JP5022613B2 - 膜ろ過による水処理装置の運転方法 - Google Patents

Description

この発明は、上水道、下水道、工業用水または廃水処理水など、原水中に含まれる汚濁物質をろ過膜により分離除去して浄化処理する、膜ろ過による水処理装置の運転方法に関する。

被処理水中の汚濁物質を除去する方法として、ろ過用の膜モジュールを用いた水処理方法がよく知られている。この膜モジュールを用いた水処理においては、水処理運転の継続に伴い、膜の表面に汚濁物質の付着層が生じ、目詰まり、固形物による流路閉塞などのファウリングが起こり、膜モジュールのろ過性能が低下する。これらの原因による膜ろ過性能の低下は、膜モジュールを洗浄することによって回復することができる。

膜モジュールの洗浄方法には、物理洗浄と薬品洗浄がある。物理洗浄には、膜ろ過水を逆流させる逆圧水洗浄（逆洗）、膜の一次側での水流によるフラッシング、水に空気を混合して形成した銃弾状流（スラグ流）による膜の一次側でのエアーフラッシング、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付着物質を取り除いている。一方、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、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。しかしながら、薬品洗浄はコストがかかることおよびその排水処理の観点から、できるだけ回数を少なくすることが望まれる。また、前記物理洗浄と化学的処理を組み合わせた方法として、近年、オゾン含有水またはオゾンガスを使用した洗浄方法も提案されている。

図７は、逆洗水を用いて膜モジュール（又は膜ろ過ユニット）の洗浄を行う従来の膜ろ過システムの一例のシステム系統図を示す。図７に示すシステムは膜モジュール４本からなる。原水タンク２に流入した原水１は、原水ポンプ３により原水供給弁５を通り、各膜モジュール６へと供給されて、ろ過処理される。なお、本例におけるろ過処理運転方式は、全量ろ過方式（デッドエンドろ過方式）を示し、ここで、運転ポンプ３の供給水量がろ過水量より多量な場合は、インバータでポンプ羽根車の回転数を落とし、流量を減らす。

ろ過された処理水１０は、ろ過水出口弁７を介して、通常は、図示しないろ過水の配水池へ送水される。処理水の一部は逆洗水として使用されるため、自動開閉弁９を介して逆洗水貯留槽１１へ送水される。この自動開閉弁９により、逆洗水貯留槽１１内の水位が、逆洗可能な水位となるように制御される。

ろ過工程後の逆洗工程において、逆洗水は、逆洗ポンプ１３により逆洗水供給弁１４を通り、膜モジュール６の二次側より一次側へと流されて排水ドレン弁１５より排水される。なお、前記逆洗工程以外の追加洗浄工程を、逆洗工程の所定回数後ごとに行なう場合もある。また、洗浄方法としては、逆洗工程を行わない場合もある。

上記システムにおいて、使用されるろ過膜は、濁質成分および細菌類を除去することのできる膜であり、通常、精密ろ過膜または限外ろ過膜が用いられる。水道で使用される精密ろ過膜としては、公称孔径が０．０１μｍより大きく１μｍ以下のものが用いられ、限外ろ過膜としては、公称孔径が０．０１μｍ以下で分画分子量１０００ダルトン程度のものが用いられる。

また、膜モジュールの形式は、中空糸状、スパイラル状、チューブラ状、平膜状等が用いられる。さらに、膜モジュールのろ過方式には、前記全量ろ過方式（デッドエンドろ過方式）とクロスフローろ過方式とが知られており、また、ろ過膜への通水方式には、外圧型と内圧型とが知られている。さらに、膜モジュールの構造は、例えば原水を膜の一次側に膜モジュール内の空間を介して注入し、膜の二次側にろ過水を送出し、このろ過水を中心軸方向に集水し、中心軸の両側または片側に送出するもの等、種々の方式があり、ニーズに応じて適宜選定される。

ところで、図７における前記膜モジュール（又は膜ろ過ユニット）６は、通常、複数個のろ過膜エレメントからなる。図６は、上記のように複数個のろ過膜エレメント２１ａを備えた横型の膜ろ過ユニット２１におけるろ過工程および逆洗工程の一例に係る模式的説明図であり、（ａ）はろ過工程の各バルブの状態を示し、（ｂ）は逆洗工程の各バルブの状態を示す。

図６に示すろ過工程および逆洗工程においては、まず（ａ）図に示すように、膜エレメントを例えば４個、水平方向に直列接続した横型の水ろ過用の膜モジュールの水平軸端部の両側に接続した原水供給弁（７−１および７−２）と、前記両側のろ過水出口弁（１０−１および１０−２）とを開として、原水を膜モジュールの一次側から二次側に通流させることにより、ろ過工程を行なった後、（ｂ）図に示す逆洗工程においては、前記ろ過水出口弁（１０−１および１０−２）は同時に開として、膜モジュールの両端からろ過水を均等に給水し、また、逆洗排水弁（１７−１および１７−２）も同時に開として、逆洗後の水を均等に排出している。

