JP2011224452A - 膜ユニット及び膜分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜分離装置において、スクラビングによる膜エレメントの洗浄効果を向上させる。
【解決手段】処理槽１５内の被処理液中に浸漬される分離膜５と（膜エレメント）、分離膜５を洗浄するための気泡６を散気する散気手段２と、を備えた膜分離装置１４において、散気手段２と分離膜５との間に気泡滞留板３を備える。気泡滞留板３は、散気装置２から散気された気泡６を滞留させることで、気泡６を集合させ径の大きな気泡６を形成する。径の大きな気泡６を分離膜５に作用させることで、分離膜５の洗浄効果が向上する。また、気泡滞留板３を多段に備えることで、分離膜５全体に気泡６を作用させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、膜分離装置に関するものであり、特に水処理の分野で用いられる膜ユニット及び膜分離装置に関する。

膜分離技術は、従来から海水淡水化、浄水処理、ガス分離、血液浄化等で使用されてきたが、最近では環境保全の観点から、廃水処理にも膜分離技術を適用しようとする研究が進められている。

従来、浄水処理、下排水処理、或いは産業排水の処理等、濁度の高い被処理水の固液分離を行う方法として、砂濾過や重力沈殿等が行われている。しかしながら、これら方法による固液分離は、得られる被処理水の水質が不充分となる場合が生じることや、固液分離のために広大な用地を必要とするといった課題を有している。

この課題を解決する方法として、近年精密濾過膜、限外濾過膜等の分離膜を配設した膜モジュールを用いて被処理水の固液分離を行う方法が種々検討されている。分離膜を用いて被処理水の濾過処理を行うと、水質の高い処理水を得ることができる（例えば、非特許文献１）。

分離膜を用いて被処理水の固液分離を行う場合、濾過処理を継続するにしたがって懸濁物質による分離膜表面の目詰まりが進行するため、濾過流量の低下、或いは膜間差圧の上昇が生じる。このような状態を回復させるため、図８に示すように、膜モジュール２３の下方に散気装置２を配設し、散気装置２から気泡６の散気を行い、分離膜５表面の被処理水を揺動させる（スクラビングする）ことにより分離膜５表面の懸濁物質を引き剥がす方法が行われている（例えば、特許文献１、２）。散気装置２へのスクラビングエアの供給源にはブロワやコンプレッサが使用されている。

特許文献１、２に記載の膜分離装置では、スクラビングするための気泡６を分離膜５全体に均等に、かつ十分に作用させるために、分離膜５ごとに散気装置２（散気管）を配設している。さらに、被処理水に対するスクラビングエアの溶解効率を向上させるために、気泡６径を小さくしている。

特開平８−２８１０８０号公報 特開２００１−１６２１４１号公報

上坂太一、外３名、「排水処理の高度化・再利用に用いられる液中膜」、クボタ技報、株式会社クボタ、２００５年６月、第３９巻、ｐ．４２−５０

しかしながら、スクラビングの気泡６径は、大きい方が高い洗浄効果を得ることができる。つまり、気泡６径を小さくすると、高い溶解効率を得ることができるが、洗浄効果とトレードオフになるため、洗浄効果を向上させるためにスクラビングエアの量を増大させなければならず、結果的には、全体のスクラビングエアの送風に大きなエネルギーが必要となる。また、気泡６が大きくなれば溶解効率が低下するため、同じ溶解量を得るためには、散気装置２にスクラビングエアを供給する供給源の送風量を増大させる必要がある。

省エネルギーの観点から、送風量を抑制することが求められており、少ない送風量で径の大きな気泡６を生成させる場合、散気装置２から放出される気泡６量が低減してしまう。気泡６量が減少すると、スクラビングするための気泡６を全膜エレメントに均等に、かつ十分に作用させることが困難となっていた。

上記課題を解決する本発明の膜ユニットは、処理槽内の被処理液中に浸漬される膜エレメントと、前記膜エレメントの下方に備えられる散気手段と、前記膜エレメントと前記散気手段との間に、前記散気手段より散気された気泡を集合させる気泡集合手段と、を備えたことを特徴としている。

また、上記膜ユニットにおいて、前記気泡集合手段を複数備え、前記気泡集合手段を多段に配設するとよい。

また、上記膜ユニットにおいて、前記多段に配設された気泡集合手段の大きさを前記散気手段から離間するほど小さくしてもよい。

また、上記課題を解決する本発明の膜分離装置は、処理槽と、前記処理槽内の被処理液中に浸漬される膜エレメントと、前記被処理液中に酸素を供給する酸素供給手段と、前記膜エレメントの下方に備えられる散気手段と、前記膜エレメントと前記散気手段との間に、前記散気手段より散気された気泡を集合させる気泡集合手段と、を備えたことを特徴としている。

