JP3801046B2 - Immersion membrane filtration apparatus and immersion membrane filtration method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸漬型膜ろ過装置および浸漬型膜ろ過方法、特に、貯留槽内に貯留された被処理液をろ過してろ過液を得るための浸漬型膜ろ過装置および浸漬型膜ろ過方法に関する。
【0002】
【従来の技術とその課題】
河川水のような、夾雑物等の除去すべき成分の含有量が比較的少ない被処理液を大量にろ過処理するような場合、例えば、河川水を大量にろ過処理して水道水用原水を製造するような場合は、通常、限外ろ過膜以下の孔径を有するろ過膜を備えた膜モジュールを用いるクロスフローろ過方法や、精密ろ過膜を備えた膜モジュールを用いる浸漬型膜ろ過方法が実施されている(例えば、社団法人水道浄水プロセス協会編、「膜ろ過法Q&A」1995年参照)。ここで、浸漬型膜ろ過方法は、貯留槽内の被処理液中に浸漬された膜モジュールの下方から連続的に供給される空気泡の浮力を利用して被処理液を自然循環させながら、膜モジュールに作用する吸引圧または水頭差により被処理液をろ過する方法をいい、クロスフローろ過方法に比べてエネルギー効率の高いろ過方法であることから注目を集めている。
【0003】
ところで、浸漬型膜ろ過方法において用いられる膜モジュールは、中空糸膜モジュールまたは平膜モジュールである。これらの膜モジュールにおいて、被処理液は、精密ろ過膜の外側から内側に向けて通過する際にろ過処理されるが、被処理液に含まれる夾雑物等の分離成分が精密ろ過膜の表面に堆積し、時間の経過に従ってろ過効率が低下することになる。したがって、精密ろ過膜の表面は、例えばエアレーション等により適宜洗浄する必要があるが、洗浄時に精密ろ過膜から取り除かれた分離成分は被処理液中に放出されるため、貯留槽内において分離成分が浮遊したり徐々に堆積したりする。このため、浸漬型膜ろ過方法では、精密ろ過膜の洗浄に加え、定期的に貯留槽内の被処理液を入れ替えたり、貯留槽内に堆積した分離成分を除去したりする、煩雑なメンテナンス作業が必要になる。
【0004】
本発明の目的は、浸漬型膜ろ過時において、ろ過膜のろ過効率が低下しにくいようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の浸漬型膜ろ過装置は、貯留槽内に貯留された被処理液をろ過してろ過液を得るためのものであり、内面に被処理液のろ過機能を有する管状ろ過膜の複数本を含む管状ろ過膜群がろ過液の排出口を有する筒状の収納容器内に収容されかつその両端部で保持された、管状ろ過膜が上下方向に開口するよう貯留槽内に配置可能なろ過膜モジュールと、貯留槽内においてろ過膜モジュールの下方に配置された、ろ過膜モジュールに向けて空気泡を供給するための空気泡供給装置と、ろ過膜モジュールの上部に配置された、ろ過膜モジュールを通過する被処理液を貯留槽の外部に誘導するための誘導装置とを備えている。ここで、誘導装置は、軸方向に垂直な断面形状が収納容器の軸方向に垂直な断面形状と実質的に同一に形成されかつ上下方向に開口するよう収納容器の上部に配置された筒状体と、筒状体内において上下方向に開口するよう充填された管状体と、ろ過膜モジュールを通過して筒状体の上部から溢れる被処理液を貯留槽の外部に誘導するための誘導路とを備えている。
【0006】
この浸漬型膜ろ過装置は、例えば、排出口から収納容器内にろ過液を逆流させるための逆流装置をさらに備えている。また、管状ろ過膜の内径は、通常、2〜15mmである。
【0007】
この浸漬型膜ろ過装置を用いて被処理液をろ過する場合は、空気泡供給装置からろ過膜モジュールに向けて空気泡を供給する。この空気泡は、被処理液中を上昇し、ろ過膜モジュールの管状ろ過膜内に供給される。この際、被処理液は、空気泡の浮力によりろ過膜モジュールに向けて上昇し、空気泡と共に管状ろ過膜内に供給される。管状ろ過膜内に供給された被処理液は、続けて空気泡の浮力により管状ろ過膜内を上昇し、その際、一部が管状ろ過膜を内側から外側に通過してろ過される。管状ろ過膜を通過した被処理液、すなわちろ過液は、収納容器の排出口から外部に排出される。
【0008】
一方、管状ろ過膜を通過した被処理液は、ろ過膜モジュールの上部に配置された誘導装置を上方向に通過し、すなわち、収納容器の上部に配置された筒状体内に充填された管状体内を上方向に通過し、筒状体の上部から溢れて誘導路に流れ、貯留槽の外部に誘導される。したがって、貯留槽には、ろ過膜モジュールを通過した被処理液が滞留しないことになる。すなわち、管状ろ過膜の内周面に堆積する夾雑物等の分離成分は、被処理液と共にろ過膜モジュール内および筒状体内を上昇して誘導路から貯留槽の外部に誘導され得るので、貯留槽内に残留しにくく、管状ろ過膜のろ過効率を低下させにくくなる。
【0009】
本発明に係る浸漬型膜ろ過方法は、貯留槽内に貯留された被処理液をろ過してろ過液を得るための方法であり、内面に被処理液のろ過機能を有する管状ろ過膜の複数本を含む管状ろ過膜群がろ過液の排出口を有する筒状の収納容器内に収容されかつその両端部で保持されたろ過膜モジュールを、管状ろ過膜が上下方向に開口するよう貯留槽内に配置し、ろ過膜モジュールの下方からろ過膜モジュールに向けて空気泡を供給する工程と、空気泡の供給により管状ろ過膜内を上方向に通過する被処理液を、そのまま貯留槽の外部に誘導する工程とを含んでいる。
【0010】
この浸漬型膜ろ過方法は、例えば、貯留槽の外部に誘導された被処理液を、夾雑物の分離処理を施した後に貯留槽に還流させる工程をさらに含んでいる。
【0011】
この浸漬型膜ろ過方法において、ろ過膜モジュールの下方から供給される空気泡は、被処理液中を上昇し、ろ過膜モジュールの管状ろ過膜内に供給される。この際、被処理液は、空気泡の浮力によりろ過膜モジュールに向けて上昇し、空気泡と共に管状ろ過膜内に供給される。管状ろ過膜内に供給された被処理液は、続けて空気泡の浮力により管状ろ過膜内を上昇し、その際、一部が管状ろ過膜を内側から外側に通過してろ過される。管状ろ過膜を通過した被処理液、すなわちろ過液は、収納容器の排出口から外部に排出される。
【0012】
一方、管状ろ過膜を上方向に通過した被処理液は、そのまま貯留槽の外部に誘導されるので、貯留槽には滞留しないことになる。したがって、管状ろ過膜の内周面に付着する夾雑物等の分離成分は、被処理液と共にろ過膜モジュールを通過して貯留槽の外部に誘導され得るので、貯留槽内に残留しにくく、管状ろ過膜のろ過効率を低下させにくくなる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の実施の一形態に係る浸漬型膜ろ過装置が採用された浸漬型膜ろ過システムを説明する。図において、浸漬型膜ろ過システム100は、被処理液の沈殿槽110と、被処理液のろ過処理槽(貯留槽の一例)120と、ろ過処理槽120内に配置された浸漬型膜ろ過装置200とを主に備えている。
【0014】
沈殿槽110は、ろ過処理の対象となる被処理液を一時的に貯留し、そこに含まれる夾雑物を沈殿させるためのものであり、上部が開口する容器状に形成されている。この沈殿槽110には、外部から被処理液を注入するための注入路111と、貯留している被処理液をろ過処理槽120に供給するための、ポンプ112を備えた供給路113とが設けられている。ポンプ112は、浸漬型膜ろ過装置200におけるろ過流量よりも大きい流量で、沈殿槽110の被処理液をろ過処理槽120に供給可能である。
【0015】
ろ過処理槽120は、上部に開口を有する容器状に形成されており、沈殿槽110から供給される被処理液を貯留するためのものである。また、ろ過処理槽120は、上部において、オーバーフローする被処理液を沈殿槽110に還流させるための還流経路121を有している。
【0016】
浸漬型膜ろ過装置200は、ろ過処理槽120内に配置されたろ過膜モジュール300、ろ過処理槽120内でろ過膜モジュール300を支持する案内筒400、空気泡供給装置500、ろ過液排出経路600およびろ過膜モジュール300を通過した被処理液をろ過処理槽120の外部に誘導するための誘導装置700を主に備えている。
【0017】
ろ過膜モジュール300は、図2に示すように、円筒状の収納容器301と、この収納容器301内に充填された管状ろ過膜群302とを主に備えている。収納容器301は、例えば樹脂製の部材であり、その側面には、ろ過処理後の被処理液(ろ過液)を排出するための排出口303が形成されている。また、収納容器301の内周面において、その上部および下部には、管状ろ過膜群302と収納容器301の内周面との間に隙間を設けるためのスペーサー304が中心方向に向けて突出している。
【0018】
スペーサー304は、収納容器301の中心側に向けて拡大する、断面形状が概ね楔状に形成されており、また、図3、図4および図5に示すように、収納容器301の円周方向において概ね等間隔に形成された複数のスリット305を有している。なお、収納容器301の上部および下部にそれぞれ設けられたスペーサー304,304は、収納容器301の内周面からの突出量が同じに設定されている。
【0019】
また、各スペーサー304は、スペーサー304を有する部分における収納容器301の軸線方向に垂直な断面(スペーサー304の上下方向の中央部における断面、すなわち図2のii−ii部分の断面)における収納容器301の内部の断面積(図3に網掛け線で示した部分の面積に相当)に占める、その断面積の割合が3〜10%になるよう設定されているのが好ましい。この割合が3%未満の場合は、収納容器301の内周面、特に排出口303と管状ろ過膜群302との間に隙間が形成されにくくなる結果、収納容器301内において、後述する管状ろ過膜310を通過した被処理液(ろ過液)の流動性が低下し、ろ過流量が低下するおそれがある。一方、この割合が10%を超える場合は、収納容器301内において管状ろ過膜群302の占める割合が小さくなるため、被処理液のろ過効率が低下するおそれがある。
【0020】
管状ろ過膜群302は、細長な円筒状に形成された管状ろ過膜310の多数本を含む群であり、各管状ろ過膜310は、後述する突起320により互いに密着するのを防止されながら(すなわち、互いに間隔を設けながら)、収納容器301の開口方向に沿って互いに平行に密に集合している。このような管状ろ過膜群302の上端部および下端部は、それぞれウレタン樹脂などの樹脂材料を用いて形成された保持部306により、各管状ろ過膜310の両端の開口状態を維持しつつ収納容器301の両端部に対して一体的に保持されると共に固定されている。また、収納容器301の両端部は、当該保持部306により液密に閉鎖されている。
【0021】
上述の管状ろ過膜群302を構成する管状ろ過膜310は、図6に示すような円筒状に形成されており、図7に示すように、内周面側から外周面側に向けて順にろ過膜層311および支持膜層312を備えた2層構造を有している。
【0022】
ろ過膜層311の種類は、被処理液から除去すべきろ別成分の種類に応じて適宜選択することができ、特に限定されるものではないが、例えば微生物などの微粒子を除去する必要がある場合は精密ろ過膜が用いられる。精密ろ過膜は、例えばJIS K 3802では「0.01〜数μm程度の微粒子および微生物をろ過によって分離するために用いる膜」と定義されているが、ここでは、20kPa以下の圧力で実用的なろ過が可能な、孔径が0.04μmよりも大きい微孔を多数有する多孔膜を用いるのが好ましい。因みに、このような精密ろ過膜は、種類が特に限定されるものではなく、公知の各種のもの、例えばセルロース膜やポリオレフィン系樹脂膜などの有機高分子膜を用いることができる。
【0023】
支持膜層312は、上述のろ過膜層311に対して形状保持性を付与し、ろ過膜層311を円筒状に設定するためのものである。このような支持膜層312は、通液性を有する多孔質材料であれば各種のものを用いることができるが、通常は、腰の強さ、優れた強度、優れた耐薬品性、高い耐熱性および経済性を備えたポリプロピレン樹脂製あるいはポリエステル樹脂製の不織布を用いるのが好ましく、特にポリエステル樹脂製の不織布を用いるのが好ましい。
