JP2010501340A - 低圧逆洗 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの透過性中空膜を備える膜濾過システムを逆洗するための方法が開示されており、この方法は、濾過プロセスが中止されるか又は中断されたときに、システム中に残留する透過液に低圧のガスを付与して、逆洗プロセスの間に、膜の孔を逆洗するための液が供給されるステップを備えている。

Description

本発明は膜濾過システムに関し、より具体的にはこのようなシステムの逆洗のための方法及びシステムに関する。

膜濾過システムの逆洗は、このようなシステムの操業効率を維持する重要な部分である。様々な異なる方法及び装置が使用されている。多孔性膜濾過システムは、濾過効率と、膜が不純物で詰まるにつれて上昇する膜間圧力（ＴＭＰ）を減少させる間の流量とを維持するための、膜の規則的な逆洗を必要とする。通常は、逆洗サイクルの間に汚濁物質は、圧力をかけられたガス、液体、又はその両方によって、膜から供給タンク中若しくはセル中へ除去される。膜からの不純物及び堆積物を含有する液体は、次いでタンクからドレーンされるか、又はフラッシングされる。膜のさらなる洗浄を、ガスの泡で膜の表面をこすり洗浄することによって提供することができる。

これらシステムの多くが、効率的な洗浄を達成するために、液体及び／又はガスに必要な流量を提供するための複雑で経費のかかる付随装置を必要とする。低い設備投資及び操業コストを必要とする領域では、付随の逆洗装置の複雑性及び経費を削減することが望ましい。

本発明の目的は、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服する又は改良すること、又は有益な代替案を提供することである。

１つの観点によれば、本発明は、少なくとも１つの透過性中空膜を備える膜濾過システムを逆洗する改良された方法を提供し、この方法は、濾過プロセスが停止若しくは中断されたときにシステム中に残留している透過液に低圧のガスを適用するステップを備え、逆洗プロセス中に膜の孔を逆洗するための液体を提供する。

別の１つの観点によれば、本発明は、懸濁液から固体分を濾過する方法を提供し、この方法は、
（ｉ）懸濁液に浸漬された透過性中空膜の壁を横切って圧力差をかけるステップであって、前記懸濁液は多孔性中空膜の外側表面に提供されて膜の壁を通じる濾過を誘引するか又は維持するステップにおいて、
（ａ）懸濁液のいくらかは膜の壁を通過して中空膜内腔から透過液として引き抜かれ、
（ｂ）固体分の少なくともいくらかは中空膜上若しくは中空膜内に保持されるか、又は別様に膜を取り囲んでいる液体内に懸濁固体として保持される、
ステップと、
（ｉｉ）透過液に対して膜のバブルポイントより低い圧力で低圧ガスを適用することによって内腔内に残っている透過液を使用して膜の孔を周期的に逆洗するステップであって、内腔内の透過液の少なくともいくらかを膜の孔を通じて移動し、よって中空膜上又は中空膜内に残っている固体分を除去するステップと、
を備えている。

又別のひとつの観点によれば、本発明は、濾過システム中の懸濁液から固体を濾過する方法を提供し、この方法は、
（ｉ）透過性の中空膜の壁部を横切るように圧力差を与え、透過性の中空膜の内壁に適用された懸濁液を、膜を通じて濾過させるとともに濾過を続けるステップであって、
（ａ）懸濁液のいくらかは膜の壁を通過して膜の外壁から透過液として引き抜かれ、
（ｂ）固体分の少なくともいくらかは中空膜上若しくは中空膜内に保持されるか、又は別様に膜内の懸濁固体として保持される、
ステップと、
（ｉｉ）濾過プロセスを停止するか又は中断するステップと、
（ｉｉｉ）透過液に対し膜のバブルポイントより低い圧力で低圧ガスを適用することによって、濾過プロセスの中断の後にシステム内に残っている透過液を使用して膜の孔を周期的に逆洗するステップであって、透過液の少なくともいくらかを膜の孔を通じて移動し、よって中空膜上又は中空膜内に保持された固体分を除去するステップと、
を備えている。

