JP4713905B2

JP4713905B2 - 膜ろ過装置の膜破断検知方法および装置

Info

Publication number: JP4713905B2
Application number: JP2005073514A
Authority: JP
Inventors: 公平井上; 昭範川満; 太秀山口
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006255527A

Description

この発明は、河川水や湖沼水等の表流水及び地下水等を、中空糸膜による精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜で処理するための膜ろ過装置において、その中空糸膜の破断を検知する膜破断検知方法および装置に関する。

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。この方法では、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破断した場合には、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）が混入する可能性がある。このため膜処理においては、膜破断をいち早く検知し、対処することが重要となる。現在、膜破断の検知方法として普及しているのは、空気圧を用いる方法である。

具体的には、（１）膜モジュールに対して予め決めた一定の圧力で空気を送ったときの空気流速または膜モジュールから排出される水流速によって、膜破断の有無を判別する方法や、（２）膜モジュールに対して所定の圧力になるように空気を送った後に圧力印加を止めて圧力降下速度によって膜破断の有無を判別する方法である。また、空気圧を用いる方法以外に、（３）膜処理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方法もある。

さらに、特許文献１には、濁度計と空気圧を組み合わせた方法および装置が開示されている。特許文献１は、その請求項１の記載を引用すれば、「中空糸膜によるＵＦ膜もしくはＭＦ膜からなるろ過膜を有する膜ろ過装置に設けられた膜損傷検知装置において、前記膜ろ過装置の膜ろ過水の流出側に、該膜ろ過水中の微粒子または濁度を測定する濁度検出手段を備え、該濁度検出手段が所定値以上の値を所定時間以上計測した場合、前記膜ろ過装置のろ過膜の損傷もしくは破断の可能性があるものと判定して、加圧手段によって浄化もしくは除菌化した加圧空気を前記ろ過装置の膜ろ過水の流出側に供給して保持状態とし、前記加圧空気の圧力保持率によって、前記膜ろ過装置のろ過膜の損傷もしくは破断の有無を判定する制御手段を備えることを特徴とする膜損傷検知装置。」を開示する。

即ち、特許文献１に記載の装置は、「濁度検出手段が所定値以上の値を所定時間以上計測した場合にろ過膜の破断があるものと１次判定して、その後圧力保持試験により膜破断の有無を２次判定するもの」である。

しかしながら、空気圧を用いる前記（１）および（２）ならびに特許文献１の方法の場合、何れも膜ろ過装置を停止させて膜１次側または２次側の少なくとも片側の水を一旦排水する必要があり、膜ろ過装置の稼働率が低下して造水できない時間が発生するとともに間欠的な膜破断の検知となる問題があった。

また、濁度検出手段を用いる前記（３）や特許文献１の方法の場合、原水は種々多様なものを対象とすることや、膜ろ過装置の運転条件も様々であることから、異常判断基準の設定値を決めるための調整作業が必要であった。さらに、設定値を一定（固定）とした場合には、前述の種々の条件変化によって膜破断の誤判断をすることがあり、この場合、誤判断により膜ろ過装置を緊急停止してしまう問題があった。特に、大規模浄水場においては、処理水の量的な安定造水が重要であるので、正しい判断に基づく膜異常検知が求められている。
特開２０００−２７９７７０号公報

この発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、膜ろ過装置の稼動を止めることなく連続的な膜破断検知が可能であって、かつ原水性状の変化や膜ろ過装置の運転条件に影響されて膜異常の誤判断をすることのない膜ろ過装置の膜破断検知方法および装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、中空糸膜による精密ろ過膜もしくは限外ろ過膜を有する内圧型膜ろ過装置における膜破断検知方法において、原水水温、膜１次側圧力、膜２次側圧力、原水粒子濃度、原水供給流量および破断のない場合の膜処理水中粒子濃度の計測値に基づき、前記中空糸膜が少なくとも１ヶ所破断したと仮定した場合の膜処理水中の粒子濃度を演算により求め、前記膜処理水中粒子濃度の実測値と前記演算値とを比較して、実測値が演算値以上となった際に、前記中空糸膜の少なくとも１ヶ所が破断したと判断する膜破断検知方法であって、前記中空糸膜が１ヶ所破断したと仮定した場合の膜処理水中の粒子濃度の演算は、下記（１）、（２）、（３）式に基づく下記手順により行うことを特徴とする（請求項１の発明）。

