JP2006081979A

JP2006081979A - 膜洗浄方法

Info

Publication number: JP2006081979A
Application number: JP2004267390A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tsukahara; 隆史塚原
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】長期間に亘って高い膜濾過流束を維持することができる膜洗浄方法の提供。
【解決手段】濾過膜の原水側に、圧力発生装置により加圧された気体洗浄媒体を供給し、気泡状に噴出させて濾過膜を振動させることにより付着物を除去する気体洗浄において、気体洗浄媒体をパルス状に噴出し気体洗浄を行うことを特徴とする膜洗浄方法。
【選択図】選択図無し

Description

本発明は、上水道、工業用水、河川水、湖沼水、地下水、貯水、下水二次処理水、下水、排水等の濾過処理、あるいは有価物の分離または濃縮に用いられる濾過膜の洗浄方法に関する。

種々の原水の濾過に用いられる濾過膜は、濾過精度に優れること、設置スペースが少なくて済むこと、運転管理が容易であることなどの理由から、各種の濾過装置に用いられている。しかし、濾過の継続に伴い原水中の除去対象物質が膜表面に付着し、孔を閉塞するため徐々に濾過性能が低下し、ついには濾過できなくなってしまう。そこで、濾過性能を維持するために、空気等の気体を濾過膜の原水側に気泡として導入する気体洗浄や濾過方向とは逆方向に濾液側から濾水あるいは清澄水等の逆洗媒体を噴出させて膜の濾過面の付着物を除去する逆圧水洗浄（以後、逆洗と呼ぶ）が一般的に行われている。
また洗浄効果を高めるため、逆洗媒体に酸化作用のある次亜塩素酸ソーダを添加する方法、及びオゾン水を用いて逆洗する方法（特許文献１）やオゾン化加圧空気で逆洗する方法（特許文献２）が知られている。さらには、オゾン化空気を濾過膜の原水側に気泡として注入する方法（特許文献３）が知られている。

前述した次亜塩素酸ソーダやオゾン水などの酸化剤を用いた逆洗方法、空気やオゾン化空気を濾過膜の原水側に気泡として導入する方法等は洗浄効果を高める上で有効であるが、原水の濁質等の条件によっては必ずしも十分安定な膜濾過流束が得られない。膜表面の付着物を除去し高い膜濾過流束を維持するためには、気体洗浄時の流量を多くしたり、気体洗浄時間を長くすることが有効である。しかし、これらは気体洗浄時における濾過膜の振動を増加させることになり、濾過膜に負荷を掛けるため濾過膜の寿命が短くなる。また、気体流量を多くすると濾過膜が多数本収納されたモジュール内の圧力が高まるために濾過膜、モジュール、配管に負荷が掛かる、さらには、モジュールや配管内における気体の流動抵抗が大きくなるためエネルギーロスが大きくなるといった問題がある。
特開平４−３１０２２０号公報特開昭６０−５８２２２号公報特開昭６３−４２７０３号公報

本発明は、長期間に亘って高い膜濾過流束を維持できる膜洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、濾過膜の洗浄方法について鋭意検討した結果、以下の発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、
（１）濾過膜の原水側に、圧力発生装置により加圧された気体洗浄媒体を供給し、気泡状に噴出させて濾過膜を振動させることにより付着物を除去する気体洗浄において、気体洗浄媒体をパルス状に噴出し気体洗浄を行うことを特徴とする膜洗浄方法、
（２）気体洗浄媒体が１種類以上の酸化剤を含む気体であることを特徴とする（１）に記載の膜洗浄方法、
（３）圧力発生装置により逆洗媒体に膜透過圧力を加えて濾過膜の濾液側に供給し、濾過膜の原水側に膜透過した逆洗媒体を噴出させつつ、気体洗浄を行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の膜洗浄方法、である。

