WO2017086266A1 - 膜モジュール及び水処理システム - Google Patents

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誠人 尾田
寿生 萩本
水谷　洋
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三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane module and a water treatment system for treating organic wastewater such as human waste.
  • membrane separation such as MF (microfiltration) and UF (ultrafiltration) for solid-liquid separation.
  • MF microfiltration
  • UF ultrafiltration
  • the membrane separation device a plurality of membrane modules including a cylindrical casing and a plurality of tubular filtration membranes (hollow fiber membranes) accommodated in the casing are used, and raw water is circulated inside the tubular filtration membrane.
  • An apparatus using a filtration method is known (for example, see Patent Document 1).
  • the permeated water that has permeated through the tubular filtration membrane is sucked by a suction pump and stored in, for example, a storage tank and used as appropriate.
  • the arrangement method of the tubular filtration membranes accommodated in the casings of the plurality of membrane modules is a parallel system. That is, the water to be treated is introduced into the plurality of tubular filtration membranes via the header of the casing. In the case of such a form, since the amount of the treated water to circulate increases, there is a problem that the driving power increases. In addition, when the water to be treated is not supplied uniformly to each tubular filtration membrane, there is a problem that the membrane surface flow rate becomes non-uniform, and sludge accumulates or stagnates on the tubular filtration membrane. Due to the accumulation and stagnation of sludge, there are problems such as (1) a tubular filtration membrane that is not effectively utilized, (2) a decrease in FLUX (outflow amount), and (3) a blockage of the tubular filtration membrane.
  • An object of the present invention is to provide a membrane module and a water treatment system capable of reducing the driving power of the water treatment system and suppressing sludge accumulation or stagnation on the tubular filtration membrane. To do.
  • the membrane module includes a cylindrical casing having an axial line extending in the vertical direction, a hydrophilic extension extending in the casing extending direction inside the casing, A plurality of tubular filtration membranes having a single-layer structure in which a functional monomer is copolymerized, one end of the tubular filtration membrane and the other end of the tubular filtration membrane are connected in series A plurality of connecting members connected in this manner.
  • the membrane module includes a plurality of through holes provided at one end in the extending direction of the casing and connected to one end (first end) of the plurality of tubular filtration membranes.
  • a partition wall, and a second partition wall provided at the other end (second end) in the extending direction of the casing and having a plurality of through-holes connected to the other ends of the plurality of tubular filtration membranes,
  • the connecting member may connect the plurality of through holes.
  • connection member may be a membrane connection plate provided with a membrane connection groove that connects the plurality of through holes.
  • the assembly process of the membrane module can be simplified. Moreover, disassembly and cleaning can be facilitated by reducing the number of parts.
  • the membrane module includes a cylindrical casing and a single unit in which the hydrophilic monomer is copolymerized in the casing in the extending direction of the casing.
  • a plurality of tubular filtration membranes having a layer structure, and a first partition wall provided at one end (first end) in the extending direction of the casing and having a plurality of through holes to which one ends of the plurality of tubular filtration membranes are connected
  • a second partition wall having a plurality of through holes provided at the other end (second end) in the extending direction of the casing and connected to the other ends of the plurality of tubular filtration membranes, and one ends of the tubular filtration membranes
  • a pair of membrane connection plates provided with membrane connection grooves that connect the other ends of the tubular filtration membranes so that the plurality of tubular filtration membranes are connected in series.
  • the water treatment system contains a biological treatment water tank for treating an organic substance contained in the treatment water, and a treatment water discharged from the biological treatment water tank.
  • a raw water tank, and a membrane separation apparatus that includes the membrane module according to any one of the above aspects (1) to (4) and separates the water to be treated supplied from the raw water tank into permeated water and concentrated water And a return line for returning the concentrated water to the biological treatment water tank, and the concentrated water is not returned to the raw water tank.
  • the membrane separation device may include a plurality of the membrane modules connected in series to each other.
  • the number of pipes connected to the membrane separation device is one, and the flow rate of water to be treated circulating in the water treatment system can be reduced. Thereby, the driving power for circulating treated water can be made small.
  • the present invention it is possible to reduce the flow rate of the water to be treated flowing through the tubular filtration membrane as compared with a method of connecting a plurality of tubular filtration membranes in parallel. Thereby, the driving power for circulating treated water can be made small. In addition, since the membrane surface flow rate becomes uniform, it is possible to suppress the accumulation or stagnation of sludge on the tubular filtration membrane.
  • the water treatment system 10 having the membrane module 1 of the first embodiment of the present invention is a biological treatment water tank that treats organic matter contained in the treated water W1 (first treated water, organic wastewater containing human waste and septic tank sludge). 11, raw water tank 12 in which treated water W2 (second treated water) discharged from biological treated water tank 11 is accommodated, and treated water W3 (third treated water) supplied from raw water tank 12 , Raw water) is separated into permeated water PW and concentrated water W4.
  • the biological treatment water tank 11 is a device that decomposes and removes BOD, nitrogen compounds, and the like in the liquid by the action of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria, for example.
  • To-be-treated water tank 11 is supplied with treated water W ⁇ b> 1 through first pipe 15.
  • the biological treatment water tank 11 and the raw water tank 12 are connected by a second pipe 16.
  • the membrane separation device 13 includes a plurality of membrane modules 1.
  • the plurality of membrane modules 1 are arranged in parallel.
  • the plurality of membrane modules 1 are arranged vertically in the housing of the membrane separation device 13. That is, the axis A of the cylindrical casing 2 (see FIG. 2) of the membrane module 1 extends in the vertical direction.
  • the membrane module 1 has a casing 2 and a plurality of tubular filtration membranes 3 arranged inside the casing 2.
  • the membrane separation device 13 is a device that takes out the permeated water PW from the water to be treated W3 by using a method of filtering the water to be treated W3 while circulating it inside the tubular filtration membrane 3.
  • the raw water tank 12 and the membrane separation device 13 are connected via a raw water supply pipe 17.
  • a circulation pump 21 is provided in the raw water supply pipe 17.
