Membrane module unit for water treatment

本発明は水処理用膜モジュールユニットに関し、詳しくは、膜面積を増大化しながらも高さを抑えてコンパクトに設置することができる水処理用膜モジュールユニットに関する。

従来、船舶バラスト水中の微生物を膜処理することによって除去する試みがなされている。 特にタンカーのような巨大船舶では、バラストタンクの容量も巨大となるため、バラスト水を膜処理する場合は膨大な量のバラスト水を短時間で処理する必要があり、このため船舶内に膨大な数の膜を備える必要がある。

このため、本願出願人は、原水の流路を構成するマニホールドに対して複数本のスパイラル膜モジュールを接続した構造の水処理用膜モジュールユニットを提案している（特許文献１）。

スパイラル膜モジュールは、集水管の外周に複数の封筒状膜が巻回されてなる構造体の外周を外筒で被覆した構造を有しており、複数本のスパイラル膜モジュールの両端部をマニホールドに原水の流出入が可能となるようにそれぞれ接続することで、一つの水処理用膜モジュールユニットを構成している。

このような水処理用膜モジュールユニットによれば、大量の原水の膜処理を並列して行うことができて極めて効率的であり、省スペース化を図ることができる等の数々の利点を有している。

膜モジュールユニットによって大量の原水を膜処理できるようにするには膜面積を増やすことが必要である。 このためには、膜モジュールユニットを多数ユニット設置する必要があり、膜モジュールユニットを横方向に並設することに加えて、図７に示すように、膜モジュールユニットを上下方向にも多段状に設置することによって、限られたスペースに可能な限りの膜モジュールユニットを設置することが求められている。

なお、図７において、１００は膜モジュールユニット、１０１は膜モジュールであり、複数本（図７では６本）の膜モジュール１０１が、原水側のマニホールド１０２と濃縮水側のマニホールド１０３との間に並設されている。 膜モジュールユニット１００は、図７における紙面に垂直な方向にも多数並設されるので、多数の各マニホールド１０２、１０３との間で原水、濃縮水及び処理水の配管を集約できるようにするために、各モジュールユニット１００は、膜モジュール１０１の長さ方向が上下方向に沿うように配置させて多段状に設置されている。

しかしながら、膜モジュールユニットを多段状に設置する場合、当然のことながら設置高さが高くなり、例えば船舶内に設置してバラスト水を処理する場合には、船舶によっては天井壁との間のスペースが極めて狭小とならざるを得ない場合が発生する。 膜モジュールユニットは例えば膜モジュールの交換や補修等の定期的なメンテナンスが必要であり、メンテナンス作業員が膜モジュールユニットの上部からも作業を行わなくてはならない場合がある。 従って、膜モジュールユニットと天井壁との間のスペースが確保できないと、メンテナンス作業が困難となり、場合によってはメンテナンス作業が不可能となる問題がある。

また、膜モジュールユニットを横向きに設置して使用する場合であっても、船舶内等の限られたスペースに設置する以上、横方向の寸法が小さく抑えられることが望ましいことはいうまでもない。

よって、膜面積を増大化しながらもコンパクトに設置することができる膜モジュールユニットが望まれている。

そこで、本発明は、膜面積を増大化しながらもコンパクトに設置することができる水処理用膜モジュールユニットを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
外筒内に、集水管と、該集水管の外周に巻回された複数の封筒状膜とを収容し、隣接する前記封筒状膜の間を原水流路としてなる複数のスパイラル膜モジュールと、前記スパイラル膜モジュールの両端部にそれぞれ接続され、それぞれ外部との間で原水の流出入を行うマニホールドとを備え、前記スパイラル膜モジュールの前記原水流路と前記マニホールドの内部との間で原水の流出入を可能とした水処理用膜モジュールユニットにおいて、
複数並設された前記スパイラル膜モジュールを一組とし、該スパイラル膜モジュールの組を２組設け、
各組における前記スパイラル膜モジュールの一端側の前記原水流路の入口側又は出口側に接続される前記マニホールドを各組で共通の１つの共通マニホールドとし、該共通マニホールドの相反する面に各組の前記スパイラル膜モジュールを接続すると共に、各組の前記スパイラル膜モジュールの他端側にそれぞれ組別マニホールドを接続してなることを特徴とする水処理用膜モジュールユニット。

（請求項２）
前記集水管の端部が開口する前記共通マニホールドと前記組別マニホールドの少なくともいずれかの内部に、配管によって形成された１つの処理水流路を設け、前記集水管の端部をそれぞれ前記処理水流路に接続したことを特徴とする請求項１記載の水処理用膜モジュールユニット。

