(57)【要約】【課題】活性汚泥処理システムの処理能力の増大を図る場合に、設置面積が小さくて済み、また、システムを停止させることなしにそのシステムにおける処理汚泥の固液分離の能力を容易に増大させることが可能な膜分離ユニットを提供する。【解決手段】既存の沈殿槽ａに代えて膜分離ユニットＵを生物反応槽１に接続することで、沈殿槽ａの改修工事を行うこと無しに、システムにおける処理汚泥の固液分離の能力を増大できるようにしている。膜分離ユニットＵに、生物反応槽１における生物反応処理後の処理汚泥を膜エレメントで濾過して処理水を得る膜モジュール２を備えさせ、この膜モジュール２の内部に比較的高い速度で処理汚泥を通過させながら、一部の処理汚泥に対して濾過を行って処理水を抽出する。膜エレメントに対し、処理水の濾過方向とは逆方向に洗浄水を定期的に通過させる逆流洗浄動作を実行する。【選択図】      図１
2004358411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設の活性汚泥処理システムに備えられている生物反応槽に対して新たに接続されることにより、この生物反応槽において生物反応処理を行った後の処理汚泥を固液分離する膜分離ユニットであって、
上記生物反応槽の外部に設置され且つ膜エレメントを収容した膜分離器本体を備えていると共に、この膜分離器本体が、生物反応槽との間で汚泥を循環させる循環回路を構成しており、この循環回路に汚泥を循環させながら、この汚泥を膜エレメントの一次側から二次側に向けて濾過することにより処理水を得るよう構成された膜分離器と、
上記膜エレメントに対し、上記二次側から一次側に向けて洗浄水を通過させて膜エレメントの一次側面に付着している固形物を剥離除去する逆流洗浄動作を実行する逆流洗浄手段とを備えていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の活性汚泥処理システム用膜分離ユニットにおいて、
循環汚泥が流れる膜エレメントの一次側空間にこの循環汚泥の流れ方向に沿って流れる気泡を供給することによって循環汚泥に搬送力を与える気泡供給手段が設けられていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【請求項３】
請求項１または２記載の活性汚泥処理システム用膜分離ユニットにおいて、
逆流洗浄動作の実行中に膜エレメントの一次側空間に比較的大量の空気を一時的に通過させる空気供給手段が設けられていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の活性汚泥処理システム用膜分離ユニットにおいて、
膜分離器本体の薬液洗浄時にこの膜分離器本体の内部に薬液を供給する薬液供給管が、膜分離器本体から処理水を導出する導出管に接続されており、
この薬液供給管から導出管を経て薬液を膜分離器本体の内部に供給する薬液洗浄動作を実行する薬液洗浄手段が設けられていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【請求項５】
請求項４記載の活性汚泥処理システム用膜分離ユニットにおいて、
薬液洗浄手段は、所定時間毎に薬液洗浄動作を実行するよう構成されていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか一つに記載の活性汚泥処理システム用膜分離ユニットにおいて、
膜分離ユニットには、生物反応槽において生物反応処理を行った後の処理汚泥を膜分離ユニットに導入するための導入管が接続されており、
この導入管には、生物反応槽から取り出した処理汚泥中の余剰汚泥を循環回路から引き抜くための引き抜き手段が設けられていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【請求項７】
請求項１〜６のうち何れか一つに記載の活性汚泥処理システム用膜分離ユニットにおいて、
生物反応槽に対して複数の膜分離器が互いに並列に接続されており、逆流洗浄手段は、逆流洗浄時には複数の膜分離器のうち選択された一つのみに対して逆流洗浄動作を実行するように構成されていることを特徴とする活性汚泥処理システム用膜分離ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所謂活性汚泥プロセスによって下水や産業廃水等の処理を行う水処理システム（活性汚泥処理システム）に適用される膜分離ユニットに係る。特に、本発明は、水処理システムの処理能力を増大させるに際し、処理汚泥を固液分離する能力を容易に増大させることが可能な膜分離ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、下水や産業廃水等の汚水を処理する活性汚泥処理システムとしては種々のものが提案されている。その一例として、下記の特許文献１に開示されているように、脱窒槽及び硝化槽を備え、脱窒槽における嫌気工程及び硝化槽における好気工程により汚水の脱窒や脱リンを行う嫌気好気活性汚泥法を利用した水処理システムが知られている。
【０００３】
この水処理システムでは、汚水中に含まれる窒素化合物が好気工程において活性汚泥により酸化されて硝酸性窒素になり、その後、嫌気工程によって硝酸性窒素から酸素を奪って窒素ガスを発生させ、これによって脱窒を行う。また、嫌気工程において活性汚泥からリンが一旦放出され、その後、好気工程によって活性汚泥にリンを過剰採取させることにより脱リンを行う。
【０００４】
また、この処理システムでは、上記活性汚泥による生物反応処理によって流入水（汚水）が浄化された後の処理汚泥は最終沈殿槽へ流出される。そして、この最終沈殿槽の内部において処理汚泥中の固形分を沈殿させることによって処理水と汚泥とが分離され、上澄み水となった処理水をシステムから排出する一方、最終沈殿槽内に沈殿した汚泥を引き抜いて上記脱窒槽及び硝化槽へ返送するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１１８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した活性汚泥処理システムは、一般に、工場や汚水処理施設に設置されるが、工場規模の拡大や汚水処理施設の拡張が行われた場合には、この活性汚泥処理システムの処理能力の増大を図る必要がある。
【０００７】
通常、活性汚泥処理システムの処理能力を増大させるための手段としては、生物反応槽（脱窒槽、硝化槽）を大型化し、それに伴って最終沈殿槽も大型化することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、工場や汚水処理施設の敷地面積の制約から最終沈殿槽を大型化するには限界がある場合には、たとえ生物反応槽を十分に大型化したとしても、処理汚泥を固液分離する能力が十分に得られておらず、その結果、システム全体として処理能力を増大することができなくなってしまう。
【０００９】
また、最終沈殿槽を大型化する場合には、この最終沈殿槽内の水を一旦抜き取った後に、最終沈殿槽の改修工事を行うことになり、その間、システムを停止させねばならず、場合によっては工場や汚水処理施設の稼働を長期間に亘って停止せねばならないといった課題があった。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、活性汚泥処理システムの処理能力の増大を図る場合に、設置面積が小さくて済み、また、システムを停止させることなしにそのシステムにおける処理汚泥の固液分離の能力を容易に増大させることが可能な膜分離ユニットを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、既設の活性汚泥処理システムの生物反応槽に対して新たに接続される膜分離ユニットを提案するものである。つまり、既存の沈殿槽に代えて膜分離ユニットを生物反応槽に接続することで、沈殿槽の改修工事を行うこと無しに、システムにおける処理汚泥の固液分離の能力を増大できるようにしている。また、この膜分離ユニットに、生物反応槽における生物反応処理後の処理汚泥を膜エレメントで濾過して処理水を得る膜分離器を備えさせ、この膜エレメントの内部に比較的高い速度で処理汚泥を通過させながら、一部の処理汚泥に対して濾過を行って処理水を抽出するようにしている。また、この膜エレメントに対し、処理水の濾過方向とは逆方向に洗浄水を定期的に通過させることにより膜エレメントに付着している固形物を剥離除去するようにしている。
