JP4087318B2

JP4087318B2 - 水浄化システムの運転方法

Info

Publication number: JP4087318B2
Application number: JP2003312780A
Authority: JP
Inventors: 修志中塚; 佐和子松岡
Original assignee: Daicel Chemical Industries Ltd
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: JP2005081168A

Description

本発明は、運転時における中空糸膜内部の目詰まりが抑制できる水浄化システムの運転方法、及びそれに用いる水浄化システムに関する。

中空糸膜モジュールを用いて原水（被処理液）を内圧式全量濾過により濾過処理する場合、中空糸膜の一端側から原水を供給しながら運転する方法が適用されている。

しかし、この方法であると、端部から離れるほどに中空糸膜内部の圧力損失が大きくなって行くため、長さ方向の膜間圧力に差が生じ、その結果、長さ方向で濾過能力に差が生じてしまい、懸濁質等の膜汚染物質が膜面に堆積することによる膜の目詰まり等の問題が起こる。この問題は、中空糸膜の長さが長くなるほど顕著に発現することになる。

また河川水、地下水、海水等を濾過する場合のように、膜間圧力を小さく抑えて運転するときには、特に膜面への汚染物質の堆積が大きくなり、濾過性能が低下する。

このような膜面への汚染物質の堆積が大きくなることに伴う問題は、原水の供給圧力を高めることである程度解消できるものの、その場合には、高圧による膜の耐久性の低下や、高圧にすることによるエネルギー損失の問題が生じる。

更に、最近ではポンプを用いずに水頭差で、中空糸膜モジュールの濃縮液排出口側を閉じて、液を循環させることなしに、中空糸膜モジュールに入った被処理液を全て濾過する全量濾過（デッドエンド濾過）を行う方法が試みられているが、この方法では原水の供給圧力が非常に小さくなるため、特に膜面への汚染物質堆積の影響を受けやすい。
特願２００２−５２８３２号

本発明は、中空糸膜モジュールを含む水浄化システムを運転する際、膜面への汚染物質の局部的堆積を抑制し、安定した濾過性能を長期間維持できる水浄化システムの運転方法、及びそれに用いる水浄化システムを提供することを課題とする。

本発明は、課題の解決手段として、原水を中空糸膜モジュールの両端部から供給して内圧式全量濾過を行う、中空糸膜モジュールを含む水浄化システムの運転方法であり、一端部及び他端部からの原水供給量を異ならせる水浄化システムの運転方法を提供する。

また本発明は、他の課題の解決手段として、少なくとも中空糸膜モジュールを有し、原水を中空糸膜モジュールの両端部から供給して内圧式全量濾過を行う水浄化システムであり、中空糸膜モジュールの一端部及び他端部から原水を供給することができ、かつ一端部及び他端部からの原水供給量を別々に調整できる流量制御手段を有している水浄化システムを提供する。

本発明の中空糸膜モジュールを含む水浄化システムの運転方法では、中空糸膜モジュールの一端部及び他端部からの原水供給量を異ならせるため、中空糸膜モジュール内部において膜汚染物質の局部的な堆積が生じにくくなるので、長期間、安定した濾過運転をすることができる。

以下、図面により本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の水浄化システムの運転方法を説明するための概念図である。本発明の水浄化システムは図１に示すものに限定されるものではなく、必要に応じて、凝集剤による凝集処理、活性炭処理、その他の分離膜処理等の公知の水浄化手段を組み合わせることができる。

原水供給ライン１０から原水タンク１に送水貯留された原水（被処理水）は、原水供給ライン１１（途中から１１ａ、１１ｂに分岐しており、それぞれ流量制御手段ともなる開閉弁１７、２４が設けられている）を経て、縦置きに設置された中空糸膜モジュール（内圧式の全量濾過方式）２の上端側出入り口３ａと下端側出入り口３ｂに同時に供給される。原水は、原水中の懸濁質（ＳＳ）濃度やＳＳの大きさ等に応じ、必要により凝集剤による凝集処理をすることができる。

中空糸膜モジュール２は、ハウジング３内に中空糸膜束５が収容されたものであり、上端側（一端側）出入り口３ａ、下端側（他端側）出入り口３ｂを有している。透過水取出口４は胴部に少なくとも１つ備えていればよく、濃縮液排出口は必要に応じて設けることができる。

中空糸膜束５は、所要数の中空糸膜の両端側が接着剤等で一体化されると共に、中空糸膜の両端部が開口されたもので、ハウジング３の内壁面に固定されている。

中空糸膜モジュール２では内圧式全量濾過を行うが、このとき、上端側出入り口３ａからの原水供給量（Ｖ_１）と、下端側出入り口３ｂからの原水供給量（Ｖ_２）を異ならせる。

