(57)【要約】【課題】膜エレメントの洗浄を均一に行うことが可能な散気装置を備える膜分離装置を提供する。【解決手段】被処理液をろ過処理して処理液を得る膜分離装置１００であって、前記被処理液をろ過処理する膜状のろ過膜を、対向して外郭を形成する１対の延在面を形成する状態で備えられ、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４と、膜エレメント４の延在面が鉛直方向に沿った状態で、複数の膜エレメント４が膜間流路の間を空けて水平方向に並んで備わる膜モジュール５と、膜モジュール５を内部に備える膜分離槽３と、前記膜間流路の前記被処理液に散気する散気孔を有する散気管１，２，３と、を備え、散気管１，２，３の軸は、上面視で、膜エレメント４の延在方向に交差した状態で有し、散気管１，２，３はループ状に構成されている。【選択図】図４
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【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膜状のろ過膜を、対向して外郭を形成する１対の延在面を形成する状態で備えられ、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った状態で、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備わる膜モジュールと、
当該膜モジュールを内部に備える膜分離槽と、
前記膜間流路の前記被処理液に散気する散気孔を有する散気管と、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た状態で有し、
前記散気管はループ状に構成されていることを特徴とする、膜分離装置。
【請求項２】
前記散気管は、
前記散気管の内部を通流する気体を前記散気管に供給するための気体供給口と、
前記気体供給口が形成された上流側ヘッダ管と、
前記散気孔が形成された接続管と、
前記接続管を通流した気体を合流させる下流側ヘッダ管と、を備え、
前記上流側ヘッダ管と前記下流側ヘッダ管とは、少なくとも２本の前記接続管を介して接続されてループ状に構成されてい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】
前記散気管において、
前記上流側ヘッダ管の端部が、前記上流側ヘッダ管に接続された前記接続管よりも外側に飛び出すようにして、前記上流側ヘッダ管と前記接続管とが接続され、
前記上流側ヘッダ管を通流する気体が、前記上流側ヘッダ管の端部の内部を経由して、前記接続管に通流するようになっていることを特徴とする、請求項２に記載の膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、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る膜分離装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１５８７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術について、さらに散気を十分均一に行うようにすることが望まれる。本発明はこのような課題に鑑みて為されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、膜エレメントの洗浄を均一に行うことが可能な散気装置を備える膜分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、膜エレメントの延在方向に交差する方向に散気管を配置するとともに、配置された散気管をループ状に形成することで前記課題を解決できることを見出した。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、膜エレメントの洗浄を均一に行うことが可能な散気装置を備える膜分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】膜分離ユニットの斜視図である。
【図２】膜分離ユニットを構成する膜モジュールの斜視図である。
【図３】膜エレメントを取り付けてなる膜モジュールの斜視図である。
【図４】膜分離ユニットの下部に取り付けられた散気装置を構成する、空気供給管とモイスチャ管とを備える散気管の上面図であり、（ａ）及び（ｂ）は実施例、（ｃ）及び（ｄ）は比較例である。
【図５】膜分離ユニットを備えた膜分離装置における、水及び気泡の流れを示す概念図である。
【図６】シミュレーションで用いた散気装置の形態を示す図である。
