JP6444606B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、原水中の金属を除去する膜モジュールを用いた水処理装置に関するものである。

従来、水道水や廃水中に含まれる金属（例えばマンガン、鉄、砒素など）は一定量を超えると人体に有害な影響を及ぼす生理学的な障害を引き起こす場合がある。また、水中の金属の量が一定量を超えると、独特の臭いや味が感じられるという味覚上の問題や、食器洗浄、洗濯用水、風呂用水などの生活用水として用いた場合、色々な生活用品の着色障害を引き起こす場合がある。そのため、飲用の基準として定められた日本の水道水質基準では、基準値を上回ると健康や生活に支障が出る物質（金属を含む）に関し、含まれていてもよい限度としての基準値が定められている。

原水中の金属を精密ろ過膜、限外ろ過膜などを用いて除去する場合、原水の状態が懸濁状やコロイド状であれば金属の除去率は高くなるが、地下水のように原水が還元状態の場合には、金属は金属イオンとして原水中に多く存在しているので、金属の除去はほとんど期待できない。

したがって、原水中の金属イオンを除去する手段としては、原水に酸化剤を添加して金属イオンを金属固形分として析出させた後、固液分離する方法が一般的である。例えば特許文献１には、浸漬槽内に浸漬型膜モジュールが浸漬された水処理装置において浸漬槽内に原水と酸化剤を供給し、膜モジュールの下方から微細気泡を発生させるろ過工程を行う水処理方法が開示されている。特許文献１には、浸漬型膜モジュールで固液分離された二酸化マンガンを含む固体成分は、浸漬槽内での微細気泡の発生によって浸漬槽の底部に沈殿することなく、浮遊した状態で原水中のマンガンイオンを酸化することができる、と記載されている。

特開２０１２−０８６１８２号公報

しかしながら、特許文献１における水処理方法では、浸漬槽内において吸引ポンプによって浸漬型膜モジュールに向かう原水の流れが形成されているので、浸漬槽内に供給された原水は、浸漬型膜モジュール側に流れて膜モジュール内に短時間で流入する。すなわち、特許文献１における水処理方法では、浸漬槽内に供給された原水中の金属イオンが金属酸化物の固形分になるための十分な時間を確保することができない。したがって、特許文献１における水処理方法では、金属イオンを多く含んだ原水が浸漬型膜モジュール内に流入し、その金属イオンが膜モジュールを通過するので、膜処理水中の金属イオンの濃度を十分に低減することができない。

本発明の目的は、原水が膜モジュールに流入する前に原水中の金属イオンを固形分として効率よく析出させ、膜モジュールによって分離される膜処理水中の金属イオンの濃度を効果的に低減することができる水処理装置を提供することである。

本発明の水処理装置は、金属イオンを含有する原水を貯留するとともに前記原水に添加剤が添加されて前記金属イオンの少なくとも一部を固形分として析出させる接触滞留槽と、前記接触滞留槽外に設けられ、前記接触滞留槽から送られてくる前記原水から前記固形分と膜処理水（ろ過水）を分離する膜モジュールと、前記膜モジュールの逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を貯留する洗浄排水槽と、前記固形分を含む前記洗浄排水の少なくとも一部を前記洗浄排水槽から前記接触滞留槽に送るための返送機構と、を備える。

この構成では、膜モジュールの逆圧洗浄（逆流洗浄）によって生じた洗浄排水を貯留する洗浄排水槽が設けられており、接触滞留槽には、固形分を含む洗浄排水の少なくとも一部が洗浄排水槽から返送機構によって返送される。このように洗浄排水に含まれる固形分を接触滞留槽内の原水に供給することができるので、接触滞留槽内の原水中の固形分の含有量（金属イオンが酸化された金属酸化物の含有量）を高めることができる。すなわち、すでに酸化された金属酸化物である固形分を接触滞留槽内の原水中に積極的に存在させ、この固形分を触媒として作用させることにより、接触滞留槽内において金属イオンから固形分への析出反応を促進させることができる（固形分の析出速度を高めることができる）。

しかも、この構成では、膜モジュールは、接触滞留槽内に浸漬されるのではなく、接触滞留槽外に設けられており、膜モジュールには、接触滞留槽内の原水が供給される。したがって、原水中の金属イオンを添加剤及び固形分に接触させて金属イオンを固形分として析出させるための時間を接触滞留槽内において十分に確保することが可能になる。

したがって、この構成では、接触滞留槽内において金属イオンを固形分として効率よく析出させた原水を膜モジュールに流入させることができるので、膜モジュールによって分離される膜処理水中の金属イオンの濃度を効果的に低減することができる。

また、この構成では、洗浄排水槽が設けられているので、膜モジュールの逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を洗浄排水槽に一旦貯留することができる。そして、洗浄排水槽に貯留された洗浄排水のうち、必要な量の洗浄排水（適量の固形分）を接触滞留槽に送ることが可能となる。仮に、洗浄排水槽が設けられておらず、膜モジュールの逆圧洗浄によって生じた洗浄排水が接触滞留槽に直接送られるように構成されていると、場合によっては過剰な量の洗浄排水が接触滞留槽に送られることになる。この場合、膜モジュールにおいて処理する原水の量が増加してしまい、水処理装置の処理効率が過度に低下することになる。一方、洗浄排水槽が設けられている場合には、必要な量の洗浄排水を接触滞留槽に送ることができるので、水処理装置の処理効率が過度に低下するのを抑制できる。

