JP5618874B2 - ファウリング生成の予測方法及び膜ろ過システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、膜ろ過の際に膜におけるファウリング生成の予測方法及びこの予測方法を利用して処理する膜ろ過システムに関する。

水処理分野において、イオンや塩類等の溶質を含む海水、汽水、地下水、埋立地浸出水又は産業廃水等の原水から膜モジュールを用いて生活用水、工業用水又は農業用水等を得る方法がある。例えば、膜モジュールに使用される逆浸透膜（RO膜（Reverse Osmosis Membrane））は、水を透過させるが水以外の不純物（イオンや塩類等）を透過させない膜である。具体的には、溶質の濃度に応じた浸透圧以上の圧力をかけることによって、水と溶質とを分離することができる。

このような膜モジュールで海水をろ過すると、海水中の溶存有機物、微生物、微生物等が放出する粘性の高い有機物、無機イオン等が原因で、膜表面に生物的な汚れであるファウリング（バイオファウリング）が生成される。ファウリングは不可逆的な汚れであって、ろ過性を著しく低下させるため、膜モジュールではファウリングの生成を抑制する必要がある。

ファウリングの生成の抑制には、ファウリングの要因物質の量の測定やファウリング生成の可能性の予測を利用したろ過システムの運転条件や洗浄条件等の操作が行われている。ファウリングの要因物質量の測定やファウリング生成の可能性の予測には、例えば、原水の濁度、JIS K3802に定義されているファウリングインデックス（FI）、TSTM D4189/22に定義されているシルト濃度指数（SDI）、修正ファウリング指数（Modified Fouling Index：MFI）等が用いられている。また例えば、ファウリングの要因物質量の測定やファウリング生成の可能性の予測には、全有機炭素濃度や紫外線吸光度等の水質指標や、原水中の有機物の大きさを表わす分子量、有機物の水に対する親和性（親水性や疎水性）等の指標も用いられている。さらに、近年では、原水の蛍光強度の測定結果を利用する方法もある（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、原水中でファウリングの要因となる物質は単一の物質ではなく、複数の物質が相互に作用しあってファウリングを生成している。したがって、上述したような方法で要因物質量やファウリング生成の可能性を予測した場合、複数の要因が作用し合っていることは考慮されず、正確なファウリング生成の予測がしにくい問題がある。

特開２００７−２５２９７８号公報

上記課題に鑑み、膜ろ過の際に膜におけるファウリングの生成をより正確に予測するファウリング生成の予測方法及びこの予測方法を利用した予測結果をろ過の運転条件や膜の洗浄条件に利用する膜ろ過システムを提供する。

実施形態に係る予測方法は、膜モジュールでろ過する前の原水に、波長の異なる複数の励起光を照射するステップと、複数の励起光の照射により、それぞれ複数の蛍光強度を測定するステップと、蛍光強度の範囲毎に優先付けで定められた係数と、測定された複数の蛍光強度の値とを利用してファウリングの生成を予測するステップとを備える。

第１実施形態に係る膜ろ過システムを説明する図である。 原水に含まれる物質の励起波長と蛍光波長の関係を説明する図である。 原水に含まれるファウリング要因物質とその寄与度を説明する図である。 第２実施形態に係る膜ろ過システムを説明する図である。 第３実施形態に係る膜ろ過システムを説明する図である。

以下に、図面を用いて本発明の実施形態に係るファウリング生成の予測方法及び膜ろ過システムについて説明する。この膜ろ過システムは、イオンや塩類等の溶質を含む海水、汽水、地下水、埋立地浸出水又は産業廃水等を膜ろ過するシステムである。また、この予測方法は、膜ろ過システムにおけるろ過の際に、膜へのファウリング（バイオファウリング）の蓄積を防止や除去のため、ファウリングの要因となる物質を測定し、ファウリングの生成を予測する方法である。以下の説明では、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

