JP2021186745A - 凝集膜ろ過システムおよび凝集膜ろ過方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理部（凝集膜ろ過方法にあっては、分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理プロセス）を有する凝集膜ろ過システムおよび凝集膜ろ過方法を提供すること。
【解決手段】被処理水１に凝集剤が混和され、凝集処理が施される凝集処理部４０と、凝集処理部４０の後段に位置し、凝集処理部４０で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する膜ろ過部６０と、有する凝集膜ろ過システム１０である。凝集膜ろ過システム１０は、凝集処理部が急速撹拌槽４および急速撹拌槽４の後段に位置する緩速撹拌槽５を備え、急速撹拌槽４での凝集剤が混和された被処理水１の水理学的滞留時間が、緩速撹拌槽４における水理学的滞留時間以上である。これにより、凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子が低減し、この残留アルミニウムナノ粒子に起因する膜汚染を回避することができる。さらに、本発明は、被処理水の凝集膜ろ過方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、凝集膜ろ過システムおよび凝集膜ろ過方法に関し、特に、被処理水に凝集剤を混和して得られた凝集処理水を分離膜で膜ろ過する凝集膜ろ過システムおよび凝集膜ろ過方法に関する。

従来、浄水処理では固液分離プロセスとして砂ろ過が主流であったが、近年では、より高度な固液分離が期待できる精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）を用いた低圧膜ろ過法の導入が進んでいる。

そして、昨今は、中大規模の浄水場の老朽化に伴う更新設備に膜ろ過を適用するケースが多くなっているが、その場合、水道原水として河川水などの表流水を利用しているため、色度成分などの溶解性物質除去の観点から膜前処理として凝集処理を組み合わせる場合が多い。

前処理としての凝集処理は、膜ろ過法の課題の一つである有機性膜汚染の原因物質であるバイオポリマーの低減にも有効であるが、一方で、残留凝集剤による膜汚染の問題が生じる。

浄水処理における凝集では、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣｌ）や硫酸バンド（Ａｌｍ）などのアルミニウム系凝集剤が用いられるため、凝集処理水中に存在する残留アルミニウムが膜汚染の原因物質となる。

凝集膜ろ過システムにおける凝集剤由来のアルミニウムによる膜汚染は、システムの安定運転の維持、経済性の観点から大きな問題となっており、膜汚染対策は、いろいろな側面から検討実施されているが、合理的に説明できない不明な点も多い。

従来の凝集沈殿急速砂ろ過システムの場合、凝集処理系は、凝集剤を混和する急速撹拌槽と、急速撹拌槽で形成されたマイクロフロックを沈殿処理が可能な大きなフロックに成長させる緩速撹拌槽と、で構成される。

非特許文献１によれば、急速撹拌槽の水理学的滞留時間は１〜５分程度を確保するように示されており、また、緩速撹拌槽の水理学的滞留時間は２０〜４０分程度とされている。

ＭＦ膜やＵＦ膜のような膜ろ過の前処理として凝集処理系を組み合わせる場合、膜の孔径が０．０１〜０．１μｍである事から、急速撹拌処理で形成される数〜数十μｍ程度の大きさのフロック、いわゆるマイクロフロックが形成されれば、膜の物理的な篩分け効果で除去が可能であるので、大きなフロックを形成するための緩速撹拌処理は不要と考えるのが合理的である。

しかし、実際には、凝集フロックや凝集剤由来の残留アルミニウムによる膜汚染抑制を目的に凝集処理系が設計されるが、凝集剤による膜汚染現象のメカニズムが正確に理解されていない事から、過剰設計になったり、正しい設計根拠を持たないまま装置設計が行われたりしていると言っても過言ではない。また、そのような事を避けるために、パイロット規模の長期実証実験を行う事が多いが、非常に多額の費用が発生する事になる。

例えば、ケーシング型中空糸膜モジュールをろ過膜として用いる場合、前処理として凝集処理を行う時は、凝集沈殿まで行った処理水を膜に供給する事を膜メーカーは取扱説明書などの資料に明示している。

