(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数本の中空糸膜がスクリーン状に並設され且つ該中空糸膜の少なくとも一端が集水管に保持されたスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを、複数個、各モジュールのスクリーン面が平行となるように配設してなる膜分離装置において、
各モジュールは、その中空糸膜の長手方向が、濾過を行う場合において、上向流にて通水される原水の流通方向と平行方向となるように設置されており、かつ、隣接するモジュールの集水管同士の間隔が該集水管の外径の７５％以上であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１において、該外圧型中空糸膜モジュールの下方からの曝気による循環流により、原水を上向流にて流通することを特徴とする膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを設けた膜分離装置に係り、特に、懸濁溶液の膜濾過に有効な膜分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種水処理分野において、膜分離処理が広く採用され、近年、その適用分野は増々拡大されている。膜分離処理に使用される分離膜の一種として中空糸膜がある。この中空糸膜には、中空糸膜の内部を原水流路とする内圧型中空糸膜と、中空糸膜の外部を原水流路とする外圧型中空糸膜とがある。
【０００３】
内圧型中空糸膜は、原水の流路が狭く、短時間で原水流路の閉塞を起こすため、懸濁物質の濾過に適さないという欠点があった。一方、外圧型中空糸膜は、原水を中空糸膜の外側に通し、内側は透過水を通すことによってこの問題を解決したものである。
【０００４】
しかし、外圧型中空糸膜でも、隣接する中空糸膜間に懸濁物質が濃縮され、ゲル化又はケーク化し、中空糸膜の有効面積が減少する（以下、この現象を「膜間流路閉塞」と称す。）という問題があった。
【０００５】
このため、膜間流路閉塞を起こしにくいモジュール形態或いはモジュール設置方法について、種々検討が行われている。例えば、図２（ａ）（正面図）及び図２（ｂ）（平面図）に示す如く、複数の中空糸膜１をスクリーン状に並列配置した中空糸膜モジュール２が市販されている。
【０００６】
この中空糸膜モジュール２は、多数本の中空糸膜１がスクリーン面Ｓを形成するように並列に配置され、中空糸膜１の両端を各々集水管３，３に埋設保持させたものである。中空糸膜１を透過した濾過水は、集水管３，３及び抜出管４，４を経て取り出される。
【０００７】
また、このようなスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを用いて原水の濾過を行う場合において、モジュールの下部等から気体を曝気することにより、膜面に循環流を与え、中空糸膜を振動させて高フラックスを得る技術も開発されている。
【０００８】
更に、特開平７−２４２７２号公報には、このようなスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールにおいて、モジュールの中空糸膜の弛緩率を小さくすることにより、即ち、中空糸膜を緊張した状態で保持することにより、曝気による膜面の洗浄効率を高めると共に、膜の損傷を防止する方法が提案されている。
【０００９】
なお、従来において、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュール２は、図２（ａ）に示す状態で処理槽に浸漬され、下方から原水流や散気ガスが供給されたり、図３に示す如く、そのスクリーン面が水平となるように複数個積層した状態で処理槽内に浸漬され、原水流を上向流又は下向流としている。これは、このように配置することにより、原水流のみならず、モジュールの下部で曝気を行った場合の気泡が中空糸膜１の膜面に垂直に当たり、高フラックス及び高い膜面洗浄効果が得られると考えられていたことによる。
【００１０】
また、従来において、複数のスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを積層配置する場合、隣接するモジュールの集水管同士の間隔（図３のＲ）は、膜の充填密度の向上及び膜分離装置の小型化の観点から、集水管の外径Ｄの１０％以下とされている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