原水供給量（Ｖ_１）と原水供給量（Ｖ_２）は経時的に大小関係を変化させることができる。例えば、運転開始時にはＶ_１＜Ｖ_２であったものを、運転途中からＶ_１＞Ｖ_２に変化させることができ、この変化を交互に又はランダムに繰り返すことができるが、一定時間をおいて交互に大小関係を変化させることが最も望ましい。なお、運転中にＶ_１＜Ｖ_２又はＶ_１＞Ｖ_２の関係を満たしているのであれば、Ｖ_１＝Ｖ_２の状態が含まれていても良い。例えば、Ｖ_１＜Ｖ_２、Ｖ_１＝Ｖ_２、Ｖ_１＞Ｖ_２、Ｖ_１＝Ｖ_２、Ｖ_１＜Ｖ_２、Ｖ_１＝Ｖ_２、Ｖ_１＞Ｖ_２……のようなサイクルで運転することができる。

中空糸膜モジュールの上端（一端）側出入口の原水供給量（Ｖ_１）と、下端（他端）側出入口の原水供給量（Ｖ_２）の比率（Ｖ_１／Ｖ_２）は、本発明の課題を解決するため、好ましくは１／２０〜２０／１、より好ましくは１／１０〜１０／１、更に好ましくは１／５〜５／１の範囲に調整する。

中空糸膜モジュール２の上端側出入り口３ａと下端側出入り口３ｂに送水するときの原水の供給圧力は、９８ｋＰａ以下が好ましく、４９ｋＰａ以下がより好ましく、３３ｋＰａ以下が更に好ましい。なお、上端（一端）側出入口の供給圧力と下端（他端）側出入口の供給圧力は同一ではないが、それらの圧力差が２０ｋＰａ以下になるように調整することが好ましく、より好ましくは１５ｋＰａである。

原水タンク１から中空糸膜モジュール２への送水は、送水ポンプ１６を用いることができ、低圧かつ定圧で濾過運転を行うためには、水頭差を利用することもでき、原水供給量の調整は、流量制御手段ともなる開閉弁１７、２４により行う。また、送水ポンプ１６に替えて、原水供給ライン１１ａ、１１ｂのそれぞれに１つずつの送水ポンプを設置して、それぞれの送水ポンプで原水供給量を制御してもよい。

中空糸膜モジュール２において、所定条件下で全量濾過された透過水は、透過水ライン１２から開閉弁１９を経て、透過水タンク６に送られて貯水される。全量濾過は、濃縮液を排出せずに、透過水ライン１２への透過水の一方的な排出を行う方法である。

濾過運転時における膜間圧力は、貯留タンク１の液面と中空糸膜モジュール２からの透過水ライン１２の排出口との高低差（Δｈ）及び中空糸膜モジュール２の内部液圧力損失によって決定されるものである。膜間圧力は、好ましくは４９ｋＰａ以下、より好ましくは１〜２０ｋＰａ、更に好ましくは１〜１５ｋＰａである。膜間圧力が４９ｋＰａ以下であると、実用上要求される透水速度を維持すると共に、膜の目詰まりを防止でき、長期間、安定した透水速度を得ることができる。中空糸膜の長さ方向における膜間圧力が一定でない場合には、濾過性能が不安定となり、透水速度がばらつくために濾過運転の管理が難しく、透過水の濁度やＣＯＤ等がばらつくために透過水の再利用が難しくなる。

濾過運転時には、濾過能力を維持するため、定期的に水又は空気による逆圧洗浄を行うことが望ましい。また、本発明の運転方法において、原水供給量の大小関係を経時的に変化させた場合には、逆圧洗浄によって膜モジュールを均一に洗浄することができる。

逆圧洗浄媒体として水を用いた場合は、逆圧ポンプ２０を作動させることにより、透過水タンク６内の透過水を逆圧洗浄ライン２３及び透過水ライン１２を経て中空糸膜モジュール２の透過水取出口４から圧入して、中空糸膜を逆圧洗浄する。逆圧洗浄時の流量は、濾過流量の０．１〜５倍であることが好ましい。

逆圧洗浄後の排水は、上端側出入り口３ａと下端側出入り口３ｂの両方から同時に排出するか、又は開閉弁１７、２４を操作して、先に一方から排出し、後で他方から排出することが望ましい。濃縮液は、開閉弁１８を操作することにより、濃縮液を濃縮液排出ライン１３から系外に排出するか、又は濃縮液返送ライン１３から貯留タンク１に返送する。

