JP5353693B2 - 濾過膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、原水の入った処理水槽内に浸漬させ、原水を濾過処理する濾過膜装置に関する。さらに詳しくは、中空糸膜を束ねた中空糸膜エレメントの集水キャップに、エレメント支持体と係合しやすいように溝加工を行い、それをエレメント支持体の梁に係合することで簡単に中空糸膜エレメントの脱着が可能な濾過膜装置に関する。

一般に、浸漬型中空糸膜を用いた濾過膜装置は、処理水槽内に濾過膜装置を浸漬させ、処理水槽内の懸濁物質を含む原水を中空糸膜を通して吸引濾過し、濾過水を得るために使用されている。

中空糸膜は、通常細長い中空糸膜を多数束ねて細長い筒状カートリッジとして用いられる場合が多い。カートリッジ内では、一方の端を封鎖され、他方の端は開口状態にされた中空糸膜が多数束ねられている。この筒状カートリッジの、中空糸膜が開口状態にされた側から吸引することで中空糸膜を通った濾過水を得ることができる。

濾過膜装置自体の集水効率は吸引力に比例するが、集水量を増やすためには、多くのこれらカートリッジをまとめて処理水槽に浸漬させるのが効果的である。個々のカートリッジからの濾過水の集水量が少なくても多くのカートリッジを同時に使うことで集水量を多くすることが出来るからである。

そこで特許文献１には筒状カートリッジ状の中空糸膜からなるフィルターサブモジュールを４本まとめて固定し、それを複数個連ね、フレームに固定した濾過器が開示されている。この濾過器では、４本のフィルターサブモジュールの上部を１つのマニホールドで液密に固定している。そしてマニホールドには集水管が係合されていて、１つのマニホールドからは４本のフィルターサブモジュールからの濾過水が集水できる。

この４本のフィルターサブモジュールをまとめたユニットを多数並べて配置し、１つの濾過膜装置としている。

また、中空糸膜には原水内の懸濁物質が付着し、濾過効率が減少するという問題が発生する。そのため、フィルターサブモジュールの下部には散気管を設け、一定期間ごとにエアをあてる。このエアによって中空糸膜に付着した懸濁物質を剥離除去する。この処理はエアスクラビングという。
特表２００２−５４２０１３号公報

このようにフィルターサブモジュールを複数本固定するマニホールドは、フィルターサブモジュールと脱着可能なようにロック機構とクリップ手段を有している。マニホールドとフィルターサブモジュールは液密に係合されなければならない一方で、フィルターサブモジュールは経年劣化を避けられず、交換しなければならないからである。しかも、処理水槽中に浸漬されたフィルターサブモジュールは大変重く、フレームに固定されたマニホールド毎引き上げるためには、マニホールドとフィルターサブモジュールの係合は、強固でなければならない。

しかし、長期間に渡って処理水槽中に浸漬されていたマニホールドとフィルターサブモジュールの係合は、容易には取り外すことができず、交換作業を著しく困難なものとするという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、集水管とは液密に係合されており、処理水槽からの引き上げ時には、フレームにしっかりと固定され、交換時には容易に取外して交換できる中空糸膜エレメントを提供するものである。

すなわち、本発明の中空糸膜エレメントは、束ねた中空糸膜と集水口を有する集水キャップを液密に係合し、その集水キャップには、フレーム側に設けられた支持梁と嵌合するための溝が設けられた中空糸膜エレメントである。

また、そのような溝付集水キャップを有する中空糸膜エレメントと嵌合する支持梁を有するフレームも提供する。さらに、溝付集水キャップを有する中空糸膜エレメントを支持梁を有するフレームに設置してなる濾過膜装置も提供する。

本発明の中空糸膜エレメントは、中空糸膜と液密に係合された溝付集水キャップを有しているので、この溝にフレーム側の支持梁を嵌合させることで、フレームに固定することができる。特に集水キャップの溝を水平方向に形成しておき、フレームから水平に突き出た支持梁に嵌合させると、垂直方向には高い耐荷重性を得ることができる。従って、中空糸膜エレメントの交換時の処理水槽からの引き上げが容易であるという効果がある。

