(57)【要約】【課題】活性汚泥法の設備を更新や改築するに際し、膜分離装置を沈殿槽内に装填した場合において、安定した膜面洗浄が行え、活性汚泥による水処理を安定させることが可能となる、廃水処理装置および廃水処理装置の更新・改造方法を提供する。【解決手段】有機性汚水と活性汚泥を曝気槽で曝気混合し、その混合液を沈殿槽で固液分離し、固液分離した濃縮汚泥を返送汚泥として前記曝気槽にもどす廃水処理装置および廃水処理装置の更新・改造方法であって、沈殿槽内に、下部に膜面を洗浄するための曝気装置を具備する膜分離装置を装填し、かつ返送汚泥の流量を既存の活性汚泥法の返送量よりも増加させることを特徴とする。【選択図】図２
2014133206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性汚水と活性汚泥を曝気混合するための曝気槽と、前記曝気槽で混合された混合液を固液分離する沈殿槽と、前記固液分離により得られた濃縮汚泥を返送汚泥として前記曝気槽に移送する返送配管とを備え、
前記沈殿槽内に、下部に膜面を洗浄するための曝気装置を具備する膜分離装置を装填し、且つ前記返送配管に返送汚泥ポンプを備えたことを特徴とする廃水処理装置。
【請求項２】
前記沈殿槽に、前記膜分離装置の水平度を保つためのレール状の器具を備えることを特徴とする請求項１に記載の廃水処理装置。
【請求項３】
有機性汚水と活性汚泥を曝気槽で曝気混合し、前記曝気槽で混合された混合液を沈殿槽で固液分離し、固液分離した濃縮汚泥を返送汚泥として前記曝気槽に戻す廃水処理装置の更新・改造方法であって、
前記沈殿槽内に、下部に膜面を洗浄するための曝気装置を具備する膜分離装置を装填し、かつ前記返送汚泥の流量を前記有機性汚水の流入量の１００％から５００％の範囲とすることを特徴とする廃水処理装置の更新・改造方法。
【請求項４】
前記返送汚泥を移送する配管にエアリフトポンプを備え、前記エアリフトポンプにより前記返送汚泥の流量を調整することを特徴とする請求項３に記載の廃水処理装置の更新・改造方法。
【請求項５】
前記沈殿槽における前記膜分離装置の中心線の傾きを、鉛直方向に対して５％以内に抑制することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の廃水処理装置の更新・改造方法。
【請求項６】
前記沈殿槽に、前記膜分離装置の水平度を保つためのレール状の器具を設置することを特徴とする請求項５に記載の廃水処理装置の更新・改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性汚水と活性汚泥を曝気混合するための曝気槽およびその混合液を固液分離する沈殿槽を備えた廃水処理装置の更新方法において、既設廃水処理装置の処理効率の改善を図ることが可能な更新・改善方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物を利用して汚水を処理する方法のうち一般的なものとして標準活性汚泥法が知られている。標準活性汚泥法では、有機性汚水は活性汚泥が収容された曝気槽に導入され、曝気・攪拌される。その後、微生物により処理された水は沈殿槽にて固液分離され、上澄みは処理水として放流等される。分離された濃縮汚泥は返送汚泥として曝気槽に返送され、一部は余剰汚泥として活性汚泥系外に引き抜かれる。
【０００３】
膜分離活性汚泥法（以下、ＭＢＲ）では、流入してきた有機性汚水は、微細目スクリーンにより、し渣等の夾雑物が除かれた後、曝気槽に導入される。曝気槽内には、膜分離モジュールが設置されており、これにより固液分離が行われ処理水を得ることができる。曝気槽内の活性汚泥浮遊物（以下、ＭＬＳＳ）濃度を一定にするために、汚泥引抜ポンプにより、余剰汚泥が適量引き抜かれる。
【０００４】
