JP5802580B2 - 膜ろ過装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、イオンや塩類などの溶質を含む汽水、海水、地下水又は埋立地浸出水、産業廃水、などの水処理に適した膜ろ過装置及び膜ろ過装置の前処理膜の洗浄方法に関する。

従来、水処理分野において、イオンや塩類などの溶質を含む汽水、海水、地下水又は埋立地浸出水、産業廃水、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逆浸透膜を有した逆浸透膜モジュールによるろ過が用いられている。逆浸透膜は、水を通しイオンや塩類など水以外の不純物は透過しない性質を持つ膜のことで、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り水と溶質を分離する。

こうした逆浸透膜モジュールを用いた膜ろ過システムでは、海水を逆浸透膜モジュールに通して脱塩する前に、取水した海水中に含まれる濁質、藻類、微生物などの不溶解性成分を除去するために前処理を行う技術が知られている。前処理を行うことにより、逆浸透膜への汚濁負荷を低減し、逆浸透膜の薬品洗浄頻度を長くし、長期間の安定的な運転が可能となる。

近年、この前処理には、精密ろ過膜（ＭＦ膜）及び限外ろ過膜（ＵＦ膜）などの前処理膜を有した膜モジュールが用いられている。このような膜モジュールによる海水の膜処理においては、海水中の濁質、溶存有機物、微生物、微生物が放出する粘性の高い有機物、無機イオンなどが原因で膜表面や内部に汚れが蓄積する。この膜の目詰まりの進行により膜の入口と出口の圧力差が徐々に増大し、透過流速（通称、フラックス）の低下もしくは原水供給ポンプの出力増大が発生する。

膜ろ過においては、一定時間の膜ろ過工程の後に洗浄工程として、膜の二次側（出口側）から洗浄水を送水して膜に付着した汚れを除去する。この洗浄を一般に逆洗と呼ぶが、逆洗で使用する洗浄水としては、膜ろ過においてろ過されたろ過水、もしくはろ過水が逆浸透膜を透過した脱塩水が用いられる。

ところで、逆洗で使用した洗浄水は系外に排出する技術が知られている。ここで、逆洗浄効果を高めるために多量の水を用いて洗浄すると、膜の差圧を回復させる観点からみると効果的である。しかしながら、逆洗で使用した洗浄水が系外に排出されるため、排出する洗浄水が多くなり単位時間当たりの造水プラントの生産水量の低下につながる。

この造水プラントにおいて、使用する原水に対して生産される生産水の割合を回収率と呼ぶ。ここで、回収率が低くなると目的とする生産水量に対して設備規模が大きくなり、イニシャル費用の増加と、動力費や薬品費などのランニング費用の増加にもなる。

特開２００２−２８２８５５号公報 特開２００４−２５０１８号公報 特開２０１１−３１１２１号公報 特開２０１０−２２７８５１号公報

発明が解決しようとする課題は、排出する洗浄水量を削減することにより回収率を向上させることにより、設備規模の増大やイニシャル費用の増加、動力費や薬品費などのランニング費用の増加を抑制することを可能とする膜ろ過装置及び膜ろ過装置の前処理膜の洗浄方法を提供することである。

実施形態によれば、原水中の不溶解性成分をろ過してろ過水を得る前処理膜を有する膜モジュールと、この膜モジュールの下流側に配置され，前記ろ過水を濃縮水と生産水に分離する逆浸透膜を有する逆浸透膜モジュールと、前記膜モジュールの前処理膜を洗浄する洗浄装置と、前記前処理膜の洗浄後の洗浄水から不溶解性成分を除去する遠心分離装置とを備えたことを特徴とする膜ろ過装置を提供できる。

第１の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。 第２の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。 第３の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。 第４の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。 第５の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。 第６の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。 第７の実施形態に係る膜ろ過装置の概略図。

以下、本実施形態に係る膜ろ過装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。膜ろ過装置は、膜モジュール１_１，１_２と、逆浸透膜（ＲＯ膜）モジュール２と、洗浄装置３と、遠心分離装置４とを備えている。前記膜モジュール１_１，１_２は、原水中の濁度，藻類，微生物などの不溶解性成分を除去する前処理膜１ａを有する。ここで、原水としては、例えばイオンや塩類などの溶質を含む汽水、海水、地下水又は埋立地浸出水、産業廃水などが挙げられる。前記ＲＯ膜モジュール２は、膜モジュール１_１，１_２の下流側に配置されて、前記ろ過水を濃縮水と生産水に分離する逆浸透膜（図示せず）を有する。前記洗浄装置３は、膜モジュール１_１，１_２の前処理膜１ａを洗浄する機能を有する。前記遠心分離装置４は、膜モジュール１_１，１_２の前処理膜１ａの洗浄後の洗浄水から不溶解性成分を分離、回収する機能を有する。