好ましくは、逆洗プロセス中に固体は膜を取り囲んでいる液体本体の中に移動される。

好ましくは、マニフォールド、ヘッダ、パイプ及びその種のもののような付随物の中に残っている透過液は、膜内腔の透過液に加えて逆洗液の源として使用することができる。逆洗のための十分な量の透過液がこれら源から得られる場合には、さらなるチャンバ又は容器を透過液の流路に設けることができ、濾過が中断しているときに逆洗のために得られる透過液の量を増加させる。

多くの膜モジュールが、バンク部内で使用されるとともに供給液を分配し透過液を除去するマニフォールドに接続されている場合には、低圧ガスはモジュールのバンク部のマニフォールドの中に導入することができ、よってマニフォールド中の透過液もまた逆洗のために使用することができる。透過液が膜モジュールの両端部から引き出される濾過システムの場合には、逆洗を押し進めるガスは、必要に応じて、膜モジュールの一方の端部のみ、若しくは両端に同時に適用することを選択することができる。

又別の１つの観点によれば、本発明は懸濁液から微細な固体を除去するための濾過システムを提供し、このシステムは、
（ｉ）懸濁液を含有する容器と、
（ｉｉ）この容器の中の複数の透過性の中空膜と、
（ｉｉｉ）懸濁液のいくらかが膜の壁部を通過して透過液として引き出されるように膜の壁部を横切って圧力差を付与する手段と、
（ｉｖ）膜から透過液を引き出す手段と、
（ｖ）膜の、システム内の透過液に対しバブルポイントより低い圧力で低圧ガスを適用し、膜内腔に、透過液の少なくともいくらかを膜の壁部を通じて内腔へと排出させ、内腔内に残っている固体分を移動し、移動された固体分を、膜を取り囲んでいる懸濁液の中に除去する手段と、
を備えている。

好ましくは、低圧ガスは１つ以上のガス圧パルスによって提供される。好ましくは、低圧ガスは、膜を通気するために使用されるガス源、例えば低圧ブロアから提供される。好ましくは、ガス圧は制御バルブ又は圧力制限装置によって調整することができる。好ましくは、低圧ガスは、膜の逆洗中に残っている透過液を膜の孔を通じて押し出すように適用される。好ましくは、透過液に適用されるガスの圧力は、膜のバブルポイントより低く、ガスが膜の孔に進入できないようにされる。

好ましくは、低圧ガスは約３０ｋＰａ〜約１５０ｋＰａの圧力範囲である。より好ましくは、低圧ガスは、膜の空気によるこすり洗浄に使用されるのと同じブロアから入手可能である。

好ましくは、圧力パルスは、低圧ガスを膜の供給側及び透過液側の両方に適用して膜の供給側及び透過液側を加圧しつつ、逆洗ステップ中に膜の供給側を隔離し、次いで、膜の供給側を大気に解放して供給側の圧力を解放するとともに、圧力のパルスを膜の透過液側に適用することによって提供される。

改良された方法を使用した一般的な逆洗手順は、以下のステップのいくつか又は全てを包含する。
−通気ガス又は他の低圧ガス源を使用して供給容器内の供給レベルを濾過しつつ下げるステップ
−ガスの泡を膜の表面を通過させることによって膜表面のこすり洗浄をするステップ
−低圧ガスを連続的に、若しくはパルス状に透過液に適用することによって、システム中に残留している透過液を、膜の孔を通じて通常の濾過の流れとは逆の方向に流して膜の孔を逆洗するステップ
−スイープ、排出、又は逆洗排液を部分的に排出することによる供給及び排出プロセスによって、逆洗排液を排出するステップ
−膜容器を再充填し、透過液側からガスを排気し、濾過を再開するステップ

本発明の簡単な説明が、添付の図面を参照しつつ例示のみの方法によって後述される。

本発明の１つの実施形態による膜モジュール装置の簡単化された図である。 時間軸に沿った膜抵抗値の変化を比較することによる標準的な高圧逆洗に対する低圧逆洗の比較図である。 複数の逆洗パルスの概略である。 時間軸に沿った膜抵抗値の変化を比較することによる低圧逆洗に対する複数パルスを伴った低圧逆洗の比較図である。

図１を参照すると、中空繊維膜モジュール５が圧力容器６中に取り付けられており、濾過の流れは外殻側から繊維内腔７の中へと流れている。モジュール５は、それぞれ上部及び下部透過液出口８、９に結合されている。濾過プロセスが洗浄サイクルのために中断されるとき、内腔７は透過液で充填されたままである。

