JP3626931B2 - 膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置に関し、特に、中空糸膜の封止部側を上方に向けて配設した大孔径中空糸膜（ここで大孔径中空糸膜とは孔径が０．８〜３μｍで、上水処理で問題となるクリプトスポリジウム、ジアルジアなどの病原性原生動物を除去するためのもの）モジュールの処理室側にバブルポイント以下の圧力空気を圧入し、破断した中空糸膜から原水側に漏出する気泡を検知して、中空糸膜の破断を検知する機能を有するようにするための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、河川水、湖沼水などを原水として原水中に含まれるＳＳ成分を除去して上水道用水として使用する場合、一般には凝集沈殿砂ろ過法が用いられている。しかし、原水中にクリプトスポリジウム、ジアルジアなどの病原性原生動物が含まれていることがあり、これらの病原性原生動物は砂ろ過法では除去できず、浄水処理後工程の塩素減菌に対しても死滅しにくい。そのため、近年、これらの病原性原生動物が水道水中に混入し、集団感染を起こすことがしばしば発生していた。
この原水中に含まれるＳＳ成分と共に、これら病原性原生動物を直接除去する技術として、透過膜ろ過法が用いられることもある。この方法は、孔径が約０．２μｍ以下のＭＦ膜あるいはＵＦ膜を用いてこの孔径以上のＳＳ成分や病原性原生動物（クリプトスポリジウムは直径約５μｍ、ジアルジアは約７μｍ）を除去するものである。
しかし、この方法は原水の膜を通過させるろ過抵抗が大きく、しかもろ過流束が１〜２ｍ／ｄａｙと凝集沈殿砂ろ過法の１００ｍ／ｄａｙ以上と比較して小さく、大規模の浄水施設に適用するのは難しかった。
【０００３】
また、膜処理装置においては、中空糸膜の破断が生じることがあり、安全性を高めるために膜破断の検知が必要となる。中空糸膜の破断の検知方法としては水中に浸漬された中空糸膜に加圧空気を圧入し、破断個所からの気泡を肉眼、超音波センサ、粒子計、濁度計で検知する方法がある。
前記従来の孔径が約０．２μｍ以下の中空糸膜であるＭＦ膜あるいはＵＦ膜を用いたろ過装置は、図２に示される通りである。このろ過装置に用いられる中空糸膜モジュールは、一端を封止した多数本の中空糸膜の他端をポッティングにより結束し、封止した端部を自由端とし、この自由端を下方に、結束部を上方にして配置立設されている。このろ過装置のろ過工程、洗浄工程の作用を説明する。
（ろ過工程）
まず、すべての弁Ｖ１〜Ｖ９を閉じた状態から弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５ｂを開弁し、原水槽１３からポンプＰにより加圧し中空糸膜モジュール１に原水を導入する。この原水室３内の空気を排出した後、空気洗浄気泡抜弁Ｖ５ｂを閉弁してろ過を開始する。
そして、ろ過時間の経過に伴い中空糸膜２の膜表面と中空糸膜２の細孔内にＳＳ成分が捕捉されて細孔が塞がり、膜間差圧が徐々に増大し、ろ過能力が低下してくる。このろ過能力の低下を抑制するために次の定期的な洗浄工程によりろ過能力の回復を図る。
（洗浄工程）
この工程はろ過工程でろ過した処理水を逆洗水ポンプ１５で加圧して、中空糸膜２を逆流洗浄した後、加圧空気を中空糸膜の一次側（原水室３）に送り込み空気洗浄を行うものである。
まず、ろ過工程後、弁Ｖ１、Ｖ２を閉じ逆洗水ポンプ１５を運転し、弁Ｖ３及びＶ７を開けて処理水槽１４に貯留してある処理水を逆洗水として処理水室５に導入する。逆洗水が中空糸膜２の内側から原水室側に流出する時、ろ過工程で膜表面及び細孔に捕捉されたＳＳ成分を剥離し、原水室３の下方にある逆洗水排水管１１を通ってＳＳ成分と共に系外に排出される。
次に、逆洗水ポンプ１５を停止し、逆洗水供給弁Ｖ３とドレン弁Ｖ７を閉じコンプレッサ１６を運転すると共に空気洗浄弁Ｖ８ｂと空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ｂを開弁すると加圧空気が原水室３に送り込まれ、この気泡が中空糸膜２に沿って上昇し、空気洗浄気泡抜弁Ｖ５ｂから大気に放出される。
