JP2005246239A

JP2005246239A - 膜ろ過装置及びその運転方法

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Publication number: JP2005246239A
Application number: JP2004060330A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Mori; 康輔森; Yasushi Suda; 康司須田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、ファウリングの進行に対して薬品洗浄や膜交換を行う作業が集中すると、処理水の供給の停止や処理水の供給量が低下するという問題が生じるので、その欠点がない安定な運転方法を提供する。
【解決手段】濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列ごとにＦｌｕｘ、逆洗時間又は逆洗流量又は逆洗頻度からなる逆洗条件、或いは設置膜モジュールのろ過方式が循環型クロスフロー方式の場合、各系列の循環水量などの運転条件を変えて通水を行い、意図的に薬品洗浄や膜交換の時間をずらして、膜ろ過装置全体では安定した連続運転を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、懸濁物質を含有する被処理水から懸濁物質を固液分離する、精密ろ過膜、限外ろ過膜等を用いる膜ろ過装置及びその運転方法に関するものである。

精密ろ過膜、限外ろ過膜を用いた膜分離装置は、被処理水から確実な固液分離が可能であることから安定した処理技術として近年普及しつつある。

通常、膜分離装置（「膜ろ過装置」ともいう）を設計する場合、膜の基本性能の一つであるクリティカルＦｌｕｘ（処理対象である原水に対して、通常の物理逆洗では回復不能となってしまうＦｌｕｘの上限値）に安全率を見込んだＦｌｕｘを設定する。ここで、「Ｆｌｕｘ」とは膜の単位面積、単位時間あたりの膜ろ過量を意味する。更に、膜ろ過装置は、一般にユニットごと（系列ごと）で設計・据付・運転されているために、例えば、１ユニットの最大処理能力が１００ｍ^３／ｄの膜ろ過装置を、１５０ｍ^３／ｄの処理設備に適用する場合には、２ユニットで計画するために運転Ｆｌｕｘは７５％程度となる。また、上水道施設の場合に準拠する「水道施設設計指針２０００、日本水道協会」によると、「設備の改良あるいは事故等に備えての予備力確保の面から膜ろ過設備の一系列が停止した場合でも、残りの系列で、膜ろ過流束の調整による対応も含めて計画浄水量の７５％を確保できるものとする」と記載されてあることから、通常時においては余裕を持たした運転を行っていることになる。故に一般的な膜ろ過装置の運転では、膜のクリティカルＦｌｕｘよりも、低い運転Ｆｌｕｘとしている。

また、膜ろ過装置は、モジュール１本〜複数本からなる、系列又はユニットと呼ばれる単位ごとに自動制御しながら膜ろ過運転を行うことが一般的である。膜ろ過装置の運転時において、各系列のＦｌｕｘは同様であり、逆洗条件も同様とすることが一般的である。

膜ろ過装置を連続運転すると、通水とともに、鉄やアルミニウム等の金属成分、フミン酸やフルボ酸や各種有機成分等の膜汚染物質により、膜に非可逆的な膜汚染の進行が生じ、膜間差圧の上昇やＦｌｕｘの低下が発現する。ここで、非可逆的な膜汚染は「ファウリング」とも呼ばれている（一般には外的因子により生じた膜性能の低下を「ファウリング」と呼んでいるが、本件明細書では前記の場合を「ファウリング」ということにする）。
このため、膜の透水性能を回復させるために、定期的に薬品を用いた膜洗浄を実施する。また、数回の薬品洗浄を実施すると、徐々に膜性能の回復が見られなくなるため、数年毎に膜交換を行う。

しかしながら、従来方法のように通水初期から各系列を同様の条件で運転すると、次のような欠点があり、改良が望まれている。
（ａ）ファウリングの進行が各系列で同様となり、そこに突然の被処理水水質の変化による急激なファウリングが発生すると、全系列で一斉に薬品洗浄を行う必要性が生じ、安定した連続運転が困難となる。
（ｂ）薬品洗浄が必要となる時期が各系列で重なると、洗浄排水槽や洗浄装置が大きくなり、全体として設備が大きくなることでイニシャルコストが高くなるとともに、ランニングコストの一つである薬品洗浄費が一時的にかかってしまう。
（ｃ）膜交換の時期が重なると、ランニングコストの一つである膜交換費が一時的にかかってしまう。また、膜モジュールは日進月歩で改良されているものの、数年に1回の膜交換となるために、最新の膜モジュールを使用できず、その結果、処理性能やコストでマイナスとなる。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、計画的な薬品洗浄が可能で薬品洗浄設備の縮小が図れ、膜交換費用が一時的に集中することが防止でき、安定した膜ろ過を行うことが可能となる膜ろ過装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意研究を続け、従来から考慮されてきた原水水質に応じて、適切な膜の種類、膜面積、透過流束（Ｆｌｕｘ）等を選ぶこととともに、運転系列毎にＦｌｕｘを変えること、逆洗流量または逆洗頻度を変化させること、循環型クロスフロー方式の場合は各系列の循環水量を変えること、及び系列ごとに薬品洗浄時期がずれた時点のあと各系列の運転条件を同様にして運転を継続することを組み合わせることにより、意図的に薬品洗浄や膜交換の時期を系列間でずらすことが可能となり、その結果、膜処理装置全体で安定した連続運転が可能となることを知見し、この知見に基づいて本発明に到達するに至った。

