JP2008237961A - 膜エレメント、膜分離装置および膜分離装置のメンテナンス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 下廃水を処理する膜分離装置の膜エレメントで支持板の側面から通水路まで通じる外通孔を有する膜エレメントと、それを用いた膜分離装置及びそのメンテナンス方法を提供する。
【解決手段】 チューブレスタイプの膜エレメントにおいて、分離膜張着面２４と集水管用孔３２をつなぐ通水路２９を、エレメントブロックに組み上げた後からでも塞げるように、外通孔３４を支持板２０の側面に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水や生産工場、レストラン、水産加工工場、食品工場から生じる廃水を処理槽内で浄化する際に用いられる膜エレメントおよびそれを用いた膜分離装置、さらには、そのような膜分離装置のメンテナンス方法に関する。

生活廃水や産業廃水（以下「下廃水」という。）は、そのまま環境に放流してしまっては、環境汚染につながる。そのため一定のレベルまで浄化した後に放流する。従来は下廃水を処理槽（活性汚泥槽）に入れ、空気を通しながら微生物によって下廃水中の汚濁物質を分解して活性汚泥液にし、次いで、活性汚泥液を、別途設けた沈殿池にて汚濁分を沈降分離させた後、上澄み液を放流する。これは活性汚泥法と呼ばれる。

近年、高分子膜技術や膜分離技術の向上によって、膜分離活性汚泥法という方法が使われている。この方法では、処理槽（膜浸漬槽）内の被処理水中に膜分離装置を沈め、微生物による分解と、膜ろ過による活性汚泥液からの浄化水の取り出しとを同時に行う。膜ろ過されて取り出された水はそのまま放流できるため、沈降分離用の沈殿池を設置しなくてよいという利点がある。
ここで、膜浸漬槽内には、下廃水と共に、それを微生物処理するための微生物及び微生物処理により生成された活性汚泥液が貯留しており、この処理槽内に存在する液体を被処理水という。

ここで用いられる膜分離装置は、図１１に示すように、主として、支持板の表裏両面に分離膜を貼り合わせた膜エレメント１０を多数並べたエレメントブロック３から構成される。このエレメントブロックの下方には散気装置４が配設されている。膜エレメントにはろ過水を取り出す吸水管３８が配設されていて、この吸水管３８にはチューブ５を介して集水管８が接続され、その下流側に吸引ポンプ６が接続され、膜エレメント１０内部に陰圧をかけ、ろ過水を取り出す。

散気装置４はブロワ７に連結されている。膜浸漬槽２内の被処理水中に沈められた膜分離装置に向けて下方の散気装置４から空気が噴出される。これを曝気と称する。曝気は微生物に酸素を供給して活性化させ、汚濁物質の分解を促進させる。

散気装置４からの曝気はまた、各膜エレメント１０の両面に配置された分離膜の外表面に付着しようとする汚泥を剥ぎ取って、膜への汚泥の付着堆積を抑制すると共に、槽内の被処理水を膜エレメント間に循環させる流れをも作る。すなわち、膜エレメント間には、曝気による被処理水の上昇流が生じていて、この上昇流が膜の表面に衝突することで、膜表面が洗浄されて膜の目詰まりが抑制され、固液分離性能の経時的低下が抑制される。

このように、曝気による上昇流は、微生物の活性化や掃流といった役割を担うため、膜分離装置の性能上極めて重要である。ところが、チューブ５や集水管８といった部品が上昇流の途中に配置されていると、この上昇流を乱す要因となる。そこで、膜エレメント構造内に集水管の機能を果たす部材を組み込んで、ろ過水を取出すためのチューブや集束管を取り付けないタイプ、いわゆるチューブレスタイプの膜分離装置も開発されている（特許文献１参照）。なお、従来の膜分離装置は、チューブ接続タイプと呼ぶ。

この特許文献１に開示されている膜分離装置では、膜エレメントの上部側面にろ過水取り出し口を設けてある。エレメントブロックでは上部側面に各ろ過水取り出し口が並ぶことになるので、このろ過水取り出し口を覆うように集水管となるカバーを取り付けるものである。

