JP2006272256A - 膜分離装置及び膜分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機物含有水を濾過した分離膜を膜洗浄することにより濾過性能が確実かつ十分に回復する膜分離装置及び膜分離方法を提供する。
【解決手段】膜モジュール３を薬液洗浄するときには、ポンプ２を停止し、バルブ２ａ，４ａを閉、バルブ７を開とし、ポンプ９を作動させると共に、バルブ１１又は１５を開とし、ポンプ１２又は１６を作動させる。これにより、濾過水槽５内の濾過水と酸又はアルカリが配管４を介して膜モジュール３の２次側３ｂに供給され、膜を逆方向に浸透し、配管１０から逆洗排水として排出される。原水槽１内に有機物濃度センサ１３が設置されており、その検出値が制御器１４に入力されている。上記薬液洗浄に際しては、被処理水中の有機物濃度に応じて薬液濃度及び／又は薬液洗浄頻度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理水を精密濾過膜（ＭＦ膜）、限外濾過膜（ＵＦ膜）、ナノ濾過膜（ＮＦ膜）などの分離膜によって膜濾過する膜分離装置及び膜分離方法に関する。

この種の膜分離装置によって被処理水を濾過処理する場合、分離膜に汚れが付着してくるので、間欠的に洗浄流体（水及び／又は気体）を供給して膜洗浄を行う。この膜洗浄としては、膜濾過水などの洗浄流体を膜分離装置の２次側から１次側へ流す逆洗を行うことが多い。

膜濾過水による水逆洗は、通常、３０秒〜６０分に１回程度の高頻度で行われる。この水逆洗を行っても、次第に膜に汚れが蓄積し、水逆洗では除去されなくなるので、０．５日〜１０日に１回程度の低頻度で膜を薬液で洗浄する。この薬液としては酸又はアルカリが用いられることが多い。この薬液洗浄は、定期的に、あるいは水逆洗しても濾過差圧が回復しなくなったときなどに行われる。この薬液洗浄の後は、膜を清水でリンスした後、通常の濾過運転に復帰する。

上記の濾過水を用いた水逆洗の制御方式について、特許２８７６９７８号には、被処理水中の有機物濃度と濁度とを検出し、この有機物濃度の大小、あるいは有機物濃度と濁度との比の大小に応じて膜の洗浄時間又は濾過時間を制御することが記載されている。
特許２８７６９７８号

上記特許２８７６９７８号には、分離膜の薬液洗浄の頻度をどのように制御するかについての開示はない。

本発明は、有機物含有水を濾過した分離膜を薬液洗浄することにより濾過性能が確実かつ十分に回復する膜分離装置及び膜分離方法を提供することを目的とする。

請求項１の膜分離装置は、被処理水を一次側から供給し、分離膜を透過した濾過水を二次側から排出する膜分離手段と、該膜分離手段の二次側に洗浄薬液を供給し、分離膜を透過した洗浄薬液を一次側から排出して該分離膜を洗浄する洗浄手段とを有する膜分離装置において、被処理水中の有機物濃度を測定する有機物濃度測定手段と、該有機物濃度測定手段の測定値に基づき該膜分離手段に供給する洗浄薬液の濃度及び／又は洗浄間隔を制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。

請求項２の膜分離装置は、請求項１において、該有機物濃度測定手段は、波長２００〜４００ｎｍの範囲内の紫外線吸光度と波長４００〜８００ｎｍの範囲内の可視光線吸光度との差から有機物濃度を測定するものであることを特徴とするものである。

請求項３の膜分離装置は、請求項１又は２において、前記制御手段は被処理水中の有機物濃度が高い程洗浄薬液の濃度を高く及び／又は洗浄間隔を短くするものであることを特徴とするものである。

請求項４の膜分離方法は、被処理水を膜分離手段に供給して膜濾過水を得る工程と、膜分離手段に洗浄流体を供給する分離膜洗浄工程とを有する膜分離方法において、被処理水中の有機物濃度を測定し、該有機物濃度の計測値に基づいて膜分離手段に供給する洗浄薬液の濃度及び／又は洗浄間隔を変化させることを特徴とするものである。

請求項５の膜分離方法は、請求項４において、被処理水中の有機物濃度が高い程洗浄薬液の濃度を高く及び／又は洗浄間隔を短くすることを特徴とするものである。

被処理水中の有機物濃度が高い場合でも、分離膜の薬液洗浄時に洗浄薬液の濃度及び／又は洗浄間隔を制御することにより、分離膜の濾過性能が十分に回復することが見出された。本発明はかかる知見に基づくものである。本発明によれば、膜濾過性能を十分に回復させることができる。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る膜分離装置の系統図である。

