JP3565790B2

JP3565790B2 - Membrane filtration method and membrane filtration system

Info

Publication number: JP3565790B2
Application number: JP2001070361A
Authority: JP
Inventors: 英司入谷; 康人向井; オンタン
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP2002263452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学プロセス産業，用・廃水の処理等に用いられる濾過方法に関し、詳しくは膜を透過させることで処理水に含まれる不純物を除去する膜濾過方法のエネルギー効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膜濾過方法では、不純物を含んだ処理水を膜の一方の面から他方の面へ透過させることで、処理水中の不純物を膜表面に付着させて除去する。したがって、時間の経過に伴って膜表面に不純物が付着・堆積して濾過能力が低下する。このため、濾過能力が設定した能力以下となると、膜表面を洗浄することで膜表面に付着した付着物を剥離させ、膜の濾過能力を回復する処理が行われる。すなわち、膜濾過方法では、図５（ａ）に示すように、膜によって処理水中の不純物を濾過する濾過工程と、濾過工程により膜表面に付着した付着物を洗浄する洗浄工程〔具体的には、逆洗（処理水を逆方向に流すこと）や膜表面に空気を散気する等の処理〕が繰り返し行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の膜濾過方法では、図５（ｂ）に示すように、濾過工程のあいだじゅう濾過速度（膜を透過する処理水の単位時間当たりの流量）が一定となる方式で濾過処理が行われていた。そのため、図５（ｃ）に示すように、濾過圧力（膜の圧力損失）は、膜表面に付着する付着物によって時間経過に伴って指数関数的に急増する。このため、従来の膜濾過方法では、比較的短い周期で膜の洗浄を行う必要が生じるが、この膜の洗浄には多くのエネルギーを必要とするため、膜の洗浄回数が増えることでエネルギー効率が悪化するという問題があった。
また、この膜の洗浄回数を少なくするために、濾過速度を小さく設定することも考えられる。しかしながら、濾過速度を小さく設定すると膜の単位面積辺りの処理量も小さくなり、同一の濾過能力を得ようとすると、装置（膜の面積）が大型化するという問題がある。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、装置の大型化を抑制しつつエネルギー効率が高い膜濾過方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記課題を解決するため本発明の運転条件決定方法は、濾過圧力が設定圧力未満の場合に、濾過速度が目標濾過速度となるように濾過圧力を上昇させながら処理水を濾過する定速濾過工程と、濾過圧力が設定圧力以上となった場合に、濾過圧力が設定圧力で維持されるように濾過速度を減少させながら処理水を濾過する定圧濾過工程と、定圧濾過工程において濾過速度が設定速度以下となった場合に、膜を洗浄する洗浄工程と、を有し、前記定速濾過工程、定圧濾過工程、洗浄工程を繰り返し実行することで処理水に含まれる不純物を除去する膜濾過方法において、前記目標濾過速度、設定圧力及び設定速度を決定する方法であって、（１）目標濾過速度、設定圧力及び設定速度を仮決定するステップ、（２）仮決定した目標濾過速度で定速濾過処理を行う場合の、濾過圧力が仮決定した設定圧力となるまでの濾過圧力の経時的変化を取得するステップ、（３）定速濾過工程後に濾過圧力が仮決定した設定圧力で一定となるように定圧濾過処理を行う場合の、濾過速度が仮決定した設定速度となるまでの濾過速度の経時的変化を取得するステップ、（４）前記（２）のステップで取得した濾過圧力の経時的変化と、前記（３）のステップで取得した濾過速度の経時的変化とに基づいてエネルギー効率を算出するステップ、を有する。そして、前記（１）〜（４）のステップを複数回実行することで、仮決定した目標濾過速度、設定圧力及び設定速度の複数の組合せについてエネルギー効率を算出し、エネルギー効率が最も良くなる目標濾過速度、設定圧力及び設定速度の組合せを運転条件として決定することを特徴とする。
【０００６】
上記運転条件決定方法では、まず、定速濾過工程における目標濾過速度と、定速濾過工程から定圧濾過工程に切換える時の設定圧力（定圧濾過工程における目標圧力）と、定圧濾過工程から洗浄工程に切換える時の設定速度を仮決定する。次に、仮決定した運転条件（目標濾過速度，設定圧力，設定速度）で定速濾過工程を行ったときの濾過圧力の経時的変化と、定圧濾過工程を行ったときの濾過速度の経時的変化を取得する。そして、取得した定速濾過工程における濾過圧力の経時的変化と定圧濾過工程における濾過速度の経時的変化からエネルギー効率を算出する。このエネルギー効率の算出は、仮決定した複数の目標濾過速度，設定圧力，設定速度の組合せについて行われ、最もエネルギー効率が良くなる目標濾過速度，設定圧力，設定速度を運転条件として決定する。
【０００７】
上述した運転条件決定方法においては、前記（４）のステップは、前記（２）のステップで取得した濾過圧力の経時的変化に基づいて定速濾過工程におけるエネルギー量と処理水の処理量を算出し、前記（３）のステップで取得した濾過速度の経時的変化から定圧濾過工程におけるエネルギー量と処理水の処理量を算出し、両工程におけるエネルギー量と処理水の処理量からエネルギー効率を算出することが好ましい（請求項２）。
【０００８】
上述した各運転条件決定方法においては、前記（２）と（３）の各ステップでは、膜表面に生成されるケーク生成量を推定することで濾過圧力の経時的変化又は濾過速度の経時的変化をそれぞれ算出することが好ましい（請求項３）。
【０００９】
また、本発明に係る膜濾過方法は、膜を透過させることで処理水に含まれる不純物を除去する膜濾過方法であって、濾過圧力が設定圧力未満の場合に、濾過速度が目標濾過速度となるように濾過圧力を上昇させながら処理水を濾過する定速濾過工程と、濾過圧力が設定圧力以上となった場合に、濾過圧力が設定圧力で維持されるように濾過速度を減少させながら処理水を濾過する定圧濾過工程と、定圧濾過工程において濾過速度が設定速度となった場合に、膜を洗浄する洗浄工程と、を有し、前記目標濾過速度、設定圧力及び設定速度が請求項１乃至３のいずれかに記載の方法によって決定され、前記定速濾過工程、定圧濾過工程、洗浄工程が繰り返し実行されることを特徴とする。
