JP4954880B2 - 連続的に変化する通気 - Google Patents

Description

本発明は、膜濾過システムに関し、より具体的にはそのようなシステムにおける膜の汚れを制御するための通気の使用に関する。

浸水型又は浸漬型膜濾過システムにおいて、ガス（通常は空気）を使用する通気が、膜汚れ（ｆｏｕｌｉｎｇ）を制御するために連続的に使用されることが多い。別の背景技術によるシステムは、高いガス流量に引き続く低いガス流量又はガスの停止の繰り返しを使用している。また、液／ガスの混合物が膜のこすり洗浄に使用されており、ガスの消費を削減している。

繰り返しによる方法にはいくつかの問題がある。
１．処理中にガスをあまり長く止めると、この間に膜汚れが迅速に増加するので良くないことから、繰り返しの頻度は通常、非常に高い。高い繰り返し頻度は、複数のセル又は膜タンクの間で繰り返し動作し、ブロアからの全ガス流量をより一定に保つ、又はより変動させ続けるのに必要とされるバルブの消耗を増大させる。また、バルブを作動状態と停止状態の間でどのぐらい早く繰り返しできるかには、バルブの設計と、ガス流量を加速するのにかかる時間との制限によって生じる実際的な制限がある。
２．ガスが一方のセルに対して停止状態にある場合、この停止状態は、沈積物が通気装置の中に逆流し、通気装置をやがて停止させてしまう場合がある。
３．繰り返しの間の時間が長いほど、膜汚れはより増加し、沈積物はより無酸素状態になりやすくなる。

１つの特徴によれば、本発明は、膜を洗浄する、又はこすり洗浄するためにガスが使用されるタイプの膜濾過システムにおける膜汚れを制御する方法を提供し、この方法は、ガスを連続的に変化する流速でシステムへ供給することを含んでいる。

好ましくは、システムは多くのモジュールを含み、それぞれのモジュールへのガスの供給は連続的に変化する流速を有している。代替的には、システムは複数のモジュールのセットを含むことができ、それぞれのモジュールのセットへのガスの供給は連続的に変化する流速を有している。任意に、システムは複数の膜タンクを含むことができ、それぞれのタンクはモジュールをセットの形態で有している。それぞれの膜タンク及びその中のモジュールのセットへのガスの供給は、連続的に変化する流速を有している。

好ましくは、連続的に変化するガスの流速は、速い流れから遅い流れ（若しくはゼロ）に及んでいる。好ましくは、ガス流れの流速のパターンは、速い流れから遅い流れに及ぶ、正弦波状又は三角波状のようないずれかの連続的に変化する曲線に従っている。変化するガス流れは、標準的な洗浄効果を提供するだけではなく、ガス流の不安定な特性が、流れの中の固有のうねり（ｓｕｒｇｅ）からの結果としての追加的な洗浄効果を提供する。

別の特徴によれば、本発明は１つ以上の膜と、膜の表面をこすり洗浄する泡を形成するためのガス流れを提供するガス源とを含む膜濾過システムを提供し、このシステムにおいては、前記ガス源は前記ガス流れを連続的に変化する流速で提供している。

１つの形態においては、ガス源は、流量制御装置を介して濾過システムに取り付けられ、流量制御装置は流量を連続的に変化させる。別の形態においては、例えばガスブロアにおける駆動速度を変化させることによって、ガス供給そのものが変化する。また、既知のバルブ装置の様々な組み合わせを連続的に変化する流速を提供するために使用することができる。

本発明は様々な膜濾過システムに適用することができ、特に潜水型の、又は浸水型の膜に適用可能であり、加圧式システム、又は非加圧式システムに使用することができる。

別の特徴によれば、本発明は膜濾過システムにおける通気ガスの流れの制御に使用するための流れ制御装置を提供し、前記流れ制御装置は１つの入り口部及び１つ以上の出口部を有するハウジングと、前記入り口部から前記１つ以上の出口部へ連続的に変化する流れを提供するための可動式バルブ部材とを含んでいる。

