JP2005087949A - 膜ろ過装置の膜損傷の検知方法およびそのための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
誤った膜の異常検知を抑制し、複雑な器具などを必要としない、より実用的な膜処理検知方法を提供すること。
【解決手段】
膜透過水の特定の粒径の微粒子数もしくは濁度を測定し、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、予め設定された値を膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値とする。その膜損傷異常判定閾値は原水の水質に応じて変動するので、膜の異常検知を抑制できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、河川水や湖沼水等の表流水および地下水などの原水をろ過膜で処理する水処理方法において、その膜の損傷を検知する膜損傷検知方法に関し、とくに原水を精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜で処理する水処理方法において、その膜の損傷を検知する膜損傷検知方法に関する。また、本発明は上記膜損傷検知方法を行うための膜損傷検知装置およびその装置の運転方法に関する。

近年、水道原水である環境水に混入した塩素耐性原虫である、クリプトスポリジウム等の危険性が危惧されるようになってきた。クリプトスポリジウムの大きさは３〜５μｍ程度であるので、原水のクリプトスポリジウムを除去するためには、それより大きな微粒子成分を完全に除去すればよいが、現在は暫定の指針として水道水の濁度を０．１以下にするよう示されている。クリプトスポリジウム対策として、従来の砂ろ過法と比較して有効な方法が、精密ろ過膜や限外ろ過膜を用いた浄水処理方法である。この方法によれば、理論上、膜孔径より大きい成分は、ほぼ完全に取り除かれることとなる。
しかしながら、何らかの原因により膜の一部が損傷した場合などは、その部分から漏洩が進み、処理水中に微粒子（クリプトスポリジウム等）が混入する蓋然性がある。このため膜処理においては、膜損傷をいち早く検知し、対処することが重要となる。

膜損傷の検知の方法としては、空気を膜モジュールに供給し、その圧力の降下具合や空気流量などから膜損傷を検知する方法の他（たとえば特許文献１を参照）、微細気泡を利用する技術がある（特許文献２を参照）。すなわち、空気が溶解した加圧水を原水側に供給すると微細気泡が発生し、もし膜損傷が起きていたときには、この微細気泡が透過水中に混入するので、この微細気泡を検出できれば膜が損傷されていたといえる。この方法は、加圧水を必要とし、けっして簡単な方法とはいえない。

現在、最も一般的な方法は膜透過水側に微粒子計や高感度の濁度計を設置し、測定値が設定値を超えた場合は異常と判断し、緊急停止などの処置を講ずるものである。この方法は汎用の計器を用いて、精度良く膜損傷を検知することができるといえるが、しかしながら、何らかの理由により原水中に大きな径を持つ粒子が生成するかもしれないのであり、このような場合には、正常に膜ろ過をおこなっていたとしても、膜透過水側の測定値が設定値より高くなり、膜異常と判断され、結果として緊急停止をせざるを得なくなる。浄水場、特に大規模なものにおいては、処理水の量的な安定造水が重要であるので、できる限り誤った異常検知を抑制する必要がある。

なお、特許文献３には、濁度検出手段が所定値以上の値を所定時間以上計測した場合にろ過膜の損傷があるものと１次判定して、その後圧力保持試験により膜損傷の有無を２次判定する技術が開示されており、これにより膜破損の検出濁度を高く設定することができると説明されている。しかし特許文献３では、原水の水質に応じて誤った膜損傷検知を抑制することまでは開示していない。