【００１２】
−解決手段−
具体的には、既設の活性汚泥処理システムに備えられている生物反応槽に対して新たに接続されることにより、この生物反応槽において生物反応処理を行った後の処理汚泥を固液分離する膜分離ユニットを前提とする。この膜分離ユニットに対し、膜分離器及び逆流洗浄手段を備えさせている。膜分離器は、生物反応槽の外部に設置され且つ膜エレメントを収容した膜分離器本体を備えていると共に、この膜分離器本体が、生物反応槽との間で汚泥を循環させる循環回路を構成しており、この循環回路に汚泥を循環させながら、この汚泥を膜エレメントの一次側から二次側に向けて濾過することにより処理水を得るよう構成されている。逆流洗浄手段は、膜エレメントに対し、上記二次側から一次側に向けて洗浄水を通過させて膜エレメントの一次側面に付着している固形物を剥離除去する逆流洗浄動作を実行する。
【００１３】
この特定事項により、生物反応槽や沈殿槽を備えた既設の活性汚泥処理システムの処理能力の増大を図る必要が生じた場合、生物反応槽を大型化するのに伴って、上記沈殿槽に代えて本解決手段に係る膜分離ユニットを生物反応槽に接続する。つまり、沈殿槽において処理汚泥中の固形分を沈殿させる方式に代えて、膜濾過による処理汚泥の固液分離に切り換える。
【００１４】
これにより、生物反応槽において生物反応処理を行った後の処理汚泥は、膜分離器本体と生物反応槽との間で構成される循環回路を循環する。つまり、生物反応槽から取り出された処理汚泥は、膜分離器本体に供給され、一部の汚泥については後述する濾過が行われた後、生物反応槽に戻される。循環回路ではこの循環動作が繰り返される。
【００１５】
膜分離器本体では、生物反応槽から供給された処理汚泥の一部が膜エレメントの一次側から二次側に向けて濾過され、これによって、この処理汚泥の一部が固液分離されて処理水が得られる。つまり、上記循環回路での循環動作が繰り返されながら膜分離器本体では処理水が順次得られていく。
【００１６】
このように、膜エレメントの一次側では、循環回路での循環流速に略等しい流速の処理汚泥が流れているため、この循環回路の循環流速を比較的高く設定しておけば、膜エレメントの一次側の面に付着しようとする汚泥（固形物）は、循環流によって押し流され、膜エレメントに付着することなしに生物反応槽に戻される。このため、膜エレメントの一次側の面での単位時間当たりにおける汚泥（固形物）の付着量は、一般的な浸漬型分離膜ユニットの場合に比べて大幅に低減される。浸漬型分離膜ユニットは、膜エレメントの一次側では汚泥が殆ど滞留した状態であるため、処理水が抽出された後の汚泥は押し流されることなしに膜エレメントの一次側の面に付着してしまい、汚泥の濾過を開始した後、短時間のうちに膜エレメントに大量の汚泥が付着してしまって、濾過能力が急激に低下してしまっていた。
【００１７】
本解決手段の構成によれば、循環流の中から処理水を抽出するようにしているので、短時間のうちに膜エレメントに汚泥が付着してしまうといった状況は生じ難く、高い濾過能力を長時間に亘って維持することが可能である。尚、循環回路の循環流速は、具体的には循環回路に備えられた循環ポンプの能力により決定される。
【００１８】
更に、本解決手段では、例えば所定時間毎に逆流洗浄動作を実行しており、これによって、膜エレメントの一次側面に付着している固形物を剥離除去している。具体的には、処理汚泥の濾過動作（膜エレメントの一次側から二次側に向けての濾過）を停止した状態で、二次側から一次側に向けて洗浄水を通過させて膜エレメントの一次側面に付着している固形物を剥離させる。例えば、膜エレメントの一次側面での固形物の付着量が多大になる前に逆流洗浄動作を実行するように上記所定時間を設定することにより、この付着している固形物を短時間で剥離することができ、この逆流洗浄動作に要する時間も短くて済む。このため、膜エレメントの一次側面に大量の固形物が付着する状況が回避でき、高い能力での濾過動作を安定して行うことが可能になり、活性汚泥処理システムの高性能化を図ることができる。その結果、浸漬型分離膜方式に比べて、小さな膜面積であっても単位時間当たりに得られる処理水の量を大幅に増大（高フラックス化）することができ、高性能の水処理を実現することができる。また、膜エレメントに対する薬液洗浄を行うようにしたものにあってはその頻度を低減することもできる（例えば６カ月に１回程度でよい）ため、水処理動作（濾過動作）の稼働率の向上を図ることができ、これによっても高性能の水処理を実現することができる。
【００１９】
尚、逆流洗浄動作の実行タイミングとしては、例えば濾過動作を５ｍｉｎ間連続して行った後に、８ｓｅｃ間の逆流洗浄を行うことなどが掲げられる。また、逆流洗浄動作に使用する洗浄水としては、濾過動作において得られた処理水を利用することが好ましい。この洗浄水としては上記処理水に限らず、個別の水（水道水等）であってもよい。また、付着固形物の剥離が容易に行えるように水に活性剤等を混入したものであってもよいが、この洗浄水は、膜エレメントの二次側から一次側へ透過した後には生物反応槽に流入することになるので、生物反応処理に悪影響を与えないものである方が好ましい。
【００２０】
上記膜分離器の具体構成としては以下のものが掲げられる。つまり、透過膜材料を円筒形に成形して膜エレメントを構成している。そして、多数本の膜エレメントを膜分離器本体内に収容して、各膜エレメントの内部空間と生物反応槽との間で汚泥の循環回路を構成する。更に、上記生物反応槽から各膜エレメントに供給された汚泥が、各膜エレメントの一次側である内部から二次側である外部に向けて濾過されて処理水が得られるようにしている。
【００２１】
このように、透過膜材料（例えばポリエステルやポリスチレン等）を円筒形状に成形して膜エレメントを構成し、多数本の膜エレメントを膜分離器本体内に収容した場合、個々の膜エレメントの内側面積を比較的小さくすることができる。これは、膜エレメントの内面に汚泥が付着した場合に、個々の膜エレメントそれぞれにおける汚泥付着総面積の削減に繋がる。つまり、個々の膜エレメントにあっては、汚泥付着面積が小さいため、上記逆流洗浄動作による固形物の剥離をより簡単に行うことができる。このため、逆流洗浄動作に要する時間が短くなり、濾過動作の稼働率の向上を図ることができる。また、膜エレメントから処理水を吸引する場合、この膜エレメントは円筒形に成形されているため、吸引負圧による変形は生じ難く、内部空間の形状を維持することができて、濾過能力を安定的に維持することが可能になる。言い換えると、膜エレメントの内部空間を大きく確保して個々の膜エレメントの濾過能力を高めようとする場合、平板状の膜エレメントであると、上記吸引負圧によって簡単に変形してしまう状況となるが、本解決手段の如く円筒状に成形した場合には、吸引負圧による変形は生じ難いため、膜エレメントの内部空間を大きく確保することが可能になり、その結果、膜エレメントの設計の自由度（径寸法の設計自由度）を拡大することができる。具体的に、膜エレメントの外径寸法としては５〜８ｍｍ程度に設定される。
【００２２】
上記膜エレメントの一次側空間における汚泥流速を高く確保するための手段として以下のものが掲げられる。つまり、循環汚泥が流れる膜エレメントの一次側空間にこの循環汚泥の流れ方向に沿って流れる気泡を供給することによって循環汚泥に搬送力を与える気泡供給手段を設けた構成である。
【００２３】
この特定事項によれば、気泡供給手段から膜エレメントの一次側空間に供給された気泡が、一次側空間を流れる循環汚泥を、その流れ方向に押し流すことになり、この一次側空間で循環汚泥が滞留してしまうことがなくなる。また、この気泡は、膜エレメントの一次側面に対する汚泥の付着を抑制する機能も発揮することになり、膜エレメントの一次側面での単位時間当たりにおける汚泥（固形物）の付着量をよりいっそう低減することができる。具体的な構成としては、膜エレメントを縦型配置とし、一次側空間の下側から上側に向かって処理汚泥を流す構成としておき、膜エレメントの下側から一次側空間に向けて気泡を供給（エアリフト）する構成が掲げられる。これにより、気泡の浮力が循環汚泥の搬送力として与えられることになる。その結果、循環汚泥を循環させるために必要な動力（循環ポンプの動力等）を低減することができ、システムのランニングコストの削減を図ることができる。
