JP4569200B2

JP4569200B2 - 水処理方法および膜ろ過水処理装置運転方法

Info

Publication number: JP4569200B2
Application number: JP2004215921A
Authority: JP
Inventors: 角川　　功明; 本山　　信行
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP2006035035A

Description

この発明は、上水道、下水道、工業用水または廃水処理など、水中に含まれる汚濁物質を分離除去する新規な水処理方法、および膜ろ過処理を用いた水処理装置の新規な運転方法に関する。また、ろ過膜表面に形成するプレコート層の新規な形成方法に関する。

膜ろ過を用いた水処理装置では、長時間の運転によってファウリングが起こり、ろ過性能が低下する。そのため運転サイクルにおいて、所定時間のろ過工程後に、ろ過膜に物理洗浄を実施し、ファウリングを低減するようにしている。その物理洗浄には、ろ過膜通過水を逆流させる逆流洗浄（以下、逆洗ということがある）、膜の一次側での水流によるフラッシング、空気により膜を振動させるエアースクラビングなどがあり、物理的な作用によってろ過膜の付着物質を取り除いている。
物理洗浄間隔を短くすることによりファウリング抑制の効果を向上することができるが、これら物理洗浄は処理した水を用いて洗浄する場合が多いことから、ろ過膜を通過した処理水の回収率（以下、回収率ということがある）が低下するという問題点が指摘されていた。このため従来の運転においては物理洗浄間隔と回収率のバランスの良いところで運転されていた。

一方、ろ過膜の一次側表面にいわゆるプレコート層と呼ばれるろ過助剤などの層を形成させておき、原水のろ過効率を上げる技術が知られている。たとえば、プリコート処理方法の例として、予め形成した大径粒子のプリコート層にさらに緻密かつ均一に不溶解性固形分（酸化鉄粉）のフィルム層を形成しておき、そのプリコート層が設けられた膜を用いて水処理する方法や、ろ過器の逆洗時に発生する廃液を用いてプリコート層とする技術が開示されている（たとえば特許文献１の００２３および００２７を参照）。また、ろ過膜を含むモジュールを複数個並列に配置するとともに、無機質な材料からなるろ過助剤を供してプレコート層とする技術が知られている（特許文献２を参照）。しかしながら、これらの技術では、回収率を向上するために物理洗浄排水をさらに膜ろ過するという考えはない。

特開平１０−９９６２１号公報特開平７−１１２１８２号公報

原水を膜ろ過する際、回収率を向上する一つの方法として、物理洗浄排水を系外に排出せずに、原水と合一（以下、原水側に返送、ということがある）し、物理洗浄排水を含む原水を膜ろ過処理し、ろ過膜処理水を増やそうとする試みが知られている。しかしながら、この方法は、原水中の不純物が濃縮された逆洗排水を原水に返送する点での衛生面の課題や、原水の汚濁物資の含有量が増大することにつながり、汚染物質の増大からファウリングが起きやすくなり、物理的洗浄処理回数も増え、ろ過膜の耐用時間も減少するなどの不都合な点も新たに生じてしまう問題点が残された。

そこで、物理洗浄排水を再度膜ろ過処理したうえで、原水側に返送する試みがなされ、衛生面の課題などが解決されたが、依然として回収率の向上の点において満足できる程度ではなかった。本発明の課題は、回収率を向上させ、しかも上記問題点を解消した新規な水処理方法を提供することにある。また、そのための水処理装置の新規な運転方法を提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するためにいろいろと工夫した結果、第一段目の膜ろ過システムのろ過膜の物理洗浄排水を新たな第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入し、その第二段目のろ過膜の逆洗排水を利用することにより、回収率を向上させるとともに前記問題点を解消することができるということを突き止め、本発明に到達した。また、その際第二段目のろ過膜システムの特性を向上させておくことが好ましく、とくに第二段目のろ過膜表面にプレコート層を形成させておくことが好ましい結果をもたらすことも突き止めた。さらに、二段目の膜ろ過流束の向上が第二段目の膜ろ過システムをコンパクトにすることが重要であり、二段目の膜ろ過システムにおける排水量を少なくすることが全体の回収率を上げるために重要となることを突き止めた。

