JP3565818B2

JP3565818B2 - 膜濾過装置の処理水供給方法を決定する方法及びその装置

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Publication number: JP3565818B2
Application number: JP2002051083A
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: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003251153A

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膜濾過装置に関し、詳しくは膜濾過装置のエネルギ効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膜濾過装置では、不純物を含んだ処理水を濾過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、濾過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、膜濾過装置では、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〕とが繰り返し実行される（濾過工程と洗浄工程とを１サイクルとして、このサイクルが繰り返し実行される）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の濾過工程において膜濾過装置に処理水を供給する方式としては、一般的に、濾過開始時から濾過終了時まで濾過速度（膜を透過する処理水の単位時間，単位膜面積当たりの流量）を一定に保つ定速濾過方式と、濾過開始時から濾過終了時まで濾過圧力（処理水の供給圧力）を一定に保つ定圧濾過方式が用いられている。
定速濾過方式の場合、濾過速度が一定となるよう処理水の供給圧力が制御されるため、膜表面への不純物の付着量（すなわち、濾過時間）に応じて処理水の供給圧力が急激に増加する。このため、比較的短時間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が必要であるため膜濾過装置の単位処理量当りのエネルギが増大することとなる。
一方、定圧濾過方式の場合、処理水の供給圧力が変わらないため、膜表面への不純物の付着量に応じて処理水の処理量（濾過速度）が急激に減少する。このため、ある程度の濾過速度を得ようとすると比較的短い周期で膜の洗浄を行う必要が生じ、上述した定速濾過方式の場合と同様の問題が生じる。
このような問題を解決するためには、濾過速度と濾過圧力を経時的に変化させながら濾過処理を行うことで膜面の洗浄回数を少なくすることが考えられる。しかしながら、濾過速度と濾過圧力をどのように変化させるか（すなわち、処理水供給方法）を決定するための確立された手法はなく、実際の濾過処理に用いられることは困難であった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、濾過圧力の経時変化をべき指数関数又は指数関数で近似することで膜濾過装置の単位処理量当りのエネルギの計算を可能とし、これによって単位処理量当りのエネルギが小さくなる膜濾過装置の処理水供給方法を決定することができる技術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一つの技術は、処理水中の不純物を除去する膜濾過装置の処理水供給方法を決定する方法であり、特性取得工程と、係数選択工程と、エネルギ算出工程とを有する。
特性取得工程では、定速濾過処理時に測定された処理水の供給圧力の経時変化若しくは変速変圧濾過処理時に測定された処理水の供給圧力及び供給流量の経時変化から、濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を取得する。係数選択工程では、濾過処理時における供給圧力の経時変化がべき指数関数又は指数関数的に変化すると近似したときの供給圧力の上昇率を規定する圧力上昇係数を、所定の数値範囲内から選択する。そして、エネルギ算出工程では、選択された圧力上昇係数にしたがって供給圧力が変化するときの単位処理量当りのエネルギを、取得工程で取得された濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を用いて算出する。
