JP3536558B2 - 浸漬型膜分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、槽内液中に中空糸
膜エレメントを浸漬してなる膜分離装置に係り、特に、
活性汚泥や凝集汚泥等の懸濁液の膜濾過に好適な浸漬型
膜分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】膜分離処理に使用される分離膜の一種と
して中空糸膜がある。この中空糸膜には、中空糸膜の内
部を原水流路とする内圧型中空糸膜と、中空糸膜の外部
を原水流路とする外圧型中空糸膜とがある。

【０００３】内圧型中空糸膜は、原水の流路が狭く、短
時間で原水流路の閉塞を起こすため、懸濁物質の濾過に
適さないという欠点があった。一方、外圧型中空糸膜
は、原水を中空糸膜の外側に通し、内側は透過水を通す
ことによってこの問題を解決したものである。

【０００４】しかし、外圧型中空糸膜でも、隣接する中
空糸膜間に懸濁物質が濃縮され、ゲル化又はケーク化
し、中空糸膜の有効面積が減少する（以下、この現象を
「膜間流路閉塞」と称す。）という問題があった。

【０００５】このため、膜間流路閉塞を起こしにくいモ
ジュール形態或いはモジュール設置方法について、種々
検討が行われている。例えば、図２（ａ）（正面図）及
び図２（ｂ）（平面図）に示す如く、複数の中空糸膜１
をスクリーン状に並列配置した中空糸膜エレメント２が
市販されている。

【０００６】この中空糸膜エレメント２は、多数本の中
空糸膜１がスクリーン面Ｓを形成するように並列に配置
され、中空糸膜１の両端を各々集水管３，３に埋設保持
させたものである。中空糸膜１を透過した濾過水は、集
水管３，３及び抜出管４，４を経て取り出される。

【０００７】このようなスクリーン状外圧型中空糸膜エ
レメントをモジュール化して用い原水の濾過を行う場合
において、モジュールの下方から気体を曝気することに
より、膜面に循環流を与え、中空糸膜を振動させて高フ
ラックスを得る技術も開発されている。

【０００８】なお、従来、スクリーン状外圧型中空糸膜
エレメント２は、図２（ａ）に示す状態で処理槽に浸漬
され、下方から原水流や散気ガスが供給されたり、図３
に示す如く、そのスクリーン面が水平となるように複数
個積層してモジュール化した状態で処理槽内に浸漬さ
れ、原水流を上向流又は下向流としている。これは、こ
のように中空糸膜が原水流を横切るように配置すること
により、原水流のみならず、モジュールの下方で曝気を
行った場合に気泡が中空糸膜１の長手方向と垂直に当た
り、高フラックス及び高い膜面洗浄効果が得られると考
えられていたことによる。

【０００９】このスクリーン状外圧型中空糸膜エレメン
トは、膜間流路閉塞を起こしにくいものではあるが、中
空糸膜が原水流を横切るように設けた従来の膜分離装置
では、その膜間流路閉塞防止効果は十分ではない。特
に、エレメントの中空糸膜の中央部分以外の部分におい
て膜間流路閉塞が起き易い。この原因について図４，５
を参照して説明する。

【００１０】図４は、スクリーン状外圧型中空糸膜エレ
メントをその中空糸膜長手方向が原水流を横切るように
且つスクリーン面を原水流と平行に設置した場合の模式
図であり、図４の横軸は中空糸膜の延在方向、縦軸は中
空糸膜の垂直方向の変位を示す。