【0024】
また、管状ろ過膜310は、図6に示すように、外周面、即ち、支持膜層312の外周面に、ろ過膜層311の軸線を中心とする螺旋状に連続的に形成された突起320を有している。この突起320は、管状ろ過膜群302において、管状ろ過膜310同士が密着するのを防止し、収納容器301内において各管状ろ過膜310を通過した被処理液(ろ過液)の流動性を高めるためのものである。例えば、突起320の高さを0.05mmに設定した場合、管状ろ過膜310の有効長が例えば70cmならば、隣接し合う2本の管状ろ過膜310の間には、少なくとも0.005×70=0.35cm2の面積が確保されることになる。したがって、このような間隙が管状ろ過膜群302内に多数存在すれば、収納容器301内においてろ過液の流れに対する抵抗は著しく軽減することになり、ろ過液の流動性が著しく高まることになる。
【0025】
上述のような管状ろ過膜310は、通常、内径(図7のX)が2〜15mmに設定されているのが好ましく、3〜10mmに設定されているのがより好ましい。内径が2mm未満の場合は、被処理液、特に、高汚濁の被処理液をろ過する際において、被処理液中に含まれる各種のろ別成分や夾雑物により管状ろ過膜310が閉塞し易くなり、ろ過処理を長期間安定に継続するのが困難になるおそれがある。また、管状ろ過膜310の中を通過する被処理液の圧力損失が空気泡供給装置500からの空気泡の浮力に対して相対的に大きくなるため、管状ろ過膜310中を通過する被処理液の流速が小さくなる可能性があり、結果的に被処理液が管状ろ過膜310によりろ過されにくくなる場合がある。逆に、内径が15mmを超える場合は、容積の限られた収納容器301内に充填可能な管状ろ過膜群302に含まれる管状ろ過膜310の本数が減少することになるため、ろ過膜モジュール300の単位容積当りのろ過面積(有効膜面積)が小さくなる。その結果、ろ過流量が低下することになるので、ろ過膜モジュール300のコンパクト化を図りながら被処理液の効率的なろ過処理を実施するのが困難になるおそれがある。また、空気泡供給装置500から供給される空気泡の大きさが管状ろ過膜310の内径に比べて小さくなりやすいため、後述するようなろ過膜モジュール300の一部が被処理液から露出している場合において、空気泡が管状ろ過膜310内の被処理液を上昇させるのが困難になり、結果的にそのような場合においてろ過処理の継続が困難になる可能性がある。
【0026】
また、管状ろ過膜310は、肉厚(A)と外径(B)との比(A/B)が0.025〜0.1に設定されているのが好ましく、0.03〜0.1に設定されているのがより好ましい。なお、ここで言う管状ろ過膜310の肉厚および外径は、上述の突起320の厚さ(高さ)を含んでいる。この比が0.025未満の場合は、管状ろ過膜310に対して外側から圧力を加えた場合、管状ろ過膜310が潰れやすくなる。この結果、被処理液のろ過工程において管状ろ過膜310の内周面に堆積するろ別成分などからなるケーク層を排除するために、管状ろ過膜310に対して外側から圧力を加えて逆洗操作を実施した場合、管状ろ過膜310が潰れてしまい、管状ろ過膜310を逆洗するのが実質的に困難になる。なお、20kPa以上の耐圧性を達成するためには、この比を0.03以上に設定するのが好ましい。一方、この比が0.1を超える場合は、ろ過膜モジュール300の単位容積当りのろ過面積(有効膜面積)が小さくなる。その結果、ろ過流量が低下することになるため、ろ過膜モジュール300のコンパクト化を図りながら被処理液の効率的なろ過処理を実施するのが困難になるおそれがある。
【0027】
なお、管状ろ過膜310の厚さは、通常、0.1〜0.4mmが好ましい。
【0028】
さらに、突起320の高さは、通常、0.02〜0.2mmに設定されているのが好ましい。突起320の高さが0.02mm未満の場合は、管状ろ過膜群302において管状ろ過膜310同士が密着し易くなり、結果的にろ過液の流動性を高めるのが困難になるおそれがある。一方、0.2mmを超える場合は、管状ろ過膜群302に含まれる管状ろ過膜310の本数、すなわち、ろ過膜モジュール300の収納容器301内に充填可能な管状ろ過膜310の本数が減少することになるため、ろ過膜モジュール300の単位容積当りのろ過面積が小さくなる。その結果、ろ過流量が低下することになるため、ろ過膜モジュール300のコンパクト化を図りながら被処理液の効率的なろ過処理を実施するのが困難になるおそれがある。なお、ここで言う突起320の高さとは、支持膜層312の表面からの突出量をいう。
【0029】
突起320の高さは、被処理液の種類に応じて適宜選択することもできる。例えば、被処理液が活性汚泥液のようにろ過流量が比較的小さいものである場合、ろ過面積を確保する観点から、突起320は低めに設定するのが好ましい。一方、被処理液が河川の水のようにろ過流量が比較的大きいものである場合、ろ過液の流動性を高める観点から、突起320は高めに設定するのが好ましい。因みに、突起320の高さが上述の範囲内であれば、ろ過膜モジュール300が100m2程度の膜面積を有する大型の場合であっても、殆どの被処理液について、突起320により管状ろ過膜310間に形成される隙間はろ過液の流れに対する大きな抵抗になり難い。
【0030】
次に、図8を参照しつつ、上述の管状ろ過膜310の製造方法の一例を説明する。
先ず、支持膜層312上にろ過膜層311が一体的に積層された、長尺短冊状(テープ状)の複合膜313を用意する。そして、この複合膜313を、図8に示すように、別途用意した円柱状の心棒315に対し、支持膜層312側が表側になるように幅方向の両端部314を重ね合わせながら螺旋状に巻きつける。この状態で重ね合わされた両端部314同士を接着剤、あるいは超音波溶着法により接着すると、目的とする管状ろ過膜310を得ることができる。なお、このような管状ろ過膜310の製造方法は、例えば特公昭56−35483号において既に公知である。
【0031】
このような管状ろ過膜310の製造工程において、重ね合わされた複合膜313の両端部314は、上述の螺旋状の突起320を形成することになる。ここで、複合膜313の重なり具合や接着方法を適宜調節すると、突起320の高さを上述の範囲に設定することができる。
【0032】
次に、図9および図10を参照して、上述のろ過膜モジュール300の製造方法を説明する。このろ過膜モジュール300は、平膜や中空糸膜の取り扱いに細心の注意が要求され、しかも多くの製造工程を要する平膜モジュールや中空糸膜モジュールに比べ、簡単な工程により容易に製造することができる。
【0033】
先ず、多数本の管状ろ過膜310を束ね、管状ろ過膜群302を形成する。一方、収納容器301を用意し、図9に示すように、この収納容器301内に管状ろ過膜群302を挿入して収納容器301と管状ろ過膜群302との組合せ体330を形成する。この組合せ体330では、管状ろ過膜群302の両端部が収納容器301の両端部から突出するように設定する。また、管状ろ過膜群302を構成する管状ろ過膜310の両端部は、例えばヒートシールにより閉鎖しておく。
【0034】
次に、図10に示すように、上述の組合せ体330の一端を、未硬化ウレタン樹脂などの未硬化の樹脂331を入れたモールド332内に浸漬する。ここで、未硬化の樹脂331は、管状ろ過膜群302を構成する管状ろ過膜310間に充填されると共に、スペーサー304に設けられたスリット305を通じて収納容器301の内周面にも均一に到達し、収納容器301の開口部分を完全に閉鎖することになる。この状態で樹脂331を完全に硬化させた後、モールド332を取り払い、組合せ体330の他端についても同様の操作を実施する。これにより、管状ろ過膜群302は、収納容器301に対して保持、固定されることになる。
【0035】
次に、収納容器301の両端部から突出している硬化樹脂と管状ろ過膜310とを切り落とすと、残余の樹脂部分が保持部306を形成し、また、各管状ろ過膜310の両端部が開口し、目的とするろ過膜モジュール300が得られる。このろ過膜モジュール300において、収納容器301の両端部は、既述の通り、各管状ろ過膜310の両端部を除き、硬化した樹脂、すなわち保持部306により液密に閉鎖されることになる。この保持部306は、収納容器301のスペーサー304が上述のような楔形状の凸状に形成されているため、収納容器301の内周面に対して強力に固定されやすく、管状ろ過膜群302を収納容器301に対して安定に保持、固定することになる。すなわち、スペーサー304は、単に管状ろ過膜群302と収納容器301の内周面との間に隙間を設けるだけではなく、保持部306と収納容器301とを安定に固定するために機能し得る。
【0036】
なお、収納容器301の両端部において、その内周面には、例えば溝状の凹部が環状に設けられていてもよい。この場合、樹脂331が当該凹部に流入し、保持部306と収納容器301とがより強力に固定される。
【0037】
保持部306を形成するための材料としては、上述のようなウレタン樹脂の他に、エポキシ樹脂などの他の熱硬化性樹脂やホットメルト接着剤を用いることもできる。但し、大型のろ過膜モジュール300を製造する場合、樹脂材料は、使用量を多く設定する必要があるため、過剰な発熱を抑制する理由および硬化収縮を抑制する理由から、反応速度が比較的遅く、弾性率が比較的小さなものを用いるのが好ましい。なお、ホットメルト接着剤は、上述の製造工程において切り落としたものから回収して再利用することもできる。この点においても、ホットメルト接着剤が比較的高粘度であるがために、その利用が困難な中空糸膜モジュールに比べ、ろ過膜モジュール300は有利である。
【0038】
なお、ろ過膜モジュール300に関する図2等では、理解の便のため、管状ろ過膜310の太さ、管状ろ過膜310間の隙間および管状ろ過膜310と収納容器301の内周面との隙間等を強調している。また、図面を理解し易くするため、図2では、管状ろ過膜310の本数を少なめに表現し、また、図3においては管状ろ過膜310の一部のみ表示している。
【0039】
案内筒400は、図1に示すように、管状ろ過膜310が上下方向に開口するよう起立した状態でろ過膜モジュール300をろ過処理槽120内で支持している。案内筒400は、樹脂製の円筒状の部材であり、その軸方向に垂直な断面における内周形状が、収納容器301の軸方向に垂直な断面における外周部分の内周形状と実質的に同じ大きさの同形状に設定されている。すなわち、案内筒400は、収納容器301と内径および外径が同じに設定されている。
【0040】
案内筒400の下縁には、図11に示すように、脚402が取付けられたフランジ401が設けられている。そして、案内筒400は、脚402によりろ過処理槽120の底部に配置されており、その状態で上部にろ過膜モジュール300が配置されている。ここで、案内筒400とろ過膜モジュール300とは、筒状のソケット403(図1)を用いて接続されている。なお、ソケット403は、案内筒400とろ過膜モジュール300とを接続すると共に、空気泡供給装置500からの空気泡の漏れ出しを防止するためのものである。ろ過膜モジュール300は、このような案内筒400を用いて支持されている結果、ろ過処理槽120の底部から離れて位置している。
【0041】
空気泡供給装置500は、ろ過膜モジュール300に対して空気泡を供給するためのものであり、図1に示すように、ろ過処理槽120内において、ろ過膜モジュール300の下方であって案内筒400内に配置されている。
図11および図12を参照して、空気泡供給装置500を詳細に説明する。空気泡供給装置500は、第1パイプ501、第2パイプ502および4本の分岐パイプ503、504、505、506を主に有している。第1パイプ501は、案内筒400を貫通しかつ案内筒400の内部においてその中心部を通過するよう水平に配置されている。そして、その一端は、案内筒400の外部において、キャップ507により気密に閉鎖されている。また、第2パイプ502は、第1パイプ501と直交するよう水平に組み合わされており、両端部がそれぞれ案内筒400の壁面を貫通してキャップ507により気密に閉鎖されている。なお、第1パイプ501と第2パイプ502との交点は、案内筒400の中心と一致している。さらに、4本の分岐パイプ503、504、505、506は、第1パイプ501と平行にかつ水平に、第2パイプ502に対して組み合わされており、第1パイプ501の両側に2本づつ配分されている。分岐パイプ504、503は、第1パイプ501から等間隔毎に配置されている。分岐パイプ505、506についても同様である。したがって、第1パイプ501および4本の分岐パイプ503、504、505、506は、等間隔に配列されていることになる。また、各分岐パイプ503、504、505、506は、それぞれ両端部が案内筒400の内周面近傍に向けて延びており、図示しないキャップにより気密に閉鎖されている。