そして、上記の選択工程とエネルギ算出工程を繰返し実行して、所定の数値範囲内から最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる圧力上昇係数を特定し、その特定した圧力上昇係数から処理水供給方法を決定する。
【０００６】
上記の方法では、処理水を実際に濾過処理することで濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を求める。次に、処理水の供給圧力（濾過圧力）がべき指数関数又は指数関数的に変化すると近似し、そのべき指数関数又は指数関数の係数（圧力上昇率を規定する圧力上昇係数）を所定の数値範囲内から選択する。これによって、濾過圧力の経時変化特性と濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性が決まるため濾過速度（濾過量）の経時変化も決まり、単位処理量当りのエネルギを算出することができる。このような単位処理量当りのエネルギの計算を適宜選択した複数の圧力上昇係数について行うことで、所定の数値範囲内で最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる圧力上昇係数を特定する。圧力上昇係数が特定されれば、その圧力上昇係数から濾過圧力の経時変化が決定され、これによって膜濾過装置への処理水の供給方法を決定することができる。このような方法によれば、実験等により濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を取得できれば、あとは計算により単位処理量当りのエネルギが小さくなる濾過圧力の経時変化（処理水供給方法）を決定することができる。
ここで、「所定の数値範囲」は、濾過処理する処理水の特性に応じて適宜決定することができる。また、「所定の数値範囲」から圧力上昇係数を選択する方法としては、「所定の数値範囲」内からランダムに選択する方法の他、種々の方法を採ることができる。例えば、「所定の数値範囲」内に複数個の値を均等間隔で設定し、その設定された各値を圧力上昇係数として順に選択することができる。
【０００７】
前記の所定の数値範囲に、定速濾過処理時の圧力上昇係数が含まれていることが好ましい。ここで、上記「定速濾過処理時の圧力上昇係数」とは、膜濾過装置の濾過能力（例えば、公称能力）から決まる濾過速度で定速濾過処理を行ったときの圧力上昇係数をいう。
このような構成によると、計算対象となる「所定の数値範囲」を絞り込むことができ、最適な処理水供給方法を求める際の計算量を少なくすることができる。また、このように計算領域を限定しても、最適な処理水供給方法を決定することができる。すなわち、一般的に定速濾過処理時の圧力上昇変化と近似した圧力上昇変化で処理を行ったときに単位処理量当りのエネルギが最小となる処理水供給方法が存在する場合が多い。例えば、発明者らが実際に処理した下水処理水の場合（ただし、季節や都市毎に特性は異なる）は、単位処理量当りのエネルギが最小となる圧力上昇係数は、定速濾過処理における圧力上昇係数より若干小さく（すなわち、定圧濾過処理に少しだけ近い処理）なったことが確認されている。したがって、定速濾過処理時の圧力上昇係数を含んだ数値範囲内を計算対象とすることで効率的に計算範囲を絞り込むことができる。
なお、具体的な絞込み方法としては、例えば、次の方法を採ることができる。まず、定速濾過処理時の圧力上昇係数を中心に所定の範囲内を選択して計算を行う。次に、計算した単位処理量当りのエネルギをｙ軸に圧力上昇係数をｘ軸として計算結果をグラフ上にプロットする。プロットしたグラフに極小値（すなわち、単位処理量当りのエネルギが最小となる値）がある場合は、その極小値となる圧力上昇係数を単位処理量当りのエネルギが最小となる値として、計算を終了する。極小値がない場合（すなわち、単位処理量当りのエネルギをプロットしたグラフが単調減少又は単調増加となる場合）は、さらに計算範囲を広げて計算を行う。このような方法により効率的に計算を行うことができる。
