JP2000167554A

JP2000167554A - 造水方法および膜分離装置

Info

Publication number: JP2000167554A
Application number: JP9190499A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Ikeda; 啓一池田; Masahiro Kihara; 正浩木原; Takuhei Kimura; 拓平木村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】膜分離装置において、被処理水中に含まれてい
る微生物によるファウリングを確実に抑制し、安定した
運転を行う。【解決手段】細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にあるろ
過膜に被処理水を通過させてその被処理水中の不純物を
除去するに際し、少なくとも一時的に前記被処理水また
は逆洗水のｐＨを４以下に保持して造水を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、食品や医療分野、
飲料水製造分野、工業プロセス用水製造分野、排水処理
分野などで好適に使用できる膜分離装置および造水方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】膜分離は、膜の孔径よりも大きなものを
膜表面に止め、より小さいもののみを通過させるという
分離機構を有する。この膜分離技術は、これまで技術的
に困難であったり、高コストであった海水およびかん水
の淡水化、飲料水製造、工業廃水処理、都市の下水処
理、工業用超純水の製造、食品工業、医療など幅広い分
野に利用されており、将来も、水処理の中心技術として
期待されるものである。

【０００３】一方、これら膜分離プロセスを安定に運転
させるにあたり、大きな問題となっているものとしてフ
ァウリングが挙げられる。ファウリングは、被処理水中
に含まれる溶質が膜によって阻止されることにより、膜
の目詰まりや付着層の形成をもたらし、透過性や分離性
の低下を引き起こす現象である。ファウリングの原因物
質としては濁質、金属酸化物、有機物、微生物などが挙
げられるが、微生物の場合、一度膜に付着すると繁殖し
ていき、膜面全体に汚染が広がる。さらにこのようにバ
イオファウリングが起こると、膜プロセスの運転時とは
逆の圧力をかける逆洗や、散気によって膜を揺らして汚
れを剥離させるエアースクラビングなどの物理洗浄で
は、微生物を除去するのは困難である。また膜材質(セ
ルロース系)によっては微生物の資化によって膜が劣化
する場合があるため、深刻な問題となっている。

【０００４】さらに、バイオファウリングが生じ、膜プ
ロセスに影響を及ぼしている事例について検討を行った
結果、ろ過膜の細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲で問題
となっていることが判明した。この原因について調査し
たところ、一般に１０μｍ以上のろ過膜はバイオファウ
リングの原因となる生物が膜孔径以下であるため、膜を
通過してしまい、バイオファウリングは発生しにくい。
また、細孔径が１ｎｍ以下のろ過膜を用いたシステムで
は、通常は膜プロセスの前段において、一定以上の不純
物を除去する前処理を施すため、バイオファウリングが
ある程度抑制される。

【０００５】したがって、膜孔径が１ｎｍ〜１０μｍの
範囲にある場合にバイオファウリングを抑制するための
効果的な対策が求められている。

【０００６】そこで、この問題を回避するため、膜分離
装置の殺菌方法として殺菌剤を常時、あるいは間欠的に
被処理水に添加する方法や、ろ過方式や膜材質によって
は逆洗工程で洗浄水に殺菌剤を注入する方法がとられ
る。

【０００７】殺菌方法としては、実績があり、価格、操
作面でも有利な塩素系殺菌剤を０．１〜５０ｐｐｍ程度
の濃度になるよう添加するのが最も一般的である。とこ
ろが塩素系殺菌剤はろ過膜に化学的劣化を生ぜしめるこ
とが多いため、殺菌剤をろ過膜に供給する前に、還元剤
を用いて遊離塩素を還元する必要がある。還元剤として
は一般的に亜硫酸水素ナトリウムを１〜１０倍当量添加
する。これは残存殺菌剤を完全に消去すると同時に、還
元剤が溶存酸素とも反応することを考慮した濃度であ
る。しかし、本方法で運転を続けてもファウリングを生
じる場合があることから、このような操作方法が微生物
を殺菌するのに必ずしも十分ではないことが明らかにな
っている。

【０００８】また、被処理水中にフミン質などの有機物
成分が多量に含まれている場合、それが塩素と反応し、
発ガン性物質であるトリハロメタンが生成する危険性を
はらんでいることから、塩素系殺菌剤を使用するときは
慎重に対処しなければならない場合がある。

