专利名称：中空纤维膜组件、中空纤维膜组件单元及使用该组件的膜过滤装置和它的运转方法
技术领域：
本发明是关于自来水的净化、下排水的净化、工业过程等所使用的中空纤维膜组件、中空纤维膜组件单元、膜过滤装置(膜过滤系统)及其运转方法。
背景技术：
使用膜组件进行的水过滤的分离性能佳、装置构成小型、可大量且连续进行处理，因此广泛得到运用。
膜组件中有精密过滤组件、超滤组件、反渗透组件等，可根据分离的对象物质适当选择使用。例如，精密过滤组件可高效率地除去10μm以下、特别是1μm以下的微粒和微生物，因此在自来水和下排水的净化中得到广泛运用。
由于精密过滤组件容易增加膜面积且操作简单，因此可用作中空纤维膜呈圆筒状或筛状配置的中空纤维膜组件、平膜折成褶状并呈圆筒状配置的褶型膜组件、平膜呈筛状配置的平型膜组件。
其中，中空纤维膜组件能扩大单位容积的膜面积，被优选使用。
使用中空纤维精密过滤膜组件进行过滤的话，通过膜的微细孔可除去水中的悬浊物质和细菌类等，从而得到澄清的过滤水。但是，进行长时间连续过滤的话，会造成微细孔阻塞、过滤水量降低和过滤压力上升，从而必须频繁更换膜组件，存在经济性问题。
因此，为了防止水中会阻塞膜表面的物质过早阻塞膜组件，例如对于外压式中空纤维膜组件，会定期进行从中空纤维膜的内部向外部逆向通入过滤水的逆向清洗、或向中空纤维膜的外部供给空气以震动膜的气体洗涤、或两者的组合清洗等，通过令附着在中空纤维膜外部的阻塞膜表面的物质剥落来恢复过滤性能。
中空纤维膜组件虽然可通过增加单位容积的中空纤维膜的根数来增加膜面积，但如果将中空纤维膜呈圆筒状集中成束来增加膜面积的话，清洗时将使气体洗涤的空气和逆向清洗水难以通过，难以进行清洗。因此，将中空纤维膜排列成片状、并将中空纤维膜等间隔地均匀配置，就可以均匀地清洗膜表面，也就可以适用于高污浊水的过滤。
中空纤维膜组件也可用于大规模的处理设施，例如，用于自来水的净化处理量超过1万m3/d的大规模处理设施。此时，为增加膜面积，会使用许多中空纤维膜组件，但是，例如将中空纤维膜组件并列配置、构成单元时，根据装配在各中空纤维膜组件端部的固定部件、集水部的大小和形状，规定了配置可接近至何处。
例如，已有文献提出用壳罩内的固定部件将中空纤维膜的一端部或两端部在保持开口状态下进行固定，中空纤维膜露出固定部件的一侧的固定部件面的面积设定为A、中空纤维膜开口的固定部件端面的面积设定为B时，满足100≥A/B≥1.2的中空纤维膜组件(参照日本专利特开平7-178320号公报)。
该组件中，片状的中空纤维膜被加工为细长矩形的固定部件所固定。此时，中空纤维膜露出一侧的固定部件的宽度比集水管的外径和连接部大、集水管等互不干涉，从而可以使固定部件的侧面相互之间相接地令组件并列配置，因此可在不怎么降低中空纤维膜的集成度的情况下，均匀地用气体洗涤清洗所有中空纤维膜。
固定在一个固定部件上的片状中空纤维膜越多，整体的中空纤维膜的集成度越高，且中空纤维膜单位面积的加工成本进一步降低。但是，能被细长矩形状的固定部件固定的中空纤维膜的量是有限的。另一方面，为增加可固定的中空纤维膜的量而加大固定部件的矩形宽度的话，存在耐压性极端下降的问题。
此外，目前所知的还有将多枚片状中空纤维膜并列，用固定部件将它们固定在一个圆筒状壳罩的端部，以此在提高中空纤维膜集成度的同时保持片状中空纤维膜之间的间隔、以提高清洗性的中空纤维膜组件(例如参照日本专利特开2000-51670号公报)。
但是，该组件由于片状中空纤维膜并列在圆筒状的壳罩内部，因此与圆筒的中央部分相比，固定在端部的片状中空纤维膜的宽度变短，有中空纤维膜的集成度下降的问题。
此外，目前所知的还有将中空纤维膜束分割成多个，在两端的填充部的近中间部位用支撑体扩大幅度进行固定，从而提高清洗性的中空纤维膜组件(例如参照日本专利特开平6-99038号公报)。
但是，该组件由于在两端的填充部的近中间部位用支撑体扩大幅度进行固定，因此会出现中空纤维膜的集成度降低，或填充部附近的清洗性不足的情况。
其次，当中空纤维膜组件被用于大规模的处理设施时，为增加膜面积，会在浸渍水槽内放置许多中空纤维膜组件使用。为有效地利用浸渍水槽，中空纤维膜组件被设置成多列、多层。
但是，此时必须要有非常多的管道空间和操作空间，存在产生无法有效利用的空间的问题。因此，定期的清洗所产生的清洗排水会超过需要量，存在水的回收率降低的问题。
为了解决上述的课题，本发明是关于使用了清洗性优异的片状中空纤维膜的组件，目的是提供一种即使在增加膜面积的情况下，中空纤维膜固定部的耐压性也不会降低的中空纤维膜组件以及提高了中空纤维膜的集成度的中空纤维膜组件单元。此外，本发明的目的还在于，提供使用了上述中空纤维膜组件单元的膜过滤装置及其运转方法。
发明内容
即本发明的第一要点是这样一种中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件具备有多枚片状中空纤维膜(1)、和将该多枚片状中空纤维膜膜(1)的至少一端部在保持开口状态下大致平行固定的固定部件(2)，该固定部件(2)的露出中空纤维膜的一侧的端面形状近似矩形，且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形。
如此，由于本发明的第一要点的中空纤维膜组件的中空纤维膜露出的一侧的固定部件(2)的端面形状近似矩形，且中空纤维膜开口的一侧的固定部件(2)的端面形状近似圆形，因此，使用了清洗性优异的片状中空纤维膜的组件即便在增加了膜面积的情况下，中空纤维膜固定部分的耐压性也不会降低。
