膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システム
【課題】複数の分岐流路を備えた膜エレメントにおいてろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムを提供する。
【解決手段】膜エレメント４はろ過膜２５と膜支持板２６とを備え、膜支持板２６は、ろ過膜２５との間に形成されろ過膜２５を透過したろ過処理水を搬送する水路２８と、鉛直方向に立設され水路２８を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路１３と、鉛直方向に複数配列され水路２８とヘッダ流路１３とを連絡する分岐流路１５と、ヘッダ流路１３に設けられヘッダ流路１３内を搬送されたろ過処理水を外部に取り出す集水口１４とを備え、分岐流路１５それぞれのろ過処理水の入口から集水口１４までの圧力損失が等しくなるように、集水口１４の近くに配置される分岐流路１５ほどその断面積を小さく形成している。
【解決手段】膜エレメント４はろ過膜２５と膜支持板２６とを備え、膜支持板２６は、ろ過膜２５との間に形成されろ過膜２５を透過したろ過処理水を搬送する水路２８と、鉛直方向に立設され水路２８を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路１３と、鉛直方向に複数配列され水路２８とヘッダ流路１３とを連絡する分岐流路１５と、ヘッダ流路１３に設けられヘッダ流路１３内を搬送されたろ過処理水を外部に取り出す集水口１４とを備え、分岐流路１５それぞれのろ過処理水の入口から集水口１４までの圧力損失が等しくなるように、集水口１４の近くに配置される分岐流路１５ほどその断面積を小さく形成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固液分離に使用される膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムに係り、特に、有機廃水等の膜分離活性汚泥処理で使用される膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機廃水等の膜分離活性汚泥処理においては、膜モジュールを配置したＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：活性汚泥膜分離）システムが利用されている。この種のＭＢＲシステムは、反応槽の内部に固液分離を行う膜モジュールを配置し、膜モジュールの下方に散気装置を設けている。ここで、膜モジュールとは、複数の膜エレメントを垂直に一定間隔をおいて並列に配置してケーシング内に収容することで、複数の膜エレメントを一体型にしたものをいう。膜エレメントは膜支持板の表面をろ過膜で覆ったものであり、膜エレメント内部にはろ過処理水が流れる流路が形成されている。この流路に連通してこの流路内を陰圧とするポンプが反応槽外部に設けられている。このポンプを駆動することにより被処理水がろ過膜を透過し、被処理水中の懸濁物質がろ過膜により捕捉される。そして、ろ過膜を透過して膜エレメント内の流路に吸引された清浄なろ過処理水は処理槽の外部に取り出される。また、散気装置から散気される気泡のエアリフト作用により、ろ過膜の面に平行な上昇流が生じ、ろ過膜から付着物が離脱する。
【０００３】
図９には膜エレメント４内部の模式的平面図を示す。膜エレメント４に配管２を介して接続された処理水吸引ポンプ１２を駆動すると、処理水がろ過膜（不図示）を透過する。ろ過膜を通過したろ過処理水は、仕切り板２７によって複数に分割された水路２８を水平方向に流れ、複数の分岐流路１５Ａを通過して、ヘッダ流路１３に流入する。そして、ろ過処理水はヘッダ流路１３の集水口１４からポンプにより吸引され外部に取り出されて回収される。
【０００４】
ここで、各分岐流路１５Ａが同一断面積で同一形状である場合、分岐流路１５Ａのろ過処理水の入口から集水口１４までの抵抗は、集水口１４からの距離が遠い分岐流路１５Ａほど高くなる。そのため、分岐流路１５Ａからヘッダ流路１３へ流入するろ過処理水の流量は、集水口１４から距離が遠い分岐流路１５Ａほど少なくなる。
【０００５】
さらに、各分岐流路１５Ａは鉛直方向に配列され、ヘッダ流路１３の集水口１４はヘッダ流路１３の最上部に設けられることが多いため、上記抵抗には、管路摩擦による抵抗に加えて、高さ損失による抵抗が加わる。そのため、集水口１４から最も離れた位置にある、すなわち分岐流路１５Ａの中で最も低い位置にある分岐流路１５Ａの入口から集水口１４までの抵抗が最も大きくなる。そして、その抵抗と、集水口１４から最も近い位置にある分岐流路１５Ａから集水口１４までの抵抗との差は大きくなる。
【０００６】
各分岐流路１５Ａから集水口１４までの抵抗の差によって、各分岐流路１５Ａを流れるろ過処理水の流量が非均等になり、移動するろ過水の量の差が生じる。これにより、ろ過膜２５表面の場所（位置）によって、膜エレメント４の外部から内部にろ過吸収される水量が異なってくる。すなわち、ろ過膜２５の表面にろ過量（フラックス）が高い場所と低い場所が分布してしまう。そして、ろ過量が高い場所は過負荷となり、ろ過膜２５の表面が目詰まりしやすくなる。
【０００７】
目詰まりし易くなった場所を洗浄して再生するためには、散気管からの散気量を増やす必要がある。しかしながら、目詰まりしていない場所がある一方で、目詰まりし易くなった場所を洗浄再生するために散気量を増やすことは非効率的である。
【０００８】
実際、目詰まり度合いが高い場所のみに集中的に散気を行うことは不可能に近く、目詰まり度合いが高い場所が生じた場合には、目詰まり度合いの低い場所も含めてろ過膜２５の表面全体を散気量を上げて洗浄する必要が生じる。これにより、散気によるろ過膜２５表面の洗浄運転が非効率化する。
【０００９】
従来においては、ろ過膜を効率的に洗浄するために、散気装置から気泡を均等に散気させるように調整したり、膜を支持する膜支持体の剛性を向上させて膜面全体の洗浄効果を均一にしたりすることが行われている（例えば、特許文献１〜７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１３６３８９号公報
【特許文献２】特開平７−１３２２１４号公報
【特許文献３】特開平７−１９４９４７号公報
【特許文献４】特開平７−１９４９４６号公報
【特許文献５】特開平６−１７８９２０号公報
【特許文献６】特開平５−１３７９７４号公報
【特許文献７】特開平７−２４２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１〜７に記載の膜エレメントは上部に吸引ノズルを設けた構成を有しているが、図９に示すような鉛直方向に複数の分岐流路を配置した構成を有していない。このため引用文献１〜７では、ろ過膜表面の位置によるろ過量の違いによって、目詰まり度合いの違いが発生するという問題の解決策を考えていない。したがって、複数の分岐流路を備えた膜エレメントに対して特許文献１〜７に記載の洗浄方法を適用したとしても、膜エレメントのろ過膜表面を効率的に洗浄することはできない。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、複数の分岐流路を備えた膜エレメントにおいてろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムを提供することを目的とする。
【００１３】
