固液分離処理装置及び固液分離処理システム

【課題】
膜表面の付着物を効果的に剥離させて膜ろ過速度の流束低下、或いは膜差圧上昇を抑制でき、膜の薬品洗浄や交換の際に引き上げなどの作業労力の少ない固液分離処理装置及び固液分離処理システムを提供する。
【解決手段】
被処理水の流入口２０と濃縮水の流出口１０とろ過水の流出口１４を有するケーシング１２と、流入する被処理水をケーシング１２内で上向流とする上向流生成部と、上向流が平膜モジュール間の隙間を流れるよう配置した平膜モジュール２４と、ケーシング１２内に封入され平膜モジュール２４間の距離よりも小さく、比重が１.２〜３.０の範囲である沈降性担体１８と、上向流によって平膜モジュール２４間を上昇した沈降性担体１８を沈降させるための沈降流路２８とを備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平膜モジュールを用いた固液分離処理装置及び固液分離処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年導入が進んでいる固液分離処理装置として、上水の分野で用いられる膜ろ過装置、下水の分野で用いられる膜分離活性汚泥処理装置があげられる。これら膜を用いた装置は、従来の砂ろ過槽や沈殿池の機能を代替するものであり、維持管理が容易である点やコンパクトである点に特徴を有する。膜を用いた固液分離処理では、膜面の目詰まりが最大の課題であり、上水の膜ろ過装置では一定時間毎の逆流洗浄やエアスクラビング、下水の膜分離活性汚泥処理装置では槽底部からのエアスクラビングが実施されている。
【０００３】
膜面の目詰まりの主な原因は、原水中に含まれる有機物である。この有機物をエアスクラビングによって膜面から剥離させるためには、多量の送気量が必要となる。特に下水の膜分離活性汚泥処理装置では、水深が通常１ｍ〜４ｍの範囲であり、その水頭差以上の送気圧力が必要となるため、ブロワで多量の電気エネルギーを消費し、その結果、運転コストが高くなっていた。
【０００４】
この問題を解決するため、〔特許文献１〕特許文献１に記載の従来の技術では、処理槽内に膜エレメントを浸漬し、膜エレメントの下方から気体及び浮遊固体を上昇させ、そのリフト作用と水流によって浮遊固体を乱流動させて膜面に付着した固形物を除去するようにしている。
【０００５】
〔特許文献１〕に記載の従来の技術のように、気体及び浮遊固体を乱流動させて膜目詰まりの進行を遅らせることはできる。しかし、膜目詰まりはゼロにはできず、ある期間運転すると、膜の薬品洗浄や膜交換が必要となる。このような浸漬式の膜分離活性汚泥処理装置では、浸漬膜を処理槽から引き上げて洗浄することになる。浸漬膜を引き上げるためには、チェーンブロックやクレーン，天井の支持体を備える必要がある。
【０００６】
また、浸漬膜を引き上げるためには、処理槽底部から天井までの高さは、少なくとも膜エレメント長さの２倍以上必要であり、処理装置を設置できる建物構造に制約がある。また、浸漬膜を引き上げた際に、浸漬式の膜は損傷しやすい状態となっており、再度膜エレメントを設置した時の信頼性に問題があった。また、これらの引き上げ作業は時間と労力を要するため、維持管理コストを上昇させる要因ともなっていた。
【０００７】
一方、浸漬式ではなく加圧式の膜分離モジュールとして、〔非特許文献１〕に記載の装置が提案されている。加圧式の膜分離モジュールは、ケーシング内に平膜モジュールを複数個備え付けて、逆圧洗浄と流速１ｍ／秒の原水クロスフローによって、膜の目詰まりを抑制するものである。この加圧式の膜分離モジュールは、比較的難ろ過性の処理が可能であること、薬品洗浄に人手を要しないこと、及び設置面積の点から、浸漬式の膜分離活性汚泥処理装置よりも有利であるとされている。
【０００８】
しかしながら、この装置では平膜間の隙間が３mmであり、この隙間に１ｍ／秒の流速で原水を流すためには高い圧力が必要となる。このため、ポンプで多量の電気エネルギーを消費することになり、運転コストが高くなる問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１３６０２１号公報