【図７】シミュレーションで用いた膜分離装置のシミュレーションモデルを説明する図である。
【図８】シミュレーションに用いた散気管を説明する図である。
【図９】シミュレーションによって得られた膜面洗浄に必要な流速を説明するグラフである。
【図１０】シミュレーションによって得られた流速のばらつきを説明するグラフである。
【図１１】実際の膜分離装置における測定（実験値）によって得られた膜面洗浄に必要なせん断力を説明するグラフである。
【図１２】実際の膜分離装置における測定（実験値）によって得られたせん断力のばらつきを説明するグラフである。
【図１３】実験によって得られた膜面洗浄に必要な流速を説明する図である。
【図１４】シミュレーションに用いた散気管の流速分布を説明する図である。
【図１５】シミュレーションによって得られた散気管の散気孔から発生する気泡の吐出圧を比較するグラフである。
【図１６】散気管の吐出圧を測定する実験装置の構成を説明する図である。
【図１７】吐出圧の測定を行った散気孔の位置を説明する図である。
【図１８】各散気孔における、気相中の散気孔のノズル部流速比を説明する図である。
【図１９】各散気孔における、液相中の散気孔のノズル部流速比を説明する図である。
【図２０】図１６に示す実験装置を用いた実験により得られた、気相と液相との流速を比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を適宜参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。
【０００９】
図１は、膜分離ユニット１０の斜視図である。膜分離ユニット１０は、本実施形態では、固液分離のための膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）に使用される。そして、膜分離ユニット１０を備える膜分離装置１００（図５参照）は、被処理水（被処理液）をろ過処理して処理液を得るものである。膜分離ユニット１０は、被処理水を濾過して清澄水を分離する膜モジュール５と、その下方に備えられ、気泡を放出する散気装置８とを備えている。また、図１では図示していないが、膜分離ユニット１０には、被処理水をろ過吸引するろ過ポンプ１２や配管２（いずれも図５参照）が備えられている。
【００１０】
図２は、膜分離ユニット１０を構成する膜モジュール５の斜視図である。膜モジュール５は、膜エレメント４が鉛直に立てられて複数配置されることで構成される。この膜エレメント４は、被処理水（被処理液）をろ過処理する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、当該被処理水を当該ろ過膜でろ過処理してろ過処理水（処理液）を得るためのものである。そして、従って、膜モジュール５は、この膜エレメント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が膜間流路の間を空けて水平方向に並んで設けられて構成される。
【００１１】
図３は、膜エレメント４を取り付けてなる膜モジュール５の斜視図である。膜モジュール５は、複数の膜エレメント４の集合体をケーシング７に実装してなるものである。
【００１２】
図４は、膜分離ユニット１０の下部に取り付けられた散気装置８を構成する、空気供給管とモイスチャ管（いずれも図４では図示しない）とを備える散気装置８の上面図であり、（ａ）及び（ｂ）は実施例、（ｃ）及び（ｄ）は比較例である。図４において、散気装置８の上面視で、散気装置８を構成する散気管１，２，３の軸方向に対して交差（本実施形態では直交）して配置される膜エレメント４は仮想線で示している。
【００１３】
図４（ａ）に示すように、散気装置８は、図４では図示しない空気供給管１４（気体供給口）が接続されたヘッダ管１５（上流側ヘッダ管）と、ヘッダ管１５に対して並列に接続された三本の散気管１，２，３（接続管）と、散気管１，２，３に接続され、通常は閉じられているモイスチャ管１６が接続されたヘッダ管１７（下流側ヘッダ管）とを備えて構成される。このことを換言すれば、ヘッダ管１５とヘッダ管１６とは、並列に架け渡された散気管１，２，３によって連通されている。そして、散気装置８では、ヘッダ管１５、散気管１，２，３及びヘッダ管１７により、ループが形成されている。即ち、散気装置８では、散気管１、ヘッダ管１７、散気管３及びヘッダ管１５のループと、このループをバイパスするような散気管２とが備えられている。
【００１４】
ここで、従来は、図４（ｃ）や図４（ｄ）に示すように、ループが形成されておらず、空気供給管１４から供給された空気は、いったん分岐して接続管を通流すると、それらが合流することがない。そのため、ヘッダ管１５を通じて散気管１，２，３への空気の導入後、散気管１，２，３に形成された散気孔のうち、手前側の散気孔からは多くの空気が散気される一方で、奥側の散気孔から散気される空気は少ない。そのため、散気ムラが生じ、膜エレメントの洗浄を均一に行うことができない。
