JP5369278B2 - 濾過用平膜エレメント及び平膜濾過モジュール - Google Patents
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Description
高汚濁性水処理の利用の一つとして、膜モジュールを用いた膜分離活性汚泥法による排水処理システムが広まりつつある。膜分離活性汚泥法は、高濃度活性汚泥下で運転できるため、ばっ気槽の容量を小さくできるうえ、沈殿槽・汚泥濃縮槽が不要になるため従来の一般的な活性汚泥処理装置に比べ設置面積を小さくすることができるという利点がある。それに加え、膜分離活性汚泥法は、従来よりも処理水の水質の向上を図ることができるという利点も有する。
特に、膜分離活性汚泥法のような高汚濁性水処理においては、処理液の粘度が高いうえ、生物処理特有の粘着性のある堆積物による膜の汚れ(バイオファウリング)が発生するため、一般の排水系の濾過に比べて、濾過膜に懸濁成分が堆積しやすく、堆積物の付着や目詰まりによる透過流量の低下が顕著である。そのため、膜モジュールを用いた濾過装置は、通常、運転時には加圧空気を送り、エアバブリング等で排水の流れを作り、これによる堆積物の剥離や濾過膜の揺動による機械的負荷による堆積物を取り除く清浄操作(散気処理)が行われる。さらに、散気処理で除去できない堆積物や膜内に詰まった堆積物は、堆積物の種類に応じて、水酸化ナトリウム等の強アルカリや塩酸、クエン酸、蓚酸などの酸、次亜塩素酸ナトリウム等の強酸化剤の水溶液により分解洗浄するメンテナンス作業により、繰り返し濾過機能を回復させる必要がある。また、特に、異常な高濁度排水の流入など不測の事態が発生した場合には、より高濃度の化学薬品を用いた薬液洗浄の必要性が生じる可能性もある。
そのため、膜モジュール及びこれを構成する濾過膜エレメントには高い濾過性能を有することに加えて、長期間運転時の機械的負荷に耐えうる強度と、特に酸化剤や酸・アルカリに対して優れた耐薬品性を兼ね備えていることが要望されている。
特に、排水処理用途で、大規模下水処理場等において、膜エレメントや膜モジュールは通常5年から10年の製品寿命が求められているため、該製品寿命を超える長期間の濾過装置の運転及び繰り返しのメンテナンスに耐えうる機械的強度と耐薬品性を兼ね備えることが強く要望されている。
また、平膜モジュールとしては、従来、塩素化ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質膜を用いたものや、特開2004−182919号公報(特許文献2)のようにポリフッ化ビニリデン(PVDF)系樹脂からなる多孔質膜を用いたものがある。
また、特許文献1の濾過モジュールはPTFE製の中空糸膜を使用しており、耐薬品性や強度に極めて優れるが、細い中空糸を適度な間隔を設けながら多数本並設させるという組立て作業にも相当な時間と手間を要し、複層構造を有する中空糸の作製は容易ではないことから、濾過モジュールの作製はコスト高になりやすいという問題もある。
例えば、機械的強度に対しては、既存の平膜は濾過膜の強度、特に濾過機能を有する部分の濾過膜の強度が十分でないため、多種多様な異物を含む被処理液の散気による負荷のもとで長期に渡り使用する場合、膜損傷によるリークトラブルの可能性が高い。特に、PVDF樹脂製の濾過膜は、PVDF系樹脂を溶媒で溶解した溶液を再び凝固させて製造しており、極めて薄く、濾過機能を有する部分の機械的強度が不十分である。
一方、洗浄薬品に対する耐久性についても、たとえばポリオレフィン樹脂製の濾過膜は、アルカリに対しては比較的耐久性があるが、酸化剤に対する耐久性に乏しく、強力な酸化剤を用いた膜洗浄を高い頻度あるいは長期に渡って実施することができない。また、PVDF樹脂製の濾過膜は、酸化剤に対してはある程度耐久性を有するが、特にアルカリに対する耐久性に乏しく、強アルカリ性の洗浄液では液の接触とともに短時間で膜が茶褐色に変色し材料の変質をきたし、長期使用は不可能である。さらに、酸化剤に対しても高濃度では耐久性が十分ではない。
処理液流路用の空間をあけて対向配置されるシート状の濾過膜と、
前記処理液流路用の空間を確保するサポート部と、
前記対向配置される濾過膜の外周縁を少なくとも1つの処理液取出口をあけて封止する外周封止部と、
を備え、
前記濾過膜は、少なくとも延伸PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)多孔質膜を備え、該延伸PTFE多孔質膜の表面の最外層における空孔を囲む繊維状骨格の平均最大長さが5μm以下であることを特徴とする濾過用平膜エレメントを提供している。
そのうえ、延伸PTFE多孔質膜は殆どの薬品に犯されない化学的安定性を有している。一般的に、比表面積の大きい多孔質膜は、バルク体に比べて薬品に浸食されやすく強度も小さいが、延伸PTFE多孔質膜は有機・無機の酸、アルカリ、酸化剤、還元剤及び有機溶剤等のほとんど全ての有機・無機薬品に対して不活性であり、耐薬品性に極めて優れる。そのため、従来の平膜エレメントのように洗浄薬剤が制約されず、堆積物の種類に応じて種々の化学薬品を選択して、必要時には高濃度にて濾過膜の洗浄を長期に渡り行なうことができる。例えば、バイオファウリングを完全に溶解除去・殺菌するために、次亜塩素酸ナトリウム水溶液や過酸化水素水などの強酸化剤の高濃度溶液を使用でき、排水中の油分等を除去するために、水酸化ナトリウム等の強アルカリ水溶液を使用することができる。
