(57)【要約】  【課題】モジュールが短尺の場合でも、各膜エレメントへ均一な気液混合流を送ることができ、膜面の汚れをかきとる力を維持することができる分離膜モジュール、水処理装置および水処理方法を提供すること。  【解決手段】筐体内に水平方向に配列された複数の膜エレメントと、該筐体における膜エレメントの下方に配置された散気装置と、前記筐体の下方に、前記散気装置から排出されるエアが前記筐体内に導かれるように構成されたフードとを有する分離膜モジュールであって、前記フードのうち前記膜エレメントの配列方向に面するフードが、前記膜エレメントの配列方向に面するフード以外のフードよりも下方まで設置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に水平方向に配列された複数の膜エレメントと、該筐体における膜エレメントの下方に配置された散気装置と、前記筐体の下方に、前記散気装置から排出されるエアが前記筐体内に導かれるように構成されたフードとを有する分離膜モジュールであって、前記フードのうち前記膜エレメントの配列方向に面するフードが、前記膜エレメントの配列方向に面するフード以外のフードよりも下方まで設置されていることを特徴とする、分離膜モジュール。
【請求項２】
前記膜エレメントの下端と前記散気装置との距離が、５００ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の分離膜モジュール。
【請求項３】
前記複数の膜エレメントが、互いに４〜１０ｍｍの間隔をおいて水平方向に配列されたものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の分離膜モジュール。
【請求項４】
前記膜エレメントが、平膜を用いた平板状の膜エレメントであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の分離膜モジュール。
【請求項５】
前記散気装置は、前記フードの内部に含まれていないことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の分離膜モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の分離膜モジュールが、処理槽内に浸漬設置されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水処理装置を用いた水処理方法であって、前記処理槽内の被処理水を前記処理槽内に浸漬設置された分離膜モジュールを用いて固液分離するに際し、前記散気装置から排出したエアを前記筐体内に導くことを特徴とする水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に廃水処理および浄水処理に利用するのに好適な分離膜モジュール、水処理装置、およびこれらを用いた水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜分離法は、省エネルギー、省スペース、省力化および製品の品質向上などの特徴を有するため、適用分野を拡大しながら普及している技術である。膜分離法には、逆浸透、限外濾過、精密濾過、などの方法があり、中空糸膜、平膜、管状膜などの形態をした濾過膜が使用されている。この適用分野としては、従来から海水淡水化、浄水処理、ガス分離、血液浄化などで使用されてきたが、最近では環境保全の観点から、廃水処理への適用が進められている。
【０００３】
廃水処理に適用される膜分離技術として、活性汚泥などの廃水を充填した処理槽内にモジュールを浸漬して、モジュールの透過側をポンプで吸引あるいはサイホンなどのように水位差を利用してろ過水を得る技術が知られている。活性汚泥処理では、処理槽内で好気性の微生物を飼育するために散気が必要である。この散気する装置を、モジュールに装填された複数の膜エレメントの下部に据え付ければ、散気による気液混合流で膜の膜面の汚れをかきとりながら固液分離を行うことができ、低コストでの運転が可能となる。
【０００４】
このような浸漬タイプのモジュールとして、例えば特許文献１には、筐体１０２が、膜エレメント１０３の下方において、５００〜２０００ｍｍの長さのフード１０５、１０６を有し、この筐体１０２の下端に散気装置１０４が据え付けられたものが開示されている。図７および図８は、特許文献１に記載のモジュールの１例を示した模式図である。
【０００５】
通常、散気装置１０４からエアがモジュール１０１内に排出されると、モジュール１０１内の活性汚泥の見掛け密度が下がるため、モジュール１０１下部側面の開口部からモジュール外の活性汚泥が流れ込む現象が見られ、旋回流１０９、１１０が発生する。この旋回流１０９、１１０は、散気装置１０４から排出されたエア１０８を、モジュール１０１の中央部分へ押しやるため、両端に設置されている膜エレメント１１３にはエア１０８が行きにくくなるが、特許文献１に記載のモジュールのように、５００〜２０００ｍｍの長さのフード１０５、１０６を設置すれば、中央部分に集まったエア１０８を再び分散させる効果が得られ、各膜エレメント１０３間に比較的均一な気液混合流を送ることができる、というものである。
