JP5999696B2 - 膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システム - Google Patents

Description

本発明は、固液分離に使用される膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムに係り、特に、有機廃水等の膜分離活性汚泥処理で使用される膜エレメント、膜モジュール、及び膜分離システムに関する。

従来、有機廃水等の膜分離活性汚泥処理においては、膜モジュールを配置した活性汚泥膜分離システム（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ）が利用されている。このシステムは、反応槽の内部に固液分離を行う膜モジュールを配置し、膜モジュールの下方に散気装置を設けたものである。ここで、膜モジュールとは、複数の膜エレメントを、垂直に一定間隔をおいて並列に配置してケーシング内に収容することで、複数の膜エレメントを一体型にしたものをいう。膜エレメントは、例えば、筐体に設けられた開口部を濾過膜で覆い、この筐体に筐体内を陰圧にして筐体内に収容された濾過処理水を吸引するポンプが取り付けられたものである。このポンプを駆動することにより被処理水が濾過されて、濾過処理水が濾過膜を透過し、被処理水中の懸濁物質が濾過膜により捕捉される。そして、濾過膜を透過して膜エレメント内の筐体に吸引された清浄な濾過処理水は反応槽の外部に取り出される。また、散気装置から散気される気泡のエアリフト作用により、濾過膜の面に平行な上昇流が生じ、濾過膜から付着物（懸濁物質）が離脱する。

上記システムにおいては、濾過膜全体で均一に被処理水を濾過して濾過処理水を生成させることにより、濾過膜の目詰まりの頻度を低減し、散気装置の負担を低減することが重要である。しかし、濾過膜の表面において、濾過膜とポンプとの間の圧力損失が不均一となり、濾過膜においてポンプに近く圧力損失が小さな部分で集中的に被処理水が濾過され、その部分に懸濁物質が集中的に付着する場合がある。

この問題を解決するため、特許文献１においては、濾過膜を外壁の一部として有する筐体から分岐配管を複数延出させるとともに、その分岐配管をヘッダ配管に接続し、ヘッダ配管に配置された集水口から濾過膜がろ過した濾過処理水を排出する膜エレメントを開示している。そして、分岐配管は、ヘッダ配管との接続位置が集水口に近いものほど、その断面積が小さくなるように形成したり、分岐配管の設置間隔が前記集水口に近づくほど広くなるように形成している。上記構成とすることにより、分岐配管間の圧力損失のバラつきを抑制して、濾過膜全体で均一に被処理水を濾過することができるとされる。

特開２０１２−７６００５号公報

ところで、膜エレメントにおける濾過膜からポンプまでで発生する圧力損失は、濾過膜、分岐配管、ヘッダ配管がほぼ同等に寄与している。一方、最近では比抵抗が従来のものより低減された濾過膜が開発されている。よって、このような濾過膜を膜エレメントに適用すると、濾過膜が膜エレメント全体の圧力損失に殆ど寄与することがなくなる。これにより、濾過膜における圧力損失が不均一になり、濾過膜の一部で集中的に濾過が進行して、濾過膜の目詰まりの頻度及び散気装置の負担が増大することが問題となる。

そこで、本発明は上記問題点に着目し、濾過膜の比抵抗に係らず濾過膜において被処理水を均一に濾過することができる膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る膜エレメントは、被処理水を濾過して濾過処理水を生成する濾過膜を支持するとともに、前記濾過処理水を収容する空間を有する支持手段と、前記支持手段から複数配列して延出するとともに前記濾過処理水を流出させる分岐配管と、前記分岐配管が複数配列した状態で接続するとともに前記分岐配管から流入した前記濾過処理水を外部に流出させる集水口を有するヘッダ配管と、を備えた膜エレメントにおいて、各分岐配管から前記集水口までの圧力損失が互いに等しくなるように前記ヘッダ配管内の物理的形状を変更してなることを特徴とする。

上記構成により、膜エレメントの濾過膜以外の部分の圧力損失を均一化させることができるので、濾過膜の比抵抗に係らず被処理水の濾過を均一に行なうことができ、濾過膜の局所的な目詰まりを防止することができる。したがって、散気による濾過膜表面の清浄運転が効率化され、濾過運転全体の安定化を図ることができる。

本発明において、前記ヘッダ配管内には、前記濾過処理水を流通させる複数の第１の流量調整手段を備えるとともに、前記分岐配管に接続した第１の分室と、前記集水口を有する第２の分室と、に仕切る第１の仕切り板が配置され、前記第１の流量調整手段は、前記集水口に近いものほどその開口面積が小さくなっていることを特徴とする。
第１の仕切り板がない場合、各分岐配管から集水口までの流通経路に起因する圧力損失は、集水口に近いものほど小さくなっている。よって、上記構成とすることにより、簡易な構成で分岐配管間の圧力損失の均一化を図り、濾過膜において均一に被処理水を濾過することができる。