逆圧洗浄時には、洗浄力を高めるため、ポンプ２１を作動させ、薬液タンク２２内の薬液を透過水に混入させることが望ましい。薬液としては次亜塩素酸ナトリウム水溶液を挙げることができ、薬液の添加量は、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いた場合は、逆圧洗浄後における中空糸膜内の残留塩素濃度が５〜１００ｍｇ／Ｌになるように調整する。

本発明の運転方法で用いる中空糸膜束５の中空糸膜としては、酢酸セルロース系中空糸膜、ポリスルホン系中空糸膜、ポリアクリロニトリル系中空糸膜等を挙げることができるが、これらの中でも、低い膜間圧力で運転することができ、膜のファウリングも抑制し易いため、酢酸セルロース系中空糸膜が好ましく、外表面側の細孔より内表面側の細孔の方が小さい孔径のものが内圧式として好適である。また、中空糸膜としては、内径が０．３〜１．２ｍｍの範囲内のものが汚染物質によって中空糸膜を閉塞することなく、更に中空糸膜充填率を高め得ることの理由から好ましい。

本発明の水浄化システムの運転方法で凝集剤を用いた凝集処理手段を用いる場合は、中空糸膜モジュール２の上流側に設置することができる。

凝集剤は、無機系凝集剤、有機系凝集剤又はこれらを組み合わせて用いることができる。無機系凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウム、ポリ塩化鉄、硫酸第二鉄、硫酸アルミニウム、ベントナイト等を挙げることができる。有機系凝集剤としては、ポリアクリルアミド、カチオン性ポリアクリルアミド系、カチオン性ポリ（メタ）アクリル酸エステル系、ポリアミン系、ポリジシアンジアミド系、低分子有機アミン、ポリアクリル酸ナトリウム、アニオン性ポリ（メタ）アクリル酸エステル系、アニオン性ポリアクリルアミド系等のノニオン性、カチオン性、アニオン性高分子又は低分子凝集剤等を挙げることができる。

本発明の水浄化システムの運転方法で活性炭処理手段を用いる場合には、中空糸膜モジュール２の下流側に活性炭を充填したカラム（塔）を設置することができる。

本発明の水浄化システムの運転方法で他の分離膜処理手段を用いる場合には、中空糸膜モジュール２の上流側に、大きめの異物を除去する機能を有するフィルター膜等を設置することができるほか、下流側により精密な濾過ができるような分離膜手段を設置することもできる。

本発明の運転方法は、中空糸膜モジュールの両端側から原水を供給し、かつ上記のとおり、両端側からの原水供給量を異ならせるものであるため、膜面上で流れの向きや流量に変化が生じる。その結果、ＳＳ等が膜面において局部的に堆積することが抑制され、膜面全体に堆積するようになる。このため、全量濾過方式を適用したにも拘わらず、膜の目詰まりが生じにくく、安定した濾過性能が長期間維持できるようになる。本発明の運転方法では、例えば、長さが１４０ｃｍ以上の中空糸膜を用いた場合でも、濾過時の目詰まり無く、安定した濾過運転をすることができる。

本発明の運転方法は、上記したとおり、中空糸膜モジュール内部にＳＳのような膜汚染物質の局部的な堆積が生じにくいので、河川水、地下水、海水等の濾過運転をする場合のように、水頭差等を利用して、膜間圧力を小さく抑えて運転する場合に特に有効である。

本発明の運転方法は、汚水処理場等における活性汚泥等を含む排水、各種施設の排水及び家庭排水の処理、その他懸濁質を含む排水、更には河川、湖沼等の浄化処理、海水の淡水化等に適用することができる。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

実施例１
図１に示すフローにより、濾過運転を行った。原水（揖保川の河川水）は、送水ポンプ１６を作動させ、原水供給ライン１１ａ、１１ｂから中空糸膜モジュール２の上端側出入り口３ａと下端側出入り口３ｂの両方に同時に供給した。原水供給ライン１１ａ、１１ｂからの原水供給量は、それぞれ開閉弁１７、２４で制御した。

中空糸膜モジュール２は、膜面積５ｍ^２の酢酸セルロース製中空糸膜モジュール（ＦＥ１０−ＦＣ−ＦＵＣ１５８２，ダイセン・メンブレン・システムズ（株）製；中空糸膜の長さ１００ｃｍ、中空糸膜の内径０．８ｍｍ）を用いた。

上端側出入り口３ａへの原水供給量（Ｖ_１）及び下端側出入り口３ｂへの原水供給量（Ｖ_２）、並びに両脇の供給圧力差を表１に示すように制御して運転を行った。Ｖ_１、Ｖ_２の原水供給量を表１中の条件１〜８に示すように、濾過運転６０分毎に変化させた。この条件１〜８を１つのサイクルとし、そのサイクルを繰り返した。即ち、条件８で６０分濾過運転してから（濾過開始後４８０分）、再度条件１と同じ条件で運転を行い、以後、濾過運転６０分毎に条件２、３、……を繰り返した。また表１中の圧力差及び膜間圧力の値は、運転開始から４８０分間の値を示す。