前記水処理装置において、前記金属イオンがマンガンイオンであるのが好ましい。水処理装置の処理対象となる金属イオンとしては、鉄イオン、マンガンイオンなどの種々のイオンが挙げられるが、金属イオンがマンガンイオンである場合には、本構成の水処理装置はより効果的に作用する。具体的に、マンガンイオンは接触滞留槽内の原水中において酸化剤などの添加剤と共存させるだけでは酸化の進行が極めて遅い。しかし、本構成では、洗浄排水に含まれる固形分を接触滞留槽内の原水中に供給して接触滞留槽内の原水中の固形分の含有量（マンガンイオンが酸化された二酸化マンガンの含有量）を高めることにより、接触滞留槽内においてマンガンイオンから二酸化マンガンへの析出反応が促進され、しかも、原水を添加剤に接触させる時間を接触滞留槽内において十分に確保することができる。したがって、金属イオンがマンガンイオンであっても、原水が膜モジュールに流入する前に、原水に含まれるマンガンイオンを接触滞留槽内において二酸化マンガンとして効率よく析出させ、膜モジュールによって分離される膜処理水中のマンガンイオンの濃度を効果的に低減することができる。

前記水処理装置では、前記接触滞留槽内の前記原水において、前記固形分としての二酸化マンガンの濃度が前記マンガンイオンの濃度の５倍以上となるように、前記洗浄排水槽から前記接触滞留槽に送られる前記洗浄排水の量が調節されるのが好ましい。この構成では、接触滞留槽内の原水において二酸化マンガンの濃度がマンガンイオンの濃度の５倍以上となるので、接触滞留槽内の原水において、触媒作用を有する二酸化マンガンをマンガンイオンに対して十分に確保することができ、これにより、接触滞留槽内においてマンガンイオンから二酸化マンガンへの析出反応を促進する効果が低下するのを抑制できる。

前記水処理装置では、前記添加剤が酸化剤であり、前記接触滞留槽内の前記原水において、前記添加剤の濃度が前記固形分としての二酸化マンガンの濃度の２倍以上となるように、前記接触滞留槽内の前記原水に前記添加剤が添加されるのが好ましい。マンガンイオンが二酸化マンガン（水和二酸化マンガン）に交換吸着されると、水和二酸化マンガンはＭｎＯ_２・ＭｎＯとなり、接触酸化力を失うが、酸化剤による酸化反応によって水和二酸化マンガンに戻り、再び活性化する。そして、本構成では、接触滞留槽内の原水において添加剤の濃度が二酸化マンガンの濃度の２倍以上となるので、接触滞留槽内の原水において、二酸化マンガンが再活性化するのに必要な酸化剤を二酸化マンガンに対して十分に確保することができ、これにより、接触滞留槽内においてマンガンイオンから二酸化マンガンへの析出反応を促進する効果が低下するのを抑制できる。

前記水処理装置において、前記添加剤が酸化剤であるのが好ましい。この構成では、添加剤である酸化剤は、接触滞留槽内において原水中の金属イオンを金属酸化物として析出させる反応に効果的に寄与する。

前記水処理装置において、前記逆圧洗浄に用いられる流体が気体であるのが好ましい。逆圧洗浄に用いる流体としては例えば水、空気などが挙げられるが、水が用いられる液体逆圧洗浄では、逆圧洗浄によって生じる洗浄排水の量が多くなるのに対し、空気が用いられる気体逆圧洗浄では、逆圧洗浄によって生じる洗浄排水の量が液体逆圧洗浄に比べて少なくなるという利点がある。また、水処理装置が、膜モジュールにおいて上昇する気泡を含んだ水流により膜を揺動させて膜表面の固形物を除去するスクラビング（空気洗浄）を行うためのコンプレッサーを備えている場合には、このコンプレッサーを気体逆圧洗浄にも用いることができる。したがって、気体逆圧洗浄が採用される場合には、気体逆圧洗浄に必要な付帯設備（すなわちコンプレッサー）を別途設ける必要がない。これに対し、水（例えば膜処理水（透過液））が逆圧洗浄用の流体として使用される液体逆圧洗浄では、逆圧洗浄用のポンプ、処理水槽などの付帯設備を別途設ける必要がある。

前記水処理装置において、前記膜モジュールが、孔径０．００１〜５μｍの中空糸膜を有する中空糸膜モジュールであるのが好ましい。この構成では、中空糸膜の孔径が０．００１〜５μｍの範囲内であることにより、中空糸膜モジュールは、高い透水性を有し、ろ過効率が低下しにくい。

前記水処理装置は、前記接触滞留槽内の前記原水を撹拌する撹拌機構を備えているのが好ましい。この構成では、撹拌機構が設けられているので、接触滞留槽内の原水中において、例えば二酸化マンガンなどの固形分が沈殿するのを抑制して原水中に分散されるので、原水中の金属イオンと固形分とを効率よく接触させることができる。

本発明によれば、原水が膜モジュールに流入する前に原水中の金属イオンを固形分として効率よく析出させ、膜モジュールによって分離される膜処理水中の金属イオンの濃度を効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係る水処理装置を示す概略図である。 前記実施形態に係る水処理装置の変形例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る水処理装置について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る水処理装置は、金属イオンを含有する原水から膜モジュールによって分離される膜処理水（ろ過水）において金属イオンの濃度を低減するための装置である。この水処理装置は、膜モジュールとは別体として設けられた接触滞留槽を備えている。この水処理装置では、膜モジュールに原水を供給する前に、接触滞留槽において原水に酸化剤などの添加剤を添加するとともに金属イオンの酸化物を触媒として作用させることによって金属イオンから固形分への析出反応を促進させる。そして、金属イオンの濃度が低減された原水を膜モジュールに供給して膜処理水を分離するので、分離された膜処理水の金属イオンの濃度を効果的に低減することができる。

