WO2011052525A1 - 膜モジュール、膜ユニット及び膜分離装置 - Google Patents

膜モジュール、膜ユニット及び膜分離装置 Download PDF

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water
separation
treated
membrane module
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和宏 豊岡
茂雄 佐藤
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株式会社明電舎
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane module, a membrane unit formed by stacking the membrane modules, and a separation device including the membrane module or the membrane unit.
  • the present invention relates to a membrane module, a membrane unit, and a membrane separation device used in the field of water treatment.
  • Membrane separation technology has been used for seawater desalination, water purification, gas separation, blood purification, etc., but recently, from the viewpoint of environmental conservation, research to apply membrane separation technology to wastewater treatment has advanced. It has been.
  • Non-Patent Document 1 As a method for solving this problem, various methods for performing solid-liquid separation of water to be treated using a membrane module provided with a separation membrane such as a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane have been recently studied. In these methods, treated water having high water quality is obtained by performing filtration treatment of water to be treated using a separation membrane (for example, Non-Patent Document 1).
  • the filtration flow rate may decrease due to the clogging of the membrane surface by suspended substances, so that the reduced filtration flow rate is recovered. Frequent maintenance work is required.
  • the flow path of the membrane separation apparatus is connected to external treated water. Since the water to be treated is simply sealed and filtered through the separation membrane, the concentration of the activated sludge in the water to be treated flowing through the inside of the membrane separation device increases as the water reaches the upper part of the membrane separation device. Therefore, the load on filtration increases, and there is a possibility that acceleration of membrane clogging and increase in energy consumption may occur.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and is formed by stacking the membrane modules that mitigate an increase in load in the filtration over a long period of time and lessen the clogging of the membrane surface by the suspension, and the membrane modules. It aims at providing the membrane separation apparatus provided with the membrane unit and the said membrane module or the said membrane unit.
  • the membrane module of the present invention that achieves the above object includes a plurality of membrane elements housed in a housing, and the flow area into which the water to be treated flows into the opening area of the flow path through which the water to be treated in the housing flows out. It is characterized by being smaller than the opening area of the road.
  • the membrane module of the present invention is characterized in that, in the membrane module, a rectifying member that introduces water to be treated between the membrane elements is provided at the lower end of the membrane element.
  • the membrane unit of the present invention that achieves the above-mentioned object accommodates a plurality of membrane elements inside a casing in which openings are formed in the vertical direction, and the opening area of the flow path through which the water to be treated of the casing flows out Is characterized in that a plurality of membrane modules stacked smaller than the opening area of the flow path into which the water to be treated of the casing flows are stacked in the height direction of the casing.
  • the membrane separation apparatus of the present invention that achieves the above object is characterized in that a plurality of membrane elements are housed inside a casing in which openings are formed on the top and bottom, and the opening area of the flow path through which the water to be treated of the casing flows out Is provided with a membrane module made smaller than the opening area of the flow path into which the water to be treated of the casing flows, and an air diffuser provided below the membrane module.
  • the membrane separation apparatus of the present invention that achieves the above object is characterized in that in the membrane separation apparatus, a plurality of the membrane modules are stacked in the height direction of the casing to constitute a membrane unit.
  • the membrane clogging can be alleviated and the load in filtration can be reduced.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view (AA sectional view) and (d) a side view perpendicular to the separation membrane surface. It is a figure which shows the membrane module which concerns on other embodiment of this invention.
  • A A perspective view of a membrane module according to an embodiment of the present invention, (b) an external view of a frame provided with the membrane module according to an embodiment of the present invention.
  • a membrane module, a membrane unit, and a membrane separator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
  • a membrane separation apparatus of a system using a membrane separation activated sludge method (Membran Bioreactor: MBR) of a sewage treatment facility is illustrated, but the membrane module and the membrane separation apparatus according to the present invention are illustrated in this embodiment.
  • MBR membrane separation activated sludge method
  • the present invention is not limited to this, and can be applied to the filtration of various types of water to be treated (not limited to water but may be organic solvents or the like).
  • a membrane separation apparatus 1 includes a membrane unit 2 configured by stacking a plurality of membrane modules 3 in the height direction of a housing 6, and a lower portion of the membrane unit 2. It is comprised from the diffuser 7 with which gas is diffused.
  • the membrane separation apparatus 1 is installed so as to be immersed in the liquid phase 12 in the MBR biological reaction tank. Since the water depth of the biological reaction tank is generally about 4 m in many cases, the number of the membrane modules 3 to be stacked is selected from the weight and outer shape considering the water depth of the biological reaction tank and maintainability. For example, the number of membrane modules 3 is selected so that the height of the membrane separation device 1 is about 2 m to 3 m.
  • the membrane module 3 includes a plurality of flat separation membranes 4, a water collection block 6 c that supports the side ends of the separation membrane 4, and side surfaces of the water collection block 6 c. It is comprised from the water flow guide 5 which obstruct
  • the air diffuser 7 is disposed below the membrane module 3 and generates bubbles 10 for cleaning (scrub) the separation membrane 4 disposed in the membrane module 3.
  • the air diffuser 7 is not particularly limited, and an example in which a hole of about 1 to 10 mm is formed in a cylindrical member made of metal or resin is exemplified.
  • An air inflow pipe into which scrubbing air supplied from a blower or a compressor (not shown) flows is connected to one end of the cylindrical member, and the scrubbing air that has flowed in from the air inflow pipe is ejected from the hole to thereby generate bubbles 10. Produces.
  • the separation membrane 4 illustrated in FIGS. 2 (a) and 2 (b) is a flat ceramic plate membrane of (vertical) 100 to 200 mm ⁇ (horizontal) 200 to 1000 mm ⁇ (thickness) 5 ⁇ 20 mm. As shown in FIG. 2B, a plurality of water collecting channels 4b are formed at the end of the ceramic flat membrane.
