JP7147659B2

JP7147659B2 - 逆浸透膜装置の運転方法及び逆浸透膜装置

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Publication number: JP7147659B2
Application number: JP2019063886A
Authority: JP
Inventors: 晴樹増田; 孝博川勝; 雄太大塚; 敦士加藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2022-10-05
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020163252A

Description

本発明は、逆浸透膜装置の運転方法及び逆浸透膜装置に係り、特に、膜エレメントの性能低下を検出することを含む逆浸透膜装置の運転方法及び逆浸透膜装置に関する。

透過水量一定の条件で多段逆浸透膜を運転する場合、膜間差圧、モジュール差圧が運転管理の情報として得られる。これらの情報によってファウリングが起こったことが判断される。

特許文献１には、単段逆浸透膜装置の透過フラックス、モジュール差圧の変化より汚染原因を特定することが記載されている。

特許文献２には、供給水からバイオファウリング発生の有無を検知するセンサー、濃縮水からスケール析出の有無を検出するセンサーを設け、運転を制御することが記載されている。

特許文献３には、バイオフィルム形成基材に供給水、濃縮水を通水し、バイオフィルム量を評価することで運転を制御することが記載されている。

特開２０１８－１５３７８９号公報国際公開ＷＯ２０１７／１７５３３４号公報国際公開ＷＯ２００８／０３８５７５号公報

膜間差圧、モジュール差圧の情報からファウリングの原因は推定できるが、多段逆浸透膜装置の場合は、膜にかかる負荷に偏りがあるため、差圧の上昇を確認した時点では、一部のエレメントの汚染が激しいことが考えられる。従って効率的な運転を行うために、エレメントの性能低下を鋭敏に検知する必要がある。

本発明は、被処理水が直列に通水されるように多段に設置された膜エレメントを有する逆浸透膜装置における膜性能の低下を鋭敏に検知することができる逆浸透膜装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明の逆浸透膜装置の運転方法は、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）の膜エレメントを備え、第１の膜エレメントに原水が供給され、第ｋ（ｋは１以上でｎよりも小さい整数）の膜エレメントの濃縮水が第ｋ＋１の膜エレメントに供給され、第ｎの膜エレメントからの濃縮水が装置外に取り出され、各膜エレメントの透過水が装置外に取り出される逆浸透膜装置を運転する方法において、第１、第ｎ又は通水方向に連なる複数（ただしｎよりも少数）の膜エレメントの単位時間当りの透過水流量を測定することを特徴とする。

本発明の一態様では、前記第１の膜エレメントの透過水流量を測定する。

本発明の一態様では、原水にバイオファウリング防止剤を添加する工程を有する。

本発明の一態様では、前記第ｎの膜エレメントの透過水流量を測定する。

本発明の一態様では、原水にスケール分散剤を添加する工程を有する。

本発明の一態様では、２以上の前記膜エレメントが１つの圧力容器内に設置されている。

本発明の一態様では、前記測定された透過水流量に基づいて前記膜エレメントの洗浄又は交換を行う。

本発明の逆浸透膜装置は、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）の膜エレメントを備え、第１の膜エレメントに原水が供給され、第ｋ（ｋは１以上でｎよりも小さい整数）の膜エレメントの濃縮水が第ｋ＋１の膜エレメントに供給され、第ｎの膜エレメントからの濃縮水が装置外に取り出され、各膜エレメントの透過水が装置外に取り出される逆浸透膜装置であって、２以上の前記膜エレメントが１つの円筒状の圧力容器内に設置されているとともに、前記膜エレメントは、それぞれ、集水管の外周に袋状膜が巻回されたスパイラル型膜エレメントであり、前記圧力容器内に同軸上に設置されており、先頭の前記膜エレメントの集水管と次段の前記膜エレメントの集水管とは、エンドキャップにより隔絶されていることを特徴とする。

本発明の一態様では、先頭の前記膜エレメントの集水管の端部と次段の前記膜エレメントの集水管の端部とに、それぞれ別体のエンドキャップを装着するか、または、双方の集水管の端部に一体のエンドキャップを装着する。

本発明の逆浸透膜装置は、第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）の膜エレメントを備え、第１の膜エレメントに原水が供給され、第ｋ（ｋは１以上でｎよりも小さい整数）の膜エレメントの濃縮水が第ｋ＋１の膜エレメントに供給され、第ｎの膜エレメントからの濃縮水が装置外に取り出され、各膜エレメントの透過水が装置外に取り出される逆浸透膜装置であって、２以上の前記膜エレメントが１つの円筒状の圧力容器内に設置されているとともに、前記膜エレメントは、それぞれ、集水管の外周に袋状膜が巻回されたスパイラル型膜エレメントであり、前記圧力容器内に同軸上に設置されており、最後尾の前記膜エレメントの集水管と前段の前記膜エレメントの集水管とは、エンドキャップにより隔絶されていることを特徴とする。

