JP3997583B2 - 膜濾過装置及び膜濾過方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は膜濾過装置及び膜濾過方法に係り、特に、原水の通水を継続しながら、透過水側から逆洗水を圧入して逆洗を行う膜濾過装置において、膜の損傷の原因となる逆洗時の原水の脈動流の発生を防止して長期連続運転を可能とした膜濾過装置及び膜濾過方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原水の濁質除去を目的とする限外濾過（ＵＦ）又は精密濾過（ＭＦ）等の膜濾過装置では、膜モジュールに供給された原水中の固形分は膜によって分離され、膜を透過した透過水と固形分濃度が高くなった濃縮水とに分けられる。この濃縮水は排出されるか、循環槽に返送され再度膜モジュールに供給される。このような膜濾過を継続すると、膜の目詰りによりフラックス（透過水量）が低下してくるため、定期的（間欠的）に、例えば数分〜数百分の原水の通水に対して数秒〜数分の頻度で、原水の通水を継続したまま、膜の透過水側から逆洗水を逆流させて膜面に付着した濁質ケーキを剥離、除去する逆洗を行って、フラックスを回復させることがある。通常、この逆洗水としては、透過水の一部を逆洗タンクに貯留しておいたものが用いられるが、別の洗浄用水を用いる場合もある。
【０００３】
このように、原水の通水を継続しながら逆洗水を供給する逆洗方法では、通常、逆洗の間、透過水の採水は行わず、膜モジュールに流入した原水は濃縮水取出管から系外へ排出されるか、原水側へ返送される。
【０００４】
ところで、クロスフロー濾過方式でしかも上記の如く定期的に逆洗を行う従来の膜濾過装置では、多くの場合、複数の膜モジュールを直列に接続することなく、すべて並列に接続した装置構成とされていたが、この場合、原水流量と透過水流量との比は一般に１：０．０６〜０．１５程度で採水効率が小さいという欠点があった。
【０００５】
これに対して、複数の膜モジュールを直列に接続したもの、例えば、２本の膜モジュールを直列に接続したものでは、原水流量と透過水流量の比は１：０．１５〜０．３０或いはそれ以上となり、採水効率が高いことから、近年、直列型の膜濾過装置の開発が進められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、原水の通水を継続しながら、逆洗水を逆流させる逆洗を行った場合、逆洗時に膜モジュールに流入する原水圧力が通水濾過時（逆洗を行っていない透過水採水時）に比べて高くなり、また、膜モジュールへの原水流入量は通水濾過時に比べて減少する。
【０００７】
この現象は、逆洗時に逆洗水が膜を透過して濃縮水側に移行してくるため、この濃縮水側への移行水が、原水が通過する濃縮水側流路を一部遮断することによるものと考えられる。
【０００８】
そして、このような原水の圧力と流入量が変動するところから、逆洗の都度、膜モジュールへの流入原水に脈動流が発生するようになる。そして、このような脈動が繰り返し膜に負荷されることにより膜が損傷し易いものとなる。
【０００９】
この脈動流は、複数の膜モジュールを並列に接続した膜濾過装置でも生じるが、特に、複数の膜モジュールを直列に接続した膜濾過装置において、直列に接続した膜モジュール数が多い程大きく、とりわけ、このような直列型の膜濾過装置で各膜モジュールを同時逆洗した場合には、著しく大きな脈動流が発生することから、膜は早期に損傷するようになる。
【００１０】
上記逆洗時の脈動流による影響はまた、例えば、石膏粒子を含有する石炭焚きの火力発電所の排煙脱硫排水の中和・凝集処理水を膜濾過する場合や、原水に５０μｍ以上の粒径の粉末活性炭を添加した後膜濾過する場合のように、高硬度ないし大粒径の粒子を含む原水が流入する場合に大きく、膜は早期に損傷するようになる。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決し、膜の損傷の原因となる逆洗時の原水の脈動流を低減し、長期連続運転が可能な膜濾過装置及び膜濾過方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜濾過装置は、内部を濃縮水側と透過水側とに区画する濾過膜を具備する膜モジュールと、該膜モジュールの濃縮水側に原水を供給する原水供給管と、該濾過膜を透過した透過水を該膜モジュールから取り出す透過水取出管と、濃縮水を該膜モジュールから取り出す濃縮水取出管と、逆洗弁を開とすることにより逆洗水を膜モジュールの透過水側に圧入する逆洗水供給手段とを有し、原水を供給しつつ間欠的に逆洗水を膜モジュールに圧入して該濾過膜を逆洗するようにした膜濾過装置において、濃縮水の一部を排出する濃縮水排出管が、前記濃縮水取出管から分岐して、或いは、濃縮水取出管とは別に膜モジュールの濃縮水側に接続して設けられ、該濃縮水排出管に濃縮水排出弁が設けられており、逆洗水を膜モジュールに圧入するために逆洗弁が開とされている間は、この膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁が開状態とされ、該逆洗弁が閉とされているときにはこの膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁が閉状態とされることを特徴とする。
