JP4215991B2 - 膜モジュールおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の膜エレメントを直列に装填可能なベッセルを用いた膜モジュールおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパイラル型膜エレメントまたはキャピラリー型膜エレメントは、超純水の製造プロセス、食品や薬品などの製造プロセスまたは工業液体の処理プロセス等の分野において、懸濁物質、微生物および分子量レベルの不純物の除去や有価物の回収などを目的として広く用いられている。
【０００３】
スパイラル型膜エレメントまたはキャピラリー型膜エレメントを複数直列使用する場合、ベッセル（圧力容器）が必要である。ここで、複数の膜エレメントを直列に装填可能なベッセル（以下直列ベッセルと呼ぶ）は、例えば以下に示す構造を有する。
【０００４】
図１０は、従来の直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。図１０において、膜モジュール８００は、直列ベッセル８８０およびスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃにより構成される。
【０００５】
直列ベッセル８８０は、筒状ケーシング８１０の両端を端板８１１，８１２により封止した構造を有する。なお、筒状ケーシング８１０の一端部近傍に原水入口８２１が設けられ、他端部近傍に濃縮水出口８２２が設けられている。また、端板８１１の中央部に透過水出入口８２３が設けられ、端板８１２の中央部に透過水出入口８２４が設けられている。
【０００６】
直列ベッセル８８０内部には、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃが直列に装填されており、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの集水管８４０はコネクタ８４１により直列に連結されている。さらに、両側のスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｃの集水管８４０端部は、端板８１１，８１２に設けられた透過水出入口８２３，８２４にそれぞれ嵌合されている。また、３つのスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃと筒状ケーシング８１０との間には、それぞれパッキン８３０が設けられている。これにより、直列ベッセル８８０の内部は第１の液室８０ａ、第２の液室８０ｂ、第３の液室８０ｃおよび第４の液室８０ｄに分割される。
【０００７】
ここで、上述の原水入口８２１は第１の液室８０ａと外部とを連通させ、濃縮水出口８２２は第４の液室８０ｄと外部とを連通させるように設けられている。
【０００８】
図１０に示すように、膜モジュール８００の濾過時において、原水８１は原水入口８２１から直列ベッセル８８０内部の第１の液室８０ａに供給され、スパイラル型膜エレメント８５０ａの一方の端面からスパイラル型膜エレメント８５０ａ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント８５０ａの他方の端面から第２の液室８０ｂに流出する。
【０００９】
スパイラル型膜エレメント８５０ａから流出した原水８１は、同様にスパイラル型膜エレメント８５０ｂおよび第３の液室８０ｃを通過し、さらにスパイラル型膜エレメント８５０ｃを通過して第４の液室８０ｄに流入する。第４の液室８０ｄに流入した原水８１は濃縮水８２として濃縮水出口８２２から排出される。この過程で、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの分離膜を透過した水は集水管８４０を通り直列ベッセル８８０の両端に設けられた透過水出入口８２３，８２４から透過水８３として排出される。
【００１０】
上述の濾過時においては、長期間にわたる連続運転または原水の水質などによりスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃに汚染物が付着または堆積する。これらの汚れは濾過速度の低下を引き起こすため、膜モジュール８００においては定期的に各種洗浄が行われる。
【００１１】
以下に代表的な洗浄方法である逆流洗浄時の直列ベッセル８８０内部の流体の流れについて説明する。
【００１２】
直列ベッセル８８０内部のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄時において、ポンプなどにより昇圧された洗浄水８４は、透過水出入口８２３，８２４から集水管８４０に導入される。これにより、洗浄水８４はスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの分離膜を濾過時と逆方向に透過し、第１〜第４の液室８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄに流出する。その後、各液室に流出した洗浄水８４は、濾過時における原水８１の流れと逆の経路をたどり、原水入口８２１より洗浄排水８５として排出される。
【００１３】
第１の液室８０ａに流出した洗浄水８４は、原水入口８２１より洗浄排水８５として外部へ排出され、第２の液室８０ｂに流出した洗浄水８４は、スパイラル型膜エレメント８５０ａの原水流路、第１の液室８０ａおよび原水入口８２１を通して外部へ排出される。第３の液室８０ｃに流出した洗浄水８４は、スパイラル型膜エレメント８５０ｂの原水流路を通して第２の液室８０ｂに流入し、その後第２の液室８０ｂに流出した洗浄水８４と同様の経路をたどり外部へ排出される。第４の液室８０ｄに流出した洗浄水８４は、スパイラル型膜エレメント８５０ｃの原水流路を通して第３の液室８０ｃに流入し、その後第３の液室８０ｃに流出した洗浄水８４と同様の経路をたどり外部へ排出される。
【００１４】
なお、逆流洗浄時において、濃縮水出口８２２はその外部で液体流路がバルブなどにより閉鎖されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の濾過処理時においては、原水１の供給口および濃縮水の排出口がそれぞれ一箇所であり、直列ベッセル８８０内部での流体の流れは上述の通りである。この場合、原水１がスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃおよび第１〜第４の液室８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄを通過するときの圧力損失が大きく、直列ベッセル８８０内部への原水供給時に高圧力が必要とされる。
【００１６】
逆流洗浄時においては、スパイラル型膜エレメントの分離膜内部の圧力分布にばらつきが生じる。この場合、昇圧された洗浄水８４が外部に排出されるまでに受ける圧力損失は、洗浄水８４が流出する液室により異なる。例えば、第１の液室に流出した洗浄水８４は、直接的に原水入口８２１へ流れるため圧力損失が低い。これに対し、第４の液室に流出した洗浄水８４は、複数のスパイラル型膜エレメントおよび液室を通過するため、各スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃおよび第１〜第４の液室８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄの通過時における圧力損失が高い。このような圧力損失の差異は、第２の液室８０ｂおよび第３の液室８０ｃに流出した洗浄水８４についても同様である。
【００１７】
以上に示す圧力損失の差異によれば、個々のスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの分離膜に対し、均一な背圧を与えることが困難となる。さらに、１つのスパイラル型膜エレメント内部においても、原水流路での圧力損失により、膜面にかかる背圧は長手方向に不均一となっている。
【００１８】
不均一な背圧による洗浄は、スパイラル型膜エレメントの分離膜の膜面への汚染物質の堆積や透過流束の低下という問題を生じる場合がある。このような場合、逆流洗浄を短期の間隔で定期的に行うことにより透過流束の低下を防ぐ必要がある。また、透過流束の低下が大きい場合には、薬品洗浄を行うことにより透過流束の維持させる必要がある。
【００１９】
しかしながら、頻繁な逆流洗浄は、洗浄排水の増加および回収率の低下の原因となる。また、薬品洗浄は、薬品洗浄排水の処理および薬品コストなどの問題を抱えており好ましくない。
【００２０】
本発明の目的は、複数の膜エレメントの濾過処理時および逆流洗浄時に、運転条件を均一化することにより効果的な洗浄が可能であり、長期間にわたり高い透過流束と安定した透過液質を維持しつつ安定した濾過運転を行うことが可能な複数の膜エレメントを直列に装填可能なベッセルを備えた膜モジュールおよびその運転方法を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００２８】
本発明に係る膜モジュールは、液が流入および流出可能な両端面をそれぞれ有しかつ集水管をそれぞれ有する複数の膜エレメントと、複数の膜エレメントが直列に装填されるベッセルとを備え、複数の膜エレメントの集水管は直列に連結され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成され、ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有し、複数の第１の液出入口にそれぞれ並列に接続される複数の第１の配管部分と、被処理液を貯留する被処理液貯槽と、濾過運転時に、被処理液貯槽に貯留された被処理液を複数の第１の配管部分を通して複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給する濾過用ポンプと、第２の液出入口に接続される第２の配管部分と、濾過運転時に、第２の液出入口から第２の配管部分を通して取り出される透過液を貯留する透過液貯槽とをさらに備えたものである。
【００２９】
本発明に係る膜モジュールにおいては、複数の膜エレメントがベッセルに直列に装填され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成される。ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有する。
濾過運転時に、濾過用ポンプにより被処理液貯槽に貯留された被処理液が複数の第１の配管部分を通して複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給され、複数の膜エレメントにそれぞれ供給される。複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液は、第２の液出入口から第２の配管部分を通して取り出され、透過液貯槽に貯留される。
【００３０】
この場合、濾過運転時に、液体の移動に伴う圧力損失が低減されるので、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００３３】
膜モジュールは、第２の配管部分に合流するように接続される第３の配管部分と、洗浄処理時に、透過液貯槽に貯留された透過液を第３の配管部分および第２の配管部分を通して第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管に供給する洗浄用ポンプと、洗浄処理時に、複数の第１の液出入口から複数の第１の配管部分を通して取り出された洗浄液を排出する第４の配管部分とをさらに備えてもよい。
【００３４】
この場合、洗浄処理時に、透過液貯槽に貯留された洗浄液が第３の配管部分および第２の配管部分を通して第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給され、複数の第１の液出入口から複数の第１の配管部分を通して取り出された洗浄液が第４の配管部分を通して排出される。
【００３５】
これにより、洗浄処理時に液体の移動に伴う圧力損失が低減され、逆流洗浄が効果的に行われる。
【００３６】
膜モジュールは、洗浄処理時に、第２の配管部分に気体を供給する第５の配管部分をさらに備えてもよい。
【００３７】
この場合、洗浄処理時に、気体が第５の配管部分および第２の配管部分を通して第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給される。これにより、膜エレメントの膜面に堆積した汚れが気体により持ち上げられ、複数の第１の液出入口から排出されることにより効果的な洗浄処理が行われる。
【００３８】
ベッセルは、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから濃縮液が導出される液室に連通する第３の液出入口をさらに有してもよい。
【００３９】
この場合、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから液室に導出される濃縮液は第３の液出入口によりベッセルから取り出される。これにより、濾過運転時において、クロスフロー濾過が可能となり、ベッセル内部の膜エレメントに対しフラッシング洗浄を行うことも可能となる。また、膜エレメントを透過しない液体の流れを作ることができるので、全量濾過運転時に比べ被処理液による膜エレメントへの汚れの堆積が低減される。
【００４３】
本発明に係る膜モジュールの運転方法は、液が流入および流出可能な両端面をそれぞれ有しかつ集水管をそれぞれ有する複数の膜エレメントと、複数の膜エレメントが直列に装填されるベッセルとを備える膜エレメントの運転方法であって、複数の膜エレメントの集水管は直列に連結され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成され、ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有し、濾過運転時に、被処理液を複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を第２の液出入口から取り出すものである。
【００４４】
本発明に係る膜モジュールの運転方法においては、ベッセルに複数の膜エレメントが直列に装填され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成される。ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有する。
濾過運転時に、被処理液が複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給され、複数の膜エレメントにそれぞれ供給される。複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液は、第２の液出入口から取り出される。
【００４５】
この場合、濾過運転時に、液体の移動に伴う圧力損失が低減されるので、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００４６】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に洗浄液を供給し、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液を複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出してもよい。
【００４７】
この場合、洗浄処理時に、洗浄液が第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給され、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液が複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出される。これより、液体の移動に伴う圧力損失が低減されるので、逆流洗浄が効果的に行われる。
