WO2014126156A1

WO2014126156A1 - 膜分離処理方法および膜分離処理システム

Info

Publication number: WO2014126156A1
Application number: PCT/JP2014/053343
Authority: WO
Inventors: 孝史堀江; 直人大村; 彩織塩田; 貴亮赤木; 雄志平田
Original assignee: Kobe University NUC
Current assignee: Kobe University NUC
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2015-08-15
Also published as: JPWO2014126156A1

Abstract

　管状分離膜（１５）が筐体（１６）内に収容された膜モジュール（１４）を用いて被処理水（１）を膜分離処理する方法であって、筐体（１６）には、管状分離膜（１５）の外側に、管状分離膜（１５）の管軸方向の一方側と他方側に第１開口（１７）と第２開口（１８）が設けられ、管状分離膜（１５）の外側に管軸方向に垂直または傾斜するようにバッフル（１９）が設けられ、バッフル（１９）を管軸方向に横切って延びる流路が形成され、被処理水（１）を第１開口（１７）から筐体（１６）内に導入し、被処理水（１）の第１開口（１７）における流速を周期的に変化させる。

Description

膜分離処理方法および膜分離処理システム

　本発明は、分離膜を用いた水処理方法およびそのシステムに関するものである。

　分離膜を用いた水処理技術は、現在様々な分野で用いられている。水処理に用いられる分離膜は、その孔径によって、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）等に分類され、例えば、浄水処理では固液分離のためにＭＦ膜を用いた処理が行われたり、下水処理やし尿処理では高濃度の活性汚泥処理と固液分離を兼ねたＭＦ膜を用いた処理が行われたりしている。また、細菌やウィルスの除去や工業分野におけるタンパク質等の除去または濃縮にＵＦ膜が用いられたり、海水淡水化や超純水製造ではＲＯ膜を用いた処理が行われたりしている。

　ところで膜分離処理では、膜分離性能を確保しつつ膜の透水量（膜透過流束）をできるだけ高めるようにすることが求められる。膜分離性能（公称孔径や分子量分画）は、用いる分離膜の仕様に応じて基本的に定められるが、処理を継続しても、あるいは処理の初期段階から、所望する膜分離性能が発揮されるようにすることが好ましく、その上で膜の透水量をできるだけ高めて、処理システムのコンパクト化を図るようにすることが望まれる。例えば膜透過流束を高める試みとして、特許文献１には、膜モジュールの両端に設けられた供給口から被処理水を交互に切り替えて供給することにより、膜透過流束を長期にわたって高く維持できたことが開示されている。

特開２０００－６１４６７号公報

　上記のように、膜処理性能を高めることについては従来様々な試みが行われてきており、膜分離処理においては根源的な要望といえる。本発明はそのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、管状分離膜を備えた膜モジュールを用いて膜分離処理する際に、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能を高めることができる膜分離処理方法および膜分離処理システムを提供することにある。

　前記課題を解決することができた本発明の膜分離処理方法とは、管状分離膜が筐体内に収容された膜モジュールを用いて被処理水を膜分離処理する方法であって、筐体には、管状分離膜の外側に、管状分離膜の管軸方向の一方側と他方側に第１開口と第２開口が設けられ、管状分離膜の外側に、管軸方向に垂直または傾斜するようにバッフルが設けられ、バッフルを管軸方向に横切って延びる流路が形成され、被処理水を第１開口から筐体内に導入し、被処理水の第１開口における流速を周期的に変化させるところに特徴を有する。本発明の膜分離処理方法によれば、被処理水が筐体内に導入されて、第１開口側から第２開口側に管軸方向に延びる流路に沿って流れる際に、被処理水がバッフルに当たることにより分離膜の表面近傍で渦流が発生して、分離膜の表面が適度に洗浄されると考えられる。その結果、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能を向上させることができる。

　前記流路は、バッフルが管状分離膜から離間して設けられることにより形成されていることが好ましい。このようにバッフルが設けられれば、被処理水が管状分離膜の表面近傍を流れやすくなり、分離膜の表面近傍で渦流が好適に発生しやすくなる。その結果、分離膜の表面が洗浄されやすくなり、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能が向上しやすくなる。

　本発明の膜分離処理方法では、被処理水が第１開口を通じて筐体内へ流入する場合に前記流速が正値をとり、被処理水が第１開口を通じて筐体内から流出する場合に前記流速が負値をとるとしたとき、前記流速を周期的に正値と負値をとるように変化させることが好ましい。また前記流速を、０．０１秒以上３０秒以下の周期で変化させることが好ましい。このように被処理水を導入することにより、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能をさらに向上させることができる。管状分離膜としては、中空糸膜やその束を用いることができる。

　本発明はまた、管状分離膜と；管状分離膜を収容し、管状分離膜の外側に、管状分離膜の管軸方向の一方側と他方側に第１開口と第２開口が設けられた筐体と；管状分離膜の外側に、管軸方向に垂直または傾斜するように設けられたバッフルと；バッフルを管軸方向に横切って延びる流路と；筐体内に被処理水を供給するポンプと；ポンプと第１開口とに連通して設けられ、被処理水が流通する供給管路と；供給管路に接続して設けられ、供給管路内の被処理水を周期的に引き抜きと押し出しを繰り返す振動流発生装置とを有することを特徴とする膜分離処理システムを提供する。本発明の膜分離処理システムによれば、本発明の膜分離処理方法を好適に行うことができる。本発明の膜分離処理システムでは、バッフルが、管状分離膜から離間して設けられることにより、前記流路が形成されていることが好ましい。また、バッフルを、管状分離膜の管軸方向に対して４５°以上９０°以下の角度で設けることが好ましい。管状分離膜としては、中空糸膜やその束を用いることが好ましい。