すなわち、本発明は、下記の手段により上記の課題を解決することができた。
（１）濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列毎に単位膜面積、単位時間あたりの膜ろ過量を変えて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転することを特徴とする膜ろ過装置の運転方法。
（２）濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列毎に逆洗時間又は逆洗流量又は逆洗頻度を変化させて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転することを特徴とする膜ろ過装置の運転方法。

（３）前記膜ろ過装置における設置膜モジュールのろ過方式が、循環型クロスフロー方式であって、各運転系列の循環水量を変えて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の膜ろ過装置の運転方法。
（４）膜ろ過装置における膜ろ過量の変化、逆洗条件の変化、又は循環水量の変化により、運転系列ごとに薬品洗浄時期がずれた時点で、各系列のろ過時および逆洗時における運転条件を同様にして運転を継続することにより、系列間で定期的な薬品洗浄を実施することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項記載の膜ろ過装置の運転方法。
（５）濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列毎に単位膜面積、単位時間あたりの膜ろ過量を変えて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転する制御手段を有することを特徴とする膜ろ過装置。

本発明で運転を行う膜ろ過装置は、上記のように従来の問題点を解決するために、ろ過時及び逆洗時の運転条件を各系列で変化させている。こうすると、各系列における膜のファウリングの進行速度が変化し、薬品洗浄時期がずれ、系列毎の薬品洗浄が可能となり、薬品洗浄設備の縮小が図れる。系列ごとに薬品洗浄時期がずれた時点のあとで、系列間の洗浄時期がほぼ等間隔となった時点で、各系列の運転条件を同様とすることで、膜ろ過装置全体では定期的に薬品洗浄が行なわれる状態となり、薬品洗浄費用が一時期に集中することを防ぐことが可能となる。

膜ろ過装置には、ろ過時及び逆洗時の運転条件を各系列で変化させるために、各系列毎に原水供給ポンプがある場合には、そのポンプの運転条件を変えられるようにそれに制御装置を設け、また複数の系列を一つのポンプで共通させている場合には、各系列毎に止水弁を兼ねた流量を変えられる弁を設け、それらの弁の開度を変える制御装置を設けることにより実施することができる。これらの制御装置を組合わせたものとすることもでき、一つの制御装置で行うことができる。これらの制御装置から構成する制御手段には各種の公知の制御手段を用いることができる。

また、薬品洗浄により差圧が回復しなくなる膜交換時期がずれるため、膜交換作業による通水停止の影響や、膜交換に伴う費用負担が一時期に集中することを防ぐことが可能となり、安定した装置運転が可能となる。
更には、ファウリングの進行状況が各系列で異なるため、一時的な原水水質変動に伴う影響は各系列で異なることになるから、全系列で一斉に通水停止程度まで膜差圧の上昇が生じることは無くなり、安定した膜処理を行うことが可能となる。

本発明の運転方法で膜ろ過装置を運転することで、薬品洗浄作業は各系列ごとに定期的に実施することが可能となり、計画的な薬品洗浄、洗浄設備の簡略化が図られる。また、膜交換時期もずれるために、交換費用が一時的に集中することも防げる。更には、ファウリングの進行が各系列で異なるため、原水水質の一時的な変動に伴う差圧上昇の影響が系列間で異なり、その結果、膜ろ過装置全体では安定した連続運転が可能となる。

以下、本発明の膜処理装置について図面を参照しつつ説明する。図１は膜系列を示すための図であり、図２は２系列の場合における膜ろ過装置の１例を示すフロー図であり、図３は本発明の実施例の実験装置の概略フローを示す図であり、図４は本発明の実施例における差圧と運転Ｆｌｕｘの経過を示す図である。

