JP2010094589A - 中空糸膜エレメントとそれを用いた中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 生物処理槽の曝気と膜面の洗浄ができる中空糸膜エレメントの提供。
【解決手段】 支持管としての散気管12の周囲に中空糸膜20が配置されている。散気管12は、空気導入管18と第１細孔群14と第２細孔群16を有している。第１細孔群14の孔径＜第２細孔群16の孔径であり、それらの間には通気可能でかつ通気抵抗を生じさせる隘路部17が形成されている。隘路部17の作用により、第１細孔群14からは微細気泡が、第２細孔群16からは大きな気泡が放出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生物処理槽等に浸漬して使用する中空糸膜エレメントと、それを用いた中空糸膜モジュールに関する。

中空糸膜モジュールは、生物処理液等の比較的濁度の高い水処理分野で使用される場合は浸漬した状態で使用されることが多い。このような浸漬濾過方式の中空糸膜モジュールの場合は、濾過を継続して行った場合、膜面に懸濁質（ＳＳ）等による汚れが付着して、濾過性能が低下するという問題がある。

従来は、膜の下方からエアバブリングすることで、膜面に付着した汚れを除去している。しかし、中空糸膜束の外側に位置する中空糸膜表面の汚れは除去され易いが、中空糸膜束の内側にある中空糸膜表面の汚れは除去され難いため、エアバブリングのみでは、充分な濾過性能の回復は困難であった。

特許文献１には、浸漬濾過方式の中空糸膜カートリッジが開示されている。この中空糸膜カートリッジでは、中空糸膜束の下側の接着固定層３ｂに複数の貫通穴３ｃが形成されており、この貫通孔３ｃから放出される気泡による振動により、中空糸膜を洗浄するようになっている。
特開２００５−３４２６９０号公報 特開２００６−２３９６４２号公報 特開２００３−３２６１４０号公報

特許文献１、２の中空糸膜モジュールでは、下部固定部に空気の供給部と中空糸膜が混在しているが、微細気泡を発生させることは困難で、洗浄効果も充分ではない。

更に特許文献２のモジュールでは、下部固定部に空気の供給管及び噴出孔が設けられているが、このようなモジュールでは、固定部の接着剤層に空気供給管や噴出孔を加工するための工数が多くなり、加工コストも高くなる。

本発明は、簡単な構造であり、中空糸膜束を構成する中空糸膜束全体を洗浄することができ、容易に濾過性能を回復できると共に、生物処理槽に適用した場合には、散気による洗浄と曝気の両方を並行させることができる、中空糸膜エレメントとそれを用いた中空糸膜モジュールを提供することを課題とする。

本願発明は、課題の解決手段として、
支持管となる散気管の周囲に多数の中空糸膜が配置された中空糸膜エレメントであって、
前記散気管が、一端側に接続された外部からの空気導入管と、前記空気導入管よりも他端側に近い位置に形成された第１細孔群と、前記第１細孔群よりも更に他端側に近い位置に分離形成された第２細孔群とを有し、前記第１細孔群の平均孔径が前記第２細孔群の平均孔径よりも小さいものであり、
更に前記散気管が、前記第１細孔群と前記第２細孔群との間の通気経路に形成された通気抵抗を生じさせる通気抑制部位を有している、中空糸膜エレメントを提供する。

本願発明は、他の課題の解決手段として、請求項１〜４のいずれか１項に記載された中空糸膜エレメントの複数本からなる浸漬濾過方式の中空糸膜モジュールであって、
前記複数本の中空糸膜エレメントが１本又は２本以上の集水本管に接続され、
前記複数本の中空糸膜エレメントの散気管が、空気導入管を介して空気供給管に接続されている、浸漬濾過方式の中空糸膜モジュールを提供する。

本発明の中空糸膜エレメントは、生物処理槽に浸漬して使用したとき、散気管内に配置された、通気可能でかつ通気抵抗を生じさせる通気抑制部位の作用により、生物処理槽内の曝気をすることができ、同時に濾過運転により汚れが付着した中空糸膜面も洗浄することができる。