  • a ceramic flat membrane is preferable because it can be manufactured by extrusion molding. In the case of extrusion molding, an appropriate size may be determined in consideration of creation equipment such as a mold and deformation after extrusion.
  • the type of the separation membrane 4 may be, for example, an organic hollow fiber membrane, an organic flat membrane, an inorganic flat membrane, an inorganic single tube membrane, etc., which are well-known separation membranes applied to MBR. Good.
  • the material of the separation membrane 4 include cellulose, polyolefin, polysulfone, PVDF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), and ceramics.
  • the pore size of the separation membrane 4 is not particularly limited, and may be selected according to the particle size of a substance to be subjected to solid-liquid separation. For example, if it is used for solid-liquid separation of activated sludge, it may be 0.5 ⁇ m or less, and it may be 0.1 ⁇ m or less when sterilization is required, such as filtration of purified water. That is, the pore diameter (0.001 to 0.1 ⁇ m) generally formed in the ultrafiltration membrane or the pore diameter (0.1 to 1 ⁇ m) generally formed in the microfiltration membrane may be used.
  • the type of the separation membrane 4 is not limited to the embodiment, and the compactness of the membrane module 3, the reduction in pressure loss when the filtrate is taken out, the ease of processing when the membrane module 3 is disposed, etc. Determined by comprehensive consideration. Further, the arrangement form of the separation membrane 4 may be appropriately set according to the shape and type of the separation membrane 4.
  • the membrane module 3 supports both end portions of the separation membrane 4 with a pair of water collecting blocks 6c, and both sides of the water collecting block 6c are supported by a pair of water flow guides 5. Constructed by blocking. In this way, a plurality of separation membranes 4 are arranged upright in parallel in the housing 6 formed by the water collecting block 6 c and the water flow guide 5.
  • Examples of the shape of the housing 6 include a cylinder, a square tube, and the like. In the case of a square tube, the square tube may be configured by a plurality of flat plates (or corrugated plates) as in the embodiment.
  • the material of the housing 6 may be resin, metal, ceramic, or the like, and is not particularly limited.
  • the number of separation membranes 4 provided in the housing 6 may be appropriately selected in consideration of operability and maintainability, and may be, for example, about 10 to 30.
  • the water collecting block 6c includes a separation membrane fixing portion 6b, and the separation membrane 4 and the water collecting block 6c are used to fix the separation membrane 4 to the separation membrane fixing portion 6b.
  • 6a is formed.
  • the water collection part 6a is connected with the water collection path 4b of the separation membrane 4 shown in FIG.2 (b).
  • the water collection part 6a is connected with the filtration suction port 8 formed in the water collection block 6c.
  • the filtration suction port 8 is connected to a pipe of a pump for sucking a filtrate not shown.
  • the water collection part 6a should just be provided in the at least one edge part of the separation membrane 4.
  • the channel width of the opening part to which the to-be-processed water of the membrane module 3 flows out becomes narrower than the channel width of the opening part to which to-be-processed water flows in. Formed as follows. As shown in FIG. 3 (b), the flow path width formed by the water collecting block 6c is constant, and thus the water flow guide 5 is formed in this manner, so that the flow path width of the membrane module 3 is reduced. upper opening area of 3 (shown in S 2 in FIG. 1) is formed to be smaller than the lower opening area (shown in S 1 in FIG. 1).
  • the opening area S 1 (the lower opening area of the membrane module 3) of the flow path into which the treated water flows is It is larger than the opening area S 2 of the outflow channel (the upper opening area of the membrane module 3).
  • the opening area of the flow path of the membrane module 3 differs in the upper and lower ends, since the width
  • the shape of the water flow guide 5 is not limited to that shown in FIG. 3C, and the opening area S 1 of the flow path into which the water to be treated flows in the flow path of the water to be treated at the upper opening end of the membrane module 3 is as follows. , as long as it is formed to be greater than the opening area S 2 of the channel-treatment water flows out. Further, when the water flow guides 5 are provided as a pair, the conditions of the water to be treated (concentration and flow velocity of the water to be treated) flowing in the vicinity of all the separation membranes 4 can be made substantially the same. In this case, for each membrane module 3, a pair of water flow guides 5 having the same height as the membrane module 3 may be installed on the left and right of the membrane element group as shown in FIG. A plurality of divided water flow guides 5 may be arranged in the height direction of the membrane module.
  • the operation of the membrane module 3 having the above configuration will be described.
  • the water to be treated that circulates inside the membrane module 3 comes into contact with the separation membrane 4, the solid matter or the like of the water to be treated is captured by the membrane surface 4 a of the separation membrane 4, and the water to be treated is separated into moisture and solid matter.
  • the filtered water from which the solids and the like are removed in this way reaches the water collecting channel 4b, and outside the biological reaction tank (outside the membrane separation device 1) via the water collecting unit 6a connected to the water collecting channel 4b and the filtration suction port 8. It is transferred to.
  • the shape of the water flow guide 5 is formed so that the flow path of the portion where the separation membrane 4 of the membrane module 3 is provided is narrowed.
  • the speed of the water to be treated flowing between the separation membranes 4 or between the separation membranes 4 is increased, and the cleaning effect is improved.
  • the gas-liquid mixed flow including the bubbles 10 converges, and the bubbles can be efficiently applied to the membrane surface 4a of the separation membrane 4.
  • the water flow guide 5 is provided so that the surface of the water flow guide 5 is parallel to the membrane surface 4a of the separation membrane 4, and the distance between the surface of the water flow guide 5 and the membrane surface 4a of the separation membrane 4 facing the surface.
