(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの膜エレメントを備えるとともに被処理液に浸漬して配置され流れ形成手段により膜エレメントの外表面に被処理液の流れを生じさせながらろ過運転を行い透過液を取り出す浸漬型膜分離装置であって、
膜エレメントが、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置するとともに、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の上流側および下流側の端部を含んで折り返した反転部を有してループ状をなす平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜とからなり、
ろ過膜は少なくとも１つの接合部を有し、接合部が膜支持体の主面上でろ過膜の端部どうしを重ねて配置し、ろ過膜の一方の端部における表面上に他方の端部における裏面を接合してなり、接合部において重なるろ過膜の端部うち、下流側に向いた他方の端部を外側に配置し、
前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、ろ過有効領域の全幅にわたって前記膜支持体にシールされないことを特徴とする浸漬型膜分離装置。
【請求項２】
前記流れ形成手段が前記膜エレメントの下方位置に配置された散気装置であり、前記被処理液の流れが前記散気手段からの散気に伴う上昇流であることを特徴とする請求項１記載の浸漬型膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上水や廃水などの一般水処理においてろ過または濃縮に用いられる膜エレメントおよび膜モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の膜分離装置としては、例えば複数の膜エレメントを適当な間隔で平行に配置した浸漬型膜装置が知られている。膜エレメントとしては、例えば図９〜図１０に示すものがある。図９〜図１０において、膜エレメントは、膜支持体である矩形の平板状のろ板１に、その表面を覆って有機膜からなるろ過膜２を配置し、ろ過膜２をその周縁部においてろ板１に接合しており、ろ板１に集水口３を有している。ここでは膜支持体として樹脂製のろ板１を例示するが、膜支持体としては不織布やネット等のフレキシブルな材質のものを使用する場合もある。
【０００３】
膜エレメントは、駆動圧力を受けてろ過膜２で被処理水をろ過するものであり、槽内の水頭圧を駆動圧力とする重力ろ過、あるいはろ過膜２の内側に負圧を駆動圧力として与える吸引ろ過に用いる。
【０００４】
このような膜エレメントでのろ板１とろ過膜２との接合方法には、例えば溶着、接着等がある。溶着は超音波を用いてろ板１の樹脂を溶融して溶着部４を形成し、溶着部４においてろ板１とろ過膜２とを接合するものである。接着は接着剤を用いてろ板１とろ過膜２とを接合するものである。
【０００５】
このようなろ板１とろ過膜２との接合方法としては、例えば日本国特許公報（特許第３０１０９７９号）に記載するものがある。これは、ろ板の表面にろ過膜を配置し、ろ過膜の上からろ過膜の周縁部に沿って超音波振動を与え、その摩擦熱により、ろ板にろ過膜を溶着するものである。
【０００６】
また、日本国特許公報（特開平１１−３３３７０号）に記載するものは、スペーサーを介して２枚の平膜を積層し、２枚の平膜の両側において双方の端部同士を溶着または接着してろ過膜体を形成するものである。
【０００７】
また、日本国特許公報（特許第３８１５６４５号）に記載するものは、分離体ユニットが、通水機能を有する部材の両面にスペーサを介してろ過膜を装着し、膜端を接合する接合部材に中空部を形成してなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した膜分離装置を使用する場合には、曝気槽内の活性汚泥混合液中に膜分離装置を浸漬し、散気装置から曝気用空気を噴出させる。この状態で駆動圧力を膜エレメントに与えて活性汚泥混合液をろ過し、ろ過膜を透過した透過液は処理水として槽外へ導き出す。
【０００９】
このとき、散気装置から散気する曝気用空気の気泡のエアリフト作用により上昇流を生じさせる。この上昇流によって膜エレメントのろ過膜の膜面を曝気洗浄する。この曝気洗浄によって、ファウリングに起因する分離機能の低下を抑制し、膜分離装置が機能不全に至ることを防止する。
【００１０】
このように、膜分離装置ではファウリングを防止するために曝気洗浄が必要である。この場合に、ろ過運転を停止した状態で曝気を行なうと洗浄効果が高くなることが知られている。