本発明の中空糸膜エレメントと同じ構造で、散気管内に配置された通気抑制部位がない場合は、外部の空気源に接続された空気導入管により、散気管の一端側から空気を導入したとき、空気は、より大きな平均孔径を有する第２細孔群の方から優先的に泡状に放出されることになり、第１細孔群から放出される気泡量はごく少量となる。これでは、中空糸膜面の洗浄は十分にできるが、生物処理槽内の曝気が不十分となり、実質的に他の曝気手段を使用する必要がある。

しかし、本発明の中空糸膜エレメントであると、外部の空気源に接続された空気導入管により、散気管の一端側から空気を導入したとき、散気管内に配置された通気抑制部位の作用により、空気は前記通気抑制部位を通過し難くなる。このため、空気導入管から送られる空気と前記通気抑制部位の作用により、第１細孔群付近の圧力が高められて、第１細孔群からは十分量の小さな気泡が放出される。そして、第１細孔群付近の圧力が高められることで前記通気抑制部位を空気が通過して、第２細孔群から十分量のより大きな気泡が放出される。

前記散気管の通気経路に形成された通気抵抗を生じさせる通気抑制部位の形成方法は特
に制限されないが、散気管自体を改変することにより、通気抵抗を生じさせる間隙を形成する方法を適用できる。

本発明の中空糸膜エレメントにおいて、第１細孔群の細孔の孔径が全て均一である場合には、平均孔径は１つの細孔の孔径となり、同様に第２細孔群の細孔の孔径が全て均一である場合には、平均孔径は１つの細孔の孔径となる。なお、第１細孔群の細孔の孔径と第２細孔群の細孔の孔径にばらつきがある場合には、第１細孔群の細孔中の最大径は、第２細孔群の細孔中の最小径よりも小さいことが好ましい。

本発明の中空糸膜エレメントにおいて伸縮性多孔部材は、散気管の細孔群に与えられる空気圧を受けて膨張する性質を有しているものであり、前記膨脹により、前記伸縮性多孔部材が有している微細孔が僅かに拡大されると、そこから微細な気泡が放出されるため、曝気効率が高められる（例えば、単位時間当たり或いは単位エネルギー当たりの溶存酸素量が高められる）。伸縮性多孔部材としては、ゴム、エラストマー、プラスチック等からなるシートのような、圧力を受けて変形するが、圧力がない場合には変形前の状態を維持できるものを用いる。

本発明の中空糸膜モジュールは、上記した中空糸膜エレメントを複数本使用しているものであるため、例えば、生物処理槽に浸漬して濾過運転した場合、中空糸膜エレメントの支持管からの散気により槽内を曝気することができ、並行して中空糸膜束の洗浄もできるため、濾過効率が非常に高くなる。

本発明の中空糸膜エレメントは、生物処理槽内に浸漬して使用したとき、１つの中空糸膜エレメントで曝気と膜面の洗浄の両方をすることができる。このため、本発明の中空糸膜エレメントを用いた中空糸膜モジュールは、長期間、安定した濾過運転をすることができる。

＜中空糸膜エレメント＞
（１）図１の中空糸膜エレメント
図１は、本発明の一実施形態である中空糸膜エレメント１０Ａの縦断面図である。

中空糸膜エレメント１０Ａは、支持管となる金属、プラスチック製等の散気管１２の周囲に多数の中空糸膜（中空糸膜束）２０が配置されたものである。

中空糸膜束２０及び散気管１２の上端側は、上部リング３２内にて、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂のような樹脂３３で固定一体化されている。上部リング３２の周囲には、上部集水キャップ３１がねじ込まれて一体化された状態で被せられている。上部集水キャップ３１内に面した中空糸膜束２０の端部は開口しており、散気管１２は樹脂３３で封止され開口していない。