【0042】
上述のようにして組み合わされた第1パイプ501と第2パイプ502とは、交点において連絡しており、また、4本の分岐パイプ503、504、505、506のそれぞれは、第2パイプ502との交点において、当該第2パイプ502と連絡している。これにより、第1パイプ501、第2パイプ502および4本の分岐パイプ503、504、505、506は、一連の空気流路を形成している。
【0043】
また、第1パイプ501、第2パイプ502および4本の分岐パイプ503、504、505、506は、空気を泡状にして噴出するための複数の空気泡噴出孔510を有している(図12では、一例として19個の空気泡噴出孔510を示している)。これらの空気泡噴出孔510は、それぞれろ過処理槽120の底面に向けて開口しており、また、図12に示すように、案内筒400の軸方向に垂直な断面の内側(案内筒400の内側の水平面)において、ろ過膜モジュール300の各管状ろ過膜310に対して均等に空気泡を供給することができるよう、最密充填配置パターンで配置されている。すなわち、各空気泡噴出孔510は、図12に一点鎖線で示すような多数の正三角形の各頂点に位置するよう、案内筒400の内側の水平面において、均等な間隔を設けながら分散して配置されている。
【0044】
なお、上述の空気泡供給装置500を形成する各パイプ501〜506の材質は、空気泡噴出孔510から発生する空気泡の上昇流によって生じる被処理液の循環流を妨げないものであれば特に限定されるものではないが、通常は、経済性、加工性および案内筒400に対する装着の容易性などの点において、プラスチック製の円筒状パイプを用いるのが好ましい。
【0045】
上述の空気泡供給装置500の第1パイプ501には、図1に示すように、二次圧・流量調整弁520を備えた空気供給路521を通じてエアコンプレッサーなどの空気供給装置525が接続されている。これにより、第1パイプ501並びにそれに連絡している第2パイプ502および4本の分岐パイプ503、504、505、506には、空気供給装置525からの空気が供給される。
【0046】
空気泡供給装置500は、空気泡噴出孔510から発生する空気泡の大きさが、通常、ろ過膜モジュール300において用いられる管状ろ過膜310の内径以上になるよう設定されているのが好ましい。空気泡の大きさが管状ろ過膜310の内径未満の場合は、後述するようなろ過膜モジュール300の一部が被処理液から露出している場合において、空気泡が管状ろ過膜310内の被処理液を上昇させるのが困難になり、結果的にそのような場合においてはろ過処理の継続が困難になる可能性がある。
【0047】
ろ過液排出経路600は、ろ過膜モジュール300においてろ過処理された被処理液、すなわちろ過液を外部に排出するためのものであり、図1に示すように、ろ過膜モジュール300の排出口303から延び、第1電磁弁602を有している。そして、ろ過液排出経路600の先端には、吸引ポンプ601が接続されている。この吸引ポンプ601は、自給力がないポンプであり、ろ過膜モジュール300の上端よりも下方に配置されている。因みに、吸引ポンプ601として自給式のものを用いる場合、当該吸水ポンプ601は、ろ過膜モジュール300の上端よりも高い位置に配置することができる。
【0048】
上述のろ過液排出経路600は、排出口303と第1電磁弁602との間から分岐する分岐路603を有している。分岐路603は、第2電磁弁604を有しかつ図示しない高圧空気供給装置に接続されており、ろ過液の逆流装置を構成している。
【0049】
誘導装置700は、図13に示すように、筒状体710と、当該筒状体710内に配置された管状体群720と、排出路730(誘導路の一例)とを主に備えている。筒状体710は、樹脂製の円筒状の部材であり、その軸方向に垂直な断面における内周形状が、収納容器301の軸方向に垂直な断面における外周部分の内周形状と実質的に同じ大きさの同形状に設定されている。すなわち、筒状体710は、収納容器301と内径および外径が同じに設定されており、上下方向に開口するよう収納容器301の上部に配置されている。そして、筒状体710は、筒状のソケット740を用いて収納容器301に接続されている。また、筒状体710は、上端部に被処理液を排出するための排出溝711を有している。この排出溝711は、筒状体710の外側方向に若干突出している。
【0050】
管状体群720は、多数本の管状体721を筒状体710内に密に充填したものである。各管状体721は、例えば樹脂製のチューブ状物であり、筒状体710内において上下方向に開口している。また、管状体721は、被処理液に対して後述するエアリフトポンプ効果を効果的に発揮させるために、内径が5〜15mmに設定されているのが好ましい。この管状体群720は、ろ過膜モジュール300との間に隙間722が形成されるよう、筒状体710の下端部よりも上方に配置されている。
【0051】
排出路730は、半円筒状に形成された樋状の部材であり、筒状体710の排出溝711の下方から沈殿槽110の上方に延びている(図1)。なお、排出路730には、沈殿槽110側が低くなるよう傾斜が設けられている。
【0052】
上述の浸漬型ろ過膜システム100において、ろ過処理槽120には、ろ過膜モジュール300と案内筒400との連結部分よりも若干上方において、液面センサー122が配置されている。この液面センサー122は、吸引ポンプ601に接続されており、ろ過処理槽120内の被処理液の液面を検知したときに、吸引ポンプ601を停止するよう設定されている。
【0053】
次に、図1を参照して、上述の浸漬型膜ろ過システム100による被処理液のろ過処理方法を説明する。
先ず、注入路111を通じて、微小ゲル、コロイド成分、微生物およびその他の夾雑物などのろ別成分を含む被処理液、例えば、河川水を沈殿槽110内に注入する。沈殿槽110に注入された被処理液は、その内部でろ別成分の一部が沈殿する。
【0054】
ろ別成分の一部が沈殿した被処理液は、ポンプ112により吸引され、供給路113を通じてろ過処理槽120内に供給される。この際、ろ過処理槽120内における被処理液の液面は、液面センサー122の位置l1とろ過処理槽120の上端近傍であってろ過膜モジュール300よりも上方の位置l2との間になるよう任意に設定する。これにより、ろ過膜モジュール300は、被処理液の貯留量の変動により、全体が被処理液中に浸漬された状態と、一部が被処理液から露出した状態との間に設定されることになる。
【0055】
次に、第1電磁弁602を開放しかつ第2電磁弁604を閉鎖した状態で吸引ポンプ601を作動させ、また、空気供給装置525から空気供給路521を通じて空気泡供給装置500に空気を供給する。空気泡供給装置500に供給された空気は、空気泡噴出孔510から空気泡となって噴出する。この空気泡は、案内筒400により案内されながら被処理液中を上昇し、ろ過膜モジュール300に含まれる各管状ろ過膜310に対して略均等に供給される。
【0056】
ろ過処理槽120内に貯留された被処理液は、ろ過膜モジュール300に対して供給される空気泡の浮力により、図2に矢印で示すように、各管状ろ過膜310内を下側から上側に向けて押し上げられる。この際、吸引ポンプ601の作動によりろ過液排出経路600が負圧になるため、被処理液の一部は、管状ろ過膜310を内側から外側に通過してろ過され、また、被処理液中に含まれるろ別成分は、管状ろ過膜310の内周面を構成するろ過膜層311により捕捉されて被処理液から取り除かれる。ろ別成分が取り除かれた被処理液、すなわちろ過液は、収納容器301内において管状ろ過膜310間の隙間を通過し、排出口303からろ過液排出経路600内に排出される。ろ過液排出経路600内に排出されたろ過液は、吸引ポンプ601を通じて連続的に外部に排出される。
【0057】
一方、各管状ろ過膜310内を押し上げられる被処理液は、管状ろ過膜310によりろ過される以外の部分がそのまま管状ろ過膜310内を通過する。管状ろ過膜310を通過した被処理液は、引き続き誘導装置700において、図13に矢印で示すように、同じく空気泡の浮力により押し上げられながら各管状体721内を上方向に向けて通過し、管状体群720の上部に溢れ出る。溢れ出た被処理液は、筒状体710の排出溝711を通じて排出路730上に流れ落ち、排出路730を通じて沈殿槽110に戻る。沈殿槽110に戻された被処理液は、沈殿槽110に貯留され、そこで沈殿による夾雑物等のろ別成分の分離処理が施された後、供給路113を通じてろ過処理槽120に再度供給されることになる。
【0058】
以上の結果、ろ過処理槽120内に貯留された被処理液は、図1に矢印で示すように、ろ過膜モジュール300を下側から上側方向に連続的に流れ、ろ過膜モジュール300により定速ろ過されることになる。また、ろ過膜モジュール300を通過する被処理液は、誘導装置700および沈殿槽110を経由してろ過処理槽120に還流することになる。
【0059】
なお、上述のようなろ過工程において、各管状ろ過膜310は、上述のように外周面に突起320を有しているため、ろ過膜モジュール300内において、隣接する管状ろ過膜310と密着しにくく、管状ろ過膜310間にろ過液を流通させるための効果的な隙間を形成する。したがって、この管状ろ過膜310を備えたろ過膜モジュール300は、収納容器301内におけるろ過液の流動性を高めることができ、ろ過液を滞りなく排出口303から排出しやすい。
【0060】
ところで、上述の浸漬型膜ろ過装置200を用いた被処理液の浸漬型膜ろ過方法において、空気泡供給装置500からろ過膜モジュール300に供給される空気泡は、案内筒400内を上昇した後に次々と管状ろ過膜310内に押し込まれる。また、管状ろ過膜310を通過した空気泡は、続いて誘導装置700の各管状体721内に押し込まれ、各管状体721内において被処理液を上方に押し上げる。すなわち、誘導装置700は、ろ過膜モジュール300を通過した被処理液をさらに上昇させるためのエアリフトポンプとして機能する。このため、被処理液は、液面がろ過膜モジュール300の下端よりも上にある限り(例えば、液面センサー122よりも上方にある限り)、空気泡供給装置500から供給される空気泡の浮力によって管状ろ過膜310内および管状体721内を上昇し、誘導装置700の筒状体710の上端から溢れ出る。すなわち、この浸漬型膜ろ過方法では、誘導装置700の全体およびろ過膜モジュール300の一部が被処理液から露出していても、空気泡によるクロスフローが維持され得る。換言すると、この膜ろ過方法は、ろ過処理槽120内における被処理液の液面がl1以上に設定されている場合、例えば、上述のl1およびl2の範囲に設定されている場合、被処理液のろ過処理を継続的に実施することができる。
【0061】
因みに、誘導装置700の全体およびろ過膜モジュール300の一部が被処理液から露出している場合、誘導装置700とろ過膜モジュール300との合計長さ(高さ)をL、誘導装置700の上端から被処理液の液面lまでの距離(すなわち、誘導装置700の長さとろ過膜モジュール300の露出部分の長さとの合計)をΔLとした場合(図1参照)、液面lからΔLの露出部分にある管状ろ過膜310中および管状体721中の被処理液の重力は浮力に抗するので、ΔLが大きくなるとともに管状ろ過膜310内および管状体721内における空気泡と被処理液との上昇速度は小さくなる。例えばΔL/L値が80%になると、当該値が0%のときの約40%まで上昇速度は低下する。しかし、その場合におけるろ過膜モジュール300のろ過流量は、後述するように、上昇速度のおよそ1/3に比例するので、ろ過膜モジュール300が被処理液中に完全に浸漬されている状態でろ過処理を実施している場合の少なくとも70%、通常は約75%に維持され得る。したがって、この浸漬型膜ろ過方法は、被処理液の液面を上述の範囲で変動させながら、しかもろ過流量を著しく低下させることなく、被処理液を効率的にろ過することができる。
