JP2007125527A

JP2007125527A - 逆浸透膜分離装置の運転方法

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Publication number: JP2007125527A
Application number: JP2005322400A
Authority: JP
Inventors: Nozomi Ikuno; 望育野
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-11-07
Also published as: JP5135676B2

Abstract

【課題】クリスマスツリー構造のＲＯ装置、特に超低圧ＲＯ膜を用いたクリスマスツリー型多段ＲＯ装置における膜面閉塞を防止して、長期安定運転を可能とするＲＯ装置の運転方法を提供する。
【解決手段】ＲＯエレメントを収納したＲＯベッセルを複数個（ただし、最終段は１個でもよい）給水に対し並列的に配置したバンクを複数段有し、前段バンクから排出される濃縮水を後段バンクの給水とするＲＯ装置の運転方法において、各ＲＯエレメントの透過水量を概ね同等とするとともに、各ＲＯベッセルにおけるＲＯエレメント１本あたりの透過水量とベッセルあたりの濃縮水量との比が０．４以下となるように運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は逆浸透膜分離装置（ＲＯ装置）の運転方法に係り、特に、脱塩及び／又は有機物除去を行うクリスマスツリー型多段ＲＯ装置の膜面閉塞を防止して、長期安定運転を可能とするＲＯ装置の運転方法に関する。

ＲＯ装置は用水の造水プロセス、食品・医薬用水の製造プロセス、排水回収プロセスなど幅広い分野で使用されている。中でも近年、用排水のコスト低減、環境負荷低減の目的から、排水回収プロセスにおいて、ＲＯ装置を使用するケースが急激に増加している。

通常、ＲＯ装置は、供給水に対する水回収率を高める目的から、例えば、図２に示すようなクリスマスツリーと呼ばれる配置をとる。即ち、図２において、逆浸透膜エレメント（ＲＯエレメント）を１本又は複数本（通常１本〜１０本程度）内蔵したＲＯベッセル１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが４機並列配置されてなる第１バンク（ベッセル群をバンクと称す。）１と、ＲＯベッセル２Ａ，２Ｂが２機並列配置されてなる第２バンク２とでクリスマスツリー型の多段ＲＯ装置が構成されている（例えば、特許第３４５３８８１号公報）。

被処理水、即ち、ＲＯ装置の供給水（ＲＯ給水）はまず第１バンク１に流入し、透過水と濃縮水とに分離される。続いて第１バンク１の濃縮水は第２バンク２に流入し、ここでも透過水と濃縮水とに分離される。第１バンク１の透過水と第２バンク２の透過水は合流し、後段処理工程に移送される。一方、第２バンク２の濃縮水は系外に放流されるか排水処理設備等に移送される。通常、ＲＯ装置におけるクリスマスツリー構造は、要求される水回収率にもよるが、２又は３バンクで構成されることが多い。

ところで、ＲＯ装置による水処理においては、ＲＯ膜として、１．５ＭＰａの運転圧で透過水を得る低圧ＲＯ膜から、膜表面の構造をより一層緻密化させることにより、その約半分以下の運転圧（通常０．１〜０．７５ＭＰａ）で低圧ＲＯ膜と同等の透過水量を得ることが可能な超低圧ＲＯ膜の使用が主流となってきている。
特許第３４５３８８１号公報

しかしながら、近年、このように運転圧の低い、従って、わずかな圧力で透過水量を得ることができる超低圧ＲＯ膜を用いたクリスマスツリー型多段ＲＯ装置、中でもＲＯ給水の導電率が比較的高い排水回収プロセスにおけるクリスマスツリー型多段ＲＯ装置において、超低圧ＲＯ膜の膜面閉塞等の問題が起こりやすいことが明らかとなった。