本発明の膜濾過方法は、内部を濃縮水側と透過水側とに区画する濾過膜を具備する膜モジュールと、該膜モジュールの濃縮水側に原水を供給する原水供給管と、該濾過膜を透過した透過水を該膜モジュールから取り出す透過水取出管と、濃縮水を該膜モジュールから取り出す濃縮水取出管と、逆洗弁を開とすることにより逆洗水を膜モジュールの透過水側に圧入する逆洗水供給手段とを有し、原水を供給しつつ間欠的に逆洗水を膜モジュールに圧入して該濾過膜を逆洗するようにした膜濾過装置による膜濾過方法において、濃縮水の一部を排出する濃縮水排出管が、前記濃縮水取出管から分岐して、或いは、濃縮水取出管とは別に膜モジュールの濃縮水側に接続して設けられ、該濃縮水排出管に濃縮水排出弁が設けられており、逆洗水を膜モジュールに圧入するために逆洗弁が開とされている間は、この膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁を開状態とし、該逆洗弁が閉とされているときにはこの膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁を閉状態とすることを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明の膜濾過装置及び膜濾過方法では、逆洗弁を開とした逆洗時には濃縮水排出管の濃縮水排出弁を開として濃縮水の一部を排出することにより、逆洗時の原水の圧力増加及び流入量減少の程度を低減することができる。このように逆洗時の原水圧力及び流入量の変動を小さくすることにより、脈動流の発生を防止し、脈動流による膜の損傷を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は本発明の膜濾過装置の実施の形態を示す系統図である。図中、Ｍ11，Ｍ12，Ｍ13，Ｍ21，Ｍ22，Ｍ23，Ｍ31，Ｍ32，Ｍ33は膜モジュール、Ｈ1 ，Ｈ2 ，Ｈ3 ，Ｈ4 はマニホルド、Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30は逆洗弁（自動弁）、Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31は透過水出口弁（自動弁）、Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32は濃縮水排出弁（自動弁）、Ｖ13，Ｖ23，Ｖ33は定流量弁、Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34は流量調節弁、Ｗは逆洗タンク、Ｌは水位計、Ｖ40はエア抜き弁、Ｖ41は水位計Ｌに連動する逆洗水水張り弁、ＶA1，ＶA2，ＶA3は遮断弁、ＶB1，ＶB2，ＶB3は調圧弁（圧力調整弁）である。Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 は３本の膜モジュールが並列された膜モジュール群を示す。
【００１６】
この膜濾過装置は、３本の膜モジュールが並列に配置された膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 が、３段に直列に配置されたものであり、上流側の膜モジュール群の濃縮水が順次下流側の膜モジュール群に流入し、透過水は各段毎に集水され、各々透過水出口弁Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31及び定流量弁Ｖ13，Ｖ23，Ｖ33を経て抜き出され、更に集水されて系外へ排出される。なお、この透過水の一部は必要に応じて逆洗水水張り弁Ｖ41より逆洗タンクＷに流入する。この逆洗タンクＷには水位計Ｌが設けられており、設定した水位まで透過水が流入すると水張り弁Ｖ41を閉として透過水の導入を停止する。
【００１７】
各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 には各々の膜モジュールの透過水側に逆洗タンクＷの逆洗水を圧入する逆洗弁Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30が設けられており、逆洗時には、逆洗タンクＷの空気貯め部に連結したコンプレッサ（図示せず）により、調圧弁ＶB1，ＶB2，ＶB3及び遮断弁ＶA1，ＶA2，ＶA3を介して加圧空気が供給され、この加圧力で逆洗水が各膜モジュールに供給される。
【００１８】
また、各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の出口側のマニホルドＨ2 ，Ｈ3 ，Ｈ4 には、各々濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32及び流量調節弁Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34を有する濃縮水排出ラインが設けられている。
【００１９】
各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の透過水出口弁Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31とこの濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32は、各々、逆洗弁Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30の開閉に対応して次のように開閉する。
【００２０】
【表１】
【００２１】
このように逆洗時に弁の開閉を制御することにより、膜モジュールの透過水側から濃縮水側へ逆洗水が圧入される際の脈動流の発生を大幅に低減することができる。即ち、従来においては、原水の通水を継続しながら逆洗を行う場合、逆洗時に透過水側から濃縮水側へ逆流することによって増加した水が、原水（濃縮水）側の圧力を高め、また、原水流入量を低減させ、これが脈動流の原因となっていたが、図示の如く、濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32を設け、逆洗時に、この濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32を開として、逆洗水の流入で濃縮水側で増加した水量に見合う量の水を排出することにより、上記圧力増加、流入量低減を防止し、逆洗時の圧力及び流入量を通水濾過時と同等に平準化させることができる。そして、これにより脈動流の発生を防止することができる。
