JP2008246371A - 膜エレメントおよび浸漬型平膜ろ過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気液混相流を駆動源としてろ過膜を十分に揺動させてエアースクラビングとの相乗によってろ過膜の洗浄を行なうことができる膜エレメントおよび浸漬型平膜ろ過装置を提供する。
【解決手段】表面にろ過膜２ａを配置したフレキシブルなシート状をなし、少なくとも一方の面に凸状体７からなる複数の揺動促進手段を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は膜エレメントおよび浸漬型平膜ろ過装置に関し、特に下水や産業廃水等の処理に使用される膜ろ過技術に係るものである。

従来、この種の技術においては、活性汚泥による膜間閉塞を防止するために、エアースクラビングを行なっている。このエアースクラビングは汚泥へ酸素を供給するために行なう散気を利用するものであり、散気によって槽内に生じる気液混相流を膜面に沿った掃流として流すものである。

また、例えば特許文献１に記載する浸漬型膜分離装置の膜面閉塞防止装置には、膜表面に付着する粘着物質の発生を抑制することでろ過膜の膜面の閉塞を防止する技術が記載されており、ろ板の表面にろ過膜を配置した複数の膜カートリッジを槽内に浸漬して配置する浸漬型膜分離装置において、膜カートリッジに抗菌材を担持し、もしくは抗菌材を担持した部材を膜カートリッジの近傍位置に配置し、抗菌材から抗菌性金属イオンを溶出させ、抗菌性金属イオンによる微生物の増殖抑制作用もしくは殺菌作用によってろ過膜の膜表面に付着する活性汚泥由来の粘着物質の発生を抑制する。

また、特許文献２に記載する膜処理装置は、膜表面のゲル層の成長を防止して汚泥による閉塞を防止するものであり、平膜状の濾過膜を縦方向に複数並設して濾過膜間に膜間流路と濾液の排出部を交互に形成し、且つ膜間流路の下端部に微細気泡の吐出部を設けてなる膜装置を有し、膜装置と吐出部に空気を供給する散気装置を備えている。
特開２００２−２２４５４１公報 特開平８−３２３１６５号公報

ところで、上述したような、ろ板の表面にろ過膜を配置した膜カートリッジは相互間に所定間隔をあけて流路を確保し、散気装置から供給する空気によって生じる気液混相流を膜カートリッジ間の流路へ供給するが、相対向するろ過膜の膜間隔が１０ｍｍ以下となると、気液混相流よるエアースクラビングだけでは汚泥の詰まりによる膜間閉塞を防止できなかった。

これは、従来の膜カートリッジでは平膜からなるろ過膜をろ板で支持しているので、気液混相流によってろ過膜に与える揺動がろ板の剛性によって抑制されて軽度となるためであり、中空糸膜を使用する場合において生じる膜相互の接触による汚泥の剥離は従来の膜カートリッジにおいては期待できなかった。

本発明は上記した課題を解決するものであり、気液混相流を駆動源としてろ過膜を十分に揺動させてエアースクラビングとの相乗によってろ過膜の洗浄を行なうことができる膜エレメントおよび浸漬型平膜ろ過装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の膜エレメントは、フレキシブルなシート状をなし、表面にろ過膜を配置した膜エレメントであって、少なくとも一方の面に凸状体からなる複数の揺動促進手段を設けたことを特徴とする。

本発明の浸漬型平膜ろ過装置は、フレキシブルなシート状をなし、表面にろ過膜を配置した複数の膜エレメントを平行に所定間隔で配置し、相対向する膜エレメントの少なくとも一方の面に凸状体からなる複数の揺動促進手段を設けたことを特徴とする。