  • the membrane module 2 when the membrane module 2 is configured by stacking the membrane modules 3, the upper opening end of the membrane module 3 and the lower opening end of the membrane module stacked on the membrane module 3 Water to be treated on the outer peripheral portion of the membrane unit 2 flows into the membrane unit 2 through the gap 9 formed between the two. Therefore, since the increase in the concentration of the water to be treated flowing through the membrane unit 2 can be reduced, the filtration efficiency by the separation membrane 4 is improved. In particular, since the opening surface of the gap 9 is formed perpendicular to the flow direction of the water to be treated flowing through the membrane unit 2, the bubbles 10 flowing near the wall surface of the water flow guide 5 are formed in the membrane unit 2 (and It is prevented from being released to the outside of the membrane separation device 1).
  • FIG. 4 is a view showing a membrane module 14 according to another embodiment of the present invention.
  • a membrane module 14 according to another embodiment of the present invention is characterized in that, in addition to the configuration of the membrane module 3 according to the embodiment of the present invention, a rectifying member 15 is provided at the lower end of the separation membrane 4. Therefore, the same code
  • a rectifying member 15 having an inverted triangular vertical cross section is provided at the lower end of the separation membrane 4.
  • the rectifying member 15 has a length in the front-rear direction in FIG. 4 that is set to be equal to that of the separation membrane 4, and both ends of the rectifying member 15 are fitted in grooves formed in the water collecting block 6 c that holds the separation membrane 4. Installed. That is, the rectifying member 15 has a triangular prism shape, and at least one of the side surfaces of the rectifying member 15 is substantially the same as the shape of the lower end portion of the separation membrane 4.
  • the rectifying member 15 Since the rectifying member 15 is disposed at the lower end of each separation membrane 4, the inlet of the water channel to be treated between the separation membranes 4 is formed so as to expand downward. That is, the distance between the two hypotenuses 15a of the rectifying member 15 facing each other gradually decreases upward, and a sudden decrease in the channel area between the separation membranes 4 is alleviated. Therefore, the gas-liquid mixed flow rising from the air diffuser 7 flows into the flow path between the separation membranes 4 while being guided by the both oblique sides 15a of the rectifying member 15 facing each other.
  • the gas-liquid mixed flow is restrained from abruptly contracting in the flow path between the separation membranes 4, so that the large bubbles contained in the gas-liquid mixed flow are not decomposed into small bubbles, and the separation membrane Pass between four. Further, the gas-liquid mixed flow rising from the diffuser 7 by the rectifying member 15 does not stay on the lower end surface of the separation membrane 4, and the gas-liquid mixed flow can be introduced between the separation membranes 4.
  • the rectifying member 15 is not limited to the above-described embodiment as long as it exhibits the above-described action, and may be a member having a substantially triangular longitudinal section.
  • the separation membrane 4 when forming the separation membrane 4, may be formed so that the shape of the lower end portion of the separation membrane 4 is the same as that of the rectifying member 15.
  • an air diffuser is provided below the separation membrane 4 to prevent clogging of the separation membrane 4 due to adhesion and deposition of fine impurities, extracellular polymers produced by microorganisms, and the like on and inside the separation membrane 5. 7 is provided. At least in the process of performing the filtration, it is preferable to continuously perform the aeration from the aeration device 7.
  • an operation method of the membrane separation apparatus an immersion suction filtration method, a gravity filtration method using a water head difference, or the like is used.
  • air is diffused from an aeration device 7 and an oxygen supply aeration device 11 that is provided in the liquid tank 12 of the biological reaction tank and supplies oxygen necessary for microbial reaction to the liquid phase.
  • an oxygen supply aeration device 11 that is provided in the liquid tank 12 of the biological reaction tank and supplies oxygen necessary for microbial reaction to the liquid phase.
  • the water to be treated is separated into solid and water by the filtration function of the separation membrane 4.
  • the water collection passage 4b (not shown) of the separation membrane 4 communicates with the filtration suction port 8 through the water collection portion 6a, and a pipe is connected to the other end of the filtration suction port 8.
  • a suction pump (not shown) is connected through the connector. Therefore, the filtered water filtered by the separation membrane 4 is sucked by the suction pump through the filtration suction port 8 and transferred to the outside of the membrane separation device 1.
  • Scrubbing is a method in which water to be treated on the surface of the separation membrane 4 is swung by a water flow containing the rising bubbles 10 to remove deposits on the surface of the separation membrane 4. Therefore, as shown in FIG. 1, by stacking the membrane modules 3 in the depth direction of the treated water, more separation membranes 4 can be scrubbed with the same amount of bubbles. That is, as the number of the stacked membrane modules 3 is increased, the scrubbing effect on the amount of air diffused from the diffuser 7 increases.
  • the distance between the water flow guide 5 provided in the membrane module 3 and the separation membrane 4 (the channel width of the membrane module 3) is narrow at the top of the membrane module 3 and wide at the bottom.
  • the flow of water to be treated inside the membrane separation device 1 is a flow from the lower opening S 3 of the membrane separation device 1 toward the upper opening S 4 .
  • the flow path of the membrane separation device 1 is simply sealed from the external water to be treated, and the water to be treated is filtered by the separation membrane 4.
  • the activated sludge concentration in the treated water that circulates inside increases.
  • the membrane separation device 1 of the present invention from the gap 9 between the lower end of the water flow guide 5 of the membrane module 3 and the upper end of the water flow guide 5 of another membrane module 3 connected to the lower side of the membrane module 3, Water to be treated on the outer periphery of the membrane unit 2 is sucked into the membrane separation device 1. Therefore, an increase in the activated sludge concentration inside the membrane separation device 1 can be suppressed.
  • the membrane separation apparatus of the present invention by forming a membrane unit by stacking membrane modules in the height direction, a plurality of bubbles generated from the air diffuser are removed. It can act on the membrane module. Therefore, the efficiency of scrubbing can be improved and the power consumption of the blower that supplies the scrubbing air can be reduced. That is, it is possible to secure a high filtration flux (flux) and to minimize the air volume for membrane cleaning (scrubbing) performed through the filtration process.
