JP2008513187A - 膜モジュールから固形分を除去するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

鉛直方向に離隔した上方ヘッダー（８）および下方ヘッダー（９）にて膜（７）の両端部がポッティングされ、上方ヘッダー（８）と下方ヘッダー（９）との間で延在する１つ以上の膜（７）を含んだ膜濾過モジュール（５）を操作する方法。膜（７）は、汚染物質が含んだフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を構成している。上方ヘッダー（８）および／または下方ヘッダー（９）の少なくとも一方には１つ以上の開口部（１０）が設けられており、その１つ以上の開口部（１０）からフィードの少なくとも一部を膜壁に供する工程が本発明の方法に含まれる。尚、本発明の方法を実施するための装置も開示されている。

Description

本発明は、膜濾過システムに関している。より詳細には、本発明は、膜に対して好ましい洗浄システムを供することによって、膜濾過システムの濾過効率を向上させる方法および装置に関している。

膜濾過システムでは、膜を物理的に洗浄する方法は極めて重要である。膜が効率的に洗浄されることによって、膜の透過性が安定化し、化学洗浄の頻度が減じられることになる。膜の物理的洗浄に一般的に使用されている方法は、透過液／濾液またはガスを用いた逆洗（「逆洗浄」または「逆パルス（ｂａｃｋｐｕｌｓｅ）」とも呼ばれる）である。典型的には、膜孔を塞いでいる固形分を除去するために、また、膜表面に形成されたケーキを部分的に除去するために、逆洗法が用いられる。高濃度の固形分を含んでいるフィードに曝されるシステムでは、特にモジュールの膜が密に充填されている場合、比較的直ぐファウリングがより多く発生する。

加圧ガスを用いた逆洗は、非常に効率の良い洗浄法であるので、精密濾過法の分野で現在広く用いられている。かかる洗浄法は、膜孔サイズの点で限度がある。 透過液を用いた逆洗は孔サイズの点で限度がないものの、逆洗効率はガス逆洗の場合よりも一般に低下し、膜間圧（ＴＭＰ）の回復はファウリング速度を相殺するほど十分でない。逆洗効率を向上させるために更なる手段が用いられる。例えば、逆洗透過液に化学物質が添加されたり、あるいは、ガス・スクラビング処理（ｇａｓ ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）が組み合わされたりする。

日本国特許第２０３１２００号にはマルヤマ（Ｍａｒｕｙａｍａ）らによって中空繊維膜逆洗法が開示されている。かかる方法は、濾過の停止、膜の空気洗浄、膜ベッセル充填、加圧下における透過液を用いた逆洗および廃液の排出を含んでいる。これらを繰り返すことによって、より高い効率を得ている。米国特許第５２０９８５２号ではスナオカ（Ｓｕｎａｏｋａ）らによって、モジュールの中空繊維膜を洗浄する方法が開示されている。かかる方法は、空気洗浄および排出の２段階で膜洗浄を行っている。

設置面積およびコストが最小限になるように、膜モジュールは典型的には膜（通常は繊維形状の膜）を高密度に充填して構成される。これによって、モジュール内の濾過膜面積を増加させている。しかしながら、充填密度が高くなるほど、濾過時に捕捉された固形分を膜束から効率的に洗い出すのが困難となっている。従って、逆洗時における固形分除去の効率を向上させることができれば、処理に付される固形分レベルを高くすることができたり、あるいは、用いる膜充填密度を高くすることができ、処理コストを減じることができる。

従来技術の繊維膜システムでは、モジュールの一方の端部から他方の端部に向かってフィード水を流して洗浄した後、側部の出口ポートを介してモジュールから排出することによって、固形分の除去を通常行っている。この場合、まず、固形分は、繊維に沿うようにモジュールの出口端部に向かって移動した後、繊維束を横切るようにモジュールから排出される。多くの用途では、モジュールからの排出に際して繊維束に垂直な方向へと流れ方向が変わる場合、モジュールの出口付近で固形分が蓄積してしまう。なぜなら、そのようなポイントにおいて、繊維がストリング・フィルター（ｓｔｒｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒ）のように作用し、固形分が捕捉されたり、あるいは、モジュールからの固形分排出が妨げられるからである。