【００４８】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に気体を供給してもよい。
【００４９】
この場合、洗浄処理時に、気体が第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給される。これにより、膜エレメントの膜面に堆積した汚れが気体により持ち上げられ、複数の第１の液出入口から排出されることにより効果的な洗浄処理が行われる。
【００５０】
ベッセルは、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから濃縮液が導出される液室に連通する第３の液出入口を有し、洗浄処理時に、複数の第１の液出入口から洗浄液をそれぞれ供給し、複数の膜エレメントの膜面を平行に流れた洗浄液を第３の液出入口から取り出してもよい。
【００５１】
この場合、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから液室に導出される濃縮液は第３の液出入口によりベッセルから取り出され、洗浄液は複数の第１の液出入口から供給され、複数の膜エレメントの膜面を平行に流れた洗浄液は第３の液出入口から取り出される。
【００５２】
これにより、濾過運転時において、クロスフロー濾過が可能となり、膜エレメントを透過しない液体の流れを作ることができるので、全量濾過運転時に比べ被処理液による膜エレメントへの汚れの堆積が低減される。
【００５３】
また、フラッシング洗浄時において、膜エレメントの膜面の洗浄時において、複数の膜エレメントの膜面に堆積した汚れが、膜面を平行に流れる洗浄液と膜面とのせん断力により分離される。ここで、当該動作前に気体を気体供給系により第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントに供給した場合、更なる洗浄効果が得られる。
【００５４】
複数の膜エレメントは、集水管の外周面に袋状の分離膜が巻回されてなりかつ０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能なスパイラル型膜エレメントであってもよい。
【００５５】
これにより、スパイラル型膜エレメントの膜面の洗浄時においては０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能であるため、必要量の洗浄が効率よく、短時間に行われる。
【００５６】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で洗浄液を供給し、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液を複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出されてもよい。
【００５７】
この場合、洗浄処理時に洗浄液は第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で供給され、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液は複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出される。
【００５８】
これにより、スパイラル型膜エレメントの膜面の洗浄時においては０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能であるため、必要量の洗浄が効率よく、短時間に行われる。そのうえ、洗浄処理については複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液が複数の第１の液出入口から取り出されるため、液体の移動に伴う圧力損失が低減される。そして、圧力損失の低減により洗浄処理が効果的に行われ、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００５９】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で気体を供給してもよい。
【００６０】
この場合、気体は、第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で供給される。
【００６１】
これにより、膜エレメントの膜面に堆積した汚れが気体により持ち上げられ、これを流すことにより効果的な洗浄処理が行われる。そして、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００６２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態に係る直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。
【００６３】
図１において、膜モジュール１００は、直列ベッセル１８０およびスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃにより構成される。直列ベッセル１８０は、筒状ケーシング１０の両端を端板１１，１２により封止した構造を有する。なお、筒状ケーシング１０には一端部側から所定間隔で複数の原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが設けられ、他端部近傍に濃縮水出口２２が設けられている。また、端板１１の中央部には透過水出入口２３が設けられ、端板１２の中央部には透過水出入口２４が設けられている。
【００６４】
直列ベッセル１８０内部には、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃが装填されており、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの集水管４０はコネクタ４１により直列に連結されている。さらに、両側のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｃの集水管４０端部は、端板１１，１２に設けられた透過水出入口２３，２４にそれぞれ嵌合されている。また、３つのスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃと筒状ケーシング１０との間には、それぞれパッキン３０が設けられている。これにより、直列ベッセル１８０の内部は第１の液室１０ａ、第２の液室１０ｂ、第３の液室１０ｃおよび第４の液室１０ｄに分割される。
【００６５】
スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの各々は、後述するように、０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能な背圧強度を有する。
【００６６】
ここで、上述の原水入口２１ａは第１の液室１０ａと外部とを連通させ、原水入口２１ｂは第１の液室１０ｂと外部とを連通させ、原水入口２１ｃは第１の液室１０ｃと外部とを連通させ、濃縮水出口２２は第４の液室１０ｄと外部とを連通させるように設けられている。
【００６７】
図１に示すように、膜モジュール１００の濾過時において、原水１は原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから直列ベッセル１８０内部の第１〜第３の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃにそれぞれ供給される。
【００６８】
原水入口２１ａを通して第１の液室１０ａに供給された原水１は、スパイラル型膜エレメント５０ａの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ａ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ａの他方の端面から第２の液室１０ｂに流出する。その後、第２の液室１０ｂに流入した原水１は同様にスパイラル型膜エレメント５０ｂおよび第３の液室１０ｃを通過し、さらにスパイラル型膜エレメント５０ｃを通過して第４の液室１０ｄに流入する。第４の液室１０ｄに流入した原水１は濃縮水２として濃縮水出口２２から排出される。
【００６９】
原水入口２１ｂを通して第２の液室１０ｂに供給された原水１は、スパイラル型膜エレメント５０ｂの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ｂ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ｂの他方の端面から第３の液室１０ｃに流出する。その後、第３の液室１０ｃに流入した原水１は同様にスパイラル型膜エレメント５０ｃを通過して第４の液室１０ｄに流入し、第４の液室１０ｄに流入した原水１は濃縮水２として濃縮水出口２２から排出される。
【００７０】
原水入口２１ｃを通して第３の液室１０ｃに供給された原水１は、スパイラル型膜エレメント５０ｃの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ｃ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ｃの他方の端面から第４の液室１０ｄに流出する。第４の液室１０ｄに流入した原水１は濃縮水２として濃縮水出口２２から排出される。
【００７１】
これらの過程で、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜を透過した水は集水管４０を通り直列ベッセル１８０の両端に設けられた透過水出入口２３，２４から透過水３として排出される。上記において、原水１の全量濾過を行う場合は、濃縮水出口２２はなくてもよい。
【００７２】
ここで、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの構造および濾過時の動作についてスパイラル型膜エレメント５０ａを例に挙げて、図１および図２に基づき説明する。
【００７３】
図２（ａ）は、スパイラル型膜エレメントの構造および濾過時におけるスパイラル型膜エレメントの動作を示す切欠き斜視図である。
【００７４】
図２（ａ）に示すように、スパイラル型膜エレメント５０ａは、合成樹脂のネットからなる透過水スペーサ４３の両面に分離膜４２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）４４を形成し、その封筒状膜４４の開口部を集水管４０に取り付け、合成樹脂のネットからなる原水スペーサ４５とともに集水管４０の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。スパイラル型膜エレメント５０ａの外周面は外装材で被覆される。なお、分離膜４２の構造については後述する。
【００７５】
スパイラル型膜エレメント５０ａの濾過時には、図２（ａ）に示すように、原水入口２１ａ（図１）を通して供給された原水１が筒状ケーシング１０（図１）内部の第１の液室１０ａ（図１）に導入される。そして、原水１はスパイラル型膜エレメント５０ａの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ａの内部に供給される。この原水１は原水スペーサ４５に沿って集水管４０と平行な方向に直線状に流れ、スパイラル型膜エレメント５０ａの他方の端面から第２の液室１０ｂ（図１）に排出される。
【００７６】
ここで、他のスパイラル型膜エレメント５０ｂ，５０ｃは、いずれも上述のスパイラル型膜エレメント５０ａと同様の構造を有する。なお、スパイラル型膜エレメント５０ｂは原水入口２１ｂより得られる原水１を濾過し、、スパイラル型膜エレメント５０ｃは原水入口２１ｃより得られる原水１を濾過する。
【００７７】
このような、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの濾過処理により、原水１に含まれる汚染物質が除去される。
【００７８】
本発明に係る直列ベッセル１８０を用いた膜モジュール１００によれば、原水１の濾過処理時に、原水が複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ同時に供給されるため、複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを通過することにより発生する過大な圧力損失が抑制される。そして、直列ベッセル１８０内部へ原水１を供給するために高圧力ポンプなどの高圧力供給手段が必要とされない。
【００７９】
また、原水が複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ同時に供給されることにより、それぞれのスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃ間で膜面に堆積する汚染物質の堆積量がほぼ均一となる。
【００８０】
上記に示す膜モジュール１００の濾過時には、原水１中に含まれる懸濁物質、コロイド性物質または溶存性物質は、汚染物質としてスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の膜面に堆積する。膜面の汚れは、透過流束を低下させ、濾過処理の効率を低下させる。これに対し、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の膜面に付着した汚れを回収するため、各種洗浄が行われる。以下に、直列ベッセル１８０内部のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの各種洗浄時について説明する。
【００８１】
直列ベッセル１８０の内部のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄時においては、ポンプなどにより昇圧された洗浄水４は、透過水出入口２３，２４から集水管４０に導入される。これにより、集水管４０に供給された洗浄水４は、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃのそれぞれの分離膜を濾過時と逆方向に透過し、第１〜第４の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに流出する。
【００８２】
第１〜第４の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに流出した洗浄水４は、洗浄排水５としてそれぞれ原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから外部へ排出される。
【００８３】
第１の液室１０ａに流出した洗浄水４は原水入口２１ａより洗浄排水５として外部へ排出され、第２の液室１０ｂに流出した洗浄水４は原水入口２１ｂより洗浄排水５として外部へ排出され、第３の液室１０ｃに流出した洗浄水４は原水入口２１ｃより洗浄排水８５として外部へ排出される。第４の液室１０ｄに流出した洗浄水４は、スパイラル型膜エレメント５０ｃの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ｃ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ｃの他方の端面から第３の液室１０ｃに流入し、原水入口２１ｃを通して洗浄排水５として排出される。
【００８４】
また、逆流洗浄時において、濃縮水出口２２はその外部でバルブなどにより閉塞されている。
【００８５】
