(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外圧式中空糸膜型ろ過膜モジュールにおいて、膜ろ過水を取り出す中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面に、中空糸膜の細孔径より孔径の大きい精密ろ過膜からなるフィルター部材を装着し、中空糸膜ろ過液が該フィルター部材で濾過されるように構成したことを特徴とする中空糸膜型ろ過膜モジュール。
【請求項２】
精密ろ過膜からなるフィルター部材が、ポッティング部中空糸膜開口端面と精密ろ過膜とを液密に密接させる機構、精密ろ過膜および該精密ろ過膜の変形を防止する押さえ部材、および、フィルター部材と膜ろ過液集水用モジュールキャップとを液密に密接させる機構からなることを特徴とする請求項１記載の中空糸膜型ろ過膜モジュール。
【請求項３】
フィルター部材が高分子製精密ろ過膜からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空糸膜型ろ過膜モジュール。
【請求項４】
フィルター部材が、焼結金属製精密ろ過膜からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空糸膜型ろ過膜モジュール。
【請求項５】
工業用水又は水道水を製造するための浄水方法において、請求項１〜４のいずれかに記載の中空糸膜型モジュールに原水を供給し、中空糸膜を透過し、さらにフィルター部材を透過した水を取り出すことを特徴とする浄水方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水浄化用中空糸膜モジュールに関するものである。さらに詳しくは、工業用水や水道水の浄水処理に使用する中空糸膜モジュールに関し、特に水道水用の浄水処理に使用する中空糸膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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等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、限外ろ過、精密ろ過、ガス分離、血液浄化、およびパーベーパレーション等の方法がある。また、分離膜の形態には、中空糸膜、平膜、および管状膜等があり、上記の各分離対象物の性質や特徴に応じて使い分けられている。
【０００３】
従来、精密ろ過の分野では、小型のディスクフィルターや平膜プリーツ型カートリッジフィルターとして比較的小容量の処理の、かつ比較的清澄な水溶液を分離・ろ過する目的のものが使用されてきている。また、限外ろ過の分野では、超純水の製造や食品製造および清涼飲料の製造等に平膜ろ過装置や中空糸型膜モジュールが使用されてきた。
【０００４】
近年、このような精密ろ過や限外ろ過の中空糸膜を、河川水や地下水から工業用水や水道水を製造する浄水処理プロセスに適用しようとする研究が進められ、比較的濁質分の多い原水に対して長期間使用するこのような分野に精密ろ過や限外ろ過の技術が適用されはじめている。
【０００５】
多孔質の中空糸膜を使用した中空糸膜モジュールは、単位体積当りのろ過面積を非常に大きくとれること、膜処理すべき原液と膜透過液とを隔てるシール機構が単純であること、水質が優れていること、運転管理が容易であることなどの種々の利点を有している。
【０００６】
特に水道浄水処理プロセスの分野では、水質が従来の凝集沈殿・砂ろ過法より優れていて、自動化が容易で省力化を図ることができるところが注目され、積極的に導入がすすめられつつある。さらに、クリプトスポリジウムのような塩素殺菌に対して強い耐性を持つ病原性原虫に汚染された水道原水に対しても、病原性原虫を確実に除去できる技術として注目され、このような原水に対する処理方法として推奨されている。
【０００７】
