JP3986370B2

JP3986370B2 - 濾過膜モジュールの洗浄方法

Info

Publication number: JP3986370B2
Application number: JP2002166370A
Authority: JP
Inventors: 紘平浦野; 智暢阿瀬
Original assignee: Daicel Chemical Industries Ltd
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: JP2003033630A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川水や湖沼水等の表流水に代表される水を膜浄化しながら濾過膜モジュールを洗浄する方法に関し、特に限外または精密瀘過膜モジュールを利用し水を膜浄化しながら濾過膜モジュールを洗浄する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、河川水や湖沼水等の表流水から水道水を得るための浄水処理システムとしては、凝集−沈澱−砂濾過−塩素滅菌工程を経るのが一般的である。このような工程を実現するためには、凝集池、沈澱池、砂濾過池、塩素滅菌設備が必要であり、大きな設置スペースを要するという問題点がある。加えて、近年河川等の水源の汚濁が進んでいるため、これに対する新しい高度浄水処理システムの開発が求められ、上記工程に活性炭処理システムやオゾン処理システムを付加することが提案されている。
【０００３】
しかしながら、従来の浄水処理システムに上述した活性炭処理システムやオゾン処理システムを付加することは、設置スペースの更なる増加を招き、複雑な計測制御技術をも必要とする新たな問題点が生ずる。
【０００４】
これに対し、限外又は精密濾過膜と呼ばれる新しい材料の利用技術が多方面にわたって提案されており、その一例として中空糸型限外又は精密濾過膜モジュールを使用した浄水処理システムの実用化が検討されている。
【０００５】
その一例を図７を参照して説明する。図７において、逆止弁３０を経て導入された河川水等の原水は、ポンプ３１により昇圧されて中空糸型限外瀘過膜モジュール（以下、ＵＦモジュールと呼ぶことがある）３２に供給される。ＵＦモジュール３２は、簡単に言えば、中空糸状の限外瀘過膜を多数集合させたものであり、この中空糸膜の内側に濁質成分を含む原水を供給すると、濁質成分を除去された透過水が中空糸膜外に得られる。このようにして、ＵＦモジュール３２では、限外瀘過膜の瀘過作用により濁質成分を除去した透過水を、透過水自動弁３３を通して次段の処理施設に供給する。
【０００６】
ところで、ＵＦモジュール３２内では中空糸膜の内側表面に透過されない濁質成分が蓄積し、詰まって処理能力の低下、ひいては運転停止の原因となるので、これを排出する処理が必要である。これは、ＵＦモジュール３２の中空糸膜に供給する水流を高速とすることで実現されている。すなわち、中空糸膜の内表面に糸の長さ方向と平行に高速の水流（クロスフロー）を与えることで中空糸膜の内表面に付着している濁質成分を、いわばはぎとるものである。
【０００７】
このため、ＵＦモジュール３２内における中空糸膜の内側に連通する出口には、濁質成分を大量に含んだ濃縮水を濃縮水排出自動弁３４を通してその一部を常時排出する経路３５と、高速の水流を得るためにＵＦモジュール３２に供給された原水をポンプ３１のサクション側に戻すための循環経路３６が接続される。ポンプ３１のサクション側に戻される循環流量は、逆止弁３０を経て供給される原水の流量に比べて通常１０倍程度以上とはるかに多い。このようにしてＵＦモジュール３２からポンプ３１のサクション側に原水を戻す処理方式はクロスフロー方式と呼ばれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このようなクロスフローのため、ポンプ３１の容量は、同程度の処理能力を持つ従来の凝集ー沈澱ー砂濾過による浄水処理システムにおけるポンプの容量に比べてはるかに大きく、従って電力消費量も従来方式のポンプの電力消費量に比べてはるかに多く、ランニングコストが高くなるという問題点がある。加えて、濃縮水の排出は連続して行われており、例えば原水の流入量を１としたとき、透過水を０．３得る場合は、濃縮水の割合は０．７となり、水の大部分を捨てていることになるので、回収率は３０％と悪いという問題点もある。なお、ここでは透過水の流量をＰ、濃縮水の排出流量をＣとすると、回収率は１００×Ｐ／（Ｐ＋Ｃ）（％）で表される。
【０００９】