　本発明の膜分離処理方法および膜分離処理システムによれば、膜モジュール内にバッフルを設置して、バッフルを管軸方向に横切って延びる流路を形成し、膜モジュール内に導入する被処理水の流速を周期的に変化させることにより、膜の透水量と分離性能を向上させることができる。

本発明の膜分離処理システムの一例を表す。実施例の実験１で用いた実験装置のシステムフロー図を表す。分画分子量３０，０００の中空糸膜を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のバッフル設置と振動流による効果を表す実験結果であり、図３（ａ）は透過率の測定結果を表し、図３（ｂ）は阻止率の測定結果を表す。分画分子量３０，０００の中空糸膜を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のバッフル設置と振動流による効果を表す実験結果であり、処理後の膜外観写真を表す。分画分子量１５０，０００の中空糸膜を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のバッフル設置と振動流による効果を表す実験結果であり、図５（ａ）は透過率の測定結果を表し、図５（ｂ）は阻止率の測定結果を表す。分画分子量１５０，０００の中空糸膜を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のバッフル設置と振動流による効果を表す実験結果であり、処理後の膜外観写真を表す。分画分子量３０，０００の中空糸膜を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際の振動流の発生条件を変えた実験結果であり、図７（ａ）は透過率の測定結果を表し、図７（ｂ）は阻止率の測定結果を表す。分画分子量１５０，０００の中空糸膜を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際の振動流の発生条件を変えた実験結果であり、図８（ａ）は透過率の測定結果を表し、図８（ｂ）は阻止率の測定結果を表す。実施例の実験２で用いた実験装置のシステムフロー図を表す。分画分子量１５０，０００の中空糸膜束を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のバッフル設置と振動流による効果を表す実験結果であり、図１０（ａ）は透過率の測定結果を表し、図１０（ｂ）は阻止率の測定結果を表す。分画分子量１５０，０００の中空糸膜束を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のバッフル設置と振動流による効果を表す実験結果であり、処理後の膜外観写真を表す。分画分子量１５０，０００の中空糸膜束を用いてフミン酸水溶液を膜分離処理した際のストローハル数を変化させることによる効果を表す実験結果であり、図１２（ａ）はストローハル数と膜透過流束の関係を表し、図１２（ｂ）はストローハル数と阻止率の関係を表す。

　本発明は、管状分離膜が備えられた膜モジュールを用いて、被処理水を膜分離処理する方法に関するものである。本発明で用いられる分離膜としては、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）等が挙げられ、被処理水はそれぞれの分離膜の処理対象として公知なものを用いることができる。本発明の膜分離処理方法は、例えば、廃水（例えば、下水、し尿、畜産糞尿、厨房排水、工場排水、埋立浸出水、それらの処理におけるプロセス排水）処理、浄水処理、製造プロセスにおける分離・濃縮、有用物質の分離回収、海水淡水化等に適用することができる。

　本発明で用いる膜モジュールについて説明する。本発明で用いられる膜モジュールは、管状分離膜が筐体内に収容されて構成される。分離膜は管状であり、管軸方向がその垂直方向よりも長く形成されることが好ましい。被処理水は分離膜の外側から供給され、分離膜の外側が加圧されることにより、および／または、分離膜の内側が減圧されることにより、被処理水が分離膜の外側から内側に透過し、膜処理水が得られる。

　管状分離膜としては公知の分離膜を用いることができ、代表的には中空糸膜を用いることができる。中空糸膜は１本のみで用いてもよく、中空糸膜が複数本束ねられた中空糸膜束として用いてもよい。なお、一般的には中空糸膜は中空糸膜束として用いられる。管状分離膜としてはまた、チューブラー型の分離膜を用いてもよく、チューブラー型の分離膜としては有機膜や無機膜（セラミック膜）が知られている。

　筐体は管状分離膜を内部に収容する。筐体の形状は特に限定されないが、管状分離膜の管軸方向に延びる筒形状であることが好ましい。筒形状は、断面が円形に限らず楕円形や多角形、不定形であってもよい。なお筐体は円筒形状が好ましく、この場合、円筒形状の軸方向と管状分離膜の管軸方向が実質的に一致することが好ましい。

　筐体には、管状分離膜の外側に、管状分離膜の管軸方向の一方側に第１開口が設けられ、他方側に第２開口が設けられる。第１開口と第２開口は筐体内に被処理水が出入りするために設けられる。被処理水は、第１開口を通じて筐体内に導入され、膜分離処理により管状分離膜を透過しなかった被処理水が濃縮水として第２開口を通じて筐体内から排出される。

　被処理水は、全体として、第１開口を通じて膜モジュールに導入され、膜分離処理が施された後、第２開口を通じて膜モジュールから排出される。なお、後述するように、膜モジュールに導入された被処理水の一部は第１開口を通じて筐体内から流出する時間帯があってもよく、また第２開口を通じて筐体内から流出した濃縮水の一部は第２開口を通じて再び筐体内に戻される時間帯があってもよい。

　筐体内には、管状分離膜の外側にバッフルが設けられ、バッフルを管軸方向に横切って延びる流路が形成されている。被処理水は、筐体内に導入されて、第１開口側から第２開口側に管軸方向に延びる流路に沿って流れる際に、被処理水がバッフルに当たることにより渦流が発生して、分離膜の表面が適度に洗浄されることを狙いとして設けられる。本発明では、このように膜モジュール内で被処理水の流れを制御することにより、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能の向上を図ることができる。