膜分離活性汚泥法を活用し、既存の廃水処理装置を更新する方法として、例えば、特許文献１では、下水と活性汚泥を混合・曝気することにより下水を処理する生物反応槽にろ過膜を設置することによって同時に固液分離を行い、これにより使用しなくなった最終沈殿槽を最初沈殿槽として利用する発明が開示されている。また、特許文献２では、反応槽内の汚泥微生物により有機性汚水を生物処理するオキシデーションディッチにおいて、沈殿槽内に浸漬するようにして膜分離装置を設置したことを特徴とする発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２１８６２号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的な既存廃水処理手法である標準活性汚泥法の更新に膜分離活性汚泥法を適用するためには、膜モジュールが適切に洗浄されるようにレイアウトが考慮されたり、曝気槽内のＭＬＳＳ濃度（ＭＬＳＳ濃度の単位は、一般にｍｇ／Ｌで示される）は適切な範囲に設定される必要がある。しかしながら、いずれの特許文献においても、これらの課題について解決策を提供できる技術を十分に開示しているとはいえない。
【０００７】
本発明の目的は、活性汚泥法の装置を更新や改築するに際し、膜分離装置を沈殿槽内に装填した場合において、安定した膜面洗浄が行え、活性汚泥による水処理を安定させることが可能となる、廃水処理装置および廃水処理装置の更新・改造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための本発明の廃水処理装置および既存の廃水処理装置の更新・改造方法は以下の特徴を有するものである。
（１）有機性汚水と活性汚泥を曝気混合するための曝気槽と、前記曝気槽で混合された混合液を固液分離する沈殿槽と、前記固液分離により得られた濃縮汚泥を返送汚泥として前記曝気槽に移送する返送配管とを備え、前記沈殿槽内に、下部に膜面を洗浄するための曝気装置を具備する膜分離装置を装填し、且つ前記返送配管に返送汚泥ポンプを備えたことを特徴とする廃水処理装置。
（２）前記沈殿槽に、前記膜分離装置の水平度を保つためのレール状の器具を備えることを特徴とする上記（１）に記載の廃水処理装置。
（３）有機性汚水と活性汚泥を曝気槽で曝気混合し、前記曝気槽で混合された混合液を沈殿槽で固液分離し、固液分離した濃縮汚泥を返送汚泥として前記曝気槽にもどす廃水処理装置の更新・改造方法であって、前記沈殿槽内に、下部に膜面を洗浄するための曝気装置を具備する膜分離装置を装填し、かつ前記返送汚泥の流量を前記有機性汚水の流入量の１００％から５００％の範囲とすることを特徴とする廃水処理装置の更新・改造方法。
（４）前記返送汚泥を移送する配管にエアリフトポンプを備え、前記エアリフトポンプにより前記返送汚泥の流量を調整することを特徴とする上記（３）に記載の廃水処理装置の更新・改造方法。
（５）前記沈殿槽における前記膜分離装置の中心線の傾きを、鉛直方向に対して５％以内に抑制することを特徴とする上記（３）または（４）に記載の廃水処理装置の更新・改造方法。
（６）前記沈殿槽に、前記膜分離装置の水平度を保つためのレール状の器具を設置することを特徴とする上記（５）に記載の廃水処理装置の更新・改造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、曝気槽および沈殿槽内に滞留するＭＬＳＳ濃度を安定させることができる。また、沈殿槽内の設置に伴う曝気の偏りを抑制することにより、膜分離装置の膜面の曝気洗浄を均一にかつ効果的に行うことが可能となる。その他、膜分離活性汚泥法が適用可能となることから、既存の活性汚泥処理と比較し、高い容積負荷での運転が可能であり、分離膜で固液分離を行うことから沈殿分離と比較して清浄の処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】標準的な活性汚泥法のフローを示す図である。
【図２】本発明に係る廃水処理装置の更新・改造方法の実施形態を示すフロー図である。
【図３】各汚泥返送率における沈殿槽内のＭＬＳＳ濃度に対する活性汚泥処理槽内のＭＬＳＳ濃度の割合を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態を示す図であり、（ａ）は膜分離装置１０をそのままの状態で沈殿槽５に設置した図、（ｂ）は膜分離装置１０をレール部材１５を用いて沈殿槽５に設置した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、更新・改造前の標準活性汚泥法のフロー図である。下水や工場廃水などの有機性汚濁物質を含む廃水すなわち、有機性汚水１は、活性汚泥処理槽２に導入され、活性汚泥処理槽２内で活性汚泥処理される。有機性汚水１の活性汚泥処理槽２内での滞留時間は通常１時間〜２４時間程度であるが、有機性汚水１の濃度等に応じて最適な時間を採択される。また、活性汚泥処理槽２内でのＭＬＳＳ濃度は概ね１，５００ｍｇ／Ｌ〜４，０００ｍｇ／Ｌ程度である。ＭＬＳＳ濃度を高くすると活性汚泥処理槽の容積あたりの処理効率は向上するが、後段の固液分離工程において分離が困難になるため適正なＭＬＳＳ濃度に保つことが重要である。
