JP4033094B2 - 膜ろ過装置の膜損傷検知方法およびそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川水や湖沼水等の表流水および地下水などの原水をろ過膜で処理する水処理方法において、その膜の損傷を検知する膜損傷検知方法に関し、とくに原水を精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜で処理する水処理方法において、その膜の損傷を検知する膜損傷検知方法に関する。また、本発明は上記膜損傷検知方法を行うための膜損傷検知装置に関する。

近年、水道原水である環境水に混入した塩素耐性原虫である、クリプトスポリジウム等の危険性が危惧されるようになってきた。クリプトスポリジウムの大きさは３〜５μｍ程度であるので、原水のクリプトスポリジウムを除去するためには、それより大きな微粒子成分を完全に除去すればよいが、現在は暫定の指針として水道水の濁度を０．１以下にするよう示されている。クリプトスポリジウム対策として、従来の砂ろ過法と比較して有効な方法が、精密ろ過膜や限外ろ過膜を用いた浄水処理方法である。この方法によれば、理論上、膜孔径より大きい成分は、ほぼ完全に取り除かれることとなる。
しかしながら、何らかの原因により膜の一部が損傷した場合などは、その部分から漏洩が進み、処理水中に微粒子（クリプトスポリジウム等）が混入する蓋然性がある。このため膜処理においては、膜損傷をいち早く検知し、対処することが重要となる。

膜損傷の検知の方法としては、空気を膜モジュールに供給し、その圧力の降下具合や空気流量などから膜損傷を検知する方法の他（たとえば特許文献１を参照）、微細気泡を利用する技術がある（特許文献２を参照）。すなわち、空気が溶解した加圧水を原水側に供給すると微細気泡が発生し、もし膜損傷が起きていたときには、この微細気泡が透過水中に混入するので、この微細気泡を検出できれば膜が損傷されていたといえる。この方法は、加圧水を必要とし、けっして簡単な方法とはいえない。
現在、最も一般的な方法は膜透過水側に微粒子計や高感度の濁度計を設置し、測定値が設定値を超えた場合は異常と判断し、緊急停止などの処置を講ずるものである。この方法は汎用の計器を用いて、精度良く膜損傷を検知することができるといえるが、しかしながら、地下水などの非常に清廉な原水を処理する場合や多くの膜モジュールを少数の水質計（濁度計）で監視する場合、その膜処理水の微粒子数もしくは濁度は非常に低くなり、たとえ膜異常があった場合においても、膜異常を的確に検知することができないという問題あった。これでは、原水中にクリプトスポリジウム等が混入するという、非常事態に対処できなくなってしまい、膜処理システムの導入メリットを没却しえない。

その点、特許文献３には、膜モジュールの高圧側に濁質供給装置が配設され、衛生上無害な濁質を膜供給水に添加する技術が開示されており、これにより膜破損の検出濁度を高く設定することができ、膜ろ過水に気泡が混入した場合などに濁度測定手段が誤作動するのを防止することができると説明されている。しかし特許文献３では、逆洗浄水が持つ特徴を有効に利用するといった考え方は示されていないし、ましてや濁質を間欠的に行うことまで開示していない。

