(57)【要約】  本発明は、板と、前記板の両面に設けられた濾過膜と、前記板の端縁に形成された濾過水ノズルと、前記濾過水ノズルに連通する濾過水流路溝とを備え、前記濾過膜が鉛直方向と略平行となるように配置されて使用される濾過膜エレメントであって、前記板の上端部が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状の部分を含むことを特徴とする濾過膜エレメントに関する。
2012081443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板と、前記板の両面に設けられた濾過膜と、前記板の端縁に形成された濾過水ノズルと、前記濾過水ノズルに連通する濾過水流路溝とを備え、前記濾過膜が鉛直方向と略平行となるように配置されて使用される濾過膜エレメントであって、前記板の上端部が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状の部分を含むことを特徴とする濾過膜エレメント。
【請求項２】
前記上端部がテーパ形状の部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の濾過膜エレメント。
【請求項３】
前記上端部が前記板両面で対称形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の濾過膜エレメント。
【請求項４】
前記上端部の全体が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の濾過膜エレメント。
【請求項５】
枠体内に配置された複数の請求項１〜４のいずれか一項に記載の濾過膜エレメント、および前記濾過膜エレメントの下方に備えられた散気装置を含む濾過膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下廃水などの処理に使用される濾過膜エレメントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
膜分離法は、省エネルギー、省スペース、省力化、および製品の品質向上などの特徴を有するため、適用分野を拡大しながら普及している技術である。膜分離法には、逆浸透、限外濾過、精密濾過、ガス分離、血液浄化、およびパーベーパレーションなどの方法がある。また、濾過膜の形態には、平膜、中空糸膜、および管状膜などがあり、上記の各分離対象物の性質や特徴に応じて使い分けられている。【０００３】
従来、精密濾過の分野では、小型のディスクフィルターや平膜プリーツ型カートリッジフィルターとして比較的少量の処理の、かつ比較的清澄な水溶液を分離・濾過する目的のものが使用されてきている。また、限外濾過の分野では、超純水の製造や食品製造、および清涼飲料の製造などに平膜濾過装置や中空糸型膜モジュールが使用されてきた。【０００４】
しかし、最近では環境保全の観点から、廃水処理にも膜分離技術を適用とする研究が進められている。【０００５】
廃水処理では、多くの場合、沈殿による固液分離を伴うため、その代替として膜分離技術が実施できれば、高品位な処理水が得られるだけでなく、広大な沈殿池の省略あるいは縮小ができ、スペースメリットが非常に大きい。廃水処理では、活性汚泥と呼ばれる微生物により、廃水中の有機物を分解した後に、フロック化した汚泥と処理水を分離する活性汚泥処理プロセスが広く用いられている。【０００６】
活性汚泥処理プロセスでは、処理効率を上げるために、活性汚泥を高濃度化すると分解処理が進む一方で、後段の沈殿池において汚泥の沈降性不良を生じる場合があり、水質の悪化を防止するための管理作業が煩雑であった。【０００７】
この汚泥と処理水の固液分離に膜分離技術を利用することで、高濃度活性汚泥処理を行った場合にも水質の悪化を伴わず、さらに沈殿池を省略でき非常に省スペースとなる。【０００８】
以上の点から、近年、図６に示すように、板状の濾過膜エレメント１を、前記濾過膜が鉛直方向と略平行になるようにして複数枚積層し固定した濾過膜モジュール８を活性汚泥槽９内に浸漬し、濾過膜エレメント１から得られた処理水を集水管１３に集め、ポンプ１０で吸引、あるいはサイホンなどのように水位差を利用して処理水を得る、浸漬タイプの濾過膜モジュールの研究が行われている。活性汚泥処理では通常、好気性の微生物を飼育するため、下方に設置した散気装置１１にブロワ１２を用いてエアーを供給して曝気を行う。この浸漬タイプは、曝気により活性汚泥槽内に形成される旋回流６を利用して、濾過膜面の汚れを掻き取りながら固液分離を行うことができ非常に低コストで運転が可能である。【０００９】
従来の濾過膜エレメント１は、図３に示すように、端縁に濾過水ノズル４を形成し、これに連通する濾過水流路溝（図示しない）を形成した板２の両面に濾過膜３を配した構成であり、板の上端部５は、一般的に、根元から先端にかけての厚みが一定であり、端縁において小さくＲ面取りされている形状である。【００１０】