【００２４】
また、この解決手段の場合、気泡供給手段から供給される気泡の形状を、膜エレメントの一次側空間における汚泥流れ方向に直交する断面の形状に略一致させることが好ましい。この場合、一次側空間には、汚泥に満たされた層と空気に満たされた層とが汚泥流れ方向で交互に存在することになる。このため、汚泥は気泡によって強制的に押し流される状態となり、気泡から汚泥に対して搬送力を確実に与えることができて効率の良い汚泥循環動作を行うことができる。
【００２５】
上記気泡供給手段の具体構成としては以下のものが掲げられる。つまり、気泡供給手段として、膜分離器本体における汚泥流れ方向に直交する断面の形状に略一致する形状を有する散気部材を備えさせる。
【００２６】
また、この散気部材としては、以下の構成が掲げられる。つまり、膜分離器本体を、汚泥流れ方向に直交する断面の形状が略円形の管状体とする。そして、散気部材を、上記膜分離器本体の断面形状に略一致する円盤状の多孔質体により構成する。
【００２７】
以上の構成によれば、膜分離器本体の内部に収容された多数本の膜エレメントのそれぞれの内部空間（一次側空間）に対して空気を略均等に供給することが可能となる。このため、各膜エレメントの一次側空間での汚泥流量を略均一にできて、濾過能力の均等化を図ることが可能となり、その結果、膜分離器全体としての濾過能力の向上を図ることができる。
【００２８】
上記逆流洗浄動作をより効率的に行うための手段として以下のものが掲げられる。つまり、逆流洗浄動作の実行中に膜エレメントの一次側空間に比較的大量の空気を一時的に通過させる空気供給手段を設けた構成である。
【００２９】
また、この空気供給手段としては、加圧空気を発生させる圧縮機を適用することが可能であるが、その他に以下の構成としてもよい。つまり、空気を貯留する貯留容器を備えさせ、逆流洗浄動作の実行中に貯留容器の内部空間を膜エレメントの一次側空間に解放して比較的大量の空気を膜エレメントの一次側空間に通過させる構成である。この構成によれば、例えば、上記気泡供給手段を備えさせた場合にその気泡供給手段から供給される気泡の一部を貯留容器に貯留させていき、逆流洗浄動作の実行中に、この貯留容器から膜エレメントの一次側空間に大量の空気を供給することができる。つまり、この場合、気泡供給手段から供給される気泡を逆流洗浄動作用の空気として利用することができ、特別な空気圧送機構が必要なくなってシステム構成の簡素化を図ることができる。
【００３０】
次に、膜分離器を薬液洗浄するようにした場合の解決手段について述べる。先ず、膜分離器本体の薬液洗浄時にこの膜分離器本体の内部に薬液を供給する薬液供給管を、膜分離器本体から処理水を導出する導出管に接続する。また、この薬液供給管から導出管を経て薬液を膜分離器本体の内部に供給する薬液洗浄動作を実行する薬液洗浄手段を備えさせている。具体的には、この薬液洗浄手段が、所定時間毎に薬液洗浄動作を実行するよう構成されている。
【００３１】
この特定事項により、薬液洗浄時、薬液供給管から導出管を経て膜分離器本体の内部に供給された薬液は、膜エレメントの二次側から一次側に向けて流入することになる。これは上記逆流洗浄の場合と同様の流れである。これにより、膜エレメントの一次側面に付着している固形物は容易に剥離され且つ溶解されて膜エレメントは浄化されることになり、効率の良い薬液洗浄を実行することができる。これにより、薬液洗浄動作に要する時間の短縮化を図ることが可能になり、膜分離器を迅速に復帰させて濾過動作の稼働率の向上を図ることができる。また、循環回路での汚泥循環を停止した状態で薬液洗浄を行うようにした場合、薬液洗浄に使用する薬液の量は膜分離器本体内の容積程度で済むため、従来の浸漬型分離膜ユニットを薬液洗浄する場合に比べて使用薬液量の削減が図れる。これにより、薬液洗浄後の廃液の量が少なくなり、その処理を容易に行うことができる。
【００３２】
また、膜分離器本体には、薬液洗浄終了後に膜分離器本体内の薬液を排出除去する排出手段を備えさせている。これによれば、薬液洗浄の終了後には、膜分離器本体内の薬液はその大部分が排出手段によって排出除去され、この薬液が生物反応槽へ流入されてしまうことがない。従来の浸漬型分離膜ユニットでは、膜エレメントを薬液洗浄した場合、その薬液はそのまま生物反応槽内に存在することになり、汚泥の活性が低下してしまって、その後の生物反応処理に悪影響を及ぼしていた。本解決手段では、このような状況は生じないため、生物反応処理を常に安定的に行うことが可能になり、活性汚泥処理システムの高性能化を維持することができる。
【００３３】
また、膜分離ユニットは、生物反応槽において生物反応処理を行った後の処理汚泥を膜分離ユニットに導入するための導入管を備えている。そして、この導入管には、生物反応槽から取り出した処理汚泥中の余剰汚泥を循環回路から引き抜くための引き抜き手段が設けられている。この構成によれば、余剰汚泥を引き抜くための構成を容易に実現でき、活性汚泥処理システムの実用性の向上を図ることができる。
【００３４】
次に、複数の膜分離器を生物反応槽に対して並列接続した処理システムに対して本発明を適用する場合について説明する。先ず、生物反応槽に対して複数の膜分離器が互いに並列に接続されている。また、逆流洗浄手段を、逆流洗浄時には複数の膜分離器のうち選択された一つのみに対して逆流洗浄動作を実行する構成としている。この構成によれば、複数の膜分離器のうち一つのみが逆流洗浄動作を実行し、その他の膜分離器では循環汚泥の濾過動作が行われている。このため、システム全体としての濾過能力を大きく低下させることなしに上記逆流洗浄動作による膜エレメントの高性能化の維持を図ることができる。
【００３５】
更に、生物反応槽に対して複数の膜分離器が互いに並列に接続されており、薬液洗浄手段が、薬液洗浄時には複数の膜分離器のうち選択された一つのみに対して薬液洗浄動作を実行する構成としている。この場合にも、複数の膜分離器のうち一つのみが薬液洗浄動作を実行し、その他の膜分離器では循環汚泥の濾過動作が行われている。このため、システム全体としての濾過能力を大きく低下させることなしに上記薬液洗浄動作による膜エレメントの高性能化の維持を図ることができる。
【００３６】
また、上述した如く気泡供給手段を設けた場合において、嫌気好気活性汚泥法を利用した活性汚泥処理システムに本発明を適用した場合の循環回路としては以下の構成が掲げられる。つまり、生物反応槽として嫌気槽及び好気槽を備えさせる。そして、循環汚泥を膜分離器本体から生物反応槽に戻す汚泥戻し管を、嫌気槽及び好気槽にそれぞれ対応して分岐させる一方、これら嫌気槽及び好気槽に対する汚泥戻し量を調整する戻し量調整手段（例えば三方弁）を備えさせるようにする。
【００３７】
この構成によれば、好気槽から膜分離器本体に供給された汚泥を汚泥戻し管によって嫌気槽に戻すことが可能となる。従来の嫌気好気活性汚泥法を利用した活性汚泥処理システムでは、好気槽から嫌気槽に汚泥を戻すための特別な戻し配管を備えさせ、この戻し配管にポンプを備えさせる必要があった。本解決手段によれば、この戻し配管及びポンプの機能を上記循環回路が備えることになる。このため、この循環回路を有効利用して好気槽から嫌気槽へ汚泥を戻すことが可能になり、従来の戻し配管及びポンプが必要なくなってシステム全体のコンパクト化を図ることができる。
【００３８】
また、上述した如く気泡供給手段を設けた場合、膜分離器本体を流れる処理汚泥には空気（酸素）が供給されることになる。このため、好気槽に必要な空気量（ＤＯ（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）：溶存酸素量）をこの気泡供給手段によって処理汚泥に与え、この処理汚泥を好気槽に戻すようにした場合には、好気槽には曝気装置が必要なくなる。これにより、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００３９】
