JP7341719B2

JP7341719B2 - 排水処理装置及び排水処理装置の製造方法

Info

Publication number: JP7341719B2
Application number: JP2019090884A
Authority: JP
Inventors: 拓藤原; 進石田; 太郎三好; タンフォングェン; ゾルザヤガンバト
Original assignee: Kochi University NUC; Maezawa Industries Inc
Current assignee: Kochi University NUC; Maezawa Industries Inc
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2023-09-11
Anticipated expiration: 2039-05-13
Also published as: JP2020185522A

Description

本発明は排水処理装置及び排水処理装置の製造方法に関する。

従来より、排水ＦＳ（Feed Solution）に溶解している有機物（以下、「溶解性物質」という。）や排水ＦＳに分散されている夾雑物を排水ＦＳから分離除去する排水処理が実行されるときに用いられるＦＯ（Forward Osmosis）膜が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＦＯ膜は２種類の溶質濃度の異なる水溶液、例えば、所定の溶質濃度の排水ＦＳ及び排水ＦＳの溶質濃度よりも高い溶質濃度を有する海水等の駆動溶液ＤＳ（Draw Solution）の間に介在する。そうすると、ＦＯ膜は排水ＦＳに含まれる夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ排水ＦＳに含まれる水分を駆動溶液ＤＳに透過する。当該ＦＯ膜はＦＯ膜を支持する支持基材、例えば、樹脂製フレーム等とともにＦＯ膜エレメントを構成する。

図８は排水ＦＳ及び駆動溶液ＤＳの間に介在する従来のＦＯ膜エレメント８０を説明するために用いられる概略図であり、図８（ａ）はＦＯ膜エレメント８０の正面図であり、図８（ｂ）はＦＯ膜エレメント８０の平面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）におけるＦＯ膜エレメントの８ａ－８ａ線に沿う断面図であり、図８（ｄ）は図８（ｂ）におけるＦＯ膜エレメントの８ｂ－８ｂ線に沿う断面図であり、図８（ｅ）は図８（ａ）における供給部８３ａから供給される駆動溶液ＤＳの流路を説明するために用いられる図である。

図８のＦＯ膜エレメント８０はＦＯ膜８１，８２、供給管８３、及び集水管８４を備え、排水ＦＳに浸漬されている。ＦＯ膜８１，８２はシート状に形成された平膜であり、供給管８３に接続される供給管接続部８１ａ，８２ａ、集水管８４に接続される集水管接続部８１ｂ，８２ｂ、及びＦＯ膜８１，８２が互いに接合する接合部８５を有する。供給管８３は供給部８３ａ、複数の供給孔８３ｂ、及び供給管底部８３ｃを有し、駆動溶液ＤＳは供給部８３ａから供給管８３の内部に供給される。

供給管８３の内部に供給された駆動溶液ＤＳは各供給孔８３ｂからＦＯ膜８１，８２、供給管８３、及び集水管８４によって囲まれた空間Ｓを経由して集水管８４に進む。このとき、排水ＦＳ中の水分はＦＯ膜８１，８２を透過し、空間Ｓを流れる駆動溶液ＤＳはＦＯ膜８１，８２を透過した排水ＦＳ中の水分を浚って集水管８４に進む。集水管８４は集水部８４ａ、複数の集水孔８４ｂ、及び集水管底部８４ｃを有し、駆動溶液ＤＳ及び駆動溶液ＤＳに浚われた排水ＦＳ中の水分（以下、「集水溶液ＣＳ（Catchment Solution）」という。）は各集水孔８４ｂを経由して集水部８４ａから集水される。

ところで、ＦＯ膜エレメント８０において、供給部８３ａ周辺の各供給孔８３ｂから空間Ｓに供給される駆動溶液ＤＳは空間Ｓの供給部８３ａ及び集水部８４ａ側の空間Ｓ１（図８（ｅ））を経由して集水部８４ａ周辺の各集水孔８４ｂで集水され、供給管底部８３ｃ周辺の各供給孔８３ｂから空間Ｓに供給される駆動溶液ＤＳは空間Ｓの供給管底部８３ｃ及び集水管底部８４ｃ側の空間Ｓ２（図８（ｅ））を経由して集水管底部８４ｃ周辺の各集水孔８４ｂに集水される。

特開２０１７－６４６２９号公報

しかしながら、供給部８３ａ周辺の各供給孔８３ｂから空間Ｓ１に供給される駆動溶液ＤＳの圧力は供給管底部８３ｃ周辺の各供給孔８３ｂから空間Ｓ２に供給される駆動溶液ＤＳの圧力よりも高く、空間Ｓ１を流れる駆動溶液ＤＳの流速は空間Ｓ２を流れる駆動溶液ＤＳの流速よりも高い。したがって、排水処理は空間Ｓ２よりも空間Ｓ１で進行し、排水ＦＳから分離除去される溶解性物質及び夾雑物がＦＯ膜８１，８２の表面又は細孔の内部に付着、堆積するファウリング現象は、空間Ｓ２に対応するＦＯ膜８１，８２の領域８７よりも空間Ｓ１に対応するＦＯ膜８１，８２の領域８６において生じやすい虞がある。

そのため、ファウリング現象がＦＯ膜８１，８２の領域８６に生じるとともに、ＦＯ膜８１，８２の領域８７に生じていないとき、排水ＦＳ中の水分はＦＯ膜８１，８２の領域８７で透過するとともに、ＦＯ膜８１，８２の領域８６で透過しない。すなわち、排水ＦＳ中の水分はＦＯ膜８１，８２の全体で均一に透過せず、ＦＯ膜８１，８２を用いた排水ＦＳの処理を効率的に実行することができないという問題があった。