すなわち、本発明の請求項１記載の発明は、ろ過システムを用いた原水の処理方法において、前記原水を第一段目の膜ろ過システム内のろ過膜に注入する工程、前記ろ過膜を逆洗処理する工程、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を前記ろ過膜とは異なる第二段目の膜ろ過システム内のろ過膜に注入する工程、前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理する工程、および前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜の逆洗処理により生じる逆洗排水を前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入して膜ろ過表面にプレコート層を形成させる工程を含むことを特徴とする水処理方法である。この発明は、第二段目の逆洗処理により生じる逆洗排水を前記第二段目のろ過膜に通水して、ろ過膜の一次側の表面にプレコート層を形成させ、逆洗排水を効率よくろ過させると共に回収率を向上する発明でもある。なお、膜ろ過システムを運転開始した初期においては、前記プレコート層を形成させるだけの第二段目の逆洗排水量が貯えられない間は、別な手段を利用して前記第二段目のろ過膜にプレコート層を形成させておくことが好ましい。

請求項１の発明において、前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理することにより生じる逆洗排水、あるいは逆洗排水を貯めてあるタンク内の逆洗排水から一部の濃縮液あるいは濃縮汚泥を引き抜き、プレコート層形成液の濁度を調整する発明が請求項２の発明であり、前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理することにより生じる逆洗排水に凝集剤を注入し、水不溶性の粒子を大きくする発明が請求項３の発明であり、前記第一段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入される原水に凝集剤を注入する工程をさらに含むことを特徴とする発明が請求項４の発明である。
請求項５の発明は、第一段目の膜ろ過システムのろ過膜の逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入し、次いで前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理して得られた逆洗排水を前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入して、ろ過膜の一次側の表面にプレコート層を形成させる方法であり、その際前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理して得られた逆洗排水、あるいは逆洗排水を貯めてあるタンク内の逆洗排水から一部の濃縮液あるいは濃縮汚泥を引き抜き、プレコート層形成液の濁度を調整する発明が請求項６の発明である。
請求項７の発明は、第一段目の膜ろ過システムのろ過膜に原水を注入して処理水を得、一定時間経過後に前記ろ過膜を逆洗処理し、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入し、一定時間経過後に前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理し、その逆洗処理により生じる逆洗排水を前記二段目のろ過膜に注入してろ過膜の一次側の表面にプレコート層を形成させ、回収率を向上させることを特徴とする水処理装置の運転方法である。

（作用）
本発明によれば、第二段目のろ過膜の逆洗処理により生じる逆洗排水を有効的に利用することにより、回収率を向上させることができ、第二段目のろ過膜通過水の水質がよければ、次の工程に供する処理水として利用することも可能であり、回収率を向上させることもできる。
また、第二段目の逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのプレコート液として用いる、すなわち、第二段目の膜ろ過システムのろ過工程に先立ちプレコート液をろ過することにより、第二段目の膜ろ過システムの膜面上にコーティング層を形成して原水中の膜ファウリングを引き起こす物質を捕捉すること、および逆洗による膜面からの剥離性が向上することから第二段目の膜ろ過システムの膜差圧上昇を抑制することができる。膜差圧上昇を抑制できるということは膜ろ過流束の向上が可能となる。さらに、第二段目の逆洗排水を膜ろ過することから回収率の向上も図ることができる。このときに、第二段目の逆洗排水に凝集剤を注入しておくとより効果的である。

また、第二段目の膜ろ過システムの特性を向上した場合、第二段目の膜ろ過システムをコンパクトにすることと以外に次の方法も取ることができる。それは第一段目の物理洗浄頻度を上げることである。第二段目の膜ろ過システムが既存と同じ大きさであれば、膜ろ過できる水量が増えることから、第一段目から出てくる物理洗浄排水の処理量を増加できる。物理洗浄頻度を上げることから膜ろ過流束の向上が可能となり、第一段目の処理量も増加することができることとなる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明での原水としては不溶解性有機物を含む水であればどのような水でも使用できるのであり、具体的には河川水、湖沼水、下水、工場廃水などが好ましい。これら原水をそのまま使用してもよいが、前処理を施してもよい。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いてもよい。