所述固定部件(2)在中空纤维膜露出的一侧有形状近似长方体的长方体部(3)，在中空纤维膜开口的一侧有形状近似圆筒的圆筒部(4)的话，耐压性、清洗性、中空纤维膜的集成度都能达到良好，因此较为理想。
此外，较好的是，所述的圆筒部(4)的直径设定为D(mm)，圆筒的长度设定为L(mm)时，满足0.2≤L/D≤1.0的关系。
再有，较好的是，所述长方体(3)的中空纤维膜露出的端面的长边长度设定为W(mm)、所述圆筒部(4)的直径设定为D(mm)时，满足1.0≤W/D≤2.0的关系。
本发明的第二要点是这样一种中空纤维膜组件单元，所述中空纤维膜组件单元在配备有多个所述的中空纤维膜组件的同时，在与片状中空纤维膜(1)的膜面垂直的侧面，设有可贯通所述圆筒部(4)的孔的板状部件(5)，通过该板状部件(5)将中空纤维膜组件位置固定而形成。
如此，本发明第二要点的中空纤维膜组件单元因设置具有可贯通圆筒部(4)的孔的板状部件(5)，通过该板状部件(5)将中空纤维膜组件的位置固定，因此在能简便且确切地进行固定，同时，可以提高中空纤维膜的集成度。
又，由所述圆筒部(4)和与之配合的集水盖(6)将所述板状部件(5)挟持插入，固定，则可以简便且确切地进行固定，因此较为理想。
由于所述圆筒部(4)和所述集水盖(6)是通过螺纹旋卡合而被固定，可以更简便的拆下，因此较好。
此外，多个所述的中空纤维膜组件单元沿着垂直方向重叠配置的同时，所述片状中空纤维膜(1)的膜面沿垂直方向配置，且垂直方向邻接的所述各集水盖(6)相互之间由向垂直方向延伸的集水部件(7)连接，在与所述片状中空纤维膜(1)的膜面平行的侧面上配置有侧板(21)，由此可以在较小的设置面积上提高中空纤维膜的集成度，因此较好。
此时，垂直方向邻接的中空纤维膜组件的各片状中空纤维膜(1)相互之间的垂直方向间隔在70mm或以下的话，中空纤维膜的清洗效率变得良好，因此较好。
本发明的第三要点是一种将膜组件单元配置在水槽内的膜过滤装置，其中，该膜组件单元由多个中空纤维膜组件构成，该中空纤维膜组件具有多枚片状中空纤维膜(1)和将该多枚片状系膜(1)的至少一端部在保持开口状态下大致平行固定的固定部件(2)；该中空纤维膜组件由该固定部件(2)的露出中空纤维膜的一侧的端面形状近似矩形、且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形的中空纤维膜组件构成，将该膜组件单元的膜面积设定为S(m2)、该膜组件单元的投影面积设定为A(m2)、该膜组件单元的容积设定为V’(m3)、该水槽的容积设定为V(m3)时，满足以下3个关系式。
1000≤S/A≤2000 …式(1)500≤S/V’≤800 …式(2)0.70≤V’/V≤0.99…式(3)又，本发明的第四要点是一种将膜组件单元配置在水槽内的膜过滤装置的运转方法，根据该方法令该膜组件单元由多个中空纤维膜组件构成，令该中空纤维膜组件由将多枚片状系膜(1)的至少一端在保持开口状态下由固定部件(2)作大致平行的固定，同时，该固定部件(2)的露出中空纤维膜的一侧的端面形状近似矩形，且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形的中空纤维膜组件构成，
将该膜组件单元的膜面积设定为S(m2)、过滤流束设定为J(m/d)、过滤时间设定为T(h)、排水循环次数设定为N(次)、排水量设定为D(m3)、逆向清洗流束设定为J’(m/d)、逆向清洗时间设定为T’(h)时，设定满足以下关系式的膜面积S、过滤流束J、过滤时间T、排水循环次数N、排水量D、逆向清洗流束J’、逆向清洗时间T’来运转所述膜过滤装置。
N≥22.8D/{S(0.05JT-J’T’)}……式(4)这样的本发明的膜过滤装置及适用这样的运转方法的膜过滤装置虽然小型但膜面积很大，且清洗性优异，因此可长期稳定地进行过滤。
图1为显示本发明的中空纤维膜组件的一例的立体图。
图2为显示本发明的中空纤维膜组件中的固定部件的一例的截面图。
图3为显示本发明的中空纤维膜组件中的固定部件的一例的立体图。
图4为显示本发明的中空纤维膜组件中的固定部件的另一例的截面图。
图5为显示本发明的中空纤维膜组件的另一例的立体图。
图6为显示本发明的中空纤维膜组件单元的一例的立体图。
图7为显示本发明的中空纤维膜组件单元的位置固定部的一例的截面图。
图8为显示本发明的中空纤维膜组件单元沿垂直方向层叠时的一例的主视图。
图9为显示本发明的膜过滤装置的一例的流程图。
图10为显示本发明的膜过滤装置中的浸渍水槽底面的一例的示意图。
具体实施例方式
以下以附图为基础详细说明本发明。
图1为显示本发明的中空纤维膜组件的一例的立体图。
中空纤维膜组件(A)大致由片状中空纤维膜(1)、固定部件(2)、集水盖(6)构成。片状中空纤维膜(1)被等间隔地多枚平行配置，其两端在保持开口状态下通过固定部件(2)被固定，固定部件(2)上安装有集水盖(6)。
图2为显示本发明的中空纤维膜组件中的固定部件的一例的截面图，是与片状中空纤维膜的膜面垂直方向上的截面图。
片状中空纤维膜(1)被等间隔地多枚平行配置，其两端被固定部件(2)固定。
固定部件(2)在片状中空纤维膜(1)露出的一侧的端面形状近似矩形，在中空纤维膜开口端一侧的形状近似圆形。片状中空纤维膜(1)开口一侧的固定部件(2)的端面形状为圆筒形时，比其形状为长方体时弯曲性小、应力分散，因此其耐压性能显著提高。通过这样的形状，即使是在配置很多片状中空纤维膜的情况下，中空纤维膜的集成度、清洗性、耐压性均能达到良好。