この理由は、ケーシング型中空糸膜モジュールの膜充填密度、すなわち、ケーシング内容積当たりの膜面積が比較的大きいため、付着性の高い凝集フロックが流入すると膜同士が束になる膜間閉塞現象が生じる危険性があるというためである事、また、中空糸膜は高分子膜であり、残留アルミニウムによる膜閉塞が生じ易い事が挙げられる。

しかし、水道水質基準を確実に達成するためには凝集処理は必要なものの、比較的清澄な原水である場合には、緩速撹拌処理、沈殿処理は過剰設備であり、膜ろ過法のメリットを著しく低減する。緩速撹拌処理を行うにしてもその目的、規模は合理的な設計が成されるべきである。

特許文献１は、被処理水を塩基度７０％のいわゆる超高塩基度ＰＡＣｌ溶液と急速撹拌槽で混和して微細なフロックを形成し、次に緩速撹拌槽でこの微細なフロックを粗大化させて凝集処理水を得て、この凝集処理水をろ過膜でデッドエンドろ過する膜ろ過方法を開示する。これによれば、塩基度７０％のいわゆる超高塩基度ＰＡＣｌ溶液を用いる事で、一般に広く利用されている塩基度５０％の通常塩基度ＰＡＣｌよりも膜汚染を低減できるとされている。

特許第５６１４６４４号公報

日本水道協会発行、水道施設設計指針２０１２

従来の砂ろ過法の場合、水質基準の観点から、濁度、色度、有機物指標などに着目してジャーテストにより最適な凝集剤注入率や凝集ｐＨを決定するが、膜ろ過法の場合、膜汚染の観点からも凝集条件を選定する必要がある。

しかし、本来、固定条件となるべき、急速撹拌時間、緩速撹拌の有無、緩速撹拌を必要する場合の撹拌時間は、従来の凝集沈殿砂ろ過システムと同じ観点から選定されており、非常に経験的であり、決して合理的ではない。

上述のとおり非特許文献１の急速撹拌槽の水理学的滞留時間および緩速撹拌槽の水理学的滞留時間は、従来の凝集沈殿急速砂ろ過システムを想定したものであり、凝集膜ろ過システムにとって最適なものかどうかは検討されていない。

また、特許文献１は膜ろ過の前処理としての凝集処理に好適な凝集処理剤として超高塩基度ＰＡＣｌ溶液を用いることを開示するが、急速撹拌槽で形成した微細なフロックを緩速撹拌槽で長時間撹拌して粗大化させるやり方は従来の凝集沈殿砂ろ過システムに適した凝集処理条件であると思われる。

上記課題に鑑みた本願発明の目的は、分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理部を有する凝集膜ろ過システムを提供することにある。さらに、本願発明の目的は、分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理プロセスを有する凝集膜ろ過方法を提供することにある。

発明者らが鋭意検討を重ねた結果、凝集膜ろ過システムにおいて重大な影響を及ぼす膜汚染因子は大きく分類すると二つあることがわかった。一つは凝集剤中に含まれる１００ｎｍより小さいアルミニウムナノ粒子であり、もう一つは、有機物などとの凝集粒子（有機物とアルミニウムの複合体）であり、その大きさも１００ｎｍより小さく、これもアルミニウムナノ粒子と言える。

これらのアルミニウムナノ粒子は、前者は、急速撹拌時に凝集剤の注入により被処理水に添加される事になり、後者は、凝集剤注入時の数秒も経過しない間に被凝集物質と凝集剤が反応し生成する。

これらのアルミニウムナノ粒子は、１００ｎｍ未満と非常に小さく、また、濃度も希薄なため、それら自身で凝集して粗大化し難いので、凝集処理水中に残留し、膜汚染を引き起こす事になるため、膜ろ過処理前にこれらアルミニウムナノ粒子を除去することが重要である。

