特許 7577575 排水処理装置及び排水処理装置の運転方法

(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】

(24)【登録日】2024-10-25

(45)【発行日】2024-11-05

(54)【発明の名称】排水処理装置及び排水処理装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/44 20230101AFI20241028BHJP

   B01D 65/02 20060101ALI20241028BHJP

   C02F 3/34 20230101ALI20241028BHJP

   C02F 3/06 20230101ALI20241028BHJP

【ＦＩ】

C02F1/44 K

B01D65/02 520

C02F3/34 101B

C02F3/34 101D

C02F3/34 101C

C02F3/06

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021039021

(22)【出願日】2021-03-11

(65)【公開番号】P2022138892

(43)【公開日】2022-09-26

【審査請求日】2023-11-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000192590

【氏名又は名称】株式会社神鋼環境ソリューション

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】吉田 忠広

(72)【発明者】

【氏名】井尻 智之

(72)【発明者】

【氏名】石山 明

(72)【発明者】

【氏名】三浦 雅彦

【審査官】池田 周士郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１０１８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０３４７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５１６２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０２Ｆ １／４４

Ｂ０１Ｄ ６１／００－７１／８２

Ｃ０２Ｆ ３／００－ ３／３４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被処理水を貯留する貯留槽と、
酸素を透過する酸素透過膜を含み、前記貯留槽に収容された酸素透過膜ユニットと、
前記酸素透過膜に付着した生物膜の厚み度合を推定する膜厚推定部と、
前記酸素透過膜を洗浄する洗浄機構と、
前記洗浄機構の作動を制御する制御部と、を備え、
前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素透過膜の内側から酸素含有気体を供給することにより、前記被処理水に対して生物処理を行い、
前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素含有気体に含まれる酸素濃度が減少した気体を排出する排出流路の酸素濃度を計測する酸素濃度計測部を含んでおり、
前記膜厚推定部は、前記酸素濃度計測部の計測値が基準酸素濃度以上となったとき、前記厚み度合が前記閾値以上であると推定し、
前記制御部は、前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が閾値以上のとき、前記洗浄機構を作動させる排水処理装置。

【請求項2】

被処理水を貯留する貯留槽と、
酸素を透過する酸素透過膜を含み、前記貯留槽に収容された酸素透過膜ユニットと、
前記酸素透過膜に付着した生物膜の厚み度合を推定する膜厚推定部と、
前記酸素透過膜ユニットに洗浄用気体を吹き付けて前記酸素透過膜を洗浄する洗浄機構と、
気泡を発生させる気泡発生部を有し、前記被処理水に対して好気性処理を行う散気装置と、
前記洗浄機構の作動を制御する制御部と、を備え、
前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素透過膜の内側から酸素含有気体を供給することにより、前記被処理水に対して生物処理を行い、
前記洗浄機構へ前記洗浄用気体を供給する第一供給路は、前記気泡発生部へ前記酸素含有気体を供給する第二供給路から分岐しており、
前記制御部は、前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が閾値以上のとき、前記第一供給路から前記洗浄機構へ前記洗浄用気体を供給して前記洗浄機構を作動させるとともに、前記第二供給路から前記気泡発生部へ供給する前記酸素含有気体の量を減少させる排水処理装置。

【請求項3】

前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素含有気体に含まれる酸素濃度が減少した気体を排出する排出流路の酸素濃度を計測する酸素濃度計測部を含んでおり、
前記膜厚推定部は、前記酸素濃度計測部の計測値が基準酸素濃度以上となったとき、前記厚み度合が前記閾値以上であると推定する請求項２に記載の排水処理装置。

【請求項4】

前記酸素透過膜ユニットに前記酸素含有気体を供給する第一供給源と、前記散気装置に前記酸素含有気体を供給する第二供給源とは異なっている請求項２に記載の排水処理装置。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一項に記載の排水処理装置の運転方法であって、
前記酸素透過膜の内側から前記酸素含有気体を供給することにより、前記被処理水に対して生物処理を行う生物処理工程と、
前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が前記閾値以上のとき、前記洗浄機構により前記酸素透過膜を洗浄する洗浄工程と、
前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が前記閾値よりも小さい第二閾値以下のとき、前記洗浄機構の作動を停止する洗浄停止工程と、を含む排水処理装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排水処理装置及び排水処理装置の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、排水（被処理水）を貯留する貯留槽と、酸素を透過する酸素透過膜を含み、貯留槽に収容された酸素透過膜ユニットとを備えた排水処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載の排水処理装置は、酸素透過膜ユニット（文献では酸素溶解膜モジュール）の下側に散気管を設け、散気管から空気を間欠的に供給して、貯留槽内を曝気している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１５３７３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の排水処理装置では、散気管により間欠的に曝気しているため、曝気に過不足が生じて、硝化及び脱窒といった生物処理が適正な運転から外れてしまうおそれがあった。