図１中の符号５は原水ポンプを示し、原水タンク６，バルブＶ１，送水ポンプ７を介装した配管８ａを介して膜モジュール１_１，１_２に接続されている。膜モジュール１_１，１_２の一次側、二次側の配管には、バルブＶ３，Ｖ４及びバルブＶ５，Ｖ６が介装されている。また、膜モジュール１_１，１_２には、バルブＶ７，Ｖ８を介装した配管８ｂが接続されている。配管８ｂはバルブＶ11を介装した配管８ｃとバルブＶ12を介装した配管８ｄに分岐され、一方の配管８ｃは前記遠心分離装置４に接続されている。この遠心分離装置４は洗浄水タンク９に接続されている。この洗浄水タンク９からの洗浄水は、バルブＶ２を介装した配管８ｅにより前記バルブＶ１と送水ポンプ７間の配管８ａに送られるようになっている。なお、洗浄水タンク９、配管８ａ〜８ｃ，８ｅ、送水ポンプ７、バルブＶ１〜Ｖ８，Ｖ11から前記洗浄装置３が構成されている。

前記膜モジュール１_１，１_２には、バルブＶ10を介装した配管８ｆを介してろ過水タンク１０に接続されている。このろ過水タンク１０は、逆洗ポンプ１１及びバルブＶ９を介装した配管８ｇを介してバルブＶ10の上流側の配管８ｆに接続されている。前記ろ過水タンク１０には、高圧ポンプ１２を介装した配管８ｈを介して前記ＲＯ膜モジュール２に接続されている。また、前記ろ過水タンク１０と高圧ポンプ１２間の配管８ｈで分岐した配管８ｉには動力回収装置１３が接続されている。この動力回収装置１３からの濃縮水Ｂは、動力回収用ポンプ１４により配管８ｈに送られるようになっている。なお、図１中の符号Ａは原水、符号Ｃは生産水、符号Ｅは汚泥、符号Ｆは排水、符号Ｇはろ過水、符号Ｈは洗浄水，符号Ｉは逆洗水を示す。

こうした構成の膜ろ過装置において、膜モジュールのろ過工程及び洗浄工程は次のようにして行われる。
（ろ過工程）
ろ過工程では、原水Ａを原水ポンプ５で原水タンク６に貯留し、送水ポンプ７で膜モジュール１_１，１_２に供給する。この時、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ10は開、Ｖ２，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９は閉とすることにより、ろ過水Ｇはろ過水タンク１0に貯留される。ろ過水Ｇは、高圧ポンプ１２によりＲＯ膜モジュール２に供給され、濃縮水Ｂと生産水Ｃに分離される。なお、膜モジュール１_１，１_２の入口と出口の差圧低減等の目的で、必要に応じて凝集剤注入装置１５で凝集剤を原水タンク６に供給し、図示しない攪拌機で原水タンク６内を攪拌してもよい。

（洗浄工程）
例えば、膜モジュール１_１，１_２の差圧が膜の耐圧から規定される許容値を超えた場合や、送水ポンプ７の能力を超えて必要な送水量を確保できなくなった場合、ろ過工程から洗浄工程に移る。
膜モジュール１_１，１_２の前処理膜１ａの洗浄時は、バルブＶ１，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ12を閉、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ11を開とし、送水ポンプ７を起動する。これにより、洗浄水タンク９から洗浄水Ｈが膜モジュール１_１，１_２の一次側に供給され、前処理膜１ａの表面に付着した不溶解性成分を洗い流す。

膜洗浄後の洗浄水Ｈ’はバルブＶ11を通って遠心分離装置４に流れる。例えば、遠心分離装置４にサイクロンを利用した場合、送水ポンプ７の送水により遠心分離装置４内で遠心力が発生し、比重の大きい不溶解性成分が分離され、汚泥Ｅとして回収される。不溶解性成分が分離された後の洗浄水Ｈ’’は洗浄水タンク９に回収され、次の洗浄工程の際に洗浄水Ｈとして再利用される。

ここで、洗浄水Ｈが膜モジュール１_１，１_２の一次側に供給され、前処理膜１ａの表面に付着した不溶解性成分を洗い流す際に、図示しないガス供給装置にて洗浄水内に空気やその他のガスを吹き込み、気泡の洗浄効果により膜面の洗浄能力を高めるような既存の技術を併用してもよい。

