專利名稱：平膜過濾裝置及平膜過濾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在充滿污水或工業(yè)排水等被處理水的處理槽內(nèi)浸潰膜單元，使槽內(nèi)產(chǎn)生向上流而進(jìn)行固液分離，從而取出過濾水的平膜過濾裝置及平膜過濾方法。
背景技術(shù)：
存在除去污水或工業(yè)排水中含有后的夾雜物的平膜式的過濾裝置。平膜過濾裝置中，將多個膜元件以浸潰在由被處理水充滿的處理槽內(nèi)的狀態(tài)排列，從作為膜元件的集合體的膜模塊的內(nèi)部吸引過濾被處理水，從而得到過濾水。各膜元件在處理槽內(nèi)隔開規(guī)定的間隔垂直地設(shè)置，且在下方設(shè)有用于進(jìn)行散氣的散氣機(jī)構(gòu)。作為進(jìn)行散氣的目的，列舉出得到在過濾吸引時(shí)除去堆積在膜面上的雜質(zhì)等固形物來抑制膜的閉塞的清洗效果。另外，列舉出在處理槽內(nèi)的被處理水中產(chǎn)生回旋流而對膜 表面附近提供水流，且對處理槽內(nèi)進(jìn)行攪拌的效果。由此，能夠有效地進(jìn)行基于膜模塊的過濾處理。作為這樣的平膜過濾裝置的一例，能夠列舉出專利文獻(xiàn)I。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I日本特開2007-136389號公報(bào)圖9是單一的膜模塊的向上流的說明圖。如圖所示，相對于將多個膜元件200隔開規(guī)定的間隔并列配置且由殼體(未圖示)覆蓋側(cè)面的膜模塊202，從在膜模塊202的下方配置的散氣管204噴出的氣泡伴隨箭頭A的那樣的上升而向中心部集中。這是由于在殼體的壁附近因壁面摩擦而流速減小的緣故。因此，在膜模塊202的側(cè)部206難以產(chǎn)生伴隨氣泡的上升而形成的橫流，因橫流而膜面清洗效果降低，使膜面局部性地閉塞。膜面的閉塞使有效膜面積減小，因此存在導(dǎo)致過濾壓力的提前上升的情況。圖10是在被處理水的處理槽內(nèi)沿上下方向?qū)盈B配置的膜模塊的向上流的說明圖。如圖所示，在散氣管204之后，將氣泡205同時(shí)噴出，并將殼體207的外側(cè)的液相也吸入到這里(箭頭a)。此時(shí)，由被處理水和氣泡構(gòu)成的氣液二相流形成比較均勻的分布。然而，由于在殼體207的壁附近因上述的壁面摩擦而流速減小，因此隨著向上方，流速的分布擴(kuò)展。在膜模塊202的上層因橫流而形成箭頭b那樣的拋物線狀的流速分布。在該情況下，流速快的場所集中在水平寬度方向的中央部(箭頭c)，在接近兩端部的場所(箭頭d)流速變慢。因此，在中央部以外的區(qū)域，膜表面容易發(fā)生孔眼堵塞。為了消除這樣的容易發(fā)生孔眼堵塞的部位，需要增加散氣量。然而，一方面存在膜元件的中央部那樣未發(fā)生孔眼堵塞的場所，另一方面對于局部發(fā)生孔眼堵塞的膜表面區(qū)域而言，為了清洗再生而增加散氣量是無效的。另外，不能夠僅對污垢或孔眼堵塞發(fā)展的部位集中地進(jìn)行散氣。即使僅對孔眼堵塞發(fā)展的部位增加散氣量，壁附近的側(cè)面摩擦的傾向也不變化，因此只是在中央部與側(cè)部之間產(chǎn)生流速差，容易形成拋物線狀的流速分布且可能促進(jìn)孔眼堵塞。
因此，在以往的過濾裝置中，在產(chǎn)生這樣的部位的情況下，對包括污垢少的部位在內(nèi)的整個膜表面同時(shí)提高散氣量來進(jìn)行清洗，因此產(chǎn)生散氣低效率化這樣的問題。另一方面，在膜間流路內(nèi)，作為在水平寬度方向上消除流速分布的中央的偏頗的另一方法，存在安裝整流板的方法。但是，膜元件間隔、即膜間流路的寬度通常為幾_至幾十mm，在這樣的狹窄的場所很難設(shè)置整流板。另外，在將膜模塊多層層疊的情況下，整流板也需要按膜模塊而沿鉛垂方向配置成多層，不實(shí)用。
發(fā)明內(nèi)容
因此，為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效地得到膜面清洗效果的平膜過濾裝置及平膜過濾方法。