しかし、このような目的で使用される場合、中空糸膜モジュールには中空糸膜が破断して原水が膜ろ過水に混入する可能性が存在する。通常の水質の評価項目、例えば、濁度に対しては多少の中空糸膜が破断してもほとんど問題になる恐れはないが、クリプトスポリジウムの場合には、その強い感染力のために極く少数の中空糸膜が破断しても問題となることがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような従来の中空糸膜型モジュールのもつ欠点を解決した、中空糸膜が破断してもクリプトスポリジウムに代表される病原性原虫などの微生物がもれ込むことのない中空糸膜型ろ過膜モジュールおよび工業用または水道水用の水の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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、外圧式中空糸膜型ろ過膜モジュールにおいて、膜ろ過水を取り出す中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面に、中空糸膜の細孔径より孔径の大きい精密ろ過膜からなるフィルター部材を装着し、中空糸膜ろ過液が該フィルター部材で濾過されるように構成したことを特徴とするものであり、次の好ましい実施態様を有している。
（１）精密ろ過膜からなるフィルター部材が、ポッティング部中空糸膜開口端面と精密ろ過膜とを液密に密接させる機構、精密ろ過膜および該精密ろ過膜の変形を防止する押さえ部材、および、フィルター部材と膜ろ過液集水用モジュールキャップとを液密に密接させる機構からなること。
（２）フィルター部材が高分子製精密ろ過膜からなること。
（３）フィルター部材が、焼結金属製精密ろ過膜からなること。
【００１０】
また、本発明においては、工業用水又は水道水を製造するための浄水方法において、前記いずれかの中空糸膜型モジュールに原水を供給し、中空糸膜を透過し、さらにフィルター部材を透過した水を取り出すことを特徴とする浄水方法を提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図1〜３は本発明の中空糸膜モジュールの一例を示すものである。図４〜６は精密ろ過膜からなるフィルター部材を装着した本発明の中空糸膜型ろ過膜モジュールのポッティング部の断面を模式的に示した図で、膜ろ過水を取り出す中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面に、中空糸膜の細孔径より孔径の大きい精密ろ過膜からなるフィルター部材を装着し、中空糸膜ろ過液を該フィルター部材で濾過するように構成されていることを示している。
【００１２】
図１は、Ｕ字型に束ねた中空糸膜２を、膜モジュールの外筒１内に挿入し、外筒の上端部で中空糸膜束をポッティング材３で接着・固定し、中空糸膜の開口部端面４に接して、フィルター部材５を組み入れて膜ろ過水の集水用のモジュールキャップ８を取り付けた構造をした中空糸膜型ろ過膜モジュールの例を示している。図１に示した中空糸膜型ろ過膜モジュールの使用方法の一例は、次の通りである。すなわち、濁質分を含む原水は、原水供給ノズル１０Ｂから膜モジュール内に導入され、中空糸膜の外側から内側に膜を透過してろ過される。ろ過された膜ろ過水は中空糸膜の中空部内を流れて開口部端面４から集水部７を通って膜モジュールの膜ろ過水出口ノズル６から取り出される。原水中の濁質は中空糸膜の外表面上に捕捉され堆積する。
中空糸膜の外表面上に堆積した濁質のケーク層が厚くなってろ過抵抗が増大し、ろ過に要する差圧が所定の値に達したならば、原水の供給を停止して、必要に応じて、一定量のろ過水をノズル６から逆流させて逆圧洗浄し、さらにノズル１１から空気を導入して空気の泡と泡の上昇に伴なって発生する水の上昇流で中空糸膜を揺動させて濁質分からなるケーク層を物理的に除去する。
膜ろ過水は、中空糸膜の開口部から集水部に出た所に置かれた中空糸膜の細孔径より孔径の大きい精密ろ過膜からなるフィルター部材５を通過して膜モジュールの透過水出口ノズル６から、膜モジュールの外部に取り出される。
【００１３】