発明者がさらに鋭意検討を重ねた結果、肉眼では視認できない、サブミクロンオーダーの微小フロック（０．１〜１μｍ程度）、いわゆるサブマイクロフロックや、数μｍ程度の比較的小さいマイクロフロック（１〜１０μｍ程度）の形成過程と、これらサブマイクロフロックおよびマイクロフロックへのアルミニウムナノ粒子の衝突や取り込みとが、アルミニウムナノ粒子の除去メカニズムであることを確認した。逆に、緩速撹拌処理において目視観察できるような大きなフロックの形成過程とこの大きなフロックとアルミニウムナノ粒子の接触がアルミニウムナノ粒子の除去メカニズムではないことがわかった。

また、アルミニウムナノ粒子の除去に効果的なサブマイクロフロック及びマイクロフロックの形成には、従来のフロック形成のための緩速撹拌ではなく、撹拌速度が速い急速撹拌の方が効果的であり、これらのフロック群とアルミニウムナノ粒子との衝突によりその成長が得られる事を見出した。

加えて、発明者は、急速撹拌単独では、十分長く行った場合でも、アルミニウムナノ粒子の除去率は頭打ちになり向上しない場合が多く、この解決策として、急速撹拌処理を十分に行った後で短い緩速撹拌処理を行う事で急速撹拌では取りきれなかったアルミニウムナノ粒子をサブマイクロフロック及びマイクロフロックに取り込む事が可能となる事を見出したことに基づき、本願発明はなされたものである。

すなわち、上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
被処理水に凝集剤が混和され、凝集処理が施される凝集処理部と、前記凝集処理部で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する膜ろ過部と、有する凝集膜ろ過システムであって、
前記凝集処理部が急速撹拌槽および前記急速撹拌槽の後段に位置する緩速撹拌槽を備え、前記急速撹拌槽での前記凝集剤が混和された被処理水の水理学的滞留時間が、前記緩速撹拌槽における水理学的滞留時間以上であることを特徴とする。

この構成によれば、凝集処理部における急速撹拌槽での水理学的滞在時間が緩速撹拌槽の水理学的滞在時間よりも大きいことで、アルミニウムナノ粒子のサブマイクロフロック及びマイクロフロックへの取り込みが促進される。これにより、凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子が低減し、この残留アルミニウムナノ粒子に起因する膜汚染を回避することができ、したがって、分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理部を有する凝集膜ろ過システムを提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の凝集膜ろ過システムにおいて、前記急速撹拌槽での水理学的滞留時間が６分以上であることを特徴とする。

この構成によれば、アルミニウムナノ粒子のサブマイクロフロック及びマイクロフロックへの取り込みのために十分な急速撹拌槽での水理学的滞在時間を確保することができ、したがって、より効果的に凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子を低減させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の凝集膜ろ過システムにおいて、前記緩速撹拌槽における水理学的滞留時間が３分以上であることを特徴とする。

この構成によれば、急速撹拌後に残留するアルミニウムナノ粒子をより効果的にサブマイクロフロック及びマイクロフロックに取り込ませることができ、したがって、さらに効果的に凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子を低減させることができる。

請求項４に記載の発明の被処理水の凝集膜ろ過方法は、
被処理水に凝集剤を混和し、凝集処理を施す凝集処理工程と、前記凝集処理工程で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する膜ろ過工程と、前記凝集処理工程が、凝集剤が添加された被処理水を急速撹拌する急速撹拌プロセスと、前記急速撹拌プロセス後の被処理水を緩速撹拌する緩速撹拌プロセスと、を有し、前記急速撹拌プロセスの水理学的滞留時間が前記緩速撹拌プロセスの水理学的滞留時間以上であることを特徴とする。

この構成によれば、凝集処理工程における急速撹拌プロセスの水理学的滞在時間が緩速撹拌プロセスの水理学的滞在時間よりも大きいことで、アルミニウムナノ粒子のサブマイクロフロック及びマイクロフロックへの取り込みが促進される。これにより、凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子が低減し、この残留アルミニウムナノ粒子に起因する膜汚染を回避することができ、したがって、分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理プロセスを有する凝集膜ろ過方法を提供することができる。

