JP4713801B2 - 浸漬型薄膜エレメントおよびモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、通常タンク内に浸漬して薄膜の内孔に作用する吸引力によって濾過透過水を回収するのに利用される形式の中空繊維濾過薄膜のエレメントおよびモジュールに関する。
【０００２】
（背景技術）
本明細書の発明者らは１９９３年９月２８日に登録された米国特許第５，２４８，４２４号に説明される濾過中空繊維薄膜のモジュールを開発した。このモジュールにおいて、中空繊維薄膜は、１対の水平方向に間隔をあけて配置されるヘッダーと流体連通状態にされ、繊維が実質的に水平方向から実質的に垂直方向へと変化する種々の構造のモジュールを形成する。透過水を作り出すために、膜間圧（以下、「ＴＭＰ」という）が繊維の内孔の吸引力によって生じる。
【０００３】
その後、ある程度同じ原理に基づくシェルレス薄膜モジュールが、実質的に垂直方向および水平方向へ延びる中空繊維薄膜を用いて登場した。垂直方向に延びる薄膜を有するシェルレス・モジュールは、１９９７年６月１７日に登録されたＺｅｎｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ社の米国特許第５，６３９，３７３号、１９９８年７月２１日に登録されたＺｅｎｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ社の米国特許第５，７８３，０８３号、および１９９７年１２月１８日に出願されたＭｅｍｔｅｃ Ａｍｅｒｉｃａ社のＰＣＴ公開番号ＷＯ９８／２８０６６号に示されている。これらのモジュールでは、水平方向に間隔をあけて配置されるヘッダーに代わって垂直方向のみに間隔をあけて配置されるヘッダーが用いられている。
【０００４】
水平方向に延びる薄膜を有したシェルレス・モジュールは、例えば、１９９６年１月２日に登録された三菱レーヨン社の米国特許第５，４８０，５５３号、１９９７年８月８日に出願された三菱レーヨン社のヨーロッパ出願公開番号ＥＰ ０，９３１，５８２号、および、論文、荏原製作所のスダ他による「タンク浸漬型薄膜濾過システムの開発」、「淡水化１１９」（１９９８年度版）１５１頁から１５８頁に説明されている。
【０００５】
これらの開発にもかかわらず、薄膜濾過技術は飲料水の生成に関しては普及していない。特定の容量に関してコストが安いことから今でもサンドフィルタが多用されている。例えば、荏原製作所による試験が前述の論文に報告されている。これによると長期にわたって安定した運転が達成できたが、タンク空塔（superficial）速度（単位ｍ^３／ｈにおける透過水の流量を単位ｍ^２におけるタンクフットプリントで除算）は約１．７ｍ／ｈに過ぎなかった。これに対して典型的なサンドフィルタシステムのタンク空塔速度は、５ｍ／ｈから１０ｍ／ｈであり、大型公共用システムまたは産業用システムでは相当なコストになるタンクを非常に小さくできる。Ｚｅｎｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ社製の垂直薄膜モジュールは、１０ｍ／ｈを超えるタンク空塔速度を発生させるよう運転されているが、同時に、基体に支持された強固な薄膜と相当強い曝気を用いている。複雑な薄膜と強い曝気とはコスト高になる。最後に、公知の薄膜モジュールの保守費用も問題の１つである。特に、単一の薄膜における漏出または破損は、その位置を見つけることや隔離することが難しく補修のためにしばしば濾過システムの広い領域をオフラインにする必要がある。
【０００６】
（発明の開示）
本発明の目的は、中空繊維濾過薄膜エレメントおよびモジュールを提供することである。本発明の他の目的は、特に飲料水生成法の一環として浸漬式濾過薄膜を使用する方法を提供することである。
【０００７】
１つの様態において、本発明は、水平方向に間隔をあけて配置され、垂直方向に延びるヘッダーに取り付けられて懸架されている、１対の対向する中空繊維薄膜を有するエレメントに関する。１対の垂直方向に延びるヘッダーの間に延びる側板は、エレメントを通る垂直流路を形成する。中空繊維薄膜は分散すると垂直流路の中心部を満たす複数の束に構成されている。対のヘッダーの一方のみが透過水流路を有し、中空繊維薄膜は他方のヘッダーにしっかりと取り付けられることが好ましい。
【０００８】