【０００８】
前記取得工程ではさらに、濾過処理と膜洗浄処理を１サイクルとする複数回の濾過サイクルについて測定された定速濾過処理における処理水の供給圧力の経時変化若しくは変速変圧濾過処理における処理水の供給圧力及び供給流量の経時変化から濾過膜の膜閉塞特性が取得され、前記算出工程では、複数回の濾過サイクルを行ったときの単位処理量当りのエネルギが、取得された膜閉塞特性を考慮して算出されることが好ましい。
このような構成によると、膜閉塞特性が考慮されて複数回の濾過サイクルにわたる単位処理量当りのエネルギが算出されるため、より正確に単位処理量当りのエネルギが最小となる処理水供給方法を決定することができる。
【０００９】
上記課題を解決するため本発明の他の技術は、処理水中の不純物を除去する膜濾過装置の処理水供給方法を決定する装置であり、入力手段と、選択手段と、エネルギ算出手段と、特定手段と、指示手段とを備える。
入力手段は、濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を入力する。選択手段は、濾過処理時における供給圧力の経時変化がべき指数関数又は指数関数的に変化すると近似したときの供給圧力の圧力上昇率を規定する圧力上昇係数を所定の数値範囲内から選択する。エネルギ算出手段は、選択された圧力上昇係数にしたがって供給圧力が変化するときの単位処理量当りのエネルギを、入力手段から入力された濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を用いて算出する。特定手段は、前記選択手段と前記算出手段を繰返し実行して、所定の数値範囲内から最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる圧力上昇係数を特定する。指示手段は、特定された圧力上昇係数から決まる処理水の供給方法を指示する。
【００１０】
上記の装置では、入力手段から濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性が入力されると圧力上昇係数が所定の数値範囲内から選択されて単位処理量当りのエネルギが計算される。そして、この圧力上昇係数の選択と単位処理量当りのエネルギの計算が繰り返されることで単位処理量当りのエネルギが最も小さくなる圧力上昇係数が特定され、その特定された圧力上昇係数から決まる処理水の供給方法が指示される。したがって、膜濾過装置の運転管理者は濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を入力するだけで、単位処理量当りのエネルギが最小となる処理水供給方法（膜濾過装置の運転方法）を知ることができる。
圧力上昇係数が選択される所定の数値範囲内は、既に述べたように定速濾過処理時の圧力上昇係数が含まれるように適当な数値範囲内を上記装置のオペレータが入力するようにしても良い。
なお、「処理水の供給方法を指示する」とは、処理水の供給方法を膜濾過装置の運転管理者に指示する場合（例えば、表示装置に表示する等）に限られず、膜濾過装置への処理水供給を制御する制御装置に直接指示する場合をも含む意である。特に、膜濾過装置の制御装置に、上述した選択手段と、エネルギ算出手段と、特定手段と、指示手段とを設けることで、制御装置と処理水の供給方法を決定する装置を兼用しても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施例の特徴を下記に示す。
（形態１）濾過ケークの圧縮特性は、圧縮性指数ｎと透過特性（濾過比抵抗α_０，圧力近似式で用いられる係数Ｋ）である。
（形態２）濾過膜の特性は、濾過処理開始時における濾過圧力ｐ_ｍ０である。（形態３）濾過処理時の処理水供給圧力ｐは下記の式で近似される。
ｐ＝ｐ_ｍ＋Ｋｔ^ａ
