JP2004344848A

JP2004344848A - 膜分離方法および膜分離装置

Info

Publication number: JP2004344848A
Application number: JP2003147607A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Hashimoto; 知孝橋本; Daisuke Okamura; 大祐岡村
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】効率的に気体の曝気を行い、膜カートリッジ中の中空糸膜面への汚泥の蓄積を防止し、長期間安定なろ過性能を有する膜分離方法および装置を提供する。
【解決手段】被処理原水を容器内に流入させて、該容器内部に垂直方向に配列した複数本の中空糸膜の両端を接着固定した膜カートリッジを用いて、濾過運転中、逆洗運転中或いは濾過運転停止中に、該膜カートリッジの下方の接着部を通過する曝気と該膜カートリッジ両端の接着部間からの曝気を上記中空糸膜に対して行なう。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンク、槽などの容器に設置して曝気及びろ過を行う膜分離方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃水処理方法の一つとして、活性汚泥槽に膜カートリッジを浸漬し、ろ過により活性汚泥と処理後の処理水の固液分離を行う膜分離活性汚泥法がある。この方法は活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ：ＭｉｘｅｄＬｉｑｕｏｒＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄ）を５０００から２００００ｍｇ／ｌと極めて高くしてろ過処理が行えるため、活性汚泥槽の容積を小さくできる、あるいは活性汚泥槽内での反応時間を短縮することができる利点を有す。また膜によるろ過のため、処理水中には浮遊物質（ＳＳ：ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄ）が混入せず最終沈殿槽が不要となり処理施設の敷地面積を減らすことができること、汚泥沈降性の良否を問わずろ過ができるため、汚泥管理も軽減されるなど多くのメリットあり、近年急速に普及されている。
【０００３】
膜カートリッジに中空糸膜を用いる場合、膜自身の強度が高いため、原水中から混入する夾雑物との接触による膜表面へのダメージが少なく長期間の使用に耐えることができ、更にろ過方向とは逆方向に処理水等の媒体を噴出させて膜表面の付着物を除去する逆洗を行なえる利点を有すが、中空糸膜同士の隙間に蓄積する汚泥や原水から持ち込まれる夾雑物質を排除しながらろ過を行なわないと、有効な膜面積が低下し、ろ過効率は低下するため、長期間の安定なろ過が出来ない問題がある。
【０００４】
従来はこの膜表面及び膜束内への汚泥等の蓄積を避けるために膜カートリッジの下部から空気等の曝気を行い、膜の振動効果と気泡の上方への移動による撹拌効果とで中空糸膜束内の汚泥を剥離させ蓄積を防いでいた。例えば中空糸膜カートリッジの下部にスカートを設置し、かつスカート側接着固定層に複数の貫通穴を設けることにより、カートリッジ下部からの曝気によって、中空糸膜の外表面に堆積した懸濁物を剥離しやすくしていた。また下部からの曝気は、中空糸膜カートリッジの膜束内から膜束外への気泡の散逸が少なければ、中空糸膜カートリッジ長さに関わらず一定でよく、他の曝気方法に比べ少量でよいメリットがある（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、膜分離活性汚泥法などの高濃度のＭＬＳＳをろ過処理する場合は、下部からの曝気では気泡による撹拌効果と膜の振動効果で中空糸膜束内の汚泥を剥離させる効果はあるものの、カートリッジ上部に汚泥堆積物や原水から持ち込まれる夾雑物を押し上げる力が作用し、カートリッジ上部の中空糸膜間に汚泥堆積物が集中し、中空糸表面が目詰まりする問題がある。