ここで、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄時の動作についてスパイラル型膜エレメント５０ａを例に挙げて図１および図２に基づき説明する。
【００８６】
図２（ｂ）は、スパイラル型膜エレメントの構造および逆流洗浄時におけるスパイラル型膜エレメントの動作を示す切欠き斜視図である。スパイラル型膜エレメント５０ａの構造は上述の通りであり、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃについても同様である。
【００８７】
スパイラル型膜エレメント５０ａの逆流洗浄時には、図２（ｂ）に示すように、透過水出入口２３，２４（図１）より集水管４０を通して供給された洗浄水４が封筒状膜（袋状膜）４４内部に導入される。封筒状膜４４内部に導入された洗浄水４は、分離膜４２を濾過時と逆方向に透過し原水流路へと流出する。このとき、原水流路側の膜面に堆積した汚染物質が押し出される。流出した洗浄水４は押し出された汚染物質とともに原水スペーサ４５に沿って集水管４０と平行な方向に直線状に流れ、スパイラル型膜エレメント５０ａの端面から第１の液室１０ａ（図１）または、第２の液室１０ｂ（図１）に排出される。排出された洗浄液は、上述の通り原水入口２１ａ，２１ｂより外部へ排出される。
【００８８】
ここで、他のスパイラル型膜エレメント５０ｂ，５０ｃは、いずれも上述のスパイラル型膜エレメント５０ａと同様な動作を行う。
【００８９】
このような、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄により、濾過時にスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの膜面に堆積した汚染物質が流し出される。
【００９０】
以上において、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃに設けられた分離膜４２（図２）は、逆流洗浄時に０．０５ＭＰａよりも高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄ができるため、短時間に必要量の洗浄水４を流すことが可能である。
【００９１】
本発明に係る直列ベッセル１８０の構造によれば、逆流洗浄時に複数のスパイラル型膜エレメントにおいて膜面を透過した洗浄水が、それぞれのスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃ近傍に設けられた複数の原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃより排出するため洗浄水４が複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを通過する必要がない。これにより、複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの通過や複数のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの原水流路の通過により発生する過大な圧力損失が防止でき、集水管４０内部へ洗浄水４を供給するために高圧力ポンプなどの高圧力供給手段が必要とされない。
【００９２】
さらに、各液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ内部での圧力がほぼ均一となるため、個々のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の膜面に対し均一な背圧を与えることが可能となる。そして、不均一な圧力分布により生じる部分的な膜面の不洗浄が防止できる。
【００９３】
上記に示す逆流洗浄時においては、洗浄水４を透過水出入口２３，２４から集水管４０へ供給する際に、透過水出入口２３または透過水出入口２４のいずれかより、０．３ＭＰａ以下の空気７を注入し、封筒状膜４４内部より分離膜４２全面に有効な背圧を与えることができる。これにより、膜面に堆積した汚染物質を膜面から浮き上がらせて剥離することができる。なお、膜面を通過した空気７は、第１〜第４の液室より逆流洗浄時の洗浄水４と同一の経路をたどり、原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから外部へ放出される。なお、膜面を通過した空気７は濃縮水出口２２より外部に放出されてもよい。
【００９４】
この場合、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃに設けられた分離膜４２（図２）は、０．０５ＭＰａよりも高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄ができるため、０．３ＭＰａ以下の空気７の注入は、封筒状膜４４に対し、透過水スペーサ４３と分離膜４２との接着部の剥離または分離膜４２の細孔の拡大などの損傷を与えることはない。
【００９５】
その後、洗浄水４による逆流洗浄または、原水１によるフラッシング洗浄を行うことにより、剥離された汚染物質が系外に排出される。なお、洗浄水４による逆流洗浄は、空気７による膜面への背圧操作前に行ってもよい。
【００９６】
直列ベッセル１８０のフラッシング洗浄時においては、昇圧された原水１が、原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから筒状ケーシング１０内部の第１〜第３の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃに供給される。その後、筒状ケーシング１０内部の第１〜第３の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃに流入した原水１は、濾過時と同様に第４の液室１０ｄに流入し、洗浄排水６として濃縮水出口２２より排出される。
【００９７】
分離膜４２の膜面に存在する汚れは、昇圧された原水１の高線速の流束により分離膜４２と原水１との間に生ずるせん断力により流される。
【００９８】
このように、本発明に係る直列ベッセルを用いた膜モジュールおよびその運転方法によれば、確実で効率的な膜面の洗浄が行われ、長期間にわたって高い透過流束を維持しつつ安定した濾過運転が行われる。
【００９９】
なお、以上に示す膜モジュール１００においては、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃに代えてキャピラリー型膜エレメントが用いられてもよい。ただし、この場合、逆流洗浄時の分離膜への背圧などの洗浄条件や運転条件について考慮する必要がある。
【０１００】
図３は、上述のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の断面図である。
【０１０１】
図３に示すように、分離膜４２は、多孔性補強シート（多孔性シート材）４２ａの表面に実質的な分離機能を有する透過性膜体４２ｂが密着一体化されて形成されている。
【０１０２】
透過性膜体４２ｂは、１種類のポリスルホン系樹脂、あるいは２種類以上のポリスルホン系樹脂の混合物、さらにはポリスルホン系樹脂とポリイミド、フッ素含有ポリイミド樹脂等のポリマーとの共重合体、もしくは混合物から形成される。
【０１０３】
多孔性補強シート４２ａは、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド等を素材とする織布、不織布、メッシュ状ネット、発泡焼結シート等から形成されており、製膜性およびコストの面から不織布が好ましい。
【０１０４】
多孔性補強シート４２ａおよび透過性膜体４２ｂは、透過性膜体４２ｂを構成する樹脂成分の一部が多孔性補強シート４２ａの孔の内部に充填された投錨状態で接合されている。
【０１０５】
多孔性補強シート４２ａに裏打ちされた分離膜４２の背圧強度は、０．２ＭＰａを超え、０．４〜０．５ＭＰａ程度に向上した。なお、背圧強度の規定方法については後述する。
【０１０６】
多孔性補強シート４２ａとして不織布を用いて背圧強度を０．２ＭＰａ以上得るためには、不織布の厚みが０．０８〜０．１５ｍｍであり、かつ密度が０．５〜０．８ｇ／ｃｍ3 であることが好ましい。厚みが０．０８ｍｍより薄い場合または密度が０．５ｇ／ｃｍ3 より小さい場合には、補強シートとしての強度が得られず、分離膜４２の背圧強度を０．２ＭＰａ以上確保することが困難である。一方、厚みが０．１５ｍｍより厚くあるいは密度が０．８ｇ／ｃｍ3 より大きい場合には、多孔性補強シート４２ａの濾過抵抗が大きくなったり、不織布（多孔性補強シート４２ａ）への投錨効果が小さくなって透過性膜体４２ｂと不織布との界面で剥離が起こりやすくなる。
【０１０７】
次に、上記の分離膜４２の製造方法について説明する。まず、ポリスルホンに溶媒、非溶媒および膨潤剤を加えて加熱溶解し、均一な製膜溶液を調製する。ここで、ポリスルホン系樹脂は、下記の構造式（化１）に示すように、分子構造内に少なくとも１つの（−ＳＯ2 −）部位を有するものであれば特に限定されない。
【０１０８】
【化１】
【０１０９】
ただし、Ｒは２価の芳香族、脂環族もしくは脂肪族炭化水素基、またはこれらの炭化水素基が２価の有機結合基で結合された２価の有機基を示す。
【０１１０】
好ましくは、下記の構造式（化２）〜（化４）で示されるポリスルホンが用いられる。
【０１１１】
【化２】
【０１１２】
【化３】
【０１１３】
【化４】
【０１１４】
また、ポリスルホンの溶媒としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等を用いることが好ましい。さらに、非溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン等の脂肪族多価アルコール、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の低級脂肪族アルコール、メチルエチルケトン等の低級脂肪族ケトンなどを用いることが好ましい。
【０１１５】
溶媒と非溶媒の混合溶媒中の非溶媒の含有量は、得られる混合溶媒が均一である限り特に制限されないが、通常５〜５０重量％、好ましくは２０〜４５重量％である。
【０１１６】
多孔質構造の形成を促進し、または制御するために用いられる膨潤剤としては、塩化リチウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム等の金属塩、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸等の水溶性高分子またはその金属塩、ホルムアミド等が用いられる。混合溶媒中の膨潤剤の含有量は、製膜溶液が均一である限り特に制限されないが、通常１〜５０重量％である。
【０１１７】
製膜溶液中のポリスルホンの濃度は、通常１０〜３０重量％が好ましい。３０重量％を超えるときは、得られる多孔質分離膜の透水性が実用性に乏しくなり、１０重量％より少ないときは、得られる多孔質分離膜の機械的強度が乏しくなり、充分な背圧強度を得ることができない。
【０１１８】
次に、上記の製膜溶液を不織布支持体上に製膜する。すなわち、連続製膜装置を使用し、不織布等の支持体シートを順次送り出し、その表面に製膜溶液を塗布する。塗布方法としてはナイフコータやロールコータ等のギャップコータを用いて製膜溶液を不織布支持体上に塗布する。例えば、ロールコータを使用する場合は、２本のロールの間に製膜溶液を溜め、不織布支持体上に製膜溶液を塗布すると同時に不織布の内部に充分含浸させ、その後低湿度雰囲気を通過させ、雰囲気中の微量水分を不織布上に塗布した液膜表面に吸収させ、液膜の表面層にミクロ相分離を起こさせる。その後、凝固水槽に浸漬し、液膜全体を相分離および凝固させ、さらに水洗槽で溶媒を洗浄除去する。これにより、分離膜４２が形成される。
【０１１９】
このように、上記の分離膜４２は背圧強度が高いため、本実施の形態に係るスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃにこの分離膜４２を用いた場合、０．０５〜０．３ＭＰａの背圧でスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄を行っても分離膜４２の破損が生じることが防止される。
【０１２０】
【実施例】
以下に示す実施例１，２および比較例１，２では、表１に示す原水を用いて濾過試験を行った。
【０１２１】
【表１】
【０１２２】
［実施例１］
本実施例１では、図４に示す処理システムを用いて濾過試験を行った。
【０１２３】
図４は、図１の膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【０１２４】
図４に示す処理システム３００は、図１の膜モジュール１００、原水１を貯留する貯槽１０１、および膜モジュール１００により得られる透過水３を貯留する貯槽１０２を備えている。
【０１２５】
膜モジュール１００の濾過時には、配管１１１のバルブ１２０および配管１１３のバルブ１２４を開くとともに、配管１１７のバルブ１２２、配管１１８のバルブ１２１、配管１１６のバルブ１２３および配管１１４のバルブ１２５を閉じる。また、供給ポンプ１０３を駆動させ、供給ポンプ１０４を停止する。
【０１２６】
配管１１０を通して貯槽１０１に貯溜された河川水等の原水１は、配管１１１を通して供給ポンプ１０３に与えられ、供給ポンプ１０３により昇圧されて膜モジュール１００へ供給される。濾過時における膜モジュール１００内部の動作は、上述の通りである。
【０１２７】
本実施例１においては、以上に示す処理システム３００を用いて濾過試験を行い、有効濾過圧力を測定した。有効濾過圧力は、図４に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定した内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。なお、本実施例１における濾過運転は全量濾過により行い、濾過流量は１２０Ｌ／ｍｉｎであった。
【０１２８】
ここで、本実施例１において用いたスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの仕様を表２に示す。
【０１２９】
【表２】
【０１３０】
以上に基づき濾過試験を行った結果、有効濾過圧力の測定値は０．１４ＭＰａであった。
【０１３１】
［比較例１］
本比較例１では、図７に示す処理システムを用いて濾過試験を行った。
【０１３２】
図７は、図１０の膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【０１３３】
図７に示す処理システム６００は、膜モジュール８００を除き図４の処理システム３００と同様の構成を有する。
【０１３４】
処理システム６００の膜モジュール８００の濾過時の動作は、膜モジュール８００の動作を除き、上述の実施例１に係る処理システム３００と同様である。
【０１３５】
本比較例１においては、以上に示す処理システム６００を用いて実施例１と同様の濾過試験を行った。有効濾過圧力は、図７に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定された内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。なお、本比較例１における濾過運転は全量濾過により行い、濾過流量は１２０Ｌ／ｍｉｎであった。
【０１３６】
ここで、本比較例１において用いたスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの仕様は実施例１と同様に表２に示す通りである。
【０１３７】
以上に基づき濾過試験を行った結果、有効濾過圧力の測定値は０．２９ＭＰａであった。
【０１３８】
［実施例２］
本実施例２では、実施例１と同様に、図４に示す処理システムを用いて連続通水濾過試験を行った。
【０１３９】