また、膜エレメントの膜面上に配置する各凸状体は相互の位置関係が三角形の各頂点位置に相応し、膜エレメントを介した一方側に在る凸状体が他方側に在る凸状体の相互間に相応する位置に配置されていることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、運転時には、膜エレメントの下方に配置した散気装置から洗浄用の気体を散気し、この気体によって生じる気液混相の上昇流を膜エレメントの相互間の流路に供給する。この気液混相の上昇流はフレキシブルな膜エレメントを揺動させるので、相対向する膜エレメントの相互の膜間隔は常に変動し、膜エレメントの相互間の流路には膜間隔が拡大する領域と縮小する領域が形成され、これらの領域が遷移する。

膜間隔が縮小する領域では、揺動促進手段をなす各凸状体がその対向する膜エレメントの膜面を叩き、膜エレメントに局部的な揺動を与える。結果、膜エレメントには、気液混相の上昇流に起因する全体的な揺動と、揺動促進手段をなす凸状体が起す局部的な揺動とが重畳して生じ、膜エレメントを十分に揺動させてエアースクラビングとの相乗によってろ過膜の洗浄を行なうことができる。

さらに、凸状体が膜間スペーサーを兼ねることで、常に最低限の膜間隔を確保できるので、膜間閉塞を予防することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は運転を停止した状態における無曝気状態の浸漬型平膜ろ過装置１を示している。浸漬型平膜ろ過装置１は、複数の膜エレメント２を平行に所定間隔で配置して膜ユニット３を形成し、膜ユニット３の下方に散気管４を配置している。浸漬型平膜ろ過装置１は浸漬槽５に貯留する処理液中に浸漬配置しており、膜エレメント２は後述する集水手段に連通し、散気管４はブロア（図示省略）を接続している。

図２に示すように、膜エレメント２は可撓性のあるポリエステル、ポリオレフィン等からなるフレキシブルなシート状の膜支持体６の表裏にろ過膜２ａを形成したフレキシブルなシート状の膜エレメント２であって、膜支持体６は表裏の膜支持部６ａが織布もしくは不織布からなり、両側の膜支持部６ａを多数のフィラメント糸６ｂで結合している。フィラメント糸６ｂは両側の膜支持部６ａの間に所定幅の水の通り道６ｃを形成している。膜エレメント２は上下の両端部がシールしてあり、両側または片側において水の通り道６ｃが開放してある。

膜エレメント２は少なくとも一方の面にゴム等からなる複数の凸状体７を備えている。凸状体７は揺動促進手段を兼ねた膜間スペーサであり、その形状は円柱、半球等任意の形状とすることができる。

凸状体７の分布パターンは任意であり、千鳥状、格子状等で膜面全体に均等に分布させることが好ましい。凸状体７はエポキシ系接着剤を用いて膜エレメント２に接着固定したものであっても良く、膜支持体６の膜支持部６ａに一体形成したものであっても良い。凸状体７の高さｈは無曝気時の膜エレメント２の相互間の膜間隔をｄとしてｄ／１０≦ｈ＜ｄの条件を満たすものである。

図３に示すように、本実施の形態では、膜エレメント２の膜面上に配置する各凸状体７は相互の位置関係が三角形の各頂点位置に相応しており、図３（ａ）に示す分布パターンＡの膜エレメント２と、図３（ｂ）に示す分布パターンＢの膜エレメント２がある。

膜エレメント２の配列構成としては、分布パターンＡの膜エレメント２だけを配列したＡＡＡ配列構成と、分布パターンＢの膜エレメント２だけを配列したＢＢＢ配列構成と、図４に示すように、分布パターンＡの膜エレメント２と分布パターンＢの膜エレメント２を交互に配列したＡＢＡ配列構成等がある。また、膜エレメント２の凸状体７の分布パターンを増やせばさらに多くの配列構成が実現できる。

本実施の形態では、図４に示すように、分布パターンＡの膜エレメント２と分布パターンＢの膜エレメント２を交互に配列したＡＢＡ配列構成であり、膜エレメント２を介した一方側に在る凸状体７が他方側に在る凸状体７の相互間に相応する位置に配置される。

