(57)【要約】【課題】散気量が低減できるとともに散気の均一性を図れる膜分離装置を提供する。【解決手段】本発明に関わる膜分離装置は、被処理液をろ過処理して処理液を得る膜分離装置Ｓであって、被処理液をろ過処理する平膜状のろ過膜４ｒが、対向して外郭を形成する１対の延在面を形成するように設けられ、被処理液をろ過膜４ｒでろ過処理して処理液を得るための膜エレメント４と、膜エレメント４の延在面が鉛直方向に沿うように、複数の膜エレメント４が膜間流路５ｓの間を空けて水平方向に並んで設けられる膜モジュール５と、膜モジュール５が内部に配置される膜分離槽３と、膜間流路５ｓの被処理液に散気する散気孔８ａ１が形成される散気管８ａとを備え、散気管８ａの軸は、上面視で、膜エレメント４の延在方向に交差して配置されている。【選択図】図１
2013158764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理液をろ過処理して処理液を得る膜分離装置であって、
前記被処理液をろ過処理する平膜状のろ過膜が、対向して外郭を形成する１対の延在面を形成するように設けられ、前記被処理液を前記ろ過膜でろ過処理して前記処理液を得るための膜エレメントと、
前記膜エレメントの延在面が鉛直方向に沿うように、複数の前記膜エレメントが膜間流路の間を空けて水平方向に並んで設けられる膜モジュールと、
当該膜モジュールが内部に配置される膜分離槽と、
前記膜間流路の前記被処理液に散気する散気孔が形成される散気管とを備え、
前記散気管の軸は、上面視で、前記膜エレメントの延在方向に交差して配置される
ことを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
前記散気管の軸と前記膜エレメントの延在方向とは、上面視で、４５度〜９０度で交差して配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の膜分離装置。
【請求項３】
前記散気管における散気孔は、千鳥状または互い違いに形成される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜分離装置。
【請求項４】
前記膜モジュールは、水平方向に、複数の前記膜エレメントが重畳される方向と同方向に並んで複数配置される
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平膜状の膜エレメントで原液をろ過処理する平膜型膜分離装置（以下膜分離装置）の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、活性汚泥等の固形物懸濁液のろ過処理用の膜分離技術では、散気装置から発生させる気泡を含んだ気液混相流によるろ過膜面の洗浄を行っている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１をはじめとして、従来技術では、散気量を調整する膜面洗浄による効率化によって、ろ過運転を安定化させる試みが多くみられる。しかしながら、後記する通り、散気による効率的な膜面洗浄だけでは、ろ過運転の安定化制御することは殆ど不可能といってよい。
なお、本願に係る文献公知発明として、下記の特許文献１〜７がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１３６３８９号公報
【特許文献２】特開平７−１３２２１４号公報
【特許文献３】特開平７−１９４９４７号公報
【特許文献４】特開平７−１９４９４６号公報
【特許文献５】特開平６−１７８９２０号公報
【特許文献６】特開平５−１３７９７４号公報
【特許文献７】特開平７−２４２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１６(ａ)は、従来の膜分離装置における被処理水の流れを示す膜エレメント間の膜間流路の縦断面の概念的構成図であり、図１６(ｂ)は、図１６(ａ)のＣ−Ｃ線断面拡大図である。
膜分離装置１００Ｓは、膜分離ユニット１０７の内部に、排水等の処理水のろ過処理を担う平膜装置の膜エレメント１０４が、３段の各段にそれぞれ複数水平方向(図１６(ａ)の紙面手前から紙面奥側の方向)に並設されている。各膜エレメント１０４の外郭を対向して形成する一対の延在面(図１６(ａ)の紙面手前側・奥側に一対)には、ろ過膜１０４ｒが設けられている。なお、膜エレメント１０４の間に形成される空間(スペース)が膜間流路１０５ｓである。
【０００６】
膜分離ユニット１０７が内部に設備されるタンク１０３に供給(図１６(ａ)の矢印α０)される被処理水は、循環流(図１６(ａ)の矢印α１→α２→α３→α４→α５→α１)が形成される。この循環流の一部が膜エレメント１０４のろ過膜１０４ｒでろ過処理され処理水となり、ポンプ１１２による吸引で、配管１０２を介して、取水される。なお、図１６(ａ)の矢印α３、α４は、膜エレメント１０４の間に形成される空間の膜間流路１０５ｓを流れる被処理水の上昇流の流れである。
【０００７】
膜分離装置１００Ｓは、以下の動作で排水等の被処理水が循環し、その一部が膜エレメント１０４でろ過処理される。
排水等の被処理水は、図１６(ａ)の矢印α０のように、タンク１０３に供給される。