【0006】

そこで、適正な生物処理を実行できる排水処理装置及び排水処理装置の運転方法が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る第一の排水処理装置の特徴構成は、被処理水を貯留する貯留槽と、酸素を透過する酸素透過膜を含み、前記貯留槽に収容された酸素透過膜ユニットと、前記酸素透過膜に付着した生物膜の厚み度合を推定する膜厚推定部と、前記酸素透過膜を洗浄する洗浄機構と、前記洗浄機構の作動を制御する制御部と、を備え、前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素透過膜の内側から酸素含有気体を供給することにより、前記被処理水に対して生物処理を行い、前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素含有気体に含まれる酸素濃度が減少した気体を排出する排出流路の酸素濃度を計測する酸素濃度計測部を含んでおり、前記膜厚推定部は、前記酸素濃度計測部の計測値が基準酸素濃度以上となったとき、前記厚み度合が前記閾値以上であると推定し、前記制御部は、前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が閾値以上のとき、前記洗浄機構を作動させる点にある。
本発明に係る第二の排水処理装置の特徴構成は、被処理水を貯留する貯留槽と、酸素を透過する酸素透過膜を含み、前記貯留槽に収容された酸素透過膜ユニットと、前記酸素透過膜に付着した生物膜の厚み度合を推定する膜厚推定部と、前記酸素透過膜ユニットに洗浄用気体を吹き付けて前記酸素透過膜を洗浄する洗浄機構と、気泡を発生させる気泡発生部を有し、前記被処理水に対して好気性処理を行う散気装置と、前記洗浄機構の作動を制御する制御部と、を備え、前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素透過膜の内側から酸素含有気体を供給することにより、前記被処理水に対して生物処理を行い、前記洗浄機構へ前記洗浄用気体を供給する第一供給路は、前記気泡発生部へ前記酸素含有気体を供給する第二供給路から分岐しており、前記制御部は、前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が閾値以上のとき、前記第一供給路から前記洗浄機構へ前記洗浄用気体を供給して前記洗浄機構を作動させるとともに、前記第二供給路から前記気泡発生部へ供給する前記酸素含有気体の量を減少させる点にある。

【0008】

本構成における酸素透過膜ユニットでは、酸素透過膜の内側から供給される酸素が酸素透過膜を透過し、酸素透過膜の表面で被処理水中の窒素成分を硝化する硝化菌等の生物膜が形成され、窒素成分の硝化が行われて硝酸態窒素が生成される。この硝酸態窒素は、被処理水中の脱窒菌と脱窒菌の栄養となる有機物とにより還元されて窒素ガスが生成される。このように、酸素透過膜ユニットでは、硝化及び脱窒により、被処理水の窒素含有化合物が分解除去されて浄化される。

【0009】

このように、酸素透過膜の表面には、硝化菌と脱窒菌等とが内側から外側に向かって順に生物膜となって形成されるが、この生物膜が成長しすぎると、脱窒菌等が硝化菌や被処理水中の窒素成分の内側への侵入を阻止して、硝化菌により硝化が進行しないおそれがある。

【0010】

そこで、本構成における制御部は、膜厚推定部により推定された生物膜の厚み度合が閾値以上のとき、酸素透過膜を洗浄することとしている。これにより、成長しすぎた脱窒菌等が剥離して、生物膜の厚みが適正なものとなる。その結果、硝化及び脱窒といった生物処理が適正な運転から外れるといった不都合が防止され、適正な生物処理を実行することができる。

【0011】

他の特徴構成は、前記酸素透過膜ユニットは、前記酸素含有気体を排出する排出流路の酸素濃度を計測する酸素濃度計測部を含んでおり、前記膜厚推定部は、前記酸素濃度計測部の計測値が基準酸素濃度以上となったとき、前記厚み度合が前記閾値以上であると推定する点にある。

【0012】

脱窒菌等が硝化菌や被処理水中の窒素成分の内側への侵入を阻止した場合、硝化菌による酸素消費量が少なくなり、酸素透過膜ユニットの排出流路における酸素濃度が上昇する。つまり、酸素濃度計測部の計測値により生物膜の厚みを間接的に推定することができる。本構成のように、酸素濃度計測部の計測値が基準酸素濃度以上となったとき、生物膜の厚み度合が閾値以上であると推定すれば、簡便な方法で適正な生物処理を実行することができる。

【0013】

他の特徴構成は、気泡を発生させる気泡発生部を有し、前記被処理水に対して好気性処理を行う散気装置を更に備え、前記洗浄機構は、前記酸素透過膜ユニットに洗浄用気体を吹き付けて前記酸素透過膜を洗浄するよう構成されており、前記洗浄機構へ前記洗浄用気体を供給する第一供給路は、前記気泡発生部へ前記酸素含有気体を供給する第二供給路から分岐している点にある。

【0014】

本構成のように、散気装置による好気性処理で供給される酸素含有気体を用いて、洗浄機構による酸素透過膜の洗浄を行えば、洗浄機構用の気体供給源を別途用意する必要がなく、装置のコンパクト化と装置コストの低減を図ることができる。しかも、洗浄機構は、酸素透過膜の膜面から剥離させた汚泥を含め、貯留槽内に浮遊する汚泥の撹拌を兼ねるため、生物処理効率が向上する。