透過水は透過水ライン１２を経て、透過水タンク６に貯水した。運転初期の膜間圧力は３０ｋＰａであった。透過流束５ｍ／日を維持するようにして、中空糸膜の内から外へ全量濾過した。

濾過運転６０分ごとに送水ポンプ１６を停止し、逆圧洗浄ポンプ２１を作動させて１分間の逆圧洗浄を行った。逆圧洗浄水は、透過水タンク６の透過水（次亜塩素酸ナトリウム濃度５ｍｇ／Ｌ）を用い、最初の３０秒間の洗浄排水は上端側出入り口３ａから排出し、後の３０秒間の洗浄排水は下端側出入り口３ｂから排出した。逆圧洗浄水の流量は３m³／hrであった。

このようにして、６０分間の濾過運転、１分間の逆圧洗浄のサイクルで１ヶ月間濾過運転を継続した。

運転初期の膜間圧力３０ｋＰａに対して、１ヶ月後の膜間圧力は３５ｋＰａであった。この結果から、１ヶ月の濾過運転後においても、中空糸膜の目詰まりが生じていないことが確認された。

比較例１
原水供給ライン１１ａ、上端側出入り口３ａを閉鎖して、原水供給ライン１１ｂのみを用い、中空糸膜モジュールの下端側出入り口３ｂのみから原水を供給したほかは、実施例１と同条件（但し、運転開始時の原水供給圧力は５０ｋＰａ、膜間圧力は３９ｋＰａ）で、透過流束５ｍ／日を維持するようにして１ヶ月の濾過運転を行った。

その結果、運転初期の膜間圧力３０ｋＰａに対して、１ヶ月後の膜間圧力は８５ｋＰａであった。この結果から、比較例１では、中空糸膜に目詰まりが生じたものと考えられる。

比較例２
上端側出入り口３ａへの原水供給量（Ｖ_１）は０．５m³／hr（供給圧力３０kPa）、下端側出入り口３ｂへの原水供給量（Ｖ_２）は０．５m³／hr（供給圧力３５kPa）に一定に維持した以外は実施例１と同じ条件で、透過流束５ｍ／日を維持するようにして１ヶ月間濾過運転を行った。

その結果、運転初期の膜間圧力３０ｋＰａに対して、１ヶ月後の膜間圧力は７０ｋＰａであった。このような結果から、比較例２では中空糸膜に目詰まりが生じたものと考えられる。

本発明を説明するための運転フローの概念図。

符号の説明

１原水タンク
２中空糸膜モジュール
３ハウジング
３ａ上端側出入り口
３ｂ下端側出入り口
４透過水取出口
５中空糸膜束
６透過水タンク
11ａ原水供給ライン
11ｂ原水供給ライン
16 送水ポンプ
17、24 開閉弁（流量制御手段）

Claims

中空糸膜モジュールの一端部及び他端部から原水を供給して内圧式全量濾過を行う、中空糸膜モジュールを含む水浄化システムの運転方法であり、一端部及び他端部からの原水供給量を異ならせる水浄化システムの運転方法。
一端部及び他端部からの原水供給量の大小関係を経時的に変化させる水浄化システムの運転方法。
一端部からの原水供給量（Ｖ_１）と他端部からの原水供給量（Ｖ_２）の比率（Ｖ_１／Ｖ_２）が１／２０〜２０／１である、請求項１又は２記載の水浄化システムの運転方法。
中空糸膜モジュールの一端部と他端部の圧力差が２０ｋＰａ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の水浄化システムの運転方法。
中空糸膜が酢酸セルロース中空糸膜である、請求項１〜４のいずれかに記載の水浄化システムの運転方法。
中空糸膜の内径が０．３〜１．２ｍｍである、請求項１〜５のいずれかに記載の水浄化システムの運転方法。
濾過運転途中で逆圧洗浄を行うとき、逆圧洗浄水の流量が濾過流量の０．１〜３倍である、請求項１〜６のいずれかに記載の水浄化システムの運転方法。
少なくとも中空糸膜モジュールを有し、原水を中空糸膜モジュールの一端部及び他端部から供給して内圧式全量濾過を行う水浄化システムであり、中空糸膜モジュールの一端部及び他端部から原水を供給することができ、かつ一端部及び他端部からの原水供給量を別々に調整できる流量制御手段を有している水浄化システム。