JP2009208032A - 膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】
下廃水を処理する膜分離装置の膜エレメントは、処理槽内で曝気を受けるので、振動を生じ易い。振動による応力が集中し、特に支持体の集液部において亀裂を発生し、耐久性不良となる問題を解消する。
【解決手段】
分離膜４１と、分離膜を支持し濾過液を導出するノズル孔３３を有する支持体３１とからなる膜エレメント１０であって、前記支持体３１が表裏方向に貫通する集液部３４を有し、該集液部３４の形状が各辺の端部を角取りした略Ｔ字形であり、かつ、略Ｔ字形の横辺Ｈの上平面で前記ノズル孔３３に連通していることを特徴とする。これにより、振動変形による応力集中を回避し、膜エレメントの破損問題を無くすことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、下水や、生産工場、レストラン、水産加工工場、食品工場から生じる廃水を処理槽内で浄化処理する際に用いられる浸漬型膜エレメントに関する。

生活廃水や産業廃水（以下「下廃水」と総称する。）は、そのまま環境に放流してしまっては、環境汚染につながる。そのため一定のレベルまで浄化した後に放流することが要求される。そこで、従来は下廃水を処理槽（活性汚泥槽）に入れ、空気を通しながら微生物によって下廃水中の汚濁物質を分解処理して活性汚泥液とし、次いで、活性汚泥液を、別途設けた沈殿地にて汚濁分を沈降分離させた後、上澄み水を放流することが広く行われてきている。これは活性汚泥法と呼ばれる。

近年、高分子膜技術や膜分離技術の向上によって、膜分離活性汚泥法という方法が使われてきている。この方法では、処理槽（活性汚泥槽）中の活性汚泥液に膜分離装置を沈め、微生物による分解と、膜による活性汚泥液からの膜濾過とを同時に行い、浄化水が取り出される。膜濾過されて取り出された水はそのまま放流できる程度まで浄化されているため、沈降分離用の沈殿池を設置しなくてよいという利点がある。

ここで、膜分離装置を浸漬させた処理槽内には、供給された下廃水と共に、それを微生物処理するための微生物及び微生物処理により生成された活性汚泥液が混合状態で貯留しており、この処理槽内に存在する混合液体を、以下、被処理液という。

ここで用いられる膜分離装置は、図１０に示すように、支持体の表裏両面に濾過膜を貼り合わせた膜エレメント１０を多数並べてなるエレメントブロック３から主として構成される。このエレメントブロック３の下方には、散気装置４が配設されている。膜エレメントには、濾過液を取り出すノズル管３２が配設されていて、このノズル管３２にはチューブ５を介して集液管８が接続され、その下流側に吸引ポンプ６が接続され、膜エレメント１０内部に陰圧をかけ、濾過液を取り出す。散気装置４はブロワ７に連結されている。処理槽（膜浸漬槽）２内の被処理液中に沈められた膜分離装置３に向けて下方の散気装置４から空気が噴出されるが、これを曝気と称する。曝気は微生物に酸素を供給して活性化させ、汚泥の分解を促進する作用がある。

散気装置４からの曝気はまた、各膜エレメント１０の両面に配置された分離膜の外表面に付着しようとする汚泥を剥ぎ取って、膜への汚泥の付着堆積を抑制すると共に、エアリフト効果によって槽内の被処理液を膜エレメント間に循環させる流れをも作り出す。膜エレメント間には、曝気による被処理液の上昇流が生じていて、この上昇流が膜の外表面に衝突することで、表面が洗浄されて膜の目詰まりが抑制され、固液分離性能の経時的低下が抑制できる。

上述の曝気による膜エレメントの分離膜表面の洗浄作用の過程で、膜エレメントは少なからず振動する。そのため、分離膜を支持する支持体は常に被処理液中において繰り返し振動を受けており、支持体の、つまりは膜エレメントの耐久性の低下に繋がる。膜エレメントの振動を抑制するために、膜エレメントをケーシング（図示なし）内に所定間隔で収納して固定することも行われているが、それでも、被処理液やエアの流れによって生じる振動を防止することは困難である。