【００１５】
しかし、図４（ａ）に示すようにループが形成されていることで、散気装置８では、空気が供給される空気供給管１４からみて奥側のヘッダ管１７において、各散気管１，２，３において散気されなかった空気が合流され、全体として適度な空気圧が維持される。そのため、散気管１，２，３の全体において均一な散気が可能となる。そして、均一な散気が可能となることで、従来は全域で確実な散気を行うために計算量よりも多めに空気を通流させていたが、ほぼ計算値通りの空気を通流させても全域で均一な散気が可能となる。
【００１６】
また、ヘッダ管１５の端部１５ａと、ヘッダ管１７の端部１７ａとは、いずれも封止されているものの、これらはいずれも、散気管１，３に対して少し外側に飛び出すようにして形成されている。そのため、ヘッダ管１５を通流する空気が、ヘッダ管１５の端部１５ａの内部を経由して、散気管１，２，３に通流するようになっている。そのため、ヘッダ管１５を通流する空気は、この端部１５ａの部分によって適度な圧力損失を生じ、これにより、散気管２の内部を一気に空気が通流してしまうことが防止され、散気管１，３の内部に十分な空気の供給が可能となる。そして、これにより、より確実に、散気管１，２，３の全域に亘って均一な散気が可能となる。
【００１７】
さらに、散気装置８を構成する各管のうち、膜エレメント４の下方に配置された散気管１，２，３には散気孔１ｘ，２ｘ，３ｘがそれぞれ形成されている。一方で、膜エレメント４の延在方向に平行な方向に配置されたヘッダ管１５，１７には、散気孔は形成されていない。即ち、散気孔は、本実施形態では、散気管１，２，３にのみ形成され、ヘッダ管１５，１７には形成されていない。そして、散気管１，２，３に形成された散気孔は、それぞれの散気管１，２，３において、等間隔で形成されている。これらのことから、それぞれの散気管１，２，３に形成された散気孔１ｘ，２ｘ，３ｘから、均一な量の空気が膜エレメント４に対して満遍なく散気される。
【００１８】
なお、前記のループは、図４（ｂ）に示すように、散気孔の形成されていない散気管を外郭に含んで構成されてもよい。
【００１９】
図５は、膜分離ユニット１０を備えた膜分離装置１００における、水及び気泡の流れを示す概念図である。図５では、図示の簡略化のために、各部材を簡略化して示している。また、図５では、三段の膜モジュール５が積み上げられることで、膜分離装置１００が構成されている。膜分離装置１００は膜分離活性汚泥装置であり、膜分離ユニット１０が汚泥等の原水（被処理液）が流入するタンク３（膜分離槽）に浸漬されている。そして、ろ過運転により固液分離され、膜分離装置１００から被処理水が取り出される。
【００２０】
散気装置８から気泡１１を発生させ、膜エレメント４，４（図５では図示しない）間に形成される膜間水路内に気泡１１を滞留浮上させることにより、気液混相の状態である該水路内と単相の状態である外部との密度差によって、図５に示すように該水路内の気液混相流体の上昇及び液相の循環が生じる。これは一般にエアリフトと称される現象である。一方で、膜エレメント４に吸水されたろ過被処理水は、被処理水吸引装置（ポンプ）１２駆動源とする吸引力によって膜エレメント４の内部を上昇し、外部に排出される。
【００２１】
ここで、従来の膜分離装置（前記の特許文献１参照）が有していた課題である散気の不均一さについて説明する。
【００２２】
図５に示すように、散気装置８から空気が散気された後、気泡１１は、散気装置８の上部領域に一斉に噴出し、上昇する。このとき、液相もここに吸い込まれる。そのため、気液二相流は前記膜間流路内を上昇し、当該膜分離ユニット１０の上部に達したのち、気泡１１は該上部領域の自由表面（即ち水面）から大気中へ開放される。
【００２３】
一方で、液体（被処理液）は、重力エネルギ、及び、散気装置８の近傍での吸込み効果により、膜モジュール５とタンク３の内壁との間にある領域を下降する。そして、散気装置８の近傍から再び吸込まれ、該膜間流路を再び上昇し、循環流が形成される。この循環流を形成する駆動力が、おおよそ当該気液二相流が上昇する領域の流体の密度と、当該下降流部等の液相のみの単相流部領域の流体密度（液体密度）との差となる。
【００２４】
このようにして形成された膜間流路内の気液二相流により発生する、膜面に作用するせん断応力が、ろ過により膜面に付着した汚濁物を剥離させ、洗浄回復させることで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、散気量を増やすことで高い流速の二相流を発生させることにより、当該せん断応力を高めることで実現可能である。