此时，固定部件(2)的形状也可以是，例如从片状中空纤维膜(1)露出的一侧向开口一侧的连续变化的形状。但是，如图1、图2所示，如果固定部件(2)在中空纤维膜露出一侧有形状近似长方体的长方体部(3)，在中空纤维膜开口一侧有形状近似圆筒的圆筒部(4)的话，可以同时获得以下3个优异效果。
1.由于可以将多枚片状中空纤维膜(1)保持间隔地固定在一个固定部件(2)的长方体部(3)，因此清洗性优异。
2.在排列多个中空纤维膜组件(A)时，通过将各长方体部(3)的侧面互相叠合，可以不浪费空间，达到中空纤维膜的集成度极高的状态。
3.由于固定部件(2)在中空纤维膜开口一侧是圆筒部(4)，因此可极大地提高耐压性。
固定部件(2)的圆筒部(4)与圆筒的中心轴垂直的截面形状不一定必须为完全的圆形，可以是椭圆形，也可以是蚕豆状，此外，也可以是接近圆形的多角形，如12角形和16角形，但圆形最好。
此外，较好的是，圆筒部(4)的直径设定为D(mm)、筒的中心轴方向的长度设定为L(mm)时，满足0.2≤L/D≤1.0的关系。
中空纤维膜的固定部分的耐压性受圆筒部(4)的L/D的影响很大。如L/D低于0.2的话，耐压性不足，因此L/D的下限是在0.2以上，更好的是在0.25以上。另一方面，如L/D超过1.0的话，则中空纤维膜的有效部分的损失会增多，因此L/D的上限是在1.0以下，更好的是在0.8以下。
此外，这里所述的圆筒部(4)的直径D，在圆筒部(4)的截面不是一个正圆形的场合，指的是最长部分的直径。
圆筒部(4)的L和D的尺寸可根据中空纤维膜组件的大小进行适当设定，但D太小的话，则片状中空纤维膜(1)的排列较困难，因此D的下限较好的是在30mm以上，更好的是在50mm以上。另一方面，D太大的话会出现组件的加工性下降、耐压性不足的情况，因此D的上限较好的是在400mm或以下，更好的是在300mm或以下。
此外，L太小的话，则耐压性不足，因此，其下限较好的是在10mm以上，更好的是在50mm以上。另一方面，L太大的话会出现中空纤维膜有效部分的损失加大，通水阻力也会增加，因此L的上限较好的是在300mm或以下，更好的是在200mm或以下。
图3为显示本发明的中空纤维膜组件中的固定部件的一例的立体图。本发明的中空纤维膜组件(A)，当中空纤维膜露出的端面的长边长度设定为W(mm)、圆筒部(4)的直径设定为D(mm)时，能满足1.0≤W/D≤2.0的关系式。
通过令W大于D，可以在不降低中空纤维膜的固定部的耐压性的情况下增加中空纤维膜组件的膜面积。但是，W/D太大的话，由于片状中空纤维膜的安装绞入变得困难，因此较难做到令片状中空纤维膜整齐排列，出现每枚中空纤维膜的有效长度参差不齐的问题。此外，由于被压没在长方体部(3)内部的中空纤维膜长度增加，因此还存在被层叠起来的片状中空纤维膜中位于外层的膜的通水阻力变大的问题。所以W/D的上限较好的是在2.0以下，更好的是在1.8以下。
另一方面，W/D太小的话加工虽然变得容易，但会出现耐压性下降的问题，因此W/D的下限较好的是在1.0以上，更好的是在1.2以上。
W可根据中空纤维膜组件的膜面积进行适当设定，但W太小的话难以增大组件膜面积，因此W的下限较好的是在40mm以上，更好的是在80mm以上。
另一方面，W太大的话会出现组件的加工性下降，因此W的上限较好的是在500mm或以下，更好的是在400mm或以下。
此外，图3中，当长方体部(3)的纵向较长时，W如图所示，但在横向(片状中空纤维膜层叠的方向)较长的情况下，横向为W。
由于中空纤维膜的配置形状会根据中空纤维膜的有效长度、外径、片状中空纤维膜的宽度等产生变化，因此长方体部(3)的中空纤维膜纤维轴向的长度可适当设定。但是，长方体部(3)的中空纤维膜纤维轴向的长度太短的话，难以将等间隔配置的多枚片状中空纤维膜从长方体集束至圆筒内，因此长方体部(3)的中空纤维膜纤维轴向的长度下限较好的是在5mm以上，更好的是在10mm以上。
另一方面，长方体部(3)的中空纤维膜纤维轴向的长度太长的话，会造成中空纤维膜的有效部分损失增多，同时，与过滤无关的部分增大而增加通水阻力，因此长方体部(3)的中空纤维膜纤维轴向的长度的上限较好的是在100mm或以下，更好的是在70mm或以下，更好的是在50mm或以下。
为了从中空纤维膜收集取出的滤液，圆筒部(4)上装有集水盖(6)。较好的集水盖(6)的安装是令圆筒部外周上的螺纹(8)和集水盖(6)上的螺纹(8)卡合，再用O型等的密封部件(9)进行密封，这样的话取下较为简便，且能确切地进行密封。
图4为显示本发明的中空纤维膜组件中的固定部的另一例的截面图，是与片状中空纤维膜的膜面垂直方向的截面图。
该例子中，片状中空纤维膜(1)在壳罩(10)内被固定部件(2)固定。
此外，如图4的例子那样有壳罩(10)的情况下，上述的(D)、(L)、(W)与没有壳罩(10)的情况相同，以固定部件(2)的尺寸为基准。
即使是在有壳罩(10)的情况下，集水盖(6)也可以是令圆筒部(4)外周上的螺纹(8)与集水盖(6)上的螺纹(8)卡合，再用O型等的密封部件(9)进行密封。此外，集水盖(6)也可以与壳罩(10)是一体的。或者也可以将集水盖(6)安装在固定部件(2)上。
本发明的中空纤维膜组件采用片状中空纤维膜(1)的两端由不同的固定部件(2)固定的构造较好。在中空纤维膜组件的使用中，在中空纤维膜外部供给原水、从中空纤维膜内部取出处理水时，如果中空纤维的有效长度变长的话，存在中空纤维膜内部的通水阻力变大的问题。但是，通过采用如图1所示的从中空纤维膜的两端集水的构造，可以降低通水阻力、增加中空纤维的有效长度。此外，通过将两端用固定部件(2)进行固定，在中空纤维膜组件安装成单元时，支撑较为容易。