スクリーン状外圧型中空糸膜モジュールは、膜間流路閉塞を起こしにくいものではあるが、そのスクリーン面が原水流を横切るように設けた従来の膜分離装置では、その膜間流路閉塞防止効果は十分ではない。特に、モジュールの中空糸膜の中央部分以外の部分において膜間流路閉塞が起き易い。この原因について図４，５を参照して説明する。
【００１２】
図４は、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュールをその中空糸膜長手方向が原水流を横切るように且つスクリーン面が原水流と平行に設置した場合の模式図であり、図４の横軸は中空糸膜の延在方向、縦軸は中空糸膜の垂直方向の変位を示す。
【００１３】
この図４より明らかなように、集水管保持部に近いほど、中空糸膜が水平線に対してなす角度θが大きくなる。ここで、θが一定と見なせる小区間Ｚをとると、図５に拡大して示す如く、中空糸膜に垂直な方向の中空糸束の幅Ｌ′は、集水管保持部における中空糸束の幅Ｌに対して、
Ｌ′＝ｃｏｓθ・Ｌ
となる。即ち、Ｌ′方向の断面Ｍ′においては、Ｌ方向の断面Ｍに比べ、中空糸膜同士の間隔はｃｏｓθ倍になり、中空糸膜に垂直な方向の膜充填密度が１／ｃｏｓθ倍になる。ここで、ｃｏｓθ＜１であるので、断面Ｍ′では中空糸膜同士の間隔は狭くなり、充填密度は高くなったことになる。従って、従来の設置形態では、中空糸膜は、その集水管保持部に近づくにつれ、充填密度が高められた分、原水流路閉塞を起こし易い。
【００１４】
なお、特開平７−２４２７２号公報においては、中空糸膜を緊張させた状態で保持することが提案されているが、中空糸膜を緊張させて保持することは、中空糸膜の破損を招き易く、好ましいことではない。
【００１５】
この原因について、図６，７を参照して次に説明する。
【００１６】
図６は、中空糸膜の両端の集水管保持部間の距離Ｋと最大間隔、即ち、中空糸膜を最も緊張した状態で保持した場合の距離Ｋmax との比率Ｋ／Ｋmax を横軸とし、集水管保持部近傍の中空糸膜の水平線に対する角度θを縦軸とした相関図である。この図６から、中空糸膜両端の集水管保持部間の距離Ｋはなるべく大きくとった方が、即ち、中空糸膜のたるみが少ない方が、角度θが小さくなり、中空糸膜の端部における充填密度が小さくなることがわかる。
【００１７】
しかしながら、中空糸膜両端の集水管保持部間の距離Ｋを大きくすると、それに比例して中空糸膜に加えられる張力が大きくなる。中空糸膜両端の集水管保持部間の距離と中空糸膜に加えられる張力との関係を示す図７より明らかなように、中空糸膜両端の集水管保持部間の距離Ｋが最大値Ｋmax に近づくほど、張力は急激に増大する。張力が大きくなると、中空糸膜の破断及び中空糸膜の集水管保持部の破断の危険性が大きくなる。
【００１８】
なお、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュールの中空糸膜長手方向を原水流方向と平行に配置した場合であっても、図８に示す如く、隣接するモジュール２，２の集水管３，３同士の間隔が小さいと、この集水管３，３間を通過してモジュール２，２間に流れ込む原水流Ｗが弱められ、これにより膜間流路閉塞が起こり易くなる。
【００１９】
本発明は上記従来の問題点を解決し、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュールの膜間流路閉塞をより一層確実に防止することができ、高フラックスを得ることができる膜分離装置に関する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜分離装置は、多数本の中空糸膜がスクリーン状に並設され且つ該中空糸膜の少なくとも一端が集水管に保持されたスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを、複数個、各モジュールの中空糸膜の長手方向が平行となるように配設してなる膜分離装置において、各モジュールは、そのスクリーン面が、濾過を行う場合において、上向流にて通水される原水の流通方向と平行方向となるように設置されており、かつ、隣接するモジュールの集水管同士の間隔が該集水管の外径の７５％以上であることを特徴とする。
【００２１】
