(57)【要約】【課題】  平膜表面で発生するクロスフロー流速の偏りをなくすことで、従来よりもろ過継続時間が長く維持でき、薬品洗浄の頻度を低く抑えることができる平膜モジュールおよびそれを用いた水処理装置を提供する。【解決手段】  水平方向に一定間隔を空けて並べた複数枚の平膜エレメント１の集合体と、該平膜エレメント集合体の下方に配された散気装置２、およびそれらを水平方向から外部と遮断して四方から取り囲む筺体３から構成される平膜モジュールであって、該平膜エレメント集合体の両側面と該筺体の内壁の間に、上端部が開口した空間６を有し、且つ平膜エレメント間の間隙７の側面が、該空間６と連通していることを特徴とする平膜モジュール。【選択図】図１
2010247086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向に一定間隔を空けて並べた複数枚の平膜エレメントの集合体と、該平膜エレメント集合体の下方に配された散気装置、およびそれらを水平方向から外部と遮断して四方から取り囲む筺体から構成される平膜モジュールであって、該平膜エレメント集合体の両側面と該筺体の内壁の間に、上端部が開口した空間を有し、且つ平膜エレメント間の間隙の側面が、該空間と連通していることを特徴とする平膜モジュール。
【請求項２】
前記空間における平膜エレメント集合体の両側面と該筺体の内壁の間隔が、平膜エレメントの幅の５０分の１〜２０分の１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の平膜モジュール。
【請求項３】
隣り合った平膜エレメント間の間隙の幅が、前記平膜エレメントの厚さに対して０．５〜１．２倍の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の平膜モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の平膜モジュールが槽内に設置されていることを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃水の処理に用いられる平膜モジュール、およびこれを用いた水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水の処理に用いられる膜には、孔径の大きいものから精密ろ過膜、限外ろ過膜、逆浸透膜などが知られており、平膜、中空糸、管状、スパイラル状などの形状がある。
【０００３】
これら分離膜を集積したモジュールの形態としては、中空糸膜やスパイラル膜で多く用いられている、膜を収納した円筒状のケースに配管を接続して使用するケース収納型と、ろ過対象が満たされた水槽に平膜や中空糸膜が剥き出しになった状態のモジュールを浸漬し、ポンプによる吸引あるいは水槽水位と透過水出口の水位の差を駆動力として透過水を得る槽浸漬型の２種類に大別される。
【０００４】
上記槽浸漬型モジュールは膜分離活性汚泥法で実用化されているが、これは従来行われてきた沈殿槽によって活性汚泥を沈降分離し、上澄みを処理水として得る方法に代わるものである。この方法は、活性汚泥により生物処理を行っている曝気槽に直接膜モジュールを浸漬し、膜モジュールの下部に取り付けられた散気装置から発生させた気泡により膜面と平行に流れるクロスフローを発生させて膜面を常時洗浄しながらろ過を行い、得られる膜透過水を処理水とする方法である。この膜分離活性汚泥法が従来の沈殿法より優れている点として、活性汚泥の沈降性とは無関係に常に清澄な処理水が得られるため維持管理が容易であること、沈殿槽が不要になること、曝気槽内の活性汚泥濃度を高く維持でき生物処理の効率が向上するため、曝気槽自体の容量が小さくできること等が挙げられ、従来の沈殿法よりも高効率、省スペース化を期待することができる。
【０００５】
