(57)【要約】【課題】膜洗浄効果の高い気泡投入比率を保ちつつ、低流速においても複数の管状膜に均一に気液混相流の原水を流すことのできる水処理システムを提供する。【解決手段】複数の管状膜を有し、原水を濾過する膜モジュールと、原水の水源から膜モジュールへ原水を供給する原水供給部と、原水に気体を供給し、膜モジュールに供給される原水を気液混相流とする気体供給部と、表面張力緩和剤を原水に加える表面張力緩和剤供給部と、を備える水処理システムを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の管状膜を有し、原水を濾過する膜モジュールと、
前記原水の水源から前記膜モジュールへ前記原水を供給する原水供給部と、
前記原水に気体を供給し、前記膜モジュールに供給される前記原水を気液混相流とする気体供給部と、
表面張力緩和剤を前記原水に加える表面張力緩和剤供給部と、を備える水処理システム。
【請求項２】
前記表面張力緩和剤は、植物系界面活性剤または穀物由来脂肪酸ナトリウムである請求項１に記載の水処理システム。
【請求項３】
前記原水供給部は原水ポンプであり、
前記表面張力緩和剤供給部は前記原水ポンプの上流側に設置されている請求項１または２に記載の水処理システム。
【請求項４】
表面張力緩和剤を原水に添加する工程と、
前記原水に気体を供給することで気液混相流とする工程と、
複数の管状膜を有する膜モジュールに前記気液混相流を供給する工程と、
前記複数の管状膜に前記気液混相流を通すことによって濾過を行う工程と、を備える水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理システム及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜モジュールを用いて原水の水処理を行う水処理システムとして、様々なものが知られている。例えば、膜モジュールとして複数の管状膜を有するものを用い、原水を膜モジュールで吸引濾過して固液分離を行うものが知られている。膜モジュールの管状膜によって濾過された処理水は貯留槽に回収され、膜モジュールで濾過されずに通過した原水は水源に戻される。また、例えば、特許文献１に示すように、原水に空気を混合し、気液混相流とした原水を膜モジュールに流して水処理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４５０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述のような水処理システムで用いられる膜モジュールは、数十本から数百本の管状膜で構成されている。そのような膜モジュールに対して、原水に空気を混合した気液混相流を流す場合、膜モジュール内の多数の管状膜に均一に原水と空気が流れず、中には管状膜に空気が詰まることにより原水が全く流れないものも発生する。このように、原水が流れない管状膜が発生すると、実質的に濾過に寄与する管状膜の本数が減ることによって濾過効率が低下することに加え、吸引圧力によって付着した固体が乾燥することにより、管状膜の寿命が縮まるという問題が発生する。
【０００５】
このような問題は、膜洗浄効果の高い気泡投入比率を保ちながら、動力削減のために原水の流速を小さくした場合に発生し易い。従って、空気量を少なくすると共に所定速度以上の流速で運転することによって、流速の勢いで気泡が管状膜中に詰まらないようにする方法が考えられる。しかしながら、当該方法を採用したとしても、複数の管状膜に均一に流すことができない場合がある。また、当該方法では、膜洗浄効果を高めることが出来ず、高い動力が必要となるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高い膜洗浄効率を保ちつつ、低い動力にて、複数の管状膜に均一に気液混相流の原水を流すことのできる水処理システムおよび水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、管状膜の空気が詰まった部分に着目して鋭意研究することで、次の知見を見出すに至った。すなわち、本発明者らは原水の濾過を行う際に、原水に表面張力緩和剤を添加することにより、管状膜内への表面張力による気泡の侵入に対する抵抗力が小さくなることを見出した。これにより、本発明者らは、当該方法によって気液混相流が複数の管状膜内を均一に流れることを見出した。
【０００８】
そこで、本発明に係る水処理システムは、複数の管状膜を有し、原水を濾過する膜モジュールと、原水の水源から膜モジュールへ原水を供給する原水供給部と、原水に気体を供給し、膜モジュールに供給される原水を気液混相流とする気体供給部と、表面張力緩和剤を原水に加える表面張力緩和剤供給部と、を備える。