このような濾過膜エレメント１においては、図４に示すように、旋回流６が板の上端部５を通過する際にカルマン渦７が発生し、これによって濾過膜エレメント１の両面に交番の差圧が生じる。濾過膜エレメント１は圧力が低い方に引き込まれるが、一般的には濾過膜エレメント１の左右両辺は略拘束されているため、濾過膜エレメント１の水平方向の中央部が、圧力が低い方に湾曲変形する。この現象が両面で交互に発生する結果、濾過膜エレメント１が振動し、ひいては損傷するという課題があった。【００１１】
振動を軽減するための方法として、特許文献１では、濾過膜エレメントの上下の端縁部に装着した保持体を介して積層することで、振動による力に対して柔軟性を持たせる方法が提案されている。【００１２】
しかしながらこの方法は、保持体なる追加部材が必要であるため、コストが増加し、組立作業性が低下するという課題がある。【００１３】
また、特許文献２では、濾過膜エレメントの下端縁に外向きに尖ったテーパ部を形成し、隣り合うエレメント間に効率良くエアーを進入させる方法が開示されている。【００１４】
しかし、この方法では、濾過膜面の汚れの掻き取り効率を向上することはできるが、旋回流が板の上端部を通過する際に発生するカルマン渦による振動は抑えることができないため、濾過膜エレメントの損傷防止のためには不十分であった。【００１５】
また、特許文献３には、濾過膜の周縁端よりも外側の濾板の表面に、濾過膜の周縁端に対応する濾板の表面よりも高い部分を形成することにより、洗浄液を噴射して膜カートリッジを洗浄する際に濾過膜が剥離するのを防止する膜カートリッジが開示されている。【００１６】
しかし、この膜カートリッジは凸部を設けた構造であるため、膜の剥離を防止する効果はあるものの、旋回流が板の上端部を通過する際に発生するカルマン渦による振動は抑えることができず、濾過膜エレメントの損傷防止のためには不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】日本国特開２００４−１２１９４３号公報
【特許文献２】日本国特開２００８−７３６７６号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／０６９２９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、浸漬型の濾過膜モジュールにおいて、濾過膜エレメントの板の上端部の上方におけるカルマン渦の発生をなくすことで、板の両面の差圧の低減によって振動を軽減し、かつ活性汚泥槽内の旋回流の流れをスムーズにし、汚れの掻き取り効率を向上した濾過膜エレメントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
すなわち、本発明は以下の（１）〜（５）に関する。
（１）板と、前記板の両面に設けられた濾過膜と、前記板の端縁に形成された濾過水ノズルと、前記濾過水ノズルに連通する濾過水流路溝とを備え、前記濾過膜が鉛直方向と略平行となるように配置されて使用される濾過膜エレメントであって、前記板の上端部が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状の部分を含むことを特徴とする濾過膜エレメント。
（２）前記上端部がテーパ形状の部分を含むことを特徴とする（１）に記載の濾過膜エレメント。
（３）前記上端部が前記板両面で対称形状であることを特徴とする（１）または（２）に記載の濾過膜エレメント。
（４）前記上端部の全体が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の濾過膜エレメント。
（５）枠体内に配置された複数の（１）〜（４）のいずれか一項に記載の濾過膜エレメント、および前記濾過膜エレメントの下方に備えられた散気装置を含む濾過膜モジュール。
なお、本明細書において「略平行」とは本発明の作用効果に鑑みて平行とみなせるものを含む概念であり、真の平行でなくても構わない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の濾過膜エレメントを濾過膜モジュールに設置し活性汚泥槽内に浸漬して使用することで、濾過膜エレメントの板の上端部の上方におけるカルマン渦の発生をなくし、板の両面の差圧の低減によって振動を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の濾過膜エレメントの例を示した図である。
【図２】図２は、本発明の濾過膜エレメントの上端部と旋回流を示した図である。
【図３】図３は、従来の濾過膜エレメントの例を示した図である。
【図４】図４は、従来の濾過膜エレメントの上端部と旋回流を示した図である。
【図５】図５（ａ）〜５（ｆ）は、本発明の濾過膜エレメントの別の例を示した図である。
【図６】図６は、濾過膜モジュールの例を示した図である。
【図７】図７（ａ）〜７（ｃ）は、実施例で用いた板の上端部の形状を示した図である。
