JP2021159909A - 膜ろ過システム、およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間稼働しても膜の汚れによるつまりが発生しにくく、膜ろ過機能が低下しない、中空糸膜を用いた膜ろ過システムの提供。【解決手段】膜ろ過システムは、原水をろ過する中空糸膜と、中空糸膜を内部に収容する外管とを含む、中空糸膜モジュール２と、周波数が１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの振動子２０ａを含む振動機２０とを有し、振動子２０ａが中空糸膜モジュール２の外管の外側に、直接または間接的に接触している。【選択図】図５

Description

本開示は、槽外型中空糸膜モジュールを有する膜ろ過システムおよびその運転方法に関する。

従来より膜モジュールの汚れ付着を抑制する、あるいは付着した汚れを除去する方法が提案されている。例えば特許文献１では、原水中に浸漬され、原水をろ過する膜モジュールと膜モジュールの洗浄に使われる超音波振動子が、ケーシング内部に収容された浸漬型ろ過ユニットについて述べられている。同ユニットでは、振動子と膜を近接した状態で配置されており、かつ、使用時に両者は浸漬され、超音波によるキャビテーションや原水に伝わる超音波の振動を利用し、膜への付着物を剥離することを目的としている。

特開2007-111623号公報

上記の発明では、ケーシングの内部に超音波振動子と膜を設置、両者を浸漬することが必須であるために、設置可能な振動子の形状、大きさ、数量、出力が制限される。また振動子が完全に原水中に浸漬される為、それ自身の防水保護や原水性状による耐薬品性保護が必要になるなど、使用が難しい場合がある。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、中空糸膜および汚れに対してより強い振動出力を簡便な手段で与え、中空糸膜の汚れ付着が起こりにくく、あるいは／および付着した汚れを落としやすいシステムを目的とするものである。

第１観点の膜ろ過システムは、原水の膜ろ過システムであって、
原水をろ過する中空糸膜と、前記中空糸膜を内部に収容する外管とを含む中空糸膜モジュールと、
周波数が1Hz〜２0ｋHzの振動子を含む振動機と、を有し、
前記振動子が前記中空糸膜モジュールの前記外管の外側に、直接または間接的に接触している。

第２観点の膜ろ過システムは、第１観点の膜ろ過システムであって、前記中空糸膜モジュールは、槽外型である。

第３観点の膜ろ過システムは、第１観点または第２観点の膜ろ過システムであって、前記振動子が前記中空糸膜モジュールの前記外管の外側に、直接接触している。

第４観点の膜ろ過システムは、第１観点または第２観点の膜ろ過システムであって、前記振動機は、さらに、前記振動子の振動を前記中空糸膜モジュールに伝達する伝達部を含み、
前記振動子が前記中空糸膜モジュールの前記外管の外側に、前記伝達部を介して間接的に接触している。

第５観点の膜ろ過システムは、第１観点〜第４観点のいずれかの膜ろ過システムであって、前記振動子または前記伝達部が前記中空糸膜モジュールの濃縮水口付近に接触している。

第６観点の膜ろ過システムは、第１観点〜第５観点のいずれかの膜ろ過システムであって、前記振動子の前記中空糸膜モジュールの膜面積あたりの出力が、0.1〜100W/m²である。

第７観点の膜ろ過システムは、第１観点〜第６観点のいずれかの膜ろ過システムであって、前記中空糸膜を薬液を用いて洗浄する膜洗浄用薬液供給配管をさらに備える。

第８観点の膜ろ過システムの運転方法は、第１観点〜第７観点のいずれかの膜ろ過システムの運転方法であって、前記原水の供給時に、前記振動子の出力を前記中空糸膜の膜面積あたり0.1〜100W/m²とする。

第９観点の膜ろ過システムの運転方法は、第１観点〜第７観点のいずれかの膜ろ過システムの運転方法であって、逆洗時に、前記振動子の出力を前記中空糸膜の膜面積あたり0.1〜100W/m²とする。

第１０観点の膜ろ過システムの運転方法は、第７観点の膜ろ過システムの運転方法であって、
原水を前記中空糸膜でろ過する運転と、
前記中空糸膜モジュールの内部を薬液を用いて洗浄する運転と、
を有し、
前記薬液を用いて洗浄する運転は、
（ａ）前記中空糸膜モジュール内の原水を排出するステップと、
（ｂ）前記振動子を０．１Ｗ／ｍ^２以上、１００Ｗ／ｍ^２以下の出力で振動させながら、前記中空糸膜モジュール内に前記薬液を供給するステップとを含む。

第１１観点の膜ろ過システムの運転方法は、第７観点の膜ろ過システムの運転方法であって、
原水を前記中空糸膜でろ過する運転と、
前記中空糸膜モジュールの内部を薬液を用いて洗浄する運転と、
を有し、
前記薬液を用いて洗浄する運転は、
（ａ）前記中駆使膜モジュール内の原水を排出するステップと、
（ｂ）前記中空糸膜モジュール内に前記薬液を供給するステップと、
（ｃ）前記中空糸膜モジュールを洗浄用薬液で満たすステップと、
（ｄ）前記中空糸膜モジュールを洗浄用薬液で満たした状態で、前記振動子を０．１Ｗ／ｍ^２以上、１００Ｗ／ｍ^２以下の出力で振動させるステップと、
を含む。

本開示の膜ろ過システムを用いれば、長期間安定した膜ろ過運転が可能になる。また、膜の汚れによる詰まりが発生した場合でもその回復が容易になる。

実施形態１の膜ろ過システム１００の概略を示す模式図である。 膜モジュール２の模式図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 膜モジュール２を複数組合せた形態の一例を示す模式図である。 図３の膜モジュールを接続したものの左側面図である。 膜モジュール２に直接接触する振動子２０ａの配置を示す図である。 膜モジュール２に間接的に接触する振動子２０ａの配置を示す図である。 複数の膜モジュール２に間接的に接触する振動子２０ａの配置を示す図である。 実施形態２の膜ろ過システム１００ａの概略を示す模式図である。 実施形態２の膜ろ過システム１００ａにおいて、中空糸膜モジュール２の内部を薬液を用いて洗浄するステップを示すフローチャート。

