(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
列をなして延在すると共に少なくとも一端がヘッダ内に取り付けられた複数の多孔性薄膜を備えている薄膜モジュールであって、
前記ヘッダは、洗浄流体を前記モジュール内と前記薄膜の表面又は複数の表面に沿って分配するための多数の分配用開口を備えており、
前記薄膜モジュールは更にチャンバを備えており、  該チャンバは、前記ヘッダの下方に配置され、前記チャンバを通じた供給液体の上方への流れを促進するよう構成されており、
前記チャンバは更に、
−  供給液体源と流体的に連通している開口された基端部と、
−  前記分配用開口と流体的に連通している第２端部と、
−  開口された前記基端部の上方から、下方に向けて前記チャンバ内に気体を導入するように構成された気体ソースと、
を備え、これにより前記気体と前記供給液体とを混合させて前記洗浄流体を生成し、且つ、該洗浄流体を、前記分配用開口へと分配するように構成された、
ことを特徴とする薄膜モジュール。
【請求項２】
前記チャンバが細長に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜モジュール。
【請求項３】
前記チャンバの長さは、前記薄膜が前記チャンバ内に導入された前記供給液体及び前記気体内に浸漬されたときに、静水頭を与えるために必要な長さ寸法よりも大きくされており、前記必要な長さ寸法は、前記気体が前記分配用開口を流れるための損失水頭と等価であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜モジュール。
【請求項４】
前記ヘッダが、クローバー型のマニフォールド内に取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の薄膜モジュール。
【請求項５】
前記チャンバが、前記ヘッダ又は複数のヘッダの直下でスカート部を形成するために位置決めされている複数の側部を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の薄膜モジュール。
【請求項６】
列をなして延在すると共に少なくとも一端が複数の各々のヘッダ内に取り付けられた複数の多孔性薄膜を備えている薄膜モジュール組立体であって、
前記複数のヘッダは、洗浄流体を前記モジュール組立体内と前記薄膜の表面又は複数の表面に沿って分配するための多数の分配用開口を各々の間に備えており、
前記薄膜モジュール組立体は更にチャンバを備えており、該チャンバは、前記チャンバを通じた供給液体の上方への流れを促進するよう構成されており、
前記チャンバは更に、
−  供給液体源と流体的に連通している開口された基端部と、
−  前記分配用開口と流体的に連通している第２端部と、
−  開口された前記基端部の上方から、下方に向けて前記チャンバ内に気体を導入するように構成された気体ソースと、
を備え、これにより前記気体と前記供給液体とを混合させて前記洗浄流体を生成し、且つ、該洗浄流体を、前記分配用開口へと分配するように構成された、
ことを特徴とする薄膜モジュール組立体。
【請求項７】
前記チャンバが細長に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項８】
前記チャンバの長さは、前記薄膜が前記チャンバ内に導入された前記供給液体及び前記気体内に浸漬されたときに、静水頭を与えるために必要な長さ寸法よりも大きくされており、前記必要な長さ寸法は、前記気体が前記分配用開口を流れるための損失水頭と等価であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項９】
前記ヘッダが、クローバー型のマニフォールド内に取り付けられていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項１０】
前記チャンバが、前記ヘッダ又は複数のヘッダの直下でスカート部を形成するために位置決めされている複数の側部を備えていることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項１１】
薄膜モジュールが直線状に延在して整列した形態に配置されているときに、前記チャンバが前記薄膜モジュールの長手方向の側部を囲繞していることを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項１２】
薄膜モジュールが直線状に延在して整列した形態を為し、前記チャンバが前記薄膜モジュールの短手方向の側部を囲繞していることを特徴とする請求項６から１１のいずれか一項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項１３】
前記気体を、前記供給液体源から遠ざけるように偏向させるために、前記気体ソースに設けられたＴ字状の部材又は邪魔板を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の薄膜モジュール。
【請求項１４】
前記気体を、前記供給液体源から遠ざけるように偏向させるために、前記気体ソースに設けられたＴ字状の部材又は邪魔板を備えていることを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項１５】
少なくとも一端がヘッダ内に取り付けられた複数の多孔性薄膜を備えている薄膜モジュールであって、
前記ヘッダは、流体を前記モジュール内に分配するための多数の分配用開口を備えており、
前記薄膜モジュールは更に、