【００１２】
活性汚泥処理槽２内には、送風機４から供給されるエアを散気させるための散気ユニット３が取り付けられている。散気ユニット３から散気されるエアは、活性汚泥混合液に供給され有機物の分解に利用される。処理後の活性汚泥混合液は、沈殿槽５に導入される。
【００１３】
沈殿槽５では、活性汚泥（微生物）と処理水の沈殿分離が行われ、沈殿槽越流水が活性汚泥法における処理水９として環境中へ放流等される。沈殿槽５は、活性汚泥の性状に適した水面積負荷で設計がなされ、活性汚泥は沈殿槽５の底部に貯まる。沈殿槽に貯まった汚泥は返送汚泥６として、返送汚泥ポンプ７を介して活性汚泥処理槽２に返送される。返送汚泥６の一部は、余剰汚泥８として系外に適宜引き抜かれる。なお、標準的な活性汚泥法における汚泥返送率はおおよそ３０％程度である。なお、汚泥返送率は下記で計算される。
汚泥返送率＝（返送汚泥量／日）÷（有機性汚水流入汚水量／日）×１００
【００１４】
本発明の廃水処理設備では、膜分離装置を沈殿槽５内に装填し、沈殿槽５から活性汚泥処理槽２への返送汚泥６の量を増加させることを特徴とする。
【００１５】
図２に示したように、本発明の廃水処理装置において、沈殿槽５の中に膜分離装置１０が浸漬される。膜分離装置１０の下部には、曝気装置としての膜面洗浄散気ユニット１２が設置され、膜面洗浄用送風機１１から供給されるエアが膜面洗浄散気ユニット１２から散気され、膜分離装置１０の膜面の洗浄が行われる。膜分離装置１０には膜ろ過吸引ポンプ１３が接続されており、膜ろ過された水は膜ろ過水１４として放流等される。
【００１６】
なお、既設の活性汚泥法と同様、沈殿槽５で固液分離された濃縮汚泥（返送汚泥６）は、返送汚泥ポンプ７を介して、活性汚泥処理槽２に返送される。本発明において、返送汚泥ポンプ７の流量は、有機性汚水１の流入量の１００％から５００％程度の範囲で運転することが望ましく、２００％から４００％の範囲がより好ましい。通常の活性汚泥法における返送率が前述のとおり３０％程度であるから、膜分離装置１０を導入することにより約３倍から１６倍にまで増強することが必要となる。増強の方法としては、返送汚泥ポンプを大型のポンプに交換したり、既存設備の返送汚泥ポンプを流用しつつ新しいポンプを併設して、設備を増強する方法がある。特に、ランニングコストで有利となるエアリフトポンプを利用してもよい。
【００１７】
ここで、汚泥返送率の違いが、活性汚泥処理槽、沈殿槽内のＭＬＳＳ濃度に与える影響について説明する。図３は、各汚泥返送率における沈殿槽内のＭＬＳＳ濃度に対する活性汚泥処理槽内のＭＬＳＳ濃度の割合（ＭＬＳＳ濃度（活性汚泥処理槽）／ＭＬＳＳ濃度（沈殿槽））を示す。この値が低ければ、活性汚泥処理槽と沈殿槽のＭＬＳＳ濃度差が大きくなる。
例えば、従来の活性汚泥法と同様、汚泥返送率が３０％であれば、ＭＬＳＳ濃度（活性汚泥処理槽）／ＭＬＳＳ濃度（沈殿槽）の値は０．２３となる。仮に運転時における沈殿槽内のＭＬＳＳ濃度を１０，０００ｍｇ／Ｌとすれば、活性汚泥処理槽内のＭＬＳＳは２，３００ｍｇ／Ｌとなる。これでは、活性汚泥処理槽のＭＬＳＳ濃度が低すぎ、単位容積あたりの処理効率を高くできる膜分離活性汚泥法におけるメリットを見出せない。一方、汚泥返送率を高くすれば、ＭＬＳＳ濃度（活性汚泥処理槽）／ＭＬＳＳ濃度（沈殿槽）の値も高くなる。ここで、図３に示すとおり、増加曲線は漸近線状であるため、経済性を考慮すれば汚泥返送率は１００〜５００％程度に設定することが望ましい。従って、汚泥返送率を前記範囲とすれば、ＭＢＲで処理するメリットが引き出せる。
【００１８】
ここで、膜分離装置１０は、ろ過膜の取り扱い性や物理的耐久性を向上させるために、例えば、フレームの両面にろ過水流路材を挟んだ上にろ過膜を接着した平膜エレメント構造や中空糸状の膜を束ねた中空糸型構造等が含まれ、膜分離活性汚泥法に使用される浸漬型の膜ユニットのことを指す。ろ過膜の膜構造としては、多孔質膜や、多孔質膜に機能層を複合化した複合膜などが挙げられるが、特に限定されるものではない。