特開２０００−２７９７６９号公報 特開２００３−１１２０１８号公報 特開平６−３２０１５７号公報

そこで本発明は、上記のような誤った膜の異常検知を抑制し、複雑な器具などを必要としない、より実用的な膜処理検知方法、そのための装置およびその運転方法を提供するものである。すなわち、汎用の水質計（濁度計）や微粒子数計測計で監視する場合にも、用いるろ過膜の損傷を精度よく、的確に、しかも簡単に判定することができる膜損傷検知方法を提供することにある。また、その膜損傷検知方法を含む水処理方法およびその水処理方法を行うための水処理装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究する最中、処理すべき原水に着目し、その原水の水質の１つである濁度、原水の濁度とその原水の膜透過水の濁度とを予め測定すると、ろ過膜の損傷異常がない正常のろ過膜を用いて原水を膜ろ過したときでも、濁度が高い原水の透過水はその濁度も高いことに気づいた。
そこで、原水の水質に応じて膜損傷の有無を判定する設定値を変動することにより膜損傷等の異常をより的確に判定できることを見出し、さらに研究を重ね、本発明に到達した。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、膜透過水の特定の粒径をもつ微粒子数もしくは濁度を測定し、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、予め設定された値が、膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値であることを特徴とし、膜損傷等の異常をいち早く、より的確に判定することを可能とする発明である。本発明の請求項２に係る発明は、膜透過水の特定の粒径範囲を有する微粒子数を測定し、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、予め設定された値が、膜透過水の特定の粒径範囲を有する微粒子数からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値であることを特徴とし、膜損傷等の異常をいち早く、より的確に判定することを可能とする発明である。
本発明の請求項６に係る発明は、膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値と、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知するろ過膜損傷検知装置において、膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値を、膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値と比較して、膜損傷の有無を判定する比較判定装置を備えることを特徴とし、膜損傷等の異常をいち早く、より的確に判定することを可能とする発明である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明では原水としては浄水を得ることができる原水であればどのような水でも使用できるのであり、具体的には地下水、河川水、湖沼水、下水などを挙げることができる。これら原水をそのまま使用してもよいが、前処理を施しておくことが好ましい。たとえば、あらかじめ原水を放置して沈降物を除去する処理、あるいは凝集剤を加え、攪拌処理して、汚濁物質をある程度除去する処理を施しておくことが好ましい。

本発明で使用できるろ過膜は一般的な膜であれば全て使用できるのであり、たとえば精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノろ過膜（ＮＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）などが使用可能である。これらの膜の中ではとくにＭＦ膜あるいはＵＦ膜が好適である。
また、上記膜を含む膜モジュールも特に制限されないのであるが、具体的には平膜型モジュール、スパイラル型モジュール、中空糸型モジュールなどが使用可能である。

上記ろ過膜を有する膜モジュール内に原水を導入し、原水をろ過膜処理し、原水中のクリプトスポリジウム等を除去した処理水を得る操作を行う。この操作中に、何らかの原因でろ過膜に損傷が生じ、ろ過膜が正常の機能を果たさなくなることがある。これは、処理水中にクリプトスポリジウム等の異物が混入する蓋然性が高いことを意味し、原水のろ過膜処理を一時的に中止する必要がある。
ろ過膜損傷を知る手段は一般的な方法を用いればよいのであり、例えば膜透過水の微粒子数あるいは濁度を高性能な微粒子数カウンタあるいは高感度濁度計にて計測する方法を用いればよい。

水処理装置を本格的に稼動する前に、処理すべき原水の水質を予め調べておき、データを揃えておくことは意味のあることである場合が多い。例えば原水の濁度と、その原水の透過水の濁度を測定してみた。その測定結果をまとめてみると、例えば、図２に示されるような結果を得た。図２から直ちに理解できるように、正常なろ過膜を使用して膜処理をした場合でも、原水の濁度が高いときには、透過水の濁度は極めて高くなることがある。
今までの一律的な膜損傷検知法では、透過水の濁度が一定値以上、例えば０．００３以上の時には、膜の異常が起きたとみなして直ちに送水処理を中止していたのであり、この一律的な膜損傷検知方法は、正しく膜損傷を検知できないことを意味する。