さて、膜分離装置の分離膜は、曝気による掃流で目詰まり発生が抑制されているが、被処理水中に硬い夾雑物が混入していると、その硬い夾雑物によって、分離膜が破れたり、剥がれるといった破損をおこす場合がある。分離膜の分離機能層が破損すると、下廃水中の汚濁物質が分離膜によって阻止できずにろ過水中に混入してくる。分離膜の破損が大きい場合には被処理水がろ過されずにそのまま排出されることにもなる。

このような場合は、破損した膜エレメントだけを取り出して交換するといったメンテナンスが必要となる。またエレメントブロックは通常多数の膜エレメントからなるので、破損し、ろ過力のなくなった膜エレメントの数が少ない場合は、膜エレメントから集水管へのつなぎのチューブ５の部分を切断若しくは圧搾して、ろ過が不完全なろ過水がそのまま取り出されないようにすることもできる。

膜エレメントは半永久的に使用できるものではなく、再生処理を途中で行なっても、その寿命は数年といわれている。そこで、膜エレメントにおける膜の破損や目詰まりの具合によって、最適なメンテナンスを行なうために、透過水量や駆動圧力などをモニターできる手段を備え、これらの計測データの変化でメンテナンスを行なう方法が提案されている（特許文献２参照）。

特許３８１５９９６号公報 特許３４４２３５５号公報

膜分離装置においては、曝気による上昇流の流路にチューブや集水管を配置しないチューブレスタイプの構造にすると、曝気による上昇流が阻害されず望ましいと考えられる。

しかし、チューブレスタイプの膜分離装置では、個々の膜エレメントには、チューブや集水管の機能を果たす部材が、膜エレメントの一部として設けられている。そのため、分離膜が破損し、ろ過機能のなくなった膜エレメントが一部に発生したときでも、その破損エレメントのみを交換することが難しく、エレメントブロック毎交換する必要がある。エレメントブロック全体を取り出し、エレメントブロックを分解すれば、エレメントブロック中の破損した膜エレメントだけを取り外して交換することも可能であるが、作業が繁雑で実用的ではない。

また、ろ過水取り出し口と集水管を繋ぐチューブに相当する部分がエレメントブロックの外側に露出していないので、膜エレメント毎にチューブを閉塞させることができず、破損した膜エレメントからの集水だけを止めることもできない。

従って、チューブレスタイプの膜分離装置において、エレメントブロック中の一部の膜エレメントに故障が生じたときのメンテナンスが容易でないという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するために想到されたものである。より具体的には、
分離膜と、
支持板とからなり、
前記支持板は、
前記分離膜が張着される分離膜張着面と、
表面から裏面まで貫通する集水管用孔と、
前記分離膜張着面と前記集水管用孔を結合する通水路と、
前記支持板の側面から前記通水路まで通じる外通孔を有する
膜エレメントと、それを用いた膜分離装置を提供する。

また、エレメントブロックの中で少なくとも１つの膜エレメントは通水路が塞がれている膜分離装置を提供する。

またエレメントブロック中で、被処理水がろ過液中に混入してきている膜エレメントを特定する工程と、特定した膜エレメントの外通孔から通水路に障害物を詰める工程を含むメンテナンス方法を提供するものである。

支持板に集水管用孔を有する膜エレメントの、通水路を塞ぐための外通孔を設けたので、この膜エレメントからなる膜分離装置内の一部の膜エレメントが破損しても、容易にこの膜エレメントからの集水を止めることができる。従ってチューブレスタイプの膜分離装置であっても、メンテナンスが容易になるという効果がある。

（実施の形態１）
本発明の実施形態を図面により説明する。図１は本発明の膜エレメントの斜視図を示す。膜エレメント１０は、支持板２０が主たる構成体となる。支持板２０の表面側２１の中央部と裏面側２２の中央部には、分離膜を貼り付けたときにろ過水流路が形成されるようにへこみが形成されており、このへこみ部分が、分離膜張着面２４となる。なお、図では裏面側の分離膜張着面は見えていない。また、分離膜を貼り付けることを張着ともいう。この分離膜張着面２４の外側に、表裏両面から分離膜４１および４２を配置し、分離膜の周囲を支持板に張着し固定する。なお、分離膜４２は裏面側の分離膜張着面の外側に配置して張着するのは言うまでもない。分離膜張着面２４と分離膜との間にはろ過水が通過できる空間が形成されている。