散気管１０８の散気孔(図示せず)から、気体(気泡１１０)が一斉に噴出されており、これによってエアリフト効果による上昇流が生じ、膜分離ユニット１０７とタンク１０３との間の液相の被処理水が、散気管１０８の近傍に吸い込まれる(図１６(ａ)の矢印α２)。散気管１０８からの気泡１１０と被処理水との気液二相流は、膜分離ユニット１０７に並設される複数の膜エレメント１０４間のスペースの膜間流路１０５ｓ内を上昇し(図１６(ａ)の矢印α３、α４)、膜分離ユニット１０７の上部に達する。その後、気泡１１０はタンク１０３の被処理水の上部領域の自由表面１０ｊから大気中へ開放(放出)される。
【０００８】
一方で、図１６(ａ)の矢印α０〜矢印α５のように流れる被処理水は位置(重力による)エネルギ、並びに、膜分離ユニット１０７の下部の散気管１０８の吸込みの効果により、膜分離ユニット１０７とタンク１０３の間にある領域を下降し(図１６(ａ)の矢印α１)、散気管１０８から再び吸込まれる(図１６(ａ)の矢印α２)。この被処理水は、複数の膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓを再び上昇する(図１６(ａ)の矢印α３、α４)。こうして、被処理水の循環流(図１６(ａ)の矢印α１→α２→α３→α４→α５→α１)が形成される。
【０００９】
この循環流を形成する駆動力が、おおよそ複数の膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓ内の被処理水および気泡１１０の気液二相流が上昇(図１６(ａ)の矢印α３、α４)する領域の流体の密度と、膜分離ユニット１０７とタンク１０３との間の下降流の被処理水の液相のみの単相流部領域の流体密度（液体密度）との差に起因する重力による力(前記のエアリフト効果)である。
【００１０】
こうして形成された複数の膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓ内の気液二相の上昇流(水流)により発生する膜エレメント１０４のろ過膜１０４ｒの膜面に沿って作用するせん断応力が、被処理水のろ過によりろ過膜１０４ｒの膜面に付着した汚濁物を剥離させ、洗浄し回復させる。これにより、連続的な膜ろ過運転が可能となる。
この膜面洗浄効果を高めるには、散気管１０８ａの散気量を増やすことで膜間流路１０５ｓ内の高い流速の二相流を発生させることにより、前記のせん断応力を高めることで実現可能である。
【００１１】
しかしながら、散気管１０８ａの散気量を増やすことは、散気動力が増加しコスト上昇を招来し、運転コスト面での損失に繋がる。また、ボイド率(＝ガス容積／全容積)が無次元駆動力を表す一方で、高くなり過ぎると速度すべりが生じて高い流速を与えることができない。例えば、気泡だけがかたまって上昇して、水流を生じさせないという事態が生じる。
【００１２】
その上、散気管１０８ａからの散気量を増やすことにより、膜間流路１０５ｓの気液二相流の圧縮性が原因となり、膜エレメント１０４に気泡１１０が衝突して膜エレメント１０４に振動や応力が生じ、膜エレメント１０４の変形や破壊などの悪影響が生じる。このような現象は、特に膜間流路１０５ｓに入る気泡１１０が不均等である場合、流路ごとでの気液二相流の圧縮性の違いから、これらの問題が生じ易くなる。
【００１３】
膜エレメント１０４の膜間流路１０５ｓに平行に配置された散気管１０８ａでは、散気管１０８ａの散気孔(図示せず)から吐出された気泡が、上向きに働く浮力により散気管１０８ａの上部に集中する。そのため、散気管１０８ａから離隔した膜エレメント１０４に、気泡を散気力で分配させるため、過剰な散気量を用いる必要がある。
つまり、散気管１０８ａの空気量(散気量)を増やして全ての膜間流路１０５ｓに気泡１１０を付与する必要がある。換言すれば、膜エレメント１０４のろ過膜１０４ｒに洗浄のために、充分なせん断応力を与えるためには、散気量を増加させねばならない。
【００１４】
更に、膜分離装置１００Ｓは散気効率を上昇する目的で、気泡１１０が移動する鉛直方向に膜分離ユニット１０７が多段に設置される場合もあり、膜分離ユニット１０７の上段は下段よりも散気の隔たりを受けることから、気泡(１１０)同士がくっつき大きくなった気泡１１０が局所的に偏在する。大きくなった気泡１１０は、上昇すると水深が低くなり静圧が低くなるので、合体した気泡１１０がさらに大きくなる。
【００１５】
この大きい気泡１１０が膜エレメント１０４のろ過膜１０４ｒに衝突し、さらなる応力が膜エレメント１０４に加わる。つまり、気液二層流の圧縮性で膜エレメント１０４に応力がかかる。
そのため、散気管１０８上部等の膜間流路１０５ｓに気泡１１０が集中し離れたりくっついたりすることで、膜エレメント１０４のろ過膜１０４ｒに衝突し、膜エレメント１０４に発生する応力の集中が問題となる。これにより、膜エレメント１０４が曲がる、ソリが発生する、割れる等、膜エレメント１０４の破損が生じることがある。
結果的として、散気量の風量を調節してのろ過運転だけでは、安定制御が困難となっている。
【００１６】