本発明によれば、濾過膜の負荷を小さくしつつ効果的に洗浄を行う事ができ、この結果、長期間に亘って高い膜濾過流束を維持することが可能である。

以下に本発明の好ましい実施様態を中心に、詳細を述べる。
本発明の対象となる原水は、上水道、工業用水、河川水、湖沼水、地下水、貯水、下水二次処理水、排水、あるいは下水などである。従来、上記の様な原水を膜で濾過すると、該原水中に含まれる懸濁物質や使用する膜の孔径以上の大きさの物質は膜で阻止され、いわゆる濃度分極やケーク層を形成すると同時に、膜を目詰まりさせたり、あるいは膜内部の網状組織に吸着される。その結果、原水を濾過した際の膜濾過流束は、清澄水を濾過した際のそれに比べて数分の１から数十分の１にまで低下してしまい、また濾過の継続に従って膜濾過流束は徐々に低下していく。

これを防止し、膜濾過流束を維持するために、空気等の気体を濾過膜の原水側に気泡として導入する気体洗浄が一般に用いられる。しかし、前述したように気体洗浄条件は濾過膜、モジュール、配管の耐久性、またはエネルギー損失等の面から必ずしも十分な洗浄効果が得られていなかった。

本発明は濾過膜の洗浄方法として、気体洗浄媒体に圧力を加えてパルス状に噴出し気体洗浄を行う方法である。パルス状に気体を導入することで、気体導入時には膜モジュール内の気体流量が増加し、かつ、気体停止時には膜モジュール内の気体流量が減少することになる。したがって、膜モジュール内では急激な圧力変化が発生するため濾過膜の振動は非定常な状態となり、濾過膜の振動はＯＮ−ＯＦＦ（振動の有り無し）を交互に繰り返すことになる。よって、濾過膜全体に振動を付与できるため連続的に気体を導入する従来の場合に比べ効率よく付着物を膜表面より剥離させることができる。しかも、使用する気体洗浄媒体の量は連続的に気体を導入する場合に比べ少なくて済むため濾過膜、モジュールの耐久性、またはエネルギー効率等の面でも有効である。さらには、濾過膜の振動が定常状態にならないため、濾過膜の振動個所が一部に集中することが無く、濾過膜の負荷が小さくなり長寿命化が可能となる。

また、気体洗浄媒体に圧力を加えてパルス状に噴出し気体洗浄を行う際に、気体洗浄媒体として塩素、二酸化塩素、過酸化水素、オゾンガスなどの酸化剤を少なくとも１つ以上含む気体を用いる方法、あるいは、前述の酸化剤を少なくとも１つ以上含む逆洗を併用すると一層の洗浄効果を得ることができるため好ましい。酸化剤を添加した気体洗浄媒体による洗浄効果が高い理由は、パルス状に導入された気体は膜モジュール内で急激な圧力変化を伴い、流動状態が乱れることにより膜モジュール内で短絡流を形成せず、濾過膜全体に酸化剤が行き届くため洗浄効果が高くなるものと考えられる。また、気体洗浄中に、逆洗を併用すると洗浄効果が高い理由としては、膜表面の付着物が逆洗媒体により膜表面から押し上げられることによって剥離が容易になるためと考えられる。

以上のように、気体洗浄を行う際に気体洗浄媒体に圧力を加えてパルス状に噴出する方法、更には気体洗浄媒体として酸化剤を少なくとも１種類以上含む気体を用いる方法、あるいは同時に逆洗を行う方法、または両方を行う方法等により膜付着物を効果的に除去することができる。これにより、濾過膜の負荷を小さくしつつ、膜濾過流束を高い状態に維持でき、ランニングコストを低減することができる。
本発明において、気体洗浄媒体に圧力を加えてパルス状に噴出するとは、図１または図２のごとく、気体洗浄工程中に気体洗浄媒体を、膜モジュール１本あたりに高流量で気体を導入した状態（Ａ）と、膜モジュール１本あたりに（Ａ）よりも低流量もしくは気体を導入しない状態（Ｂ）を複数回繰り返すことを意味する。（Ｂ）の最低流量は（Ａ）の最高流量の１／２以下が好ましく、より好ましくは１／３以下であり、（Ｂ）の下限は特に制限されない。

