JP5038555B2 - 濾過膜モジュールの洗浄装置及び洗浄方法 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、ベンチュリー、ジェット等を使用して形成される、気体と液体の混合物を用いて、効率的に膜モジュールを洗浄する装置及びそれに関連する方法に関する。例えば、バイオリアクター内等の、高濃度の懸濁物質（または浮遊固形物）が存在する環境に利用される膜モジュール用に、モジュール内に蓄積した物質（又は固形物）を減らす、数種の改良モジュールの構成を述べる。
【０００２】
本発明の背景
汚水処理用膜モジュールの重要性が、急速に拡大している。膜プロセスは第三位の効率的な汚水処理方法して使用され、良質な排出液をもたらし得ることが周知である。しかし、資金及び運転費用によって制限され得る。膜モジュールが大きなフィードタンクに沈められ、膜の濾液側に使用される吸引によって濾液が収集される水中膜プロセス（submerged membrane process）の出現にともない、生物的プロセス及び物理的プロセスを一つの段階に組み合わせた膜バイオリアクターは、よりコンパクト、効率的、経済的であると期待されている。その融通性ゆえに、膜バイオリアクターの大きさは、家庭用（腐敗槽システム）から地域社会及び大規模汚水処理までの範囲に渡り得る。
【０００３】
膜濾過プロセスの成功は、効果的かつ効率的な膜洗浄方法の採用に大きく依存する。通常使用される物理的洗浄方法には、浸透液体もしくは気体を用いるバックウォッシュ（逆流、backwash）（バックパルス、バックフラッシュ：backpulse、 backflush）又は液体中で気泡を生ずる気体を用いる膜表面のスクラッビング洗浄又はスコアリング洗い流し洗浄がある。第二のタイプの方法の例は、イシダ他による米国特許第５，１９２，４５６号公報（Ishida et al., United States Patent No. 5,192,456）、コート他による米国特許第５，２４８，４２４号公報（Cote et al., United States Patent No. 5,248,424）、ヘンショウ他による米国特許第５，６３９，３７３号公報および第５，７８３，０８３号公報（Henshaw et al., United States Patents No. 5,639,373 and No. 5,783,083）及び我々の国際特許出願国際公開第９８／２８０６６号公報（PCT Application No. WO98/28066）に示されている。
【０００４】
上述の例では、膜モジュールを浸める液体システム内に、気体の泡（気泡）を形成するために、通常加圧送風機を用いて、気体を注入する（吹き込む）。そのように形成された泡は、上方へ移動し、膜表面をこすって洗浄して膜表面上に形成されている汚染物質を除去する。生ずるせん断応力は、最初の気泡の速度、気泡の寸法及び気泡に加えられる力の合力に大きく依存する。この方法では、気体の持ち上がる（リフティング）メカニズムの有効性に、流体の移動は制限される。スクラッビング効果を向上するため、より多くの気体を供給しなければならない。しかし、この方法には、いくつかの短所がある：この方法は大量のエネルギーを消費し、有効な膜濾過面積を減少させるミスト（mist）又は泡の流れ（froth flow）が形成され得、膜が破壊され得る。更に、高濃度の懸濁物質が存在する環境においては、気体分配システムは、脱水固形物によって徐々に閉塞されるようになり得、又は気体の流れが偶然止まった場合に簡単に閉塞され得る。
【０００５】
大部分の管状の膜モジュールについて、膜はモジュールの（長尺方向の）中央部にて可撓性であるが、両端の注封されているヘッド（potted head）に向かうにつれてピンと張り可撓性が減る傾向に有る。そのようなモジュールを高濃度の懸濁物質を含む環境にて使用すると、懸濁物質は膜のバンドル（束、bundle）の中に、特に二つの注封ヘッドの近傍に容易に捕らえられる（トラップされる）。蓄積した物質を除去する方法は、モジュールの構造の改良と膜の洗浄に気泡スクラッビング洗浄を用いる場合の流れの分配の改良を含む。
【０００６】
膜モジュールを設計する場合、モジュール内の管状の膜の充填密度は、重要なファクターである。この場合に使用されるような膜モジュール内の繊維状膜の充填密度は、繊維状膜によって占められる注封領域の横断面を全注封面積で除したものとして定義され、通常パーセントで表す。経済的な観点から、充填密度は可能な限り高いほど膜モジュール製造コストを削減できるので好ましい。実際は、高くない密度で充填された膜モジュールにおいて、完全な充填部（solid packing）は減少する。しかし、充填密度が低すぎる場合、膜間での摩擦効果（rubbing effect）も小さくなり得、膜表面の非効率的な洗浄（こすり洗い／洗い流し：scrubbing/scouring）をもたらす。従って、蓄積した物質の除去を助長しつつ、膜の充填密度を最大限にする膜の構造を提供することが要求されている。
【０００７】
発明の開示
