廃水処理装置

 

 

炭化ケイ素（SiC）膜は、高温耐性、耐酸性および耐アルカリ性、耐汚染性、および高い機械的強度という主な利点を備えており、高度な産業廃水処理、都市下水資源回収、および難易度の高い特殊廃水の浄化などのシナリオにおいて、従来の有機および無機セラミック膜をはるかに上回る性能を発揮します。これらは、過酷な条件下での廃水処理に好まれる技術となっています。

 

I. コアアプリケーションシナリオと技術的ソリューション

1. 高濃度有機産業廃水処理-
適用産業：石炭化学、石油化学、製薬、印刷・染色、製紙

 

排水の特徴: 高 COD、高濁度、難分解性有機物を含み、一部の排水は高温 (60 ～ 120 度)

 

アプリケーションソリューション:

• 前処理段階: 砂濾過やマルチメディア濾過に代わる SiC 限外濾過膜は、廃液の濁度が 0.1 NTU 以下、SDI が 3 以下の浮遊固体、コロイド、油滴を保持できます。これにより、その後の逆浸透 (RO) とナノ濾過 (NF) に高品質の給水が提供され、寿命が延びます。-後続の膜エレメントの 3 ～ 5 倍。
• 高度な処理段階: SiC ナノ濾過膜は、小分子有機物（フェノール、染料、抗生物質など）を保持できます。{0}高度な酸化プロセス (AOP) と組み合わせることで、廃水中の COD を大幅に分解し、排出基準または再利用要件を満たします。

典型的なケース: 石炭化学プラントからの高塩分廃水の処理では、SiC 限外濾過膜は 80 度、pH 10～11 で安定して動作し、流束低下率は<5%/month and a chemical cleaning cycle of up to 6 months.

 

2. 油分を含む排水の処理
適用産業: 油田生成水、金属加工エマルジョン、ケータリング廃水

 

排水特性：乳化油と分散油を含む。油滴のサイズが小さい (1 ～ 100 nm) ため、膜ファウリングが発生しやすくなります。

 

アプリケーションの利点:

• The SiC membrane surface has weak hydrophobic and oleophilic properties, making it difficult for oil droplets to adsorb and deposit; it is resistant to chemical cleaning and can be cleaned with high-concentration alkaline solution (2% NaOH) + sodium hypochlorite (1000 mg/L), with a flux recovery rate >95%。応用ソリューション：「解乳化前処理＋SiC限外濾過膜分離」プロセスにより効率的な油水分離を実現し、流出油分は5mg/L以下となり循環冷却用補給水として直接再利用可能です。

 

3. 都市下水資源の利用
該当するシナリオ: 都市下水処理場のアップグレードと改修、再生水の再利用

 

主な要件: 排水は「都市廃水再利用における工業用水の水質基準」(GB/T 19923-2005) を満たさなければなりません。

 

アプリケーションの利点:

• Compared to traditional activated sludge + sand filtration processes, the SiC membrane bioreactor (SiC-MBR) eliminates the need for a secondary sedimentation tank, reducing the footprint by 40%; it retains sludge flocs and bacteria, achieving effluent turbidity ≤0.1 NTU and an E. coli removal rate >99.99%.
• 衝撃荷重に対して強い耐性を持っています。システムの動作安定性は、流入水の水質の変動（COD、アンモニア態窒素のスパイク）の影響を受けません。化学洗浄サイクルは長く、運用およびメンテナンスのコストは有機 MBR より 30% 低くなります。

 

4. ゼロ排出のための高塩分廃水の前処理-

該当する産業: 発電所の脱硫廃水、冶金酸洗廃水、化学薬品の高塩分廃水-

 

排水の特徴：高塩分含有量（TDS 10000-50000 mg/L）、高硬度、重金属イオンを含む

 

アプリケーション値:

• SiC 限外濾過膜は高塩分環境に耐性があり、浸透圧の変化によって膨張したり変形したりしません。-カルシウムイオンやマグネシウムイオン、重金属水酸化物コロイドによって形成されたスケール粒子を保持し、後続の蒸発器や晶析器の詰まりを防ぎます。
• 従来の前処理プロセス（石灰軟化など）と比較して、SiC 膜システムの流出水硬度は<50 mg/L (calculated as CaCO₃), significantly reducing the risk of evaporator scaling and improving the operating efficiency of zero-discharge systems.

 

5. 特別高温排水処理-

適用シナリオ：製紙黒液（温度80-100度）、高温染色廃水（温度60〜90度）、医薬品発酵液（温度50〜70度）

 

技術的障壁: 従来の有機膜は温度に耐えることができます<50℃, and are prone to aging and failure under high-temperature conditions.