気泡が中空糸膜３面に沿って上昇するとき中空糸膜２を揺動しながら、また中空糸膜２と接触揺動しながら上昇するので、水による逆洗では剥離しきれなかったＳＳ成分の剥離が可能となる。また、剥離されたＳＳ成分はドレン弁Ｖ７を開けて系外に排出され、これにより洗浄工程を終了する。
これらの洗浄を効率的に行うためにＵＦ膜やＭＦ膜のように孔径の小さい中空糸膜２では自由端を下にして中空糸膜モジュール１が配設されている。中空糸膜２の自由端を上にした場合は膜エレメント下部のポッティングで結束した部分の近傍に入り込んだ濁質や膜面の付着物を剥離するのが難しい。
以上のろ過工程、洗浄工程を繰り返しながら長期間運転していると、中空糸膜２が破断したりひび割れすることがある。この中空糸膜２が破断すると原水はろ過されず、処理水に混入するので中空糸膜モジュール１はろ過機能を失うことになる。従って定期的に中空糸膜２が破断しているか否かを、チェックすることが必要となる。
この中空糸膜２の破断の検知方法としては水中に浸漬された中空糸膜２に加圧空気を圧入し破断個所からの気泡を肉眼、超音波センサ、粒子計、濁度計で検知する方法があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の中空糸膜モジュール式ろ過装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。すなわち、中空糸膜の破断検知のために、原水室３に加圧空気を注入していくと、加圧空気は原水室を上昇し、上部から溜まってくる。この加圧空気によって原水室３内の原水は中空糸膜２を透過し、原水水位が下がってくる。この時破断個所があれば、そこで気泡が発生し中空糸膜２と処理水室５を通って気泡の膜破断検知用透明管１２で検知される。この中空糸膜２の下端まで水位が下がるまでは中空糸膜２下端の破断個所は検知できないので、その検知のためには時間がかかるという問題点があった。
また、もう一つの破断検知の手順として、原水室３の水を弁Ｖ５ｂ、Ｖ７を開けることにより排水し、加圧空気を注入し、破断個所から発生する気泡を検出することもできるが、本工程が増えることになり、その後に原水室３を原水で満水にする工程も増えることになっていた。
また、膜破断による気泡の発生は目視でも可能であるが管理上、目視は不確実であると共に超音波センサや粒子計、濁度計は高価であった。
【０００５】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、中空糸膜の封止部側を上方に向けて配設した大孔径中空糸膜モジュールの処理水室側にバブルポイント以下の加圧空気を圧入し、破断した中空糸膜から原水側に漏出する気泡を検知して、中空糸膜の破断を検知する機能を有するようにした膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置は、一端に封止部他端に開口部を有する多数本の中空糸膜の前記開口部側をポッティングによる中空糸膜結束部により結束し、前記封止部を自由端としてなる大孔径中空糸膜モジュールの前記封止部側の原水室と前記開口部側の処理水室とを前記中空糸膜結束部により区画した外圧型ろ過方式の大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置において、前記大孔径中空糸膜モジュールの原水室を上方に処理水室を下方にして立設し、前記原水室の上部に中空糸膜破断検知用透明管及び気泡抜弁を備えた気泡抜管を接続すると共に、前記処理水室に空気逆洗管を配設し、前記気泡抜弁を開弁して前記原水室に原水を充満した状態で、前記空気逆洗管より前記気泡抜管の大気開放水位と空気逆洗管位置との水位差以上で且つ前記中空糸膜のバブルポイント以下の空気を圧入した場合に前記中空糸膜破断検知用透明管内の気泡の有無により前記中空糸膜の破断を検知する構成であり、また、前記中空糸膜破断検知用透明管には光電センサが設けられ、前記光電センサにより前記気泡を検出する構成である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を用いて説明する。
