(57)【要約】【課題】長期間安定して精密な水位制御を行うこと可能であり、小型化が容易な膜分離装置及び排水処理装置の提供。【解決手段】被処理水と活性汚泥とを分離する濾過膜が配設された膜分離槽と、該膜分離槽へ被処理水を供給する原水ポンプ、及び／又は活性汚泥と分離された被処理水を前記膜分離槽から排出する膜濾過ポンプと、前記膜分離槽内の被処理水の水位を検知して、前記原水ポンプ及び／又は前記膜濾過ポンプの駆動を制御する水位制御部と、を備える膜分離装置であって、前記水位制御部は、前記膜分離槽内に開口を有する空気導入管と、該空気導入管へ空気を送出する空気ポンプと、前記空気導入管と前記空気ポンプとの間に配設され、前記空気導入管内の空気圧を計測する圧力計と、を備え、該圧力計の計測値に基づいて前記原水ポンプ及び／又は前記膜濾過ポンプの駆動を制御する、膜分離装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水と活性汚泥とを分離する濾過膜が配設された膜分離槽と、
該膜分離槽へ被処理水を供給する原水ポンプ、及び／又は活性汚泥と分離された被処理水を前記膜分離槽から排出する膜濾過ポンプと、
前記膜分離槽内の被処理水の水位を検知して、前記原水ポンプ及び／又は前記膜濾過ポンプの駆動を制御する水位制御部と、を備える膜分離装置であって、
前記水位制御部は、
前記膜分離槽内に開口を有する空気導入管と、
該空気導入管へ空気を送出する空気ポンプと、
前記空気導入管と前記空気ポンプとの間に配設され、前記空気導入管内の空気圧を計測する圧力計と、を備え、
該圧力計の計測値に基づいて前記原水ポンプ及び／又は前記膜濾過ポンプの駆動を制御する、
膜分離装置。
【請求項２】
前記開口の前記膜分離槽内における鉛直方向の配設位置は、前記濾過膜の同方向における下端の配設位置よりも下方である、請求項１記載の膜分離装置。
【請求項３】
前記膜分離槽の容積が１〜１００Ｌである、請求項１又は２記載の膜分離装置。
【請求項４】
前記膜分離槽に前記被処理水を供給した際の前記活性汚泥の濃度が、３，０００〜３０，０００ｍｇ／Ｌとされる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜分離装置。
【請求項５】
前記水位制御部は、前記空気導入管へ送出される前記空気の流量計を備え、該流量計は前記圧力計と前記空気ポンプとの間に配設されている、請求項１〜４記載のいずれか一項に記載の膜分離装置。
【請求項６】
前記水位制御部は、前記圧力計と前記空気ポンプとの間に、前記流量計を迂回する流路を備える、請求項５に記載の膜分離装置。
【請求項７】
前記流路への前記空気の流入を制御する弁を備える、請求項６記載の膜分離装置。
【請求項８】
前記弁が、タイマーにより制御される電磁弁である、請求項７記載の膜分離装置。
【請求項９】
前記空気導入管へ送出される前記空気の流速が０．１３〜０．２６ｍ／秒である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜分離装置に関する。より詳しくは、排水からの汚泥物の膜分離処理に用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生活排水や産業排水などの排水を処理する技術として、膜分離活性汚泥処理が知られている（特許文献１参照）。膜分離活性汚泥処理は、中空糸膜や管状膜からなる膜モジュールなどの膜分離手段を膜処理槽に浸漬設置し、生物処理と固液分離を同時に実施するものである。膜分離活性汚泥処理は、設備がコンパクトである、処理水が清澄である、沈殿槽が不要である、活性汚泥を反応槽内に高濃度に保持して高い処理効率が得られるなどのメリットを有する。
【０００３】