図２は、中空糸膜束１２を膜モジュールの外筒２１内に挿入し、外筒の両端部で中空糸膜束をポッティング材１３および１３’で接着・固定し、中空糸膜の開口部端面１４および１４’に接して、フィルター部材１５および１５’を組み入れて膜ろ過水の集水用のモジュールキャップ１８および１８’を取り付けた構造をした中空糸膜型ろ過膜モジュールの例を示している。図２に示した中空糸膜型ろ過膜モジュールの使用方法の一例は、次の通りである。すなわち、濁質分を含む原水は、原水供給ノズル２０および／または２０’から膜モジュール内に導入され、中空糸膜の外側から内側に膜を透過してろ過される。ろ過された膜透過水は中空糸膜の中空部内を流れて開口部端面１４および／または１４’から集水部１６および／または１６’を通って膜モジュールの透過水出口ノズル１７および／または１７’から取り出される。原水の供給は、中空糸膜型ろ過膜モジュールの下方に位置する中空糸膜束を接着・固定したポッティング部に複数の通路をポッティング部に貫通させて設けて、この原水通路から中空糸膜束内に可及的に均一化して供給する構造としてもよい。原水中の濁質は中空糸膜の外表面上に捕捉され堆積する。
中空糸膜の外表面上に堆積した濁質のケーク層が厚くなってろ過抵抗が増大し、ろ過に要する差圧が所定の値に達したらば、原水の供給を停止して、必要に応じて、一定量のろ過水をノズル１７および／または１７’から逆流させて逆圧洗浄し、さらにノズル２０’から空気を導入して空気の泡と泡の上昇流で中空糸膜を揺動させて濁質分からなるケーク層を物理的に除去する。ポッティング部に貫通させて設けた複数の原水供給通路がある構造の中空糸膜型ろ過膜モジュールの場合には、この原水供給通路から加圧した空気を出して泡および泡の上昇に伴なって発生する水の上昇流で中空糸膜を揺動させて濁質分からなるケーク層を物理的に除去する。
膜ろ過水は、中空糸膜の開口部から集水部に出た所に置かれた中空糸膜の細孔径より孔径の大きい精密ろ過膜からなるフィルター部材１５および／または１５’を通過して膜モジュールの透過水出口ノズル１７および／または１７’から、膜モジュールの外部に取り出される。
図３は図２と同様の構成の膜モジュールであるが、膜モジュールの一端部の中空糸膜の全てが封止された閉塞端部からなる例を示している。３２は閉塞端部を示し、３３は物理洗浄の空気を放散する小孔を複数設けた中心パイプを示している。３４は物理洗浄空気の導入孔である。
【００１４】
フィルター部材を構成するろ過材料には、精密ろ過膜が使用される。フィルター部材の構成は、図４に示す構成のもの、あるいは図５、またさらに、図６に示すリーフディスクフィルターを複数組み合わせたフィルター部材等のいずれでもよい。
図４は、中空糸膜束３７の開口部端面４０にパッキン３９−１を置いてろ過材料４１と密接させ、該ろ過材料とろ過圧による該ろ過材料の変形を防止する押さえ部材４２とパッキン３９−２で密接させ、膜モジュールの集水用キャップを押さえ部材４２とパッキン３９−３を介して密接させた構造をしている。図５に示す構成は、フィルター部材がろ過材料５４と押さえ部材５３とが一体に成形加工された構造のフィルター部材を組み込んだ例を示している。５１はろ過材料５４と押さえ部材５３とを一体に固着しているフランジであり、ろ過材料５４と押さえ部材５３とを液密に密接させ、中空糸膜束４８の開口部端面５２の外縁部および膜モジュールキャップ５７とフィルター部材とを液密に密接させている。ろ過材料４１または５４がプリーツ型に加工されていてもよく、液密にシールされていれば有効膜面積を大きくとれるのでむしろ好ましい。
図６はろ過材料がリーフディスクフィルター状に加工されているフィルター部材を中心パイプに複数枚固定したフィルター部材を示している。６４がリーフディスクフィルターを示し、６５はリーフディスクフィルター間のスペーサーであり、６６はフィルター部材と膜モジュールキャップとを液密に固定するＯ-リングである。フィルターろ過水は中心の集水パイプ６７から取り出される。
【００１５】