【0015】

他の特徴構成は、前記酸素透過膜ユニットに前記酸素含有気体を供給する第一供給源と、前記散気装置に前記酸素含有気体を供給する第二供給源とは異なっている点にある。

【0016】

本構成のように、酸素透過膜ユニットと散気装置への酸素含有気体の供給を別系統とすれば、酸素透過膜ユニットによる生物処理と散気装置による好気性処理との夫々に適したガス供給圧に設定することが可能となり、ファンやブロワなどの送風機関連のコストを縮減しつつ適正な生物処理を実行することができる。

【0017】

上記何れかの排水処理装置の運転方法に係る特徴は、前記酸素透過膜の内側から前記酸素含有気体を供給することにより、前記被処理水に対して生物処理を行う生物処理工程と、前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が前記閾値以上のとき、前記洗浄機構により前記酸素透過膜を洗浄する洗浄工程と、前記膜厚推定部により推定された前記厚み度合が前記閾値よりも小さい第二閾値以下のとき、前記洗浄機構の作動を停止する洗浄停止工程と、を含む点にある。

【0018】

本方法では、洗浄工程において、膜厚推定部により推定された生物膜の厚み度合が閾値以上のとき、酸素透過膜を洗浄して成長しすぎた脱窒菌等を剥離させる。また、洗浄停止工程において膜厚推定部により推定された生物膜の厚み度合が第二閾値以下のとき、洗浄機構の作動を停止すれば、生物膜を必要以上に剥離させることがない。その結果、生物膜の厚みが適度に維持されるので、硝化及び脱窒といった生物処理が適正な運転から外れるといった不都合が防止され、適正な生物処理を実行することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】排水処理システムにおける処理系列の説明図である。

【図2】排水処理装置の概略図である。

【図3】排水処理装置の制御フロー図である。

【図4】酸素透過膜及び生物膜の拡大断面図である。

【図5】酸素透過膜ユニットの概略斜視図である。

【図6】図５に示す酸素透過膜ユニットの詳細を示す概略斜視図である。

【図7】変形例における酸素透過膜ユニットの概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に、本発明に係る排水処理装置及び排水処理装置の運転方法の実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態における排水処理装置は、排水処理システム１００の一部を構成する嫌気処理装置１を一例として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

【0021】

〔全体構成〕
図１には、流入する排水（被処理水の一例）を浄化する排水処理システム１００の概略構成を図示している。この排水処理システム１００は、下水処理場等に設けられている。排水処理システム１００は、上流から連続的に流入する排水を生物処理する処理槽Ｒを備えている。処理槽Ｒは、嫌気処理装置１（排水処理装置の一例）と、嫌気処理装置１よりも下流側の好気処理装置２とを有する。

【0022】

本実施形態においては、処理槽Ｒに流入する排水は、少なくともアンモニア性窒素などの窒素含有化合物（以下、「窒素成分」と記載する）と、有機物とを含んでいる。処理槽Ｒでは、窒素成分を亜硝酸態窒素や硝酸態窒素に酸化する硝化（好気性処理）や、亜硝酸態窒素や硝酸態窒素を還元して窒素ガスに還元する脱窒（嫌気性処理）が行われる。以下では、亜硝酸態窒素と硝酸態窒素とを包括して、単に「硝酸態窒素」と記載する。

【0023】

本実施形態の排水処理システム１００は、処理槽Ｒの上流に最初沈殿池９１、処理槽Ｒの下流に最終沈殿池９９を含んでいる。排水処理システム１００は、最初沈殿池９１、処理槽Ｒ及び最終沈殿池９９を有する複数の処理系列Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３等を有する場合がある。これら処理系列Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、いずれも等価である。以下では、処理系列Ｎ１について説明するが、処理系列Ｎ２，Ｎ３についても同様である。なお、本実施形態において処理槽Ｒに貯留されている排水の概念には、活性汚泥としての硝化菌や脱窒菌を含む浮遊物質（ＳＳ）が懸濁状態で存在している、いわゆる混合液の概念を含む。

【0024】

〔各部の説明〕
最初沈殿池９１は、流入した排水に含まれる土砂や夾雑物、汚泥の一部を沈降させて除去するための槽である。最初沈殿池９１で除去されなかった窒素成分と有機物とを含む排水が処理槽Ｒ（嫌気処理装置１）へ流入する。

【0025】

処理槽Ｒは、少なくとも１つの嫌気処理装置１と、嫌気処理装置１よりも下流に直列的に接続された少なくとも１つの好気処理装置２とを有する。本実施形態における処理槽Ｒは、排水を貯留する貯留槽１０が、嫌気処理装置１及び好気処理装置２にて兼用されており、隔壁１０ａにて嫌気処理装置１と好気処理装置２とが隔てられている（図２参照）。つまり、１つの貯留槽１０に貯留された排水は、嫌気処理装置１から好気処理装置２に向けて流通する。嫌気処理装置１に流入した排水は、嫌気処理装置１で所定時間だけ滞留して好気処理装置２に流入する。好気処理装置２に流入した排水は、好気処理装置２で所定時間だけ滞留して流出する。好気処理装置２では、主として硝化が進行する。嫌気処理装置１では、主として脱窒が進行し、併せて硝化も進行する。好気処理装置２から流出した排水の一部は、返送流路９を介してポンプ（図示せず）などで送液されて嫌気処理装置１に返送（供給）される。以下では、返送流路９により嫌気処理装置１に返送される処理水を硝化液と記載する。なお、貯留槽１０が隔壁１０ａにて嫌気処理装置１と好気処理装置２とが隔てられている方が良いが、隔壁１０ａが無くても良い。