【非特許文献１】神鋼パンテック（株）、神鋼パンテック技報Ｖol.４６Ｎo.１、pp.１６−１７（２００２／８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、膜表面の付着物を効果的に剥離させて膜ろ過速度の流束低下、或いは膜差圧上昇を抑制でき、膜の薬品洗浄や交換の際に引き上げなどの作業労力の少ない固液分離処理装置及び固液分離処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の固液分離処理装置は、被処理水の流入口と濃縮水の流出口とろ過水の流出口を有するケーシングと、流入する被処理水をケーシング内で上向流とする上向流生成部と、上向流が平膜モジュール間の隙間を流れるよう配置した平膜モジュールと、平膜モジュール間の距離よりも小さく、比重が１.２〜３.０の範囲である沈降性担体と、上向流によって上昇した沈降性担体が沈降するための沈降流路と、を備えたものである。
【００１２】
又、固液分離処理システムは、原水を貯留する原水タンクと、一方が原水タンク内の液相に、他方が固液分離処理装置の原水の流入口に接続された原水配管と、一方が濃縮水の流出口に、他方が原水タンクの液相に接続された濃縮水配管と、原水配管あるいは濃縮水配管の途中に設けられた循環ポンプと、ろ過水の流出口に接続されたろ過ポンプとを備えた。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、効率的に膜表面の目詰まりを低減できるため、流束低下あるいは膜差圧の上昇を抑制できて運転コストを低減できるとともに、膜の薬品洗浄や交換作業が容易となる固液分離処理装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の各実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１を図１から図７により説明する。図１は本実施例の固液分離処理システムの構成図、図２は、本発明の実施例１である固液分離処理装置の縦断面図、図３は図２の矢視Ａ−Ａ断面図、図４は実施例１の固液分離処理装置を上から見た平面図である。
【００１６】
原水５０を貯留する原水タンク５２と、固液分離処理装置１は原水用の配管３４（原水配管３４ともいう）で接続され、配管３４の途中には循環用のポンプ３８が設けられている。固液分離処理装置１に設けられた流出口１０には濃縮水用の配管４６（濃縮水配管４６ともいう）が接続され、配管４６は原水タンク５２の液相中に浸漬されている。固液分離処理装置１に設けられたろ過水の流出口１４にはろ過用の配管４２（ろ過配管４２ともいう）が接続され、配管４２にはろ過用のポンプ４０が設けられている。なお、循環用のポンプ３８は、配管３４の代わりに配管４６に設けてもよい。
【００１７】
原水タンク５２に貯留された原水５０は、配管３４の途中に設けられた循環用のポンプ３８によって固液分離処理装置１の原水の流入口２０へ送水される。濃縮水は、固液分離処理装置１の濃縮水の流出口１０から配管４６を経由して原水タンク５２内の液相に循環される。固液分離処理装置１は後述するケーシング１２で密閉されており、開口部として濃縮水の流出口１０，ろ過水の流出口１４，ろ過水の流出口１４が設けられている。ろ過水は流出口１４からポンプ４０により取水でき、ポンプ４０を稼動することにより清澄なろ過水を得ることができる。
【００１８】
このように構成しているので、ケーシング１２内、配管３４及び配管４６の中には自由液面が存在しない状態を作ることが可能となる。配管３４と配管４６は原水タンク５２内の原水５０を介して液相が連続しているため、サイホンとして作用する。従って、循環ポンプ３８の吐出圧力として水頭差は無視できる程小さく、配管抵抗および固液分離処理装置１内の流れの抵抗で吐出圧力が決定される。本実施例の固液分離処理システムは、このような構成しているので、循環用のポンプ３８の動力を低減できるため、省コスト運転を実現することができる。
【００１９】
固液分離処理装置１はケーシング１２で長方体形状に形成され、ケーシング１２の下部の側面に原水の流入口２０が設けられ、ケーシング１２内の流入口２０に対向する位置に整流部２２が設けられている。整流部２２は、ケーシング１２の底面に一端が固定され、他端がケーシング１２の奥側の側面に固定され傾斜された平板で形成されている。整流部２２は、図３に示すようにケーシング１２間の幅で設けられ、少なくとも沈降性担体１８が整流部２２とケーシング１２の間の空間に入らないようになっている。ケーシング１２内の整流部２２の上方には平膜モジュール２４が複数個設置され、各平膜モジュール２４は、流入口２０から見て左右のケーシング１２に設けられた平膜固定部２６により固定されている。なお、整流部を上向流生成部ともいう。
【００２０】
