JP5441887B2 - 膜エレメントおよび膜モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、上水や廃水などの一般水処理においてろ過または濃縮に用いられる膜エレメントおよび膜モジュールに関するものである。
従来の膜分離装置としては、例えば複数の膜エレメントを適当な間隔で平行に配置した浸漬型膜装置が知られている。膜エレメントとしては、例えば図16〜図17に示すものがある。図16〜図17において、膜エレメントは、膜支持体である矩形の平板状のろ板1に、その表面を覆って有機膜からなるろ過膜2を配置し、ろ過膜2をその周縁部においてろ板1に接合しており、ろ板1に集水口3を有している。ここでは膜支持体として樹脂製のろ板1を例示するが、膜支持体としては不織布やネット等のフレキシブルな材質のものを使用する場合もある。
膜エレメントは、駆動圧力を受けてろ過膜2で被処理水をろ過するものであり、槽内の水頭圧を駆動圧力とする重力ろ過、あるいはろ過膜2の内側に負圧を駆動圧力として与える吸引ろ過に用いる。
このような膜エレメントでのろ板1とろ過膜2との接合方法には、例えば溶着、接着等がある。溶着は超音波を用いてろ板1の樹脂を溶融して溶着部4を形成し、溶着部4においてろ板1とろ過膜2とを接合するものである。接着は接着剤を用いてろ板1とろ過膜2とを接合するものである。
このようなろ板1とろ過膜2との接合方法としては、例えば日本国特許公報(特許第3010979号)に記載するものがある。これは、ろ板の表面にろ過膜を配置し、ろ過膜の上からろ過膜の周縁部に沿って超音波振動を与え、その摩擦熱により、ろ板にろ過膜を溶着するものである。
また、日本国特許公報(特開平11−33370号)に記載するものは、スペーサーを介して2枚の平膜を積層し、2枚の平膜の両側において双方の端部同士を溶着または接着してろ過膜体を形成するものである。
また、日本国特許公報(特許第3815645号)に記載するものは、分離体ユニットが、通水機能を有する部材の両面にスペーサを介してろ過膜を装着し、膜端を接合する接合部材に中空部を形成してなる。
ところで、上述した膜分離装置を使用する場合には、曝気槽内の活性汚泥混合液中に膜分離装置を浸漬し、散気装置から曝気用空気を噴出させる。この状態で駆動圧力を膜エレメントに与えて活性汚泥混合液をろ過し、ろ過膜を透過した透過液は処理水として槽外へ導き出す。
このとき、散気装置から散気する曝気用空気の気泡のエアリフト作用により上昇流を生じさせる。この上昇流によって膜エレメントのろ過膜の膜面を曝気洗浄する。この曝気洗浄によって、ファウリングに起因する分離機能の低下を抑制し、膜分離装置が機能不全に至ることを防止する。
このように、膜分離装置ではファウリングを防止するために曝気洗浄が必要である。この場合に、ろ過運転を停止した状態で曝気を行なうと洗浄効果が高くなることが知られている。
しかしながら、図14に示すように、ろ過運転を停止した状態で放置しておくと、膜エレメントの内部、つまりろ板1とろ過膜2との間に透過液が溜まり、ろ過膜2が少し膨らんだ状態になる。
図15に示すように、ろ過運転を停止したままの状態で曝気だけを行なうと、ろ板1とろ過膜2との間に溜まった透過液が上昇流により上方へ押し上げられる。この結果、図13に示すように、ろ過膜2が溶着部4で折り返して膜エレメントの上部付近に膨らみ5を形成し、この膨らみ5が上昇流に対して抵抗となってろ過膜2に振動および応力が生じる。このため、ろ過膜2が溶着部4で剥離し、あるいは溶着部4の付近で破断し易くなる。
本発明は上記した課題を解決するものであり、ろ過膜の剥離や破断を起こり難くした膜エレメントおよび膜モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、シール手段が、ろ過膜の上流側の縁辺部を膜支持体に接合する接合部と、被処理液の流れ方向に沿った膜支持体の両側部においてろ過膜の縁辺部を膜支持体上に拘束する封止材とからなることを特徴とする。
本発明の膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、シール手段が、ろ過膜の周縁部を全周にわたって膜支持体に接合する接合部からなることを特徴とする。