  • the treated water W3 discharged from the raw water tank 12 is supplied to the membrane separation device 13 while being pressurized by the circulation pump 21.
  • the permeated water PW separated from the membrane separation device 13 is introduced into the permeated water pipe 18.
  • the permeated water pipe 18 is connected to the storage tank 20. That is, the permeate outlet 9 (see FIG. 2) of the membrane module 1 is connected to the permeate pipe 18.
  • a suction pump 22 is provided in the permeate water pipe 18.
  • the concentrated water W4 separated from the permeated water PW and discharged from the membrane separation device 13 is returned to the biological treatment water tank 11 through the return pipe 19 (return line) except for the excess sludge. That is, the concentrated water discharge port 8 (see FIG. 2) of the membrane module 1 is connected to the return pipe 19. Therefore, the concentrated water W4 is not returned to the raw water tank 12.
  • the treated water W2 discharged from the biological treatment water tank 11 returns to the biological treatment water tank 11 via the raw water tank 12 and the membrane separator 13. That is, the to-be-processed water W circulates through the piping of the water treatment system 10.
  • the plurality of membrane modules 1 are arranged in parallel. Specifically, the raw water supply pipe 17, the permeate water pipe 18, and the return pipe 19 are connected to each membrane module 1.
  • the membrane module 1 includes a cylindrical casing 2 and a plurality of tubular filtration membranes 3.
  • the casing 2 includes a cylindrical casing body 4, a first side wall 5 that closes a lower end of the casing body 4, a second side wall 6 that closes an upper end of the casing body 4, and a processing target formed on the casing body 4. It has a water introduction port 7, a concentrated water discharge port 8 formed in the casing body 4, and a permeate discharge port 9 formed in the casing body 4.
  • the membrane module 1 includes a first partition wall 30 and a second partition wall 31 that divide the inside of the casing 2 into three spaces.
  • a plurality of insertion holes 32 are formed in the first partition wall 30 and the second partition wall 31.
  • the insertion hole 32 is a through-hole penetrating in the plate thickness direction of the first partition wall 30 and the second partition wall 31.
  • the inner diameter of the insertion hole 32 is slightly larger than the outer diameter of the tubular filtration membrane 3.
  • the first partition 30 is provided at one end (first end) in the extending direction of the casing 2, and one ends of the plurality of tubular filtration membranes 3 are connected to the plurality of through holes 32 of the first partition 30.
  • the second partition wall 31 is provided at the other end (second end) in the extending direction of the casing 2, and the other ends of the plurality of tubular filtration membranes 3 are connected to the plurality of through holes 32 of the second partition wall 31.
  • the first partition 30 is a plate-shaped member, and is fixed below the extending direction of the casing 2 (on the first side wall 5 side).
  • a space surrounded by the casing body 4, the first partition wall 30, and the first side wall 5 is a lower header space S1.
  • the second partition wall 31 is a plate-shaped member, and is fixed above the extending direction of the casing 2 (on the second side wall 6 side).
  • a space surrounded by the casing body 4, the second partition wall 31 and the second side wall 6 is an upper header space S2.
  • a space surrounded by the casing body 4, the first partition wall 30, and the second partition wall 31 is a permeated water space S3.
  • the permeated water PW taken out from the plurality of tubular filtration membranes 3 is discharged into the permeated water space S ⁇ b> 3 and then introduced into the permeated water pipe 18 through the permeated water discharge port 9.
  • the treated water introduction port 7 is an opening that allows communication between the outside of the casing 2 and the lower header space S1.
  • the treated water inlet 7 is formed in the casing body 4.
  • the treated water introduction port 7 is provided between the first partition wall 30 and the first side wall 5 in the axis A direction of the casing 2.
  • the concentrated water discharge port 8 is an opening that allows communication between the outside of the casing 2 and the upper header space S2.
  • the concentrated water discharge port 8 is formed in the casing body 4.
  • the concentrated water discharge port 8 is provided between the second partition wall 31 and the second side wall 6 in the axis A direction of the casing 2.
  • the permeated water discharge port 9 is an opening that allows communication between the outside of the casing 2 and the permeated water space S3.
  • the permeated water discharge port 9 is formed in the casing body 4.
  • the permeate discharge port 9 is provided between the first partition wall 30 and the second partition wall 31 in the axis A direction of the casing 2.
  • each tubular filtration membrane 3 is fixed to the inner peripheral surface of the insertion hole 32 after being inserted into the insertion hole 32 of the first partition wall 30.
  • a space between the inner peripheral surface of the insertion hole 32 and the outer peripheral surface of the tubular filtration membrane 3 is sealed with a sealing material (not shown).
  • a sealing material a material that has an initial viscosity and hardens with time, such as an epoxy resin or a urethane resin, is preferable.
  • the other end of each tubular filtration membrane 3 is fixed to the insertion hole 32 of the second partition wall 31 in the same manner as one end of the tubular filtration membrane 3.
  • the plurality of tubular filtration membranes 3 of the present embodiment are connected in series. Specifically, the membrane module 1 of the present embodiment connects one end of the tubular filtration membrane 3 and the other end of the tubular filtration membrane 3 so that a plurality of tubular filtration membranes 3 are connected in series. Yes.
  • the ends of the tubular filtration membrane 3 are connected to each other by a U-shaped membrane connecting pipe 34.
  • the U-shaped membrane connecting pipe 34 is a curved cylindrical connecting member formed of an engineering plastic such as POM, for example.
  • the membrane connecting pipe 34 may be formed of a metal having excellent corrosion resistance such as SUS304.
  • the end of the membrane connecting pipe 34 is connected to the insertion hole 32 of the partition walls 30 and 31. You may connect the edge part of the membrane connection pipe 34 to the tubular filtration membrane 3 directly.
  • the tubular filtration membrane 3 has a cylindrical shape, and is formed of a polymer filtration membrane having a single layer structure in which a hydrophilic monomer is copolymerized on a single main constituent material. That is, the tubular filtration membrane 3 is formed of a single material as a main material. That the main material is formed of one kind of material means that one kind of resin occupies 50% by mass or more in the material (for example, resin) forming the tubular filtration membrane 3. The fact that the main material is formed of one kind of material means that the nature of the one kind of material dominates the nature of the constituent material. Specifically, it means a material in which one kind of resin has 50 mass% to 99 mass%.