图5为显示本发明的中空纤维膜组件的另一例的立体图。该例子中的中空纤维膜组件(A)大致由片状中空纤维膜(1)、固定部件(2)、集水盖(6)、支撑部件(11)构成。片状中空纤维膜(1)被固定部件(2)等间隔地多枚平行配置，其一端被固定部件(2)固定，另一端由支撑部件(11)支撑。此外，固定部件(2)上装有集水盖(6)。
支撑部件(11)的构造等没有特别的限制，只要能等间隔地平行支撑多枚片状中空纤维膜(1)即可，如可以涂上树脂令整体固定，也可以用棒状、线状等部件来固定中空纤维膜。此外，也可以将中空纤维膜从中间折成U字形，弯折的部分用支撑部件(11)固定。
这样的仅从一端集水的方式也可适用于中空纤维膜的有效长度较短和中空纤维膜的直径较大的情况。
处理规模较大时，使用多个中空纤维膜组件，形成中空纤维膜组件单元的话，操作使用性极佳，因此较好。此时，较好的是在不损害清洗性的情况下，中空纤维膜组件单元的膜的集成度尽可能提高。
图6为显示本发明的中空纤维膜组件单元的一例的立体图。
中空纤维膜组件单元(B)大致由中空纤维膜组件(A)、板状部件(5)、集水盖(6)、侧板(21)构成。
板状部件(5)上设有4个孔。将中空纤维膜组件(A)的膜面向垂直方向、中空纤维膜的纤维轴向向水平方向安装，将圆筒部(4)插入该孔，在突出的圆筒部上安装集水盖(6)，这样，板状部件(5)就可以固定住中空纤维膜组件(A)。
集水盖(6)的安装如前所述，通过令圆筒部(4)和集水盖(6)上的螺纹(8)卡合，操作简便且确切。此时，如图7所示，通过令集水盖(6)大于板状部件(5)上的孔，可以通过集水盖(6)和板状部件(5)固定住中空纤维膜组件(A)的位置。
板状部件(5)上共计可固定4根中空纤维膜组件(A)，通过将侧板(21)安装在沿着片状中空纤维膜(1)膜面的两个侧面上，可以组成起中空纤维膜组件单元(B)。
在图6的例子中，例示的是由4根中空纤维膜组件(A)构成的中空纤维膜组件单元(B)，但也可以根据需要调整根数。
侧板(21)具有维持中空纤维膜组件单元(B)的形状的功能和令气体洗涤的空气不向外泄露、而集中于中空纤维膜的功能。
侧板(21)可使用例如不锈钢等的有刚度、强度的板，但也可以在不锈钢等的框架上，贴上树脂、轻合金等板，这样在保持强度的同时质量又较轻，因此较好。又，使用透明树脂板的话，可以从外部目视中空纤维膜组件，可以确认清洗性是否保持良好，因此更好。
通过将各个中空纤维膜组件(A)的固定部件(2)的长方体部(3)相接、无缝隙地配成单元，可以令气体洗涤的空气均匀地供给到整个单元。
将这样组装起来的中空纤维膜组件单元(B)进一步地沿垂直方向或横向多个排列形成一体，可以容易地根据处理规模来调整中空纤维膜的面积。
此时，虽然中空纤维膜组件单元(B)所配置的浸渍水槽的深度会产生限制，但如图8所示，沿垂直方向将多个中空纤维膜组件单元(B)层叠构成一体的话，从提高单位设置面积的中空纤维膜的集成度的观点来看是较好的。中空纤维膜组件单元(B)层叠的层数例如可为2-10层。浸渍在净水厂的凝集沉淀地点等场所时，较好的层叠层数是4-6层。
此外，也可以根据需要，将沿垂直方向层叠起来的中空纤维膜组件单元并列在浸渍水槽内使用。
在沿垂直方向层叠多个中空纤维膜组件单元(B)的情况下，如果邻接的中空纤维膜组件的片状中空纤维膜(1)相互间的垂直方向间隔过宽的话，气体洗涤的空气在冲到位于下方的中空纤维膜组件的膜表面后，上升到位于其上方的中空纤维膜组件的膜表面上时，存在气体洗涤的空气集中、形成粗气流的倾向。其结果是，分散性下降、越是位于上方的中空纤维膜组件越难保持其膜表面清洗的均匀性。
因此，片状中空纤维膜(1)相互间的垂直方向间隔在70mm或以下较好，更好的是在60mm或以下。这样，当气体洗涤的空气在冲到位于下方的中空纤维膜组件的膜表面后，上升到位于其上方的中空纤维膜组件的膜表面上时可保持分散性，因此即使在垂直方向层叠多个中空纤维膜组件，也不会损害清洗性。
此外，这里所述的片状中空纤维膜(1)相互间的垂直方向间隔，指的是位于上方的中空纤维膜组件的片状中空纤维膜(1)的固定部分的最下端部分与位于其最接近的下方的中空纤维膜组件的片状中空纤维膜(1)的固定部分的最上端部分的间隔，并非是空气气体洗涤造成的震动引起的可变化的部分之间的间隔。
片状中空纤维膜(1)相互间的垂直方向间隔过小的话，中空纤维膜会缠绕在一起，可能损害清洗性，因此其下限在20mm以上较好，更好的是在30mm以上。
沿垂直方向层叠数个中空纤维膜组件单元(B)时，必须将各集水盖(6)流出的滤液集中取出。此时，用沿着垂直方向延伸的集水部件(7)将各集水盖(6)连接起来的话，结构小型且连接方便。
集水部件(7)可以使用例如联管(union)接头、凸缘(flange)接头、T形管(tees)接头、弹性软管、连接器等，只要能连接起集水盖(6)和集水部件(7)或多个集水部件(7)即可。
集水部件(7)的材质只要是具有机械强度、耐久性的物质即可，如聚碳酸酯树脂、聚砜树脂、丙烯酸树脂、ABS树脂、改性PPE(聚苯醚)树脂、聚氯乙烯树脂、聚烯烃(聚丙烯、聚乙烯等)树脂外，还可使用不锈钢、青铜、黄铜、铸钢等。
