JP2009220010A - 中空糸膜エレメント用フレーム及び膜濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜を束ねた中空糸膜エレメントの集水キャップに、エレメント支持体と係合しやすいように溝加工を行い、それをエレメント支持体の梁に係合することで簡単に中空糸膜エレメントの脱着が可能な膜濾過装置を提供する。
【解決手段】中空糸膜を束ねたものに集水口と溝を有する集水キャップ２０を液密に接続した中空糸膜エレメントを、溝に嵌合する支持板６５を有するフレーム６０に係止する。支持板６５は、集水キャップを挿入し、中空糸膜エレメントを回転させることで固定する開口部を有しているので、容易に取り外しが可能で、しかも強固に固定できる。
【選択図】図８

Description

本発明は、原水の入った処理水槽内に浸漬させ、原水を濾過処理する膜濾過装置に関する。さらに詳しくは、中空糸膜を束ねた中空糸膜エレメントの集水キャップに、エレメント支持体と係合しやすいように溝加工を行い、それをエレメント支持体の梁に係合することで簡単に中空糸膜エレメントの脱着が可能な膜濾過装置に関する。

一般に、浸漬型中空糸膜を用いた膜濾過装置は、処理水槽内に膜濾過装置を浸漬させ、処理槽内の懸濁物質を含む原水を中空糸膜を通して吸引濾過し、濾過水をえるために使用されている。

中空糸膜は、通常細長い中空糸膜を多数束ねて細長い筒状カートリッジとして用いられる場合が多い。カートリッジ内では、一方の端を封鎖され、他方の端は開口状態にされた中空糸膜が多数束ねられている。この筒状カートリッジの、中空糸膜が開口状態にされた側から吸引することで中空糸膜を通った濾過水を得ることができる。

膜濾過装置自体の集水効率は吸引力に比例するが、集水量を増やすためには、多くのこれらカートリッジをまとめて処理槽に浸漬させるのが効果的である。個々のカートリッジからの濾過水の集水量が少なくても多くのカートリッジを同時に使うことで集水量を多くすることが出来るからである。

そこで特許文献１には筒状カートリッジ状の中空糸膜からなるフィルターサブモジュールを４本まとめて固定し、それを複数個連ね、フレームに固定した濾過器が開示されている。この濾過器では、４本のフィルターサブモジュールの上部を１つのマニホールドで液密に固定している。そしてマニホールドには集水管が係止されていて、１つのマニホールドからは４本のフィルターサブモジュールからの濾過水が集水できる。

この４本のフィルターサブモジュールをまとめたユニットを多数並べて配置し、１つの膜濾過装置としている。

また、中空糸膜には原水内の懸濁物質が付着し、濾過効率が減少するという問題が発生する。そのため、フィルターサブモジュールの下部には散気管を設け、一定期間ごとにエアをあてる。このエアによって中空糸膜に付着した懸濁物質を除去する。この処理はエアスクラビングという。
特表２００２−５４２０１３号公報

このようにフィルターサブモジュールを複数本固定するマニホールドは、フィルターサブモジュールと脱着可能なようにロック機構とクリップ手段を有している。マニホールドとフィルターサブモジュールは液密に係合されなければならない一方で、フィルターサブモジュールは経年劣化を避けられず、交換しなければならないからである。しかも、処理槽中に浸漬されたフィルターサブモジュールは大変重く、フレームに固定されたマニホールド毎引き上げるためには、マニホールドとフィルターサブモジュールの係合は、強固でなければならない。

しかし、長期間に渡って処理槽中に浸漬されていたマニホールドとフィルターサブモジュールの係合は、容易には取り外すことができず、交換作業を著しく困難なものとするという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、集水管とは液密に係止されており、処理槽からの引き上げ時には、フレームにしっかりと固定され、交換時には容易に取外して交換できる中空糸膜エレメント支持用のフレームを提供するものである。

すなわち、本発明の中空糸膜エレメント用フレームは、外周に溝が形成された中空糸膜エレメントの集水キャップを差し込んで、回転することで係止する当て止め付き開口部が形成された支持板を有するフレームである。さらに、溝付集水キャップを有する中空糸膜エレメントを支持する梁を有するフレームに設置してなる膜濾過装置も提供する。

本発明の中空糸膜エレメントフ用レームは、中空糸膜と液密に係止された溝付集水キャップを有する中空糸膜エレメントの溝を差し込んで中空糸膜エレメントを回転させることで係止する当て止め付き開口部を有する支持板を有するので、簡単に中空糸膜エレメントを固定・脱着することができる。また、開口部に形成された当て止めが中空糸膜エレメントを支えるので、垂直方向には高い耐荷重性を得ることができる。従って、中空糸膜エレメントの交換時の処理槽からの引き上げが容易であるという効果がある。

