特許 6327306 膜分離メタン発酵処理装置及び膜分離メタン発酵処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6327306

(24)【登録日】2018年4月27日

(45)【発行日】2018年5月23日

(54)【発明の名称】膜分離メタン発酵処理装置及び膜分離メタン発酵処理方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 3/28 20060101AFI20180514BHJP

   C02F 1/44 20060101ALI20180514BHJP

   B01D 65/08 20060101ALI20180514BHJP

【ＦＩ】

   C02F3/28 A

   C02F3/28 Z

   C02F1/44 A

   C02F1/44 C

   C02F1/44 F

   B01D65/08

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-178109(P2016-178109)

(22)【出願日】2016年9月13日

(62)【分割の表示】特願2012-176568(P2012-176568)の分割

【原出願日】2012年8月9日

(65)【公開番号】特開2016-203176(P2016-203176A)

(43)【公開日】2016年12月8日

【審査請求日】2016年9月13日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】白石 英也

(72)【発明者】

【氏名】新井 喜明

【審査官】 ▲高▼ 美葉子

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−１６０１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０６１６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／２２

Ｂ０１Ｄ ６１／００−７１／８２

Ｃ０２Ｆ １／４４

Ｃ０２Ｆ ３／２８− ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

メタン発酵を行うメタン発酵槽と、
当該メタン発酵槽の被処理液が供給され、この被処理液からろ液を分離する膜ろ過槽と、
前記膜ろ過槽に供給される被処理液を前記メタン発酵槽の設定温度よりも高い温度に加温する加温手段と、
前記膜ろ過槽に設けられたろ過膜の洗浄を行う洗浄手段と、
前記膜ろ過槽の被処理液を前記メタン発酵槽に返送する返送配管と、
を有し、
前記加温手段は、前記膜ろ過槽の前段において前記メタン発酵槽の温度制御に必要な熱量の全部を供給して、前記メタン発酵槽の温度を制御する
ことを特徴とする膜分離メタン発酵処理装置。

【請求項2】

前記加温手段で加温された被処理液は、前記膜ろ過槽から排出される被処理液と混合されることなく、前記膜ろ過槽に供給される
ことを特徴とする請求項１に記載の膜分離メタン発酵処理装置。

【請求項3】

前記洗浄手段は、前記ろ過膜をスクラビングするための曝気ブロアを有し、前記ろ過膜をスクラビングする気体は、前記膜ろ過槽に供給される被処理液に混合され、この気液混合物が前記膜ろ過槽に供給される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜分離メタン発酵処理装置。

【請求項4】

前記加温手段は、前記気液混合物を加温して前記膜ろ過槽に供給する
ことを特徴とする請求項３に記載の膜分離メタン発酵処理装置。

【請求項5】

前記洗浄手段は、前記曝気ブロアに加えて、さらに前記ろ過膜の逆洗浄を行う逆洗浄手段を有する
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の膜分離メタン発酵処理装置。

【請求項6】

メタン発酵を行うメタン発酵槽と、当該メタン発酵槽の被処理液が供給され、この被処理液からろ液を分離する膜ろ過槽と、前記膜ろ過槽に供給される被処理液を加温する加温手段と、前記膜ろ過槽に設けられたろ過膜の洗浄を行う洗浄手段と、前記膜ろ過槽の被処理液を前記メタン発酵槽に返送する返送配管と、を有する膜分離メタン発酵処理装置による膜分離メタン発酵処理方法であって、
前記加温手段から、前記膜ろ過槽の前段において前記メタン発酵槽の温度制御に必要な熱量の全部を供給し、前記膜ろ過槽に供給される被処理液を前記メタン発酵槽の設定温度よりも高い温度に加温して、前記メタン発酵槽の温度を制御する
ことを特徴とする膜分離メタン発酵処理方法。

【請求項7】

前記加温手段で加温された被処理液を、前記膜ろ過槽から排出される被処理液と混合することなく、前記膜ろ過槽に供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の膜分離メタン発酵処理方法。

【請求項8】

前記膜ろ過槽は、所定の周期で、ろ過処理工程と前記膜ろ過槽に設けられたろ過膜の逆洗浄を行う逆洗浄工程とを繰り返す
ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の膜分離メタン発酵処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、廃液中の有機物質をメタン発酵して処理する膜分離メタン発酵処理装置及び膜分離メタン発酵処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

