JP2022546913A - 浸漬型膜ユニットを供給するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

浸漬膜システムでは、流入液は開いた膜タンクに流れ込む。膜タンクは、水平方向に離隔された複数の浸漬膜ユニットを有し得る。浸漬膜ユニットは、膜ケース内に平坦なシート膜エレメントを有し得る。流入液の流れを浸漬膜ユニットに方向付けるために、１つ又は複数のダクトがタンクに設けられる。いくつかの例では、流入液は複数の副流に分割され、これらはバッフルを介して、任意には概ね等量で、任意には単一経路のフローパターンで、対応する浸漬膜ユニットに供給される。膜タンクを操作するプロセスでは、流入流は膜タンクの底部を横切って方向付けられ、複数の部分に分割される。複数の部分の各々は、タンク内に配置された対応する浸漬膜ユニットの底部に直接供給される。流入液は、膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）内の混合液であり得る。【選択図】図１

Description

本発明は、浸漬された膜フィルタ及びその操作方法に関する。

膜は典型的には、平坦なシート、チューブ又は中空糸の形状である。浸漬された膜ユニットでは、複数の膜エレメントが共にモジュール又はカセットに組み立てられ、オープンタンクに浸漬される。透過液は、重力又は膜の内面に接続された透過液ポンプにより生じた吸引によってモジュールから吸い出される。典型的な用途は、地表水をろ過して飲料水を生成すること、膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）で廃水を処理すること、又は三次ろ過アプリケーションで二次排水を処理することを含む。これらの用途では、膜は通常、精密ろ過または限外ろ過の範囲の細孔を有する。

浸漬された中空糸膜ユニットのいくつかの例は、米国特許第５６３９３７３号に記載されている。これらの中空糸膜ユニットでは、中空糸膜が上部及び下部のポッティングヘッドの間を延びる。他の例では、ポッティングヘッドが１つしかなく、かつ／又は膜が水平に延びる。浸漬された平坦シート膜ユニットのいくつかの例は、米国特許第６２８７４６７号に記載されている。平坦シート膜ユニットでは、平坦シート膜のペアが、フレーム又はスペーサ上で共に組み立てられてエレメントを形成する。これらのエレメントの多くは、カセット内に並列に配置される。カセットは、エレメントの周りに垂直に方向付けされたチューブを形成する膜ケースを有し得、これはシュラウドとも称される。カセットには、エアレータのセットを取り付けることができる。場合によっては、カセットの下方のディフューザケースが、垂直に方向付けされたチューブ内のエアレータのセットを含む。エアレータは、膜の表面を洗う気泡を生成するとともに、膜を通過して水を上向きに循環させるエアリフトも生成する。同様の構造が、平板状セラミック膜を有する。代替の平坦シート浸漬膜ユニットは、内部フレーム又はスペーサなしで組み立てられた波形膜シートを備え、米国特許出願公開第２０１７／００９５７７３号に記載されており、これは本参照を以って本明細書に記載されているものとする。

膜ろ過システムでは、１つ又は複数の浸漬膜ユニットは典型的に、開いた（すなわち、自由水面を有する）膜タンク内に配置される。膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）では、膜ろ過システムは活性汚泥プロセスの二次浄化装置のように機能し得る。この場合、水は膜タンクの上流のプロセスタンクで処理されて混合液を生成し、混合液は膜タンクに流れる。透過液は膜ユニットを通って吸い出され、活性汚泥が膜タンクに残る。活性汚泥は膜タンクから取り出され、廃活性汚泥（ＷＡＳ）と戻り活性汚泥（ＲＡＳ）とに分けられる。ＲＡＳはプロセスタンクに戻されて活性汚泥の一部になる。流入（原排水）流量（Ｑ）は、透過液の流量及びＷＡＳの流量の合計によって概ねバランスが取れている。ＲＡＳの流量は通常、２Ｑから５Ｑの範囲である。

この概要は、本発明及び従うべき詳細な説明を紹介することを意図しているが、クレームされた発明を限定又は定義することを意図するものではない。

浸漬膜システムでは、流入液は開いた膜タンクに流れ込み、透過液は膜を通って除去され、濃縮物は膜タンクから流出する。本願発明者は、各膜ユニットを気泡で等しく洗うにもかかわらず、タンク内の様々な部分において、汚染率が膜ユニット間で異なる場合があることを発見した。例えば、膜ユニットが狭いタンクに沿って一列に配置され、該タンクの一端から流入液が供給されるシステムでは、最も下流の膜ユニットが最も汚染される。このことは、少なくとも部分的には、タンクの長さに沿う固形物（又は他の汚染物質）の濃度勾配によって引き起こされる場合がある。しかし典型的には、膜ユニットは全て共通の透過パイプ及び逆洗パイプに接続され、同じ透過・洗浄プロトコルで操作される。その結果、上流の膜ユニットが効率的に作動しないか、下流の膜ユニットが過度に汚染される。しかしこの構成は、複数の並列膜タンクを備えた大規模システムの作製を容易にするため、膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）を含む多くの浸漬膜プラントで使用される。従って、狭いタンクを備えた浸漬膜システムの大きな設置ベースは既に存在している。

