JP5244672B2 - 水処理システム、及び水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、河川等の水をろ過して安全な飲料水を製造するための水処理システム、及び水処理方法に関する。

飲料水の安全性を確保する要求が増大してきており、河川等の水をろ過して安全な飲料水を製造することが求められてきている。近年、膜ろ過技術が向上してきており、これを利用した水処理が行われるようになってきている（例えば、特許文献１〜２参照）。

例えば、精密ろ過膜や限外ろ過膜は、多数の細孔を有しており、この細孔より大きい原水中に含まれる汚濁物質を膜によって取り除くことが可能であり、膜ろ過により浄水を得る膜ろ過装置が知られている。

特開２００５−２４６１５６号公報 特開２００７−２４５００１号公報

しかしながら、特に濁度の高い水の浄化するのは、容易ではなく、連続して水処理を行うと、膜の表面に汚濁物質が付着し、細孔が閉塞して浄化性能が低下する。そこで、膜ろ過水を逆流させて膜を定期的に洗浄する逆洗を行うことにより、浄化性能を回復させることが行われている。

逆洗を行うためには、加圧して送水する必要があり、ポンプが必要とされる。また、ろ過膜にて水処理を行うには、送水のため水処理システムにポンプを設置する必要があり、ポンプの数が増加すると、水処理システムの大型化、高コスト化を招く。

本発明の課題は、システムを簡略化しつつ安全性の向上した水を製造するための水処理システム、及び水処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、発明者は、逆洗に用いるため貯蔵する、精密ろ過膜によりろ過されたろ過水の一部を、限外ろ過膜に供給する構成とすることにより、上記課題を解決しうることを想到した。すなわち、本発明によれば、以下の水処理システム、及び水処理方法が提供される。

［１］ 水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜を有する第１膜モジュールと、前記第１膜モジュールを逆洗するために、前記第１膜モジュールにてろ過されたろ過水の少なくとも一部を貯蔵し、その貯蔵した前記ろ過水の一部を前記第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵した前記ろ過水をさらにろ過するために、下流に供給する貯蔵供給手段と、前記貯蔵供給手段の下流に設けられ、前記貯蔵供給手段から供給された前記ろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜を有する第２膜モジュールと、を備え、前記貯蔵供給手段は、貯蔵した前記ろ過水を加圧して前記第１膜モジュールに供給して前記第１膜モジュールを逆洗する、又は前記第２膜モジュールに供給する、２つの目的に使用する加圧手段を備える水処理システム。

［２］ 水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜を有する第１膜モジュールと、前記第１膜モジュールを逆洗するために、前記第１膜モジュールにてろ過されたろ過水の少なくとも一部を貯蔵し、その貯蔵した前記ろ過水の一部を前記第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵した前記ろ過水をさらにろ過するために、下流に供給する貯蔵供給手段と、前記貯蔵供給手段の下流に設けられ、前記貯蔵供給手段から供給された前記ろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜を有する第２膜モジュールと、前記第１膜モジュールと前記貯蔵供給手段との間に、前記第１膜モジュールから供給された前記ろ過水を貯蔵し、少なくともその一部を前記貯蔵供給手段へ供給するための第２貯蔵供給手段と、を備える水処理システム。

［３］ 前記貯蔵供給手段は、貯蔵した前記ろ過水を貯蔵量に応じて前記第１膜モジュール又は前記第２膜モジュールのいずれかに供給するための供給制御手段を備える前記［１］又は［２］に記載の水処理システム。

［４］ 精密ろ過膜を有する第１膜モジュールにより、水源から採取した原水をろ過し、そのろ過水を、貯蔵供給手段に貯蔵した後に、前記貯蔵供給手段に貯蔵された前記ろ過水を、前記第１膜モジュールと、限外ろ過膜を有する第２膜モジュールとに送水するための加圧手段にて加圧し、その貯蔵した前記ろ過水の一部を前記第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵した前記ろ過水を、前記貯蔵供給手段の下流に設けられ、前記貯蔵供給手段から供給された前記ろ過水をさらにろ過するための前記第２膜モジュールにてろ過する水処理方法。

本発明の水処理システム及び水処理方法は、河川、湖沼、井戸等の水源から採取した原水を安全な飲料水とすることができる。逆洗に用いるため貯蔵する、精密ろ過膜によりろ過されたろ過水の一部を、限外ろ過膜に供給することにより、逆洗のために加圧手段と、限外ろ過膜へのろ過水の供給のための加圧手段とを共通化し、限外ろ過膜に供給するための加圧構造を簡略化することができる。これにより、水処理システムの大型化を防ぎ、システムの製造コストを低減することができる。