一方、膜モジュールの中心に芯管を有する構造とし、芯管全面から加圧エアーを流し、膜カートリッジを洗浄する方法が提案されている（例えば特許文献２参照。）。この方法では膜束内部の中空糸膜を振動させ、汚泥堆積物を外周部に移動させることはできるが、膜束下部及び外周付近の膜を振動させにくく、汚泥堆積物の除去に対して充分ではなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１５７８４６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３９３５０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、必要最小限の曝気量で、汚泥凝集物や夾雑物等の中空糸膜カートリッジへの蓄積を防止し、長時間安定な膜ろ過性能を有する膜ろ過方法および膜ろ過装置に関するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、中空糸膜カートリッジ下部に設けた気体供給部から下方の接着部を通過する曝気（以下、下部曝気と称す）および、中空糸膜カートリッジの上部に気体噴出口を設置し、曝気（以下、上部曝気と称す）することにより、中空糸膜表面全体の汚泥堆積層の剥離、中空糸膜間の汚泥堆積物を中空糸膜束外へ除去することができることを見出し、本発明に至った。
【０００９】
即ち、本発明は以下の通りである。
（１）被処理原水を容器内に流入させて、該容器内部に垂直方向に配列した複数本の中空糸膜の両端を接着固定した膜カートリッジを用いて、濾過運転中、逆洗運転中或いは濾過運転停止中に、該膜カートリッジの下方の接着部を通過する曝気と該膜カートリッジ両端の接着部間からの曝気を上記中空糸膜に対して行なうことを特徴とする膜分離方法、（２）流入口を持った容器内部に垂直方向に配列した複数本の中空糸膜からなり、両端部が接着固定された中空糸膜束と、一方の端部外周に液密に接着固定されたカートリッジヘッドと他方端部外周に固定されたスカートとを有し、カートリッジヘッドとスカートが分離されており、カートリッジヘッド側の中空糸膜端部の中空部は開口し、スカート側の中空糸膜端部の中空部は封止され、かつスカート側接着固定層に複数の貫通穴が設けられ、該スカートの下方、及び該膜カートリッジ両端の接着部間に気体噴出口を有することを特徴とする膜分離装置である。
【００１０】
上部曝気と下部曝気を併用することで効率よく（曝気量が少なく）、汚泥堆積物を減少できる理由は、下部曝気で膜面に付着した汚泥堆積物を剥離させ、中空糸膜モジュール上部に集め、膜モジュールの上部に蓄積した堆積物近傍で上部曝気を行なうことで、曝気した気流を効率よく堆積物に当てることができ、中空糸膜束外に除去できるためである。この様に上部曝気で膜束内部の汚泥を外周部に移動させる作用と、下部曝気による膜束全体を振動させる作用の組み合わせにより、効率よく膜束外に堆積物を排除できる。
【００１１】
上部曝気を併用した場合は、従来からの下部曝気のみの運転に必要な曝気量よりも、下部曝気と及び上部曝気を合わせた全曝気量を低下させても、ろ過圧力を安定させ、膜カートリッジへの汚泥堆積物を減少できる。ろ過圧力の安定性はろ過圧力の経過時間の推移を調べることでその効果を確認することができ、汚泥の堆積物の確認は目視でも良いが、カートリッジの重量変化を調べることにより、汚泥の付着量を判断することができる。
【００１２】
上部曝気を行なうための気体噴出口は、膜カートリッジ上下両端の接着部間に設置される。ここでいう、接着部間とは上下接着部間の中空糸膜束内だけでなく、膜束外側も含まれる。気体噴出口の設置位置は汚泥の蓄積状況を勘案しながら適宜決めることができるが、中空糸膜カートリッジの長さ方向の１／２以上上部にあることが望ましい。下部曝気と上部曝気の比率は特に限定されないが、下部に対して上部の曝気量が１／１０〜３倍程度が望ましい。曝気を行なう気体は空気、酸素、オゾンあるいは窒素等一般的な気体を用いることができるが、空気または酸素を用いることが望ましい。
【００１３】
上部曝気用気体噴出口は膜カートリッジと一体化されていてもいいし、カートリッジと分割されていてもよい。膜カートリッジと一体化するには中空糸膜の接着部に上部曝気用の配管を埋め込むことで一体化し、配管の上下端部、もしくは側面からエアーを導入できる。配管は上下接着部、もしくは片側の接着部でのみ固定されていてもよい。
上部曝気用気体噴出口は一つでもいいし、複数でもいい。複数の場合、中空糸膜の長さ方向に配列してもいいし、膜束を囲むよう円周状に配列してもいい。
【００１４】
濾過運転中、逆洗運転中或いは運転停止中に上部及び下部曝気を行うが、上部及び下部曝気を行なう際は気体を常時流してもいいし、間欠的に流してもいい。
上部曝気と下部曝気を交互に行う事は、堆積物を剥がして上部に集める事と、上部に集め堆積物を束外に排出する事が順序良く行えるため、更に効率的に堆積物を減らすことができるので好ましい。
上部曝気の気体噴出口の向きや気体噴出口の形状は特に限定されない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図により本発明に係わる中空糸膜カートリッジの実施形態の例を説明する。