上述のような逆洗を実施する膜ろ過システムにおいては、膜モジュールの中に、中空糸膜を束ねた膜エレメントが複数個（例えば４個）充填されているので、膜モジュールの二次側に同じように逆洗水を供給しても、膜内面（内圧式の場合）または膜外面（外圧式の場合）が十分に洗浄が行われない問題があった。洗浄が不十分な場合には膜差圧が上昇して、ろ過が困難になる。

十分に洗浄が行われない理由は下記による。前記横型の水ろ過用の膜モジュールにおいて、中空糸膜の内側に原水を供給してろ過する方式の場合、中空糸膜の各部のろ過流束は、膜エレメントの構造上、膜エレメントの両端部のろ過流量が大きい。また、外圧式中空糸膜のろ過においても、膜両端部に近いほどろ過流束が大きいことが知られている（非特許文献１参照）。このように、両端部のろ過流量が大きいために、ろ過時には、中空糸膜の両端部に、縣濁物質が多く付着することになる。そして、内圧式の場合、逆洗時には、膜の外面から均一の圧力によって逆洗が行われるので、膜内面の表面に縣濁物質が多く付着するところは透過流束が小さく、比較的付着物が少ない部位の透過流束は大きいため、逆洗が均一に行われず、十分な洗浄効果が得られない問題が生ずる。

上記問題を解消するために、縦型の膜モジュールを対象として特許文献１には、逆洗時、逆洗水の膜モジュール内の水の流し方を膜モジュールに連結されたバルブを操作することにより、流れる方向を変えて、膜表面に堆積した懸濁物質を膜表面に残すことなく排出するように操作することによって、膜差圧の上昇を抑制する方法が開示されている。即ち、前記特許文献１の［0018］〜［0022］および図２、図４には、「逆洗工程として、縦置きした膜の長さ方向に対して、下部から逆洗排水を排出して膜の下部を効果的に洗浄する第１逆洗工程（下部逆洗工程）と、上部から逆洗排水を排出して膜の上部を効果的に洗浄する第２逆洗工程（上部逆洗工程）とを交互に実施する逆洗方法」が開示されている。

また、横型の膜モジュールを対象とした上記問題の解消に係る膜モジュールの洗浄方法の発明が、本願と同一出願人により、先行出願（特願２００５−７３５１３）として出願されている（図４および図５参照）。図４および図５において、（ａ）はろ過工程の各バルブの状態を示し、（ｂ）は逆洗工程１の各バルブの状態を示し、（ｃ）は逆洗工程２の各バルブの状態を示す。

図５（ｂ）の逆洗工程１は、両側のろ過水出口弁を開とし、かつ一側の逆洗排水弁を開、他側の逆洗排水弁を閉として、ろ過水を膜モジュールの二次側から一次側に通流することにより、所定時間、逆洗を行なう工程であり、図５（ｃ）の逆洗工程２は、上記逆洗工程後、前記両側のろ過水出口弁は開のままで、前記一側の逆洗排水弁を閉、他側の逆洗排水弁を開として、ろ過水を膜モジュールの二次側から一次側に通流することにより、所定時間、逆洗を行なう工程である。上記方法によれば、逆洗水は、逆洗排水弁を介して膜モジュールの左右の軸方向端部から交互に排出されることになり、膜両端部に付着した懸濁物質を重点的に交互に洗い流すことができる。これにより、逆洗浄に際して、各膜エレメントに対して均等かつ十分な洗浄を行うことができる。図５において、Ｐは、図５（ｂ）および（ｃ）の逆洗工程において、特に洗浄効果がある部位を概念的に示す。

図４の実施の形態においては、逆洗水の供給をろ過水出口の片側から供給し、逆洗排水の排出は供給したバルブとは逆のバルブを開として逆洗を行うようにし、逆洗水は、図５の場合と同様に、逆洗排水弁を介して膜モジュールの左右の軸方向端部から交互に排出するようにしている。
特開２００３−２６６０７２号公報 藤田賢二他、「外圧式中空糸膜における目詰まり過程のシミュレーションと操作方法の評価」水道協会雑誌、第64巻第3号、平成7年3月発行

