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膜分離型活性汚泥法

1.はじめに

生物処理、特に、活性汚泥法において、分離膜によるSS分離は物理的に安定して行われることから、標準的な沈殿槽でのSS分離の良否に配慮するこがなく、清浄な処理水が得られ、生物処理工程の運転管理が容易となる。このことから、微生物の濃度を極めて高く保持できるので、高濃度排水をコンパクトな設備での処理が可能となる。このことからし尿や浄化槽汚泥の処理、高濃度食品排水や特殊な工場排水の処理に適用されている。一般的に生物濃度は10,000~20,000mg/Lで運転されるが、小生の経験では50,000~60,000mg/Lで運転したこともある。
一方で、SS分離に膜を利用するには、次のような課題が挙げられる。
(1)膜シスシステムの課題
①膜モジュールの高価格、②ろ過能力の低下と分離膜の再生、③膜の劣化と更新、④膜システムを稼働する電気代などが挙げられる。
(2)酸素補給の課題
⑥高濃度微生物の維持のための空気(酸素)の補給方法の工夫、⑦高濃度混合液の粘度が高く、通気に伴う激しい発泡を伴うなどの課題がある。
過去において、生物反応槽と分離膜モジュールは分離されていたが、今日では、反応槽内に分離膜を設置する方式が多く採用されている。ここでは、実験室での小型コンパクトな装置を用いて膜分離活性汚泥法の特徴を理解・経験することを目的としているので、反応槽と分離膜モジュールを分離した実験事例を紹介する。

2.実験方法

(1)実験装置の構成

実験装置の主な構成は、①反応槽、②空気供給装置、③膜分離モジュール、④消泡装置
①反応槽には、原水供給、計測制御器、空気供給配管、分離膜モジュール配管が設置されている。計測制御項目はDO、pHおよび水位である。反応槽の有効容積は10Lで、膜モジュールおよび配管系を含めた総容積は12Lである。
②空気供給装置は、循環ポンプ、エジェクターから構成され、微細空気導入液が反応槽へ循環している。
③膜分離モジュールは、反応槽からの混合液をUF膜へ循環し、ろ過液が排出される。循環ポンプ経路には圧力調整弁、圧力計が設置されている。循環ポンプは、反応槽の水位計により制御されている。
④消泡装置は、反応槽上部壁面に設置したチューブから循環液を散布・消泡している。

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図1 膜分離活性汚泥の室内実験装置の概要

(2)構成要素の詳細

<空気供給とアスピレーター>
高濃度の微生物に酸素を供給するため、通常の散気きよる方法では不十分である。混合液の循環系にアスピレーターを設置して微細な空気を導入することで酸素供給を行う。図1の②に示すように、アスピレーターへの循環液量をバルブで制御して空気の供給量の調整を行う。アスピレーターの空気流入量は流量計に接続して計測する。
流量制御用バルブは写真③に示すステンレス製とする。青銅製はピンホールが形成される恐れがあるので、避ける。アスピレーターはステンレス製(写真①)またはテフロン製(写真②)でよいが、塩類濃度の高い腐食性排水にはテフロン製が適切である。アスピレーターと空気流量計の接続は真空ポンプ用耐圧ホース(写真④)を用いる。
なお、微生物濃度が50,000mg/L前後の極めて高濃度の場合には、空気では酸素供給が不十分であるので、純酸素を供給する。
<消泡シャワー>
活性汚泥濃度の増加とともに、供給空気量および混合液粘度はそれぞれ増加し、発砲が激しくなる。これを防ぐため、混合液を循環し、反応槽上部から散水する。散水は、円形型にしたチューブを反応槽上部内壁に設置し、このチューブの下面の小穴から反応槽内壁へ向けて散水することで、消泡が可能となる。
<分離膜とモジュール>
コンパクトなベンチスケール実験では、維持管理上、チューブラー型の分離膜が望ましい。本実験では、分画分子量20,000、内径1.15cm、長さ57.2cm、膜面積170cm2のチューブラー型、4本を直列に接続し、入口圧力1.0気圧、平行流速1.7m/sで稼働した。活性汚泥濃度30,000~60,000mg/Lの連続運転(水位計によるon-off制御)を行ったところ、初期ろ過能力は16L/dで、約6ヶ月後でも15L/dであり、この程度の期間でのろ過能力の低下は認められなかった。
<水位計とフリップフロップ回路>
原液は連続投入し、フロート型水位計を設置してUF膜モジュールの循環ポンプをon-off制御し、反応槽内の水位を保ち、混合液をろ過した。発泡しているので、水位計はフロート型を使用する。また、反応槽には、空気供給系、UF膜モジュール循環系、消泡系循環系があり、反応槽の水面は振動しているので、水位計と連動したUF膜モジュール循環ポンプの制御には、チャタリングを防ぐ目的で、フリップ-フロップ回路により、セット(H-レベル)・リセット(L-レベル)によるon-off制御を行う。
<循環系とポンプ>
循環系の高圧ポンプ(HP、揚程10m)を連続稼働すると発熱するので、銅管を貼り付けた板をモーターに張り付けて、銅管に水道水を流し、冷却する。
アスピレイター

