JP2021183318A - 膜差圧制御装置 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
まず、1系列の膜分離処理プロセスを含む水処理プロセスを一例として、複数の実施形態に共通の事項について説明する。ここでは、前処理プロセスの運転状態を考慮せずに、分離膜により固液分離を行う際の目詰まり(ファウリング)を抑制する膜差圧制御の動作について説明する。
図1に示す水処理プロセスは、前処理プロセスと膜分離処理プロセスとを含む。水処理プロセスにおいて、原水は、前処理プロセスを行う前処理装置20を経て、膜分離処理プロセス内の膜ろ過装置を通流して膜ろ過水として排出される。
ポンプは、分離膜によりろ過される水の流れを発生させる。前処理装置20を通過した水は、ポンプにより膜ろ過装置へ通水され、分離膜を通して膜ろ過水として排出される。なお、分離膜の構造に応じて、吸引ろ過する場合や加圧ろ過する場合があるため、分離膜の構造に応じてポンプの構造は異なる。
目標抵抗値となる曲線は、膜ろ過運転の開始時(例えば膜交換後に初めて運転する時)に、所望の薬品洗浄期間と膜差圧の上限とから導出することができる。すなわち、薬品洗浄期間の終了時点における膜抵抗値が、膜差圧上限時の膜抵抗値となるように、運転開始時から薬品洗浄期間終了時点までの期間の目標抵抗値を設定する。
そこで、複数系列を有する膜分離処理プロセスにおいて、膜抵抗の実績値と目標値とを用いて膜差圧の制御を行う膜差圧制御装置について以下に説明する。
図3では、説明のため、2系列(第1系列および第2系列)の膜ろ過装置と、1点の薬品注入点を有する前処理装置20とを含む水処理プロセスの例を示している。なお、膜ろ過装置は、図示した系列数に限定されることなく、膜ろ過装置の系列数は2以上の系列数でもよく、薬品注入点も複数の構成であっても、膜ろ過装置の系列数と異なっていても構わない。
流量計F1は、膜ろ過水の処理量を計測する。流量計F1にて計測された値は、制御部101に供給される。
実績抵抗算出部111は、水温計T1と、圧力計P1と、流量計F1とから計測値を取得し、上述の式(1)および式(2)により膜抵抗(実績抵抗値)Rを算出することができる。実績抵抗値は、分離膜を液体が透過する際の抵抗値である。膜差圧ΔPは、上述の膜ろ過の基本式(1)で表すことができ、膜差圧ΔPは流体粘度μ、膜抵抗R、膜ろ過流束J(膜ろ過流量を膜断面積で割ったもの)の積で表すことができる。また、膜抵抗Rは上述の式(2)で示すことができる。
前処理条件統合部21は、例えば、膜差圧の上昇を最も抑制する保守的な観点に基づき、各系列の膜ろ過装置から要求されている薬品注入率の最大値を実際に注入する薬品注入率としてもよい。
なお、以下の説明において、上述の第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の膜差圧制御装置は、前処理条件統合部21に、統合方法を切り替えるトリガとなる切替条件が入力される点において、上述の第1実施形態と異なっている。統合方法を切り替えるトリガとなる切替条件は、信号の比較等で得られるイベントに起因してもよいし、指定時刻などの時間に基づく信号でもよい。
したがって、本実施形態によれば、前処理条件を適切に制御し、水処理プロセスに要する電力費や薬品費といったランニングコストを最小化する膜差圧制御装置を提供することができる。
図5は、第3実施形態の膜差圧制御装置を含む水処理プロセスの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の膜差圧制御装置は、前処理条件統合部21に外部の制御装置における制御により決定された第2要求値(薬品注入率)が入力されている点が上述の第1実施形態と異なっている。
図6は、第4実施形態の膜差圧制御装置を含む水処理プロセスの一構成例を概略的に示す図である。
第2系列の膜ろ過装置の制御部102は、実績抵抗算出部121と、目標抵抗算出部122と、前処理条件・風量制御部124と、減算器125と、を備えている。
第1系列の膜ろ過装置と第2系列の膜ろ過装置とは同様の構成であるので、以下では第1系列の膜ろ過装置について説明し、第2系列の膜ろ過装置については説明を省略する。
図7は、第5実施形態の膜差圧制御装置を含む水処理プロセスの一構成例を概略的に示す図である。