膜エレメントの振動による応力は、支持体を表裏方向に貫通するように設けられた集液部に集中し易い。この集液部の形状が、長方形の孔のように角をもつ形状である場合、その角部分に、特に応力が集中しやすい。

また、膜エレメントの支持体は、軽く、低コストであることが望まれるので、通常は樹脂の射出成形によって形成されている。樹脂成形品の支持体の場合、使用時に応力集中する集液部の角部分から亀裂が発生して支持体の破損、即ち膜エレメントの破損に至るという問題があった。

樹脂の射出成形によって支持体を製造する場合、ノズル孔の内径を形成する金型のピンと、集液部を形成する金型のブロックとが高圧で密着することが必要である。ピンとブロックとの間に微少でも隙間が存在すると、その部分に樹脂のバリを生じ、そのバリが残っていると濾過液の流れが阻害される。バリを射出成形の後に除去するには、仕上工程が増えるので、製造コストが高くなる。

このような射出成形時の金型による制約条件を考慮して膜エレメントにおける集液部を製造するために、以下のような集液部の形状が提案されている。
例えば、膜エレメントの支持体の上部に、幅方向に長く延びる横長の集液部を設け、この集液部の上にノズル孔を連通させ、集液部に連通する複数のスリット状の溝や孔を、支持体の高さ方向に長く開口して設ける方法がある（特許文献１）。

支持体を厚さ方向に貫通する集液部の長さが長い場合、支持体の断面二次モーメントが小さくなり、より振動しやすくなる。また、支持体の高さ方向に複数の、支持板を厚さ方向に貫通するスリットを設けた場合には、支持体において集液部の外側と内側とで異なる振動モードを呈し、支持体の集液部より内側の振動により、支持体に貼り付けた分離膜が裏側から破損し易いという問題が生じる。従って、特許文献１の膜エレメントの形態では、振動による耐久性不良の問題を解消することは困難である。

さらに、特許文献１では、ノズル孔からの濾過液吸引によって分離膜は支持体側に引き付けられ、集液部に落ち込み易いので、支持板と分離膜との間にスペーサを介在させている。しかしながら、膜エレメントにスペーサを設けることは製作工程が複雑になり、コストが高くなるという問題がある。

また、特許文献２には、膜エレメントの支持体の上部に、横方向に長く延びる横長の集液部を設けるとともに、それに連通し上下方向に延びる複数本のスリットを、狭いスリット間隔で平行に配置した構造が記載されている。しかしながら、この形態の場合も、特許文献１の場合と同様に、振動による耐久性不良の問題を解消することは困難である。
特許第３１１９７７３号公報 特許第３２５５８２１号公報

上述の通り、膜浸漬槽中の曝気によって膜エレメントは少なからず振動する。そのため、支持体には繰り返し変形が生じ、構造上応力が集中し易い箇所があると破損し易くなる。
また、膜分離装置は、浸漬槽中に沈めて長期間連続的に使用するため、槽内から引き上げてのメンテナンスは容易ではない。従って、膜エレメントの破損は、極力無いことが望まれている。

しかしながら、従来の膜分離装置においては、膜エレメントの支持板の集液部構造から、応力集中による亀裂が発生し易く、耐久性が十分ではないという問題があった。

そこで、上記の問題を解決するために、本発明の膜エレメントは、分離膜と、分離膜を支持し濾過液を導出するノズル孔を有する支持体とからなる膜エレメントであって、支持体の集液部の形状が各辺の端部を角取りした略Ｔ字形とし、かつ、略Ｔ字形の横辺の上平面で前記ノズル孔に連通していることを特徴とする。

また、集液部の略Ｔ字形における横辺の上平面の長さが前記ノズル孔の内径よりも長く、かつ、略Ｔ字形における縦辺の長さ方向と前記ノズル孔の長さ方向とが略延長線上に位置することが好ましい。
さらに、集液部の略Ｔ字形における横辺の幅、及び、縦辺の幅が、それぞれ、支持体厚さ以下であることが好ましい。