本発明の膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、シール手段が、膜支持体の端部を介して膜支持体の表裏方向において対向するろ過膜の周縁部を全周にわたって相互に接合する接合部からなることを特徴とする。
本発明の膜モジュールは、少なくとも一つの膜エレメントと、一対の集水ケースとを備え、膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の上流側の縁辺部を膜支持体に接合する接合部と、被処理液の流れ方向に沿った膜支持体の両側部においてろ過膜の縁辺部を膜支持体上に拘束する封止材を有し、各集水ケースが、内部の集水空間に連通する開口部を有し、前記開口部に挿入した膜エレメントの側部を前記封止材で水密に保持し、前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされないことを特徴とする。
本発明の浸漬型膜分離装置は、少なくとも一つの膜エレメントを備えるとともに被処理液に浸漬して配置され流れ形成手段により膜エレメントの外表面に被処理液の流れを生じさせながらろ過運転を行い透過液を取り出す浸漬型膜分離装置であって、膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、シール手段が、ろ過膜の周縁部を全周にわたって膜支持体に接合する接合部からなることを特徴とする。
本発明によれば、ろ過運転を停止する状態で、膜支持体とろ過膜との間にある透過液は被処理液の流れの下流側へ押されて反転部に集まり、ろ過膜は反転部で柔軟に膨らんで透過液の移動を許容する。さらに、反転部の膨らみが膜支持体の下流側の端部の下流域に生じることで、膜支持体に沿って流れる被処理液の流れに対して反転部の膨らみが抵抗とならず、反転部の膨らみを原因としてろ過膜に振動および応力が生じることはない。よって、ろ過膜に作用する負荷を抑制してろ過膜が破断することを防止できる。
本発明の実施の形態1における膜カセットを示す斜視図 同膜カセットの膜モジュールにおける要部を示す断面図 本発明の実施の形態1における第1の構成の膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態1における第1の構成の膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態1における第1の構成の膜エレメントを示す正面図 本発明の実施の形態1における第2の構成の膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態1における第2の構成の膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態2における膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態3における膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態3における膜エレメントを示す斜視図 本発明の実施の形態3における膜エレメントを示す斜視図 本発明の膜エレメントの作用を示す模式図 従来の膜エレメントの作用を示す模式図 従来の膜エレメントを示す側面図 従来の膜エレメントを示す側面図 従来の膜エレメントを示す分解斜視図 従来の膜エレメントを示す斜視図
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図4において、膜分離装置をなす膜カセット11は上下に積み重ねた複数の膜モジュール12からなり、処理槽(図示省略)内の被処理液に浸漬して設置している。膜カセット11は下段の膜モジュール12の下方位置に散気装置11aが配置してある。
膜モジュール12は複数の膜エレメント13を所定間隔で並列に配置して膜エレメント13の相互間に縦方向の流路を形成しており、各膜エレメント13は被処理液の流れ方向に沿った両側をそれぞれ集水ケース14に水密に封止している。各集水ケース14は中空状をなして内部に集水空間を有しており、四角形状の箱体をなすが、その形状は四角形状以外のものとすることも可能である。
本実施の形態では、膜エレメント13を上下方向に配置する構成を示している。しかしながら、膜エレメント13の配置方向は上下方向に限るものではなく、被処理液の流れ方向に沿って配置するものであれば良い。よって、後述するように、水平方向に配置することも可能であり、あるいは斜めに配置することも可能である。
