JP5979367B2

JP5979367B2 - 膜モジュールの洗浄方法

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Publication number: JP5979367B2
Application number: JP2012196405A
Authority: JP
Inventors: 竹内　雅人; 雅人竹内; 井手口　誠; 誠井手口; 朋樹川岸; 守弘枡田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: JP2014050789A

Description

本発明は、膜モジュールの洗浄方法に関し、特に、活性汚泥を濾過するために用いられる浸漬型膜分離装置の膜モジュールの洗浄方法に関する。

従来から、活性汚泥や、凝集汚泥を含む被処理水を濾過するための浸漬型膜分離装置が知られている。浸漬型膜分離装置は、中空糸膜又は管状膜からなる分離膜を備えた膜モジュールを複数個有しており、反応槽内の被処理水に浸漬させて使用される。浸漬型膜分離装置を使用するときには、膜モジュール内に負圧を作用させて、被処理水を、分離膜を通過させることで分離膜の表面に、被処理水中の汚泥等を付着させる。そして濾過された水は、濾過水として外部に排出される。

このような浸漬型膜分離装置を用いることによって、汚泥を濃縮させるための濃縮槽を用いる必要がなくなり、設備全体のコンパクト化を実現することができ、さらに、浸漬型膜分離装置は、処理効率が高いため、浸漬型膜分離装置は様々な分野で多用されている。

一般的に、膜分離装置によって被処理水を濾過し続けると、被処理水中の汚泥が分離膜の表面に付着・堆積して分離膜の性能が低下する場合があるため、分離膜を定期的に洗浄する必要がある。膜モジュールの洗浄方法としては、例えば散気装置を用いた方法が知られている。この方法では、膜モジュールの下方に散気装置を設け、定期的に散気装置から空気を放出して槽内で気液混合流を作り出し、これにより膜モジュールの表面を物理的に洗浄する。

また、散気装置を用いた物理的な洗浄の他に、膜モジュールの表面を化学的に洗浄する方法が知られている。膜モジュールの表面を化学的に洗浄する方法としては、例えば特許文献１及び２に記載されているように、膜モジュールの二次側（濾過水側）から一次側（被処理水側）に向けて洗浄薬液を流す、所謂、インライン洗浄が知られている。インライン洗浄で用いられる洗浄薬液は、被処理水中に含まれる汚泥の種類によって適宜選択され、被処理水中に大量の有機物が含まれている場合には、洗浄薬液として次亜塩素酸ナトリウム溶液などの酸化剤が用いられ、被処理水中に大量の無機物が含まれている場合には、洗浄薬液としてシュウ酸、クエン酸、塩酸などの酸溶液が用いられる。

特許第３２９０５５６号公報特開平１１−３３３７２号公報特開２００１−２２４９３５号公報

しかしながら、インライン洗浄を行うと、二次側から膜モジュールに向けて流した洗浄薬液が被処理水中に漏れ出してしまう場合がある。この場合、洗浄薬液によって被処理水中の微生物活性が低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、インライン洗浄を行ったとしても洗浄薬液によって反応槽内の活性汚泥中の微生物の活性が低下するのを抑制することができる膜モジュールの洗浄方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による膜モジュールの膜モジュールの洗浄方法は、微生物を含む被処理水を貯留する反応槽内に浸漬される浸漬型膜分離装置の膜モジュールの洗浄方法であって、浸漬型膜分離装置は、被処理水を濾過するための濾過膜と、この濾過膜を覆う平型プレフィルタを有する外圧濾過式の膜モジュールと、膜モジュールの濾過水側から被処理水側に向けて洗浄薬液を流す洗浄装置と、を備え、当該浸漬型膜分離装置の洗浄方法は、洗浄装置から膜モジュールに向けて洗浄薬液を流すステップを備え、この洗浄薬液を流すステップでは、洗浄装置から流れる洗浄薬液の量が前記膜モジュールの内部体積を越えないように調整する。