このメカニズムは次の通りである。

即ち、ＲＯ装置は、上述した如く、水回収率向上の目的から一般にクリスマスツリー構造をとる。その際、後段バンクは前段バンクの濃縮水を給水とするため、給水の導電率が高く、給水の浸透圧が高くなることにより、膜面にかかる膜面有効圧力は極端に低下する。この現象は超低圧ＲＯ膜を使用した場合、給水の導電率が高い、後段バンクにいく程顕著に表れる。そして、この場合において、後段バンクにいく程透過水が出なくなるため、処理水の大部分は前段バンクすなわち第１段目のバンクから出ることとなり、この前段バンクでは相対的に濃縮水量が少なくなる。そして、膜面にかかる浸透圧が低い前段バンクにおいて、このように透過水量が極端に多くかつ濃縮水量が低下することにより、濃縮分極が進行し、膜面閉塞及びそれによる透過流束の低下、更には処理水水質の低下が観測されるようになる。一方で、後段バンクにおけるＲＯ膜は利用度が低いものとなる。

従って、本発明は、このようなクリスマスツリー構造のＲＯ装置、特に超低圧ＲＯ膜を用いたクリスマスツリー型多段ＲＯ装置における膜面閉塞を防止して、長期安定運転を可能とするＲＯ装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の逆浸透膜装置の運転方法は、逆浸透膜エレメントを収納した逆浸透膜ベッセルを複数個（ただし、最終段は１個でもよい）給水に対し並列的に配置したバンクを複数段有し、前段バンクから排出される濃縮水を後段バンクの給水とする逆浸透膜装置の運転方法において、各逆浸透膜エレメントの透過水量を概ね同等とするとともに、各ベッセルにおける逆浸透膜エレメント１本あたりの透過水量とベッセルあたりの濃縮水量との比が０．４以下となるように運転することを特徴とする。

請求項２の逆浸透膜装置の運転方法は、請求項１において、透過水量を弁の開度で調整することを特徴とする。

請求項３の逆浸透膜装置の運転方法は、請求項２において、前段バンクの透過水量を、前段バンクの透過水配管に設けられた弁の開度で調整し、最終段バンクの透過水量を最終段バンクの濃縮水配管に設けられた弁の開度で調整することを特徴とする。

本発明に従って、各膜エレメント１本あたりの透過水量を概ね同等とし、かつ各ベッセルにおけるＲＯエレメント１本あたりの透過水量とベッセルあたりの濃縮水量との比が０．４以下となるよう調整することにより、膜面閉塞を抑制し、長期安定運転を図ることができる。

各膜エレメントあたりの透過水量を同一とする理由は以下の通りである。

即ち、上述した如く超低圧ＲＯ膜を用いたＲＯ装置においては、わずかな圧力で透過水を得ることが可能となるため、膜面にかかる浸透圧が低い前段バンクになる程透過水量が多くなり、膜面閉塞を起こし易く、一方で後段バンクにおけるＲＯ膜は有効利用されなくなる。本発明では、膜エレメント１本あたりの透過水量が同等となるように透過水量を調節する。これにより、全バンクにおけるＲＯ膜を均等に有効利用することが可能となる。

また、各ＲＯベッセルにおけるＲＯエレメント１本あたりの透過水量とＲＯベッセルあたりの濃縮水量の比を０．４以下とする理由は以下の通りである。

即ち、膜面閉塞物質のＲＯ膜への付着には、膜面に対し垂直にかかる力（透過水）と剪断力（濃縮水）の割合が大きく影響する。

図４は、図３に図示したＲＯ装置を用い、超純水にＲＯ膜面閉塞物質である非イオン性界面活性剤１ｍｇ／Ｌを添加したものを給水として、回収率７５％の条件で、日東電工製ＲＯ膜「ＥＳ−２０」を用いたＲＯエレメントを内蔵するＲＯベッセル１１に、ＲＯエレメント１本あたりの透過水量を１５〜３３ｍ^３／ｄａｙ・本、タンク１２への濃縮循環水量を４８〜８５ｍ^３／ｄａｙ・本、濃縮ブロー水量を３．７５〜８．２５ｍ^３／ｄａｙ・本として通水した時の、膜１本あたりの透過水量と１ＲＯベッセルあたりの濃縮水量の比と、安定膜面透過流束Ｆに対する初期膜面透過流束Ｆ_０の割合（Ｆ／Ｆ_０）をプロットしたものであるが、この比を０．４以下とすることにより膜面透過流束の低下を顕著に抑制することができることがわかる。