図１において、中空糸膜カートリッジ４は、多数本の中空糸膜５、接着固定層１１、カートリッジヘッド８、接着固定層１３、およびスカート部７から構成されている。束ねられた中空糸膜５の一方の端部は、接着剤により中空糸膜同士が一体的に結合されるとともにカートリッジヘッド８内に一体的に結合され、接着固定層１１が構成されている。そして、カートリッジヘッド８側の中空糸膜５は端部が開口されている。中空糸膜５の他方の端部は、接着剤により中空糸膜同士が一体的に結合され、スカート７内に一体的に結合されて接着固定層１３が構成されているが、中空糸膜５の端部は封止されている。そして、接着固定層１３には、原水及び洗浄用の気体を中空糸膜束の内部に導入し、中空糸膜外周面に効果的に接触させるための複数の貫通穴５が形成されている。
【００１６】
中空糸膜カートリッジ４の直径は、３０ｍｍ〜８００ｍｍで、好ましくは、１００ｍｍ〜８００ｍｍに適用される。中空糸膜カートリッジの長さは、３００ｍｍ〜３０００ｍｍの範囲から選ばれる。
曝気時のスカートの上昇やねじれを防止する目的で、カートリッジヘッド側の接着固定層１０とスカート側の接着固定層１３とをパイプまたは棒で連結固定してもよい。
【００１７】
本発明に用いられる中空糸膜５の孔径としては、逆浸透膜、及び、限外濾過膜から精密濾過膜まで用いる事が出来る。また、中空糸膜５の素材は、特に限定されず、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−４メチルペンテン、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。またはこれらの複合素材膜も使用できる。また、中空糸膜の形状としては、内径５０μｍ〜３０００μｍで、内／外径比が０．３〜０．８の範囲の膜が好適に使用出来る。
【００１８】
本発明に用いられる接着剤としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、シリコン樹脂等の高分子材料が挙げられる。接着方法としては、遠心接着法や静置接着法等の公知の方法が用いられる。接着剤の硬化収縮や強度を改善したい場合は、上記接着剤にガラスファイバー、カーボンファイバー等の繊維状物、カーボンブラック、アルミナ、シリカ等の微粉体を含有させても良い。
【００１９】
本発明に用いられるカートリッジヘッド８及びスカート７の素材は、特に限定されず、また、同一でも異なっていてもよいが、熱可塑性樹脂やステンレス鋼が好ましく用いられる。カートリッジヘッド８は、中空糸膜カートリッジ４を容器内に懸垂する際の固定部となるため、カートリッジヘッドの形状は懸垂・固定の構造に合わせて作製される。例えば、外周部に段差や溝を設けたり、あるいはネジ溝を設けてもよい。容器内への懸垂方法には、タンクを上下に隔離する隔離板に固定するタンク方式、主配管から分岐させた枝配管に固定するラック方式等があるが何れも好適に本発明に使用できる。
【００２０】
本発明のスカート側接着固定層１３に設けられた貫通穴６は、接着固定層自体に開けられた穴で、貫通穴の大きさは、相当直径が２ｍｍ〜３０ｍｍの範囲から選ばれる。貫通穴の形状は、三角形、四角形、六角形等の多角形、円形、楕円形、扇形、Ｃ字型または星形などから選ばれる。また、その穴数は、カートリッジの断面積や糸本数にもよるが、２〜３００個開口させる事が出来る。貫通穴の位置は、接着固定層断面のたとえば、多重円と放射状線との交点、格子の交点、あるいは、多数の正三角形の頂点の位置など、接着固定層断面に均等に分散して設ける事が好ましい。
【００２１】
本発明では、スカート７は、好ましくは中空糸膜の端面より下方に突き出して中空糸膜束外周に固定される。端面から突き出した長さは、カートリッジの直径や、供給される空気量や、貫通穴の径と数によるが、空気の散逸を防ぐためには５ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。長すぎるとカートリッジの全長が長くなり無駄なスペースが出来るので好ましくない。短すぎると、カートリッジに供給された空気が有効に貫通穴へ導かれず、横方向に散逸するため好ましくない。
【００２２】
本発明におけるスカートの下方に設ける下部曝気用気体噴出口９の位置は、中空糸膜の下部端面より下であれば容器内のどこでもよい。またこの下部曝気用気体噴出口９の形状は、単に穴が開いているだけでもよいし、複数個に分かれていてもよい。下部曝気用気体噴出口９には、下部曝気用気体導入管１２が接続され、気泡がスカート内に供給される。
【００２３】
本発明における上部曝気用気体噴出口１４は図２の例に示すように（ａ）のように中空糸膜束内側または（ｂ）のように膜束外側近傍に設置されてもよい。（ｃ）、（ｄ）のようにカートリッジと一体化されていてもいいし、カートリッジと分割されていてもよい。カートリッジと一体化するには接着固定層を作製する際に上部曝気用気体噴出口１４を有する配管を埋め込むことで一体化できる。配管は上下接着部まで到達していてもいいし、いずれかの接着部でのみ固定されていてもよい。気体噴出口は一つでもいいが、（ｅ）（ｆ）のように複数でもよい。複数の場合、長さ方向に配列してもいいし、（ｇ）のように膜束を囲むよう円周状に配列してもいい。
