JP7213711B2 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は中空糸膜モジュールを用いる水処理装置および水処理方法に関する。

中空糸膜モジュールを用いた膜ろ過システムは水中の不純物などを高精度に分離可能、装置フットプリントが小さい、運転の自動化が容易などの特長を有しており、浄水処理から純水回収、排水処理まで幅広く用いられている。近年、河川表流水の飲適化や生物処理排水の回収など、水質変動が大きい原水に対しても膜ろ過の適用が検討されている。膜ろ過システムを安定的に運転するためには膜表面に供給される不純物の量と定期的な洗浄による不純物の除去効果が適切なバランスで成り立っていることが必要である。そのため、不純物の量が設計上限値を超過した場合、膜表面に堆積した不純物は十分に洗浄されなくなり、膜ろ過システムの運転を継続することができなくなる。よって、このような水質変動の大きい原水の膜ろ過を行うには何らかの前処理を組み合わせることが必要である。

前記前処理としては、例えば、凝集剤と呼ばれる薬剤を添加し、水質を改質する凝集操作、重力により不純物を沈殿させ分離させる沈殿操作、中空糸膜モジュールよりも分離性能の荒いフィルターの設置など、多種の方法があり、組み合わせて使用されることもある。

これらの中で、上述した凝集操作を行う場合、当該凝集後に膜ろ過を行うシステムにおいては適切な凝集剤の種類や量に関する統一的な知見はなく、これまでに様々な制御指針が提案されている（特許文献１～４等）。

特許第４６６８５５４号公報 特開２０１２－２４６７３号公報 国際公開第２０１７／１１５４５５号 特許第４９８１７２６号公報

しかし、水質が大きく変化する原水に対して適切な凝集条件を維持することは難しく、水質変動が生じた際に、適切な条件下では問題の無かった不純物が膜細孔内に目詰まりを起こし、純水透水性能を低下させることがある。一方で、過酷な条件に合わせた凝集条件を適用すると、急激な水質変動に対応ができるものの、比較的水質が良好な際には過剰な凝集剤が添加されるため、コスト増加となりやすい。また、過剰に添加された凝集剤自体が膜細孔に詰まるとともに、膜表面にファウリング層を形成するため、大きな通水抵抗となり、ろ過運転が継続できなくなることが懸念される。また、凝集剤を含むファウリング層はろ過時の圧力差により圧密化現象が進行するため、加速度的に通水抵抗が増加する傾向にあった。このような制約下において、従来の知見では凝集できなかった不純物により膜目詰まりが起こるリスクを許容した上で、凝集剤添加量を抑える運転を検討することが一般的であり、凝集剤に含まれる金属イオン濃度［ｐｐｍ］と膜ろ過原水の濁度[度]の比については０．０５～０．２程度の範囲に収められることが多かった。

つまり、これまでの知見による制御手法では大きく水質が変動する原水に対応できなかった。また、膜目詰まり物質についても不純物の凝集不足なのか、過多に供給された凝集剤なのかの判断もできず、薬品洗浄を行うにも複数の薬品での検討・実施薬洗を必要としていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水質変動の大きい原水にも対応でき、薬品洗浄の実施も容易とする、水処理装置および水処理方法を提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決するため鋭意検討の結果、下記構成の水処理装置によって上記課題が解消されることを見出し、当該知見に基づきさらに研究を重ねて本発明を完成した。

本発明の一局面に係る水処理装置は、膜ろ過原水に対して無機系凝集剤を添加する凝集剤添加部と、前記無機系凝集剤に含まれる金属イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保たれるように前記無機系凝集剤の添加量を制御する添加量制御部と、中空糸膜モジュールを有する膜ろ過部とを、少なくとも備えることを特徴とする。