本発明は、少なくとも本発明の態様においては、従来技術のいくつかの欠点を克服し、もしくは緩和し、又は少なくとも有用な代替物を提供しようとするものである。
【０００８】
本発明の一つの要旨によれば、本発明は、気泡を同伴する液体媒体を用いて膜表面を洗浄（またはスクラブ洗浄（scrubbing））する方法であって、該気体の供給源（ソース、source）を通り過ぎて（またはその前を通り過ぎて）該液体媒体を流通させることによって、該液体媒体中に該気泡を同伴させる工程、並びに該膜表面に沿って該気泡と液体媒体を流通させて汚染物質をそれから除去する工程を含む方法を提供する。
【０００９】
ベンチュリー装置（venturi device）を使用して、該液体の流れ（ストリーム、stream）中に気泡を同伴させるのが好ましい。ジェット、ノズル、エゼクター（ejector）、エダクター（eductor）、インジェクター等の、液体と気泡の混合物を生成するために、強制的に気体を液体の流れに混合する装置を用いて気泡を該液体の流れ中に同伴させる又は注入するのがより好ましい。オプションとして、送風機（blower）等を用いて、追加の気泡の供給源を該液体媒体中に供給してもよい。使用される気体に、空気、酸素、気体状塩素、オゾンが含まれ得る。空気は、洗浄（又はスクラブ洗浄）及び／もしくはエアレーション（aeration）のために、最も経済的である。膜表面での化学反応によって、洗浄（スクラブ洗浄）、消毒及び洗浄効率を向上するため、気体状塩素を使用してよい。気体状塩素に関して記載した効果と同様の効果の他に、オゾンの使用には、ＤＢＰ前駆物質を酸化する及び非生分解性のＮＯＭを生分解性で溶解有機炭素（dissolved organic carbon）に変換する等の追加の特徴が有る。
【００１０】
本発明の第二の要旨によると、本発明は、複数の多孔質膜及び液体の流れ中に気泡を同伴させる手段を有してなる膜モジュールであって、該膜は互いに接近して配列され、また、それらの間の過剰の動きを防止するように配置され、該手段は、該膜の孔（ポア、pore）を気体が通過することとは異なる手段によってモジュール内から液体の流れに同伴する気泡を生成し、使用時に、該液体及びその中に同伴される気泡は該膜の表面（または表面の前）を通って移動して、それから汚染物質を除去するようになっており、該液体を気体の供給源（または供給源の前）を通り過ぎて流すことによって該液体の流れ中に気体を引き込んで該気泡を該液体に同伴させる膜モジュールを提供する。
【００１１】
該液体と気体を混合し、その後膜（または膜の前）を通りすぎるように流して、汚染物質を除去するのが好ましい。
【００１２】
一つの好ましい形態において、本発明は、膜モジュールを形成するためにアレイ（array）の形態で配列され、長尺方向に延びる複数の多孔質中空繊維膜の表面から汚染物質を除去する方法を提供し、該膜は互いに接近して配列され、また、それらの間の過剰の動きを防止するように配置され、この方法は、該膜の孔（ポア、pore）を通過する気泡とは異なる手段によって、該アレイ内から、液体の流れ中に同伴する均一に分配した気泡を生成する工程を有してなり、該気体を該液体中に引き込みおよび／または混合するために、該液体を気体の供給源を通り過ぎて流すことによって該気泡を該液体の流れ中に同伴させ、該分配は、該気泡が、該アレイの各々の膜の間を実質的に均一に、該液体の流れとともに通過して、該膜の表面を洗浄し（洗い流し、scour）、膜モジュール内から蓄積した固形物を除去するようなものである。該気泡を該液体の流れ中に注入して混合するのが好ましい。
【００１３】
膜は、多孔質中空繊維を有してなり、繊維はヘッダーにてその両端にて固定され、下のヘッダーは気体／液体の流れを導入する一またはそれ以上の形成された穴（またはホール、hole）を有するのが好ましい。穴は、円形、楕円形又はスロットの形状で有り得る。繊維は、通常下端にて封がされており、濾液を除去できるように上端にて開放されているが、ある配列（またはアレンジメント）において、繊維は両端にて開放されていてよく、一端又は両端から濾液を除去できる。繊維を円筒形のアレイ又はバンドル（bundle）の形態に配置するのが好ましい。平たい又は板（プレート）状の膜等の他の形態の膜に、上述の洗浄方法を等しく適用できることが理解されよう。
【００１４】
別の要旨によると、本発明は、複数の多孔質中空繊維膜、ヘッダー及びパーティション手段（仕切りまたは分割手段、partition means）を有してなる膜モジュールであって、該繊維膜は互いに接近して配列され、また、それらの間の過剰の動きを防止するように配置され、ヘッダー内の各端部が固定されており、１つのヘッダーは気体／液体の流れを導入する一またはそれ以上の形成された穴（hole）を有し、パーティション手段は該ヘッダー間で少なくとも部分的に延在し、該膜繊維をグループに分ける膜モジュールを提供する。各々の繊維グループの間の隙間（または空間）によって、パーティション手段を形成するのが好ましい。パーティション（仕切り、partition）は、互いに平行であってもよいし、あるいは繊維膜が円筒形のアレイである場合、パーティションは、アレイの中心部から半径方向に伸びてもよいし、または円筒形のアレイの中で同心円状に配置されてもよい。別の形態においては、ヘッダー間のバンドルの長手方向に延在する中間の長尺方向の通路を繊維のバンドルに設けてもよい。
