JP2017217581A - 中空糸膜濾過装置及びその洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な洗浄力により中空糸膜を効果的に洗浄することが可能な中空糸膜濾過装置及びその洗浄方法を提供する。【解決手段】中空糸膜濾過装置１は、外圧濾過式の中空糸膜モジュール１０により原水又は処理水を濾過する装置である。中空糸膜モジュール１０は、中空糸膜束１５と、中空糸膜束１５が収容される内部空間Ｓ１が形成されたハウジング１３と、内部空間Ｓ１に配置され、内部空間Ｓ１と管内空間とを連通させる複数の孔５４が形成された管部材５と、を含む。中空糸膜濾過装置１は、管内空間に原水又は処理水及び気体を同時に供給するための気液供給手段４０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、中空糸膜濾過装置及びその洗浄方法に関する。

近年、発展途上国を中心に水資源の不足が叫ばれており、安全な水資源の確保は、世界が直面する問題となっている。また日本国内においても、病原性原虫による集団感染など、水資源の安全性確保は重要な社会課題となっている。このような背景から、これまで浄水処理が困難であった原水に高度水処理技術を適用することにより、安心・安全な水資源を作り出す動きが加速している。

このような高度水処理技術の一つとして、中空糸膜を用いた膜濾過技術が挙げられる。中空糸膜を用いた膜濾過は、多数の細孔を有する多孔質な濾過膜の内外に圧力差を生じさせることで、細孔より大きな物質（イオンから粒子まで幅広い物質）を分離する技術である。この技術は、分離対象物質の相変化や化学変化を伴わないため、他の分離法に比べて高効率且つ省エネルギーという観点から有望視されている。

しかし、中空糸膜による濾過の過程では、ＳＳ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｓ）と呼ばれる原水中の懸濁物質などの固形物が中空糸膜の表面に付着し、又は細孔内に侵入することにより、経時的に透過流束の低下が生じるファウリング現象が発生する。このため、濾過運転を長期的に安定して継続するためには、定期的に実施される中空糸膜の物理洗浄方法や運転方法を改善することにより、ファウリング現象を抑制する必要がある。

このような中空糸膜の物理洗浄方法が、下記特許文献１〜３において提案されている。特許文献１には、中空糸膜モジュールにおける一方の端部に設けられた原水導入口を介してモジュール内に気体を導入すると共に、中空糸膜の濾液側から原水側に気体又は液体を透過させる方法が提案されている。特許文献２には、中空糸膜が収容されるハウジングの側面に水の供給及び排出機能を有する複数の側面ノズルが設けられた中空糸膜モジュールを用いることにより、逆洗時の圧力を低減する方法が提案されている。特許文献３には、中空糸膜の上端固定部の近傍に洗浄用のノズルを配置し、当該ノズルから洗浄水を供給することにより上端固定部に付着した懸濁物質を効果的に除去する方法が提案されている。

特許第３９４８５９３号 特許第５８２１８３８号 特開２０１５−２２６８８４号公報

上記特許文献１で提案されている方法は、モジュールの一端に設けられた原水導入口から気体を導入することによりバブリング洗浄するものであるが、洗浄能力が低く、膜表面に付着した懸濁物質を十分に除去することが困難である。また上記特許文献２で提案されている方法も、モジュールの下端から気体を導入することによりバブリング洗浄するものであり、同様に洗浄能力に劣るという問題がある。また上記特許文献３で提案されている方法では、モジュール内に配置されたノズルから洗浄水を供給することにより中空糸膜を洗浄するものであり、この場合も洗浄能力が不十分である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分な洗浄力により中空糸膜を効果的に洗浄することが可能な中空糸膜濾過装置及びその洗浄方法を提供することである。

本発明の一局面に係る中空糸膜濾過装置は、外圧濾過式の中空糸膜モジュールにより原水又は処理水を濾過する装置である。前記中空糸膜モジュールは、中空糸膜束と、前記中空糸膜束が収容される内部空間が形成されたハウジングと、前記内部空間に配置され、前記内部空間と管内空間とを連通させる複数の孔が形成された管部材と、を含む。上記中空糸膜濾過装置は、前記管内空間に原水又は処理水及び気体を同時に供給するための気液供給手段を備える。

上記中空糸膜濾過装置によれば、管部材の内部に原水又は処理水（以下、「原水等」ともいう）と気体を同時に供給し、管部材に形成された複数の孔から内部空間に向けて水と気体を同時に噴出することができる。これにより、気液混合体の噴出によって内部空間に強いせん断力を発生させることが可能となり、当該せん断力によって中空糸膜の表面を効果的に洗浄することができる。その結果、中空糸膜の表面に付着した懸濁物質などを効率的に除去することができる。従って、上記中空糸膜濾過装置によれば、十分な洗浄力により中空糸膜を効果的に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置において、前記内部空間は、前記中空糸膜束の長手方向の中央よりも上側部分が位置する上部空間と、前記中空糸膜束の長手方向の中央よりも下側部分が位置する下部空間と、を有していてもよい。前記複数の孔は、前記管部材における前記上部空間に位置する部位及び前記下部空間に位置する部位に形成されていてもよい。

この構成によれば、管部材の複数の孔からハウジングの上部空間及び下部空間に向けて気液混合体を噴出することにより、中空糸膜の上部及び下部に対して強いせん断力を作用させることができる。これにより、中空糸膜をより均一に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置において、前記管部材は、前記中空糸膜束の内側に配置されていてもよい。この構成によれば、中空糸膜束の内側部分に対して管部材の孔から水と気体を同時に噴出することが可能となり、当該内側部分を効果的に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置において、前記中空糸膜束は、周方向に分割され、束状の中空糸膜を有する複数の膜束からなっていてもよい。前記複数の孔のうち少なくとも１つの孔は、隣り合う前記膜束の隙間に向かって開口するように形成されていてもよい。