膜モジュール１００の濾過時には、配管１１１のバルブ１２０および配管１１３のバルブ１２４を開くとともに、配管１１７のバルブ１２２、配管１１８のバルブ１２１、配管１１６のバルブ１２３および配管１１４のバルブ１２５を閉じる。また、供給ポンプ１０３を駆動させ、供給ポンプ１０４を停止する。
【０１４０】
配管１１０を通して貯槽１０１に貯溜された河川水等の原水１は、配管１１１を通して供給ポンプ１０３に与えられ、供給ポンプ１０３により昇圧されて膜モジュール１００へ供給される。濾過時における膜モジュール１００内部の動作は、上述の通りである。
【０１４１】
膜モジュール１００により得られた透過水３は、配管１１２を通して貯槽１０２に供給される。
【０１４２】
膜モジュール１００の逆流洗浄時には、配管１１８のバルブ１２１および配管１１４のバルブ１２５を開くとともに、配管１１１のバルブ１２０、配管１１７のバルブ１２２、配管１１６のバルブ１２３および配管１１３のバルブ１２４を閉じる。また、供給ポンプ１０４を駆動させ、供給ポンプ１０３を停止する。
【０１４３】
濾過時に貯槽１０２に貯溜された透過水３は、洗浄水４として配管１１４を通して供給ポンプ１０４へ与えられ、供給ポンプ１０４により昇圧されて配管１１４，１１３，１１２を通して膜モジュール１００へ供給される。逆流洗浄時における膜モジュール１００内部の動作は上述の通りである。膜モジュール１００より排出される洗浄排水５は、配管１１８を通して系外に排出される。
【０１４４】
ここで、本実施例２においては、膜モジュール１００の逆流洗浄時に、配管１１６，１１３，１１２を通して膜モジュール１００に空気７が供給される。この場合、膜モジュール１００内部の空気７の流れは上述の通りである。膜モジュール１００から放出された空気７は、配管１１８を通して系外に排出される。
【０１４５】
膜モジュール１００のフラッシング洗浄時には、配管１１１のバルブ１２０、配管１１７のバルブ１２２および配管１１３のバルブ１２４を開くとともに、配管１１８のバルブ１２１、配管１１６のバルブ１２３および配管１１４のバルブ１２５を閉じる。また、供給ポンプ１０３を駆動させ、供給ポンプ１０４を停止する。
【０１４６】
配管１１０を通して貯槽１０１に貯溜された河川水等の原水１は、配管１１１を通して供給ポンプ１０３に与えられ、供給ポンプ１０３により昇圧されて膜モジュール１００へ供給される。フラッシング洗浄時における膜モジュール１００内部の動作は、上述の通りである。
【０１４７】
本実施例２においては、以上に示す処理システム３００を用いて連続通水濾過試験を行い、１０００時間の連続運転に伴う有効濾過圧力および透過流束の時間的変化を測定した。有効濾過圧力は、図４に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定した内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。
【０１４８】
連続通水濾過試験の開始時に、上記処理システム３００において一定時間の定量濾過運転を行い、その後、透過流束の回復手段として次の手順により上記の各種洗浄を行った。
【０１４９】
濾過運転停止後に膜モジュール１００に対して配管１１６および配管１１２を通して空気７を注入した。空気７の注入による洗浄動作は上述の通りである。その後、透過水４による逆流洗浄を行い、最後にフラッシング洗浄を行った。
【０１５０】
ここで、本実施例２において用いたスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの仕様を表３に示し、運転条件を表４に示す。
【０１５１】
【表３】
【０１５２】
【表４】
【０１５３】
以上に基づき連続通水濾過試験を行った結果、１０００時間にわたり９０％の回収率で安定した運転が可能であった。図５は実施例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示し、図６は実施例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す。
【０１５４】
［比較例２］
本比較例２では、比較例１と同様に、図７に示す処理システムを用いて連続通水濾過試験を行った。
【０１５５】
膜モジュール８００の濾過時、逆流洗浄時およびフラッシング洗浄時の動作は、膜モジュール８００の動作を除き、上述の実施例２に係る処理システム３００と同様である。
【０１５６】
本比較例２においては、以上に示す処理システム６００を用いて実施例２と同様の連続通水濾過試験を行った。有効濾過圧力は、図７に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定された内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。
【０１５７】
連続通水濾過試験の開始時に、上記処理システム６００において一定時間の定量濾過運転を行い、その後、透過流束の回復手段として実施例２と同様に、空気７の注入による洗浄動作、逆流洗浄およびフラッシング洗浄を行った。
【０１５８】
運転条件は実施例２と同様に表４に示した通りである。なお、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの仕様は実施例２と同様に表３に示す通りである。
【０１５９】
以上に基づき連続通水濾過試験を行った結果を図８および図９に示す。
図８は比較例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示し、図９は比較例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す。
【０１６０】
［評価］
上述の実施例１および比較例１において、同一の条件により濾過試験が行われた結果、実施例１による有効濾過圧力の測定値は０．１４ＭＰａであり、比較例１による有効濾過圧力の測定値は０．２９ＭＰａであった。
【０１６１】
全量濾過時においては、膜モジュールを構成するベッセルの構成の差異により有効濾過圧力が大きく変化し、本発明に係る直列ベッセル１８０を用いた膜モジュール１００によれば有効濾過圧力を低減することができた。
【０１６２】
上述の実施例２および比較例２では、同一の条件により連続通水濾過試験が行われており、いずれも９０％の回収率で１０００時間の連続運転が行われている。
【０１６３】
ここで、実施例２および比較例２における濾過運転時間と透過流束との関係を図５および図８に基づき比較する。
【０１６４】
実施例２では、図５に示すように、処理システム３００の試験開始時の透過流束は約３．４（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）であり、時間の経過とともに透過流束がなだらかに低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては透過流束は約１．７（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）となっている。
【０１６５】
これに対し、比較例２では図８において、処理システム６００の試験開始時の透過流束は約２．５（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）であり、時間の経過とともに透過流束が低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては透過流束は約１．３（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）となっている。
【０１６６】
このように、連続運転時において、処理システム３００は処理システム６００と比較して常に高い透過流束を維持していることがわかる。
【０１６７】
次に、実施例２および比較例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を図６および図９に基づき比較する。
【０１６８】
実施例２では、図６に示すように、処理システム３００の試験開始時の有効濾過圧力は約０．０７（ＭＰａ）であり、時間の経過とともに有効濾過圧力がなだらかに低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては有効濾過圧力は約０．１（ＭＰａ）となっている。
【０１６９】
これに対し、比較例２では図９に示すように、処理システム６００の試験開始時の有効濾過圧力は約０．０８（ＭＰａ）であり、時間の経過とともに有効濾過圧力が低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては有効濾過圧力が約０．２３（ＭＰａ）となっている。
【０１７０】
このように、連続運転時において、処理システム３００は処理システム６００と比較して常に低く安定した有効濾過圧力を維持していることがわかる。
【０１７１】
以上に示す通り、図４の処理システム３００は連続運転時に、高い透過流束および低く安定した有効透過圧力を維持することが可能である。これは処理システム３００の膜モジュール１００に用いられる直列ベッセル１８０と処理システム６００の膜モジュール８００に用いられる直列ベッセル８８０との構造の違いによるものと考えられる。つまり、上述の通り直列ベッセル８８０は１個しか有さない原水入口のため濾過時に大きな圧力損失を生じるが、直列ベッセル１８０は３個の原水入口を有するため圧力損失が小さい。このため、洗浄時においても、直列ベッセル１８０を用いた場合には、直列ベッセル８８０を用いた場合と比較して良好な洗浄が行われる。
【０１７２】
また、実施例２では、空気を膜モジュール１００内部へ注入することにより分離膜全体に有効な背圧をかけて膜面上に堆積した汚染物質を浮き上がらせ、直列ベッセル１８０の複数の原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから排出することにより、洗浄排出性が向上しているものと考えられる。その結果、処理システム３００では、連続運転で高い透過流束を維持することができる。
【０１７３】
以上より、処理システム３００を用いて上述の運転方法を行うことにより、長期にわたり安定して良好な濾過運転が可能となる。
【０１７４】
以上に示す実施の形態および実施例においては、原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが第１の液出入口に相当し、透過水出入口２３，２４が第２の液出入口に相当し、濃縮水出口２２が第３の液出入口に相当する。また、配管１１１の分岐した複数の部分が複数の第１の配管部分に相当し、貯槽１０１が被処理液貯槽に相当し、供給ポンプ１０１が濾過用ポンプに相当し、配管１１２，１１３が第２の配管部分に相当し、貯槽１０２が透過液貯槽に相当し、配管１１４が第３の配管部分に相当し、供給ポンプ１０４が洗浄用ポンプに相当し、配管１１８が第４の配管部分に相当し、配管１１６が第５の配管部分に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。
【図２】スパイラル型膜エレメントの構造および濾過時ならびに逆流洗浄時の動作を示す切欠き斜視図である。
【図３】スパイラル型膜エレメントの分離膜の断面図である。
【図４】実施例１，２に係る膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【図５】実施例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示す図である。
【図６】実施例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す図である。
【図７】比較例１，２に係る膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【図８】比較例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示す図である。
【図９】比較例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す図である。
【図１０】従来の直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 原水
２ 濃縮水
３ 透過水
４ 洗浄水
５，６ 洗浄排水
７ 空気
１０ 筒状ケーシング
１１，１２ 端板
２２ 濃縮水出口
２３，２４ 透過水出入口
３０ パッキン
４０ 集水管
４１ コネクタ
４２ 分離膜
４３ 透過水スペーサ
４４ 封筒状膜
４５ 原水スペーサ
１００，８００ 膜モジュール
１８０，８８０ 直列ベッセル
１０１，１０２ 貯槽
１０３，１０４ 供給ポンプ
１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１６，１１７，１１８ 配管
１２０，１２１，１２２，１２３，１２４，１２５ バルブ
３００，６００ 処理システム
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃ スパイラル型膜エレメント
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 液室
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 原水入口
４２ａ 多孔性補強シート
４２ｂ 透過性膜体
ＰＩ１，ＰＩ２ 圧力計
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の膜エレメントを直列に装填可能なベッセルを用いた膜モジュールおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパイラル型膜エレメントまたはキャピラリー型膜エレメントは、超純水の製造プロセス、食品や薬品などの製造プロセスまたは工業液体の処理プロセス等の分野において、懸濁物質、微生物および分子量レベルの不純物の除去や有価物の回収などを目的として広く用いられている。
【０００３】
スパイラル型膜エレメントまたはキャピラリー型膜エレメントを複数直列使用する場合、ベッセル（圧力容器）が必要である。ここで、複数の膜エレメントを直列に装填可能なベッセル（以下直列ベッセルと呼ぶ）は、例えば以下に示す構造を有する。
【０００４】
図１０は、従来の直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。図１０において、膜モジュール８００は、直列ベッセル８８０およびスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃにより構成される。
【０００５】
直列ベッセル８８０は、筒状ケーシング８１０の両端を端板８１１，８１２により封止した構造を有する。なお、筒状ケーシング８１０の一端部近傍に原水入口８２１が設けられ、他端部近傍に濃縮水出口８２２が設けられている。また、端板８１１の中央部に透過水出入口８２３が設けられ、端板８１２の中央部に透過水出入口８２４が設けられている。
【０００６】
直列ベッセル８８０内部には、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃが直列に装填されており、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの集水管８４０はコネクタ８４１により直列に連結されている。さらに、両側のスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｃの集水管８４０端部は、端板８１１，８１２に設けられた透過水出入口８２３，８２４にそれぞれ嵌合されている。また、３つのスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃと筒状ケーシング８１０との間には、それぞれパッキン８３０が設けられている。これにより、直列ベッセル８８０の内部は第１の液室８０ａ、第２の液室８０ｂ、第３の液室８０ｃおよび第４の液室８０ｄに分割される。
