JPH04284836A

JPH04284836A - 膜分離方法

Info

Publication number: JPH04284836A
Application number: JP7436191A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yonekawa; 均米川; Katsumi Fujita; 勝美藤田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1992-10-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気液混相流を利用して
クロスフロー濾過及びデッドエンド濾過を実施する膜分
離方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、被処理液を濾過することによ
り透過液と濃縮液とに膜分離する方法として、膜モジュ
ールに導入した被処理液を膜面上を流しながら濾過を行
いつつ剪断力により膜面堆積物を最小に保ち濃縮液を膜
モジュール外に排出するクロスフロー濾過と、膜モジュ
ールに導入した被処理液を膜面で全量濾過ししつつ定期
的に膜面堆積物を排出するデッドエンド濾過が一般的に
知られている。

【０００３】このうち、クロスフロー濾過の改良方法と
して、特開昭６０ー２５５１１４　号公報及び特開昭６
０ー２５５１１５　号公報において、逆洗時、液逆洗を
実施しながら被処理液中に気泡を混合し気液混相流状態
で流すことにより、逆洗の効果を高くして高い膜透過流
束を得る技術が開示されている。また、同じくクロスフ
ロー濾過の改良方法として、特開昭６３ー３１５１１６
号公報において、濾過工程及び逆洗工程ともセラミック
フィルター内のクロスフロー液に気泡を混合して流し膜
透過流束を向上する技術が開示されている。さらに、デ
ッドエンド濾過の改良方法として、特開昭６１ー８１９
２　号公報において、逆洗時、液逆洗と同時に膜モジュ
ール下部より気泡を吹き込み逆洗の効果を高める技術が
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した各公報に開示
された技術では、クロスフロー濾過においてもデッドエ
ンド濾過においても、気液混相流を利用する都合上、被
処理液または洗浄液に気泡を吹き込む必要がある。通常
のポンプを使用する場合、サクション側より気泡が流入
するとキャビテーションが発生し、異音発生やポンプ効
率の低下、ポンプの破壊を招くことが知られており、膜
分離装置を設計する場合の重要事項となる。したがって
、従来のクロスフロー濾過では膜循環ポンプへの気泡流
入を避けるため、図３や図４に示すように膜循環ポンプ
の下流から気泡を吹き込むよう構成されていた。なお図
３〜図６中、５１は膜循環ポンプ、５２は膜モジュール
、５３は調節バルブ、５４は透過水（濾液）、５５は濃
縮液、５６は被処理液、５７は膜供給ポンプである。

【０００５】そのため、膜循環ポンプから吐出された直
後の圧力の高い状態の被処理液または洗浄液中に気泡を
吹き込むためのブロワー、コンプレッサー等の補機が必
要となるとともに、その補機を駆動するための動力費が
必要となる問題点があった。

【０００６】さらに、膜分離装置を設計する場合、図３
や図４の方式では一度昇圧した被処理液の圧力が調圧弁
で常圧に戻ってしまうため、経済的な設計では図５や図
６のように膜モジュールから排出された被処理液の残圧
を有効に利用するべく閉ループの膜循環方式を採用して
いる。しかし、膜循環ポンプ下流に気泡を吹き込んでも
一巡して膜循環ポンプに流入してしまい、このための気
液分離機構を膜循環ポンプのサクション側に設けるのは
煩雑となるため、実際には閉ループ循環方式を採用でき
ないという問題点があった。

【０００７】本発明の目的は上述した課題を解消して、
簡単な構成で気液混相流を利用した経済的なクロスフロ
ー濾過またはデッドエンド濾過をすることができる膜分
離方法を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明であ
る膜分離方法は、被処理液に気泡を吹き込むことにより
気液混相流を得た後、この気液混相流を膜循環ポンプあ
るいは膜供給ポンプを利用して膜モジュールに供給して
クロスフロー濾過を実施するとともに、あるいは逆洗時
には気液混相流を使用したクロスフローと液逆洗とを実
施する膜分離方法において、膜循環ポンプあるいは膜供
給ポンプとして回転羽根の巾が狭くなるように断面積が
吐出部に向かうにつれ小となる溝型曲線通路を有する遠
心型ポンプを使用するとともに、該遠心型ポンプのサク
ション側より気体を供給することを特徴とするものであ
る。