本明細書は、１つ又は複数の浸漬された膜ユニットを有する開放された膜タンクを記載している。各膜ユニットは、ろ過膜を含む１つ又は複数のカセット又は他の構造を有し得る。任意に、膜ユニットはタンクの長さに沿って間隔を開けて配置される。任意に、浸漬膜ユニットは、膜ケース内に配置可能な平坦なシート膜エレメントを有し得る。入口は、タンクの一端、任意にはタンクの底の近くに設けられる。入口を１つ又は複数の浸漬膜ユニットに接続するために、１つ又は複数のダクトが設けられる。いくつかの例では、ダクトは、各々が異なる膜ユニットに接続された複数の開口部を有する。任意に、開口部は様々なサイズを有し、これらは、異なる膜ユニットへの混合液の流れの均等化に役立つように選択され得る。任意に、ダクトは、膜ユニットの下に水平に延びるバッフルを有し得る。いくつかの例では、膜タンクは膜バイオリアクタの一部である。

また本明細書は、例えば、ＭＢＲの開放された膜タンク等の浸漬膜ろ過システムを操作するプロセスも記載している。該プロセスでは、膜タンクへの流入液の流れは、１つ又は複数の浸漬膜ユニットの底に向かう。任意に、混合液の流れを複数の部分に分割することができる。いくつかの例では、複数の部分の各々の流量は、複数の部分の平均流量の１０％以内である。任意に、流入液は、浸漬膜ユニットを通ってさらに上方に向かう。いくつかの例では、貫流又は垂直栓流のレジームが膜ユニットを介して提供され得る。流入液は、例えば、ＭＢＲにおける混合液、又は三次ろ過における二次流出物であり得る。

本明細書に記載の膜タンク及びプロセスでは、流入液が１つ又は複数の浸漬膜ユニットに通常は直接、供給される結果となる。このことは、流入液、例えば、下流の膜ユニットに供給される流入液が、他の膜ユニットによって予め濃縮されることを防ぐのに役立つ。任意に、システムは、様々な浸漬膜ユニットを通る流入液の流量が概ね等しくなるように構成することもできる。流入液をその元の濃度で（任意に、概ね等しい流量で）異なる浸漬膜ユニットに提供することにより、システム全体の生産性が向上し、かつ／又は操作が容易になる。さらに、流入液は膜ユニットを通って上方に押し上げられる。膜ユニットを通って上向きに流入する水の流れは、隣接する膜を互いに引き離すこと、膜ユニット内のスラッジの脱水又は滞留を抑制すること、及び／又は膜ユニット全体に新鮮な流入物を分散させることに役立つ。このようにして、浸漬された膜タンクへの流入液の流れを使用して、膜ユニットのファウリング又はスラッジングを防止し、かつ／又は膜の洗浄頻度を減らすことができる。ＭＢＲの場合、ＲＡＳの再循環に関連するエネルギの一部は、液体の速度又はインパルスの形で回収可能である。

膜バイオリアクタの概略図である。

図１の膜バイオリアクタの膜タンクの側面図であり、その側部は除去されてダクトを示す。

図２の膜タンクの端面図であり、その前部は除去されている。

膜シートの側面図である。

図４の膜シートを含む膜モジュールの正面図である。

供給液及び透過液の流れ方向を示すカットオープンモジュールの概略斜視図である。

図５のモジュールを３つ積み重ねたものの立面図である。

図５のモジュールのいくつかを含むブロックの等角図である。

図８のブロックの一部の拡大図である。

図８のブロックの断面の拡大図である。

図８のブロックを３つ積み重ねたものを含むカセットの等角図である。

他のダクトの等角図である。

図１２のダクトの上部にある、２つの図１１のようなカセットの一部の等角図である。

タンクに設けられた他のダクトの上部にある、７つの図１１のようなカセットの一部の等角部分断面図である。

図１は、活性汚泥プロセスを使用した膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）１００を示す。例えば工業廃水又は都市下水である廃水１０２は、収集され、粗いスクリーン１０４、及び任意に細かいスクリーン１０６を通過する。細かいスクリーン１０６は、例えば、２～５ｍｍの開口部を有し、図１に示す位置よりもＭＢＲ１００の下流に配置可能である。ろ過された廃水１０２は、浄化装置又は回転ベルトフィルタ等の一次処理ユニット１０８を通って流れる。一次処理ユニット１０８は、一次汚泥１１０及び一次流出物１１２を生成する。

