JP4261364B2 - 集水ヘッダー及び膜モジュールユニット - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、膜モジュールが接続され、濾過水を集めて流す集水ヘッダー及び膜モジュールユニットに関する。
本出願は日本国特許出願第２００２−３１４１４号を基礎としており、その内容を本明細書に組み込む。
背景技術
浄水処理、下排水処理等の水処理において、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。分離膜を用いて被処理水の濾過処理を行うと、水質の高い処理水を得ることができる。
分離膜を用いて被処理水の固液分離を行う場合、濾過処理を継続するに従って懸濁物質（ＳＳ分）による分離膜の目詰まりが進行するため、濾過流量の低下、あるいは膜間差圧の上昇が生じる。このような状態から回復させるため、膜分離装置の下部に散気装置を設け、濾過を実施中もしくは濾過を停止中に散気を行って洗浄を行う技術が知られている。
特開平５−２６１２５３号公報、特開平６−３４２号公報、特開平６−３４０号公報等には、矩形のハウジングにシート状の中空糸膜を樹脂固定した中空糸膜モジュールを用いて、隣接する膜モジュールとの間隔を一定に保ち、散気装置からバブリングを行い、被処理水の流れを均一に膜モジュールに当てて安定した固液分離を行う方法が開示されている。
多数本の膜モジュールを、隣接する膜モジュールと均一な間隔に配設するために、膜モジュール接続用の穴が形成された管状の集水ヘッダーに多数本の膜モジュールを液密に接続し、濾過液を集合させて取り出す方法が知られている。
集水ヘッダーは、樹脂製パイプにモジュール接続用の穴の開いた樹脂平板を溶着したものや、折り曲げてコの字状にした金属薄板に、モジュール接続用の穴の開いた金属厚板を溶接したもの、或いはモジュール接続用の穴の開いた金属厚板と樹脂製の通水部を組み合わせたものなどが考案されている。
しかしながら、樹脂製パイプにモジュール接続用の穴の開いた樹脂平板を溶着したものは、モジュール接続用の平板の加工では金属に比べて容易に加工できるが、集水部を構成する樹脂製パイプは同一形状の金属に比べて、機械的強度は低い。
このため、集水ヘッダーを樹脂性パイプで作成する場合、バブリング洗浄等により集水ヘッダーにかかる曲応力に長期間耐えるためには、外径の太い集水ヘッダーとする必要があり、濾過に直接関与しない部分が大きくなるため、膜の集積効率を高くすることができなかった。
また、何らかの装置トラブルが原因で汚泥が膜面に付着した場合、トラブル解決のために膜分離装置を引き上げる際、通常に作用するよりも大きい曲応力が作用し、集水ヘッダーが破損する懸念があるため、これを回避するために通常の使用に耐えうる以上に集水ヘッダーを太く設計する必要があり、さらに集積効率の低下に繋がった。
また折り曲げてコの字状にした金属薄板に、モジュール接続用の穴の開いた金属厚板を溶接した集水ヘッダーや、モジュール接続用の穴の開いた金属厚板と樹脂製の通水部を組み合わせた集水ヘッダーがあるが、このような集水ヘッダーは金属の厚板に連続して多数のモジュール接続用の穴を開ける加工を行う必要があり、そのような加工は非常に困難な作業となる。また金属薄板との溶接についても長手方向に連続して歪みの少ない溶接を行うことは困難であり、例えば長さ７０ｃｍの集水ヘッダーを溶接にて製作した場合、溶接の熱歪みにより、水平、垂直方向共に５〜６ｍｍの曲がりが生じる。このため、歪んだ集水ヘッダーに多数の膜モジュールを整然と並べて配置することが困難であった。
また、溶接が不十分となって、長期間使用するうちに接合部分が剥離して、リークが発生する懸念があった。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、軽量、コンパクトで、加工性に優れると共に、分離膜による固液分離処理を長期間にわたって安定して行うことのできる集水ヘッダーを提供することを目的とする。
発明の開示
すなわち、本発明の第一の要旨は、複数本の膜モジュールが接続可能で、各膜モジュールからの濾液を集め取り出すための管状集水部を有し、該管状集水部の縦弾性係数が４．０ＧＰａ以下であると共に、該管状集水部の少なくとも一部が、４．０ＧＰａ〜２５０ＧＰａの縦弾性係数を有する補強部材で覆われてなる集水ヘッダー、である。