〈第１実施形態〉
図１に示すように、第１実施形態に係る膜ろ過システム１００は、原水槽１と、供給ポンプ２と、蛍光分析計２０と、保安フィルタ７と、高圧ポンプ８と、逆浸透膜モジュール９と、処理水槽１０とを備えている。また、膜ろ過システム１００は、ファウリング予測部２２、運転操作処理部２３とを備えている。

原水槽１は、ラインＬ１を介して海水等の処理対象の原水が供給され、供給された原水を貯留する。原水槽１は、ラインＬ２を介して保安フィルタ７と接続されている。原水槽１内で貯留される原水は、ラインＬ２上に設置される供給ポンプ２によって、保安フィルタ７に送られる。

保安フィルタ７は、逆浸透膜モジュール９での膜の目詰まりを抑制するため、ある程度粒径が大きな濁質等を原水から除去する。保安フィルタ７は、ラインＬ３を介して逆浸透膜モジュール９と接続されている。保安フィルタ７で粒径の大きな濁質が取り除かれた原水は、ラインＬ３上に設置される高圧ポンプ８によって、逆浸透膜モジュール９に送られる。ここで、高圧ポンプ８は、保安フィルタ７を通過した原水を、逆浸透膜モジュール９で必要な高圧（例えば、６ＭＰａ）の状態に昇圧する。

逆浸透膜モジュール９は、原水に含まれるイオンや塩類等の溶質を除去するろ過膜で構成される。逆浸透膜モジュール９のろ過で得られた処理水は、ラインＬ４を介して処理水槽１０に送られ、その後、ラインＬ６から送出され、処理水として使用されたり処理されたりする。また、逆浸透膜モジュール９で処理水が得られた後に残った濃縮水は、ラインＬ５を介して排出されて処理される。

図１に示すように、膜ろ過システム１００は、ラインＬ２を流れる原水の蛍光強度を測定する蛍光分析計２０を有している。分子に励起光を当てると、物質は励起状態へ遷移し、その後、物質が元の基底状態へ戻る際に様々な波長の蛍光を放出する。この蛍光強度は物質量に比例するため、蛍光分析は物質量の定量に広く用いられており、膜ろ過システムでも蛍光分析計２０を利用した蛍光分析によって原水に含まれる物質量を求めている。

海水に含まれるファウリングの生成の原因物質にタンパク質様物質、フミン様物質、クロロフィルａ等がある。図２は、３次元励起蛍光スペクトルで得られた各物質のピークと測定条件について説明する図である。

図２で示すピーク１は、タンパク質様物質のピーク領域を特定している。ある種のタンパク質様物質の量は、比較的低波長である２００〜２５０ｎｍ付近の励起光を照射し、波長２５０〜４００ｎｍ付近の蛍光を測定して求めることができる。

図２で示すピーク２は、フミン様物質（ｈｕｍｉｎ）のピーク領域を特定している。フミン様物質は、水中に存在する有機物の中で代表的な物質であって、主として、植物等が微生物により分解される種々雑多な有機化合物によって構成される高分子化合物の１つであり、樹木等のセルロースやリグニン酸が酸化される過程で生じる有機物である。浄化処理においては、フミン様物質は、トリハロメタンの前駆物質と考えられており、塩素処理により、塩素と反応して処理水中のトリハロメタンが増大する。このフミン様物質の量は、フミン様物質を主とする溶存有機物の量を示す波長として、例えば、波長３００〜３５０ｎｍの励起光を照射して、例えば、波長４００〜４５０ｎｍの蛍光を測定して求めることができる。

図２で示すピーク３は、クロロフィルａのピークを特定している。藻類量の目安となるクロロフィルａ濃度の量は、４３０ｎｍ付近の励起光を照射して、６６０ｎｍ付近の蛍光を測定して求めることができる。

蛍光分析計２０は、複数の蛍光強度を測定することができるものであればよい。例えばこの蛍光分析計２０は、測定条件の異なる蛍光強度を測定することができる複数の分析計を集めて１つの蛍光分析計としてもよい。または、この蛍光分析計２０は、一度の測定条件の異なる複数の蛍光強度を測定することのできる分析計であってもよい。

