(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
横断する下部隔板及び上部隔板によって区画された配液室、処理液室及び濃縮液集液室を下部、中央及び上部に有する縦型容器を備え、縦型容器内には、配液室及び濃縮液集液室にそれぞれ連通するように下端部及び上端部で下部隔板及び上部隔板に固定され、処理液室内を縦方向に延在する内圧型管状膜を有する管状膜モジュールを備えて、被処理液を配液室に導入し、クロスフロー方式で膜分離して処理液を処理液室から流出させると共に濃縮液を濃縮液集液室から濃縮液管を介して流出させるようにした膜分離装置において、
濃縮液集液室の上部隔板近傍に臨む位置に取液口を有し、容器壁を貫通して外部に出る開閉弁付き導出管を前記濃縮液管とは別に有することを特徴とする膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内圧型管状膜を膜分離手段とする膜分離装置に関し、更に詳細には、管状膜の薬液洗浄間隔を長くして、膜分離処理の処理効率を向上させることのできるクロスフロー方式の膜分離装置に関するものである。
なお、本発明においては、一般にチューブラー膜と呼ばれる管の内径が５〜２５mm程度のもの、及び一般に中空糸膜と呼ばれる内径０．１〜５mm程度のものの両方を含めて、「管状膜」と総称する。
【０００２】
【従来の技術】
一般水、発電所復水、工業用水等の被処理水、或いは工場廃液等の被処理液から同伴する懸濁物を除去して、濁度の低い処理水、或いは処理液を得る手段として、管状膜を膜分離手段とする膜分離装置が、従来から多用されている。
【０００３】
ここで、図５及び図６を参照して、従来のクロスフロー方式の膜分離装置の構成を説明する。図５は従来のクロスフロー方式の膜分離装置の構成を示すフローシート、図６は従来の膜分離装置で使用されている内圧型管状膜モジュールの構成を示す縦断面図である。
従来のクロスフロー方式の膜分離装置１０は、図５に示すように、被処理液に膜分離処理を施して濁度の低い処理液を流出すると共に被処理液の一部を濃縮液として流出する管状膜モジュール１２を有する。
更に、膜分離装置１０は、管状膜モジュール１２によって膜分離処理する被処理液を収容する被処理液タンク１４、被処理液タンク１４から管状膜モジュール１２に被処理液を被処理液管１６を経由して送液する被処理液ポンプ１８、管状膜モジュール１２から処理液管２０を経由して流出する処理液を収容する処理液タンク２２、及び、管状膜モジュール１２から濃縮液を被処理液タンク１４に戻す濃縮液管２４を有する。
【０００４】
管状膜モジュール１２は、図６に示すように、下部隔板２６及び上部隔板２８によって順序で区画され、下から上に重なる、配液室３０、処理液室３２、及び濃縮液集液室（以下、簡単に集液室と言う）３４とを有する縦型容器３６と、処理液室３２内に配設された多数本の内圧型管状膜３８とから構成されている。
管状膜３８は、配液室３０及び集液室３４にそれぞれ連通するように下部隔板２６及び上部隔板２８に固定された下端部及び上端部を有し、処理液室３４内を縦方向に延在する。管状膜３８は、通常の濾過膜、精密濾過膜、限外濾過膜、ナノ濾過膜等で形成された中空糸膜、又はチューブラ膜である。
【０００５】
下部隔板２６及び上部隔板２８は、通常、管状膜３８の端部を離隔した配置で接着剤で固着してなる接着剤層として形成されている。
処理液室３２は、管状膜３８によって膜内と膜外とに区画されていて、上部には処理液管２０に接続して処理液を流出させる処理液口３９を有する。
管状膜モジュール１２では、配液室３０及び集液室３４は、それぞれ、下部鏡板４０、上部鏡板４２により形成され、被処理液管１６及び濃縮液管２４に連通している。下部鏡板４０及び上部鏡板４２は、それぞれのフランジ４４、４６と、処理液室３２を形成する胴部４８のフランジ５０、５２とをフランジ結合することにより、胴部４８に連結され、一体的な容器３６を構成している。
【０００６】
管状膜モジュール１２では、被処理液を配液室３０を介して管状膜３８の膜内に導入し、クロスフロー方式で管状膜３８により膜分離して処理液を処理液室３２の上部の処理液口３９から流出させ、処理液管２０により処理液タンク２２に収容する。また、同時に、管状膜３８を透過することなく通過した被処理液を濃縮液として集液室３４を経由し濃縮液管２４により被処理液タンク１４に戻す。