上記のように、逆洗排水弁を介して膜モジュールの左右の軸方向端部から交互に排出する逆洗方法においては、逆洗機能が向上する効果がある。バルブの開操作を膜モジュールの軸方向において交互に行う効果は、逆洗工程においてのみならず、フラッシングによる洗浄工程においても同様である。さらに、膜モジュールの軸方向の一方側に偏った堆積を生じないようにして早期目詰まりを抑制する観点から、ろ過工程においても、バルブの開操作を膜モジュールの軸方向において交互に行う方法は効果がある。

しかしながら、膜モジュール軸端部の一側の開閉弁と他側の開閉弁とを交互に開動作する場合、動作の切り替わりの際の圧力の急変により、ろ過膜に圧力衝撃が生じて、ろ過膜の寿命が短くなる問題がある。

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、洗浄機能の向上又はろ過膜の早期目詰まりを抑制するために、膜モジュール軸端部の一側の開閉弁と他側の開閉弁とを交互に開動作する運転方法において、弁切替えによるろ過膜への圧力衝撃を緩和することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、原水をろ過膜を有する膜モジュールにより浄化処理してろ過水を得るろ過工程と、前記ろ過膜の洗浄工程とを含む膜ろ過による水処理装置の運転方法において、前記膜モジュールは、その軸端または軸端集水部の水流路に、前記各工程における水流入または流出の開閉動作を行うための複数個の開閉弁を備え、前記各工程の少なくともいずれか一つの工程は、水の流入または流出が、前記膜モジュールの両軸端部から交互に行われるように、少なくとも膜モジュール軸端部の一側の開閉弁と他側の開閉弁とを交互に開動作する二つのサブ工程を含む水処理装置の運転方法であって、前記一側の開閉弁と他側の開閉弁とを交互に開動作する二つのサブ工程（ｂ工程およびｃ工程）の間に、一側および他側の両側を開動作するサブ工程（ａ工程）を含むことを特徴とする。

そして、この発明の運転方法は、実施中の前記サブ工程（ｂ工程またはｃ工程）から、次のサブ工程（ｃ工程またはｂ工程）に移行する際に、前記実施中のサブ工程において開状態の開閉弁を開状態に維持したまま、前記次のサブ工程において開状態とすべき開閉弁を開状態として前記サブ工程（ａ工程）を実施し、その後、前記開状態に維持したままの開閉弁を閉状態に切替えて次のサブ工程（ｃ工程またはｂ工程）を実施することを特徴とする（請求項１）。

さらに、前記請求項１に記載の膜ろ過による水処理装置の運転方法において、前記ろ過膜の洗浄工程は、逆洗工程またはフラッシング工程とする（請求項２）。

この発明によれば、洗浄機能の向上又はろ過膜の早期目詰まりの抑制と、弁切替えによるろ過膜への圧力衝撃の緩和とを同時に達成可能な、膜ろ過による水処理装置の運転方法を提供することができる。

本発明の実施形態について、図１ないし図３に基づき以下に述べる。なお、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。なお、図１ないし図３は、それぞれ、本発明の逆洗モード、フラッシングモードおよびろ過モードの実施形態を示す模式的工程図であり、各図において、膜モジュールを矩形で示し、膜モジュール軸端部に設けられる開閉弁の図示は省略し、各サブ工程における水の流れの方向を矢印を付した線で示す。

図１は、逆洗モードの実施形態を示す模式的工程図であって、（Ａ）〜（Ｇ）の７種の異なる実施形態を示す。図１において、矢印を付した実線は膜モジュールに流入する逆洗水を示し、矢印を付した破線は膜モジュールから流出する逆洗排水を示す。

図１（Ａ）の模式的工程図は、横型の膜モジュールにおいて、サブ工程（ｂ工程）から、サブ工程（ｃ工程）に移行する前に、前記（ｂ工程）において開状態の開閉弁を開状態に維持したまま、（ｃ工程）において開状態とすべき開閉弁を開状態としてサブ工程（ａ工程）を実施し、その後、前記開状態に維持したままの開閉弁を閉状態に切替えて次のサブ工程（ｃ工程）を実施する工程を示す。即ち、逆洗ポンプは稼動した状態で、サブ工程（ｂ工程）、サブ工程（ａ工程）およびサブ工程（ｃ工程）を連続して行うことにより、逆洗機能の向上と圧力衝撃の緩和を図ることができる。なお、ｂ工程→ａ工程→ｃ工程の順序は、ｃ工程→ａ工程→ｂ工程の順序としてもよい。

図１（Ｂ）の模式的工程図は、膜モジュールに流入する逆洗水が、膜モジュールの軸方向の片側端部のみである点が、両側端部から逆洗水が流入する図１（Ａ）とは異なる。図１（Ｃ）の場合には、図１（Ｂ）と同様に逆洗水の流入が片側端部のみであるが、逆洗排水が両側端部から流出する点が、図１（Ｂ）とは異なる。サブ工程（ｂ工程）とサブ工程（ｃ工程）の中間にサブ工程（ａ工程）が挿入される点では、図１（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は共通である。