膜モジュール12は集水ケース14の上端面に設けた上部連結部23および下端面に設けた下部連結部24を有しており、上部連結部23および下部連結部24は流路をなして集水ケース14の集水空間に連通している。
上方の膜モジュール12の下部連結部24と下方の膜モジュール12の上部連結部23とが連結しており、上方の膜モジュール12の集水ケース14の上部連結部23がチューブ25を介して集水管26に連通している。
しかしながら、下方の膜モジュール12の下部連結部24がチューブ25を介して集水管26に連通することも可能であり、さらにはチューブ25を介することなく下部連結部24もしくは上部連結部23が直接に集水管26に連通することも可能である。
本実施の形態では、下方の膜モジュール12の下部連結部24は栓(図示省略)によって閉栓しているが、下方の膜モジュール12として下部連結部24の存在しないものを使用することも可能である。
図2に示すように、各集水ケース14は開口部15にポッティングした封止材(樹脂等)16を介して複数の膜エレメント13を水密に接合している。しかしながら、図2に示した構成に限らず、集水ケース14に膜エレメント13を水密に接合する構造には種々のものがある。例えば、集水ケース14の開口部15を単一の開口とせずに、複数のスリットに形成し、各スリットに膜エレメント13を挿入し、スリットに樹脂等の封止材16をポッティングすることも可能である。あるいは、膜エレメント13の周囲にゴム等のシール材を配置することも可能である。
(膜エレメントの第1の構成)
図3〜図4に示すように、膜エレメント13は膜支持体をなす樹脂製のろ板17と、ろ板17の表裏の主面を覆って配置する平膜(有機膜)からなるろ過膜18を有しており、各膜エレメント13はろ板17の表裏の主面とろ過膜18との間に形成した透過液流路が集水ケース14の集水空間に連通している。本実施の形態では、膜支持体として樹脂製のろ板1を例示するが、膜支持体としては不織布やネット等のフレキシブルな材質のものを使用する場合もある。
膜エレメント13は、上端側が被処理液の流れ方向において下流側に位置し、下端側が被処理液の流れ方向において上流側に位置している。ろ過膜18はろ板17の下流側の端部19を含んで折り返した反転部20を形成しており、ろ過膜18の周縁部に、以下に説明するシール手段が形成してある。ろ過膜18は全体が1枚のものであっても良く、複数枚のものを接合したものでも良い。
ろ過膜18は上流側の縁辺部21をろ板17の上流側の端部に接合して接合部22を形成しており、接合部22がシール手段の一部をなす。なお、ろ過膜18は端縁を折り曲げてろ板17の上流側の端部27の端面27aに接合することも可能である。
本実施の形態において接合部22は、ろ過膜18の上から超音波振動を与え、摩擦熱によりろ板17とろ過膜18とを溶着してなる。しかしながら、接着剤によってろ板17とろ過膜18とを接合しても良い。
この構造の膜エレメント13を所定間隔で並列に配置し、複数の膜エレメント13をその相互間に配置する封止材16で水密に固定し、被処理液の流れ方向に沿ったろ板17の両側部においてろ過膜18の縁辺部を封止材16でろ板17上に拘束し、封止材16でシール手段の一部を構成する。
しかしながら、図5に示すように、封止材16は個々の膜エレメント13ごとに形成することも可能であり、各膜エレメント13ごとに被処理液の流れ方向に沿ったろ板17の両側部においてろ過膜18の縁辺部を封止材16でろ板17上に拘束する。その後に、この構造の膜エレメント13を所定間隔で並列に配置し、複数の膜エレメント13をその相互間に配置する封止材(樹脂等)16で結束することも可能である。さらに、上述したように、ろ過膜18の上にゴム材等のシール材を配置してろ過膜18をろ板17に接合することも可能である。
(膜エレメントの第2の構成)
膜エレメント13は、図6〜図7に示す構造とすることも可能である。図6〜図7において、膜エレメント13は、ろ過膜18がろ板17の下流側の端部19を含んで折り返した反転部20を有している。ろ過膜18は上流側の縁辺部21がろ板17の上流側の端部27を介してろ板17の表裏方向において相対向し、上流側の縁辺部21どうしを接合して接合部28を形成している。この接合部28は、シール手段の一部をなすものであり、超音波による溶着、もしくは接着剤による接着にて形成する。
