JP4135267B2

JP4135267B2 - 全量ろ過型膜分離装置の運転方法および全量ろ過型膜分離装置

Info

Publication number: JP4135267B2
Application number: JP24280399A
Authority: JP
Inventors: 進一峯岸; 雅英谷口
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2019-08-30
Also published as: JP2000140585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品工業や医療分野、飲料水製造分野、工業プロセス用水製造分野、排水処理分野等で好適に利用される膜分離装置の運転方法および膜分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密ろ過膜や限外ろ過膜などの分離膜は、食品工業や医療分野、用水製造、排水処理分野等をはじめとして様々な方面で利用されている。特に近年では、飲料水製造分野すなわち浄水処理過程においても分離膜が使われるようになってきている。これは、分離膜を用いることによって、従来の浄水処理における殺菌技術である塩素処理では死なないクリプトスポリジウムなどの病原性微生物を阻止でき、安全で水質良好な飲料水を得ることが可能になるためである。
【０００３】
用水製造や排水処理などの水処理に用いられる精密ろ過膜や限外ろ過膜は、圧力差を駆動力に分離を行なう。ろ過には、ろ過流量が一定でろ過差圧が変化する定流量ろ過と、ろ過差圧が一定でろ過流量が変化する定圧ろ過とがある。ろ過を継続し、分離膜面および分離膜の細孔内に汚れが蓄積していくと、分離膜のろ過抵抗（Ｒ）が増加する。一般に実プロセスでは、決められた量の水を処理する場合が多いので、定流量ろ過が行われることが多いが、この場合、一定量のろ過水を得るためには、ろ過差圧を制御しなければならない。また、定圧ろ過の場合、ろ過の継続に伴いろ過流量が低下していく。
【０００４】
そこで、分離膜面の堆積物を剥がしたり、閉塞した分離膜の細孔を開孔して処理能力を回復させるための手段として、分離膜面をフラッシングする方法（特開平５−１３８１６６号公報）、エアーでスクラビングする方法（特開昭６１−２６３６０５号公報）、空気などの気体や処理水、清澄水などの液体を膜の処理水側から被処理水側へ透過させる、いわゆる逆洗などの物理的洗浄方法（以後物理洗浄という）が提案されている。従来技術では、この物理洗浄を一定時間毎に繰り返しながらろ過運転を継続していた。
【０００５】
また、物理洗浄だけでは除去できない膜の汚れは、酸、アルカリ、界面活性剤、塩素等の酸化剤、酵素等による薬液洗浄を数ヶ月毎に行い、分離膜の性能回復を図るが、薬液洗浄についても、その実施時期を根拠に基づいて設定する手法がなく、ろ過差圧の急上昇が起こってから実施するのが一般的であった。
【０００８】
しかしながら薬液洗浄は、その実施時期の設定が難しく、一般にろ過差圧の急激な上昇が起こってから実施する場合が多いが、ろ過差圧の急激な上昇が起こってから薬液洗浄を実施しても洗浄回復性が悪く、運転を再開した場合にも再びろ過差圧が急上昇してしまい、分離膜の寿命が極めて短くなるので処理コスト面から不利となる。また、早目早目に薬液洗浄を行なった場合、洗浄回復性が良く分離膜の寿命が長くなるが、薬液洗浄の頻度が多くなるため、維持管理が煩雑になり、処理コストの面からも不利となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一時的に不純物を多量に含んだ高濁度被処理水が膜分離装置に供給された場合、ろ過差圧の急上昇を防ぐために薬液洗浄が有効であることが知られていたが、従来技術では最適な薬液洗浄実施時期を根拠に基づいて設定する手段がなかった。