 

SiC 膜の利点: 120 度の高温に対する長期耐性、冷却前処理が不要、高温の供給溶液を直接処理し、冷却エネルギー消費を節約します。-同時に、高温により供給溶液の流動性が向上し、粘度が低下し、膜流束が増加します。

 

II.応用上の技術ポイント

1.前処理の最適化: 膜表面の傷を避けるために、大きな粒子状不純物 (砂、砂利、繊維など) を除去するには、50 ～ 100 μm のバスケット フィルターを設置する必要があります。油性廃水は、膜の汚れ負荷を軽減するために、最初に解乳化処理（解乳化剤の添加や超音波解乳化など）を受ける必要があります。

 

2.プロセスパラメータ制御

• 動作圧力: 高圧による膜細孔の変形を避けるために、1 ～ 5 bar を推奨します。
• クロスフロー速度: 0.5～2 m/s。-高度に汚染された廃水の場合、流量を適切に増加してせん断力を強化し、濃度分極を抑制できます。
• 洗浄戦略: 「空気-水逆洗 + 化学洗浄」の組み合わせを採用します。逆洗サイクル：15〜30分/回。化学洗浄サイクル: 3 ～ 6 か月/回。アルカリ洗浄＋酸洗浄が好ましい。

 

3.システム統合設計
処理量に基づいて柔軟に容量を拡張できるモジュール設計。 PLC自動制御システムを搭載し、流束、圧力、濁度などのパラメータをリアルタイムで監視し、自動逆洗と化学洗浄を実現し、手動介入コストを削減します。

 

 

 

革新的な結合プロセス: SiC 膜は高度な酸化プロセス (オゾン触媒酸化など)、膜蒸留、電気化学的酸化と結合され、非常に困難な廃水の高度な浄化と資源回収を実現します。

 

資源回収の拡大: 貴金属や高価値の有機物を含む廃水を処理する場合、SiC 膜は対象物質の効率的な保持と回収を実現し、廃水処理の経済的メリットを向上させます。{0}

 

SiC膜実験後の洗浄とメンテナンス手順
SiC 膜は、耐酸性および耐アルカリ性、耐酸化性、高い機械的強度を備えているため、実験後の洗浄とメンテナンスが必要です。{0}}主な目的は、膜表面と細孔から汚染物質を徹底的に除去し、膜の流束と保持性能を回復し、不可逆的な汚れを防止し、膜エレメントの寿命を延ばすことです。以下に、標準化された清掃およびメンテナンス手順、主要な操作ポイント、および注意事項を示します。

 

I.-実験後前処理: 汚染物質の評価と予備洗浄

実験後、目的の洗浄を実行する前に、膜の汚れの種類と程度を評価する必要があります。

 

1. 異物の種類の判定

- 実験用フィードの特性に基づく分類:

- 無機汚れ: 高-硬度、高塩分濃度の廃水を処理した後、-炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、および金属酸化物（Fe₂O₃、MnO₂ など）が膜表面に容易に堆積します。

- 有機汚れ: 高-COD、油性、および染色廃水を処理した後、有機物、グリース、染料の分子は細孔内に容易に吸着されます。

- 生物学的ファウリング: 都市下水や発酵ブロスを処理した後、細菌や真菌が膜表面で容易に増殖し、バイオフィルムを形成します。

 

2. 流体の減衰計算

初期磁束 $J_0$ と最終磁束 $J_1$ を記録します。磁束減衰率 $\\eta=(J_0 - J_1) / J_0\\times100\\%$ を計算します。

- $\\eta < 10\\%$ の場合: きれいな水による逆洗のみが必要です。

- $10\\%\\leq\\eta < 30\\%$ の場合: きれいな水による逆洗 + 簡単な化学洗浄が必要です。

- $\\eta\\geq 30\\%$ の場合: きれいな水による逆洗 + 強化された化学洗浄が必要です。

 

3. 予備浄水逆洗

- クロスフロー逆洗モードを採用し、逆洗圧力を 0.5 ～ 1 bar に制御し、逆洗流量を実験動作流量の 1.2 ～ 1.5 倍に制御します。

- 水道水に新たな不純物が混入するのを避けるために、逆洗媒体として脱イオン水または限外濾過透過水を使用します。

- 逆洗時間: 逆洗排水が透明になり、明らかな浮遊物質がなくなるまで 10 ～ 15 分。

 

II.段階的な化学洗浄プロセス (コアステップ)
酸とアルカリの直接混合を避け、「最初にアルカリ洗浄、次に酸洗浄、必要に応じて消毒」の原則に従って、汚染の程度に基づいて洗浄スキームを選択します。

 

1. アルカリ洗浄: 有機および生物学的汚染物質の除去
油分を多く含む高COD廃水を使用した実験後の膜洗浄に適しています。{0}アルカリ溶液を利用してグリースをケン化、有機物を分解し、バイオフィルムを剥離します。

- 洗浄剤の配合（1 つ選択）:

