(57)【要約】【課題】低コストに分離膜のファウリングを防止する。【解決手段】排水処理装置１は、生物処理槽２，膜分離装置３，膜洗浄装置４を備える。生物処理槽２は系外から導入した排水の有機物を活性汚泥によって分解処理する。膜分離装置３は生物処理槽２内の活性汚泥液から活性汚泥成分を分離する。膜洗浄装置４は、活性汚泥液から膜分離装置３によって分離された活性汚泥に含まれる微生物群を破砕処理して汚泥破砕液を生成する汚泥破砕装置５と、膜分離装置３の分離膜の逆洗時に洗浄液として前記汚泥破砕液を膜分離装置３に供給する破砕液供給装置６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性汚泥液から膜分離装置によって分離された活性汚泥に含まれる微生物群の細胞を破砕処理して汚泥破砕液を生成する破砕液生成工程と、
前記膜分離装置の分離膜の逆洗時に洗浄液として前記汚泥破砕液を当該膜分離装置に供給する破砕液供給工程と
を有する膜洗浄方法。
【請求項２】
前記汚泥破砕液を２５℃以上４５℃以下に保温する請求項１に記載の膜洗浄方法。
【請求項３】
前記細胞の破砕処理をホモジナイザ、リゾチーム、界面活性剤、超音波、フレンチプレスのいずれかによって行う請求項１また２に記載の膜洗浄方法。
【請求項４】
活性汚泥液から膜分離装置によって分離された活性汚泥に含まれる微生物群を破砕処理して汚泥破砕液を生成する汚泥破砕装置と、
前記膜分離装置の分離膜の逆洗時に洗浄液として前記汚泥破砕液を当該膜分離装置に供給する破砕液供給装置と
を備えた膜洗浄装置。
【請求項５】
前記汚泥破砕液を２５℃以上４５℃以下に保温する保温装置をさらに備えた
請求項４に記載の膜洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜分離活性汚泥法における分離膜の閉塞を解消するための膜洗浄技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜分離活性汚泥法（以下、ＭＢＲ）は、下水などの有機物含有排水を生物処理槽内で微生物を含む活性汚泥によって処理して有機物を除去した後、この生物処理槽内に浸漬された膜分離装置によって汚泥分と水分とに固液分離する。ＭＢＲの処理水は透明度が高く、水質安定性に優れる点や生物処理槽内の活性汚泥濃度が高められる点から広く普及が進んでいる。
【０００３】
しかしながら、膜分離装置の分離膜は目詰まりの問題があるので、長時間、ろ過を継続すると、分離膜の表面や内部に汚れ成分が付着さらに堆積することにより、膜間差圧が上昇する。これらはファウリングと称され、このファウリングを解消する方法として分離膜を次亜塩素酸水溶液などの薬品による洗浄が行われている。分離膜のファウリングが発生した場合、活性汚泥の症状に問題があるので、薬品洗浄は頻繁に行う必要がある。
【０００４】
ファウリング原因物質には、活性汚泥の微生物が分泌するタンパク質や糖タンパク質、多糖などの菌体外高分子（Ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ  Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ  以下、ＥＰＳ）などがあると考えられる。また、膜表面にＥＰＳが堆積し、そこに微生物が付着、堆積してバイオフィルムが形成される場合もあり、さらなる膜透過流束の低下を招く場合もある。
【０００５】
このようなＭＢＲ方式の分離膜のファウリングを改善する方法として、原水に粉末の活性炭などの吸着剤を添加してろ過性阻害成分を吸着除去する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
また、カチオン性ポリマー、両性ポリマー、双性イオン性ポリマーのいずれかの凝集剤を添加してＭＢＲの膜透過流束を改善する技術も提案されている（特許文献２，３）。
