JP2014034002A - 液体濾過装置およびそれを用いたバラスト水処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バラスト水処理装置に適用できるように、高い濾過処理能力を備えつつ、簡易な構造で濾過膜の破れ等を検出可能な液体濾過装置を提供する。
【解決手段】濾過膜ユニットと、該濾過膜ユニットの濾過面を被濾過液が供給される側から洗浄する洗浄手段と、濾過膜ユニットによる濾過前後の差圧を検出する圧力検出手段とを備え、濾過膜ユニットは濾過膜を二重に備えている液体濾過装置とした。また、当該液体濾過装置を海水の濾過装置として用い、船舶に搭載されるバラスト水処理装置とした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、濁質分等を濾過するためのフィルターを備えた液体濾過装置に関し、特に船舶搭載用の海水を処理する液体濾過装置およびそれを用いたバラスト水処理装置に関する。
近年、船舶に積載するバラスト水の処理が問題となっている。バラスト水は船舶が空荷の状態でも安全に航行するために船舶に積載される海水であり、バラスト水を浄化処理して微生物を除去あるいは死滅、不活性化する方法が種々検討されている。特許文献１には、本願発明者らによるバラスト水処理装置が開示されている。当該装置は、軸線を囲むように円筒配置され、該軸線を中心に回転自在に設けられており、円筒半径方向に折り曲げられたプリーツ形状を有するフィルターと、該フィルターの外周面に向けて被処理水を流出する被処理水ノズルと、フィルターを囲むように設けられ被処理水ノズルのノズル口を内部に備えた外筒部を有するケースと、フィルターを透過した濾過水をフィルターの円筒内部からケースの外部へ導出する濾過水流路と、フィルターで濾過されなかった排出水をケースの外部へ排出する排出流路とを備えた濾過装置である。
特許第４８３５７８５号公報
特許文献１に記載の装置は、回転フィルターにより濾過を行いながらフィルター表面を被処理水によって断続的に洗浄する構成としていることにより、特に逆洗浄などを行わずに連続的な高流量の濾過処理が可能である。ここで、タンカーや荷物運搬船等のように数万トン、数１０万トンという大容量の積載船ではバラスト水の処理を港湾に停泊中の短時間で行う必要がある。よって、時間当たりのバラスト水の処理量は数１００トン、数千トンというレベルに達する。このため、このような処理装置は大型の設備となるが、船舶内でのこのような装置を設置する場所は船底等の限られた空間であり、装置の小型化が望まれると共に、フィルターの交換や装置内部の清掃など、そのメンテナンスに必要な空間も限定されることが一般的である。このためメンテナンス作業を極力少なくすると共に、濾過膜の目詰まりなど異常が生じた場合には早期に検出して対策を取る必要がある。
特許文献１の装置においては、特段の手段を設けない限りは、フィルターの洗浄効果が落ちて目詰まりを発生した場合に、十分な濾過水量が確保できず、限られた時間内での処理が困難となる。このような目詰まりはフィルター内外の圧力検出により検出が可能である。一方、万が一フィルターにピンホールや破れ等が生じた場合には、処理は進行するものの、濾過されなかった濁質分や生物が透過してしまうことになる。このような異常は、内外の圧力差が生じにくく、その検出が困難であった。そこで本発明では、バラスト水処理装置に適用できるように、高い濾過処理能力を備えつつ、簡易な構造で濾過膜の破れ等を検出可能な液体濾過装置を提供することを目的とする。
本願発明者らは、鋭意検討の結果、フィルターの表面が常に洗浄されており、洗浄されている限り目詰まりが生じない点、および目詰まりが生じると濾過前後での圧力差が大きくなる点に着目し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、濾過膜ユニットと、該濾過膜ユニットの濾過面を被濾過液が供給される側から洗浄する洗浄手段と、前記濾過膜ユニットによる濾過前後の差圧を検出する圧力検出手段とを備える液体濾過装置であって、前記濾過膜ユニットは、濾過膜を二重に備えている液体濾過装置である。