また、散気によるろ過膜表面の洗浄運転を効率化し、ろ過運転全体の安定化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る膜エレメントは、ろ過膜と、該ろ過膜を透過したろ過処理水を搬送する水路と、鉛直方向に立設され前記水路を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路と、鉛直方向に複数配列され前記水路と前記ヘッダ流路とを連絡する分岐流路と、前記ヘッダ流路に設けられ前記ヘッダ流路を搬送されたろ過処理水を外部に取り出す集水口と、を備えた膜エレメントにおいて、前記分岐流路それぞれは、該分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように物理的形状を変えて形成されていることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、膜エレメントの各分岐流路は、該分岐流路それぞれのろ過処理水の入口からヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されているため、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。したがって、散気によるろ過膜表面の洗浄運転が効率化され、ろ過運転全体の安定化を実現することができる。
上記構成において、前記分岐流路それぞれは、等しい流量のろ過処理水が流れるように形成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができ、ろ過膜表面において目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記集水口の近くに配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等に近づけることができ、ろ過膜表面において目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記集水口は前記ヘッダ流路の上端部に設けられており、前記分岐流路それぞれは、その断面積が上方に配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等に近づけることができ、ろ過膜表面において目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を等しくすることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記水路は、水平方向に設けられた１又は複数の仕切り板により複数の領域に分割されていることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、水路に１又は複数の仕切り板を水平方向に設け、水路を複数の領域に分割することにより、ろ過処理水は水路内を水平方向に流れ易くなり、鉛直方向に配置された複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量をより均等に近づけることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
また、本発明に係る膜モジュールは、膜エレメントを複数配列してケーシング内に収めたものであることを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、膜モジュールを被処理水に浸漬して複数の膜エレメントにより膜ろ過を行うことができ、散気による膜表面の洗浄運転を効率化し、安定したろ過運転を行うことができる。
また、本発明に係る膜分離システムは、上記構成の膜エレメントを備えたことを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、散気による膜表面の洗浄運転を効率化することができ、ろ過運転全体の安定化が実現された膜分離システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、膜エレメントの各分岐流路は、分岐流路それぞれのろ過処理水の入口からヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されているため、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。したがって、散気によるろ過膜表面の洗浄運転が効率化され、ろ過運転全体の安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る膜エレメントの模式的平面図である。
【図２】ＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：膜分離式活性汚泥処理）システムの全体構成の模式図である。
【図３】反応槽の内部構成を示す模式図である。
【図４】スペーサーの構成を説明するための模式図である。
【図５】膜支持板の一部を斜め下方から見た模式図である。
【図６】分岐流路からの等流量分配の理論の説明図である。
【図７】分岐流路の断面積の算出手順を示すフローチャートである。
【図８】図７に示す算出手順に従って算出した各分岐流路の断面積比と分岐流路位置との関係を示すグラフであり、（ａ）は分岐流路の全体数が１０、（ｂ）は分岐流路の全体数が３０、（ｃ）は分岐流路の全体数が５０の場合のグラフである。
【図９】従来における膜エレメントの模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態に係るＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：膜分離式活性汚泥処理）システム１の全体構成を模式的に示す図である。ＭＢＲシステム１は、廃水等の原水を外部から引き込む原水配管１７と、原水配管１７からの原水を引き込む原動力となる原水ポンプ１８と、嫌気槽１９と、無酸素槽２０と、反応槽２１と、を主な構成要素としている。
【００２６】
図３は反応槽２１の内部構成を示す模式図である。同図に示すように、反応槽２１内の中央部には、反応槽２１内部を２つの領域に仕切る仕切り板２２が配置されている。仕切り板２２を隔てて、一方の側には膜モジュール５が配置されており、他方の側には好気槽領域２３が設けられている。膜モジュール５は、垂直に一定間隔をおいて並列に配列された複数の膜エレメント４と、この複数の膜エレメント４を収容するケーシング４１とを備えている。膜モジュール５の下方には、気泡を散気する散気装置８が設けられている。散気装置８から散気された気泡は、その気泡のエアリフト作用により、膜エレメント４間にろ過膜面に平行な上昇流を生じさせる。この上昇流によってろ過膜面の付着物が離脱する。
【００２７】
膜モジュール５の上方には、各膜エレメント４内の流路（不図示）に連通した配管２と、当該配管２に取り付けられた処理水吸引ポンプ１２とが設けられている。処理水吸引ポンプ１２は、膜エレメント４内を陰圧にしてろ過処理水を吸引し、ろ過処理水を外部に取り出す。
【００２８】
反応槽２１内の好気槽領域２３には、酸素を被処理水中に溶解させる微細散気装置２４が配設されている。微細散気装置２４は微細な空気泡を放出して、反応槽２１内の好気槽領域２３の溶存酸素濃度を高濃度に維持する。また、反応槽２１内の被処理水中には活性汚泥が混合されている。当該活性汚泥は、被処理水中の溶存酸素を呼吸しつつ、被処理水中のアンモニアを硝酸性窒素にする好気処理を行う。
【００２９】
次に、図１を参照して、膜エレメント４の内部構成について説明する。図１は１つの膜エレメント４の模式的な平面図である。