一次排水１１２は、１つ又は複数のプロセスタンク１１４に流れる。いくつかの例では、１つの好気性プロセスタンク１１４が存在する。他の例では、好気性、無酸素及び／又は嫌気性の処理ゾーンを含む一連の２つ以上のプロセスタンク１１４が存在し得る。プロセスタンク１１４内の微生物は、一次流出物１１２を消化し、混合液１１６を生成する。混合液１１６は、膜タンク７０に移送される。図示例では、混合液１１６は膜タンク７０にポンプで送られる。他の例では、混合液は重力によって膜タンク７０に流れる。

膜タンク７０は、１つ又は複数のダクト８０及び１つ又は複数の膜ユニット１２０を含む。１つ又は複数のダクト８０は、膜タンク７０の入口８６から膜ユニット１２０の底部まで延びる。ダクト８０は、混合液１１６が膜タンク７０内を流れて、１つ又は複数の膜ユニット１２０に到達するというプレナムを提供する。次に混合液１１６は、膜ユニット１２０を通って上向きに流れ、膜ユニット１２０の外側の膜タンク７０に入る。透過液ポンプ１２２は、混合液１１６が膜ユニット１２０を通過するときに、混合液１１６から透過液を抜き出す。故に混合液１１６は、膜ユニット内で濃縮され、活性汚泥１２６として膜ユニットから排出される。活性汚泥１２６は、例えばポンプ又は重力によって、膜タンク７０から抜き出され、廃棄活性汚泥（ＷＡＳ）１２８と戻り（又はリサイクル）活性汚泥（ＲＡＳ）１３０とに分けられる。

図１では、膜タンク７０はＭＢＲ１００の一部である。ＭＢＲ１００への廃水の流量１０２は、慣習的にＱと称される。ＲＡＳ１３０の流量は、例えば、１Ｑから５Ｑの範囲であり得る。混合液１１６の流量は、例えば、２Ｑから６Ｑであり得る。従って、かなりの量のエネルギが、ＭＢＲ１００内のＲＡＳの再循環に利用される。これにより、かなりの流量及び／又はエネルギ含有量を有する混合液１１６が、膜タンク７０に流れ込む結果となり得る。しかしいくつかの例では、膜タンク７０は、飲料水又は工業用プロセス水の生成を目的とした地上水若しくは地下水ろ過システム、又は既に他のプロセスで処理された廃水を磨く（polish）することを目的とする三次ろ過システム等の別のろ過システムの一部であり得る。

膜タンク７０は、図２の側面図及び図３の端面図に示される。膜タンク７０は、膜タンク７０の幅の２倍以上、又は４倍以上の長さを有し得る。膜タンク７０の壁と膜ユニット１２０の前面、側面及び背面との間の間隔は、図示例よりも近い場合がある。

図示例では、ダクト８０は、膜タンク７０の底部によって部分的に形成される。側壁８２は、膜タンク７０の底部から膜ユニット１２０の底部まで上向きに延びる。ダクト８０は、膜ユニット１２０の下方のタンク７０の長さに沿って延びる。ダクト８０の下流側端部は、端壁８４によって閉じられる。ダクト８０の上部は、プレート８８で形成される。プレート８８は、不連続であり、膜ユニット１２０の水平方向の寸法に概ね等しい幅及び長さのギャップ８９を提供する。

ダクト８０は任意に、バッフル９０を有する。図示例では、バッフル９０はプレート８８から下向きに延びるので、バッフル９０を通って流れる水は、膜ユニット１２０に入る前に、ギャップ８９の全領域に亘って分散することができる。ギャップ８９は、その上の膜ユニット１２０の水平方向断面積の少なくとも８０％である面積を有し得る。バッフル９０はまた、カセット９０の底部の下方を、少なくとも部分的に、任意には完全に、水平に延びる。水平方向に延びるバッフル９０は、開口部９２を画定する。任意に、開口部９２は、互いに異なるサイズを有し、膜ユニット１２０への全流入混合液流を選択的に分割することに役立つ。バッフル９０は、膜ユニット１２０の底部の全て、又は実質的に全て（すなわち、８０％以上若しくは９０％以上）に亘って水平方向に延びるが、ダクト８０の上部まで下方に変位しており、より広い範囲の流入流量に亘って、膜ユニット１２０間で流入流の選択的な分布を生成する傾向がある。この理由は部分的には、理論による制限を意図するものではないが、開口部９２がギャップ８９と比較して面積が小さい（すなわち、５０％以下）ため、或いは開口部９２がギャップ８９の上流の流入流に面しているためである可能性がある。