複数回繰り返す際の（Ａ）の時間は０．１秒以上１２０秒以下、同じく（Ｂ）の時間は０．１秒以上１２０秒以下が好ましい。この時間内であれば（Ａ）、（Ｂ）各々の流量は時間と共に変化してもよい。また複数回繰り返す（Ａ）、（Ｂ）ともに毎回同じ時間、同じ流量に限定されない。
また、気体洗浄媒体を導入する方法として、例えば図１のごとく、できる限り瞬時に最大流量まで増加させ、瞬時に最低流量まで低下させる方法、図２のごとく気体洗浄媒体の流量を徐々に増加させ、徐々に低下させる方法等が挙げられる。なお、気体洗浄媒体の流量を最低流量から最大流量まで変化させる、もしくは、最大流量から最低流量まで変化させる時間としては、気体洗浄媒体の最大流量時において膜モジュールに導入されてから濾過膜を振動させて膜モジュール外へ排出されるまでにかかる時間、よりも短い時間で変化させることが望ましい。

気体洗浄工程の時間は、膜濾過流束の回復性と濾過設備の時間稼働率を勘案して適宜決めればよい。
気体洗浄媒体に圧力を加えるための圧力発生装置としてはポンプ、コンプレッサーあるいは加圧気体容器等があり、パルス状に気体洗浄媒体を与える方法としては例えばポンプ、コンプレッサー等を断続的に動かす事等が挙げられる。もしくは気体洗浄媒体を送液するポンプあるいは加圧気体を気体洗浄媒体に連続的に作用させておき、原水側もしくは濾水側の配管に設けた弁を断続的に開閉すること等で与えることができる。

濾過膜は特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィン；テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＥＰＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ素系樹脂；ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド等のスーパーエンジニアリングプラスチック；酢酸セルロース、エチルセルロース等のセルロース類；ポリアクリロニトリル；ポリビニルアルコールの単独及びこれらの混合物等が挙げられる。

さらにオゾン等の強力な酸化剤を併用する場合は、セラミック等の無機膜、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）膜、ポリ４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）膜、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）膜、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）膜等のフッ素系樹脂膜等の有機膜等を適用することが出来る。このような濾過膜のうち、その孔径領域がナノ濾過（ＮＦ）膜から精密濾過（ＭＦ）膜であるものが使用し得る。特に分画分子量が１００のＮＦから平均孔径が１０μｍ以下のＭＦが好ましい。

濾過膜の形状としては、中空糸状、ウェーブをつけた中空糸状、平膜状、プリーツ状、スパイラル状、チューブラー状など任意の形状を用いることができるが、単位体積当たりの膜面積が大きくとれる中空糸状がより好ましい。一般に、濾過は膜を収納したモジュールを用いて行われる。濾過方式としては、全量濾過方式でもクロスフロー濾過方式でもよいし、濾過圧力の付与方法としては加圧濾過方式あるいは陰圧濾過方式でもよい。また中空糸状膜の場合内圧濾過、外圧濾過のどちらでもよい。

気体洗浄媒体に含まれる酸化剤は、塩素、二酸化塩素、過酸化水素、オゾン等が挙げられ、少なくともこれらの酸化剤１種類以上を気体洗浄媒体に含有させて気体洗浄を行うことが好ましい。気体洗浄媒体に含有させる酸化剤の濃度は例えば塩素、二酸化塩素、過酸化水素の場合、０．０５ｍｇ／リットル以上５０ｍｇ／リットル以下が好ましく、０．１ｍｇ／リットル以上２０ｍｇ／リットル以下がより好ましく、さらには０．１ｍｇ／リットル以上１０ｍｇ／リットル以下が好ましい。０．０５ｍｇ／リットル以上であれば、有機物の溶解は十分に進み、洗浄効果が十分に得られる。５０ｍｇ／リットル以下であれば、洗浄効果が十分に得られる上、経済的である。気体洗浄媒体への酸化剤の添加方法は、気体洗浄媒体用の容器などに直接投入しても良いし、あるいは、前述の容器から濾過膜に至る配管の途中でラインミキサー等を用いて添加しても良い。