この構成によれば、管部材の孔から膜束に対して水と気体の混合体が直接噴出されるのを避けることができる。このため、せん断力の高い気液混合体が噴出された時でも、これによって膜束が損傷を受けることを抑制できる。しかも、膜束同士の隙間に向けて水と気体を噴出することができるため、膜束によって水や気体の流れが遮られず、中空糸膜束の外周部まで水や気体を均一に行き渡らせることが可能となる。このため、中空糸膜束を内部から外周部に向かってより均一に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置において、前記気液供給手段は、原水又は処理水が流れる水流路を有し、前記管部材の入口に接続された水供給路と、気体が流れる気体流路を有し、前記水供給路に接続された気体供給路と、を含んでいてもよい。

この構成によれば、気体供給路から水供給路内に気体を供給することが可能となり、水供給路内において水と気体を混合させることができる。そして、水供給路を介して管部材の入口に気液混合体を供給することができる。このため、管部材の内部に水と気体をそれぞれ直接供給する場合に比べて、管部材への供給前に水と気体を十分に混合することが可能となる。このように水と気体が十分に混合された気液混合体を形成することで、より高いせん断力を発生させることができる。

本発明の他局面に係る中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、中空糸膜束がハウジングの内部空間に収容された外圧濾過式の中空糸膜モジュールにより原水又は処理水を濾過する中空糸膜濾過装置の洗浄方法である。上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、前記内部空間に配置された管部材の複数の孔から前記内部空間に向けて原水又は処理水及び気体を同時に噴出する気液洗浄工程を備える。

上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法によれば、管部材を用いてハウジングの内部空間に向けて原水等と気体を同時に噴出することができる。これにより、気液混合体によって内部空間に強いせん断力を発生させることが可能となり、当該せん断力によって中空糸膜の表面を効果的に洗浄することができる。その結果、中空糸膜の表面に付着した懸濁物質などを効率的に除去することができる。

上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、前記中空糸膜の内表面側から外表面側に向かって濾液を押し出す逆洗工程を備えていてもよい。前記気液洗浄工程は、前記逆洗工程の後又は同時に実施されてもよい。

この方法によれば、逆洗工程と気液洗浄工程とを組み合わせて実施することにより、中空糸膜の洗浄効果を一層高めることができる。

上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、充水された前記内部空間に気体を分散させることにより前記中空糸膜束を洗浄するバブリング工程をさらに備えてもよい。前記気体洗浄工程は、前記バブリング工程の前又は同時に実施されてもよい。

この方法によれば、バブリング工程をさらに組み合わせて実施することにより、中空糸膜の洗浄効果を一層高めることができる。

本発明によれば、十分な洗浄力により中空糸膜を効果的に洗浄することが可能な中空糸膜濾過装置及びその洗浄方法を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る中空糸膜濾過装置の構成を示す模式図である。 上記中空糸膜濾過装置に備えられた中空糸膜モジュールの構成を示す模式図である。 図２中の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図２中の領域ＩＶの拡大図である。 上記中空糸膜濾過装置の基本的な運転プログラムを示す図である。 本発明のその他実施形態に係る中空糸膜濾過装置を示す模式図である。 本発明のその他実施形態に係る中空糸膜濾過装置を示す模式図である。 本発明のその他実施形態に係る中空糸膜濾過装置を示す模式図である。 本発明のその他実施形態に係る中空糸膜濾過装置を示す模式図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１に係る中空糸膜濾過装置１の構成について説明する。中空糸膜濾過装置１は、中空糸膜モジュール１０により原水又は処理水を濾過する装置である。図１に示すように、中空糸膜濾過装置１は、複数の中空糸膜１４がハウジング１３に収容された中空糸膜モジュール１０と、中空糸膜モジュール１０に原水又は処理水及び空気（気体）を同時に供給するための気液供給手段４０と、を有する。処理水は、一旦濾過処理された後の水であって、中空糸膜モジュール１０により再度濾過されるものである。

［中空糸膜モジュール］
中空糸膜モジュール１０は、中空糸膜１４の外表面側に供給された原水等を内表面側から濾液として取り出す外圧濾過式のものである。図２に示すように、中空糸膜モジュール１０は、複数の中空糸膜１４が上端１４Ｂにおいて固定部材３により束状に固定された中空糸膜束１５と、中空糸膜束１５が収容される内部空間Ｓ１が形成されたハウジング１３と、内部空間Ｓ１に配置され、内部空間Ｓ１に原水等及び空気を供給する管部材５と、ハウジング１３内に供給された洗浄用の空気を分散させる散気部材４と、を有する。なお、散気部材４は必須の構成ではなく、省略されてもよい。

中空糸膜束１５は、複数の中空糸膜１４の上端１４Ｂが開口した状態で固定部材３により固定され、下端１４Ａが１本ずつ固定されない状態で封止された片端フリータイプである。固定部材３は、複数の中空糸膜１４の上端１４Ｂを収束固定する。固定部材３は、中空糸膜１４を濾過膜として機能させるため、ハウジング１３内の空間を原水側の内部空間Ｓ１と濾液側の空間Ｓ２とに液密に仕切る。固定部材３には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂又はポリウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。中空糸膜束１５と固定部材３の接着方法としては、遠心接着法や静置接着法などが挙げられる。