  • the main materials constituting the tubular filtration membrane 3 include polyolefin chlorides such as vinyl chloride resin, polysulfone (PS), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), polyacrylonitrile (PAN), and polyether.
  • Polymer materials such as sulfone, polyvinyl alcohol (PVA), and polyimide (PI) can be used.
  • a vinyl chloride resin is particularly preferable.
  • vinyl chloride resins include vinyl chloride homopolymer (vinyl chloride homopolymer), a copolymer of a monomer having an unsaturated bond copolymerizable with vinyl chloride monomer and vinyl chloride monomer, and vinyl chloride monomer in the polymer.
  • vinyl chloride resins include graft copolymers obtained by graft copolymerization, and (co) polymers composed of chlorinated vinyl chloride monomer units.
  • hydrophilic monomers examples include: (1) A cationic group-containing vinyl monomer such as an amino group, an ammonium group, a pyridyl group, an imino group or a betaine structure and / or a salt thereof, (2) Hydrophilic nonionic group-containing vinyl monomers such as hydroxyl groups, amide groups, ester structures, ether structures, (3) Anionic group-containing vinyl monomer such as carboxyl group, sulfonic acid group, phosphoric acid group and / or salt thereof, (4) Other monomers may be mentioned.
  • the tube diameter of the tubular filtration membrane can be appropriately selected depending on the properties of the water to be treated W.
  • the inner diameter of the tubular filtration membrane 3 is 5 mm.
  • the inner diameter of the tubular filtration membrane 3 is 5 mm-10 mm, and when the coarse fiber amount ⁇ is 500 mg / liter or more, the inner diameter of the tubular filtration membrane 3 is Can be 10 mm or more.
  • the water to be treated W1 is treated in the biological treatment water tank 11. Specifically, the organic substance contained in the for-treatment water W1 is decomposed by microorganisms.
  • the water to be treated W2 discharged from the biological treatment water tank 11 is stored in the raw water tank 12.
  • the treated water W3 discharged from the raw water tank 12 is supplied to the membrane separation device 13 via the circulation pump 21, it is sent into the tubular filtration membrane 3 of the membrane module 1.
  • the permeated water space S3 in the casing 2 of the membrane module 1 becomes a negative pressure by the operation of the suction pump 22.
  • the suction pump 22 sucks in a direction substantially orthogonal to the flow of the water to be treated W3 flowing through the tubular filtration membrane 3 through the permeate discharge port 9.
  • the permeated water PW permeated from the tubular filtration membrane 3 is stored in the storage tank 20 through the permeated water discharge port 9 and the permeated water pipe 18.
  • the flow of the to-be-processed water W3 in the membrane module 1 is demonstrated using FIG.
  • the treated water W3 flowing into the lower header space S1 is introduced into the first tubular filtration membrane 3a.
  • the water to be treated W3 is introduced into the second tubular filtration membrane 3b through the membrane connection pipe 34a.
  • the water to be treated W3 is introduced to the fifth tubular filtration membrane 3e via the third tubular filtration membrane 3c and the fourth tubular filtration membrane 3d.
  • the treated water W3 flows into the upper header space S2 from the fifth tubular filtration membrane 3e, and is then discharged from the concentrated water discharge port 8.
  • the same amount of treated water W3 always passes through all the tubular filtration membranes 3.
  • the first tubular filtration membrane 3a, the treated water introduction port 7, and the fifth tubular filtration membrane 3e may be directly connected to the concentrated water discharge port 8 via the connection member 39 and the connection member 40. In this case, it is not necessary to provide the upper header space S2, and the configuration of the casing can be changed, such as eliminating the second side wall 6.
  • the entire amount of the concentrated water W4 discharged from the membrane separation device 13 is returned to the biological treatment water tank 11 through the return pipe 19, and is processed again.
  • the flow volume of the to-be-processed water W3 which flows through the membrane module 1 can be decreased.
  • the driving power for circulating the to-be-processed water W can be made small.
  • a membrane surface flow velocity can be improved. Thereby, it is possible to suppress the accumulation of sludge on the membrane surface of the tubular filtration membrane 3.
  • the membrane surface flow rate becomes uniform, it is possible to suppress the accumulation or sludge of sludge on the tubular filtration membrane 3. Thereby, all the tubular filtration membranes 3 can be used effectively. Moreover, the fall of FLUX (outflow amount) can be suppressed. Further, the tubular filtration membrane 3 can be prevented from being blocked.
  • the membrane surface flow rate of the water to be treated W3 can be lowered.
  • the membrane surface flow velocity can be set to, for example, 0.15 m / s-0.30 m / s.
  • the tubular filtration membrane 3 When the tubular filtration membrane 3 is hydrophobic, it is necessary to increase the membrane surface flow velocity (for example, 2.5 m / s). For this reason, the circulation flow rate increases, and it becomes necessary to return the concentrated water W4 discharged from the membrane separation device 13 to the raw water tank 12 and the biological treatment water tank 11.
  • a distribution tank that distributes the concentrated water W4 to the raw water tank 12 and the biological treatment water tank 11 and a pipe that returns the concentrated water W4 to the raw water tank 12 are required. .
  • the circulation flow rate of the water to be treated W can be reduced. Thereby, the power of the circulation pump 21 can be reduced. Further, a distribution tank that distributes the concentrated water W4 to the raw water tank 12 and the biological treatment water tank 11 and a return pump that returns the concentrated water W4 from the raw water tank 12 to the biological treatment water tank 11 are not required.
  • the diameter of the pipe can be reduced by reducing the flow rate. In addition, by reducing the flow rate, it is possible to reduce equipment such as a flow meter.
  • the water treatment system 10B of 2nd embodiment of this invention is demonstrated based on drawing.
  • differences from the first embodiment described above will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.
