JP4838248B2

JP4838248B2 - 逆洗液体廃棄物の低減

Info

Publication number: JP4838248B2
Application number: JP2007529306A
Authority: JP
Inventors: フーファン・ザ; ジィイ・カオ
Original assignee: シーメンス・ウォーター・テクノロジーズ・コーポレーション
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2025-09-07
Also published as: CA2579168C; CN101043933A; AU2005282211B2; WO2006026814A1; CN101043933B; EP1807180A1; EP1807180A4; EP1807180B1; US20070227973A1; US8790515B2; AU2005282211A1; CA2579168A1; JP2008512219A; NZ553596A

Description

本発明は、膜濾過システムに関するものであり、より詳細には、そのようなシステムの逆洗（backwash）時に生成される液体廃棄物の低減に関するものである。

膜濾過操作においては、液体またはガスによる逆洗によって定期的に膜を洗浄することが重要であり、これにより、化学的洗浄ステージを行う必要なく、膜の動作時間を長く維持することができる。しかしながら、各々の逆洗時には、所定量の液体廃棄物が生成する。このことは、供給液体の回収を低減させるとともに、逆洗廃棄物の事後処理の必要性を増大させる。顧客のプラントにおいては、特に顧客が供給原料を購入しなければならない場合には、供給原料の回収は、重要なプラント性能因子である。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

本発明の一見地においては、液体懸濁液から固体を濾過するための方法であって、
（ｉ）ベッセル内に収容された液体懸濁液内に浸漬された浸透性中空膜の壁の両側にわたって圧力差を形成し、その際、液体懸濁液を多孔性の中空膜の外表面に対して適用し、これにより、膜壁を通しての濾過を誘起するとともに維持し、そこで、（ａ）液体懸濁液のいくらかを、中空膜のルーメンからの浸透物として中空膜の壁を通して抽出するとともに、（ｃ）固体の少なくともいくらかを、中空膜上にまたは中空膜内に保持し、あるいは、中空膜を囲んでいる液体内に懸濁した固体として保持し；
（ｉｉ）ベッセルに対しての液体懸濁液の流れを中止し；
（ｉｉｉ）ベッセルの内部における液体懸濁液の量を低減させ；
（ｉｖ）濾過プロセスを中止し；
（ｖ）中空膜上にまたは中空膜内に保持された固体の少なくともいくらかを除去することによって、中空膜を洗浄し；
（ｖｉ）除去した固体を含有している液体を、ベッセルから除去する；
という方法が提供される。

好ましくは、洗浄ステップにおいては、膜を逆洗する。さらに好ましくは、洗浄ステップにおいては、ガスバブルによって膜の表面を研磨する。好ましくは、ベッセルに対しての液体懸濁液の流れを止めた状態で、膜からの浸透物の抽出を継続することによって、ベッセル内における液体懸濁液の容積を低減させる。好ましくは、浸透物の抽出を継続するに際しては、液体懸濁液に対してガス圧力を印加することにより、膜壁を通しての圧力差の形成を補助する。ガス圧力は、液体懸濁液内へと曝気ガスバブルまたは研磨ガスバブルを供給することにより、あるいは、液体懸濁液に対して個別のガス圧力供給源を適用することにより、印加することができる。他の見地においては、ベッセル内における液体懸濁液の量は、ベッセル内における液体懸濁液の流れを反転させることにより、低減させることができる。好ましくは、ベッセル内における液体の量は、所定値にまで低減される。好ましくは、所定値は、研磨時および液体逆洗時に膜が液体懸濁液内に浸漬されているような、十分なものとされる。

本発明の他の見地においては、液体供給懸濁液から固体を除去するための濾過システムであって、
（ｉ）液体供給懸濁液を収容するためのベッセルと；
（ｉｉ）ベッセルに対しての液体供給懸濁液の流れを引き起こすための手段と；
（ｉｉｉ）ベッセルの内部に配置された複数の浸透性中空膜と；
（ｉｖ）液体懸濁液のいくらかを、浸透物として中空膜の壁を通して抽出し得るよう、なおかつ、固体の少なくともいくらかを、中空膜上にまたは中空膜内に保持し得るよう、あるいは、中空膜を囲んでいる液体内に懸濁した固体として保持し得るよう、膜の壁の両側にわたって圧力差を形成するための手段と；
（ｖ）膜から浸透物を抽出するための手段と；
（ｖｉ）ベッセル内における液体懸濁液の量を低減させるための手段と；
（ｖｉｉ）膜を通しての浸透物の抽出を中止させるための手段と；
（ｖｉｉｉ）保持された固体の少なくともいくらかを中空膜から除去することによって、膜を洗浄するための手段と；
（ｉｘ）除去した固体を含有している液体を、ベッセルから除去するための手段と；
を具備している濾過システムが提供される：