【０００７】
本膜分離装置１０では、上記濾過工程において管状膜３８内を流れる被処理液の流速を速く、例えば管状膜３８の出口、即ち集液室３４の入口近傍で０．１〜１．０ｍ／秒の範囲にすることにより、被処理液の水力学的剪断力により管状膜３８の膜面に付着、堆積した懸濁物の大部分を剥離し、濃縮液と共に排出している。
【０００８】
上述のような濾過工程を所定時間行った後、剥離せずに膜面に付着した縣濁物を除去するために管状膜３８の逆洗を行う。管状膜３８を逆洗するために、膜分離装置１０では、逆洗液として処理液を使っている。そこで、被処理液管２０に接続された逆洗液管５４と、逆洗液管５４を経由して処理液タンク２２から処理液を管状膜モジュール１２の処理液室３２に送入する逆洗液ポンプ５６と、被処理液管１６から分岐した逆洗排液管５８とを設けている。
逆洗時には、逆洗液として処理液を逆洗液ポンプ５６により処理液タンク２２から逆洗液管５４及び処理液管２０を経由して管状膜モジュール１２に送液し、管状膜３８を逆に透過させて管状膜３８の内側面を洗浄しつつ配液室３０、被処理液管１６及び逆洗排液管５８を経由して外部に排液する。
更に、上記濾過工程と逆洗工程とを繰り返して被処理液の濾過処理を長期間行うと、終には管状膜を逆洗しても、膜間差圧が所定値以下に低下しない、すなわち、濾過性能が回復しない状態となるので、このような場合は、酸、アルカリ、あるいは酸化剤等の薬品を用いて管状膜の薬液洗浄を行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の膜分離装置には、薬液洗浄後、管状膜の膜間差圧が、予期する以上に短期間の間に上昇し勝ちであって、そのために薬液洗浄を頻繁に行う必要があって、運転効率が低いという問題があった。
そこで、本発明の目的は、薬液洗浄の間隔を長くして、膜分離処理の処理効率を向上できるような構成を備えた膜分離装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の膜分離装置の膜間差圧が、予期する以上に短期間の間で上昇する原因を調べた結果、次のことが判った。
管状膜３８を透過することなく通過した被処理液（以下、簡単にクロスフロー循環水と言う）は、集液室３４に入ると、流速が、管状膜３８内の流速の１／１０〜１／１００程度に低下する。その結果、クロスフロー循環水によって管状膜３８の膜面から剥離され、同伴された懸濁物、特に比較的大きな粒径の懸濁物は、被処理液との比重差に基づいて、濃縮液に同伴して濃縮液管２４に流入することなく、図７に示すように、集液室３４内で沈降し、上部隔板２８上に集積し、次いで堆積する。
懸濁物は、次第に上部隔板２８上に集積し、上部隔板２８上に堆積して行き、終には管状膜３８内に落下して管状膜３８の膜面に再び付着したり、更には管状膜３８の上端部の開口を閉塞したりして、膜間差圧上昇の原因となる。この結果、短い頻度で薬液洗浄が必要になる。
【００１１】
そこで、上部隔板２８上に集積した懸濁物、或いは堆積した懸濁物を外部に抜き出すことが重要であると考え、抜き出し手段を設けた管状膜モジュールを試作し、実験の末、本発明を完成するに到った。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る膜分離装置は、横断する下部隔板及び上部隔板によって区画された配液室、処理液室及び濃縮液集液室を下部、中央及び上部に有する縦型容器を備え、縦型容器内には、配液室及び濃縮液集液室にそれぞれ連通するように下端部及び上端部で下部隔板及び上部隔板に固定され、処理液室内を縦方向に延在する内圧型管状膜を有する管状膜モジュールを備えて、被処理液を配液室に導入し、クロスフロー方式で膜分離して処理液を処理液室から流出させると共に濃縮液を濃縮液集液室から濃縮液管を介して流出させるようにした膜分離装置において、
濃縮液集液室の上部隔板近傍に臨む位置に取液口を有し、容器壁を貫通して外部に出る開閉弁付き導出管を前記濃縮液管とは別に有することを特徴としている。
【００１３】
本発明で、導出管の本数には制約はなく、隔板の大きさに応じて導出管の本数を定める。導出管が１本の場合には、好適には、導出管の管径は、濃縮液を濃縮液集液室から流出させる濃縮液管の１／３〜１／１倍の範囲の管径である。導出管が複数本の場合には、導出管の合計断面積と濃縮液管の断面積とが、この関係にあるようにする。
