JP4876391B2 - プレコート液の濃度制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、河川水、湖沼水などの環境水中に含まれる汚濁物質を、ろ過膜システムを用いて分離除去する水処理方法に関する。とくにろ過膜システム内に設けられたろ過膜の１次側表面に、膜ろ過水を逆流させる逆流洗浄排水（以下、逆洗排水という）を用いてプリコート膜を形成させ、そのろ過膜を用いた水処理方法であり、安定した水処理を可能とする水処理方法に関する。また、ろ過膜の一次側表面に逆洗排水を供給してプレコート膜を形成させる水処理方法に関する。

膜を用いた水処理装置では、長時間の運転によってろ過膜のファウリングが起こり、ろ過性能が低下するという問題点が指摘されてきた。そのため、膜を用いた水処理装置の運転サイクルにおいて、所定時間のろ過工程後に、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、膜ろ過水を逆流させる逆流洗浄（以下、逆洗という）、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への付着物質を取り除いている。
しかしながら、これら物理洗浄を実施していても次第にファウリングは進行する。ファウリングにより膜目詰まりした膜は薬品洗浄を実施することとなる。薬品洗浄は物理洗浄では除去しきれない物質を薬品によって分解または溶解させて除去する洗浄方法であり、膜のろ過能力をほぼ初期状態まで回復することができる。ところが、薬品洗浄はコストがかかることに加えて、その排水処理および膜の劣化の観点から、できるだけ回数を少なくすることが望まれている。

これらの対策の一つとして、プレコートまたはプリコートと呼ばれるろ過膜処理方法が提案されている。例えば、ろ過膜の一次側表面に非結晶性の含水酸化鉄などの微小固形分をプリコートしてから被処理水をろ過することが提案され（特許文献１）、また、ろ過膜の一次側表面に無機物粒子をプリコートすることにより、膜ファウリングを抑制する方法が提案されている（特許文献２）。
しかしながら、それらプレコート法には以下に示すような問題点があった。
例えば、特許文献１であれば、BWRプラントにてプレコート法を実施する場合は期待通りの効果が得られるが、河川水や下水などを被処理水とする場合は目的としている機能を十分に果たすことができないと予想される。それは、河川水や下水などの被処理水中には有機物主体のファウリング成分が含まれるためで、含水酸化鉄を含んだプリコート液とはいえ有機物も含まれているため、そのプリコート液をそのままコーティング液として使用すると、プリコート液内の有機物により膜ファウリングが発生することとなり、目的としている機能を十分に果たすことができないことになる。
また、特許文献２においては、プリコート剤である無機物粒子を再利用するためには、分離および次亜塩素酸ソーダ洗浄などの手間および時間がかかるといった問題点があった。
これらの問題点を解決するための手段として逆洗排水を用いたプレコート法が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。この逆洗排水を用いたプレコート法は、従来から問題となっていたコーティング剤の回収・再利用処理を簡易としたプレコート方法であり、膜ファウリングを抑制することに加えて、さらに水回収率を向上したものである。

特開平１−１８０２０５号公報 特開平４−１１４７２２号公報 特開２００２−１１９８０８号公報

しかしながら、この逆洗排水を用いたプレコート方法においても以下に示す問題点があった。
プレコート液が逆洗排水から生成されるため、ろ過時の原水濁度により逆洗排水プレコート液の濃度が変化することとなる。このため、原水の高濁度時においてはプレコート液の濃度までもが非常に高濃度となり、このような高濃度なプレコート液にてプレコートしようとすると、膜ろ過抵抗の増大に加えて、膜目詰まりの要因ともなっていた。
そのため、原水濁度の急変時などは手動でプレコート液の濃度調整を実施しなければならず、何らかの工夫によりこれらの問題点を改善することが求められていた。また、水処理プラント近傍に人が不在の時などに、前記のような手動での制御もできないため、膜目詰まりが進行し、膜差圧上昇が生じることが指摘され、その点を改善することが求められていた。

