(57)【要約】      （修正有）【課題】中空糸膜に堆積した活性汚泥フロックを効率的に剥離できる膜濾過ユニット、及び、この膜濾過ユニットを備えた濾過システムの提供。【解決手段】ドラフトチューブ２と、ドラフトチューブ２の内側に配設された中空糸膜３と、を備え、ドラフトチューブ２は、ドラフトチューブ２内に気体を供給する気体供給部２１を有し、ドラフトチューブ２内にスラグ流の気体を供給することにより、中空糸膜３に沿って流下薄膜を生じさせる膜濾過ユニット１及び濾過システム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドラフトチューブと、
前記ドラフトチューブの内側に配設された中空糸膜と、を備え、
前記ドラフトチューブは、前記ドラフトチューブ内に気体を供給する気体供給部を有し、前記ドラフトチューブ内に供給される気体はスラグ流であることを特徴とする膜濾過ユニット。
【請求項２】
前記中空糸膜を集束した中空糸膜モジュールの外径は、前記ドラフトチューブの内径に対して０．５〜０．９９倍であることを特徴とする請求項１に記載の膜濾過ユニット。
【請求項３】
前記ドラフトチューブの内径は、３０ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜濾過ユニット。
【請求項４】
被処理水槽と、
前記被処理水槽の中に設置されたドラフトチューブと、
前記ドラフトチューブの内側に配設された中空糸膜と、
前記ドラフトチューブ内に気体を供給する気体供給装置と、を備え、
前記ドラフトチューブ内に供給される気体はスラグ流であることを特徴とする濾過システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水や汚水等の排水を活性汚泥により浄化処理する活性汚泥処理装置に用いる膜濾過ユニット及びこの膜濾過ユニットを備えた濾過システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下水や汚水等の排水を処理する方法として、活性汚泥を用いた方法が知られている。この方法では、活性汚泥に含まれる微生物により排水中の有機成分が分解処理され、処理された排水は、濃縮汚泥と処理水に分離される。
濃縮汚泥と処理水の分離方法としては、最終沈殿池において重力沈降によって分離する方法や、膜濾過ユニットにより分離する方法が知られている。
【０００３】
膜濾過ユニットを用いる方法では、重力沈降による分離方法と比べて、分離された処理水の水質が安定し、さらには最終沈殿池が不要となるため装置の長大化を抑制できるという利点がある。
一方で、膜濾過ユニットを使用すると、高粘度な活性汚泥フロックが膜へ付着し、処理能力が低下するという問題がある。
【０００４】
特許文献１では、濃縮汚泥と処理水を中空糸膜により分離する膜分離活性汚泥処理装置が記載されている。この膜分離活性汚泥処理装置は、中空糸膜と、中空糸膜の下方の空間を囲む延長壁と、この空間の下方付近に膜曝気用の散気装置からなる膜濾過ユニットを備えており、散気装置から生じた気泡は、延長壁で中空糸膜へ案内され、中空糸膜に対して振動や旋回流を形成して膜洗浄を行っている。
特許文献１に記載された膜分離活性汚泥処理装置は、生物曝気用散気装置と独立して膜曝気用散気装置を設けることにより、膜洗浄用の曝気エネルギーの低減を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／００２４２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の膜濾過ユニットは、被処理水槽中に中空糸膜を開放した状態で設置しているため、膜曝気用の散気装置から生じた気泡が上昇中に中空糸膜から離散してしまい、十分な膜洗浄効果を得ることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、中空糸膜の周囲にドラフトチューブを設け、ドラフトチューブ内にスラグ流の気体を供給することにより、中空糸膜に堆積した活性汚泥フロックを効率的に剥離できることを見出して、本発明を完成した。