このような構成であれば、後述のように二重に構成された濾過膜の被濾過液が供給される側に位置する濾過膜（以降「外側濾過膜」とも呼ぶ）に破れ等が生じても、二重に構成されたもう一方（以降「内側濾過膜」とも呼ぶ）にて濾過が可能である。さらに、内側濾過膜は洗浄手段による洗浄が機能せず、徐々に目詰まりする。よって、被濾過液の圧力が徐々に増加し、圧力検出手段によって異常検知が可能となる。
洗浄手段は、前記濾過面に向けて被濾過液を噴出する手段であり、前記洗浄手段による洗浄と、前記濾過膜ユニットによる濾過とが、同時並行に行われるように構成されていると、連続して長時間の濾過処理が可能となり、高い濾過処理能力を備える点で好ましい。
濾過膜ユニットは、円筒形状側面に配置された濾過膜であって、該円筒形状の半径方向に山谷を繰り返す折り目を備えたプリーツ形状の濾過膜を二重に備える構成とすると、濾過面積が大きくなり、限られたスペース内で高い濾過処理能力を備えることが可能となる。
二重に備えられた前記濾過膜の円筒半径方向の間隔が、前記プリーツ形状の山谷間深さの１／２倍以上１倍未満であることが好ましい。濾過膜同士の接触を極力回避し、かつスペース効率を大きく確保するためである。
前記濾過膜ユニットが、前記円筒形状の軸を中心に回転するように構成されており、前記洗浄手段は、前記濾過膜ユニットの濾過面に向けて被濾過液を噴出するノズルを備えることが、限られたスペース内で高い濾過処理能力を備える点で好ましい。
以上の構成により、圧力検出手段により検出された差圧の増加により、濾過膜の異常を検出する濾過膜異常検知手段を備える事が可能となる。
さらに以上の発明は、上述の液体濾過装置を海水の濾過装置として用い、船舶に搭載されるバラスト水処理装置を含む。
本発明によれば、バラスト水処理装置に適用できるように、高い濾過処理能力を備えつつ、簡易な構造で濾過膜の破れ等を検出可能な液体濾過装置を提供することができる。
本発明の液体濾過装置の基本要素と作用を説明する模式図である。 本発明の液体濾過装置の構成例を示す縦断面模式図である。 図１のＡ−Ａ横断面を示す横断面模式図である。 本発明の液体濾過装置に供される円筒状フィルターのプリーツ構造を説明する模式図である。 図４の構造における二重のフィルター間隔を説明する図である。 本発明のバラスト水処理装置の構成を説明するブロック図である。
本発明にかかる液体濾過装置の構成を図面を参照して説明する。異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一または相応する要素を示す。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、本発明の液体濾過装置１の基本要素と作用を説明するための図である。濾過膜ユニット１０は、濾過膜１１ａおよび１１ｂと、それを支える支持体１２を基本要素として構成されており、装置容器２０内において被濾過液供給側と濾過液排出側を隔てるように置かれている。このように濾過膜ユニット１０は、二重の濾過膜１１ａ，１１ｂを備えている。濾過膜ユニット１０の濾過膜の内、被濾過液供給側に面しており、直接被濾過液に接する面である濾過面を、被濾過液が供給される側から洗浄する洗浄手段３が設けられる。図１では洗浄手段３として、被濾過液を濾過面に向けて噴出することにより濾過面を噴流で洗浄するノズルが濾過面に沿って移動する構成を例示している。本図において図の右側である被濾過液供給側から供給された被濾過液は、圧力差により濾過膜ユニット１０を透過することで濾過される。濾過された濾過液は、図の左側である濾過液排出側から外部に排出される。ここで、本装置には濾過膜ユニット１０による濾過前後の差圧を検出する圧力検出手段２が設けられる。圧力検出手段２は、被濾過液供給側の被濾過液の圧力を検出する圧力センサ２ａと、濾過液排出側の濾過液の圧力を検出する圧力センサ２ｂと、これらのセンサ出力から差圧を検出する差圧検出部２ｃとから構成される。さらに、差圧検出部２ｃの出力にしたがって、濾過膜の状態を検知する濾過膜異常検知手段４が設けられると良い。