本発明の課題は、従来技術の問題点を１つ以上克服または少なくとも軽減することにあり、あるいは、有用な代替手法を少なくとも提供することである。

１つの態様として、本発明は、膜濾過モジュールを操作する方法であって、
鉛直方向（または垂直方向）に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティング（または注封）され、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向(または縦方向もしくは鉛直方向）に延在する１つ以上の膜が膜濾過モジュールには含まれており、
汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁（permeable wall）を前記膜が有し（または構成しており）、また
前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられており、前記フィードの少なくとも一部を前記１つ以上の開口部を通るように流して前記膜壁に前記フィードを供すことを含む、方法を提供する。

別の態様として、本発明は、膜濾過モジュールの洗浄方法であって、
フィード含有ベッセル内に配置された１つ以上の膜であり、鉛直方向に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティングされ、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向に延在する膜が、膜濾過モジュールに含まれており、
汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、また
前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられており、
ａ）前記フィードの少なくとも一部を前記１つ以上の開口部を通るように流して前記膜壁に前記フィードを供す濾過操作を実施すること、
ｂ）濾過操作を停止すること、
ｃ）膜壁に対して洗浄を実施して、前記膜壁から汚染物質を除去して前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質を移動させること、
ｄ）長手方向に延在する前記膜と実質的に平行に設けられたフィード含有ベッセルに対して排出処理(sweep)を実施して、除去された汚染物質が含まれる前記液体の少なくとも一部をヘッダーの開口部から排出すること、また
ｅ）濾過操作を再開すること
を含む、膜濾過モジュールの洗浄方法を提供する。

好ましくは、開口部が下方ヘッダーに設けられており、上方ヘッダーから濾液が取り出される。また、好ましくは、前記洗浄に際して膜表面を擦り洗浄（scour）する泡が供給されるように、膜濾過モジュール内にガスを導入するのに開口部を用いてよい。排出処理は、洗浄と同時に行ってもよい。好ましくは、排出処理では高速度な排出（high velocity sweep）が行われる。

本発明では、膜濾過モジュールのポット（pot）の一方に開口部（または穴）が設けられている。そのため、濾過に際して、フィード液体の少なくとも一部が、底部ポットの開口部から流れ込んで、膜束へと流入することになる。このような開口部（または穴）を廃液流れに対して用いることによって、逆洗時に膜から除去された固形分（膜に沿う方向に除去された固形分）が、膜に平行な方向に流れて膜濾過モジュールから排出されることになる。即ち、固形分が繊維束を横切って側部から排出されることが、実質的に減じられている又は排除されている。

同様の概念は、開放タンク内の浸漬膜に対しても適用することができる。従来技術では、典型的には、タンクに対して排出処理を実施することによって固形分除去を行っている。固形分が含まれたフィードをモジュールから流出させてタンクから排出する際、モジュール底部付近ではフィード流れの方向が変わってしまう。そこで、モジュールの底部に開口部（または穴）を設けることによって、モジュールからの排出に際して、固形分を繊維と実質的に平行に流すことができる。このように流れが阻害されないので、モジュールおよびタンクからの固形分除去がより効率的になる。

更なる態様として、本発明は、膜濾過モジュールを操作する方法であって、
膜濾過モジュールには、膜の近位端部がポッティングされる上方ヘッダーから鉛直方向に延在する膜が１つ以上含まれており、
汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、また
前記濾過操作に際して、膜濾過モジュールの１つ以上の開口部を通るように前記膜の下方から前記フィードの少なくとも一部を流して、前記膜壁に前記フィードを供すことを含む、方法を提供する。