供給液は、一方向バルブＮＲＶ１を通じるとともにモジュール５の下端部に隣接する入口ポート１０を通じて容器６に供給される。通常は空気である低圧ブロワガスは、一方向バルブＮＲＶ２及び手動で操作される制御バルブＭＶ１を通じて入口ポート１０に供給される。又、低圧ブロアガスはブロア１１から一方向バルブＮＲＶ３を通じて上部透過液出口８へ供給される。透過液は、上部及び下部ヘッダ１２、１３と、それぞれ上部及び下部モジュール透過液出口８、９とを通じて膜内腔から引き出される。引き出された透過液は、バルブＡＶ１によって制御された透過液ライン１４を通じて流れる。圧力容器６は、モジュール５の上端部の方向の、逆洗解放バルブＡＶ２によって制御される排気ポート１５を備えている。

低圧逆洗の２つの方法をこの実施形態では使用することができる。

１つの方法においては、手動バルブＭＶ１は、膜を横切って圧力差を生じさせて液体逆洗を実施するために使用される。バルブＭＶ１は、通気を調整してモジュール５の供給液側と透過液側との間に負の圧力差を生じさせるように、調節される。一旦正しいプロセス状態が決定されると、ＭＶ１は、作業者の調節を必要とせずに固定流量制限装置によって置き換えることができることが理解されるだろう。

この方法の１つの形態においては、手動バルブＭＶ１は、容器６中の各モジュール５の外殻側への空気圧を減少するように調節される。次いで濾過がバルブＡＶ１を閉じることによって中断され、逆洗解放バルブＡＶ２が開かれる。低圧ガスが、一方向バルブＮＲＶ３と、上部及び下部モジュール濾過液出口８、９とを通じて、モジュール内に残っている透過液に適用される。この低圧空気は透過液側から供給液側へ膜の孔を通じて透過液を押し、液体逆洗を生じさせる。この液体逆洗は、ＭＶ１及び入口ポート１０を通じたブロアの空気の適用によるモジュール５の連続的な通気を受けながら２〜２００秒、典型的には４５秒間行われる。

一旦液体逆洗が達成されると、容器６の外殻側は供給液でスイープされ、逆洗中に移動された汚染物を除去し、さらに膜７の外面をこすり洗いする。このスイープは、通気を行いつつ１〜１２０秒、典型的には約１０秒間、次いで通気無しでさらに０〜１５０秒、典型的には３０秒間、任意に行うことができる。移動された汚染物を除去するために、スイープの代わりにドレーンを使用することができることが理解できる。一旦、逆洗とスイープ／ドレーンとが終了すると、システムは通常の濾過に戻される。

第２の好ましい方法は、透過液側の圧力を増加させるとともに膜の孔を逆洗するために、逆洗のパルスを使用する。この方法においては、（通気及び液体逆洗を含む）逆洗段階の間に、上部逆洗バルブＡＶ２が一時的に又は部分的に閉じられて容器６の外殻側を隔離する。ブロア１１は、非常に短い時間デッドエンドモード又はデッドエンドに近いモードで作動される（空気はブロアの圧力開放バルブから大量に解放される）。外殻側及び透過液側の両方の圧力がブロアの排気圧の限界まで上げられる。次いで、外殻側の上部逆洗バルブＡＶ２が開けられ、外殻側の圧力は急速に降下し、比較的高い負の膜間圧力（ＴＭＰ）のパルスが生成する。このパルスは、逆洗段階中に単に上部逆洗バルブＡＶ２を開閉することによって繰り返し発生させることができる。この方法が使用される場合、濾過液一方向バルブＮＲＶ３は、上部モジュール透過液出口から実践的である限り遠くに配置され、生成される圧力パルスを最大化するようにシステム内に十分なエアポケットを提供する。

逆洗の好ましいパルスを使用する方法の１つの形態においては、システムは以下のように作動される。

濾過が中断され、上部逆洗バルブＡＶ２が開けられる。次いで、通気及び液体逆洗段階が低圧空気によって２〜２００秒間、典型的には１０秒間行われる。上述の方法に関連して説明されたように、低圧空気は膜内腔内の透過液に透過液出口８、９を通じて適用され、透過液が膜の孔を通じて押され、汚染物質を膜壁から移動する。次いで、モジュール５の外殻側が、１〜６０秒間、典型的には５秒間、上部逆洗バルブＡＶ２を閉じ、ブロアをデッドエンドモードで作動させることによって加圧される。次いで、上部逆洗バルブが開けられて、通気と低圧空気による液体逆洗を続けながら容器６を急速に降圧する。この段階は通常は１〜１５０秒間行われる。