図１において大孔径中空糸膜モジュール１は原水槽１３に接続された原水管６から導入された原水を中空糸膜２によりろ過して処理水管７から弁Ｖ２を介して処理水を排出するものであり、一端の封止部２ａ他端の開口部２ｂを有した多数本の中空糸膜２の封止部２ａ側を自由端とし、開口部２ｂ側をポッティングの中空糸膜結束部４により結束し、封止部２ａ側を原水室３として、開口部２ｂ側を処理水室５として区画されている。尚、図１では大孔径中空糸膜モジュール１内のエレメントは１個であるが、図示しない複数配設とすることもある。
【０００８】
この大孔径中空糸膜モジュール１は、原水室３を上方に処理水室５を下方にして従来とは逆の状態で立設してあり、原水室３には原水室３の上方の原水槽１３から原水弁Ｖ１を経由して、原水室３に原水を供給する原水管６、原水室３の中空糸膜の封止部２ａの上方空間部位置からは後述する空気逆洗時に排水するための逆洗水排水管９、逆洗水排水弁Ｖ６および空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａが設けられており、原水室３の上部には、後述の中空糸膜破断検知時に原水室３から膜破断検知用透明管１２及び膜破断気泡抜弁Ｖ９を介して気泡を大気に放出するための気泡抜管１０が設けられている。
【０００９】
尚、前記透明管１２は微量の気泡の通過上昇でも検知可能とするため、前記気泡抜弁Ｖ５ａと比較して、小サイズにするのが良い。一方、処理水室５には処理水を処理水室弁Ｖ２を介して処理水室５の下方の処理水槽１４に排出貯留するための処理水管７が設けられている。
また、前記処理水室５には、空気逆洗時にコンプレッサ１６から空気逆洗弁Ｖ８ａを介して、処理水室５に加圧空気を供給する空気逆洗管８ａが設けられ、この空気逆洗管８ａには、空気逆洗弁Ｖ８ａをバイパスして、中空糸膜破断検知時に、減圧した加圧空気を処理水室３に供給するための減圧弁Ｖ４が設けられている。
【００１０】
従って、前述したように、原水室３の上方に原水槽１３、処理水室５の下方に処理水槽１４が配設してあるので、その水位差を利用することにより、原水管６側に原水ポンプを設けなくとも、ろ過操作が可能となる。
前述の大孔径中空糸膜モジュール１を用いたろ過装置において、原水をろ過する大孔径中空糸膜モジュール１のろ過工程では、まず、すべてのバルブＶ１〜Ｖ９を閉じた状態から原水弁Ｖ１及び空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａを開弁して原水を原水室３に導入すると同時に、原水室３の空気を空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａより排出しながら原水室３を満水状態とする。
前記原水室３が満水状態となった時点で空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａを閉じ、ついで処理水弁Ｖ２を開弁してろ過を開始する。そして、ろ過時間の経過に伴い中空糸膜２の膜表面や微細多孔に原水中のＳＳ成分が付着し、ろ過能力が低下する。この時ろ過能力を再生するために次の空気逆洗工程に移る。
【００１１】
空気逆洗工程は、ろ過工程後まず原水弁Ｖ１を閉じ原水の供給を停止すると共に処理水弁Ｖ２も閉じる。次に、コンプレッサ１６を運転すると同時に、空気逆洗弁Ｖ８ａと空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａを開き、空気逆洗管８ａより処理水室５へ加圧空気を送り込む。この加圧空気は処理水室５より中空糸膜２の内側から微細多孔を通り原水室３に気泡となって放出される際に中空糸膜に付着したＳＳ成分を剥離させる。さらに、この気泡は中空糸膜２面に沿って上昇する時、気泡は中空糸膜２に接触、揺動しながら上昇し、膜に付着したＳＳ成分の剥離を促進し、ろ過能力の再生がより効果的に行える。原水室３を上昇した気泡は空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａを経由して大気に放出される。次に空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａを閉じ、逆洗水排水弁Ｖ６を開き、原水室３に残った排水をすべて膜モジュール外に排水する。このときの加圧空気圧力は前述したようにバブルポイント（中空糸膜２に加圧空気を送った場合、この中空糸膜２に無数に形成された微細多孔、すなわち、ろ過対象とする物体がろ過できてかつ抵抗が少ない大きさである０．８〜３μｍの大孔径を加圧空気が通過できる圧力）以上としなければならない。