①アスピレイター
 (ステンレス)

アスピレイター

②アスピレイター
 (テフロン)

アスピレイター流量制御

③アスピレイター
 流量制御用バルブ

耐圧ホース(天然ゴム)

④耐圧ホース
 (天然ゴム)

強化ホース

強化ホース
 (テトロン糸補強)

ホースクリップ

ホースクリップ
 (ステンレス)

接続バルブ(PVC)

接続バルブ
 (PVC)

接続バルブ(PVC)

接続バルブ
 (PVC)

接続部品(PVC)

接続部品
 (PVC)

図2 膜分離活性汚泥法の室内実験装置(曝気槽容積: 10~50L)の部品

(3)実験装置の事例写真

下記に具体的な室内実験の数例を写真で示す。これらの実験内容の詳細については、本ページの目的外なので省略する。

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図3 膜分離活性汚泥法の実験装置-懸濁重合・高分子製造工程排水への適用例
A:原水タンク、B:曝気槽、B 1:アスピレイター、B 2:空気流量計、B 3:水位計、C:膜分離モジュール、D:処理水、E:制御系の一部

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図 4-1 実験装置の全景
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図 4-2 曝気槽(図1-③を参照)
A:消泡シャワーの循環パイプ、B:円形状の散水パイプ
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図 4-3 エジェクター(図1-①を参照)
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図 4-4 フリップフロップ回路
図4 膜分離活性汚泥法の実験装置-写真現像廃液への適用例
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図 5-1 実験装置の全景
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図 5-2 曝気槽
図5 膜分離活性汚泥法の実験装置-ラーメン店のオイルトラップ内動物油脂への適用例(純酸素供給方式)

3.運転管理

<装置>
装置の管理では、配管系の漏水と膜モジュール用の加圧ポンプの発熱に留意する。特に、実験室レベルで使用する理化学用の小型高圧ポンプは発熱が激しいので、場合によっては冷却する必要がある。冷却法としては、空冷式または水冷式が簡便である(市販品はないので、各自で制作)。
<汚泥管理>
標準活性汚泥法では汚泥分離は密度差による沈降分離であり、反応槽内の汚泥濃度と汚泥負荷の管理は極めて重要な操作因子である。しかし、膜分離では汚泥流出が全くないので、基本的には留意する必要がない。問題は、汚泥濃度が増加すると、混合液の粘性が増加し、発泡が起こることである。下記に示す汚泥負荷と酸素補給法、および消泡法により、汚泥の管理法が大きく異なる。
<汚泥負荷と酸素補給>
高汚泥濃度・高負荷運転では、空気(酸素)の補給方法が重要な因子となる。空気の散気による運転では、原水組成にもよるが、汚泥濃度は10,000~20,000mgVSS/L程度が適切であろう。消泡剤添加や機械的消泡より、汚泥濃度をさらに増加することが可能となる。
エジェクター方式によれば、空気供給で汚泥濃度が2~3万mgVSS/Lまで可能で、さらに純酸素供給では5~6万mgVSS/L程度の運転が可能であるが、後者は経済性から考えて特殊なケースを除き実用化レベルでは難しい。
<分離膜>
チューブラー型分離膜は、クロスフローにより膜表面での蓄積物質が剥離されるので、原水組成にもよるが、メーカー定格の運転条件では膜洗浄は半年~数年に1回程度である。また、水位計によるon-off制御では、加圧と減圧が繰り返され、減圧時に逆洗が行われる。UF膜は非対称型膜構造であり、膜の詰まり(ファウリング)も起こりぬくい。洗浄法は、原水組成により異なる(分離膜参照)。
原水中に金属片や小砂などの異物が混入すると、膜表面の破損の原因となる。一般的には、貯留槽や調整槽があれば、ここで沈降分離されるので特に問題となることは少ない。

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掲載日:2017/05/17
更新日:2017/05/09

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