具体的には、本発明は、以下の膜濾過ユニット、及び、この膜濾過ユニットを備えた濾過システムを提供するものである。
【０００８】
上記課題を解決するための本願発明は、ドラフトチューブと、前記ドラフトチューブの内側に配設された中空糸膜と、を備え、前記ドラフトチューブは、前記ドラフトチューブ内に気体を供給する気体供給部を有し、前記ドラフトチューブ内に供給される気体はスラグ流であることを特徴とする膜濾過ユニットである。
本願発明の膜濾過ユニットでは、ドラフトチューブ内にスラグ流を形成するように気体が供給される。スラグ流の気体は、中空糸膜との間に被処理水の流下薄膜を形成し、この被処理水の流下薄膜は、被処理液や気泡の上昇流速よりも速い降下速度で中空糸膜表面を流下しているため、膜面に優れたせん断力を与えることができる。
【０００９】
本願発明は更に、前記中空糸膜を集束した中空糸膜モジュールの外径が、前記ドラフトチューブの内径に対して０．５〜０．９９倍であるという特徴を有する。
これにより、膜濾過処理量の確保しつつ、優れたせん断力を与えることができる。すなわち、０．５倍未満であると、ドラフトチューブに対する中空糸膜の占有体積が小さくなり、膜濾過処理量が低下する。一方、０．９９倍を超えると、ドラフトチューブと中空糸膜モジュールとの間の空間が小さいため、気体の通過する流路が狭くなり、気体の上昇速度の低下を引き起こす。流下薄膜の降下速度は気体の上昇速度に相関するため、気体の上昇速度の低下に伴い流下薄膜の降下速度も低下してせん断力が低下する。
【００１０】
本願発明は更に、前記ドラフトチューブの内径が、３０ｃｍ以下であるという特徴を有する。
ドラフトチューブの内径が大きくなると、スラグ流を発生させるために必要な空気量が増えるため、スラグ流を形成するために大型のブロワーで大量の気体を供給する必要がある。そのため、ドラフトチューブの内径を３０ｃｍ以下とすることにより、小型のブロワーでスラグ流を形成することができるという効果を奏する。
【００１１】
更に本願発明は、被処理水槽と、前記被処理水槽の中に設置されたドラフトチューブと、前記ドラフトチューブの内側に配設された中空糸膜と、前記ドラフトチューブ内に気体を供給する気体供給装置と、を備え、前記ドラフトチューブ内に供給される気体はスラグ流であることを特徴とする濾過システムである。
本願発明の濾過システムでは、上記の膜濾過ユニットと同様に、ドラフトチューブ内にスラグ流の気体が供給されるため、気体と中空糸膜との間に形成された流下薄膜により、膜面に優れたせん断力を与えることができる。
さらに、本願発明の濾過システムは、中空糸膜を内部に配設したドラフトチューブを被処理水槽の中に設置しているため、濾過システムを小型化することができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明によれば、中空糸膜の周囲にドラフトチューブを設け、ドラフトチューブ内にスラグ流の気体を供給することにより、中空糸膜表面に沿って流下薄膜が生じ、中空糸膜に堆積した活性汚泥フロックを効率的に剥離できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例の膜濾過ユニットに使用する中空糸膜の写真である。（ａ）中空糸膜を集束した中空糸膜モジュールの写真である。（ｂ）中空糸膜の断面拡大写真である。
【図２】本発明の第１の実施例の膜濾過ユニットの構成を示した概略説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の濾過システムの構成を示した概略説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例の濾過システムの構成を示した概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施例では、本発明の膜濾過ユニット、及び、濾過システムについて説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施例の膜濾過ユニットに使用する中空糸膜の写真である。（ａ）中空糸膜を集束した中空糸膜モジュールの写真である。（ｂ）中空糸膜の断面拡大写真である。