この膜濾過方法では、濾過圧力が設定圧力未満の場合は、濾過速度が目標濾過速度となるように濾過圧力を上昇させながら濾過処理を行い、濾過圧力が設定圧力以上となると、濾過圧力が設定圧力で維持されるように濾過速度を減少させながら濾過処理が行われる。したがって、濾過圧力が低いときは濾過速度を高く維持しながら多くの処理水を処理し、逆に、濾過圧力が高くなると濾過速度を減少させながら濾過圧力の過度の上昇を抑制する。このため、膜の単位面積当りの処理量を減らしすぎることなく、濾過圧力の過度の上昇を抑制し、膜洗浄を行う周期を伸ばすことができる。したがって、装置の大型化を抑制しつつ、エネルギー効率を高くすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態に係る膜濾過システムについて図面を参照して説明する。図１は膜濾過システムの全体構成を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る膜濾過システムは膜濾過装置２４を中心に構成され、膜濾過装置２４に供給される処理水に前処理を施す前処理設備（処理水槽１０、水位調整槽１２、恒温槽１４、凝集混和槽１６）と、前処理が施された処理水を膜濾過装置２４に供給するギヤポンプ１８と、膜濾過装置２４で処理された処理水（透過水）を貯留する透過水槽２６と、システム全体を制御する制御装置３０等が設けられる。
前処理設備は、処理水槽１０と、処理水槽１０に接続された水位調整槽１２と、水位調整槽１２に接続された恒温槽１４と、恒温槽１４に接続された凝集混和槽１６から構成される。処理水槽１０は、処理水（原水）を貯留する貯留槽であり、処理水槽１０内に貯留されている処理水は水位調整槽１２に供給される。水位調整槽１２は、処理水槽１０から送られてきた処理水のＰＨを調整し、ＰＨが調整された処理水を恒温槽１４に供給する。この水位調整槽１２は、その水位が調整されることで、恒温槽１４に安定して処理水を供給する。すなわち、水位調整槽１２内の処理水の水位が一定となるように、処理水槽１０から送られてきた余剰の処理水（処理水槽１０から供給された処理水と恒温槽１４に送り出された処理水との差）を処理水槽１０に戻す機能を備えている。恒温槽１４は、処理水の温度を一定に保つための槽であり、温度が一定とされた処理水は凝集混和槽１６に供給される。凝集混和槽１６は、処理水に凝集剤（例えば、ポリ塩化アルミニウム等）を混入する槽である。この凝集混和槽１６には、攪拌装置が設けられており、この攪拌装置により投入された凝集剤と処理水が均一に混合される。凝集混和槽１６で投入された凝集剤は、処理水中の不純物（有機物等）と結合し、膜濾過装置２４の膜により処理水中の不純物と共に処理水から除去される。
【００１１】
上述のように前処理が施された処理水は、ギヤポンプ１８によって膜濾過装置２４に供給される。ギヤポンプ１８は、後で詳述する制御装置３０によって、その回転数が制御され、回転数に応じた流量の処理水を膜濾過装置２４に供給する。ギヤポンプ１８と膜濾過装置２４とを接続する処理水の供給管には、流量計２０と、圧力計２２が配設されている。流量計２０は、膜濾過装置２４に供給される処理水の流量（濾過速度に相当）を測定し、その測定した値を制御装置３０に出力する。また、圧力計２２は、膜濾過装置２４に供給される処理水の圧力（濾過圧力に相当）を測定し、その測定した値を制御装置３０に出力する。
【００１２】
膜濾過装置２４は、円筒形状のモノリス状のセラミック膜（精密濾過膜）を備え、このセラミック膜は上端及び下端を金属板等で閉じられている。セラミック膜の下端を閉じる金属板には処理水の供給口が設けられ、この供給口から供給された処理水はセラミック膜の円筒内に流れるようになっている。したがって、セラミック膜の円筒内に供給された処理水は、セラミック膜の内周側から外周側に透過することとなる。このため、処理水中の不純物（凝集剤により凝集した不純物）は、セラミック膜の内周面に付着し処理水から除去される。セラミック膜を透過して外側に流れ出た処理水（透過水）は、透過水槽２６に流れ出ることとなる。
【００１３】
透過水槽２６は、膜濾過装置２４により濾過処理された処理水（透過水）を所定量だけ貯留する貯留槽（密閉容器）であり、余剰の透過水は処理済水として排出する。この透過水槽２６にはコンプレッサ２８が接続されており、また、膜濾過装置２４と透過水槽２６とを接続する配水管及び透過水槽２６内の余剰の透過水を排出する配水管には、それぞれバルブ３２、３４が配設されている。これらコンプレッサ２８並びにバルブ３２、３４は制御装置３０により制御され、濾過工程においてはコンプレッサ２８がＯＦＦでバルブ３２、３４が開状態とされ、洗浄工程においてはコンプレッサ２８がＯＮでバルブ３２、３４が閉状態とされる。したがって、濾過工程では膜濾過装置２４により濾過された透過水が透過水槽２６を経て排出され、洗浄工程ではコンプレッサ２８によって加圧された空気が透過水槽２６内に供給されることで、透過水槽２６内に貯留した透過水を膜濾過装置２４に供給することとなる。このため、洗浄工程においては、膜濾過装置２４に濾過工程とは逆方向（セラミック膜の外側から内側）に透過水が流れ、膜濾過装置２４のセラミック膜の表面（内周面）に付着した付着物を除去する。
【００１４】
制御装置３０は、上述したように構成される膜濾過システムを制御する制御装置であり、流量計２０及び圧力計２２で測定された測定値に基づいてギヤポンプ１８及びコンプレッサ２８の作動を制御する。この制御装置３０における処理を、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
図２に示すように、電源がＯＮされると制御装置３０は、まず膜濾過装置２４に供給される処理水の圧力及び流量を検出する（Ｓ０１，Ｓ０２）。具体的には、圧力計２２及び流量計２０から出力される信号により膜濾過装置２４に供給される処理水の圧力及び流量を検出する。膜濾過装置２４に供給される圧力及び流量が検出されると、制御装置３０は、検出した圧力が設定した圧力（以下、設定圧力という）未満であるか否かを判断する（Ｓ０３）。このステップＳ０３の設定圧力は、処理水に含まれる不純物の特性〔膜表面に形成されるケークの特性（圧縮性等）〕に基づいて適宜決定することができる。