＜実施形態１＞
（膜ろ過システム１００）
図１は、実施形態１の膜ろ過システム１００の概略を示す模式図である。本実施形態の膜ろ過システム１００は、図１に示すように、膜モジュール２が貯留槽１外に配置される「槽外型」である。本実施形態の膜ろ過システム１００は、貯留槽１と、膜モジュール２と、振動機２０と、供給管３と、戻し管４と、透過水管６と、を有する。

貯留槽１は、原水を貯留する。膜モジュール２は、原水を処理する。振動機２０の振動子２０ａは、膜モジュール２の外管１１の外部に、直接または間接的に接触している。供給管３は、貯留槽１及び膜モジュール２に接続され、貯留槽１に貯留した原水を膜モジュール２に供給する。戻し管４は、貯留槽１及び膜モジュール２に接続され、膜モジュール２で処理した濃縮水を貯留槽１に供給する。透過水管６は、膜モジュール２を透過した透過水を透過水槽９に供給する。

以下に本発明の特徴部分である膜モジュール２を説明する。

（中空糸膜モジュール２）
図２は、中空糸膜モジュール２の模式図（ａ）及び断面図（ｂ）である。中空糸膜モジュール２は、簡単に、膜モジュール２と呼ぶ場合がある。膜ろ過システム１００で用いる膜モジュール２は、図２に示されるように、原水を固液分離する中空糸膜７と、中空糸膜７を内部に収容する外管１１と、中空糸膜７と外管１１とを固定する熱硬化性樹脂８とを含む。当該中空糸膜７は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の外径であって、かつ４０％以上７０％以下の膜充填率であることを特徴とする。このような内径及び膜充填率の中空糸膜７を用いることにより、熱硬化性樹脂８が中空糸膜７の表面に馴染みやすくなり、中空糸膜７と外管１１との密着性が高められ、モジュールの信頼性が向上するという優れた効果を示す。

ここで、上記の中空糸膜を構成する材料は、吸湿性を有する樹脂を含むことが好ましい。「吸湿性を有する樹脂」とは、２３℃で相対湿度５０％に２４時間放置後の樹脂の重量増加率（水分率）が０．１％以上６％以下の樹脂を意味する。かかる吸湿性を有する樹脂の水分率は、１％以上５％以下であることが好ましく、より好ましくは２％以上３％以下である。なお、湿度は、ＪＩＳＰ８１１１で規定されている方法で調湿を行なうことにより、樹脂中の水分量を評価するものとする。

吸湿性を有する樹脂としては、例えばポリ酢酸ビニル、ポリビニルホルマール、ポリアセタール、ポリビニルブチラール、及びポリビニルアルコールからなる群より選択される１種以上の樹脂が挙げられる。このような樹脂を用いることにより、汚染物質が中空糸膜７に付着し難くなり、また仮に付着しても逆洗等の洗浄工程により容易に汚染物質を除去し得る。なお、汚染物質の付着防止は、かかる材料選択に加え、上記数値範囲の内径のような大口径の中空糸膜を用いることが有効であり、このような材料及び外径の中空糸膜を用いることにより、膜内流速を容易に制御することができ、中空糸膜に付着した汚染物質を除去しやすいという優れた効果を示す。

図１を参照しながら、本実施形態の膜ろ過システム１００の水処理の手順を説明する。まず、貯留槽１に処理したい原水を貯留する。そして、貯留槽１中の原水を、供給管３を通じて膜モジュール２に供給する。膜モジュール２に原水を通過させることにより、原水を処理する。膜モジュール２で処理した透過水は、透過水管６を通じて透過水槽９に供給される。一方、膜モジュール２で濃縮された濃縮水を、戻し管４経由で貯留槽１に戻す。戻し管４には、第１気体供給装置５が接続されている。この第１気体供給装置５から戻し管４にエアが供給される。このエアが動力源となって濃縮水が貯留槽１に戻される。これらの一連の流れにより原水を処理する。以下において、本実施形態の膜ろ過システム１００を構成する各部を説明する。

再び、膜モジュール２の説明に戻る。図２は、膜モジュール２の形態を示す模式図である。膜モジュール２は、原水を透過水と濃縮水に分離するために設けられる。図２において、原水は供給管３から膜モジュール２に供給され、膜モジュール２中の中空糸膜７を透過した透過水が透過水管６から透過水槽に供給される。一方、中空糸膜７に補集された汚染物質は、濃縮水として戻し管４を通じて貯留槽１に戻される。透過水と濃縮水の分離は、膜モジュール２に内外膜間差圧を負荷することによって行なわれる。

膜モジュール２の内部は、中空糸膜７によって空間的に１次側（原水側）と２次側（ろ過水側）に区切られている。１次側とは、原水が溜まる、あるいは流れる空間であり、図２（ｂ）の供給管３または戻し管４の接続されている空間である。２次側とは、ろ過水（＝透過水）が溜まる、あるいは流れる空間であり、図２（ｂ）の透過水管６が接続されている空間である。

膜モジュール２は、図２（ｂ）の断面図に示されるように、複数本の中空糸膜７と、当該中空糸膜７を収納する外管１１を備える。この中空糸膜７の外径、長さ、本数等は、得ようとする膜モジュールの特性に応じて適宜調整することができる。中空糸膜７は、所定本数束ねて中空糸膜束としてもよい。中空糸膜束は、ストレート状であることが好ましい。中空糸膜束は、外管１１に合わせて所定の長さに切断して外管１１内に挿入することが好ましい。