また、ハウジングは複数の入り口部を有して設けられてもよい。

膜濾過システムの中に多数の膜モジュール又はセルが使用されている場合には、流れ制御装置は、関連するモジュールに接続された別々の出口を有して使用することができ、１つのモジュール又は複数のモジュールへの流量が増加するときには別の１つのモジュール又は複数のモジュールへの流量は減少する。

好ましくは、流れ制御装置は回転バルブ又は往復バルブである。

また、流れ制御装置は１つの場所へのガスの様々な分配を提供することもできる。それぞれの出口部へのガスの分配は、連続的に変化する流量又はオン／オフ流れとすることができる。流れ制御装置の特徴は、それが連続的に回転する方法で操作され、開／閉の静的な方法で操作されるのではないということである。本発明の適用においては、流れ制御装置は、１つ以上の場所へ連続的に変化するガスの流量を提供するように使用されている。

好ましい形態においては、回転バルブは３つの主部品、すなわちバルブハウジング、回転分配器、及び駆動モータから成っている。バルブハウジングはモータに取り付けられ、バルブの入り口部と出口部とを含んでいる。分配器はバルブハウジング内に配置され、モータによって駆動されている。分配器は、バルブハウジング内で回転するときに、ハウジングの出口を開閉し、よってガスを１つの出口又は別の出口から外へ導いている。

ハウジングの中の複数の出口部は変更することができ、よっていずれの望ましい数の場所への気流の制御をも提供することができる。

分配器の形状は、複数の出口部に適合するように、また、それぞれの出口部を通じて分配された気流の速度を制御するように、変化させることができる。

よって、バルブは、複数の膜モジュール又はセルへのガス流れを制御し、使用されるガスの総量を最適化するために使用することができる。

バルブは、標準的なバルブの組み合わせによって通常達成することができる機能を満足することができる。

バルブは操作上の摩擦をほとんど有さず、よって長い操作寿命予測値を有する。

バルブは連続的な回転という形式で動作し、よって典型的には６０〜０．０５Ｈｚという広い周波数領域で繰り返すことができる。

本発明の好ましい実施形態が、添付の図面を参照して例としてのみの方法によって記載される。

図１を参照すると、１対の典型的な膜濾過モジュール５が示されている。それぞれのモジュール５は、上部ヘッダ７と下部ヘッダ８との間に延在している複数の中空繊維膜６を含んでいる。濾過液は、繊維膜６の出口１１に接続された収集チャンバ１０の中に開口している開口端９を通じて上部ヘッダ７から引き出される。下部ヘッダ８は、入り口パイプ１４に接続されたチャンバ１３に接続された複数の開口部１２を有している。それぞれのパイプ１４は、回転バルブ１７のそれぞれの出口部１５及び１６に接続されている。バルブ１７は、通常は（図示されない）空気ブロア又はポンプである、圧縮ガスの源に接続された入り口部１８を有している。

周期的なガス流れパターンに対する、膜のこすり洗浄に使用されるガスのガス流量の連続的な変化に対する理想的なガス流れパターンが図２に示されている。

図３は回転バルブ１７をより詳細に示している。バルブ１７はバルブハウジング１９を備え、バルブハウジング１９は、バルブハウジング１９の中に回転可能に取り付けられ、モータ２１によって駆動される回転分配器２０を有している。ハウジング１９は、この実施形態においては中央に配置された入り口部１８と２つの出口部１５及び１６とを有しているが、多数のポートを異なる用途に合うように変化させることが可能であることは理解できるであろう。

運転の際には、ガスは回転バルブ１７の入り口部１８へ供給される。分配器２０は、ハウジング１９の中で連続的に回転し、１つのモジュール５の入り口パイプ１４への１つの出口部をゆっくりと開けて最大流量まで増加させ、次いでゆっくりと流れを制限し、ついには、流れ経路が次のモジュール５に対して全開に達するのと同時に前記出口部を閉じる。いずれの数のモジュールをも使用することができ、適切な数の出口部をバルブハウジング１９の中に設けることができることが理解できるであろう。ガス流れの周期は、分配器２０の回転速度を変えることによって容易に調節することができる。

