JP5203563B2 - 膜ろ過システム - Google Patents

Description

本発明は、河川水、地下水、湖沼水などの淡水、雨水貯水、産業廃水、下水などの汚水、バラスト水などの海水、などの水処理に適した温度応答性膜、温度応答性膜モジュール、およびそれを用いた膜ろ過システムに関する。

従来、水処理分野において、原水（河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水など）をろ過して、生活用水、工業用水、農業用水を得る方法として、例えば、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などの膜が用いられている。

膜は、原水中の微生物、藻類、粘土などの固形分に対して高い分離性能を有しており、近年では、膜の素材として親水性材料を用いるのが一般的である。また、疎水性材料を用いる場合でも膜面を重クロム酸カリの硫酸溶液等で親水化処理することで、ろ過性能を向上させることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、膜は、継続的に原水を通水することによって、膜面や膜の内部に原水中の固形分が堆積してろ過抵抗が増加し、運転時間の経過とともに、（１）膜自身の変質（膜の圧密化や損傷などの物理的劣化、加水分解・酸化などによる化学的劣化、微生物により膜が資化される生物的劣化、など）や、（２）微粒子・懸濁物質の膜表面への蓄積などの外的要因によってろ過性能が低下することがある。この場合、必要な処理水量を得るために膜差圧が高くなり、膜ろ過システムの運転に要するエネルギーが増大する恐れがある。

そこで、このような膜ろ過システムでは、予め設定された周期、あるいは膜が所定の差圧上昇を示した時点で、ろ過した処理水を処理水側から流す、原水側から圧縮空気を送るなどの物理洗浄を行い、膜表面あるいは膜内部の付着物のうち、可逆的なものを取り除いている。

一方、膜表面や内部には、このような物理洗浄で除去できない付着物が徐々に蓄積するため、膜差圧が予め設定されている上限値を越えた時点で、膜ろ過処理を停止して薬品洗浄を行い、物理洗浄で除去できなかった付着物を除去している。
特開平５−２３５５３号公報

このような膜ろ過システムでは、物理洗浄を繰り返しながら、膜差圧がある設定値より高くなったときに薬品洗浄を実施するという洗浄サイクルを繰り返し、同じろ過膜をできるだけ長く使用するようにしている。そして、薬品洗浄を行っても、膜表面や内部などの付着物が取り除けなくなり、膜差圧の回復が認められなくなった場合、あるいは、膜の使用期間がある一定期間を超えた場合には、膜が寿命に達したと判断して交換を行っている。この際、薬品洗浄、ろ過膜の交換などを行なうごとに、膜ろ過処理を停止しなければならないことから、薬品洗浄の頻度やろ過膜の交換頻度をなるべく少なくし、膜ろ過システムの稼働率を高くするとともに、薬品洗浄や膜交換に要するコストを低減する必要がある。

本発明は上記の課題を踏まえ、処理水量を多くしてシステム稼働率を高くするとともに、薬品洗浄や膜交換に要する費用を低減させ、トータルのランニングコストを低減することができる膜ろ過システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、膜ろ過システムの一態様は、高分子材料から成る膜基体と、これの外表面側に２５〜６０℃の範囲内における所定の温度を境に可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とから構成され、前記膜基体に形成される孔の２５〜６０℃における最大孔径が１００μｍ以下である温度応答性膜を平面状または円筒状に成型し、かつ容器に充填して一体化して成り、供給された原水を膜ろ過し、前記所定の温度より低い温度で処理水として排出する温度応答性膜モジュールと、前記原水または処理水の全部または一部を加温する加熱手段と、膜洗浄時において、前記加熱手段により加温された原水または処理水を逆洗水として前記温度応答性膜モジュールに供給して温水洗浄を行う洗浄手段と、原水の温度を測定する原水温度測定手段と、逆洗水の温度を測定する逆洗水温度測定手段と、原水の温度計測値と、逆洗水の温度計測値を入力し、前記所定の温度より高く、かつ２５〜６０℃の範囲内で前記原水の温度よりも逆洗水の温度の方が高くなるように、逆洗水の温度目標値を演算する温度演算手段と、演算された温度目標値に基づいて前記加熱手段の加温制御を実行する温度制御手段と、を備えたことを特徴としている。
また、膜ろ過システムの他の態様は、高分子材料から成る膜基体と、これの外表面側に２５〜６０℃の範囲内における所定の温度を境に可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とから構成され、前記膜基体に形成される孔の２５〜６０℃における最大孔径が１００μｍ以下である温度応答性膜を平面状または円筒状に成型し、かつ原水が流入している槽に浸漬させて成り、供給された原水を膜ろ過し、前記所定の温度より低い温度で処理水として排出する温度応答性膜モジュールと、前記原水または処理水の全部または一部を加温する加熱手段と、膜洗浄時において、前記加熱手段により前記所定の温度より高く、かつ２５〜６０℃の範囲内に加温された原水または処理水を逆洗水として前記温度応答性膜モジュールに供給して温水洗浄を行う洗浄手段と、原水の温度を測定する原水温度測定手段と、逆洗水の温度を測定する逆洗水温度測定手段と、原水の温度計測値と、逆洗水の温度計測値を入力し、前記所定の温度よりも高く、かつ２５〜６０℃の範囲内で前記原水の温度よりも逆洗水の温度の方が高くなるように、逆洗水の温度目標値を演算する温度演算手段と、演算された温度目標値に基づいて前記加熱手段の加温制御を実行する温度制御手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、膜の洗浄効果が高く、長期間にわたり膜面の差圧上昇を抑制することができるため、薬品洗浄の頻度と膜の交換頻度を低減することで、膜ろ過システムの稼働率を高くするとともに薬品洗浄や膜交換に要するコストを低減し、トータルのランニングコストを低減することができる。