本発明の一態様では、最後尾の前記膜エレメントの集水管の端部と前段の前記膜エレメントの集水管の端部とに、それぞれ別体のエンドキャップを装着するか、または、双方の集水管の端部に一体のエンドキャップを装着する。

本発明によると、膜エレメントの性能低下が鋭敏に検知されるので、膜エレメントの汚染が激しくなる前に膜エレメントを洗浄したり交換したりすることが可能となり、逆浸透膜装置の運転効率を向上させることができる。

実施の形態に係る逆浸透膜装置の概略断面図である。従来例に係る逆浸透膜装置の概略断面図である。実施の形態に係る逆浸透膜装置の概略断面図である。実施の形態に係る逆浸透膜装置の概略断面図である。実施の形態に係る逆浸透膜装置の概略断面図である。実施の形態に係る逆浸透膜装置の概略断面図である。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。実施例の手順を示すフローチャートである。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１は実施の形態に係る逆浸透膜装置の運転方法に用いられる逆浸透膜装置１の耐圧容器（以下、ベッセルという。）長手方向に沿う概略断面図である。

この逆浸透膜装置１は、円筒形状のベッセル２を備えている。ベッセル２の長手方向の一端側に原水の流入口３が設けられ、他端側に濃縮水の流出口４が設けられている。

ベッセル２内に膜エレメント１０，２０が設置されている。この実施の形態では、膜エレメント１０，２０はスパイラル型膜エレメントであり、それぞれ中空管状の集水管１１，２１と、該集水管１１，２１の外周に巻回された複数の袋状膜１２，２２とを有する。

袋状膜１２，２２は、封筒形であり、内部にメッシュスペーサ等よりなる透過水用流路材が配置されている。袋状膜１２，２２は、一辺部分が開放しており、該一辺部分が集水管１１，２１に設けられたスリット状開口に差し込まれて固定されている。袋状膜が集水管１１，２１の外周に巻き付けられることにより膜エレメントが構成される。袋状膜を透過して袋状膜内に流入してきた透過水は、前記一辺部分を通って集水管１１，２１内に流入し、該集水管１１，２１の端部のエンド管１３，２３から逆浸透膜装置１外へ流出する。

なお、図１では、集水管１１の左端と集水管２１の右端にそれぞれ透過水取り出し用の短い円筒形のエンド管１３，２３が接続されている。エンド管１３，２３の先端側はベッセル２外に延出している。

また、集水管１１の右端と集水管２１の左端にそれぞれエンドキャップ１４，２４が水密的に装着されている。

各膜エレメント１０，２０の外周面のうち原水流入口３に近い側とベッセル２の内周面との間を封じるようにブラインシール１５，２５が装着されている。ブラインシール１５，２５は各膜エレメント１０，２０を周回している。

図１の逆浸透膜装置１では膜エレメント１０，２０の集水管１１，２１に別体のエンドキャップ１４，２４が装着されているが、図３の逆浸透膜装置１Ｂのように、集水管１１の右端と集水管２１の左端とを共通のエンドキャップ１８で封じてもよい。

図３の逆浸透膜装置１Ｂのその他の構成は図１の逆浸透膜装置１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

図２は、従来用いられていた逆浸透膜装置１Ａの構成を示すものである。この逆浸透膜装置１Ａにあっては、集水管１１の左端がエンドキャップ１６で封じられている。また、集水管１１の右端と集水管２１の左端とがインターコネクタ２６によって接続され、集水管１１，２１内が連通している。

図２の逆浸透膜装置１Ａのその他の構成は図１の逆浸透膜装置１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

図１，３ではベッセル２内に２個の膜エレメント１０，２０が配置されているが、３個以上の膜エレメントが配置されてもよい。ベッセル２内に３個の膜エレメント１０，２０，３０が配置された逆浸透膜装置１Ｃ，１Ｄを図４，５に示す。

膜エレメント３０は、膜エレメント１０，２０と同一構成のものであり、集水管３１と、該集水管３１に巻回された袋状膜３２とを有する。

図４の逆浸透膜装置１Ｃでは、集水管２１の右端と集水管３１の左端とがインターコネクタ２６で接続されている。また、集水管３１の右端にエンド管３３が接続され、該エンド管３３がベッセル２外に延出している。集水管２１内の透過水は集水管３１を通ってエンド管３３から取り出される。

