JP4502450B2 - 浸漬型膜分離装置およびこれを備えた浄水システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は浄水場等で使用される浸漬型膜分離装置およびこれを備えた浄水システムに関し、分離膜の目詰まりを抑制し、効率的に浄水を行えるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
浄水場では、河川、地下水等から取水した原水に、必要に応じて無機系凝集剤を添加し、これを沈殿池および濾過装置で汚濁物（濁質成分）と濾過水とに固液分離し、得られた濾過水を殺菌した後、飲料水として供給している。一方最近では、沈殿池および濾過装置の機能を一体化した浸漬型膜分離装置を採用した浄水システムが開発されている。
浸漬型膜分離装置は、浸漬吸引型中空糸膜モジュール等の分離膜モジュールを膜分離槽内に備えたものであり、この装置によれば、分離膜モジュールによって原水を濾過するとともに、重力によって沈降する原水中の汚濁物を膜分離槽底部の排泥口から取り除くことができる。
このような浸漬型膜分離装置は、沈殿池と濾過装置の機能を一体化したものであるため省スペース化が達成できるとともに、膜分離装置として阻止孔径０．２μｍ以下の中空糸膜からなる中空糸膜モジュール等を使用すると、微生物類を高い割合で除去でき、滅菌工程を省略できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような浸漬型膜分離装置は、濾過処理時に分離膜の目詰まりが発生するため、一定時間の濾過処理後、膜面洗浄を行う必要がある。
目詰まりには、膜面へ微粒子等が堆積する物理的なものと、有機物等が膜面へ吸着する化学的なものがある。物理的な目詰まりは、空気を送って膜を振動させるエアースクラビング処理で比較的容易に取り除くことができるが、有機物の吸着、特に、微生物が排出した粘着性の細胞外物質（生体ポリマー）等が膜に吸着した場合は、次亜塩素酸ナトリウム水溶液やオゾンガスを用いて有機物を酸化分解除去する必要があった。しかし、酸化分解による有機物の除去は手間がかかるうえ、次亜塩素酸ナトリウム等の塩素含有化合物を使用すると、トリハロメタンの生成等水質上好ましくないという問題があった。また、オゾンガスの使用については分離膜素材の選定に制限があった。
【０００４】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、有機物の分離膜への吸着を少なくして膜の目詰まり抑制し、効率的に膜分離を行うことのできる浸漬型膜分離装置および浄水システムを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の浸漬型膜分離装置は、原水を固液分離する分離膜モジュールが膜分離槽内に備えられた浸漬型膜分離装置であり、膜分離槽内には、さらに以下の炭素繊維ユニットが具備されていることを特徴とする浸漬型膜分離装置である。そして、炭素繊維ユニットは、複数本の炭素繊維がシート状に配列された炭素繊維シート状物であり、炭素繊維シート状物は、炭素繊維からなる横糸が互いに略平行にシート状に配列され、これら横糸の配列間隔が横糸の両端部に配された縦糸によって保持されたシート状物であり、前記縦糸がラッセル編みを形成していて、編み目には横糸が通されて固定されている。また、本発明の浄水システムは、上記の浸漬型膜分離装置を備えていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の浄水システムを説明する流れ図である。この浄水システムにおいては、まず、河川、地下水等からの原水を着水池に貯水し、この着水池から原水を取水して浸漬型膜分離装置に導入する。この際、原水中に含まれているアンモニア性窒素や、鉄、マンガン等を酸化除去するために次亜塩素酸ナトリウム等を添加してもよい。ついで、浸漬型膜分離装置において、分離膜による固液分離と沈降濃縮による固液分離を同時に行って、原水を汚濁物（濁質成分）と濾過水に分離する。得られた濾過水は処理水槽に送られ、必要に応じて殺菌剤を注入処理された後、配水池に供給されて飲料水となるが、一部は逆洗水として浸漬型膜分離装置に戻され、分離膜の膜面洗浄に使用される場合もある。また、浸漬型膜分離装置から排出された汚濁物は、通常、脱水処理および天日乾燥の後、適宜処理される。
【０００７】
この浄水システムで使用される浸漬型膜分離装置１０は、図２に示すように、着水池から取水した原水を貯水する膜分離槽１１と、膜分離槽１１内に配置され原水を汚濁物と濾過水に固液分離する吸引型の中空糸膜モジュール１２と、膜分離槽１１の内側に配置され、原水中の有機物を吸着する炭素繊維ユニット１３から概略構成されている。