（ｐ_ｍ；各サイクルにおける濾過開始時の供給圧力，ａ；圧力上昇係数，ｔ；各サイクルにおける濾過開始時からの濾過時間，Ｋ；形態１に記載の係数）
（形態４）各サイクルにおける濾過開始時の供給圧力ｐ_ｍは次の式で近似される。
ｐ_ｍ＝ｐ_ｍ０ｅｘｐ（ηＮ）
（ｐ_ｍ０；初回サイクルの濾過開始時の供給圧力，η；係数，Ｎ；サイクル数）
【００１２】
【実施例】
本発明の一実施例に係る処理水供給方法決定装置について図面を参照して説明する。まず、本実施例に係る処理水供給方法決定装置の対象となる濾過システムの全体構成を説明する。図５は濾過システムの全体構成を示す図である。
図５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等から構成される。
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は、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に送り出した処理水との差）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に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。
【００１３】
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の回転数は、後述する制御装置３０によって制御され、回転数に応じた流量の処理水が膜濾過装置２４に供給される。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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される。この透過水槽２６にはコンプレッサ２８が接続され、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。
【００１６】
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又は圧力計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。具体的には、濾過ケークの圧縮特性〔圧縮性指数ｎと透過特性（濾過比抵抗α_０，圧力近似式で用いられる係数Ｋ））とセラミック膜の特性（初期濾過圧力ｐ_ｍ０，膜閉塞特性η）を求める際には、流量計２０で測定される流量値が所定の流量値（＝膜の濾過能力（公称能力）から決まる定速濾過処理を行うときの流量値）となるようにギヤポンプ１８を制御し、そのときの濾過圧力を圧力計２２で計測して記憶する。また、濾過処理時においては、圧力計２２で測定される圧力値が、後述する処理水供給方法決定装置で決定された処理水供給方法で決まる圧力値となるようギヤポンプ１８を制御する。また、濾過工程において圧力計２２で測定される圧力が所定の閾値となると、ギヤポンプ１８の駆動を停止し、上述したコンプレッサ２８とバルブ３２，３４を駆動することで膜の洗浄処理を行う。
【００１７】
次に、上述した膜濾過システムの運転方法を決定する処理水供給方法決定装置について図１を参照して説明する。図１は処理水供給方法決定装置の機能ブロック図である。
処理水供給方法決定装置は、汎用のパーソナルコンピュータ等により構成され、図１に示すようにキーボードやマウス等のポインティングデバイスからなる入力装置４０と、入力装置４０から入力された入力値に基づいて運転方法（処理水供給方法）を決定する演算装置５０と、演算装置５０で決定された運転方法を表示するディスプレイ等の表示装置４４により構成される。
【００１８】
演算装置５０は、所定のプログラムを実行することで、次に説明する４つの手段（圧力上昇係数選択手段５６、濾過開始圧力算出手段６０、エネルギ算出手段５８、繰り返し実行手段５２）として機能する。
圧力上昇係数選択手段５６は、濾過処理時の濾過圧力（処理水供給圧力）ｐを次に示す式
ｐ＝ｐ_m＋Ｋｔ^ａ（１）
〔ｐ_m；濾過開始圧力，ａ；圧力上昇係数，Ｋ；係数，ｔ；時間〕
で近似したときの係数ａ（圧力上昇係数）を所定の数値範囲内から選択する。
