JP6413764B2 - 分離膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、飲料水製造、浄水処理、廃水処理などの水処理分野、食品工業分野に好適な分離膜モジュールに関する。
近年、平膜状や中空糸膜状の分離膜は、水処理分野や食品工業分野に使われるようになってきており、例えば分離膜を配設した分離膜エレメントや、この分離膜エレメントを複数配置した分離膜モジュールが水浄化処理装置に使用されている。分離膜エレメントによる分離法に使用される分離膜には、その孔径や分離機能の点から、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、正浸透膜などがあり、これらの膜は、例えば海水、かん水、有害物を含んだ水などから飲料水を得る場合や、工業用超純水の製造、排水処理、有価物の回収などに用いられており、目的とする分離成分及び分離性能によって使い分けられている。
また、分離膜活性汚泥法（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； ＭＢＲ）は、活性汚泥槽に分離膜を浸漬し、活性汚泥と処理水を膜で分離する処理方法である。ＭＢＲは、省スペースで、良好な水質が得られるため、国内では小規模な施設を中心に、新設の多い海外では１０万ｍ3／ｄａｙを超える大規模な施設に導入が進められている。
活性汚泥処理は、処理槽内で好気性の微生物を飼育するために槽内への散気が必要である。この散気する装置を具備したエアレーションブロックを、膜ユニット（以下、「エレメントブロック」という。）の下方に据え付ければ、散気による気液混合流がエレメントブロック内を上昇し、膜表面（膜面）の汚れをかきとることができるので、膜面洗浄しつつ固液分離を行うことができ、低コストでの膜ろ過運転が可能となる。この場合、通常、エレメントブロックとエアレーションブロックを合わせて分離膜モジュールと称されている。
従来、平膜状の分離膜エレメントは、平板状で強度のある多孔性の支持板の表裏全面に、膜（半透膜）の周辺部分を熱融着などで固定したものである。この分離膜エレメントを複数枚平行に重ね、内部に溝を有し上下のみを開放した直方体状のモジュールハウジングに挿入したものがエレメントブロックである。
また、支持板を使用しない袋状の分離膜エレメントも提案されている。分離膜の周辺をシールし、一部に穴をあけて、透過液の取り出し口を取り付けたものがある。また、上記同様これらを複数枚集合させ、取り出し口を連通させることで分離膜モジュールとしている（たとえば特許文献１，２参照）。
これら支持板を使用しない袋状の分離膜エレメントについては、エレメント重量が軽く柔軟性を有しているため、分離膜が被処理水（原液）の流れで揺動して、汚泥が付着し難くなる。ただし、被処理水が多量に流れる環境下においては、分離膜の揺動が激しくなり、特に分離膜エレメント上端部にて膜面同士が接触し、分離膜やシール部の破れ、剥がれといった膜分離機能を損なう重大な問題を引き起こす。
支持板を使用しない袋状の分離膜エレメントの揺動を抑制する手段として、四隅を固定する方法が提案されているが、袋状分離膜は柔軟性を有しているものの固定された四隅の位置が変わらないために散気の上昇流により膜がせりあがってしまい、上部の振動が大きくなり隣接する膜同士が接触し破損する問題を引き起こす（特許文献３参照）。
また、たるみ防止のため四隅を引っ張る方法も提案されているが、常に力がかかっているため膜が経時的に伸び、バネの引張り力が低下してしまう（特許文献３参照）。
本発明の目的は、これら問題点を解消し、支持板を使用しない袋状の分離膜エレメントにおいても膜の損傷を起こすことなく分離膜を揺動させ、汚泥が付着し難い高効率な分離膜モジュールを提供することである。
本発明は上記の目的を達成するために、以下に述べる構成からなる。
（１）透過側の面が互いに対向するように配置された２枚の分離膜からなる分離膜対の周縁部が封止された構造を有する分離膜エレメントが複数平行に配列されてなるエレメントブロックと、散気管を具備し前記エレメントブロックの下方に配置されるエアレーションブロックとを備えた分離膜モジュールであって、前記エレメントブロックは、隣接する前記分離膜エレメントのそれぞれの間かつ前記分離膜エレメントの上側半分に少なくとも１つずつ配置される上部スペーサーと、隣接する前記分離膜エレメントのそれぞれの間かつ前記上部スペーサーより下方にそれぞれ配置される下部スペーサーとを備え、前記複数の分離膜エレメントのうちの両端に位置する分離膜エレメントが前記下部スペーサーの高さでのみフレームに固定されていることを特徴とする分離膜モジュール。
（２）前記上部スペーサー、前記下部スペーサー、および前記分離膜エレメントのそれぞれが貫通穴を有し、前記エレメントブロックは前記貫通穴にシャフトを貫通させることによって前記分離膜エレメントのそれぞれと前記上部スペーサーおよび前記下部スペーサーが一体として束ねられることを特徴とする（１）に記載の分離膜モジュール。
