JP2006239642A - 中空糸膜モジュールおよびそれを用いた浸漬型濾過装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜モジュールを上下方向に多段に配置し、中空糸膜洗浄用エアの利用効率を向上させてランニングコストを低減できる浸漬型濾過装置を提供する。
【解決手段】中空糸膜モジュールのエア供給部の横断面積をＳとすると、少なくとも最上段以外の中空糸膜モジュールは、エア供給部の中央部の０．５Ｓにあたる領域にのみ貫通孔を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は中空糸膜モジュールおよびそれを用いた浸漬型濾過装置の運転方法に関し、さらに詳しくは、中空糸膜洗浄用のエアの使用効率を向上させて、ランニングコストを低減した浸漬型濾過装置の運転方法に関する。

一般に中空糸膜モジュールを用いる浸漬型濾過装置は、処理水槽内に中空糸膜モジュールを配置して懸濁物質を含む原水を吸引濾過し透過水を得る。

ここで、単位敷地面積あたりの造水量を増やすには、水槽内に中空糸膜モジュールを高密充填できるように配置することが好ましいが、特許文献１に開示されているように、水槽の深さに合わせて中空糸膜モジュールを多段に配置できる構成になっていれば好都合である。

さらに、特許文献１に開示しているように、下段の中空糸膜モジュールに供給された中空糸膜洗浄用エアを回収し、上段の中空糸膜モジュールに再供給できれば、エア供給量が減少してランニングコストが削減できるという効果がある。

しかしながら、例えば特許文献１に開示しているように上段の中空糸膜モジュールの下部にフード状のエア導入筒を設ける場合、下段の中空糸膜モジュールに供給したエアのほとんどすべてを回収するためには図７に示すようにエア導入筒６の直径（Ｄ）を大きくする必要があった。これは、下段の中空糸膜モジュール１０に供給したエアはすべて中空糸膜間を上方に移動するものではなく、図７の矢印Ｃで示すように中空糸膜束の外周部付近を移動するエアの一部は下段の中空糸膜モジュール１０の上部に達する前に中空糸膜モジュールの系外に流出して散逸していくからである。特に、中空糸膜モジュールの比較的下方の位置から系外に流出したエアは上方に移動していくにつれて、中空糸膜モジュールからどんどん遠ざかっていく可能性がある。

その結果、下段の中空糸膜モジュール１０に供給したエアのほとんどすべてを回収するためには前記エア導入筒６を大きくする必要が生じ、隣り合う中空糸膜モジュールどうしの距離が大きくなって、処理水槽内に中空糸膜モジュールを高密度充填できなくなり、前述の中空糸膜モジュールを多段に配置して高密度に充填できるというメリットがなくなってしまう。

また、中空糸膜モジュールの上部に達する前に中空糸膜モジュールの系外に流出するエアは、中空糸膜の洗浄に寄与していないため、エアの使用効率が悪いという問題もある。
特開２００４−２９０７３５号公報

本発明の目的は、上述した従来の問題を解消し、中空糸膜洗浄用エアの使用効率を向上させると同時に、隣り合う中空糸膜モジュールどうしの距離を小さく保って上下方向に多段に配置した状態でも、下段の中空糸膜モジュールに供給された中空糸膜洗浄用エアを回収し、上段の中空糸膜モジュールに再供給できる浸漬型濾過装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成する本発明の中空糸膜モジュールは、下記の構成を特徴とするものである。

（１）複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束、該中空糸膜束の両端部を接着収束させた樹脂板、該樹脂板のうちの一方の樹脂板に設けられたエア供給部、および該エア供給部に設けられたエア導入筒を有してなる中空糸膜モジュールであって、前記エア供給部側の樹脂板には貫通孔が設置され、かつ、前記エア供給部の横断面積をＳとした際に前記エア供給部の中央部の０．５Ｓにあたる領域にのみ前記貫通孔が設置されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。

（２）懸濁物質を含む水を濾過処理する処理水槽内に中空糸膜モジュールが上下方向に少なくとも２段以上配置され、少なくとも最上段以外の中空糸膜モジュールが上記（１）に記載の中空糸膜モジュールからなる浸漬型濾過装置の運転方法であって、中空糸膜モジュールの下段で使用した中空糸膜洗浄用エアを中空糸膜モジュール上段で再利用することを特徴とする浸漬型濾過装置の運転方法。

