JP2013198867A - 膜分離設備および膜分離設備の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】循環流が安定してスムーズに形成され、膜面の洗浄効果が向上する膜分離設備を提供する。
【解決手段】処理槽２内に、複数の膜ユニット３ａ〜３ｄと、上下方向に循環する循環流４を発生させる散気装置１４ａ〜１４ｄとが設けられ、各膜ユニット３ａ〜３ｄは循環流４の流路となる空間をあけて配列された複数の膜エレメント８を有し、少なくとも一台の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路に下向流２０が流れるとともに残りの膜ユニット３ｂ，３ｄの膜エレメント間流路に上向流２１が流れる膜分離設備１であって、下向流２０が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄと、上向流２１が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｒとの比εｄ／εｒが０．７以上で１．２以下の範囲内にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば下廃水や浄水等の処理対象液を固液分離する逆曝気方式の膜分離設備および膜分離設備の運転方法に関する。尚、逆曝気とは、下向流が膜エレメント間に流れている状態で、膜エレメントの下方より曝気して膜エレメント間に気泡を上昇させることをいう。

従来、この種の膜分離設備としては、例えば図２７に示すように、処理槽１０１の内部に浸漬型の膜ユニット１０２と、上下方向に循環する循環流１０３を発生させる複数の散気装置１０４，１０９とを設置したものがある。膜ユニット１０２は、上下が開口した箱状のケーシング１０５と、ケーシング１０５内に上下方向に配置され且つ所定間隔で並列に並べられた複数の膜エレメント１０６とを有している。

洗浄用散気装置１０４は膜エレメント１０６の下方に配置され、循環流用散気装置１０９は、処理槽１０１内の底部で且つ膜ユニット１０２の外側に配置されている。
これによると、駆動用空気を循環流用散気装置１０９から処理槽１０１内の活性汚泥混合液中に散気することにより、膜ユニット１０２の外側に上向流１０７が生起し、これらの上向流１０７は液面付近で反転して下向流１０８となり、この下向流１０８は、膜ユニット１０２の上部から流入して膜ユニット１０２内を流れた後、処理槽１０１内の底部で反転し、膜ユニット１０２の下部から外側へ流出する。このような上向流１０７と下向流１０８とによって、処理槽１０１内に循環流１０３が発生する。

この際、少量の洗浄用空気を洗浄用散気装置１０４から散気することにより、少量の空気のエアリフト作用により膜ユニット１０２に上向流が生起するが、この上向流は循環流用散気装置１０４による下向流１０８よりも劣るため、膜ユニット１０２内には下向流１０８が生じる。この下向流１０８は膜エレメント１０６間に形成されている膜間流路を流れる。この際、洗浄用散気装置１０４から下向流１０８中に供給された少量の洗浄用空気の気泡は、下向流１０８に抗して逆方向に上昇することで上昇速度が遅速し、膜間流路をろ過膜の膜面に沿って上昇しながら上方向のみならず斜め方向や横方向へも漂流する。このような気泡の存在により、下向流１０８の流れが乱れるとともに、膜間流路における液中の気泡保持量が増加する。これにより、ろ過膜の膜面が良好に洗浄されるとともに、総曝気量を低減できる。

尚、上記のような逆曝気方式の膜分離設備は例えば下記特許文献１に記載されている。

特開２００８−２４６３５７

上記の従来形式では、図２７に示すように処理槽１０１内に浸漬型の膜ユニット１０２を一台設置しているが、図２８に示すように複数台の膜ユニット１０２を設置してもよい。この場合、膜ユニット１０２間の設置間隔Ａや膜ユニット１０２と処理槽１０１の壁面１０１ａとの間隔Ｂ等の条件によっては、処理槽１０１内に循環流１０３がスムーズに形成されず、膜エレメント１０６のろ過膜の膜面の洗浄効果が低下することがある。

特に、処理槽１０１が大型で、上記各間隔Ａ，Ｂが大きい場合、上記のような洗浄効果の低下が顕著であり、また、逆に、処理槽１０１が小型で、上記各距離Ａ，Ｂが狭い場合であっても、循環流１０３が不安定になって洗浄効果の低下を招くことがある。

本発明は、循環流が安定してスムーズに形成され、膜面の洗浄効果が向上する膜分離設備および膜分離設備の運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明は、処理槽内に、浸漬型の複数台の膜ユニットと、上下方向に循環する循環流を発生させる散気装置とが設けられた膜分離設備であって、
各膜ユニットは循環流の流路となる空間をあけて配列された複数の膜エレメントを有し、
少なくとも一台の膜ユニットの膜エレメント間流路に下向流が流れるとともに残りの膜ユニットの膜エレメント間流路に上向流が流れ、
下向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄと、上向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｒとの比εｄ／εｒが０．７以上で１．２以下の範囲内にあるものである。

これによると、散気装置で散気することにより、処理槽内に循環流が形成され、少なくとも一台の膜ユニットの膜エレメント間に下向流が流れるとともに残りの膜ユニットの膜エレメント間に上向流が流れる。このとき、ボイド率の比εｄ／εｒが０．７以上で１．２以下の範囲内となるように散気を行うことで、循環流が安定してスムーズに流れ、下向流中の気泡保持量が増加すると共に気泡の動きの乱れが増加するため、膜エレメントの膜面の洗浄効果が向上する。

尚、ボイド率とは、気液二相流の中のある領域における気体の占める体積比率をいう。
本第２発明における膜分離設備は、下向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄは０．０７以上で０．１２以下の範囲内であるものである。

これによると、循環流がより一段と安定してスムーズに流れ、膜エレメントの膜面の洗浄効果がさらに向上する。
本第３発明における膜分離設備は、膜エレメントを配置した部分での処理槽の水平方向断面において、循環流が流れる流路のうちの下向流流路の総断面積Ｄと上向流流路の総断面積Ｒとの面積比Ｄ／Ｒが０．６３以上で３．３３以下の範囲内にあるものである。

これによると、循環流がより一段と安定してスムーズに流れ、膜エレメントの膜面の洗浄効果がさらに向上する。
本第４発明における膜分離設備は、下向流の流速を速くするための水流促進機構を備えたものである。

これによると、循環流がより一段と安定してスムーズに流れ、膜エレメントの膜面の洗浄効果がさらに向上する。
本第５発明は、処理槽内に、浸漬型の複数台の膜ユニットと、上下方向に循環する循環流を発生させる散気装置とが設けられ、
各膜ユニットは循環流の流路となる空間をあけて配列された複数の膜エレメントを有し、散気装置の散気量を異ならせることにより、上向流と下向流とを発生させる膜分離設備の運転方法であって、
散気量を調節することで、下向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄと、上向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｒとの比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内に調節するものである。