本発明の水処理システムの実施形態１を示す模式図である。 多孔質体の一実施形態を示す斜視図である。 精密ろ過膜を有する多孔質体の内壁面の膜構造を示す模式図である。 第１膜モジュールを示す模式図である。 限外ろ過膜を有する多孔質体の内壁面の膜構造を示す模式図である。 第２膜モジュールを示す模式図である。 本発明の水処理システムの実施形態２を示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明の水処理方法は、精密ろ過膜を有する第１膜モジュールにより、水源から採取した原水をろ過し、そのろ過水を、貯蔵供給手段に貯蔵した後に、貯蔵供給手段に貯蔵されたろ過水を加圧し、その貯蔵したろ過水の一部を第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵したろ過水を、貯蔵供給手段の下流に設けられ、貯蔵供給手段から供給されたろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜を有する第２膜モジュールにてろ過する方法である。

図１に本発明の水処理システムの実施形態１の模式図を示す。水処理システム１は、水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜を有する第１膜モジュール１１と、第１膜モジュール１１を逆洗するために、第１膜モジュール１１にてろ過されたろ過水の少なくとも一部を貯蔵し、その貯蔵したろ過水の一部を第１膜モジュール１１の逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵したろ過水をさらにろ過するために、下流に供給する貯蔵供給手段１３と、貯蔵供給手段１３の下流に設けられ、貯蔵供給手段１３から供給されたろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜２９を有する第２膜モジュール１２と、を備える。

第１膜モジュール１１は、水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜（ＭＦ膜）２８を有する。第１膜モジュール１１は、例えば、図２に示すような多孔質体２０を内部に備える。そして、多孔質体２０のセル２３の内壁面は、図３に示すように、基材（支持層）２１上に精密ろ過膜（緻密層）２８が形成され、この緻密層２８には例えば０．１μｍの細孔が形成されている。

図４に示すように、第１膜モジュール１１は、両端面をＯリング３１等で封止した状態で多孔質体２０をケーシング３２内に設置したものである。このような構造によれば、原水を入口側端面２５からセル２３に導入すると、セル２３内壁に形成された精密ろ過膜２８によって原水をろ過することができる。

貯蔵供給手段１３は、第１膜モジュール１１によってろ過されたろ過水を貯蔵するタンクであり、その貯蔵したろ過水を、第１膜モジュール１１の逆洗のため第１膜モジュール１１へ、又は、さらにろ過するために第２膜モジュール１２へ供給するためのものである。

貯蔵供給手段１３は、第１膜モジュール１１によってろ過されたろ過水を貯蔵するタンクであり、その貯蔵したろ過水を、第１膜モジュール１１の逆洗のため第１膜モジュール１１へ、又は、さらにろ過するために第２膜モジュール１２へ供給するためのものである。

貯蔵供給手段１３は、貯蔵したろ過水を貯蔵量に応じて第１膜モジュール１１又は第２膜モジュール１２のいずれかに供給するための供給制御手段として、レベルセンサー１６を備える。レベルセンサー１６は、タンク内の液面レベルを測定するものであり、例えば、超音波式、静電容量式等を利用することができる。レベルセンサー１６により、貯蔵供給手段１３内のろ過水の貯蔵量を判定することができる。

水処理システム１は、第１膜モジュールと貯蔵供給手段との間に、第１膜モジュールから供給されたろ過水を貯蔵し、少なくともその一部を貯蔵供給手段へ供給するための第２貯蔵供給手段１４を備える。第２貯蔵供給手段１４は、第１モジュール１１によってろ過されたろ過水を一時的に貯蔵し、貯蔵供給手段１３、又はその他の下流に供給するため、タンクによって構成されている。

第２膜モジュール１２は、貯蔵供給手段１３から供給されたろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜２９を有する。第２膜モジュール１２は、第１膜モジュール１１と同様に、多孔質体４０を備える。多孔質体４０は、図２に示すような多孔質体４０のセル２３の内壁面上に、図５に示すように、細孔径が例えば０．１μｍの精密ろ過膜２８上に、巨大分子のふるいわけが可能な分離層を有する限外ろ過膜２９が形成されたものである。この限外ろ過膜２９に対して、使用用途に応じた細孔径を選択することができる。なお、選択可能な細孔径は０．１μｍ〜２ｎｍの範囲にあり、被処理水の除去対象物質に応じて限外ろ過膜２９の孔径を選択する。図６に示すように、第２膜モジュール１２は、両端面をＯリング３１等で封止した状態で多孔質体４０をケーシング３２内に設置したものである。

つまり、多孔質材料で形成された基材２１のセル２３の内壁面に、限外ろ過膜（ＵＦ膜）２９が形成されている。限外ろ過膜は、０．１μｍ〜２ｎｍの範囲の粒子や高分子を阻止する膜であり、上記の範囲外の限外ろ過膜から選択することも可能である。