【００２５】
しかしながら、散気量を単に増やすことは、散気動力が増えコスト面で損失となる。また、ボイド率が無次元駆動力を表す一方で、高くなりす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。その上、散気量を増やすことにより、膜間流路の気液二相流の圧縮性が原因となり、膜エレメントに振動や応力が生じ、エレメントを変形や破壊等の悪影響が生じる。このような現象は、特に膜間流路に入る気泡が不均等である場合、流路ごとでの当該圧縮性の違いから、これらの問題が生じ易くなる。
【００２６】
膜エレメント４に平行に配置された（ヘッダ管１５，１７に架け渡された）散気管１，２，３（図４（ｄ）参照）では、散気管上部に散気孔から吐出された気泡が集中するため、散気管から離れた膜エレメント４に気泡を分配させるために過剰な散気量で設計されている。さらに、ＭＢＲの種類によっては、散気効率を向上させる目的で膜モジュール５が多段に設置される場合もあり、上段に設置された膜モジュール５は、下段よりも散気の隔たりを受けることから、さらなる応力集中が加わる。そのため、散気装置８の上部での膜間流路に気泡が集中することで、膜エレメント４に応力が集中し、膜エレメント４の洗浄の不均一さにつながる。
【００２７】
そこで、本実施形態では、散気量を過不足なくすることで散気量を従来よりも低減できるような効率的な散気構造であって、特に前記のような散気の不均一性が生じない散気装置８が検討されている。
以下、散気装置８の構造について、シミュレーション及び実験を行ってより詳細な検討を行った。
【００２８】
図６は、シミュレーションで用いた散気装置８の形態を示す図である。図６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ散気装置８での散気管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと膜エレメント４との配置の関係を示す図である。このシミュレーションは数値流体力学（ＣＦＤ）に基づいて行った。シミュレーションでは、膜エレメント４に対し一本の散気管（散気管１ａ）を平行に配置（図６（ａ）のＣａｓｅ１）した散気構造と、複数の散気管を直交に配置（図６（ｂ）〜（ｄ）のＣａｓｅ２〜４）した散気構造とした。Ｃａｓｅの番号が大きくなれば、散気管の本数も多くなる。具体的には、Ｃａｓｅ２では散気管１ｂ，１ｃが、Ｃａｓｅ３では散気管１ｂ，１ｃ，１ｄが、Ｃａｓｅ４では散気管１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが、使用されている。一方で、散気管の本数が多くなれば、一本あたりの通気量が減少するため、散気孔ピッチも短くなっている。膜エレメント４の長手方向の幅は４８４ｍｍ、膜エレメント４を対向して配置したときの厚さは１６５ｍｍである。
【００２９】
これらのうち、特に図６（ｄ）に示すように、全膜間流路投影面領域（膜エレメント４の投影面）に対して広く二次元的に散気孔を分散配置させることで、前記の膜間流路へ進入上昇する特定の流路への気泡を均等分配させることができる。従って、図６の結果に基づけば、散気管の本数は３本以上程度が好ましいと考えられる。
【００３０】
図７は、シミュレーションで用いた膜分離装置１００のシミュレーションモデルを説明する図である。即ち、ＣＦＤによる散気構造の検討条件を図７に示す。本ＣＦＤによる検討には、市販計算ソフトＡＮＳＹＳ  ＦＬＵＥＮＴを用い、混相流モデルとして離散粒子モデル（Discrete Particle Model、以下「ＤＰＭ」という）、乱流モデルとして標準型ｋ−εモデルを採用した。
【００３１】
図８は、シミュレーションに用いた散気管１，２，３を説明する図である。図８に示すとおり、シミュレーションに用いた構造模式図における散気孔径は４ｍｍを採用し、膜モジュール５に対して三本の散気管１，２，３で構成している。それぞれの散気管には散気孔を二列に千鳥状に５１カ所配置した。また、散気孔のないヘッダ管１５，１７の配管長は、三本の散気管１，２，３の配置幅よりも長くし、これにより、各ヘッダ管１５，１７に端部１５ａ，１７ａを形成した。
【００３２】
以下、シミュレーションの具体的な方法を説明する。
ＣＦＤによる散気管の吐出状態の計算は、全ての散気孔からの吐出速度を求め、全体平均値からのばらつきを評価した。ばらつきは、全ての散気孔の吐出速度から得られた全体平均値に対するＣｖ値で評価した。評価に用いたＣｖ値は、以下の式（１）で求めた。ここで、Ｎは散気孔個数、Ｖｉは各散気孔の吐出速度、Ｖａｖｇは該吐出速度全体の平均値を示している。計算には、市販の汎用流体計算コードＡＮＳＹＳ−ＦＬＵＥＮＴを用いた。
