JP2006068634A - ろ過膜異常検知方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
膜の一次側（中空糸膜内側）の水が膜の二次側（中空糸膜外側）にろ過される比較的多量の水を長い時間をかけずに排水でき、しかも空気が膜の二次側（中空糸膜外側）に漏洩することにより流れ出る比較的少ない水の量を正確に測定することができる方法を提供すること。
【解決手段】
ろ過膜内を液体で満たし、ろ過膜の一次側の液体を排出し、前記ろ過膜の一次側から気体を注入し、前記ろ過膜の二次側から押し出され、配管内を流れる液体の量を測定することにより、ろ過膜の異常検知方法において、前記液体が少なくとも内径の異なる１本の分岐管を設けた管内を流れるようにする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、水処理装置に用いられるUF膜、MF膜などのろ過膜の異常を検知する方法およびその方法に用いられる装置に関する。また、前記ろ過膜の異常を検知する拡散流量試験法を応用して、より簡単に、しかもより信頼性が向上されるろ過膜の異常を検知する方法およびその方法に用いられる装置に関する。さらには、本発明はろ過膜の一次側から加圧空気を圧入し、押し出される水の量を測定することにより、より簡便な、しかも信頼性が向上されるろ過膜の異常を検知する方法およびその方法に用いられる装置に関する。

浄水分野において、原水（以下、被処理水ということがある）中の微生物、懸濁物質を除去する膜ろ過システムとして、ろ過膜にUF(限外ろ過)膜、MF(精密ろ過)膜を用いたシステムがある。これらは、従来の凝集沈殿・砂ろ過・塩素消毒で除去することができない、クリプトスポリジウムなどの病原性微生物の除去に非常に有効なシステムである。
現在、膜ろ過システムは、病原性微生物の除去を主目的に浄水分野に普及し始めているため、膜が破れた場合など膜の異常が生じているにもかかわらずその膜を使用して浄水を提供すると、前記主目的をかなえることができないのであるから、確実にその異常を検出する技術が必要である。

これまでに知られている検出技術の一つにろ過水の微粒子や濁度を測定し、ろ過膜の異常を知る方法がある。この方法は連続的な監視が可能となるものの、膜の二次側の膜ろ過水内に存在する膜孔より小さな微粒子が配管内で集まって形成された微粒子等のため、検出感度には限界がある。その点、原水濁度に依存することなく、ろ過水の微粒子や濁度を測定する方法の１０倍以上の検出感度であり、信頼性の高い方法として、拡散流量試験(エアフロー試験)がある(非特許文献１)。この試験法は、濡れた状態のMF膜やUF膜の細孔を空気が通過するには、細孔の毛管吸引力以上の圧力(バブルポイント以上の圧力)を必要とすることを利用した試験で、膜の一次側に、バブルポイント以下に加圧した空気(例えば、約100kPa)を注入し、一定の圧力を維持するのに必要な空気の流量、即ち、膜の二次側に抜けて行く空気の量を測定する試験方法である。
破断が無いなど異常さを見出せない膜(正常膜)であれば、加圧された空気は、水中に空気が拡散する以外は、膜の細孔を通り抜けることはない。したがって、膜の一次側の圧力を一定に維持するのに必要な空気の流量は少量で済む。
一方、破断があるなどの異常膜(破断膜)の場合、破断した箇所から空気が膜の二次側に噴出するため、膜の一次側にかかる圧力を一定に維持するためには、大量の空気を供給しつづけなければならない。

図３は従来の膜破断検知機能付き膜ろ過装置のフロー図である。
通常のろ過装置の運転では、被処理水注入弁３と処理水排水弁４とを開にして、膜モジュール１に、被処理水を、被処理水注入弁３を介して流入させ、ろ過水を処理水排水弁４より取り出す。
そして、空気を膜に注入して膜の破断を検出する従来法のうち、注入した空気の流量を測定する方法としては、次の２つがある。
(1) 図３で、コンプレッサー８から減圧弁９を介し、空気注入弁１０を通って、膜モジュール１の一次側から注入される加圧空気の流量を、膜モジュール１の一次側の空気注入管１１上に配置した空気用流量計１２で測定する方法(非特許文献３)。
(2) 図３で、上記と同様の手順で、膜モジュール１の一次側から注入される空気の流量を、膜モジュール１の二次側に排水弁１５を介して接続されている排水管１６上に配置した水用流量計１７により、膜モジュール１の二次側に漏れた空気により押し出される水の量を測定する方法(非特許文献２)。
このうち、空気用流量計１２を設置し、空気流量を測定する上記(1)の場合、流れている空気量は、膜モジュール１の二次側に抜けている量を測定しているのか、膜モジュール１の一次側の圧力を上昇させるために注入されている空気量を測定しているのかが判別できない欠点がある。

