JP2007021440A - 一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を簡素な構成で予測できる循環型ナノろ過試験装置を得る。
【解決手段】 循環型ナノろ過試験装置である循環型装置２は、一過型多段ナノろ過実施設の任意の箇所の少なくとも１つの膜エレメント周りの水量収支を再現したものである。循環型装置２は、一過型多段ナノろ過実施設のものと同じ例えば２つの膜エレメント２１、２１を備えている。上流側の膜エレメント２１には供給水が供給水管２５と供給ポンプ２６を介して流入する。膜エレメント２１、２１で生じた濃縮水の一部または全部は、循環水管３１を介して供給ポンプ２６の上流側の供給水管２５に循環する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば浄水場に設置しようとする一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測する装置および方法に関する。

従来、水道の原水には富栄養化、病原性微生物などの自然発生的な物質の他に、農薬、中性洗剤などの人為的な物質が含まれている。過去には、病原性微生物であるクリプトスポリジウムによる集団感染が発生したこともある。この対策として、浄水場には原水をろ過膜によってろ過する膜ろ過施設が導入され、原水から懸濁物質ばかりでなく細菌類、藻類、原虫類などが確実に除去されている。このような膜ろ過施設に使用されている膜として、サイズの大きな方から順に精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、および逆浸透膜が知られている。これらの膜のうち、精密ろ過膜および限外ろ過膜は細菌類を極めて高度に除去できるが、農薬や臭気物質などは十分に除去できないものとなっている。このため、精密ろ過膜や限外ろ過膜を用いて処理したろ過水は、オゾンや活性炭によって更に処理することが必要となっている。

これに対し、ナノろ過膜を用いた膜ろ過施設はオゾンや活性炭による処理が不要とされ、オゾン・活性炭処理の代替として位置付けられている。このようなナノろ過膜を用いた膜ろ過施設の多くは、小規模な施設を除いて、供給水を循環させない所謂一過型多段ナノろ過施設とされている。この種の一過型多段ナノろ過施設では、複数の膜モジュールがバンク式またはツリー式に一過型として配置され、第１バンクの膜モジュールで生成された濃縮水が第２バンクの膜モジュールに供給され、回収率の向上が図られている。そして、より高い回収率を目指す場合には第２バンクの膜モジュールの濃縮水が第３バンクの膜モジュールに供給され、更なる高い回収率を目指す場合には更なるバンクが追加されて同様に処理されている。

なお、上記先行技術は当業者一般に知られた技術であって、文献公知発明に係るものではない。

上述の一過型多段ナノろ過施設の処理機能は運転圧力、供給水濃度、供給水温度などの処理機能影響因子によって異なるので、一過型多段ナノろ過施設の処理機能を予測するためには、一過型多段ナノろ過施設と同じ試験施設を用意する必要があり、研究開発コスト、施設コスト、運転管理コストなどが極めて高くなっている。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、簡素な構成で一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測できる循環型ナノろ過試験装置を得るものである。
また、第２の目的は、簡素な構成の循環型ナノろ過試験装置によって一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測できる処理機能予測方法を得るものである。

この発明に係る循環型ナノろ過試験装置は、一過型多段ナノろ過実施設の任意の箇所における少なくとも１つの膜エレメントの処理機能に影響を及ぼすと認められる因子を再現したものである。

この発明に係る処理機能予測方法は、一過型多段ナノろ過実施設の任意の箇所における少なくとも１つの膜エレメントの処理機能に影響を及ぼすと認められる因子を再現した循環型ナノろ過試験装置によって前記処理機能を予測することである。

この発明は、一過型多段ナノろ過実施設の任意の箇所の少なくとも１つの膜エレメントの処理機能影響因子を循環型ナノろ過試験装置によって再現して水回収率と物質除去率を求めることにより、一過型多段ナノろ過実施設の濃度を理論的に算出できるので、一過型多段ナノろ過実施設またはそれに相当する装置を用意することなく、一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測できる。そして、一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測するために一過型多段ナノろ過実施設またはそれに相当する装置を用意する必要がないので、研究開発コスト、設備コスト、運転管理コストなどを大幅に削減できる。