中空糸膜１４の素材としては、種々の材料を用いることが可能であり、特に限定されない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール及びポリエーテルスルホンからなる群より選択される少なくとも１種類が、中空糸膜１４の素材として用いられることが好ましい。特に、膜強度や耐薬品性の観点から、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が素材として用いられることが好ましい。

中空糸膜モジュール１０は、上述の通り外圧濾過式のものであるが、膜分離処理の条件や要求される性能に応じて外圧全量濾過式又は外圧循環濾過式のものであってもよい。膜寿命の点では、濾過膜の表面洗浄を同時に行うことができる外圧循環濾過式が好ましく、設備の単純さ、設置コスト及び運転コストの点では、外圧全量濾過式が好ましい。

中空糸膜束１５は、中空糸膜１４の本数が多くなるに従いモジュール当たりの膜面積が大きくなるため、濾過流量を高くして運転することができるが、一方で洗浄時における懸濁物質の排出効率が低下する。そのため、中空糸膜１４の外径ｄｉ（ｍ）、中空糸膜１４の本数ｎ（本）及びハウジング１３の断面積Ｓ（ｍ^２）により計算される膜充填率１００πｎｄｉ^２／４Ｓ（％）が１０〜６０％であることが好ましく、２０〜５０％であることがより好ましい。

図３は、図２中の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面を示している。図３に示すように、中空糸膜束１５は、周方向に分割された複数（本実施形態では４個）の膜束１５Ａを有し、隣り合う膜束１５Ａの間には隙間Ｓが形成されている。各膜束１５Ａは、複数の中空糸膜が円筒状に束ねられたものである。膜束１５Ａの数は例えば４〜８個とすることができ、また膜束１５Ａの形状は円筒形状以外のその他の形状であってもよい。

図２に示すように、ハウジング１３は、上面１３Ａ及び下面１３Ｃと、これらを接続する側面１３Ｂと、を有する筒形状からなる。ハウジング１３は、中空糸膜束１５が収容される内部空間Ｓ１を有する。内部空間Ｓ１は、中空糸膜１４の長手方向の中央Ｃよりも上側部分が位置する上部空間Ｓ１１と、中空糸膜１４の長手方向の中央Ｃよりも下側部分が位置する下部空間Ｓ１２と、を含む。

ハウジング１３の上面１３Ａには、濾液を取り出すための濾液配管５１が接続され、当該濾液配管５１には濾液出口５２及び濾液側気体入口５３が設けられている。側面１３Ｂにおいて固定部材３の直下には、内部空間Ｓ１の気体を系外に排出するための気体抜き口１１が設けられている。気体抜き口１１は、上部空間Ｓ１１の開口部であり、ハウジング１３の内部圧力を調整するための部分である。ハウジング１３の下部には、内部空間Ｓ１から原水等を系外に排出するためのドレン抜き口１２が設けられている。またハウジング１３の下部には、内部空間Ｓ１に空気を供給するための孔である散気用気体入口７も設けられている。

図１に示すように、気体抜き口１１には気体抜き配管６１が接続され、これを介してハウジング１３内の気体が系外に排出される。気体抜き配管６１には気体排出口バルブ６２が設けられ、これを開閉することによりハウジング１３内からの気体の排出及びその停止を切り替えることができる。

またドレン抜き口１２にはドレン配管４１が接続され、これを介してハウジング１３内の原水等が系外に排出される。ドレン配管４１には液体排出口バルブ４２が設けられ、これを開閉することによりハウジング１３の下部からの水の排出及びその停止を切り替えることができる。

ハウジング１３の材質としては、ＳＵＳ、変性ＰＰＥ、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリオレフィン又はＡＢＳ樹脂などが用いられる。図２に示すように、ハウジング１３の内面に固定部材３が接着固定されることにより、いわゆる一体型モジュールが構成されていてもよい。また、固定部材３の外周部にＯ−リングやパッキンなどが取り付けられ、固定部材３がハウジング１３に対して着脱可能且つ液密に装着されていてもよい。この場合、固定部材３を取り外して中空糸膜束１５を交換し、ハウジング１３を繰り返し使用することができる。

管部材５は、例えば円筒形状を有し、図２に示すようにハウジング１３の下壁部及び散気部材４の中央を貫通すると共に、中空糸膜束１５の中心を中空糸膜１４の長手方向に沿って上下に延びるように配置されている。管部材５は、上端が固定部材３に接続されると共に、下端がハウジング１３の下壁部よりも下側に突き出ている。管部材５の下端には管内空間に連通する入口９が設けられており、当該入口９を介して管内空間に原水等又は空気を供給可能となっている。なお、管部材５の構造はこれに限定されず、例えば散気部材４の上面から上向きに突出する別の配管に対して外嵌されたものであってもよい。また管部材５は円筒形状のものに限定されず、他の形状のものであってもよい。

図２に示すように、管部材５において散気部材４の上面よりも上側に突出した部位には、長手方向全体に亘って複数の孔５４が互いに間隔を空けて形成されている。より具体的には、管部材５は、上部空間Ｓ１１に位置する部位に複数の上孔５４Ａが互いに間隔を空けて形成されると共に、下部空間Ｓ１２に位置する部位に複数の下孔５４Ｂが互いに間隔を空けて形成されている。