＜温度応答性膜の実施形態＞
図１は、本発明に係る温度応答性膜の実施形態を示している。

本発明に係る温度応答性膜１０は、高分子材料からなる膜基体１と、膜基体１の外表面側に所定の温度で可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材２とで構成される。孔径調整剤２の一例としては、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドがある。Ｎ−イソプロピルアクリルアミドは単独では温度応答性を有していないが、これを重合した高分子は温度応答性を有する。

図１（Ａ）に示すように、固形分３を含む原水（河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水、など）、１００μｍ以下の細孔をもつ温度応答性膜１０のふるい作用により細孔よりも大きな物質は膜面および孔径調整剤２に捕捉される。原水中に含まれる固形分３としては、例えば、シリカコロイド、ベントナイト、粘土などの無機物のほか、大腸菌などのバクテリア、クリプトスポリジウム、ジアルジアなどの原虫、プランクトンが挙げられる。これら固形分３は、カルボキシル基、アミノ基、水酸基などを有している。

本実施形態では、温度変化に対応した高分子鎖の膨張／収縮の変化を利用して、ろ過及び逆洗を行う。すなわち、温度応答性膜１０を用いて、原水を膜面上方から下方に通水して上面側に原水中の固形分３を捕捉する。

逆洗時においては、図１（Ｂ）に示すように、膜面下方から上方に逆洗する際に、膜面上方に滞留している原水、あるいは膜面下方から供給される逆洗浄水を２５〜６０℃に加温して高分子材料を膨張／収縮させる。

上述したように、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドは、単独では温度応答性を有していないが、これを重合した高分子は温度応答性を有する。

このような温度変化に対応したＮ−イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖の膨張／収縮の変化を利用して、ろ過及び逆洗を行うようにする。すなわち、本発明の温度応答性中空糸膜を用いて、原水を該中空糸膜外表面側から内表面側に通水して外表面側に原水中の固形分を捕捉する。この後、該中空糸膜内表面側から外表面側に逆洗する際に、該中空糸膜の外表面側に滞留している原水を２５〜６０℃に加温してＮ−イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖を収縮させる。このとき、該高分子鎖の脱水和による収縮にともなって、温度応答性膜１０の孔径が拡張（開口）する。

Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの孔径調整材２はその側鎖にアミド基を持ち、図２に示すように、約２５℃以下において水和して膨張するが、２５℃を超えると脱水和して収縮し、４０℃付近では収縮もほぼ飽和状態となる。従って、逆洗浄水は２５〜６０℃の範囲で加温して高分子材料を収縮させるのが良い。

また、このときの膜差圧は通常５〜３０ｋＰａ程度であるが、（財）水道技術研究センターの「小規模水道における膜ろ過施設導入ガイドライン」によると、「精密ろ過膜の場合は最大１５０ｋＰａ、限外ろ過膜の場合は３００ｋＰａ以下であること」とされていることから同程度以下であることが望ましい。

以上説明したように、従来の膜では、カルボキシル基、アミノ基、水酸基などを有している固形分３が水素結合により膜面に付着するため、単に逆洗するだけでは除去し難い。このため、逆洗時に、固形分３を捕捉した膜面側の原水および処理水を２５〜６０℃に加温することで、上記効果に加えて、固形分３と膜表面との結合力を弱めて剥離しやすくすることができる。

なお、高分子材料としては、（１）Ｎ−イソプロピルアクリルアミドに、アクリル酸、２-カルボキシイソプロピルアクリルアミド、３-カルボキシ-n-プロピルアクリルアミドを共重合した高分子、（２）Ｎ−ビニルイソ酪酸アミド系重合体、（３）ポリ−Ｎ−アルキルアクリルアミド誘導体、（４）ポリイソプロピルアクリルアミドに代表されるポリアクリルアミド誘導体とポリビニル誘導体との共重合体、（５）Ｎ−ビニルイソ酪酸アミドなどのＮ−ビニルＣ_３−９アシルアミドと、Ｎ−ビニルアセトアミドなどのＮ−ビニルＣ_１−３アシルアミドとの共重合体、（６）ポリアクリルアミド誘導体及びポリ−Ｎ−ビニルアシルアミド、（７）Ｎ−イソプロピルアクリルアミドで構成された単量体の重合体、及びＮ−ビニルイソ酪酸アミドで構成された単量体の重合体、などが考えられる。なお、温度応答性膜としては、これらの高分子に限定されるものではなく、所定の温度で可逆的に膨張／収縮する高分子材料であれば良い。

＜温度応答性膜モジュールの実施形態＞
次に、本発明に係る温度応答性膜モジュールの実施形態を説明する。

膜の形状とモジュール形状を系統化すると図３に示すように分類できる。なお、この分類は、（財）水道技術研究センター、「水道用膜ろ過技術の新しい展開」より引用したものである。

図３に示すように、膜モジュールの形状は、ケーシング収納型と槽浸漬型に大別される。さらに、各膜モジュールに装填されるモジュール形状は円筒状膜と平膜とに分けられる。ケーシング収納型の円筒状膜は中空糸型、管状型、モノリス型に分けられ、平膜はスパイラル型、プレードアンドフレーム型、振動式円盤型、プリーツ型に分けられる。槽浸漬型の円筒状膜は、中空糸型、管状型に分かられ、平膜はプレートアンドフレーム型、回転式円盤型に分けられる。