このような構成とすることで、凝集剤が少し過多に供給された状態を保ち、水質変動が起きた際にも、水中の不純物による目詰まりを抑制することができる。一方で少し過多に供給された凝集剤が膜目詰まりを引き起こすが、目詰まり物質が単一かつ明確であるため、薬品洗浄の薬品選定、条件設定が容易にでき、十分な洗浄効果が期待できる。

前記水処理装置において、前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が４Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）以上であることが好ましい。それにより、通水抵抗が小さく、低い膜間差圧による膜ろ過が可能であるため、ファウリング層の圧密化が抑制できるという利点がある。

また、前記水処理装置が、前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が低下した際に、酸性薬品による薬品洗浄を実施する洗浄部をさらに備えることが好ましい。それにより、より長期間膜ろ過運転を継続することができる。

前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が初期透水性能に対して５０％以下となった際に、酸性薬品による薬品洗浄を実施する機能を備えることが好ましい。それにより、高い純水透水性能が維持され、長期的に安定したろ過運転を継続することが可能となるという利点がある。純水透水性能が５０％以上の時点で酸性薬品を実施することは安定運転には効果的であるが、薬品のコストや廃液処理のコストなどをふまえると、経済的に難しい。

さらに、前記水処理装置において、前記添加量制御部が、膜ろ過原水の濁度を計測し、信号を出力する濁度計側部を備えることが好ましい。それにより、原水の水質が変動した場合でも、無機凝集剤に含まれる金属イオン濃度と膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保つことが可能で安定的にろ過運転を継続することができる。

また、本発明のさらに別の局面に係る水処理方法は、膜ろ過原水に対して凝集剤を添加する工程、および、その後、中空糸膜モジュールを用いて膜ろ過を行う工程を少なくとも含み、前記無機系凝集剤に含まれる金属イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保たれるように前記無機系凝集剤の添加量を制御することを特徴とする。

さらに、前記水処理方法では、前記凝集剤を添加する工程において、前記膜ろ過原水の濁度を計測し、信号を出力すること、出力された信号を受信し、設定された演算を行うこと、及び、前記演算結果に基づいた量の凝集剤を添加することを含むことが好ましい。

また、前記水処理方法は、酸性薬品で前記中空糸膜モジュールを薬品洗浄する洗浄工程を含んでいてもよい。

本発明によれば、水質変動の大きい原水にも対応でき、薬品洗浄の実施も容易な水処理装置および水処理方法を提供することができる。

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。 本実施形態における膜ろ過部の構成の一例を示す模式図である。 本実施形態の中空糸膜モジュールの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態における膜ろ過部の基本的な運転プログラムの一例を示す図である。 本実施形態における膜ろ過部において薬品洗浄を行う場合のプログラムの一例を示す図である。 本実施形態の中空糸膜束が萎んだ状態を示す模式図である。 実施例１における水処理の安定性試験の結果を示すグラフである。 比較例１における水処理の安定性試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面などを参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜水処理装置＞
本実施形態の水処理装置は、図１に示されるように、膜ろ過原水に対して無機系凝集剤を添加する凝集剤添加部１０２と、前記無機系凝集剤に含まれる金属イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保たれるように前記無機系凝集剤の添加量を制御する添加量制御部１０１と、中空糸膜モジュールを有する膜ろ過部１とを、少なくとも備えることを特徴とする。

本実施形態の水処理装置は、水質変動の大きい原水にも対応でき、薬品洗浄の実施が容易かつ高い洗浄効果が得られる水処理装置である。本実施形態では、高い純水透水性能を有する中空糸膜モジュールを使用することで、凝集剤の添加により形成されるファウリング層の圧密化現象による影響を小さくし、積極的にファウリング層を形成できる状態としている。そして、無機系凝集剤に含まれる金属イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比を従来よりも高い値で維持することで、急激な濁度変動にも対応可能とする。また、中空糸膜は凝集剤により徐々に目詰まりしていくとともに、中空糸膜表面には凝集剤が多量に含まれたファウリング層が形成されるため、後述するように、薬品を容易に選定でき、洗浄を効果的に実施可能とする運転技術を提供できる。