図２に示されるように、筒状の膜モジュール２の一端側に供給管３が接続されており、筒状の膜モジュール２の他端側に戻し管４が接続されている。図２の膜モジュールでは、図中下側の供給管３から原水が供給され、戻し管４から濃縮水が取り出され、透過水管６から透過水が取り出される。つまり、供給管３から供給された原水は、中空糸膜７で膜分離され、熱硬化性樹脂８に到達するまでに透過水として透過水管６に供給される。一方、原水のうちの中空糸膜を透過しなかった分は、濃縮水として熱硬化性樹脂８の間を通過して戻し管４に排出される。

供給管３と膜モジュール２との接続位置は、膜モジュール２の最下部よりの高い位置であることが好ましい。このような位置に供給管３を接続することにより、膜モジュールの側面側からでも原水を供給することができ、膜モジュール単体で自立可能な構造にすることができる。さらには、供給管３を膜モジュール２の下部分に接続すると、当該接続に必要な部材によって装置全体の高さが高くなるため、膜モジュールの設置空間をコンパクト
にすることができる。

膜モジュール２は、単独で用いてもよいし、２以上を組み合わせて用いてもよい。２以上の膜モジュールを用いる場合、各膜モジュールを直列に接続してもよいし、並列に接続してもよいし、直列と並列を組み合わせてもよい。図３は、１０本の膜モジュールを並列に接続した場合の形態を示す模式図である。膜モジュールを直列に接続することにより、膜モジュールの全長が長くなるため、少ない動力で同等の透過水及び濃縮水を得ることができる。また、図３に示すように膜モジュール２を並列に接続してもよい。これにより、中空糸膜に供給される原水の流速を調整することができ、中空糸膜の目詰まりが生じにくくなる。

図３において、各膜モジュールの供給管３は、供給水本管１３に接続されており、各膜モジュールの透過水管６は透過水本管１６に接続されており、各膜モジュールの戻し管４は、戻し本管１４に接続されている。供給水本管１３から各供給管３に原水が供給され、各膜モジュールで水処理されて、各膜モジュールの透過水管６から透過水本管１６に透過水が供給されるとともに、各膜モジュールの戻し管４から戻し本管１４に濃縮水が供給される。

図４は、図３の膜モジュールを接続したものの左側面図である。図４を参照し、供給水本管１３の直径をＮmとすると、供給水本管１３に接続されている供給管３は、供給水本管の中心から１／２Ｎm以内の位置に供給管３の中心が配置されるように膜モジュール２に接続されることが好ましく、より好ましくは１／４Ｎm以内である。このような接続位置に供給管を接続することにより、膜モジュールの設置空間をコンパクトにすることができるとともに、供給水本管１３と供給管３との配置のバランスが適したものとなる。

また、図４を参照して、膜モジュール２の供給管３、戻し管４及び透過水管６は、膜モジュールの最下部から同一の高さの位置に接続されることが好ましい。このような位置に各配管を接続することにより、必要に応じて膜モジュールの本数を適宜増減させることができる。さらに、膜モジュール２の上段に戻し本管１４を接続し、膜モジュール２の中段に透過水本管１６を接続し、膜モジュール２の下段に供給水本管１３を接続することが好ましい。そして、透過水本管１６は、透過水管６の接続位置によりも距離Ｄだけ下の位置に接続することが好ましい。このように接続することにより、透過水管６と透過水本管１６との距離Ｄの配管が膜モジュールに横方向の力が加わったときに生じる歪みを吸収することができる。このような機能を有する膜モジュールは、地震等で膜モジュール全体に横方向の力が加わった場合にも破壊され難い。一方、透過水本管１６と透過水管６との間の距離Ｄが０の場合、すなわち、透過水本管１６と透過水管６との高さが同一の場合、供給管３と戻し管４と透過水管６とが平行に３点で接続されることになるため、各膜モジュールの接続自体は強固なものとなるが、地震等で横方向の力が加わったときの耐性は必ずしも十分ではない。ここで、透過水本管１６と透過水管６との間の距離Ｄは、膜モジュール全体の長さ（間が手方向の長さ）の１０％以上６０％以下であることが好ましく、より好ましくは２０％以上５０％以下であり、さらに好ましくは２５％以上４０％以下である。

膜モジュール２は、図３に示すように、縦方向に直立させた上で並列に連結することが好ましい。このように並列に結合することにより、膜モジュール同士の接続配管を簡便にすることができるし、膜モジュールの本数を容易に増減させることができる。

原水を膜モジュール２に供給するときには、原水と同時に気体が供給されることが好ましい。膜モジュール２に気体が供給されると、膜に付着した汚染物質を効率的に剥離し、水処理の効率を向上させることができるからである。したがって、供給管３又は供給水本管１３には、気体供給装置を接続することが好ましい。

水処理を開始してから一定期間が経過すると、膜モジュール２に浮遊物等が堆積し、膜モジュール２の分離性能が低下することもある。このときに逆洗を実行することが好ましい。逆洗は、図１に示すように逆洗ポンプ１０によって行なわれることが好ましい。これにより膜モジュール２に付着した浮遊物等を剥離することができ、膜モジュールの処理性能を再生することができる。

逆洗は、定圧ろ過においては、透水性能の低下が２０％以上の時に実行することが好ましく、定量ろ過においては、膜間差圧の上昇が２０％以上の時に実行することが好ましい。逆洗は、１０％以内の膜間差圧の変動で実行することが好ましい。これにより、高圧での逆洗の回数を減らすことができ、中空糸膜を長寿命化し得る。