上孔５４Ａ及び下孔５４Ｂは、管壁を貫通するように形成されており、これによって管部材５の管内空間とハウジング１３の内部空間Ｓ１とを連通させる。このため、管部材５の下端にある入口９から管内空間に供給された原水等及び空気を、上孔５４Ａを介して上部空間Ｓ１１に向けて同時に噴出すると共に、下孔５４Ｂを介して下部空間Ｓ１２に向けて同時に噴出することができる。また上孔５４Ａ及び下孔５４Ｂによって、原水等のみを上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に向けて噴出することもできるし、空気のみを上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に向けて噴出することもできる。ここで、上孔５４Ａ及び下孔５４Ｂは、上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に対して同程度の流量で水、空気及び水と空気の混合体を噴出可能な大きさで形成されていることが好ましい。なお、孔５４は、互いに等間隔で形成されていてもよいし、異なる間隔で形成されていてもよい。また孔５４の形状は、本実施形態のように円形状であってもよいが、水や空気を均一に噴出可能な形状であれば特に限定されない。

また本実施形態では、複数の孔５４は同じ大きさで形成されているがこれに限定されず、互いに異なる大きさであってもよい。また孔５４の内径は、気液混合体の噴出によるせん断力の確保という観点から３０ｍｍ以下に設計されることが好ましいが、特に限定されない。

また図２に示すように、管部材５の最上部に形成された上孔５４Ａは気体抜き口１１の下面１１Ａよりも上側に位置しており、上から２番目の上孔５４Ａは当該下面１１Ａよりも下側に位置している。つまり、管部材５には、気体抜き口１１の下面１１Ａを上下に挟む位置に上孔５４Ａが形成されている。

図３に示すように、上孔５４Ａは、隣り合う膜束１５Ａの隙間Ｓに向かって開口するように形成されており、これにより当該隙間Ｓに向けて原水等や空気を噴出可能となっている。上孔５４Ａからせん断力の高い気液混合体が噴出された場合、当該混合体を膜束１５Ａに対して直接噴出すると、中空糸膜１４が損傷を受ける虞がある。また膜束１５Ａによって水や空気の流れが遮られることにより、中空糸膜束１５の外周部まで水や空気が行き渡りにくくなる。この場合、中空糸膜束１５の外周部における洗浄効果が不十分になる。これに対して、膜束１５Ａの隙間Ｓに向かって水と空気の混合体を噴出することにより、中空糸膜１４の損傷を抑制することができると共に中空糸膜束１５の外周部まで水や空気を均一に行き渡らせることができる。また下孔５４Ｂも上孔５４Ａと同様に膜束１５Ａの隙間Ｓに向かって開口するように形成されることが好ましい。また図３に示すように、全ての上孔５４Ａが隙間Ｓに向かって開口する場合に限定されず、一部の上孔５４Ａのみが隙間Ｓに向かって開口していてもよい。

図４は、図２中の領域ＩＶにおける管部材５の拡大図である。管部材５における孔５４の開孔率は、以下のように定義できる。図４の斜線部に示すように、最上部の孔５４の中間高さ位置からその下の孔５４の中間高さ位置までの範囲における管部材５の外周面の面積をＳ１とし、当該範囲の外周面に形成された全ての孔５４の合計の開孔面積をＳ２としたときに、孔５４の開孔率は、Ｓ２／Ｓ１×１００、として定義できる。本実施形態では、当該開孔率が１％以上２０％以下に設計されることが好ましい。

ハウジング１３内に挿入された管部材５の長さ（図２）は、中空糸膜モジュール１０を嵩張らせないようにするため、中空糸膜１４の長さの１〜２倍であることが好ましく、１〜１．５倍であることがより好ましい。

管部材５の内径は、通水時の圧力損失を小さくするため、通水時の流束が４ｍ／ｓ以下となるように設計されることが好ましく、３ｍ／ｓ以下となるように設計されることがより好ましい。

図２に示すように、散気部材４は、中空糸膜１４の下端１４Ａよりも下側に配置されており、散気用気体入口７からハウジング１３内に供給された気体を中空糸膜束１５の径方向に広がるように分散させる。散気部材４は、下部空間Ｓ１２よりも下側に配置されており、中央部に管部材５が貫通している。より具体的には、散気部材４は、中空糸膜束１５の径方向に広がった形状を有し、複数の通気孔４３が径方向に間隔を空けて形成された円板状の本体部７４と、本体部７４の周縁部に接続された周壁部７６と、本体部７４の下面中央に接続された円筒状の気体受け部７５と、を有し、これらが一体に形成されている。散気部材４によれば、散気用気体入口７からハウジング１３内に供給された空気を気体受け部７５により一時的に収容した後、当該気体受け部７５に形成された孔から空気を外側へ逃がし、その後通気孔４３から下部空間Ｓ１２に向けて上向きに気泡を分散させることによりバブリングを行うことができる。

［気液供給手段］
気液供給手段４０は、管部材５の管内空間に原水又は処理水及び気体を同時に供給するためのものである。図１に示すように、気液供給手段４０は、原水配管２１（水供給路）と、原水ポンプ２０と、原水バルブ２２と、処理水配管２５（水供給路）と、処理水タンク２３と、処理水ポンプ２４と、処理水バルブ２６と、エアーコンプレッサー３０と、気体導入配管３３（気体供給路）と、気体導入バルブ３６と、制御装置７３と、を有する。

原水配管２１は、原水が流れる水流路を有し、下流端が管部材５の入口９に接続されている。原水ポンプ２０は、原水配管２１の上流部に設けられ、制御装置７３によって作動することにより原水配管２１内に原水を流す。原水バルブ２２は、原水ポンプ２０よりも下流側に設けられ、制御装置７３によって開閉することにより原水配管２１内における水の流通及び遮断を切り替える。

処理水配管２５は、処理水が流れる水流路を有し、原水配管２１と同様に下流端が管部材５の入口９に接続されている。処理水ポンプ２４は、制御装置７３によって作動することにより処理水タンク２３に貯められた処理水を処理水配管２５に送り出す。処理水バルブ２６は、処理水ポンプ２４よりも下流側に設けられ、制御装置７３によって開閉することにより処理水配管２５内における水の流通及び遮断を切り替える。