本発明において、透過水量は弁の開度で調整することが好ましく（請求項２）、特に前段バンクの透過水量は、前段バンクの透過水配管に設けられた弁の開度で調整し、最終段バンクの透過水量は最終段バンクの濃縮水配管に設けられた弁の開度で調整することが好ましい（請求項３）。

以下、図面を参照して本発明のＲＯ装置の運転方法の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明のＲＯ装置の運転方法の実施の形態を示す系統図である。

なお、以下において、ＲＯエレメント１本あたりの透過水量を「単位膜透過水量」と称し、ベッセル１個あたりの濃縮水量を「単位ベッセル濃縮水量」と称し、単位膜透過水量と単位ベッセル濃縮水量との比を「膜透過水量／ベッセル濃縮水量比」と称す場合がある。

図１に示すＲＯ装置は、４個のＲＯベッセル１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが並列配置されて前段の第１バンク（ベッセル群）１が構成され、２個のＲＯベッセル２Ａ，２Ｂが並列配置されて後段の第２バンク２が構成されている２段のクリスマスツリー型ＲＯ装置である。

各ＲＯベッセル１Ａ〜１Ｄ、２Ａ，２Ｂには、各々、ＲＯエレメントが内蔵されている。また、各バンク１，２には、給水配管１１，１４と、透過水配管１２，１５と、濃縮水配管１３，１６とが設けられている。

なお、ＲＯエレメントは、ＲＯ膜により被処理水を透過水と濃縮水とに分離するための最小ユニット（即ち、膜１本）を指し、このＲＯエレメントの１本又は複数本（通常は１〜１０本程度）を圧力容器（ベッセル）に収納したものがＲＯベッセルである。

第１バンク１においては、給水配管１１から分岐した給水分岐管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが各ＲＯベッセル１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに接続され、被処理水が各ＲＯベッセル１Ａ〜１Ｄに並列的に供給される。また、各ベッセル１Ａ〜１ＤでＲＯ膜を透過した透過水は各々透過水分岐管１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから透過水配管１２に集められ、後段の第２バンク２の透過水と共に透過水排出管１７を経て系外へ排出される。この透過水配管１２には絞り弁ＡＶ１と流量計ＦＩ−１が設けられている。他方、各ベッセル１Ａ〜１Ｄの濃縮水は各々濃縮水分岐管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄから濃縮水配管１３に集められ、次段の第２バンク２の給水として給水配管１４及び給水分岐管１４ａ，１４ｂを経てＲＯベッセル２Ａ，２Ｂに並列的に供給される。

第２バンク２のＲＯベッセル２Ａ，２Ｂにおいても、ＲＯ膜を透過した透過水が各々透過水分岐管１５ａ，１５ｂから透過水配管１５に集められ、透過水排出管１７を経て、第１バンク１のＲＯベッセル１Ａ〜１Ｄからの透過水と共に系外へ排出される。一方、濃縮水は、各々濃縮水分岐管１６ａ，１６ｂから濃縮水配管１６に集められ、系外へ排出される。この濃縮水配管１６には絞り弁Ｖ２と流量計ＦＩ−２が設けられている。

本発明において、このようなＲＯ装置において、各単位膜透過水量を概ね同等とすると共に、膜透過水量／ベッセル濃縮水量比が０．４以下となるように各段のバンクの透過水量を調整する。

即ち、図１において、各単位膜透過水量が概ね同等となると共に膜透過水量／ベッセル濃縮水量比が０．４以下となるように、透過水配管１２に設けられた絞り弁ＡＶ１と濃縮水配管１６に設けられた絞り弁Ｖ２の開度を調整する。