膜分離槽１１は、その底部１１ａが傾斜した錐体状になっていて、原水中の汚濁物が底部１１ａに沈降しやすいようになっている。そして、底部１１ａの先端に形成された排泥口１１ｂから、沈降した汚濁物を定期的に抜き出せるようになっている。
膜分離槽１１内に配置された中空糸膜モジュール１２は、略平行にシート状に配列された複数本の中空糸膜１２ａと、これら中空糸膜１２ａの両端部を支持する管状支持体１２ｂから構成されている。中空糸膜１２ａは、その両端部が開口状態を維持したまま管状支持体１２ｂの側面と接合されていて、この管状支持体１２ｂには吸引ポンプ１４が接続されている。そして、この吸引ポンプ１４を作動させて膜分離槽１１内の原水を中空糸膜１２ａを通して吸引濾過することによって、吸引ポンプ１４の手前に設けられた気液分離槽１５に濾過水が溜まるようになっている。気液分離槽１５では、濾過水とともに吸引された気泡が濾過水から分離され、排気されるようになっている。
【０００８】
また、膜分離槽１１内の、中空糸膜モジュール１２の下方には、側面に散気孔を有する散気管１６が配置されていて、ポンプ１８から圧縮空気等の気体を送ることによって散気孔から気体を発生して、中空糸膜１２ａの膜面をエアースクラビング処理あるいはこれによって発生する水流によって膜面洗浄できるようになっている。
そして、膜分離槽１１の内側に配置された炭素繊維ユニット１３は、複数本の炭素繊維がシート状に配列された炭素繊維シート状物であり、炭素繊維の有する有機物吸着能によって原水中の有機物をその表面に吸着できるようになっている。図２の浸漬型膜分離装置においてこの炭素繊維シート状物は、その上端部が膜分離槽の内壁に固定治具１７で固定され配置されている。
【０００９】
このような浸漬型膜分離装置１０で原水を固液分離する際には、まず、着水池に貯水されている原水を膜分離槽１１に導入し、ついで、中空糸膜モジュール１２に接続している吸引ポンプ１４を作動させる。すると、膜分離槽１１中の原水は中空糸膜１２ａで濾過され、原水中の濁質成分が中空糸膜１２ａ上に捕らえられる。一方、中空糸膜１２ａを通過した濾過水は気液分離槽１５に導入されて気泡が除かれた後、処理水槽に送られる。この際、定期的に散気管１６から気体を発生させて、中空糸膜１２ａをエアースクラビング処理し、膜面洗浄することが好ましい。
【００１０】
ここで、この浸漬型膜分離装置１０の膜分離槽１１内には炭素繊維ユニット１３が具備されているため、膜分離槽１１内に導入された原水中の有機物の少なくとも一部は、炭素繊維の有する有機物吸着能によって炭素繊維の表面に吸着する。そのため、膜分離槽１１内の原水中における有機物濃度は炭素繊維ユニット１３の表面で高くなり、それ以外の部分では低くなる。そして、このような状態で吸引ポンプ１４を作動させて原水を吸引しても、炭素繊維の表面に吸着した有機物は炭素繊維の表面にとどまり、中空糸膜１２ａの表面まで移動しない。
そのため、吸引濾過する原水の有機物濃度は比較的低い状態に保たれ、濾過時に中空糸膜１２ａの表面に付着する有機物量を小さく抑えることができ、中空糸膜１２ａに有機物が付着することによる目詰まりを抑制できる。したがって、中空糸膜１２ａにかかる負担を低減でき、効率的に原水を濾過できる。
【００１１】
ここで中空糸膜モジュール１２に使用される中空糸膜１２ａとしては、セルロース系、ポリオレフィン系、ポリビニルアルコール系、ＰＭＭＡ系、ポリスルフォン系等の各種材料からなるものが使用でき、外径が２０〜２０００μｍ、孔径が０．０１〜１μｍ、空孔率が２０〜９０％、膜厚が５〜３００μｍであることが好ましい。また、ここで、中空糸膜１２ａの孔径を０．２μｍ以下とすると、原水中の病原性微生物をほぼ完全に膜面で捕らえ、分離することができる。
中空糸膜モジュール１２の形態には特に制限はなく、図２に示した形態の他、中空糸膜１２ａを束にしてケーシング内やハウジングに固定した形態のもの等を使用できる。また、膜分離槽１１内に複数の中空糸膜モジュール１２を配置して、膜面積を大きくし、濾過効率を向上させてもよい。
また、この例では分離膜モジュールとして中空糸膜１２ａを使用した中空糸膜モジュール１２を使用しているが、分離膜の種類は中空糸膜１２ａタイプに限らず、平膜タイプ、管状タイプ、袋状タイプ等の任意の分離膜を使用できる。分離膜の表面に親水化処理が施され、有機物の吸着を抑制できるものを使用してもよい。
【００１２】
