(57)【要約】  ランダムに発生させた間欠的またはパルス化された流体流を膜表面に沿って流して、膜表面からファウリング物質を除去するステップを含む、液状媒体内に沈められた膜表面を流体流によって洗浄する方法。複数の多孔質膜（６）または１組の膜モジュール（５）と、ほぼランダムに発生するパルス化流体流を生じさせ、使用時に、前記流体流が前記膜（６）の表面を通過して、前記膜表面からファウリング物質を除去するようにする装置（１１）を備える膜モジュールも開示される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状媒体に沈められた膜表面を流体流で洗浄する方法であって、ランダムに発生させた間欠的またはパルス化された流体を前記膜表面に沿って流して、膜表面からファウリング物質を除去するステップが含まれている方法。
【請求項２】
前記流体流にガス流が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス流に気泡が含まれることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記流体流に気液二相流が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
加圧ガス流を供給される装置を用いてパルス化気液二相流を生じさせるステップが含まれることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記加圧ガス流がほぼ一定であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
さらに、ほぼ一定の気液二相流に関してパルス化気液二相流を用いるステップが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
さらに、前記液状媒体内に付加気泡源を設けるステップが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パルス化流体流は、振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
複数の多孔質膜または１組の膜モジュールと、ほぼランダムに発生するパルス化流体流を生じさせ、使用時に、前記流体流が前記膜の表面を通過して、前記膜表面からファウリング物質を除去するようにするための装置を備える膜モジュール。
【請求項１１】
前記流体流にガス流が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の膜モジュール。
【請求項１２】
前記ガス流に気泡が含まれることを特徴とする、請求項１１に記載の膜モジュール。
【請求項１３】
前記パルス化ガス流が、ある供給量のガスを供給される装置によって生じることを特徴とする、請求項１１に記載の膜モジュール。
【請求項１４】
前記パルス化流体流に気液二相流が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の膜モジュール。
【請求項１５】
前記パルス化流体流は振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることを特徴とする、請求項１０に記載の膜モジュール。
【請求項１６】
前記パルス化流体流を生じさせるための装置は、前記装置と流体的に通じている分配器を備え、前記パルス化流体流が前記分配器を介して前記モジュールに分配されることを特徴とする、請求項１０に記載の膜モジュール。
【請求項１７】
各モジュール毎に１つの前記装置が設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載の膜モジュール。
【請求項１８】
いくつかのモジュールに対して１つの前記装置が設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載の膜モジュール。
【請求項１９】
前記パルス化流体流が前記装置の中でランダムに発生し、ランダムな分布パターンを形成することを特徴とする、請求項１７または請求項１８に記載の膜モジュール。
【請求項２０】
アレイをなすように取り付けられ、縦方向に延びて膜モジュールを形成する複数の多孔質中空系膜が、それらの間における過剰な動きを防ぐように互いに極めて近接して配列され、取り付けられて、その膜表面からファウリング物質を除去する方法であって、前記膜表面を通過するほぼランダムで均一に分布したパルス化された気泡を生じさせるステップが含まれており、前記分布によって、前記気泡が前記アレイの各膜間をほぼ均一に流れて、前記膜表面にスカーリングを施し、前記膜モジュール内から堆積した固体を除去することを特徴とする、方法。
【請求項２１】
前記気泡流に気液二相流が含まれることを特徴とする、請求項２０に記載の複数の多孔質中空糸膜の表面からファウリング物質を除去する方法。
【請求項２２】
前記パルス化気液二相流が、ほぼ一定供給量のガスを供給される装置によって生じることを特徴とする、請求項２１に記載の複数の多孔質中空糸膜の表面からファウリング物質を除去する方法。
【請求項２３】
前記パルス化気泡流は振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることを特徴とする、請求項２１または請求項２２に記載の複数の多孔質中空糸膜の表面からファウリング物質を除去する方法。
【請求項２４】
複数の多孔質中空糸膜を含む膜モジュールであって、前記中空糸膜が、互いに極めて近接して配置され、取り付けられて、それらの間における過剰な動きを防ぐようになっており、前記中空糸膜は各端部がヘッダに固定され、１つのヘッダには、ほぼランダムなパルス化ガス流を導入して、前記中空糸膜の表面を洗浄するための１つ以上の孔が形成されていることを特徴とする、膜モジュール。
【請求項２５】
前記パルス化ガス流が気泡の形態をなすことを特徴とする、請求項２４に記載の膜モジュール。
【請求項２６】
前記パルス化ガス流には気液二相流が含まれることを特徴とする、請求項２４または請求項２５に記載の膜モジュール。
【請求項２７】
前記パルス化気液二相流が、ある供給量のガスを供給される装置によって生じることを特徴とする、請求項２６に記載の膜モジュール。
【請求項２８】
前記ガス供給量がほぼ一定であることを特徴とする、請求項２７に記載の膜モジュール。
【請求項２９】
前記パルス化気泡流は振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることを特徴とする、請求項２４または請求項２５に記載の膜モジュール。
【請求項３０】
前記装置に、それに接続されたガス源からの前記加圧ガスの供給量に応答して、加圧ガスを貯え、間欠的に放出し、前記放出ガスを利用して、液体リザーバからの多量の前記液体をガスリフトし、前記パルス化気液二相流を生じさせる働きをするガスリフトポンプ装置が含まれることを特徴とする、請求項１４または請求項２７に記載の膜モジュール。
【請求項３１】
前記ガスリフトポンプ装置に、前記ガス源によって供給される前記ガスを貯えるようになっており、閉鎖上方端及び前記液体リザーバ内に配置された開放下方端を備える倒立ガス貯蔵室と、前記ガス貯蔵室内に配置されていて、前記液体リザーバと流体的に通じている吸込み口及び前記膜モジュールと流体的に通じている吐出し口を有する垂直上昇管を備えており、前記上昇管が、前記ガス貯蔵室内のガスレベルが所定のレベルに達すると、前記ガス貯蔵室から前記貯えられたガスを供給されて、前記上昇管を介して前記液体をガスリフトし、前記膜モジュール内に吐き出すように配置された、前記ガス貯蔵室と流体的に通じている開口部を備えていることを特徴とする、請求項３０に記載の膜モジュール。
【請求項３２】
前記ガスの供給が加圧ガスを収容している外部タンクによって実施され、前記タンクが、前記膜モジュールと流体的に通じており、ランダムに発生するガスパルスを前記モジュールに供給して、前記膜表面を洗浄するための気泡流を生じさせるための制御手段を備えていることを特徴とする、請求項１４または請求項２７に記載の膜モジュール。
【請求項３３】
前記制御手段に、前記膜モジュールへのガス／液体吸込み口内に配置され、前記吸込み口内における液位に応じて、前記外部タンクからガスを供給する流体流制御装置が含まれることを特徴とする、請求項３２に記載の膜モジュール。
【請求項３４】
前記装置が、前記モジュールに前記パルス化気泡をほぼ均一に分配する流体分配器と流体的に通じていることを特徴とする、請求項２４に記載の膜モジュール。
【請求項３５】
給水を導入するための手段を備えたタンクと、前記タンク内に活性スラッジを形成するための手段と、前記スラッジ内に沈むように前記タンク内に配置された請求項２４に記載の膜モジュールと、前記膜モジュールに設けられて、前記膜の少なくとも１つの端部から濾過水を取り出すための手段を含む膜型バイオリアクタ。
【請求項３６】
前記タンクに給水を導入するステップと、前記中空糸を真空にして、濾過水を取り出すステップと、その一方で前記モジュール内のエアレーション開口部に前記パルス化ガス流を通して、使用時に、前記ガス流が前記膜中空糸の表面を通過して、その表面からファウリング物質を除去するようにするステップが含まれている、請求項３５に記載の膜型バイオリアクタを操作する方法。
【請求項３７】
さらに、前記タンク内にもう１つのエアレーション源を設けるステップが含まれることを特徴とする、請求項３６に記載の膜型バイオリアクタを操作する方法。