【００１９】
これらの膜の具体例としては、ポリアクリロニトリル多孔質膜、ポリイミド多孔質膜、ポリエーテルスルホン多孔質膜、ポリフェニレンスルフィドスルホン多孔質膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜、ポリフッ化ビニリデン多孔質膜、ポリプロピレン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜等の多孔質膜などが挙げられるが、ポリフッ化ビニリデン多孔質膜やポリテトラフルオロエチレン多孔質膜は耐薬品性が高いため、特に好ましい。さらに、これら多孔質膜に機能層として架橋型シリコーン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリルブタジエン、エチレンプロピレンラバー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子を複合化した複合膜も、膜分離装置１０に用いることができる。ここでいうろ過膜とは、孔径が０．０１μｍから１０μｍ程度のものをいい、一般的に分子ふるいによる分離が行われる限外ろ過膜より目が粗く、通常操作圧は減圧状態から２００ｋＰａ以下で運転される。
【００２０】
膜面洗浄散気ユニット１２は膜分離装置１０の底部に配置されている。通常は粗大気泡を発生する散気装置で散気するが、微細気泡タイプ（例えばＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム））のメンブレンディフューザーを用いることも可能である。膜面洗浄散気ユニット１２には膜面洗浄用送風機１１が接続されている。膜面洗浄用の散気は連続あるいは間欠で行うことも可能である。なおこの散気によって、膜面の洗浄を行うとともに、活性汚泥に必要な酸素も供給することができる。
【００２１】
膜面洗浄散気ユニット１２は、膜分離装置１０全体に向けて散気する構造のものであればよく、管に孔をあけた構造のものや、セラミック製の散気板などが用いられるが特に限定するものではない。膜面洗浄用送風機１１とは圧縮空気を送風する送風機のことで、設備の規模、水深などに応じて最適なものを選定するのが良い。
【００２２】
活性汚泥と処理水の分離は、膜分離装置１０によって行われる。ろ過の動力として、膜ろ過吸引ポンプ１３が用いられ、膜ろ過水は放流あるいは再利用などに供される。膜ろ過吸引ポンプ１３としては、膜分離装置１０から処理水を得ることができるポンプであれば特に問題はなく、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻斜流ポンプ、斜流ポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、歯車ポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプなどが用いられる。
【００２３】
前述のとおり、返送汚泥６は活性汚泥処理槽２および沈殿槽５の中に貯留できる活性汚泥の濃度を適切に保持するために重要な役割を担う。返送汚泥ポンプ７としては、槽外に設置するもの、槽内に設置するものどちらの形状でもよく、ポンプの型式も活性汚泥が送液できるものであれば特に限定されるものではない。なお、ランニングコストの低減のため、エアリフトポンプを使用することが可能である。エアリフトポンプとは、水中の立管の中に圧縮空気を吹き込み，管内外の液体に比重差をつくり，そのとき上昇する気泡とともに汚水・汚物を揚水するポンプをいい、通常のポンプを使用するのに比して電力量を低減することが可能となる。
【００２４】
なお、本発明において、膜分離装置１０は、鉛直方向に対してその中心線の傾きが５％以下であることが好ましい。活性汚泥処理設備においては、沈殿槽５は沈降した濃縮汚泥を底部中央に集積するようにするため勾配をつけている（図２、図４参照）。このため、図４（ａ）に示したように、膜分離装置１０とその下部にある膜面洗浄散気ユニット１２をそのままの状態で沈殿槽５の底部に設置すると、その勾配に併せて膜分離装置１０および膜面洗浄散気ユニット１２も斜めに設置されてしまい、特に膜面洗浄にかかる洗浄が十分に行われない場合がある。膜面洗浄散気ユニット１２から噴出されるエアは鉛直方向に上昇するため、傾倒した膜分離装置の傾倒側（すなわち、図４（ａ）に示す膜分離装置の左側）に、洗浄が十分でない部分ができることとなる。さらに、膜分離装置１０周辺を流れる旋回流が左右対称とならないため、膜面の洗浄性も均一でなくなってしまう。