このように構成された本発明によれば、平型プレフィルタから洗浄薬液が漏れないように洗浄薬液の量を調整することによって、インライン洗浄を行うときに、洗浄薬液が平型プレフィルタを通過して反応槽に流れ込むのを防止することができる。これにより、洗浄薬液を平型プレフィルタ内部に溜めておくことができ、洗浄薬液が反応槽内の微生物活性を低下させるのを防止することができる。

以上のように本発明によれば、インライン洗浄を行ったとしても洗浄薬液によって反応槽内の微生物活性の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態による膜モジュールを備える膜濾過装置を示す斜視図である。本発明の実施形態による膜モジュールを示す斜視図である。図１のIII−III断面の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による膜モジュールについて説明する。
図１は、膜モジュールを備える膜濾過装置を示す斜視図である。

図１に示すように、膜濾過装置１は、複数の膜モジュール３と、膜モジュール３の下側に配置された散気板５と、を備えている。複数の膜モジュール３は、互いの面が向かい合うように所定の間隔をもって配列されている。そして膜モジュール３の下側には、外部のブロワーと接続された散気板５が配置されている。

膜濾過装置１は、被処理水を浄化するための反応槽Ｔに貯留された活性汚泥を含む被処理水に浸漬されている。被処理水内には、被処理水内には、被処理水を処理する為に必要な微生物群が存在し、この微生物群を構成する微生物が被処理水中の窒素分、リン分、有機物等を分解または取り込むことで、被処理水を浄化することができる。

膜濾過装置１は、下排水処理における固液分離、産業廃水処理（固液分離）、川水濾過、工業用水道水濾過、プール水濾過、食品工業等における用水濾過及び製品の清澄濾過、酒・ビール・ワイン等の濾過（特に生製品）、製薬・食品工業等におけるファーメンターからの菌体分離、染色工業における用水及び溶解染料の濾過、海水濾過、ＲＯ膜における純水製造プロセス（含、海水淡水化）における前処理濾過、イオン交換膜を用いたプロセスにおける前処理濾過、イオン交換樹脂を用いた純水製造プロセスにおける前処理濾過等に使用される。

散気板５は、ブロワーから流れてきた空気が全ての膜モジュール３に当たるように、広範囲にわたって空気を放出するようになっている。散気板５から放出された空気は、隣接する膜モジュール３同士の間を通って膜モジュール３にあたり、膜モジュール３を物理的に洗浄する。

図２は、膜濾過装置の膜モジュールを示す斜視図であり、図３は、図２のIII−III断面の断面図である。
膜モジュール３は、平行に配列された複数本の濾過膜７と、濾過膜７の両端に各々固定された一対のハウジング９とを備えている。

濾過膜７は、例えばセルロース系、ポリオレフィン系、ポリビニルアルコール系、ＰＭＭＡ系、ポリスルフォン系の材料の中空糸膜を編地に加工したもので構成されている。編地への加工のしやすさなどを考えるとポリエチレン等の強伸度の高い材質のものが好ましい。尚、濾過膜として使用可能なものであれば、孔径、空孔率、膜厚、外径等には特に制限はない。また、濾過膜７としては、中空糸膜を例えば緯糸として用いて編地としたものを一枚、又は編地を数枚積層した積層体を使用するのが好適である。従来の円筒形モジュールの場合には、綛取りして収束した中空糸膜を円筒形の構造材内に収納するのに困難はなかった。一方、細長い矩形の開口部に対して綛取りした中空糸膜を収納するのは困難であるが、編地を用いれば容易に収納することができる。尚、ここでいう編地の積層には、編地を切断せずに適当な長さに折り畳み重ねたものをも包含する。編地の積層（折り畳み）枚数は、編地の厚さ、即ち中空糸膜の太さや編地を編成する際の中空糸膜の合糸本数によっても変化するが、通常は５枚程度までであり、前述した固定部材の矩形断面の短辺の長さの制限を満たすように構成するのが好ましい。また、矩形の長辺の長さについては特に限定はないが、余り短いと一つの中空糸膜モジュール内に配設できる中空糸膜の本数が減少するので好ましくなく、一方余り長いと製造が困難になるので好ましくない。通常長辺の長さは１００〜２０００ｍｍ程度とされる。