図１において、被濾過液は濾過膜１１ａにより濾過される。この際、濾過膜１１ａの表面には濾過された濁質分等が付着する。付着した濁質分等は、順次洗浄手段３により洗浄されるため、目詰まりの発生が抑制される。濾過膜１１ａと濾過膜１１ｂとに同じ品質の濾過膜を用いた場合を想定する。この場合、濾過膜１１ａにおいて濁質分が除去されているので、濾過膜１１ｂはもはや濾過すべき濁質分はほとんど無く、濾過水が概ねそのまま透過すると考えられる。
上記のように安定した濾過が継続される状態において、差圧検出部２ｃで検出される差圧は概ね安定した値を示す。以下に、装置内部に異常が生じた場合を説明する。異常の１つの態様として、濁質分が想定より多い等により洗浄効果が十分に得られない場合、あるいは洗浄手段３に何らかの異常が生じた場合を考える。この場合、濾過膜１１ａが次第に目詰まりを起こし、被処理液供給側の圧力が上昇することで、差圧検出部２ｃで検出される差圧が上昇する。通常は、このような差圧上昇の検知には、洗浄手段の確認や能力向上（例えば図１での水流の増加など）により対処が可能である。別な異常として、濾過膜１１ａに破れやピンホールなど、濾過されるべき濁質分等が透過してしまうような孔が生じる場合を想定する。通常の濾過膜が１枚の装置構成であれば、濾過膜の異常を見逃すおそれがある。つまり、濾過液中の濁質分等を別な手段により検出するなどしない限りは、装置運転上の異常は検出されず、濾過が安定して進行している状態となってしまう。ここで、図１のように二重に濾過膜が構成されていると、後段の濾過膜１１ｂがいわゆるバックアップとして機能する。濾過膜１１ａを透過した濁質分等を濾過膜１１ｂが捕捉することで、濾過液への濁質分等の混入が防止できる。
このような異常状態を検出できるのが本発明の構成である。上記の異常において、洗浄手段３は濾過膜１１ａの濾過面のみを洗浄し、濾過膜１１ｂには作用しない。よって、濾過膜１１ｂの表面には次第に濁質分等が堆積し始め、徐々に目詰まりを起こす。これにともない、圧力センサ２ａで検出される圧力が大きくなり、差圧検出部２ｃにおける差圧の値が大きくなる。当該差圧の上昇から異常を知る事が出来る。かかる異常においては洗浄効果の向上を図っても差圧の上昇は回復されない。濾過膜異常検知手段４は、マイクロコンピュータ等により、差圧情報から濾過膜ユニットの異常であることを判断し、外部に警報等の手段により知らせるための検知装置である。濾過膜異常検知手段４には、図１のように差圧検出部２ｃからの差圧情報の他、運転されている被濾過液側の設定圧力や洗浄手段の状態に関する情報が入力され、例えば、差圧が増加していることと設定圧力や洗浄手段に変化が無いことのＡＮＤをとって、差圧異常が濾過膜の異常であると判断するようにプログラムされていると良い。このように、濾過膜を濁質分等が透過するような異常が生じた場合であっても、濾過を正常に進行しつつ、その異常を発見できるところが本発明の利点である。
なお、以上の説明において、圧力センサは被濾過液側と濾過液側にそれぞれ設けることで差圧を検出しているが、必ずしもこの構成とする必要は無い。例えば、濾過液側は自由流出であって異常状態にかかわらずほぼ一定の圧力であることを前提にすれば、圧力センサは被濾過液側のみでも良い。この場合、被濾過液側の圧力を差圧として扱うことでも良い。さらに圧力センサは１つに限られるものではなく、複数の圧力センサによる平均を取るなどの方法も採用することが可能である。また、濾過膜異常検知手段４を設けず、圧力センサからの出力値や、差圧検出部２ｃからの差圧出力値から人為的に異常を判断することも可能である。
次に、図２および図３により、本願発明をバラスト水処理装置として用いる場合の具体的な構成例を説明する。図２および図３は、濾過手段としての回転フィルター濾過装置の代表的な構成例を説明する模式図である。図２は、回転フィルター濾過装置の縦断面、図３は、図２におけるＡ−Ａ横断面を示す。円筒形状の濾過膜ユニット１０は回転中心となる軸線Ｃを囲むように配置されており、中心に配置された中心配管４３（配管は回転しない）の周囲を回転自在に取り付けられている。濾過膜ユニット１０は、上蓋部材２１と底蓋部材２２を主な支持体として円筒形状の濾過膜を円筒側面に備えている。