また、本発明の中空糸膜エレメントは、フレームの支持梁に集水キャップに形成された溝を嵌合させるだけなので、取り外しはいたって容易であるという効果がある。

また、集水キャップとフレームが係合されているので、集水口と集水管は一般のフェルール構造をクランプバンドで固定する方法で結合させるだけでよいという効果がある。

本発明のフレームは、中空糸膜エレメントを保持するための支持梁を有する。この支持梁は、集水キャップの溝に嵌合する梁であればよい。所望の強度を確保できれば、その形状は直線状であっても利用できるので、容易に作製できるという効果を有する。

本発明の濾過膜装置は、以上のような中空糸膜エレメントとフレームを有するので、作製が容易であり、しかも、中空糸膜エレメントの交換が簡単であるという効果を有する。

本発明の中空糸膜エレメント１を例示する断面図である。 集水キャップ２０をフェルール継手２３のある側から見た平面図である。 集水キャップ２０の溝２１の形状のバリエーションの例を示す図である。 集水キャップ２０の溝２１の形状のバリエーションの例を示す図である。 集水キャップ２０の斜視図である。 本発明の中空糸膜エレメント１を係合するフレーム６０を例示する斜視図である。 フレーム６０に中空糸膜エレメント１を係合した濾過膜装置３を例示する斜視図である。

符号の説明

１ 中空糸膜エレメント
３ 濾過膜装置
１０ 中空糸膜
２０ 集水キャップ
２１ 溝
２２ 集水口
２７ リブ
３０ 袋ナット
４０ 筒状容器
６０ フレーム
７０ 集水管
７５ 散気管

本発明の実施形態を図面により説明する。図１は本発明の中空糸膜エレメントの一実施形態を示す図である。本発明の中空糸膜エレメント１では、中空糸膜１０、集水キャップ２０を含む。また、袋ナット３０、筒状容器４０を含んでいても良い。

中空糸膜１０は５０乃至２０００本を１つに束ねた小束１３にまとめられ、一方の端を中空糸膜閉塞部材１２で閉塞させる。小束１３同士は中空糸膜閉塞部材１２で閉塞された反対の端を中空糸膜固定部材１１で固定される。中空糸膜固定部材１１は複数の小束１３を１つに束ね、なおかつ、中空糸膜１０を開口状態で固定する。すなわち、中空糸膜固定部材１１側から見ると、１本の中空糸膜１０は袋状になる。

中空糸膜の素材は特に限定されるものではなく、膜面透過性のある中空糸状繊維であればよい。例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアルコール共重合体、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレンなどや、これらの複合素材を利用することができる。

集水キャップ２０は、本体内にマニホールド２５と集水口２２と溝２１を有する。集水キャップ２０は中空糸膜１０と液密に係合されるが、その方法は特に限定されるものではない。図１では、中空糸膜１０は中空糸膜固定部材１１で一旦固定され、さらに筒状容器４０の内壁に液密に係合される。さらに筒状容器４０と集水キャップ２０を袋ナット３０で締め上げることで、中空糸膜１０と集水キャップ２０が液密に係合される。

集水口２２は集水キャップ２０のマニホールド２５から外部に穿たれた貫通孔であり、ここから陰圧で引くことで中空糸膜１０によって原水から濾過された濾過水がマニホールドを経由して得ることができる。

集水口２２には、集水管へ繋がるパイプとの結合手段がある。中空糸膜エレメント１の交換の際にはこの結合手段で集水管との接続を切断するためである。この結合手段についても特に限定されるものではなく、液密状態で結合できる手段であればよい。