本发明的中空纤维膜组件中使用的固定部件(2)，可适当选择具有与中空纤维膜、壳罩(10)有充分粘接强度、满足各用途所要求的性能的物质，例如，可使用聚氨酯树脂、环氧树脂、硅树脂、不饱和聚脂树脂等热固化性树脂和聚氨酯树脂、乙烯乙酸乙烯共聚物、聚烯烃树脂等热塑性树脂。中空纤维膜的固定方法可采用使用热塑性树脂时的加热熔融注入法、使用热固化性树脂时的利用离心力的方法和利用自重注入的方法等公知的方法。
在使用壳罩(10)的情况下，其材质可恰当选择能满足各用途的要求性能的物质。例如，聚烯烃、聚碳酸酯、改性聚(二)苯醚、ABS、聚氯乙烯等，与固定部件(2)的粘接性较低时，也可进行底漆处理后再使用。
用于本发明的中空纤维膜组件的中空纤维膜的材质、孔径、空孔率、膜厚、外径等并无特别限制。例如，可使用的中空纤维膜的材质有聚烯、聚砜、聚乙烯醇、纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚氟偏氯乙烯等。
将中空纤维膜加工成片状时，在编结的场合，从加工的简便性等来看，适宜使用聚乙烯、聚丙烯等强力、延展性大的材质。
此外，在过滤水时使用疏水性的中空纤维模时，可进行亲水化处理后再使用。
另外，可举出的中空纤维膜的孔径为0.001-3μm、空孔率为20-95％、膜厚5-500μm、外径20-3000μm。
本发明的中空纤维膜组件(A)中，片状中空纤维膜(1)被等间隔地多枚平行地配置。将中空纤维膜配置成片状的方法并无特别限制，较适宜的是使用编结成片状的中空纤维膜片。片状中空纤维膜的配置间隔可根据原水的性状适当设定，例如可举出的为2-100mm。片状中空纤维膜的张数可根据组件的膜面积适当设定。
图9为显示本发明的膜过滤装置的一例的流程图。膜过滤装置大致由水槽(12)、中空纤维膜组件单元(13)、散气装置(14)、抽吸泵(15)、药水泵(16)、药水槽(17)、逆向清洗泵(18)、逆向清洗槽(19)、送风机(20)构成。
本发明的膜过滤装置中，将膜组件单元的膜面积设定为S(m2)、膜组件单元的投影面积、即从上向下看到的膜组件单元所占的面积设定为A(m2)、膜组件单元的容积设定为V’(m3)、水槽的容积设定为V(m3)时，满足以下3个关系式。
1000≤S/A≤2000 …式(1)500≤S/V’≤800 …式(2)0.70≤V’/V≤0.99…式(3)上述的容积V’指的是以膜组件单元的外周轮廓为基准的容积，包括膜组件单元内部无部件存在的空间。
以下说明本发明的膜过滤装置的运转方法。中空纤维膜组件单元(13)被装配在水槽(12)的内部。中空纤维膜组件单元(13)的下部装有散气装置(14)。启动抽吸泵(15)可以得到过滤水，此时，一部分过滤水被储存在逆向清洗槽(19)内。经过一定时间的过滤后，在使用连接在散气装置(14)上的送风机(20)送出空气进行气体洗涤清洗的同时，通过逆向清洗泵(18)使用逆向清洗槽(19)内的过滤水进行逆向清洗。此时，药水槽(17)内的药水通过药水泵(16)被注入逆向清洗水中。然后，逆向清洗水由设在浸渍水槽上部的溢流口(图中未标示)被排出浸渍水槽。又，气体洗涤清洗和逆向清洗也可以分别进行。
清洗结束后，将水槽内的液体从水槽(12)的下部进行排水。此外，每次清洗并不一定都要排水，也可以每清洗几次排水一次。1次排水前进行的清洗次数以下称为排水循环次数N(次)。这里所说的清洗，是指停止过滤后，在下次过滤开始前进行的清洗。
也就是说，无论是在气体洗涤清洗和逆向清洗同时进行的情况下，或者是在气体洗涤清洗和逆向清洗分别进行的情况下，清洗的次数都是1次。此外，例如在气体洗涤清洗、逆向清洗、气体洗涤清洗、逆向清洗这样的多个工序反复进行清洗的情况下，如果这些清洗都是在过滤停止后、下次过滤开始前进行的话，其清洗的次数也是1次。
清洗也可以只进行气体洗涤清洗或逆向清洗。在一系列的运转循环中，可以只进行气体洗涤清洗或逆向清洗中之一项，或者两者组合进行。例如，也可以根据i过滤、ii气体洗涤清洗、iii过滤、iv逆向清洗、v排水的顺序进行运转。该例子的情况下，排水循环次数为2次。
另一个例子是，也可以根据i过滤、ii气体洗涤清洗、iii过滤、iv气体洗涤清洗、v逆向清洗、vi过滤、vii气体洗涤清洗和逆向清洗同时进行、viii排水这样的顺序进行运转。该例的情况下，排水循环次数为3次。
图10为显示本发明的膜过滤装置中的浸渍水槽底面的一例的示意图。图中的实线显示的是水槽内部底面的轮廓，另一方面，图中的虚线显示的是中空纤维膜组件单元的外周轮廓。
这里，说明膜组件单元的面积效率以及容积效率。所谓面积效率，是将膜组件单元的膜面积S除以膜组件单元的投影面积A(图10的例子中是a’(m)×b’(m)求出的面积)后得到的。另一方面，容积效率，是将该单元的膜面积S除以该单元的容积V’(m3)(图10的例子中是a’(m)×b’(m)×单元的高度(m图中未标示)求出的面积)后得到的。
又，浸渍水槽的容积V(m3)，在图10的例子中是a(m)×b(m)×有效水深(m图中未示)后得到的容积。
在本发明的膜过滤装置中，中空纤维膜组件单元的面积效率S/V较好的是1000-2000(m2/m2)，更好的是1100-1800(m2/m2)。面积效率可以通过改变该单元的层叠层数进行调整，但如果层叠层数较少、面积效率低于1000(m2/m2)的话，无法令该单元紧凑、小型化。另一方面，层叠层数较多、面积效率高于2000(m2/m2)的话，例如仅在该单元的最下部安装散气装置的情况下，在该单元的上部，气泡无法到达膜全体，因此会有清洗不良的情况。