【００１５】
本発明の更に別の要旨によれば、本発明は、各々の注封ヘッド（potting head）にて各端が配置され、これらの間の長尺方向に伸びる複数の多孔質中空膜繊維を含む、膜バイオリアクターに用いられる膜モジュールを提供し、該膜繊維は互いに接近して配列され、また、それらの間の過剰の動きを防止するように配置され、該繊維は、少なくとも各々の注封ヘッドにて又は注封ヘッドの近傍にて、それらの間に隙間を形成するように幾つかのバンドルに仕切られ、１つの注封ヘッドは、該モジュール内に気泡を供給するように形成されているエアレーション開口部のアレイ（配列）を有し、使用時に、該気泡が該膜繊維の表面（または表面の前）を通って移動し、それらから汚染物質を除去するようになっている。
【００１６】
繊維のバンドルは、モジュール・サポート（支持）・スクリーン（module support screen）によって保護され、繊維の動きは制限される。モジュール・サポート・スクリーンは、適切に間隔をあけた垂直方向と水平方向の両方の要素を有し、繊維を通る流体と気体の制限されない流れを供給し、繊維の動きの幅を制限して繊維の注封端におけるエネルギーの集中を減少する。
【００１７】
該仕切られたバンドルの間に形成される隙間と一致するように、該エアレーション開口部を配置するのが好ましい。該開口部は、一つのスロット（slot）、複数のスロット又は穴の列であるのが好ましい。複数のスロット又は穴の列の間で注封ヘッド中に繊維のバンドルを配置するのが好ましい。
【００１８】
液体の流れに気泡を同伴させるか、液体の流れと気泡を混合し、その後、該穴又はスロットを通して気泡を供給するのが好ましいが、ある構成においては、気体のみを使用してもよいことが理解されよう。使用液体が膜モジュールへのフィードであってもよい。繊維及び／もしくは繊維のバンドルは、注封ヘッドの間で互いに交差（クロスオーバー）してもよいが、そうでないのが好ましい。
【００１９】
モジュール内の繊維は、約５〜約７０％の間の（先に定義した）充填密度を有するのが好ましく、約８〜約５５％の間の充填密度を有するのがより好ましい。
【００２０】
該穴の直径は、約１〜４０ｍｍの範囲であるのが好ましく、約１．５〜約２５ｍｍの範囲であるのがより好ましい。スロット又は穴の列の場合、上述の穴の面積と等しくなるように、開口面積を選択する。
【００２１】
繊維の内部の直径は、典型的には約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲であり、約０．２５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲であるのが好ましい。繊維の壁の厚さは、使用される物質及び濾過効率に対して要求される強度に依存する。典型的な壁の厚さは、０．０５〜２ｍｍの間であり、より多くの場合０．１ｍｍ〜１ｍｍの間である。
【００２２】
もう一つの要旨によれば、本発明は、タンクと第一の要旨に基づく膜モジュールを含む膜バイオリアクターを提供し、タンクはそれへのフィードを導入する手段と該タンク内にて活性スラッジを生成する手段を有し、膜モジュールは該スラッジ中に沈められるように該タンク内に配置され、該膜モジュールには該繊維膜の少なくとも一端から濾液を引き出す手段が供給されている。
【００２３】
更にもう一つの要旨によれば、本発明は、第二の要旨に記載した型の膜バイオリアクターの操作方法を提供し、この方法は、該タンクにフィードを供給すること、該繊維に真空を適用してそれらから濾液を引き出すこと、その一方で、使用時には、周期的又は連続的に該モジュール内に該エアレーション開口部を通して気泡を供給して、該気泡が該膜繊維の表面を通って移動してそれから汚染物質を除去することを含んでなる。該穴又は該スロットを通して供給する場合、気泡は液体の流れに同伴させ、又は液体の流れと混合するのが好ましい。
【００２４】
もし必要であれば、微生物の活動を促進するために、タンク内にエアレーションの追加の供給源を設けてもよい。好ましくは、膜モジュールをタンク内に垂直に吊り下げ、該エアレーションの該追加の供給源をその吊り下げたモジュールの下方に設けてもよい。エアレーションの該追加の供給源は、空気浸透性の管の群からなるのが好ましい。フラックス（流速、flux）に応じて、逆流（backwash）有り又は無しで、膜モジュールを操作してよい。バイオリアクター内の高濃度の懸濁固形物の液（５０００〜２００００ｐｐｍ）は、滞留時間が相当減少し、濾液の品質が向上することが示された。有機物質の分解と膜洗浄の両者のためにエアレーションを組み合わせて使用すると、高濃度のＭＬＳＳでありながらも、膜を横断する圧力をそれほど増加させることなく一定の濾液の流量を可能にできることが示された。仕切られた繊維バンドルを用いると、気体洗浄（scouring）プロセスにそれほど悪影響を及ぼすことなく、より高い充填密度を達成することができる。このことから、より高い濾過効率がもたらされる。
