JP2018161608A

JP2018161608A - 膜分離装置の膜汚染検知方法及び装置

Info

Publication number: JP2018161608A
Application number: JP2017059245A
Authority: JP
Inventors: 貴子岩見; Takako Iwami
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-10-18

Abstract

【課題】圧力と流量から流路抵抗指標値を算出し、この流路抵抗指標値に基いて膜モジュールの汚染状況を検知する方法及び装置を提供する。【解決手段】第１配管３及び第２配管５の一方を介して供給水を膜モジュール４に流入させると共に、該第１配管３及び第２配管５の他方から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値を用いて演算した流路抵抗指標値に基づいて、汚染を検知する。Ｐ：該一方の配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、第１圧力センサと該他方の配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値。Ｆ：第２配管の流量。【選択図】図１

Description

本発明は、膜分離装置の膜汚染検知方法及び装置に関する。

除濁を目的にＵＦ膜（限外濾過膜）やＭＦ膜（精密濾過膜）を用いる膜分離装置（除濁膜装置）に被処理水の通水を継続すると、分離膜に汚れが付着するため、通常３０秒〜６０分ごとに間欠的に洗浄流体（水及び／又は気体）を供給して膜の物理洗浄を行う。

この物理洗浄においても除去できない汚染が膜面や膜内に堆積するため、次第に膜の濾過能力が低下する。また、原水に濁質を含む場合や高い回収率で装置を稼働する場合には、濁質等の固形分が膜間や膜とハウジングの間にケーキ状に堆積して、有効膜濾過面積が減少する。

凝集剤、酸化剤などの膜前処理剤を添加した後に膜分離処理を行う造水方法において、膜前処理薬剤の添加量を制御する技術として、膜分離装置の被処理水や濾過処理水の水質をＯＲＰや濁度、有機物濃度、ＵＶ２６０吸光度などの指標で評価して前処理薬剤の添加量をフィードバック制御する方法がある。

しかしながら、これらの水質指標による膜前処理剤の制御は、膜分離処理水の水質維持には有効であるが、膜分離装置濾過能力を考慮していないため、膜分離装置の安定運転ひいては造水システムの安定運転には十分とはいえない。

膜分離装置の濾過能力を考慮した、膜前処理の制御方法として、特許第５７９５５２９号や特開平１０−１５３０７に、膜分離装置の原水入口圧（以下、入口圧）と処理水出口圧（以下、出口圧）の差圧（膜間差圧）、あるいは膜間差圧上昇速度による制御方法が記載されている。

しかしながら、凝集フロックなどの原水中の濁質汚染は、圧密化されて強固な汚染にならないうちは膜間差圧に影響しにくく、上記特許文献に記された膜間差圧による前処理の制御方法では濁質汚染の進行を捉えられない。濁質源が凝集フロック等の疎な濁質である場合は特に膜間差圧に影響しにくく、濁質汚染が膜間差圧に表れる段階では既に、濁質汚染は強固に圧密化されており、急激な膜間差圧上昇を引き起こすため安定運転が困難になる。

そのため、膜間差圧のほかに、濁質汚染を検知する前処理の制御方法が必要とされる。

特公平３−８０５２７には、透過側圧力と濃縮側圧力の関係（モジュール差圧）で流路閉塞を示す異常信号等を出すことが記載されている。また、特開２０１６−２０３０８５に記載されているように、濃縮水圧力を制御することで流動抵抗が変化することは公知である。

圧力だけの検知では、圧力が所定値まで上昇してその後一定になっている場合や下がった場合であっても、モジュール内での濁質汚染が進んでいることが散見された。

特許第５７９５５２９号特開平１０−１５３０７号公報特公平３−８０５２７号公報特開２０１６−２０３０８５号公報

本発明は、圧力と流量から流路抵抗指標値を算出し、この流路抵抗指標値に基いて膜モジュールの汚染状況を検知する方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の膜分離装置の膜汚染検知方法は、分離膜を有する膜モジュールと、該膜モジュールの一次側の流入部に連通する第１配管と、該膜モジュールの一次側の流出部に連通する第２配管と、該膜モジュールの二次側と連通する第３配管とを少なくとも備えた膜分離装置の膜汚染を検知する方法において、該第１配管及び第２配管の一方を介して供給水を膜モジュールに流入させると共に、該第１配管及び第２配管の他方から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値もしくはＰ値、Ｆ値、Ｐ_０値、Ｆ_０値を用いて演算した流路抵抗指標値に基づいて、膜汚染を検知することを特徴とする。