また、更に別の態様として、本発明は、膜濾過モジュールの洗浄方法であって、
前記膜濾過モジュールには、膜の近位端部がポッティングされる上方ヘッダーから鉛直方向に延在し、かつ、フィード含有ベッセル内に配置された膜が１つ以上含まれており、
汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有しており、
ａ）膜濾過モジュールの１つ以上の開口部を通るように前記膜の下方から前記フィードの少なくとも一部を流入させ、前記フィードを前記膜壁に供す濾過操作を実施すること、
ｂ）濾過操作を停止すること、
ｃ）膜壁に対して洗浄を実施して、前記膜壁から汚染物質を除去して前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質を移動させること、
ｄ）鉛直方向に延在する前記膜と実質的に平行に設けられたフィード含有ベッセルに対して排出処理（sweep or drain-down）を実施して、除去された汚染物質が含まれる前記液体の少なくとも一部を、前記膜の下側から膜濾過モジュールの開口部を介して除去すること、また
ｅ）濾過操作を再開すること
を含む、洗浄方法を提供する。

尚、上述した方法を実施する装置もまた本発明の範囲に含まれている。

発明を実施するための形態

以下では、図面を参照しながら、本発明の態様を例示的に説明する。

図１を参照すると分かるように、濾過モジュール５は、濾過されるフィードを含んだハウジング・ベッセル６内に設けられている。濾過モジュール５は、上方ヘッダー８と下方ヘッダー９との間で延在する束状の中空繊維膜７を含んでいる。下方ヘッダー９には、
中空繊維束の内側と開口プレナム・チャンバー１１（開口部１１’を有するプレナム・チャンバー）と連通する多くの開口部１０が設けられている。フィードは、バルブＡＶ５、バルブＡＶ１およびバルブＡＶ２を制御してポート１２、１３および１４から供給される。

透過液／濾過液は、バルブＡＶ３を制御することで、チャンバー１５およびポート１６から取り出される。逆洗液は、バルブＡＶ４を制御することで、ポート１６から加えられる。

図２は、図１と同様の態様を示しているものの、図２の態様では、中空繊維膜７の下方の遠位端部１９がポッティングされておらず、中空繊維膜７が、上方ヘッダー８から鉛直に懸架されている。繊維膜７の各々の遠位端部１９は閉鎖されており、濾液が上方ヘッダー８から取り出される。

使用に際して、ポート１２が開口され、かつ、モジュール５内のフィードに適当な圧力が加えられることによって、濾過および逆洗の後にモジュール５内に蓄積した固形分は開口部１０から流し出される又は除去される。廃液は、プレナム・チャンバー１１の開口部１１’から流出し、開口ポート１２から排出される。

図３ａおよび図３ｂは、非加圧式濾過システムに設けられた単一のプレナム・チャンバー１１に接続された一対のモジュール５の下方ヘッダー９の拡大図を示している。かかる態様のモジュール５は、開口ベッセル（図示せず）に設けられており、濾過および逆洗の後にてモジュール５内に蓄積した固形分を含む廃液が、図３に示すように、重力に起因して開口部１０から排出される。

図３ａに示すように、ガスを開口部１０に供給するのに、ガス供給マニホールド１８に接続されているポート１７を用いてもよい。それによって、モジュール５内に洗浄泡（ｓｃｏｕｒｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ）を供すことができるので、繊維膜表面の洗浄が助力される。

本発明が具現化されているシステムでは、以下の点を含めて多くの利点が供される：
複数の繊維を横切るのではなく繊維表面に沿うように洗浄作用が生じるので、逆洗に際して固形分がより除去される。
濾過に際して中空繊維膜束の内側とフィード液体との接触がより容易となる（濾過に際して同じ穴から中空繊維膜束の中央へとフィード液体を取り入れることができる）。これにより、濾過時にクロスフローが形成される。
本発明ではポートの開口部を介して固形分除去およびフィード供給が行われるので、固形分除去およびフィード供給に用いられるマニホールドおよび配管を収容するモジュール下側領域が不要となり、モジュールの底部付近にまで膜モジュール・セットを含んだラック・インサート（ｒａｃｋ ｉｎｓｅｒｔ）を下げることができる。これにより、空隙スペースの減少率が好ましく向上するだけでなく、排水のための空間が減じられる。
プレナム・チャンバーにパイプまたはマニホールドを接続することによって、逆洗廃液を自重ではなくポンプによってモジュールから排出できたり、および／または、濾過時にフィード水をポンプによって供給できる。