【００２５】
このため、本発明の廃水処理装置では、沈殿槽５における膜分離装置１０の中心線の傾きを、鉛直方向に対して５％以下となるように調整して設置することが望ましい。膜分離装置１０の傾きを抑制する手段は、沈殿槽５の内部全体にアングルを組む方法や底部全体にコンクリート等を補充し水平度を確保する方法等があり、現地の状況やコストなどから適当なものを選定すればよく特に限定するものではない。ただし、可能な限り使用する部材を削減し現地での工事を最小限にするためには、図４（ｂ）に示したように、勾配の低い箇所にレール部材１５を設置することが考えられる。レール部材１５の設置は工事が簡便であり、かつ膜分離装置を水平に保つことができるため、散気が膜分離装置１０全体に均一に行きわたり膜表面が清浄に保て、膜分離装置１０の安定運転に資する。レール部材１５としては、腐食性を考慮しステンレスや樹脂部材が想定されるが特に限定されるものではない。また形状としては、膜モジュールの形状と沈殿槽の勾配に合わせた形状を設計、選択すればよい。
【実施例】
【００２６】
以下、有機性汚水を処理する標準活性汚泥処理設備の更新・改造を検討した例を示す。既存処理設備の処理条件を表１に示す。原水（被処理水）は、化学工場の廃水（水量：４，０００ｍ３／ｄａｙ、ＢＯＤ＝２００ｍｇ／Ｌ）であり、化学工場の生産の関係で、原水の有機物濃度が増加したため設備の増強が必要になった例である。
【００２７】
実施例１として、図２に示したように、沈殿槽５に膜分離装置１０（東レ株式会社製  ＴＭＲ−１４０−１００ｓ）を装填した廃水処理装置を用いた。なお、実施例１では汚泥返送率を３００％とした。比較例１として、同じく図２に示した廃水処理装置を用い、汚泥返送率として、既存の活性汚泥処理設備の現状と同等の３０％とした。表２に、実施例１および比較例１についてその処理性能を示し、参考例１として図１に示した廃水処理装置を用いた既存の活性汚泥法による処理性能を合わせて示す。
【００２８】
【表１】
2014133206.tif 000003
【００２９】
【表２】
2014133206.tif 000004
【００３０】
表２の結果より、参考例１の既存の活性汚泥法では、活性汚泥処理槽に貯留される活性汚泥のみが生物処理に寄与するが、実施例１のように膜分離装置を導入し、かつ返送汚泥の流量を増加させて汚泥返送率を上げることにより、５倍量の微生物が活性汚泥処理槽および沈殿槽に保持され、これらの両方が生物処理に寄与することとなった。このため原水許容ＢＯＤ濃度が大幅に上昇した。このように膜分離装置を導入し、かつ返送汚泥の流量を増加させて汚泥返送率を上げることによりＢＯＤ−ＳＳ負荷（曝気槽内の単位ＭＬＳＳ量［ｋｇ］当たりに加えられる１日の汚水中のＢＯＤの量［ｋｇ／日］）の向上が図れることがわかった。一方、返送汚泥率を既存設備と同等に設定した比較例１は、活性汚泥処理槽の混合液と沈殿槽の混合液のＭＬＳＳ濃度に大きな差異がでてくるため、原水許容ＢＯＤ濃度は実施例１と比較して低くなった。このように処理の安定性や原水許容ＢＯＤ濃度等を考慮し、返送汚泥率を適当な値に増強することが有効であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、有機性汚水等を処理する既存の活性汚泥処理装置を膜分離活性汚泥処理装置に更新・改造に利用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１．  有機性汚水
２．  活性汚泥処理槽
３．  散気ユニット
４．  送風機
５．  沈殿槽
６．  返送汚泥
７．  返送汚泥ポンプ
８．  余剰汚泥
９．  処理水（沈殿槽越流水）
１０．膜分離装置
１１．膜面洗浄用送風機
１２．膜面洗浄散気ユニット
１３．膜ろ過吸引ポンプ
１４．処理水（膜ろ過水）
１５．レール部材
【図１】
2014133206.tif 000005
【図２】
2014133206.tif 000006
【図３】
2014133206.tif 000007
【図４】
2014133206.tif 000008