【請求項３８】
前記膜モジュールが前記タンク内で縦方向に吊るされ、前記もう１つのエアレーション源が前記吊るされたモジュールの下方に設けられることを特徴とする、請求項３６に記載の膜型バイオリアクタを操作する方法。
【請求項３９】
前記もう１つのエアレーション源に一群の通気性管が含まれることを特徴とする、請求項３３に記載の膜型バイオリアクタを操作する方法。
【請求項４０】
タンクと、このタンクに流体的につながった液体室と、この液体室と流体的につながっているガス室と、前記ガス室と流体的につながっている膜モジュールが含まれている、水処理システム。
【請求項４１】
さらに、前記液体室に接続された吸込み側と前記ガス室に接続された吐出し側を備えるガス供給システムが含まれることを特徴とする、請求項４０に記載の水処理システム。
【請求項４２】
さらに、前記液体室に流体的につながったガス源が含まれることを特徴とする、請求項４０または請求項４１に記載の水処理システム。
【請求項４３】
さらに、前記膜モジュールを収容する膜モジュール容器が含まれ、前記膜モジュール容器が前記タンクと液圧的につながっていることを特徴とする、請求項４０に記載の水処理システム。
【請求項４４】
水源と流体的につながっている液体リザーバと、前記液体リザーバと流体的につながっている第１のコンパートメント、及び、第２のコンパートメントを取り囲むガス／液体室と、前記第２のコンパートメントと液圧的につながっている膜分離容器が含まれている、水処理システム。
【請求項４５】
さらに、前記膜モジュールから液圧的に隔離されたチャンバと、前記チャンバに接続されたガス源が含まれることを特徴とする、請求項４４に記載の水処理システム。
【請求項４６】
前記膜モジュールが膜タンクに収容された混合液内に沈められており、前記膜タンクが前記チャンバと流体的につながっているエアレーションゾーンと液圧的につながっていることを特徴とする、請求項４４または請求項４５に記載の水処理システム。
【請求項４７】
膜モジュールにスカーリングを施す方法であって、
第１のコンパートメントと第２のコンパートメントを備えたチャンバを設けるステップと、
前記第１のコンパートメントと前記膜モジュールの間に水封を施すステップと、
前記第１のコンパートメントに液体を少なくとも部分的に充填し、前記チャンバにガスを導入するステップが含まれている、
方法。
【請求項４８】
さらに、前記水封を破り、前記水封を破ることによって、前記チャンバ内に収容されたガスの少なくとも一部が膜モジュールに対して放出されるようにするステップと、その後で前記第１のコンパートメントと前記膜モジュールの間に前記水封を再度施すステップが含まれていることを特徴とする、請求項４７に記載の膜モジュールにスカーリングを施す方法。
【請求項４９】
前記水封を再度破り、前記水封を再度施して、前記チャンバに収容されているガスの少なくとも一部のパルス化放出を生じさせるステップが含まれることを特徴とする、請求項４７に記載の膜モジュールにスカーリングを施す方法。
【請求項５０】
前記第２のコンパートメントに液体を導入するステップが含まれることを特徴とする、請求項４７に記載の膜モジュールにスカーリングを施す方法。
【請求項５１】
前記チャンバへのガスの導入がほぼ連続して実施されることを特徴とする、請求項４７に記載の膜モジュールにスカーリングを施す方法。。
【請求項５２】
容器内のいくつかの位置で液体内にほぼランダムな流体パルスを生じさせて、前記液体を収容している前記容器内に配置された濾過膜を洗浄する方法。
【請求項５３】
前記流体パルスは振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることを特徴とする、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記流体にガスが含まれることを特徴とする、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記ガスに気泡が含まれることを特徴とする、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記流体に気液二相混合物が含まれることを特徴とする、請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜濾過システムに関するものであり、とりわけ、パルス化流体流によってこうしたシステムに用いられる膜を有効に洗浄するための装置及び関連する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理用の膜の重要性は急速に高まっている。今や周知のように、膜処理は汚水の有効な三次処理として利用することが可能であり、良質の排水を生じさせることが可能である。しかしながら、資本経費及び運転費用が法外に高くなる可能性がある。膜モジュールを大型給水タンクに浸没させて、膜の濾過側に施される吸引または重力送りによって濾過水を集める水中膜処理の出現によって、生物学的処理と物理的処理を１つの工程に組み合わせる膜型バイオリアクタが、よりコンパクトで、効率よく、経済的になる見込みが生じた。その汎用性のため、膜型バイオリアクタのサイズは家庭用（浄化槽設備のような）から共同体用及び大規模汚水処理用までさまざまな可能性がある。
【０００３】
膜濾過処理の成功は、有効で効率的な膜洗浄方法の利用に大きく依存する。一般に用いられている物理的洗浄方法には、透過液またはガスあるいはそれらの組合せを利用した逆洗（バックパルス、バックフラッシュ）、液体中で気泡の形態をなすガスを利用した膜表面スクラビングまたはスカーリングが含まれている。一般に、ガススカーリングシステムの場合、膜モジュールが浸没している液体システムに通常ブロワによってガスを注入して、気泡を生じさせる。こうして生じた気泡は、上方に移動して、膜表面のスクラビングを行い、膜表面に形成されたファウリング物質を除去する。発生する剪断力は、気泡初速度、気泡サイズ、及び、気泡にかかる合成力に大きく依存する。スクラビング効果を高めるためには、より多くのガスを供給しなければならない。しかしながら、この方法は大量のエネルギを消費する。さらに、固体濃度が高い環境では、ガス供給システムが、脱水された固体によって徐々に詰まったり、あるいは、ガス流が偶発的に停止すると簡単に詰まってしまう場合がある。
【０００４】
さらに、固体濃度が高い環境では、清浄な濾過水が膜を透過し、固体含有率の高い濃縮水が残される濾過中に、膜表面近くにおける固体濃度分極が顕著になり、膜抵抗の増大をもたらすことになる。これらの問題のいくつかについては、二相流を利用して、膜を洗浄することによって対処された。
【０００５】
循環式に気泡を生じさせる循環エアレーションシステムは、エネルギ消費を軽減し、その一方で膜表面の有効なスクラビングに十分なガスを供給することが求められる。こうした循環操作を可能にするため、こうしたシステムは、通常、必要とされる複雑な弁及び切換え構成の初期システム費用及び継続的な保守費用を増大させることになりがちな複雑な弁構成及び制御装置を必要とする。大規模システムの場合、循環頻度も機械弁の機能によって制限される。さらに、循環エアレーションは膜表面の回復に有効ではないことが分かった。
【０００６】
複雑な弁切換え等による動作の制御を必要とせずに、スカーリング処理のエネルギ効率の良い操作を可能にするのが望ましいということになる。膜表面を通過する気液二相流を生じさせて、より有効なスカーリング処理を施し、こうした洗浄処理のためのエネルギ所要量を最小限に抑えるのも望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、少なくともその実施形態において、先行技術の欠点のいくつかを克服または少なくとも改善するか、あるいは、社会に対して有用な代替案を少なくとも提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
態様の１つによれば本発明によって、ランダムに発生させた間欠的またはパルス化された流体流を膜表面に沿って流して、膜表面からファウリング物質を除去し、固体濃度分極を抑えるステップを含む、流体流によって液状媒体内に沈められた膜表面を洗浄する方法が提供される。流体流にはガス流を含むのが望ましい。ガス流は気泡の形態をなすのが望ましい。流体流には気液二相流を含むのがさらに好ましい。この方法には、加圧ガス流が供給される装置を用いてパルス化気液二相流を生じさせるステップを含むのが望ましい。加圧ガス流の供給はほぼ一定であることがさらに好ましい。パルス化流体流は、振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであるのが望ましい。
【０００９】
本発明の形態の１つでは、ほぼ一定の気液二相流に関してパルス化気液二相流が用いられる。
【００１０】
オプションにより、ブロワまたは同様の装置によって前記液状媒体中に付加気泡発生源を設けることも可能である。用いられるガスには、空気、酸素、塩素ガス、オゾン、窒素、メタン、または、特定の用途に適した任意の他のガスを含むことが可能である。スクラビング及び／またはエアレーションのためには空気が最も経済的である。塩素ガスは、膜表面における化学反応によってスクラビング、消毒、及び、洗浄効率の向上に用いることが可能である。塩素ガスについて列挙される同様の効果に加えて、オゾンの利用の場合には、ＤＢＰ前駆物質の酸化、及び、非生分解性ＮＯＭの生分解性溶存有機炭素への転化といったさらなる特徴がある。例えば酸素または酸化体が望ましくない嫌気性生物環境又は非生物環境といったいくつかの用途では、とりわけ、給水タンクが密閉されていて、窒素を捕獲して再循環させる能力がある場合、窒素を利用することが可能である。