洗浄工程で膜モジュール１_１，１_２の前処理膜１ａの洗浄が十分でない場合は、ろ過水タンク１０のろ過水Ｇを逆洗ポンプ１１で膜モジュール１_１，１_２の二次側から供給する。この時、バルブＶ２〜Ｖ６，Ｖ９を開、バルブＶ１，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ10を閉とすると、逆洗水Ｉは洗浄水タンク９に貯留され、次の洗浄工程に再利用できる。なお、遠心分離装置４で汚泥Ｅを回収する際に若干の水分も共に廃棄されてしまうので、洗浄水Ｈは若干ではあるが減少する。しかし、逆洗水Ｉを洗浄水タンク９に供給することで、洗浄水Ｈの減少分を補填できる。

なお、第１の実施形態では、二塔の膜モジュールで示したが、これ以外の複数塔でも一塔でも運用に違いはない。また、第１の実施形態では、ＲＯ膜モジュールが一塔の場合について述べたが、これに限らず、複数塔並列に配置してもよい。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。但し、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。
図２の符号８ｊは、動力回収装置１３に接続する，バルブＶ13を介装した配管を示す。また、符号８ｋは、バルブＶ13の上流側の配管８ｊとバルブＶ10の上流側の前記配管８ｆを接続する，バルブＶ14を介装した配管を示す。但し、図１と比較して逆洗ポンプ１１及びバルブＶ９を介装した配管８ｇは備えていない。

第２の実施形態は、ＲＯ膜モジュール２で発生した濃縮水Ｂを逆洗水として、配管８ｊのバルブＶ14を開けて濃縮水Ｂを膜モジュール１_１，１_２の二次側に供給する場合を示す。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。但し、図１，図２と同部材は同符号を付して説明を省略する。第３の実施形態に係る膜ろ過装置は濃縮水Ｂが逆洗を行うのに十分な量を確保できない場合を示し、図２の配管８ｋに濃縮水逆水ポンプ２０と濃縮水タンク１６を介装したことを特徴とする。なお、図１と比較して逆洗ポンプ１１及びバルブＶ９を介装した配管８ｇは備えていない。
第３の実施形態では、膜モジュール１_１，１_２のろ過工程中に濃縮水タンク１６に濃縮水Ｂを貯留し、逆洗工程の際に濃縮水逆洗ポンプ２０で逆洗を行う。

一方、逆洗水を洗浄水タンク９に貯留する必要がない場合は、バルブＶ３，Ｖ４，Ｖ11を閉、Ｖ７，Ｖ８，Ｖ12を開にして、逆洗水を排水Ｆとして系外に排出してもよい。

なお、従来、洗浄工程では原水タンク６に貯留した原水を使用し、洗浄後の排水は全て系外に排出していた。しかし、第３の実施形態によれば、使用後の洗浄水から遠心分離装置４で不溶解性成分を除去した上で繰り返し使用するため、廃棄する原水量を大幅に削減でき回収率が向上する。

また、逆洗工程では膜モジュール１_１，１_２の圧力損失が大きいため容量の大きいポンプが必要となるが、第３の実施形態の洗浄工程では膜モジュール１_１，１_２の表面を通水するので逆洗工程のような大きな圧力損失は発生しない。そのため、既設の送水ポンプ７で洗浄と遠心分離装置４での分離が可能である。
更に、濃縮水Ｂを逆洗に使用しているので、従来のろ過水Ｇや生産水Ｃによる逆洗に比べ回収率を向上することが出来る。

（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。但し、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第４の実施形態に係る膜ろ過装置は、第１の実施形態の膜ろ過装置に比べ、薬液を収容する薬液タンク１７と、この薬液タンク１７からの薬液を洗浄水タンク９へ供給する薬液ポンプ１８を備えていることを特徴とする。薬液としては、酸やアルカリが挙げられる。
第４の実施形態では、洗浄水タンク９に、膜モジュール１_１，１_２の前処理膜１ａの目詰まりを解消する酸やアルカリ薬液を貯留する。逆洗工程ではバルブＶ３，Ｖ４，Ｖ11を閉、Ｖ７，Ｖ８，Ｖ12を開にして、逆洗水を排水Ｆとして系外に排出し、洗浄タンク９に逆洗水Ｉが流入しないようにする。