（３）前記フレームが、前記上部スペーサーの高さで前記複数の分離膜エレメントのうちの両端の分離膜エレメントの水平方向への移動範囲を制限するガイドを備えることを特徴とする（１）または（２）に記載の分離膜モジュール。
（４）前記フレームが、前記上部スペーサーの高さで前記複数の分離膜エレメントのうちの両端の分離膜エレメントの下方向への移動範囲を制限する受け部を備えることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の分離膜モジュール。
本発明の分離膜モジュールは、上部スペーサーおよび下部スペーサーにより分離膜間の間隔を維持しつつ、分離膜エレメントのフレームへの固定を下部スペーサーの高さでのみ行うことにより、散気による膜のせりあがりを上方に逃がし膜のたるみを抑制し、分離膜同士の接触を防ぐことができる。すなわち、膜の損傷を起こすことなく分離膜を揺動させ、汚泥が付着し難い高効率な分離膜モジュールを提供することができる。
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれら図面に示す実施態様に限定されるものではない。
図１は、本発明の分離膜モジュールを構成する分離膜エレメントの実施形態の一例を、分離膜エレメントの厚さ方向中心の平面で切断して示す断面図である。また分離膜エレメント４とともに、集水管７およびチューブ６を記載する。
図１において、分離膜エレメント４は、主として２枚の平膜状の分離膜１７を、透過側の面が互いに対向するように配置した分離膜対で構成し、この分離膜対の周縁部１８が封止された袋状の構造をしている。分離膜エレメント４は、封止した周縁部１８よりも内側の分離膜１７の透過側表面領域にろ過水が流通する集水流路部材１６を備えている。
ここで、「分離膜対」を構成する分離膜は、分離可能な２枚の分離膜であってもよいし、折り畳まれた１枚の分離膜であってもよい。なお、対向する分離膜の透過側の面の間には、間隙が設けられる。
集水流路部材１６は、通水性のあるシート状部材、例えば不織布、織布、ネット等でもよいが、図２に示すような、分離膜対の互いに対向する透過側の面の両方に接着する樹脂部１９によって形成されることが好ましい。樹脂部１９の断面形状は、好ましくはドット状、線状、または格子状であるとよい。また周縁部１８の一部には集水部が設けられ、この集水部において集水流路が外部と連通し、ろ過水が取り出される。
この分離膜エレメント４の集水部にはろ過水を取り出す吸水管５が配設されていて、この吸水管５にはチューブ６を介して集水管７が接続される。集水管７の下流側に吸引ポンプ（図示せず）が接続され、分離膜エレメント４内部に陰圧をかけ、ろ過水を取り出す。
図３は本発明の分離膜モジュールの実施形態の一例を示す斜視図である。
図３において、分離膜モジュール１は、エレメントブロック２、エアレーションブロック３および集水管７により構成される。エレメントブロック２は、筐体フレーム１２の内側に、分離膜エレメント４を複数平行に並べることで構成されている。このエレメントブロック２の下方には散気管３１を具備したエアレーションブロック３が配設されている。エアレーションブロック３の散気管３１はブロワ（図示せず）に連結されている。膜浸漬槽内の被処理水中に沈められた分離膜モジュール１のエレメントブロック２に向けて下方のエアレーションブロック３からエアが噴出される。
図４は本発明の分離膜モジュールを構成するエレメントブロック２の実施形態の一例を示す側面図である。エレメントブロック２において、隣接する分離膜エレメント４、４のそれぞれの間かつ分離膜エレメント４の上側半分であって、分離膜エレメント４の水平方向の左右両側には、少なくとも１つずつの上部スペーサー８、８が配置されている。また隣接する分離膜エレメント４，４の間の上部スペーサー８、８より下方に下部スペーサー９、９がそれぞれ配置されている。さらに、下部スペーサー９の高さにおいて複数平行に配列した分離膜エレメント４のうちの両端の分離膜エレメント４が筐体フレーム１２に固定されている。両端の分離膜エレメント４が筐体フレーム１２に直接固定されても良いが、両端の分離膜エレメント４が下部スペーサー９を介して固定具１１により筐体フレーム１２に固定するのが好ましい。下部スペーサー９の位置のみで分離膜エレメント４を筐体フレーム１２に固定し、上部スペーサー８の位置で分離膜エレメント４を筐体フレーム１２に固定しないことにより、散気の上昇流での膜のせりあがりを上方に逃がすことができ、膜上部のたるみ発生を防止し、膜同士の接触による膜破損を回避することができる。