【特許文献１】特開平５−２７７３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような構成を取った場合でも、膜エレメント１０３配列方向からの流れ込みの影響を完全に消すことができないため、両最外部の膜エレメント１１３にはエアが分散しにくく、各膜エレメント１０３が均一に洗浄されないといった問題があり、両最外部の膜エレメントが活性汚泥の見掛け密度が下がったモジュール中央部分へ引き寄せられ損傷するといった問題も発生する。また、このような構成を取った場合、モジュール１０１が長尺化するため、処理水槽の水深を大きく取らなくてはならない。そのため、水深の低い処理水槽への設置ができないといった問題や、新規に処理水槽を製作するための費用が必要となるといった問題がある。
【０００７】
図９は、特許文献１のフードの長さを維持した状態で、フード下部の開口部を小さくし、モジュールを短尺化した１例を示している。この場合、フード２０５、２０６下端の開口部が狭くなるため、活性汚泥の流れ込みが極端に少なくなり、気液混合流の上昇速度が低下して膜面の汚れをかきとる力が低下してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、モジュールが短尺の場合でも、各膜エレメントへ均一な気液混合流を送ることができ、膜面の汚れをかきとる力を維持することができる分離膜モジュール、水処理装置および水処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の目的を達成するために、以下に述べる構成からなる。すなわち、
（１）筐体内に水平方向に配列された複数の膜エレメントと、該筐体における膜エレメントの下方に配置された散気装置と、前記筐体の下方に、前記散気装置から排出されるエアが前記筐体内に導かれるように構成されたフードとを有する分離膜モジュールであって、前記フードのうち前記膜エレメントの配列方向に面するフードが、前記膜エレメントの配列方向に面するフード以外のフードよりも下方まで設置されていることを特徴とする、分離膜モジュール。
【００１０】
（２）膜エレメントの下端と散気装置との距離が、５００ｍｍ未満であることを特徴とする上記（１）に記載の分離膜モジュール。
【００１１】
（３）複数の膜エレメントが、互いに４〜１０ｍｍの間隔をおいて水平方向に配列されたものであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の分離膜モジュール。
【００１２】
（４）膜エレメントが、平膜を用いた平板状の膜エレメントであることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の分離膜モジュール。
【００１３】
（５）散気装置は、前記フードの内部に含まれていないことを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の分離膜モジュール。
【００１４】
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の分離膜モジュールが、処理槽内に浸漬設置されていることを特徴とする水処理装置。
【００１５】
（７）上記（６）に記載の水処理装置を用いた水処理方法であって、処理槽内の被処理水を処理槽内に浸漬設置された分離膜モジュールを用いて固液分離するに際し、散気装置から排出したエアを筐体内に導くことを特徴とする水処理方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、筐体内に水平方向に配列された複数の膜エレメントの配列方向のフードを、それ以外のフードよりも下方まで設置することで、配列方向のフード下端の開口部からの活性汚泥の流れ込みを抑制し、各膜エレメントへ均一に気液混合流れを送ることができる分離膜モジュールを提供することができる。
【００１７】
また、これにより、中央に集まったエアを再び分散させるためのフードの長さを短くすることができるため、モジュールの短尺化が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に示す実施態様に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本発明のモジュールの一実施態様を示す概略斜視図である。
【００１９】
本発明のモジュールは、複数の膜エレメント３と、これを水平方向に配列・内挿した筐体２、筐体２における膜エレメント３の下方に配置された散気装置４、から基本的に構成され、筐体２は、下方に散気装置４から排出されるエアが筐体２内に導かれるように構成されたフード５、６を有し、フードのうち膜エレメント３の配列方向に面するフード５が、それ以外のフード６よりも下方まで設置されているものである。
