JP2008246425A - 膜モジュールの洗浄方法および膜ろ過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実質処理能力を高く保持して長期間安定的に連続したろ過運転が可能な膜モジュールの洗浄方法を提供する。
【解決手段】
膜ろ過水を膜モジュールのろ液側に逆流させる膜ろ過水逆洗において、逆洗浄の時間が、該制御装置に組み込まれたタイマーにより設定された時間と、所定量の膜ろ過水が膜ろ過水逆洗に使用されるのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は膜モジュールの洗浄方法および膜ろ過装置に関する。

近年、分離膜に関する技術開発が進み、水の濾過をはじめ様々な用途に広く用いられている。分離膜の素材としては有機高分子、セラミック、燒結金属などが提案され、分離膜の形状としては中空糸膜、管状膜、平膜、モノリスなどが提案され、また分離膜の孔径としてはイオン類を分離できる逆浸透膜（ＲＯ）、タンパク質、ウイルスなどの高分子成分を分離できる限外ろ過膜（ＵＦ）、細菌類などの微粒子を分離できる精密ろ過膜（ＭＦ）などが提案され、これらを組み合わせて多種多様の分離膜が提案され、実用化されているものも多い。

しかし、分離膜による濾過の過程では、目詰まりとよばれる膜表面の汚染や微細孔の詰まりが生じ、経時的に透過流束の低下が生じる。例えば主に微粒子成分の除去を目的とする限外ろ過膜（ＵＦ）や精密ろ過膜（ＭＦ）では、ＳＳと呼ばれる原液中の懸濁物質等が膜表面に付着し、または微多孔に侵入し、経時的に透過流束の低下が生じる。そこで、安定して長期的にろ過運転を継続するためには、濾過条件の設定と同時に有効な分離膜の洗浄方法の開発が不可欠とされている。

従来、分離膜の洗浄方法として、種々の方法が検討されてきたが、これらは物理的洗浄方法と、化学的洗浄方法とに大別できる。物理的洗浄方法としては、スポンジボール、高圧水流などにより強制的に付着物質をかき取る方法、水、膜ろ過水などの液体をろ液側から原液側へ通過させる液体逆洗法（例えば、特許文献１ 参照）、加圧気体をろ液側から原液側へ通過させる気体逆洗法（例えば、特許文献２、３ 参照）、原液側に気泡を噴出させるバブリング法、超音波法、電気泳動法などをはじめ、多種多様の方法が提案されている（例えば、非特許文献１ 参照）。また、化学的洗浄方法としては、酸、アルカリ水溶液、洗浄剤などの薬液により、付着物を溶解除去する方法が知られている。これらは分離膜の素材、形状、孔径などの特性や目詰まり物質の特性に応じ、適宜選択して単独または組み合わせて実施される（例えば、非特許文献２ 参照）。

これらの中では、液体逆洗法が最も広く実施されている。前述の通り、液体逆洗法とは水、膜ろ過水などの液体をろ液側から原液側へ通過させる方法であり、通過させる液体としては膜ろ過水が一般に用いられ、膜ろ過水を一旦膜ろ過水槽に貯留し、ポンプや加圧気体により分離膜のろ液側から原液側へ逆流させる（以下本操作を膜ろ過水逆洗とよぶ）。一般に、膜ろ過水逆洗の頻度は３０分〜数時間毎であり、１回当たりの所要時間は１０秒〜６０秒である。一方膜ろ過水逆洗に使用される膜ろ過水の量は、一般にろ過量の１〜２０％である。膜ろ過水逆洗に使用された水は、膜に付着したＳＳを剥離除去することにより、一般に多量のＳＳを含有することから、逆洗排水として通常系外へ排出され、必要に応じて凝集沈殿などのＳＳ低減処理、濃縮処理、殺菌処理などを施した後廃棄される。

特開昭５１−１１０４８２号公報 特開昭５３−１０８８８２号公報 特表平１−５００７３２号公報 化学工学会・膜分離技術ワーキンググループ編、「ユーザーのための実用膜分離技術」、日刊工業新聞社発行、１９９６年４月３０日、Ｐ２４３〜２４８ 化学工学会・膜分離技術ワーキンググループ編、「ユーザーのための実用膜分離技術」、日刊工業新聞社発行、１９９６年４月３０日、Ｐ２５１〜２６１