更に、ＵＦモジュールの材料は原水中の微生物により侵され、瀘過膜が破れることがあるので、微生物の殺菌処理が必要となる。
【００１０】
それゆえ、本発明の課題は限外または精密瀘過膜モジュールを利用した水の膜浄化処理システムにおいてランニングコストの低減化を図ると共に、全量濾過に近い回収率が得られ、しかも原水中の微生物の殺菌処理を効果的に行うことのできる濾過膜モジュールの洗浄方法を提供することにある。
【００１１】
なお、特開平４−２６０４２２号公報にはモジュールの中の内側スキン層の管形フィルター膜（管形フィルター膜は中空糸膜のことと思われる。）の束を逆流洗浄する方法において、特定の濾過装置において、特定モードの濾過と特定の二つの逆流洗浄段階とで行う方法が開示されている。そして、逆流洗浄の効果を改善するため、逆洗浄水に塩素処理剤を加えてもよい旨が記載されている。しかし、後記する本発明の特定の濾過方法および逆洗において殺菌剤を使用することについては、示唆はない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１によれば、水を限外または精密瀘過膜モジュールを用いてクロスフロー瀘過により浄化しながら濾過膜モジュールを洗浄する方法において、原水供給ポンプを循環ポンプと兼用し、通常運転においては原水流入量に対し循環量がゼロを越え６倍以下で、かつ膜面線速が０．００５〜０．５ｍ／ｓｅｃでクロスフローを行いながら全量瀘過し、前記瀘過膜モジュールの逆洗に際しては、前記濾過膜モジュールからの透過水または別途供給される清浄水により、圧力制御またはあらかじめ定められた周期で、かつ、逆洗用ポンプを用いて通常運転時の運転圧の実質上１．０倍以上１．５倍以下の所定の圧力で間欠的に行い、かつ該逆洗時に前記瀘過膜モジュールに供給する前記透過水または清浄水には殺菌剤を含有させ、透過水の流量をＰ、逆洗水の排出量をＣとしたときの回収率、１００×（Ｐ−Ｃ）／Ｐ（％）を実質的に９０％以上９９％以下とすることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法が提供される。
また本発明の第２によれば、本発明の第１の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記水が表流水であることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法が提供される。
また本発明の第３によれば、本発明の第１の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記濾過膜モジュールは、その膜材質が酢酸セルロースであることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法が提供される。
また本発明の第４によれば、本発明の第１の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記瀘過膜モジュールは中空糸型であり、かつクロスフロー瀘過は内圧方式であることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法が提供される。
また本発明の第５によれば、本発明の第１の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記殺菌剤は、次亜塩素酸ソーダ、塩素、過酸化水素およびオゾンから選ばれる酸化性殺菌剤であることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法が提供される。
【００１３】
なお、前記濾過膜モジュールはその膜材質が酢酸セルロースであるのが最適であり、その形状としてはプレート・アンド・フレーム型、プリーツ型、スパイラル型、チューブラー（管状）型、中空糸型等が挙げられるが、中空糸型が好ましい。また、中空糸型瀘過膜モジュールを用いる場合は、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。
【００１４】
また、前記逆洗時の前記所定圧は、前記通常運転時の運転圧の実質上１．０倍以上１．５倍以下である。
【００１５】
更に、前記殺菌剤は、次亜塩素酸ソーダ、塩素、過酸化水素、オゾン等の酸化性殺菌剤であれば殺菌とともに膜面付着物の分解・洗浄効果もあることから、これらを用いることが好ましい。
【００１６】
逆洗用ポンプを用いて行う逆洗に用いられる水は、膜透過水であってもよく、あるいはまた最終的に得られる水道水等の清浄水を別途供給してもよい。逆洗はあらかじめ定められた周期による時間制御でも圧力制御であってよく、圧力制御の場合は通常運転時の運転圧の実質上１．０倍以上１．５倍以下の所定の圧力で行なわれる。