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、中空糸型モジュール、スパイラル型モジュール、管型モジュールなどが使用可能である。

本発明では上記原水を上記ろ過膜に接触させ、原水を通過処理させるのであるが、とくに全量ろ過法により膜ろ過することが好ましい。しかし全量ろ過法以外の運転方法により原水を膜ろ過してもよい。さらに、本発明では上記原水を上記ろ過膜に接触させ、原水を通過させることによって浄水を製造してもよいのであるが、とくに全量ろ過法により膜ろ過して浄水を製造することが好ましい。しかし全量ろ過法以外の運転方法により処理水を製造してもよい。
前記原水を膜ろ過し、処理水を製造するのであるが、多量の原水を膜ろ過すると、ろ過膜のファウリングなどによりろ過効率が低下する。そこで、ろ過膜を物理逆洗処理することになるのであるが、とくに逆洗処理することが好ましい。その際生じる逆洗処理液を廃棄することなく再利用し、回収率を向上することが本発明の特徴である。

すなわち、第一段目の膜ろ過システムを利用して原水を処理する。次いで、第一段目の逆洗処理液を前記ろ過膜とは異なる第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に通水する。該逆洗処理液のろ過膜通過液を第一段目の原水に返送する。この第一段目の膜ろ過システムでのろ過膜通過液を含む原水を膜ろ過処理すれば、ろ過膜通過液としての処理水の量が増えることになる。また、第二段目の逆洗処理液のろ過膜通過液の水質が良ければ、第一段目のろ過膜通過液と合一してもよく、この場合でもろ過膜通過液としての処理水の量が増えることになる。

ここでいう第一段目の膜ろ過システムおよび第二段目の膜ろ過システムはとくに制限されないのであり、一般的に使用されている膜ろ過システムをここで採用すればよい。また、逆洗処理を含めた水処理方法も一般的な方法を採用すればよく、とくに制限されない。
第二段目の膜ろ過システムのろ過膜の一次側表面にプレコート層を形成させることも、本発明の特徴の一つである。このプレコート層を、第二段目の膜ろ過システムの逆洗排水を使用して形成させることも本発明の特徴の一つである。

前記プレコート層は、プリコート層とも言われ、その形成方法はすでに知られており、本発明では、それら公知の方法を使用してプレコート層を形成すればよい。
なお、プレコート層を形成する第二段目の膜ろ過システムの逆洗排水に凝集剤を添加・配合しておくと、好ましい結果を得ることができる。使用できる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、凝集助剤やコーティング助剤として、カオリン、ゼオライト、活性炭、石灰などが挙げられる。
なお、本発明では、第一段目の原水に前記凝集剤を添加しておくこともできる。また、第一段目のろ過膜表面にプレコート層を形成させてもよい。
前記プレコート層を形成する第二段目の膜ろ過システムの逆洗排水は、その濁度が次第に増加していく。逆洗排水の濁度があまりに上昇しすぎると、たとえば形成されるプレコート層が厚くなりすぎ、ろ過抵抗が大きくなる恐れがあるし、逆洗排水の濁質によってはろ過膜自体の目詰まりを起こす恐れなどの不都合さが生じる不安がある。そこで、逆洗排水から直接濃縮液を引き抜いても良いし、あるいは逆洗排水を貯えるタンク内の逆洗排水から濃縮液あるいは濃縮汚泥を引き抜くことも重要である。

本発明により、第二段目の膜ろ過システムにおける排水量を少なくすることを可能とし、回収率を著しく改善することができる。たとえば、第一段目の膜ろ過システムのろ過膜の物理洗浄排水を新たな第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に通水し、ろ過膜を通過した浄水を再度第一段目の膜ろ過システムのろ過膜へ通水する原水と合一するか、あるいは第一段目の膜ろ過システムのろ過膜を通過した浄水と合一することにより、回収率を著しく改善することができる。そのうえ、第二段目の膜ろ過システムにおける排水量を逆洗排水から引き抜く濃縮液だけとしたので、回収率は９９．９％を達成することができ、原水量に対して廃棄される逆洗排水濃縮液は極僅かで済むことを可能にした。
また、第二段目の膜ろ過システムの特性も向上された。すなわち、第二段目の膜ろ過システムのろ過膜表面にプレコート層を形成させてあるので、このシステムを利用して膜ろ過処理をすると、第二段目の膜ろ過システムの膜差圧上昇を抑制することができ、膜ろ過流束の向上が可能となり、第二段目の膜ろ過システムをコンパクト化すること、および設置スペースを低減化することを可能とする。さらに、第二段目の膜ろ過システムの水処理量を多くすることが可能なので、第一段目の膜ろ過システムにおいて物理洗浄頻度を上げることができ、原水処理量も増え、ろ過膜の薬品洗浄間隔が長くなるという実用的効果もあり、第一段目の膜ろ過システムとのスペックの点でも優位となる。