＜温度応答性膜モジュールの第１実施形態＞
図４は、本発明に係る温度応答性膜モジュールの第１実施形態を示している。

同図に示すように、円筒状のケーシング内には、円筒軸方向に多数の温度応答性膜が装填されている。原水がこの温度応答性膜を通過する間にろ過され、膜ろ過水（処理水）と濃縮水（排水）とに分離される。

この場合、固形分３（図１参照）を含む原水（河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水、など）は、１００μｍ以下の細孔をもつ温度応答性膜のふるい作用により細孔よりも大きな物質は膜面および孔径調整剤２に捕捉される。容器に一体化した場合は、原水を膜面に沿って流し、処理水が原水とは直角方向に流れ、原水の一部が循環するクロスフローろ過方式か、原水を循環させることなく全量ろ過する全量ろ過方式によってろ過を行うことが可能となる。

＜温度応答性膜モジュールの第２実施形態＞
図５は、本発明に係る温度応答性膜モジュールの第２実施形態を示している。

同図に示すように、この温度応答性膜モジュールは、平面状に形成された温度応答性膜モジュールを複数積層して構成したものであり、同図（Ａ）に示すように、原水が平板面からモジュール内に流入すると、同図（Ｂ）に示すように、膜内を通過して膜ろ過水（処理水）となる。この温度応答性膜モジュールは、原水が流入している槽（開放型または密閉型）に浸漬させた状態で使用することができる。

このように、温度応答性膜モジュールの第１、第２実施形態によれば、温度応答性膜を円筒状または平面状に成形し、容器と充填一体化することによって、膜ろ過面積を増大させることができる。また、円筒状または平面状に成形し、温度応答性膜を原水が流入している槽（開放型または密閉型）に浸漬させることによって、システムが簡素で膜の交換が容易となり、膜供給水の濁度が高くても安定して運転することができる。

なお、本発明では、温度応答性膜が平面状または円筒状に成形し、容器に充填一体化するようにしたが、これに限定されるものではない。一体化した形状の例としては、中空糸型、管状型、モノリス型、スパイラル型、プレートアンドフレーム型、振動円盤型、プリーツ型等、種々のものがあり、更にこれらの形状に限定されるものでもない。

また、本発明では、温度応答性膜が平面状または円筒状に成形され、原水が流入している槽（開放型または密閉型）に浸漬されている。形状の例としては、中空糸型、管状型、プレートアンドフレーム型、回転式円盤型があるがこれらの形状に限定されるものではない。

＜膜ろ過システムの実施形態＞
図６は本発明に係る膜ろ過システムの第１実施形態を示すブロック図である。

この膜ろ過システム１００は、２基の温度応答性膜モジュールが並列配置された例を示しており、原水を導く導水ポンプ１１と、原水ポンプ１１によって導かれた原水を一時貯水する原水タンク１２と、原水タンク１２内の原水を各別も温度応答性膜モジュールに供給する原水ポンプ１３−１，１３−２と、各原水ポンプ１３−１，１３−２から導かれる原水の流量を測定する各別の流量計１４−１，１４−２と、原水ポンプ１３−１，１３−２によって導かれた原水を膜ろ過する温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２と、温度応答性膜モジュール５−１，１５−２で膜ろ過された処理水を貯水する処理水タンク１６とを備えている。また、膜ろ過後の処理水の濁度を測定する濁度計１７と、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に各別に設けられ各温度応答性膜モジュールにおける流入側と排出側との差圧を測定する差圧計１８−１，１８−２とを備えている。さらに、原水タンク１２の原水温度を測定する温度計１９と、原水タンク１２内の原水を所定温度に加熱するための加熱器２０とを備えている。さらに、処理水タンク１６内に貯水された処理水の一部を逆洗水として導入した貯水する逆洗水タンク２１と、この逆洗水タンク２１内の逆洗水の温度を測定する温度計２６と、逆洗水タンク２１内に貯水された逆洗水を所定温度に加熱する加熱器２２と、逆洗水タンク２１内の逆洗水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に供給する逆洗水ポンプと、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に供給される逆洗水の流量を測定する流量計２４とを備えている。加えて、洗浄時に加圧空気を供給するコンプレッサ２５も備えている。なお、図中Ｖ１〜Ｖ２２は各配管に設けられた弁を示す。

（ろ過時）
図６に示す膜ろ過システム１０において、原水は導水ポンプ１１によって原水タンク１２へ導かれている。各原水ポンプ１３−１，１３−２によってそれぞれの温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２へ原水が導入され、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２を透過した処理水は処理水タンク１６へ流入される。

（洗浄時）
このような膜ろ過システム１０では、継続的に原水を通水することによって、膜面などに原水中の固形分３が堆積してろ過抵抗が増加し、膜差圧が高くなるため、予め設定された周期、あるいは膜が所定の差圧上昇を示した時点で、ろ過された処理水を処理水側から流す、あるいはコンプレッサ２５による圧縮空気を原水側から送る物理洗浄を行い、膜表面あるいは膜内部の付着物のうち、可逆的なものを取り除く。

さらに、膜表面や内部には、このような物理洗浄で除去できない付着物が徐々に蓄積するため、膜差圧が予め設定されている上限値を越えた時点で、膜ろ過処理を停止して薬品洗浄を行い、物理洗浄で除去できなかった付着物を除去する。

本発明では、このような物理洗浄や薬品洗浄に加え、加熱した原水および処理水により温水洗浄を行うものである。

温水洗浄は、物理洗浄および薬品洗浄と同様にあらかじめ設定した周期、あるいは、あらかじめ設定した膜差圧に達した時点で実施する。

原水および処理水を加熱する方法としては、原水タンク１２や処理水タンク１６に加熱器２０，２２を設置して行っている。加熱器２０では、原水を２５〜６０℃に加温して温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に供給する。