浄化槽汚泥、下水汚泥、し尿、生ゴミ、食品系廃棄物などの有機物質を含有する廃液の処理にメタン発酵処理と膜ろ過処理とを併用した膜分離メタン発酵処理を行うことが知られている（例えば、特許文献１−４）。

【0003】

膜分離メタン発酵処理では、ろ過膜により固液分離を行うため、ろ過処理を続けるうちに分離対象の固形物（ＳＳ）が膜表面及び膜内部に付着残留し、膜孔の閉塞や狭窄によりろ過性能が低下するおそれがある。

【0004】

このようなろ過膜の目詰まり（ファウリング）の原因としては、膜面へのＳＳが堆積することや、ろ過処理に供される被処理液中の無機成分が不溶解性物質を形成して膜内（細孔）部に析出することが挙げられる。被処理液中の析出しやすい無機成分としては、例えば、硫化鉄などの金属硫化物やリン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）などが知られている。

【0005】

膜面へのＳＳの堆積に対しては、ろ過膜の下方に散気装置を設け、この散気装置から散気した気泡のエアリフト作用で発生する上向流を掃流としてろ過膜の膜間の流路をクロスフローで流通させて膜面を洗浄している（例えば、特許文献１，２）。

【0006】

一方、無機成分の膜内への析出に対しては、ろ過膜を定期的に薬剤にて洗浄する方法や、無機成分と錯体を形成する有機酸を被処理液に注入する方法によりろ過膜を洗浄している（例えば、特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００１−１７０６３１号公報

【特許文献2】特開２０１０−２０７７６２号公報

【特許文献3】特開２０００−６１２７４号公報

【特許文献4】特開２０１０−２０７７００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ろ過膜を定期的に薬剤で洗浄するためには、洗浄時にろ過操作を停止しなくてはならず、膜分離メタン発酵処理装置の稼働率が低下するおそれが生じる。また、錯体を形成する薬剤を注入する場合には、薬剤のコスト及び薬剤注入作業などのメンテナンスコストが増大するおそれがある。

【0009】

上記事情に鑑み、本発明は、膜分離メタン発酵処理における、ろ過膜の目詰まりの抑制に貢献する技術の提供を目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成する本発明の膜分離メタン発酵処理装置の一態様は、メタン発酵を行うメタン発酵槽と、メタン発酵槽の被処理液が供給され、この被処理液からろ液を分離する膜ろ過槽と、を有する膜分離メタン発酵処理装置において、被処理液を前記メタン発酵槽の設定温度よりも高い温度に加温してから膜ろ過槽に供給することを特徴としている。

【0011】

また、上記目的を達成する本発明の膜分離メタン発酵処理方法は、メタン発酵を行うメタン発酵槽と、メタン発酵槽の被処理液が供給され、この被処理液からろ液を分離する膜ろ過槽と、を有する膜分離メタン発酵処理装置による膜分離メタン発酵処理方法であって、被処理液を前記メタン発酵槽の設定温度よりも高い温度に加温してから膜ろ過槽に供給することを特徴としている。

【発明の効果】

【0012】

以上の発明によれば、膜分離メタン発酵処理における、ろ過膜の目詰まりの抑制に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置の概略図である。

【図2】本発明の実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置の概略図である。

【図3】本発明の実施形態３に係る膜分離メタン発酵処理装置の概略図である。

【図4】参考例に係る膜分離メタン発酵処理装置の概略図である。

【図5】被処理液の温度が２０℃における、セラミック平膜の膜差圧の経時変化を示す特性図である。

【図6】被処理液の温度が４０℃における、セラミック平膜の膜差圧の経時変化を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施形態に係る膜分離メタン発酵処理装置及び膜分離メタン発酵処理方法について図を参照して詳細に説明する。

【0015】

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置の概略図である。図１に示すように、実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１は、メタン発酵槽２、膜ろ過槽３、熱交換器４を有する。

【0016】

メタン発酵槽２は、メタン菌によるメタン発酵を行う。メタン発酵槽２には、被処理液が供給される配管５と、メタン発酵槽２を循環する被処理液の一部を膜ろ過槽３へ供給する供給配管６が設けられる。この供給配管６には、循環ポンプ７及び熱交換器４が設けられる。なお、配管５には、必要に応じて熱交換器（図示せず）が設けられ、メタン発酵槽２に供給される被処理液が加温される。