本発明の膜分離装置の膜汚染検知装置は、分離膜を有する膜モジュールと、該膜モジュールの一次側の流入部に連通する第１配管と、該膜モジュールの一次側の流出部に連通する第２配管と、該膜モジュールの二次側と連通する第３配管とを少なくとも備えた膜分離装置の膜汚染を検知する装置において、第１配管もしくは第１配管と第２配管に設置された圧力センサと、少なくとも第２配管に設置された流量センサと、該第１配管を介して供給水を膜モジュールに流入させると共に、該第２配管から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値もしくはＰ値、Ｆ値、Ｐ_０値、Ｆ_０値を用いて流路抵抗指標値を演算する演算手段と、該演算手段の演算結果に基づいて、膜汚染を検知する手段とを備えたことを特徴とする。
Ｐ：第１配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、第１圧力センサと第２配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値
Ｆ：第２配管の流量
Ｐ_０：通水初期のＰ値
Ｆ_０：通水初期のＦ値

本発明の一態様では、前記流路抵抗指標値は下記（１）〜（４）式のいずれかで算出される算出値、その逆数又は該算出値もしくは逆数に定数を加減乗除した値である。
Ｒ＝Ｐ／Ｆ …（１）
Ｑ＝Ｆ_０／Ｐ_０−Ｆ／Ｐ …（２）
Ｕ＝Ｐ_０／Ｆ_０−Ｐ／Ｆ …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ_０｜・｜Ｆ−Ｆ_０｜ …（４）

本発明の一態様では、前記第１配管から原水を供給し、前記第２配管から濃縮水を流出させる膜分離工程で膜汚染を検知する。

本発明の一態様では、前記第１配管から原水を供給して前記膜モジュール内に水を張る水張り工程で膜汚染を検知する。

本発明の一態様では、さらに膜間差圧を測定し、前記流路抵抗指標値と該膜間差圧とに基づいて膜汚染を検知する。

本発明の一態様では、膜汚染の検知結果に従って、膜分離装置の前段での前処理剤及び／又は酸化剤の添加量を制御する。

本発明では、流路抵抗指標値の経時変化に基づいて膜汚染を抑制するために適切な前処理条件を選択することができる。また、流路抵抗指標値と、膜の濾過能力の指標である膜間差圧とを併用して洗浄を管理することで、濁質による汚染と膜表面／内部の汚染を総合的に考慮した前処理の管理が可能である。

本発明によると、膜分離装置の差圧のみあるいは処理水質のみに基づいて膜汚染状況を検知する場合に比べて、膜汚染を精度よく検知することができる。

膜分離装置のフロー図である。実験結果を表わすグラフである。実験結果を表わすグラフである。実験結果を表わすグラフである。実験結果を表わすグラフである。

以下、図１を参照して実施の形態について説明する。図１は膜分離装置を示すフロー図であり、被処理水としての原水は、原水配管１からポンプ２及び第１配管３を介して膜モジュール４の一次側に供給される。膜モジュール４の分離膜４ａを透過しなかった濃縮水は、該一次側に連通する第２配管５を介して原水配管１に返送される。分離膜４ａを透過した処理水は、膜モジュール４の二次側に連通する第３配管６を介して取り出される。配管５からは配管２０が分岐しており、該配管２０にバルブ２１が設けられている。第２配管５にもバルブ２２が設けられている。なお、原水槽（図示略）を設置し、第２配管５からの水を原水槽に導入させてもよい。

第１配管３には第１圧力センサ７が設けられている。第２配管５には第２圧力センサ８と第１流量センサ９が設けられている。第３配管６には、第３圧力センサ１０と第２流量センサ１１が設けられている。