濾過中空繊維薄膜モジュールは、エレメントの側板とヘッダーとが複数の直接隣接する垂直流路を形成するように、横並びに、または直交格子状にエレメントを配置して形成される。フレームは、垂直流路を妨害することなく所定位置のエレメントを拘束する。しかし、フレームによって行われる拘束は、選択されたエレメントに関して解除可能であり、これによって選択されたエレメントをモジュールの残余部を分解することなく該ヘッダーに実質的に直交する方向に取り外すこと、または交換することができる。各々のエレメントは、エレメントと透過水コレクタとの間にエレメントをフレームから取り外すと解除される関連の取外し自在で再封自在な水密取付具を備える。モジュールの下にある曝気装置は、各々のエレメントより下、または各々の対のエレメントの間の側板より下に一列の空気孔をもたらすよう配置される複数の空気孔を有する。
【０００９】
このようなモジュールでは、順番にモジュールの各々の横列に行われるバブルポイント試験によって薄膜欠陥を正確に突き止めることができる。特定の流路における気泡の存在は、どの横列のエレメントに欠陥があるかを示す。欠陥があるエレメントが突き止められると新しいエレメントと交換されて、透過を再開でき、同時に欠陥のあるエレメントを補修できる。
【００１０】
別の様態において、本発明は、前述のエレメントまたはモジュールを使用して水を濾過する方法に関する。この方法において、透過水流量は５０Ｌ／ｍ^２／ｈ以下、好ましくは３５Ｌ／ｍ^２／ｈ以下であり、透過が周期的に停止される期間中に曝気を行って薄膜を洗浄することが好ましい。エレメントまたはモジュールを備えるタンクは、随時空にされ再度満水にされて、蓄積した固形物が取り除かれる。タンクの含有物を均質化するために弱い曝気を透過中に行ってもよい。このような方法は、薄膜に優しくてエネルギー効率も高い。この処理方法の利用と本発明のエレメント設計によって、安価な薄膜を使用してエレメント容積１ｍ^３当たりで、少なくとも５００ｍ^２の薄膜表面積を有するエレメントを作ることができ、容認できるエネルギーコストで良好な収量を得ることができる。
本発明の好適な実施形態を、以下の図面を参照して説明する。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１、図２および図３を参照すると、濾過エレメント１０が様々な図に示されている。エレメント１０は、垂直方向に延びる密閉型ヘッダー１２と垂直方向に延びる開放型ヘッダー１４とを有する。密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４とは、密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４との間に延びる１つまたはそれ以上の側板１６または支柱１８によって、反対側に水平方向に間隔をあけて配置される関係に保持される。密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４は、矩形の立方体（ただしキャビティ用等）であり、側板１６は、ねじ、接着剤または他の適切な留め具も使用できるがスナップ式の取付具によって密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４に取り付けられることが好ましい。支柱１８は、密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４の凹部２４に嵌る溝付き端部２２を備える円筒形であることが好ましい。
【００１２】
エレメント１０を単独で使用する場合、密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４の各々の側面に１枚ずつ使用される２枚の側板１６を使用する。もしくは、以下で更に説明するように、複数のエレメント１０を横並びに一列に配置できる。その場合は、図示のように２枚の側板１６を有する最後のエレメント１０を除いて、エレメント１０の一方側の側板１６と、エレメント１０の他方側の１つまたはそれ以上の支柱１８との組み合わせを使用できる。このように、２つのエレメント１０の間の単一の側板１６は、両エレメント１０の側板として機能する。側板１６、密閉型ヘッダー１２、および開放型ヘッダー１４は、エレメント１０の端から端までの垂直流路７２を形成する。
【００１３】
複数の中空繊維薄膜２６が密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４に取り付けられて懸架されている。各々の薄膜２６は、少なくとも１つの開放端部３２を有する。薄膜２６の開放端部３２は、開放型ヘッダー１４の１つまたはそれ以上の透過水流路２８を取り囲む埋込用樹脂３０のプラグに、接近するが間隔をあけた関係で保持される。樹脂３０は、水が薄膜２６の壁部を通過する以外は透過水流路２８に入ることができないよう、薄膜２６の各々の開放端部３２を取り囲む。薄膜２６の内部は、薄膜２６を通って回収される透過水を１つまたはそれ以上の透過水流路２８で集めることができるよう、１つまたはそれ以上の透過水流路２８と流体連通状態にある。本技術分野では適切な埋込方法が知られている。他の適切な方法は、本出願人のカナダ特許出願第２，２９０，０５３号に説明されている。適切な樹脂３０として、ポリウレタン、エポキシ、ゴム引エポキシおよびシリコーン樹脂を挙げることができる。また、強度上の目的に合致して切断端面のない薄膜２６と滑らかな接続部をもたらすように、１つまたはそれ以上の樹脂３０を組み合わせて使用してもよい。
