(57)【要約】【課題】長期的に安定した処理性能を達成し、膜型バイオリアクターを実用化する。【解決手段】膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ膜の前段に少なくとも膜よりも孔径の小さいガスフィルタまたは／およびマスフローコントローラを設置したことを特徴とする膜型バイオリアクター、およびそれを用いた液体処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ前記膜の前段に少なくとも前記膜よりも孔径の小さいガスフィルタを設置したことを特徴とする膜型バイオリアクター。
【請求項２】
前記ガスフィルタと前記膜の間に圧力計が設けられている、請求項１の膜型バイオリアクター。
【請求項３】
膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ前記膜の前段に少なくともマスフローコントローラを設置したことを特徴とする膜型バイオリアクター。
【請求項４】
膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ前記膜の前段に、少なくとも、前記膜よりも孔径の小さいガスフィルタおよびマスフローコントローラを設置したことを特徴とする膜型バイオリアクター。
【請求項５】
前記膜が中空糸膜からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の膜型バイオリアクター。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の膜型バイオリアクターを用いて液体を処理することを特徴とする液体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法に関し、特に膜の表面に微生物からなる生物膜を固定化し、生物膜を適切な状態に保って生物処理を行う排水処理や下水処理の分野、および生物膜を用いた有用物質の生産分野等に好適に適用可能な膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜、特に中空糸膜の表面に微生物からなる生物膜を固定化し、中空糸膜の内部からガスを供給するバイオリアクター、いわゆるメンブレンエアレーションバイオリアクター（以下、ＭＡＢＲと略称する。）は、研究レベルとしては数多く発表されている（例えば、特許文献１）。主に、有用物質を生産するバイオリアクターの効率化を目指した取り組みとして研究されているが、近年では排水処理、下水処理への適用も試みられている。
【０００３】
従来下水処理、排水処理場などで行われている生物処理は、散気装置などを用いて空気を水槽に供給するエアレーションが実施されているが、ほとんどのエアーは利用されずに泡のまま装置外に出ていくため、通常、酸素利用効率は５〜10％程度である。これに対し、ＭＡＢＲでは気泡を出さずに中空糸膜の外側表面に付着した微生物群からなる生物膜に直接ガスを供給できるため、酸素利用効率が90〜100％となり、上記エアレーションに伴うエネルギーを大幅に削減することが可能である。
【０００４】
ただし、ＭＡＢＲは膜を用いるためコストが高く、実用化するには従来のエアレーション装置よりはるかに高負荷（５〜10倍程度）で処理できることがポイントなる。このため、ＭＡＢＲを用いた高負荷処理の研究が行われており、短期間では高負荷処理を達成しているが、処理性能が長期的に安定しないことが問題となっていた。以上のようなことから、ＭＡＢＲは高負荷、省エネルギーな装置として有望であるが、長期的な性能安定性、コスト面などで課題があり、実用には至っていないのが現実である。
【特許文献１】特開平１１−１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、長期的に安定した処理性能を達成し、ＭＡＢＲを実用化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明者らは、好気性のＭＡＢＲ装置を用いて処理性能が安定しないことについて種々検討した。この結果、３ヶ月以上の長期運転に伴い供給ガス量が低下すること、またガス供給量低下が顕著になると必要なガス量が得られないためリアクターの処理性能が低下することが判明した。このガス量低下について検討した結果、供給ガス中の固形物、油分により膜の孔が目詰まりを起こしていることが想定された。また、従来は、ガス流量の低下に伴い、運転を止めて膜の洗浄、交換などをする必要があった。本発明は、これらの検討結果に基づいて完成されたものである。
【０００７】
すなわち本発明に係る膜型バイオリアクターは、膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ前記膜の前段に少なくとも前記膜よりも孔径の小さいガスフィルタを設置したことを特徴とするものからなる。膜の孔が目詰まりの原因となる供給ガス中の固形物、油分が、ガスフィルタにより事前に適切に除去されるので、膜へのガスの供給量低下の防止が可能になり、長期的に安定した処理性能が得られる。