図５は本発明の分離膜モジュールを構成するエレメントブロック２の実施形態の他の一例を模式的に示す側面図である。分離膜エレメント４と上部スペーサー８、分離膜エレメント４と下部スペーサー９は密着していることが好ましく、図５に示すように、分離膜エレメント４が上部スペーサー８の設置位置および下部スペーサー９の設置位置に貫通穴を有し、さらに上部スペーサー８および下部スペーサー９が貫通穴を有し、シャフト１０がそれぞれの貫通穴を貫通させることで連結され一体として束ねられていることが好ましい。また下部スペーサー９を貫通するシャフト１０の両端部が、固定具１１により筐体フレーム１２に固定されるのが好ましい。さらに上部スペーサー８を貫通するシャフト１０両端部において、両端に位置する分離膜エレメント４が留め具１３にて留められていることが好ましい。
図６は本発明の分離膜モジュールの実施形態の他の一例を模式的に示す斜視図である。筐体フレーム１２は、上部スペーサーの高さで複数平行に配列された分離膜エレメント４のうちの両端の分離膜エレメント４の水平方向への移動範囲を制限するガイド１４を備えることができる。
図７はガイド１４周辺を拡大して示す概略斜視図である。上部スペーサー８の位置で連結された分離膜エレメント４の水平方向への移動範囲を制限するガイド１４を筐体フレーム１２に設置してもよい。図７で例示されるガイド１４は、凹形断面を有する棒状である。これにより分離膜エレメント４全体の水平方向の振動を低減できるため、下部固定部１１への負荷を低減でき、破損の防止や、下部固定部の構造をより単純な構成とすることができる。また、分離膜エレメント４とガイド１４とが低弾性部材を介して接続されていてもよい。これにより、分離膜エレメント４とガイドと１４の間の磨耗を防止することができる。ガイド１４は、上部スペーサー８の位置を水平方向に制限するが、垂直方向に制限するものではない。この限りにおいて、ガイド１４は、図７の例示に制限されるものではない。
本発明の分離膜モジュールにおいて、フレーム１２が、上部スペーサー８の高さで複数平行に配列された分離膜エレメント４のうちの両端の分離膜エレメント４の下方向への移動範囲を制限する受け部１５を備えることができる。
図８は受け部１５周辺を拡大して示す概略斜視図である。分離膜エレメント４の剛性が低い場合は、上部スペーサー８の位置で分離膜エレメント４全体の下方向への移動範囲を制限する受け部１５があってもよい。これにより、分離膜モジュール１が処理槽の外にある場合や、処理槽内での散気が無く被処理水の上昇流がない場合、すなわち、分離膜エレメント４が自重を大きく受け自立できない場合に、受け部１５による分離膜エレメント４全体の下方向への移動範囲の制限により分離膜エレメント４が破損することを防止できる。図８の例では、受け部１５がガイド１４と一体構造に形成されているが、受け部１５はガイド１４と独立して設置することもできる。
上部スペーサー８および下部スペーサー９は、板状または環状に形成され、その平面視形状は、円状のほか、四角状、楕円状、菱状など、任意の形状が選択できる。また、各形状について、シャフト１０を通すための貫通穴が空いていてもよい。
上部スペーサー８および下部スペーサー９を構成する材質は、少なくとも隣接する分離膜エレメントと当接する面が、ＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下のゴム材、もしくは、ＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下のプラスチック材であることが望ましい。上部スペーサー８および下部スペーサー９は、より好ましくはデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下の材質であるとよい。
ＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）がＡ２０〜９５度の材質としては、例えば、そのようなデュロメータ硬さ（タイプＡ）をもつウレタン、ニトリル、クロロプレン、エチレン、ブチル、フッ素、シリコン、低弾性ゴム、などの各種ゴム材料が挙げられる。また、ＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下のプラスチック材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネートなどの汎用プラスチックや、ナイロン、ポリアセタール、ＡＢＳ、ポリフッカビニリデン、四弗化エチレン樹脂などの汎用エンジニアリングプラスチックが挙げられる。
つぎに、筐体フレーム１２の材質は、ステンレス、アルミなどの各種金属、ＰＶＣ樹脂やＡＢＳ樹脂などの各種熱可塑性樹脂、またポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂などの各種熱硬化性樹脂など任意に選択可能であるが、耐食性および剛性の高いステンレス材が好適に使用される。
