发明内容
因此,为了解决上述现有技术的问题点,本发明的目的在于提供一种能够有效地得到膜面清洗效果的平膜过滤装置及平膜过滤方法。
本发明的平膜过滤装置中,浸渍有由壳体包围在被处理水的处理槽内并列配置的多个平膜的侧面而成的膜模块,使多个平膜的膜间产生所述被处理水的向上流的同时进行固液分离,其特征在于,将载体添加到所述处理槽内,该载体通过所述向上流在所述处理槽内能够流动,且密度比水高。
本发明的平膜过滤装置的特征在于,具备:被处理水的处理槽;由壳体包围在所述处理槽内并列配置的多个平膜的侧面而成的膜模块;向所述平膜间的流路散气而产生所述被处理水的向上流的散气机构;通过所述向上流而能够在所述处理槽内流动且密度比水高的载体。
在该情况下,所述载体可以为多面体。
所述载体的一边的长度相对于所述平膜间的流路宽度的比可以为0.5以上至0.9以下。
所述膜模块可以沿所述处理槽内的垂直方向层叠配置成多层。
本发明的平膜过滤方法中,浸渍由壳体包围在被处理水的处理槽内并列配置的多个平膜的侧面而成的膜模块,使多个平膜的膜间产生所述被处理水的向上流的同时进行固液分离,其特征在于,将相对于所述被处理水而具有由所述向上流引起的速度差的载体添加到所述处理槽内,使所述载体在膜间流路分散的同时对所述被处理水进行固液分离。
【发明效果】
根据上述结构的本发明的平膜过滤装置及平膜过滤方法,由于使用相对于所述被处理水具有基于所述向上流产生的速度差的载体,因此该载体从由被处理水和气泡构成的气液二相流体受到阻力,从而难以伴随向上流的流动而进行移动。
具体而言,由于载体通过向上流在所述处理槽内能够流动,且密度比水高,因此容易从气液二相流体受到阻力,而以比向上流的流动慢的流动移动。另外,由于载体为多面体,因此容易从气液二相流体受到阻力,从而以比向上流的流动慢的流动移动。
因此,存在于壳体周边的载体难以向膜间流路的水平宽度方向的中央部移动,而以分散的状态大致均匀地存在。因此,在膜间流路的从具有散气机构的入口部到上部出口部移动的期间,能够沿横宽方向分散的同时进行上升移动。
这样,本发明的载体作为在膜间流路分散的同时进行移动的整流器而发挥功能,由此能够使在流路中央部产生流速快的部位的气液二相流速分布的平坦化。因此,相对于膜面产生基于速度差的剪切力,从而能够均等地清洗膜面整体,不需要像以往那样增加散气量来防止孔眼堵塞,能够以通常的散气量提高清洗效果。
另外,与在气泡的周围产生的紊乱诱发剪切力而有助于膜面清洗的情况同样,在密度比水高且多面体的载体的周围也产生由流体的涡流或剥离引起的紊乱,从而也产生上述的紊乱诱发的剪切力。因此,与以往的气液二相流的状态相比,产生剪切力的部位增加,与以往的平膜式的过滤装置相比,能够提高膜面清洗的效果。
另外,在将膜模块多层层叠配置在处理槽内的结构中,在下层的膜模块处沿膜间流路的水平宽度方向大致均匀化的载体也以维持原封不动的状态向上层的膜模块顺次供给。因此,以往在上层的膜模块处显著产生的流速分布差消失,能够将膜模块的整个范围的膜面均等地清洗。
具体实施方式
以下,参照附图,对本发明的平膜过滤装置及平膜过滤方法的实施方式详细地进行说明。
首先,开始对能够适用本发明的平膜过滤装置的处理系统的整体结构进行说明。图6是示意性表示本发明的平膜过滤装置的处理系统整体的图。如图所示,排水处理系统50将引入污水或工业排水等的原水配管52、引入排水的原水泵54、前处理槽56、安装平膜过滤装置的处理槽12、取出过滤水的过滤泵58作为主要的基本结构。
在前处理槽56中设置有用于除去原水中含有的大型的固形物或杂质的滤网装置。并且,在需要原水的生物处理的情况下,可以形成为适用生物反应处理槽的结构。由此,能够减轻后段的平膜过滤装置所进行的固液分离的负担。在这样的前处理槽56中除去了大型的固形物等的原水向安装了后段的平膜过滤装置的处理槽12导入。