一方、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の逆洗時には処理水を加熱器２２によって２５〜６０℃に加温して温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に供給する。洗浄後の水は系外に排出される。

この際、温度計１９によって原水の温度が測定され、流量計１４−１，１４−２によって温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に供給される原水の流量が測定される。また、差圧計１８−１，１８−２によって温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の差圧が測定され、また濁度計１７によって処理水の濁度が測定される。

この実施形態によれば、物理洗浄、薬品洗浄の間隔を長くすることで、物理洗浄、薬品洗浄、膜交換にかかる費用を抑制することができる。また、薬品洗浄を実施した際の廃液処理が縮小できるため、費用面だけでなく環境負荷の低減も図ることができる。

なお、この実施形態では、逆洗水タンク２１に加熱器２２を設置して洗浄に必要な量だけを加熱することができるように構成している。加熱器２２は、逆洗水タンク２１以外にも処理水タンク１６に設置しても良い。このように処理水タンク１６または逆洗水タンク２１に加熱器２２を設置する場合は、後述する物理洗浄と同じ作用により実施することができ、頻度は膜面の汚れ具合により決定する。

また、原水または処理水を加熱する方法としては、例えば、複数の温度応答性膜から構成された膜束を容器内に配置した温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２と、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の原水側と原水循環管を介して連結された加熱器とを備える構成でも良い。具体的な構成を図１６に示す。なお、温度応答性膜モジュール１５−１と温度応答性膜モジュール１５−２は同一構成であり、またその作用・効果も同じであるため、以下、図１６の説明においては、温度応答性膜モジュール１５−１を中心に説明する。

図１６に示す膜ろ過システム１００では、温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）が容器１０１−１（１０１−２）内に配置された構成となっている。温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）は、複数の温度応答性膜を束ねて成る温度応答性膜束１０２で構成されており、温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）の後述する原水側１０３−１（１０３−２）と原水循環管１０４−１（１０４−２）を介して連結された加熱器１０５−１（１０５−２）を備えている。

また、この図に示す温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）は、ポッティング剤から成る固定部材１０６−１（１０６−２）によって、各膜の外表面側と接し且つ原水を供給する原水口を有する原水側１０３−１（１０３−２）と、各中空糸膜の内表面側とそれぞれの開口端を介して連通し且つ処理水を取り出す処理水口を有する処理水側１０７−１（１０７−２）とに区分けされており、原水側１０３−１（１０３−２）と処理水側１０７−１（１０７−２）との間での物質移動は温度応答性膜の膜面のみを介して行われる。なお、原水側１０３−１（１０３−２）には、その下方にコンプレッサ２５と連通し圧縮空気を放出する空気放出管１０８−１（１０８−２）（第１空気供給系統）が設けられている。

温度応答性膜束１０２は、複数の温度応答性膜をＵ字状に折り曲げて一方の側（図１６では上方側）に各端部を集束させるように束ねたものであり、各温度応答性膜の内表面側と連通する開口端は固定部材１０６−１（１０６−２）により支持固定されている。なお、この温度応答性膜の固定方法は、特に限定されるものではない。

加熱器１０５−１（１０５−２）は、原水側１０３−１（１０３−２）と連結するように設けられており、温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）内の膜外表面側と接する原水を２５〜６０℃に加温する。すなわち、加熱器１０５−１（１０５−２）には、第２空気配管１０９（第２空気供給系統）を介してコンプレッサ２５から圧縮空気が送られている。これによって、原水循環管１０４−１（１０４−２）を介して送られた温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）内の原水を加熱器１０５−１（１０５−２）で２５〜６０℃に加温し、矢印で示す方向に循環させて該モジュール１５−１（１５−２）の原水を２５〜６０℃に制御する。

なお、加熱器に供給された余剰な圧縮空気は、空気排出ライン１１６−１（１１６−２）へ排出される。

次に、本実施形態における温度応答性膜モジュールを用いた膜ろ過システム１００の使用方法の一例を示す。

まず、温度応答性膜を装填した温度応答性膜モジュール１５−１（１５−２）を用いて、原水をろ過処理する。原水の供給は、原水移送ポンプ１１０を駆動源としている。この原水移送ポンプ１１０によって原水を原水管１１１を介して圧送し、温度応答性膜の外表面側から内表面側に流すことにより、原水中の固形分が温度応答性膜の外表面側で捕捉される。温度応答性膜で処理された処理水は処理水管１１２へ送られる。温度応答性膜の膜面差圧が初期圧より、例えば５０ｋＰａ程度上昇した時点で、ろ過処理を停止する。

なお、図１６に示す膜ろ過システム１００においては、以下の手順により、膜面に捕捉され堆積した固形分の洗浄除去を行う。第２空気配管１０９を介してコンプレッサ２５から送られた圧縮空気を加熱器１０５−１（１０５−２）に供給することによって、原水循環管１０４−１（１０４−２）を介して原水側１０３−１（１０３−２）から供給された原水を加熱器１０５−１（１０５−２）で２５〜６０℃に温めた後、原水側１０３−１（１０３−２）に送る。これを繰り返し行い、原水を加熱循環させて水温を２５〜６０℃に制御する。