【0026】

処理槽Ｒは上記構成に限定されるものでなく、好気槽から流出した排水の一部を無酸素槽へ返送して脱窒を行う嫌気無酸素好気法を行うような嫌気処理槽（排水処理装置の一例）、無酸素処理槽（排水処理装置の一例）、好気処理槽を有する構成としても良いし、ステップ流入式多段硝化脱窒法で嫌気無酸素好気法を行うような嫌気処理槽（排水処理装置の一例）、第一無酸素槽（排水処理装置の一例）、第一好気槽、第二無酸素槽（排水処理装置の一例）、第二好気槽、・・・第Ｎ無酸素槽（排水処理装置の一例）、第Ｎ好気槽を有する構成としても良いし、ステップ嫌気好気法を行うような第一無酸素槽（排水処理装置の一例）、第一好気槽、第二無酸素槽（排水処理装置の一例）、第二好気槽、・・・第Ｎ無酸素槽（排水処理装置の一例）、第Ｎ好気槽を有する構成としても良いし、嫌気槽及び好気槽別々に設けるのではなく、１つの槽内で上流側を嫌気，無酸素領域（排水処理装置の一例）、下流側を好気領域とする単一の生物反応槽としても良い。脱窒は何れの構成においても嫌気処理槽や無酸素槽で進行する。

【0027】

嫌気処理装置１は、排水が嫌気的な環境（溶存酸素の乏しい環境）に保たれた槽である。嫌気処理装置１では、主として脱窒を行い、併せて硝化も行う。嫌気処理装置１の貯留槽１０内部の排水には、酸素透過膜３０を有する酸素透過膜ユニット３が浸漬されている（図２参照）。

【0028】

嫌気処理装置１では、酸素透過膜３０を介して排水に酸素が供給されており、酸素透過膜３０の表面近傍で硝化が進行する。嫌気処理装置１における酸素透過膜３０の表面近傍以外の領域は嫌気的な環境に保たれており、脱窒菌により脱窒が進行する。嫌気処理装置１の詳細は、後述する。

【0029】

図２に示すように、好気処理装置２は、排水が好気的な環境（溶存酸素に富む環境）に保たれた槽である。好気処理装置２の貯留槽１０内部の排水には、散気装置５の曝気用気泡発生部５１が浸漬されている（図２参照）。散気装置５は、気泡を発生させて排水に酸素を供給する曝気用気泡発生部５１と、曝気用気泡発生部５１に対して空気（酸素含有気体の一例）を供給する曝気用空気供給路５２（第二供給路に相当）と、例えばファンやブロワなどで構成される送風機Ａ（第二供給源に相当）と、曝気用空気供給路５２を開閉する電動弁等で構成される開閉弁５２ａと、を有している。本実施形態における曝気用空気供給路５２は複数設けられており、夫々の曝気用空気供給路５２の空気量を開閉弁５２ａによって調整できるように構成されている。開閉弁５２ａは、全ての曝気用空気供給路５２の空気量を調整する第一開閉弁５２ａ１と、少なくとも１つの曝気用空気供給路５２の空気量を調整する第二開閉弁５２ａ２とを有している。

【0030】

好気処理装置２では、曝気用気泡発生部５１からバブリングにより空気が供給（散気）されており、気泡からの酸素の溶解により、排水に酸素が供給されている（いわゆる曝気）。これにより、好気処理装置２は好気的な環境に保たれる。好気処理装置２では、曝気用気泡発生部５１により供給される酸素を利用した硝化や有機物の分解が進行する。好気処理装置２から最終沈殿池９９に排出される排水の一部、つまり、好気処理装置２で好気処理された排水の一部は硝化液として嫌気処理装置１に返送される（図１参照）。

【0031】

図１に戻り、最終沈殿池９９は、好気処理装置２から流出した排水を受け入れて、排水中の活性汚泥などを沈降させる沈降槽である。本実施形態では、最終沈殿池９９において沈殿した汚泥が、返送流路９により嫌気処理装置１に返送される。

【0032】

〔嫌気処理装置〕
図２に示すように、嫌気処理装置１は、排水を貯留する貯留槽１０と、酸素を透過する酸素透過膜３０を含み、貯留槽１０に収容された酸素透過膜ユニット３と、酸素透過膜ユニット３に空気（酸素含有気体の一例）を供給する供給管３１と、酸素透過膜ユニット３から空気に含まれる酸素濃度が減少した気体を排出する排出管３２と、を備えている。