発明の実施の形態

以下、図を用いて本発明の膜ろ過装置運転方法に係る実施の形態について説明する。なお、本発明はこの実施の形態によって制限されるものではない。
図１に本発明の水処理に係る構成図を示す。
原水タンク（３）に流入した原水（１）に凝集剤としてPAC（２）を注入し、攪拌する。原水タンク（３）内の水を膜原水として、運転ポンプ（４）にて膜Ｉ（５）へと通水する。膜ろ過された水は膜ろ過水タンクＩ（６）へと流れ、その大部分は浄水Ｉ（７）として次工程へと供せられる。
所定のろ過時間毎に膜Ｉ（５）を逆洗処理する。具体的には、逆洗ポンプＩ（８）を用いて膜ろ過水タンクＩ（６）内の水を膜Ｉ（５）のろ過水側より原水側へと通水する工程が実施される。一段目の膜ろ過システムの逆洗排水Ｉ（９）は二段目の膜ろ過システムの原水タンクとなる逆洗排水タンク（１０）へと排水される。

一段目の膜ろ過システムの逆洗排水Ｉ（９）は運転ポンプ（１１）にて二段目の膜ろ過システムの膜ＩＩ（１２）へと通水され、ろ過工程開始から所定時間は二段目の膜ろ過システムの逆洗排水ＩＩ（１６）からなるプレコート液（１８）をプレコートポンプ（１９）を用いて膜ＩＩ（１２）の一次側に通水することにより、膜面上にコーティング層を形成する。

膜ＩＩ（１２）の一次側の表面にコーティング層が形成された後に、一段目の膜ろ過システムの逆洗排水Ｉ（９）を運転ポンプ（１１）にて二段目の膜ろ過システムの膜ＩＩ（１２）にて膜ろ過する。膜ろ過された水は膜ろ過水タンクＩＩ（１３）へと流れ、その大部分は浄水ＩＩ（１４）として次工程へと供せられる。所定のろ過時間毎に逆洗として、逆洗ポンプＩＩ（１５）を用いて膜ろ過水タンクＩＩ（１３）内の水を膜ＩＩ（１２）のろ過水側より原水側へと通水する。二段目の膜ろ過システムの逆洗排水ＩＩ（１６）は二段目の膜ろ過システムのプレコート液（１８）の貯留層となるプレコートタンク（１７）へと排水される。プレコートタンク（１７）へ排水される二段目の膜ろ過システムの逆洗排水ＩＩ（１６）は原水中に含まれる濁質が濃縮されていくため、順次濁度が増加していく。プレコート液の必要以上の濁度増加は、たとえばプレコート層が厚くなり過ぎてろ過抵抗が大きくなる、あるいはろ過膜自体の目詰まり起こすなどの不都合さの恐れがあり、二段目の膜ろ過システムに悪影響を与えるので、必要に合わせてプレコートタンク（１７）のに設けられた（２０）濃縮汚泥引抜ラインより濃縮汚泥を引き抜き排水する。

ここで、浄水ＩＩ（１４）は浄水質などに合わせて適宜その利用方法を選択することが望ましい。浄水質が規定の水質基準を満たしており、さらにろ過工程開始時に濃縮されたプレコート液をろ過していてもよいのであれば一段目の浄水（７）と同様の扱いをしてもよいし、浄水質が満足でない、または濃縮水をプレコートしているという衛生面から一段目の浄水（７）と同様に扱えないのであれば、一段目の浄水（７）とは別の用途に使用するか、原水に返送するといった使用方法を取ればよい。