本発明の凝集膜ろ過システムによれば、凝集処理部における急速撹拌槽での水理学的滞在時間が緩速撹拌槽の水理学的滞在時間よりも長いことで、アルミニウムナノ粒子のサブマイクロフロック及びマイクロフロックへの取り込みが促進される。これにより、凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子が低減し、この残留アルミニウムナノ粒子に起因する膜汚染を回避することができ、したがって、分離膜を用いた浄水処理に適した凝集処理部を有する凝集膜ろ過システムを提供することができる。

よって、膜ろ過の凝集前処理を最適化することができ、従来より前処理時間を短縮してシステム全体の運転時間を短縮しつつ、残留アルミニウムナノ粒子に起因する膜汚染が回避されることで分離膜のライフサイクルを延ばすことができると共に、膜の再生や交換によるシステムの運転中断時間も減らすことができる。

本発明の凝集膜ろ過方法についても同様の効果を得ることができる。

本発明の第一実施の形態に係る凝集膜ろ過システム１０を説明する模式図である。 本発明の第二実施の形態に係る凝集膜ろ過システム１００を説明する模式図である。 本発明の凝集膜ろ過方法を説明するフローチャートである。 （ａ）ケーキろ過の閉塞モデル図であり、（ｂ）ろ材（円管の束）上の堆積粒子ｐによる抵抗増加を、円管ｔが長くなったことに置き換えて説明するモデル図である。 実施例および比較例の各凝集処理水のみかけのケーキろ過定数（Ｋ_ＶＶＨＰ）を示す棒グラフである。

以下に本発明の好ましい実施の形態を示す。

＜凝集膜ろ過システム＞
図１は本発明の第一実施の形態に係る凝集膜ろ過システム１０を説明する模式図である。図示のように、凝集膜ろ過システム１０は、被処理水１に凝集剤が混和され、凝集処理が施される凝集処理部４０と、凝集処理部４０の後段に位置し、凝集処理部４０で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する膜ろ過部６０と、を有する。

被処理水１には水道原水が用いられる。水道原水は、例えば、河川水、地下水、ダム湖水、湖沼水、伏流水、地下水などが挙げられる。

凝集剤は、その種類に何ら制限はないが、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンドなどのアルミニウム系凝集剤が好ましい。また、塩基度も何ら制限される事は無く、５０〜９０％でのいずれでも構わない。

本実施の形態においては、被処理水１は、ポンプまたは水位高低差で粉末活性炭混和槽２に流入し、同時に粉末活性炭注入設備３から粉末活性炭が注入される。この粉末活性炭処理は、本発明に直接的には関与しないが、粉末活性炭が負電荷を有している事からも、後段の凝集処理を担う槽での残留アルミニウム粒子の吸着及び付着が期待できるので本発明に組み合わせる事が好ましい。

粉末活性炭混和槽２での接触時間は、処理対象物質が臭気物質ならば２０分〜４０分程度が適当であり、色度成分やトリハロメタン前駆物質に代表される消毒副生成物である有機物が対象の場合は１５〜３０分程度が必要である。また、後段の膜ろ過装置が槽浸漬型であれば、膜浸漬槽での粉末活性炭の吸着反応が期待できるので、粉末活性炭混和槽２の滞留時間（接触時間に相当）は３分程度で十分である。

もちろん、原水水質によっては、粉末活性炭処理は省略されても何ら差し支えない。

凝集処理部４０は、急速撹拌槽４および急速撹拌槽４の後段に位置する緩速撹拌槽５を備える。

本実施の形態において、粉末活性炭処理が施された被処理水１は、急速撹拌槽４（図１では、急速撹拌槽４１、４２及び４３で構成される）に送られるが、ｐＨ調整装置４５により、苛性ソーダのようなアルカリ剤、又は、硫酸のような酸剤を注入し、凝集剤注入時の凝集ｐＨが所定の値になるように、ｐＨ調整剤を注入する。薬品の注入位置は、粉末活性炭混和槽２のような位置の前槽または急速撹拌槽４１のどちらでも構わない。次いで、凝集剤注入装置４４により凝集剤を注入する。

