における予測結果と前記(11)における実測値を比較しておくことが望ましい。
かかる手順に従えば、本発明で必要とする膜洗浄力を精度良く求めることが可能であり、これをもとに洗浄手段の動力値を決定することによって、精度良く洗浄手段の動力の適正値を決定することができる。その具体例については、実施例1において示す。
また、本発明では、上記のように決定された膜ろ過装置の運転条件に基づいて、前記洗浄手段の動力値を制御することを特徴とする膜ろ過装置の運転方法、および、少なくとも分離膜、該分離膜の表面を洗浄する洗浄手段、および該洗浄手段の運転を制御する制御手段を有する膜ろ過装置であって、前記制御手段が、上記のように決定された膜ろ過装置の運転条件に基づいて、前記洗浄手段の運転を制御することを特徴とする膜ろ過装置を提供する。ここにおいて、洗浄手段としてその動力を可変できるインバータを備えたものを利用し、洗浄手段の動力値を制御することが好ましい。
以下、本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
(実施例1)
本実施例に用いた膜ろ過装置500の構造概略を図6に示す。膜ろ過装置500は、浸漬型の膜分離式活性汚泥装置であり、酢酸を主成分とする工場排水を処理する排水処理装置である。原水506である酢酸を主成分とする工場排水を、断続的に平均流量2.3m3/dで有効容量2.3m3の被ろ過液収容槽501に投入した。被ろ過液収容槽501には、被ろ過液504として活性汚泥が収容されており、被ろ過液504中に分離膜502を浸漬させ、前記分離膜502の下方部には散気管507が設置され、前記散気管507には洗浄手段である曝気ブロア503からエアが供給される構造とした。すなわち、本装置においては、散気管507から供給されるエアバブルが膜表面に接触し、また曝気による活性汚泥の流動も同時に発生するために、膜表面の付着成分が膜から剥離する効果が得られることとなる。なお、ここで、分離膜502には、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)製の平膜型の精密ろ過膜(有効膜面積7.8m2)を用い、膜透過液側に設置した吸引ポンプを膜ろ過液獲得手段505として用いた。
また、本実施例では、被ろ過液の構成成分量を次のように定義し測定した。被ろ過液は、固形成分(物質量:X[gC/m3])、上清中非膜ろ過成分(物質量:P[gC/m3])、溶解成分(物質量:S[gC/m3])によって構成されるとした。Xは、被ろ過液のMLSS[gC/m3]を下水道試験法に従って測定し、その示性式がC5H7O2Nであると仮定し、その測定値に60/113を乗じることで算出した。Sは、前記膜ろ過装置500において得られた膜ろ過液のTOC[gC/m3]を測定し、その測定値とした。Pは、被ろ過液を遠心分離(3500rpm、10分間)し、上清成分を得て、前記上清成分のTOC測定値[gC/m3]とS[gC/m3]との差として算出した。その結果、Xは1731[gC/m3]、Pは24[gC/m3]、Sは3.6[gC/m3]であった。
また、本実施例では、予測ステップ1において、膜抵抗の値の変動を予測することとした。ここにおいて、計算ステップ10として前記(1)式を利用し(ここにおいて、μは前記(2)式を利用した)、計算ステップ20として前記(3)式および前記(4)式を利用し、計算ステップ30として前記(5)式を利用した。
本実施例では、数値計算ソフトMATLAB(米国Mathworks社製)を用いて、膜ろ過予測プログラムを作成し、上記計算を行った。ここでは、積分法としてRunge−Kutta法を用いた。また、本実施例において、上記計算を行うために用いた各諸元値を表1にまとめた。
ここにおいて、表1に示した諸元値の中において、抵抗係数αxとαp、剥離係数γxとγp、摩擦係数λxとλpは次のように決定した。