【0017】

メタン発酵槽２での発酵法として、例えば、３６〜３８℃で発酵を行う中温発酵法と、５０〜６０℃で発酵を行う高温発酵法がある。高温発酵法は、高温メタン菌が、３６〜３８℃で活性が大きくなる中温メタン菌と比較して２〜３倍の活性を有しており、高温メタン菌でメタン発酵を行うことで分解速度の向上と消化率の向上を図ることができる。このように、高温発酵法は有機物の分解効率が高いので、メタン発酵槽２を小さくできる。高温発酵法は高速処理が可能であるが、通常、温度が高いとメタン菌の死滅速度が上昇し、特に高温側で６０℃を超えた場合には、著しくメタン菌が死滅することとなる。このため、高温発酵法では、メタン発酵槽２内の温度を常時一定範囲内に管理して、高温によるメタン菌の死滅を防いでいる。

【0018】

熱交換器４は、膜ろ過槽３に供給される被処理液を加温する。熱交換器４として、例えば、温水を循環して熱交換を行うスパイラル熱交換器などが用いられる。熱交換器４は、被処理液を加温できる周知の熱交換器が選択して用いられ、特に、詰まりにくく、耐食性に優れたものが好ましい。

【0019】

膜ろ過槽３は、メタン発酵槽２を循環する被処理液の一部が供給され、被処理液のろ過処理を行う。膜ろ過槽３の下部には、被処理液が供給される供給配管６が設けられ、膜ろ過槽３の上部には、膜ろ過槽３からオーバーフローする被処理液とともにスクラビング用の気体をメタン発酵槽２に返送する返送配管８が設けられる。また、膜ろ過槽３の被処理液に浸漬してろ過膜９が設けられ、このろ過膜９の下方に散気装置１０が設けられる。

【0020】

ろ過膜９は、膜ろ過槽３内の被処理液のろ過を行う。ろ過膜９には、吸引ろ過されたろ液が排出される排出配管１１が設けられる。つまり、排出配管１１には、図示省略の吸引ポンプが設けられ、この吸引ポンプで被処理液に浸漬されたろ過膜９を吸引することで、ろ過膜９で吸引ろ過されたろ液が排出配管１１を通って系外に移送される。ろ過膜９のろ過面積は、設計ろ過流量に基づいて適宜設定される。ろ過膜９は、例えば、セラミック平膜である。セラミック平膜を複数設ける場合は、膜面を対向させて各セラミック平膜を並列して設け、この並列に設けられたセラミック平膜間を被処理液が流通するようにセラミック平膜が膜ろ過槽３内に配置される。なお、ろ過膜９は、セラミック平膜に限定されるものではなく、有機中空糸膜、有機平膜、無機平膜、無機単管膜などを用いることができる。ろ過膜９の材質としては、セラミックの他に、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）などが例示される。また、ろ過膜９に形成される孔径は、固液分離の対象となる物質の粒径に応じて選択される。例えば、活性汚泥の固液分離に用いるならば、０．５μｍ以下の孔径を有するろ過膜が用いられ、また、浄水のろ過のように、除菌が必要な場合は０．１μｍ以下の孔径を有するろ過膜９が用いられる。

【0021】

散気装置１０は、ろ過膜９の下方に設けられ、ろ過膜９のスクラビングを行う。散気装置１０としては、例えば、配管に適当な間隔をあけて散気孔が形成されたものが用いられ、メタン発酵槽２で発生した気体が曝気ブロア１２により供給される。散気装置１０は、ろ過膜９にスクラビング用の気体を供給できるものであれば適宜周知の散気装置を用いればよいが、膜ろ過槽３内の被処理液は有機物濃度や粘度が高いので、散気孔の目詰まりや散気量の減少が生じにくい散気装置を用いることが好ましい。