在本发明的膜过滤装置中，膜组件单元的容积效率S/V’较好的是500-800(m2/m3)，更好的是600-700(m2/m3)。容积效率S/V’低于500(m2/m3)的话，无法令其紧凑、小型化，装置会变得大型化。另一方面，容积效率S/V’高于800(m2/m3)的话，清洗性会下降。
此外，在本发明的膜过滤装置中，浸渍水槽的容积设定为V(m3)、膜组件单元的容积设定为V’(m3)时，较好的是0.70≤V’/V≤0.99。V’/V小于0.70的情况下，死角较大、水回收率下降；另一方面，V’/V大于0.99的情况下，将该单元设置在浸渍水槽内时，它与浸渍水槽内壁间的空间变小、出现安装时导致该单元破损的可能。
本发明的过滤装置的运转方法中，将膜组件单元的膜面积设定为S(m2)、过滤流束，即过滤量(m3/D)除以膜面积S(m2)得到的值设定为J(m/d)、过滤时间设定为T(h)、排水循环次数设定为N(次)、一次的排水量设定为D(m3)、逆向清洗流束，即逆向清洗量(m3/D)除以膜面积S(m2)得到的值设定为J’(m/d)、逆向清洗时间设定为T’(h)时，满足以下关系式。
N≥22.8D/{S(0.05JT-J’T’)}水回收率Q(％)通过以下式子求出。
Q＝{(过滤水量-逆向清洗水量)/(原水供给量)}×100＝{(S×J×T/24×N-S×J’×T’/24×N)/(S×J×T/24×N+D)}×100水回收率Q(％)由各条件决定，但受排水循环N(次)的影响较大。此外，设置水回收率Q(％)≥95，要得出N(次)的话，上述的式子变为N≥22.8D/{S(0.05JT-J’T’)}。
在大规模的处理设施中，排水的绝对量变多，水回收率变得重要。此外，通过上述的式子求出N、决定排水循环的话，可以达到水回收率95％以上的高回收率。
此时，可以适当地根据原水水质设定过滤流束J(m/d)，过滤流束较好的是在0.25-2.5m/d。过滤流束低于0.25m/d时，运转时间必须非常长，另一方面，过滤流束高于2.5m/d时，抽吸压力会出现过早上升的情况。
过滤时间T(h)可以适当地根据原水水质进行设定，但较好的范围是15-240分钟，更好的范围可举出的是30-120分钟。过滤时间低于15分钟时，水回收率和运转率会降低，另一方面，过滤时间超过180分钟时，抽吸压力的清洗回复性会出现降低的情况。
气体洗涤的空气量(膜组件单元的单位投影面积的空气量)也可以适当设定，但较好的范围是100-400(Nm3/(m2·h))，更好的范围可举出的是150-250(Nm3/(m2·h))。空气量低于100(Nm3/(m2·h))时，有清洗效果降低的倾向，另一方面，空气量超过400(Nm3/(m2·h))时，存在必要的空气量过大的倾向。
气体洗涤清洗的时间也可以适当设定，但较好的范围是1-10分钟，更好的范围可举出的是2-5分钟。气体洗涤清洗的时间低于1分钟时，清洗效果降低，另一方面，气体洗涤清洗的时间超过10分钟时，运转率会降低。
逆向清洗流束J’(m/d)也可以适当设定，但较好的范围是过滤流束的0.3-4倍，更好的范围可举出的是过滤流束的1-3倍。逆向清洗流束低于过滤流束的0.3倍时，清洗效果会降低，另一方面，逆向清洗流束超过过滤流束的4倍时，水回收率会降低。
逆向清洗时间T’(h)也可以适当设定，但较好的范围是5-180秒，更好的范围可举出的是10-90秒。逆向清洗时间低于5秒时，清洗效果会降低，另一方面，逆向清洗时间超过90秒时，水回收率和运转率会降低。
注入逆向清洗水中的药水可以根据需要适当选择，可举出的例子有次氯酸钠水溶液。注入浓度可进行适当选定，但较好的范围是1-100mg/L(逆向清洗水中浓度)，更好的范围可举出的是2-50mg/L。此外，并不一定要注入药水，可根据需要进行。
排水循环次数N(次)可以适当设定，既可以在逆向清洗1次时进行1次，也可以在逆向清洗数次时进行1次。较好的范围是排水循环1次逆向清洗1-4次，更好的范围可举出的是排水循环1次逆向清洗1-2次。低于排水循环1次逆向清洗4次时，抽吸压力会出现过早上升的情况。
实验例以下在实验例基础上更详细地说明本发明。
<实验例1>
中空纤维膜使用亲水化聚乙烯多孔质中空纤维膜(三菱RAYON株式会社生产，商品名EX540T、内径350μm、外径540μm、材质聚乙烯)，16根中空纤维膜为一束，一边折回一边用连接纤维编接，制作成片状中空纤维膜(编幅950mm、纤维束数70)。
一边安装编结调距块，一边将该片状中空纤维膜(张数27张)层叠起来，令其间隔为6mm(间隔是指片状中空纤维膜的中央与中央间的长度)，将其中的一端部插入中空纤维膜露出的一端为长方体、中空纤维膜开口一端呈圆筒形状的ABS树脂制壳罩内(圆筒部内径124mm)。其次，注入注封树脂“C4403/N4221”(日本聚氨酯工业株式会社生产、双组分固化聚氨酯树脂、1.5kg)，将片状中空纤维膜与壳罩连接固定。
另一端部也同样，将片状中空纤维膜与壳罩连接固定，通过切去两个端面，令中空纤维膜开口，制成如图4所示构造的中空纤维膜组件(膜面积＝34m2、W＝173mm、D＝124mm、L＝50mm、长方体部的中空纤维膜固定长20mm、L/D＝0.40、W/D＝1.40)。
<实验例2>
除使用注封树脂为1.3kg外均与实验例1相同地制造中空纤维膜组件(膜面积＝37m2、W＝173mm、D＝124mm、L＝35mm、长方体部的中空纤维膜固定长20mm、L/D＝0.28、W/D＝1.40)。
<实验例3>
中空纤维膜使用亲水化聚乙烯多孔质中空纤维膜(三菱RAYON株式会社生产，商品名EX780T、内径500μm、外径770μm、材质聚乙烯)，6根中空纤维膜为一束，一边折回一边用连接纤维编接，制作成片状中空纤维膜(编幅950mm、纤维束数82)。