以上の発明によれば、膜分離ユニット及び膜分離装置において、スクラビングによる膜エレメントの洗浄効果の向上に寄与することができる。

本発明の実施形態１に係る膜分離装置の例を示す概略断面図。 本発明の実施形態１に係る散気装置の例を示す断面図。 本発明の実施形態１に係る気泡滞留板の例を示す概略図。 本発明の実施形態１に係る膜モジュールの例を示す斜視図。 本発明の実施形態１に係る膜モジュールの例を示す斜視断面図。 本発明の実施形態２に係る膜分離装置の例を示す概略断面図。 本発明の実施形態２に係る膜分離装置の変形例を示す概略断面図。 従来技術に係る膜分離装置の例を示す概略断面図。

本発明の実施形態に係る膜ユニット及び膜分離装置について図１〜７を参照して詳細に説明する。

本発明は、膜ユニット（膜分離ユニット）に備えられる分離膜（膜エレメント）のスクラビングに関するものである。スクラビングとは、上昇する気泡を含んだ水流により分離膜表面の被処理水を揺動させて分離膜表面の付着物を除去する方法である。

スクラビングに供される気泡は、気泡の粒子径が大きい方が分離膜の洗浄効果が高いことが知られている。そこで、本発明に係る膜ユニット及び膜分離装置では、分離膜に粒子径の大きい気泡を供するための気泡滞留板（気泡集合手段）を備えている。

なお、実施形態の説明では、下排水処理施設の膜分離活性汚泥法（Ｍｅｍｂｒａｎ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ：ＭＢＲ）を用いたシステムの膜分離装置を例示するが、本発明に係る膜分離ユニット及び膜分離装置はこの実施形態に限定されるものではない。すなわち、本願発明に係る膜ユニット及び膜分離装置は、さまざまな被処理水（水に限らず有機溶媒等でもよい）を濾過する装置において、分離膜の洗浄に適用することができる。

図１に示すように、本発明の実施形態１に係る膜分離ユニット１は、散気装置２、気泡滞留板３（気泡集合手段）、及び膜モジュール４より構成される。

散気装置２は、膜モジュール４の下方に配置され、膜モジュール４に配設される分離膜５を洗浄する（スクラビングする）ための気泡６を発生させる。図２に示すように、散気装置２は、金属または樹脂からなる筒状部材７に１〜１０ｍｍ程度の孔８が形成されたものが例示される。筒状部材７の一端には、ブロワやコンプレッサ（図示省略）から供給されるスクラビングエアが流入するエア流入管９が連結されており、エア流入管９より流入したスクラビングエアが孔８より射出されることにより気泡６が生成する。

気泡滞留板３は、散気装置２と膜モジュール４間に備えられ、散気装置２から発生した気泡６を一時的に滞留させる。気泡滞留板３で、一旦小気泡６を集めて気泡６を重合させることで、膜モジュール４に大きな粒子径の気泡６を送り込むことができる。

気泡滞留板３の形状は、散気装置２から発生する気泡６を重合させて大きな粒径を有する気泡６を生成させることができるものであればよいので、図１に例示した平板状以外にも、図３（ａ）〜（ｆ）に示すように半円筒状、半角筒状のもの等を適宜選択して用いればよく、これらを組み合わせて用いてもよい。また、気泡滞留板３の材質は特に限定するものでなく、金属、樹脂、セラミック等で形成すればよい。なお、気泡滞留板３は複数備えてもよい。また、気泡滞留板３は、分離膜５の膜面に対して平行となるように配置しても、垂直となるように配置してもよい。

膜モジュール４は、例えば図４に示すように、複数の平型の分離膜５と、この分離膜５の側端部を支持する支持部１０と、支持部１０の側面を閉塞するガイド１１より構成される。すなわち、支持部１０とガイド１１により、上下に開口部を有する筺体が構成される。

このとき、膜モジュール４の上部開口端断面積が、下部開口端断面積より小さくなるように、ガイド１１を形成すると、分離膜５による濾過効率が向上する。つまり、膜モジュール４を積重させた際に、膜モジュール４の上部開口端と、この膜モジュール４に積重される膜モジュール（図示省略）の下部開口端の間に形成される空隙１７より、膜モジュール４の外周部にある被処理水が流入して、膜モジュール４内を流通する被処理水の濃度上昇を低減させることができる。