【0062】
上述のような浸漬型膜ろ過方法では、被処理液中に含まれる上述のような各種のろ別成分が各管状ろ過膜310の内周面により捕捉され、被処理液から取り除かれる。このため、各管状ろ過膜310は、内周面にろ別成分によるケーク層が堆積し、ろ過性能が低下することになる。そこで、上述のような浸漬型膜ろ過方法においては、管状ろ過膜310の内周面に堆積したケーク層を定期的に除去し、ろ過性能を維持する必要がある。
【0063】
管状ろ過膜310の内周面に堆積したケーク層を除去するためには、例えば、空気泡供給装置500から供給する空気泡の量を一時的に増加させ、通常のろ過運転時に比べて大量の空気泡を各管状ろ過膜310内に通過させる。これにより、管状ろ過膜310の内周面に堆積したケーク層は、管状ろ過膜310内を高速で上昇する多量の空気泡により洗浄されて剥離し、被処理液と共に管状ろ過膜310内を誘導装置700に向けて上昇する。
【0064】
管状ろ過膜310に堆積したケーク層を上述のような操作で除去するのが困難な場合は、管状ろ過膜310を逆洗する。ここでは、第1電磁弁602を閉鎖しかつ第2電磁弁604を開放し、図示しない高圧空気供給装置から分岐路603内に高圧空気を供給する。この高圧空気は、分岐路603からろ過液排出経路600内に流入し、ろ過液排出経路600内のろ過液を排出口303から収納容器301内に逆流させる。この結果、ろ過液は、各管状ろ過膜310を外側から内側方向に加圧されながら通過し、管状ろ過膜310の内周面に堆積したケーク層を剥離させる。この際、空気泡供給装置500から供給する空気泡の量を上述のように一時的に増加させておけば、剥離したケーク層は被処理液と共に管状ろ過膜310内を誘導装置700に向けて上昇する。このようにして管状ろ過膜310から剥離したケーク層は、被処理液と共に誘導装置700内を上昇し、排出路730を経由して沈殿槽110に搬送され、そこで沈殿する。
【0065】
以上の結果、ろ過処理槽120では、洗浄時に剥離したケーク層による被処理液中の浮遊物が減少し、また、当該ケーク層による堆積物が少なくなるので、ケーク層の堆積物を除去したり、被処理液を入れ替えたりするための定期的なメンテナンス作業負担が軽減される。また、管状ろ過膜310は、洗浄によりろ過性能が回復し、しかも剥離したケーク層が誘導装置700により沈殿槽110に搬送されるため(すなわち、ろ過処理槽120の外部に搬送されるため)再付着しにくいので、ろ過効率が低下しにくくなり、被処理液を長期間に渡り安定にろ過処理することができる。また、この浸漬型膜ろ過装置200は、洗浄時に剥離したケーク層を沈殿槽110に搬送するための、追加的なエネルギーが必要な特殊な装置を必要としないので、上述のような浸漬型膜ろ過を経済的に実施することができる。
【0066】
ここで、上述のような管状ろ過膜310を用いたろ過膜モジュール300のろ過流量を解析的に説明する。
例えば、財団法人日本環境整備教育センター発行の「膜処理法を導入した小型生活排水処理装置の実用化に関する研究報告書:平成4年度〜平成7年度」において見られるように、フラックス(単位膜面積当たりのろ過流量)は中空糸膜モジュールよりも平膜モジュールの方が大きい。このため、平膜モジュールを解析の比較対象とした。
【0067】
参考のため、図14を参照して、比較対象となる平膜モジュールの概略を説明する。図において、平膜モジュール800は、収納容器801と、この収納容器801内に配置された多数の膜プレート802とを主に備えている。収納容器801は、例えば、上部および下部がそれぞれ開口した角筒状の部材である。一方、膜プレート802は、図15に示すように、矩形状の枠体803と、この枠体803において隙間804を設けて対向し合う1対のろ過膜805,805とを主に備えている。このろ過膜805は、例えば精密ろ過膜である。枠体803の上部には、隙間804に連絡する、ろ過液の排出口806が形成されている。各膜プレート802の排出口806は、通常、図13に示すように、排出管807に接続される。なお、この種の平膜モジュール800の概略は、例えば、日本国建設省建築研究所 膜分離技術等を用いた高度処理浄化槽研究委員会編、「用水と廃水」Vol.40、No.3、45(1998)等において説明されている。
【0068】
このような平膜モジュール800は、上述のろ過膜モジュール300と同様にろ過処理槽120内に配置され、被処理液の浸漬型膜ろ過に供される。ここで、空気泡と共に膜プレート802間を流れる被処理液は、ろ過膜805の外側から内側に流れてろ過される。そして、その際のろ過液は、隙間804を通過し、排出口806を経由して排出管807内に排出される。
【0069】
表1に、上述のようなろ過膜モジュール300(以下、このろ過膜モジュールを「管状ろ過膜モジュール」と表現する場合がある)と上述のような平膜モジュール800の主な特性をまとめて示す。ここでは、不必要な煩雑さを持ち込まないようにするため、両モジュールについて膜の長さLを共通とした。同じ理由により、モジュールの設置面積については、ろ過膜モジュール300では収納容器301の厚さを、また、平膜モジュール800では枠体803をそれぞれ除いた、膜部分が占める面積を示している。
【0070】
【表1】
【0071】
ここで、ろ過膜モジュール300で用いられる収納容器301の内径をDとすると、ろ過膜モジュール300における収納容器301の断面積あたりの膜面積Mは、次の式(1)で表される。なお、表1および式(1)において、εは管状ろ過膜310の充填率を示し、この充填率は下記の式で求められる。式中のSは、収納容器301の軸線方向に垂直な断面における収納容器301の内部の断面積(図3に網掛け線で示した部分の面積に相当)を示している。
【0072】
【数1】
【0073】
ろ過膜モジュール300において、管状ろ過膜310の充填率εはおよそ0.7〜0.8になるので、式(1)から得られるろ過膜モジュール300の膜面積は、同じ長さの中空糸膜モジュールあるいは平膜モジュールの1.5〜2倍の大きさに相当する。すなわち、ろ過膜モジュール300は、平膜モジュールに比べ、設置面積あたりの膜面積が極めて大きい。
【0074】
ところで、浸漬型膜ろ過が適用される大多数の実液(被処理液)の粘度は数mPa・s以上であり、平膜モジュール800、ろ過膜モジュール300共に、モジュール内における被処理液の流れを層流と見なすことができる。
【0075】
平行流れが層流のクロスフローろ過においては、平膜モジュール800に対するろ過膜モジュール300のろ過流量が次式(2)で表される(例えば、中垣、清水、「膜処理技術大系」第1編−第3章、株式会社フジ・テクノシステム(1991) 参照)。
【0076】
【数2】
【0077】
式中、J、Mおよびuは、それぞれろ過流量、膜面積および平行流れの線速であり、下付き記号TおよびPは、それぞれろ過膜モジュール300および平膜モジュール800の値であることを示す。平行流れは気泡と液体の混合物からなるが、同じ速度で移動していると仮定している。dは平膜モジュール800の膜プレート802間の間隔を、また、diはろ過膜モジュール300の管状ろ過膜310の内径をそれぞれ示している。
ここで、指数a、cは、層流の場合ともに1/3である。したがって、これらの値を代入すると、次の式(3)のようになる。
【0078】
【数3】
【0079】
ここで、ろ過膜モジュール300においては全ての管状ろ過膜310に、また、平膜モジュール800においては全ての膜プレート802間に気泡が均等に分配されていると仮定すると、各モジュールにおける平行流れの線速について、それぞれ次式(4)および(5)が導かれる。
【0080】
【数4】
【0081】
ここで、qaは、一つの流路あたりに換算した空気流量であり、ろ過膜モジュール300では1本の管状ろ過膜310当たりの空気の流量を、また、平膜モジュール800では幅wの1つの膜プレート802間隔当たりの空気の流量をそれぞれ意味する。したがって、uaは換算線速である。ρfおよびμfは、それぞれ被処理液の密度および粘度である。σは無次元の圧力損失係数であり、ろ過膜モジュール300では32、平膜モジュール800では12である。gは重力加速度である。
換算線速は、単位膜面積当りの空気流量、またはモジュール当りの全空気流量に、それぞれのモジュールの形状を表す数値を用いて次の表2のように変換することができる。
【0082】
【表2】
【0083】
表1および表2から、ろ過膜モジュール300と平膜モジュール800との線速比が次の式(6)で表される。
【0084】
【数5】
【0085】
式(3)および(6)を用い、ろ過膜モジュール300および平膜モジュール800の能力を様々な視点から比較することができるが、現実性を失わずに単純化するため、ここでは、両モジュールに共通の条件として、被処理液の密度ρfを1,000kg/m3、膜の長さLを1mに設定する。また、平膜モジュール800については膜プレート802の厚さtを5mmに設定し、ろ過膜モジュール300については管状ろ過膜310の外径(d0)と内径(di)との比(d0/di)を1.2、充填率εを0.8(最密充填状態では約0.9である)にそれぞれ設定する。空気流量については、平膜モジュール800で標準的に用いられている単位膜面積当たり15L/分/m2を比較基準とする。
【0086】
次の表3は、被処理液の粘度μfを10mPa・sに設定した場合において、膜プレート802間隔dと管状ろ過膜310の内径diとを同じにし、また、両モジュールについて総膜面積と全空気流量とを同じにした場合の計算結果を示している。
【0087】
【表3】
【0088】
また、次の表4は、同じ条件で被処理液の粘度μfのみを100mPa・sに変更した場合の計算結果を示している。
【0089】
【表4】
【0090】
表3および表4が示すように、広い粘度範囲の被処理液に関し、ろ過膜モジュール300は、平膜モジュール800の約1/2の設置面積であるにも拘わらず、ろ過流量が平膜モジュール800よりも大きい。
もう一つの例として、被処理液の粘度μfを10mPa・sに設定した場合において、膜プレート802間隔dと管状ろ過膜310の内径diとを同じにし、また、両モジュールについて、モジュール設置面積と全空気流量とを同じにした場合の計算結果を表5に示す。
【0091】
【表5】
【0092】
表5は、同じモジュール設置面積、同じ全空気流量の場合、ろ過膜モジュール300が平膜モジュール800の2倍以上のろ過流量を持つことを示している。
さらに、表3〜表5は、ろ過流量を膜面積で割ったフラックスも大きく、ろ過膜モジュール300が平膜モジュール800に比べて原理的にも優れていることを示している。
以上の解析例から明らかなように、ろ過膜モジュール300は、すべての管状ろ過膜310に対して均等に空気泡が分配されるならば、平膜モジュール800や中空糸膜モジュールに比べ、格段にコンパクトであるにも拘らず、これらのモジュールよりもろ過流量が大きい。
【0093】
なお、ろ過膜モジュール300においては、上述の通り、管状ろ過膜310中に供給された空気泡は、当該管状ろ過膜310内を上昇する以外、他に移動することができないので、ろ過膜モジュール300の一部(上部)が被処理液から露出しているとしても、管状ろ過膜310内の被処理液全体を浮力により押し上げることができる。すなわち、ろ過膜モジュール300は、一部が被処理液から露出しても、全体が被処理液中に浸漬されている場合と同様に、被処理液のろ過処理を実施することができる。これに対し、平膜モジュールや中空糸膜モジュールは、被処理液が膜間の広い流路の中を自由に動くことができるため、モジュールの一部が被処理液から露出すると、空気泡によって押し上げられる被処理液の流量は激減する。したがって、平膜モジュールや中空糸膜モジュールは、被処理液から一部が露出すると被処理液の循環流量が激減するため、被処理液のろ過処理が不可能になる。このため、平膜モジュールや中空糸膜モジュールでは、上述のような浸漬型膜ろ過システム100を構成するのは困難である。