【００１４】
薄膜２６は、精密濾過または限外濾過の範囲である、好ましくは、０．００３ミクロンから１０ミクロン、更に好ましくは、０．０１ミクロンから１．０ミクロンの細孔サイズを有する。各々の薄膜２６は、単一の開放端部３２のみを有する個別の繊維であってもよいが、薄膜２６は、開放型ヘッダー１４の透過水流路２８と流体連通する開放端部３２と、密閉型ヘッダー１２に接続されるループ状端部３４とを有するループ状繊維から作られることが好ましい。薄膜２６は、内部で（即ち基体によって）支持されておらず、または外部で（即ち横方向の繊維によって）支持されておらず、例えば、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、好ましくは、ＰＶＤＦと焼成アルファアルミナ粒子との複合体で作ることができ、焼成アルファアルミナ粒子は米国特許第５，９１４，０３９号で説明されている。大きな表面積を得るために薄膜２６は０．２ｍｍから１．０ｍｍの範囲の小さな外径であることが好ましい。このような小径薄膜２６では、薄膜の内孔における損失水頭が重要であり、繊維の好ましい有効長は短く、小径繊維の場合０．２ｍ、大径繊維の場合１．０ｍである。有効長は、薄膜２６の未埋込点と開放型ヘッダー１４の近位面との間の最大距離で定義され、従って、薄膜２６の各々のループは有効長の約２倍と、埋込に必要な長さとを加算した長さである。
【００１５】
前述の薄膜２６では、薄膜２６の引張り強度が低く曝気によって薄膜２６に加わる力が問題になる。薄膜２６を、密閉型ヘッダー１２に取り付くループ状端部３４でもってループ状に配置することによって、水平方向の薄膜が２つの透過ヘッダー間に懸架されている通常の構成と比較して、薄膜２６の支持されていない長さ、つまり曝気によって薄膜２６に加わる力が半分になる。薄膜２６は、密閉型ヘッダー１２に密封固定される必要はないが、薄膜２６の張力が密閉型ヘッダー１２へ伝達されるようしっかり取り付けることが好ましい。例えば、前述のように外径が０．６ｍｍで内径が０．３５ｍｍであるＰＶＤＦと焼成アルファアルミナ粒子との複合体で作られた薄膜２６は、密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４の最も近い面の間の間隔が、０．７ｍ未満、好ましくは、６１０ｍｍから６１５ｍｍの間にあるエレメント１０に適する。
【００１６】
薄膜２６は、薄膜２６の未埋込部の長さが密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４との間の距離よりも０．１％から５％長くなるように取り付けられる。この薄膜２６の弛みによって、薄膜２６は、該薄膜２６の汚濁を防ぐことを助ける洗浄用気泡の影響を受けて振動することができる。更に、薄膜２６は、ループ状端部３４から開放端部３２までのラインに沿って計測して約５度、開放型ヘッダー１４へ向かって僅かに上方に傾いていてもよい。薄膜２６の角度は、新しいモジュールが製造後または何らかの保守作業の後で最初に使用する場合に、薄膜２６のループ状端部３４の空気抜きを助ける。しかし、薄膜２６の内孔内の空気は、膜間力が薄膜２６に加わるとすぐに薄膜２６から出ていくことが多い。この場合、薄膜２６は傾斜させるよりも実質的に水平方向に取り付けることが好ましい。
【００１７】
開放型ヘッダー１４および密閉型ヘッダー１２は、ＰＥ、ＰＰ、ポリエステルまたはポリカーボネート等の適当なプラスチックから射出成形されるか、または機械加工される。密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４とは長さが１ｍ未満なので射出成形に好都合であり、深さの異なるタンクを完全に満たすように種々の枚数のエレメント１０を積層できる。開放型ヘッダー１４は、幅が各々３０ｍｍから４０ｍｍの間にある透過水流路２８を有することが好ましい。密閉型ヘッダー１２は、同じ幅の埋込用キャビティ３６を有する。２０ｍｍから３０ｍｍの幅の薄膜２６の束が、各透過水流路２８と、それに対応する埋込用キャビティ３６との間に埋込まれている。薄膜の隣接束は約５ｍｍから２０ｍｍだけ間隔をあけて配置されている。束の幅と間隔とによって、薄膜２６の大きな表面積を確保しつつ水と気泡とが束を貫流でき、表面積はエレメント１０の１ｍ³当たり５００ｍ²を超えることが好ましい。