そこで、本発明の課題は、それら問題点を解決することにあり、効率的な水ろ過処理が円滑に進行できるように、ろ過膜表面にプレコートできる技術を提供することにあり、また、例えば原水や膜供給水の濁度が変動するなどの状況の変化が生じても逆洗排水プレコート液の濁度を一定となるように制御する技術を提供することにあり、安定したプレコート形成を可能とする技術を提供することにある。さらに、本発明の課題は、逆洗排水プレコート液の濁度を一定に制御することにより、逆洗排水プレコート本来の機能を常に発揮することを可能とした水処理方法を提供することにあり、逆洗排水プレコート液の濁度を、簡単な方法で所定範囲内におさまるように制御することができる水処理方法を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためにいろいろと工夫した。例えば逆洗排水を用いたプレコート法を利用した一つとして、逆洗排水プレコートの濃度および水量をオーバーフローなどにより調整してみたが、原水の高濁度時の問題に加えて、原水の低濁度時には逆洗排水プレコート液の濃度が低くなり期待するプレコート効果が得られないことがあった。 そこでさらに、逆洗排水を用いたプレコート法の検討を加えた結果、本発明に到達できたのである。
すなわち、本発明の請求項１の発明は、原水または膜供給水をろ過膜処理する手段と、ろ過膜を逆洗する手段と、逆洗排水を膜ろ過することによって前記ろ過膜をプレコート形成処理する手段を少なくとも有する膜ろ過システムを用いる水処理方法において、
前記原水または膜供給水の濁度とろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度の両方を指標として、下記式の濃縮された逆洗排水プレコート液を捨水する時間に基づき前記濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を制御することを特徴とする水処理方法の発明である。
捨水時間＝Ｃｆ× [（Ｆｆ×Ｔｆ）／（Ｃｐ×Ｆｐ）]＋Ｋ
（式中、Ｃｆはろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに、その逆洗処理されたろ過膜に供給される原水濁度または膜供給水の濁度であり、Ｃｐはろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度であり、Ｆｆは前記原水または膜供給水のろ過流量であり、Ｔｆは前記原水または膜供給水のろ過時間であり、Ｆｐは前記捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水流量であり、Ｋは逆洗排水プレコート液の濁度により定められる定数である）
請求項２の発明は、請求項１の発明において、捨水する前記濃縮された逆洗排水プレコート液が、重力沈降により濃縮されたことを特徴とする発明である。

請求項１又は２の発明において、膜ろ過する捨水する逆洗排水プレコート液量が、前記逆洗排水量から前記濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を差し引いた水量である発明が請求項３の発明である。
請求項３の発明において、ろ過膜に供給する逆洗排水プレコート液量を、前記逆洗排水量から前記濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を差し引いた水量となるように、逆洗排水プレコート液タンクに設置した水位計により制御することを特徴とする発明が請求項４の発明である。

（作用）
本発明によれば、逆洗排水プレコート液の濁度を一定範囲内に制御することにより、逆洗排水プレコート本来の機能を常に発揮し、回収率を向上しつつ、膜ファウリングを抑制することにより安定運転可能な膜ろ過システム、もしくは膜ろ過流束を向上した膜ろ過システムを構築することができる。
また、本発明によれば、原水あるいは膜ろ過水の濃度が変動しても、逆洗排水プレコート液の濁度を一定範囲におさまるように濃縮された逆洗排水プレコート液を系外に排出する時間を制御することにより、安定運転可能な膜ろ過システム、もしくは膜ろ過流束を向上した膜ろ過システムを構築することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で処理する原水としては、具体的には河川水、湖沼水、下水、工場廃水などが好ましいが、これらに何ら限定されない。これら原水が適度に清浄であれば、そのまま使用してもよいが、通常は前処理を施すことが有利である。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などをあげることができるが、これらの処理に限定されることはない。
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あるいは膜供給水を供給し、上記ろ過膜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。

本発明では、逆洗排水を利用してろ過膜の一次側表面にプリコートするときの制御法に特徴がある。
すなわち、ろ過膜処理する原水またはろ過膜供給水の濁度とろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度の両方を測定し、その測定した濁度を指標とする。その測定した濁度に基づいて、濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を増減して、ろ過膜に供給される逆洗排水プレコート液の濁度を制御する。濃縮処理された逆洗排水プレコート液の濁度が所定範囲よりも低いときには、逆洗排水を捨水しない。濃縮処理および捨水が終わった逆洗排水プレコート液は、攪拌して均一化した後、膜ろ過し、ろ過膜の一次側表面をプレコートする。その後、原水を膜ろ過処理することとなる。