また、支持板に形成される開口部は、四角と丸の組み合わせからなる比較的簡単な形状であるので、金型があれば、プレス加工で大量に、しかも廉価に作製できるという効果を有する。

本発明の膜濾過装置は、以上のような中空糸膜エレメントとフレームとを有するので、作製が容易であり、しかも、中空糸膜エレメントの交換が簡単であるという効果を有する。

本発明の実施形態を図面により説明する。図１は本発明の中空糸膜エレメント用フレーム（本明細書中において「中空糸膜エレメントフレーム」ともいう。）に用いる中空糸膜エレメントの一実施形態を示す図である。本発明の中空糸膜エレメント１では、中空糸膜１０、集水キャップ２０を含む。また、袋ナット３０、筒状容器４０を含んでいても良い。

中空糸膜１０は５０乃至２０００本を１つに束ねた小束１３にまとめられ、一方の端を中空糸膜閉塞部材１２で閉塞させる。小束１３同士は中空糸膜閉塞部材１２で閉塞された反対の端を中空糸膜固定部材１１で固定される。中空糸膜固定部材１１は複数の小束１３を１つに束ね、なおかつ、中空糸膜を開口状態で固定する。すなわち、中空糸膜固定部材１１側から見ると、１本の中空糸膜は袋状になる。

中空糸膜の素材は特に限定されるものではなく、膜面透過性のある中空糸状繊維であればよい。例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロトリル、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利用することができる。

集水キャップ２０は、本体内にマニホールド２５と集水口２２と溝２１を有する。集水キャップ２０は中空糸膜と液密に係止されるが、その方法は特に限定されるものではない。図１では、中空糸膜１０は中空糸膜固定部材１１で一旦固定され、さらに筒状容器４０の内径に液密に係止される。さらに筒状容器４０と集水キャップを袋ナット３０で締め上げることで、中空糸膜と集水キャップが液密に係止される。

集水口２２は集水キャップ２０のマニホールド２５から外部に穿たれた貫通孔であり、ここから陰圧で引くことで中空糸膜で濾過された濾過水がマニホールドを経由して得ることができる。

集水口２２には、集水管へ繋がるパイプとの結合手段がある。中空糸膜エレメントの交換の際にはこの結合手段で集水管との接続を切断するからである。この結合手段についても特に限定されるものではなく、液密状態で結合できる手段であればよい。

図１では、結合手段として集水口にフェルール継手２３を形成した場合を示す。フェルール継手２３は、鍔状の継手の表面にパッキング用の凹み２４が形成されている。そして、パッキングをはさんで、同形状のフェルール継手を突き合わせ、クランプバンドで固定することで、容易に液密状態の結合が可能である。

本発明の中空糸膜エレメントでは、全重量を溝２１で保持するために集水口に設けられる結合手段には荷重負担がない。従って、液密状態を保持できれば、結合手段自体には伸びや耐荷重性能は不要となる。

溝２１は集水キャップ２０の外周に形成される。図２は、集水キャップ２０をフェルール継手２３のある側から見た平面図である。溝２１は集水口２２をはさんで平行に溝切り加工が施されて形成される。集水キャップ２０の外径は符号３１で表わす。集水キャップの溝２１を形成した残りの厚さを溝残り幅３２とする。

図３には集水キャップ２０の斜視図を示す。集水キャップ２０の上部には集水口があり、フェルール継手２３で、図示しない集水管から延びるパイプ７１と接続される。集水キャップは筒状容器４０と液密に接続されている。集水キャップ２０の側面には溝２１が形成されている。この溝２１が形成されている部分にはリブ２７を設けても良い。

集水キャップ２０は樹脂材を用いることができるが、集水キャップは直径数百ｍｍ程度はある場合が多い。厚肉部がある場合、射出成形には不適な形状であり、切削加工では重くなる。そこで、集水キャップから肉削ぎ部分２８を設けても良い。その際には、リブ２７を設けて溝２１の部分の強度を補強することが好ましい。

図１に再び戻って、筒状容器４０は側面に開口部４１を有する。また下方にはエア導入筒４２が設けられている。エア導入筒４２の下には図示していない散気管が設置され、エア導入筒４２から筒状容器４０内に入ったエアは、開口部４１から抜ける際に中空糸膜１０を揺らせて表面の懸濁物質を除去する。