炭素繊維シート状物に使用される炭素繊維は、ＰＡＮ系、ピッチ系等の炭素繊維であり、直径１〜２０μｍのフィラメントが１０００〜３２００００本集合したストランド、撚糸等であり、これらの炭素繊維がシート状に配列されたものである。
炭素繊維シート状物の具体例としては、図３に示すように、炭素繊維が互いに略平行にシート状に配列された横糸２１と、これら横糸２１の配列間隔を保持するための縦糸２２から構成されていて、縦糸２２が、図４に示すようにラッセル編みを形成している形態が挙げられる。この例においては、縦糸２２が形成しているラッセル編みの編み目内には横糸２１が１列ずつ通されていて、横糸２１は移動しないように編み目によって固定されている。そして、縦糸２２が形成する連続した編み目によって、横糸２１同士はほぼ一定の間隔を保持して配列されている。この例では横糸２１には、多数の炭素繊維フィラメント２１ａからなるストランドが使用されている。
【００１３】
この例の炭素繊維シート状物においては、縦糸２２は横糸２１に対して略９０°に、かつ、各縦糸２２同士は適宜間隔を有して設けられている。すなわち、縦糸２２は横糸２１の両端部に２列ずつ、横糸２１の中央部に４列、両端部の近傍に１０列ずつ設けられていて、さらにこれらの１０列の縦糸２２と中央部の縦糸２２との間に４列ずつ設けられている。
この炭素繊維シート状物において、横糸２１は、縦糸２２が配されている部分は縦糸２２のラッセル編みによって固定されているが、それ以外の部分には縦糸２２が設けられていないため、外からの力によって容易に揺動できるようになっている。また、この例では、１本の炭素繊維ストランドが所定の長さＬ₁ ずつｎ回折り返されて、（ｎ＋１）列の横糸２１を形成している。
また、ここで使用されている縦糸２２としては、通常の織物や編物に使用される糸を使用でき、特に制限はないが、水中で使用した場合でも酸化や加水分解等の化学反応を起こしにくく劣化しにくいものであることが好ましい。このようなものとしては、例えば、炭素繊維からなる糸や、ポリエステル、ポリエチレン等の樹脂糸等が挙げられる。
【００１４】
このような炭素繊維シート状物は、炭素繊維からなる横糸２１が互いに略平行にシート状に配列され、これら横糸２１の配列間隔が縦糸２２によって保持されているため、炭素繊維フィラメント２１ａ同士がばらばらになったり、絡み合ったりすることがないうえに、炭素繊維の表面積を高く維持している。したがって、膜分離槽１１内で使用する場合にも交換時等の取り扱いが容易で、かつ、炭素繊維と水との接触効率も高く維持でき原水中の有機物を効率的に吸着できる。
また、炭素繊維が規則的に配列した形態であって、かつ、水中等で揺動することができるため、単位体積あたりの炭素繊維密度を高くできるうえに、より効率的に炭素繊維と水とを接触させ有機物を吸着することができる。
そして、この炭素繊維シート状物は横糸２１に対して縦糸２２がラッセル編みを形成している単純な構造であるため、通常のラッセル機を用いて容易に製造することができる。
さらにこの場合、使用する炭素繊維のフィラメント径、１本のストランドや撚糸を形成するフィラメント数、１列の横糸の長さＬ₁ 、横糸の列数（ｎ＋１）等を任意に変化させることによって、炭素繊維の全表面積を任意に調節でき、原水の処理量、汚濁の度合いに応じた所望の有機物吸着能力を有する炭素繊維シート状物を簡単に得ることができる。
【００１５】
また、使用する炭素繊維シート状物の他の形態として、図５に示すように、縦糸２２が横糸２１の一方の端部に１列のみ配されている形態、図６に示すように、横糸２１の両端部に１列ずつ配されている形態、図７に示すように、横糸２１の一方の端部に１列とその近傍に数列配されている形態等が挙げられる。このように、縦糸２２の列数や縦糸２２の位置を変化させることによって、横糸２１の水中での揺動状態を適宜設定することができ、取り扱い易さ等とのバランスを考慮して所望の形態の炭素繊維シート状物を得ることができる。
【００１６】
例えば、図５に示すように横糸２１の一方の端部のみが縦糸２２で固定されていると、それ以外の部分は外部からの水流等の力によって大きく揺動できるため、水中で使用する場合、高い接触効率で水と接触することができ、有機物の吸着効率を高めることができる。また、図６に示すような形態では、横糸２１の両端部が固定されているため、図５に示した形態例よりも横糸２１の揺動幅は小さくなるが、炭素繊維フィラメント２１ａ同士はより絡まりにくく扱い易いものとなる。
図７に示す例では、横糸２１の一方の端部だけでなく、その近傍も固定されているため、横糸２１の揺動が大きく炭素繊維と水との接触効率が高いうえ、より取り扱いやすい形態になっている。
【００１７】