本実施形態において、上記のようにＡＬＴ比を０．３以上としている主な理由は、少し過剰に凝集剤を添加することにより、つまり対象物質をあえて凝集剤とすることで薬品洗浄にて詰まった凝集剤を洗浄し、ろ過性を改善させるためである。

例えば、ＡＬＴ比が低く、原水に含まれる懸濁物質が凝集剤により凝集されずに残った場合、膜目詰まりが進行し、目詰まり物質は原水中の懸濁物質となる。その場合は、原水中の懸濁物質に効果のある薬品の選定が必要になり、アルカリ、次亜塩素酸ナトリウム、酸などあらゆる薬品の選定が原水によって必要となる。また、原水中の懸濁物質によっては膜目詰まりした後に薬洗の効果が出にくいものや薬洗条件が厳しい（長時間浸漬が必要など）ものもある。これらの問題を解消するために、本実施形態では、あえて凝集剤を比較的過剰に添加することで目詰まり対象物質を凝集剤とし、洗浄に使用する薬品を、前記凝集剤によって容易に選定できるようにした。例えば、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）であれば、酸（硫酸など）により洗浄が効果的であることがあらかじめ分かっているため、薬品条件を前もって選定できるという利点がある。また、凝集剤は薬洗によって容易に除去しやすいため、中空糸膜の回復性も良好となると考えられる。

＜凝集剤添加制御＞
本実施形態の水処理装置における大きな特徴の一つは、中空糸膜モジュールを用いる膜ろ過の前に、前処理として、膜ろ過原水に対して無機系凝集剤を添加し、その添加量を制御する点にある。この制御のため、本実施形態の水処理装置は、図１に示すように、凝集剤添加部１０２と、添加量制御部１０１とを備えている。さらに、前記添加量制御部１０１は、膜ろ過原水の濁度を計測し、信号を出力する濁度計側部１０３を備えていることが好ましい。それにより、前記添加量制御部１０１において、前記濁度計測部１０３から出力された信号を受信し、設定された演算を行うことができる。そして、前記凝集剤添加部１０２が、前記制御部内での演算結果に基づいた量の凝集剤を添加することで、原水櫓２中において、無機系凝集剤に含まれる金属イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比を一定以上に保ち、安定して原水を、その後の膜ろ過へ送ることができる。

本実施形態の水処理装置で処理される原水は、特に限定はされないが、濁度が０．１～２０度（カオリン）の間で変動する原水であることが望ましい。そのような原水を処理する際に、本実施形態の水処理装置はより効果を発揮できると考えられる。

また、本実施形態で使用できる無機系凝集剤についても、特に限定はなく、一般的に水処理で用いられている無機系凝集剤を使用することが可能である。具体的には、例えば、アルミニウム系凝集剤や、鉄系凝集剤等が挙げられる。アルミニウム系凝集剤の場合、凝集剤に含まれるＡｌ（アルミニウム）イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比はＡＬＴ比であり、鉄系凝集剤を使用する場合、凝集剤に含まれる鉄（Ｆｅ）イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比はＦｅＴ比で示される。

アルミニウム系凝集剤としては、具体的には、例えば、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド等が挙げられる。また、鉄系凝集剤としては、例えば、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第一鉄、ポリシリカ鉄等が挙げられる。

＜膜ろ過部＞
次に、本実施形態における中空糸膜モジュール及びこれを備えた膜ろ過部（ろ過装置）の構成について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、膜ろ過部の全体構成の一例を模式的に示している。図３は、中空糸膜モジュールの構成の一例を模式的に示している。

膜ろ過部は、浮遊汚濁物質などの不純物を含む原水を、中空糸膜モジュールを用いてろ過することにより濾液を得る装置である。図２に示すように、膜ろ過部（ろ過装置）は、中空糸膜モジュール１０と、原水供給手段２０と、バブリング手段３０と、逆洗手段４０と、気体排出手段６０と、排水手段９０と、を主に備えている。