シャフト１０の材質は、ステンレス、アルミなどの各種金属、ＰＶＣ樹脂やＡＢＳ樹脂などの各種熱可塑性樹脂、またポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂などの各種熱硬化性樹脂など任意に選択可能であるが、耐食性および剛性の高いステンレス材が好適に使用される。また連結の機能が果たせるのであれば、中実シャフトおよび中空シャフトのどちらのシャフトを使用しても構わない。さらに、シャフトの断面形状について、丸形状に限定されず、楕円、略四角形状など任意形状でも構わない。
さらに、筐体フレーム１２は、分離膜エレメントを複数平行に配列した分離膜エレメントの束を２段以上の多段構成にすることが好ましい。筐体フレーム構成は、前述した所望の機構および効果が得られるのであれば任意でよく、エレメントブロックとして、図１６に示す多段モジュール７０のようにＰＶＣ製ベース板７１とステンレス製パイプユニット７２で簡易に組み立てられる構成も採択可能である。
第２の分離膜モジュールの好ましい実施形態は、透過側の面が互いに対向するように配置された２枚の分離膜からなる分離膜対の周縁部が封止された構造を有する分離膜エレメントを複数平行に配列されてなるエレメントブロックと、散気管を具備し前記エレメントブロックの下方に配置されるエアレーションブロックとを備えた分離膜モジュールであって、前記エレメントブロックは、隣接する前記分離膜エレメントの間かつ前記分離膜エレメントの上側半分に少なくとも１つずつ配置される上部スペーサーと、隣接する前記分離膜エレメントの間かつ前記上部スペーサーより下方にそれぞれ配置される下部スペーサーとを備え、前記上部スペーサーの前記分離膜の面に垂直方向の厚みと前記上部スペーサーに当接する前記分離膜エレメントの厚みとの和Ｔ１および前記下部スペーサーの前記分離膜の面に垂直方向の厚みと前記下部スペーサーに当接する前記分離膜エレメントの厚みとの和Ｔ２が、０＜Ｔ１／Ｔ２＜１の関係であることを特徴とする。第２の分離膜モジュールにおいて、複数平行に配列された分離膜エレメントのうちの両端に位置する分離膜エレメントが、下部スペーサーの高さでフレームに固定され、上部スペーサーの高さで分離フレームに固定されていないことが好ましい。
図９は第２の実施形態の分離膜モジュールを構成するエレメントブロック２２の一例を示す側面図である。分離膜モジュール、エレメントブロック、分離膜エレメントの基本的な構成は、上述した通りである。エレメントブロック２２において、隣接する分離膜エレメント２４，２４の間かつ分離膜エレメント２４の上側半分であって、分離膜エレメント２４の水平方向の左右両側には、少なくとも１つずつの上部スペーサー２１，２１が配置されている。また隣接する分離膜エレメント２４，２４の間の上部スペーサー２１，２１より下方に下部スペーサー２８，２８がそれぞれ配置されている。図９において、上部スペーサー２１および下部スペーサー２８は、それぞれ１枚の分離膜エレメントを厚さ方向に挟むように両側に１枚ずつ、シャフト２０に貫通されて配置されている。また１枚の上部スペーサー２１と１つの分離膜エレメント２４のシャフト２０の軸方向の厚みの和、すなわち上部スペーサー２１の分離膜の面に垂直方向の厚みと上部スペーサー２１に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和をＴ１、１枚の下部スペーサー２８と１つの分離膜エレメント２４のシャフト２０の軸方向の厚みの和、すなわち下部スペーサー２８の分離膜の面に垂直方向の厚みと下部スペーサー２８に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和をＴ２として表わしている。
本発明において、上部スペーサー２１の厚みと上部スペーサー２１に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和Ｔ１および下部スペーサー２８の厚みと下部スペーサー２８に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和Ｔ２には、０＜Ｔ１／Ｔ２＜１の関係がある。すなわち、上部スペーサー２１の厚みと上部スペーサー２１に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和は下部スペーサー２８の厚みと下部スペーサー２８に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和より小さい関係となる。Ｔ１／Ｔ２＜１の関係とすることで、分離膜エレメント２４を被処理水の流動によって激しく揺動させることができ、膜面に付着した濁質成分の剥離性を向上させることができる。また、０＜Ｔ１／Ｔ２の関係とすることで、分離膜エレメント２４の上側半分に分離膜エレメント２４同士が接触するのを防止する部材が設けられることとなるため、被処理水の流動によって分離膜エレメント２４が激しく揺動しても、上部スペーサー２１により分離膜エレメント２４同士が接触するのを防ぐことができる。
