JP5795459B2 - 浸漬濾過用中空糸膜、これを用いた浸漬濾過用中空糸膜モジュール、浸漬濾過装置、及び浸漬濾過方法 - Google Patents
浸漬濾過用中空糸膜、これを用いた浸漬濾過用中空糸膜モジュール、浸漬濾過装置、及び浸漬濾過方法 Download PDFInfo
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Description
本願は、2006年11月20日に出願された特願2006−313248号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
しかし「中空糸膜濾過法」は、長時間の運転によって、中空糸膜の外表面に被処理水中の懸濁物質および有機物質等の付着層が生じ、中空糸膜に目詰まりや固形物による流路閉塞(ファウリング)が発生するという問題点が指摘されている。ファウリングは、膜間圧力の上昇や濾過流束の低下などをもたらし、水処理システムの全体的な運転効率に悪影響を及ぼす。
しかし、物理洗浄が強すぎると、中空糸膜同士が接触したり、被処理水中の懸濁物質がすれたりすることにより中空糸膜表面が擦傷を受け、場合によっては糸切れを生じることがあった。
中空糸膜の形状の改善を目的としたものとしては、傾斜的に形状を変化させた中空糸膜が特許文献1に記載されている。特許文献1によれば、中空糸膜の形状を傾斜的に変化させることにより、流動圧損が従来の中空糸膜よりも低減し、透過水流速分布が平滑化し、さらに膜局部にかかる負荷や汚染が分散化するために、膜洗浄を施す際のバブリングや逆洗性が向上し、濾過運転の長期化が可能となる。
また、中空糸膜の強度の改善を目的としたものとしては、特定の粘度平均分子量、分子量分布を有するとともに、特定の細孔構造を有するポリエチレン中空糸状多孔膜が、特許文献2に記載されている。
また、特許文献2の中空糸状多孔膜においては、被処理液中の懸濁成分に対する耐擦傷性には改善が期待できるが、中空糸状多孔膜同士の接触による磨耗は発生すると予想され、長期運転の視点からは解決に至らない。また、膜の強度の改善だけでは、物理洗浄強度の低減は困難であり、根本的な解決には至らない。
すなわち本発明は、外表面に1以上の突起部を有する、浸漬濾過用中空糸膜であって、前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過用中空糸膜である。
また本発明は、外表面に8以上の突起部を有する、浸漬濾過用中空糸膜であって、前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過用中空糸膜である。
さらに本発明は、前記浸漬濾過用中空糸膜モジュールが、浸漬水槽中に設置された浸漬濾過装置である。
また本発明は、浸漬水槽を被処理水で満たして、複数の、外表面に1以上の突起部を有する浸漬濾過用中空糸膜がハウジングに接着固定された浸漬濾過用中空糸膜モジュールを被処理水中に浸漬し、前記浸漬濾過用中空糸膜の中空部から濾過水を得る、浸漬濾過方法であって、前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過方法である。
また本発明は、浸漬水槽を被処理水で満たして、複数の、外表面に8以上の突起部を有する浸漬濾過用中空糸膜がハウジングに接着固定された浸漬濾過用中空糸膜モジュールを被処理水中に浸漬し、前記浸漬濾過用中空糸膜の中空部から濾過水を得る、浸漬濾過方法であって、前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過方法である。
2 固定用樹脂
3 中空糸膜
4 通水口
5 突起部
6 スクリーン
7 流量調整槽
8 供給ポンプ
9 撹拌モーター
10 撹拌翼
11 脱窒用水槽
12 循環ポンプ
13 膜浸漬水槽
14 循環水流量計
15 供給配管
16 散気管
17 エア流量計
18 ブロワ
19 中空糸膜モジュール
20 逆洗ポンプ
21 圧力計
22 濾過ポンプ
23 膜濾過水流量計
24 膜処理水槽
25 脱窒用水槽ドレン
26 膜浸漬水槽ドレン
27 ブロワ供給バルブ
28 膜濾過バルブ
29 逆洗水バルブ
図1は、外表面に突起部を有する、浸漬濾過用中空糸膜の実施形態の一例を示す図である。浸漬濾過用中空糸膜3においては、その外表面に突起部5を備えていることが重要である。
この長手方向に連続した形状を持つ突起部5の数は、特に限定されるものではないが、複数の浸漬濾過用中空糸膜3が配置される場合に、周囲に隣接する中空糸膜に対する洗浄効果を効果的に得るためには、8以上有するのが特に好ましい。
一方、突起部5の数が多すぎると、浸漬濾過用中空糸膜3の有効濾過面積の減少による、濾過処理能力の低下を招く恐れがある。そのため、突起部5の数は、突起部5を除外した場合における、浸漬濾過用中空糸膜3の外表面に対する、突起部5の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲となるように調整するのが好ましい。
これは、投影面積割合を1%以上とすることによって、突起部5による優れた洗浄効果が発現する傾向にあるためである。より好ましくは、5%以上である。
また、投影面積割合を20%以下とすることによって、突起部5による洗浄効果と上述の濾過処理能力との両立ができる傾向にあるためである。より好ましくは、15%以下である。