本発明において、前記ヘッダ配管内には、前記濾過処理水を流通させる複数の第１の流量調整手段を備え、前記分岐配管に接続した第１の分室と前記集水口を有する第２の分室とに仕切る第１の仕切り板が配置され、前記第１の流量調整手段は、その設置間隔が前記集水口に近づくほど広くなっていることを特徴とする。
第１の仕切り板がない場合、各分岐配管から集水口までの流通経路に起因する圧力損失は、集水口に近いものほど小さくなっている。よって、上記構成とすることにより、簡易な構成で分岐配管間の圧力損失の均一化を図り、濾過膜において均一に被処理水を濾過することができる。

本発明において、前記ヘッダ配管内には、前記第２の分室を、前記第１の流量調整手段を有する第３の分室と、前記集水口を有する第４の分室と、に仕切るとともに前記濾過処理水が流通する第２の流量調整手段を備えた第２の仕切り板が配置され、前記第２の流量調整手段は、前記集水口と前記第１の流量調整手段とを結ぶ直線から離れた位置に配置されていることを特徴とする。
上記構成により、ヘッダ配管内の分岐配管から集水口までの経路がさらに延長されるので、分岐配管間の圧力損失の差分の圧力損失に対する割合を低下させることができる。これにより濾過膜において被処理水をさらに均一に濾過することができる。

本発明において、前記分岐配管は、前記ヘッダ配管との接続位置が前記集水口に近いものほどその開口面積が小さくなっていることを特徴とする。
上記構成により、簡易な構成で分岐配管間の圧力損失の均一化を図り、濾過膜において均一に被処理水を濾過することができる。

本発明において、前記ヘッダ配管に対する前記分岐配管間の接続間隔が、前記集水口に近づくほど広くなっていることを特徴とする。
上記構成により、簡易な構成で分岐配管間の圧力損失の均一化を図り、濾過膜において均一に被処理水を濾過することができる。

本発明において、前記支持手段は、前記濾過膜により封止される開口部を有する筐体であるとともに、前記筐体内は、前記分岐配管のうち、少なくとも一つの分岐配管に接続する複数のセグメントに仕切られていることを特徴とする。
上記構成により、支持手段内部の濾過処理水の流通経路において、分岐配管の配列方向に沿った方向の成分を低減して、セグメントに接続された分岐配管に向かう方向の成分を増加させることができる。これにより、各分岐配管に流れる濾過処理水の流量をより均等にすることができ、濾過膜の表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。

一方、本発明の膜モジュールは、前述の膜エレメントを複数配列してケーシング内に収めたことを特徴とする。
上記構成により、膜モジュールを被処理水に浸漬して複数の膜エレメントにより膜濾過を行うことができ、散気による膜表面の洗浄運転を効率化し、安定した濾過運転を行うことができる。

また、本発明の膜分離システムは、前述の膜エレメントを備えたことを特徴とする。
上記構成により、散気による膜表面の洗浄運転を効率化することができ、濾過運転全体の安定化が実現された膜分離システムを提供することができる。

本発明に係る、膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムによれば、ヘッダ配管内の物理的形状を変化させることにより、濾過膜を透過する際の圧力損失を均一化させ、濾過膜の比抵抗に係らず濾過膜において被処理水を均一に濾過することができる。

第１実施形態の膜エレメントの分解斜視図である。 本実施形態の膜分離システムのブロック図である。 本実施形態の反応槽及び反応槽内の膜モジュールの模式図である。 本実施形態の筐体内のスペーサの模式図である。 第１実施形態の膜エレメントの正面図である。 第２実施形態の膜エレメントの正面図である。 第３実施形態の膜エレメントの正面図である。 第４実施形態の膜エレメントの正面図である。 本実施形態の膜エレメントの圧力損失と濾過膜における被処理水の濾過量の分布（ケース１）を示す図である。 本実施形態の膜エレメントの圧力損失と濾過膜における被処理水の濾過量の分布（ケース２）を示す図である。 本実施形態の膜エレメントの圧力損失と濾過膜における被処理水の濾過量の分布（ケース３）を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。なお、図や以下の説明において、Ｘ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）は互いに直交するものとする。

