JP4576967B2 - 原液の膜ろ過性分析方法および装置、ならびに膜分離方法および装置 - Google Patents
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・ろ過開始直後あるいは一定時間ろ過後の一定時間内に得られるろ過液量。
・ろ過開始直後あるいは一定時間ろ過後に、一定ろ過液量を得るのに要する時間。
・ろ過開始直後あるいは一定ろ過液量獲得後の一定時間内に得られるろ過液量。
・ろ過開始直後あるいは一定ろ過液量獲得後に、一定ろ過液量を得るのに要する時間。
・一定時間ろ過後のろ過流束または抵抗。
・一定ろ過液量獲得後のろ過流束または抵抗。
(1)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗が線形的に変化する際の近似直線式、
(2)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗が一定となる際のその抵抗値、
(3)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗の一次微分係数の正負が逆転する点におけるろ過液量または抵抗、
(4)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗の二次微分係数の正負が逆転する点におけるろ過液量または抵抗または接線の直線式。
R=ΔP/μF (式1)
ここで、Rは膜に発生する抵抗[m −1 ]、ΔPは膜に加わる圧力[Pa]、μは透過液の粘度[Pa・s]、Fは膜ろ過流束[m/s]である。
(ア)下に凸で増加する、
(イ)線形的に増加する、
(ウ)上に凸で増加する、
(エ)一定値になる、あるいは極大値をとる、
(オ)上に凸で減少する、
(カ)下に凸で減少する、
(キ)一定値になる、あるいは極小値をとる、
(ク)下に凸で増加する、
(ケ)線形的に増加する。
(1)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗が線形的に変化する際の近似直線式、
(2)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗が一定となる際のその抵抗値、
(3)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗の一次微分係数の正負が逆転する点におけるろ過液量または抵抗、
(4)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗の二次微分係数の正負が逆転する点におけるろ過液量または抵抗または接線の直線式。
ここで、Rは膜に発生する抵抗[m−1]、ΔPは膜に加わる圧力[Pa]、μは透過液の粘度[Pa・s]、Fは単位膜面積あたりの膜ろ過流束[m/s]である。ここにおいて、ΔPは原液のろ過中は一定にすることが望ましく、μは原液の温度を測定して、その温度から、次式に従い算出することが望ましい。
ここで、A=0.01257187、B=−0.005806436、C=0.001130911、D=−0.000005723952であり、Tは絶対温度[K]である。即ち、摂氏温度をτ[℃]とすると、T=τ+273.15として表される。このように、μは温度の関数となるので、原液のろ過中は温度を一定とすることが望ましい。
(ア)下に凸で増加する、
(イ)線形的に増加する、
(ウ)上に凸で増加する、
(エ)一定値になる、あるいは極大値をとる、
(オ)上に凸で減少する、
(カ)下に凸で減少する、
(キ)一定値になる、あるいは極小値をとる、
(ク)下に凸で増加する、
(ケ)線形的に増加する。
(ア)〜(ケ)の変化は、それぞれ次の(あ)〜(け)のように修正される。即ち、ろ過液量と膜に発生する抵抗の関係において、任意の点における微分係数とろ過液量の関係は、ろ過液量の増加に伴い、
(あ)正であり、かつ増加する、
(い)正であり、かつ一定である(あるいは極大値をとる)、
(う)正であり、かつ減少する、
(え)ゼロとなる、あるいは正から負に移行する、
(お)負であり、かつ減少する、
(か)負であり、かつ増加する、((お)との境界で極小値をとる)
(き)ゼロとなる、あるいは負から正に移行する、
(く)正であり、かつ増加する、
(け)正であり、かつ一定である(あるいは極大値をとる)。
R=aM (式3)
の関係がある時には、aは、膜付着成分単位量あたりの膜抵抗発生量に相当する。
・膜分離活性汚泥法
・膜分離式汚泥濃縮装置
・膜分離式下水処理装置
・膜分離式微生物培養液固液分離装置
(活性汚泥の膜ろ過性の分析1)
図4に示す膜ろ過性分析装置3を用いて、活性汚泥の膜ろ過性分析を行った。