【００２０】
ここで、配列方向とは、複数の膜エレメント３を配列させていく方向で、図２のＡ−Ｂ方向を指している。フードとは、筐体２における膜エレメント３下端から開口部までの、図２のＣ、Ｄ間の蓋部を差している。配列方向のフードとは、Ａ−Ｂ方向に面したフードを指しており、フード５が該当する。
【００２１】
本発明によれば、膜エレメント３の配列方向に面するフード５を、フード６よりも下方に設置することにより、配列方向からの旋回流９の流れを防止でき、散気装置４から排出されたエア８がモジュール１の中央に集まることなく、両最外部の膜エレメント１３にも均一に分散される（図２（ａ））。また、フード６の開口を大きく保つことで、旋回流１０の流路を確保でき、十分な速度を持つ気液混合流を各膜エレメント３に供給することができる（図２（ｂ））。
【００２２】
筐体２は、複数枚の膜エレメント３を内部に収納・保持できるもので、かつその下方にフード５、６を一体にもしくは接続で有したものであり、膜エレメント３の配列方向のフード５がそれ以外のフード６よりも下方に設置されているものであれば特に限定されるものではない。形状は、円筒形や直方体など種々の形状を選択することができるが、板状の平膜エレメント３を使用する場合には、充填密度が高くなるように直方体を選択するのが好ましく、散気による旋回流１０が筐体２内を通過し、平膜エレメント３間を通過するように上下端部を開放することが好ましい。また、筐体２には各膜エレメント２からのろ過水を集合するための集水管などが付設されていても良い。
【００２３】
フード５は、フード６よりも下方に設置されていれば、本発明の効果が得られるが、フード５を筐体２の最下端まで設置したときに最も大きな効果が得られる。このフード５の長さは特に限定されるものではないが、筐体２の最下端から３００ｍｍの間まで設置されていることが好ましい。筐体２の形状として直方体を選択した場合には、膜エレメント３の配列方向のフード５が２個となる。これらのフード５は、フード６よりも下方に設置されていれば、特にその高さが限定されるものではないが、Ａ−Ｂ方向でエア８を均一に分散させるために同じ高さに設定されるのが好ましい。
【００２４】
フード６に関しては、フード５よりも上方に設置されていれば特に限定されるものではないが、フード６の下方にある開口部の面積の総和が、気液混合流が流れるモジュール１内の各膜エレメント３間の流路の総和よりも大きくなるように設けられるのが好ましい。
【００２５】
また、さらにエア８を均一に分散させるために、膜エレメント３の配列方向において、複数の膜エレメント３が設置された部分の筐体の内寸よりも、フードが設置された部分の筐体の内寸を大きくした、図３のような構造も好ましく使用することができる。
【００２６】
膜エレメント３は、活性汚泥をろ過できる分離膜が設置され、膜エレメント３外部にろ過水を排出できるノズルを有したものであれば、平膜、中空糸膜、管状膜など、いずれのタイプでも使用することができ、本発明の効果が得られる。特に、循環流による膜面の洗浄が、安定運転に重要な平膜タイプを使用した場合に、特に大きな効果が得られる。
【００２７】
平膜タイプの膜エレメント３の構造は、特に限定されず、種々の構造を選択して使用することができる。一例としては、図４のようにろ過水取り出し口２４を有した板状の支持板２１の両面に、流路材２２、シート状の分離膜２３を順に設置した構造が挙げられる。また図５のように、両縁にリブ３３を設けた支持板で膜エレメント３１を製作して、隣り合った膜エレメント３１とリブ３３同士を当接し、筐体３２の側面の蓋としての機能を有するような形状のものも好ましく使用することができる。
【００２８】
膜エレメント３は、筐体２内で各膜エレメント間に形成される気液混合流を流すための流路が略均一になるように設置されるのが好ましい。また、気液混合流がスムーズに上昇するように、各膜エレメント３が水平方向に設置されるのがよい。この、水平方向とは、水平を基準に±２０°の範囲を表す。流路の幅は、散気装置４から排出されるエア８の量によって適宜設定することができるが、一例として、膜エレメント１枚当り７〜２５Ｌ／分のエアを散気装置４から排出する場合、４〜１０ｍｍの幅とするのが好ましい。
【００２９】
支持板２１は略平板状のものであれば特に限定されず、材質としては、ＡＳＴＭ試験法のＤ６３８におけるヤング率が３００ＭＰａ程度以上の剛性を持つ材質であれば特に限定されるものではないが、ステンレスなどの金属類、アクリロニトリルブタジエンスチレンゴム（ＡＢＳ樹脂）、塩化ビニルなどの樹脂、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの複合材料、その他の材質などを適宜選択、使用することができる。
【００３０】
流路材２２は、分離膜２３と支持板２１との間にろ過水が流れる隙間を形成できる厚みを持つものであれば特に限定されるものではないが、一例として、空隙率が４０％〜９６％程度の、ネット、不織布、セラミック・金属等の多孔質材料、を好ましく用いることができる。また、支持板２１の表面を凹凸を持つ形状とすることで、この流路材２２の機能を、支持板に持たせた形状も好ましく使用することができる。