水処理システム１は、第１膜モジュール１１、第２貯蔵供給手段１４、貯蔵供給手段１３、及び第２膜モジュール１２がそれぞれ配管で接続されてシステムが構成されている。配管には、原水、又はろ過水の流通を制御するためのバルブ（ＡＶ０１〜１０）が備えられている。バルブとして、自動制御バルブを用いているが、第２膜モジュール１２については、配管路内の圧力を一定値に保持した状態で膜ろ過することになる。

次に、水処理システム１の運転方法について、図１を参照しつつ具体的に説明する。まず、バルブＡＶ０１を開状態として、河川、湖沼、井戸等の水源から採取した原水を第１膜モジュール１１に供給する。第１膜モジュール１１によってろ過した水を、バルブＡＶ０２を開状態とすることにより、第２貯蔵供給手段１４にろ過水を供給し、貯蔵する。

バルブＡＶ０６を開状態とすることにより、下流にろ過水を供給することができる。バルブＡＶ０６の下流は、精密ろ過膜２８によるろ過にて十分であれば、そのまま利用することもできるし、塩素消毒等を行い飲料水として利用することもできる。

バルブＡＶ０６を閉状態、バルブＡＶ０５を開状態とすることにより、第１膜モジュール１１にてろ過されたろ過水を第２貯蔵供給手段１４から貯蔵供給手段１３に供給することができる。貯蔵供給手段１３には、レベルセンサー１６が備えられており、タンク内のろ過水の貯蔵量をモニターすることができる。液面が高位置（Ｈｉｇｈ）となることにより、バルブＡＶ０５を閉状態とする。バルブＡＶ１０を開状態とすることにより、コンプレッサー１５によってタンク内が加圧される。

タンク内の液面が高位置（Ｈｉｇｈ）である場合に、バルブＡＶ０３，ＡＶ０４を開状態とすることにより、加圧された貯蔵供給手段１３内のろ過水を第１膜モジュール１１に送水し、逆洗を行うことができる。レベルセンサー１６にて、界面が低位置（Ｌｏｗ）となれば、逆洗を終了する。

一方、液面が高位置（Ｈｉｇｈ）である場合、または液面が中位置（Ｍｉｄｄｌｅ）で逆洗を終了した場合に、バルブＡＶ０７，ＡＶ０８を開状態として第２膜モジュール１２にろ過水を供給することができる。これにより、第２膜モジュール１２内の限外ろ過膜２９にてろ過水をさらにろ過することができる。そして、バルブＡＶ０９を開状態とすることにより、ろ過水を利用することができる。

以上のように構成することにより、貯蔵供給手段１３内のろ過水を加圧するための加圧手段のコンプレッサー１５を、第１膜モジュール１１を逆洗するためと、第２膜モジュール１２にろ過水を供給するために利用することができる。つまり、加圧するためのコンプレッサー１５を２つの目的に使用するため、水処理システムの加圧システムを簡略化することができる。

図７に本発明の水処理システムの実施形態２を示す。水処理システム１は、水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜２８を有する第１膜モジュール１１と、第１膜モジュール１１を逆洗するために、第１膜モジュール１１にてろ過されたろ過水の少なくとも一部を貯蔵し、その貯蔵したろ過水の一部を第１膜モジュール１１の逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵したろ過水をさらにろ過するために、下流に供給する貯蔵供給手段１３と、貯蔵供給手段１３の下流に設けられ、貯蔵供給手段１３から供給されたろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜２９を有する第２膜モジュール１２と、を備える。

本実施形態は、第１膜モジュール１１と貯蔵供給手段１３との間に、第１膜モジュール１１から供給されたろ過水を貯蔵し、少なくともその一部を貯蔵供給手段１３へ供給するための第２貯蔵供給手段１４が備えられていない。そのため、第１膜モジュール１１によってろ過されたろ過水は、貯蔵供給手段１３に直接供給されて、貯蔵される。本実施形態における水処理システムの運転方法は、実施形態１とほぼ同様である。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１に示した水処理システム１を作製した。第１膜モジュール１１として、ＭＦ膜を用いた。また、第２膜モジュール１２として、ＵＦ膜を用いた。貯蔵供給手段１３のタンクの容量は、１００Ｌ、第２貯蔵供給手段１４のタンクの容量は、１０００Ｌであった。貯蔵供給手段１３のタンクを加圧するためのコンプレッサー１５を用いた。