【０００８】
上記ガスフィルタと上記膜との間には圧力計が設けられていることが好ましく、これによって、膜の内部に適正な圧力にてガスが供給されていることを確認できる。また、ガスフィルタの前段にも圧力計を設けておけば、ガスフィルタの差圧を検出でき、ガスフィルタ自体の目詰まりをモニターできる。
【０００９】
また、別の対策として、本発明に係る膜型バイオリアクターは、膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ前記膜の前段に少なくともマスフローコントローラを設置したことを特徴とするものからなる。ここで、マスフローコントローラとは、ある範囲内の圧力変動があっても、自身のコントロールにより同じ流量を出すことができるコントローラである。膜へのガスの供給量が実質的に一定の最適な流量に保たれるので、長期的に安定した処理性能が得られる。
【００１０】
上記ガスフィルタを設ける構造とマスフローコントローラを設ける構造は組み合わせて適用することもできる。すなわち、本発明に係る膜型バイオリアクターは、膜の内部にガスが供給され、かつ該膜の外部に液体が供給される膜型バイオリアクターにおいて、ガス供給手段の後段で、かつ前記膜の前段に、少なくとも、前記膜よりも孔径の小さいガスフィルタおよびマスフローコントローラを設置したことを特徴とするものからなる。
【００１１】
本発明における膜としては、平膜等中空糸膜以外の膜の使用も可能ではあるが、膜表面に効率よく広い面積にて生物膜を形成して処理するためには、中空糸膜を用いることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る液体処理方法は、このような膜型バイオリアクターを用いて液体を処理することを特徴とする方法からなる。
【００１３】
本発明に係る膜型バイオリアクターおよびそれを用いた液体処理方法においては、上記ガスフィルタを設けて膜の目詰まり原因となる異物を事前に除去することにより、あるいは、マスフローコントローラを設けて膜へのガスの供給量を安定して最適な流量に保つことにより、あるいはそれらの組み合わせにより、従来の生物処理装置に比較して圧倒的（５〜10倍）な高負荷、省エネルギーを達成するＭＡＢＲの安定した長期運転が可能となる。
【００１４】
なお、本発明は酸素を必要とする通常の好気性のＢＯＤ処理ばかりではなく、硝化処理や無酸素条件での脱窒処理、嫌気処理などにも利用することが可能であり、非常に有用な発明である。供給するガスは、好気性の場合には空気、または酸素を、嫌気性の場合は窒素などの不活性ガスを、またメタン資化性細菌、水素資化性細菌などを利用する場合は、各々メタンガス、水素ガスを用いることができる。また、本発明は、排水処理や下水処理の分野に限らず、微生物を用いた有用物質生産のためのバイオリアクターにも適用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明によれば、従来のＭＡＢＲで問題となっていた長期運転におけるガス供給能の安定性、および処理性能の安定性の課題を解消することが可能となる。この課題が解決することで、安定した高負荷運転が可能となりMABRの実用化が可能となる。特に、比較的高濃度の排水を処理する工場、または下水処理場のようにばっ気動力費用が膨大な施設においては、ばっ気動力費用を1/10程度に抑えながら高負荷運転を行うことが可能であり、排水処理システムの生物処理を根本的に変えることができる可能性があり、本発明の実用価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る膜型バイオリアクター１を示している。膜型バイオリアクター１内には、多数の中空糸膜２が設けられており、中空糸膜２には、例えば、親水化したポリスルフォン膜（例えば、孔径0.1μm）のデッドエンド型（先端が接着されている）が用いられる。中空糸膜２の内部には、ガス供給手段としてのコンプレッサー３を用いて例えば空気または酸素が供給される。このガス供給系において、中空糸膜２とコンプレッサー３の間に、コンプレッサー３側から順に、第１圧力計４、中空糸膜２よりも孔径の小さいガスフィルタ５、ガスドライヤー６、減圧弁７、第２圧力計８、ガス流量計９が設けられている。原液槽１０からポンプ１１により処理槽１２内に供給されて被処理液は、膜型バイオリアクター１で処理された後、処理液１３として排出される。必要に応じて、処理槽１２内の被処理液を循環させてもよい。
【００１７】
図２は、本発明の第２実施態様に係る膜型バイオリアクター２１を示している。本実施態様では、中空糸膜２とコンプレッサー３の間に、コンプレッサー３側から順に、圧力計２２、ガスドライヤー２３、減圧弁２４、マスフローコントローラ２５が設けられている。その他の構成は前記第１実施態様に準じる。
【００１８】