【０００９】
本発明に係る水処理システムは、表面張力緩和剤を原水に加える表面張力緩和剤供給部を備えている。原水に表面張力緩和剤を加えることにより、気液混相流内の原水の表面張力が緩和され、原水中の気泡が膜モジュール内の管状膜へ侵入する際の表面張力による抵抗力が小さくなる。これにより、気泡が管状膜内へ侵入しやすくなり、詰まり難くなる。従って、膜モジュールが複数の管状膜を有している場合であっても、気液混相流内の原水は管状膜の各々を均一に流れることができる。更に、動力削減のために流速を小さくした場合であっても、気液混相流の原水は各管状膜を均一に流れることができる。以上によって、水処理システムは、高い膜洗浄効率を保ちつつ、低い動力にて、複数の管状膜に均一に気液混相流の原水を流すことができる。
【００１０】
本発明に係る水処理システムにおいて、表面張力緩和剤は植物系界面活性剤または穀物由来脂肪酸ナトリウムであることが好ましい。原水中や後の処理工程にて用いる微生物へ悪影響を与えることはないこと、また微生物によって分解されるため、後の処理工程や環境に悪影響を与えないためである。
【００１１】
本発明に係る水処理システムにおいて、原水供給部は原水ポンプであり、表面張力緩和剤供給部は原水ポンプの上流側に設置されていることが好ましい。これによって、原水ポンプ内において原水中の表面張力緩和剤が撹拌されるため、表面張力緩和剤が原水中に均一に広がる。従って、膜モジュール内の複数の管状膜へ、より確実に原水を均一に流すことができる。
【００１２】
また、本発明の水処理方法は表面張力緩和剤を原水に添加する工程と、原水に気体を供給することで気液混相流とする工程と、複数の管状膜を有する膜モジュールに気液混相流を供給する工程と、複数の管状膜に気液混相流を通すことによって濾過を行う工程と、を備える。この方法を用いることで、原水に表面張力緩和剤を添加でき、気液混相流内の原水の表面張力が緩和され、原水中の気泡が膜モジュール内の管状膜へ侵入する際の表面張力による抵抗力が小さくなる。これにより、気泡が管状膜内へ侵入しやすくなり、詰まり難くなる。従って、複数の管状膜を有している膜モジュールに対して、気液混相流内の原水を管状膜の各々を均一に流すことができる。更に、動力削減のために流速を小さくした場合であっても、気液混相流の原水は、各管状膜を均一に流れることができる。以上によって、この水処理方法を採用することで、高い膜洗浄効率を保ちつつ、低い動力にて、複数の管状膜に均一に気液混相流の原水を流すことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い膜洗浄効果を保ちつつ、低い動力にて、複数の管状膜に均一に気液混相流を流すことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る水処理システムを示す概略構成図である。
【図２】膜モジュールの複数のチューブラー膜に原水が流れる様子を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明による水処理システムの一実施形態を詳細に説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明は以下の内容に限定されない。また、添付図面は実施形態の一例を示したものであり、形態はこれに限定して解釈されるものではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。なお、図面中上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づく。図面の寸法及び比率は図示されたものに限られるものではない。
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明による水処理システムの一実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る水処理システム１を示す概略構成図である。図１に示すように、水処理システム１は、膜モジュール２と、原水槽（原水の水源）３と、原水ポンプ（原水供給部）４と、流量計６と、空気ブロワ（気体供給部）７と、圧力計８，９と、濾過水槽１１と、濾過ポンプ１２と、逆洗ポンプ１３と、表面張力緩和剤供給部１４と、制御部１６と、を備えている。膜モジュール２よりも上流側では、原水槽３と膜モジュール２とは、ラインＬ１で接続されている。膜モジュール２よりも下流側では、原水槽３と膜モジュール２とは、ラインＬ２で接続されている。
【００１８】