膜エレメント４内には、ろ過膜（不図示）を透過したろ過処理水を搬送する水路２８と、鉛直方向に立設され水路２８を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路１３と、鉛直方向に複数配列され水路２８とヘッダ流路１３とを連絡する分岐流路１５とが設けられている。水路２８には複数の仕切り板２７が水平方向に設けられており、水路２８は当該仕切り板２７によって複数の領域１６に分割されている。図１に示す例では、水路２８は鉛直方向に配列した６つの領域１６に分割されている。これらの各領域１６は、１又は複数の分岐流路１５を介してヘッダ流路１３に連絡されている。ヘッダ流路１３は、同一の断面形状を有し、鉛直方向に直線状に延びている。ヘッダ流路１３の上端部には、集水口１４が設けられるとともに配管２が接続されている。集水口１４はヘッダ流路１３内を搬送されたろ過処理水を外部に取り出して回収するための開口である。
【００３０】
水路２８にはスペーサー２９が設置されている。水路２８にスペーサー２９を設置することにより、処理水吸引ポンプ１２の吸引による陰圧でろ過膜（不図示）が当該ろ過膜を支持する膜支持板（不図示）側に引き付けられて、ろ過膜と膜支持板との間の幅が狭くなるのを防止し、ろ過効率が低下するのを防ぐことができる。
【００３１】
図４は、スペーサー２９の構成の一例を示す模式図である。スペーサー２９は、細長い矩形の平板３０を縦横に連結して構成されている。平板３０の一方の側面が膜支持板に取り付けられ、他方の側面がろ過膜と接触する。平板３０には、厚さ方向に貫通する円形の孔３１が設けられている。この孔３１により、ろ過処理水は水路２８内を移動することができる。なお、孔３１の形状は円形に限らず、例えば楕円形、矩形、多角形等であってもよい。
また、スペーサー２９は、孔３１が設けられた平板３０に限らず、例えば膜支持板２６上に円柱を多数配置した構成や、水を透過する構造体であってもよい。
【００３２】
次に、図５を参照して、膜エレメント４の詳細な内部構成と、膜エレメント４内のろ過処理水の流れを説明する。図５は、膜エレメント４を構成する膜支持板２６の表面に取り付けられているろ過膜２５を取り外した上で、当該膜支持板２６の一部を斜め下方から見た模式図である。
【００３３】
膜支持板２６の表面には、水路２８等を形成する各種溝が設けられている。その溝を覆うように、膜支持板２６の表面にろ過膜２５が取り付けられている。膜支持板２６がろ過膜２５で覆われた状態において、膜支持板２６とろ過膜２５とで挟まれた空間に、水路２８と、ヘッダ流路１３と、複数の分岐流路１５とが形成される。
【００３４】
処理水吸引ポンプ１２を駆動させて吸引を行うと、水路２８、ヘッダ流路１３、分岐流路１５内は陰圧となり、矢印Ｄ１に示すように、被処理水はろ過膜２５を透過する。ろ過膜２５を透過したろ過処理水は、膜支持板２６とろ過膜２５との間の水路２８に侵入する。その後、ろ過処理水は、分岐流路１５に向かって当該水路２８を流れていき、矢印Ｄ２に示すように、分岐流路１５を通ってヘッダ流路１３へ流入する。その後、矢印Ｄ３に示すように、ろ過処理水はヘッダ流路１３中を上方に移動し、矢印Ｄ４に示すように、ヘッダ流路１３の集水口１４から外部に排出される。
【００３５】
各分岐流路１５は、各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量が等しくなるように物理的形状を変えて形成されている。本実施形態では、各分岐流路１５の断面積を調整することにより、各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量を調整している。
【００３６】
各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量を等しくする各分岐流路１５の断面積は、図６に示す流体工学で扱われる等流量の分配の問題として解析することができる（日本機械学会編、技術資料 管路・ダクトの流体抵抗（１９７９年）参照）。
【００３７】
以下では、分岐流路１５の全体数をｎとし、各分岐流路１５を「分岐流路１５ｊ（ｊ＝１〜ｎ）」と表記する。また、Ｑｊはヘッダ流路１３を流れるろ過処理水と分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水との合流点付近の流量、Ａはヘッダ流路１３の断面積、Ｖｊは前記合流点付近の平均流速、Ｐｊは前記合流点付近の圧力、ｑｊは分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水の流量、ｖｊは分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水の平均流速、ｐｊは分岐流路１５ｊのろ過処理水の入口の圧力、ａｊは分岐流路１５ｊの断面積、Ｌはヘッダ流路１３の長さ、ｈは分岐流路１５ｊの長さ、ｌは分岐流路１５ｊと分岐流路１５ｊ＋１との区間の距離を表すものとする。
【００３８】
図６に示した模式構造において、分岐流路１５ｊと分岐流路１５ｊ＋１との区間について、ヘッダ流路１３内の平均流速Ｖｊ＋１とＶｊ、及び圧力Ｐｊ＋１とＰｊに関して、次の式が成り立つ。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
（但し、ξ：合流抵抗係数、λ：管路摩擦損失係数、Ｄ：ヘッダ流路１３の断面の直径、ｇ：重力加速度）
【００４２】
数式２の右辺第２項は、ヘッダ流路１３内の管摩擦損失と、ヘッダ流路１３を流れるろ過処理水と分岐流路１５ｊから流入したろ過処理水との合流による合流損失とを示す。また、数式２の右辺第３項は、分岐流路１５ｊと分岐流路１５ｊ＋１との区間の距離による高さ損失を示す。
【００４３】
また、分岐流路１５ｊのろ過処理水の出口部（ヘッダ流路１３との連絡部）の圧力ｐｊ−Δｐｊを、ヘッダ流路１３内の分岐流路１５ｊの合流点の圧力Ｐｊに等しいとして近似し、次の数式４を用いる。
【００４４】
【数４】
【００４５】
ここで、数式４の分岐流路１５ｊの合流損失係数と管路摩擦損失係数との各損失係数には、上付き添え字“’”をつけ、数式２中のヘッダ流路１３の各損失係数と区別している。
【００４６】
また、各分岐流路１５ｊから等しい流量でヘッダ流路１３に集水される条件を設けるため、圧力平衡の条件として、次の数式５を設ける。
【００４７】
【数５】
【００４８】
これらの式を利用して、各分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水を均等にする分岐流路１５ｊの断面積ａｊを算出することができる。
【００４９】
図７は、これらの式を利用した断面積ａｊの算出手順を示すフローチャートである。以下、図７を参照して分岐流路１５ｊの断面積ａｊの算出手順を説明する。
まず、初期条件として、各分岐流路１５ｊからヘッダ流路１３へ流入する各流量を合計した全体流量を設定する（ステップＳ１０１）。
【００５０】
次に、全体流量を分岐流路１５の全体数で除算することにより、各分岐流路１５ｊの流量を設定する（ステップＳ１０２）。
次に、初期値として、分岐流路１５１の入口の圧力を設定する（ステップＳ１０３）。
【００５１】
次に、数式１を利用して、全体の流量と、分岐流路１５１の流量と、ヘッダ流路１３の断面積とに基づいて、ヘッダ流路１３を流れるろ過処理水と分岐流路１５ｊからヘッダ流路１３へ流入したろ過処理水との合流点ｊでの流量及び流速を算出する（ステップＳ１０４）。
【００５２】
次に、数式３を利用して、ヘッダ流路１３内の合流点ｊと合流点（ｊ＋１）との区間における圧力損失を算出する（ステップＳ１０５）。
次に、ヘッダ流路１３と分岐流路１５１との合流点１での圧力と、摩擦損失及び合流損失とに基づいて、合流点１での圧力を算出する（ステップＳ１０６）。
【００５３】
