JP5602017B2 - 膜外周が被覆された中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、タンク、槽などの容器に設置して曝気及びろ過を行う装置に装着される中空糸膜を用いたろ過モジュールに関する。更に詳しくは、本発明は、河川水、湖沼水、地下水、海水、生活排水、工場排水、下水二次処理水等の原水について除濁、除菌を行うろ過装置、或いは活性汚泥の固液分離を膜で行う膜活性汚泥装置に用いられる中空糸膜を用いたろ過モジュールに関する。

廃水処理方法の一つとして、活性汚泥槽にろ過モジュールを浸漬し、ろ過により活性汚泥と処理後の処理水の固液分離を行う膜分離活性汚泥法がある。この方法は活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ：Ｍｉｘｅｄ Ｌｉｑｕｏｒ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ）を５０００から２００００ｍｇ／ｌと極めて高くしてろ過処理が行えるため、活性汚泥槽の容積を小さくできる、或いは活性汚泥槽内での反応時間を短縮することができるという利点を有する。また膜によるろ過であるため、処理水中には浮遊物質（ＳＳ：Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ）が混入せず最終沈殿槽が不要となり処理施設の敷地面積を減らすことができること、活性汚泥沈降性の良否を問わずろ過ができるため、活性汚泥管理も軽減されることなど多くのメリットがあり、近年急速に普及している。

ろ過モジュールに中空糸膜を用いる場合、膜自身の強度が強いため、原水中から混入する爽雑物との接触による膜表面へのダメージが少なく長期間の使用に耐えることができる。更にろ過方向とは逆方向に処理水等の媒体を噴出させて膜表面の付着物を除去する逆洗を行えるという利点を有する。しかし、中空糸膜同士の隙間に蓄積する活性汚泥の凝集物や原水から持ち込まれる爽雑物質（以下、懸濁物質と記す。）を排除しながらろ過を行わないと、有効な膜面積が低下する。その結果、ろ過効率が低下するため、長期間の安定なろ過ができないという問題がある。

従来はこの中空糸膜表面及び中空糸膜間への懸濁物質の蓄積を避けるためにモジュールの下部から空気等の曝気を行っていた。それにより中空糸膜の摺動効果と気泡の上方への移動による撹拌効果から中空糸膜表面及び中空糸膜間の懸濁物質を剥離させ、それらの蓄積を防いでいた。例えば中空糸膜モジュールの下部にスカートを設置し、かつスカート側固定層に複数の貫通孔を設け、スカート下部からの曝気によりスカートから突き出たスカート端部内に気液混合層を形成する。それによって複数の貫通穴から均等に気泡を発生させ、中空糸膜の外表面に堆積した懸濁物質を剥離しやすくしていた。

しかしながら、膜分離活性汚泥法などのように、高いＭＬＳＳの活性汚泥をろ過処理する場合は、ヘッド近傍の中空糸膜束内において、気液混相流に同伴された懸濁物質が中空糸膜束外に抜けきらず、徐々に蓄積する問題があった。

このような問題を解決するために、上側の固定部界面において中空糸膜を複数の小束に分割し、各小束間に特定の距離を設けることが提案されている（特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２００４−１１２９４４号公報

前記のような中空糸膜モジュールを活性汚泥槽に浸漬して長期間ろ過運転を行った場合に、分割された小束の固定部付近において中空糸膜束中に懸濁物質が蓄積して小束の径が次第に太くなる現象が起こり、それによって小束間の距離が小さくなってモジュール内からの懸濁物質の除去性が低下し、ろ過性能の低下を招来する問題があった。
また、連続曝気によって生じる激しい気液混相流の作用によって固定部界面付近で中空糸膜が破断してしまうことがあり、ろ過水に原水が混入してろ過水の水質を低下させてしまう問題があった。従来、固定部界面付近での中空糸膜の破断を抑制するために、固定部界面の上に柔軟な樹脂層を設けることが行われていた（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような方法によってもモジュールの取り扱い時や長期間の運転において中空糸膜が破断してしまうことがあり、更なる改良が必要であった。

本発明は、中空糸膜束内に懸濁物質が堆積することを抑制し、長期間安定したろ過性能を発揮する中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、固定層界面付近において中空糸膜外周を特定の弾性体で被覆することにより、前記の問題を解決し得ることを見い出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は以下の通りである。
（１）複数本の中空糸膜から成る１つ又は複数の中空糸膜束が両端部において注型用樹脂で固定された固定層を有し、片方又は両方の端部において中空糸膜の中空部が開口した中空糸膜モジュールであって、中空部が開口した側の少なくとも一方の固定層において該中空糸膜束が複数の小束に分割されており、該固定層のろ過部界面付近において各小束の外周が弾性体で被覆されている中空糸膜モジュール。
（２）複数本の中空糸膜が両端部において注型用樹脂で固定された固定層を有し、片方又は両方の端部において中空糸膜の中空部が開口した中空糸膜モジュールであって、中空部が開口した側の少なくとも一方の固定層のろ過部界面付近において各中空糸膜の外周が弾性体で被覆されている中空糸膜モジュール。
（３）前記弾性体の一部が固定層に埋め込まれ、かつ弾性体の残りの部分は固定層のろ過部界面から突出している（１）又は（２）記載の中空糸膜モジュール。
（４）前記弾性体のろ過部界面から突出している長さが５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下である（１）〜（３）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（５）前記弾性体のろ過部界面から突出している部分において、該弾性体が内包する中空糸膜束の外周と該弾性体の内表面とが密着している（４）に記載の中空糸膜モジュール。
（６）ろ過部界面から突出している部分において最も近接する弾性体同士の距離が２ｍｍ以上、８０ｍｍ以下である（１）〜（５）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（７）前記弾性体を有する側の固定層のろ過部界面が中空糸膜束の糸長方向に対して傾斜している（１）〜（６）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（８）前記弾性体外における固定層のろ過部界面の位置が、該弾性体内において中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の先端位置よりもモジュール中央側である（３）〜（７）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（９）前記弾性体がチューブ状である（１）〜（８）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（１０）前記中空糸膜或いは中空糸膜束が前記弾性体に直接被覆されてなる（１）〜（９）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（１１）前記弾性体が熱収縮性材料からなる（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（１２）前記熱収縮性材料の熱収縮後の硬度が４０Ａ〜９０Ａである（１１）に記載の中空糸膜モジュール。
（１３）中空糸膜束外周を覆う外筒を有さない（１）〜（１２）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
（１４）（１）〜（１３）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールを用いた浸漬型中空糸膜カートリッジモジュール。
（１５）（１）〜（１３）のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールを用いた加圧型中空糸膜カートリッジモジュール。

本発明の中空糸膜モジュールは、中空糸膜又は中空糸膜束の外周を被覆したものであり、これによって中空糸膜間又は中空糸膜束内に懸濁物質が蓄積してろ過性能が低下することを著しく抑制し、かつ、中空糸膜の破損を防止できるので、長期間安定して高いろ過性能を発揮できる。また、特定の熱収縮性材料を用いて被覆することにより、容易に効率的に製造でき、かつ、被覆材との擦れによる中空糸膜自身の損傷を防止できる。更に、弾性体の外側における固定層のろ過部界面の位置が、該弾性体内において中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の先端位置よりもモジュール中央側であるようにすることによって、ハンドリング時や使用時に外部から力を受けたときに中空糸膜が注型用樹脂の這い上がり部において破断してしまうことがない。

本発明による中空糸膜を用いた浸漬型カートリッジモジュールの実施形態の一例を示す断面説明図。 本発明によるろ過部の傾斜及び弾性体の特徴の一例を示す、浸漬型カートリッジモジュールのヘッド部の断面説明図。 弾性体による被覆部と注型用樹脂のコーティング部との位置関係を示す説明図。 本発明の中空糸膜モジュールの実施形態の例。 （ａ）中空糸膜束外周をかご状円筒で覆う中空糸膜モジュール。 （ｂ）中空糸膜束外周を貫通口を有する円筒で覆う中空糸膜モジュール。 （ｃ）前記（ｂ）の貫通口を有する円筒。 浸漬型中空糸膜カートリッジモジュールの利用形態の一例を示す説明図。 加圧型中空糸膜カートリッジモジュールの利用形態の一例を示す説明図。 加圧型中空糸膜カートリッジモジュールの利用形態の他の一例を示す説明図。 中空糸膜の外周が熱収縮性フィルムで被覆された中空糸膜束の製造例を示す説明図。 （ａ）熱収縮性フィルムに中空糸膜をセットした段階の形態例。 （ｂ）前記（ａ）の上に別の熱収縮性フィルムをセットし、中空糸膜間を融着した段階の形態例。 （ｃ）前記（ｂ）を加熱処理した後の形態例。