以下に、本発明の主な態様を示す。
１．気泡を同伴する液体媒体を用いて膜表面を洗浄する方法であって、気体の供給源を通り過ぎる該液体媒体の流れによって該液体媒体に該気泡を同伴させる工程、並びに該膜表面に沿って該気泡と液体媒体を流通させて、汚染物質をそれから除去する工程を含む方法。
２．ベンチュリー装置を用いて、該液体の流れ中に気泡を同伴させる上記１記載の方法。
３．液体の流れに気体を強制的に混合する装置を用いて、該液体の流れに気泡を同伴させ又は注入して、液体と気泡の混合物を生成する上記１記載の方法。
４．気体は空気、酸素、気体状塩素、オゾン又はそれらのいずれかの組み合わせを含む上記１〜３のいずれかに記載の方法。
５．複数の多孔質膜及び液体の流れに同伴される気泡を生成する手段を有してなる膜モジュールであって、該膜は、互いに接近して配列され、また、それらの間の過度の動きを防止するように配置され、また、該膜の孔を通過すること以外の手段によってモジュール内から同伴される気体を生成し、使用時に、該液体とそれに同伴される気泡は該膜の表面を通り過ぎて移動して、それから汚染物質を除去するようになっており、気体の供給源を通り過ぎて該液体を流して該液体の流れに気体を引き込むことによって該気泡を該液体に同伴させる膜モジュール。
６．該液体と気泡を混合し、その後膜を通り過ぎるように流して汚染物質を除去する上記５記載の膜モジュール。
７．膜モジュールを形成するようにアレイに配列され、長尺方向に延びる複数の多孔質中空繊維膜の表面から汚染物質を除去する方法であって、該膜は互いに近接して配列され、また、それらの間の過度の動きを防止するように配置され、該膜の孔を通過すること以外の手段によって、アレイの内から、液体の流れに同伴された均一に分配された気泡を形成する工程を含んでなり、該気体を該液体の中に引きこみ及び／もしくは混合するために、気体の供給源を通り過ぎて該液体を流すことによって該気泡を該液体の流れに同伴させ、該分配は、該アレイの各膜の間で実質的に均一に、該気泡が該液体の流れとともに通過して該膜の表面を洗浄し、膜モジュールの中から蓄積した固形物を除去するようになっている方法。
８．該気泡を該液体の流れ中に注入し混合する上記７記載の方法。
９．膜は多孔質中空繊維を有して成り、繊維は各端がヘッダーで固定され、少なくとも一つのヘッダーは、気体／液体の流れを導入するために形成された一またはそれ以上の穴を有する上記７又は８記載の方法。
１０．複数の多孔質中空繊維膜、ヘッダー及びパーティション手段を有してなる膜モジュールであって、該繊維膜は互いに近接して配列され、また、それらの間の過度の動きを防止するように配置され、繊維膜は各端がヘッダー内で固定され、一つのヘッダーは気体／液体の流れを導入するように形成された一またはそれ以上の穴を有し、パーティション手段は該ヘッダーの間で少なくとも部分的に延びて、該膜繊維をグループに分ける膜モジュール。
１１．パーティション手段が各繊維グループ間の隙間によって形成される上記１０記載のモジュール。
１２．繊維膜は円筒形のアレイに配列され、パーティション手段はアレイの中心部から半径方向に延びるか又は円筒形のアレイ内で同心円状に配置される上記１１記載のモジュール。
１３．複数の多孔質中空繊維膜、ヘッダーおよび繊維バンドルを有してなる膜モジュールであって、該繊維膜は互いに近接して配列されてバンドルを形成し、また、それらの間の過度の動きを防止するように配置され、繊維膜は各端がヘッダー内で固定され、一つのヘッダーは気体／液体を導入するように形成された一またはそれ以上の穴を有し、ヘッダー間でバンドルの長さに渡る中間部の長尺方向の通路を繊維のバンドルは有する膜モジュール。
１４．各注封ヘッドに各端が取り付けられ、各注封ヘッドの間の長尺方向に延びる複数の多孔質中空膜繊維を含む膜バイオリアクターにて使用される膜モジュールであって、該膜繊維は互いに接近して配列され、また、それらの間の過剰の動きを防止するように配置され、該繊維は、少なくとも各注封ヘッドにて又は各注封ヘッドに隣接して幾つかのバンドルに仕切られてそれらの間で隙間を形成し、該注封ヘッドの一つは、該モジュール内に気泡を供給するために形成されたエアレーション開口部のアレイを有し、使用時に、該気泡は該膜繊維の表面を通り過ぎて移動し、それらから汚染物質を除去する膜モジュール。
１５．該仕切られたバンドルの間に形成される隙間と一致するように、エアレーション開口部が配置されている上記１４記載の膜モジュール。
１６．該開口部は、一つのスロット、複数のスロット又は穴の列であり、繊維のバンドルはスロット又は穴の列の間で注封ヘッドに配置されている上記１５記載の膜モジュール。
１７．モジュール内の繊維は、約５〜約７０％の間の充填密度を有する上記１０、１３又は１４記載の膜モジュール。
１８．モジュール内の繊維は、約８〜約５５％の間の充填密度を有する上記１０、１３又は１４記載の膜モジュール。
１９．該穴は、約１〜４０ｍｍの範囲の直径又は相当径を有する上記１６記載の膜モジュール。
２０．該穴は、約１．５〜２５ｍｍの範囲の直径又は相当径を有する上記１６記載の膜モジュール。