膜ろ過水逆洗は、一般にシーケンスコントロールなどにより自動的に実施され、その所要時間はタイマーなどによりあらかじめ設定されている。この場合、分離膜が新品の状態と長期間運転して目詰まりが進行した状態では分離膜の透過性が異なるため、同じ圧力で同じ時間膜ろ過水逆洗を行ったとしても、分離膜を透過する膜ろ過水量が異なる。すなわち、分離膜が新品の状態では多量の膜ろ過水が通過するのに対し、目詰まりが進行した状態では少量の膜ろ過水しか通過しなくなり、逆洗排水量が経時的に大きく変動し、その結果原水量に占める膜ろ過水量の割合（回収率）も大きく変化するという問題点を有する。一方膜ろ過水槽にレベル計などの水位や水量を検知する機能を付与し、膜ろ過水逆洗に使用される膜ろ過水量を一定にする手法も考えられるが、この手法では分離膜の性能変化に伴い同じ量の膜ろ過水を逆流させるのに必要な時間が変化するため、運転時間全体に占めるろ過時間（稼働率）が低下し、実際の処理量が低下するという問題点を有する。

本発明の目的は、膜ろ過水逆洗の際に回収率および稼働率を極力変化させない膜モジュールの洗浄方法を提供することにある。また本発明の目的は、この洗浄方法を行うのに有効な膜ろ過装置を提供することにある。

上記の課題を解決する本発明の膜モジュールの洗浄方法は、膜ろ過水を膜モジュールのろ液側に逆流させる膜ろ過水逆洗において、逆洗浄の時間が、該制御装置に組み込まれたタイマーにより設定された時間と、所定量の膜ろ過水が膜ろ過水逆洗に使用されるのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御する。

また本発明の洗浄方法は、膜モジュールと、膜ろ過水を一旦貯留する目的で設置され、かつ水位を検出するセンサーを備えた膜ろ過水槽と、膜ろ過水槽に貯留された膜ろ過水を分離膜モジュールのろ液側に逆流させるための手段および制御装置とを備え、膜ろ過水槽に貯留された膜ろ過水を膜モジュールのろ液側に逆流させて行う膜ろ過水逆洗の時間が、該制御装置に組み込まれたタイマーにより設定された時間と、膜ろ過水槽の水位が所定値まで低下するのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御されるように構成された膜ろ過装置を用いて行うことができる。

本発明の膜モジュールの洗浄方法によって、実質処理能力を高く保持して長期間安定的に連続したろ過運転が可能となる。本発明の濾過装置は、上記本発明の膜モジュールの洗浄方法のために用いることが有効である。

本発明で使用される分離膜の素材としては特に限定されず、形状、孔径などの要求特性に応じて適宜選択することができる。例えば有機高分子系素材としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、エチレンービニルアルコール共重合体系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、酢酸セルロース系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリパーフルオロエチレン系樹脂、ポリメタクリル酸エステル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂などが挙げられ、無機系素材としてはセラミック系、金属系などの素材が挙げられる。また有機高分子系の素材を使用する場合、他成分を共重合したもの、他の素材をブレンドしたもの、親水化処理などの処理を施したものでもよい。

分離膜の素材として有機高分子系の素材を使用する場合、製造方法は特に限定されることはなく、素材の特性および所望する分離膜の形状や性能に応じて、公知の方法から適宜選択した方法を採用することができる。

本発明で使用される分離膜の孔径は特に限定されないが、０．００１〜５ミクロンの範囲内であることが、高い透水性を有し、濾過効率が低下するおそれが小さいことから好ましい。なお、ここでいう孔径とは、コロイダルシリカ、エマルジョン、ラテックスなどの粒子径が既知の各種基準物質を中空糸膜で濾過した際に、その９０％が排除される基準物質の粒子径をいう。孔径は均一であることが好ましい。限外濾過膜であれば、上記のような基準物質の粒子径に基づいて、孔径を求めることは不可能であるが、分子量が既知の蛋白質を用いて同様の測定を行ったときに、分画分子量が３０００以上であるものが好ましい。

本発明において、該分離膜はモジュール化されてろ過に使用される。分離膜の形状、ろ過方法、ろ過条件、洗浄方法などに応じてモジュールの形態を適宜選択することができ、１本または複数本の膜エレメントを装着して中空糸膜モジュールを構成しても良い。例えば中空糸膜からなる膜モジュールの形態としては、例えば数十本から数十万本の中空糸膜を束ねてモジュール内でＵ字型にしたもの、中空糸繊維束の一端を適当なシール材により一括封止したもの、中空糸繊維束の一端を適当なシール材により１本ずつ固定されていない状態（フリー状態）で封止したもの、中空糸繊維束の両端を開口したものなどが挙げられる。また、形状も特に限定されることはなく、例えば円筒状であってもスクリーン状であってもよい。

本発明で使用される膜モジュールよる濾過の方式としては、外圧全濾過、外圧循環濾過、内圧全濾過、内圧循環濾過などが挙げられ、所望の処理条件、処理性能に応じて適宜選択することができる。膜寿命の点では濾過塗膜表面の洗浄を同時に行うことのできる循環方式が好ましく、設備の単純さ、設置コスト、運転コストの点では全濾過方式が好ましい。また膜モジュールを原水槽などの槽に浸漬し、吸引または水頭差によりろ過を行うことも可能である。