また、上記好気槽内に空気を供給する曝気手段（エアレーション装置）を備えさせ、この曝気手段から好気槽内に供給する空気の供給量を、気泡供給手段からの空気供給量及び膜分離器本体から好気槽内への循環汚泥の戻し量に応じて調整する曝気量調整手段を備えさせている。この場合、好気槽に必要な空気量のうち、どの程度が気泡供給手段からの空気により賄われているかを、この気泡供給手段からの空気供給量及び膜分離器本体から好気槽内への循環汚泥の戻し量によって認識し、その不足分のみを曝気手段から好気槽内に供給すればよい。これにより、好気槽内に必要以上の空気が供給されてしまうことがなくなり、曝気手段の稼働率を必要最小限に抑えることでシステムのランニングコストの大幅な削減を図ることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本形態では、本発明を、嫌気好気活性汚泥法を使用した水処理システムに適用した場合について説明する。また、本発明の理解を容易にするため、先ず、第１実施形態では、膜分離器としての膜モジュールを１個のみ備えた水処理システムについて説明する。この膜モジュールを複数個備えた水処理システムについては第２実施形態で説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
図１は、既設の活性汚泥処理システムの処理能力の増大を図るに際し、既存の沈殿槽ａに代えて本実施形態に係る膜分離ユニットＵを適用する場合を示す概念図である。つまり、既設の活性汚泥処理システムの生物反応槽１に対して新たに膜分離ユニットＵを接続する場合を示す図である。この場合、生物反応槽１における処理能力も増大させるため生物反応槽１は大型のものに変更されることになる。
【００４２】
本実施形態に係る膜分離ユニットＵが適用された場合の構成及び汚水処理動作について説明する前に、既設の活性汚泥処理システムの概略構成について説明する。
【００４３】
この既設の活性汚泥処理システムは、生物反応槽１と沈殿槽ａとが導出管ｂによって接続されており、生物反応槽１における生物反応処理後の処理汚泥が導出管ｂから取り出されて沈殿槽ａに導入される。この沈殿槽ａでは、処理汚泥中の固形分を沈殿させることによって処理水と汚泥とが分離され、上澄み水となった処理水が処理水槽３に排出される。一方、沈殿槽ａ内に沈殿した汚泥はポンプｄを備えた引き抜き管ｃによって引き抜かれて生物反応槽１へ返送されるようになっている。また、生物反応槽１は、好気槽１２及び嫌気槽１１を備えており、この両槽１１，１２の間は、好気槽１２から嫌気槽１１に汚泥を戻すための戻し配管ｅによって接続されており、この戻し配管ｅにはポンプｆが設けられている。
【００４４】
既存の沈殿槽ａに代えて本実施形態に係る膜分離ユニットＵを適用する場合の作業としては、先ず、膜分離ユニットＵに備えられた膜モジュール２から延びる汚泥取り出し管５１及び汚泥戻し管５２を生物反応槽１に接続する。具体的には、汚泥取り出し管５１の上流側開放端を生物反応槽１内の水中に浸漬させる一方、汚泥戻し管５２の下流側開放端を生物反応槽１の上方に位置させる。これら配管の詳細については後述する。
【００４５】
また、膜モジュール２から延びる処理水取り出し管５３及び逆流洗浄管５４を処理水槽３に接続する。具体的には、処理水取り出し管５３の下流側開放端を処理水槽３の上方に位置させる一方、逆流洗浄管５４の上流端を処理水槽３に接続する。これら配管の詳細についても後述する。
【００４６】
このように膜分離ユニットＵの各配管５１，５２，５３，５４を生物反応槽１や処理水槽３に接続する作業を行っている間であっても、生物反応槽１及び沈殿槽ａによる処理動作の実行が可能であるため、汚水処理動作は継続して行われている。また、必要に応じて一時的に停止してもよい。
【００４７】
そして、膜分離ユニットＵの接続作業が終了した後には、生物反応槽１から沈殿槽ａへの処理汚泥の導入は停止させ、同時に、汚泥取り出し管５１に備えられている循環ポンプＰ１を起動させる。これにより、生物反応槽１内の処理汚泥は汚泥取り出し管５１から膜モジュール２に導入され、この膜モジュール２による固液分離が開始されることになる。この固液分離動作の詳細についても後述する。
【００４８】
このような作業によって、沈殿槽ａによる固液分離方式から膜濾過による固液分離方式に切り換えられるため、膜分離ユニットＵの接続後、直ちに運転を開始させることが可能であり、生物反応槽１内の水を抜き取る作業が必要なく、また、水処理システムを一時的に停止させる必要もない。
【００４９】
図２は、生物反応槽１に膜分離ユニットＵが接続された状態を示す概略構成図である。このようにして生物反応槽１に膜分離ユニットＵが接続された場合、既設の沈殿槽ａは不要となるため、その後、この沈殿槽ａは撤去されることになる。また、上記導出管ｂ、引き抜き管ｃ、戻し配管ｅ及びそれらに設けられているポンプｄ，ｆも不要になるため、これらも撤去される。これらが撤去可能となる理由については後述する。以下、本膜分離ユニットＵが適用された水処理システムの構成及び汚水処理動作について説明する。
【００５０】
−水処理システムの概略構成の説明−
図２は本形態に係る膜分離ユニットＵが適用された水処理システムの概略構成を示す図である。図１及び図２に示すように、膜分離ユニットＵは、膜モジュール２、薬液タンク４及び各種配管を備えており、これら各機器が１パッケージ内に収容されてユニット化されている。または、これら各機器が同一ベース板上に設置されてユニット化されている。
【００５１】
また、既設の活性汚泥処理システムには、上述した如く、生物反応槽１を構成する嫌気槽としての脱窒槽１１及び好気槽としての硝化槽１２を備えていると共に、処理水槽３を備えており、本水処理システム（膜分離ユニットＵが適用された水処理システム）では、これら生物反応槽１及び硝化槽１２をそのまま利用している。
【００５２】
上記脱窒槽１１は、その上流側に設けられた微細目スクリーン１３を通過した流入水（汚水）が導入されるものである。この脱窒槽１１の内部には攪拌機１４が設置されており、この攪拌機１４の駆動に伴って脱窒槽１１内の汚水が攪拌されて嫌気工程による処理が行われるようになっている。
【００５３】
一方、硝化槽１２は、上記脱窒槽１１において処理された汚水が流入されるようになっている。また、この硝化槽１２の内部には曝気手段としての曝気ブロアＢ１から延びるエア供給管６１が導入され、このエア供給管６１の先端に設けられた散気装置６１ａから空気が供給可能となっている。そして、この曝気ブロアＢ１の駆動に伴って硝化槽１２内に空気が供給され、それに伴う好気工程による処理が行われるようになっている。
【００５４】
以下、上記脱窒槽１１及び硝化槽１２において行われる生物反応処理（好気工程及び嫌気工程）の原理について説明する。先ず、汚水中に含まれる窒素化合物は、硝化槽１２における好気工程において活性汚泥により酸化されて硝酸性窒素になり、その後、脱窒槽１１における嫌気工程によって硝酸性窒素から酸素を奪って窒素ガスを発生させ、これによって脱窒が行われる（この際の硝化槽１２から脱窒槽１１への汚泥戻し動作については後述する）。また、嫌気工程において活性汚泥からリンが一旦放出され、その後、好気工程によって活性汚泥にリンを過剰採取させることにより脱リンが行われる。このような処理が生物反応槽１内で行われて脱窒及び脱リンが行われる。
【００５５】
処理水槽３は、後述する膜モジュール２によって汚泥が固形分離されて抽出された処理水を回収するものである。そして、この処理水槽３では、処理水に対して塩素消毒等が行われ、消毒後の処理水が放流水として排出されるようになっている。
【００５６】
上記膜分離ユニットＵの構成部材である薬液タンク４は、後述する膜モジュール２を薬液洗浄するための薬液が貯留されている。つまり、所定期間毎に実行される薬液洗浄時には、この薬液タンク４に貯留されている薬液が膜モジュール２に供給されることになる。この薬液洗浄のための配管構造及び薬液洗浄動作については後述する。
【００５７】
−膜モジュール２の説明−
次に、本形態の特徴とする機器である膜モジュール２について説明する。図３は膜モジュール２の内部構造を示す断面図であり、図４は膜モジュール２の内部における膜エレメント２２，２２，…の収容状態の一部を示す断面図である。
【００５８】
この膜モジュール２は、縦置き設置された略円筒状の膜分離器本体としての本体ケーシング２１を備え、この本体ケーシング２１の内部に多数本の膜エレメント２２，２２，…が収容された構成となっている。より具体的には、図３に示すように、本体ケーシング２１は、その長手方向の中央部が一定の内径寸法を有するエレメント収容部２３として構成されており、このエレメント収容部２３に多数本（例えば６１５本）の膜エレメント２２，２２，…が束ねられた状態で収容されている。尚、この膜モジュール２は、その外径寸法、長さ（高さ）寸法、膜エレメント２２，２２，…の収容本数によって、その処理能力が決定されるが、これらは、活性汚泥処理システムの処理能力をどの程度増大させるかに応じて選択されることになる。
