JP5230071B2 - 膜ろ過による水処理方法と水処理装置 - Google Patents
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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方法と装置に関わり、特に、ろ過膜の洗浄工程としてエアーフラッシング工程を含む水処理方法と水処理装置に関する。
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。精密ろ過膜の場合は、公称孔径0.01〜0.5μｍのものが用いられ、限外ろ過膜の場合は、分画分子量１，０００〜２０万ダルトン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。
次に、本発明の対象とする水処理方法、即ち、ろ過膜の洗浄工程としてエアーフラッシング工程を含む水処理方法について、図６に基づいて詳述する。エアーフラッシング（ＡＦ）とは、水に空気を混合して形成した銃弾状流（スラグ流）を前記膜モジュールの一次側に通流してろ過膜の洗浄を行う方法であり、主に、縦型かつ内圧式の膜モジュールに対して好適であり、図６の場合、原水に空気を混合して形成したスラグ流によりＡＦを行う方法を示す。
図６はエアーフラッシング（ＡＦ）を説明する模式的系統図であり、図６において、２１は膜モジュール、２２は原水槽、２３は原水ポンプ、２４は空気槽、２５，２６，２７，３１および３２はそれぞれ開閉弁である。図６において、開閉弁２５および２６を開とした状態で原水ポンプを運転し、膜モジュール２１の一次側を下から上に向って膜と平行な流れがある状態で開閉弁２７を開き、空気槽２４から膜モジュール２１の一次側に空気を注入する。この場合において、中空糸膜内は気液混合流となり、さらに水と空気の混合比率がある所定の範囲にある時、中空糸膜内の流れは、図６において膜モジュール２１の右上に拡大して示すように、スラグ流と呼称されるパターンの流れとなる。
上記のように、中空糸膜のチューブ内にスラグ流が形成された場合、膜壁面に作用する剪断応力は水だけを流すフラッシング、所謂フォワード・フラッシング（ＦＦ）よりも数倍大きくなり、膜１次側に付着した汚れを強力に剥ぎ取る効果がある。デルフト工科大の実験報告によれば、ＡＦの洗浄効果はＦＦの５〜８倍になる旨が報告されている。上記ＡＦは、薬品不要で経済的であり、特殊な薬品（酸・アルカリ）を嫌がる小規模・簡易水道向けに好適である。
ところで、上記ＡＦに関して洗浄効果をさらに向上する方法として、非特許文献１には間欠エアーフラッシングが好ましいことが報告されている。図５は、間欠エアーフラッシングの概念を模式的に説明した図であり、非特許文献１には、「ＡＦにおいて、空気の投入を、非連続的に行い、詳細には、間欠動作ＡＦとして、５秒間のＡＦ操作と、その後５秒間のＦＦ操作を繰り返し行うことにより、均一に中空糸膜内にエアーが入り、洗浄効果が向上した」旨が記載されている。
通常のエアーフラッシングにおいては、全てのチューブに対して、必ずしも均一には気泡が入らないので、気泡が入らなかったチューブは気泡が入ったチューブに比べ相対的に通水抵抗が大きくなり、場合により全く流れなくなって十分洗浄されない問題があるが、上記間欠エアーフラッシングは、この問題を解決する方法といえる。
図６において、フラッシング工程のラインは原水槽２２→原水ポンプ２３→開閉弁２５→膜モジュール２１→開閉弁２６→排水のラインである。前記間欠エアーフラッシングを行う場合には、まず、原水ポンプ２３を運転し、開閉弁２５および２６を開としてＦＦ運転を行い、次に、開閉弁２７を５秒間隔で開と閉を繰り返し、気泡を間欠的に供給して間欠ＡＦを行うことができる。
なお、図６において、原水をろ過膜を有する膜モジュール２１により浄化処理してろ過水を得るろ過工程のラインは、原水槽２２→原水ポンプ２３→開閉弁２５→膜モジュール２１→開閉弁３１→図示しないろ過水貯留槽のラインである。また、ろ過水の一部を逆洗水として用い前記膜モジュール２１に通流してろ過膜の洗浄を行う場合には、その逆洗工程のラインは、図示しないろ過水または逆洗水貯留槽→開閉弁３１膜モジュール２１→開閉弁３２→排水のラインとなる。
J.Q.J.C. Verberk et al., "Hydraulic distribution of water and air over a membrane module using AirFlush", Proceedings IWA 2nd World Water Congress , Berlin 15-19 October 2001, 8 pages (CD-rom).