本発明の目的は、ＦＯ膜を用いた排水の処理を効率的に実行することができる排水処理装置及び排水処理装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の排水処理装置は、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から前記夾雑物及び前記溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に透過させるＦＯ（Forward Osmosis）膜と、前記駆動溶液又は前記駆動溶液及び前記ＦＯ膜を透過した水分からなる集水溶液の流路を形成する流路形成板と、を備え、前記ＦＯ膜は平膜であり、前記流路は流れ方向変更箇所を有するとともに、空隙率が１０～６０％の多孔体構造物を有し、前記流れ方向変更箇所を有する流路は、前記ＦＯ膜及び前記流路形成板により、前記ＦＯ膜の略全域にわたって形成されることを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の排水処理装置の製造方法は、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から前記夾雑物及び前記溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に透過させるＦＯ膜と、前記駆動溶液又は前記駆動溶液及び前記ＦＯ膜を透過した水分からなる集水溶液の流路を形成する流路形成板と、を備え、前記ＦＯ膜は平膜であり、前記流路は流れ方向変更箇所を有するとともに、空隙率が１０～６０％の多孔体構造物を有し、前記流れ方向変更箇所を有する流路は、前記ＦＯ膜及び前記流路形成板により、前記ＦＯ膜の略全域にわたって形成されることを特徴とする排水処理装置の製造方法において、前記ＦＯ膜を固定するための固定枠に前記流路形成板を形成する形成ステップと、前記流路形成板が形成された固定枠に前記ＦＯ膜を固定する固定ステップと、を有することを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の排水処理装置の製造方法は、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から前記夾雑物及び前記溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に透過させるＦＯ膜と、前記駆動溶液又は前記駆動溶液及び前記ＦＯ膜を透過した水分からなる集水溶液の流路を形成する流路形成板と、を備え、前記ＦＯ膜は平膜であり、前記流路は流れ方向変更箇所を有するとともに、空隙率が１０～６０％の多孔体構造物を有し、前記流れ方向変更箇所を有する流路は、前記ＦＯ膜及び前記流路形成板により、前記ＦＯ膜の略全域にわたって形成されることを特徴とする排水処理装置の製造方法において、前記ＦＯ膜を固定するための固定枠に前記流路形成板を形成する形成ステップと、前記流路形成板が形成された固定枠に前記ＦＯ膜を支持する支持手段を固定する支持手段固定ステップと、前記支持手段に前記ＦＯ膜を被覆する被覆ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＦＯ膜を用いた排水の処理を効率的に実行することができる。

本発明の実施の形態に係る排水処理装置としてのＦＯ膜エレメントによって構成されるＦＯ膜モジュールを有する排水処理システムを概略的に示すブロック図である。図１におけるＦＯ膜モジュールを構成するＦＯ膜エレメントを示す概略図である。図２のＦＯ膜エレメントの製造方法の手順を示すフローチャートである。図３の第１の製造方法の変形例の手順を示すフローチャートである。図２のＦＯ膜エレメントを用いて実行される排水処理の手順を示すフローチャートである。図２のＦＯ膜エレメントの変形例を説明するために用いられる図である。複数のＦＯ膜エレメントが連結されて一体化された一体型ＦＯ膜エレメントを説明するために用いられる図である。排水ＦＳ及び駆動溶液ＤＳの間に介在する従来のＦＯ膜エレメントを説明するために用いられる概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１は、本発明の実施の形態に係る排水処理装置としてのＦＯ膜エレメント２０によって構成されるＦＯ膜モジュール１３を有する排水処理システム１０を概略的に示すブロック図である。排水処理システム１０は排水処理を実行する。

図１の排水処理システム１０は、夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水ＦＳから大型の夾雑物を除去するためのスクリーン１１と、大型の夾雑物がスクリーン１１によって除去された排水ＦＳを貯留する排水貯留槽１２とを備え、排水貯留槽１２はＦＯ膜モジュール１３を有する。また、排水処理システム１０は、海水等の駆動溶液ＤＳをＦＯ膜モジュール１３に供給する駆動溶液供給部１４を備える。ＦＯ膜モジュール１３は後述のＦＯ膜エレメント２０を専用の筺体（ケーシング）に格納することによって構成され、大型の夾雑物が除去され且つ排水貯留槽１２に供給された排水ＦＳに浸漬されている。

ＦＯ膜モジュール１３及び駆動溶液供給部１４の間にはポンプＰ１（増減手段）が接続されている。ポンプＰ１が駆動すると、駆動溶液ＤＳが駆動溶液供給部１４からＦＯ膜モジュール１３に供給される。また、排水貯留槽１２の外部にはポンプＰ２（増減手段）が配置され、ポンプＰ２はＦＯ膜モジュール１３に接続されている。ポンプＰ２が駆動すると、ポンプＰ１が駆動しているか否かに関わらず、駆動溶液ＤＳが駆動溶液供給部１４からＦＯ膜モジュール１３に供給される。また、ポンプＰ１，Ｐ２の少なくともいずれかが駆動すると、集水溶液ＣＳがＦＯ膜モジュール１３から排水貯留槽１２の外部に排出される。

図２は、図１におけるＦＯ膜モジュール１３を構成するＦＯ膜エレメント２０を示す概略図であり、図２（ａ）はＦＯ膜エレメント２０の正面図であり、図２（ｂ）はＦＯ膜エレメント２０の平面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）におけるＦＯ膜エレメント２０の２ａ－２ａ線に沿う断面図であり、図２（ｄ）は図２（ｂ）におけるＦＯ膜エレメント２０の２ｂ－２ｂ線に沿う断面図である。

