JP4524361B2

JP4524361B2 - 膜ろ過方法および膜ろ過装置

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Publication number: JP4524361B2
Application number: JP2001304337A
Authority: JP
Inventors: 民行江口; 紫朗丹宗; 尚樹村上
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003103150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜ろ過方法および膜ろ過装置、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膜ろ過方法および膜ろ過装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、膜モジュールを被処理液に浸漬し、空気泡の浮力を利用しながらろ過するクロスフローろ過方式（例えば、特開昭６１−１２９０９４号公報参照。このろ過方式を浸漬型膜ろ過法と通称し、これに使用する膜モジュールを浸漬型膜モジュールと通称している）が、高汚濁液の省エネルギー精密ろ過方式として多方面で利用されるようになっている。この分野では、中空糸膜モジュールと平膜モジュールが専ら使用されており（例えば、財団法人日本環境整備教育センター「膜処理方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〜平成７年度」参照）、管状のろ過膜を用いた管状ろ過膜モジュールに関しては、貯槽から被処理液を外部に取り出し、特別な構造の配管と膜モジュールを用いて浸漬型膜ろ過を行なう、特殊な利用形態に関する出願（特開平９−４７６３９号公報、特開平９−９９２２３号公報）が見られるものの、中空糸膜モジュールや平膜モジュールとの性能比較に関する記載がないだけでなく、実際に使用された報告例も見られない。
【０００３】
なお、浸漬型膜ろ過法は、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ろ過する方法であり、被処理液をポンプなどの機械的循環手段を用いて膜モジュールに対して供給・循環させる限外ろ過法とは明確に区別されるものである。
【０００４】
浸漬型膜ろ過法は、すでに様々な分野へ応用が進められているが、我が国における有力な水質浄化手段、特に、屎尿を含む全ての生活排水（総合生活排水）の有力な浄化手段として、上述の文献にも見られるように、長年に渉って、公的機関が積極的に研究開発を支援している。また、下水道研究発表会講演集、水環境学会年会講演集などの学会発表においても、公的および私的研究機関の積極的な発表が続けられている。そして、これらの成果の一つとして、中空糸膜モジュールや平膜モジュールを用いた浸漬型膜ろ過装置を組み込んだ総合生活排水用の合併浄化槽が開発されるに至っている。
【０００５】
ところで、現在では、生活排水を処理するための浄化槽を新設する場合、単独浄化槽の使用は禁止されている。これは、単独浄化槽が屎尿のみの簡易処理を目的としているため屎尿以外の生活排水の垂れ流し状態を助長する可能性があり、また、単独浄化槽で処理した生活排水の水質が悪く、我が国の水質汚染の元凶になっていると指摘されているためである。このため、現在は、生活排水用の浄化槽として、総合生活排水を処理可能な合併浄化槽の使用が義務づけられている。
【０００６】
一方、単独浄化槽は、既に約７００万個が設置されていると言われており、それを有効活用して総合生活排水を処理可能な合併浄化槽に改良する試みがなされている。例えば、単独浄化槽内に中空糸膜モジュールや平膜モジュールを用いた浸漬型膜ろ過装置を配置し、単独浄化槽による生活排水の処理能力を合併浄化槽レベルに高める試みがなされている。
【０００７】
しかし、中空糸膜モジュールや平膜モジュールは、被処理液中に全体が浸漬された状態でないと被処理液をろ過処理することができない。このため、単独浄化槽において中空糸膜モジュールや平膜モジュールを用いた浸漬型膜ろ過装置を組み込んだ場合、これらのモジュールが被処理液中に浸漬された状態に維持されるよう、単独浄化槽内における被処理液の貯留量を常に高めておく必要がある。ところが、単独浄化槽は、容量が小さいため、被処理液の貯留量を常に高めておくと、浴槽の水を排水した場合等、一時に大量の被処理液が流入した場合に被処理液が溢れ出す可能性がある。これを防止するため、単独浄化槽に流量調整槽を付加し、一時に大量に流入する被処理液を当該流量調整槽で一時的に貯留することも考えられるが、流量調整槽を設置するためのスペースが必要であり、また、そのための工事費用が高額になるため、実現は困難である。
【０００８】
一方、ほとんど未知の状態である管状ろ過膜膜モジュールについては、単独浄化槽への適用について特別な関心が向けられたことはなく、上述の文献等においても発表事例がなかった。本発明者らの推測になるが、その理由として、従来の膜モジュールに対するろ過性能上の差異が不明瞭であるだけでなく、浸漬型膜ろ過法が適用される多くの用途が夾雑物を大量に含むために管状ろ過膜自身がこれらによって閉塞すると予想されたことが考えられる。
【０００９】
しかしながら、科学的に管状ろ過膜モジュールの特徴を推測すると、中空糸膜モジュールや平膜モジュールに対する多くの利点が見出される。例えば、
１．すべての空気の流れを、クロスフローの平行流れを大きくするために利用できる。