中空糸膜の内径ｄと、中空糸膜全長の１／２の長さＬと、水の動粘性係数νと、水の比重量γと、重力加速度ｇと、膜１次側と膜２次側の圧力差Ｐ_TMPならびに中空糸膜の管内入口損失係数ζ₁および出口損失係数ζ₂とから、（１）式により膜破断部からの漏洩流速ｖ_outを計算し、該漏洩流速ｖ_outと、中空糸膜の内径ｄとから、（２）式により破断部からの漏洩流量ｑを計算し、該漏洩流量ｑと、原水粒子濃度ｎ_Rと、破断のない場合の膜処理水粒子濃度ｎ_pと、原水供給流量Ｑとから、（３）式により中空糸膜が破断した場合の膜処理水中の粒子濃度を計算する。なお、前記ζ₁は、管入口の形状によって決まる定数で、中空糸膜が後述する形状の場合には０．５となる。一般の管において管入口の形状が例えば漏斗状の場合には、損失係数は減少し、細部形状によっても異なるが０．０６〜０．００５程度に低減する。また、前記出口損失係数ζ₂は、管出口（中空糸膜の破断部）から流出する外側の流体によって決まる定数で、気体の場合はゼロ、液体の場合は１である。従って、この発明の場合には、出口損失係数ζ₂は１である。

上記請求項１の発明によれば、特許文献１の発明と同様に、微粒子測定を行うものの、膜破断の判定基準を実稼動条件下の種々の実時間測定結果に基づいて自動的に演算して変更、決定できるので、連続的な膜破断検知と膜異常の誤判断を抑制することができる。詳細は後述する。

また、上記膜破断検知方法を実施するための膜破断検知装置の発明としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の膜破断検知方法を実施するための装置であって、前記内圧型膜ろ過装置へ供給される原水供給流量を測定する流量計測手段と、前記膜ろ過装置へ供給される原水中の粒子濃度を測定する原水粒子濃度計測手段と、前記膜ろ過装置の供給水側の圧力を測定する膜１次側圧力計測手段と、前記膜ろ過装置の処理水側の圧力を測定する膜２次側圧力計測手段と、前記膜ろ過装置の処理水側の粒子濃度を測定する膜処理水粒子濃度計測手段と、前記膜ろ過装置の原水の温度を測定する原水水温計測手段とを備え、前記計測手段のうち膜処理水粒子濃度計測手段の出力を除く全ての出力値と、膜破断のない場合の膜処理水粒子濃度と、前記原水水温計測手段の出力値により温度補正される原水の動粘性係数および比重量と、重力加速度と、前記中空糸膜の内径入力値とから、前記中空糸膜が破断した場合の膜処理水中の粒子濃度を演算する演算部と、前記膜処理水粒子濃度計測手段の出力値が前記演算部における演算値以上となった際に、前記中空糸膜に破断有と判断する制御手段と、を備えることを特徴とする（請求項２の発明）。

この発明によれば、膜ろ過装置の稼動を止めることなく連続的な膜破断検知が可能であって、かつ原水性状の変化や膜ろ過装置の運転条件に影響されて膜異常の誤判断をすることのない膜ろ過装置の膜破断検知方法および装置が提供できる。そのため、本発明に係る膜破断検知方法および装置は、膜ろ過装置の導入が予想される中・大規模の浄水施設においても、特に水の安定供給の観点から、より好適な維持管理手段として利用できる。

図１および図２に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。

図１は、本発明が適用される膜ろ過装置に設置された膜破断検知装置の模式的構成図である。図１に示す膜ろ過装置は、浄水場等で横置型の中空糸膜によるろ過膜処理を行うもので、膜ろ過装置へ供給する原水（初期）粒子濃度および膜破断時において膜の２次側への漏洩の影響で変化する膜処理水粒子濃度を連続監視できるように0.5μｍ以上の微粒子計測が可能な微粒子カウンタを設置したものである。

図１において、１は原水用微粒子カウンタ、２は原水用水温計、３は原水流量計、４ａおよび４ｂは膜１次側圧力計、５ａおよび５ｂは膜２次側圧力計、６は膜処理水用微粒子カウンタ、１１はシーケンサ、１２は演算回路部、１３は判定回路部、５１は原水、５２は原水タンク、５３は原水供給ポンプ、５４は原水供給管路、５５は原水微粒子測定用の採水管路、５６は膜モジュール、５７は膜処理水管路、５８は膜処理水、５９は膜処理水タンクを示している。また、図１中の破線は各種機器を結ぶ信号線で、信号の流れを示している。