フィルター部材を構成する精密ろ過膜は、中空糸膜の細孔径より孔径の大きい精密ろ過膜であり、高分子材料、金属製膜材料、セラミックス膜材料、ガラス膜材料など、ろ過材料として所定のろ過精度と透過速度および耐久性を持つものであれば、いずれの素材の精密ろ過膜でも使用することができる。
【００１６】
精密ろ過膜を構成する高分子材料としては、ポリエチレン、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、およびクロロトリフルオロエチレン-エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホンおよびポリエーテルスルホン等が使用できる。さらに、これらの高分子の焼結体からなるろ材も使用することができる。
【００１７】
金属製の精密ろ過膜としては焼結金属製精密ろ過膜が好ましく使用できる。例えば、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６等の微粒子を焼結した焼結金属繊維製精密ろ過膜が特に好ましく使用できる。
【００１８】
セラミックスおよびガラス製ろ過材料としては、それらの焼結多孔質体が使用できる。
【００１９】
このようなろ過材料の孔径としては０．０３μｍ以上４．０μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以上２．０μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以上１．０μｍ以下の範囲の孔径を有するろ過材料が使用される。孔径を決める条件の一つは、万一中空糸膜が破断した時に混入する濁質分または微生物等のなかで塩素殺菌等で消毒ないし殺滅できない特定のものを除去して、膜モジュールの信頼性を確実にすることができることである。他はフィルター部材の装着によって膜モジュールによるろ過差圧が長期にわたって著しく増加せずに使用できることである。すなわち、ろ過材料の透水性能が１０００Ｌ／（ｍ２・ｈ）／（１００ｋＰａ）以上、好ましくは１００００Ｌ／（ｍ２・ｈ）／（１００ｋＰａ）以上であるろ過材料からなるフィルター部材が使用される。透水性能の上限は高いほどフィルター部材による圧力損失が小さくて済むが、実際にはろ過材料のろ過精度とトレードオフの関係にあり、ろ過精度を小さくとれば透水性能も小さくなるので、およそ１０００００Ｌ／（ｍ２・ｈ）／（１００ｋＰａ）以下、より好ましいろ過精度に対しては約１００００Ｌ／（ｍ２・ｈ）／（１００ｋＰａ）程度となる。以上のような観点からろ過材料とろ過精度とを検討した結果、上記の孔径範囲が好ましく使用できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の構成、効果を実施例を用いてさらに詳細に説明する。
【００２１】
本発明の効果の確認は次の方法で行なった。クリプトスポリジウムを使った実験は非常に困難なので、通常、所定の粒子の除去性で評価すればよいと言われている。通常、人への感染で問題になるクリプトスポリジウムには２種類あって、楕円体状をしている。小型のもので、(4.5〜5.4)〜(4.2〜5.0)μm、大型の種類で(6.6〜7.9)〜(5.3〜6.5)μmと報告されており、４〜６μmのポリスチレンビーズの除去性で評価することができるとされている。しかし、１０−６〜１０−７の除去率を実用規模の膜モジュールについてポリスチレンビーズで評価するのも、極めて大量の試験水を必要とするので、実際的ではないため、ここでは原水中に存在する微粒子を計測して評価した。また、従来の凝集沈殿砂ろ過法に対しては、濁度０．１以下に管理することがクリプトスポリジウムに対する暫定指針とされているので、参考に濁度の比較も行なった。
【００２２】
実施例１及び比較例１
外径６８０μｍ、内径４００μｍ、平均細孔径０．０１μｍのポリアクリロニトリル多孔質中空糸膜３５００本からなる中空糸膜束をＵ字状に束ね、その両端部を外径１１０ｍｍ、内径１０４ｍｍの硬質塩化ビニルパイプのハウジング内に挿入して、片端部を接着剤で固定した後、その接着固定部の一部を切断して中空糸膜の内部を開口させた。そして、図５に示すような構造に、ＳＵＳ３０４焼結ステンレス鋼繊維からなるろ過精度１．０μｍのプリーツ加工をしたろ過材料と押さえ部材と一体に成形された構造のディスクフィルター部材を使用して、中空糸膜型ろ過膜モジュールを製作した。