供給側において供給水をプレ濾過することによって供給物の回収率を改良するための方法は、加圧型の膜濾過システムを参照して説明される。

このような方法においては、曝気ガスまたはプロセスガスを使用することにより、供給液体を膜を通して押し出し、これにより、濾過製品を生成し得るとともに、逆洗プロセスの開始前に、ベッセルの供給側における液体量を低減することができる。これに代えて、いくつかのシステムにおいては、供給ポンプの動作方向を自動的に変更することができる。これにより、吸引を行って、供給側の液体の液面高さを低下させることができる。これらの方法のうちの１つを使用することにより、供給側における液体の一部を、回収し得るとともに、９９％を超えるような原料回収率を得ることができる。

以下においては、本発明のいくつかの好ましい実施形態に関し、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示として、説明する。

図面には、典型的な加圧型のファイバ膜濾過モジュール４が示されている。このモジュール４は、上ヘッダ６と下ヘッダ７との間にわたって延在する複数のファイバ膜５を備えているとともに、ベッセル８の中に設置されている。ライン９，１０を介してのベッセル８に対しての原料の供給は、バルブＡＶ１，ＡＶ２のそれぞれによって制御される。濾過物は、ポート１３，１４を通して、さらには、濾過物バルブＡＶ１６によって制御されたライン１５，１６を通して、ファイバ５の両端から抽出することができる。

好ましい実施形態においては、濾過プロセスは、以下のような相異なる３つの方法を使用して、行うことができる。

１）濾過期間の終了時で、曝気ガスを、供給側に対して導入し、これにより、濾過を継続させる。モジュール４内への供給液体の流れが中止されていることのために、継続した濾過は、膜５の供給側の残留液体を低減させる。濾過される容積は、様々な要因に依存する。濾過される容積が多くなればなるほど、逆洗時に生成される廃棄物が、より少なくなる。しかしながら、供給ベッセル８内に残存した液体の容積がかなり少ない場合には、モジュール４内にわたって十分に供給液体が充填されていないことのために、ガス研磨（ gas scouring）は、あまり効果的ではなく、その結果、逆洗効率が影響を受けることとなる。供給ベッセル８内に残っている液体レベルは、好ましくは、ガス研磨ステップ時にモジュール４が供給液体によって完全に充填され得るような量である。

２）濾過は、また、供給側において供給ベッセル８内へとプロセスガスを導入し、これにより、膜５を通して濾過物側に向けての供給液体の流れを引き起こすことによって、具現することもできる。この場合、供給側の圧力は、より大きなものとすることができ、これにより、より迅速なプロセスステップを実現することができる。

３）さらなる選択肢は、濾過期間の終了時点で、供給ポンプ１７を逆転させることである。これにより、供給ベッセル８内の供給原料のいくらかを、供給源へと引き戻すことができ、これにより、逆洗後の廃棄量を低減することができる。

以下においては、各々のオプションにつき、実施形態を参照して後述する。

『曝気ガスを使用した濾過』
図１に示すように、濾過および逆洗の前には、膜の供給側すなわちシェル側は、供給ライン／排出ラインバルブＡＶ１，ＡＶ２，ＡＶ４，ＡＶ５を使用して、隔離されている。濾過物バルブＡＶ１６は、開いたままとされている。この状態で、曝気ガスが、バルブＡＶ１７およびライン１７を通して、モジュール４の下部へと注入される。供給側は、曝気ガスの圧力によって、加圧される。曝気ガス供給源（図示せず）は、圧縮ガスまたはブロワエアとすることができる。曝気ガスに基づく供給側の加圧により、供給側内の供給液体が、膜壁を通して押し込まれ、濾過物が生成される。濾過物は、ライン１５，１６を介して、通常の方法によって抽出される。曝気ガスが通常的には低圧のエアであることにより、また、圧力の解放が必要でないことにより、所望量の濾過物が生成されるまで、ガスは、供給側へと連続的に注入される。