【0033】

酸素透過膜ユニット３は、酸素透過膜３０の内側から空気を供給することにより、排水に対して生物処理を行う。図５～図６に示すように、酸素透過膜ユニット３は、内部に空気を流通させる支持体３５と、支持体３５を包囲するように配置され、酸素を透過する平膜状に形成された一対の酸素透過膜３０と、を有し、複数の酸素透過膜ユニット３が、フレーム体３７に固定された複数の支持柱３６に吊り下げられて、モジュールを構成している。これら複数の酸素透過膜ユニット３は、夫々がスペーサ３８により、所定の間隔で並んでいる。他の例として、図７に示すように、酸素透過膜ユニット３は、内部に空気を流通させる筐体３３と、筐体３３の一対の側面に配置（固定）され、酸素を透過する平膜状に形成された一対の酸素透過膜３０と、を有し、複数の酸素透過膜ユニット３が、連結板３４により一体化されてモジュールを構成している。また、複数の酸素透過膜ユニット３は、夫々、供給管３１及び排出管３２と接続される複数の接続管３１ａ，３２ｂを有している。これにより、供給管３１から供給された空気が接続管３１ａを介して酸素透過膜ユニット３に供給され、酸素透過膜ユニット３にて空気に含まれる酸素が消費されて生成された気体が接続管３２ｂを介して排出管３２から排出される。

【0034】

図５～図６に示す支持体３５は、内部に重力方向に沿った複数の気体流路Ａｆを有しており、一対の酸素透過膜３０が密着する一対の側面全体に多数の微細孔部（不図示）を有する樹脂や不織布等で形成されている。また、一対の酸素透過膜３０には、内部に支持体３５を収容した状態で、夫々の気体流路Ａｆに空気を均等に分配する上方空間３５ａを形成するように、周囲が溶着等で固定された密封部３０ａが形成されている。図７に示す筐体３３は、上下方向に配置された複数の仕切板３３ａで区画されることにより蛇行した気体流路Ａｆを内部に有する金属材料や樹脂材料で構成されている。また、筐体３３のうち酸素透過膜３０が固定される一対の側面全体には、多数の微細孔部（不図示）が形成されており、これら微細孔部から空気を酸素透過膜３０に向けて均等に放出する。

【0035】

図２に示すように、酸素透過膜３０は、筐体３３の内部を流通する空気に含まれる酸素を透過させて酸素透過膜３０外側の排水に供給する、酸素透過能を有する平膜材料で構成されている。この平膜材料は、内側から酸素を透過させると共に外側から内側に排水を透過させない特性を有する樹脂等で形成される微細多孔シートを含んでおり、この微細多孔シートの外側には微生物を保持する生物膜層が排水処理により形成される。本実施形態における支持体３５又は筐体３３に設けられた酸素透過膜３０の平膜面は、貯留槽１０内の排水の流通方向及び洗浄用気泡発生部４１（気泡発生部に相当）から噴出される気泡の流通方向に対して、平行に設けられている。

【0036】

供給管３１には、例えばファンやブロワなどで構成される送風機３１ｂ（第一供給源に相当）から２０ｋＰａ以下の小さな送風圧力で空気が供給されており、この供給された空気に含まれる酸素を、酸素透過膜３０を介して排水に供給する。排出管３２は、外部（大気）に連通して空気を排出する排出流路３２ａの酸素濃度を計測する酸素濃度計測部Ｓを有している。この排出流路３２ａは、全ての酸素透過膜３０の内側を通過した空気が合流する流路であり、貯留槽１０の水面よりも上側に位置する部位に酸素濃度計測部Ｓが設けられる。酸素濃度計測部Ｓは、空気中の酸素濃度を計測することができる公知の酸素濃度計で構成されている。

【0037】

酸素透過膜ユニット３は、供給された空気に含まれる酸素を、複数の酸素透過膜３０を介して排水に供給する。酸素透過膜ユニット３は、全体が排水に浸漬されている。このため、酸素透過膜３０が破損したときに排水が逆流しないように、供給管３１と接続され複数の酸素透過膜３０に空気を供給するための複数の接続管３１ａには、空気の流通を許容すると共に排水の浸入により流体の流通を遮断する止水弁Ｖａが設けられている（図５も参照）。同様に、排出管３２と接続され複数の酸素透過膜３０から空気を排出するための複数の接続管３２ｂには、空気の流通を許容すると共に排水の浸入により流体の流通を遮断する止水弁Ｖｂが設けられている。換言すると、複数の接続管３１ａ，３２ｂの夫々には、供給管３１から酸素透過膜ユニット３への空気の流通及び酸素透過膜ユニット３から排出管３２への気体の流通を許容すると共に、酸素透過膜ユニット３から供給管３１及び排出管３２への排水の浸入を遮断する止水弁Ｖａ，Ｖｂが設けられている。

【0038】

供給管３１に接続された接続管３１ａに設けられる止水弁Ｖａは、空気の背圧を受けて開弁し、空気の流通方向とは反対方向の排水の流体圧を受けて閉弁する公知の逆止弁等で構成されている。排出管３２に接続された接続管３２ｂに設けられる止水弁Ｖｂは、水位が低下したときには開弁し、水位が上昇したときにはフロートが浮き上がって閉弁する公知の空気抜き弁等で構成されている。

【0039】

酸素透過膜３０の膜表面上には、図４に示すように、生物膜Ｌが形成される。本実施形態における生物膜Ｌは、酸素透過膜３０の膜表面（外表面）に隣接して成長し、硝化菌を主として含む第一生物膜Ｌａと、生物膜Ｌの外表面側で成長し、脱窒菌を主として含む第二生物膜Ｌｂとを含んでいる。