次に、合流点１での圧力と数式２とに基づいて、合流点（ｊ＋１）での圧力を算出する（ステップＳ１０７）。
次に、ステップＳ１０５及びステップＳ１０７での算出結果と数式５とに基づいて、各分岐流路１５ｊにおける圧力損失を算出する（ステップＳ１０８）。
次に、ステップＳ１０７での算出結果と数式４とに基づいて、分岐流路１５ｊの断面積ａｊ及び流速ｖｊを算出する（ステップＳ１０９）。
【００５４】
図８は、上述した算出手順に従って、各分岐流路１５の断面積を算出した結果を示すグラフである。ここで、グラフの縦軸「断面積比Ｒ」は、ヘッダ流路１３の集水口１４から最も遠い位置の分岐流路１５の断面積を基準値とし、各分岐流路１５の断面積を当該基準値で除した値である。また、横軸「分岐流路位置Ｎ」は、膜エレメント４に設けられた複数の各分岐流路１５を表している。値“１”はヘッダ流路１３の集水口１４から最も近い分岐流路１５を示し、集水口１４から漸次離れて集水口１４に近づくに従い、その位置にある分岐流路１５を表すＮの値が１ずつ増えるように番号付けしている。すなわち、値“Ｎ”は集水口１４からＮ番目に遠い分岐流路１５を表している。
【００５５】
図８（ａ）は分岐流路１５の全体数が１０（Ｎ＝１、…、１０）、図８（ｂ）は分岐流路１５の全体数が３０（Ｎ＝１、…、３０）、図８（ｃ）は分岐流路１５の全体数が５０（Ｎ＝１、…、５０）の場合を示している。
【００５６】
図８に示す各グラフから判るように、分岐流路１５が漸次集水口１４に近づくに従い、分岐流路１５の断面積は小さくなっている。これは、集水口１４に近いほど分岐流路１５の断面積が小さくなることにより、分岐流路１５内を流れるろ過処理水の流速が大きくなって流体抵抗が大きくなり、分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量が均等になることを示している。
【００５７】
そして、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれの場合も、分岐流路位置Ｎと断面積比Ｒとの関係は、数式６で表すことができることが確認できた。
【数６】
但し、係数Ａは１〜１．５の範囲内にあり、指数Ｂは０．２〜０．２５の範囲にある。
【００５８】
数式６の関係を満たすように各分岐流路１５の断面積を設計することで、ヘッダ流路１３の集水口１４に近い位置にある分岐流路１５には小さい断面積によって高い抵抗を与え、当該集水口１４から離れるに従い分岐流路１５の断面積を広げていき、漸次抵抗を小さくしていくことができる。これによって、各分岐流路１５の入口から集水口１４までの圧力損失や抵抗を一定にすることができ、各分岐流路１５から等流量のろ過処理水がヘッダ流路１３に流入する。これにより、膜エレメント４内の水路２８では、ろ過処理水が分岐流路１５に向かって水平方向に等速度で線形に流れるため、ろ過膜２５の表面におけるろ過速度を一様とすることができる。したがって、ろ過膜２５の表面を均等に効率的に利用することができ、ろ過膜２５の表面の目詰まりや汚れが均等化し、散気装置８によるろ過膜２５表面の洗浄運転も効率化され、ろ過運転全体の安定化を実現することができる。
【００５９】
なお、上述した実施形態では、各分岐流路１５を流れる流量を均等にするために、分岐流路１５の断面積を調整して、各分岐流路１５の入口から集水口１４までの圧力損失（抵抗）を等しくした。しかしながら、調整対象とする分岐流路１５の物理的形状は分岐流路１５の断面積に限定されることはない。例えば、分岐流路１５の長さや、断面の形状や流路の形状を調整することにより、或いはこれらを分岐流路１５の断面積と組み合わせて調整することにより、圧力損失を等しくし、流量を均等にしてもよい。
【００６０】
また、上述した実施形態では、集水口１４をヘッダ流路１３の上端部に設けたが、集水口１４を設ける位置はこれに限定されることはなく、集水口１４をヘッダ流路１３の中央部や下部に設けてもよい。集水口１４をヘッダ流路１３の上端部以外の位置に設けた場合は、数式６は成り立たなくなるが、上述した実施形態と同様の原理で集水口１４の近くに配置される分岐流路１５ほど断面積を小さくして圧力損失を等しくすることにより、各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができる。
【００６１】
また、上述した実施形態では、水路２８を仕切り板２７で複数の領域１６に分割する例を示したが、水路２８の鉛直方向の幅が狭い等でろ過処理水を水平方向に容易に搬送可能な場合には、領域１６に分割しなくてもよいし、設ける仕切り板２７の数を１枚にしてもよい。
【００６２】
また、上述した実施形態では、膜支持板２６に溝を設けることによって分岐流路１５やヘッダ流路１３を形成したが、これに限らず、分岐流路１５やヘッダ流路１３をパイプで形成し、分岐流路１５やヘッダ流路１３を膜支持板２６に外付けで取り付けるようにしてもよい。
また、膜エレメント４の形状は矩形の平板状に限らず、例えば円筒形であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、活性汚泥膜分離処理における固液分離に限らず、活性汚泥以外の固液分離にも適用することができ、膜エレメントを用いる膜分離処理の分野全てに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１………ＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：膜分離式活性汚泥処理）システム、２………配管、４………膜エレメント、５………膜モジュール、１２………処理水吸引ポンプ、１３………ヘッダ流路、１４………集水口、１５………分岐流路、１６………領域、１７………原水配管、１８………原水ポンプ、１９………嫌気槽、２０………無酸素槽、２１………反応槽、２２………仕切り板、２３………好気槽領域、２４………微細散気装置、２５………ろ過膜、２６………膜支持板、２７………仕切り板、２８………水路、２９………スペーサー、３０………平板、３１………孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固液分離に使用される膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムに係り、特に、有機廃水等の膜分離活性汚泥処理で使用される膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機廃水等の膜分離活性汚泥処理においては、膜モジュールを配置したＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：活性汚泥膜分離）システムが利用されている。この種のＭＢＲシステムは、反応槽の内部に固液分離を行う膜モジュールを配置し、膜モジュールの下方に散気装置を設けている。ここで、膜モジュールとは、複数の膜エレメントを垂直に一定間隔をおいて並列に配置してケーシング内に収容することで、複数の膜エレメントを一体型にしたものをいう。膜エレメントは膜支持板の表面をろ過膜で覆ったものであり、膜エレメント内部にはろ過処理水が流れる流路が形成されている。この流路に連通してこの流路内を陰圧とするポンプが反応槽外部に設けられている。このポンプを駆動することにより被処理水がろ過膜を透過し、被処理水中の懸濁物質がろ過膜により捕捉される。そして、ろ過膜を透過して膜エレメント内の流路に吸引された清浄なろ過処理水は処理槽の外部に取り出される。また、散気装置から散気される気泡のエアリフト作用により、ろ過膜の面に平行な上昇流が生じ、ろ過膜から付着物が離脱する。
【０００３】