２１．各々の該繊維の内径は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍである上記１０、１３又は１４記載の膜モジュール。
２２．各々の該繊維の内径は、約０．２５ｍｍ〜約２ｍｍである上記１０、１３又は１４記載の膜モジュール。
２３．各々の該繊維の壁の厚さは、約０．０５〜約２ｍｍである上記１０、１３又は１４記載の膜モジュール。
２４．各々の該繊維の壁の厚さは、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍである上記１０、１３又は１４記載の膜モジュール。
２５．フィード導入手段を有するタンク、該タンク内にて活性スラッジを形成する手段および上記１０、１３又は１４記載の膜モジュールを含む膜バイオリアクターであって、膜モジュールは該スラッジ中に沈められるように該タンク内に配置され、該繊維膜の少なくとも一端から濾液を引き出す手段が膜モジュールに設けられている膜バイオリアクター。
２６．該タンクにフィードを供給すること、該繊維に真空を作用させ、それから濾液を引き出すこと、その一方で、該モジュール内に該エアレーション開口部を通して気泡を周期的に又は連続的に供給し、使用時には、該気泡が該膜繊維の表面を通り過ぎて移動し、そこから汚染物質を除去することを含んでなる上記１４の型の膜バイオリアクターの操作方法。
２７．該穴又はスロットを通して供給する場合、気泡を液体の流れに同伴させ又は混合する上記２６記載の方法。
２８．膜モジュールをタンク内に垂直に吊り下げて、吊り下げたモジュールの下にエアレーションの供給源を設ける上記２５記載の膜モジュール。
２９．エアレーションの供給源は、気体分配器又は空気透過性チューブの群を有して成る上記２８記載の膜モジュール。
３０．上述したいずれかの態様及びそれに関する図面を参照して実質的に記載した膜モジュール。
３１．上述したいずれかの態様及びそれに関する図面を参照して実質的に記載した膜表面の（スクラブ）洗浄方法。
【００２５】
添付した図面を参照して、実施例にすぎないが、これによって、本発明の好ましい態様を以下に記載する。
【００２６】
本発明の好ましい態様
図面を参照しながら、本発明の態様を、我々の先のＰＣＴ国際公開第ＷＯ９８／２８０６６号公報に開示された型の膜モジュールに関連して説明する。この国際公開公報は、相互参照によって、本明細書に組み込まれるが、本発明は他の型の膜モジュールに等しく適用できることが理解されよう。膜モジュール５は、典型的に、繊維状、管状もしくは平らなシート状の形態の膜６を有してなり、膜の両端７及び８は注封（potted）され、膜は支持構造（この場合はスクリーン９）に入れられている。膜の一端又は両端は、透過液捕集用に用いてよい。膜モジュールの底部は、ポット１１内に複数の貫通穴１０を有し、膜表面を通る気体と液体フィードの混合物を分配させる。
【００２７】
図１に示す態様を参照すると、ベンチュリー装置（またはデバイス、device）１２等をモジュールの基部に接続している。ベンチュリー装置１２は入口１３を通して気体を取り入れ、フィード入口１４を通る液体の流れと気体を混合し又は液体の流れに気体を同伴させて、気泡を形成し、モジュールの穴１０の中に液体／気体混合物を拡散する。分配穴１０を通った後、同伴した気泡は液体の流れと共に上方へ流れながら膜表面を洗浄（スクラブまたはこすり洗い）する。液体のフィード又は気体は、システムの要求に応じて、連続的又は断続的注入とすることができる。ベンチュリー装置を用いると、気泡を作ることができ、送風機（またはブロワー：blower）を用いることなくシステムを通気できる。ベンチュリー装置１２は、ベンチュリー管、ジェット、ノズル、エゼクター、エダクター、インジェクター等であってよい。
【００２８】
図２を参照すると、ジェット又はノズルタイプの装置１５の拡大図を示している。この態様において、包囲している空気通路１７を有するジェット１６を通して液体が押し込まれ、気体を同伴した液体の流れ１８を生ずる。そのような装置は各々の供給バルブを調節することによって気体と液体媒体を独立して制御することを可能とする。
【００２９】
気体を同伴するために通常使用される液体は、給水、廃水又は濾過されるべき混合液である。ベンチュリー等を通して液体を操作するようなポンピング（pumping）は気体を液体中に吸い込む真空を形成し、また、送風機を使用する場合は気体放出圧力を減少させる。液体の流れの中に気体を供給することによって、分配穴１０が閉塞する可能性を実質的に減少する。
【００３０】
本発明は少なくともその好ましい態様において、以下のように要約できる多くの利点を提供できる：
１．ベンチュリー装置等を用いることによって、気泡を発生させ、送風機等の加圧した気体供給装置を用いる必要なく、膜の表面をスクラブ洗浄できる。原動力となる流体はベンチュリーを通過する時、真空を生じ、気体を液体の流れに引き込み、その中で気泡を生じさせる。たとえ送風機をまだ必要であるとしても、上述のプロセスを使用することで、送風機の排出圧力を低減し、従って、操作費用が低下する。
【００３１】