特開２０００−２７９７６９号公報 特開２００３−１１２０１８号公報 特開平６−３２０１５７号公報

そこで、本発明の課題は、原水をろ過膜で処理する水処理方法において、そのろ過膜損傷の異常をいち早く、より的確に判定する膜損傷検知方法を提供することにある。とくに、地下水などの非常に清廉な原水を処理する場合や数多くの膜モジュールを少数の水質計（濁度計）で監視する場合は、仮に極一部の膜損傷が生じていたとしてもその損傷された膜を通過する物質は透過水全体に対しては極めて少ないのであり、そのような場合でも、用いるろ過膜の損傷を精度よく、的確に、しかも汎用の計器を用いて、とくに衛生的な濁質を特別に準備することなく簡単に判定することができる膜損傷検知方法を提供することにある。また、その膜損傷検知方法を行うための水処理装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、比較的清廉な原水を膜処理する場合に、膜の逆洗浄水あるいは逆洗浄水の上澄みを除去した濃縮水を原水に注入することにより、膜損傷等の異常をより的確に判定できることを見出し、さらに研究を重ね、本発明に到達した。
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、ろ過膜を通過する前の原水に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を注入することを特徴とし、透過水に含まれる微粒子数あるいは濁度を感度よく知ることにより、膜損傷等の異常をいち早く、より的確に判定することを可能とする発明であり、請求項２に係る発明は、原水に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を間欠的に注入することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、原水に注入する逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水の最適注入量、微粒子の最適混入量、および凝集剤の最適混入量を演算制御することを特徴とする膜損傷検知方法の発明である。
請求項５に係る発明は、膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することによる膜損傷の検知装置を備える膜ろ過水処理装置において、原水側に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を注入する装置を有することを特徴とする発明である。
請求項６に係る発明は、膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することによる膜損傷の検知装置を有する膜ろ過水処理装置において、原水側に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を間欠的に注入する装置を備えることを特徴とする膜損傷検知可能な膜ろ過水処理装置の発明である。
請求項７に係る発明は、膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することによる膜損傷の検知装置を有する膜ろ過水処理装置において、原水に注入する逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水の最適注入量、微粒子の最適混入量、および凝集剤の最適混入量を演算制御する演算制御装置を備えることを特徴とする膜損傷検知可能な膜ろ過水処理装置の発明である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明では原水としては浄水を得ることができる原水であればどのような水でも使用できるのであり、具体的には地下水、河川水、湖沼水、下水などを挙げることができる。これら原水をそのまま使用してもよいが、前処理を施しておくことが好ましい。たとえば、あらかじめ原水を放置して沈降物を除去する処理、あるいは凝集剤を加え、攪拌処理して、汚濁物質をある程度除去する処理を施しておくことが好ましい。

本発明で使用できるろ過膜は一般的な膜であれば全て使用できるのであり、たとえば精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノろ過膜（ＮＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）などが使用可能である。これらの膜の中ではとくにＭＦ膜あるいはＵＦ膜が好適である。
また、上記膜を含む膜モジュールも特に制限されないのであるが、具体的には平膜型モジュール、スパイラル型モジュール、中空糸型モジュールなどが使用可能である。

上記ろ過膜を有する膜モジュール内に原水を導入し、原水をろ過膜処理し、原水中のクリプトスポリジウム等を除去した処理水を得る操作を行う。この操作中に、何らかの原因でろ過膜に損傷が生じ、ろ過膜が正常の機能を果たさなくなることがある。これは、処理水中にクリプトスポリジウム等の異物が混入する蓋然性が高いことを意味し、原水のろ過膜処理を一時的に中止する必要がある。本発明は、ろ過膜損傷の異常をいち早く、的確に知るために、膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を原水に注入することを一つの特徴とする。
ろ過膜損傷を知る手段は一般的な方法を用いればよいのであり、例えば膜透過水の微粒子数あるいは濁度を高性能な微粒子数カウンターあるいは高感度濁度計にて計測する方法を用いればよい。

