JP2014176802A - 水処理用カラム及び前処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜ろ過に対する生物学的要因の影響を抑制することが可能な水処理用カラム及びこのカラムが用いられる前処理装置を提供する。
【解決手段】水処理用カラムには、微生物による代謝物の産生を促す伝達物質を、前記微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工した担体が充填される。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、海水、汽水及び地下水、下水等を処理する水処理システムで用いられる前処理装置、及び、この装置で用いられる水処理用カラムに関する。

従来、水処理分野において、イオン又は塩類等の溶質を含む海水、汽水及び地下水、下水等をろ過し、生活用水、工業用水及び農業用水を得る方法として膜モジュールによる膜ろ過が用いられている。

膜ろ過法では、ろ過の過程において、膜面上や膜内に浮遊物質等が付着又は堆積することで膜を詰まらせるファウリングが発生する。ファウリングは、膜の抵抗及び圧力の上昇を引き起こし、膜の薬品洗浄頻度の増加及び膜の交換コストを押し上げる要因となる。ファウリングの主な要因物質としては、付着性細菌及び細菌の代謝物である粘着性物質等が挙げられる。付着性細菌及び粘着性物質等からはバイオフィルムが形成される。バイオフィルムに由来するファウリングは、バイオファウリングと称される。

この代謝物が産生されるメカニズムとしてクオラム・センシングが知られている。クオラム・センシングとは、微生物同士が伝達物質を用いて周囲の仲間の密度を認識し、例えばバイオフィルム等の産生を活性化する機構であり、特定の遺伝子の転写活性を制御する。細菌がクオラム・センシングにより仲間の存在を認識すると、すなわち、伝達物質濃度がある一定以上になると、バイオフィルム形成が生じる。クオラム・センシングにおける伝達物質の合成機構と、代謝物の放出機構とを、グラム陰性細菌を例に説明する。

グラム陰性細菌は、主にアシル化ホモセリンラクトン（以下、ＡＨＬと表記する。）を伝達物質として使用する。グラム陰性細菌では、伝達物質であるＡＨＬを合成し、その合成されたＡＨＬは外部へ放出され、他のグラム陰性細菌が放出したＡＨＬを取り込む。代謝物の放出機構では、外部から取り込んだＡＨＬと結合タンパク質とが合体する。合体した物質は、スイッチの役割をしているグラム陰性細菌の目的となる遺伝子をたたくことで、代謝物を放出するスイッチをＯＮとする。代謝物を放出するスイッチがＯＮになることにより、グラム陰性細菌は、ファウリングの要因物質の一つであるTransparent Exopolymer ParticlesやExtracellular Polymeric Substance等の多糖類を放出する。

上記のことから、ファウリングを発生させる要因としては、生物学的要因の影響力が大きいことが分かってきている。そこで、膜ろ過法を用いた水処理システムでは、バイオファウリング対策として、微生物の餌となり得る有機成分の除去を行う方法が提案されている。しかしながら、微生物の餌となり得る有機成分を膜で除去することで微生物が飢餓状態となり、ファウリングの要因となる代謝物をより産生する場合がある。

ＷＯ２００８／０３８５７５号 特開２０１１−１７７６０４号公報

以上に示すように、水処理システムでは、膜ろ過に対する生物学的要因の影響力が大きい。そのため、原水の水質が日変動又は季節変動する場合、安定した処理水質を得ることが難しくなり、稼働率の低下を招く恐れがある。

そこで、目的は、膜ろ過に対する生物学的要因の影響を抑制することが可能な水処理用カラム及びこのカラムが用いられる前処理装置を提供することにある。

実施形態によれば、水処理用カラムには、微生物による代謝物の産生を促す伝達物質を、前記微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工した担体が充填される。

第１の実施形態に係る水処理システムの構成を示す図である。 図１に示す前処理装置に含まれる水処理用カラムの構成を示す図である。 図２に示す水処理用カラムのその他の構成を示す図である。 図２に示す水処理用カラムのその他の構成を示す図である。 図２に示す水処理用カラムのその他の構成を示す図である。 第２の実施形態に係る水処理用カラムの構成を示す図である。 第３の実施形態に係る水処理用カラムの構成を示す図である。 第４の実施形態に係る水処理用カラムの構成を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る水処理システムの構成を示す図である。図１に示す水処理システムは、前処理装置１１及び膜モジュール１２を具備する。