２つのモジュールから成る図１の膜系列１では、膜ろ過装置（ユニット）は膜モジュール２、原水供給ポンプ３、逆洗ポンプ６、逆洗時薬品注入ポンプ８、及び逆洗用薬品槽７から構成されており、この他に、図１には図示を省略しているが、例えば、原水槽、ろ過水槽、排水槽、消毒槽、配管、弁、計器類、制御盤（又は現場操作盤）等を有している。ここで、逆洗ポンプ６及び逆洗時薬品注入ポンプ８については、他系列と共通させる場合もある。また、逆洗用薬品槽７、原水槽、ろ過水槽５、排水槽、消毒槽、制御盤（又は現場操作盤）についても各系列で共通させることもある。膜ろ過装置は、図２のように、膜系列１を複数設置することにより構成されている。原水供給ポンプ３には制御装置１０を接続し、その作動を制御する。また、制御装置１０は逆洗時薬品注入ポンプ８などにも接続してそれらの作動を制御するようにすることができる。図２、図３では、各膜モジュール２からのろ過水は一つのろ過水槽（処理水槽）５に送られている。これらの場合には、原水の供給管に流量を変えられる制御弁９を設けて、これらの制御弁９に制御装置１０を接続することにより、各系列における原水の供給を目的の流通状態とすることができる。

従来の膜ろ過装置では、一般的に系列間のＦｌｕｘ、ろ過時間、逆洗流量、逆洗時間は同様とされている。また、クロスフロー方式の場合、循環水量は通常各系列で同様とされている。しかし、本発明においては、このうち、１つもしくは複数を変えて運転を開始する。

Ｆｌｕｘの設定範囲は、処理対象となる原水に対して、それ以上Ｆｌｕｘを高くすると、物理洗浄である逆洗では差圧が回復せずに、急激なファウリングが進行するＦｌｕｘの値、いわゆるクリティカルＦｌｕｘを上限とする。また、全系列間の平均Ｆｌｕｘは、計画処理流量を処理可能なＦｌｕｘとするように設定されている。例えば、２系列の場合である図１のフローで、設置膜のクリティカルＦｌｕｘを５ｍ／ｄとした場合、第１表及び第２表に示したような設計を行い、各系列のＦｌｕｘを２ｍ／ｄ、３ｍ／ｄとする。

循環水量の範囲は、膜モジュール個々について固有に設定されている推奨値〜０の範囲とする。循環水量０の場合は、全量ろ過方式となる。
ろ過時問、逆洗時間、逆洗流量については、逆洗で差圧の回復が見られなくなるところを最大値として、全系列の平均設定値で計画処理流量を処理可能な条件とする。

以下、本発明の運転方法で各系列の運転方法を変えて運転する場合について、第３表を用いて説明する。各系列でＦｌｕｘ条件を変えて膜ろ過運転を開始すると、ろ過の継続とともに各系列のファウリングの進行速度に差が生じ、薬品洗浄のタイミングがずれてくる。Ｆｌｕｘ３ｍ／ｄで運転を開始した系列１ではファウリングの進行も最も早く、１００日後に薬品洗浄を行う。系列１の薬品洗浄後に、全系列を２．５ｍ／ｄに設定すると、系列２が２２０日後、系列１では２８０日後、に薬品洗浄を行う。その後は、各系列はおよそ１８０日間隔で薬品洗浄を行うことになるため、装置全体としては薬品洗浄時期をずらすことが可能となる。

このように各系列間で薬品洗浄時期を意図的にずらし、１回もしくは数回の薬品洗浄後に系列間の洗浄時期が異なった時点で、ろ過および逆洗の条件を従来のように戻すと、その後は薬品洗浄及び膜交換の時期が系列間でずれているため、ろ過装置全体としては薬品洗浄や膜交換を一度に行うことなく、その費用も分散することが可能となる。
また、系列間の膜間差圧も異なるため、原水水質の悪化が生じた場合にも膜に対する影響が系列間で異なり、一度に全系列がろ過不能となる事態は回避できることから、膜ろ過装置全体としては比較的安定した膜処理運転が可能となる。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。但し、本発明はこの実施例により何等限定されるものでない。