図９には膜エレメント４内部の模式的平面図を示す。膜エレメント４に配管２を介して接続された処理水吸引ポンプ１２を駆動すると、処理水がろ過膜（不図示）を透過する。ろ過膜を通過したろ過処理水は、仕切り板２７によって複数に分割された水路２８を水平方向に流れ、複数の分岐流路１５Ａを通過して、ヘッダ流路１３に流入する。そして、ろ過処理水はヘッダ流路１３の集水口１４からポンプにより吸引され外部に取り出されて回収される。
【０００４】
ここで、各分岐流路１５Ａが同一断面積で同一形状である場合、分岐流路１５Ａのろ過処理水の入口から集水口１４までの抵抗は、集水口１４からの距離が遠い分岐流路１５Ａほど高くなる。そのため、分岐流路１５Ａからヘッダ流路１３へ流入するろ過処理水の流量は、集水口１４から距離が遠い分岐流路１５Ａほど少なくなる。
【０００５】
さらに、各分岐流路１５Ａは鉛直方向に配列され、ヘッダ流路１３の集水口１４はヘッダ流路１３の最上部に設けられることが多いため、上記抵抗には、管路摩擦による抵抗に加えて、高さ損失による抵抗が加わる。そのため、集水口１４から最も離れた位置にある、すなわち分岐流路１５Ａの中で最も低い位置にある分岐流路１５Ａの入口から集水口１４までの抵抗が最も大きくなる。そして、その抵抗と、集水口１４から最も近い位置にある分岐流路１５Ａから集水口１４までの抵抗との差は大きくなる。
【０００６】
各分岐流路１５Ａから集水口１４までの抵抗の差によって、各分岐流路１５Ａを流れるろ過処理水の流量が非均等になり、移動するろ過水の量の差が生じる。これにより、ろ過膜２５表面の場所（位置）によって、膜エレメント４の外部から内部にろ過吸収される水量が異なってくる。すなわち、ろ過膜２５の表面にろ過量（フラックス）が高い場所と低い場所が分布してしまう。そして、ろ過量が高い場所は過負荷となり、ろ過膜２５の表面が目詰まりしやすくなる。
【０００７】
目詰まりし易くなった場所を洗浄して再生するためには、散気管からの散気量を増やす必要がある。しかしながら、目詰まりしていない場所がある一方で、目詰まりし易くなった場所を洗浄再生するために散気量を増やすことは非効率的である。
【０００８】
実際、目詰まり度合いが高い場所のみに集中的に散気を行うことは不可能に近く、目詰まり度合いが高い場所が生じた場合には、目詰まり度合いの低い場所も含めてろ過膜２５の表面全体を散気量を上げて洗浄する必要が生じる。これにより、散気によるろ過膜２５表面の洗浄運転が非効率化する。
【０００９】
従来においては、ろ過膜を効率的に洗浄するために、散気装置から気泡を均等に散気させるように調整したり、膜を支持する膜支持体の剛性を向上させて膜面全体の洗浄効果を均一にしたりすることが行われている（例えば、特許文献１〜７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１３６３８９号公報
【特許文献２】特開平７−１３２２１４号公報
【特許文献３】特開平７−１９４９４７号公報
【特許文献４】特開平７−１９４９４６号公報
【特許文献５】特開平６−１７８９２０号公報
【特許文献６】特開平５−１３７９７４号公報
【特許文献７】特開平７−２４２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１〜７に記載の膜エレメントは上部に吸引ノズルを設けた構成を有しているが、図９に示すような鉛直方向に複数の分岐流路を配置した構成を有していない。このため引用文献１〜７では、ろ過膜表面の位置によるろ過量の違いによって、目詰まり度合いの違いが発生するという問題の解決策を考えていない。したがって、複数の分岐流路を備えた膜エレメントに対して特許文献１〜７に記載の洗浄方法を適用したとしても、膜エレメントのろ過膜表面を効率的に洗浄することはできない。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、複数の分岐流路を備えた膜エレメントにおいてろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる膜エレメント、膜モジュール及び膜分離システムを提供することを目的とする。
【００１３】
また、散気によるろ過膜表面の洗浄運転を効率化し、ろ過運転全体の安定化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る膜エレメントは、ろ過膜と、該ろ過膜を透過したろ過処理水を搬送する水路と、鉛直方向に立設され前記水路を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路と、鉛直方向に複数配列され前記水路と前記ヘッダ流路とを連絡する分岐流路と、前記ヘッダ流路に設けられ前記ヘッダ流路を搬送されたろ過処理水を外部に取り出す集水口と、を備えた膜エレメントにおいて、前記分岐流路それぞれは、該分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように物理的形状を変えて形成されていることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、膜エレメントの各分岐流路は、該分岐流路それぞれのろ過処理水の入口からヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されているため、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。したがって、散気によるろ過膜表面の洗浄運転が効率化され、ろ過運転全体の安定化を実現することができる。
上記構成において、前記分岐流路それぞれは、等しい流量のろ過処理水が流れるように形成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができ、ろ過膜表面において目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記集水口の近くに配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等に近づけることができ、ろ過膜表面において目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記集水口は前記ヘッダ流路の上端部に設けられており、前記分岐流路それぞれは、その断面積が上方に配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等に近づけることができ、ろ過膜表面において目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を等しくすることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
上記構成において、前記水路は、水平方向に設けられた１又は複数の仕切り板により複数の領域に分割されていることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、水路に１又は複数の仕切り板を水平方向に設け、水路を複数の領域に分割することにより、ろ過処理水は水路内を水平方向に流れ易くなり、鉛直方向に配置された複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量をより均等に近づけることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。
また、本発明に係る膜モジュールは、膜エレメントを複数配列してケーシング内に収めたものであることを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、膜モジュールを被処理水に浸漬して複数の膜エレメントにより膜ろ過を行うことができ、散気による膜表面の洗浄運転を効率化し、安定したろ過運転を行うことができる。