支持部１０には、後述の分離膜５に形成された集水路５ｂと連通する集水部（図示省略）が形成されている。集水部は、分離膜５の端部の一方に備えてもよく、両端に備えてもよい。集水部は、支持部１０に形成された濾過吸引口１２と連通している。さらに、この濾過吸引口１２は、図示省略の濾過液を吸引するポンプの配管が接続される。

分離膜５は、分離膜５の膜面５ａが、膜モジュール４を流通する被処理水の流れる方向と平行となるように膜モジュール４内に配設されている。

図５は、膜モジュール４の断面図である。膜モジュール４に備えられる分離膜５の一例として、（縦）１００〜２００ｍｍ×（横）２００〜１０００ｍｍ×（厚さ）５〜２０ｍｍの平板状のセラミック平膜を示す。一般的に、セラミック平膜は、押し出し成型で製造することができるので好ましい。そして、押し出し成型の場合、金型等の作成機器や押し出し後の変形等を考慮して適正な大きさを決めるとよい。

分離膜５は、実施形態に限定されるものではなく、例えば、ＭＢＲに適用されている周知の分離膜である、有機中空糸膜、有機平膜、無機平膜、無機単管膜等を用いればよい。そして、分離膜５の材質としては、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）、セラミックス等が例示される。

分離膜５の孔径は、特に限定されるものではなく、固液分離の対象となる物質の粒径に応じて選択すればよい。例えば、活性汚泥の固液分離に用いるならば、０．５μｍ以下であればよく、また、浄水の濾過のように、除菌が必要な場合は０．１μｍ以下であればよい。すなわち、一般に限外濾過膜に形成されている孔径（０．００１〜０．１μｍ）、または一般に精密濾過膜に形成されている孔径（０．１〜１μｍ）であればよい。

図５に示すように、分離膜５の一例としたセラミック平膜の端部には集水路５ｂが複数形成されている。

分離膜５の種類や配設形態は、膜モジュール４のコンパクト性、濾液取り出し時の圧損の低減、膜モジュール４配設時の加工の容易性、等を総合的に加味して決定される。

上記構成を有する膜モジュール４において、分離膜５の膜面５ａでは、被処理水から固形物等が分離膜５の表面に捕らえられ、水分と固形物等とが分離される。こうして固形物等が除去された濾過水は、集水路５ｂに至り、そして集水路５ｂに接続された集水部、濾過吸引口１２を経由して生物反応槽外（膜分離装置１外）に移送される。

膜モジュール４内に備えられる分離膜５の枚数は、操作性や保守性を考慮して適宜選択すればよく、例えば１０〜３０枚程度であればよい。

図５に示すように、すべての分離膜５の近傍を流通する被処理水の条件（被処理水の濃度や流速）を同じ条件とするために、ガイド１１は、対となるように備えるとよい。この場合、膜モジュール４ごとに、膜モジュール４の高さと同一高さのガイド１１を図１のように膜エレメント群の左右に１対設置してもよいが、膜モジュール４の高さ方向に複数分割したガイド１１を膜モジュールの高さ方向に複数配設してもよい。

ガイド１１の形状は、膜モジュール４の流路において、分離膜５が備えられる部分の流路が狭まるように形成するとよい。前記流路を狭くすることにより、ガイド１１と分離膜５間を流通する被処理水の速度が速くなり洗浄効果が向上する。また、流路を狭くすることにより気泡６を含む気液混合流が収束し、効率よく分離膜５の膜面５ａに気泡を作用させることができる。

また、図１に示すように、本発明の実施形態１に係る膜分離装置１４は、生物反応槽１５と、膜分離ユニット１と、酸素供給用散気装置１６より構成される。

膜分離ユニット１は、処理水の深さ方向に膜モジュール４を積み重ねて構成され、ＭＢＲの生物反応槽内１５の液相に浸漬されるように設置される。膜モジュール４を積重させることで、散気装置２から生じる気泡６をより多くの分離膜５に作用させることができる。つまり、膜モジュール４を積重する数を増大させるほど、散気装置２から散気される空気量に対するスクラビング効果が増大する。

また、膜モジュール４の開口部の断面積が、上部開口部で狭く、下部開口部では広くなっている。その結果、膜モジュール４を縦に積み重ねて膜分離ユニット１を構成した場合、ガイド１１により、散気装置２から発生した気泡６が膜分離ユニット１の外部へ拡散せず、気泡６を分離膜５に有効に作用させることができる。

酸素供給用散気装置１６は、生物反応槽１５内に備えられ、微生物反応に必要な酸素を液相に供給する。

生物反応槽１５の水深は、一般的に４ｍ程度である場合が多いので、生物反応槽１５の水深と保守性を考慮した重量や外形から、積重する膜モジュール４の個数が選定される。例えば、膜分離ユニット１の高さが、２ｍ〜３ｍ程度となるように膜モジュール４の個数が選定される。