本発明は上記実状に鑑み、散気量が低減できるとともに散気の均一性を図れる膜分離装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成すべく、本発明に関わる膜分離装置は、被処理液をろ過処理して処理液を得る膜分離装置であって、前記被処理液をろ過処理する平膜状のろ過膜が、対向して外郭を形成する１対の延在面を形成するように設けられ、前記被処理液を前記ろ過膜でろ過処理して前記処理液を得るための膜エレメントと、前記膜エレメントの延在面が鉛直方向に沿うように、複数の前記膜エレメントが膜間流路の間を空けて水平方向に並んで設けられる膜モジュールと、当該膜モジュールが内部に配置される膜分離槽と、前記膜間流路の前記被処理液に散気する散気孔が形成される散気管とを備え、前記散気管の軸は、上面視で、前記膜エレメントの延在方向に交差して配置されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、散気量が低減できるとともに散気の均一性を図れる膜分離装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る実施形態の膜分離装置の概略構造を示す斜視図である。
【図２】実施形態の膜分離装置におけるパネル状ろ過処理装置(膜エレメント)を示す斜視図である。
【図３】膜エレメントの内部構造と配管の概略構成の一例を示す膜エレメントを鉛直方向に切断して示す断面図である。
【図４】膜モジュールを示す斜視図である。
【図５】(ａ)は膜モジュールの下方に散気装置を取着した膜分離ユニットの一部を示す斜視図であり、(ｂ)は(ａ)の膜分離ユニットを下方から見た図である。
【図６】(ａ)は膜分離装置における被処理水の流れを示す膜間流路の縦断面をとった概念的構成図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】比較例の散気装置の散気管と膜エレメントとの位置関係を示す斜視図である。
【図８】(ａ)は比較例の散気装置の散気管と膜エレメントを有する膜モジュールとの位置関係を示す斜視図であり、(ｂ)は比較例の膜モジュールと散気装置の散気管とを下方から見た図である。
【図９】実施形態の散気装置の散気管と膜エレメントとの位置関係を示す斜視図である。
【図１０】図７の比較例の散気装置の散気管と膜エレメントでの散気管からの散気量に対する膜エレメント間の気液混相の液体の平均流速のバラツキ(◇)と、図９の実施形態の散気装置の散気管と膜エレメントとでの散気管からの散気量に対する膜エレメント間の各膜間流路での気液混相の液体の平均流速のバラツキ(■)とを比較した図である。
【図１１】図７の比較例の膜エレメントと平行な散気管と、図９の実施形態の膜エレメントに直交(交差)する３本の散気管とで、膜エレメントに発生する応力を比較した図である。
【図１２】(ａ)は比較例の実際に実施される膜分離装置の膜エレメントの枚数が水平方向に多い場合の膜エレメントと散気管とを示す斜視図であり、(ｂ)は比較例の(ａ)の１つの膜モジュールの膜エレメントと散気管を下方から目視した図である。
【図１３】(ａ)は実施形態の膜分離装置の膜エレメントの枚数が水平方向に多い場合の膜エレメントと散気管とを示す斜視図であり、(ｂ)は実施形態の(ａ)の膜モジュールの膜エレメントと散気管を下方から目視した図である。
【図１４】変形形態１の実施形態の図５(ａ)の一つの膜モジュールを、下方から見た図である。
【図１５】変形形態２の図１３(ａ)の膜モジュールの膜エレメントと散気管を下方から目視した図である。
【図１６】(ａ)は従来の膜分離装置における被処理水の流れを示す膜エレメント間の膜間流路の縦断面の概念的構成図であり、(ｂ)は(ａ)のＣ−Ｃ線断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る実施形態の膜分離装置の概略構造を示す斜視図である。
実施形態の膜分離装置Ｓは、平膜型と称される固液分離用のろ過処理装置であり、下水等の排水(被処理水)から再生、再利用や、循環できるレベルの水(処理水)をろ過処理により取水する装置である。
【００２１】
膜分離装置Ｓは、下水等の排水が供給(流入)(図１の矢印α０)されるタンク３内に、膜モジュール５を複数段積み上げて構成されている。図１では、膜モジュール５を３段配置された場合を示している。
図２は、実施形態の膜分離装置におけるパネル状ろ過処理装置(膜エレメント４)を示す斜視図である。
膜モジュール５には、排水をろ過膜４ｒ(図２参照)でろ過処理する平膜型のパネル状ろ過処理装置４（以下、膜エレメント４と称す）が複数水平方向に並んで立設されている(図４参照)。すなわち、各膜エレメント４は、その延在面を成すろ過膜４が鉛直方向に沿って配置されている。
【００２２】
図１では、膜モジュール５が鉛直方向に３段配置される場合を示したが、膜モジュール５は単数でもよいが、２〜３段積み上げて配設すると、同じ散気量で２〜３倍の処理水(ろ過水)を取り出せる。そのため、膜モジュール５は任意の複数段に積み上げる方がエネルギ効率の観点からより好ましい。
【００２３】
最下段の膜モジュール５の下方には、膜モジュール５の複数の膜エレメント４間の膜間流路５ｓの被処理水に、曝気して気泡１０(図６参照)を供給し、タンク３内の循環流れ(図１の矢印α１→α２→α３→α４→α５→α１)を発生させる散気装置８が取着されている。散気装置８は複数の散気管８ａを有し、散気管８ａには空気を排出する散気孔８ａ１が多数穿設されている。散気孔８ａ１は、散気管８ａに鉛直方向に斜め４５度に貫設されている。つまり、散気管８ａの上側に２個、散気管８ａの下側に２個散気孔８ａ１が設けられる。そのため、散気管８ａを上方から目視した散気孔８ａ１の配置と下方から目視した散気孔８ａ１の配置とは同じである。
最上段の膜モジュール５の上方には、各膜エレメント４でろ過処理された処理水を吸引して取水するろ過ポンプ１２が配設されている。