濾過ステップが完了した後においても、曝気ガスは、継続して流され、そして、システムは、通常の逆洗シーケンスに入る。

濾過を行うためのガス圧力供給源として曝気ガスを使用することの１つの利点は、濾過ステージ時に曝気マニホールドを充填していた液体の除去を補助し得ることであり、また、曝気開始時には、起こりかねない異常分布を低減させ得ることである。濾過ステップ時に注入されるガスは、さらに、膜表面に沿って移動し、通常の研磨効果を提供する。

流量計（図示せず）が濾過物側に配置されている場合には、その流量計を使用することにより、濾過した容積を集計し得るとともに、制御システムに対してフィードバックすることができる。流量計からのフィードバックを使用することにより、濾過容積を予設定値に制御することができる。濾過物側に流量計が設けられていない場合には、膜の透過性と膜内外圧力（ＴＭＰ）と利用した制御ＰＬＣプログラム内において集計プログラムを実行することができ、これにより、濾過容積を計算し得るとともに、濾過容積を予設定値に制御することができる。

『プロセスエアを使用した濾過』
曝気ガスを使用した濾過に関する１つの欠点は、供給側に対して供給し得る圧力が制限されることである。濾過物側の背圧が、操作上の理由に基づいて、大きい場合には、曝気ガスは、許容可能な時間枠内において濾過ステップを完了させ得るだけの十分に大きな膜内外圧力（ＴＭＰ）を供給することができない。そのような場合には、図２に示すようにして、５０〜２５０ｋＰａに制御したプロセスガスを、バルブＡＶ１３およびライン１９を介して供給側へと供給することができ、これにより、濾過ステップを行うことができる。プロセスガスを使用する場合には、バルブＡＶ１６の位置を調節することによって、ＴＭＰを制御することができる。濾過時には、濾過物の流量は、通常の濾過物流量を超えないように制御される。プロセスガスの圧力が大きい場合には、濾過プロセスは、２つのステップへと分割することができる。これにより、濾過の終了時点における供給側の圧力を低減することができる。濾過プロセスの第１ステップにおいては、バルブＡＶ１３およびバルブＡＶ１６を開放し、プロセスガスを、膜容器８の上部へと導入し、膜壁を通して液体を押し出す。濾過プロセスの第２ステップにおいては、バルブＡＶ１６を開放したままで、バルブＡＶ１３を閉塞する。供給側に残留した圧縮ガスは、膜壁を通しての液体の押出を継続する。供給側の液体容積が低減するけれども、供給側のガス圧力も、また、低下する。そして、所望の濾過容積および／または供給側の圧力が、得られる。

濾過プロセスを２つのステップに分離することの他の利点は、圧縮ガスの消費を低減し得ることである。曝気ガスを使用した濾過方法の場合と同様に、濾過物側の流量計と、ＰＬＣプログラム集計手法と、のいずれかを使用することにより、濾過プロセスを制御することができる。

『濾過物吸引ポンプに対しての逆流吸引を使用した濾過』
図３に示すように、濾過は、ポンプ１７により膜ルーメンに対して印加された濾過物吸引によっても、行うことができる。濾過専用のポンプとして、個別の吸引ポンプを設置することができる。システムに液体逆洗ポンプが設けられている場合には、このポンプを、逆向きに作用させることができ、これにより、濾過物をファイバルーメンから吸引することができ、供給ベッセル８内における液面位置を低下させることができる。