図示する本実施形態は一例であり、急速撹拌槽４は、三槽の急速撹拌槽から構成されても良いし、それ以下の二槽としても良いし、単槽でも差し支えない。もちろん、三槽以上でも構わない。単槽、もしくは槽数が少なくて滞留時間が短くなると、短絡流の発生や混合状態が悪くなるので、それを考慮した槽構成や槽構造とすれば良い。

一槽の滞留時間の目安は、３分程度であるが、上記の事を満足できる構造であれば何ら制限される事はない。

水道施設設計指針２０１２によると、従来のフロック形成池の撹拌強度（速度勾配）Ｇ値の望ましい値は、１０〜７５ １／ｓとしており、逆に、急速撹拌効果を得る撹拌強度は、Ｇ値で考えると、７５ １／ｓより大きい値となる。

本実施形態において、原水水質が悪く、凝集剤注入率が比較多くなる場合や、凝集ｐＨが６程度と比較的低い場合には、急速撹拌槽４の滞留時間を長くとる必要が生じ、全体を均一に撹拌するためには三槽の急速撹拌槽で設計する事が好ましい。

そのような場合、急速撹拌槽４１と４２の撹拌強度は同じ程度とし、急速撹拌槽４３の撹拌強度は前者二槽よりも低くする事が好ましい。

急速撹拌槽４１及び４２の撹拌強度は、Ｇ値で考えると、１５０ １／ｓ以上が良く、さらに好ましくは、１５０〜２５０ １／ｓ、最も望ましくは、２５０ １／ｓ以上である。

急速撹拌処理を行った後の凝集処理水は、緩速撹拌槽５に送られ、緩速撹拌処理を行う事で、みかけフロック形成が行われつつ、サブマイクロフロック及びマイクロフロックへのアルミニムナノ粒子の取り込みが行われる。

緩速撹拌槽５における緩速撹拌処理は、Ｇ値が１０〜７５ １／ｓの範囲で行われる事が望ましいが、そのすぐ前段の急速撹拌槽４３の撹拌強度は、１００〜１５０ １／ｓ程度のＧ値の範囲で運転される事が好ましい。

この理由は、前記凝集条件のような場合、急速撹拌槽４１及び４２で生成するアルミニウムナノ粒子も非常に多くなり、緩速撹拌槽５のみではフロックへの取り込み能力が不足する可能性が高くなる。そこで、急速撹拌槽４１及び４２と緩速撹拌槽５の中間の撹拌強度領域を作る事により、アルミニムナノ粒子のサブマイクロフロック及びマイクロフロックへの接触効率を高く保ちながら、フロックへの取り込みも行わせる事により確実な膜汚染を抑制する凝集処理を行うためである。

本発明において、急速撹拌槽４での凝集剤が混和された被処理水の水理学的滞留時間は、緩速撹拌槽５における水理学的滞留時間以上である。これにより、凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子が低減し、この残留アルミニウムナノ粒子に起因する後段の膜ろ過部６０における分離膜の膜汚染を回避することができる。

なお、水理学的滞留時間（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｔｉｍｅ、ＨＲＴともいう）とは、ここでは急速撹拌槽４および緩速撹拌槽５のそれぞれに処理対象水が滞留する時間をいう。例えば、処理対象水の流量と各槽の体積とから各槽における水理学的滞留時間を算出することができる。

急速撹拌槽４における水理学的滞留時間は２分以上であり、好ましくは３分以上であり、さらに好ましくは６分以上である。

緩速撹拌槽５における水理学的滞留時間は１分以上であり、好ましくは２分以上であり、さらに好ましくは３分以上である。

凝集処理部４０（図１では、急速撹拌部槽４および緩速撹拌槽５）を経た被処理水、すなわち、凝集処理水は、膜ろ過部６０に送られる。

膜ろ過部６０の分離膜の種類は、高分子膜、無機膜、ＭＦ膜、ＵＦ膜のいずれでも構わないが、浸漬型膜モジュールが使用できる高分子膜、特に、物理的にも化学的にも強いＰＶＤＦを材質とする膜が好ましく、これも浸漬型膜モジュールが使用できるＭＦ膜が好ましい。加えて、膜の形状は中空糸膜が容積効率的に好ましい。