図２に、本実施形態の膜分離システムのブロック図を示す。本実施形態の膜分離システム１００は、原水ポンプ１０２により原水が供給されるとともに活性汚泥からの一時的なリン放出を行なう嫌気槽１０４と、原水の脱窒反応を行なう無酸素槽１０６と、原水（被処理水）中の有機物の分解やリンの除去及びアンモニアの硝化を行なう反応槽１０８と、を備えた構成となっている。ここで、原水は、嫌気槽１０４、無酸素槽１０６、反応槽１０８の順で送り出される。また、嫌気槽１０４には反応槽１０８内の活性汚泥（リン含有）が供給され、無酸素槽１０６には反応槽１０８から活性汚泥と共に硝化液（硝酸含有）が供給される。

図３に、本実施形態の反応槽及び反応槽内の膜モジュールの模式図を示す。図３に示すように、反応槽１０８内の中央部には、反応槽１０８内部を２つの領域に仕切る仕切り板１１０が配置されている。仕切り板１１０を隔てて、一方の側には膜モジュール１１２が配置された膜槽領域１１３が設けられ、他方の側には好気槽領域１１４が設けられている。

膜モジュール１１２には、Ｚ軸（鉛直）方向に立設されＸ軸（水平）方向に一定間隔をおいて並列に配列された複数の膜エレメント１０と、この複数の膜エレメント１０を収容するケーシング１１６とを備えている。膜槽領域１１３において、膜モジュール１１２の下方となる位置には、気泡を散気する散気装置１１８が設けられている。散気装置１１８から膜モジュール１１２内に気泡が散気されると、気泡が液中を上昇する際の被処理水の随伴作用が発生する。また、膜モジュール１１２内において発生する気液二相流と膜槽領域１１３の膜モジュール１１２外部の被処理水との密度差が発生する。これらにより、膜槽領域１１３においては、膜モジュール１１２内部を上昇し、膜モジュール１１２外部を下降する循環流れが形成される。この循環流れにより、濾過膜１２（図１）の膜面は、その膜面に平行な上昇流に曝され、この上昇流によって濾過膜１２の膜面の付着物が離脱する。

膜モジュール１１２の上方には、各膜エレメント１０の集水口３２（図１）に接続した配管１２０と、前記配管１２０に取り付けられた処理水吸引ポンプ１２２とが設けられている。処理水吸引ポンプ１２２は、膜エレメント１０内を陰圧にして濾過処理水を吸引し、濾過処理水を外部に排出する。

反応槽１０８内の好気槽領域１１４には、酸素を被処理水（原水）中に溶解させる微細散気装置１２４が配設されている。微細散気装置１２４は微細な空気泡を放出して、反応槽１０８内の好気槽領域１１４の溶存酸素濃度を高濃度に維持する。また、反応槽１０８内の被処理水中には活性汚泥が混合されている。反応槽１０８内の活性汚泥は、被処理水中の溶存酸素を呼吸しつつ、被処理水中のアンモニアを硝酸性窒素にする好気処理を行う。

図１に、第１実施形態の膜エレメントの分解斜視図を示す。図１に示すように、本実施形態の膜エレメント１０は、濾過膜１２を支持する支持手段となる筐体１４と、筐体１４から複数延出した分岐配管２８と、分岐配管２８を並列に接続したヘッダ配管３０と、から全体が構成される。なお、図１においては、ヘッダ配管３０の＋Ｘ軸側の側壁、及びヘッダ配管３０内に配置される仕切り板４８（第２の仕切り板）を省略している。

濾過膜１２は、−Ｘ軸側の主面側から陰圧を受けることにより＋Ｘ軸側の主面から被処理水を濾過して−Ｘ軸側の主面側に濾過処理水を生成するものである。筐体１４は、濾過膜１２を支持するとともに濾過膜１２から濾過された濾過処理水を収容するものである。筐体１４は、箱型形状を有するとともに反応槽１０８内でＺ軸方向（鉛直方向）に立設されている。また筐体１４の＋Ｘ軸側の側壁には開口部１６が形成され、その開口部１６が濾過膜１２により封止されている。

また筐体１４内部には、仕切り板１８が、その主面をＺ軸方向に向けるとともに、Ｚ軸方向に複数並んで配置されている。この仕切り板１８により筐体１４がＺ軸方向で６つのセグメント２０に分割されている。このセグメント２０により、筐体１４内部において、濾過処理水のＺ軸方向に流通する成分を低減して、セグメント２０に接続された分岐配管２８に向かう方向の成分を増加させることができる。これにより、各分岐配管２８に流れる濾過処理水の流量をより均等にすることができ、濾過膜１２の表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。