以上のように本発明によると、循環流が安定してスムーズに流れ、下向流中の気泡保持量が増加すると共に気泡の動きの乱れが増加するため、膜エレメントの膜面の洗浄効果が向上する。

本発明の第１の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 図１におけるＸ−Ｘ矢視図である。 同、膜分離設備の面積比と膜間ボイド率との関係を示すグラフである。 同、複数のボイド率の比に対する膜分離設備の運転経過日数と膜汚れ比率との関係を示すグラフである。 同、下降流が流れる膜エレメント間流路の複数のボイド率に対する膜分離設備の運転経過日数と膜汚れ比率との関係を示すグラフである。 同、膜分離設備の面積比と膜間流速との関係を示すグラフである。 同、複数の面積比に対する膜分離設備の運転経過日数と膜汚れ比率との関係を示すグラフである。 同、複数の面積比に対する膜分離設備の運転経過日数と膜汚れ比率との関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 本発明の第５の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 本発明の第６の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 図１４におけるＸ−Ｘ矢視図である。 本発明の第７の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 本発明の第８の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 本発明の第９の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 本発明の第１０の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 同、膜分離設備の平面図である。 本発明の第１１の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 本発明の第１２の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 本発明の第１３の実施の形態における膜分離設備の断面図である。 従来の膜分離設備の断面図である。 従来の別の膜分離設備の断面図である。

以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の逆曝気方式の膜分離設備は例えば下廃水や浄水等の水処理に用いるものであり、本第１の実施の形態では、膜分離活性汚泥処理に用いる膜分離設備について説明する。

図１〜図３に示すように、膜分離設備１は、処理槽２と、浸漬型の複数の膜ユニット３ａ〜３ｄと、上下方向に循環する循環流４を発生させる散気設備５とを有している。
各膜ユニット３ａ〜３ｄはそれぞれ、処理槽２内に設置され且つ上下両端が開放された四角箱型の膜ケース７と、膜ケース７内に設けられた複数の膜エレメント８とを有している。各膜エレメント８は、樹脂製のろ板９と、ろ板９の両表面に取り付けられたろ過膜１０とを有している。これら各膜エレメント８は、ろ過膜１０を透過した透過液を導出する透過液導出系１２に連通している。

各膜エレメント８は、ろ過膜１０の膜面を上下方向に沿わせて、膜ケース７内に所定間隔Ｃ（一般的に約５〜８ｍｍ程度）をあけて平行に配列されている。膜エレメント８の厚さ方向において隣り合う膜エレメント８のろ過膜１０の膜面間には膜エレメント間流路１１が形成されている。

散気設備５は、処理槽２内の底部に設置された散気ケース１３と、散気ケース１３内に設置された複数の散気装置１４ａ〜１４ｄと、各散気装置１４ａ〜１４ｄに散気用の空気を供給する給気装置（図示省略）とを有している。膜ユニット３ａ〜３ｄは散気ケース１３の上部に設けられ、各膜ケース７の下端部は散気ケース１３内に連通している。また、各散気装置１４ａ〜１４ｄはそれぞれ、各膜ユニット３ａ〜３ｄの下方に配置されており、複数の散気管等から構成されている。尚、給気装置は、ブロワや、各散気装置１４ａ〜１４ｄの散気量（空気噴出量）を調節するバルブ等を有している。

また、散気ケース１３の内部は、複数の仕切板１５によって、複数のドラフト部１７ａ〜１７ｄに仕切られている。尚、各仕切板１５の下端と処理槽２の底面との間には連通部１６が形成されており、仕切板１５を介して隣接するドラフト部１７ａ〜１７ｄ同士は連通部１６を介して連通している。

各散気装置１４ａ〜１４ｄの散気量を調節することにより、処理槽２内の処理対象液１９が流動して、処理槽２内に上下方向の循環流４が発生し、この際、少なくとも一台の膜ユニットの膜エレメント間流路１１に下向流２０を形成するとともに残りの膜ユニットの膜エレメント間流路１１に上向流２１を形成する。

例えば、図１に示すように、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量を減らして小曝気量とし、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの散気量を第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量よりも増やして大曝気量とすることにより、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの各膜エレメント間流路１１に循環流４の一部である上向流２１が生起し、上向流２１が液面付近で反転して下向流２０となり、下向流２０は、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れた後、第１および第３のドラフト部１７ａ，１７ｃから底部の連通部１６を通って隣の第２および第４のドラフト部１７ｂ，１７ｄに流入して循環する。

図２に示すように、各膜ユニット３ａ〜３ｄの膜ケース７の内部における内側縦寸法をＬ１とし、内側横寸法をＬ２とすると、一台の膜ケース７の内側横断面積ＳはＬ１×Ｌ２となる。この内側横断面積ＳのＥ％を膜エレメント間流路１１が占めているとすると（以下、上記Ｅを膜エレメント間流路率という）、膜ユニット３ａ〜３ｄの一台当りの膜エレメント間流路１１の流路断面積Ｓ１は下記式のように示される。
Ｓ１＝Ｓ×Ｅ／１００＝Ｌ１×Ｌ２×Ｅ／１００
例えば、内側縦寸法Ｌ１＝２０００ｍｍ、内側横寸法Ｌ２＝５００ｍｍとすると、内側横断面積Ｓは２０００ｍｍ×５００ｍｍ＝１ｍ^２となる。このうちの５０％が膜エレメント間流路１１とすると、各膜ユニット３ａ〜３ｄの一台当りの流路断面積Ｓ１は０．５ｍ^２となる。

循環流４が流れる流路のうちの下向流２０が流れる下向流流路の総断面積をＤとし、上向流２１が流れる上向流流路の総断面積をＲとすると、上記図１では、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄに上向流２１が生起され、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃに下向流２０が生起されているため、総断面積Ｄと総断面積Ｒとの面積比Ｄ／Ｒは以下のようになる。

面積比Ｄ／Ｒ＝（第１の膜ユニット３ａの流路断面積Ｓ１＋第３の膜ユニット３ｃの流路断面積Ｓ１）／（第２の膜ユニット３ｂの流路断面積Ｓ１＋第４の膜ユニット３ｄの流路断面積Ｓ１）＝（０．５ｍ^２＋０．５ｍ^２）／（０．５ｍ^２＋０．５ｍ^２）＝１
また、循環流４が流れる膜エレメント間流路１１のうちの下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率をεｄ、上向流２１が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率をεｒとすると、両者のボイド率の比εｄ／εｒが０．７以上で１．２以下の範囲内なるように、各散気装置１４ａ〜１４ｄの散気量を調節する。尚、各ボイド率εｄ，εｒは、膜エレメント間流路１１に、日本カノマックス製の気液流計測システム（光ファイバボイド率計）を設置することで、測定できる。