【００３１】
分離膜２３としては、特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリビニルアルコール、セルロースアセテート、ポリアクリロニトリル、塩素化ポリエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリビニルフルオライド、その他の材質を適宜選択して使用することができる。連続で散気するような環境下で使用する場合には、耐久性の高いポリオレフィン系やフッ素系の材質を特に好ましく使用することができ、ＭＬＳＳ(Mixed Liquor and Suspended Solid)濃度が１０００ｍｇ／リットル以下の比較的清澄な原水の場合には、ポリアクリロニトリルやセルロースアセテート、ポリスルホンなどを特に好ましく使用することができる。そして、平膜の孔径についても、多孔質であれば特に限定するものではないが、特に活性汚泥水の固液分離を行う場合にはその膜のろ過性能を決定する細孔の孔径が０．０１〜２０μｍ程度の範囲内にあるものが好ましい。
【００３２】
膜エレメント３の下部にはエアを排出する散気装置４を設置するが、この散気装置４は、筐体２に固定されてもよく、また筐体２とは別体に設置されていても良い。散気装置４の配置、形態に関しても特に限定されるものではなく、複数枚の膜エレメント３に均一にエアを送れるような配置であり、かつ散気孔の形態であればよい。一例としては、図１のように複数本のパイプを膜エレメント３下部に配置し、このパイプの上面もしくは下面に一定間隔の散気孔を設けたものがあげられる。この散気孔の孔の数、大きさなども特に限定されず、エアの量などに応じて適宜設定することができる。本発明においては、旋回流１０９の流れは小さくできるが、循環流１１０によるエアの偏りは防止できないため、複数本のパイプを設置し、そのパイプ間の距離が１００〜３００ｍｍとなるように設置することで、エアの偏りを極力小さくするのが好ましい。
【００３３】
本発明の効果は、膜エレメント３の下端と散気装置４との距離が５００ｍｍ未満であるときに、特に大きな効果が見られる。膜エレメント３と散気装置４との距離とは、膜エレメント最下端から散気装置４のエアが排出される部分の最下端の距離を示す。５００ｍｍ未満で大きな効果が得られるが、さらに好ましくは、２００〜５００ｍｍの範囲で設置するのがよい。
【００３４】
また、本発明の効果は、散気装置４がフードの内部に含まれていない時に大きな効果が見られる。フードの内部とは、フード５およびフード６で囲まれた空間で、かつフード６の最下端よりも散気装置４が上方に設置されている状況を示す。散気装置４がフードの内部に含まれないことで、モジュールの高さを低く設定することができる。
【００３５】
筐体２、散気装置４の材質としては、ＡＳＴＭ試験法のＤ６３８における引張り強さが１５ＭＰａ程度以上の剛性を持つ材質であれば特に限定されるものではないが、ステンレスなどの金属類、アクリロニトリルブタジエンスチレンゴム（ＡＢＳ樹脂）、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの複合材料、その他の材質などを好ましく使用することができる。
【００３６】
上述のモジュール１は、被処理水が貯留された処理槽内に浸漬されて使用される。図６は、モジュール１を使用した水処理装置の一例を示したものである。被処理水４４が貯留された処理槽４１内にモジュール１を浸漬し、モジュールにはろ過水４５を吸引するための吸引ポンプ４３、また散気装置にエアを送るためのブロア４２が接続されている。図６では、ろ過水を処理槽４１から取り出すために吸引ポンプ４３を使用しているが、その他に、ポンプを使用せず、処理槽の水面とろ過水抜き出し部分との水頭差を利用した重力ろ過も実施することができる。
【００３７】
このように構成された水処理装置において、廃水などの被処理水は、ポンプ４３の吸引力により膜エレメント２に設置された分離膜２３を通過する。この際、被処理水中に含まれる微生物粒子、無機物粒子などの懸濁物質が濾過される。そして、分離膜２３を通過した水は、流路材２２によって形成されている濾過水流路、ノズル２４を通って処理槽４１の外部に取り出される。一方、濾過と平行してブロア４２から供給されたエアが散気装置４から排出され、このエアが各フードに導かれて筐体２内に入り、そのエアの上昇によって生じる、膜エレメント３の膜面に平行な気液混合の上昇流が、膜面に堆積した濾過物を離脱させる。モジュールを通過したエアは、処理槽上部の大気中へ消えるが、同時に上昇していた被処理水はモジュール外を下降して、再びフード下部の開口部からモジュール内に入る旋回流を形成する。
【００３８】
このとき、本発明のモジュール１によると、エアによる気液混合流を膜面各部に均一に分散させることができるため膜面を効率よく洗浄することができる。また、旋回流の流れを阻害せずにモジュール１の高さを低くすることができ、結果として処理水槽の水深を低くとることができる。