本発明の中空糸膜モジュールは、複数本の中空糸膜の両端部が注型用樹脂で固定されており、片方又は両方の端部において中空糸膜の中空部が開口している。即ち、中空糸膜モジュールを上下方向に設置した場合において、（１）中空糸膜モジュールの上側において中空部が開口し、下側においては中空部が閉塞している中空糸膜モジュールであって、上側の開口部から透過水が採取できる中空糸膜モジュール、（２）中空糸膜モジュールの上側と下側両方において中空部が開口している中空糸膜モジュールであって、上側と下側両方の開口部から透過水が採取できる中空糸膜モジュール、（３）中空糸膜がＵ字状になっていて、中空糸膜モジュールの上側において両端部の中空部が開口している中空糸膜モジュールであって、上側の開口部から透過水が採取できる中空糸膜モジュール、を含む。
なお、本明細書において、「中空糸膜モジュール」とは、中空糸膜と中空糸膜端部を固定した固定部とを含み、ろ過装置に装着して使用されるろ過用エレメントを意味している。また、「浸漬型中空糸膜カートリッジモジュール」とは、原水を満たした槽に浸漬した状態で吸引してろ過を行うろ過装置に装着して用いる中空糸膜モジュールを意味している。さらに、「加圧型中空糸膜カートリッジモジュール」とは、加圧用容器内に挿入した状態でろ過装置に装着し、加圧してろ過を行う中空糸膜モジュールを意味している。加圧用容器としては、一つの容器に一つのモジュールを挿入するタイプ（ラック式）と一つの容器に複数本を挿入するタイプ（タンク式）とがある。
以下、図１により本発明に係る中空糸膜を用いた浸漬型カートリッジモジュールの実施形態の例を説明する。

本発明の中空糸膜を用いた浸漬型カートリッジモジュールは、複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束１（本発明の中空糸膜モジュールにおいて中空糸膜束は１つでも複数でもよいが、この実施形態では１つとする）と、中空糸膜束１の両端にヘッド２とスカート３とを有し、ヘッド側第１固定層４、及びスカート側第１固定層５で中空糸膜を固定している。

中空糸膜はヘッド側の端部（ヘッド側第１固定層端面６）では開口し、スカート側の端部（スカート側第１固定層端面７）において中空糸膜の中空部が封止されている。
中空糸膜のうち、両端の固定層に含まれない部分をろ過部１２と称し、ヘッド側の固定層のうち、ろ過部側に面した部分をヘッド側固定層のろ過部界面、スカート側の固定層のうち、ろ過部に面した部分をスカート側固定層のろ過部界面と定義する。ヘッド側の固定層は、単一の層であってもよいし、複数の層から成っていてもよい。図１に示す例のような２つの層から成る場合には、ろ過部１２側の層をヘッド側第２固定層、端面６側の層をヘッド側第１固定層と記す。また、スカート側の固定層も同様に、単一の層であってもよいし、複数の層から成っていてもよい。図１に示す例のような２つの層から成る場合には、ろ過部１２側の層をスカート側第２固定層、端面７側の層をスカート側第１固定層と記す。そして、ヘッド側第１固定層４とヘッド側第２固定層１３全体を単に「ヘッド側固定層」と記し、スカート側第１固定層５とスカート側第２固定層１４全体を単に「スカート側固定層」と記す。また、ヘッド側第２固定層のろ過部側に面した部分をヘッド側固定層のろ過部界面の位置１３’、スカート側第２固定層のろ過部に面した部分をスカート側固定層のろ過部界面の位置１４’と記す。

スカート３には、スカート側第１固定層の端面７よりも突き出たスカート端部９が設けられている。そして、スカート側固定層において複数の貫通穴８が設けられている。

該貫通穴８は、原水及び洗浄用の気体を中空糸膜束の内部に導入し、中空糸膜外周面に効果的に接触させるためものである。

中空糸膜束１はヘッド側固定層において複数の小束１０に分割されている。一般的に本発明の中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜束はヘッド側固定層以外の位置で複数の小束に分割されていても構わない。

ヘッド２とスカート３は支持材１１により連結されている。支持材１１は、曝気時のスカート３の上昇やねじれを防止する機能を有しており、具体的には、ヘッド側第１固定層４とスカート側第１固定層５とをパイプ、棒、板、鎖、紐、ネットのいずれかで連結固定することにより前記機能を発現させ得る。

中空糸膜モジュールの直径は、好ましくは３０ｍｍ〜８００ｍｍで、より好ましくは１００ｍｍ〜８００ｍｍである。中空糸膜カモジュールの長さは、好ましくは３００ｍｍから３０００ｍｍの範囲から選ばれる。

本発明に用いられるヘッド２、スカート３及び多孔板１６の素材は特に限定されず、また、同一でも異なっていてもよいが、熱可塑性樹脂やステンレス鋼が好ましく用いられる。ヘッド２は、中空糸膜モジュールを容器内に懸垂する際の固定部となるため、形状は懸垂・固定の構造に合わせて作製される。例えば、外周部に段差や溝を設けたり、あるいはネジ部を設けてもよい。容器内への懸垂方法には、タンクを上下に隔離する隔離板に固定するタンク方式、主配管から分岐させた枝配管に固定するラック方式があるが、何れも好適に本発明に使用できる。

本発明に用いられる中空糸膜の孔径としては、逆浸透膜、及び、限外ろ過膜から精密ろ過膜まで用いることができる。また、中空糸膜の素材は、特に限定されず、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、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。又はこれらの複合素材膜も使用できる。また、中空糸膜の形状としては、内径５０μｍから３０００μｍで、内／外径比が０．３〜０．８の範囲の中空糸膜が好適に使用できる。

なお、本発明の中空糸膜モジュールにおいては、上記したように中空糸膜束１は１つでも複数でもよい。中空糸膜束１が複数の場合には、その全てが複数の小束１０に分割されていてもよいし、複数の小束に分割させていないものを含んでいてもよい。中空糸膜束が１つの場合には、その中空糸膜束は複数の小束に分割されていてもよい。

中空糸膜の充填率を高めつつ、かつ懸濁物質を除去し易くするには、ヘッド側固定層近傍の中空糸膜の密集度合いに疎な部分を作り、懸濁物質が排出されるための流路を設けることが有効である。即ち、中空糸膜束を複数の小束に分け、中空糸膜束間を曝気気泡及び懸濁物質の流路とする構造が有効である。

ヘッド側固定層における中空糸膜の小束１０は、各々の小束内において、最近接する中空糸膜同士間の距離が好ましくは２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍ未満の中空糸膜間であることが中空糸膜面積を増加でき、浸漬型カートリッジモジュールのろ過水量を向上できるために好ましい。ここでいう中空糸膜同士間の距離とは、中空糸の最外表面同士の距離をいう。また、小束１０を形成する中空糸膜本数は好ましくは２０本以上５００本以下であり、より好ましくは３０本以上３００本以下である。これらの範囲において特に中空糸膜間に懸濁物質の蓄積が少なくなる。最近接する小束同士の距離は好ましくは２ｍｍ以上、１００ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以上、３０ｍｍ未満である。この範囲において特に懸濁物質の蓄積が無く、中空糸膜の充填率を高くでき、ろ過水量を増加させることができる。ここでいう小束同士の距離とは互いの小束に含まれる中空糸膜の最外表面の距離の中で最も近い距離をいう。

ヘッド側固定層のろ過部側界面における中空糸膜の小束１０は、各々の小束内において、最近接する中空糸膜同士間の距離が好ましくは２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍ未満の中空糸膜間であることが、中空糸膜面積を増加でき、中空糸膜モジュールのろ過水量を向上できるために好ましい。ここでいう中空糸膜同士間の距離とは、中空糸の最外表面同士の距離をいう。また、小束を形成する中空糸膜本数は好ましくは１０本以上１０００本以下であり、より好ましくは２０本以上３００本以下である。これらの範囲において特に中空糸膜間に汚泥堆積物が少なくなる。最近接する小束同士の距離は好ましくは２ｍｍ以上、１００ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以上、３０ｍｍ未満である。この範囲において特に汚泥堆積物が無く、中空糸膜の充填率を高くでき、ろ過水量を増加させることができる。ここでいう小束同士の距離とは互いの小束に含まれる中空糸膜の最外表面の距離の中で最も近い距離をいう。