本發(fā)明的平膜過濾裝置中，浸潰有由殼體包圍在被處理水的處理槽內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊，使多個平膜的膜間產(chǎn)生所述被處理水的向上流的同時(shí)進(jìn)行固液分離，其特征在于，將載體添加到所述處理槽內(nèi)，該載體通過所述向上流在所述處理槽內(nèi)能夠流動，且密度比水高。本發(fā)明的平膜過濾裝置的特征在于，具備被處理水的處理槽；由殼體包圍在所述處理槽內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊；向所述平膜間的流路散氣而產(chǎn)生所述被處理水的向上流的散氣機(jī)構(gòu)；通過所述向上流而能夠在所述處理槽內(nèi)流動且密度比水聞的載體。在該情況下，所述載體可以為多面體。所述載體的一邊的長度相對于所述平膜間的流路寬度的比可以為O. 5以上至O. 9以下。所述膜模塊可以沿所述處理槽內(nèi)的垂直方向?qū)盈B配置成多層。本發(fā)明的平膜過濾方法中，浸潰由殼體包圍在被處理水的處理槽內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊，使多個平膜的膜間產(chǎn)生所述被處理水的向上流的同時(shí)進(jìn)行固液分離，其特征在于，將相對于所述被處理水而具有由所述向上流引起的速度差的載體添加到所述處理槽內(nèi)，使所述載體在膜間流路分散的同時(shí)對所述被處理水進(jìn)行固液分離。發(fā)明效果根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的平膜過濾裝置及平膜過濾方法，由于使用相對于所述被處理水具有基于所述向上流產(chǎn)生的速度差的載體，因此該載體從由被處理水和氣泡構(gòu)成的氣液二相流體受到阻力，從而難以伴隨向上流的流動而進(jìn)行移動。具體而言，由于載體通過向上流在所述處理槽內(nèi)能夠流動，且密度比水高，因此容易從氣液二相流體受到阻力，而以比向上流的流動慢的流動移動。另外，由于載體為多面體，因此容易從氣液二相流體受到阻力，從而以比向上流的流動慢的流動移動。因此，存在于殼體周邊的載體難以向膜間流路的水平寬度方向的中央部移動，而以分散的狀態(tài)大致均勻地存在。因此，在膜間流路的從具有散氣機(jī)構(gòu)的入口部到上部出口部移動的期間，能夠沿橫寬方向分散的同時(shí)進(jìn)行上升移動。這樣，本發(fā)明的載體作為在膜間流路分散的同時(shí)進(jìn)行移動的整流器而發(fā)揮功能，由此能夠使在流路中央部產(chǎn)生流速快的部位的氣液二相流速分布的平坦化。因此，相對于膜面產(chǎn)生基于速度差的剪切力，從而能夠均等地清洗膜面整體，不需要像以往那樣增加散氣量來防止孔眼堵塞，能夠以通常的散氣量提高清洗效果。另外，與在氣泡的周圍產(chǎn)生的紊亂誘發(fā)剪切力而有助于膜面清洗的情況同樣，在密度比水高且多面體的載體的周圍也產(chǎn)生由流體的渦流或剝離引起的紊亂，從而也產(chǎn)生上述的紊亂誘發(fā)的剪切力。因此，與以往的氣液二相流的狀態(tài)相比，產(chǎn)生剪切力的部位增加，與以往的平膜式的過濾裝置相比，能夠提高膜面清洗的效果。另外，在將膜模塊多層層疊配置在處理槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)中，在下層的膜模塊處沿膜間流路的水平寬度方向大致均勻化的載體也以維持原封不動的狀態(tài)向上層的膜模塊順次供給。因此，以往在上層的膜模塊處顯著產(chǎn)生的流速分布差消失，能夠?qū)⒛つK的整個范圍的膜面均等地清洗。
圖I是本發(fā)明的平膜過濾裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。 圖2是膜間流路寬度與膜元件的水平方向的長度的參數(shù)的說明圖。圖3是在混相流體中上升移動的載體的說明圖。圖4是表示比流速差與尺寸比的關(guān)系的圖表。圖5是膜間流路的向上流的說明圖。圖6是示意性表示本發(fā)明的平膜過濾裝置的處理系統(tǒng)整體的圖。圖7是本發(fā)明的平膜過濾裝置的變形例的說明圖。圖8是變形例的平膜過濾裝置的向上流的說明圖。圖9是單一的膜模塊的向上流的說明圖。圖10是將膜模塊多層層疊的向上流的說明圖。符號說明10、100.........平膜過濾裝置12.........處理槽20.........膜單元22.........膜元件24.........膜模塊26.........殼體28.........配管30.........散氣機(jī)構(gòu)40.........載體50.........排水處理系統(tǒng)52.........原水配管54.........原水泵56.........前處理槽58.........過濾泵200.........膜元件202.........膜模塊204.........散氣管