【００１８】
例えば、適切なエレメント１０は、長さ約７００ｍｍ、幅１００ｍｍの密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４とを有する。各々の密閉型ヘッダー１２と開放型ヘッダー１４は、２つの透過水流路２８と埋込用キャビティ３６とを有し、それぞれ幅約３５ｍｍ、長さ約６００ｍｍである。エレメント１０には、約３６ｍ²の総表面積、またはエレメント１０の１ｍ³当たり７００ｍ²以上の表面積をもち幅が約２５ｍｍの２つの束で構成される、外径０．６ｍｍ、長さ６１０ｍｍから６１５ｍｍである約３１０００個の薄膜が設けられている。例えば、３０Ｌ／ｍ²／ｈの流量では、エレメント１０は約１．１ｍ³／ｈの透過水を生成する。
【００１９】
図５において、複数のエレメント１０を有するモジュール５６が示されており、エレメント１０の裏側４０を見ることができる。複数のエレメント１０は、側板１６、密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４が直接隣接する複数の垂直流路を形成するように、横並びに一列に配置されている。モジュール５６は、単一の列のエレメント１０、または図示のようにエレメント１０が垂直方向の直交格子状に配置された複数の列を有することができる。この格子において、エレメント１０の側板１６、密閉型ヘッダー１２および開放型ヘッダー１４は、モジュール５６の端から端まで延びる直接隣接する複数の垂直流路７２を形成する。図示のモジュール５６は、各々２０個のエレメント１０の列が３つあるが、図示のエレメント１０の数量および配置は例示的なものである。モジュール５６は、所定のタンクに最適に合致するよう種々の高さと幅で構成できる。モジュール５６の外側は、レール６０によって所定の位置に保持される２枚のしっかりした側壁５８から構成され、所望の数量および配置のエレメント１０を収納できる大きさである。モジュール５６上部のハンドル６２によって昇降可能になっている。
【００２０】
図１から図４を参照すると、透過水用開口部３８（前述のエレメント１０の場合、直径約２５ｍｍ）は、透過水流路２８の上端をエレメント１０の開放型ヘッダー１４の裏側４０に接続する。透過水開口部３８は、図４に示す透過水用取付具４４の透過水用タップ４２を受容するようになっている。透過水開口部は、透過水用取付具４４の１つまたはそれ以上のＯリング４８に合致する寸法の１つまたはそれ以上の溝４６を有する。Ｏリング４８と溝４６とは、エレメント１０と透過水用取付具４４との間で取外し自在かつ再封自在な水密シールを作る。
【００２１】
図４および図５を参照すると、透過水用取付具４４は、雄部５２と雌部５４とを含む本体５０（前述のエレメント１０の場合、外径約５０ｍｍ）を有する。本体５０の長さは、隣接するエレメント１０の間隔に対応している。雄部５２は、隣接する透過水用取付具４４の雌部５４に嵌め込まれ、取外し自在のシールがＯリング４８によって実現される。このように、横並びに配置された複数のエレメント１０の透過水用取付具５４は、連続した透過水コレクタ１００を形成する。もしくは、隣接する透過水用取付具４４は、透過水コレクタ１００を作るために接着または超音波溶接により相互に連結することができ、または、単一のパイプに所要の数および間隔の透過水用タップ４２を取り付けることができる。留め具１０８は、モジュール５６に対して所定位置に透過水コレクタ１００を固定する。
【００２２】
透過水コレクタ１００は、中間パイプ１０４と弁１０６を介して透過水用本管１０２に取り付けられる。透過水コレクタ１００は種々の方法で配置できる。１つの配置において、各々の透過水コレクタ１００はモジュール５６の直交格子の水平方向の一列のエレメント１０のみと連結している。透過水コレクタ１００と連結された弁１０６は、エレメント１０のバブルポイントの完全性試験用ガスが直交格子の水平方向の一列のエレメント１０にのみ流れるよう配置される。モジュール５６のエレメント１０の完全性試験は、本技術分野では公知である計算可能な選択された圧力でガスをモジュール５６の内孔に流し込むことによって行える。前述の弁１０６と透過水コレクタ１００との配置によって、オペレータは直交格子の水平方向の一列のエレメント１０にのみ選定時間だけガスを流すことができる。垂直流路７２に気泡があれば、直交格子のその縦列およびガスを受け取る横列のエレメント１０に欠陥があることがわかる。欠陥のあるエレメント１０が突き止められると新しいエレメント１０と交換されて、透過が再開可能になり、一方で欠陥エレメント１０が補修される。
