JP2000033238A

JP2000033238A - 膜面に形成されたファウリング層の除去方法

Info

Publication number: JP2000033238A
Application number: JP10201610A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yonekawa; 均米川; Nobuhiro Aoki; 伸浩青木; Shinshiro Kanetani; 新志郎金谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2000-02-02
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP3323812B2

Abstract

(57)【要約】【課題】膜面に形成されたファウリング層を、薬品洗
浄に頼ることなく確実に除去することができる方法を提
供する。【解決手段】膜ろ過により膜面に形成されたファウリ
ング層（ケーキ層・ゲル層・スケール層・微生物スライ
ム層）を、好ましくは膜の一次側への通気により乾燥収
縮させ、膜面から剥離させる。また乾燥収縮させたう
え、ガス体あるいは液体により膜面から剥離させるよう
にしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜ろ過能力の回復
あるいは膜の薬品洗浄の前処理の目的で行われる膜面に
形成されたファウリング層の除去方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に膜によりろ過を継続すると、膜孔
が次第に閉塞したり、膜面上でケーキ層・ゲル層・スケ
ール層が成長し、あるいは微生物自身の増殖・微生物が
産成する代謝物の蓄積による微生物スライム層が形成さ
れ、さらには膜面上の空間がこれらで完全閉塞され、膜
ろ過能力が著しく阻害されることが避けられない。

【０００３】このような原因による膜ろ過能力の低下は
ファウリングと称され、上記のケーキ層・ゲル層・スケ
ール層・微生物スライム層等をファウリング層と総称す
る。このようなファウリング層の形成を抑制したり、膜
面からファウリング層を除去するために、従来から様々
な技術が開発されている。その代表的なものを以下に列
記する。

【０００４】▽クロスフローろ過：膜面上の被ろ過原水
を高流速で流し、その剪断力あるいは掃流効果により、
ケーキ層・ゲル層の堆積を低減する。 ▽逆圧洗浄：膜ろ過水、あるいは高圧空気を膜の二次側
から逆流させて、膜面上のケーキ層・ゲル層を剥離させ
る。 ▽低圧ろ過：膜面にかかる差圧をできるだけ低圧に維持
し、形成したケーキ層・ゲル層の圧密化を最小限にする
ことで、該層の比抵抗の上昇を避け、膜ろ過能力の低下
を防ぐと共に、逆圧洗浄の剥離効果を上げる。 ▽間欠ろ過：ろ過を一時的に停止し、圧密化したケーキ
層・ゲル層を緩和させることにより、比抵抗を回復させ
ると共に、逆圧洗浄の剥離効果を上げる。あるいは、ろ
過停止することで、膜面から被処理原水中への拡散効果
により、ケーキ層・ゲル層を減少させる。 ▽凝集処理：原水中の微細な懸濁粒子あるいは溶解状態
に近いコロイダル粒子などを凝集によりマイクロフロッ
ク化し、膜孔内への侵入を防ぐと共に、堆積ケーキ層の
比抵抗を低値に維持する。また、そのケーキ層の逆圧洗
浄性も良好に維持できる。 ▽薬品注入法：前処理として、塩素・オゾンなどを加
え、その酸化力により被処理原水のろ過性を改善すると
ともに、強力な殺菌効果により、膜面上の微生物スライ
ムの発生を抑制する。また、閉塞あるいはファウリング
したケーキ層・ゲル層の有機物を分解し、ファウリング
進行あるいは比抵抗の上昇を抑制する。 ▽逆洗水への塩素添加：逆圧洗浄を行う洗浄水中に塩素
を添加し、膜の二次側から膜のファウリング物質に塩素
を接触させることにより、膜孔あるいは膜面上のファウ
リング物質の分解〜剥離を促進し、また、塩素の殺菌効
果により微生物スライムの発生も抑制する。 ▽生物分解法：膜面上の一次側空間にて、活性汚泥様の
微生物を高濃度かつ、飢餓状態にさらすことで、膜面上
に形成されるケーキ層・ゲル層あるいは微生物スライム
と言われる微生物体あるいはその代謝物を分解／資化さ
せることにより、膜面上の付着閉塞物の増加を抑制す
る。 ▽空気揺動法：槽浸漬式の外圧中空糸膜において、中空
糸膜外面側を粗大気泡を上昇通過させることで中空糸膜
を揺さぶり、その局所的乱流効果あるいは中空糸膜自身
に微小な降伏強度以内の変形を与えることにより、膜面
上に形成したケーキ層・ゲル層を剥離させる。（セラミ
ック外圧管状膜においては、局所的乱流効果だけであ
る。） ▽スクレーパー方式：堆積したケーキを回転運動等によ
り、膜面に接触しない程度にスクレーパーでケーキ層を
直接削り取る方法。スクレーパーが膜に接すると、膜面
に損傷を与えるため、あまり薄くは削り取ることはでき
ない。 ▽膜振動法：膜自身に往復あるいは回転往復振動を与
え、膜面上の物質移動係数を高い状態に維持すること
で、膜面上のケーキ層・ゲル層の形成を防ぐ。 ▽スポンジ・ボール洗浄：内圧管状膜では、その内径に
略等しいスポンジ状の略球状物をクロスフローさせる原
水中に定期的に同伴させることで、膜面を擦過し、形成
するケーキ層・ゲル層を削り取る。