各セグメント２０内には、板状のスペーサ２２（図４、図５参照）が配置され、スペーサ２２の端面（＋Ｘ軸側の面）により濾過膜１２を支持し、陰圧時の濾過膜１２の撓みを防止している。なお、図１では、筐体１４の＋Ｘ軸側の開口部１６を濾過膜１２で封止する形となっているが、その裏面である−Ｘ軸側の側壁にも開口部（不図示）を設けてその開口部（不図示）を別の濾過膜（不図示）で封止し、その濾過膜（不図示）もスペーサ２２の−Ｘ軸側の端面で支持するようにしてもよい。

図４に、本実施形態の筐体内のスペーサの模式図を示す。図４に示すように、スペーサ２２は、細長い矩形の平板２４を縦横に連結して構成されている。平板２４の短辺が筐体１４若しくは仕切り板１８に接続され、長辺が濾過膜１２を支持（または接着）する。そして平板２４の主面は、Ｙ軸方向またはＺ軸方向に向けられている。また、平板２４には、厚さ方向に貫通する円形の流通孔２６が設けられている。この流通孔２６により、濾過処理水はセグメント２０内を流通することができる。なお、流通孔２６の形状は図４に示すような円形に限らず、例えば楕円形、矩形、多角形等であってもよい。また、スペーサ２２は、流通孔２６が設けられた平板２４に限らず、例えば筐体１４の内壁に円柱（角柱）を多数配置して円柱の端面で濾過膜１２を支持する構成や、水を透過する構造体であってもよい。

図１に示すように、分岐配管２８は、セグメント２０内に収容された濾過処理水を後述のヘッダ配管３０側に流通させるものである。分岐配管２８は、筐体１４の＋Ｙ軸側の側壁においてＺ軸方向に並んで複数配列する形で筐体１４から水平に延出している。また分岐配管２８は、各セグメント２０から少なくとも１つ以上延出した形となる必要がある。本実施形態では、分岐配管２８は１２本配置され、各セグメント２０が２つの分岐配管２８に接続している。なお、図１において、分岐配管の断面形状は矩形となっているが、円形やその他の形状を適用することができる。

ヘッダ配管３０は、筐体１４同様にＺ軸方向の立設された箱型の筐体であり、−Ｙ軸方向の側壁に分岐配管２８が接続している。これにより、セグメント２０に収容された濾過処理水は分岐配管２８を経由してヘッダ配管３０に流入する。またヘッダ配管３０の上端には、濾過処理水を排出するための集水口３２があり、この集水口３２に前述の配管１２０が接続される。

よって処理水吸引ポンプ１２２を駆動させることにより、ヘッダ配管３０内、分岐配管２８内、セグメント２０内を陰圧にすることができ、これにより、濾過膜１２が被処理水を濾過して濾過処理水をセグメント２０内に生成し、生成された濾過処理水が分岐配管２８、ヘッダ配管３０を経由して膜エレメント１０外に排出される。

膜エレメント１０において、処理水吸引ポンプ１２２を駆動させると、圧力損失が発生する。圧力損失の発生箇所は、主に濾過膜１２、及び濾過膜１２から集水口３２までの流通経路（分岐配管２８、ヘッダ配管３０）である。そして、流通経路における圧力損失は、流通経路の長さが長くなるほど大きくなり、また流通経路の断面積が小さくなるほど大きくなる。このため、濾過膜１２において集水口３２から遠くなる部分ほど圧力損失が大きくなる。

よって、この状態で濾過作業を行なうと、濾過膜１２における単位時間当たりの濾過量が濾過膜１２の位置ごとに異なった値となり、特定の場所で濾過量が大きくなり、それ以外の場所では濾過量が小さくなる状態となり得る。特に後述のように、濾過膜１２の圧力損失（比抵抗）が、上述の流通経路の圧力損失に比べて十分小さくなる場合には、濾過膜１２の特定の場所のみで濾過が進行し、他の場所では濾過が行なわれない場合が起こりうる。そこで、本実施形態では、ヘッダ配管３０において、各分岐配管２８から集水口３２までの圧力損失が均一となるように、ヘッダ配管３０内の物理的形状を変えている。

図５に第１実施形態の膜エレメントの正面図を示す。なお、図５〜図８では濾過膜１２、及びヘッダ配管３０の＋Ｘ軸側の側壁を省略している。図５（図１）に示すように、集水口３２は、ヘッダ配管３０の＋Ｚ軸側の外壁の＋Ｙ軸側となる位置に配置されている。そして、ヘッダ配管３０内には、分岐配管２８に接続した第１の分室３４と、集水口３２を有する第２の分室３６とに仕切る仕切り板３８（第１の仕切り板）が配置されている。