本発明の膜エレメントの支持体は、集液部が各辺の端部を角取りした略Ｔ字形の形状としているので、膜エレメントが振動しても応力集中しやすい箇所がなく、応力集中による支持体破損を回避することができる。さらに、略Ｔ字形の横辺の上平面で前記ノズル孔に連通させることにより、樹脂の射出成形による作製時の金型の制約を解決することができる。

また、集液部の略Ｔ字形の各辺の幅を、支持体の厚さ以下とすることにより、集液部に濾過膜が落ち込んで表裏の濾過膜が密着することを防止でき、濾過液の流れが阻害されない。

さらに、集液部の略Ｔ字形における横辺の上平面の長さが前記ノズル孔の内径よりも長くし、かつ、膜エレメントにおける縦辺の長さ方向と前記ノズル孔の長さ方向が略延長線上に位置させることにより、支持体を射出成形で製造するにあたって、ノズル孔の内径を形成する金型のピンを高圧で集液部を形成する金型のブロックに押し当てても、金型ピンの力が作用する方向に金型ブロックが長いので剛性を維持でき、この結果、金型ピンと金型ブロックを隙間無く密着させることが出来、射出成形品のバリ発生を回避できる。

（実施の形態１）
本発明の実施形態を図面により説明する。

図１は本発明の膜エレメント１０の位置実施態様を示す部分破断斜視図である。集水部３３が見えるように、分離膜４１の一部分を切り欠いて図示している。この膜エレメント１０において、支持体３１の表裏両面に、分離膜４１が貼り合わせている。図１には裏面側の分離膜は示されていない。

支持体３１の表裏に配置された分離膜４１を通過した濾過液は、支持体と分離膜との間の集液路（図示せず）を流れて濾過液出口（ノズル孔３３）へと向かう。支持体３１のノズル孔３３に繋がるように、濾過液を取り出すノズル管３２が配設されている。集液路を経て集液部３４へと集められた濾過液は、ノズル孔３３を経てノズル管３２から取り出される。取り出された濾過液は、図８に示すようなチューブ５、集液管８を通じて膜分離装置外へと送液される。

集液部３４は、ノズル管３２に近い支持板内部側に設けられた孔であり、ノズル管３２が配設された支持板の上端部には、ノズル管３２内の流路と同径のノズル孔３３が設けられている。

支持体と分離膜との間の集液路は、支持体の表面に形成された流路用の溝であってもよいし、また、多孔質ネット（ネット、不織布、等）を支持体と分離膜の間に介在させて集液路としてもよい。

分離膜４１には、処理槽内に存在する被処理液（下廃水や活性汚泥液）を濾過することができる分離膜が用いられ、多孔質樹脂によって作製される平膜である場合が多い。その材料としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリサルフォン樹脂などを用いたり、主成分とすることができる。ただし、これらに限定されるものではない。

図２には、従来の一般的な膜エレメントの部分破断斜視図を示す。この図でも集水部が見えるように、分離膜の一部を切り欠いて図示している。図３は、図２の膜エレメントの支持板３１におけるノズル管３２とノズル孔３３と集液部３４との関係を、支持体正面から見た部分拡大図である。この膜エレメント１０の場合、膜エレメント全体が振動すると、支持体３１の内部に応力が発生する。この場合の集液部３４は、長方形で隅に角部分Ｃが存在するので、振動による応力は、角部分Ｃに集中し易く、この角部分Ｃを起点にして亀裂が発生し易い。

角部分Ｃを起点にして発生した亀裂は徐々に外側へ向けて成長し、分離膜で覆われていない支持体部分（例えば、ノズル孔の近傍の支持体外面）へと繋がる亀裂となる。このようにして、支持体の内面側から生じた亀裂が外面側と繋がるまでに拡大すると、この亀裂の内部に被処理液が浸入し、膜エレメント１０の内部へと浸入し、この結果、被処理液は分離膜４１で濾過されることなく、濾過液側に混入する。そして、濾過されないままの被処理液が混入した濾過液は、集液部３４を通ってノズル孔３３、ノズル管３２から集液されてしまい、集液される液体の清浄度が低下する。すなわち亀裂が発生した膜エレメント１０では、濾過機能を果たさなくなる。