【００１１】この図４より明らかなように、集水管保持
部に近いほど、中空糸膜が水平線に対してなす角度θが
大きくなる。ここで、θが一定と見なせる小区間Ｚをと
ると、図５に拡大して示す如く、中空糸膜に垂直な方向
の中空糸束の幅Ｌ′は、集水管保持部における中空糸束
の幅Ｌに対して、 Ｌ′＝ｃｏｓθ・Ｌ となる。即ち、Ｌ′方向の断面Ｍ′においては、Ｌ方向
の断面Ｍに比べ、中空糸膜同士の間隔はｃｏｓθ倍にな
り、中空糸膜に垂直な方向の膜充填密度が１／ｃｏｓθ
倍になる。ここで、ｃｏｓθ＜１であるので、断面Ｍ′
では中空糸膜同士の間隔は狭くなる。従って、従来の設
置形態では、中空糸膜は、その集水管保持部に近づくに
つれ、中空糸膜が密集するようになり、原水流路閉塞を
起こし易い。

【００１２】なお、中空糸膜を緊張させた状態で保持す
ることも考えられるが、中空糸膜を緊張させて保持する
ことは、中空糸膜の破損を招き易く、好ましいことでは
ない。

【００１３】この原因について、図６，７を参照して次
に説明する。

【００１４】図６は、中空糸膜の両端の集水管保持部間
の距離Ｋと最大間隔、即ち、中空糸膜を最も緊張した状
態で保持した場合の距離Ｋ_max との比率Ｋ／Ｋ_max を横
軸とし、集水管保持部近傍の中空糸膜の水平線に対する
角度θを縦軸とした相関図である。この図６から、中空
糸膜両端の集水管保持部間の距離Ｋはなるべく大きくと
った方が、即ち、中空糸膜のたるみが少ない方が、角度
θが小さくなり、中空糸膜の端部における充填密度が小
さくなることがわかる。

【００１５】しかしながら、中空糸膜両端の集水管保持
部間の距離Ｋを大きくすると、それに比例して中空糸膜
に加えられる張力が大きくなる。中空糸膜両端の集水管
保持部間の距離と中空糸膜に加えられる張力との関係を
示す図７より明らかなように、中空糸膜両端の集水管保
持部間の距離Ｋが最大値Ｋ_max に近づくほど、張力は急
激に増大する。張力が大きくなると、中空糸膜の破断及
び中空糸膜の集水管保持部の破断の危険性が大きくな
る。

【００１６】特開平６−１９８１４４号公報には、複数
の平膜モジュールを槽内に平行に浸漬配置してなる膜分
離装置において、膜先端部集水管の位置を、隣接モジュ
ール同士において異ならせることが記載されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】中空糸膜モジュールの
中空糸膜長手方向を原水流方向と平行に配置した場合で
あっても、図８に示す如く、隣接するエレメント２，２
の集水管３，３位置を原水流通方向において同一にした
ときには、集水管３，３同士の間隔が小さいものとな
り、この集水管３，３間を通過してエレメント２，２間
に流れ込む原水流が弱められ、これにより膜間流路閉塞
が起こり易くなる。

【００１８】なお、特開平６−１９８１４４号の平膜型
膜分離装置の場合、板状の支持板に膜を張ったエレメン
トを集積し、モジュール化している。従って、液が流れ
る部位は膜同士の間となる。膜面積を大きくするという
観点からは、支持板を薄くし、流路間隔を小さくする必
要がある。しかしながら、流路間隔は液の流れやすさ、
ひいては膜間閉塞の点から大きく保たなければならな
い。

【００１９】中空糸膜エレメントは、同一規模の平膜エ
レメントの倍程度の膜面積を有するものの、中空糸膜端
部に集水管が設けられており、この集水管が原水流れの
障害になることがある。即ち、この中空糸膜エレメント
を液流通方向に水平方向として設置（縦置き）する場
合、膜端部の集水管が、槽の上下方向に位置する。槽の
下部は、散気装置からのエアーに伴い水流が発生し、上
向きの流れを作り出すが、集水管が水の流通を阻害し、
エレメント間に流れにくくなる。この対策として、膜エ
レメントの間隔を大きくとることが考えられるが、この
ようにすると、膜充填率が小さくなり、膜面積が小さく
なってしまう。