また、前記管状集水部が合成樹脂からなると、容易且つ安価に成型加工できるため好ましい。
また、前記管状集水部の長手方向に垂直な断面積が４〜３６ｃｍ^２であると、コンパクトな大きさで十分な量の濾液を流せるため好ましい。
また、前記管状集水部が、複数本の部材が直列に連結されてなると、任意の長さの集水ヘッダーが得られるため好ましい。
また、前記補強部材が金属、フィラー強化プラスチック、繊維強化プラスチックのいずれかからなると、強度が高く好ましい。
本発明の第二の要旨は、膜モジュールが、前述の構造の集水ヘッダーに複数本接続されてなる膜モジュールユニット、である。
前記膜モジュールが、矩形のハウジング内部にシート状の中空糸膜束端部を収容し固定用部材で液密に固定されてなる中空糸膜モジュールであると、膜の集積効率を高くできるため好ましい。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の集水ヘッダーの一例を示す斜視図である。図１において、管状集水部１は、膜モジュール接続穴２が中央に開けられた膜モジュール接続部３を有する。管状集水部１の内部は中空であり、膜モジュールからの濾過水を集め、流すように構成されている。管状集水部１の両端若しくは片端には濾過水取出口４が設けてある。
管状集水部１の材質は、成形加工が容易なことから樹脂が好ましい。例としては、塩化ビニル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。管状集水部１の材質は、形状が複雑で、かつ勘合部は液密性が必要であるため、強化フィラーの入っていない樹脂が好ましい。
管状集水部１の形状としては、図１に示すように、長手方向に垂直な断面の形状が四角形となるようにしてもよいし、その他の多角形や、円形、楕円形等にすることも可能である。
膜モジュール接続部３は、平板状の部材に膜モジュール接続用の穴を開けたものでも構わないが、図１に示すように突起状としても良い。突起状にすると、成型の際の歪みが少なく、精度を保てるため好ましい。さらに、突起状とする場合は、隣接する突起同士を連結部材５で連結するようにして成型すると、強度が高くなるため好ましい。
図２は、本発明の集水ヘッダーの一例を示す断面図である。管状集水部１は、図２に示すように、複数本の部材を直列に連結させて１本の管状集水部を形成できるようにすると、任意の長さの集水ヘッダーが容易に得られるため好ましい。
図２の例では、管状集水部１は、膜モジュールが５本接続可能な大きさを一つのブロックとして成形したものであり、各ブロックは、その一端に設けられた突起が、隣接するブロックの内部に、シール材７を介して液密に嵌合するように構成されている。そして、両端はフランジ部が固定されている。フランジ部には、両端、若しくは片端に濾過水取出口４が配設される。
一つのブロックに接続可能な膜モジュールの数が多すぎると長さが長くなりすぎる。一方、接続可能な膜モジュールの数が少なすぎると、ブロックの数が多くなりすぎ、不経済である。従って一つのブロックに接続可能な膜モジュールの数は、５〜２０本が好ましく、７〜１５本がより好ましい。
なお、各ブロック同士の接合方法は特に限定せず、機械的な接合方法、熱溶融による接合方法、接着剤による接合方法等の中から組立加工性や使用目的に応じて適宜選択する。集水ヘッダーの組み立て、分解の簡便性やリサイクルを考慮すると、機械的な接合方法が好ましい。
機械的な接合方法の例としては、ネジ締結、ピンと止め輪による締結、スナップフィット、プレスフィット、カシメ等が挙げられる。ネジ締結では樹脂のクリープによる接合のゆるみと締め過ぎによるクリープ破壊を考慮しなければならない。スナップフィットは組立が容易であるが、液密にするためには爪のばね力が常時加わる必要があり、爪根元に発生する応力を考慮して設計しなければならない。したがってこれら機械的接合方法の中では、成形品同士の接合部分に恒常的な残留応力を生じさせないピンと止め輪による接合方法が特に好ましい。
シール材７はＯリング、平パッキン、Ｖリング等を適用することができるが、シール性能の信頼性が高いＯリングが好ましい。シール材７の材質はニトリルゴム、スチロールゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム等の中から使用目的に応じて適宜選択する。