205.........氣泡
206.........側(cè)部207.........殼體
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，對本發(fā)明的平膜過濾裝置及平膜過濾方法的實(shí)施方式詳細(xì)地進(jìn)行說明。首先，開始對能夠適用本發(fā)明的平膜過濾裝置的處理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖6是示意性表示本發(fā)明的平膜過濾裝置的處理系統(tǒng)整體的圖。如圖所示，排水處理系統(tǒng)50將引入污水或工業(yè)排水等的原水配管52、引入排水的原水泵54、前處理槽56、安裝平膜過濾裝置的處理槽12、取出過濾水的過濾泵58作為主要的基本結(jié)構(gòu)。在前處理槽56中設(shè)置有用于除去原水中含有的大型的固形物或雜質(zhì)的濾網(wǎng)裝置。并且，在需要原水的生物處理的情況下，可以形成為適用生物反應(yīng)處理槽的結(jié)構(gòu)。由此，能夠減輕后段的平膜過濾裝置所進(jìn)行的固液分離的負(fù)擔(dān)。在這樣的前處理槽56中除去了大型的固形物等的原水向安裝了后段的平膜過濾裝置的處理槽12導(dǎo)入。圖I是本發(fā)明的平膜過濾裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。如圖所示，本發(fā)明的平膜過濾裝置10將充滿污水或工業(yè)排水等被處理水的處理槽12、膜單元20、載體40作為主要的基本結(jié)構(gòu)。膜單元20由膜模塊24和散氣機(jī)構(gòu)30構(gòu)成。膜模塊24由多個作為平膜的膜元件22構(gòu)成。膜元件22為平板狀的過濾膜。多張膜元件22以膜面相互平行的方式隔開規(guī)定的間隔并列配置，構(gòu)成側(cè)面由殼體26包圍的膜模塊24。膜模塊24使上表面及表面開口，而形成使被處理水沿垂直方向通過膜元件22的膜間的流路。在該膜模塊24上組合后述的散氣機(jī)構(gòu)30、過濾泵58、配管28而形成膜單元20。膜模塊24經(jīng)由配管28與過濾泵58連接。通過驅(qū)動過濾泵58，將從膜元件22的膜表面過濾出的過濾水(處理水)通過配管28向外部排出。散氣機(jī)構(gòu)30在處理槽12內(nèi)產(chǎn)生氣泡。散氣機(jī)構(gòu)30安裝在作為俯視下包圍殼體26的區(qū)域內(nèi)的膜模塊24的下方，使氣泡在膜模塊24的膜間流路內(nèi)滯留浮起。由此，在被處理水與氣泡的氣液混相的狀態(tài)的膜間流路內(nèi)和被處理水的單相的狀態(tài)的處理槽內(nèi)即膜模塊24的外側(cè)之間產(chǎn)生密度差。在這樣的膜間流路內(nèi)產(chǎn)生作為向上的流動的向上流。散氣機(jī)構(gòu)30作為一例，可以適用沿著并列配置的膜元件22將多個散氣管并列配置的結(jié)構(gòu)。并且，散氣機(jī)構(gòu)30構(gòu)成為，在散氣管的下部設(shè)置散氣孔，使其與散氣泵(未圖示)連接而任意調(diào)整散氣空氣量。載體40添加在處理槽12內(nèi)的被處理水中，相對于被處理水具有基于向上流引起的速度差。具體而言，本實(shí)施方式的載體設(shè)定成通過向上流在處理槽內(nèi)能夠流動，且密度比水高。若載體的密度比水高，則在膜間流路移動的被處理水中，載體以比被處理水慢的流動移動。因此，沿膜間流路的寬度方向均勻地導(dǎo)入的載體起到如下作用，即在向上流的流動中被處理水要向中央部移動時(shí)，速度的差成為阻力而抑制被處理水的中央部的移動。因此，載體以維持膜間流路的導(dǎo)入時(shí)的均勻分散的狀態(tài)進(jìn)行移動。從而能夠使氣液二相流速分布平坦化而均等地清洗膜元件的膜面。