（中空糸膜７）
本実施形態において、中空糸膜は、単一主要構成素材により形成されてもよいし、外管１１中の支持体（図示せず）によって形状を保持してもよい。支持体を用いる場合、中空糸膜の形状を保持できる程度の強度を有するものが好ましく、セラミック、不織布等を用いることが好ましい。このように支持体を用いることにより、中空糸膜の形状が安定化し、中空糸膜と熱硬化性樹脂との接着性を高めることができる。

ここで、「単一主要構成素材」とは、その主要材料が単一材料であることを意味する。つまり、中空糸膜を形成する素材（例えば、膜を構成する樹脂）は、１種の樹脂が５０質量％以上（好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、８０質量％以上、さらに好ましくは８５質量％以上）を占めることを意味する。

上記中空糸膜は、自立構造を有することが好ましい。「自立構造を有する」とは、中空糸膜の使用時に、その形状が円筒形状等の所望の形状を保持し得る程度の強度を有することを意味する。このように単一主要構成素材で自立構造を有する中空糸膜が形成されることにより、表裏両面に分離機能が付与され、逆洗時における汚染を防止するとともに、中空糸膜内部の汚染を回避することも可能となる。

中空糸膜は、４０％以上７０％以下の膜充填率であることが特徴であり、好ましくは４５％以上６５％以下の膜充填率である。このような膜充填率であることにより、熱硬化性樹脂８によって中空糸膜を固定しやすくなり、以って膜モジュールの信頼性を高めることができる。ここで、膜充填率は、外管１１の内径をＮとし、中空糸膜の外径をｎとし、外管１１に保持される中空糸膜の本数をｘとしたときに、下記の関係式（Ｉ）によって算出される。
{１−（（Ｎ²×π）−（ｎ²×π）×ｘ）／（Ｎ²×π）}×１００・・・（Ｉ）
中空糸膜の外径は、３ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは４ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、さらに好ましくは４．５ｍｍ以上７ｍｍ以下、特に好ましくは５ｍｍ以上７ｍｍ以下である。また中空糸膜の膜厚は、０．１ｍｍ以上１．７ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．６ｍｍ以上１ｍｍ以下である。このような外径を有する中空糸膜を用いることにより、汚染物質が付着し難く、また仮に付着しても容易に汚染物質を除去することができる。中空糸膜の内径が細いと、エアが通るときの抵抗が大きく、原水が循環しにくくなる傾向がある。また、上記膜厚の中空糸膜を用いることにより、中空糸膜自体の曲げ強度を向上させることができ、熱硬化性樹脂と中空糸膜との密着性を確保することができる。

複数本の中空糸膜７の両端は、外管１１内で熱硬化性樹脂８によってシールされる。この熱硬化性樹脂８は、例えば、遠心成形によるポッティング等によって形成される。熱硬化性樹脂８の材料は、初期の粘性低く、経時的に粘度が増加して硬化し、最終的に所定硬度に硬化する材料であることが好ましく、このような材料としてエポキシ樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。本実施形態においては、上述の大口径の中空糸膜を用いることにより、中空糸膜間に適度な空間を形成され、熱硬化性樹脂８が中空糸膜の周囲に回り込みやすくなる。これにより熱硬化性樹脂８が中空糸膜７の表面に広がりやすくなり、ポッティング不良を低減させるとともに、使用時に封止部の不良を低減することができ、膜モジュール２の長期信頼性を向上させることができる。

熱硬化性樹脂８は、中空糸膜の周囲に回り込みやすくするという観点から、その初期粘
度は、１００ｍＰａ・ｓ以上２５００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましく、２００ｍＰａ・ｓ以上２０００ｍＰａ・ｓ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは５００・ｓ以上１５００ｍＰａ・ｓ以下である。このような粘度の熱硬化性樹脂を用いることにより、中空糸膜の膜間にも熱硬化性樹脂が流れ込みやすくなる。

（外管１１）
外管１１は、中空糸膜７を保持できるものであれば特に限定されない。外管１１を構成する材料として、金属、プラスチック等を用いることができるが、成型が容易で機械的強度を確保しやすいという観点から、プラスチックが好ましい。プラスチックとしては、例えば、アクリル系樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル系樹脂等が挙げられる。

（第１気体供給装置５）
第１気体供給装置５は、供給管３又は戻し管４に接続されるものである。第１気体供給装置５が供給管３に接続される場合は、膜モジュール中の中空糸膜を効率的に洗浄するものとして用いられる。第１気体供給装置５が戻し管４に接続される場合は、第１気体供給装置５は、水処理装置内で原水を循環させるための動力源である。この位置に第１気体供給装置５を設けることにより、水処理のエネルギー効率を向上させることができるし、膜モジュール内での圧力損失がなくエアを供給することができる。また、供給管３及び戻し管４にエアが溜まりにくくなる。このため、膜モジュール内でエアを均一に分散して供給
することができる。

第１気体供給装置５が供給する気体は、空気、圧縮空気、オゾン、窒素、二酸化炭素等が挙げられるが、圧縮空気が好ましい。また、気体は、気泡の形態で供給されることが好ましく、より好ましくは、数十μｍ〜数百μｍ程度のマイクロバブルである。マイクロバブルは、原水を均一に循環させやすいという利点がある。気泡の供給方法は、例えば、ステンレス、セラミック、プラスチック、ゴム等に１ｍｍ〜数十ｍｍ程度の空気吐出孔を開けた散気管を用いてもよい。第１気体供給装置５としては、例えばブロア、コンプレッサ、マイクロバブル発生ブロア等が挙げられる。

（戻し管４）
戻し管４は、貯留槽１及び膜モジュール２に接続され、膜モジュール２で処理した濃縮水を貯留槽１に供給するために設ける。戻し管４に濃縮水を供給するときの供給圧は、２０ｋＰａ以上２００ｋＰａ以下であることが好ましく、より好ましくは２０ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下である。なお、戻し管４には、戻し管内のエアを抜くためのエア抜きラインを設けてもよい。