【０００７】
ここで、上述の原水入口８２１は第１の液室８０ａと外部とを連通させ、濃縮水出口８２２は第４の液室８０ｄと外部とを連通させるように設けられている。
【０００８】
図１０に示すように、膜モジュール８００の濾過時において、原水８１は原水入口８２１から直列ベッセル８８０内部の第１の液室８０ａに供給され、スパイラル型膜エレメント８５０ａの一方の端面からスパイラル型膜エレメント８５０ａ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント８５０ａの他方の端面から第２の液室８０ｂに流出する。
【０００９】
スパイラル型膜エレメント８５０ａから流出した原水８１は、同様にスパイラル型膜エレメント８５０ｂおよび第３の液室８０ｃを通過し、さらにスパイラル型膜エレメント８５０ｃを通過して第４の液室８０ｄに流入する。第４の液室８０ｄに流入した原水８１は濃縮水８２として濃縮水出口８２２から排出される。この過程で、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの分離膜を透過した水は集水管８４０を通り直列ベッセル８８０の両端に設けられた透過水出入口８２３，８２４から透過水８３として排出される。
【００１０】
上述の濾過時においては、長期間にわたる連続運転または原水の水質などによりスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃに汚染物が付着または堆積する。これらの汚れは濾過速度の低下を引き起こすため、膜モジュール８００においては定期的に各種洗浄が行われる。
【００１１】
以下に代表的な洗浄方法である逆流洗浄時の直列ベッセル８８０内部の流体の流れについて説明する。
【００１２】
直列ベッセル８８０内部のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄時において、ポンプなどにより昇圧された洗浄水８４は、透過水出入口８２３，８２４から集水管８４０に導入される。これにより、洗浄水８４はスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの分離膜を濾過時と逆方向に透過し、第１〜第４の液室８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄに流出する。その後、各液室に流出した洗浄水８４は、濾過時における原水８１の流れと逆の経路をたどり、原水入口８２１より洗浄排水８５として排出される。
【００１３】
第１の液室８０ａに流出した洗浄水８４は、原水入口８２１より洗浄排水８５として外部へ排出され、第２の液室８０ｂに流出した洗浄水８４は、スパイラル型膜エレメント８５０ａの原水流路、第１の液室８０ａおよび原水入口８２１を通して外部へ排出される。第３の液室８０ｃに流出した洗浄水８４は、スパイラル型膜エレメント８５０ｂの原水流路を通して第２の液室８０ｂに流入し、その後第２の液室８０ｂに流出した洗浄水８４と同様の経路をたどり外部へ排出される。第４の液室８０ｄに流出した洗浄水８４は、スパイラル型膜エレメント８５０ｃの原水流路を通して第３の液室８０ｃに流入し、その後第３の液室８０ｃに流出した洗浄水８４と同様の経路をたどり外部へ排出される。
【００１４】
なお、逆流洗浄時において、濃縮水出口８２２はその外部で液体流路がバルブなどにより閉鎖されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の濾過処理時においては、原水１の供給口および濃縮水の排出口がそれぞれ一箇所であり、直列ベッセル８８０内部での流体の流れは上述の通りである。この場合、原水１がスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃおよび第１〜第４の液室８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄを通過するときの圧力損失が大きく、直列ベッセル８８０内部への原水供給時に高圧力が必要とされる。
【００１６】
逆流洗浄時においては、スパイラル型膜エレメントの分離膜内部の圧力分布にばらつきが生じる。この場合、昇圧された洗浄水８４が外部に排出されるまでに受ける圧力損失は、洗浄水８４が流出する液室により異なる。例えば、第１の液室に流出した洗浄水８４は、直接的に原水入口８２１へ流れるため圧力損失が低い。これに対し、第４の液室に流出した洗浄水８４は、複数のスパイラル型膜エレメントおよび液室を通過するため、各スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃおよび第１〜第４の液室８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄの通過時における圧力損失が高い。このような圧力損失の差異は、第２の液室８０ｂおよび第３の液室８０ｃに流出した洗浄水８４についても同様である。
【００１７】
以上に示す圧力損失の差異によれば、個々のスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの分離膜に対し、均一な背圧を与えることが困難となる。さらに、１つのスパイラル型膜エレメント内部においても、原水流路での圧力損失により、膜面にかかる背圧は長手方向に不均一となっている。
【００１８】
不均一な背圧による洗浄は、スパイラル型膜エレメントの分離膜の膜面への汚染物質の堆積や透過流束の低下という問題を生じる場合がある。このような場合、逆流洗浄を短期の間隔で定期的に行うことにより透過流束の低下を防ぐ必要がある。また、透過流束の低下が大きい場合には、薬品洗浄を行うことにより透過流束の維持させる必要がある。
【００１９】
しかしながら、頻繁な逆流洗浄は、洗浄排水の増加および回収率の低下の原因となる。また、薬品洗浄は、薬品洗浄排水の処理および薬品コストなどの問題を抱えており好ましくない。
【００２０】
本発明の目的は、複数の膜エレメントの濾過処理時および逆流洗浄時に、運転条件を均一化することにより効果的な洗浄が可能であり、長期間にわたり高い透過流束と安定した透過液質を維持しつつ安定した濾過運転を行うことが可能な複数の膜エレメントを直列に装填可能なベッセルを備えた膜モジュールおよびその運転方法を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００２８】
本発明に係る膜モジュールは、液が流入および流出可能な両端面をそれぞれ有しかつ集水管をそれぞれ有する複数の膜エレメントと、複数の膜エレメントが直列に装填されるベッセルとを備え、複数の膜エレメントの集水管は直列に連結され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成され、ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有し、複数の第１の液出入口にそれぞれ並列に接続される複数の第１の配管部分と、被処理液を貯留する被処理液貯槽と、濾過運転時に、被処理液貯槽に貯留された被処理液を複数の第１の配管部分を通して複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給する濾過用ポンプと、第２の液出入口に接続される第２の配管部分と、濾過運転時に、第２の液出入口から第２の配管部分を通して取り出される透過液を貯留する透過液貯槽とをさらに備えたものである。
【００２９】
本発明に係る膜モジュールにおいては、複数の膜エレメントがベッセルに直列に装填され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成される。ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有する。
濾過運転時に、濾過用ポンプにより被処理液貯槽に貯留された被処理液が複数の第１の配管部分を通して複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給され、複数の膜エレメントにそれぞれ供給される。複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液は、第２の液出入口から第２の配管部分を通して取り出され、透過液貯槽に貯留される。
【００３０】
この場合、濾過運転時に、液体の移動に伴う圧力損失が低減されるので、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００３３】
膜モジュールは、第２の配管部分に合流するように接続される第３の配管部分と、洗浄処理時に、透過液貯槽に貯留された透過液を第３の配管部分および第２の配管部分を通して第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管に供給する洗浄用ポンプと、洗浄処理時に、複数の第１の液出入口から複数の第１の配管部分を通して取り出された洗浄液を排出する第４の配管部分とをさらに備えてもよい。
【００３４】
この場合、洗浄処理時に、透過液貯槽に貯留された洗浄液が第３の配管部分および第２の配管部分を通して第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給され、複数の第１の液出入口から複数の第１の配管部分を通して取り出された洗浄液が第４の配管部分を通して排出される。
【００３５】
これにより、洗浄処理時に液体の移動に伴う圧力損失が低減され、逆流洗浄が効果的に行われる。
【００３６】
膜モジュールは、洗浄処理時に、第２の配管部分に気体を供給する第５の配管部分をさらに備えてもよい。
【００３７】
この場合、洗浄処理時に、気体が第５の配管部分および第２の配管部分を通して第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給される。これにより、膜エレメントの膜面に堆積した汚れが気体により持ち上げられ、複数の第１の液出入口から排出されることにより効果的な洗浄処理が行われる。
【００３８】
ベッセルは、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから濃縮液が導出される液室に連通する第３の液出入口をさらに有してもよい。
【００３９】
この場合、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから液室に導出される濃縮液は第３の液出入口によりベッセルから取り出される。これにより、濾過運転時において、クロスフロー濾過が可能となり、ベッセル内部の膜エレメントに対しフラッシング洗浄を行うことも可能となる。また、膜エレメントを透過しない液体の流れを作ることができるので、全量濾過運転時に比べ被処理液による膜エレメントへの汚れの堆積が低減される。
【００４３】
本発明に係る膜モジュールの運転方法は、液が流入および流出可能な両端面をそれぞれ有しかつ集水管をそれぞれ有する複数の膜エレメントと、複数の膜エレメントが直列に装填されるベッセルとを備える膜エレメントの運転方法であって、複数の膜エレメントの集水管は直列に連結され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成され、ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有し、濾過運転時に、被処理液を複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を第２の液出入口から取り出すものである。
【００４４】
本発明に係る膜モジュールの運転方法においては、ベッセルに複数の膜エレメントが直列に装填され、各膜エレメントの外周面とベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることによりベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成される。ベッセルは、複数の液室のうち複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有する。
濾過運転時に、被処理液が複数の第１の液出入口から複数の液室に並列に供給され、複数の膜エレメントにそれぞれ供給される。複数の膜エレメントの集水管内に導出される透過液は、第２の液出入口から取り出される。
【００４５】
この場合、濾過運転時に、液体の移動に伴う圧力損失が低減されるので、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００４６】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に洗浄液を供給し、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液を複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出してもよい。
【００４７】
この場合、洗浄処理時に、洗浄液が第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給され、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液が複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出される。これより、液体の移動に伴う圧力損失が低減されるので、逆流洗浄が効果的に行われる。
【００４８】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に気体を供給してもよい。
【００４９】
この場合、洗浄処理時に、気体が第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に供給される。これにより、膜エレメントの膜面に堆積した汚れが気体により持ち上げられ、複数の第１の液出入口から排出されることにより効果的な洗浄処理が行われる。
【００５０】
ベッセルは、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから濃縮液が導出される液室に連通する第３の液出入口を有し、洗浄処理時に、複数の第１の液出入口から洗浄液をそれぞれ供給し、複数の膜エレメントの膜面を平行に流れた洗浄液を第３の液出入口から取り出してもよい。
【００５１】
この場合、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから液室に導出される濃縮液は第３の液出入口によりベッセルから取り出され、洗浄液は複数の第１の液出入口から供給され、複数の膜エレメントの膜面を平行に流れた洗浄液は第３の液出入口から取り出される。
【００５２】
これにより、濾過運転時において、クロスフロー濾過が可能となり、膜エレメントを透過しない液体の流れを作ることができるので、全量濾過運転時に比べ被処理液による膜エレメントへの汚れの堆積が低減される。
【００５３】
また、フラッシング洗浄時において、膜エレメントの膜面の洗浄時において、複数の膜エレメントの膜面に堆積した汚れが、膜面を平行に流れる洗浄液と膜面とのせん断力により分離される。ここで、当該動作前に気体を気体供給系により第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントに供給した場合、更なる洗浄効果が得られる。
【００５４】
複数の膜エレメントは、集水管の外周面に袋状の分離膜が巻回されてなりかつ０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能なスパイラル型膜エレメントであってもよい。
【００５５】