以下、上記構成における作用を説明する。
ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることで、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃから放出された気泡の上昇速度が遅くなり、気泡は、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路１１を流れる下向流２０中を、横方向へ揺動しながら低速で上昇する。このような気泡の存在により、下降流２０の流れが乱れ、気泡同士が接触して適度に気泡径が大きくなることで、膜面と気泡との接触機会が増加し、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０の膜面が良好に洗浄される。尚、このような作用効果は逆曝気によって顕著に生じるものである。

また、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄのろ過膜１０の膜面は上向流２１中の大量の気泡により十分に洗浄される。
図４に示すグラフは、面積比Ｄ／Ｒと膜ユニット３ａ〜３ｄの膜間ボイド率との関係を示すものであり、グラフＧｄは下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率εｄ、グラフＧｒは上向流２１が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率εｒを示す。

図４のグラフにおいては、処理槽２内に５〜８台の膜ユニットを設け、下向流２０が流れる膜ユニットの台数と上向流２１が流れる膜ユニットの台数との比を、２対３，３対３，４対２，６対２，４対１に切り換えることにより、面積比Ｄ／Ｒを０．６７，１，２，３，４とした。

また、各々の曝気量の総量（総曝気量）が同じになるようにして、面積比Ｄ／Ｒ＝０．６７，１，２，３，４に対応する小曝気量と大曝気量との比を、１３対８７，１９対８１，３２対６８，３９対６１，４９対５１とした場合、グラフＧｄの下向流２０の膜間流速は０．２〜０．０８ｍ／秒となった。例えば、面積比Ｄ／Ｒが０．６７（すなわち上記台数比が２対３）で小曝気量と大曝気量との比が１３対８７の場合、下向流２０が流れる２台の膜ユニットの１台当りの曝気量が６．５（＝１３／２）となり、上向流２１が流れる３台の膜ユニットの１台当りの曝気量が２９（＝８７／３）となる。

図４に示すとおり、下向流２０を形成する膜ユニットの曝気量は上向流２１を形成する膜ユニットの曝気量よりも少ないが、下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率は上向流が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率と同等にすることができる。上向流２１が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率は、上向流２１の流速、気泡径の因子が影響し、面積比Ｄ／Ｒが４のときのように、曝気量は多いが上向流２１の流速が低下することでボイド率も低下する場合があることが分かった。

また、図５に示すグラフは、膜分離設備１の運転経過日数（日）と膜エレメント８の膜汚れ比率（ｋＰａ／ｋＰａ）との関係を示すものである。尚、膜汚れ比率は、清浄な新しい膜エレメント８の膜間差圧に対する所定の経過日数運転した膜エレメント８の膜間差圧の比である。

図５に示すグラフにおいて、第１のグラフＧ１は、ボイド率の比εｄ／εｒが０．６５であり、このときの下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率εｄが０．０５の場合を示す。同様に、第２のグラフＧ２はボイド率の比εｄ／εｒが０．７でボイド率εｄが０．０７であり、第３のグラフＧ３はボイド率の比εｄ／εｒが１．０でボイド率εｄが０．０８であり、第４のグラフＧ４はボイド率の比εｄ／εｒが１．２でボイド率εｄが０．１２であり、第５のグラフＧ５はボイド率の比εｄ／εｒが１．２５でボイド率εｄが０．１３で運転した場合を示す。また、第６のグラフＧ６は、全ての膜ユニットに対する曝気量を大曝気量にして、全ての膜ユニットに上向流２１を発生させる上向流運転を行った場合を示す。尚、上記第１〜第６のグラフＧ１〜Ｇ６は上記面積比Ｄ／Ｒが１の場合のデータである。

これによると、第２〜第４のグラフＧ２〜Ｇ４は０．７≦εｄ／εｒ≦１．２の条件を満たしており、第２〜第４のグラフＧ２〜Ｇ４の膜汚れ比率は第１および第５のグラフＧ１，Ｇ５の膜汚れ比率に比べて低くなり、特に第３のグラフＧ３の膜汚れ比率は第６のグラフＧ６の膜汚れ比率とほぼ同等に保たれる。これにより、上記の条件を満たすことで、循環流が安定してスムーズに流れ、膜エレメントの膜面の洗浄効果が向上することが明らかである。

このとき、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃから放出された気泡の上昇速度が適度になり、気泡は、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路１１を流れる下向流２０中を、横方向へ揺動しながら低速で上昇している。このような気泡の存在により、下降流２０の流れが乱れるとともに、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路１１における処理対象液１９中の気泡保持量が増加して膜面と気泡との接触機会が増加することで洗浄効果を向上させている。

ボイド率の比εｄ／εｒが０．０７より小さくなると、循環流４の流速は速くなるが、下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１の気泡量が少ないために膜面の洗浄効果は低下する。ボイド率の比εｄ／εｒが１．２より大きくなると、上向流２１が流れる膜エレメント間流路１１の気泡量が少なくなって上向流２１の流速が遅くなるため、膜面の洗浄効果は低下する。

尚、膜分離設備１の実運転に際して、所定時間毎に下向流２０と上向流２１とを切り替える運転を行なってもよい。例えば、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄに下向流２０を発生させ、第２の膜ユニット３ｂに上向流２１を発生させた運転を行なう。このとき、面積比Ｄ／Ｒは３となる。そして、所定時間経過後に第１，第２，第４の膜ユニット３ａ，３ｂ，３ｄに下向流２０を発生させ、第３の膜ユニット３ｃに上向流２１を発生させた運転に切り替え、さらに所定時間経過後に第１，第２，第３の膜ユニット３ａ，３ｂ，３ｃに下向流２０を発生させ、第４の膜ユニット３ｄに上向流２１を発生させた運転に切り替え、さらに所定時間経過後に第２，第３，第４の膜ユニット３ｂ，３ｃ，３ｄに下向流２０を発生させ、第１の膜ユニット３ａに上向流２１を発生させた運転に切り替え、これを繰り返す運転を行なうこともできる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、上記０．７≦ボイド率の比εｄ／εｒ≦１．２の条件を満たしつつ、下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率εｄを０．０７以上で０．１２以下にしている。

以下、上記構成における作用を説明する。
例えば、上記第１の実施の形態と同様に、図１に示すように、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量を小曝気量とし、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの散気量を大曝気量として、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの各膜エレメント間流路１１に上向流２１を生起させ、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１に下向流２０を生起させる。