本発明において透過水の流量をＰ、洗浄水の排出流量をＣとすると、回収率は１００×（Ｐ−Ｃ）／Ｐ（％）で表され、本発明によれば、回収率９０％以上９９％以下で運転される。
【００１７】
本発明において、前述の課題は通常運転中は膜モジュールへ戻すクロスフローの水量（循環量）は極限まで減らし、瀘過膜表面に付着した濁質成分の除去は逆洗用ポンプを用いて主に圧力制御または定時間間隔で行われる逆洗によって実現される。すなわち、逆洗用ポンプを用いて行う逆洗により、瀘過膜表面に付着した濁質成分は中空糸膜の外面側からの逆水流により洗浄されることになる。そして、この逆洗時に逆洗のための透過水または清浄水に含有させた殺菌剤により瀘過膜表面に対する殺菌処理が行われる。また、通常運転中は濃縮水を排出せず、見かけ上の全量瀘過とし、逆洗時のみ一定量の洗浄水をシステム外に排出する。従って、本発明を用いた水を膜浄化しながら濾過膜モジュールの洗浄方法は、水の濾過の点では低循環量のクロスフロー瀘過方式を併用した見かけ上の全量瀘過方式といえるものである。
【００１８】
【実施例】
以下に、ＵＦモジュールを用いた場合の本発明の一実施例について、図面を参照して説明するが、精密瀘過膜モジュールを用いても同様に行うことができる。
【００１９】
図１は本発明による濾過膜モジュールの洗浄方法を実施するためのシステムの構成を示す模式図であり、従来と同様の逆止弁１０、ポンプ１１、ＵＦモジュール１２、透過水自動弁１３、洗浄水排出自動弁１４の構成に加えて、透過水を蓄積するための透過水タンク１７と、蓄積された透過水をＵＦモジュール１２の出口側に戻して逆洗を行うためのポンプ１８、逆洗自動弁１９を含む逆洗経路２０と、この逆洗経路２０に殺菌剤を注入する手段として薬剤タンク２１、薬注ポンプ２２、逆止弁２３を含む殺菌剤注入経路２４とを設けている。
【００２０】
殺菌剤は、原水中に含まれる微生物によりＵＦモジュール１２の透過膜が侵されて破れるのを防ぐために微生物を殺菌するものであり、次亜塩素酸ソーダ、塩素、過酸化水素、オゾン等の酸化性殺菌剤であれば、これに加えて膜面付着物への分解効果も期待できる。
【００２１】
この処理システムの運転は次のようにして行われる。通常運転に際しては、透過水自動弁１３を開とし、濃縮水排出自動弁１４および逆洗自動弁１９は共に閉とし、ポンプ１８を停止状態におく。このようにして、逆止弁１０を経て導入された河川水等の原水は、ポンプ１１により昇圧されてＵＦモジュール１２に供給される。ＵＦモジュール１２では、限外瀘過膜の瀘過作用により濁質成分を除去した透過水を、透過水自動弁１３を通して透過水タンク１７に蓄積する。なお、この通常運転の間、循環経路１６を通して原水の流入量に対してゼロを越え６倍以下程度の量のクロスフローが行われるが、透過水量は原水量に等しい。
【００２２】
逆洗は、例えば３０分ないし１時間程度の定時間間隔で３０〜６０秒の間行われる。この場合、原水の供給を停止すると共に透過水自動弁１３を閉とし、洗浄水排出自動弁１４および逆洗自動弁１９は共に開とし、ポンプ１１を停止状態とし、ポンプ１８と薬注ポンプ２２とを運転する。このようにして、透過水タンク１７に蓄積された透過水の一部を利用してＵＦモジュール１２に対する逆洗と殺菌が行われ、逆洗により中空糸膜の内表面からはぎとられた濁質成分は、洗浄水として洗浄水排出自動弁１４を通してシステム外に排出される。逆洗水量は洗浄水排出水量に等しい。
【００２３】
以上の結果、この例で示すように、ＵＦモジュール１２に供給される逆洗用の透過水に殺菌剤注入経路２４から殺菌剤が注入され、逆洗と共にＵＦモジュール１２の透過膜に付着した微生物に対する殺菌処理が行われる。
【００２４】
なお濁質成分を含む洗浄水は前記洗浄水排水自動弁１４を通して排出してもよいが、ＵＦモジュールの原水供給経路に分岐して設置した排出経路より排出してもよい。またＵＦモジュールの透過水出口（逆洗のための透過水入口）経路をＵＦモジュールの原水側入口の近傍および非透過水出口の近傍の二個所に設け、そのいずれか一方を使用し、片方を封止しておいてもよい。その場合、通常運転および逆洗の際一方のみを使用する場合は、前記非透過水出口に近接した位置に設けられたものを使用することが好ましい。
【００２５】
以下、図１の膜浄化装置を用いて行った各種の測定結果を参照しながら説明する。図２〜５は逆洗の効果を調べる参考例であり、薬注は行わなかった。
