JP3514828B2 - 水浄化システムの運転方法および水浄化装置 - Google Patents

水浄化システムの運転方法および水浄化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、中空糸膜モジュールを
用いた水浄化システムおよびその運転方法ならびに水浄
化装置に関し、更に詳しくは膜モジュール内に付着した
河川中に含まれる細菌を殺菌するための最適殺菌条件を
提供することにより、膜モジュールの細菌による生分解
を防止し、膜モジュールの延命を図り、系外へ排出され
る殺菌剤量の低減を図る環境保全に配慮した水浄化シス
テムの運転方法ならびに水浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、膜分離技術を適用する水浄化シス
テムとして、中空糸膜モジュールを用いたクロスフロー
濾過が行われている。ここにクロスフロー濾過とは、中
空糸膜の膜面(原水供給側分離膜面)の一方に原水を供
給し、中空糸膜を透過した透過水を分離膜の他方の膜面
(透過水側分離膜面)から回収する際、原水供給側分離
膜面に平行に原水を流して濾過を行うことにより、中空
糸膜表面に付着した原水に含まれていた濁質物質をその
膜表面からはぎ取る効果を有する濾過方法をいう。 一
方、原水として用いられる河川水などには一般細菌と共
に分離膜として多用される酢酸セルロースを分解する細
菌が混在し、これが中空糸膜の原水供給分離膜面に付着
して処理水質を害したり、中空糸膜が微生物分解を受け
て劣化を生じる場合がある。酢酸セルロース膜は、河川
水に含まれる濁質物質の分離膜への結合が比較的弱いた
め、逆洗による透水速度の回復が大きく、水浄化システ
ムには分離膜として酢酸セルロース膜が多用されてい
る。従って、付着した細菌を除去し、原水中の濁質物質
によって生ずる目詰まりを防止するために、一般的には
逆流洗浄(以下、逆洗と称す。)が行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような、逆洗を含
むクロスフロー濾過による水浄化システムの運転方法と
して、例えば、水道協会雑誌(Vol.61,No.1
1,19−26,1992)には、膜透過水量を一定に
した定量濾過方式において、水浄化システムの循環水側
圧力が設定値を超えた場合に、原水濁度に依存した定期
的な逆洗を実施し、化学薬品を用いて膜の洗浄を行う例
が記載されている。この方法では、原水濁度、透過水圧
の変化に基づいて、逆洗の頻度を変動させる水浄化シス
テムの運転方法であり、その結果として透過水中には細
菌が存在しなかったとするものである。そして、膜モジ
ュールに付着した細菌の増殖による膜モジュールの劣化
やそれに伴う透過水の汚染については、何等言及されて
いない。しかも中空糸膜は時間の経過と共に逆洗によっ
て回復し得ない非可逆的な膜の閉塞が進行するため、化
学薬品による洗浄を行う必要があるとしているが、薬品
洗浄によって排出される殺菌剤量の低減について配慮さ
れていない。
【0004】また、特開平6−23356号公報には、
原水pHと残留酸化剤濃度により膜性能劣化が生じるこ
とがあり得るため、原水のpHを予め調節した後、水処
理をする淡水化装置の制御方法ならびに制御装置が開示
されている。そしてこれらにより原水を調整して中空糸
膜の劣化を防止することを目的としている。しかし、開
示された発明は海水またはかん水の淡水化装置であり、
細菌除去の目的がないため細菌増殖に対応した残留酸化
剤濃度の設定はなされない。
【0005】このような現状において、中空糸膜に付着
した一般細菌ならびに酢酸セルロース分解菌を分離膜モ
ジュールから除去するために、物理的に除去あるいは薬
剤による殺菌をする必要がある。しかし水浄化システム
におけるこれらの実施においては、単にこれらを除去し
あるいは殺菌するだけでなく、分離膜モジュール自体に
及ぼす薬剤の影響や実施後の系外へ排出される殺菌剤量
の低減にも考慮しなければならない。そこでかかる目的