次に、第１空気配管１１３を介して空気放出管１０８−１（１０８−２）から圧縮空気を放出し、温度応答性膜の外表面に堆積、付着している固形分を振動剥離する。これと同時に、逆圧洗浄手段として第３空気配管１１４を介してコンプレッサ２５から供給される圧縮空気（例えば３００ｋＰａ）によって、処理水側１０３−１（１０３−２）に滞留する処理水をろ過運転時とは逆方向の原水側１０７−１（１０７−２）に流し込み、各温度応答性膜の内表面側から外表面側に逆洗する。処理水側１０７−１（１０７−２）の処理水が、原水側１０３−１（１０３−２）に混入するため一時液温が２５℃未満に低下するが、第２空気配管１０９を介して圧縮空気を加熱器１０５−１（１０５−２）に供給し、原水側１０３−１（１０３−２）を加熱循環させることで２５〜６０℃まで上昇させる。なお、逆洗時に供給された余剰な圧縮空気は、空気排出ライン１１５−１（１１５−２）へ排出される。

ここで、主として水道用の膜ろ過システム１０で実施する温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の物理洗浄と薬品洗浄について補足説明する。

[膜モジュールの物理洗浄]
運転時間の経過とともに膜に付着した物質は、下記のいずれか、および併用による物理洗浄により除去することができる。

逆圧洗浄、逆圧空気洗浄、エアスクラビング、原水または空気フラッシュ洗浄、機械的振動、機械的回転、超音波洗浄、熱水洗浄、スポンジボール洗浄、薬品注入洗浄、オゾン注入洗浄。原水水質に応じて１０〜１２０分に一回定期的に実施する。洗浄時間は、逆圧水洗浄が１分以内、エアスクラビングが数分以内、逆圧空気洗浄は数秒である。

[膜モジュールの薬品洗浄]
物理洗浄で除去できない膜への付着物質は、下記のいずれか、および併用による薬品洗浄により除去することができる。次亜塩素酸ナトリウム等の酸化剤、アルカリ洗剤や酸洗剤等の界面活性剤、塩酸や硫酸等の無機酸、シュウ酸やクエン酸等の有機酸。洗浄方式は、膜モジュールをシステムから切り離すことなく洗浄を行うオンライン方式と、システムから切り離して洗浄を行うオフライン方式がある。薬品洗浄は、定流量制御の場合は膜差圧（１００〜２００ｋｐａ）が、定圧制御の場合はろ過流束が所定の値になった時点で実施し、概ね１〜数ヶ月の頻度で行う。

＜膜ろ過システムの他の実施形態＞
図７は本発明に係る膜ろ過システムの他の実施形態を示している。

この実施形態では、原水タンク１２と温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の間に前処理設備３１を設けたことを特徴としている。前処理設備３１は、夾雑物除去設備、凝集剤注入設備、凝集沈殿設備、凝集砂ろ過設備、凝集沈殿砂ろ過設備、塩素注入設備、エアレーション設備、生物処理設備、粉末活性炭設備、粒状活性炭設備、オゾン発生設備およびこれらの併用により温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２への供給する原水を前処理することができる。

前処理設備２４における共通の効果は、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の性能を水量および水質の両面において、最も効率よく、かつ安定して発揮させることができるとともに、膜供給水中の懸濁物質による膜の損傷や閉塞等のトラブルを防止することができる。

＜膜ろ過システムの更に他の実施形態＞
図８は本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示している。

この実施形態では、膜ろ過システム１０と同一系内もしくは系外に、排水処理設備３２を備えることを特徴としている。

排水処理設備３２は、凝集剤注入設備、凝集沈殿設備、凝集砂ろ過設備、凝集沈殿砂ろ過設備、濃縮設備、脱水設備、乾燥設備、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜、ＵＶ照射設備、ｐＨ調整設備、嫌気性消化設備、およびこれらの併用により構成されるが、これらのうち、たとえば乾燥設備や嫌気性消化設備から排出される熱を利用して、原水および処理水５の加熱を行う。

この実施形態によれば、膜ろ過システム１０内外にある熱源を有効利用することによって、原水および処理水を加温するためのエネルギーを削減することができる。

＜膜ろ過システムの更に他の実施形態＞
図９は本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示している。

この実施形態では、膜ろ過システム１０から排出される洗浄水を冷却する熱交換器３３を備えたことを特徴としている。

地方自治体の条例では、水質汚濁防止法に基づく上乗せ基準を設定することがある。たとえば東京都環境局では、公共用水域に排出される水は４０℃以下と規定されている。こうした基準を遵守するため、温水で洗浄した後の洗浄水を熱交換器３３で冷却するとともに、回収した熱により原水および処理水を加温する。

この実施形態によれば、膜ろ過システム１０内外にある熱源を有効利用することによって、原水および処理水を加温するためのエネルギーを削減することができる。

＜膜ろ過システムの更に他の実施形態＞
図１０は本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示している。

この実施形態では、膜ろ過システム１０の膜差圧、水量（原水、処理水、洗浄水）、水温、濁度を連続的に監視制御する監視制御装置４１と、膜の完全性を確認する膜破断検知装置４２とを備えたことを特徴としている。特に、濁度計１７で検出される濁度は、特にクリプトスポリジウムやジアルジア等の原虫類を監視するための重要な指標であり、レーザー濁度計、透過光式濁度計により常時監視することが望ましい。

本実施形態における膜ろ過システム１０は、運転時間の経過とともに原水中の微粒子・濁質によって膜の閉塞が進行するので、膜差圧や水量を監視する必要がある。監視制御装置４１は、膜ろ過システム１０の機器を制御するための設備であり、膜差圧、水量（原水、処理水、洗浄水）、水温、濁度に関する計測信号が入力されると、入力された計測信号に基づき機器を制御するための制御信号を出力する。また、破断検知装置４２は、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２が破断したことを検知し、破断が検知された温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の運転を一時的に停止する。膜の破断はレーザー濁度計、透過光式濁度計により、処理水の濁度を常時監視することで検出するとともに、より高感度の検出方法である拡散空気方式によって１日１回実施することが望ましい。