省エネルギの観点から水位差が利用できる孔径０．０５μｍ以上の膜が好ましく、さらには、有機物による膜閉塞抑制の観点から、その最小径である０．０５μｍの膜が最適である。

膜ろ過装置の構造は、ケーシング型でも槽浸漬型のいずれでも構わないが、高濁度原水への適用性が高い、槽浸漬型の方が好ましい。

膜ろ過された凝集処理水は、処理水槽７に処理水としてある程度の時間滞留させ、浄水８として使用される。処理水槽７の処理水（膜ろ過水）は、分離膜の逆洗に使用されるが、その際、次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤を逆洗水に添加して分離膜に通水する。

上記第一実施の形態では、凝集膜ろ過システム１０は粉末活性炭混和槽２、ｐＨ調整装置４５および三槽からなる急速撹拌槽４を備えているが、これらの構成が必須というわけではない。例えば、比較的清澄な水道原水を被処理水１とし、凝集剤添加後の被処理水１のｐＨが凝集ｐＨと近いと想定されるような場合には、以下の第二実施の形態の凝集膜ろ過システムの態様を取ることも可能である。

図２は、本発明の第二実施の形態に係る凝集膜ろ過システム１００を説明する模式図である。図示のように、凝集膜ろ過システム１００は、一槽の急速撹拌槽４−２および緩速撹拌槽５−２を有する凝集処理部４０−２と、膜ろ過部６０−２と、を有する。

急速撹拌槽４−２には凝集剤注入装置４４−２が設けられている。粉末活性炭混和槽およびｐＨ調整装置４５は設けられていない。

本実施の形態において、被処理水１は急速撹拌槽４−２に供給され、凝集剤添加後に急速撹拌処理後、緩速撹拌槽５−２で緩速撹拌処理が施される。急速撹拌槽４−２での凝集剤が混和された被処理水の水理学的滞留時間は、緩速撹拌槽５−２における水理学的滞留時間以上である。

緩速撹拌後の凝集処理水は膜ろ過部６０−２において分離膜でろ過され、処理水として処理水槽７−２に貯留され、浄水となる。

＜被処理水の凝集膜ろ過方法＞
本発明は、さらに、被処理水の凝集膜ろ過方法を提供する。図３は、本発明の凝集膜ろ過方法を説明するフローチャートである。

本発明の凝集膜ろ過方法は、図示のように、凝集処理工程（Ｓ１１０）と、膜ろ過工程（Ｓ１２０）とを有する。

［凝集処理工程（Ｓ１１０）］
本工程では、被処理水に凝集剤が混和され、凝集処理が施される。被処理水および凝集剤は、上記凝集膜ろ過システムの項目に記載されているとおりである。

凝集処理は、凝集剤が添加された被処理水を急速撹拌する急速撹拌プロセスと、急速撹拌プロセス後の被処理水を緩速撹拌する緩速撹拌プロセスと、を有する。

急速撹拌プロセスの撹拌強度は、Ｇ値で考えると、１５０ １／ｓ以上が良く、さらに好ましくは、１５０〜２５０ １／ｓ、最も望ましくは、２５０ １／ｓ以上であり、緩速撹拌プロセスの撹拌強度は、Ｇ値が１０〜７５ １／ｓの範囲で行われる事が望ましい。

また、急速撹拌プロセスを複数の急速撹拌により行う場合には、緩速撹拌プロセスが行われる槽のすぐ前段に位置する急速撹拌槽の撹拌強度は、１００〜１５０ １／ｓ程度のＧ値の範囲で運転される事が好ましい。

本工程において、急速撹拌プロセスの水理学的滞留時間は、緩速撹拌プロセスの水理学的滞留時間以上である。

これにより、凝集処理水中に残留するアルミニウムナノ粒子が低減し、この残留アルミニウムナノ粒子に起因する後段の膜ろ過工程（Ｓ１２０）における分離膜の膜汚染を回避することができる（以上、凝集処理工程（Ｓ１１０））。

［膜ろ過工程（Ｓ１２０）］
本工程では、凝集処理工程（Ｓ１１０）で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する。