また、戻し管の内径は、任意に設定することができるが、１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることが好ましく、３０ｍｍ以上４００ｍｍ以下がより好ましく、さらに好ましくは
４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。このような内径にすることにより、圧力損失を減ら
し、かつ移送効率を高めることができる。

第１気体供給装置５が気体を供給するタイミングは、特に限定されず、水処理、逆洗、又はフラッシングのいずれの工程中に行なってもよい。気体を供給する時間は、気泡の大きさによって異なるが、連続して、１秒以上、１分以上、好ましくは数秒〜数分であり、常時供給することがより好ましい。膜モジュールに導入する気泡は、膜モジュールに導入する原水体積（原水比）に対し、０．２５以上２．５以下の体積で供給することが好ましい。通常、気体量と循環させる原水との体積比は、水位差とモジュール前後の配管抵抗、モジュール内流れ抵抗、モジュール内の空気の流れの均一性等に依存する。

（供給管３）
供給管３は、貯留槽１及び膜モジュール２に接続され、膜モジュール２に原水を供給するために設けられる。供給管３に原水を供給するときの供給圧は、例えば、２０ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下であることが好ましい。

（透過水管６）
透過水管６は、膜モジュール２及び透過水槽９に接続され、膜モジュール２の中空糸膜を透過した透過水を透過水槽９に供給するために設けられる。透過水管６の内径及び長さは特に限定されない。

（透過水槽９）
透過水槽９は、膜モジュールでろ過した透過水を貯留するために設けられる。透過水槽９には、透過水の一部を逆洗に利用することができるように、膜モジュール２からの透過水が通る管とは異なる経路で膜モジュールに連結される逆洗管を備えていることが好ましい。当該逆洗管に逆洗ポンプ１０を接続することにより、透過水槽で貯留された透過水の一部を用いて膜モジュールを逆洗することができる。

（逆洗ポンプ１０）
逆洗ポンプ１０は、逆洗の際に透過水を膜モジュールに供給するために使用するポンプである。当該逆洗ポンプ１０としては、例えば、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻斜流ポンプ、斜流ポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、歯車ポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプ等を用いることができる。

（貯留槽１）
貯留槽１は、原水を貯留する槽である。貯留槽１は、膜モジュール２に原水を供給するための供給管３と、膜モジュール２からの透過水を戻す戻し管４とが接続される。貯留槽１は、２ｍ×１０ｍ程度のユニット単体又は連結した貯留槽であってもよいし、５ｍ×５０ｍ程度の水槽単体又は連結した貯留槽であってもよい。

（原水）
原水は、汚水処理場等の活性汚泥等を含む排水、家庭排水等の都市下水、工場排水、農業排水、生物処理水、海水、井戸水、河川水、湖沼の水等の他、果汁、ミルク等の液状食品であってもよい。原水の浮遊物質（ＳＳ：Suspended Solids）は、２００００未満であることが好ましい。

（水処理方法）
本実施形態の膜ろ過システム１００を用いた水処理方法は、クロスフロー方式であることが好ましい。クロスフロー方式は、中空糸膜の膜面と原水の流れ方向とが実質的に平行であり、中空糸膜の膜面に付着した浮遊物等を剥離して循環させることができる。これにより、中空糸膜の目詰まりを抑制し、原水の処理速度が安定する。なお、本実施形態の膜ろ過システム１００は、原水の汚染状態によってデッドエンド方式で使用しても差し支えない。

また、原水の管内流速は、０．３ｍ／ｓ以上２ｍ／ｓ以下であることが好ましく、０．５ｍ／ｓ以上１．５ｍ／ｓ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは０．７ｍ／ｓ以上１ｍ／ｓ以下である。なお、管内流速は、単位時間当たりの循環させる原水の体積に基づいて算出した値を採用するものとする。

また、中空糸膜に供給される原水の流速は、０．０５ｍ／秒以上１ｍ／秒以下であることが好ましく、より好ましくは、０．２ｍ／秒以上０．６ｍ／秒以下である。このような流速で中空糸膜に原水を供給することにより、汚染物質が中空糸膜に付着し難くなるため、原水を効率的に処理し続けることが可能となる。ここで、中空糸膜に供給される原水の流速は、汚水処理用の電磁流量計（エンドレスハウザー社製）によって測定した値を採用するものとする。

原水は、５ｋＰａ以上２００ｋＰａ以下の膜間差圧を負荷することにより中空糸膜内に供給されることが好ましく、より好ましくは１０ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下の膜間差圧である。かかる膜間差圧であることにより、実用上要求される透水性能を維持するとともに、汚染物質の中空糸膜への付着を防止することができる。

原水は、内圧式で処理してもよいし、外圧式で処理してもよい。内圧式は、中空糸膜の内側に原水を供給し、中空糸膜の外側から透過水を取り出す方式である。外圧式は、中空糸膜の外側に原水を供給し、中空糸膜の内側から透過水を取り出す方式である。膜面流速をより高く設定し得るという観点から、内圧式で処理することが好ましい。

水処理と逆洗とを切り替えるときに、フラッシング又はドレンを行なってもよいし、水処理を一時停止してもよい。

フラッシングは、貯留槽、各配管、及び膜モジュールに付着した浮遊物等を除去する工程である。中空糸膜の内径よりも大きな浮遊物等が原水の循環経路を閉塞することがあるが、この閉塞は、原水の供給向きと逆向きにフラッシングすることにより防止することができる。フラッシングは、原水を加圧することなく、０．１ｍ／ｓ以上の膜面流速で行なうことが好ましい。フラッシングにより膜モジュール２を通過した水は、フラッシング水として貯留槽１に戻される。