【００２２】
なお、濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32からの濃縮水排出量は、その開閉の度合や口径等によって左右され、一方で、圧力及び流入量の平準化作用で、脈動流の発生を安定かつ確実に防止するためには、濃縮水の排出量を適正量とする必要があることから、各濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32の設置ラインには図示の如く、各々流量調整弁Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34を設け、その開度調整で濃縮水の排出量を制御するのが好ましい。
【００２３】
ところで、脈動流の防止の点からは、逆洗時の有効逆洗圧（逆洗時の透過水（逆洗水）側圧力と原水（濃縮水）側圧力との差）を０．０２〜０．１５ＭＰａの適正範囲に抑えることに加えて、複数の膜モジュールを直列に接続した膜濾過装置においては、１基の逆洗タンクによる逆洗では各段の膜モジュールの有効逆洗圧を均等にすることが望ましいが、このように逆洗圧を各段において均等にするにはそのための特別な付帯設備が必要であった。
【００２４】
例えば、図示の如く、３段に直列に膜モジュール群Ｍ1 〜Ｍ3 を接続したものにおいて、１基の逆洗タンクで逆洗を行うと、最上段の膜モジュール群Ｍ1 の有効逆洗圧は０．０２ＭＰａ、中段の膜モジュール群Ｍ2 の有効逆洗圧は０．０６ＭＰａ、最下段の膜モジュール群Ｍ3 の有効逆洗圧は０．１ＭＰａというように適正範囲内に抑えられるものの、その値には大きな差が生じる。このため、従来においては、各段の有効逆洗圧を個別に制御しうるようにするために各段毎に逆洗タンクを設けているが、このようにすることによりタンク数や設置スペースが増え、運転管理の面でも作業数が多いという欠点があった。
【００２５】
これに対し、本実施の形態では、３段の膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 に対して１基の逆洗タンクＷを設け、この逆洗タンクＷに各々の膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 に対応する圧力調節手段を設けて各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の有効逆洗圧を制御できるように構成している。
【００２６】
即ち、図１において、遮断弁ＶA1と調圧弁ＶB1は膜モジュール群Ｍ1 の有効逆洗圧の設定のためのものであり、遮断弁ＶA2と調圧弁ＶB2は膜モジュール群Ｍ2 の有効逆洗圧の設定のためのものであり、遮断弁ＶA3と調圧弁ＶB3は膜モジュール群Ｍ3 の有効逆洗圧の設定のためのものであり、各調圧弁ＶB1，ＶB2，ＶB3はコンプレッサからの加圧空気を各々の膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の逆洗に好適な所定圧力で逆洗タンクＷに送給するように設定され、遮断弁ＶA1，ＶA2，ＶA3は各々逆洗弁Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30に同期して開閉制御される。
【００２７】
このように、直列に接続した膜モジュール又は膜モジュール群毎に有効逆洗圧調節手段を設けることにより、１基の逆洗タンク及び共通の逆洗水供給配管等により各段の有効逆洗圧を均等にして各膜モジュールを逆洗することができる。
【００２８】
なお、逆洗時にはエア抜き弁Ｖ40は閉とされる。逆洗終了後に該エア抜き弁Ｖ40を開として、水位計Ｌに連動する逆洗水水張り弁Ｖ41より透過水を所定水位まで逆洗タンクＷ内に貯める。
【００２９】
図示の膜濾過装置は、３本の膜モジュールを並列配置した膜モジュール群を３段に直列に接続したものであるが、本発明において、膜モジュールの接続数や接続形態に特に制限はなく、１本の膜モジュールのみを設置した膜濾過装置であっても良い。
【００３０】
ただし、前述の如く、脈動流及びそれによる膜の損傷は膜モジュールの直列に接続する数が多いほど起こり易いことから、本発明は、特に、膜モジュールを直列に多段に接続した膜濾過装置に適用することにより、顕著な効果を得ることができる。
【００３１】
このように膜モジュールが直列に多段に接続されている膜濾過装置において、各段の膜モジュールの逆洗は同時に行っても、順次行っても良い。
【００３２】
なお、各段の膜モジュールの逆洗を順次行うようにした場合であれば、一つの段の膜モジュールが逆洗されているときでも他の段の膜モジュールでは透過水採水運転が行われるので、常時透過水を得ることができるという利点がある。また、図示の如く、各段の膜モジュール毎に有効逆洗圧調節のための調圧弁及び遮断弁を設け、各段の膜モジュール毎に有効逆洗圧の調節を行う点からも、順次逆洗を行うようにするのが好ましい。この場合、逆洗の周期が重なるようであれば、どの段の膜モジュールの逆洗を優先させるかを予め設定しておき、タイマーにより、各段の膜モジュールの逆洗操作を順次実行させるのが好ましい。
【００３３】
なお、逆洗時間は、任意に設定できるが、通常、数秒〜数十秒程度であり、また、逆洗頻度は数分〜数時間毎である。
【００３４】
【実施例】
以下に実験例、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３５】
実験例１
膜面積０．０３６ｍ2 のＭＦ膜モジュールを２本用い、脈動流による膜の損傷状況を確認する実験を行った。
【００３６】
一方の膜モジュールには２ｍ／ｓの連続通水（脈動流なし）で、また、他方の膜モジュールには、人工的に脈動流を起こすべく、２ｍ／ｓの通水１〜１５分毎に、流量を半減して１ｍ／ｓとする通水を５秒間行う周期的な通水を行い、それぞれ表２に示す試験水を表２に示す時間通水した。