検出した圧力が設定圧力未満の場合〔ステップＳ０３でＹＥＳの場合〕にはステップＳ０９に進み、流量計２０により測定された処理水の流量に基づいてギヤポンプ１８を駆動する制御を行う（Ｓ０９）。すなわち、膜濾過装置２４に供給される処理水の流量が予め設定した目標流量（以下、単に目標流量という）となるようにギヤポンプ１８を駆動する。具体的には、流量計２０で測定した流量と目標流量との偏差に基づいて、ギヤポンプ１８の回転数を変化させる。なお、この目標流量は、膜濾過装置２４の濾過能力の範囲内で適宜決定することができる。
【００１５】
一方、検出した圧力が設定圧力以上となっている場合〔ステップＳ０３でＮＯの場合〕には、さらに、検出した流量が設定した流量（以下、単に設定流量という）未満となっているか否かを判断する（Ｓ０４）。このステップＳ０４の設定流量は、濾過効率・エネルギー効率を考慮して、上述したステップＳ０９の目標流量よりも少ない流量とされる。
検出した流量が設定流量以上の場合〔ステップＳ０４でＮＯの場合〕にはステップＳ０５に進み、圧力計２２により測定された処理水の圧力に基づいてギヤポンプ１８を駆動する制御を行う（Ｓ０５）。すなわち、膜濾過装置２４に供給される処理水の圧力が予め設定した目標圧力（以下、単に目標圧力という）となるように、圧力計２２で検出した圧力と目標圧力の偏差に基づいてギヤポンプ１８を駆動する。なお、本実施の形態では、ステップＳ０５の目標圧力は、ステップＳ０３の設定圧力と同一の値とされる。したがって、膜濾過装置２４に供給される圧力が設定圧力以上となると、処理水の圧力が設定圧力で維持されるようギヤポンプ１８の回転数が時間の経過に伴って徐々に小さくなる。
逆に、検出した流量が設定流量未満の場合〔ステップＳ０４でＹＥＳの場合〕にはギヤポンプ１８を停止する（Ｓ０７）。次いで、バルブ３２，３４を閉じて、コンプレッサ２８を所定時間だけ作動させる（Ｓ０８）。これにより、透過水槽２６に貯留された透過水が膜濾過装置２４に供給され、膜濾過装置２４の膜表面に付着したケークを剥離して膜面が洗浄される。
上述したステップＳ０９、Ｓ０５又はＳ０８の処理が終了すると、ステップＳ０１の処理に戻って、ステップＳ０１からの処理が繰り返されることとなる。
【００１６】
したがって、上述した膜濾過システムは、処理水の流量が一定となるように濾過される定速濾過工程と、処理水の圧力が一定となるように濾過される定圧濾過工程と、膜面が洗浄される洗浄工程とが繰り返し実行されることとなる。このような膜濾過システムによる処理の経時的変化を、図３を用いて説明する。図３は、本膜濾過システムの濾過流量と時間、並びに、濾過圧力と時間との関係を模式的に示す図面である。
図３に示すように、本膜濾過システムでは濾過圧力（圧力計２２で検出される圧力）が設定圧力より小さい場合には、濾過流量（濾過速度）が目標の値となるようにギヤポンプ１８が駆動される（定速濾過工程）。このため、膜の表面に付着する不純物により、濾過圧力は時間の経過とともに徐々に増加することとなる。
一方、濾過圧力が上昇し設定圧力以上となると、濾過圧力が設定圧力で維持されるようギヤポンプ１８が駆動される（定圧濾過工程）。したがって、濾過流量は、時間の経過に伴い徐々に減少する。そして、濾過流量が設定流量より小さくなったときにギヤポンプ１８が停止し、コンプレッサ２８による逆洗が行われる（洗浄工程）。このため、膜濾過装置２４の濾過能力が回復し、上述した定速濾過工程、定圧濾過工程、洗浄工程を繰り返すこととなる。
【００１７】
なお、上述したステップＳ０３の設定圧力〔定圧濾過処理（ステップＳ０５の処理）における目標圧力〕、ステップＳ０９における目標流量、及びステップＳ０４の設定流量は、処理水に含まれる不純物の特性（ケークの圧縮性）に基づいて適宜決定することができる。例えば、次の手順で決定することができる。
すなわち、まず、設定圧力、目標流量、設定流量を適宜定める。そして、第１ステップとして、定速濾過理論に基づいて定速濾過工程において膜表面に生成されるケークの経時的な生成量を推定し、この推定したケークの生成量を用いて、また、処理水に含まれる不純物によるセラミック膜の目詰まりについては中間閉塞モデルも使用して濾過圧力の経時的変化を算出する。そして、求めた濾過圧力の経時的変化から濾過圧力が設定圧力となるまでの時間を算出する。次に、第２ステップとして、濾過流量が設定流量で、かつ、濾過圧力が設定圧力となるときのケーク生成量を推定し、この推定したケークの生成量を用いて濾過流量の経時的変化を算出する。
以上の第１、第２ステップにおける濾過圧力と濾過流量の経時的変化（図３参照）からギヤポンプ１８を駆動するためのエネルギー量を算出し、また、１サイクルで生成されるケーク生成量から濾過される処理水の処理量を算出する。そして、これら算出したエネルギー量と処理量とからエネルギー効率を求める。この場合には、コンプレッサ２８による逆洗で消費されるエネルギーロスと逆洗液量も考慮する必要がある。
このようなエネルギー効率の計算を、設定圧力・目標流量・設定流量を種々変更した組合せについて実行し、エネルギー効率が最も良くなる条件（設定圧力、目標流量、設定流量）を、最終的な値とすれば良い。なお、上述した説明は、計算により決定する場合の説明であったが、実験的にエネルギー効率を求めて決定するようにしても良いことはいうまでもない。
【００１８】
【実験例】
次に、上述した膜濾過システムを用いて、生活系下水二次処理水を膜濾過処理した実験の結果について説明する。この実験では、設定圧力（目標圧力）を４２ｋＰａとし、目標流量としては平均目標流量を数％上回る流量とし、設定流量としては平均目標流量を数％下回る流量に設定した。また、比較例として、濾過工程のあいだ濾過流量を平均目標流量となるように維持する従来法による実験を行った。
実験結果を図４に示す。図４は、縦軸を膜の圧力損失（すなわち、圧力計２２で検出された処理水の圧力）〔ｋＰａ〕とし、横軸を濾液量（処理した処理水の量を膜面積で除したもの）〔ｃｍ〕として、膜の圧力損失と濾液量の関係を示す図である。図４に示すように、本発明法（図３参照）による実験では、圧力損失が低い範囲内では処理流量が一定となるように濾過処理が行われるため（定速濾過処理）、濾液量（処理量）が増加するに伴って圧力損失が増大した。そして、圧力損失が設定圧力（この実験では４２ｋＰａ）となった後は、この設定圧力で維持されながら濾過処理が行われ（定圧濾過処理）、濾液量は徐々に増加した。そして、処理流量が設定流量未満となると洗浄処理が行われ、以後、定速濾過処理、定圧濾過処理、洗浄処理が繰り返された。一方、従来法（図５参照）による実験では、濾過処理のあいだ処理流量が一定（平均目標流量）で運転されるため、濾過処理の終期において圧力損失は急激に上昇した。このため、上述した本発明法による実験よりも早いタイミングで洗浄処理が必要となった。そして、洗浄処理が行われた後は、上述の濾過処理、洗浄処理が繰り返して行われた。図４から明らかなように、本発明法による実験では、洗浄を行う周期を従来法による実験に比較して約１．５倍に伸ばすことができた（すなわち、この実験例では、同一濾液量を処理するのに従来法が３回洗浄が必要であるのに対して本発明法では２回の洗浄で良かった。）。