入り口部１４へ供給されるガスは、開口部１２を通じて導入され、通常の方法で膜をこすり洗浄する。

図４は、図３の回転バルブによって生じるガスの流量のグラフを示している。パターンの中の小さなプラトーがシリンダの微小な漏れによって生じ、この漏れが最小化されるときにパターンは理想的な流量に近似する。

図５は、連続的な流量用のバルブの代替的な実施形態を示している。この実施形態においては、ピストン２５は筒状のバルブ本体２６に滑動可能に取り付けられており、筒状のバルブ本体２６は、両端部に出口部２７及び２８を有するとともに、バルブ本体２６の壁部に入り口部又は開口部２９を有している。通常、バルブ本体２６は円筒状の形状であるが、他の断面形状を使用することもできる。

使用に際して、ピストン２５はバルブ本体２６の中を往復運動し、入り口部２９を出口部２７及び２８に対してそれぞれ交互に全開している。ピストンの動きの範囲は、ポート２９がポート２７へ全開している場合にポート２８へは完全に閉じ、ポート２９がポート２８へ全開している場合にポート２７へは完全に閉じる用に構成されている。ピストン２５がその限界の間で動くにつれて、一方の出口ポートへのガス流は徐々に増加し、他方の出口ポートへのガス流は対応して減少する。

図６は、図５のバルブ装置によって生じた連続的に変化するガスの流量のパターンを図示している。

図７は、こすり洗浄処理に対する連続的に変化するガスの流量の効果を示している。グラフの第１の部分は、膜に対し連続的に変化するガスの流量での膜間圧力（ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ＴＭＰ）における変化を示しており、第２の部分は、周期的なガスの流量でのＴＭＰの変化を示している。より効果的なこすり洗浄は、長期間に亘ってより安定なＴＭＰを生じるので、このグラフから、連続的に変化するガスの流量が、周期的な流量のこすり洗浄よりも効果的なこすり洗浄と、長期間に亘る安定したＴＭＰを生じることは明らかである。

本発明の実施形態による方法及びシステムによって典型的に提供することのできる利点は、以下のとおりである。
１． ガス流れは、低い、若しくはゼロの点では、非常に短い時間しかない。これは濾過システム内のスラッジの逆流の可能性を最小化する。
２． また、ガスの本質的に連続的な流れは、洗浄／こすり洗浄のサイクル期間を従来の“交互の”方法より拡大することができるということを意味している。これによって、非常に長い間、ガス流れが低い状態若しくはガス流れが無い状態にあることは無いので、スラッジが沈積し、無酸素状態が生じる可能性がほとんど無い、ということを達成することができる。
３． 処理は、ブロアの可変速式駆動装置の使用及び周期的な流れ形状のプログラミングによって使用することができ、この場合には、繰り返しのためにバルブが必要とされることが無いので、バルブに関する問題は生じない。又は代替的に、繰り返しを制御するために既存のバルブが使用される場合には、処理が可能である期間が長いということはバルブの消耗が少ないということを意味している。
４． また、処理は、好ましい実施形態で記載した回転バルブを使用することによって使用することができる。この実施形態においては、ブロアは本質的には一定の速度で運転され、バルブは連続的に回転する。バルブには突然の開閉作動は無く、１つのバルブしか必要とされない。
５． また、上述の回転バルブの使用は、バルブの回転速度を上げることによって、より短い周期を得ることを可能にする。
６． ガスの必要量が５０％まで削減される。