一方、水用流量計１７を設置する上記(2)の方法では、非圧縮性流体である水の流量を測定するため、測定対象は漏洩する空気量であることが保証される利点がある。しかし、この方法にも、以下に述べるような問題がある。この問題点について、図４〜図６により説明する。
これらの図では、中空糸膜を横に配置した構成を例としており、中空糸膜のストロー状の中央穴へ、被処理水を注入し、外側で膜ろ過水が得られる場合を例としている。
先ず図４は、膜一次側１９と、膜の一次側（中空糸膜内側）２０と、膜の二次側（中空糸膜外側）２１とも水で満たされた拡散流量試験前の状態である。
次いで、加圧空気を注入する前に、図５に示すように、膜一次側１９の水を一次側ドレイン弁１４から排水する。このとき、膜の一次側（中空糸膜内側）２０に、多くの水が残留する。これは、中空糸膜を縦置きにしても、膜の内径が小さい場合に起こり得る。

そして、この水が残った状態で、図６に示すように、膜の一次側（中空糸膜内側）２０に加圧空気を注入する。このとき、空気に押されて、膜の一次側（中空糸膜内側）２０の水が膜の二次側（中空糸膜外側）２１にろ過されるので、排水口１８に至るラインには、大量の水が流れることになることがある。そこで、膜の一次側（中空糸膜内側）２０の水が完全に押し出されるまで、一定の時間待たなければならない。
ここで問題となるのは、排水口１８に至る配管された管（以下、配管ということがある）の太さである。この配管が十分に太い場合、排水終了までは例えば数分程度しかかからない。しかし、用いられたろ過膜が異常のない膜の場合、膜の一次側（中空糸膜内側）２０の水が完全に押し出された後、空気が膜の二次側（中空糸膜外側）２１に漏洩することにより流れる水の量は例えば数十〜数百ml/minと、非常に少ない。これを流量計で測定するためには、配管の太さが、直径数mm程度にする必要がある。
しかし、これだけ配管が細いと、最初に膜の一次側（中空糸内側）２０の残留水を排水するのに例えば数十分という長い時間が必要となり、実用的ではない。

「水道における膜ろ過法Q＆A」(社)水道浄水プロセス協会：（参照：p139）拡散流量試験 EPA 815-D03-008 「Membrane Filtration Guidance Manual」4-29〜4-37ページ4-33〜4-37ページ、米国環境保護庁（EPA）：（http://www.epa.gov/safewater/lt2/guides.html で入手可能）） 「全量ろ過方式における膜破断検知実験」（第54回全国水道研究発表会講演集 平成15.5 p186）

そこで、本発明の課題は、膜の一次側（中空糸膜内側）の水が膜の二次側（中空糸膜外側）にろ過される比較的多量の水を長い時間をかけずに排水でき、しかも空気が膜の二次側（中空糸膜外側）に漏洩することにより流れ出る比較的少ない水の量を正確に測定することができる方法を提供することにある。また、その方法に使用する装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決しようといろいろと工夫をする最中、空気が膜の二次側に漏洩することにより流れ出る比較的少ない水の量を正確に測定するには、比較的小さく適度の大きさの内径の管が必要であり、排水量が多いときには比較的内径の大きい管を使用するという、内径の異なる複数の管を利用して排水処理をすればよいこと、しかも、複数の管を使用するときには、排水量に応じてどちらの管を使用するか決める必要が生じるが、そのような煩わしさを避けるには、管をほぼ逆Ｕ字状に配管し、しかも内径のより太い管の排出口の高さを、内径がより細い管の排出口の高さよりも高くなるよう配管すると、上記課題を解決することができることに気付き、工夫を重ね、終に本発明に到達した。