第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、廃棄する原水量を大幅に削減でき回収率が向上する。また、洗浄効果の高い薬液で洗浄することにより、膜モジュール１_１，１_２の差圧回復性もよい。さらに、複数回の原水による洗浄や逆洗毎に１回実施している従来の化学洗浄では、薬液は１回使いきりで廃棄していたが、本発明では繰り返し使用することが出来るため、ランニングコストの削減が可能である。なお、繰り返し化学洗浄することにより薬液成分が不足してきた場合は、薬注ポンプ１８により薬液タンク１７から薬液を不足分だけを補えばよい。

（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。但し、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第５の実施形態に係る膜ろ過装置は、第１の実施形態と比べ、洗浄水用膜モジュール２１と逆洗水タンク２２とろ過水逆洗ポンプ２３を追加していることを特徴とする。膜モジュール１_１，１_２からの配管８ｂは、バルブＶ14を介装した配管８ｍとバルブＶ15を介装した配管８ｎとに分岐されている。配管８ｍは洗浄水タンク９に接続され、配管８ｎは遠心分離装置４に接続されている。

前記遠心分離装置４と洗浄水用膜モジュール２１は、バルブＶ18を介装した配管８ｐにより接続されている。洗浄水用膜モジュール２１と逆洗水タンク２２は、配管８ｑにより接続されている。バルブＶ10の上流側の配管８ｆと逆洗水タンク２２は、ろ過逆洗ポンプ２３及びバルブＶ13を介装した配管８ｒにより接続されている。

図５の膜ろ過装置において、膜モジュール１_１，１_２の前処理膜１ａの洗浄を行うときは、バルブＶ１，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ14を閉、Ｖ２〜Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ15，Ｖ18を開とし、送水ポンプ７を起動する。これにより、洗浄水タンク９から洗浄水Ｈが膜モジュール１_１，１_２の一次側に供給され、前処理膜１ａの表面に付着した不溶解性成分を洗い流す。

膜洗浄後の洗浄水Ｈ’はバルブＶ15を通って遠心分離装置４に流れる。例えば、遠心分離装置４にサイクロンを利用した場合、送水ポンプ７の送水により遠心分離装置４内で遠心力が発生し、比重の大きい不溶解性成分が分離され、汚泥Ｅとして回収される。不溶解性成分が分離された後の洗浄水Ｈ”は、洗浄水用膜モジュール２１でろ過され、膜ろ過水Ｊが逆洗水タンク２２に貯留される。膜ろ過水Ｊは洗浄水Ｈ”中に残留していた微小な不溶解性成分も除去されているため、膜モジュール１_１，１_２の逆洗に使用することが出来る。

膜モジュール１_１，１_２の逆洗を行うときは、バルブＶ５〜Ｖ８，Ｖ13，Ｖ14，Ｖ17を開、Ｖ３，Ｖ４，Ｖ15を閉としてろ過水逆洗ポンプ２３を起動し、膜ろ過水Ｊを膜モジュール１_１，１_２の二次側から供給する。逆洗後の膜ろ過水は、バルブＶ14を通って洗浄水タンク９に貯留され、次の洗浄工程に再利用できる。

（第６の実施形態）
図６は、第６の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。但し、図１，図５と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第６の実施形態に係る膜ろ過装置は、第５の実施形態と比べ、送水ポンプ７だけでは膜モジュール１_１，１_２、遠心分離装置４、洗浄水用膜モジュール２１に通水できない場合に、図６に示すように膜モジュールポンプ２４を追加したことを特徴とする。この膜モジュールポンプ２４は、バルブＶ16を介装した配管８ｓにより遠心分離装置４と接続し、バルブＶ17を介装した配管８ｔにより逆洗水タンク２２と接続し、さらにバルブＶ18を介装した配管８ｕにより洗浄水用膜モジュール２１と夫々接続している。

図６の膜ろ過装置では、バルブＶ13、Ｖ16〜Ｖ18の切り替えにより、１台の膜モジュールポンプ２４で洗浄水用膜モジュール２１への給水と、膜モジュール１_１，１_２の逆洗を行うことができる。なお、洗浄水用膜モジュール２１も洗浄や逆洗が必要であるが、遠心分離装置４で比重の大きい不溶解性成分は除去されているので、洗浄水用膜モジュール２１の洗浄、逆洗頻度は膜モジュール１_１，１_２の逆洗頻度に比べてはるかに少ない。

第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、使用後の洗浄水から遠心分離装置４で不溶解性成分を除去した後に、膜モジュール１_１，１_２で膜ろ過して逆洗に利用し、これを洗浄タンク９に貯留して繰り返し利用することが出来るため、廃棄する原水量が大幅に削減でき回収率が向上する。