上部スペーサー２１の厚みと上部スペーサー２１に当接する分離膜エレメント２４の厚みＴ１、さらには下部スペーサー２８の厚みと下部スペーサー２８に当接する分離膜エレメント２４の厚みＴ２については、０＜Ｔ１／Ｔ２＜１の関係を満たせば特に限定はされないが、０．２≦Ｔ１／Ｔ２≦０．８の範囲に設定することが好ましい。Ｔ１／Ｔ２≦０．８とすることで、被処理水の流動によって分離膜エレメントを激しく揺動させることをより効率よく行うことができる。また、０．２≦Ｔ１／Ｔ２とすることで、分離膜エレメントが激しく揺動しても、上部スペーサー２１により分離膜エレメント２４同士が接触するのをより効率よく防ぐことができる。
なお、分離膜エレメント２４の上部スペーサー２１に当接する部分と下部スペーサー８に当接する部分とで厚みに差がある場合は、前記関係式を満足するように、上部スペーサー２１および／または下部スペーサー２８の厚みを設定すればよい。ここで、分離膜エレメント２４の厚みは、分離膜自体の厚み、分離膜と貫通穴２９補強用の止め金具の厚み、分離膜と分離膜に接合して形成される布、樹脂、ゴム等の板状部材（上部スペーサー２１および下部スペーサー２８とは別の部材）の厚み、また、支持板を有する分離膜エレメント２４の場合には支持板自体の厚み、など分離膜エレメント２４の仕様形態により適宜選択される。
下部スペーサー２８および上部スペーサー２１は、図１０に示すように分離膜エレメント２４の所定部に固設させて厚肉部分を形成させた分離膜エレメント２４と一体構造のものでもよい。また、図１１に示すように、エレメントブロックの組立て時に、分離膜エレメント２４の厚さ方向に両側から挟むように、下部スペーサー２８および上部スペーサー２１を取り付ける構造（分割構造）でもよい。この場合、隣接する分離膜エレメント２４の間に取り付ける下部スペーサー２８および上部スペーサー２１の数は任意でよく、所望する原水流路の幅に応じて設定すればよいが、部材点数の観点から１点が望ましい。
また、分割構造について、下部スペーサー２８を個別に分離膜エレメントの間に取り付けてもよいし、下部スペーサー２８を連結させて分離膜エレメントの両側部全体に取り付けてもよい。
下部スペーサー２８は板状または環状であり、その平面視の形状は、図１０，１１に示すような円状のほか、四角状、楕円状、菱状など、任意形状が選択できる。また、各形状について、シャフト２０を通すための貫通穴が空いていてもよい。
図１２のように、この左右両側の下部スペーサー２８と分離膜エレメント２４とで囲まれる空間に被処理水が流れる原水流路３０が形成される。そのため、原水流路３０の幅に応じて適宜下部スペーサー２８の厚みと下部スペーサー２８に当接する分離膜エレメント２４の厚みとの和Ｔ２が設定される。原水流路３０の幅は特に限定されないが、原水流路３０内を流れる原水の流速が０．１〜１．５ｍ／秒となるように設定するのが好ましい。
下部スペーサー２８を構成する材質は、少なくとも隣接する分離膜エレメントと当接する面が、ＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下のゴム材、もしくは、ＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下のプラスチック材であることが望ましい。下部スペーサー２８はより好ましくはデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下の材質であるとよい。
この下部スペーサー２８を構成するＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）がＡ２０〜９５度の材質としては、例えば、そのようなデュロメータ硬さ（タイプＡ）をもつウレタン、ニトリル、クロロプレン、エチレン、ブチル、フッ素、シリコン、低弾性ゴム、などの各種ゴム材料が挙げられる。また、ＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下のプラスチック材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネートなどの汎用プラスチックや、ナイロン、ポリアセタール、ＡＢＳ、ポリフッカビニリデン、四弗化エチレン樹脂などの汎用エンジニアリングプラスチックが挙げられる。
上部スペーサー２１は、図１０に示すように分離膜エレメントの所定部に固設させて厚肉部分を形成させた分離膜エレメントと一体構造のものでもよい。また、図１１に示すように、エレメントブロックの組立て時に、分離膜エレメントの厚さ方向に両側から挟むように上部スペーサー２１を取り付ける構造（分割構造）でもよい。この場合、取り付ける上部スペーサー２１の数は任意でよく、下部スペーサー厚みに応じて設定すればよいが、部材点数の観点から隣接する分離膜エレメント２４の間に１点が望ましい。