【図８】図８は、実施例の結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の濾過膜エレメントは、図１に示すように、端縁に濾過水ノズル４を形成し、これに連通する濾過水流路溝（図示しない）を形成した板２の両面に濾過膜３を配したものである。
【００２３】
板を構成する素材は特に限定されるものではないが、大量生産、コスト、軽量化の観点から通常は射出成形に好適な樹脂を選択すればよい。さらに、下廃水に含まれる様々な物質に侵され難いために耐薬品性に優れたものであることが好ましく、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）を用いるのが一般的である。
【００２４】
濾過膜の材質についても特に限定されるものではないが、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを適宜選択することができる。また濾過膜の構造についても多孔質であれば特に限定するものではない。濾過膜表面の細孔径についても特に限定されないが、０．０１μｍ以上２０μｍ以下程度のものが好ましく使用できる。
【００２５】
濾過水ノズルは、濾過膜エレメントと濾過膜モジュールの集水管とを結ぶチューブを嵌合するためのものであり、板と一体で射出成形される。また、濾過水流路溝は、板の表裏面に、濾過水ノズルに連通するように複数本形成された溝である。濾過膜により得られた濾過膜エレメント内部の処理水は、濾過水流路溝を通って濾過水ノズルに流れ込み、チューブを通って濾過膜モジュールの集水管に集められる。
【００２６】
本発明の濾過膜エレメントは、図１に示すように、板の上端部５が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状の部分を含むことを特徴とする。
【００２７】
板の上端部が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状を含むことにより、図２に示すように、隣り合う板の間を通過する旋回流の流路を徐々に拡大させ、旋回流が板の上端部を通過する際におけるカルマン渦の発生をなくすことができる。このことにより、板の両面の差圧が低減し、濾過膜エレメントの振動が軽減する。
【００２８】
板の上端部５が先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状を含む例としては、図１および図５（ａ）〜５（ｅ）に示すように、上端部の全体が、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状が挙げられる。図１および図５（ａ）は、板の上端部５に濾過水ノズル４を設け、濾過水ノズル４を除いた板の上端部５の全体をテーパ形状とした例である。図５（ｂ）〜５（ｄ）は、板の上端部５の全体をテーパ形状とした例であり、図５（ｂ）および５（ｃ）は濾過水ノズル４を板の上端部５と一体化した形状、図５（ｄ）は濾過水ノズル４を板２の側面に形成した形状である。
【００２９】
ここでテーパ形状とは、板の両面もしくは片面を一定の傾斜角をもつ斜面とすることで、先端にいくにしたがって厚みが一定の割合で小さくなるようにした形状である。斜面の傾斜角をテーパ角度とよぶ。テーパ角度は板の両面で同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００３０】
テーパ形状の場合、テーパ角度が小さい範囲ではカルマン渦の発生をなくすことができないが、ある角度より大きくすることでカルマン渦の発生をなくすことができる。この角度は、板の厚さ、上端部の高さ（濾過膜の上端縁から板の上端縁までの距離）、隣り合う板の間隔などといった濾過膜エレメントの諸寸法、および旋回流の速度や密度などといった濾過膜モジュールの運転の諸条件により異なる。テーパ角度を大きくし過ぎることによる利点は無く、板の厚みが小さくなることによる剛性の低下、欠けや割れなどが懸念されるため、カルマン渦の発生がなくなる範囲内で最小限の角度にとどめておくのがよい。
【００３１】
また、本発明においては、テーパ形状に限定されるものではなく、例えば図５（ｅ）に示すような放物線形状も考えられる。しかし、板２の射出成形に用いる金型の加工性の観点からテーパ形状であることが好ましい。テーパ形状であっても、従来の形状と同様、射出成形時の製品と金型とのかじり防止、および製品の安全性の観点から、端縁は小さくＲ面取りされていることが好ましい。
【００３２】
また、図５（ｆ）に示すように、上端部の全体ではなくその一部において、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状の部分を含むものでもよい。
【００３３】
板の上端部の形状は、活性汚泥槽内全体における旋回流の均一性の観点から、板の両面において対称形状であることが好ましい。とくに上端部の形状をテーパ形状とした場合、テーパ角度は両面で同じにすることが好ましい。
【実施例】
【００３４】