本発明によれば、膜面積を増大化しながらもコンパクトに設置することができる水処理用膜モジュールユニットを提供することができる。

一つの水処理用膜モジュールユニットの斜視図

スパイラル膜モジュールの軸方向に沿う断面図

図２の(iii)-(iii)線に沿う断面図

水処理用膜モジュールユニットの縦断面図

一つの水処理用膜モジュールユニットの別の実施形態を示す斜視図

一つの水処理用膜モジュールユニットの更に別の実施形態を示す斜視図

従来の水処理用膜モジュールユニットを多段状に設置した状態を示す図

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、一つの水処理用膜モジュールユニットの斜視図、図２は、スパイラル膜モジュールの軸方向に沿う断面図、図３は、図２の(iii)-(iii)線に沿う断面図、図４は、水処理用膜モジュールユニットの縦断面図である。 ここでは水処理用膜モジュールユニットによってバラスト水を処理する場合について説明する。

水処理用膜モジュールユニット（以下、単にユニットという。）１は、１列に並設された複数本のスパイラル膜モジュール（以下、単に膜モジュールという。）２と、これら膜モジュール２の両端部にそれぞれ接続されたマニホールド３、４とを有している。

膜モジュール２は、処理水を集める集水管２１と、該集水管２１の外周に巻回状態で設けられた多数の封筒状膜２２と、この集水管２１の外周に封筒状膜２２が巻回された構造体の外周を被覆する外筒２３とを有している。 外筒２３は、両端が開口する円筒形状のＦＲＰ製の筒状体であり、集水管２１の長さ方向が外筒２３の長さ方向と一致するように上記構造体を内部に収容している。

各封筒状膜２２内には、それぞれ封筒状膜２２の張設状態を維持し、該封筒状膜２２の内側に透過した処理水のためのスペースを形成する透過側スペーサ２２ａが設けられている。 封筒状膜２２の内部は集水管２１の内部と連通しており、該封筒状膜２２を透過した処理水を集水管２１に移送可能としている。 この封筒状膜２２は、集水管２１の外周面に放射状に取り付けられており、これらが集水管２１に巻回されて該集水管２１の外周に高密度に巻き付けられることによって、全体として集水管２１を軸とする略円柱状を呈している。

隣接する封筒状膜２２の間には、封筒状膜２２同士が密着して膜面積が狭くなることを防止すると共に集水管２１と外筒２３の間の隣接する封筒状膜２２間に原水流路２４を形成するためのスペーサ２５が挿設されている。 原水流路２４は、外筒２３のいずれか一方端の開口が入口、他方端の開口が出口とされる。

集水管２１は、図２に示すように、一方端が閉鎖された閉鎖端部２１ａであり、他方端がバラスト処理水を排出するために開口した開口端部２１ｂとされている。

膜モジュール２は、複数本が並設されることによって一つの膜モジュール２の組を構成しており、この組が２Ａ、２Ｂの２組設けられている。 ここでは各組２Ａ、２Ｂがそれぞれ６本の膜モジュール２によって構成されているが、各組２Ａ、２Ｂの並設本数は特に問わない。 好ましくは３〜２０本の範囲であり、より好ましくは４〜１５本であり、さらに好ましくは５〜１０本である。 但し、効率的な処理を行う上で、膜モジュール２の並設本数は各組２Ａ、２Ｂで同数とすることが好ましい。

膜モジュール２の組２Ａ、２Ｂは、各組２Ａ、２Ｂ間の各膜モジュール２が長さ方向に直列するように配置されており、各組２Ａ、２Ｂの相反する外側端部にそれぞれ組別マニホールド３、３が接続されていると共に、各組２Ａ、２Ｂの対向する内側端部に一つの共通マニホールド４が接続されている。

組別マニホールド３は、一側面が開放した直方体状の箱型を呈する本体３１と、本体３１の一側面を不図示のシール部材を挟んで開閉可能に被蓋する蓋体３２とによって構成されている。 この組別マニホールド３は、ここではそれぞれ原水が供給されるマニホールドとして機能しており、内部は複数の膜モジュール２に共通の一つの原水室３３を形成している。 本体３１の長手方向に沿う一つの側壁面は、各膜モジュール２との接続面であり、該側壁面から円筒状に突出形成された膜モジュール２と同数の接続開口部３４が並設されている。

各組２Ａ、２Ｂの各膜モジュール２のそれぞれ外側端部は、この接続開口部３４に対して外筒２３が水密状に接続される。 これにより、各膜モジュール２の内部の原水流路２４は、外側端部において組別マニホールド３内の原水室３３と連通している。 従って、各膜モジュール２の原水流路２４における組別マニホールド３の原水室３３に臨む側が原水の入口側とされる。