【００１１】
第２の態様によれば、本発明によって、複数の多孔質膜または１組の膜モジュールと、ランダムに発生するパルス化流体流を生じさせる手段を含む膜モジュールが提供され、この手段は、使用時に、前記流体流が前記膜の表面を通過して、前記膜表面からファウリング物質を除去する。この流体流には、前記膜表面を通過する気泡を発生するガス流を含むのが好ましい。この流体流には、気液二相流を含むのがさらに好ましい。前記パルス化気液二相流は、ほぼ一定の供給量のガスが供給される装置によって発生するのが望ましい。このパルス化流体流は、振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであるのが望ましい。
【００１２】
１組の膜モジュールが用いられる場合、このモジュールは、給水を収容した容器またはタンク内に配置されたアレイ、ラック、または、カセットをなすように組み立てられる。膜モジュールのラックまたはカセットを洗浄するため、パルス化ガスまたは気液二相流を供給する装置は分配器につなぐことが可能であり、発生したパルス化気泡は、この分配器を通じてモジュールに供給される。１つのモジュールに対してまたは少数のモジュールに対して１つの前記装置を配置するのが望ましい。従って、一般には１つのラックまたはカセットのためにいくつかの前記装置が設けられる。ガスはラックに供給し、その後ラックマニホルドに沿って各装置に分配するのが望ましい。ガスは連続モードで個別装置に供給されるが、ラックに沿った装置からの気泡の噴出はランダムな時間に生じ、膜タンク給水は不安定な状態下でほぼ一定に保たれる。この効果によって、固体濃度分極、従って濾過抵抗が低減する。ラックを上から見下ろすと、気泡がラック内のそれぞれに異なるモジュールからランダムに生じ、ランダムな分布パターンを形成する。
【００１３】
ラックへのガス供給が連続的であり同じ流量であっても、個別モジュールへのガス体積流量は、一般に１５％未満といった狭い範囲で変動するのが通例である。これは、パルス化ガスリフト装置内における背圧の変化に起因する。
【００１４】
膜には、多孔質の中空糸が含まれていて、それらの糸は各端部がヘッダに固定されており、下方ヘッダには、気液二相流を導入する１つ以上の孔が形成されているのが望ましい。この孔は、円形、楕円形、または、スロット形状とすることが可能である。中空糸は、通常、一方の端部（普通は下方端）が密閉され、もう一方の端部が濾過液の除去を可能にするため開放されているが、構成によっては、一方の端部または両端部からの濾過液の除去を可能にするため、中空糸の両端とも開放する場合もある。中空糸の密封端は、注封ヘッドに封止することもできるし、あるいは、封止しないままにしておくことも可能である。中空糸は、マット、円筒形のアレイ、または、束をなすように構成するのが望ましい。明らかに、本明細書に記載された洗浄方法は平膜即ち板状膜のような他の形態の膜にも同様に適用可能である。
【００１５】
膜には多孔質中空糸が含まれていて、それらの糸の各端部がヘッダに固定されて、サブモジュールを形成するのがさらに好ましい。１組のサブモジュールを組み合わせて、モジュールが形成される。サブモジュール間には、サブモジュールにガス／液体を通すかまたは分配することができるように、１つ以上の孔が残されている。
【００１６】
望ましい形態によれば、本発明によって、アレイをなすように取り付けられ、縦方向に延びて膜モジュールを形成する複数の多孔質中空糸膜が、それらの間における過剰な動きを防ぐように互いに極めて近接して配置され、取り付けられて、その表面からファウリング物質を除去する方法が提供されるが、この方法には、ほぼランダムで均一に分配されたパルス化気泡流が前記膜表面を通過するようにするステップが含まれており、前記分配によって、前記気泡が前記アレイの各膜間をほぼ均一に流れて、前記膜表面にスカーリングを施して、膜モジュール内から堆積した固体を除去するようになっている。
【００１７】
気泡には、さらに気液二相流を含むのが好ましい。前記パルス化気液二相流は、ほぼ一定した供給量のガスを供給される装置によって生じるのが望ましい。パルス化ガス流は、振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることが望ましい。
【００１８】
第３の態様によれば、本発明によって、多孔質中空糸膜の間における過剰な動きを防ぐべく、互いに極めて近接して配置され、取り付けられた複数の多孔質中空糸膜を含む膜モジュールが提供されるが、これらの中空糸膜は、各端部がヘッダに固定されており、１つのヘッダには、ほぼランダムなパルス化流体流を導入して、前記中空糸膜の表面を洗浄するための１つ以上の孔が形成されている。
【００１９】
流体流にはガス流を含むのが好ましい。ガス流は気泡の形態をなすのがより好ましい。ガス流には、気液二相流を含むのが好ましい。前記パルス化気液二相流は、ほぼ一定した供給量のガスを供給される装置によって生じるのが望ましい。パルス化流体流は、振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることが望ましい。
【００２０】
前記装置には、それに接続されたガス源からの前記ほぼ一定した供給量の加圧ガスに応答して、加圧ガスを貯え、ランダムに放出し、放出した加圧ガスを利用して、液体リザーバから多量の前記液体をガスリフトし、前記パルス化気液二相流を生じさせるガスリフトポンプ装置を備えるのが望ましい。
【００２１】
前記ガスリフトポンプ装置には、前記ガス源によって供給される前記ガスを貯えるようになっている、閉鎖上方端及び前記液体リザーバ内に配置された開放下方端を備える倒立ガス貯蔵室と、前記液体リザーバと流体的に通じている吸込み口及び前記膜モジュールと流体的に通じている吐出し口を備える垂直上昇管が含まれており、前記上昇管は、ガス貯蔵室内のガスレベルが所定のレベルに達すると、前記ガス貯蔵室から前記貯えられたガスを供給されて、前記上昇管を介して液体をガスリフトし、前記膜モジュール内に吐き出すように配置された、前記ガス貯蔵室と流体的に通じている開口部を備えている。垂直上昇管は、ガス貯蔵室内に配置するのが望ましい。
【００２２】
本発明の実施形態の１つでは、ガスの供給は加圧ガスを収容している外部タンクによって実施されるが、このタンクは、膜モジュールと流体的に通じており、ランダムに発生するガスパルスをモジュールに供給して、膜表面を洗浄するための前記気液二相流を生じさせる。実施形態の１つでは、制御手段には、膜モジュールへのガス／液体吸込み口に配置されて、吸込み口における液位に応じて外部タンクからガスを供給する装置を含むことが可能である。例えば、フロート装置を利用して、液位に応じて制御手段を起動することが可能である。
【００２３】
中空糸は保護することができるのが望ましく、中空糸の動きは、モジュール支持スクリーンによって制限される。このモジュール支持スクリーンは、制限のない流体流及びガス流を中空糸に通し、中空糸の動きの振幅を制限して、中空糸の封止端におけるエネルギ濃度を低減させるのに適した間隔をあけて配置された垂直方向要素と水平方向要素の両方を備える。
【００２４】
モジュールは、気液二相流をモジュール内に保留するため、固体の管または液体／ガスを通さない管に封入して、パルス化ガスリフトポンプ装置に接続できるのが好ましい。
【００２５】
前記孔には、１つのスロット、複数スロット、または、列をなす孔を含むのが好ましい。中空糸束は、これらのスロット間または孔列間の注封ヘッド内に配置するのが望ましい。
【００２６】
用いられる液体は、膜モジュールに対する給水とすることが可能である。
【００２７】
ランダムに発生するパルスのパルス周波数は、ほぼ０．１〜２００秒の範囲内で変動するのが好ましい。明らかに、パルス周波数は装置の構造に関連しており、ある特定の構造に関して、パルス周波数は約１０〜約３００％の範囲内で変動するのが望ましい。
【００２８】
パルス化ガスリフトポンプ装置は、オプションで流体分配器に流体的に通じるように接続し、１つまたは複数の濾過モジュールにパルス化気泡をほぼ均一に分配することができるようにするのが望ましい。
【００２９】
モジュール内の中空糸は、約５〜約８０％、より望ましくは約８〜約５５％の充填密度（上記で定義の）を備えるのが望ましい。
【００３０】
前記孔の直径は、約１〜４０ｍｍ、より望ましくは約１．５〜約２５ｍｍの範囲内が好ましい。スロットまたは孔列の場合、孔面積は上記孔の孔面積に等しくなるように選択される。
【００３１】
一般に、中空糸の内径は約０．１ｍｍから約５ｍｍにまで及ぶが、約０．２５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内が望ましい。中空糸の壁厚は、用いられる材料及び濾過効率に対して必要とされる強度によって決まる。一般に、壁厚は、０．０５〜２ｍｍであり、たいていの場合は０．１ｍｍ〜１ｍｍである。
【００３２】
もう１つの態様によれば、本発明によって、給水を導入するための手段を備えるタンクと、前記タンク内に活性スラッジを形成する手段と、前記スラッジ内に沈むように前記タンク内に配置される第３の態様による膜モジュールと、前記膜モジュールに設けられて、前記膜の少なくとも１つの端部から濾過水を取り出すための手段を含む膜型バイオリアクタが提供される。
【００３３】