本実施形態において、中空糸膜モジュールの純水透水性能は４Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）以上であることが好ましい。当該純水透水性能の上限値は特に限定はないが、透水性能と、中空糸膜の除去性能を同時に担保するためには、２０Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）以下程度とすることが望ましい。

中空糸膜モジュール１０としては、例えば、外圧ろ過式の中空糸膜モジュールを使用することができる。「外圧ろ過式の中空糸膜モジュール」とは、中空糸膜の外表面側に原水を供給し、中空糸膜の膜壁を通過することによりろ過された濾液を内表面側から取り出す構造のモジュールである。中空糸膜モジュールとしては、膜分離処理の条件や要求される性能に応じて、外圧全量ろ過式又は外圧循環ろ過式のものを用いることができる。膜寿命の観点からは、ろ過膜の表面洗浄をろ過処理と同時に行うことができる外圧循環ろ過式のものが好ましい。一方、設備の単純さ、設置コスト及び運転コストの観点からは、外圧全量ろ過式のものが好ましい。

しかし、本実施形態の中空糸膜モジュール１０は外圧ろ過式の中空糸膜モジュールに限られるわけではなく、それ以外の形態であってもよい。例えば、原水が中空糸内側を通る内圧ろ過式の場合も本実施形態に含まれ得る。

中空糸膜モジュール１０は、束状の複数の中空糸膜１４を有する中空糸膜束１５と、中空糸膜束１５が収容される内部空間Ｓ１を有するハウジング１３と、を主に備えている。図３に示すように、中空糸膜モジュール１０は、中空糸膜１４の長手方向が上下方向（鉛直方向）に沿った姿勢で設置されている。

中空糸膜は、上端１４Ｂと、下端１４Ａと、を有している。図３に示す中空糸膜束は、中空糸膜の上端１４Ｂが開口した状態で固定部材により固定されると共に、中空糸膜の下端１４Ａが１本ずつ固定されない状態で樹脂により封止された片端フリータイプのものである。このような片端フリータイプの中空糸膜束は、充水された内部空間Ｓ１に気体を供給してバブリング洗浄を行う際、気体の浮力により径方向に広がるように膨らむ。本実施形態の中空糸膜モジュール１０は、図３に示すような片側フリータイプ（片端固定）のものに限られず、下端１４Ａ側も固定された両端固定でもよい。

固定部材３は、複数の中空糸膜１４の上端１４Ｂを収束固定する。固定部材３は、中空糸膜１４をろ過膜として機能させるため、ハウジング１３内の空間を原水側の内部空間Ｓ１と濾液側の空間Ｓ２とに液密に仕切る。固定部材３には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂又はポリウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。中空糸膜束１５と固定部材３との接着方法としては、遠心接着法や静置接着法などが挙げられる。

中空糸膜１４には、種々の素材を用いることが可能であり、特に限定されない。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（ＰＶＤＦ：Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ）、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より選ばれる少なくとも１種類を含むことが好ましい。特に、膜強度や耐薬品性の観点から、ポリフッ化ビニリデンが中空糸膜の素材として好ましい。

中空糸膜１４は、親水化処理されたものであることが好ましい。本実施形態では、中空糸膜は、０．１重量％以上１０重量％以下の親水性樹脂を含有することにより親水化処理されている。なお、中空糸膜としては、親水化処理されていないものを用いることもできる。

中空糸膜束１５は、中空糸膜１４の本数が多くなるに従って単位モジュール当たりの膜面積が広くなるため、高いろ過流量で運転することができる。しかし、中空糸膜の本数が多くなり過ぎると、中空糸膜の洗浄時における浮遊汚濁物質の排出効率が低下する。そのため、中空糸膜の外径をｄｉ（ｍ）、中空糸膜束における中空糸膜の本数をｎ（本）、ハウジングの断面積をＳ（ｍ^２）とした場合において、１００πｎｄｉ^２／４Ｓ、により算出される膜充填率（％）が１０％以上６０％以下であることが好ましく、２０％以上５０％以下であることがより好ましい。