図２のＦＯ膜エレメント２０は駆動溶液ＤＳを供給する供給部２１（供給手段）と、排水ＦＳ及び駆動溶液ＤＳの間に配設されたときに排水ＦＳから夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ排水ＦＳに含まれる水分を透過するＦＯ膜２２，２３（除去手段）と、駆動溶液ＤＳ及びＦＯ膜２２，２３を透過した排水ＦＳに含まれていた水分からなる集水溶液ＣＳを集水する集水部２４（集水手段）と、ＦＯ膜２２，２３を支持する不図示のフレームとを有する。

ＦＯ膜エレメント２０は供給部２１が排水貯留槽１２の底部側に位置するとともに、集水部２４が排水貯留槽１２に貯留された排水の水面側に位置するように浸漬される。ＦＯ膜エレメント２０はシート状に形成された平膜であるＦＯ膜２２，２３がポリエチレンやポリプロピレン等の樹脂からなるフレームに取り付けられるとともに、ＦＯ膜２２，２３が互いに接合することによって形成され、フレームに取り付けられたＦＯ膜２２，２３は対向している。

ＦＯ膜２２，２３は、駆動溶液ＤＳの溶質濃度が排水ＦＳの溶質濃度よりも高いとき、排水ＦＳから夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ排水ＦＳに含まれる水分を透過する分離活性層と、分離活性層を支持する支持体と、分離活性層及び支持体に係合して分離活性層及び支持体を一体化する支持層とを有し、分離活性層、支持層、及び支持体は耐薬品性、例えば、耐酸性、耐アルカリ性、若しくは耐塩素性、又は、界面活性剤への耐性のよい素材が用いられる。

分離活性層には、例えば、ポリアミド、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、フッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル－ポリアクリロニトリル共重合体、エポキシ樹脂、ポリイミド、又はポリビニルアルコール等によって形成された多孔質膜が用いられ、支持層には、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、エポキシ樹脂、ポリアミド、又はポリイミド等で形成された多孔質膜が用いられ、支持体には、例えば、ポリエステル、ポリアミド、又はポリオレフィン等で形成された不織布が用いられる。

ＦＯ膜エレメント２０の内部は流路形成板２５（形成手段）を備え、流路形成板２５はＦＯ膜２２，２３に挟持されている。したがって、流路形成板２５及びＦＯ膜２２，２３（対向する２つの除去手段）は供給部２１からＦＯ膜エレメント２０に供給された駆動溶液ＤＳの流路２７を形成するとともに、その駆動溶液ＤＳの流れ方向を規制する。そのため、駆動溶液ＤＳが供給部２１からＦＯ膜エレメント２０に供給されると、駆動溶液ＤＳは流路２７に沿って進むとともに、排水ＦＳに含まれる水分は流路２７を構成するＦＯ膜２２，２３を透過し、駆動溶液ＤＳはＦＯ膜２２，２３を透過した水分を浚って集水溶液ＣＳとなり、集水溶液ＣＳは集水部２４で集水される。

本実施の形態において、流路形成板２５及びＦＯ膜２２，２３は一の方向に流れる駆動溶液ＤＳが他の方向へ流れを変更する流れ方向変更箇所２６を複数有するように流路２７を形成する（図２（ｃ））。流路２７は、ＦＯ膜２２，２３が排水ＦＳ及び駆動溶液ＤＳの間に介在し、排水ＦＳに含まれる水分がＦＯ膜２２，２３を透過する領域を確保するために、ＦＯ膜エレメント２０の内部に可能な限り隙間なく形成されるのがよい。

流路２７には、ＦＯ膜２２，２３の変形を防止するための流路材２８、例えば、不織布若しくはスポンジ、樹脂製ビーズ、織物、ネット、又は、金属若しくはセラミック製の複数の粒状物が一体に成型される有孔材が配設される。すなわち、流路材２８には、空隙を有し且つ空気や水が通過する多孔体構造物が用いられる。なお、流路材２８はＦＯ膜２２，２３を傷つけず且つ空隙が均一に形成されている多孔体構造物がよい。

本実施の形態では、排水処理システム１０はポンプＰ１，Ｐ２を備えるので、流路材２８が流路２７に配設されていないとき、ポンプＰ１，Ｐ２が駆動すると、ＦＯ膜エレメント２０が膨張し又は収縮する。例えば、ポンプＰ１のみが駆動したとき、ＦＯ膜エレメント２０が膨張してＦＯ膜２２，２３への負荷は増加する。その後、ポンプＰ１が停止すると、ＦＯ膜エレメント２０は膨張する前の状態に戻り、ＦＯ膜２２，２３への負荷は減少する。一方、ポンプＰ２のみが駆動したとき、ＦＯ膜エレメント２０が収縮してＦＯ膜２２，２３への負荷は増加する。その後、ポンプＰ２が停止すると、ＦＯ膜エレメント２０は収縮する前の状態に戻り、ＦＯ膜２２，２３への負荷は減少する。

ＦＯ膜２２，２３への負荷の増減幅が大きいと、ＦＯ膜２２，２３が過剰な変形を繰り返し、破損する場合がある。これに対応して、流路材２８が流路２７に配設されると、ポンプＰ１，Ｐ２の駆動に関わらずＦＯ膜２２，２３が過剰に変形するのを防止することができ、もって、ＦＯ膜２２，２３が破損し難くすることができる。また、流路材２８には多孔体構造物が用いられるので、駆動溶液ＤＳが均一に流路２７を流れるのを補助することができる。