ハウジング９は、複数本の濾過膜７の束を受け入れるための開口を備えており、開口内に固定用樹脂を充填し、固定用樹脂によって濾過膜７の束を固定する。この開口は、細長い長方形状に形成されており、その短辺方向の長さは３０ｍｍ以下、好ましくは１５ｍｍ以下とされる。濾過膜７の両端は開口しており、濾過膜７によって濾過した濾過水は、濾過膜７内を通ってハウジング９内に流れ込む。また、一対のハウジング９のうちの一方は、濾過した水を取り出すための取水口１１を備えており、膜モジュール３で濾過された濾過水は、取水口１１を通じて膜濾過装置１の外部に排出される。

ハウジング９を構成する材料は、機械的強度及び耐久性を有するものであれば良く、例えばポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、変成ＰＰＥ樹脂等が例示される。使用後に焼却処理が必要な場合には、燃焼により有毒ガスを出さずに完全燃焼させる事のできる炭化水素系の樹脂を材質とするのが好ましい。

また、固定用樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン等の液状樹脂を硬化させたものを使用するのが良い。

ハウジング９の取水口１１は、膜モジュール３内に洗浄薬液を流し込む洗浄装置１３に接続されている。

洗浄装置１３は、ハウジング９の取水口１１を通じて洗浄薬液を膜モジュール３内に流し込む。洗浄薬液は、被処理水中の汚泥の性質に応じて適宜選択され、被処理水中の汚泥が有機物を含む場合には、次亜塩素酸ナトリウム溶液などの酸化剤を用い、無機物を含む場合には、シュウ酸、クエン酸、塩酸などの酸溶液を用いる。そして洗浄装置１３は、洗浄薬液を所定の圧力で膜モジュール３内に流し込み、これにより濾過膜７に付着した汚泥を化学的に洗浄すると共に、洗浄薬液の圧力によって物理的に洗浄する。また、洗浄装置１３は、注入された洗浄薬液が、後述する平型プレフィルタから流出しないように、洗浄薬液量を調整できるように構成されている。

洗浄装置１３によって取り扱う、洗浄薬液として用いる薬剤には特に制限はなく、界面活性剤、酸、アルカリ、酸化剤等、中空糸膜又は管状膜の薬液洗浄に一般的に使用される薬剤を用いることができるが、本発明では濾過体の目詰まりの原因物質は有機物であることから、有機物の除去に有効であり、且つ、洗浄廃液の処理が容易なアルカリ（ｐＨ９〜１２程度）や酸化剤、特に次亜塩素酸ナトリウム等の次亜塩素酸や次亜塩素酸塩、或いは、オゾン等の酸化剤を好適に用いることができる。また、アルカリと酸化剤はそれぞれ単独で用いることもできるが、ｐＨ９〜１２に調整した酸化剤溶液を用いれば、アルカリと酸化剤の相乗効果によって洗浄効果を更に向上させることができる。

また、複数本の濾過膜７の周囲には、濾過膜７のインターファイバークロッギングを防止するための平型プレフィルタ１５が設けられている。平型プレフィルタ１５は、一つの膜モジュール３の全ての濾過膜７を完全に覆うように設けられたフィルタであり、膜表面にＳＳや有機物が堆積するのを防止して、濾過膜７のインターファイバークロッギングを防止する。

平型プレフィルタ１５は、例えば０．１〜１００μｍの多数の微小孔を有するフィルタであり、セルロース系、アクリル系、ポリオレフィン系の材料によって構成されている。また、コスト面や膜面にケーキ層が形成されケーキ濾過が行われる点等を考慮し、不織布等をベースとしたデプスフィルタによって平型プレフィルタ１５を構成してもよい。

そして平型プレフィルタ１５を配置することにより、濾過膜７の一次側（処理水側）は、完全に平型プレフィルタ１５によって覆われる。また、上述したように中空糸膜をシート状に配列することにより、平型プレフィルタ１５の容積効率をアップさせることができる。