図示例では、第１の（上流側）バッフル９０に関連する開口部９２の高さは、第１のバッフル９０とプレート８８との間の垂直方向距離によって定義される。中間バッフル９０に関連する開口部９２の高さは、中間バッフル９０と第１のバッフル９０との間の垂直方向距離によって定義される。最も下流側の膜ユニット１２０のバッフル９０は、タンク７０の床の一部及びダクト８０の端部８４によって提供される。最も下流側の膜ユニット１２０の開口部９２は、中間バッフル９０とタンク７０の底部との間に画定される。或いは、膜ユニット１２０ごとに別個のダクト８０を設けることもできるが、追加の材料及び製造を必要とし、場合によってはダクト８０の全体的な水頭損失が増加することが予想される。図示例では、開口部９２とギャップ８９との間のダクト８０の一部は、混合液がダクト８０から膜ユニット１２０の底部に流れるための流路を提供する。

膜ユニット１２０は任意に、シュラウドとも称される膜ケースを含み、これは膜自体を含み垂直方向に延びるコンジットを提供する構造である。膜ケースは、別個の構造でもよいし、或いは膜ユニット１２０の他の部分と一体的に形成されてもよい。膜ユニット１２０は任意に、送風機１３４から空気が供給されると気泡を生成するエアレータ１３２を含む。いくつかの例では、エアレータ１３２は膜ユニット１２０と一体化され、例えば膜ケース内に配置される。他の例では、エアレータは、膜ユニット１２０の下方に配置可能であり、任意に、垂直方向に延びてダクト８０を膜ユニット１２０に接続するコンジットを提供するシュラウド又はエアレータケース内に配置可能である。膜が膜ケース内にある場合、膜は好ましくは、液体が膜ユニットを通って膜を越えて上方に流れるための垂直通路を提供するように構成される。例えば膜は、平坦なシート膜又は平坦なセラミック膜であり得る。

いくつかの例では、ダクト８０と混合液入口８６との間の接続、及びダクト８０と膜ユニット１２０の底部との間の接続は、通常は液密式である。入口８６及び膜ユニット１２０への接続を除き、ダクト８０は通常は閉じたプレナムである。膜ケース及びエアレータケースを使用する場合、それらは通常は閉じた管である。このようにして、膜タンク７０への流入物は、通常は直接、膜ユニット１２０に提供される。膜タンク７０内の予め濃縮された流入物と、ダクト８０を通して膜ユニットに供給される流入物とは、実質的に混合しない。しかし、これらは大規模な土木工事であるため、完全に液密な接続や完全に閉じたダクト又は膜ケースは期待できない。例えば、ダクト８０の曲がった板金フランジと、膜タンク７０のコンクリート製の壁若しくは床又はカセット５０のフレームとの間の接続は、ある程度の漏れを生じさせる可能性があり、ダクト８０自体は、完全な液密式には互いに接続されていない複数の部品から製造され得る。しかしながら、開放された膜タンク７０及び浸漬膜ユニット１２０の使用は、完全に閉鎖されたシステムと比較して、より経済的な大規模システムの構築を可能にする。

従来は撹拌槽型リアクタとして操作される開放膜タンク７０内にあるにもかかわらず、図２及び３の例における膜ユニット１２０は、より貫流クロスフローのようなフローレジームの下で操作可能である。好ましくは、膜タンク７０に入る流入液の少なくとも９０％、又は少なくとも９５％は、ダクト８０を通って膜ユニット１２０に向けられ、膜ユニット１２０を通って上向きに流れる流入液の１０％以下、又は５％以下は、入口８６から膜タンク７０への流入とは対照的に、ダクト８０の外側の膜タンク７０から流入する。任意に、ダクト８０、ダクト８０への接続、及びダクト８０からの接続は、膜ユニット１２０の底部での流入液の総懸濁固体（ＴＳＳ）濃度が流入液のＴＳＳ濃度よりも５％以下、又は３％以下高くなるのに十分に閉じられ、緊密である。これにより、膜タンク７０の異なる部分において膜ユニット１２０に到達する流入液の濃度も、概ね等しくなる。またダクト８０は、膜タンク７０の異なる部分における膜ユニット１２０への流れを概ね均一に分配することに役立つ。膜ユニット１２０が膜ケース（及びエアレータ１３２が膜ユニットの下方にある場合はエアレータケース）を含む例では、複数の膜ユニット１２０から出る水の濃度も概ね等しい。例えば、図１のようなＭＢＲ１００では、膜ユニット１２０の上部にある水（濃縮物）の総懸濁固形物（ＴＳＳ）濃度は、全体として膜タンク１２０の活性汚泥１２６のＴＳＳ濃度より５％以下低くなる。混合液１１６及び活性汚泥１２６が固形分を多く含むＭＢＲ１００の場合、膜ユニット１２０間の固形分濃度の差を低減することにより、膜洗浄頻度を低減し、膜ユニット１２０の平均流束を上げることができる。