- 標準配合: 0.5 ～ 1% (質量分率) NaOH 溶液 + 500 – 1000 mg/L 次亜塩素酸ナトリウム (NaClO);

- 低刺激処方: 0.3～0.5% 炭酸ナトリウム (Na₂CO₃) 溶液 + 300～500 mg/L 過酸化水素 (H₂O₂) (塩素に敏感な用途に適しています-)。

- 動作パラメータ:

- 洗浄温度: 30 ～ 40 度 (温度を上げると洗浄効率が向上しますが、60 度を超えないようにしてください)。

- 洗浄圧力: 0.3 ～ 0.8 bar、クロスフロー循環洗浄を使用、循環速度 0.8 ～ 1.2 m/s。-

- 清掃時間: 30 ～ 60 分。汚れがひどい場合は、再循環洗浄の前に 1 ～ 2 時間浸してください。

- 終点判定: 洗浄液の色と濁度は安定しており、出入りする洗浄液の COD 値はほぼ一致しています。

 

2. 酸洗浄：無機汚れの除去
高硬度、高塩分排水、溶解した無機スケールや金属酸化物が膜表面に沈殿する実験後の膜洗浄に適しています。{0}{0}{1}

- 洗浄剤の配合（1 つ選択）:

- 標準配合: 0.1 ～ 0.5% (質量分率) クエン酸溶液 (pH を 2 ～ 3 に調整、カルシウムおよびマグネシウムのスケールの洗浄に適しています);

- 強化配合: 0.5 ～ 1% 塩酸 (HCl) 溶液 (金属酸化物スケールの洗浄に適しています。機器の強酸による腐食を避けてください)。

- 動作パラメータ:

- 洗浄圧力: 0.3 ～ 0.8 bar、クロスフロー循環速度 0.8 ～ 1.2 m/s。-

- 洗浄時間: 20 ～ 40 分、加熱は不要、室温での洗浄で十分です。

- 主な予防措置: 酸洗浄後は、残留酸による膜エレメントの腐食を防ぐため、製品水の pH が中性 (6 ～ 8) に戻るまで、膜モジュールを多量の脱イオン水ですすいでください。

 

3. 消毒処理 (オプション) 実験溶液が生物学的に活性な溶液 (発酵ブロスや都市下水など) の場合、残留微生物を殺すためにアルカリ洗浄後に消毒ステップが必要です。

- 消毒剤: 1000～2000 mg/L 過酢酸溶液または 500～1000 mg/L 次亜塩素酸ナトリウム溶液。

- 手順: 30 分間浸し、消毒剤の残留物がなくなるまで脱イオン水ですすいでください。

 

Ⅲ．洗浄効果の検証

洗浄後は、膜の性能回復を確実にするために、フラックス試験によって洗浄効果を検証する必要があります。

 

1. 純水フラックステスト: 標準条件 (温度 25 度、圧力 1 bar) で、膜の純水フラックス $J_2$ をテストします。

 

2. 流動性回復率の計算: 流動回復率 $\\gamma=J_2/J_0\\times100\\%$;

- $\\gamma\\eq90\\%$ の場合: 洗浄は適格であり、膜は次の実験に使用できます。

- $70\\%\\eq\\gamma の場合<90\%$: The chemical cleaning process needs to be repeated;

- $\\gamma の場合<70\%$: Irreversible fouling may exist. Check the membrane surface for damage and replace the membrane element if necessary.

 

IV.長期保管とメンテナンス-

実験後、膜エレメントを長期間 (7 日以上) 保管する必要がある場合は、微生物の増殖や膜孔の閉塞を防ぐために密閉する必要があります。

 

1. 短期保管（7～30 日間）-

- 膜モジュールとチューブを 0.05 ～ 0.1% 次亜塩素酸ナトリウム溶液で満たします。

- 膜モジュールの入口と出口を密閉し、直射日光を避け、涼しく乾燥した場所に置きます。

 

2. 長期保管（30 日以上）-

- 化学洗浄とフラックス検証が完了したら、膜エレメントを 1 ～ 2% グリセロール溶液に 30 分間浸します。

- 過剰なグリセロール溶液を排出し、入口と出口を密封し、凍結割れや高温老化を防ぐために 0 ～ 40 度の環境で保管します。-

 

V. 清掃およびメンテナンスの禁止事項

1. フッ化水素酸 (HF) やフッ化物を含む洗浄剤は、SiC 膜材料を腐食するため使用しないでください。

 

2. Avoid prolonged high-temperature cleaning (>60度）膜モジュールシールの劣化を防ぐため。

 

3. 酸性とアルカリ性の洗浄液は別々に調製し、保管する必要があります。有毒ガスの発生を防ぐため、直接混合することは厳禁です。

 

4. 膜チューブの損傷を防ぐため、洗浄中は高圧の衝撃を避けてください。-

 

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