【０００７】
さらに、膜表面及び膜内部に付着、堆積したバイオフィルムの主成分である多糖類の分解酵素を含むバイオフィルム除去剤を膜の洗浄に使用する方法も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３０９５６７号公報
【特許文献２】特開２００６−３３４５８７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２５３６６号公報
【特許文献４】特開２０１２−２１３３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
活性炭などの吸着剤を用いたファウリング原因物質の除去方法は、吸着剤は分離膜の表面との接触を繰り返すことにより微細化し、やがて分離膜の細孔に侵入して膜透過流束を低下させる。この分離膜の細孔に侵入した活性炭微粒子は取り除くことが困難であることから、不可逆的な膜閉塞を引き起こす懸念がある。
【００１０】
凝集剤を用いたファウリング原因物質の除去方法は、凝集剤の最適添加量を把握してその添加量を制御することが難しいので、過剰に凝集剤が添加された場合、分離膜の表面に凝集剤が付着し、逆にファウリングの発生を加速させることになる。
【００１１】
バイオフィルム除去剤を用いたファウリング原因物質の除去方法は、当該除去剤に適用される酵素が非常に高価であるので、実用上の観点からプラント化が困難となる。
【００１２】
本発明は、以上の事情に鑑み、低コストに分離膜のファウリングを防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の膜洗浄方法は、活性汚泥液から膜分離装置によって分離された活性汚泥に含まれる微生物群の細胞を破砕処理して汚泥破砕液を生成する破砕液生成工程と、前記膜分離装置の分離膜の逆洗時に洗浄液として前記汚泥破砕液を当該膜分離装置に供給する破砕液供給工程とを有する。
【００１４】
本発明の膜洗浄装置は、活性汚泥液から膜分離装置によって分離された活性汚泥に含まれる微生物群を破砕処理して汚泥破砕液を生成する汚泥破砕装置と、前記膜分離装置の分離膜の逆洗時に洗浄液として前記汚泥破砕液を当該膜分離装置に供給する破砕液供給装置とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低コストに分離膜のファウリングを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の膜洗浄装置が適用された排水処理装置の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
［実施形態１］
図１に示された本実施形態の排水処理装置１は、生物処理槽２，膜分離装置３，膜洗浄装置４を備える。
【００１９】
（各装置の説明）
生物処理槽２は、系外から導入した排水の有機物を活性汚泥によって分解処理する。生物処理槽２内にはブロアＢから導入した空気を前記活性汚泥に供給する散気管２１が設置されている。
【００２０】
膜分離装置３は、分離膜による固液分離によって生物処理槽２内の活性汚泥液から活性汚泥成分を分離する。膜分離装置３は前記活性汚泥液に浸漬される。膜分離装置３の濾過液の排出路３１には、前記活性汚泥液を吸引するポンプＰ１と、このポンプＰ１の一次側に配置されるバルブＶ１とが具備されている。
【００２１】
前記分離膜の種類は、逆洗の圧力に耐えられる強度を有する膜であればよく、分離膜の材質は無機物（金属、セラミック）、有機物のいずれかも適用できる。分離膜の形態としては、管状、平板状、モノリス状のいずれかが例示されるが、特に限定されない。
【００２２】
膜洗浄装置４は、膜分離装置３によって分離された活性汚泥に含まれる微生物群を破砕処理して汚泥破砕液を生成する汚泥破砕装置５と、膜分離装置３の分離膜の逆洗時に洗浄液として前記汚泥破砕液を膜分離装置３に供給する破砕液供給装置６とを備える。