支持板２０は、ＡＳＴＭ試験法のＤ６３８における引張り強さが１５ＭＰａ程度以上の剛性を持つ材質で構成されるのが好ましい。ステンレスなどの金属類、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの複合材料、その他の材質などを好ましく使用することができる。また、集水管部３０にも支持板と同等の材質を使用すればよい。支持板２０及び集水管部３０等をＡＢＳ樹脂等の同じ材質で構成する場合には、それらを一体成型により製造すればよい。

分離膜４１、４２には、下廃水や活性汚泥液をろ過することができる平膜状の分離膜が用いられる。分離膜は、多孔質樹脂材によって構成される平膜である場合が多い。その材料樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリスルホン樹脂などを用いたり、主成分とすることができる。ただし、これらに限定されるものではない。この分離膜は、分離機能を有する分離機能層と基材層とから構成されていてもよい。

分離膜張着面２４には分離膜を通過したろ過水が出口方向に誘導されるように支持板内通水路２６が施されている。支持板内通水路２６はろ過水取り出し口２８に繋がっており、分離膜を通過したろ過水は、このろ過水取り出し口２８に集まる。ろ過水取り出し口２８は、表面、裏面それぞれ上部の左右に設けられている。

支持体２０の上部の左右には集水管部３０が形成されている。集水管部３０は、膜エレメントが複数連結されたときに集水管となる部分である集水管用孔３２が設けられている。集水管用孔３２は、支持板２０の表面２１から裏面２２へ開いた貫通孔である。集水管部３０は、膜エレメントの上部の左右に対称に設けられており、このような配置にすることで、曝気による上昇流を乱さない。なお、支持板２０が表裏対称に作製されている場合は、表面２１と裏面２２の区別はない。

ろ過水取り出し口２８と集水管用孔３２の間には、通水路２９が設けられている。通水路２９から集水管用孔３２の出口は通水路集水口３１である。つまり、通水路２９は支持板２０の部材内部に内設されている。分離膜を通過したろ過水は、支持板内通水路２６を通って、ろ過水取り出し口２８に至り、通水路２９を通って通水路集水口３１から集水管用孔３２へ流れ出す。

集水管部３０には、さらに、集水管部の外面と集水管用孔の内面とを連通するように開孔された外通孔３４が形成されている。外通孔３４は、少なくとも集水管用孔３２を通して通水路２９の出口である通水路集水口３１が見える位置に設けられる。望ましくは外通孔３４の中心軸は、通水路２９の中心軸上にあるのが好適である。

通水路部３０は、隣り合う膜エレメントとの連結を保持するために固定用孔３６も設けられている。膜エレメントは重ねあわされて、この固定用孔３６にシャフトなどの固定具を通し連結され固定される。固定用孔は通水路部３０だけでなく、支持体の横部に設けられていても良い。符号３７は支持板の横部に設けられた固定用孔を示す。

ここで、支持板の側面２３について説明する。支持板の側面２３は、支持板の表面側２１と裏面側２２をつなぐ、エレメント厚み部分の表面であり、特に外側の面を示す。例えば、集水管部３０の上面や側面は支持板の側面２３の一部を構成する。また、固定用孔３７のある部分の側面も支持板の側面２３の一部を構成する。また、左右の集水管部３０の間にある膜エレメント上部の上面も支持板の側面２３の一部を構成する。外通孔３４は支持板の側面２３に通じるように設けられる。

図２は、図１で示した膜エレメント１０を複数枚連結したエレメントブロック３を示す。集水管用孔３２は、シールドなどを介して液密に連結され、集水管８を形成する。これらの膜エレメントは固定用孔３６や３７を利用して、それぞれお互いに固定される。

支持板２０で分離膜を保持している部分の厚さは、集水管部３０の厚みより薄く形成してあるので、隣接する膜エレメントの膜面同士が間隔５１だけ離れるように固定される。曝気による上昇流はこの間隔５１の空間内を通過する。