すなわち、定速濾過処理を行った場合は、図２に示すように濾過圧力Ｐは時間の経過に伴ってべき指数関数的に増加する。したがって、上述の式（１）の圧力上昇係数ａを適当な値とすることで、濾過圧力の経時変化を式（１）で表すことができる。具体的には、定速濾過処理時の濾過圧力ｐの経時変化を測定し、測定した濾過圧力ｐの経時変化をカーブフィット等の処理を用いて定速濾過処理時の圧力上昇係数ａ_ｔを算出すれば良い。
ここで、最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる運転方法は、定速濾過処理における圧力上昇率を中心に所定の範囲内にあると考えられる。したがって、最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる運転時の圧力上昇係数はａ_ｔ−ａ_０〜ａ_ｔ＋ａ_０の範囲（ａ_０はオペレータにより適宜設定される）にある。そこで、本実施例では、この数値範囲内（ａ_ｔ−ａ_０〜ａ_ｔ＋ａ_０）において単位処理量当りのエネルギを計算する圧力上昇係数ａの値を均等間隔で設け、これらの各値について後述する単位処理量当りのエネルギを計算する。
したがって、圧力上昇係数選択手段５６は、（ａ_ｔ−ａ_０〜ａ_ｔ＋ａ_０）の範囲内で、単位処理量当りのエネルギを計算する圧力上昇係数ａの値を一つ選択する。例えば、定速濾過時の圧力上昇係数ａ_ｔが０．１０でａ_０として０．１０が与えられた場合、圧力上昇係数選択手段５６は、０．００〜０．２０の範囲内の数値０．０１，０．０２，・・０．１０，０．１１・・０．１９の１９個の数値の中から一つの値を圧力上昇係数の値として選択する。
なお、後述するようにして計算された結果から単位処理量当りのエネルギが極小となる点が見つからない場合には、設定されたａ_０が正しくないと考えられる。このため、計算範囲を変更して再度計算をやり直すことが好ましい。この際、計算された単位処理量当りのエネルギと圧力上昇係数の傾向（単調増加又は単調減少）から、計算範囲を指定するようにしても良い。例えば、（ａ_ｔ−ａ_０〜ａ_ｔ＋ａ_０）において単位処理量当りのエネルギが単調に減少している場合には、単位処理量当りのエネルギが最小となる値はａ_ｔ＋ａ_０より大きい値と考えられる。このため、ａ_ｔ＋ａ_０より大きい数値範囲（例えばａ_ｔ＋ａ_０〜ａ_ｔ＋（ａ_０＋ａ_１）；ａ_１は適宜決定）を指定する。
【００１９】
濾過開始圧力算出手段６０は、各濾過サイクルにおける濾過開始圧力ｐ_ｍを算出する。すなわち、各濾過サイクルにおける濾過開始圧力ｐ_ｍは、濾過膜が閉塞するため濾過サイクル数Ｎが増加するにしたがって増大する。このため、各サイクルにおける濾過開始圧力ｐ_ｍを、膜の閉塞指数η（入力装置４０から入力される）から算出する。
この濾過開始圧力ｐ_ｍと濾過サイクル数Ｎの関係を図３に示す。図３では縦軸に濾過開始圧力Ｐ_ｍを、横軸に濾過サイクル数Ｎを対数で示している。膜閉塞が小さい場合には、図３（ａ）に示すように濾過開始圧力ｐ_ｍは濾過サイクル数Ｎにかかわらず常に一定とみなして計算することができる。一方、膜閉塞が大きくなると、図３（ｂ）に示すように、濾過開始圧力ｐ_ｍは濾過サイクル数Ｎが増加するに従って増加する。したがって、濾過開始圧力ｐ_ｍと濾過サイクル数Ｎの関係は次に示す式で表すことができる。
ｐ_ｍ＝ｐ_ｍ０ｅｘｐ（ηＮ）（２）
〔Ｐ_ｍ _０；初回サイクルの濾過開始圧力，η；膜閉塞指数，Ｎ；経過サイクル〕そこで、濾過開始圧力算出手段６０は、各濾過サイクルにおける濾過開始圧力ｐ_ｍを上記式（２）から算出する。なお、式（２）中の膜閉塞指数ηは、複数サイクルに渡る濾過処理実験を行うことによって求められ、ηの値は入力装置４０から入力される。
なお、膜濾過開始圧力ｐ_ｍを、さらに正確に表現するために図３（ｃ）に示すような関係が成立するとして求めても良い。すなわち、サイクル数が０〜Ｎ_ｔまでは傾きをη_１とし、サイクル数がＮ_ｔを超えると傾きをη_２として、濾過開始圧力ｐ_ｍを計算する。
【００２０】
エネルギ算出手段５８は、圧力上昇係数選択手段５６で選択された圧力上昇係数ａで濾過圧力が上昇するようにギヤポンプ１８が駆動されたときの、単位処理量当りのエネルギを算出する。具体的な算出手順は、以下のようになる。