ここで用いる膜逆洗浄水は、水の膜ろ過方式で行なわれる一般的な逆洗処理により得られる逆洗排水を意味する。通常ならば逆洗浄排水は、そのままもしくは何らかの処理がされた後に、系外に排出される。しかし、本発明では、この膜逆洗浄水を原水に注入する。この操作により、原水中には、膜を透過することができない粒子などが多数存在することになる。このような原水を膜ろ過すると、ろ過膜が正常に機能しているならば上記粒子などはろ過膜を通過することができない。ところが、
ろ過膜に損傷が生じていたときには、透過水中にはこれら多数の粒子が存在することになる可能性が高いので、一般的な膜の損傷を検知する手段である膜透過水側に設置された微粒子計や高感度の濁度計により即座に検知されることとなる。
この検知した値が一定値以上であれば、すなわち設定された値以上であれば、ろ過膜に損傷異常が生じているとみなして、直ちに原水ポンプ等の緊急停止をすることになる。なお、この設定した値は用いるろ過膜の細孔の大きさを基にして、予め原水を使用した実験値や経験などから、決めるのである。
本発明では、上記膜逆洗浄水の代わりに、膜逆洗浄水を濃縮処理して得られた膜逆洗浄濃縮水を原水側に注入してもよい。なお、膜逆洗浄濃縮水は一般的な濃縮処理方法を膜逆洗浄水に適用して得ることができる。

本発明では上記膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を原水に間欠的に注入することも一つの特徴である。すなわち、膜を透過することができない粒子などが多数存在する膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水が原水に間欠的に注入されると、その注入処理に呼応して、透過水の微粒子数あるいは濁度が急に増加したときには、ろ過膜に損傷が生じていることが分かるのである。濁度が急に変動するときには、その変化を認識しやすいのであり、ろ過膜の損傷異常をより的確に判定することができるのである。注入に伴い処理水濁度が急上昇で応答した場合は、膜損傷が起こっている可能性が極めて高いので、当然のことであるが、即座に原水ポンプ等の緊急停止をしなければならない。
なお、原水への逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入量については、上記本発明の所期の目的を達成できる量であればよく、とくに限定されない。また、原水への逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入については、１日に１回、あるいは１日に数回と決めて、間欠的に行えばよい。
上記逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の原水への注入装置については一般的な注入する装置を使用すればよい。

本発明では透過水の微粒子数あるいは濁度を測定しやすいように、上記膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水に、ろ過膜を透過することができない程度の大きさを持つ微粒子、または凝集剤、あるいはそれら微粒子と凝集剤との両方（以下、微粒子および/または凝集剤という）を混入しておいてもよい。上記微粒子としてはカオリン、ゼオライト、活性炭、石灰などが挙げられ、上記凝集剤としてはポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ_３）、硫酸バンド、ポリ硫酸第二鉄、重合珪酸―鉄塩（ＰＳＩ）、ポリアクリルアミド系高分子、カチオン系高分子、アルギン酸ナトリウムなどが挙げられる。それらの混入量は、地下水あるいは河川水等の原水の種類、濁度、ＴＯＣ等の原水の性状、処理すべき原水の量、濁度計の感度等などにより大きく変動するのであり、一概に規定することはできない。

本発明では、原水に注入する逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水の量、混入する微粒子の量や凝集剤の量それぞれの最適な量を演算制御することも１つの特徴である。ここで演算制御する方法は一般的な演算制御法であれば、とくに制限されないのであるが、例えば逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水注入量、微粒子混入量、凝集剤混入量のそれぞれの最適注入量を予め原水を用いて実験的なデータを得て、最適な値や望ましい値を得ておき、それら値を演算制御装置に入力しておく。そして、実際の水処理操作に際しては、それらの注入量や混入量を固定せず、水処理操作中での測定値と最適値とを比較しながら自動的に最適量となるよう制御することにより、円滑な水処理を行うことが好ましい。ここで演算制御する装置は一般的な演算制御装置を利用すればよい。

本発明によれば、汎用の計器を用いた簡単な操作により膜処理装置の膜損傷検知をより的確にかつ経済的に行うことができる。とくに原水濁質成分が非常に低い水を対象にする場合や多くの膜モジュールを少数の濁度計により監視する場合でも、汎用の計器を用いた簡単な操作により膜処理装置の膜損傷検知をより的確にかつ経済的に行うことができる。
また、逆洗浄水中に混入する微粒子や凝集剤の作用に基づき形成された凝集物などによりろ過膜表面へプレコート層が形成され、膜ろ過効率が向上するうえ、凝集剤の作用に基づき形成されたろ過膜の細孔を塞がないようにするという効果もある。