膜エレメントの構成材料は膜以外にフレーム、サポート材などがあるが、これら保持部材はバルク材料であり使用段階における被処理液や洗浄薬品の接液部分が少ないため、内部の非接液部の侵食は非常に遅くなるため実用上問題とならない場合が多い。すなわち、比表面積が大きい膜の耐薬品性が全体の使用可否に影響する。
本製造方法により得られた延伸PTFE多孔質膜は、微細孔を有しながら空孔率が高く、高い粒子捕捉率と透過容量を兼ね備えたものとすることができる。
また、濾過用平膜エレメントの被処理液や濾過の要求性能に応じて、段数、温度、倍率等の延伸条件や焼結条件等を変えることにより、延伸PTFE多孔質膜の空孔形状や大きさ等の調整も容易である。さらに、孔径の異なる多孔質膜の積層体も作製しやすいので、粒子捕捉率及び空孔率の高い、高性能な多孔質濾過膜を効率的に製造することができる。
この範囲において液質ごとにさらなる最適範囲が存在する。
前記平均孔径はPMI社製パームポロメーター(型番 CFP-1200A)により測定している。
膜表面の最外層における空孔を囲む繊維状骨格の平均最大長さは、樹脂部及びそれに連結する繊維で構成される空孔の外周上の2点を結ぶ距離の最大値をSEM画像上で測定して求めている。
なお、粒子捕捉率は、次の方法により測定している。
延伸PTFE多孔質膜を直径47mmの円形に打ち抜き、ホルダーにセットし、粒子径5.125μmあるいは0.458μmのポリスチレンラテックス均質粒子(製品名DYNOSPERES SS-052-P,STADEX SC-046-S)(JSR社製)を含有する水溶液を調製し、これをセットした延伸PTFE多孔質膜により、41.2kPaの圧力で濾過を行い、濾過前の水溶液と濾液の吸光度を測定し、その比により求めている。吸光度は、紫外可視分光光度計(島津製作所製UV−160)を用い、波長310nmで測定している(測定精度1/100)。
平均膜厚はダイアルゲージにより測定しており、気孔率はASTM D792に記載の方法で測定している。
さらに、3質量%の硫酸、4質量%の水酸化ナトリウム水溶液、有効塩素濃度10%の次亜塩素酸ナトリウム水溶液の各々に温度50℃で10日間浸漬しても透過水量が低下せず、損傷されない、優れた耐薬品性を有するものとすることが好ましい。
また、延伸PTFE多孔質膜の単体膜上あるいは積層体の外表面に緻密層を設けた濾過膜としてもよい。緻密層を設ける場合、延伸PTFE多孔質膜により構成される延伸PTFE多孔質層と緻密層の少なくとも2層構成の濾過膜とし、該延伸PTFE多孔質層を濾過膜の支持層として形状維持を担う層とすることができる。
ついで、前記(1)または(2)のフィルムを、さらに延伸することで緻密層を製作し、
これを延伸PTFEの基材と積層することにより二層構造の膜を製作してもよい。
併用する熱可塑性のフッ素樹脂はPFA(四ふっ化エチレンペルフルオロアルコキシビニルエーテル共重合体)、FEP(四ふっ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)、ETFE(四ふっ化エチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PVDF(ポリビニリデンフロライド)、PVF(ポリビニルフロライド)等が挙げられる。その中でも、PTFEの融点ピーク以上(327℃以上)でも比較的分解速度が低いFEPが好ましく、更にはPFAがより好ましい。
サンプル10mgから20mgを採り、必要に応じてアルミセルにPTFEを封止する(PTFEは可能な限り収縮変形できるようにフリーな状態に保つことが重要で、セルを潰さないか、潰し切らないようにする)。室温から245℃まで50℃/分で加熱。その後10℃/分で365℃まで加熱する(第一ステップ)。
次に−10℃/分の速度で350℃まで冷却し、350℃で5分間保持する。次に−10℃/分の速度で350℃から330℃まで、−1℃/分の速度で330℃から305℃まで冷却する(第二ステップ)。分子量が小さいほど発熱量が大きくなる。
次に−50℃/分の速度で305℃から245℃まで冷却する。次に10℃/分の速度で245℃から365℃まで加熱する(第三ステップ)。
サンプリングタイムは0.5sec/回とする。
前記第一ステップの吸熱量は303℃から353℃の間、第二ステップの発熱量は318℃から309℃の間、第三ステップの吸熱量(融解熱量)は296℃から343℃の区間を積分して求める。
前記緻密層を設ける場合、前記のように、被処理液側(外表面側)に配置することにより、固液分離処理の初期段階後の定常状態において、分離する固体粒子が緻密層の空孔内に不可逆的に捕捉されることがないようにすることができる。また、逆洗浄を行えば容易に堆積物は除去することができる。
この場合、孔径が小さい延伸PTFE多孔質膜の内面側に孔径が大きい延伸PTFE多孔質膜を積層して、前記孔径が小さい延伸PTFE多孔質膜の支持体として用いることが好ましい。