膜モジュール２は、原水を濾過して固液分離するためのモジュールである。膜モジュール２は、複数のチューブラー膜（管状膜）５を有している。膜モジュール２は、複数のチューブラー膜５を束ねた状態で円筒状のケース１０に収容することによって構成されている。チューブラー膜５は、内径が３〜２０ｍｍ程度で、長さが５０〜３００ｃｍ程度のストロー状の膜であり、材質として、例えば、ＰＶＤＦ、ＰＥなどが挙げられる。一つ当りの膜モジュール２は、５０〜１０００本のチューブラー膜５を有している。ただし、これらの内径、長さ、本数は一例であって、この数値に限定されるものではなく、当該範囲より小さくてもよく、大きくてもよい。また、材質も一例であって、限定されない。
【００１９】
原水槽３は、水処理システム１で処理される原水を貯留する槽である。なお、原水は種々の不純物や活性汚泥などを含有している場合が多い。また、原水の水源は、原水槽３に替えて、下水ポンプ場などであってもよい。この場合、ラインＬ１は、下水ポンプ場から直接原水を吸い上げ、ラインＬ２は、膜モジュール２を通過した原水を下水ポンプ場へ排出する。原水ポンプ４は、ラインＬ１に設けられており、原水槽３から原水を吸引し、膜モジュール２に供給する。原水ポンプ４の配置は特に限定されず、ラインＬ１，Ｌ２の何れかの位置に設けられている。流量計６は、ライン上Ｌ１に設けられ、原水ポンプ４で圧送される原水の流量を測定する。
【００２０】
空気ブロワ７は、原水に空気を供給し、膜モジュール２に供給される原水を気液混相流とする。空気ブロワ７は、ラインＬ１上であって、原水ポンプ４と膜モジュール２との間に設けられているが、膜モジュール２より上流側であれば、特に位置は限定されない。圧力計８は、膜モジュール２の上流側の圧力、具体的には、膜モジュール２の入口の直前の圧力を検出する。圧力計９は、膜モジュール２の下流側の圧力、具体的には、膜モジュール２の出口の直後の圧力を検出する。例えば、空気の供給量（供給速度）は、０．０５〜０．５ｍ／ｓとすることができる。ただし、当該範囲で運転すれば、本システムのメリットが特に大きくなるものであるため、当該範囲に限定されるものではなく、例えば、１．０ｍ／ｓや２．０ｍ／ｓやそれ以上の供給量で運転してもよい。
【００２１】
膜モジュール２のチューブラー膜５を流れる原水の流れは、小さな気泡が上昇していくバブル流であってもよく、潰れたような状態の縦長で弾丸状の気泡が形成されるスラグ流であってもよく、スラグ流から大小様々な気泡が混在するチャーン流であってもよい。
【００２２】
濾過水槽１１は、膜モジュール２のチューブラー膜５によって固液分離された処理水を貯留する槽である。濾過ポンプ１２は、ケース１０に接続されており、チューブラー膜５の外側から原水を吸引するためのポンプである。これによって、濾過ポンプ１２は、チューブラー膜５で固液分離されてケース１０内に流出する処理水を濾過水槽１１へ供給する。逆洗ポンプ１３は、ケース１０に接続されており、濾過水槽１１に貯留された濾過水を膜モジュール２へ逆流させることによって、チューブラー膜５の内部の洗浄を行う。濾過によって、膜モジュール２のチューブラー膜５の内部には原水中の汚泥が蓄積していくため、一定時間濾過した後、逆洗ポンプ１３を駆動させることによって、チューブラー膜５の洗浄を行うことができる。
【００２３】
表面張力緩和剤供給部１４は、原水に対して表面張力を低下させる薬剤（表面張力緩和剤）を添加する部分である。表面張力緩和剤を原水に適宜かつ適量添加することによって、チューブラー膜５入口部において、表面張力による気泡のチューブラー膜５への侵入に対する抵抗力を小さくすることができる。これによって、気泡がチューブラー膜の入口あるいは内部にて詰まることを防ぐことができる。
【００２４】
図１に示す実施形態では、表面張力緩和剤供給部１４は原水槽１内の原水に表面張力緩和剤を添加するように設けられている。ただし、表面張力緩和剤供給部１４の設置場所は図１に示すようには限定されない。図１に示す実施形態では膜モジュール２にて濾過された後の原水はラインＬ２を介して原水槽３へと循環するため、表面張力緩和剤供給部１４はラインＬ２の一部分に接続するように設けてもよい。ただし、原水の水源を河川などとする場合、濾過後の原水は河川などに排水するため、膜モジュール２より上流側、例えばラインＬ１の一部分に接続するように設ける必要がある。また、表面張力緩和剤供給部１４は一つに限らず、複数設けてもよい。なお、原水ポンプ４の上流側に設置することで、原水ポンプ４内において原水中の表面張力緩和剤が撹拌され、表面張力緩和剤が原水中に均一に広がるため好ましい。
【００２５】