【００１９】
上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る膜濾過システムでは、濾過圧力が低い間は処理流量が一定となるように処理され、濾過圧力が所定の値となると濾過圧力が一定となるように処理が行われる。従って、濾過圧力が顕著に上昇傾向を示す手前で濾過圧力の上昇が抑えられ、膜の洗浄までの時間を伸ばすことができる。
また、膜の洗浄回数が少なくなるためコンプレッサ２８を運転するために必要なエネルギー量（洗浄のためのエネルギー）を低く抑えることができ、また、濾過処理においては、濾過圧力が低い範囲内でギヤポンプ１８が運転されるため、ギヤポンプ１８を駆動するエネルギー量を低く抑えることができる。これらの理由によって、本実施形態に係る膜濾過システムではエネルギー効率を向上することができる。
【００２０】
以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限られることなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、上述した膜濾過装置では、膜の内側から外側に処理水を透過することで濾過処理を行ったが、このような形態に限られず、膜の外側から内側に処理水を透過するような形態としても良い。すなわち、膜濾過装置の下流側に吸引ポンプ等を接続し、この吸引ポンプを作動することで膜の外側から内側に処理水を吸引するようにしても良い。この場合には、膜の圧力損失（処理水の圧力）を検出する位置は、膜濾過装置の下流で検出することとなる。なお、膜濾過装置で処理される処理流量を測定する位置は、膜濾過システムの構造に併せて膜濾過装置の上流又は下流の適宜の位置で測定すれば良い。
また、膜面を洗浄する方法としては、上述した逆洗に限られず、公知の種々の方法（散気装置によって空気を膜面に散気する方法、膜を回転させて遠心力により膜面の付着物を剥離する方法等）を使用することができる。
【００２１】
さらに、膜濾過装置（膜ユニット）を複数設けることで、単位時間当たりの処理水の処理量が変動しない膜濾過システムを構築することもできる。すなわち、複数の膜濾過装置毎に稼動タイミングを適宜制御することで、定速運転・定圧運転・膜面洗浄のタイミングをずらし、システム全体として単位時間当たりの処理水の流量が一定となるようにしても良い。このような形態とすると、化学プロセス産業等において時間当たりに一定の流量で排出される処理水を効率的に濾過することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る膜濾過システムの全体構成を示す図。
【図２】図１に示す膜濾過システムにおける制御装置の処理を示すフローチャート。
【図３】図１に示す膜濾過システムの濾過速度と時間、並びに、濾過圧力と時間との関係を模式的に示す図。
【図４】図１に示す膜濾過システムを用いて行った一実験の結果を示す図。
【図５】従来の膜濾過方法を説明するための図。
【符号の説明】
１０・・処理水槽
１２・・水位調整槽
１４・・恒温槽
１６・・凝集混和槽
１８・・ギヤポンプ
２０・・流量計
２２・・圧力計
２４・・膜濾過装置
２６・・透過水槽
２８・・コンプレッサ
３０・・制御装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a filtration method used in the chemical process industry, treatment of wastewater, and the like, and more particularly, to a technique for improving energy efficiency of a membrane filtration method for removing impurities contained in treated water by permeating the membrane.
[0002]
[Prior art]
In the membrane filtration method, impurities in treated water are removed by adhering to the surface of the membrane by passing treated water containing impurities from one surface of the membrane to the other surface. Therefore, as time passes, impurities adhere and accumulate on the membrane surface, and the filtration ability is reduced. For this reason, when the filtration capacity becomes equal to or less than the set capacity, a process of cleaning the membrane surface to remove the deposits attached to the membrane surface and recovering the filtration ability of the membrane is performed. That is, in the membrane filtration method, as shown in FIG. 5 (a), a filtration step of filtering impurities in the treated water by a membrane, and a washing step of washing deposits attached to the membrane surface by the filtration step [specifically, Backwashing (flowing the treated water in the opposite direction) or diffusing air on the film surface].