次に、原水またはろ過膜供給水の濁度と濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度を指標として、濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を制御する方法を説明する。代表的な好ましい方法としては、まず、原水またはろ過膜供給水の濁度を測定する。一方、あらかじめ、原水またはろ過膜供給水の濁度と、望ましい濁度範囲におさまる逆洗排水プレコート液が得られるために必要な逆洗排水プレコート液の捨水時間との関係を示す式を準備しておく。前記測定した濁度を前記関係式に代入して、逆洗排水プレコート液の捨水時間を算出する。
とくに、原水またはろ過膜供給水の濁度が所定範囲内であるか、所定範囲外であるかによって、さらに逆洗排水プレコート液の捨水時間を増減すると、より好ましい逆洗排水プレコート液に制御することが可能となる。

より具体的には、前記関係式として、下記式（１）を用いて逆洗排水プレコート液を捨水する時間を求める。
Ｃｆ× [（Ｆｆ×Ｔｆ）／（Ｃｐ×Ｆｐ）]＋Ｋ ・・（１）
この式を満足するような時間に調整することが好ましい。この時間に調整することでプレコート層の形成および水処理を円滑に行うことが可能となる。前記式中、Ｃｆはろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに、その逆洗処理されたろ過膜に供給される原水濁度または膜供給水の濁度であり、Ｃｐはろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度であり、Ｆｆは前記原水または膜供給水のろ過流量であり、Ｔｆは前記原水または膜供給水のろ過時間であり、Ｆｐは前記捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水流量であり、Ｋは逆洗排水プレコート液の濁度により定められる定数である。

前記Ｋの値は、原水あるいはろ過膜供給水の性状、そのろ過量やろ過条件、逆洗排水の性状とその量や逆洗条件、ろ過膜の性状、逆洗排水プレコート液の性状とその量などにより変動するものである。このＫの値は、実際の本格的な水処理する前に、試験的な水処理を行い、各種データを取り揃え、それらのデータから最適な数値を求めるものである。

本発明では、捨水する逆洗排水プレコート液は、濃縮処理された逆洗排水プレコート液である。とくに、重力沈降により濃縮した逆洗排水プレコート液であることが望ましい。濃縮した逆洗排水プレコート液の濃縮部分を捨水することが望ましいが、場合により濃縮した部分と異なる部分、たとえば、濁度が低い部分を捨水してもよい。
逆洗排水プレコート液を捨水する方法はとくに限定されないのであって、一般的な方法を用いることができる。
本発明では、プレコート形成のための逆洗排水プレコート液のろ過する水量を、逆洗水量から濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水量を差し引いた水量となるようにすることも可能である。その際、逆洗排水プレコート液をろ過する水量をプレコートタンクに設置した水位計により制御することできる。
前記濁度を測定する方法などは一般的な方法を採用すればよいのであり、とくに限定されない。また、前記水位計も一般的な水位計を使用すればよい。

上述のように、本発明によれば、ろ過膜表面にプレコートを円滑にしかも効率的に形成させることができる。また、逆洗排水プレコート液の濁度を一定に制御することにより、逆洗排水プレコート本来の機能を発揮し、回収率を向上しつつ、膜ファウリングを抑制することにより安定運転可能な膜ろ過システム、もしくは膜ろ過流束を向上した膜ろ過システムを構築することができる。

以下、本発明の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。
（実施の形態）
図１に本発明における実施の形態に係る構成図を示す。なお、図中ではプレコート層８を明記するため厚く記載されているが、実際には０．５ｍｍにも満たない厚さである。以下に本発明における運転工程を記述する。実際の運転では次に示す運転工程を繰り返し実施するものである。図３は本発明の運転工程の流れを示す。図３から、本発明の運転工程は、濃縮された逆洗排水プレコート液を膜ろ過し、ろ過膜表面にプレコートを形成させ、引き続き、原水を膜ろ過して処理水を得、次いで逆洗する。これを１サイクルとする。

より詳しく説明すると、運転工程の最初に、プレコートタンク９内の逆洗排水プレコート液１０を、運転ポンプ６によりろ過膜７に供給して膜ろ過することにより、ろ過膜７の表面にプレコート層８を形成する工程を実施する。ここで、逆洗排水プレコート液１０のろ過水量は逆洗水量から濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水量を差し引いた水量としており、その制御としてはプレコートタンク９に設置されたレベル計１５の水位が所定レベルとなるまでろ過することによりなされる。なお、プレコート液のろ過中はプレコートタンク９内をプレコートタンク攪拌機１９により攪拌し、均一な濁度のプレコート液として送水する。また、逆洗排水プレコート液１０のろ過中に膜供給水濁度計１６によりろ過膜７へと供給されている逆洗排水プレコート液１０の濁度を測定し、プレコート濁度制御システム１７にその値を取込む。