また、平型プレフィルタ１５は、インライン洗浄時に流れてきた洗浄薬液を内部に保持し、反応槽Ｔ内に流出させないように構成されている。

次に、膜濾過装置１の動作について詳述する。
膜濾過装置１によって被処理水を濾過する場合、先ず、被処理水が貯まっている反応槽Ｔ内に膜濾過装置１を浸漬させる。そして、膜モジュール３の取水口１１に接続されたポンプを作動させることにより、膜モジュール３内に負圧を作用させる。これにより、膜モジュール３の周囲にある被処理水が、まず、平型プレフィルタ１５で濾過される。これにより、被処理水中のＳＳや有機物の一部が平型プレフィルタ１５の表面に付着する。平型プレフィルタ１５を通過した被処理水は、濾過膜７の被処理水側（一次側）から濾過水側（二次側）に向けて流れて濾過膜７内を通過する。これにより、被処理水は濾過され、濾過水は、ハウジング９内を通って取水口１１から膜濾過装置１外部に排出される。

また膜濾過装置１は、散気板５から濾過膜７に向けて空気を放出する曝気又はエアレーション、及び洗浄装置１３を作動させるインライン洗浄により、定期的に濾過膜７を洗浄する。

洗浄装置１３によって濾過膜７を洗浄する場合、洗浄装置１３を作動させて洗浄薬液を、取水口１１を通して膜モジュール３内に流し込む。これにより、洗浄薬液は、ケーシング９内から濾過膜７の内部に流入し、濾過膜７の濾過水側（二次側）から被処理水側（一次側）に向けて流れる。これにより、濾過膜７の表面に付着した汚泥を化学的に洗浄する。このとき、濾過膜７の被処理水側に流れた洗浄薬液は、濾過膜７を完全に覆っている平型プレフィルタ１５内に流れ込む。そしてこのとき、洗浄薬液の量を調整し、洗浄薬液が平型プレフィルタ１５から流出しない量とすることにより、洗浄薬液が平型プレフィタ１５内部に保持される。平型プレフィルタ１５によって、次亜塩素酸ナトリウム溶液等の洗浄薬液を保持する時間としては、１〜３時間が好ましい。保持時間が１時間以上であれば、洗浄薬液によって、濾過膜７の表面を十分に洗浄することができる。また、保持時間が３時間以内であれば、必要以上の時間をかけることがなくインライン洗浄を行える。

以下、実施例により本発明の実施方法を更に詳細に説明するが、これらの実施例は、本発明の例示を目的とするものであり、本発明を限定するものではない。

実施例１（薬液を浸出させない洗浄）
膜モジュールの製作
親水化ポリエチレン多孔質中空糸膜EX540VS（三菱レイヨン（株）製、内径：３５０μｍ、外径：５４０μｍ、材質：ポリエチレン）を用い、固定部材として２液硬化型ウレタン樹脂Ｃ４４０３／Ｎ４２２４（日本ポリウレタン社製）を使用してハウジングに固定した。さらに、中空糸膜部分とハウジングを覆うように不織布を設置し、図１に示す平型プレフィルタ付き中空糸膜モジュール（以下、膜モジュールとする）を製造した。なお、平型プレフィルタの有効膜面積は０．２２ｍ²、中空糸膜の平均有効長は２００ｍｍ、中空糸膜面積は５ｍ²とした。

膜フラックスの確認
同ロットの膜フラックスを測定すると、２８ｍ／ｈｒ／ＭＰａであった。

膜フラックス測定
膜フラックスとは、一次側の水圧１ＭＰａの時、膜１ｍ²当たりを１時間に流れる水量として示す。すなわち、中空糸１本からなるモジュールを作製し、膜の一次側から水圧１００ｋＰａで水道水を流し、二次側に透過する水量を測定し、一次側の水圧１ＭＰａで膜１ｍ²当たり１時間に流れる水量に換算した値を使用する。膜の閉塞が見られず、濾過性が良好であれば、膜フラックスは大きな値を示す。また、例えば膜が閉塞し、閉塞を引き起こす物質が除去されないと、濾過性が低下し、膜フラックスは小さな値を示す。

膜モジュール内部の体積測定
この膜モジュールのプレフィルタに直径１０ｍｍの穴を開け、チューブフィッティングを設置した。膜モジュール全体を水道水に沈め、膜モジュール内の空気を追い出した後、このチューブフィッティング部分から流量５Ｌ／ｍｉｎで空気を吹き込んだところ、通気開始２分後にプレフィルタ表面から空気が噴出し始めたため、この膜モジュールの内部体積は１０Ｌであることがわかった。