本発明によれば、中空糸膜洗浄用エアの使用効率が向上し、中空糸膜モジュールを多段に配置する浸漬型濾過装置においても中空糸膜モジュールを高密度充填した状態で下段の中空糸膜モジュールに供給された中空糸膜洗浄用エアを回収し、上段の中空糸膜モジュールに再供給できるため、単位敷地面積あたりの造水量の増加とエア供給量減少によるランニングコストの削減の両者を同時に達成できる。

本発明の最良の実施形態を、上水の浸漬型濾過装置として適用される場合を例にとって、図面を参照しながら以下に説明する。図１は本発明に係る浸漬型濾過装置を構成する中空糸膜モジュール１の概略断面図である。この中空糸膜モジュールは、数百本〜数万本の中空糸膜が束ねられ一定長に揃えられた中空糸膜束２が、筒状ケース３内に収容され、両端部が樹脂板４ａ、４ｂで接着集束されて筒状ケースに固定されていることが好ましい。そして、接着集束部間の樹脂板４ａ、４ｂによって接着集束されていない部分が濾過領域部となる。ここで、筒状ケース３は例えば網状になっていて、通水可能な状態にあることが好ましい。これは、筒状ケース３の全面から処理水槽内の原水を中空糸膜モジュール１内に取り込めることで、吸引濾過の抵抗を大幅に小さくできることが１つの理由である。また、中空糸膜洗浄時においては逆に、中空糸膜表面に付着した懸濁物質を、通水可能な筒状ケース３の全面を通じて中空糸膜モジュール１の外部に排出できるため、懸濁物質の排出効率が向上する。

中空糸膜束２を構成する中空糸膜の素材は特に限定されず、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレンなどや、これらの複合素材を例示することができる。

中空糸膜は、外径が０．３〜３ｍｍの範囲であることが好ましい。これは、中空糸膜の外径が小さすぎると、中空糸膜モジュールを製作する際の中空糸膜取り扱い時や、中空糸膜モジュールを使用する際の濾過、洗浄時などに中空糸膜が折れて損傷するなどの問題があり、逆に外径が大きすぎると同じサイズの筒状ケース内に挿入できる中空糸膜の本数が減って濾過面積が減少するなどの問題があるからである。また、中空糸膜は、膜厚が０．１〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。これは、膜厚が小さすぎると、圧力で膜が折れるなどの問題があり、逆に膜厚が大きいと圧損や原料代の増加につながるなどの問題がある。

中空糸膜は、集水キャップ５側では、樹脂板４ａによって中空糸膜相互間のみが接着集束されており、中空糸膜の端面は開口された状態となっている。一方、エア導入筒６側では、樹脂板４ｂが中空糸膜の内部にまで浸入し、中空糸膜の相互間が接着集束されるとともに中空糸膜の端面も封止されている。また、エア導入筒６側では、接着固化した樹脂板４ｂに、中空糸膜モジュールの軸方向に貫通した複数個の貫通孔８が設けられている。貫通孔８の横断面形状は円形、楕円形や多角形など任意でかまわない。

中空糸膜束を接着集束する樹脂板４ａ、４ｂについては、汎用品で安価であり、水質にも影響を与えないエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂などの高分子材料を用いることが好ましい。

次に、両端の樹脂板４ａ、４ｂ部分にはそれぞれ集水キャップ５とエア導入筒６が装着されており、集水キャップ５には、濾過水出口７が設けられている。

筒状ケース３、集水キャップ５、エア導入筒６の材質としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィンや、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン（ＥＴＦＥ）、三フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・三フッ化塩化エチレン（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂、そしてポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素樹脂、さらにポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリルスルホン樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリル-スチレン共重合体樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などが単独または混合して用いられる。また、樹脂以外ではアルミニウム、ステンレス鋼などが好ましく、さらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料を使用してもかまわない。また、筒状ケース３、集水キャップ５、エア導入筒６は同一の材質でもそれぞれ異なる材質でもかまわない。