下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率εｄが０．０７以上の場合、径が適度に増大した気泡と第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０との接触機会が増加し、気泡の乱れが膜面に作用する機会が増加するため、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜面に対する洗浄効果がさらに向上する。

尚、下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１のボイド率εｄが０．０７未満に低下してしまうと、膜エレメント８のろ過膜１０の膜面への気泡の作用が低下するため、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜面に対する洗浄効果が低下する。

図６に示すグラフは、膜分離設備１の運転経過日数（日）と膜エレメント８の膜汚れ比率（ｋＰａ／ｋＰａ）との関係を示すものである。
このグラフにおいて、第１のグラフＧ１はボイド率εｄが０．１であり下向流２０の流速が０．２５ｍ／秒、第２のグラフＧ２はボイド率εｄが０．０７５であり下向流２０の流速が０．２ｍ／秒、第３のグラフＧ３はボイド率εｄが０．０７であり下向流２０の流速が０．１５ｍ／秒、第４のグラフＧ４はボイド率εｄが０．０５であり下向流２０の流速が０．１ｍ／秒で運転した場合を示す。また、第５のグラフＧ５は、全ての膜ユニットに対する曝気量を大曝気量にして、全ての膜ユニットに上向流２１を発生させる上向流運転を行ったときにおけるボイド率εｒが０．０６の場合を示す。

尚、膜エレメント間流路１１を流れる下向流２０の流速は、散気ケース１３内の各ドラフト部１７ａ〜１７ｄの特定の水平断面における下向きの流速を電磁流速計等で測定し、測定された流速に、各ドラフト部１７ａ〜１７ｄの水平断面積と下向流２０が流れる膜エレメント間流路１１の総断面積との比を乗じることにより、求めることができる。また、上向流２１の流速も同様にして求めることができる。

上記図６に示すグラフにおいて、第１〜第３のグラフＧ１〜Ｇ３は、０．０７≦ボイド率εｄ≦０．１２の条件を満たしている。第１〜第３のグラフＧ１〜Ｇ３の膜汚れ比率は、第４のグラフＧ４の膜汚れ比率に比べて低くなり、特に、第１のグラフＧ１は第５のグラフＧ５の膜汚れ比率とほぼ同等に保たれる。これにより、上記の条件を満たすことで、循環流が安定してスムーズに流れ、気泡保持量が増加すると共に気泡の動きの乱れが増加するため、膜エレメントの膜面の洗浄効果がさらに向上することが明らかである。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、上記第１の実施の形態におけるボイド率の比の条件に加えて、下向流２０が流れる下向流流路の総断面積Ｄと、上向流２１が流れる上向流流路の総断面積Ｒとの面積比Ｄ／Ｒを、０．６３以上で３．３３以下の範囲内にしている。

尚、本実施の形態では、各膜ユニット３ａ〜３ｄ間のスペース２２に発生する下向流および各膜ユニット３ａ〜３ｄと処理槽２の側壁面２ａとの間のスペース２３に発生する下向流は、途中で散気ケース１３により遮断されるため、各膜ユニット３ａ〜３ｄの下方に連通せず、循環流４にはならない。このような循環流４にならない下向流が発生する各スペース２２，２３は、下向流流路とみなさず、総断面積Ｄには含まない。また、上向流についても同様である。

以下、上記構成における作用を説明する。
例えば、上記第１の実施の形態と同様に、図１に示すように、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量を減らして小曝気量とし、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの散気量を大曝気量とすることにより、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの膜エレメント間流路１１に上向流２１を発生させ、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路１１に下向流２０を発生させる。

この際、上記０．７≦ボイド率の比εｄ／εｒ≦１．２の条件のもと、面積比Ｄ／Ｒを０．６３以上で３．３３以下の範囲内にすることで、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路１１における処理対象液１９中の気泡保持量のばらつきが小さくなり、ボイド率の比が安定する。また、気泡同士が接触して適度に気泡径が大きくなることで、膜面と気泡との接触機会が増加し、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０の膜面がさらに良好に洗浄される。

図７に示すグラフは、面積比Ｄ／Ｒと膜ユニット３ａ〜３ｄの膜間流速（ｍ／秒）との関係を示すものであり、グラフＧｄは下向流２０の膜間流速、グラフＧｒは上向流２１の膜間流速を示す。尚、下向流２０の膜間流速とは膜エレメント間流路１１を流れる下向流２０の流速であり、上向流２１の膜間流速とは膜エレメント間流路１１を流れる上向流２１の流速である。

尚、図７に示すグラフは上記図４に示すグラフと同じ条件で得られたものである。
面積比Ｄ／Ｒが４（すなわち上記台数比が４対１）で小曝気量と大曝気量との比が４９対５１の場合、上向流２１が流れる膜ユニットの１台当りの曝気量が５１となり、流れの推進力が高まって上向流２１の流速が早くなると予想されるが、実験では流速が遅くなる傾向が見られた。この原因は、ボイド率が大きくなるとドラフト部から膜エレメント間流路への流入部で滞留する気泡が増えて抵抗が大きくなることが一因と考えられる。そして、上向流２１の流速が低下するため、結果として下向流２０の流速も低下した。

図８，図９に示すグラフは、膜分離設備１の運転経過日数（日）と膜エレメント８の膜汚れ比率（ｋＰａ／ｋＰａ）との関係を示すものである。尚、膜汚れ比率は、清浄な新しい膜エレメント８の膜間差圧に対する所定の経過日数運転した膜エレメント８の膜間差圧の比である。

図８に示すグラフにおいて、第１のグラフＧ１は面積比Ｄ／Ｒが１であり下向流２０の流速が０．２２ｍ／秒、第２のグラフＧ２は面積比Ｄ／Ｒが１であり下向流２０の流速が０．０８ｍ／秒、第３のグラフＧ３は面積比Ｄ／Ｒが０．６７であり下向流２０の流速が０．１９ｍ／秒、第４のグラフＧ４は面積比Ｄ／Ｒが０．６７であり下向流２０の流速が０．０８ｍ／秒で運転した場合を示す。また、第５のグラフＧ５は、全ての膜ユニットに対する曝気量を大曝気量にして、全ての膜ユニットに上向流２１を発生させる上向流運転を行った場合を示す。