図１では、結合手段として集水口２２にフェルール継手２３を形成した場合を示す。フェルール継手２３は、鍔状の継手の表面にパッキング用の凹み２４が形成されている。そして、パッキングをはさんで、同形状のフェルール継手２３を突き合わせ、クランプバンドで固定することで、容易に液密状態の結合が可能である。

本発明の中空糸膜エレメント１では、全重量を溝２１で保持するために集水口２２に設けられる結合手段には荷重負担がない。従って、液密状態を保持できれば、結合手段自体には伸びや耐荷重性能は不要となる。

溝２１は集水キャップ２０の外周に形成される。図２（ａ）は、集水キャップ２０をフェルール継手２３のある側から見た平面図である。溝２１は集水口２２をはさんで平行に溝切り加工が施されて形成される。すなわち、溝２１を集水キャップ２０の外周上の複数箇所、この場合、集水キャップ２０の水平方向の断面における中線（図の上下方向）に対し、線対称の位置に２箇所設けた例である。

この溝２１には、フレーム６０側からの支持梁６５が差し込まれ（図６参照）、この支持梁６５と溝２１とが嵌合することで、集水キャップ２０は支持梁６５に係合される（図２（ｂ）)。この場合、溝２１が集水キャップ２０の水平方向の断面における中線（図の上下方向）に対し、線対称の位置に形成されたのは、支持梁６５が平行に差し込まれることで、集水キャップ２０の回転方向の動きが規制され、集水口２２と集水管７０の間のパイプ７１が損傷しないためである。

このように集水キャップ２１の溝は、中空糸膜エレメント１をフレーム６０の支持梁６５と係合するだけでなく、回転方向の動きを規制できれば、より好ましい。図３には、集水キャップ２０の溝２１の他の形態を例示する。形成された溝２１の形状はこれらに限定されるものではない。

図３（ａ）は、溝２１を「ハの字」形に形成した、すなわち、溝２１を集水キャップ２０の外周上の複数箇所、この場合２箇所に設けたものである。この場合はフレーム側の支持梁６５もこの形状になっていればより好ましい。

図３（ｂ）は、溝２１が三角形状に形成されている場合、すなわち、溝２１を集水キャップ２０の水平方向の断面における中線（図の上下方向）に対し、線対称の位置に設けた一形態である。この場合も支持梁６５は「ハの字」型になっていることが好ましい。

図３（ｃ）は溝２１が四角形状に形成されている場合である。これは平行な一対の溝２１が２つ、直角に形成されているとも言え、溝２１を集水キャップ２０の外周上の全てに設け、かつ、溝２１を集水キャップ２０の水平方向の断面における中線（図の上下方向）に対し、線対称の位置に設けた一形態である。

図４（ａ）は溝２１が六角形状に形成されている場合である。このように溝２１は多角形であってもよく、この場合は、溝２１を集水キャップ２０の外周上の全てに設け、かつ、溝２１を集水キャップ２０の水平方向の断面における中線（図の上下方向）に対し、線対称の位置に設けた一形態となる。

図４（ｂ）は溝２１が集水キャップ２０の外周に円状に形成されている場合を示す。本発明の中空糸膜エレメント１は円状あるいは円弧状の溝２１を除くものではない。ただし、この場合は集水キャップ２０が円周方向にずれる場合があり、フレーム６０の支持梁６５側に集水キャップ２０の回転規制のための手段があることが望ましい。

ただし溝２１には、原水を含有した中空糸膜エレメント１の荷重だけでなく、処理水槽における原水の注排水による水流が作用しても破損しない強度が必要である。よって溝２１の構成および形状、ならびに集水キャップ２０のどこに溝２１を設けるかについては、中空糸膜エレメント１の鉛直方向の荷重のみならず、水平方向に作用する荷重も考慮して決定される。

図５には集水キャップ２０の斜視図を示す。集水キャップ２０の上部には集水口があり、フェルール継手２３で、集水管７０から延びるパイプ７１と接続される。集水キャップ２０は筒状容器４０と液密に接続されている。集水キャップ２０の側面には溝２１が形成されている。この溝２１が形成されている部分にはリブ２７を設けても良い。