金属イオンとしては、例えば鉄イオン、マンガンイオンなどが挙げられるが、これらに限られない。本実施形態に係る水処理装置は、金属イオンが酸化されにくいマンガンイオンである場合に好適である。金属イオンが析出して得られる固形分は、金属イオンの酸化物であり、例えば金属イオンがマンガンイオンである場合にはその酸化物である二酸化マンガンである。

本実施形態では、処理対象とされる原水は、分析により検出可能な含有量（例えば０．０００００５ｍｇ／Ｌ以上）の金属イオンを含有するものであればよい。原水としては、例えば地下水、河川水、湖沼水などを挙げることができるが、これらに限られない。金属イオンの濃度を測定する方法としては、原水のサンプルを孔径０．４５μｍ以下の精密ろ過膜、限外ろ過膜などを用いてろ過し、その膜処理水をフレームレス−原子吸光法、ＩＣＰ発光分光分析法（測定波長２５７．６１０ｎｍ）、ＩＣＰ質量分析法などによって測定する方法が挙げられるが、これらに限られない。

金属イオンを固形分にするために原水に添加される添加剤としては、例えば酸化剤などを挙げることができる。酸化剤としては、次亜塩素酸、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カルシウムなどの次亜塩素酸塩、二酸化塩素等の塩素系酸化剤が好ましい。

（水処理装置の構造）
図１は、本発明の一実施形態に係る水処理装置１を示す概略図であるが、本発明は、図１に示す水処理装置１に限定されるものではない。図１に示すように、本実施形態に係る水処理装置１は、接触滞留槽２と、膜モジュール３と、原水送り機構４と、洗浄排水槽５と、返送機構６と、添加剤注入設備７と、受水槽８と、これらを接続する複数の配管２１〜２７と、複数のポンプ３１〜３３と、水処理装置１の運転を制御する制御部（制御手段）とを備える。

接触滞留槽２は、金属イオンを含有する原水を貯留する容器である。接触滞留槽２では、原水中において金属イオンの少なくとも一部を固形分として析出させる。接触滞留槽２には、配管２１を通じて原水が流入する。また、接触滞留槽２には、添加剤注入設備７から配管２２を通じて酸化剤などの添加剤が流入する。

接触滞留槽２の容積は、後述する滞留時間（接触滞留槽２内の原水において金属イオンと添加剤と固形物とを共存させる時間）を調節する一つの要素となり得る。すなわち、滞留時間を長くすることにより、原水中の金属イオンを添加剤及び固形分に接触させて金属イオンを固形分として析出させるための時間を接触滞留槽内において十分に確保することができる。

接触滞留槽２の容積は、例えば、配管２３（原水配管２３）を流れる原水の流量Ｘ（リットル／分）、膜モジュール３に流入する原水の流量Ｘ（リットル／分）などに基づいて設定することができる。具体例を挙げると、例えば、滞留時間を例えば５分以上とするためには、接触滞留槽２の容積Ｖ（リットル）は５Ｘ以上に設定され、滞留時間を例えば１５分以上とするためには、接触滞留槽２の容積Ｖ（リットル）は１５Ｘ以上に設定され、滞留時間を例えば３０分以上とするためには、接触滞留槽２の容積Ｖ（リットル）は３０Ｘ以上に設定される。

接触滞留槽２における滞留時間を長くするという観点では、配管２１を通じて原水が接触滞留槽２に流入する位置（第１位置）と、接触滞留槽２内の原水が原水配管２３に流出する位置（第２位置）との距離が大きくなるように構成されるのが好ましい。図１に示す本実施形態では、第１位置及び第２位置の一方を接触滞留槽２の上部に設け、第１位置及び第２位置の他方を接触滞留槽２の下部に設けている。より具体的には、第１位置を接触滞留槽２の上部に設け、第２位置を接触滞留槽２の下部に設けているが、これに限られず、例えば、第１位置を接触滞留槽２の下部に設け、第２位置を接触滞留槽２の上部に設けてもよい。

膜モジュール３は、原水から固形分と膜処理水を分離する機能を有する。膜モジュール３は、接触滞留槽２外に設けられている。膜モジュール３としては、例えば中空糸膜を有する中空糸膜モジュール３を用いることができる。中空糸膜モジュール３としては、細長い筒形状の筐体内に中空糸膜が設けられた構造を例示できるが、これに限られない。膜モジュール３は、原水から固形分と膜処理水を分離する機能を有するものであればよく、中空糸膜以外の他の分離膜が筐体内に設けられた構造であってもよい。

中空糸膜の素材としては、種々の材料を用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール及びポリエーテルスルホンからなる群から選ばれる少なくとも１種類を含んでいるのが好ましく、膜強度や耐薬品性の観点でポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）がより好ましい。

中空糸膜モジュール３における中空糸膜の孔径は、所定の膜処理水量を確保でき、原水から固形分（例えば二酸化マンガン粒子）と膜処理水を分離できれば特に限定されない。中空糸膜の孔径が０．００１〜５μｍの範囲内である場合には、高い透水性を有し、ろ過効率が低下するおそれが小さい。なお、中空糸膜の孔径とは、粒子径が既知の基準物質（例えば、コロイダルシリカ、エマルジョン、ラテックスなどの基準物質）を中空糸膜でろ過した際に、その９０％が排除される場合の基準物質の粒子径を言う。中空糸膜の孔径は均一であることが好ましい。限外ろ過膜（ＵＦ膜）である場合には、上記のような基準物質の粒子径に基づいて孔径を求めることは不可能であるが、分子量が既知の蛋白質を用いて同様の測定を行ったときに、分画分子量が３０００以上あるものが好ましい。