なお、ここでは集水管２１の閉鎖端部２１ａ側が組別マニホールド３側となるように各膜モジュール２が配向されている。

組別マニホールド３の本体３１の長手方向の一方端部には、原水室３３に対して原水を供給するための供給口３５が形成されており、不図示の供給管と接続されることで、原水室３３に原水を供給可能とされている。

組別マニホールド３は、必要に応じて蓋体３２を取り外すことにより、原水室３３を開放することができ、内部の状態、例えば各膜モジュール２の外筒２３との接続状態及びシール状態を直接確認することができるようになっている。 また、蓋体３２は、蓋体３２を取り外すことなく直接確認することが出来得る素材を用いることも好ましいことである。

共通マニホールド４も、一側面が開放した直方体状の箱型を呈する本体４１と、本体４１の一側面を不図示のシール部材を挟んで開閉可能に被蓋する蓋体４２とによって構成されている。 この共通マニホールド４は、ここでは各膜モジュール２によってろ過された後の濃縮水を受け入れるためのマニホールドとして機能しており、内部は各組２Ａ、２Ｂの各膜モジュール２に共通の一つの濃縮水室４３を形成している。 本体４１の長手方向に沿う相反する側壁面は、各組２Ａ、２Ｂの各膜モジュール２との接続面であり、各側壁面から円筒状に突出形成された膜モジュール２と同数の接続開口部４４がそれぞれ並設されている。

各組２Ａ、２Ｂの各膜モジュール２の内側端部は、この接続開口部４４に対して外筒２３が水密状に接続される。 これにより、各膜モジュール２の内部の原水流路２４は、内側端部において共通マニホールド４内の濃縮水室４３と連通している。 従って、各膜モジュール２の原水流路２４における共通マニホールド４の濃縮水室４３に臨む側が原水の出口側とされる。

なお、ここでは集水管２１の開口端部２１ｂ側が共通マニホールド４側となるように各膜モジュール２が配向されている。

共通マニホールド４の本体４１の長手方向の一方端部には、濃縮水室４３からの濃縮水を排出するための排出口４５が形成されており、不図示の排出管と接続されることで、濃縮水室４３から濃縮水を外部に排出可能とされている。

各膜モジュール２の集水管２１の開口端部２ｂは、共通マニホールド４の濃縮水室４３に全て臨んでいる。 そして、この濃縮水室４３内において、各集水管２１の開口端部２１ｂは、共通の１本の処理水流路５にそれぞれ接続されている。

処理水流路５は、複数の配管を接続することによって形成されており、各集水管２１の開口端部２１ｂとそれぞれ接続することで、各集水管２１内の処理水を各組２Ａ、２Ｂで共通の一つの流路にまとめ、共通マニホールド４の他方端部に設けられた処理水出口４６から外部に取り出すようになっている。

共通マニホールド４は、必要に応じて蓋体４２を取り外すことにより、濃縮水室４３を開放することができ、内部の状態、例えば各膜モジュール２の外筒２３との接続状態及びシール状態、更には、処理水流路５の接続状態及びシール状態を直接確認することができるようになっている。 また、蓋体４２は、蓋体４２を取り外すことなく直接確認することが出来得る素材を用いることも好ましいことである。

このような構成からなるユニット１は、膜モジュール２の長さ方向が床面に対して上下方向に沿うように組別マニホールド３、３がそれぞれ上下に配置され、同一構成のユニット１が床面に対して横方向に多数並設される。 そして、各組別マニホールド３の供給口３５からそれぞれ原水を供給すると、各組２Ａ、２Ｂの各膜モジュール２内の原水流路２４を流れる過程でろ過され、濃縮水が原水流路２４を通って各組２Ａ、２Ｂ共に共通マニホールド４の濃縮水室４３に流入し、排出口４５から排出される一方、処理水は各集水管２１から濃縮水室４３内の共通の処理水流路５に集められ、処理水出口４６からユニット１外に取り出される。

ユニット１は、各組２Ａ、２Ｂ間のマニホールドを１つの共通マニホールド４で共用しているため、図７に示すように同一構成のユニットを上下方向に多段状に設置する場合に比べて、上下の膜モジュールの間に配置される１つのマニホールドの分だけユニット１全体のサイズ（高さ）はコンパクトになる。 このため、各組別マニホールド３、３間の寸法が小さく抑えられ、設置高さを縮小することができる。

例えば、図７に示す上下２段のユニット構造とした場合、全体の高さｈは３２７０ｍｍとなったが、本発明によれば、これと同一長さの膜モジュール２を使用した場合でも、全体の高さＨは２９３０ｍｍで済むようになり、高さ寸法を抑えることができた。