【0022】

実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１では、メタン発酵槽２を循環する被処理液が加温されて膜ろ過槽３の下部から供給される。膜ろ過槽３に供給された被処理液は散気装置１０のスクラビングによる上昇流に乗ってろ過膜９を通過し、ろ過膜９で被処理液の固液分離が行われる。ろ過膜９を通過後の被処理液のオーバーフロー分は膜ろ過槽３の上部にて回収されるスクラビング用の気体とともに返送配管８を通ってメタン発酵槽２に返送される。なお、返送配管８は、被処理液のオーバーフロー分の返送専用とし、メタン発酵槽２へのスクラビング用の気体の返送は、別途メタン発酵槽２と膜ろ過槽３に連通管を設けて行ってもよい。

【0023】

［膜分離メタン発酵処理装置の温度制御］
ここで、実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１の温度制御方法について説明する。

【0024】

膜分離メタン発酵処理装置１では、メタン発酵槽２、熱交換器４、膜ろ過槽３の温度がそれぞれ制御される。メタン発酵槽２の槽内設定温度をＴ₁（℃）とし、メタン発酵槽２の容積をＶ₁（ｍ³）とする。また、熱交換器４の制御温度をＴ₂（℃）とし、熱交換器４による供給熱エネルギーをＪ（Ｊ／ｈｒ）、熱交換器４の循環量をＱ（ｍ³／ｈｒ）とする。そして、膜ろ過槽３の管理温度をＴ₃（℃）とする。膜ろ過槽３には、熱交換器４で加温された被処理液が供給されるので、Ｔ₃≒Ｔ₂である。

【0025】

メタン発酵槽２で、中温発酵を行う場合、メタン発酵槽２内の温度が、３６〜３８℃の範囲内となるように制御される。例えば、３７℃を設定温度Ｔ₁として、この設定温度Ｔ₁を管理目標とした熱交換器４の加温制御が行われる。また、メタン発酵槽２で、高温発酵を行う場合、メタン発酵槽２内の温度が、５０〜６０℃の範囲内となるように制御される。例えば、５５℃を設定温度Ｔ₁として、この設定温度Ｔ₁を管理目標として熱交換器４の加温制御が行われる。

【0026】

メタン発酵槽２での発酵温度を維持するのに必要とされる熱エネルギーを熱交換器４から供給する場合、熱交換器４から供給する供給熱エネルギーＪは、メタン発酵槽２へ流入する被処理液の加温エネルギーと膜ろ過槽３から流出するろ液による損失熱エネルギー、外気温との関係にて変動する放熱による損失（各槽の外壁・配管などから）などのエネルギー収支から決定される。

【0027】

そして、メタン発酵槽２の容積Ｖ₁、循環量Ｑにより決定されるメタン発酵槽２内の被処理液の入替え率である循環比率（Ｑ／Ｖ₁）を適切に制御（循環量Ｑを適切に制御）することで、メタン発酵槽２内の設定温度Ｔ₁と熱交換器４の制御温度Ｔ₂との温度差（ΔＴ＝Ｔ₂−Ｔ₁）を維持したシステム制御を行うことができる。例えば、ΔＴを５℃程度とすることができる。

【0028】

一般的に、化合物の溶解度は、液温が高くなるほど（溶解度）が高くなるので、ΔＴは、大きくするほどろ過膜に析出する結晶（リン成分などの無機成分の結晶）を抑制する効果がある。制御温度Ｔ₂は、ろ過膜９のメンテナンス周期やメタン菌が生存できる温度（例えば、６０℃を超えない範囲内）などを考慮して設定される。

【0029】

しかし、循環量Ｑが少なくなり循環比率が小さくなる場合には、供給熱エネルギーＪを一定とするために、熱交換器４の制御温度Ｔ₂をより高く設定してΔＴを大きくする必要がある。その結果、熱交換器４を通過後の被処理液の温度が６０℃を超えた場合には、著しくメタン菌が死滅する。高温発酵法の場合、制御温度Ｔ₂がメタン菌が生存できる温度を超える場合が想定されるが、被処理液の温度が上昇することで、メタン菌の増殖速度も著しく増加する。よって、循環比率（Ｑ／Ｖ₁）が小さく、高温発酵法によりメタン発酵を行う場合には、制御温度Ｔ₂を６０℃以上に設定可能であり、メタン菌の死滅する速度とメタン菌の増殖速度とのバランスを考慮して、ΔＴが決定される。