なお、図１に示すダクト６ａは膜モジュール５の間を繋ぐダクトである。ダクト６ｂは散気装置８からの気泡１０が膜間流路５ｓ外へ逃げるのを抑制するダクトであり、ダクト６ｃは気泡１０と被処理水との気液二相流と、供給される被処理水(液相)との混合を抑制するためのダクトである。ダクト６ａ、６ｂ、６ｃはブラケット状の形状を有し、膜モジュール５にボルト等で固定される。
【００２４】
前記したように、膜モジュール５内には、図２に示す平膜型の膜エレメント４が鉛直方向に複数立設して配置されている。
膜エレメント４は、扁平な矩形状の中空の部材であり、外枠を形成する樹脂製の枠部材４ｗと、内部空間を対向して覆い外郭を形成する延在面を成す１対のろ過膜４ｒとを有している。ろ過膜４ｒは、ＭＦ膜(Microfiltration Membrane)等が使用される。
【００２５】
図３は、膜エレメントの内部構造と配管の概略構成の一例を示す膜エレメントを鉛直方向に切断して示す断面図である。
一つの膜エレメント４の内部は、複数の分割領域１６に分割されている。図３の例では、６分割された場合を図示している。分割領域１６は、分岐管１５を介して、ヘッダ管１３に連結されている。ヘッダ管１３は、ろ過処理後の処理水を吸引するろ過ポンプ１２に接続されている。図１や図２等では、符号１３〜１６の構成の記載は省略している。
なお、膜エレメント４の内部の分割領域１６は一例を示したものであり、その他の構成を採用してもよいのは勿論である。
【００２６】
処理水吸引装置であるろ過ポンプ１２を駆動源とし、膜エレメント４外の排水等の被処理水がろ過膜４ｒを透過してろ過された処理水は、膜エレメント４内の分割領域１６へ誘導される。その後、分割領域１６の内部を分岐管１５側へ向かって流れていく(図３の矢印α６)。分岐管１５を通過した処理水は、ヘッダ管１３へ流入し、ヘッダ管１３を通過してヘッダ管１３の上端部に設けられた処理水出口１４に移動し、ろ過ポンプ１２によって処理水として取り出される。
【００２７】
図４は、膜モジュールを示す斜視図である。
複数の膜エレメント４を鉛直方向に立てて並べた集合体を、ケーシング５ｃに実装したものを膜モジュール５と称する。
図５(ａ)は、膜モジュールの下方に散気装置を取着した膜分離ユニットの一部を示す斜視図であり、図５(ｂ)は、図５(ａ)の膜分離ユニットを下方から見た図である。
複数段の膜モジュール５の下方、つまり最下段の膜モジュール５の下方には、膜エレメント４でろ過処理する被処理水に曝気し上昇流を発生させる散気装置８が取着される。
詳細には、最下段の膜モジュール５の下方に設置される散気装置８の３本の散気管８ａは、上面視で、膜エレメント４に対して直交(略９０°交差)する態様で配置されている。
【００２８】
図１に示すように、膜モジュール５を鉛直方向に複数段積み上げ、膜エレメント４でろ過した処理水(ろ過処理水)を吸引するろ過ポンプ１２と、膜エレメント４でろ過した処理水を取水するために送水する配管２等を組み合わせた装置全体を膜分離ユニット７と称す。なお、図５では、膜分離ユニット７における最下段の膜モジュール５と散気装置８とを示している。
膜分離ユニット７を汚泥等の原水の被処理水が流入するタンク３に浸漬したものが、膜分離装置Ｓである。
【００２９】
次に、膜分離装置Ｓの動作について説明する。
膜分離装置Ｓは、排水等の被処理水を、膜エレメント４によるろ過処理により固液分離して処理水として取り出す運転を行う。
排水等の被処理水が、図１の矢印α０のように、膜分離ユニット７とタンク３との間の空間に給水される。
【００３０】
図６(ａ)は、膜分離装置における被処理水の流れを示す膜間流路の縦断面をとった概念的構成図であり、図６(ｂ)は、図６(ａ)のＡ−Ａ線断面図である。
散気装置８の散気孔８ａ１から気泡１０(図６(ａ)参照)を発生させ、気泡１０を最下段の膜モジュール５の膜エレメント４間のスペースである膜間流路５ｓ(図５参照)内に在る被処理水に供給する。
【００３１】
散気装置８から気泡１０を、膜間流路５ｓ内に滞留浮上させることにより、気液混相の状態である膜間流路５ｓ内と、膜分離ユニット７とタンク３との間の被処理水の単相(液相)の状態である膜モジュール５の外部との密度差によって、放水路の膜間流路５ｓ内の気液混相流体(被処理水と気泡１０)の上昇および膜分離ユニット７とタンク３との間の液相(被処理水)の下降の循環流(図６(ａ)の矢印α１→α２→α３→α４→α５→α１)が生じる。これは、一般にエアリフトと称される現象である。
【００３２】
一方、膜エレメント４内にろ過膜４ｒを透過してろ過処理された(ろ過)処理水は、図３に示すように、ろ過ポンプ１２の吸引力によって、膜エレメント４の内部を分岐管１５に向かい移動する(図３の矢印α６)。分岐管１５を通過した処理水は、ヘッダ管１３へ流れ、ヘッダ管１３内を移動してヘッダ管１３の端部に位置する集水口の処理水出口１４へと移動し、ろ過ポンプ１２の吸引力により取水される。
【００３３】
図６(ａ)に示すように、散気装置８の散気孔８ａ１(図１参照)から、気体が一斉に噴出されており、膜分離ユニット７とタンク３との間の液相の被処理水が、散気装置８近傍に吸い込まれ(図６(ａ)の矢印α２)、気泡１０と被処理水との気液二相流は、膜エレメント４間の膜間流路５ｓ内を上昇(図６(ａ)の矢印α３、α４)し、膜分離ユニット７の上部に達した後、気泡１０はタンク３の被処理水の上部領域の自由表面ｊから大気中へ開放(放出)される。
【００３４】