上記膜分離活性汚泥法で用いられる槽浸漬型モジュールには、主として精密ろ過膜が使用され、膜の形態としては平膜あるいは中空糸膜が用いられることが多いが、これらのうち平膜を使用した例として、特許文献１には、平膜エレメントの側面を、それを囲む筺体の内壁に取り付けたガイドレールに差し込んで固定し、一定間隔に並べてモジュール化する方法が提唱されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２２０４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のように、複数枚の膜エレメントを、一定間隔を開けて筺体の内壁と直接固定した場合は、気泡によって膜エレメントの表層で生じる気液混合流が、縦方向の中心線付近に一旦収束し、その後上端部付近で左右に広がるように上昇するため、この部分では大きなクロスフロー流速が得られる一方で、左右両端部付近は大きなクロスフロー流速が得られず、場合によっては渦流が発生することもある（図４参照）。
【０００８】
このように膜面のクロスフロー流速に偏りがある状態で運転を継続した場合、クロスフロー流速の小さい膜面の左右がファウリングの発生や汚泥の付着により汚染され、それが中心へ向かって進行する場合がある。汚染箇所は部分的にろ過流量が低下するため、一定流量の透過水を確保し続けようとすれば、必然的に非汚染部分によって設定値よりも大きな透過流束でろ過を行うことになり、その結果、非汚染部分においてもろ過性能の低下を早めることとなり、性能回復のためにろ過を中断して行う薬液洗浄や物理洗浄の回数が必要以上に多くなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、気液混合流による十分なクロスフロー流速が、膜面の全域にわたって得ることのできる平膜モジュール、およびそれを用いた水処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記のような課題を解決するために鋭意検討した結果、平膜エレメントと筐体との構造的な位置関係を工夫することにより、平膜エレメントの膜面の全域にわたり十分なクロスフロー流速を得ることができることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、第１の本発明は、水平方向に一定間隔を空けて並べた複数枚の平膜エレメントの集合体と、該平膜エレメント集合体の下方に配された散気装置、およびそれらを水平方向から外部と遮断して四方から取り囲む筺体から構成される平膜モジュールであって、該平膜エレメント集合体の両側面と該筺体の内壁の間に、上端部が開口した空間を有し、且つ平膜エレメント間の間隙の側面が該空間と連通していることを特徴とする平膜モジュールを要旨とするものであり、好ましくは、平膜エレメント集合体の両側面と該筺体の内壁の間隔が、左右それぞれ平膜エレメントの幅の５０分の１〜２０分の１の範囲であることを特徴とするものであり、また好ましくは、隣り合った平膜エレメント間の間隙の幅が、前記平膜エレメントの厚さに対して０．５〜１．２倍の範囲であることを特徴とするものである。
【００１２】
第２の本発明は、前記したいずれかの平膜モジュールが槽内に設置されていることを特徴とする水処理装置を要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一定間隔を空けて並んだそれぞれの膜エレメントの膜面全面にわたって、上昇速度の大きな気液混合流が当たり十分なクロスフロー流速が得られ、膜エレメントの両端から発生するファウリングや汚泥の付着による汚染を抑制できるため、ろ過を中断して行う薬品洗浄や物理洗浄の頻度を少なくすることができ、運転時間を長く維持することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の平膜モジュールの一形態を示す斜視図（筐体の側面は説明上、透視している）である。
【図２】本発明の平膜モジュールの一形態を示す平面図である。
【図３】実施例１において観察された気液混合流の状態を模式的に表した図である。
【図４】比較例１において観察された気液混合流の状態を模式的に表した図である。
【図５】比較例２において観察された気液混合流の状態を模式的に表した図である。
【図６】実施例２および比較例３で用いた平膜モジュールに接続した透過水回収部分の斜視図である。
【図７】実施例２および比較例３で用いた装置のフロー図である。
【図８】実施例２および比較例３で得られた膜透過流束の経日変化を表す図である。