【0030】

なお、膜分離メタン発酵処理装置１では、膜ろ過槽３におけるろ液取り出しに支障のない範囲で循環量Ｑを設定すればよく、必要となる供給熱エネルギー量Ｊは、すべて熱交換器４にて供給する必要はない。そのため、別途加温専用の熱交換器を併設して、複数の熱交換器によりメタン発酵槽２を加温し、熱交換器４が供給する熱エネルギーだけでは不足する熱エネルギー量を補う形態としてもよい。

【0031】

以上のように、実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１によれば、膜ろ過槽３に供給される被処理液をメタン発酵槽２の設定温度よりも高い温度となるように加温することで、リン成分などの無機物質の結晶がろ過膜９に析出することを抑制し、ろ過膜９の透水性を維持することができる。

【0032】

ろ過膜９の目詰まりを抑制することで、ろ過膜９に析出した無機物質を洗浄する洗浄工程を行う周期を長くすることができ、膜分離メタン発酵処理装置１の稼働率が向上する。さらに、ろ過膜９の洗浄を行う薬剤のコスト及び薬剤注入作業などのメンテナンスコストを低減することができる。

【0033】

また、膜ろ過槽３に加温した被処理液を供給することで、膜ろ過槽３内の温度制御を容易に行うことができる。

【0034】

［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３の概略図である。実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３は、メタン発酵槽２から膜ろ過槽３供給される被処理液にろ過膜９のスクラビングを行う気体を混合すること以外は、実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１と同じである。よって、実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0035】

図２に示すように、実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３は、メタン発酵槽２、膜ろ過槽３、熱交換器４を有する。

【0036】

メタン発酵槽２を循環する被処理液の一部を膜ろ過槽３へ供給する供給配管６には、循環ポンプ７及び熱交換器４が設けられる。また、供給配管６には気体供給配管１４が接続され、メタン発酵槽２で発生した気体が曝気ブロア１２により供給配管６に供給される。そして、加温された被処理液とスクラビング用の気体を混合した気液混合物が膜ろ過槽３の下部から供給される。

【0037】

膜ろ過槽３には、ろ過膜９が設けられ、このろ過膜９の下方には、散気板１５が設けられる。散気板１５は供給配管６から供給された気液混合物を分散させる。気液混合物が分散板１５で分散されることで、供給配管６から供給される被処理液とスクラビング用の気体がろ過膜９により均等に供給される。

【0038】

以上のように、実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３によれば、膜ろ過槽３に供給される被処理液にスクラビング用の気体を混合することで、実施形態１に係る膜分離メタン発酵処理装置１の効果に加えて、膜ろ過槽３内の攪拌が十分に行われるとともに、ろ過膜９面を流通する膜面流速を確保することができる。

【0039】

［実施形態３］
図３は、本発明の実施形態３に係る膜分離メタン発酵処理装置１６の概略図である。実施形態３に係る膜分離メタン発酵処理装置１６は、供給配管６から膜ろ過槽３に供給される気液混合物が加温後に膜ろ過槽３に供給されること以外は、実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３と同じである。よって、実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３と同じ構成については、同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0040】

図３に示すように、実施形態３に係る膜分離メタン発酵処理装置１６は、メタン発酵槽２、膜ろ過槽３、熱交換器４を有する。

【0041】

メタン発酵槽２を循環する被処理液の一部を膜ろ過槽３へ供給する供給配管６には気体供給配管１４が接続され、メタン発酵槽２で発生した気体が曝気ブロア１２により供給配管６に供給される。また、供給配管６には、循環ポンプ７及び熱交換器４が設けられる。この熱交換器４は、気体供給配管１４が接続部される接続部（混合点）より下流に設けられる。

【0042】

つまり、供給配管６の接続部でメタン発酵槽２から膜ろ過槽３に供給される被処理液とスクラビング用の気体が混合され、この気液混合物が熱交換器４で加温された後、膜ろ過槽３の下部から供給される。

【0043】

膜ろ過槽３には、ろ過膜９が設けられ、このろ過膜９の下方には、散気板１５が設けられる。散気板１５は供給配管６から供給された気液混合物を分散させ、被処理液とスクラビング用の気体がろ過膜９に均等に供給される。