一方で、液体である被処理水はその位置(重力による)エネルギ、並びに、膜分離ユニット７の下方の散気部の散気装置８の吸込みの効果により、膜分離ユニット７と膜分離ユニット７を実装するタンク３の間に在る領域(空間)を下降し(図６(ａ)の矢印α１)、散気装置８に再び汲込まれ(図６(ａ)の矢印α２)、膜間流路５ｓを再び上昇し(図６(ａ)の矢印α３、α４)、循環流(図６(ａ)の矢印α１→α２→α３→α４→α５→α１)が形成される。
【００３５】
この循環流を形成する駆動力が、おおよそ膜間流路５ｓ内の被処理水および気泡１０の気液二相流が上昇する領域の流体の密度と、膜分離ユニット７とタンク３との間の下降流の被処理水の液相のみの単相流部領域の流体密度（液体密度）との差に起因する重力による力である。
【００３６】
このようにして形成された膜間流路５ｓ内の気液二相の上昇流により発生する膜エレメント４のろ過膜４ｒ(図２参照)の膜面に沿って作用するせん断応力が、被処理水のろ過によりろ過膜４ｒの膜面に付着した汚濁物を剥離させ膜面の洗浄がなされる。これにより、連続的な膜ろ過運転が可能となる。
【００３７】
＜散気管８ａと膜エレメント４との関係＞
次に、散気装置８の散気管８ａと膜エレメント４との関係について、詳細に説明する。
図７は、比較例の散気装置の散気管と膜エレメントとの位置関係を示す斜視図である。図８(ａ)は、比較例の散気装置の散気管と膜エレメントを有する膜モジュールとの位置関係を示す斜視図であり、図８(ｂ)は比較例の膜モジュールと散気装置の散気管とを下方から見た図である。
比較例の膜分離装置では、一つの膜モジュール１０５の複数の膜エレメント１０４に対して、多数の散気孔１０８ａ１が穿設された散気管１０８ａが１本、下(上)面視で平行に配置されている(図８(ｂ)参照)。
【００３８】
比較例では、散気管１０８ａと膜モジュール１０５の端部側の膜エレメント１０４との距離が離隔しているため、当該端部側の膜エレメント１０４のろ過膜１０４の膜面に付着した汚濁物を剥離させるせん断応力を与えるため、散気量を多く付与する必要がある。
【００３９】
散気管１０８ａの多数の散気孔１０８ａ１から送られる散気は、散気管１０８ａの散気孔１０８ａ１から出て被処理水内で気泡(図１６の気泡１１０参照)となり、瞬間的に被処理水中の定常状態となる。気泡は、散気管１０８ａ近傍では、散気孔１０８ａ１から排出されたばかりなので一様に配置されるが、膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓ内をくっついたり離れたりしながら浮力で上昇しつつ、他の気泡とくっつくことにより大きくなる。気泡が上昇すると水深が浅くなるので、気泡の圧縮性により静圧が低下し気泡がさらに大きくなる。
【００４０】
そして、大きくなった気泡が膜エレメント１０４のろ過膜１０４に衝突する。そのため、膜エレメント１０４の上部では、大きくなった気泡から大きな外力を受けることになる。
膜エレメント１０４は、散気による気泡からの外力により振動を受け、応力が発生する。このように、散気管１０８ａを膜エレメント１０４に平行に配置すると散気管１０８ａの上部の膜エレメント１０４に気泡が集中することにより、応力の集中が発生する。
【００４１】
図９は、実施形態の散気装置の散気管と膜エレメントとの位置関係を示す斜視図である。なお、前記した図５には、実施形態の散気装置の散気管と膜エレメントを有する膜モジュールとの位置関係を示している。
図９は、図７の比較例の散気管の散気孔の数を同じにし、一つの散気孔からの空気の吐出速度と吐出流量とを同じくしたものである。つまり、図７の比較例の散気管１０８ａと膜エレメント１０４と、図９の実施形態の散気管８ａと膜エレメント４とは、散気孔１０８ａ１、８ａ１の数を同じにし、散気孔１０８ａ１、８ａ１からそれぞれ送出される散気速度および散気量を同じにするという仮定のもとに、図示したものである。
【００４２】
図９の実施形態では、散気管８ａの軸を上面視で膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)と直交させて配置する構造とする。
この配置により、膜エレメント４間の膜間流路５ｓに対して、散気管８ａの散気孔８ａ１を、比較例に比べ均等に配置(分配)することが可能である。つまり、散気孔８ａ１のより近くに膜間流路５ｓを配置することができる構成なので、膜間流路５ｓに気泡１０を満遍なく行き渡らせることができる。これにより、膜エレメント４に発生する応力を低減できる。
【００４３】
これに対し、図７の比較例の散気管１０８ａは、上面視で、膜エレメント１０４と平行に配置されるため、散気管１０８ａ近傍(の直上)の膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓには、散気孔１０８ａ１が鉛直方向に見て密度高く配置されるが、散気管１０８ａから遠い端部側の膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓには散気孔１０８ａ１が配置されない。すなわち、散気管１０８ａから膜エレメント１０４間の膜間流路１０５ｓが離れれば離れるほど、散気を行う散気孔１０８ａ１から膜間流路１０５ｓまでの距離が遠くなる。
【００４４】
そのため、前記したように、散気管１０８ａから遠い膜間流路１０５ｓには、散気量を多くして水平方向に気泡を送らない限り、散気が行き渡らないこととなる。つまり、散気孔１０８ａ１から遠い膜間流路１０５ｓに、気泡１１０を行き渡らせるため、換言すれば膜エレメント１０４のろ過膜１０４ｒに洗浄のための充分なせん断力を与えるため、空気量を増加させねばならない。