第1系列の膜ろ過装置の制御部101は、実績抵抗算出部111と、目標抵抗算出部112と、減算器115と、を備えている。第1系列の膜ろ過装置において、ポンプPO1は、膜ろ過槽11の後段に配置され、膜ろ過水を吸引することにより第1系列の膜ろ過装置の膜ろ過流速を制御することができる。なお、ポンプPO1は膜ろ過槽11の前段に配置されてもよい。
本実施形態では、減算器115、125は、目標抵抗値から実績抵抗値を引いた差を膜抵抗偏差として、膜ろ過流速決定部22と前処理条件統合部21とへ出力する。
なお、膜ろ過流速決定部22と前処理条件統合部21との制御周期が同程度の長さであると、両者の操作がうまくかみ合わない場合があり得るため、より上位に位置する膜ろ過流速決定部22の制御周期を前処理条件統合部21の制御周期と比較して長くした方が好ましい。また、各膜ろ過装置の膜ろ過流速にばらつきが少ない場合などは、前処理条件統合部21において、膜ろ過流速の値を重みとして使用しないように構成しても構わない。
すなわち、本実施形態によれば、前処理条件を適切に制御し、水処理プロセスに要する電力費や薬品費といったランニングコストを最小化する膜差圧制御装置を提供することができる。
図8は、第6実施形態の膜差圧制御装置を含む水処理プロセスの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の膜差圧制御装置では、膜ろ過流速決定部22の構成が上述の第5実施形態と異なっている。
本実施形態の膜差圧制御装置は、上記の膜ろ過流速決定部22の構成以外は、上述の第5実施形態と同様である。
すなわち、本実施形態によれば、前処理条件を適切に制御し、水処理プロセスに要する電力費や薬品費といったランニングコストを最小化する膜差圧制御装置を提供することができる。
図9は、第7実施形態の膜差圧制御装置を含む水処理プロセスの一構成例を概略的に示す図である。
上述の第5実施形態および第6実施形態では、膜ろ過流速を決定した後に前処理装置20の運転条件(薬品注入率の要求値)を決定していたが、本実施形態の膜差圧制御装置では、前処理プロセスの運転条件と複数系列の膜ろ過装置の膜ろ過流速(運転条件)とを最適化問題として定式化し、同時に最適化している。
すなわち、本実施形態によれば、前処理条件を適切に制御し、水処理プロセスに要する電力費や薬品費といったランニングコストを最小化する膜差圧制御装置を提供することができる。
図10は、第8実施形態の膜差圧制御装置を含む水処理プロセスの一構成例を概略的に示す図である。
上述の第1乃至第7実施形態の膜差圧制御装置では、分離膜の目標抵抗値と実績抵抗値との比較をして前処理装置20の運転条件を決定している。一方で、前処理装置20における処理水の滞留時間が長い場合、操作量を変更してから分離膜の膜差圧に影響が表れるまでに時間差(ラグ)が生じるため、制御による操作量の変化が結果に反映されるまでに間に合わない可能性がある。また、制御周期が長い場合や膜抵抗の上昇が速い場合は、膜差圧の変化に対して制御が遅れてしまう可能性がある。そこで、本実施形態の膜差圧制御装置では、実績抵抗値に代えて膜抵抗値の予測値を用いて、予測値が目標抵抗値に追従するように前処理条件を決定している。
抵抗変化予測部116、126は、実績抵抗値から所定期間後の膜抵抗の変化量を表す予測抵抗変化値ΔRを決定する。所定期間Δtは、実績抵抗値が算出されたタイミングから抵抗値が予測されるタイミングまでの期間を表す。予測抵抗変化値ΔRは、膜分離処理プロセスまたは前処理プロセスのセンサ計測値あるいは運転条件によって算出される。例えば、抵抗変化予測部116、126は下記式を用いて予測抵抗変化値を決定する。
前処理条件制御部113、123は、予測抵抗値が目標抵抗値に追従するように、要求薬品注入率を演算して出力する。
以上の方法を用いて、膜抵抗の目標値との比較に膜抵抗の予測値を使用することで、制御による操作量の変化が間に合わない可能性を回避し、前処理プロセスと1対1で対応しない複数系列を有する膜分離処理プロセスに対して、ランニングコストの最適化を図ることが可能となる。
Claims (11)
- 液体に含まれる固体を液体から分離させる分離膜を備える複数系列の膜ろ過装置と、複数系列の前記膜ろ過装置の少なくとも一部へ流入する液体を処理する前処理装置と、を含む水処理プロセスに対し、前記分離膜の膜差圧を制御する装置であって、