本発明においては、膜ろ過水を膜モジュールのろ液側に逆流させる膜ろ過水逆洗を行う際、膜ろ過水逆洗の時間が、該制御装置に組み込まれたタイマーにより設定された時間と、所定量の膜ろ過水が膜ろ過水逆洗に使用されるのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御する。以下本発明の実施の態様について、図面を用いて詳しく説明する。

図１は上記の洗浄方法を行うために使用することができる内圧型中空糸膜モジュールを用いたろ過装置の一例の概略構成図である。原水は必要に応じて前処理装置１で前処理が行われた後原水槽２に供給される。ここで前処理とは、ストレーナーなどによる夾雑物除去、硫酸ばん土およびポリ塩化アルミニウムなどの凝集剤による凝集処理、活性炭などによる吸着、次亜塩素酸ナトリウムなどによる酸化処理などが挙げられ、原水の性状、所望する膜ろ過水の水質などに応じて適宜単独または組み合わせて実施することが出来る。中空糸膜モジュール６には、原液側に原水入口６ａと濃縮液出口６ｂが設けられ、膜ろ過水側には膜ろ過水出口６ｃが設けられており、この膜ろ過水出口は、逆洗水入口を兼ねることもできる。原水槽２に貯留された原水は循環ポンプ３で中空糸膜モジュール６の原水入口６ａに供給され、一部が中空糸膜でろ過され、膜ろ過水出口６ｃより流出する。ろ過された後の濃縮液は中空糸膜モジュール６の濃縮液出口６ｂから流出し、原水槽２に返送される。膜ろ過水出口より流出した膜ろ過水は膜ろ過水槽９に貯留され、オーバーフローして系外へ流出する。膜ろ過水槽９にはレベルセンサー１０が設けられ、膜ろ過水槽９に貯留される膜ろ過水の水量を管理する。また膜ろ過水槽９に貯留された膜ろ過水は、逆洗ポンプ１２により中空糸膜モジュール６へ逆流され、膜ろ過水逆洗が行われる。

次いで、本発明の洗浄方法の一例を、図１にしたがって説明する。全てのバルブを閉じた状態から、原水入口バルブ４、濃縮液出口バルブ７および膜ろ過水出口バルブ８を開き、循環ポンプ３を作動させて中空糸膜モジュール６の原水入口６ａに原水を導入してろ過を開始する。膜ろ過水は膜ろ過水出口バルブ８を通じて膜ろ過水槽９に貯留される。ろ過時間の経過に伴い中空糸膜エレメント２６の膜表面にはＳＳ成分が付着し、ろ過能力が低下するため、続いて本発明の方法により中空糸膜を洗浄する。すなわち、循環ポンプ３を停止した後、濾過工程で開いている原水入口バルブ４、濃縮液出口バルブ７および膜ろ過水出口バルブ８を閉じてろ過を停止し、逆洗水入口バルブ１１および排水バルブ５を開き、逆洗ポンプ１２を作動させて膜ろ過水槽９に貯留された膜ろ過水中空糸膜モジュール６の膜ろ過水出口６ｃより膜ろ過水側に逆流させて膜ろ過水逆洗を行う。膜ろ過水逆洗により中空糸膜モジュールの原液側に流出した膜ろ過水は、排水バルブ５を通じて系外へ排出される。上述した洗浄工程終了後、排水バルブ５を閉じ、ろ過工程へ戻る。

上記した膜ろ過水逆洗工程においては、膜ろ過水逆洗の効果を高めるために、必要に応じて逆洗水に薬品を添加することも可能である。使用する薬品としては、例えば次亜塩素酸ナトリウム、過酸化水素などの酸化剤、重亜硫酸ナトリウムなどの還元剤、塩酸、硫酸、硝酸、シュウ酸、クエン酸、アスコルビン酸などの酸類、水酸化ナトリウムなどのアルカリ類が挙げられる。