仕切り板３８は、Ｚ軸方向に長手方向を有する部材であるが、その長手方向に沿って複数の第１の流量調整手段となるスリット４０（オリフィスでもよい）が形成されている。本実施形態では、スリット４０は１１個形成されている。そして、スリット４０は、集水口３２に近いものほど、すなわち＋Ｚ軸側に配置されているものほど、その開口面積が小さくなっている。開口面積が小さいスリット４０ほど圧力損失は大きくなる。

本実施形態の仕切り板３８により、ヘッダ配管３０において、一つの分岐配管２８から流入する濾過処理水の流通経路は、各スリット４０を個別に流通する流通成分に分けることができる。他の分岐配管２８から流入する濾過処理水の流通経路も同様の流通成分に分けることができる。したがって、各スリット４０には、各分岐配管２８からの流通成分を足し合わせた流通量の濾過処理水が流通するものと考えることができる。各流通成分は、いずれも分岐配管２８から対応するスリット４０を経由して集水口３２に至る経路をたどることになる。

例えば、一番上に配置された（最も＋Ｚ軸側に配置された）分岐配管２８から流入した濾過処理水の流通経路を考えると、スリット４０を個別に流通する１１の流通成分が考えられる。そして最も＋Ｚ軸側のスリット４０を流通する流通成分を考えると、集水口３２までの距離が最も短いので、圧力損失における流通経路の長さに起因する成分は小さなものとなっている。しかし、そのスリット４０の開口面積は最も小さくなっているので、圧力損失における流通経路の流通断面積（律速の要因となるスリット４０の開口面積）に起因する成分は大きなものとなっている。

逆に、最も−Ｚ軸側のスリット４０を流通する流通成分を考えると、そのスリット４０の開口面積は最も大きくなっているので、圧力損失における流通経路の流通断面積に起因する成分は小さなものとなっているが、集水口３２までの距離が最も長いので、圧力損失における流通経路の長さに起因する成分は大きなものとなっている。よって、仕切り板３８は、上から１番目に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水を全てのスリット４０を流通させるが、それぞれの流通経路において一定の圧力損失を発生させている。したがって、上から１番目に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水の吸引に対して大きな圧力損失を発生させている。

次に、上から２番目以降に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水の流通経路を考えると、各分岐配管２８の出口と集水口３２とを結ぶ直線よりも＋Ｚ軸側となるスリット４０を流通する経路は、前述の直線よりも長くなるとともにスリット４０の開口面積も小さいので、そのスリット４０を流通する流通成分はほとんどなく、前述の直線よりも−Ｚ軸側となるスリット４０を流通する流通成分が大部分となる。

例えば、図５に示すように、上から７番目の分岐配管２８の出口と直線４２を考えた場合、直線４２から＋Ｚ軸側に配置される一番上のスリット４０から４番目のスリット４０までは、この分岐配管２８から流入した濾過処理水は殆ど流通しない。したがって、仕切り板３８は、分岐配管２８から流入した濾過処理水において、−Ｚ軸側に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水ほど、その吸引に対する圧力損失が小さくなるように作用する。

また、仕切り板３８がない場合は、−Ｚ軸側に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水ほど、その吸引に対する圧力損失は大きくなる。したがって、本実施形態の仕切り板３８をヘッダ配管３０に配置することにより、各分岐配管２８から流入する濾過処理水の吸引に対する圧力損失を均一化することができる。したがって、各セグメント２０における濾過量を均一化して、濾過膜１２における被処理水の濾過の均一性を高めることができる。

図６に、第２実施形態の膜エレメントの正面図を示す。図６に示すように、仕切り板３８におけるスリット４０の配置形態を、図１、図５に示す配置形態とは異なる形態にすることも可能である。すなわち、仕切り板３８に形成するスリット４０の開口面積は共通であるが、設置間隔が集水口３２に近づくほど広くなるように配置している。逆に言えば、−Ｚ軸側に向かうにつれて設置間隔が狭くなるように配置している。

このような構成とすることにより、＋Ｚ軸側に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水ほど、大きく迂回する流通成分が大きくなるので、圧力損失が大きくなる。逆に、−Ｚ軸側に配置された分岐配管２８から流入した濾過処理水ほど、大きく迂回する流通成分が小さくなるので、圧力損失が小さくなる。したがって、上述同様に、各分岐配管２８から流入する濾過処理水の吸引に対する圧力損失を均一化することができる。

なお、図１、図５に示す第１実施形態と、図６に示す第２実施形態は同時に実現することができる。すなわち、仕切り板３８に配置するスリット４０を、その開口面積を集水口３２に近いものほど小さくし、且つスリット４０の設置間隔を集水口３２に近くなるほど広くすることができる。これにより、各セグメント２０における被処理水の濾過量を均一化させる効果をさらに高めることができる。