孔径の小さい延伸PTFE多孔質膜が前記サポート部材と接触あるいは接着した場合、サポート部材の非開口部分の延伸PTFE多孔質膜を通った処理液が実質貫通しないため、流量低下を来す。これに対して孔径の大きいPTFE多孔質膜を内面側に積層すれば、透過抵抗の高い前記孔径の小さい延伸PTFE多孔質膜の全面を透過膜として用いることができ、流量を低下させずに処理することができる。
孔径の異なる2種類の延伸PTFE多孔質膜を積層する場合は、2種類の延伸PTFE多孔質膜を、望ましくは非完全焼結状態の延伸PTFE膜を積層して焼結一体化することにより、容易に積層体を形成することができる。
前記延伸PTFE多孔質膜の表面の親水性を高める方法としては、例えば、耐薬品性に比較的優れたポリビニルアルコールを水溶液中で酸触媒を用いてジアルデヒドと架橋させることや、適当な架橋剤とともにUV処理などにより架橋させることにより水不溶化させる方法を用いることができる。これらの方法は化学的に比較的安定な親水性付与を行うことができる。
そのほか、エチレン−ビニルアルコール共重合体などをIPA(イソプロピルアルコール)等に溶解させたあとPTFE多孔質膜上で不溶化させる方法などがある。
このように、親水処理により、バイオファウリングを低減することができる。
1枚あるいは2枚の平膜シートの対向する辺を封止する場合は加圧加熱、レーザー等によりシールすることが好ましい。
熱シールに用いられる他の樹脂としては、フッ素樹脂あるいはオレフィン系樹脂等が好ましく、具体的な樹脂成分としてはPFA、FEP、ポリプロピレン、ポリエチレン、PBT(ポリブチレンテレフタレート)が好ましい。
PFA、FEPのようなフッ素樹脂を用いる場合は耐薬品性に優れる利点がある。ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂を用いる場合は融点が低いため、より低温で熱シールすることができる利点がある。
これらの介在させる他の樹脂はフィルム状あるいは板状のものを用いてもよいし、該樹脂の微粒子分散液とし、これをシールする部分に塗布してもよい。
前記サポート部は、濾過膜の間に処理液流路用の空間を保持できるものであれば形状、構造等は特に問わないが、少なくとも1枚以上の不織布、穴空きシートあるいはV字屈曲部を連続させたプリーツ状の加工材、処理液取出口側に向けて平行配列された複数の線状部が横断して連結されている形状のネット材、前記処理液取出口側に連通した複数の流路用開口を設けた加工板から選択された1種囲以上のサポート材で構成することが好ましい。
前記サポート材を対向する濾過膜の間に介在させると、濾過膜を安定して支持しながら、透過した処理液が処理液取出口まで連通する構成とすることができる。
確実に流路を形成するため、前記対向配置する濾過膜の空間に面する内面間に複数枚のサポート材を一定の距離をあけて介在させてもよい。
また、前記サポート材は、前記対向配置される濾過膜の少なくとも一部に固定されていることが好ましい。しかし、逆洗など処理液側からの負荷圧力が小さい場合は、固定されていなくてもよい。
このようなネット材は、隣接する線状部の間により形成される空間が処理液取出口側に向かう流路となり、処理液を処理液取出口に確実に導くことができる。よって、処理液が平膜エレメント内で滞留せず、速やかに処理液取出口に導かれ、処理流量が飛躍的に向上する。その結果、薄いサポート材を用いることができ、同一体積当たり、大きな有効濾過膜面積を確保することができる。
このようなネット材としては、特に、処理液取出口側に向けて平行配列された複数の線状樹脂が、該線状樹脂よりも細い線状樹脂で横断・連結されているものが好適に用いられる。例えば、Naltex社製の押し出しネット「Naltex(登録商標)」のN04911/05_45PP、N06006/06_45PP−NATを好適に用いることができる。
特に、本発明の濾過用平膜エレメントを排水処理用途に用いる場合で、サポート部を不織布やメッシュ状(ネット)とする場合については、融点が低く加工性がよく、かつ加水分解しにくいポリオレフィン系樹脂を用いることが望ましい。また、洗浄の際、高濃度オゾンなど極めて酸化性の強いものを用いる場合はフッ素樹脂系材料が望ましい。
なお、不織布、ネットまたは他の多孔質シートは濾過膜に完全に固着せず、点接着や別個に設けてもよい。
他の多孔質シートを用いる場合は、支持体としての機能が必要であることから流量抵抗の少ない、より大きい孔を有する材料を選択するのが望ましい。
このような積層体とすれば、不織布、ネットまたは他の多孔質シートは処理液の流路を妨げることはなく、延伸PTFE多孔質膜を備えた濾過膜を安定して平面状に形状維持することができる。
本構成とすれば、後述する外周フレームを設けて濾過膜の外周縁を支持する代わりに、濾過膜の外周縁同士をシール固着し、対向する濾過膜をサポート材で支持して濾過膜を内部から平面状に保持することができる。
本構成とすれば、サポート材と外周フレームの双方で処理液流路が保たれると共に、濾過膜とサポート部の外周縁は額縁状の外周フレームで保護されるので、より安定な濾過用平膜エレメントとすることができる。
あるいは、前記ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、あるいはフッ素樹脂の微粒子の分散液を、あらかじめプライマー等で処理したステンレス等の金属材料に被覆して焼き付けたものでもよい。これらは、上記サポート材同様、PTFE膜材などとの熱シールが可能で濾過膜との密着性や接着性を高めることができる。