また、分割構造について、上部スペーサー２１を個別に分離膜エレメントの間に取り付けてもよいし、上部スペーサー２１を連結させて分離膜エレメントの両側部全体に取り付けてもよい。
上部スペーサー２１は板状または環状であり、その形状は、図１０，１１に示すような円状のほか、四角状、楕円状、菱状など、任意形状が選択できる。また、各形状について、シャフト２０を通すための貫通穴が空いていてもよい。
上部スペーサー２１を構成する材質は、少なくとも隣接する分離膜エレメントと当接する面が、ＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下のゴム材であることが望ましい。これらを構成する材質としては前記した下部スペーサー２８と同様のゴム材を選定することができる。
第３の分離膜モジュールの好ましい実施形態は、透過側の面が互いに対向するように配置された２枚の分離膜からなる分離膜対の周縁部が封止された構造を有する分離膜エレメントを複数平行に配列されてなるエレメントブロックと、散気管を具備し前記エレメントブロックの下方に配置されるエアレーションブロックとを備えた分離膜モジュールであって、前記エレメントブロックは、隣接する前記分離膜エレメントの間かつ前記分離膜エレメントの上側半分に少なくとも１つずつ配置される上部スペーサーと、隣接する前記分離膜エレメントの間かつ前記上部スペーサーより下方にそれぞれ配置される下部スペーサーとを備え、前記上部スペーサーの硬さは前記下部スペーサーの硬さよりも軟らかいことを特徴とする。第３の分離膜モジュールにおいて、複数平行に配列された分離膜エレメントのうちの両端に位置する分離膜エレメントが、下部スペーサーの高さでフレームに固定され、上部スペーサーの高さで分離フレームに固定されていないことが好ましい。
また、第３の分離膜モジュール実施形態を、図１３を用いて説明する。図１３では、上部スペーサー４８の硬さを下部スペーサー４９の硬さよりも軟らかくしている。すなわち、振動が激しい上部スペーサー４８に弾性材を使用することで、上部スペーサー４８と分離膜エレメントとの当接部の摩耗を防止し、比較的振動が緩やかな下部スペーサー４９に、上部スペーサー４８より硬質な材料を使用することで、エレメントブロック下方の流路間隔を均一に保持することができる。
図１３の実施態様における分離膜エレメント４３では、支持板４２の表裏両面に、２枚のシート状の分離膜４１，４１が透過側の面が互いに対向するように配置され、分離膜対を形成する。この分離膜対の周縁部は、支持板４２と密着することにより封止されている。支持板４２の上端部にノズル形状の透過水出口４７があり、透過水出口４７は、分離膜４１と支持板４２との間のろ過水流動空間（以下、「ろ過水室」という。）に、連通穴５８を介して接続されている。分離膜エレメント４３の外側からろ過されてろ過水室内に入ったろ過水は、連通穴５８を介して透過水出口４７から排出される構造である。分離膜エレメント４３は、左右両側部の上側半分に上部スペーサー４８および下側半分に下部スペーサー４９を有する。ここで、分離膜エレメント４３の左右両側部は、分離膜エレメントの水平方向の端部を指す。
支持板４２は略平板状のものであれば特に限定されない。その材質としては、ＡＳＴＭ試験法のＤ７９０におけるヤング率が３００ＭＰａ程度以上の剛性を持つ材質であれば特に限定されるものではないが、ステンレスなどの金属類、アクリロニトリルブタジエンスチレンゴム（ＡＢＳ樹脂）、塩化ビニルなどの樹脂、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などの複合材料、その他の材質などを適宜選択、使用することができる。
上部スペーサー４８および下部スペーサー４９は、図１３に示すように支持板４２の両側部に固設させて厚肉部分を形成させた分離膜エレメントと一体構造のものでもよいし、また、図１４に示すように、エレメントブロックの組立て時に、支持板４２の両側部を前後両側から挟むように取り付ける構造（分割構造）でもよい。なお、図１３および１４に例示する分離膜エレメントは、支持板４２を有する例である。しかし、第３の分離膜モジュールを構成する分離膜エレメントとしては、図１３および１４に限定されるものではなく、支持板を使用しない袋状の分離膜エレメントを使用することもできる。
図１４に例示する分離膜モジュール５１は、エレメントブロック５２、エアレーションブロック５６により構成される。エレメントブロック５２は、分離膜エレメント４３を複数平行に並べることで構成されている。このエレメントブロック５２の下方には散気管５７を具備したエアレーションブロック５３が配設されている。エアレーションブロック５３の散気管５７はブロワ（図示せず）に連結されている。膜浸漬槽内の被処理水中に沈められた分離膜モジュール５１のエレメントブロック５２に向けて下方のエアレーションブロック５６からエアが噴出される。