まず、被ろ過液として前記活性汚泥を用い、図12に示した膜ろ過試験装置400を用いて膜ろ過試験を行った。膜ろ過試験装置400は、窒素ガス405によって、純水を収容している純水チャンバー410を、あるいは、攪拌式セル401(ミリポア(株)製Amicon8050)を加圧すること(その圧力は、圧力計411によって測定)、によって、被ろ過液である活性汚泥を膜固定ホルダー406に設置された分離膜402によってろ過する装置である。また、膜ろ過は、マグネティックスターラー403によって被ろ過液中に浸漬されている攪拌子404を回転させることによって、被ろ過液を攪拌することが可能である。また、膜透過液を電子秤408上に載せたビーカー407に受けて、その膜透過液量を電子秤408によって測定し、その測定値をパソコン409に取り込む構造とした。また、バルブ412、バルブ413、バルブ414を開閉することにより、膜ろ過試験装置各部の加圧の有無を調整した。
まず、膜ろ過抵抗初期値を測定するために純水を用いた膜ろ過試験を行った。ここにおいて、膜ろ過圧力を20kPa、マグネティックスターラー403による攪拌速度を600rpmとした。また、電子秤408における測定値を2秒間隔でパソコン409に取り込んだ。純水を用いた膜ろ過試験は80mlの膜透過液量が得られるまで行った。
次に、活性汚泥を用いた膜ろ過性評価試験を行った。まず、純水チャンバー410を外し、図12の点線のライン415を接続した。攪拌式セル401内に12mlの活性汚泥を投入し、膜ろ過圧力を20kPa、マグネティックスターラー403による攪拌速度を600rpmとして膜ろ過試験を行った。電子秤408における測定値を2秒間隔でパソコン409に取り込み、700秒間の膜ろ過試験を行った。
上記、膜ろ過試験を、遠心分離(3500rpm、10分間)によって得られた遠心上清を用いても行った。
上記の各膜ろ過試験において、パソコン409内に取り込まれたろ過時間とろ過液量との関係を示したデータを次のように処理した。まず、任意のろ過時間におけるろ過液量の微分係数を用いて、任意のろ過時間における膜ろ過流束を算出した。次に、前記任意のろ過時間における膜ろ過流束から、膜ろ過圧力を用いて、前記(1)式に従い、任意のろ過時間における膜ろ過抵抗を算出した。上記のように算出された結果から、単位膜面積あたりの総ろ過液量と膜ろ過抵抗との関係を作成した。
前記純水を用いた膜ろ過試験の結果から作成された単位膜面積あたりの総ろ過液量と膜ろ過抵抗との関係から、ろ過液量が70〜80mLの区間における膜ろ過抵抗の平均値を膜ろ過抵抗初期値とした。
まず、遠心上清による膜ろ過試験結果の予測を行った。
時刻ゼロにおける上清成分物質量値P(0)=289、分離膜に付着している上清成分物質量値Pm(0)=0、膜ろ過抵抗初期値Rm=8.5×1010、膜洗浄力値τ=10(一定値)、膜ろ過液の粘度μ=1.0×10−3、膜間差圧値ΔP=20×103を入力した。その他、前記膜ろ過プログラムに必要なパラメータとして抵抗係数αp、剥離係数γp、摩擦係数λpを入力し、膜ろ過予測結果を出力した。そして、実測値と膜ろ過予測結果との差異が最小となるように、抵抗係数αp、剥離係数γp、摩擦係数λpを変化させながら、上記膜ろ過予測を繰り返し行った。その結果、抵抗係数αp=1.32×1013、剥離係数γp=2.6×104、摩擦係数λp=4.2×10−5となるときに実測値と膜ろ過予測結果が最小となった。
次に、汚泥による膜ろ過試験結果の予測を行った。
時刻ゼロにおける上清成分物質量値P(0)=20.4、時刻ゼロにおける固形成分物質量値X(0)=1.731×103、分離膜に付着している上清成分物質量値Pm(0)=0、分離膜に付着している固形成分物質量値Xm(0)=0、膜ろ過抵抗初期値Rm=8.5×1010、膜洗浄力値τ=10(一定値)、膜ろ過液の粘度μ=1.0×10−3、膜間差圧値ΔP=20×103を入力した。また、上記で決定されたパラメータとして、抗係数αp=1.32×1013、剥離係数γp=2.6×104、摩擦係数λp=4.2×10−5を入力した。その他、前記膜ろ過プログラムに必要なパラメータとして抵抗係数αx、剥離係数γx、摩擦係数λxを入力し、膜ろ過予測結果を出力した。そして、実測値と膜ろ過予測結果との差異が最小となるように、抵抗係数αx、剥離係数γx、摩擦係数λxを変化させながら、上記膜ろ過予測を繰り返し行った。その結果、抵抗係数αx=20×1010、剥離係数γx=4.0×103、摩擦係数λx=1.1×10−5となるときに実測値と膜ろ過予測結果が最小となった。