袋ナット３０は、集水キャップ２０と筒状部材４０の端を突き合せた部分を包み込むように係止する。本発明に用いる中空糸膜エレメントは、集水キャップと中空糸膜が一体となった状態で交換されるため、図１のように、中空糸膜と筒状部材が一体となっている場合は、集水キャップと筒状部材を接着若しくは溶着といった手段で接合してもよい。

袋ナット３０、筒状容器４０、集水キャップ２０、およびエア導入筒４２は、通常、樹脂から形成される。これらを形成する樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィン系樹脂や、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、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素系樹脂、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、袋ナット３０、筒状容器４０、集水キャップ２０、およびエア導入筒４２は、樹脂以外の材料で形成されてもよい。その場合の材料としては、アルミニウム、ステンレス鋼などが用いられる。更に、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することもできる。なお、筒状容器４０、集水キャップ２０、およびエア導入筒４２は、同一の材料でもそれぞれ異なる材料で形成されていてもかまわない。

以上のような中空糸膜エレメントは、集水口２２に、後述するフレーム側に配置された集水管との間をつなぐパイプを液密に接続し、フレームの支持梁で溝２１を嵌合することで所定位置に保持し、処理槽中に浸漬される。集水管は陰圧ポンプに結合され、マニホールドを通じて、各中空糸膜の内側から外側の原水を吸引する。この際に中空糸膜によって原水中の懸濁物質を濾過し、濾過水をマニホールドから集水口を通じて集水管へ送る。

一定時間の濾過工程が終了すると、洗浄液または圧縮エアを集水キャップ側から原水側へ流す逆洗や中空糸膜エレメント下方に設置した散気管から圧縮エアを供給し、中空糸膜に蓄積した懸濁物質を排出するエアスクラビングを行う。

逆洗は、洗浄液または圧縮エアが中空糸膜の内部から外部に向かって流れるため、中空糸膜の外表面に付着していた懸濁物質が剥離、若しくは剥離しやすい状態となる。そしてエアスクラビングによって剥離し、処理槽の底面に堆積する。

図４には本発明の中空糸膜エレメントフレームを示す。フレーム６０は、ベース６１と柱６２と支持板６５を有する。ベース６１は柱に接続されている。柱は桁６３によって他の柱と固定され、ベース６１、柱６２、桁６３によってフレームは形状を維持する。

支持板６５は、本発明の中空糸膜エレメントを係止する部分である。支持板６５は中空糸膜エレメントの集水キャップに設けられた溝に嵌合し、かつ回転して係止できる構造を有する。具体的には、開口部８０があり、第１の当て止め８６と第２の当て止め８７が形成されている。この構造の詳細は後述する図５以下で説明する。

フレームには集水管７０と散気管７５を設けても良い。集水管は中空糸膜エレメントからの濾過水を集めて排水するための管である。散気管は中空糸膜エレメントの下方からエアを供給し、エアスクラビングを行うことで中空糸膜表面の懸濁物質を洗浄する。配管７６は、散気管７５にエアを送るための配管であり、途中までを記載したが、処理槽の外部からエアを供給するために用いられる。

フレームは中空糸膜エレメントを保持しなければならないので、金属製であるのが好ましく、長期間に渡って処理槽に浸漬されるので、ステンレス若しくはそれと同等な金属若しくは合金で作製されるのが好ましい。

図５を参照して、支持板６５についてより詳細に説明する。図５は支持板６５を上から見た平面図である。ここには６つの中空糸膜エレメントを係止できるための開口部８０を有するが、中空糸膜エレメントを係止できる数は本実施例の通りでなくとも良い。開口部８０は、支持板６５の辺８１から内側に向かって所定形状を切り出した残りである。この部分に中空糸膜エレメントをはめ込み、かつ回転させて固定する。

開口部８０には入口８２が支持板６５の辺に形成されている。入口は辺に形成された平行な切欠きである。入口の幅８３は中空糸膜エレメントのキャップ２０の溝残り幅３２と略同一である。入口８３の奥には略円形の切欠きである内周部８４がある。この内周部の内径８５は中空糸エレメントの集水キャップ２０の外径３１と略同一の寸法に作製される。内周部には、第１および第２の当て止め部８６、８７が形成されている。

第１の当て止め８６は、入口８２の一方の壁との延長上８９に形成される。一方の第２の当て止め８７は、当て止め８６と内周部の中心８８を挟んで対角の位置に形成される。また、第１の当て止め８６には当て止め辺９０と９１があり、第２の当て止め８７には当て止め辺９２を有する。