【００５９】
各膜エレメント２２，２２，…は、透過膜材料が円筒形に成形された小径（外径寸法が例えば５．２ｍｍ）の所謂ストロー形状の部材であって、その内部に汚泥が流入した場合、その汚泥から水のみを外部に濾過できるように微多孔性膜等により構成されている。尚、この膜エレメント２２を構成する透過膜材料としては、ポリエステル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等が掲げられる。透過膜材料はこれら材料に限るものではない。
【００６０】
これにより、本体ケーシング２１の長手方向の下側部分には汚泥流入空間２４が形成されていると共に、本体ケーシング２１の長手方向の上側部分には汚泥流出空間２５が形成されている。また、膜エレメント２２，２２，…の長手方向の両端部分（汚泥流入空間２４及び汚泥流出空間２５に近接する領域）では、これら膜エレメント２２，２２，…の外周面とエレメント収容部２３の内周面との間の空間に樹脂が充填されており、これによって、各膜エレメント２２，２２，…の内部空間が汚泥流入空間２４及び汚泥流出空間２５に連通状態となり、各膜エレメント２２，２２，…の外部空間は汚泥流入空間２４及び汚泥流出空間２５に非連通状態となっている。
【００６１】
また、この膜モジュール２の本体ケーシング２１の底部には、後述する薬液洗浄動作の終了後に、この本体ケーシング２１の底部から薬液を排出するための排出手段としての排出管６４が接続されており、この排出管６４には開閉自在なバルブＶ２が設けられている。つまり、薬液洗浄動作の終了後にこのバルブＶ２が開放されることにより、本体ケーシング２１から薬液が排出され、生物反応槽１には流入しないようになっている。
【００６２】
−循環回路の説明−
上記膜モジュール２と生物反応槽１とは、汚泥取り出し管５１及び汚泥戻し管５２によって互いに接続されており、汚泥取り出し管５１に備えられた循環ポンプＰ１の駆動に伴って膜モジュール２と生物反応槽１との間で汚泥が循環するように構成されている。つまり、これら生物反応槽１、膜モジュール２、汚泥取り出し管５１、汚泥戻し管５２によって汚泥循環回路が構成されている。
【００６３】
上記汚泥取り出し管５１は、一端（上流端）が硝化槽１２の内部で開放されており、他端（下流端）が膜モジュール２の汚泥流入空間２４に接続されている。一方、汚泥戻し管５２は、一端（上流端）が膜モジュール２の汚泥流出空間２５に接続されている。この汚泥戻し管５２の、他端（下流端）は分岐されており、一方の分岐管５２ａは硝化槽１２に接続され、他方の分岐管５２ｂは脱窒槽１１に接続されている。つまり、膜モジュール２から流出した汚泥は、分岐管５２ａ，５２ｂによって硝化槽１２及び脱窒槽１１に選択的に戻される構成となっている。尚、各分岐管５２ａ，５２ｂの分岐部分には三方弁Ｖ１が設けられており、この三方弁Ｖ１の開度を調整することによって硝化槽１２及び脱窒槽１１に対する汚泥の戻し量が任意に設定可能となっている。
【００６４】
このように、生物反応槽１、膜モジュール２、汚泥取り出し管５１、汚泥戻し管５２によって汚泥循環回路が構成されていることにより、生物反応槽１における生物反応処理後の処理汚泥は、生物反応槽１から取り出され、膜モジュール２に供給される。この膜モジュール２の内部では、汚泥流入空間２４から各膜エレメント２２，２２，…の内部空間を経て汚泥流出空間２５に向かう流れが生じている。このため、図５（ａ）に示すように、各膜エレメント２２，２２，…の内部空間を流れている汚泥の一部については濾過が行われ、処理汚泥の一部が固液分離されて処理水が膜エレメント２２の外部に抽出される。このようにして循環回路での汚泥の循環動作が繰り返されながら膜モジュール２では処理水が連続的に得られるようになっている。尚、通常運転状態では、上記循環回路における汚泥循環量と膜エレメント２２による処理水抽出量との比は「２０：１」程度となるように設定されている。本発明はこの比に限るものではない。
【００６５】
尚、固液分離されて膜エレメント２２の内部空間に残った汚泥は、この内部空間に生じている汚泥流に沿って膜エレメント２２の内部空間から汚泥流出空間２５、汚泥戻し管５２を経て硝化槽１２や脱窒槽１１に戻されるようになっている。
【００６６】
このように、膜エレメント２２の内部空間（一次側）では、循環回路での循環流速に略等しい流速の処理汚泥が流れているため、この循環回路の循環流速を比較的高く設定しておけば、膜エレメント２２の内側面に付着しようとする汚泥（固形物）は、循環流によって押し流され、膜エレメント２２に付着することなしに生物反応槽１に戻されることになる。このため、膜エレメント２２の内側面での単位時間当たりにおける汚泥（固形物）の付着量は、従来の浸漬型分離膜ユニットの場合に比べて大幅に低減される。これにより、高い濾過能力を長時間に亘って維持することが可能になる。尚、図５（ｂ）は、循環回路での循環動作が所定時間継続して行われて膜エレメント２２の内面に僅かに固形物が付着した状態を示している。
【００６７】
−処理水の取り出し−
上記膜モジュール２と処理水槽３とは、導出管としての処理水取り出し管５３によって接続されている。この処理水取り出し管５３は、膜モジュール２に接続する側が分岐されており、一方の分岐管５３ａは上記エレメント収容部２３の下部に、他方の分岐管５３ｂはエレメント収容部２３の上部にそれぞれ接続されている。また、処理水取り出し管５３には膜濾過ポンプＰ２が備えられており、この膜濾過ポンプＰ２の駆動に伴って、各膜エレメント２２，２２，…で濾過された処理水が各分岐管５３ａ，５３ｂから抜き出され処理水取り出し管５３を経て処理水槽３に回収されるようになっている。
【００６８】
−エアリフト−
また、本システムは、各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に気泡を連続的に供給するためのエアリフトブロアＢ２を備えている。このエアリフトブロアＢ２と膜モジュール２の汚泥流入空間２４とはリフトエア供給管６２によって接続されており、エアリフトブロアＢ２の駆動に伴って、汚泥流入空間２４にエアが供給され、このエアが気泡となって各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に連続的に供給されるようになっている（図５（ａ）、（ｂ）参照）。具体的には、リフトエア供給管６２の先端には多数の開口が形成された散気管６２ａが取り付けられており、この散気管６２ａの各開口から汚泥流入空間２４に気泡が供給され、これら気泡はその浮力によって各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に連続的に供給されるようになっている。このように上記リフトエア供給管６２及びエアリフトブロアＢ２によって本発明でいう気泡供給手段が構成されている。
【００６９】
上述の如く各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に気泡を連続的に供給するようにしたことにより、この気泡が、膜エレメント２２内の汚泥をその流れ方向（上方）に押し流すことになり、膜エレメント２２の内部空間で汚泥が滞留してしまうことがなくなる。また、この気泡は、膜エレメント２２の内面に対する汚泥の付着を抑制する機能も発揮することになり、膜エレメント２２の内面での単位時間当たりにおける汚泥（固形物）の付着量をよりいっそう低減することができる。これにより、気泡の浮力が循環汚泥の搬送力として与えられることになり、その結果、循環汚泥を循環させるために必要な動力（上記循環ポンプＰ１の動力）を低減することができ、システムのランニングコストの削減を図ることができる。
【００７０】
また、この場合、膜エレメント２２の内部空間に供給される気泡の外径は、膜エレメント２２の内径寸法と略等しいか、または、膜エレメント２２の内径寸法よりも僅かに大きく設定しておく。これによれば、膜エレメント２２の内部空間には、汚泥に満たされた層と空気に満たされた層とが汚泥流れ方向で交互に存在することになり（図５（ａ），（ｂ）参照）、汚泥は気泡によって強制的に押し流される状態となって、気泡から汚泥に対して搬送力を確実に与えることができて効率の良い汚泥循環動作を行うことができる。