膜分離活性汚泥処理で効率的な処理を行うためには、膜処理槽内において、被処理水の水位を膜分離手段が被処理水に浸漬するように保つ必要がある。
【０００４】
膜処理槽内の被処理水の水位を保つための技術としては、被処理水により浮上可能なフロート体を備えるフロートスイッチを用い、フロート体によって検知される被処理水の水位に応じて膜処理槽に被処理水を供給するポンプの駆動を制御する技術がある。
【０００５】
また、膜処理槽内の被処理水の水位をより精密に制御するための技術として、水圧式水位計を用いる技術（特許文献２参照）、光ファイバセンサを用いる技術（特許文献３参照）、撮像装置と画像処理を用いる技術（特許文献４参照）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８３１７０号公報
【特許文献２】特開２００２−１４３８４７号公報
【特許文献３】特開平９−３０４１６２号公報
【特許文献４】特開平５−２６６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フロートスイッチを用いて膜処理槽内の被処理水の水位を制御する技術は、安価で耐久性に優れ、設置が容易であるという利点がある。一方で、活性汚泥がフロート体に付着するとフロート体の重量が増加して正確な水位検知が不能となるため、長期間安定して精密な水位制御を行うことは困難である。また、フロートスイッチは、その作動原理から小型化が困難であるため、小容量（十数リットル以下）の膜処理槽への適用は困難である。
【０００８】
水圧式水位計を用いて膜処理槽内の被処理水の水位を制御する技術（特許文献２参照）でも、膜処理槽と圧力計を接続する配管に活性汚泥が堆積すると正確な水位検知が不能となるため、長期間安定して精密な水位制御を行うことは困難である。
【０００９】
光ファイバセンサ等を用いた技術（特許文献３、４参照）では、センサ等を水面に非接触とできるが、膜処理槽の曝気により生ずる活性汚泥の飛沫がセンサ等に付着する場合があり、やはり長期間安定して精密な水位制御を行うことは困難である。また、活性汚泥の飛沫の付着を防止するため、センサ等と水面との距離を離すことも可能ではあるが、この合には装置の大型化が避けられない。
【００１０】
そこで、本発明は、長期間安定して精密な水位制御を行うこと可能であり、小型化が容易な膜分離装置及び排水処理装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題解決のため、本発明は、以下の［１］〜［９］を提供する。
［１］  被処理水と活性汚泥とを分離する濾過膜が配設された膜分離槽と、
該膜分離槽へ被処理水を供給する原水ポンプ、及び／又は活性汚泥と分離された被処理水を前記膜分離槽から排出する膜濾過ポンプと、
前記膜分離槽内の被処理水の水位を検知して、前記原水ポンプ及び／又は前記膜濾過ポンプの駆動を制御する水位制御部と、を備える膜分離装置であって、
前記水位制御部は、
前記膜分離槽内に開口を有する空気導入管と、
該空気導入管へ空気を送出する空気ポンプと、
前記空気導入管と前記空気ポンプとの間に配設され、前記空気導入管内の空気圧を計測する圧力計と、を備え、
該圧力計の計測値に基づいて前記原水ポンプ及び／又は前記膜濾過ポンプの駆動を制御する、
膜分離装置。
［２］  前記開口の前記膜分離槽内における鉛直方向の配設位置は、前記濾過膜の同方向における下端の配設位置よりも下方である、［１］の膜分離装置。
［３］  前記膜分離槽の容積が１〜１００Ｌである、［１］又は［２］の膜分離装置。
［４］  前記膜分離槽に前記被処理水を供給した際の前記活性汚泥の濃度が、３，０００〜３０，０００ｍｇ／Ｌとされる、［１］〜［３］のいずれかの膜分離装置。
［５］  前記水位制御部は、前記空気導入管へ送出される前記空気の流量計を備え、該流量計は前記圧力計と前記空気ポンプとの間に配設されている、［１］〜［４］のいずれかの膜分離装置。