原水は原水槽１から原水ポンプ２と、バルブ２ａを介して膜モジュール３の１次側３ａへ送られる。この実施の形態では、膜モジュール３は全量濾過方式であるが、クロスフロー方式でもよい。膜を透過して２次側３ｂに入った膜透過水（濾過水）は、バルブ４ａを有した配管４を介して濾過水槽５に導入され、配管６より膜濾過水として取り出される。前記膜モジュール３の１次側３ａにはバルブ２１を有した逆洗排水取出用の配管２０が接続されている。

膜モジュール３を水で逆洗したり薬液洗浄後にリンスするために、濾過水槽５内の水がバルブ７、配管８、ポンプ９を介して、前記バルブ４ａよりも上流側の配管４へ供給可能とされている。また、膜モジュール３を薬液洗浄するために、該バルブ４ａよりも上流側の配管４へ、酸貯槽１０内の酸溶液がバルブ１１、ポンプ１２、配管１３を介して供給可能とされ、また、アルカリ貯槽１４内のアルカリ溶液がバルブ１５、ポンプ１６及び配管１７を介して供給可能とされている。

膜モジュール３を水で逆洗したり、薬液洗浄後にリンスするときには、ポンプ２を停止し、バルブ２ａ，４ａ，１１，１５を閉、バルブ７，２１を開とし、ポンプ９を作動させる。これにより、濾過水槽５内の濾過水が配管８，４を介して膜モジュール３の２次側３ｂに供給され、膜を逆方向に１次側３ａへ透過し、配管１０から逆洗排水として排出される。

酸又はアルカリで膜モジュール３を薬液洗浄するときには、ポンプ２を停止し、バルブ２ａ，４ａを閉とし、バルブ１１又は１５を開とすると共にバルブ２１を開とし、ポンプ１２又は１６を作動させ、バルブ７を開としてポンプ９を作動させ、所定量の水を濾過水槽５から配管４へ送り、酸又はアルカリを希釈しつつ膜モジュール３へ送る。

なお、膜モジュール３に供給する酸又はアルカリの濃度を変化させるときには、ポンプ１２又は１６をインバーター又はパルス制御することにより、酸又はアルカリの注入量を変化させる。

原水槽１内に有機物濃度センサ２３が設置されており、その検出値が制御器２４に入力されている。この制御器２４は、有機物濃度センサ２３の検出値に応じ、薬液洗浄の頻度及び／又は膜モジュール３へ供給する薬液濃度（槽１０又は１４からの酸又はアルカリの注入量）を制御する。

なお、原水をまず凝集処理してから原水槽１に供給してもよく、この場合、原水槽１の上流側に凝集剤の添加手段と、凝集フロックを分離するための固液分離手段が設けられるが、固液分離手段はなくてもよい。

本発明の膜分離装置及び膜分離方法が処理対象とする被処理水は、有機物を含むものであり、河川水、地下水などの天然水のほか、各種工場排水や農業排水、下水などが例示される。この被処理水に含まれる有機物は、特に限定されるものではない。なお、天然水中にはフミン酸が含まれることが多いが、当然ながらこのフミン酸も本発明の有機物の一種に当る。

分離膜としては、ＭＦ膜、ＵＦ膜、ＮＦ膜などが例示される。

膜分離装置は、前記の通り、クロスフロー方式のものであっても全量濾過方式のものであってもよい。

被処理水中の有機物濃度はＴＯＣ計やＣＯＤ計によって測定してもよいが、紫外光及び可視光の吸光度の差から求めるのが簡便、迅速であり好適である。紫外光としては波長２００〜４００ｎｍが好適であり、この波長の吸光度は有機物の吸光度と、主として無機粘土鉱物よりなる濁度成分の吸光度との合計値である。可視光としては波長６００〜８００ｎｍが好適であり、この波長の吸光度は濁度成分による吸光度である。従って、両波長における吸光度の差から被処理水中の有機物濃度を検知することができる。

本発明では、膜モジュールの膜を好ましくは１０〜１８０分に１回程度の高頻度にて水で逆洗し、０．５〜７日に１回程度の低頻度にて薬液洗浄する。本発明では、薬液洗浄の薬液濃度及び／又は洗浄間隔（洗浄頻度）を原水中の薬液濃度に応じて制御する。通常は、原水中の有機物濃度が高くなるほど、薬液濃度を高くするか、又は洗浄頻度を多くする。