図４の逆浸透膜装置１Ｃのその他の構成は図１の逆浸透膜装置１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

図５の逆浸透膜装置１Ｄでは、膜エレメント１０の集水管１１の右端と膜エレメント２０の集水管２１の左端とがインターコネクタ２６で接続されている。集水管２２の右端と集水管３１の左端はそれぞれエンドキャップ２４，３４で封じられている。集水管２１内の透過水は、集水管１１を通ってエンド管１３から取り出される。

図５の逆浸透膜装置１Ｄのその他の構成は図４の逆浸透膜装置１Ｃと同一であり、同一符号は同一部分を示している。

これらの逆浸透膜装置を用いた逆浸透システムの構成例を図６に示す。

この逆浸透システム４０では、３個の逆浸透膜装置４１，４２，４３を設置している。第１，第３逆浸透膜装置４１，４３は図１に示した逆浸透膜装置１と同一構成のものであり、第２逆浸透膜装置４２は図２に示した逆浸透膜装置１Ａと同一構成のものであり、同一符号は同一部分を示している。

原水は、流量計Ｆ_１及び圧力計Ｐ_１を有した配管５０から配管５１，５２に分流し、逆浸透膜装置４１，４２の流入口３，３から各ベッセル２，２内に流入する。第１逆浸透膜装置４１の膜エレメント１０の透過水は、エンド管１３から、流量計Ｆ_２を有する配管５３と合流配管５４，５５を介して取り出される。第１逆浸透膜装置４１の膜エレメント２０の透過水は、エンド管２３から、配管５６、合流配管５７，５４，５５を介して取り出される。

第２逆浸透膜装置４２の膜エレメント１０，２０の透過水は、エンド管２３から配管５８、合流配管５７，５４，５５を介して取り出される。

第１，第２逆浸透膜装置４１，４２の濃縮水は、各々の流出口４，４から濃縮水配管６０，６１、濃縮水合流配管６２を介して第３逆浸透膜装置４３の流入口３からベッセル２内に流入する。第３逆浸透膜装置４３の膜エレメント１０の透過水は、エンド管１３から配管６３、合流配管５４，５５を介して取り出される。第３逆浸透膜装置４３の膜エレメント２０の透過水は、エンド管２３から、流量計Ｆ_３を有する配管６４及び合流配管５５を介して取り出される。合流配管５５には圧力計Ｐ_３と流量計Ｆ_５が設けられている。

第３逆浸透膜装置４３の濃縮水は、その流出口４から配管６５を介して流出する。配管６５には圧力計Ｐ_２と流量計Ｆ_４とが設けられている。

従来の逆浸透膜装置は、図２のように膜エレメント１０，２０がベッセル２内でインターコネクタ２６によって接続されており、先頭、または最後尾のみの膜エレメント１０又は２０の透過水量を測定することができない。

これに対し、図１，３の逆浸透膜装置では、膜エレメント１０，２０の集水管１１，２１同士を連通させず、また各膜エレメント１０，２０の集水管１１，２１にそれぞれエンド管１３，２３を接続しているので、膜エレメント１０，２０単独の透過水量を測定することができる。

３個の膜エレメント（又はそれ以上の膜エレメント）を有する逆浸透膜装置の場合、図４のように構成することにより、先頭の膜エレメント１０の透過水量を測定することができる。また、図５のように構成することにより、最後尾の膜エレメント３０の透過水量を測定することができる。

また、図６のように、先頭、最後尾エレメントの透過水側に流量計を設けることで、原因の推定、膜性能低下の検知を行うことができる。先頭あるいは最後尾エレメントが複数ある場合は、そのうち一本のみの透過水量を測定しても構わない。

本発明の一態様では、先頭エレメントの透過水量すなわち第１逆浸透膜装置４１の膜エレメント１０の透過水流量（流量計Ｆ_２検出値）からバイオファウリングによる膜性能の低下を検出する。

本発明の別の一態様では、最後尾エレメントの透過水量すなわち第３逆浸透膜装置４３の膜エレメント２０の透過水流量（流量計Ｆ_３検出値）からスケールによる膜性能の低下を検出する。