【００４５】
＜膜間流路５ｓ内の流速＞
膜間流路５ｓ内の二相流の流速について、散気量による流速の違いを、比較例の散気管１０８ａを膜間流路１０５ｓに平行にした場合(図７参照)と本実施形態の散気管８ａを膜間流路５ｓに直交にした場合(図９参照)について示す。
【００４６】
図１０は、図７の比較例の平行な散気管１０８ａと膜エレメント１０４との構成での散気管１０８ａからの散気量に対する膜エレメント１０４間の各膜間流路１０５ｓの気液混相の液体の平均流速のバラツキ(◇)と、図９の実施形態の直交する散気管８ａと膜エレメント４との構成での散気管８ａからの散気量に対する膜エレメント４間の各膜間流路５ｓでの気液混相の液体の平均流速のバラツキ(■)とを比較した図である。
【００４７】
図１０におけるＱは、定常状態の散気量を“１Ｑ”として示している。つまり、図１０は、“０．３Ｑ”、“０．５Ｑ”、“０．７Ｑ”、“１Ｑ”での、実施形態、比較例の膜モジュール５、１０５の全ての膜間流路５ｓ、１０５ｓの気液混相の液体の平均流速のバラツキを測定したものである。
【００４８】
流速の測定は、流速計(電磁流速センサ)のプローブを、膜エレメント４、１０４間の膜間流路５ｓ、１０５ｓに上方から１ｃｍ位差し込んで行った。流速計は、ＪＦＥアドバンテック(株)製の３成分電磁流速計（型式：ＡＣＭ３−ＲＳ)である。
図１０より、０．３Ｑでは、平均上昇流速が、実施形態(直交３本)は、比較例(平行１本)より、平均流速のバラツキが大きい。これは、散気量が少ない場合、気泡が水平方向に分散するためと考えられる。
【００４９】
一方、０．５Ｑ、０．７Ｑ、１Ｑ(定常状態)では、１Ｑ(定常状態)に近付くほど、実施形態(直交３本)は、比較例(平行１本)より、平均上昇流速のバラツキが小さくなる。
０．５Ｑ、０．７Ｑ、１Ｑ(定常状態)では、図７の比較例の場合、気泡がいく所(散気管１０８ａ近くの膜間流路１０５ｓ)と気泡がいかない所(散気管１０８ａから遠い膜間流路１０５ｓ)とがあるため、気液混相の液体の平均流速のバラツキが大きいものと考えられる。気泡が進入する膜間流路は流速が大きく気泡が進入しない膜間流路は流速が小さいと推測される。そのため、膜エレメント１０４の洗浄効果が、中央側と端部側でバラツく。
つまり、気泡リッチな膜間流路１０５ｓ(中央側)では膜エレメント１０４がよく洗浄される一方、気泡が少ない膜間流路１０５ｓ(端部側)では膜エレメント１０４の洗浄が不足する。
【００５０】
本結果の通り、本実施形態によれば、１Ｑ(定常状態)近く、つまり膜分離装置Ｓの使用(稼動)状態では、散気量による膜間流路５ｓの流速のばらつきが小さく、流速も高くなりやすい。これは均等に気泡１０が当該膜間流路５ｓに分配されることの効果と推測される。
つまり、実施形態の散気管８ａと膜エレメント４の延在方向とが直交(交差)する構成が、比較例の散気管１０８ａと膜エレメント１０４とが平行な構成に比べ、膜エレメント４間の各膜間流路５ｓに気泡１０が満遍なく行き渡っていることが分る。
【００５１】
図１０の結果から、本実施形態によれば、散気量を下げても高い流速を得ることができるため、散気量を下げて運転することで応力の低減が可能である。例えば、実施形態では、０．５Ｑで、比較例の０．７Ｑの流速の下限値に近い値が得られる。
【００５２】
図１１は、図７の比較例の膜エレメント１０４と平行な散気管１０８ａと、図９の実施形態の上面視で膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)に直交する３本の散気管８ａとで、膜エレメント１０４、４に発生する応力を比較した図である。
【００５３】
応力の評価には非破壊検査技術の一つであるひずみ測定法により応力を算出し、測定には(株)共和電業製防水型ひずみゲージ（２ｍｍ）を使用した。
膜エレメント(４、１０４)での応力の集中は、ろ過膜(４ｒ、１０４ｒ)を支持する樹脂性の支持板の上端部で生じており，ひずみゲージ貼り付け位置については、１０枚の膜エレメント(４、１０４)をもつ膜モジュール(５、１０５)のうち端部付近の膜エレメント(４、１０４)である２、９枚目及び中央部付近の５枚目の各膜エレメント(４、１０４)の両端及び中央部の４箇所の計６箇所にひずみゲージを貼り付けて行った。ひずみゲージを貼り付けた状態で、ブリッジボックスを介して動ひずみアンプに結線し信号を増幅し、ゼロバランス調整を行った。ゼロバランス調整後、散気を開始し３０秒間測定を行った。
【００５４】
図１１において、応力の測定は、比較例の膜エレメント１０４と平行な散気管１０８ａの構成と、実施形態の上面視で膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)と直交する散気管８ａの構成とで定格流量(１Ｑと表す：定常状態で一定流量流れている状態)と定格流量の７０％の流量(０．７Ｑと表す)での発生した応力(ＭＰａ)を測定した。図１１の応力は、測定された応力の最大値を示す。
【００５５】
図１１から、図７の比較例の膜エレメント１０４と平行な１本の散気管１０８ａの構成では、１Ｑで３．２ＭＰａ、０．７Ｑで２．９ＭＰａであり、図９の実施形態の膜エレメント４に直交する３本の散気管８ａの構成では、１Ｑで２．９ＭＰａ、０．７Ｑで２．４ＭＰａであった。
この結果より、０．７Ｑの流量、１Ｑの流量の何れも、図９の実施形態の膜エレメント４に直交する３本の散気管８ａの構成が、図７の比較例の膜エレメント１０４と平行な１本の散気管１０８ａの構成よりも発生する応力は小さいことが明らかになった。