２．気泡と被処理液の通路が円筒形であるために、物質移動係数が他のモジュール形態に比べて大きく、原理的にフラックス（単位膜面積当たりのろ過流量）が大きい。
３．膜自身が気泡と被処理液の通路を構成するので、モジュール構造がコンパクトになる。
などである。
【００１０】
このように、管状ろ過膜モジュールは、中空糸膜モジュールや平膜モジュールに比べて原理的に優れているものと考えられるが、他のモジュール形態とは異なり、１つの管状ろ過膜内に供給された（押し込まれた）気泡が他の管状ろ過膜に移動することはできないので、管状ろ過膜内に気泡が押し込まれないか、あるいはその流量が小さい管状ろ過膜では、ろ過性能が低下する。したがって、管状ろ過膜モジュールでは、すべての管状ろ過膜に、可能な限り均等に気泡を供給する必要がある。因みに、上記文献（特開平９−４７６３９号公報および特開平９−９９２２３号公報）には、このような管状ろ過膜モジュールに対して気泡を均等に分配することの重要性や、その実現方法が一切述べられていないだけでなく、描かれた図面には、気泡の通路に障害物さえも存在している。
【００１１】
一方、管状ろ過膜モジュールにおいて、１つの管状ろ過膜に押し込まれた気泡が別の管状ろ過膜に移動することができないという短所は、見方を変えると、他のモジュールには見られない長所になり得る。例えば、管状ろ過膜内の被処理液は、管状ろ過膜内に気泡が供給され続けている限り、たとえモジュールの一部が被処理液から露出していても、当該空気泡の浮力により必ず押し出されることを意味している。
【００１２】
本発明の目的は、浸漬型膜ろ過法において、貯留槽内に貯留された被処理液からろ過膜モジュールの一部が露出している場合であっても、被処理液をろ過処理できるようにすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜ろ過方法は、貯留槽内に貯留された被処理液をクロスフローろ過方式によりろ過してろ過液を得るための方法であり、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管状ろ過膜の内径以上の大きさの空気泡を供給する工程を含み、ろ過膜モジュールの一部が被処理液から露出している。
【００１４】
このろ過方法では、ろ過膜モジュールの全長をＬとし、被処理液からのろ過膜モジュールの露出部分の長さをΔＬとした場合のΔＬ／Ｌ値を０．８以下に設定するのが好ましい。
【００１５】
この膜ろ過方法において、ろ過膜モジュールの下方からろ過膜モジュールに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。
【００１６】
上述のような膜ろ過方法において、管状ろ過膜内に供給された空気泡は、他の管状ろ過膜内に移行することなくそのまま当該管状ろ過膜内を上昇する。このため、管状ろ過膜内に供給された被処理液であって管状ろ過膜を内側から外側に通過しない残余の被処理液は、そのまま空気泡と共に管状ろ過膜内を上昇し、ろ過膜モジュールの上端部から溢れ出る。したがって、このろ過方法では、貯留槽において、ろ過膜モジュールの一部が被処理液から露出しているような場合であっても、貯留槽内の被処理液をろ過することができる。
【００２０】
【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膜ろ過装置が採用された膜ろ過システムを説明する。図において、膜ろ過システム１００は、貯留槽１５０と、膜ろ過装置２００とを主に備えている。
【００２１】
貯留槽１５０は、上部に開口を有する容器状に形成されており、内部に被処理液を貯留するためのものである。また、貯留槽１５０には、被処理液の供給路１５１が設けられている。
【００２２】
膜ろ過装置２００は、貯留槽１５０内に配置されたろ過膜モジュール３００、貯留槽１５０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およびろ過液排出経路６００を主に備えている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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ＪＩＳＫ３８０２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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
なお、管状ろ過膜３１０の厚さは、通常、０．１〜０．４ｍｍが好ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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を貯留槽１５０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。
【００４６】
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により貯留槽１５０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、貯留槽１５０の底部から離れて位置している。
【００４７】