これら流量計Ｆ_２又はＦ_３検出値の経時変化から、膜エレメントの性能低下を鋭敏に検出することができる点について以下の実施例で例証する。

［実施例１］
図６に示す逆浸透膜システムにおいて、原水供給水量４．７Ｌ／ｍｉｎ、回収率１５％の条件で試験を行った。原水は、生物処理水にＩＰＡを１ｍｇ／Ｌ、リン酸二水素ナトリウム０．００１ｍｇ／Ｌを添加した合成排水である。バイオファウリング防止剤（栗田工業株式会社製クリバーター（登録商標）ＩＫ１１０）を２４時間毎に３時間にわたって４０ｍｇ／Ｌで間欠添加した。

図７に先頭エレメントの透過水フラックスの経時変化を示す。図７より、先頭エレメント（第１逆浸透膜装置４１の膜エレメント１０）の透過水流量（流量計Ｆ_２の検出値）は、７日目に８％の低下を示した。

［比較例１］
実施例１の実験期間中、並行してモジュール差圧（図６のＰ_１－Ｐ_２）の経時変化を測定した。結果を図８に示す。図８の通り、モジュール差圧は１１日目に０．００２５ＭＰａの差圧上昇を示した。

実施例１では、７日目に膜性能変化を検出しているため、比較例１のようにモジュール差圧を検知する場合よりも先頭エレメントのフラックスの低下を確認する実施例１の方がより鋭敏に膜性能の変化を検出できることが認められた。

［実施例２］
図６に示す逆浸透膜システムにおいて、原水供給水量４．８Ｌ／ｍｉｎ、回収率７５％で通水１１５分、フラッシング５分を繰り返す試験を行った。供給水は純水にＳｉＯ_２１００ｍｇ／Ｌ、Ａｌ０．１ｍｇ／Ｌ、Ｃａ１０ｍｇ／Ｌ、ＣＯ_３６０ｍｇ／Ｌ、スケール分散剤（栗田工業株式会社製クリバーター（登録商標）Ｎ１９５）１２．５ｍｇ／Ｌを添加し、ｐＨを７．１に調整した合成排水を用いた。

図９に先頭エレメント（第１逆浸透膜装置４１の膜エレメント１０）の透過水流量（図６のＦ_２）および最後尾エレメント（第３逆浸透膜装置４３の膜エレメント２０）の透過水流量（図６のＦ_３）の経時変化を示す。図９の通り、先頭エレメントのフラックスは低下しないが、最後尾エレメントは３日目に７％の低下を示した。

［比較例２］
実施例２の実験期間中、並行して膜間差圧（図６の（Ｐ_１＋Ｐ_２）／２－Ｐ_３）の経時変化を測定し、図１０に示した。

図１０の通り、膜間差圧では６日目に０．００８３ＭＰａの差圧上昇を示した。実施例２では３日目に膜性能変化を検出しているため、膜間差圧よりも最後尾エレメントのフラックスの低下を確認する方がより鋭敏に膜性能の変化を検出できることが認められた。

［実施例３］
実施例２と同様の通水試験を行い、アルカリ洗浄による膜性能の回復を試験した。試験は図１１の手順で行い、膜性能は最後尾エレメントの通水前フラックスとの比で示した。

＜結果・考察＞
図１２に最後尾エレメントの膜性能が８８％まで低下し、膜間差圧の上昇は検知していない条件で洗浄を行った結果を示す。１ｈの洗浄では膜性能が９３％まで回復し、２４ｈの洗浄では１００％まで回復することが認められた。

図１３に最後尾エレメントの膜性能が８２％まで低下し、膜間差圧の上昇は検知していない条件で洗浄を行った結果を示す。１ｈの洗浄では膜性能が８３％まで回復し、２４ｈの洗浄では１００％まで回復することが認められた。

図１４に最後尾エレメントの膜性能が４％まで低下し、膜間差圧が０．０８８ＭＰａ上昇した条件で洗浄を行った結果を示す。１ｈの洗浄では膜性能が１２％までしか回復せず、２４ｈの洗浄でも４７％までしか回復しないことが認められた。

図１５に最後尾エレメントの膜性能が５０％まで低下し、膜間差圧が０．００８３ＭＰａ上昇した条件で洗浄を行った結果を示す。１ｈの洗浄では膜性能が６５％までしか回復せず、２４ｈの洗浄でも８９％までしか回復しないことが認められた。

以上のように、最後尾エレメントの膜性能が８８％又は８２％まで減少し、膜間差圧が上昇していない条件で洗浄をおこなった場合は、２４ｈのアルカリ洗浄で膜性能が１００％回復した。しかし、膜性能が５０％又は４％まで減少し、膜間差圧が上昇している条件で洗浄を行った場合は、２４ｈのアルカリ洗浄で膜性能が１００％まで回復しない。このように、最後尾フラックスが低下した段階で膜の洗浄、交換を行うことで、効率的に装置を運転することが可能となる。