上述した本発明の概念または範囲を逸脱することなく、本発明の更なる態様および例示が可能であることを理解されよう。

図１は、ある態様の膜モジュールの模式的な断面図を示す。 図２は、更なる態様の膜モジュールの模式的な断面図を示す。 図３ａは、曝気段階における非加圧濾過システムの下方ヘッダーの模式的断面図の拡大図を示す。 図３ｂは、排水段階における非加圧濾過システムの下方ヘッダーの模式的断面図の拡大図を示す。

Claims (24)

1. 膜濾過モジュールを操作する方法であって、
   鉛直方向に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティングされ、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向に延在する１つ以上の膜が膜濾過モジュールには含まれており、
   汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、また
   前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられており、前記フィードの少なくとも一部を前記１つ以上の開口部を通るように流して前記膜壁に前記フィードを供すことを含む、方法。
2. 膜濾過モジュールの洗浄方法であって、
   フィード含有ベッセル内に配置された１つ以上の膜であり、鉛直方向に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティングされ、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向に延在する膜が、膜濾過モジュールに含まれており、
   汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、また
   前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられており、
   ａ）前記フィードの少なくとも一部を前記１つ以上の開口部を通るように流して前記膜壁に前記フィードを供す濾過操作を実施すること、
   ｂ）濾過操作を停止すること、
   ｃ）膜壁に対して洗浄を実施して、前記膜壁から汚染物質を除去して前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質を移動させること、
   ｄ）長手方向に延在する前記膜と実質的に平行に設けられたフィード含有ベッセルに対して排出処理を実施して、除去された汚染物質が含まれる前記液体の少なくとも一部をヘッダーの開口部から排出すること、また
   ｅ）濾過操作を再開すること
   を含む、膜濾過モジュールの洗浄方法。
3. 開口部が下方ヘッダーに設けられており、上方ヘッダーから濾液が取り出される、請求項２に記載の膜濾過モジュールの洗浄方法。
4. 膜濾過モジュール内にガスを導入するのに開口部を用い、前記洗浄に際して膜表面を擦り洗浄する泡を供給する、請求項３記載の膜濾過モジュールの洗浄方法。
5. 前記洗浄と同時に前記排出処理を行う、請求項２に記載の膜濾過モジュールの洗浄方法。
6. 前記排出処理では高速度な排出が行われる、請求項２または５に記載の膜濾過モジュールの洗浄方法。
7. フィード含有ベッセルが大気開放されている、請求項２に記載の膜濾過モジュールの洗浄方法。
8. 膜濾過モジュールを操作する方法であって、
   膜濾過モジュールには、膜の近位端部がポッティングされる上方ヘッダーから鉛直方向に延在する膜が１つ以上含まれており、
   汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、また
   前記濾過操作に際して、膜濾過モジュールの１つ以上の開口部を通るように前記膜の下方から前記フィードの少なくとも一部を流して、前記膜壁に前記フィードを供すことを含む、方法。
9. 膜濾過モジュールの洗浄方法であって、
   前記膜濾過モジュールには、膜の近位端部がポッティングされる上方ヘッダーから鉛直方向に延在し、かつ、フィード含有ベッセル内に配置された膜が１つ以上含まれており、
   汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有しており、
   ａ）膜濾過モジュールの１つ以上の開口部を通るように前記膜の下方から前記フィードの少なくとも一部を流入させ、前記フィードを前記膜壁に供す濾過操作を実施すること、
   ｂ）濾過操作を停止すること、
   ｃ）膜壁に対して洗浄を実施して、前記膜壁から汚染物質を除去して前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質を移動させること、
   ｄ）鉛直方向に延在する前記膜と実質的に平行に設けられたフィード含有ベッセルに対して排出処理を実施して、除去された汚染物質が含まれる前記液体の少なくとも一部を、前記膜の下側から膜濾過モジュールの開口部を介して除去すること、また
   ｅ）濾過操作を再開すること
   を含む、洗浄方法。
10. 鉛直方向に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティングされ、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向に延在する膜を１つ以上含んでいる、膜濾過モジュールであって、
    汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、
    前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられており、また
    前記膜壁に前記フィードが供されるように、前記フィードの少なくとも一部を前記１つ以上の開口部を通るように流す手段を有している、膜濾過モジュール。
11. 開口部が下方ヘッダーに設けられており、上方ヘッダーから濾液が取り出される、請求項１０に記載の膜濾過モジュール。
12. 前記膜壁から汚染物質を除去して前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質が移動するように、膜壁に対して洗浄を実施する手段、および
    前記汚染物質を含んだ前記液体を前記１つ以上の開口部を介して除去する手段
    を更に有している、請求項１０または１１に記載の膜濾過モジュール。
13. 前記洗浄に際して膜表面を擦り洗浄する泡が供されるように、開口部が膜濾過モジュール内へのガス導入に用いられる、請求項１２に記載の膜濾過モジュール。
14. 膜の近位端部がポッティングされる上方ヘッダーから鉛直方向に延在する膜を１つ以上含んでいる、膜濾過モジュールであって、
    汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、
    前記膜の下方にて少なくとも１つの開口部が膜濾過モジュールに設けられており、前記濾過操作に際して、前記フィードの少なくとも一部が前記開口部を通るように流れて前記膜壁に前記フィードが供される、膜濾過モジュール。
15. 膜表面を擦り洗浄する泡が供されるように、開口部が膜濾過モジュール内へのガス導入に用いられる、請求項１４に記載の膜濾過モジュール。
16. 鉛直方向に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティングされ、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向に延在する膜を１つ以上含んでいる、膜濾過モジュールであって、
    汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有しており、
    前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられ、
    前記膜壁から汚染物質を除去して前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質が移動するように、膜壁に対して洗浄を実施する手段、および
    前記汚染物質を含んだ前記液体を前記１つ以上の開口部を介して除去する手段
    を有している、膜濾過モジュール。
17. 開口部が下方ヘッダーに設けられており、上方ヘッダーから濾液が取り出される、請求項１６に記載の膜濾過モジュール。
18. 前記洗浄に際して膜表面を擦り洗浄する泡が供されるように、開口部が膜濾過モジュール内へのガス導入に用いられる、請求項１６または１７に記載の膜濾過モジュール。
19. 汚染物質の除去が前記洗浄と同時に行われる、請求項１６に記載の膜濾過モジュール。
20. フィード含有ベッセル内に配置された膜であり、鉛直方向に相互に離隔した上方ヘッダーおよび下方ヘッダーにて膜両端部がポッティングされ、上方ヘッダーと下方ヘッダーとの間で長手方向に延在する膜を１つ以上含んでいる、膜濾過システムであって、
    汚染物質が含まれるフィードを膜壁の一方の側部に供して、濾液を膜壁の他方の側部から取り出す濾過操作に付される透過壁を前記膜が有し、また
    前記上方ヘッダーおよび／または前記下方ヘッダーの少なくとも一方には１つ以上の開口部が設けられており、
    ａ）前記フィードの少なくとも一部を前記１つ以上の開口部から流入させ、前記フィードを前記膜壁に供す濾過操作を実施する手段、
    ｂ）濾過操作を停止する手段、
    ｃ）前記膜壁から汚染物質が除去されて前記膜の周囲の液体へと前記汚染物質が移動するように、膜壁に対して洗浄を実施する手段、
    ｄ）除去された汚染物質を含んだ前記液体の少なくとも一部がヘッダーの開口部を介して除去されるように、長手方向に延在する前記膜と実質的に平行に設けられたフィード含有ベッセルに対して排出処理を実施する手段、および
    ｅ）濾過操作を再開する手段
    を更に有している、膜濾過システム。
21. 開口部が下方ヘッダーに設けられ、上方ヘッダーから濾液が取り出される、請求項２０に記載の膜濾過システム。
22. 前記洗浄に際して膜表面を擦り洗浄する泡が供されるように、開口部が膜濾過モジュール内へのガス導入に用いられる、請求項２０または２１に記載の膜濾過システム。
23. 前記排出処理と同時に前記洗浄が行われる、請求項２０に記載の膜濾過システム。
24. フィード含有ベッセルが大気開放されている、請求項２０に記載の膜濾過システム。

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