(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線が鉛直方向に延在する筒形状のケーシングと、
前記ケーシングの延在方向の下方に設けられた第一隔壁と、
前記ケーシングの延在方向の上方に設けられた第二隔壁と、
前記ケーシングの内部において鉛直方向に延在して、一端が前記第一隔壁に連結され、他端が前記第二隔壁に連結された、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜と、
前記ケーシングと前記第一隔壁と前記第二隔壁とによって画成され、前記複数の管状濾過膜を透過した透過水が導入される透過水空間と、
前記透過水空間の上部に設けられたエア抜き口と、
前記透過水空間の下部に設けられ、前記透過水を排出する透過水排出口と、を備える膜モジュール。
【請求項２】
前記ケーシングの内部空間における前記第一隔壁よりも下方の空間である下部ヘッダ空間と、
前記ケーシングの内部空間における前記第二隔壁よりも上方の空間である上部ヘッダ空間と、
前記上部ヘッダ空間に被処理水を供給する被処理水導入口と、
前記下部ヘッダ空間から被処理水を排出する濃縮水排出口と、を備える請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項３】
被処理水に含有される有機物を処理する生物処理水槽と、
前記生物処理水槽から排出される被処理水が収容される原水槽と、
請求項１又は請求項２に記載の膜モジュールを有し、前記原水槽から供給される被処理水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置と、
前記濃縮水を前記生物処理水槽に返送する返送ラインと、を備え、前記原水槽には前記濃縮水を返送しない水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、し尿などの有機性廃水を処理する膜モジュール及び水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
し尿などの有機性廃水を処理する場合、固液の分離にＭＦ（精密濾過）、ＵＦ（限外濾過）などの膜分離を用いることが主流となっている。
膜分離装置としては、円筒形状のケーシングと、ケーシング内に収容された複数の管状濾過膜（中空糸膜）と、を備えた複数の膜モジュールを用い、管状濾過膜の内側に原水を循環させながら濾過する方式の装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。管状濾過膜を透過した透過水は、吸引ポンプによって吸引されて、例えば、貯留槽に貯留されて適宜利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０５２３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の膜分離装置は、複数の膜モジュールを縦置き、即ち、ケーシングの軸線が上下方向に沿うように配置して透過水をケーシングの上部に設けられた透過水排出口から取り出すことが一般的であった。複数の管状濾過膜を透過した透過水は、ケーシングの内部の透過水空間に滞留した後、ケーシングの上部に設けられた透過水排出口から排出されていた。
【０００５】
しかしながら、透過水排出口をケーシングの上部に設けた場合、循環する被処理水の流れが止まると、ケーシング内の透過水空間から透過水が排出されることなく滞留する。これにより、透過水の腐敗が起こるという課題があった。また、透過水に含まれるスケール成分（リン酸イオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオンなど）によるスケール析出、蓄積が起こり、ノズルが閉塞するなどの不具合が生じるという課題があった。さらに、滞留した透過水により、管状濾過膜に背圧がかかり、ＦＬＵＸ（流出量）の低下が生じるという課題があった。
【０００６】
この発明は、透過水の腐敗や、スケール析出を抑制することができる膜モジュール及び水処理システム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】
【０００７】
本発明の第一の態様によれば、膜モジュールは、軸線が鉛直方向に延在する筒形状のケーシングと、前記ケーシングの延在方向の下方に設けられた第一隔壁と、前記ケーシングの延在方向の上方に設けられた第二隔壁と、前記ケーシングの内部において鉛直方向に延在して、一端が前記第一隔壁に連結され、他端が前記第二隔壁に連結された、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜と、前記ケーシングと前記第一隔壁と前記第二隔壁とによって画成され、前記複数の管状濾過膜を透過した透過水が導入される透過水空間と、前記透過水空間の上部に設けられたエア抜き口と、前記透過水空間の下部に設けられ、前記透過水を排出する透過水排出口と、を備える。