集水キャップ２０は樹脂材を用いることができるが、集水キャップ２０の直径は、１００ｍｍを越え数百ｍｍ程度である場合が多い。厚肉部がある場合、射出成形には不適な形状であり、切削加工では重くなる。そこで、集水キャップ２０から肉削ぎ部分２８を設けても良い。その際には、リブ２７を設けて溝２１の部分の強度を補強することが好ましい。

図１に再び戻って、筒状容器４０は側面に開口部４１を有する。また下方にはエア導入筒４２が設けられている。エア導入筒４２の下には散気管が設置され、エア導入筒４２から筒状容器４０内に入ったエアは、上昇しながら中空糸膜１０を揺らせて開口部４１から抜ける。中空糸膜１０が揺れることにより、中空糸膜１０の表面に付着していた懸濁物質は表面から剥離され、結果、中空糸膜１０の濾過効率が維持される。

上記開口部４１の位置は、筒状容器４０の鉛直方向（図１における上下方向）において、上半分の領域にその開口面積の７５％以上を設けるのが好ましく、筒状容器４０の上半分の領域に開口部４１の開口面積の１００％を設けるのがさらに好ましい。開口部４１が筒状容器４０の下半分の領域に多数設けられた場合、エアの一部は筒状容器４０内を上昇せず、すなわち、中空糸膜１０を揺らすことなく下方の開口部４１から抜けてしまい、中空糸膜１０の表面から懸濁物質を剥離する効果が下がるからである。

袋ナット３０は、集水キャップ２０と筒状部材４０の端を突き合せた部分を包み込むように係合する。本発明の中空糸膜エレメント１は、集水キャップ２０と中空糸膜１０が一体となった状態で交換されるため、図１のように、中空糸膜１０と筒状部材４０が一体となっている場合は、集水キャップ２０と筒状部材４０を接着若しくは溶着といった手段で接合してもよい。

袋ナット３０、筒状容器４０、集水キャップ２０、およびエア導入筒４２は、通常、樹脂から形成される。これらを形成する樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィン系樹脂や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン（ＥＴＦＥ）、三フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・三フッ化塩化エチレン（ＥＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩素系樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリルスルホン樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリル−スチレン共重合体樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などが単独または混合して用いられる。

また、袋ナット３０、筒状容器４０、集水キャップ２０、およびエア導入筒４２は、樹脂以外の材料で形成されてもよい。その場合の材料としては、アルミニウム、ステンレス鋼などが用いられる。更に、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料を使用することもできる。なお、筒状容器４０、集水キャップ２０、およびエア導入筒４２は、同一の材料でもそれぞれ異なる材料で形成されていてもかまわない。

以上のような中空糸膜エレメント１は集水口２２に、フレーム６０側に配置された集水管７０との間をつなぐパイプ７１を液密に接続し、フレーム６０の支持梁で溝２１を嵌合することで所定位置に保持し、処理水槽中に浸漬される。集水管７０は陰圧ポンプに結合され、マニホールドを通じて、各中空糸膜１０の内側から外側の原水を吸引する。この際に中空糸膜１０によって原水中の懸濁物質を濾過し、濾過水をマニホールドから集水口を通じて集水管７０へ送る。

一定時間の濾過工程が終了すると、濾過水または圧縮エアを集水キャップ２０側から原水側へ流す逆洗浄や中空糸膜エレメント１下方に設置した散気管から圧縮エアを供給し、中空糸膜１０に蓄積した懸濁物質を排出するエアスクラビングを行う。

逆洗浄は、濾過水または圧縮エアが中空糸膜の内部から外部に向かって流れるため、中空糸膜の外部表面に付着していた懸濁物質が剥離、若しくは剥離しやすい状態となる。そしてエアスクラビングによって剥離し、処理水槽の底面に堆積する。