中空糸膜モジュール３では中空糸膜がモジュール化されてろ過に使用される。モジュールの形態は、ろ過方法、ろ過条件、中空糸膜の洗浄方法などに応じて適宜選択することができる。中空糸膜モジュール３では、筐体内に１本または複数本の中空糸膜エレメントが装着されて構成されていてもよい。具体的に、中空糸膜モジュール３としては、例えば、数十本〜数十万本の中空糸膜が束ねられて筐体内でＵ字型に配置された形態、中空糸繊維束の一端を適当なシール材により一括封止した形態、中空糸繊維束の一端を適当なシール材により１本ずつ固定されていない状態（フリー状態）で封止した形態、中空糸繊維束の両端を開口した形態などが挙げられる。中空糸膜モジュール３の形状は、特に限定されることはなく、例えば円筒状であってもよく、スクリーン状であってもよい。特に、フリー状態で封止した「片端フリー」タイプの中空糸膜モジュール３は、気体逆圧洗浄による膜付着物質の剥離及び排出を効果的に行うことができる点で好ましい。

中空糸膜モジュール３におけるろ過の方式としては、外圧全量ろ過、外圧循環ろ過などを例示でき、膜分離処理の条件、要求される性能に応じて適宜選択することができる。膜寿命の点ではろ過膜表面の洗浄を同時に行うことのできる循環方式（外圧循環ろ過方式）が好ましく、設備の単純さ、設置コスト、運転コストの点では全量ろ過方式が好ましい。気泡による膜表面の洗浄を行う際に中空糸膜同士がこすれ合うことによる洗浄効果が発現するという観点では、外圧全量ろ過方式が好ましい。

中空糸膜の力学的性質およびモジュールとしての膜面積の観点では、中空糸膜の外径は２００〜３０００μｍの範囲内に設定するのが好ましく、５００〜２０００μｍの範囲内であることがより好ましい。同様に中空糸膜の厚さは５０〜７００μｍの範囲内にあることが好ましく、１００〜６００μｍの範囲内であることがより好ましい。

原水送り機構４は、配管２３（原水配管２３）と、ポンプ３１（原水ポンプ３１）とを含む。原水配管２３は、原水を接触滞留槽２から膜モジュール３に送るための配管であり、原水ポンプ３１が設けられている。接触滞留槽２に貯留されている原水は、原水ポンプ３１が運転されることによって原水配管２３を通じて膜モジュール３に送られる。

洗浄排水槽５は、膜モジュール３の逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を貯留する容器である。洗浄排水は、膜モジュール３の逆圧洗浄によって膜から除去された固形分を含む。逆圧洗浄によって生じた洗浄排水は、配管２５を通じて洗浄排水槽５に流入する。配管２７は、洗浄排水槽５に貯留されている洗浄排水を槽外に排出するための配管であり、排出ポンプ３３が設けられている。洗浄排水槽５に貯留されている洗浄排水の一部は、排出ポンプ３３が運転されることによって配管２７を通じて槽外に排出される。

本実施形態では、洗浄排水槽５が設けられているので、膜モジュール３の逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を洗浄排水槽５に一旦貯留することができる。そして、洗浄排水槽５に貯留された洗浄排水のうち、必要な量の洗浄排水（適量の固形分）を接触滞留槽２に送ることができ、不要な洗浄排水を配管２７を通じて槽外に排出することができるので、水処理装置１の処理効率が過度に低下するのを抑制できる。

返送機構６は、配管２６（返送配管２６）と、ポンプ３２（返送ポンプ３２）とを含む。返送配管２６は、固形分を含む洗浄排水を洗浄排水槽５から接触滞留槽２に送るための配管であり、返送ポンプ３２が設けられている。洗浄排水槽５に貯留されている洗浄排水は、返送ポンプ３２が運転されることによって返送配管２６を通じて接触滞留槽２に送られる。

洗浄排水槽５から接触滞留槽２に送られる洗浄排水の成分のばらつきを抑制するという観点では、配管２５を通じて洗浄排水が洗浄排水槽５に流入する位置（第３位置）と、洗浄排水槽５内の洗浄排水が返送配管２６に流出する位置（第４位置）との距離が大きくなるように構成されるのが好ましい。図１に示す本実施形態では、第３位置及び第４位置の一方を洗浄排水槽５の上部に設け、第３位置及び第４位置の他方を洗浄排水槽５の下部に設けている。より具体的には、第３位置を洗浄排水槽５の上部に設け、第４位置を洗浄排水槽５の下部に設けているが、これに限られず、例えば、第３位置を洗浄排水槽５の下部に設け、第４位置を洗浄排水槽５の上部に設けてもよい。

添加剤注入設備７は、例えば、添加剤を貯留する貯留槽、貯留槽内の添加剤を配管２２を介して接触滞留槽２に送る図略のポンプなどを備えている。

受水槽８は、膜モジュール３において分離された膜処理水を貯留する容器である。分離された膜処理水は、配管２４を通じて受水槽８に流入する。

本実施形態では、水処理装置１は、膜モジュール３に空気を送るエアーコンプレッサー１０をさらに備えている。コンプレッサー１０は、膜モジュール３を逆圧洗浄するための逆圧洗浄用ポンプとして機能するとともに、膜モジュール３をスクラビング（空気洗浄）するためのスクラビング用ポンプとしても機能する。コンプレッサー１０は、気送配管２８によって膜モジュール３と接続されている。気送配管２８は、一対の分岐管２８Ａ，２８Ｂを備える。一方の分岐管２８Ａは、膜モジュール３の一端側に接続されており、他方の分岐管２８Ｂは、膜モジュール３の他端側に接続されている。