需要說明的是，作為本實(shí)施方式的載體的材質(zhì)，優(yōu)選使用對膜元件的膜面不產(chǎn)生損傷的材質(zhì)。作為這樣的載體的一例，可以適用含水率高的高分子凝膠材料、橡膠樹脂等。此外，還可以適用聚氨酯泡沫那樣的多孔性材料，該聚氨酯泡沫為在被處理水中通過吸收水而與水密度接近且密度高那樣的空隙率高的原料。另外，本實(shí)施方式的載體以成為多面體的方式形成。載體作為一例而形成為立方體。作為立方形狀的載體，能夠容易進(jìn)行加工。這樣的立方形狀的載體與球形狀相比具備約2倍的阻力系數(shù)。形成為多面體的載體在膜間流路中移動的被處理水中容易通過角部妨礙被處理水的流動，而以比被處理水慢的流動移動。因此，沿膜間 流路的寬度方向均勻地導(dǎo)入的載體起到如下作用，即在向上流的流動中被處理水要向中央部移動時(shí)，多面體的形狀成為阻力而抑制被處理水的移動。因此，載體以維持膜間流路的導(dǎo)入時(shí)的均勻分散的狀態(tài)移動。從而能夠使氣液二相流速分布平坦化而均等地清洗膜元件的膜面。載體的密度基本上比水高，實(shí)用上優(yōu)選比2. 5g/cm3低。在實(shí)用方面，膜間流路的平均流速為O. lm/s至O. 4m/s左右。若在3mm見方的載體的密度超過2. 5g/cm3的情況下,貝Ij可預(yù)想到終端下降速度成為O. 2m/s以上而流動狀態(tài)變差。在流速低的區(qū)域，載體在膜間流路中不上升移動，而滯留在膜分離槽內(nèi)的底部等停滯部，從而變得難以得到本發(fā)明的效果。因此，優(yōu)選載體的密度比lg/cm3高且為2. 5g/cm3以下。需要說明的是，載體40除了在處理槽12內(nèi)添加到被處理水中之外，還可以為預(yù)先添加到被處理水中，而導(dǎo)入到處理槽12內(nèi)的結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的載體設(shè)定為維持處理槽內(nèi)的被處理水的幾十％的體積填充率。在平膜分離裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)中，因過濾水的取出而處理槽內(nèi)的原水固形物濃度變高。因此，通過定期地挑出固形物污泥而能夠調(diào)整原水固形物濃度。通過該挑出工序也將處理槽內(nèi)的載體挑出。為了維持上述的體積填充率，在固形物污泥的挑出的同時(shí)添加規(guī)定量的載體。接著，利用圖2 圖5，對載體40的形狀的條件進(jìn)行更詳細(xì)地說明。圖2是膜間流路寬度與膜元件的水平方向的長度的參數(shù)的說明圖。圖3是在混相流體中上升移動的載體的說明圖。如圖2所示，膜元件22的水平方向的寬度為L，膜元件22間的距離(流路寬度)為W。通常的平膜過濾裝置中，流路寬度W相對于寬度L充分小，作為一例設(shè)定為幾_至十幾mm的范圍。接著，如圖3所示，對于水平截面方向的流路寬度WXW的范圍的長方體而言，假定為在水平方向上僅存在一個載體，在垂直方向上分布存在多個載體。并且，假設(shè)這樣的WXW的流路沿寬度L的水平方向相連而構(gòu)成膜間流路，以下對載體的物質(zhì)收支和運(yùn)動量收支進(jìn)行研究。首先，載體的直徑為d，利用與其同體積球的直徑的等價(jià)直徑de可以由數(shù)學(xué)式I表
/Jn ο數(shù)學(xué)式I
1/3de = j -d在此，如上所述，載體假定為在水平截面方向的流路寬度WXW的范圍內(nèi)調(diào)整成恒定量(恒定添加率)。并且，液體也假定為在該流路內(nèi)以恒定流量流動。并且，從散氣機(jī)構(gòu)生成的氣泡也假定為以恒定流量散氣。
這樣，在流路內(nèi)部不存在上述載體、液體及氣體的吸入或涌出，因此可以認(rèn)為物質(zhì)
量被保存。在此，對于液體與氣體的二相流體相而言，當(dāng)該混相流體(稱為液相與氣相的混合流體。)的流速為％，且載體的速度為Up時(shí)，利用載體的空隙率(截面積比率)αρ，而物質(zhì)收支的關(guān)系式可以由數(shù)學(xué)式2表示。數(shù)學(xué)式2J = α ρ · Up+ (I- α ρ) · uF需要說明的是，J為載體與混相流體整體的體積通量(等價(jià)速度)，如上所述，由于以恒定流量提供，因此J為恒定值。接著，考慮運(yùn)動量的收支、即載體的重力和從流體受到的阻力的均衡。當(dāng)載體的體積為Vol，截面積為A(由等價(jià)直徑de表示的面積，為該直徑的圓面積。)，混相流的密度為P y載體與混相流體的密度差為Λ P，并且載體的阻力系數(shù)由Cd表示時(shí)，均衡的式子可以如數(shù)學(xué)式3那樣表示。數(shù)學(xué)式3