　バッフルは、管状分離膜の管軸方向に垂直または傾斜するように設けられる。このようにバッフルを設けることにより、分離膜の表面近傍で渦流が発生しやすくなる。バッフルは、管軸方向に対して４５°以上９０°以下（より好ましくは６０°以上９０°以下）の角度で設けられることが好ましい。

　筐体内には、バッフルを管軸方向に横切って延びる流路が形成されている。流路は、筐体内に導入された被処理水が管軸方向に沿って流れるために設けられるものであり、被処理水の流路は、バッフルを管状分離膜から離間して設けたり、バッフルを筐体内面から離間して設けたり、あるいはバッフルに穴を設けることにより形成されればよい。また、管状分離膜が中空糸膜束であるような場合には、中空糸膜がある程度ルーズに筐体内に固定され、中空糸膜どうしの間にも被処理水の流路が形成され得る。

　バッフルの形状は特に限定されず、被処理水の管軸方向への流れを一部遮るように設けられればよい。バッフルは、例えば板状に設けられ、管軸方向から見て、バッフルが分離膜を取り囲むように設けられればよい。バッフルは、被処理水が当たる対向面が必ずしも平面状に形成されていなくてもよく、曲面状に形成されていてもよい。

　バッフルは、被処理水が管軸方向に流れる場合に、バッフルに複数回当たるように、設けられることが好ましい。具体的には、バッフルは、管状分離膜を螺旋状に取り囲むように設けられることが好ましい。この場合、バッフルは、管状分離膜を軸にして、螺旋状に設けられることとなる。またバッフルは、平板状に形成されて複数設けられ、管状分離膜が複数のバッフルを貫通して設けられることも好ましい。これらのようにバッフルを設けることにより、管軸方向に沿って複数箇所で渦流が発生しやすくなり、膜の透水量と分離性能の向上を図りやすくなる。

　上記のようにバッフルを螺旋状に設けたりバッフルを複数設ける場合、バッフルのピッチ、すなわち螺旋ピッチ（間隔）や複数のバッフル間のピッチ（バッフル間隔）は、筐体の管軸方向垂直断面の円相当直径の０．５倍以上とすることが好ましく、０．８倍以上がより好ましく、１．０倍以上がさらに好ましく、また５．０倍以下が好ましく、４．０倍以下がより好ましく、３．０倍以下がさらに好ましい。このようにバッフルを設けることにより、管状分離膜の表面で、管軸方向に対して広い範囲で、好適に渦流を発生させやすくなる。なお、筐体の管軸方向垂直断面の円相当直径とは、筐体の管軸方向垂直断面積と等面積の円の直径を意味する。

　バッフルは、管状分離膜の管軸方向にできるだけ広い範囲で設けられることが好ましい。例えばバッフルは、最も第１開口部側にある端から最も第２開口部側にある端までの長さが、管状分離膜の管軸方向の長さに対して５０％以上（より好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは８０％以上である）となるように設けられることが好ましい。なお前記態様において、バッフルが複数設けられる場合は、バッフルは３つ以上設けられることとする。このようにバッフルが設けられることにより、管状分離膜が管軸方向に対して広い範囲にわたって洗浄されやすくなる。

　バッフルは、膜モジュールを管軸方向から見て、筐体内の分離膜を除く部分の２０％以上９０％以下の面積を占めるように設けられることが好ましい。すなわち、バッフルは、管軸方向の投影面積が、筐体内の分離膜を除いた部分の管軸方向の投影面積の２０％以上９０％以下となるように設けられることが好ましい。このようにバッフルを設けることにより、膜モジュールに導入する被処理水の水量を確保しつつ、分離膜の表面近傍で渦流を発生させやすくなる。前記面積（前記投影面積を含む）は、より好ましくは４０％以上であり、さらに好ましくは５０％以上であり、また８０％以下が好ましい。

　バッフルは管状分離膜から離間して設けられることが好ましい。このようにバッフルが設けられれば、被処理水が筐体内に導入されて第１開口側から第２開口側に流れる際に、被処理水が管状分離膜の表面近傍を流れやすくなり、分離膜の表面近傍で渦流が好適に発生しやすくなる。その結果、分離膜の表面が洗浄されやすくなり、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能が向上しやすくなる。

　バッフルが管状分離膜から離間して設けられる場合、バッフルは少なくとも一部が管状分離膜から離間して設けられればよい。例えば、バッフルの一部のみを管状分離膜から離間して設けることにより、管状分離膜をバッフルにより固定することができ、分離膜を筐体内に安定して設置することが可能となる。もちろん、バッフル全体を管状分離膜から離間して設けてもよく、この場合は、有効膜面積を高めることができる。

　バッフルを管状分離膜から離間して設ける場合、その離間距離は、管状分離膜の表面近傍を流れる被処理水の流速を所望程度に確保し、管状分離膜の表面近傍で渦流が好適に発生するようにする点などを勘案して、膜モジュールや分離膜のスケールに応じて適宜定められる。実用上の膜モジュールを勘案すれば、管状分離膜とバッフルとの最大離間距離は、例えば０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲にあればよい。

　バッフルは、筐体内面に対しては離間して設けられてもよく、筐体内面に接して設けられてもよい。なお、分離膜の表面近傍で渦流が発生しやすくする点から、バッフルは、筐体内面に接して設けられることが好ましい。あるいは、バッフルが筐体内面から離間して設けられる場合は、バッフルは管状分離膜からも離間して設け、バッフルと筐体内面との離間距離が、バッフルと管状分離膜との離間距離よりも短くなるようにすることが好ましい。またバッフルには、管状分離膜が貫通する部分以外に、穴が設けられていてもよい。いずれの場合も、管状分離膜の表面近傍を流れる被処理水の流速を所望程度に確保し、管状分離膜の表面近傍で渦流が好適に発生するようにする点などを勘案して、適宜設定することが好ましい。