  • a plurality of membrane modules 1 are connected in series with each other.
  • the membrane separator 13 includes three membrane modules 1
  • the water to be treated W3 discharged from the raw water tank 12 is introduced only into the first membrane module 1a and discharged from the first membrane module 1a.
  • the treated water is introduced only into the second membrane module 1b.
  • the treated water discharged from the second membrane module 1b is introduced only into the third membrane module 1c, and the concentrated water W4 discharged from the third membrane module 1c is introduced into the return pipe 19.
  • the raw water supply pipe 17 and the return pipe 19 connected to the membrane separation device 13 are each provided in one place, and the flow rate of the water to be treated W circulating in the water treatment system 10B can be reduced. Thereby, the driving power for circulating the to-be-processed water W can be made small.
  • the membrane module 1C of the present embodiment includes a pair of membrane connection plates 36 (see FIGS. 4 and 5) instead of the membrane connection tube 34 (see FIG. 2) of the first embodiment. Shows one of the pair of membrane connecting plates 36).
  • the membrane connecting plate 36 has a plate shape and is attached in close contact with the surface of the first partition 30 opposite to the surface facing the second partition 31.
  • the membrane connecting plate 36 is also attached to the surface of the second partition wall 31 opposite to the surface facing the first partition wall 30, but the description thereof is omitted because it has the same structure.
  • the membrane connecting plate 36 is connected to the first partition wall 30 so that the main surface is in close contact with the surface of the first partition wall 30 opposite to the surface facing the second partition wall 31.
  • a surface of the membrane connecting plate 36 that is in close contact with the first partition wall 30 is referred to as a contact surface 36a.
  • a plurality of membrane connection grooves 37 are formed in the close contact surface 36 a of the membrane connection plate 36.
  • the membrane connection plate 36 is formed with a to-be-treated water insertion hole 38 penetrating the contact surface 36a and the surface on the opposite side.
  • the membrane connecting groove 37 is a bottomed groove formed in the close contact surface 36 a of the membrane connecting plate 36.
  • the membrane connection groove 37 has the same function as the membrane connection tube 34 of the first embodiment.
  • the treated water insertion hole 38 is a hole that allows the tubular filtration membrane 3 and the header space to communicate with each other, and may be directly connected to the treated water introduction port 7 via the connection pipe 41.
  • the assembly process of the membrane module can be simplified as compared with the membrane module 1 of the first embodiment using a plurality of membrane connecting pipes 34. Moreover, disassembly and cleaning can be facilitated by reducing the number of parts.