なお、この励起光を照射する前段では、原水に予め前処理を施してもよい。例えば、前処理としては、ストレーナのようなフィルタを用いて粒径の大きな濁質成分を除去したりする方法を用いても良いし、一般的な濁度計のようなセンサの前処理として用いられている脱泡槽を用いても良い。

ファウリング予測部２２は、蛍光分析計２０の測定結果を利用して、ファウリングの生成を予測する。ファウリング予測部２２は、蛍光分析計２０の測定結果で得られる複数の蛍光強度と、この複数の蛍光強度に定められる優先付けに対する重み係数を使用して、原水に含まれる複数の要因物質の含有量を求め、ファウリングが生成される可能性を予測することができる。

近年、膜表面に生成されるファウリングの生成メカニズムにおいては、海水中の微生物や、微生物が放出する有機物（例えば、光透過性の細胞外ポリマー粒子（Transparent Exopolymer Particles））、フミン様物質、タンパク質様物質等の溶存有機物が主要因であることが分かってきている。また、原水中に存在する微生物や微生物が放出する有機物の濃度は、原水のクロロフィルａ濃度と相関があり、クロロフィルａの濃度を測定することにより、間接的に微生物量や微生物が放出する有機物量を把握することができる。膜ろ過システム１００では、これらの関係から各要因物質について優先付けを行って定めた重み係数Ａ，Ｂ，Ｃを有している。

例えば、タンパク質様物質、フミン様物質、クロロフィルａによるファウリングの生成寄与の度合いを比較したとき、タンパク質様物質が最も生成寄与の度合いが最も高く、クロロフィルａが最も低いとする。このとき、タンパク質用物質の重み係数Ａ、フミン様物質の重み係数Ｂ、クロロフィルａの重み係数Ｃは、Ａ＞Ｂ＞Ｃの関係になる。

また、蛍光分析計２０で得られた各蛍光強度がそれぞれタンパク質様物質でＦ（１）、フミン様物質でＦ（２）、クロロフィルａでＦ（３）であるとき、ファウリング予測部２２は、ファウリングの生成の可能性を表わす値Ｘを式（１）を用いて求める。

Ｘ＝Ａ×Ｆ（１）＋Ｂ×Ｆ（２）＋Ｃ×Ｆ（３） …（１）
このように、ファウリング生成に対する寄与の度合いを表わす重み係数を用いることで、測定された複数の蛍光強度のファウリング生成に対する寄与の度合いを加味して評価を行なうことができる。すなわち、ファウリング生成に対する寄与の度合いが高いＦ（１）の蛍光強度が小さいときには、寄与の度合いが低いＦ（３）の蛍光強度が大きくても、被処理水全体としてのファウリングの生成の可能性は小さくなる。

図３は、式（１）を利用せずに、測定波長の異なる複数の原水の蛍光強度からファウリングの生成の可能性を求めるテーブルを表わす図である。例えば、ファウリング生成の寄与の度合いが大きいタンパク質様物質の濃度が高くＦ（１）の値が大きい場合、原水のファウリング生成の可能性が高くなりやすい結果（レベル１やレベル２）となる。ここでは生成の可能性の高いものをレベル１としている。また例えば、ファウリング生成の寄与の度合いが大きいタンパク質様物質の濃度が低くＦ（１）の値が小さい場合、原水のファウリング生成の可能性が低くなりやすい結果（レベル３やレベル４）となる。