次に図６を参照して支持板６５に中空糸膜エレメントを固定する方法を説明する。
図６（ａ）は、支持板６５の１つの開口部を拡大した部分図である。中空糸膜エレメントの溝残り幅３２は入口幅８３を通過することができるので、溝残り幅３２を入口に合わせて中空糸膜エレメントを押し込む（図６（ｂ））。

次に図７を参照して、そのまま押し込まれた中空糸膜エレメントのキャップ部分２０は、内周部の突き当たりで止まる（図７（ａ））。このとき、集水キャップの左側の溝は、第１の当て止め８６の当て止め辺９０当たる。すなわち、この状態では、中空糸膜エレメントは左回転できない。

次に集水キャップを右回転させる（図７（ｂ））。第１および第２の当て止めは集水キャップの溝の中空間にあり、集水キャップはこの方向に回転することができる。そして、第１および第２の当て止めが再び溝にあたるまでちょうど９０度回転させる（図７（ｃ））。つまり、第１のあて止めの当て止め辺９１が集水キャップの左側（図７（ｃ）では上側）の溝にあたり、第２のあて止めの当て止め辺９２が集水キャップの右側（図７（ｃ）では下側）の溝に当たって止まる。このようにすると、集水キャップの外径３１は入口８２を通過できないので支持板から取り出せない。すなわち、中空糸膜モジュールは支持板に固定されたことになる。

また、中空糸膜モジュール自体は第１および第２の当て止めによって鉛直下方向には支えを有しているので、フレームから落ちることなく固定される。また、このように回転して固定しているので、散気による振動を受けても中空糸膜モジュールが支持板からずれることもなく安定して固定される。

図８には、フレーム６０に中空糸膜エレメント１を係止させた膜濾過装置３を示す。中空糸膜エレメント１は集水キャップ２０に設けられた溝２１に、フレーム６０の支持板６５の開口部に差込み、回転させて係止させる。中空糸膜エレメントは、集水口から集水管へパイプ７１で連結されている。フレームには４つの中空糸膜エレメントが係止される様子を示すが、フレームの裏側にも中空糸膜エレメントを係止してもよい。また、１つのフレームに係止する中空糸膜エレメントの数も特に制限はなく、作製する膜濾過装置の規模で適宜決めればよい。

集水キャップの溝は、支持板６５に差し込まれ、かつ、回転して係止するので、非常に簡単にフレームに係止させることができる。また、中空糸膜エレメントに回転方向の力が加わっても、集水キャップは支持板の開口部で９０度回転して係止しているので、中空糸膜エレメントが回転して落下することはない。

なお、中空糸膜エレメントの下側も固定するようにしてもよい。しかし、中空糸膜エレメントは大部分を樹脂で形成される上に組立品であるため、寸法精度はそれほど高くない。従って集水キャップ以外に下方でも固定による位置規制を行うことは、却って固定時の調整などに手間がかかる。従って、本発明による溝を用いた係合以外に中空糸膜エレメントを支持するには、中空糸膜エレメントの下方を固定するよりは、中空糸膜エレメントの上方にて補助的な位置規制を行なう方が好ましい。

本発明は、河川水や湖沼水といった表流水の浄化、地下水の浄化の他、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濾過装置の作製に好適に利用することが出来る。

本発明の中空糸膜エレメントフレームに用いる中空糸膜エレメントを例示する断面図である。 集水キャップ２０の斜視図である。 集水キャップ２０の溝２１の形状のバリエーションの例を示す図で1ある。 本発明の中空糸膜エレメントフレームを例示する斜視図である。 支持板の平面図である。 支持板に中空糸膜エレメントの集水キャップ部分を差し込む経過を示す図である。 支持板に差し込んだ中空糸膜エレメントを回転させて固定する経過を示す図である。 フレームに中空糸膜エレメントを固定した様子を示す図である。

符号の説明

１ 中空糸膜エレメント
３ 膜濾過装置
１０ 中空糸膜
２０ 集水キャップ
２１ 溝
２２ 集水口
２７ リブ
３０ 袋ナット
４０ 筒状容器
６０ フレーム
６５ 支持板
７０ 集水管
７５ 散気管
８０ 開口部

Claims (3)

1. 膜濾過装置の中空糸膜エレメントを支持するフレームであって、
   開口部と、
   前記開口部の奥に形成された内周部と、
   前記内周部に形成された当て止め部を有する支持板
   を有する中空糸膜エレメント用フレーム。
2. 散気管を有する、請求項１に記載された中空糸膜エレメント用フレーム。
3. 集水キャップの側面に溝が形成された中空糸膜エレメントを、請求項１または２に記載された中空糸膜エレメント用フレームの前記支持板に係止させた膜濾過装置。
   

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