また、図９に示すグラフにおいて、第６のグラフＧ６は面積比Ｄ／Ｒが２であり下向流２０の流速が０．２ｍ／秒、第７のグラフＧ７は面積比Ｄ／Ｒが３であり下向流２０の流速が０．２２ｍ／秒、第８のグラフＧ８は面積比Ｄ／Ｒが３であり下向流２０の流速が０．１６ｍ／秒、第９のグラフＧ９は面積比Ｄ／Ｒが３であり下向流２０の流速が０．１２ｍ／秒、第１０のグラフＧ１０は面積比Ｄ／Ｒが４であり下向流２０の流速が０．１４ｍ／秒で運転した場合を示す。また、第５のグラフＧ５は、図８に示したグラフと同じものであり、全ての膜ユニットに対する曝気量を大曝気量にして、全ての膜ユニットに上向流２１を発生させる上向流運転を行った場合を示す。

上記図８のグラフにおいて、第１および第３のグラフＧ１，Ｇ３は０．６３≦面積比Ｄ／Ｒ≦３．３３の条件を満たしており、第１および第３のグラフＧ１，Ｇ３の膜汚れ比率は、第２および第４のグラフＧ２，Ｇ４の膜汚れ比率に比べて低くなり、第５のグラフＧ５の膜汚れ比率とほぼ同等に保たれる。

また、上記図９のグラフにおいて、第６〜第８のグラフＧ６〜Ｇ８も０．６３≦面積比Ｄ／Ｒ≦３．３３の条件を満たしており、第６〜第８のグラフＧ６〜Ｇ８の膜汚れ比率は、第９および第１０のグラフＧ９，Ｇ１０の膜汚れ比率に比べて低くなり、第５のグラフＧ５の膜汚れ比率とほぼ同等に保たれる。これにより、上記の条件を満たすことで、循環流が安定してスムーズに流れ、膜エレメントの膜面の洗浄効果が向上することが明らかである。

尚、図８及び図９において、膜汚れ比率が良好なとき下向流流速は０．１５ｍ／ｓ以上で０．２５ｍ／ｓ以下の範囲にある。仮に、下向流２０の流速が０．２５ｍ／秒を超えてしまうと、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃから放出された気泡の一部が上昇せずに下向流２０と共に下降してしまうため、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０の膜面の洗浄効率が低下してしまう。

また、反対に、下向流２０の流速が０．１５ｍ／秒よりも低いと、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃから放出された気泡の上昇速度があまり遅くならず、下向流２０中における気泡の横方向へ揺動が不足するため、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの膜エレメント間流路１１における処理対象液１９中の気泡保持量が低下し、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０の膜面の洗浄効率が低下してしまう。

（第４の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、図１に示すように、各膜ユニット３ａ〜３ｄの下方に一台の共通した散気ケース１３を設けたが、本第４の実施の形態では、図１０，図１１に示すように、各膜ユニット３ａ〜３ｄ毎に複数の散気ケース１３ａ〜１３ｄを設けている。各散気装置１４ａ〜１４ｄは各散気ケース１３ａ〜１３ｄ内に設置されている。各膜ユニット３ａ〜３ｄは各散気ケース１３ａ〜１３ｄの上部に設けられ、各膜ケース７の下端部は各散気ケース１３ａ〜１３ｄ内に連通している。

互いに隣り合う膜ユニット３ａ〜３ｄの下部間は上部遮蔽板２６で遮蔽されている。各散気ケース１３ａ〜１３ｄの下端部には連通口２７が形成されている。このうち、互いに隣り合う散気ケース１３ａ〜１３ｄ同士が向い合う面の連通口２７以外の連通口２７は下部遮蔽板２８で閉じられている。

これによると、上記第１および第２の実施の形態と同様な作用、効果が得られる。
（第５の実施の形態）
本第５の実施の形態は、上記第４の実施の形態の変形例であり、図１２，図１３に示すように、互いに隣り合う膜ユニット３ａ〜３ｄの下部間が上部遮蔽板２６で遮蔽されており、さらに、各膜ユニット３ａ〜３ｄの下部と処理槽２の壁面２ａとの間も上部遮蔽板２６で遮蔽されている。

これによると、上記第１および第２の実施の形態と同様な作用、効果が得られる。
（第６の実施の形態）
本第６の実施の形態では、図１４〜図１６に示すように、膜分離設備１は、処理槽２と、浸漬型の複数の膜ユニット３ａ〜３ｄと、上下方向に循環する循環流４を発生させる散気設備５とを有している。

各膜ユニット３ａ〜３ｄは隣接しており、各膜ユニット３ａ〜３ｄの上部領域および下部領域は処理槽２内において相互に連通している。各膜ユニット３ａ〜３ｄはそれぞれ、処理槽２内に設置された膜ケース３２と、膜ケース３２内に設けられた複数の膜エレメント８とを有している。膜ケース３２は、上部領域が膜充填部をなし、下部領域がドラフト部をなす。膜エレメント８は、ろ過膜１０の膜面を上下方向に沿わせて、膜充填部に所定間隔Ｃをあけて平行に配列されている。

散気設備５は、各膜ユニット３ａ〜３ｄの膜エレメント８の下方に設置された複数の散気装置１４ａ〜１４ｄと、各散気装置１４ａ〜１４ｄに散気用の空気を供給する給気装置（図示省略）とを有している。

これによると、例えば、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量を小曝気量とし、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの散気量を大曝気量とすることにより、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの各膜エレメント間流路１１に上向流２１が生起し、上向流２１は液面付近で反転して下向流２０となる。この下向流２０は、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの上部領域から第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの上部領域に流れ、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れた後、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの下部領域から第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの下部領域に流入して循環する。この場合、膜エレメント８を配置した部分での処理槽２の水平方向断面において、下向流２０は第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１に流れ、上向流２１は第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの各膜エレメント間流路１１に流れる。

このとき、ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることで、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０の膜面が良好に洗浄される。また、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄのろ過膜１０の膜面は上向流２１中の大量の気泡により十分に洗浄される。

また、各膜ユニット３ａ〜３ｄの内側縦寸法Ｌ１＝１５００ｍｍとし、内側横寸法Ｌ２＝５００ｍｍとし、各膜ユニット３ａ〜３ｄの膜エレメント間流路率Ｅを５０％とすると、面積比Ｄ／Ｒは以下のようになる。
Ｄ／Ｒ＝（０．７５ｍ^２×０．５＋０．７５ｍ^２×０．５）／（０．７５ｍ^２×０．５＋０．７５ｍ^２×０．５）＝１
このように、面積比Ｄ／Ｒを０．６３以上で３．３３以下の範囲内にすることにより、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃのろ過膜１０の膜面がさらに良好に洗浄される。