【００１６】
本発明の中空糸膜とは、一端が閉塞したストロー状の形状を有する濾過膜である。また、本発明の中空糸膜は、被処理水内に浸け、開口した他端から吸引することにより中空糸膜表面で濾過を行うものである。そして、濾過された処理水は内部の空洞を通過して排出される。
【００１７】
中空糸膜の外径は、０．１〜５ｍｍが好ましく、１〜３ｍｍがさらに好ましい。０．１ｍｍ未満であると、処理液が通過する内部の空洞が小さくなるため、処理液の吸引に多大な動力が必要となる。一方、５ｍｍを超えると、濾過膜の表面積が小さくなるため、処理効率が低下する。
中空糸膜の内径は、０．０１〜４ｍｍが好ましく、０．１〜３ｍｍがさらに好ましい。０．０１ｍｍ未満であると、処理液を吸引するために多大な動力を要し、４ｍｍを超えると、中空糸膜の外径も大きくなり、濾過膜の表面積が小さくなる。
また、中空糸膜の長さは、１〜３００ｃｍが好ましく、１０〜５０ｃｍがさらに好ましい。１ｃｍ未満であると、濾過膜の表面積が小さくなり、処理効率が低く、一方、３００ｃｍを超えると、処理液を吸引するために多大な動力が必要となる。
【００１８】
中空糸膜の平均膜厚は、強度に応じて適宜設定されるが、好ましくは０．０１〜１ｍｍであり、さらに好ましくは０．０３〜０．５ｍｍである。０．０１ｍｍ未満の場合、強度が弱いため破断しやすい。また、１ｍｍを超えると圧力損失が高くなり、処理量が減少する。
膜厚は、ダイヤルゲージを用いて測定する。無作為に１０点の膜厚を測定し、この平均値を平均膜厚とする。
【００１９】
中空糸膜の材質は、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン（PE）、四フッ化エチレン（PTFE）、ポリプロピレン（PP）、酢酸セルロース（CA）、ポリアクリロニトリル（PAN）、ポリイミド（PI）、ポリスルホン（PS）、ポリエーテルスルホン（PES）等の有機性材料、酸化アルミニウム（アルミナ Al2O3）、酸化ジルコニウム（ジルコニア ZrO2）、酸化チタン（チタニア TiO2）等の無機性材料がある。気泡による振動の影響を受けやすいため、柔軟な有機材料が好ましい。
【００２０】
中空糸膜の平均孔径は、処理水から除去する物質に応じて適宜選択されるが、０．００１〜１０μｍが好ましく、０．１〜５μｍがさらに好ましい。０．００１μｍ未満の場合、処理液を吸引するために多大な動力を必要とする。また、１０μｍを超えると、処理液から除去可能な物質が少ないため処理液に不純物が多くなる。
中空糸膜の平均孔径は、パームポロメーター（西華産業株式会社製）を用いて測定する。
【００２１】
図１に示すように、中空糸膜は、複数本を集束して中空糸膜モジュールを形成している。中空糸膜モジュール中の中空糸膜の本数は、好ましくは１００本以上、さらに好ましくは３００本以上、特に好ましくは５００本以上である。中空糸膜を１００本以上集束することにより、濾過膜の面積を大きくして処理量を高め、また、破断しにくく取扱性に優れるという効果を奏する。
【００２２】
図２には、本発明の第１の実施例の膜濾過ユニット１が図示されている。
本発明の膜濾過ユニット１は、ドラフトチューブ２と、ドラフトチューブ２の内側に中空糸膜３を備えた構成である。なお、中空糸膜３は、１０００本の中空糸膜３を集束して中空糸膜モジュールを形成している。
【００２３】
ドラフトチューブ２は、円筒形状の筒体であり、ドラフトチューブ２の内部には、被処理水が満たされている。中空糸膜３は、被処理水に浸漬され、中空糸膜３の開口した端部から吸引することにより被処理水が濾過される。濾液は、処理水として中空糸膜３の内部の空洞を通って排出される。
ドラフトチューブ２は、略垂直に設置され、被処理水は、ドラフトチューブ２の下端より連続的に供給され、ドラフトチューブ２の内部を通過する。その間に、被処理水は、濾過処理されて、濃縮汚泥としてドラフトチューブ２の上端より排出される。