  • the membrane module 1 may be placed horizontally. That is, the membrane module 1 may be arranged such that the axis A of the membrane module 1 extends in the horizontal direction. By placing the membrane module 1 horizontally, the membrane module 1 can be easily replaced even when a plurality of membrane modules 1 are arranged.
  • the present invention it is possible to reduce the flow rate of the water to be treated flowing through the tubular filtration membrane as compared with a method of connecting a plurality of tubular filtration membranes in parallel. Thereby, the driving power for circulating treated water can be made small. In addition, since the membrane surface flow rate becomes uniform, it is possible to suppress the accumulation or stagnation of sludge on the tubular filtration membrane.

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Abstract

本発明に係わる膜モジュール（１）は、軸線（Ａ）が鉛直方向に延在する筒形状のケーシング（２）と、ケーシング（２）の内部において延在方向に延在して、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜（３）と、管状濾過膜（３）の一端同士、及び管状濾過膜（３）の他端同士を複数の管状濾過膜（３）が直列的に接続されるように接続する複数の接続部材（３４）と、を備える。

Description

膜モジュール及び水処理システム
　本発明は、し尿などの有機性廃水を処理する膜モジュール及び水処理システムに関する。
　本願は、２０１５年１１月１８日に日本に出願された特願２０１５－２２５９５８号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　し尿などの有機性廃水を処理する場合、固液の分離にＭＦ（精密濾過）、ＵＦ（限外濾過）などの膜分離を用いることが主流となっている。
　膜分離装置としては、円筒形状のケーシングと、ケーシング内に収容された複数の管状濾過膜（中空糸膜）と、を備えた複数の膜モジュールを用い、管状濾過膜の内側に原水を循環させながら濾過する方式の装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。管状濾過膜を透過した透過水は、吸引ポンプによって吸引されて、例えば、貯留槽に貯留されて適宜利用される。
特開２０１３－０５２３３８号公報
　従来の膜分離装置は、複数の膜モジュールのケーシングに収容された管状濾過膜の配列方法が並列方式となっている。即ち、被処理水はケーシングのヘッダを介して複数の管状濾過膜内に導入される。
　このような形態の場合、循環する被処理水の量が多くなるため、運転動力が大きくなってしまうという課題があった。また、各々の管状濾過膜に被処理水が均等に供給されない場合、膜面流速が不均一になり、管状濾過膜に汚泥が堆積したり停滞したりするという課題がある。汚泥の堆積や停滞によって、（１）有効活用されない管状濾過膜が生じる、（２）ＦＬＵＸ（流出量）の低下、（３）管状濾過膜の閉塞、などの不具合が発生するという課題がある。
　この発明は、水処理システムの運転動力の低減を図るとともに、管状濾過膜に汚泥が堆積したり、停滞したりすることを抑制することができる膜モジュール及び水処理システムを提供することを目的とする。
　（１）本発明の第一の態様によれば、膜モジュールは、軸線が鉛直方向に延在する筒形状のケーシングと、前記ケーシングの内部において前記ケーシングの延在方向に延在して、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜と、前記管状濾過膜の一端同士、及び前記管状濾過膜の他端同士を前記複数の管状濾過膜が直列的に接続されるように接続する複数の接続部材と、を備える。
　このような構成によれば、複数の管状濾過膜を並列的に接続する方式と比較して、管状濾過膜を流れる被処理水の流量を少なくすることができる。これにより、被処理水を循環させるための運転動力を小さくすることができる。また、膜面流速が均一となるため、管状濾過膜に汚泥が堆積したり停滞したりするのを抑制することができる。
　（２）上記（１）に記載の膜モジュールにおいて、前記ケーシングの延在方向の一端に設けられ、前記複数の管状濾過膜の一端（第一端）が連結された複数の貫通孔を有する第一隔壁と、前記ケーシングの延在方向の他端（第二端）に設けられ、前記複数の管状濾過膜の他端が連結された複数の貫通孔を有する第二隔壁と、を備え、前記接続部材は、前記複数の貫通孔同士を接続してよい。
　（３）上記（１）又は（２）に記載の膜モジュールにおいて、前記接続部材は、前記複数の貫通孔同士を接続する膜接続溝を備えた膜接続板であってよい。
　このような構成によれば、膜モジュールの組み立て工程を簡略化することができる。また、部品点数が減ることによって、分解・清掃を容易とすることができる。
　（４）本発明の第二の態様によれば、膜モジュールは、筒形状のケーシングと、前記ケーシングの内部において前記ケーシングの延在方向に延在して、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜と、前記ケーシングの延在方向の一端（第一端）に設けられ、前記複数の管状濾過膜の一端が連結された複数の貫通孔を有する第一隔壁と、前記ケーシングの延在方向の他端（第二端）に設けられ、前記複数の管状濾過膜の他端が連結された複数の貫通孔を有する第二隔壁と、前記管状濾過膜の一端同士、及び前記管状濾過膜の他端同士を前記複数の管状濾過膜が直列的に接続されるように接続する膜接続溝を備えた一対の膜接続板と、を備える。
　（５）本発明の第三の態様によれば、水処理システムは、被処理水に含有される有機物を処理する生物処理水槽と、前記生物処理水槽から排出される被処理水が収容される原水槽と、上記（１）から（４）の態様のいずれかに記載の膜モジュールを有し、前記原水槽から供給される被処理水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置と、前記濃縮水を前記生物処理水槽に返送する返送ラインと、を備え、前記原水槽には前記濃縮水を返送しない。