図３は、膜エレメントの正面図である。固定用孔３７は、図２で示した孔状だけでなく、図３に示すような溝状になっていてもよい。

図４には、集水管部３０の部分の正面からの拡大図を示す。図４では説明のため分離膜はない状態で示している。ここでは、外通孔３４の中心軸が、通水路２９の中心軸と同じ場合を示している。外通孔３４が施されている集水管部３０の辺は、面取り加工が施されテーパー面３５になっている。

外通孔３４はこのテーパー面３５から集水管用孔３２に向けて開けられた貫通孔である。そして、その中心軸は通水路２９の中心軸と一致するように形成されているので、テーパー加工面の外通孔３４を通して通水路集水口３１が見える。

膜分離装置が通常運転される状態では、この外通孔３４は気密栓５５によって塞がれている。気密栓５５は気密性が確保される必要がある。集水管用孔３２は、膜分離装置の運転中は陰圧になり、ろ過水を吸いだしている。従って、外通孔３４から空気が入ると、ろ過水の吸出力が低下するからである。なお、テーパー面３５は気密栓５５を取り付けるために設けられたものである。

気密栓５５は、例えば、コルク、ゴムといった弾性材料や、樹脂などの充填材を用いることができ、特に限定はない。しかし、脱着可能にでき、また気密性も高く、容易に外れることもないといった点から、例えば外通孔３４の内径にネジを切り、ボルトで留めて気密栓５５とするのが好適である。

図５は、膜エレメントから集水管用孔３２へと流入するろ過水の流れを止めるため、封止棒５６を通水路２９に差し込んだ状態を示す。膜エレメントに張着された分離膜がなんらかの原因で破損し、ろ過されずに被処理水が膜を通過してろ過水中に混入する場合は、その膜エレメントからのろ過水の集水管への流入を止めなければならない。チューブレスタイプの膜エレメントの場合は、ろ過水取り出し口２８と集水管用孔３２の間にある通水路２９は、支持体２０の部材の中に液密状態に形成されている。従って、チューブ接続タイプの膜分離装置のように、膜エレメントの外側のチューブを圧搾して集水を止めることができない。そこで、外通孔３４から封止棒５６を、通水路２９まで差し込むことで、膜エレメントからの集水を止める。

封止棒５６は、通水路２９からの集水を止めるためのものであるので、少なくとも通水路集水口３１が塞がるまで挿入されることが必要である。ただし、通水路２９全長に渡って挿入される必要はない。損傷した膜エレメントからのろ過水が集水管内に流入しなければ、通水路２９若しくは通水路集水口３１の一部が塞がった状態でもよい。

封止棒５６は、その先端部分で通水路を塞ぐと共に、外通孔３４を気密性良く塞ぐことが必要であるのは言うまでもない。従って封止棒５６としては長いボルト等が好適である。

図６は、封止棒５６の代わりに、充填材６０で通水路２９を塞ぐ場合の様子を示す。図５の封止棒５６は、集水管の断面に置かれた障害物であるともいえ、膜分離装置全体の処理能力を低下させる要因になる。そこで、集水管路２９を閉鎖した後に、集水管の断面を塞がないようにすることが好ましい。

図６は、インジェクター５８を外通孔３４から入れ、通水路２９の内部にノズル５９を差し込む。インジェクター５８には硬化性の樹脂などの充填材が用意されており、充填材６０を通水路に注入する。

図７は、充填材６０で通水路２９が塞がった状態を示す。このようにする場合は、集水管内の一部を塞ぐことがないので、特定の膜エレメントの集水を停止させた後にも、必要以上にろ過処理量が低減することがない。なお、充填材は金属や固形樹脂製の小片であってもよい。また、充填材６０で通水路２９を塞いだ後は外通孔３４に気密栓５５を差し込んで蓋をする。

図８は、外通孔３４を設ける位置が異なる場合を例示する。外通孔は、分離膜に問題が生じた膜エレメントからの集水を止めるのが目的であるので、必ずしも図４で示す位置に設置しなくてもよい。例えば図８では、集水管部３０の上面に外通孔３４を設けた場合を示す。なお、集水管部３０の上面は、支持板の側面２３であるのは、すでに説明した通りである。