【数１】
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【００３３】
本計算における乱流モデルは、標準ｋ−εモデルを採用した。気相中での評価は、気相のみの単相流の計算になることから、通常のＥｕｌｅｒ解法による定常計算を行った。ここで、ＦＬＵＥＮＴには定常計算ソルバーが無い為、散気管内の一点について流速が変化しなくなった時点を定常解に到達したと考え、当該時間のプロファイルを定常解として採用した。また、液相中での評価では、初期状態において図８に示した散気管外の流体相を液相として定義し、散気孔から気相を吐出する気液二相流の非定常計算を行った。
【００３４】
気液二相流の計算では、計算負荷が非常に高い為、散気管内の流速と圧力が十分に発達したと考えられる２秒時のデータを評価用のデータとして採用した。気相及び気液二相流の計算のいずれにおいても、散気管の供給部面（図８での空気供給管１４とヘッダ管１５との境目）を入り口境界条件として定義し、本境界面から一定流量で気相を供給させている。そのため、散気管配管内の気相についても計算を行い、気相中での評価では散気管内外の気相の計算、液相中評価では散気管内部の気相の計算、及び散気管外部の気液二相流の計算を行っている。
【００３５】
液相中評価は、散気管外部領域での気液二相流計算方法（混相流計算モデル）を用いた。当該領域での気液二相流計算にはＶＯＦ法（Ｖｏｌｕｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ法）を用いた。本計算では、散気孔からの吐出速度の評価の他、吐出後の気泡の広がりについても可視化による確認を行う都合、気泡をメッシュで解像し気液境界面を可視化する手法としてＶＯＦを用いた。
【００３６】
ＶＯＦモデルは、固定オイラーメッシュに適用される表面追跡手法である。これにより、流体間の境界の位置が注目される２種類以上の非混合流体を対象として計算される。ＶＯＦモデルでは、一組の運動方程式が各流体によって共有され、各計算セル内の流体別の体積分率が領域全体にわたって追跡される。従って、混相流ではあるが、一流体モデルである為、一種類の流体相としての運動方程式が解かれる。この運動方程式を以下の式（２）で表す。
【数２】
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【００３７】
また、密度ρや粘性係数μ等の物性値は、各計算セル内における各流体相の体積分率αｑを用いて、以下の式（３）と式（４）のように各体積分率で重み付けして与えられる。
【数３】
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【数４】
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【００３８】
式（３）及び式（４）中、αｑの添え字ｑは混相流体の区別を表すものであり、本計算のように気液二相流の場合は、添え字の次数は２であり、例えば添え字１が液相、添え字２が気相を表す。この場合、あるセルにおいてα１がゼロである場合、そのセルは全て気相で占められていることを表現する。同様に、質量保存の式についても、運動量の式と同様に一組の以下の式（５）が解かれると同時に、全ての流体相の体積分率の総和が１となる、体積分率の輸送式（以下の式（６））が解かれる。
【数５】
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【数６】
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【００３９】
図９は、シミュレーションによって得られた膜面洗浄に必要な流速を説明するグラフである。図９には、ＣＦＤの結果から得た、膜間平均流速の平均値（以下、「平均上昇流速」という）、及び、下降流部流速の平均値（以下、単に「下降流部流速」という）が示されている。また、図１０は、シミュレーションによって得られた流速のばらつきを説明するグラフである。図１０には、Ｃｖ値（ばらつき）が示されている。
【００４０】
図９に示すように、散気管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの本数を増やすに従い、僅かではあるが上昇下降ともに平均流速は増加する傾向があった。また、図１０に示すように、散気管１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが平行１本の場合（Ｃａｓｅ１）、膜間流路の平均流速のばらつきが大きかった。これらの理由は、Ｃａｓｅ１では、無次元駆動力であるボイド率のばらつきが発生することから、散気管が複数の場合に比べて平均流速が低くなると考えられる。