運転操作処理部２３は、ファウリング予測部２２でファウリングの生成について予測されると、ファウリング予測部２２で求められた値を利用して、供給ポンプ２とラインＬ５上に設けられた調整弁Ｂ１とを操作する。すなわち、ろ過の流量が多い方がファウリング生成量が増加する。したがって、例えば、運転操作処理部２３は、ファウリング予測部２２の予測の結果でファウリング生成の可能性が所定値より大きくなった場合、供給ポンプ２及び調整弁Ｂ１を調節して逆浸透膜モジュール９からラインL4に透過する処理水の流量を少なくし、ファウリング生成の可能性が所定値より小さくなった場合、供給ポンプ２及び調整弁Ｂ１を調節して逆浸透膜モジュール９からラインＬ４に透過する処理水の流量を多くする。

上述したように、膜ろ過システム１００及びこの膜ろ過システムで利用されるファウリング生成の予測方法では、測定条件の異なる蛍光強度を測定することにより、逆浸透膜モジュール９へ通水される原水の複数の蛍光強度を測定することができる。したがって、本発明の第１実施形態に係る膜ろ過システム１００及びファウリング生成の予測方法では、複数の蛍光強度の値からファウリングの生成の可能性をより正確に予測することができる。また、膜ろ過システム１００では、このように予測された可能性を利用して膜モジュールでファウリングが生成されないようにシステムの運転を操作することができる。

なお、図１に示す例では、蛍光分析計２０は、ラインＬ２に設置され、ラインＬ２を流れる原水を測定するものであるが、逆浸透膜モジュール９に流入する原水の蛍光強度を測定することのできる位置であれば、ラインＬ３やラインL１や原水槽１等、他の位置に設置されていてもよい。また、図１に示す例では、１つの逆浸透膜モジュールで原水をろ過する例で説明したが、さらに良質な水質を得るため、逆浸透膜モジュールを多段にしてもよい。

〈第２実施形態〉
図４に示すように、第２実施形態に係る膜ろ過システム２００は、図１を用いて上述した膜ろ過システム１００と比較すると、供給ポンプ２と保安フィルタ７の間に、膜モジュール３、第１処理水槽４、第２供給ポンプ６、洗浄用ポンプ２４及びコンプレッサ１１を備えている点で異なる。また、この膜ろ過システム２００では、図１に示した処理水槽１０は第２処理水槽１０となり、供給ポンプ２は第１供給ポンプ２となる。

膜モジュール３は、例えば、ＭＦ膜（精密ろ過膜）又はＵＦ膜（限外ろ過膜）を利用する膜モジュールであって、逆浸透膜モジュール９で処理する前の原水に含まれる濁度、藻類、微生物等の不溶解性成分を原水から除去する。この膜モジュール３は、ラインＬ２１を介して原水槽１と接続されており、ラインＬ２１上に設置される第１供給ポンプ２によって、原水槽１から原水が送られる。膜モジュール３における処理で得られた処理水は、ラインＬ２２を介して第１処理水槽４に送られる。

第１処理水槽４は、ラインＬ２４を介して保安フィルタ７と接続されている。第１処理水槽４内の処理水は、ラインＬ２４上に設置される第２供給ポンプ６によって、保安フィルタ７に送られ、その後は図１を用いて上述した場合と同様に処理される。

膜モジュール３は、第1処理水槽から分岐するラインＬ２５を介して洗浄用ポンプ２４により処理水が供給されることで、逆洗浄される。逆洗浄の排水はライン２３を通って排水される。また、膜モジュール３は、コンプレッサ１１から圧縮された空気等の気体が供給され、洗浄される。

また、膜ろ過システムの運転操作処理部２３は、ファウリング予測部２２による予測結果を利用して、第１供給ポンプ２に加え、第２供給ポンプ６及びコンプレッサ１１も操作する。一般に、空気洗浄の流量が多い程、また、洗浄時間が長い程、膜表面に付着した汚れが剥離し、ファウリングの生成は抑制される。したがって、例えば、運転操作処理部２３は、ファウリング生成予測部２２の予測の結果でファウリング生成の可能性が所定値より大きくなった場合、コンプレッサ１１を調節して空気洗浄の流量を多くしたり洗浄時間を長くしたりする。一方、運転操作処理部２３は、ファウリング生成予測部２２の予測結果でファウリング生成の可能性が所定値より小さくなった場合、コンプレッサ１１を調節して空気洗浄の流量を少なくしたり洗浄時間を短くしたりする。