ヘッド側固定層のろ過部界面における中空糸膜の各々の小束１０は１つ又は複数の同心円上に配置された構造とすると、曝気気泡を円周方向において均等に排出させることができるため、最小限の曝気量で懸濁物質の排除効果が期待できる。

小束１０に含まれる中空糸膜の本数は上記の範囲であれば、各々が同じであっても、異なっても構わないが、全小束において小束に含まれる中空糸膜の本数が同じであるか、及び／又は同心円上における各小束の配列間隔が均等であることが、懸濁物質を効果的に排出する上で好ましい。

ヘッド側固定層のろ過部界面の同心円の中心部から外周部に向かう全ての方向において中空糸膜束が存在することにより、モジュールの中心部から外周部へ向かう一部の方向に曝気の流れが偏ることもなくなり、均等に懸濁物質を排除することができる。即ち、モジュールの外側からヘッド側固定層のろ過部界面の中心部が見えないこと、或いは同心円の中心から外周方向に任意の線を引いた際、全ての場合で中空糸膜の束を通過することにより、モジュールの中心部から外周部へ向かう一部の方向に曝気の流れが偏ることもなくなり、効果的に懸濁物質を排除することができる。

中空糸膜の小束を所定の位置に固定して束間距離を維持するために、各小束は多孔板１６に設けられた貫通穴に挿入されている。該多孔板１６の貫通穴は、前記の中空糸膜束の配置に対応した位置に設け、穴径を挿入する中空糸膜束の外径と同等、若しくは１〜２ｍｍ大きくするのが好適である。

本発明では、スカート３は、好ましくは中空糸膜の端面から下方に突き出して中空糸膜束外周に固定される。端面から突き出した長さは、中空糸膜モジュールの直径や、供給される空気量や、貫通穴の径と数によるが、空気の散逸を防ぐためには５ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。長すぎると、中空糸膜モジュールの全長が長くなり無駄なスペースができるので好ましくない。短すぎると、モジュールに供給された空気が有効に貫通穴へ導かれず、横方向に散逸するため好ましくない。

本発明の実施態様でスカート側固定層に設けられた貫通穴８は、固定層自体に開けられた穴で、穴の大きさは相当直径が２ｍｍ〜３０ｍｍの範囲から選ばれる。貫通穴８の形状は、三角形、四角形、六角形等の多角形、円形、楕円形、扇形、Ｃ字型又は星形等から選ばれる。また、その穴数は、中空糸膜モジュールの断面積や糸本数にもよるが、２個〜３００個であることができる。穴の位置は、固定層断面の例えば、多重円と放射状線との交点、格子の交点、又は多数の正三角形の頂点の位置など、スカート側固定層断面に均等に分散して設けるのが好ましい。

スカート側固定層にある複数の貫通穴を通過した気泡は中空糸膜束１に揺動を与えつつ、中空糸膜間の空隙をほぼ垂直に上昇する。しかし、ヘッド側固定層近傍では中空糸膜束１の振幅も小さく、空隙が少なくなり、気泡は上昇できず円周方向に拡散しモジュール外に抜ける。膜の充填率を高め、中空糸膜同士の間隔が小さい場合は、被処理液中に含まれる懸濁物質が通り抜けることができず、中空糸膜間に溜まり、ろ過面積を低減させ、ろ過を困難にする。

本発明において固定層を形成するための注型用樹脂としては、公知の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができるが、製造上の作業性の観点から２液型の熱硬化性樹脂が特に好適である。このような樹脂として具体的には、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、シリコン樹脂等の高分子材料が挙げられる。注型方法としては、遠心注型法や静置注型法等の公知の方法が用いられる。注型用樹脂の硬化収縮や接着強度を改善したい場合は、上記注型用樹脂にガラスファイバー、カーボンファイバー等の繊維状物、カーボンブラック、アルミナ、シリカ等の微粉体を含有させてもよい。

ヘッド側第１固定層４の樹脂は、中空糸膜同士及び中空糸膜とヘッド内壁とを液密的に固定し、ろ過時におけるろ過部１２側と端面６側との間の差圧に耐え得ることが望まれる。そのため、該樹脂の硬度が２０Ｄ以上、８０Ｄ以下であることが好ましく、より好ましくは３０Ｄ以上、７０Ｄ以下である（硬度の測定方法はＪＩＳＫ６２５３、ＩＳＯ７６１９に準じる。本明細書における以下の記載においても同様）。２０Ｄ以上であれば、機械的強度が十分であり、中空糸膜との固定化状態を長期にわたり保つことができる。８０Ｄ以下であれば、ヘッド内に中空糸膜を固定する際に、固定層を形成する樹脂とヘッド内壁とが剥離してしまったり、固定層内にクラックが発生したりする可能性が低い。
ヘッド側第１固定層に接してそのろ過部側に第２の固定層（ヘッド側第２固定層１３）を設けるのが好ましい。該ヘッド側第２固定層の樹脂は、前記のヘッド側第１固定層と同じ樹脂でもよいが、ヘッド側第２固定層界面における応力集中を低減する観点からより柔軟な樹脂であることが好ましい。該樹脂の硬度は、２０Ａ以上、９０Ａ以下であることが好ましく、４０Ａ以上、８０Ａ以下であることがより好ましい。

スカート側第１固定層５の樹脂は、中空糸膜同士及び中空糸膜とスカート内壁とを固定し、中空糸膜の振動等によって破壊しないものであればよい。該樹脂は、前記のヘッド側第１固定層４と同じ樹脂でもよいし、後記のスカート側第２固定層１４の樹脂と同じでもよい。
スカート側固定層のろ過部界面の樹脂（図１におけるスカート側第２固定層１４の樹脂）は、中空糸膜が振動した際に生じる応力を緩和して中空糸膜の破断を防止する観点から、柔軟な材料であることが望ましい。該樹脂の硬度が２０Ａ以上、９０Ａ以下であることが好ましく、より好ましくは４０Ａ以上、８０Ａ以下である。２０Ａ以上であれば、機械的強度が十分であり、長期にわたり形状を保つことができる。９０Ａ以下であれば、中空糸膜が揺動した際にろ過部界面に生じる応力を効果的に緩和でき、中空糸膜が破断する可能性が低くなる。
なお、ヘッド側或いはスカート側において、比較的高い硬度の樹脂層（第１固定層）と、それに接して低い硬度の樹脂層（第２固定層）をろ過部側に設ける場合、例えば、硬度が高いエポキシ樹脂で第１固定層を形成した後にシリコン樹脂層を前記エポキシ層のろ過部側に形成させる方法や、硬度が高いウレタン樹脂で第１固定層を形成した後に硬度が低いウレタン樹脂層を前記第１固定層のろ過部側に形成させる方法が取り得る。製造における生産性の観点から、後者の方法が特に好適である。