複数系列の前記膜ろ過装置の各々について、前記分離膜を液体が透過する際の抵抗値である実績抵抗値が前記実績抵抗値の目標値に追従するように、前記前処理装置の運転条件の要求値を算出する前処理条件制御部と、
前記前処理条件制御部から供給される複数の前記要求値を統合して、前記前処理装置の運転条件を決定する前処理条件統合部と、を備えた膜差圧制御装置。 - 前記前処理条件統合部は、複数の前記要求値の平均値又は中央値を前記前処理装置の運転条件とする、請求項1記載の膜差圧制御装置。
- 前記前処理条件統合部は、複数の前記要求値に重みを乗じた値の平均値を前記前処理装置の運転条件とする、請求項1記載の膜差圧制御装置。
- 前記前処理条件統合部は切替条件を取得し、前記切替条件をトリガとして前記前処理装置における前記要求値の統合方法を切り替える、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の膜差圧制御装置。
- 前記前処理条件統合部は、外部の制御装置からの第2要求値を取得し、前記第2要求値と複数の前記要求値とを統合して、前記前処理装置の運転条件を決定する、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の膜差圧制御装置。
- 前記前処理条件制御部は、前記実績抵抗値が前記目標値に追従するように、前記膜ろ過装置の操作量を制御する制御部を含む、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の膜差圧制御装置。
- 液体に含まれる固体を液体から分離させる分離膜を備える複数系列の膜ろ過装置と、複数系列の前記膜ろ過装置の少なくとも一部へ流入する液体を処理する前処理装置と、複数系列の前記膜ろ過装置それぞれを透過する液体の流速を調整する複数のポンプと、を含む水処理プロセスに対し、前記分離膜の膜差圧を制御する装置であって、
複数の前記膜ろ過装置を通過した膜ろ過水の和が前記水処理プロセスに要求されるろ過流量を満たすように、又は、前記水処理プロセスを経たろ過水が貯水される浄水池の水位が所定の値となるように、前記分離膜を液体が透過する際の抵抗値である実績抵抗値と前記実績抵抗値の目標値とに基づいて複数の前記膜ろ過装置の膜ろ過流速を算出して前記ポンプを制御する膜ろ過流速決定部と、
複数系列の前記膜ろ過装置の各々について、前記実績抵抗値が前記目標値に追従するように前記前処理装置の運転条件の要求値を算出し、前記膜ろ過流速に基づく重み又はパラメータを用いて複数の前記要求値を統合して、前記前処理装置の運転条件を決定する前処理条件統合部と、を備えた膜差圧制御装置。 - 液体に含まれる固体を液体から分離させる分離膜を備える複数系列の膜ろ過装置と、複数系列の前記膜ろ過装置の少なくとも一部へ流入する液体を処理する前処理装置と、複数系列の前記膜ろ過装置それぞれを透過する液体の流速を調整する複数のポンプと、を含む水処理プロセスに対し、前記分離膜の膜差圧を制御する装置であって、
前記水処理プロセスに要求されるろ過流量、前記分離膜を液体が透過する際の抵抗値である実績抵抗値および前記実績抵抗値の目標値に基づいて、前記前処理装置の運転条件と複数系列の膜ろ過装置の運転条件との最適化問題とした予め設定された演算を行うことにより、前記前処理装置の運転条件と前記膜ろ過装置の運転条件とを決定する運転条件統合部を備えた膜差圧制御装置。 - 前記前処理装置の運転条件あるいは各膜ろ過装置の運転条件を用いて、前記分離膜の前記実績抵抗値の現在から将来までの変化値を算出する抵抗変化予測部と、前記実績抵抗値と前記変化値とを加算した予測抵抗値を算出する加算器と、をさらに備え、
前記前処理条件制御部は、前記予測抵抗値が将来の前記目標値に追従するように前記前処理装置の運転条件の要求値を算出する、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の膜差圧制御装置。 - 前記抵抗変化予測部は、前記前処理装置における塩素注入率、凝集剤注入率、活性炭注入率、又は、前記前処理装置から排出された処理水のpH、の少なくともいずれか1つの値に基づいて前記変化値を算出する、請求項9記載の膜差圧制御装置。
- 前記抵抗変化予測部は、濁度、色度、E260、蛍光強度又は全有機炭素の少なくともいずれか1つの値に基づいて前記変化値を算出する、請求項9記載の膜差圧制御装置。
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