J.Q.J.C. Verberk et al., "Hydraulic distribution of water and air over a membrane module using AirFlush", Proceedings IWA 2nd World Water Congress , Berlin 15-19 October 2001, 8 pages (CD-rom).
ところで、上記のようなエアーフラッシングにおいては、水の消費量が多く、特に間欠エアーフラッシングの場合には、さらに水の消費量が増大する問題がある。水の消費量について具体例を述べると、例えば、内径０．８ｍｍの中空糸膜を約１万本束ねた膜モジュール１本のケースにおいて、エアーフラッシングを行う場合、エアーフラッシングは最低１５秒間必要とすると、水の消費量は２０Ｌ/回程度である。一方間欠エアーフラッシングの場合には、同一ケースにおいて、エアーフラッシングを５秒間で３回に分け、その間エアー注入を停止している時間を５秒間設けると、全体で間欠エアーフラッシング工程は２５秒間必要であり、その間、水流は停止しないので、水の消費量は１．７倍（３５Ｌ/回）程度が必要となる。
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、エアーフラッシング（ＡＦ）または間欠ＡＦを含む膜ろ過による水処理方法および装置において、水の消費量を低減し、かつ水処理の効率を高めることにある。
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、原水槽から原水ポンプにより導出した原水に空気を混合して形成した銃弾状流（スラグ流）を前記膜モジュールの一次側に通流してろ過膜の洗浄を行うエアーフラッシング工程とを含む膜ろ過による水処理方法において、前記エアーフラッシング工程は、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記原水槽に還流し、この還流した原水の循環により行い、さらに、前記エアーフラッシング工程は、スラグ流形成のために空気を水に注入する時間を、予め定めた所定間隔で間欠的に繰り返し行う間欠エアーフラッシングとすることを特徴とする（請求項１）。
また、前述の課題は下記請求項２の発明によっても解決できる。即ち、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、前記ろ過水の一部を逆洗水として用い前記膜モジュールに通流してろ過膜の洗浄を行う逆洗工程と、水に空気を混合して形成した銃弾状流（スラグ流）を前記膜モジュールの一次側に通流してろ過膜の洗浄を行うエアーフラッシング工程とを含む膜ろ過による水処理方法において、前記スラグ流を形成する水は、前記逆洗工程における逆洗排水を貯留した逆洗排水貯留槽から導出した逆洗排水とし、前記エアーフラッシング工程は、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記逆洗排水貯留槽に還流し、この還流した逆洗排水の循環により行い、さらに、前記エアーフラッシング工程は、スラグ流形成のために空気を水に注入する時間を、予め定めた所定間隔で間欠的に繰り返し行う間欠エアーフラッシングとすることを特徴とする（請求項２）。
さらに、上記発明の実施態様としては、下記請求項３ないし５の発明が好ましい。
即ち、汚れの程度が大きい初期の洗浄水は排出することが好ましいので、前記請求項１または２に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期のスラグ流は、原水槽または逆洗排水貯留槽には還流せずに、外部に排出することとする（請求項３）。
さらに、排出する水を再利用する観点から、下記請求項４または５の発明が好ましい。
即ち、前記請求項１に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、前記原水槽には還流せずに初期水貯留槽に貯留し、この初期水貯留槽において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用可能とする（請求項４）。また、前記請求項２に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、前記逆洗排水貯留槽には還流せずに初期水貯留槽に貯留し、この初期水貯留槽において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用可能とする（請求項５）。