もう１つの態様によれば、本発明によって、前記タンクに給水を導入するステップと、前記中空糸を真空にして、濾過水を取り出するステップと、その一方で前記モジュールのエアレーション孔に前記パルス化ガス流を通して、使用時に、ガス流が前記膜中空糸の表面を通過して、その表面からファウリング物質を除去するようにするステップを含む上記態様に記載のタイプの膜型バイオリアクタを操作する方法が提供される。
【００３４】
必要があれば、タンク内にもう１つのエアレーション源を設けて、微生物活動を助けることも可能である。膜モジュールは、タンク内に垂直に吊るすのが望ましく、前記もう１つのエアレーション源は吊るされたモジュールの下方に設けることが可能である。もう１つのエアレーション源には、一群の通気性管を含むのが望ましい。膜モジュールは、流束及び給水条件に応じて逆洗を用いるかまたは用いずに機能させることが可能である。バイオリアクタ内の浮遊物質からなる高汚水汚泥混合液（５，０００〜２０，０００ｐｐｍ）は、滞留時間を大幅に短縮し、濾過水の質を高めることが分かっている。有機物質の分解と膜洗浄の両方にエアレーションを併用すると、膜透過圧をあまり増大させずに一定した濾過水流が可能になり、その一方で高濃度のＭＬＳＳが生じることになる。
【００３５】
もう１つの態様によれば、本発明によって、タンクと、タンクと流体的につながっている液体室と、液体室と流体的につながっているガス室と、ガス室と流体的につながっている膜モジュールを含む水処理システムが提供される。
【００３６】
この水処理システムには、液体室に接続された吸込み側とガス室に接続された吐出し側を備えるガス供給システムを含むのが望ましい。ガス源は液体室に流体的につながっているのが好ましい。このシステムには、膜モジュールを収容する膜モジュール容器が含まれていて、膜モジュール容器とタンクが液圧的につながっているのが望ましい。
【００３７】
もう１つの態様によれば、本発明によって、水源と流体的につながっている液体リザーバと、液体リザーバと流体的につながっている第１のコンパートメント、及び、第２のコンパートメントを取り囲むガス／液体室と、第２のコンパートメントと液圧的につながっている膜分離容器を含む水処理システムが提供される。
【００３８】
このシステムには、膜モジュールから液圧的に隔離されたチャンバと、チャンバに接続されたガス源を含むのが好ましい。
【００３９】
この膜モジュールは、膜タンクに収容された浮遊物質を含む供給液内に沈めるのが望ましく、膜タンクは、チャンバと流体的につながっているエアレーションゾーンと液圧的につながっている。
【００４０】
もう１つの態様によれば、本発明によって、第１のコンパートメント及び第２のコンパートメントを備えるチャンバを設けるステップと、第１のコンパートメントと膜モジュ−ルの間に水封を施すステップと、第１のコンパートメントに供給液を少なくとも部分的に充填し、チャンバにガスを導入するステップを含む膜モジュールのスカーリング方法が提供される。
【００４１】
この方法には、水封を破り、水封を破ることによって、チャンバ内に収容されたガスの少なくとも一部が膜モジュールに対して放出されるようにするステップと、その後で第１のコンパートメントと膜モジュ−ルの間に水封を再度施すステップを含むのが望ましい。
【００４２】
この方法には、水封を再度破り、水封を再度施して、チャンバに収容されているガスの少なくとも一部のパルス放出を生じさせるステップを含むのが好ましい。
【００４３】
この方法には、第２のコンパートメントに供給液を導入するステップを含むのが望ましい。この方法の形態の１つでは、チャンバへのガスの導入は連続して実施される。
【００４４】
もう１つの態様によれば、本発明によって、容器内のいくつかの位置で液体内にほぼランダムな流体パルスを生じさせて、液体を収容している容器内に配置された濾過膜を洗浄する方法が提供される。流体パルスは振幅及び／または周波数及び／または持続時間がランダムであることが望ましい。流体にはガスを含むのが好ましい。ガスは気泡の形態をなすのがさらに好ましい。流体には気液二相混合物を含むのが好ましい。前記パルス化気液二相混合物は、ほぼ一定した供給量のガスを供給される装置によって生じさせるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
次に、例証だけを目的として、添付の図面を参照しながら本発明の望ましい実施形態について説明することにする。
【図１】本発明の実施形態の１つによる膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図２】パルス活性化段階中における図１のモジュールを示す図である。
【図３】パルス化気液二相流段階の終了後における図１のモジュールを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による水処理システムの単純化された断面立面図である。
【図６】図１の実施形態に例示したタイプの膜モジュールアレイの単純化された断面立面図である。
【図７Ａ】パルス化ガスリフト装置内における動作中の液位を例示した膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図７Ｂ】パルス化ガスリフト装置内における動作中の図７Ａとは異なる液位を例示した膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図８】パルスガスリフトポンプにおけるスラッジの堆積を例示した、図１の実施形態に示されたタイプの膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図９】スラッジ除去処理の実施形態の１つを例示した膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図１０】時間の経過につれて与えられるパルス化液体流のパターンと空気流量のグラフである。
【図１１】あるガスリフト装置と本発明によるパルス化ガスリフト装置を用いた洗浄効率を比較する経時的膜透過性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図面を参照すると、図１〜３には、本発明の実施形態の１つによる膜モジュール構成が示されている。
【００４７】
膜モジュール５には、下方注封ヘッド７に取り付けられて、そこから延びている複数の透過性中空糸膜束６が含まれている。この実施形態の場合、膜束は、膜束６間にスペース８をあけるため分割されている。モジュール５内において任意の望ましい膜構成を利用することができるのは明らかである。下方注封ヘッド７には、下方注封ヘッド７より下に位置する分配室１０からの流体流を通すことができるようにいくつかの孔９が設けられている。
【００４８】
分配室１０の下方には、それと流体的に通じるようにパルス化ガスリフトポンプ装置１１が設けられている。パルス化ガスリフトポンプ装置１１には、その下方端１３が開放され、その上方端に隣接して吸込み口１４を備える倒立ガス回収室１２が含まれている。中央上昇管１５がガス回収室１２を貫いて延びて、分配室１０の底面に流体的につながっており、その下方端１６は開放されている。上昇管１５には、その全長に沿って部分的に１つまたは複数の開口部１７が設けられている。管状トラフ１８が、上昇管１５の開口部１７より下方の位置から上昇管１５囲むように上方に延びている。
【００４９】
使用時、モジュール５は供給液１９内に沈められ、加圧ガス源がガス吸込み口１４に対してほぼ連続して用いられる。ガスは、開口部１７の高さに達するまで倒立ガス回収室１２内の供給液１９を徐々に変位させる。図２に示すように、この時点でガスが開口部１７の液封を破って、開口部１７をどっと通りぬけ、中央上昇管１５を上昇して、気泡及び供給液体のパルスを生じさせ、パルスは分配室１０を通って、膜モジュール５の底面に流入する。さらに、ガスの急激なサージによって上昇管１５の下部開口１６を介して液体が吸い込まれ、高速気液二相流が生じることになる。気液二相パルスは、孔９を貫流し、膜６の表面にスカーリングを施す。トラフ１８は、開口部１７がすぐに再封止されないようにして、初期パルス後の短期間にわたって気液二相混合物の連続流を可能にする。
【００５０】
ガスの初期サージによって、液体輸送の２段階である、排出及び吸込みが生じる。排出段階は、バブルスラッグが最初に上昇管１５内に放出されると起こり、強力な浮力が生じて、そのためにガス及び液体が上昇管１５を通って急速に排出され、さらに膜モジュール５を通って、膜表面に対する有効な洗浄作用を生じることになる。排出段階には吸込みまたはサイフォン段階が後続し、上昇管１５からのガスの急速な流出によって、密度差に起因する圧力の一時的な低下が生じ、その結果、液体が上昇管１５の下端１６を介して吸い上げられる。従って、初期の急速な気液二相流に続いて、液体流が減少し、そのため、開口部１７を介してさらなるガスの吸い込みが生じる可能性もある。
【００５１】
ガス回収室１２は、次に図３に示すように供給液体を再充填し、このプロセスが再開されて、モジュール５内における膜６の気液二相洗浄のもう１つのパルス化が生じることになる。このプロセスの比較的無制御な性質のため、パルスの周波数及び持続時間はほぼランダムである。
【００５２】
図４には、図１〜３の実施形態のさらなる修正形態が示されている。この実施形態の場合、パルス化気液二相流に加えて、ポート２０において上昇管１５の上方部分または下方部分に定常供給量のガスを供給することにより、間欠的パルス化気液二相流によって補充されるモジュール５を通る一定の気液流を発生させるハイブリッド構成が提供される。