続いて、具体的な流路２７を流れる駆動溶液ＤＳの流速、流路２７の断面積、及び流路材２８の空隙率について説明する。

排水ＦＳに含まれる水分は浸透圧によってＦＯ膜２２，２３を透過し、駆動溶液ＤＳに浚われるため、流路２７を流れる駆動溶液ＤＳの濃度はＦＯ膜２２，２３近傍であるほど低い。すなわち、駆動溶液ＤＳには濃度勾配がある。ところで、排水ＦＳの濃度及び駆動溶液ＤＳの濃度の差が大きいほどＦＯ膜２２，２３に生じる浸透圧は大きく、浸透圧が大きいほどＦＯ膜２２，２３を透過する排水ＦＳ中の水分の量は多い。したがって、ＦＯ膜２２，２３近傍の駆動溶液ＤＳの濃度が低いという濃度勾配の影響が小さいほど効率的な排水処理が期待される。これに対応して、流路２７を流れる駆動溶液ＤＳの流速を高速にすると、駆動溶液ＤＳはＦＯ膜２２，２３を透過した排水ＦＳ中の水分を素早く浚うため、濃度勾配の影響を小さくすることができる。一方、駆動溶液ＤＳの流速を高速にするために必要な電力は大きい。

本実施の形態では、駆動溶液ＤＳの濃度勾配の影響を小さくするとともに、過剰な電力消費を回避するため、駆動溶液ＤＳの流速は０．０１～１ｍ／ｓ、流路２７の断面積である流路断面積２９（図２（ｄ））は２５～７００mm^２、流路材２８の空隙率は１０～６０％の範囲内で調整され、その結果、流路２７を流れる駆動溶液ＤＳの流量及びＦＯ膜２２，２３を透過する排水ＦＳ中の水分のＦＯ膜透過量が同程度になるように調整されている。

ところで、ＦＯ膜エレメント２０は排水貯留槽１２に浸漬されているが、排水貯留槽１２はＦＯ膜エレメント２０に空気、酸素、窒素、又はメタン等の気体を散気する散気装置（散気手段）を備えてもよい。散気装置はＦＯ膜エレメント２０に空気等を散気するので、例えば、排水ＦＳから分離除去される溶解性物質及び夾雑物がＦＯ膜２２，２３の表面に付着するのを防止することができ、もって、ファウリング現象が発生するのを抑制することができる。さらに、散気装置は、例えば、４枚の板からなる角管に囲まれたＦＯ膜エレメント２０に気体を散気してもよい。これにより、散気装置から散気された気体は効率的にＦＯ膜エレメント２０を構成するＦＯ膜２２，２３の表面に接触することができる。

散気装置は、ファウリング現象が発生するのを確実に抑制するため、ＦＯ膜エレメント２０に空気等を連続的に散気してもよいが、この場合、散気装置が駆動する際に消費される電力は大きく、これは近年の消費電力の削減の要請に反している。これに対応して、散気装置はＦＯ膜エレメント２０に空気等を所定の基準に基づいて定期的に散気してもよい。

具体的に、ＦＯ膜エレメント２０への空気等の定期的な散気を実現するために、タイマー機能を有する散気装置が一定の時間間隔、例えば、１時間～５日、好ましくは５時間～１日の間隔で空気等を散気してもよい。また、ＦＯ膜２２，２３を透過する透過量として駆動溶液ＤＳの量及び集水溶液ＣＳの量の差分を算出し、算出された駆動溶液ＤＳの量及び集水溶液ＣＳの量の差分の変化に基づいて散気装置が空気等を散気してもよい。例えば、散気装置は、駆動溶液ＤＳの量及び集水溶液ＣＳの量の差分が所定の閾値以下のとき、ファウリング現象が発生しているとして散気し、駆動溶液ＤＳの量及び集水溶液ＣＳの量の差分が所定の閾値よりも大きいとき、散気しない。これらにより、ファウリング現象が発生するのを確実に抑制することができるとともに、消費電力の削減を実現することができる。

ファウリング現象が発生するのを抑制するために、散気装置がＦＯ膜エレメント２０に定期的に空気等を散気する以外に、ポンプＰ１，Ｐ２の電源のＯＮ，ＯＦＦを制御してもよい。例えば、ポンプＰ１の電源をＯＦＦにし、ポンプＰ２の電源のＯＮ，ＯＦＦを短時間で繰り返すと、ＦＯ膜２２，２３は収縮状態及び収縮状態からの復帰を繰り返す。これにより、ＦＯ膜２２，２３は微動するので、排水ＦＳから分離除去される溶解性物質及び夾雑物がＦＯ膜２２，２３の表面に付着した場合であっても、ＦＯ膜２２，２３の表面からその溶解性物質及び夾雑物を剥離することができる。

図３は、図２のＦＯ膜エレメント２０の製造方法（第１の製造方法）の手順を示すフローチャートである。

図３において、まず、ＦＯ膜２２，２３を取り付けるためのフレーム（固定枠）であって流路形成板２５が形成されているフレームが射出成型やプレス加工によって得られ（Ｓ３０１、形成ステップ）、流路材２８がフレームに嵌合される（Ｓ３０２）。次いで、流路２７の端部に供給部２１及び集水部２４が固定されるとともに（Ｓ３０３）、ＦＯ膜２２，２３が巻き付けられ（Ｓ３０４）、ＦＯ膜２２，２３と、フレーム、供給部２１又は集水部２４とが接着剤、固定器具、又は熱融着等によってこれらの間に隙間が生じないように接合され（Ｓ３０５、固定ステップ）、本処理は終了する。なお、製造されたＦＯ膜エレメント２０は必要に応じてネットや格子状部材等で覆われてもよい。