【００７１】
−逆流洗浄−
上記処理水槽３と処理水取り出し管５３とは逆流洗浄管５４によって接続されている。この逆流洗浄管５４には逆流洗浄ポンプＰ３が備えられており、この逆洗浄ポンプＰ３の駆動に伴って、処理水槽３内の処理水が逆流洗浄配管５４及び処理水取り出し管５３を経て膜モジュール２のエレメント収容部２３に供給されるようになっている（図２に破線で示す矢印参照）。
【００７２】
つまり、所定時間毎に逆流洗浄ポンプＰ３を駆動することによって逆流洗浄動作を実行し、これによって、各膜エレメント２２，２２，…の内面に付着している固形物を剥離除去できるようにしている。この逆流洗浄動作の実行時には、循環ポンプＰ１の駆動は継続させる一方、膜濾過ポンプＰ２は停止され上記の濾過動作を停止するようになっている。このように上記逆流洗浄管５４及び逆流洗浄ポンプＰ３によって本発明でいう逆流洗浄手段が構成されている。
【００７３】
このような逆流洗浄動作を実行することにより、図５（ｃ）に示すように、膜エレメント２２の内側面に付着している固形物を容易に剥離除去することが可能であり、高い能力での濾過動作を安定して行うことが可能になり、活性汚泥処理システムの高性能化を図ることができる。その結果、従来のものに比べて、小さな膜面積であっても単位時間当たりに得られる処理水の量を大幅に増大（高フラックス化）することができ、システム全体を大型にすることなしに、高性能の水処理を実現することができる。具体的には、従来の浸漬型分離膜ユニットにあっては処理能力が０．４ｍ３／ｍ２・ｄａｙ程度であったが、本実施形態に係る膜モジュール２では処理能力が０．８ｍ３／ｍ２・ｄａｙ程度に向上することが実験により確認されている。
【００７４】
また、本形態によれば、膜エレメント２２に対する薬液洗浄の頻度を低減することもできる（例えば６カ月に１回程度でよい）ため、水処理動作（濾過動作）の稼働率の向上を図ることができ、これによっても高性能の水処理を実現することができる。
【００７５】
−エアインジェクション−
上記の逆流洗浄動作をより効率的に行うために、本システムは、各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に比較的大量の空気を一時的に通過させるエアインジェクションコンプレッサＣを備えている。このエアインジェクションコンプレッサＣと上記汚泥取り出し管５１とはエアインジェクション管６３によって接続されており、エアインジェクションコンプレッサＣの駆動に伴って、加圧エアが、汚泥取り出し管５１、汚泥流入空間２４を経て各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に一時的に大量に供給されるようになっている。このように上記エアインジェクション管６３及びエアインジェクションコンプレッサＣによって本発明でいう空気供給手段が構成されている。
【００７６】
この加圧エアによって、膜エレメント２２の内面に付着している汚泥を迅速に剥離することが可能となり（図５（ｃ）参照）、上記逆流洗浄動作に要する時間が短くなって、濾過動作の稼働率の向上を図ることができる。
【００７７】
−薬液洗浄−
上記薬液タンク４と処理水取り出し管５３とは薬液供給管５５によって接続されている。この薬液供給管５５には薬液洗浄ポンプＰ４が備えられており、この薬液洗浄ポンプＰ４の駆動に伴って、薬液タンク４内の薬液が薬液供給管５５及び処理水取り出し管５３を経て膜モジュール２のエレメント収容部２３に供給されるようになっている（図２に一点鎖線で示す矢印参照）。
【００７８】
つまり、所定期間毎に薬液洗浄ポンプＰ４を駆動することによって薬液洗浄動作を実行し、これによって、各膜エレメント２２，２２，…の内面に付着している固形物を溶解除去できるようにしている。この薬液洗浄動作の実行時には、薬液洗浄ポンプＰ４を除く全てのポンプＰ１〜Ｐ３は停止され、上記の濾過動作やエア供給動作を停止するようになっている。このポンプの駆動制御による薬液洗浄動作の実行は、図示しないコントローラに備えられた薬液洗浄手段の制御により行われる。
【００７９】
このような薬液洗浄動作を所定期間毎に実行することにより、膜エレメント２２の内面に付着している固形物は容易に剥離され且つ溶解されて膜エレメント２２は浄化されることになり、効率の良い薬液洗浄を実行することができる。これにより、薬液洗浄動作に要する時間の短縮化を図ることが可能になり、膜モジュール２を迅速に復帰させて濾過動作の稼働率の向上を図ることができる。また、薬液洗浄に使用する薬液の量は膜モジュール２の本体ケーシング２１内の容積程度で済むため、従来の浸漬型分離膜ユニットを薬液洗浄する場合に比べて使用薬液量の削減が図れる。これにより、薬液洗浄後の廃液の量が少なくなり、その処理を容易に行うことができる。また、薬液が生物反応槽に流入することがないため、生物反応槽内の活性汚泥の活性を低下させることがなく、薬液処理後も安定した処理を行うことができる。
【００８０】
−各動作の実行タイミング−
次に、上述した逆流洗浄動作や薬液洗浄動作の実行タイミングについて説明する。図６は、本水処理システムの動作を示すタイミングチャートである。この図に示すように、通常の処理水濾過動作にあっては、膜濾過ポンプＰ２、循環ポンプＰ１、エアリフトブロアＢ２が運転され、上述した汚泥の循環動作に伴う処理水濾過動作が実行されて、処理水槽３に連続的に処理水が抜き出されることになる。
【００８１】
そして、この動作が所定時間Ａ（例えば５ｍｉｎ）実行された後に、逆流洗浄動作に切り換えられる。この逆流洗浄動作では、上述した如く、膜濾過ポンプＰ２が停止され、逆流洗浄ポンプＰ３が駆動されることにより実行される。この逆流洗浄動作は、図中の時間Ｂ（例えば８ｓｅｃ）だけ行われる。そして、この逆流洗浄動作の途中でエアインジェクションコンプレッサＣが一時的に駆動され、加圧エアが各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に一時的に大量に供給される。このエアインジェクションコンプレッサＣの駆動タイミングとしては、逆流洗浄動作の実行時間のうちの中間の時間に行われる。
【００８２】
このような逆流洗浄動作が実行された後、所定時間のウエイト時間（図６中の時間Ｅ）だけ膜濾過ポンプＰ２の起動を禁止し、このウエイト時間の経過後に、膜濾過ポンプＰ２を起動して上記の循環動作に伴う処理水濾過動作が復帰されることになる。以上の動作が繰り返される。
【００８３】
また、上記薬液洗浄動作は、６カ月毎に実行されるようになっている。この場合には、上述した如く薬液洗浄ポンプＰ４を除く全てのポンプＰ１〜Ｐ３は停止される。
【００８４】
−実施形態の効果−
以上説明したように、本形態では、膜エレメント２２の内部に比較的高い速度で処理汚泥を通過させながら、一部の処理汚泥に対して濾過を行って処理水を抽出するようにしている。このとき、膜エレメント２２の内面に付着しようとする汚泥（固形物）は、循環流によって押し流され、膜エレメント２２に付着することなしに生物反応槽１に戻される。このため、膜エレメント２２の内面での単位時間当たりにおける汚泥の付着量は、従来の浸漬型分離膜ユニットの場合に比べて大幅に低減される。従って、高い濾過能力を長時間に亘って維持することが可能になる。また、本形態では、この膜エレメント２２に対し、処理水の濾過方向とは逆方向に洗浄水を定期的に通過させることにより膜エレメント２２の内面に付着している固形物を剥離除去するようにしている。このため、膜エレメント２２の内面に大量の固形物が付着する状況が回避でき、高い能力での濾過動作を安定して行うことが可能になり、活性汚泥処理システムの高性能化を図ることができる。その結果、従来のものに比べて、小さな膜面積であっても単位時間当たりに得られる処理水の量を大幅に増大（高フラックス化）することができ、システム全体を大型にすることなしに、高性能の水処理を実現することができる。また、膜エレメント２２に対する薬液洗浄の頻度を低減することもできるため、水処理動作（濾過動作）の稼働率の向上を図ることができ、これによっても高性能の水処理を実現することができる。
【００８５】