【図９】比較例３の運転終了後に引き上げた平膜エレメントの外観の一例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の平膜モジュールの一形態を、筺体３を透過させて描いた斜視図であり、また図２は本発明の平膜モジュールの平面図の一形態である。
【００１７】
本発明の平膜モジュールを構成する主要な要素は、平膜エレメント１を等間隔に並べた集合体と、その下方に配置された散気装置２と、平膜エレメント１の集合体および散気装置２を水平方向に四方から取り囲む筺体３である。筺体３には、複数枚の平膜エレメント１を所定の間隔で配置するために、上下から固定する支持板４と押さえ板５が取り付けられ、さらに、平膜エレメント１と筺体３の間に空間６を確保し、且つその空間６に、隣り合う平膜エレメント１どうしの間にできる間隙７が連通するように支持するための固定ガイド８が取り付けられている。
【００１８】
本発明の平膜モジュールを液体に浸せきして曝気を行うと、発生した気液混合流は平膜エレメント１の間隙７を通過し、大部分は間隙７の上端を通過してモジュールの外部に流出するが、一部は間隙７の左右両端から空間６を通過してモジュール外部へ流出する。この時に空間６で鉛直方向に発生する上昇流は大きな流速となるため、間隙７の左右両端から空間６を通過する気液混合流は、この鉛直上向きの上昇流に引き込まれる、いわゆるエジェクター効果によって大きな流速となり、結果、膜エレメント１の左右両端部におけるクロスフローは大きな流速が得られる（図３を参照）。
【００１９】
１つの間隙７に対して空間６の投影面積（空間６の投影面積／間隙７の個数）が小さい場合は、気液混合流が空間６へ流れ込まないため上昇流が生じず、また、大きすぎる場合は、気液混合流の大部分が空間６を通過してしまうため、膜エレメント１の中央付近におけるクロスフロー流速が十分に得られないことになる。
【００２０】
本発明において、平膜エレメント１の表層の全面にわたりほぼ均一に気液混合流を分散させるためには、空間６を形成するための平膜エレメント１の両側面から筺体３の内壁までの長さを、平膜エレメント１の幅の５０分の１〜２０分の１の範囲で左右ともに同じ長さとするのが好ましい。
【００２１】
また本発明において、平膜エレメントの間隙７の奥行きは、平膜エレメント１の厚みの０．５〜１．２倍とするのが好ましい。
【００２２】
固定ガイド８は、平膜エレメント１の間隙７から空間６への連通を塞ぐように取り付けられるため、固定ガイド８の高さをできるだけ小さくし、平膜エレメント１の側面はできるだけ多く空間６に対して露出させるのが望ましいが、少なくとも平膜エレメント１の側面が５分の４以上露出しているのがよい。
【００２３】
本発明で用いられる平膜エレメント１は、３〜１０ｍｍ程度の厚みを有する長方形の板の表裏両面に、透過水の流路となる溝を彫り込み、それと連通する透過水取り出し口を取り付けたものを基板とし、その表裏両面に載せた平膜の４辺を水密的に封止して製作される。また場合によっては基板と膜の間に、ろ過中に基板へ膜が圧着することを防ぐためのスペーサーを挟む場合もある。
【００２４】
膜の材質としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂を原料とし、基材となる抄紙や不織布上で製膜したものを好適に使用することができる。膜の孔径としては、活性汚泥のろ過に用いるのであればＭＦ膜に相当する０．１〜０．５μｍ程度のものが適しているが、ろ過対象によってはこの範囲に限定されるものではない。
【００２５】
基板としてはポリ塩化ビニル製やＡＢＳ製のものなどが好適に使用できる。これらの間に挟まれるスペーサーには、例えばポリエステル製不織布や、目幅２ｍｍ程度のポリエチレン製のネットなど、ろ過抵抗が小さく、ろ過中に加圧による変形がほとんどないものを使用することができる。
【００２６】
本発明で用いられる散気装置２は、ポリ塩化ビニル管やステンレス管、あるいは軟質塩化ビニル製の耐圧ホースの側面に空気の吹き出し口となる孔を穿った、粗大気泡が発生するものを筺体３に取り付けて使用することができる。また空気の吹き出し口が円形のディスクディフューザーを１〜数個、膜エレメント１の下方に配し、ここから発生する気泡を各エレメントの間隙７に均一に分散させるための邪魔板を、ディスクディフューザーと膜エレメント１の間に設けるという方法も可能である。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２８】