平膜モジュール２４の上部には、管状のろ過水の流出口１４が設置され、各々の平膜モジュール２４のろ過膜内部が流出口１４と連通するように接続されている。流出口１４は、ケーシング１２を貫通して取り付けられ、ケーシング１２に溶接等で固定されている。ケーシング１２の上面には、濃縮水の流出口１０が設けられている。ケーシング１２内の平膜モジュール２４の側方には、ケーシング１２内を流動する沈降性担体１８が下方に移動するための空間である沈降流路２８が形成されている。沈降性担体１８は、ケーシング１２内に封入され平膜モジュール２４間の距離よりも小さく形成され、平膜モジュール２４間を自由に流れるようになっている。
【００２１】
濃縮水の流出口１０には、図６，図７に示すように、沈降性担体１８よりも径が小さい担体分離用のメッシュ３２が設けられている。ケーシング１２内を流動する沈降性担体１８は、平膜モジュール２４の隙間を上昇した後に上向流の流速が一旦低下するため、その多くは沈降流路２８に流れ込んで沈降する。
【００２２】
しかし、担体の比重，サイズ，表面性状，ケーシング１２の上部構造によっては濃縮水の流出口１０付近まで到達し、ケーシング１２の外へ流出する可能性がある。図６で示すように、濃縮水の流出口１０に、沈降性担体１８よりも径が小さい担体分離用のメッシュ３２を設けることで、確実に沈降性担体１８を分離することができる。この結果、濃縮水に沈降性担体１８が流出して配管やポンプの詰まりや故障を誘引する可能性や、沈降性担体１８の個数が減少して洗浄効果が低減する可能性を無くすことができる。なお、下水処理水など繊維状物質を含んだ原水を固液分離する場合、このメッシュ３２に繊維状物質が絡み付いて圧力損失を生じる可能性があるため、メッシュ３２或いはメッシュ３２を固定している部材は取り外しが可能で交換が容易な形状とすることが望ましい。また、この目詰まり量が外部から容易に分かるよう、ケーシング１２には圧力計やマノメータなどを設け、内部圧力が明示されるようにすることが望ましい。
【００２３】
処理対象の原水は、流入口２０からケーシング１２内に流入する。流入する原水には、慣性力が働いているためケーシング１２の左側まで到達し、整流部２２の傾斜によって上向きの流れとなる。ケーシング１２の内部には、平膜モジュール２４が平膜固定部２６によって一定の間隔で固定されている。
【００２４】
原水は、平膜モジュール２４の隙間を通過して上方へ移動する。その際に、ケーシング１２内に浮遊している、或いは底部に沈降している沈降性担体１８を流動させる。上方へ移動した原水は濃縮水の流出口１０から流出する。
【００２５】
原水が平膜モジュール２４の上端部を越えると、流路面積が拡大するため、上向流の流速が低下する。沈降性担体１８は、後述するように、水より比重を大きく設定しているので、上方へ移動する速度が低下し、滞留して水平方向へ移動する。ケーシング１２内には、流入した原水による上向流の影響を受けないように沈降流路２８が設けられている。沈降性担体１８は、沈降流路２８を通過して重力により下方へ移動する。
【００２６】
下方に移動した沈降性担体１８は、下方に設けられた原水の流入口２０から流入する原水によって、再度流動させられて平膜モジュール２４の隙間を通過して上方へ移動する。
【００２７】
一方、ろ過水の流出口１４にはろ過用のポンプ４０が接続されており、平膜モジュール２４の内部を吸引ろ過してろ過水を得、流出口１４からろ過水を取り出す。
【００２８】
気泡による平膜モジュール２４の膜洗浄メカニズムの一つとして、上昇する気泡によって平膜モジュール２４の膜面と並行にクロスフロー水流が発生し、活性汚泥の微生物やその生体外物質が付着し難くなる現象がある。
【００２９】
本実施例は、原水の流入口２０から流入する原水の運動エネルギーによって発生するクロスフロー水量で沈降性担体１８を流動させ、膜面の付着物に沈降性担体１８が衝突した際の衝突エネルギーにより付着物を剥離させる。
【００３０】
一般に、水流によって流動する固体の有する運動エネルギーＥは数１，数２で表される。
〔数１〕
Ｅ＝（１／２）ｍ・ｖ² …（１）
〔数２〕
ｍ＝ρ・Ｖ …（２）
ここで、ｍは固体の質量、ｖは固体の移動速度、ρは固体の比重、Ｖは固体の体積である。数１，数２から、固体の比重ρを大きくすれば固体の有する運動エネルギーＥが増加することが分かる。すなわち、沈降性担体１８の比重ρが大きいほど、沈降性担体１８が流動して膜面付着物に衝突あるいは接触した際の剥離効果が高くなる。比重ρが大きいと沈降性が増大するため、上向きの水流が存在しない箇所において沈降性担体１８はケーシング１２の底部に向かって沈降する。底部には原水の流入口２０が備えられているため、沈降した沈降性担体１８は再度水流に同伴されて流動して平膜モジュール２４の隙間を流れ、膜面の付着物を剥離させる。