図６には本発明の中空糸膜エレメント１を保持するフレーム６０を示す。フレーム６０は、ベース６１と柱６２と複数本の平行な支持梁６５を有する。ベース６１は柱に接続されている。柱６２は桁６３によって他の柱と固定され、ベース６１、柱６２、桁６３によってフレームは形状を維持する。

支持梁６５は、本発明の中空糸膜エレメント１を係合する部分である。支持梁６５は中空糸膜エレメント１の集水キャップ２０に設けられた溝２１に嵌合できるような形状であればよい。

フレーム６０と支持梁６５との固定はどのような方法でもよく、特に限定されるものではないが、図６では平行な支持梁６５を強固に固定するために、柱と柱の間の桁６３に支持梁６５を固定する構造を示す。

フレーム６０には集水管７０と散気管７５を設けても良い。集水管７０は中空糸膜エレメント１からの濾過水を集めて排水するための管である。配管７６は、散気管７５にエアを送るための配管であり、途中までを記載したが、処理水槽の外部からエアを供給するために用いられる。散気管７５は中空糸膜エレメント１の下方からエアを供給し、エアスクラビングを行うことで中空糸膜１０の表面の懸濁物質を剥離する。よって散気管７５は、中空糸膜エレメント１の下部にあり、かつ、中空糸膜エレメント１に対して相対的位置変化が小さい方が、安定運転の実現には好ましい。よって散気管７５は変形しにくいことが好ましく、材質は鋼材または硬質樹脂を用いるのが好ましい。また、散気管７５は長期間に渡って処理水槽に浸漬されるので、ステンレス若しくはそれと同等な金属若しくは合金で作製されるとさらに好ましい。

散気管７５はエア供給のための孔（図示せず）を有する。孔は、中空糸膜エレメント１の水平断面における略中心に位置するよう、さらに、１つの中空糸膜エレメント１に対して少なくとも１つの孔を配置する。ただし、散気の目的は上述の通り中空糸膜１０に蓄積した懸濁物質を剥離することであるから、前述の孔の配置に限定されるものではなく、処理水槽の形状や原水の性状、等の条件により、効率良く、少ないエア供給量で懸濁物質の排出を達成できる孔の位置および孔の数に調整すれば良い。

フレーム６０は中空糸膜エレメント１を保持しなければならないので、金属製であるのが好ましく、長期間に渡って処理水槽に浸漬されるので、耐食性を勘案してステンレス若しくはそれと同等な金属若しくは合金で作製されるのが好ましい。

支持梁６５の材質も、耐食性を勘案してステンレス若しくはそれと同等な金属若しくは合金で作製されるのが好ましい。さらに支持梁６５には、原水を含有した中空糸膜エレメント１の荷重だけでなく、処理水槽において原水を注排水する際に生じる水流が中空糸膜エレメント１に作用して発生する荷重を保持して、なお破損若しくは実用に差し支える変形を来さない強度が必要である。よって、支持梁６５の構成および形状は、原水を含有した中空糸膜エレメント１の重量、本数、処理水槽の容量、注水時ならびに排水時の原水に生じる水流が中空糸膜エレメント１に与える荷重を考慮して決定される。

図７には、フレーム６０に中空糸膜エレメント１を８つ、２列×４行に係合させた濾過膜装置３を示す。ここで列とは、支持梁６５の長手方向に直行する方向を指す。また、行とは、支持梁６５の長手方向を指す。中空糸膜エレメント１は集水キャップ２０に設けられた溝２１に、フレーム６０の支持梁６５を嵌合させて係合させる。図７の場合、両端の支持梁６５を除く３本の支持梁６５各々において、２つの中空糸膜エレメントが、支持梁６５の長手方向に直行する方向、つまり列方向に係合しているので、４つのエレメントを係合するに８本の支持梁を必要としない。前述の通りフレーム６０に係合された中空糸膜エレメント１は、集水口から集水管７０へパイプ７１で連結されている。