前述の空気逆洗は複数回繰り返し行っても良いが、前述の空気逆洗を行って中空糸膜のろ過能力を回復した後再びろ過工程に移る。
【００１２】
以上のろ過工程、空気逆洗工程を繰り返しながら長期間運転していると、中空糸膜２が破断したりひび割れすることがある。この中空糸膜２の破断やひび割れが起こると中空糸膜２の孔径以上の粒子径の病原性動物を含むＳＳ成分がろ過水側に漏出し、目的とする病原微生物の除去ができなくなる。このため、定期的に中空糸膜２の破断検知を行う必要がある。破断検知の方法を以下に説明する。
【００１３】
まず、すべての弁Ｖ１〜Ｖ９を閉じた状態とし、次に弁Ｖ１、Ｖ５ａ、Ｖ９を開いて原水室３に原水を導入する。すると原水室３内は原水で充満してくる。空気逆洗気泡抜弁Ｖ５ａを閉じ、更に原水を供給しつづけると、気泡抜管１０より膜破断検知用透明管１２及び膜破断気泡抜弁Ｖ９を経由して、原水が排出されるようになると原水弁Ｖ１を閉じる。
尚、最初から膜破断検知用透明管１２に水が満水されていれば、前述のバルブ操作は必要ない。
次いで、コンプレッサ１６を運転して膜破断検知用空気供給弁Ｖ４を開弁し、処理水室５に加圧空気を供給する。この加圧空気の供給圧力は使用する中空糸膜２の前記バブルポイント以下で、且つ、図１に示す水位差ｈ（気泡抜管１０の大気開放高さ位置と処理水室５底面位置水位差）以上に、減圧弁としての膜破断検知用空気供給弁Ｖ４により減圧してある。
【００１４】
次に、中空糸膜２が破断していない場合と破断している場合の作用について説明する。
（中空糸膜２が破断していない場合）
加圧空気は水位差ｈ以上の圧力を有しているので、処理水室５に圧入されて中空糸膜２内の先端（封止部）まで充満する。この空気圧は中空糸膜２のバブルポイント以下なので微細多孔より原水室３側に加圧空気が漏出することはない。したがって、中空糸膜破断検知用透明管１２には何の変化も見られない。このことで中空糸膜２は破断していないと判断できる。
【００１５】
（中空糸膜が破断している場合）
中空糸膜２の破断の断面は中空糸膜２の微細多孔径に比べてはるかに大きい。例えば内径が３００μｍの中空糸膜２が折損した場合は、バブルポイントに換算すると０．９６×１０^３Ｐａとなり僅かな圧力でも気泡が発生する。これを水位差にすると９６ｍｍであり通常の中空糸膜モジュール１であればｈが５００ｍｍ以上はあるので、前述の空気圧力で中空糸膜２の破断個所から気泡が発生し、原水室３の上方の気泡抜管１０、膜破断検知用透明管１２を通って大気放出される。この時、膜破断検知用透明管１２によりその気泡が目視により観測され、膜破断と判定できる。
更に、膜破断検知用透明管１２に接近して光電センサ１７により膜破断検知用透明管１２を通過する気泡を検知することもできる。この場合、光電センサ１７は膜破断検知用透明管１２を挟んで投光受光素子型の透過光型センサでもよく、反射光を受光する反射光型センサどちらでもよい。
【００１６】
次に、前述の実施の形態における本発明の要点をまとめると次の通りである。
（１）中空糸膜２による処理目的を病原性原生動物の除去に限定し、孔径を大きくすることで、従来より大幅に大きいろ過速度でのろ過が可能となるとともに、バブルポイントが１気圧程度となるために通常のコンプレッサ１６での空気逆洗が可能となる。空気逆洗が可能となることで、中空糸膜２の１本１本から加圧空気を排出できるので、膜エレメント全体を効率的に洗浄できる。
（２）一端を封止し他端を開口した多数本の中空糸膜２の開口部２ｂ側をポッティングにより結束し、封止部２ａを自由端とした中空糸膜エレメント封止部側の原水室３と開口部２ｂ側の処理水室５とを区画した外圧型ろ過方式の中空糸膜モジュール１を、原水室３を上方に、処理水室５を下方にして立設することにより、処理水室５に圧入した加圧空気は、中空糸膜２の開口部２ｂから中空糸膜２内に入り、破断個所があれば、そこから気泡を生じる。中空糸膜２内の水は少量であり、この水を圧力空気で追い出すことにより破断個所から気泡が生じるので、気泡発生までに必要な時間が短く、破断検知までの時間を短くできる。発生した気泡は、原水室３内を上昇し、中空糸膜２の破断検知用透明管１２を通過する。このときの気泡を検知することにより中空糸膜２の破断を検知することができる。