一边安装编结调距块，一边将该片状中空纤维膜(张数30张)层叠起来，令其间隔为6mm，将其中的一端部插入中空纤维膜露出的一端为长方体、中空纤维膜开口一端呈圆筒形状的ABS树脂制壳罩内(圆筒部内径145mm)。其次，注入与实验例1同种类的注封树脂(1.7kg)，将片状中空纤维膜与壳罩连接固定。然后，通过切去端面，令中空纤维膜开口，制成如图5所示构造的中空纤维膜组件(膜面积＝30m2、W＝232mm、D＝145mm、L＝60mm、长方体部的中空纤维膜固定长30mm、L/D＝0.41、W/D＝1.60)。
<实验例4>
除编幅为1200mm、纤维束数为167外，其他与实验例1相同，制造片状中空纤维膜。
一边安装编结调距块，一边将该片状中空纤维膜(张数27张)层叠起来，令其间隔为12mm，将其中的一端部插入中空纤维膜露出的一端为长方体、中空纤维膜开口一端呈圆筒形状的硅树脂制注封壳内(内径250mm)。接下来，注入与实验例1相同种类的注封树脂(5.2kg)，将片状中空纤维膜连接固定。
另一端部也相同地令片状中空纤维膜粘接固定，通过切去两个端面令中空纤维膜开口，制成如图1所示构造的中空纤维膜组件(膜面积＝90m2、W＝425mm、D＝250mm、L＝150mm、长方体部的中空纤维膜固定长50mm、L/D＝0.60、W/D＝1.70)。
<比较例1>
除使用从中空纤维膜露出一侧端部至中空纤维膜开口一侧端部呈长方体形状的壳罩(受压面尺寸长边121mm·短边100mm与实验例1的圆筒部受压面积相同)、使用的注封树脂为2.0kg外，其他与实验例1相同，制造片状中空纤维膜(膜面积＝35m2、固定部件尺寸长边部121mm·短边部100mm、中空纤维膜固定长70mm)。
使用实验例1-4以及比较例1所制作的中空纤维膜组件，进行反复耐压试验。
反复耐压试验中，先从中空纤维膜组件中切除中空纤维膜，用注封树脂将中空纤维膜开口部封住，制作试验样品。接下来，将制成的试验样品放入反复耐压试验装置，从组件端面一侧反复进行加压、放压，测出样品出现裂缝为止的循环次数(条件温度40℃、压力350kPa、循环30秒on/30秒off、加压方向从组件端面一侧加压、次数最大5000次)。结果如表1所示。
表1
根据反复耐压试验的结果，可以知道本发明的中空纤维膜组件具有优异的耐压性。
<实验例5>
使用实验例1制作的中空纤维膜组件，制作出如图6所示构造的中空纤维膜组件单元(膜面积136m2)。之后，将中空纤维膜组件单元沿垂直方向叠起6层，制作出如图8所示构造的下部装有散气装置的中空纤维膜组件单元(膜面积＝816m2、a’＝1.2m、b’＝0.4m、单元高＝2.637m、面积效率S/A＝1700m2/m2、单元容积V’＝1.266m3、容积效率S/V’＝645m2/m3)。
<实验例6>
除将中空纤维膜组件沿垂直方向叠起4层外，其他与实验例5相同，制作出中空纤维膜组件单元(膜面积＝544m2、a’＝1.2m、b’＝0.4m、单元高＝1.797m、面积效率S/A＝1133m2/m2、V’＝0.863m3、容积效率S/V’＝630m2/m3)。
<实验例7>
将实验例5制作出的中空纤维膜组件单元安装于如图9所示的膜过滤装置(a＝1.21m、b＝0.41m、有效水深＝2.637m、V＝1.31m3、V’/V＝0.97)。
使用上述的膜过滤装置，进行10天的含沙水(日文伏流水)过滤试验，评价其抽吸压力的情况。试验条件见表2、结果见表3所示。
<实验例8>
除将水槽设置为a＝1.3m、b＝0.5m、有效水深＝2.637m、V＝1.71m3、V’/V＝0.74以外，其他如同实验例7，进行含沙水(日文伏流水)过滤试验。试验条件见表2，结果见表3所示。
<实验例9>
将实验例6制作出的中空纤维膜组件单元安装于如图9所示的膜过滤装置(a＝1.21m、b＝0.41m、有效水深＝1.797m、V’/V＝0.97)。使用上述的膜过滤装置，进行10天的含沙水(日文伏流水)过滤试验，评价其抽吸压力的情况。试验条件见表2，结果见表3所示。
<实验例10>
除将水槽设置为a＝1.3m、b＝0.5m、有效水深＝1.797m、V＝1.17m3、V’/V＝0.74以外，其他如同实验例9，进行含沙水(日文伏流水)过滤试验。试验条件见表2，结果见表3所示。
<比较例2>
除将水槽设置为a＝1.5m、b＝0.7m、有效水深＝2.637m、V＝2.77m3、V’/V＝0.46以外，其他如同实验例7，进行含沙水(日文伏流水)过滤试验。试验条件见表2，结果见表3所示。
<比较例3>
除将水槽设置为a＝1.5m、b＝0.7m、有效水深＝1.797m、V＝1.89m3、V’/V＝0.46以外，其他如同实验例9，进行含沙水过滤试验。试验条件见表2，结果见表3所示。
表2
表3
根据过滤试验的结果可以知道，本发明的膜过滤装置可实现高达95％以上的水回收，同时，运转时的抽吸压力也很稳定。
本发明的中空纤维膜组件、中空纤维膜组件单元、膜过滤装置及其运转方法能使用于自来水的净化、下排水的净化、工业过程等。本发明的中空纤维膜组件由于固定部件(2)的中空纤维膜露出的一侧的端面形状近似矩形、且固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形，因此使用了清洗性优异的片状中空纤维膜的组件即便在增加了膜面积的情况下，中空纤维膜固定部分的耐压性也不会降低。此外，本发明的中空纤维膜组件单元由于设置具有贯通圆筒部(4)的孔的板状部件(5)，通过该板状部件(5)将中空纤维膜组件的位置固定，因此在能简便且确切地进行固定的同时，可以提高中空纤维膜的集成度。又，具备有多个本发明的中空纤维膜组件的本发明的膜过滤装置、以及适用本发明的运转方法的膜过滤装置虽然小型但膜面积很大，且清洗性优异，因此可长期稳定地进行过滤。