【０００９】また、本発明の第２の発明である膜分離方
法は、濾過工程と逆洗工程よりなるデッドエンド濾過の
逆洗工程にて液逆洗と並行して膜モジュール下部より気
泡含有液を供給する膜分離方法において、気泡を気液混
相状態で送液する洗浄供給ポンプとして回転羽根の巾が
狭くなるように断面積が吐出部に向かうにつれ小となる
溝型曲線通路を有する遠心型ポンプを使用するとともに
、該遠心型ポンプのサクション側より気体を供給するこ
とを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】上述した構成において、膜循環ポンプ、膜供給
ポンプ、あるいは洗浄水供給ポンプに気泡が流入すると
キャビテーションの発生があるため、気泡を利用する場
合は図３や図４の膜循環方式を採用し、逆に図５や図６
のような閉ループの膜循環方式を採用する場合には気泡
による気液混相流を利用できないことが常識とされてき
た。

【００１１】通常、この分野の膜循環ポンプとして多用
される遠心型ポンプには、図７（ａ），（ｂ）　に示す
渦巻き式があり運転と同時にその回転羽根の水路内が外
周に向かうにつれ水路断面積が増加するため、吐出側の
流速が吸入側の流速より大となるので、真空状態が起こ
りキャビテーションが発生し、図７（ａ）　に示す様な
矢方向の渦流の発生のためポンプ効率も低下する。

【００１２】一方図８（ａ），（ｂ）　に示す特公昭５
５−９５６０号公報に記載されているような、回転羽根
の中心部（吸入部）より出口部（吐出部）に向かうに従
って徐々にその巾が狭くなるように吸入側の断面積を大
にし、吐出側の断面積を小とした通路を一定間隔で設け
た遠心型ポンプの場合、水路内で殆ど真空状態が発生せ
ず、気泡が流入した場合でもキャビテーションが成長せ
ず、渦流発生も無いためポンプ効率も低下しない特徴を
持っている。図８（ａ），（ｂ）　で、６１は回転羽根
、６２は羽根本体、６３は側板、６４は軸孔、６５はキ
ー溝、６６は細溝、６７は切欠凹部である。本図では、
両吸い込み構造としているが、片吸い込み構造の場合で
も本発明の適用に支障がないことは言うまでもない。

【００１３】このような特殊な羽根車構造を有する遠心
型ポンプを膜循環ポンプに使用すれば、ポンプのサクシ
ョン側から気泡が流入した場合でもキャビテーションが
発生することなく、高いポンプ効率で運転が可能となる
ことから、従来の例のように膜循環ポンプや洗浄液供給
ポンプの下流側から気泡を吹き込む必然性がなくなる。そこで、本発明では、該膜循環ポンプ等の上流側である
サクション側から気泡を供給することが可能となり、そ
の結果、被処理液または洗浄液のサクション側は流体の
圧力が小さいためブロワー・コンプレッサー等の補機を
必要とせず、その動力費も必要としない。

【００１４】また、気泡を吹き込んだ場合でも、ポンプ
効率はそれほど大きく低下しない割りに高い膜透過流束
が得られるために所要動力を低下することができる。さ
らに、膜モジュールから排出された被処理液を再び膜循
環ポンプに導入してもキャビテーションを起こさないた
め、気液分離用設備を必要とせずに図５や図６のような
閉ループの膜循環方式が採用できるため、ポンプ容量を
下げることができ、全所要動力を大きく削減できる。こ
の場合、気泡は、大部分を再利用できるため、濃縮液と
して混入して排出されるか、溶解する気泡分を補充する
程度で十分な気液混相流の効果を得ることができる。