図１５において、エレメントブロック５２は、複数枚の分離膜エレメント４３と、これら分離膜エレメント４３の両最外部に設置される封止パネル４４、上部スペーサー４８および下部スペーサー４９に連続する貫通穴を形成し、この貫通穴に図１５に示すように通しボルト４５を通し、その両端をナット６８で固定することにより構成することができる。このエレメントブロック５２は、互いに隣接する分離膜エレメント４３，４３の間に、両側部の上部スペーサー４８および下部スペーサー４９と分離膜４１とで囲まれる空間に原水流路５３が形成される。そのため、原水流路５３の幅に応じて適宜上部スペーサー４８および下部スペーサー４９の厚みが設定される。原水流路５３の幅は特に限定されないが、原水流路５３内を流れる原水の流速が０．１〜１．５ｍ／秒となるように設定するのが好ましい。
また、上部スペーサー４８および下部スペーサー４９を構成する材質は、少なくとも隣接する分離膜エレメントと当接する面が、上部スペーサー４８について、ＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下の材質であり、下部スペーサー４９について、ＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下の材質であることが望ましい。
ここで、ＩＳＯ ７１６９−１で規定されるデュロメータ硬さとは、一般的にゴム、エラストマーで多く使用される測定方法であり、プラスチックの硬さ測定で最も多く使用されるＩＳＯ ２０３９−１で規定されるロックウェル硬さよりも軟らかい材質の硬さを測定する場合に使用される。ＩＳＯ ７１６９−１で規定されるデュロメータ硬さにはタイプＡとタイプＤの２種類のスケールがあるが、タイプＡはタイプＤよりも軟らかい材質の硬さ測定に使用される。ゴムのような柔らかい材質のものをＩＳＯ ２０３９−１で規定されるロックウェル硬さ（スケールＲ）で測定しようとすると、ロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度を下回ってしまい適切に測定が行えないため、ゴムのような軟らかい材質のものの硬さを測定する場合には、ＩＳＯ ７１６９−１で規定されるデュロメータ硬さで測定することが一般的である。したがって、ＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下である材質は、ＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下である材質よりも軟らかいものである。
この上部スペーサー４８を構成するＩＳＯ ７１６９−１に従って測定したデュロメータ硬さ（タイプＡ）が２０度以上９５度以下の材質としては、例えば、そのようなゴム硬さをもつウレタン、ニトリル、クロロプレン、エチレン、ブチル、フッ素、シリコン、低弾性ゴム、などの各種ゴムが挙げられる。下部スペーサー４９を構成するＩＳＯ ２０３９−１に従って測定したロックウェル硬さ（スケールＲ）が５０度以上１３０度以下の材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネートなどの汎用プラスチックや、ナイロン、ポリアセタール、ＡＢＳ、ポリフッカビニリデン、四弗化エチレン樹脂などの汎用エンジニアリングプラスチックが挙げられる。
最後に、本発明の分離膜モジュールを構成する分離膜エレメントに使用される平膜状の分離膜について説明する。平膜状分離膜は、不織布ベースの基材の上に分離機能層を製膜したものが好ましく使用される。分離機能層としては、孔径制御、耐久性の点で架橋高分子が好ましく使用され、成分の分離性能の点で多孔性支持層上に、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物とを重縮合させてなる分離機能層、有機無機ハイブリッド機能層などが積層された膜を好適に用いることができる。また、セルロース膜、ポリフッ化ビニリデン膜、ポリエーテルスルホン膜、ポリスルホン膜のような多孔性支持層であって、分離機能と支持体機能との両方を有する膜を用いることもできる。つまり、分離機能層と多孔性支持層とが、単一の層で実現されてもよい。
本発明の分離膜は、好ましくは基材と分離機能層とからなり、特に、ポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる分離機能層が形成された分離膜を用いるとよい。ここで、基材と分離機能層との間には、当該分離機能層を構成する樹脂と基材とが混在する層が介在していることが好ましい。基材表面から内部にポリフッ化ビニリデン系ブレンド樹脂が入り込むことで、いわゆるアンカー効果によって分離機能層が基材に堅固に定着され、分離機能層が基材から剥がれるのを防止できるようになる。分離機能層は、基材に対して、片面に偏って存在しても構わないし、また、両面に存在しても構わない。分離機能層は、基材に対して、対称構造であっても、非対称構造であっても構わない。また、分離機能層が基材に対して両面に存在している場合には、両側の分離機能層が、基材を介して連続的であっても構わないし、不連続であっても構わない。
