成果報告書詳細
管理番号20150000000060
タイトル平成22年度-25年度成果報告書 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
公開日2015/3/25
報告書年度2010 - 2013
委託先名東京大学 三菱レイヨン株式会社 東レ株式会社 日本下水道事業団 函館工業高等専門学校
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itMBRの長期連続運転を行い汚泥管理手法を確立した。環境条件および処理条件の変動にも対しても安定した高い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
新規な平膜型中空糸ハイブリッド膜モジュールを開発した。新規膜モジュールの開発に当たり、モジュールの形状やプレフィルタの素材等の基礎的検討を進めた。また、プレフィルタの物理洗浄手法について圧縮空気を導入する新規手法を開発し、その有効性を示した。
1-3. 膜モジュール表面上の流体挙動解析
膜モジュール表面上の流体挙動解析のための計測システムを確立した。当システムにより、省エネ型膜洗浄法への利活用が期待できるリフトアップフローが、バッフル棒を膜モジュール近傍に設置することだけで生成される様子を観測した。
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見られなかった。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
海水駆動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。窒素成分についても保持率が高く、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。更に、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
大型バッチ式装置を用い、各運転条件が下水汚泥の超臨界水ガス化に及ぼす影響について検討した。前処理法として、亜臨界水可溶化や無機塩類除去の検討も行った。それらの結果を基に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ガス化装置を開発し、90%超のガス化率を実証した。また、連続式超臨界水ガス化システムの設計も行い、同システム導入により創エネが達成できることを明示した。
4. MBR+システムのFS調査
MBR+システムを構成するitMBRを始めとした主要5項目について試設計を行ない、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: An aerobic biomass production reactor with novel membrane modules was developed. Despite seasonal temperature fluctuations, it sustained high COD removal and successful suppression of nitrification while stably harvesting dense excess sludge under short HRT.
1-2. Novel exploitation of membrane modules: A novel flat-type hollow fiber hybrid membrane module was developed. Studies on module configuration and pre-filter material were conducted for its development. Investigations on cleaning method using compressed air were also worked on revealing its validity.
1-3. Micro-flow analysis at membrane surface: A measurement method of fluid behavior over the membrane module was established under low flow velocity. The baffle rods set near module surface contributed to the production of lift up eddies, which can be utilized to a novel cleaning method with low-energy consumption.
1-4. Development of electrochemical membrane cleaning device: Effect of electrochemical oxidation (EO) on membrane fouling was evaluated using bench-top MBRs. Installation of EO significantly prolonged its cleaning cycle interval, without affecting sludge characteristics and treatment performances. 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 seawater-driven FO was evaluated by using bench-top FO unit. Ammonia showed higher retention than nitrate/nitrite, supporting nitrification-suppressing operation in itMBR. [T1]By using real itMBR effluent, retention of >80% for ammonia and >90% for phosphate and other compounds/ions was observed. Investigations on 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: Effect of operational parameters on gas efficiencies was evaluated using a bench-scale supercritical water gasification (SCWG) reactor. Pre-treating process such as subcritical water liquefaction and metal removal was also investigated. Finally, a bench-scale continuous SCWG was fabricated, achieving gas efficiency over 90%. In addition, calculation on energy balance of continuous sewage sludge SCWG system was conducted. The calculation results clearly demonstrated that the system is energy productive.
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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