分岐管２８Ａ，２８Ｂの少なくとも一方は、膜モジュール３の気体逆圧洗浄を行うときに膜モジュール３に空気を供給するための配管として機能する。また、分岐管２８Ａ，２８Ｂの少なくとも一方は、膜モジュール３において上昇する気泡を含んだ水流により膜を揺動させて膜表面の固形物を除去するスクラビングを行うときに膜モジュール３に空気を供給するための配管として機能する。分岐管２８Ａ，２８Ｂの一方又は両方に図略の開閉弁が設けられていてもよい。

本実施形態では、水処理装置１は、接触滞留槽２内の原水を撹拌するための撹拌機構９をさらに備えている。図１に示す具体例では、撹拌機構９は、撹拌翼９Ａと、撹拌翼９Ａを回転させるモータ９Ｂとを備えているが、これに限られない。撹拌機構９は、例えば、接触滞留槽２内の原水を槽下部から排出して槽の上部に戻す循環流路と循環ポンプとを備えた構造であってもよい。撹拌機構９は省略可能である。

本実施形態の水処理装置１では、上述したように、膜モジュール３の逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を貯留する洗浄排水槽５が設けられており、接触滞留槽２には、固形分を含む洗浄排水の少なくとも一部が洗浄排水槽５から返送配管２６を通じて返送される。このように洗浄排水に含まれる固形分を接触滞留槽２内の原水に供給することができるので、接触滞留槽２内の原水中の固形分の含有量（金属イオンが酸化された金属酸化物の含有量）を高めることができる。すなわち、すでに酸化された金属酸化物である固形分を接触滞留槽２内の原水中に積極的に存在させ、この固形分を触媒として作用させることにより、接触滞留槽２内において金属イオンから固形分への析出反応を促進させることができる。

しかも、本実施形態では、膜モジュール３は、接触滞留槽２内に浸漬されるのではなく、接触滞留槽２外に設けられており、膜モジュール３には、接触滞留槽２内の原水が供給される。したがって、原水中の金属イオンを添加剤及び固形分に接触させて金属イオンを固形分として析出させるための時間を接触滞留槽２内において十分に確保することが可能になる。

接触滞留槽２で生じるマンガンイオンの粒子化（固形物化）は、次のようにして生じる。通常、原水に存在するマンガンイオンは、酸化剤によって水和二酸化マンガンなどの酸化物とし、析出させて除去する。しかし、単に酸化剤を共存させるだけでは、酸化の進行が極めて遅く、原水中のマンガンイオンが十分に水和二酸化マンガン粒子とはなりにくいという問題がある。しかし、すでに酸化された水和二酸化マンガン粒子等を積極的に存在させると、該粒子が触媒として作用し、マンガンイオンの酸化は促進される。

反応式（１）で示すように、マンガンイオンは水和二酸化マンガンに交換吸着されると、マンガンイオンと接触した水和二酸化マンガンはＭｎＯ_２・ＭｎＯとなり、接触酸化力を失うが、反応式（２）で示すように、塩素系酸化剤による酸化反応で、水和二酸化マンガン粒子となり、再び活性化する。
Ｍｎ^２＋＋ＭｎＯ_２・Ｈ_２Ｏ→ＭｎＯ_２・ＭｎＯ＋２Ｈ^＋ （１）
ＭｎＯ_２・ＭｎＯ＋ＨＯＣｌ＋２Ｈ_２Ｏ→２（ＭｎＯ_２・Ｈ_２Ｏ）＋Ｈ^＋＋Ｃｌ⁻ （２）

マンガンイオンを酸化するためには、交換吸着するための水和二酸化マンガンと、水和二酸化マンガンを再び活性化するための酸化剤が必要であるが、中空糸膜モジュール３を逆洗した固形分含有洗浄排水を接触滞留槽２に供給することで、マンガンイオンが効率よく酸化物となるため、効率的にマンガンイオンが酸化除去された膜処理水が受水槽８に貯留される。

（水処理方法）
次に、本実施形態の水処理装置１を用いた水処理方法について説明する。この水処理方法は、金属イオンを含有する原水（未処理の原水）に添加剤を添加して金属イオンの少なくとも一部を固形分として析出させ、金属イオンの濃度が低減された原水を膜モジュール３に流入させ、膜モジュール３において原水から固形分と膜処理水を分離する方法であって、膜モジュール３の逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を一旦貯留し、貯留された洗浄排水の少なくとも一部を未処理の原水に混合することを特徴としている。

以下では、金属イオンがマンガンイオンであり、膜モジュール３が中空糸膜モジュール３であり、添加剤が酸化剤である場合を例に挙げて説明するが、これらの場合に限られない。

水処理装置１を用いた水処理方法では、まず、原水が配管２１を通じて接触滞留槽２に供給されて接触滞留槽２内に貯留される。接触滞留槽２内の原水には、添加剤注入設備７から配管２２を通じて酸化剤が注入される。

水処理装置１では、接触滞留槽２内の原水において、酸化剤の濃度が固形分（二酸化マンガン）の濃度の２倍以上となるように、接触滞留槽２内の原水に酸化剤が添加されるのが好ましい。

マンガンイオンが二酸化マンガン（水和二酸化マンガン）に交換吸着されると、水和二酸化マンガンはＭｎＯ_２・ＭｎＯとなり、接触酸化力を失うが、酸化剤による酸化反応によって水和二酸化マンガンに戻り、再び活性化する。接触滞留槽２内の原水において酸化剤の濃度が二酸化マンガンの濃度の２倍以上となる場合には、接触滞留槽２内の原水において、二酸化マンガンが再活性化するのに必要な酸化剤を二酸化マンガンに対して十分に確保することができ、これにより、接触滞留槽２内においてマンガンイオンから二酸化マンガンへの析出反応を促進する効果が低下するのを抑制できる。具体例を挙げると、例えば、接触滞留槽２内の原水において二酸化マンガン濃度が０．２ｐｐｍである場合には、接触滞留槽２内の原水において酸化剤の濃度は０．５ｐｐｍ以上であれば析出反応は問題なく進行する。