その他、運転操作処理部２３は、洗浄用ポンプ２４を利用してラインＬ２５から逆洗水を供給供給して膜モジュール３の逆洗浄を制御する。逆洗浄とは、膜の透過側から水を反対の流れの方向に送水することで、膜表面に付着した汚れを除去する洗浄方法である。一般に、逆洗浄の流量が多い程、また洗浄時間が長い程、膜表面に付着した汚れが剥離し、ファウリングの生成は抑制される。したがって、例えば、運転操作処理部２３は、ファウリング生成予測部２２の予測の結果でファウリング生成の可能性が所定値より大きくなった場合、逆洗浄の流量を多くしたり洗浄時間を長くしたりする。一方、運転操作処理部２３は、ファウリングの生成の可能性が所定値より小さくなった場合、逆洗浄の流量を少なくしたり洗浄時間を短くしたりする。

上述したように、膜ろ過システム２００及びこの膜ろ過システムで利用されるファウリング生成の予測方法では、測定条件の異なる蛍光強度を測定することにより、膜モジュール３又は逆浸透膜モジュール９へ通水される原水の複数の蛍光強度を測定することができる。したがって、本発明の第２実施形態に係る膜ろ過システム２００及びファウリング生成の予測方法では、複数の蛍光強度の値からファウリングの生成の可能性をより正確に予測することができる。また、膜ろ過システム２００では、このように予測された可能性を利用して膜モジュールでファウリングが生成されないようにシステムの運転を操作したり、逆洗浄を操作することができる。

また、ＭＦ膜又はＵＦ膜を利用して前処理した場合には、原水中のファウリングの要因物質を測定してファウリング生成の予測をするに加え、原水中の不溶解性成分を除去したうえで逆浸透膜モジュールで処理する。したがって、膜ろ過システム２００では、ファウリングの生成を防止することができる。

〈第３実施形態〉
図５に示すように、第３実施形態に係る膜ろ過システム３００は、図４を用いて上述した膜ろ過システム２００と比較すると、水質指標測定計２１を備えている点で異なる。また、ファウリング予測部２２は、蛍光分析計２０の測定結果に加え、水質指標測定計２１の測定結果を利用してファウリングの生成を予測する。

ファウリングの生成は、原水に含まれる物質量の他、水温、気温、ｐＨ、全有機炭素濃度、紫外線吸光度、ファウリングインデックス（FI）、シルト濃度指数（SDI）、修正ファウリング指数（MFI）等の他の要因も影響される。したがって、水質指標測定計２１は、このような蛍光強度以外のファウリング生成の要因となる原水の水質に関する値を測定する。ここでは、水質指標測定計２１は、原水の水温（α）、この膜ろ過システム３００が存在する位置の気温（β）、原水のｐＨ値（γ）を測定するものとして説明する。

ファウリング予測部２２は、例えば、式（２）に示すように、水温、気温、ｐＨ等の蛍光強度以外の水質指標を利用してファウリング予測の結果を補正する。

Ｘ＝Ａ×Ｆ（１）＋Ｂ×Ｆ（２）＋Ｃ×Ｆ（３）＋Ｆ（α，β，γ） …（２）
上述したように、第３実施形態に係る膜ろ過システム３００及びこの膜ろ過システムで利用されるファウリング生成の予測方法では、測定条件の異なる蛍光強度及び他の水質を測定することにより、ファウリングの生成の可能性をより正確に予測することができる。また、膜ろ過システム３００では、このように予測された可能性を利用して膜モジュールでファウリングが生成されないようにシステムの運転を操作したり、逆洗浄を操作することができる。