　本発明では、上記に説明したような膜モジュールを用いて、被処理水を第１開口から筐体内に導入して膜処理を行い、この際に、被処理水の第１開口における流速を周期的に変化させるようにする。本発明者らが検討したところ、バッフルを設けずに被処理水の流速を周期的に変化させるだけでは、かえって膜分離性能が低下してしまう場合があったり、また、バッフルを設けて被処理水を一定量で流すだけではほとんど膜分離性能が向上しない場合があるにも関わらず、上記に説明したようにバッフルを設けた上で被処理水の流速を周期的に変化させることにより、膜処理性能が格段に向上することが明らかになった。すなわち、バッフルを設置して被処理水の流速を周期的に変化させることにより、両者の組み合わせによる相乗効果が得られることが明らかになった。

　本発明においては、全体としては筐体内で被処理水を第１開口から第２開口の方向に流しつつ、筐体内での被処理水の流速や流れる方向を周期的に変化させる。このように被処理水を流すことにより、分離膜の表面近傍で周期的に渦が発生して、発生した渦が分離膜表面を管軸方向に周期的に移動するようになり、その結果、分離膜の表面が適度に洗浄され、膜の透水量（膜透過流束）と分離性能が向上するものと考えられる。また、被処理水の流速を周期的に変化させることにより、分離膜表面の流速を周期的に高めることができ、その結果、分離膜表面の濃度分極層の厚さが薄くなって、ＵＦ膜やＲＯ膜においてはこの点からも膜処理性能の向上が期待できる。

　被処理水の第１開口における流速を周期的に変化させる場合、被処理水は常に第１開口から筐体内に流入するようにしてもよいし、被処理水が第１開口を通じて筐体から流出する時間帯があってもよい。前者の場合、被処理水は常に第１開口から筐体内に流入するが、その流速が周期的に変化することとなる。後者の場合、被処理水は第１開口を通じた筐体内からの流入と流出が周期的に変化することとなる。本発明においては、後者のように被処理水の流速を変化させることが好ましい。すなわち、被処理水の第１開口における流速は、被処理水が第１開口を通じて筐体内へ流入する場合に正値をとり、被処理水が第１開口を通じて筐体内から流出する場合に負値をとるとしたとき、周期的に正値と負値をとるように変化することが好ましい。このように被処理水を流すことにより、バッフルの前後両方で周期的に渦が発生し、分離膜の表面が広範囲に適度に洗浄されたり、分離膜表面の流速を高めて、分離膜表面の濃度分極層の厚さを薄くすることができる。

　被処理水の第１開口における流速を周期的に変化させる方法としては、被処理水を第１開口と第２開口から交互に筐体内に導入したり、被処理水を振動流として第１開口から筐体内に導入したりする方法が挙げられる。また、被処理水を第１開口から筐体内に導入しながら、バッフルを管軸方向に移動させたり、螺旋状のバッフルを回転させる（管状分離膜の管軸を中心に回転させる）ことにより、被処理水の第１開口における流速を周期的に変化させることも可能である。本発明では、被処理水の流速を周期的に変化させることが容易な点から、被処理水を振動流として第１開口から筐体内に導入したりする方法を採用することが好ましい。すなわち、被処理水の流速を周期的に変化させながら、被処理水を第１開口から筐体内に導入することが好ましい。

　被処理水を振動流として第１開口から筐体内に導入するには、第１開口から筐体内に被処理水を供給するポンプの吐出量を周期的に変化させたり、当該ポンプと第１開口を繋ぐ管路に接続して振動流発生装置を設け、当該管路内の被処理水を振動流発生装置により周期的に引き抜きと押し出しを繰り返したりすればよい。特に振動流発生装置を設ける場合は、被処理水の流速が正値と負値をとるように被処理水を第１開口から筐体内に導入することができ、好ましい。被処理水の第１開口における流速は、サイン波や三角波等の任意の波形で周期的に変化させればよい。

　本発明では、被処理水の第１開口における流速を比較的速い周期で変化させることが好ましく、これにより分離膜の表面近傍で絶えず渦流を発生させやすくなり、膜処理性能の向上が図りやすくなる。例えば、被処理水の第１開口における流速は０．０１秒以上３００秒以下の周期（当該周期は０．０５秒以上がより好ましく、０．１秒以上がさらに好ましく、また６０秒以下がより好ましく、３０秒以下がさらに好ましく、１５秒以下が特に好ましい）で変化させることが好ましい。さらに本発明では、被処理水の第１開口における流速が前記周期で正値と負値をとるように変化させることが好ましい。なお、周波数は周期の逆数となる。

　また本発明では、被処理水を振動流発生装置により周期的に引き抜きと押し出しを繰り返す場合には、振動流発生装置の押し出し容積（すなわち振動流発生装置によって被処理水を最も引き抜いた状態から最も押し出した状態に移行させた場合に供給される被処理水の容量）を比較的大きくすることが好ましい。これにより筐体内で渦流を発生させやすくなり、膜処理性能の向上を図りやすくなる。振動流発生装置の押し出し容積を大きくするには、例えば、振動流発生装置におけるピストンを押し引きするストローク長を長くすればよい。