【００３７】
通水後、膜面を観察すると共に撮影した写真から、膜全体の面積に対する孔の見える部分の面積の割合を開孔率として求め、結果を表２に示した。なお、通水試験前の新膜の開孔率は３３％であった。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２より、特に、粉末活性炭や石膏粒子といった粒子を含む原水、とりわけ、硬度の高い石膏粒子を含む原水を通水すると脈動流により膜が著しく損傷し、膜の濾過面に形成されている網目構造の孔がつぶれてしまうことがわかる。
【００４０】
実施例１，比較例１
図２に示す如く、２本のＭＦ膜モジュール（有効膜面積２ｍ2 ，チューブ膜を４１本装着，長さ３ｍ）を直列に接続した膜濾過装置を用いて排煙脱硫排水をポリ塩化アルミニウムで凝集処理した水の通水実験を行った。
【００４１】
図２において、図１に示す部材と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。なお、逆洗タンクＷのエア抜き弁や水位計は図示を省略してある。Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 ，Ｐ5 は圧力計、Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 は流量計である。
【００４２】
各自動弁の開閉を表３に示す通りとしたときの各部の圧力及び流量を表４に示した。
【００４３】
なお、逆洗は、同時逆洗の場合、１５分毎に１０秒間、順次逆洗の場合、Ｍ11では１５分毎に１０秒間、Ｍ21では１７分毎に１０秒間行った。
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【００４６】
表３，４より次のことがわかる。即ち、逆洗時に濃縮水の一部を排出しない比較例１では、給水流量Ｆ1 が採水時７．１５ｍ3 ／ｈから逆洗時４．２〜４．５ｍ3 ／ｈに減少し、給水入口側圧力Ｐ1 が、採水時０．２ＭＰａ程度から逆洗時０．２４〜０．３１ＭＰａに急増した。これに対して、逆洗時に濃縮水の一部を排出する実施例１では給水流量Ｆ1 が採水時７．０ｍ3 ／ｈから逆洗時６．７〜６．９５ｍ3 ／ｈとわずかに減少し、給水入口側圧力Ｐ1 は採水時０．１９６ＭＰａから逆洗時０．１８４〜０．１９５ＭＰａとわずかに変動したのみであった。
【００４７】
実施例２，比較例２
膜モジュールを１本のみ用いて、実施例１及び比較例１とそれぞれ同様に通水試験を行ったところ、採水時及び逆洗時の給水流量及び給水圧力はそれぞれ表５に示す通りとなり、膜モジュールが１本の場合でも、濃縮水排出用の自動弁の開閉を行わない比較例２では１年以上の運転で膜の損傷が認められたが、濃縮水排出用の自動弁を設け、逆洗時に濃縮水を排出する本発明によれば、給水流量、給水圧力の変動幅を小さくして、膜の損傷を防止することができた。
【００４８】
【表５】
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の膜濾過装置及び膜濾過方法によれば、原水の通水を継続しながら間欠的に逆洗を行う場合において、膜の損傷の原因となる原水の脈動流が防止され、長期に亘り安定な連続運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜濾過装置の実施の形態を示す系統図である。
【図２】実施例で用いた膜濾過装置を示す系統図である。
【符号の説明】
Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 膜モジュール群
Ｍ11，Ｍ12，Ｍ13，Ｍ21，Ｍ22，Ｍ23，Ｍ31，Ｍ32，Ｍ33 膜モジュール
Ｈ1 ，Ｈ2 ，Ｈ3 ，Ｈ4 マニホルド
Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30 逆洗弁
Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31 透過水出口弁
Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32 濃縮水排出弁
Ｖ13，Ｖ23，Ｖ33 定流量弁
Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34 流量調節弁
Ｗ 逆洗タンク
Ｌ 水位計
Ｖ40 エア抜き弁
Ｖ41 逆洗水水張り弁
ＶA1，ＶA2，ＶA3 遮断弁
ＶB1，ＶB2，ＶB3 調圧弁
【発明の属する技術分野】
本発明は膜濾過装置及び膜濾過方法に係り、特に、原水の通水を継続しながら、透過水側から逆洗水を圧入して逆洗を行う膜濾過装置において、膜の損傷の原因となる逆洗時の原水の脈動流の発生を防止して長期連続運転を可能とした膜濾過装置及び膜濾過方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原水の濁質除去を目的とする限外濾過（ＵＦ）又は精密濾過（ＭＦ）等の膜濾過装置では、膜モジュールに供給された原水中の固形分は膜によって分離され、膜を透過した透過水と固形分濃度が高くなった濃縮水とに分けられる。この濃縮水は排出されるか、循環槽に返送され再度膜モジュールに供給される。このような膜濾過を継続すると、膜の目詰りによりフラックス（透過水量）が低下してくるため、定期的（間欠的）に、例えば数分〜数百分の原水の通水に対して数秒〜数分の頻度で、原水の通水を継続したまま、膜の透過水側から逆洗水を逆流させて膜面に付着した濁質ケーキを剥離、除去する逆洗を行って、フラックスを回復させることがある。通常、この逆洗水としては、透過水の一部を逆洗タンクに貯留しておいたものが用いられるが、別の洗浄用水を用いる場合もある。
【０００３】
このように、原水の通水を継続しながら逆洗水を供給する逆洗方法では、通常、逆洗の間、透過水の採水は行わず、膜モジュールに流入した原水は濃縮水取出管から系外へ排出されるか、原水側へ返送される。