【０００８】
このような構成によれば、膜モジュールの管状濾過膜を流れる被処理水の流れが止まった場合においても、下部に設けられた透過水排出口より透過水が排出される。これにより、透過水が透過水空間に滞留することがなくなり、透過水の腐敗及びスケール析出を抑制することができる。
また、管状濾過膜全体を親水性を有する材料で形成することによって、被処理水の流れが止まり管状濾過膜が乾燥した場合においても、疎水性の場合と異なり、管状濾過膜の乾燥による損傷を防止することができる。
【０００９】
上記膜モジュールにおいて、前記ケーシングの内部空間における前記第一隔壁よりも下方の空間である下部ヘッダ空間と、前記ケーシングの内部空間における前記第二隔壁よりも上方の空間である上部ヘッダ空間と、前記上部ヘッダ空間に被処理水を供給する被処理水導入口と、前記下部ヘッダ空間から被処理水を排出する濃縮水排出口と、を備えてもよい。
【００１０】
本発明の第二の態様によれば、水処理システムは、被処理水に含有される有機物を処理する生物処理水槽と、前記生物処理水槽から排出される被処理水が収容される原水槽と、上記いずれかの膜モジュールを有し、前記原水槽から供給される被処理水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置と、前記濃縮水を前記生物処理水槽に返送する返送ラインと、を備え、前記原水槽には前記濃縮水を返送しない。
【００１１】
このような構成によれば、管状濾過膜が親水性を有することで膜面流速を低くすることができるため、被処理水の循環流量を少なくすることができる。これにより、疎水性膜の場合に必要であった、濃縮水を原水槽と生物処理水槽とに分配する分配タンクや、濃縮水を原水槽に返送する配管が不要となる。また、流量が少なくなることにより、配管を小径化することができる。また、流量が少なくなることにより、流量計などの機器の削減が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、膜モジュールの管状濾過膜を流れる被処理水の流れが止まった場合においても、下部に設けられた透過水排出口より透過水が排出される。これにより、透過水が透過水空間に滞留することがなくなり、透過水の腐敗及びスケール析出を抑制することができる。
また、管状濾過膜を親水性を有する材料で形成することによって、被処理水の流れが止まった場合においても、管状濾過膜の乾燥による損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一実施形態の水処理システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態の膜モジュールの概略断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態の変形例の膜モジュールの概略断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態の膜モジュールの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の膜モジュール１を有する水処理システム１０について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の水処理システム１０は、被処理水Ｗ１（し尿、浄化槽汚泥を含む有機性廃水）に含まれる有機物を処理する生物処理水槽１１と、生物処理水槽１１から排出される被処理水Ｗ２が収容される原水槽１２と、原水槽１２から供給される被処理水Ｗ３（原水）を透過水ＰＷと濃縮水Ｗ４とに分離する膜分離装置１３と、を備えている。
【００１５】
生物処理水槽１１は、例えば、硝化菌と脱窒菌の作用により液中のＢＯＤ、窒素化合物等を分解除去する装置である。生物処理水槽１１には、第一配管１５を介して被処理水Ｗ１が供給される。生物処理水槽１１と原水槽１２とは第二配管１６によって接続されている。
【００１６】
膜分離装置１３は、複数の膜モジュール１を備えている。複数の膜モジュール１は、並列に配列されている。複数の膜モジュール１は、膜分離装置１３の筐体内に、縦向きで配置されている。即ち、膜モジュール１の円筒形状のケーシング２（図２参照）の軸線Ａは、鉛直方向に延在している。
図２に示すように、膜モジュール１は、ケーシング２と、ケーシング２の内部に配置された複数の管状濾過膜３とを有している。膜分離装置１３は、管状濾過膜３の内側に被処理水Ｗ３を循環させながら濾過する方式を用い、被処理水Ｗ３から透過水ＰＷを取り出す装置である。
【００１７】
原水槽１２と膜分離装置１３とは原水供給配管１７を介して接続されている。原水供給配管１７には、循環ポンプ２１が設けられている。原水槽１２に貯留された被処理水Ｗは、循環ポンプ２１によって加圧されながら、膜分離装置１３に供給される。