【００２３】
この中空糸型ろ過膜モジュールの中空糸膜をポッティング部近傍で３００本切断して本発明の試験用膜モジュールとした（実施例１）。他の１本は、フィルター部材を装着せずに同様に中空糸膜を３００本切断して比較対象試験用とした（比較例１）。
【００２４】
これらの中空糸膜モジュールを使用して、濁度６．９、直径４μｍ以上の粒子を８．２×１０８個／ｍｌ含有する原水を８．３ｌ／分の流量で全量ろ過させて、透過水中の濁度と微粒子を測定した。その結果、フィルター部材を装着せずに中空糸膜を３００本切断した膜モジュールでは、透過水の濁度が１．４で直径４μｍ以上の粒子が１．６×１０８個／ｍｌ検出された（比較例１）。これに対して焼結ステンレス鋼繊維製フィルター部材を装着した膜モジュールでは、濁度が０．０２で、直径４μｍ以上の粒子は１０個／ｍｌ以下で、中空糸膜を切断していない膜モジュールと同等の値を示し、中空糸切断部から漏れ込んだ粒子はフィルター部材で実質的に除去されていた（実施例１）。
【００２５】
なお、膜モジュールのろ過差圧はフィルター部材を装着した膜モジュールが５０ｋＰａで、フィルター部材を装着していない膜モジュールは２５ｋＰａで、差圧の上昇率には差異はなく、問題無く運転することができた。
【００２６】
実施例２及び比較例２
外径６８０μｍ、内径４００μｍ、平均細孔径０．０１μｍのポリアクリロニトリル多孔質中空糸膜７４００本からなる長さ約１０００ｍｍの中空糸膜束を塩ビ製の外筒に挿入してその両端部を接着固定し、端部を切断して中空糸膜の内部を両端部で開口させた形状の図２に示したような中空糸型ろ過膜モジュールを製作した。１本の膜モジュールはノズル２０の近傍で中空糸膜を１０本切断し、膜モジュールの両開口部端面には、ろ過精度０．６μｍの焼結ステンレス鋼繊維をプリーツ加工したディスクフィルター部材を装着した（実施例２）。他の膜モジュールではノズル２０の近傍で中空糸膜を１０本切断し、焼結ステンレス鋼繊維からなるフィルター部材を装着しなかった（比較例２）。
【００２７】
実施例１と同様に、濁度５．２、４μｍ以上の粒子６．２×１０８個／ｍｌを含む原水を使用して上記両膜モジュールの透過水の濁度および粒子数を比較した。その結果、フィルター部材を装着しなかった膜モジュールでは、透過水の濁度が０．０３５、直径４μｍ以上の粒子が４．０×１０６個／ｍｌ検出された（比較例２）。これに対して焼結ステンレス鋼繊維からなるフィルター部材を装着した膜モジュールでは濁度は０．０１以下で、４μｍ以上の粒子数は１０個／ｍｌ以下で、中空糸膜を切断していない膜モジュールと差のない結果であった。両者のろ過差圧の差は２７ｋＰａ以下で、差圧の上昇率には差異はなく、運転上の問題は認められなかった（実施例２）。
【００２８】
実施例３及び比較例３
実施例１と同様に、ポリアクリロニトリル多孔質中空糸膜３５００本からなる中空糸膜束をＵ字状に束ね、硬質塩化ビニルパイプのハウジング内に挿入して、片端部を接着剤で固定し、その接着固定部の一部を切断して中空糸膜の内部を開口させた形状の膜モジュールを製作した。膜モジュールの１本は、中空糸膜のポッティング部近傍で約１０本切断して、図６に示したような焼結ステンレス鋼繊維の３枚のリーフディスクフィルターからなるフィルター部材を装着した（実施例３）。フィルターのろ過精度は０．３μｍであった。他の膜モジュールは中空糸膜１０本を切断して、フィルター部材を装着せずに作製した（比較例３）。
【００２９】