２．液相と気相はベンチュリー内で十分に混合され、その後膜モジュールの中に拡散し膜をスクラブ洗浄する。ジェットタイプ装置を使用して、液体媒体中に気体を強制的に混入する場合、より速い速度の気泡流れを生ずるという追加の利点が提供される。汚水処理において、使用する気体が空気又は酸素である場合、そのような十分な混合によって、優れた酸素移動が提供される。液体で満たされたパイプ内に気体を直接注入する場合、気体はパイプ壁の上に淀んだ気体の層を形成し、従って、気体と液体はバイパスしてモジュールの別の部分を通過し、その結果低い洗浄効率をもたらすこととなる可能性がある。
【００３２】
３．膜に沿う液体の流れによって気泡の流れは強められ、その結果発生する大きなスクラブ洗浄のせん断力を生ずる。気体／液体を供給するこの方法では、気体と液体の流量を独立して調整することができると、積極的な液体移動とアエレーションがもたらされる。
【００３３】
４．空気分配装置の穴の中に２相の流体（気体／液体）の混合物を注入することで、脱水された固形物の形成を防ぐことができ、従って、そのような脱水された固形物によって徐々に穴が閉塞することを防止できる。
【００３４】
５．更に、注入の配列（アレンジメント）は、モジュールの底部に効率的に洗浄薬剤（cleaning chemical）を注入するための効率的な洗浄機構を提供し、化学的洗浄を促進する洗い流し洗浄力を提供する。上述のモジュール構成で得られる高充填密度と組み合わせると、この配列によって、最少量の洗浄薬剤を用いて繊維を効率的に洗浄できる。
【００３５】
６．上述のモジュールの構成は、完全な充填部を著しく増加することなく、モジュール内に繊維のより高い充填密度を可能とする。これは、膜モジュールを曝気槽内に組み込む、あるいは、また、別のタンク内に配置することができるという、追加の融通性を加える。後者の配列において、タンク内に少量の洗浄薬剤を保持するので洗浄薬剤の使用量の点で、また、化学的洗浄工程は自動化できるので、労務費の点で、この利点は著しい節約となる。使用される洗浄薬剤はバイオプロセスにフィードバックされ得、なお有効な酸化剤であり、従って、その洗浄薬剤はバイオプロセスに有害な効果を有し得るから、使用される洗浄薬剤の削減も重要である。従って、バイオプロセス内に存在する化学的な負荷の削減は、どの程度であっても著しい利点を提供する。
【００３６】
７．気体と液体フィードの混合物を各々の膜モジュールに積極的に注入することは、膜の周囲でプロセス流体を均一に分配し、従って、濾過の間のフィード濃度の偏り（または分極）を最小にする。大規模のシステムにおいて、また、大量の懸濁物質を含むプロセスフィードについて、濃度の偏りはより大きい。従来技術のシステムでは、そのプロセス流体は通常タンクの一端から入ることが多く、モジュールを横切って移動するにつれて濃縮されるので、均一性に乏しい。その結果、幾つかのモジュールは、他のものよりもはるかに高濃度なものを処理し、そのため、非効率な運転となる。
【００３７】
８．濾過効率は、濾過抵抗が減少するので改善される。フィード側の抵抗は、膜の表面への横断パスの減少、並びに気泡及び二相流によって発生する乱れのため減少する。
【００３８】
９．そのような洗浄方法を、膜を用いる飲料水、廃水の処理関連プロセスに使用できる。濾過プロセスを吸引又は加圧によって運転できる。
【００３９】
図３〜５には、仕切りを有する種々の配列の態様を示している。再び、これらの態様を円筒形の管状又は繊維膜のバンドル２０について示しているが、本発明はそのような用途に制限されるものではないことはいうまでもない。
【００４０】
図３は、幾つかの平行な仕切り隙間２２によって、幾つかの薄いスライス２１に垂直方向に仕切られている管状の膜のバンドル２０を示す。バンドルをこのように仕切ることによって、充填密度を著しく損うこと無く、蓄積した固形物をより容易に除去することができる。そのような仕切りを設けることを、ポッティング（注封）プロセスの間に行うことができ、完全な仕切り又は部分的な仕切りを形成できる。仕切られたモジュールを形成するもう一つの方法は、図４に示すようにいくつかの小さな管状の膜のバンドル２３を注封（pot）して、各々のモジュールにすることである。
【００４１】
膜モジュールのもう一つの改良された構成を図５に示す。中央の膜のないゾーンは、通路２４を形成し、より多くの空気と液体の注入を可能とする。気泡と液体は、管状の膜２０に沿って移動し、繊維のアレイを通って上部の注封されたヘッド８にて出て行き、その間、膜の壁をスクラブ洗浄し、物質を除去する。気体のみ又は気体／液体の混合物をモジュールに注入できる。
【００４２】
図６は、更に図５と類似するが、繊維膜２０に洗浄用液体／気体混合物を入れることができるように、下のポット７の中に一つの中央穴３０を有する更に別の態様を示す。この態様において、繊維は、穴３０に隣接して延在し、上のポット８に向けて別々のバンドル２３に集まる。大きな中央穴３０によって、繊維の周囲により大きな液体の流れをもたらし、従って、洗浄効率が向上するすることが見出されている。
【００４３】