【００５６】
図１２(ａ)は、比較例の実際に実施される膜分離装置の膜エレメントの枚数が水平方向に多く設けた場合の膜エレメントと散気管とを示す斜視図であり、図１２(ｂ)は、比較例の図１２(ａ)の１つの膜モジュールの膜エレメントと散気管を下方から目視した図である。なお、実際には、図１２(ａ)に示すように、膜エレメント１０４は多数使用される。つまり、図１〜図９は、模式的なものである。
【００５７】
図１２(ａ)では、１つの膜モジュール１０５に膜エレメント１０４を１０枚配置した場合を示し、ケーシング１０５ｃ(図１２(ｂ)参照)は省略して示している。
比較例の膜分離装置は、例えば、膜エレメント１０４が１０枚程度で膜モジュール１０５が構成され、膜モジュール１０５は、膜エレメント１０４が水平方向に重畳される方向と同方向に重畳して配設される。
【００５８】
前記したように、各膜モジュール１０５において、散気管１０８ａから遠い膜間流路１０５ｓには、散気量を多くして水平方向に気泡を送らない限り、散気が行き渡らない。実際には、膜モジュール１０５が、図１２(ａ)に示すように、水平方向に多数配置されることから、各膜モジュール１０５の膜間流路１０５ｓに散気を行き渡らせるためには、散気量が多大に必要となる。
【００５９】
図１３は、図１２の比較例に対応する実施形態の膜エレメント４の枚数が水平方向に多い場合の膜エレメント４と散気管８ａとの関係を示す図である。図１３(ａ)は、実施形態の膜分離装置の膜エレメントの枚数が水平方向に多い場合の膜エレメントと散気管とを示す斜視図であり、図１３(ｂ)は、実施形態の図１３(ａ)の膜モジュールの膜エレメントと散気管を下方から目視した図である。なお、図１３(ａ)では、ケーシング５ｃ(図１３(ｂ)参照)を省略して示している。
実施形態の膜分離装置Ｓは、例えば、膜エレメント４が１０枚程度で膜モジュール５が構成され、図１２と同様に、膜モジュール５は、膜エレメント４が水平方向に重畳される方向と同方向に重畳して配設される。
【００６０】
比較例に対して、実施形態の膜分離装置Ｓでは、図１３(ａ)、図９に示すように、散気管８ａの軸を、上面視で膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)に直交して配置するので、全ての膜エレメント４間の膜間流路５ｓの直下に、散気管８ａの散気孔８ａ１を配置することができる。
膜分離装置Ｓは、実際には、膜モジュール５の膜エレメント４が、図１３(ａ)に示すように、水平方向に多数配置される。
【００６１】
そのため、実施形態の膜分離装置Ｓは、各膜モジュール５の膜間流路５ｓに散気を行き渡らせるのに、散気管８ａの軸を、膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)に直交して配置する構成は、各膜間流路５ｓに、散気管８ａの散気孔８ａ１を、均等に配置(分配)することに有利な構成である。
【００６２】
加えて、実施形態の散気管８ａの軸を、膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)に直交して配置する構成は、散気管８ａを１つの膜モジュール５に配置する本数(図９参照)で済む。
例えば、図９に示すように、１つの膜モジュール５に３本の散気管８ａを配置する場合には、図１３(ａ)に示すように、膜分離装置Ｓの全体で３本の散気管８ａで済む。一方、比較例の場合には、たくさんの本数の散気管１０８ａが必要である。なお、図１３に示すように、膜エレメント４の枚数が多くなるほど、比較例(図１２参照)に対して、散気管８ａの軸を、膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)に直交して配置する構成の効果がより鮮明になる。
【００６３】
上記構成によれば、従来の平行散気に対し、膜エレメント４の延在方向(膜エレメント４間の膜間流路５ｓの延在方向)に対して散気管８ａの軸を直交(交差(クロス))させることで、散気孔８ａが膜間流路５ｓに２次元的に分散する。そのため、効率的に散気を分配させることができ、複数の膜エレメント４間の膜間流路５ｓの空気の流れが分散化し、膜エレメント４のろ過膜４ｒを洗い易くなる。
【００６４】
また、複数の膜エレメント４間の膜間流路５ｓの空気の流れが分散化するため、膜エレメント４に働く外力が分散化され、膜エレメント４に加わる外力(発生する応力)も分散化し、低下する。
すなわち、散気管８ａから吐出される気泡１０(図６参照)を各膜間流路５ｓに均等分配することで、各膜エレメント４間の膜間流路５ｓの膜面洗浄に必要な膜間上昇流速を与えることができるとともに、膜エレメント４に発生する応力を緩和できる。これにより、散気量を削減した運転が可能となり、さらに散気量を削減することで応力緩和効果も期待できる。具体的には、従来の構成に比較し、応力を１０％程度低下できる。
【００６５】
従って、散気量が低減できるような効率的な散気構造であって、特に従来の散気の不均一性が生じない散気構造が得られる。かつ、膜エレメント４のろ過膜４ｒの洗浄が均一にできる。また、散気装置８の動力が小さくて済む。さらに、膜エレメント４に印加される外力が低減され、膜分離装置Ｓの信頼性を高めることができる。