【0044】

以上のように、実施形態３に係る膜分離メタン発酵処理装置１６によれば、熱交換器４により温度制御された気液混合物が膜ろ過槽３に供給されるので、被処理液とスクラビング用の気体との温度差の影響を受けず膜ろ過槽３に所定の温度に制御された気液混合物を供給することができる。その結果、実施形態２に係る膜分離メタン発酵処理装置１３の効果に加えて、安定したろ過操作を行うことができる。

【0045】

［参考例］
発明者らは、図４に示す参考例に係る膜分離メタン発酵処理装置１７で実下水処理場の消化汚泥を用いた膜ろ過試験を行い、被処理液の液温とセラミック平膜２３の膜差圧との関係について検討した。

【0046】

膜分離メタン発酵処理装置１７は、原液槽１８と、膜ろ過槽１９と、ろ過水槽２０とを有する。

【0047】

原液槽１８の被処理液には、調温コントローラにより制御されるクーラとヒータを浸漬し、被処理液の温度が２０℃（または４０℃）となるように温度制御を行った。原液槽１８の被処理液を原液供給ポンプ２１で膜ろ過槽１９へ４．５〜１．０ｍ／ｄで供給し、膜ろ過槽１９からのオーバーフローは、返送配管２２を通して原液槽１８へ返流した。

【0048】

膜ろ過槽１９は、アクリル製であり、幅１００ｍｍ×奥行５０ｍｍ×高さ５００ｍｍ（有効容積２．５Ｌ）のものを用いた。膜ろ過槽１９の被処理液に浸漬してセラミック平膜２３を設け、セラミック平膜２３の下方にスクラビング用のエアの散気を行う散気管２４を設けた。エアポンプ２５で散気管２４にエアを供給してセラミック平膜２３のスクラビングを行い、セラミック平膜２３をろ過吸引ポンプ２６により吸引し、ろ過流速０．３〜１．０ｍ／ｄで被処理液のろ過を実施した。セラミック平膜２３の膜面積は、０．０３６ｍ²であり、その仕様を表１に示す。

【0049】

【表1】

【0050】

セラミック平膜２３の膜差圧は、圧力計ＰＩ（長野計器株式会社製、型式ＧＣ６１−１７４）で測定し、セラミック平膜２３のろ過流量は、流量計ＦＩ（株式会社キーエンス製、型式ＦＤ−ＳＳ０２Ａ）で計測した。

【0051】

試験に用いた消化汚泥は、都市下水を処理する下水処理場の消化槽の出口から採取し、目開き２ｍｍのスリットを通過させて夾雑物を除去したものを供試汚泥として、原液槽１８に供給した。供試汚泥の性状を表２に示す。また、原液槽１８から膜ろ過槽１９に供給される被処理液及び、セラミック平膜２３でろ過されたろ液（ろ過水槽２０のろ液）の性状を表３に示す。

【0052】

【表2】

【0053】

【表3】

【0054】

表２及び表３の項目における記号は、それぞれ、ＣＯＤ：化学的酸素要求量、ＢＯＤ：生物化学的酸素要求量、Ｔ−Ｎ：全窒素量、Ｔ−Ｐ：全リン量、ＴＳ：全固形物量、ＶＳ：焼却減量である。

【0055】

セラミック平膜２３におけるろ過処理は、原液供給ポンプ２１を動作させて被処理液を膜ろ過槽１９に供給し、エアポンプ２５で散気管２４にエアを供給してセラミック平膜２３のスクラビング（２５〜１００ｍ／ｄ）を行いながら、ろ過吸引ポンプ２６を動作させて行った。ろ過処理を１０分行う毎に１分間セラミック平膜２３の逆洗浄工程を行った。逆洗浄工程は、動作時の状態から、ろ過吸引ポンプ２６を停止し、返送ポンプ２７で、ろ過水槽２０のろ液をセラミック平膜２３に返液（０．３〜１．０ｍ／ｄ）して行った。

【0056】

図５は、原液槽１８の温度を２０℃に設定した場合のろ過処理時間に対するセラミック平膜２３の膜差圧及び膜ろ過槽１９の被処理液の温度の関係を示す特性図である。また、図６は、原液槽１８の温度を４０℃に設定した場合のろ過処理時間に対するセラミック平膜２３の膜差圧及び膜ろ過槽１９の被処理液の温度の関係を示す特性図である。なお、図５、６では、周期的にセラミック平膜２３の膜差圧が低下しているが、これは、セラミック平膜２３の逆洗浄を行った後の膜差圧である。