【作用】
▲１▼  本発明では、原水流とスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールの中空糸膜長手方向とが平行になるように中空糸膜モジュールを設置するため、図４，５に示す従来例（中空糸膜長手方向と原水流とを交叉させたもの）のような集水管保持部近傍での充填率の増加が起こらず、モジュール全体にわたって充填密度はほぼ同等となる。このため、充填密度増加による膜間流路閉塞が防止され、高フラックスを維持することができる。
【００２２】
▲２▼  本発明では、中空糸膜が原水の流れ方向に沿って延在するため、中空糸膜に加えられる張力が小さくても、集水管端部においても中空糸膜の充填率は高くならない。従って、本発明によると、中空糸膜に大きな張力をかけることなく、膜間流路閉塞を防止することができる。
【００２３】
▲３▼  本発明では、隣接するモジュールの集水管同士の間隔が集水管の外径（直径）の７５％以上と大きいため、集水管同士の間を通ってモジュール間に流れ込む原水流が殆ど弱められない。
【００２４】
特に、本発明において、鉛直配置したスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールの下部で曝気を行った場合には、曝気により与えられる循環流が強力な乱流となる上に、集水管自体が乱流化を促進し、膜間流路閉塞が一層確実に防止される。
【００２５】
なお、本発明においては、このように隣接するモジュールの集水管同士の間隔を従来よりも大きくとることにより、膜の充填密度が低くなり、装置設置面積の点で不具合を生じるが、この点に関しては、図９に示す如く、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュール２を並列配置した集合体５を原水流の方向に多段に積み重ねることにより解決することができる。
【００２６】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の膜分離装置の実施例を説明する。
【００２７】
図１は本発明の膜分離装置の一実施例に係るスクリーン状外圧型中空糸膜モジュール２の配置を示す正面図である。
【００２８】
図示の如く、本発明の膜分離装置は、多数本の中空糸膜１がスクリーン状に並設され、各中空糸膜１の両端が集水管３，３に保持されたスクリーン状外圧型中空糸膜モジュール２を、複数個、各モジュール２のスクリーン面Ｓが互いに平行でかつ中空糸膜長手方向が、上向流にて通水される原水流と平行となると共に、隣接するモジュール２の集水管３，３同士の間隔Ｒが集水管３の外径Ｄの７５％以上となるように、隣接するモジュール２，２の間隔をあけて配設したものである。
【００２９】
この間隔Ｒは過度に大きいと、膜の充填密度が低くなり、装置設置面積が増大することから、間隔Ｒは集水管３の外径Ｄの１２５％以下とするのが好ましい。
【００３０】
このモジュール２を原水槽に浸漬して使用する場合には、モジュール２の一方の集水管３が下部に位置し、他方の集水管３が上部に位置し、スクリーン面及び中空糸膜１の延在方向が鉛直方向となるように設置するのが好適である。
【００３１】
中空糸膜１は、必ずしもその両端が集水管３に保持される必要はなく、一端のみが集水管３に保持され他端は集水管以外の保持部材に保持されたものであっても良い。
【００３２】
なお、中空糸膜の保持状態については、前述の如く、中空糸膜を過度に緊張して保持すると、中空糸膜が破損するおそれがあることから、中空糸膜両端の集水管保持部間の距離Ｋが、最大間隔、即ち、中空糸膜を最も緊張した状態で保持した場合の間隔Ｋmax の９４〜９８％程度とするのが好ましい。
【００３３】
以下、実験例、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００３４】
実験例１
ＣＯＤCr槽負荷１．２ｋｇ／ｍ3 、ＭＬＳＳ濃度１００００ｍｇ／Ｌ（リットル）の活性汚泥槽に、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュール（三菱レーヨン社製、商品名「ステラポア」）を設置し、膜濾過を行った。この実験では、隣接するモジュールの集水管同士の間隔が影響しないよう、モジュールを１個用いた。
【００３５】
この中空糸膜モジュールの下方から曝気を行うことにより、活性汚泥に酸素を供給すると共に、膜面に循環流を与えて膜の閉塞を防いだ。