【００５３】
図５には、図１〜３の実施形態に関連して既述のタイプのモジュール３５及びポンプ装置１１のアレイが示されている。モジュール５は、給水タンク３６内に配置されている。動作時、各ポンプ装置１１によって生じる気泡パルスが、各モジュール５毎にランダムに発生し、その結果給水タンク３６内におけるパルス化気泡発生の全体的な分布がランダムになる。このため、給水タンク３６内において一定ではあるがランダムにまたは無秩序に変化する供給液体の撹拌が生じることになる。
【００５４】
図６には、膜型バイオリアクタを用いた水処理システムにおいて本発明を用いるための構成が示されている。この実施形態の場合、バイオリアクタタンク２１と膜タンク２２の間にパルス化気液二相流が供給される。これらのタンクは、垂直方向に延びる壁の１つ２４がバイオリアクタタンク２１内に配置され、垂直方向に延びるもう１つの壁２５が膜タンク２２内に配置された倒立ガス回収室２３によって結合されている。壁２４は、バイオリアクタタンク２１内において、膜タンク２２内における壁２５より下方の深さまで延びている。ガス回収室２３は、バイオリアクタタンク２１と膜タンク２２の間の接続壁２６によって仕切られ、２つのコンパートメント２７及び２８を形成している。通常は空気であるガスが、ポート２９を介してガス回収室２３に供給される。膜濾過モジュールまたは装置３０が、膜タンク２２内において垂直壁２５の下方端より上方に配置されている。
【００５５】
使用時、ガスはポート２９を介して加圧下でガス回収室２３に供給され、回収室２３内の水位は壁２５の下方端３１に達するまで押し下げられる。この段階で、ガスはコンパートメント２７から壁２５を通り越えて急速に脱出し、気泡として膜タンク２２内を上昇して、膜モジュール３０を通る気液二相流を生じることになる。ガスのサージによって、ガス回収室２３のコンパートメント２８内においてガスの急速な減少も生じ、その結果、さらに水がバイオリアクタタンク２１から吸い上げられて、膜タンク２２に流入する。ポート２９を通るガス流は、ガス源（不図示）に接続された弁（不図示）によって制御可能である。弁はコントローラ装置（不図示）によって操作することが可能である。
【００５６】
上記実施形態において既述のパルス化流を発生する洗浄装置は、既知のさまざまな膜構成に用いることが可能であり、示されている特定の構成に制限されないのは明らかである。この装置は、膜モジュールまたは膜モジュールアセンブリに直接接続することが可能である。通常は空気であるガスが、洗浄装置に連続して供給され、膜洗浄及び表面回復のためにパルス化気液二相流が発生する。パルス化流は、ガスの連続供給を利用して洗浄装置によって発生するが、ガスの不連続供給を利用する場合、やはりパルス化流を発生させることができるが、パルス化パターンが異なることになるのは明らかであろう。
【００５７】
いくつかの応用例において、パルス化ガスリフトポンプ装置１１内の液位が、図７Ａ及び７Ｂに示すように液位ＡとＢの間で変動することが分かった。ガスリフトポンプ装置１１内の上端近くには、一般にガスポケット形成のために液相が到達できないスペース３７が残っている。こうしたポンプ装置１１を膜型バイオリアクタ内のようなハイソリッド環境（固体成分の多い環境）で動作させると、スカム及び／または脱水スラッジ３９がポンプ装置１１の上端のスペース３７に徐々に堆積する可能性があり、このため、最終的にはガス流路４０が詰まって、パルス化が抑制されるかまたはパルス化効果が全くなくなる可能性がある。図８にはこうしたシナリオが例示されている。
【００５８】
この影響を克服するためのいくつかの方法が明らかになっている。方法の１つは、図７Ａ及び図７Ｂの場合には液位Ａである動作中に達した上方液位より下方の点に、ガス注入点３８を配置することである。液位がガス注入点３８及びそれより上に達すると、ガスによって液体の噴射４１が生じ、ポンプ装置１１の上端近くにおいて可能性のあるスカムまたはスラッジの堆積層が粉砕される。図９にはこうした作用の概略が示されている。噴射４１の強度はガス注入位置３８及びガス速度に関連する。この方法によれば、ポンプ装置１１内部におけるスラッジの長期堆積を阻止することが可能になる。
【００５９】
もう１つの方法は、ポンプ装置１１内のガス抜きを定期的に行って、動作中に液位がポンプ装置１１内の上端スペース３７に到達できるようにすることである。この場合、全てのまたはほぼ全てのガスポケット３７のガス抜きを行うことができるように、ポンプ装置１１内の最高点かまたはそれに近い点でガス注入をしなければならない。図７に示すガス接続点３８は一例である。スラッジの質に応じて、さまざまな頻度で定期的にガス抜きを実施することにより、ポンプ装置内におけるいかなる永続的乾燥環境の生成も阻止することが可能である。
【００６０】
ポンプ装置１１の動作時に、図７の液位Ａがガス流量に応じて変動するということにも気付いた。ガス流量が増すほど、ポンプ装置１１内におけるガスポケットの形成は減少する。従って、利用することが可能なもう１つの方法は、脱水スラッジの粉砕作業中に、ポンプ装置１１にはるかに多くの空気流を定期的に注入することである。装置の設計に従って、この作用に必要なガス流量は、通常使用ガス流量よりも約３０％以上多くなるのが普通である。これは、いくつかのプラント運転において、他の膜タンクから選択されたタンクにガスの流れを変えて、短いはるかに多量のガス流を一時的に生じさせ、脱水スラッジを粉砕することによって可能になる。代わりに、予備ブロワ（不図示）を定期的に用いて、短期間にわたってより多量のガス流を供給することが可能である。
【００６１】
上述の方法を個別にまたは組合せモードで適用することにより、長期安定運転を実現し、ポンプ装置１１内におけるスカム／スラッジの堆積をなくすことが可能になる。
【実施例】
【００６２】
典型的な膜モジュールの１つは、中空糸膜から構成され、全長が１．６ｍで、膜表面積は３８ｍ２である。典型的な膜モジュールにはパルス化流発生装置が接続された。ガスによって押し上げられるパルス化液体の流量を監視するため、上昇管の下方端にはパドルホイール式流量計が配置された。図１０には、７．８Ｎｍ３／時の一定したガス流供給量におけるパルス化液体流量のスナップショットが示されている。このスナップショットが示すように、モジュールに流入する液体流は、高値と低値の間でランダムなまたは無秩序なパターンを有していた。低液体流量から高液体流量への頻度は、約１〜４．５秒の範囲内であった。モジュールに対して放出された実際のガス流量は、液体と混合しているので測定されなかったが、フローパターンは、液体流（高値と低値の間で無秩序に変動する）と同様になることが予測された。
【００６３】
パルス化エアリフト装置と通常のエアリフト装置による膜洗浄効果の比較が、膜バイオリアクタで実施された。膜濾過サイクルは、１２分間の濾過に１分間の休止が後続するものであった。各空気流量毎に２回反復するサイクルの試験が行われた。２組の試験の唯一の相違は、モジュールに接続された装置であった（通常のガスリフト装置対パルス化ガスリフト装置）。膜洗浄効率は、濾過中の透過率の低下に基づいて評価された。図１１には、異なる空気流量における２つの異なるガスリフト装置に関する透過率分布が示されている。これらのグラフから明らかなように、パルス化ガスリフトポンプの場合、通常のガスリフトポンプよりも長期にわたる安定した透過率が得られるので、膜汚れ率がより低くなる。
【００６４】
典型的な循環エアレーション構成と本発明のパルス化ガスリフトエアレーションの間でもう１つの比較が実施された。空気流量は、パルス化エアリフトの場合には３ｍ３／時であり、循環エアレーションの場合には６ｍ３／時であった。１０秒オン／１０秒オフ及び３秒オン／３秒オフの循環エアレーション周期が試験された。１０秒オン／１０秒オフの循環エアレーションは、弁の最速開放及び閉鎖が１０秒である大規模プラントの実際の運転を模擬するために選択された。３秒オン／３秒オフの循環エアレーションは、パルス化エアリフト装置の動作範囲内の頻度を模擬するために選択された。性能試験は約３０ＬＭＨの正規化された流束で実施され、３０分の長い濾過サイクルが含まれた。
【００６５】
下記の表１には、パルス化エアリフト操作と２つの異なる頻度による循環エアレーション操作の両方に関する試験結果が要約されている。パルス化エアリフト操作の場合の短い濾過サイクル及び長い濾過サイクル中における透過率降下は、循環エアレーション操作と比べてはるかに目立たない。高頻度の循環エアレーションによって膜性能はわずかに向上するが、パルス化エアリフト操作の場合、はるかに安定した膜透過率が維持されるので、パルス化エアリフト構成によってより有効な洗浄処理が確実になる。
【００６６】
【表１】
2010528833.tif 000003
【００６７】
上記例には、パルス化流発生装置を用いた有効な膜洗浄方法が例証されている。パルス化流発生装置にガスを連続して供給する場合、ランダムなまたは無秩序なフローパターンが生じて、膜が有効に洗浄される。各サイクルのフローパターンは、持続時間／頻度、高流量及び低流量の度合い、及び、流量変化分布が互いに異なる。各サイクル内で、流量は１つの値からもう１つの値に無秩序に連続して変化する。
【００６８】
上述の実施形態ではパルス化気液流が用いられているが、本発明は、ガス、気泡、及び、液体を含む他のランダムなパルス化流体流を用いる場合に有効であることは明らかであろう。
【００６９】
既述の本発明の精神または範囲を逸脱することなく、本発明のさらに異なる実施形態及び実施例の可能性があるのは明らかであろう。