【００３１】
沈降性担体１８の比重と付着物剥離効果の関係を図５に示す。沈降性担体１８の比重が大きくなると、ある比重の沈降性担体１８までは付着物の剥離効果は増大する。しかし、ある比重以上の沈降性担体１８では、比重が大きくて重くなりすぎて流動性が低下し、整流部２２によって生成される上向流に同伴されて流動する沈降性担体１８の割合が減少し、全体として付着物剥離効果は低下する。検討した結果では、沈降性担体１８の比重は１.２〜３.０の範囲が適切である。
【００３２】
このように、流入する原水の運動エネルギーによって流動する沈降性担体１８を用いることで、膜面の洗浄効果を増大することができる。その結果、従来の浸漬式の装置では必要であったエアスクラビングが不要となり、従来の加圧式膜モジュールにおいて１ｍ／秒必要であった流速を低減できるため、省コスト運転が可能となる。
【００３３】
一般に、配管抵抗Ｒは、数３に示されるように、流速Ｖの二乗に比例する。
〔数３〕
Ｒ＝ｋ・Ｖ² …（３）
この関係から、従来の加圧式膜モジュールで必要であった流速を半減できるので、加圧式膜モジュールのろ過抵抗を１／４にすることができる。水頭差を除くと、単純には循環ポンプの消費エネルギーを１／４とすることが可能となる。
【００３４】
なお、本実施例では、図２に示すように原水の流入口２０が１箇所の場合を説明したが、流入口２０を複数個所に設けて、できるだけ全ての膜面で同じ流速が得られるようにすることが望ましい。
【００３５】
また、図２には示していないが、上向流が確実に平膜モジュール２４の隙間で発生するように、平膜モジュール２４が設置されている側と沈降流路２８の間に隔壁を設けることが望ましい。
【００３６】
本実施例の固液分離処理装置を複数台並列して運転することで多量の固液分離処理が可能となる。その際に、施工や交換が容易となるように原水の流入口２０，濃縮水の流出口１０，ろ過水の流出口１４は外部集水管が容易に脱着できるようアタッチメントにすることが望ましい。具体的には、差込式やねじ込み式の流入口や流出口とすることが望ましいが、通常利用されるフランジ接続でも良い。また、図２には示していないが、ケーシング１２の底部には水抜き用のドレインを設けることが望ましい。また、沈降性担体１８の取り出し用の孔あるいは口を設けておくことが実用上望ましい。
【実施例２】
【００３７】
本発明の実施例２を図８，図９により説明する。図８は、本実施例の固液分離処理装置の縦断面図、図９は図８の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。
【００３８】
本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、図９に示すように、ケーシング１２の下部に、沈降した沈降性担体１８が原水の流入口２０に向かう勾配を有する傾斜部３０を備えている。
【００３９】
沈降性担体１８は、沈降流路２８を通過して傾斜部３０の上に降下する。傾斜部３０が無ければ、沈降性担体１８はケーシング１２内の隅の部分に蓄積すると、膜面洗浄に使われなくなる。その結果、膜面洗浄効果が減少し、沈降性担体１８が蓄積した箇所に微生物が繁殖して腐敗するなど悪影響を及ぼすことになる。
【００４０】
本実施例では、傾斜部３０を設けているので、沈降した沈降性担体１８は重力によってより低い箇所へ向かって垂直方向および水平方向へ移動する。その移動する先に原水の流入口２０が設けられているため、沈降性担体１８は底部に蓄積することなく、ケーシング１２内を循環することとなり、膜面の洗浄効率が向上する。また、沈降性担体１８が蓄積しないため、腐敗などの問題も発生しない。
【００４１】
このように、ケーシング１２の下部に、原水の流入口２０へ向かう勾配を有する傾斜部３０を設けることで、より膜面の洗浄効率を高めることができ、結果として原水の循環流量すなわち流速を低減でき、さらなる省コスト運転が可能となる。
【実施例３】
【００４２】
本発明の実施例３を図１０，図１１により説明する。図１０は、本実施例の固液分離処理装置の縦断面図、図１１は図１０の矢視Ｃ−Ｃ断面図である。
【００４３】
本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、図１０に示すように、ケーシング１２の底部に上向きの原水の流入口２０を備え、整流部２２の代わりに、沈降した沈降性担体１８が原水の流入口２０に向かう勾配を有する傾斜部３０を備えている。なお、上向きの原水の流入口２０を上向流生成部ともいう。