【００１５】さらに、この発明技術の有効な活用方法と
して閉ループの膜循環方式を採用した場合、空気あるい
は酸素を吹き込めば、膜循環している被処理液あるいは
、膜部を溶解酸素濃度の高い状態に維持でき、好気的環
境条件とすることができる。この結果、被処理液の濾過
性を改善できる場合には高い膜透過流束を得ることがで
き、好気性微生物が共存する場合には好気的生物処理に
よる生物反応を濾過と平行して進めることができるなど
多くのメリットを得ることができる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の膜分離方法を実施する一例と
してクロスフロー濾過を実施する装置の例を示す図であ
る。図１に示す例において、１は被処理液２をボールタ
ップ３を経由して貯留する被処理液タンク、４は被処理
液２中の異物などを除去するための例えば２０メッシュ
のストレーナ、５は被処理液２を膜循環配管路６に圧送
して膜循環配管路全体を昇圧するための膜供給ポンプ、
７は被処理液２を配管路６内に循環させるための膜循環
ポンプ、８は膜供給ポンプ７の上流側であるサクション
側に設けた気体導入口、９は気泡を導入した被処理液２
を濾過するクロスフロー型の膜モジュールである。膜モ
ジュール９は膜１０と濾過液の排出口１１と逆洗液の導
入口１２を備え、制御弁１３より濾過及び逆洗により生
じた濃縮液を排出する。１４は供給ポンプのサクション
側をわずかに陰圧とする減圧弁、１５は気体吹き込み流
量の調節弁である。ここで用いる膜循環ポンプは、本発
明の重要な構成要件である特殊な羽根車構造を有する遠
心型ポンプであることは言うまでもない。なお、気体の
供給位置は、膜循環ポンプ７のサクション側としても本
発明の目的は達することができるが、配管内の圧力が低
いため、膜供給ポンプ５のサクション側とした方が好ま
しい。

【００１７】また、膜モジュール９の形式として、（ａ
）　高分子外圧中空糸型または高分子外圧キャビラリー
型、（ｂ）　セラミックチューブラー型またはセラミッ
クモノリス型、（ｃ）　高分子チューブラー型、高分子
スパイラルワウンド型または高分子平膜型のものが使用
できる。（ａ），（ｂ）　の形式では、運転時は被処理
液中に気体を吹き込み水処理開発気液混相状態でクロス
フローするとともに、洗浄時は気液混相状態のクロスフ
ローと液逆洗を同時に実施する。（ｃ）　の形式では、
運転時と同じく被処理液中に気体を吹き込み気液混相状
態でクロスフローするとともに、洗浄時は液逆洗を行わ
ずに気液混相状態のクロスフローを実施する。

【００１８】図２は本発明の膜分離方法を実施する一例
としてデッドエンド濾過を実施する装置の例を示す図で
ある。図２に示す例において、２１は被処理液２２を貯
留し、濾過圧力を提供するための高架タンク、２３は配
管路２４に設けた被処理液２２中の異物などを除去する
ためのストレーナ、２５は液密に仕切られた上室：濾液
室２６と下室：被処理液加圧室２７から構成される膜モ
ジュール、２８は少なくとも片端を開放した膜、２９は
膜２８の開放端と濾液室２６を接続するマニホールド、
３０は洗浄液３１を貯留するためのタンク、３２は洗浄
液３１と気体導入口３３から供給される気泡を気液混相
状態で膜モジュールに供給する洗浄液供給ポンプ、３４
は膜モジュール下部より気液混相状態の洗浄液を分配す
る洗浄液マニホールド、３５は被処理液２２を膜モジュ
ールに供給するための原水供給口、３６は洗浄時のみ開
放される清浄液排出口、３７は沈澱性の固形物を排出す
るドレーン、３８は濾液の排出口、３９は逆洗用の加圧
流体を導入する逆洗導入口、４０はベントノズルである
。

【００１９】図２に示した例においては、濾過工程時に
は被処理液２２を原水供給口３５を経由して全量膜２８
で濾過され濾液排出口３８から排出される。また、洗浄
工程時には逆洗導入口３９から導入される加圧流体によ
り膜２８を逆洗すると並行して、洗浄液供給ポンプ３２
のサクション側より気体を導入して気液混相状態の洗浄
液を膜モジュール下部から供給し洗浄を実施しているた
め、クロスフロー濾過と同様に洗浄時の気体吹き込みに
伴う問題を解決することができる。