−  液体と気泡とを混合することによって洗浄混合物を提供するように構成された、開口端を有する混合チャンバであって、供給液体源と流体的に連通している開口された基端部を備えていると共に、前記混合チャンバを通じた供給液体の上方への流れを促進するよう構成された、混合チャンバと、
−  開口端を有する前記混合チャンバ内に位置決めされた気体源であって、前記基端部の上方から、下方に向けて開口端を有する前記混合チャンバ内に気体を導入するように構成された気体源と、
−  前記洗浄混合物を、前記薄膜の表面から汚染物質を除去するために前記薄膜の表面に沿って流す手段と、
を備えていることを特徴とする薄膜モジュール。
【請求項１６】
薄膜バイオリアクターにおいて使用するための請求項１から５若しくは１５のいずれか一項に記載の薄膜モジュールであって、
前記薄膜は、長手方向に延在されると共に、各々の端部がそれぞれのヘッダに取り付けられた中空薄膜ファイバであり、
該薄膜ファイバは、少なくともそれぞれのヘッダに取り付けられるか、若しくはそれぞれのヘッダに隣接して多数の束に仕切られ、これにより、前記薄膜ファイバの間に空間が形成されており、
前記ヘッダの一つは、前記モジュール内で洗浄流体を供給するために、内部に形成された前記チャンバと流体的に連通する前記分配用開口を備えており、使用の際に、前記洗浄流体は、前記薄膜ファイバの表面から汚染物質を除去するために、前記薄膜ファイバの表面を通過して移動するように供給されていることを特徴とする薄膜モジュール。
【請求項１７】
薄膜バイオリアクターにおいて使用するための請求項６から１２のいずれか一項に記載の薄膜モジュール組立体であって、
長手方向に延在されると共に各々の端部がそれぞれの複数のヘッダに取り付けられた複数の多孔性の中空薄膜ファイバを備え、
該複数の薄膜ファイバは、互いに近接して配列されると共に、少なくともそれぞれのヘッダで取り付けられるか、若しくはそれぞれのヘッダに隣接して多数の束に仕切られ、これにより、前記薄膜ファイバの間に空間が形成されており、
前記ヘッダは、前記モジュール組立体内で洗浄流体を供給するために、内部に形成された前記チャンバと流体的に連通する多数の分配用開口を備えるように構成されており、使用において、前記洗浄流体は、前記薄膜ファイバの表面から汚染物質を除去するために前記薄膜ファイバの表面を通過して移動するように供給されていることを特徴とする薄膜モジュール組立体。
【請求項１８】
前記モジュール内の前記ファイバが、５％から７０％の間の充填密度を有していることを特徴とする請求項１６に記載の薄膜モジュール。
【請求項１９】
前記充填密度が８％から５５％の間であることを特徴とする請求項１８に記載の薄膜モジュール。
【請求項２０】
前記分配用開口が、１ｍｍから４０ｍｍの直径を有していることを特徴とする請求項１から５、１３、１５、１６、１８及び１９のいずれか１項に記載の薄膜モジュール。
【請求項２１】
前記分配用開口が、１．５ｍｍから２５ｍｍの直径を有していることを特徴とする請求項２０に記載の薄膜モジュール。
【請求項２２】
前記混合チャンバ内に、気体を前記液体のソースから遠ざかるように偏向させるために構成されたデフレクタを備えていることを特徴とする請求項１６及び１８から２０のいずれか１項に記載の薄膜モジュール。
【請求項２３】
前記モジュール内の前記ファイバが、５％から７０％の間の充填密度を有していることを特徴とする請求項１７に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項２４】
前記充填密度が８％から５５％の間であることを特徴とする請求項２３に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項２５】
前記分配用開口が、１ｍｍから４０ｍｍの直径を有していることを特徴とする請求項６から１２、１７、２３及び２４のいずれか１項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項２６】
前記分配用開口が、１．５ｍｍから２５ｍｍの直径を有していることを特徴とする請求項２５に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項２７】
前記混合チャンバ内に、気体を前記液体のソースから遠ざかるように偏向させるために構成されたデフレクタを備えていることを特徴とする請求項１７及び２３から２６のいずれか１項に記載の薄膜モジュール組立体。
【請求項２８】
タンクと、
該タンクへ供給物を導入する導入手段と、
前記タンク内で活性化された汚泥を形成する手段と、
前記汚泥内に浸漬されるように前記タンク内に位置決めされた請求項１から５、１３、１５、１６及び１８から２２のいずれか１項に記載の薄膜モジュールであって、
前記薄膜モジュールが、前記薄膜の少なくとも一つから濾過液を引き出すための手段を備えていることを特徴とする薄膜バイオリアクター。
【請求項２９】
タンクと、
該タンクへ供給物を導入する導入手段と、
前記タンク内で活性化された汚泥を形成する手段と、
前記汚泥内に浸漬されるように前記タンク内に位置決めされた請求項６から１２、１４、１７及び２３から２７のいずれか１項に記載の薄膜モジュール組立体であって、
前記薄膜モジュールが、前記薄膜の少なくとも一つから濾過液を引き出すための手段を備えていることを特徴とする薄膜バイオリアクター。
【請求項３０】
微生物の活動を促進するために、前記タンク内に更なるエアレーションのソースを備えていることを特徴とする請求項２８または２９に記載の薄膜バイオリアクター。
【請求項３１】
前記薄膜モジュールが前記タンク内で垂直に吊るされていると共に、更なるエアレーションの前記ソースが、吊るされた前記モジュールの下方に設けられていることを特徴とする請求項３０に記載の薄膜バイオリアクター。