図３に示されるように、濾過膜は円筒外側に位置する濾過膜１１ａと円筒内側に位置する濾過膜１１ｂの二重構造となっている。当該濾過膜の具体例として、図４に斜視図で示されるプリーツフィルターが好ましく用いられる。プリーツフィルターは濾過膜を円筒の半径方向に山谷を繰り返すように連続して折り目を付けたものであり、大きな濾過面積が得られる。フィルターの上下面が上蓋部材２１と底蓋部材２２によって水密に塞がれる。底蓋部材は水密な軸受け２５により、中心配管４３に対して回転自在となる。上蓋部材には回転軸２４が設けられる。回転軸２４はモーター５０に連結されており、モーター５０の駆動によって濾過膜ユニット１０全体が回転する。
濾過膜ユニット１０全体を覆うようにケース３０が設けられる。ケース３０はケース外筒部３１、ケース蓋部３２、ケース底部３３で構成され、底部３３には排出水流路４６が設けられる。また、ケース３０内に被処理水としての海水を導入するため被処理水流路４１と、被処理水を洗浄水として濾過膜１１ａの濾過面方向に噴出するための被処理水ノズル４２が設けられる。被処理水ノズル４２は、そのノズル口をケース３０の外筒部３１内に備えるように被処理水流路４１から延設されている。
本例の場合、被処理水ノズル４２から噴出した被処理水は濾過膜１１ａの外周面に当たり、その圧力によって濾過面の洗浄効果が得られる。濾過膜ユニット１０がモーター５０によって回転することで、洗浄部位が順次移動し、濾過面全体が洗浄され得る。モーター５０の回転数は一定でも良いし、人為的に任意に定めることも可能であるが、濾過水の濁度やフィルター内外の圧力差などを検出して濾過の状態に応じて制御することが好ましい。
濾過されなかった被処理水および、ケース内に沈殿した濁質分は、ケース底部の排出水流路４６から順次排出される。このように濁質分や残った被処理水が連続的に常に排出されつつ濾過が進行される点がこの装置の特徴であり、バラスト水に求められる１０〜２０ｔｏｎ／時間、さらには１００ｔｏｎ／時間を超える処理量を確保するために効果がある。濾過膜ユニット１０により濾過された濾過水は中心配管４３に設けられた濾過水開口４４を通して濾過水流路４５に導かれ、ケース外部に導出される。
濾過膜の基材には多孔質樹脂シートが用いられる。材質として例えば、ポリエステル、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等からなる延伸多孔質体、相分離多孔体、不織布等の多孔質構造物が利用される。バラスト水処理では高流量処理を行うため、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルからなる不織布が特に好適に用いられる。また、寸法例として、プリーツフィルターの外径は７００ｍｍ、軸方向長さ３２０ｍｍ、有効面積としての高さ２８０ｍｍ、プリーツ深さ７０ｍｍ、プリーツ数４２０折、が挙げられ、必要な処理水量に応じて有効面積を変えたり、複数のフィルターを並列に用いたりすることなどが可能である。
図５は、図４の構造における二重のフィルター間隔を説明する図である。二重に構成された濾過膜１１ａと濾過膜１１ｂはいずれも同じ形状のプリーツフィルターである。１枚のプリーツフィルターの山谷間深さをＬ（ｍｍ）とし、二重に構成される２枚のプリーツフィルターの山間隔をｄ（ｍｍ）と表す。本発明の効果において二重の濾過膜間隔は任意である。しかし、円筒形状のプリーツフィルターを濾過膜とした構成においては、構成上の制約が生じる。この場合、二重の濾過膜の間隔である山間隔ｄが山谷間深さＬの１／２倍以上１倍未満、すなわち、０．５Ｌ≦ｄ＜Ｌ、であることが好ましい。１倍を超えると、円筒内側の濾過膜１１ｂの円が小さくなり、濾過面の面積が十分に確保できない。外側濾過膜１１ａの破れ時等に目詰まりを発生し易くなり、バックアップとしての機能が発揮しにくい。１／２倍未満であると、プリーツフィルター同士の面間隔が近くなり過ぎる。濾過面は支持体によって固定されているものの、回転や洗浄水の噴流によって常に面が変形している。濾過膜の間隔が近いと、かかる変形によって濾過膜の接触が発生しやすくなり、面の擦れ等によって破れが生じやすくなるなどの不都合が生じやすい。