表面張力緩和剤供給部１４が表面張力緩和剤を原水に添加する方法としては、ポンプを用いた送液や重力による滴下などが挙げられる。しかし、これに限定することなく他の方法を用いてもよい。また、手作業にて原水に表面張力緩和剤を添加してもよく、この場合は表面張力緩和剤供給部１４を必ずしも設ける必要はない。例えば、作業者が表面張力緩和剤を運搬し、原水槽３などに投入することによって原水に添加してよい。また、図１に示す実施形態では、表面張力緩和剤供給部１４は後述する制御部１６にて制御されている。ただし本願発明はこれに限定されず、表面張力緩和剤供給部１４は制御部１６とは独立して制御してもよい。
【００２６】
添加される表面張力緩和剤の成分は、界面活性剤のような親水基と疎水基を有する物質を含むことが好ましい。具体的には、パーム油由来などの植物系界面活性剤や穀物由来脂肪酸ナトリウムなどを用いることが好ましい。特に膜分離活性汚泥法においては、原水の主成分が活性汚泥であり、活性汚泥中の微生物に悪影響を与えることがないためである。さらに、植物性界面活性剤や穀物由来脂肪酸ナトリウムなどは微生物によって分解されるため、処理工程や環境に悪影響を与えないため好ましい。
【００２７】
制御部１６は、水処理システム１全体の運転制御を行う。制御部１６は、原水ポンプ４、流量計６、空気ブロワ７、圧力計８，９、濾過ポンプ１２、逆洗ポンプ１３、及び表面張力緩和剤供給部１４と電気的に接続されている。制御部１６は、膜モジュール２で濾過を行うときは、圧力計８，９の検出値に基づいて、原水ポンプ４、空気ブロワ７、濾過ポンプ１２を制御することもできる。制御部１６は、膜モジュールの逆洗を行うときは、逆洗ポンプ１３を制御する。
【００２８】
次に、水処理システム１が原水の水処理を行うときの動作手順の一例について説明する。
【００２９】
まず、制御部１６は、原水ポンプ４及び空気ブロワ７を起動させる。原水ポンプ４は、原水槽３から原水を吸引すると共にラインＬ１を介して膜モジュール２へ原水を供給する。空気ブロワ７は、原水に空気を供給することで原水を気液混相流とする。このとき、原水循環速度は、０．１〜０．５ｍ／ｓ程度の低い速度に設定することができる。また、空気ブロワ７による気泡投入比率を高くすることができ、０．１〜０．２程度、より好ましくは０．３〜０．５程度に設定することができる。また、制御部１６は、濾過ポンプ１２を起動させる。濾過ポンプ１２のフラックスは、０．５〜３．０ｍ／ｓ程度に設定される。ただし、原水循環速度、気泡投入比率、フラックスは上述の数値範囲に限定されるものではなく、当該数値範囲より小さくともよく、大きくともよい。
【００３０】
表面張力緩和剤供給部１４は原水に対して表面張力緩和剤を適宜かつ適量添加する。表面張力緩和剤供給部１４は制御部１６の動作に従って添加してもよい。また、制御部１６と独立して水処理システム１の駆動時間を基準にして添加してもよいし、作業者が手作業にて適宜添加してもよい。この場合は、表面張力緩和剤供給部１４を必ずしも設ける必要はない。原水に表面張力緩和剤を添加する時は、水処理システムが図１に示す循環型である場合は特に限定されず、例えばラインＬ２中の原水に添加してもよい。一方で、原水の水源を河川などとし水処理システムが循環型ではない場合、膜モジュール２より上流側に設ける必要がある。例えば、ラインＬ１中の原水に添加してもよい。この場合、表面張力緩和剤の添加を原水に行うのは、原水ポンプ４によって原水が吸引される前でもよいし、原水に空気が供給された後でもよい。なお、原水ポンプ４の上流側に設置することで、原水ポンプ４内において原水中の表面張力緩和剤が撹拌され、表面張力緩和剤が原水中に均一に広がるため好ましい。
【００３１】
制御部１６は、膜モジュール２の入口側の圧力計８による検出値及び出口側の圧力計９の検出値を取得する。制御部１６は、これらの検出結果に基づいて、原水ポンプ４、空気ブロワ７、濾過ポンプ１２を制御してもよい。
【００３２】
次に、本実施形態に係る水処理システム１の作用・効果について説明する。
【００３３】
まず、従来の水処理システムについて説明する。従来の水処理システムは、図１に示す水処理システム１から表面張力緩和剤供給部１４を除いた構成を有する。
【００３４】
上述のように、膜モジュール２は、数十本から数百本の管状膜で構成されている。従来の水処理システムにおいて、そのような膜モジュール２に対して、原水に空気を混合した気液混相流を流す場合、図２（ａ）に示すように、膜モジュール２内の多数のチューブラー膜５に均一に原水と空気が流れず、中にはチューブラー膜５に空気が詰まることにより原水が全く流れないものも発生する。このように、原水が流れないチューブラー膜５が発生すると、実質的に濾過に寄与するチューブラー膜５の本数が減ることによって濾過効率が低下することに加え、吸引圧力によって付着した固体が乾燥することにより、チューブラー膜５の寿命が縮まるという問題が発生する。
【００３５】