［６］  前記水位制御部は、前記圧力計と前記空気ポンプとの間に、前記流量計を迂回する流路を備える、［５］の膜分離装置。
［７］  前記流路への前記空気の流入を制御する弁を備える、［６］の膜分離装置。
［８］  前記弁が、タイマーにより制御される電磁弁である、［７］の膜分離装置。
［９］  前記空気導入管へ送出される前記空気の流速が０．１３〜０．２６ｍ／秒である、［１］〜［８］のいずれかの膜分離装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、長期間安定して精密な水位制御を行うこと可能であり、小型化が容易な膜分離装置及び排水処理装置が提供される。本発明に係る膜分離装置は、長期安定性に優れ、小型化が容易であるため、例えば災害時対応に用いられる可搬式の下排水処理装置や、排水処理実験に供される試験装置等として特に有効に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る膜分離装置の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の好適な実施形態に係る膜分離装置の水位制御部の構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
【００１５】
図１に本発明の好適な実施形態に係る膜分離装置の構成を示す。膜分離装置は、膜分離槽１と、原水ポンプ１５と、膜濾過ポンプ１９と、水位制御部２とを備える。ここでは、膜分離槽１をひとつ備える膜分離装置を例示するが、膜分離槽１は２槽以上であってもよい。また、本発明に係る膜分離装置は、膜分離槽１に加えて、窒素やリンなどの処理のために、曝気や膜分離を行わない嫌気槽あるいは無酸素槽を備えていてもよい。
【００１６】
膜分離槽１では、工業排水などの被処理水を曝気しながら活性汚泥により生物処理する。汚泥含有被処理水は膜濾過され、これによって透過水（処理水）が活性汚泥から膜分離（固液分離）される。膜分離槽１内には、被処理水と活性汚泥とを分離する濾過膜１２が配設されている。濾過膜１２は、モジュール化されて、膜モジュール１３として配設されていてもよい。
【００１７】
膜分離槽１内には、槽内を曝気するための散気管１１が配設されている。散気管１１の膜分離槽１内における開口は、膜モジュール１３よりも下方に設置される。符号１７は、散気管１１に空気を送出するブロアを示し、符号１６は、ブロア１７と散気管１１を接続する導入管を示す。散気管１１は、ブロア１７から供給される空気を開口から上方へ吐出できる構成であればよく、例えば、穴あきの単管や、メンブレンタイプのものが挙げられる。
【００１８】
膜分離槽１に被処理水を供給した際の活性汚泥の濃度は、ＭＬＳＳ（Mixed Liquor Suspended Solids）で３，０００〜３０，０００ｍｇ／Ｌとされることが好ましい。ＭＬＳＳが３，０００ｍｇ／Ｌ未満であると、生物処理効率の低下や膜閉塞の原因となることがある。ＭＬＳＳは高濃度であるほど生物処理効率の観点では好ましいが、３０，０００ｍｇ／Ｌを超えると汚泥粘度が過剰に高くなり、濾過膜１２への汚泥固着の原因となることがある。
【００１９】
生物処理により、被処理水に含まれる有機物は、活性汚泥中を構成する微生物の餌として消費され、その一部は水と二酸化炭素にまで分解される。また、有機物の一部は、活性汚泥を構成する微生物の増殖に使用され、最終的に余剰汚泥となって排出される。
【００２０】
生物処理によって膜分離槽１内の活性汚泥のｐＨが変動する場合がある。そのため、膜分離槽１には、アルカリや酸を添加して活性汚泥のｐＨを生物処理に適した中性付近に調整するためのｐＨ調整手段を設けてもよい。