これにより、スパイラル型膜エレメントの膜面の洗浄時においては０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能であるため、必要量の洗浄が効率よく、短時間に行われる。
【００５６】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で洗浄液を供給し、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液を複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出されてもよい。
【００５７】
この場合、洗浄処理時に洗浄液は第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で供給され、複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液は複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出される。
【００５８】
これにより、スパイラル型膜エレメントの膜面の洗浄時においては０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能であるため、必要量の洗浄が効率よく、短時間に行われる。そのうえ、洗浄処理については複数の膜エレメントから複数の液室に導出された洗浄液が複数の第１の液出入口から取り出されるため、液体の移動に伴う圧力損失が低減される。そして、圧力損失の低減により洗浄処理が効果的に行われ、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００５９】
洗浄処理時に、第２の液出入口から複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で気体を供給してもよい。
【００６０】
この場合、気体は、第２の液出入口からベッセル内の複数の膜エレメントの集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で供給される。
【００６１】
これにより、膜エレメントの膜面に堆積した汚れが気体により持ち上げられ、これを流すことにより効果的な洗浄処理が行われる。そして、安定して長期にわたる濾過運転が行われる。
【００６２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態に係る直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。
【００６３】
図１において、膜モジュール１００は、直列ベッセル１８０およびスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃにより構成される。直列ベッセル１８０は、筒状ケーシング１０の両端を端板１１，１２により封止した構造を有する。なお、筒状ケーシング１０には一端部側から所定間隔で複数の原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが設けられ、他端部近傍に濃縮水出口２２が設けられている。また、端板１１の中央部には透過水出入口２３が設けられ、端板１２の中央部には透過水出入口２４が設けられている。
【００６４】
直列ベッセル１８０内部には、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃが装填されており、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの集水管４０はコネクタ４１により直列に連結されている。さらに、両側のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｃの集水管４０端部は、端板１１，１２に設けられた透過水出入口２３，２４にそれぞれ嵌合されている。また、３つのスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃと筒状ケーシング１０との間には、それぞれパッキン３０が設けられている。これにより、直列ベッセル１８０の内部は第１の液室１０ａ、第２の液室１０ｂ、第３の液室１０ｃおよび第４の液室１０ｄに分割される。
【００６５】
スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの各々は、後述するように、０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能な背圧強度を有する。
【００６６】
ここで、上述の原水入口２１ａは第１の液室１０ａと外部とを連通させ、原水入口２１ｂは第１の液室１０ｂと外部とを連通させ、原水入口２１ｃは第１の液室１０ｃと外部とを連通させ、濃縮水出口２２は第４の液室１０ｄと外部とを連通させるように設けられている。
【００６７】
図１に示すように、膜モジュール１００の濾過時において、原水１は原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから直列ベッセル１８０内部の第１〜第３の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃにそれぞれ供給される。
【００６８】
原水入口２１ａを通して第１の液室１０ａに供給された原水１は、スパイラル型膜エレメント５０ａの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ａ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ａの他方の端面から第２の液室１０ｂに流出する。その後、第２の液室１０ｂに流入した原水１は同様にスパイラル型膜エレメント５０ｂおよび第３の液室１０ｃを通過し、さらにスパイラル型膜エレメント５０ｃを通過して第４の液室１０ｄに流入する。第４の液室１０ｄに流入した原水１は濃縮水２として濃縮水出口２２から排出される。
【００６９】
原水入口２１ｂを通して第２の液室１０ｂに供給された原水１は、スパイラル型膜エレメント５０ｂの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ｂ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ｂの他方の端面から第３の液室１０ｃに流出する。その後、第３の液室１０ｃに流入した原水１は同様にスパイラル型膜エレメント５０ｃを通過して第４の液室１０ｄに流入し、第４の液室１０ｄに流入した原水１は濃縮水２として濃縮水出口２２から排出される。
【００７０】
原水入口２１ｃを通して第３の液室１０ｃに供給された原水１は、スパイラル型膜エレメント５０ｃの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ｃ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ｃの他方の端面から第４の液室１０ｄに流出する。第４の液室１０ｄに流入した原水１は濃縮水２として濃縮水出口２２から排出される。
【００７１】
これらの過程で、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜を透過した水は集水管４０を通り直列ベッセル１８０の両端に設けられた透過水出入口２３，２４から透過水３として排出される。上記において、原水１の全量濾過を行う場合は、濃縮水出口２２はなくてもよい。
【００７２】
ここで、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの構造および濾過時の動作についてスパイラル型膜エレメント５０ａを例に挙げて、図１および図２に基づき説明する。
【００７３】
図２（ａ）は、スパイラル型膜エレメントの構造および濾過時におけるスパイラル型膜エレメントの動作を示す切欠き斜視図である。
【００７４】
図２（ａ）に示すように、スパイラル型膜エレメント５０ａは、合成樹脂のネットからなる透過水スペーサ４３の両面に分離膜４２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）４４を形成し、その封筒状膜４４の開口部を集水管４０に取り付け、合成樹脂のネットからなる原水スペーサ４５とともに集水管４０の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。スパイラル型膜エレメント５０ａの外周面は外装材で被覆される。なお、分離膜４２の構造については後述する。
【００７５】
スパイラル型膜エレメント５０ａの濾過時には、図２（ａ）に示すように、原水入口２１ａ（図１）を通して供給された原水１が筒状ケーシング１０（図１）内部の第１の液室１０ａ（図１）に導入される。そして、原水１はスパイラル型膜エレメント５０ａの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ａの内部に供給される。この原水１は原水スペーサ４５に沿って集水管４０と平行な方向に直線状に流れ、スパイラル型膜エレメント５０ａの他方の端面から第２の液室１０ｂ（図１）に排出される。
【００７６】
ここで、他のスパイラル型膜エレメント５０ｂ，５０ｃは、いずれも上述のスパイラル型膜エレメント５０ａと同様の構造を有する。なお、スパイラル型膜エレメント５０ｂは原水入口２１ｂより得られる原水１を濾過し、、スパイラル型膜エレメント５０ｃは原水入口２１ｃより得られる原水１を濾過する。
【００７７】
このような、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの濾過処理により、原水１に含まれる汚染物質が除去される。
【００７８】
本発明に係る直列ベッセル１８０を用いた膜モジュール１００によれば、原水１の濾過処理時に、原水が複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ同時に供給されるため、複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを通過することにより発生する過大な圧力損失が抑制される。そして、直列ベッセル１８０内部へ原水１を供給するために高圧力ポンプなどの高圧力供給手段が必要とされない。
【００７９】
また、原水が複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ同時に供給されることにより、それぞれのスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃ間で膜面に堆積する汚染物質の堆積量がほぼ均一となる。
【００８０】
上記に示す膜モジュール１００の濾過時には、原水１中に含まれる懸濁物質、コロイド性物質または溶存性物質は、汚染物質としてスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の膜面に堆積する。膜面の汚れは、透過流束を低下させ、濾過処理の効率を低下させる。これに対し、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の膜面に付着した汚れを回収するため、各種洗浄が行われる。以下に、直列ベッセル１８０内部のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの各種洗浄時について説明する。
【００８１】
直列ベッセル１８０の内部のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄時においては、ポンプなどにより昇圧された洗浄水４は、透過水出入口２３，２４から集水管４０に導入される。これにより、集水管４０に供給された洗浄水４は、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃのそれぞれの分離膜を濾過時と逆方向に透過し、第１〜第４の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに流出する。
【００８２】
第１〜第４の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに流出した洗浄水４は、洗浄排水５としてそれぞれ原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから外部へ排出される。
【００８３】
第１の液室１０ａに流出した洗浄水４は原水入口２１ａより洗浄排水５として外部へ排出され、第２の液室１０ｂに流出した洗浄水４は原水入口２１ｂより洗浄排水５として外部へ排出され、第３の液室１０ｃに流出した洗浄水４は原水入口２１ｃより洗浄排水８５として外部へ排出される。第４の液室１０ｄに流出した洗浄水４は、スパイラル型膜エレメント５０ｃの一方の端面からスパイラル型膜エレメント５０ｃ内部に流入し、原水流路を通過してスパイラル型膜エレメント５０ｃの他方の端面から第３の液室１０ｃに流入し、原水入口２１ｃを通して洗浄排水５として排出される。
【００８４】
また、逆流洗浄時において、濃縮水出口２２はその外部でバルブなどにより閉塞されている。
【００８５】
ここで、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄時の動作についてスパイラル型膜エレメント５０ａを例に挙げて図１および図２に基づき説明する。
【００８６】
図２（ｂ）は、スパイラル型膜エレメントの構造および逆流洗浄時におけるスパイラル型膜エレメントの動作を示す切欠き斜視図である。スパイラル型膜エレメント５０ａの構造は上述の通りであり、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃについても同様である。
【００８７】
スパイラル型膜エレメント５０ａの逆流洗浄時には、図２（ｂ）に示すように、透過水出入口２３，２４（図１）より集水管４０を通して供給された洗浄水４が封筒状膜（袋状膜）４４内部に導入される。封筒状膜４４内部に導入された洗浄水４は、分離膜４２を濾過時と逆方向に透過し原水流路へと流出する。このとき、原水流路側の膜面に堆積した汚染物質が押し出される。流出した洗浄水４は押し出された汚染物質とともに原水スペーサ４５に沿って集水管４０と平行な方向に直線状に流れ、スパイラル型膜エレメント５０ａの端面から第１の液室１０ａ（図１）または、第２の液室１０ｂ（図１）に排出される。排出された洗浄液は、上述の通り原水入口２１ａ，２１ｂより外部へ排出される。
【００８８】
ここで、他のスパイラル型膜エレメント５０ｂ，５０ｃは、いずれも上述のスパイラル型膜エレメント５０ａと同様な動作を行う。
【００８９】
このような、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄により、濾過時にスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの膜面に堆積した汚染物質が流し出される。
【００９０】
以上において、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃに設けられた分離膜４２（図２）は、逆流洗浄時に０．０５ＭＰａよりも高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄ができるため、短時間に必要量の洗浄水４を流すことが可能である。
【００９１】