　（６）上記（５）に記載の水処理システムにおいて、前記膜分離装置は、互いに直列的に接続されている複数の前記膜モジュールを有してよい。
　このような構成によれば、膜分離装置に接続される配管が各々１箇所になり、水処理システムを循環する被処理水の流量を少なくすることができる。これにより、被処理水を循環させるための運転動力を小さくすることができる。
　本発明によれば、複数の管状濾過膜を並列的に接続する方式と比較して、管状濾過膜を流れる被処理水の流量を少なくすることができる。これにより、被処理水を循環させるための運転動力を小さくすることができる。また、膜面流速が均一となるため、管状濾過膜に汚泥が堆積したり停滞したりするのを抑制することができる。
本発明の第一実施形態の水処理システムの概略構成図である。 本発明の第一実施形態の膜モジュールの概略断面図である。 本発明の第二実施形態の水処理システムの概略構成図である。 本発明の第三実施形態の膜モジュールの第一隔壁及び膜接続板の分解斜視図である。 本発明の第三実施形態の膜モジュールの第一隔壁及び膜接続板の概略断面図である。
（第一実施形態）
　以下、本発明の第一実施形態の膜モジュール１を有する水処理システム１０について図面を参照して詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態の水処理システム１０は、被処理水Ｗ１（第一被処理水であり、し尿、浄化槽汚泥を含む有機性廃水）に含まれる有機物を処理する生物処理水槽１１と、生物処理水槽１１から排出される被処理水Ｗ２（第二被処理水）が収容される原水槽１２と、原水槽１２から供給される被処理水Ｗ３（第三被処理水であり、原水）を透過水ＰＷと濃縮水Ｗ４とに分離する膜分離装置１３と、を備えている。
　生物処理水槽１１は、例えば、硝化菌と脱窒菌の作用により液中のＢＯＤ、窒素化合物等を分解除去する装置である。生物処理水槽１１には、第一配管１５を介して被処理水Ｗ１が供給される。生物処理水槽１１と原水槽１２とは第二配管１６によって接続されている。
　膜分離装置１３は、複数の膜モジュール１を備えている。複数の膜モジュール１は、並列に配列されている。複数の膜モジュール１は、膜分離装置１３の筐体内に、縦向きで配置されている。即ち、膜モジュール１の円筒形状のケーシング２（図２参照）の軸線Ａは、鉛直方向に延在している。
　図２に示すように、膜モジュール１は、ケーシング２と、ケーシング２の内部に配置された複数の管状濾過膜３とを有している。膜分離装置１３は、管状濾過膜３の内側に被処理水Ｗ３を循環させながら濾過する方式を用い、被処理水Ｗ３から透過水ＰＷを取り出す装置である。
　原水槽１２と膜分離装置１３とは原水供給配管１７を介して接続されている。原水供給配管１７には、循環ポンプ２１が設けられている。原水槽１２から排出された被処理水Ｗ３は、循環ポンプ２１によって加圧されながら、膜分離装置１３に供給される。
　膜分離装置１３から分離される透過水ＰＷは、透過水配管１８に導入される。透過水配管１８は、貯留槽２０に接続されている。即ち、膜モジュール１の透過水排出口９（図２参照）は、透過水配管１８に接続されている。透過水配管１８には、吸引ポンプ２２が設けられている。
　透過水ＰＷが分離されて膜分離装置１３から排出される濃縮水Ｗ４は、余剰汚泥を除く全量が返送配管１９（返送ライン）を介して生物処理水槽１１に返送される。即ち、膜モジュール１の濃縮水排出口８（図２参照）は、返送配管１９に接続されている。
　よって、濃縮水Ｗ４は、原水槽１２に返送されない。生物処理水槽１１から排出された被処理水Ｗ２は、原水槽１２、膜分離装置１３を介して、生物処理水槽１１に戻る。即ち、被処理水Ｗは、水処理システム１０の配管を循環する。
　上述したように、複数の膜モジュール１は、並列に配列されている。具体的には、原水供給配管１７、透過水配管１８、及び返送配管１９は、各々の膜モジュール１に接続されている。
　図２に示すように、膜モジュール１は、円筒形状のケーシング２と、複数の管状濾過膜３と、を備えている。
　ケーシング２は、円筒形状をなすケーシング本体４と、ケーシング本体４の下端を閉鎖する第一側壁５と、ケーシング本体４の上端を閉鎖する第二側壁６と、ケーシング本体４に形成された被処理水導入口７と、ケーシング本体４に形成された濃縮水排出口８と、ケーシング本体４に形成された透過水排出口９と、を有している。
　膜モジュール１は、ケーシング２の内部を３つの空間に分割する、第一隔壁３０と第二隔壁３１と、を備えている。第一隔壁３０と第二隔壁３１とには、複数の挿通孔３２が形成されている。挿通孔３２は、第一隔壁３０及び第二隔壁３１の板厚方向に貫通する貫通孔である。挿通孔３２の内径は、管状濾過膜３の外径よりもやや大きい。
　第一隔壁３０は、ケーシング２の延在方向の一端（第一端）に設けられ、複数の管状濾過膜３の一端は、第一隔壁３０の複数の貫通孔３２に連結されている。第二隔壁３１は、ケーシング２の延在方向の他端（第二端）に設けられ、複数の管状濾過膜３の他端は、第二隔壁３１の複数の貫通孔３２に連結されている。
　第一隔壁３０は、板形状をなす部材であり、ケーシング２の延在方向の下方（第一側壁５の側）に固定されている。ケーシング本体４と、第一隔壁３０と、第一側壁５とによって囲まれる空間は、下部ヘッダ空間Ｓ１である。
　第二隔壁３１は、板形状をなす部材であり、ケーシング２の延在方向の上方（第二側壁６の側）に固定されている。ケーシング本体４と、第二隔壁３１と、第二側壁６とによって囲まれる空間は、上部ヘッダ空間Ｓ２である。
　ケーシング本体４と、第一隔壁３０と、第二隔壁３１とによって囲まれる空間は、透過水空間Ｓ３である。複数の管状濾過膜３から取り出された透過水ＰＷは、透過水空間Ｓ３に排出された後、透過水排出口９を介して透過水配管１８に導入される。
　被処理水導入口７は、ケーシング２の外部と下部ヘッダ空間Ｓ１とを連通させる開口である。被処理水導入口７は、ケーシング本体４に形成されている。被処理水導入口７は、ケーシング２の軸線Ａ方向における、第一隔壁３０と、第一側壁５との間に設けられている。
　濃縮水排出口８は、ケーシング２の外部と上部ヘッダ空間Ｓ２とを連通させる開口である。濃縮水排出口８は、ケーシング本体４に形成されている。濃縮水排出口８は、ケーシング２の軸線Ａ方向における、第二隔壁３１と、第二側壁６との間に設けられている。
　透過水排出口９は、ケーシング２の外部と透過水空間Ｓ３とを連通させる開口である。
透過水排出口９は、ケーシング本体４に形成されている。透過水排出口９は、ケーシング２の軸線Ａ方向における、第一隔壁３０と、第二隔壁３１との間に設けられている。
　各々の管状濾過膜３の一端は、第一隔壁３０の挿通孔３２に挿通された上で、挿通孔３２の内周面に固定されている。挿通孔３２の内周面と管状濾過膜３の外周面との間は、シール材（図示せず）によってシールされている。シール材としては、エポキシ樹脂やウレタン樹脂など、初期に粘性を持ち、経時的に硬化する材料が好ましい。
　各々の管状濾過膜３の他端は、管状濾過膜３の一端と同様の方法で第二隔壁３１の挿通孔３２に固定されている。
　本実施形態の複数の管状濾過膜３は、直列的に接続されている。具体的には、本実施形態の膜モジュール１は、管状濾過膜３の一端同士、及び管状濾過膜３の他端同士を複数の管状濾過膜３が直列的に接続されるように接続している。