また、図５、図６に示すように、ヘッダ配管３０内には、第２の分室３６を、スリット４０（第１の流量調整手段）を有する第３の分室４４と、集水口３２を有する第４の分室４６と、に仕切るとともに濾過処理水が流通するスリット５０（第２の流量調整手段）を備えた仕切り板４８（第２の仕切り板）が配置されている。そして、スリット５０（オリフィスでもよい）は、集水口３２とスリット４０（第１の流量調整手段）とを結ぶ直線から離れた位置に配置されている。

このように構成することにより、スリット４０から集水口３２に至る直線的な流通経路が遮断され、ヘッダ配管３０内の分岐配管２８から集水口３２までの経路がさらに延長されるので、分岐配管２８間の圧力損失の差分の圧力損失に対する割合を低下させることができる。これにより濾過膜１２において被処理水をさらに均一に濾過することができる。

なお、スリット４０及びスリット５０の開口面積や設置間隔等は、適用対象となる濾過膜１２の比抵抗、分岐配管２８の位置、被処理水の流量や粘性抵抗、そして処理水吸引ポンプ１２２の出力等を考慮して適宜設計される。

図７、図８に第３、第４実施形態の膜エレメントの正面図を示す。図７、図８に示すように、スリット４０と同様に、分岐配管２８を、その開口面積（断面積）が集水口３２に近いものほど小さくし（第３実施形態）、分岐配管２８の配置間隔を集水口３２に近づくほど広くなるように配置する（第４実施形態）ことができる。このように、ヘッダ配管３０のみならず分岐配管２８の物理的形状を変えることにより、各分岐配管２８（各セグメント２０）から集水口３２に至る流通経路における圧力損失を効率的に均一化して、濾過膜１２において被処理水の濾過の均一化を高度に行なうことができる。なお、上述同様に、第３実施形態と第４実施形態は、同時に実現することができる。

本願発明者は、膜エレメント１０の濾過膜１２における被処理水の濾過量の分布をシミュレーションにより調査した。適用対象とする構成は、ケース１からケース３があり、いずれのケースも、前述の濾過膜１２、筐体１４、分岐配管２８、ヘッダ配管３０を有しており、筐体１４内が６つのセグメント２０に分割されている。また濾過対象となる液体を水（粘度：０．００１ｋｇ／ｍ・ｓ）とした。ケース１では、第４実施形態と同様に分岐配管２８の設置間隔及び開口面積を変更するとともに、ヘッダ配管３０内の仕切り板３８，４８を取り除き、濾過膜１２の比抵抗を１．５×１０^１４［１／ｍ］とした（特許文献１と同様の構成）。ケース２では、ケース１の構成において、濾過膜１２の比抵抗を１．４×１０^１２［１／ｍ］とした。ケース３では、ケース２の構成において、ヘッダ配管３０内に仕切り板３８（スリット４０）を配置した。

図９乃至図１１に、本実施形態の膜エレメントの圧力損失と濾過膜における被処理水の濾過量の分布を示す。図９乃至図１１では、各セグメント２０における濾過膜１２を透過する濾過処理水の速度範囲を、ケースごとに２０段階に分けて表した濾過膜１２における濾過処理水の速度分布と、Ｚ軸方向における濾過膜１２の圧力損失、そしてＺ軸方向における分岐配管２８及びヘッダ配管３０の圧力損失のグラフを表している。グラフでは、連続した線を引いているので、セグメント２０の境界のところで段差が生じている。また、濾過膜１２における圧力損失は、濾過処理水の速度の２乗に比例する。

図９に示すように、ケース１では、分岐配管２８が第４実施形態の構成を有しているので、各分岐配管２８から集水口３２に向かう流通経路における圧力損失は、ある程度均一化される。しかし、その流通経路における圧力損失は、一番上のセグメント２０に接続する流通経路がもっとも小さく（５００Ｐａ弱）、下のセグメント２０に移るにつれて大きくなっている（最大１５００Ｐａ弱）。これにより、濾過膜１２においては、一番上のセグメント２０に属する部分で最も圧力損失が大きく、下のセグメント２０に属する部分に移っていくにつれて圧力損失が小さくなっていく。

しかし、ケース１においては、グラフからわかるように、濾過膜１２の圧力損失が３０００Ｐａ弱から４０００Ｐａ弱の範囲で推移し、図９の分布図から分かるように濾過処理水の速度も１．０〜１．４×１０^−５ｍ／ｓの範囲で推移している。これにより、ケース１においては、濾過膜１２において比較的均一に被処理水を濾過していることがわかる。