上述の方法と同様に、一旦液体逆洗が達成されると、容器６の外殻側は供給液でスイープされ、逆洗中に移動された汚染物を除去し、さらに膜７の外面をこすり洗いする。このスイープは、通気を行いつつ１〜１２０秒、典型的には約１０秒間、次いで通気無しでさらに０〜１５０秒、典型的には３０秒間、任意に行うことができる。一旦、逆洗とスイープ／ドレーンとが終了すると、システムは通常の濾過に戻される。

上述のように、パルス段階は複数回、通常は１〜４回、上部逆洗バルブＡＶ２を開閉することによって繰り返すことができる。通常は、それぞれのパルスの間に、容器６の外殻側は１〜６０秒間加圧され、続いて１〜１５０秒間、通気と低圧液体逆洗を伴って降圧される。

低圧逆洗の効果を示すために多くの実験が行われた。図２は、３０ｋＰａの内腔圧力での逆洗と、通常の２００ｋＰａの内腔圧力での逆洗との比較図である。

別の試験においては、通常の低圧逆洗出と、パルスを有する逆洗方法との比較が行われた。１０回のパルスを有する逆洗動作が行われた後、１０回の通常の低圧逆洗動作が行われた。逆洗の圧力パルスは約３〜１０秒であった。図３は、複数のパルスを有する逆洗の概略を示している。図４は、複数回のパルスを有する低圧逆洗の動作の、通常の逆洗の動作との比較を示している。これらの図から、複数回のパルスを有する逆洗の逆洗性能が、圧力パルスを用いない低圧逆洗の動作より良好であることが明瞭にわかる。

本発明のさらなる実施形態及び実例が、特許請求の範囲の記載の発明の精神及び技術範囲から逸脱することなく可能であることが理解されるであろう。

５・・・膜モジュール
６・・・圧力容器
７・・・繊維内腔
８・・・上部透過液出口
９・・・下部透過液出口
１０・・・入口ポート
１１・・・ブロア
１２・・・上部ヘッダ
１３・・・下部ヘッダ
１４・・・透過液ライン
１５・・・排出ポート
ＮＲＶ１、ＮＲＶ２、ＮＲＶ３・・・一方向バルブ
ＡＶ１・・・バルブ
ＡＶ２・・・逆洗解放バルブ

Claims (21)