今までの記載から、本発明を次のように記載することができる。
（１）膜ろ過システムの逆洗排水または濃縮水を膜ろ過する二段型膜ろ過システムにおいて、二段目の膜ろ過システムにおける逆洗排水を用いて二段目の膜ろ過システムにてプレコート手法を実施することを特徴とする水処理方法。
（２）膜ろ過を用いた水処理装置の運転方法において、前記ろ過膜に原水を注入して処理水を得、一定時間経過後に前記ろ過膜を逆洗処理し、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を前記ろ過膜と異なる第二段目のろ過膜に注入することを特徴とする水処理装置の運転方法。
（３）第二段目のろ過膜を通過した処理水を原水に返送することを特徴とする前記（２）記載の水処理装置の運転方法。
（４）第二段目のろ過膜を逆洗処理し、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を前記ろ過膜に注入して膜ろ過表面にプレコート層を形成させることを特徴とする前記（２）記載の水処理装置の運転方法。
（５）膜ろ過システムを用いた原水から浄水を製造する方法において、前記原水を第一段目の膜ろ過システム内のろ過膜に注入する工程、前記ろ過膜を逆洗処理する工程、および前記逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入する工程を含むことを特徴とする浄水を製造する方法。
（６）二段型ろ過膜システムを用いた原水の処理装置において、第一段目の膜ろ過システムのろ過膜に原水を注入して処理水を得る手段、所定時間経過後に前記ろ過膜を逆洗処理する手段、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入する手段、所定時間経過後に前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理する手段、その逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目のろ過膜に注入する手段を備え、第二段目の膜ろ過システムのろ過膜からの逆洗処理液を過膜に注入して過膜表面にプレコート層を形成させることを特徴とする原水の水処理装置。

本発明の水処理に係る構成図を示す。

符号の説明

（１）：原水、
（２）：凝集剤PAC、
（３）：原水タンク、
（４）：運転ポンプＩ、
（５）：膜Ｉ、
（６）：膜ろ過水タンクＩ、
（７）：浄水Ｉ、
（８）：逆洗ポンプＩ、
（９）：逆洗排水Ｉ、
（１０）：逆洗排水タンク、
（１１）：運転ポンプＩＩ、
（１２）：膜ＩＩ、
（１３）：膜ろ過水タンクＩＩ、
（１４）：浄水ＩＩ、
（１５）：逆洗ポンプＩＩ、
（１６）：逆洗排水ＩＩ、
（１７）：プレコートタンク、
（１８）：プレコート原液、
（１９）：プレコートポンプ、
（２０）：汚泥引抜ライン

Claims

ろ過システムを用いた原水の処理方法において、前記原水を第一段目の膜ろ過システム内のろ過膜に注入する工程、前記ろ過膜を逆洗処理する工程、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入する工程、前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理する工程、および前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜の逆洗処理により生じる逆洗排水を前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入して膜ろ過表面にプレコート層を形成させる工程を含むことを特徴とする水処理方法。
前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理することにより生じる逆洗排水から一部の濃縮汚泥を引き抜く工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理することにより生じる逆洗排水に凝集剤を注入する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
前記第一段目の膜ろ過システムのろ過膜の原水に凝集剤を注入する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
第一段目の膜ろ過システムのろ過膜の逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入し、次いで前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理して得られた逆洗排水を前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入することを特徴とするろ過膜表面にプレコート層を形成させる方法。
前記第二段目のろ過膜を逆洗処理して得られた逆洗排水から一部の濃縮汚泥を引き抜くことを特徴とする請求項５に記載のろ過膜表面にプレコート層を形成させる方法。
第一段目の膜ろ過システムのろ過膜に原水を注入して処理水を得、所定時間経過後に前記ろ過膜を逆洗処理し、前記逆洗処理により生じる逆洗排水を第二段目の膜ろ過システムのろ過膜に注入し、所定時間経過後に前記第二段目の膜ろ過システムのろ過膜を逆洗処理し、その逆洗処理により生じる逆洗排水を前記第二段目のろ過膜に注入してろ過膜表面にプレコート層を形成させることを特徴とする水処理装置の運転方法。