【０００４】
ところで、クロスフロー濾過方式でしかも上記の如く定期的に逆洗を行う従来の膜濾過装置では、多くの場合、複数の膜モジュールを直列に接続することなく、すべて並列に接続した装置構成とされていたが、この場合、原水流量と透過水流量との比は一般に１：０．０６〜０．１５程度で採水効率が小さいという欠点があった。
【０００５】
これに対して、複数の膜モジュールを直列に接続したもの、例えば、２本の膜モジュールを直列に接続したものでは、原水流量と透過水流量の比は１：０．１５〜０．３０或いはそれ以上となり、採水効率が高いことから、近年、直列型の膜濾過装置の開発が進められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、原水の通水を継続しながら、逆洗水を逆流させる逆洗を行った場合、逆洗時に膜モジュールに流入する原水圧力が通水濾過時（逆洗を行っていない透過水採水時）に比べて高くなり、また、膜モジュールへの原水流入量は通水濾過時に比べて減少する。
【０００７】
この現象は、逆洗時に逆洗水が膜を透過して濃縮水側に移行してくるため、この濃縮水側への移行水が、原水が通過する濃縮水側流路を一部遮断することによるものと考えられる。
【０００８】
そして、このような原水の圧力と流入量が変動するところから、逆洗の都度、膜モジュールへの流入原水に脈動流が発生するようになる。そして、このような脈動が繰り返し膜に負荷されることにより膜が損傷し易いものとなる。
【０００９】
この脈動流は、複数の膜モジュールを並列に接続した膜濾過装置でも生じるが、特に、複数の膜モジュールを直列に接続した膜濾過装置において、直列に接続した膜モジュール数が多い程大きく、とりわけ、このような直列型の膜濾過装置で各膜モジュールを同時逆洗した場合には、著しく大きな脈動流が発生することから、膜は早期に損傷するようになる。
【００１０】
上記逆洗時の脈動流による影響はまた、例えば、石膏粒子を含有する石炭焚きの火力発電所の排煙脱硫排水の中和・凝集処理水を膜濾過する場合や、原水に５０μｍ以上の粒径の粉末活性炭を添加した後膜濾過する場合のように、高硬度ないし大粒径の粒子を含む原水が流入する場合に大きく、膜は早期に損傷するようになる。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決し、膜の損傷の原因となる逆洗時の原水の脈動流を低減し、長期連続運転が可能な膜濾過装置及び膜濾過方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜濾過装置は、内部を濃縮水側と透過水側とに区画する濾過膜を具備する膜モジュールと、該膜モジュールの濃縮水側に原水を供給する原水供給管と、該濾過膜を透過した透過水を該膜モジュールから取り出す透過水取出管と、濃縮水を該膜モジュールから取り出す濃縮水取出管と、逆洗弁を開とすることにより逆洗水を膜モジュールの透過水側に圧入する逆洗水供給手段とを有し、原水を供給しつつ間欠的に逆洗水を膜モジュールに圧入して該濾過膜を逆洗するようにした膜濾過装置において、濃縮水の一部を排出する濃縮水排出管が、前記濃縮水取出管から分岐して、或いは、濃縮水取出管とは別に膜モジュールの濃縮水側に接続して設けられ、該濃縮水排出管に濃縮水排出弁が設けられており、逆洗水を膜モジュールに圧入するために逆洗弁が開とされている間は、この膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁が開状態とされ、該逆洗弁が閉とされているときにはこの膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁が閉状態とされることを特徴とする。
本発明の膜濾過方法は、内部を濃縮水側と透過水側とに区画する濾過膜を具備する膜モジュールと、該膜モジュールの濃縮水側に原水を供給する原水供給管と、該濾過膜を透過した透過水を該膜モジュールから取り出す透過水取出管と、濃縮水を該膜モジュールから取り出す濃縮水取出管と、逆洗弁を開とすることにより逆洗水を膜モジュールの透過水側に圧入する逆洗水供給手段とを有し、原水を供給しつつ間欠的に逆洗水を膜モジュールに圧入して該濾過膜を逆洗するようにした膜濾過装置による膜濾過方法において、濃縮水の一部を排出する濃縮水排出管が、前記濃縮水取出管から分岐して、或いは、濃縮水取出管とは別に膜モジュールの濃縮水側に接続して設けられ、該濃縮水排出管に濃縮水排出弁が設けられており、逆洗水を膜モジュールに圧入するために逆洗弁が開とされている間は、この膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁を開状態とし、該逆洗弁が閉とされているときにはこの膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁を閉状態とすることを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明の膜濾過装置及び膜濾過方法では、逆洗弁を開とした逆洗時には濃縮水排出管の濃縮水排出弁を開として濃縮水の一部を排出することにより、逆洗時の原水の圧力増加及び流入量減少の程度を低減することができる。このように逆洗時の原水圧力及び流入量の変動を小さくすることにより、脈動流の発生を防止し、脈動流による膜の損傷を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は本発明の膜濾過装置の実施の形態を示す系統図である。図中、Ｍ11，Ｍ12，Ｍ13，Ｍ21，Ｍ22，Ｍ23，Ｍ31，Ｍ32，Ｍ33は膜モジュール、Ｈ1 ，Ｈ2 ，Ｈ3 ，Ｈ4 はマニホルド、Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30は逆洗弁（自動弁）、Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31は透過水出口弁（自動弁）、Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32は濃縮水排出弁（自動弁）、Ｖ13，Ｖ23，Ｖ33は定流量弁、Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34は流量調節弁、Ｗは逆洗タンク、Ｌは水位計、Ｖ40はエア抜き弁、Ｖ41は水位計Ｌに連動する逆洗水水張り弁、ＶA1，ＶA2，ＶA3は遮断弁、ＶB1，ＶB2，ＶB3は調圧弁（圧力調整弁）である。Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 は３本の膜モジュールが並列された膜モジュール群を示す。