これに代えて、濾過ステップを行い得るようにバルブＡＶ２０およびバルブＡＶ２１を追加することによって、供給ポンプ１７を、濾過物吸引ポンプとして使用することができる。プロセスは、２つのステップに分割することができる。第１ステップにおいては、バルブＡＶ１６を閉塞するとともに、バルブＡＶ２０およびバルブＡＶ１を開放する。これにより、濾過物側から供給側に向けての再循環流を形成することができる。このステップの主な目的は、濾過物を製品に対して送出する前に、供給ポンプ１７とこれに関連する配管とを洗浄することである。このステップは、典型的には、２〜３秒だけにわたって行われるだけである。洗浄効率を向上させ得るよう、バルブＡＶ２１は、ポンプの廃棄ラインにたいしてできるだけ近接して、なおかつ、バルブＡＶ１の前に、配置される。供給ポンプと配管とが洗浄された後に、濾過プロセスという第２ステップを開始し、バルブＡＶ２１を開放したまま、バルブＡＶ１を閉塞する。この場合にも、濾過容積は、濾過物流量計によって、あるいは、ＰＬＣプログラム集計手法（図示せず）によって、制御することができる。

この方法を使用することにより、バルブＡＶ２０およびバルブＡＶ１を開放することによって、供給ポンプおよび配管が洗浄され、これにより、短期間で、濾過物を供給側へと再循環させることができる。

この方法においては、ポンプを使用することにより、ベッセルの供給側における液体の濾過を、効果的に制御することができる。バルブＡＶ２１は、所望の濾過流速が得られるように位置制御される。供給液体の品質が劣っているときには、供給ポンプおよび供給ラインを、十分に洗浄することができず、濾過物送出に関して好ましくない。この場合には、プロセスを集成することによって、濾過物を、バルブＡＶ０の前の供給マニホールドに対して、あるいは、供給ブレークタンクに対して、送出することができる。濾過物を供給マニホールドに対してあるいはブレークタンクに対して送出する場合のプロセスは、図４に示されている。

逆洗前に供給側の液体を節約するための他の可能な方法は、単に、供給ポンプの流れ方向を逆にするとともに、ＡＶ１，ＡＶ５，ＡＶ０を開放し、これにより、供給側の液体を供給ラインへと戻すことである。

濾過ステップを実行するに際してポンプを使用することの利点は、所望の逆洗レベルにまで濾過されるまでの時間を、かなり短くし得ることである。

濾過プロセスを使用した場合には、逆洗廃棄物を、かなり低減し得るとともに、供給物の回収率を向上させることができる。濾過の場合に１回の逆洗あたりの逆洗廃棄物容積は、濾過を使用しない場合の元々の逆洗液体廃棄物容積と比較して、６０％以上も低減させることができる。図５は、本発明によるシステムに関し、様々な濾過物流通速度における供給物の回収率を、濾過無しの場合と比較して、示している。

図６においては、このシステムにおいて濾過を行った場合の典型的な回収率が、加圧膜システムや浸漬システムと比較して、示されている。

本明細書における上記説明は、中空ファイバ膜モジュールにおけるアウトサイドインタイプの濾過に関するものである。上述した原理および方法は、また、中空膜モジュールにおけるインサイドアウトタイプの実施態様に対しても、また、例えばフラットシートタイプのモジュールやスパイラル巻回モジュールといったような他のタイプの膜モジュールに対しても、適用することができる。

本発明のさらなる実施形態や構成例が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、可能であることは、理解されるであろう。

本発明の第１実施形態による膜濾過モジュールを概略的に示す側面図である。本発明の第２実施形態による膜濾過モジュールを概略的に示す側面図である。本発明の第３実施形態による膜濾過モジュールを概略的に示す側面図である。図３の実施形態による膜濾過モジュールの変形例を概略的に示す側面図である。濾過レベルの低減化を行った場合と行わない場合とに関し、原料流量と、原料回収率と、の間の関係を示すグラフである。様々なシステムに関する原料回収率を示す棒グラフである。