封止棒５６は、通水路２９を斜めから塞ぐ。このような位置に外通孔３４を設けると、封止棒５６を使って、通水路２９を塞いでも、集水管用孔３２内の一部を塞ぐことはない。

なお、図８では通水路２９に封止棒５６が突き当たっている場合を示しているが、通水路２９を突き抜けていてもよい。また、封止棒５６の直径は通水路の直径よりも大きければ好適であるが、ろ過水が集水管に流入しなければ、通水路の直径以下であってもよい。

図９は外通孔３４の他の設置位置を例示する。図９では支持板の上面に設置マウント６２を設け、そこに外通孔３４を設けた場合を示す。封止棒５６は、通水路２９を略直角に塞ぐ。この場合も通水路を塞いだ後、集水管用孔３２を塞がない。なお、設置マウント６４の外通孔３４の設置面も支持板の側面である。

以上のように、外通孔３４は、支持板２０の側面２３であれば、取り付け位置は特に限定しない。但し、通水路内の流れを塞げるための部材を挿入できるように設置しなければならない。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示した膜エレメントを用いた膜分離装置のメンテナンス方法を示す。本発明の膜分離装置は図２で示したエレメントブロックの下方に散気装置を配置した構成である。使用方法は図１１で示した従来の膜分離装置と同じように、被処理水（下廃水等）が貯留された処理槽２内に沈めて使用する。

膜分離装置の運転に際しては、取り出されるろ過水の量（処理量）、ろ過水の水質、といったいくつかのパラメーターがある。これらのパラメーターを定期的にチェックすることで、正常な運転が継続されているか否かを判断する。

図１０には本発明のメンテナンス方法の手順を例示する。まず、メンテナンスをスタートすると（S１０００）、取り出されるろ過水の量（集水量）の低下の有無を確認する（S１０１０）。集水量の低下がない場合は、ろ過水の水質の悪化をチェックする（Ｓ１０２０）。水質の悪化は、取り出されたろ過水中の濁質などの量を測定するなど、公知の方法を用いることができる。水質の悪化もない場合は、そのまま継続運転し（Ｓ１０６０）、メンテナンスは終了する。

水質の悪化が判明した場合は、膜エレメントの分離膜に破損が生じ、ろ過能力が低下していることが考えられる。そこで、破損している膜エレメントを特定する（Ｓ１０３０）。これは各膜エレメントの通水路内を流れるろ過水をサンプリングし、その水質をチェックすることで行う。この際、外通孔からサンプリング用のノズルなどを挿入して通水路からろ過水をサンプリングする。

エレメントブロック中の全てのエレメントの集水をチェックし、破損しているおそれのあるエレメントを特定する。なお、破損しているおそれのある膜エレメントの特定方法はここで示した方法に限定するものではない。

次に破損していると判断した膜エレメント数を数え上げる。そして、その数が一定数以下であるかどうかを確認する（Ｓ１０４０）。１枚の膜エレメントの処理量は限界がある。破損している膜エレメントの集水を止めると、膜分離装置全体としての処理量が低下する。つまり、集水を継続させる膜エレメントの数と予定処理量との関係で、破損した膜エレメントだけの集水を止めるか、エレメントブロック全体を交換するかを判断する。

特定の膜エレメントだけの集水を停止させると判断した場合は、破損した膜エレメントの集水を停止させる（Ｓ１０５０）。停止させる方法は、実施の形態１で示したように、外通孔から通水路を塞ぐ方法を用いればよい。なお、膜エレメントにある左右の集水管部の両方について、通水路を封鎖するのは言うまでもない。このように、特定の膜エレメントの集水を止めた膜分離装置では、少なくとも１つ以上の膜エレメントについて、実施の形態１で示したように通水路が塞がれている。その後は継続して運転を行う（Ｓ１０６０）。

Ｓ１０４０に戻って、破損している膜エレメントの数が多く、残りの膜エレメントだけでは予定処理量に足りないと判断した場合は、エレメントブロック全体を交換するか、破損している膜エレメントを交換する（Ｓ１０９０）。