実施の形態１．
図１は、例えば浄水場の一過型（ツリー型）多段ナノろ過実施設の処理機能（処理性または性能）を実証実験するために用意した一過型多段ナノろ過装置１（以降、多段型装置１という）を示すものである。図２は、多段型装置１の処理機能を予測（評価）するための循環型ナノろ過試験装置２（以降、循環型装置２という）を示すものである。浄水場は、基本的に一過型多段ナノろ過実施設と消毒施設から構成され、必要に応じて前処理施設、後処理施設、排水処理施設などが追加される。この実施の形態１における多段型装置１と循環型装置２に供給する供給水は、前処理施設で精密ろ過膜によって前処理したものとするのが好ましい。

なお、この実施の形態１でいう「一過型多段ナノろ過実施設」という言葉は浄水場に設置しようとする実際の一過型多段ナノろ過施設のことを意味し、一般に「施設」という言葉を「設備」と表現することもある。また、以降においては多段型装置１を大型ナノろ過装置とよぶこともあり、循環型装置２を小型ナノろ過装置とよぶこともある。

図１に示すように、多段型装置１は一過型多段ナノろ過実施設と同様なものとしてあり、バンク構成を直列４段とし、ベッセル構成を８−４−２−１としてある。すなわち、多段型装置１は第１（１ｓｔ）バンク１１、第２（２ｎｄ）バンク１２、第３（３ｒｄ）バンク１３、および第４（４ｔｈ）バンク１４から構成してある。第１バンク１１では、ナノろ過膜を構成する５つの同様な膜エレメント１５をベッセル（ハウジングまたはケーシング）１６に収容してなる８つの膜モジュール１７を並列配置してある。第２バンク１２では同様な膜モジュール１７を４列に並列配置し、第３バンク１３では同様な膜モジュール１７を２列に並列配置し、第４バンク１４では同様な膜モジュール１７を１つだけ配置してある。

他方、循環型装置２は、多段型装置１の処理機能に影響を及ぼすと認められる因子（処理機能影響因子）を再現するものとしてある。この処理機能影響因子には、水量収支、運転圧力、供給水水質、供給水温度、浸透圧、溶質濃度などを含めることができる。

図２に示すように、循環型装置２は、多段型装置１の任意の箇所（例えば図１において楕円で囲んだ４つの箇所のうちの１つ）における少なくとも１つの膜エレメント１５（例えば第1バンク１１の第１、第２の膜エレメント１５、１５）に相当する２つの膜エレメント２１、２１を備えている。なお、図１において楕円で囲んだ４つの箇所は、後述する実施例２において対象となる膜エレメント１５を指しており、循環型装置２に用いる膜エレメント２１は、多段型装置１の膜エレメント１５の位置や数に限定されるものではない。

循環型装置２の膜エレメント２１はベッセル２２に収容し、膜モジュール２３としてある。循環型装置２には、例えば前処理施設からの原水を貯留して膜エレメント２１に供給するための供給水槽２４を用意してある。この供給水槽２４内の供給水は、供給水管２５と供給ポンプ２６によって上流側の膜エレメント２１に流入させるようにしてある。双方の膜エレメント２１、２１でろ過したろ過水は、ろ過水管２７を介してろ過水槽２８に導くようにしてある。上流側の膜エレメント２１で生じた濃縮水は濃縮水管２９によって後流側の膜エレメント２１に導くようにし、後流側の膜エレメント２１で生じた濃縮水は濃縮水管３０を介して系外に排出するようにしてある。そして、後流側の膜エレメント２１の濃縮水の一部または全部は、循環水管３１を介して供給ポンプ２６の上流側の供給水管２５に循環させるようにしてある。