実施例１
実施例１では、図１に示した平膜モジュールの一形態において、細部を以下の条件で作製した平膜モジュールを使用した。縦８００ｍｍ×横４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍのＡＢＳ樹脂板を基板とし、この短辺側側面に、樹脂板の表裏に彫り込んだ溝と連通する透過水取り出し口を取り付け、その上にスペーサーとして目付５０ｇ／ｍ２のポリエステル製不織布（ユニチカ株式会社製）、孔径０．２μｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（ジャパンゴアテックス株式会社製）からなる平膜の順に樹脂板に重ね、平膜の周囲４辺を樹脂板と水密的に貼り合わせて成形した、有効膜面積０．６７ｍ２／枚（両面）、厚さ６ｍｍの平膜エレメント１を１８枚作製した。
【００２９】
透明塩化ビニル樹脂製の高さ１２００ｍｍ×幅４８０ｍｍ（内寸）×奥行き１８４ｍｍ（内寸）の筺体３の内壁の左右各３箇所に取り付けた、それぞれの高さが４０ｍｍのエレメント固定ガイド８により、この平膜エレメント１を４ｍｍの間隔を空けて並べて固定した。なお、この状態で、筺体３の内壁と平膜エレメント１の並びの両側面により形成される空間６の幅は、左右それぞれ１５ｍｍ（＝平膜エレメントの幅の３０分の１）となり、また、筺体３の内壁と平膜エレメント１の並びの両端面とで形成される間隙の幅は、前後ともに平膜エレメント１どうしの間隙７の幅と同じ４ｍｍとなっている。
【００３０】
筺体３の下部には、平膜エレメントの下端から３００ｍｍ下方に、平膜エレメント１の並び方向と平行になる向きに、散気装置２として、側面に孔径０．５ｍｍφの気泡吹き出し孔を２０ｍｍピッチで１列に設けた内径２０ｍｍの塩化ビニル樹脂管２本を取り付けた。
【００３１】
上記の平膜モジュールを透明塩化ビニル樹脂製水槽に設置し、清澄水を張って水深１．５ｍとし、散気装置２に通気量１８０Ｌ／分で通気して平膜エレメント１の並びの端面と筺体３の間隙を上昇する気液混合流を観察した。実施例１の気液混合流は、図３に模式的に示したように、その一部が平膜エレメント１の左右を通過して空間６に入り上昇するため、膜面全体にほぼ均一に広がっていることが確認できた。
【００３２】
比較例１
比較例１では、実施例１で使用した平膜モジュールの空間６を、左右とも高さ８００ｍｍ×奥行き１８０ｍｍ×厚さ１２ｍｍの板を挿入して塞ぎ、平膜エレメント１の間隙のみを気液混合流が通過するようにして、実施例１と同様の観察を行った。
比較例１の気液混合流は、図４に模式的に示したように、平膜エレメント１の両側面付近が疎、中心付近が密となっている様子が観察された。
【００３３】
比較例２
比較例２では実施例１で使用した平膜モジュールにおいて、筺体３の側面の支持板４から上の部分を切り取り、平膜エレメント１どうしの間隙７が露出する状態とし、実施例１と同様の観察を行った。比較例２の気液混合流は、図５に模式的に示したように、平膜モジュールの外部で発生する旋回流の影響を受けて、流れが片側に偏る様子が観察された。
【００３４】
実施例２
実施例２では、図６に示すように、実施例１で使用した平膜モジュールの各平膜エレメント１の透過水取り出し口９を、平膜モジュールに固定した透過水集水管１０にシリコンチューブで接続した。これを活性汚泥槽１１に設置して、透過水集水管１０を透過水排出管１２と接続し、その他、循環水槽１３、透過水循環ポンプ１４、水位計１５、ブロワ１６と組み合わせて図７のフローで示される装置を作製した。この活性汚泥槽１１に、汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）１００００ｍｇ／Ｌの活性汚泥を水深１．５ｍの高さまで投入し、透過水排出管１２の出口を活性汚泥水面から０．５ｍの高さに調整した。
【００３５】
ブロワ１６から散気装置２へ通気量１８０Ｌ／分で空気を供給しながら透過水排出管１２のバルブを開にすることで水頭差により透過水が得られるが、水位計１５が活性汚泥槽１１の水位低下を検知して循環水槽１３内の透過水循環ポンプ１４を稼働させることにより透過水が戻され、活性汚泥槽１１の水位が常に一定に維持される仕組みになっているため、５ｋＰａの定圧ろ過が可能となっている。また、ＭＬＳＳ濃度も数日間の単位であればほぼ一定に保つことができる。