図９のグラフから分かるように、ケース１では、濾過膜１２における圧力損失が、分岐配管２８及びヘッダ配管３０における圧力損失よりも２〜３倍程度大きい関係となっている。よって、分岐配管２８の圧力損失を調整することにより、膜エレメント１０全体の圧力損失に対する濾過膜１２の寄与をセグメント２０ごとに調整することができ、これにより濾過膜１２おける圧力損失をある程度均一にすることが可能となっている。

一方、ケース２においては、濾過膜１２の比抵抗がケース１の場合のほぼ１００分の１になっている。これにより、膜エレメント１０全体の圧力損失は、分岐配管２８及びヘッダ配管３０が大半を占め、濾過膜１２は殆ど圧力損失に寄与しないことになる。このように、濾過膜１２の圧力損失が分岐配管２８及びヘッダ配管３０の圧力損失よりも著しく小さくなると、分岐配管２８の圧力損失を調整しても、膜エレメント１０全体の圧力損失に対する濾過膜１２の寄与をセグメント２０ごとに変化させることは困難となる。よって、濾過膜１２における圧力損失は、分岐配管２８及びヘッダ配管３０の圧力損失のほぼ逆比で発生するものの、著しく小さなものとなる。

ケース２では、図１０のグラフに示すように、濾過膜１２において、流通経路由来の圧力損失の比較的小さい、上から３番目までのセグメント２０に属する部分では、圧力損失が発生しているが、それ以下のセグメント２０に属する部分では、圧力損失がほとんど発生していない。

したがって、図１０の分布図に示すように、濾過膜１２において、分岐配管２８及びヘッダ配管３０の圧力損失の比較的小さい上から３番目のセグメント２０に属する部分で被処理水の濾過が行われ、分岐配管２８及びヘッダ配管３０の圧力損失が比較的大きい４番目以降のセグメント２０に属する部分では、濾過が殆ど行なわれていないことがわかる。

この状態で、濾過を続行すると、濾過膜１２の上から３番目までのセグメント２０に属する部分で濾過が進行するとともに、その膜面に被処理水中の活性汚泥等が付着する。よってその部分において目詰まりが集中的に進行することになり、散気装置１１８の負担が増加することになる。

そこで、ケース３では、ヘッダ配管３０において、前述の仕切り板３８（スリット４０）を配置している。ケース３においては、ヘッダ配管３０中の仕切り板３８（スリット４０）が集水口３２に近い分岐配管２８から流入する濾過処理水の吸引に対して大きな圧力損失を与えることができる。

図１１のグラフに示すように、ケース３においては、各セグメント２０（分岐配管２８及びヘッダ配管３０）における圧力損失をほぼ均一にすることができる。これにより、濾過膜１２における圧力損失も、１０Ｐａ〜４０Ｐａの範囲に留まり、ケース２の場合によりも均一にすることができる。したがって、図１１の分布図に示すように、全てのセグメント２０において被処理水の濾過が行なわれていることがわかる。特に、上から２番目から６番目のセグメント２０においては、ほぼ均一に濾過が行なわれていることがわかる。また、ケース２と比べ、濾過膜透過時の圧力損失が平均化されており、均等に濾過されていることがわかる。

本実施形態の仕切り板３８（スリット４０）は、分岐配管２８から集水口３２までの流通経路に対して圧力損失を与えることができるが、流通経路の断面積のみならず流通経路の長さも変更することができるので、ケース１、ケース２のように、分岐配管２８のみに圧力損失を変化させる構成を加えた場合よりも、圧力損失の変化量を大きくすることができる。よって、ケース３において、仮に分岐配管２８に圧力損失を変化させる構成を加えなくても、仕切り板３８（スリット４０）のみで、セグメント２０（分岐配管２８及びヘッダ配管３０）に対する圧力損失の均一化を容易に行うことができる。もちろん、ケース３のように、仕切り板３８のみならず、分岐配管２８に上述の圧力損失を変化させる構成を加えることにより、圧力損失の均一化をより容易に行うことができる。さらに、ヘッダ配管３０内に前述の仕切り板４８（スリット５０）を配置することにより、圧力損失の均一化をより安定的に行なうことができる。

本実施形態では、支持手段は、濾過膜１２を支持する筐体１４であったが、これを、溝（不図示）を形成した支持板（不図示）とすることもできる。支持板（不図示）は、その主面がＸ軸方向に向けられている。そして支持板（不図示）の＋Ｘ軸側の主面には、Ｙ軸方向（水平）に延びるとともに、互いに平行に配置され濾過処理水を収容する複数の溝（不図示）が配置されている。また支持板（不図示）の＋Ｙ軸側の側面には前述の分岐配管２８が取り付けられる。そして、各溝（不図示）は、その端部が支持板（不図示）の分岐配管２８の接続位置に来るように配置され、分岐配管２８に接続した構成とすることができる。