図３の製造方法によれば、流路２７が形成されたフレームに流路材２８が嵌合された後に（Ｓ３０１，Ｓ３０２）ＦＯ膜２２，２３が取り付けられている（Ｓ３０４，Ｓ３０５）ので、複雑な流路２７を有するＦＯ膜エレメント２０を簡単に作製することができる。

図４は、図３の第１の製造方法の変形例（第２の製造方法）の手順を示すフローチャートである。

図４において、まず、ＦＯ膜２２，２３を取り付けるためのフレームであって流路形成板２５が形成されているフレームが射出成型やプレス加工によって得られ（Ｓ４０１）、流路材２８がフレームに嵌合される（Ｓ４０２）。次いで、流路２７の端部に供給部２１及び集水部２４が固定されるとともに（Ｓ４０３）、ＦＯ膜２２，２３を構成する支持体と、フレーム、供給部２１又は集水部２４とが接着剤、固定器具、又は熱融着等によってこれらの間に隙間が生じないように接合される。すなわち、ＦＯ膜２２，２３を構成する支持体がフレームに直接形成される（Ｓ４０４、支持手段固定ステップ）。続いて、支持体にＦＯ膜２２，２３を構成する支持層及び分離活性層が順次形成され（Ｓ４０５、被覆ステップ）、ＦＯ膜エレメント２０が製造されて本処理は終了する。なお、製造されたＦＯ膜エレメント２０は必要に応じてネットや格子状部材等で覆われてもよい。

図４の製造方法によれば、ＦＯ膜２２，２３を構成する支持体がフレームに直接形成され（Ｓ４０４）、その後、支持体に支持層及び分離活性層が順次形成されるので（Ｓ４０５）、ＦＯ膜２２，２３を取り付ける際にＦＯ膜２２，２３が破損するリスクを低減することができる。

図５は、図２のＦＯ膜エレメント２０を用いて実行される排水処理の手順を示すフローチャートである。

図５において、まず、排水ＦＳ中の大型の夾雑物がスクリーン１１によって除去され（ステップＳ５０１）、大型の夾雑物が除去された排水ＦＳは排水貯留槽１２に移動し、排水貯留槽１２は大型の夾雑物が除去された排水ＦＳによって充たされる。排水貯留槽１２を充たす排水ＦＳにはＦＯ膜モジュール１３が浸漬されるとともに、ＦＯ膜モジュール１３が有するＦＯ膜エレメント２０も排水ＦＳに浸漬されている。次いで、ＦＯ膜モジュール１３に接続されたポンプＰ２が駆動し（Ｓ５０２）、駆動溶液ＤＳは駆動溶液供給部１４から供給部２１を経由してＦＯ膜エレメント２０に供給され、ＦＯ膜エレメント２０の流路２７を一定の流速及び一定の流量で通過する（Ｓ５０３）。

このとき、ＦＯ膜２２，２３は排水ＦＳ及び駆動溶液ＤＳの間に位置し、排水ＦＳに含まれる水分はＦＯ膜２２，２３を透過してＦＯ膜エレメント２０の流路２７に移動する（Ｓ５０４）。駆動溶液ＤＳはＦＯ膜エレメント２０の流路２７に移動した水分を浚い、集水溶液ＣＳとして集水部２４を経由してＦＯ膜エレメント２０の外部に排出され（Ｓ５０５）、本処理は終了する。

ところで、排水処理が長期間継続して実行されると、散気装置がＦＯ膜エレメント２０に定期的に空気等を散気し又はポンプＰ１，Ｐ２の電源のＯＮ，ＯＦＦを制御してもＦＯ膜２２，２３にファウリング現象が発生する場合がある。この場合、図５の排水処理を中止し、洗浄溶液を用いてＦＯ膜エレメント２０を洗浄する必要がある。具体的に、まず、ＦＯ膜モジュール１３が排水貯留槽１２から取り出され、ＦＯ膜エレメント２０の供給部２１から洗浄溶液が一定時間供給される。供給部２１から供給された洗浄溶液は集水部２４から回収される。その後、洗浄が終了すると、ＦＯ膜モジュール１３が排水貯留槽１２に浸漬され、排水処理が再開される。

洗浄溶液には、例えば、硝酸水溶液、リン酸水溶液、酢酸水溶液、クエン酸水溶液、若しくはシュウ酸水溶液等の酸性水溶液、水酸化ナトリウム水溶液若しくは次亜塩素酸ナトリウム水溶液等のアルカリ性水溶液、又は、ラウリル硫酸ナトリウム水溶液等の界面活性剤がＦＯ膜２２，２３を構成する分離活性層、支持層、及び支持体の素材に応じて用いられる。

その他、洗浄溶液を用いてＦＯ膜エレメント２０を洗浄するために、駆動溶液供給部１４からＦＯ膜モジュール１３に供給される駆動溶液ＤＳを洗浄溶液に変更してもよい。そうすると、洗浄溶液は駆動溶液供給部１４からＦＯ膜エレメント２０の供給部２１を経由してＦＯ膜エレメント２０の内部へ供給される。洗浄溶液はＦＯ膜エレメント２０の内部へ供給された後、例えば、数時間から２４時間後に集水部２４から回収される。これにより、ＦＯ膜モジュール１３を排水貯留槽１２から取り出すことなくＦＯ膜エレメント２０を洗浄することができる。

駆動溶液供給部１４から洗浄溶液を供給してＦＯ膜エレメント２０を洗浄する場合、洗浄溶液はＦＯ膜モジュール１３を排水貯留槽１２から取り出してＦＯ膜エレメント２０を洗浄する場合と同様の洗浄溶液を使用することができるが、洗浄溶液の濃度に応じて洗浄溶液がＦＯ膜エレメント２０の内部からＦＯ膜２２，２３をリークするときがある。