图1是本发明的平膜过滤装置的结构简图。如图所示,本发明的平膜过滤装置10将充满污水或工业排水等被处理水的处理槽12、膜单元20、载体40作为主要的基本结构。
膜单元20由膜模块24和散气机构30构成。膜模块24由多个作为平膜的膜元件22构成。膜元件22为平板状的过滤膜。多张膜元件22以膜面相互平行的方式隔开规定的间隔并列配置,构成侧面由壳体26包围的膜模块24。膜模块24使上表面及表面开口,而形成使被处理水沿垂直方向通过膜元件22的膜间的流路。在该膜模块24上组合后述的散气机构30、过滤泵58、配管28而形成膜单元20。膜模块24经由配管28与过滤泵58连接。通过驱动过滤泵58,将从膜元件22的膜表面过滤出的过滤水(处理水)通过配管28向外部排出。
散气机构30在处理槽12内产生气泡。散气机构30安装在作为俯视下包围壳体26的区域内的膜模块24的下方,使气泡在膜模块24的膜间流路内滞留浮起。由此,在被处理水与气泡的气液混相的状态的膜间流路内和被处理水的单相的状态的处理槽内即膜模块24的外侧之间产生密度差。在这样的膜间流路内产生作为向上的流动的向上流。散气机构30作为一例,可以适用沿着并列配置的膜元件22将多个散气管并列配置的结构。并且,散气机构30构成为,在散气管的下部设置散气孔,使其与散气泵(未图示)连接而任意调整散气空气量。
载体40添加在处理槽12内的被处理水中,相对于被处理水具有基于向上流引起的速度差。
具体而言,本实施方式的载体设定成通过向上流在处理槽内能够流动,且密度比水高。若载体的密度比水高,则在膜间流路移动的被处理水中,载体以比被处理水慢的流动移动。因此,沿膜间流路的宽度方向均匀地导入的载体起到如下作用,即在向上流的流动中被处理水要向中央部移动时,速度的差成为阻力而抑制被处理水的中央部的移动。因此,载体以维持膜间流路的导入时的均匀分散的状态进行移动。从而能够使气液二相流速分布平坦化而均等地清洗膜元件的膜面。
需要说明的是,作为本实施方式的载体的材质,优选使用对膜元件的膜面不产生损伤的材质。作为这样的载体的一例,可以适用含水率高的高分子凝胶材料、橡胶树脂等。此外,还可以适用聚氨酯泡沫那样的多孔性材料,该聚氨酯泡沫为在被处理水中通过吸收水而与水密度接近且密度高那样的空隙率高的原料。
另外,本实施方式的载体以成为多面体的方式形成。载体作为一例而形成为立方体。作为立方形状的载体,能够容易进行加工。这样的立方形状的载体与球形状相比具备约2倍的阻力系数。形成为多面体的载体在膜间流路中移动的被处理水中容易通过角部妨碍被处理水的流动,而以比被处理水慢的流动移动。因此,沿膜间流路的宽度方向均匀地导入的载体起到如下作用,即在向上流的流动中被处理水要向中央部移动时,多面体的形状成为阻力而抑制被处理水的移动。因此,载体以维持膜间流路的导入时的均匀分散的状态移动。从而能够使气液二相流速分布平坦化而均等地清洗膜元件的膜面。
载体的密度基本上比水高,实用上优选比2.5g/cm3低。在实用方面,膜间流路的平均流速为0.1m/s至0.4m/s左右。若在3mm见方的载体的密度超过2.5g/cm3的情况下,则可预想到终端下降速度成为0.2m/s以上而流动状态变差。在流速低的区域,载体在膜间流路中不上升移动,而滞留在膜分离槽内的底部等停滞部,从而变得难以得到本发明的效果。因此,优选载体的密度比1g/cm3高且为2.5g/cm3以下。
需要说明的是,载体40除了在处理槽12内添加到被处理水中之外,还可以为预先添加到被处理水中,而导入到处理槽12内的结构。
另外,本发明的载体设定为维持处理槽内的被处理水的几十%的体积填充率。在平膜分离装置的运转中,因过滤水的取出而处理槽内的原水固形物浓度变高。因此,通过定期地挑出固形物污泥而能够调整原水固形物浓度。通过该挑出工序也将处理槽内的载体挑出。为了维持上述的体积填充率,在固形物污泥的挑出的同时添加规定量的载体。