本発明においては、少なくともヘッド側固定層のろ過部界面において、中空糸膜又は中空糸膜束の外周を弾性体１５で被覆する。弾性体で被覆することによって、以下の２つの効果が発揮される。（１）中空糸膜又は中空糸膜束間の距離を一定に保持し、被処理液中に懸濁物質が排出されるための流路を維持することができ、懸濁物質の蓄積を防止することができる。（２）中空糸膜を注型用樹脂で固定する際には、注型用樹脂の界面張力による這い上がり現象が起こって中空糸膜外表面に注型用樹脂によるコーティング層が形成される。このような状態の中空糸膜モジュールを膜分離活性汚泥法に適用した場合には、コーティング層が形成された部分の先端部で中空糸膜が破断し易い。また、注型用樹脂が比較的硬い場合には、該コーティング部に外力が加わったときにコーティング層の破壊に伴って中空糸膜が破断することが多い。固定層のろ過部界面付近において中空糸膜或いは中空糸膜束の外周を弾性体で被覆することによって、前記のような中空糸膜の破断を防止できる。
本発明における弾性体１５とは、力を加えると変形するが、徐荷すれば元の寸法に戻る性質を示す高分子物質である。該弾性体としては、硬度が２０Ａから９０Ａであることが好ましい。（硬度の測定方法はＪＩＳＫ６２５３、ＩＳＯ７６１９に準じる。）２０Ａ以上であれば、機械的強度が十分であり、長期にわたり形状を保つことができ、９０Ａ以下であれば、中空糸膜を破損する可能性が低い。膜分離活性汚泥法に用いるモジュールの場合には、長時間激しい気液混相流に曝されるので、４０Ａ〜９０Ａであることが特に好ましい。
前記の弾性体は、一部が固定層に埋め込まれ、かつ、残りの部分が固定層のろ過部界面から突出していることが好ましい。このようにすることによって、中空糸膜の固定層界面部分と前記のコーティング部やその先端部分での中空糸膜の破断を効果的に防止できる。
前記の弾性体が突出している部分の長さは、５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であることが好ましい。５ｍｍ以上であれば、多量の懸濁物質を含んだ気液混相流の流路を保持でき、長期間の安定運転が可能となる。また１００ｍｍ以下であれば、ろ過部の中空糸膜面積の減少割合が少なく、ろ過性能への影響が小さい。特に、１０ｍｍ以上、６０ｍｍ以下が好適である。この範囲であれば、前記のコーティング部が確実に弾性体内に納まり効果的に中空糸膜の破断を防止できると共に、流路の保持による懸濁物質の蓄積防止効果が発現する。
なお、固定層のろ過部界面が傾斜している場合には、固定層から露出している部分の長さが一つの弾性体の円周上の位置によって異なることがあるが、この場合には最も短い長さを「突出長さ」とする。そして、一つの中空糸膜モジュールにおいて複数の弾性体が在る場合には、各々の弾性体の突出長さが前記の範囲であることが好ましい。図２に示す第２固定層が傾斜している例で説明する。図２における右側に記載の弾性体１５においては、第２固定層から露出している部分の長さが図の右側において最も短くなっている。この弾性体の場合、図の右側の露出部分１８を該弾性体の「突出長さ」とする。
前記の弾性体は、ろ過部界面から突出している部分において、該弾性体が内包する中空糸膜又は中空糸膜束の外周と該弾性体の内表面とが密着していることが好ましい。密着していない場合には、気液混相流の暴露されたときに中空糸膜が激しく振動するので、弾性体内表面や弾性体の先端部内縁と中空糸膜とが擦れて中空糸膜が損傷することがある。これに対して密着した状態であれば、中空糸膜が弾性体内で動ことが無いので中空糸膜が損傷することが無い。

前記ろ過部界面から突出している部分において最も近接する弾性体同士の距離１９は、２ｍｍ以上、８０ｍｍ以下が好ましい。２ｍｍ以上であれば、弾性体間に汚泥が堆積する可能性も低く、流路の確保ができ、長期間の安定運転が可能となる。また８０ｍｍ以下であると、ろ過部の中空糸膜面積の減少割合が少なく、ろ過性能への影響が小さい。好ましくは、３ｍｍ以上、３０ｍｍ以下である。

ヘッド側固定層のろ過部界面は、中空糸膜束の糸長方向に垂直な面に対して傾斜していることが好ましい。図２に示す第２固定層が傾斜している例で説明する。弾性体１５の一部が包埋されているヘッド側第２固定層１３のろ過部界面１３’が中空糸膜の小束１０の長さ方向に対して傾斜している。本発明では、小束１０の長さ方向に垂直な面（図２においては、水平面）に対するろ過部界面１３’の角度を「傾斜角度１７」とする。傾斜角度は０．５度以上、２０度以下が好ましい。さらに好ましくは１度以上、１０度以下である。傾斜を設けることによって、気液混相流の流れ方向を一方の側に制御できる。ろ過装置においては、多数本の中空糸膜モジュールを２列に並べて配置して使用することが多いが、その際に列の外側に向けて流れるようにすることによって、装置全体の懸濁物質の排出性を良好に保つことができる。なお、傾斜角の最大値はろ過に寄与する膜面積に影響が少ない範囲にするのが好ましい。前記の範囲であれば、膜面積への影響が殆ど無く、効果的な流れの制御を実現できる。
前記の傾斜は、注型用樹脂で固定層を形成させる際に次の方法で設けることができる。（１）遠心注型法であれは、遠心力と重力とのバランスで傾斜角が決まる。一方、遠心力はモジュールの固定層の位置（回転半径）と回転速度（ＲＰＭ）とで決まる。従って、モジュールの固定層の位置に応じて回転速度を適宜設定することにより、傾斜角を設定できる。（２）静置注型法であれば、中空糸膜を鉛直方向から傾斜をつけた状態で固定することによって設けることができる。
前記の弾性体外における固定層のろ過部界面の位置は、該弾性体内において中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の先端位置よりもモジュール中央側であることが好ましい。図３を用いて説明する。中空糸膜２１の束の外周を弾性体１５で被覆し、第１注型用樹脂で第１固定層４を形成する際に、中空糸膜同士の間隙に第１注型用樹脂が這い上がりコーティング層が形成される。「弾性体外における固定層のろ過部界面の位置が、該弾性体内において中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の先端位置よりもモジュール中央側である」とは、前記コーティング層の最もモジュール中央側にある先端３１の位置が、弾性体１５の外側に形成される第２固定層１３のろ過部界面位置のうちヘッド側第１固定層に近い側（図３では右側）のろ過部界面位置１３’よりも第１固定層側に位置することを意味している。このような状態にすることによって、中空糸膜の長さ方向に対して直角の方向から弾性体に力がかかった場合でも、弾性体内部にある中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の部分（コーティング層の部分）には力が加わらないので、該部分で中空糸膜が破断することが起こらない。
この場合、ヘッド側第１固定層とヘッド側第２固定層で用いる注型用樹脂は同じ材料でもよいが、ヘッド側第２固定層界面における弾性体への応力集中を低減する観点から第２固定層の注型用樹脂は、硬度がより低い（即ち、より柔軟な）材料を用いることがより好ましい。第２固定層の注型用樹脂の硬度は、２０Ａ以上、９０Ａ以下であることが好ましく、４０Ａ以上、８０Ａ以下であることがより好ましい。

前記の弾性体は、チューブ状のものでもよいし、シート状又はフィルム状（以後、単にフィルム状と記す）のものでもよい。チューブ状のものであれば、中空糸膜又は中空糸膜束をチューブ内に挿入した後に注型用樹脂で固定する。また、フィルム状のものであれば、中空糸膜又は中空糸膜束の外周に巻き付けて重なり部を設けた後、該重なり部を加熱融着又は接着剤によって接合し、次いで注型用樹脂で固定する。１モジュール当たり百本以下の中空糸膜束を有する中空糸膜モジュールの場合には、チューブ状の弾性体を使用するのが好ましい。チューブ状であれば加熱融着又は接着剤で弾性体を接合する工程が省ける利点があるとともに、使用時に接合部が剥離したり、破損したりする懸念がない。一方、中空糸膜１本毎に被覆する場合には、フィルム状のものを使用することが好ましい。フィルム状であれば、中空糸膜を連続的に製造する際に連続的に弾性体の巻き付け・接合を行うことが可能であり、大量生産に向いている。
該弾性体の材質は、原水の特性やろ過運転時に使用する薬液に対する耐久性を考慮して選択される。例えば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ニトリルブタジエンゴム等のポリオレフィン系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリエチレン等のオレフィン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂等が挙げられる。これらの中でも、ＥＰＤＭ等のポリオレフィン系エラストマーやオレフィン系樹脂、シリコン系樹脂が柔軟性と耐薬品性との観点から特に好ましい。
また、前記の弾性体は、均質なものでもよいし、内部に独立気泡を有する発泡体や気泡シート、内部に連続気孔を有する多孔体であってもよい。