気体洗浄媒体が空気の場合、空気に含有させるオゾン濃度は０．０５ｍｇ／リットル以上５０ｍｇ／リットル以下が好ましい。さらに好ましくは、０．１ｍｇ／リットル以上１０ｍｇ／リットル以下である。オゾン濃度がこの範囲内であるとオゾンによる酸化が十分に進むため、洗浄効果が高く、経済的である。空気に添加するオゾンは、オゾン単体でもオゾン化空気でも良い。オゾン発生方法として放電によるオゾン発生を行う場合、原料は空気でもよく、あるいは酸素等でも良い。また、水の電気分解によってオゾンを発生する方法を用いてもよい。

本発明の洗浄方法は次に示す洗浄方法と組み合わせることで、さらに効果的な洗浄が期待できる。
すなわち、（１）本発明の気体洗浄と逆洗を同時に行うと効果が高いが、（２）逆洗媒体の導入に先立ち本発明の気体洗浄のみを行っても良い。あるいは（３）逆洗媒体の導入を行った後、本発明の気体洗浄のみを行っても良い。さらに、（４）原水を導入しながら逆洗媒体を導入し同時に本発明の気体洗浄を行っても良いし、さらには、（１）〜（４）を交互に組み合わせても良い。なお、上述の逆洗媒体には酸化剤として塩素、二酸化塩素、過酸化水素、オゾン等を少なくとも１種類以上を含有させても良い。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
原水１として、濁度が５〜２０度の河川表流水を用いた。図３に示すように、原水１は循環タンク２を経て原水供給ポンプ３により膜モジュール４へ圧送され、得られた濾水は逆洗タンクを兼用する濾水タンク５に貯められる。逆洗時に、濾水タンク５中の濾水は逆洗ポンプ６により膜モジュール４へ送られ逆洗が行われるが、ここで逆洗ポンプ６から膜モジュール４へ至る配管の途中に酸化剤タンク７の酸化剤を、酸化剤送液ポンプ８により逆洗水に添加することができる。また、膜モジュール４に空気を導入する気体洗浄は、コンプレッサー９で圧縮した空気を、膜モジュール４の原水側へ供給して行われる。空気をパルス状に付与する方法はタイマーにより開閉する電磁弁１０の開閉を繰り返すことで気体洗浄媒体に与えることができる。

運転は、（１）濾過、（２）本発明の気体洗浄および逆洗を同時に実施、（３）剥離した除去対象物質を排出、の工程で行う。ただし、ここで示した運転工程は本発明の使用方法の一例であり、運転工程の順序はこれに限定されるものではない。
膜モジュール４は、内径が０．７ｍｍφ、外径が１．３ｍｍφ、平均孔径０．１μｍのＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）製中空糸状精密濾過（ＭＦ）膜であり、
膜モジュール４（ａ）１ｍ長、３８ｍｍ径のＰＳ（ポリスルホン）ケーシング、
膜モジュール４（ｂ）８９ｍｍ径のＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）ケーシング、
に納めた外圧加圧濾過式モジュールである。当該膜モジュールの膜面積は前者が１．２ｍ^２、後者が７．０ｍ²である。

