成果報告書詳細
管理番号20130000000806
タイトル*平成24年度中間年報 最先端PG(Mega-ton Water System)資源生産型革新的下水統合膜処理システム MBR+システムの開発(H24-H25)
公開日2014/1/10
報告書年度2012 - 2012
委託先名国立大学法人東京大学 東レ株式会社 地方共同法人日本下水道事業団 独立行政法人国立高等専門学校機構函館工業高等専門学校 三菱レイヨン株式会社
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約MBR+システムは次の3つのモジュール、超コンパクトMBR (itMBR)、栄養塩固定化・発電・水生産 (HMS/FO)、エネルギー生産・資源回収・有害物固定化 (HTG)で構成される。
1. itMBR
1-1. パイロットitMBRの運転による汚泥管理手法の確立
パイロットリアクターの運転を継続し、これまでに1年以上の連続運転を達成した。その間、環境条件および処理条件の変動にもかかわらず、期間を通じて安定した高いCOD除去率を維持し、汚泥濃縮槽からは高濃度の余剰汚泥を安定的に回収できた。また、汚泥生産槽中MLSS濃度に基づいた返送汚泥量の自動調節システムも新たに導入した。
1-2. 新規膜モジュールの開発と性能評価
試作モジュールの長期運転試験を実施し、モジュール内への汚泥の堆積による急激な差圧上昇を確認した。モジュールに汚泥排出機構を付与したところ、差圧上昇を抑制する効果が見られた。その他にも、薄型モジュールの性能評価やプレフィルタの物理洗浄手法について検討を進めた。
1-3. 膜モジュール表面上の流体挙動解析
円柱形や新規直方体形モジュールにバッフル棒を装着した場合について、流体挙動解析と後流渦の定性的評価を実施した。検討したパラメータの中でも流速やバッフル棒外径が渦流速に影響を及ぼすことが示された。
1-4. 電気化学的膜洗浄デバイスの開発
ベンチトップMBRを用いて、電気分解装置を搭載した中空糸膜モジュールによる運転試験を行った。膜近傍での電気分解反応により、ファウリングの発達が大きく抑制されることが明らかとなった。一方で、電気分解反応による有機物および硝化反応への影響は観測されなかった。電気分解に要する電力は0.04 kWh/m3程度と試算され、運転コストへの影響は十分に小さいことも明らかにした。
2. HMS/FO
2-1. 海水の浸透ポテンシャルを用いた正浸透(FO)膜ろ過による栄養塩回収・濃縮
FO膜ろ過における栄養塩の保持性能をベンチトップのバッチろ過試験により評価した。リン酸については比較的高い保持率が得られた。窒素成分については、アンモニア、亜硝酸、硝酸の順で保持率が高く、前段のitMBRにおける硝化抑制を支持する結果が示された。また、実itMBR処理水を使用した性能評価試験ではアンモニア80%以上、窒素成分以外の主要溶存成分についても90%以上の高い保持率が得られた。その他にも、長期運転時のファウリングの影響評価やFO膜ろ過の数理モデル化を実施した。
2-2. 逆浸透(RO)および膜蒸留(MD)による超高水回収
90%超の高水回収を目的として、ROとMDを組み合わせたユニットにより水回収および性能試験を実施した。itMBR処理水をRO処理(水回収率80%)して得られた濃縮水を使用し、ベンチトップMDユニットでの水回収試験を行った結果、顕著なろ過フラックスの低下もなく、ROと合わせて95%までの超高水回収を達成することができた。
3. HTG
無機塩類除去とガス化反応を一体化させたベンチスケールの連続式超臨界水ガス化装置を作製し、動作確認と安全な操作プロトコルの検討を行った。また、昨年度に実施した試計算をもとに連続式超臨界水ガス化システムの設計を行い、フィージビリティ検討(FS)に向けた設計諸元の決定および設置面積の試算を実施した。
4. MBR+システムのFS調査
MBR+システムを構成するitMBR、RO膜処理、水力発電、水熱ガス化処理、燃料電池について実規模仕様を検討した上で試設計を行ない、建設費、維持管理費、エネルギー使用量/生産量などを試算した。
英文要約MBR+ System consists of three modules: ultra compact MBR (itMBR), hybrid membrane system (HMS)/forward osmosis (FO), and hydrothermal gasification (HTG).
1. itMBR:
1-1. Establishment of operational condition and sludge management of itMBR: Operation of pilot itMBR was continued from last year. Despite the seasonal temperature fluctuations, it sustained high COD removal and harvested dense excess sludge with stability. Return sludge rate was automatically controlled based on the MLSS concentration in the sludge production tank.
1-2. Novel exploitation of membrane modules: Development of flat-type module with prefilter was continued. From the long term operation test, penetration of the sludge inside the module was observed causing a increase of transmembrane pressure. Stable run was realized when a sludge discharge function was equipped to the module. Investigations on thin-type module and physical cleaning method were also worked on.
1-3. Micro-flow analysis at membrane surface: A measurement method of fluid behavior over the novel membrane module with prefilter was established under low velocity. The baffle rods over the surface of prefilter of module developed vortex flows after the rods in some cases.
1-4. Development of electrochemical membrane cleaning device: Effect of electrochemical oxidation (EO) on the development of membrane fouling was evaluated using bench-top MBRs. Installation of EO significantly prolonged its cleaning cycle interval, while sludge characteristics and treatment performances were not affected. The energy consumption was comparatively low, estimated to be 0.04 kWh/m3.
2. HMS/FO:
2-1. Nutrient recovery/concentration by FO filtration utilizing seawater osmotic potential: Performance of FO was evaluated by using bench-top FO unit. Phosphate retention was relatively high and stable, while those of nitrogen compounds were in the order of NH3>NO2>NO3, indicating that the nitrification was suppressed. By using real itMBR effluent, retention of >80% for NH3 and >90% for compounds/ions other than nitrogen compounds was observed. Investigations on the fouling through long term operation and numerical model simulation were also worked on.
2-2. Ultra high water recovery by combination of reverse osmosis (RO) and membrane distillation (MD): RO brine of itMBR effluent was introduced to the bench-top MD unit. Total water recovery of 95% was achieved without significant flux drop.
3. HTG: Supercritical water gasification (SCWG) reactor integrated with inorganic removal was designed and fabricated for bench-scale continuous SCWG system and test runs were carried out. Reactors and auxiliaries were designed based on the process evaluation conducted last year, followed by the estimation of installation area.
4. Feasibility study on the MBR+ system: General design of five selected unit processes was carried out, followed by calculations of evaluation parameters including capital and operational costs and energy consumption/recovery.
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