また、前記のように、外周フレームは加工性に優れる点から、前記した樹脂材で被覆した金属材料から構成してもよい。
本構成とすれば、処理液流路をサポート材で保ちながら、外周封止部は濾過膜の外周縁をシールするだけで形成することができるため、濾過用平膜エレメントの作製を容易とすることができ、部品も削減できる。特に、濾過膜の外周縁シール部分を保護したい場合はこれを覆うようにフレームを設けてもよい。
前記シールの方法としては、熱もしくは接着剤のいずれを用いてもよいが、濾過装置の運転や洗浄中、特に薬品洗浄処理がなされる場合の接着剤成分の溶出を防止することができるため、熱シールとするのが好ましい。
さらに、濾過膜同士あるいは濾過膜とフレーム、濾過膜とサポート材などの熱シールを行うにあたっては、より作業性と信頼性をあげるため両者の間に、これらの膜、部材の融点同等以下の融点をもつフィルムまたは粒子を含む分散液を塗布するなどのバインダーを使用することができる。
一方、多孔膜の孔構造の変化を抑えるため、熱シール作業は適度な加圧、加熱により可能であるが、一定時間加熱後、冷却工程を経て圧力を開放することが望ましい。冷却しない場合、膜がヒーターなどの部材に一部付着し伸ばされる可能性があるからである。これらの技術により溶融粘度が低く、接着しにくいPTFE多孔質膜を信頼性のある溶出物の少ない濾過器部品に仕上げることができる。
本構成とすると、多数の濾過用平膜エレメントを設置することができ、大きな有効膜面積を確保することができるので、大きな処理容量が得られる。
また、各平膜エレメントの間に散気装置を設置した濾過装置を構成しやすく、膜表面を均一に洗浄することができる。
本構成とすれば、複数の平膜エレメントに対して、1つの処理液取出口を設ければよく、各平膜エレメント毎に処理液取出口を設ける必要がないので、平膜濾過モジュールの製造をシンプルかつ容易にすることができる。
なお、複数の平膜エレメントからなる本構成の平膜濾過モジュールとする場合、隣接する筒状あるいは袋状とした濾過膜の間、あるいは必要時には、外周に前述したメッシュを濾過膜に接触させて実質的に隙間なく配置させてもよい。このようにメッシュを配置することで逆洗浄を行った場合の濾過膜の撓みを防止することができる。
なかでも、MLSS(混合液懸濁浮遊物質)が5,000〜20,000mg/Lである活性汚泥(被処理液)に対して、安定して使用することができる点で極めて優れている。
また、平膜エレメントとしていることで、組立部品および工程を減らすことができ、容易に組立てられるほか、運転時の膜面洗浄も行いやすく、効率的に堆積物を除去することができる。
11、21、31 濾過膜
12 サポート板
13 外周フレーム
14 処理液取出口
15 延伸PTFE多孔質膜
16 延伸PTFE多孔質シート
18 不織布
60、70、80 平膜濾過モジュール
71 ネット材
81 共通処理液集水管
82 分岐管
90 緻密層
100 濾過装置
図1〜図3は第1実施形態の濾過用の平膜エレメント10を示し、図4〜図6に第1実施形態の平膜エレンメント10を備えた平膜濾過モジュール80を示す。
該平膜濾過モジュール80は、高濁度の懸濁成分を含む被処理液中に浸漬して固液分離処理を行うものであり、下水および活性汚泥からなる曝気槽内に浸漬して膜分離活性汚泥法に用いられるものとしている。
外周フレーム13と濾過膜11A、11Bの外周縁の熱融着は、融点の高い延伸PTFE多孔質膜からなる濾過膜11A、11B側から外周フレームを形成するポリエチレン樹脂の融点以上の温度で加熱し、該延伸PTFE多孔質膜側を介して伝わった熱により、外周フレーム13の表面を一部溶融させ、冷却固化させることにより行っている。本構成とすれば、簡単な作業でコストを抑えながら、フレームと濾過膜との固着部分を強固にした平膜エレメントを作製することができる。
なお、本実施形態では、該サポート板12の両面は、濾過膜11A、11Bに固定させず、遊離させている。
濾過膜11A、11Bは、延伸PTFE多孔質膜15と、該延伸PTFE多孔質膜15よりも孔径が大きくかつ厚みの大きい延伸PTFE多孔質シート16を積層した積層体からなる。
濾過膜11A、11Bは、PTFE未焼結粉末と液状潤滑剤のペースト押出によって得られる成形体を2軸延伸して得られた延伸PTFE多孔質膜15と、同様の製造方法により得られ、該延伸PTFE多孔質膜15よりも孔径の大きい延伸PTFE多孔質シート16を積層した後、焼結一体化して製造している。
一方、延伸PTFE多孔質シート16としては、延伸PTFE多孔質膜15と積層しない単体シートの状態で、平均孔径が1〜15μm、平均膜厚が5〜195μm、空孔を囲む繊維状骨格の平均最大長さが15〜100μmのものを用いている。
さらに、延伸PTFE多孔質膜15と延伸PTFE多孔質シート16の積層体は、引張強度が10N/mm2以上の強度を有し、3質量%の硫酸、4質量%の水酸化ナトリウム水溶液、有効塩素濃度10%の次亜塩素酸ナトリウム水溶液の各々に温度50℃で10日間浸漬しても透過水量が低下せず、損傷されない優れた耐薬品性を備えている。
このように平均孔径の小さい緻密な延伸PTFE多孔質膜15を被処理液側に配置することにより、固液分離処理の初期段階後の定常状態において、分離する固体粒子が延伸PTFE多孔質膜15の空孔内に不可逆的に捕捉されることがないようにしている。