【００１１】
しかしながら、図１１に示すように、ろ過運転を停止した状態で放置しておくと、膜エレメントの内部、つまりろ板１とろ過膜２との間に透過液が溜まり、ろ過膜２が少し膨らんだ状態になる。
【００１２】
図１２に示すように、ろ過運転を停止したままの状態で曝気だけを行なうと、ろ板１とろ過膜２との間に溜まった透過液が上昇流により上方へ押し上げられる。この結果、図８に示すように、ろ過膜２が溶着部４で折り返して膜エレメントの上部付近に膨らみ５を形成し、この膨らみ５が上昇流に対して抵抗となってろ過膜２に振動および応力が生じる。このため、ろ過膜２が溶着部４で剥離し、あるいは溶着部４の付近で破断し易くなる。
【００１３】
また、ファウリングが生じた場合にはファウリングを除去するための薬液洗浄が必要となる。この薬液洗浄は集水口３からろ板１とろ過膜２との間の透過液流路に薬液を供給して行なう。薬液の供給圧力でろ板１とろ過膜２との間の透過液流路における内圧が高くなると、ろ過膜２が外側に膨らんでろ板１とろ過膜２との接合部に剥離作用を及ぼす。
【００１４】
このため、上述したように、ろ過膜２をろ板１との接合面から剥離させる方向に引張力が作用するので、溶着部４でろ過膜２に破断や剥離が起こり易くなり、薬液洗浄において高い内圧を与えることができない問題があった。
【００１５】
本発明は上記した課題を解決するものであり、ろ過運転を停止したままの状態で曝気を行なっても、あるいは薬液洗浄において高い内圧を与えてもろ過膜の破断や剥離が起こり難い膜エレメントおよび膜モジュール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】
【００１９】
本発明の浸漬型膜分離装置は、少なくとも一つの膜エレメントを備えるとともに被処理液に浸漬して配置され流れ形成手段により膜エレメントの外表面に被処理液の流れを生じさせながらろ過運転を行い透過液を取り出す浸漬型膜分離装置であって、膜エレメントが、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置するとともに、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の上流側および下流側の端部を含んで折り返した反転部を有してループ状をなす平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜とからなり、ろ過膜は少なくとも１つの接合部を有し、接合部が膜支持体の主面上でろ過膜の端部どうしを重ねて配置し、ろ過膜の一方の端部における表面上に他方の端部における裏面を接合してなり、接合部において重なるろ過膜の端部うち、下流側に向いた他方の端部を外側に配置し、前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、ろ過有効領域の全幅にわたって前記膜支持体にシールされないことを特徴とする。
本発明の浸漬型膜分離装置において、前記流れ形成手段が前記膜エレメントの下方位置に配置された散気装置であり、前記被処理液の流れが前記散気手段からの散気に伴う上昇流であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明は、被処理液の流れ方向に沿った膜支持体の両側部においてろ過膜の縁辺部上に封止材を水密に形成することで、ループ状のろ過膜の両側の開口縁を膜支持体上に保持するので、ろ過膜と膜支持体とを直接に固定する部位は存在しない。封止材はろ過膜をろ板に強く押し圧することは必ずしも必要ではない。しかしながら、膜エレメントは、ろ過膜の膜面が被処理液に接することがない領域、例えば封止材に対応する領域や集水ケースの内部に位置する領域では、ろ板とろ過膜とを直接に接合することも可能である。ただし、その接合が透過液流路を阻害しないことを条件とする。
【００２１】
また、ろ過膜は１枚もしくは複数枚の膜シートの端部を接合してループ状に形成しても良く、シームレスでループ状をなす膜シートで形成することもできる。
【００２２】
この構成により、薬液洗浄に際して膜支持体とろ過膜との間の透過液流路に所定圧力で薬液を供給すると、ろ過膜は内圧を受けて外側に膨らんだ状態となる。この状態において、ろ過膜には膜面に沿った引張応力が作用するが、ろ過膜と膜支持体とを直接に固定する部位は存在しないので、従来のように膜支持体とろ過膜とを溶着する場合に比べてろ過膜の破断を抑制でき、薬液洗浄において高い内圧を与えることが可能となる。
【００２３】