前記の弾性体は、熱収縮性材料から成ることが特に好ましい。熱収縮性材料から成る弾性体を中空糸膜又は中空糸膜束の外周を取り囲むように配置した後に加熱することによって、中空糸膜又は中空糸膜束の外周に該弾性体が密着した状態で被覆することができる。密着しているために、ろ過運転中に中空糸膜が弾性体内で動くことがないので中空糸膜が損傷することが無い。そして、常温に戻した後には密着した状態であり、かつ、中空糸膜を締め付ける力が働いていない状態で該弾性体の形状が固定される。中空糸膜を締め付ける力が働いていないので、締付力によって中空糸膜が損傷することがない。
なお、弾性体とは別体の熱収縮性材料を用い、中空糸膜或いは中空糸膜束を弾性体で囲んだ後にその外周を熱収縮性材料で囲み、熱収縮性材料を加熱して収縮させることにより、中空糸膜或いは中空糸膜束を弾性体で被覆する方法も取り得る。しかしながら、熱収縮性材料が加熱によって収縮する際の収縮力が弱いので、該収縮力によって弾性体を変形させて中空糸膜或いは中空糸膜束外周に密着させることが困難である。そのために弾性体の種類が極めて限定され、例えば、ウレタン製スポンジ等の、空隙率が７０％以上の多孔体が使用される。このような変形し易い弾性体を用いた場合には、熱収縮性材料の収縮後においても該弾性体内で中空糸膜が動く場合がある。このような中空糸膜モジュールを膜分離活性汚泥法のような曝気による激しい膜の振動が起こる状態で使用すると、弾性体内で中空糸膜が擦れて損傷してしまうことがあるので、使用する弾性体の変形し易さに応じて弾性体の厚みや熱収縮性材料の種類や寸法を選択するのが重要になる。また、弾性体と熱収縮性材料とを各々所定の位置に固定する必要があり、作業が繁雑になる。これに対して、弾性体自身が熱収縮性材料から成る場合には前記の２つの不都合な点が解消される。
弾性体が熱収縮性材料から成る場合には、熱収縮後の硬度が２０Ａから９０Ａであることが好ましい。（硬度の測定方法はＪＩＳＫ６２５３、ＩＳＯ７６１９に準じる。）２０Ａ以上であれば、機械的強度が十分であり、長期にわたり形状を保つことができ、９０Ａ以下であれば、中空糸膜を破損する可能性が低い。膜分離活性汚泥法に用いるモジュールの場合には、長時間激しい気液混相流に曝されるので、４０Ａ〜９０Ａであることが特に好ましい。熱収縮性材料としては、チューブ状やフィルム或いはシート状（以後、「フィルム或いはシート状」を単に「フィルム」と記す）等の公知の材料が使用できるが、原水の特性やろ過運転時に使用する薬液に対する耐久性を考慮して選択される。例えば、ＥＰＤＭ系熱収縮性チューブ、オレフィン系熱収縮性チューブ、シリコーン系熱収縮性チューブ、ＰＶＣ系熱収縮性チューブ、ポリウレタン系熱収縮性チューブ等の熱収縮性チューブ材料や、オレフィン系熱収縮性フィルム、ポリウレタン系熱収縮性フィルム、ポリエステル系熱収縮性フィルム等の熱収縮性フィルムが挙げられる。これらの中でも、ＥＰＤＭ系熱収縮性チューブ、オレフィン系熱収縮性チューブ、シリコーン系熱収縮性チューブ、オレフィン系熱収縮性フィルムが、柔軟性と耐薬品性の観点から好ましい。また、１モジュール当たり百本以下の中空糸膜束を有するモジュールの製造においては、中空糸膜束の挿入性が優れるので前記の熱収縮性チューブが好適である。特に、ＥＰＤＭ系熱収縮性チューブは固定部を形成するエポキシ樹脂やウレタン樹脂等の注型用樹脂との接着性が良好であるので好ましい。
前記の熱収縮性材料は、５０℃〜１５０℃の範囲の温度に加熱することによって収縮するものが好ましい。特に、５０℃〜１２０℃の範囲の温度に加熱することによって収縮するものが好適である。この範囲の温度であれば、中空糸膜の特性に影響することがない。
前記の熱収縮性チューブの内径（収縮させる前の内径）は、被覆する中空糸膜又は中空糸膜束の外径と熱収縮性チューブの最大熱収縮率を勘案して決めるのが良い。即ち、熱収縮性チューブの内径は被覆する中空糸膜又は中空糸膜束の外径よりも大きい方が挿入作業が容易であるので好ましい。一方、熱収縮性チューブを収縮させた後には被覆した中空糸膜或いは中空糸膜束の外周に密着するように、（中空糸膜或いは中空糸膜束の外径）≧（収縮させる前の内径）×（１−（最大収縮率）／１００）となるように設定するのが好ましい。具体的には、収縮させる前の内径が中空糸膜又は中空糸膜束の外径に対して１．０５倍以上、３倍以下であることが好ましく、１．１倍以上、２倍以下であることがさらに好ましい。
以下に、熱収縮性材料を用いて中空糸膜又は中空糸膜束を被覆する方法の例を示す。
熱収縮性を有する弾性チューブ（以下、単に弾性チューブと記す）で中空糸膜束を被覆する場合には、以下のようにして行うことができる。
（１）端部を加熱融着して中空部を閉塞させた中空糸膜を所定本数収束して中空糸膜束を作製する。（２）該中空糸膜束を弾性チューブ内に挿入し、該チューブを所定の位置になるようにしてトレイに置く。（３）該トレイをオーブンに入れ、所定の温度に加熱して収縮させる。以上の操作によって、中空糸膜束の所定の位置に弾性体が密着した状態になる。（４）前記のようにして被覆した中空糸膜束を、多孔板等を用いてモジュールヘッド部材内における所定位置に配置する。（５）前記ヘッド部材内に注型用樹脂（第１注型用樹脂）を注入して中空糸膜同士、中空糸膜、前記チューブ及び前記ヘッド内壁とを固定する。（６）前記の注型用樹脂が流動性を失った後、前記注型用樹脂の界面上に再度注型用樹脂（第２注型用樹脂）を前記チューブとヘッド内壁間に注入して固化させる。（７）中空糸膜の端部側を前記ヘッド部材ごと切断して、中空糸膜の中空部を開口させる。これによって、中空糸膜が開口した側のろ過部界面を熱収縮性チューブから成る弾性体で被覆した中空糸膜束が作製できる。なお、場合によって、前記（６）の工程は省略することができる。
次に、熱収縮性を有する弾性フィルムを用いて（以下、単に弾性フィルムと記す）中空糸膜１本ごとに被覆する場合には、以下のようにして行うことができる。
（１）端部を加熱融着して中空部を閉塞させた中空糸膜を作製する。（２）トレイの上に所定の幅と長さを有する弾性フィルム５０を置く。（３）所定本数の中空糸膜２１を所定の間隔で平行に引きそろえ、中空糸膜２１の所定部分が前記フィルム５０の上に位置するように置く。このときの状態を図８（ａ）に示す。（４）別の弾性フィルム５０’を、前記中空糸膜２１の上の前記弾性フィルム５０に対応する位置に被せて置く。（５）各中空糸膜の中間部分に、前記２つの弾性フィルム両方の外側表面にヒーターを当てて２つの弾性フィルム５０及び５０’を加熱融着し、融着部５１を形成する。これによって、中空糸膜１本ごとに周囲が弾性フィルム５０及び５０’によって囲われた状態になる。このときの状態を図８（ｂ）に示す。（６）トレイごとオーブンに入れ、所定温度に加熱して収縮させる。以上の操作によって、中空糸膜１本ごとに弾性フィルムが中空糸膜外周に密着した状態になる。このときの状態を図８（ｃ）に示す。（７）以後、前記弾性チューブの場合と同様にして、中空糸膜が開口した側のろ過部界面を熱収縮性チューブから成る弾性体で被覆した中空糸膜束が作製できる。
以上のように、熱収縮性材料を用いて本発明の中空糸膜モジュールを作製する場合、注型工程の前に加熱処理を行って収縮させる工程を行うのが好ましい。このようにすることによって、固定層のろ過部界面及びろ過側付近において中空糸膜又は中空糸膜束の外周に弾性体が密着した状態を作り出すことができ、効果的に中空糸膜の損傷を防止できる。また、注型工程に先立って収縮させる工程を行うことにより、注型工程における中空糸膜或いは中空糸膜束を所定の位置に配置して所定の間隔を設けることがより簡易に行える。
また、中空糸膜又は中空糸膜束が前記弾性体によって直接被覆されてなることが好ましい。「直接被覆」とは、中空糸膜又は中空糸膜束と弾性体との間に他の被覆物がなく直に弾性体によって被覆されていることをいう。特に、前記熱収縮性材料によって直接被覆されている場合、熱収縮性材料の先端部での中空糸膜又は中空糸膜束の損傷を防止でき、熱収縮後に中空糸膜又は中空糸膜束を過度に締め付けない観点から好ましい。
本発明の中空糸膜モジュールの実施形態としては、図１に示すような中空糸膜束の外周を覆う外筒を有さないタイプの他に、図４（ａ）に示すような中空糸膜束の外周をかご状円筒１１０で覆ったタイプや、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すような中空糸膜束の外周を、壁面に貫通口１２１を有する円筒１２０で覆ったタイプも可能である。中空糸膜束の外周を覆う外筒を有さないタイプのモジュールは、懸濁物質の蓄積を防止するための曝気を行う際に中空糸膜の広がりを大きくとることが可能であって、懸濁物質の蓄積防止を効果的に行えるので膜分離活性汚泥法での使用に好適である。一方、かご状円筒や貫通口を有する円筒で覆ったタイプのモジュールは、加圧容器に収納して使用する加圧ろ過に好適である。かご状円筒や貫通口を有する円筒で中空糸膜が覆われているので、加圧容器に収納する際に中空糸膜が損傷してしまうことを効果的に防止できる。
本発明の中空糸膜モジュールを利用形態としては、図５に示すような膜分離活性汚泥法がある。即ち、中空糸膜モジュール１００の中空部が開口した側を集水管３００に接続し、大気解放された水槽２００の中に中空糸膜モジュール１００を浸漬して吸引ろ過するタイプである。このタイプにおいては、中空糸膜モジュールの下部に曝気するための空気導入管膜４００が配置される。
また、他の利用形態として、加圧容器に中空糸膜モジュールを収納して、該容器内を加圧してろ過を行うタイプ（以下、加圧型と記す）がある。この加圧型は、原水中の懸濁物質が比較的少ない原水をろ過するのに適している。１つの加圧容器に１つの中空糸膜モジュールを収納して使用するタイプ（ラック式）と１つの容器に複数の中空糸膜モジュールを収納して使用するタイプ（タンク式）とがある。前者の例を図６に、後者の例を図７に示す。
図６において、中空糸膜モジュール１００は、モジュールケース７００内に収納され、接続部材を介して集水管３００と原水供給管５００とに接続される。モジュールケース７００の上部側面には、懸濁物質をモジュール外に排出するためのノズルが設けられているる。このタイプにおいては、モジュール下部の接続配管に空気導入管を接続して（図示せず）各モジュールに空気を導入し、モジュール内の懸濁物質を排出することができる。また、図７においては、複数の中空糸膜モジュール１００が加圧タンク８００内に収納され、中空部が開口した側が接続部材を介して集水管３００に接続される。また、各中空糸膜モジュールの下部には、曝気するための空気導入管４００が配置される。そして、加圧タンク８００には、原水供給口５１０と濃縮水排出口６１０とが設けられている。該加圧タンク内を加圧することによって原水が中空糸膜でろ過され、該ろ過水は集水管３００を介して回収される。