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional membrane filtration method, as shown in FIG. 5 (b), the filtration process is performed in such a manner that the filtration speed (the flow rate of treated water permeating the membrane per unit time) is constant throughout the filtration process. Had been Therefore, as shown in FIG. 5C, the filtration pressure (pressure loss of the membrane) increases exponentially with the passage of time due to the deposits adhering to the membrane surface. For this reason, in the conventional membrane filtration method, it is necessary to wash the membrane in a relatively short cycle. However, since this membrane requires a lot of energy, the number of times the membrane is washed increases energy efficiency. There was a problem that was worse.
Further, in order to reduce the number of times of washing the membrane, it is conceivable to set the filtration rate to a low value. However, when the filtration rate is set to be low, the throughput per unit area of the membrane is also small, and there is a problem that the apparatus (the area of the membrane) becomes large in order to obtain the same filtration performance.
[0004]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a membrane filtration method with high energy efficiency while suppressing an increase in the size of the apparatus.
[0005]
Means for Solving the Problems, Functions and Effects
In order to solve the above-mentioned problems, the method for determining operating conditions of the present invention comprises a constant-speed filtration step of filtering treated water while increasing the filtration pressure so that the filtration speed becomes the target filtration speed when the filtration pressure is lower than the set pressure. And when the filtration pressure is equal to or higher than the set pressure, a constant pressure filtration step of filtering the treated water while reducing the filtration rate so that the filtration pressure is maintained at the set pressure. In the case of the following, a washing step of washing the membrane, and, in the membrane filtration method for removing impurities contained in the treated water by repeatedly performing the constant speed filtration step, constant pressure filtration step, washing step A method for determining the target filtration speed, the set pressure and the set speed, wherein: (1) temporarily determining the target filtration speed, the set pressure and the set speed; A step of obtaining a temporal change in the filtration pressure until the filtration pressure reaches the provisionally determined set pressure in the case of performing the over-treatment; (3) the filtration pressure becomes constant at the provisionally determined set pressure after the constant-speed filtration step. Acquiring the temporal change of the filtration speed until the filtration speed reaches the tentatively determined set speed in the case of performing the constant pressure filtration process as described above; (4) The temporal change of the filtration pressure acquired in the step (2). Calculating the energy efficiency based on the change and the temporal change of the filtration rate obtained in the step (3). By executing the steps (1) to (4) a plurality of times, energy efficiency is calculated for a plurality of combinations of the provisionally determined target filtration speed, the set pressure, and the set speed. A combination of a filtration speed, a set pressure, and a set speed is determined as an operating condition.
[0006]
In the above operating condition determination method, first, the target filtration speed in the constant speed filtration step, the set pressure when switching from the constant speed filtration step to the constant pressure filtration step (the target pressure in the constant pressure filtration step), and the constant pressure filtration step to the washing step. The set speed at the time of switching is provisionally determined. Next, the temporal change of the filtration pressure when the constant-speed filtration step is performed under the temporarily determined operating conditions (the target filtration rate, the set pressure, and the set speed), and the temporal change of the filtration rate when the constant-pressure filtration step is performed. Get change. Then, energy efficiency is calculated from the obtained temporal change of the filtration pressure in the constant speed filtration step and the temporal change of the filtration rate in the constant pressure filtration step. The calculation of the energy efficiency is performed for a combination of a plurality of provisionally determined target filtration speeds, set pressures, and set speeds, and the target filtration speed, the set pressure, and the set speed that provide the best energy efficiency are determined as operating conditions.
[0007]
In the above-mentioned method for determining operating conditions, the step (4) calculates the amount of energy and the amount of treated water in the constant-speed filtration process based on the temporal change of the filtration pressure obtained in the step (2). Then, the amount of energy and the amount of treated water in the constant-pressure filtration step are calculated from the temporal change of the filtration rate obtained in the step (3), and the energy efficiency is calculated from the amount of energy and the amount of treated water in both steps. (Claim 2).
[0008]
In each of the above-described methods for determining operating conditions, in each of the steps (2) and (3), a change in filtration pressure or a change in filtration rate over time is estimated by estimating the amount of cake formed on the membrane surface. Is preferably calculated respectively (claim 3).
[0009]
Further, the membrane filtration method according to the present invention is a membrane filtration method of removing impurities contained in the treated water by permeating the membrane, when the filtration pressure is less than the set pressure, the filtration rate is the target filtration rate and A constant-speed filtration step of filtering the treated water while increasing the filtration pressure so that the filtration pressure is maintained at the set pressure when the filtration pressure is equal to or higher than the set pressure. A constant pressure filtration step of filtering water; and a washing step of washing the membrane when the filtration rate reaches the set rate in the constant pressure filtration step, wherein the target filtration rate, the set pressure and the set speed are set. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the constant-speed filtration step, the constant-pressure filtration step, and the washing step are repeatedly performed.
In this membrane filtration method, when the filtration pressure is lower than the set pressure, the filtration process is performed while increasing the filtration pressure so that the filtration speed becomes the target filtration speed. When the filtration pressure is equal to or higher than the set pressure, the filtration pressure is set. The filtration process is performed while reducing the filtration rate so that it is maintained at pressure. Therefore, when the filtration pressure is low, a large amount of treated water is treated while maintaining the filtration speed high. Conversely, when the filtration pressure is increased, the filtration speed is reduced while suppressing an excessive increase in the filtration pressure. For this reason, it is possible to suppress an excessive increase in the filtration pressure and extend the cycle of performing the membrane cleaning without excessively reducing the throughput per unit area of the membrane. Therefore, energy efficiency can be increased while suppressing an increase in the size of the device.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A membrane filtration system according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the membrane filtration system.
As shown in FIG. 1, the membrane filtration system according to the present embodiment is mainly configured with a membrane filtration device 24, and performs a pretreatment facility (the treatment water tank 10, which performs pretreatment on the treatment water supplied to the membrane filtration device 24). Water level adjusting tank 12, thermostatic bath 14, coagulation mixing tank 16), gear pump 18 for supplying pretreated treated water to membrane filtration device 24, and treated water (permeated water) treated by membrane filtration device 24. And a control device 30 for controlling the whole system.