  • the membrane module with the water flow guide, bubbles generated from the air diffuser do not diffuse outside the unit, and the bubbles can effectively act on the separation membrane. That is, it is possible to improve the scrubbing efficiency and reduce the power consumption of the blower that supplies the scrubbing air.
  • the membrane modules whose opening area of the flow path from which the water to be treated flows out is smaller than the opening area of the flow path into which the water to be treated flows, there is a gap between adjacent membrane modules.
  • the water to be treated can be sucked through the gap. That is, the external water to be treated can be sucked for each stacked membrane module. Therefore, an increase in the concentration of activated sludge inside the membrane separation apparatus can be suppressed, and the filtration load is reduced. Therefore, the membrane blockage is alleviated and the power consumption of the filtration pump can be reduced.
  • the scrubbing air diffuser and the microbial reaction air diffuser it is possible to reduce the amount of energy used by the blower and compressor used in the air diffuser.
  • the rectifying member when the rectifying member is provided at the lower end portion of the separation membrane provided in the membrane module, the flow passage inlet between the separation membranes is formed in a flared shape downward by the rectifying member. A sudden decrease in Therefore, the rapid contraction flow in the flow path between the separation membranes of the gas-liquid mixed flow is suppressed, and the large bubbles contained in the liquid to be processed pass between the separation membranes without being decomposed into small bubbles. Therefore, since the gas-liquid mixed flow having a large bubble diameter can be introduced between the separation membranes, the cleaning effect of the separation membrane is improved.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) A membrane module, a membrane unit, and a membrane separation device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b).
  • the same components as those of the membrane module, the membrane unit, and the membrane separator according to the embodiment are given the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 5A the water collecting block 6c in front of the paper is not shown for convenience.
  • the membrane module 16 As shown in FIG. 5 (a), the membrane module 16 according to the example of the present invention supported the side end portion of the separation membrane 4 where the water collection channel 4b was formed by the water collection block 6c. And the water flow guide 5 was provided so that between the side surfaces of the water collection block 6c might be obstruct
  • the membrane module 16 configured in this manner was fixed to the frame body 17 shown in FIG. 5B to configure a membrane unit and a membrane separation device (not shown).