ところで、ＦＯ膜エレメント２０が有するＦＯ膜２２，２３は排水ＦＳから夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ排水ＦＳに含まれる水分を透過するので、排水ＦＳは濃縮される。濃縮された排水ＦＳは、酢酸等の低分子有機酸を基質としてメタンを生成するメタン菌によって発酵され、その結果、バイオガスとしてのメタン及び発酵残渣である消化液が生成される。

したがって、駆動溶液供給部１４から洗浄溶液を供給してＦＯ膜エレメント２０を洗浄する場合、洗浄溶液として酢酸水溶液、クエン酸水溶液、又はシュウ酸水溶液等の低分子有機酸が用いられれば、洗浄溶液はＦＯ膜２２，２３をリークしてもメタン菌の基質になる。すなわち、ＦＯ膜２２，２３をリークした洗浄溶液は濃縮された排水ＦＳとともにメタン菌によって発酵されるので、駆動溶液供給部１４から洗浄溶液を供給してＦＯ膜エレメント２０を洗浄する場合、洗浄溶液として酢酸水溶液、クエン酸水溶液、又はシュウ酸水溶液等の低分子有機酸が用いられるのがよい。

次に、本発明に係るＦＯ膜エレメント２０の排水処理システム１０に対する影響を従来のＦＯ膜エレメント８０と比較しながら評価した結果について説明する。

本評価のために、まず、膜面積が１×１０^６mm^２（１０００mm×１０００mm）の２枚のＦＯ膜２２，２３を有するとともに、ＦＯ膜２２，２３間の距離が２mmのＦＯ膜エレメント２０が準備された。準備されたＦＯ膜エレメント２０は、流路形成板２５を有し、流れ方向変更箇所２６の数に１を加えた数を流路２７の数と定義したとき、流路２７の数が１０であるとともに、空隙率が３０％の流路材２８が流路２７に嵌合されている。

また、ＦＯ膜エレメント２０の比較対象として、膜面積が１×１０^６mm^２（１０００mm×１０００mm）の２枚のＦＯ膜８１，８２を有するとともに、ＦＯ膜８１，８２間の距離が２mmのＦＯ膜エレメント８０が準備された。準備されたＦＯ膜エレメント８０は流路材２８を有さず、また、ＦＯ膜エレメント２０が有する流路形成板２５は有さない。したがって、駆動溶液ＤＳは空間Ｓを供給管８３から集水管８４の方向に流路材２８の抵抗を受けることなく流れる。

その他、ＦＯ膜エレメント２０，８０に用いられるＦＯ膜２２，２３，８１，８２の性能、例えば、ＦＯ膜２２，２３，８１，８２の各々を透過する流束は１０Ｌ／m^２／ｈであり、また、駆動溶液ＤＳ及びＦＯ膜２２，２３，８１，８２の境界付近で駆動溶液ＤＳの濃度勾配が生じるのを防止する観点からＦＯ膜エレメント２０の流路２７及びＦＯ膜エレメント８０の空間Ｓを流れる駆動溶液ＤＳの流速は０．１ｍ／ｓであることを前提とした。

その結果、まず、ＦＯ膜エレメント２０を構成するＦＯ膜２２，２３及びＦＯ膜エレメント８０を構成するＦＯ膜８１，８２はいずれも排水ＦＳ中の水分を１分間当たり０．３３L透過する。次に、ＦＯ膜エレメント２０の流路断面積２９は２００mm^２であり、流路材の空隙率が３０％であるから、ＦＯ膜エレメント２０の流路２７を１分間当たり０．３６Lの駆動溶液ＤＳが通過する。一方、ＦＯ膜エレメント８０の流路（すなわち、空間Ｓ）の断面積である流路断面積８８（図８（ｄ））は２０００mm^２であり、ＦＯ膜エレメント８０は流路材を有さないから、ＦＯ膜エレメント８０の流路を１分間当たり１２Lの駆動溶液ＤＳが通過する。

したがって、ＦＯ膜エレメント２０において、流路を流れる駆動溶液ＤＳの流量及びＦＯ膜を透過する排水ＦＳ中の水分のＦＯ膜透過量は同等であるが、ＦＯ膜エレメント８０において、空間Ｓを流れる駆動溶液ＤＳの流量はＦＯ膜を透過する排水ＦＳ中の水分のＦＯ膜透過量の約３６倍であり、ＦＯ膜エレメント２０を流れる駆動溶液ＤＳの流量の約３３倍である。

つまり、ＦＯ膜エレメント２０，８０のいずれを用いてもＦＯ膜２２，２３を透過する排水ＦＳ中の水分の量はＦＯ膜８１，８２を透過する排水ＦＳ中の水分の量と同一であるにも関わらず、ＦＯ膜エレメント８０を用いると過剰な駆動溶液ＤＳを空間Ｓに供給しなければならない。したがって、排水ＦＳから一定の量の水分を得るために、ＦＯ膜エレメント２０が排水処理に用いられるのがよく、無駄な駆動溶液ＤＳを供給しなければならないＦＯ膜エレメント８０が排水処理に用いられるのは適切ではない。

また、ＦＯ膜エレメント２０，８０に駆動溶液ＤＳを供給する動力を試算したところ、ＦＯ膜エレメント８０に駆動溶液ＤＳを供給する動力はＦＯ膜エレメント２０に駆動溶液ＤＳを供給する動力の約３０倍になった。したがって、近年の消費電力の削減に対する要請に応じるためにもＦＯ膜エレメント２０が排水処理に用いられるのがよく、無駄に電力を消費するＦＯ膜エレメント８０が排水処理に用いられるのは適切ではない。