【請求項３２】
列をなして長手方向に延在して薄膜モジュールを構成し、少なくとも一端がヘッダ内に取り付けられた複数の多孔性中空ファイバ薄膜から汚染物質を除去する方法であって、
前記ヘッダは、洗浄流体を前記モジュール内に分配するための多数の分配用開口を備えており、
チャンバを通じた供給液体の上方への流れを促進するよう構成された前記チャンバであって、
−  供給液体源と流体的に連通している開口された基端部と、
−  前記分配用開口と流体的に連通している第２端部と、
−  開口された前記基端部の上方から、下方に向けて前記チャンバ内に気体を導入するように構成された気体ソースと、
を備え、これにより前記気体と前記供給液体とを混合させて前記洗浄流体を生成するように構成されたチャンバを提供するステップと、
前記洗浄流体を、前記チャンバから前記薄膜モジュールの基端部へ流し、これにより前記分配用開口を通じて、前記中空ファイバ薄膜の表面を横断する前記洗浄流体の上方への流れを生じさせると共に、多孔性の中空ファイバ薄膜の表面から汚染物質を除去するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項３３】
前記チャンバを細長に形成し、前記チャンバの長さを、前記薄膜モジュールが前記チャンバ内に導入された前記供給液体及び前記気体内に浸漬されたときに、静水頭を与えるために必要な長さ寸法よりも大きくし、前記必要な長さ寸法を、前記気体が前記分配用開口を流れるための損失水頭と等価とするステップを更に備えていることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜濾過モジュールに関連してチャンバを用いるための装置及び方法に関するものであって、連結されたモジュールへの改善された流体の分配及び流れを提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理のための薄膜の重要性が急速に増大している。
現在は、薄膜による処理が汚水（sewage）の効果的な第三次処理及び良質な廃液（quality effluent）を提供するために使用され得ることが広く知られている。
しかしながら資本及びランニングコストが高いため、普及に制約が生じている。
薄膜が大きな供給タンクに浸漬され、薄膜の濾過側に設けられた吸入部を通じて濾過液が収集される水没式の薄膜処理方法によって、一つの段階で生物学的プロセスと物理的プロセスとを組み合わせた薄膜バイオリアクターが、よりコンパクトで、効率的で、且つ経済的なものになると見込まれている。
【０００３】
その汎用性により薄膜バイオリアクターのサイズは、（浄化槽のような）家庭用から、地域の大規模な汚水処理用にまで亘っている。
【０００４】
薄膜濾過処理の成功は、薄膜の効果的且つ効率的な洗浄方法を採用することに大きく依存している。
通常使用されている物理的な洗浄方法は、液体通過（liquid permeate）あるいは気体を用いる逆洗（逆振動（backpulse）、逆流（backflush））を行うステップと、液体中の気泡（bubbles）の形態となっている気体を用いて薄膜表面の擦過（scrubbing or scouring）を行うステップとを備えている。
第二の洗浄方法の例としては、Ishidaらによる特許文献１、Coteらによる特許文献２、Henshawらによる特許文献３、及び本出願人による特許文献４に記載されている。
【０００５】
上述したこれらの例においては一般に、加圧されたブロワにより気体が、気体の気泡を生成するために薄膜モジュールが浸漬されている液体システムに噴射される。
次に、このようにして形成された気泡は、薄膜表面を擦過して表面に形成された汚染物質を除去するために上方へ移動する。
このときの発生剪断力は、気泡の初速、気泡のサイズ、及び気泡に加わるに合成力に大きく依存する。
この方法における流体の移動は、気体を上昇させる機構の効率を改善するに留まる。
擦過効果を高めるためには、より多くの気体を供給しなければならない。
しかしながら、この方法にはいくつかの欠点がある、すなわち、この方法は大量のエネルギーを消費し、薄膜の濾過有効面積を減少してしまうミスト（mist）やフロス（froth）を生じる場合があり、薄膜を損傷してしまうことがある。
更に高濃度の固形物が存在する環境下では、かかる気体の分配システムは、脱水された固形物により閉塞したり、気体の流れが偶然に停止してしまうと簡単に閉塞してしまう。
【０００６】
大部分のキャピラリ薄膜モジュールについては、薄膜はモジュールの中心で（長手方向には）フレキシブルとされているが、拘束されている両端に向かうにつれて緊締されてフレキシビリティを失う傾向にある。
このようなモジュールが浮遊している高濃度の固形物が存在する環境下で使用されると、かかる固形物は容易に薄膜の束、特に２箇所の拘束されている両端の近傍で捕捉されてしまう。
このような固形物の堆積を低減する方法は、モジュール形状の改良及び薄膜を洗浄するために気体により擦過する際の気体流れの配分の改良を伴っている。
【０００７】
本出願人の先願に係る特許文献５には、気体と液体とを混合して効果的に薄膜の表面を洗浄する技術が開示されている。
この文献に記載されている装置及び方法は、薄膜表面を効果的な擦過を達成する別の簡単な手段を提供している。
【特許文献１】米国特許第５，１９２，４５６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２４８，４２４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６３９，３７３号明細書