【００２０】実施例１図１に示した膜分離装置を用いて下水二次処理水を対象
に濾過運転を実施した。使用した膜モジュールは、高分
子外圧中空糸・精密濾過膜（膜孔径０．２　μｍ　、膜
面積４ｍ２×直列２本）、膜縦貫流量１００　ｌ／分、
濾過圧力１．０ｋｇ／ｃｍ２　、液逆洗条件４ｋｇ／ｃ
ｍ２×５秒とした。

【００２１】ケース１：液逆洗も気泡混入も実施しない
連続濾過時に、膜循環ポンプのサクション側より５秒間
吸気させた結果、膜透過流束（濾過速度）で２０％程度
の改善を得た。（図９）

【００２２】ケース２：ケース１と同様な連続濾過時に
液逆洗を実施した結果、膜透過流束で１０％程度の改善
を得た。（図１０）

【００２３】ケース３：ケース１、ケース２の操作を同
時に実施した結果、膜透過流束は約２倍程度に改善した
。（図１１）

【００２４】以上より、先行技術で認められている「加
圧エアを粉砕手段等を経て、気液混相流を膜モジュール
に導入する」ことと同様な膜透過流束の改善効果を膜循
環ポンプのサクション側から導入した場合でも得られる
ことが確認できる。したがって、本発明により膜分離装
置の設計自由度が高まることにより、周辺補機が不要と
なり、動力コストの低減、維持管理の低減等、多くのメ
リットを得ることができる。

【００２５】実施例２図１に示した膜分離装置を用いて下水二次処理水を対象
に濾過運転を実施した。使用した膜モジュールは、高分
子外圧中空糸・精密濾過膜（膜孔径０．２　μｍ　、膜
面積６ｍ２）　、膜循環流量３０ｌ／分、濾過圧力１．
０ｋｇ／ｃｍ２　、気体逆洗条件６ｋｇ／ｃｍ２×５秒
とした。

【００２６】濾過運転中の二次処理水（水温２０〜２３
℃程度）　中に含まれるアンモニア態窒素は溶解性物質
であるため、精密濾過孔径の０．２　μｍ　では分離濃
縮されずに濾液中へ素通りするが、アンモニア態窒素を
溶存酸素を利用して硝酸態窒素に変化させる有用微生物
群（硝化菌）が膜循環配管内と膜モジュール内に増殖し
た結果、１０日目以降では、濾液中のアンモニア態窒素
が原水（二次処理水）濃度（５〜１０ｍｇ／ｌ）　より
３０〜４０％程度減少することを確認した。この場合、
アンモニア態窒素の除去率は、被処理液中の溶存酸素量
に律速を受けている。この後、膜循環ポンプのサクショ
ン側より空気を導入し、膜循環配管中の酸素量を増大し
た結果、アンモニア態窒素の除去率は７０〜９０％程度
に増加した。二次処理水のアンモニア態窒素濃度に対す
る濾液濃度除去率の経時的推移を図１２に示す。

【００２７】この結果から確認されるように、精密濾過
運転と並行してアンモニア態窒素を硝化させるような好
気性生物処理を実施する場合、常時、膜循環配管中に溶
存酸素を供給し続けることが必要であり、また、好気性
処理に有用な微生物を保持するためには閉ループの膜循
環配管とすることが好ましい。本発明では、膜循環ポン
プのサクション側から常時、酸素を含む空気を導入する
簡単な構成で気液混相流を経済的に、かつ、閉ループで
構成できるため、精密濾過操作と同時に高いアンモニア
態窒素の除去率を実用的に得ることができる。