発明の実施の形態

以下本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限定されない。
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１のフロー概念図である。
原水槽１に貯められた原水は、原水ポンプ２を介して、６本の膜モジュール３それぞれに送られる。ここで原水は精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜により処理され、処理水槽４に送られる。膜処理水の一部は高感度濁度計５に導入され、ある設定値以上が検出されれば、通常膜異常と判定する。
原水量が多くなると、ろ過工程において濁質成分が膜面に堆積し、膜透過流速を低下させる原因となるので、ある時間が経過すれば逆洗浄処理が必要となる。逆洗浄処理は膜透過水で行うのが一般的である。逆洗浄処理は処理水槽４から逆洗浄ポンプ６を介して膜モジュール３に送られ行われる。逆洗浄の速度は、ろ過速度の２倍〜３倍程度が一般的である。逆洗浄排水は、逆洗浄水タンク７に貯められる。この逆洗浄水もしくは上澄みを除いた濃縮水を、逆洗浄水注入ポンプ８で原水に注入する。

膜損傷が起きた場合には、上記操作により膜透過水の濁度が高くなるので、高感度濁度計５により異常が検知され、膜損傷の有無についてのより的確な判断が可能となる。ここで、原水への逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入については、１日に１回なり数回なりを決めて間欠的に行い、注入に伴い処理水濁度が急上昇で応答した場合は、膜損傷が起こっている可能性が極めて高いので、即座に原水ポンプ等の緊急停止をしなければならない。

図２に、本発明を実施した場合の原水濁度と処理水濁度の変化を示す。水処理条件は表１に記載したとおりである。
この図に示すように、膜損傷がおきた場合には、原水への逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入に応答して、急激に処理水の濁度が上昇するので、的確な膜異常判断が可能となる。
（表１）

また、原水に注入する逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の量については、逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の濁度、処理水量および濁度計の感度等から総合的に判断して決めるが、膜ユニット中のわずか１本損傷した場合にも対応しなければならない。このため、逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入量の設定については固定せず、自動的に制御し変更できるようにすることが望ましい。

〔実施の形態２〕
逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入による膜ろ過流速の低下を最小限度に抑えるためには、逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水に微粒子あるいは凝集剤を添加する方法もある。

図３には、本発明の実施の形態２のフロー概念図を示す。
原水槽１に貯められた原水は、原水ポンプ２を介して、６本の膜モジュール３それぞれに送られる。ここで原水は精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜により処理され、処理水槽４に送られる。膜処理水の一部は高感度濁度計５に導入され、ある設定値以上が検出されれば、通常膜異常と判定する。
原水量が多くなると、ろ過工程において濁質成分が膜面に堆積し、膜透過流速を低下させる原因となるので、ある時間が経過すれば逆洗浄処理が必要となる。逆洗浄処理は膜透過水で行うのが一般的である。逆洗浄処理は処理水槽４から逆洗浄ポンプ６を介して膜モジュール３に送られ行われる。逆洗浄の速度は、ろ過速度の２倍〜３倍程度が一般的である。逆洗浄排水は、逆洗浄水タンク７に貯められる。本実施の態様では、この逆洗浄水もしくは上澄みを除いた濃縮水とともに粉末活性炭注入ポンプ１０により注入された粉末活性炭９とを、逆洗浄水注入ポンプ８で原水に注入する。

