設計流束と動作流束: MBR 膜領域のサイズを正しく設定する方法

MBR膜領域が過小になることが多い理由

基本的なメンブレンのサイジング方程式は単純です。

問題は方程式ではありません。問題はフラックスに使用する値です。

膜のデータシートには、上水の透過性、推奨動作流束、最大流束、または特定の試験条件下で測定された性能値が含まれる場合があります。これらの値は、実際の廃水を処理する本格的な MBR の持続可能な純生産率を必ずしも表すわけではありません。

実際の MBR 動作には、透過水が生成されない期間が含まれます。膜は、温度、汚れ、水圧のピーク、またはプロセスの不安定性のために、弛緩、逆洗、化学洗浄、メンテナンスのための隔離、または公称能力以下で運転される場合があります。

楽観的な最大流束のみに基づいてサイズ設定された膜システムは、試運転中は問題なく動作する可能性がありますが、廃水温度が低下したり、混合液の特性が変化したり、汚れ抵抗が増加し始めたりすると、予備力がほとんどなくなります。

設計光束、動作光束、総光束、正味光束: 違いは何ですか?

流束は通常、1 時間あたりのリットル/平方メートル、つまり LMH で表されます。いくつかの MBR 計算では同じ単位が使用されますが、磁束値の意味は大きく異なる場合があります。

デザインフラックス

設計流束は、膜のサイジング中に選択される工学的な値です。これは、予想される廃水、温度、MLSS、汚れの傾向、動作サイクル、洗浄戦略、および必要な動作マージンを反映する必要があります。

したがって、通常は最大または短期の試験フラックスよりも控えめになります。

動作磁束

運転流束は、プラント運転中の実際の濾過速度です。

これは、流量需要、膜の可用性、TMP、温度、汚れ状態、プロセス制御に応じて、1 日を通して変化する可能性があります。

総濾過流束

総流束は一般に、膜が積極的に濾過している間の流束を指します。膜が 10 分間濾過し、その後 1 分間緩和した場合、総濾過流束は、その生産的な 10 分間にのみ適用されます。

正味フラックス

正味流量は、非濾過期間を考慮した後の実際の生産量を反映します。リラックス、逆洗、メンテナンス、その他のダウンタイムにより、設置平方メートルあたりに生成される処理水の正味量が減少します。

ピークフラックス

ピーク流束は、油圧のピーク時に使用される、より高い短期稼働率です。これは一時的な需要には役立ちますが、通常は継続的な設計条件として扱うべきではありません。

正しい膜面積の計算は正味の水生産から始まります

開始の方程式はそのまま残ります。

単位は一貫している必要があります。流量がリットル/時間、流束が LMH で表される場合、結果は膜面積の平方メートルになります。

例: 500 m3/日の産業廃水

産業廃水プラントが次のものを生成する必要があると仮定します。

1 日の流量を 1 時間あたりのリットルに変換します。

理論上の膜面積は次のようになります。

これはサイジングの最初のステップにすぎません。最終的に設置されるエリアは、濾過の利用可能性、ピークフロー、膜トレイン構成、冗長性、モジュールサイズ、温度、および汚れマージンに対してチェックする必要もあります。

濾過時間がなぜ必要な膜面積を変えるのか

MBR は必ずしも 1 日 24 時間連続して透過水を生成するわけではありません。多くのシステムでは、濾過と緩和または逆洗を交互に行います。

単純なサイクルを考えてみましょう。

濾過の利用可能性は次のとおりです。

プラントが 10 LMH に相当する純生産量を達成する必要があるにもかかわらず、膜が 90.9% の時間しか濾過しない場合、アクティブな濾過中に必要な流束は次のようになります。

追加の逆洗、メンテナンス、またはオフライン洗浄により、膜の総可用性が 85% に低下する場合は、次のようになります。

これが、両方とも「15 LMH」で動作すると記載されている 2 つの MBR プロジェクトが、実際には異なる膜要件を持っている可能性がある理由です。 1 つはアクティブな濾過中の 15 LMH を意味する場合もあれば、別の場合はダウンタイム後の正味生産量 15 LMH を意味する場合もあります。

平均流量では十分ではありません: ピーク流量と均等化を確認してください

1 日の平均流量は、膜の予備的なサイジングには役立ちますが、廃水が 1 日にどのようにプラントに到達するかを説明するものではありません。

平均 1,000 m3/日のプラントは、必ずしも一定の 41.7 m3/h を受け取るとは限りません。工業生産スケジュール、自治体の朝と夕方のピーク、バッチ排出、降雨、清掃作業により、時間当たりの流量がはるかに多くなる可能性があります。