ここで、Rは膜に発生する抵抗[m−1]、ΔPは膜に加わる圧力[Pa]、μはろ過液の粘度[Pa・s]、Fは単位膜面積あたりの膜ろ過流束[m/s]である。ΔPは、圧力計で測定した値(すなわち20kPa)であり、μは、ろ過終了時にろ過液の温度を計測し、前記式2に基づいて算出した。具体的には、温度は22.2℃であり、μは0.95mPa・sであった。膜ろ過流束Fは、ろ過液量とろ過時間との関係において、その傾きを膜面積で除した値で求められる。従って、ある時点ti[s]における抵抗Riは次式を用いて計算した。
ここで、slope(ti±6)はti−6[s]からti+6[s]までにおける線形回帰直線の傾きを膜面積で除した値[m/s](tiにおけるフラックスに相当)である。このように膜に発生する抵抗を計算し、それと単位膜面積あたりのろ過液量との関係を図6に示す。図6から、前記(ア)〜(ケ)に相当する範囲を判断することも可能だが、より客観性を維持するために次のような作業を行った。
(活性汚泥の膜ろ過性分析2)
実施例1と同じ装置及び方法を用いて他の活性汚泥を膜ろ過し、一定ろ過時間間隔(2秒間隔)のろ過液量のデータセットを得た。これを一定ろ過液量間隔(0.0005[m]間隔)のろ過時間のデータセットに修正した(図11)。その後、任意の時点tにおける膜ろ過流束F[m/s]を、その点から前後3点のデータ(計7点)の線形回帰直線の傾きから求め、さらに、前記(式4)をもとに、任意の時点における膜に発生する抵抗R[1/m]を算出した。このようにして求めた単位膜面積あたりのろ過液量と膜抵抗との関係(図13)において、単位膜面積あたりのろ過液量とその一次微分係数及び二次微分係数との関係を算出した。それを図12に示す。これをもとに、前記(1)〜(4)を次のように分析した(図13)。
(希釈した活性汚泥の膜ろ過性)
活性汚泥とRO膜透過水とを100:0、80:20、60:40、20:80で混合し、実施例1と同じ装置及び方法を用いてそれぞれの混合液を膜ろ過し、実施例2と同じ方法を用いてそれぞれの膜ろ過性を分析した。ここで、前記(2)あるいは前記(3)の方法によって得られる直線式の傾きの中でろ過液量が最も小さいときのものをko[1/m2]、前記(1)あるいは前記(4)の方法によって得られる点の抵抗値の中でろ過液量が最も小さいときのものをRmax[1/m]とする。それぞれの混合液において得られたko及びRmaxの値を図3に示す。
(不可逆抵抗の測定)
まず、未使用の膜を用いて精製水をろ過することによって膜そのものの抵抗を測定し、次に原液をろ過した後、膜を洗浄し、さらに精製水をろ過することによって、洗浄後も膜に残存している抵抗を測定することが可能である。ここでは、実施例2で示した活性汚泥のろ過性分析の際に膜そのものの抵抗と残存抵抗を測定した結果を示す。
(沈殿物非含有液中成分単位重量あたりの膜抵抗発生量)
沈殿物非含有液を非攪拌条件下において膜ろ過した場合、任意の時点における膜付着成分量と膜に発生する抵抗の関係式を求めることが可能である。それは、以下のような原理に基づく。
ここで、RがVの何らかの関数で表された場合、即ち、R=F(V)の関係が成立した場合、
R=F(M/(Cs−Cp)A) (式7)
の関係が成立する。これにより、膜付着成分量と膜に発生する抵抗の関係式を求めることが可能である。
R=αM+β=α(Cs−Cp)VA+β (式8)
が成立し、これをVで微分すると、
dR(V)/dV=ko=α(Cs−Cp)A (式9)
よって、
α=ko/((Cs−Cp)A) (式10)
として、αが算出される。
[実施例6]
(膜分離式活性汚泥装置における本発明の適用)
実験室内に図1に示す膜分離式活性汚泥装置を設置した。ポリエステル不織布にポリフッ化ビニリデン膜がコーティングされた複合平膜(細孔径0.1μm、厚さ200μm、初期純水透過性能4×10-8m3 /m2 /s/Pa)をフレームの両面に貼り付けた平膜エレメントを液体分離膜202(有効膜部分:縦250mm、幅200mm、有効膜面積0.1m2)とし、該液体分離膜202を10枚を有効容量250Lの液体貯留槽201に浸漬した。被処理水として、グルコース0.1g/L、ペプトン0.1g/L、リン酸水素二カリウム7.8mg/L、リン酸一カリウム3.9mg/Lからなる人工下水(生物学的酸素要求量(BOD)160mg/L、全窒素濃度13.6mg/L、全リン濃度2.3mg/L)を550L/日の割合で液体貯留槽201に供給した。液体分離膜202により、被処理水を550L/日の割合で濾過した。液体分離膜202の下部からは、被処理水の生物処理のため、攪拌手段204として、および液体分離膜202の膜表面に微生物が付着するのを防ぐために、200L/分の割合で空気を供給した。
101 容器
102 液体分離膜
103 原液供給手段
104 攪拌手段
105 膜ろ過液集水管
106 膜ろ過液受け入れ容器
107 膜ろ過液量計測手段
108 記録器
109 演算器
2 膜分離装置
201 液体貯留槽
202 液体分離膜
203 原液供給手段
204 攪拌手段
205 膜ろ過液集水手段
206 膜ろ過液引き抜き手段