【００４４】
このようにすることで、ケーシング１２内に効率よく上向流を発生することが可能となる。また、沈降した沈降性担体１８が、傾斜部３０に沿って原水の流入口２０へ向かって移動し、流速の大きい流入口２０から効率よく上向流に同伴されて上昇し、流動することとなるため、膜面の洗浄効果がより高くなる。なお、図１０，図１１では原水の流入口２０が１箇所の場合を示したが、原水の流入口２０を複数個所備え、できるだけ全ての膜面で均一な上向流速が得られるようにすることが望ましい。
【００４５】
このようにケーシング１２の底部に原水の流入口２０を備える場合、ケーシング１２を床置きの状態で設置することはできないので、その場合にはケーシング１２の下に脚部を設けることが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１である固液分離処理システムの構成図。
【図２】本実施例の固液分離処理装置の縦断面図。
【図３】図２の矢視Ａ−Ａ断面図。
【図４】本実施例の固液分離処理装置を上から見た平面図。
【図５】沈降性担体の比重と付着物剥離効果の関係を示す図。
【図６】流出口に設けるメッシュを示す断面図。
【図７】流出口に設けるメッシュの斜視図。
【図８】本発明の実施例２の固液分離処理装置の縦断面図。
【図９】図８の矢視Ｂ−Ｂ断面図。
【図１０】本発明の実施例３の固液分離処理装置の縦断面図。
【図１１】図１０の矢視Ｃ−Ｃ断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１固液分離処理装置
１０，１４流出口
１２ケーシング
１６集水管
１８沈降性担体
２０流入口
２２整流部
２４平膜モジュール
２６平膜固定部
２８沈降流路
３０傾斜部
３２メッシュ
３４，４２，４６配管
３８，４０ポンプ
５０原水
５２原水タンク

【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水の流入口と濃縮水の流出口とろ過水の流出口を有するケーシングと、流入する被処理水をケーシング内で上向流とする上向流生成部と、前記上向流が平膜モジュール間の隙間を流れるよう配置した平膜モジュールと、前記ケーシング内に封入され平膜モジュール間の距離よりも小さく、比重が１.２〜３.０の範囲である沈降性担体と、前記上向流によって前記平膜モジュール間を上昇した沈降性担体を沈降させるための沈降流路と、を備えた固液分離処理装置。
【請求項２】
密閉状の容器を形成するケーシング内に設置される複数の平膜モジュールと、前記ケーシングに取り付けられ前記平膜モジュールのろ過水を取り出すためのろ過水の流出口と、前記ケーシングに設けられた流入口から流入する被処理水と沈降性担体を、前記平膜モジュール間を上昇させる上向流を生成する上向流生成部と、前記平膜モジュール間を上昇した沈降性担体を沈降させるための沈降流路と、を備えた固液分離処理装置。
【請求項３】
前記沈降流路の下部に、沈降した沈降性担体が原水の流入口に向かう勾配を有する傾斜部を設置した請求項１又は２に記載の固液分離処理装置。
【請求項４】
前記上向流生成部は、前記流入口と対向し、傾斜した平板で形成されている請求項１又は２に記載の固液分離処理装置。
【請求項５】
前記濃縮水の流出口に、前記沈降性担体よりも孔径が小さい担体分離メッシュを設けた請求項１又は２に記載の固液分離処理装置。
【請求項６】
前記ケーシングは原水の流入口と濃縮水の流出口とろ過水の流出口以外の箇所が密閉されている請求項１に記載の固液分離処理装置。
【請求項７】
処理対象である原水を貯留する原水タンクと、一方が前記原水タンク内の液相に、他方が固液分離処理装置の原水の流入口に接続された原水配管と、一方が前記固液分離処理装置の濃縮水の流出口に、他方が前記原水タンクの液相に接続された濃縮水配管と、前記固液分離処理装置のろ過水の流出口に接続されろ過水用のポンプを具備するろ過配管と、前記原水配管，濃縮水配管のいずれかに具備された循環用のポンプとを備え、前記固液分離処理装置が、前記流入口から流入する原水と沈降性担体を、複数設置される平膜モジュール間を上昇させる上向流を生成する上向流生成部と、前記平膜モジュール間を上昇した沈降性担体を沈降させるための沈降流路を有する固液分離処理システム。
【請求項８】
前記固液分離処理装置が複数個設置され、前記被処理水の流入口，ろ過水の流出口及び濃縮水の流出口がアタッチメントにより前記各配管に接続される請求項７に記載の固液分離処理システム。

【図１】