図７及び８は、図６と同様な膜の構成を有し、図２の態様と同様のジェット混合システムを有する更に別の態様を示す。一つの中央穴３０を使用することで、図８に示すように両端にて、繊維２０から濾液を取り出すことが可能となる。
【００４４】
図９及び１０を参照すると、モジュール４５は、上の注封ヘッド４７及び下の注封ヘッド４８に取り付けられ、これらの間で延在する、複数の中空繊維膜のバンドル４６を有してなる。注封ヘッド４７及び４８は、適切なマニホールド（図示せず）に取り付けるため、各々注封スリーブ（potting sleeve）４９及び５０に配置される。繊維のバンドル４６を、スクリーン（仕切り）５１によって包囲して、繊維間の過剰な動きを防止する。
【００４５】
図９に示すように、下の注封ヘッド４８に、幾つかの平行に配置されているスロットタイプのエアレーション穴（通気口、aeration hole）５２を設ける。繊維膜５３をバンドル４６に注封して、繊維のバンドルを横切って延在する隙間５４を有する仕切られている配列（アレンジメント）を形成する。エアレーション穴５２を、通常仕切りの隙間と一致させるように配置するが、通常、各空間と組み合わせた複数のエアレーション穴が存在する。
【００４６】
下の注封スリーブ５０は、下のポット４８の下に、空洞５５を形成する。気体又は液体と気体の混合物を、（上述した）ジェットアッセンブリ５７を用いて、この空洞５５の中に注入し、その後、膜のアレイの中に穴５２を介して通す。
【００４７】
使用時には、仕切りを用いることで、特に繊維のバンドルの注封端部の付近では、高エネルギーの流れを洗い流すための気体と液体の混合物とすることができ、それは、膜繊維の周囲で蓄積した固形物を除去することを助長する。
【００４８】
微生物の活動に酸素を供給するため、また連続的に膜を洗浄する（scour）ために、膜に連続的に空気を供給するの好ましい。別法では、用途によっては、空気の代りに純酸素又は他の気体の混合物を使用してよい。我々の上述の先の出願で記載したように、上のポットを通る膜の内腔（lumen）に取り付けられる吸引ポンプを用いて、きれいな濾液を膜から引き出す。
【００４９】
反応器に高濃度の懸濁物質（ＭＬＳＳ）が存在するので、低い経膜圧力または濾過圧（transmembrane pressure：ＴＭＰ）条件で、膜モジュールを運転するのが好ましい。
【００５０】
膜バイオリアクターは、フィード汚水からの栄養分を更に除去することを助長する無酸素性（または嫌気性）プロセスと組み合わせるのが好ましい。
【００５１】
使用されるモジュールシステムは多数の現在のシステムより高いＭＬＳＳに対する耐性が高く、効率的な空気洗浄（スクラブ）及び（使用された場合）逆流が、バイオリアクターモジュールの効率的な操作及び性能を助長することが見出されている。
【００５２】
本発明及びその態様を、バイオリアクターおよび同様のシステムへの適用に関連して記載したが、本発明は他のタイプの適用についても等しく利用できることが理解されよう。
【００５３】
本発明は上述の特定の態様に限定されることはなく、本発明の概念又は範囲から逸脱することなく、本発明の他の態様及び具体例が可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、膜モジュールの１つの態様の模式的側面図を示し、本発明の洗浄方法を説明する。
【図２】 図２は、同伴する気泡を形成するために用いるジェット型配列の１つの形態の、拡大した模式的側面図を示す。
【図３ａ】 図３ａは、本発明の１つの態様に基づく、仕切られた膜モジュールの模式的側面図を示す。
【図３ｂ】 図３ｂは、図３ａの膜のバンドルの断面図を示す。
【図４ａ】 図４ａは、本発明の別の態様に基づく、仕切られた膜モジュールの模式的側面図を示す。
【図４ｂ】 図４ｂは、図４ａの膜のバンドルの断面図を示す。
【図５ａ】 図５ａは、本発明のもう１つの態様に基づく、仕切られた膜モジュールの模式的側面図を示す。
【図５ｂ】 図５ｂは、図５ａの膜のバンドルの断面図を示す。
【図６ａ】 図６ａは、本発明のもう１つの態様に基づく、仕切られた膜モジュールの模式的側面図を示す。
【図６ｂ】 図６ｂは、図６ａの膜のバンドルの断面図を示す。
【図７】 図７は、図２と同様の、本発明の別の態様の図を示す。
【図８】 図８は、図２と同様の、本発明の更に別の態様の図を示す。
【図９】 図９は、本発明の膜モジュールのもう１つの好ましい態様の下端を図解的に示した断面斜視図を示す。
【図１０】 図１０は、図９の膜モジュールの上端を図解的に示した断面斜視図を示す。

Claims (23)

1. 膜モジュール、気体の供給源及び供給液体の供給源を有する濾過装置であって、
   膜モジュールは、複数の多孔質中空繊維膜、上方の注封ヘッド、下方の注封ヘッド及びベンチュリー装置を有し、
   各中空繊維膜の第一端部は、上方の注封ヘッドに取り付けられ、
   各中空繊維膜の第二端部は、下方の注封ヘッドに取り付けられ、
   下方の注封ヘッドは、複数のエアレーション開口部を有し、及び気体の供給源と供給液体の供給源に接続されたベンチュリー装置と接続され、