この構造の膜エレメント13を所定間隔で並列に配置し、複数の膜エレメント13をその相互間に配置する封止材(樹脂等)16で水密に固定し、被処理液の流れ方向に沿ったろ板17の両側部においてろ過膜18の縁辺部を封止材16でろ板17上に拘束し、封止材16でシール手段の一部を構成する。
上述した第1および第2の構成の何れの膜エレメント13を用いても、本発明の膜モジュール12においては、以下の作用効果を奏する。
通常運転
下段の膜モジュール12の下方位置に配置した散気装置11aから曝気用気体として空気を散気し、空気の気泡のエアリフト作用により膜カセット11の内部に気液混相の上昇流を生じさせる。この上昇流により処理槽(図示省略)内の被処理液を膜エレメント13の相互間に供給し、膜エレメント13の膜面に沿った被処理液の流れを形成し、ろ過膜18を透過して流れる透過液の流れに対して被処理液をクロスフローで供給する。
本実施の形態では、エアリフト作用による上昇流により被処理液をクロスフローで供給するので、膜エレメント13を上下方向に配置した。しかしながら、ポンプ等の動力手段により被処理液を膜エレメント13の相互間にクロスフローで供給する場合には、膜エレメント13は水平方向もしくは斜め方向に配置することも可能である。
膜エレメント13に駆動圧力を与える方式には種々のものがある。ここでは、槽内の水頭を駆動圧力として各膜エレメント13により槽内の活性汚泥混合液を重力ろ過する。あるいは吸引ポンプにより集水管26およびチューブ25を通して膜カセット11の各膜モジュール12に駆動圧力として吸引圧力を与えて吸引ろ過する。
駆動圧力を受けて膜エレメント13のろ過膜18を透過した透過液は、ろ過膜18とろ板17との間の透過液流路を通って集水ケース14の集水空間に流入する。下段の膜モジュール12の集水ケース14に流入した透過液は上部連結部23を通り、上段の膜モジュール12の集水ケース14へ下部連結部24から流入する。上段の膜モジュール12の集水ケース14に流入した透過液は上部連結部23からチューブ25および集水管26を通して処理水として槽外へ導き出す。
この間に、上昇流によって膜エレメント13の相互間の流路にクロスフローで活性汚泥混合液を供給するとともに、上昇流によって膜エレメント13の膜面を曝気洗浄する。この曝気洗浄によって、ファウリングに起因する分離機能の低下を抑制し、膜分離装置が機能不全に至ることを防止する。
曝気洗浄運転
重力ろ過の場合には、集水管26に設けたバルブ(図示省略)を閉栓し、吸引ろ過の場合には、吸引ポンプを止めてろ過運転を停止する。この状態で散気装置11aを運転して曝気洗浄を行うと、優れた洗浄効果を得ることができる。
このとき、上昇流が各膜エレメント13の内部の透過液をろ板17とろ過膜18との間において上方の下流側に押す。しかしながら、図12に示すように、ろ過膜18はろ板17の下流側の端部19を含んで折り返した反転部20を有するので、ろ板17とろ過膜18との間において上方の下流側へ押される透過液は反転部20に集まり、ろ過膜18が反転部20で柔軟に膨らんで透過液の移動を許容する。さらに、反転部20の膨らみ20aはろ板17の下流側の端部19の下流域に形成するので、ろ板17に沿って流れる上昇流に対して反転部20の膨らみ20aが抵抗とならず、反転部20の膨らみ20aを原因としてろ過膜18に振動および応力が生じることはない。
よって、反転部20が柔軟に膨らんで透過液の移動を許容すること、および膨らみ20aが上昇流に対して抵抗とならないことにより、ろ過膜18に作用する負荷を抑制してろ過膜18が破断することを防止する。
(実施の形態2)
図8に示すように、膜モジュール12は、単一の膜エレメント13の両側にそれぞれ集水ケース14を配置する構成にしても良い。この場合には、複数の膜モジュール12を平行に配置し、膜エレメント13の相互間に縦方向の流路を形成する。この場合に用いる膜エレメント13は上述した何れの形式の膜エレメント13でも良い。
この構成においても、先の実施の形態1におけるものと同様の作用効果を実現できる。(実施の形態3)
図9〜図11に示すように、膜エレメント13は、ろ過膜18がろ板17の下流側の端部19を含んで折り返した反転部20を有し、ろ過膜18の周縁部31が全周にわたってろ板17の表裏の主面および下流側の端部19に接合して接合部32を形成している。
