JP5230073B2 - ろ過膜の膜損傷検知試験方法 - 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方法に関わり、特に、ろ過膜の膜損傷検知試験方法に関する。

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５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５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。

膜モジュールの形式としては、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。また、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には、原水を膜の一次側に注入する場合に、膜モジュール軸方向の集水部（エンドキャップ）を介して注入し、膜の二次側にろ過水を膜モジュール軸方向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。

ところで近年、水道原水である環境水に混入した塩素耐性原虫である、クリプトスポリジウム等の危険性が危惧されるようになってきた。クリプトスポリジウムの大きさは３〜５μｍ程度であるので、原水のクリプトスポリジウムを除去するためには、それより小さな微粒子成分を完全に除去すればよいが、現在は暫定の指針として水道水の濁度を0.1以下にするよう示されている。クリプトスポリジウム対策として、従来の砂ろ過法と比較して有効な方法が、精密ろ過膜や限外ろ過膜を用いた浄水処理方法である。この方法では、理論上、膜孔径より大きい成分は、ほぼ完全に取り除かれることとなる。

しかしながら、何らかの原因により膜の一部が損傷した場合には、その部分から漏洩が進み、処理水中に微粒子（クリプトスポリジウム等）が混入する可能性がある。このため膜処理においては、膜損傷をいち早く検知し、対処することが重要となる。現在、膜損傷の検知方法として普及しているのは、空気圧を用いる方法である（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、その請求項１の記載を引用すれば、「中空糸膜ろ過装置の膜損傷検知方法であって、前記中空糸膜の外側に水を張り、内側から加圧空気を導入して、加圧空気による圧力注入時間と圧力変化率の関係から得られた一定の圧力注入時間を設定し、その設定時間から内側を加圧状態に保持して、中空糸膜の圧力保持率の経時変化を求めて、正常な状態の圧力保持率と膜損傷による状態の圧力保持率を比較して、中空糸膜の膜損傷を検知することを特徴とする中空糸膜ろ過装置の膜損傷検知方法。」を開示する。

即ち、特許文献１に記載の方法は、「中空糸膜の圧力保持率の経時変化を求めて、正常な圧力保持率との比較から、中空糸膜の膜損傷の有無を検知する方法」である。

なお、上記空気圧を用いる方法の場合、特許文献１にも記載されたように、加圧気体を膜モジュールの一次側に導入する場合と、二次側に導入する場合とがある。
特開２０００−３４２９３６号公報

しかしながら、上記のような上記空気圧を用いるろ過膜の膜損傷検知試験方法においては、下記のような問題があった。

例えば、膜モジュールの一次側に加圧気体を導入して膜損傷状態を診断する場合、従来、一次側の水を全て排水している。全ての水を排水するためには詳細は後述するように、かなり時間がかかるので、膜損傷検知試験時間に長時間を要する問題があった。

また、全ての水を排水するので、水の排水量が多く、特に多数の膜モジュールを用いる場合には、非経済的である。さらに、加圧気体（通常は空気）の充填量も過大となり非経済的であるのみならず、膜損傷検知に必要な圧力変動の応答性が悪くなる問題もあった。

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、ろ過膜の膜損傷検知試験方法において、試験時間を短縮し、かつ水や加圧気体の浪費を低減し、さらに圧力変動の応答性を向上すること等にある。

前述の課題を解決するため、この発明は、ろ過膜を有する膜モジュールに加圧気体を導入し、予め設定した圧力に到達した際に前記加圧気体の導入を停止して加圧側を密閉し、密閉後の高圧空間における圧力の経時変化から膜損傷状態を診断するろ過膜の膜損傷検知試験方法において、前記膜モジュールを、縦型でかつ原水を膜モジュールの一次側の膜モジュール軸方向の集水部（エンドキャップ）を介して注入し、膜モジュールの二次側にろ過水を膜モジュール軸方向の両側または片側に送出するものとし、前記膜モジュールの一次側に加圧気体を導入し、気体の加圧により膜モジュールの一次側の水を二次側に移動させ、前記一次側の水位が、膜モジュール下側の前記エンドキャップ上端部に到達し、かつ加圧気体の圧力が加圧手段の設定圧力値に到達した時点で、加圧気体の導入を停止し、二次側には水が充填された状態で一次側の気体の圧力を保持し、この保持圧力の経時変化から膜損傷状態を診断することを特徴とする（請求項１）。