ドレンは、膜モジュールの中空糸膜に残留する浮遊物等を系外に排出する工程である。ドレンは、膜ろ過システム１００の運転を停止した状態で、膜モジュールを開放し、濃縮液を落下させることにより回収するか、又は膜モジュールを開放した状態で逆洗し、逆洗排水を回収することにより行なう。回収した濃縮水又は逆洗排水は、別途設けたドレン水タンクに貯めてもよい。

（供給装置１５）
供給装置１５は、供給管３の中途に接続されている。供給装置１５は、中空糸膜に付着した汚染物質を浮上させる効果を発揮するものであれば特に限定されず、例えば、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻斜流ポンプ、斜流ポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、歯車ポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプ等を用いることができる。

（振動機２０）
振動機２０は、振動子２０ａおよび振動子２０ａの振動を膜モジュール２に伝達する伝達部２０ｂからなる。振動子２０ａの例としては、振動モーター、バイブレーター、エアバイブレーターなどがある。図５に示すように、振動子２０ａを直接に膜モジュール２に接触させる場合は不要であるが、図６に示すように、振動子２０ａを膜モジュール２と離して設置する場合、ひとつの振動機２０で２か所以上の部分で膜モジュール２と接触させる場合などは伝達部２０ｂを使用する。図７に示すように、膜モジュール２が複数本に共通に１台の振動子２０ａを利用する場合にも複数の伝達部２０ｂを用いる。伝達部２０ｂの材料および伝達機構は、公知に知られる方法でよい。また、例えばモーターなどの回転機構にカムなどの偏心機構を組み合わせるような振動発生方法も、本開示の振動機２０として使用可能である。

振動子２０ａの周波数は、1Hz〜20kHzが良い。これ以下の場合、発明の効果が認めがたく、これ以上の場合、膜モジュール２が破損する場合がある。更に周波数は、3Hz〜2kHz がより好ましく、さらに、10Hz〜2kHzが好ましい。振動子による振動の発生が容易で、かつモジュール内の中空糸膜および原水への振動伝達が良い。

振動子２０ａの出力は特に問わないが、0.1〜100W/m²が良い。これより低い場合、膜モジュール２の振動が不十分となり、本発明の効果が発現しがたい。これ以上の場合、振動により膜モジュール２、あるいは接続配管が破損する場合がある。更に出力は、１〜50W/m²がより好ましい。原水のMLSS（Mixed Liquor Suspended Solids、活性汚泥浮遊物質）濃度が100mg/L以上の場合、中空糸膜７への汚れ付着が進みやすくなるが、上記の出力により汚れ付着が抑制／あるいは付着した汚れの剥離が容易になる。また長時間、振動機２０を使用した場合でも膜およびシステムの破損が起こりにくくなる。

振動子２０ａの設置方法は特に問わない。簡便な方法としては、図５に示すように、膜モジュール２の外管１１外部に振動子２０ａを直接接触させ、それを固定する方法がある。

設置場所は、特に問わないが膜モジュール２の供給水口３３から濃縮水口３４の流水流路の中で、中間点３５より下流側、濃縮水口３４に近い側に設置することが好ましい。供給水口３３から入った原水は、ろ過されながら、徐々に濃縮され濃縮水口３４からモジュール外に排出される、その為、原水中の汚れ物質が溜まりやすい上述の場所に設置することが好ましい。

振動機２０は、システムの運転時の各時点のそれぞれあるいは組み合わせで使用して良い。

ろ過時に振動子２０ａを使用する場合は、0.1〜50W/m²が好ましい。長時間振動させた場合でも、膜およびシステムの破損が起こりにくくなる。

逆洗時に振動子２０ａを使用する場合は、1〜100W/m²が好ましい。逆洗時は、それまでに中空糸膜７に付着した汚れ物質を剥離する為、比較的強い出力が良いが、この範囲であれば、膜およびシステムの破損が起こりにくくなる。

上記のろ過あるいは逆洗時以外の時間あるいは、膜の薬液洗浄時に振動子を使用しても良い。

（膜ろ過システム１００の運転方法）
本実施形態の膜ろ過システム１００の運転方法を説明する。

まず、運転準備として、貯留槽１に処理したい原水を貯留する。

ろ過運転は次のとおりである。貯留槽１中の原水は、供給装置１５により、供給管３を通じて膜モジュール２に供給される。そして膜モジュール２でろ過処理される。膜モジュール２で処理された透過水は、透過水管６を通じて透過水槽９に供給される。この時、透過水は透過水吸引装置１７で吸引しても良い。一方、膜モジュール２で透過水が分離された原水は濃縮され、濃縮水になる。そして、戻し管４経由で貯留槽１に戻される。

逆洗運転は次のとおりである。ろ過を長時間継続した場合、濃縮された原水中の汚れ物質が中空糸膜表面に滞留する為、適切な時点で、逆洗運転が必要である。逆洗運転は、逆洗ポンプ１０により、透過水槽９の透過水を膜モジュール２に供給する。

（好適に使用可能な水質）
本実施形態の膜ろ過システム１００を用いる場合、原水のMLSS濃度は特に問わない。しかし100mg/L以上、より好ましくは4000mg/L以上が効果的である。

100mg/L以下での原水であれば、振動子２０ａを用いることなく、逆洗のみで汚れ成分の剥離効果が得られやすい。一方、4000mg/Lなどになると、汚泥の粘度は急激に上昇し、原水の流動性が低下するとともに、膜に汚泥が付着しやすくなる。しかし、振動子２０ａを用いれば、膜が振動する為、汚泥の膜への付着抑制や剥離作用が高まり、その効果を得られやすい。