【０００９】現在までの検討により、亜硫酸水素ナトリ
ウムを間欠的に、通常５００ｐｐｍの濃度で添加するこ
とによって殺菌する方法が開発され、広く使用されるに
至っている。その特長として、被処理水中の酸素を除去
できること、およびｐＨを低下させ殺菌がより効果的に
行われること、が挙げられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、亜硫酸
水素ナトリウムを添加する方法をとった場合、中性〜弱
アルカリ性で生息する一般の好気性細菌にとって、酸素
が除去された嫌気状態は、生物の繁殖を抑制できても死
に至る環境ではない。さらに、亜硫酸水素ナトリウムで
はｐＨは低下するものの、被処理水の塩濃度によっては
充分に殺菌できるほどのｐＨに保持することは困難であ
ることが次第に明らかになってきた。その結果、微生物
が膜に堆積し、バイオファウリングを生じてしまう。特
に海水のように塩濃度の高い被処理水では、５００ｐｐ
ｍという高濃度の亜硫酸水素ナトリウムを添加しても、
一般細菌が死滅するほどにはｐＨは低下せず、高価な亜
硫酸水素ナトリウムをさらに高濃度添加しつつ随時ｐＨ
を制御するために添加量を調節する必要があり、経済性
を考えると実用的ではなかった。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術を解決し、
バイオファウリングを防止するための容易かつ効果的な
方法および膜分離装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にあるろ
過膜に被処理水を通過させてその被処理水中の不純物を
除去するに際し、少なくとも一時的に前記被処理水のｐ
Ｈを４以下に保持する造水方法を特徴とするものであ
る。このとき、ｐＨを４以下に保持する時間が２４時間
あたり５分〜５時間の範囲にあることが好ましい。

【００１３】また、本発明は、細孔径が１ｎｍ〜１０μ
ｍの範囲にあるろ過膜に被処理水を通過させてその被処
理水中の不純物を除去するに際し、洗浄水のｐＨを少な
くとも一時的に４以下に保持しつつろ過膜を逆洗する造
水方法を特徴とするものである。このとき、ｐＨを４以
下に保持する時間が２４時間あたり５分〜２時間の範囲
にあることが好ましい。

【００１４】そして、上記いずれかの造水方法において
は、硫酸の添加によりｐＨを４以下に保持することが好
ましい。

【００１５】さらに、本発明は、被処理水に含まれる不
純物を除去する、細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にあ
る分離膜と、前記被処理水のｐＨを少なくとも一時的に
４以下に保持するための手段を具備している膜分離装
置、および、被処理水に含まれる不純物を除去する、細
孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にある分離膜と、分離膜
の逆洗手段とを備え、その逆洗手段は逆洗水のｐＨを少
なくとも一時的に４以下に保持するための手段を具備し
ている膜分離装置を特徴とするものである。

【００１６】ここで、分離膜がポリアクリロニトリル、
ポリエチレン、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリエー
テルスルホン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリ
フェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホ
ン、ポリフッ化ビニリデンおよびセラミックからなる群
から選ばれる少なくとも１つを含んでいること、また、
分離膜が中空糸膜であることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の造水方法は、図１に示す
ような装置を用いて実施することができる。図１の造水
装置は、中空糸膜などを用いた分離膜モジュール５が、
圧力センサ４を備えた配管を介してポンプ（加圧送液手
段）２に接続され、透過水のｐＨを調整するための手段
３と電磁バルブ６ｂを備えた配管を介して透過水タンク
７に接続されている。また、分離膜モジュール５には、
モジュール内の処理水を排出するための電磁バルブ６
ａ、６ｃが設けられており、被処理水タンク１には、被
処理水が蓄えられるとともに、ポンプ２へ被処理水を供
給する配管および被処理水をｐＨ４以下に保持するため
の手段９が配されている。さらに、逆洗水タンク８が電
磁バルブ６ｄ、６ｅを介して配管および透過水タンク７
に接続されている。