この膜破断検知装置は、原水タンク５２に設置して原水５１の温度を測定する原水用水温計２と、原水タンク５２と膜モジュール５６を接続する原水供給管路５４の途中で分岐された採水管路５５に設置して原水粒子濃度を測定する原水用微粒子カウンタ１と、原水供給管路５５に設置して原水供給ポンプ５３から膜モジュール５６へ供給される原水５１の流量を測定する原水流量計３と、同様に原水供給管路５４に設置して膜モジュール５６の1次側の水圧を測定する膜１次側圧力計４ａ,４ｂと、膜モジュール５６と膜処理水タンク５９を接続する膜処理水管路５７に設置して膜モジュール５６の２次側の圧力を測定する膜２次側圧力計５ａ,５ｂと、膜処理水管路５７に設置して膜処理水粒子濃度を測定する膜処理水用微粒子カウンタ６と、前記の全ての測定機器出力信号を入力して膜異常の有無を上位の制御機器へ出力するシーケンサ１１と、シーケンサ１１の内部にあって入力された各測定値に基づいて膜が破断したときの膜処理水粒子濃度を演算する演算回路部１２と、シーケンサ１１の内部にあって前記演算回路部１２での結果と膜処理水粒子濃度とを比較して膜破断判定を行う判定回路部１３とから構成される。

ここで、シーケンサ１１内の演算回路部１２には、破断のない状態での膜処理水粒子濃度と、中空糸膜の内径と、中空糸膜の長さ×0.5と、重力加速度（9.8ｍ/ｓ²）と、原水用水温計２からの入力値を用いて各水温での水の動粘性係数および比重量が換算できる換算表とが予め入力、格納されている。

なお、原水粒子濃度が高く原水用微粒子カウンタ１で粒子濃度測定ができない場合は、採水管路５５に原水希釈装置を追加して測定可能な水準に希釈された原水を原水用微粒子カウンタ１に供給すればよい。また、原水の濁度と原水粒子濃度とに所定の関係が得られる原水の場合は、両者の関係データを取得して濁度をもって粒子濃度が算出可能な演算式または換算テーブルを予め作成して、該テーブルをシーケンサ１１に格納して演算回路部１２が演算時に参照できるような形態に変更しておけば、図１中の原水用微粒子カウンタ１は濁度計に置換え可能である。

次に、膜破断検知方法について、原水や膜ろ過運転の各種データを用いた演算手法と膜破断の判定方法を説明する。図１において、演算回路部１２には、原水水温と、膜１次側圧力と、膜２次側圧力と、原水粒子濃度と、原水供給流量とが実時間（例えば１分周期）で入力され、入力された数値データおよび先述した予め入力、格納されたデータを適宜選択して、下記の式（１）〜（３）に代入して中空糸膜が1本破断した場合の処理水中の粒子濃度を算出する。

なお、上記の式は、前記請求項１の発明に係る式と同一であり、式中の各記号を再掲すると以下のとおりである。即ち、ｖ_outは破断部の漏洩流速、ｄは中空糸膜の内径、Ｌは中空糸膜全長×0.5の長さ、νは水の動粘性係数（水温補正要）、γは水の比重量（水温補正要）、ｇは重力加速度、Ｐ_TMPは膜１次側と膜２次側の圧力差、ζ₁およびζ₂は、中空糸膜の管内入口損失係数および出口損失係数である。また、ｑは破断位置からの漏洩流量、ｎは中空糸膜１本破断時の処理水粒子濃度、ｎ_Rは膜供給水（原水）粒子濃度、ｎ_pは破断のない場合の膜処理水粒子濃度、Ｑは膜供給水流量である。

まず、式（１）を用いて中空糸膜が破断した場合の破断部からの漏洩流速ｖ_outを算出する。次に、式（２）を用いて破断部からの流出流量ｑを算出する。さらに、式（３）を用いて中空糸膜が１本破断した場合の処理水中の粒子濃度が算出される。

次に、図２について述べる。図２は、上記実施の形態の計算モデルに関わり、中空糸膜入口から破断位置までの水の流れと圧力損失を示す模式図である。前記式（１）は、破断した中空糸膜を滑らかな円管と仮定して、圧力ヘッド、速度ヘッドおよび流体損失ヘッドを含む流体のエネルギー保存則、即ち、ベルヌーイの定理に基づいて、中空糸膜の破断部からの漏洩流速を計算する式である。

前記式（１）の右項は、膜１次側と膜２次側の圧力差に基づく項、中央項は、管摩係数λ＝６４／Ｒｅ（Ｒｅ：レイノルズ数）とした管摩擦損失項、左項は、速度ヘッドに関わる項で、ｖ_out ²の係数である（ζ₁＋ζ₂＋１）は、通常の速度ヘッドに係る係数１．０に、図２に示す中空糸膜の入口損失係数ζ₁＝０．５および出口損失係数ζ₂＝１．０を加算した値を示し、この場合２．５となる。