3 本発明の実施に用いた膜ろ過性分析装置
301 攪拌式セル
302 液体分離膜
303 マグネチックスターラー
304 攪拌子
305 窒素ガス
306 膜固定ホルダー
307 膜ろ過液受け用ビーカー
308 電子秤
309 パソコン
310 純水チャンバー
311 圧力計
312 バルブ
313 バルブ
314 バルブ
Claims (7)
- 原液を膜によってろ過し、そのろ過時間とろ過液量との関係から、前記原液の膜ろ過性を分析する方法であって、少なくとも、該ろ過時間とろ過液量との関係からろ過時間と膜ろ過流束との関係を求め、該ろ過時間と膜ろ過流束との関係、および、原液を膜ろ過する際に膜に加わる圧力の値、および、透過液の粘度の値から、下記(式1)に基づいてろ過液量と膜に発生する抵抗との関係を求めた後、次の(1)〜(4)の少なくとも1つから、または、次の(1)〜(4)の少なくとも1つに基づいて計算した結果を用いて、前記原液の膜ろ過性を分析することを特徴とする原液の膜ろ過性分析方法。
(1)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗が線形的に変化する際の近似直線式、
(2)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗が一定となる際のその抵抗、
(3)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗の一次微分係数の正負が逆転する点におけるろ過液量または抵抗、
(4)ろ過液量に対し膜に発生する抵抗の二次微分係数の正負が逆転する点におけるろ過液量もしくは抵抗、または接線の直線式。
R=ΔP/μF (式1)
ここで、Rは膜に発生する抵抗[m −1 ]、ΔPは膜に加わる圧力[Pa]、μは透過液の粘度[Pa・s]、Fは膜ろ過流束[m/s]である。 - 精製水を用いて前記原液を1.1倍以上に希釈して希釈液とした後、該希釈液を膜によってろ過し、そのろ過時間とろ過液量との関係から、前記原液の膜ろ過性を分析する方法であって、ろ過液量と膜に発生する抵抗との関係を求めた後、前記(1)および(2)の少なくとも1つから、または、前記(1)および(2)の少なくとも1つに基づいて計算した結果を用いて、前記原液の膜ろ過性を分析することを特徴とする、請求項1に記載の原液の膜ろ過性分析方法。
- 前記原液として沈殿物非含有液を用い、該沈殿物非含有液を非攪拌条件下で膜によってろ過し、前記(1)から、または、前記(1)に基づいて計算した結果を用いて、膜付着成分量と膜に発生する抵抗との関係式を求めることを特徴とする、請求項1に記載の原液の膜ろ過性分析方法。
- 前記原液を膜によってろ過し、その後、さらに精製水を膜によってろ過した際のろ過時間とろ過液量との関係から、前記原液の膜ろ過性を分析する方法であって、ろ過液量と膜に発生する抵抗との関係を求めた後、前記(1)および(2)の少なくとも1つから、または、前記(1)および(2)の少なくとも1つに基づいて計算した結果を用いて、前記原液の膜ろ過性を分析することを特徴とする請求項1に記載の原液の膜ろ過性分析方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の方法を用いて原液の膜ろ過性を分析し、その分析結果である前記(1)〜(4)の少なくとも1つ、または、前記(1)〜(4)の少なくとも1つに基づいて計算した値が、予め定めた所定の範囲を外れたときに被膜処理原液の成分濃度および供給量、被膜処理原液の攪拌条件、被膜処理原液の改質を目的とした補助剤の添加の有無およびその添加量、膜ろ過圧、膜ろ過流束、液体分離膜の洗浄時期および洗浄方法から選ばれる1以上の膜分離条件を制御することを特徴とする膜分離方法。
- 容器と、該容器に収容された液体分離膜と、膜ろ過液量計測手段と、演算器とを備えた膜ろ過分析装置であって、該演算器が請求項1〜4のいずれかに記載の方法を用いて原液の膜ろ過性を分析するものであることを特徴とする膜ろ過性分析装置。
- 原液供給手段と、液体貯留槽と、液体分離膜と、膜ろ過性分析装置と、膜ろ過液引き抜き手段とを備えた膜分離装置であって、該膜ろ過性分析装置が請求項6に記載の膜ろ過性分析装置あることを特徴とする膜分離装置。
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JP2004283726A JP4576967B6 (ja) | 2004-09-29 | 原液の膜ろ過性分析方法および装置、ならびに膜分離方法および装置 |
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JP2006095406A JP2006095406A (ja) | 2006-04-13 |
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