【0094】
上述のような浸漬型膜ろ過装置200および浸漬型膜ろ過方法は、河川水をろ過して水道水用原水を製造する場合のような、夾雑物等のろ別成分の含有量が比較的少ない被処理液を大量にろ過処理する大規模ろ過を継続的に実施する場合において特に効果的であるが、活性汚泥処理液のような高汚濁液をろ過処理する場合においても効果的に利用することができる。すなわち、上述の浸漬型膜ろ過装置200および浸漬型膜ろ過方法は、被処理液を選ばず、各種の被処理液のろ過処理用に広く用いることができる。
【0095】
[他の実施の形態]
(1)上述の実施の形態では、ろ過液排出経路600の先端に吸引ポンプ601を接続し、ろ過膜モジュール300において被処理液を定速ろ過したが、本発明の浸漬型膜ろ過方法は定圧ろ過方式で実施することもできる。この場合は、図1に一点鎖線で示すように、ろ過液排出経路600において、吸引ポンプ601のろ過膜モジュール300側から上方に向けて均圧パイプ605を設ける。この均圧パイプ605は、ろ過処理槽120における被処理液の水位の上限より上(好ましくは、ろ過処理槽120よりも上)において開放するよう設定するのが好ましい。このようにすると、ろ過膜モジュール300におけるろ過圧は、ろ過処理槽120内における被処理液の水位にかかわらず、ろ過膜モジュール300の上端とろ過液排出経路600の先端部との高低差による一定の水頭圧(図1のΔP)に保たれる。
【0096】
(2)上述の実施の形態では、ろ過液の排出口303が収納容器301の側面に設けられているろ過膜モジュール300を用いた場合について説明したが、浸漬型膜ろ過装置200において利用可能なろ過膜モジュールはこれに限定されるものではない。
【0097】
図16および図17(図16のXVII−XVII断面図)を参照して、浸漬型膜ろ過装置200において利用可能な他の形態のろ過膜モジュール900を説明する。このろ過膜モジュール900は、円筒状の収納容器901と、この収納容器901内に充填された管状ろ過膜群902とを主に備えている。収納容器901は、例えば樹脂製の部材であり、円筒状の集水管903と、当該集水管903の軸を中心としてその外側に間隔(空間)を設けて同心円状に配置された円筒状の外筒904とを主に備えている。集水管903は、図の下端部が閉鎖されており、また、図の上端部が開口して排出口905を形成している。また、集水管903は、複数の通液孔906を壁面に備えている。
【0098】
管状ろ過膜群902は、上述のろ過膜モジュール300で用いたものと同じ管状ろ過膜310の多数本を含む群であり、各管状ろ過膜310は、収納容器901の集水管903と外筒904との間に形成された空間内に、集水管903と平行に充填されている。このような管状ろ過膜群902の上端部および下端部は、それぞれウレタン樹脂などの樹脂材料を用いて形成された保持部907により、各管状ろ過膜310の両端の開口状態を維持しつつ収納容器901に対して一体的に保持されると共に固定されている。この結果、収納容器901の両端部は、当該保持部907により液密に閉鎖されることになる。
【0099】
なお、図16では、理解の便のため、管状ろ過膜310の太さ、管状ろ過膜310間の隙間等を強調している。また、図面を理解し易くするため、図16では管状ろ過膜310の本数を少な目に表現し、また、図17においては管状ろ過膜310の一部のみ表示している。
【0100】
このようなろ過膜モジュール900は、例えば次のような工程を経て製造することができる。
先ず、図18に示すような固定装置920を用い、収納容器901を形成する。ここで用いる固定装置920は、外筒904内に集水管903を同心状態で固定するためのものであり、外筒904を保持するための外筒保持部921と、集水管903を保持するための集水管保持部922とを備えている。
【0101】
外筒保持部921は、外筒904の一端を収納するための受け部923と、受け部923に対して外筒904を固定するための押え板924とを有している。受け部923は、外筒904の端部を収納可能な円形の凹部925を有しており、その凹部925の中心部には、孔部926が形成されている。また、凹部925は、深さ方向の中程において、開口側の内径が大きくなるよう設定されており、そのような内径の変更部分において段部927を形成している。さらに、凹部925の開口部周縁には溝928が形成されており、当該溝928には環状のゴム弾性体929が配置されている。一方、押え板924は、中心部に外筒904を挿入可能な挿入孔930を備えた部材であり、平面形状が受け部923と概ね同じに設定されている。
【0102】
一方、集水管保持部922は、シャフト931、位置決め部材932、押え具933およびナット934を備えている。シャフト931は、集水管903内に挿入可能でありかつ受け部923の孔部926を貫通可能な棒状の部材であり、一端に螺旋部935を有し、また、他端に頭部936を有している。位置決め部材932は、集水管903内に挿入可能な挿入部937と、当該挿入部937を集水管903内に挿入した状態で集水管903から突出する突出部938とを一体的に有する概ね円柱状の部材であり、その中心部にはシャフト931を貫通させるための貫通孔939が形成されている。突出部938の突出量は、受け部923の凹部925における低部から段部927までの距離と同じに設定されている。押え具933は、集水管903の内部に挿入可能な円板状の部材であり、中心にシャフト931を挿入するための挿入孔940を有している。ナット934は、シャフト931の螺旋部935に対して装着可能なものである。
【0103】
上述の固定装置920を用いて収納容器901を製造する場合は、先ず、外筒904を外筒保持部921により保持する。ここでは、外筒904の一端を受け部923の凹部925内に挿入し、段部927に当接させる。そして、押え板924の挿入孔930内に外筒904が挿入された状態で、押え板924をゴム弾性体929に対して押し付けた状態で固定する。これにより、外筒904は、一端が凹部925内に挿入された状態で保持されることになる。
【0104】
次に、集水管保持部922を用い、集水管903を外筒904の内部に配置する。ここでは、先ず、位置決め部材932の挿入部937の先端に管状のゴム弾性体941を装着し、その状態で当該挿入部937を集水管903内に挿入する。また、集水管903内に、位置決め部材932を挿入した側とは異なる側から押え具933を挿入する。そして、シャフト931を、その頭部936が押え具933に当接するよう、押え具933の挿入孔940および位置決め部材932の貫通孔939に挿入する。この状態で、シャフト931の螺旋部935が受け部923の孔部926から突出するよう集水管903を外筒904の内部に挿入し、螺旋部935にナット934を装着する。これにより、固定装置920は、集水管903が外筒904内で同心円状に配置された状態で両者を保持し、収納容器901を形成することになる。
【0105】
次に、上述のようにして形成された収納容器901内に管状ろ過膜群902を充填する。ここでは、多数本の管状ろ過膜310を平行に束ねた管状ろ過膜群902を、外筒904と集水管903との間に形成された空間内に挿入する。この際、各管状ろ過膜310の長さは収納容器901よりも大きく設定しておき、管状ろ過膜群902の両端部が収納容器901から突出するよう設定する。また、各管状ろ過膜310の両端は、ヒートシールにより閉鎖しておく。
【0106】
次に、樹脂材料を用い、管状ろ過膜群902を収納容器901に対して固定する。ここでは、先ず、図19に示すようなモールド950を用意する。このモールド950は、キャビティ951を備えたものであり、キャビティ951は管状ろ過膜群902を挿入可能な中心部952と、中心部952の周りに連続して形成された、収納容器901の外筒904を挿入可能な外筒挿入部953とを備えている。このモールド950の中心部952には、未硬化状態の樹脂材料954(例えば未硬化ウレタン樹脂)を注入しておく。
【0107】
一方、固定装置920により形成された収納容器901において、集水管903の開口側を、キャップ955を用いて閉鎖する(図18)。そして、図19に示すように、収納容器901から突出している管状ろ過膜群902をキャビティ951の中心部952内に注入された樹脂材料954中に徐々に浸漬し、外筒904の端部を外筒挿入部953内で保持する。この状態を樹脂材料954が硬化するまで維持し、樹脂材料954が完全に硬化してからモールド950を取り外す。これにより、管状ろ過膜群902の一端側は、収納容器901の一端側に対して固定されることになる。その後、収納容器901から突出している、硬化した樹脂材料954および管状ろ過膜群902を切除し、また、キャップ955を取り外す。
【0108】
次に、収納容器901を固定装置920から一旦分離し、収納容器901を逆向きにしてから再度固定装置920により固定する。その状態で、モールド950に対する上述のような操作を繰り返すと、管状ろ過膜群902の他端側も収納容器901の他端側に対して固定され、目的とするろ過膜モジュール900が得られる。この際、集水管903の開口部をキャップ955で閉鎖しなければ、集水管903の内部にも樹脂材料954が流入し、それが集水管903の一端を閉鎖することになる。製造されたろ過膜モジュール900において、収納容器901の両端部は、各管状ろ過膜310の両端部を除き、硬化した樹脂材料954による保持部907が形成され、既述の通り、この保持部907により液密に閉鎖されることになる。
【0109】
なお、上述の製造工程において用いられる樹脂材料954は、上述の実施の形態において用いたろ過膜モジュール300の場合と同様、ウレタン樹脂の他に、エポキシ樹脂などの他の熱硬化性樹脂やホットメルト接着材であってもよい。また、上述の製造工程においては、収納容器901と樹脂材料954との接着性を高めることを目的として、外筒904の内周面および集水管903の外周面に対し、予め接着助剤の利用による、またはコロナ放電処理による表面処理を施しておいてもよい。また、収納容器901に対する樹脂材料954のアンカー効果を高めるため、外筒904の両端部の内周面および集水管903の両端部の外周面に凸部および凹部のうちの少なくとも1つを形成してもよい。ここで、凸部は、外筒904や集水管903と同じ材料からなるリングを所定の部位に接着すると形成することができる。一方、凹部は、所定の部位に溝加工等を施すと形成することができる。なお、溝状の凹部は環状に形成されているのが好ましい。また、凹部は、奥行き方向に拡大する形状に設定されているのが好ましい。
【0110】
このようなろ過膜モジュール900を用いて上述の浸漬型膜ろ過装置200を構成する場合、ろ過液排出経路600は、排出口905に対して接続する。また、このようなろ過膜モジュール900を用いる場合の誘導装置700は、筒状体710の中心部分においてろ過液排出経路600が位置することになるため、当該ろ過液排出経路600と筒状体710の内周面との間に管状体721を密に充填する。
【0111】
なお、このろ過膜モジュール900を用いた被処理液のろ過処理時において、被処理液は、空気泡供給装置500から噴出する空気泡に伴い、図16に矢印で示すように、ろ過膜モジュール900の各管状ろ過膜310内を下側から上側に向けて押し上げられる。この際、被処理液の一部は、管状ろ過膜310を内側から外側に通過してろ過され、また、被処理液中に含まれるろ別成分は、管状ろ過膜310のろ過膜層311により捕捉され、被処理液から取り除かれる。ろ別成分が取り除かれた被処理液(ろ過液)は、管状ろ過膜310間の隙間を通過し、通液孔906から集水管903内に流入する。集水管903内に流入したろ過液は、排出口905から収納容器901の外部、すなわちろ過液排出経路600内に連続的に排出される。このような一連のろ過処理により、貯留槽2内の被処理液は、図1に矢印で示すのと同様に、ろ過膜モジュール900を下側から上側方向に通過することになる。
【0112】