【００２１】
濾過膜１２は、濾過能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、中空糸膜、平膜、チューブラ膜、モノリス型膜などが用いられる。これらの中でも、容積充填率が高いことから、中空糸膜が好ましい。
【００２２】
濾過膜１２として中空糸膜を用いる場合、材質としては、例えば、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。これらの中でも、薬品やｐＨ変動への耐性が高いことから、ＰＶＤＦ又はＰＴＦＥが好ましい。濾過膜１２としてモノリス型膜を用いる場合は、セラミック製の膜を用いることが好ましい。
【００２３】
濾過膜１２に形成される微細孔は、一般に限外濾過膜と呼ばれる膜で平均孔径が０．００１〜０．１μｍ程度であり、精密濾過膜と呼ばれる膜で平均孔径０．１〜１μｍ程度である。本発明においても、平均孔径が上記範囲内である濾過膜１２を用いることが好ましい。
【００２４】
原水ポンプ１５は、膜分離槽１へ被処理水を供給するために機能する。符号１４は、原水ポンプ１５から膜分離槽１への被処理水流路を示す。被処理水流路１４の一端は、被処理水を貯留する原水タンク（不図示）に接続される。原水タンクと膜分離槽１との間には、粗大な夾雑物を除去するためのスクリーンを設置してもよい。また、膜濾過ポンプ１９は、濾過膜１２において活性汚泥と分離された被処理水（透過水）を膜分離槽１から排出するために機能する。符号１８は、膜モジュール１３から膜濾過ポンプ１９への透過水流路を示す。
【００２５】
水位制御部２は、原水ポンプ１５及び／又は膜濾過ポンプ１９にこれらポンプの駆動を制御可能に接続されている。水位制御部２は、膜分離槽１内の被処理水の水位を検知して、検知された水位に応じて原水ポンプ１５及び／又は膜濾過ポンプ１９の駆動を制御する。図２に水位制御部２の構成を示す。水位制御部２は、空気導入管２２と、空気ポンプ（不図示）と、圧力計２１と、流量計２３と、電磁弁２４と、を備える。
【００２６】
空気導入管２２は、膜分離槽１内に開口を有する。以下に説明するように、水位制御部２は、空気導入管２２の開口から空気を押し出しながら、当該空気の圧力を計測することによって膜分離槽１内の活性汚泥含有被処理水の水位を検知する。開口の膜分離槽１内における鉛直方向の配設位置は、濾過膜１２の同方向における下端の配設位置よりも下方であることが望ましい（図１参照）。空気導入管２２の開口は、膜分離槽１の底面に近接して配設されることがより望ましい。
【００２７】
空気導入管２２には、空気流路２５に接続された空気ポンプによって所定流量の空気が送出される。流量計２３は、圧力計２１と空気ポンプとの間に配設されており、空気ポンプによって空気導入管２２へ送出される空気の流量を計測し、当該流量を所定値に維持する。
【００２８】
空気導入管２２へ送出される空気の流量は、流速０．０７〜０．５２ｍ／秒であることが好ましい。０．０７ｍ／秒を下回ると、空気導入管２２の開口から汚泥が侵入し、空気導入管２２を閉塞させるため、正確な水位の測定が困難になる。また、０．５２ｍ／秒を超えると、配管内の抵抗が増すために正しい水位の測定が困難になる。従って、流速は、０．０７〜０．５２ｍ／ｓｅｃ、好ましくは、０．１３〜０．３９ｍ／ｓｅｃ、より好ましくは０．１３〜０．２６ｍ／ｓｅｃとされる。
【００２９】
空気導入管２２内の空気圧は、空気導入管２２と流量計２３との間に配設された圧力計２１によって検知される。空気導入管２２に導入された空気は、膜分離槽１内の開口から汚泥含有被処理水中に放出される。このとき、圧力計２１の指示値は、「膜分離槽１内における空気導入管２２の開口から液面までの距離」と「汚泥含有処理水の密度」とにより決定されるため、圧力計２１の指示値から膜分離槽１内の被処理水の水位を算出することができる。例えば、汚泥含有処理水の密度が１．０ｇ／ｃｍ3である場合、圧力計２１の指示値が０．１×Ｄ（ｋＰａ）とすると、膜分離槽１内の被処理水の水位は、空気導入管２２の開口から距離Ｄ（ｃｍ）にあることとなる。