权利要求
1.一种中空纤维膜组件，其特征在于，所述中空纤维膜组件具有多枚片状中空纤维膜(1)，和将该多枚片状纤维膜(1)的至少一端部在保持开口状态下作大致平行固定的固定部件(2)；该固定部件(2)的中空纤维膜露出的一侧的端面形状近似矩形、且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形。
2.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于，所述固定部件(2)在中空纤维膜露出的一侧有形状近似长方体的长方体部(3)、在中空纤维膜开口的一侧有形状近似圆筒的圆筒部(4)。
3.如权利要求2所述的中空纤维膜组件，其特征在于，所述的圆筒部(4)的直径设定为D(mm)、长度设定为L(mm)时，满足以下式子0.2≤L/D≤1.0。
4.如权利要求2所述的中空纤维膜组件，其特征在于，所述长方体(3)的中空纤维膜露出的端面的长边部的长度设定为W(mm)，所述圆筒部(4)的直径设定为D(mm)时，满足以下式子1.0≤W/D≤2.0。
5.一种中空纤维膜组件单元，其特征在于，所述中空纤维膜组件单元在配有多个如权利要求2所述的中空纤维膜组件的同时，在与片状中空纤维膜(1)的膜面垂直的侧面，设置具有贯通所述圆筒部(4)的孔的板状部件(5)，通过该板状部件(5)将中空纤维膜组件位置固定而形成。
6.如权利要求5所述的中空纤维膜组件单元，其特征在于，由所述圆筒部(4)和与之卡合的集水盖(6)挟持、插入所述板状部件(5)而固定。
7.如权利要求6所述的中空纤维膜组件单元，其特征在于，所述圆筒部(4)和所述集水盖(6)通过螺纹卡合固定。
8.一种中空纤维膜组件单元，所述中空纤维膜组件单元是将多个如权利要求6所述的中空纤维膜组件单元重叠地沿垂直方向配置的同时，所述片状中空纤维膜(1)的膜面沿垂直方向配置，且在垂直方向邻接的所述各集水盖(6)相互间由垂直方向延伸的集水部件(7)连接，在与所述片状中空纤维膜(1)的膜面平行的侧面上配置有侧板(21)而构成。
9.如权利要求8所述的中空纤维膜组件单元，其特征在于，在垂直方向邻接的中空纤维膜组件的各片状中空纤维膜(1)相互间的垂直方向间隔在70mm或以下。
10.一种膜过滤装置，所述膜过滤装置是一种将膜组件单元配置在水槽内的膜过滤装置，其特征在于，该膜组件单元由多个中空纤维膜组件构成，该中空纤维膜组件具有多枚片状中空纤维膜(1)，和将该多枚片状纤维膜(1)的至少一端部在保持开口状态下大致平行固定的固定部件(2)；该中空纤维膜组件由该固定部件(2)的中空纤维膜露出的一侧的端面形状近似矩形，且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形的中空纤维膜组件构成，将该膜组件单元的膜面积设定为S(m2)、该膜组件单元的投影面积设定为A(m2)、该膜组件单元的容积设定为V’(m3)、该水槽的容积设定为V(m3)时，满足以下3个关系式1000≤S/A≤2000……式(1)500≤S/V’≤800……式(2)0.70≤V’/V≤0.99…式(3)。
11.一种膜过滤装置的运转方法，所述膜过滤装置的运转方法系将膜组件单元配置在水槽内的膜过滤装置的运转方法，其特征在于，令该膜组件单元由多个中空纤维膜组件构成，令该中空纤维膜组件由将多枚片状系膜(1)的至少一端在保持开口状态下通过固定部件(2)大致平行固定，同时，该固定部件(2)的中空纤维膜露出的一侧的端面形状近似矩形，且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形的中空纤维膜组件构成，将该膜组件单元的膜面积设定为S(m2)、过滤流束设定为J(m/d)、过滤时间设定为T(h)、排水循环次数设定为N(次)、排水量设定为D(m3)、逆向清洗流束设定为J’(m/d)、逆向清洗时间设定为T’(h)时，设定满足以下关系式的膜面积S、过滤流束J、过滤时间T、排水循环次数N、排水量D、逆向清洗流束J’、逆向清洗时间T’来运转所述膜过滤装置N≥22.8D/{S(0.05JT-J’T’)} ……式(4)。
全文摘要
本发明提高一种中空纤维膜组件、使用了该组件的中空纤维膜组件单元以及使用了该单元的膜过滤装置及其运转方法。所述中空纤维膜组件在使用了清洗性优异的片状中空纤维膜的组件中，即使是在增加膜面积的情况下，中空纤维膜固定部分的耐压性也不会降低。中空纤维膜膜组件具有多枚片状中空纤维膜(1)和将该多枚片状系膜(1)的至少一端在保持开口状态下大致平行固定的固定部件(2)，该固定部件(2)的中空纤维膜露出的一侧的端面形状近似矩形，且该固定部件(2)的中空纤维膜开口的一侧的端面形状近似圆形。
文档编号B01D63/02GK1684755SQ0382270
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月26日 优先权日2002年9月27日
发明者竹田哲, 小林真澄, 末吉信也, 镰田正俊, 木下育男, 中原祯仁 申请人:三菱丽阳株式会社