また、延伸PTFE多孔質膜15と延伸PTFE多孔質シート16を積層した濾過膜11A、11Bの表面は、架橋PVAにより親水化処理を施している。該親水化処理により被処理水の接触が容易となり、また、バイオファウリング等を低減することができる。
平膜濾過モジュール80は、浸漬型外圧吸引濾過用として用いられるものである。
図5に示すように、第1実施形態の平膜エレメント10を並設すると共に、その上方に共通処理液集水管81を配置し、前記並設した各平膜エレメント10の上面に設けた前記処理液取出口14に前記共通処理液集水管81から分岐する分岐管82の先端を連結して、前記並設する平膜エレメント10を吊り下げ支持している
このように、平膜濾過モジュール80は、各平膜エレメント10の処理液取出口14を分岐管82に個別に取り付ける構成としているので、平膜エレメント単位での交換が容易である。
浸漬槽3内に導入されて満たされた下水処理水からなる活性汚泥を含む排水であるMLSS(混合液懸濁浮遊物質)が5,000〜20,000mg/Lである被処理液2は、吸引ポンプ4の駆動により各平膜エレメント10の濾過膜11を透過させて固液分離を行い、処理液取出口14に連結した分岐管82より共通処理液集水管81に導かれ、処理済み液(処理液)として回収している。
詳細には、ブロア5を作動させて清浄用パイプ6に加圧空気を導入し、散気管6の気体噴射穴(図示せず)より加圧空気を噴射して発生した気泡7を平膜エレメント10の外表面に接触させながら軸線方向に上昇させ、平膜エレメント10の表面に付着堆積する懸濁成分を強力に剥離除去している。これにより膜濾過を安定して継続させることができる。
エアバブリングは、常時行っても良いし、定期的に行ってもよい。
本実施形態の平膜エレメント10は、各平膜エレメントに1つの処理液取出口14を設けているため、処理済み液は全て上部に吸引されるが、第3実施形態の平膜エレメント20のように処理液取出口を2つ以上設けてもよい。
このように、本発明は、平膜状の濾過膜を備えた平膜エレメントとしているので、膜表面に確実に気泡を付与でき、さらに延伸PTFE多孔質膜を含むので機械的強度にも優れており、懸濁成分を強力に剥離除去することができる。
濾過膜として、平均膜厚7μm、平均孔径0.1μmの単層の延伸PTFE多孔質膜を用いた以外は、第1実施形態と同様にして、平膜エレメントを作製した。
(比較例)
濾過膜として、ポリエステル不織布に積層されたPVDF膜を用いた。PVDF膜部分の平均膜厚5μm、孔径0.1μmのものを用いた。それ以外は実施例1と同様にした。
実施例及び比較例の平均膜厚及び平均孔径は、前述した方法と同様の方法で測定した。
耐酸性、耐アルカリ性、耐酸化剤性の評価は、下記に示す外観観察の測定を行い、耐酸性、耐アルカリ性については下記の純水流量の測定に行った。
浸漬後の平膜エレメントを水洗したのち、耐酸性、耐アルカリ性は目視で、耐酸化剤性は走査型電子顕微鏡(SEM:1000倍)で観察を行い、濾過膜の耐薬品性評価を行なった。濾過膜に変化が見られなかったものを「○」、破断、亀裂等の発生が認められ、濾過膜に損傷が見られたものを「×」とした。結果を表1に示す。
酸性、アルカリ性の各水溶液に浸漬後の平膜エレメントを各々水洗した後、濾過膜を切り出し、各濾過膜について純水流量を測定した。なお、純水流量の測定は、サンプルサイズφ47mmの円形打ち抜き品とし、測定圧(吸引圧力)95kPaで行った。結果を図18に示す。
これに対し、延伸PTFE多孔質膜を濾過膜として備えた実施例の平膜エレメントは、耐酸性、耐アルカリ性、耐酸化剤性のいずれの評価においても、外観上損傷が見られず、酸性・アルカリ性の水溶液の浸漬後においても純水流量が大きく低下あるいは上昇せず、濾過性能を維持することができた。
このように、延伸PTFE多孔質膜を備えた本発明の平膜エレメントは、従来の平膜エレメントに比べ、極めて耐薬品性に優れ、薬品処理後も濾過性能を維持することができた。
第1変形例は、濾過膜11A、11Bの構成が第1実施形態と異なる。
第1変形例では、図7に示すように、第1実施形態の濾過膜11A、11Bの延伸PTFE多孔質膜15側に緻密な濾過層となる緻密層90を設け、該緻密層90側を被処理液側に配置させる構成としている。
緻密層90は、PTFEを90%、PTFEと同様の耐薬品性、耐熱性を有するPFA10%の微粒子を分散した溶液を前記延伸PTFE多孔質膜15に塗布後焼結して、延伸し微細孔を設けている。緻密層90の平均孔径は0.01〜0.05μm、平均膜厚を0.5〜10μmとしており、前記延伸PTFE多孔質膜15よりも微小な孔径を有する。そのため、粒子径0.05μm以上の微小な粒子を90%以上除去することができ、優れた濾過性能を発現できる。また、緻密層90側を被処理液側に配置させているので、固液分離処理の初期段階後の定常状態において、分離する固体粒子が濾過膜11A、11Bの空孔内に不可逆的に捕捉されることがなく、第1実施形態の濾過膜よりさらに目詰まりを防止することができる。
第2変形例は、サポート板をPFA製のネット22で構成している点、及び、外周フレーム13をPFA樹脂被覆されたステンレス鋼で形成している点で、第1実施形態と異なる。