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の課題を解決せんとするものであり、薬液洗浄実施時期を適切に設定できる方法を提供することにより、ろ過差圧の急上昇がなく安全で、分離膜の寿命を延ばす膜分離装置の運転方法および膜分離装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、「細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ以下の精密ろ過膜または限外ろ過膜である中空糸型分離膜に被処理水を通過させて不純物を除去する全量ろ過型膜分離装置を全量ろ過と物理洗浄とを繰り返しつつ運転する際、被処理水の水質（Ａ）と膜透過流束（Ｆ）から分離膜で除去した単位膜面積当りの不純物量（Ｘ）を算出し、一定量（Ｘ₀）の不純物を分離膜で除去する毎に薬液洗浄を行なうことを特徴とする全量ろ過型膜分離装置の運転方法。」、「細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ以下の精密ろ過膜または限外ろ過膜である中空糸型分離膜に被処理水を通過させて不純物を除去する全量ろ過型膜分離装置において、物理洗浄を行う手段、被処理水の水質（Ａ）を測定する手段、および水質（Ａ）と膜透過流束（Ｆ）から分離膜で除去した単位膜面積当りの不純物量（Ｘ）を算出する手段、および一定量（Ｘ₀）の不純物を分離膜で除去する毎に薬液洗浄を行なう手段を具備したことを特徴とする全量ろ過型膜分離装置。」により基本的に達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
本発明の膜分離装置によるろ過運転は、被処理水をポンプ等の加圧手段、または処理水側における吸引手段を用いることにより、分離膜の被処理水側を高い圧力として被処理水を分離膜モジュールに供給し、被処理水の全量もしくは一部を分離膜の処理水側へ透過させて清澄な透過液を得ることにより行われる。
【００１４】
被処理水中に含まれる不純物のうち膜の細孔より大きいものは、膜表面で阻止され、膜表面に蓄積する。このため、膜の処理水側から被処理水側に向かって清澄水や気体を流す逆流洗浄や、分離膜近傍に空気等の気体を導入して分離膜を揺らし、膜表面に流れを与えるエアースクラビング洗浄などの物理洗浄で膜表面に蓄積した不純物を取り除きながらろ過を継続する。
【００１５】
この際、従来技術では、電磁弁等の自動開閉弁をタイマー等で制御して、一定時間毎に物理洗浄を繰り返すのが一般的であった。様々なろ過の運転データを詳細に解析、検討した結果、一定量以上の不純物を除去すると急激にろ過差圧が上昇してしまい、安定運転の継続が困難になることを見出した。さらに、一定量以上の不純物を除去するまでは、分離膜表面に蓄積した不純物が分離膜表面を保護し、フミン質等の溶解性の有機物等が分離膜細孔内部に進入、吸着、蓄積するのを防ぐため、ろ過差圧の上昇は緩やかで、安定運転が可能になるため、物理洗浄を必要以上に多くすることは不利であることを見出した。
【００１６】
さらに、薬液洗浄についても一定量の不純物を除去した後に、ろ過差圧が薬液洗浄を実施すべき圧力に到達することを、発明者らは多くの運転データの解析結果から見出した。
【００１７】
そこで本発明は、時刻（ｔ）における被処理水の水質（Ａ_t ）と単位膜面積単位時間当りのろ過量である膜透過流束（Ｆ_t ）を用いて、前回の洗浄から時刻（ｔ）までに分離膜で除去した単位膜面積当たりの不純物の量（Ｘ_t）を算出し、（Ｘ_t ）が予め設定した単位膜面積当たりの不純物量（Ｘ₀ ）に達する毎に薬液洗浄を実施する。前回の薬液洗浄から時刻（ｔ）までに分離膜で除去した単位膜面積当たりの不純物の量（Ｘ_t）は、例えば下記（１）式により算出するが、特にこの式に限定されず、各時刻において分離膜で除去した不純物の量が積算（積分）されれば良い。
【００１８】
Ｘ_t＝Σ（Ａ_t・Ｆ_t・Δｔ）・・・（１）式
ただし、Δｔは、Ａ_t、Ｆ_tの測定間隔