【００３６】
モジュールの配置は、図１のモジュール２と同じとし、原水を上向流にて流通させ、原水の流通方向が中空糸膜長手方向と平行方向となるようにした。集水管３の直径Ｄは４８ｍｍである。中空糸膜両端の集水管３，３間の距離Ｋは、最大間隔Ｋmax の９０％とした。
【００３７】
その結果、０．４４ｍ3 ／ｍ2 ／ｄａｙのフラックスが得られた。
【００３８】
実験例２
実験例１において、スクリーン面が水平となるようにモジュールを設置し、原水の流通方向が中空糸膜長手方向と垂直方向となるようにしたこと以外は実験例１と同様にして膜濾過を行なった。このときのフラックスは０．２８ｍ3 ／ｍ2 ／ｄａｙであった。
【００３９】
これらの実験から明らかな通り、実験例１によると実験例２に比べ１．６倍のフラックスを得ることができ、スクリーン状外圧型中空糸膜モジュールは、スクリーン面が原水流と平行となるように配置するのが有利であることが確認された。
【００４０】
実施例１
４個のモジュールを図１の如く中空糸膜１の延在方向及び膜モジュール２のスクリーン面を鉛直とし対面配置したこと以外は実験例１と同様にして膜濾過を行った。
【００４１】
なお、隣接するモジュールの集水管同士の間隔Ｒは３６ｍｍであり、これは集水管の外径のＤ（４８ｍｍ）の７５％に相当する。
【００４２】
この結果、０．４４ｍ3 ／ｍ2 ／ｄａｙのフラックスを得ることができた。
【００４３】
比較例１
実施例１において集水管同士の間隔Ｒを１２ｍｍ（集水管直径Ｄの２５％）としたこと以外は同様にして膜濾過を行なった。この場合のフラックスは０．３４ｍ3 ／ｍ2 ／ｄａｙであった。
【００４４】
実施例１と比較例１との対比から明らかな通り、実施例１によると比較例１の約１．３倍のフラックスを得ることができた。
【００４５】
１週間連続運転の後、膜モジュールを取り出して調べたところ、実施例１は中空糸膜間にほとんど汚泥ケークは認められなかったが、実験例２及び比較例１においては、汚泥ケークが生成していた。このことより、実験例２及び比較例１では膜間流路閉塞により有効膜面積が減少していたと思われる。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の膜分離装置によれば、複数個のスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを各モジュールのスクリーン面が平行となるように配設した膜分離装置において、中空糸膜の破損の危険性を増すことなく、膜間流路閉塞を効果的に防止して、高フラックスを得ることができる。
【００４７】
このような本発明の膜分離装置は、特に、懸濁溶液の膜濾過効率の向上及び安定化に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜分離装置の一実施例に係るスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールの配置を示す正面図である。
【図２】図２（ａ）はスクリーン状外圧型中空糸膜モジュールを示す正面図、図２（ｂ）は同平面図である。
【図３】従来のモジュールの設置方法を示す正面図である。
【図４】中空糸膜モジュールの原水流中での状態を示す模式図である。
【図５】図４のＺ部分の拡大図である。
【図６】中空糸膜両端の集水管保持部間の距離と、集水管保持部近傍の中空糸膜の水平線に対する角度との関係図である。
【図７】中空糸膜両端の集水管保持部間の距離と中空糸膜の張力との関係図である。
【図８】比較例に係るモジュール配置を示す正面図である。
【図９】本発明に係るモジュール配置の他の実施例を示す正面図である。
【符号の説明】
１  中空糸膜
２  スクリーン状外圧型中空糸膜モジュール
３  集水管
Ｓ  スクリーン面
【図１】
0003758202.tif 000002
【図２】
0003758202.tif 000003
【図３】
0003758202.tif 000004
【図４】
0003758202.tif 000005
【図５】
0003758202.tif 000006
【図６】
0003758202.tif 000007
【図７】
0003758202.tif 000008
【図８】
0003758202.tif 000009
【図９】
0003758202.tif 000010