また、これまで、水処理システムの処理能力を増大させる場合、生物反応槽内に浸漬型分離膜ユニットを設置し、ＭＬＳＳ（Ｍｉｘｅｄ  Ｌｉｑｕｏｒ  Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  Ｓｏｌｉｄｓ）濃度を上げることが行われていた。しかし、これでは、浸漬型分離膜ユニットを設置する際に、生物反応槽内の水を一旦抜き取り、この生物反応槽の底面へ浸漬型分離膜ユニットをアンカ等によって固定した後に、再び、生物反応槽内へ水を供給し、その後に運転を開始させるといった作業が必要であった。本実施形態の膜分離ユニットＵを使用した場合には、この膜分離ユニットＵの汚泥取り出し管５１及び汚泥戻し管５２を生物反応槽１に接続した後、直ちに運転を開始させることが可能であり、生物反応槽内の水を抜き取る作業が必要なく、また、水処理システムを一時的に停止させる必要もない。このため、容易で且つ実用性の高い膜分離ユニットＵを提供することができる。
【００８６】
また、本形態では、上述した如く、循環汚泥を膜モジュール２の本体ケーシング２１から生物反応槽１に戻す汚泥戻し管５２を、脱窒槽１１及び硝化槽１２にそれぞれ対応して分岐させる一方、これら脱窒槽１１及び硝化槽１２に対する汚泥戻し量を調整可能な戻し量調整手段としての三方弁Ｖ１を備えさせている。このため、本体ケーシング２１に供給された汚泥を汚泥戻し管５２によって脱窒槽１１に戻すことが可能となる。従来の嫌気好気活性汚泥法を利用した活性汚泥処理システムでは、好気槽から嫌気槽に汚泥を戻すための特別な戻し配管（図１における戻し配管ｅ）を備えさせ、この戻し配管ｅにポンプｆを備えさせる必要があった。本実施形態によれば、この戻し配管ｅ及びポンプｆの機能を循環回路が備えることになる。このため、この循環回路を有効利用して硝化槽１２から脱窒槽１１へ汚泥を戻すことが可能になり、従来の戻し配管ｅ及びポンプｆが必要なくなってシステム全体のコンパクト化を図ることができる。尚、通常運転状態では、膜モジュール２からの硝化槽１２への汚泥戻し量と脱窒槽１１への汚泥戻し量とは「３：１」程度に調整されている。本発明はこの比に限るものではない。
【００８７】
また、曝気ブロアＢ１から硝化槽１２に供給する空気の供給量を、エアリフトブロアＢ２からの空気供給量及び汚泥戻し管５２から硝化槽１２内への循環汚泥の戻し量に応じて調整するようにし、この硝化槽１２内へ戻される汚泥中の酸素量と曝気ブロアＢ１からの酸素量との合算が目標ＤＯとなるように曝気ブロアＢ１を制御すれば、硝化槽１２内に必要以上の空気が供給されてしまうことがなくなり、曝気ブロアＢ１の稼働率を必要最小限に抑えることでシステムのランニングコストの大幅な削減を図ることができる。この曝気ブロアＢ１から硝化槽１２に供給する空気の供給量の調整は、図示しないコントローラに備えられた曝気量調整手段の制御により行われる。尚、通常運転状態では、曝気ブロアＢ１からの空気の供給量とエアリフトブロアＢ２からの空気供給量とは「３：１」程度に調整されている。本発明はこの比に限るものではない。
【００８８】
尚、本形態では、硝化槽１２へ空気を供給するための曝気ブロアＢ１を備えさせるようにしたが、硝化槽１２に必要な空気量をエアリフトブロアＢ２によって処理汚泥に与え、この処理汚泥を硝化槽１２に戻すようにした場合には、曝気ブロアＢ１が必要なくなる。これにより、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００８９】
（第１変形例）
次に、上述した第１実施形態の第１変形例について説明する。本例は、逆流洗浄動作時に、各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に比較的大量の空気を一時的に通過させるための構成の変形例である。その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様であるため、ここでは、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００９０】
図７は、本例に係る水処理システムの概略構成を示す図である。この図７に示すように、本形態に係る水処理システムは、エアリフトブロアＢ２に繋がっているリフトエア供給管６２の下流側が分岐されており、一方の分岐管６２ｂは膜モジュール２の汚泥流入空間２４に接続され、他方の分岐管６２ｃは上記汚泥取り出し管５１に接続されている。また、この他方の分岐管６２ｃの途中には、エアリフトブロアＢ２から供給される空気を一時的に貯留する貯留容器６５が設けられている。この貯留容器６５の上流側及び下流側の配管には開閉弁Ｖ３，Ｖ４がそれぞれ設けられている。
【００９１】
このため、処理水濾過動作時には、エアリフトブロアＢ２が駆動した状態で上流側の開閉弁Ｖ３のみが開放され、エアリフトブロアＢ２から供給された空気の一部が分岐管６２ｃに流入して貯留容器６５の内部に蓄えられていく。
【００９２】
そして、逆流洗浄動作中に、上流側の開閉弁Ｖ３が閉鎖されると共に下流側の開閉弁Ｖ４が開放され、これによって、貯留容器６５の内部に蓄えられた空気が、汚泥取り出し管５１、汚泥流入空間２４を経て各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に一時的に大量に供給されることになる。これにより、膜エレメント２２の内面に付着している固形物を効果的に剥離除去することができる。
【００９３】
つまり、本例では、エアリフトブロアＢ２から供給される気泡を逆流洗浄動作用の空気として利用することによって、上記第１実施形態におけるエアインジェクションコンプレッサＣやエアインジェクション管６３を不要とすることができ、システム構成の簡素化を図ることができる。
【００９４】
（第２変形例）
次に、上述した第１実施形態の第２変形例について説明する。本例は、エアリフトブロアＢ２から各膜エレメント２２，２２，…の内部空間に連続的に気泡を供給するための構成の変形例である。その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様であるため、ここでは、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００９５】
図８は本例に係る膜モジュール２の内部構造を示す断面図である。図９はリフトエア供給管６２の先端に取り付けられた散気部材６２ｄの斜視図である。これら図に示すように、リフトエア供給管６２の先端には、膜モジュール２の本体ケーシング２１の断面形状に略一致する円盤状多孔質体により構成された散気部材６２ｄが取り付けられており、この散気部材６２ｄが汚泥流入空間２４の底部に設置されている。
【００９６】
このため、膜モジュール２の本体ケーシング２１の内部に収容された多数本の膜エレメント２２，２２，…のそれぞれの内部空間（一次側空間）に対して空気を略均等に供給することが可能となる。従って、各膜エレメント２２，２２，…の内部空間での汚泥流量を略均一にできて、濾過能力の均等化を図ることが可能となり、その結果、膜分離装置全体としての濾過能力の向上を図ることができる。
【００９７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本形態は、膜モジュールを複数個備えた水処理システムに係るものである。尚、ここでは５本の膜モジュールを備えた水処理システムについて説明する。また、各膜モジュールの構成は、上述した第１実施形態のものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００９８】
図１０は、本形態に係る水処理システムの配管系統図である。この図に示すように、各膜モジュール２Ａ〜２Ｅは、生物反応槽１、処理水槽３、薬液タンク４に対して並列に接続されている。つまり、汚泥取り出し管５１、汚泥戻し管５２、処理水取り出し管５３、逆流洗浄管５４、薬液供給管５５がそれぞれ各膜モジュール２Ａ〜２Ｅに対応するように分岐されていると共に、汚泥取り出し管５１、汚泥戻し管５２、処理水取り出し管５３、逆流洗浄管５４、薬液供給管５５の各分岐管には図示しない開閉弁がそれぞれ設けられている。また、図示しないが、エアリフトブロアＢ２に繋がるリフトエア供給管６２及びエアインジェクションコンプレッサＣに繋がるエアインジェクション管６３も同様に、各膜モジュール２Ａ〜２Ｅに対応するように分岐されていると共に、エアインジェクション管６３の分岐管には開閉弁が設けられている。