膜エレメントの被処理液の流れ方向に沿った両側部では、ろ過膜上に封止材を水密に形成しているので、ろ過膜が内圧を受けて外側に膨らんだ状態となっても、大きな強度を確保できる。
【００２４】
ろ過運転を停止する状態で膜エレメントの下方から散気する場合に、膜支持体とろ過膜との間にある透過液は被処理液の流れの下流側へ押されて反転部に集まり、ろ過膜は反転部で柔軟に膨らんで透過液の移動を許容する。さらに、反転部の膨らみが膜支持体の下流側の端部の下流域に生じることで、膜支持体に沿って流れる被処理液の流れに対して反転部の膨らみが抵抗とならず、反転部の膨らみを原因としてろ過膜に振動および応力が生じることはない。よって、ろ過膜に作用する負荷を抑制してろ過膜が破断することを防止できる。また、外側に配置した端部が下流側を向いて被処理液の流れに対向しないので、ろ過膜接合部のはがれを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態における膜カセットを示す斜視図
【図２】同膜カセットの膜モジュールにおける要部を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態における膜エレメントを示す斜視図
【図４】同膜エレメントを示す正面図
【図５】本発明の他の実施の形態における膜エレメントを示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態３における膜エレメントを示す斜視図
【図７】本発明の膜エレメントの作用を示す模式図
【図８】従来の膜エレメントの作用を示す模式図
【図９】従来の膜エレメントの構成を示す分解斜視図
【図１０】従来の膜エレメントを示す斜視図
【図１１】従来の膜エレメントを示す側面図
【図１２】従来の膜エレメントを示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１〜図４において、膜分離装置をなす膜カセット１１は上下に積み重ねた複数の膜モジュール１２からなり、処理槽（図示省略）内の被処理液に浸漬して設置している。膜カセット１１は下段の膜モジュール１２の下方位置に散気装置１１ａが配置してある。
【００２７】
膜モジュール１２は複数の膜エレメント１３を所定間隔で並列に配置し、各膜エレメント１３の横方向の両側をそれぞれ集水ケース１４に水密に封止し、膜エレメント１３の相互間に縦方向の流路を形成している。各集水ケース１４は中空状をなして内部に集水空間を有しており、四角形状の箱体をなすが、その形状は四角形状以外のものとすることも可能である。しかしながら、集水ケース１４は膜エレメント１３の一方の側部にのみ設けることも可能である。この場合に、膜エレメント１３の他方の側部は後述する樹脂等によって封止する。
【００２８】
本実施の形態では、膜エレメント１３を上下方向に配置する構成を示している。しかしながら、膜エレメント１３の配置方向は上下方向に限るものではなく、被処理液の流れ方向に沿って配置するものであれば良い。よって、後述するように、水平方向に配置することも可能であり、あるいは斜めに配置することも可能である。
【００２９】
膜モジュール１２は集水ケース１４の上端面に設けた上部連結部２３および下端面に設けた下部連結部２４を有しており、上部連結部２３および下部連結部２４は流路をなして集水ケース１４の集水空間に連通している。
【００３０】
上方の膜モジュール１２の下部連結部２４と下方の膜モジュール１２の上部連結部２３とが連結しており、上方の膜モジュール１２の集水ケース１４の上部連結部２３がチューブ２５を介して集水管２６に連通している。
【００３１】
しかしながら、下方の膜モジュール１２の下部連結部２４がチューブ２５を介して集水管２６に連通することも可能であり、さらにはチューブ２５を介することなく下部連結部２４もしくは上部連結部２３が直接に集水管２６に連通することも可能である。
【００３２】
本実施の形態では、下方の膜モジュール１２の下部連結部２４は栓（図示省略）によって閉栓しているが、下方の膜モジュール１２として下部連結部２４の存在しないものを使用することも可能である。
【００３３】
また、透過液の取り出しは、上方の膜モジュール１２の左右の上部連結部２３、下方の膜モジュール１２の左右の下部連結部２４の少なくとも１箇所から行なえば良い。
【００３４】