エアーコンプレッサー３０は、制御装置７３によって作動することにより気体導入配管３３内に空気を流す。気体導入配管３３は、エアーコンプレッサー３０から送られた空気が流れる気体流路を有し、上流端がエアーコンプレッサー３０に接続されると共に、下流端が原水配管２１における原水バルブ２２よりも下流側の部位に接続されている。また気体導入配管３３の下流端は、処理水配管２５における処理水バルブ２６よりも下流側の部位に接続されていてもよい。気体導入バルブ３６は、制御装置７３によって開閉することにより気体導入配管３３における空気の流通及び遮断を切り替える。

制御装置７３は、例えばパーソナルコンピュータにより構成され、原水ポンプ２０、処理水ポンプ２４及びエアーコンプレッサー３０の各動作を制御すると共に、原水バルブ２２、処理水バルブ２６及び気体導入バルブ３６の開閉動作を制御するコントローラを有する。この制御装置７３により、原水ポンプ２０及びエアーコンプレッサー３０を同時に作動させると共に、原水バルブ２２及び気体導入バルブ３６を同時に開くことができる。これにより、原水ポンプ２０によって原水配管２１内に原水を供給すると共に、エアーコンプレッサー３０により気体導入配管３３を介して原水配管２１内に空気を供給することができ、原水配管２１内において水と空気の気液混合体を生成することができる。そして、原水配管２１を介して原水及び空気を管部材５の管内空間に同時に供給することができ、管部材５の孔５４から原水と空気を同時に噴出することができる。なお、上述のように気体導入配管３３の下流端を処理水配管２５に接続した場合には、処理水及び空気を管部材５の管内空間に同時に供給し、管部材５の孔５４から処理水及び空気を同時に噴出することができる。

また図１に示すように、中空糸膜濾過装置１は、第１気体導入配管３１と、第２気体導入配管３２と、第１及び第２気体導入配管３１，３２に設けられた第１及び第２気体導入バルブ３４，３５と、をさらに有する。第１気体導入配管３１は、上流端が第３気体導入配管３３における第３気体導入バルブ３６よりも上流側の部位に接続されると共に、下流端が中空糸膜モジュール１０の濾液側気体入口５３に接続されている。第１気体導入配管３１には、配管内における空気の流通及び遮断を切り替える第１気体導入バルブ３４が設けられており、制御装置７３によって当該バルブの開閉が制御される。

第２気体導入配管３２は、第１気体導入配管３１における第１気体導入バルブ３４よりも上流側の部位に上流端が接続されると共に、下流端が中空糸膜モジュール１０の散気用気体入口７に接続されている。また第２気体導入配管３２にも、配管内における空気の流通及び遮断を切り替える第２気体導入バルブ３５が設けられており、制御装置７３によって当該バルブの開閉が制御される。これらの構成によれば、制御装置７３によりエアーコンプレッサー３０を作動させると共に第１気体導入バルブ３４を開くことで第１気体導入配管３１を介してハウジング１３の濾液側の空間Ｓ２に空気を供給して濾液を押出すことができ、また制御装置７３により第２気体導入バルブ３５を開くことで第２気体導入配管３２を介して中空糸膜モジュール１０の原液側の空間に空気を供給してバブリング洗浄を行うことができる。

［中空糸膜濾過装置の運転方法及び洗浄方法］
次に、上記中空糸膜濾過装置１の運転方法及び洗浄方法について説明する。図５は、中空糸膜濾過装置１の運転方法及び洗浄方法における各工程とバルブの開閉状態との関係を示している。図５中の丸印は該当するバルブが開状態であることを意味し、空欄はバルブが閉状態であることを意味する。

はじめに、充水工程が実施される。この工程では、中空糸膜濾過装置１の全バルブが閉じた状態において、制御装置７３によって原水バルブ２２及び気体排出口バルブ６２が開かれ、且つ原水ポンプ２０が作動する。これにより、原水ポンプ２０から原水配管２１を介して管部材５内に原水が導入される。そして、管部材５の孔５４からハウジング１３内に原水が供給され、内部空間Ｓ１が充水される。

次に、濾過工程が実施される。この工程では、気体抜き口１１から原水が溢れた後、制御装置７３によって濾液出口バルブ７１が開かれると共に気体排出口バルブ６２が閉じられる。そして、内部空間Ｓ１に満たされた原水が中空糸膜１４の外表面側から膜壁を通過して内表面側へ浸透し、濾液側の空間Ｓ２から濾液として取り出される。

この濾過工程において、濾過時間が経過するのに伴って中空糸膜１４の外表面に原水中の懸濁物質が付着し、透過流速が低下することにより濾過能力が低下する。そのため、一定時間濾過が実施された後、以下に説明する洗浄方法を実施することにより、中空糸膜１４の外表面が洗浄される。

まず、逆洗工程が実施される。この工程では、制御装置７３によって液体排出口バルブ４２及び第１気体導入バルブ３４を開き、且つエアーコンプレッサー３０を作動させる。これにより、濾液側気体入口５３からハウジング１３の濾液側の空間Ｓ２に気体又は液体（例えば空気又は水）が導入され、これによって濾液が加圧される。そして、加圧された濾液は、中空糸膜１４の内表面側から外表面側に向かって押し出される。これにより、内部空間Ｓ１の液体の一部がドレン抜き口１２から系外に排出される。このようにして中空糸膜１４の逆洗が行われる。