本実施形態の膜ろ過装置は、図１には示していないが、生物処理槽、凝集剤処理槽、凝集剤注入手段、薬液槽、薬液注入手段、濃縮水槽、開閉弁、超音波発生装置、吸引装置
を設けてもよい。

本実施形態の膜ろ過装置を海水淡水化装置として使用する場合、砂ろ過等の除濁処理を行なうことが好ましい。除濁処理を実行することにより、粗い不純物を除去することができる。また、第１気体供給装置からエアを供給することにより、原水中の溶存酸素を上昇させることができるため、水処理装置を生物処理槽として用いるときの曝気動力を抑制することもできる。
（実施形態１の実施例）
本実施形態の膜ろ過システム１００を用いて、原水のろ過、逆洗の実験を行った。原水のMLSS濃度は3000mg/Lのものを用いた。振動子２０ａの周波数は、２〜３００００Ｈｚ、出力は、０．０１〜６０Ｗ／ｍ^２とした。中空糸膜の膜面での水の流速は、標準的には、0.2m/sに設定した。

実施例１では、膜ろ過システム１００の膜モジュール２は、図５に示すように１本のみのものを用いた。中空糸膜の膜面での水の流速は、0.2m/sに設定した。実施例１は、ろ過運転時に振動子２０ａを振動させた。振動子２０ａの周波数は、２０Ｈｚ、出力は、１０Ｗ／ｍ^２とした。

実施例２では、実施例１と他の条件は同じで、中空糸膜の膜面での水の流速を0.1m/sに設定した。

比較例１では、実施例１と他の条件は同じで、振動子２０ａを、振動の周波数を２Ｈｚ、出力を０．０１Ｗ／ｍ^２と小さく設定した。

実施例３では、膜モジュール２は、図７に示すように、２本である。逆洗運転時に振動子２０ａを振動させた。振動子２０ａの周波数は、３０Ｈｚ、出力は、３０Ｗ／ｍ^２とした。

比較例２では、実施例３と同様に、逆洗を行った。比較例３では、振動子２０ａの周波数を３００００Ｈｚとした以外の条件は実施例３と同じである。

実施例４では、実施例３と同様に、逆洗を行った。実施例４の実験条件は、原水として、MLSS濃度が6000mg/Lのものを用いた以外、実施例３と同じである。

実施例５では、実施例３と同様に、逆洗を行った。実施例５の実験条件は、振動子の出力を６０Ｗ／ｍ^２とした以外、実施例３と同じである。

実施例１〜５および比較例１、２について、特に記載の条件以外は、同一条件で膜ろ過システムを運転し、ろ過時の透水量の変化を確認した。

ろ過時の透水量の変化の結果を表１にあわせて示す。表１の結果は、運転開始時の単位時間当たりの透水量に対して、１週間後の透水量が５割以下になったものを「×」、それ以外を○とした。

表１に示すように、本開示の膜ろ過システム１００の実施例１〜５について、ろ過時の透水量が良好であった。これに対して、比較例１、２の膜ろ過システム１００については、ろ過時の透水量が１週間後に５割以下となった。

＜実施形態２＞
（膜洗浄用薬液供給配管１８を有する膜ろ過システム１００ａ）
実施形態２の膜ろ過システム１００ａは、図８に示すように、実施形態１の膜ろ過システム１００に加えて、膜洗浄用薬液供給配管１８を有している。その他の構成は、実施形態１の膜ろ過システム１００と同じなので、説明を省略する。

膜洗浄用薬液供給配管１８は、供給配管、薬液タンク、薬液供給ポンプを含んでいる。

用いる薬液の例としては、次亜塩素酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、過酸化水素水、クエン酸などが挙げられる。
（膜ろ過システム１００ａの運転方法）
実施形態１の膜ろ過システム１００の運転方法は、原水を中空糸膜モジュールでろ過する運転と、透過水槽９の透過水によって、中空糸モジュールを洗浄する逆洗運転とを有している。実施形態２の膜ろ過システム１００ａの運転方法は、これらの、ろ過運転と、逆洗運転に加えて、中空糸膜モジュール２の内部を薬液を用いて洗浄する運転を有している。

実施形態２における、中空糸膜モジュール２の内部を薬液を用いて洗浄する運転例のフローチャートを図９に示す。薬液を用いた中空糸膜モジュール２の洗浄運転は次のステップを含む。
（ａ）中空糸膜モジュール２の１次側の原水を排出する。
（ｂ）中空糸膜モジュール２の２次側から逆洗ポンプ１０で透過水槽９の透過水を供給する際、逆洗ポンプ１０と膜モジュール２の間に設けた、膜洗浄用薬液供給配管１８から高濃度の洗浄用薬液を供給し、透過水で希釈された膜洗浄用薬液を膜モジュール２に供給する。
（ｃ）中空糸膜モジュール２の１次側および２次側を洗浄用薬液で満たす。
（ｄ）中空糸膜モジュール２の１次側および２次側を洗浄用薬液で満たした状態のままにする。
（ｅ）中空糸膜モジュール２内の薬液を排出する。

膜モジュール２内の薬液濃度は、100mg〜100g/Lが適当である。
（薬液を用いた中空糸膜モジュール２の洗浄運転における振動子２０ａの振動）
振動子２０ａを振動させるタイミングは、特に問わないが、ステップ（ｂ）において中空糸膜モジュール２へ膜洗浄用薬液を供給する時、あるいは／および、ステップ（ｄ）で、膜モジュール２に薬液が満たされた状態で、実施することが好ましい。

振動子を運転することによって、中空糸膜７が振動し、膜内の水が攪拌される。膜の汚れを薬剤で化学的に処理する際に、膜内外の薬剤が能動的に攪拌されるので、一般的な静置浸漬による自然拡散に比べて効果的に処理できる。