ここで、本発明における中空糸膜モジュールの形態を図２に示す。図２は図１のＡ矢視図を表す模式図である。図２においてエア供給部１５である樹脂板４ｂ部分の横断面積をＳ（貫通孔の横断面積も含む）とすると、中空糸膜洗浄用エアを供給する貫通孔８は樹脂板４ｂ部分の中央部付近の０．５Ｓの領域（一点鎖線で囲んだ領域）にのみ設けることが必要である。ここで、Ｓの領域と０．５Ｓの領域の形状は互いに実質的に相似形である。ここで、実質的に相似であるとは、領域Ｓの境界と領域０．５Ｓの境界において、対応する任意の２点間の距離（Ｌ_Ｓ，Ｌ_０．５Ｓ）の比（Ｌ_Ｓ／Ｌ_０．５Ｓ）の最大値（η_ＭＡＸ＝（Ｌ_Ｓ／Ｌ_０．５Ｓ）_ＭＡＸ）と最小値（η_ＭＩＮ＝（Ｌ_Ｓ／Ｌ_０．５Ｓ）_ＭＩＮ）の比（η_ＭＩＮ／η_ＭＡＸ）が０．９以上である場合を指す。

前述の従来技術では、貫通孔８から供給した中空糸膜洗浄用エアのうち、中空糸膜束２の外周部付近を移動するエアの一部は中空糸膜モジュールの上部に達する前に中空糸膜モジュールの系外に流出したためエアの利用効率が悪い。しかし、本発明の中空糸膜モジュール１においては、貫通孔８から供給されるエアは中空糸膜束２の中心部付近に集中しているため、供給されたエアは樹脂板４ａに達するまで、通水可能な通常ケース３から流出することなく、中空糸膜束２の中を移動し、樹脂板４ａに達して初めて通水可能な筒状ケース３を通じて流出するため、エアの使用効率が大幅に向上するのである。

次に、中空糸膜モジュールを上下方向に２段に配置して浸漬型濾過装置としたときの原水の処理方法の一例を、図３を用いて説明する。

まず、中空糸膜モジュールを水槽（図示しない）内に浸漬させる。ここで、少なくとも下段の中空糸膜モジュール１０の貫通孔８の配置は、前述の図２の形態をとるとよい。水槽には懸濁物質を含む原水が入れられており、中空糸膜モジュールの濾過水出口７側からポンプなどで吸引して、懸濁物質を含む原水を通水可能な筒状ケース３外部から中空糸膜モジュール内に取り込み、中空糸膜束２を用いて濾過した後、濾過水出口７から図示しない集水管に送る。このとき、原水中の懸濁物質は中空糸膜の表面に付着する。また、原水を吸引して濾過水を水槽外に取り出すと水槽の水位が低下するため、必要に応じて水槽内に原水を供給する。これらの一定時間の濾過工程が終了すると、今度は濾過水または圧縮性気体を濾過水出口７側から原水側へ流す逆洗や、下段の中空糸膜モジュール１０の下方に設置した散気管（図示しない）から、下段の中空糸膜モジュール１０下部の貫通孔８を通じて、圧縮性気体をモジュール内に供給し、モジュール内に蓄積した懸濁物質を系外に排出するエアスクラビングを行う。さらに詳細に述べると、まず逆洗では、濾過水または圧縮性気体が中空糸膜の内部から外部に向かって流れるため、中空糸膜の表面に付着していた懸濁物質が中空糸膜の表面から剥離する。そして次のエアスクラビングにおいて、下段の中空糸膜モジュール１０に供給されたエアによって下段の中空糸膜モジュール１０内部の微小な懸濁物質は通水可能な筒状ケース３を通って系外に排出される。そして、本発明によれば、下段の中空糸膜モジュール１０で使用した洗浄用のエアは、次に上段の中空糸膜モジュール９のエア導入筒６で回収され、上段の中空糸膜モジュール９内部の微小な懸濁物質を通水可能な筒状ケース３を通じて系外に排出する。

排出された懸濁物質は水槽内を浮遊した後、ある程度時間が経つと水槽の底面方向へと落下していく。一方、中空糸膜モジュール内に堆積して固化したような比較的質量の大きな懸濁物質はエアスクラビング後に貫通孔８を通って水槽の底面方向へと落下していく。そして、水槽内の原水は定期的に排水され、底面に堆積している懸濁物質は水槽外に放出される。

これらの工程を繰り返しながら長時間にわたり原水の処理を継続していく。

ここで、本発明によれば、下段の中空糸膜モジュール１０の貫通孔８が樹脂板４ｂの中央付近に設けられているため、前記エアスクラビングにおいて、貫通孔８から供給されたエアは中空糸膜束２の中を移動し、樹脂板４ａに達すると通水可能な筒状ケース３を通じて中空糸膜モジュール１０から流出するが、図３の矢印Ｂで示すように、流出して散逸する前に上段の中空糸膜モジュール９のエア導入筒６で回収されて、上段の中空糸膜モジュール９のエアスクラビングに用いられる。このように、エアが散逸する前に回収されるため、上段の中空糸膜モジュール９のエア導入筒６の直径は従来よりも大幅に小さくできる。その結果、隣り合う中空糸膜モジュールどうしの距離も小さくできるので、中空糸膜モジュールの高密度充填が可能となるのである。