【００４１】
図１１は、実際の膜分離装置における測定によって得られた膜面洗浄に必要なせん断力を説明するグラフである。また、図１２は、実際の膜分離装置における測定によって得られたせん断力のばらつきを説明するグラフである。これらのグラフは、前記の図９及び図１０の結果とは異なり、実際の膜分離装置１００における測定結果である。
【００４２】
図１１に示すように、散気管一本（Ｃａｓｅ１）の場合、中央の膜面（九枚の膜エレメント４のうちのＮｏ．４〜Ｎｏ．６の膜エレメント４の膜面）のせん断応力が大きく、両端の膜面のせん断応力が小さい。また、図１２に示すように、散気管一本（Ｃａｓｅ１）の場合、各膜面上のせん断応力のばらつきが大きいが（Ｃｖ値：０．１５〜０．２５）、膜面に対し直交に配置した散気管を複数にした場合には（Ｃａｓｅ２〜４）、全体的にばらつきが小さくなる（Ｃｖ値：０．０５程度）。散気管三本以上では大きな違いはなかった（Ｃａｓｅ３〜４）。
【００４３】
図１３は、実験によって得られた膜面洗浄に必要な流速を説明する図である。図１３には、実験による１０個の平均上昇流速及び下降流部流速、並びに１０個の膜間平均流速間のばらつきが示されている。平均上昇流速及び下降流部流速のいずれについても、ＣＦＤの結果（図９参照）と同じく、Ｃａｓｅ３（直交散気管三本）で最大であり、Ｃａｓｅ４（直交散気管四本）の場合に比べ幾分高い結果を示している。また、下降流部流速についても同様で、Ｃａｓｅ１と同等以上の槽内の循環流量が得られている。
【００４４】
平均上昇流速及び下降流部流速に関し、散気管三本の場合（Ｃａｓｅ３）の流速が、散気管四本の場合（Ｃａｓｅ４）に比べやや高くなる理由としては、散気管本数が多いことで、散気管設置部の流体抵抗が高くなり循環流を生成するため駆動力が低下するものと考えられる。そのため、散気孔が形成された散気管の本数は三本にすることが特に好ましいことがわかる。
【００４５】
以上のことから、三本の散気管を膜エレメント４に対して交差して配置し、かつ、ループ状にすることが好ましいことがわかる。この理由は以下の通りである。即ち、散気孔から散気すると、散気孔からの吐出にはばらつきが発生する。そこで、このようなばらつきを抑えることが、膜エレメント４の均一な洗浄には好ましい。そこで、膜分離装置１００では、図４（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明したように、散気管がループ状に構成されている。このようにすることで循環流を形成し、ループ状の散気管内の圧力の勾配を小さくすることで、散気孔から均等に散気し、かつ膜間流路に均等に気泡を分配する構造を与えることができる。これによれば、各膜間に膜面洗浄に必要な膜間上昇流速を与え、当該散気管から吐出される気泡を各膜間流路に均等に分配することで効率的な膜面洗浄が期待できる。
【００４６】
図１４は、シミュレーションに用いた散気管の流速分布を説明する図である。図１４において示す矢印の向きと長さは、その地点からの空気の流れ方向と流れる強さを示している。中央の散気管２では、いずれの場所においても、空気供給管１４に近い散気孔からの吐出量が他の散気孔よりもやや多くなる傾向がある。しかしながら、空気供給管１４が接続されたヘッダ管１５の端に端部１４ａを設けることで、空気供給管１４に近い散気孔からの吐出量の増加が抑制されている。
【００４７】
図１５は、シミュレーションによって得られた散気管１，２，３の散気孔から発生する気泡の吐出速度を比較するグラフである。横軸は散気孔の位置であり、右端が空気供給管１４に最も近い位置配置された散気孔である。図１５に示すように、散気量による吐出速度のばらつきが小さい。特に、散気管１，３では、ばらつきはほとんどなかった。また、前記の式（１）によりＣｖ値を算出し、ばらつきを評価したところ、定格散気量の条件ではＣｖ＝０．００４４であった。この式（１）の結果からもばらつきは十分に小さいことがわかり、吐出量の違いについては、性能に大きな影響を及ぼすものではないと考えられる。
【００４８】
これらの結果から、均等に気泡が当該膜間流路に分配されることの効果が期待できる。また、散気量を下げても高い流速を得ることができる為、散気量を下げて運転が可能である。
【００４９】
次に、実際に実験を行って、散気管の吐出圧を測定した。
【００５０】
図１６は、散気管の吐出圧を測定する実験装置の構成を説明する図である。本実験では、図８で説明したフルスケールの散気装置８を実験水槽２０に浸漬させ、この散気装置８に対して、空気ボンベ２１から空気を供給した。供給する空気は、フローメータ２２により、面積流量が一定になるようにした。さらに、散気装置８の散気孔８ａ（孔径４ｍｍ）に、連成圧計２３をチューブ（図示せず）で連結した。そして、散気装置８から空気が散気されているときに、散気孔８ａでの吐出圧を測定し、散気孔８ａからの吐出状態を評価した。