１，１Ａ～１Ｄ、４１～４３逆浸透膜装置
２ベッセル
１０，２０，３０膜エレメント
１１，２１，３１集水管
１２，２２，３２袋状膜エレメント
１５，２５ブラインシール

Claims

第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）の膜エレメントを備え、第１の膜エレメントに原水が供給され、第ｋ（ｋは１以上でｎよりも小さい整数）の膜エレメントの濃縮水が第ｋ＋１の膜エレメントに供給され、第ｎの膜エレメントからの濃縮水が装置外に取り出され、各膜エレメントの透過水が装置外に取り出される逆浸透膜装置を運転する方法において、
第１、第ｎ又は通水方向に連なる複数（ただしｎよりも少数）の膜エレメントから装置外に取り出される単位時間当りの透過水流量を測定することを特徴とする逆浸透膜装置の運転方法。
前記第１の膜エレメントから装置外に取り出される透過水流量を測定することを特徴とする請求項１の逆浸透膜装置の運転方法。
原水にバイオファウリング防止剤を添加する工程を有することを特徴とする請求項２の逆浸透膜装置の運転方法。
前記第ｎの膜エレメントから装置外に取り出される透過水流量を測定することを特徴とする請求項１の逆浸透膜装置の運転方法。
原水にスケール分散剤を添加する工程を有することを特徴とする請求項４の逆浸透膜装置の運転方法。
２以上の前記膜エレメントが１つの圧力容器内に設置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかの逆浸透膜装置の運転方法。
前記測定された透過水流量に基づいて前記膜エレメントの洗浄又は交換を行うことを特徴とする請求項１～６のいずれかの逆浸透膜装置の運転方法。
第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）の膜エレメントを備え、第１の膜エレメントに原水が供給され、第ｋ（ｋは１以上でｎよりも小さい整数）の膜エレメントの濃縮水が第ｋ＋１の膜エレメントに供給され、第ｎの膜エレメントからの濃縮水が装置外に取り出され、各膜エレメントの透過水が装置外に取り出される逆浸透膜装置であって、
２以上の前記膜エレメントが１つの円筒状の圧力容器内に設置されているとともに、
前記膜エレメントは、それぞれ、集水管の外周に袋状膜が巻回されたスパイラル型膜エレメントであり、前記圧力容器内に同軸上に設置されており、
先頭の前記膜エレメントの集水管と次段の前記膜エレメントの集水管とは、エンドキャップにより隔絶されており、
前記先頭の膜エレメントから装置外に取り出される透過水の流量測定手段と、前記次段の膜エレメントから装置外に取り出される透過水の流量測定手段とを有することを特徴とする逆浸透膜装置。
先頭の前記膜エレメントの集水管の端部と次段の前記膜エレメントの集水管の端部とに、それぞれ別体のエンドキャップを装着するか、または、双方の集水管の端部に一体のエンドキャップを装着することを特徴とする請求項８の逆浸透膜装置。
第１ないし第ｎ（ｎは２以上の整数）の膜エレメントを備え、第１の膜エレメントに原水が供給され、第ｋ（ｋは１以上でｎよりも小さい整数）の膜エレメントの濃縮水が第ｋ＋１の膜エレメントに供給され、第ｎの膜エレメントからの濃縮水が装置外に取り出され、各膜エレメントの透過水が装置外に取り出される逆浸透膜装置であって、
２以上の前記膜エレメントが１つの円筒状の圧力容器内に設置されているとともに、
前記膜エレメントは、それぞれ、集水管の外周に袋状膜が巻回されたスパイラル型膜エレメントであり、前記圧力容器内に同軸上に設置されており、
最後尾の前記膜エレメントの集水管と前段の前記膜エレメントの集水管とは、エンドキャップにより隔絶されており、
前記最後尾の膜エレメントから装置外に取り出される透過水の流量測定手段と、前記前段の膜エレメントから装置外に取り出される透過水の流量測定手段とを有することを特徴とする逆浸透膜装置。
最後尾の前記膜エレメントの集水管の端部と前段の前記膜エレメントの集水管の端部とに、それぞれ別体のエンドキャップを装着するか、または、双方の集水管の端部に一体のエンドキャップを装着することを特徴とする請求項１０の逆浸透膜装置。