【特許文献４】国際公開第９８／２８０６６号パンフレット
【特許文献５】国際公開第００／１８４９８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、少なくともその実施例で、前記従来技術の欠点を解消あるいは少なくとも改善するか、又は、少なくとも公衆に有益な代替手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の観点によれば、列をなして延在すると共に少なくとも一端がヘッダ内に取り付けられた複数の多孔性薄膜を備えている薄膜モジュールであって、前記ヘッダは、流体を前記モジュール内と前記薄膜の表面又は複数の表面に沿って分配するための多数の分配用開口を備えており、前記薄膜モジュールは更にチャンバを備えており、該チャンバは、一の開口端と、前記流体を前記分配用開口に分配するために該分配用開口と流体的に連通された他端とを備えていることを特徴とする薄膜モジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
代替的な観点においては、本発明は、列をなして延在すると共に少なくとも一端が複数の各々のヘッダ内に取り付けられた複数の多孔性薄膜を備えている薄膜モジュール組立体であって、前記複数のヘッダは、流体を前記モジュール組立体内と前記薄膜の表面又は複数の表面に沿って分配するための多数の分配用開口を各々の間に備えており、前記薄膜モジュール組立体は更にチャンバを備えており、該チャンバは、一の開口端と、前記流体を前記分配用開口に分配するために該分配用開口と流体的に連通された他端とを備えていることを特徴とする薄膜モジュール組立体を提供することを目的としている。
【００１１】
本発明の一の形態においては、前記流体は、気体、通常は空気である。
本発明の別な形態においては、前記流体は、気体と液体との混合物、通常は空気と供給液体である。
【００１２】
本明細書において使用されている「液体」という用語は、当業者に良く知られているように、液体供給として通常考慮されるべき他の物質の範囲も包含するものであって、例えば浮遊する固形物を含む懸濁液（suspensions）、あるいは液体中の無機物質、水中のバイオマス（biomass）の懸濁液、混濁水、及びこれらに類する物、あるいはこれらの混合物が含まれる。
【００１３】
好適には前記チャンバは細長に形成されており、前記チャンバの長さは、前記薄膜が前記チャンバ内に導入された液体及び気体内に浸漬されたときに、静水頭を与えるために必要な長さ寸法よりも大きくされており、前記必要な長さ寸法は、気体が前記分配用開口を流れるための損失水頭と等価である。
すなわち前記チャンバの長さは、供給ソースあるいはマニフォールドからの全ての気体が、前記チャンバの開口端よりもむしろ前記分配用開口を通じて流れるのに十分な長さとされている。
【００１４】
本明細書では「混合チャンバ」という用語を使用しているけれども、本発明を「混合ジャンクション（mixing junction）」と表現することもできる。
【００１５】
いくつかの実施例においては、前記チャンバは全ての側部を囲繞されている。
しかしながら、前記チャンバが十分な寸法を有しているならば、側部を囲繞する必要は無い場合がある。
例示のみを目的として、薄膜モジュールあるいは一連のモジュールが複数のヘッダと共に直線配列された形態とされている場合、前記チャンバは２つの長手方向の側部に沿ってのみ囲繞されれば十分であると考えられる。
好適には薄膜モジュールは延在する直線配列の形態を為し、前記チャンバは囲繞された長手方向の側部を備えている。
より好適には薄膜モジュールは延在する直線配列の形態を為し、前記チャンバは囲繞された短手方向の側部を備えている。
【００１６】
更なる代替例においては、前記チャンバは側部を備えているが先端部を有していない場合がある。
そのような場合、前記チャンバの側部は、ヘッダ又はヘッダ群の下方でスカート部を実質的に形成するように位置決めされている。
かかる場合においては、チャンバの側部は平行でない場合があり、例えば前記ヘッダに向かって内向きに傾斜して形成することができる。
【００１７】
前記チャンバは、いかなる形状の薄膜モジュールも収容するために要求されるいかなる形状であっても良い。
好適な実施例においては、ヘッダは、クローバー型のマニフォールド内に取り付けられている。
このクローバー型のマニフォールドは、上部から見るとクローバーの葉の形状を有しているので、そのように呼ばれている。
本発明はこの一の好適な実施例を参照しつつ記述されている一方、前記マニフォールドは例えば直線状、長方形状、正方形状又は六角形状といったいかなる所望のフットプリント（footprint）をも有するように形成することが可能である。
【００１８】
本発明の別な観点によれば、本発明は、薄膜モジュールを形成するために取り付けられ、列をなして長手方向に延在する複数の多孔性の中空ファイバ薄膜から汚染物質を除去する方法であって、前記薄膜モジュールと流体的に連通しているチャンバへの気体ソースを提供するステップと、前記チャンバから前記薄膜モジュールの基端部へ前記気体を流入させて、前記モジュールが液体内に浸漬されているときに前記基端部で気体の気泡を生成し、これにより前記中空ファイバ薄膜の表面を横断する前記気体の気泡の上方への流れを生じさせると共に、多孔性の中空ファイバ薄膜の表面から汚染物質を除去するステップとを備えていることを特徴とする方法を提供することを目的とするものである。
【００１９】
気体のソースは前記チャンバへと供給され、チャンバ自身の中に設けるか、あるいはチャンバの下から設けても良い。