膜分離装置１３から分離される透過水ＰＷは、透過水配管１８に導入される。透過水配管１８は、貯留槽２０に接続されている。即ち、膜モジュール１の透過水排出口９（図２参照）は、透過水配管１８に接続されている。透過水配管１８には、吸引ポンプ２２が設けられている。
【００１８】
透過水ＰＷが分離されて膜分離装置１３から排出される濃縮水Ｗ４は、余剰汚泥を除き全量が返送配管１９（返送ライン）を介して生物処理水槽１１に返送される。即ち、膜モジュール１の濃縮水排出口８（図２参照）は、返送配管１９に接続されている。よって、濃縮水Ｗ４は原水槽１２に返送されない。
生物処理水槽１１から排出された被処理水Ｗ２は、原水槽１２、膜分離装置１３を介して、生物処理水槽１１に戻る。即ち、被処理水Ｗは、水処理システム１０の配管を循環する。
【００１９】
上述したように、複数の膜モジュール１は、並列に配列されている。具体的には、原水供給配管１７、透過水配管１８、及び返送配管１９は、各々の膜モジュール１に接続されている。
【００２０】
図２に示すように、膜モジュール１は、円筒形状のケーシング２と、複数の管状濾過膜３と、を備えている。
ケーシング２は、円筒形状をなすケーシング本体４と、ケーシング本体４の下端を閉鎖する第一側壁５と、ケーシング本体４の上端を閉鎖する第二側壁６と、ケーシング本体４に形成された被処理水導入口７と、ケーシング本体４に形成された濃縮水排出口８と、ケーシング本体４に形成された透過水排出口９と、を有している。
【００２１】
膜モジュール１は、ケーシング２の内部を３つの空間に分割する、第一隔壁３０と第二隔壁３１と、を備えている。第一隔壁３０と第二隔壁３１とには、複数の挿通孔３２が形成されている。挿通孔３２は、第一隔壁３０及び第二隔壁３１の板厚方向に貫通する孔である。挿通孔３２の内径は、管状濾過膜３の外径よりもやや大きい。
複数の管状濾過膜３は、ケーシング２の内部において鉛直方向に延在して、一端が第一隔壁３０に連結され、他端が第二隔壁３１に連結されている。
【００２２】
第一隔壁３０は、板形状をなす部材であり、ケーシング２の延在方向の下方（第一側壁５の側）に固定されている。ケーシング本体４と、第一隔壁３０と、第一側壁５とによって囲まれる空間は、下部ヘッダ空間Ｓ１である。下部ヘッダ空間Ｓ１は、ケーシング２の内部空間における第一隔壁３０よりも下方の空間である。
第二隔壁３１は、板形状をなす部材であり、ケーシング２の延在方向の上方（第二側壁６の側）に固定されている。ケーシング本体４と、第二隔壁３１と、第二側壁６とによって囲まれる空間は、上部ヘッダ空間Ｓ２である。上部ヘッダ空間Ｓ２は、ケーシング２の内部空間における第二隔壁３１よりも上方の空間である。
【００２３】
ケーシング本体４と、第一隔壁３０と、第二隔壁３１とによって囲まれる空間は、透過水空間Ｓ３である。複数の管状濾過膜３から取り出された透過水ＰＷは、透過水空間Ｓ３に排出された後、透過水排出口９を介して透過水配管１８に導入される。
【００２４】
被処理水導入口７は、ケーシング２の外部と下部ヘッダ空間Ｓ１とを連通させる開口である。被処理水導入口７は、ケーシング本体４に形成されている。被処理水導入口７は、ケーシング２の軸線Ａ方向における、第一隔壁３０と、第一側壁５との間に設けられている。
濃縮水排出口８は、ケーシング２の外部と上部ヘッダ空間Ｓ２とを連通させる開口である。濃縮水排出口８は、ケーシング本体４に形成されている。濃縮水排出口８は、ケーシング２の軸線Ａ方向における、第二隔壁３１と、第二側壁６との間に設けられている。
【００２５】
透過水排出口９は、ケーシング２の外部と透過水空間Ｓ３とを連通させる開口である。透過水排出口９は、ケーシング本体４に形成されている。透過水排出口９は、ケーシング２の軸線Ａ方向における、第一隔壁３０と、第二隔壁３１との間に設けられている。
本実施形態の透過水排出口９は、透過水空間Ｓ３の下部に設けられている。換言すれば、透過水排出口９は、第一隔壁３０の僅かに上方に設けられている。透過水排出口９は、透過水空間Ｓ３の下端に設けられていることが好ましい。透過水排出口９は、複数の管状濾過膜３を透過した透過水ＰＷを透過水空間Ｓ３に滞留させることなく可能な限り排出できる位置に形成されている。
また、透過水排出口９に接続される透過水配管１８は、下方に向かって傾斜している。即ち、透過水配管１８は、透過水排出口９から排出された透過水ＰＷが重力によって戻らないような形状を有している。
【００２６】
また、ケーシング本体４には、ケーシング２の外部と透過水空間Ｓ３とを連通させるエア抜き口３４が設けられている。エア抜き口３４は、透過水空間Ｓ３の上部に設けられている。
【００２７】
各々の管状濾過膜３の一端は、第一隔壁３０の挿通孔３２に挿通された上で、挿通孔３２の内周面に固定されている。挿通孔３２の内周面と管状濾過膜３の外周面との間は、シール材（図示せず）によってシールされている。シール材としては、エポキシ樹脂やウレタン樹脂など、初期に粘性を持ち、経時的に硬化する材料が好ましい。