IAp -Vol ■ g = —pL · A - Cd - (uF -Up)2需要說明的是，本來重力加速度g為矢量，速度也為矢量，但在本實(shí)施方式中，由于僅考慮一維的上升運(yùn)動，因此上述的物理量僅由鉛垂分量表示。另外，由于載體的密度比混相流密度高，因此數(shù)學(xué)式3的右邊的速度的平方項(xiàng)表現(xiàn)為正值，且重力加速度g也作為絕對值(正值)進(jìn)行處理。接著，結(jié)合數(shù)學(xué)式2和數(shù)學(xué)式3而對式子進(jìn)行變形，從而載體的速度Up可以如數(shù)學(xué)式4那樣表不。數(shù)學(xué)式4
r π12Ap ■ Vol · g J - ap ,Up 12Ap -Vol · guP = uF - " ...;......= , {- ",
V PlXd (l - ap) ]J pL A Cd在此，載體的阻力系數(shù)Cd為Re數(shù)(雷諾數(shù))的函數(shù)，但混相流體與載體的密度差小。因此，流速差也小，從而Re數(shù)不大，阻力系數(shù)Cd可以由與Re數(shù)成反比例的式子表示。這是由于能夠假定為層流的緣故。Re數(shù)可以由數(shù)學(xué)式5表示，阻力系數(shù)Cd可以由數(shù)學(xué)式6表示。數(shù)學(xué)式5Re = (Uf —Up).de
V數(shù)學(xué)式6
r _K需要說明的是，V表示混相流體的動粘性，系數(shù)K取45左右的值。接著，當(dāng)使用數(shù)學(xué)式I、數(shù)學(xué)式2、數(shù)學(xué)式4、數(shù)學(xué)式5及數(shù)學(xué)式6時(shí)，可以如數(shù)學(xué)式7那樣表不。數(shù)學(xué)式7
權(quán)利要求
1.一種平膜過濾裝置，浸潰有由殼體包圍在被處理水的處理槽內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊，在多個平膜的膜間產(chǎn)生所述被處理水的向上流并同時(shí)進(jìn)行固液分離，所述平膜過濾裝置的特征在于， 將通過所述向上流而能夠在所述處理槽內(nèi)流動且密度比水高的載體添加到所述處理槽內(nèi)。
2.一種平膜過濾裝置，其特征在于，具備 被處理水的處理槽； 由殼體包圍在所述處理槽內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊； 向所述平膜間的流路散氣而產(chǎn)生所述被處理水的向上流的散氣機(jī)構(gòu)； 通過所述向上流而能夠在所述處理槽內(nèi)流動且密度比水高的載體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的平膜過濾裝置，其特征在于， 所述載體為多面體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的平膜過濾裝置，其特征在于， 所述載體的一邊的長度相對于所述平膜間的流路寬度之比為O. 5以上至O. 9以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的平膜過濾裝置，其特征在于， 所述膜模塊沿所述處理槽內(nèi)的垂直方向?qū)盈B配置成多層。
6.—種平膜過濾方法,浸潰由殼體包圍在被處理水的處理槽內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊，在多個平膜的膜間產(chǎn)生所述被處理水的向上流并同時(shí)進(jìn)行固液分離，所述平膜過濾方法的特征在于， 將相對于所述被處理水而具有由所述向上流引起的速度差的載體添加到所述處理槽內(nèi)，在膜間流路上使所述載體分散并同時(shí)對所述被處理水進(jìn)行固液分離。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效地得到膜面清洗效果的平膜過濾裝置及平膜過濾方法。本發(fā)明的平膜過濾裝置(10)的特征在于，具備被處理水的處理槽(12)；由殼體包圍在所述處理槽(12)內(nèi)并列配置的多個平膜的側(cè)面而成的膜模塊(24)；在所述平膜間的流路產(chǎn)生所述被處理水的向上流的散氣機(jī)構(gòu)(30)；通過所述向上流而能夠在所述處理槽內(nèi)流動且密度比水高的載體(40)。
文檔編號C02F1/44GK102633319SQ20121002980
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者北村光太郎, 和田圭史, 森田穰 申請人:株式會社日立工業(yè)設(shè)備技術(shù)