また図７においては、列方向に加え、支持梁６５の長手方向、すなわち、行方向に中空糸膜エレメント１を２つずつ位置して係合させたことをも示している。なお、フレーム６０には８つの中空糸膜エレメント１を係合した様子を示すが、８つの中空糸膜エレメント１全てを係合する必要はなく、例えば７つの中空糸膜エレメント１を係合してもよい。さらに、例えば７つの中空糸膜エレメント１を係合する場合、どの支持梁６５に対して中空糸膜エレメント１を係合するかについて特に制限はない。また、１つのフレーム６０に係合する中空糸膜エレメント１の数も特に制限はなく、作製する濾過膜装置３の規模で適宜決めればよい。

支持梁６５は、集水キャップ２０の溝に差し込まれているだけであるので、非常に簡単にフレーム６０に係合させることができる。また、中空糸膜エレメント１に回転方向の力が加わっても、支持梁６５が集水キャップ２０を挟み込んでいるので、取り付け位置が規制され、中空糸膜エレメント１が回転することはない。

なお、中空糸膜エレメント１の下側をフレーム６０に固定するように構成してもよい。しかし、中空糸膜エレメント１は大部分を樹脂で形成される上に組立品であるため、寸法精度はそれほど高くない。従って集水キャップ２０以外に下方でも固定による位置規制を行うことは、却って固定時の調整などに手間がかかる。従って、本発明による溝を用いた係合以外で中空糸膜エレメント１を保持するには、中空糸膜エレメント１の下方を固定するよりは、中空糸膜エレメント１の上方にて補助的な位置規制を行なう方が好ましい。

本発明は、河川水や湖沼水といった表流水の浄化、地下水の浄化の他、下水や生産工場、レストラン、水産加工工場、食品工場から生じる廃水を処理水槽内で浄化する際に用いられる膜エレメントおよびそれを用いた膜分離装置の作製に好適に利用することが出来る。

Claims (8)

1. 複数の中空糸膜と、前記複数の中空糸膜の上部を束ね開口的に固定する中空糸膜固定部材と、前記複数の中空糸膜の下部を束ね閉塞的に固定する中空糸膜閉塞部材と、前記中空糸膜固定部材と液密に係合され、集水口と外周に形成された溝とを有する集水キャップと、を有する中空糸膜エレメントと、中空糸膜エレメント支持体であって、中空糸膜エレメントとの係合部に複数本の平行な支持梁を有する中空糸膜エレメント用フレームと、を含む膜濾過装置であって、前記中空糸膜エレメントの前記溝が、前記中空糸膜エレメント用フレームの前記支持梁に係合している濾過膜装置。
2. 前記集水キャップと液密に係合された筒状容器をさらに有し、前記中空糸膜固定部材は前記筒状容器の内壁と液密に係合されている請求項１に記載の濾過膜装置。
3. 前記溝は、前記集水キャップの外周上の複数箇所に、もしくは、外周上の全てに設けられている請求項１または２に記載の濾過膜装置。
4. 前記溝は、前記集水キャップの水平方向の断面における任意の中線に対し、線対称の位置に設けられている請求項３に記載の濾過膜装置。
5. 前記溝が前記中空糸膜エレメントにおいて２箇所設けられている請求項４に記載の濾過膜装置。
6. 前記中空糸膜エレメント用フレームにおいて、前記中空糸膜エレメントの下部の位置に散気管を有する請求項１〜５のいずれかに記載の濾過膜装置。
7. 前記複数本の平行な支持梁のうち、両端に位置する支持梁を除く全ての支持梁において、２つの前記中空糸膜エレメントが、支持梁の長手方向に直交する方向に位置して係合された請求項１〜６のいずれかに記載の濾過膜装置。
8. 前記支持梁のそれぞれにおいて、前記中空糸膜エレメントが支持梁の長手方向に２つずつ位置して係合された請求項１〜７のいずれかに記載の濾過膜装置。

Images