【００５１】
図１７は、吐出圧の測定を行った散気孔の位置を説明する図である。今回の測定では、図８で示した全ての散気孔について測定をするのではなく、特定の散気孔を選定して測定を行った。３本の散気管は、空気供給管１４が接続されたヘッダ管１５とともにヘッダ管１７に対し、並列に配置されて、ループを形成している。そのため、散気管内の空気の流れは散気管２を中心に線対称であると仮定し、３本のうちの中央の散気管２と、片側の１本の散気管１を測定対象に選んだ。そして、空気供給管１４に近い散気孔１ｘ，２Ａ、最も離れた散気孔１Ｃ，２Ｃ、及びそれらの中央の散気孔１Ｂ，２Ｂを測定対象とした。
【００５２】
図１８は、各散気孔１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ，１Ｃ，２Ｃにおける、気相中の散気孔のノズル部流速比を説明する図である。図１８に示すように、散気孔（即ち測定ポイント）の位置が同じであれば、吐出速度が異なっていても、同じようなノズル部流速比を示した。例えば、測定ポイント１Ａでは、いずれの吐出速度でもノズル部流速比は小さな傾向を示すが、測定ポイント２Ｃでは、いずれの吐出速度でもノズル部流速比は大きな傾向を示す。
【００５３】
図１９は、各散気孔１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ，１Ｃ，２Ｃにおける、液相中の散気孔のノズル部流速比を説明する図である。図１９に示すように、散気孔に液相の水頭が抵抗として加わる条件では吐出速度が均等になる傾向があり、液相中の結果から散気孔の位置による吐出状態の影響は小さい。
【００５４】
図２０は、図１６に示す実験装置を用いた実験により得られた、気相と液相との流速を比較するグラフである。ここでは、６つの散気孔１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ，１Ｃ，２Ｃでの吐出圧に対し、各散気孔からの吐出に関する抵抗係数は同じと仮定し、ダーシー・ワイスバッハの関係式から算出した吐出速度に対応するノズル流速比で示した。具体的には、測定から得られた各吐出圧Ｐと前記六つの散気孔での吐出圧の平均値Ｐ０とを用いて、次の関係式からノズル速度流速平均値に対する流速度比を求めた。
【数７】
2017029935.tif 000009
【００５５】
そして、算出された流速度比について、前記の式（１）を用いてノズル流速比のばらつき（Ｃｖ値）を算出した。その結果が図２０である。図２０に示すように、気相においては、散気風量が少ないほど、ばらつきが大きい。即ち、もし、散気孔から空気中に散気を行った場合、散気風量によっては、ばらつきが大きくなることがわかる。一方で、現実の運転状態である液相での散気を行う場合には、散気風量によらず、ばらつきが小さくなることがわかる。この傾向は、散気孔の出口の抵抗が気相中に比べて高くなることにより、押し込み圧が高くなるとともに、散気管内が比較的均圧状態に近くなるためと考える。そのため、散気装置８によれば、散気風量に寄らずばらつきを抑え、安定した散気を行うことができる。
【００５６】
なお、前記の例では、平膜型ろ過分離における固液分離分野を挙げたが、本発明は平膜型膜エレメントを用いる固液分離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。
【００５７】
また、前記の例では、ヘッダ管１５（上流側ヘッダ管）とヘッダ管１７（下流側ヘッダ管）とを接続する散気管（接続管）の本数は、２本（図６（ｂ））、３本（図４（ａ）、図６（ｃ））、４本（図６（ｄ））、５本（図４（ｂ））であるが、散気管の本数は６本以上であってもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１，２，３，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ  散気管
１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂ，１Ｃ，２Ｃ，１ｘ，２ｘ，３ｘ  散気孔
３  タンク
４  膜エレメント
５  膜モジュール
８  散気装置
１０  膜分離ユニット
１４  空気供給管
１５  ヘッダ管
１７  ヘッダ管
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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