  • the side surface of the frame body 17 is provided with a membrane module fixing portion 18 for fixing the membrane module 16, and the air diffuser 7 is provided at the bottom of the frame body 17.
  • the frame body 17 was immersed in the water to be treated so that the air diffuser 7 was positioned below the membrane module 16. Then, the water to be treated was filtered by the membrane module 16 while aeration was performed from the aeration device 7.

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Abstract

膜分離装置において、膜閉塞を緩和し、濾過における負荷を低減する。 上下方向に開口部が形成された筐体６内部に、複数の分離膜４を平行に直立した状態で収納し、膜モジュール３を構成する。膜モジュール３の被処理水が流通する流路において、被処理水が流出する流路の開口面積Ｓ2が、被処理水が流入する流路の開口面積Ｓ1より小さくなるように、水流ガイド５を設ける。そして、膜モジュール３を筺体６の高さ方向に複数積重し膜ユニット２を構成する。この膜ユニット２の下方に散気装置７備え膜分離装置１を構成する。

Description

膜モジュール、膜ユニット及び膜分離装置
　この発明は、膜モジュール、及び該膜モジュールを積重させてなる膜ユニット、及び前記膜モジュールまたは前記膜ユニットを備えた分離装置に関するものである。特に、水処理の分野で用いられる膜モジュール、膜ユニット、及び膜分離装置に関する。
　膜分離技術は、従来から海水淡水化、浄水処理、ガス分離、血液浄化等で使用されてきたが、最近では環境保全の観点から、廃水処理にも膜分離技術を適用しようとする研究が進められている。
　従来、浄水処理、下排水処理、或いは産業排水の処理等、濁度の高い被処理水の固液分離を行う方法として、砂濾過や重力沈殿等が行われている。しかしながら、これら方法による固液分離は、得られる被処理水の水質が不充分となる場合が生じることや、固液分離のために広大な用地を必要とするといった課題を有している。
　この課題を解決する方法として、近年精密濾過膜、限外濾過膜等の分離膜を配設した膜モジュールを用いて被処理水の固液分離を行う方法が種々検討されている。これらの方法では、分離膜を用いて被処理水の濾過処理を行うことで、水質の高い処理水を得ている（例えば、非特許文献１）。
　分離膜を用いて被処理水の固液分離を行う場合、濾過処理の継続にしたがって懸濁物質による分離膜表面の目詰まりが進行し、濾過流量の低下、或いは膜間差圧の上昇が生じる。このような状態を回復させるため、膜モジュールの下方に散気管を配設し、この散気管から散気されるエアにより分離膜表面の被処理水を揺動させて膜表面の懸濁物質を引き剥がす方法が行われている（例えば、特許文献１、２）。
特開２０００－８４５５３号公報 特開２００７－１５２２８２号公報
上坂太一、外３名、「排水処理の高度化・再利用に用いられる液中膜」、クボタ技報、株式会社クボタ、２００５年６月、第３９巻、ｐ．４２－５０
　しかしながら、膜モジュールを用いて排水の濾過を行う方式では、運転が長期にわたった場合、懸濁物質による膜表面の閉塞により濾過流量が低下する場合があるため、低下した濾過流量を回復するための、頻繁なメンテナンス作業が必要になる。
　特に、膜モジュールを高さ方向に積重し、該積重された膜モジュール集合体の下方に散気管を配設した膜分離装置では、膜分離装置の流路は、外部の被処理水から簡易的に密閉されており、被処理水が分離膜で濾過されるので、膜分離装置の上部になればなるほど、膜分離装置の内部を流通する被処理水の活性汚泥濃度が上昇する。したがって、濾過に対しての負荷が増大し、膜閉塞の加速や消費エネルギーの増大が生じるおそれがあった。
　本発明は、上記課題を解決するためなされたものであり、長期にわたる濾過における負荷の増大を緩和し、懸濁物による膜面の閉塞が少ない膜モジュール、及び該膜モジュールを積重させてなる膜ユニット、及び前記膜モジュールまたは前記膜ユニットを備えた膜分離装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成する本発明の膜モジュールは、筐体内部に複数の膜エレメントを収納し、前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積を、前記筺体の被処理水が流入する流路の開口面積より小さくしたことを特徴としている。
　また、本発明の膜モジュールは、上記膜モジュールにおいて、前記膜エレメントの下端部に、前記膜エレメント間に被処理水を導入する整流部材を備えることを特徴としている。
　また、上記目的を達成する本発明の膜ユニットは、上下方向に開口部が形成された筐体内部に、複数の膜エレメントを収納し、前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積を、前記筺体の被処理水が流入する流路の開口面積より小さくした膜モジュールを前記筺体の高さ方向に複数積重したことを特徴としている。
　また、上記目的を達成する本発明の膜分離装置は、上下に開口部が形成された筐体内部に、複数の膜エレメントを収納し、前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積を、前記筺体の被処理水が流入する流路の開口面積より小さくした膜モジュールと、該膜モジュールの下方に備えられる散気装置とを備えたことを特徴としている。
　また、上記目的を達成する本発明の膜分離装置は、前記膜分離装置において、前記膜モジュールを前記筺体の高さ方向に複数積重して膜ユニットを構成したことを特徴としている。
　以上の発明によれば、膜モジュール、膜ユニット及び膜分離装置において、膜閉塞を緩和し、濾過における負荷を低減することができる。
本発明の実施形態に係る膜分離装置の例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る分離膜の例を示す図であり、（ａ）長手方向の側面図、（ｂ）短手方向の側面図である。 本発明の実施形態に係る膜モジュールの例を示す概略図であり、（ａ）上面図、（ｂ）分離膜面に平行な断面図（Ｂ－Ｂ断面図）、（ｃ）分離膜面に垂直な断面図（Ａ－Ａ断面図）、（ｄ）分離膜面に垂直な側面図である。 本発明の他の実施形態に係る膜モジュールを示す図である。 （ａ）本発明の実施例に係る膜モジュールの斜視図、（ｂ）本発明の実施例に係る膜モジュールが備えられる枠体の外観図である。