図２は横軸の運転日数、縦軸のフラックスとも称される単位面積・時間当たりの流量（以下、単に「流束」と略す、単位はリットル／ｍ²・ｈ、但し２５℃、１ｋｇ／ｃｍ²換算）変化との関係を示した図で、運転条件としては、ＵＦモジュール１２の材質に分画分子量３００００のポリエーテルスルホンを使用し、膜面積は２．２ｍ²、平均運転圧は１ｋｇ／ｃｍ²とした。
【００２６】
図２から明らかなように、比較参考例として示すクロスフローなしの通常の全量濾過方式で運転した場合（図中、白丸印の曲線イ）には、逆洗を行っても濁質成分の除去が不十分で目詰りを生じ時間経過と共に流束の低下が著しい。また１ｍ／ｓｅｃの膜面線速（原水流入量に対する循環量の倍率約８倍）でクロスフローを行う従来法（回収率２０％で運転）で、逆洗はなしの場合（図中、黒三角印の曲線ハ）は、曲線イより流束低下は改善される。これに対し０．０１ｍ／ｓｅｃの遅い膜面線速（前記循環倍率約０．４倍）でもクロスフローを行いながら定周期で逆洗も行う場合（図中、白三角の曲線ロ）、曲線イよりは流束の低下は抑制される。更に、逆洗を行いながら０．１ｍ／ｓｅｃの線速（前記循環倍率約４倍）でクロスフローを行うと（図中、黒丸印の曲線ニ）、曲線ハよりも流束低下が改善される。このような結果から本発明においても、逆洗の効果がより発揮されることが理解できる。
【００２７】
図３は運転日数（横軸）と流束（縦軸、１５℃で測定）との関係に及ぼす回収率の影響を示した図で、運転条件としては、ＵＦモジュール１２の材質に酢酸セルロースを使用し、膜面積は１．３ｍ²、平均運転圧は１ｋｇ／ｃｍ²、原水の流入量は１００リットル／ｈ、膜循環水量は３００リットル／ｈ、逆洗圧は１．５ｋｇ／ｃｍ²とした。回収率を９８％とすると、これは逆洗時に排出される洗浄水中の濁質成分は５０倍程度に濃縮されることを意味し、回収率を９５％とすると、これは逆洗時に排出される洗浄水の濁質成分は２０倍程度に濃縮されることを意味する。回収率を高め、逆洗時に排出される洗浄水中の濁質成分の濃度を高めて排水量を少なくすることがより好ましいが、回収率を上げると流束低下が早まるので、バランス上回収率はある限界値を定めてこの値に維持することが必要であり、図３より、回収率は９５％程度が好ましいことがわかる。この値は図７で説明した方式に比べて、濃縮水として無駄に排出される水量が大幅に少なくて済むことを表わしている。
【００２８】
図４は運転日数（横軸）と流束（縦軸、１５℃で測定）との関係に及ぼす逆洗圧の影響を示した図で、運転条件としては、ＵＦモジュール１２の材質に酢酸セルロースを使用し、膜面積は１．３ｍ²、平均運転圧は１ｋｇ／ｃｍ²、原水の流入量は１００リットル／ｈ、膜循環水量は３００リットル／ｈ、回収率は９４〜９５％とした。本結果により、逆洗圧は高いほうが流束の経時的低下が低く、しかも平均運転圧より高い方が良いことが理解できる。逆洗圧は１．５ｋｇ／ｃｍ²程度が最適で、１．３ｋｇ／ｃｍ²程度でも十分な効果が期待でき、従って平均運転圧の１．３倍以上とするのが好ましい。
【００２９】
図５は、運転日数（横軸）とＵＦモジュール１２の膜素材による流束（縦軸、１５℃で測定）の変化との関係を示した図である。運転条件としては、ＵＦモジュール１２の平均運転圧は１ｋｇ／ｃｍ²、原水の流入量は１００リットル／ｈ、膜循環水量は３００リットル／ｈ、逆洗圧は１．０ｋｇ／ｃｍ²とした。図から明らかなように、分画分子量１５００００の酢酸セルロース（ＣＡ）が最も流束が大きく、経時的低下も低いことが理解できる。
【００３０】
図６は運転日数（横軸）と殺菌剤の注入による流束（縦軸、単位はリットル／ｍ²・ｈ、但し２５℃、１ｋｇ／ｃｍ²換算）の変化の関係を示した図である。ここでは、殺菌剤として塩素を５ｐｐｍ（有効塩素）注入した場合であり（図中の黒丸印）、塩素を注入せずに逆洗のみを行った場合（白丸印）に比べて透過水流束の低下が小さくなることが理解できる。ここで、殺菌剤を透過水タンク１７において注入することも考えられるが、逆洗は一回あたり３０秒程度であるので、殺菌剤を常時注入するのは無駄があり、しかも殺菌剤の濃度も調整しにくい。従って、図１に示すように、逆洗経路とは別に殺菌剤の注入経路を設けるのが好ましい。また、殺菌剤として次亜塩素酸ソーダを使用すると、ある程度の膜の洗浄効果も期待できる。
【００３１】