本発明の更なる実施形態及び裁量の形態が、本発明の精神及び技術的範囲から逸脱することなく可能であることは理解されるであろう。

本発明による濾過システムの１つの実施形態の図である。 気流の繰り返し変化に対する連続的変化の、時間に対する空気流量のグラフである。 本発明に採用することができる回転バルブの斜視破断図である。 理想的な連続的流量パターンに対する図３に示した回転バルブの時間に対する空気流量のグラフである。 空気流量の連続的変化を生じさせるために使用することができる別のタイプのバルブの断面図である。 図５に示したタイプのバルブに対する空気流量の時間に対するグラフである。 第１に連続的な空気流量変化によるこすり洗浄を有し、第２に周期的な流量を有する濾過モジュールの、時間に対する膜間圧力（ＴＭＰ）のグラフである。

符号の説明

５・・・モジュール
６・・・膜
１５、１６、２７、２８・・・出口部
１７・・・バルブ装置（可動式バルブ部材）
１８、２９・・・入り口部
１９・・・ハウジング
２０・・・回転式分配器
２１・・・モータ（駆動装置）
２５・・・ピストン

Claims (31)

1. 膜を洗浄する、又はこすり洗浄するためにガスが使用されるタイプの膜濾過システムにおける膜汚れを制御する方法であって、この方法が、ガスを連続的に変化する流速で前記システムへ供給し、
   前記膜濾過システムが多数の膜モジュールを含み、流れ制御装置が、関連するモジュールに接続された別々の出口部を有し、流量が１つのモジュール又は複数のモジュールに対して増加するときに、別の１つのモジュール又は複数のモジュールに対する流量は減少することを特徴とする方法。
2. 前記システムは複数のモジュールを含み、それぞれの前記モジュールへのガスの供給は連続的に変化する流速を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記連続的に変化するガスの流速は、早い流れから遅い流れまでに及ぶことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 遅い流れは、流量がゼロであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記ガス流の流速パターンは、正弦波状の連続的に変化する曲線に従うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記ガス流の流速のパターンは、三角波状の連続的に変化する曲線に従うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. １つ以上の膜と、膜の表面をこすり洗浄する泡を形成するためのガス流れを提供するガス源とを含む膜濾過システムであって、前記ガス源は、前記ガス流れを連続的に変化する流速で提供し、
   前記ガス源が、流れ制御装置を介して前記濾過システムに取り付けられ、前記流れ制御装置は流量を連続的に変化させ、
   前記膜濾過システムが多数の膜モジュールを含み、前記流れ制御装置が、関連するモジュールに接続された別々の出口部を有し、流量が１つのモジュール又は複数のモジュールに対して増加するときに、別の１つのモジュール又は複数のモジュールに対する流量は減少することを特徴とする膜濾過システム。
8. 前記ガス源からの前記ガスの流量は、連続的に変化することを特徴とする請求項７に記載の膜濾過システム。
9. 前記ガス源は、速度可変のブロアであることを特徴とする請求項８に記載の膜濾過システム。
10. 前記ガス源は、流れ制御装置を介して前記濾過システムに取り付けられ、前記流れ制御装置は流量を連続的に変化させることを特徴とする請求項７に記載の膜濾過システム。
11. 前記膜濾過システムは多数の膜モジュールを含み、前記流れ制御装置は、関連するモジュールに接続された別々の出口部を有し、流量が１つのモジュール又は複数のモジュールに対して増加するときに、別の１つのモジュール又は複数のモジュールに対する流量は減少することを特徴とする請求項１０に記載の膜濾過システム。
12. 前記膜濾過システムは、複数のモジュールのセットを含み、それぞれのモジュールのセットへのガス流れは、連続的に変化する流速を有していることを特徴とする請求項１０に記載の膜濾過システム。
13. 前記膜濾過システムは複数の供給液含有容器を含み、それぞれの供給液含有容器は、中に配置されたそれぞれのモジュールのセットを有することを特徴とする請求項１２に記載の膜濾過システム。
