JP5456238B2 - 膜分離装置 - Google Patents

Description

この発明は、膜分離装置に関するものである。

従来から、微生物を利用して生物処理を行う生物反応槽と物理化学処理である膜分離装置を組み合わせた膜分離活性汚泥法が知られている。この膜分離活性汚泥法の膜分離装置には、生物反応槽内に中空糸膜、平膜などの複数の濾過機能を備えた膜濾過ユニットを浸漬させることが一般的である。処理水は、膜濾過ユニットに配管接続した吸引ポンプを作動させる吸引濾過により、生物反応槽内の活性汚泥に代表される不純物を膜により分離して得られる。このような浸漬型の膜濾過ユニットを用いる場合には、活性汚泥中に含まれる懸濁物質や溶存物質が吸引時に膜表面に堆積／吸着して膜の透水性能を低下させるいわゆる膜ファウリングが経時的に進行することが知られている。そのため、膜濾過ユニットの下方に散気装置を配置して、この散気装置から放出される気泡によって膜のエアスクラビング（バブリング）洗浄を行い、膜ファウリングの進行を抑制する運転が通常行われている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上記膜分離装置では、吸引ポンプによる吸引濾過を常時行うと、膜ファウリングの進行速度が高くなる傾向が観察され、この結果、薬液を用いた煩雑な膜洗浄を頻繁に実施しなければならない。そのため、図４に示すような膜分離装置による吸引濾過を行う場合、所定時間毎に吸引ポンプの運転と停止を繰り返す、間欠運転を実行している。この運転操作において、吸引ポンプ停止時には、エアスクラビングによる膜の洗浄が行われるため、膜ファウリングの進行を抑制できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００４−３０５８８５号公報 Yamamoto et al., Direct solid-liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge aeration tank, Water Science and Technology, Vol.21, pp.43-53, 1989.

しかしながら、このような吸引ポンプの間欠運転を頻繁に行うと、とりわけ始動時には、吸引ポンプを構成するシール部材やモーターなどに大きな負荷がかかる。そのため、大型の吸引ポンプの運転・停止を頻繁に繰り返すような運転を実施すると吸引ポンプの故障につながる可能性がある。

そこで、本発明では、膜分離装置による吸引濾過における所定時間毎の吸引停止状態を保持したまま吸引ポンプの始動回数を極力減らして、吸引ポンプの故障頻度を低減させることができる膜分離装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、被処理液で満たされた水槽（例えば、実施の形態におけるばっ気槽５）に分離膜（例えば、実施の形態における膜濾過ユニット８）を浸漬させ、該分離膜に接続された吸引ポンプ（例えば、実施の形態における吸引ポンプＰｖ）にて前記被処理液を吸引することで前記被処理液を固液分離して処理水を得る膜分離装置において、前記吸引ポンプの出口側管路から吐出した前記処理水を、前記吸引ポンプの入口側管路に戻す循環管路（例えば、実施の形態における循環管路１３）を設け、前記入口側管路に吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と循環管路からの処理水供給を切り換える弁体、前記出口側管路に放流と循環を切り換える弁体（例えば、実施の形態における三方弁１４と弁１５）を設けたことを特徴とする。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明において、前記入口側管路に設けられ前記吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体、および、前記出口側管路に設けられ放流と循環とを切り換える弁体、が何れも三方弁であることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、被処理液で満たされた水槽に分離膜を浸漬させ、該分離膜に接続された吸引ポンプにて前記被処理液を吸引することで前記被処理液を固液分離して処理水を得る膜分離装置において、処理水を貯める処理水槽と前記吸引ポンプの入口側管路とを接続する循環管路を設け、前記入口側管路に前記吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と前記循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体を設けたことを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した発明において、前記入口側管路に設けられ前記吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と前記循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体が三方弁であることを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、請求項１から４の何れか一項に記載した発明において、前記分離膜による前記処理水の処理水量が１０００ｍ^３／日以上であることを特徴とする。

本願発明によれば、吸引ポンプから吐出される処理水を吸引ポンプの入口側に間欠的に戻すようにしたことで、吸引ポンプの入口側と出口側との間で処理水が循環し、この処理水が循環している間だけ分離膜による吸引濾過を停止させることができる。したがって、吸引ポンプを作動させた状態を維持しつつ、分離膜による吸引濾過を停止することができる。この結果、運転中における吸引ポンプの頻繁な始動がなくなり、吸引ポンプの負荷を極めて軽減させることができるため、吸引ポンプの故障頻度を大幅に減らすことができる。