濾過膜11A、11Bとネット22は、延伸PTFE多孔質膜からなる融点の高い濾過膜11A、11B側から300〜500℃の温度で加熱し、該濾過膜を介して伝わった熱によりネット22の表面を一部溶融させた後、冷却固化させ、互いに熱固着している。ネット22を構成するPFAファイバー22aは、溶融して延伸PTFE多孔質膜15の細孔に一部入り込み、冷却されるので、濾過膜11A、11Bとネット22を確実に固着させることができる。しかし、ネット22の溶融したファイバー22aは、濾過膜のうち、孔径の大きいPTFE多孔質シート16の空孔の一部に侵入するが、孔径の小さい延伸PTFE多孔質膜15までは到達しないので、濾過性能を低下させることはなく、ネット22と濾過膜11A、11Bを一体化させることができる。本構成としても、ネット22が外周フレーム13と共に処理液の流路を確保しながら、濾過膜11A、11Bを安定に支持することができる。
なお、本変形例においても濾過膜11A、11Bと外周フレーム13は熱融着しているが、各々の材料の融点が高いため、熱シール温度も該材料の融点以上の高温としている。
第3変形例では、第1実施形態のサポート板12の代わりに剛性のあるポリエチレン被覆金属メッシュ32を使用している。ポリエチレン被覆金属メッシュ32は、あらかじめ表面処理を施したステンレス鋼メッシュを溶融したポリエチレン樹脂に含浸して形成している。
ポリエチレン被覆金属メッシュ32は、図2のサポート板12と同様に、外周フレーム(図示せず)に嵌合し、熱融着して外周フレームと一体化させている。
本変形例において、濾過膜11A、11Bとポリエチレン被覆金属メッシュ32の間には不織布18A、18Bを介在させ、該不織布18A、18Bも外周フレーム(図示せず)の開口部に嵌合させたのち、濾過膜11A、11Bを外周フレームと熱シールしている。
本構成としても、ポリエチレン被覆金属メッシュ32と不織布18A、18Bが、濾過膜11A、11Bを安定に支持しながら、処理液の通路を確保することができる。不織布18A、18Bは、濾過膜11A、11Bとポリエチレン被覆金属メッシュ32との間のクッション材となるので、濾過膜11A、11Bをソフトに支持することができる。
なお、本変形例では不織布18A、18Bは、濾過膜11A、11B及びポリエチレン被覆金属メッシュ32と固着しない構成としているが、いずれか、あるいは、両方と固着する構成としてもよい。
また、処理水の移動をさらにスムーズにするため、図9(B)のように、濾過膜11A、不織布18A、18B、濾過膜11Bの間に2枚のポリエチレン被覆金属メッシュ32A、32Bを適度な間隔をあけて設けても良い。
本変形例では、サポート材としてポリプロピレン製の剛性を有するV字屈曲部が連続したプリーツ型サポート板42を用い、第1実施形態と同様に、該プリーツ型サポート板42の外周縁は外周フレーム13の開口部分に嵌合し、熱融着あるいは接着剤接着している。また、濾過膜としては、孔径の大きい延伸PTFEシート側に厚さ0.05〜5mmの薄いポリプロピレン製不織布(図示せず)をラミネートした濾過膜21A、21Bを用いている。該濾過膜21A、21Bの不織布とプリーツ型サポート板42の山部分42aを熱融着している。濾過膜21A、21Bの外周縁は外周フレーム13に熱融着し、外周を封止している。
本構成としても、プリーツ型サポート板42が処理液取出口14までの流路を確保することができる。
平膜エレメント10−2は、対向配置される矩形の平膜状の濾過膜31A、31Bと、該濾過膜31A、31Bの間を前記処理液流路用の空間を確保して支持するポリプロピレン製の櫛型サポート板52とを備え、前記濾過膜31A、31Bと櫛型サポート板52の外周縁は、ポリエチレン樹脂製の外周フレーム13内に埋設して、処理液の流路となる空間をあけている。
外周フレーム13の上面には、処理液取出口14を設けており、該処理液取出口14以外の外周縁は外周フレーム13により封止している。
他の構成および作用効果は第1実施形態と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。
第3実施形態の平膜エレメント20は、横長矩形状としており、横向きに配置した第1実施形態と同様のサポート板12に1枚の平膜シートからなる濾過膜11を巻き付けた後、巻き始め側と巻き終わり側とは平膜エレメント20の上部で熱シールして、シール部19で封止し、筒形状としている。また、濾過膜11の左右両側開口には、同じく熱シール、接着等で両側フレーム23を取り付け、処理液取出口14A、14Bをあけて封止している。フレーム23の材質がポリオレフィン樹脂、熱溶融性フッ素樹脂の場合は、熱シール、フレーム23の材質がABS樹脂などの場合は、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などで接着シールしている。
本実施形態のようにフレームを両側に設けても、サポート板12が平面状の形状保持力を有しているので、濾過膜11を平面状に支持することができる。
他の構成及び効果は第1実施形態と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。