【０００５】実用的には、上記した各種の技術を組み合
わせてファウリング層による膜のろ過能力の低下を抑制
しつつ運転がなされているが、どの方法を採用しても中
長期的には、膜のファウリングに伴うろ過能力の低下を
避けることはできない。また実用範囲においては、膜ろ
過流束を高める程、膜のファウリング速度が上昇するこ
とが知られている。従って膜のファウリングを防止する
ためには膜ろ過流束は小さい方が好ましいのであるが、
膜を経済的に使用するには、設備費、運転費、設備設置
面積のいずれの面でも、膜ろ過流束を高くすれば良いこ
とは自明である。その結果、実用的には膜ろ過流束をあ
る程度低めに設定して薬品洗浄頻度を抑制しつつ、閉塞
が進行した膜は薬品洗浄によりファウリング層を分解・
除去する方法を取らざるを得ないのが実情である。

【０００６】しかし、この薬品洗浄も次のような多くの
実用化上の障害を持つ。 ▽薬品洗浄の間、ろ過停止となるため補完の措置が必要
となる。 ▽薬品洗浄の実施時期判断に技術性が必要。判断を誤る
と、膜が劣化したり、薬品洗浄による回復可能範囲を超
え、膜交換が必要となる。 ▽薬品洗浄に用いる薬種選定、濃度選定、多段洗浄の組
合せ選定に技術性が必要。 ▽多量の薬液が必要。さらに多量の洗浄廃液が発生し、
結果として産業廃棄物が生ずる。 ▽膜装置の残留薬液を洗い流すのに、薬液容積の何倍も
の、洗浄水が必要となり、これ自身が産業廃棄物とな
り、あるいは除害処分が必要となる場合がある。 ▽薬液が残留していると、運転再開後の膜ろ過水に混入
し、多くの場合、問題が生ずる。従って、運転復帰の
際、残留確認を確実に行うことが必要となる。 ▽薬品洗浄の頻度、薬液濃度、薬種は、膜装置内の接液
部に腐食・溶解などの悪影響を与え、機器類寿命を短縮
したり、設備製作費の上昇をもたらす。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した従来
の問題点を解決し、膜面に形成されたファウリング層
を、薬液に頼ることなく確実に除去することができる方
法を提供することである。しかし本発明は必ずしも薬品
洗浄を排除するものではなく、薬品洗浄の前処理として
実施することにより、薬品洗浄の負荷を軽減することも
可能である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めになされた請求項１の発明は、膜ろ過により膜面に形
成されたファウリング層を、乾燥させることにより収縮
させて膜面から剥離させることを特徴とするものであ
る。また、請求項２の発明は、薬品洗浄の前処理とし
て、膜ろ過により膜面に形成されたファウリング層を乾
燥させることにより収縮させ、膜面から剥離させること
を特徴とするものである。いずれの発明においても、乾
燥・収縮させたファウリング層を、ガス体あるいは液体
により膜面から剥離させるようにしてもよい。このファ
ウリング層の乾燥は、膜の一次側への通気により行わせ
ることができ、対象となる膜面は、ケーシング収納型の
膜エレメントあるいは槽浸漬の膜エレメントの膜面のい
ずれでもよい。