分離機能層と基材で形成された分離膜において、基材は、分離機能層を支持して分離膜に強度を与える機能をもつ。基材を構成する材質としては、有機基材、無機基材等、特に限定されないが、軽量化しやすい点から、有機基材が好ましい。有機基材としては、セルロース繊維、セルローストリアセテート繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維からなる織編物や不織布があげられる。なかでも、密度の制御が比較的容易な不織布が特に好ましい。
１ 分離膜モジュール
２ エレメントブロック
３ エアレーションブロック
４ 分離膜エレメント
５ 吸水管
６ チューブ
７ 集水管
８ 上部スペーサー
９ 下部スペーサー
１０ シャフト
１１ 固定具
１２ 筐体フレーム
１３ 留め具
１４ ガイド
１５ 受け部
１６ 集水流路部材
１７ 分離膜
１８ 周縁部
１９ 樹脂部
２０ シャフト
２１ 上部スペーサー
２２ エレメントブロック
２４ 分離膜エレメント
２７ 集水管
２８ 下部スペーサー
２９ 貫通穴
３０ 原水流路
３１ 散気管
４１ 分離膜
４２ 支持板
４３ 分離膜エレメント
４４ 封止パネル
４５ 通しボルト
４７ 透過水出口
４８ 上部スペーサー
４９ 下部スペーサー
５１ 分離膜モジュール
５２ エレメントブロック
５３ 原水流路
５６ エアレーションブロック
５７ 散気管
５８ 連通穴
６８ ナット
７０ 多段モジュール
７１ ＰＶＣ製ベース板
７２ ステンレス製パイプユニット
２ エレメントブロック
３ エアレーションブロック
４ 分離膜エレメント
５ 吸水管
６ チューブ
７ 集水管
８ 上部スペーサー
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１１ 固定具
１２ 筐体フレーム
１３ 留め具
１４ ガイド
１５ 受け部
１６ 集水流路部材
１７ 分離膜
１８ 周縁部
１９ 樹脂部
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２１ 上部スペーサー
２２ エレメントブロック
２４ 分離膜エレメント
２７ 集水管
２８ 下部スペーサー
２９ 貫通穴
３０ 原水流路
３１ 散気管
４１ 分離膜
４２ 支持板
４３ 分離膜エレメント
４４ 封止パネル
４５ 通しボルト
４７ 透過水出口
４８ 上部スペーサー
４９ 下部スペーサー
５１ 分離膜モジュール
５２ エレメントブロック
５３ 原水流路
５６ エアレーションブロック
５７ 散気管
５８ 連通穴
６８ ナット
７０ 多段モジュール
７１ ＰＶＣ製ベース板
７２ ステンレス製パイプユニット
Claims (4)
- 透過側の面が互いに対向するように配置された２枚の分離膜からなる分離膜対の周縁部が封止された構造を有する分離膜エレメントが複数平行に配列されてなるエレメントブロックと、散気管を具備し前記エレメントブロックの下方に配置されるエアレーションブロックとを備えた分離膜モジュールであって、前記エレメントブロックは、隣接する前記分離膜エレメントのそれぞれの間かつ前記分離膜エレメントの上側半分に少なくとも１つずつ配置される上部スペーサーと、隣接する前記分離膜エレメントのそれぞれの間かつ前記上部スペーサーより下方にそれぞれ配置される下部スペーサーとを備え、前記複数の分離膜エレメントのうちの両端に位置する分離膜エレメントが前記下部スペーサーの高さでのみフレームに固定されていることを特徴とする分離膜モジュール。
- 前記上部スペーサー、前記下部スペーサー、および前記分離膜エレメントのそれぞれが貫通穴を有し、前記エレメントブロックは前記貫通穴にシャフトを貫通させることによって前記分離膜エレメントのそれぞれと前記上部スペーサーおよび前記下部スペーサーが一体として束ねられることを特徴とする請求項１に記載の分離膜モジュール。
- 前記フレームが、前記上部スペーサーの高さで前記複数の分離膜エレメントのうちの両端の分離膜エレメントの水平方向への移動範囲を制限するガイドを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の分離膜モジュール。
- 前記フレームが、前記上部スペーサーの高さで前記複数の分離膜エレメントのうちの両端の分離膜エレメントの下方向への移動範囲を制限する受け部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分離膜モジュール。
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