本発明の被処理水は、本発明の主旨からいえば特に限定されるものではないが、飲料水製造分野すなわち浄水処理過程、用水製造や排水処理などの水処理用途には河川水または湖沼水または地下水などが好ましい。また、近年、恒久的な水不足解消策として飲料水の製造に逆浸透法海水淡水化が採用されてきているが、逆浸透膜分離装置の前処理に用いられる膜分離装置にも本発明は適用でき、この場合、被処理水は海水が好ましい。さらに、下水処理や屎尿処理の場合の活性汚泥含有水も本発明の被処理水として採用でき好ましい。
【００１９】
ここで、被処理水の水質（Ａ）とは、被処理水中の不純物の濃度を表現する指標であり、例えば分離膜の細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ以下の精密ろ過膜や限外ろ過膜の場合、濁度、微粒子個数濃度、ＳＳ濃度、ＭＬＳＳ濃度などが挙げられる。被処理原水が河川水または湖沼水または地下水または海水などの比較的低濁度水の時は、濁度や微粒子個数濃度などを被処理水の水質（Ａ）とし、被処理原水が排水処理における活性汚泥含有水や粉末活性炭含有水などの高濁度水の時は、ＳＳ濃度やＭＬＳＳ濃度などを被処理水の水質（Ａ）とする。
【００２０】
濁度とは、カオリン１ｍｇ／ｌの溶液の濁りを１度（＝１ｍｇ／ｌ）と定義する指標で、その測定原理の違いから透過光濁度、散乱光濁度、積分光濁度があるが、測定方法は適宜選択されるべきものであり、特に限定されるものではない。
【００２１】
微粒子個数濃度とは、単位体積当りに予め設定した大きさ以上の微粒子が含まれている個数をあらわす指標で、一般的には光の散乱を利用して測定される。
【００２２】
ＳＳ濃度とは、懸濁物質濃度のことで、被処理水を所定のろ紙でろ過することによって得られる物質を、通常１０５〜１１０℃で２時間乾燥した後の重量をもって表される指標である。
【００２３】
ＭＬＳＳ濃度とは、蒸発皿上の被処理水を、通常１０５〜１１０℃で２時間乾燥した後の重量をもって表す指標であり、活性汚泥含有水等の濃度を表す時に使われる指標である。
【００２４】
本発明においては、以上のような水質指標を自動で測定できる装置を用いることが好ましく、被処理水の水質（Ａ）は、分離膜モジュールになるべく近い被処理水側ライン中で一定時間毎になるべく多く測定され、データが膜分離装置に自動的に送られることが、単位膜面積当りの不純物量（Ｘ）が精度良く算出されるため好ましいが、被処理水タンク等に貯留されている被処理水の水質を不定時間毎にマニュアルで測定し、データを膜分離装置に入力しても構わない。
【００２５】
本発明における物理洗浄は、分離膜や膜モジュール構造に適しており、その洗浄効果が高ければ、特に限定されないが、分離膜面をフラッシングする、エアーでスクラビングする方法、空気などの気体や処理水、清澄水などの液体あるいは酸、アルカリ、界面活性剤、塩素等の酸化剤、酵素等による薬液を膜の処理水側から被処理水側へ透過させる、いわゆる逆洗などが採用でき、分離膜や分離膜モジュールの形態や被処理水の水質などによって、適宜選択する。
【００２６】
本発明における薬液洗浄は、本発明の主旨からして特に限定されず、分離膜の材質や汚れの種類によって適宜選択されればよい。酸、アルカリ、界面活性剤、塩素等の酸化剤、酵素等による薬液を状況に応じて選択する。
【００２７】
予め設定した単位膜面積当りの不純物量（Ｘ₀ ）は、分離膜の材質や細孔径、分離除去する不純物の材質、大きさおよび測定された水質（Ａ）の指標などにより異なる。例えば、水質（Ａ）が濁度の場合、薬液洗浄は３００ｇ／ｍ ² 以上１００００ｇ／ｍ ² 以下が好ましく、より好ましくは５００ｇ／ｍ ² 以上８０００ｇ／ｍ ² 以下、さらに好ましくは８００ｇ／ｍ ² 以上５０００ｇ／ｍ ² 以下程度の単位膜面積当りの不純物量（Ｘ ₀ ）の不純物を除去する毎に行うのが好ましい。
【００３１】
本発明に用いられる分離膜は、飲料水製造分野すなわち浄水処理過程、用水製造や廃水処理などの水処理用途に適することから、細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ以下のいわゆる精密ろ過膜または限外ろ過膜に分類される中空糸型分離膜である。ここで、分離膜の細孔径は、以下に述べる方法で測定する。すなわち、分離膜の透水性（Ｌ_p）と水の膜透過速度（Ｊ_v）から、下記（２）、（３）式の関係を使って計算して求める。