取液口は、必ずしも、濃縮液集液室の容器壁に面一で設ける必要はなく、濃縮液集液室内に導出管を貫入させ、所望の位置に設けることができる。その際、導出管は濃縮液集液室の容器壁を貫通する必要はなく、上部隔板を貫通して処理液室を経て処理液室の容器壁から外部に出ても良い。また、１本の導出管が１個の取液口を有する必要もなく、１本の導出管に複数個の取液口を隔板上に分散して設けてもよい。
導出管及び開閉弁は、被処理液の圧力に耐えられる限り、その形状、材質、材料に制約はない。また、開閉弁は、懸濁物を流出させることを考慮して、好適には、ボール弁やバタフライ弁等の導出管の管径に対して比較的縮径しない開口面積を有するものを使用する。
【００１４】
以上の構成により、本発明では、蓄積する懸濁物の沈降速度やクロスフロー循環水の流速に影響されることなく、導出管を経由して懸濁物を外部に排出することができる。
導出管を使った排液は、膜分離装置の連続運転中、１週間に１回程度、数十秒間を目安に定期的に又は随時に行えば、十分であって、被処理液の膜分離時に濃縮液を抜き出してもよく、また、逆洗時に逆洗排液を抜き出しても良い。
排液に必要な水量は、管状膜モジュールの大きさにもよるが、通常、数リットルである。排液は被処理液の圧力を使って行う。
【００１５】
本発明に係る膜分離装置は、被処理液の性状に限らず適用でき、例えば河川水、井戸水、湖沼水などの産業用、水道用の原水のみならず、公共下水、工場排水等に適用でき、特に濁度が数度から数百度の範囲にわたる原水、又は被処理液に最適に適用できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る膜分離装置の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の膜分離装置の構成を示すフローシート、図２（ａ）は本実施形態例の膜分離装置に設けた管状膜モジュールの構成を示す断面図、図２（ｂ）は管状膜モジュールの上面図である。
本実施形態例の膜分離装置６０は、図１に示すように、管状膜モジュール６２の構成及びそれに付随する配管を除いて、従来の膜分離装置１０と同じ構成を備えている。
【００１７】
本実施形態例では、管状膜モジュール６２は、図２（ａ）に示すように、集液室３４に連通する導出管６４を備えている。導出管６４は、上部隔板２８の近傍に臨む位置で濃縮液集液室（以下、簡単に集液室と言う）３４を形成する上部鏡板４２の容器壁に取液口６６を有し、外部に開閉弁６８を有する。導出管６４の管径は、濃縮液管２４の内径を５０mmとすると、２５mm〜５０mmの範囲で良い。導出管６４は、図２（ｂ）に示すように、上部鏡板４２に対して半径方向に延び、図１に示すように、所望の場所に排液できるようになっている。
【００１８】
本実施形態例では、定期的に又は随時に、開閉弁６８を開放すると、被処理液の圧力により集液室３４の濃縮液が、図２（ａ）に示すように、上部隔板２８上に集積し、或いは堆積している懸濁物を一挙に同伴して外部に排液される。
これにより、本実施形態例の膜分離装置６０では、従来の膜分離装置１０のように、上部隔板２８上に堆積した懸濁物が、管状膜３８内に落下して管状膜３８の膜面に再び付着したり、更には管状膜３８の上端部の開口を閉塞したりして、膜間差圧上昇の原因となるようなことは生じない。
【００１９】
本実施形態例の膜濾過実験例
本実施形態例の膜分離装置の性能評価を行うために、管状膜モジュールとして、オルガノ（株）製の中空糸膜モジュール（商品名ＯＲＦＩＮＥ）を用いて、膜分離装置６２と同じ構成の実験装置を作製し、以下の条件で膜濾過の実験を行った。
被処理液                    ：河川表流水
被処理液の濁度              ：５〜５００度
濾過水の濁度                ：０．０００１〜０．００１０度
（レーザー光式濁度計により測定）
膜濾過流束                  ：１．５ｍ3 ／ｍ2 ／日
濃縮液管内の濃縮液の流速    ：０．１ｍ／秒
逆洗から逆洗までの膜濾過時間：４５分
逆洗時間                    ：６０秒
逆洗流束                    ：５．８ｍ3 ／ｍ2 ／日
導出管からの排液頻度        ：１回／１週間