を達成し、かつ、各種の水処理システムにも容易に対応
できる簡便な制御機構に基づく水浄化システムの運転方
法ならびに水浄化装置の開発が強く求められている。
【0006】
【課題を解決するための手段】このような現状に鑑み、
本発明者らは河川の細菌状況ならびに水浄化システムの
運転状況を詳細に検討した結果、逆洗時間を特定式に基
づいて制御することにより最適殺菌条件が得られること
を見い出し、本発明を完成するに至った。
【0007】すなわち本発明は、逆洗を含むクロスフ
ロー濾過による中空糸膜モジュールを用いた水浄化シス
テムにおいて、運転開始前に細菌増殖速度定数A、細菌
死滅速度定数B、河川水中の細菌濃度数C、膜面積S、
有効殺菌剤濃度到達時間t R を設定し、運転中、透過水
量J、逆洗水量Jw、1サイクル濾過時間θを設定した
後、回収率Rおよび逆洗時間tの値が式(1)ならびに
式(2)を満たすようにそれぞれの値を算出して中空糸
膜モジュールの殺菌剤含有逆洗水による逆洗を、式
(2)の範囲内で実施することを特徴とする水浄化シス
テムの運転方法を提供するものである。
【0008】
【数3】
【0009】また、逆洗を含むクロスフロー濾過による
中空糸膜モジュールを用いた水浄化システムにおいて、
運転開始前に細菌増殖速度定数A、細菌死滅速度定数
B、河川水中の細菌濃度数C、膜面積S、有効殺菌剤濃
度到達時間t R を設定し、運転中、透過水量J、逆洗水
量Jw、1サイクル濾過時間θを設定した後、回収率R
および逆洗時間tの値が式(1)ならびに式(3)を満
たすようにそれぞれの値を算出して殺菌剤含有逆洗水に
よる逆洗時間tを制御することを特徴とする水浄化シス
テムの運転方法を提供するものである。
【0010】
【数4】
【0011】また、前記の中空糸膜モジュールの膜材質
が酢酸セルロースであることを特徴とする水浄化システ
ムの運転方法を提供するものである。さらに前記のいず
れかに記載の逆洗水が、殺菌剤として次亜塩素酸ナトリ
ウムを使用するものであることを特徴とする水浄化シス
テムの運転方法を提供するものである。加えて、前記の
逆洗時間tを演算する演算制御装置を有することを特徴
とするクロスフロー濾過による中空糸膜モジュールを用
いた水浄化装置を提供するものである。以下、本発明を
詳細に説明する。
【0012】次式(1)は本発明の水浄化システムの運
転における、逆洗と濾過時間の関係を示す定義式であ
る。式中の逆洗時間tは逆洗1回当たりの逆洗時間であ
り、1サイクル濾過時間θは逆洗と逆洗の間の時間であ
る。また、式中の回収率R(%)は100×(原水供給
量−逆洗水量)/原水供給量で示され、クロスフロー濾
過において原水供給量から逆洗により系外へ排出された
逆洗水の残りの原水供給量に対する割合である。クロス
フロー濾過においては、透過水量Jを一定に制御した水
浄化システムの運転が行われ、かかる場合の運転条件は
1サイクル濾過時間θが定まれば、透過水量、逆洗水
量、回収率も決まり、従って逆洗時間tも1次に定ま
る。
【0013】
【数5】
【0014】一方、次式(3)は、水浄化システムの運
転により中空糸膜に付着し、あるいは中空糸膜面で増殖
した細菌の殺菌条件を示す。殺菌は中空糸膜の逆洗によ
るものとし、その逆洗時間を制御することにより最適な
殺菌条件を提供するものである。
【0015】
【数6】
【0016】式中の細菌増殖定数Aは原水温度や目的と
する細菌の種類により相違し、予め処理しようとする原
水を分析して決定することができる。また、式中の細菌
死滅速度定数Bは原水温度や目的とする細菌の種類なら
びに逆洗水に含まれる殺菌剤により相違し、予め行う試
験により決定することができる。なお、河川に含まれる
一般細菌には酢酸セルロース分解細菌が混在するが、細
菌増殖速度定数A、細菌死滅速度定数B、ならびに河川
水中の細菌濃度数Cは酢酸セルロース分解菌を含んだ原
水で測定して設定してもよい。なお、式中の有効殺菌剤
濃度到達時間tRとは、逆洗時に中空糸膜モジュールに
到達した逆洗水が原水と置換して有効殺菌剤濃度に達す