各々の管状濾過膜３の他端は、管状濾過膜３の一端と同様の方法で第二隔壁３１の挿通孔３２に固定されている。
【００２８】
管状濾過膜３は、円筒形状をなし、単一主要構成素材に親水性モノマーが共重合された単層構造の高分子濾過膜によって形成されている。
即ち、管状濾過膜３は、主要材料が１種類の素材によって形成されている。主要材料が１種類の素材によって形成されているということは、管状濾過膜３を形成する素材（例えば、樹脂）において、１種類樹脂が５０質量％以上を占めていることを意味する。
また、主要材料が１種類の素材によって形成されているということは、その１種類の素材の性質が構成素材の性質を支配していることを意味する。具体的には、１種類の樹脂が５０質量％−９９質量％を有する素材を意味する。
【００２９】
管状濾過膜３を構成する主要材料としては、塩化ビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳ）系、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系、ポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ポリエーテルスルフォン系、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系、ポリイミド（ＰＩ）系などの高分子材料を用いることができる。
【００３０】
管状濾過膜３を構成する主要材料としては、特に塩化ビニル系樹脂が好ましい。塩化ビニル系樹脂としては、塩化ビニル単独重合体（塩化ビニルホモポリマー）、塩化ビニルモノマーと共重合可能な不飽和結合を有するモノマーと塩化ビニルモノマーとの共重合体、重合体に塩化ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト共重合体、これらの塩化ビニルモノマー単位が塩素化されたものからなる（共）重合体などが挙げられる。
【００３１】
親水性モノマーとしては、例えば、
（１）アミノ基、アンモニウム基、ピリジル基、イミノ基、ベタイン構造などのカチオン性基含有ビニルモノマー及び／又はその塩、
（２）水酸基、アミド基、エステル構造、エーテル構造などの親水性の非イオン性基含有ビニルモノマー、
（３）カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基などのアニオン性基含有ビニルモノマー及び／又はその塩、
（４）その他のモノマー等が挙げられる。
管状濾過膜の管径は、被処理水Ｗの性状等によって適宜選択することができ、例えば被処理水Ｗ３について粗繊維量αが２００ｍｇ／リットル以下の場合は、管状濾過膜３の内径を５ｍｍ以下、粗繊維量αが２００ｍｇ／リットルより大きく５００ｍｇ／リットルより小さい場合は、管状濾過膜３の内径を５ｍｍ−１０ｍｍ、粗繊維量αが５００ｍｇ／リットル以上の場合は、管状濾過膜３の内径を１０ｍｍ以上とすることができる。管径を選択する事によって、粗繊維分による管状濾過膜３の閉塞を抑制することができる。
【００３２】
次に、本実施形態の水処理システム１０の作用について説明する。
まず、被処理水Ｗ１は、生物処理水槽１１において処理される。具体的には被処理水Ｗ１に含まれる有機性物質が微生物によって分解される。
次いで、生物処理水槽１１から排出された被処理水Ｗ２は、原水槽１２に貯留される。原水槽１２から排出された被処理水Ｗ３は、循環ポンプ２１を介して膜分離装置１３に供給されると、膜モジュール１の管状濾過膜３内に送り込まれる。
【００３３】
管状濾過膜３から透過された透過水ＰＷは、透過水空間Ｓ３に流れる。透過水空間Ｓ３内の透過水ＰＷは、重力によって下方へ流れる。透過水空間Ｓ３の下方へ流れた透過水ＰＷは、透過水空間Ｓ３の下部に設けられた透過水排出口９より排出され、透過水配管１８を介して貯留槽２０に貯留される。
【００３４】
膜分離装置１３から排出された濃縮水Ｗ４は、余剰汚泥を除く全量が返送配管１９を介して生物処理水槽１１に返送されて、再度、処理が行われる。
また、水処理システム１０を停止した場合、透過水空間Ｓ３内の透過水ＰＷの全量が、透過水空間Ｓ３外に排出される。換言すれば、循環ポンプ２１を停止させることで被処理水Ｗ３の流れが止まった場合においても、透過水空間Ｓ３に透過水ＰＷが滞留することがない。
【００３５】
上記実施形態によれば、膜モジュール１の管状濾過膜３を流れる被処理水Ｗ３の流れが止まった場合においても、下部に設けられた透過水排出口９より透過水ＰＷが排出される。これにより、透過水ＰＷが透過水空間Ｓ３に滞留することがなくなり、透過水ＰＷの腐敗及びスケール析出を抑制することができる。
【００３６】