【００２３】
別の配置（図示せず）において、垂直方向の透過水コレクタは、モジュール５６の各々の横列の少数の、好ましくは３つのエレメント１０と流体連通するように取り付けられる。この配置によって、透過水コレクタ用小径パイプ（典型的に２５ｍｍの径）が可能となり、中間パイプ１０４が不要となり、その結果、タンクのフットプリントの専有部分が小さくなる。また、この配置によって、モジュール５６に横並びに配置できるエレメント１０の最大数量を制限する場合もある透過水コレクタ１００の圧力低下の影響が少なくなる。この配置で完全性試験を行うために、ガスは薄膜２６の内孔に流れ込むが、複数の選択された圧力で行われる。選択された圧力は、欠陥のあるバブルポイントとモジュール５６のエレメント１０の各々の横列の静水頭とを加えたものに実質的に等しい。選択圧力は、順次最低圧力から最高圧力まで薄膜２６の内孔に加えらることが好ましい。最初の完全性試験方法ほど確実ではないが、弁１０６を用いることなく気泡が現れる圧力から欠陥がある横列を予測できる。欠陥のあるエレメント１０が突き止められると新しいエレメント１０と交換されて、透過が再開可能になり、一方で欠陥エレメント１０が補修される。
【００２４】
図６および図７を参照すると、モジュール５６の前側が更に詳細に示されているが、モジュール５６の組立体を図示できるよう、多くのエレメント１０が省略されている。モジュール５６内では、エレメント１０は、側壁５８、レール６０、およびラック６４を備えるフレーム６３によって所定の位置に保持される。フレーム６３は、所定の位置にあるエレメント１０を拘束するが、垂直流路７２は妨害しない。更に、フレーム６３による拘束は、選択されたエレメント１０のヘッダーまたは格子と実質的に直交する方向で、選択されたエレメント１０に関して解除でき、図示するモジュール５６の方向は水平方向である。選択されたエレメント１０は、この拘束をモジュール５６の残余部を分解することなく解除すると、モジュール５６から取り外すことができる。図示のモジュール５６では、エレメント１０は、手前に引いてその横列から取り外されている。エレメント１０をモジュール５６から取り外すと、水平方向の動きによってエレメント１０と透過水コレクタ１００との間のシールが解除される。エレメント１０を交換する場合、逆方向の動きによって透過水コレクタ１００に対してエレメント１０がシールされる。
【００２５】
エレメント１０を取り外し可能に拘束する能力は図示のラック６４によってモジュール５６にもたらされる。各々のラック６４は、エレメント１０を摺動自在に支持するための支持面６５を有する。支持面６５は、エレメント１０の開放型ヘッダー１２と実質的に直交する方向、つまり、エレメント１０をモジュール５６から取り外す際にエレメント１０が移動する方向に向けられている。同様に、ラック６４は、エレメント１０が開放型ヘッダー１２に実質的に直交する方向に摺動して上部ラック６４および下部ラック６４との間の空間に入り込める寸法である。ラック６４は、同一のラック６４がラック６４より上で、または、ラック６４より下で、またはその両方でエレメント１０を受容できるよう対称形であることが好ましい。各々のラック６４の後部には、エレメント１０の裏側４０に係合する留め具（図示せず）が設けられている。各々のラックの前部は、ラック６４内にエレメント１０を固定するために、ラックより上または下でエレメント１０の前部と係合する解除自在な固定具６６を有する。固定具６６は、該固定具が上方または下方に曲がることを可能にする凹部６８を備えており、エレメント１０が解放可能になっている。
【００２６】
幾つかのラック６４は、モジュール５６の側壁５８の間に延びるラック６４の並びを形成するよう横並びに取り付けることができる。ラック６４は、図示のように４個等の好都合な個数で一体成形で取り付け、締め具またはあり継手７０によって隣接の成形ラックに取り付ける。各々のラック６４は、少なくとも１つの隣接ラック６４にしっかりと取り付けることが好ましい。モジュール５６を組み立てるために、第１の列のラック６４が下部レール６０間に配置され、下部レール６０は、ラック６４がレール６０より上に十分に突出するようにラック６４を保持する。次に、第１の横列のエレメント１０が第１の列のラック６４の上に配置され、それに続いて、次の横列のエレメント１０がラック６４の上に配置される。上の横列のエレメント１０の据え付け準備が完了すると、必要なだけのエレメント１０が摺動して所定の位置に収まるまで一時的に上の列のラック６４は上部レール６０の間で所定位置に保持される。全てのエレメント１０およびラック６４が据え付けられると該当する固定具６６を移動させエレメント１０を手前に摺動させることによって何れのエレメント１０も取り外しできる。一度に取り外すエレメント１０の数が適切であれば、残りのラック６４およびエレメント１０は安定状態を維持する。