図２に示すように、各集水ケース１４は開口部１５にポッティングした封止材（樹脂等）１６を介して複数の膜エレメント１３を水密に保持している。しかしながら、図２に示した構成に限らず、集水ケース１４に膜エレメント１３を水密に接合する構造には種々のものがある。例えば、集水ケース１４の開口部１５を単一の開口とせずに、複数のスリットに形成し、各スリットに膜エレメント１３を挿入し、スリットに樹脂等の封止材１６をポッティングすることも可能である。あるいは、膜エレメント１３の周囲にゴム等のシール材を配置することも可能である。
（膜エレメントの構成）
図３および図４に示すように、膜エレメント１３は膜支持体をなす樹脂製のろ板１７と、ろ板１７の表裏の主面を覆って配置する平膜（有機膜）からなるろ過膜１８を有しており、各膜エレメント１３はろ板１７の表裏の主面とろ過膜１８との間に形成した透過液流路が集水ケース１４の集水空間に連通している。本実施の形態では、膜支持体として樹脂製のろ板１を例示するが、膜支持体としては不織布やネット等のフレキシブルな材質のものを使用する場合もある。
【００３５】
膜エレメント１３は、上端側が被処理液の流れ方向において下流側に位置し、下端側が被処理液の流れ方向において上流側に位置している。ろ過膜１８はろ板１７の下流側の端部１９を含んで折り返した下流側反転部２０と上流側の端部２７を含んで折り返した上流側反転部２９とを有している。そして、ろ過膜１８の端部どうしがろ板１７の主面上もしくは端面上において相互に重なり、一方の端部における表面上に他方の端部における裏面を接合し、かつ下流側に向けた他方の端部を外側に位置させて接合部３０を形成している。接合部３０は超音波による溶着、もしくは接着剤による接着にて形成する。
【００３６】
この構造の膜エレメント１３を所定間隔で並列に配置し、複数の膜エレメント１３をその相互間に配置する封止材（樹脂等）１６で集水ケース１４の開口部１５に水密に封止する。
【００３７】
この構成により、膜エレメント１３はろ板１７とろ過膜１８とを直接に固定接合しない構造を有しており、ろ板１７の四辺においてろ過膜１８とろ板１７とが接着や溶着によって直接に固定しない構造を実現している。
【００３８】
しかしながら、膜エレメント１３は、ろ過膜１８の膜面が被処理液に接することがない領域、例えば封止材１６に対応する領域や集水ケース１４の内部に位置する領域では、ろ板１７とろ過膜１８とを直接に接合することも可能である。ただし、その接合が透過液流路を阻害しないことを条件とする。
【００３９】
ところで、図４に示すように、封止材１６は個々の膜エレメント１３ごとに形成することも可能であり、各膜エレメント１３ごとに被処理液の流れ方向に沿ったろ板１７の両側部においてろ過膜１８の縁辺部を封止材１６で保持する。その後に、この構造の膜エレメント１３を所定間隔で並列に配置し、複数の膜エレメント１３をその相互間に配置する封止材（樹脂等）１６で結束することも可能である。さらに、上述したように、ろ過膜１８の上にゴム材等のシール材を配置してろ過膜１８をろ板１７に接合することも可能である。
【００４０】
上述した実施の形態では、１枚の膜シートによってループ状のろ過膜１８を形成した。しかしながら、図５に示すように、ろ過膜１８は複数枚の膜シートでループ状に形成することも可能である。
【００４１】
ここでは、ろ過膜１８を構成する２枚の膜シートのうち一方の膜シートがろ板１７の上端縁１９を含んで折り返した下流側反転部２０を形成し、他方の膜シートが上流側の端部２７を含んで折り返した上流側反転部２９を形成している。双方の膜シートの端部どうしをろ板１７の主面上において相互に重ねて配置し、双方の膜シートの端部どうしを接合して二つの接合部３０を形成している。この接合部３０は、超音波による溶着、もしくは接着剤による接着にて形成する。
【００４２】
さらには、ろ過膜１８はシームレスのループ状をなす膜シートで形成することも可能である。
【００４３】
上述した何れの膜エレメント１３を用いても、本発明の膜モジュール１２においては、以下の作用効果を奏する。
通常運転
下段の膜モジュール１２の下方位置に配置した散気装置１１ａから曝気用気体として空気を散気し、空気の気泡のエアリフト作用により膜カセット１１の内部に気液混相の上昇流を生じさせる。この上昇流により処理槽（図示省略）内の被処理液を膜エレメント１３の相互間に供給し、膜エレメント１３の膜面に沿った被処理液の流れを形成し、ろ過膜１８を透過して流れる透過液の流れに対して被処理液をクロスフローで供給する。
【００４４】
本実施の形態では、エアリフト作用による上昇流により被処理液をクロスフローで供給するので、膜エレメント１３を上下方向に配置した。しかしながら、ポンプ等の動力手段により被処理液を膜エレメント１３の相互間にクロスフローで供給する場合には、膜エレメント１３は水平方向もしくは斜め方向に配置することも可能である。
【００４５】