次に、気液洗浄工程が実施される。この工程では、制御装置７３によって原水ポンプ２０及びエアーコンプレッサー３０を作動させると共に、原水バルブ２２、第３気体導入バルブ３６及び気体排出口バルブ６２をそれぞれ開く。これにより、原水配管２１内に原水が流れると共に第３気体導入配管３３から原水配管２１内に空気が導入され、原水配管２１内に原水と空気の混合体が生成する。そして、原水と空気の混合体が原水配管２１を介して管部材５の内部に導入され、管部材５の上孔５４Ａ及び下孔５４Ｂからハウジング１３の上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２のそれぞれに向けて原水及び空気が同時に噴出される。これにより、噴出された気液混合体によって上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２において強いせん断力が発生し、当該せん断力によって中空糸膜１４を長手方向において均一且つ効果的に洗浄することができる。この時、上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に対して原水と空気を均一に噴出することが、モジュール内の均一な洗浄という観点から好ましい。なお、洗浄中においては、気体抜き口１１からモジュールの系外に空気が排出されると共に、ドレン抜き口１２からモジュールの系外に原水が排水される。

また図３を参照して説明したように、管部材５の孔５４は、膜束１５Ａの隙間Ｓに向かって開口している。このため、図３中矢印に示すように、中空糸膜束１５の中心から当該隙間Ｓに向かって径方向外向きに水及び空気を噴出することができる。このため、中空糸膜束１５の中心部分を効果的に洗浄することができると共に、噴出された水及び空気を中空糸膜束１５の外周部にまで容易に行き渡らせることができる。よって、中空糸膜束１５の中心部分だけでなく外周部における洗浄効果も高めることができる。しかも、膜束１５Ａに向かって直接水や空気を噴出しないため、中空糸膜１４が損傷を受けるのも抑制できる。

次に、バブリング工程が実施される。この工程では、内部空間Ｓ１が充水された状態において、制御装置７３によって第３気体導入バルブ３６が閉じられると共に第２気体導入バルブ３５が開かれる。これにより、第２気体導入配管３２を介して散気用気体入口７からハウジング１３内に空気が供給される。そして、当該空気は、気体受け部７５に収容された後、通気孔４３から下部空間Ｓ１２へ分散される。これにより、中空糸膜１４の下端１４Ａから上端１４Ｂに向かって上昇する空気によって中空糸膜１４が揺らされ、その作用で膜表面に付着した懸濁物質が剥がれ落ちる。

次に、排水工程が実施される。この工程では、制御装置７３によって第２気体導入バルブ３５が閉じられると共に液体排出口バルブ４２が開かれる。これにより、逆洗工程、気液洗浄工程及びバブリング工程において中空糸膜１４の外表面から剥がれ落ちた懸濁物質を含む液体が、ドレン抜き口１２を介して系外に排出される。

このようにして中空糸膜モジュール１０の洗浄が実施された後、原水の濾過が再開される。また上記の洗浄方法は、濾過運転中において任意のタイミングで実施することができる。また逆洗工程から排水工程までの洗浄プロセスを１回のみ実施するだけでなく複数回繰り返して実施することも可能であり、これによってより効果的な洗浄が可能になる。

また上記実施形態では、原水の濾過及び原水を用いた中空糸膜１４の洗浄について説明したが、原水の代わりに処理水を用いてもよい。この場合、処理水タンク２３に貯められた処理水が処理水ポンプ２４によって管部材５に送られる。

また上記実施形態では、逆洗工程、気液洗浄工程、バブリング工程の順で洗浄を行う場合について説明したが、これに限定されない。例えば、逆洗工程と気液洗浄工程を同時に実施してその後バブリング工程を実施してもよいし、逆洗工程を行った後に気液洗浄工程とバブリング工程を同時に行ってもよいし、逆洗工程、気液洗浄工程及びバブリング工程を全て同時に行ってもよい。また逆洗工程及びバブリング工程は本発明の洗浄方法において必須の工程ではなく、いずれか一方の工程を省略してもよいし、両方の工程を省略してもよい。

［作用効果］
次に、本実施形態に係る中空糸膜濾過装置１及びその洗浄方法の特徴並びに作用効果について説明する。

上記中空糸膜濾過装置１は、外圧濾過式の中空糸膜モジュール１０により原水又は処理水を濾過する装置である。中空糸膜モジュール１０は、束状の複数の中空糸膜１４を有する中空糸膜束１５と、中空糸膜束１５が収容される内部空間Ｓ１が形成されたハウジング１３と、内部空間Ｓ１に配置され、内部空間Ｓ１と管内空間とを連通させる複数の孔５４が形成された管部材５と、を含む。内部空間Ｓ１は、中空糸膜１４の長手方向の中央Ｃよりも上側部分が位置する上部空間Ｓ１１と、中空糸膜１４の長手方向の中央Ｃよりも下側部分が位置する下部空間Ｓ１２と、を有する。孔５４は、管部材５における上部空間Ｓ１１に位置する部位及び下部空間Ｓ１２に位置する部位に形成されている。上記中空糸膜濾過装置１は、管内空間に原水又は処理水及び気体を供給するための気液供給手段４０を備える。

上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、束状の複数の中空糸膜１４を有する中空糸膜束１５がハウジング１３の内部空間Ｓ１に収容された外圧濾過式の中空糸膜モジュール１０により原水又は処理水を濾過する中空糸膜濾過装置１の洗浄方法である。内部空間Ｓ１は、中空糸膜１４の長手方向の中央Ｃよりも上側部分が位置する上部空間Ｓ１１と、中空糸膜１４の長手方向の中央Ｃよりも下側部分が位置する下部空間Ｓ１２と、を有する。上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、内部空間Ｓ１に配置された管部材５を用いて、上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に向けて原水又は処理水及び気体を同時に噴出する気液洗浄工程を備える。