   ベンチュリー装置は、液体に気泡を強制的に混合し、液体に気泡を同伴させ又は注入して、液体と気泡の混合物を生成し下方注封ヘッドに入れるように構成される、濾過装置。
2. 膜モジュールは、下方注封ヘッドとベンチュリー装置の間に、下方注封ヘッドの下の空洞を形成するスリーブを更に有する請求項１に記載のろ過装置。
3. ベンチュリー装置は、ベンチュリー管、ジェット、ノズル、エゼクター、エダクター及びインジェクターから成る群から選択される請求項１又は２に記載の濾過装置。
4. 気体は、空気、酸素、気体状塩素及びオゾンから成る群から選択される請求項１〜３のいずれかに記載の濾過装置。
5. 更に、曝気槽を有し、膜モジュールは、曝気槽に少なくとも部分的に浸される請求項１〜４のいずれかに記載の濾過装置。
6. 濾過装置は、ベンチュリー装置又は供給液体の供給源と接続される洗浄薬剤の供給源を更に有する請求項１〜５のいずれかに記載の濾過装置。
7. 膜モジュールは、更に、パーティションを有し、
   パーティションは、多孔質中空繊維膜の間に延びて、多孔質中空繊維膜を複数のグループに分ける請求項１〜６のいずれかに記載の濾過装置。
8. パーティションは、複数のグループの間に隙間によって形成される請求項７に記載の濾過装置。
9. 多孔質中空繊維膜は円筒形のアレイに配置され、複数のパーティションは、アレイの中心部から半径方向に延びるか又は円筒形のアレイ内で同心円状に配置される請求項１〜６のいずれかに記載の濾過装置。
10. 多孔質中空繊維膜は、互いに近接して配置されてバンドルを形成する請求項１〜６のいずれかに記載の濾過装置。
11. バンドルは、上方注封ヘッドと下方注封ヘッドの間にバンドル長で延びる中央長尺方向の通路を有する請求項１０に記載の濾過装置。
12. バンドルは、エアレーション開口部に隣接して配置される請求項１０又は１１に記載の濾過装置。
13. 膜モジュールは、中空繊維膜の複数のバンドルを有し、エアレーション開口部は、バンドル間に形成される隙間と一致するように配置される請求項１〜６のいずれかに記載の濾過装置。
14. エアレーション開口部は、１ｍｍから４０ｍｍの平均直径又は相当直径を有する請求項１〜１３のいずれかに記載の濾過装置。
15. 多孔質中空繊維膜は、５％〜７０％の充填密度を有する請求項１〜１４のいずれかに記載の濾過装置。
16. 多孔質中空繊維膜の平均内径は、０．１ｍｍ〜５ｍｍである請求項１〜１５のいずれかに記載の濾過装置。
17. 多孔質中空繊維膜の平均壁厚は、０．０５ｍｍ〜２ｍｍである請求項１〜１６のいずれかに記載の濾過装置。
18. 膜モジュールは、タンク内に配置される請求項１〜１７のいずれかに記載の濾過装置。
19. 膜モジュールの下方に配置されるエアレーションの追加の供給源を更に含む請求項１８記載の濾過装置。
20. エアレーションの追加の供給源は、空気透過性チューブの群を含む請求項１９に記載の濾過装置。
21. 膜モジュールを形成するようなアレイに配列され、長尺方向に延在する複数の多孔質中空繊維膜の表面から汚染物質を除去する方法であって、
    膜は、複数の孔を有し、
    膜は、相互に近接して配列され、膜相互間の過度の動きを防止するように配置され、
    該方法は、実質的に均一な分布で同伴する複数の気泡と液体の混合物をそのアレイ内から供給する工程を有し、
    中空繊維は、第一端部は第１注封ヘッドで固定され、第二端部は第２注封ヘッドで固定され、少なくとも一方の注封ヘッドは、気泡と液体の混合物を導入するために形成された一又はそれ以上の穴を有し、
    液体は、供給液体を含み、
    注封ヘッドに接続されるベンチュリー装置に液体と気体を流し、液体に気体を強制的に混合することで、気泡は、液体中に同伴して、気泡と液体の混合物を生成し、
    該気泡の分布は、該配列内の各膜の間に気泡が実質的に均一に通過し、液体との組み合わせで、膜の外面の汚れを落とし膜モジュール内から蓄積した固体を除去する分布である方法。
22. 第１注封ヘッド、第２注封ヘッド、パーティション、ベンチュリー装置、及び複数の多孔質中空繊維膜を含む膜モジュールであって、
    中空繊維膜は、相互に近接して配置され、それらの間の過度の動きを防止するように取り付けられ、
    中空繊維膜は、第一端部で第１注封ヘッドに取り付けられ、第二端部で第２注封ヘッドに取り付けられ、
    第１注封ヘッドは、気体と供給液体の流れを導入可能に形成された一又はそれ以上の開口部を有し、
    パーティションは、第１及び第２注封ヘッドの間に少なくとも部分的に延びて、中空繊維膜を複数のグループに分け、
    第１注封ヘッドは、気体の供給源と供給液体の供給源に接続されるベンチュリー装置と接続され、
    ベンチュリー装置は、液体に気泡を強制的に混合し、液体に気泡を同伴させ又は注入して、液体と気泡の混合物を生成し第１注封ヘッドに入れるように構成される、膜モジュール。
23. ベンチュリー装置は、ベンチュリー管、ジェット、ノズル、エゼクター、エダクター及びインジェクターから成る群から選択される請求項２２に記載の膜モジュール。

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