符号の説明

４加圧型のファイバ膜濾過モジュール
５ファイバ膜
８ベッセル

Claims

液体懸濁液から固体を濾過するための方法であって、
（ｉ）ベッセル内に収容された液体懸濁液内に浸漬された浸透性中空膜の壁の両側にわたって圧力差を形成し、その際、前記液体懸濁液を多孔性の前記中空膜の外表面に対して適用し、これにより、膜壁を通しての濾過を誘起するとともに維持し、そこで、（ａ）前記液体懸濁液のいくらかを、前記中空膜のルーメンからの浸透物として前記中空膜の壁を通して抽出するとともに、（ｃ）前記固体の少なくともいくらかを、前記中空膜上にまたは前記中空膜内に保持し、あるいは、前記中空膜を囲んでいる液体内に懸濁した固体として保持し；
（ｉｉ）前記ベッセルに対しての前記液体懸濁液の流れを中止し；
（ｉｉｉ）前記ベッセルの内部における前記液体懸濁液の量を低減させ；
（ｉｖ）前記濾過プロセスを中止し；
（ｖ）前記中空膜上にまたは前記中空膜内に保持された前記固体の少なくともいくらかを除去することによって、前記中空膜を洗浄し；
（ｖｉ）前記除去した固体を含有している液体を、前記ベッセルから除去する；
という方法において、
前記ベッセル内における前記液体の液面高さを、所定高さにまで低下させ、
前記所定高さを、研磨時および液体逆洗時に前記膜が前記液体懸濁液内に浸漬されているような、十分なものとし、
前記ベッセルに対しての前記液体懸濁液の流れを止めた状態で、前記膜からの浸透物の抽出を継続することによって、すなわち、濾過を継続することによって、前記ベッセル内における前記液体懸濁液の容積を低減させることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
前記洗浄ステップにおいては、前記膜を逆洗することを特徴とする方法。
請求項１または２記載の方法において、
前記洗浄ステップにおいては、ガスバブルによって前記膜の表面を研磨することを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
前記浸透物の抽出を継続するに際しては、前記液体懸濁液に対してガス圧力を印加することにより、前記膜壁を通しての圧力差の形成を補助することを特徴とする方法。
請求項４記載の方法において、
前記ガス圧力を、前記液体懸濁液内へと曝気ガスバブルまたは研磨ガスバブルを供給することにより、印加することを特徴とする方法。
請求項４記載の方法において、
前記ガス圧力を印加するステップにおいては、前記液体懸濁液に対して個別のガス圧力供給源を適用することを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
前記ベッセル内における前記液体懸濁液の量を、前記ベッセル内における前記液体懸濁液の流れを反転させることにより、低減させることを特徴とする方法。
液体供給懸濁液から固体を除去するための濾過システムであって、
（ｉ）前記液体供給懸濁液を収容するためのベッセルと；
（ｉｉ）前記ベッセルに対しての前記液体供給懸濁液の流れを引き起こすための手段と；
（ｉｉｉ）前記ベッセルの内部に配置された複数の浸透性中空膜と；
（ｉｖ）前記液体懸濁液のいくらかを、浸透物として前記中空膜の壁を通して抽出し得るよう、なおかつ、前記固体の少なくともいくらかを、前記中空膜上にまたは前記中空膜内に保持し得るよう、あるいは、前記中空膜を囲んでいる液体内に懸濁した固体として保持し得るよう、前記膜の壁の両側にわたって圧力差を形成するための手段と；
（ｖ）前記膜から浸透物を抽出するための手段と；
（ｖｉ）前記ベッセル内における前記液体懸濁液の量を低減させるための手段と；
（ｖｉｉ）前記膜を通しての前記浸透物の抽出を中止させるための手段と；
（ｖｉｉｉ）保持された前記固体の少なくともいくらかを前記中空膜から除去することによって、前記膜を洗浄するための手段と；
（ｉｘ）前記除去した固体を含有している液体を、前記ベッセルから除去するための手段と；
を具備し、
前記ベッセル内における前記液体の液面高さを、所定高さにまで低下させ、
前記所定高さを、研磨時および液体逆洗時に前記膜が前記液体懸濁液内に浸漬されているような、十分なものとし、
前記ベッセルに対しての前記液体懸濁液の流れを止めた状態で、前記膜からの浸透物の抽出を継続することによって、すなわち、濾過を継続することによって、前記ベッセル内における前記液体懸濁液の容積を低減させることを特徴とする濾過システム。
請求項８記載の濾過システムにおいて、
前記洗浄手段が、膜を逆洗するための手段を備えていることを特徴とする濾過システム。
請求項８記載の濾過システムにおいて、
前記洗浄手段が、ガスバブルによって前記膜の表面を研磨するための手段を備えていることを特徴とする濾過システム。
請求項８記載の濾過システムにおいて、
前記ベッセル内における前記液体懸濁液の量を、前記ベッセル内における前記液体懸濁液の流れを反転させることにより、低減させることを特徴とする濾過システム。