これにより、管部材５の内部に原水又は処理水を供給すると共に気体を供給し、管部材５の孔５４から内部空間Ｓ１に向けて水と気体を同時に噴出することができる。このため、気液混合体の噴出によって内部空間Ｓ１に強いせん断力を発生させることが可能となり、当該せん断力によって中空糸膜１４の表面を効果的に洗浄することができる。その結果、中空糸膜１４の表面に付着した懸濁物質などを効率的に除去することができる。しかも、管部材５における上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に位置する部位に形成された孔５４（上孔５４Ａ及び下孔５４Ｂ）から気液混合体を噴出することで、中空糸膜１４の上部及び下部のそれぞれに対して強いせん断力を作用させることができる。これにより、中空糸膜１４を強いせん断力によって効果的且つ均一に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置１において、管部材５は、中空糸膜束１５の内側に配置されている。これにより、中空糸膜束１５の内側部分に対して管部材５の孔５４から水と気体を同時に噴出することが可能となり、当該内側部分を効果的に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置１において、中空糸膜束１５は、周方向に分割された複数の膜束１５Ａを有する。孔５４は、隣り合う膜束１５Ａの隙間Ｓに向かって開口するように形成されている。

これにより、管部材５の孔５４から膜束１５Ａに対して水と気体の混合体が直接噴出されるのを避けることができる。このため、せん断力の高い気液混合体が噴出された時でも、これによって膜束１５Ａが損傷を受けることを抑制できる。しかも、膜束１５Ａ同士の隙間Ｓに向けて水と気体を噴出することができるため、膜束１５Ａによって水や気体の流れが遮られず、中空糸膜束１５の外周部まで水や気体を均一に行き渡らせることが可能となる。このため、中空糸膜束１５を内部から外周部に亘ってより均一に洗浄することができる。

上記中空糸膜濾過装置１において、気液供給手段４０は、原水が流れる水流路を有すると共に管部材５の入口９に接続された原水配管２１と、処理水が流れる水流路を有すると共に管部材５の入口９に接続された処理水配管２５と、気体が流れる気体流路を有すると共に原水配管２１及び処理水配管２５に接続された第３気体導入配管３３を含む。

これにより、第３気体導入配管３３から原水配管２１及び処理水配管２５の内部に気体を供給することが可能となり、原水配管２１及び処理水配管２５において水と気体を混合させることができる。そして、原水配管２１及び処理水配管２５を介して管部材５の入口９に気液混合体を供給することができる。このため、管部材５の内部に水と気体をそれぞれ直接供給する場合に比べて、管部材５への供給前に水と気体を十分に混合することが可能となる。このように水と気体が十分に混合された気液混合体を形成することで、より高いせん断力を発生させることができる。

上記中空糸膜濾過装置の洗浄方法は、中空糸膜１４の内表面側から外表面側に向かって濾液を押し出す逆洗工程を備える。気液洗浄工程は、逆洗工程の後又は同時に実施される。これにより、逆洗工程と気液洗浄工程とを組み合わせて実施することで、中空糸膜１４の洗浄効果を一層高めることができる。

（その他実施形態）
次に、本発明のその他実施形態について説明する。

上記実施形態１では、第３気体導入配管３３から原水配管２１及び処理水配管２５の内部に空気を導入する場合について説明したが、これに限定されない。図６に示すように、第３気体導入配管３３を管部材５に直接接続し、管部材５の内部に直接空気を供給する構成としてもよい。この場合でも、管部材５の孔５４から水と空気を内部空間Ｓ１に向けて同時に噴出することができる。

上記実施形態１では、管部材５が中空糸膜束１５の内側に配置される場合について説明したが、中空糸膜束１５の外側に配置する構成としてもよい。

上記実施形態１では、中空糸膜束１５が複数の膜束１５Ａに分割される場合について説明したが、１つの膜束からなっていてもよい。

上記実施形態１では、管部材５において上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２に位置する部位に孔５４が形成される場合について説明したが、これに限定されない。図７に示すように管部材５において上部空間Ｓ１１に位置する部位のみに孔５４（上孔５４Ａ）が形成されてもよいし、図８に示すように管部材５において下部空間Ｓ１２に位置する部位のみに孔５４（下孔５４Ｂ）が形成されてもよい。

また図９に示すように、原水と空気を混合した気液混合体を作ることができる気液混合装置７７を設けてもよい。この場合、制御装置７３により気液混合装置７７を作動させると共に開閉弁７９を開くことで、供給配管７８を通して管部材５の管内空間に原水と気体を同時に供給し、管部材５の孔５４から原水と空気を同時に噴出することができる。この場合、気液混合装置７７、供給配管７８、開閉弁７９及び制御装置７３により気液供給手段４０が構成される。なお、通常の濾過工程においては、原水中に空気を混入させずに原水ポンプと同様に気液混合装置７７を用いてもよい。

上記実施形態１では、管部材５に供給する気体として空気を例示したがこれに限定されず、中空糸膜１４の洗浄に適した種々の気体を用いることが可能である。

本発明の中空糸膜濾過装置及びその洗浄方法による効果を確認するため、以下の実験を行った。

（実施例１）
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製の中空糸膜（株式会社クラレ製：Ｍ０２−１００）を用いて中空糸膜モジュール１０（図２）を作製し、これを用いて中空糸膜濾過装置１（図１）を組み立てた。中空糸膜１４は、平均孔径が０．０２μｍであり、ポリビニルアルコールによる親水化処理がなされたものを用いた。

