JP6300103B2 - 膜分離活性汚泥処理装置 - Google Patents

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処理装置に関する。

活性汚泥処理装置としては種々のものが知られているが、その一つとして、活性汚泥処理槽内に膜分離装置を設けて、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がある（特許文献１〜３参照）。

特許文献１には、図７に示すように、活性汚泥処理槽１２内に、散気装置３及び膜分離装置４を設け、活性汚泥処理槽１２の槽外に水流ポンプ２０を設けて、活性汚泥処理槽１２の底部に引抜配管を接続し、水流ポンプ２０によって膜分離装置４の膜面に沿って流れる水流を形成するとともに、前記活性汚泥処理槽１２内に循環水流を形成し、膜面洗浄用の散気装置を不要にしてメンテナンスを容易にするとともに、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ている。

特許文献２には、図８に示すように、活性汚泥処理槽１２内に、膜分離装置４と、活性汚泥への酸素供給と前記膜分離装置４の膜の洗浄を兼ねた散気装置３と、旋回機構付プロペラ式水中攪拌機２１とを備えた膜分離活性汚泥処理装置Ｂが記載されている。この装置は、機械力を用いて水流を形成し、これを膜分離装置４の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し、かつ効率よく酸素供給を行うことにより電力消費量を節減するというものである。
また、特許文献２には、膜分離装置４を複数の膜ユニットから構成し、膜ユニットの各々の下部に散気装置と上向きの水流吐出口とを設けると共に、水流ポンプから前記水流吐出口に水を供給する水供給配管に各膜ユニット毎に自動開閉弁を設けて、１または複数の水流吐出口毎に順次切替えて水供給するようにした装置についても記載がある。この装置は間欠的に膜面を洗浄することにより運転コストを低減することを可能にするものである。

また、特許文献３には、図９に示すように、機械式エアレーション装置を有する無終端水路を活性汚泥処理槽とした膜分離式のオキシデーションディッチ法であって、オキシデーションディッチ１内に仕切壁２を配設して無終端水路１１を形成し、この無終端水路１１内に、循環水流を形成する曝気攪拌機３を配設すると共に汚泥混合液の取込口と排出口を有する濾過水槽１５をオキシデーションディッチ１の底部との間に空間を持たせて配設し、該濾過水槽１５内に浸漬型の膜分離装置４とその下方に膜洗浄用の散気管（図示せず）とを設け、ブロア１３によって空気Ｅを前記散気管に送って膜を洗浄するようにした膜分離式オキシデーションディッチ装置Ａが記載されている。

特開２０１２−１５７８４９号公報 特開２０１２−１７６３９６号公報 特開２００３−０３９０８７号公報

上記特許文献１、２に記載されているような、攪拌装置または水流ポンプを用いて機械的に水流を形成する方法は、膜面に効率よく酸素を供給すると同時に膜面を洗浄する点で好ましい方法である。
しかしながら、攪拌翼を有する攪拌装置による攪拌は形成された水流が拡散するため膜分離装置内部に所定の洗浄水量（流速）を確保することができない。
また、水流ポンプを用いる方法では、大流量を供給できるポンプが必要となり、結果として動力コストが高くなり、動力コストを押さえるために間欠運転をする必要がある。

また、特許文献２に記載されているような膜ユニットごとに自動開閉弁を設けて選択的に膜ユニットに水流を供給する方法は、実機化を考えると、大口径主ポンプ級のポンプを必要とすること、及び大口径自動開閉弁の分単位の頻繁な切り替えを要する点で問題があり、また、処理動力も膜分離活性汚泥法を導入する目安となる０．４ｋＷ／ｍ^３を上回るものとなる。
更に、特許文献３記載の装置は、膜を洗浄するため膜洗浄用の空気Ｅを散気管から散気する必要があるため電力消費量が多くなる。
本発明は、攪拌装置を用いて機械的に水流を形成する膜分離活性汚泥処理装置における前記課題を解決することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するべく検討を進めた結果、膜分離活性汚泥処理装置においてプロペラ式水中攪拌機を使用すると共に水流を効率よく膜分離装置に導くための水流ガイドを設けることにより前記課題を解決することができることを見いだして本発明を完成した。