以上に説明した液体濾過装置をバラスト水処理装置として用いるシステム構成例を図６にブロック図として示す。図６で示されるシステムを船舶に搭載し、海水を濾過貯留するものである。バラスト水の処理装置は濾過装置部と紫外線等の手段による殺菌部とから構成されるものが多く、本発明は濾過装置部として適用できる。海水は、ポンプ１１０の作用によって、船舶外部の海洋から取水流路４７を通じて装置に取り込まれる。液体濾過装置１００は、前述の通り円筒の側面に濾過面が配置された円筒状フィルターを回転させつつ濾過を行う液体濾過装置である。被処理水流路４１を通じて液体濾過装置１００に送られた海水は濾過水と排出水に分かれる。排出水は排出水流路４６を通じて再び海洋に戻され、濾過水は濾過水流路４５に送られる。濾過水は次に紫外線照射装置１２０により微生物等の殺菌が行われ、タンク流路４８を通じてバラスト水タンク１３０に貯留される。なお、殺菌部の手段は紫外線照射装置１２０を例示しているが薬剤を用いる等の公知の他の手段に置き換えても良い。バラスト水の処理は大量の海水を出来るだけ短時間で処理するという要求から、フィルターの大型化、連続的な洗浄などが求められ、また、異常状態の把握と適切な対処が求められるところ、本発明の装置によれば比較的簡便な構造により実現することが可能である。
本発明の液体濾過装置は、回転洗浄による安定した高透過流量の連続運転が可能であるため、海水淡水化やバラスト水などの汽水・海水利用、あるいは下水、生活排水、工業排水など、特に処理水量の大きな水処理に際して、水中の異物やゴミ、微生物を除去処理する前濾過処理に好適に利用できる。また、高濁質の水処理や濃縮処理にも優れているため、食品分野などの有価物回収分野にも応用が可能である。
１ 液体濾過装置
２ 圧力検出手段
２ａ，２ｂ 圧力センサ
２ｃ 差圧検出部
３ 洗浄手段
４ 濾過膜異常検知手段
１０ 濾過膜ユニット
１１，１１ａ，１１ｂ 濾過膜
１２ 支持体
２０ 装置容器
２１ 上蓋部材
２２ 底蓋部材
２４ 回転軸
２５ 軸受け
３０ ケース
３１ ケース外筒部
３２ ケース蓋部
３３ ケース底部
４１ 被処理水流路
４２ 被処理水ノズル
４３ 中心配管
４４ 濾過水開口
４５ 濾過水流路
４６ 排出水流路
４７ 取水流路
４８ タンク流路
５０ モーター
１００ 液体濾過装置
１１０ ポンプ
１２０ 紫外線照射装置
１３０ バラスト水タンク

Claims (7)

  1. 濾過膜ユニットと、該濾過膜ユニットの濾過面を被濾過液が供給される側から洗浄する洗浄手段と、前記濾過膜ユニットによる濾過前後の差圧を検出する圧力検出手段とを備え、前記濾過膜ユニットは濾過膜を二重に備えている液体濾過装置。
  2. 前記洗浄手段は、前記濾過面に向けて被濾過液を噴出する手段であり、前記洗浄手段による洗浄と、前記濾過膜ユニットによる濾過とが、同時並行に行われるように構成されている、請求項１に記載の液体濾過装置。
  3. 前記濾過膜ユニットは、円筒形状側面に配置された濾過膜であって、該円筒形状の半径方向に山谷を繰り返す折り目を備えたプリーツ形状の濾過膜を二重に備える、請求項１または２に記載の液体濾過装置。
  4. 二重に備えられた前記濾過膜の円筒半径方向の間隔が、前記プリーツ形状の山谷間深さの１／２倍以上１倍未満である、請求項３に記載の液体濾過装置。
  5. 前記濾過膜ユニットが、前記円筒形状の軸を中心に回転するように構成されており、前記洗浄手段は、前記濾過膜ユニットの濾過面に向けて被濾過液を噴出する被処理水ノズルを備える、請求項３または４に記載の液体濾過装置。
  6. 前記圧力検出手段により検出された差圧の増加により、前記濾過膜の異常を検出する濾過膜異常検知手段をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体濾過装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体濾過装置を海水の濾過装置として用い、船舶に搭載されるバラスト水処理装置。
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