本発明の実施例を以下に説明するが、それによって本発明が限定されることはない。
本実施例及び比較例、参考例における硬度は、デュロメーター（西東京精密(株)製：型式名『Ｄｕｒｏｍｅｔｅｒ ＷＲ−２０２ＮＡ』）を用いて測定した。
（実施例１）
弾性体として熱収縮性チューブを用い、中空糸膜束の小束に弾性体を被覆した浸漬型中空糸膜カートリッジモジュールの例を示す。
使用した熱収縮性チューブは、ＥＰＤＭ製（西日本電線（株）製：商品名『ニシチューブ』：型式名『ＮＰＭ−６５−２０−１』）であり、収縮前において内径が２０ｍｍ、肉厚が１ｍｍであり、１００℃に加熱したときの円周方向の最大収縮率が約５０％のものである。
中空糸膜の両端をウレタン樹脂で遠心注型法により固定し、膜面積２５ｍ^２の円筒型の中空糸膜モジュールを作製した。中空糸膜は、ポリフッ化ビニリデン製の細孔径０．１μｍの精密ろ過膜で、外径１．２ｍｍ、内径０．７ｍｍ、有効長２０００ｍｍであった。

中空糸膜は０．８３ｍ^３／束単位に分割し（１１０本／束で３０束に相当）、各束に熱収縮性チューブ（中空糸膜束の端から９０ｍｍ、チューブ長さ５０ｍｍ）を挿入し、１００℃で１０分間、熱風乾燥機内で収縮させた。熱収縮させたチューブの硬度は７０Ａであった。

各小束は３ｍｍ間隔で同心円上に配置するような厚さ１０ｍｍの平板状の多孔板を使用した。中空糸膜は、ヘッド側固定層には小束化して多孔板を使用した状態で、スカート側固定層には単一の束にした状態で用いた。

スカート側固定層端面の貫通穴は１１ｍｍφの穴を同心円上に２８ケ設けた。ウレタン樹脂（硬化後の硬度５０Ｄ）を使用し、遠心注型法によって第１固定層を形成させた。その後、ウレタン樹脂（硬化後の硬度６５Ａ）を前記第１固定層のろ過部側に注入し、静置状態で硬化させて第２固定層を形成させた。被覆した弾性体は、ヘッド側第２固定層のろ過部界面から最短で２０ｍｍの長さがあり、弾性体間の距離は最短で３ｍｍであった。また、へッド側第２固定層界面の傾斜角度は３度であった。

遠心注型の際、ヘッド側固定層とスカート側固定層とを、ＳＵＳ３０４製の外径１３ｍｍのパイプを支持材として使用して、連結固定化した。

前記のモジュールを、容積８ｍ^３の活性汚泥槽に浸漬し、ヘッド用キャップとろ過水用の配管を接続し、活性汚泥槽に固定した。

スカート側固定層端面の貫通穴から６Ｎｍ^３／ｈｒの空気を曝気しつつ、吸引ポンプで膜ろ過流速が０．６ｍ^３／膜面積ｍ^２／日となる様に吸引ろ過した。このの膜間差圧は、−１５〜−２０ｋＰａで、３ヶ月間安定運転できた。また、３ヶ月後の中空糸膜には汚泥の付着が観察されず、汚泥付着を含む中空糸膜モジュールの重量は、ろ過開始時に比べて３００ｇだけ増加していた。そして、ヘッド側第２固定層近傍での糸切れは無かった。

また、３ヶ月後の弾性体間の距離は最短で３ｍｍで変化が無く、弾性体間に汚泥堆積も無く、ろ過部界面の突出長さも全ての弾性体において変化していなかった。さらに、糸切れも発生していなかった。

なお、ろ過運転期間の活性汚泥槽の濃度ＭＬＳＳは、平均１００００ｍｇ／ｌであり、平均温度は２５℃であった。活性汚泥の原水には、平均ＢＯＤは１５０ｍｇ／ｌ、ＳＳが１６０ｍｇ／ｌである都市下水を用いた。
（実施例２）

ヘッド側のみ第２注型用樹脂（硬度６５Ａのウレタン樹脂）による第２固定層の形成を行わなかった他は、実施例１と同様にして中空糸膜モジュールを作製した。該中空糸膜モジュールにおける弾性体は、ヘッド側第１固定層のろ過部界面から最短で２５ｍｍの長さがあり、弾性体間の距離は最短で３ｍｍであった。また、ヘッド側第１固定層界面の傾斜角度は２度であった。

前記のモジュールを、容積８ｍ^３の活性汚泥槽に浸漬し、ヘッド用キャップとろ過水用の配管を接続し、活性汚泥槽に固定した。

スカート側固定層端面の貫通穴から６Ｎｍ^３／ｈｒの空気を曝気しつつ、吸引ポンプで膜ろ過流速が０．６ｍ^３／膜面積ｍ^２／日となる様に吸引ろ過した。この時の膜間差圧は、−１５〜−２０ｋＰａで、３ヶ月間安定運転できた。また、３ヶ月後の中空糸膜には汚泥の付着が観察されず、汚泥付着を含む中空糸膜モジュールの重量は、ろ過開始時に比べて３００ｇだけ増加していた。そして、ヘッド側第１固定層近傍での糸切れは無かった。

また、３ヶ月後の弾性体間の距離は最短で３ｍｍで変化が無く、弾性体間に汚泥堆積も無く、ろ過部界面の突出長さも全ての弾性体において変化していなかった。さらに、糸切れも発生していなかった。

なお、ろ過運転期間の活性汚泥槽の濃度ＭＬＳＳは、平均１００００ｍｇ／ｌであり、平均温度は２５℃であった。活性汚泥の原水には、平均ＢＯＤは１５０ｍｇ／ｌ、ＳＳが１６０ｍｇ／ｌである都市下水を用いた。
（比較例１）
熱収縮性チューブを被覆しなかった以外は実施例１と全く同じ構造の中空糸膜モジュールを準備した。中空糸膜小束間の最短距離は３ｍｍであった。