The pretreatment equipment includes a treatment water tank 10, a water level adjustment tank 12 connected to the treatment water tank 10, a constant temperature tank 14 connected to the water level adjustment tank 12, and a coagulation mixing tank 16 connected to the constant temperature tank 14. You. The treated water tank 10 is a storage tank for storing treated water (raw water), and the treated water stored in the treated water tank 10 is supplied to a water level adjusting tank 12. The water level adjusting tank 12 adjusts the pH of the treated water sent from the treated water tank 10, and supplies the treated water whose pH has been adjusted to the constant temperature tank 14. The water level of the water level adjusting tank 12 is adjusted to adjust the water level, so that the constant temperature tank 14 is supplied with the treated water stably. That is, the excess treated water sent from the treated water tank 10 (the treated water supplied from the treated water tank 10 and the treated water sent out to the constant temperature tank 14) so that the treated water level in the water level adjusting tank 12 becomes constant. (A difference from water) is returned to the treated water tank 10. The thermostatic bath 14 is a bath for keeping the temperature of the treated water constant, and the treated water whose temperature is kept constant is supplied to the coagulation mixing tank 16. The coagulation mixing tank 16 is a tank for mixing a coagulant (for example, polyaluminum chloride or the like) into the treated water. The coagulation mixing tank 16 is provided with a stirrer, and the coagulant and the treated water are uniformly mixed by the stirrer. The coagulant charged in the coagulation mixing tank 16 is combined with impurities (organic substances and the like) in the treatment water, and is removed from the treatment water together with the impurities in the treatment water by the membrane of the membrane filtration device 24.
[0011]
The treated water subjected to the pretreatment as described above is supplied to the membrane filtration device 24 by the gear pump 18. The rotation speed of the gear pump 18 is controlled by a control device 30 described later in detail, and supplies the treated water at a flow rate corresponding to the rotation speed to the membrane filtration device 24. A flowmeter 20 and a pressure gauge 22 are provided in a supply pipe of the treated water connecting the gear pump 18 and the membrane filtration device 24. The flow meter 20 measures the flow rate (corresponding to a filtration rate) of the treated water supplied to the membrane filtration device 24, and outputs the measured value to the control device 30. The pressure gauge 22 measures the pressure (corresponding to the filtration pressure) of the treated water supplied to the membrane filtration device 24, and outputs the measured value to the control device 30.
[0012]
The membrane filtration device 24 includes a cylindrical monolithic ceramic membrane (microfiltration membrane), and the upper and lower ends of the ceramic membrane are closed by a metal plate or the like. A supply port for treated water is provided on the metal plate closing the lower end of the ceramic film, and the treated water supplied from this supply port flows into the cylinder of the ceramic film. Therefore, the treated water supplied into the cylinder of the ceramic membrane permeates from the inner peripheral side to the outer peripheral side of the ceramic membrane. Therefore, impurities in the treated water (impurities agglomerated by the flocculant) adhere to the inner peripheral surface of the ceramic film and are removed from the treated water. The treated water (permeated water) that has passed through the ceramic membrane and has flowed out flows into the permeated water tank 26.
[0013]
The permeated water tank 26 is a storage tank (sealed vessel) for storing a predetermined amount of treated water (permeated water) filtered by the membrane filtration device 24, and discharges excess permeated water as treated water. A compressor 28 is connected to the permeate tank 26, and a valve is provided in each of a water pipe connecting the membrane filtration device 24 and the permeate tank 26 and a water pipe for discharging excess permeate in the permeate tank 26. 32 and 34 are provided. The compressor 28 and the valves 32 and 34 are controlled by the control device 30. In the filtration step, the compressor 28 is turned off and the valves 32 and 34 are opened. In the washing step, the compressor 28 is turned on and the valves 32 and 34 are closed. State. Therefore, in the filtration step, the permeated water filtered by the membrane filtration device 24 is discharged through the permeated water tank 26, and in the washing step, the air pressurized by the compressor 28 is supplied into the permeated water tank 26, whereby the permeated water tank 26 is discharged. The permeated water stored therein is supplied to the membrane filtration device 24. For this reason, in the washing process, the permeated water flows in the membrane filtration device 24 in the opposite direction (from the outside to the inside of the ceramic membrane) to the filtration process, and adheres to the surface (inner peripheral surface) of the ceramic membrane of the membrane filtration device 24. Remove deposits.
[0014]
The control device 30 is a control device that controls the membrane filtration system configured as described above, and controls the operation of the gear pump 18 and the compressor 28 based on the measurement values measured by the flow meter 20 and the pressure gauge 22. The processing in the control device 30 will be described based on the flowchart shown in FIG.
As shown in FIG. 2, when the power is turned on, the control device 30 first detects the pressure and flow rate of the treatment water supplied to the membrane filtration device 24 (S01, S02). Specifically, the pressure and flow rate of the treated water supplied to the membrane filtration device 24 are detected based on signals output from the pressure gauge 22 and the flow meter 20. When the pressure and the flow rate supplied to the membrane filtration device 24 are detected, the control device 30 determines whether or not the detected pressure is lower than a set pressure (hereinafter, referred to as a set pressure) (S03). The set pressure in step S03 can be appropriately determined based on the characteristics of the impurities contained in the treated water [the characteristics (such as compressibility) of the cake formed on the film surface].
If the detected pressure is lower than the set pressure [YES in step S03], the process proceeds to step S09, in which control is performed to drive the gear pump 18 based on the flow rate of the treated water measured by the flow meter 20 (S09). That is, the gear pump 18 is driven such that the flow rate of the treated water supplied to the membrane filtration device 24 becomes a preset target flow rate (hereinafter, simply referred to as a target flow rate). Specifically, the rotation speed of the gear pump 18 is changed based on the deviation between the flow rate measured by the flow meter 20 and the target flow rate. The target flow rate can be appropriately determined within the range of the filtration capacity of the membrane filtration device 24.
[0015]
On the other hand, if the detected pressure is equal to or higher than the set pressure (NO in step S03), it is further determined whether the detected flow rate is lower than the set flow rate (hereinafter, simply referred to as the set flow rate). A determination is made (S04). The set flow rate in step S04 is set to a flow rate smaller than the target flow rate in step S09 described above in consideration of filtration efficiency and energy efficiency.