【００３９】
そして、本発明のモジュール１は、その良好な洗浄性のため、被処理液中のＳＳ濃度を示すＭＬＳＳ(Mixed Liquor and Suspended Solid)濃度が１０００ｍｇ／リットル以上の被処理水を濾過する際に、エアによる濾過物の除去性が高く、特に好適に用いることができる。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
両面に流路材の代わりとなる凹凸を有した、高さ１５００ｍｍ×幅５００ｍｍ×厚み６ｍｍのＡＢＳ製支持板２１に分離膜２３を設置した膜エレメント３を１００枚作成した。
【００４１】
次に、内寸が約高さ２０００ｍｍ×幅５０５ｍｍ×奥行１３５０ｍｍで上下が開放した筐体２を製作した。筐体２には、膜エレメントを設置した際のフードの長さが、それぞれＣ（フード５の高さ）＝４００ｍｍ、Ｄ（フード６の高さ）＝２００ｍｍ、となるように開口部が設けられている。また、散気装置４として、４０ＡのＳＵＳ製パイプ２本を膜エレメントの下方に配置し、フード５の下端に固定した。各ＳＵＳ製パイプには、下面に３０ｍｍピッチで６ｍｍの孔が設けられており、各ＳＵＳ製パイプの間隔が２３０ｍｍとなるように平行に設置されている。
【００４２】
以上の、１００枚の膜エレメント３を筐体２内に装填し、図１に示すモジュール１を製作した。
【００４３】
このモジュール１を、水道水を充填した透明なアクリル製の処理槽に浸漬し、膜エレメント１枚当り１５Ｌ／分のエアを散気装置４から排出した。
【００４４】
このとき、フード６側の開口部からエアの上昇を観察した結果、各膜エレメント間へ均一にエアが分散し、両端側の膜エレメント１３にもエアが均一に到達していることが確認できた。
【００４５】
（比較例１）
筐体に、膜エレメントを設置した際のフードの長さが、それぞれＣ（フード３０５の高さ）＝２００ｍｍ、Ｄ（フード３０６の高さ）＝２００ｍｍ、となるように開口部を設けた以外、実施例１と同様に作成し、図１０に示すモジュール３０１を製作した。また、後にエアの分散を目視で確認できるように、フード３０６にアクリル製の窓を複数個設置した。
【００４６】
このモジュール３０１を、実施例１と同様に、水道水を充填した透明なアクリル製の処理槽に浸漬し、膜エレメント１枚当り１５Ｌ／分のエアを散気装置４から排出した。
【００４７】
このとき、フード３０６のアクリル製窓からエアの上昇を観察した結果、両端側の膜エレメント３１３のエアが少ないことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に用いられるモジュールの一例を示す概略斜視図である。
【図２】（ａ）は図１をフード６側から見た模式図であり、一部断面図を示しており、（ｂ）は、図１をフード５側から見た断面模式図である。
【図３】本発明に用いられるモジュールの他の一例を示す、フード６側から見た模式図であり、一部断面図を示している。
【図４】本発明に用いられる膜エレメントの一例を示す概略斜視図である。
【図５】本発明に用いられる膜エレメントおよびモジュールの他の一例を示す概略斜視図である。
【図６】本発明に用いられる水処理装置の一例を示す模式図である。
【図７】従来のモジュールの一例を示す概略斜視図である。
【図８】（ａ）は図７をフード１０６側から見た模式図であり、一部断面図を示しており、（ｂ）は図７をフード１０５側から見た断面模式図である。
【図９】従来のモジュールの他の一例を示す概略斜視図である。
【図１０】従来のモジュールの他の一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    モジュール
２    筐体
３    膜エレメント
４    散気装置
５    フード
６    フード
８    エア
９    旋回流  
１０  旋回流
１３  両端部に設置された膜エレメント
２１  支持板
２２  流路材
２３  分離膜
２４  ノズル
３１  膜エレメント
３２  筐体
３３  リブ
４１  処理槽
４２  ブロア
４３  吸引ポンプ
４４  被処理水
４５  ろ過水
１０１  モジュール
１０２  筐体
１０３  膜エレメント
１０４  散気装置
１０５  フード
１０６  フード  
１０８  エア
１０９  旋回流
１１０  旋回流
１１３  両端部に設置された膜エレメント
２０１  モジュール
２０２  筐体
２０３  膜エレメント
３０４  散気装置
２０５  フード
２０６  フード
２１３  両端部に設置された膜エレメント
３０１  モジュール
３０２  筐体
３０３  膜エレメント
３０４  散気装置
３０５  フード
３０６  フード
３１３  両端部に設置された膜エレメント
【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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