【００２３】
汚泥破砕装置５は、生物処理槽２内の活性汚泥液を引き抜くポンプＰ２と、前記引き抜かれた活性汚泥を貯留する汚泥破砕槽５１と、この汚泥破砕槽５１内の活性汚泥液に含まれる微生物群の細胞を破砕するホモジナイザ５２を備える。
【００２４】
汚泥破砕槽５１には、この汚泥破砕槽５１の液相温度を所定の温度範囲（例えば、２５℃以上４５℃以下）に保温するヒータ５３が付帯される。ヒータ５３は水処理技術において採用される周知のヒータを適用すればよい。
【００２５】
破砕液供給装置６は、膜分離装置３の膜洗浄液の供給路６１に配置されるポンプＰ３と、このポンプＰ３によって吸引された汚泥破砕液を膜洗浄過程の膜分離装置３に供給するバルブＶ２を備える。
【００２６】
また、供給路６１には、フィルタやストレーナが適宜設置される。汚泥破砕液の固形成分の粒径が膜分離装置３の分離膜の孔径未満である場合には分離膜に支障がないが、前記フィルタやストレーナが供給路６１に設置されることにより、分離膜の閉塞を起しかねない当該分離膜の孔径よりも大きい粒子径の固形成分を除去できる。
【００２７】
（排水処理装置１の動作例の説明）
図１を参照しながら排水処理装置１の動作例と作用効果について説明する。
【００２８】
系外から流入路２０を介して原水が生物処理槽２内に導入される。生物処理槽２内においては、活性汚泥液が散気管２１によって曝気された状態となっており、原水に含まれる有機物が活性汚泥に含まれる微生物群によって酸化分解される。
【００２９】
生物処理槽２内の活性汚泥液は、バルブＶ１が開に設定される一方でバルブＶ２が閉に設定された状態で、ポンプＰ１によって膜分離装置３を介して定量的に吸引される。この吸引の過程で活性汚泥液に含まれる活性汚泥は膜分離装置３の分離膜によって分離されて生物処理槽２内に滞留する。一方、膜分離装置３のろ過液は排出路３１を介して処理水として系外に排出される。
【００３０】
また、生物処理槽２内の活性汚泥液は定期的にポンプＰ２によって引き抜かれることによりＭＬＳＳ濃度が一定に保たれる。この引き抜かれた活性汚泥液は汚泥破砕装置５の汚泥破砕槽５１に移送される。
【００３１】
汚泥破砕槽５１内に導入された活性汚泥液は一定時間静置されることにより活性汚泥が濃縮される。この濃縮の過程で得られた上澄み液は系外に排出若しくは生物処理槽２に適宜に返送される。一方、濃縮された活性汚泥に含まれる微生物群の細胞はホモジナイザ５２によって破砕処理される。この破砕処理により前記微生物群の細胞から遊離したタンパク質分解酵素を含む酵素群の多くは当該砕処理後の濃縮活性汚泥の上澄み液に溶出する。そして、このタンパク質分解酵素を多く含んだ上澄み液が本発明の汚泥破砕液に相当するものとなる。
【００３２】
ホモジナイザ５２によれば、細菌細胞を迅速かつ微細に破壊でき、しかも細胞内の酵素が分解されることはほとんどないので、細胞内の酵素群を効率的に汚泥破砕液に遊離させることができる。
【００３３】
タンパク質分解酵素であるプロテアーゼの微生物細胞内での役割は、細胞内で合成されるタンパク質の加工や情報伝達など多岐にわたっている。このプロテアーゼが膜分離装置３の分離膜の表面に付着したＥＰＳ成分の分解に利用される。
【００３４】
プロテアーゼは、ペプチド結合の加水分解を触媒する酵素の総称で、プロティナーゼとペプチダーゼとに分類される。
【００３５】
プロティナーゼは、タンパク質分子のペプチド結合を加水分解する酵素であり、エンドペプチダーゼとも称され、高分子タンパク質に作用すると急速な低分子化が起こり、タンパク質はペプトン化する。
【００３６】
ペプチダーゼは、ペプチド鎖のアミノ末端あるいはカルボキシ末端のペプチド結合を加水分解する酵素であり、エキソペプチダーゼとも称され、ペプチド鎖の末端から順次アミノ酸を遊離させる。