【0040】

第一生物膜Ｌａでは、硝化菌が、酸素透過膜３０から供給される酸素により排水中の窒素成分（例えば、ＮＨ_４ ^＋）を酸化（硝化）して、硝酸態窒素（ＮＯ_ｘ ^－）を生成する。第一生物膜Ｌａでは、酸素透過膜３０から供給される酸素は消費し尽くされる。なお、嫌気処理装置１では、第一生物膜Ｌａにより、排水中の窒素成分の一部が硝化される。

【0041】

このように本実施形態における排水処理システム１００は、好気処理装置２と、嫌気処理装置１における第一生物膜Ｌａとで硝化することができるため、好気処理装置２のみで硝化する場合に比べて、好気処理装置２をコンパクト化できる。これにより、処理槽Ｒや、排水処理システム１００全体をコンパクト化できる。

【0042】

第二生物膜Ｌｂ及び第二生物膜Ｌｂの外部領域（酸素透過膜ユニット３及び生物膜Ｌ以外の排水中）では、脱窒菌が、排水中の有機物（ＢＯＤ）を栄養源として硝酸態窒素（ＮＯ_ｘ ^－）を還元（脱窒）して窒素ガス（Ｎ_２）を放出する。なお、嫌気処理装置１で脱窒される硝酸態窒素は、第一生物膜Ｌａにより生成されたものと、好気処理装置２から嫌気処理装置１に返送された硝化液に含まれるものとの両方である。嫌気処理装置１では、嫌気処理装置１に流入した硝酸態窒素成分のほぼ全部が窒素ガスに還元（脱窒）される。

【0043】

生物膜Ｌは、過度に成長すると（膜の厚みが厚くなりすぎると）膜内部（酸素透過膜３０から酸素の供給が可能な領域）へのアンモニア性窒素や硝酸態窒素の供給が阻害され、効率的に硝化が進行しない場合がある。そのため、図２に示すように、嫌気処理装置１には、過度に成長した生物膜Ｌを酸素透過膜３０から脱落させる洗浄機構４を設けている。

【0044】

嫌気処理装置１は、酸素透過膜ユニット３の下方から気体を吹き付けて酸素透過膜３０を洗浄する洗浄機構４を備えている。洗浄機構４は、貯留槽１０の底部に固定された洗浄用気泡発生部４１と、洗浄用気泡発生部４１に対して空気（洗浄用気体の一例）を供給する洗浄空気供給路４２（第一供給路に相当）と、例えばファンやブロワなどで構成される送風機Ａと、洗浄空気供給路４２を開閉する電動弁等で構成される洗浄用開閉弁４２ａと、を有している。洗浄用気泡発生部４１は、供給された空気を吹き出すための複数の孔部が設けられた散気管（図示せず）などを有する。洗浄用気泡発生部４１は、酸素透過膜３０に空気を供給する送風機３１ｂの送風圧力よりも大きな所定の送風圧力で、送風機Ａから洗浄空気供給路４２を介して酸素透過膜３０に気泡を噴射する。なお、上述した洗浄機構４に代えて、又は洗浄機構４に加えて、酸素透過膜ユニット３を機械的振動や超音波照射によりシェイキングして酸素透過膜３０を洗浄する洗浄機構４を設けても良い。

【0045】

上述したように、酸素透過膜３０の表面には、硝化菌と脱窒菌等とが内側から順に生物膜Ｌとなって形成されるが、この生物膜Ｌが成長しすぎると、脱窒菌等が硝化菌や排水中の窒素成分の内側への侵入を阻止して、硝化菌により硝化が進行しないおそれがある。また、脱窒菌等が硝化菌や排水中の窒素成分の内側への侵入を阻止した場合、硝化菌による酸素消費量が少なくなり、排出流路３２ａにおける酸素濃度が上昇する。

【0046】

そこで、本実施形態における嫌気処理装置１は、酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚み度合を推定する膜厚推定部７１と、洗浄機構４の作動を制御する制御部７２と、を備えている。膜厚推定部７１及び制御部７２は、各種処理を実行するＣＰＵやメモリを中核としたソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアとの協働により構成されている。ここで、「生物膜Ｌの厚み度合」とは、生物膜Ｌの厚みを直接的に計測して推定する場合と、生物膜Ｌの厚みを異なるパラメータから間接的に推定する場合とを含む。

【0047】

膜厚推定部７１は、酸素濃度計測部Ｓの計測値が基準酸素濃度（例えば１６ｖоｌ％、好ましくは１２ｖоｌ％）以上となったとき、酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚み度合が閾値以上であると推定する。閾値は、貯留槽１０に貯留される排水の窒素成分濃度や酸素透過膜３０の形態に応じて、予め設定されている。なお、これら基準酸素濃度や閾値は、機械学習によって更新しても良い。

【0048】

制御部７２は、膜厚推定部７１により酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚み度合が閾値以上であると推定されたとき、洗浄機構４を作動させる。具体的には、制御部７２は、第二開閉弁５２ａ２を閉じて、少なくとも１つの曝気用空気供給路５２への空気供給を遮断し、洗浄用開閉弁４２ａを開いて、洗浄空気供給路４２への空気供給を開始する。これにより、成長しすぎた脱窒菌等が剥離して、生物膜Ｌの厚みが適正なものとなる。