図４は、本発明の膜エレメントの支持板３１におけるノズル管３２とノズル孔３３と集液部３４との関係を、支持体正面から見た部分拡大図である。この場合、集液部３４は略Ｔ字形であり、その各辺の端部は角取りが施されている。ここで「角取り」は、孔内部の角部分を曲面化し、角がない孔内部形状とするものである。このように孔の端部の角部分をなくすことにより、振動時の応力集中を大幅に抑制でき、亀裂発生を防止することができる。図４の形状におけるノズル管３２は、図５に示すような金型配置により、支持板３１と一体成形したものであってもよいし、成形した後にノズル管３２を支持板３１に接合させたものでもよい。

さらに、図５は、図４に示すノズル管３２とノズル孔３３と集液部３４との形状を、射出成形により製造するための金型ピン５１ａと金型ブロック５２ａとを示す模式図である。この場合、金型ピン５１ａと金型ブロック５２ａとは、その接合面において平面合わせとなるので、両者を隙間無く接合することができる。従って、隙間無く接合した図４の金型ピン５１ａ及び金型ブロック５２ａを用いて射出成形を行えば、金型に特に高精度な加工を施さずとも、射出成形時に、金型ピン５１ａと金型ブロック５２ａとの接合部に樹脂が浸入しない。よって、得られた射出成形品の集液部・ノズル孔の部分に不必要なバリが発生していない。

上記した以外に、集液部３４が略Ｔ字形である利点として、次の事項が挙げられる。図５において、金型ブロック５２ａの縦辺は、金型ピン５１ａの力が作用する方向に長いため、歪みにくく、集液部３４の形状を常に安定させて射出成形でき、しかも、金型も破損しにくくなる。よって、金型ブロック５２ａによって形成される空間である集液部３４は、本発明で特定した略Ｔ字形であることが重要である。

また、略Ｔ字形の集液部３４の各辺の幅は、支持体３１の厚さ以下であることが好ましい。これよりも幅が広い場合には、ノズル孔３３からの濾過液の吸引力によって分離膜４１が集液部３４に引き込まれ、濾過液の流動を阻害されるからである。上述の通り集液部３４の幅を定めることによって、支持板と分離膜との間にスペーサを介在させる必要がなくなる。また、それら各辺の幅は、狭くても、ノズル孔３３の直径よりも広くすることが、ろ過液の円滑な流れを確保するために好ましい。ここで、支持体の厚さＴは、集液部３４が設けられている部分における支持体の厚さである。また、ノズル孔３３の直径は、ノズル管３２の内径と同じとすればよい。

また、本発明における集液部３４の形状の略Ｔ字形は、横辺Ｈの略中央部から下に縦辺Ｖが延びる形状であるが、この横辺Ｈの上平面の長さが、ノズル孔３３の内径以上であることが、さらに、略Ｔ字形における縦辺Ｖの長さ方向と前記ノズル孔３３の長さ方向とが略延長線上に位置することが好ましい。図５に示す通り、ノズル孔３３の中空部を形成する金型ピン５１ａの押し付け力に対して、金型ブロック５２ａの剛性を確保するためである。

図に示したように膜エレメントの上部にノズル孔３３が設けられている場合には、集液部の略Ｔ字形の横辺Ｈは、膜エレメントの支持体の幅方向と同じ水平方向の辺であり、また、略Ｔ字形における縦辺Ｖは、膜エレメントの支持体の長さ方向（上下方向）の辺である。横辺Ｈの上平面の長さは、横辺Ｈの上側の平面部分の長さであり、端部の角取りのために曲面となっている部分の長さは除いている。なお、ノズル孔は膜エレメントの側面（横側）に配設される場合もあり、この場合には、略Ｔ字形の横辺Ｈは上下方向の辺となり、略Ｔ字形における縦辺Ｖは、水平方向の辺となる。