固液分離操作
反応槽の代わりに、有効容量０．３５ｍ³（深さ８０ｃｍ、幅４０ｃｍ、長さ１１０ｃｍ）の曝気槽を用い、この膜モジュールを、固形分濃度ＳＳが５０００ｍｇ／Ｌの活性汚泥中に配設すると共に、膜モジュールの下方に配置した散気装置から２０ｍ³／ｍ²・ｈｒの強度で散気を行いながら、ポンプで被処理水を吸引して濾過を行った。濾過水流量は０．４３ｍ³／ｄａｙであるため、プレフィルタのフラックスは２．０ｍ³／ｍ²／ｄａｙとなる。このとき、濾過開始時の吸引濾過ポンプの吸引圧力は６ｋＰａであり、曝気槽から活性汚泥を採取し、濾紙濾過量を測定したところ、２２ｍＬ／５ｍｉｎであった。

濾紙濾過量測定
濾紙濾過量とは、ひだ折りにした５Ｃ、１８５ｍｍの濾紙にサンプル５０ｍｌを流し込んでから５分後の濾過量の測定値である（「浸漬型分離活性汚泥法における汚泥の濾過性に関する研究」（第３２回水環境学会：２−Ａ−１１−１）に記載されている方法に準拠）。活性汚泥の生育が正常であり、濾過性が良好であれば、濾紙濾過量は大きな値を示す。また、例えば薬剤への暴露や激しい水温変化などにより活性汚泥の生育に異常が見られ、汚泥の解体などが起こると、濾過性が低下し、濾紙濾過量は小さな値を示す。

インライン洗浄操作
この条件で1週間濾過を行ったところ、吸引濾過ポンプの吸引圧力が−３０ｋＰａに達したため、濾過と曝気を停止した。その後、膜モジュールに０．３％（ｗ／ｗ）の次亜塩素酸ナトリウム水溶液をインライン洗浄流量０．７Ｌ／ｍｉｎで１４分間通液し、通液終了後２時間静置した。

インライン洗浄後の運転状況確認
静置後、濾過と曝気を再開したところ、吸引濾過ポンプの吸引圧力は６ｋＰａまで回復していた。このとき、活性汚泥の発泡は殆ど見られず、吸引圧力は運転再開後５日間安定していた。運転開始から３時間後に曝気槽から活性汚泥を採取し、濾紙濾過量を測定したところ、２４ｍＬ／５ｍｉｎであった。

洗浄効果の確認
静置後、運転を再開する前に中空糸を採取し、膜フラックスを測定すると２６ｍ／ｈｒ／ＭＰａであった。

比較例１（薬液を浸出させる洗浄）
膜モジュールの製作
実施例１と同ロットの中空糸膜を用い、同様の膜モジュールを製作した。

固液分離操作
実施例１と同じ曝気槽を使い、同じ条件で吸引濾過を行った。このとき、濾過開始時の吸引濾過ポンプの吸引圧力は６ｋＰａであり、曝気槽から活性汚泥を採取し、濾紙濾過量を測定したところ、２０ｍＬ／５ｍｉｎであった。

インライン洗浄操作
この条件で1週間濾過を行ったところ、吸引濾過ポンプの吸引圧力が−３０ｋＰａに達したため、濾過と曝気を停止した。その後、膜モジュールに０．３（ｗ／ｗ）の次亜塩素酸ナトリウム水溶液をインライン洗浄流量０．７Ｌ／ｍｉｎで１６分間通液し、通液終了後２時間静置した。

インライン洗浄後の運転状況確認
静置後、濾過と曝気を再開したところ、吸引濾過ポンプの吸引圧力は６ｋＰａまで回復していた。このとき、曝気再開直後から活性汚泥が激しく発泡し、吸引圧力は運転再開後１日目で上昇を開始した。運転開始から３時間後に曝気槽から活性汚泥を採取し、濾紙濾過量を測定したところ、５ｍＬ／５ｍｉｎであった。