【００１６】
この膜濾過装置は、３本の膜モジュールが並列に配置された膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 が、３段に直列に配置されたものであり、上流側の膜モジュール群の濃縮水が順次下流側の膜モジュール群に流入し、透過水は各段毎に集水され、各々透過水出口弁Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31及び定流量弁Ｖ13，Ｖ23，Ｖ33を経て抜き出され、更に集水されて系外へ排出される。なお、この透過水の一部は必要に応じて逆洗水水張り弁Ｖ41より逆洗タンクＷに流入する。この逆洗タンクＷには水位計Ｌが設けられており、設定した水位まで透過水が流入すると水張り弁Ｖ41を閉として透過水の導入を停止する。
【００１７】
各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 には各々の膜モジュールの透過水側に逆洗タンクＷの逆洗水を圧入する逆洗弁Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30が設けられており、逆洗時には、逆洗タンクＷの空気貯め部に連結したコンプレッサ（図示せず）により、調圧弁ＶB1，ＶB2，ＶB3及び遮断弁ＶA1，ＶA2，ＶA3を介して加圧空気が供給され、この加圧力で逆洗水が各膜モジュールに供給される。
【００１８】
また、各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の出口側のマニホルドＨ2 ，Ｈ3 ，Ｈ4 には、各々濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32及び流量調節弁Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34を有する濃縮水排出ラインが設けられている。
【００１９】
各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の透過水出口弁Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31とこの濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32は、各々、逆洗弁Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30の開閉に対応して次のように開閉する。
【００２０】
【表１】
このように逆洗時に弁の開閉を制御することにより、膜モジュールの透過水側から濃縮水側へ逆洗水が圧入される際の脈動流の発生を大幅に低減することができる。即ち、従来においては、原水の通水を継続しながら逆洗を行う場合、逆洗時に透過水側から濃縮水側へ逆流することによって増加した水が、原水（濃縮水）側の圧力を高め、また、原水流入量を低減させ、これが脈動流の原因となっていたが、図示の如く、濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32を設け、逆洗時に、この濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32を開として、逆洗水の流入で濃縮水側で増加した水量に見合う量の水を排出することにより、上記圧力増加、流入量低減を防止し、逆洗時の圧力及び流入量を通水濾過時と同等に平準化させることができる。そして、これにより脈動流の発生を防止することができる。
【００２２】
なお、濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32からの濃縮水排出量は、その開閉の度合や口径等によって左右され、一方で、圧力及び流入量の平準化作用で、脈動流の発生を安定かつ確実に防止するためには、濃縮水の排出量を適正量とする必要があることから、各濃縮水排出弁Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32の設置ラインには図示の如く、各々流量調整弁Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34を設け、その開度調整で濃縮水の排出量を制御するのが好ましい。
【００２３】
ところで、脈動流の防止の点からは、逆洗時の有効逆洗圧（逆洗時の透過水（逆洗水）側圧力と原水（濃縮水）側圧力との差）を０．０２〜０．１５ＭＰａの適正範囲に抑えることに加えて、複数の膜モジュールを直列に接続した膜濾過装置においては、１基の逆洗タンクによる逆洗では各段の膜モジュールの有効逆洗圧を均等にすることが望ましいが、このように逆洗圧を各段において均等にするにはそのための特別な付帯設備が必要であった。
【００２４】