【００３７】
プロテアーゼは、その活性構造からアスパルティクプロティナーゼ、金属プロティナーゼ、セリンプロティナーゼ、チオールプロティナーゼの４種類に分類できる。
【００３８】
アスパルティックプロティナーゼは、活性中心にアスパラギン酸残基とアスパラギン酸のカルボン酸イオンが関与し、ペプシン、アスペルギルス・ニガー（Aspergillus niger）由来の酸性プロテアーゼなどが挙げられる。金属プロティナーゼは、金属が触媒作用に関連しているプロティナーゼで、バチルス・スブチリス(Bacillus subtilis)由来の中性プロテアーゼなどが挙げられる。セリンプロティナーゼは活性中心にセリン残基を有するプロティナーゼでトリプシン、キモトリプシン、バチルス・スブチリス(Bacillus subtilis)由来のアルカリ性プロテアーゼなどが挙げられる。チオールプロティナーゼは活性中心にＳＨ基を有するプロティナーゼであり、パパイン、フィシン、ブロメラインなどが挙げられる。
【００３９】
また、プロテアーゼは、酵素反応の最適ｐＨに基づき、酸性プロテアーゼ、中性プロテアーゼ、アルカリ性プロテアーゼのように分類される。汚泥破砕液のプロテアーゼは、ｐＨ３〜１０においても活性を示すことから、前記酸性、中性及びアルカリ性の全てのプロテアーゼを含むことになる。尚、プロテアーゼの活性は、周知の方法、例えば、ＦＴＣ（Fluorescein thiocarbamoyl）で標識したカゼインを基質として用いた蛍光強度の測定に基づき評価できる。
【００４０】
汚泥破砕槽５１で検出されるタンパク質分解酵素は、前述のプロテアーゼ群のうちのいずれかに相当し、その構成は活性汚泥に含まれる微生物種及び培養条件によって異なる。プロテアーゼはいずれも特有の作用最適ｐＨを有する。生物処理槽２のｐＨは中性付近にコントロールされているが、汚泥破砕液のｐＨを酸性プロテアーゼの最適ｐＨに調整した後、逆洗することも可能となる。
【００４１】
汚泥破砕槽５１で得られた汚泥破砕液は、ヒータ５３によって所定温度の範囲（例えば２５℃以上４５℃以下）に保温されており、膜分離装置３の分離膜の逆洗時に前記汚泥破砕液が洗浄液として膜分離装置３に供給される。すなわち、バルブＶ１が閉に設定される一方でバルブＶ２が開に設定された状態で前記汚泥破砕液が逆洗水としてポンプＰ３によって供給路６１，排出路３１を介して膜分離装置３の二次側からこの膜分離装置３内に導入される。
【００４２】
膜分離装置３内に汚泥破砕液が導入されると、この汚泥破砕液が分離膜に浸透する過程で分離膜面上のＥＰＳ成分が当該汚泥破砕液に含まれるタンパク質分解酵素によって加水分解される。この加水分解によって副生した低分子の有機物は生物処理槽２内に溶出する。そして、この低分子の有機物は活性汚泥によってさらに酸化分解または資化される。
【００４３】
タンパク質分解酵素の触媒する反応は、ペプチドの加水分解やエステル及びアミドの加水分解、ペプチドの合成、転移反応、酸素交換反応などがあり、汚泥破砕液に含まれるタンパク質分解酵素によってこれらの反応の少なくとも一つが発現し、ファウリングの解消または抑制に寄与する。
【００４４】
尚、排水処理装置１が長期及び連続的に運用されることで汚泥破砕液に含まれる微細な固形粒子による供給路６１，排出路３１内の汚れや膜分離装置３の膜閉塞が懸念される場合、逆洗工程の後半過程において汚泥破砕液の代わりに前記処理水が適宜供される。
【００４５】
以上のように排水処理装置１によれば、膜分離装置３の逆洗浄工程において汚泥破砕液が洗浄液として膜分離装置３に供されてその分離膜のＥＰＳ成分が汚泥破砕液のタンパク質分解酵素によって分解されるので、膜分離装置３のファウリングが防止及び解消される。
【００４６】
従来の膜分離活性汚泥方式の排水処理装置は、ファウリング物質を洗浄薬剤によって除去していたが、完全にファウリング物質を除去することができなかった。