ＭＦ膜は一次側（供給側）から加圧し、膜の二次側（透過側）との膜間差圧２０〜８０ｋＰａで膜ろ過運転を行い、濁度１００ＮＴＵ以上の原水を第１膜モジュール１１に供給した。第１膜モジュール１１によってろ過されたろ過水を第２貯蔵供給手段１４に供給し、バルブＡＶ０５を開状態とすることにより、貯蔵供給手段１３のタンク内にろ過水を貯蔵した。

貯蔵供給手段１３のタンク内を、３００〜５００ｋＰａに加圧し、バルブＡＶ０３，ＡＶ０４を開状態とすることにより、第１膜モジュール１１を逆洗した。また、貯蔵供給手段１３のタンク内を、３００〜５００ｋＰａに加圧し、バルブＡＶ０７，ＡＶ０８を開状態とすることにより、第２膜モジュール１２による膜ろ過をした。

以上により、第１膜モジュール１１を十分に逆洗することができた。また、第２膜モジュール１２まで、ろ過水を送水し、バルブ０９を開状態とすることにより、ＵＦ膜にてウイルス等が除去されたろ過水を得ることができた。つまり、ＵＦ膜で、溶存態のミネラル成分を除去しないことにより水の「うまさ」を損なわず、人体の健康リスクに影響を及ぼすウイルス（２０〜３０ｎｍ程度）を除去することができた。

以上のように、逆洗水槽（貯蔵供給手段１３）に残留する圧力をＵＦ膜（第２膜モジュール１２）への水供給及び、膜ろ過駆動力に有効利用することによって、供給ポンプの設置を省略し、全システムにおける運転コストを１〜２０％低減することができる。

本発明の水処理システム及び水処理方法は、原水を浄化して安全な飲料水とすることができ、河川、湖沼、井戸等の水源から採取した原水を飲料水とするためのシステム、方法として利用することができる。

１：水処理システム、１１：第１膜モジュール、１２：第２膜モジュール、１３：貯蔵供給手段、１４：第２貯蔵供給手段、１５：コンプレッサー、１６：レベルセンサー、２０：多孔質体、２１：基材、２２：隔壁、２３：セル、２５：入口側端面、２８：精密ろ過膜、２９：限外ろ過膜、３１：Ｏリング、３２：ケーシング、４０：多孔質体。

Claims (4)

1. 水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜を有する第１膜モジュールと、
   前記第１膜モジュールを逆洗するために、前記第１膜モジュールにてろ過されたろ過水の少なくとも一部を貯蔵し、その貯蔵した前記ろ過水の一部を前記第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵した前記ろ過水をさらにろ過するために、下流に供給する貯蔵供給手段と、
   前記貯蔵供給手段の下流に設けられ、前記貯蔵供給手段から供給された前記ろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜を有する第２膜モジュールと、
   を備え、
   前記貯蔵供給手段は、貯蔵した前記ろ過水を加圧して前記第１膜モジュールに供給して前記第１膜モジュールを逆洗する、又は前記第２膜モジュールに供給する、２つの目的に使用する加圧手段を備える水処理システム。
2. 水源から採取した原水をろ過するための精密ろ過膜を有する第１膜モジュールと、
   前記第１膜モジュールを逆洗するために、前記第１膜モジュールにてろ過されたろ過水の少なくとも一部を貯蔵し、その貯蔵した前記ろ過水の一部を前記第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵した前記ろ過水をさらにろ過するために、下流に供給する貯蔵供給手段と、
   前記貯蔵供給手段の下流に設けられ、前記貯蔵供給手段から供給された前記ろ過水をさらにろ過するための限外ろ過膜を有する第２膜モジュールと、
   前記第１膜モジュールと前記貯蔵供給手段との間に、前記第１膜モジュールから供給された前記ろ過水を貯蔵し、少なくともその一部を前記貯蔵供給手段へ供給するための第２貯蔵供給手段と、を備える水処理システム。
3. 前記貯蔵供給手段は、貯蔵した前記ろ過水を貯蔵量に応じて前記第１膜モジュール又は前記第２膜モジュールのいずれかに供給するための供給制御手段を備える請求項１又は２に記載の水処理システム。
4. 精密ろ過膜を有する第１膜モジュールにより、水源から採取した原水をろ過し、
   そのろ過水を、貯蔵供給手段に貯蔵した後に、
   前記貯蔵供給手段に貯蔵された前記ろ過水を、前記第１膜モジュールと、限外ろ過膜を有する第２膜モジュールとに送水するための加圧手段にて加圧し、
   その貯蔵した前記ろ過水の一部を前記第１膜モジュールの逆洗に使用する一方、逆洗に使用しなかった、貯蔵した前記ろ過水を、前記貯蔵供給手段の下流に設けられ、前記貯蔵供給手段から供給された前記ろ過水をさらにろ過するための前記第２膜モジュールにてろ過する水処理方法。

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