るまでに要する時間であり、中空糸膜モジュールにより
相違する。式(3)により、特定の細菌濃度の原水を用
いて特定濃度の殺菌剤を使用した場合に、1サイクル濾
過時間θに対する逆洗時間tを導くことができる。ここ
において殺菌剤の種類や濃度は、死滅速度定数Bを設定
する際に用いた殺菌剤、あるいは同程度の殺菌効果を有
する殺菌剤を使用することができる。なお式(3)の右
辺の値は、最適殺菌条件の最低逆洗時間を示すものであ
り、これより逆洗時間tが短い場合には完全な殺菌がな
されないことを示す。
【0017】本発明における次式(2)は、式(1)で
求めた逆洗時間tが最適殺菌条件で実施される範囲を決
定するものである。クロスフロー濾過における逆洗時間
tは、式(1)で算出することができるが、かかるt値
が式(3)により求めた逆洗時間tより小さい場合に
は、殺菌条件は有効なものとはならない。従って式
(1)の適用範囲の下限を式(3)により定めることが
できる。一方、上限は、クロスフロー濾過の濾過時間θ
から算出することができ、1サイクルの濾過時間θ=1
500分がこの種の膜モジュールにおける運転の上限で
あることから算出することができる。
【0018】
【数7】
【0019】式(1)と式(3)は共に濾過時間と逆洗
時間を示す関係式として表され、式(1)と式(3)の
交点で表される逆洗時間tを用いてクロスフロー濾過を
実施することにより、透過水量J、回収率R、逆洗時間
tを一定に保ち、最低殺菌剤使用量での殺菌条件を得る
ことができる。
【0020】本発明による運転方法は、クロスフロー濾
過による中空糸膜モジュールを用いた水浄化システムを
対象とし、中空糸膜モジュールとしては限外濾過膜、精
密濾過膜などを用いることができる。また、クロスフロ
ー濾過方式としては中空糸膜の内側に原水を流入させる
内圧方式が好ましい。さらにその膜材質としては、酢酸
セルロース分解細菌の影響を最も受ける酢酸セルロース
の他に、他の親水性高分子材料であるポリビニルアルコ
ール、ポリアクリロニトリル共重合体などにも利用でき
るが、特に酢酸セルロ−スが最適である。
【0021】浄化用に供給される原水としては河川水の
他、地下水、雨水および湖沼水などの天然水を用いるこ
とができる。
【0022】本発明による逆洗を含むクロスフロー濾過
による水浄化システムの運転方法の一例を図1を用いて
説明する。
【0023】本発明においては、逆洗において、逆洗水
に殺菌剤として次亜塩素酸ナトリウム、塩素、過酸化水
素およびオゾンなどの酸化性殺菌剤を使用することがで
きるが、残留殺菌効果をもつ次亜塩素酸ナトリウムを使
用することが好ましい。殺菌剤として次亜塩素酸ナトリ
ウムを用いる場合、その濃度は0.5〜8.0mg/リ
ットルの範囲であることが好ましく、特には2.0〜
5.0mg/リットルであることが好ましい。この範囲
で使用することにより、殺菌効果に優れると共に殺菌剤
の分離膜に与える影響も少なく、中空糸膜モジュールの
劣化を防止することができる。なお、透過水に殺菌剤を
使用する場合には自動弁19およびポンプ18の設定に
加え殺菌剤ポンプ22を運転し、薬注自動弁25を開と
し逆洗を実行する。薬剤タンク21を別に設けることに
より、殺菌剤の濃度を容易に調節することができる。中
空糸膜モジュール12は細菌を濾別するため、供給水側
に残留した細菌は時間の経過と共に、中空糸膜モジュー
ル出口に蓄積した濁質成分あるいは中空糸膜などに付着
し繁殖する可能性がある。前記殺菌剤は、逆洗時間中こ
れら殺菌に作用することにより殺菌効果を発揮し、なら
びに分離膜面付着物の分解・洗浄効果も有するため、逆
洗効果を増大させることができる。なお、原水に含まれ
る濁質物質や有機物が逆洗水に含まれる殺菌剤を消費す
るが、通常の河川中の全有機物炭素濃度は1〜30mg
/リットル程度であるために、これら濁質物質による影
響はほとんどない。また、逆洗によって中空糸膜を洗浄
する際の洗浄排水中に含まれる全有機物炭素濃度は、2
0〜100mg/リットル程度であり、この場合でも殺