本発明の請求項１に係る発明は、ろ過膜内を液体で満たし、ろ過膜の一次側の液体を排出し、前記ろ過膜の一次側から加圧気体を注入し、前記ろ過膜の二次側から押し出され、配管内を流れる液体の量を測定することにより、ろ過膜の異常を検知する方法において、前記ろ過膜の二次側の管が少なくとも内径の異なる１本の分岐管を設けた管であり、その管内を前記液体が流れるようにすることを特徴とするろ過膜の異常検知方法である。
本発明の請求項２に係る発明は、上記発明において、前記管が液体の流量を測定する内径が小さい排液用管と、液体を排出する内径が大きい排液用管からなることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、前記内径が大きい排液用管の排出口の高さが、前記内径が小さい排液用管の排出口より高い位置となるように設けることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、分岐点から排出口までの排液用管の一部あるいは全てがほぼ逆U字型となるように配管していることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る発明は、ろ過膜内を液体で満たす手段、ろ過膜の一次側の液体を排出する手段、ろ過膜の一次側から気体を注入する手段、および前記ろ過膜の二次側から押し出され、配管された管内を流れる液体の量を測定する手段を備えるろ過膜の異常を検知する装置において、前記管が少なくとも内径の異なる１本の分岐管を設けることを特徴とするろ過膜の異常検知装置であり、
請求項６に係る発明は、内径が大きい排液用管の排水口の高さが、内径が小さい排液用管の排水口より高い位置となるように配管することを特徴とし、
請求項７に係る発明は、分岐点から排出口までの排液用管の一部あるいは全てがほぼ逆U字型となるように配管することを特徴とする。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のろ過膜は、代表的にはＵＦ膜やＭＦ膜等、浄水を得る際に用いられるろ過膜であるが、浄水を得る目的以外の膜でも適用可能である。本発明では上記ＵＦ膜やＭＦ膜等のろ過膜を多数まとめて膜モジュールとして、浄水処理の際に理由する形態が一般的である。
その膜モジュールに被処理水（以下、原水ということがある）を膜の一次側から注入し、ろ過処理し、膜の二次側から配管された管内を通して処理水を取り出し、次の工程に送る方法が一般的に行われている。

本発明では、膜モジュール内のろ過膜の破断など、膜の異常を検知するときには、膜モジュールを水で満たした後、膜モジュールの一次側の排水を行なう。その後、加圧空気を膜の一次側から注入するが、バブルポイント以下とすることが好ましい。膜モジュール内の中空糸内部に水が残留しているため、膜モジュールの一次側の水が、加圧空気によって、二次側に押し出され、膜モジュールから排水用管を通して漏出水が大量に排水（以下、残留水ということがある）される。引続き、加圧空気を注入し続けると、排水用管を流れる漏出水量も低下する。
ほぼ全ての残留水が押し出された後は、膜の一次側から拡散によって膜の二次側に漏出した空気によって、膜の二次側の水が押し出され、排水されることとなる。

本発明では、この排水用管として少なくとも２種類以上の内径が異なる管を使用する。すなわち、排水用管から流出する漏出水が比較的大量のときには、短時間で排水できるよう、比較的内径の大きい管を利用する。一方、排水用管から流出する漏出水が比較的少量のときには、漏出水量を正確に測定できるよう、比較的内径の小さい管を利用する。ここで、内径の大きさは何ら限定されないのであり、排出される水の量により適宜決定すればよい。但し、内径が小さい管は漏出水が比較的少量でもその漏出水を正確に測定することが求められるような内径であることが必要である。また、漏出水の量が多ければ、その漏出水を排水するためにさらに排水用の管を増加させてもよい。この増加させた管の内径は前記漏出水を排水する管の内径と同じでもよいし、異なっていてもよい。