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、貯留槽１５０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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、それぞれ貯留槽１５０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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、ろ過膜モジュール３００の排出口３０３から延びている。そして、ろ過液排出経路６００の先端には、吸引ボンプ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。
【００５４】
上述のろ過膜システム１００において、貯留槽１５０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６１０が配置されている。この液面センサー６１０は、吸引ポンプ６０１に接続されており、貯留槽１５０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。
【００５５】
次に、図１を参照して、上述の膜ろ過装置２００を用いた被処理液のろ過処理方法（膜ろ過方法）を説明する。
先ず、貯留槽１５０内に、供給路１５１を通じて、微小ゲル、コロイド成分、微生物などのろ別成分を含む被処理液、例えば、生活排水の活性汚泥処理液を供給して貯留する。この際、貯留槽１５０内における被処理液の液面は、液面センサー６１０の位置ｌ₁と貯留槽１５０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、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。
【００５６】
次に、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。
【００５７】
このようにしてろ過膜モジュール３００に対して供給される空気泡の浮力により、貯留槽１５０内に貯留された被処理液は、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。
【００５８】
以上の結果、貯留槽１５０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通過して自然に循環し、ろ過膜モジュール３００により定速ろ過されることになる。
【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、上述の膜ろ過装置２００を用いた被処理液の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。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６１０よりも上方にある限り）、管状ろ過膜３１０内に供給される空気泡の浮力によって管状ろ過膜３１０内を上昇し、ろ過膜モジュール３００の上端からオーバーフローする。したがって、この膜ろ過方法では、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、貯留槽１５０内における被処理液の液面が上述のように設定されている場合、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、被処理液のろ過処理を実施することができる。
【００６１】
このため、この膜ろ過方法では、被処理液の液面を上述の範囲で変動させながら、被処理液をろ過することができる。この結果、この膜ろ過方法では、貯留槽１５０内に、ろ過膜モジュール３００の全体が被処理液中に浸漬された状態になる程度に被処理液を継続的に貯留しておく必要がないので、通常の膜ろ過時において被処理液の貯留量を少なめに設定しておく（すなわち、ろ過膜モジュール３００の一部が被処理液から露出する程度に設定しておく）ことができる。したがって、この膜ろ過方法は、一時的に大量の被処理液が流入した場合に被処理液が溢れる可能性のある小型の貯留槽１５０（例えば小型の浄化槽）においても、そのような被処理液の流入に備えて被処理液の液面を低めに設定しながら安定に被処理液の膜ろ過処理を実施することができる。
【００６２】
因みに、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、ろ過膜モジュールの全長をＬ、ろ過膜モジュール３００の上端から被処理液の液面ｌまでの距離（すなわち、ろ過膜モジュール３００の露出部分の長さ）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。
【００６３】
ここで、ろ過膜モジュール３００のろ過流量を解析的に説明する。
従来の技術の説明において引用した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、従来のモジュールとして平膜モジュールを解析の比較対象とした。
【００６４】
参考のため、図１３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１４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。
【００６５】
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と同様に貯留槽１５０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。
【００６６】
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。
【００６７】
【表１】