ハウジング１３は、円筒形状からなり、上面１３Ａと、下面１３Ｃと、これらを接続する側面１３Ｂと、を有している。ハウジング１３は、中空糸膜束が収容される内部空間Ｓ１を有している。内部空間Ｓ１は、中空糸膜の長手方向の中央よりも上側部分が位置する上部空間Ｓ１１と、中空糸膜の長手方向の中央よりも下側部分が位置する下部空間Ｓ１２と、を含む。

中空糸膜１４によりろ過された濾液を取り出すための濾液配管５１が接続されている。この濾液配管５１には、濾液出口５２及び濾液側気体入口５３がそれぞれ設けられている。

ハウジング１３の側面１３Ｂにおける固定部材３の直下には、内部空間Ｓ１の気体を系外に排出するための気体抜き口１１が設けられている。気体抜き口１１は、上部空間Ｓ１１の開口部である。

ハウジング１３の側面１３Ｂにおける下面１３Ｃの真上には、内部空間Ｓ１の水を系外に排出するためのドレン抜き口１２と、内部空間Ｓ１に気体を供給するための原水側気体入口７と、が設けられている。図２に示すように、原水側気体入口７は、下部空間Ｓ１２よりも下側（中空糸膜１４の下端１４Ａよりも下側）の空間に開口している。またハウジング１３の下面１３Ｃにおける中央近傍には、内部空間Ｓ１に原水を供給するための原水入口８が設けられている。

気体抜き口１１には気体抜き配管６１（図２）が接続されており、これを介してハウジング１３内の気体が系外に排出される。気体抜き配管６１には気体排出口バルブ６２が設けられており、これを開くことによりハウジング１３内から気体が抜かれる。

ドレン抜き口１２にはドレン配管９１が接続されており、これを介してハウジング１３内の水が系外に排出される。ドレン配管９１には排水バルブ９２が設けられており、これを開くことによりハウジング１３から水が排出される。

ハウジング１３の材質としては、ＳＵＳ（ＪＩＳ規格）、変性ＰＰＥ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｅｔｈｅｒ）、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリオレフィン又はＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂などを用いることができる。

ハウジング１３の内側面に固定部材３が接着固定されることにより、いわゆる一体型モジュールが構成されていてもよい。また固定部材の外周部にＯ－リングやパッキングなどが取り付けられ、固定部材３がハウジング１３に対して着脱可能且つ液密に装着されていてもよい。この場合、固定部材３を取り外して中空糸膜束１５を交換することにより、ハウジング１３を繰り返し使用することができる。

原水供給手段２０は、ろ過処理の対象である原水を中空糸膜モジュール１０に供給するものである。図３に示すように、原水供給手段２０は、送液ポンプ２３と、原水配管２１と、原水バルブ２２と、制御部１００と、を有している。

原水配管２１は、一端が中空糸膜モジュール１０における原水入口８に接続されると共に、他端に送液ポンプ２３が配置されている。原水バルブ２２は、原水配管２１に設けられており、原水配管２１内における原水の流通及び遮断を切り替える。制御部１００は、パーソナルコンピュータにより構成されており、送液ポンプ２３の動作のオン／オフを制御すると共に、原水バルブ２２の開閉動作を制御する。

バブリング手段３０は、中空糸膜１４のバブリング洗浄に用いられるものであり、ハウジング１３の内部空間Ｓ１に気体（空気）を間欠的に供給する。図２に示すように、バブリング手段３０は、バブリング用配管３１と、バブリング用バルブ３２と、を有している。