これらのセンサ７〜１１の検出値は、判定装置（図示略）に入力されており、該判定装置によって分離膜４ａの汚染状況を検知する。

本発明の一態様では、次式（１）〜（４）で定義される流路抵抗指標値Ｒ，Ｑ，Ｕ及びＸのいずれかに基づいて分離膜４ａの汚染状況を検知する。

Ｒ＝Ｐ／Ｆ …（１）
Ｑ＝Ｆ_０／Ｐ_０−Ｆ／Ｐ …（２）
Ｕ＝Ｐ_０／Ｆ_０−Ｐ／Ｆ …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ_０｜・｜Ｆ−Ｆ_０｜ …（４）
ただし、Ｐ：第１圧力センサ７の検出圧力又は第１圧力計７と第２圧力計８の検出圧力の平均値
Ｆ：第２配管５の流量
Ｆ_０：通水初期のＦ値（原水の通水開始時のＦの値）
Ｐ_０：通水初期のＰ値（Ｇの通水開始時のＰの値）

なお、本発明において、通水開始とは、新品の膜に対して通水を開始する場合だけでなく、薬品洗浄や、洗浄流体（水及び／又は気体）をモジュール1次側に激しく導入する強化物理洗浄した膜に対して通水を再開する場合も包含する。

上記（１）式で定義される流路抵抗指標値Ｒは、単位水量が流れているときの給水圧力を表わすものであり、このＲ値が大きいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。

上記（２）式で定義される流路抵抗指標値Ｑは、循環水量と給水圧力との比Ｆ／Ｐの初期値と現在値との差を表わすものであり、このＱ値が大きいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。

流路抵抗指標値Ｕは、小さいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。

流路抵抗指標値Ｘは、大きいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。

上記説明では、Ｒ，Ｑ，Ｕ，Ｘに基づくとしているが、それらの逆数１／Ｒ，１／Ｑ，１／Ｕ，１／Ｘや、これらの値に定数を加減乗除（加算、減算、乗算、又は除算）した値であってもよい。例えば、Ｒの場合、ａ・Ｒ（ａは正又は負の定数。ａは−１であってもよく、この場合ａ・Ｒは−Ｒとなる。），ａ／Ｒ，Ｒ＋ｂ，ｃ・Ｒ＋ｄ（ｂ，ｃ，ｄは正又は負の定数）のように算定した値であってもよい。Ｑ，Ｕ，Ｘの場合も同様である。

膜分離装置の膜としてはＵＦ膜、ＭＦ膜、ＲＯ膜などのいずれでもよい。被処理水は、ＳＳ濃度が１〜１００ｍｇ／Ｌ程度のものが好適であり、ＳＳ成分は有機成分、無機成分などのいずれでもよい。具体的な被処理水の一例としては、工水、市水、井水、河川水、湖沼水、産業排水などが例示されるが、これらに限定されない。

本発明の一態様では、上記流路抵抗指標値の検知結果に基づいて、原水への前処理薬剤(凝集剤、酸化剤など)の添加を制御する。

上記流路抵抗指標値を用いた膜分離装置の洗浄運転例としては、例えば、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値の経時的変化をプロットし、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値が装置稼働初期から所定値以上増加するか、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値の上昇速度が所定値に達した際に洗浄を開始する。また、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値が所定の下限値以下にまで低下したならば洗浄を終了する。Ｕ値の場合は、増減をこれと逆とすればよい。

本発明の一態様では、上記Ｒ値、Ｑ値、Ｕ値、Ｘ値のほかに、膜分離装置の透過水側に設置された流量センサ１１と圧力センサ１０で検出される流量，圧力と、圧力センサ７，８の検出圧力とを用いて、膜間差圧ΔＰを下記式（５）で算出し、洗浄の管理指標とすることで、濁質汚染と膜表面／内部の汚染を総合的考慮した洗浄の管理を行う。

ΔＰ＝（Ｐ_１＋Ｐ_２）／２−Ｐ_３ ……（５）
ただし、Ｐ_１：第１圧力センサ７の検出圧力
Ｐ_２：第２圧力センサ８の検出圧力
Ｐ_３：第３圧力センサ１０の検出圧力