【００４７】
これに対して、排水処理装置１においては、活性汚泥の微生物群の細胞から抽出された酵素を含んだ汚泥破砕液が洗浄薬剤の代わりに膜分離装置３の膜洗浄に供されるので、低コストに膜洗浄効果を向上させることができる。また、余剰汚泥の低減も可能となる。
【００４８】
したがって、排水処理装置１によれば、従来よりも低コストにファウリングを防止でき、膜分離活性方法方式の排水処理装置の長期的及び安定的な運用が実現する。
【００４９】
特に、汚泥破砕槽５１で得られた汚泥破砕液は、ヒータ５３によって２５℃以上４５℃以下に保温されることにより、プロテアーゼ活性が高まるので、膜分離装置３の膜洗浄効果が向上する。
【００５０】
また、長時間連続運転で、酵素含有液に含まれる微細な固形粒子によって供給路６１，排出路３１の配管内の汚れや膜閉塞の懸念がある場合、逆洗工程において汚泥破砕液から濾過水に切り替えれば、濾過水によって配管内が洗浄される。これにより、前記配管内の汚れや膜閉塞が防止されるので、信頼性を高めた長時間安定した膜分離活性汚泥法の運用が実現する。
【００５１】
（汚泥破砕装置５の他の態様）
汚泥破砕装置５は、微生物の細胞を破砕できればよく、ホモジナイザ法に限定することなく、他の周知の細胞破砕方法を適用できる。他の周知の細胞破砕方法としては、例えば、リゾチーム添加法、界面活性剤添加法、超音波破砕法、フレンチプレス法等が適用できる。
【００５２】
リゾチーム添加法は、活性汚泥液にリゾチームを添加して活性汚泥の微生物群の細胞壁や細胞膜を破壊することによりタンパク質分解酵素を溶出する。リゾチームの添加率は、例えばＭＬＳＳが５０００ｍｇ／Ｌの活性汚泥液に対して０．２ｍｇ／Ｌに設定される。
【００５３】
界面活性剤添加法は、活性汚泥液に界面活性剤を添加して活性汚泥の微生物群の細胞壁や細胞膜を可溶化することによりタンパク質分解酵素を溶出する。界面活性剤は、陰イオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン性界面活性剤が挙げられる。陰イオン界面活性剤としては、ドデシル硫酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム等が例示される。両性界面活性剤としては、3-(3-cholamidepropyl)dimethylammonio-1-propanesulphonate等が例示される。非イオン性界面活性剤としては、polyoxyethylene(9)octyiphenyl ether、polyoxyethylene(10)octylphenyl ether、polyoxyethylene sorbitan monolaurate、polyoxyethylene sorbitan monooleate、polyoxyethylene(20)cetyl ether、polyoxyethylene(20)cetyl ether、n-octyl-β-D-glucoside等が例示される。
【００５４】
超音波法は、超音波のせん断力によって活性汚泥の微生物群の細胞を破壊する。但し、常温にある活性汚泥からタンパク質分解酵素を抽出する場合、酵素は温度が高くなると変性若しくは失活するため、汚泥破壊液の温度が機器の発熱によって高温とならないように５０℃以下になるように制御しながら破壊するのが望ましい。
【００５５】
フレンチプレス法は、活性汚泥液を高圧状態で強制的に微細な穴に通過させて、せん断力によって活性汚泥の細胞を破壊する。
【実施例】
【００５６】
以下に本発明の具体的な実施例について説明する。
【００５７】