　次に、本発明の膜分離処理方法と膜分離処理システムの構成例について、図１を参照して説明する。なお本発明は、図１に示した実施態様に限定されるものではない。

　図１に示した膜分離処理システムは、膜モジュール１４と、膜モジュール１４内に被処理水１を供給するポンプ１１と、ポンプ１１と膜モジュール１４を繋ぐ供給管路１２と、供給管路１２に接続して設けられた振動流発生装置１３とを有する。膜モジュール１４は、管状分離膜１５と、管状分離膜１５を収容し、管状分離膜１５の外側に、管状分離膜１５の管軸方向の一方側と他方側に第１開口１７と第２開口１８が設けられた筐体１６と、管状分離膜１５の外側に、管状分離膜１５の管軸方向に垂直または傾斜するように設けられたバッフル１９とを有する。

　図１では、バッフル１９が管状分離膜１５から離間して設けられており、それにより、バッフル１９を管軸方向に横切って延びる流路が形成されている。また図１では、バッフル１９が筐体１６の内面に接合して設けられている。なお、バッフル１９を管軸方向に横切って延びる流路は、図１に示す態様に限らず、バッフル１９が筐体１６の内面から離間して設けられることにより形成されてもよく、バッフル１９に穴が設けられることにより形成されてもよく、管状分離膜１５が中空糸膜束であるような場合は、中空糸膜どうしの間に形成されてもよい。

　図１では、バッフル１９は、管状分離膜１５の管軸方向に傾斜するように、管状分離膜１５を取り囲んで螺旋状に設けられているが、バッフルの設置態様はこれに限定されない。例えば上記に説明したように、平板状のバッフルが管軸方向に垂直または傾斜するように設けられてもよい。バッフル１９は、管軸方向に対して４５°以上９０°以下の角度で設けられることが好ましい。

　ポンプ１１は、筐体１６に被処理水１を供給するために設けられ、特にその種類は限定されない。図１に示すように振動流発生装置１３が設けられる場合は、ポンプ１１からは定量的に被処理水１が供給されることが好ましい。供給管路１２はポンプ１１と第１開口１７とに連通して設けられ、ポンプ１１から供給（吐出）された被処理水１が流通する。

　振動流発生装置１３は供給管路１２に接続して設けられ、供給管路１２内の被処理水１を周期的に引き抜きと押し出しを繰り返すように作動する。図１に示した振動流発生装置１３では、ピストンによって供給管路１２内の被処理水１を周期的に引き抜きと押し出しを繰り返すように構成されている。振動流発生装置１３により、被処理水１が振動流として筐体１６内に供給されることとなる。

　被処理水１は、ポンプ１１によって第１開口１７を通じて筐体１６内に導入され、その際に振動流発生装置１３によって被処理水１の第１開口１７における流速を周期的に変化させる。このとき、振動流発生装置１３によって、被処理水１の筐体１６内への流入と流出が周期的に繰り返されることが好ましい。すなわち、被処理水１が第１開口１７を通じて筐体１６内へ流入する場合に被処理水１の第１開口１７における流速が正値をとり、被処理水１が第１開口１７を通じて筐体１６内から流出する場合に被処理水１の第１開口１７における流速が負値をとるとしたとき、被処理水１の第１開口１７における流速が周期的に正値と負値をとるように変化することが好ましい。例えば、図１に示す振動流発生装置１３では、ピストンの内容積を大きくしたり、ピストンを押し引きする周期を短く（周波数を高く）することにより、被処理水１の第１開口１７における流速を周期的に正値と負値をとるように変化させることができる（ただし、ポンプ供給量は一定とする）。

　膜モジュール１４内に導入された被処理水１は膜分離処理されることにより、被処理水１が分離膜１５の外側から内側に透過し膜処理水２が得られる。一方、分離膜１５を透過しなかった被処理水１は、濃縮水３として第２開口１８から排出される。

　第２開口１８には、図１に示すように、濃縮水３を排出するための排出管路２０が接続されることが好ましい。この際、排出管路２０は、膜モジュール１４の背圧が確保されるように設けられることが好ましい。例えば、図１に示すように、排出管路２０内の水面が第２開口１８よりも高くなるように排出管路２０を設置することが好ましい。また図１には示されていないが、排出管路２０に背圧バルブを設けたり、排出管路２０、供給管路１２または筐体１６に圧力計を設けるとともに排出管路２０にバルブを設けることにより、圧力計の値に応じてバルブの開度を適宜操作するようにしてもよい。

　図１に示すように、排出管路２０内の濃縮水３の水面が第２開口１８よりも高くなるように排出管路２０を設置する場合は、排出管路２０内の濃縮水３は排出管路２０の最高地点で大気開放されることが好ましい。このように排出管路２０を設置することにより、振動流によって被処理水が第１開口１７を通じて筐体１６内から流出する場合でも、筐体１６内を被処理水や濃縮水で満たすことができ、膜分離処理を好適に行えるようになる。このとき、排出管路２０の第２開口１８から排出管路２０の最高地点までの容積（すなわち排出管路２０内の濃縮水３の第２開口１８から排出管路２０の最高地点までの容量）が、振動流発生装置１３の押し出し容積（すなわち振動流発生装置１３によって被処理水１を最も引き抜いた状態から最も押し出した状態に移行させた場合に供給される被処理水１の容量）よりも大きくなるように排出管路２０を設けることが好ましい。また上記に説明したように、排出管路２０にバルブを設けて膜モジュール１４の背圧を確保する場合は、排出管路２０の容積が振動流発生装置１３の押し出し容積よりも大きくなるように排出管路２０を設けたり、排出管路２０に空気弁を設けることが好ましい。