そこで、原水の水質に応じて、膜損傷の有無を判定する基準の値（以下、膜損傷異常判定閾値ということがある）を変動させることにより、より適確に膜損傷を検知することが本発明の１つの特徴である。
以下、膜損傷異常判定閾値を定める方法を説明する。
まず、水処理装置を本格的に稼動する前に、予め処理すべき原水の水質を把握しておく。原水の水質指標として、原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温などが挙げられる。とくに上記の中から選ばれる少なくとも１つを予め測定しておく。また、同時に原水の透過水の濁度もしくは微粒子数を測定しておく。
次に、原水の水質の程度に応じて、原水を幾つかの群に分ける。この際、上記原水指標の測定値に基づいて分けることが好ましい。その具体例を示すと、例えば上記原水の指標の中から原水の濁度を選び、原水の濁度が一定値を超える高い濁度である群と、一定値よりも低い濁度である群の二つの群に原水を分割する。
その後に、それぞれの群の膜損傷異常判定閾値を定める。このときには、上記透過水の測定値に基づいて定めることが好ましい。具体的には、１つの群を上記群の中から選び出し、その群に属する原水の透過水がどの程度の濁度もしくは微粒子数を有するのかを把握し、その透過水の濁度もしくは微粒子数の範囲を十分に含むような濁度もしくは微粒子数を膜損傷異常判定閾値と定める。

膜損傷異常判定閾値を定める方法を具体的に説明する。
例えば図２のときには、原水の濁度に着目して、原水を１０を超える濁度を有するときと１０以下との２つの群に分ける。原水が１０以下のときには、その原水に対応する透過水の濁度は０．００３以下である。したがって原水の濁度が１０以下の群のときには、その群の透過水の膜損傷異常判定閾値は０．００３と定める。これと同様にして、原水が１０を超えるときには、その原水に対応する透過水の濁度は０．００４以下である。したがって原水の濁度が１０を超える群のときには、その群の透過水の膜損傷異常判定閾値は０．００５と定める。
上記群の数を多くすると、原水の水質の変動に対してきめ細かな対応ができることになるが、それだけ操作が繁雑になり、膜損傷異常判定閾値を規定することが繁雑となり難しくなることからみて、現実的には上記群の数は２〜５個程度とすることが好ましく、２〜３個とすることがより好ましい。

水処理装置を本格的に稼動させる。
水処理装置を本格的に稼動し、透過水の濁度もしくは微粒子数を測定し、あわせて原水の濁度などの水質を測定する。膜損傷の有無の判定は、透過水の濁度もしくは微粒子数の測定値が、原水の水質により変る上記群の膜損傷異常判定閾値よりも超えているか、あるいは超えていないかを知ることにある。
膜損傷異常判定閾値が原水の水質により変動するので、より正確に膜損傷の有無を知ることができ、ろ過膜の損傷異常をより的確に判定することができるので、無駄が排除されることになる。
処膜損傷が起こっている可能性が高いと判定されたときには、即座に原水ポンプ等の緊急停止等の対策を講じなければならない。
このようにして定めた膜損傷異常判定閾値を基準として、用いたろ過膜の損傷の有無を判定する。

上記具体例を用いて具体的に説明すると、例えば透過水の濁度を測定した結果、該濁度が０．００４であることが分かった場合、対応する原水の濁度が１０を超えるときには、膜損傷異常判定閾値は０．００５であるのだから、用いるろ過膜の損傷はないと判定できる。しかしながら、対応する原水の濁度が１０以下のときには、膜損傷異常判定閾値は０．００３であるのだから、用いるろ過膜は損傷されている可能性が高く、用いるろ過膜の損傷はあると判定でき、即座に何らかの対応策を講じなければならない。

本発明では、原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つの計測値、透過水の微粒子数もしくは濁度の計測値、それら計測値を基にする最適な群の数、および膜透過水の微粒子数もしくは濁度から該群の最適な膜損傷異常判定閾値を演算制御することも１つの特徴である。ここで演算制御する方法は一般的な演算制御法であれば、とくに制限されない。具体的には、上記計測値を基にする最適な群の数、およびそれら各群の最適な膜損傷異常判定閾値を演算制御装置に入力しておく。そして、実際の水処理操作に際しては、原水の水質や透過水の濁度もしくは微粒子数を上記入力された数値と比較しながら自動的に膜損傷を検知することができる。ここで演算制御する装置は一般的な演算制御装置を利用すればよい。