予測ステップ1において、膜抵抗の値の変動を予測するために、前記被ろ過液の構成成分量の時系列的な変化を表すデータ(X:1731[gC/m3]、P:24[gC/m3]である固定データ)、膜ろ過流束の時系列的な変化を表すデータ(連続ろ過として、3.41×10−6[m/s]の固定データ)を、前記予測ステップ1における計算式が組み込まれているコンピュータ内に入力した。そのほかのデータとして、膜ろ過液の粘度のデータ、分離膜の初期膜抵抗のデータ(Rm:8.5×1010[1/m])、表1に記載のパラメータの値を入力した。また、仮想的な膜洗浄力の値を仮に0.28と設定し、前記コンピュータ内に入力した。前記入力された被ろ過液の構成成分量のデータ、膜ろ過流束のデータ、および、膜洗浄力の仮想的な値を利用して、膜抵抗の値の変動を予測した。その結果を図7に示す。ろ過時間の経過に伴い、膜抵抗の値が増加し発散する傾向にあった。ここにおいて、膜抵抗の値が発散するときに仮想的な膜洗浄力の値が非であると判断することとし、この仮想的な膜洗浄力の値を非であると判断した。そこで、変更ステップ40により、仮想的な膜洗浄力の値を0.29に増加させた。そして、再度予測ステップ1において、膜抵抗の値の変動を予測したところ、仮想的な膜洗浄力の値が0.28のときと比較して、全体的に膜抵抗が小さくなったものの、膜抵抗の値が発散する傾向は変わらなかった(図7)。したがって、この仮想的な膜洗浄力の値を非であると判断した。そこで、再び変更ステップ40において、仮想的な膜洗浄力の値を0.30に増加させ、再び膜抵抗の値の変動を予測したところ、膜抵抗が収束し一定値に安定する結果となった(図7)。そこで、仮想的な膜洗浄力の値が是であると判断し、膜洗浄力の適正値を0.30と決定した。
一方、洗浄手段の動力値である曝気風量の値と膜洗浄力の値との関係をキャリブレーション210に従って求めるために、次のような膜ろ過試験を行った。図8に示すように、前記膜ろ過装置500において、分離膜502のろ過液側にチューブを接続し、サイフォンの原理を利用して水頭差により膜ろ過液を取得できるような構造とした。また、そのチューブの途中に流量計514(デジタル式)を設置し、流量計514の指示値の経時変化を記録計515に連続的に記録できる構造とした。また、流量計514の下流にバルブ516を設置し、間欠運転が手動で可能な構造とした。被ろ過液収容槽501中の被ろ過液の水位と、当膜ろ過試験装置のチューブ出口の高さとの差(図8参照)をΔHとし、ΔHから膜ろ過圧力を算出した。
このような膜ろ過装置において、まず、曝気風量を300L/minの一定流量で維持した。当膜ろ過試験装置のチューブ出口の高さを経時的に変化させることでΔHを変化させ、また、断続的にバルブ516を開閉することで間欠的に膜ろ過を行った。そのときの膜ろ過圧力の値の経時変化を図9に示す。ここにおいて、膜ろ過圧力の値がゼロとなっているときは、バルブ516が閉となっているときである。また、膜ろ過を継続したときの膜ろ過流量の値(前記流量計514の指示値)の経時変化を図10に示す。また、図9に示した膜ろ過圧力の条件下での膜ろ過流量の経時変化を、予測ステップ2を用いて予測した。
予測ステップ2では、計算ステップ10として前記(1’)式を利用し(ここにおいて、μは前記(2)式を利用した)、計算ステップ20として前記(3)式および前記(4)式にそれぞれJ=Q/Aを代入したもの利用し、計算ステップ30として前記(5)式を利用した。このような計算は前記予測ステップ1と同じ計算ソフトおよび計算方法を用いて行った。
前記予測ステップ1と前記予測ステップ2とは、入力と出力が異なるものの、計算に利用する計算式そのものは基本的に同じであり、対象とする被ろ過液および分離膜も同じである。したがって、表1に示す諸元値も同じであり、前記予測ステップ1で利用した膜洗浄力の値と前記予測ステップ2で利用した膜洗浄力の値とは同じものであると判断できる。