【００２０】本発明は上記従来の問題点を解決し、中空
糸膜モジュールの膜充填率を高くして大きな膜面積を得
ることができ、しかも膜間流路閉塞を確実に防止するこ
とができ、常に高フラックスを得ることができる浸漬型
膜分離装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の浸漬型膜分離装
置は、多数本の中空糸膜が並設され、該中空糸膜の両端
が集水管によって保持された中空糸膜エレメントを複数
個槽内に配設してなる浸漬型膜分離装置において、各エ
レメントは、その中空糸膜の長手方向が原水の流通方向
と平行方向となるように設置されており、かつ、隣接す
るエレメントの集水管の原水流通方向における間隔ｂが
該集水管の外径ａの０．４〜２倍であり、隣接するエレ
メントの集水管の原水流通方向と直交方向における間隔
ｃが該集水管の外径ａの０〜０．５倍であるように、隣
接するエレメントの原水流通方向上流側の端部の位置を
該原水流通方向に異ならせたことを特徴とする。

【００２２】本発明では、隣接するエレメントの原水流
通方向上流側の端部の位置を該原水流通方向に異ならせ
ているため、隣接するエレメント同士の間隔を小さくし
ても、集水管同士の間を通ってエレメント間に流れ込む
原水流が殆ど弱められない。これにより、膜面への懸濁
物質の濃縮・堆積が防止される。また、エレメント同士
の間の間隔を小さくすることにより、膜充填率を高め、
膜面積を大きくすることができる。なお、膜充填率を３
割以上高めることができる。

【００２３】本発明では、原水流と中空糸膜の長手方向
とが平行になるように中空糸膜モジュールを設置するた
め、図４，５に示す従来例（中空糸膜長手方向と原水流
とを交叉させたもの）のような集水管保持部近傍での中
空糸膜の密集化が起こらず、モジュール全体にわたって
充填密度はほぼ同等となる。このため、局部的な中空糸
膜の密集化による膜間流路閉塞が防止される。

【００２４】本発明では、中空糸膜が原水の流れ方向に
沿って延在するため、中空糸膜に加えられる張力が小さ
くても、集水管端部においても中空糸膜が局部的に密集
することにはならない。従って、本発明によると、中空
糸膜に大きな張力をかけることなく、膜間流路閉塞を防
止することができる。

【００２５】特に、本発明において、中空糸膜の長手方
向を鉛直方向とした中空糸膜モジュールの下部で曝気を
行った場合には、曝気により与えられる循環流が強力な
乱流となる上に、集水管自体が乱流化を促進し、膜間流
路閉塞が一層確実に防止される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の浸
漬型膜分離装置の実施の形態を説明する。

【００２７】図１は本発明の浸漬型膜分離装置の外圧型
中空糸膜エレメント２の配置を示すものであり、（ａ）
図は平面図、（ｂ）図は正面図、（ｃ）図は（ｂ）図の
Ｃ−Ｃ線に沿う側面図、（ｄ）図は（ｃ）図における原
水流れの説明図である。

【００２８】多数本の中空糸膜１がスクリーン状に並設
され、各中空糸膜１の両端が集水管３，３に保持された
スクリーン状外圧型中空糸膜エレメント２を、複数個、
各エレメント２のスクリーン面が互いに平行でかつ中空
糸膜長手方向が原水流と平行となるように、隣接するエ
レメント２，２の間隔をあけて配設してある。

【００２９】隣接するエレメント２の集水管３は、原水
流通方向（この実施の形態では上向流）において位置が
異なっている。この実施の形態では、図１（ｃ）の左側
から奇数番目のエレメントの下側集水管３は偶数番目の
エレメントの下側集水管３よりも下方に位置している。
この奇数番目のエレメント２の下側集水管３は互いに同
一高さに位置し、偶数番目のエレメント２の下側集水管
３も互いに同一高さに位置している。