次に、図１（Ｄ）〜（Ｇ）は、それぞれ、縦型の膜モジュールの場合を示し、逆洗水の流入口や排出口の数や位置の相違があるものの、前記（Ａ）〜（Ｃ）の場合と同様であるので、詳細説明を省略する。なお、図１（Ｇ）は、ろ過水が膜モジュールの上端部方向のみから取り出される構成を備える装置の場合を示す。

次に、図２について述べる。図２はフラッシングモードの実施形態を示す模式的工程図であり、（Ａ）は横型の膜モジュールの場合、（Ｂ）は縦型の膜モジュールの場合を示す。図２において、矢印を付した実線は膜モジュールに流入する原水を示し、矢印を付した破線は膜モジュールから流出するフラッシング後の排水を示す。

図２においても、サブ工程（ｂ工程）とサブ工程（ｃ工程）の中間にサブ工程（ａ工程）が挿入される点では、図１と同様である。なお、図２におけるサブ工程（ｂ工程）とサブ工程（ｃ工程）においては、膜モジュールの軸方向両端部から原水を流入させ片側から排水する、もしくは片側から原水を流入させ両側から排水することは行わない。なぜならば、フラッシングの場合には、原水注入口と排水口は、膜モジュール内の同一空間（膜モジュールの一次側）にあるからである。

次に、図３について述べる。図３は、ろ過モードの実施形態を示す模式的工程図であり、図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、横型の膜モジュールの場合を示し、図３（Ｄ）〜（Ｇ）は、それぞれ、縦型の膜モジュールの場合を示す。また、図３において、矢印を付した実線は膜モジュールに流入する原水を示し、矢印を付した破線は膜モジュールから流出するろ過水を示す。図３に示すろ過モードの各種実施形態と、図１に示した逆洗モードの実施形態との相違点は、実質的に、水の流入および流出の経路が逆方向となる点のみであり、サブ工程（ｂ工程）とサブ工程（ｃ工程）の中間にサブ工程（ａ工程）が挿入される点では、図３と図１とは同様であるので、図３に関する重複的な詳細説明は省略する。

本発明の逆洗モードの実施形態を示す模式的工程図。 本発明のフラッシングモードの実施形態を示す模式的工程図。 本発明のろ過モードの実施形態を示す模式的工程図。 先行出願に開示されたろ過工程および逆洗工程の一例に係る模式的説明図。 先行出願に開示された図４とは異なる模式的説明図。 横型の膜ろ過ユニットにおける従来のろ過工程および逆洗工程の一例に係る模式的説明図。 逆洗水を用いて膜モジュールの洗浄を行う従来の膜ろ過システムの一例のシステム系統図。

符号の説明

２：原水タンク、３：原水ポンプ、６，２１：膜モジュール、１０：処理水、１１：逆洗水貯留槽、１３：逆洗ポンプ、７−１，７−２：原水供給弁、１０−１，１０−２：ろ過水出口弁、１７−１，１７−２：逆洗排水弁。

Claims (2)

1. 原水をろ過膜を有する膜モジュールにより浄化処理してろ過水を得るろ過工程と、前記ろ過膜の洗浄工程とを含む水処理装置の運転方法において、
   前記膜モジュールは、その軸端または軸端集水部の水流路に、前記各工程における水流入または流出の開閉動作を行うための複数個の開閉弁を備え、前記各工程の少なくともいずれか一つの工程は、水の流入または流出が、前記膜モジュールの両軸端部から交互に行われるように、少なくとも膜モジュール軸端部の一側の開閉弁と他側の開閉弁とを交互に開動作する二つのサブ工程を含む水処理装置の運転方法であって、
   前記一側の開閉弁と他側の開閉弁とを交互に開動作する二つのサブ工程（ｂ工程およびｃ工程）の間に、一側および他側の両側を開動作するサブ工程（ａ工程）を含み、実施中の前記サブ工程（ｂ工程またはｃ工程）から、次のサブ工程（ｃ工程またはｂ工程）に移行する際に、前記実施中のサブ工程において開状態の開閉弁を開状態に維持したまま、前記次のサブ工程において開状態とすべき開閉弁を開状態として前記サブ工程（ａ工程）を実施し、その後、前記開状態に維持したままの開閉弁を閉状態に切替えて次のサブ工程（ｃ工程またはｂ工程）を実施することを特徴とする膜ろ過による水処理装置の運転方法。
2. 請求項１に記載の運転方法において、前記ろ過膜の洗浄工程は、逆洗工程またはフラッシング工程とすることを特徴とする膜ろ過による水処理装置の運転方法。

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