第4実施形態では、図13(A)に示すように、矩形状の2枚の濾過膜11A、11Bを対向配置し、該濾過膜の左右両側縁11a、11b及び底側縁11cを熱シールして封止し、袋状濾過膜50を形成している。次に、前記袋状濾過膜50を第1実施形態と同様のサポート板12に被せている。外周のシール部51はサポート板12の外周に固定していない。
熱シールしていない上端開口11dは、開口状態で処理液取出口14を設けたフレーム33に封止している。封止方法としてはフレーム33の材質がポリオレフィン樹脂や熱溶融性フッ素樹脂の場合は、熱シール、ABS樹脂などの場合は、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などによる接着が望ましい。
本構成としても、サポート板12が平面状に形状保持力を有するので、該サポート板12により袋状濾過膜50を平面状に支持することができる。
なお、本実施形態では、外周のシール部をサポート板12に固定していないが、固定する構成としてもよい。
他の構成および作用効果は第1実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
第2実施形態の平膜濾過モジュール60は、前記図13に示すフレーム33の代わりに、複数の袋状濾過膜50の上端開口11dを樹脂でモールドして、位置決め固定して成形した固定部材43を形成し、平膜濾過モジュール60としている。
固定部材43はポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂などの熱溶融性プラスチック素材に図14(B)に示すような袋状濾過膜50の上端開口11dの形状に合わせた溝43aを形成し、該溝43aに上端開口11dを納めて、そのまま熱溶融させて作製している。固定部材43で保持した状態で、前記袋状濾過膜50の上端開口11dは集水ヘッダー44の内部に連通させ、該集水ヘッダー44を集水管45に連通している。
本構成とすれば、1つの固定部材で、複数の平膜エレメントの開口を封止することができるので、容易に平膜濾過モジュールを作製することができる。この平膜濾過モジュールは浸漬型でもよいし、加圧容器内に配設し、外圧濾過モジュールとしても使用できる。
本実施形態の平膜濾過モジュール70は、図16(A)に示すネット材71をサポート材として用い、図15に示すように、複数の平膜エレメント10を固定部材43、75に樹脂でモールド固定する構成としている。
線状樹脂72の直径は0.7〜5.0mmである一方、該線状樹脂72を連結する線状樹脂72の直径は該線状樹脂72よりも細く、0.3〜2.0mmである。
ネット材71として市販品を利用する場合、Naltex社製の押し出しネット「Naltex(登録商標)」のN04911/05_45PP、N06006/06_45PP−NATを用いている。
筒状濾過膜77の熱シールしていない下端開口77aは樹脂74でモールドして固定部材75にて封止している。同様に熱シールしていない上端開口77bは前記第5実施形態と同様に上端開口77bの形状に合わせた溝に納めて、そのまま熱溶融させて作製し、上端開口77bの内部を集水ヘッダー44の内部に連通させ、該集水ヘッダー44を集水管45に連通している。
散気管6の噴射穴6aより加圧空気を噴射して発生した気泡7を平膜エレメント10の外表面に接触させながら軸線方向に上昇させ、平膜エレメント10の表面に付着堆積する懸濁成分を強力に剥離除去している。このように、膜分離活性汚泥処理により膜濾過を安定して継続させることができる。該エアバブリングは、常時行っても良いし、定期的に行ってもよい。
図17(A)は、濾過膜31A、31Bの左右両端縁の封止を熱シールではなく、左右両端縁の間にフィルムあるいは微粒子からなるバインダー樹脂76を介在させ、該バインダー樹脂76を溶融させることで行っている。
このバインダー樹脂76としては、延伸PTFE多孔質膜15の融点同等以下の融点をもつPFA樹脂、あるいはポリプロピレン樹脂を用いている。
図17(B)は、対向する濾過膜31A、31Bの内側に該濾過膜31A、31Bと同サイズのポリプロピレン製不織布18A、18Bを夫々介在させた状態とし、熱シールして不織布18A、18Bを溶融させて左右両側縁を封止している。本構成とすれば、不織布18A、18Bにより濾過膜31A、31Bをネット材71から保護することができる。
図17(C)は、第1実施形態で用いた2層構造の濾過膜11A、11Bに不織布18A、18Bをラミネートした積層体を予め作製しておき、該積層体にネット71を挟んだのち、左右両側縁を熱シールして不織布18A、18Bを溶融させて封止している。
本実施形態の平膜濾過モジュール70−2は、濾過膜31A、31Bの外側にもネット材71を配置させている点で第3実施形態と相違する。
濾過膜31A、31Bを挟むようにネット材71を配置することにより、濾過膜31A、31Bの撓みを規制することができる。特に逆洗浄を行った場合にもネット材71で濾過膜31A、31Bを支持することができるので、濾過膜31A、31Bにかかる負荷を減らすことができる。
本実施形態では、固定部材75の平膜エレメント10の間に貫通穴を設けるかわりに、固定部材75に貫通穴を設けない状態で90度回転させ、平膜エレメント10を配置し、両端の固定部材75と43を左右両端に配置している。この固定部材75、43にそれぞれ集水キャップ91、92を取り付けて透過液の集水管81A、81Bを連結し、両端から集水している。