洗浄効果の確認
静置後、運転を再開する前に中空糸を採取し、膜フラックスを測定すると２５ｍ／ｈｒ／ＭＰａであった。

実施例１と比較例１で測定した濾紙濾過量を表１に示す。比較例１のインライン洗浄後で濾紙濾過量が有意に低下しているが、これは次の理由が考えられる。即ち、比較例１のインライン洗浄操作に於いて、インライン洗浄流量０．７Ｌ／ｍｉｎで１６分間、次亜塩素酸ナトリウム水溶液を通液している為、通液量は１１．２Ｌとなるが、膜モジュールの内部体積は１０Ｌであることから、膜モジュール外に１．２Ｌ浸出していることになる。この浸出した次亜塩素酸ナトリウム水溶液の殺菌力により、活性汚泥を構成する微生物の一部が死滅し、濾紙濾過量の低下や活性汚泥の発泡を引き起こしたものと考えられる。

比較例２（平型フィルタで覆わない膜モジュールの洗浄）
膜モジュールの製作
実施例１と同ロットの中空糸膜を用い、同様の膜モジュールを製作した。但し、中空糸膜部分とハウジングを覆う不織布は設置しなかった。

固液分離操作
実施例１と同じ曝気槽を使い、同じ条件で吸引濾過を行った。このとき、濾過開始時の吸引濾過ポンプの吸引圧力は６ｋＰａであり、曝気槽から活性汚泥を採取し、濾紙濾過量を測定したところ、２０Ｌ／５ｍｉｎであった。

インライン洗浄操作
この条件で３日間濾過を行ったところ、吸引濾過ポンプの吸引圧力が−３０ｋＰａに達したため、濾過と曝気を停止した。その後、膜モジュールに０．３％（ｗ／ｗ）の次亜塩素酸ナトリウム水溶液をインライン洗浄流量０．７Ｌ／ｍｉｎで３．５分間通液し、通液終了後２時間静置した。

インライン洗浄後の運転状況確認
静置後、濾過と曝気を再開したところ、吸引濾過ポンプの吸引圧力は１０ｋＰａまで回復していた。このとき、曝気再開直後から活性汚泥が激しく発泡し、吸引圧力は運転再開後１日目で上昇を開始した。運転開始から６時間後に曝気槽から活性汚泥を採取し、濾紙濾過量を測定したところ、４Ｌ／５ｍｉｎであった。

洗浄効果の確認
静置後、運転を再開する前に中空糸を採取し、膜フラックスを測定すると１８ｍ／ｈｒ／ＭＰａであった。

実施例１、比較例１、比較例２で測定したフラックスを表２に示す。比較例２のインライン洗浄後でフラックスが十分回復していないことが判るが、これは次の理由が考えられる。即ち、比較例２のインライン洗浄に於いて、静置時には中空糸膜表面から薬液が活性汚泥中に徐々に拡散し、中空糸膜表面の薬液濃度が低下する。その結果、静置時には中空糸膜全体が薬液に浸される実施例１、比較例１と比較して、特に中空糸膜表面の洗浄性が低下すると考えられる。

１膜濾過装置
３膜モジュール
７濾過膜
１３洗浄装置
１５平型プレフィルタ
Ｔ反応槽

Claims

微生物を含む被処理水を貯留する反応槽内に浸漬される浸漬型膜分離装置の膜モジュールの洗浄方法であって、
前記浸漬型膜分離装置は、被処理水を濾過するための濾過膜と、この濾過膜を覆う平型プレフィルタを有する外圧濾過式の膜モジュールと、
膜モジュールの濾過水側から被処理水側に向けて洗浄薬液を流す洗浄装置と、を備え、当該浸漬型膜分離装置の洗浄方法は、
前記洗浄装置から前記膜モジュールに向けて洗浄薬液を流すステップを備え、この洗浄薬液を流すステップでは、前記洗浄装置から流れる洗浄薬液の量が前記膜モジュールの内部体積を越えないように調整する、洗浄方法。
前記洗浄薬液は、次亜塩素酸塩の水溶液である、請求項１に記載の洗浄方法。