以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は表流水のみならず各種の水に適用できることはいうまでも無い。また、本発明の濾過膜モジュールの洗浄方法によれば、濾過膜を殺菌しつつ濁質成分の除去に特に効果を発揮するが、イオンなどの溶解性物質や低分子有機物を除去するためには、前述した活性炭処理システムやオゾン処理システムを付加することが好ましい。勿論、従来の浄水処理システムに追加するかたちで利用することも出来、この場合大きな増設スペースを必要としない利点がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上ＵＦモジュールを例に説明してきたように、本発明によれば瀘過膜に対する殺菌処理も行うことにより、微生物による瀘過膜の破損も防止しつつ全量瀘過に近い方式で水の膜浄化を行うので、濾過膜を長期間使用でき、かつ無駄に排出される水量が非常に少ない。しかも、本発明を適用した装置は従来のような凝集槽や沈澱槽を必要としない省スペースタイプで設置も容易であり、使用するＵＦモジュール又は精密瀘過膜モジュールに対するクロスフロー量（循環量）も従来方式に比べてはるかに少なくて済むので、原水を供給しかつクロスフローを行うためのポンプも大容量のものを必要とせず小型のものでもよく、ポンプの電力消費量を大幅に減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による濾過膜モジュールの洗浄方法を実施するための浄化装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示された構成において、各種条件を設定して運転した場合の運転日数と流束変化との関係を示した図である。
【図３】図１に示された構成において、各種条件を設定して運転した場合の運転日数と回収率との関係を示した図である。
【図４】図１に示された構成において、各種条件を設定して運転した場合の運転日数と逆洗圧との関係を示した図である。
【図５】図１に示された構成において、各種条件を設定して運転した場合の運転日数とＵＦモジュール１２の膜素材による流束の変化との関係を示した図である。
【図６】図１に示された構成において、運転日数と殺菌剤の注入による流束の変化の関係を示した図である。
【図７】ＵＦモジュール利用による従来の濾過膜モジュールの洗浄方法を実施するための構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０、２３、３０逆止弁
１１、１８、３１ポンプ
１２、３２ＵＦモジュール
１３、３３透過水自動弁
１４、３４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殺菌剤注入経路２４

Claims

水を限外または精密瀘過膜モジュールを用いてクロスフロー瀘過により浄化しながら濾過膜モジュールを洗浄する方法において、原水供給ポンプを循環ポンプと兼用し、通常運転においては原水流入量に対し循環量がゼロを越え６倍以下で、かつ膜面線速が０．００５〜０．５ｍ／ｓｅｃでクロスフローを行いながら全量瀘過し、前記瀘過膜モジュールの逆洗に際しては、前記濾過膜モジュールからの透過水または別途供給される清浄水により、圧力制御またはあらかじめ定められた周期で、かつ、逆洗用ポンプを用いて通常運転時の運転圧の実質上１．０倍以上１．５倍以下の所定の圧力で間欠的に行い、かつ該逆洗時に前記瀘過膜モジュールに供給する前記透過水または清浄水には殺菌剤を含有させ、透過水の流量をＰ、逆洗水の排出量をＣとしたときの回収率、１００×（Ｐ−Ｃ）／Ｐ（％）を実質的に９０％以上９９％以下とすることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法。
請求項１記載の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記水が表流水であることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法。
請求項１に記載の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記濾過膜モジュールは、その膜材質が酢酸セルロースであることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法。
請求項１に記載の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記瀘過膜モジュールは中空糸型であり、かつクロスフロー瀘過は内圧方式であることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法。
請求項１に記載の濾過膜モジュールの洗浄方法において、前記殺菌剤は、次亜塩素酸ソーダ、塩素、過酸化水素およびオゾンから選ばれる酸化性殺菌剤であることを特徴とする濾過膜モジュールの洗浄方法。