なお、固定部材75側には集水管を連結せず、固定部材43側にのみ集水管を連結し、一端側からのみ集水してもよい。
前記のように、平膜エレメント10を水平配置すると、固定部材75に貫通穴を設けなくとも、下方に配管する散気管6から噴射するエアによるバブリングを平膜エレメント10の間に導入することができる。
本実施形態では、垂直方向に配置する平膜エレメント10の上下両端の固定部材43、75で固定して、各固定部材43、75に集水キャップ91、92に取り付けると共に、外側ケーシング93内に液密的に固定している。該外側ケーシング93の対向位置に原水(被処理水)流入口93aを設けると共に原水流出口93bを設けている。
前記原水流入口93aと原水流出口93bとに連通させた循環配管95を設け、循環配管95に原水タンク96とポンプ97を介設している。
前記集水キャップ91、92には集水管81A、81Bを接続している。
Claims (12)
- 活性汚泥の懸濁成分を含む排水からなる被処理液中に浸漬して固液分離処理を行う濾過用平膜エレメントであって、
処理液流路用の空間をあけて対向配置されるシート状の濾過膜と、
前記処理液流路用の空間を確保するサポート部と、
前記対向配置される濾過膜の外周縁を少なくとも1つの処理液取出口をあけて封止する外周封止部と、
を備え、
前記濾過膜は、少なくとも延伸PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)多孔質膜を備え、該延伸PTFE多孔質膜の表面の最外層における空孔を囲む繊維状骨格の平均最大長さが5μm以下であることを特徴とする濾過用平膜エレメント。 - 前記濾過膜を構成する延伸PTFE多孔質膜は、平均膜厚が200μm以下である請求項1に記載の濾過用平膜エレメント。
- 前記濾過膜は、延伸PTFE多孔質膜のみからなる単層あるいは、該延伸PTFE多孔質膜の外表面にPTFE、PFA、FEPからなる群から選択される1種以上のフッ素樹脂で形成されると共に前記延伸PTFE層の孔より微細な孔を有する緻密層を設けた複数層からなる請求項1または請求項2に記載の濾過用平膜エレメント。
- 前記濾過膜は、対向配置する2枚の濾過膜、または2つ折りして対向させた1枚の濾過膜からなる請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の濾過用平膜エレメント。
- 前記サポート部は、不織布、穴空きシート、V字屈曲部を連続させたプリーツ状の加工材、処理液取出口側に向けて平行配列された複数の線状部が横断して連結されている形状のネット材、前記処理液取出口側に連通した複数の流路用開口を設けた加工板から選択される1種以上のサポート材で形成され、かつ、
前記サポート材は、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、フッ素樹脂、ポリオレフィン系樹脂、フッ素樹脂が被覆された金属材から選択されたいずれか1種以上で形成されている請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濾過用平膜エレメント。 - 前記1枚または複数枚のサポート材を前記対向配置する濾過膜の空間に面する内面間に介在し、前記両側の濾過膜の内面と前記サポート材の少なくとも一方の面の一部または全面を固定して、一体化された積層体としている請求項5に記載の濾過用平膜エレメント。
- 前記外周封止部は前記対向配置する濾過膜の外周縁を加熱加圧またはレーザーでシールして形成し、前記濾過膜を前記平面状の形状保持力を有するサポート材に被せている請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の濾過用平膜エレメント。
- 前記外周封止部は外周フレームで形成し、該外周フレームに前記濾過膜の外周縁が前記空間をあけた状態で固着されている請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の濾過用平膜エレメント。
- 前記外周フレームは、ポリオレフィン系樹脂あるいはフッ素樹脂からなる樹脂材からなり、あるいは、該外周フレームの表面が前記ポリオレフィン系樹脂あるいはフッ素樹脂で被覆されている金属材からなる請求項8に記載の濾過用平膜エレメント。
- 請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の濾過用平膜エレメントを空間をあけて配置して一体的に組みつけてなり、活性汚泥を含む排水からなる被処理液の貯溜槽に浸漬され、外圧濾過用あるいは浸漬型外圧吸引濾過用として用いられることを特徴とする平膜濾過モジュール。
- 前記複数の前記濾過用平膜エレメントを並設すると共に、その上方に共通処理液集水管を配置し、前記並設した各濾過用平膜エレメントの上面に設けた前記処理液取出口に前記共通処理液集水管から分岐する分岐管の先端を連結して、前記並設する濾過用平膜エレメントを吊り下げ支持している請求項10に記載の平膜濾過モジュール。
- 前記被処理液のMLSS(混合液懸濁浮遊物質)は5,000〜20,000mg/Lである請求項10または請求項11に記載の平膜濾過モジュール。
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