管状集水部１の長手方向に垂直な断面積は、あまり細いと圧力損失が大きくなって、濾過量を多くすることが困難になり、一方あまり太いと膜の集積効率が低下することから、４〜３６ｃｍ^２とすることが好ましく、９〜２５ｃｍ^２とすることがより好ましい。
管状集水部１の周囲には補強部材６を配置する。補強部材６は、必要な強度が得られれば形状は必ずしも限定されないが、管状集水部１の外径形状に沿って管状集水部１を囲うように配置することが好ましい。また、補強部材６は、管状集水部１の全体を囲ってもよいが、膜モジュールの接続部３を除いた部分を囲うように配置すると、形状を単純にできるため好ましい。
また補強部材６は、必要な強度を保持している限り、網目形状や格子形状であっても構わない。
補強部材６は、集水ヘッダーに生じる曲げ応力、回転モーメントに抗して集水ヘッダーの変形を防ぐものであり、その強度は、補強部材６の長手方向に垂直な引張又は圧縮応力をかけた際、応力とその方向の歪み長さとの比で表される縦弾性係数として、４．０〜２５０ＧＰａである。
集水ヘッダーの使用時にかかると想定される曲応力は６０〜１００ＭＰａ程度である。従って、補強部材６の縦弾性係数が４．０ＧＰａより小さいと、長期間の使用には強度が不十分である。一方、縦弾性係数が２５０ＧＰａより大きい材料は、硬度が高すぎて脆いことから、加工が著しく困難であり好ましくない。
管状集水部１の周囲に補強部材６を配置することにより、管状集水部１は縦弾性係数として４．０ＧＰａ以下のものを使用することができ、これによって、集水ヘッダーの強度を保持しつつ、コンパクト化できると共に容易に加工を行うことができる。
なお、縦弾性係数は、材質に応じて、ＪＩＳ Ｋ７１１３（プラスチック引張試験方法）、ＪＩＳ Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）、ＪＩＳ Ｋ７０５４（ガラス繊維強化プラスチック引張試験方法）、ＪＩＳ Ｋ７０７３（炭素繊維強化プラスチック引張試験方法）等の試験方法に従って求める。
補強部材６の材質は、耐食性、強度、加工性に優れたものが好ましく、金属、フィラー強化プラスチック、繊維強化プラスチックのいずれかからなることが好ましい。金属の例としては、ステンレス、チタン、アルミ合金、マグネシウム合金等が挙げられ、またフィラー強化プラスチック又は繊維強化プラスチックの例としては、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂等の中に、フィラー又はガラス繊維、炭素繊維等を含有させたものが挙げられ、これらの中から上記縦弾性係数の範囲にあるものを適宜選択すればよい。
膜モジュールユニットを作成するにあたって、接続する膜モジュールは特に限定はされないが、平板状の膜モジュールを用いると、洗浄性が良好で閉塞しにくく、長期間安定濾過可能なため好ましい。中でも、図３に示すような、中空糸膜９を平型に展開し、その端部を固定部材１０を用いてハウジング１１に固定した中空糸膜モジュール１２を用いると、良好な洗浄性を保ちつつ集積効率を高めることができるためより好ましい。
中空糸膜の材質としては、セルロース系、ポリオレフィン系、ポリスルホン系、ポリビニルアルコール系、ポリメチルメタクリレート、ポリふっ化ビニリデン、ポリ４ふっ化エチレン等従来公知のものを適用することができるが、加工性、散気時の揺れ対応性等の観点から強伸度の高いポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフイン系素材が好ましく用いられる。
膜モジュールを集水ヘッダーに接続する方法は、液密に接続できれば特に限定はされないが、膜モジュールの濾過水取出口にＯ−リングを配し、集水ヘッダーに形成された穴に濾過水取出口を差し込むことによって固定すると、簡便な構造ながら液密に固定でき、しかも膜モジュールの着脱が可能となるため好ましい。
集水ヘッダーは膜モジュールの形状や濾過水取出口の数等に応じて任意の数とすることができるが、各々の膜モジュールから集水ヘッダーへの濾液の流れができるだけ均等に流れるように設けることが好ましい。例えば図３に示す中空糸膜モジュールのように、中空糸膜の両端に濾過水取出口８がある場合は、一つの膜モジュールユニットあたり、集水ヘッダーは２つ設けるとよい。また、図３では中空糸膜両端部の集水管の一方の端部に濾過水取出口８があるが、集水管の両端部に濾過水取出口８を設けても構わない。その場合、集水ヘッダーは一つの膜モジュールユニットあたり４つ設けると良い。