上記中空糸膜濾過装置１において、塩化鉄沈殿水（ｐＨ＝７、ＳＳ濃度：２５０ｍｇ／Ｌ）を原水として使用し、ハウジング１３内に原水を満たす充水工程を行った後、全量濾過方式による濾過工程を３０分間行った。そして、中空糸膜１４の内表面側から外表面側に濾液を押し出す逆洗工程を行った後、管部材５の孔５４から原水と空気を同時に噴出する気液洗浄工程を実施し、その後排水工程を行った。この逆洗工程、気液洗浄工程及び排出工程のプロセスを繰り返し行った。約２４時間に亘り上記の洗浄プロセスを繰り返したところ、中空糸膜モジュール１０全体においてＳＳ成分の付着が見られず、良好な洗浄状態を確認することができた。

（実施例２）
逆洗工程と同時に気液洗浄工程を行った点以外は、上記実施例１と同様である。約２４時間に亘り洗浄運転を繰り返したところ、上記実施例１と同様に中空糸膜モジュール１０全体においてＳＳ成分の付着が見られず、良好な洗浄状態を確認することができた。

（実施例３）
管部材５において下孔５４Ｂを省略して上孔５４Ａのみを形成した点以外は、上記実施例１と同様である。この場合、ハウジング１３の下部空間Ｓ１２においてＳＳ成分の付着が見られた。このことから、上記実施例１のように上孔５４Ａ及び下孔５４Ｂの両方を形成し、上部空間Ｓ１１及び下部空間Ｓ１２のいずれに対しても水と空気を同時に噴出することにより、洗浄効果がより向上することが分かった。

（比較例１）
逆洗工程の後、第３気体導入バルブ３６を開かず、ハウジング１３内の充水のみ行った点以外は上記実施例１と同様である。約２４時間に亘り運転を繰り返したところ、中空糸膜モジュール１０全体においてＳＳ成分の付着が見られ、十分な洗浄効果を得ることができなかった。これは、上記実施例１，２と異なり、水と空気を同時に噴出する気液洗浄工程を行っていないことから、中空糸膜モジュール１０を洗浄するためのせん断力が不足した結果であると考えられる。

今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 中空糸膜濾過装置
５ 管部材
９ 入口
１０ 中空糸膜モジュール
１３ ハウジング
１４ 中空糸膜
１５ 中空糸膜束
１５Ａ 膜束
２０ 原水ポンプ（気液供給手段）
２１ 原水配管（水供給路、気液供給手段）
２２ 原水バルブ（気液供給手段）
２３ 処理水タンク（気液供給手段）
２４ 処理水ポンプ（気液供給手段）
２５ 処理水配管（水供給路、気液供給手段）
２６ 処理水バルブ（気液供給手段）
３０ エアーコンプレッサー（気液供給手段）
３３ 第３気体導入配管（気体供給路、気液供給手段）
４０ 気液供給手段
５４ 孔
５４Ａ 上孔
５４Ｂ 下孔
Ｃ 中央
Ｓ 隙間
Ｓ１ 内部空間
Ｓ１１ 上部空間
Ｓ１２ 下部空間

Claims (8)

1. 外圧濾過式の中空糸膜モジュールにより原水又は処理水を濾過する中空糸膜濾過装置であって、
   前記中空糸膜モジュールは、
   中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束が収容される内部空間が形成されたハウジングと、
   前記内部空間に配置され、前記内部空間と管内空間とを連通させる複数の孔が形成された管部材と、を含み、
   前記管内空間に原水又は処理水及び気体を同時に供給するための気液供給手段を備えた、中空糸膜濾過装置。
2. 前記内部空間は、前記中空糸膜束の長手方向の中央よりも上側部分が位置する上部空間と、前記中空糸膜束の長手方向の中央よりも下側部分が位置する下部空間と、を有し、
   前記複数の孔は、前記管部材における前記上部空間に位置する部位及び前記下部空間に位置する部位に形成されている、請求項１に記載の中空糸膜濾過装置。
3. 前記管部材は、前記中空糸膜束の内側に配置されている、請求項１又は２に記載の中空糸膜濾過装置。
4. 前記中空糸膜束は、周方向に分割され、束状の中空糸膜を有する複数の膜束からなり、
   前記複数の孔のうち少なくとも１つの孔は、隣り合う前記膜束の隙間に向かって開口するように形成されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の中空糸膜濾過装置。
5. 前記気液供給手段は、
   原水又は処理水が流れる水流路を有し、前記管部材の入口に接続された水供給路と、
   気体が流れる気体流路を有し、前記水供給路に接続された気体供給路と、を含む、請求項１〜４の何れか１項に記載の中空糸膜濾過装置。
6. 中空糸膜束がハウジングの内部空間に収容された外圧濾過式の中空糸膜モジュールにより原水又は処理水を濾過する中空糸膜濾過装置の洗浄方法であって、
   前記内部空間に配置された管部材の複数の孔から前記内部空間に向けて原水又は処理水及び気体を同時に噴出する気液洗浄工程を備えた、中空糸膜濾過装置の洗浄方法。
7. 前記中空糸膜束における中空糸膜の内表面側から外表面側に向かって濾液を押し出す逆洗工程を備え、
   前記気液洗浄工程が前記逆洗工程の後又は同時に実施される、請求項６に記載の中空糸膜濾過装置の洗浄方法。
8. 充水された前記内部空間に気体を分散させることにより前記中空糸膜束を洗浄するバブリング工程をさらに備え、
   前記気体洗浄工程が前記バブリング工程の前又は同時に実施される、請求項６又は７に記載の中空糸膜濾過装置の洗浄方法。

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