If the detected flow rate is equal to or greater than the set flow rate (NO in step S04), the process proceeds to step S05, in which control is performed to drive the gear pump 18 based on the pressure of the treated water measured by the pressure gauge 22 (S05). That is, the gear pump 18 is controlled based on the difference between the pressure detected by the pressure gauge 22 and the target pressure such that the pressure of the treated water supplied to the membrane filtration device 24 becomes a preset target pressure (hereinafter, simply referred to as a target pressure). Drive. In the present embodiment, the target pressure in step S05 is set to the same value as the set pressure in step S03. Therefore, when the pressure supplied to the membrane filtration device 24 becomes equal to or higher than the set pressure, the rotation speed of the gear pump 18 gradually decreases with time so that the pressure of the treated water is maintained at the set pressure.
Conversely, if the detected flow rate is less than the set flow rate (YES in step S04), the gear pump 18 is stopped (S07). Next, the valves 32 and 34 are closed, and the compressor 28 is operated for a predetermined time (S08). Thereby, the permeated water stored in the permeated water tank 26 is supplied to the membrane filtration device 24, and the cake adhering to the membrane surface of the membrane filtration device 24 is peeled off to clean the membrane surface.
When the processing in step S09, S05, or S08 described above is completed, the process returns to step S01, and the processing from step S01 is repeated.
[0016]
Therefore, the above-described membrane filtration system includes a constant-speed filtration step in which the flow rate of the treated water is filtered to be constant, a constant-pressure filtration step in which the treated water is filtered so that the pressure of the treated water is constant, and cleaning of the membrane surface. The cleaning process is repeatedly performed. The change over time in the processing by such a membrane filtration system will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a drawing schematically showing the relationship between the filtration flow rate and time and the filtration pressure and time of the present membrane filtration system.
As shown in FIG. 3, in the present membrane filtration system, when the filtration pressure (the pressure detected by the pressure gauge 22) is smaller than the set pressure, the gear pump 18 is controlled so that the filtration flow rate (the filtration speed) becomes a target value. It is driven (constant speed filtration step). Therefore, the filtration pressure gradually increases over time due to impurities adhering to the surface of the membrane.
On the other hand, when the filtration pressure rises and becomes equal to or higher than the set pressure, the gear pump 18 is driven so that the filtration pressure is maintained at the set pressure (constant pressure filtration step). Therefore, the filtration flow rate gradually decreases with time. Then, when the filtration flow rate becomes smaller than the set flow rate, the gear pump 18 stops, and the compressor 28 performs backwashing (cleaning step). Therefore, the filtration capacity of the membrane filtration device 24 is restored, and the above-described constant-speed filtration step, constant-pressure filtration step, and washing step are repeated.
[0017]
The set pressure (the target pressure in the constant-pressure filtration process (the process in the step S05)) in step S03, the target flow rate in the step S09, and the set flow rate in the step S04 are based on the characteristics of impurities contained in the treated water (cake compression G) can be appropriately determined. For example, it can be determined by the following procedure.
That is, first, the set pressure, the target flow rate, and the set flow rate are appropriately determined. Then, as a first step, the amount of cake generated over time on the membrane surface in the constant-speed filtration step is estimated based on the constant-speed filtration theory, and the estimated amount of cake is used. Regarding the clogging of the ceramic membrane due to impurities contained in water, the temporal change of the filtration pressure is calculated using an intermediate blockage model. Then, the time until the filtration pressure reaches the set pressure is calculated from the temporal change of the obtained filtration pressure. Next, as a second step, the amount of cake generated when the filtration flow rate is the set flow rate and the filtration pressure becomes the set pressure is estimated, and the change over time in the filtration flow rate is estimated using the estimated cake generation amount. calculate.
The amount of energy for driving the gear pump 18 is calculated from the temporal changes in the filtration pressure and the filtration flow rate in the first and second steps (see FIG. 3), and the amount of cake generated in one cycle is filtered. The amount of treated water to be processed is calculated. Then, the energy efficiency is obtained from the calculated energy amount and the processing amount. In this case, it is necessary to consider the energy loss consumed in the backwash by the compressor 28 and the amount of the backwash liquid.
Such energy efficiency calculation is performed for various combinations of the set pressure, the target flow rate, and the set flow rate, and the conditions (set pressure, target flow rate, and set flow rate) at which the energy efficiency becomes the best are determined as final values. Just do it. Although the above description has been made in the case where the determination is made by calculation, it goes without saying that the energy efficiency may be determined experimentally.
[0018]
[Experimental example]
Next, a description will be given of the results of an experiment in which secondary treatment water for domestic sewage is subjected to membrane filtration using the above-described membrane filtration system. In this experiment, the set pressure (target pressure) was set to 42 kPa, the target flow rate was set to a flow rate several% higher than the average target flow rate, and the set flow rate was set to a flow rate several% lower than the average target flow rate. Further, as a comparative example, an experiment was performed by a conventional method in which the filtration flow rate was maintained at the average target flow rate during the filtration step.
The experimental results are shown in FIG. In FIG. 4, the vertical axis represents the pressure loss of the membrane (that is, the pressure of treated water detected by the pressure gauge 22) [kPa], and the horizontal axis represents the amount of filtrate (the amount of treated treated water divided by the membrane area). FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the pressure loss of the membrane and the amount of filtrate in [cm]. As shown in FIG. 4, in the experiment according to the method of the present invention (see FIG. 3), the filtration treatment is performed so that the treatment flow rate is constant within a low pressure loss range (constant speed filtration treatment). ) Increased, the pressure loss increased. After the pressure loss reached the set pressure (42 kPa in this experiment), filtration was performed while maintaining the set pressure (constant-pressure filtration), and the amount of filtrate gradually increased. Then, when the processing flow rate became less than the set flow rate, the cleaning processing was performed, and thereafter, the constant speed filtration processing, the constant pressure filtration processing, and the cleaning processing were repeated. On the other hand, in the experiment using the conventional method (see FIG. 5), the pressure loss rapidly increased at the end of the filtration process because the operation was performed at a constant treatment flow rate (average target flow rate) during the filtration process. For this reason, a cleaning process is required at an earlier timing than the experiment according to the method of the present invention described above. After the cleaning process was performed, the above-described filtering process and the cleaning process were repeatedly performed. As is clear from FIG. 4, in the experiment according to the method of the present invention, the cleaning cycle could be extended about 1.5 times as compared with the experiment according to the conventional method (that is, in this example of experiment, the same amount of filtrate was used). In contrast, the conventional method requires three washes to treat, whereas the present method suffices to perform two washes.)