さらに、本発明では排水用管の排出口近くの部分をほぼ逆Ｕ字型とする。ここで、ほぼ逆Ｕ字型とは、例えば図１あるいは図２に示されるように、管の一部の形状が逆Ｕ字の形状、あるいはそれに類似する形状を取る形を意味する。
そして、それぞれの排水用管の排出口の高さがほぼ同じか、異なるように設置する。とくに、内径が大きい排水用管の排出口の高さが、内径が小さい排水用管の排出口の高さよりも高くなるように設置することが好ましい。
このような構成としたので、漏出液が大量の時には全ての排水用管から漏出液が排水されるが、漏出液が次第に少なくなるにつれて、内径が小さい排水用管から漏出腋が排水されることになる。

ろ過膜の異常の検知を開始する時期は、残留水の量が次第に減っていき、やがて細い管から排水される時期以降になる。 すなわち、ろ過膜の異常の有無を検知する時期は、ほぼ全ての残留水が押し出された後であって、内径が小さい管から排水される漏出液の量の変化率がほぼ０となったときとする。ここで、変化率がほぼ０とは、漏出液の量の１分間あたりの変化量が１０ｍＬ以内のときをいう。異常なろ過膜のとは、ろ過膜の一部が破断したり、あるいは破損するなどして、本来捕捉することのできる微粒子や原虫などを捕捉することができなくなったろ過膜をいう。
なお、簡便法として、加圧開始時にセットしたタイマーを起動させ、設定時間がきたら、排水量により破断の有無を判断する測定を開始する。なお、この設定時間は、破断した中空糸からなる膜モジュールを用意し、その膜モジュールを使用して拡散流量試験をあらかじめ行い得られたデータに基づいて決定される。

本発明により、ろ過膜の破断など膜の異常を比較的簡単な方法で、比較的短い時間で、しかも信頼性良く、検知することが可能となる。しかも、操作上の煩わしさもない。さらに、本発明の異常膜検知装置は、耐久性があり、コストの削減された装置であり、極めて実用的な発明である。

発明の実施の形態

本発明の実施の形態を、図を持って説明する。
図１は、本発明で用いる膜モジュール膜異常検知装置の一例（口径が大きい管と口径が小さい管の二つの管を使用）の要部を示す。
膜モジュール１の膜の一次側（中空糸膜内側）２０および膜の二次側（中空糸膜外側）２１の水は排水弁１５を経て、排水用管２２および１６を通って，系外に排出される。配管から分岐された内径の小さい排水用管１６には水用流量計１７が備えられており、排水用管１６を流れ去る排水量の測定を行う。排水用管２２はその一部がほぼ逆Ｕ字状に配管されており、排水用管１６もその一部がほぼ逆Ｕ字状に配管されている。排水用管２２の排出口は排水用管１６の排出口よりも高く設定され、望ましくは排水用管１６の頂点を越えないように設定される。排出口の高さの差は5〜10cmの範囲内が望ましい。排水用管１６の内径は、2〜20mmが好ましく、排水用管２２の内径は、排水用管１６の内径の約5〜10倍の大きさであることが望ましい。
なお、図に示されていないが、さらに排水管を増加することができる。

ここで、用いる管の太さは、一回に測定する膜モジュールの本数が少ない場合は細い管を、多い場合は太い管を選択する。また、さらに管の本数を増やしてもよい。
この選択は、膜の種類・形状・特性や、一回に測定する膜の本数、さらには全体の装置の形状などを勘案して決定しなければならない。最も簡単な決定方法は、実際に測定する装置を用いて、試作段階で数種類試し、最も測定し易い組合せを選ぶことである。

実際に図１で示される装置を用いてろ過膜の異常を検知すると、図２に示すような効果を得ることができる。すなわち、最初に膜モジュール１の膜の一次側（中空糸膜内側）２０の水を排出している段階(２-(1))では、排水用管２２および１６から大量の水が排出される。排出が終了する頃には、押し出される水の量が減るので、２−(2)の状態になり、太い排水用管２２からは殆ど排水が見られなくなり、やがて２−(3)のように、排水用管２２からは排水されず、排水用管１６から排水されることとなる。排水用管２２の水頭は、排水用管１６の排出口の高さとほぼ同じか、数cm高い位置に落ち着く。

このような構成とすることにより、下記のような利点がある。
サイホン効果を利用することにより、水の流量の変化によって自動的に最適な配管が選択され、その選択にバルブなどを使う必要が無い点、
配管の選択に機械部品が不要なため、装置の耐久性・信頼性が向上する点、
コストが削減できる点、
排水が迅速に行なわれるため、試験に使う時間を短縮できる点など。