中空糸膜束２０及び散気管１２の下端側は、下部リング４２内にて、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂のような樹脂４３で固定一体化されている。下部リング４２の周囲には、下部キャップ４１がねじ込まれて一体化された状態で被せられている。下部キャップ４１内に面した中空糸膜束２０の端部は閉塞されており、散気管１１は樹脂４３で封止され開口していない。

このような樹脂３３、４３による固定方法は、公知の中空糸膜束の樹脂封止法を適用して、中空糸膜束２０及び散気管１２の両端側を樹脂で封止した後、上部集水キャップ３１側のみの中空糸膜束２０を切断して開口させる方法を適用することができる。

上部集水キャップ３１内は上部集水室３５となり、使用時には、連通管３６にて集水本管に接続される。

中空糸膜束２０を構成する中空糸膜は公知のものであり、外径１〜３ｍｍ程度、内径０．５〜２ｍｍ程度で、長さが３０〜３００ｃｍのものを１つの中空糸膜エレメント当たり数百本程度用いることができる。

散気管１２は、一端側（上部集水キャップ３１側）に空気導入管１８が接続されており、外部の空気源から空気導入管１８を介して散気管１２内に空気が導入される。

散気管１２は、空気導入管１８よりも他端側（下部集水キャップ４１側）に近い位置に形成された第１細孔群１４を有している。第１細孔群１４は、散気管１２に形成された孔（又はスリット）１４ａと、筒状のゴムメンブレ１４ｂが有する微細孔から形成されている。筒状のゴムメンブレン１４ｂは、スリット（長さ１ｍｍ程度）又は孔（直径１ｍｍ程度）を有するゴムメンブレンが散気管１２の周囲に巻かれたものである。第１細孔群の平均孔径は、ゴムメンブレ１４ｂが膨脹せずに閉じているときの孔径の平均である。

筒状のゴムメンブレ１４ｂは、孔（又はスリット）１４ａの表面に密着した状態で被せられており、両端が上部固定部材１５ａと下部固定部材１５ｂにより固定されている。

ゴムメンブレンは、通常の状態（圧力が加わらない状態）では目視できる孔が存在していないが、圧力を受けるとゴムメンブレン自体が膨張して、微細孔を生じさせるものである。このようなゴムメンブレンとしては、特開２００６−７５７７１号公報、特開２００７−１４８９８号公報、特開２００４−３３８８９号公報等に開示されているような、伸縮可能なゴム製シートに微細な孔が多数設けられたもの等を用いることができる。例えば、特開２００６−７５７７１号公報には、厚さが０．１〜３．０ｍｍ（好ましくは０．１〜３．０ｍｍ）であり、１万個〜１００万個／ｍ²（好ましくは１０万〜１００万個／ｍ²）の微細な通気孔を有するものが記載されている。

第１細孔群１４よりも更に他端側（下部キャップ４１側）に近い位置には、第１細孔群１４とは分離された状態の第２細孔群１６が形成されている。第２細孔群１６の孔径は０．０１〜１ｍｍの範囲にすることができ、孔密度は１００〜１０，０００個／ｃｍ²の範囲にすることができる。

散気管１２内の第１細孔群１４と第２細孔群１６との間には、通気経路の幅方向の断面積が縮小された、通気抑制部位となる隘路部１７が形成されている。散気管１２内には、隘路部１７を挟んで第１空間２１と第２空間２２が存在している。

隘路部１７の幅方向の断面積（Ｓ₂）と、第１空間２１の幅方向の断面積（Ｓ₁）との比率（Ｓ₂／Ｓ₁）は０．００１〜０．５が好ましく、より好ましくは０．００１〜０．４、更に好ましくは０．００５〜０．３である。Ｓ₁とＳ₂が前記関係を満たしていると、第１細孔群１４から微細な気泡を放出し、第２細孔群１６からより大きな気泡を放出する上で好ましい。

第１細孔群の孔１４ａと第２細孔群の孔１６ａの開口方向は特に制限されず、中空糸膜束２０に正対する方向、斜め上方向、斜め下方向、これらの方向が混在した方向のいずれでもよい。