これにより、処理水吸引ポンプ１２２を駆動させると、ヘッダ配管３０、分岐配管２８、溝（不図示）内部が陰圧となり、濾過膜１２の溝（不図示）に対向する部分において被処理水が濾過され、濾過処理水が溝（不図示）に収容されるとともに、溝（不図示）に収容された濾過処理水が分岐配管２８、ヘッダ配管３０を経由させ、集水口３２から膜エレメント１０の外部に排出することができる。

ヘッダ配管内の物理的形状を変化させることにより、濾過膜における圧力損失を均一化させ、濾過膜の比抵抗に係らず濾過膜において被処理水を均一に濾過することができる膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムとして利用できる。

１０………膜エレメント、１２………濾過膜、１４………筐体、１６………開口部、１８………仕切り板、２０………セグメント、２２………スペーサ、２４………平板、２６………流通孔、２８………分岐配管、３０………ヘッダ配管、３２………集水口、３４………第１の分室、３６………第２の分室、３８………仕切り板、４０………スリット、４２………直線、４４………第３の分室、４６………第４の分室、４８………仕切り板、５０………スリット、１００………膜分離システム、１０２………原水ポンプ、１０４………嫌気槽、１０６………無酸素槽、１０８………反応槽、１１０………仕切り板、１１２………膜モジュール、１１３………膜槽領域、１１４………好気槽領域、１１６………ケーシング、１１８………散気装置、１２０………配管、１２２………処理水吸引ポンプ、１２４………微細散気装置。

Claims (8)

1. 被処理水を濾過して濾過処理水を生成する濾過膜を支持するとともに、前記濾過処理水を収容する空間を有する支持手段と、前記支持手段から複数配列して延出するとともに前記濾過処理水を流出させる分岐配管と、前記分岐配管が複数配列した状態で接続するとともに前記分岐配管から流入した前記濾過処理水を外部に流出させる集水口を有するヘッダ配管と、を備えた膜エレメントにおいて、
   各分岐配管から前記集水口までの圧力損失が互いに等しくなるように前記ヘッダ配管内には、
   前記濾過処理水を流通させる複数の第１の流量調整手段を備えるとともに、前記分岐配管に接続した第１の分室と、前記集水口を有する第２の分室と、に仕切る第１の仕切り板が配置され、
   前記第１の流量調整手段は、前記集水口に近いものほどその開口面積が小さくなっていることを特徴とする膜エレメント。
2. 被処理水を濾過して濾過処理水を生成する濾過膜を支持するとともに、前記濾過処理水を収容する空間を有する支持手段と、前記支持手段から複数配列して延出するとともに前記濾過処理水を流出させる分岐配管と、前記分岐配管が複数配列した状態で接続するとともに前記分岐配管から流入した前記濾過処理水を外部に流出させる集水口を有するヘッダ配管と、を備えた膜エレメントにおいて、
   各分岐配管から前記集水口までの圧力損失が互いに等しくなるように前記ヘッダ配管内には、
   前記濾過処理水を流通させる複数の第１の流量調整手段を備えるとともに、前記分岐配管に接続した第１の分室と、前記集水口を有する第２の分室と、に仕切る第１の仕切り板が配置され、
   前記第１の流量調整手段は、前記集水口に近づくほどその設置間隔が広くなっていることを特徴とする膜エレメント。
3. 前記ヘッダ配管内には、
   前記第２の分室を、前記第１の流量調整手段を有する第３の分室と、前記集水口を有する第４の分室と、に仕切るとともに前記濾過処理水が流通する第２の流量調整手段を備えた第２の仕切り板が配置され、
   前記第２の流量調整手段は、
   前記集水口と前記第１の流量調整手段とを結ぶ直線から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の膜エレメント。
4. 前記分岐配管は、前記ヘッダ配管との接続位置が前記集水口に近いものほどその開口面積が小さくなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜エレメント。
5. 前記ヘッダ配管に対する前記分岐配管間の接続間隔が、前記集水口に近づくほど広くなっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膜エレメント。
6. 前記支持手段は、
   前記濾過膜により封止される開口部を有する筐体であるとともに、
   前記筐体内は、
   前記分岐配管のうち、少なくとも一つの分岐配管に接続する複数のセグメントに仕切られていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膜エレメント。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膜エレメントを複数配列してケーシング内に収めたことを特徴とする膜モジュール。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膜エレメントを備えたことを特徴とする膜分離システム。

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