この膜分離ユニット１内部での被処理水の流れは、膜分離ユニット１の下部の開口部から上部の開口部へ向かう流れとなる。膜分離ユニット１流路は、外部の被処理水から簡易的に密閉されており、被処理水は分離膜５で濾過されるので、膜分離ユニット１の上部になればなるほど、膜分離ユニット１内部を流通する被処理水の活性汚泥濃度が上昇する。膜分離ユニット１では、積重された各膜モジュール４の空隙１７から被処理水が膜分離ユニット１内に吸引されるので、膜分離ユニット１内部での活性汚泥濃度の大きな上昇を抑制することができる。その結果、濾過に対しての負荷が低減し、膜閉塞の緩和、及び消費エネルギーの低減につながる。なお、被処理水を膜分離ユニット１内部に吸引する吸引力は、気泡６の上昇により生じるため、特に被処理水を吸引するための動力源を備える必要はない。

次に、本発明の実施形態に係る膜分離装置１４の動作について、図１に示すＭＢＲに用いられる膜分離装置１４を参照して詳細に説明する。ＭＢＲでは、微細な夾雑物や微生物が生産する細胞外高分子等が分離膜５表面や内部に付着・堆積することによる分離膜５の閉塞を防止するため、分離膜５の下方に散気装置２を設ける。少なくとも、濾過を行っている工程では常に連続して散気装置２より散気を行うとよい。膜分離装置１４の運転方法としては浸漬吸引濾過法、水頭差による重力濾過法などが用いられる。

濾過を行う場合、散気装置２、及び酸素供給用散気装置１６から空気が散気される。散気装置２から空気を散気させることで、液中における気泡６の上昇により分離膜５表面層に対し流速、乱流、せん断力を作用させ、分離膜５を洗浄することができる。すなわち、散気装置２から放出される気泡６により発生した気液混合流は、上昇して分離膜５に接触する。この気液混合流により、各分離膜５がスクラビングされる。また、酸素供給用散気装置１６により、被処理水への酸素溶解が行われる。

そして、分離膜５の濾過機能により被処理水が固形分と水とに分離される。図４及び５に示したように、分離膜５の集水路５ｂは、集水部（図示省略）を介して濾過吸引口１２と連通し、濾過吸引口１２の他端には配管を介して吸引ポンプ（図示省略）が接続されている。したがって、この濾過吸引口１２を通して、分離膜５によって濾過された濾過水が吸引ポンプにより吸引され、膜分離装置１４外に移送される。

分離膜５の洗浄に供される気泡６の粒子径は、分離膜５の間隔よりも大きな直径であるとより高い洗浄効果が得られる。例えば、分離膜５が８．５ｍｍの間隔で配置されている場合、１０ｍｍ以上の径を有する気泡６を含んだ気泡６を分離膜５に作用させるとより洗浄効果が向上する。そこで、本発明の実施形態に係る膜分離装置１４の気泡滞留板３は、散気装置２からの気泡６を滞留させることで気泡６を集合させ、粒子径の大きい気泡６を形成する。そして、この粒子径の大きい気泡６が分離膜５の洗浄に供される。

図２に示した散気装置２において、円筒部材７中の水（混合液）を押しのける作用等の関係から１つの孔８から射出されるエアの流速が１０ｍ／ｓｅｃ以上であれば、確実に安定して散気が行えることが経験上知られている。また、分離膜５の洗浄に必要なスクラビングエア送風量は、膜ユニット１の濾過流量に基づいて決定され、濾過流量が大きければ必要となるスクラビングエア送風量も大きくなる。

例えば、図１のような膜分離装置１４において、濾過流量が１５ｍ³／日であり、スクラビングエア送風量が濾過流量の６倍、１つの孔８から射出されるエア流速が１５ｍ／ｓｅｃと設定した場合、孔８の直径φが３ｍｍとすると孔８の数は１０個となる。また、孔８の直径φが５ｍｍでは孔の数は３個になる。つまり、分離膜５の洗浄効果を向上させるために、大きな気泡６を生成させる必要があるが、大きな気泡６を生成させるために散気装置２に形成される孔８を大きくすると、安定して散気を行うためには孔８の数を少なくしなくてはならない。そして、孔８の数が少なくなると、気泡６をすべての分離膜５に概略均等に作用させることは難しくなる。したがって、従来の膜分離装置では、濾過流量の１０倍〜２０倍のスクラビングエア送風量を必要としていた。