浸漬濾過用中空糸膜3の外周上に設けられた突起構造は、その外表面に堆積する付着物層を不連続とすると共に、隣接する浸漬濾過用中空糸膜3の外表面に過度に堆積した付着物に接触することで、これを物理的に剥離・除去させるためのものである。そのため突起部5においては、付着物が堆積しないのが良いことから、濾過機能を著しく低下させた構造であるのが好ましく、濾過機能を実質的に有さないのがさらに好ましい。
また、突起部5の幅は、特に限定されないが、50μm以下とするのが好ましい。これは、50μm以下とすることによって、浸漬濾過用中空糸膜3の有効濾過面積を維持しながら、優れた膜表面の洗浄効果が期待できる傾向にあるためである。より好ましくは40μm以下である。
浸漬濾過用中空糸膜3の外表面に堆積する付着物層及びその高さは、被処理水の水質によって異なるが、特に、比較的被処理水中の粒子濃度の高い下排水用途においては、突起部5の高さを5μm以上とするのが好ましい。より好ましくは、10μm以上である。
また、突起部5の高さは、特に限定されないが、その根元部分の幅の3倍以下とするのが好ましい。これは、3倍以下とすることによって、濾過中における浸漬濾過用中空糸膜3の揺動や相互の衝突による、突起部5の変形や破損が発生しにくくなる傾向にあるためである。より好ましくは、2倍以下である。
なお、本発明における突起部5の高さとは、突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面から突起部の先端までの距離をいう。
また、浸漬濾過用中空糸膜3の素材は、特に限定されず、ポリスルホン、ポリエーテルスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−4メチルペンテン、セルロース、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。また、これらの複合素材も使用できる。
図2における本発明の浸漬濾過用中空糸膜モジュール19は、複数の浸漬濾過用中空糸膜3がシート状に束ねられ、浸漬濾過用中空糸膜3の端部の少なくとも一方を開口状態に保ったまま、通水口4を有するハウジング1に配置され、該中空糸膜束を該ハウジング1に接着固定する固定用樹脂2にてポッティングする製造方法により得ることができる。
ハウジング1の少なくとも一端には、ハウジング1に内包される処理液通過のための内部路に連通し、外部に開口した配管が設けられる。
ここで用いられる固定用樹脂2としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、シリコン樹脂、各種ホットメルト樹脂等を用いることができ、適宜選定することが可能である。
浸漬濾過用中空糸膜3の固定作業時における固定用樹脂2の粘度(20℃)は、特に限定されないが、固定用樹脂2が、複数の浸漬濾過用中空糸膜3間に含浸しやすくなることから、5000mPa・s以下とするのが好ましい。より好ましくは3000mPa・s以下である。
また、浸漬濾過用中空糸膜3に適度の揺動性を持たせて、優れた膜表面の洗浄効果を得るためには、ハウジング1間における浸漬濾過用中空糸膜3の弛緩率が、0.5%以上であることが好ましい。一方、弛緩しすぎると、浸漬濾過用中空糸膜3の屈曲や損傷が浸漬濾過中に発生しやすくなる傾向にあるため、この弛緩率は5%以下であるのが好ましい。
エアバブリングは、浸漬濾過中連続して実施することができる。また必要に応じて、一定の間隔で浸漬濾過とエアバブリングを繰り返し行う、サイクル運転を採用しても良い。
この突起部5により、複数の浸漬濾過用中空糸膜3が揺動する際に、隣接する中空糸膜同士の有効濾過部分が直接接触しにくくなるため、有効濾過部分の堆積物が過度に圧密されたり、有効濾過部分の微細孔へ付着物が強固に固着されたりすることを防止し、膜表面の堆積物を効果的に剥離・除去し易くすることができる。
また突起部5を形成することで、中空糸膜円周方向における有効濾過部分を不連続に形成させることができる。
これにより、有効濾過部分上の堆積物も中空糸膜円周方向に不連続になり、堆積物間の凝集力が低下するので、堆積物をエアバブリング等によって剥離・除去がしやすくなる傾向にある。
密度0.96g/cm3、メルトフローレイト1.0g/10minの高密度ポリエチレンであるノバテックHD HY540(日本ポリエチレン株式会社製)を、吐出口径25mm、内環スリット幅4.0mmの二重管構造を有し、外周辺部に12箇所の切り欠けを持つ中空糸賦形用ノズルを用いて自吸式で空気を導入し、紡糸温度165℃、巻き取り速度70m/minで溶融紡糸を行い、外周上に、長手方向に連続した12条の突起部を持つ未延伸中空糸を得た。
この未延伸中空糸に対して80%の冷延伸を行い、次いで、113℃に加熱したスリットヒーター間で総延伸量が600%になるまで熱延伸を行い、さらに同じ温度に加熱したスリットヒーターで多孔質化した。
このようにして得られた中空糸膜は、内径354μm、突起部のない部分の膜厚100μm、空孔率72%、突起部の高さ19μm、突起部の幅20μmであった。
この時、突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合は14%であった。
この浸漬用中空糸膜を4800本束ねて、図2に示す、膜有効長さ403mm、膜面積3m2の浸漬濾過用中空糸膜モジュールを製作した。