本発明によれば、原水の水質に応じて膜処理装置の損傷検知の設定値の変更を行うことを可能とし、これにより、誤った異常判断を防止することができる。特に水の安定供給が必要である大規模な膜処理浄水プロセスにおいても、より最適な維持管理方法の提供が可能となる。

発明の実施の形態

以下本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限定されない。
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１のフロー概念図である。
当該実施の形態は、浄水場等で横置型の中空糸膜による処理を行うもので、膜損傷の検知装置として高感度の濁度計を設置したものである。
原水タンク１に貯えられた原水は、原水ポンプ２を介して膜モジュール３に送られる。ここで膜処理された水は、処理水として処理水タンク４に送られる。膜透過水の一部は、膜損傷を検知するために微粒子カウント式の高感度濁度計５に送られる。この分析計の信号は機器制御装置６に送られ、異常値が出ている場合には、原水ポンプ２の機器等を緊急停止する。ここで、従来であれば一律に微粒子の数(0.5μm以上)がたとえば30個/ｍL以上あるいは濁度が0.003以上であれば、異常信号を送り緊急停止等していた。しかし、一律の判定基準であれば、原水の水質変動に伴う膜透過水の変動にまで対応できなかった。そこで、正常な膜で透過した場合にでも検出されてしまういわばバックグラウンドを補正するために、原水水質を参照して、膜損傷を判定するための膜透過側の微粒子数もしくは濁度の設定値を任意もしくは自動的に変更できるようにした。設定値の変更は通常機器制御装置５で行うのが普通であり、原水水質のほか季節的な変動や降雨、気温などの天候を総合的に配慮して行ってもよい。

図２では、原水濁度が急上昇した際の、原水と正常な膜での透過水の濁度推移を示す。具体的な膜ろ過条件は表１に示す。
これによれば、正常な膜でろ過をしていたとしても、原水濁度に応じて透過水の濁度が上昇している。この例では、原水濁度が10以下の場合、膜透過水濁度が0.003以上ならば膜の異常と判断し、原水濁度が10以上の場合は膜透過水濁度が0.005以上ならば膜異常と変更するように設定を変更する。これにより、原水濁度が高くなった場合の誤った膜異常判断を防止することができる。なお原水濁度の上昇後、膜ろ過水の濁度が上昇するのにある程度の遅れ時間が生ずるが、これは膜透過速度、配管長さ等を考慮して決めるのがよい。
（表１）

上記実施の形態１では、膜損傷を判定するための濁度設定値の変更についてみてみたが、測定対象の粒径を任意に変更できる微粒子カウンタや高感度濁度計を使用する場合は、その測定対象粒径を変更してもよい。例えば、正常な膜の透過水であっても0.5μm〜1.0μmに分布する成分が多く含まれ（表２、３を参照）、例えば常時100個/mL以上測定されるような場合にも正しい異常判断ができるよう、１μｍ以上の粒径のものを判定対象に変更することも可能である。
また膜異常の判断の基礎となる１）濁度あるいは微粒子数 ２）測定対象粒径 それぞれのみではなく、両方について変更できるようにすることも可能である。