前記の中空糸膜モジュールを、実施例１と同一の活性汚泥槽に浸漬し、ろ過運転を実施した。

スカート側固定層端面の貫通穴から６Ｎｍ^３／ｈｒの空気を曝気しつつ、吸引ポンプで膜ろ過流速が０．６ｍ^３／膜面積ｍ^２／日となる様に吸引ろ過した。この時の膜間差圧は、初期において−１５〜−２０ｋＰａであり、３ヶ月後では−３０〜−３５ｋＰａであった。また、３ヶ月後の汚泥付着を含む中空糸膜モジュールの重量は、ろ過開始時に比べて８００ｇ増加しており、ヘッド側第２固定層近傍で糸切れが発生した。

また、３ヶ月後の中空糸膜小束間の距離は最短で１．５ｍｍであり、ろ過開始前に比べて短くなっていた。さらに、中空糸膜小束内にも汚泥の付着が見られ、ろ過開始前に比べて、各小束が太っていることが確認できた。更に、小束間の距離が保持されている位置が、ろ過開始前にはヘッド側固定層より１５ｍｍであったが、３ヶ月後には３ｍｍとなっており、汚泥堆積により流路が明らかに減少している状態である事が観察された。

なお、ろ過運転期間の活性汚泥槽の濃度ＭＬＳＳは、平均１００００ｍｇ／ｌであり、平均温度は２５℃であった。活性汚泥の原水には、平均ＢＯＤは１５０ｍｇ／ｌ、ＳＳが１６０ｍｇ／ｌである都市下水を用いた。
（比較例２）
熱収縮性チューブを被覆しなかった以外は実施例２と全く同じ構造の中空糸膜モジュールを準備した。中空糸膜小束間は、最短で３ｍｍであった。

前記の中空糸膜モジュールを、実施例１と同一の活性汚泥槽に浸漬し、ろ過運転を実施した。

スカート側固定層端面の貫通穴から６Ｎｍ^３／ｈｒの空気を曝気しつつ、吸引ポンプで膜ろ過流速が０．６ｍ^３／膜面積ｍ^２／日となる様に吸引ろ過した。この時の膜間差圧は、初期において−１５〜−２０ｋＰａであり、３ヶ月後では−３０〜−３５ｋＰａであった。また、３ヶ月後の汚泥付着を含む中空糸膜モジュールの重量は、ろ過開始時に比べて８００ｇ増加しており、ヘッド側第１固定層近傍で糸切れが発生した。

また、３ヶ月後の中空糸膜小束間の距離は最短で１．５ｍｍであり、運転開始前に比べて短くなっていた。さらに、中空糸膜小束内にも汚泥の付着が見られ、運転開始前に比べて、各小束が太っていることが確認できた。更に、小束間の距離が保持されている位置が、運転開始前にはヘッド側第１固定層より１５ｍｍであったが、３ヶ月後には３ｍｍとなっており、汚泥堆積により流路が明らかに減少している状態である事が観察された。

なお、ろ過運転期間の活性汚泥槽の濃度ＭＬＳＳは、平均１００００ｍｇ／ｌであり、平均温度は２５℃であった。活性汚泥の原水には、平均ＢＯＤは１５０ｍｇ／ｌ、ＳＳが１６０ｍｇ／ｌである都市下水を用いた。
（実施例３）
実施例１と同じ中空糸膜１１０本を、ＥＰＤＭ製熱収縮性チューブ（西日本電線（株）製：商品名『ニシチューブ』：型式名『ＮＰＭ−６５−２０−１』、長さ５０ｍｍ）に挿入し、オーブン中で１０分間１００℃に加熱して収縮させた。
室内に２４時間放置した後、前記のチューブ外周の長さを測定した。この長さをＬ１とする。
次いで、中空糸膜束外周の中空糸膜１本の先端をバネ秤に結び付け、チューブの長さ方向に対して垂直方向にバネ秤を引っ張って４００ｇの荷重をかけた。１０秒後に荷重を解放した。このとき、荷重をかけた際には、該チューブの先端は中空糸膜と密着した状態で変形し、荷重を解放したときには、直ちに元に戻って中空糸膜と密着した状態を保持した。また、チューブ先端に当たった中空糸膜の部位には何ら損傷は観察されなかった。
次いで、チューブの長さ方向に中空糸膜を引っ張ったところ、チューブ内から中空糸膜を引き抜くことができた。
そして、全ての中空糸膜をチューブ内から抜き出した後に、該チューブの外周の長さを測定した。この長さをＬ２として、Ｌ２／Ｌ１を計算したところ、１．０であった。以上のことから、熱収縮後において中空糸膜はチューブによる締め付け力を殆ど受けていないことが分かった。
その後、前記のチューブを長さ方向に切断して開き、複数枚重ねて厚みが１０ｍｍ以上である状態で硬度を測定したところ、７０Ａであった。
（実施例４）
ポリオレフィン製熱収縮性チューブ（住友電工ファインポリマー（株）製：商品名『スミチューブ』ＳＵＭＩ−ＦＺ−２５）を用いて実施例３と同様な操作を行った。前記の熱収縮性チューブは、収縮前において内径が２６ｍｍ、肉厚が０．４ｍｍであり、１００℃に加熱したときの円周方向の最大収縮率が約４７％のものである。
その結果、４００ｇの荷重を掛けた際には、該チューブの先端は中空糸膜と密着した状態で変形し、荷重を解放したときには、直ちに元に戻って中空糸膜と密着した状態を保持した。また、チューブ先端に当たった中空糸膜の部位には損傷は観察されなかった。
また、チューブの長さ方向に中空糸膜を引っ張ったところ、チューブ内から中空糸膜を引き抜くことができた。そして、全ての中空糸膜をチューブ内から抜き出してＬ２／Ｌ１を求めたところ、１．０であった。以上のことから、熱収縮後において中空糸膜はチューブによる締め付け力を殆ど受けていないことが分かった。
そして、硬度は８５Ａであった。
（実施例５）
軟質塩化ビニル製熱収縮性チューブ（三菱樹脂（株）製：商品名『ヒシチューブ』Ｉ−１５−０．５）を用いて実施例３と同様な操作を行った。前記の熱収縮性チューブは、収縮前において内径が２２ｍｍ、肉厚が０．５ｍｍであり、１００℃に加熱したときの円周方向の最大収縮率が約３７％のものである。
その結果、４００ｇの荷重を掛けた際には、該チューブの先端は中空糸膜と密着した状態で変形した。一方、荷重を解放したときには、チューブの変形が直ぐには元に戻らず、元に戻るのに約１時間を要した。また、チューブ先端に当たった中空糸膜の部位は、潰れて凹んでいた。
また、チューブの長さ方向に中空糸膜を引っ張ったところ、チューブ内から中空糸膜を引き抜くことができた。そして、全ての中空糸膜をチューブ内から抜き出してＬ２／Ｌ１を求めたところ、１．０であった。以上のことから、熱収縮後において中空糸膜はチューブによる締め付け力を殆ど受けていないことが分かった。
そして、硬度は９２Ａであった。
（実施例６）
中空糸膜束の被覆部分に外部から衝撃が加わった場合を想定した落下試験を行った。
実施例１と同様にして作製した中空糸膜モジュールを横にして床面に置き、該モジュールのチューブ部分に１ｋｇの鉄製パイプを高さ１ｍの位置から落下させた。落下させる操作を３回繰り返した。その後、中空糸膜モジュールを水中に浸漬した状態で中空部から空気圧１００ｋＰａを印加してリークの有無を観察したところ、中空糸膜からのエアーリークは全く無く膜の切断が起こっていないことが確認できた。
次いで、各小束を切り出してチューブ内を詳細に観察した。チューブ内の中空糸膜に損傷は観察されなかった。また、中空糸膜を被覆している注型用樹脂のコーティング層の先端は、３０個全てのチューブ内において第２固定層のろ過部界面よりも第１固定層側に位置していた。
（参考例１）
実施例２と同様にして作製した中空糸膜モジュールを用いて、実施例６と同様にして落下試験を行った。
落下操作を行った後、中空糸膜モジュールを水中に浸漬した状態で中空部から空気圧１００ｋＰａを印加したところ、チューブ内から気泡が流出するのが観察された。
気泡が流出したチューブの小束を切り出して、チューブ内を詳細に観察した。その結果、中空糸膜を被覆している注型用樹脂のコーティング部分で中空糸膜が破断していた。そして、該コーティング部の先端の位置が、第１固定層のろ過部界面よりもモジュール中央側に位置していた。
以上の実施例６と参考例１との比較により、弾性体外における固定層のろ過部界面の位置が、該弾性体内において中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の先端位置よりもモジュール中央側である場合には、モジュール外部から衝撃力が加わったときでも中空糸膜を損傷することが無いことが明らかである。
（実施例７）
弾性体として熱収縮性フィルムを用い、中空糸膜１本ごとに弾性体を被覆した浸漬型中空糸膜カートリッジモジュールの例を示す。
使用した熱収縮性フィルムは、特開昭６２−５８８１３の実施例９に記載の一軸延伸して得たポリエチレン製多孔膜であり、空隙率が６０％、膜厚が９０μｍ、１２０℃に加熱したときの延伸方向の最大収縮率が７０％のものである。
中空糸膜は、ポリフッ化ビニリデン製であり、外径１．７ｍｍ、内径０．９ｍｍ、細孔径０．１μｍの精密ろ過膜である。
先ず、端部を加熱融着して中空部を閉塞させた。トレイの上に幅５０ｍｍ、長さ８００ｍｍの熱収縮性フィルムを置き、前記の中空糸膜１００本を７ｍｍのピッチで平行に引きそろえて、中空糸膜の端部から２０〜７０ｍｍが前記フィルムの上に位置するように置いた。次いで、別の熱収縮性フィルムを、前記中空糸膜の上の前記の熱収縮性フィルムに対応する位置に被せて置いた。その後、各中空糸膜の中間部分に、前記２つの熱収縮性フィルム両方の外側からヒーターを当てて加圧し、２つの熱収縮性フィルムを加熱融着した。融着した部分の幅は２ｍｍである。トレイごとオーブンに入れ、１２０℃に加熱して収縮させた。以上の操作は、中空糸膜の両方の端部に行った。これによって、中空糸膜１本ごとに弾性体が中空糸膜外周に密着した状態で被覆され、隣り合う弾性体間の距離が２ｍｍに保持されたシート状の中空糸膜束が製作できた。
また、熱収縮フィルムの収縮率が前記の操作を行ったときと同じになるように、熱収縮性フィルムの長さ方向の両端を把持した状態で加熱して収縮させた。収縮後の硬度を測定したところ、４０Ａであった。なお、硬度の測定は、厚みが１０ｍｍになるように該フィルムを複数枚重ねて行った。
前記のシート状の中空糸膜束５枚を、厚みが２ｍｍのスペーサーを挟んで平行に並べ、両端部に第１注型用樹脂（硬化後の硬度が５０Ｄであり、混合初期粘度が６００ｍＰａ・ｓのウレタン樹脂）を用い静置注型法によって第１固定層を形成させた。さらに、第２注型用樹脂（硬化後の硬度が６５Ａであり、混合初期粘度が２２００ｍＰａ・ｓのウレタン樹脂）を用い静置注型法によって、前記第１固定層の上に厚み１０ｍｍの第２固定層を形成させた。該固定層は、幅３０ｍｍ、長さ４００ｍｍであり、第１固定層と第２固定層の合計厚みが４０ｍｍである。次に、両方の固定部の端を切断して中空糸膜の中空部を開口させた。その後に、ろ過水を流通させるためのノズルを有するキャップを両方の固定層部分に被せて接着した。以上の操作によって、両端部の中空部が開口した浸漬型中空糸膜カートリッジモジュールを得た。このモジュールは、有効長が１．５ｍ、膜面積が４ｍ２である。そして、各中空糸膜を被覆している部分の突出長さは、３０ｍｍである。
前記のようにして作製した浸漬型中空糸膜カートリッジモジュール６個を５ｃｍのピッチで平行に並べた状態で固定し、各モジュールのキャップのノズルをろ過装置の集水管に接続して、実施例１と同様な活性汚泥槽に浸漬した。また、各モジュールの隙間であって、かつ、モジュールの下端より下の位置に散気管を設けた。なお、本実施例において「ピッチ」とは、中空糸膜或いはモジュールの中心間の距離を意味している。
実施例１と同様な条件で吸引ろ過を３ヶ月間行った。この期間の膜間差圧は、−１０〜−１５ｋＰａで、極めて安定に運転できた。また、３ヶ月後の中空糸膜には汚泥の付着が観察されず、汚泥付着を含む中空糸膜モジュール６個の合計重量が、ろ過開始時に比べて２００ｇだけ増加していた。そして、弾性体間に汚泥堆積が無かった。
また、隣り合う弾性体間の距離は２ｍｍに保持されており、ろ過運転前後で変化が無く、ろ過部界面の突出長さも全ての弾性体において変化していなかった。
そして、両端の固定層近傍での糸切れは無かった。弾性体で被覆されている部分を解体して内部を観察したところ、融着した部分において中空糸膜外表面に第１注型用樹脂が這い上がって形成されたコーティング層があり、その先端が第１固定層と第２固定層の間に位置していた。