【００３６】
この装置を用いて２ヶ月間連続してろ過を行い、１日１回の頻度で透過水量と水温を測定した。またＭＬＳＳ濃度を１週間に１回の頻度で測定し、自己消化によるＭＬＳＳ濃度の低下に対しては、遠心濃縮した活性汚泥を循環水槽１３に投入することで対応し、ＭＬＳＳ濃度が常に１００００ｍｇ／Ｌ前後を維持するようにした。
【００３７】
上記方法で得られたデータから求めた２５℃換算の膜透過流束（水の粘性による透過流束への影響を補正するため、式１により求めた値）の経日変化を図８に示したが、実施例２における膜透過流束は、初期の０．８ｍ３／ｍ２／日から２ヶ月後の０．７ｍ３／ｍ２／日まで、長期的には低下したものの、急激な低下はみられなかった。
また２ヶ月使用後に膜エレメント１を取り出して表面を観察したが、全エレメントともに汚泥の付着はみられなかった。
【００３８】
２５℃換算透過流束（ｍ３／ｍ２／日）
＝透過流束実測値（ｍ３／ｍ２／日）×μＴ／μ２５・・・・（１）
ここで、
Ｔ：透過流束測定時の水温（℃）
μＴ，μ２５：２５℃，Ｔ℃における水の粘度：μ２５＝０．８９０２ミリパスカル秒
【００３９】
比較例３
比較例３では、比較例１で使用した、板の挿入により空間６を塞いだ平膜エレメントを使用し、実施例２と同様の装置、手法により２ヶ月間連続してろ過を実施した。結果を実施例２とともに図８に示したが、初期は実施例２と同じ０．８ｍ３／ｍ２／日であったものが、３週間を経過した時点から低下が顕著となり、２ヶ月後には０．５ｍ３／ｍ２／日まで低下した。また使用後の膜エレメント１の外観は、全１８枚中１５枚で片面または両面に図９のような汚泥の付着が観察され、最も進行していたものでは端部から中心に向かって３０ｍｍにわたり汚泥が付着していた。
【符号の説明】
【００４０】
１    平膜エレメント
２    散気装置
３    筺体
４    支持板
５    押さえ板
６    空間
７    間隙
８    固定ガイド
９    透過水取り出し口
１０  透過水集水管
１１  活性汚泥槽
１２  透過水排出管
１３  循環水槽
１４  循環ポンプ
１５  水位計
１６  ブロワ
１７  気泡
１８  気液混合流の流れ
１９  付着汚泥
【図１】
2010247086.tif 000003
【図２】
2010247086.tif 000004
【図３】
2010247086.tif 000005
【図４】
2010247086.tif 000006
【図５】
2010247086.tif 000007
【図６】
2010247086.tif 000008
【図７】
2010247086.tif 000009
【図８】
2010247086.tif 000010
【図９】
2010247086.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月20日(2009.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
実施例１
実施例１では、図１に示した平膜モジュールの一形態において、細部を以下の条件で作製した平膜モジュールを使用した。縦８００ｍｍ×横４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍのＡＢＳ樹脂板を基板とし、この短辺側側面に、樹脂板の表裏に彫り込んだ溝と連通する透過水取り出し口を取り付け、その上にスペーサーとして目付５０ｇ／ｍ２のポリエステル製不織布、孔径０．２μｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる平膜の順に樹脂板に重ね、平膜の周囲４辺を樹脂板と水密的に貼り合わせて成形した、有効膜面積０．６７ｍ２／枚（両面）、厚さ６ｍｍの平膜エレメント１を１８枚作製した。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
筐体３の下部には、平膜エレメントの下端から３００ｍｍ下方に、平膜エレメント１の並び方向と平行になる向きに、散気装置２として、側面に孔径０．５ｍｍの気泡吹き出し孔を２０ｍｍピッチで１列に設けた内径２０ｍｍの塩化ビニル樹脂管２本を取り付けた。