ここで、任意の仮想的な膜洗浄力の値における膜ろ過流量の値の経時変化の計算結果と実測の膜ろ過流量の値の経時変化との差の積分値を算出し、その積分値が最小となる膜洗浄力の値を求めた結果、0.26であった。そのときの膜ろ過流量の値の経時変化の計算結果を実測値と同時に図10に示す。膜ろ過圧力の値を変化させた直後の膜ろ過流量の値の極端な増加以外十分に実測値を再現できていることを確認した。このようにして、曝気風量300L/minのときの膜洗浄力の値は0.26であると判断した。
同様に、曝気風量400L/minのとき、および、曝気風量500L/minのときの膜洗浄力の値を評価した結果、それぞれ、0.30および0.33であった。
以上より、前記膜洗浄力の適正値0.30に相当する曝気風量は400L/minであり、本発明においては、曝気風量の適正値(即ち、洗浄手段の動力の適正値)は400L/minと判断し、前記洗浄手段である曝気ブロア503からの曝気風量の値を400L/minとした。
(実施例2)
実施例1では、連続ろ過の場合の実施例について記したが、実施例2では、間欠ろ過の場合の実施例について記す。
膜ろ過装置、膜抵抗予測方法、膜ろ過試験方法、利用した計算ソフト、積分方法、計算に必要な各諸元、被ろ過液の構成成分量の値、および、初期膜抵抗の値は実施例1と同じである。ここでは、間欠ろ過条件として、8分間吸引2分間休息の間欠ろ過(吸引時の膜ろ過流束は4.26×10−6[m/s])、即ち、膜ろ過流束4.26×10−6[m/s]で8分間吸引ろ過し、その後2分間吸引ろ過を停止するというサイクルを繰り返した。
まず、実施例1と同様、予測ステップ1において、膜抵抗の値の変動を予測することとした。ここにおいて、計算ステップ10として前記(1)式を利用し(ここにおいて、μは前記(2)式を利用した)、計算ステップ20として前記(3)式および前記(4)式を利用し、計算ステップ30として前記(5)式を利用した。前記被ろ過液の構成成分量の時系列的な変化を表すデータ(X:1731[gC/m3]、P:24[gC/m3]である固定データ)、膜ろ過流束の時系列的な変化を表すデータ(間欠ろ過として、8分間は膜ろ過流束4.26×10−6[m/s]とし、続く2分間は膜ろ過流束0[m/s]とすることを繰り返す変動データ)を、前記予測ステップ1における計算式が組み込まれているコンピュータ内に入力した。そのほかのデータとして、膜ろ過液の粘度のデータ、分離膜の初期膜抵抗のデータ(Rm:8.5×1010[1/m])、表1に記載のパラメータの値を入力した。また、仮想的な膜洗浄力の値を仮に0.28と設定し、前記コンピュータ内に入力した。前記入力された被ろ過液の構成成分量のデータ、膜ろ過流束のデータ、および、仮想的な膜洗浄力の値を利用して、膜抵抗の値の変動を予測した。
その結果を図11に示す。吸引時には、ろ過時間の経過に伴い、膜抵抗の値が増加し、休息時には膜抵抗の値が減少する傾向があった。ここにおいて、膜抵抗が所定値以上となるときに非であると判断することとし、膜ろ過装置500に利用しているポンプの出力最大値から所定値を3.0×1012[1/m]と定めた。仮想的な膜洗浄力の値が0.28では、膜抵抗の値が所定値を越えたため、この仮想的な膜洗浄力を非であると判断した。そこで、変更ステップ40により、膜洗浄力の仮想的な値を0.29に増加させた。そして、再度膜抵抗の値の変動を予測したところ、仮想的な膜洗浄力の値が0.28のときと比較して、全体的に膜抵抗が小さくなったものの、膜抵抗が所定値を越えるという傾向は変わらなかった(図11)。すなわち、この仮想的な膜洗浄力の値を非であると判断した。そこで、再び変更ステップ40において、仮想的な膜洗浄力の値を0.30に増加させた。このときの膜ろ過条件下において、再び膜抵抗の値の変動を予測したところ、膜抵抗の値が所定値を越えない結果となった(図11)。そこで、膜洗浄力の適正値を0.30と決定した。
ここにおいて、実施例1においてキャリブレーションによって求めた曝気風量と膜洗浄力の値との関係から、前記膜洗浄力の適正値0.30に相当する曝気風量は400L/minであり、本発明においては、曝気風量の適正値(即ち、洗浄手段の動力の適正値)は400L/minと判断し、前記洗浄手段である曝気ブロア503からの曝気風量の値を400L/minとした。