まず、各濾過サイクルにおける濾過開始圧力ｐ_ｍは、濾過開始圧力算出手段６０によって上述の式（２）から算出される。したがって、濾過開始圧力ｐ_ｍが算出されると、濾過処理中の濾過圧力ｐは選択された圧力上昇係数ａを用いて式（１）で表すことができる。
ここで、濾過処理中の濾過圧力ｐが式（１）から決まり、さらに濾過ケークの圧縮特性（圧縮性指数ｎと透過特性（濾過比抵抗α_０））が分かると、濾過圧力ｐのときの濾過速度を求めることができる。
すなわち、濾過圧力ｐのときの濾過比抵抗αは次に示す式（３）で表せる。
α＝α_０（ｐ−ｐ_ｍ）^ｎ（３）
このように、処理水の圧縮性指数ｎから濾過圧力ｐにおける濾過比抵抗αが分かると、例えば、ルースの濾過速度式から濾過圧力ｐのときの濾過速度を求めることができる。各圧力における濾過速度がわかると、濾過速度を任意の時間まで積分することで、その時間までの濾過流量ｖを求めることができる。したがって、圧力ｐと濾過流量ｖの関係がわかるため、濾過処理に必要とされるエネルギは、次に示す式（４）により算出することができる。
Ｅ＝∫ｐｄｖ（４）
また、各濾過サイクルにおいては濾過処理で使用されるエネルギとは別に、逆洗処理で使用されるエネルギがある。この逆洗処理の消費エネルギは、逆洗処理時の処理水の圧力ｐ_ｂ（コンプレッサ２８の圧力）、逆洗処理により膜濾過装置２４に流される処理流量ｖ_ｂとするとｐ_ｂ×ｖ_ｂとなる。この圧力ｐ_ｂと処理流量ｖ_ｂは、膜濾過システムのハード構成から一定の値に設定される。
したがって、式（４）で算出された濾過処理に必要とされるエネルギと、逆洗処理に必要とされるエネルギｐ_ｂ×ｖ_ｂを各サイクル毎に算出して累積加算し、その全エネルギの和を全処理流量（すなわち、膜濾過装置２４に供給した全処理水量Ｖから逆洗処理で膜濾過装置２４に供給した全逆洗水量Ｖ_ｂを減算したもの（Ｖ−Ｖ_ｂ））で除算して単位処理量当りのエネルギを求める。
【００２１】
繰り返し実行手段５２は、上述した圧力上昇係数選択手段５６、エネルギ算出手段５８、濾過開始圧力算出手段６０の各手段を繰返し実行させる機能を有する。これによって、圧力上昇係数選択手段５６が繰返し実行されることで圧力上昇係数の値が変更され、各圧力上昇係数の値について濾過開始圧力算出手段６０と、エネルギ算出手段５８が実行されることで各圧力上昇係数のときの単位処理量当りのエネルギが算出される。
【００２２】
次に、上述したように構成される装置を用いて処理水供給方法を決定する際の手順を説明する。上述した装置により運転方法を決定するためには、まず、濾過ケークの圧縮特性（圧縮性指数ｎと係数α_０と係数Ｋ）、膜の特性〔濾過開始時における濾過圧力ｐ_ｍ０，膜閉塞指数η〕及び定速濾過時の圧力上昇係数ａ _ｔを実験により求める。具体的には、図５に示す濾過システムを定速濾過処理により複数サイクルに渡り処理を行い、その際の濾過圧力の経時変化を測定する。そして、測定された濾過圧力の経時変化から上述の各係数を求める。
【００２３】
上述のようにして入力すべき各特性値が求められると、次に、それらの値を用いて処理水供給方法を決定する。この際の演算装置５０内で行われる処理を図４のフローチャートを参照して説明する。
図４に示すように、まず、入力装置４０から定速濾過処理実験により求められた濾過ケークの圧縮特性（圧縮性指数ｎと係数α_０と係数Ｋ），定速濾過時の圧力上昇係数ａ_ｔ，膜特性〔濾過開始時の濾過圧力ｐ_ｍ０，膜閉塞指数η〕を入力する（Ｓ０１〜Ｓ０３）。
これらの特性値が入力されると、次に、単位処理量当りのエネルギを計算するサイクル数Ｎを入力する（Ｓ０４）。すなわち、単位処理量当りのエネルギを算出する濾過サイクル数を何回にするかを入力装置４０から入力する。例えば、濾過サイクルを１００回まで繰返したときの単位処理量当りのエネルギを算出する場合には、入力装置４０より１００と入力する。
計算するサイクル数が入力されると、計算対象となる複数の圧力上昇係数の値から一の値を選択する（Ｓ０５）。例えば、ステップＳ０２で入力された圧力上昇係数が０．１０で計算範囲係数ａ_０が０．１０である場合には、０〜０．２０の数値範囲を２０等分した各数値０．０１，０．０２・・，０．１０，０．１１・・０．１９の１９個の数値から一つの数値を選択する。