【００３２】
Ｊ_v＝Ｌ_p・ΔＰ・・・（２）式
Ｌ_p＝（Ｈ／Ｌ）・｛Ｒ_p ²／（８η）｝・・・（３）式
ここで、ΔＰは膜間圧力差、Ｈは膜含水率、Ｌは膜厚、Ｒ_pは細孔径、ηは水の粘性である。
【００３３】
また、分離膜の形状は、中空糸型分離膜（以下、中空糸膜という）である。一般的な飲料水製造分野すなわち浄水処理過程、用水製造などの水処理用途に、装置単位体積あたりの有効膜面積を大きくできることから中空糸膜が適している。ここで、中空糸膜とは外径２ｍｍ未満の円管状の分離膜、管状膜とは外径２ｍｍ以上の円管状の分離膜である。
【００３４】
さらに、分離膜の素材には、ポリアクリロニトリル、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、酢酸セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、セラミック等の無機素材等を挙げることができ、本発明の主旨から言って特に限定されないが親水性の素材であるポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォンが汚れにくく、洗浄回復性も良いため好ましい。
【００３５】
膜分離装置の運転には、先に述べたように定流量ろ過および定圧ろ過があり、いずれでも構わないが、定流量ろ過運転が、一定の処理量を得ることができ一般的で好ましい。
【００３６】
また、被処理水の分離膜への供給の仕方としては、一般的に、被処理水の全量をろ過する全量ろ過運転と分離膜モジュールに供給した被処理水の一部を被処理水に返送するクロスフローろ過運転がある。全量ろ過の場合、分離膜で除去した不純物の量を正確に算出できるので本発明では全量ろ過方式を適用する。一方、クロスフローろ過は膜面の流れによるせん断応力で、膜面に堆積した汚れの一部を除去できる特徴があるが、分離膜で除去した不純物の量を正確に算出できないので、本発明の適用は困難である。さらに、全量ろ過運転の方が操作が単純で運転し易く、低圧で運転できるので、エネルギーコストの低減につながり有利である。これに対し、クロスフローろ過は操作が複雑である、モジュール内に被処理水を流しておかなければならないので、エネルギー的にも不利である。
【００３７】
以下に具体的実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【００３８】
【実施例】
膜分離装置を図１に示す。
【００４１】
実施例１
平均孔径０．０１μｍのポリアクリロニトリル製中空糸膜を束ねた、長さ約５０ｃｍ、有効膜面積０．３５ｍ²の中空糸膜モジュールを用いて、琵琶湖水の定流量全ろ過を、ろ過と物理洗浄とを繰り返しつつ行った。ろ過時の膜透過流束（Ｆ）は１ｍ³ ／ｍ² ・ｄとした。散乱光測定方式の濁度計で被処理水タンク内の被処理水濁度（Ａ）を（Δｔ）＝５分毎に測定した。一定量（Ｘ₀）＝１５００ｇ／ｍ² の不純物をろ過する毎に、塩酸、水酸化ナトリウム溶液、次亜塩素酸ナトリウム溶液による薬液洗浄を実施した。膜で除去した単位膜面積当りの不純物量（Ｘ）は次式によりコンピュータ９で算出し、（Ｘ）が（Ｘ₀）＝１５００ｇ／ｍ² より大きくなった時点で薬液洗浄を行った。
（Ｘ）＝（Ｘ_i ）＋（Ｘ_i+1 ）＋（Ｘ_i+2）＋・・・
＝（Ａ_i ・Ｆ・Δｔ）＋・・・
＝（Ａ_i ×１×５／（２４×６０））＋・・・
圧力センサー４で計測した物理洗浄直後のろ過差圧の経時変化を図２中に示す。薬液洗浄後のろ過差圧は、運転開始時にほぼ等しい１０ｋＰａ程度まで回復し、その後も安定運転を継続した。
比較例１