プレコートろ過の終了後に原水供給バルブ５を開き、プレコートバルブ１１を閉じることによって供給水を切り替える。原水タンク３において原水１に凝集剤であるPAC２が注入されて原水タンク攪拌機４にて攪拌処理されたものをろ過膜７へと供給し膜ろ過する。
また、プレコートタンク攪拌機１９を停止して逆洗排水プレコート液１０の重力沈降による濃縮を開始する。
ろ過開始から所定時間が経過したところで、膜供給水濁度計１６により膜供給水の濁度を測定し、プレコート濁度制御システム１７にその値を取込む。ここで、膜供給水の濁度ではなく、別途原水濁度を測定しているのであれば原水濁度をプレコート濁度制御システム１７に取込んでもよい。

上記式（１）に基づいて計算された時間だけ、重力沈降により濃縮された逆洗排水プレコート液の濃縮部分を捨水バルブ１８より捨水する。

所定のろ過時間が経過したところで、原水の膜ろ過を停止し、処理水タンク１４に貯留された膜ろ過水を逆洗ポンプ１３により逆流させる逆洗を実施する。このときの逆洗排水１２はプレコートタンク９へと回収される。なお、逆洗排水１２中の濁質量は、最初に膜ろ過する逆洗排水プレコート液の濁質分に加えて原水ろ過時の濁質分が加わった量となっていることから、先ほど記述したような濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水を実施して所定濁度に制御している。

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例によって何ら制限されるものではない。
膜面積２０ｍ^２、分画分子量１５０，０００〜２００，０００、内径１．５ｍｍのポリエーテルスルホン／ポリビニルピロリドン混合製の内圧中空糸膜エレメント２
本を一つの圧力容器に充填した膜モジュール（膜面積４０ｍ^２）を用いて水処理した。

逆洗排水プレコート液および原水を膜ろ過する時の膜ろ過流量を５ｍ^３／Ｈｒとし、ろ過２０分毎に膜ろ過水を用いて逆洗を実施した。逆洗は逆洗流束１１ｍ^３／Ｈｒにおいて６０秒間実施した。ここで、逆洗排水プレコート液をろ過する時間は平均２．１分であった。逆洗排水プレコート液のろ過に続けて原水である河川水に凝集剤としてPACを１０ｍｇ／L注入し、急速攪拌処理したものを平均１７．９分間膜ろ過した。なお、実験期間中の河川水の原水濁度は３度から２２度の範囲であった。なお、捨水される濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水流量（Ｆｐ）は１８Ｌ／ｍｉｎであった。

逆洗排水から生成されるプレコート液の濁度を２００度から２２０度を目標として、逆洗排水プレコート液の濁度測定をろ過開始後１分、原水の膜供給水濁度測定をろ過開始後１７分、濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水をろ過開始後１８分において制御を実施した。
膜供給水濁度から決定される濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水時間は以下の計算式に従って求められる。
Ｃｆ× [（Ｆｆ×Ｔｆ）／（Ｃｐ×Ｆｐ）]＋Ｋ ・・（１）
（式中、Ｃｆ、Ｆｆ、Ｔｆ、Ｃｐ、Ｆｐ、Ｋはすでに説明したとおりである）
上記式１にＦｆ、Ｔｆ、およびＦｐそれぞれの数値を代入すると、捨水時間は次の式２のようになる。
捨水時間[sec]＝Ｃｆ×（１／Ｃｐ]）×[（５[ｍ³／Ｈｒ]×１７．９[ｍｉｎ]）／１８[Ｌ／ｍｉｎ]] ＋ Ｋ・・（２）
上記式２において、単位を揃えて計算すると、捨水時間は次の式３のようになる。
捨水時間[sec]＝Ｃｆ ×（１／Ｃｐ]）×４９７２ ＋Ｋ・・（３）
上記式３において、Ｃｆは膜供給水濃度であり、濃縮した捨水プレコート液濃度（Ｃｐ）の実測値が４０７０度であるときには、上記式３は
捨水時間[sec]＝ 膜供給水濃度[度] ×（１／４０７０[度]）×４９７２＋Ｋ・・（４）
と表される。この式４において、膜供給水濃度の実測値が５度のときには、
捨水時間[sec]＝ ５×１．２２＋Ｋ ・・（５）
と表される。
この捨水時間を求める式のＫの数値としては、例えば表１に示す。これは逆洗排水プレコート液のろ過時に計測される逆洗排水プレコート液の濁度に対して、予め試験して得た数字である。
このＫ値を設定した逆洗排水プレコート液の捨水時間を増減して実際の制御を実施した。例えば、逆洗排水プレコート液のろ過時に計測された逆洗排水プレコート液の濁度が２０５度で、原水ろ過時に測定される膜供給水濁度が５度の場合、その捨水時間は以下のとおりである。
捨水時間 ＝５×１．２２±０＝６．１秒
また逆洗排水プレコート液のろ過時に計測された逆洗排水プレコート液の濁度が２５０度で、原水ろ過時に測定される膜供給水濁度が１０度の場合、その捨水時間は以下のとおりである。
捨水時間 ＝１０×１．２２＋１５=２７．２秒
なお、この計算式に基づいて算出された値がマイナスのときは、プレコート液の捨水を中止する。また、この計算式はろ過水量、逆洗水量、逆洗排水プレコート液の濃度、濃縮した逆洗排水プレコート液の捨水流量などにより変化するもことは言うまでもない。