【００２７】
前述の通り、透過水用取付具４４は、各々のエレメント１０の透過水用開口部３８に挿入されて隣接する透過水用取付具４４に連結され、連続した透過水コレクタ１００を作る。この連続したコレクタ１００はモジュール５６にしっかりと固定され、エレメント１０をモジュール５６から取り外すとコレクタ１００が関連の透過水用取付具４４から外れる。透過水用取付具４４はモジュール５６に取り付けられたままであり、交換エレメント１０をモジュール５６に挿入でき透過水用取付具４４と係合する。従って、保守または補修作業はタンクからモジュール５６を持ち上げ、保守または補修エレメント１０を引き出し、予備エレメント１０と交換し、タンク内のモジュール５６を交換することによって達成できる。
【００２８】
図６を参照すると、エレメント１０が横並びに取り付けられて、相手側の上に積み重ねられると、隣接するエレメント１０の側板１６は薄膜２６を含むモジュール５６の端から端までの垂直流路７２を形成する。側壁５８がしっかりしていない場合、モジュール内に流路７２を形成するよう最後のエレメント１０は追加の側板１６を備える。ラック６４は、垂直流路７２をモジュール５６の外部にあるタンク水と流体連通できる対応開口部７４を有する。流路７２の幅は、薄膜２６の弛みとの組み合わせにおいて、薄膜２６が横向きに移動して流路７２の中央部分を実質的に満たすのに十分な程度であり、中央部分は開放型ヘッダー１４と密閉型ヘッダー１２の最も近い面の間の距離の１/３から２/３の間であることが好ましい。薄膜２６の長さは、透過水が薄膜２６の両端から回収されるデザインと比較すると短くなっているが、これによって薄膜２６のもつれが少なくなる傾向にあり、流路１６の幅が狭くなるので更に小型のエレメント１０が可能になる。また、側板１６は、薄膜２６が出荷、据え付け、または保守中に損傷するのを防止し、エレメント１０の取り扱い時には必要に応じて一時的な側板１６を使用できる。
【００２９】
図８を参照すると、気泡発生用の穴８２を有する一連の平行導管型曝気装置８０に連結されたヘッダー７８を備えるサブモジュール曝気装置７６が示されている。導管型曝気装置８０の間隔は、エレメント１０の幅と同じであることが好ましい。もしくは、導管型曝気装置８０は、エレメント１０に対して直角に配置することができ、穴８２はエレメント１０の幅だけ間隔をあけて設けられる。いずれの方法においても、サブモジュール曝気装置７６は、各々のエレメント１０の流路７２の真下に空気穴８２が配置されるように据え付けることができる。このような配置により、各々のエレメント１０に与えられる曝気量の制御が促進され、特に、曝気率が低い場合にエレメント１０の空気不足を引き起こすこともある空気流のチャネリングが最小限に抑えられる。前述の第１の配置が好適であるが、必要であれば、導管型曝気装置８０、またはエレメント１０に直交する導管型曝気装置８０の穴８２は、各々の対のエレメント１０間の側板１６の真下に設けてもよく同様の効果を得ることができる。
【００３０】
使用時には、１つまたはそれ以上のエレメント１０またはモジュール５６は、薄膜２６が濾過水に浸漬されるように濾過水の入ったタンク内に配置される。エレメント１０およびモジュール５６のデザインによって、大きな表面積の薄膜２６をタンク内に配置できる。例えば、薄膜２６を振動させ、エアリフトを発生させて濾過水を循環させるよう曝気を用いる従来型の濾過リアクタにおいて、タンク面積の約５０％はモジュール５６で覆われている。このようなモジュール５６は、フットプリント、即ちタンクの水平断面積の単位面積当たり４００ｍ^２を超える薄膜２６の表面積を実現できる。
【００３１】
しかし、この大きな表面積を用いて大きな収量を発生するよりはむしろ、好適な方法では５０Ｌ／ｍ^２／ｈ以下、好ましくは、３５Ｌ／ｍ^２／ｈ以下の低いまたは中間の流量が用いられる。このような流量でサンド濾過と同等の収量がもたらされる。例えば、タンクのフットプリントの５０％を覆うモジュール５６は、２５Ｌ／ｍ^２／ｈから３０Ｌ／ｍ^２／ｈの流量で１０ｍ／ｈを超える空塔速度を生じることができる。５０Ｌ／ｍ^２／ｈから７５Ｌ／ｍ^２／ｈの一般的な流量と比較すると流量が低いので薄膜２６の汚濁が大幅に低減する。
【００３２】