【００３０】
本発明に係る膜分離装置では、このようにして、水位制御部２が、圧力計２１によって計測された空気導入管２２内の空気圧に基づいて膜分離槽１内の汚泥含有被処理水の水位を算出し、原水ポンプ１５及び／又は膜濾過ポンプ１９の駆動を制御する。すなわち、水位制御部２は、圧力計２１によって計測された空気導入管２２内の空気圧が低下すると、原水ポンプ１５による膜分離槽１内への被処理水の供給を増加させるか、膜濾過ポンプ１９による膜分離槽１からの透過水の排出を減少させて、膜分離槽１内の汚泥含有被処理水の水位を増加させる。逆に、圧力計２１によって計測された空気導入管２２内の空気圧が上昇すると、水位制御部２は、原水ポンプ１５による膜分離槽１内への被処理水の供給を減少させるか、膜濾過ポンプ１９による膜分離槽１からの透過水の排出を増加させて、膜分離槽１内の汚泥含有被処理水の水位を減少させる。これによって、本発明に係る膜分離装置では、膜分離槽１内への被処理水の供給量及び／又は膜分離槽１からの透過水の排出量を制御して、膜分離槽１内の被処理水の水位を一定に保持することができる。従って、本発明に係る膜分離装置では、膜処理槽１内において、汚泥含有被処理水の水位を濾過膜１２が被処理水に浸漬するように保つことができ、効率的な膜分離活性汚泥処理を行うことが可能である。
【００３１】
また、本発明に係る膜分離装置では、フロートスイッチやセンサ等を用いて水位検知を行う従来技術にみられるような、活性汚泥のフロートやセンサ等への付着による精度低下が生じない。このため、本発明に係る膜分離装置では、長期間安定して精密な水位制御を行うこと可能である。さらに、本発明に係る膜分離装置は、フロートスイッチを用いた従来技術とは異なり、水位検知のための構成に可動部を有さないので、装置の小型化が可能であり、膜分離槽１の小容積（例えば１〜１００Ｌ）である小型膜分離装置としての応用に特に適する。
【００３２】
水位制御部２は、整備を容易にするため、圧力計２１と空気ポンプとの間に、流量計２３を迂回する流路（空気バイパス２６）を備えることが好ましい。電磁弁２４は、空気バイパス２６への空気の流入を制御するものである。
【００３３】
空気導入管２２を活性汚泥含有処理水に挿入した場合、空気導入管２２の開口から活性汚泥が侵入し、空気導入管２２を閉塞させるおそれがある。この場合、電磁弁２４を開いて、空気ポンプからの空気を流量計２３を迂回させて空気バイパス２６に送り込むことにより、空気導入管２２に侵入した活性汚泥を排出して洗浄することができる。電磁弁２４を例えばタイマー制御で作動するものすれば、タイマーにより電磁弁２４の開閉を制御し、空気導入管２２の洗浄を自働化することもできる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
【００３５】
［実施例１］
図１及び図２に示した膜分離装置を用い、以下のようにして排水の処理を行った。
【００３６】
水位検知機構２の圧力計２１として、定格圧力範囲が０〜１０ｋＰａ、分解能０．０１ｋＰａで、予め設定した圧力により開閉する外部出力を備えた圧力計を使用した。空気導入管２２として、内径４ｍｍの硬質ポリエチレン管を使用した。流量計２３として、流量レンジが５００ｍＬ／ｍｉｎ、精度１０ｍＬ／ｍｉｎの空気用流量計を使用した。電磁弁２４として、オリフィス径４ｍｍ、接続口径６Ａの電磁弁を使用した。
【００３７】