即ち、前記請求項１に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、前記原水槽には還流せずに初期水貯留槽に貯留し、この初期水貯留槽において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用可能とする（請求項４）。また、前記請求項２に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、前記逆洗排水貯留槽には還流せずに初期水貯留槽に貯留し、この初期水貯留槽において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用可能とする（請求項５）。
また、水処理装置の発明としては、下記請求項６ないし７の発明が好ましい。即ち、前記請求項４に記載の方法を実施するための水処理装置において、ろ過膜を有する膜モジュールと、ろ過工程ラインと、原水槽から原水ポンプにより導出した原水に空気を混合してスラグ流を形成する空気供給手段と、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記原水槽に還流する還流ラインと、前記エアーフラッシング工程初期のスラグ流の排水を貯留する初期水貯留槽とを備えることを特徴とする（請求項６）。
さらに、前記請求項５に記載の方法を実施するための水処理装置において、ろ過膜を有する膜モジュールと、ろ過工程ラインと、ろ過膜の逆洗ラインと、逆洗排水を貯留する逆洗排水貯留槽と、この逆洗排水貯留槽から導出した水に空気を混合してスラグ流を形成する空気供給手段と、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記逆洗排水貯留槽に還流する還流ラインと、前記エアーフラッシング工程初期のスラグ流の排水を貯留する初期水貯留槽とを備えることを特徴とする（請求項７）。
この発明によれば、間欠ＡＦを含む膜ろ過による水処理方法および装置において、中空糸膜の洗浄効果を向上させることができ、さらに、水の消費量を低減し、かつ水処理の効率を高めることができる。特に、汚れの酷い初期排水をも有効に再利用することにより、水の消費量低減効果をさらに高めることができる。
本発明の実施例１ないし実施例４について、これらの実施例に係る水処理方法のシステム系統図を示す図１ないし図４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４において、図６に示す部材と同一の機能部材については、同一番号を付して水処理方法の各工程に関する詳細説明を省略する。
図１において図６と異なる点は、図１の場合、開閉弁（返水弁）４１と開閉弁（排水弁）４２とを有し、エアーフラッシング（ＡＦ）工程は、膜モジュール２１の一次側に通流したスラグ流を原水槽２２に還流し、この還流した原水の循環により行うことができるようにした点である。そして、実施態様としては、ＡＦとＦＦとを交互に繰り返すようにすることが好ましい。また、汚れの程度が大きい初期の洗浄水は、開閉弁（排水弁）４２を介して排出することが好ましい。
次に、図２の実施例について述べる。図２は、請求項２に関わり、エアーフラッシング（ＡＦ）工程においてスラグ流を形成する水は、逆洗工程における逆洗排水を貯留した逆洗排水貯留槽５０から導出した逆洗排水とし、膜モジュール２１の一次側に通流したスラグ流を前記逆洗排水貯留槽５０に還流し、この還流した逆洗排水の循環により行うことができるようにした実施例である。なお、図２において、５２は開閉弁（循環弁）、５３は開閉弁（返水弁）である。また、逆洗工程における逆洗排水を逆洗排水貯留槽５０に貯留する系統は図示を省略している。
次に、図３の実施例について述べる。図３は、請求項４および６に関わる実施例である。即ち、図３の水処理装置は、膜モジュール２１と、ろ過工程ライン（２２→２３→２５→２１→３１のライン）と、原水槽２２から原水ポンプ２３により導出した原水に空気を混合してスラグ流を形成する空気供給手段（２４，２７を有するライン）と、膜モジュール２１の一次側に通流したスラグ流を原水槽２２に還流する還流ラインと、エアーフラッシング工程初期のスラグ流の排水を貯留する初期水貯留槽６０とを備える。なお、６１，６２は開閉弁である。
図３の装置によれば、エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流を、原水槽２２には還流せずに初期水貯留槽６０に貯留し、この初期水貯留槽６０において固形物を沈殿させた上澄み液を原水槽２２に戻して、スラグ流形成用の水として再利用することができる。上記のような初期水の再利用により、水の回収率がさらに向上できる。
次に、図４の実施例について述べる。図４は、請求項５および７に関わる実施例である。即ち、図４の水処理装置は、膜モジュール２１と、ろ過工程ラインと、ろ過膜の逆洗ラインと、逆洗排水を貯留する逆洗排水貯留槽５０と、この逆洗排水貯留槽５０から導出した水に空気を混合してスラグ流を形成する空気供給手段と、膜モジュール２１の一次側に通流したスラグ流を逆洗排水貯留槽５０に還流する還流ラインと、エアーフラッシング工程初期のスラグ流の排水を貯留する初期水貯留槽６０とを備える。