１ 中空糸膜束
２ ヘッド
３ スカート
４ ヘッド側第１固定層
５ スカート側第１固定層
６ ヘッド側第１固定層の端面
７ スカート側第１固定層の端面
８ 貫通穴
９ スカート端部
１０ 小束
１１ 支持材
１２ ろ過部
１３ ヘッド側第２固定層
１３’ ヘッド側第２固定層のろ過部界面の位置
１４ スカート側第２固定層
１４’ スカート側第２固定層のろ過部界面の位置
１５ 弾性体
１６ 多孔板
１７ ろ過部の界面の傾斜角度
１８ ろ過部界面からの突出長さ
１９ 弾性体同士の距離
２１ 中空糸膜
３１ 注型用樹脂のコーティング層の先端
５０ 熱収縮性フィルム
５０’ 熱収縮性フィルム
５１ 熱収縮性フィルムの融着部
１００ 中空糸膜モジュール
１１０ かご状円筒
１２０ 円筒
１２１ 貫通口
２００ 解放型水槽
３００ 集水管
４００ 空気導入管
５００ 原水供給管
５１０ 原水供給口
６１０ 濃縮水排出口
７００ モジュールケース
８００ 加圧型タンク

Claims (12)

1. 複数本の中空糸膜から成る１つ又は複数の中空糸膜束が両端部において注型用樹脂で固定された固定層を有し、片方又は両方の端部において中空糸膜の中空部が開口した中空糸膜モジュールであって、中空部が開口した側の少なくとも一方の固定層において該中空糸膜束が複数の小束に分割されており、該固定層のろ過部界面付近において各小束の外周が弾性体で被覆されており、該弾性体のろ過部界面から突出している長さが５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であり、前記弾性体が熱収縮後の硬度が７０Ａ〜９０Ａである熱収縮性材料からなる上記中空糸膜モジュール。
2. 複数本の中空糸膜が両端部において注型用樹脂で固定された固定層を有し、片方又は両方の端部において中空糸膜の中空部が開口した中空糸膜モジュールであって、中空部が開口した側の少なくとも一方の固定層のろ過部界面付近において各中空糸膜の外周が弾性体で被覆されており、該弾性体のろ過部界面から突出している長さが５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下であり、前記弾性体が熱収縮後の硬度が７０Ａ〜９０Ａである熱収縮性材料からなる上記中空糸膜モジュール。
3. 前記弾性体の一部が固定層に埋め込まれ、かつ弾性体の残りの部分は固定層のろ過部界面から突出している請求項１又は２に記載の中空糸膜モジュール。
4. 前記弾性体のろ過部界面から突出している部分において、該弾性体が内包する中空糸膜又は中空糸膜束の外周と該弾性体の内表面とが密着している請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
5. ろ過部界面から突出している部分において最も近接する弾性体同士の距離が２ｍｍ以上、８０ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
6. 前記弾性体を有する側の固定層のろ過部界面が中空糸膜束の糸長方向に対して傾斜している請求項１〜５のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
7. 前記弾性体外における固定層のろ過部界面の位置が、該弾性体内において中空糸膜外表面を被覆している注型用樹脂の先端位置よりもモジュール中央側である請求項３〜６のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
8. 前記弾性体がチューブ状である請求項１〜７のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
9. 前記中空糸膜或いは中空糸膜束が前記弾性体に直接被覆されてなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
10. 中空糸膜束外周を覆う外筒を有さない請求項１〜９のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールを用いた浸漬型中空糸膜カートリッジモジュール。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュールを用いた加圧型中空糸膜カートリッジモジュール。

Images