　本発明の実施形態に係る膜モジュール、膜ユニット及び膜分離装置について図１～３を参照して詳細に説明する。
　本実施形態においては、下排水処理施設の膜分離活性汚泥法（Ｍｅｍｂｒａｎ　Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ：ＭＢＲ）を用いたシステムの膜分離装置を例示するが、本発明に係る膜モジュール、及び膜分離装置はこの実施形態に限定されるものではなく、さまざまな被処理水（水に限らず有機溶媒等でもよい）の濾過に適用することができる。
　図１に示すように、本発明の実施形態に係る膜分離装置１は、膜モジュール３を筺体６の高さ方向に複数積重して構成される膜ユニット２と、この膜ユニット２の下方に備えられて気体を散気する散気装置７より構成されている。
　この膜分離装置１は、ＭＢＲの生物反応槽内の液相１２に浸漬されるように設置される。前記生物反応槽の水深は、一般的に４ｍ程度である場合が多いので、生物反応槽の水深と保守性を考慮した重量や外形から、積重する膜モジュール３の個数が選定される。例えば、膜分離装置１の高さが、２ｍ～３ｍ程度となるように膜モジュール３の個数が選定される。
　膜モジュール３は、例えば図３（ａ）に示すように、複数の平型の分離膜４と、この分離膜４の側端部を支持する集水ブロック６ｃと、集水ブロック６ｃの側面を閉塞する水流ガイド５より構成される。すなわち、集水ブロック６ｃと水流ガイド５により、上下に開口部を有する筺体６が構成される。このような構成により、分離膜４の膜面が、膜モジュール３を流通する被処理水の流れる方向と平行となるように筺体６内に分離膜４が配設される。
　散気装置７は、膜モジュール３の下方に配置され、膜モジュール３に配設される分離膜４を洗浄する（スクラビングする）ための気泡１０を発生させる。散気装置７は、特に限定されるものではなく、金属または樹脂からなる筒状部材に１～１０ｍｍ程度の孔が形成されたものが例示される。この筒状部材の一端には、ブロワやコンプレッサ（図示省略）から供給されるスクラビングエアが流入するエア流入管が連結され、エア流入管より流入したスクラビングエアが孔より射出されることにより気泡１０が生成する。
　まず、図２（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の実施形態に係る分離膜４についてより詳細に説明する。
　図２（ａ）、（ｂ）に例示する分離膜４は、（縦）１００～２００ｍｍ×（横）２００～１０００ｍｍ×（厚さ）５×２０ｍｍの平板状のセラミック平膜である。図２（ｂ）に示すように、このセラミック平膜の端部には集水路４ｂが複数形成されている。一般的に、セラミック平膜は、押し出し成型で製造することができるので好ましい。そして、押し出し成型の場合、金型等の作成機器や押し出し後の変形等を考慮して適正な大きさを決めるとよい。
　分離膜４の種類は、上記実施形態の他に、例えば、ＭＢＲに適用されている周知の分離膜である、有機中空糸膜、有機平膜、無機平膜、無機単管膜等を用いればよい。そして、分離膜４の材質としては、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）、セラミックス等が例示される。
　また、分離膜４の孔径も特に限定されるものではなく、固液分離の対象となる物質の粒径に応じて選択すればよい。例えば、活性汚泥の固液分離に用いるならば、０．５μｍ以下であればよく、また、浄水の濾過のように、除菌が必要な場合は０．１μｍ以下であればよい。すなわち、一般に限外濾過膜に形成されている孔径（０．００１～０．１μｍ）、または一般に精密濾過膜に形成されている孔径（０．１～１μｍ）であればよい。
　上記のように分離膜４の種類は、実施形態に限定されるものではなく、膜モジュール３のコンパクト性、濾液取り出し時の圧損の低減、膜モジュール３配設時の加工の容易性、等を総合的に加味して決定される。また、分離膜４の配設形態も、適宜分離膜４の形状や種類に応じて設定すればよい。
　次に、図３（ａ）、（ｂ）を例示して本発明の実施形態に係る膜モジュール３についてより詳細に説明する。
　図３（ａ）に示すように、膜モジュール３は、分離膜４の両側端部を１対の集水ブロック６ｃで支持し、さらに集水ブロック６ｃの両側面を１対の水流ガイド５により閉塞して構成される。このようにして、分離膜４が集水ブロック６ｃと水流ガイド５により形成された筺体６内に複数平行に直立して配設される。筺体６の形状は、例えば、円筒、角筒等が挙げられ、角筒状の場合は、実施形態のように複数の平板（または、波板）で角筒を構成してもよい。また、筺体６の材質としては、樹脂、金属、セラミック等を用いればよく、特に限定されるものではない。そして、筺体６内に備えられる分離膜４の枚数は、操作性や保守性を考慮して適宜選択すればよく、例えば１０～３０枚程度であればよい。
　図３（ｂ）に示すように、集水ブロック６ｃは分離膜固定部６ｂを備え、分離膜４を分離膜固定部６ｂに固定することで、分離膜４と集水ブロック６ｃにより集水部６ａが形成される。集水部６ａは、図２（ｂ）に示した分離膜４の集水路４ｂと連通している。また、図３（ｂ）、（ｄ）に示すように、集水部６ａは集水ブロック６ｃに形成された濾過吸引口８と連通している。さらに、この濾過吸引口８は、図示省略の濾過液を吸引するポンプの配管が接続されている。なお、集水部６ａは、分離膜４の少なくとも一方の端部に備えればよい。
　また、図３（ｃ）に示すように、水流ガイド５は、膜モジュール３の被処理水が流出する開口部の流路幅が、被処理水が流入する開口部の流路幅より狭くなるように形成される。図３（ｂ）に示すように、集水ブロック６ｃにより形成される流路幅は一定であるので、このように水流ガイド５が形成することで、膜モジュール３の流路幅が狭まり膜モジュール３の上部開口面積（図１のＳ2に示す）が、下部開口面積（図１のＳ1に示す）より小さくなるように形成される。すなわち、水流ガイド５により、膜モジュール３内を流通する被処理水の流路において、被処理水が流入する流路の開口面積Ｓ1（膜モジュール３の下部開口面積）が、被処理水が流出する流路の開口面積Ｓ2（膜モジュール３の上部開口面積）よりも大きくなっている。なお、膜モジュール３の流路の開口面積が上下端で異なっているが、集水ブロック６ｃ間の幅は一定であるので、膜モジュール３を積重させることができる。
　水流ガイド５の形状は、図３（ｃ）に限定されるものではなく、膜モジュール３の上部開口端の被処理水の流路において、被処理水が流入する流路の開口面積Ｓ1が、被処理水が流出する流路の開口面積Ｓ2よりも大きくなるように形成されるものであればよい。また、水流ガイド５を対となるように備えると、すべての分離膜４の近傍を流通する被処理水の条件（被処理水の濃度や流速）を略同じ条件にできる。この場合、膜モジュール３ごとに、膜モジュール３の高さと同一高さの水流ガイド５を図１のように膜エレメント群の左右に１対設置してもよいが、膜モジュール３の高さ方向に複数分割した水流ガイド５を膜モジュールの高さ方向に複数配設してもよい。