また、上部曝気と共に、上下接着部間の膜束外近傍にスカートを設置すると、更に少ない曝気量で運転を行うことが可能となり好ましい。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明するが、それによって本発明が限定されることはない。
【００２５】
【実施例１】
中空糸膜の両端を樹脂で接着固定し、接着樹脂部の下部にスカート部を有する、膜面積３０ｍ^２の円筒形の中空糸膜カートリッジを作成した。中空糸膜は、ポリフッ化ビニリデン製の細孔径０．１μｍの精密ろ過膜で、外径１．４ｍｍ、内径０．８ｍｍ、有効長２０００ｍｍであった。中空糸膜の両端の接着固定層の直径は６インチ（約１５０ｍｍ）であった。下部の接着固定層には直径１ｃｍの貫通穴が中空糸膜にそって２０穴空いている。スカートの下方には下部曝気を行なうための下部曝気用気体供給部を設置した。また膜カートリッジの上部側の接着固定層から下方に３０ｃｍの膜束中心部に上部曝気を行なう上部曝気用気体噴出口を１つ設置した。噴出口は直径９ｍｍの円形であり下向きに設置した。
【００２６】
本発明の膜分離装置を８ｍ^３の容積の活性汚泥槽に浸漬し、カートリッジヘッドとろ過水配管を接続し、活性汚泥槽に固定した。
本発明の膜分離装置に下部曝気用気体導入管から６Ｎｍ^３／ｈｒ、上部曝気用気体噴出口から４Ｎｍ^３／ｈｒの空気を曝気しつつ、吸引ポンプで膜ろ過流束が０．６ｍ^３／膜面積ｍ^２／日となる様に吸引ろ過した。この時の膜間差圧は、−１５〜−２０ｋＰａで３ヶ月間安定であった。また実験後の膜カートリッジには汚泥の付着が観察されず、ろ過開始時と終了時に汚泥付着を含む膜カートリッジの変化は８００ｇであった。
評価期間の活性汚泥槽の濃度ＭＬＳＳは、平均１００００ｍｇ／ｌであり、平均温度は２５゜Ｃであった。活性汚泥の原水には、平均ＢＯＤは１５０ｍｇ／ｌ、ＳＳが１６０ｍｇ／ｌである都市下水を用いた。
【００２７】
【比較例１】
実施例１と全く同じ中空糸膜カートリッジを準備した。この中空糸膜カートリッジには上部曝気を行なわず、カートリッジの下部からのみ１５ｍ^３／ｈｒの下部曝気を行ない、その他は実施例１と同じろ過条件で活性汚泥槽で評価した。
この時の、膜間差圧は、１６日で急激に上昇し、−８０ｋＰａまで達してポンプ吸引が不可能になった。また、実験後の膜カートリッジには汚泥の著しい付着が観察され、ろ過開始時と終了時に汚泥付着を含む膜カートリッジの変化は１２０００ｇであった。
実施例１と同じく、評価期間の活性汚泥槽の濃度ＭＬＳＳは、平均１００００ｍｇ／ｌであり、平均温度は２５゜Ｃであった。活性汚泥の原水には、実施例１と同じ、平均ＢＯＤは１５０ｍｇ／ｌ、ＳＳが１６０ｍｇ／ｌである都市下水を用いた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による膜分離方法および膜分離装置により、中空糸膜面への汚泥の蓄積を防止し、長期間安定なろ過性能を安価に達成できる方法と装置を示するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる膜分離装置の実施形態の一例を示す断面説明図である。
【図２】本発明に係わる上部曝気用気体噴出口の実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１．膜分離装置
２．容器
３．流入口
４．中空糸膜カートリッジ
５．中空糸膜
６．貫通穴
７．スカート
８．カートリッジヘッド
９．下部曝気用気体噴出口
１０．処理水出口
１１．接着固定層
１２．下部曝気用気体導入管
１３．接着固定層
１４．上部曝気用気体噴出口
１５．上部曝気用気体導入管

Claims

被処理原水を容器内に流入させて、該容器内部に垂直方向に配列した複数本の中空糸膜の両端を接着固定した膜カートリッジを用いて、濾過運転中、逆洗運転中或いは濾過運転停止中に、該膜カートリッジの下方の接着部を通過する曝気と該膜カートリッジ両端の接着部間からの曝気を上記中空糸膜に対して行なうことを特徴とする膜分離方法。
流入口を持った容器内部に垂直方向に配列した複数本の中空糸膜からなり、両端部が接着固定された中空糸膜束と、一方の端部外周に液密に接着固定されたカートリッジヘッドと他方端部外周に固定されたスカートとを有し、カートリッジヘッドとスカートが分離されており、カートリッジヘッド側の中空糸膜端部の中空部は開口し、スカート側の中空糸膜端部の中空部は封止され、かつスカート側接着固定層に複数の貫通穴が設けられ、該スカートの下方、及び該膜カートリッジ両端の接着部間に気体噴出口を有することを特徴とする膜分離装置。