なお、上述の供給水槽２４およびろ過水槽２８は循環型装置２に必須のものではなく、多段型装置１の供給水源やろ過水槽でそれぞれ代用させることができる。

ここで、多段型装置１の任意の膜エレメント１５における水回収率、物質除去率などは図３を参照して以下のように定義する。
ｎ番目の膜エレメント１５におけるエレメント水回収率ｒ_n；
ｒ_n＝Ｑ_pn／Ｑ_fn ・・・（式１）
ｎ番目の膜エレメント１５におけるエレメント物質除去率Ｒ_n；
Ｒ_n＝１−Ｃ_pn／{(Ｃ_fn＋Ｃ_bn)／２} ・・・（式２）
ｎ番目の膜エレメント１５のろ過水量Ｑ_pn；
Ｑ_pn＝Ｑ_fn・ｒ_n ・・・（式３）
ｎ番目の膜エレメント１５における濃縮水量Ｑ_bn；
Ｑ_bn＝Ｑ_fn・(１−ｒ_n) ・・・（式４）
ｎ番目の膜エレメント１５までの累積システム水回収率ｒ_sys；
ｒ_sys＝１／Ｑ_f1・ΣＱ_pn(ｎ＝１〜ｎ) ・・・（式５）
ｎ番目の膜エレメント１５における濃縮水濃度Ｃ_bn；
Ｃ_bn＝Ｃ_fn・{ｒ_n(１−ｒ_n)−２}／{ｒ_n(１＋Ｒ_n)−２} ・・・（式６）
ｎ番目の膜エレメント１５におけるろ過水濃度Ｃ_pn；
Ｃ_pn＝Ｃ_fn・(ｒ_n−２)(１−Ｒ_n)／{ｒ_n(１＋Ｒ_n)−２} ・・・（式７）
ただし、Ｃ_fnは供給水濃度とする。

そして、循環型装置２の循環水量比、エレメント水回収率、エレメント物質除去率などは図４を参照して以下のように定義する。
循環水量比ａ；
ａ＝Ｑ_r／Ｑ₀ ・・・（式８）
エレメント水回収率ｒ；
ｒ＝Ｑ_p／Ｑ_f ・・・（式９）
エレメント物質除去率Ｒ；
Ｒ＝１−Ｃ_p／{(Ｃ_f＋Ｃ_b)／２} ・・・（式１０）
膜供給水量Ｑ_f；
Ｑ_f＝Ｑ₀・(１＋ａ) ・・・（式１１）
濃縮水量Ｑ_b；
Ｑ_b＝Ｑ₀・(１＋ａ)(１−ｒ) ・・・（式１２）
ろ過水量Ｑ_p；
Ｑ_p＝Ｑ₀・(１＋ａ)ｒ ・・・（式１３）
濃縮排水量Ｑ_d；
Ｑ_d＝Ｑ₀−Ｑ₀・(１＋ａ)ｒ ・・・（式１４）
循環水量Ｑ_r；
Ｑ_r＝ａ・Ｑ₀ ・・・（式１５）
水回収率ｒ_sys；
ｒ_sys＝１−(１＋ａ)ｒ ・・・（式１６）
膜供給水濃度Ｃ_f；
Ｃ_f＝Ｃ₀・{ｒ(１＋Ｒ)−２}／{ｒ(１＋(１＋２ａ)Ｒ）−２}・・・（式１７）
濃縮水濃度Ｃ_b；
Ｃ_b＝Ｃ₀・{ｒ(１−Ｒ)−２}／{ｒ(１＋(１＋２ａ)Ｒ)−２} ・・・（式１８）
ろ過水濃度Ｃ_p；
Ｃ_p＝Ｃ₀・(ｒ−２)(１−Ｒ)／{ｒ(１＋(１＋２ａ)Ｒ)−２}・・・（式１９）