さらに、本願発明によれば、吸引ポンプの入口ならびに出口側管路に循環管路を設け前記入口管路に分離膜と接続された配管を遮断する弁体と出口側管路に設けた弁体をそれぞれ切り換え制御することで、吸引ポンプから出口側管路に吐出された処理水を、循環管路を介して入口側管路に戻して、吸引ポンプ、出口側管路、循環管路および入口側管路の順に送液させることができるため、吸引ポンプを停止することなく分離膜による吸引濾過を停止することができる。したがって、運転中における吸引ポンプの頻繁な始動がないため、吸引ポンプの負荷を極めて軽減することができ、吸引ポンプの故障頻度を大幅に減らすことができる。

また、とりわけ分離膜による処理水量が１０００ｍ^３／日以上となるような相対的に処理水量が多い場合においては、大型の吸引ポンプが必要となり、吸引ポンプの停止状態から始動して定常運転に復帰するまでに時間を要していたが、吸引ポンプを停止させないため吸引濾過停止状態から定常的な流量での吸引濾過に迅速に復帰することが可能となり、吸引ポンプを始動・停止させる場合よりも処理システムの効率を向上させることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１において、符号１は膜分離活性汚泥処理装置を示している。この膜分離活性汚泥処理装置１は、工業用排水や生活排水などに含まれる汚濁物質を生物処理（詳細を後述する）と膜による固液分離により処理水として放流する装置であり、１０００ｍ^３／日以上の処理を行うことが可能なものである。この膜分離活性汚泥処理装置１は、原水を貯水する原水調整槽２を備えており、原水が膜分離活性汚泥処理装置１の外部から順次原水調整槽２に送液されるようになっている。原水調整槽２は膜分離活性汚泥処理装置１に送液される原水量が調整可能であり、原水の液面レベルを図示せぬ液面計測器とによって構成される。

また、原水調整槽２には、配管３を介して無酸素槽４が接続されており、配管３の途中に原水調整槽２内に貯水されている原水を無酸素槽４に送液する第１送液ポンプＰ１と、原水中の比較的大きな固形分を除去する微細目スクリーンｓとが介挿されている。すなわち、上述した液面計測器の測定結果に基づいて、配管３に設けられた第１送液ポンプＰ１を間欠作動することで原水調整槽２の液面の高さを所定の範囲内で調整するようになっている。そして、上記第１送液ポンプＰ１で送液された原水は、微細目スクリーンｓを通過した後、無酸素槽４に導入されることとなる。

無酸素槽４は、原水中に含まれる窒素を除去するいわゆる脱窒反応を行う槽である。この無酸素槽４は、２つの経路でばっ気槽５に接続されており、この２つの経路を介して原水が無酸素槽４とばっ気槽５との間で循環可能である。ここで、無酸素槽４内には、モーターなどで駆動される撹拌器Ｍを設けており、この攪拌機Ｍにより、大気中の酸素を可能な限り混入させないよう、無酸素槽４の汚泥濃度が深さ方向に均一となるべく攪拌を行う。

また、ばっ気槽５から無酸素槽４に原水を戻す経路の途中には、第２送液ポンプＰ２が設けられており、この第２送液ポンプＰ２によってばっ気槽５の活性汚泥が無酸素槽４に送液される。なお、原水調整槽２やばっ気槽５から無酸素槽４に送られた活性汚泥は、無酸素槽４から越流し、この越流した活性汚泥がばっ気槽５に流れ込むようになっている。

ばっ気槽５は、活性汚泥中に存在する汚濁物質が酸素を利用した生物反応により無害化される槽であり、活性汚泥中に空気を送り込んで活性汚泥と空気中の酸素とを接触させるいわゆるばっ気を行うように構成されている。より具体的には、ばっ気槽５の内部には、活性汚泥中に空気を供給するための散気部６が設置されおり、槽外に設けられたブロア（Ｂ）７から散気部６へ送られた空気が、散気部６から気泡となって活性汚泥中に供給されるようになっている。

さらに、ばっ気槽５には、活性汚泥と処理水とを膜（図示せず）により固液分離する膜濾過ユニット８が浸漬されている。この膜濾過ユニット８の膜出口側には、吸引ポンプＰｖが介挿された吸引管路９が接続されており、吸引ポンプＰｖを吸引作動させることで膜濾過ユニット８によって活性汚泥と処理水とに分離され、活性汚泥がばっ気槽５にとどまり、処理水だけが吸引管路９を通じて処理水槽１０に送液されるようになっている。