流入液（すなわち混合液１１６）は、ダクト８０から複数の膜ユニット１２０の膜ケースを通って上方に流れ、その平均速度は主に、流入流量及び膜ユニットの膜ケースの開いた水平方向断面積によって決定される。膜ユニット１２０を１回通過する際に流入液の有意な濃度を達成する能力（これは、過度のＲＡＳ再循環速度又は６Ｑ以上の回避に役立つ）は主に、膜ユニット１２０の水平方向断面積（フットプリント）に対するそれらの充填密度によって決定される。平坦形状（すなわち平坦シート又は平坦セラミック）の膜のフットプリントが大きい場合は、間隔を狭くしたり、複数のシートを積み重ねたりすることができる。例えば、膜間の垂直方向の空間（すなわち対面間隔）は、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、又は２ｍｍ以下であり得る。膜ユニット１２０は、垂直に積み重ねられた２つ又は３つ以上のモジュールで作製可能である。

ある試験では、ＭＢＲに４つの膜ユニット１２０があり、各々が図１１に示すようなカセット５０の形状であり、膜シート間の対向間隔が１．５ｍｍであり、２．７８ＱのＲＡＳ再循環速度によって、カセット５０内で０．０２３ｍ／ｓの平均（上向き）液体速度が生成された。ＲＡＳ再循環率を５Ｑ及び５．６Ｑに上げると、それぞれ０．０３５及び０．０４６ｍ／ｓの平均（上向き）液体速度が生成された。平均液体速度は、カセット内の空きスペースの水平方向領域（すなわち、個々の膜間を垂直方向に延びる複数の１．５ｍｍ幅のギャップの累積領域）と、各カセットの底部への流入流量とを考慮して計算したが、カセット内に与えられる気泡に関する調整はしていない。０．０２３ｍ／ｓの速度で動作している間、４つのカセットの上部に集められた水の中の混合液懸濁物質（ＭＬＳＳ）の最大濃度と最小濃度との間には、２０％の差（すなわち、平均から約１０％の変動）があり、４つのカセットのうち２つは、他の２つのカセットよりも汚染率が高かった。０．０４６ｍ／ｓで動作した場合、４つのカセットの上部に集められた水の中の混合液懸濁物質（ＭＬＳＳ）の最大濃度と最小濃度との差は、僅か１０％（すなわち、平均から約５％の変動）であり、４つのカセット全ての汚染率は同様に低かった。０．０３５ｍ／ｓの速度での動作でも、４つのカセット全てにおいて、同様に低い汚染率での持続可能な操作が可能であった。理論による制限を意図するものではないが、最低速度での比較的悪い結果は、低速であること自体と、低いＲＡＳリサイクル率における、（開口部の寸法は様々であったが、図２及び３に示されていないバッフル構造を有していた）特定のダクトで発生した４つのカセット間の総流入流の不均等な分布と、又はその双方の組み合わせに起因している可能性がある。

任意に、膜ユニット内の平均液体速度は、０．０２５ｍ／ｓ以上又は０．０３ｍ／ｓ以上である。１つ又は複数のパラメータ（例えば、ＲＡＳ再循環率）を変更することで、最大０．０５ｍ／ｓ、最大０．７ｍ／ｓ、又は最大０．１ｍ／ｓのより高い平均液体速度を実現できる。これらの速度は、従来の密閉システム（すなわち、プレート及びフレームシステム、インサイドアウトの中空糸システム又は管状膜システム）におけるクロスフローろ過で典型的に使用される速度（概ね清浄な流入水をろ過する場合は約０．２ｍ／ｓ以上、混合液をろ過する場合は１．０ｍ／ｓ以上）よりもはるかに低い。理論による制限を意図するものではないが、関与する速度がはるかに低いため、ここで説明するシステム及びプロセスの膜表面上を流れる液体のせん断力は、典型的なクロスフローろ過システムでは流体せん断が重要であるのと同じ意味で、効果的ではない場合がある。しかし、複数のカセットを通して概ね一致した流体速度で新鮮な混合液を提供することは、カセット間で一致した条件を有利に提供するように見受けられ、それにより、他のカセットよりも急速に汚れる１つ又は複数のカセットによって決定されるシステムの洗浄及び操作プロトコルが回避される。さらに、液体の強制的な流れは、１つ又は複数の効果をもたらす場合があり、例えば、複数の膜を互いに引き離したり、初期に蓄積した固体を膜の間から排出したりする。これらのことは、せん断力とは関係ないにも関わらず、流入するエネルギを使用して、カセットを通る気泡によって誘発された（すなわち、エアリフト）液体の流れによっては提供されない方法で、ファウリングやスラッジを回避することに役立つ。