ステップ（ｂ）で振動子２０ａを振動させる場合は、供給水口３３側が排水されていることから、膜がより振動することが期待できる一方、中空糸膜モジュール２は多数の中空糸膜７からなる為に、個々の膜で接触する薬剤量がバラつく可能性がある。ステップ（ｄ）で振動子２０ａを振動させる場合は、振動量は低減するものの中空糸膜モジュール２の膜全てを薬液と接触させることが期待できる。
（実施形態２の実施例）
本実施形態の膜ろ過システム１００ａを用いて、一般下水を原水として、ろ過運転、逆洗運転、薬液洗浄運転、を行った。膜モジュール２は、図７に示すように２本にした。原水のMLSS濃度は8000mg/L、中空糸膜７の膜面での水の流速は、0.5m/sに設定した。本実施例においては、ろ過、逆洗運転中には、振動子２０ａは停止する。１ヵ月運転後に膜ろ過システム１００ａを停止し、次亜塩素酸ナトリウムを膜モジュール２の原水側およびろ過水側に満たし、表２の条件で実施例６、７および比較例３の薬液洗浄運転を実施した。薬液による洗浄運転は、上記実施形態２、図９のフローチャートで説明した通りである。実施例６の場合は、ステップ（ｂ）の洗浄用薬液を中空糸膜モジュール２に供給する際に、振動子２０ａを振動させた。実施例７、比較例３の場合は、ステップ（ｄ）で膜モジュールに薬液が満たされ、放置された状態で、振動子２０ａを振動させた。

ろ過時の透水量の変化の結果を表２にあわせて示す。表２の結果は、運転開始時の単位時間当たりの透水量に対して、薬液洗浄運転実施後の透水量が６割以上になったものを「○」、それ以外を×とした。

表２に示すように、本開示の膜ろ過システム１００の実施例６、７について、薬液洗浄による透水量の回復が良好であった。これに対して、比較例３の膜ろ過システム１００については、回復量が６割より低かった。

以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１ 貯留槽
２ （中空糸）膜モジュール
３ 供給管
４ 戻し管
５ 第１気体供給装置
６ 透過水管
７ 中空糸膜
８ 熱硬化性樹脂
９ 透過水槽
１０ 逆洗ポンプ
１１ 外管
１２ 吸引装置
１３ 供給本管
１４ 戻し本管
１５ 供給装置
１６ 透過水本管
１７ 透過水吸引装置
２０ 振動機
２０ａ 振動子
２０ｂ 伝達部
３３ 供給水口
３４ 濃縮水口
１００、１００ａ 膜ろ過システム

Claims (11)

1. 原水の膜ろ過システムであって、
   原水をろ過する中空糸膜と、前記中空糸膜を内部に収容する外管とを含む中空糸膜モジュールと、
   周波数が１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの振動子を含む振動機と、を有し、
   前記振動子が前記中空糸膜モジュールの前記外管の外側に、直接または間接的に接触している、
   膜ろ過システム。
2. 前記中空糸膜モジュールは、槽外型である、
   請求項１に記載の膜ろ過システム。
3. 前記振動子が前記中空糸膜モジュールの前記外管の外側に、直接接触している、
   請求項１または２に記載の膜ろ過システム。
4. 前記振動機は、さらに、前記振動子の振動を前記中空糸膜モジュールに伝達する伝達部を含み、
   前記振動子が前記中空糸膜モジュールの前記外管の外側に、前記伝達部を介して間接的に接触している、
   請求項１または２に記載の膜ろ過システム。
5. 前記振動子または前記伝達部が前記中空糸膜モジュールの濃縮水口付近に接触している、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜ろ過システム。
6. 前記振動子の前記中空糸膜モジュールの膜面積あたりの出力が、０．１〜１００Ｗ／ｍ^２である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜ろ過システム。
7. 前記中空糸膜を薬液を用いて洗浄する膜洗浄用薬液供給配管をさらに備えた、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜ろ過システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の膜ろ過システムの運転方法であって、
   前記原水の供給時に、前記振動子の出力を前記中空糸膜の膜面積あたり０．１〜１００Ｗ／ｍ^２とする、
   膜ろ過システムの運転方法。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の膜ろ過システムの運転方法であって、
   逆洗時に、前記振動子の出力を前記中空糸膜の膜面積あたり０．１〜１００Ｗ／ｍ^２とする、
   膜ろ過システムの運転方法。
10. 請求項７に記載の膜ろ過システムの運転方法であって、
    原水を前記中空糸膜でろ過する運転と、
    前記中空糸膜モジュールの内部を薬液を用いて洗浄する運転と、
    を有し、
    前記薬液を用いて洗浄する運転は、
    （ａ）前記中空糸膜モジュール内の原水を排出するステップと、
    （ｂ）前記振動子を０．１Ｗ／ｍ^２以上、１００Ｗ／ｍ^２以下の出力で振動させながら、前記中空糸膜モジュール内に前記薬液を供給するステップとを含む、
    膜ろ過システムの運転方法。
11. 請求項７に記載の膜ろ過システムの運転方法であって、
    原水を前記中空糸膜でろ過する運転と、
    前記中空糸膜モジュールの内部を薬液を用いて洗浄する運転と、
    を有し、
    前記薬液を用いて洗浄する運転は、
    （ａ）前記中駆使膜モジュール内の原水を排出するステップと、
    （ｂ）前記中空糸膜モジュール内に前記薬液を供給するステップと、
    （ｃ）前記中空糸膜モジュールを洗浄用薬液で満たすステップと、
    （ｄ）前記中空糸膜モジュールを洗浄用薬液で満たした状態で、前記振動子を０．１Ｗ／ｍ^２以上、１００Ｗ／ｍ^２以下の出力で振動させるステップと、
    を含む、
    膜ろ過システムの運転方法。

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