実施例２と同様に濁度５．２の原水を使って４．２ｍｌ／分で供給し全量ろ過して、透過水の濁度と粒子数を測定した。フィルター部材を装着していない膜モジュールの透過水の濁度が０．０３５、直径４μｍ以上の粒子が４．０×１０６個／ｍｌ検出された（比較例３）。これに対してフィルター部材を装着した膜モジュールでは濁度は０．０１以下で、４μｍ以上の粒子数は数個／ｍｌ以下で、中空糸膜を切断していない膜モジュールと差のない結果であった（実施例３）。なお、両者のろ過差圧は６０ｋＰａで、差圧の上昇率には差異はなく、問題なく運転することができた。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、水道浄水処理プロセス等の分野で使用する中空糸膜型ろ過膜モジュールにおいて、万一中空糸膜が破断しても、クリプトスポリジウムのような塩素殺菌に対して耐性のある病原性原虫類をはじめとする異物を確実に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空糸型ろ過膜モジュールの１例の全体構造の断面図
【図２】中空糸型ろ過膜モジュールの１例の全体構造の断面図
【図３】中空糸型ろ過膜モジュールの１例の全体構造の断面図
【図４】中空糸型ろ過膜モジュールのフィルター部材装着部の断面図
【図５】中空糸型ろ過膜モジュールのフィルター部材装着部の断面図
【図６】中空糸型ろ過膜モジュールのフィルター部材装着部の断面図
【符号の説明】
１：中空糸型ろ過膜モジュール外筒
２：中空糸膜
３：接着固定部（ポッティング部）
４：中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面
５：フィルター部材
６：膜ろ過水取り出し口
７：膜ろ過水集水部
８：膜ろ過水集水用モジュールキャップ
９：パッキン
１０Ａ：物理洗浄空気放出ノズル
１０Ｂ：原水供給ノズル
１１：物理洗浄空気導入口
１２：中空糸膜
１３：接着固定部（ポッティング部）
１４：中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面
１５：フィルター部材
１６：膜ろ過水集水部
１７：膜ろ過水取り出し口
１８：膜ろ過水集水用モジュールキャップ
１９：パッキン
２０：ノズル
２１：中空糸型ろ過膜モジュール外筒
２２：中空糸膜
２３：接着固定部（ポッティング部）
２４：中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面
２５：フィルター部材
２６：膜ろ過水集水部
２７：膜ろ過水取り出し口
２８：膜ろ過水集水用モジュールキャップ
２９：パッキン
３０および３０’：ノズル
３１：中空糸型ろ過膜モジュール外筒
３２：閉塞端部
３３：物理洗浄用エアー吹出し孔付き中心パイプ
３４：物理洗浄用エアー導入孔
３５：中空糸型ろ過膜モジュール外筒
３６ノズル
３７：中空糸膜
３８：接着固定部（ポッティング部）
３９−１：パッキン
３９−２：パッキン
３９−３：パッキン
４０：中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面
４１：ろ過材料
４２：押さえ部材
４３：膜ろ過水集水部
４４：膜ろ過水取り出し口
４５：膜ろ過水集水用モジュールキャップ
４６：中空糸型ろ過膜モジュール外筒
４７：ノズル
４８：中空糸膜
４９：接着固定部（ポッティング部）
５０−１：パッキン
５０−２：パッキン
５１：フランジ
５２：中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面
５３：押さえ部材
５４：ろ過材料
５５：膜ろ過水取り出し口
５６：膜ろ過水集水部
５７：膜ろ過水集水用モジュールキャップ
５８：中空糸型ろ過膜モジュール外筒
５９：ノズル
６０：中空糸膜
６１：接着固定部（ポッティング部）
６２：Ｏ―リング
６３：中空糸膜ポッティング部中空糸膜開口端面
６４：リーフディスクフィルター
６５：リーフディスクフィルター用スペーサー
６６：Ｏ―リング
６７：リーフディスクフィルター固定・集水用中心パイプ
６８：膜ろ過水集水用モジュールキャップ
【図１】
0003924926.tif 000002
【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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