上述した膜ろ過水逆洗の圧力としては、膜モジュールの耐圧性能にもよるが、一般に０．０５〜０．３ＭＰａの範囲内の値が採用される。

本発明の洗浄方法においては、膜ろ過水逆洗の時間をタイマーなどにより設定された時間と、膜ろ過水貯留タンクの水位が所定値まで低下するのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御する。この制御には特別な装置や技術は必要なく、通常のシーケンスコントロールなどへ容易に組み込むことが可能である。
膜ろ過水逆洗の時間や水量は原水の水質、分離膜の目詰まり具合などに応じて適宜設定することができるが、一般に時間としては数秒〜１分、水量としてはろ過量の１〜２０％の範囲内の値が採用される。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。図１に示す装置を使用し、河川表流水を原水とし、ポリスルホン系樹脂からなり、分画分子量１３，０００である中空糸膜よりなる膜面積１０ｍ2 の中空糸膜モジュールを使用して、内圧循環ろ過方式、循環線速０．１ｍ／秒、ろ過速度５００Ｌ／時の条件で定流量ろ過を行った。物理洗浄は、３０分間ろ過を行った後に１回、０．２ＭＰａの圧力で膜ろ過水逆洗を実施し、膜ろ過水逆洗開始後２０秒が経過するか、あるいは膜ろ過水槽に貯留された２５Ｌの膜ろ過水が全量膜ろ過水逆洗により使用されるかの少なくとも一方を検知した時点で膜ろ過水逆洗を終了するようシーケンス制御し、該ろ過工程と膜ろ過水逆洗とを自動的に繰り返しながら連続運転した。運転期間中、膜間差圧を定期的に測定し、差圧が０．１５ＭＰａ に達するまでの時間を中空糸膜モジュールのろ過寿命とした場合、濾過寿命は７５日間であった。運転初期は、初期１０秒膜ろ過水逆洗により２５Ｌの膜ろ過水が消費されたが、途中からは２０秒間の膜ろ過水逆洗工程中に消費されなくなった。運転期間中、単位時間当たりの実質処理量（ろ過速度×稼働率×回収率）は約４４５Ｌ／時から約４８４Ｌ／時へと約９％上昇した。期間中本装置で最低限確保可能であったろ過水量を本装置の実質処理能力とした場合、約４４５Ｌ／時といえる。

比較例１
実施例１において、膜ろ過水逆洗の時間を２０秒間に設定し、逆洗に使用する膜ろ過水量の検出による制御を行わない以外は同様にして、活性汚泥のろ過を行った。膜間差圧で評価したろ過寿命は４８日間であり、実施例１に比較して明らかに短かった。
稼働率は全期間を通じて約９８．９％で一定であったが、２０秒間の膜ろ過水逆洗の間に送り込まれる膜ろ過水の量は、膜目詰まりの進行に伴い初期の約６０Ｌから最終的には５Ｌにまで低下したことから、回収率は初期の７６％から最終的には９８％にまで変動したため、単位時間当たりの実質処理量（ろ過速度×稼働率×回収率）は約３４１Ｌ／時から約４８４Ｌ／時へと約４２％上昇した。実施例１に比較してろ過寿命が短くなったのは、回収率の上昇に伴い、膜表面での濃縮が過度に進行したためと推定できる。期間中本装置で最低限確保可能であったろ過水量を本装置の実質処理能力とした場合、約３４１Ｌ／時といえる。

比較例２
実施例１において、膜ろ過水逆洗の量を２５Ｌに設定し、時間による制御を行わない以外は同様にして、活性汚泥のろ過を行った。膜間差圧で評価した濾過寿命は６２日間であった。
回収率は全期間を通じて９０％で一定であったが、２５Ｌの膜ろ過水を送り込むのに必要な時間が初期の１０秒から８０秒まで延長した結果、稼働率（運転時間に占めるろ過時間の割合）低下したため、単位時間当たりの実質処理量（ろ過速度×稼働率×回収率）は約４４５Ｌ／時から約４１３Ｌ／時へと７％以上低下した。期間中本装置で最低限確保可能であったろ過水量を本装置の実質処理能力とした場合、約４１３Ｌ／時といえる。

内圧型中空糸膜モジュールを使用した本発明のろ過装置の一例を示す図である。

符号の説明

１：前処理装置
２：原水槽
３：循環ポンプ
４：原水入口バルブ
５：排水バルブ
６：中空糸膜モジュール
６ａ：原水入口
６ｂ：濃縮液出口
６ｃ：膜ろ過水出口
７：濃縮液出口バルブ
８：膜ろ過水出口バルブ
９：膜ろ過水槽
１０：レベルセンサー
１１：逆洗水入口バルブ
１２：逆洗ポンプ

Claims (2)

1. 膜ろ過水を膜モジュールのろ液側に逆流させる膜ろ過水逆洗において、膜ろ過水逆洗の時間を、タイマーなどにより設定された時間と、所定量の膜ろ過水が膜ろ過水逆洗に使用されるのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御することを特徴とする膜モジュールの洗浄方法。
2. 膜モジュールと、膜ろ過水を一旦貯留する目的で設置され、かつ水位を検出するセンサーを備えた膜ろ過水槽と、膜ろ過水槽に貯留された膜ろ過水を分離膜モジュールのろ液側に逆流させるための手段および制御装置とを備え、膜ろ過水槽に貯留された膜ろ過水を膜モジュールのろ液側に逆流させて行う膜ろ過水逆洗の時間が、該制御装置に組み込まれたタイマーなどにより設定された時間と、膜ろ過水槽の水位が所定値まで低下するのに要する時間のいずれか短い方になるよう制御されることを特徴とする膜ろ過装置。

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