万が一膜損傷が起きた場合には、上記操作により膜透過水の濁度が高くなるので、高感度濁度計５により異常が検知され、膜損傷の有無についてのより的確な判断が可能となる。これにより、万が一膜損傷がおきたとしても、添加した濁質成分が高感度濁度計５により異常検知されるので、より的確な判断が可能となる。ここでは、粉末活性炭を添加したが、これは逆洗浄水もしくは上澄みを除いた濃縮水だけでは、膜の透過流量を著しく低下させる場合に有効な方法となる。すなはち、粉末活性炭が膜表面上にプレコートを形成するため、透過流量の低下を抑制できたり、逆洗浄の剥離効果をあげることができる。なお、逆洗浄水もしくは逆洗浄濃縮水と粉末活性炭を必ずしも同時に原水に注入させる必要はなく、プレコート作用をより発揮させるため粉末活性炭の注入後に逆洗浄水もしくは逆洗浄濃縮水を順に注入する方法をとってもよい。また粉末活性炭を使用しているので、膜処理のみでは水中からの除去率が芳しくない溶解性有機物を除去するといった副次効果もある。
また、原水への逆洗浄水あるいは逆洗浄濃縮水の注入については、１日に１回なり数回なりを決めて間欠的に行い、注入に伴い処理水濁度が急上昇で応答した場合は、膜損傷が起こっている可能性が高いので、即座に原水ポンプ等の緊急停止をしなければならない。

本発明に関する上記説明から、本発明を次のように記載することもできる。
（１）中空糸膜による精密ろ過膜もしくは限外ろ過膜の水処理装置内に配置する膜損傷の検知装置で、特に膜透過水の微粒子数もしくは濁度によりその膜損傷の検知装置において、原水側に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を間欠的に注入する装置を備えることを特徴とする膜損傷検知装置。
（２）上記（１）の装置において、原水側に注入する膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水に、微粒子および凝集剤から選ばれた少なくとも１つを混合する装置を備えたことを特徴とする膜損傷検知装置。
（３）上記微粒子が粉末活性炭やカオリンから選ばれた微粒子であり、上記凝集剤がポリ塩化アルミニウムや塩化第二鉄から選ばれた凝集剤であることを特徴とする上記（２）記載の膜損傷検知装置。
（４） 膜透過水の性状から水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、原水に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を注入することを特徴とする膜損傷検知方法。
（５） 原水に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を間欠的に注入することを特徴とする上記（４）記載の膜損傷検知方法。
（６） 膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水に微粒子および/または凝集剤を混入することを特徴とする上記（４）記載の膜損傷検知方法。

本発明の実施の形態１のフロー概念図である。 本発明を実施した場合の原水濁度と処理水濁度の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２のフロー概念図である。

符号の説明

１．原水槽
２．原水ポンプ
３．膜モジュール
４．処理水槽
５．高感度濁度計
６．逆洗浄ポンプ
７．逆洗浄水タンク
８．逆洗浄水注入ポンプ
９．粉末活性炭槽
１０．粉末活性炭注入ポンプ

Claims (7)

1. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、原水に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を注入することを特徴とする膜損傷検知方法。
2. 膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を間欠的に注入することを特徴とする請求項1記載の膜損傷検知方法。
3. 膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水に、微粒子および/または凝集剤を混入することを特徴とする請求項1記載の膜損傷検知方法。
4. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することにより水処理装置内のろ過膜の膜損傷を検知する方法において、原水に注入する逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水の最適注入量、微粒子の最適混入量、および凝集剤の最適混入量を演算制御することを特徴とする膜損傷検知方法。
5. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することによる膜損傷の検知装置を有する膜ろ過水処理装置において、原水側に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を注入する装置を備えることを特徴とする膜損傷検知可能な膜ろ過水処理装置。
6. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することによる膜損傷の検知装置を有する膜ろ過水処理装置において、原水側に膜逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水を間欠的に注入する装置を備えることを特徴とする膜損傷検知可能な膜ろ過水処理装置。
7. 膜透過水の微粒子数もしくは濁度を測定することによる膜損傷の検知装置を有する膜ろ過水処理装置において、原水に注入する逆洗浄水あるいは膜逆洗浄濃縮水の最適注入量、微粒子の最適混入量、および凝集剤の最適混入量を演算制御する演算制御装置を備えることを特徴とする膜損傷検知可能な膜ろ過水処理装置。

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