【００９９】
そして、本形態では、逆流洗浄時には５台の膜モジュール２Ａ〜２Ｅのうち選択された１台のみに対して逆流洗浄動作を実行するようになっている。例えば、第１膜モジュール２Ａに対して逆流洗浄動作を実行する際には、他の膜モジュール２Ｂ〜２Ｅでは、処理水濾過動作を継続して実行する。この時には、第１膜モジュール２Ａに接続している各配管の分岐管に備えられた開閉弁のうち、処理水取り出し管５３及び薬液供給管５５の分岐管にそれぞれ備えられた開閉弁が閉鎖され、逆流洗浄管５４の分岐管に備えられた開閉弁が開放されることになる。また、エアインジェクション管６３に備えられた開閉弁も開放されることになる。
【０１００】
そして、この逆流洗浄動作が終了すると、処理水取り出し管５３の分岐管に備えられた開閉弁が開放され、逆流洗浄管５４の分岐管に備えられた開閉弁が閉鎖されて、全ての膜モジュール２Ａ〜２Ｅを使用した処理水濾過動作が復帰する。
【０１０１】
その後、他の一つの膜モジュール（例えば第２膜モジュール２Ｂ）の逆流洗浄タイミングに達すると、上記の場合と同様にして開閉弁の開閉が切り換えられて、この一つの膜モジュールに対する逆流洗浄動作が実行される。このようにして、順次、一つの膜モジュールに対する逆流洗浄動作が行われながら４台または５台の膜モジュール２Ａ〜２Ｅにおいて処理水濾過動作が行われるようになっている。
【０１０２】
また、薬液洗浄動作においても同様に、５台の膜モジュール２Ａ〜２Ｅのうち選択された一つのみに対して薬液が供給されて洗浄されることになる。例えば、第１膜モジュール２Ａに対して薬液洗浄動作を実行する際には、他の膜モジュール２Ｂ〜２Ｅでは、処理水濾過動作を継続して実行する。この時には、第１膜モジュール２Ａに接続している各配管の分岐管に備えられた開閉弁のうち、薬液供給管５５の分岐管に備えられた開閉弁が開放し、その他の分岐管に備えられた開閉弁が閉鎖されることになる。また、エアインジェクション管６３に備えられた開閉弁も閉鎖されることになる。
【０１０３】
そして、この薬液洗浄動作が終了すると、薬液供給管５５の分岐管に備えられた開閉弁が閉鎖され、汚泥取り出し管５１、処理水取り出し管５３の分岐管に備えられた開閉弁が開放され、逆流洗浄管５４の分岐管に備えられた開閉弁が閉鎖されて、全ての膜モジュール２Ａ〜２Ｅを使用した処理水濾過動作が復帰する。
【０１０４】
このように、逆流洗浄動作や薬液洗浄動作にあっては１台の膜モジュールのみがその動作に移行し、その他の膜モジュールは、処理水濾過動作が連続して行われる。このため、システム全体としての濾過能力を大きく低下させることなしに上記逆流洗浄動作や薬液洗浄動作による膜エレメントの高性能化の維持を図ることが可能になる。
【０１０５】
−その他の実施形態−
上述した各実施形態及び変形例では、本発明を嫌気好気活性汚泥法を使用した水処理システムに適用した場合について説明した。本発明は、これに限らず、他の活性汚泥法を使用した水処理システムに適用することも可能である。
【０１０６】
また、上述した各実施形態及び変形例では、生物反応槽１に膜分離ユニットＵを接続した後に既設の沈殿槽ａを撤去するようにしていた。本発明はこれに限らず、この不要となった沈殿槽ａを新たに生物反応槽として使用するようにしてもよい。これによれば、既設の生物反応槽１を大型のものに変更すること無しに、処理システムの処理能力の増大を図ることができる。
【０１０７】
また、上記膜分離ユニットＵの設置形態としては、地上に設置する場合に限らず、生物反応槽１の上部を覆うように設置板を配設し、この設置板上に膜分離ユニットＵを設置してもよい。これによれば、膜分離ユニットＵを設置するための敷地面積が生物反応槽１とは別に必要となることがなくなり、システム全体としての設置面積の縮小化を図ることが可能である。また、膜分離ユニットＵの他の設置形態として、不必要となった沈殿槽ａの内部に膜分離ユニットＵを設置するようにしてもよい。
【０１０８】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、既設の活性汚泥処理システムの生物反応槽に対して新たに接続される膜分離ユニットを提案する。つまり、既存の沈殿槽に代えて膜分離ユニットを生物反応槽に接続することで、沈殿槽の改修工事を行うこと無しに、システムにおける処理汚泥の固液分離の能力を増大できるようにしている。このため、活性汚泥処理システムの処理能力の増大を図る場合に、設置面積が小さくて済み、また、システムを停止させることなしにそのシステムにおける処理汚泥の固液分離の能力を容易に増大させることが可能である。
【０１０９】
また、膜分離ユニットに、生物反応槽における生物反応処理後の処理汚泥を膜エレメントで濾過して処理水を得る膜分離器を備えさせ、この膜エレメントの内部に比較的高い速度で処理汚泥を通過させながら、一部の処理汚泥に対して濾過を行って処理水を抽出するようにしている。また、この膜エレメントに対し、処理水の濾過方向とは逆方向に洗浄水を定期的に通過させることにより膜エレメントに付着している固形物を剥離除去するようにしている。
【０１１０】
このため、膜エレメントの一次側では、循環回路での循環流速に略等しい流速の処理汚泥が流れており、この循環回路の循環流速を比較的高く設定しておけば、膜エレメントの一次側の面に付着しようとする汚泥（固形物）は、循環流によって押し流され、膜エレメントに付着することなしに生物反応槽に戻される。その結果、膜エレメントの一次側の面での単位時間当たりにおける汚泥（固形物）の付着量は、従来の浸漬型分離膜ユニットの場合に比べて大幅に低減されることになり、高い濾過能力を長時間に亘って維持することが可能になる。
【０１１１】
また、本発明では、所定時間毎に逆流洗浄動作を実行しており、これによって、膜エレメントの一次側面に付着している固形物を剥離除去している。このため、膜エレメントの一次側面に大量の固形物が付着する状況が回避でき、高い能力での濾過動作を安定して行うことが可能になり、活性汚泥処理システムの高性能化を図ることができる。その結果、従来のものに比べて、小さな膜面積であっても単位時間当たりに得られる処理水の量を大幅に増大（高フラックス化）することができ、システム全体を大型にすることなしに、高性能の水処理を実現することができる。また、膜エレメントに対する薬液洗浄の頻度を低減することもできるため、水処理動作（濾過動作）の稼働率の向上を図ることができ、これによっても高性能の水処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】既存の沈殿槽に代えて実施形態に係る膜分離ユニットを適用する場合を示す概念図である。
【図２】第１実施形態に係る水処理システムの概略構成を示す図である。
【図３】膜モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図４】膜モジュール内部に膜エレメントが収容された状態を示す断面図である。
【図５】各工程における膜エレメント内の状態を説明するための図である。
【図６】水処理システムの動作を示すタイミングチャート図である。
【図７】第１変形例に係る水処理システムの概略構成を示す図である。
【図８】第２変形例に係る膜モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図９】第２変形例に係る散気部材の斜視図である。
【図１０】第２実施形態に係る水処理システムの配管系統図である。
【符号の説明】
１        生物反応槽
２        膜モジュール（膜分離器）
１１      脱窒槽（嫌気槽）
１２      硝化槽（好気槽）
２１      本体ケーシング（膜分離器本体）
２２      膜エレメント
５２      汚泥戻し管
５２ａ，５３ａ  分岐管
５３      処理水取り出し管（導出管）
５５      薬液供給管
６２ｄ    散気部材
６４      排出管（排出手段）
６５      貯留容器
Ｖ１      三方弁（戻し量調整手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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