なお、各バンクにおいては、複数のＲＯベッセルが並列に配置されているため、これにより、いずれのＲＯベッセルからも同じ透過水量が得られるようになる。当該透過水量は、１ＲＯベッセル内に収納された複数のＲＯエレメントの合計の透過水量である。そして、このように絞り弁ＡＶ１，Ｖ２の開度を設定し、給水ポンプＰ_１を作動させて、被処理水を配管１１から、配管１１ａ〜１１ｄを経て第１バンク１のＲＯベッセル１Ａ〜１Ｄに加圧供給し、透過水を配管１２ａ〜１２ｄ，１２，１７を経て系外へ排出する。一方、濃縮水は配管１３ａ〜１３ｄ，１３，１４，１４ａ，１４ｂを経て第２バンク２のＲＯベッセル２Ａ，２Ｂに導入し、透過水を配管１５ａ，１５ｂ，１５，１７を経て系外へ排出する。第２バンク２の濃縮水は配管１６ａ，１６ｂ，１６より系外へ排出される。

なお、濃縮水は放流又は後段の排水処理装置に送給される。透過水は更に後段の処理装置に送給される。

本発明において、「概ね同等」とは、各単位膜透過水量から求めた平均値に対して、各々の単位膜透過水量がその平均値の０．９〜１．１倍の範囲内に入ることを指す。

また、膜透過水量／ベッセル濃縮水量比については、０．４以下であれば良く、その下限には特に制限はないが、膜透過水量／ベッセル濃縮水量比が過度に小さくても膜面透過流束の維持効果に大差はないにもかかわらず、水回収率が大きく低下することから、膜透過水量／ベッセル濃縮水量比は特に０．３〜０．４とすることが好ましい。

なお、図１においては、第１バンクに４個のＲＯベッセルが並列配置され、第２バンクに２個のＲＯベッセルが設けられたクリスマスツリー型ＲＯ装置を示したが、本発明が適用されるＲＯ装置は何ら図１の構成のものに限定されない。バンク数やベッセル数には特に制限はないが、バンクの段数は通常２段又は３段である。ただし、４段以上の多段構成であっても良いことは言うまでもない。また、各段のバンクのＲＯベッセル数は、処理水量とＲＯベッセルの処理能力に応じて適宜設定されるが、一般的には上流側ほど多く、下流側ほど少なくなる。通常、２段の場合は第１バンクのベッセル数：第２バンクのベッセル数＝２：１の割合でベッセル数が設定され、３段の場合は、第１バンクのベッセル数：第２バンクのベッセル数：第３バンクのベッセル数＝４：２：１の割合でベッセル数が設定されることが多い。最終段のベッセル数は１個である場合もある。

いずれの場合も、前述の如く、各ＲＯベッセルには、ＲＯエレメントが内蔵されており、１ベッセルにＲＯエレメントが１本又は複数本内蔵されている。

各バンク（ベッセル群）には、給水配管と、透過水配管と、濃縮水配管とが設けられている。そして、各バンクにおいて、給水配管から分岐した給水分岐管が各ＲＯベッセルに接続され、被処理水が各ベッセルに並列的に供給される。また、各ベッセルで膜を透過した透過水は透過水配管に集められ、排出される。他方、各ベッセルの濃縮水は濃縮水配管に集められ、次段のバンクの給水として、次段の給水配管に送られる。次段においても同様に水が流れ、ＲＯ処理される。

透過水量は、各バンクの透過水配管に設けた絞り弁の開度を調整することにより調整することが好ましいが、最終段のバンクにおいては、濃縮水配管に設けた絞り弁の開度を調整して透過水量を間接的に調整することが好ましい。濃縮水側の弁開度の調整により、運転圧力を調整して透過水量と水回収率を所望の値に近づけるようにすることができる。