　上記構成を有する膜モジュール３の動作について説明する。膜モジュール３内部を流通する被処理水は分離膜４と接触し、被処理水の固形物等が分離膜４の膜面４ａに捕らえられ、被処理水が水分と固形物等とに分離される。こうして固形物等が除去された濾過水は、集水路４ｂに至り、そして集水路４ｂに接続された集水部６ａ、濾過吸引口８を経由して生物反応槽外（膜分離装置１外）に移送される。
　以上のように本発明の実施形態に係る膜モジュール３は、水流ガイド５の形状が膜モジュール３の分離膜４が備えられる部分の流路が狭まるように形成されているので、水流ガイド５と分離膜４との間または分離膜４間を流通する被処理水の速度が速くなり洗浄効果が向上する。そして、流路を狭くすることにより気泡１０を含む気液混合流が収束し、効率よく分離膜４の膜面４ａに気泡を作用させることができる。さらに、水流ガイド５の面が、分離膜４の膜面４ａと平行になるように、水流ガイド５を備え、水流ガイド５の面とその面に対向する分離膜４の膜面４ａとの間隔を狭くすることにより、より効率よく分離膜４の膜面４ａに気泡を作用させることができる。
　また、図１に示すように、膜モジュール３を積重させて膜ユニット２を構成した際に、膜モジュール３の上部開口端と、この膜モジュール３に積重される膜モジュールの下部開口端の間に形成される空隙９より、膜ユニット２の外周部にある被処理水が膜ユニット２内に流入する。よって、膜ユニット２内を流通する被処理水の濃度上昇を低減させることができるので、分離膜４による濾過効率が向上する。特に、この空隙９の開口面は、膜ユニット２を流通する被処理水の流通方向に対して垂直に形成されているため、水流ガイド５の壁面付近を流通する気泡１０が膜ユニット２（及び膜分離装置１）の外部に放出されることを防止する。
　図４は、本発明の他の実施形態に係る膜モジュール１４を示す図である。本発明の他の実施形態に係る膜モジュール１４は、本発明の実施形態に係る膜モジュール３の構成に加えて、分離膜４の下端部に整流部材１５を備えたことを特徴としている。よって、本発明の実施形態に係る膜モジュール３の構成と同様のものには同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
　図４に示すように、分離膜４の下端部には縦断面逆三角形状の整流部材１５が備えられている。この整流部材１５は、図４中前後方向の長さは分離膜４と同等に設定され、整流部材１５の両端部が分離膜４を保持する集水ブロック６ｃに形成された溝部に嵌入して取りつけられる。すなわち、整流部材１５は、三角柱状であり、その少なくとも整流部材１５の１つの側面の形状が分離膜４の下端部の形状と略等しい部材である。
　整流部材１５は、各分離膜４の下端部に配置されているため、分離膜４間の被処理水流路入口が下方に向かって裾広がり状に形成される。すなわち、対向する整流部材１５の両斜辺１５ａ間の距離が上方に向かってなだらかに減少し、分離膜４間の流路面積に対する急激な減少が緩和される。したがって、散気装置７から上昇する気液混合流は、対向する整流部材１５の両斜辺１５ａにガイドされつつ、分離膜４間の流路に流入する。これにより、気液混合流は、分離膜４間の流路での急縮流れが抑制され、その結果、気液混合流に含まれる大気泡は小気泡に分解されることがなく、分離膜４間を通過する。また、整流部材１５により散気装置７から上昇する気液混合流が、分離膜４の下端面で滞留せず分離膜４間に気液混合流を導入することができる。
　なお、整流部材１５は、上記作用を奏するものであればよいので、上記の実施形態に限定せず縦断面が略三角形状である部材であればよい。また、分離膜４の形成時に、分離膜４の下端部の形状が整流部材１５と同様の形状となるように分離膜４を形成してもよい。
　本発明の実施形態に係る膜分離装置１の動作について、図１を参照して詳細に説明する。ＭＢＲでは、微細な夾雑物や微生物が生産する細胞外高分子等が分離膜５表面や内部に付着・堆積することによる分離膜４の閉塞を防止するため、分離膜４の下方に散気装置７を設ける。少なくとも、濾過を行っている工程では常に連続して散気装置７より散気を行うとよい。膜分離装置１の運転方法としては浸漬吸引濾過法、水頭差による重力濾過法などが用いられる。
　濾過を行う場合、散気装置７、及び生物反応槽の液槽１２内に備えられ、微生物反応に必要な酸素を液相に供給する酸素供給用散気装置１１から空気が散気される。散気装置７から空気を散気させることで、液中における気泡１０の上昇により分離膜５表面層に対し流速、乱流、せん断力を作用させ、分離膜４を洗浄することができる。すなわち、散気装置７から放出される気泡１０により発生した気液混合流は、上昇して分離膜４に接触する。この気液混合流により、各分離膜４がスクラビングされる。また、酸素供給用散気装置１１により、被処理水への酸素溶解が行われる。
　そして、分離膜４の濾過機能により被処理水が固形分と水とに分離される。図３（ｂ）に示したように、分離膜４の集水路４ｂ（図示省略）は、集水部６ａを介して濾過吸引口８と連通し、濾過吸引口８の他端には配管を介して吸引ポンプ（図示省略）が接続されている。したがって、この濾過吸引口８を通して、分離膜４によって濾過された濾過水が吸引ポンプにより吸引され、膜分離装置１外に移送される。
　スクラビングとは、上昇する気泡１０を含んだ水流により分離膜４表面の被処理水を揺動させて分離膜４表面の付着物を除去する方法である。したがって、図１に示すように、処理水の深さ方向に膜モジュール３を積み重ねることにより、同量の気泡量でより多くの分離膜４をスクラビングすることができる。つまり、膜モジュール３の積重する数を増大させるほど、散気装置７から散気される空気量に対するスクラビング効果が増大する。
　また、膜モジュール３に備えられる水流ガイド５と分離膜４との間隔（膜モジュール３の流路幅）は、膜モジュール３の上部で狭く、下部では広くなっている。その結果、膜モジュール３を縦に積み重ねて膜分離装置１を構成した場合、水流ガイド５により、散気装置７から発生した気泡１０が膜分離装置１の外部へ拡散せず、気泡１０を分離膜４に有効に作用させることができる。
　この膜分離装置１内部での被処理水の流れは、膜分離装置１の下部の開口部Ｓ3から上部の開口部Ｓ4へ向かう流れとなる。膜分離装置１流路は、外部の被処理水から簡易的に密閉されており、被処理水は分離膜４で濾過されるので、膜分離装置１の上部になればなるほど、膜分離装置１内部を流通する被処理水の活性汚泥濃度が上昇する。
　本発明の膜分離装置１では、膜モジュール３の水流ガイド５の下端と、当該膜モジュール３の下側に接続される他の膜モジュール３の水流ガイド５の上端との間の空隙９より、膜ユニット２の外周にある被処理水が膜分離装置１内に吸引される。したがって、膜分離装置１内部での活性汚泥濃度の上昇を抑制することができる。