圧力上昇係数ａが選択されると、まず、濾過サイクルをカウントするサイクルカウンタがリセットされ（Ｓ０６）、そのサイクルカウンタのカウントが開始される（Ｓ０７）。このサイクルカウンタは、ステップＳ０４で設定された濾過サイクルまで各サイクルのエネルギと処理流量を計算するためのカウンタであり、各サイクルを計算する毎に＋１加算されていく。
カウンタのカウントが開始されると、濾過開始圧力算出手段６０により濾過開始圧力ｐ_ｍが算出される（Ｓ０８）。具体的には、ステップＳ０３で入力された特性値を式（２）に代入して算出される。
濾過開始圧力が算出されると、その濾過開始圧力ｐ_ｍとステップＳ０５で選択された圧力上昇係数ａから濾過圧力ｐを求め、この濾過圧力ｐとステップＳ０１，ステップＳ０３で入力された特性値からその濾過サイクルにおける処理流量を求め、同時にその濾過サイクルにおけるエネルギを算出する（Ｓ０９）。この算出されるエネルギは、濾過処理に使用されるエネルギと逆洗処理に使用されるエネルギが足し合わされたものである。
ステップＳ０９でエネルギと処理流量が算出されると、ステップＳ０７でカウントを開始したサイクルカウンタの値がステップＳ０４で入力されたサイクル数Ｎに一致したか否かを判定する（Ｓ１０）。
サイクルカウンタの数値とステップＳ０４で入力された濾過サイクル数Ｎが一致する場合〔ステップＳ１０でＹＥＳの場合〕にはステップＳ１１に進み、カウンタの数と入力された濾過サイクル数Ｎが一致しない場合〔ステップＳ１０でＮＯの場合〕にはステップＳ０７に戻って、ステップＳ０７からの処理を繰返す。このため、サイクルカウンタの値が濾過サイクル数Ｎとなるまで、各サイクルにおける消費エネルギと処理流量が算出される。
ステップＳ１１に進むと、上述のステップＳ０９の処理により算出された各サイクルにおける消費エネルギと処理流量から単位処理量当りのエネルギを算出する（Ｓ１１）。すなわち、全消費エネルギを全処理流量で除算することで、単位処理量当りのエネルギを算出する。
単位処理量当りのエネルギが算出されると、次に、全ての圧力上昇係数ａについて単位処理量当りのエネルギが算出されたか否かが判定される（Ｓ１２）。全ての圧力上昇係数ａについて単位処理量当りのエネルギが算出されていない場合〔ステップＳ１２でＮＯの場合〕には、ステップＳ０５に戻ってステップＳ０５からの計算を繰返す。これによって、全ての圧力上昇係数（上述の例の場合、０．０１・・０．０９，０．１０・・０．１９の１９個）について単位処理量当りのエネルギが算出される。
一方、全ての圧力上昇係数ａについて単位処理量当りのエネルギが算出されている場合〔ステップＳ１２でＹＥＳの場合〕には、最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる圧力上昇係数ａが表示装置４４に表示される（Ｓ１３）。表示装置４４への圧力上昇係数ａの表示方法は、圧力上昇係数ａの数値を表示するだけでも良いし、例えば、図２で示すようにグラフ化〔圧力（ｘ軸）−処理時間（ｙ軸）〕して表示しても良い。
なお、ステップＳ１３で表示された圧力上昇係数ａは、図５に示す濾過システムの制御装置３０に出力され、制御装置３０はこの圧力上昇係数ａにより濾過圧力の経時変化を求め、求めた濾過圧力となるようにギヤポンプ１８を駆動するようにしても良い。これによって、濾過システムが定速濾過方式でも定圧濾過方式でもなく、濾過圧力と濾過速度の両者を経時的に変化させながら効率的に濾過処理を行うことができる。
【００２４】
上述の説明から明らかなように、本実施例に係る処理水供給方法決定装置は、処理水の特性や膜特性等の所定の特性値を入力することで、最も効率的な運転方法を求めることができる。特に、濾過ケークの圧縮特性のみならず、膜濾過装置２４の膜の閉塞性が考慮されるため、より現実の濾過処理に即した最適な運転方法を決定することができる。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述の実施例では、処理水供給圧力ｐの経時変化を式（１）に示すべき指数関数で近似したが、このような近似方法のみならず、指数関数によって近似しても良い。例えば、次に示す式で近似することができる。