概寸法が高さ８００ｍｍ×幅２４０ｍｍ×厚み６ｍｍで、上端部が図７（ａ）〜７（ｃ）に示す３種類の形状をしたＡＢＳ樹脂製の板２をそれぞれ１１枚ずつ作製した。図７（ａ）に示すものは、従来の形状である、矩形の形状をした上端部１４である。図７（ｂ）に示すものは、その全体が先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状をした上端部１５である。図７（ｃ）に示すものは、その一部が先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状をした上端部１６である。【００３５】
これら１１枚ずつ３組の板を、隣り合う板の間隔が８．５ｍｍになるようにして１組ずつ、下部に散気装置を備えた濾過膜モジュールに装填し、幅７００ｍｍ×奥行２７０ｍｍ×高さ１５００ｍｍの透明水槽内に据え付け、清水を、液面が濾過膜モジュールの頭頂部より３００ｍｍ高くなるまで入れて浸漬し、散気装置には濾過膜エレメント１枚あたり７．５リットル／分のエアーを導入して運転した。【００３６】
実施例１
１１枚のうち中央に配置した板の上端部近傍における旋回流の様子を高速ビデオカメラで撮影し、板の上端部の形状による旋回流の変化を観察した。【００３７】
その結果、上端部１４では板の上端部の上方におけるカルマン渦の発生が観察された。一方、上端部１６では板の上端部の上方におけるカルマン渦の発生がわずかに認められたものの、上端部１５では板の上端部の上方におけるカルマン渦の発生は認められず、上端部１５、１６ともに、上端部を通過する旋回流は上端部１４と比較してスムーズになっていた。【００３８】
実施例２
１１枚のうち中央に配置した板の上端部に作用する曲げモーメントの大きさを、板の表面のひずみの大きさから計算し、板の上端部の形状による振動負荷の変化を比較した。板の上端縁から２５ｍｍ下方、板の側縁から１２０ｍｍ（板の中心線上）、６０ｍｍの２箇所の表面上に１軸の水中用ひずみゲージを、その軸が板の幅方向になるようにしてそれぞれ接着固定し、該２箇所のひずみの波形データを取り込んだ。この波形データからひずみの振幅εを求め、これから板に作用する曲げモーメントＭを算出した。【００３９】
曲げモーメントＭ（Ｎ・ｍｍ）＝２×Ｅ×Ｉ×ε／ｈ
ここで、
Ｅ：板の縦弾性係数（ＭＰａ）
Ｉ：板の断面２次モーメント（ｍｍ４）
ｈ：板の厚み（ｍｍ）
その結果、図８に示すとおり、板に作用する曲げモーメントの大きさは、従来の上端部１４に比べて、上端部１５では６６％、上端部１６では７７％に低減することが確認された。【００４０】
以上のように、先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状の部分を含む上端部とすることで、振動の抑制効果が得られることが示された。とくに、その一部が先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく上端部より、その全体が先端に行くにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく上端部のほうが、より効果が大きいことも示された。これらは板の上端部の形状を変更するのみであるため、追加部材を要する構成と比較して、コストや組立作業性、信頼性に優れる。【００４１】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１０年１２月１５日出願の日本特許出願２０１０−２７９０７７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の濾過膜エレメントを濾過膜モジュールに設置し活性汚泥槽内に浸漬して使用することで、濾過膜エレメントの板の上端部の上方におけるカルマン渦の発生をなくし、板の両面の差圧の低減によって振動を軽減することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１    濾過膜エレメント
２    板
３    濾過膜
４    濾過水ノズル
５    板の上端部
６    旋回流
７    カルマン渦
８    濾過膜モジュール
９    活性汚泥槽
１０    ポンプ
１１    散気装置
１２    ブロワ
１３    集水管
１４    矩形の形状をした上端部
１５    その全体が先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状をした上端部
１６    その一部が先端にいくにしたがって厚みがしだいに小さくなっていく形状をした上端部
【図１】
2012081443.tif 000003
【図２】
2012081443.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2012081443.tif 000011
2012081443.tif 000012
2012081443.tif 000013
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