これは、単にマニホールドが１つ分減っただけではなく、各マニホールドに対して接続される配管類も簡素化できることにもよる効果である。 すなわち、図７のようにユニット１００、１００を上下に２段に設置した場合、間に配置されるマニホールド１０３、１０３に対してそれぞれ接続される配管同士の干渉を避けるため、上下のマニホールド１０３、１０３間にスペースが必要となる。 しかし、本発明によれば、上下の膜モジュール２の間に配置されるマニホールドは共通マニホールド４の１つだけであり、この１つの共通マニホールド４に対して配管を接続するだけで済むようになるため、図７の場合のようにマニホールド１０３、１０３にそれぞれ接続される配管同士の干渉を考慮する必要はなくなる。 このため、共通マニホールド４を図７のマニホールド１０３と同一サイズとしても、高さ寸法をマニホールド１０３の１つ分以上縮小することが可能となる。

また、船舶内の高さスペースに余裕がある場合、本発明によれば、図７の場合に比べて１つのマニホールドが不要となった分だけ各膜モジュール２の長さを長くすることもできる。 膜モジュール２の長さを長くできることにより、各膜モジュール２の個々の膜面積を増大させることが可能となり、図７の場合に比べて膜処理量を増大させることができるようになる。

以上説明したユニット１は、組別マニホールド３内に原水室３３を形成し、共通マニホールド４内に濃縮水室４３を形成し、この濃縮水室４３内に処理水流路５を形成するようにしたが、図５に示すユニット１０のように、組別マニホールド３、３内にそれぞれ濃縮水室３３ａ、３３ａを形成し、共通マニホールド４内に原水室４３ａを形成するようにしても、全く同様の効果を得ることができる。

ここでは、各膜モジュール２の集水管２１の開口端部２１ｂを、それぞれ組別マニホールド３、３側に配向させ、その各濃縮水室３３ａ内にそれぞれ処理水流路５、５（図５においては図示せず）を配置している。 各組別マニホールド３、３における符号３６は処理水出口であり、符号３７は濃縮水の排出口である。 また、共通マニホールド４における符号４７は原水の供給口である。

なお、いずれのユニット１、１０においても、集水管２１の開口端部２１ｂは、組別マニホールド３と共通マニホールド４のいずれに配向されていてもよく、処理水流路５は、集水管２１の開口端部２１ｂが配向された組別マニホールド３内、共通マニホールド４内又はその両方に形成すればよい。

更に、図６に示すユニット１１のように、原水の供給口３５をいずれか一方の組別マニホールド３（図示下側）のみに設け、他方の組別マニホールド３（図示上側）のみに濃縮水の排出口３７を設けるようにしてもよい。 この態様では、図示上側の組別マニホールド３内が濃縮水室４３となり、図示下側の組別マニホールド３内が原水室３３となり、共通マニホールド４内は図示下側の組別マニホールド３から供給されて図示下側の膜モジュール２を通過した濃縮水を更に図示上側の膜モジュール２に供給するための流路となる。 これによれば、原水の供給口３５、濃縮水の排出口３７及び処理水出口４６をユニット１１内にそれぞれ１つずつ設けるだけで済むため、配管接続数やバルブ数が減少し、設置作業も簡素化できる利点がある。

以上の説明では、いずれのユニット１、１０、１１を縦に設置する場合を例示したが、これらを横向きに設置して使用してもよいことはもちろんである。 ユニット１、１０、１１を横向きに設置することで横方向の寸法が小さく抑えられ、横方向の設置スペースの低減を図ることができる。

また、膜モジュール２による原水の処理は、膜面平行流を形成したいわゆるクロスフローによるろ過を行うものに限らず、濃縮水室側の流路を弁で閉鎖することによってデッドエンド方式による全量ろ過を行うようにしてもよい。

１、１０、１１：バラスト処理用膜モジュールユニット（ユニット）
２：スパイラル膜モジュール（膜モジュール）
２１：集水管 ２１ａ：閉鎖端部 ２１ｂ：開口端部 ２２：封筒状膜 ２２ａ：透過側スペーサ ２３：外筒 ２４：原水流路 ２５：スペーサ ３：組別マニホールド ３１：本体 ３２：蓋体 ３３：原水室 ３３ａ：濃縮水室 ３４：接続開口部 ３５：供給口 ３６：処理水出口 ３７：排出口 ４：共通マニホールド ４１：本体 ４２：蓋体 ４３：濃縮水室 ４３ａ：原水室 ４４：接続開口部 ４５：排出口 ４６：処理水出口 ４７：供給口 ５：処理水流路