【００３０】なお、各エレメント２の上側の集水管３も
図示の通り下側集水管３と同じ配列となっている。

【００３１】このエレメント２を原水槽に浸漬して使用
する場合には、エレメント２の一方の集水管３が下方に
位置し、他方の集水管３が上方に位置し、スクリーン面
及び中空糸膜１の延在方向が鉛直方向となるように設置
するのが好適である。

【００３２】

【００３３】なお、本発明においては、隣接する集水管
３の原水流通方向における間隔ｂは集水管３の外径ａの
０．４〜２倍とし、隣接するエレメント２の集水管３の
原水流通方向と直交方向における間隔ｃはａの０〜０．
５倍、好ましくは０．１〜０．２倍程度とする。

【００３４】集水管の外径ａは通常３０〜７０ｍｍ程度
のものが用いられる。

【００３５】中空糸膜の保持状態については、前述の如
く、中空糸膜を過度に緊張して保持すると、中空糸膜が
破損するおそれがあることから、中空糸膜両端の集水管
保持部間の距離Ｋが、最大間隔、即ち、中空糸膜を最も
緊張した状態で保持した場合の間隔Ｋ_max の９４〜９８
％程度とするのが好ましい。

【００３６】このようにエレメント２を隣接するエレメ
ントの集水管３が互い違い状となるように配設すること
により、エレメント２同士の間隔を小さくすることがで
き、膜充填率を高め、膜面積を大きくすることができ
る。また、エレメント２間に流入する水の流速を大きく
し、膜面への懸濁物質の付着を防止することができる。

【００３７】即ち、図８（ａ）の比較例のようにエレメ
ント２の集水管３の高さをすべて均一にした場合には、
下側集水管３同士の間隔が狭くなり、上向水流が集水管
３で妨害されるようになる。これを防ぐためには、下側
集水管３同士の間隔を大きくしなければならないが、こ
のようにすると膜充填率が低下し、膜面積が小さくなっ
てしまう。また、図８（ａ）の比較例において上向流が
下側集水管３で妨害される結果、下側集水管３の上面部
付近に水流の滞留が生じ、図８（ｂ）のように該上面部
及びその近傍の中空糸膜に懸濁物質が濃縮・堆積し、そ
の部分の膜が閉塞し、有効膜面積が低下する。有効膜面
積の低下は濾過水量の低下あるいは濾過差圧の上昇とな
って現れ、濾過処理を非効率化し、濾過継続時間を短く
する。また、このように濃縮・堆積した懸濁物質は洗浄
作業によっても剥離しにくく、洗浄作業の妨害となる。

【００３８】これに対し、図１のように各エレメント２
を配設することにより、エレメント２同士の間隔を小さ
くし且つ隣接集水管３同士の間隔を大きくとることがで
き、膜充填率を向上させると共に各エレメント２間に原
水を高流速で流入させることができる。また、水流が図
１（ｄ）のように集水管の間を縫うように流れることに
より、集水管３上部の膜面に懸濁物質が堆積しない。

【００３９】さらに、上記したような集水管の間を縫う
ような流れは、水流の乱流化を促進して膜面の撹拌を促
進するため、図８（ａ）のエレメントの如き膜面への懸
濁物質の濃縮・堆積を効果的に防ぐことができ、濾過効
率がアップする。

【００４０】

【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳
細に説明する。

【００４１】実施例１は図１（ａ）〜（ｃ）の構成と
し、ａ＝５０ｍｍ、ｂ＝３０ｍｍ、ｃ＝５ｍｍとした。

【００４２】比較例１は図８（ａ）の構成とし、ａ＝５
０ｍｍ、ｃ＝５ｍｍとした。

【００４３】実施例１及び比較例１のいずれにおいて
も、膜エレメントをＭＬＳＳ１００００ｍｇ／ｌの活性
汚泥に浸漬し、膜透過フラックス０．３ｍ³ ／ｍ² ／日
で濾過を行った。膜は公称孔径０．１μｍのポリエチレ
ンＭＦ膜を使用した。１エレメントの公称膜面積は４ｍ
² であり、これを５本集積したモジュールを試験に用い
た。このとき、膜モジュールの下部より、２４０ＮＬ／
ｍｉｎ（膜濾過部空塔断面積当たり１Ｎｍ³ ／ｍ² ／ｍ
ｉｎ）で空気を曝気した。