【符号の説明】
【００７０】
５  膜モジュール
６  膜束
７  下方注封ヘッド
１０  分配室
１１  パルス化ガスリフトポンプ装置
１２  倒立ガス回収室
１５  上昇管
１８  管状トラフ
２１  バイオリアクタタンク
２２  膜タンク
２３  倒立ガス回収室
２７  コンパートメント
２８  コンパートメント
３０  膜濾過モジュール
３５  膜モジュール
３６  給水タンク
４０  ガス流路
【図１】
2010528833.tif 000004
【図２】
2010528833.tif 000005
【図３】
2010528833.tif 000006
【図４】
2010528833.tif 000007
【図５】
2010528833.tif 000008
【図６】
2010528833.tif 000009
【図７Ａ】
2010528833.tif 000010
【図７Ｂ】
2010528833.tif 000011
【図８】
2010528833.tif 000012
【図９】
2010528833.tif 000013
【図１０】
2010528833.tif 000014
【図１１】
2010528833.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の多孔質膜または１組のモジュールからなる膜モジュールであって、
ガスリフトポンプ装置（１１）を備え、このガスリフトポンプ装置は、それに接続されたガス源からの加圧ガスの供給に応答し、加圧ガスを貯えて、間欠的に放出し、前記放出したガスを利用して、液体リザーバからの多量の前記液体をガスリフトし、前記膜の表面に沿ってパルス化された気液二相流を生じさせて、前記膜の表面からファウリング物質を除去するものとし、
前記ガスリフトポンプ装置は、前記ガス源によって供給される前記ガスを貯えるようになっており、閉鎖上方端と前記液体リザーバ内に配置された開放下方端（１３）を有する倒立ガス貯蔵室（１２）と、前記ガス貯蔵室（１２）内に配置され、前記液体リーバと流体的に通じている吸込み開口部（１６）及び前記膜モジュールと流体的に通じている吐出し口を有する垂直上昇管（１５）とを備え、
前記上昇管は、前記貯蔵室内のガスのレベルが所定のレベルに達すると、前記ガス貯蔵室から前記貯えられたガスが供給されて、前記上昇管（１５）を介して前記液体をガスリフトし、前記膜モジュール内に吐き出すように配置されてなる、前記ガス貯蔵室と流体的に通じている開口部（１７）を備えていることを特徴とする、膜モジュール。
【請求項２】
前記ガス流に気泡が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項３】
前記パルス化ガス流が、ある供給量のガスを供給される前記ガスリフトポンプ装置によって生じることを特徴とする、請求項２に記載の膜モジュール。
【請求項４】
前記パルス化流体流を生じさせるための前記ガスリフトポンプ装置は、さらに前記ガスリフトポンプ装置と流体的に通じている分配器を備え、前記パルス化流体流が前記分配器を介して前記モジュールに分配されることを特徴とする、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項５】
各モジュール毎に１つの前記ガスリフトポンプ装置が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項６】
いくつかのモジュールに対して１つの前記ガスリフトポンプ装置が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項７】
前記パルス化流体流が前記装置の中でランダムに発生し、ランダムな分布パターンを形成することを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の膜モジュール。
【請求項８】
さらに、複数の多孔質中空糸膜を備え、前記中空糸膜（６）が、互いに極めて近接して配置され、取り付けられて、それらの間における過剰な動きを防ぐようになっており、前記中空糸膜は各端部がヘッダに固定され、１つのヘッダには、前記流体流を導入して、前記中空糸膜の表面を洗浄するための１つ以上の孔が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項９】
前記ガスの供給が加圧ガスを収容している外部タンクによって実施され、前記タンクが、前記膜モジュールと流体的に通じており、ランダムに発生するガスパルスを前記モジュールに供給して、前記膜表面を洗浄するための気泡流を生じさせるための制御手段を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の膜モジュール。
【請求項１０】
前記制御手段に、前記膜モジュールへのガス／液体吸込み口内に配置され、前記吸込み口内における液位に応じて、前記外部タンクからガスを供給する流体流制御装置が含まれることを特徴とする、請求項９に記載の膜モジュール。
【請求項１１】
前記ガスリフトポンプ装置が、前記モジュールに前記パルス化気泡をほぼ均一に分配する流体分配器と流体的に通じていることを特徴とする、請求項８に記載の膜モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜濾過システム、特にパルス化エアリフトポンプを備えた膜モジュールに関するものであり、とりわけ、パルス化流体流によってこうしたシステムに用いられる膜を有効に洗浄するための装置及び関連する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理用の膜の重要性は急速に高まっている。今や周知のように、膜処理は汚水の有効な三次処理として利用することが可能であり、良質の排水を生じさせることが可能である。しかしながら、資本経費及び運転費用が法外に高くなる可能性がある。膜モジュールを大型給水タンクに浸没させて、膜の濾過側に施される吸引または重力送りによって濾過水を集める水中膜処理の出現によって、生物学的処理と物理的処理を１つの工程に組み合わせる膜型バイオリアクタが、よりコンパクトで、効率よく、経済的になる見込みが生じた。その汎用性のため、膜型バイオリアクタのサイズは家庭用（浄化槽設備のような）から共同体用及び大規模汚水処理用までさまざまな可能性がある。
【０００３】
膜濾過処理の成功は、有効で効率的な膜洗浄方法の利用に大きく依存する。一般に用いられている物理的洗浄方法には、透過液またはガスあるいはそれらの組合せを利用した逆洗（バックパルス、バックフラッシュ）、液体中で気泡の形態をなすガスを利用した膜表面スクラビングまたはスカーリングが含まれている。一般に、ガススカーリングシステムの場合、膜モジュールが浸没している液体システムに通常ブロワによってガスを注入して、気泡を生じさせる。こうして生じた気泡は、上方に移動して、膜表面のスクラビングを行い、膜表面に形成されたファウリング物質を除去する。発生する剪断力は、気泡初速度、気泡サイズ、及び、気泡にかかる合成力に大きく依存する。スクラビング効果を高めるためには、より多くのガスを供給しなければならない。しかしながら、この方法は大量のエネルギを消費する。さらに、固体濃度が高い環境では、ガス供給システムが、脱水された固体によって徐々に詰まったり、あるいは、ガス流が偶発的に停止すると簡単に詰まってしまう場合がある。
【０００４】
さらに、固体濃度が高い環境では、清浄な濾過水が膜を透過し、固体含有率の高い濃縮水が残される濾過中に、膜表面近くにおける固体濃度分極が顕著になり、膜抵抗の増大をもたらすことになる。これらの問題のいくつかについては、二相流を利用して、膜を洗浄することによって対処された。
【０００５】
循環式に気泡を生じさせる循環エアレーションシステムは、エネルギ消費を軽減し、その一方で膜表面の有効なスクラビングに十分なガスを供給することが求められる。こうした循環操作を可能にするため、こうしたシステムは、通常、必要とされる複雑な弁及び切換え構成の初期システム費用及び継続的な保守費用を増大させることになりがちな複雑な弁構成及び制御装置を必要とする。大規模システムの場合、循環頻度も機械弁の機能によって制限される。さらに、循環エアレーションは膜表面の回復に有効ではないことが分かった。
【０００６】
複雑な弁切換え等による動作の制御を必要とせずに、スカーリング処理のエネルギ効率の良い操作を可能にするのが望ましいということになる。膜表面を通過する気液二相流を生じさせて、より有効なスカーリング処理を施し、こうした洗浄処理のためのエネルギ所要量を最小限に抑えるのも望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、少なくともその実施形態において、先行技術の欠点のいくつかを克服または少なくとも改善するか、あるいは、社会に対して有用な代替案を少なくとも提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、複数の多孔質膜または１組のモジュールからなる膜モジュールであって、ガスリフトポンプ装置を備え、このガスリフトポンプ装置は、それに接続されたガス源からの加圧ガスの供給に応答し、加圧ガスを貯えて、間欠的に放出し、前記放出したガスを利用して、液体リザーバからの多量の前記液体をガスリフトし、前記膜の表面に沿ってパルス化された気液二相流を生じさせて、前記膜の表面からファウリング物質を除去するものとし、前記ガスリフトポンプ装置は、前記ガス源によって供給される前記ガスを貯えるようになっており、閉鎖上方端と前記液体リザーバ内に配置された開放下方端を有する倒立ガス貯蔵室と、前記ガス貯蔵室内に配置され、前記液体リーバと流体的に通じている吸込み開口部及び前記膜モジュールと流体的に通じている吐出し口を有する垂直上昇管とを備え、前記上昇管は、前記貯蔵室内のガスのレベルが所定のレベルに達すると、前記ガス貯蔵室から前記貯えられたガスが供給されて、前記上昇管を介して前記液体をガスリフトし、前記膜モジュール内に吐き出すように配置されてなる、前記ガス貯蔵室と流体的に通じている開口部を備えていることを特徴とする。