(3)上述の浸漬型膜ろ過装置200では、ろ過膜モジュール300を円筒状に、すなわち、ろ過膜モジュール300の収納容器301を円筒状に形成したが、収納容器301は、角筒状や多角形(例えば五角形以上の多角形)の筒状等、他の形状の筒状に形成されていてもよい。
【0113】
(4)上述の実施の形態では、管状ろ過膜310において突起320を連続した螺旋状に設けたが、突起320の形態はこれに限定されるものではない。すなわち、突起320は、支持膜層312の外周面において部分的に設けられていればよく、例えば、断続的な螺旋状や点状などの各種の形態で設けられていてもよい。
【0114】
(5)上述の実施の形態では、管状ろ過膜310をろ過膜層311と支持膜層312との2層構造に形成したが、管状ろ過膜310の潰れ圧を、その肉厚と外径との比を適宜設定することにより上述の所要の値に設定する場合は、図20に示すように、支持膜層312の外周面にさらに通液性を有する補強層316を配置してもよい。
【0115】
ここで用いられる補強層316は、通液性を有するものであれば特に限定されるものではないが、通常は支持膜層312を構成するものと同様の不織布、特にポリエステル樹脂系の不織布が好ましく用いられる。なお、このような補強層316を備えた管状ろ過膜310は、通常、管状ろ過膜310を製造するために用いられる上述の複合膜313の支持膜層312側にさらに補強層316が積層された複合膜を用いると製造することができる。このような複合膜を製造する場合において、補強層316は、通常、支持膜層312の表面にホットメルト接着剤や熱硬化性接着剤を点在させて接着するのが好ましい。このようにすると、複合膜は、補強層316によりろ過抵抗が高まるのを抑制することができ、上述の実施の形態の場合と同様のろ過抵抗、すなわち、ろ過液の通過性を達成することができる。
【0116】
なお、管状ろ過膜310がこのような補強層316を備えている場合、当該管状ろ過膜310の肉厚および外径は、この補強層316を含めて計算する。また、管状ろ過膜310の表面に上述のような突起320を形成する場合、当該突起320は補強層316の表面に形成する必要がある。
【0117】
(6)上述の実施の形態では、空気泡供給装置500の空気泡噴出孔510から発生する空気泡の大きさを、管状ろ過膜310の内径以上になるよう設定したが、本発明の浸漬型膜ろ過方法はこれに限定されるわけではない。すなわち、本発明の浸漬型膜ろ過方法は、上記空気泡の大きさが管状ろ過膜310の内径より小さい場合であっても実施することができる。
【0118】
(7)上述の実施の形態では、誘導装置700からの被処理液を沈殿槽110に戻したが、当該被処理液は、沈殿槽110以外において別途処理することもできる。
【0119】
(8)上述の実施の形態では、誘導装置700において、筒状体710内に管状体721を密に充填することにより、管状体群720を筒状体710内で保持したが、管状体721は、ろ過膜モジュール300における管状ろ過膜310と同様に、筒状体710の上部および下部において、樹脂材料を用いて固定されていてもよい。
【0120】
[実験例]
実験用膜ろ過システムの作成
ポリエステル製不織布上に孔径が約0.4μmの微孔を全面に有するろ過膜が一体的に配置された、厚さ0.2mmの複合膜を幅2cmのテープ状に裁断した。そして、テープ状の複合膜を、ろ過膜表面を内側にして心棒に螺旋状に巻きつけながら超音波溶着し、内径が3mm、7mmおよび10mmにそれぞれ設定された三種類の管状ろ過膜を作成した。これらの管状ろ過膜を内径が28mm、全長が70cmのプラスチックパイプに充填し、表6に示す仕様に設定された、上述の実施の形態に係るA、BおよびCの3種類のろ過膜モジュール300を作成した。
【0121】
【表6】
【0122】
これらのろ過膜モジュール300を用い、上述の実施の形態に係る浸漬型膜ろ過装置200(但し、誘導装置700を省略したもの)を製造した。ここでは、案内筒400として、全長25cm、内径28mmのプラスチックパイプを用いた。また、案内筒400内において、ろ過膜モジュール300の下端から20cmの位置に、空気泡供給装置500を配置した。空気泡供給装置500を構成するパイプには、口径4mmの空気泡噴出孔510を設けた、内径4mm、外径6mmのパイプを用いた。また、案内筒400に長さが5cmの脚402を取り付け、浸漬型膜ろ過装置200の全長(全高)を100cmに設定した。
【0123】
上述の浸漬型膜ろ過装置200を用い、図21に示すような実験用膜ろ過システムを作成した。この膜ろ過システムでは、透明な円筒容器からなる貯留槽150内に浸漬型膜ろ過装置200を配置し、空気泡供給装置500には空気供給装置525(曝気ポンプ)を接続した。また、ろ過膜モジュール300からのろ過液排出経路600の先端部は、ろ過膜モジュール300の上端より下方に配置し、ΔP(60cm)の水頭圧が作用するように設定した。なお、ろ過液排出経路600の先端部の下には、ろ過液受け606を配置し、それにろ過液が貯留されるようにした。また、ここに貯留されるろ過液は、チューブポンプ607を用いて貯留槽150に戻すよう設定した。
【0124】
上述の膜ろ過システムで処理する被処理液には、26±1℃に温度調整した、カルボキシメチルセルロース(CMC)1,000ppmと平均分子量が約30万のポリエチレンオキサイド(PEO)0.8重量%とを含む水溶液(以下、モデル水溶液という)を用いた。モデル水溶液の粘度は8mPa・sであった。なお、モデル水溶液については、予め、CMCとPEOとの透過性を確認しておいた。ここでは、CMCのみを含む比較水溶液のろ過液の粘度と、モデル水溶液のろ過液の粘度とを測定して比較した。そして、比較水溶液のろ過液の粘度が約1.5mPa・s以下(粘度計の読み取り精度の限界)であったのに対し、モデル水溶液のろ過液の粘度がPEOのみの濃度に相当する粘度であったことから、モデル水溶液をろ過した場合、大部分のCMCは微小ゲルの状態で懸濁しているために膜を透過せず、PEOは分子状態で溶解しているために膜を素通りするものと判断した。
【0125】
上述の膜ろ過システムを用いてモデル水溶液をろ過処理した場合、ろ過流量が一定値に達するまでに要する時間は概ね3時間であった。以下の実験例において、ろ過流量にはこの定常値を用いている。
【0126】
実験例1
上述の膜ろ過システムにおいてろ過膜モジュールBを用い、空気泡供給装置500からの曝気流量を1.5L/分(15L/m2/分相当)に設定してモデル水溶液のろ過を実施した。そして、モデル水溶液の液面lからのろ過膜モジュールBの露出量ΔLとろ過流量との関係を調べた。結果を図22に示す。図22において、ろ過流量は、ろ過膜モジュールBの露出量ΔLが0の場合に対する相対値で表した。
【0127】
図22によると、ろ過膜モジュールBの50%がモデル水溶液から露出しても、ろ過膜モジュールBの全体がモデル水溶液中に完全に浸漬されている場合の約75%のろ過流量が維持されていることがわかる。
【0128】
実験例2
実施例1において、ろ過膜モジュールBをろ過膜モジュールCに変更し、また、空気泡供給装置500からの曝気流量を0.9L/分(15L/m2/分相当)に変更した。そして、実施例1の場合と同様にして、モデル水溶液の液面lからのろ過膜モジュールCの露出量ΔLとろ過流量との関係を調べた。結果を図23に示す。
【0129】
図23によると、ろ過膜モジュールCの50%がモデル水溶液から露出しても、ろ過膜モジュールCの全体がモデル水溶液中に完全に浸漬されている場合の約65%のろ過流量が維持されていることがわかる。しかし、露出時のろ過流量は、ろ過膜モジュールBを用いた場合に比べると大きく低下している。この結果によると、ろ過膜モジュール300が露出している場合でもろ過流量が著しく低下しにくいようにするためには、管状ろ過膜として、内径が15mm以下のものを用いるのが好ましいと考えられる。
【0130】
実験例3
ろ過膜モジュールAを用いて実験例1、2と同様の実験を行った。その結果、ろ過膜モジュールAをモデル水溶液から露出しながらろ過処理したときのろ過流量の低下は、ろ過膜モジュールBを用いた場合に比べて軽微なことが判明した。一方、モデル水溶液にPEOを追加してモデル水溶液の粘度を高めると、ろ過膜モジュールB、Cの場合とは異なり、モデル水溶液の粘度の増加とともに案内筒400の下端から溢れ出る空気泡が多くなった。本発明の膜ろ過装置で処理する被処理液として、粘度がおよそ10mPa・sを超えるものも普通に考えられるので、ろ過膜モジュール300において使用できる管状ろ過膜310の内径はおよそ2mm以上が好ましいものと考えられる。
【0131】
【発明の効果】
本発明の浸漬型膜ろ過装置は、管状ろ過膜を備えた上述のようなろ過膜モジュール、空気泡供給装置および誘導装置を備えているため、浸漬型膜ろ過時において、ろ過膜のろ過効率が低下しにくい。
【0132】
また、本発明の浸漬型膜ろ過方法は、管状ろ過膜を備えた上述のようなろ過膜モジュールを用い、空気泡の供給により管状ろ過膜を上方向に通過する被処理液をそのまま貯留槽の外部に排出しているので、ろ過膜のろ過効率が低下しにくい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る浸漬型膜ろ過装置が採用された浸漬型膜ろ過システムの概略図。
【図2】前記浸漬型膜ろ過装置に採用されたろ過膜モジュールの縦断面図。
【図3】前記ろ過膜モジュールの図2のIII−III断面に相当する図。
【図4】図3のIV矢視図。
【図5】図4のV−V断面図。
【図6】前記ろ過膜モジュールに用いられる管状ろ過膜の斜視図。
【図7】図6のVII−VII断面端面図。
【図8】前記管状ろ過膜の製造工程を示す図。
【図9】前記ろ過膜モジュールを製造するための一工程を示す図。
【図10】前記ろ過膜モジュールを製造するための他の工程を示す図。
【図11】前記浸漬型膜ろ過装置に採用された案内筒の縦断面図。
【図12】前記案内筒の、図11のXII−XII断面に相当する図。
【図13】前記浸漬型膜ろ過装置に採用された誘導装置の縦断面図。
【図14】前記ろ過膜モジュールのろ過流量特性を解析する際に比較の対象とした平膜モジュールの一部断面正面図。
【図15】前記平膜モジュールに用いられる膜プレートの一部切欠斜視図。
【図16】前記膜ろ過装置において利用可能な他の形態のろ過膜モジュールの縦断面図。
【図17】前記他の形態のろ過膜モジュールの、図16のXVII―XVII断面に相当する図。
【図18】前記他の形態のろ過膜モジュールを製造するための一工程を示す図。
【図19】前記他の形態のろ過膜モジュールを製造するための他の工程を示す図。
【図20】前記ろ過膜モジュールに用いられる管状ろ過膜の変形例の図7に相当する図。
【図21】実験例で作成した実験用膜ろ過システムの概略図。
【図22】実験例1で用いたろ過膜モジュールについて、モデル水溶液からの露出量とろ過流量との関係を調べた結果を示すグラフ。
【図23】実験例2で用いたろ過膜モジュールについて、モデル水溶液からの露出量とろ過流量との関係を調べた結果を示すグラフ。
【符号の説明】
120 ろ過処理槽
200 浸漬型膜ろ過装置
300,900 ろ過膜モジュール
301,901 収納容器
302,902 管状ろ過膜群
303,905 排出口
310 管状ろ過膜
500 空気泡供給装置
700 誘導装置
710 筒状体
721 管状体
730 排出路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an immersion type membrane filtration apparatus and an immersion type membrane filtration method, and more particularly to an immersion type membrane filtration apparatus and an immersion type membrane filtration method for obtaining a filtrate by filtering a liquid to be treated stored in a storage tank. .