接触滞留槽２内の原水における二酸化マンガンの濃度及び添加剤の濃度は、例えば次のようにして検知することができる。二酸化マンガン濃度の定量法としては、例えば、硫酸とシュウ酸で分解して、残余のシュウ酸を過マンガン酸カリウムで滴定する方法が挙げられる。酸化剤濃度の定量法としては、例えば、酸化剤が次亜塩素酸ナトリウムの場合、水溶液に含まれる残留塩素濃度の測定による方法が挙げられる。具体的には、例えば、ジエチル−ｐ−フェニレンジアンモニウム（ジエチル−ｐ−フェニレンジアミン，ＤＰＤ）比色法や、ヨウ化カリウムで遊離したヨウ素をチオ硫酸ナトリウムで酸化還元滴定する方法が挙げられる。

洗浄排水槽５に洗浄排水が貯留されている場合には、返送ポンプ３２が運転されることによって返送配管２６を通じて洗浄排水が洗浄排水槽５から接触滞留槽２に送られ、これにより、洗浄排水に含まれる固形分（二酸化マンガン）が接触滞留槽２内の原水に供給される。

水処理装置１では、接触滞留槽２内の原水において、固形分としての二酸化マンガンの濃度がマンガンイオンの濃度の５倍以上となるように、洗浄排水槽５から接触滞留槽２に送られる洗浄排水の返送量が調節されるのが好ましい。

洗浄排水の返送量は、例えば返送ポンプ３２の運転を断続的に行うことによって調節することができる。接触滞留槽２内の原水において二酸化マンガンの濃度がマンガンイオンの濃度の５倍以上となる場合には、接触滞留槽２内の原水において、触媒作用を有する二酸化マンガンをマンガンイオンに対して十分に確保することができ、これにより、接触滞留槽２内においてマンガンイオンから二酸化マンガンへの析出反応を促進する効果が低下するのを抑制できる。具体例を挙げると、例えば、原水に含まれるマンガンイオンの濃度が０．０３５ｐｐｍである場合には、接触滞留槽２内の原水において二酸化マンガンの濃度は０．２ｐｐｍ以上であれば、析出反応が問題なく進行する。なお、原水に含まれるマンガンイオンの濃度とは、配管２１を通じて接触滞留槽２に流入する原水中の濃度（酸化される前の濃度）のことである。

接触滞留槽２内の原水におけるマンガンイオンの濃度は、例えばＩＰＣ発光分析装置で定量することができる。

なお、水処理装置１の運転初期においては、中空糸膜モジュール３の逆圧洗浄が未だ行われていないので、洗浄排水槽５には洗浄排水が貯留されていない場合がある。この場合、洗浄排水を洗浄排水槽５から接触滞留槽２に送ることができない。したがって、このような運転初期においては、返送ポンプ３２を運転せずに、洗浄排水に含まれる固形分と同様のもの（例えば二酸化マンガン）を接触滞留槽２に別途添加するのが好ましい。

接触滞留槽２内の原水は、撹拌機構９によって撹拌が十分に行われるのが好ましい。撹拌機構９による撹拌が行われる場合には、接触滞留槽２内の原水中において、例えば二酸化マンガンなどの固形分が沈殿するのを抑制して原水中に分散されるので、原水中の金属イオンと固形分とを効率よく接触させることができる。

本実施形態では、接触滞留槽２内の原水が原水ポンプ３１によって中空糸膜モジュール３に供給される前に、接触滞留槽２内の原水において、マンガンイオンを二酸化マンガンとして析出させることによってマンガンイオンの濃度を十分に低下させる。このためには、接触滞留槽２内の原水において、マンガンイオンと酸化剤と二酸化マンガンとを共存させる滞留時間を十分に確保するのが好ましい。具体的に、接触滞留槽２内の原水において、マンガンイオンと酸化剤と二酸化マンガンとが共存する滞留時間は、５分以上であるのが好ましく、１５分以上であるのがより好ましく、３０分以上であるのがさらに好ましい。

上記の滞留時間は、例えば接触滞留槽２の大きさを調節することによってある程度確保することができる。すなわち、配管２１を通じて接触滞留槽２に供給された原水が接触滞留槽２から原水配管２３に流出するまでの平均的な時間は、接触滞留槽２が大きくなるほど長くなる。具体的には、例えば、マンガンイオン濃度が０．０７ｍｇ／Ｌの場合、原水の滞留時間が５分以上となるような接触滞留槽の大きさに設計するのが好ましい。上記のように原水が接触滞留槽２から流出する時間が十分に確保されている場合には、原水ポンプ３１を連続的に運転して接触滞留槽２内の原水を中空糸膜モジュール３に連続的に送ることができる。なお、ここでいうマンガンイオン濃度とは、配管２１を通じて接触滞留槽２に流入する原水中の濃度（酸化される前の濃度）のことである。

また、上記の滞留時間は、例えば、原水ポンプ３１を断続的に運転して接触滞留槽２内の原水を中空糸膜モジュール３に断続的に送ることによって制御してもよい。

また、接触滞留槽２内に、仕切りを設けたり、蛇行流路を設けたりすることによって、配管２１を通じて接触滞留槽２に供給された原水が接触滞留槽２から原水配管２３に流出するまでの時間をかせぐことが可能な構造を採用してもよい。

また、接触滞留槽２内の原水のマンガンイオンの濃度を直接又は間接的に検知できるセンサーを設けてもよい。このようなセンサーとしては、例えば原水の電気伝導率などを検知するセンサーを挙げることができるが、これに限られない。このセンサーによる検知結果と予め定められた基準値とを比較して、原水ポンプ３１の運転と停止の制御を行ってもよい。