【００２８】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものでなく、幾多の変形、変更が可能である。例えば、
上述した実施例では、クロスフロー濾過及びデッドエン
ド濾過の例をそれぞれ一例ずつ説明してきたが、装置の
構成はこれら以外でも、膜循環ポンプ、膜供給ポンプ、
洗浄液供給ポンプとして特殊な羽根車構造を有する遠心
型ポンプ等を使用して、サクション側から気体を導入し
さえすれば、本発明を達成できることは言うまでもない
。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の膜分離方法によれば、気液混相流を利用したクロスフ
ロー濾過またはデッドエンド濾過において、循環路中の
膜循環ポンプ、循環路に供給する膜供給ポンプ、あるい
は洗浄液供給ポンプとして流路の巾が狭くなるように断
面積が吐出部に向うにつれて小となるような、特殊な羽
根車構造を有する遠心型ポンプを使用し、該遠心型ポン
プのサクション側から気体を導入可能としたため、気体
の吹き込みに補機が不要であり、そのための費用もかか
らないとともに、気体を吹き込んだ場合でもポンプ効率
はそれほど大きく低下しないため、所要動力が低減でき
る。また、膜モジュールから出た液を再び膜循環ポンプ
に導入してもキャビテーションを起こさないため、閉ル
ープの膜循環方式を採用できるため、ポンプ容量を低減
できるだけでなく、濾過と並行して好気的な生物処理を
促進することもできる。以上より、本発明の膜分離方法
により、簡単な構成と低消費動力で高い膜透過流束（濾
過速度）や好気的生物処理機能を得ることができ、産業
界に多大の貢献を生むことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の膜分離方法を実施する一例としてクロ
スフロー濾過を実施する装置の例を示す図である。

【図２】本発明の膜分離方法を実施する一例としてデッ
ドエンド濾過を実施する装置の例を示す図である。

【図３】従来の膜分離装置を説明するための概念図であ
る。

【図４】従来の膜分離装置を説明するための概念図であ
る。

【図５】従来の膜分離装置を説明するための概念図であ
る。

【図６】従来の膜分離装置を説明するための概念図であ
る。

【図７】（ａ）　は本願発明で使用する遠心型ポンプの
縦断面図であり、（ｂ）　は本願発明で使用する遠心型
ポンプの横断面図である。

【図８】（ａ）　は従来の遠心型ポンプの縦断面図であ
り、（ｂ）　は従来の遠心型ポンプの横断面図である。

【図９】図１に示した本願発明の膜分離装置を用いて下
水二次処理水を対象に濾過運転を実施した結果を示す図
である。

【図１０】図１に示した本願発明の膜分離装置を用いて
下水二次処理水を対象に濾過運転を実施した結果を示す
図である。

【図１１】図１に示した本願発明の膜分離装置を用いて
下水二次処理水を対象に濾過運転を実施した結果を示す
図である。

【図１２】本願発明の膜分離装置を用いた際のＮＨ４−
Ｎ　の除去率の経時点推移を示す図である。

【符号の説明】

５　　膜供給ポンプ７　　膜循環ポンプ８，３３　　気体導入口２８　　膜モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　被処理液を膜モジュールに供給してク
ロスフロー濾過を実施する膜分離方法に於いて、濾過工
程及び／又は逆洗工程にて膜モジュールに気泡を供給す
る際には、膜循環ポンプとして、あるいは膜供給ポンプ
を使用する場合は膜供給ポンプとしても回転羽根の流路
の巾が狭くなるように断面積が吐出部に向かうにつれ小
となる溝型曲線通路を有する遠心型ポンプを使用すると
ともに、該遠心型ポンプのサクション側より気体を供給
することを特徴とする膜分離方法。
【請求項２】　　被処理液を膜モジュールに供給し、濾
過工程と逆洗工程よりなるデッドエンド濾過の逆洗工程
にて液逆洗と並行して膜モジュール下部より気泡を供給
する膜分離方法に於いて、気泡を気液混相状態で送液す
る洗浄供給ポンプとして回転羽根の流路の巾が狭くなる
ように断面積が吐出部に向かうにつれ小となる溝型曲線
通路を有する遠心型ポンプを使用するとともに該遠心型
ポンプのサクション側より気体を供給することを特徴と
する膜分離方法。