また、本発明に係る膜分離システムは、上記構成の膜エレメントを備えたことを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、散気による膜表面の洗浄運転を効率化することができ、ろ過運転全体の安定化が実現された膜分離システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、膜エレメントの各分岐流路は、分岐流路それぞれのろ過処理水の入口からヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されているため、複数の各分岐流路を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができ、ろ過膜表面における目詰まり度合いに差が生じるのを防ぐことができる。したがって、散気によるろ過膜表面の洗浄運転が効率化され、ろ過運転全体の安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る膜エレメントの模式的平面図である。
【図２】ＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：膜分離式活性汚泥処理）システムの全体構成の模式図である。
【図３】反応槽の内部構成を示す模式図である。
【図４】スペーサーの構成を説明するための模式図である。
【図５】膜支持板の一部を斜め下方から見た模式図である。
【図６】分岐流路からの等流量分配の理論の説明図である。
【図７】分岐流路の断面積の算出手順を示すフローチャートである。
【図８】図７に示す算出手順に従って算出した各分岐流路の断面積比と分岐流路位置との関係を示すグラフであり、（ａ）は分岐流路の全体数が１０、（ｂ）は分岐流路の全体数が３０、（ｃ）は分岐流路の全体数が５０の場合のグラフである。
【図９】従来における膜エレメントの模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態に係るＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：膜分離式活性汚泥処理）システム１の全体構成を模式的に示す図である。ＭＢＲシステム１は、廃水等の原水を外部から引き込む原水配管１７と、原水配管１７からの原水を引き込む原動力となる原水ポンプ１８と、嫌気槽１９と、無酸素槽２０と、反応槽２１と、を主な構成要素としている。
【００２６】
図３は反応槽２１の内部構成を示す模式図である。同図に示すように、反応槽２１内の中央部には、反応槽２１内部を２つの領域に仕切る仕切り板２２が配置されている。仕切り板２２を隔てて、一方の側には膜モジュール５が配置されており、他方の側には好気槽領域２３が設けられている。膜モジュール５は、垂直に一定間隔をおいて並列に配列された複数の膜エレメント４と、この複数の膜エレメント４を収容するケーシング４１とを備えている。膜モジュール５の下方には、気泡を散気する散気装置８が設けられている。散気装置８から散気された気泡は、その気泡のエアリフト作用により、膜エレメント４間にろ過膜面に平行な上昇流を生じさせる。この上昇流によってろ過膜面の付着物が離脱する。
【００２７】
膜モジュール５の上方には、各膜エレメント４内の流路（不図示）に連通した配管２と、当該配管２に取り付けられた処理水吸引ポンプ１２とが設けられている。処理水吸引ポンプ１２は、膜エレメント４内を陰圧にしてろ過処理水を吸引し、ろ過処理水を外部に取り出す。
【００２８】
反応槽２１内の好気槽領域２３には、酸素を被処理水中に溶解させる微細散気装置２４が配設されている。微細散気装置２４は微細な空気泡を放出して、反応槽２１内の好気槽領域２３の溶存酸素濃度を高濃度に維持する。また、反応槽２１内の被処理水中には活性汚泥が混合されている。当該活性汚泥は、被処理水中の溶存酸素を呼吸しつつ、被処理水中のアンモニアを硝酸性窒素にする好気処理を行う。
【００２９】
次に、図１を参照して、膜エレメント４の内部構成について説明する。図１は１つの膜エレメント４の模式的な平面図である。
膜エレメント４内には、ろ過膜（不図示）を透過したろ過処理水を搬送する水路２８と、鉛直方向に立設され水路２８を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路１３と、鉛直方向に複数配列され水路２８とヘッダ流路１３とを連絡する分岐流路１５とが設けられている。水路２８には複数の仕切り板２７が水平方向に設けられており、水路２８は当該仕切り板２７によって複数の領域１６に分割されている。図１に示す例では、水路２８は鉛直方向に配列した６つの領域１６に分割されている。これらの各領域１６は、１又は複数の分岐流路１５を介してヘッダ流路１３に連絡されている。ヘッダ流路１３は、同一の断面形状を有し、鉛直方向に直線状に延びている。ヘッダ流路１３の上端部には、集水口１４が設けられるとともに配管２が接続されている。集水口１４はヘッダ流路１３内を搬送されたろ過処理水を外部に取り出して回収するための開口である。
【００３０】
水路２８にはスペーサー２９が設置されている。水路２８にスペーサー２９を設置することにより、処理水吸引ポンプ１２の吸引による陰圧でろ過膜（不図示）が当該ろ過膜を支持する膜支持板（不図示）側に引き付けられて、ろ過膜と膜支持板との間の幅が狭くなるのを防止し、ろ過効率が低下するのを防ぐことができる。
【００３１】
図４は、スペーサー２９の構成の一例を示す模式図である。スペーサー２９は、細長い矩形の平板３０を縦横に連結して構成されている。平板３０の一方の側面が膜支持板に取り付けられ、他方の側面がろ過膜と接触する。平板３０には、厚さ方向に貫通する円形の孔３１が設けられている。この孔３１により、ろ過処理水は水路２８内を移動することができる。なお、孔３１の形状は円形に限らず、例えば楕円形、矩形、多角形等であってもよい。
また、スペーサー２９は、孔３１が設けられた平板３０に限らず、例えば膜支持板２６上に円柱を多数配置した構成や、水を透過する構造体であってもよい。
【００３２】
次に、図５を参照して、膜エレメント４の詳細な内部構成と、膜エレメント４内のろ過処理水の流れを説明する。図５は、膜エレメント４を構成する膜支持板２６の表面に取り付けられているろ過膜２５を取り外した上で、当該膜支持板２６の一部を斜め下方から見た模式図である。
【００３３】
膜支持板２６の表面には、水路２８等を形成する各種溝が設けられている。その溝を覆うように、膜支持板２６の表面にろ過膜２５が取り付けられている。膜支持板２６がろ過膜２５で覆われた状態において、膜支持板２６とろ過膜２５とで挟まれた空間に、水路２８と、ヘッダ流路１３と、複数の分岐流路１５とが形成される。
【００３４】
処理水吸引ポンプ１２を駆動させて吸引を行うと、水路２８、ヘッダ流路１３、分岐流路１５内は陰圧となり、矢印Ｄ１に示すように、被処理水はろ過膜２５を透過する。ろ過膜２５を透過したろ過処理水は、膜支持板２６とろ過膜２５との間の水路２８に侵入する。その後、ろ過処理水は、分岐流路１５に向かって当該水路２８を流れていき、矢印Ｄ２に示すように、分岐流路１５を通ってヘッダ流路１３へ流入する。その後、矢印Ｄ３に示すように、ろ過処理水はヘッダ流路１３中を上方に移動し、矢印Ｄ４に示すように、ヘッダ流路１３の集水口１４から外部に排出される。
【００３５】