　管状濾過膜３の端部同士は、Ｕ字状の膜接続管３４によって接続されている。Ｕ字状の膜接続管３４は、例えば、ＰＯＭなどのエンジニアリングプラスチックで形成され、湾曲された円筒状の接続部材である。膜接続管３４は、ＳＵＳ３０４など耐腐食性に優れた金属で形成してもよい。膜接続管３４の端部は、隔壁３０，３１の挿通孔３２に接続されている。膜接続管３４の端部を直接的に管状濾過膜３に接続してもよい。
　管状濾過膜３は、円筒形状をなし、単一主要構成素材に親水性モノマーが共重合された単層構造の高分子濾過膜によって形成されている。
　即ち、管状濾過膜３は、主要材料が１種類の素材によって形成されている。主要材料が１種類の素材によって形成されているということは、管状濾過膜３を形成する素材（例えば、樹脂）において、１種類樹脂が５０％質量％以上を占めていることを意味する。
　また、主要材料が１種類の素材によって形成されているということは、その１種類の素材の性質が構成素材の性質を支配していることを意味する。具体的には、１種類の樹脂が５０質量％－９９質量％を有する素材を意味する。
　管状濾過膜３を構成する主要材料としては、塩化ビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳ）系、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系、ポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ポリエーテルスルフォン系、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系、ポリイミド（ＰＩ）系などの高分子材料を用いることができる。
　管状濾過膜３を構成する主要材料としては、特に塩化ビニル系樹脂が好ましい。塩化ビニル系樹脂としては、塩化ビニル単独重合体（塩化ビニルホモポリマー）、塩化ビニルモノマーと共重合可能な不飽和結合を有するモノマーと塩化ビニルモノマーとの共重合体、重合体に塩化ビニルモノマーをグラフト共重合したグラフト共重合体、これらの塩化ビニルモノマー単位が塩素化されたものからなる（共）重合体などが挙げられる。
　親水性モノマーとしては、例えば、
（１）アミノ基、アンモニウム基、ピリジル基、イミノ基、ベタイン構造などのカチオン性基含有ビニルモノマー及び／又はその塩、
（２）水酸基、アミド基、エステル構造、エーテル構造などの親水性の非イオン性基含有ビニルモノマー、
（３）カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基などのアニオン性基含有ビニルモノマー及び／又はその塩、
（４）その他のモノマー等が挙げられる。
　管状濾過膜の管径は、被処理水Ｗの性状等によって適宜選択することができ、例えば被処理水Ｗ３における粗繊維量αが２００ｍｇ／リットル以下の場合は、管状濾過膜３の内径を５ｍｍ以下、粗繊維量αが２００ｍｇ／リットルより大きく５００ｍｇ／リットルより小さい場合は、管状濾過膜３の内径を５ｍｍ－１０ｍｍ、粗繊維量αが５００ｍｇ／リットル以上の場合は、管状濾過膜３の内径を１０ｍｍ以上とすることができる。管径を選択する事によって、粗繊維分による管状濾過膜３の閉塞を抑制することができる。
　次に、本実施形態の水処理システム１０の作用について説明する。
　まず、被処理水Ｗ１は、生物処理水槽１１において処理される。具体的には被処理水Ｗ１に含まれる有機性物質が微生物によって分解される。
　次いで、生物処理水槽１１から排出された被処理水Ｗ２は、原水槽１２に貯留される。
原水槽１２から排出された被処理水Ｗ３は、循環ポンプ２１を介して膜分離装置１３に供給されると、膜モジュール１の管状濾過膜３内に送り込まれる。一方、膜モジュール１のケーシング２内の透過水空間Ｓ３は吸引ポンプ２２の作動により、負圧となる。吸引ポンプ２２は、透過水排出口９を通して管状濾過膜３を流れる被処理水Ｗ３の流れに対して略直交する方向に吸引する。管状濾過膜３から透過された透過水ＰＷは、透過水排出口９及び透過水配管１８を介して貯留槽２０に貯留される。
　ここで、図２を用いて膜モジュール１内における被処理水Ｗ３の流れを説明する。
　複数の管状濾過膜３が直列的に接続されていることによって、下部ヘッダ空間Ｓ１に流入した被処理水Ｗ３は、第一管状濾過膜３ａに導入される。次いで、被処理水Ｗ３は、膜接続管３４ａを介して、第二管状濾過膜３ｂに導入される。その後、被処理水Ｗ３は、第三管状濾過膜３ｃ、第四管状濾過膜３ｄを介して、第五管状濾過膜３ｅに導入される。被処理水Ｗ３は、第五管状濾過膜３ｅから上部ヘッダ空間Ｓ２に流入した後、濃縮水排出口８から排出される。
　即ち、管状濾過膜３の配列を直列方式にすることによって、必ず、全ての管状濾過膜３の内部を同量の被処理水Ｗ３が通過する。
　また、第一管状濾過膜３ａと被処理水導入口７、及び第五管状濾過膜３ｅを濃縮水排出口８とを、接続部材３９及び接続部材４０を介して直接に接続してもよい。この場合、上部ヘッダ空間Ｓ２を設けなくてもよく、第二側壁６をなくすなど、ケーシングの構成を変更できる。
　膜分離装置１３から排出された濃縮水Ｗ４の全量は、返送配管１９を介して生物処理水槽１１に返送されて、再度、処理が行われる。
　上記実施形態によれば、複数の管状濾過膜３を並列的に接続する方式と比較して、膜モジュール１を流れる被処理水Ｗ３の流量を少なくすることができる。これにより、被処理水Ｗを循環させるための運転動力を小さくすることができる。
　また、被処理水Ｗの流量を少なくしない場合は、膜面流速を向上させることができる。
これにより、管状濾過膜３の膜面に汚泥が堆積するのを抑制することができる。
　また、膜面流速が均一となるため、管状濾過膜３に汚泥が堆積したり停滞したりするのを抑制することができる。これにより、全ての管状濾過膜３を有効活用することができる。また、ＦＬＵＸ（流出量）の低下を抑制することができる。さらに、管状濾過膜３が閉塞するのを抑制することができる。
　また、管状濾過膜３を親水性を有する材料で形成することによって、被処理水Ｗ３の膜面流速を低くすることができる。膜面流速は、例えば、０．１５ｍ／ｓ－０．３０ｍ／ｓとすることができる。
　管状濾過膜３が疎水性である場合、膜面流速を高くする必要がある（例えば、２．５ｍ／ｓ）。このため、循環流量が多くなり、膜分離装置１３から排出される濃縮水Ｗ４を、原水槽１２及び生物処理水槽１１に返送する必要が生じる。原水槽１２及び生物処理水槽１１に返送するためには、濃縮水Ｗ４を原水槽１２と生物処理水槽１１とに分配する分配タンクや、濃縮水Ｗ４を原水槽１２に返送する配管が必要となる。
　本実施形態の水処理システム１０は、膜面流速を低くすることができるため、被処理水Ｗの循環流量を少なくすることができる。これにより、循環ポンプ２１の動力を低減することができる。また、濃縮水Ｗ４を原水槽１２と生物処理水槽１１とに分配する分配タンクや、濃縮水Ｗ４を原水槽１２から生物処理水槽１１に返送する返送ポンプが不要となる。
　また、流量が少なくなることにより、配管を小径化することができる。また、流量が少なくなることにより、流量計などの機器の削減が可能となる。