前処理装置１１は、膜モジュール１２の直前に位置する。膜モジュール１２は、前処理装置１１を通過した処理水に対して膜ろ過処理を行う。前処理装置１１は、水処理用カラム１１１を備える。図２に示す水処理用カラム１１１には、微生物の代謝物の産生を促す伝達物質を、微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工した担体１１１１が充填される。水処理用カラム１１１内を担体１１１１で充填させることで、比表面積が大きくなる。これにより、被処理水と担体１１１１とが接触する面積を増大させることが可能となる。ここで、伝達物質阻害剤は、例えば、シクロデキストリン等である。

図２は、水処理用カラム１１１を模式的に示す図である。図２に示す水処理用カラム１１１は、上部から原水が注入され、注入される原水は、担体１１１１と接触する。担体１１１１と接触することで伝達物質阻害剤を含むようになった原水は、処理水として下部から出水される。

なお、図２では、上部から注入された原水が下部から処理水として出水される場合を例に説明したが、これに限定されない。水処理用カラム１１１は、原水と内部の担体１１１１とがなるべく長い時間接触可能な構造になっていれば良い。そのため、例えば、図３に示すように、原水をカラム下部から注入し、上部から処理水として出水する構造としても良い。また、図４に示すように、カラム上部から注入される原水を、射出部１１１２から霧状にして担体１１１１へ与える構造としても良い。また、図５に示すように、カラム内に邪魔板を設け、カラム下部から注入した原水を、カラム内にて環流させた後、下部から処理水として出水する構造としても良い。

以上のように、第１の実施形態では、伝達物質阻害剤を表面に加工した担体１１１１を充填させた水処理用カラム１１１を前処理装置に具備することで、水処理用カラム１１１を通過した処理水を膜モジュールへ供給するようにしている。この態様により、担体１１１１表面に接触する被処理水中の微生物が伝達物質を受信することを阻害することが可能となる。伝達物質を受信できなくなった微生物は、仲間を認識することができなくなるため、代謝物の産生を抑制されることとなる。このように、代謝物の産生が抑制されるため、バイオフィルム形成が抑制され、膜ろ過に対するバイオファウリングの影響を減じることが可能となる。

したがって、第１の実施形態に係る水処理用カラム１１１によれば、膜ろ過に対する生物学的要因の影響を抑制することができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る水処理用カラム１１２を模式的に示す図である。図６に示す水処理用カラム１１２は、図１に示すように、膜モジュール１２の直前に設けられる前処理装置１１に含まれる。水処理用カラム１１２には、微生物の代謝物の産生を促す伝達物質を、微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工したメッシュ１１２１が、原水の通水方向に対して垂直に、通水方向に沿って複数配列される。原水とメッシュ１１２１との接触回数を増やすため、連続して配列されるメッシュ１１２１の孔径は、交互に異なるものになっている。また、水処理用カラム１１２内におけるメッシュ１１２１の孔径は、膜の孔径と比較してとても大きい。これにより、膜の目詰まりの発生を抑えることが可能となる。なお、図６では、水処理用カラム１１２に２種類のメッシュが設けられている場合を例に説明したが、水処理用カラム１１２に設けられるメッシュは２種類に限定される訳ではない。図６に示す水処理用カラム１１２は、上部から原水が注入され、注入される原水は、メッシュ１１２１に設けられる孔を通過する。このとき、メッシュ１１２１に接触することで伝達物質阻害剤を含むようになった原水は、処理水として下部から出水される。

以上のように、第２の実施形態では、伝達物質阻害剤を表面に加工したメッシュ１１２１が配列された水処理用カラム１１２を前処理装置に具備することで、水処理用カラム１１２を通過した処理水を膜モジュールへ供給するようにしている。この態様により、メッシュ１１２１の表面に接触する被処理水中の微生物が伝達物質を受信することを阻害することが可能となる。伝達物質を受信できなくなった微生物は、仲間を認識することができなくなるため、代謝物の産生を抑制されることとなる。このように、代謝物の産生が抑制されるため、バイオフィルム形成が抑制され、膜ろ過に対するバイオファウリングの影響を減じることが可能となる。