菌剤の消費量は15%以下である。このような殺菌剤の
消費量は原水を用いて予め行う試験により決定できる。
【0024】水浄化システムの運転はクロスフロー濾過
による透過水生成と、中空糸膜モジュールに付着した細
菌の除去ならびに原水中に含まれる濁質物質の目詰まり
を防止するための逆洗とを交互に実施する。クロスフロ
ー濾過時と逆洗時におけるポンプ、流路弁の操作は以下
の通りである。まず、クロスフロー濾過においては透過
水自動弁13を開、洗浄水排出自動弁14、逆洗自動弁
19は閉の状態でポンプ11により原水を中空糸膜モジ
ュールに供給して濾過を行い、生成した透過水をタンク
17に貯留する。なお、中空糸膜モジュールを透過しな
い原水はライン16、ポンプ11を経て再び中空糸膜モ
ジュール12に送られる。一方逆洗においては、中空糸
膜モジュールの原水側内面に付着した濁質成分を除去す
るために、透過水生成時とは逆方向に中空糸膜モジュー
ルに透過水を供給し、膜面に付着した濁質成分を剥離し
たのち、濁質成分を系外へ排出する。中空糸膜モジュー
ルの逆洗は、予め設定した1サイクル濾過時間ごとに、
前述した式(1)で算出される逆洗時間に基づいて行わ
れるが、逆洗自体は透過水自動弁13を閉、洗浄水排出
自動弁14、逆洗自動弁19を開とすると共に、ポンプ
18により透過水タンク17の透過水の一部を透過水生
成時とは逆方向に中空糸膜モジュール12に供給する。
これにより中空糸膜モジュールの原水供給側内面の付着
細菌ならびに濁質成分を剥離し、細菌ならびに濁質成分
を高濃度に含有した洗浄水を経路15を経て洗浄水排出
自動弁14から系外へ排出させる。なお、逆洗時には、
ポンプ11を停止させ、原水の供給を停止する。
【0025】本発明においては、殺菌剤濃度、透過水
量、回収率を一定にして上記条件式を自動的に算出さ
せ、かかる数値に基づいて逆洗時間を自動制御すること
も可能である。例えば図1に示すように、透過水量測定
器26、演算制御装置27から鎖線で示す制御信号ケー
ブルにより送られる制御信号により、逆洗自動弁19、
ポンプ18、薬注ポンプ22および薬注自動弁25など
の自動的に制御が可能となる。なお、数種の濃度の殺菌
剤を用いて水浄化システムを運転することも当然に可能
である。
【0026】
【実施例】本発明による逆洗を含むクロスフロー濾過に
よる水浄化システムの運転方法を実施例により説明す
る。ただし本発明はこれに限定されるものではない。
【0027】(実施例1)図1に示す水浄化システムを
用いて河川水のクロスフロー濾過による透過水生成と中
空糸膜モジュールの目詰まりを防ぐための逆洗とを交互
に実施した。用いた中空糸膜モジュールは膜面積が14
00cm2の酢酸セルロース膜であった。運転は1サイ
クル濾過時間θ=30(min)に、逆洗時間t=1
(min)の逆洗を行い、回収率R=90(%)とする
と、透過水量J=250cm3/min、逆洗水量Jw
=250cm3/minであった。逆洗においては中空
糸膜モジュールを殺菌するために3mg/リットルの次
亜塩素酸ナトリウム水溶液を逆洗水として用いた。一
方、河川水中の一般細菌を30℃のインキュベーター中
で細菌増殖試験を行い、増殖速度定数A=0.0035
を決定した。また、一般細菌の次亜塩素酸ナトリウム水
溶液による細菌試験を行った結果、細菌の死滅速度定数
Bは、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の濃度に依存し、濃
度3mg/リットルではB=5.0であった。また、3
mg/リットルの次亜塩素酸ナトリウムが逆洗開始直後
から中空糸膜の内部を経てモジュールの出口端面にまで
至り、3mg/リットルの濃度にまで到達する有効殺菌
濃度到達時間tR=0.25minであった。分離膜の
分解菌の菌数を多くとも一般細菌の1000分の1と仮
定してC=1個/cm3とした。運転条件及び殺菌条件
のもとで式(2)の範囲を決定すると0.47min<
t<50minであり、逆洗時間t=1minは上記の
範囲内である。このような条件で運転した水浄化システ