以上により、多段型装置１と循環型装置２では、エレメント水回収率とエレメント物質除去率が決まれば、濃縮水濃度、ろ過水濃度などを求めることができる。具体的な数値で例えれば、多段型装置１の例えば第２バンク１２の第１の膜エレメント１５に流入する供給水量を１００とし、そのエレメント水回収率を１０％と仮定すると、第２バンク１２の第１〜第５の膜エレメント１５でのろ過水量はそれぞれ１０、９、約８、約７．３、約６．５となり、次位の膜エレメント１５に流入する濃縮水量は順次に９０、８１、約７３、約６５、約５９となる。したがって、第１〜第５の膜エレメント１５のろ過水量の累積（合計）は約４１となり、そのうちの第４、第５の膜エレメント１５のろ過水量の累積は約１３．８となる。

他方、循環型装置２において多段型装置１の第２バンク１２の第４、第５の膜エレメント１５、１５の水量収支を再現する場合には、循環型装置２に流入する（循環水量を含む）供給水量は約７３となる。多段型装置１の第１〜第５の膜エレメント１５の累積ろ過水量は約４１であり、第４、第５の膜エレメント１５、１５（膜エレメント２１、２１）のろ過水量の累積は約１３．８であるので、循環型装置２の系外からの供給水量は（約１３．８／約４１）・１００＝約３３．６となる。したがって、循環水量は約７３−約３３．６＝約３９．４となる。そして、循環型装置２から系外に流出するろ過水量は約３３．６−約１３．８＝約１９．２となる。

次に、多段型装置１の処理機能を循環型装置２によって実証実験するための全般的な手順を説明する。先ず、多段型装置１の任意の膜エレメント１５における水量収支を上記式１〜７によって算出する。次に、その算出結果に基づいた水量収支を用いて循環型装置２を運転する。次に、多段型装置１の同じ膜エレメント１５における水量収支を実測すると共に、供給水水質、ろ過水水質、および濃縮水水質を実測する。次に、多段型装置１の同じ膜エレメント１５における水量収支を再現した循環型装置２の水量収支を実測すると共に、供給水水質、ろ過水水質、および濃縮水水質の物質濃度を実測する。次に、循環型装置２で得た水量および水質の実測値から物質除去率を上記式８〜１９によって算出する。次に、算出した物質除去率を用いて多段型装置１の供給水水質、ろ過水水質、および濃縮水水質の物質濃度を算出する。そして、この多段型装置１の物質濃度と上記循環型装置２の物質濃度とがほぼ一致することを確認する。

実施の形態２．
なお、上述の実施の形態１では１基の循環型装置２によって多段型装置１の処理機能を予測したが、多段型装置１の任意の膜エレメント１５における処理機能影響因子を再現できる２基以上の循環型装置２を用意し、この循環装置２に前記処理機能影響因子を再現してそれを運転することによっても、多段型装置１の処理機能を予測できる。この場合には、循環型装置２から物質除去率を算出し、この物質除去率を用いることにより、多段型装置１で得られるであろう濃度を算出する。

多段型装置１の流量予測式の確認を次のように行なった。ただし、以下の表１にも示すように、多段型装置１はバンクの構成を直列３段とし、ベッセル１６の構成を６−３−１とし、各ベッセル１６には５つの膜エレメント１５を収容した。表１において、３つのバンクは第１（１ｓｔ）バンク、第２（２ｎｄ）バンク、第３（３ｒｄ）バンクと表し、５つの膜エレメント１５は、上流側から順次に１エレメント〜５エレメントと表してある。このような多段型装置１の構成で次の手順を進めた。
（１）各バンクのフラックスとバンク毎のエレメント水回収率とをそれぞれ一定と仮定し、多段型装置１のろ過水量の予測値を上記式３から得た。
（２）多段型装置１を表１に示す条件で運転し、多段型装置１のろ過水量の実測値を得た。
（３）多段型装置１のろ過水量の予測値と実測値の関係は図５に示すようになった。
（４）図５から明らかなように、多段型装置１のろ過水量を実用上問題のない程度に予測することが可能となり、流量予測式の妥当性を確認できた。なお、実際には膜エレメント１５の圧力損失によって膜ろ過圧力が膜エレメント１５毎に変化するので、エレメント水回収率は同一ベッセル１６内であっても異なり、ベッセル１６の上流側で高く、下流側で低くなる。しかし、エレメント水回収率が同一ベッセル１６内で一定であると仮定すれば、多段型装置１のろ過水量を実用上問題のない程度に予測することが可能となる。