なお、ドラフトチューブ２の形状はどのような形状でもよく、実施例の円筒形状のほか、多角形状の筒体でもよい。また、ドラフトチューブ２の下端を閉塞して、被処理水をバッチ式で濃縮処理してもよい。
【００２４】
本発明のドラフトチューブ２は、下端に気体供給部２１を備えている。実施例の気体供給部２１は、ドラフトチューブ２の下端開口部であり、ドラフトチューブ２の内部に、中空糸膜３を洗浄するための気体を供給する構成である。下端開口部から供給された気体はスラグ流を形成し、ドラフトチューブ２の内部を上昇する。スラグ流は、中空糸膜３と気体との間、つまり中空糸膜３の膜表面に流下薄膜を形成するため、膜表面にせん断力が働き、効率的に中空糸膜表面の汚泥フロックを剥離することができる。
実施例では、気体供給部２１としてドラフトチューブ２の下端開口部を使用しているが、気体供給部２１は、中空糸膜３より下側に形成された気体供給手段であれば特に限定されず、例えば、ドラフトチューブ２の側壁に開口を設けてもよい。
また、実施例のドラフトチューブ２は、略垂直に設置されているが、気体が中空糸膜３を通過するような構成であれば傾斜して設置してもよい。
【００２５】
ドラフトチューブ２の内部に供給される気体は、どのような気体でもよく、例えば、空気、酸素、窒素、二酸化炭素等が挙げられる。気体の種類は、好気性生物処理や嫌気性生物処理等の生物の生育条件に応じて適宜選択される。
【００２６】
スラグ流とは、ドラフトチューブ内に被処理水と気泡が断続的に流れる二相流であり、気泡と中空糸膜の間に流下薄膜を形成する。流下薄膜は、上昇する気泡や被処理水の上昇速度より速い降下速度を有しており、膜表面の汚泥フロックを剥離する能力が高く、洗浄効率に優れている。
【００２７】
スラグ流は、ドラフトチューブ内に気体を連続的又は断続的に供給することにより形成される。気体の供給量としては、ボイド率として、０．１５〜０．８であることが好ましく、０．２〜０．６５であることがさらに好ましい。
ボイド率が０．１５未満であると、気体供給量が少ないため、小さな気泡となってスラグ流を形成しない。一方、０．８を超えると、気体供給量が多いため、気体が連続的に流れてしまいスラグ流を形成できない。ボイド率を０．６５以下とすると、気体の供給量に対して汚泥フロックを剥離する能力が高く、効率よく洗浄することができる。
ボイド率の測定方法は、一定の長さを有するドラフトチューブ内に気体を供給している状態で、ドラフトチューブの上端と下端を同時に弁で閉め、ドラフトチューブ内の気体の体積を計測する。次に、ドラフトチューブの体積に対する計測された気体の体積の割合を算出してボイド率を求める。
【００２８】
ドラフトチューブ２の内径は、３０ｃｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、１５〜２５ｃｍである。３０ｃｍ以下とすることにより、少ない気体供給量でスラグ流を形成することができるため、大型のブロワーを使用しなくてよい。また、１５ｃｍ以上とすることにより、被処理水の適切な処理量を得ることができる。
【００２９】
さらに、中空糸膜モジュールの外径は、ドラフトチューブ２の内径の０．５〜０．９９倍であることが好ましく、    〜    倍であることがさらに好ましい。０．５倍未満であると、ドラフトチューブに対する中空糸膜の占有体積が小さくなり、膜濾過処理量が低下する。一方、０．９９倍を超えると、ドラフトチューブと中空糸膜モジュールとの間の空間が小さいため、気体の通過する流路が狭くなり、気体の上昇速度の低下を引き起こす。流下薄膜の降下速度は気体の上昇速度に相関するため、気体の上昇速度の低下に伴い流下薄膜の降下速度も低下してせん断力が低下する。
【００３０】
図３は、本発明の第１の実施例の濾過システム４１の構成を示した概略説明図である。
濾過システム４１は、本発明の膜濾過ユニット１を被処理水槽の内部に設置した浸漬膜分離活性汚泥法の実施例である。
【００３１】