（第７の実施の形態）
本第７の実施の形態は、上記第６の実施の形態の変形例であり、図１７に示すように、処理槽２内に、複数の膜ユニット３ａ〜３ｄ，３４ａ〜３４ｄが上下二段（複数段）積みで設置されている。

これによると、上記第１および第２の実施の形態と同様な作用、効果が得られる。
上記第７の実施の形態では、膜ユニット３ａ〜３ｄ，３４ａ〜３４ｄを上下二段で設置したが、三段以上であってもよい。また、上段の膜ユニット３ａ〜３ｄを四台、下段の膜ユニット３４ａ〜３４ｄを四台設置したが、それぞれ四台以外の複数台設置してもよい。

（第８の実施の形態）
本第８の実施の形態は、図１０に示した上記第４の実施の形態の変形例であり、第４の実施の形態における上部および下部遮蔽板２６，２８を無くしたものである。図１８，図１９に示すように、互いに隣り合った各膜ユニット３ａ〜３ｄ間および各散気ケース１３ａ〜１３ｄ間にはそれぞれ、所定の間隔を有する流通路３７が形成されている。また、各膜ユニット３ａ〜３ｄおよび各散気ケース１３ａ〜１３ｄと処理槽２の壁面２ａとの間にはそれぞれ、所定の間隔を有する流通路３８が形成されている。

各散気ケース１３ａ〜１３ｄの内部は連通口２７を介して散気ケース１３ａ〜１３ｄの外部に連通している。
これによると、例えば、第２の散気装置１４ｂの散気量を小曝気量とし、第１，第３，第４の散気装置１４ａ，１４ｃ，１４ｄの散気量を大曝気量とした場合、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄの各膜エレメント間流路１１に上向流２１が生起し、第１，第３，第４のユニット３ａ，３ｃ，３ｄ内を通過した上向流２１が液面付近で反転して下降流２０となり、下向流２０は、第２のユニット３ｂ内と各流通路３７，３８とを流れた後、連通口２７を通って第１，第３，第４の散気ケース１３ａ，１３ｃ，１３ｄ内に流れ込んで循環する。

このとき、ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることで、第２の膜ユニット３ｂのろ過膜１０の膜面が良好に洗浄される。また、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄのろ過膜１０の膜面は上向流２１中の大量の気泡により十分に洗浄される。

また、各膜ユニット３ａ〜３ｄの内側縦寸法Ｌ１＝２０００ｍｍとし、内側横寸法Ｌ２＝５００ｍｍとし、処理槽２の内側縦寸法Ｌ３＝２２００ｍｍとし、内側横寸法Ｌ４＝２５００ｍｍとすると、下向流２０が流れる下向流流路の総断面積Ｄは第２のユニット３ｂの流路断面積Ｓ１に各流通路３７，３８の流路断面積Ｓ２（横断面積）を加えた値になる。すなわち、膜エレメント間流路率Ｅを５０％とすると、面積比Ｄ／Ｒは以下のようになる。
面積比Ｄ／Ｒ＝（第２のユニット３ｂの流路断面積Ｓ１＋流通路３７，３８の流路断面積Ｓ２）／（第１のユニット３ａの流路断面積Ｓ１＋第３のユニット３ｃの流路断面積Ｓ１＋第４のユニット３ｄの流路断面積Ｓ１）＝（１ｍ^２×０．５＋（５．５ｍ^２−４ｍ^２））／（１ｍ^２×０．５×３）＝１．３３
このように、面積比Ｄ／Ｒを０．６３以上で３．３３以下の範囲内にすることにより、第２の膜ユニット３ｂのろ過膜１０の膜面がさらに良好に洗浄される。

尚、各流通路３７，３８を流れる下向流２０は、連通口２７を通って第１，第３，第４の散気ケース１３ａ，１３ｃ，１３ｄ内に流れ込み、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄの下方に連通して上下に循環する。このように循環流４の一部となる下向流２０が流れる流通路３７，３８は、下向流流路とみなして、総断面積Ｄに含む。

（第９の実施の形態）
本第９の実施の形態は、上記第４の実施の形態の変形例であり、図２０，図２１に示すように、各流通路３７，３８の底部にそれぞれ、下向流２０の流速を早くするための水流促進用散気装置４１（水流促進機構の一例）が設置されている。

これによると、例えば、第１，第３，第４の散気装置１４ａ，１４ｃ，１４ｄの散気量を小曝気量とし、第２の散気装置１４ｂの散気量と水流促進用散気装置４１の散気量とを大曝気量とした場合、第２のユニット３ｂの各膜エレメント間流路１１と各流通路３７，３８とに上向流２１が生起し、上向流２１が液面付近で反転して下降流２０となり、下向流２０は、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄを流れた後、連通口２７を通って第２の散気ケース１３ｂ内と各流通路３７，３８の底部とに流れ込んで循環する。

この際、水流促進用散気装置４１からの曝気により、各流通路３７，３８に上向流２１が形成され、上向流２１の流量が増す。これに伴って、下降流２０の流量が増え、その結果、下降流２０の流速が増す。

このとき、ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることで、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄのろ過膜１０の膜面が良好に洗浄される。また、第２の膜ユニット３ｂのろ過膜１０の膜面は上向流２１中の大量の気泡により十分に洗浄される。

また、上向流２１が流れる上向流流路の総断面積Ｒは第２のユニット３ｂの流路断面積Ｓ１に各流通路３７，３８の流路断面積Ｓ２を加えた値になる。すなわち、面積比Ｄ／Ｒは以下のようになる。
面積比Ｄ／Ｒ＝（第１のユニット３ａの流路断面積Ｓ１＋第３のユニット３ｃの流路断面積Ｓ１＋第４のユニット３ｄの流路断面積Ｓ１）／（第２のユニット３ｂの流路断面積Ｓ１＋流通路３７，３８の流路断面積Ｓ２）＝（１ｍ^２×０．５×３）／（１ｍ^２×０．５＋（５．５ｍ^２−４ｍ^２））＝０．７５
このように、面積比Ｄ／Ｒを０．６３以上で３．３３以下の範囲内にすることにより、第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄのろ過膜１０の膜面がさらに良好に洗浄される。

尚、各流通路３７，３８を流れる上向流２１は、液面付近で反転し、上方から第１，第３，第４の膜ユニット３ａ，３ｃ，３ｄ内に流れ込んで上下に循環する。このように循環流４の一部となる上向流２１が流れる流通路３７，３８は、上向流流路とみなして、総断面積Ｒに含む。