したがって、第２の実施形態に係る水処理用カラム１１２によれば、膜ろ過に対する生物学的要因の影響を抑制することができる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る水処理用カラム１１３を模式的に示す図である。図７に示す水処理用カラム１１３は、図１に示すように、膜モジュール１２の直前に設けられる前処理装置１１に含まれる。水処理用カラム１１３には、微生物の代謝物の産生を促す伝達物質を、微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工したラインミキサ１１３１が設けられる。図７に示す水処理用カラム１１３は、上部から原水が注入され、注入される原水は、ラインミキサ１１３１により撹拌される。これにより、ラインミキサ１１３１の表面と原水との接触率を向上させることが可能となる。ラインミキサ１１３１と接触することで伝達物質阻害剤を含むようになった原水は、処理水として下部から出水される。

以上のように、第３の実施形態では、伝達物質阻害剤を表面に加工したラインミキサ１１３１が設けられた水処理用カラム１１３を前処理装置に具備することで、水処理用カラム１１３を通過した処理水を膜モジュールへ供給するようにしている。この態様により、ラインミキサ１１３１の表面に接触する被処理水中の微生物が伝達物質を受信することを阻害することが可能となる。伝達物質を受信できなくなった微生物は、仲間を認識することができなくなるため、代謝物の産生を抑制されることとなる。このように、代謝物の産生が抑制されるため、バイオフィルム形成が抑制され、膜ろ過に対するバイオファウリングの影響を減じることが可能となる。

したがって、第３の実施形態に係る水処理用カラム１１３によれば、膜ろ過に対する生物学的要因の影響を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係る水処理用カラム１１４を模式的に示す図である。図８に示す水処理用カラム１１４は、図１に示すように、膜モジュール１２の直前に設けられる前処理装置１１に含まれる。水処理用カラム１１４には、伝達物質を分解する酵素を産生する微生物を固定化した担体１１４１が充填される。担体１１４１は、微生物が留まる必要があるため、例えば、ポリエチレン等の素材から作成される。図８に示す水処理用カラム１１４は、上部から原水が注入され、注入される原水は、担体１１４１と接触する。担体１１４１と接触することで微生物が産生する酵素を含むようになった原水は、処理水として下部から出水される。

以上のように、第４の実施形態では、伝達物質を分解する酵素を産生する微生物が固定化された担体１１４１を充填させた水処理用カラム１１４を前処理装置に具備することで、水処理用カラム１１４を通過した処理水を膜モジュールへ供給するようにしている。この態様により、伝達物質が分解され、担体１１４１に接触する被処理水中の微生物が伝達物質を受信することを阻害することが可能となる。伝達物質を受信できなくなった微生物は、仲間を認識することができなくなるため、代謝物の産生を抑制されることとなる。このように、代謝物の産生が抑制されるため、バイオフィルム形成が抑制され、膜ろ過に対するバイオファウリングの影響を減じることが可能となる。

また、第４の実施形態において、伝達物質を分解可能な酵素を産生する微生物を用いているため、微生物自身が増殖することで、酵素量が増加する。これにより、水処理用カラム１１４を長期間利用しても、酵素が不足することはない。第１乃至第３の実施形態では、長時間の利用により、伝達物質阻害剤等を再注入する必要性も生じうるが、本実施形態に係る水処理用カラム１１４においては、再注入の必要はない。すなわち、労力の削減、及び、薬剤コストの削減となる。

したがって、第４の実施形態に係る水処理用カラム１１４によれば、膜ろ過に対する生物学的要因の影響を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…前処理装置、１１１〜１１４…水処理用カラム、１１１１…担体、１１１２…射出部、１１２１…メッシュ、１１３１…ラインミキサ、１１４１…担体、１２…膜モジュール

Claims (5)

1. 微生物による代謝物の産生を促す伝達物質を、前記微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工した担体が充填される水処理用カラム。
2. 微生物による代謝物の産生を促す伝達物質を、前記微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工したメッシュが備えられる水処理用カラム。
3. 微生物による代謝物の産生を促す伝達物質を、前記微生物が受信することを阻害する伝達物質阻害剤を表面に加工したラインミキサが備えられる水処理用カラム。
4. 第１の微生物による代謝物の産生を促す伝達物質を分解する酵素を産生する第２の微生物を固定化した担体が充填される水処理用カラム。
5. 水処理システムにおいて、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の水処理用カラムを有し、前記水処理用カラムに原水を注入し、前記水処理用カラムを通過した原水を処理水として出水する前処理装置。

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