　つまり、積重された各膜モジュール３の間から被処理水が膜分離装置１内に吸引されるので、膜分離装置１内部での活性汚泥濃度の大きな上昇を抑制することができる。その結果、濾過に対しての負荷が低減し、膜閉塞の緩和、及び消費エネルギーの低減につながる。また、膜分離装置１内に膜分離装置１の外周にある被処理水を吸引する空隙９が膜分離装置１を流通する被処理水の流通方向に対して垂直に形成されているので、膜モジュール３と膜モジュール３の間から膜分離装置１の外周部への気泡１０の放出が防止され、より多くの気泡１０を分離膜４に作用させることができる。なお、被処理水を膜分離装置１内部に吸引する吸引力は、気泡１０の上昇により生じるため、特に被処理水を吸引するための動力源を備える必要はない。
　以上、実施形態を挙げて説明したように、本発明の膜分離装置によれば、膜モジュールを高さ方向に積層して膜ユニットを構成することにより、散気装置から発生した気泡を複数の膜モジュールに作用させることができる。したがって、スクラビングの効率が向上し、スクラビング用の空気を供給するブロワの消費電力を低減することができる。つまり、高い濾過流束（フラックス）を確保し、且つ濾過工程を通じて行う膜洗浄（スクラビング）の風量を最小限に抑えることができる。
　また、膜モジュールに水流ガイドを備えることにより、散気装置から発生した気泡がユニット外部に拡散せず、気泡を分離膜に有効に作用させることができる。すなわち、スクラビング効率を向上させるとともに、スクラビング用の空気を供給するブロワの消費電力を低減することができる。
　そして、被処理水が流出する流路の開口面積が、被処理水が流入する流路の開口面積より小さい膜モジュールを高さ方向に積重することで、隣接する膜モジュールの間に空隙が形成され、この空隙を介して被処理水を吸引することができる。すなわち、積重された膜モジュールごとに外部の被処理水を吸引することができる。したがって、膜分離装置内部での、活性汚泥の濃度上昇を抑制することができ、濾過における負荷が低減されるので、膜閉塞が緩和されるとともに、濾過ポンプの消費電力を低減することができる。
　また、散気に用いられる気泡の径が大きいと洗浄効果が高く、被処理水に気体を溶解させるために用いられる気泡の径が小さいと溶解効率が向上する。したがって、スクラビング用の散気装置と微生物反応用の散気装置を分けて設計することで、散気装置等で使用されるブロアやコンプレッサのエネルギー使用量を低減することができる。
　なお、膜モジュールに備えられる分離膜の下端部に整流部材を備えると、整流部材により分離膜間の流路入口が下方に向かって裾広がり状に形成されるので、分離膜間の流路面積に対する急激な減少が緩和される。よって、気液混合流の分離膜間の流路での急縮流れが抑制され、被処理液に含まれる大気泡は小気泡に分解されることがなく分離膜間を通過する。よって、気泡径の大きい気液混合流を分離膜間に導入することができるので、分離膜の洗浄効果が向上する。
　（実施例）
　図５（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の実施例に係る膜モジュール、膜ユニット、及び膜分離装置について説明する。実施例において、実施形態に係る膜モジュール、膜ユニット、及び膜分離装置と同様のものについては同じ符合を付しその詳細な説明は省略する。なお、説明の図５（ａ）において、便宜上紙面手前の集水ブロック６ｃは図示省略されている。
　図５（ａ）に示すように、本発明の実施例に係る膜モジュール１６は、集水路４ｂが形成された分離膜４の側端部を集水ブロック６ｃで支持した。そして、集水ブロック６ｃの側面間を閉塞するように水流ガイド５を備えた。
　このように構成された膜モジュール１６を図５（ｂ）に示す枠体１７に固定して、膜ユニット及び膜分離装置を構成した（図示省略）。
　枠体１７の側面には、膜モジュール１６を固定するための膜モジュール固定部１８を備え、枠体１７の底部に散気装置７を備えた。
　膜モジュール１６を膜モジュール固定部１８に固定した後、膜モジュール１６の下方に散気装置７が位置するように枠体１７を被処理水に浸漬した。そして、散気装置７から散気を行いながら膜モジュール１６で被処理水の濾過を行った。
１…膜分離装置
２…膜ユニット
３、１６…膜モジュール
４…分離膜（膜エレメント）
４ａ…膜面
４ｂ…集水路
５…水流ガイド
６…筺体
６ａ…集水部
６ｂ…分離膜固定部
６ｃ…集水ブロック
７…散気装置（スクラビング用）
８…濾過吸引口
９…空隙
１０…気泡
１５…整流部材
Ｓ1…膜モジュールの被処理水が流入する流路（開口面積）
Ｓ2…膜モジュールの被処理水が流出する流路（開口面積）
Ｓ3…膜分離装置の下部開口部
Ｓ4…膜分離装置の上部開口部

Claims (7)

  1. 　筐体内部に複数の膜エレメントを収納し、
    　前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積を、前記筺体の被処理水が流入する流路の開口面積より小さくした
    ことを特徴とする膜モジュール。
  2. 　前記膜エレメントは平膜エレメントである
    ことを特徴とする請求項１に記載の膜モジュール。
  3. 　前記膜エレメントの下端部に、前記膜エレメント間に被処理水を導入する整流部材を備える
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜モジュール。
  4. 　前記筺体に、前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積が狭くなるように水流ガイドを備えた
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の膜モジュール。
  5. 　上下方向に開口部が形成された筐体内部に、複数の膜エレメントを収納し、前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積を、前記筺体の被処理水が流入する流路の開口面積より小さくした膜モジュールを前記筺体の高さ方向に複数積重した
    ことを特徴とする膜ユニット。
  6. 　上下方向に開口部が形成された筐体内部に、複数の膜エレメントを収納し、前記筺体の被処理水が流出する流路の開口面積を、前記筺体の被処理水が流入する流路の開口面積より小さくした膜モジュールと、
    　該膜モジュールの下方に備えられる散気装置とを備えた
    ことを特徴とする膜分離装置。
  7. 　前記膜モジュールを前記筺体の高さ方向に複数積重して膜ユニットを構成した
    ことを特徴とする請求項６に記載の膜分離装置。
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