実施例１と同様に、平均孔径０．０１μｍのポリアクリロニトリル製中空糸膜を束ねた、長さ約５０ｃｍ、有効膜面積０．３５ｍ² の中空糸膜モジュールを用いて、琵琶湖水の定流量全ろ過を、ろ過と物理洗浄とを繰り返しつつ行った。ろ過時の膜透過流束（Ｆ）は１ｍ ³ ／ｍ ² ・ｄとした。被処理水濁度は測定せず、除去した不純物量に関係なく、ろ過差圧が１００ｋＰａを超えてから、実施例１と同様に塩酸、水酸化ナトリウム溶液、次亜塩素酸ナトリウム溶液で薬液洗浄を行った。物理洗浄直後のろ過差圧の経時変化を図３中に示す。薬液洗浄後のろ過差圧は、６０ｋＰａ程度までしか回復しなかった。
比較例２
実施例１と同様に、平均孔径０．０１μｍのポリアクリロニトリル製中空糸膜モジュールを用いて、琵琶湖水の定流量全ろ過を、ろ過と物理洗浄とを繰り返しつつ行った。ろ過時の膜透過流束（Ｆ）は１ｍ ³ ／ｍ ² ・ｄとした。ろ過差圧の経時変化を図４中に示す。被処理水濁度は測定せず、除去した不純物量に関係なく、約６００時間毎に、実施例１と同様に塩酸、水酸化ナトリウム溶液、次亜塩素酸ナトリウム溶液で薬液洗浄を行ったところ、洗浄回復性は良かったが、薬液洗浄の頻度が増え、維持管理、処理コストの面から不利であった。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は、被処理水の水質（Ａ）と膜透過流束（Ｆ）から分離膜で除去した不純物の量（Ｘ）を算出し、一定量（Ｘ₀ ）の不純物を分離膜で除去する毎に薬液洗浄を行なうことを特徴とする膜分離装置おそびその運転方法で、この方法によると、分離膜の寿命が長くなり、分離膜の洗浄回復性が良く、最適な薬液洗浄時期を設定でき、処理コストの面からも有利な膜分離装置の運転方法および膜分離装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜分離装置の一例を示すフロー図である。
【図２】被処理水濁度の経時変化の一例を示すグラフである。
【図３】本発明による薬液洗浄を行った場合の運転結果例を示すグラフである。
【図４】従来法による薬液洗浄を行った場合の運転結果例を示すグラフである（薬液洗浄時期が遅れた場合）。
【図５】従来法による薬液洗浄を行った場合の運転結果例を示すグラフである（早目早目に薬液洗浄を行なった場合）。
【符号の説明】
１：被処理原水タンク
２：ポンプ等の加圧送液手段
３：被処理水水質（Ａ）の測定手段
４：圧力センサー
５：分離膜モジュール
６：電磁バルブ
７：処理水タンク
８：逆洗水タンク
９：分離膜で除去した膜面積当りの不純物の量（Ｘ）を算出する手段

Claims

細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ以下の精密ろ過膜または限外ろ過膜である中空糸型分離膜に被処理水を通過させて不純物を除去する全量ろ過型膜分離装置を全量ろ過と物理洗浄とを繰り返しつつ運転する際、被処理水の水質（Ａ）と膜透過流束（Ｆ）から分離膜で除去した単位膜面積当りの不純物量（Ｘ）を算出し、一定量（Ｘ₀ ）の不純物を分離膜で除去する毎に薬液洗浄を行なうことを特徴とする全量ろ過型膜分離装置の運転方法。
前記被処理水の水質（Ａ）が濁度であり、かつ一定の不純物量（Ｘ₀ ）が、３００ｇ／ｍ² 以上１００００ｇ／ｍ²以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の全量ろ過型膜分離装置の運転方法。
前記被処理水の水質（Ａ）が、微粒子個数濃度またはＳＳ濃度またはＭＬＳＳ濃度であることを特徴とする請求項１に記載の全量ろ過型膜分離装置の運転方法。
定流量全量ろ過と物理洗浄とを繰り返しつつ運転を行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の全量ろ過型膜分離装置の運転方法。
細孔径が１ｎｍ以上１０μｍ以下の精密ろ過膜または限外ろ過膜である中空糸型分離膜に被処理水を通過させて不純物を除去する全量ろ過型膜分離装置において、物理洗浄を行う手段、被処理水の水質（Ａ）を測定する手段、および水質（Ａ）と膜透過流束（Ｆ）から分離膜で除去した単位膜面積当りの不純物量（Ｘ）を算出する手段、および一定量（Ｘ₀ ）の不純物を分離膜で除去する毎に薬液洗浄を行なう手段を具備したことを特徴とする全量ろ過型膜分離装置。