図４－１１は、カセット５０又はその様々な部品の例を示す。カセット５０は、単独で、又は複数のカセット５０の組として使用可能であり、膜ユニット１２０を提供する。

図４は、エレメントとも称される膜シート１０の例を示す。膜シート１０は、形成され互いに結合されて内部チャネル１４を提供する２つの基板シート１２から作製される。基板シート１２の外側は、多孔質分離層１６でコーティングされる。分離層１６は、膜形成ドープを基板シート１２上に成型し、該ドープを急冷浴で硬化させることで作成可能である。これにより、非溶媒誘起相分離（ＮＩＰＳ）法に従い、典型的には限外ろ過又は精密ろ過の範囲で、細孔が生成される。２つの基板シート１２の間の中央シート１８は任意であるが、必要に応じて、より剛性の高い膜シート１０を提供するために追加され得る。他の例では、エレメントは、例えばＫｕｂｏｔａ又はＭｉｃｒｏｄｙｎ Ｎａｄｉｒエレメントのように、フレーム又はスペーサ上に共に取り付けられた２つの平坦シート膜から作製可能である。他の例では、エレメントは板状セラミックから作製可能である。

図５は、膜モジュール２０を示す。モジュール２０は、１つ又は複数の膜シート１０を有する。内部チャネル１４に向けて開口している膜シート１０の縁（すなわち、図１に示す縁）は、ヘッダー２２に埋め込まれ、ポッティングヘッド又は透過コレクタとも称される。使用中、ヘッダー２２は概ね垂直に方向付けされ、内部チャネル１４は概ね水平である。例えばポンプ又はサイフォンによってヘッダー２２の透過液ポート２４に吸引力が与えられると、透過液２６が内部チャネル１４内に生成され、ヘッダー２２を通って流れる。任意に、透過液は、膜シート１０の一端又は両端から吸い出すことができる。モジュール２０は典型的には、複数の平行な膜シート１０を有する。互いに隣接する膜シート１０は、概ね等しい幅、例えば幅が１．５ｍｍから４ｍｍの間の垂直ギャップによって分離される。一例では、モジュール２０は、幅が約１９００ｍｍ、高さが約８００ｍｍ、厚さが約６０ｍｍであり、その厚さを横切って概ね等間隔に配置された１６枚の膜シート１０を含む。この例では、ヘッダー２２及び外側の膜シート１０は、膜ケースを形成する。他の例では、モジュールを別の膜ケースで囲むことができる。

膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）又はろ過プラントで使用される場合、モジュール２０の下方から提供される気泡２８は、ろ過される液体３０が、モジュール２０を通って（互いに隣接する膜シート１０間のギャップを通って）上方に流れるのを助ける。

図６は、モジュール２０の概略図を示しており、モジュール２０は、モジュール２０を通る液体３０の流れをさらに説明するために切り開かれている。膜シート１０の起伏のある形状は、液体３０が上昇するときに乱流を生成する。膜シート１０は、それらの間を液体３０及び気泡２８が移動するときに振動し得る。気泡２８は、液体の流れを補助することに加え、いくつかの膜シート１０を直接的に洗浄することができる。

図７は、３つのモジュール２０の積層体３２を示す。モジュール２０は、互いの上に垂直に積み重ねられる。下側のモジュールの透過液ポート２４は、上側のモジュールのヘッダー２２のソケット（見えない）に嵌合する。最も下側のモジュール２０のソケットは、塞がれている。最も上側のモジュールの透過液ポート２４は、透過液吸出パイプに接続可能であり、３つのモジュール２０全てから透過液を吸い出すために使用可能である。積層体３２は、２つ、４つ又は他の個数のモジュール２０で作製することもできる。互いに隣接するモジュールのヘッダー２２は垂直方向に整列されて連続しているので、供給液は、ヘッダー２２によって妨げられることなく、積層体３２全体を通って垂直に流れることができる。

図８は、フレーム４２内に複数のモジュール２０を含むブロック４０を示す。モジュール２０は、フレーム４２内に並べて配置される。モジュール２０は、フレーム４２内に又はフレーム４２から垂直方向にスライド可能である。フレーム４２内では、モジュール２０のヘッダー２２は対応するスロットに嵌合しており、該スロットは図示例では、フレーム４２に取り付けられた樹脂成形品４４である。フレーム４２は、好ましくはステンレス鋼から作製されるが、他の材料も使用可能である。サイドプレート４５は、モジュール２０に平行なフレームの側面を覆う。ヘッダー２２の各々は、複数のモジュール２０を含み、隣接するヘッダー２２は互いに接触するか、又は近接しており、例えば１０ｍｍ未満又は５ｍｍ未満、互いに離れている。これにより、サイドプレート４５及びヘッダー２２は、ブロック４０を通って垂直に延びる流体通路を画定する一体的膜ケースを形成する。