接着,利用图2~图5,对载体40的形状的条件进行更详细地说明。图2是膜间流路宽度与膜元件的水平方向的长度的参数的说明图。图3是在混相流体中上升移动的载体的说明图。
如图2所示,膜元件22的水平方向的宽度为L,膜元件22间的距离(流路宽度)为W。通常的平膜过滤装置中,流路宽度W相对于宽度L充分小,作为一例设定为几mm至十几mm的范围。
接着,如图3所示,对于水平截面方向的流路宽度W×W的范围的长方体而言,假定为在水平方向上仅存在一个载体,在垂直方向上分布存在多个载体。
并且,假设这样的W×W的流路沿宽度L的水平方向相连而构成膜间流路,以下对载体的物质收支和运动量收支进行研究。
首先,载体的直径为d,利用与其同体积球的直径的等价直径de可以由数学式1表示。
【数学式1】
在此,如上所述,载体假定为在水平截面方向的流路宽度W×W的范围内调整成恒定量(恒定添加率)。并且,液体也假定为在该流路内以恒定流量流动。并且,从散气机构生成的气泡也假定为以恒定流量散气。
这样,在流路内部不存在上述载体、液体及气体的吸入或涌出,因此可以认为物质量被保存。
在此,对于液体与气体的二相流体相而言,当该混相流体(称为液相与气相的混合流体。)的流速为uF,且载体的速度为uP时,利用载体的空隙率(截面积比率)αP,而物质收支的关系式可以由数学式2表示。
【数学式2】
J=αP·uP+(1-αP)·uF
需要说明的是,J为载体与混相流体整体的体积通量(等价速度),如上所述,由于以恒定流量提供,因此J为恒定值。
接着,考虑运动量的收支、即载体的重力和从流体受到的阻力的均衡。当载体的体积为Vol,截面积为A(由等价直径de表示的面积,为该直径的圆面积。),混相流的密度为ρL,载体与混相流体的密度差为Δρ,并且载体的阻力系数由CD表示时,均衡的式子可以如数学式3那样表示。
【数学式3】
需要说明的是,本来重力加速度g为矢量,速度也为矢量,但在本实施方式中,由于仅考虑一维的上升运动,因此上述的物理量仅由铅垂分量表示。
另外,由于载体的密度比混相流密度高,因此数学式3的右边的速度的平方项表现为正值,且重力加速度g也作为绝对值(正值)进行处理。
接着,结合数学式2和数学式3而对式子进行变形,从而载体的速度uP可以如数学式4那样表示。
【数学式4】
在此,载体的阻力系数CD为Re数(雷诺数)的函数,但混相流体与载体的密度差小。
因此,流速差也小,从而Re数不大,阻力系数CD可以由与Re数成反比例的式子表示。这是由于能够假定为层流的缘故。
Re数可以由数学式5表示,阻力系数CD可以由数学式6表示。
【数学式5】
【数学式6】
需要说明的是,ν表示混相流体的动粘性,系数K取45左右的值。
接着,当使用数学式1、数学式2、数学式4、数学式5及数学式6时,可以如数学式7那样表示。
【数学式7】
在此,载体的空隙率(截面积比率)αP根据其定义可以如数学式8那样表示。
【数学式8】
因此,数学式7利用数学式8可以如数学式9那样表示。
【数学式9】
得到的数学式9表示载体与混相流体的速度之差。该速度差越大,载体作用的阻力越高,如上所述,由涡流、剥离等诱发的剪切力变高。
另外,如上所述,由于载体难以伴随混相流体而运动,因此对于混相流体的流速向膜间流路的水平宽度方向的中心部集中的倾向进行抵抗的运动。因此,本实施方式的载体沿该宽度方向分散而作为混相流体的整流器来发挥作用,从而能够提高上述的效果。
在此,在数学式9中,该流速差极大化可以认为若数学式9的右边的次式(数学式10)最小化,则上述的效果极大化。
【数学式10】
该数学式10相当于比速度差。对于该尺寸比(载体的等价直径de与流路宽度W之比),能够如图4那样进行图表化。图4是表示比流速差与尺寸比的关系的图表。该图纵轴表示比流速差,横轴表示尺寸比(载体的一边的长度相对于流路宽度的比)。
在此,该比流速差通过对数学式10进行微分,而在下面尺寸比中极大化。
【数学式11】