【０００９】このように、本発明は膜孔や膜面上に付着
したケーキ層・ゲル層等が成長した段階あるいは薬品洗
浄の前処理段階で、この付着閉塞層であるファウリング
層を乾燥させることにより収縮させ、膜面からの剥離除
去を行うものであり、この際に膜孔に入り込んで膜孔を
閉塞しているファウリング層も除去することができる。
従来はろ過膜の表面を乾燥させることは膜の性状を変化
させるおそれがあるために避けるべきこととされてお
り、本発明はこの従来の常識を覆してなされたものであ
る。

【００１０】本発明者の観察によれば、膜のろ過能力を
低下させるケーキ層・ゲル層等の固形物濃度は概ね0.1
〜20％の範囲にあり、特殊な性状の濃縮物質を除き、乾
燥される過程で収縮が伴う。これは、水分が80〜99．9
％の範囲で固形物の間に介在していたり、例えば蛋白質
のような有機物質であれば、自由水分・付着水分などの
形態で固形物の隙間空間に保持されていたり、原子・分
子レベルで物理的・化学的吸着した状態で存在してお
り、これらの水分子が乾燥により固形物から抜け出す際
に、固形物自身に収縮を引き起し、外見的に観察される
収縮を引き起こすためである。

【００１１】本発明により膜面上のケーキ層・ゲル層等
のファウリング層を乾燥させれば、例えば、膜面上に堆
積したケーキ層・ゲル層と膜面の接触面では、ケーキ層
・ゲル層の乾燥収縮に膜面が追従できなくなり、剥離が
生じる。また、膜表面に近い膜孔内に侵入し、閉塞した
目詰まり物質があれば、乾燥により著しい容積減少、す
なわちサイズ減少が生じるため、膜孔から系外への脱落
が容易となる。この結果、ファウリング層が除去されて
膜のろ過能力が回復し、薬品洗浄が不要となったり、仮
に薬品洗浄が必要であってもその負担を大幅に軽減させ
ることが可能となる。

【００１２】本発明は、精密ろ過膜及び限外ろ過膜（孔
径0.003 〜10μm)に対して特に有効である。また本発明
は、モノリス型の膜のほかに、内圧・外圧中空糸膜、内
圧・外圧管状膜、平膜（回転型、袋型、積層型）にも適
用することができる。モジュール形態は、ケーシング収
納型のほかに槽浸漬型であってもよい。ファウリング層
の乾燥とともに膜自体でも乾燥が進むため、本発明が適
用できる膜は、アルミナ、チタニア、ジルコニア等のセ
ラミック膜のほか、ガラス系、金属系の膜や、テフロン
等の耐乾燥性を有する高分子系の材料よりなる膜であ
る。

【００１３】乾燥を実施すべき時期は、目的により異な
る。即ち、膜ろ過能力の回復を目的とする請求項１の発
明の場合には、ろ過期間中に膜のファウリングにより差
圧が上昇した時あるいはろ過流量が低下した時に行えば
よく、薬品洗浄の負担軽減を目的とする請求項２の発明
の場合には、薬品洗浄の前に行えばよい。

【００１４】乾燥に先立ち、膜の一次側及び二次側の保
有水を排出することが好ましい。モノリス膜の場合に
は、一次側と二次側の保有水を排出後に二次側から空気
圧を加え、膜エレメント内部の保有水を膜面へ押し出す
ことが好ましい。槽浸漬型の膜は槽内を排水するか、膜
を槽外に搬出することが必要である。

【００１５】乾燥は好ましくは一次側への通気乾燥によ
り行う。しかし膜の材質、形状、形態や設置条件によっ
ては自然乾燥を行ってもよい。通気乾燥の場合には、0
〜60℃の空気を用いることが好ましい。温度が0 ℃以下
では水分が凍結してファウリング層の剥離が妨げられ、
60℃以上ではファウリング層の剥離性が低下したり、発
火・燃焼等により乾燥物の変成が生ずるので好ましくな
い。通気手段は一般的には送風機であるが、ブロワや空
気槽に蓄圧された圧縮空気であってもよい。加温のた
め、ヒーターや熱交換器を併用してもよい。乾燥を促進
するために、通気される空気の相対湿度は70％以下とし
ておくことが好ましい。除湿器による除湿を併用するこ
とも効果的である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を示す。図１は、モノリス型のセラミック膜エレメント
１をケーシング２に収納したケーシング収納型の膜モジ
ュールを示す。この膜エレメントは鉛直に設置され、例
えば一次側の原水供給口３から原水を供給し、膜ろ過水
を二次側の膜ろ過水取り出し口４から取り出すデッドエ
ンドろ過法で運転される。ろ過の継続により膜表面にフ
ァウリング層が形成された際、次の手順によりファウリ
ング層を膜面から剥離させる。