（３）圧入する空気圧を気泡抜管１０の大気開放水位と空気逆洗管位置との水位差ｈ以上にすることにより、中空糸膜モジュール１内に空気が圧入できるからである。また、圧入する空気圧を中空糸膜２のバブルポイント以下とする理由は、これ以上にすると、中空糸膜２が破断していなくとも中空糸膜２の内側から膜細孔を通過して原水室３に圧力空気が漏出するからである。勿論、中空糸膜２が破断していても破断個所から空気が漏出する。上記圧力で空気を圧入することにより、もし破断した中空糸膜２が存在すればその破断個所より空気が原水室３に漏出し、気泡となって原水室３を上昇し、気泡抜弁１０より大気に放出される。このとき気泡を破断検知用透明管１２で検知し中空糸膜２が破断していると判断できる。気泡の発生がなければ中空糸膜２が破断していないと判断できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明による膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、多数の中空糸膜を有する中空糸膜モジュールを従来の使用方法とは逆の封止部を上に、開口部を下にして立設使用し、中空糸膜のバブルポイント以下の空気を圧入して空気漏れを見ることにより、１本でも中空糸膜が破断していれば、その破断個所からの気泡の発生を簡単にしかも短時間に検知でき、中空糸膜の破断を早期にかつ確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置を示す構成図である。
【図２】従来装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 大孔径中空糸膜モジュール
２ 中空糸膜
３ 原水室
４ 中空糸膜結束部
５ 処理水室
６ 原水管
７ 処理水管
８ａ 空気逆洗管
８ｂ 空気洗浄管
９ 逆洗水排水管
１０ 気泡抜管
１１ ドレン管
１２ 膜破断検知用透明管
１３ 原水槽
１４ 処理水槽
１６ コンプレッサ
１７ 光電センサ
Ｖ１ 原水弁
Ｖ２ 処理水弁
Ｖ３ 逆洗水供給弁
Ｖ４ 膜破断検知用空気供給弁（減圧弁）
Ｖ５ａ 空気逆洗気泡抜弁
Ｖ５ｂ 空気洗浄気泡抜弁
Ｖ６ 逆洗水排水弁
Ｖ７ ドレン弁
Ｖ８ａ 空気逆洗弁
Ｖ８ｂ 空気洗浄弁
Ｖ９ 膜破断気泡抜弁

Claims (2)

1. 一端に封止部（２ａ）他端に開口部（２ｂ）を有する多数本の中空糸膜（２）の前記開口部（２ｂ）側をポッティングによる中空糸膜結束部（４）により結束し、前記封止部（２ａ）を自由端としてなる大孔径中空糸膜モジュール（１）の前記封止部（２ａ）側の原水室（３）と前記開口部（２ｂ）側の処理水室（５）とを前記中空糸膜結束部（４）により区画した外圧型ろ過方式の大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置において、前記大孔径中空糸膜モジュール（１）の原水室（３）を上方に、処理水室（５）を下方にして立設し、前記原水室（３）の上部に中空糸膜破断検知用透明管（１２）及び気泡抜弁（Ｖ９）を備えた気泡抜管（１０）を接続すると共に、前記処理水室（５）に空気逆洗管（８ａ）を配設し、前記気泡抜弁（Ｖ９）を開弁して前記原水室（３）に原水を充満した状態で、前記空気逆洗管（８ａ）より前記気泡抜管（１０）の大気開放水位と空気逆洗管（８ａ）位置との水位差（ｈ）以上で且つ前記中空糸膜（２）のバブルポイント以下の空気を圧入した場合に前記中空糸膜破断検知用透明管（１２）内の気泡の有無により前記中空糸膜（２）の破断を検知するように構成したことを特徴とする膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置。
2. 前記中空糸膜破断検知用透明管（１２）には光電センサ（１７）が設けられ、前記光電センサ（１７）により前記気泡を検出することを特徴とする請求項１記載の膜破断検知機能を備えた大孔径中空糸膜モジュール式ろ過装置。

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