[0002]
[Prior art and its problems]
When processing a large amount of liquid to be treated, such as river water, which contains a relatively small amount of components to be removed, such as river water, for example, a large amount of river water is filtered and raw water for tap water is used. In the case of manufacturing, a cross flow filtration method using a membrane module equipped with a filtration membrane having a pore size smaller than that of an ultrafiltration membrane or a submerged membrane filtration method using a membrane module equipped with a microfiltration membrane is usually carried out. (For example, see “Water-filtration method Q & A”, 1995, edited by Japan Water Purification Process Association). Here, the submerged membrane filtration method uses the buoyancy of air bubbles that are continuously supplied from below the membrane module immersed in the liquid to be processed in the storage tank while naturally circulating the liquid to be processed. It refers to a method of filtering the liquid to be treated by suction pressure or water head difference acting on the membrane module, and is attracting attention because it is a filtration method with higher energy efficiency than the cross-flow filtration method.
[0003]
By the way, the membrane module used in the submerged membrane filtration method is a hollow fiber membrane module or a flat membrane module. In these membrane modules, the liquid to be treated is filtered when passing from the outside to the inside of the microfiltration membrane, but the separation components such as contaminants contained in the liquid to be treated are deposited on the surface of the microfiltration membrane. It accumulates and filtration efficiency will fall as time passes. Therefore, the surface of the microfiltration membrane needs to be cleaned as appropriate, for example, by aeration.However, the separated components removed from the microfiltration membrane at the time of cleaning are released into the liquid to be treated. It floats or gradually accumulates. For this reason, in the submerged membrane filtration method, in addition to cleaning the microfiltration membrane, it is a complicated maintenance work that periodically replaces the liquid to be treated in the storage tank or removes the separated components accumulated in the storage tank. Is required.
[0004]
An object of the present invention is to make it difficult for the filtration efficiency of a filtration membrane to decrease during submerged membrane filtration.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The submerged membrane filtration apparatus of the present invention is for obtaining a filtrate by filtering a liquid to be treated stored in a storage tank, and a plurality of tubular filtration membranes having a filtration function of the liquid to be treated on the inner surface. A tubular filtration membrane group containing a filter is accommodated in a cylindrical storage container having a filtrate outlet and held at both ends thereof, and the filtration can be arranged in a storage tank so that the tubular filtration membrane opens in the vertical direction. A membrane module, an air bubble supply device for supplying air bubbles toward the filtration membrane module, disposed below the filtration membrane module in the storage tank, and a filtration membrane module disposed on the upper portion of the filtration membrane module And a guiding device for guiding the liquid to be processed passing through the outside of the storage tank. Here, the guide device has a cylindrical shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the axial direction is substantially the same as a cross-sectional shape perpendicular to the axial direction of the storage container, and is arranged at the top of the storage container so as to open in the vertical direction. A body, a tubular body filled so as to open in the vertical direction in the cylindrical body, and a guide path for guiding the liquid to be processed that passes through the filtration membrane module and overflows from the upper part of the cylindrical body to the outside of the storage tank It has.
[0006]
This submerged membrane filtration device further includes, for example, a backflow device for backflowing the filtrate from the discharge port into the storage container. Moreover, the internal diameter of a tubular filtration membrane is 2-15 mm normally.
[0007]
When the liquid to be treated is filtered using this submerged membrane filtration device, air bubbles are supplied from the air bubble supply device toward the filtration membrane module. The air bubbles rise in the liquid to be treated and are supplied into the tubular filtration membrane of the filtration membrane module. At this time, the liquid to be treated rises toward the filtration membrane module due to the buoyancy of the air bubbles and is supplied into the tubular filtration membrane together with the air bubbles. The liquid to be treated supplied into the tubular filtration membrane continues to rise in the tubular filtration membrane due to the buoyancy of air bubbles, and at that time, a part of the liquid is filtered through the tubular filtration membrane from the inside to the outside. The liquid to be processed that has passed through the tubular filtration membrane, that is, the filtrate, is discharged to the outside from the discharge port of the storage container.
[0008]
On the other hand, the liquid to be treated that has passed through the tubular filtration membrane passes upward through the guiding device disposed at the top of the filtration membrane module, that is, the tubular body filled in the tubular body disposed at the top of the storage container. Is passed upward, overflows from the upper part of the cylindrical body, flows into the guide path, and is guided to the outside of the storage tank. Therefore, the liquid to be processed that has passed through the filtration membrane module does not stay in the storage tank. That is, separation components such as contaminants deposited on the inner peripheral surface of the tubular filtration membrane can be guided to the outside of the storage tank from the guide path through the filtration membrane module and the cylindrical body together with the liquid to be treated. It is difficult to remain in the tank, and it is difficult to reduce the filtration efficiency of the tubular filtration membrane.
[0009]
The submerged membrane filtration method according to the present invention is a method for obtaining a filtrate by filtering a liquid to be treated stored in a storage tank, and a plurality of tubular filtration membranes having a filtration function of the liquid to be treated on the inner surface. The filtration membrane module in which the tubular filtration membrane group including the book is accommodated in a cylindrical storage container having a filtrate discharge port and held at both ends thereof is arranged in the storage tank so that the tubular filtration membrane opens in the vertical direction. The step of supplying air bubbles toward the filtration membrane module from below the filtration membrane module, and the liquid to be treated that passes upward in the tubular filtration membrane by the supply of air bubbles,As it isAnd guiding to the outside of the storage tank.
[0010]
This submerged membrane filtration method further includes, for example, a step of refluxing the liquid to be treated guided outside the storage tank to the storage tank after the separation of the impurities.
[0011]
In this submerged membrane filtration method, air bubbles supplied from below the filtration membrane module rise in the liquid to be treated and are supplied into the tubular filtration membrane of the filtration membrane module. At this time, the liquid to be treated rises toward the filtration membrane module due to the buoyancy of the air bubbles and is supplied into the tubular filtration membrane together with the air bubbles. The liquid to be treated supplied into the tubular filtration membrane continues to rise in the tubular filtration membrane due to the buoyancy of air bubbles, and at that time, a part of the liquid is filtered through the tubular filtration membrane from the inside to the outside. The liquid to be processed that has passed through the tubular filtration membrane, that is, the filtrate, is discharged to the outside from the discharge port of the storage container.
[0012]
On the other hand, since the liquid to be treated that has passed through the tubular filtration membrane is guided to the outside of the storage tank as it is, it does not stay in the storage tank. Therefore, separation components such as foreign substances adhering to the inner peripheral surface of the tubular filtration membrane can be guided to the outside of the storage tank through the filtration membrane module together with the liquid to be treated, so that they hardly remain in the storage tank and are tubular. It becomes difficult to lower the filtration efficiency of the filtration membrane.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
With reference to FIG. 1, the immersion type membrane filtration system in which the immersion type membrane filtration apparatus according to one embodiment of the present invention is employed will be described. In the figure, a submerged
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
The submerged
[0017]
As shown in FIG. 2, the
[0018]
The
[0019]
Each
[0020]
The tubular
[0021]
The
[0022]
The type of the
[0023]
The
[0024]
Further, as shown in FIG. 6, the
[0025]
The
[0026]
Moreover, it is preferable that the ratio (A / B) of thickness (A) and outer diameter (B) is set to 0.025-0.1, and the
[0027]
In general, the thickness of the
[0028]
Further, it is preferable that the height of the
[0029]
The height of the
[0030]
Next, an example of a method for producing the
First, a long strip-like (tape-like) composite membrane 313 in which a
[0031]
In such a manufacturing process of the
[0032]
Next, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, the manufacturing method of the above-mentioned
[0033]
First, a large number of
[0034]
Next, as shown in FIG. 10, one end of the above-mentioned
[0035]
Next, when the cured resin protruding from both ends of the
[0036]
In addition, for example, a groove-like recess may be provided in an annular shape on the inner peripheral surface of both ends of the
[0037]
As a material for forming the holding
[0038]
2 and the like relating to the
[0039]
As shown in FIG. 1, the
[0040]
As shown in FIG. 11, a
[0041]
The air
With reference to FIG. 11 and FIG. 12, the air
[0042]
The
[0043]
The
[0044]
The material of each of the
[0045]
As shown in FIG. 1, an
[0046]
The air
[0047]
The
[0048]
The
[0049]
As illustrated in FIG. 13, the
[0050]
The
[0051]
The
[0052]
In the above-described submerged
[0053]
Next, with reference to FIG. 1, the method for filtering the liquid to be processed by the above-described immersion type
First, a liquid to be treated, such as river water, containing a filtered component such as a microgel, a colloidal component, a microorganism, and other contaminants is injected into the
[0054]
The liquid to be treated in which a part of the filtered component is precipitated is sucked by the
[0055]
Next, the
[0056]
Due to the buoyancy of the air bubbles supplied to the
[0057]
On the other hand, the liquid to be treated that is pushed up in each
[0058]
As a result, the liquid to be treated stored in the
[0059]
Note that, in the filtration step as described above, each
[0060]
By the way, in the immersion type membrane filtration method of the liquid to be treated using the above-described immersion type
[0061]
Incidentally, when the
[0062]
In the submerged membrane filtration method as described above, various kinds of filtration components as described above contained in the liquid to be treated are captured by the inner peripheral surface of each
[0063]
In order to remove the cake layer deposited on the inner peripheral surface of the
[0064]
When it is difficult to remove the cake layer deposited on the
[0065]
As a result, in the
[0066]
Here, the filtration flow rate of the
For example, as seen in “Research Report on Practical Use of Small Wastewater Treatment Equipment Introducing Membrane Treatment Method: Fiscal 1992 to Fiscal 1995” published by the Japan Environmental Education Center, Flux (Unit membrane area) The flat membrane module is larger than the hollow fiber membrane module. For this reason, a flat membrane module was used as a comparison target for analysis.
[0067]
For reference, an outline of a flat membrane module to be compared will be described with reference to FIG. In the figure, a
[0068]
Such a
[0069]
Table 1 summarizes the main characteristics of the
[0070]
[Table 1]
[0071]
Here, when the inner diameter of the
[0072]
[Expression 1]
[0073]
In the
[0074]
By the way, the viscosity of the majority of actual liquids (liquids to be treated) to which immersion membrane filtration is applied is several mPa · s or more, and both the
[0075]
In the cross-flow filtration in which the parallel flow is laminar, the filtration flow rate of the
[0076]
[Expression 2]
[0077]
In the formula, J, M, and u are filtration flow rate, membrane area, and linear velocity of parallel flow, respectively, and subscripts T and P indicate values of the
Here, the indices a and c are 1/3 for both laminar flows. Therefore, when these values are substituted, the following equation (3) is obtained.
[0078]
[Equation 3]
[0079]
Here, assuming that the air bubbles are evenly distributed among all the
[0080]
[Expression 4]
[0081]
Where qaIs a flow rate of air converted per one flow path, the flow rate of air per
The converted linear velocity can be converted into the air flow rate per unit membrane area or the total air flow rate per module as shown in Table 2 below using numerical values representing the shape of each module.
[0082]
[Table 2]
[0083]
From Table 1 and Table 2, the linear velocity ratio between the
[0084]
[Equation 5]
[0085]
Using the equations (3) and (6), the capabilities of the
[0086]
Table 3 below shows the viscosity μ of the liquid to be treated.fIs set to 10 mPa · s, the
[0087]
[Table 3]
[0088]
Table 4 below shows the viscosity μ of the liquid to be treated under the same conditions.fThe calculation result when only changing to 100 mPa · s is shown.