また、上記発明の実施態様として、下記請求項２に記載の試験方法が好ましい。

即ち、前記請求項１に記載の試験方法において、前記膜モジュールの一次側に加圧気体を導入し、気体の加圧により膜モジュールの一次側の水を二次側に移動させる前に、一次側の水を自重により自然落下させ、一次側の水位が、水位変動時間によって予め定めた所定の中間水位に到達後に、気体加圧側の排水弁を閉じ密閉状態とし、前記加圧気体の導入を開始することを特徴とする（請求項２）。

上記本発明の作用効果等の詳細については、実施形態の説明と共に後述する。

この発明によれば、試験時間を短縮し、かつ水や加圧気体の浪費を低減し、さらに圧力変動の応答性の向上を図ったろ過膜の膜損傷検知試験方法が提供できる。また、一次側の水を自重により自然落下させる工程を含む試験方法によれば、加圧気体の所要容量の特定が容易となり、加圧気体源の設計が適切かつ容易となる利点もある。

本発明の実施例について、図１ないし図４に基づき以下に述べる。なお、図１ないし図４は、請求項２に係る縦型の膜モジュールの場合のろ過膜の膜損傷検知試験方法の実施例例を示すが、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。図１は試験の初期状態を示す要部システム系統図、図２は膜モジュールの一次側の水を自然排出し中間水位に到達後の状態を示すシステム系統図、図３は圧力保持状態を示すシステム系統図、図４は膜モジュールの一次側の水位と経過時間との関係を説明する模式図である。

図１ないし図３のシステム系統図において、同一部材には同一符号を付して示す。各図において、２０は膜モジュール、２０ａは膜モジュールの一次側、２０ｂは膜モジュールの二次側、２０ｃは膜モジュールの集水部（エンドキャップ）、２０ｄはプラグ、２１は開閉弁（ろ過水ライン弁）、２２ａ，２２ｂは開閉弁（原水供給弁）、２３ａ，２３ｂは開閉弁（排水弁）、２４は開閉弁（エア供給弁）、２５は開閉弁（エア抜き弁）、２６は開閉弁（ドレン弁）、３０は圧力計である。

まず、図１の試験の初期状態について述べる。圧力保持試験が開始出来る状態としては、下記の条件が必要である。
（１）膜モジュールの二次側が（ほとんどの場合一次側も）水で満たされていること。
（２）図１に示す各種の開閉弁が全て閉になっていること。

上記状態から、ドレン弁２６及びエア抜き弁２５を開き、膜モジュールの一次側２０ａの水のドレンを開始する。このドレン水は、膜モジュール自身の落差により排出されていく。排出が進むと一次側の水位が下がり、落差が減るので排出速度は遅くなる。図４は、膜モジュールの一次側の水位と経過時間との関係を模式的に示すもので、全ての水を排出し終わる迄にはかなりの時間を要する。従来の試験方法においては、排水時間が長くかかる問題があったが、この問題点は図４から容易に理解される。

そこで、本発明においては、図２に示すように、一次側の水位が中間水位H2、例えば初期値H1の約1/3〜1/5（図４に於いて、H2 = 0.2〜0.3H1）になるような適当な時間（T0）でドレン弁２６及びエア抜き弁２５を閉じ、代わりにろ過水ラインの開閉弁２１、及び圧力保持試験用のエア供給弁２４を開き、例えば空気圧（100kPa）によって一次側２０ａに残っている水の内、図３に示すように、下側のエンドキャップ２０ｃより上側の水を強制的に排出する。なお、２０ｄのプラグの部分では、栓をした状態にあるので、膜の一次側と二次側間での水の行き来はない。