低流量または中間流量と組み合わせて、好適な方法では周期的な透過の停止が含まれる。透過が周期的に停止される期間中に他の処理ステップが行われる。他の処理ステップとして、随時モジュール５６を逆洗するステップ、随時モジュール５６を曝気して薄膜２６を洗浄しまたは汚濁を防止するためのステップ、随時タンクを空にして再度満水にして蓄積した固形物を取り除くためのステップが含まれる。このような処理では、薄膜２６の適当な透過性を維持するのに必要な曝気は驚くほど少ない。特に、透過が周期的に停止される期間中に薄膜２６を洗浄するためのモジュール５６の曝気は、給水量に応じて８０ｍ／ｈから３４０ｍ／ｈの空塔速度（モジュールの単位断面積ｍ^２当たりの標準状態における空気量ｍ^３／ｈ）で行われる。
【００３３】
薄膜２６を洗浄しまたは汚濁を防止するための曝気は、透過が停止される期間中に行われるのが好ましく、その理由はこの期間中に、曝気が薄膜２６から固形物を取り除くための薄膜２６の吸引力を超える必要がないからである。大半ではないにしても多くの給水では、汚濁を防止するための曝気は他の時期では必要ない。しかしながら、透過中、濾過される水の固形物の濃度は、モジュール５６内では増える場合がある。典型的に高い濁度および約５００ｍｇ／Ｌを超える固形物濃度を有する一部の給水に関し、好都合に透過中に僅かな曝気量をもたらしてモジュール５６から、特に、モジュール５６のデッドゾーンから固形物を分散させ、またはタンク内の含有物をほぼ均質化する。このために、曝気は透過中に８０ｍ／ｈから３４０ｍ／ｈの空塔速度で間欠的に、または８０ｍ／ｈ未満の空塔速度で連続的に行われる。
【００３４】
驚くべきことに、低流量および低曝気での運転によって得られるエネルギーコストの節約によって、前述のエレメント１０および第２のモジュール５６の形状での薄膜２６の大きな表面積を実現するコストが相殺される。モジュール５６のデザイン、例えば、薄膜２６の水平面指向、流路７２内の薄膜２６の分布、および流路７２の端から端までのタンク水の流れは、所要曝気量を低減させる一助となっており、本発明は、飲料水を濾過するサンド濾過に対して競争力を有すると思われる。
【００３５】
前述の内容は本発明の好ましい実施形態であることを理解されたい。それでもなお、本発明は、その主題から逸脱せずに特定の変更や他の実施形態が可能であり、その範囲は請求項で定められている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 濾過エレメントの平面図である。
【図２】 図１の濾過エレメントの立面図である。
【図３】 図１の濾過エレメントの等角図である（薄膜を省略）。
【図４】 図１から図３のエレメントと共に使用される透過水取付具の断面図である。
【図５】 後側から見た図１から図３のエレメントのモジュールの等角図である。
【図６】 前側から見た図５のモジュールの等角図である。
【図７】 図６のモジュールの一部拡大図である。
【図８】 サブモジュール曝気装置の等角図である。

Claims (18)

1. 濾過中空繊維薄膜のエレメント（１０）であって、
   （ａ）水平方向に間隔をあけて配置され垂直方向に延びる１対の対向するヘッダー（１２，１４）と、
   （ｂ）前記１対の垂直方向に延びるヘッダーの両側又は片側で、前記１対の垂直方向に延びるヘッダーの間に延びる側板（１６）であって、前記エレメントを通る垂直流路（７２）を形成する側板（１６）と、
   （ｃ）前記１対の垂直方向に延びるヘッダー間に取り付けられ懸架された複数の中空繊維薄膜（２６）であって、該中空繊維薄膜（２６）が、（ｉ）各々少なくとも１つの開放端部（３２）を有していて、該開放端部の外表面が水不透過性の接続部で少なくとも１つのヘッダーに接続されており、（ｉｉ）０．１％〜５％の弛みを付けて懸架され、（ｉｉｉ）分散すると垂直流路（７２）の中央部を満たす複数の束として構成されている、複数の中空繊維薄膜と、
   （ｄ）前記中空繊維薄膜を通して回収される透過水を集めるように、前記中空繊維薄膜の内部と流体連通する少なくとも１つのヘッダー内の１以上の透過水流路（２８）と
   を備える、エレメント。
2. 前記中空繊維薄膜が、幅２０ｍｍ〜３０ｍｍの束に構成され、前記複数の束が互いに５ｍｍ〜２０ｍｍの間隔をあけて配置されている、請求項１に記載のエレメント。
3. 前記１対のヘッダーの一方（１４）のみが透過水流路（２８）を有する、請求項１に記載のエレメント。
4. 前記中空繊維薄膜がループ状に構成されており、ループ状端部（３４）が、透過水流路（２８）を有するヘッダー（１４）ではない方のヘッダー（１２）に取り付けられている、請求項３に記載のエレメント。
5. 前記中空繊維薄膜は、０．２ｍ〜１ｍの長さで、０．２ｍｍ〜１ｍｍの外径である、請求項３に記載のエレメント。
6. 中空繊維薄膜は０．７ｍ以下の長さである、請求項５に記載のエレメント。