次に、接触滞留槽２内の原水は、原水ポンプ３１によって原水配管２３を通じて中空糸膜モジュール３に供給される。中空糸膜モジュール３は、原水から固形分と膜処理水を分離する。中空糸膜モジュール３において分離された膜処理水は、中空糸膜モジュール３から配管２４に流出し、受水槽８に送られる。一方、中空糸膜モジュール３において分離された固形分は、中空糸膜に捕捉される。

中空糸膜モジュール３におけるろ過時間は、原水の水質や膜透過流束に応じて適宜設定するのが好ましいが、所定の膜ろ過差圧に到達するまでろ過時間を継続させてもよい。

中空糸膜モジュール３においてろ過運転を継続すると、中空糸膜モジュール３の膜表面や膜細孔内に鉄やマンガンの酸化物、フミン酸などの有機物などが付着していく。このような付着物が多くなると、中空糸膜モジュール３において膜処理水量の低下、膜間差圧の上昇などを引き起こすため、所定時間ごとに以下の洗浄工程が行われる。

洗浄工程では、まず、原水ポンプ３１を停止して、図略の原水供給バルブ及び膜処理水バルブを閉じた後、図略の逆圧洗浄バルブを開いて、コンプレッサー１０を運転する。これにより、流体を用いた中空糸膜モジュール３の逆圧洗浄が行われ、膜表面や膜細孔内に付着したマンガンの酸化物などの付着物が膜から剥離する。逆圧洗浄によって生じた洗浄排水は、配管２５を通じて洗浄排水槽５に送られる。洗浄排水槽５に送られた洗浄排水の一部は、返送ポンプ３２が運転されることによって返送配管２６を通じて接触滞留槽２に送られる。

逆圧洗浄の時間は、特に制限されるものではないが、５秒以上１２０秒以下の範囲内とするのが好ましい。１回の逆圧洗浄時間が５秒未満では、十分な洗浄効果が得られず、１２０秒を超えると中空糸膜モジュール３の稼働効率が低くなったり、水回収率が低下したりする。

逆圧洗浄の流束は、特に制限されるものではないが、ろ過流束の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。逆圧洗浄の流束がろ過流束の０．５倍未満では、膜面に付着、堆積したファウリング物質を十分に除去することが難しい。逆圧洗浄の流束は高いほうが膜の洗浄効果が高くなるので好ましいが、高すぎると水回収率が低下すること、膜モジュール容器の破壊や膜の亀裂等の損傷が起こる問題が発生することから、そうならない範囲内に適宜設定される。

逆圧洗浄の頻度は、ろ過流束やろ過時間、原水水質に応じて適宜設定すればよく、特に制限するものではないが、数十分〜数時間に１回程度であることが好ましい。

水処理装置１において、逆圧洗浄に用いる流体としては例えば水、空気などが挙げられるが、水が用いられる液体逆圧洗浄では、逆圧洗浄によって生じる洗浄排水の量が多くなるのに対し、空気が用いられる気体逆圧洗浄では、逆圧洗浄によって生じる洗浄排水の量が液体逆圧洗浄に比べて少なくなるという利点がある。また、水処理装置１が、膜モジュール３において上昇する気泡を含んだ水流により膜を揺動させて膜表面の固形物を除去するスクラビング（空気洗浄）を行うためのコンプレッサー１０を備えている場合には、このコンプレッサー１０を気体逆圧洗浄にも用いることができる。したがって、気体逆圧洗浄が採用される場合には、気体逆圧洗浄に必要な付帯設備（すなわちコンプレッサー１０）を別途設ける必要がない。これに対し、水（例えば膜処理水（透過液））が逆圧洗浄用の流体として使用される液体逆圧洗浄では、逆圧洗浄用のポンプ、処理水槽などの付帯設備を別途設ける必要がある。

また、本実施形態では、洗浄工程において、中空糸膜の原水側に液体を満たした状態で、中空糸膜の処理水側から中空糸膜のバブルポイント未満の圧力の気体を導入し、２０秒以内で中空糸膜モジュールの処理水側の液体を完全に排出する加圧工程を行ってもよい。そして、この加圧工程中または加圧工程後に中空糸膜の原水側を気泡で洗浄する洗浄を行う。

加圧工程に用いる気体としては空気、窒素などが挙げられる。加圧工程時および後述する気泡による膜表面洗浄時には、中空糸膜の原水側が液体で満たされていることが必要である。加圧工程に使用する気体の圧力は、中空糸膜のバブルポイント、中空糸膜の破裂圧力および中空糸膜モジュールの耐久圧力の内、最も低い値を超えない範囲内で選択されるが、中空糸膜のバブルポイントおよび破裂圧力が何れも０．５ＭＰａよりも大きい場合は、加圧気体の圧力が０．１〜０．５ＭＰａの範囲内にあることが好ましく、０．１５〜０．３ＭＰａの範囲内にあることがより好ましい。

気体による加圧工程を実施する時間は、中空糸膜モジュールの処理水側の液体を完全に排出することが可能な時間以上が必要であるが、加圧気体の単位時間あたりの導入量と中空糸膜モジュール３の処理水側との体積とにより加圧時間が異なる。外圧全量ろ過方式の場合には、中空糸膜の内部体積も考慮して加圧時間を設定する必要があるが、２０秒以内に実施することが好適である。