【００２０】
好適には前記チャンバは、一端が開口されると共に他端が前記薄膜モジュールと流体的に連通する細長形状とされている。
好適には、気体は前記チャンバの開口端を通じて供給される。
【００２１】
別な観点によれば、本発明は、薄膜モジュールを形成するために取り付けられ、列をなして長手方向に延在する複数の多孔性の中空ファイバ薄膜から汚染物質を除去する方法であって、混合チャンバ内で気体の気泡と液体との混合物を形成するステップと、前記混合物を前記薄膜モジュールの基端部へ噴射し、これにより前記中空ファイバ薄膜の表面を横断する前記混合物の上方への流れを生じさせると共に、多孔性の中空ファイバ薄膜の表面から汚染物質を除去するステップとを備えていることを特徴とする方法を提供することを目的とするものである。
【００２２】
好適には、前記混合物を形成するステップは、前記気体の気泡を液体の流れに向けて混入させるステップである。
また好適には、前記気体の気泡を、チャンバを用いて前記液体の流れに向けて混入させるステップを備えている。
更に好適には、液体と気泡との混合物を生成するために強制的に気体を液体の流れの中に混入させるデバイスを用いて、前記気体の気泡を、前記液体の流れに向けて混入又は噴射させるステップを備えており、このようなデバイスの例としては、ノズル（jet, nozzle）、イジェクタ（ejector）、イダクタ（eductor）、インジェクタ（injector）あるいはこれらに類するものとすることができる。
使用される気体は、空気、酸素、気体状の塩素あるいはオゾンとすることができる。
空気は、擦過及び／又はエアレーション（aeration）の目的に対して最も経済的である。
気体状の塩素は、擦過、及び薄膜表面での化学反応により消毒及び洗浄効果を高めるために用いられる。
オゾンは、気体状の塩素と同様の効果に加えて、ＤＢＰ（disinfection by-product：消毒の副産物）を酸化すると共に非生体分解性のＮＯＭ（natural organic matter：天然有機物）を生体分解性の分解された有機体炭素に変換するという追加的な特徴を有している。
【００２３】
混合チャンバに入る空気は、混合チャンバに入る液体のソースから遠ざかるように偏向されることが一般的に好ましい。
より好ましくは、混合チャンバに入る空気は、例えばＴ字状の部材又は邪魔板によって偏向される。
液体は好ましくはノズルを用いて混合チャンバに入る。
【００２４】
本発明の更なる観点によれば、本発明は、互いに近接して配列された複数の多孔性薄膜を備えている薄膜モジュールであって、液体と気体の気泡とを一緒に混合して洗浄混合物を提供するために前記モジュールと流体的に連通された混合チャンバと、前記洗浄混合物を、前記薄膜の表面から汚染物質を除去するために前記薄膜の表面に沿って流す手段とを備えていることを特徴とする薄膜モジュールを提供することを目的としている。
【００２５】
一の好適な形態によれば、本発明は、薄膜モジュールを形成するために取り付けられ、列をなして長手方向に延在する互いに近接して配列された複数の多孔性の中空ファイバ薄膜から汚染物質を除去する方法であって、混合チャンバ内で気体の気泡と液体との混合物を形成するステップと、前記液体を気体のソースを通過させて前記気体を前記液体内へ引き込み及び／又は混合させることにより前記気体の気泡を前記液体内に混入させて前記混合物を形成するステップと、前記気泡が前記列内の各薄膜の間で実質的に均一に通過するように前記混合物を前記薄膜モジュール内へ流入させ、前記液体の流れと組み合わせて、前記薄膜の表面を擦過すると共に前記薄膜モジュール内から蓄積した固形物を除去するステップとを備えていることを特徴とする方法を提供することを目的としている。
【００２６】
好適には、前記薄膜は多孔性の中空ファイバを備えており、該ファイバはヘッダ内において両端で固定され、前記下方ヘッダ内に一以上の穴を形成すると共に、該穴を通じて気体／液体の混合物は前記混合チャンバから導入される。
前記穴は、円形、楕円形又はスロット状に形成される。
【００２７】
また好適には、前記薄膜は多孔性の中空ファイバを備えており、該ファイバは複数のヘッダ内において両端で固定され、前記複数の下方ヘッダ間に多数の分配用開口を形成すると共に、該分配用開口を通じて気体／液体の混合物は前記混合チャンバから導入される。
【００２８】
通常、ファイバは下端部でシールされると共に上端部は開口されており濾過液を除去可能とされているが、いくつかの配置においては、ファイバの両端が開口されており、一方の端部あるいは双方の端部から濾過液を除去可能とすることもできる。
記載されている洗浄工程は、平坦状又は板状のような他の形態の薄膜にも同様に適用可能であることが理解されるであろう。
【００２９】
これに代えて薄膜を、中空ファイバモジュールの如き平板状あるいはカーテン状とし、平板に対して平行に構成されたヘッダ内に複数の開口を形成することができる。
【００３０】
更なる代替実施例においては、開口を形成していない複数のヘッダを使用することもでき、これらヘッダは、ヘッダ間のギャップが流体及び気体の気泡が薄膜を擦過するための開口あるいは複数の開口を形成するように間隔を置いて配置されている。
【００３１】
この代替的な観点の例においては、薄膜モジュールは、列をなして延在されると共にヘッダ内に拘束されている複数の多孔性薄膜を備えている。
前記モジュールは、複数の下方ヘッダ間に多数の分配用開口を形成し、流体が、該分配用開口を通じて前記モジュールに流入すると共に前記薄膜の表面に沿って分配されるように取り付けられる。
またチャンバは、一の開口端と、前記流体を前記分配用開口に分配するために該分配用開口と流体的に連通された他端とを備えている。