【００６８】
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。
【００６９】
【数１】

【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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）。
【００７３】
【数２】

【００７４】
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、ｄ_i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。
【００７５】
【数３】

【００７６】
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。
【００７７】
【数４】

【００７８】
ここで、ｑ_a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、ｕ_aは換算線速である。ρ_fおよびμ_f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。
【００７９】
【表２】

【００８０】
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。
【００８１】
【数５】

【００８２】
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ρ_f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（ｄ_i）との比（ｄ₀／ｄ_i）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。
【００８３】
次の表３は、被処理液の粘度μ_f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ｄ_i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。
【００８４】
【表３】

【００８５】
また、次の表４は、同じ条件で被処理液の粘度μ_fのみを１００ｍＰａ・ｓに変更した場合の計算結果を示している。
【００８６】
【表４】

【００８７】
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μ_f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ｄ_i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。
【００８８】
【表５】

【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
上述の膜ろ過装置２００およびそれを用いた膜ろ過方法は、活性汚泥液のような高汚濁液のろ過処理用として用いられる場合において特に効果的であるが、そのような高汚濁液だけではなく、河川水のような低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、この膜ろ過装置２００およびそれを用いた膜ろ過方法は、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。
【００９２】
［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６０２を設ける。この均圧パイプ６０２は、貯留槽１５０における被処理液の水位の上限より上（好ましくは、貯留槽１５０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、貯留槽１５０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。
【００９３】
（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、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。
【００９４】
図１５および図１６（図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ断面図）を参照して、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。
【００９５】
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。
【００９６】
なお、図１５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１５では管状ろ過膜３１０の本数を少な目に表現し、また、図１６においては管状ろ過膜３１０の一部のみ表示している。
【００９７】
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１７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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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１８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。
【０１０４】
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１７）。そして、図１８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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
このようなろ過膜モジュール９００を用いて上述の膜ろ過装置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。
【０１０８】
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１５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して自然に循環することになる。
【０１０９】
（３）上述の膜ろ過装置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。
【０１１０】
（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。
【０１１１】
（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１９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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
（６）上述の実施の形態では、ろ過膜モジュール３００と案内筒４００とを接続するためにソケット４０３を用いたが、両者の接続方法はこれに限定されるものではない。例えば、案内筒４００の脚４０２の上端をろ過膜モジュール３００の上端近傍まで延長し、脚４０２の上端からろ過膜モジュール３００に向けて延びる着脱可能なスプリング部材により、ろ過膜モジュール３００を案内筒４００方向に押圧するようにした場合もろ過膜モジュール３００と案内筒４００とを接続することができる。
【０１１５】
（７）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。
【０１１６】
【実施例】
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。
【０１１７】
【表６】

【０１１８】
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膜ろ過装置２００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、膜ろ過装置２００の全長（全高）を１００ｃｍに設定した。
【０１１９】
上述の膜ろ過装置２００を用い、図２０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６０２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６０３を用いて貯留槽１５０に戻すよう設定した。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。以下の実施例において、ろ過流量にはこの定常値を用いている。
【０１２２】
実施例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２１に示す。図２１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。
【０１２３】
図２１によると、ろ過膜モジュールＢの８０％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８０％のろ過流量が維持されていることがわかる。
【０１２４】
実施例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２２に示す。
【０１２５】
図２２によると、ろ過膜モジュールＣの８０％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７０％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。
【０１２６】
実施例３
ろ過膜モジュールＡを用いて実施例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。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明の膜ろ過方法は、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しているので、貯留槽内に貯留された被処理液からろ過膜モジュールの一部が露出している場合であっても、被処理液をろ過処理できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る膜ろ過装置が採用された膜ろ過システムの概略図。
【図２】前記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１４】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１５】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１６】前記他の形態のろ過膜モジュールの、図１５のＸＶＩ―ＸＶＩ断面に相当する図。
【図１７】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１８】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１９】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２０】実施例で作成した実験用膜ろ過システムの概略図。
【図２１】実施例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２２】実施例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】
１５０貯留槽
２００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

Claims

貯留槽内に貯留された被処理液をクロスフローろ過方式によりろ過してろ過液を得るための膜ろ過方法であって、
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前記管状ろ過膜の内径以上の大きさの空気泡を供給する工程を含み、
前記ろ過膜モジュールの一部が前記被処理液から露出している、
膜ろ過方法。
前記ろ過膜モジュールの全長をＬとし、前記被処理液からの前記ろ過膜モジュールの露出部分の長さをΔＬとした場合のΔＬ／Ｌ値を０．８以下に設定する、請求項１に記載の膜ろ過方法。