本実施の形態において、ＦＯ膜エレメント２０は夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水ＦＳ、並びに、駆動溶液ＤＳの間に配設され、排水ＦＳから夾雑物及び溶解性物質を取り除き且つ排水ＦＳに含まれる水分を駆動溶液ＤＳに透過させるＦＯ膜２２，２３と、駆動溶液ＤＳの流路を形成する流路形成板２５とを備える。これにより、流路形成板は駆動溶液ＤＳの流れ方向を規制するので、駆動溶液ＤＳを一定の流速及び一定の流量でＦＯ膜全体に斑なく供給することができる。その結果、排水ＦＳ中の水分はＦＯ膜２２，２３の全体を均一に透過し、ＦＯ膜２２，２３を用いた排水ＦＳの処理を効率的に実行することができる。

また、流路形成板２５及びＦＯ膜２２，２３がＦＯ膜エレメント２０の内部を分割し、流路２７をＦＯ膜エレメント２０の内部に形成するので、一度に大量の駆動溶液ＤＳがＦＯ膜エレメント２０に供給されるのを防止することができ、もって、ＦＯ膜エレメント２０に駆動溶液ＤＳを供給するための動力を抑制することができる。

さらに、ＦＯ膜エレメント２０は供給部２１が排水貯留槽１２の底部側に位置するとともに、集水部２４が排水貯留槽１２に貯留された排水の水面側に位置するように浸漬される。これにより、空気が駆動溶液ＤＳとともにＦＯ膜エレメント２０の内部に流入しても空気は駆動溶液ＤＳの水勢と、空気の浮力とに基づいてＦＯ膜エレメント２０から排出されやすくなり、空気がＦＯ膜エレメント２０を構成するＦＯ膜２２，２３及び駆動溶液ＤＳの接触を阻害するのを抑制することができる。

図６は、図２のＦＯ膜エレメント２０の変形例を説明するために用いられる図である。図６（ａ）はＦＯ膜エレメント２０の第１の変形例であるＦＯ膜エレメント６１を説明するために用いられる図であり、図６（ｂ）はＦＯ膜エレメント２０の第２の変形例であるＦＯ膜エレメント６２を説明するために用いられる図である。なお、図６（ａ）（ｂ）はいずれも図２（ｃ）に対応している。

図６（ａ）のＦＯ膜エレメント６１の構成、作用はＦＯ膜エレメント２０の構成、作用と基本的に同一であるが、流れ方向変更箇所２６周辺の構成が異なる。具体的に、ＦＯ膜エレメント２０は流れ方向変更箇所２６にＵ字形状の流路形成板２５を有し、流路２７が流れ方向変更箇所２６で湾曲するように形成されているが、ＦＯ膜エレメント６１はＵ字形状の流路形成板２５を有さず、これに代えて、ＦＯ膜エレメント６１ではＦＯ膜２２，２３が取り付けたられたフレーム６１ａ及び流路形成板２５が流れ方向変更箇所２６を形成している。これにより、ＦＯ膜エレメント６１はＦＯ膜エレメント２０と同様の効果を有するとともに、Ｕ字形状の流路形成板２５を使用しなくてよいので、ＦＯ膜エレメント２０よりも簡単且つ安価に作製することができる。

図６（ｂ）のＦＯ膜エレメント６２の構成、作用はＦＯ膜エレメント２０の構成、作用と基本的に同一であるが、ＦＯ膜エレメント２０は複数の流れ方向変更箇所２６を有し、ＦＯ膜エレメント６２は流れ方向変更箇所２６を有さない。ＦＯ膜エレメント６２は矩形状のＦＯ膜２２，２３が長尺状のフレーム６２ａに取り付けられることによって構成され、その長手方向の一端に供給部２１を備えるとともに、その長手方向の他端に集水部２４を備える。すなわち、ＦＯ膜２２，２３と長尺状のフレーム６２ａによって流路が形成される。ＦＯ膜エレメント６２はＦＯ膜エレメント２０の流路２７の数１つ分に相当し、供給部２１からＦＯ膜エレメント６２の内部に供給された駆動溶液ＤＳはＦＯ膜エレメント６２の内部で流れ方向を変更することなく集水部２４で集水される。

したがって、ＦＯ膜エレメント６２は図２のＦＯ膜エレメント２０と同様の効果を奏することができる。すなわち、ＦＯ膜エレメント６２は駆動溶液ＤＳを一定の流速及び一定の流量でＦＯ膜２２，２３の全体に斑なく供給し、ＦＯ膜２２，２３を用いた排水ＦＳの処理を効率的に実行することができる。しかしながら、ＦＯ膜エレメント６２のＦＯ膜２２，２３の膜面積は、ＦＯ膜エレメント２０のＦＯ膜２２，２３の膜面積の約１０％であるため、ＦＯ膜エレメント６２が処理する排水ＦＳの量もＦＯ膜エレメント２０が処理する排水ＦＳの量の約１０％となる。

これに対応して、ＦＯ膜エレメント６２は長手方向に連結面６２ｂを有してもよい。連結面６２ｂは一のＦＯ膜エレメント６２及び他のＦＯ膜エレメント６２を着脱可能に連結し、例えば、１０のＦＯ膜エレメント６２が連結面６２ｂを介して連結されたとき、１０のＦＯ膜エレメント６２が連結された連結ＦＯ膜エレメントが有するＦＯ膜の膜面積はＦＯ膜エレメント２０，６０が有するＦＯ膜２２，２３の膜面積に相当する。その結果、ＦＯ膜エレメント６２はＦＯ膜エレメント２０が処理する排水ＦＳの量と同等の量を処理することができる。