【００３２】
とりわけ下方ヘッダに開口が形成されていない平板状の薄膜あるいはカーテン状の中空ファイバモジュールの場合には、流体及び気体の気泡のための開口若しくは通路は、複数のモジュールを所定のギャップを残して近接して配置することにより形成される。
【００３３】
混合チャンバは、列をなしている複数のモジュールを囲繞することができる。
【００３４】
更なる観点によれば、本発明は、薄膜バイオリアクターにおいて使用するための薄膜モジュールであって、長手方向に延在されると共に各々の端部がそれぞれの拘束先端部に取り付けられた複数の多孔性の中空薄膜ファイバであって、該複数の薄膜ファイバは互いに近接して配列されると共に、少なくともそれぞれの拘束先端部で、若しくは拘束先端部に隣接して多数の束に仕切られて間に空間が形成されている中空薄膜ファイバと、気体及び液体のソースに接続され又は開口されている混合チャンバとを備えており、前記拘束先端部の一つは、前記モジュール内で気体の気泡を供給するために内部に形成された前記チャンバと流体的に連通する一連の開口部を備えており、使用において、前記気泡は、前記薄膜ファイバの表面から汚染物質を除去するために前記薄膜ファイバの表面を通過して移動するように供給されていることを特徴とする薄膜モジュールを提供することを目的としている。
【００３５】
また更なる観点によれば、本発明は、薄膜バイオリアクターにおいて使用するための薄膜モジュールであって、長手方向に延在されると共に各々の端部がそれぞれの複数の拘束先端部に取り付けられた複数の多孔性の中空薄膜ファイバであって、該複数の薄膜ファイバは互いに近接して配列されると共にそれぞれの拘束先端部で若しくは拘束先端部に隣接して少なくとも多数の束に仕切られて間に空間が形成されている中空薄膜ファイバと、気体及び液体のソースに接続され又は開口されている混合チャンバとを備えており、前記拘束先端部の間には、前記モジュール内で気体の気泡を供給するために内部に形成された前記チャンバと流体的に連通する多数の分配用開口を備えるように構成されており、使用において、前記気泡は、前記薄膜ファイバの表面から汚染物質を除去するために前記薄膜ファイバの表面を通過して移動するように供給されていることを特徴とする薄膜モジュールを提供することを目的としている。
【００３６】
使用される前記液体は前記薄膜モジュールに供給される。
複数のファイバ及び／又はファイバの束は、前記拘束先端部の間で互いにクロスオーバーしても構わないが、クロスオーバーしない方が好ましい。
【００３７】
好適には、前記モジュール内の前記ファイバは、約５％から約７０％の間、より好ましくは、約８％から約５５％の間の（上述で定義した）充填密度を有している。
【００３８】
また好ましくは、前記穴は、約１ｍｍから約４０ｍｍ、より好ましくは、約１．５ｍｍから約２５ｍｍの範囲の直径を有している。
スロットあるいは一連の穴を形成する場合には、スロットの幅は、上記穴径と等価なように選択される。
【００３９】
典型的には、前記ファイバの内径は、約０．１ｍｍから約５ｍｍ、より好ましくは、約０．２５ｍｍから約２ｍｍの範囲の直径を有している。
前記ファイバの壁部の厚さは、使用される材料と濾過効率に対して要求される強度とに依存している。
典型的には壁部の厚さは、０．０５ｍｍから２ｍｍ、より頻繁には、０．１ｍｍから１ｍｍとされる。
【００４０】
好ましくは本発明による薄膜モジュールは、前記混合チャンバ内に、気体を前記液体のソースから遠ざかるように偏向させるために構成されたデフレクタを備えている。
また好ましくは、本発明による薄膜モジュールは、液体を前記混合チャンバ内に導入するノズルを備えている。
【００４１】
別の観点によれば、本発明は、タンクと、該タンクへ供給物を導入する導入手段と、前記タンク内で活性化された汚泥を形成する手段と、前記汚泥内に浸漬されるように前記タンク内に位置決めされた本発明の他の観点による薄膜モジュールであって、前記薄膜モジュールが、ファイバ薄膜の少なくとも一つから濾過液を引き出すための手段を備えていることを特徴とする薄膜バイオリアクターを提供することを目的としている。
【００４２】
また更に別の観点によれば、本発明は、上述の観点において記述されたタイプの薄膜バイオリアクターを作動させる方法であって、前記タンクへ供給物を導入するステップと、前記開口部を通じて混合チャンバ内で形成された気体の気泡と液体との洗浄混合物を定期的に若しくは連続的に前記モジュール内へ供給しながら、前記ファイバから濾過液を引き出すために前記ファイバに真空を与え、使用において、前記洗浄混合物が、前記薄膜ファイバの表面から汚染物質を除去するために前記薄膜ファイバの表面に沿って流れるように供給されていることを特徴とする方法を提供することを目的とするものである。
【００４３】
もし要求があれば、微生物の活動を促進すると共に無酸素域を低減するために、前記タンク内に更なるエアレーションのソースを設けても良い。
好適には、前記薄膜モジュールは、前記タンク内で垂直に吊るされると共に、更なるエアレーションの前記ソースが、吊るされた前記モジュールの下方に設けられる。
また好適には、更なるエアレーションの前記ソースは、空気透過性のチューブ群を備えている。
前記薄膜モジュールは、流束（flux）に応じて逆洗と共に若しくは逆洗無しで作動することができる。
バイオリアクター内の高濃度（５，０００〜２０，０００ｐｐｍ）の浮遊固形物を含む混合溶液（mixed liquor of suspended solids：ＭＬＳＳ）によって、滞留時間（residence time）が著しく低減されると共に、濾過品質が改善されることが示された。