【００１７】まず、原水および膜ろ過水をケーシング２
の内部から排出した後、二次側の膜ろ過水取り出し口４
から加圧空気を導入してモノリス型のセラミック膜エレ
メント１の保有水を膜面まで押し出す。次に図２のよう
に、ケーシング２の上部の開口５から送風機により乾燥
用の空気を下向きに通気し、セラミック膜エレメント１
を一次側から乾燥させる。その結果、膜表面に付着して
いるファウリング層は乾燥し収縮するが、セラミック膜
エレメント１自体は収縮しないために、ファウリング層
の剥離が始まる。乾燥の初期には、乾燥用空気の出口温
度は入口温度に比べて低いが、乾燥の進行に伴って出口
温度は上昇し、入口温度と略同温となったときに乾燥を
終了する。

【００１８】なお、この実施形態において乾燥用空気を
下向きに通気したのは、下向流の方が剥離した乾燥物が
空気流に乗って排出され易いことと、乾燥に伴う冷却に
より空気の密度が増加すること、上記したようなデッド
エンドろ過の場合には上部のケーキ層がより厚くなる場
合が多いため、上方から乾燥用空気を流すことにより乾
燥効率を上げることができるためである。

【００１９】乾燥終了後、乾燥物をケーシング２内から
確実に排除するために、空気又は水を用いることができ
る。空気を用いる場合には、乾燥終了後に二次側から加
圧空気を流して剥離を促進したうえ、一次側上部から低
圧空気で下向きのブローを行い、乾燥物を下方に排出さ
せる。水を用いる場合には、二次側から膜ろ過水などの
清澄な水を導入して膜内を逆流させ、膜内部の乾燥収縮
物を押し出しつつ、膜面から剥離しかけた乾燥収縮物を
洗い流す。その後、一次側上部から加圧空気を導入し、
一次側に保持された上記の逆流水を下方に押し出し、ケ
ーシング２の内部から排出させればよい。次に、本発明
の効果を実施例により確認した結果を示す。

【００２０】

【実施例】アルミナ製のセラミック膜エレメント（外径
30mm、流路内径2.5mm 、流路数61、膜面積0.48m²、膜孔
径0.1 μm のモノリス膜) を用い、流束1.2m／日のろ過
条件で連続運転を行った。原水には山間の河川表流水を
用い、ポリ塩化アルミニウムによる凝集操作を前処理と
して行った。運転期間中、６時間毎に逆洗を行っていた
が、膜の表面に通常の逆洗操作では除去できないファウ
リング層が次第に形成され、ろ過能力が低下した。顕微
鏡観察によるファウリング層の厚みはおよそ0.3 〜0.5m
m で、膜面のほとんどの部分が覆われていた。

【００２１】このようにファウリングした膜エレメント
２本を用い、まず乾燥前の純水補正流束を測定した。次
に温度49℃、相対湿度21％の空気を65L/分の流量で膜の
一次側に上から下に流し、ファウリング層を乾燥させ
た。乾燥中は出口空気温度、出口空気湿度、膜重量を記
録し、これらの値の変化が少なくなったところで乾燥を
終了した。終了時の出口空気温度は39℃、相対湿度は31
％であった。なお、１本（ＲＵＮ１）は純水フラックス
を測定してから一次側と二次側の保有水を排出した後に
上記の乾燥を行い、他の１本（ＲＵＮ２）はＲＵＮ１と
同様な保有水排出の後、さらに二次側に3kgf/cm²の圧力
で空気を加え、膜の多孔質部分の水分を押出してから上
記の乾燥を行った。

【００２２】乾燥が終了した膜に、エア逆洗（二次側か
ら一次側へ2kgf/cm²の圧力で５秒間通気）及びエアブロ
ー（一次側の上から下向きに2kgf/cm²の圧力で５秒間通
気）を行い、さらに水による逆洗（4kgf/cm²の圧力で３
秒通水）とブロー（1.5kgf/cm²の圧力で３秒間通気）を
行った。