【００４４】その結果、両者とも初期差圧は約５ｋＰａ
であったが、図８（ａ）のエレメントは約５日で５０ｋ
Ｐａ以上まで差圧が上昇し、事実上濾過不能となった。
このとき、膜面には脱水ケーキ状の汚泥が大量に付着し
ていた。これに対し、本発明による図１のエレメントは
１ケ月経過後も差圧２５ｋＰａ以下であり、十分に安定
運転できることが分かった。このエレメントを１ケ月経
過した時点で観察したところ、膜面にはほとんど汚泥の
付着が認められず、膜面の撹拌が十分に行われたことが
示された。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の浸漬型膜分
離装置によれば、複数個のスクリーン状外圧型中空糸膜
エレメントを各エレメントのスクリーン面が原水の流通
方向と平行方向となるように配設し、かつ隣接するエレ
メントの原水流通方向上流側の端部の位置を原水流通方
向に異ならせたことにより、中空糸膜の破損の危険性を
増すことなく、膜間流路閉塞を効果的に防止して、長期
間にわたって高フラックスを得ることができる。

【００４６】このような本発明の浸漬型膜分離装置は、
特に、懸濁溶液の膜濾過効率の向上及び安定化に極めて
有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の膜分離装置における中空糸膜エレメン
トの配置を示すものであり、（ａ）図は平面図、（ｂ）
図は正面図、（ｃ）図は側面図である。（ｄ）図は原水
の流れを示す模式図である。

【図２】（ａ）図はスクリーン状外圧型中空糸膜エレメ
ントを示す正面図、（ｂ）図は同平面図である。

【図３】従来のモジュールの設置方法を示す正面図であ
る。

【図４】中空糸膜エレメントの原水流中での状態を示す
模式図である。

【図５】図４のＺ部分の拡大図である。

【図６】中空糸膜両端の集水管保持部間の距離と、集水
管保持部近傍の中空糸膜の水平線に対する角度との関係
図である。

【図７】中空糸膜両端の集水管保持部間の距離と中空糸
膜の張力との関係図である。

【図８】（ａ）図は比較例に係るエレメント配置を示す
正面図である。（ｂ）図は懸濁物質の付着状況を示す模
式図である。

【符号の説明】

１ 中空糸膜 ２ スクリーン状外圧型中空糸膜エレメント ３ 集水管 Ｓ スクリーン面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 63/02 C02F 1/44

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数本の中空糸膜が並設され、該中空糸
   膜の両端が集水管によって保持された中空糸膜エレメン
   トを複数個槽内に配設してなる浸漬型膜分離装置におい
   て、 各エレメントは、その中空糸膜の長手方向が原水の流通
   方向と平行方向となるように設置されており、かつ、隣接するエレメントの集水管の原水流通方向における間
   隔ｂが該集水管の外径ａの０．４〜２倍であり、隣接す
   るエレメントの集水管の原水流通方向と直交方向におけ
   る間隔ｃが該集水管の外径ａの０〜０．５倍であるよう
   に、 隣接するエレメントの原水流通方向上流側の端部の
   位置を該原水流通方向に異ならせたことを特徴とする浸
   漬型膜分離装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、該中空糸膜両端の保
   持部間の距離Ｋが、中空糸膜を最も緊張した状態で保持
   した場合の間隔Ｋ _ｍａｘの９４〜９８％であることを特
   徴とする浸漬型膜分離装置。