14. 前記流れ制御装置は、１つの入り口部及び１つ以上の出口部を有するハウジングと、前記入り口部から前記１つ以上の出口部へ連続的に変化する流れを提供するための可動式バルブ部材とを有していることを特徴とする請求項１０に記載の膜濾過システム。
15. 前記可動式バルブ部材は、前記ハウジングの中に配置された回転式分配器であり、前記入り口部から前記１つ以上の出口部への流れを制御することを特徴とする請求項１４に記載の膜濾過システム。
16. 前記出口部は前記回転式分配器に対して配置され、前記出口部のうちの１つは、他の前記出口部が完全に閉じられたときに、全開であることを特徴とする請求項１５に記載の膜濾過システム。
17. 前記可動式バルブ部材は、前記ハウジング内に配置された往復式分配器であり、前記入り口部から前記１つ以上の出口部への流れを制御することを特徴とする請求項１４に記載の膜濾過システム。
18. 前記出口部は、前記往復式分配器に対して配置され、前記出口部のうちの１つは、他の前記出口部が完全に閉じられたときに、全開であることを特徴とする請求項１７に記載の膜濾過システム。
19. 前記往復式分配器は、前記ハウジングに滑動可能に取り付けられたピストンを含み、前記ハウジングは筒状であり、前記出口部は両端部に配置され、前記入り口部は、前記ハウジングの壁部の前記両端部の中間に配置されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の膜濾過システム。
20. 前記ピストンは、前記ピストンがその限界の間で動くときに、前記入り口部から前記出口部のうちの１つへの流れが増加し、他の前記出口部への流れが減少するように配置されていることを特徴とする請求項１９に記載の膜濾過システム。
21. 前記可動式バルブ部材は、駆動装置によって連続的に駆動されていることを特徴とする請求項１４に記載の膜濾過システム。
22. 前記ハウジングは、複数の入り口部を有することを特徴とする請求項１４に記載の膜濾過システム。
23. 膜濾過システムにおける通気ガスの流量の制御に使用するための流れ制御装置であって、前記流れ制御装置は、１つの入り口部及び１つ以上の出口部を有するハウジングと、前記入り口部から前記１つ以上の出口部へ連続的に変化する流れを提供するための可動式バルブ部材とを含み、
    前記膜濾過システムが多数の膜モジュールを含み、前記流れ制御装置が、関連するモジュールに接続された別々の出口部を有し、流量が１つのモジュール又は複数のモジュールに対して増加するときに、別の１つのモジュール又は複数のモジュールに対する流量は減少することを特徴とする流れ制御装置。
24. 前記可動式バルブ部材は、前記ハウジング内に配置された回転式分配器であり、前記入り口部から前記１つ以上の出口部への流れを制御していることを特徴とする請求項２３に記載の流れ制御装置。
25. 前記出口部は前記回転式分配器に対して配置され、前記出口部のうちの１つは、他の前記出口部が完全に閉じられたときに、全開であることを特徴とする請求項２４に記載の流れ制御装置。
26. 前記可動式バルブ部材は、前記ハウジング内に配置された往復式分配器であり、前記入り口部から前記１つ以上の出口部への流れを制御していることを特徴とする請求項２３に記載の流れ制御装置。
27. 前記出口部は前記回転式分配器に対して配置され、前記出口部のうちの１つは、他の前記出口部が完全に閉じられたときに、全開であることを特徴とする請求項２６に記載の流れ制御装置。
28. 前記往復式分配器は、前記ハウジングに滑動可能に取り付けられたピストンを含み、前記ハウジングは筒状であり、前記出口部は両端部に配置され、前記入り口部は、前記ハウジングの壁部の前記両端部の中間に配置されていることを特徴とする請求項２６又は２７に記載の流れ制御装置。
29. 前記ピストンは、前記ピストンがその限界の間で動くときに、前記入り口部から前記出口部のうちの１つへの流れが増加し、他の前記出口部への流れが減少するように配置されていることを特徴とする請求項２８に記載の流れ制御装置。
30. 前記可動式バルブ部材は、駆動装置によって連続的に駆動されていることを特徴とする請求項２３に記載の流れ制御装置。
31. 前記ハウジングは、複数の入り口部を有することを特徴とする請求項２３に記載の流れ制御装置。

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