本実施の形態において接合部32は、ろ過膜18の上から超音波振動を与え、摩擦熱によりろ板17とろ過膜18とを溶着してなる。しかしながら、接着剤によってろ板17とろ過膜18とを接合しても良い。ろ板17は、側部に集水口33を有するとともに、集水口33に連通する透過液流路(図示省略)をろ過膜18に覆われた領域に有している。
なお、本実施の形態では、ろ過膜18の周縁部31を全周にわたってろ板17に接合している。しかしながら、ろ板17に対してろ過膜18を大きく形成し、ろ過膜18の周縁部31をろ板17の周縁から外側へ延在させ、ろ板17の端部を介してろ板17の表裏方向において対向するろ過膜18の周縁部31の相互間を全周にわたって接合することも可能である。
この構成の膜エレメント13は、ケース34に収納して使用する。つまり、複数の膜エレメント13をケース34の内部に平行に配置し、膜エレメント13の相互間に流路を形成する。
運転時には、ケース34の下方に配置する散気装置(図示省略)から曝気用気体として空気を散気し、空気の気泡のエアリフト作用によりケース34の内部に気液混相の上昇流を生じさせる。
この構成においても、先の実施の形態1におけるものと同様の作用効果を実現でき、ろ過運転を停止したままの状態で曝気洗浄運転を行なっても、ろ過膜の破断が起こり難い膜エレメントを実現でき、ファウリングを防止するための優れた洗浄効果を得ることができる。

Claims (5)

  1. 被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、
    前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、
    シール手段が、ろ過膜の上流側の縁辺部を膜支持体に接合する接合部と、被処理液の流れ方向に沿った膜支持体の両側部においてろ過膜の縁辺部を膜支持体上に拘束する封止材とからなることを特徴とする膜エレメント。
  2. 被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、
    前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、
    シール手段が、ろ過膜の周縁部を全周にわたって膜支持体に接合する接合部からなることを特徴とする膜エレメント。
  3. 被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、
    前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、
    シール手段が、膜支持体の端部を介して膜支持体の表裏方向において対向するろ過膜の周縁部を全周にわたって相互に接合する接合部からなることを特徴とする膜エレメント。
  4. 少なくとも一つの膜エレメントと、一対の集水ケースとを備え、
    膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の上流側の縁辺部を膜支持体に接合する接合部と、被処理液の流れ方向に沿った膜支持体の両側部においてろ過膜の縁辺部を膜支持体上に拘束する封止材を有し、
    各集水ケースが、内部の集水空間に連通する開口部を有し、前記開口部に挿入した膜エレメントの側部を前記封止材で水密に保持し、
    前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされないことを特徴とする膜モジュール。
  5. 少なくとも一つの膜エレメントを備えるとともに被処理液に浸漬して配置され流れ形成手段により膜エレメントの外表面に被処理液の流れを生じさせながらろ過運転を行い透過液を取り出す浸漬型膜分離装置であって、
    膜エレメントは、被処理液の流れ方向に沿って配置する膜支持体と、膜支持体の表裏の主面を覆って配置する平膜からなり前記被処理液をろ過して透過液を得るろ過膜と、膜支持体の前記被処理液の流れ方向の下流側の端部を含んで折り返したろ過膜の反転部と、ろ過膜の周縁部に形成するシール手段とを備え、
    前記ろ過膜は、前記反転部において、前記支持体に部分的にシールされることなく、前記シール手段間の全幅にわたって前記膜支持体にシールされず、
    シール手段が、ろ過膜の周縁部を全周にわたって膜支持体に接合する接合部からなることを特徴とする浸漬型膜分離装置。
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