［実施例１］
濾過は膜モジュール４（ｂ）へ原水１を一定流量（膜濾過流束３ｍ^３／ｍ^２／日、１日で膜面積１ｍ^２あたり３ｍ^３の濾水が得られる流量）で供給する定流量濾過とし、また、膜濾過水量と循環水量の比を５対１としたクロスフロー方式で行った。運転条件は、濾過を２９分、気体洗浄（同時に逆洗を実施）を６０秒、排出３０秒の繰り返しで行った。気体洗浄用の気体はコンプレッサーにより圧縮した空気を用いた。また、気体洗浄の際に電磁弁１０を５秒間開き、５秒間閉じる周期を６回繰り返してパルス状に空気を噴出した。電磁弁が開いた際の最大空気流量は２Ｎｍ^３／ｈｒ、電磁弁が閉じた状態では０Ｎｍ^３／ｈｒであった。この時の濾水回収率（得られた濾水量／使用した原水量）は９３．７％であった。上記運転条件で約１ヶ月間運転した後の膜供給圧力は、１５０ｋＰａであった。

［比較例１］
実施例１において、気体洗浄の際に電磁弁１０を常時開とし、実施例１と同じ流量で、同量の空気を使って気体洗浄を行った（気体洗浄時間は３０秒）以外は実施例１と同様に膜濾過運転を実施した。この時の濾水回収率は実施例１と同じく９３．７％であった。約１週間の運転で膜供給圧力は、モジュール限界圧力の３００ｋＰａに到達した。

［実施例２］
濾過は膜モジュール４（ａ）へ原水１を一定流量（膜濾過流束６ｍ^３／ｍ^２／日、１日で膜面積１ｍ^２あたり６ｍ^３の濾水が得られる流量）で供給する定流量濾過とし、また、膜濾過水量と循環水量の比を５対１としたクロスフロー方式で行った。運転条件は、濾過を２０分、気体洗浄（同時に逆洗を実施）を６０秒、排出３０秒の繰り返しで行った。気体洗浄用の気体はコンプレッサーにより圧縮した空気を用いた。また、気体洗浄の際に電磁弁１０を５秒間開き、５秒間閉じる周期を６回繰り返してパルス状に空気を噴出した。電磁弁が開いた際の最大空気流量は６．５ＮＬ／ｍｉｎ、電磁弁が閉じた状態では０ＮＬ／ｍｉｎであった。この時の濾水回収率（得られた濾水量／使用した原水量）は９１．２％であった。上記運転条件で２４時間運転した後の膜供給圧力は、１５０ｋＰａであった。

［比較例２］
実施例２において、気体洗浄の際に電磁弁１０を常時開とし、実施例２と同じ流量で、２倍量の空気を使って気体洗浄を行った以外は実施例２と同様に膜濾過運転を実施した。この時の濾水回収率は実施例２と同じく９１．２％であった。２４時間運転した後の膜供給圧力は、１５０ｋＰａであった。

上水道、工業用水、河川水、湖沼水、地下水、貯水、下水二次処理水、排水、下水等を原水として濾過膜を適用する、または有価物の分離、或いは濃縮のために濾過膜を適用する分野で好適に利用できる。

気体洗浄媒体を間欠的に導入した例を示す模式図。気体洗浄媒体を間欠的に導入した別の例を示す模式図。本発明の膜の洗浄方法を組み込んだ処理フローの一例を示したフロー図。

Claims

濾過膜の原水側に、圧力発生装置により加圧された気体洗浄媒体を供給し、気泡状に噴出させて濾過膜を振動させることにより付着物を除去する気体洗浄において、気体洗浄媒体をパルス状に噴出し気体洗浄を行うことを特徴とする膜洗浄方法。
気体洗浄媒体が１種類以上の酸化剤を含む気体であることを特徴とする請求項１に記載の膜洗浄方法。
圧力発生装置により逆洗媒体に膜透過圧力を加えて濾過膜の濾液側に供給し、濾過膜の原水側に膜透過した逆洗媒体を噴出させつつ、気体洗浄を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の膜洗浄方法。