上記の中空糸膜モジュールの横断面形状は円形であったが、楕円形や三角形、四角形、五角形などの多角形でもかまわない。また、例えば四角形の場合の貫通孔の配置を図４に示すが、この場合もエア供給部の横断面積をＳ（貫通孔の横断面積も含む）とするとエア供給部１５の中央部付近の０．５Ｓの領域（一点鎖線で囲んだ領域）に設けるとよい。このとき、前記の０．５Ｓの領域とは、図４に示したエア供給部の中心１６を起点にして、エア供給部１５の外形（実線部分）を回転させることなく、相似形に保った状態で断面積が０．５Ｓになるまで縮小した範囲（波線部分）であることが好ましい。

また、中空糸膜モジュールの設置方法は、図５に示すようにガイド１２を設けたモジュールラック１１に設置したり、図６に示すように中空糸膜モジュールの上部に取り付けたフック１３を、モジュールラック１１の各段の上部に設置したレール１４に挿入するなど例示できるが、他の方法をとってもかまわない。

さらに、上記の説明では、中空糸膜モジュールを上下方向に２段に配置したが、上下方向に３段や４段、さらにはそれ以上に配置してもかまわない。その場合も、最上段以外の中空糸膜モジュールの貫通孔の配置は前述と同様にエア供給部の中央部付近に設けることが好ましい。

またさらに、上記中空糸膜モジュール１は通水可能な筒状ケース３によって樹脂板４ａと樹脂板４ｂの距離を一定に保っている。これは、両者の距離が可変であると中空糸膜が伸ばされたり、曲げられたりして損傷する可能性があるからであるが、中空糸膜の強度が高い場合などは、筒状ケース３が無くてもかまわない。また、筒状ケース３の代わりに、棒状物などの両端を樹脂板４ａと樹脂板４ｂに接着して、樹脂板４ａと樹脂板４ｂの距離を一定に保ってもかまわない。

本発明の中空糸膜モジュールおよびそれを用いた浸漬型濾過装置は、上水用途に限らず、下水用途や産業用水用途などにも応用することができ、また、これらに限られるものではない。

本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す概略縦断面図である。 本発明に係る貫通孔の配置の一例を示す模式図である。 本発明に係る浸漬型濾過装置の一例を示す概略縦断面図である。 本発明に係る貫通孔の配置の一例を示す模式図である。 本発明に係る浸漬型濾過装置の一例を示す概略縦断面図である。 本発明に係る浸漬型濾過装置の一例を示す模式図である。 従来の浸漬型濾過装置を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１ 中空糸膜モジュール
２ 中空糸膜束
３ 筒状ケース
４ａ、４ｂ 樹脂板
５ 集水キャップ
６ エア導入筒
７ 濾過水出口
８ 貫通孔
９ 上段の中空糸膜モジュール
１０ 下段の中空糸膜モジュール
１１ モジュールラック
１２ ガイド
１３ フック
１４ レール
１５ エア供給部
１６ エア供給部の中心

Claims (2)

1. 複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束、該中空糸膜束の両端部を接着収束させた樹脂板、該樹脂板のうちの一方の樹脂板に設けられたエア供給部、および該エア供給部に設けられたエア導入筒を有してなる中空糸膜モジュールであって、前記エア供給部側の樹脂板には貫通孔が設置され、かつ、前記エア供給部の横断面積をＳとした際に前記エア供給部の中央部の０．５Ｓにあたる領域にのみ前記貫通孔が設置されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 懸濁物質を含む水を濾過処理する処理水槽内に中空糸膜モジュールが上下方向に少なくとも２段以上配置され、少なくとも最上段以外の中空糸膜モジュールが請求項１に記載の中空糸膜モジュールからなる浸漬型濾過装置の運転方法であって、中空糸膜モジュールの下段で使用した中空糸膜洗浄用エアを中空糸膜モジュール上段で再利用することを特徴とする浸漬型濾過装置の運転方法。

Images