図５および図６に示すように、膜ユニット３は膜エレメント２の両側辺部を左右の集水ケース８、９で固定支持している。集水ケース８、９は中空状の本体部８ａ、９ａと蓋部８ｂ、９ｂからなる。各膜エレメント２はその側辺部を集水ケース８、９に形成した複数のスリット１０のそれぞれに挿入して配置し、一方側の集水ケース８においては集水ケース８の内部に接着剤１１を充満させて各膜エレメント２の側辺部の開放部をシールするとともに、膜エレメント２の側辺部を集水ケース８に接着固定している。他方側の集水ケース９では、図６に示すように、膜エレメント２の相互間および膜エレメント２と集水ケース９との間に接着剤１１を充填し、各膜エレメント２の側部において水の通り道６ｃを開放した状態で膜エレメント２の側辺部を集水ケース９に接着固定している。このため、他方側の集水ケース９は中空状の集水空間を形成し、上端部にノズル１２を備えている。

集水ケース８を集水ケース９と同じ構造とし、膜ユニット３当たりのノズル１２を複数個としてもよい。
図７に示すように、膜ユニット３は天吊り方式のフレーム１３で懸垂支持して配置し、膜ユニット３の下方に配置した散気管４から散気する状態で運転し、ノズル１２に接続した膜透過液管１４を通して膜透過液を取り出す。膜ユニット３は多段、並列に配置することも可能である。

多段配置するには膜ユニット下部に接続用のノズル１２’を、下段の膜ユニット３のノズル１２に対向する位置に設ける。並列配置するには集水ケース９に横連結用のノズル１５および横連結管１６を設ける。

上記した構成により、運転時には、散気管４に接続したブロア（図示省略）から洗浄用の気体として本実施の形態では空気を供給する。この空気によって生じる気液混相の上昇流を膜エレメント２の相互間の流路に供給する。ノズル１２に接続した膜透過液管１４を通して吸引圧を与えて吸引ろ過し、あるいは槽内の水頭により重力ろ過することにより、槽内の処理液をろ過する。

各膜エレメント２のろ過膜２ａおよび膜支持部ａを透過した膜透過液はフィラメント糸６ｂで形成する水の通り道６ｃへ流入し、水の通り道６ｃから膜ケース９のノズル１２を通して膜透過液管１４へ流れ出る。

図８に示すように、各膜エレメント２の相互間の流路を流れる気液混相の上昇流は、フレキシブルな膜エレメント２を揺動させる。このため、相対向する膜エレメント２の相互の膜間隔は常に変動し、膜エレメント２の相互間の流路には膜間隔が拡大する領域と縮小する領域が形成され、これらの領域が遷移する。

膜間隔が縮小する領域では、揺動促進手段をなす各凸状体７がその対向する膜エレメント２の膜面を打ち、膜エレメント２に局部的な揺動を与える。結果、膜エレメント２には、気液混相の上昇流に起因する全体的な揺動と、揺動促進手段をなす凸状体７が起す局部的な揺動とが重畳して生じ、膜エレメント２を十分に揺動させてエアースクラビングとの相乗によってろ過膜の洗浄を行なうことができる。

図９は、シミュレーションにおける凸状体７を設けたことによる膜振動（揺動）効果を示すものである。ここでの、計算条件は、膜エレメント厚２．８ｍｍ、膜エレメント間隔１０ｍｍ、凸状体７の分布パターンＡ、ＡＡＡ配列構成、散気量１２ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ^２（両面）である。

図９（ａ）は、凸状体７を設けない構成、つまりｈ＝０の構成における振動幅の分布を示すものであり、膜エレメント２に生じる振動は幅方向の中央において大きく、漸次に側部ほど小さくなる。この振動は単純なものである。