1. 少なくとも１つの透過性中空膜を備える膜濾過システムを逆洗する方法であって、濾過プロセスが停止若しくは中断されたときに、逆洗プロセス中に前記膜の孔を逆洗するための液体を提供するように、前記システム中に残留している透過液に低圧ガスを適用するステップを備える方法。
2. 前記低圧ガスは、前記膜のバブルポイント以下の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記低圧ガスは、約３０ｋＰａ〜約１５０ｋＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記低圧ガスは、１つ以上のガス圧パルスによって提供されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 懸濁液から固体分を濾過する方法であって、
   （ｉ）前記懸濁液に浸漬された透過性中空膜の壁を横切って圧力差をかけるステップであって、前記懸濁液は多孔性の前記中空膜の外側表面に提供されて前記膜の壁を通じる濾過を誘引するか又は維持し、
   （ａ）前記懸濁液のいくらかは前記膜壁を通過して前記中空膜の内腔から透過液として引き抜かれ、
   （ｂ）固体分の少なくともいくらかは前記中空膜上若しくは前記中空膜内に保持されるか、又は別様に前記膜を取り囲んでいる液体内に懸濁固体として保持される、
   ステップと、
   （ｉｉ）前記透過液に対し前記膜のバブルポイントより低い圧力で低圧ガスを適用することによって前記内腔内に残っている前記透過液を使用して前記膜の孔を周期的に逆洗し、前記内腔内の透過液の少なくともいくらかを前記膜の孔を通じて移動し、よって前記中空膜上又は前記中空膜内に残っている固体分を除去するステップと、
   を備える方法。
6. 濾過システム中の懸濁液から固体を濾過する方法であって、
   （ｉ）透過性の中空膜の壁部を横切るように圧力差を与え、前記透過性の中空膜の内壁に適用された懸濁液を、前記膜を通じて濾過させるとともに濾過を続けるステップであって、
   （ａ）前記懸濁液のいくらかは前記膜の壁を通過して前記膜の外壁から透過液として引き抜かれ、
   （ｂ）固体分の少なくともいくらかは前記中空膜上若しくは前記中空膜内に保持されるか、又は別様に前記膜内の懸濁固体として保持される、
   ステップと、
   （ｉｉ）濾過プロセスを停止するか又は中断するステップと、
   （ｉｉｉ）前記透過液に対し前記膜のバブルポイントより低い圧力で低圧ガスを適用することによって、前記濾過プロセスの中断の後に前記システム内に残っている透過液を使用して前記膜の孔を周期的に逆洗し、透過液の少なくともいくらかを前記膜の孔を通じて移動し、よって前記中空膜上又は前記中空膜内に保持された固体分を除去するステップと、
   を備える方法。
7. 逆洗プロセス中に、前記固体は前記膜を取り囲んでいる液体本体の中に除去されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 付随部内に残留している透過液は、逆洗液の源として使用されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
9. さらなるチャンバ又は容器を透過液の流路に設け、逆洗のために得られる透過液の量を増加させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
10. 前記透過液が前記膜内腔の両端部から引き出され、前記低圧ガスは、逆洗ステップ中に膜内腔のいずれか一方の端部、若しくは両端に適用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
11. 前記低圧ガスは、１つ以上のガス圧パルスによって提供されることを特徴とする請求項５又は６に記載の濾過システム。
12. 前記圧力パルスは、前記低圧ガスを前記膜の懸濁液側及び透過液側の両方に適用して前記膜の懸濁液側及び透過液側を加圧しつつ、逆洗ステップ中に前記膜の懸濁液側を隔離し、次いで、前記膜の懸濁液側を大気に解放して前記懸濁液側の圧力を降下させるとともに、圧力のパルスを前記膜の透過液側に適用することによって提供されることを特徴する請求項１１に記載の方法。
13. 懸濁液から微細な固体を除去するための濾過システムであって、
    （ｉ）前記懸濁液を含有する容器と、
    （ｉｉ）該容器の中の複数の透過性の中空膜と、
    （ｉｉｉ）前記懸濁液のいくらかが前記膜の壁部を通過して透過液として引き出されるように前記膜の壁部を横切って圧力差を付与する手段と、
    （ｉｖ）前記膜から透過液を引き出す手段と、
    （ｖ）前記システム内及び前記膜の内腔内の透過液に対し前記膜のバブルポイントより低い圧力で低圧ガスを適用し、前記内腔内の透過液の少なくともいくらかを前記膜の壁部を通じて排出させ、前記内腔内に残っている固体分を除去し、除去された固体分を、前記膜を取り囲んでいる前記懸濁液の中に移動する手段と、
    を備える濾過システム。
14. 前記低圧ガスは、１つ以上のガス圧のパルスによって提供されることを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
15. 前記低圧ガスは、前記膜を通気するために使用されるガス源から提供されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の濾過システム。
16. 前記ガス圧は、制御バルブ又は圧力制限装置によって調整されることを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
17. 前記低圧ガスは、残っている透過液を膜の孔を通じて押し出すように適用されることを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
18. 前記透過液に適用される前記ガスの圧力は、前記膜のバブルポイントより低いことを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
19. 前記低圧ガスは、約３０ｋＰａ〜約１５０ｋＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
20. 前記低圧ガスは、ガスによる前記膜のこすり洗浄に使用されるのと同じブロアから提供されることを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
21. 複数の前記膜モジュールであって、前記膜モジュールのそれぞれが１つ以上の前記膜を備える、複数の膜モジュールをさらに備え、
    前記複数の膜モジュールは、バンク部内に配置されているとともに、懸濁液を前記複数の膜モジュールに分配し透過液を除去するマニフォールドに接続されており、
    前記低圧ガスは膜モジュールのバンク部の前記マニフォールドの中に導入されて、前記マニフォールド中の透過液は前記システム内の透過液の一部分を形成することを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。