【０００９】
ガス流は気泡の形態をなすのが望ましい。
【００１０】
前記ガスリフトポンプ装置は、ある供給量のガスを供給されるのが望ましい。
【００１１】
望ましい実施形態の場合、パルス化流体流を生じさせる前記ガスリフトポンプ装置には、前記前記ガスリフトポンプ装置と流体的に通じている分配器を備えており、パルス化流体流は、分配器を介してモジュールに分配される。
【００１２】
望ましい実施形態の場合、各モジュール毎に１つの前記ガスリフトポンプ装置が設けられる。
【００１３】
もう１つの望ましい実施形態の場合、いくつかのモジュールに対して１つの前記ガスリフトポンプ装置が設けられる。
【００１４】
もう１つの望ましい実施形態の場合、パルス化流体流は前記ガスリフトポンプ装置の中でランダムに発生させられて、ランダムな分布パターンを形成する。
【００１５】
もう１つの望ましい実施形態には、複数の中空糸膜を備えているが、前記中空糸膜は、その間における過剰な動きを防ぐように互いに極めて近接して配置され、各端部がヘッダに固定されており、１つのヘッダには、流体流を導入して前記中空糸膜表面を洗浄するための１つ以上の孔が形成されている。
【００１６】
もう１つの望ましい実施形態の場合、ガスの供給は、加圧ガスを収容する外部タンクによって行われるが、このタンクは、膜モジュールと流体的に通じており、ランダムに発生したガスパルスをモジュールに供給して、膜表面を洗浄するための気泡流を生じさせるための制御手段を備えている。
【００１７】
さらにもう１つの望ましい実施形態の場合、前記制御手段には、膜モジュールへのガス／液体吸込み口に配置されて、吸込み口内の液位に応じて、外部タンクからガスを供給する働きをする流体流制御装置が含まれている。
【００１８】
もう１つの望ましい実施形態の場合、ガスリフトポンプ装置は、モジュールにほぼ均一にパルス化気泡を分配する流体分配器と流体的に通じている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
次に、例証だけを目的として、添付の図面を参照しながら本発明の望ましい実施形態について説明することにする。
【図１】本発明の実施形態の１つによる膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図２】パルス活性化段階中における図１のモジュールを示す図である。
【図３】パルス化気液二相流段階の終了後における図１のモジュールを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図５】図１の実施形態に例示したタイプの膜モジュールアレイの単純化された断面立面図である。
【図６】膜型バイオリアクタを用いた水処理システムに本発明を適用した概略構成図である。
【図７Ａ】パルス化ガスリフト装置内における動作中の液位を例示した膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図７Ｂ】パルス化ガスリフト装置内における動作中の図７Ａとは異なる液位を例示した膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図８】パルスガスリフトポンプにおけるスラッジの堆積を例示した、図１の実施形態に示されたタイプの膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図９】スラッジ除去処理の実施形態の１つを例示した膜モジュールの単純化された断面立面図である。
【図１０】時間の経過につれて与えられるパルス化液体流のパターンと空気流量のグラフである。
【図１１】あるガスリフト装置と本発明によるパルス化ガスリフト装置を用いた洗浄効率を比較する経時的膜透過性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面を参照すると、図１〜３には、本発明の実施形態の１つによる膜モジュール構成が示されている。
【００２１】
膜モジュール５には、下方注封ヘッド７に取り付けられて、そこから延びている複数の透過性中空糸膜束６が含まれている。この実施形態の場合、膜束は、膜束６間にスペース８をあけるため分割されている。モジュール５内において任意の望ましい膜構成を利用することができるのは明らかである。下方注封ヘッド７には、下方注封ヘッド７より下に位置する分配室１０からの流体流を通すことができるようにいくつかの孔９が設けられている。
【００２２】
分配室１０の下方には、それと流体的に通じるようにパルス化ガスリフトポンプ装置１１が設けられている。パルス化ガスリフトポンプ装置１１には、その下方端１３が開放され、その上方端に隣接して吸込み口１４を備える倒立ガス回収室１２が含まれている。中央上昇管１５がガス回収室１２を貫いて延びて、分配室１０の底面に流体的につながっており、その下方端１６は開放されている。上昇管１５には、その全長に沿って部分的に１つまたは複数の開口部１７が設けられている。管状トラフ１８が、上昇管１５の開口部１７より下方の位置から上昇管１５囲むように上方に延びている。
【００２３】
使用時、モジュール５は供給液１９内に沈められ、加圧ガス源がガス吸込み口１４に対してほぼ連続して用いられる。ガスは、開口部１７の高さに達するまで倒立ガス回収室１２内の供給液１９を徐々に変位させる。図２に示すように、この時点でガスが開口部１７の液封を破って、開口部１７をどっと通りぬけ、中央上昇管１５を上昇して、気泡及び供給液体のパルスを生じさせ、パルスは分配室１０を通って、膜モジュール５の底面に流入する。さらに、ガスの急激なサージによって上昇管１５の下部開口１６を介して液体が吸い込まれ、高速気液二相流が生じることになる。気液二相パルスは、孔９を貫流し、膜６の表面にスカーリングを施す。トラフ１８は、開口部１７がすぐに再封止されないようにして、初期パルス後の短期間にわたって気液二相混合物の連続流を可能にする。
【００２４】
ガスの初期サージによって、液体輸送の２段階である、排出及び吸込みが生じる。排出段階は、バブルスラッグが最初に上昇管１５内に放出されると起こり、強力な浮力が生じて、そのためにガス及び液体が上昇管１５を通って急速に排出され、さらに膜モジュール５を通って、膜表面に対する有効な洗浄作用を生じることになる。排出段階には吸込みまたはサイフォン段階が後続し、上昇管１５からのガスの急速な流出によって、密度差に起因する圧力の一時的な低下が生じ、その結果、液体が上昇管１５の下端１６を介して吸い上げられる。従って、初期の急速な気液二相流に続いて、液体流が減少し、そのため、開口部１７を介してさらなるガスの吸い込みが生じる可能性もある。
【００２５】
ガス回収室１２は、次に図３に示すように供給液体を再充填し、このプロセスが再開されて、モジュール５内における膜６の気液二相洗浄のもう１つのパルス化が生じることになる。このプロセスの比較的無制御な性質のため、パルスの周波数及び持続時間はほぼランダムである。
【００２６】
図４には、図１〜３の実施形態のさらなる修正形態が示されている。この実施形態の場合、パルス化気液二相流に加えて、ポート２０において上昇管１５の上方部分または下方部分に定常供給量のガスを供給することにより、間欠的パルス化気液二相流によって補充されるモジュール５を通る一定の気液流を発生させるハイブリッド構成が提供される。
【００２７】
図５には、図１〜３の実施形態に関連して既述のタイプのモジュール３５及びポンプ装置１１のアレイが示されている。モジュール５は、給水タンク３６内に配置されている。動作時、各ポンプ装置１１によって生じる気泡パルスが、各モジュール５毎にランダムに発生し、その結果給水タンク３６内におけるパルス化気泡発生の全体的な分布がランダムになる。このため、給水タンク３６内において一定ではあるがランダムにまたは無秩序に変化する供給液体の撹拌が生じることになる。
【００２８】
図６には、膜型バイオリアクタを用いた水処理システムにおいて本発明を用いるための構成が示されている。この実施形態の場合、バイオリアクタタンク２１と膜タンク２２の間にパルス化気液二相流が供給される。これらのタンクは、垂直方向に延びる壁の１つ２４がバイオリアクタタンク２１内に配置され、垂直方向に延びるもう１つの壁２５が膜タンク２２内に配置された倒立ガス回収室２３によって結合されている。壁２４は、バイオリアクタタンク２１内において、膜タンク２２内における壁２５より下方の深さまで延びている。ガス回収室２３は、バイオリアクタタンク２１と膜タンク２２の間の接続壁２６によって仕切られ、２つのコンパートメント２７及び２８を形成している。通常は空気であるガスが、ポート２９を介してガス回収室２３に供給される。膜濾過モジュールまたは装置３０が、膜タンク２２内において垂直壁２５の下方端より上方に配置されている。
【００２９】