（表１）上記実施例における濃縮した逆洗排水プレコート液の増減捨水時間

プレコート濁度 増減捨水時間
２００度未満 −２０秒
２００度以上２２０度未満 ±０
２２０度以上２４０度未満 ＋７秒
２４０度以上 ＋１５秒

図２に本発明を用いた場合の制御結果を示す。最低濁度として１９３度、最高濁度として２３２度と膜供給水濁度の変動にかかわらず逆洗排水プレコート液の濁度がほぼ安定していることがわかる。
本発明の制御を実施することにより自動で所定範囲内に制御することが可能であることが明らかとなった。

本発明の実施の形態に係る構成図 本発明を用いた実施例における制御結果を示した図 本発明の実施の形態に係る運転工程の流れを示す。

１：原水、
２：PAC、
３：原水タンク、
４：原水タンク攪拌機、
５：原水供給バルブ、
６：運転ポンプ、
７：ろ過膜、
８：プレコート層、
９：プレコートタンク、
１０：逆洗排水プレコート液、
１１：プレコートバルブ、
１２：逆洗排水、
１３：逆洗ポンプ、
１４：処理水タンク、
１５：水位計、
１６：膜供給水濁度計、
１７：プレコート濁度制御システム、
１８：捨水バルブ、
１９：プレコートタンク攪拌機

Claims (4)

1. 原水または膜供給水をろ過膜処理する手段と、ろ過膜を逆洗する手段と、逆洗排水を膜ろ過することによって前記ろ過膜をプレコート形成処理する手段を少なくとも有する膜ろ過システムを用いる水処理方法において、
   前記原水または膜供給水の濁度とろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度の両方を指標として、下記式の濃縮された逆洗排水プレコート液を捨水する時間に基づき前記濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を制御することを特徴とする水処理方法。
   捨水時間＝Ｃｆ× [（Ｆｆ×Ｔｆ）／（Ｃｐ×Ｆｐ）]＋Ｋ
   （式中、Ｃｆはろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに、その逆洗処理されたろ過膜に供給される原水濁度または膜供給水の濁度であり、Ｃｐはろ過膜の逆洗処理後から次のろ過膜の逆洗処理される間までに捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の濁度であり、Ｆｆは前記原水または膜供給水のろ過流量であり、Ｔｆは前記原水または膜供給水のろ過時間であり、Ｆｐは前記捨水される濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水流量であり、Ｋは逆洗排水プレコート液の濁度により定められる定数である）。
2. 捨水する前記濃縮された逆洗排水プレコート液が、重力沈降により濃縮されたことを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
3. 膜ろ過する逆洗排水プレコート液量が、前記逆洗排水量から前記濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を差し引いた水量である請求項１又は２に記載の水処理方法。
4. ろ過膜に供給する逆洗排水プレコート液量を、前記逆洗排水量から前記濃縮された逆洗排水プレコート液の捨水量を差し引いた水量となるように、逆洗排水プレコート液タンクに設置した水位計により制御することを特徴とする請求項３に記載の水処理方法。

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