ｐ＝ｐ_ｍｅｘｐ（ａｔ）
（ｐ_ｍ；各サイクルの濾過開始時の供給圧力，ｔ；各サイクルにおける濾過開始時からの濾過時間，ａ；圧力上昇係数）
上記の式では、圧力上昇係数ａを０とすることで定圧濾過処理を表現することができ、かつ、計算を簡便に行うことができる。なお、計算する際の具体的な手順は、上述した方法と同一である。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る処理水供給方法決定装置の機能ブロック図。
【図２】濾過圧力と処理時間の関係を示す図。
【図３】濾過開始圧力と濾過サイクル数の関係を示す図。
【図４】運転方法決定処理のフローチャート。
【図５】本発明の対象となる濾過システムの全体構成を示す図。
【符号の説明】
１０・・処理水槽
１８・・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
４０・・入力装置
４４・・表示装置
５０・・演算装置

Claims

処理水中の不純物を除去する膜濾過装置の処理水供給方法を決定する方法であって、
定速濾過処理時に測定された処理水の供給圧力の経時変化若しくは変速変圧濾過処理時に測定された処理水の供給圧力及び供給流量の経時変化から、濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を取得する工程と、
濾過処理時における供給圧力の経時変化がべき指数関数又は指数関数的に変化すると近似したときの供給圧力の上昇率を規定する圧力上昇係数を所定の数値範囲内から選択する工程と、
選択された圧力上昇係数にしたがって供給圧力が変化するときの単位処理量当りのエネルギを、前記取得工程で取得された濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を用いて算出する工程とを有し、
前記選択工程と前記算出工程を繰返し実行して、所定の数値範囲内から最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる圧力上昇係数を特定し、その特定した圧力上昇係数から処理水供給方法を決定することを特徴とする膜濾過装置の処理水供給方法を決定する方法。
前記の所定の数値範囲内に、定速濾過処理時の圧力上昇係数が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の膜濾過装置の処理水供給方法を決定する方法。
前記取得工程ではさらに、濾過処理と膜洗浄処理を１サイクルとする複数回の濾過サイクルについて測定された定速濾過処理における処理水の供給圧力の経時変化若しくは変速変圧濾過処理における処理水の供給圧力及び供給流量の経時変化から濾過膜の膜閉塞特性が取得され、前記算出工程では、複数回の濾過サイクルを行ったときの単位処理量当りのエネルギが、取得された膜閉塞特性を考慮して算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の膜濾過装置の処理水供給方法を決定する方法。
処理水中の不純物を除去する膜濾過装置の処理水供給方法を決定する装置であって、
濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を入力する手段と、
濾過処理時における供給圧力の経時変化がべき指数関数又は指数関数的に変化すると近似したときの供給圧力の圧力上昇率を規定する圧力上昇係数を所定の数値範囲内から選択する手段と、
選択された圧力上昇係数に従って供給圧力が変化するときの単位処理量当りのエネルギを、入力手段から入力された濾過ケークの圧縮特性と濾過膜の特性を用いて算出する手段と、
前記選択手段と前記算出手段を繰返し実行して、所定の数値範囲内から最も単位処理量当りのエネルギが小さくなる圧力上昇係数を特定する特定手段と、
特定された圧力上昇係数から決まる処理水の供給方法を指示する手段と、
を有することを特徴とする膜濾過装置の処理水供給方法を決定する装置。