本発明において、被処理水中の有機物濃度が高くなるほど薬液の濃度又は洗浄頻度を増大させる場合、有機物濃度と薬液濃度又は洗浄頻度とを直線的に比例させてもよく、有機物濃度が高くなるのに従って薬液濃度又は洗浄頻度を段階的に増加させてもよい。例えば、被処理水中の有機物濃度と、濾過性能を十分に回復させる必要最小限の薬液濃度又は洗浄頻度との関係を予め実験により求めておき、この関係を数式化したり、そのままコンピュータのメモリに格納しておき、これに基づいて薬液濃度又は洗浄頻度を決定してもよい。

なお、図２は本発明者が被処理水中のフミン酸濃度と、膜濾過差圧を十分に回復させるのに必要な洗浄頻度との関係について研究して得た結果を模式的に示すグラフである。

図２の限外膜濾過流束Ｊｃは、原水の有機物濃度が同じ濃度の場合に、それ以上の膜濾過流束に設定した時に、膜差圧ΔＰの増加速度が急激に増大し、膜濾過の運転が不可能になる限界値を示す。

図２においてｆ_１，ｆ_２，ｆ_３は薬液洗浄の頻度であり、ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３である。濾過流束がＡ［ｍ／ｄ］にまで回復してこの濾過流束にて濾過運転を行うように膜洗浄を制御する場合、フミン酸濃度が０．８ａ以下では薬液洗浄の頻度をｆ_１とし、０．８ａ〜０．８ｂでは薬液洗浄の頻度をｆ_２とし、０．８ｂ〜０．８ｃでは薬液洗浄の頻度をｆ_３とする。０．８を安全係数として掛けるのは、フミン酸濃度Ｃ_０がａであるときに薬液洗浄の頻度をｆ_１とすると、逆方向の濾過流束が限界膜濾過流束となり、急激に差圧が上昇するおそれがあるからである。

図示はしないが、原水中の有機物濃度と薬液濃度との間にも図２に示す関係があることが認められた。

このように被処理水中の有機物濃度が高くなるほど洗浄薬液の濃度や薬液洗浄頻度を増加させることにより、有機物濃度が高い場合でも分離膜の膜濾過性能を確実かつ十分に回復させることができる。また、被処理水中の有機物濃度が低い場合には、それに応じて薬液濃度を低くしたり薬液洗浄頻度を低下させるため、洗浄薬液の消費量が少なく、洗浄薬液を節約することができると共に、膜の劣化を防止できる。なお、薬液洗浄後のリンス用水として膜濾過水を用いるときには、薬液洗浄頻度の低減の節約により水回収率を多くすることができる。

なお、種々の実験の結果、原水中の有機物濃度が高くなることに応じて薬液洗浄の頻度を高くする場合、薬液の濃度を低下させても十分な薬液洗浄効果が得られることが認められた。

上記の洗浄薬液のアルカリとしては、次亜塩素酸ナトリウムや水酸化ナトリウムが好適であり、酸としては、硫酸、塩酸、硝酸、クエン酸、シュウ酸、アスコルビン酸、重亜硫酸ナトリウムの１種又は２種以上が例示されるが、これに限定されない。

なお、図１のように酸とアルカリを併用する場合、各濃度はほぼ同一の規定（Ｎ）であることが好ましい。通常、酸、アルカリの濃度は１×１０^−３〜０．５Ｎ程度が好ましい。

実施例１
図１に示す膜分離装置において、膜モジュール３として、クラレ製の内圧中空糸限外濾過膜（親水化ポリスルフォン、分画分子量１５０，０００）の小型ラボモジュール（膜面積：０．１４ｍ^２）を用いた。有機物濃度センサ１３として波長２６０ｎｍ及び６６０ｎｍのＵＶ濁度２波長測定センサを用いた。原水としては水道水にフミン酸を４．５ｍｇ／Ｌ溶解させたものを用いた。この原水の波長２６０ｎｍの吸光度と６６０ｎｍの吸光度との差は光路５０ｍｍで０．５ａｂｓであった。なお、この水道水のフミン酸を添加する前の該吸光度差及び波長２６０ｎｍの吸光度はいずれも０．０３５ａｂｓであった。

濾過流束を３ｍ／ｄと一定にして膜濾過を行い、通水２９分、逆洗１分のサイクルで濾過工程と逆洗工程を繰り返した。そして、１２時間に１回の頻度にて薬液洗浄を行った。この２９分間の濾過工程における膜差圧の上昇速度（ｋＰａ／ｄ）を表１に示す。