多段型装置１および循環型装置２の濃度予測式の確認を次のように行なった。
（１）以下の表２に示す条件（フラックスおよびエレメント水回収率を一定）の下で多段型装置１の濃度の予測値を上記式６および式７から算出した。
（２）表２に示す条件（図１に４つの楕円で示す箇所の水量収支の再現、すなわち第１バンク１１の第１、第２の膜エレメント１５の水量収支または第２〜第４バンク１２〜１４のそれぞれの第３、第４の膜エレメント１５の水量収支の再現）の下で循環型装置２の物質濃度（供給水濃度、濃縮水濃度、およびろ過水濃度）の予測値を上記式１７〜式１９から得た。
（３）多段型装置１と循環型装置２を表２に示す条件で運転した。
（４）例として有機物質の一指標であるＴＯＣ（全有機性炭素）濃度の実測値を得た。
（５）濃度予測式による多段型装置１のＴＯＣ濃度の予測値と実測値の関係は図６に示すようになり、濃度予測式による循環型装置２のＴＯＣ濃度の予測値と実測値の関係は図７に示すようになった。
（６）図６および図７から明らかなように、多段型装置１と循環型装置２の双方において濃度の予測値と実測値に優れた一致が見られ、濃度予測式の妥当性を確認できた。なお、多段型装置１の濃度の実測値と循環型装置２の濃度の実測値とを比較すると、高濃縮域になるにつれて前者が後者よりも大きかった。

多段型装置１の流量予測式と濃度予測式では、膜エレメント１５毎の水回収率と物質除去率が求まれば、多段型装置１の全体の水量分布と濃度分布を算出することができる。一過型多段ナノろ過実施設を設計する際には、エレメント水回収率は初期条件（ろ過水量とシステム水回収率＝供給水量）によって算出できるので、膜エレメント１５毎のエレメント物質除去率を与えることができれば、一過型多段ナノろ過実施設の濃度分布の予測が可能となる。ここでは、循環型装置２で得た水回収率と物質除去率の関係を多段型装置１の濃度予測式に適用することにより、循環型装置２による多段型装置１の水質予測を行ない、得られた水質の予測値と多段型装置１の水質の実測値から循環型装置２による多段型装置１の水質予測を次の手順で行なった。
（１）多段型装置１は、図１に示す構成とし、そのフラックス（流束）を各バンク当たり０．６ｍ／ｄとし、回収率を９５％として運転した。循環型装置２は、多段型装置１の第１バンク１１の第１、第２エレメント１５または第２〜第４バンク１２〜１４の第４、第５エレメント１５の水量収支を再現して運転した。
（２）循環型装置２で得た水回収率と物質除去率の関係を上記式６および式７に適用して多段型装置１の濃度の予測値を算出した。
（３）多段型装置１の濃度の実測値を得た。
（４）多段型装置１と循環型装置２のシステム水回収率と物質除去率の関係について、ＴＯＣでの比較結果は図８のようになった。
（５）循環型装置２による多段型装置１の濃度の予測値と実測値の関係について、ＴＯＣでの比較結果は図９のようになった。ただし、縦軸は供給水濃度に対するろ過水濃度および濃縮水濃度の比としてある。
（６）循環型装置２による多段型装置１の濃度の予測値と実測値の関係について、多段型装置１のバンク１１〜１４の各々および全体のＴＯＣでのろ過水水質の比較結果は図１０のようになった。ただし、縦軸は供給水濃度に対するろ過水濃度の比としてある。
（７）図８から明らかなように、多段型装置１と循環型装置２の双方において、システム水回収率に対する物質除去率の変化が同程度となった。したがって、図９および図１０から明らかなように、システム水回収率に対する供給水濃度を１とした場合に、ろ過水の濃度比と濃縮水の濃度比も予測値と実測値でほぼ等しくなった。これにより、多段型装置１の水質予測が実用上極めて有効であることが分かった。