また、ばっ気槽５には、ばっ気処理されて生育した活性汚泥の固形分が自重で槽底部へと沈殿したものを第３送液ポンプＰ３で吸引して貯蔵する汚泥貯蔵槽（図示せず）が接続されている。なお、ばっ気槽５内部の活性汚泥の一部は第２送液ポンプＰ２によって無酸素槽４へ返送されるようになっている。

上述した膜濾過ユニット８には、例えば中空糸膜の長さ方向を上下方向に沿って配した複数枚の中空糸膜エレメント（図示せず）を並列させて支持固定した中空糸膜モジュール１１と、この中空糸膜モジュール１１の下方に所要の間隔を置いて配置され、中空糸膜モジュール１１の膜をエアスクラビングにより洗浄する散気装置１２とを備えている。

この散気装置１２には、空気をばっ気槽５に供給する上述したブロア７が接続されており、上記エアスクラビングは、ブロア７から供給された空気を散気装置１２から放出することで行われる。そして、このエアスクラビングによる膜の洗浄は、散気装置１２から放出された気泡が活性汚泥中を上昇することで生じる上昇流による剥離と、気泡が膜に接触した時に働くせん弾力によって行われる。なお、中空糸膜モジュール１１を構成する中空糸膜エレメントは、多数本の多孔性中空糸膜を平行に並列配置させた中空糸膜シートの開口端部を例えばウレタン樹脂のようなもので処理水取出し管に連通支持させ、濾過水取出し管及び下枠により固定支持したものである。

次に、膜分離活性汚泥処理装置１による処理を具体的に説明する。
原水調整槽２に導入された原水は無酸素槽４及びばっ気槽５において、活性汚泥により生物学的に無害化される。窒素の除去は、無酸素槽４とばっ気槽５との間で汚泥を循環させることにより、いわゆる硝化脱窒反応によってなされる。生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）に代表される有機物は、主としてばっ気槽５内に配置されたばっ気装置である散気部６と膜濾過ユニット８の散気装置１２から放出される空気とにより好気的に酸化分解される。

また、排水中に存在する有機窒素化合物の一部は、栄養源としてバクテリアに同化される。さらに、無機窒素化合物は、高い溶存酸素濃度の好気条件下で独立栄養性のアンモニア酸化細菌や亜硝酸酸化細菌により、亜硝酸、硝酸へと酸化される。他方、酸素がない無酸素ならびに嫌気条件下では、脱窒菌が呼吸するために酸素に代わって硝酸を利用し、この過程で、大気中に窒素ガスが放出される。この窒素の酸化還元反応が上記硝化脱窒反応と称される。

無酸素槽４及びばっ気槽５の間での活性汚泥の循環は、どちらの槽からポンプを用いて送液するかは必ずしも限定されないが、この実施の形態では第２送液ポンプＰ２を用いてばっ気槽５から無酸素槽４へと送液し、無酸素槽４から越流してばっ気槽５に流入させる。

ばっ気槽５内における活性汚泥の流動は、主として膜濾過ユニット８によるばっ気部分において散気装置１２から気泡の上昇に伴って活性汚泥も上昇し、ばっ気されていない部分において活性汚泥が下降し、これにより全体が均一に攪拌される。

ところで、上記膜分離活性汚泥処理装置１において、膜濾過ユニット８でエアスクラビングによる膜の洗浄を行う際には、膜ファウリングの進行を抑制するために被処理液の吸引を停止することが好ましい。一方、吸引ポンプＰｖのＯＮ・ＯＦＦを頻繁に繰り返すと吸引ポンプＰｖに負荷がかかり、吸引ポンプの故障の原因となる。そのため、この実施の形態では、吸引ポンプＰｖのＯＮ・ＯＦＦを繰り返すことなく膜濾過ユニット８を介するばっ気槽５内の被処理液の吸引を停止するようになっている。以下、詳細を説明する。

上述した膜分離活性汚泥処理装置１の吸引管路９は、この吸引管路９に介挿された吸引ポンプＰｖの入口側、すなわち吸引ポンプＰｖと膜濾過ユニット８とを接続する入口側吸引配管９ａと、吸引ポンプＰｖの出口側、すなわち吸引ポンプＰｖと処理水槽１０とを接続する出口側吸引配管９ｂとで構成されている。そして、上記吸引管路９には、出口側吸引配管９ｂから分岐するとともに入口側吸引配管９ａに合流する循環管路１３が接続されており、さらに、これら循環管路１３と入口側吸引配管９ａとの合流部分には、三方弁１４が設けられている。また、循環管路と出口側吸引配管９ｂの間には、弁１５が設けられている。