図９（ｂ）は、ｈ＝５ｍｍの凸状体７を設けた構成における振動幅の分布を示すものである。凸状体７は隣の膜を叩く効果と、膜の振動幅を抑制する効果を発揮する。本実施の形態では、凸状体７が隣の膜エレメント２の凸状体７の裏面側を叩き、振動の大きさは凸状体７に叩かれる部分で最大であり、次に凸状体７の間で大きく、漸次に側部ほど小さくなる。この振動は気液混相の上昇流に起因する全体的な揺動（単純な振動）と、凸状体７が起す局部的な揺動（限定的な振動）とが重畳したものとなる。

図９（ｃ）は、ｈ＝８ｍｍの凸状体７を設けた構成における振動幅の分布を示すものである。図９（ｂ）のものと同様に、凸状体７は隣の膜を叩く効果と、膜の振動幅を抑制する効果を発揮する。振動の大きさは凸状体７に叩かれる部分で最大であり、次に凸状体７の間で大きく、漸次に側部ほど小さくなるが、振動幅抑制の効果が上回り、図９（ｂ）のものより振動の大きさが小さくなる。この振動も気液混相の上昇流に起因する全体的な揺動と、凸状体７が起す局部的な揺動とが重畳したものとなる。

図１０は突起の高さとＴＭＰ（駆動圧力）との関係を示している。ここで、汚泥性状は、水温が１３〜１８℃、ｐＨ６〜８、ＤＯ１ｍｇ／Ｌ以上、ＭＬＳＳ１２００ｍｇ／Ｌ、粘度５０ｍＰａ・ｓ、運転条件は、Ｆｌｕｘ０．８ｍ／ｄ、空気倍率１０倍であり、ろ過ユニットの構成は、膜エレメントの寸法、５００ｍｍ×１０００ｍｍ、エレメント厚２．８ｍｍ、エレメント間隔１０ｍｍ、凸状部の配置は千鳥、形状は円柱（直径１ｃｍ、個数１３、面積率０．１％）であった。

図１０から明らかなように、ＴＭＰ（駆動圧力）は、凸状部７の高さが５ｍｍで極小となり、これよりも高くても低くても増大したが、１≦ｈ≦８ｍｍの範囲では実用的に許容できるレベル内であった。

本発明の実施の形態における運転停止、無曝気状態の浸漬型平膜ろ過装置を示す模式図 同実施の形態における膜エレメントの断面を示す模式図 同実施の形態における膜エレメントの正面を示す模式図 同実施の形態における膜エレメントの配列構成図 同実施の形態における膜ユニットの斜視図 図５のＡ矢視平面図 同実施の形態における浸漬型平膜ろ過装置の斜視図 同実施の形態における浸漬型平膜ろ過装置を示す模式図 シミュレーション結果を示す図 経過時間とＴＭＰの関係を示すグラフ図

符号の説明

１ 浸漬型平膜ろ過装置
２ 膜エレメント
２ａ ろ過膜
３ 膜ユニット
４ 散気管
５ 浸漬槽
６ 膜支持体
６ａ 膜支持部
６ｂ フィラメント糸
６ｃ 水の通り道
７ 凸状体
８、９ 集水ケース
８ａ、９ａ 本体部
８ｂ、９ｂ 蓋部
１０ スリット
１１ 接着剤
１２、１２’ ノズル
１３ フレーム
１４ 膜透過液管
１５ 横連結用のノズル
１６ 横連結管

Claims (3)

1. フレキシブルなシート状をなし、表面にろ過膜を配置した膜エレメントであって、少なくとも一方の面に凸状体からなる複数の揺動促進手段を設けたことを特徴とする膜エレメント。
2. フレキシブルなシート状をなし、表面にろ過膜を配置した複数の膜エレメントを平行に所定間隔で配置し、相対向する膜エレメントの少なくとも一方の面に凸状体からなる複数の揺動促進手段を設けたことを特徴とする浸漬型平膜ろ過装置。
3. 膜エレメントの膜面上に配置する各凸状体は相互の位置関係が三角形の各頂点位置に相応し、膜エレメントを介した一方側に在る凸状体が他方側に在る凸状体の相互間に相応する位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の浸漬型平膜ろ過装置。

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