本発明に係る直列ベッセル１８０の構造によれば、逆流洗浄時に複数のスパイラル型膜エレメントにおいて膜面を透過した洗浄水が、それぞれのスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃ近傍に設けられた複数の原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃより排出するため洗浄水４が複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを通過する必要がない。これにより、複数の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの通過や複数のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの原水流路の通過により発生する過大な圧力損失が防止でき、集水管４０内部へ洗浄水４を供給するために高圧力ポンプなどの高圧力供給手段が必要とされない。
【００９２】
さらに、各液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ内部での圧力がほぼ均一となるため、個々のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の膜面に対し均一な背圧を与えることが可能となる。そして、不均一な圧力分布により生じる部分的な膜面の不洗浄が防止できる。
【００９３】
上記に示す逆流洗浄時においては、洗浄水４を透過水出入口２３，２４から集水管４０へ供給する際に、透過水出入口２３または透過水出入口２４のいずれかより、０．３ＭＰａ以下の空気７を注入し、封筒状膜４４内部より分離膜４２全面に有効な背圧を与えることができる。これにより、膜面に堆積した汚染物質を膜面から浮き上がらせて剥離することができる。なお、膜面を通過した空気７は、第１〜第４の液室より逆流洗浄時の洗浄水４と同一の経路をたどり、原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから外部へ放出される。なお、膜面を通過した空気７は濃縮水出口２２より外部に放出されてもよい。
【００９４】
この場合、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃに設けられた分離膜４２（図２）は、０．０５ＭＰａよりも高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄ができるため、０．３ＭＰａ以下の空気７の注入は、封筒状膜４４に対し、透過水スペーサ４３と分離膜４２との接着部の剥離または分離膜４２の細孔の拡大などの損傷を与えることはない。
【００９５】
その後、洗浄水４による逆流洗浄または、原水１によるフラッシング洗浄を行うことにより、剥離された汚染物質が系外に排出される。なお、洗浄水４による逆流洗浄は、空気７による膜面への背圧操作前に行ってもよい。
【００９６】
直列ベッセル１８０のフラッシング洗浄時においては、昇圧された原水１が、原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから筒状ケーシング１０内部の第１〜第３の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃに供給される。その後、筒状ケーシング１０内部の第１〜第３の液室１０ａ，１０ｂ，１０ｃに流入した原水１は、濾過時と同様に第４の液室１０ｄに流入し、洗浄排水６として濃縮水出口２２より排出される。
【００９７】
分離膜４２の膜面に存在する汚れは、昇圧された原水１の高線速の流束により分離膜４２と原水１との間に生ずるせん断力により流される。
【００９８】
このように、本発明に係る直列ベッセルを用いた膜モジュールおよびその運転方法によれば、確実で効率的な膜面の洗浄が行われ、長期間にわたって高い透過流束を維持しつつ安定した濾過運転が行われる。
【００９９】
なお、以上に示す膜モジュール１００においては、スパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃに代えてキャピラリー型膜エレメントが用いられてもよい。ただし、この場合、逆流洗浄時の分離膜への背圧などの洗浄条件や運転条件について考慮する必要がある。
【０１００】
図３は、上述のスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの分離膜４２の断面図である。
【０１０１】
図３に示すように、分離膜４２は、多孔性補強シート（多孔性シート材）４２ａの表面に実質的な分離機能を有する透過性膜体４２ｂが密着一体化されて形成されている。
【０１０２】
透過性膜体４２ｂは、１種類のポリスルホン系樹脂、あるいは２種類以上のポリスルホン系樹脂の混合物、さらにはポリスルホン系樹脂とポリイミド、フッ素含有ポリイミド樹脂等のポリマーとの共重合体、もしくは混合物から形成される。
【０１０３】
多孔性補強シート４２ａは、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド等を素材とする織布、不織布、メッシュ状ネット、発泡焼結シート等から形成されており、製膜性およびコストの面から不織布が好ましい。
【０１０４】
多孔性補強シート４２ａおよび透過性膜体４２ｂは、透過性膜体４２ｂを構成する樹脂成分の一部が多孔性補強シート４２ａの孔の内部に充填された投錨状態で接合されている。
【０１０５】
多孔性補強シート４２ａに裏打ちされた分離膜４２の背圧強度は、０．２ＭＰａを超え、０．４〜０．５ＭＰａ程度に向上した。なお、背圧強度の規定方法については後述する。
【０１０６】
多孔性補強シート４２ａとして不織布を用いて背圧強度を０．２ＭＰａ以上得るためには、不織布の厚みが０．０８〜０．１５ｍｍであり、かつ密度が０．５〜０．８ｇ／ｃｍ3 であることが好ましい。厚みが０．０８ｍｍより薄い場合または密度が０．５ｇ／ｃｍ3 より小さい場合には、補強シートとしての強度が得られず、分離膜４２の背圧強度を０．２ＭＰａ以上確保することが困難である。一方、厚みが０．１５ｍｍより厚くあるいは密度が０．８ｇ／ｃｍ3 より大きい場合には、多孔性補強シート４２ａの濾過抵抗が大きくなったり、不織布（多孔性補強シート４２ａ）への投錨効果が小さくなって透過性膜体４２ｂと不織布との界面で剥離が起こりやすくなる。
【０１０７】
次に、上記の分離膜４２の製造方法について説明する。まず、ポリスルホンに溶媒、非溶媒および膨潤剤を加えて加熱溶解し、均一な製膜溶液を調製する。ここで、ポリスルホン系樹脂は、下記の構造式（化１）に示すように、分子構造内に少なくとも１つの（−ＳＯ2 −）部位を有するものであれば特に限定されない。
【０１０８】
【化１】
ただし、Ｒは２価の芳香族、脂環族もしくは脂肪族炭化水素基、またはこれらの炭化水素基が２価の有機結合基で結合された２価の有機基を示す。
【０１１０】
好ましくは、下記の構造式（化２）〜（化４）で示されるポリスルホンが用いられる。
【０１１１】
【化２】
【化３】
【化４】
また、ポリスルホンの溶媒としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等を用いることが好ましい。さらに、非溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン等の脂肪族多価アルコール、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の低級脂肪族アルコール、メチルエチルケトン等の低級脂肪族ケトンなどを用いることが好ましい。
【０１１５】
溶媒と非溶媒の混合溶媒中の非溶媒の含有量は、得られる混合溶媒が均一である限り特に制限されないが、通常５〜５０重量％、好ましくは２０〜４５重量％である。
【０１１６】
多孔質構造の形成を促進し、または制御するために用いられる膨潤剤としては、塩化リチウム、塩化ナトリウム、硝酸リチウム等の金属塩、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸等の水溶性高分子またはその金属塩、ホルムアミド等が用いられる。混合溶媒中の膨潤剤の含有量は、製膜溶液が均一である限り特に制限されないが、通常１〜５０重量％である。
【０１１７】
製膜溶液中のポリスルホンの濃度は、通常１０〜３０重量％が好ましい。３０重量％を超えるときは、得られる多孔質分離膜の透水性が実用性に乏しくなり、１０重量％より少ないときは、得られる多孔質分離膜の機械的強度が乏しくなり、充分な背圧強度を得ることができない。
【０１１８】
次に、上記の製膜溶液を不織布支持体上に製膜する。すなわち、連続製膜装置を使用し、不織布等の支持体シートを順次送り出し、その表面に製膜溶液を塗布する。塗布方法としてはナイフコータやロールコータ等のギャップコータを用いて製膜溶液を不織布支持体上に塗布する。例えば、ロールコータを使用する場合は、２本のロールの間に製膜溶液を溜め、不織布支持体上に製膜溶液を塗布すると同時に不織布の内部に充分含浸させ、その後低湿度雰囲気を通過させ、雰囲気中の微量水分を不織布上に塗布した液膜表面に吸収させ、液膜の表面層にミクロ相分離を起こさせる。その後、凝固水槽に浸漬し、液膜全体を相分離および凝固させ、さらに水洗槽で溶媒を洗浄除去する。これにより、分離膜４２が形成される。
【０１１９】
このように、上記の分離膜４２は背圧強度が高いため、本実施の形態に係るスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃにこの分離膜４２を用いた場合、０．０５〜０．３ＭＰａの背圧でスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの逆流洗浄を行っても分離膜４２の破損が生じることが防止される。
【０１２０】
【実施例】
以下に示す実施例１，２および比較例１，２では、表１に示す原水を用いて濾過試験を行った。
【０１２１】
【表１】
［実施例１］
本実施例１では、図４に示す処理システムを用いて濾過試験を行った。
【０１２３】
図４は、図１の膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【０１２４】
図４に示す処理システム３００は、図１の膜モジュール１００、原水１を貯留する貯槽１０１、および膜モジュール１００により得られる透過水３を貯留する貯槽１０２を備えている。
【０１２５】
膜モジュール１００の濾過時には、配管１１１のバルブ１２０および配管１１３のバルブ１２４を開くとともに、配管１１７のバルブ１２２、配管１１８のバルブ１２１、配管１１６のバルブ１２３および配管１１４のバルブ１２５を閉じる。また、供給ポンプ１０３を駆動させ、供給ポンプ１０４を停止する。
【０１２６】
配管１１０を通して貯槽１０１に貯溜された河川水等の原水１は、配管１１１を通して供給ポンプ１０３に与えられ、供給ポンプ１０３により昇圧されて膜モジュール１００へ供給される。濾過時における膜モジュール１００内部の動作は、上述の通りである。
【０１２７】
本実施例１においては、以上に示す処理システム３００を用いて濾過試験を行い、有効濾過圧力を測定した。有効濾過圧力は、図４に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定した内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。なお、本実施例１における濾過運転は全量濾過により行い、濾過流量は１２０Ｌ／ｍｉｎであった。
【０１２８】
ここで、本実施例１において用いたスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの仕様を表２に示す。
【０１２９】
【表２】
以上に基づき濾過試験を行った結果、有効濾過圧力の測定値は０．１４ＭＰａであった。
【０１３１】
［比較例１］
本比較例１では、図７に示す処理システムを用いて濾過試験を行った。
【０１３２】
図７は、図１０の膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【０１３３】
図７に示す処理システム６００は、膜モジュール８００を除き図４の処理システム３００と同様の構成を有する。
【０１３４】
処理システム６００の膜モジュール８００の濾過時の動作は、膜モジュール８００の動作を除き、上述の実施例１に係る処理システム３００と同様である。
【０１３５】
本比較例１においては、以上に示す処理システム６００を用いて実施例１と同様の濾過試験を行った。有効濾過圧力は、図７に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定された内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。なお、本比較例１における濾過運転は全量濾過により行い、濾過流量は１２０Ｌ／ｍｉｎであった。
【０１３６】
ここで、本比較例１において用いたスパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの仕様は実施例１と同様に表２に示す通りである。
【０１３７】
以上に基づき濾過試験を行った結果、有効濾過圧力の測定値は０．２９ＭＰａであった。
【０１３８】
［実施例２］
本実施例２では、実施例１と同様に、図４に示す処理システムを用いて連続通水濾過試験を行った。
【０１３９】
膜モジュール１００の濾過時には、配管１１１のバルブ１２０および配管１１３のバルブ１２４を開くとともに、配管１１７のバルブ１２２、配管１１８のバルブ１２１、配管１１６のバルブ１２３および配管１１４のバルブ１２５を閉じる。また、供給ポンプ１０３を駆動させ、供給ポンプ１０４を停止する。
【０１４０】
配管１１０を通して貯槽１０１に貯溜された河川水等の原水１は、配管１１１を通して供給ポンプ１０３に与えられ、供給ポンプ１０３により昇圧されて膜モジュール１００へ供給される。濾過時における膜モジュール１００内部の動作は、上述の通りである。
【０１４１】
膜モジュール１００により得られた透過水３は、配管１１２を通して貯槽１０２に供給される。
【０１４２】
膜モジュール１００の逆流洗浄時には、配管１１８のバルブ１２１および配管１１４のバルブ１２５を開くとともに、配管１１１のバルブ１２０、配管１１７のバルブ１２２、配管１１６のバルブ１２３および配管１１３のバルブ１２４を閉じる。また、供給ポンプ１０４を駆動させ、供給ポンプ１０３を停止する。
【０１４３】
濾過時に貯槽１０２に貯溜された透過水３は、洗浄水４として配管１１４を通して供給ポンプ１０４へ与えられ、供給ポンプ１０４により昇圧されて配管１１４，１１３，１１２を通して膜モジュール１００へ供給される。逆流洗浄時における膜モジュール１００内部の動作は上述の通りである。膜モジュール１００より排出される洗浄排水５は、配管１１８を通して系外に排出される。
【０１４４】
ここで、本実施例２においては、膜モジュール１００の逆流洗浄時に、配管１１６，１１３，１１２を通して膜モジュール１００に空気７が供給される。この場合、膜モジュール１００内部の空気７の流れは上述の通りである。膜モジュール１００から放出された空気７は、配管１１８を通して系外に排出される。
【０１４５】
膜モジュール１００のフラッシング洗浄時には、配管１１１のバルブ１２０、配管１１７のバルブ１２２および配管１１３のバルブ１２４を開くとともに、配管１１８のバルブ１２１、配管１１６のバルブ１２３および配管１１４のバルブ１２５を閉じる。また、供給ポンプ１０３を駆動させ、供給ポンプ１０４を停止する。
【０１４６】
配管１１０を通して貯槽１０１に貯溜された河川水等の原水１は、配管１１１を通して供給ポンプ１０３に与えられ、供給ポンプ１０３により昇圧されて膜モジュール１００へ供給される。フラッシング洗浄時における膜モジュール１００内部の動作は、上述の通りである。
【０１４７】
本実施例２においては、以上に示す処理システム３００を用いて連続通水濾過試験を行い、１０００時間の連続運転に伴う有効濾過圧力および透過流束の時間的変化を測定した。有効濾過圧力は、図４に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定した内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。