また、水処理システム１０の運転中においても、透過水空間Ｓ３に透過水ＰＷが溜まらないため、管状濾過膜３内の圧力と管状濾過膜３外の圧力差が大きくなる。これにより、管状濾過膜３の濾過性能を向上させることができる。
【００３７】
また、疎水性膜を有する材料で形成した濾過膜や、疎水性の基材に親水性のコーティングを施した濾過膜と異なり、管状濾過膜３を親水性を有する材料で形成することによって、水処理システム１０の停止した場合においても、管状濾過膜３が乾燥により損傷することがない。
【００３８】
また、滞留した透過水ＰＷにより、管状濾過膜３に背圧がかかり、ＦＬＵＸ（流出量）の低下が生じるのを抑制することができる。
また、ケーシング本体４にエア抜き口３４が設けられていることによって、透過水空間Ｓ３内の空気圧は大気圧となるため、透過水ＰＷが透過水排出口９から排出されにくくなることを防止することができる。また、エア抜き口３４を設けることによって、吸引ポンプ２２が停止した場合においても、透過水空間Ｓ３内の透過水ＰＷをケーシング２の外部へ排出することができる。
【００３９】
また、管状濾過膜３を親水性を有する材料で形成することによって、被処理水Ｗ３の膜面流速を低くすることができる。膜面流速は、例えば、０．１５ｍ／ｓ−０．３０ｍ／ｓとすることができる。
【００４０】
管状濾過膜３が疎水性である場合、膜面流速を高くする必要がある（例えば、２．５ｍ／ｓ）。このため、循環流量が多くなり、膜分離装置１３から排出される濃縮水Ｗ４を、原水槽１２及び生物処理水槽１１に返送する必要が生じる。原水槽１２及び生物処理水槽１１に返送するためには、濃縮水Ｗ４を原水槽１２と生物処理水槽１１とに分配する分配タンクや配管が必要となる。
【００４１】
本実施形態の水処理システム１０は、膜面流速を低くすることができるため、被処理水Ｗの循環流量を少なくすることができる。これにより、循環ポンプ２１の動力を低減することができる。また、濃縮水Ｗ４を原水槽１２と生物処理水槽１１とに分配する分配タンクや、濃縮水Ｗ４を原水槽１２に返送する配管が不要となる。
また、流量が少なくなることにより、配管を小径化することができる。また、流量が少なくなることにより、流量計などの機器の削減が可能となる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、膜モジュール１として、管状濾過膜３を並列に配列した膜モジュール１を採用したがこれに限ることはない。例えば、図３に示すように、複数の管状濾過膜３を直列に接続してもよい。即ち、複数の管状濾過膜３の一端同士、及び管状濾過膜３の他端同士、を複数の管状濾過膜３が直列的に接続されるように接続する複数のＵ字状の接続部材４６を有する構成としてもよい。
また、直列に接続された複数の管状濾過膜３に、被処理水導入口７、及び濃縮水排出口８を接続部材４７及び接続部材４８を介して直接的に接続し、被処理水Ｗ３を導入し、濃縮水Ｗ４を排出してもよい。この場合上部ヘッダ空間Ｓ２は無くてもよく、第二側壁６をなくすなど、ケーシングの構成を変更してもよい。
【００４３】
（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の膜モジュール１を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の膜モジュール１の被処理水導入口７は、上部ヘッダ空間Ｓ２に接続され、濃縮水排出口８は、下部ヘッダ空間Ｓ１に接続されている。被処理水Ｗは、上方から下方に向かって流れる。
本発明の膜モジュール１は、上記実施形態のように、被処理水Ｗ３が下方に向かって流れる形態とすることができる。この場合には、サイフォンブレーカを設置することが望ましい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、管状濾過膜３の本数に関して、図２などには５本の管状濾過膜３を示したが、管状濾過膜３の本数はこれに限ることはない。
【符号の説明】
【００４５】
１  膜モジュール
２  ケーシング
３  管状濾過膜
４  ケーシング本体
５  第一側壁
６  第二側壁
７  被処理水導入口
８  濃縮水排出口
９  透過水排出口
１０  水処理システム
１１  生物処理水槽
１２  原水槽
１３  膜分離装置
１５  第一配管
１６  第二配管
１７  原水供給配管
１８  透過水配管
１９  返送配管（返送ライン）
２０  貯留槽
２１  循環ポンプ
２２  吸引ポンプ
３０  第一隔壁
３１  第二隔壁
３２  挿通孔
３４  エア抜き口
４６  接続部材
４７  接続部材
４８  接続部材
Ａ  軸線
ＰＷ  透過水
Ｓ１  下部ヘッダ空間
Ｓ２  上部ヘッダ空間
Ｓ３  透過水空間
Ｗ１〜Ｗ３  被処理水
Ｗ４  濃縮水
【図１】
0006405596.tif 000002
【図２】
0006405596.tif 000003
【図３】
0006405596.tif 000004
【図４】
0006405596.tif 000005