ムは、中空糸膜の劣化を起こすことなく式(1)に従っ
て約1年以上の安定した運転が継続した。
【0028】(比較例1)中空糸膜モジュール内への次
亜塩素酸ナトリウム水溶液の濃度を0.5mg/リット
ルとした以外は実施例1と同様の運転条件で水浄化シス
テムの運転を実施した。この場合の一般細菌の死滅速度
定数B=1.2であり、式(2)の範囲は、1.18m
in<t<50minとなり、逆洗時間t=1minは
この範囲外である。このような条件で運転した場合、約
3カ月で中空糸膜モジュールからの河川水濁質物質のリ
ークが発生し、中空糸膜の分解菌による劣化が観察され
た。
【0029】
【発明の効果】本発明の運転方法によれば、逆洗を含む
中空糸膜モジュールを用いた水浄化システムにおいて、
原水に含まれる細菌を最も適した殺菌剤条件において殺
菌することができる。本発明による算出式に従った逆洗
時間によって殺菌剤を使用すれば、中空糸膜面に付着し
た一般細菌ならびに酢酸セルロース分解細菌を最低量の
殺菌剤によって殺菌することができる。このため、殺菌
剤による分離膜の劣化を防止し、ならびに逆洗洗浄後に
系外へ排出される逆洗排出液中の無駄な殺菌剤を無く
し、環境保全にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を適用できる中空糸膜モジュールを用
いた水浄化システムを示す。
【符号の説明】
10、23 逆止弁 11、18 ポンプ 12 中空糸膜モジュール 13 透過水自動弁 14 濃縮水排出自動弁 17 透過水タンク 19 逆洗自動弁 21 薬剤タンク 22 薬注ポンプ 24 薬剤注入経路 25 薬注自動弁 26 透過水量測定器 27 演算制御装置

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 逆洗を含むクロスフロー濾過による中空
    糸膜モジュールを用いた水浄化システムにおいて、運転
    開始前に細菌増殖速度定数A、細菌死滅速度定数B、河
    川水中の細菌濃度数C、膜面積S、有効殺菌剤濃度到達
    時間t R を設定し、運転中、透過水量J、逆洗水量J
    w、1サイクル濾過時間θを設定した後、回収率Rおよ
    び逆洗時間tの値が式(1)ならびに式(2)を満たす
    ようにそれぞれの値を算出して中空糸膜モジュールの殺
    菌剤含有逆洗水による逆洗を、式(2)の範囲内で実施
    することを特徴とする水浄化システムの運転方法。 【数1】
  2. 【請求項2】 逆洗を含むクロスフロー濾過による中空
    糸膜モジュールを用いた水浄化システムにおいて、運転
    開始前に細菌増殖速度定数A、細菌死滅速度定数B、河
    川水中の細菌濃度数C、膜面積S、有効殺菌剤濃度到達
    時間t R を設定し、運転中、透過水量J、逆洗水量J
    w、1サイクル濾過時間θを設定した後、回収率Rおよ
    び逆洗時間tの値が式(1)ならびに式(3)を満たす
    ようにそれぞれの値を算出して殺菌剤含有逆洗水による
    逆洗時間tを制御することを特徴とする水浄化システム
    の運転方法。 【数2】
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の中空糸膜モジュ
    ールの膜材質が酢酸セルロースであることを特徴とする
    水浄化システムの運転方法。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の逆洗水
    が、殺菌剤として次亜塩素酸ナトリウムを使用するもの
    であることを特徴とする水浄化システムの運転方法。
  5. 【請求項5】 請求項1または2記載の逆洗時間tを演
    算する演算制御装置を有することを特徴とするクロスフ
    ロー濾過による中空糸膜モジュールを用いた水浄化装
    置。
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