上記設定値の変更については、ろ過状況から判断する手動による設定値変更のほか、機器制御装置内に演算式等を組みこんで自動変更する方法でも実施可能である。

（表２）透過水中に含まれる微粒子数とその粒径の一例

（表３）
透過水中に含まれる微粒子数とその粒径の上記と異なる例

本発明に関する上記説明から、本発明を次のように記載することもできる。
（１） 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定し、予め設定された値と比較することによりろ過膜の膜損傷を検知する工程を含む水処理方法において、予め設定された値が、膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値であることを特徴とする水処理方法。
（２） 膜透過水の特定の粒径範囲を有する微粒子数を測定し、その測定値と予め設定された値と比較することによりろ過膜の膜損傷を検知する水処理方法において、予め設定された値が、膜透過水の特定の粒径範囲を有する微粒子数からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値であることを特徴とする水処理方法。
（３） 原水の水質指標が、原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする上記（１）または（２）記載の水処理方法。
（４）予め設定された値を決定する方法として、原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つ、および膜透過水の微粒子数もしくは濁度を計測する工程、それら原水の計測値と透過水の計測値に基づき原水を複数の群に分ける工程、それぞれの群の膜損傷異常判定閾値を膜透過水の微粒子数もしくは濁度から定める工程を含むことを特徴とする上記（３）記載の水処理方法。
（５） 原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つ、および透過水の微粒子数もしくは濁度の計測値を基にする最適な群の数、および膜透過水の微粒子数もしくは濁度から該群の最適な膜損傷異常判定閾値を演算制御することを特徴とする上記（４）記載の水処理方法。

（６） 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定する装置と、その測定値と予め設定された値と比較することによりろ過膜の膜損傷を検知する装置とを有する水処理装置において、ろ過膜の膜損傷を検知する装置が膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値と膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値と比較することによりろ過膜の膜損傷を検知する装置であることを特徴とする水処理装置。
（７） 原水の水質、および透過水の特定の粒径の微粒子数もしくは濁度の計測値を基にする最適な群の数、および膜透過水の特定の粒径の微粒子数もしくは濁度から該群の最適な膜損傷異常判定閾値の演算制御装置をさらに備えることを特徴とする上記（６）記載の膜損傷検知可能な水処理装置。

本発明の実施の形態１のフロー概念図である。 原水濁度が上昇した場合の、膜透過水濁度を示した図である。

符号の説明

１．原水タンク
２．原水ポンプ
３．膜モジュール
４．処理水タンク
５．微粒子カウント式高感度濁度計
６．機器制御装置

Claims (8)

1. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定し、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、予め設定された値が、膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値であることを特徴とする膜損傷検知方法。
2. 膜透過水の特定の粒径範囲を有する微粒子数を測定し、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、予め設定された値が、膜透過水の特定の粒径範囲を有する微粒子数からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値であることを特徴とする膜損傷検知方法。
3. 原水の水質指標が、原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または２記載の膜損傷検知方法。
4. 予め設定された値を決定する方法として、原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つ、および膜透過水の微粒子数もしくは濁度を計測する工程、それら原水の計測値と透過水の計測値に基づき原水を複数の群に分ける工程、それぞれの群の膜損傷異常判定閾値を膜透過水の微粒子数もしくは濁度から定める工程を含むことを特徴とする請求項３記載の膜損傷検知方法。
5. 原水の濁度、微粒子数、有機物量、紫外部吸光度、電気伝導度、水温から選ばれる少なくとも１つ、および透過水の微粒子数もしくは濁度の計測値を基にする最適な群の数、および膜透過水の微粒子数もしくは濁度から該群の最適な膜損傷異常判定閾値を演算制御することを特徴とする請求項４記載の膜損傷検知方法。
6. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値と、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知するろ過膜損傷検知装置において、膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値を、膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値と比較し、膜損傷の有無を判定する比較判定装置を備えることを特徴とするろ過膜損傷検知装置。
7. 原水の水質、および透過水の特定の粒径の微粒子数もしくは濁度の計測値を基にする最適な群の数、および膜透過水の特定の粒径の微粒子数もしくは濁度から該群の最適な膜損傷異常判定閾値の演算制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の膜損傷検知装置。
8. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値と、予め設定された値と比較することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知するろ過膜損傷検知装置の運転方法において、膜透過水の微粒子数もしくは濁度の測定値を、膜透過水の微粒子数もしくは濁度からなる原水の水質に応じて変動する膜損傷異常判定閾値と比較し、膜損傷の有無を判定することを特徴とするろ過膜損傷検知装置の運転方法。
   

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