中空糸膜エレメント１０Ａにおいて、空気導入管１８から散気管１２内の第１空間２１に導入された空気は、隘路部１７の作用により、第２空間２２への空気の移動が制限される。このため、第１細孔群１４付近の圧力が高められて、第１細孔群１４からは十分量の小さな気泡が放出される。そして、第１細孔群１４付近の圧力が高められることで空気が隘路部１７を通過して第２空間２２に至り、第２細孔群１６から十分量のより大きな気泡が放出される。

（２）図２の中空糸膜エレメント
図２は、本発明の他の実施形態である中空糸膜エレメント１０Ｂの縦断面図である。図１の中空糸膜エレメント１０Ａとは、一部を除いて同じ構造である。以下、異なる部分についてのみ説明する。

第１細孔群１４は、散気管１２に形成された複数の細孔からなるものであり、第１細孔群１４の孔径は、第２細孔群１６の孔径よりも小さくなるように設定されている。

第１細孔群１４の孔径は、０．００１〜０．５ｍｍの範囲にすることができ、孔密度は１００〜１００，０００個／ｃｍ²の範囲にすることができる。

第２細孔群１６の孔径は０．０１〜１ｍｍの範囲にすることができ、孔密度は１００〜１０，０００個／ｃｍ²の範囲にすることができる。

図２に示す中空糸膜エレメント１０Ｂは、隘路部１７を有していることから、図１で示す中空糸膜エレメント１０Ａと同じ作用効果が得られる。

（３）図３の中空糸膜エレメント
図３は、本発明の他の実施形態である中空糸膜エレメント１０Ｃの縦断面図である。図１の中空糸膜エレメント１０Ａとは、一部を除いて同じ構造である。以下、異なる部分についてのみ説明する。

散気管１２の一端側は樹脂３３を貫通し、更にキャップ３１を貫通して外部にまで至り、図示していない空気導入管に連結されている。

上部集水キャップ３１内は上部集水室３５となり、連通管３６は、上部集水キャップ３１の曲面を貫通して取り付けられており、図示していない集水本管に接続される。

図３に示す中空糸膜エレメント１０Ｃは、隘路部１７を有していることから、図１で示す中空糸膜エレメント１０Ａと同じ作用効果が得られる。

＜中空糸膜モジュール＞
図４は、中空糸膜モジュール１００の正面図である。図４では、中空糸膜エレメント１０Ａを用いているが、中空糸膜エレメント１０Ｂ、１０Ｃでもよい。

枠体１０１には、計１２本（６本は反対側で正面からは見えない）の中空糸膜エレメント１０Ａが取り付けられている。枠体１０１の形状や構造は、中空糸膜エレメント１０Ａを固定保持できるものであれば、特に制限されない。

中空糸膜エレメント１０Ａの各散気管１２と連通された空気導入管１８は、２本の空気供給管１０５（１本は反対側で正面からは見えない）に接続されている。

各中空糸膜エレメント１０Ａの上部集水キャップ３５は、連通管３６を介して２本の集水本管１０６（１本は反対側で正面からは見えない）に接続されている。

連通管３６の形状や構造は特に制限されないが、特開２００７−２９６４３２号公報の図４に示されているようなソケット部７１とスタッド部７２からなるものを用いることができる。このようなソケット部７１とスタッド部７２としては、例えば、商品名ワンタッチソケット（ワモト（株）製）等を用いることができる。これは、いわゆるワンタッチ方式のもので、片手で簡単に取り付けたり外したりすることができるため、膜エレメントの交換作業が容易である。

次に、図４の中空糸膜モジュール１００において、図１で示す中空糸膜エレメント１０Ａを用いた場合の動作を説明する。

中空糸膜モジュール１００は、生物処理槽中に浸漬して使用する。透過水ラインに接続されたポンプを作動させ、中空糸膜エレメント１０Ａの上部集水キャップ３１側から吸引濾過する。

中空糸膜束２０にて濾過された透過水は、上部集水室３５内に流入する。上部集水室３５内に流入した透過水は、そのまま連通管３６を通って集水本管１０６内に移動し、透過水ラインに送られる。