本発明は以下に記載する通りの膜分離活性汚泥処理装置である。
（１）無終端水路を持つ膜分離活性汚泥処理装置であって、
前記無終端水路内に、散気装置、プロペラ式水中攪拌機及び膜分離装置をこの順に設け、
前記プロペラ式水中攪拌機は前記膜分離装置に対向して配置されており、
少なくとも前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラ部分及び該プロペラ部分と膜分離装置との間の空間は筒状の水流ガイドによって囲われている
ことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置。
（２）前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分から下流側の部分は膜分離装置の周縁部に向かってテーパ形状を有することを特徴とする上記（１）に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（３）前記プロペラ部分の上流部の空間も前記水流ガイドによって囲われていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（４）前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分から上流側の部分は上流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（５）前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラの下流側には、前記プロペラの回転軸上に前記プロペラのプロペラ直径よりも小径の補助プロペラが設けられると共に、前記補助プロペラを囲む筒状の補助水流ガイドが設けられていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の膜分離活性汚泥処理装置。
（６）前記補助水流ガイドは、下流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする上記（５）に記載の膜分離活性汚泥処理装置。

本発明の膜分離活性汚泥処理装置を使用することにより、水流発生に必要な機器によって形成される水流のみで膜洗浄を行うことができ、膜面洗浄用の散気装置等を付加的に設置する必要が無い。また、間欠運転をする必要も無いため弁の切り替え等の操作が不要となる。この結果、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。

本発明の装置の実施形態の概略構成を示す図である。 本発明の装置の他の実施形態の概略構成を示す図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の装置における水流ガイドの例を示す図である。 本発明の装置における水流ガイドの例を示す図である。 図４−２（ｃ）に示した水流ガイドを配置した本発明の装置の実施形態の概略構成を示す図である。 本発明の他の例の概略構成を示す図である。 従来の装置の概略構成を示す図である。 従来の装置の概略構成を示す図である。 従来の装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の膜分離活性汚泥処理装置について本発明の実施形態の一つを示す図１に基づいて詳細に説明する。
本発明の膜分離活性汚泥処理装置Ａは基本的な構成として、無終端水路１１を構成する長円形もしくは円形の活性汚泥処理槽１、前記活性汚泥処理槽１内に設けられた散気装置３、膜分離装置４、水流発生装置としてのプロペラ式水中攪拌機５及び水流ガイド６を含んでいる。
以下、各構成要素について説明する。

（活性汚泥処理槽）
活性汚泥処理槽１には仕切壁２によって、水深１〜３ｍの長円形もしくは円形の無終端水路１１が形成されている。活性汚泥処理槽１内には活性汚泥が収容されており、活性汚泥処理槽１内の被処理水はプロペラ式水中攪拌機５の回転により水平方向の推力を与えられて無終端水路１１内を循環しており、活性汚泥処理槽１内に供給された流入水は散気装置３、プロペラ式水中攪拌機５、水流ガイド６及び膜分離装置４を通って無終端水路１１内を循環し、膜分離装置４の分離膜によって分離された処理水はポンプ１０によって排出される。

（散気装置）
散気装置３は、気泡を噴出させて、活性汚泥への酸素供給を行うものである。散気装置３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。細孔の孔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る。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、気泡径が過小であると散気装置の圧力損失が高くなり安定した運転を行うことが困難となる。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従来の方式では、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。
これに対し、本発明では、後述するプロペラ式水中攪拌機を用いて膜洗浄に必要なせん断力を確保するため、微細気泡だけを用いて散気を行うことができ、その風量は活性汚泥の必要酸素量から決定される。

（膜分離装置）
膜分離装置４は活性汚泥と処理水とを分離するもので、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。
膜分離装置４が中空糸タイプの膜の場合には、膜の孔径は０．０１〜１μｍ程度の範囲であるものが好ましく、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。

膜面部における水流の流速は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。
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ことにより、効率的に膜面に平行な水流を生じることができる。

（プロペラ式水中攪拌機）
プロペラ式水中攪拌機５は、機械力によって活性汚泥処理槽１内に循環水流を形成するものである。
プロペラ式水中攪拌機５はその撹拌翼（以下「プロペラ」ともいう）が膜分離装置４に対向するよう、かつ水流の方向が膜分離装置４に向くように配置される。

（水流ガイド）
水流ガイド６は筒状の形状を有しており、図３に示されるように水流ガイド６の上流側部６１は活性汚泥処理槽の壁面に接しており、被処理水をプロペラ式水中攪拌機５に導く。 また、水流ガイド６の下流側部６２はプロペラ式水中攪拌機５で推力を与えられた被処理水を膜分離装置４に導く。水流ガイド６の下流側部６２の下流側端縁は膜分離装置４の上流側端縁に取付けられる。

水流ガイドの例を図４−１、図４−２に示す。
水流ガイド６の形状は円筒状、角筒状、テーパ付円筒状、テーパ付角筒状とすることができるが、プロペラの部分では円筒状である形状とする。
水流ガイド６は、プロペラ式水中攪拌機５のプロペラを囲む部分から上方の部分は、旋回する流れが全てプロペラ部に供給される形状を有しており、プロペラを囲む部分から下方の部分は膜分離装置４の周縁部に繋がる形状を有している。
なお、水流ガイド６の上流側端部と無終端水路を形成する活性汚泥処理槽の壁面との間にはできるだけ隙間がないようにする。隙間があるとこの部分で被処理水が滞留して処理水の水質が悪化する。