この実施形態によれば、膜ろ過システム１０を連続的に監視制御することによって、機器を効率的に運転するとともに、膜の破断による病原性微生物等の漏洩リスクを低減することができる。

＜膜ろ過システムの更に他の実施形態＞
原水および処理水を加温する方法は、図１１、図１２、図１３の形態を用いて実施することもできる。

図１１に示す実施形態では、原水は温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に導入される直前の配管で加温するための加熱器５０−１，５０１−２と、処理水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に導入される直前の配管で加温するための加熱器５１−１，５１−２を備えている。

加熱器５０−１，５０−２によって原水を加温しながら温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内に導入し、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内の温度が２５〜６０℃になった時点で原水ポンプ１３−１，１３−２を停止する。次に、逆洗水ポンプ２３により加熱器５１−１，５１−２で加温した処理水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に導入することによって洗浄を行う。

なお、原水側の加熱器５０−１，５０−２か、処理水側の加熱器５１−１，５１−２のどちらか一方を省略することもできる。原水側の加熱器５０−１，５０−２を省略した場合の作用・効果は図６に示した実施形態と同様である。一方、処理水側の加熱器５１−１，５１−２を省略した場合には、逆洗時に、常温の処理水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内に導入することによって、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内の温度が２５℃以下に低下した時点で洗浄効果が低下するが、設備が簡素化し、コスト面で有利な構成となる。

図１２に示す実施形態では、膜ろ過システム１００は、原水ポンプ１３−１，１３−２の前段に洗浄水タンク６０と、タンク６０内の洗浄水を加温する加熱器６１とを備えることを特徴としている。

原水を加温する際には、原水タンク１２の出口のバルブＶ３を閉め、原水ポンプ１３−１，１３−２により温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内に加温した洗浄水を導入し、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２と洗浄水タンク６０の間で温水を循環させる。温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内の温度が２５〜６０℃になった時点で原水ポンプ１１を停止する。次に逆洗水ポンプ２３からの水により加熱器２２で加温した処理水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に導入することによって逆洗を行う。原水側の加熱器６１か処理水側の加熱器２２のどちらか一方を省略することもできる。原水側の加熱器２２を省略した場合の作用・効果は図６と同様である。処理水側の加熱器２２を省略した場合には、逆洗時に、常温の処理水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内に導入することによって、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内の温度が２５℃以下に低下した時点で洗浄効果が低下するが、設備が簡素化し、コスト面で有利な構成となる。

図１３に示す実施形態では、原水ポンプ１３−１，１３−２と温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２の間に洗浄水タンク７０を備えたことを特徴としている。

この場合、原水ポンプ１３−１，１３−２を停止せず、６０〜１００℃に加温した洗浄水を温水ポンプ７２で押し込みながら温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２に原水を供給することで温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内を２５〜６０℃に加温する。洗浄水タンク７０からの洗浄水の導入位置は、原水ポンプ１３−１，１３−２の前段であってもかまわない。原水側の加熱器７１か処理水側の加熱器２２のどちらか一方を省略することもできる。原水側の加熱器７１を省略した場合の作用・効果は図６と同様である。一方、処理水側の加熱器２２を省略した場合には、逆洗時に、常温の処理水を温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内に導入することによって、温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２内の温度が２５℃以下に低下した時点で洗浄効果が低下するが、設備が簡素化し、コスト面で有利な構成となる。

なお、上述した各実施形態では、２基の温度応答性膜モジュール１５−１，１５−２を使用する構成であるが、３基以上のモジュールを直列または並列に配置する構成であっても良い。

このように構成することにより、より大きなろ過処理量に対応することができる。

＜膜ろ過システムの更に他の実施形態＞
図１４は発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示している。

この実施形態では、温度応答性膜を原水が流入している槽（開放型または密閉型）に浸漬させた構成を示している。

同図に示すように、原水ポンプ８１によって導水された原水をろ過する膜浸漬槽８２と、この膜浸漬槽８２内に浸漬された温度応答性膜モジュール８３とを備え、膜ろ過後の処理水は、槽外に配置された吸引ポンプ８４によって処理水タンク１６内に吸引される。この場合、原水は、水位差方式または吸引方式、およびこれらの併用により生じる膜差圧により、温度応答性膜を透過する。

また、膜浸漬槽８２内の原水を加熱する加熱器８５と、膜浸漬槽８２に導入される原水自体を加熱する加熱器２０，８７と、逆洗時に逆洗水を加熱する加熱器２２、８６、８８とを備えている。

そして、洗浄時には、加熱器２０，８５，８７のいずれか、またはそれらの組み合わせによって膜浸漬槽８２内の原水温度を加温した後、逆洗水ポンプ２３から供給される逆洗水を加熱器２２，８６，８８のいずれかまたはそれらの組み合わせで２５〜６０℃に加温して温度応答性膜モジュール８３に供給して洗浄処理を実行する。すなわち、原水側での加熱は、加熱器２０，８７，８５のいずれかあるいはそれらの組み合わせで行い、処理水側での加熱は加熱器２２，８６，８８のいずれかあるいはそれらの組み合わせで行う。