即ち、膜モジュールの一次側２０ａに加圧気体を導入し、気体の加圧により膜モジュールの一次側２０ａの水を二次側２０ｂに移動させる前に、一次側２０ａの水を自重により自然落下させ、一次側２０ａの水が水位変動時間によって予め定めた所定の中間水位H2に到達後に、前記加圧気体の導入を開始する。図２は、この中間水位H2に到達した状態を示す。前記中間水位H2に到達後、気体の加圧により膜モジュールの一次側２０ａの水を二次側２０ｂに移動させ、一次側２０ａの水位が、膜モジュールの下側のエンドキャップ２０ｃに到達した時点で、水は通水路が途絶えるため流れは自動的に停止することになるので、二次側２０ｂには水が充填された状態で一次側２０ａの気体の圧力を保持する。図３は、この圧力保持状態を示し、この保持圧力の経時変化から膜損傷状態を診断する。

なお、上記説明において、下側のエンドキャップ２０ｃより上側の水を強制的に排出する意義は、膜モジュールのろ過膜の有効範囲の水を強制的に排出して、膜損傷状態を診断することにある。また、上記実施例は、膜モジュールが、縦型でかつ原水を膜の一次側の膜モジュール軸方向の集水部（エンドキャップ）を介して注入し、膜の二次側にろ過水を膜モジュール軸方向の両側または片側に送出する場合について述べたが、他の膜モジュールの形式やモジュール構造に対しても、この発明の技術思想の範囲内において適用できる。

本発明のろ過膜の膜損傷検知試験方法の実施例に係る試験の初期状態を示す要部システム系統図。 膜モジュールの一次側の水を自然排出し中間水位に到達後の状態を示すシステム系統図。 圧力保持状態を示すシステム系統図。 膜モジュールの一次側の水位と経過時間との関係を説明する模式図。 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。

２０：膜モジュール、２０ａ：膜モジュールの一次側、２０ｂ：膜モジュールの二次側、２０ｃ：膜モジュールの集水部（エンドキャップ）、２０ｄ：プラグ、２１：開閉弁（ろ過水ライン弁）、２２ａ，２２ｂ：開閉弁（原水供給弁）、２３ａ，２３ｂ：開閉弁（排水弁）、２４：開閉弁（エア供給弁）、２５：開閉弁（エア抜き弁）、２６：開閉弁（ドレン弁）、３０：圧力計。

Claims (2)

1. ろ過膜を有する膜モジュールに加圧気体を導入し、予め設定した圧力に到達した際に前記加圧気体の導入を停止して加圧側を密閉し、密閉後の高圧空間における圧力の経時変化から膜損傷状態を診断するろ過膜の膜損傷検知試験方法において、
   前記膜モジュールを、縦型でかつ原水を膜モジュールの一次側の膜モジュール軸方向の集水部（エンドキャップ）を介して注入し、膜モジュールの二次側にろ過水を膜モジュール軸方向の両側または片側に送出するものとし、
   前記膜モジュールの一次側に加圧気体を導入し、気体の加圧により膜モジュールの一次側の水を二次側に移動させ、前記一次側の水位が、膜モジュール下側の前記エンドキャップ上端部に到達し、かつ加圧気体の圧力が加圧手段の設定圧力値に到達した時点で、加圧気体の導入を停止し、二次側には水が充填された状態で一次側の気体の圧力を保持し、この保持圧力の経時変化から膜損傷状態を診断することを特徴とするろ過膜の膜損傷検知試験方法。
2. 請求項１に記載の試験方法において、前記膜モジュールの一次側に加圧気体を導入し、気体の加圧により膜モジュールの一次側の水を二次側に移動させる前に、一次側の水を自重により自然落下させ、一次側の水位が、水位変動時間によって予め定めた所定の中間水位に到達後に、前記加圧気体の導入を開始することを特徴とするろ過膜の膜損傷検知試験方法。

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