本発明のＲＯ装置に設けられるＲＯ膜としては、通常のＲＯ膜、ルーズＲＯ膜、ＮＦ膜等、脱塩可能な分離膜であれば良く、特に制限はない。

ＲＯ膜の形状としてはスパイラル型、中空糸型等各種のものが挙げられ、また、その材質としても特に制限はなく、ポリアミド、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール等が挙げられる。

絞り弁は手動弁、自動弁のいずれでも良いが、自動弁であれば流量計と連動して自動的に開路調整することも可能である。この絞り弁、流量計設置の順序は特に限定しない。また、絞り弁、流量計の設置は各バンク透過水合流部に設置しても良く、各ベッセル毎に設置しても良い。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
（実施例１）
ＴＯＣ濃度５ｍｇ／Ｌ，電気伝導率３００ｍＳ／ｍの液晶工場総合排水を凝集・浮上・濾過で前処理した後、図１に示すＲＯ装置に２５ｍ^３／ｈｒ、回収率８０％の条件で通水して処理した。各ＲＯベッセル１Ａ〜１Ｄ，２Ａ，２ＢのＲＯエレメントとしては超低圧ＲＯ膜であるＥＳ−２０（日東電工製）を用い、各々４本充填した。

第１バンク１の透過水配管１２に設けた絞り弁ＡＶ１と第２バンク２の濃縮水配管１６に設けた絞り弁Ｖ２の開度を調整して、各バンク１，２の透過水量及び濃縮水量が表１に示す量となるように制御し、各バンクともに膜面透過流束が０．５ｍ^３／ｍ^２・ｄａｙとなるように運転を行った。

このときのＲＯ装置全体の初期膜面透過流速に対する膜面透過流束の比の経時変化を図５に示した。

（比較例１）
第１バンクの透過水配管１２に絞り弁を設けず、表１に示す透過水量及び濃縮水量で運転を行ったこと以外は実施例１と同一条件で処理を行った。このときのＲＯ装置全体の初期膜面透過流速に対する膜面透過流束の比の経時変化を図５に示した。

図５より明らかなように、単位膜透過水量を略同等とすると共に、膜透過水量／ベッセル濃縮水量比を０．４以下とした実施例１では、通水開始から２ヶ月経過しても膜面透過流束は低下しなかったのに対し、このような制御を行わなかったために、第１バンクから大量の透過水が出た比較例１においては、通水開始１ヶ月で初期膜面透過流束の９０％、２ヶ月で７５％にまで低下した。

本発明のＲＯ装置の運転方法の実施の形態を示す系統図である。一般的なクリスマスツリー型ＲＯ装置の構成を示す系統図である。実験に用いたＲＯ装置の系統図である。膜透過水量／ベッセル濃縮水量比とＲＯ装置全体の初期膜面透過流速に対する膜面透過流束の比との関係を示すグラフである。実施例１及び比較例１におけるＲＯ装置全体の初期膜面透過流速に対する膜面透過流束の比を示すグラフである。

符号の説明

１第１バンク（第１ＲＯベッセル群）
２第２バンク（第２ＲＯベッセル群）
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２ＢＲＯベッセル

Claims

逆浸透膜エレメントを収納した逆浸透膜ベッセルを複数個（ただし、最終段は１個でもよい）給水に対し並列的に配置したバンクを複数段有し、前段バンクから排出される濃縮水を後段バンクの給水とする逆浸透膜装置の運転方法において、
各逆浸透膜エレメントの透過水量を概ね同等とするとともに、各ベッセルにおける逆浸透膜エレメント１本あたりの透過水量とベッセルあたりの濃縮水量との比が０．４以下となるように運転することを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。
請求項１において、透過水量を弁の開度で調整することを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。
請求項２において、前段バンクの透過水量を、前段バンクの透過水配管に設けられた弁の開度で調整し、最終段バンクの透過水量を最終段バンクの濃縮水配管に設けられた弁の開度で調整することを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。