このように、温度応答性膜から構成された温度応答性膜モジュール８３を原水が流入している膜浸漬槽８２に浸漬させることによって、簡素なシステムを構成でき、また膜の交換が容易となり、膜供給水の濁度が高い場合にあっても安定した運転を実行することができる。

なお、図１４においては、原水側での加熱は、加熱器２０，８７，８５で構成し、処理水側での加熱は加熱器２２，８６，８８で構成するようにしたが、これに限定されるものではない。すなわち、原水側では原水タンク１２内の原水を加熱する加熱器２０、原水タンク１２から膜浸漬槽８２に供給される原水を加熱する加熱器８７、または膜浸漬槽内の原水を加熱する加熱器８５の少なくともいずれかを備える構成であれば良い。また、処理水側では、逆洗水タンク２２内の処理水を加熱する加熱器２２、処理水タンク８６内の処理水を加熱する加熱器８６、または膜浸漬槽８２に供給される処理水を加熱する加熱器８８の少なくともいずれかを備える構成であれば良い。

＜膜ろ過システムの更に他の実施形態＞
図１５は、温度制御装置を備えた膜ろ過システムの構成を示している。

この実施形態では、温度制御装置９０を設け、原水の温度に応じて加熱器２２の温度を制御するようにしたものである。

温度制御装置９０は、温度測定値と温度目標値とから今回温度目標値を演算する温度演算部９１と、演算された今回目標値に基づいて加熱器２２の温度制御を実行する温度制御部９２とを備えている。また、原水タンク１２の原水温度を測定する温度計９３と、逆洗水の温度を測定する温度計９４とを備えている。

上記の構成において、温度計９３により原水タンク１２内の原水の温度が計測され、その温度計測値Ｔ_１が温度演算部９１に供給されている。一方、逆洗時において、温度計９４により配管を流れる逆洗水の温度が計測され、その温度計測値Ｔ_２が温度演算部９１に供給されている。温度演算部９１は、温度目標値Ｔ_ＳＶと、温度計測値Ｔ_１，Ｔ_２とからＴ_１＜Ｔ_２となるように今回操作量Ｔ_ＭＶを演算する。

具体的には、温度制御装置９０は、下記に示したＰＩＤ制御によって、加熱器２２を制御して逆洗水タンク２１内の温度を調節する。

〔数１〕
Ｔ_１ ＜Ｔ_２
Ｔ_ＭＶ＝Ｔ_ＭＶ（ｎ−１）＋ΔＴ_ＭＶ
ΔＴ_ＭＶ＝Ｋｐ{（ｅ_ｎ−ｅ_ｎ−１）＋ｅ_ｎΔｔ／Ｔｉ
＋Ｔｄ（ｅ_ｎ−２ｅ_ｎ−１−ｅ_ｎ−２）／Δｔ}
ｅ_ｎ＝Ｔ_ＳＶ−Ｔ_２（ｎ）
ここで、Ｔ_ＳＶ：温度目標値
Ｔ_ＭＶ：今回操作量
Ｔ_ＭＶ（ｎ−１）：前回操作量
ΔＴ_ＭＶ：今回操作量差分
Ｔ_２（ｎ）：今回制御周期の逆洗水の温度
ｅ_ｎ：今回制御周期の入力偏差
ｅ_ｎ−１：前回制御周期の入力偏差
ｅ_ｎ−２：前々回制御周期の入力偏差
Ｋｐ：比例ゲイン
Ｔｉ：積分時間
Ｔｄ：微分時間
このように、この実施形態では、温度制御装置９０によって加熱器２２の温度制御を実行することで、緻密な温度管理の下で逆洗処理を行うことができる。

本発明に係る温度応答性膜の断面構成を示す模式図。 本発明に係る温度応答性膜の孔径伸縮率と液温との関係を示す説明図。 温度応答性膜モジュールの種別を示す説明図。 本発明に係る温度応答性膜モジュールの一例であるケーシング収納型・円筒状膜モジュールの概略構成図。 本発明に係る温度応答性膜モジュールの一例である平膜モジュールの概略構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。 本発明に係る膜ろ過システムの更に他の実施形態を示す構成図。

符号の説明

１…膜基体
２…孔径調整材
３…固形分
１１…導水ポンプ
１２…原水タンク
１３−１，１３−２…原水ポンプ
１４−１，１４−２…流量計
１５−１，１５−２…温度応答性膜モジュール
１６…処理水タンク
１７…濁度計
１８−１, １８−２…差圧計
１９,２６…温度計
２０…加熱器
２１…逆洗水タンク
２２…加熱器
２３…逆洗水ポンプ
２４…流量計
２５…コンプレッサ
３１…前処理設備
３２…排水処理設備
３３…熱交換器
４１…監視制御装置
４２…膜破断検知装置
５０−１，５０−２，５１−１，５１−２…加熱器
６０…洗浄水タンク
６１…加熱器
７０…洗浄水タンク
７１…加熱器
７２…温水ポンプ
８１…原水ポンプ
８２…膜浸漬槽
８３…温度応答性膜モジュール
８４…吸引ポンプ
８５，８６，８７，８８…加熱器
９０…温度制御装置
９１…温度演算部
９２…温度制御部
９３，９４…温度計
１００…膜ろ過システム
Ｖ１〜Ｖ２１，Ｖ３１〜Ｖ４０…弁
１０１−１，１０１−２…容器
１０２−１，１０２−２…温度応答性膜束
１０３−１，１０３−２…原水口を有する原水側
１０４−１，１０４−２…原水循環管
１０５−１，１０５−２…加熱器
１０６−１，１０６−２…固定部材
１０７−１，１０７−２…処理水口を有する処理水側
１０８−１，１０８−２…空気放出管
１０９…第２空気配管
１１０…原水移送ポンプ
１１１…原水管
１１２…処理水管
１１３…第１空気配管
１１４…第３空気配管
１１５−１, １１５−２…空気排出ライン
１１６−１, １１６−２…空気排出ライン