さらに、膜モジュールを千鳥状態で配置することもできる。この場合、一本の集水ヘッダーに膜モジュール接続用の穴を千鳥状態にあけたものを用いることもできるし、２つの集水ヘッダーをずらして並べることもできる。
なお、平型に展開したシート状中空糸膜モジュールを用いて膜モジュールユニットとする場合、シート面が鉛直方向を向くように配置することが洗浄効率の点で好ましい。この際、中空糸膜の繊維軸方向は水平方向若しくは鉛直方向を向くように配置する。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
＜実施例１＞
ＡＢＳ樹脂（商品名：ダイヤペットＡＢＳ、ＳＷ３、三菱レイヨン（株）製）を射出成形し、図２に示す構造の、長手方向に垂直な断面の形状がほぼ正方形である管状集水部を製作した。
１ブロックあたりに接続する膜モジュールの数は１０とし、ブロック４ヶをＮＢＲゴム製Ｏリングから成るシール材を介して勘合し、隣接するフランジ同士を４ｍｍのネジでそれぞれ固定した。
フランジ部の形状は、一辺４ｃｍの略正方形で、厚さ４ｍｍとした。管状集水部の両端には濾過水流出口をＮＢＲゴム製Ｏリングから成るシール材を介して勘合し、４ｍｍのネジでそれぞれ固定した。
この管状集水部の全長に渡り、膜モジュール接続部を除く部分を囲んで、縦弾性係数２００ＧＰａ、厚さ１．５ｍｍのステンレス板を補強部材として折り曲げて、高さ４．５ｃｍ、巾４．５ｃｍ、長さ８４ｃｍとした。
本実施例で製作した集水ヘッダーの、長さ方向中心線に対する水平、垂直方向の歪みは、水平、垂直方向共に１．５ｍｍ以下であった。
また、集水ヘッダーに９．８×１０^−２Ｎ／ｍの等分布荷重が作用した場合の最大曲モーメントは０．９Ｎ・ｍであり、最大曲応力は約８７ＭＰａであって、破壊に至る応力の１／５以下であり、十分な強度を有しているため、使用途中には破損しない。
産業上の利用可能性
本発明の集水ヘッダーによれば、管状集水部の少なくとも一部を、４．０ＧＰａ〜２５０ＧＰａの縦弾性係数を有する補強部材で覆っているため、軽量、コンパクトで、加工性に優れ、寸法精度が高く、かつ充分な強度を有することから、分離膜による固液分離処理を長期間にわたって安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の集水ヘッダーの一例を示す斜視図である。
図２は、本発明の集水ヘッダーの一例を示す断面図である。
図３は、本発明に使用する中空糸膜モジュールの一例を示す斜視図である。

Claims (9)

1. 複数本の膜モジュールが接続可能で、各膜モジュールからの濾液を集め取り出すための管状集水部を有し、該管状集水部の縦弾性係数が４．０ＧＰａ以下であると共に、該管状集水部の少なくとも一部が、４．０ＧＰａ〜２５０ＧＰａの縦弾性係数を有する補強部材で覆われてなる集水ヘッダー。
2. 請求項１記載の集水ヘッダーであって、前記管状集水部が合成樹脂からなる。
3. 請求項１又は２記載の集水ヘッダーであって、前記管状集水部の長手方向に垂直な断面積が４〜３６ｃｍ^２である。
4. 請求項１〜３いずれか一項に記載の集水ヘッダーであって、前記管状集水部は、複数本の部材で直列に連結されてなる。
5. 請求項１〜４いずれか一項に記載の集水ヘッダーであって、前記補強部材が金属、フィラー強化プラスチック、繊維強化プラスチックのいずれかからなる。
6. 請求項１〜５いずれか一項に記載の集水ヘッダーであって、突起状の膜モジュール接続部を有する。
7. 請求項６記載の集水ヘッダーであって、隣接する突起状の膜モジュール接続部が、互いに連結部剤で連結されている。
8. 膜モジュールが、請求項１〜７いずれか一項に記載の集水ヘッダーに複数本接続されてなる膜モジュールユニット。
9. 請求項８記載の膜モジュールユニットであって、前記膜モジュールが、矩形のハウジング内部にシート状の中空糸膜束端部を収容し固定用部材で液密に固定されてなる中空糸膜モジュールである。

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