図４の装置によれば、エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、逆洗排水貯留槽５０には還流せずに初期水貯留槽６０に貯留し、この初期水貯留槽６０において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用できる。
２１：膜モジュール、２２：原水槽、２３：原水ポンプ、２４：空気槽、２５，２６，２７，３１，３２，６１，６２：開閉弁、４１，５３：開閉弁（返水弁）、４２：開閉弁（排水弁）、５０：逆洗排水貯留槽、５２：開閉弁（循環弁）、６０：初期水貯留槽。
Claims (7)
- 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、原水槽から原水ポンプにより導出した原水に空気を混合して形成した銃弾状流（スラグ流）を前記膜モジュールの一次側に通流してろ過膜の洗浄を行うエアーフラッシング工程とを含む膜ろ過による水処理方法において、
前記エアーフラッシング工程は、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記原水槽に還流し、この還流した原水の循環により行い、さらに、前記エアーフラッシング工程は、スラグ流形成のために空気を水に注入する時間を、予め定めた所定間隔で間欠的に繰り返し行う間欠エアーフラッシングとすることを特徴とする膜ろ過による水処理方法。 - 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、前記ろ過水の一部を逆洗水として用い前記膜モジュールに通流してろ過膜の洗浄を行う逆洗工程と、水に空気を混合して形成した銃弾状流（スラグ流）を前記膜モジュールの一次側に通流してろ過膜の洗浄を行うエアーフラッシング工程とを含む膜ろ過による水処理方法において、
前記スラグ流を形成する水は、前記逆洗工程における逆洗排水を貯留した逆洗排水貯留槽から導出した逆洗排水とし、前記エアーフラッシング工程は、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記逆洗排水貯留槽に還流し、この還流した逆洗排水の循環により行い、さらに、前記エアーフラッシング工程は、スラグ流形成のために空気を水に注入する時間を、予め定めた所定間隔で間欠的に繰り返し行う間欠エアーフラッシングとすることを特徴とする膜ろ過による水処理方法。 - 請求項１または２に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期に使用した水は、原水槽または逆洗排水貯留槽には還流せずに、外部に排出することを特徴とする膜ろ過による水処理方法。
- 請求項１に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、前記原水槽には還流せずに初期水貯留槽に貯留し、この初期水貯留槽において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用可能とすることを特徴とする膜ろ過による水処理方法。
- 請求項２に記載の水処理方法において、前記エアーフラッシング工程を行う際に、エアーフラッシング工程初期の予め定めた所定時間のスラグ流は、前記逆洗排水貯留槽には還流せずに初期水貯留槽に貯留し、この初期水貯留槽において固形物を沈殿させた上澄み液をスラグ流形成用の水として再利用可能とすることを特徴とする膜ろ過による水処理方法。
- 請求項４に記載の方法を実施するための水処理装置において、ろ過膜を有する膜モジュールと、ろ過工程ラインと、原水槽から原水ポンプにより導出した原水に空気を混合してスラグ流を形成する空気供給手段と、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記原水槽に還流する還流ラインと、前記エアーフラッシング工程初期のスラグ流の排水を貯留する初期水貯留槽とを備えることを特徴とする水処理装置。
- 請求項５に記載の方法を実施するための水処理装置において、ろ過膜を有する膜モジュールと、ろ過工程ラインと、ろ過膜の逆洗ラインと、逆洗排水を貯留する逆洗排水貯留槽と、この逆洗排水貯留槽から導出した水に空気を混合してスラグ流を形成する空気供給手段と、前記膜モジュールの一次側に通流したスラグ流を前記逆洗排水貯留槽に還流する還流ラインと、前記エアーフラッシング工程初期のスラグ流の排水を貯留する初期水貯留槽とを備えることを特徴とする水処理装置。
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