破断時の膜処理水粒子濃度を算出する前記式（３）について、実規模の膜ろ過装置に中空糸膜が１本破断した破断膜エレメントを装着して、実河川原水により検証した結果（膜処理水粒子濃度の計算値と実測値の比較）を図３に示す。ここで、使用した膜ろ過処理装置の膜は、直径0.8ｍｍの中空糸膜４万本で、膜面積は140ｍ²である。また、実験は、原水粒子濃度250000個/mL、原水水温10℃、膜ろ過流束0.6〜2.0ｍ/ｄ（原水供給流量3.5〜11.7ｍ³/ｈ）で行った。なお、前記膜ろ過流束の単位ｍ/ｄは、１日（１ｄ）あたりの原水供給流量ｍ³/ｄを膜面積ｍ²で叙した値として得られる単位である。

図３より、計算値と実測値がよく一致する事、また、破断の位置が中空糸膜の中央よりも端部が破断した場合の方が漏洩の影響が大きい事がわかる。従って、本発明の方法では中央部（中空糸膜全長×0.5）の位置における計算結果を判定基準に用いることとした。これにより、安全サイドで破断が検知できる。以上により、前記式（１）〜（３）を用いた膜破断時の膜処理水粒子濃度の計算結果は、信頼性が高くかつ実用的であることが実験的に確認できた。

本発明が適用される膜ろ過装置に設置された膜破断検知装置の模式的構成図。本発明の実施の形態に係り、中空糸膜入口から破断位置までの水の流れと圧力損失を示す模式図。本発明の実施例に係り、膜破断時における膜ろ過流束と膜処理水粒子濃度の関係（計算値と実測値の比較）を示す図。

１原水用微粒子カウンタ
２原水用水温計
３原水流量計
４ａ，４ｂ膜１次側圧力計
５ａ，５ｂ膜２次側圧力計
６膜処理水用微粒子カウンタ
１１シーケンサ
１２演算回路部
１３判定回路部
５１原水
５２原水タンク
５３原水供給ポンプ
５４原水供給管路
５５採水管路
５６膜モジュール
５７膜処理水管路
５８膜処理水
５９膜処理水タンク

Claims

中空糸膜による精密ろ過膜もしくは限外ろ過膜を有する内圧型膜ろ過装置における膜破断検知方法において、原水水温、膜１次側圧力、膜２次側圧力、原水粒子濃度、原水供給流量および破断のない場合の膜処理水中粒子濃度の計測値に基づき、前記中空糸膜が少なくとも１ヶ所破断したと仮定した場合の膜処理水中の粒子濃度を演算により求め、前記膜処理水中粒子濃度の実測値と前記演算値とを比較して、実測値が演算値以上となった際に、前記中空糸膜の少なくとも１ヶ所が破断したと判断する膜破断検知方法であって、前記中空糸膜が１ヶ所破断したと仮定した場合の膜処理水中の粒子濃度の演算は、下記（１）、（２）、（３）式に基づく下記手順により行うことを特徴とする膜ろ過装置の膜破断検知方法。
中空糸膜の内径ｄと、中空糸膜全長の１／２の長さＬと、水の動粘性係数νと、水の比重量γと、重力加速度ｇと、膜１次側と膜２次側の圧力差Ｐ _TMP ならびに中空糸膜の管内入口損失係数ζ ₁ および出口損失係数ζ ₂ とから、（１）式により膜破断部からの漏洩流速ｖ _out を計算し、該漏洩流速ｖ _out と、中空糸膜の内径ｄとから、（２）式により破断部からの漏洩流量ｑを計算し、該漏洩流量ｑと、原水粒子濃度ｎ _R と、破断のない場合の膜処理水粒子濃度ｎ _p と、原水供給流量Ｑとから、（３）式により中空糸膜が破断した場合の膜処理水中の粒子濃度を計算する。
請求項１に記載の膜破断検知方法を実施するための装置であって、前記内圧型膜ろ過装置へ供給される原水供給流量を測定する流量計測手段と、前記膜ろ過装置へ供給される原水中の粒子濃度を測定する原水粒子濃度計測手段と、前記膜ろ過装置の供給水側の圧力を測定する膜１次側圧力計測手段と、前記膜ろ過装置の処理水側の圧力を測定する膜２次側圧力計測手段と、前記膜ろ過装置の処理水側の粒子濃度を測定する膜処理水粒子濃度計測手段と、前記膜ろ過装置の原水の温度を測定する原水水温計測手段とを備え、前記計測手段のうち膜処理水粒子濃度計測手段の出力を除く全ての出力値と、膜破断のない場合の膜処理水粒子濃度と、前記原水水温計測手段の出力値により温度補正される原水の動粘性係数および比重量と、重力加速度と、前記中空糸膜の内径入力値とから、前記中空糸膜が破断した場合の膜処理水中の粒子濃度を演算する演算部と、前記膜処理水粒子濃度計測手段の出力値が前記演算部における演算値以上となった際に、前記中空糸膜に破断有と判断する制御手段と、を備えることを特徴とする膜ろ過装置の膜破断検知装置。