図９は、ブロック４０の上部の拡大図を示す。ブロック４０の上部にあるフランジ４６と、ブロック４０の下部にある同様のフランジ（図９には図示せず）とを使用して、上部又は下部のブロック４０を支持し、スタック内のブロック４０を共に固定することができる。モジュール２０の透過液ポート２４は、フランジ４６の上方に突き出ており、図４に記載されているようなスタック内でのモジュール２０間の透過液の連通を可能にする。

図１０は、ブロック４０の一部の水平方向断面の拡大図を示す。ヘッダー２２は、ヘッダー２２、膜シート１０の縁及び膜シート１０間のポッティング樹脂２７によって画定される透過液チャンバ２３を含む。透過液チャンバ２３は、透過液ポート２４及びソケットと流体的に連通している。モジュール２０をフレーム４２内に保持するために、図示のように、ボルト４８がフレーム４２を貫通し、ヘッダー２２に接着され又は樹脂成形によってヘッダー２２と一体成形されたナット２５に螺着する。

図１１は、互いの上に垂直に積み重ねられた３つのブロック４０からなるカセット５０を示す。任意に、作製されたカセット５０は、１つ、２つ、４つ又は他の個数のブロック４０を有する。上側のブロック４０の透過液ポート２４は、図示のように任意に接続パイプ５２を介して、透過液ヘッダーパイプ５４に接続される。ブロック４０のフレーム４２は、支柱５８によって互いに接続されており、支柱５８は図示例では、それらの端部にナットを備えたねじ付きロッドである。また支柱５８によって、カセット５０をタンクに吊るすために使用可能なカセットフレーム５６に、上側のブロック４０が取り付けられる。空気供給パイプ６０は、カセットの底部に空気を送り、該空気は、最も下側のブロック４０の下のエアレータのセット（見えない）に供給される。垂直方向に隣接するブロック４０サイドプレート４５及び成形品４４は、連続して垂直に延びる流体通路を形成する。それにより、カセット５０は全体として、一体的膜ケースを有する。或いは、別個の膜ケースを提供することもできる。

カセット５０は、カセットフレーム５６に取り付けられたクレーン又はホイストによって、膜タンク７０内に下降させたり、膜タンク７０から持ち上げたりすることができる。カセットフレーム５６は、膜タンク７０の棚に載置可能である。図示例では、カセット５０は８４個のモジュール２０を有する。体積充填密度は、４５０－５００ｍ^２／ｍ^３である。フットプリントでの充填密度は約８５０ｍ^２／ｍ^３である。一例では、各モジュール２０の幅は、約７～１０ｃｍである。モジュール２０は、高さが１－５個のモジュール２０の垂直スタックとしてカセット５０内に構成可能である。カセット５０内でのモジュール２０の各スタックは、スタック内の最も下側のモジュール２０の下方に、約３－６ｃｍの幅の１つのエアレータを有する。

適切な膜シート、モジュール、ブロック及びカセットを説明する追加の情報は、２０１７年４月６日に公開されたＦｉｂｒａｃａｓｔ Ｌｔｄによる米国特許出願公開第２０１７／００９５７７３号の「膜フィルタの操作方法」、２０１３年４月２５日に公開されたＦｉｂｒａｃａｓｔ Ｌｔｄによる国際公開第ＷＯ２０１３／０５６３７３号の「成形シート膜エレメントをコーティングするためのコーティング装置及びプロセス」、並びに、２０１１年１０月２７日に公開されたＦｉｂｒａｃａｓｔ Ｌｔｄによる国際公開第ＷＯ２０１１／１３０８５３号の「成形シート膜エレメント及びろ過システム」において見出すことができ、これらは本参照により本明細書に組み込まれるものとする。

図１２及び１３は、他のダクト８０の２つの図を示す。この例では、ダクト８０は、各々が１つのカセット５０を有する２つの膜ユニット１２０に流入物を方向付ける。バッフル９０は、プレートの下に配置された垂直シートに接続された水平シートで作製される。上流側のバッフルの開口部９２は、面積に関し、ダクト８０の幅に、ダクト８０上部の下方の水平シート９４の変位を乗じたものによって定義される。下流側のバッフルの開口部９２は、面積に関し、ダクト８０の幅に、膜タンク７０の床の上方の水平シート９４の変位を乗じたものによって定義される。

図１４は、３つの膜ユニット１２０の下方を延びる他のダクト８０を示す。第１の膜ユニット９８は、３つのカセット５０を有する。第２及び第３の膜ユニット１２０は、それぞれ２つのカセット５０を有する。