【００１８】さて、通常造水時における運転は、ポンプ
２によって被処理水を分離膜モジュール５に加圧供給す
ることにより行われる。その際、電磁バルブ６ａ、６ｃ
は閉止され、被処理水の全量がろ過処理される。透過水
はｐＨを調整するための手段３によってｐＨが調整さ
れ、透過水タンク７に蓄えられる。

【００１９】一方、逆洗時には、逆洗水タンク８に蓄え
られた透過水を分離膜５へ通常運転時とは逆の方向から
供給し、電磁バルブ６ａから排出する。また、エアスク
ラビング洗浄時は、分離膜モジュール５の下部からエア
を導入し、内部の分離膜を揺動させた後、モジュール内
の汚水を電磁バルブ６ｃから排出する。なお、上記の洗
浄時はいずれも電磁バルブ６ｂを閉止して行う。

【００２０】本発明においては、被処理水のｐＨを少な
くとも一時的に４以下に保持する期間を設けることが必
要である。ｐＨを４以下とすることにより、微生物の増
加を抑制する効果が顕著にあらわれる。

【００２１】ｐＨを４以下にする具体的な手段として
は、酸の添加が好ましい。ここで用いる酸としては、有
機酸、無機酸いずれを用いても差し支えないが、安価で
あり、少量で高い酸性を得られる硫酸を用いることが好
ましい。ここで、硫酸の添加量は被処理水の塩濃度に比
例させるとよい。たとえば、塩濃度が少ない河川表流水
や湖沼水や地下水の場合は、硫酸濃度を５０〜１００ｐ
ｐｍ、通常の海水（塩濃度約３．５％）では１２０〜２
５０ｐｐｍ、更に好ましくは１５０〜２００ｐｐｍとな
るよう硫酸を添加するとよい。

【００２２】被処理水のｐＨを４以下に保持する期間
は、間欠的に設けられることが好ましい。ここで、ろ過
膜の逆洗時に用いる逆洗水のｐＨを４以下に保持すれ
ば、膜に供給される水のｐＨは必然的に間欠的となり、
別途間欠的にｐＨを４以下に制御する手段を設けなくて
も良いため設備費の節約につながり好ましい。常時ｐＨ
を４以下にすると、酸性で腐食しやすい材料を装置に使
用することができにくくなる。さらに、分離膜が高分子
素材のものである場合、それらが常時酸性にさらされる
ことは通常好ましくない。

【００２３】被処理水のｐＨが４以下に保持する時間
は、使用場所、使用条件などで異なるが、２４時間あた
り５分〜５時間の範囲が好ましく、より好ましくは１０
分〜３時間の範囲である。また、逆洗水をｐＨを４以下
に保持する場合には、５分〜２時間の範囲が好ましい。
そして、この処理を１日ごと、１週間ごと、１ヶ月ご
と、といった一定の間隔で行うことが好ましい。この間
隔は、膜の透過水量の減少、濃縮液の生菌数や含有有機
炭素の増加、膜圧の上昇などによって適宜決定する。

【００２４】また、被処理水のｐＨを４以下に保持する
タイミングは、ろ過運転中、物理洗浄中、休止時のいず
れでも本発明の効果は損なわれないが、物理洗浄中もし
くは物理洗浄の直前にｐＨを４以下に保持すると洗浄効
果が高くなり好ましい。そして、非連続的に造水を行う
場合には、休止時に処理を行うとよい。

【００２５】分離膜は、精密ろ過膜や限外ろ過膜が好適
に使用でき、形状的には、中空糸膜、管状膜、平膜など
を用いることができる。一般的な飲料水製造分野、すな
わち浄水処理や用水製造などの水処理用途には、装置単
位体積あたりの有効膜面積を大きくできる中空糸膜を用
いるのが好ましい。

【００２６】分離膜の素材としては、酸に強い素材が好
ましく、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリス
ルホン、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリプ
ロピレン、酢酸セルロース、ポリフェニレンスルホン、
ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフッ化ビニリ
デンなどの高分子素材やセラミックなどの無機素材を挙
げることができる。中でも、微生物を含めた汚染物質を
除去しやすいことから、親水性の素材であるポリアクリ
ロニトリル、酢酸セルロース、ポリフェニレンスルホ
ン、ポリフェニレンスルフィドスルホンが耐汚性や洗浄
回復性に優れ好ましい。