[0089]
[Table 4]
[0090]
As shown in Tables 3 and 4, regarding the liquid to be treated in a wide viscosity range, the
As another example, the viscosity of the liquid to be treated μfIs set to 10 mPa · s, the
[0091]
[Table 5]
[0092]
Table 5 shows that the
Further, Tables 3 to 5 show that the flux obtained by dividing the filtration flow rate by the membrane area is large, and that the
As is clear from the above analysis examples, the
[0093]
In the
[0094]
The submerged
[0095]
[Other embodiments]
(1) In the above-described embodiment, the
[0096]
(2) In the above-described embodiment, the case where the
[0097]
With reference to FIG. 16 and FIG. 17 (XVII-XVII sectional drawing of FIG. 16), the
[0098]
The tubular
[0099]
In FIG. 16, the thickness of the
[0100]
Such a
First, a
[0101]
The outer
[0102]
On the other hand, the water collection
[0103]
When manufacturing the
[0104]
Next, the
[0105]
Next, the tubular
[0106]
Next, the tubular
[0107]
On the other hand, in the
[0108]
Next, the
[0109]
In addition, the
[0110]
When the above-described submerged
[0111]
In addition, at the time of the filtration process of the to-be-processed liquid using this
[0112]
(3) In the submerged
[0113]
(4) In the above-described embodiment, the
[0114]
(5) In the above-described embodiment, the
[0115]
The reinforcing
[0116]
In addition, when the
[0117]
(6) In the above-described embodiment, the size of the air bubbles generated from the air bubble ejection holes 510 of the air
[0118]
(7) In the above-described embodiment, the liquid to be processed from the
[0119]
(8) In the above-described embodiment, in the
[0120]
[Experimental example]
Creation of experimental membrane filtration system
A composite membrane having a thickness of 0.2 mm, in which a filtration membrane having micropores having a pore diameter of about 0.4 μm on the entire surface was integrally formed on a non-woven fabric made of polyester, was cut into a tape shape having a width of 2 cm. Then, the tape-shaped composite membrane was ultrasonically welded while being spirally wound around a mandrel with the filtration membrane surface on the inside, and three types of tubular filtration membranes having inner diameters set to 3 mm, 7 mm, and 10 mm, respectively, were created. . These tubular filtration membranes are filled into a plastic pipe having an inner diameter of 28 mm and an overall length of 70 cm, and the three types of filtration membrane modules A, B, and C according to the above-described embodiment set to the specifications shown in Table 6 are used. It was created.
[0121]
[Table 6]
[0122]
Using these
[0123]
An experimental membrane filtration system as shown in FIG. 21 was created using the above-described immersion
[0124]
The liquid to be processed by the above membrane filtration system has a temperature adjusted to 26 ± 1 ° C., 1,000 ppm of carboxymethyl cellulose (CMC) and 0.8% by weight of polyethylene oxide (PEO) having an average molecular weight of about 300,000. An aqueous solution containing (hereinafter referred to as a model aqueous solution) was used. The viscosity of the model aqueous solution was 8 mPa · s. In addition, about the model aqueous solution, the permeability | transmittance of CMC and PEO was confirmed beforehand. Here, the viscosity of the filtrate of the comparative aqueous solution containing only CMC and the viscosity of the filtrate of the model aqueous solution were measured and compared. And while the viscosity of the filtrate of the comparative aqueous solution was about 1.5 mPa · s or less (limit of reading accuracy of the viscometer), the viscosity of the filtrate of the model aqueous solution is a viscosity corresponding to the concentration of only PEO. Therefore, when the model aqueous solution was filtered, most CMCs were suspended in the form of microgels and did not permeate the membrane, while PEO was dissolved in the molecular state and passed through the membrane. It was judged.
[0125]
When the model aqueous solution was filtered using the membrane filtration system described above, the time required for the filtration flow rate to reach a constant value was approximately 3 hours. In the following experimental examples, this steady value is used for the filtration flow rate.
[0126]
Experimental example 1
Using the membrane filter module B in the membrane filtration system described above, the aeration flow rate from the air
[0127]
According to FIG. 22, even when 50% of the filtration membrane module B is exposed from the model aqueous solution, about 75% of the filtration flow rate when the entire filtration membrane module B is completely immersed in the model aqueous solution is maintained. I understand that.
[0128]
Experimental example 2
In Example 1, the filtration membrane module B is changed to the filtration membrane module C, and the aeration flow rate from the air
[0129]
According to FIG. 23, even when 50% of the filtration membrane module C is exposed from the model aqueous solution, the filtration flow rate of about 65% when the entire filtration membrane module C is completely immersed in the model aqueous solution is maintained. I understand that. However, the filtration flow rate at the time of exposure is greatly reduced as compared with the case where the filtration membrane module B is used. According to this result, it is considered preferable to use a tubular filtration membrane having an inner diameter of 15 mm or less in order to prevent the filtration flow rate from being significantly reduced even when the
[0130]
Experimental example 3
Experiments similar to Experimental Examples 1 and 2 were performed using the filtration membrane module A. As a result, it was found that the decrease in the filtration flow rate when the filtration membrane module A was filtered while being exposed from the model aqueous solution was smaller than when the filtration membrane module B was used. On the other hand, when the viscosity of the model aqueous solution is increased by adding PEO to the model aqueous solution, unlike the case of the filtration membrane modules B and C, as the viscosity of the model aqueous solution increases, more air bubbles overflow from the lower end of the
[0131]
【The invention's effect】
Since the submerged membrane filtration device of the present invention includes the above-described filtration membrane module, an air bubble supply device, and a guidance device provided with a tubular filtration membrane, the filtration efficiency of the filtration membrane is improved during submerged membrane filtration. It is hard to decline.
[0132]
Moreover, the immersion membrane filtration method of the present invention uses a filtration membrane module as described above equipped with a tubular filtration membrane, and supplies a liquid to be treated that passes upward through the tubular filtration membrane by supplying air bubbles.As it isSince it discharges outside the storage tank, the filtration efficiency of the filtration membrane is unlikely to decrease.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an immersion membrane filtration system employing an immersion membrane filtration device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a filtration membrane module employed in the submerged membrane filtration device.
FIG. 3 is a view corresponding to the III-III cross section of FIG. 2 of the filtration membrane module.
4 is a view taken along arrow IV in FIG. 3;
5 is a VV cross-sectional view of FIG.
FIG. 6 is a perspective view of a tubular filtration membrane used in the filtration membrane module.
7 is a cross-sectional end view taken along the line VII-VII in FIG. 6;
FIG. 8 is a view showing a manufacturing process of the tubular filtration membrane.
FIG. 9 is a view showing a step for manufacturing the filtration membrane module.
FIG. 10 is a view showing another process for manufacturing the filtration membrane module.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a guide tube employed in the immersion membrane filtration device.
12 is a view corresponding to the XII-XII cross section of FIG. 11 of the guide tube.
FIG. 13 is a longitudinal sectional view of a guidance device employed in the submerged membrane filtration device.
FIG. 14 is a partial cross-sectional front view of a flat membrane module to be compared when analyzing the filtration flow rate characteristics of the filtration membrane module.
FIG. 15 is a partially cutaway perspective view of a membrane plate used in the flat membrane module.
FIG. 16 is a longitudinal sectional view of another form of filtration membrane module that can be used in the membrane filtration device.
FIG. 17 is a view corresponding to the XVII-XVII cross section of FIG. 16 of the other form of the membrane filter module.
FIG. 18 is a view showing a step for manufacturing the filtration membrane module of another embodiment.
FIG. 19 is a view showing another process for manufacturing the filtration membrane module of the other form.
FIG. 20 is a view corresponding to FIG. 7 showing a modification of the tubular filtration membrane used in the filtration membrane module.
FIG. 21 is a schematic diagram of an experimental membrane filtration system created in an experimental example.
22 is a graph showing the results of examining the relationship between the amount of exposure from a model aqueous solution and the filtration flow rate for the filtration membrane module used in Experimental Example 1. FIG.
FIG. 23 is a graph showing the results of examining the relationship between the exposure amount from the model aqueous solution and the filtration flow rate for the filtration membrane module used in Experimental Example 2.
[Explanation of symbols]
120 Filtration tank
200 Immersion membrane filtration device
300,900 Filtration membrane module
301,901 Storage container
302,902 Tubular filtration membranes
303,905 outlet
310 Tubular filtration membrane
500 Air bubble supply device
700 Guide device
710 Tubular body
721 Tubular body
730 discharge channel
Claims (5)
内面に前記被処理液のろ過機能を有する管状ろ過膜の複数本を含む管状ろ過膜群が前記ろ過液の排出口を有する筒状の収納容器内に収容されかつその両端部で保持された、前記管状ろ過膜が上下方向に開口するよう前記貯留槽内に配置可能なろ過膜モジュールと、
前記貯留槽内において前記ろ過膜モジュールの下方に配置された、前記ろ過膜モジュールに向けて空気泡を供給するための空気泡供給装置と、
前記ろ過膜モジュールの上部に配置された、前記ろ過膜モジュールを通過する前記被処理液を前記貯留槽の外部に誘導するための誘導装置とを備え、
前記誘導装置は、軸方向に垂直な断面形状が前記収納容器の軸方向に垂直な断面形状と実質的に同一に形成されかつ上下方向に開口するよう前記収納容器の上部に配置された筒状体と、前記筒状体内において上下方向に開口するよう充填された管状体と、前記ろ過膜モジュールを通過して前記筒状体の上部から溢れる前記被処理液を前記貯留槽の外部に誘導するための誘導路とを備えている、
浸漬型膜ろ過装置。A submerged membrane filtration device for obtaining a filtrate by filtering a liquid to be treated stored in a storage tank,
A tubular filtration membrane group including a plurality of tubular filtration membranes having a filtration function of the liquid to be treated on the inner surface was accommodated in a cylindrical storage container having an outlet for the filtrate, and held at both ends thereof. A filtration membrane module that can be arranged in the storage tank so that the tubular filtration membrane opens in the vertical direction;
An air bubble supply device for supplying air bubbles toward the filtration membrane module, disposed below the filtration membrane module in the storage tank,
A guidance device arranged at the top of the filtration membrane module, for guiding the liquid to be treated passing through the filtration membrane module to the outside of the storage tank;
The guide device has a cylindrical shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the axial direction is substantially the same as a cross-sectional shape perpendicular to the axial direction of the storage container, and is arranged at the top of the storage container so as to open in the vertical direction. Body, a tubular body filled so as to open in the vertical direction in the cylindrical body, and the liquid to be treated that passes through the filtration membrane module and overflows from the upper part of the cylindrical body is guided to the outside of the storage tank. A taxiway for,
Immersion membrane filtration device.
内面に前記被処理液のろ過機能を有する管状ろ過膜の複数本を含む管状ろ過膜群が前記ろ過液の排出口を有する筒状の収納容器内に収容されかつその両端部で保持されたろ過膜モジュールを、前記管状ろ過膜が上下方向に開口するよう前記貯留槽内に配置し、前記ろ過膜モジュールの下方から前記ろ過膜モジュールに向けて空気泡を供給する工程と、
前記空気泡の供給により前記管状ろ過膜内を上方向に通過する前記被処理液を、そのまま前記貯留槽の外部に誘導する工程と、
を含む浸漬型膜ろ過方法。A submerged membrane filtration method for obtaining a filtrate by filtering a liquid to be treated stored in a storage tank,
A tubular filtration membrane group including a plurality of tubular filtration membranes having a filtration function of the liquid to be treated on the inner surface is accommodated in a cylindrical storage container having an outlet for the filtrate, and the filtration is held at both ends thereof Arranging the membrane module in the storage tank so that the tubular filtration membrane opens in the vertical direction, and supplying air bubbles from below the filtration membrane module toward the filtration membrane module;
The liquid to be treated passing upwardly the tubular filtration the membrane by the supply of the air bubbles, a step of directly inducing the outside of the reservoir,
A submerged membrane filtration method.
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