このとき中空糸膜の最も密となる場所での充填率は60%であり、弛緩率は1.5%であった。
吐出口径25mm、内環スリット幅4.0mmの二重管構造を有する中空糸賦形用ノズルを用い、その他の条件は実施例1と同様にして内径354μm、膜厚100μm、および空孔率72%の突起部の無い中空糸膜を得た。
この中空糸膜を束ねて、実施例1と同条件で浸漬濾過用中空糸膜モジュールを製作した。
実施例1および比較例1の中空糸膜モジュールを、それぞれ間隔18mmで20枚並べて一体化させたユニットを用いて、下水処理施設で、図3に示す処理フローで浸漬濾過試験を実施した。
図3において、スクリーン6に流入した原水は、夾雑物が除去された後、流量調整槽7に一時貯留され、次いで供給ポンプ8を用いて、脱窒用水槽11に供給される。脱窒用水槽11に供給された原水は、供給配管15を介して膜浸漬水槽13に入り、循環ポンプ12により所定の循環倍率で循環される。
原水は、脱窒用水槽11及び膜浸漬水槽13において、活性汚泥により生物学的に浄化される。原水中の窒素成分の除去は、脱窒用水槽11及び膜浸漬槽13との間で汚泥を循環させることによる、いわゆる硝化脱窒反応によって行われる。原水中の有機物(BOD)は、主として膜浸漬水槽13内に配置された散気管16の空気排出部より排出される空気により、好気的に酸化され分解される。
また、散気管16による空気の排出は、ブロワ18により常時行われ、中空糸膜モジュール19の物理洗浄手段としても併用される。
浄化された水は、中空糸膜モジュール19による膜濾過により、活性汚泥から分離される。濾過された水は、濾過ポンプ22により膜処理水槽24に供給され、必要に応じて消毒された後、処理水として放流される。
本試験では、処理水の回収側を濾過ポンプ22により間欠的に吸引して濾過を行う、間欠吸引濾過を採用し、濾過時間7分及び停止時間1分の間欠吸引濾過を1サイクルとして運転を実施した。
浸漬濾過試験は、実験での活性汚泥濃度8000mg/L、膜面積当たりの濾過流量0.23m3/m2/d、洗浄のためのエアバブリングは投影床面積当たり120m3/m2/hで連続して行った。また、実施例1または比較例1の中空糸膜モジュールを一体化させたユニットは、両方のユニットを同時に、同じ浸漬水槽で、同運転条件の下に並列運転して、その時の膜差圧の変化を測定した。その結果を図4に示す。
Claims (13)
- 外表面に1以上の突起部を有する、浸漬濾過用中空糸膜であって、
前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過用中空糸膜。 - 外表面に8以上の突起部を有する、浸漬濾過用中空糸膜であって、
前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過用中空糸膜。 - 前記突起部は中空糸膜の長手方向に連続した形状を持つ、請求項1又は2記載の浸漬濾過用中空糸膜。
- 前記突起部の高さが5μm以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の浸漬濾過用中空糸膜。
- 前記突起部の幅が5μm以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の浸漬濾過用中空糸膜。
- 複数の、外表面に1以上の突起部を有する浸漬濾過用中空糸膜が、ハウジングに接着固定された、浸漬濾過用中空糸膜モジュールであって、
前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過用中空糸膜モジュール。 - 複数の、外表面に8以上の突起部を有する浸漬濾過用中空糸膜が、ハウジングに接着固定された、浸漬濾過用中空糸膜モジュールであって、
前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過用中空糸膜モジュール。 - 浸漬水槽中に請求項6又は7記載の浸漬濾過用中空糸膜モジュールが設置された、浸漬濾過装置。
- 前記浸漬濾過用中空糸膜モジュールの下部に散気装置を有する、請求項8記載の浸漬濾過装置。
- 浸漬水槽を被処理水で満たして、複数の、外表面に1以上の突起部を有する浸漬濾過用中空糸膜がハウジングに接着固定された浸漬濾過用中空糸膜モジュールを被処理水中に浸漬し、前記浸漬濾過用中空糸膜の中空部から濾過水を得る、浸漬濾過方法であって、
前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過方法。 - 浸漬水槽を被処理水で満たして、複数の、外表面に8以上の突起部を有する浸漬濾過用中空糸膜がハウジングに接着固定された浸漬濾過用中空糸膜モジュールを被処理水中に浸漬し、前記浸漬濾過用中空糸膜の中空部から濾過水を得る、浸漬濾過方法であって、
前記突起部を除外した場合における、中空糸膜の外表面に対する、前記突起部の該外表面への投影面積割合が1〜20%の範囲である、浸漬濾過方法。 - 散気装置からエアバブリングをしながら、前記浸漬濾過用中空糸膜を用いた濾過を行う、請求項10又は11記載の浸漬濾過方法。
- 前記浸漬濾過用中空糸膜の中空部を減圧することによって、前記浸漬濾過用中空糸膜を用いた吸引濾過を行う、請求項10〜12のいずれか一項に記載の浸漬濾過方法。
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