【００２７】分離膜の孔径は１ｎｍ〜１０μｍの範囲に
あることが好ましい。１ｎｍを下回ると、被処理水の溶
質が多い場合にろ過圧力の上昇が起こりやすくなる。ま
た、１０μｍを上回ると、微生物などを捕捉することが
できにくくなる。

【００２８】

【実施例】（実施例１）平均孔径０．０１μｍのポリア
クリロニトリル製中空糸膜を束ねた、長さ約１ｍ、有効
膜面積１２ｍ²の加圧型中空糸膜モジュールを用い、愛
媛県伊予郡沖の海水を被処理水として用いて、図１のよ
うな膜分離装置を３ヶ月間連続運転し、定流量全ろ過を
行った。

【００２９】ろ過運転は、分離膜の被処理水側の加圧ポ
ンプで被処理水を加圧供給することにより行った。ろ過
線速度は１ｍ／ｄとした。洗浄は海水にはｐＨが３．８
となるように硫酸を加えて、１日に３０分通水した。そ
の結果、３ヶ月後でろ過差圧２５ｋＰａと運転開始直後
とほとんど変わらず、安定した低圧力運転を行えた。ま
た、海水中と物理洗浄後の排水中に含まれる一般細菌数
を測定したところ、海水には３７０個／ｍｌであった
が、モジュール内の被処理水には２個／ｍｌであったこ
とから硫酸の殺菌効果は大きいと認められた。結果を表
１に示す。（実施例２）平均孔径０．０１μｍのポリアクリロニト
リル製中空糸膜を束ねた、長さ約１ｍ、有効膜面積１２
ｍ²の加圧型中空糸膜モジュールを用い、琵琶湖水を被
処理水として用いた膜分離装置を３ヶ月間連続運転し、
定流量全ろ過を行った。膜分離装置を図１に示す。

【００３０】ろ過運転は、分離膜の被処理水側の加圧ポ
ンプで被処理水を加圧供給することにより行った。ろ過
線速度は０．８ｍ／ｄとした。また、被処理水の湖水に
ｐＨが３．９となるような硫酸を加えて、１日に１時間
通水した。その結果、３ヶ月後でもろ過差圧は２５ｋＰ
ａと運転開始直後とほとんど変わらず、安定した低圧力
運転を行えた。また、湖水中と物理洗浄後の排水中に含
まれる一般細菌数を測定したところ、湖水には２５０個
／ｍｌであったが、モジュール内の被処理水には１個／
ｍｌであったことから硫酸の殺菌効果は大きいと認めら
れた。結果を表１に示す。（実施例３）平均孔径０．０１μｍのポリアクリロニト
リル製中空糸膜を束ねた、長さ約５０ｃｍ、有効膜面積
０．５ｍ²の加圧型中空糸膜モジュールを用い、琵琶湖
水を被処理水として用いた膜分離装置を２ヶ月間連続運
転し、定流量全ろ過を行った。膜分離装置を図１に示
す。

【００３１】ろ過運転は、分離膜の被処理水側の加圧ポ
ンプで被処理水を加圧供給することにより行った。ろ過
線速度は１．２ｍ／ｄとした。また、１時間毎に３０秒
間の逆洗とエアースクラビングによる物理洗浄を行った
が、この逆洗水には硫酸を加えてｐＨが３．５とした。
その結果、２ヶ月後でもろ過差圧は３５ｋＰａと運転開
始直後の２５ｋＰａから僅かに上昇しただけで、安定し
た運転が行えた。また、湖水中と物理洗浄後の排水中に
含まれる一般細菌数を測定したところ、湖水には２５０
個／ｍｌであったが、モジュール内の被処理水には０個
／ｍｌであったことから硫酸の殺菌効果は大きいと認め
られた。結果を表１に示す。（比較例１）被処理水である海水のｐＨを４以下にする
期間を設けなかった他は、実施例１と同様に膜分離装置
を３ヶ月間連続運転し、定流量全ろ過を行った。