　本願は、２０１３年２月１５日に出願された日本国特許出願第２０１３－０２８０９６号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１３年２月１５日に出願された日本国特許出願第２０１３－０２８０９６号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。

　以下に、実施例を示すことにより本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。

　（１）実験１：中空糸膜単体による膜分離処理実験
　（１－１）試験装置
　図２に示す試験装置を用いて膜分離処理を行った。試験装置は、膜モジュール２５と、膜モジュール２５に被処理水を供給するポンプ２２と、ポンプ２２と膜モジュール２５の間に設けられた振動流発生装置２４から主に構成されていた。膜モジュール２５は、内径４ｍｍ、長さ１１０ｍｍの円筒筐体２７内に、管状分離膜２６としてポリエーテルスルホン製の中空糸膜（ダイセン・メンブレン・システムズ社製、限外ろ過膜、直径１ｍｍ、長さ１１５ｍｍ、有効膜面積３．５９×１０^-4ｍ²）が１本、円筒筐体２７の軸方向に延びるように設けられていた。また、管状分離膜２６を取り囲んで、バッフル３０として、直径約１ｍｍの針金が螺旋状（螺旋のピッチ約６ｍｍ）に設置されていた。バッフル３０（針金）は、管状分離膜２６の表面から離間して設けられるとともに、筐体２７の内面からも一部離間して設けられていた。バッフル３０（針金）は、円筒筐体内断面において、中空糸膜を除く部分の約３／４の面積を占めていた。円筒筐体２７には、軸方向（図２では管状分離膜の管軸方向と一致）の一方側と他方側に第１開口２８と第２開口２９が設けられ、第１開口２８には、被処理水が貯められた供給槽２１に連通してＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）製供給チューブ２３（サンゴバン社製、タイゴン（登録商標）チューブ６４０９－１６、内径３．２ｍｍ、外径６．４ｍｍ）が接続し、供給チューブ２３にはチュービングポンプ２２（Ｃｏｌｅ－Ｐａｒｍｅｒ社製、Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ（登録商標）Ｌ／Ｓチュービングポンプ　０７５２８－３０）が設けられ、チュービングポンプ２２により被処理水が第１開口２８を通じて筐体２７内に供給できるようになっていた。振動流発生装置２４としては、シリンジドライブモジュール（Ｈａｍｉｌｔｏｎ社製、ＰＳＤ／８ショートドライブシステム）を用い、当該モジュールにはＰＴＦＥ製シリンジ（Ｈａｍｉｌｔｏｎ社製、１０１０ＴＬＬ、容量１０ｍＬ、断面積１．６７ｃｍ²）がセットされ、シリンジの吐出側がポンプ２２と第１開口２８の間の供給チューブ２３に接続されていた。シリンジは、シリンジドライブモジュールによってプランジャー（内筒）が自動的に押し引きされるように構成され、被処理水が供給チューブ２３からシリンジ内に引き込まれるとともに、シリンジ内に引き込まれた被処理水が供給チューブ２３に供給できるように構成されていた。被処理水は、シリンジドライブモジュールから三角波の振動流として、第１開口２８から筐体２７内に供給されていた。筐体２７内に供給された被処理水は、筐体２７内で５０ｋＰａ（ゲージ圧）に加圧されて（膜間差圧に相当）、管状分離膜２６（中空糸膜）の内側に透過し、膜処理水として得られるようになっていた。管状分離膜２６を透過しなかった被処理水は、濃縮水として第２開口２９を通じて筐体２７内から排出されるようになっており、第２開口２９には排出チューブ３１（供給チューブと同仕様）が接続し、排出チューブ３１には筐体２７内の加圧状態を保持するためにバルブ３２が取り付けられていた。なお、処理条件によっては、上記の試験装置においてバッフル（針金）を取り除いて、膜分離処理を行った。

　（１－２）膜分離処理方法と処理条件
　被処理水としてフミン酸水溶液を用いて膜分離処理を行った。フミン酸水溶液は、フミン酸ナトリウム塩（シグマアルドリッチ社製）を１ｍＭＮａＨＣＯ₃水溶液に少量ずつ加え、５０ｍｇ／Ｌの濃度に調整することにより作製した。調製したフミン酸水溶液のｐＨは８．４であった。被処理水は、供給チューブ２３を通じてチュービングポンプ２２で平均流量１６．６ｍＬ／分（０．２７７ｍＬ／秒）で筐体２７内に供給し、その際にシリンジのプランジャーを押し引きすることにより、振動流を発生させた。振動流を発生させた際に第１開口２８から被処理水が流出する場合でも、第２開口２９に接続した排出チューブ３１の長さを十分確保し、筐体２７内が被処理水で満たされるようにした。

　表１に示した処理条件に従って、フミン酸水溶液を１８０分間膜分離処理し、膜処理性能として透過率と阻止率を測定した。実験１では、分画分子量３０，０００の中空糸膜Ａと分画分子量１５０，０００の中空糸膜Ｂの２種類（いずれもダイセン・メンブレン・システムズ社製）を用い、バッフルの有無、振動流の有無、振動流の発生条件を表１に示すように様々変えて、膜処理性能を調べた。表１において、ストローク長と周波数はプランジャーを押し引きするストローク長と周波数をそれぞれ表し、最大流量と最小流量は第１開口を通過する被処理水の流量の最大値と最小値をそれぞれ表し、第１開口を通過する被処理水の流速に比例する。なお最大流量と最小流量は、被処理水が筐体内に流入する場合に正値で表し、筐体内から流出する場合に負値で表した。振動流を発生させない場合は、被処理水は定速で筐体内に流入し、最大流量と最小流量は変わらないものとした。