【0049】

また、本実施形態では、酸素濃度計測部Ｓの計測値により生物膜Ｌの厚みを間接的に推定しているため、簡便な方法で適正な生物処理を実行することができる。また、散気装置５による好気性処理で供給される空気を用いて、洗浄機構４による酸素透過膜３０の洗浄を行えば、洗浄機構４用の気体供給源を別途用意する必要がなく、装置のコンパクト化と装置コストの低減を図ることができる。しかも、空気で洗浄する際に好気性処理も同時に実行されるため、散気装置５の負荷を低減することができる。

【0050】

また、本実施形態では、酸素透過膜ユニット３と散気装置５への空気の供給を別系統としているので、酸素透過膜ユニット３による生物処理と散気装置５による好気性処理との夫々に適したガス供給圧に設定することが可能となり、適正な生物処理を実行することができる。

【0051】

続いて、嫌気処理装置１（排水処理装置）の運転方法について、図２及び図４を参照しながら、図３に示す制御フローを用いて説明する。

【0052】

本実施形態における嫌気処理装置１の運転方法は、酸素透過膜３０の内側から空気を供給することにより、排水に対して生物処理を行う生物処理工程（図３の＃３０）と、膜厚推定部７１により推定された生物膜Ｌの厚み度合が閾値以上のとき、洗浄機構４により酸素透過膜ユニット３に向けて空気を吹き付け、酸素透過膜３０を洗浄する洗浄工程（図３の＃３３）と、膜厚推定部７１により推定された生物膜Ｌの厚み度合が閾値よりも小さい第二閾値以下のとき、洗浄機構４の作動を停止する洗浄停止工程（図３の＃３５）と、を含んでいる。

【0053】

嫌気処理装置１を作動させると、送風機３１ｂが駆動し、酸素透過膜ユニット３における酸素透過膜３０の内側から２０ｋＰａ以下の小さな送風圧力で空気を供給することにより、排水に対して生物処理（好気性処理及び嫌気性処理）を行う（図３の＃３０、生物処理工程）。酸素透過膜３０を介して排水に酸素が供給されることにより、生物膜Ｌ（第一生物膜Ｌａ及び第二生物膜Ｌｂ）が成長する。次いで、第一生物膜Ｌａより酸素が消費された空気が流通する排出管３２（排出流路３２ａ）の酸素濃度を酸素濃度計測部Ｓにより計測する（図３の＃３１）。

【0054】

次いで、膜厚推定部７１は、酸素濃度計測部Ｓの計測値に基づいて、酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚み度合を推定する（図３の＃３２）。酸素濃度計測部Ｓの計測値が基準酸素濃度未満であれば（図３の＃３２Ｎо）、生物膜Ｌの厚さが適正な範囲にあると推定し、洗浄機構４を作動させることなく、通常運転を継続する。

【0055】

一方、酸素濃度計測部Ｓの計測値が基準酸素濃度以上となれば（図３の＃３２Ｙｅｓ）、制御部７２は、洗浄機構４を作動させて、酸素透過膜３０を洗浄する（図３の＃３３、洗浄工程）。洗浄機構４の作動にあたり、制御部７２は、第二開閉弁５２ａ２を閉じて、少なくとも１つの曝気用空気供給路５２への空気供給を遮断し、洗浄用開閉弁４２ａを開いて、洗浄空気供給路４２への空気供給を開始する。なお、一時的に散気装置５による曝気処理能力が低下するが、酸素透過膜３０の洗浄を優先することにより酸素透過膜３０の好気性処理能力が向上するため、全体的な処理効率の低下を最小限に抑えることができる。

【0056】

洗浄機構４を作動させると、洗浄用気泡発生部４１からの気泡が酸素透過膜３０の表面に沿って流通し、生物膜Ｌのうち外側にある第二生物膜Ｌｂが優先的に剥離して落下する。その結果、脱窒菌等（第二生物膜Ｌｂ）が硝化菌（第一生物膜Ｌａ）や排水中の窒素成分の内側への侵入を阻止することが抑制され、硝化菌による酸素消費量が大きくなり、酸素透過膜ユニット３の排出流路３２ａにおける酸素濃度が低下する。次いで、膜厚推定部７１は、再度、酸素濃度計測部Ｓの計測値に基づいて、酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚み度合を推定する（図３の＃３４）。第二生物膜Ｌｂが剥離したとき、生物膜Ｌの厚さが未だ適正な範囲となっていないにも関わらず、酸素を消費していない新しい硝化菌により酸素消費量が急激に増加することが想定される。

【0057】

そこで、本実施形態における膜厚推定部７１では、生物膜Ｌの厚み度合が閾値よりも小さい第二閾値以下のとき、酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚みが適正に減少したと推定する。つまり、膜厚推定部７１は、酸素濃度計測部Ｓの計測値が、閾値に対応する基準酸素濃度よりも小さい第二閾値に対応する値（基準酸素濃度－α（例えば１２ｖоｌ％、好ましくは１０ｖоｌ％））以下となったとき、生物膜Ｌの厚さが適正な範囲にあると推定する。