エレメントブロックの交換は、使用していたエレメントブロックを引き上げ、代わりに、新しいエレメントブロックを取り付ける。一部の膜エレメントの交換となると、一度エレメントブロックを取り出し、各膜エレメントの接続をはずし、破損した膜エレメントを新品に交換し、また全膜エレメントを結合しなおす。交換したエレメントブロックを装着した後は、継続運転に戻る（Ｓ１０６０）。

Ｓ１０１０に戻って、集水量が低下していた場合は、分離膜の表面に汚泥が一定以上付着して閉塞し、ろ過能力が低下していると考えられるので、分離膜面の洗浄を行う（Ｓ１０７０）。洗浄は、水を流して汚泥などの汚れを落し、次亜鉛素酸ソーダや蓚酸の溶液を流すことにより行われる。この洗浄は、エレメントブロックを処理槽内から引き上げて行ってもよいし、また、処理槽内に設置したまま行ってもよい。引き上げた際には、分離膜と同じ材料で、分離膜を補修などしてもよい。

そして洗浄したエレメントブロックを戻し、ろ過能力の回復を確認する（Ｓ１０８０）。これは集水量のチェックなどで行えばよい。ろ過能力が回復していればそのまま継続運転（Ｓ１０６０）とし、メンテナンスを終了する（Ｓ１１００）。

洗浄を行ってもろ過能力が所定水準まで回復しない場合は、エレメントブロック毎交換する（Ｓ１０９０）。膜エレメントは永久的に使用できるものではなく、寿命もあるから、洗浄だけでは回復しない場合もある。

以上のような手順に従うことでチューブレスタイプの膜分離装置を効率的にメンテナンスすることができる。なお、以上のメンテナンス作業は一定期間毎に行っても良いし、集水量や水質を常時監視しておき、異常があったときに、続けて行なってもよい。また上記の手順は適宜手順を入れ替えても良い。

本発明の膜エレメントを示す斜視図である。 本発明の膜エレメントを使ったエレメントブロックの斜視図である。 本発明の膜エレメントの正面図である。 本発明の膜エレメントの集水管部を示す拡大図である。 封止棒で通水路を塞いだ状態を示す図である。 充填材を通水路へ充填する方法を示す図である。 充填材で通水路を塞いだ状態を示す図である。 外通孔を他の位置に設けた場合を例示する図である。 外通孔を他の位置に設けた場合を例示する図である。 メンテナンスの手順を示すフロー図である。 従来の膜分離装置の運転状態を示す図である。

符号の説明

３ エレメントブロック
１０ 膜エレメント
２０ 支持板
３０ 集水管部
３４ 外通孔
５６ 封止棒

Claims (7)

1. 分離膜と、
   支持板とからなり、
   前記支持板は、
   前記分離膜が張着される分離膜張着面と、
   表面から裏面まで貫通する集水管用孔と、
   前記分離膜張着面と前記集水管用孔を結合する通水路と、
   前記支持板の側面から前記通水路まで通じる外通孔を有する
   膜エレメント。
2. 前記外通孔を塞ぐ脱着可能な気密栓を有する請求項１記載の膜エレメント。
3. 請求項２記載の膜エレメントを複数枚重ね、各膜エレメントの前記集水管用孔を連結したエレメントブロックを有する膜分離装置。
4. 前記複数の膜エレメントのうちの少なくとも１枚は、前記外通孔から差し込まれ、前記通水路の少なくとも一部と前記外通孔を共に塞ぐ封止棒を有する請求項３記載の膜分離装置。
5. 前記複数の膜エレメントのうち少なくとも１枚は前記通水路を充填材で塞がれた請求項３記載の膜分離装置。
6. 請求項３記載の膜分離装置の破損した膜エレメントを特定する工程と、
   前記破損した膜エレメントの前記外通孔から前記通水路に封止棒を差し込む工程とを含む膜分離装置のメンテナンス方法。
7. 請求項３記載の膜分離装置の破損した膜エレメントを特定する工程と、
   前記破損した膜エレメントの前記通水路に前記外通孔から充填材を注入する工程を含む膜分離装置のメンテナンス方法。
   
   
   

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