この三方弁１４と弁１５は、いわゆる電磁式の弁体である。三方弁１４は制御部２０からの制御指令に基づいて膜濾過ユニット８から吸引ポンプＰｖへの流路（図中、矢印Ａで示す）を保持する弁位置Ａと、循環管路１３から吸引ポンプＰｖへの流路（図中、矢印Ｂで示す）を保持する弁位置Ｂとが、切り換え可能となるように構成されている。
弁１５は、制御部２０からの制御指令に基づいて開閉が制御される。

制御部２０は、この制御部２０に接続された操作部（図示せず）への入力結果、液面を計測するレベルメーターなど種々のセンサー（図示せず）の検出結果、および、予めメモリ等に記憶されたプログラムに基づいて、所定のタイミングで上記第１送液ポンプＰ１、第２送液ポンプＰ２、撹拌器Ｍ、ブロア７、第３送液ポンプＰ３、吸引ポンプＰｖ、三方弁１４および弁１５などの作動を制御するものであり、特に三方弁１４と弁１５については、所定時間毎すなわち間欠的に弁位置の切り換えと開閉の制御を行うように設定されている。なお、上記操作部は、例えば、図示しないコントロールボックス上に設けられるものである。

次に、図２のタイミングチャートに基づいて、制御部２０による吸引ポンプＰｖ、三方弁１４および弁１５の制御例を説明する。
まず、時刻ｔ０において始動操作が行われると、制御部２０は、吸引ポンプＰｖをＯＮ制御すると同時に、三方弁１４を膜濾過ユニット８から吸引ポンプＰｖへの流路とする弁位置Ａに保持するとともに弁１５を開く。このとき、ばっ気槽５から膜濾過ユニット８を介して吸引濾過される処理水の流量すなわち処理流量が所定流量ａとなる。なお、所定流量ａは、吸引ポンプＰｖの性能、膜濾過ユニット８の膜面積および吸引管路９の内径などを考慮して予め設定される流量である。

そして、時刻ｔ０から所定時間経過した時刻ｔ１になると、三方弁１４を弁位置Ａから弁位置Ｂへと切り換えるとともに弁１５を閉じる。このとき、吸引ポンプＰｖのＯＮ状態を維持し続けており、循環管路１３を介して処理水が循環することとなる。より具体的には、吸引ポンプＰｖによって吐出された処理水は、循環管路１３を介して吸引ポンプＰｖの入口側に戻り、再び吸引ポンプＰｖに吸引されて出口側に吐出される。ここで、循環管路１３によって吸引ポンプＰｖの入口側に戻された処理水は、膜濾過ユニット８側に流入しないようになっており、三方弁１４が弁位置Ｂになると吸引濾過が停止して処理流量が０になる。

次に、時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２になると、三方弁１４を弁位置Ｂから再び弁位置Ａへと戻すとともに弁１５を開く。すると、吸引濾過が再開されて処理流量が０から再度所定流量ａに戻り、所定時間この状態を維持する。その後、時刻ｔ１と同様に、時刻ｔ３になると再び三方弁１４を弁位置Ａから弁位置Ｂに切り換えるとともに弁１５を閉じて吸引濾過を停止し、さらに、所定時間後、時刻ｔ２と同様に、時刻ｔ４になると三方弁１４を弁位置Ｂから弁位置Ａに切り換えるとともに弁１５を開いて吸引濾過を再開する。その後、制御部２０は、上記処理と同様に、所定時間毎に三方弁の位置Ａ、位置Ｂならびに弁１５の開閉の切り換えを間欠的に繰り返す。

ここで、三方弁の位置Ａと弁１５の開が維持される時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間と時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間とは同一時間に設定されており、また、同様に三方弁の位置Ｂと弁１５の閉が維持される時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間と時刻ｔ３から時刻ｔ４まで時間も同一時間に設定されている。そして、三方弁の位置Ｂと弁１５の閉が維持される時間よりも三方弁の位置Ａと弁１５の開が維持される時間の方が十分に長く設定されている。すなわち、制御部２０は、吸引濾過を行っている三方弁の位置Ａと弁１５の開から間欠的に吸引ポンプＰｖの吐出される処理水を吸引ポンプＰｖの入力側に戻し吸引濾過を停止する三方弁の位置Ｂと弁１５の閉に切り換えているのである。