例えば、図示の如く、３段に直列に膜モジュール群Ｍ1 〜Ｍ3 を接続したものにおいて、１基の逆洗タンクで逆洗を行うと、最上段の膜モジュール群Ｍ1 の有効逆洗圧は０．０２ＭＰａ、中段の膜モジュール群Ｍ2 の有効逆洗圧は０．０６ＭＰａ、最下段の膜モジュール群Ｍ3 の有効逆洗圧は０．１ＭＰａというように適正範囲内に抑えられるものの、その値には大きな差が生じる。このため、従来においては、各段の有効逆洗圧を個別に制御しうるようにするために各段毎に逆洗タンクを設けているが、このようにすることによりタンク数や設置スペースが増え、運転管理の面でも作業数が多いという欠点があった。
【００２５】
これに対し、本実施の形態では、３段の膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 に対して１基の逆洗タンクＷを設け、この逆洗タンクＷに各々の膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 に対応する圧力調節手段を設けて各膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の有効逆洗圧を制御できるように構成している。
【００２６】
即ち、図１において、遮断弁ＶA1と調圧弁ＶB1は膜モジュール群Ｍ1 の有効逆洗圧の設定のためのものであり、遮断弁ＶA2と調圧弁ＶB2は膜モジュール群Ｍ2 の有効逆洗圧の設定のためのものであり、遮断弁ＶA3と調圧弁ＶB3は膜モジュール群Ｍ3 の有効逆洗圧の設定のためのものであり、各調圧弁ＶB1，ＶB2，ＶB3はコンプレッサからの加圧空気を各々の膜モジュール群Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 の逆洗に好適な所定圧力で逆洗タンクＷに送給するように設定され、遮断弁ＶA1，ＶA2，ＶA3は各々逆洗弁Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30に同期して開閉制御される。
【００２７】
このように、直列に接続した膜モジュール又は膜モジュール群毎に有効逆洗圧調節手段を設けることにより、１基の逆洗タンク及び共通の逆洗水供給配管等により各段の有効逆洗圧を均等にして各膜モジュールを逆洗することができる。
【００２８】
なお、逆洗時にはエア抜き弁Ｖ40は閉とされる。逆洗終了後に該エア抜き弁Ｖ40を開として、水位計Ｌに連動する逆洗水水張り弁Ｖ41より透過水を所定水位まで逆洗タンクＷ内に貯める。
【００２９】
図示の膜濾過装置は、３本の膜モジュールを並列配置した膜モジュール群を３段に直列に接続したものであるが、本発明において、膜モジュールの接続数や接続形態に特に制限はなく、１本の膜モジュールのみを設置した膜濾過装置であっても良い。
【００３０】
ただし、前述の如く、脈動流及びそれによる膜の損傷は膜モジュールの直列に接続する数が多いほど起こり易いことから、本発明は、特に、膜モジュールを直列に多段に接続した膜濾過装置に適用することにより、顕著な効果を得ることができる。
【００３１】
このように膜モジュールが直列に多段に接続されている膜濾過装置において、各段の膜モジュールの逆洗は同時に行っても、順次行っても良い。
【００３２】
なお、各段の膜モジュールの逆洗を順次行うようにした場合であれば、一つの段の膜モジュールが逆洗されているときでも他の段の膜モジュールでは透過水採水運転が行われるので、常時透過水を得ることができるという利点がある。また、図示の如く、各段の膜モジュール毎に有効逆洗圧調節のための調圧弁及び遮断弁を設け、各段の膜モジュール毎に有効逆洗圧の調節を行う点からも、順次逆洗を行うようにするのが好ましい。この場合、逆洗の周期が重なるようであれば、どの段の膜モジュールの逆洗を優先させるかを予め設定しておき、タイマーにより、各段の膜モジュールの逆洗操作を順次実行させるのが好ましい。
【００３３】
なお、逆洗時間は、任意に設定できるが、通常、数秒〜数十秒程度であり、また、逆洗頻度は数分〜数時間毎である。
【００３４】
【実施例】
以下に実験例、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３５】
実験例１
膜面積０．０３６ｍ2 のＭＦ膜モジュールを２本用い、脈動流による膜の損傷状況を確認する実験を行った。
【００３６】
一方の膜モジュールには２ｍ／ｓの連続通水（脈動流なし）で、また、他方の膜モジュールには、人工的に脈動流を起こすべく、２ｍ／ｓの通水１〜１５分毎に、流量を半減して１ｍ／ｓとする通水を５秒間行う周期的な通水を行い、それぞれ表２に示す試験水を表２に示す時間通水した。
【００３７】
通水後、膜面を観察すると共に撮影した写真から、膜全体の面積に対する孔の見える部分の面積の割合を開孔率として求め、結果を表２に示した。なお、通水試験前の新膜の開孔率は３３％であった。
【００３８】
【表２】
表２より、特に、粉末活性炭や石膏粒子といった粒子を含む原水、とりわけ、硬度の高い石膏粒子を含む原水を通水すると脈動流により膜が著しく損傷し、膜の濾過面に形成されている網目構造の孔がつぶれてしまうことがわかる。
【００４０】
実施例１，比較例１
図２に示す如く、２本のＭＦ膜モジュール（有効膜面積２ｍ2 ，チューブ膜を４１本装着，長さ３ｍ）を直列に接続した膜濾過装置を用いて排煙脱硫排水をポリ塩化アルミニウムで凝集処理した水の通水実験を行った。
【００４１】
図２において、図１に示す部材と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。なお、逆洗タンクＷのエア抜き弁や水位計は図示を省略してある。Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 ，Ｐ5 は圧力計、Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 は流量計である。
【００４２】
各自動弁の開閉を表３に示す通りとしたときの各部の圧力及び流量を表４に示した。
【００４３】
なお、逆洗は、同時逆洗の場合、１５分毎に１０秒間、順次逆洗の場合、Ｍ11では１５分毎に１０秒間、Ｍ21では１７分毎に１０秒間行った。