【０１４８】
連続通水濾過試験の開始時に、上記処理システム３００において一定時間の定量濾過運転を行い、その後、透過流束の回復手段として次の手順により上記の各種洗浄を行った。
【０１４９】
濾過運転停止後に膜モジュール１００に対して配管１１６および配管１１２を通して空気７を注入した。空気７の注入による洗浄動作は上述の通りである。その後、透過水４による逆流洗浄を行い、最後にフラッシング洗浄を行った。
【０１５０】
ここで、本実施例２において用いたスパイラル型膜エレメント５０ａ，５０ｂ，５０ｃの仕様を表３に示し、運転条件を表４に示す。
【０１５１】
【表３】
【表４】
以上に基づき連続通水濾過試験を行った結果、１０００時間にわたり９０％の回収率で安定した運転が可能であった。図５は実施例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示し、図６は実施例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す。
【０１５４】
［比較例２］
本比較例２では、比較例１と同様に、図７に示す処理システムを用いて連続通水濾過試験を行った。
【０１５５】
膜モジュール８００の濾過時、逆流洗浄時およびフラッシング洗浄時の動作は、膜モジュール８００の動作を除き、上述の実施例２に係る処理システム３００と同様である。
【０１５６】
本比較例２においては、以上に示す処理システム６００を用いて実施例２と同様の連続通水濾過試験を行った。有効濾過圧力は、図７に示すように配管１１１に設けられた圧力計ＰＩ１により測定された内部流体の圧力値と配管１１２に設けられた圧力計ＰＩ２により測定された内部流体の圧力値とを減算することにより算出される。
【０１５７】
連続通水濾過試験の開始時に、上記処理システム６００において一定時間の定量濾過運転を行い、その後、透過流束の回復手段として実施例２と同様に、空気７の注入による洗浄動作、逆流洗浄およびフラッシング洗浄を行った。
【０１５８】
運転条件は実施例２と同様に表４に示した通りである。なお、スパイラル型膜エレメント８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃの仕様は実施例２と同様に表３に示す通りである。
【０１５９】
以上に基づき連続通水濾過試験を行った結果を図８および図９に示す。
図８は比較例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示し、図９は比較例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す。
【０１６０】
［評価］
上述の実施例１および比較例１において、同一の条件により濾過試験が行われた結果、実施例１による有効濾過圧力の測定値は０．１４ＭＰａであり、比較例１による有効濾過圧力の測定値は０．２９ＭＰａであった。
【０１６１】
全量濾過時においては、膜モジュールを構成するベッセルの構成の差異により有効濾過圧力が大きく変化し、本発明に係る直列ベッセル１８０を用いた膜モジュール１００によれば有効濾過圧力を低減することができた。
【０１６２】
上述の実施例２および比較例２では、同一の条件により連続通水濾過試験が行われており、いずれも９０％の回収率で１０００時間の連続運転が行われている。
【０１６３】
ここで、実施例２および比較例２における濾過運転時間と透過流束との関係を図５および図８に基づき比較する。
【０１６４】
実施例２では、図５に示すように、処理システム３００の試験開始時の透過流束は約３．４（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）であり、時間の経過とともに透過流束がなだらかに低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては透過流束は約１．７（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）となっている。
【０１６５】
これに対し、比較例２では図８において、処理システム６００の試験開始時の透過流束は約２．５（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）であり、時間の経過とともに透過流束が低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては透過流束は約１．３（ｍ／日／（０．１ＭＰａ）ａｔ２５℃）となっている。
【０１６６】
このように、連続運転時において、処理システム３００は処理システム６００と比較して常に高い透過流束を維持していることがわかる。
【０１６７】
次に、実施例２および比較例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を図６および図９に基づき比較する。
【０１６８】
実施例２では、図６に示すように、処理システム３００の試験開始時の有効濾過圧力は約０．０７（ＭＰａ）であり、時間の経過とともに有効濾過圧力がなだらかに低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては有効濾過圧力は約０．１（ＭＰａ）となっている。
【０１６９】
これに対し、比較例２では図９に示すように、処理システム６００の試験開始時の有効濾過圧力は約０．０８（ＭＰａ）であり、時間の経過とともに有効濾過圧力が低下している。そして、１０００時間経過後の試験終了時においては有効濾過圧力が約０．２３（ＭＰａ）となっている。
【０１７０】
このように、連続運転時において、処理システム３００は処理システム６００と比較して常に低く安定した有効濾過圧力を維持していることがわかる。
【０１７１】
以上に示す通り、図４の処理システム３００は連続運転時に、高い透過流束および低く安定した有効透過圧力を維持することが可能である。これは処理システム３００の膜モジュール１００に用いられる直列ベッセル１８０と処理システム６００の膜モジュール８００に用いられる直列ベッセル８８０との構造の違いによるものと考えられる。つまり、上述の通り直列ベッセル８８０は１個しか有さない原水入口のため濾過時に大きな圧力損失を生じるが、直列ベッセル１８０は３個の原水入口を有するため圧力損失が小さい。このため、洗浄時においても、直列ベッセル１８０を用いた場合には、直列ベッセル８８０を用いた場合と比較して良好な洗浄が行われる。
【０１７２】
また、実施例２では、空気を膜モジュール１００内部へ注入することにより分離膜全体に有効な背圧をかけて膜面上に堆積した汚染物質を浮き上がらせ、直列ベッセル１８０の複数の原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃから排出することにより、洗浄排出性が向上しているものと考えられる。その結果、処理システム３００では、連続運転で高い透過流束を維持することができる。
【０１７３】
以上より、処理システム３００を用いて上述の運転方法を行うことにより、長期にわたり安定して良好な濾過運転が可能となる。
【０１７４】
以上に示す実施の形態および実施例においては、原水入口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが第１の液出入口に相当し、透過水出入口２３，２４が第２の液出入口に相当し、濃縮水出口２２が第３の液出入口に相当する。また、配管１１１の分岐した複数の部分が複数の第１の配管部分に相当し、貯槽１０１が被処理液貯槽に相当し、供給ポンプ１０１が濾過用ポンプに相当し、配管１１２，１１３が第２の配管部分に相当し、貯槽１０２が透過液貯槽に相当し、配管１１４が第３の配管部分に相当し、供給ポンプ１０４が洗浄用ポンプに相当し、配管１１８が第４の配管部分に相当し、配管１１６が第５の配管部分に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。
【図２】スパイラル型膜エレメントの構造および濾過時ならびに逆流洗浄時の動作を示す切欠き斜視図である。
【図３】スパイラル型膜エレメントの分離膜の断面図である。
【図４】実施例１，２に係る膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【図５】実施例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示す図である。
【図６】実施例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す図である。
【図７】比較例１，２に係る膜モジュールを用いた処理システムを示す模式的構成図である。
【図８】比較例２における濾過運転時間とスパイラル型膜エレメントの分離膜を透過する流体の透過流束との関係を示す図である。
【図９】比較例２における濾過運転時間と有効濾過圧力との関係を示す図である。
【図１０】従来の直列ベッセルを用いた膜モジュールの構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 原水
２ 濃縮水
３ 透過水
４ 洗浄水
５，６ 洗浄排水
７ 空気
１０ 筒状ケーシング
１１，１２ 端板
２２ 濃縮水出口
２３，２４ 透過水出入口
３０ パッキン
４０ 集水管
４１ コネクタ
４２ 分離膜
４３ 透過水スペーサ
４４ 封筒状膜
４５ 原水スペーサ
１００，８００ 膜モジュール
１８０，８８０ 直列ベッセル
１０１，１０２ 貯槽
１０３，１０４ 供給ポンプ
１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１６，１１７，１１８ 配管
１２０，１２１，１２２，１２３，１２４，１２５ バルブ
３００，６００ 処理システム
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，８５０ａ，８５０ｂ，８５０ｃ スパイラル型膜エレメント
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 液室
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 原水入口
４２ａ 多孔性補強シート
４２ｂ 透過性膜体
ＰＩ１，ＰＩ２ 圧力計
Claims (11)
- 液が流入および流出可能な両端面をそれぞれ有しかつ集水管をそれぞれ有する複数の膜エレメントと、
前記複数の膜エレメントが直列に装填されるベッセルとを備え、
前記複数の膜エレメントの集水管は直列に連結され、各膜エレメントの外周面と前記ベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることにより前記ベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成され、
前記ベッセルは、前記複数の液室のうち前記複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、前記複数の膜エレメントの前記集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有し、
前記複数の第１の液出入口にそれぞれ並列に接続される複数の第１の配管部分と、
被処理液を貯留する被処理液貯槽と、
濾過運転時に、前記被処理液貯槽に貯留された被処理液を前記複数の第１の配管部分を通して前記複数の第１の液出入口から前記複数の液室に並列に供給する濾過用ポンプと、
前記第２の液出入口に接続される第２の配管部分と、
前記濾過運転時に、前記第２の液出入口から前記第２の配管部分を通して取り出される透過液を貯留する透過液貯槽とをさらに備えたことを特徴とする膜モジュール。 - 前記第２の配管部分に合流するように接続される第３の配管部分と、
洗浄処理時に、前記透過液貯槽に貯留された透過液を前記第３の配管部分および前記第２の配管部分を通して前記第２の液出入口から前記複数の膜エレメントの前記集水管に供給する洗浄用ポンプと、
洗浄処理時に、前記複数の第１の液出入口から前記複数の第１の配管部分を通して取り出された洗浄液を排出する第４の配管部分とをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の膜モジュール。 - 洗浄処理時に、前記第２の配管部分に気体を供給する第５の配管部分をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の膜モジュール。
- 前記ベッセルは、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから濃縮液が導出される液室に連通する第３の液出入口をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜モジュール。
- 液が流入および流出可能な両端面をそれぞれ有しかつ集水管をそれぞれ有する複数の膜エレメントと、前記複数の膜エレメントが直列に装填されるベッセルとを備える膜エレメントの運転方法であって、
前記複数の膜エレメントの集水管は直列に連結され、各膜エレメントの外周面と前記ベッセルの内周面との間にパッキンが設けられることにより前記ベッセル内に互いに分離された複数の液室が形成され、
前記ベッセルは、前記複数の液室のうち前記複数の膜エレメントの一方の端面側の液室にそれぞれ連通する複数の第１の液出入口を有するとともに、前記複数の膜エレメントの前記集水管内に導出される透過液を取り出すための第２の液出入口を有し、
濾過運転時に、被処理液を前記複数の第１の液出入口から前記複数の液室に並列に供給するとともに、前記複数の膜エレメントの前記集水管内に導出される透過液を前記第２の液出入口から取り出すことを特徴とする膜モジュールの運転方法。 - 洗浄処理時に、前記第２の液出入口から前記複数の膜エレメントの前記集水管内に洗浄液を供給し、前記複数の膜エレメントから前記複数の液室に導出された洗浄液を前記複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出すことを特徴とする請求項５記載の膜モジュールの運転方法。
- 洗浄処理時に、前記第２の液出入口から前記複数の膜エレメントの前記集水管内に気体を供給することを特徴とする請求項５または６記載の膜モジュールの運転方法。
- 前記ベッセルは、濾過運転時において最も下流側の膜エレメントから濃縮液が導出される液室に連通する第３の液出入口を有し、
洗浄処理時に、前記複数の第１の液出入口から洗浄液をそれぞれ供給し、前記複数の膜エレメントの膜面を平行に流れた洗浄液を前記第３の液出入口から取り出すことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の膜モジュールの運転方法。 - 前記複数の膜エレメントは、前記集水管の外周面に袋状の分離膜が巻回されてなりかつ０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の背圧で逆流洗浄が可能なスパイラル型膜エレメントであることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の膜モジュールの運転方法。
- 洗浄処理時に、前記第２の液出入口から前記複数の膜エレメントの前記集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で洗浄液を供給し、前記複数の膜エレメントから前記複数の液室に導出された洗浄液を前記複数の第１の液出入口からそれぞれ取り出すことを特徴とする請求項９記載の膜モジュールの運転方法。
- 洗浄処理時に、前記第２の液出入口から前記複数の膜エレメントの前記集水管内に０．０５ＭＰａより高く０．３ＭＰａ以下の圧力で気体を供給することを特徴とする請求項９または１０記載の膜モジュールの運転方法。
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