図３のように上下に延びる長方形の集液部３４において、その上端及び下端部分をそれぞれ単純に角取りして角部分を無くした場合を図７に示す。この図７は、ノズル管３２とノズル孔３３と集液部３４とを支持体正面から見た部分拡大図である。この図７の形状の集液部３４は、上下に延びた俵形状が支持体の表側から裏面へと繋がっている孔形状であり、即ち、上下に延びた直方体の上と下とにそれぞれ半円筒形（蒲鉾形）が連接した形状（以下、蒲鉾端直方体という。）の孔である。この孔形状の集液部３４を射出成形によって製造する場合、その孔形状を形成させるために、集液部３４を形成するための蒲鉾端直方体の金型ブロック５２ｂの上側の蒲鉾形の上に、ノズル孔３３の中空部を形成するための円筒形の金型ピン５１ｂとを、図５の模式図に示すように繋げて配置しなければならない。

しかしながら、この場合、金型ピン５１ｂと金型ブロック５２ｂとを曲面Ｓ同士で密着させる必要が生じる。射出成形において、曲面Ｓ同士で密着させた面部分に樹脂が浸入しないようにするには、金型ピン５１ｂと金型ブロック５２ｂとが接触する曲面Ｓをかなりの高精度で曲面加工しなければならない。よって、金型の製作コストが高価になるという問題が生じる。さらに、図８に示す金型ピン５１ｂと金型ブロック５２ｂとを繋げた配置を、図８中に記載のＡ方向（側面方向）から見た場合、図９に示すようになる。金型ブロック５２ｂの蒲鉾形の上に円筒形の金型ピン５１ｂを曲面Ｓ同士で密着させる場合、金型ピン５１ｂの下端側を蒲鉾形曲面に沿わせるために、金型ピン５１ｂの下端の外周部側にエッジ部５１ｃを設けざるを得ない。このエッジ部５１ｃは薄く、とがった形状であるため、射出成形時の樹脂圧力および熱を受けて変形しやすく、金型ブロック５２ｂに密着しなくなり、射出成形時に樹脂が侵入し、バリが形成されるという問題がある。

従って、図７に示すように集液部３４を蒲鉾端直方体の形状にすることは、樹脂の射出成形で支持板を工業的に作製するためには、採用困難である。

本発明に関する膜エレメントを示す部分破断斜視図である。 従来の膜エレメントを示す部分破断斜視図である。 従来の支持板におけるノズル管とノズル孔と集液部との関係を示す、支持体正面から見た部分拡大図である。 本発明での支持体におけるノズル管とノズル孔と集液部との関係を示す、支持体正面から見た部分拡大図である。 図４の支持体のノズル孔と集液部を射出成形により製造するための金型構造の一例を示す模式図である。 図５の金型構造の左側面図である。 図３において、集液部の角部分を単純に無くした場合を示す、支持体正面から見た部分拡大図である。 図７の支持体のノズル孔と集液部を射出成形により製造するための金型構造の一例を示す模式図である。 図８の金型構造の左側面図である。 膜エレメントを処理槽内に設置した膜分離する装置構成を示す図である。

符号の説明

３ エレメントブロック
４ 散気装置
５ チューブ
６ 吸引ポンプ
７ ブロワ
８ 集液管
１０ 膜エレメント
３１ 支持体
３２ ノズル管
３３ ノズル孔
３４ 集液部
Ｈ 集液部の略Ｔ字形の横辺
Ｖ 集液部の略Ｔ字形の横辺
Ｃ 集液部の角部分
Ｔ 支持体の厚み
５１ａ、５１b 金型ピン
５２ａ、５２b 金型ブロック
Ｓ 金型ピンと金型ブロックとが接触する曲面

Claims (3)

1. 分離膜と、分離膜を支持し濾過液を導出するノズル孔を有する支持体とからなる膜エレメントであって、前記支持体が表裏方向に貫通する集液部を有し、該集液部の形状が各辺の端部を角取りした略Ｔ字形であり、かつ、略Ｔ字形の横辺の上平面で前記ノズル孔に連通していることを特徴とする膜エレメント。
2. 前記集液部の略Ｔ字形における横辺の上平面の長さが前記ノズル孔の内径よりも長く、かつ、略Ｔ字形における縦辺の長さ方向と前記ノズル孔の長さ方向とが略延長線上に位置することを特徴とする請求項１に記載の膜エレメント。
3. 前記集液部の略Ｔ字型における横辺の幅、及び、縦辺の幅が、それぞれ、前記支持体の厚さ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜エレメント。

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