なお、酸としては硫酸（濃度１００ｇ／Ｌ）を用い、アルカリとしては水酸化ナトリウム（濃度１００ｇ／Ｌ）を用いた。

薬液洗浄の工程は次の通りである。
第１工程：水用ポンプ９と酸用ポンプ１２を作動させ、硫酸濃度１２２５ｍｇ／Ｌの酸溶液を５ｍ／ｄの線速度で１分回通水する。
第２工程：酸通水を停止し、膜モジュール３内を酸に浸漬した状態とし、これを２８分間継続する。
第３工程：ポンプ９のみを作動させ、濾過水を逆透過流束５ｍ／ｄにて１分回通水する。
第４工程：水用ポンプ９とアルカリ用ポンプ１６とを作動させ、濃度１０００ｍｇ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液を逆透過流束５ｍ／ｄにて１分間通水する。
第５工程：アルカリ通水を停止し、膜モジュール内をアルカリに浸漬した状態とし、これを２８分間継続する。
第６工程：ポンプ９のみを作動させ、濾過水を逆透過流束５ｍ／ｄにて１分回通水する。

このように、酸通水１分、酸保持２８分、リンス１分、アルカリ通水１分、アルカリ保持２８分、リンス１分の合計６０分にて１回の薬液洗浄を行った。

実施例２
薬液洗浄の頻度を６時間に１回と２倍にすると共に、酸及びアルカリの濃度をそれぞれ６１０ｍｇ／Ｌ，５００ｍｇ／Ｌと１／２にした他は、実施例１と同様にして濾過工程・逆洗工程を繰り返し、濾過工程における膜差圧の上昇速度を測定した。結果を表１に示す。

比較例１
原水としてフミン酸を添加せずに上記水道水をそのまま用いた他は、実施例１と同様にして濾過工程・逆洗工程及び薬液洗浄を繰り返し、濾過工程における膜差圧の上昇速度を測定した。結果を表１に示す。

比較例２
薬液洗浄時に酸、アルカリを全く添加しなかったこと以外は実施例１と同様にして濾過工程・逆洗工程及び薬液洗浄を繰り返し、濾過工程における膜差圧の上昇速度を測定した。結果を表１に示す。

実施例３，４、比較例３
原水としてフミン酸濃度が２．０ｍｇ／Ｌのものを用いたこと以外はそれぞれ実施例１、実施例２、比較例２と同様にして濾過工程・逆洗工程及び薬液洗浄を繰り返し、濾過工程における膜差圧の上昇速度を測定した。結果を表２に示す。

表１，２より、フミン酸濃度が高くなるほど薬液洗浄頻度を大きくすることにより、実施例１，２，３，４のように膜差圧上昇が抑制されることが明らかである。また、実施例２，４は、実施例１，３の洗浄頻度を２倍に、且つ薬液濃度を１／２にしたものであるが、実施例２及び実施例４の薬液洗浄効果はそれぞれ実施例１、実施例３と同等であることが認められた。

実施の形態に係る膜分離装置の系統図である。 フミン酸濃度と膜濾過速度との関係を模式的に示すグラフである。

符号の説明

３ 膜モジュール
５ 濾過水槽
１３ 有機物濃度センサ
１４ 制御器

Claims (5)

1. 被処理水を一次側から供給し、分離膜を透過した濾過水を二次側から排出する膜分離手段と、
   該膜分離手段の二次側に洗浄薬液を供給し、分離膜を透過した洗浄薬液を一次側から排出して該分離膜を洗浄する洗浄手段とを有する膜分離装置において、
   被処理水中の有機物濃度を測定する有機物濃度測定手段と、
   該有機物濃度測定手段の測定値に基づき該膜分離手段に供給する洗浄薬液の濃度及び／又は洗浄間隔を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする膜分離装置。
2. 請求項１において、該有機物濃度測定手段は、波長２００〜４００ｎｍの範囲内の紫外線吸光度と波長４００〜８００ｎｍの範囲内の可視光線吸光度との差から有機物濃度を測定するものであることを特徴とする膜分離装置。
3. 請求項１又は２において、前記制御手段は被処理水中の有機物濃度が高い程洗浄薬液の濃度を高く及び／又は洗浄間隔を短くするものであることを特徴とする膜分離装置。
4. 被処理水を膜分離手段に供給して膜濾過水を得る工程と、膜分離手段に洗浄流体を供給する分離膜洗浄工程とを有する膜分離方法において、
   被処理水中の有機物濃度を測定し、該有機物濃度の計測値に基づいて膜分離手段に供給する洗浄薬液の濃度及び／又は洗浄間隔を変化させることを特徴とする膜分離方法。
5. 請求項４において、被処理水中の有機物濃度が高い程洗浄薬液の濃度を高く及び／又は洗浄間隔を短くすることを特徴とする膜分離方法。

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