各分岐流路１５は、各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量が等しくなるように物理的形状を変えて形成されている。本実施形態では、各分岐流路１５の断面積を調整することにより、各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量を調整している。
【００３６】
各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量を等しくする各分岐流路１５の断面積は、図６に示す流体工学で扱われる等流量の分配の問題として解析することができる（日本機械学会編、技術資料 管路・ダクトの流体抵抗（１９７９年）参照）。
【００３７】
以下では、分岐流路１５の全体数をｎとし、各分岐流路１５を「分岐流路１５ｊ（ｊ＝１〜ｎ）」と表記する。また、Ｑｊはヘッダ流路１３を流れるろ過処理水と分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水との合流点付近の流量、Ａはヘッダ流路１３の断面積、Ｖｊは前記合流点付近の平均流速、Ｐｊは前記合流点付近の圧力、ｑｊは分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水の流量、ｖｊは分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水の平均流速、ｐｊは分岐流路１５ｊのろ過処理水の入口の圧力、ａｊは分岐流路１５ｊの断面積、Ｌはヘッダ流路１３の長さ、ｈは分岐流路１５ｊの長さ、ｌは分岐流路１５ｊと分岐流路１５ｊ＋１との区間の距離を表すものとする。
【００３８】
図６に示した模式構造において、分岐流路１５ｊと分岐流路１５ｊ＋１との区間について、ヘッダ流路１３内の平均流速Ｖｊ＋１とＶｊ、及び圧力Ｐｊ＋１とＰｊに関して、次の式が成り立つ。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
（但し、ξ：合流抵抗係数、λ：管路摩擦損失係数、Ｄ：ヘッダ流路１３の断面の直径、ｇ：重力加速度）
【００４２】
数式２の右辺第２項は、ヘッダ流路１３内の管摩擦損失と、ヘッダ流路１３を流れるろ過処理水と分岐流路１５ｊから流入したろ過処理水との合流による合流損失とを示す。また、数式２の右辺第３項は、分岐流路１５ｊと分岐流路１５ｊ＋１との区間の距離による高さ損失を示す。
【００４３】
また、分岐流路１５ｊのろ過処理水の出口部（ヘッダ流路１３との連絡部）の圧力ｐｊ−Δｐｊを、ヘッダ流路１３内の分岐流路１５ｊの合流点の圧力Ｐｊに等しいとして近似し、次の数式４を用いる。
【００４４】
【数４】
【００４５】
ここで、数式４の分岐流路１５ｊの合流損失係数と管路摩擦損失係数との各損失係数には、上付き添え字“’”をつけ、数式２中のヘッダ流路１３の各損失係数と区別している。
【００４６】
また、各分岐流路１５ｊから等しい流量でヘッダ流路１３に集水される条件を設けるため、圧力平衡の条件として、次の数式５を設ける。
【００４７】
【数５】
【００４８】
これらの式を利用して、各分岐流路１５ｊを流れるろ過処理水を均等にする分岐流路１５ｊの断面積ａｊを算出することができる。
【００４９】
図７は、これらの式を利用した断面積ａｊの算出手順を示すフローチャートである。以下、図７を参照して分岐流路１５ｊの断面積ａｊの算出手順を説明する。
まず、初期条件として、各分岐流路１５ｊからヘッダ流路１３へ流入する各流量を合計した全体流量を設定する（ステップＳ１０１）。
【００５０】
次に、全体流量を分岐流路１５の全体数で除算することにより、各分岐流路１５ｊの流量を設定する（ステップＳ１０２）。
次に、初期値として、分岐流路１５１の入口の圧力を設定する（ステップＳ１０３）。
【００５１】
次に、数式１を利用して、全体の流量と、分岐流路１５１の流量と、ヘッダ流路１３の断面積とに基づいて、ヘッダ流路１３を流れるろ過処理水と分岐流路１５ｊからヘッダ流路１３へ流入したろ過処理水との合流点ｊでの流量及び流速を算出する（ステップＳ１０４）。
【００５２】
次に、数式３を利用して、ヘッダ流路１３内の合流点ｊと合流点（ｊ＋１）との区間における圧力損失を算出する（ステップＳ１０５）。
次に、ヘッダ流路１３と分岐流路１５１との合流点１での圧力と、摩擦損失及び合流損失とに基づいて、合流点１での圧力を算出する（ステップＳ１０６）。
【００５３】
次に、合流点１での圧力と数式２とに基づいて、合流点（ｊ＋１）での圧力を算出する（ステップＳ１０７）。
次に、ステップＳ１０５及びステップＳ１０７での算出結果と数式５とに基づいて、各分岐流路１５ｊにおける圧力損失を算出する（ステップＳ１０８）。
次に、ステップＳ１０７での算出結果と数式４とに基づいて、分岐流路１５ｊの断面積ａｊ及び流速ｖｊを算出する（ステップＳ１０９）。
【００５４】
図８は、上述した算出手順に従って、各分岐流路１５の断面積を算出した結果を示すグラフである。ここで、グラフの縦軸「断面積比Ｒ」は、ヘッダ流路１３の集水口１４から最も遠い位置の分岐流路１５の断面積を基準値とし、各分岐流路１５の断面積を当該基準値で除した値である。また、横軸「分岐流路位置Ｎ」は、膜エレメント４に設けられた複数の各分岐流路１５を表している。値“１”はヘッダ流路１３の集水口１４から最も近い分岐流路１５を示し、集水口１４から漸次離れて集水口１４に近づくに従い、その位置にある分岐流路１５を表すＮの値が１ずつ増えるように番号付けしている。すなわち、値“Ｎ”は集水口１４からＮ番目に遠い分岐流路１５を表している。
【００５５】
図８（ａ）は分岐流路１５の全体数が１０（Ｎ＝１、…、１０）、図８（ｂ）は分岐流路１５の全体数が３０（Ｎ＝１、…、３０）、図８（ｃ）は分岐流路１５の全体数が５０（Ｎ＝１、…、５０）の場合を示している。
【００５６】
図８に示す各グラフから判るように、分岐流路１５が漸次集水口１４に近づくに従い、分岐流路１５の断面積は小さくなっている。これは、集水口１４に近いほど分岐流路１５の断面積が小さくなることにより、分岐流路１５内を流れるろ過処理水の流速が大きくなって流体抵抗が大きくなり、分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量が均等になることを示している。
【００５７】
そして、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれの場合も、分岐流路位置Ｎと断面積比Ｒとの関係は、数式６で表すことができることが確認できた。
【数６】
但し、係数Ａは１〜１．５の範囲内にあり、指数Ｂは０．２〜０．２５の範囲にある。
【００５８】
数式６の関係を満たすように各分岐流路１５の断面積を設計することで、ヘッダ流路１３の集水口１４に近い位置にある分岐流路１５には小さい断面積によって高い抵抗を与え、当該集水口１４から離れるに従い分岐流路１５の断面積を広げていき、漸次抵抗を小さくしていくことができる。これによって、各分岐流路１５の入口から集水口１４までの圧力損失や抵抗を一定にすることができ、各分岐流路１５から等流量のろ過処理水がヘッダ流路１３に流入する。これにより、膜エレメント４内の水路２８では、ろ過処理水が分岐流路１５に向かって水平方向に等速度で線形に流れるため、ろ過膜２５の表面におけるろ過速度を一様とすることができる。したがって、ろ過膜２５の表面を均等に効率的に利用することができ、ろ過膜２５の表面の目詰まりや汚れが均等化し、散気装置８によるろ過膜２５表面の洗浄運転も効率化され、ろ過運転全体の安定化を実現することができる。
【００５９】