図４−１（ａ）に示すものは、水流ガイド６が直筒状であり、プロペラ５を水流ガイド６の中央部に配置したものである。
図４−１（ｂ）に示したものは、上流側の水流ガイドを下流側に向かって狭まるテーパ形状とし、下流側の水流ガイドを直筒状としたものである。このような形状とすることにより処理水を膜分離装置４に導くことができる。
図４−２（ｃ）に示したものは、上流側の水流ガイドを上流側に向かって広がるテーパ形状とし、下流側の水流ガイドを下流側に向かって広がるテーパ形状としたものである。
図４−２（ｄ）に示したものは、上流側の水流ガイドを上流側に向かって広がるテーパ形状とし、下流側の水流ガイドを下流側に向かって狭まるテーパ形状としたものである。

図４−２（ｃ）に示したものの使用形態を図５に示す。
図５（ａ）は膜分離活性汚泥処理装置の縦断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。図４−２（ｃ）に示した構造の水流ガイドを図５（ａ）に示したように設けることにより、この水流ガイドは膜分離装置の上流側には図５（ｂ）のＥで示すような被処理水の水流がプロペラ部以外には流入しない構造を形成し、図５（ａ）における網掛け部分は通水しない領域Ｄとなる。このため、水流の全てがプロペラ及び膜分離装置４を通過するようになる。この実施形態は多くの処理水を膜分離装置４に導くことができるので好ましい。

水流ガイド６の形状はプロペラのサイズと膜分離装置４のサイズとの関係で種々の形状を採用することができる。
プロペラ上流部は図５（ａ）に示したように水流がプロペラ以外の領域を通過しない構造、例えば、プロペラ上流部は上流側に向かって拡大するテーパを有していることが好ましい。
この場合、プロペラのサイズが膜分離装置の流入部のサイズよりも大きい場合にはプロペラ下流部は図４−２（ｄ）に示したように下流側に向かって縮小するテーパを有するようにする。
また、プロペラのサイズが膜分離装置の流入部と同じであればプロペラ下流部は図４−１（ａ）、（ｂ）に示したような直筒状のものとする。
さらに、プロペラのサイズが膜分離装置の流入部よりも小さい場合にはプロペラ下流部は図４−２（ｃ）に示したような下流側に向かって拡大するテーパを有するようにする。

このような水流ガイド６を設けることによって、プロペラ式水中攪拌機５で駆動した被処理水の水流が滞留することなく、効率よく膜分離装置４に向かう。更に、膜分離装置４に導かれる水流は流路断面に対して一様な速度分布を有するようになる。

（補助水流ガイド及び補助プロペラ）
図３に示したものでは、水流が膜面に均一に供給されるが、膜分離装置４に導かれる水流をより効果的に均一に膜面に供給するには、図６に示すように、水流ガイド６の内側に補助プロペラ７及びこの補助プロペラ７を囲う下流側に向かって広がるテーパ形状を有する補助水流ガイド８を設けることが好ましい。
プロペラ式水中攪拌機５のプロペラが膜部よりも小さくプロペラの下流側部が広がる形状の場合、該プロペラは不完全ではあるものの指向性を有するため、最拡部に効果的に水流を供給できない。補助水流ガイド８により直進的に膜部に流入する流体を最拡部に供給させ、水流として不足する中央部を補助プロペラ７によって水流を供給することで、より効果的に均一に膜面に水流が供給することができる。

本発明の膜分離活性汚泥処理装置についての他の実施形態を図２に示す。
分離膜による圧力損失は被処理水の流れ方向の分離膜部の長さ（分離膜の量）により増減するので、必要な分離膜の量に応じて膜分離装置を分割して膜分離装置を多段に設け、それぞれに水流ガイド及びプロペラ式水中攪拌機を設けることによって洗浄効果を高めることができる。
図２に示すものは、図１に示した膜分離活性汚泥処理装置において、分離膜を分割して膜分離装置４を膜分離装置４−１及び膜分離装置４−２の２段に分けて、それぞれの膜分離装置４−１、４−２にプロペラ式水中攪拌機５−１、５−２及び水流ガイド６−１、６−２を設けたものである。
図２に示したものは膜分離装置を２段に設けたものであるが、３段以上の多段に設けてもよい。