したがって、上述した実施の形態によれば、吸引ポンプＰｖから吐出される処理水を吸引ポンプＰｖの入力側に間欠的に戻すようにしたことで、間欠的に吸引ポンプＰｖの入口側と出口側との間で処理水が循環し、この処理水が循環している間だけ膜濾過ユニット８による吸引濾過を停止させることができ、この結果、吸引ポンプＰｖを停止させることなしに膜濾過ユニット８による吸引濾過を停止することができるため、吸引ポンプＰｖの始動頻度を抑制して吸引ポンプＰｖの負荷を軽減でき、吸引ポンプの故障頻度を大幅に減らすことができる。

また、とりわけ膜分離活性汚泥処理装置１の処理水量が１０００ｍ^３／日以上において、吸引ポンプＰｖを停止することなしに三方弁１４と弁１５の開閉による迅速な切り替えが可能となるため、処理システムの効率を向上することができる。

ところで、上述した実施の形態では、循環管路１３を出口側吸引管路９ｂから分岐するように構成していたが、この変形例として、図３に示すように、循環管路１３ａの端部開口部を処理水槽１０に配置させるようにしてもよい。

また、この変形例の他の態様として、図５に示すように、処理水槽１０から処理水を放流する放流管路１８に対して循環管路１３ｂの基端を分岐接続して、放流管路１８と循環管路１３ｂとの分岐点よりも放流側の放流管路１８に弁１６を設け、循環管路１３ｂに弁１７を設け、これら弁１６，１７の開閉制御を行うことで放流（弁１６を開、弁１７を閉）と循環（弁１６を閉、弁１７を開）とを切り換えるようにしてもよい。なお、この図３，５に示す変形例およびこの変形例の他の態様において、上述した実施の形態と同一態様部分に同一符号を付して説明は省略する。

このように構成することで、吸引ポンプＰｖが吐出した処理水を吸引ポンプＰｖの入口側に戻すことができ、上述した実施の形態と同様に、吸引ポンプＰｖを停止させることなしに吸引濾過を停止させることができる。

なお、上述した実施の形態およびその変形例では、一組の吸引管路９、吸引ポンプＰｖおよび循環管路１３、１３に対して、一つの膜分離ユニット８を接続するように構成したが、吸引管路９の入口側吸引配管９ａの途中から分岐して複数の膜分離ユニット８を接続するようにしてもよい。

本発明の実施の形態における膜分離活性汚泥処理装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態における吸引ポンプのＯＮ・ＯＦＦ、処理水量、三方弁の弁位置をそれぞれ示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態の変形例の膜分離活性汚泥処理装置の概略構成図である。 従来の膜分離活性汚泥処理装置における図２に相当するタイミングチャートである。 本発明の実施の形態の他の態様における膜分離活性汚泥処理装置の概略構成図である。

符号の説明

５ ばっ気槽（処理槽）
８ 膜濾過ユニット（分離膜）
９ 吸引管路（配管）
９ａ 入口側吸引配管（入口側管路）
９ｂ 出口側吸引配管（出口側吸引管路）
１３ 循環管路
１４ 三方弁（弁体）
１５ 弁（弁体）
Ｐｖ 吸引ポンプ

Claims (5)

1. 被処理液で満たされた水槽に分離膜を浸漬させ、該分離膜に接続された吸引ポンプにて前記被処理液を吸引することで前記被処理液を固液分離して処理水を得る膜分離装置において、
   前記吸引ポンプの出口側管路から吐出した前記処理水を、前記吸引ポンプの入口側管路に戻す循環管路を設け、
   前記入口側管路に吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体と、前記出口側管路に放流と循環を切り換える弁体とを設けた膜分離装置。
2. 前記入口側管路に設けられ前記吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体、および、前記出口側管路に設けられ放流と循環とを切り換える弁体、が何れも三方弁である請求項１に記載の膜分離装置。
3. 被処理液で満たされた水槽に分離膜を浸漬させ、該分離膜に接続された吸引ポンプにて前記被処理液を吸引することで前記被処理液を固液分離して処理水を得る膜分離装置において、
   処理水を貯める処理水槽と前記吸引ポンプの入口側管路とを接続する循環管路を設け、前記入口側管路に前記吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と前記循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体を設けた膜分離装置。
4. 前記入口側管路に設けられ前記吸引ポンプへの分離膜からの処理水供給と前記循環管路からの処理水供給とを切り換える弁体が三方弁である請求項３に記載の膜分離装置。
5. 前記分離膜による前記処理水の処理水量が１０００ｍ^３／日以上であることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の膜分離装置。

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