また、散気管８ａの本数が、比較例(図１２参照)の本数から、図１３に示すように、少なくできるので、散気管８ａの材料を少なくでき材料費を低減できる。加えて、散気管８ａの分岐箇所や接合箇所を少なくできる。そのため、膜分離装置Ｓの製造コストの低減が可能である。
【００６６】
＜＜変形形態１＞＞
図１４は、変形形態１の図５(ａ)の一つの膜モジュールを、下方から見た図である。
変形形態１の膜モジュール２５は、実施形態における散気管８ａに設けられる散気孔８ａ１を、千鳥状または互い違いに設けた散気孔２８ａ１としたものである。図１４では、散気孔２８ａ１を、千鳥状に設けた場合を示している。
散気管２８ａに形成される散気孔２８ａ１を千鳥状または互い違いに設けることにより、散気孔２８ａ１の間隔を短くして配置することが可能である。例えば、実施形態の散気管８ａに３０ｃｍ間隔で設けた散気孔８ａ１(図５(ｂ)参照)を、変形形態１の千鳥状に設けた場合は、１５ｃｍ間隔で配置することができる。
【００６７】
そして、散気孔２８ａ１を千鳥状または互い違いにすることで、散気孔２８ａ１が受け持つ散気する膜エレメント２４間の膜間流路２５ｓの範囲を大きくすることができる。
なお、散気孔８ａ１を、互い違いに設けるとは、千鳥状の等間隔の散気孔８ａ１間の距離を、等間隔でない散気孔８ａ１間の距離とした場合を含むものである。
【００６８】
＜＜変形形態２＞＞
図１５は、変形形態２の図１３(ａ)の膜モジュールの膜エレメントと散気管を下方から目視した図である。
図１５の変形形態２の膜分離装置Ｓは、散気孔３８ａ１が設けられた散気管３８ａの軸と、膜モジュール３５の膜エレメント３４の長手方向(膜エレメント３４の間の膜間流路３５ｓの長手方向)とを交差(４５度〜９０度未満)させ、全体の膜モジュール３５に３本の散気管３８ａを配置した場合である。
【００６９】
変形形態２の散気管３８ａの軸に対する膜エレメント３４の延在方向(膜エレメント３４間の膜間流路３５ｓの延在方向)の角度を、上面視で、９０度近くの４５度〜９０度未満でも一定の散気を分配する効果がある。このように、散気管３８ａの軸方向と膜エレメント３４の長手方向(膜エレメント３４間の膜間流路３５ｓの長手方向)とを、直交以外に交差させてもよい。
【００７０】
なお、変形形態２(図１５)では、散気管３８ａの散気孔３８ａ１が千鳥状に配置される場合を例示したが、散気孔３８ａ１は千鳥状でなく、互い違い、その他の配置でもよい。
また、実施形態１の膜モジュール５、変形形態１、２の膜モジュール２５、３５は、単数でもよいし、任意の複数でもよい。
【００７１】
＜＜その他の実施形態＞＞
なお、前記実施形態では、散気管(８ａ、２８ａ、３８ａ)が直管の場合を例示したが、散気管(８ａ、２８ａ、３８ａ)が膜エレメント(４、２４、３４)の延在方向(膜エレメント３４間の膜間流路５ｓ、２５ｓ、３５ｓの延在方向)に交差すれば、曲線状の曲管でもよい。また、散気管が、曲管と直管とを有する構成でもよい。
また、前記実施形態では、散気管(８ａ、２８ａ、３８ａ)は３本の場合を例示したが、１本、２本、４本以上でもよく、散気管の数は任意に選択できる。
【００７２】
なお、前記実施形態では、膜モジュール(５、２５、３５)内の膜エレメント(４、２４、３４)の数が、６、１０の場合を例示したが、膜モジュール(５、２５、３５)内の膜エレメント(４、２４、３４)の数は任意に選択できる。
また、前記実施形態では、被処理液として、下水等の排水を例示したが、被処理液は水以外のその他の液体でも構わない。
以上、本発明の実施形態を述べたが、その説明は限定的なものではなく、典型的であることを意図している。従って、本発明の範囲内で様々な修正と変更が可能である。すなわち、本発明は発明の趣旨を変更しない範囲において任意に変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本説明では、平謨型ろ過分離における固液分離分野における説明を与えた。しかしながら、本発明は平板型膜エレメントを用いる固液分離の分野全てに関わるものであり、活性汚泥を用いる生物処理を兼ねた当該膜処理の分野にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７４】
３      タンク(膜分離槽)
４、２４、３４  膜エレメント
４ｒ    ろ過膜
５      膜モジュール
５ｓ、２５ｓ、３５ｓ  膜間流路
８      散気装置(散気手段)
８ａ、２８ａ、３８ａ  散気管
８ａ１、２８ａ１、３８ａ１  散気孔
Ｈ      断面積比
Ｓ      膜分離装置
【図１】
2013158764.tif 000003
【図２】
2013158764.tif 000004
【図３】
2013158764.tif 000005
【図４】
2013158764.tif 000006
【図５】
2013158764.tif 000007
【図６】
2013158764.tif 000008
【図７】
2013158764.tif 000009
【図８】
2013158764.tif 000010
【図９】
2013158764.tif 000011
【図１０】
2013158764.tif 000012
【図１１】
2013158764.tif 000013
【図１２】
2013158764.tif 000014
【図１３】
2013158764.tif 000015
【図１４】
2013158764.tif 000016
【図１５】
2013158764.tif 000017
【図１６】
2013158764.tif 000018