【００３２】その結果、３ヶ月後、運転圧力は２００ｋ
Ｐａに上昇し、運転継続困難となった。またこの時、モ
ジュール内の被処理水の一般細菌数は１００００個／ｍ
ｌであり、膜モジュールを解体調査した結果、膜面に多
量の微生物が付着していることが確認された。結果を表
１に示す。（比較例２）被処理水である淡水のｐＨを４以下にする
期間を設けなかった他は、実施例２と同様に膜分離装置
を３ヶ月間連続運転し、定流量全ろ過を行った。

【００３３】その結果、運転圧力は１８０ｋＰａに上昇
し、運転継続困難となった。結果を表１に示す。（比較例３）逆洗水のｐＨを４以下にしなかった他は、
実施例３と同様同時期に膜分離装置を２ヶ月間連続運転
し、定流量全ろ過を行った。

【００３４】その結果、運転圧力は１６５ｋＰａに上昇
し、運転継続困難となった。結果を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【発明の効果】被処理水を細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ
以下のろ過膜に通過させて不純物を除去する膜分離装置
において、運転期間中の一部の期間、該被処理水または
逆洗水のｐＨを４以下とすることで、従来用いられてき
た高濃度亜硫酸水素ナトリウムの間欠添加に比べ、微生
物によるファウリングを確実に抑制し、安定した造水が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る膜分離装置の概略フ
ロー図である。

【符号の説明】

１：被処理水タンク２：ポンプ（加圧送液手段）３：透過水のｐＨを調整するための手段４：圧力センサ５：分離膜モジュール６ａ：電磁バルブ６ｂ：電磁バルブ６ｃ：電磁バルブ６ｄ：電磁バルブ６ｅ：電磁バルブ７：透過水タンク８：逆洗水タンク９：被処理水のｐＨを４以下に保持するための手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ０１Ｄ 65/08 Ｂ０１Ｄ 65/08 69/02 69/02 71/02 71/02 71/16 71/16 71/26 71/26 71/28 71/28 71/34 71/34 71/42 71/42 71/68 71/68 Ｆターム(参考） 4D006 GA06 GA07 HA01 KA03 KC03 KC13 KC14 KC16 KD11 KE05Q KE06P KE11R KE12P KE13P KE14P KE15R KE22Q KE24Q KE28R MA01 MA02 MA03 MA22 MB09 MB12 MC03 MC18 MC22 MC23 MC24 MC29 MC39X MC61 MC62 MC63 PA01 PB03 PB04 PB05 PB08 PB24 PC11 PC41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にあるろ
過膜に被処理水を通過させてその被処理水中の不純物を
除去するに際し、少なくとも一時的に前記被処理水のｐ
Ｈを４以下に保持することを特徴とする造水方法。
【請求項２】前記ｐＨを４以下に保持する時間が２４時
間あたり５分〜５時間の範囲にある、請求項１に記載の
造水方法。
【請求項３】細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にあるろ
過膜に被処理水を通過させてその被処理水中の不純物を
除去するに際し、洗浄水のｐＨを少なくとも一時的に４
以下に保持しつつろ過膜を逆洗することを特徴とする造
水方法。
【請求項４】前記ｐＨを４以下に保持する時間が２４時
間あたり５分〜２時間の範囲にある、請求項３に記載の
造水方法。
【請求項５】硫酸の添加によりｐＨを４以下に保持す
る、請求項１〜４のいずれかに記載の造水方法。
【請求項６】被処理水に含まれる不純物を除去する、細
孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にある分離膜と、前記被
処理水のｐＨを少なくとも一時的に４以下に保持するた
めの手段を具備していることを特徴とする膜分離装置。
【請求項７】被処理水に含まれる不純物を除去する、細
孔径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲にある分離膜と、分離膜
の逆洗手段とを備え、その逆洗手段は逆洗水のｐＨを少
なくとも一時的に４以下に保持するための手段を具備し
ていることを特徴とする膜分離装置。
【請求項８】分離膜がポリアクリロニトリル、ポリエチ
レン、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリエーテルスル
ホン、ポリプロピレン、酢酸セルロース、ポリフェニレ
ンスルホン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリ
フッ化ビニリデンおよびセラミックからなる群から選ば
れる少なくとも１つを含んでいる、請求項６または７に
記載の膜分離装置。
【請求項９】分離膜が中空糸膜である、請求項６〜８の
いずれかに記載の膜分離装置。