膜面積が平均値付近のみに設計されている場合、ピーク水力条件により、瞬間的な動作流束が意図した範囲をはるかに超えてしまう可能性があります。

均一化によりピーク膜要件を削減できる

均等化タンクは、ピーク期間中に廃水を保管し、生物学的システムおよび膜システムに徐々に放出することができます。これにより、平均濾過需要とピーク濾過需要の差を減らすことができます。

イコライゼーションが制限されている場合、設計者は以下を確認する必要があります。

• 一日の最大流量。
• 時間当たりのピーク流量。
• 利用可能な膜トレイン。
• 許容可能な短期ピーク磁束。
• 最大許容TMP。
• 必要な予備容量。

したがって、正しい質問は単純に次のようなものではありません。 「平均的な流れはどれくらいですか？」

それは次のとおりです。 「均一化後に膜は実際にどのような流れを処理する必要があるのでしょうか?」

廃水の種類によって設計すべき流束が変わる

単一のユニバーサル デザイン フラックスをすべての MBR プロジェクトに適用できるわけではありません。持続可能なフラックスは、廃水の組成と生物学的操作条件に大きく依存します。

安定した前処理とバランスのとれた生物学的条件を備えた都市下水は、グリースを含む食品加工廃水、界面活性剤を含む繊維廃水、または高い塩分濃度と変動する有機負荷を伴う工業廃水とは大きく異なる挙動を示す可能性があります。

このため、膜のサイジングは膜のカタログではなく廃水の特性評価から始める必要があります。

処理が困難な産業廃水の場合、より控えめな設計流束により、たとえ最初により多くの膜面積が必要であっても、貴重な運用マージンが得られます。

温度、MLSS、汚れによる実際の動作磁束の変化

温度

水の粘度は温度が下がると増加します。その結果、同じ膜を同じ TMP で操作しても、低温条件では生成する透過水が少なくなる可能性があります。

したがって、温暖期の試運転データのみに基づいて設計された膜システムは、冬季に容量の問題に遭遇する可能性があります。

MLSS

MLSS が高くなると、反応器内に保持されるバイオマスの量が増加しますが、混合液濃度が非常に高いと粘度も増加し、膜物質移動条件が悪化する可能性があります。これにより、ケーキ層の抵抗と空気洗浄の需要が増加する可能性があります。

EPSとSMP

細胞外ポリマー物質と可溶性微生物産物は、有機膜の汚れの重要な原因です。それらの濃度は、負荷、汚泥の年齢、温度、栄養バランス、生物学的ストレスによって変化する可能性があります。

膜間圧力

TMP は、膜の状態を示す最も明確な操作指標の 1 つを提供します。

したがって、システムは膜効率を徐々に低下させながら設計能力を維持しているように見える可能性があります。同じ流束を維持するためにますます高いTMPが必要な場合、洗浄の需要とエネルギー消費も増加する可能性があります。

最大光束で設計すると通常後ほどコストが高くなる理由

高い設計流束は、必要な膜面積を削減できるため、プロジェクトの予算編成において魅力的です。

設計流束が低いほど、より多くの膜面積が必要になりますが、濾過サイクルが長くなり、汚れの進行が遅くなり、水力ピーク時の応力が低くなり、膜の経年変化に伴う柔軟性が向上します。

必要な膜面積をモジュール数量に正確に変換

必要な膜面積を計算したら、それを実際の膜モジュールに変換する必要があります。

最終的に必要な膜面積が次のようになると仮定します。

部分的なモジュールをインストールすることはできないため、絶対的な最小モジュールは 57 モジュールになります。ただし、ラック配置、膜トレインのレイアウト、冗長性要件、利用可能なタンク スペース、およびメンテナンス戦略に応じて、最終的なエンジニアリング選択は 60 モジュールになる可能性があります。

したがって、モジュールの数量では次のことを考慮する必要があります。

• 完全なモジュールの丸め。
• ラックまたはカセットの形状。
• 膜列の数。
• メンテナンス中の隔離。
• スタンバイまたは冗長性の要件。
• 将来の工場拡張。
• 利用可能な膜タンクの寸法。
• 空気清浄レイアウト。

実用的なMBR膜サイジングチェックリスト

MBR 膜の見積りを依頼する前に、バイヤーとエンジニアはサプライヤーが生物学的条件と膜条件の両方を評価できるように十分なデータを準備する必要があります。

この情報を使用すると、単一のカタログ流束値からではなく、現実的な動作条件から膜面積を計算できます。