図３は、本発明の第３実施態様に係る膜型バイオリアクター３１を示している。本実施態様では、図１に示した構造において、ガス流量計９の代わりにマスフローコントローラ２５が設けられており、実質的に第１実施態様と第２実施態様を組み合わせて構成となっている。
【００１９】
図４に、比較のために従来の膜型バイオリアクター４１を示すが、図１〜図３の膜型バイオリアクターに比べ、ガスフィルタもマスフローコントローラも設けられていない。
【００２０】
本発明に用いるバイオリアクターの中空糸膜としては、孔径0.01〜3μm、好ましくは0.1〜1μm程度の各種多孔性膜（ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、テフロン、シリコンなどの多孔性膜）を用いることができる。さらに、好ましくは膜の表面を親水化処理して微生物との親和性を高めたものが好ましい。中空糸膜内部へのガス供給は溶存ガス濃度を高めるためにガス分圧を高くすることができる図に示したようなコンプレッサー、または高圧ボンベによる供給が好ましい。ただし、ガス供給圧は高すぎると気泡を生じること、また膜の耐圧もあることから、0.01〜1MPa、好ましくは0.03〜0.3MPa程度で供給することが好ましい。
【００２１】
本発明に用いるガスフィルタとしては、通常のエアフィルタ、またはエアートランスホーマまたはエアーコントロールセットと呼ばれているものを使用でき、ガス中の微粒子を除去できるものであればよく、通常市販されているエアーフィルタ、ミクロミストフィルタ、活性炭フィルタ、またはエアークリーナーと減圧弁が一体となったエアートランスフォーマ、減圧弁とエアフィルタ、エアクリーナーがセットされたエアーコントロールセットなどを利用することができる。また、使用するコンプレッサーはオイルフリーであることがより好ましい。
【００２２】
また、本発明に用いるマスフローコントローラとしては、気体用の市販のものを使用することができる。ガス供給手段の後段、かつ中空糸の前段に、このようなエアーフィルタやマスフローコントローラが設置される。
【実施例】
【００２３】
実施例１
図１に示した装置を用い、中空糸膜には、親水化したポリスルフォン膜（孔径0.1μm）のデッドエンド型（先端が接着されている）を用いた。膜内部にはコンプレッサーを用いて0.2MPaで空気を供給し、膜外部にはエアーポンプを用いて空気を供給した。中空糸膜とコンプレッサーの間に、減圧弁とエアフィルター、流量計を設置し、供給ガス由来の固形物を除去すると共にガス流量をモニタリングできるようにした。エアフィルターには、0.01μｍ以上の油分・固形物を除去可能なミクロミストフィルタを設置し、その後段に、エアドライヤー、減圧弁、流量計を設置した。この結果、通常では３ヶ月以上の運転でガス流量の低下が見られるが、本実施例ではガス流量の低下が認められず、安定した運転が可能であった。
【００２４】
なお、第１圧力計と第２圧力計の差圧が当初の設定より上昇した場合、フィルタの清掃、または交換を実施することで、リアクター本体の膜をいじることなく維持管理が可能となる。
【００２５】
実施例２
図２に示した装置を用い、中空糸膜には、親水化したポリスルフォン膜（孔径0.1μm）のデッドエンド型（先端が接着されている）を用いた。膜内部にはコンプレッサーを用いて0.2MPaで空気を供給し、膜外部にはエアーポンプを用いて空気を供給した。中空糸膜とコンプレッサーの間に、マスフローコントローラを設置した。本実施例により、膜の詰まり、供給側のガス圧変動の影響を受けずに、あらかじめ設定したガス流量を、３ヶ月経過後もガス流量の低下が認められず維持でき、安定した運転が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施態様に係る膜型バイオリアクターの概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施態様に係る膜型バイオリアクターの概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施態様に係る膜型バイオリアクターの概略構成図である。
【図４】従来の膜型バイオリアクターの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、２１、３１  本発明に係る膜型バイオリアクター
２  中空糸膜
３  コンプレッサー
４  第１圧力計
５  ガスフィルタ
６  ガスドライヤー
７  減圧弁
８  第２圧力計
９  ガス流量計
１０  原液槽
１１  ポンプ
１２  処理槽
１３  処理液
２２  圧力計
２３  ガスドライヤー
２４  減圧弁
２５  マスフローコントローラ
４１  従来の膜型バイオリアクター
【図１】
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【図２】
2006094748.tif 000004
【図３】
2006094748.tif 000005
【図４】
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