生物処理槽２の活性汚泥液のＭＬＳＳを５０００ｍｇ／Ｌに調整し、濾過時間を９．５分、逆洗時間を０．５分に設定し、常温（２０〜２５℃）にて排水処理装置１を連続的に運転した。膜分離装置３の膜透過流束（Ｆｌｕｘ）を０．５ｍ3／ｍ2／日に設定し、逆洗流量は濾過流量の２倍とした。そして、逆洗液（膜分離装置３の分離膜の逆洗時に膜分離装置３に供される洗浄液）としてプロテアーゼ濃度０ｎｇ／ｍＬの濾過水（比較例１），プロテアーゼ濃度８００ｎｇ／ｍＬの汚泥破砕液（実施例１）を各々使用した場合の膜差圧の回復率（％）を比較した。
【００５８】
試験に用いた膜分離装置３の仕様は、吸引濾過方式、膜形状は平膜、膜材質はアルミナ、膜の種類は精密濾過膜（ＭＦ膜、孔径：０．１μｍ）、粒子捕捉性能：９５％以上（粒子径０．１μｍ）とした。
【００５９】
実施例１と比較例１の試験条件並びに実施例１，比較例１の逆洗液のプロテアーゼ濃度（ｎｇ／ｍＬ）、膜差圧の回復率（％）の結果を表１に示した。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
実施例１の汚泥破砕液は以下の操作によって作製した。ホモジナイザ５２によって活性汚泥に含まれる微生物群の細胞膜を破壊し、細胞内部のタンパク質分解酵素を含む酵素群を液相に遊離させ、さらに、この液相を静置して得られた上澄み液を酵素含有溶液とした。この酵素含有液を実施例１では汚泥破砕液と称する。
【００６２】
実施例１，比較例１のプロテアーゼ濃度は以下の方法によって算出した。予め、ＦＴＣで標識したカゼインを基質としてプロテアーゼ活性を測定する測定キットを用いて標準のプロテアーゼの既知濃度と４５０ｎｍの吸光度との関係を示す検量線が作成された。実施例１，比較例１の逆洗液のプロテアーゼ濃度は、当該逆洗液を前記測定キットに供して検出された４５０ｎｍの吸光度から前記検量線に基づき標準プロテアーゼ当量として算出されたものである。
【００６３】
表１に記載の膜差圧（Ｔｒａｎｓ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  以下、ＴＭＰ）は処理水を得るために必要な圧力である。ＴＭＰ回復率は以下の式により算出される。
【００６４】
ＴＭＰの回復率［％］＝（（ＴＭＰ０−ＴＭＰ１）／ＴＭＰ０）×１００
ＴＭＰ０：ＴＭＰの上昇量が１０ｋＰａに到達した時点のＴＭＰの値
ＴＭＰ１：ＴＭＰの上昇量が１０ｋＰａに到達した時点で次亜塩素酸ナトリウム水溶液を逆洗液として用いて膜分離装置３の膜洗浄を行った後のＴＭＰの値
表１に示されたように逆洗液に汚泥破砕液を用いた実施例１によれば逆洗液に濾過水を用いた比較例１と比べてＴＭＰの回復率が顕著に高くなることが実証され、長期的に安定した運転が可能となることも確認された。
【００６５】
さらに、比較例１は分離膜の表面への粘着物質の堆積や黄褐色物質の付着が認められた。これに対して、実施例１は分離膜の表面への粘着物質の堆積量や黄褐色物質の付着量の減少が確認された。
【００６６】
また、実施例１はホモジナイザ５２によって得られた汚泥破砕液を使用したが、膜分離装置３の運用中、汚泥破砕液の微細な固形粒子による分離膜の閉塞は確認されなかった。
【００６７】
さらに、汚泥破砕液のプロテアーゼ濃度は２ｎｇ／ｍＬ以上であれば効果が見込まれることが確認され、分離膜表面の付着物の量によってプロテアーゼ濃度を調整することが好ましいことが考えられる。そして、２ｎｇ／ｍＬ〜１０００ｎｇ／ｍＬの比較的低濃度のプロテアーゼ濃度の汚泥破砕液を洗浄液に使用する場合、逆洗時間を長く調整すれば、分離膜の洗浄効果が向上するものと考察される。また、プロテアーゼ活性が高まる温度範囲（例えば２５以上４５℃以下）に加温すれば、前記洗浄効果がさらに向上するものと考察される。
【符号の説明】
【００６８】
１…排水処理装置
２…生物反応槽
３…膜分離装置、Ｐ１…ポンプ、Ｖ１…バルブ
４…膜洗浄装置
５…汚泥破砕装置、Ｐ２…ポンプ、５１…汚泥破砕槽、５２…ホモジナイザ（汚泥破砕器）、５３…ヒータ（保温装置）
６…破砕液供給装置、Ｐ３…ポンプ、Ｖ２…バルブ、６１…供給路
【図１】
2017051890.tif 000004