＜実験例１＞
除濁膜（膜面積１１．５ｍ^２、公称口径０．０１μｍ）に対し、下記通水条件で、濁度約５０ｍｇ／Ｌａｓ乾燥量ＳＳの給水を透過流束６ｍ／Ｄで約１１時間通水し、モジュール内に濁質汚染を起こした。さらに、通水後は強化空気スクラビングで１時間の洗浄を行い、濁質汚染の除去洗浄を行った。
＜通水条件＞
給水：水道水＋塩化第二鉄５０ｍｇ／Ｌ、有機凝結剤２０ｍｇ／Ｌ
通水洗浄工程：水張り工程３０秒、全量濾過工程２８分、逆洗工程３０秒、空気スクラビ
ング工程３０秒

通水中の濾過工程の膜間差圧ΔＰを式（５）で算出し、図２に示した。また、水張り工程でのＲ値を式（１）で算出して図２に示した。なお、水張り工程ではポンプの出力（ｋＷ）を一定として循環し、濾過時の圧力はかかっていない。

通水によって濁質汚染は進行するが、膜間差圧は図２の通り、安定しており、膜汚染の指標値としては不十分であることが認められた。一方、式（１）で算出したＲ値は５時間経過頃から著しく上昇した。

さらに、通水前後、および洗浄後の膜間差圧、Ｒ値および下記式（６）で算出される濁質残留率を図３に示す。なお、この洗浄は強化空気スクラビングを１時間行った後に、シュウ酸０．１％（ｐＨ２．２）を約１時間循環させることにより行った。

図３の通り強化空気スクラビングを終えた時点（洗浄１時間後）で、モジュール内に濁質が５０％以上残るが（図３（ｃ））、膜間差圧ΔＰは通水前の値まで回復している（図３（ａ））。図３（ｂ）の通り、流路抵抗指標値Ｒ値は、この時点では回復には至っていない。

濁質残留率＝［１−ＳＵＭ（洗浄排水中ｄｒｙ−ＳＳ量×排水量）
÷ＳＵＭ｛原水中ｄｒｙ−ＳＳ量×通水量−（逆洗排水中ｄｒｙ−ＳＳ量
＋空気バブリング排水中ｄｒｙ−ＳＳ量）｝］×１００ …（６）

＜実験例２＞
実験例１と同じ試験において、水張り工程でのモジュール差圧、循環流量、Ｒ値及びＱ値を測定・算出した。結果を図４，５に示す。

図４の通り、通水時間０〜５時間（Ｉ．汚染初期）では濁質汚染によって徐々にモジュール差圧が上昇していくため、モジュール差圧によって濁質汚染の進行を捉えることができる。一方、循環水流量は変動せず、軽度の濁質汚染を捉える事ができない。通水時間５〜８時間（II．汚染中期）ではモジュール差圧と循環水流量どちらも変動するため、２つのパラメータは単独では汚染の進行を定量的に把握できない。さらに、通水時間８〜１２時間（III．汚染末期）ではモジュール差圧は変動せず、循環水流量のみ低下する。そのため、モジュール差圧では重度な濁質汚染の進行を捉えることができない。

図５の通り、Ｒ値及びＱ値は、いずれも通水時間の経過と共に徐々に上昇する。このように、モジュール差圧と循環流量のパラメータを複合させたＲ値及びＱ値によると、汚染初期から末期までの全過程において濁質汚染の進行を捉えることが可能であることが認められた。

なお、上記実施例では、全量濾過を行ったために、水張り工程での圧力と流量とを用いてＲ値、Ｑ値を算出した。水張り工程でＲ値、Ｑ値を算出する場合には、クロスフロー濾過時に比較して第２配管から排出される流量が大きく、モジュール差圧と流量の変化を感度良く検知できる。もちろん、クロスフロー濾過等を行う場合は濾過時の圧力と流量とを用いてＲ値、Ｑ値等の流路抵抗指標値を算出することもできる。その場合、ポンプの出力一定及び／又は処理水量を一定として行うことが好ましい。また、本実施例では給水(原水)を用いているが、濾過水や工業用水を用いてもよい。