有機物質の劣化及び薄膜の洗浄の双方に対してエアレーションの組み合わせ使用により、高濃度のＭＬＳＳを確立する一方で、膜を通って発生する圧力を大きく増大させること無しに濾過液の定常的な流れを可能となることが示された。
束に仕切られたファイバを用いることにより、気体による擦過工程に大きな影響を及ぼすこと無しに高い充填密度を達成することができる。
これにより、更に高い濾過効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の好適な実施例は、例示のみのための添付の図面を参照して以下に説明される。
【００４５】
図面を参照すると、本発明の実施例は、本出願人の先願に係る特許文献４及び特許文献５に開示されているタイプの薄膜モジュールに関連して記載されており、これらの文献は、引用することにより本明細書に組み込まれる。
しかしながら本発明は、他の形態の薄膜モジュールにも等しく適用可能であることが理解されるであろう。
【００４６】
図１に示されるように、薄膜モジュール５は一般に、ファイバ、チューブあるいは偏平板に形成された複数の薄膜６を備えており、これら薄膜６は、ヘッダ（header）８に支持された容器７に拘束されている。
これら薄膜は通常、図示しない支持構造内に入れられている。
本実施例においては、ヘッダ８はクローバー型（clover type）のマニフォールド９と結合されており、そしてマニフォールド９は、該マニフォールド９の下方に延在して配置されている開口部を有するチャンバ１０に接続されている。
この薄膜モジュールは一般的には供給タンク内に浸漬されており、該薄膜の一端若しくは両端は、通過物を収集するために用いられている。
各々の薄膜モジュール５の底部には、供給される気体若しくは気体と液体との混合物が薄膜の表面を通過するように、容器７内に貫通する多数の開口１１が形成されている。
【００４７】
図２は、チャンバ１０内に設けられた気体ソース１２を提供すると共に、チャンバ１０を通過させて前記気体ソース１２から生成される気体の流れ若しくは気体の気泡と混合するために供給液体を流すことにより、液体／気体の気泡混合物を生成するように、チャンバ１０が使用される実施例を示すものである。
この実施例においては、薄膜モジュールは典型的には供給タンク内で垂直に吊るされるので、気体はクローバー型のマニフォールド９を通じて上方から供給される。
しかしながら、気体をあらゆる所望の配置によりチャンバ内に供給することができることが理解されるであろう。
チャンバ１０は基端部１３で開口されていると共に液体はチャンバ内を貫通して延在されたパイプ１４から上方に流され、この液体はソース１２から供給された気体とチャンバ１０内で混合される。
必要であれば、図示しない逆支弁又は同種のものが気体ソース１２に取り付けられ、液相が気体のマニフォールドに入るのを防止することができる。
【００４８】
これら２種類の流体は供給される前にチャンバ１０内で混合され、分配用開口１１を介して薄膜モジュール５内に均一に分配される。
チャンバ１０は、気体ソース１２及び／あるいは液体ソースに直接的に、すなわち捕捉装置及び混合装置として接続することができる。
【００４９】
図３を参照すると、チャンバは、その基端部１３でチャンバの下方に噴射される気体及び／あるいは液体の流れを捕捉する装置として用いられている。
従って流体の流れのエネルギーは、薄膜モジュール５へ分配される前にチャンバ１０内で集中される。
この配置においても、チャンバ１０は基端部で開口されているが、気体あるいは液体は開口端の下方の流体ソース（この場合はパイプ１４）から供給されており、チャンバは、分配用開口１１と連通するために、これら流体の上向きの流れを捕捉するように用いられている。
【００５０】
同様の実施例が図４に示されている。
この実施例においては、ベンチュリ装置１５あるいは同種のものがチャンバ１０の基端部１３に位置決めされている。
ベンチュリ装置１５は気体入口１６を通じて気体を取り込み、この気体を、液体供給口１７を通じて流れる気体と混合あるいは混入させ、気体の気泡を形成すると共に液体／気体の混合物をチャンバ１０内に拡散させる。
液体／気体の混合物は上方へ移動してチャンバ１０から下方ヘッダ８に流入すると共に分配用開口１１を通過する。
供給される液体は、ベンチュリ装置１５からの液体／気体の混合物により、チャンバ１０の開口端を通じて取り出される。
混入された気体の気泡は、液体の流れに沿って上昇移動する一方で、薄膜の表面を擦過する。
供給される液体あるいは気体のどちらか一方は、システムの要求に従って、連続噴射又は間欠噴射とされ得る。
ベンチュリ装置を用いることにより、ブロワ無しでも気体の気泡を生じさせてシステムに供給することが可能となる。
ベンチュリ装置１５は、ベンチュリ管、ノズル（jet, nozzle）、イジェクタ（ejector）、イダクタ（eductor）、インジェクタ（injector）あるいはこれらに類するものとすることができる。
【００５１】
図３及び図４の実施例は開口端を備えるチャンバ１０と共に示されているけれども、両端が閉鎖され、気体と液体とを直接的にチャンバ内に噴射する構成とすることもできることは理解されるであろう。
【００５２】
気体を混入させるために通常用いられる液体は、供給水、排水、あるいは濾過されるべき混合溶液（mixed liquor）である。
ベンチュリあるいはこれに類するものを通じて前述のような作動液体をポンピングすることにより、気体を液体内に吸引する真空状態が作られるか、又はブロワが使用される際に気体の排出圧力が低減される。
気体を液体の流れの中に供給することにより、分配用開口１１が閉塞されてしまう可能性は実質的に低減される。
【００５３】