Claims (9)

1. 高分子材料から成る膜基体と、これの外表面側に２５〜６０℃の範囲内における所定の温度を境に可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とから構成され、前記膜基体に形成される孔の２５〜６０℃における最大孔径が１００μｍ以下である温度応答性膜を平面状または円筒状に成型し、かつ容器に充填して一体化して成り、供給された原水を膜ろ過し、前記所定の温度より低い温度で処理水として排出する温度応答性膜モジュールと、
   前記原水または処理水の全部または一部を加温する加熱手段と、
   膜洗浄時において、前記加熱手段により加温された原水または処理水を逆洗水として前記温度応答性膜モジュールに供給して温水洗浄を行う洗浄手段と、
   原水の温度を測定する原水温度測定手段と、
   逆洗水の温度を測定する逆洗水温度測定手段と、
   原水の温度計測値と、逆洗水の温度計測値を入力し、前記所定の温度より高く、かつ２５〜６０℃の範囲内で前記原水の温度よりも逆洗水の温度の方が高くなるように、逆洗水の温度目標値を演算する温度演算手段と、
   演算された温度目標値に基づいて前記加熱手段の加温制御を実行する温度制御手段と、
   を備えたことを特徴とする膜ろ過システム。
2. 高分子材料から成る膜基体と、これの外表面側に２５〜６０℃の範囲内における所定の温度を境に可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とから構成され、前記膜基体に形成される孔の２５〜６０℃における最大孔径が１００μｍ以下である温度応答性膜を平面状または円筒状に成型し、かつ原水が流入している槽に浸漬させて成り、供給された原水を膜ろ過し、前記所定の温度より低い温度で処理水として排出する温度応答性膜モジュールと、
   前記原水または処理水の全部または一部を加温する加熱手段と、
   膜洗浄時において、前記加熱手段に加温された原水または処理水を逆洗水として前記温度応答性膜モジュールに供給して温水洗浄を行う洗浄手段と、
   原水の温度を測定する原水温度測定手段と、
   逆洗水の温度を測定する逆洗水温度測定手段と、
   原水の温度計測値と、逆洗水の温度計測値を入力し、前記所定の温度よりも高く、かつ２５〜６０℃の範囲内で前記原水の温度よりも逆洗水の温度の方が高くなるように、逆洗水の温度目標値を演算する温度演算手段と、
   演算された温度目標値に基づいて前記加熱手段の加温制御を実行する温度制御手段と、
   を備えたことを特徴とする膜ろ過システム。
3. 請求項１または２に記載の膜ろ過システムにおいて、
   前記所定の温度を境に可逆的に膨張／収縮する高分子材料は、
   （１）Ｎ−イソプロピルアクリルアミドに、アクリル酸、２-カルボキシイソプロピル
   アクリルアミド、３-カルボキシ-n-プロピルアクリルアミドを共重合した高分子、
   （２）Ｎ−ビニルイソ酪酸アミド系重合体、
   （３）ポリ−Ｎ−アルキルアクリルアミド誘導体、
   （４）ポリイソプロピルアクリルアミドに代表されるポリアクリルアミド誘導体とポリ
   ビニル誘導体との共重合体、
   （５）Ｎ−ビニルイソ酪酸アミドなどのＮ−ビニルＣ_３−９アシルアミドと、Ｎ−ビニ
   ルアセトアミドなどのＮ−ビニルＣ_１−３アシルアミドとの共重合体、
   （６）ポリアクリルアミド誘導体及びポリ−Ｎ−ビニルアシルアミド、
   （７）Ｎ−イソプロピルアクリルアミドで構成された単量体の重合体、及びＮ−ビニル
   イソ酪酸アミドで構成された単量体の重合体
   の（１）〜（７）の中から選択された少なくとも一の材料から成ることを特徴とする膜ろ過システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜ろ過システムにおいて、
   前記温度応答性膜モジュールを複数台、直列または並列に備えることを特徴とする膜ろ過システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膜ろ過システムにおいて、
   前記洗浄手段による温水による洗浄と、物理洗浄、または薬品洗浄を組合せて前記温度応答性膜モジュールを洗浄することを特徴とする膜ろ過システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の膜ろ過システムにおいて、
   前記加熱手段における加熱には、同一系内もしくは系外に設けられた排水処理設備の熱源を利用することを特徴とする膜ろ過システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膜ろ過システムにおいて、
   前記温度応答性膜モジュールの前段に、夾雑物除去設備、凝集剤注入設備、凝集沈殿設備、凝集砂ろ過設備、凝集沈殿砂ろ過設備、塩素注入設備、エアレーション設備、浮上分離設備、生物処理設備、粉末活性炭設備、オゾン発生設備、粒状活性炭設備のいずれか、またはこれら設備の併用により原水に対する前処理を実行する前処理設備を備えることを特徴とする膜ろ過システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の膜ろ過システムにおいて、
   前記温度応答性膜モジュールから排出される温排水を冷却する熱交換器を備えたことを特徴とする膜ろ過システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の膜ろ過システムにおいて、
   膜差圧、水量（原水、処理水、逆洗水）、水温、濁度、を連続的に監視制御する圧力計、流量計、水温計、濁度計を具備するとともに、膜の完全性を確認する膜破断検知手段を備えたことを特徴とする膜ろ過システム。

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