（第１０の実施の形態）
本第１０の実施の形態は、図１４に示した上記第６の実施の形態の変形例であり、図２２，図２３に示すように、処理槽２内に、第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂと、第１および第２の散気装置１４ａ，１４ｂと、水流促進用散気装置４１（水流促進機構の一例）とが設置されている。第１の膜ユニット３ａと第２の膜ユニット３ｂとの間には、所定の間隔を有する流通路４４が形成されており、水流促進用散気装置４１は流通路４４の底部に設置されている。

また、流通路４４の下部領域と第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂの下部領域とは連通しており、流通路４４の上部領域と第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂの上部領域とは連通している。

尚、一例として、各膜ユニット３ａ，３ｂの内側縦寸法Ｌ１を２０００ｍｍ、内側横寸法Ｌ２を５００ｍｍ、流通路４４の幅Ｗを１５０ｍｍ、膜エレメント間流路率Ｅを５０％とする。

以下、上記構成における作用を説明する。
例えば、図２２に示すように、第１運転として、第１および第２の散気装置１４ａ，１４ｂの散気量を小曝気量とし、水流促進用散気装置４１の散気量を大曝気量とすることにより、流通路４４に上向流２１が生起し、流通路４４の上部領域において上向流２１が液面付近で反転して下降流２０となる。この下向流２０は、第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂの各膜エレメント間流路１１を流れた後、第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂの下部領域から流通路４４の下部領域に流れ込んで循環する。

この場合、面積比Ｄ／Ｒは以下のようになる。
面積比Ｄ／Ｒ＝（第１のユニット３ａの流路断面積Ｓ１＋第２のユニット３ｂの流路断面積Ｓ１）／（流通路４４の流路断面積Ｓ２）＝（１ｍ^２×０．５＋１ｍ^２×０．５）／（０．３ｍ^２）＝３．３３
上記第１運転を所定時間実施した後、第１運転から以下のような第２運転に切換える。

第１の散気装置１４ａの散気量を小曝気量とし、水流促進用散気装置４１の散気量と第２の散気装置１４ｂの散気量とを大曝気量とすることにより、流通路４４と第２の膜ユニット３ｂの各膜エレメント間流路１１とに上向流２１が生起し、上向流２１が液面付近で反転して下降流２０となり、下向流２０は、第１の膜ユニット３ａの各膜エレメント間流路１１を流れた後、第１の膜ユニット３ａの下部領域から流通路４４の下部領域と第２の膜ユニット３ｂの下部領域とに流れ込んで循環する。

この場合、面積比Ｄ／Ｒは以下のようになる。
面積比Ｄ／Ｒ＝（第１のユニット３ａの流路断面積Ｓ１）／（第２のユニット３ｂの流路断面積Ｓ１＋流通路４４の流路断面積Ｓ２）＝（１ｍ^２×０．５）／（１ｍ^２×０．５＋０．３ｍ^２）＝０．６３
上記第２運転を所定時間実施した後、第２運転から以下のような第３運転に切換える。

第２の散気装置１４ｂの散気量を小曝気量とし、水流促進用散気装置４１の散気量と第１の散気装置１４ａの散気量とを大曝気量とすることにより、流通路４４と第１の膜ユニット３ａの各膜エレメント間流路１１とに上向流２１が生起し、上向流２１が液面付近で反転して下降流２０となり、下向流２０は、第２の膜ユニット３ｂの各膜エレメント間流路１１を流れた後、第２の膜ユニット３ｂの下部領域から流通路４４の下部領域と第１の膜ユニット３ａの下部領域とに流れ込んで循環する。

この場合、面積比Ｄ／Ｒは、上記第２運転時と同様であり、０．６３となる。
上記第１運転〜第３運転を所定時間毎に切り換えて実施する際、各運転において、ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることで、第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂのろ過膜１０の膜面が良好に洗浄される。また、面積比Ｄ／Ｒをほぼ０．６３以上で３．３３以下の範囲内にすることにより、第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂのろ過膜１０の膜面がさらに良好に洗浄される。

（第１１の実施の形態）
本第１１の実施の形態は、上記第１０の実施の形態の変形例であり、図２４に示すように、上記第１０の実施の形態において記載した第１および第２の膜ユニット３ａ，３ｂと第１および第２の散気装置１４ａ，１４ｂと水流促進用散気装置４１（水流促進機構の一例）と流通路４４とを膜分離ユニット４６とすると、このような膜分離ユニット４６が処理槽２内に複数台設置されている。

これによると、上記第１０の実施の形態と同様な作用、効果が得られる。
尚、上記第１１の実施の形態では、膜分離ユニット４６を処理槽２内に三台設置したが、三台以外の複数台設置してもよい。

尚、上記第９〜第１１の実施の形態では、水流促進機構の一例として水流促進用散気装置４１を用いたが、水流促進用散気装置４１の代りに攪拌装置等を設けて流れを促進してもよい。

（第１２の実施の形態）
本第１２の実施の形態では、図２５に示すように、処理槽の一例である膜分離槽５５内に、上記第１の実施の形態で示した膜ユニット３ａ〜３ｄと散気設備５とが設けられている。膜分離槽５５の上流側には生物処理槽５６（上流側槽の一例）が設置され、膜分離槽５５の下流側には汚泥貯留槽５７（下流側槽の一例）が設置されている。尚、生物処理槽５６は、曝気槽、硝化槽、嫌気性消化槽等である。また、下流側槽の一例として汚泥貯留槽５７を設けたが、汚泥貯留槽５７の代わりに汚泥濃縮槽を設けてもよい。

生物処理槽５６の上部と膜分離槽５５の上部とは供給口５９を介して連通し、生物処理槽５６内の処理対象液１９は供給口５９からオーバーフローして膜分離槽５５内に供給される。また、散気設備５の散気ケース１３内と汚泥貯留槽５７の下部とは排出管６０を介して連通している。また、汚泥貯留槽５７には、槽内の処理対象液１９（汚泥）を引き抜いて生物処理槽５６へ返送する引抜きポンプ６１と返送路６４とが設けられている。尚、供給口５９と排出管６０と引抜きポンプ６１と返送路６４とによって、膜分離槽５５内の下向流の流速を速くする水流促進機構が構成されている。

以下、上記構成における作用を説明する。
例えば、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量を減らして小曝気量とし、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの散気量を第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量よりも増やして大曝気量とすることにより、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄの各膜エレメント間流路１１に上向流２１が生起し、上向流２１が液面付近で反転して下向流２０となり、下向流２０は、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れた後、第１および第３のドラフト部１７ａ，１７ｃから連通部１６を通って第２および第４のドラフト部１７ｂ，１７ｄに流入して循環する。