濾過システム４１は、被処理水槽５、被処理水槽５の下部に設置された散気装置６２、この散気装置６２に気体を供給する生物曝気用気体発生装置６１、被処理水に浸漬して設置された膜濾過ユニット１、膜濾過ユニット１の下部から気体を供給するための気体供給装置７、膜濾過ユニット１の中空糸膜３の開口端部に連通した処理水排出管８を含む構成である。また、気体供給装置７は、膜濾過ユニット１の下部に気体を供給する膜濾過ユニット用気体供給管７２、及び、この気体供給管７２に気体を供給する膜濾過ユニット用気体発生装置７１から構成される。
【００３２】
被処理水槽５には、下水や汚水等の排水及び活性汚泥からなる被処理水が満たされている。そして、被処理水槽５の下部に設置された散気装置６２より微細な気泡が発泡され、活性汚泥中の好気性細菌が活性化されて被処理水中の有機物を分解する。
【００３３】
また、被処理水は、膜濾過ユニット１のドラフトチューブ２の内部にも満たされており、気体供給装置７より供給された気体が、ドラフトチューブ２内でスラグ流を形成している。スラグ流を形成した気体は、ドラフトチューブ２を通り抜けて被処理水面上に排出される。
さらに、気体供給装置７より供給された気体は、ドラフトチューブ２の内部にリフト作用を生じ、被処理水はドラフトチューブ２の下端より吸引されて上下に循環流を形成している。この循環流は、上下方向の撹拌効果を有しており、微生物の生育に対して良好な環境を提供することができる。
【００３４】
ドラフトチューブ２の内部に設置された中空糸膜モジュールでは、被処理水が濾過されて、処理水排出管８より処理水が排出される。
濾過により中空糸膜モジュール表面に堆積した汚泥フロックは、前記スラグ流によって形成された流下薄膜のせん断作用により剥離されるため、中空糸膜表面が詰まることが抑制され、濾過処理を継続することができる。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施例の濾過システム４２の構成を示した概略説明図である。
濾過システム４２は、本発明の膜濾過ユニット１を被処理水槽の外部に設置した槽外膜分離活性汚泥法の実施例である。
【００３６】
濾過システム４２は、膜濾過ユニット１のドラフトチューブ２の上端と下端を閉塞して、被処理水槽５の外部に配置した構成である。被処理水槽５とドラフトチューブ２の下端は、被処理水供給管９１により連結され、ドラフトチューブ２の上端と被処理水槽５は、濃縮汚泥返送管９２により連結されている。
また、被処理水供給管９１には、各膜濾過ユニット１の下端においてそれぞれ膜濾過ユニット用気体供給管７２が連結されており、各膜濾過ユニット１に気体が供給されスラグ流を形成する。
【００３７】
被処理水は、ポンプにより被処理水供給管９１からドラフトチューブ２の下端に供給され、ドラフトチューブ２を通過し、上端と連結した濃縮汚泥返送管９２を通って被処理水槽５に返送される。その間に、被処理水は中空糸膜モジュールにより濾過され、処理水が中空糸膜の開口端部に連結した処理水排出管８を通って排出される。
【００３８】
濾過により中空糸膜モジュール表面に堆積した汚泥フロックは、前記スラグ流によって形成された流下薄膜のせん断作用により剥離されるため、中空糸膜表面が詰まることが抑制され、濾過処理を継続することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の膜濾過ユニット及び濾過システムは、下水や汚水等の排水を活性汚泥により浄化処理した浄化処理液を濃縮するための膜分離活性汚泥法に利用することができる。
その他、食品工場や医薬品工場等において、果汁や医薬品等の濃縮装置に利用してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  膜濾過ユニット、２  ドラフトチューブ、２１、気体供給部、３  中空糸膜、４１，４２  濾過システム、５  被処理水槽、６１  生物曝気用気体発生装置、６２  散気装置、７  気体供給装置、７１  膜濾過ユニット用気体発生装置、７２  膜濾過ユニット用気体供給管、８  処理水排出管、９１  被処理水供給管、９２  濃縮汚泥返送管
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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