このような濾過運転において、中空糸膜エレメント１０Ａにより、生物処理槽内の曝気と膜面を洗浄するための（即ち、膜面上に形成される濾過ケーク量を抑制するための）散気を行う。曝気と散気は、運転開始から継続して行ってもよいし、適当間隔をおいて行ってもよい。また、曝気と散気は並行して行ってもよいし、別々に行ってもよい。

２本の空気供給管１０５から加圧状態で空気を供給して、各中空糸膜エレメント１０Ａの空気導入管１８を介して散気管１２内に継続的に送り込む。散気管１２内に送り込まれた空気は、通気抑制作用をする隘路部１７の作用により、第１空間２１から第２空間２２への円滑な移動が抑制されることになる。このため、第１空間２１内の圧力が高められて、筒状のゴムメンブレ１４ｂが膨脹して微細孔が形成され、そこから曝気に適した微細な気泡が噴出される。気泡径が微細なほど、単位時間当たりの溶存酸素量を増加させることができるため、生物処理速度も向上される。

第１空間２１内の圧力の上昇により、空気が隘路部１７を通過して第２空間２２内に移動する。そして、第２細孔群１６から、膜面の洗浄に適した大きめの気泡が噴出される。噴出された気泡は、中空糸膜束２０の内側から外側方向にかつ下側から上側方向に移動するため、中空糸膜束２０全体が振動させられると共に、中空糸膜束２０を構成する中空糸膜に泡が接触することにより、膜面の汚れが除去される。

本発明の中空糸膜エレメントの縦端面図。 別実施形態である本発明の中空糸膜エレメントの縦端面図。 別実施形態である本発明の中空糸膜エレメントの縦端面図。 本発明の中空糸膜モジュールの正面図。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 中空糸膜エレメント
１２ 散気管
１４ 第１細孔群
１５ａ 上部固定部材
１５ｂ 下部固定部材
１６ 第２細孔群
１７ 隘路部
１８ 空気導入管
２０ 中空糸膜束
３１ 上部集水キャップ
３５ 上部集水室
４１ 下部キャップ

Claims (6)

1. 支持管となる散気管の周囲に多数の中空糸膜が配置された中空糸膜エレメントであって、
   前記散気管が、一端側に接続された外部からの空気導入管と、前記空気導入管よりも他端側に近い位置に形成された第１細孔群と、前記第１細孔群よりも更に他端側に近い位置に分離形成された第２細孔群とを有し、前記第１細孔群の平均孔径が前記第２細孔群の平均孔径よりも小さいものであり、
   更に前記散気管が、前記第１細孔群と前記第２細孔群との間の通気経路に形成された通気抵抗を生じさせる通気抑制部位を有している、中空糸膜エレメント。
2. 前記通気抑制部位が、前記通気経路の幅方向の断面積が縮小された部位である、請求項１記載の中空糸膜エレメント。
3. 前記通気経路の幅方向の断面積が縮小された部位が、前記部位の断面積Ｓ₂と前記部位に至るまでの通気経路の断面積Ｓ₁との比率（Ｓ₂／Ｓ₁）が０．００１〜０．５の範囲である、請求項２記載の中空糸膜エレメント。
4. 前記第１細孔群が、散気管に形成された細孔群の表面を被覆する伸縮性多孔部材が有する微細孔であり、前記第２細孔群が、散気管に形成された細孔群である、請求項１〜３のいずれか１項記載の中空糸膜エレメント。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載された中空糸膜エレメントの複数本からなる浸漬濾過方式の中空糸膜モジュールであって、
   前記複数本の中空糸膜エレメントが１本又は２本以上の集水本管に接続され、
   前記複数本の中空糸膜エレメントの散気管が、空気導入管を介して空気供給管に接続されている、浸漬濾過方式の中空糸膜モジュール。
6. 前記複数本の中空糸膜エレメントが枠体で支持されている、請求項５記載の浸漬濾過方式の中空糸膜モジュール。

Images