本発明は、上記の説明から、つぎのように記載することができる。
（１）UF膜やMF膜を用いて、膜の一次側から被処理水を注入して膜の二次側からろ過水を得ることで、被処理水の濁質を除去する膜処理装置の、膜の破断を検知する装置であって、前記膜の一次側から空気を注入し、前記膜の二次側に漏出するガスにより、前記膜の二次側の水が押し出されることを利用して、水量を測定することにより、膜の異常を検知する装置において、前記膜の二次側の水が流出する経路が、流量を測定する細い配管と、大量の水を排水する太い配管の、少なくとも２本が存在することを特徴とする膜の異常検知装置。
（２）請求項1の異常検知装置で、水の流出する経路となる配管が、逆U字型をしており、太い配管の排水口の高さが、細い配管の排水口より高い位置にあることを特徴とする膜の異常検知装置。
（３）ろ過膜内を液体で満たし、ろ過膜の一次側の液体を排出し、前記ろ過膜の一次側から加圧気体を注入し、前記ろ過膜の二次側から押し出され、管内を流れる液体の量を測定することによるろ過膜の異常検知方法において、前記液体が少なくとも内径の異なる１本の分岐管を設けた管内を流すようにすることを特徴とするろ過膜の異常検知方法。

本発明の膜モジュール膜異常検知装置の要部。 本発明の膜モジュールの排水管の説明図。 従来の膜異常検知装置付き膜ろ過装置のフロー図。 従来の膜モジュール膜異常検知方法説明図。（実験前） 従来の膜モジュール膜異常検知方法説明図。（一次側排水中） 従来の膜モジュール膜異常検知方法説明図。（加圧空気注入直後）

符号の説明

１．膜モジュール
２．ろ過ポンプ
３．被処理水注入弁
４．処理水排水弁
５．ろ過タンク
６．逆洗ポンプ
７．逆洗弁
８．コンプレッサー
９．減圧弁
１０．空気注入弁
１１．空気注入管
１２．空気用流量計
１３．空気開放弁
１４．一次側ドレイン弁
１５．排水弁
１６．排水用管（測定用）
１７．水用流量計
１８．排水口
１９．膜一次側
２０．膜の一次側（中空糸膜内側）
２１．膜の二次側（中空糸膜外側）
２２．排水用管（初期排水用）

Claims (7)

1. ろ過膜内を液体で満たし、ろ過膜の一次側の液体を排出し、前記ろ過膜の一次側から加圧気体を注入し、前記ろ過膜の二次側から押し出され、管内を流れる液体の量を測定することによるろ過膜の異常検知方法において、前記ろ過膜の二次側の液体が流れる管が、少なくとも内径の異なる１本の分岐管を設けた管であることを特徴とするろ過膜の異常検知方法。
2. 液体が流れる管として、液体の流量を測定する内径が小さい排液用管と、液体を排出する内径が大きい排液用管が存在することを特徴とする請求項１記載のろ過膜の異常検知方法。
3. 内径が大きい排液用管の排出口の高さが、内径が小さい排液用管の排出口より高い位置となるように設けることを特徴とする請求項２記載のろ過膜の異常検知方法。
4. 分岐点から排出口までの排液用管の一部あるいは全てが逆U字型となるように配管していることを特徴とする請求項２または３記載のろ過膜の異常検知方法。
5. ろ過膜内を液体で満たす手段、ろ過膜の一次側の液体を排出する手段、ろ過膜の一次側から気体を注入する手段、および前記ろ過膜の二次側から押し出され、管内を流れる液体の量を測定する手段を備えるろ過膜の異常検知装置において、前記管として、少なくとも内径の異なる１本の分岐管を設けることを特徴とするろ過膜の異常検知装置。
6. 内径が大きい排液用管の排水口の高さが、内径が小さい排液用管の排水口より高い位置となるように配管することを特徴とする請求項５記載のろ過膜の異常検知装置。
7. 分岐点から排出口までの排液用管の一部あるいは全てが逆U字型となるように配管することを特徴とする請求項５または６記載のろ過膜の異常検知装置。
   

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