　透過率と阻止率は、下記式に従い算出した。
　　透過率＝Ｊ／Ｊ₀　［ただしＪ＝Ｖ／（Ａ×ｔ）］
　　　　Ｊ：各処理例におけるフミン酸水溶液の膜透過流束
　　　　Ｊ₀：上記と同条件における蒸留水の膜透過流束
　　　　Ｖ：透過液体積（Ｌ）
　　　　Ａ：有効膜面積（ｍ²）
　　　　ｔ：測定時間（ｈ）
　　阻止率（％）＝（Ｃ₀－Ｃ）／Ｃ₀×１００
　　　　Ｃ₀：被処理水フミン酸濃度（ｍｇ／Ｌ）
　　　　Ｃ：膜処理水（透過液）フミン酸濃度（ｍｇ／Ｌ）

　（１－３）処理結果
　図３～図６には、バッフルを設置し、振動流を発生させることの効果を検討した結果を示した。図３と図４は処理例１～４の処理結果を示し、図５と図６は処理例７～１０の処理結果を示す。図３（ａ）と図５（ａ）は透過率の結果を表し、図３（ｂ）と図５（ｂ）は阻止率の結果を表し、図４と図６は処理後の膜外観写真を表す。

　中空糸膜Ａと中空糸膜Ｂのいずれの場合も、バッフルを設置して、振動流を発生させながら膜処理を行うことで、それぞれを単独で行う場合よりも透過率と阻止率が向上した。バッフルを設置して振動流を発生させた場合、それぞれを単独で行った場合の単純な足し合わせ以上の効果が得られ、両者の組み合わせによる相乗効果が見られた。中空糸膜Ａでは、バッフルを設置しないで振動流のみを発生させた場合（処理例２）、バッフルを設置しないで振動流も発生させない場合（処理例１）よりも透過率と阻止率が低下したにも関わらず、バッフルと振動流を組み合わせることにより（処理例４）、バッフルのみを設置させた場合（処理例３）よりも透過率と阻止率が向上する結果となった。中空糸膜Ｂを用いた場合は、バッフルを設置しただけでは透過率はほとんど変わらなかったにも関わらず（処理例７と処理例９）、振動流を発生させた場合は、バッフルを設置することにより透過率が向上する結果となった（処理例８と処理例１０）。また中空糸膜Ｂでは、バッフルと振動流を組み合わせることにより、処理開始後、速やかに高い阻止率を示す結果となった。処理後の中空糸膜の外観も、バッフルと振動流を組み合わせることにより、膜表面の汚れの付着が大きく低減する結果となった。この結果から、バッフルと振動流を組み合わせることにより、膜表面の濃度分極が抑制され、膜表面付近のフミン酸濃度が低下したと考えられる。膜分離処理においては一般に、透過率と阻止率は相反するものであり両方を同時に向上させることは難しいものであると認識されているが、バッフルと振動流を組み合わせることにより、透過率と阻止率の両方を向上できたことは非常に注目すべき結果である。

　図７と図８には、振動流の発生条件を変えた場合の結果を示した。図７は処理例４～６の結果を示し、図８は処理例１０～１６の結果を示す。図７（ａ）と図８（ａ）は透過率の結果を表し、図７（ｂ）と図８（ｂ）は阻止率の結果を表す。

　中空糸膜Ａでは、振動流の発生条件すなわちストローク長と周波数を変えても、透過率と阻止率はほとんど変化しなかった。一方中空糸膜Ｂでは、ストローク長を長くとるほど、あるいは周波数を増やすほど、透過率と阻止率が向上する傾向が見られた。これは、ストローク長を長くとり、周波数を増やすことにより、振動流の最大流速が高まること、あるいは最小流速の負の絶対値が高まることにより、中空糸膜の表面近傍でより強い渦流が発生しやすくなったためと考えられる。

　（２）実験２：中空糸膜束による膜分離処理実験
　（２－１）試験装置
　図９に示す試験装置を用いて膜分離処理を行った。図９に示す試験装置は、図２に示す試験装置とほぼ同じ装置構成を有しており、同じ構成要素を同じ参照符号で表している。実験２では、実験１に対して、管状分離膜２６として、ポリエーテルスルホン製の中空糸膜（ダイセン・メンブレン・システムズ社製、限外ろ過膜、直径０．９５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、分画分子量１５０，０００）３０本からなる中空糸膜束（有効膜面積４．４８×１０^-3ｍ²）を用いた点が大きく異なる。そのため、各構成要素は全体的にスケールアップしており、例えば筐体２７として、直径１６ｍｍ、長さ５０ｍｍの円筒筐体を用い、バッフル３０には直径約２．８ｍｍの針金を用い、これを中空糸膜束の外側に螺旋状（螺旋のピッチ約１４ｍｍまたは約２８ｍｍ）に設置した。膜間差圧は、実験１と同様に５０ｋＰａ（ゲージ圧）に維持した。実験２では、バッフル３０が管状分離膜２６と一部離間して設けられ、バッフル３０と管状分離膜２６の間に被処理水の流路が形成されるとともに、管状分離膜２６を構成する中空糸膜どうしの間にも被処理水の流路が形成されていた。