【0058】

＃３４の判定の結果、酸素濃度計測部Ｓの計測値が、（基準酸素濃度－α）以下であれば（図３の＃３４Ｙｅｓ）、洗浄機構４の作動を停止する（図３の＃３５、洗浄停止工程）。洗浄機構４の停止にあたり、制御部７２は、第二開閉弁５２ａ２を開いて、少なくとも１つの曝気用空気供給路５２への空気供給を再開し、洗浄用開閉弁４２ａを閉じて、洗浄空気供給路４２への空気供給を遮断する。一方、酸素濃度計測部Ｓの計測値が、（基準酸素濃度－α）超であれば（図３の＃３４Ｎｏ）、洗浄機構４の作動を継続する。なお、第二閾値対応する値は、基準酸素濃度と同一にしても良いし、基準酸素濃度よりも大きな値に設定しても良い。

【0059】

［その他の実施形態］
（１）上述した酸素透過膜ユニット３は、平膜状の酸素透過膜３０に限定されず、当分野で公知の酸素透過膜を利用することができる。例えば、複数の筒状体で形成して、この筒状体の内部に空気を流通させても良い。
（２）上述した実施形態における酸素透過膜ユニット３は、上下方向、左右方向に複数設けても良い。この場合、複数の酸素透過膜ユニット３を上下左右に整列して配置させても良いし、千鳥配置する等しても良い。
（３）上述した実施形態では、複数の酸素透過膜ユニット３を支持柱３６又は連結板３４で連結してモジュールを形成したが、１つの酸素透過膜ユニット３でも良いし、複数の酸素透過膜ユニット３を連結することなく個別に設置しても良い。
（４）上述した実施形態では、酸素透過膜３０の平膜面を排水の流通方向に平行に設けたが、排水の流通方向に対して交差させても良い。

【0060】

（５）嫌気処理装置１と好気処理装置２とは、夫々個別の貯留槽１０を備えても良い。
（６）図７に示す筐体３３は、仕切板３３ａにより蛇行した気体流路Ａｆを内部に形成したが、供給管３１及び排出管３２に夫々合流する合流路（ヘッダ管）から分岐した分岐路に連通する平行な直線状の複数の気体流路を内部に形成しても良い。
（７）上述した実施形態における第一供給路としての洗浄空気供給路４２と第二供給路としての曝気用空気供給路５２とは、異なる気体供給源に接続される各別の配管で構成しても良い。この場合、洗浄空気供給路４２に供給する洗浄用気体は、空気等の酸素含有気体に限定されず、不活性ガス等で構成しても良い。
（８）上述した酸素透過膜３０の洗浄において、少なくとも１つの曝気用空気供給路５２への空気供給を遮断する際、上流側の散気装置５への供給を遮断し、下流側への空気供給は継続するようにしても良い。そうすると洗浄時においても、未処理のアンモニア性窒素が処理水として流出することが防止できるので安定した処理水質を確保することが可能となる。

【0061】

（９）上述した実施形態における第一供給源としての送風機３１ｂと第二供給源としての送風機Ａとを兼用し、酸素透過膜３０への空気供給量を調節する調整弁を設けても良い。
（１０）酸素透過膜ユニット３は、供給管３１及び排出管３２を水面より上側に配置して、止水弁Ｖａ，Ｖｂを省略しても良い。
（１１）上述した実施形態における膜厚推定部７１は、生物膜Ｌの膜厚を膜厚センサーにより直接計測しても良いし、酸素透過膜３０の重量を計測する重量センサーにより生物膜Ｌの膜厚を推定しても良いし、排水中のアンモニア濃度により生物膜Ｌの膜厚を推定しても良い。
（１２）膜厚推定部７１は、酸素濃度計測部Ｓで計測された酸素濃度の変化量から、生物膜Ｌの膜厚を推定し、洗浄機構４を作動させても良い。

【0062】

（１３）上述した実施形態における制御部７２は、膜厚推定部７１により酸素透過膜３０に付着した生物膜Ｌの厚み度合が閾値以上であると推定されたとき、第二開閉弁５２ａ２を閉じて、少なくとも１つの曝気用空気供給路５２への空気供給を遮断し、洗浄用開閉弁４２ａを開いて、洗浄空気供給路４２への空気供給を開始した。これに代えて、第二開閉弁５２ａ２を開いたまま、洗浄用開閉弁４２ａを開いて、洗浄空気供給路４２への空気供給を開始しても良い。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は、排水処理装置及び排水処理装置の運転方法に利用可能である。

【符号の説明】

【0064】

１ ：嫌気処理装置（排水処理装置）
３ ：酸素透過膜ユニット
４ ：洗浄機構
５ ：散気装置
１０ ：貯留槽
３０ ：酸素透過膜
３１ｂ ：送風機（第一供給源）
３２ａ ：排出流路
４１ ：洗浄用気泡発生部（気泡発生部）
４２ ：洗浄空気供給路（第一供給路）
５２ ：曝気用空気供給路（第二供給路）
７１ ：膜厚推定部
７２ ：制御部
Ａ ：送風機（第二供給源）
Ｌ ：生物膜
Ｓ ：酸素濃度計測部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】