【００２３】膜の補正流束は、ＲＵＮ１では乾燥前は0.
36m/日であったが乾燥後は11.99m/ 日となり、ＲＵＮ２
では乾燥前は0.73m/日であったが乾燥後は12.89m/ 日と
なった。なお、使用した膜の初期補正流束は20m/日であ
り、いずれのサンプルも初期の６割まで回復した。ここ
で補正流束とは、膜ろ過流束を水温25℃、膜差圧98.1kP
a の条件に換算した値を意味する。

【００２４】膜ろ過では、膜差圧＝流束×透過抵抗と表
すこともでき、透過抵抗＝膜差圧／流束の右辺は補正流
束の逆数となる。上記のＲＵＮ１における補正流束を透
過抵抗で評価すると、初期補正流束の20m/日に対応する
膜自身の透過抵抗は0.05、乾燥前の補正流束0.36m/日は
2.78、乾燥後の補正流束12.89m/ 日は0.08である。従っ
て、ファウリング層による閉塞抵抗は乾燥前は2.78-0.0
5 ＝2.73であったのが、乾燥後は0.08-0.05 ＝0.03にま
で減少したこととなり、ファウリング層による閉塞抵抗
は約99％まで回復したこととなる。

【００２５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば
薬品洗浄によらずファウリング層を確実に除去すること
ができる。このため、本発明を膜ろ過性能の回復の目的
で実施すれば、次のような多くの効果を得ることができ
る。維持管理上、困難が伴う薬品洗浄の回数を削減でき
る。薬品廃液の処理処分量を低減できる。薬品洗浄の発生頻度を考慮する必要性が低下するた
め、膜ろ過流束の設計値を高くできる。これにより、膜設備建設費、膜交換費が主体となる
維持管理費を大幅に低減することができる。

【００２６】また、本発明を薬品洗浄の前処理の目的で
実施すれば、次のような多くの効果を得ることができ
る。薬品洗浄の負担が軽減されるため、薬液濃度の低
減、薬品洗浄時間の短縮、薬品使用量の減少を図ること
ができる。廃液濃度も低下するため、その処理処分が容易とな
る。操作の安全性が高まり、接液部の腐食等の劣化も低
下するため、装置材料費も低減できる。洗浄液の変成（濃度低下、汚濁）が少ないため、薬
液の再利用が可能となる。例えば次亜塩素酸ナトリウム水溶液を洗浄液として
使用する場合にも、毒性・発症性の高い副生成物の発生
が抑制できる。洗浄液濃度が低いため、残留薬液を洗い流す洗浄水
量が削減でき、その洗浄時間も短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す断面図である。

【図２】本発明の乾燥工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１セラミック膜エレメント、２ケーシング、３一
次側の原水供給口、４二次側の膜ろ過水取り出し口、５
上部の開口

フロントページの続き (72)発明者金谷新志郎愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 4D006 GA06 GA07 HA18 HA19 HA27 HA28 HA42 HA62 HA93 JA18A JA22Z JA25Z KA02 KA41 KB13 KC03 KC14 KC16 KC27 KD08 KD24 KE16Q MA01 MA02 MA03 MA22 MC02 MC03 MC04 MC30 PA01 PB02 PB04 PB08 PC51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜ろ過により膜面に形成されたファウリン
グ層を、乾燥させることにより収縮させ、膜面から剥離
させることを特徴とする膜面に形成されたファウリング
層の除去方法。
【請求項２】薬品洗浄の前処理として、膜ろ過により膜
面に形成されたファウリング層を乾燥させることにより
収縮させ、膜面から剥離させることを特徴とする膜面に
形成されたファウリング層の除去方法。
【請求項３】乾燥・収縮させたファウリング層を、ガス
体あるいは液体により膜面から剥離させる請求項１又は
２に記載の膜面に形成されたファウリング層の除去方
法。
【請求項４】ファウリング層を、膜の一次側への通気に
より乾燥させる請求項１〜３の何れかに記載の膜面に形
成されたファウリング層の除去方法。
【請求項５】膜面が、ケーシング収納型の膜エレメント
あるいは槽浸漬の膜エレメントの膜面である請求項１〜
４の何れかに記載の膜面に形成されたファウリング層の
除去方法。