　（２－２）膜分離処理方法と処理条件
　被処理水として、実験１と同様のフミン酸水溶液を用いて膜分離処理を行った。実験２では、被処理水を平均流量１２０ｍＬ／分（２．０ｍＬ／秒）で筐体２７内に供給し、表２に示した処理条件に従って、フミン酸水溶液を３００分間膜分離処理し、膜処理性能として透過率と阻止率を測定した。また、表２の処理例２０および２２の条件に対して、周波数や振動体積（ストローク長に比例し、振動流発生装置による被処理水の押し出し容積を意味する）を変えて様々処理を行い、下記式により算出されるストローハル数を指標として、ストローハル数と膜透過流束または阻止率との関係を調べた。なお、ストローハル数は無次元数である。

　　ストローハル数＝ｖ×ｆ／ｕ
　　　　ｖ：振動体積（ｍＬ）
　　　　ｆ：周波数（ｓ^-1）
　　　　ｕ：平均流量（ｍＬ／ｓ）

　（２－３）処理結果
　図１０と図１１に、処理例１７～２２の処理結果を示す。図１０（ａ）は透過率の結果を表し、図１０（ｂ）は阻止率の結果を表し、図１１は処理後の膜外観写真を表す。管状分離膜として中空糸膜束を用いた場合も、バッフルを設置して、振動流を発生させながら膜処理を行うことで、それぞれを単独で行う場合よりも透過率と阻止率が向上した。また処理後の中空糸膜の外観も、バッフルと振動流を組み合わせることにより、膜表面の汚れの付着が低減した。実験２では、バッフルと振動流を組み合わせた場合に、１４ｍｍのピッチでバッフルを設置したときの処理性能が、２４ｍｍのピッチでバッフルを設置しときの処理性能よりも良くなる結果となった。この理由は次のように推察される。すなわち、１４ｍｍのピッチでバッフルを設置した場合には、フミン酸微粒子がバッフルに沿って流れていることが観察されたことから、バッフルのピッチを調整することにより、管軸方向に沿った被処理水の流れと螺旋状の被処理水の流れの両方が好適に形成されたと考えられる。その結果、膜表面でより強力な渦流が発生し、渦流によるせん断力が強化され、膜表面のファウリング層や濃度分極層が減少したと考えられる。

　図１２には、周波数や振動体積を様々変化させて処理を行い、ストローハル数と膜透過流束または阻止率との関係を調べた結果を示した。図１２（ａ）は、ストローハル数と膜透過流束の関係を表し、図１２（ｂ）は、ストローハル数と阻止率の関係を表す。ストローハル数が０．５程度までは、ストローハル数が大きくなるにつれて膜透過流束と阻止率が向上する傾向を示したが、それ以上ストローハル数が大きくなっても膜透過流束と阻止率の向上効果はほとんど改善しなかった。また、筐体に導入される被処理水の平均流速が一定の場合は、振動体積と周波数の内訳によらずストローハル数が同じであれば、同じような膜透過流束と阻止率の結果が得られることも明らかになった。ストローハル数はいわば振動の強度を表しており、ストローハル数を大きくするほど、振動流を発生させるエネルギーが増える傾向となる。従って、ストローハル数を指標とすることで、必要最小限のエネルギーで効率的な膜分離処理を行うことが可能となる。

　本発明は、廃水処理、浄水処理、製造プロセスにおける分離・濃縮処理、有用物質の分離回収等に適用することができる。

　１３，２４：振動流発生装置
　１４，２５：膜モジュール
　１５，３６：管状分離膜
　１６，２７：筐体
　１７，２８：第１開口
　１８，２９：第２開口
　１９，３０：バッフル

Claims

　管状分離膜が筐体内に収容された膜モジュールを用いて、被処理水を膜分離処理する方法であって、
　筐体には、管状分離膜の外側に、管状分離膜の管軸方向の一方側と他方側に第１開口と第２開口が設けられ、
　管状分離膜の外側に、管軸方向に垂直または傾斜するようにバッフルが設けられ、
　バッフルを管軸方向に横切って延びる流路が形成され、
　被処理水を第１開口から筐体内に導入し、被処理水の第１開口における流速を周期的に変化させることを特徴とする膜分離処理方法。
　前記バッフルが、管状分離膜から離間して設けられることにより、前記流路が形成されている請求項１に記載の膜分離処理方法。
　被処理水が第１開口を通じて筐体内へ流入する場合に前記流速が正値をとり、被処理水が第１開口を通じて筐体内から流出する場合に前記流速が負値をとるとしたとき、前記流速が周期的に正値と負値をとるように変化する請求項１または２に記載の膜分離処理方法。
　前記流速を、０．０１秒以上３０秒以下の周期で変化させる請求項１～３のいずれか一項に記載の膜分離処理方法。
　前記管状分離膜が、中空糸膜またはその束である請求項１～４のいずれか一項に記載の膜分離処理方法。
　管状分離膜と、
　管状分離膜を収容し、管状分離膜の外側に、管状分離膜の管軸方向の一方側と他方側に第１開口と第２開口が設けられた筐体と、
　管状分離膜の外側に、管軸方向に垂直または傾斜するように設けられたバッフルと、
　バッフルを管軸方向に横切って延びる流路と、
　筐体内に被処理水を供給するポンプと、
　ポンプと第１開口とに連通して設けられ、被処理水が流通する供給管路と、
　供給管路に接続して設けられ、供給管路内の被処理水を周期的に引き抜きと押し出しを繰り返す振動流発生装置とを有することを特徴とする膜分離処理システム。
　前記バッフルが、管状分離膜から離間して設けられることにより、前記流路が形成されている請求項６に記載の膜分離処理システム。
　前記バッフルは、前記管軸方向に対して４５°以上９０°以下の角度で設けられている請求項６または７に記載の膜分離処理システム。
　前記管状分離膜が、中空糸膜またはその束である請求項６～８のいずれか一項に記載の膜分離処理システム。