使用時、ガスはポート２９を介して加圧下でガス回収室２３に供給され、回収室２３内の水位は壁２５の下方端３１に達するまで押し下げられる。この段階で、ガスはコンパートメント２７から壁２５を通り越えて急速に脱出し、気泡として膜タンク２２内を上昇して、膜モジュール３０を通る気液二相流を生じることになる。ガスのサージによって、ガス回収室２３のコンパートメント２８内においてガスの急速な減少も生じ、その結果、さらに水がバイオリアクタタンク２１から吸い上げられて、膜タンク２２に流入する。ポート２９を通るガス流は、ガス源（不図示）に接続された弁（不図示）によって制御可能である。弁はコントローラ装置（不図示）によって操作することが可能である。
【００３０】
上記実施形態において既述のパルス化流を発生する洗浄装置は、既知のさまざまな膜構成に用いることが可能であり、示されている特定の構成に制限されないのは明らかである。この装置は、膜モジュールまたは膜モジュールアセンブリに直接接続することが可能である。通常は空気であるガスが、洗浄装置に連続して供給され、膜洗浄及び表面回復のためにパルス化気液二相流が発生する。パルス化流は、ガスの連続供給を利用して洗浄装置によって発生するが、ガスの不連続供給を利用する場合、やはりパルス化流を発生させることができるが、パルス化パターンが異なることになるのは明らかであろう。
【００３１】
いくつかの応用例において、パルス化ガスリフトポンプ装置１１内の液位が、図７Ａ及び７Ｂに示すように液位ＡとＢの間で変動することが分かった。ガスリフトポンプ装置１１内の上端近くには、一般にガスポケット形成のために液相が到達できないスペース３７が残っている。こうしたポンプ装置１１を膜型バイオリアクタ内のようなハイソリッド環境（固体成分の多い環境）で動作させると、スカム及び／または脱水スラッジ３９がポンプ装置１１の上端のスペース３７に徐々に堆積する可能性があり、このため、最終的にはガス流路４０が詰まって、パルス化が抑制されるかまたはパルス化効果が全くなくなる可能性がある。図８にはこうしたシナリオが例示されている。
【００３２】
この影響を克服するためのいくつかの方法が明らかになっている。方法の１つは、図７Ａ及び図７Ｂの場合には液位Ａである動作中に達した上方液位より下方の点に、ガス注入点３８を配置することである。液位がガス注入点３８及びそれより上に達すると、ガスによって液体の噴射４１が生じ、ポンプ装置１１の上端近くにおいて可能性のあるスカムまたはスラッジの堆積層が粉砕される。図９にはこうした作用の概略が示されている。噴射４１の強度はガス注入位置３８及びガス速度に関連する。この方法によれば、ポンプ装置１１内部におけるスラッジの長期堆積を阻止することが可能になる。
【００３３】
もう１つの方法は、ポンプ装置１１内のガス抜きを定期的に行って、動作中に液位がポンプ装置１１内の上端スペース３７に到達できるようにすることである。この場合、全てのまたはほぼ全てのガスポケット３７のガス抜きを行うことができるように、ポンプ装置１１内の最高点かまたはそれに近い点でガス注入をしなければならない。図７に示すガス接続点３８は一例である。スラッジの質に応じて、さまざまな頻度で定期的にガス抜きを実施することにより、ポンプ装置内におけるいかなる永続的乾燥環境の生成も阻止することが可能である。
【００３４】
ポンプ装置１１の動作時に、図７の液位Ａがガス流量に応じて変動するということにも気付いた。ガス流量が増すほど、ポンプ装置１１内におけるガスポケットの形成は減少する。従って、利用することが可能なもう１つの方法は、脱水スラッジの粉砕作業中に、ポンプ装置１１にはるかに多くの空気流を定期的に注入することである。装置の設計に従って、この作用に必要なガス流量は、通常使用ガス流量よりも約３０％以上多くなるのが普通である。これは、いくつかのプラント運転において、他の膜タンクから選択されたタンクにガスの流れを変えて、短いはるかに多量のガス流を一時的に生じさせ、脱水スラッジを粉砕することによって可能になる。代わりに、予備ブロワ（不図示）を定期的に用いて、短期間にわたってより多量のガス流を供給することが可能である。
【００３５】
上述の方法を個別にまたは組合せモードで適用することにより、長期安定運転を実現し、ポンプ装置１１内におけるスカム／スラッジの堆積をなくすことが可能になる。
【実施例】
【００３６】
典型的な膜モジュールの１つは、中空糸膜から構成され、全長が１．６ｍで、膜表面積は３８ｍ2である。典型的な膜モジュールにはパルス化流発生装置が接続された。ガスによって押し上げられるパルス化液体の流量を監視するため、上昇管の下方端にはパドルホイール式流量計が配置された。図１０には、７．８Ｎｍ3／時の一定したガス流供給量におけるパルス化液体流量のスナップショットが示されている。このスナップショットが示すように、モジュールに流入する液体流は、高値と低値の間でランダムなまたは無秩序なパターンを有していた。低液体流量から高液体流量への頻度は、約１〜４．５秒の範囲内であった。モジュールに対して放出された実際のガス流量は、液体と混合しているので測定されなかったが、フローパターンは、液体流（高値と低値の間で無秩序に変動する）と同様になることが予測された。
【００３７】
パルス化エアリフト装置と通常のエアリフト装置による膜洗浄効果の比較が、膜バイオリアクタで実施された。膜濾過サイクルは、１２分間の濾過に１分間の休止が後続するものであった。各空気流量毎に２回反復するサイクルの試験が行われた。２組の試験の唯一の相違は、モジュールに接続された装置であった（通常のガスリフト装置対パルス化ガスリフト装置）。膜洗浄効率は、濾過中の透過率の低下に基づいて評価された。図１１には、異なる空気流量における２つの異なるガスリフト装置に関する透過率分布が示されている。これらのグラフから明らかなように、パルス化ガスリフトポンプの場合、通常のガスリフトポンプよりも長期にわたる安定した透過率が得られるので、膜汚れ率がより低くなる。
【００３８】
典型的な循環エアレーション構成と本発明のパルス化ガスリフトエアレーションの間でもう１つの比較が実施された。空気流量は、パルス化エアリフトの場合には３ｍ3／時であり、循環エアレーションの場合には６ｍ3／時であった。１０秒オン／１０秒オフ及び３秒オン／３秒オフの循環エアレーション周期が試験された。１０秒オン／１０秒オフの循環エアレーションは、弁の最速開放及び閉鎖が１０秒である大規模プラントの実際の運転を模擬するために選択された。３秒オン／３秒オフの循環エアレーションは、パルス化エアリフト装置の動作範囲内の頻度を模擬するために選択された。性能試験は約３０ＬＭＨの正規化された流束で実施され、３０分の長い濾過サイクルが含まれた。
【００３９】
下記の表１には、パルス化エアリフト操作と２つの異なる頻度による循環エアレーション操作の両方に関する試験結果が要約されている。パルス化エアリフト操作の場合の短い濾過サイクル及び長い濾過サイクル中における透過率降下は、循環エアレーション操作と比べてはるかに目立たない。高頻度の循環エアレーションによって膜性能はわずかに向上するが、パルス化エアリフト操作の場合、はるかに安定した膜透過率が維持されるので、パルス化エアリフト構成によってより有効な洗浄処理が確実になる。
【００４０】
【表１】
2010528833.tif 000016
【００４１】
上記例には、パルス化流発生装置を用いた有効な膜洗浄方法が例証されている。パルス化流発生装置にガスを連続して供給する場合、ランダムなまたは無秩序なフローパターンが生じて、膜が有効に洗浄される。各サイクルのフローパターンは、持続時間／頻度、高流量及び低流量の度合い、及び、流量変化分布が互いに異なる。各サイクル内で、流量は１つの値からもう１つの値に無秩序に連続して変化する。
【００４２】
上述の実施形態ではパルス化気液流が用いられているが、本発明は、ガス、気泡、及び、液体を含む他のランダムなパルス化流体流を用いる場合に有効であることは明らかであろう。
【００４３】
既述の本発明の精神または範囲を逸脱することなく、本発明のさらに異なる実施形態及び実施例の可能性があるのは明らかであろう。
【符号の説明】
【００４４】
５  膜モジュール
６  膜束
７  下方注封ヘッド
１０  分配室
１１  パルス化ガスリフトポンプ装置
１２  倒立ガス回収室
１５  上昇管
１８  管状トラフ
２１  バイオリアクタタンク
２２  膜タンク
２３  倒立ガス回収室
２７  コンパートメント
２８  コンパートメント
３０  膜濾過モジュール
３５  膜モジュール
３６  給水タンク
４０  ガス流路
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010528833.tif 000017
【図２】
2010528833.tif 000018
【図３】
2010528833.tif 000019
【図４】
2010528833.tif 000020
【図５】
2010528833.tif 000021
【図６】
2010528833.tif 000022
【図７Ａ】
2010528833.tif 000023
【図７Ｂ】
2010528833.tif 000024
【図８】
2010528833.tif 000025
【図９】
2010528833.tif 000026
【図１０】
2010528833.tif 000027
【図１１】
2010528833.tif 000028
【国際調査報告】
2010528833.tif 000029
2010528833.tif 000030
2010528833.tif 000031
2010528833.tif 000032
2010528833.tif 000033
2010528833.tif 000034