（第７の実施形態）
図７は、第７の実施形態に係る膜ろ過装置の概要図を示す。但し、図１，図４，図６と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第７の実施形態に係る膜ろ過装置は、第６の実施形態の膜ろ過装置に比べ、薬液を収容する薬液タンク１７と、この薬液タンク１７からの薬液を洗浄水タンク９へ供給する薬液ポンプ１８を備えていることを特徴とする。

第７の実施形態によれば、第４の実施形態と同様に、廃棄する原水量を大幅に削減でき回収率が向上する。また、洗浄効果の高い薬液で洗浄や逆洗することにより、膜モジュール１_１，１_２の差圧回復性も良い。さらに、複数回の原水による洗浄や逆洗毎に１回実施している従来の化学洗浄では、薬液は１回使いきりで廃棄していたが、本実施形態では繰り返し使用することが出来るため、ランニングコストの削減が可能である。尚、繰り返し化学洗浄することにより薬液成分が不足してきた場合は、薬注ポンプ１８により薬液タンク１７から不足分だけを補えばよい。

本発明のいくつかの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、置き換え、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。

１_１，１_２…膜モジュール、２…逆浸透膜（ＲＯ膜）モジュール、２ａ…前処理膜、３…洗浄装置、４…遠心分離装置、５…原水ポンプ、６…原水タンク、７…送水ポンプ、８ａ〜８ｔ…配管、９…洗浄水タンク、１０…ろ過水タンク、１１…逆洗ポンプ、１２…高圧ポンプ、１３…動力回収装置、１４…動力回収用ポンプ、１５…、１６…濃縮水タンク、１７…薬液タンク、１８…薬注ポンプ、２０…濃縮水逆洗ポンプ、２１…洗浄水用膜モジュール、２２…逆洗水タンク、２３…ろ過水逆洗ポンプ、２４…膜モジュールポンプ。

Claims (6)

1. 原水中の不溶解性成分をろ過してろ過水を得る前処理膜を有する膜モジュールと、
   この膜モジュールの下流側に配置され，前記ろ過水を濃縮水と生産水に分離する逆浸透膜を有する逆浸透膜モジュールと、
   洗浄水タンクの洗浄水を前記膜モジュールの前処理膜の表面に通水し、前処理膜表面に付着した不溶解性成分を剥離して、前記膜モジュールの前処理膜を洗浄する洗浄装置と、
   前記前処理膜の洗浄後の洗浄水から不溶解性成分を除去する遠心分離装置であって、不溶解性成分が除去された洗浄水を前記洗浄水タンクに戻す遠心分離装置と
   を備えたことを特徴とする膜ろ過装置。
2. 更に、前記膜モジュールで生成される膜ろ過水を前記膜モジュールの二次側から通水して逆洗する第１の逆洗装置を有することを特徴とする請求項１記載の膜ろ過装置。
3. 更に、前記逆浸透膜モジュールで生成される濃縮水を前記膜モジュールの二次側から通水して逆洗する第２の逆洗装置を有することを特徴とする請求項１記載の膜ろ過装置。
4. 更に、酸またはアルカリの薬液を収容する薬液タンクと、薬液を前記洗浄装置へ供給する薬液ポンプを具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の膜ろ過装置。
5. 原水中の不溶解性成分をろ過してろ過水を得る前処理膜を有する膜モジュールと、
   この膜モジュールの下流側に配置され，前記ろ過水を濃縮水と生産水に分離する逆浸透膜を有する逆浸透膜モジュールと、
   洗浄水タンクの洗浄水を前記膜モジュールの前処理膜の表面に通水し、前処理膜表面に付着した不溶解性成分を剥離して、前記膜モジュールの前処理膜を洗浄する洗浄装置と、
   逆洗タンクの逆洗水を前記膜モジュールの二次側から通水して逆洗する第３の逆洗装置と、
   前記前処理膜の洗浄後の洗浄水から不溶解性成分を除去する遠心分離装置であって、不溶解性成分が除去された洗浄水を、洗浄水用膜モジュールを経由して前記逆洗タンクに戻す遠心分離装置と
   を備えたことを特徴とする膜ろ過装置。
6. 更に、酸またはアルカリの薬液を収容する薬液タンクと、薬液を前記洗浄装置へ供給する薬液ポンプを具備することを特徴とする請求項５記載の膜ろ過装置。

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