導出管からの排液時間        ：２０秒
【００２０】
実験中、管状膜モジュールの膜間差圧を計測したところ、図３のグラフ（１）に示す結果を得た。
そして、７カ月の後に、薬液洗浄が必要な８０ｋＰａの膜間差圧に達した。また、濾過水の回収率は、被処理水として導入した河川表流水の流量の９１．４０％であった。
【００２１】
従来の膜分離装置の膜濾過実験例
本実施形態例の膜分離装置との比較を行うために、管状膜モジュールとして同じくオルガノ（株）製の中空糸膜モジュール（商品名ＯＲＦＩＮＥ）を用いた従来の膜分離装置を使って、上述の実験条件と同じ条件で膜濾過実験を行い、実験中、管状膜モジュールの膜間差圧を計測したところ、図３のグラフ（２）に示す結果を得た。
そして、４．５カ月の後には、薬液洗浄が必要な８０ｋＰａの膜間差圧に達した。また、濾過水の回収率は、被処理水として導入した河川表流水の流量の９１．４１％であった。
【００２２】
以上の実験例から判る通り、本実施形態例の膜分離装置６０は、従来の膜分離装置１０に比べて、薬液洗浄から薬液洗浄までの期間が大幅に長くなり、しかも濾過水の回収率がほぼ同じである。
従って、膜分離装置６０を使うことにより、膜濾過処理の処理効率が著しく向上すると評価できる。
【００２３】
上述の例では、被処理液の膜濾過時に定期的に又は随時に開閉弁６８を開放して、導出管６４から濃縮液を抜き出して懸濁物を排出しているが、被処理液の膜濾過時に限らず、逆洗時に開閉弁６８を開放して導出管６４から逆洗排液を抜き出し、同時に上部隔板２８上の懸濁物を排出するようにしても良い。
【００２４】
管状膜モジュールの改変例
本例は実施形態例に設けた管状膜モジュール６２の改変例である。本例では、導出管７０は、図４に示すように、上部鏡板４２の容器壁を貫通して集液室３４の内部に貫入し、複数個（図４では簡単に２個図示）の取液口７２が上部隔板２８の近傍位置に臨んでいる。尚、取液口７２は、図２に示すように、下向きの開口でなく、上部隔板２８に沿った横向きの開口を有するように導出管７０を設けても良い。
また、図示しないが、管状膜３８の配列に影響が生じない限り、導出管７０が、上向きの開口を有する取液口７２を備え、上部鏡板４２の容器壁でなく、上部隔板２８を貫通して処理液室３２の容器壁から外部に出るようにしても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、内圧型管状膜を有し、クロスフロー方式で膜分離する管状膜モジュールに、濃縮液集液室の隔板近傍に臨む位置に取液口を有し、容器壁を貫通して外部に出る開閉弁付き導出管を設けることにより、従来の膜分離装置に比べて、膜分離液の回収率が同じで、しかも薬液洗浄から薬液洗浄までの期間が大幅に長くなって膜分離処理の効率が著しく向上する膜分離装置を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の膜分離装置の構成を示すフローシートである。
【図２】図２（ａ）は実施形態例の膜分離装置に設けた管状膜モジュールの構成を示す断面図、及び図２（ｂ）は管状膜モジュールの上面図である。
【図３】運転期間と膜間差圧との関係を示すグラフである。
【図４】管状膜モジュールの改変例である。
【図５】従来の膜分離装置の構成を示すフローシートである。
【図６】従来の膜分離装置に設けた管状膜モジュールの構成を示す断面図である。
【図７】懸濁物が上部隔板上に堆積する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１０  従来のクロスフロー方式の膜分離装置
１２  管状膜モジュール
１４  被処理液タンク
１６  被処理液管
１８  被処理液ポンプ
２０  処理液管
２２  処理液タンク
２４  濃縮液管
２６  下部隔板
２８  上部隔板
３０  配液室
３２  処理液室
３４  濃縮液集液室
３６  縦型容器
３８  内圧型管状膜
３９  処理液口
４０  上部鏡板
４２  下部鏡板
４４、４６、５０、５２  フランジ
４８  胴部
５４  逆洗液管
５６  逆洗液ポンプ
５８  逆洗排液管
【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１】
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