上述した気体による加圧工程中または加圧工程後に、中空糸膜の原水側を気泡で洗浄するのが好ましい。この気泡洗浄工程で用いる気体としては、空気、窒素などが挙げられる。気泡の供給量は特に限定されないが、膜洗浄効果が高く、膜破損のおそれが小さいことから、気泡の供給量が中空糸膜の面積１ｍ^２あたり５〜５００ＮＬ／ｈｒの範囲内にあることが好ましく、１０〜３００ＮＬ／ｈｒの範囲内にあることがより好ましい。上記した「片端フリー」タイプのモジュールを使用した場合、気泡による膜表面洗浄効果が極めて高くなる。

本実施形態の水処理装置１では、気泡洗浄工程はろ過工程中には行われないので、膜モジュールの下方から気泡を発生させながらろ過工程を行う特許文献１の水処理方法に比べて省エネルギー化が可能であり、また、膜擦過由来のろ過性能低下を抑制することができる。

（実施例）
図１に示す水処理装置１を用いて、０．０５６ｍｇ／Ｌの濃度のマンガンイオンを含有する地下水を処理した。中空糸膜モジュール３には株式会社クラレ製の孔径０．０２μｍのポリフッ化ビニリデン系中空糸膜（膜面積：４２ｍ^２）を用いた。ろ過運転方式は、ろ過流束が１．５ｍ／ｄの定流量ろ過運転とし、膜処理水中の残留塩素濃度が０．５ｍｇ／Ｌとなるように、添加剤注入設備７から次亜塩素酸ナトリウムを注入した。ろ過工程を６０分実施後、原水ポンプ３１を停止し、原水供給バルブ、ろ過バルブを閉じてろ過工程を停止した。その後、空気洗浄するために逆洗用配管２８を通じて中空糸膜モジュール３に空気を１分間供給した。洗浄工程終了後、ろ過工程を再開した。ここで、洗浄工程によって得られた排水は、洗浄排水槽５に送液され、さらに洗浄排水槽５から返送配管２６を通じて接触滞留槽２に送液した。このとき、送液する量は３０Ｌであった。以上の工程を２日間継続して運転した。

その結果、マンガンイオンの濃度が０．００１ｍｇ／Ｌ未満（検出限界）の膜処理水を得ることができ、水道水質基準である０．０５ｍｇ／Ｌ以下を達成した。また、ろ過差圧は運転開始直後の０．０１８ＭＰａに対して、運転開始から６ヶ月後も０．０２０ＭＰａと安定していた。

（比較例）
洗浄工程で得られた排水を、接触滞留槽２に送液しないこと以外は、実施例と全く同じにした。その結果、マンガンイオンの濃度が０．０５６ｍｇ／Ｌの膜処理水となり、水道水質基準である０．０５ｍｇ／Ｌ以下を達成しなかった。また、ろ過差圧は運転開始直後の０．０２０ＭＰａに対して、運転開始から６ヶ月後には０．１ＭＰａに達した。

（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

前記実施形態では、膜モジュール３として、片端フリータイプの中空糸膜モジュール３を用いた場合を例示したが、例えば図２に示すように筐体内において中空糸膜の両端が固定された中空糸膜モジュール３を用いることもできる。

また、図２に示す変形例の水処理装置１は、膜モジュール３において送液方向を切り換える機構を備える。具体的に、変形例の水処理装置１では、受水槽８に膜処理水を送る配管２４の上流側が２つの分岐管２４Ａ，２４Ｂに分岐しており、これらの一方が中空糸膜モジュール３の一端側に接続され、他方が中空糸膜モジュール３の他端側に接続されている。そして、図２の変形例では、２つの分岐管２４Ａ，２４Ｂの一方又は両方に図略の弁を設けている。当該弁の開閉動作が行われることによって、膜モジュール３内を流れる液の送液方向を切り換えることができる。

１ 水処理装置
２ 接触滞留槽
３ 膜モジュール
４ 原水送り機構
５ 洗浄排水槽
６ 返送機構
７ 添加剤注入設備
８ 受水槽
９ 撹拌機構
１０ エアーコンプレッサー
２３ 原水配管
２６ 返送配管
３１ 原水ポンプ
３２ 返送ポンプ

Claims (5)

1. 金属イオンを含有する原水を貯留するとともに前記原水に添加剤が添加されて前記金属イオンの少なくとも一部を固形分として析出させる接触滞留槽と、
   前記接触滞留槽外に設けられ、前記接触滞留槽から送られてくる前記原水から前記固形分と膜処理水を分離する膜モジュールと、
   前記膜モジュールの逆圧洗浄によって生じた洗浄排水を貯留する洗浄排水槽と、
   前記固形分を含む前記洗浄排水の少なくとも一部を前記洗浄排水槽から前記接触滞留槽に送る返送機構と、を備え、
   前記金属イオンがマンガンイオンであり、
   前記添加剤が塩素系酸化剤であり、
   前記返送機構によって前記洗浄排水槽から前記洗浄排水が送られて前記固形分が供給された状態の前記接触滞留槽内の前記原水において、前記添加剤の濃度が前記固形分としての二酸化マンガンの濃度の２倍以上となるように、前記接触滞留槽内の前記原水に前記添加剤が添加される水処理装置。
2. 前記接触滞留槽内の前記原水において、前記固形分としての二酸化マンガンの濃度が前記マンガンイオンの濃度の５倍以上となるように、前記洗浄排水槽から前記接触滞留槽に送られる前記洗浄排水の量が調節される、請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記逆圧洗浄に用いられる流体が気体である、請求項１又は２に記載の水処理装置。
4. 前記膜モジュールが、孔径０．００１〜５μｍの中空糸膜を有する中空糸膜モジュールである、請求項１〜３の何れか１項に記載の水処理装置。
5. 前記接触滞留槽内の前記原水を撹拌する撹拌機構を備える、請求項１〜４の何れか１項に記載の水処理装置。

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