膜エレメント１３に駆動圧力を与える方式には種々のものがある。ここでは、槽内の水頭を駆動圧力として各膜エレメント１３により槽内の活性汚泥混合液を重力ろ過する。あるいは吸引ポンプにより集水管２６およびチューブ２５を通して膜カセット１１の各膜モジュール１２に駆動圧力として吸引圧力を与えて吸引ろ過する。
【００４６】
駆動圧力を受けて膜エレメント１３のろ過膜１８を透過した透過液は、ろ過膜１８とろ板１７との間の透過液流路を通って集水ケース１４の集水空間に流入する。下段の膜モジュール１２の集水ケース１４に流入した透過液は上部連結部２３を通り、上段の膜モジュール１２の集水ケース１４へ下部連結部２４から流入する。上段の膜モジュール１２の集水ケース１４に流入した透過液は上部連結部２３からチューブ２５および集水管２６を通して処理水として槽外へ導き出す。
【００４７】
この間に、上昇流によって膜エレメント１３の相互間の流路にクロスフローで活性汚泥混合液を供給するとともに、上昇流によって膜エレメント１３の膜面を曝気洗浄する。この曝気洗浄によって、ファウリングに起因する分離機能の低下を抑制し、膜分離装置が機能不全に至ることを防止する。この際に、外側に配置した端部が下流側を向いて被処理液の流れに対向しないので、ろ過膜接合部のはがれを抑えられる。
曝気洗浄運転
重力ろ過の場合には、集水管２６に設けたバルブ（図示省略）を閉栓し、吸引ろ過の場合には、吸引ポンプを止めてろ過運転を停止する。この状態で散気装置１１ａを運転して曝気洗浄を行うと、優れた洗浄効果を得ることができる。
【００４８】
このとき、上昇流が各膜エレメント１３の内部の透過液をろ板１７とろ過膜１８との間において上方の下流側に押す。しかしながら、図７に示すように、ろ過膜１８はろ板１７の下流側の端部１９を含んで折り返した反転部２０を有するので、ろ板１７とろ過膜１８との間において上方の下流側へ押される透過液は反転部２０に集まり、ろ過膜１８が反転部２０で柔軟に膨らんで透過液の移動を許容する。さらに、反転部２０の膨らみ２０ａはろ板１７の下流側の端部１９の下流域に形成するので、ろ板１７に沿って流れる上昇流に対して反転部２０の膨らみ２０ａが抵抗とならず、反転部２０の膨らみ２０ａを原因としてろ過膜１８に振動および応力が生じることはない。
【００４９】
よって、反転部２０が柔軟に膨らんで透過液の移動を許容すること、および膨らみ２０ａが上昇流に対して抵抗とならないことにより、ろ過膜１８に作用する負荷を抑制してろ過膜１８が破断することを防止する。
薬液洗浄
薬液洗浄時には、集水管２６およびチューブ２５を通して膜カセット１１の各膜モジュール１２に薬液を供給し、ろ板１７とろ過膜１８との間の透過液流路に所定圧力で薬液を供給する。このとき、ろ過膜１８は内圧を受けて外側に膨らんだ状態となる。この状態において、ろ過膜１８には膜面に沿った引張応力が作用する。
【００５０】
しかしながら、ろ過膜１８とろ板１７との固定ではなく、接合部３０においてろ過膜１８の端部どうしを接合してループ状のろ過膜１８を形成することで、当然のことに従来のようにろ板１７からろ過膜１８が剥離することは起こり得ず、接合部３０には引張応力のみが作用するので接合部３０は十分に耐えることができ、薬液洗浄において高い内圧を与えることが可能となる。
【００５１】
また、従来のようにろ板１７とろ過膜１８とを溶着する場合に比べて、本実施の形態では、双方の膜シートの端部どうしをろ板１７の主面上において相互に重ねて配置し、一方の端部における表面上に他方の端部における裏面を接合して接合部３０を形成している。このため、ろ過膜１８に作用する引張力が接合部３０では剪断力として作用するので大きな接合強度を確保することができる。さらに、膜エレメント１３の被処理液の流れ方向に沿った両側部では、ろ過膜１８の上に封止材１６を水密に形成しているので、ろ過膜１８が内圧を受けて外側に膨らんだ状態となっても、大きな強度を確保できる。
【００５２】
例えば、従来の構成、つまりろ過膜をろ板に溶着接合した場合には、内圧が４０ｋＰａ以上になると、溶着部の破断が見られた。しかしながら、発明の構成では、内圧が１００ｋＰａとなる条件下においても接合部３０での破断は生じず、耐圧強度が向上した。
【００５３】
よって、薬液洗浄においてろ過膜１８の破断を抑制しつつ、高い圧力の下で短時間に薬液を移送し、高い内圧の下で薬液を内側から外側へ通液させる逆液洗浄が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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