４膜モジュール
７，８，１０圧力センサ
９，１１流量センサ

Claims

分離膜を有する膜モジュールと、該膜モジュールの一次側の流入部に連通する第１配管と、該膜モジュールの一次側の流出部に連通する第２配管と、該膜モジュールの二次側と連通する第３配管とを少なくとも備えた膜分離装置の膜汚染を検知する方法において、
該第１配管及び第２配管の一方を介して供給水を膜モジュールに流入させると共に、該第１配管及び第２配管の他方から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値もしくはＰ値、Ｆ値、Ｐ_０値、Ｆ_０値を用いて演算した流路抵抗指標値に基づいて、膜汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の汚染検知方法。
Ｐ：該一方の配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、該第１圧力センサと該他方の配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値
Ｆ：第２配管の流量
Ｐ_０：通水初期のＰ値
Ｆ_０：通水初期のＦ値
請求項１において、前記流路抵抗指標値は下記（１）〜（４）式のいずれかで算出される算出値、その逆数又は該算出値もしくは逆数に定数を加減乗除した値であることを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知方法。
Ｒ＝Ｐ／Ｆ …（１）
Ｑ＝Ｆ_０／Ｐ_０−Ｆ／Ｐ …（２）
Ｕ＝Ｐ_０／Ｆ_０−Ｐ／Ｆ …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ_０｜・｜Ｆ−Ｆ_０｜ …（４）
請求項１又は２において、前記第１配管から原水を供給し、前記第２配管から濃縮水を流出させる膜分離工程で膜汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知方法。
請求項１又は２において、前記第１配管から原水を供給して前記膜モジュール内に水を張る水張り工程で膜汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知方法。
請求項１〜４のいずれか１項において、さらに膜間差圧を測定し、前記流路抵抗指標値と該膜間差圧とに基づいて汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知方法。
請求項１〜５のいずれか１項において、膜汚染の検知結果に従って、膜分離装置の前段での前処理剤及び／又は酸化剤の添加量を制御することを特徴とする膜分離装置の運転方法。
分離膜を有する膜モジュールと、該膜モジュールの一次側の流入部に連通する第１配管と、該膜モジュールの一次側の流出部に連通する第２配管と、該膜モジュールの二次側と連通する第３配管とを少なくとも備えた膜分離装置の膜汚染を検知する装置において、
第１配管もしくは第１配管と第２配管に設置された圧力センサと、
少なくとも第２配管に設置された流量センサと、
該第１配管を介して供給水を膜モジュールに流入させると共に、該第２配管から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値もしくはＰ値、Ｆ値、Ｐ_０値、Ｆ_０値を用いて流路抵抗指標値を演算する演算手段と、
該演算手段の演算結果に基づいて、膜汚染を検知する手段と
を備えたことを特徴とする膜分離装置の汚染検知装置。
Ｐ：第１配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、第１圧力センサと第２配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値
Ｆ：第２配管の流量
Ｐ_０：通水初期のＰ値
Ｆ_０：通水初期のＦ値
請求項７において、前記流路抵抗指標値は下記（１）〜（４）式のいずれかで算出される算出値、その逆数又は該算出値に定数を加減乗除した値であることを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知装置。
Ｒ＝Ｐ／Ｆ …（１）
Ｑ＝Ｆ_０／Ｐ_０−Ｆ／Ｐ …（２）
Ｕ＝Ｐ_０／Ｆ_０−Ｐ／Ｆ …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ_０｜・｜Ｆ−Ｆ_０｜ …（４）
請求項７又は８において、前記第１配管から原水を供給し、前記第２配管から濃縮水を流出させる膜分離工程で膜汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知装置。
請求項７又は８において、前記第１配管から原水を供給して前記膜モジュール内に水を張る水張り工程で膜汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知装置。
請求項７〜１０のいずれか１項において、さらに膜間差圧を測定し、前記流路抵抗指標値と該膜間差圧とに基づいて膜汚染を検知することを特徴とする膜分離装置の膜汚染検知装置。
請求項７〜１１のいずれか１項において、膜汚染の検知結果に従って、膜分離装置の前段での前処理剤及び／又は酸化剤の添加量を制御することを特徴とする膜分離装置の運転装置。