以下に実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示される装置を使用した。
無終端水路を持つ活性汚泥処理槽としては、水深２ｍ、周回距離６．６ｍの槽を用いた。
散気装置３の散気位置を水深１．７ｍに設定した。散気量は１１３ｍ^３／ｈ、即ち被処理水に対する通気倍率として３８ｖｖｈとなるように設定した。
膜分離装置４として０．８ｍ（Ｌ）×１．６ｍ（Ｗ）×２．０ｍ（Ｈ）の箱型で、分離膜は孔径０．２μｍのＭＦ膜モジュールを採用した。膜面積は１０８ｍ^２であった。
処理水取り出し口は、膜モジュールの中央に設置されたセンターパイプを通じて、系外に取り出す構造とした。
プロペラ式水中攪拌機５は、回転直径が１．５ｍでプロペラ部での流速が１．０〜１．２ｍ／ｓとなるように設定した。

被処理水はＢＯＤ濃度が８０ｍｇ／Ｌであるものを用い、処理水量を７２ｍ^３／ｄとなるように設定した。ＭＬＳＳ濃度は６，０００〜１０，０００ｍｇ／Ｌ程度に維持するように適宜、余剰汚泥を排出した。
この結果、処理水のＢＯＤは、１．５ｍｇ／Ｌ以下を達成でき、良好な生物処理を行うことができた。反応槽内のＤＯは、常に１．５ｍｇ／Ｌ以上を保持できた。
単位処理水量当りの曝気に対する所要動力はブロワ動力０．３９ｋＷｈ／ｍ^３、攪拌動力０．３６ｋＷｈ／ｍ^３で、合計０．７５ｋＷｈ／ｍ^３であった。

［比較例１］
図１に示される装置から水流ガイドを省いた装置を用いた。
この場合、攪拌動力を０．４８ｋＷｈ／ｍ^３に増加することにより、処理水のＢＯＤは、１．５ｍｇ／Ｌ以下を達成でき、良好な生物処理を行うことができた。反応槽内のＤＯは、常に１．０ｍｇ／Ｌ以上を保持できた。
この場合の単位処理水量当りの曝気および膜洗浄に対する所要動力はブロワ動力０．３９ｋＷｈ／ｍ^３、攪拌動力０．４８ｋＷｈ／ｍ^３で、合計０．８７ｋＷｈ／ｍ^３であった。

以上のように、実施例では、水流ガイドを設けたことによって低電力で良好な水質の処理水を得ることができた。
これに対し、比較例では実施例に比べて電力量が多くなり、水質も低下した。

本発明の膜分離活性汚泥処理装置は、活性汚泥処理に使用する電力を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することができる。

１ 活性汚泥処理槽
２ 仕切壁
３ 散気装置
４、４−１、４−２ 膜分離装置
５、５−１、５−２ プロペラ式水中攪拌機
６、６−１、６−２ 水流ガイド
７ 補助プロペラ
８ 補助水流ガイド
１０ ポンプ
１１ 無終端水路
１２ 活性汚泥処理槽
１３ ブロア
１４ 泥混合液の排出口
１５ 濾過水槽
２０ 水流ポンプ
２１ 旋回機構付プロペラ式水中攪拌機
６１ 水流ガイドの上流側部
６２ 水流ガイドの下流側部
Ａ 膜分離活性汚泥処理装置
Ｂ 膜分離活性汚泥処理装置
Ｄ 通水しない領域
Ｅ 旋回流がプロペラ部以外に流入しない構造部

Claims (6)

1. 無終端水路を持つ膜分離活性汚泥処理装置であって、
   前記無終端水路内に、散気装置、プロペラ式水中攪拌機及び膜分離装置をこの順に設け、
   前記プロペラ式水中攪拌機は前記膜分離装置に対向して配置されており、
   少なくとも前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラ部分及び該プロペラ部分と膜分離装置との間の空間は筒状の水流ガイドによって囲われている
   ことを特徴とする膜分離活性汚泥処理装置。
2. 少なくとも前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分から下流側の部分は膜分離装置の周縁部に向かってテーパ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
3. 前記プロペラ部分の上流部の空間も前記水流ガイドによって囲われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜分離活性汚泥処理装置。
4. 前記水流ガイドは、プロペラを囲む部分から上流側の部分は上流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜分離活性汚泥処理装置。
5. 前記プロペラ式水中攪拌機のプロペラの下流側には、前記プロペラの回転軸上に前記プロペラのプロペラ直径よりも小径の補助プロペラが設けられると共に、
   前記補助プロペラを囲む筒状の補助水流ガイドが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の膜分離活性汚泥処理装置。
6. 前記補助水流ガイドは、下流側に向かって広がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項５に記載の膜分離活性汚泥処理装置。

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