本工程において、分離膜および分離膜を有する膜ろ過装置の構成については、上記凝集膜ろ過システムの項目に記載された構成を用いることができる。

分離膜でろ過されたろ過水は、処理水槽に処理水としてある程度の時間滞留させ、浄水８として使用される。

本発明の凝集膜ろ過システムおよび凝集膜ろ過方法の効果は、以下に示すような、みかけのケーキろ過定数の測定方法においてもそれを簡単に評価する事ができ、凝集処理条件の決定を行う事ができる。

具体的には、凝集処理後の凝集処理水に対して膜ろ過試験を行う事により、分離膜（ＭＦ膜等）の表層にアルミニウムナノ粒子から成るケーキ層形成させ、そのろ過抵抗から凝集処理水中のアルミニムナノ粒子の濃度を間接的に定量する。そして、この膜ろ過試験の結果を一般的なケーキろ過理論を用いて解析し、みかけのケーキろ過定数（Ｋｃと呼ばれる事が多い）を算出し、それらを比較するものである。実用上の観点から直観的に分かり易く非常に便利である。

みかけのケーキろ過定数の測定は、ケーキろ過の閉塞モデルに基づくケーキろ過式により行うことができる（例えば、角屋正人著、日本ポール株式会社 マーケティング・コミュニケーショングループ編集発行、２０１３ ＳＰＲＩＮＧ Ｐａｌｌ Ｎｅｗｓ、１１７巻第１０〜第１５頁を参照）。

ケーキろ過の閉塞モデルとは、ろ材を均一な内径、長さを持った円管の束と仮定した場合、負荷した粒子が円管を塞ぐことなく、ろ材（円管の束）の表面に体積していくというモデルである。その場合、図４（ａ）に示すように、円管ｔの束上に負荷した粒子ｐの量に比例して、堆積粒子ｐ（ケーキ層）の厚みが増していく。ここで、堆積粒子ｐによる抵抗増加は、図４（ｂ）に示す円管ｔが長くなったことに置き換えられる。

そして、ハーゲンポアズイユの式をろ材に適用し、上記ケーキろ過の閉塞モデルも考慮して計算を進めることにより、定圧ろ過の場合には、以下の式（１）

（式（１）中、Ｊは単位ろ過面積あたりの流量（ｍ^３／ｍ^２・ｓ）を、Ｊ_０は単位ろ過面積あたりの初期流量（ｍ^３／ｍ^２・ｓ）を、Ｋｃはケーキろ過定数（１／ｍ）、閉塞係数ともいう）を、ｖは単位面積あたりのろ液量（ｍ^３／ｍ^２）を、それぞれ示す。）を、
定流量ろ過の場合には、以下の式（２）

（式（２）中、ΔＰは円管両端での差圧（Ｐａ）を、ΔＰ_０は円管両端での初期差圧（Ｐａ）を、Ｋｃはケーキろ過定数（（１／ｍ）、閉塞係数ともいう）を、ｖは単位面積あたりのろ液量（ｍ^３／ｍ^２）を、それぞれ示す。）
を、それぞれ得ることができる。

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

１．膜及びフィルターホルダー
以下の実施例および比較例において、膜はメルク社製のＶＶＨＰ膜（疎水性ＰＶＤＦ膜、孔径０．１μｍ）を使用し、直径２５ｍｍの平膜用ガラス製フィルターホルダーを使用した。

２．膜ろ過試験（みかけのケーキろ過定数の測定）
以下の実施例および比較例において、吸引ポンプを用いて全量定圧ろ過（吸引圧力９０ｋＰａ）で２４０ｍＬの供試水を膜に通水し、ろ過水量経時変化を測定し、上記（１）の式に当てはめてケーキろ過定数Ｋｃ、すなわち、Ｋ_ＶＶＨＰの値（１／ｍ）を求めた。

＜実施例１〜４および比較例１〜２＞
被処理水には、比較的清澄な時期の冬季の河川水（濁度：０．７度、色度：３．３度、ｐＨ７．３、ＴＯＣ：０．９ｍｇ／Ｌ、ＵＶＡ２６０：０．１１４（５ｃｍセル））を使用した。