排水には、養豚畜舎から排出された窒素含有排水を用いた。膜分離槽１としては、内寸が幅１２０ｍｍ、奥行き２００ｍｍ、高さ３００ｍｍの塩化ビニル製水槽を用いた。膜モジュール１３としては、中空糸膜モジュールを用いた。分離膜１２には、膜面積が０．０２ｍ2の中空糸膜を用いた。膜分離槽１にＭＬＳＳが５，０００ｍｇ／Ｌの活性汚泥を５Ｌ充填し、膜モジュール１３を浸漬し、膜モジュール１３の下方に配置した散気管１１から６Ｌ／ｍｉｎの風量で散気を行いながら、膜濾過ポンプ１９で吸引して濾過を行った。濾過により低下した水位を、水位制御機構２で検知し、窒素含有排水を供給して水位を一定に調整した。水位検知機構２に供給する空気の流量は０．１Ｌ／ｍｉｎとし、１２時間毎に２０Ｌ／ｍｉｎで０．１秒通気した。
【００３８】
結果、一定水位で一ヶ月以上安定に排水処理を継続できた。また、水位の変動は０．５ｃｍ前後であった。また、排水処理中に液面に発泡が見られたが、発泡に関わらず水位を正確に制御できた。
【００３９】
［比較例１］
水位検知機構をフロートスイッチ（理光フロートテクノロジー製、ＭＦＳ１７−Ｄ）に変更し、実施例１と同様に排水処理を行った。
【００４０】
結果、曝気により生じた汚泥の飛沫がフロートスイッチの周辺に付着し、フロートスイッチ設置後１０日で、付着した汚泥によりフロートが動かなくなり、窒素含有排水が供給されなくなった。
【００４１】
［比較例２］
水位検知機構をガイドパルス式水位センサ（キーエンス製、ＦＬ−００１）に変更し、実施例１と同様に排水処理を行った。
【００４２】
結果、曝気により生じた汚泥の飛沫がプローブに付着し、水位センサ設置後７日で、付着した汚泥により液面が検知できなくなり、窒素含有排水が供給されなくなった。また、液面に発泡が見られた際には、計測値が実際の水位より大きくなった。
【００４３】
［比較例３］
水位検知機構を投げ込み圧力式水位センサ（センシズ製、ＨＭ−２００−０２）に変更し、実施例１と同様に排水処理を行った。
【００４４】
結果、圧力計測部の保護カバー内に汚泥が蓄積し、水位センサ設置後２０日で、蓄積した汚泥により圧力が検知できなくなり、窒素含有排水が供給されなくなった。
【００４５】
また、保護カバーを外して同様の排水処理を行った所、汚泥の蓄積はなくなった。しかし、圧力計測部が膜モジュールと接触した際に変形し、実際の水位と計測値にズレが生じた。水位の変動は２ｃｍ前後と大きく、膜分離槽内の液量が１割前後増減した。
【００４６】
［比較例４］
膜分離槽の底付近の壁面に穴を開け、外側から圧力センサ（キーエンス製、ＧＰ−Ｍ００１）を設置して、底部の水圧から水位を換算する方法で液面を検知・制御し、実施例１と同様に排水処理を行った。
【００４７】
結果、一ヶ月以上安定に排水処理を継続できたが、水位の変動は２ｃｍ前後と大きく、膜分離槽内の液量が１割前後増減した。
【００４８】
［比較例５］
膜分離槽の壁面の外側に静電容量式スイッチ（オムロン製、Ｅ２Ｋ−Ｆ１０ＭＣ１）を設置して、スイッチ近傍の液体の有無を検知する方法で液面を検知・制御し、実施例１と同様に排水処理を行った。
【００４９】
結果、曝気により生じた汚泥の飛沫が膜分離槽の壁面に付着し、静電容量式スイッチ設置後３日で、付着した汚泥を液面と誤検知し、窒素含有排水が供給されなくなった。また、液面に発泡が見られた際には、泡を液面と誤検知し、窒素含有排水が供給されなくなった。
【符号の説明】
【００５０】
１：膜分離槽、１１：散気管、１２：濾過膜、１３：膜モジュール、１４：被処理水流路、１５：原水ポンプ、１６：導入管、１７：ブロア、１８：透過水流路、１９：膜濾過ポンプ、２：水位制御部、２１：圧力計、２３：流量計、２４：電磁弁、２２：空気導入管、２５：空気流路、２６：空気バイパス
【図１】
2017164668.tif 000003
【図２】
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