本実施形態に係る膜分離装置１４では、散気装置２と膜モジュール４間に気泡滞留板３を設けることにより、散気装置２から発生した気泡６を集合させて、粒子径の大きい気泡６を分離膜５に作用させる。したがって、分離膜５の洗浄効果を向上させることができる。さらに、気泡滞留板３により、気泡６を時間的、空間的に平均化することができるので、気泡６をすべての分離膜５に均等かつ十分に作用させることができる。したがって、濾過流量の６倍程度のスクラビング送風量によるスクラビングでも、十分な洗浄効果を得ることができる。

また、散気に用いられる気泡６の径が大きいと洗浄効果が高く、被処理水に気体を溶解させるために用いられる気泡６の径が小さいと溶解効率が向上する。したがって、スクラビング用の散気装置２と微生物反応用の散気装置１６を分けて設計することで、散気装置２等で使用されるブロアやコンプレッサのエネルギー使用量を低減することができる。

次に、本発明の実施形態２に係る膜ユニット１８及び膜分離装置１９について図６、７を参照して詳細に説明する。

本発明の実施形態２に係る発明は、膜ユニット１８及び膜分離装置１９に備えられる気泡滞留板３の配置方法に関するものである。したがって、膜ユニット１８及び膜分離装置１９を構成する各構成要素は、実施形態１に係る膜ユニット１及び膜分離装置１４と同様である。よって、実施形態１と同様のものについては同様の符合を付し、詳細な説明は省略する。また、膜分離装置１９の動作についても実施形態１の膜分離装置１４の説明と同様である。

図６に示すように、本発明の実施形態２に係る膜分離ユニット１８は、散気装置２、気泡滞留板３（気泡集合手段）、及び膜モジュール４より構成される。

実施形態２に係る膜分離ユニット１８は、気泡滞留板３が多段に設置されている。気泡滞留板３を多段に配置することにより、実施形態１の膜ユニット１及び膜分離装置１４の効果に加えて、気泡６を空間的に分散させることができる。また、図７に示すように、多段に配置される気泡滞留板３の幅を調節（例えば、散気装置２から離間するにしたがって気泡滞留板３の幅を狭くする）することにより、気泡６が分離膜５全体に作用するように調節することができる。さらに、散気装置２を１つの膜ユニットに対して１本とした場合においても、気泡滞留板３によって、気泡６を分離膜５全体に作用させることができるので、散気装置２を複数に分岐させることに伴う射出空気量が不均一となる現象を防止することができる。

以上のように、本発明の膜ユニット及び膜分離装置によれば、径の大きい気泡を膜エレメントに作用させることができるので、散気装置から射出される空気量を少なくしても大きな洗浄効果を得ることができる。また、気泡滞留板を複数多段に設けることにより、それぞれの膜エレメントに供される気泡を時間的にも空間的にも均一になるように作用させることができる。気泡滞留手段により、気泡を空間的に均一になるようにできるので、散気装置の数（または、散気装置の分岐）を少なく抑えることができ、散気装置の目詰まり等による気泡の不均一を防止することができる。

すなわち、膜分離装置を動作させるためのエネルギーの削減と、膜分離装置のメンテナンス間隔の延長することができる。

１…膜分離ユニット（膜ユニット）
２…散気装置（散気手段）
３…気泡滞留板（気泡集合手段）
４…膜モジュール
５…分離膜（膜エレメント）
５ａ…膜面
５ｂ…集水路
６…気泡
１０…支持部
１１…ガイド
１２…濾過吸引口
１７…空隙
１４…膜分離装置
１５…生物反応槽（処理槽）
１６…酸素供給用散気装置（酸素供給手段）

Claims (4)

1. 処理槽内の被処理液中に浸漬される膜エレメントと、
   前記膜エレメントの下方に備えられる散気手段と、
   前記膜エレメントと前記散気手段との間に、前記散気手段より散気された気泡を集合させる気泡集合手段と、を備えた
   ことを特徴とする膜ユニット。
2. 前記気泡集合手段を複数備え、
   前記気泡集合手段を多段に配設した
   ことを特徴とする請求項１に記載の膜ユニット。
3. 前記多段に配設された気泡集合手段の大きさを前記散気手段から離間するほど小さくした
   ことを特徴とする請求項２に記載の膜ユニット。
4. 処理槽と、
   前記処理槽内の被処理液中に浸漬される膜エレメントと、
   前記被処理液中に酸素を供給する酸素供給手段と、
   前記膜エレメントの下方に備えられる散気手段と、
   前記膜エレメントと前記散気手段との間に、前記散気手段より散気された気泡を集合させる気泡集合手段と、を備えた
   ことを特徴とする膜分離装置。

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