[0019]
As is clear from the above description, in the membrane filtration system according to the present embodiment, the processing is performed so that the processing flow rate is constant while the filtration pressure is low, and the filtration pressure becomes constant when the filtration pressure becomes a predetermined value. The processing is performed as follows. Therefore, an increase in the filtration pressure is suppressed before the filtration pressure shows a remarkable tendency to increase, and the time until the membrane is washed can be extended.
Further, since the number of times of cleaning of the membrane is reduced, the amount of energy (energy for cleaning) required for operating the compressor 28 can be suppressed low. Since the pump 18 is operated, the amount of energy for driving the gear pump 18 can be reduced. For these reasons, the membrane filtration system according to the present embodiment can improve energy efficiency.
[0020]
As described above, a preferred embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art. Can be.
For example, in the membrane filtration device described above, the filtration process is performed by permeating the treated water from the inside to the outside of the membrane. However, the present invention is not limited to such a form. It is good also as a form. That is, a suction pump or the like may be connected to the downstream side of the membrane filtration device, and by operating this suction pump, the treated water may be sucked from the outside to the inside of the membrane. In this case, the position for detecting the pressure loss of the membrane (pressure of the treated water) is detected downstream of the membrane filtration device. The position at which the processing flow rate measured by the membrane filtration device is measured may be measured at an appropriate position upstream or downstream of the membrane filtration device in accordance with the structure of the membrane filtration system.
The method for cleaning the membrane surface is not limited to the backwashing described above, but may be any of various known methods (such as a method of diffusing air to the membrane surface with an air diffuser, and a method of rotating the membrane and centrifugal force to remove the membrane surface. A method of peeling off extraneous matter).
[0021]
Further, by providing a plurality of membrane filtration devices (membrane units), it is possible to construct a membrane filtration system in which the amount of treated water per unit time does not vary. In other words, by appropriately controlling the operation timing for each of the plurality of membrane filtration devices, the timings of the constant speed operation, the constant pressure operation, and the membrane surface cleaning are shifted so that the flow rate of the treated water per unit time becomes constant in the entire system. May be. With this configuration, the treated water discharged at a constant flow rate per hour in the chemical process industry or the like can be efficiently filtered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a membrane filtration system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing processing of a control device in the membrane filtration system shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a relationship between a filtration speed and a time and a filtration pressure and a time of the membrane filtration system shown in FIG. 1.
FIG. 4 is a diagram showing the results of one experiment performed using the membrane filtration system shown in FIG.
FIG. 5 is a view for explaining a conventional membrane filtration method.
[Explanation of symbols]
10, treated water tank 12, water level adjustment tank 14, constant temperature tank 16, coagulation mixing tank 18, gear pump 20, flow meter 22, pressure gauge 24, membrane filtration device 26, permeated water tank 28 Compressor 30 control device

Claims

When the filtration pressure is less than the set pressure, a constant-speed filtration step of filtering the treated water while increasing the filtration pressure so that the filtration rate becomes the target filtration rate,
When the filtration pressure is equal to or higher than the set pressure, a constant pressure filtration step of filtering the treated water while reducing the filtration speed so that the filtration pressure is maintained at the set pressure,
When the filtration rate in the constant-pressure filtration step is equal to or lower than the set rate, a washing step of washing the membrane is provided, and the constant-speed filtration step, the constant-pressure filtration step, and the washing step are repeatedly performed to include the treated water In a membrane filtration method for removing impurities, wherein the target filtration rate, a method for determining a set pressure and a set speed,
(1) temporarily determining a target filtration speed, a set pressure, and a set speed;
(2) obtaining a temporal change of the filtration pressure until the filtration pressure reaches the provisionally determined set pressure when performing the constant-speed filtration at the provisionally determined target filtration speed;
(3) Obtain the temporal change of the filtration speed until the filtration speed reaches the provisionally determined set speed when performing the constant pressure filtration process so that the filtration pressure becomes constant at the provisionally determined set pressure after the constant speed filtration step. Step to do,
(4) calculating the energy efficiency based on the temporal change of the filtration pressure obtained in the step (2) and the temporal change of the filtration rate obtained in the step (3);
By executing the steps (1) to (4) a plurality of times, the energy efficiency is calculated for a plurality of combinations of the provisionally determined target filtration speed, the set pressure, and the set speed. And determining a combination of a set pressure and a set speed as an operating condition.

The step (4) calculates the amount of energy and the amount of treated water in the constant-speed filtration process based on the temporal change of the filtration pressure obtained in the step (2). 2. The method according to claim 1, wherein the amount of energy and the amount of treated water in the constant-pressure filtration step are calculated from the obtained temporal change in the filtration speed, and the energy efficiency is calculated from the amount of energy and the amount of treated water in both steps. The method for determining operating conditions described in 1.

In each of the steps (2) and (3), a change in filtration pressure with time or a change in filtration rate with time is calculated by estimating the amount of cake formed on the membrane surface. Item 3. The method for determining operating conditions according to item 1 or 2.

A membrane filtration method for removing impurities contained in treated water by permeating the membrane,
When the filtration pressure is less than the set pressure, a constant-speed filtration step of filtering the treated water while increasing the filtration pressure so that the filtration rate becomes the target filtration rate,
When the filtration pressure is equal to or higher than the set pressure, a constant pressure filtration step of filtering the treated water while reducing the filtration speed so that the filtration pressure is maintained at the set pressure,
When the filtration rate in the constant-pressure filtration step has reached the set speed, having a washing step of washing the membrane,
The membrane, wherein the target filtration speed, the set pressure, and the set speed are determined by the method according to any one of claims 1 to 3, and the constant speed filtration process, the constant pressure filtration process, and the washing process are repeatedly performed. Filtration method.