この際、引抜きポンプ６１を駆動して汚泥貯留槽５７内の処理対象液１９を引き抜いて生物処理槽５６へ返送することにより、生物処理槽５６内の処理対象液１９は、供給口５９からオーバーフローして膜分離槽５５内に供給され、膜分離槽５５内を下向きに流れた後、排出管６０を通って汚泥貯留槽５７内へ排出され、引抜きポンプ６１により生物処理槽５６へ返送される。これにより、処理対象液１９が各槽５５、５６、５７に亘って循環する。

この際、排出管６０は供給口５９よりも下位にあるため、供給口５９から膜分離槽５５内に供給された処理対象液１９は、下向流となって、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れる。これにより、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃには、曝気により生起された下向流に加えて、供給口５９から排出管６０に向って下向流が流れることになる。このため、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃを流れる下向流２０の流量が増加し、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れる下向流２０の流速が増大する。これにより、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの曝気量（大曝気量）を低減しても、ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることが可能であり、散気設備５の総曝気量を低減して消費電力を節約することができる。

（第１３の実施の形態）
本第１３の実施の形態は、上記第１２の実施の形態の変形例であり、図２６に示すように、汚泥貯留槽５７が設置されていない。また、膜分離槽５５には、散気ケース１３内の処理対象液１９を引き抜いて生物処理槽５６へ返送する引抜きポンプ６１と返送路６４とが設けられている。尚、供給口５９と引抜きポンプ６１と返送路６４とによって、膜分離槽５５内の下向流の流速を速くする水流促進機構が構成されている。また、引抜きポンプ６１は引抜き管６１ａを介して膜分離槽５５の底部に接続されている。

以下、上記構成における作用を説明する。
例えば、第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量を減らして小曝気量とし、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの散気量を第１および第３の散気装置１４ａ，１４ｃの散気量よりも増やして大曝気量とすることにより、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄに上向流２１を生起させ、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃに下向流２０を生起させる。

この際、引抜きポンプ６１を駆動して散気ケース１３内の処理対象液１９を引き抜いて生物処理槽５６へ返送することにより、生物処理槽５６内の処理対象液１９は、供給口５９からオーバーフローして膜分離槽５５内に供給され、引抜きポンプ６１により膜分離槽５５内から生物処理槽５６へ返送される。これにより、処理対象液１９が各槽５５、５６に亘って循環する。

この際、供給口５９から膜分離槽５５内に供給された処理対象液１９は、下向流となって、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れる。これにより、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃには、曝気により生起された下向流に加えて、供給口５９から引抜き管６１ａに向って下向流が流れることになる。このため、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃの各膜エレメント間流路１１を流れる下向流２０の流速が増大し、これにより、第２および第４の散気装置１４ｂ，１４ｄの曝気量（大曝気量）を低減しても、ボイド率の比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内にすることが可能であり、散気設備５の総曝気量を低減して消費電力を節約することができる。

上記第１２および第１３の実施の形態では、膜分離槽５５内に、上記第１の実施の形態で示した膜ユニット３ａ〜３ｄと散気設備５とを設けたが、膜分離槽５５内に、上記第２〜第１１の実施の形態で示したものを設けてもよい。

上記第１の実施の形態では、図１に示すように、第１および第３の膜ユニット３ａ，３ｃに下向流２０を発生させ、第２および第４の膜ユニット３ｂ，３ｄに上向流２１を発生させたが、下向流２０と上向流２１とが逆になるように切り換えてもよい。また、下向流２０と上向流２１との組み合わせを適宜変更してもよい。尚、その他の実施の形態においても同様である。

上記各実施の形態では、処理槽２内に四台の膜ユニット３ａ〜３ｄを設置したが、四台以外の複数台設置したものであってもよい。この場合、少なくとも一台の膜ユニットの膜エレメント間流路に下向流２０が流れ、残りの膜ユニットの膜エレメント間流路に上向流が流れるものであればよい。

上記各実施の形態では、膜エレメント８は平膜形式のものを用いたが、中空糸形式の膜エレメント８であってもよい。
膜分離装置を設置する水槽の容量（断面積）や形状は、膜分離装置のレイアウトを優先することができないことが多い。すなわち、生物処理槽と兼用する場合はＢＯＤ−ＭＬＳＳ負荷、ＢＯＤ容積負荷、総窒素−ＭＬＳＳ負荷等の条件によって水槽容量が決まり、設備を設置する敷地形状によって水槽の形状に制約を受けることもある。また、最近は既設プラントの改造工事が増加しているが、既設改造工事では既設水槽に膜分離装置を設置することになり、自由度は全くない。本発明は、水槽容量や水槽形状に捉われずに設置することができる膜分離装置の開発が望まれる中、その期待に応えることができるものである。

１ 膜分離設備
２ 処理槽
３ａ〜３ｄ，３４ａ〜３４ｄ 膜ユニット
４ 循環流
８ 膜エレメント
１１ 膜エレメント間流路
１４ａ〜１４ｄ 散気装置
２０ 下向流
２１ 上向流
４１ 水流促進用散気装置（水流促進機構）
５５ 膜分離槽（処理槽）

Claims (5)

1. 処理槽内に、浸漬型の複数台の膜ユニットと、上下方向に循環する循環流を発生させる散気装置とが設けられた膜分離設備であって、
   各膜ユニットは循環流の流路となる空間をあけて配列された複数の膜エレメントを有し、
   少なくとも一台の膜ユニットの膜エレメント間流路に下向流が流れるとともに残りの膜ユニットの膜エレメント間流路に上向流が流れ、
   下向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄと、上向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｒとの比εｄ／εｒが０．７以上で１．２以下の範囲内にあることを特徴とする膜分離設備。
2. 下向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄは０．０７以上で０．１２以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の膜分離設備。
3. 膜エレメントを配置した部分での処理槽の水平方向断面において、循環流が流れる流路のうちの下向流流路の総断面積Ｄと上向流流路の総断面積Ｒとの面積比Ｄ／Ｒが０．６３以上で３．３３以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の膜分離設備。
4. 下向流の流速を速くするための水流促進機構を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の膜分離設備。
5. 処理槽内に、浸漬型の複数台の膜ユニットと、上下方向に循環する循環流を発生させる散気装置とが設けられ、
   各膜ユニットは循環流の流路となる空間をあけて配列された複数の膜エレメントを有し、散気装置の散気量を異ならせることにより、上向流と下向流とを発生させる膜分離設備の運転方法であって、
   散気量を調節することで、下向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｄと、上向流が流れる膜エレメント間流路のボイド率εｒとの比εｄ／εｒを０．７以上で１．２以下の範囲内に調節することを特徴とする膜分離設備の運転方法。

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