7. 濾過中空繊維薄膜のモジュールであって、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の濾過中空繊維薄膜のエレメント（１０）を横並びに配置して、前記エレメントの前記側板および前記ヘッダーが直接隣接する複数の垂直流路（７２）を形成する、モジュール。
8. 前記垂直流路（７２）を妨害することなく所定位置の前記エレメントを拘束するフレーム（６３）を有するが、（ａ）選択されたエレメントに対して前記フレームによって行われる拘束は、前記選択されたエレメントの前記ヘッダーに実質的に直交する方向に解除可能であり、（ｂ）前記選択されたエレメントは、前記ヘッダーに実質的に直交する方向にある前記エレメントの拘束が前記モジュールの残余部を分解することなく解除される場合に前記モジュールから取り外し可能である、請求項７に記載のモジュール。
9. 前記フレーム（６３）は、各々が（ａ）前記エレメントの前記ヘッダーに実質的に直交方向に向けられた前記エレメントを摺動自在に支持する支持表面（６５）と、（ｂ）前記支持表面の一方の端部での停止具と、（ｃ）前記支持表面の他方の端部での解除可能な固定具（６６）と、を有する複数のラック（６４）を備える、請求項７又は請求項８に記載のモジュール。
10. 前記ヘッダーと透過水コレクタ（１００）の間を取外し自在で再封自在に結合する水密取付具（４４）を有しており、前記取外し自在で再封自在に結合する水密取付具は、前記エレメントを該エレメントの前記ヘッダーに実質的に直交する方向に移動させることによって取外し自在であり、前記エレメントを反対方向に移動させることによって再封自在である、請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載のモジュール。
11. 各々のエレメントより下に、または各々の対のエレメント間の側板より下に１列の空気孔をもたらすよう配置される複数の空気孔（８２）を有する、前記モジュールより下にある曝気装置（７６）を更に備える、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載のモジュール。
12. 前記エレメントが、垂直方向の直交格子内に配置される、請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載のモジュール。
13. 垂直流路（７２）を妨害することなく直交格子内の前記エレメントを拘束するフレームを有するが、（ａ）選択されたエレメントに対して前記フレームによって行われる拘束は、前記格子に実質的に直交する方向に解除可能であり、（ｂ）選択された前記エレメントは、前記格子に実質的に直交する方向にある前記エレメントの拘束が前記モジュールの残余部を分解することなく解除される場合に前記モジュールから取り外し可能である、請求項１２に記載のモジュール。
14. 水を濾過する方法であって、
    （ａ）請求項７乃至請求項１３のいずれか１項に記載のモジュールを準備するステップと、
    （ｂ）タンク内の濾過される水に前記モジュールの薄膜を浸漬させると同時に、前記１以上のモジュールを通して透過水を回収するステップと、
    （ｃ）周期的に透過を停止させるステップと、
    （ｄ）透過が周期的に停止される期間中に随時前記１以上のモジュールを逆洗するステップと、
    （ｅ）透過が周期的に停止される期間中に随時前記薄膜を洗浄するために前記１以上のモジュールを曝気するステップと
    （ｆ）透過が周期的に停止される期間中に、前記タンクを空にして再度満水にして蓄積した固形物を随時取り除くステップ
    とを含む、方法。
15. 透過水は５０Ｌ／ｍ²／ｈ以下の流量で前記１以上のエレメントを通して回収される、請求項１４に記載の方法。
16. 透過中に前記１以上のモジュールを曝気してタンクの含有物を均質化するステップを含む、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
17. 透過中に前記１以上のモジュールを曝気して前記タンクの含有物を均質化するステップが、８０ｍ／ｈ〜３４０ｍ／ｈの空塔速度（モジュールの単位断面積ｍ²当たりの標準状態における空気量ｍ³／ｈ）で間欠的に、又は８０ｍ／ｈ未満の速度で連続的に曝気することによって行われる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記透過が周期的に停止される期間中に、前記１以上のモジュールを曝気して前記薄膜を洗浄するステップが、８０ｍ／ｈ〜３４０ｍ／ｈの空塔速度（モジュール単位断面積ｍ²当たりの標準状態における空気量ｍ³／ｈ）にて曝気することによって行われる、請求項１４に記載の方法。

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