以上のように、多段型装置１の流量予測式と濃度予測式から算出した流量と濃度の予測値が実測値とほぼ一致し、かつ循環型装置２の濃度予測式から算出した濃度の予測値と実測値もほぼ一致し、各予測式の妥当性を確認した。また、循環型装置２で得た水回収率と物質除去率の関係を用いて算出した多段型装置１のろ過水と濃縮水の濃度の予測値と実測値はほぼ一致し、循環型装置２による多段型装置１の濃度予測が可能であることを明らかにした。

したがって、多段型装置１の機能評価が必要な場合には、多段型装置１の任意の箇所の少なくとも１つの膜エレメント１５の周りの処理機能影響因子を循環型装置２で再現して物質除去率を求めることにより、多段型装置１の物質濃度を理論的に算出できる。この多段型装置１は一過型多段ナノろ過実施設に他ならないので、一過型多段ナノろ過実施設の研究開発にあたっては一過型多段ナノろ過実施設を必要とせず、循環型装置２のみによって一過型多段ナノろ過実施設の処理機能を予測できる。よって、一過型多段ナノろ過実施設の研究開発コスト、設備コスト、運転管理コストなどを大幅に削減できる。

この発明の実施の形態１における多段型装置の構成図である。 この発明の実施の形態１における循環型装置の構成図である。 多段型装置のエレメント周りの収支を説明する図である。 循環型装置のエレメント周りの収支を説明する図である。 ろ過水量の予測値と実測値の関係を示すグラフ図である。 濃度予測式による多段型装置のＴＯＣ濃度の予測値と実測値の関係を示すグラフ図である。 濃度予測式による循環型装置のＴＯＣ濃度の予測値と実測値の関係を示すグラフ図である。 システム水回収率とＴＯＣ除去率の関係を示すグラフ図である。 循環型装置による多段型装置のＴＯＣ濃度の予測値と実測値の関係を示すグラフ図である。 循環型装置による多段型装置のＴＯＣ濃度の予測値と実測値の関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 多段型装置（一過型多段ナノろ過実施設）
２ 循環型装置（循環型ナノろ過試験装置）
１１〜１４ バンク
１５、２１ 膜エレメント
１６、２２ ベッセル
２５ 供給水管
２７ ろ過水管
３１ 循環水管

Claims (5)

1. 一過型多段ナノろ過実施設の任意の箇所における少なくとも１つの膜エレメントの処理機能に影響を及ぼすと認められる因子を再現した循環型ナノろ過試験装置。
2. 前記因子は前記膜エレメント周りの水量収支、運転圧力、供給水水質、または供給水温度であることを特徴とする請求項１に記載の循環型ナノろ過試験装置。
3. 一過型多段ナノろ過実施設の任意の箇所における少なくとも１つの膜エレメントの処理機能に影響を及ぼすと認められる因子を再現した循環型ナノろ過試験装置によって前記処理機能を予測することを特徴とする処理機能予測方法。
4. 前記循環型ナノろ過試験装置における供給水濃度、水回収率、および物質除去率の関係を前記一過型多段ナノろ過実施設の濃度予測式に適用することによって前記処理機能を予測することを特徴とする請求項３に記載の処理機能予測方法。
5. 前記供給水濃度をＣｆｎ、前記水回収率をｒｎ、前記物質除去率をＲｎとした場合に、前記一過型多段ナノろ過実施設のｎ番目の膜エレメントにおける濃縮水濃度Ｃｂｎの予測式は、
   Ｃ_bn＝Ｃ_fn・{ｒ_n(１−ｒ_n)−２}／{ｒ_n(１＋Ｒ_n)−２}
   であり、ろ過水濃度Ｃ_pnの予測式は
   Ｃ_pn＝Ｃ_fn・(ｒ_n−２)(１−Ｒ_n)／{ｒ_n(１＋Ｒ_n)−２}
   であることを特徴とする請求項４に記載の処理機能予測方法。

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