図７は、複数のＦＯ膜エレメント２０，６１が連結されて一体化された一体型ＦＯ膜エレメント７０を説明するために用いられる図である。

図７の一体型ＦＯ膜エレメント７０は供給部連結材７１、集水部連結材７２、駆動溶液導入部７３、及び集水溶液合流部７４を備え、各ＦＯ膜エレメント２０，６１が有する供給部２１は供給部連結材７１に嵌合されることによって連結し、各ＦＯ膜エレメント２０，６１が有する集水部２４は集水部連結材７２に嵌合されることによって連結する。駆動溶液導入部７３には駆動溶液供給部１４から供給される駆動溶液ＤＳが導入される。駆動溶液導入部７３に導入された駆動溶液ＤＳは分岐して供給部連結材７１に連結された各供給部２１からＦＯ膜エレメント２０，６１に供給され、その後、各ＦＯ膜エレメント２０，６１の流路２７及び各集水部２４を経由し、集水溶液ＣＳとして集水溶液合流部７４で合流する。集水溶液合流部７４で合流した集水溶液ＣＳは一体型ＦＯ膜エレメント７０の外部に排出される。

図７の一体型ＦＯ膜エレメント７０によれば、各ＦＯ膜エレメント２０，６１を連結するので、処理される排水ＦＳの量に応じて排水ＦＳの処理に必要なＦＯ膜２２，２３の面積を簡単に拡充することができる。

以上、本発明について、上述の実施の形態を用いて説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。

ＦＳ排水
ＤＳ駆動溶液
ＣＳ集水溶液
１０排水処理システム
１３ＦＯ膜モジュール
２０ＦＯ膜エレメント
２２，２３ＦＯ膜
２５流路形成板

Claims

夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から前記夾雑物及び前記溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に透過させるＦＯ（Forward Osmosis）膜と、
前記駆動溶液又は前記駆動溶液及び前記ＦＯ膜を透過した水分からなる集水溶液の流路を形成する流路形成板と、を備え、
前記ＦＯ膜は平膜であり、
前記流路は流れ方向変更箇所を有するとともに、空隙率が１０～６０％の多孔体構造物を有し、
前記流れ方向変更箇所を有する流路は、前記ＦＯ膜及び前記流路形成板により、前記ＦＯ膜の略全域にわたって形成されることを特徴とする排水処理装置。
前記流れ方向変更箇所にＵ字形状の流路形成板を有することを特徴とする請求項１記載の排水処理装置。
前記流路の断面積が２５～７００ｍｍ ^２であることを特徴とする請求項１又は２記載の排水処理装置。
気体を散気する散気手段をさらに備え、
前記散気手段は前記ＦＯ膜に前記気体を散気することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排水処理装置。
前記ＦＯ膜への負荷を増減する増減手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排水処理装置。
前記散気手段は所定の基準に基づいて前記ＦＯ膜に前記気体を散気し又は前記増減手段は所定の基準に基づいて前記ＦＯ膜への負荷を増減することを特徴とする請求項４又は５記載の排水処理装置。
前記所定の基準は一定の時間間隔、又は、前記駆動溶液の量及び前記集水溶液の量の差分であることを特徴とする請求項６記載の排水処理装置。
前記流路を洗浄する洗浄溶液が前記流路を流れ、前記洗浄溶液は有機酸であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の排水処理装置。
前記駆動溶液を前記ＦＯ膜に供給する供給手段と、
前記集水溶液を集水する集水手段と、をさらに備え、
前記集水手段は前記供給手段よりも前記排水の水面側に配設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の排水処理装置。
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載された排水処理装置が複数連結されていることを特徴とする排水処理装置。
夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から前記夾雑物及び前記溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に透過させるＦＯ膜と、前記駆動溶液又は前記駆動溶液及び前記ＦＯ膜を透過した水分からなる集水溶液の流路を形成する流路形成板と、を備え、前記ＦＯ膜は平膜であり、前記流路は流れ方向変更箇所を有するとともに、空隙率が１０～６０％の多孔体構造物を有し、前記流れ方向変更箇所を有する流路は、前記ＦＯ膜及び前記流路形成板により、前記ＦＯ膜の略全域にわたって形成されることを特徴とする排水処理装置の製造方法において、
前記ＦＯ膜を固定するための固定枠に前記流路形成板を形成する形成ステップと、
前記流路形成板が形成された固定枠に前記ＦＯ膜を固定する固定ステップと、を有することを特徴とする排水処理装置の製造方法。
夾雑物、溶解性物質及び水分を含む排水、並びに、水分を含み且つ前記排水以外の駆動溶液の間に配設され、前記排水から前記夾雑物及び前記溶解性物質を取り除き且つ前記排水に含まれる水分を前記駆動溶液に透過させるＦＯ膜と、前記駆動溶液又は前記駆動溶液及び前記ＦＯ膜を透過した水分からなる集水溶液の流路を形成する流路形成板と、を備え、前記ＦＯ膜は平膜であり、前記流路は流れ方向変更箇所を有するとともに、空隙率が１０～６０％の多孔体構造物を有し、前記流れ方向変更箇所を有する流路は、前記ＦＯ膜及び前記流路形成板により、前記ＦＯ膜の略全域にわたって形成されることを特徴とする排水処理装置の製造方法において、
前記ＦＯ膜を固定するための固定枠に前記流路形成板を形成する形成ステップと、
前記流路形成板が形成された固定枠に前記ＦＯ膜を支持する支持手段を固定する支持手段固定ステップと、
前記支持手段に前記ＦＯ膜を被覆する被覆ステップと、を有することを特徴とする排水処理装置の製造方法。