また、図５の実施例に示される配置も、大きな粒子によって分配用開口１１が閉塞されてしまう可能性を低減することができるものである。
この配置においては、気体（通常は空気）はクローバー型のマニフォールド９へ向けて噴射される。
チャンバ１０は、薄膜がチャンバ１０内に導入された液体及び気体内に浸漬されたときに、静水頭を与えるために必要な長さ寸法よりも大きな長さ寸法とされており、前記必要な長さ寸法は、気体が前記分配用開口１１を流れるための損失水頭と等価である。
図から理解されるように、気体が上から入ってくると、分配用開口１１を通って流れる気体がチャンバ１０内の圧力を均一とするまで、及び、チャンバ１０の下側開口端１３を通じて気体が外部に逃げることを防止するための液体シール１８が形成されるまで、気体はチャンバ１０内の液体が下向きに押しやられる。
このような配置により、供給液体内の大きな粒子が流入して分配用開口１１を閉塞してしまうことを防止できることが判明した。
これらの大きな粒子は通常チャンバ１０内に残存して重力により下部に落下して静止しており、供給タンクの通常のドレン排水の際に取り除かれる。
【００５４】
図６は図３と同様な配置を示しているが、単一の薄膜モジュール５を備えている点が相違している。
この配置においても、チャンバ１０はソース１２からの気体あるいは液体／気体の混合物の流れを捕捉し、この流れを容器７内の開口部１１へ分配している。
そしてその流れは、複数の薄膜６の間を上方へ移動する。
図示されている実施例においては、濾過液は上部ヘッダ１９から引き出されると共に、薄膜６を支持するためのスクリーン２０がヘッダ間に設けられている。
【００５５】
図７は本発明の更なる実施例を示すものであって、ソース１２からの気体あるいは液体／気体の流れはデフレクタ３０を用いることによってチャンバ１０内で偏向されている。
このデフレクタは例えばＴ字状の部材、より具体的には邪魔板とすることができる。
デフレクタは好適には、流れ１２がソース１４からの空気又は液体の流れと干渉することを防ぐように機能している。
この図示された特定の実施例においては、ソース１４からチャンバへの液体の流入はノズル１５を介して行われている。
デフレクタは空気ソース１２に隣接して位置決めして取り付けられているが、ノズル１５に隣接して位置決めして取り付けられていても良い。
デフレクタを直接的に空気ソース又は気体ソースに直接的に取り付けるのではなく、これらに代えて、空気ソースと気体ソースとの間の中間にデフレクタを配置しても構わない。
【００５６】
一般的にノズルを用いることは、噴霧器（sparger）を用いるのに比べて好適である。
ノズルは、気体あるいは液体が通過するスロート部（throat）の断面積が漸次減少するようなものであれば、どのようなものでも良い。
特にノズルは、エネルギー損失が小さい割には高い流体速度を得ることができるので好ましい。
この結果、更に良好な混合がもたらされる。
【００５７】
図８は、本発明によるデフレクタの一の特定の形態を示すものである。
【００５８】
図９は、本発明の特定の実施例であって、直線配列された薄膜モジュールを擦過するのに適しているものである。
複数の直線配列された薄膜モジュールは、延長された長さを有する混合チャンバ１０に接続されている。
気体マニフォールド１２は混合チャンバ１０の下方に配置されており、液体ソース１４は気体マニフォールドの下方に配置されている。
好適にはノズル１５が用いられる。
液体と気体とは、チャンバ内あるいはチャンバの下方で混合され、上昇するにつれてファイバ（fibres）６を擦過しながら開口１１を介して外部に出て行く。
【００５９】
更なる形態及び実施例が、記述された本発明の精神及び技術的範囲を逸脱することなく想到し得ることは理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一の実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図２】本発明の第２実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図３】本発明の第３実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図４】本発明の第４実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図５】本発明の第５実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図６】本発明の第６実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図７】本発明の別の実施例によるチャンバ及び薄膜モジュールの概略側面図である。
【図８ａ】本発明の混合チャンバにおいて使用するデフレクタの好適な実施例を示す図である。
【図８ｂ】本発明の混合チャンバにおいて使用するデフレクタの更に別の実施例を示す図である。
【図９】拡張されたチャンバ及び直線配列された薄膜モジュールの好適な実施例である。
【符号の説明】
【００６１】
５  薄膜モジュール
６  薄膜
７  容器
８  ヘッダ
９  マニフォールド
１０  チャンバ
１１  開口
１２  気体ソース
１３  基端部
１４  パイプ
１５  ノズル
１６  気体入口
１８  液体シール
１９  上部ヘッダ
２０  スクリーン
３０  デフレクタ
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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