入口から下流側に延びる同じサイズの５つの一列に並んだ膜ユニットにおいて使用することを目的としたダクトの他の例は、計算流体力学を使用してＭＢＲで使用されるようにモデル化された。ダクト８０は、概ね図１２及び１３に示すように構成されたが、より多くのバッフル９０及び開口部９２を備えていた。各中間開口部９２の面積は、ダクト８０の幅に、上流側バッフル９０の水平シート９４の下方の現バッフルの水平シート９４の変位を乗じたもので定義された。

表１は、上記モデリング例において開口部の寸法が等しい場合の開口部を通過する混合液の平均速度を示す。表１に示すように、開口部の寸法が等しい場合、異なる開口部を通過する混合液の速度は近似しているが、互いに同一ではない。

表２は、上記モデリング例において開口部の寸法が調節されている（互いに等しくない）場合の開口部を通過する混合液の平均速度を示す。表２に示すように、バッフル及び／又は開口部を調節することにより、開口部を通る流速を実質的に等しくすることが可能である。さらなる調節により、膜ユニットを通過する平均液体速度を実質的に等しくすることができる。任意に、各膜ユニットを流れる液体の速度は、選択された流入流量、例えば平均又はピークの設計流量で、全ての膜ユニットを通る平均速度の１０％以内にすることができる。平均速度よりも実質的に遅い膜ユニットは、膜ユニットの上部においてより濃縮された混合液にさらされ、かつ／又は移動する液体によって効果的に洗浄されないため、概ね等しい速度が望ましい。

実験用ＭＢＲは、図１１に示すように、２つのカセットを備えた別個の膜タンクを有していた。タンクはカセットよりも大幅に大きかった。戻り活性汚泥（ＲＡＳ）のリサイクル率は４Ｑであった。膜タンクは、初期はダクトなしで操作された。膜タンクは、図１２及び１３に示すように、後にダクト８０で操作された。ダクトあり、なしで操作しているときに１４ｋＰａ（２ｐｓｉ）であった膜間圧力（ＴＭＰ）を上げることなく、ダクトが追加されたときに、透過液の生成は２倍以上になった。

Claims (16)

1. 浸漬された膜システムを操作する方法であって、
   複数の浸漬された膜ユニットを有する膜タンクを提供するステップと、
   前記膜タンクに流入液を供給するステップと、
   前記流入液を複数の部分に分割するステップと、
   前記流入液の部分の１つを、前記複数の浸漬された膜ユニットの各々の底部に方向付けるステップと、
   を含む方法。
2. 前記浸漬された膜システムは、戻り活性汚泥の流量を少なくとも１Ｑ又は少なくとも２Ｑとして操作される膜バイオリアクタの一部である、請求項１に記載の方法。
3. 前記流入液の部分の１つを、前記複数の膜ユニットを通して上向きに方向付けることをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記膜タンクは細長い形状を有し、かつ／又は、前記複数の膜ユニットは前記膜タンクの長さに沿って互いに離隔している、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記膜タンクに供給される前記流入液の少なくとも９０％が、前記浸漬された膜ユニットの底部に直接流れる、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記複数の部分の各々の流量は、前記複数の部分の平均流量の１０％以内である、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記流入液を任意にダクトに流すことをさらに含み、前記複数の部分の各々が別個の開口部を通って前記ダクトから流出する、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記流入液が実質１つの経路で前記膜ユニット内を流れる、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記膜ユニットにおける上向きの速度は０．０２５ｍ／ｓ以上である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 膜タンクと、
    前記膜タンク内に離隔配置された複数の浸漬された膜ユニットと、
    前記膜タンクへの入口から、前記複数の膜ユニットに対応する複数の開口部まで延びる１つ又は複数のダクトと、
    を有する膜ろ過システム。
11. 前記複数の膜ユニットの各々は、平坦シート又は平坦セラミック膜エレメントの１つ又は複数を有するカセットを膜ケース内に有し、前記カセットを通り垂直に方向付けられた流路を形成する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記複数の膜ユニットは、全体として、それらの幅の少なくとも２倍の長さを有する、請求項１０又は１１に記載のシステム。
13. 複数のバッフルを備えたダクトをさらに有し、前記バッフルは該バッフルの上方の膜ユニットの少なくとも一部の下方を水平方向に延びる、請求項１０～１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記複数のバッフルは、前記ダクトの上部の下方に垂直方向に配置される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記複数の開口部は互いに異なる寸法を有する、請求項１０～１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記複数の開口部の寸法は、前記膜ユニットのフットプリントの５０％未満である、請求項１０～１５のいずれか１項に記載のシステム。

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