（第二実施形態）
　以下、本発明の第二実施形態の水処理システム１０Ｂを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図３に示すように、本実施形態の水処理システム１０Ｂは、複数の膜モジュール１が、互いに直列的に接続されている。例えば、膜分離装置１３が３つの膜モジュール１を備えている場合、原水槽１２から排出された被処理水Ｗ３は、第一膜モジュール１ａのみに導入されて、第一膜モジュール１ａから排出される被処理水は、第二膜モジュール１ｂのみに導入される。第二膜モジュール１ｂから排出される被処理水は、第三膜モジュール１ｃにのみ導入されて、第三膜モジュール１ｃから排出された濃縮水Ｗ４は、返送配管１９に導入される。
　上記実施形態によれば、膜分離装置１３に接続される原水供給配管１７及び返送配管１９が各々１箇所になり、水処理システム１０Ｂを循環する被処理水Ｗの流量を少なくすることができる。これにより、被処理水Ｗを循環させるための運転動力を小さくすることができる。
（第三実施形態）
　以下、本発明の第三実施形態の膜モジュールを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図４及び図５に示すように、本実施形態の膜モジュール１Ｃは、第一実施形態の膜接続管３４（図２参照）の代替として、一対の膜接続板３６（図４及び図５には、一対の膜接続板３６のうち一方を示す）を有している。膜接続板３６は、板状をなし、第一隔壁３０の第二隔壁３１を向く面とは反対側の面に密着して取り付けられている。
　なお、膜接続板３６は、第二隔壁３１の第一隔壁３０を向く面とは反対側の面にも取り付けられているが、同様の構造であるため説明を省略する。
　膜接続板３６は、主面が第一隔壁３０の第二隔壁３１を向く面とは反対側の面に密着するように、第一隔壁３０に接続されている。膜接続板３６の第一隔壁３０に密着する面を密着面３６ａと呼ぶ。膜接続板３６の密着面３６ａには、複数の膜接続溝３７が形成されている。また、膜接続板３６には密着面３６ａとその反対側の面を貫通する被処理水挿通孔３８が形成されている。
　膜接続溝３７は、膜接続板３６の密着面３６ａに形成された有底の溝である。膜接続溝３７は、第一実施形態の膜接続管３４と同様の機能を有している。即ち、一の管状濾過膜３を流れる被処理水Ｗは、膜接続溝３７を介して他の管状濾過膜３に流れる。被処理水挿通孔３８は、管状濾過膜３とヘッダ空間とを連通させる孔であり、接続管４１を介して被処理水導入口７に直接接続されてもよい。
　上記実施形態によれば、複数の膜接続管３４を用いる第一実施形態の膜モジュール１と比較して、膜モジュールの組み立て工程を簡略化することができる。また、部品点数が減ることによって、分解・清掃を容易とすることができる。
　以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、管状濾過膜３の本数に関して、図２などには５本の管状濾過膜３を示したが、管状濾過膜３の本数はこれに限ることはない。
　また、膜モジュール１は、横置きしてもよい。即ち、膜モジュール１を、膜モジュール１の軸線Ａが水平方向に延在するように配置してもよい。膜モジュール１を横置きすることによって、膜モジュール１を複数配置する場合においても、膜モジュール１の交換を容易とすることができる。
　本発明によれば、複数の管状濾過膜を並列的に接続する方式と比較して、管状濾過膜を流れる被処理水の流量を少なくすることができる。これにより、被処理水を循環させるための運転動力を小さくすることができる。また、膜面流速が均一となるため、管状濾過膜に汚泥が堆積したり停滞したりするのを抑制することができる。
　１　膜モジュール
　２　ケーシング
　３　管状濾過膜
　４　ケーシング本体
　５　第一側壁
　６　第二側壁
　７　被処理水導入口
　８　濃縮水排出口
　９　透過水排出口
　１０　水処理システム
　１１　生物処理水槽
　１２　原水槽
　１３　膜分離装置
　１５　第一配管
　１６　第二配管
　１７　原水供給配管
　１８　透過水配管
　１９　返送配管（返送ライン）
　２０　貯留槽
　２１　循環ポンプ
　２２　吸引ポンプ
　３０　第一隔壁
　３１　第二隔壁
　３２　挿通孔（貫通孔）
　３４　膜接続管（接続部材）
　３６　膜接続板（接続部材）
　３６ａ　密着面
　３７　膜接続溝
　３８　被処理水挿通孔
　Ａ　軸線
　ＰＷ　透過水
　Ｓ１　下部ヘッダ空間
　Ｓ２　上部ヘッダ空間
　Ｓ３　透過水空間
　Ｗ１～Ｗ３　被処理水
　Ｗ４　濃縮水

Claims (6)

  1. 　軸線が鉛直方向に延在する筒形状のケーシングと、
    　前記ケーシングの内部において前記ケーシングの延在方向に延在して、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜と、
    　前記管状濾過膜の一端同士、及び前記管状濾過膜の他端同士を前記複数の管状濾過膜が直列的に接続されるように接続する複数の接続部材と、を備える膜モジュール。
  2. 　前記ケーシングの延在方向の一端に設けられ、前記複数の管状濾過膜の一端が連結された複数の貫通孔を有する第一隔壁と、
    　前記ケーシングの延在方向の他端に設けられ、前記複数の管状濾過膜の他端が連結された複数の貫通孔を有する第二隔壁と、を備え、
    　前記接続部材は、
    　前記複数の貫通孔同士を接続する請求項１に記載の膜モジュール。
  3. 　前記接続部材は、前記複数の貫通孔同士を接続する膜接続溝を備えた膜接続板である請求項１又は請求項２に記載の膜モジュール。
  4. 　筒形状のケーシングと、
    　前記ケーシングの内部において前記ケーシングの延在方向に延在して、親水性モノマーが共重合された単層構造を有する複数の管状濾過膜と、
    　前記ケーシングの延在方向の一端に設けられ、前記複数の管状濾過膜の一端が連結された複数の貫通孔を有する第一隔壁と、
    　前記ケーシングの延在方向の他端に設けられ、前記複数の管状濾過膜の他端が連結された複数の貫通孔を有する第二隔壁と、
    　前記管状濾過膜の一端同士、及び前記管状濾過膜の他端同士を前記複数の管状濾過膜が直列的に接続されるように接続する膜接続溝を備えた一対の膜接続板と、を備えた膜モジュール。
  5. 　被処理水に含有される有機物を処理する生物処理水槽と、
    　前記生物処理水槽から排出される被処理水が収容される原水槽と、
    　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の膜モジュールを有し、前記原水槽から供給される被処理水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置と、
    　前記濃縮水を前記生物処理水槽に返送する返送ラインと、を備え、前記原水槽には前記濃縮水を返送しない水処理システム。
  6. 　前記膜分離装置は、互いに直列的に接続されている複数の前記膜モジュールを有する請求項５に記載の水処理システム。
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