なお、上述した実施形態では、各分岐流路１５を流れる流量を均等にするために、分岐流路１５の断面積を調整して、各分岐流路１５の入口から集水口１４までの圧力損失（抵抗）を等しくした。しかしながら、調整対象とする分岐流路１５の物理的形状は分岐流路１５の断面積に限定されることはない。例えば、分岐流路１５の長さや、断面の形状や流路の形状を調整することにより、或いはこれらを分岐流路１５の断面積と組み合わせて調整することにより、圧力損失を等しくし、流量を均等にしてもよい。
【００６０】
また、上述した実施形態では、集水口１４をヘッダ流路１３の上端部に設けたが、集水口１４を設ける位置はこれに限定されることはなく、集水口１４をヘッダ流路１３の中央部や下部に設けてもよい。集水口１４をヘッダ流路１３の上端部以外の位置に設けた場合は、数式６は成り立たなくなるが、上述した実施形態と同様の原理で集水口１４の近くに配置される分岐流路１５ほど断面積を小さくして圧力損失を等しくすることにより、各分岐流路１５を流れるろ過処理水の流量を均等にすることができる。
【００６１】
また、上述した実施形態では、水路２８を仕切り板２７で複数の領域１６に分割する例を示したが、水路２８の鉛直方向の幅が狭い等でろ過処理水を水平方向に容易に搬送可能な場合には、領域１６に分割しなくてもよいし、設ける仕切り板２７の数を１枚にしてもよい。
【００６２】
また、上述した実施形態では、膜支持板２６に溝を設けることによって分岐流路１５やヘッダ流路１３を形成したが、これに限らず、分岐流路１５やヘッダ流路１３をパイプで形成し、分岐流路１５やヘッダ流路１３を膜支持板２６に外付けで取り付けるようにしてもよい。
また、膜エレメント４の形状は矩形の平板状に限らず、例えば円筒形であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、活性汚泥膜分離処理における固液分離に限らず、活性汚泥以外の固液分離にも適用することができ、膜エレメントを用いる膜分離処理の分野全てに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１………ＭＢＲ（Membrane Bio Reactor：膜分離式活性汚泥処理）システム、２………配管、４………膜エレメント、５………膜モジュール、１２………処理水吸引ポンプ、１３………ヘッダ流路、１４………集水口、１５………分岐流路、１６………領域、１７………原水配管、１８………原水ポンプ、１９………嫌気槽、２０………無酸素槽、２１………反応槽、２２………仕切り板、２３………好気槽領域、２４………微細散気装置、２５………ろ過膜、２６………膜支持板、２７………仕切り板、２８………水路、２９………スペーサー、３０………平板、３１………孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろ過膜と、該ろ過膜を透過したろ過処理水を搬送する水路と、鉛直方向に立設され前記水路を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路と、鉛直方向に複数配列され前記水路と前記ヘッダ流路とを連絡する分岐流路と、前記ヘッダ流路に設けられ前記ヘッダ流路を搬送されたろ過処理水を外部に取り出す集水口と、を備えた膜エレメントにおいて、
前記分岐流路それぞれは、該分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように物理的形状を変えて形成されていることを特徴とする膜エレメント。
【請求項２】
前記分岐流路それぞれは、等しい流量のろ過処理水が流れるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の膜エレメント。
【請求項３】
前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記集水口の近くに配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜エレメント。
【請求項４】
前記集水口は前記ヘッダ流路の上端部に設けられており、
前記分岐流路それぞれは、その断面積が上方に配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の膜エレメント。
【請求項５】
前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の膜エレメント。
【請求項６】
前記水路は、水平方向に設けられた１又は複数の仕切り板により複数の領域に分割されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の膜エレメント。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の膜エレメントを複数配列してケーシング内に収めたことを特徴とする膜モジュール。
【請求項８】
請求項１から６の何れか１項に記載の膜エレメントを備えたことを特徴とする膜分離システム。
【請求項１】
ろ過膜と、該ろ過膜を透過したろ過処理水を搬送する水路と、鉛直方向に立設され前記水路を搬送されたろ過処理水が流入するヘッダ流路と、鉛直方向に複数配列され前記水路と前記ヘッダ流路とを連絡する分岐流路と、前記ヘッダ流路に設けられ前記ヘッダ流路を搬送されたろ過処理水を外部に取り出す集水口と、を備えた膜エレメントにおいて、
前記分岐流路それぞれは、該分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように物理的形状を変えて形成されていることを特徴とする膜エレメント。
【請求項２】
前記分岐流路それぞれは、等しい流量のろ過処理水が流れるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の膜エレメント。
【請求項３】
前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記集水口の近くに配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜エレメント。
【請求項４】
前記集水口は前記ヘッダ流路の上端部に設けられており、
前記分岐流路それぞれは、その断面積が上方に配置される分岐流路ほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の膜エレメント。
【請求項５】
前記分岐流路それぞれは、その断面積が前記分岐流路それぞれのろ過処理水の入口から前記ヘッダ流路の集水口までの圧力損失が等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の膜エレメント。
【請求項６】
前記水路は、水平方向に設けられた１又は複数の仕切り板により複数の領域に分割されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の膜エレメント。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の膜エレメントを複数配列してケーシング内に収めたことを特徴とする膜モジュール。
【請求項８】
請求項１から６の何れか１項に記載の膜エレメントを備えたことを特徴とする膜分離システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−７６００５（Ｐ２０１２−７６００５Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２２１５３（Ｐ２０１０−２２２１５３）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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