【0057】

図５に示すように、原液槽１８の温度を２０℃に設定した場合、セラミック平膜２３の膜差圧は、１８ｋＰａから徐々に増加し、最終的（ろ過操作継続時間約２４０分間）には８７ｋＰａまで上昇した。そして、ろ過処理工程−逆洗浄工程周期の１１分間で、セラミック平膜２３の膜差圧の変動が激しく不安定であった。また、膜ろ過槽１９の温度は、原液槽１８の制御温度と同じ２０℃付近であった。

【0058】

このように、実際のメタン発酵槽の中温発酵温度（３７℃）より低い温度にて、ろ過処理を行うと、セラミック平膜２３の逆洗浄工程の影響が大きく、逆洗浄工程を行うことでセラミック平膜２３の膜差圧が大きく減少する。

【0059】

一方、図６に示すように、原液槽１８の温度を４０℃に設定した場合、セラミック平膜２３の膜差圧は４ｋＰａでほぼ一定（ろ過操作継続時間約２４０分間）で安定していた。そして、膜ろ過槽１９の温度は、原液槽１８の制御温度とほぼ同じ４０℃であった。

【0060】

このように、実際のメタン発酵槽の中温発酵温度（３７℃）と同じ程度の温度でろ過処理を行うと、ろ過処理によるセラミック平膜２３の膜差圧の上昇が少なく、逆洗浄工程を行うことでセラミック平膜２３の膜差圧はほとんど変化しない。

【0061】

図５、図６に示したように、膜ろ過槽１９内の温度差により、ろ過処理継続時間に対するセラミック平膜２３の膜差圧の挙動が大きく異なる。

【0062】

膜差圧の挙動に影響を及ぼす因子として、被処理液の粘度の影響が想定される。一般的に液体の粘度は温度が上昇すると低下する。つまり、膜ろ過槽１９内の温度が高いほど、被処理液の粘度が低下して、レイノルズ数の値も高くなる。しかし、レイノルズ数の値の変化は、セラミック平膜２３の膜差圧の変化に対して、それほど顕著な数値の差とならなかった。

【0063】

表２に示すように、下水汚泥等には、多量のリンが含まれていることが知られており、下水や下水汚泥からのリンの回収・活用の研究開発が進められている。また、表３に示すように、ろ過水槽２０のろ液でも高い濃度のリンが含まれている。ゆえに、セラミック平膜２３の透水性を低下させる要因は、被処理液中に含まれるリン成分によるセラミック平膜２３の閉塞であるものと考えられる。

【0064】

よって、リン成分などの無機成分の析出によるセラミック平膜２３の閉塞を低減することで、セラミック平膜２３の膜差圧の上昇を抑制することができるものと考えられる。

【0065】

これら無機成分は、薬剤を用いて除去することができる。しかし、リン成分などの無機成分を薬剤で除去する場合、付着した無機成分の結晶を除去することはできても、セラミック平膜２３に無機成分の結晶が付着すること抑制することはできない。セラミック平膜２３に付着した無機成分は、結晶成長の核となり無機成分の結晶の成長速度を増加させ、セラミック平膜２３の閉塞を促進する。

【0066】

これに対して、本発明の実施形態に係る膜分離メタン発酵処理装置１，１３，１６は、ろ過膜９に供給される被処理液を加温しているので、ろ過膜９のろ過に供される被処理液中の無機成分の溶解度が高くなる。その結果、ろ過膜９に無機成分が析出することを抑制するだけでなく、ろ過膜９に無機成分の結晶が付着することを抑制することができる。つまり、ろ過膜９の膜差圧の増加をより低減することができる。

【符号の説明】

【0067】

１，１３，１６，１７…膜分離メタン発酵処理装置
２，１８…メタン発酵槽
３，１９…膜ろ過槽
４…熱交換器（加温手段）
５…配管
６…供給配管
７…循環ポンプ
８，２２…返送配管
９…ろ過膜
１０…散気装置
１１…排出配管
１２…曝気ブロア
１４…気体供給配管
１５…散気板
２０…ろ過水槽
２１…原液供給ポンプ
２３…セラミック平膜
２４…散気管
２５…エアポンプ
２６…ろ過吸引ポンプ
２７…返送ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】