この被処理水に対し、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣｌ、塩基度５０％）を注入率２０ｍｇ／Ｌで添加し、５００ｍＬのビーカーを使用して凝集処理を行った。

撹拌条件は、凝集ｐＨ７．０、急速撹拌処理（１３０ｒｐｍ）→緩速撹拌処理（３０ｒｐｍ）とし、それぞれの処理時間を変化させて凝集処理を行い、凝集処理水を得て、そのみかけのケーキろ過定数（Ｋ_ＶＶＨＰ）（以下、単にＫ_ＶＶＨＰともいう）を求めた。

得られた凝集処理水について、撹拌時間およびみかけのケーキろ過定数（Ｋ_ＶＶＨＰ）は以下の表１および図５に示すとおりである。なお、表中、急３−緩０のラベル（比較例１）は、急速撹拌処理の水理学的滞留時間が３分間であり、緩速撹拌処理の水理学的滞留時間が０分間（すなわち、緩速撹拌処理が行われていない）であったことを示す。他の実施例、比較例のラベルの説明についても同様である。

表１および図５によれば、急速撹拌処理のみ（比較例１（急3-緩0）、比較例２（急6-緩0））では、処理時間が長いほど、Ｋ_ＶＶＨＰの値は低下するものの十分には下がらない。

また、従来の急速撹拌処理の範囲である、急速撹拌３分の条件においては、その後に行う緩速撹拌の時間が長くなるほどＫ_ＶＶＨＰの値は低下するが、従来の凝集処理条件に一番近い比較例４（急3-緩9）でさえＫ_ＶＶＨＰの値は４．５であった。

また、急速撹拌のみで３分とする場合（比較例１（急3-緩0））よりも、それに緩速撹拌を同じ３分で加えた実施例１（急3-緩3）の方が、Ｋ_ＶＶＨＰの値は低下した。

一方、急速撹拌を６分以上として緩速撹拌を行った場合は、急速撹拌のみ、急速撹拌３分に緩速撹拌を加えたいずれの場合よりも、Ｋ_ＶＶＨＰの値は低下した。

さらに、急速撹拌６分よりも９分の方がＫ_ＶＶＨＰの値は低下したが、その差は僅かであり、急速撹拌時間は６〜９分が最適であると考えられた。

１ 被処理水
１０、１００ 凝集膜ろ過システム
４０、４０−２ 凝集処理部
４、４−２、４１、４２、４３ 急速撹拌槽
５、５−２ 緩速撹拌槽
６０、６０−２ 膜ろ過部

Claims (4)

1. 被処理水に凝集剤が混和され、凝集処理が施される凝集処理部と、
   前記凝集処理部で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する膜ろ過部と、有する凝集膜ろ過システムであって、
   前記凝集処理部が急速撹拌槽および前記急速撹拌槽の後段に位置する緩速撹拌槽を備え、
   前記急速撹拌槽での前記凝集剤が混和された被処理水の水理学的滞留時間が、前記緩速撹拌槽における水理学的滞留時間以上であることを特徴とする凝集膜ろ過システム。
2. 前記急速撹拌槽での水理学的滞留時間が６分以上であることを特徴とする請求項１に記載の凝集膜ろ過システム。
3. 前記緩速撹拌槽における水理学的滞留時間が３分以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の凝集膜ろ過システム。
4. 被処理水に凝集剤を混和し、凝集処理を施す凝集処理工程と、
   前記凝集処理工程で得られた凝集処理水を分離膜でろ過する膜ろ過工程と、
   前記凝集処理工程が、凝集剤が添加された被処理水を急速撹拌する急速撹拌プロセスと、
   前記急速撹拌プロセス後の被処理水を緩速撹拌する緩速撹拌プロセスと、
   を有し、
   前記急速撹拌プロセスの水理学的滞留時間が前記緩速撹拌プロセスの水理学的滞留時間以上であることを特徴とする被処理水の凝集膜ろ過方法。

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