本発明の各実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，２００，３００…過システム
１…原水槽
２…供給ポンプ，第１供給ポンプ
３…膜モジュール
４…第１処理水槽
６…第２供給ポンプ
７…保安フィルタ
８…高圧ポンプ
９…逆浸透膜モジュール
１０…処理水槽，第２処理水槽
１１…コンプレッサ
２０…蛍光分析計
２１…水質指標測定計
２２…ファウリング予測部
２３…運転操作処理部

Claims (6)

1. イオン又は塩分を含む原水をろ過する膜モジュールでのファウリング生成の予測方法であって、
   膜モジュールでろ過する前の原水に、波長の異なる複数の励起光を照射するステップと、
   原水に含まれる各物質がそれぞれ特定の波長の励起光が照射されることで放出する所定の波長の蛍光の蛍光強度の値を測定するステップと、
   予め定められた励起光の波長の範囲と蛍光の波長の範囲毎に、当該励起光の範囲の波長の励起光が原水に照射されたときの当該蛍光の波長の範囲で測定された蛍光強度の値を、照射された当該励起光の範囲の波長の励起光に対して当該蛍光の範囲の波長の蛍光を放出する物質のファウリングの生成の寄与の大きさを表す係数で重みづけしてファウリングの生成の寄与の評価の値をそれぞれ求めるステップと、
   各励起光の波長の範囲と蛍光の波長の範囲について求められたファウリングの生成の寄与の評価の値を合わせてファウリングの生成を予測するステップと、
   を備えることを特徴とするファウリング生成の予測方法。
2. 前記励起光の波長の範囲の励起光と前記蛍光の波長の範囲の蛍光とはそれぞれ、
   ２００〜２５０ｎｍの波長範囲にある第１励起光と、この第１励起光により得られる２５０〜４００ｎｍの波長範囲にある第１蛍光と、
   ３００〜３５０ｎｍの波長範囲にある第２励起光と、この第２励起光により得られる４００〜４５０ｎｍの波長範囲にある第２蛍光と、
   ４２０〜４８０ｎｍの波長範囲にある第３励起光と、この第３励起光により得られる６００〜７５０ｎｍの波長範囲にある第３蛍光とである
   ことを特徴とする請求項１に記載のファウリング生成の予測方法。
3. 膜モジュールでろ過する前の原水の水質指標を測定するステップをさらに備え、
   ファウリングの生成を予測するステップでは、係数及び蛍光強度の値とともに、測定された水質指標の値を利用する数式を利用してファウリングの生成を予測する
   ことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１に記載のファウリング生成の予測方法。
4. 前記水質指標の値は、原水の濁度、温度、ｐH値、全有機炭素濃度又は紫外線吸光度の少なくともいずれかの値であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のファウリング生成の予測方法。
5. 前記膜モジュールは逆浸透膜モジュールと、精密ろ過膜モジュール又は限外ろ過膜モジュールの組み合わせであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のファウリング生成の予測方法。
6. イオン又は塩分を含む原水をろ過する膜ろ過システムであって、
   膜モジュールでろ過する前の原水に、波長の異なる複数の励起光を照射し、原水に含まれる各物質がそれぞれ特定の波長の励起光が照射されることで放出する所定の波長の蛍光の蛍光強度の値を測定する蛍光分析計と、
   予め定められた励起光の波長の範囲と蛍光の波長の範囲毎に、前記蛍光分析計によって励起光の範囲の波長の励起光が原水に照射されたときの当該蛍光の波長の範囲で測定された蛍光強度の値を、照射された当該励起光の範囲の波長の励起光に対して当該蛍光の範囲の波長の蛍光を放出する物質のファウリングの生成の寄与の大きさを表す係数で重みづけしてファウリングの生成の寄与の評価の値をそれぞれ求めるとともに、各励起光の波長の範囲と蛍光の波長の範囲について求められたファウリングの生成の寄与の評価の値を合わせてファウリングの生成を予測するファウリング生成予測部と、
   を備えることを特徴とする膜ろ過システム。

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