実施例１
湖沼水を原水とし、除濁処理を目的にＵＦ膜ろ過装置で連続処理実験を行った。実験で使用したユニットの概略図は図１、装置全体の概略図は図３のとおりである。実験で使用した膜及び運転条件は第４表に示す。
系列数は３系列とし、各系列には本原水に対するクリティカルＦｌｕｘが３．５ｍ／ｄの膜モジュールを２本設置した。各系列の運転Ｆｌｕｘは、３ｍ／ｄ、２．５ｍ／ｄ、２ｍ／ｄとして運転を開始した。薬品洗浄は差圧が約８０ｋＰａで実施した。

各系列の差圧及び運転Ｆｌｕｘの経過を図４、水質分析結果を第５表に示す。図４中の矢印は薬品洗浄を実施したことを示している。
Ｆｌｕｘ３ｍ／ｄで運転を開始した系は、実験開始から３０日目に８０ｋＰａを超えたため、薬品洗浄を行った。Ｆｌｕｘ２．５ｍ／ｄで運転を開始した系は、５５日目に８０ｋＰａを超え、またＦｌｕｘ２ｍ／ｄで運転を開始した系は、７５日目に８０ｋＰａを超えたため、その段階でそれぞれ薬品洗浄を行った。薬品洗浄後に３系列ともＦｌｕｘを２．５ｍ／ｄとしたところ、系列間で次回の薬品洗浄の時期もずれた。実験期間を通して、薬品洗浄時に他の系列が稼動していたために装置全体で処理水が得られなくなることはなかった。

また、一時的に原水濁度が１０度まで上昇した１０２日目は各系列で差圧の上昇が見られたが、比較的差圧が高かった系列２に比べて、差圧が低かった系列１の影響は少なかった。この結果より、洗浄時期直前に一時的な原水濁度上昇を受けると、全系列で同様の運転をする従来法では全系列で膜閉塞が生じ、その結果装置全体で処理水を得ることが出来なくなるが、本実験のように各系列で差圧が異なるように運転を行うと、装置全体としては直ちに処理水を得ることが出来なくなる事態は避けられることが判った。
その結果、通水開始から９０日目以降の薬品洗浄間隔は、図４に示すように、系列１、系列２及び系列３は、丁度２０日の間隔でいずれかの系列について薬品洗浄が行われるという状態となり、一度に二つ以上の系列について薬品洗浄が行われるということがないので、作業が容易となり、また、図には示していないが、通水開始から２４０日目以降の薬品洗浄間隔は、およそ３０日に１回の頻度となり、装置全体として定期的な薬品洗浄が可能となった。

本発明の膜ろ過装置の運転方法は、小規模な上水道、海水等の淡水化、有機溶液からの溶質の回収、天然果汁、野菜ジュース、牛乳、コーヒー、茶などの濃縮と分離、化学プロセス排液の処理、各種排水からの有用物の回収、電子工業排水の用水回収などに有用であるが、特に清澄な河川水などを水源とする小規模な上水道の膜ろ過浄水施設の運転技術として有用である。

本発明を説明するための膜系列の概略図である。本発明を説明するための２系列の膜処理装置の１例のフロー図である。本発明の実施例における実験装置の概略フローを示す図である。本発明の実施例における差圧と運転Ｆｌｕｘの経過を示す図である。

符号の説明

１膜系列（ユニット）
２膜モジュール
３原水供給ポンプ
４原水
５ろ過水槽
６逆洗ポンプ
７逆洗用薬品槽
８逆洗用薬品注入ポンプ
９制御弁
１０制御装置

Claims

濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列毎に単位膜面積、単位時間あたりの膜ろ過量を変えて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転することを特徴とする膜ろ過装置の運転方法。
濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列毎に逆洗時間又は逆洗流量又は逆洗頻度を変化させて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転することを特徴とする膜ろ過装置の運転方法。
前記膜ろ過装置における設置膜モジュールのろ過方式が、循環型クロスフロー方式であって、各運転系列の循環水量を変えて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の膜ろ過装置の運転方法。
膜ろ過装置における膜ろ過量の変化、逆洗条件の変化、又は循環水量の変化により、運転系列ごとに薬品洗浄時期がずれた時点で、各系列のろ過時および逆洗時における運転条件を同様にして運転を継続することにより、系列間で定期的な薬品洗浄を実施することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の膜ろ過装置の運転方法。
濁質分を含む被処理水を膜ろ過する膜ろ過装置において、運転系列毎に単位膜面積、単位時間あたりの膜ろ過量を変えて運転することにより、各系列の非可逆的な膜汚染の進行に差を生じさせて、薬品洗浄の時期をずらして運転する制御手段を有することを特徴とする膜ろ過装置。