なお、これらの図示例においては、横糸２１は１本のストランドが複数回折り返されて、複数の横糸２１の列を形成しているが、必ずしも横糸２１の各列が糸の折り返しによって連続的に形成されている必要はなく、一列の横糸２１がそれぞれ１本のストランドからなっていてもよい。しかしながら、糸の折り返しによって横糸２１の各列が連続的に形成される方が、炭素繊維シート状物の製造時に横糸２１を取り扱いやすい。
また、炭素繊維ユニット１３は、例示したような炭素繊維シート状物に限定されず、例えば、多数の炭素繊維を束ねた形態や、炭素繊維を支持体に固定した形態等でもよい。また、炭素繊維ユニット１３を設ける位置は、膜分離槽１１内であれば特に制限はない。
【００１８】
このような浸漬型膜分離装置１０によれば、原水を固液分離する分離膜モジュールが膜分離槽１１内に備えられ、この膜分離槽１１内には、さらに炭素繊維ユニット１３が具備されているので、膜分離槽１１内に導入された原水中の有機物の少なくとも一部を、炭素繊維の表面に吸着し、分離膜で濾過する原水の有機物濃度を比較的低い状態に保つことができる。そのため、濾過時に分離膜の表面に付着する有機物量を小さく抑え、分離膜に有機物が付着することによる目詰まりを抑制できる。よって、分離膜にかかる負担を低減させることができるとともに、膜面の逆洗等のメンテナンスを行う頻度を少なくでき、非常に効率的に浄水を行うことができる。
また炭素繊維ユニット１３として、複数本の炭素繊維がシート状に配列された炭素繊維シート状物を使用することによって、炭素繊維フィラメント１１同士がばらばらになったり、絡み合ったりすることを防ぎ、かつ、炭素繊維の表面積を高く維持できる。よって、交換等の取り扱いが容易であるうえに、炭素繊維と水との接触効率も高く維持でき原水中の有機物を効率的に吸着できる。
【００１９】
さらに、炭素繊維シート状物として、炭素繊維からなる横糸２１が互いに略平行にシート状に配列され、これら横糸２１の配列間隔が１列以上の縦糸２２によって保持されたシート状物であり、さらに、この縦糸２２がラッセル編みを形成していて、編み目には横糸２１が通されて固定されているものを使用すると、この炭素繊維シート状物は、炭素繊維が規則的に配列した形態であって、かつ、水中で揺動することができるため、単位体積あたりの炭素繊維密度を高くできるとともに、より効率的に有機物を吸着することができる。
したがって、このような浸漬型膜分離装置１０を備えた浄水システムによれば、分離膜の目詰まりを抑制し、効率的に浄水を行うことができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の浸漬型膜分離装置によれば、原水の濾過時に分離膜の表面に付着する有機物量を小さく抑え、分離膜に有機物が付着することによる目詰まりを抑制できる。よって、分離膜にかかる負担を低減させることができるとともに、膜面の逆洗等のメンテナンスを行う頻度を少なくできる。よって、この浸漬型膜分離装置を用いた本発明の浄水システムによれば、非常に効率的に浄水を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 浄水システムを説明する流れ図である。
【図２】 浸漬型膜分離装置の一形態を示す概略構成図である。
【図３】 炭素繊維シート状物の一形態を示す平面図である。
【図４】 図３の炭素繊維シート状物の端部を示す拡大平面図である。
【図５】 炭素繊維シート状物の他の形態を示す平面図（参考図）である。
【図６】 炭素繊維シート状物の他の形態を示す平面図である。
【図７】 炭素繊維シート状物の他の形態を示す平面図（参考図）である。
【符号の説明】
１０・・・浸漬型膜分離装置、１１・・・膜分離槽、１３・・・炭素繊維ユニット、２１・・・横糸、２２・・・縦糸

Claims (2)

1. 原水を固液分離する分離膜モジュールが膜分離槽内に備えられた浸漬型膜分離装置であり、膜分離槽内には、さらに以下の炭素繊維ユニットが具備されていることを特徴とする浸漬型膜分離装置。
   炭素繊維ユニットは、複数本の炭素繊維がシート状に配列された炭素繊維シート状物であり、前記炭素繊維シート状物は、炭素繊維からなる横糸が互いに略平行にシート状に配列され、前記横糸の配列間隔が横糸の両端部に配された縦糸によって保持されたシート状物であり、前記縦糸がラッセル編みを形成していて、編み目には前記横糸が通されて固定されている。
2. 請求項１に記載の水処理装置を備えていることを特徴とする水処理システム。

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