このような問題は、膜洗浄効果の高い気泡投入比率を保ちながら、動力削減のために原水の流速を小さくした場合に発生し易い。従って、空気量を少なくすると共に所定速度以上の流速で運転することによって、流速の勢いで気泡がチューブラー膜５中に詰まらないようにする方法が考えられる。しかしながら、当該方法を採用したとしても、複数のチューブラー膜５に均一に流すことができない場合がある。また、当該方法では、空気量が少ないために膜洗浄効果を高めることが出来ず、高い動力が必要となるため、原水ポンプ４を大きくしなければならないという問題がある。
【００３６】
ここで、本発明者らは、チューブラー膜５の空気が詰まった部分に着目して鋭意研究することで、次の知見を見出すに至った。すなわち、本発明者らは原水の濾過を行う際に、原水に表面張力緩和剤を添加することにより、チューブラー膜５内への表面張力による気泡の侵入に対する抵抗力が小さくなることを見出した。これにより、本発明者らは、当該方法によって、原水の循環速度を高くすることなく、且つ、空気量を少なくすることなく気液混相流が複数のチューブラー膜５内を均一に流れることを見出した。
【００３７】
そこで、本実施形態に係る水処理システム１は、新たに表面張力緩和剤供給部１４を設けることで、少なくとも膜モジュール２にて濾過される原水に対して表面張力緩和剤を添加し、チューブラー膜５の入口部においての表面張力による気泡のチューブラー膜５への侵入に対する抵抗力（反発力）を小さくすることができる。また、チューブラー膜５内においても、気泡がチューブラー膜５にひっかかる抵抗を少なくすることができるため、気泡が詰まることを防ぐことができる。さらには、表面張力緩和剤を原水に添加することによって、気液混相流内の気泡が小さくなるので、気泡がチューブラー膜５内に詰まりにくくなる。従って、図２（ｂ）に示すように、膜モジュール２が多数のチューブラー膜５を有している場合であっても、気液混相流の原水は各チューブラー膜５を均一に流れることができる。これにより、実際に膜モジュール２内で濾過するチューブラー膜５の本数が減り、膜濾過率の効率が低下することを防ぐことができる。また、濾過によってチューブラー膜５内に付着した固体が乾燥して、チューブラー膜５の寿命を縮めてしまうこともなくなる。
【００３８】
さらには、膜洗浄効率を高くするために気液混相流内の空気の比率を多くし、且つ、動力削減のために流速を小さくした場合であっても、気液混相流の原水は、各チューブラー膜５内を均一に流れることができる。流速に着目すると、従来の水処理システムでは原水循環速度が約０．５ｍ／ｓ未満である場合、図２（ａ）に示すように気泡がチューブラー膜５内に詰まってしまう確率が高くなっていくことが確認されている。一方で表面張力緩和剤を添加した場合、約１／５程度の原水循環速度（約０．１ｍ／ｓ）であっても、図２（ｂ）に示すように気液混相流は膜モジュール２内にある複数のチューブラー膜５内を均一に流れることが確認された。従って、表面張力緩和剤を添加することで、低い動力にて、複数の管状膜に均一に気液混相流の原水を流すことができる。
【００３９】
添加される表面張力緩和剤の成分は、界面活性剤のような親水基と疎水基を有する物質を用いることができ、具体的には、パーム油由来などの植物系界面活性剤や穀物由来脂肪酸ナトリウムなどを用いることが好ましい。特に原水に活性汚泥が含有されている場合、活性汚泥中の微生物へ悪影響を与えることはない。さらに、上記材料を用いた場合微生物によって分解されるため、処理工程や環境に悪影響を与えないという効果もある。また、上記成分を用いた場合、チューブラー膜５内に付着した固体などを除去することもできるため、膜洗浄力が向上する。
【００４０】
本発明の実施形態に係る水処理システム１にて用いられる表面張力緩和剤は濾過を行う原水の量と比較すると微量である。そのため、表面張力緩和剤供給部１４は他の構成と比較すると小型でよいため、従来の水処理システムに対して組み込みが容易である。
【００４１】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、図１は水処理システム１のシステム構成の一例に過ぎず、異なるシステム構成を採用してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…水処理システム、２…膜モジュール、４…原水ポンプ（原水供給部）、５…チューブラー膜（管状膜）、７…空気ブロワ（空気供給部）、８，９…圧力計、１４…表面張力緩和剤供給部、１６…制御部。
【図１】
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【図２】
2014188453.tif 000004