【００４４】
【表３】
【表４】
表３，４より次のことがわかる。即ち、逆洗時に濃縮水の一部を排出しない比較例１では、給水流量Ｆ1 が採水時７．１５ｍ3 ／ｈから逆洗時４．２〜４．５ｍ3 ／ｈに減少し、給水入口側圧力Ｐ1 が、採水時０．２ＭＰａ程度から逆洗時０．２４〜０．３１ＭＰａに急増した。これに対して、逆洗時に濃縮水の一部を排出する実施例１では給水流量Ｆ1 が採水時７．０ｍ3 ／ｈから逆洗時６．７〜６．９５ｍ3 ／ｈとわずかに減少し、給水入口側圧力Ｐ1 は採水時０．１９６ＭＰａから逆洗時０．１８４〜０．１９５ＭＰａとわずかに変動したのみであった。
【００４７】
実施例２，比較例２
膜モジュールを１本のみ用いて、実施例１及び比較例１とそれぞれ同様に通水試験を行ったところ、採水時及び逆洗時の給水流量及び給水圧力はそれぞれ表５に示す通りとなり、膜モジュールが１本の場合でも、濃縮水排出用の自動弁の開閉を行わない比較例２では１年以上の運転で膜の損傷が認められたが、濃縮水排出用の自動弁を設け、逆洗時に濃縮水を排出する本発明によれば、給水流量、給水圧力の変動幅を小さくして、膜の損傷を防止することができた。
【００４８】
【表５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の膜濾過装置及び膜濾過方法によれば、原水の通水を継続しながら間欠的に逆洗を行う場合において、膜の損傷の原因となる原水の脈動流が防止され、長期に亘り安定な連続運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜濾過装置の実施の形態を示す系統図である。
【図２】実施例で用いた膜濾過装置を示す系統図である。
【符号の説明】
Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 膜モジュール群
Ｍ11，Ｍ12，Ｍ13，Ｍ21，Ｍ22，Ｍ23，Ｍ31，Ｍ32，Ｍ33 膜モジュール
Ｈ1 ，Ｈ2 ，Ｈ3 ，Ｈ4 マニホルド
Ｖ10，Ｖ20，Ｖ30 逆洗弁
Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31 透過水出口弁
Ｖ12，Ｖ22，Ｖ32 濃縮水排出弁
Ｖ13，Ｖ23，Ｖ33 定流量弁
Ｖ14，Ｖ24，Ｖ34 流量調節弁
Ｗ 逆洗タンク
Ｌ 水位計
Ｖ40 エア抜き弁
Ｖ41 逆洗水水張り弁
ＶA1，ＶA2，ＶA3 遮断弁
ＶB1，ＶB2，ＶB3 調圧弁
Claims (5)
- 内部を濃縮水側と透過水側とに区画する濾過膜を具備する膜モジュールと、
該膜モジュールの濃縮水側に原水を供給する原水供給管と、
該濾過膜を透過した透過水を該膜モジュールから取り出す透過水取出管と、
濃縮水を該膜モジュールから取り出す濃縮水取出管と、
逆洗弁を開とすることにより逆洗水を膜モジュールの透過水側に圧入する逆洗水供給手段とを有し、
原水を供給しつつ間欠的に逆洗水を膜モジュールに圧入して該濾過膜を逆洗するようにした膜濾過装置において、
濃縮水の一部を排出する濃縮水排出管が、前記濃縮水取出管から分岐して、或いは、濃縮水取出管とは別に膜モジュールの濃縮水側に接続して設けられ、該濃縮水排出管に濃縮水排出弁が設けられており、
逆洗水を膜モジュールに圧入するために逆洗弁が開とされている間は、この膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁が開状態とされ、該逆洗弁が閉とされているときにはこの膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁が閉状態とされることを特徴とする膜濾過装置。 - 請求項１において、複数の膜モジュールが直列多段に接続され、
各段の膜モジュールにそれぞれ前記逆洗水供給手段が設けられており、
膜モジュールの濃縮水の一部を排出するための、前記濃縮水排出弁を備えた前記濃縮水排出管が各段の膜モジュール毎に設けられており、
１つの段の膜モジュールに、前記逆洗弁を開とすることにより逆洗水が導入されているときには、その段の膜モジュールの濃縮水の一部を排出するようにその段の濃縮水排出弁が開とされることを特徴とする膜濾過装置。 - 請求項２において、前記逆洗水供給手段は、各段に共通の逆洗タンクを備えており、該逆洗タンクから各段毎の逆洗弁を介して各段の膜モジュールに逆洗水が供給可能とされていることを特徴とする膜濾過装置。
- 請求項３において、該逆洗タンクから逆洗水を送給するために、該逆洗タンクに加圧空気を供給するためのコンプレッサが設けられていると共に、
該逆洗タンクから膜モジュールに供給される逆洗水の圧力の調節手段が設けられていることを特徴とする膜濾過装置。 - 内部を濃縮水側と透過水側とに区画する濾過膜を具備する膜モジュールと、
該膜モジュールの濃縮水側に原水を供給する原水供給管と、
該濾過膜を透過した透過水を該膜モジュールから取り出す透過水取出管と、
濃縮水を該膜モジュールから取り出す濃縮水取出管と、
逆洗弁を開とすることにより逆洗水を膜モジュールの透過水側に圧入する逆洗水供給手段とを有し、
原水を供給しつつ間欠的に逆洗水を膜モジュールに圧入して該濾過膜を逆洗するようにした膜濾過装置による膜濾過方法において、
濃縮水の一部を排出する濃縮水排出管が、前記濃縮水取出管から分岐して、或いは、濃縮水取出管とは別に膜モジュールの濃縮水側に接続して設けられ、該濃縮水排出管に濃縮水排出弁が設けられており、
逆洗水を膜モジュールに圧入するために逆洗弁が開とされている間は、この膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁を開状態とし、該逆洗弁が閉とされているときにはこの膜モジュールからの濃縮水排出用の該濃縮水排出弁を閉状態とすることを特徴とする膜濾過方法。
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