如图4所示,比流速差与尺寸比(载体/流路宽度)的关系表示为向下凸出的抛物线状,如数学式11所示,当尺寸比约为0.71时,比流速差最大。载体从流体受到的阻力最大,另一方面,根据作用反作用的法则,载体对流体做的功也最大,且载体附近的流体的紊乱的效果也最大。因此,涡流或紊乱的诱发最大化,膜面清洗所需的流体的剪切力也能够最大化。
接着,研究相对于膜间流路的宽度而赋予载体的适当的尺寸的尺寸比。在载体的直径尺寸比膜间流路的宽度的一半小的情况下,在膜间能够同时通过两个以上的载体。此时,因多面体形状的载体的朝向,可能至少两个载体架桥而闭塞并停留在膜间流路内。因此,作为载体的尺寸比的下限值,优选为0.5以上。该尺寸比为0.5时的比流速差为-0.19。如图4所示,比流速差与尺寸比的关系表示为以尺寸比0.71为最低点的向下凸出的抛物线状,在尺寸比为0.5以上至0.71的范围内,比流速差变大。另一方面,在尺寸比超过0.71,进而超过0.9时,比流速差的绝对值比尺寸比为0.5时的比流速差(-0.19)的绝对值小,难以得到基于流速差的紊乱的效果。因此,作为尺寸比的上限值,优选为0.9以下。
通过以上,尺寸比的范围能够如数学式12那样表示。
【数学式12】
需要说明的是,对于载体的直径d而言,根据数学式1,认为数学式13的范围是有效的。
【数学式13】
接着,以下,对使用了上述结构的平膜过滤装置的平膜过滤方法进行说明。
向处理槽12内导入污水及工业排水等被处理水。需要说明的是,被处理水可以预先在前处理槽56中进行除去大型的夹杂物的前处理。
载体预先添加到被处理水中而被导入被处理水。另外,也可以在处理槽内的被处理水中添加载体。
在处理槽12内,通过安装在膜模块24的下方的散气机构30进行散气。
图5是膜间流路的向上流的说明图。如图所示,从膜模块24的下方向膜间流路导入的被处理水与载体一起在散气的向上流的作用下在膜间上升。本实施方式的载体通过向上流在处理槽12内能够流动,密度比水高,并且为多面体,因此容易从被处理水和气泡的气液二相流体受到阻力,而以比向上流的流动慢的流动移动。因此,存在于壳体周边的载体难以向膜间流路的水平宽度方向的中央部移动,而以分散的状态大致均匀地存在。从而在膜间流路的具有散气机构的入口部到上部出口部移动的期间,能够沿横宽方向分散的同时进行上升移动。
载体作为在膜间流路分散的同时进行移动的整流器而发挥功能,由此能够使在流路中央部产生流速快的部位的气液二相流速分布平坦化。因此,相对于膜面产生基于速度差的剪切力,从而能够均等地清洗膜面整体,且能够以通常的散气量提高清洗效果。
另外,与在气泡的周围产生的紊乱诱发剪切力而有助于膜面清洗的情况同样,在密度比水高且多面体的载体的周围也产生由流体的涡流或剥离引起的紊乱,从而也产生上述的紊乱诱发的剪切力。因此,产生剪切力的部位增加,与以往的平膜式的过滤装置相比,能够提高膜面清洗的效果。
在浸渍配置于处理槽12内的膜单元20中,通过使过滤泵58可动,将固液分离后的过滤水(处理水)通过膜元件22的膜面并经由配管而向外部排出。
图7是本发明的平膜过滤装置的变形例的说明图。图8是变形例的平膜过滤装置的向上流的说明图。如图所示,变形例的平膜过滤装置100中,将多个膜模块24a、24b、24c沿处理槽内的上下方向层叠成多层。其他的结构为与图1所示的装置同样的结构,标注同一符号并省略详细的说明。如图8所示,在这样的变形例的平膜过滤装置100中,在下层的膜模块24c处沿膜间流路的水平宽度方向大致均匀化的载体也以维持原封不动的状态向上层的膜模块24b、24a顺次供给。因此,以往在最上层的膜模块24a处显著产生的流速分布差消失,能够将膜模块24a、24b、24c的整个范围的膜面均等地清洗。
【工业实用性】
本发明的平膜过滤装置及平膜过滤方法除了膜分离活性污泥装置外,在进行使用了平膜元件的固液分离的各种膜处理领域中也被广泛适用。