バブリング用配管３１は、一端が中空糸膜モジュールにおける原水側気体入口７に接続されると共に、他端にエアーコンプレッサー３３が配置されている。バブリング用バルブ３２は、バブリング用配管３１に設けられており、バブリング用配管内における気体の流通及び遮断を切り替える。

逆洗手段４０は、中空糸膜の内表面側から外表面側に向かって濾液を押し出すことにより、中空糸膜の外表面に付着した浮遊汚濁物質を当該外表面から浮かせる逆圧洗浄を行うためのものである。図２に示すように、逆洗手段４０は、逆洗用配管４１と、逆洗用バルブ４２と、を有している。

逆洗用配管４１は、一端が濾液側気体入口５３に接続されると共に、他端にエアーコンプレッサー３３が配置されている。逆洗用バルブ４２は、逆洗用配管４１に設けられており、逆洗用配管内における気体の流通及び遮断を切り替える。

気体排出手段６０は、中空糸膜モジュール１０におけるハウジング１３内の気体を系外に排出するためのものである。気体排出手段６０は、前述の気体抜き配管６１及び気体排出口バルブ６２により構成されている。

排水手段９０は、ハウジング１３の内部空間Ｓ１の水を系外に排出するためのものである。排水手段９０は、前述のドレン配管９１及び排水バルブ９２により構成されている。

＜洗浄部＞
本実施形態の水処理装置は、上記構成に加え、さらに、前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が低下した際に、洗浄を実施する洗浄部（図示せず）をさらに備えていてもよい。

洗浄部における洗浄手段は特に限定はないが、機械的な洗浄手段や酸性薬品による薬品洗浄などが挙げられる。本実施形態の水処理装置では、運転継続に伴い、凝集剤による膜目詰まりが徐々に進行し、中空糸膜表面には無機系凝集剤が多量に含まれたファウリング層が形成されていくため、定期的に酸性薬品による薬品洗浄を行うことが好ましい。

酸性薬品による薬品洗浄については、前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が初期透水性能に対して５０％以下となった際に、実施することが好ましい。

薬品洗浄に使用される酸性薬品については特に限定はないが、例えば、硫酸、塩酸、クエン酸、シュウ酸、硝酸等が挙げられる。

上述したような水処理装置により、水質変動の大きな原水に対しても、急速な膜目詰まりを起こすことなく、安定して、中空糸膜モジュールによる水処理を続けることが可能である。

また、本実施形態の水処理装置では、不純物が膜細孔内へ目詰まりすることを抑制するとともに、膜表面に意図的に凝集剤が多量に含まれたファウリング層を成長させることで、酸性薬品による純水透水性能の回復効果を上昇させることができる。また、純水透水性能の高い中空糸膜モジュールを使用することで、凝集剤が多量に含まれたファウリング層が圧密化されることを防ぐことができるため、より積極的にファウリング層を形成することが可能である。これまでの凝集剤添加量を抑える制御手法に比べ、より長期間安定的に中空糸膜モジュールの運転を継続することができる。

（水処理方法）
次に、上記水処理装置を使用する水処理方法について説明する。なお、図４および図５は、ろ過装置の運転中における各工程の名称及び各工程に対応するバルブの開閉状態を示している。図４および図５中において、丸印は該当するバルブが開いていることを意味し、空欄は該当するバルブが閉じていることを意味する。

はじめに、原水の充水工程（ろ過前）が行われる。この工程では、前記膜ろ過部（ろ過装置）の全バルブが閉じた状態において、制御部により原水バルブ２２及び気体排出口バルブ６２が開かれると共に、送液ポンプ２３が作動する。これにより、送液ポンプ２３から原水配管に供給された原水が、原水入口からハウジング１３内に流入する。その結果、ハウジング１３の内部空間Ｓ１が原水により満たされる。

その際、充水工程に供される原水は、上述したような添加量制御部１０１で制御された量の無機系凝集剤が、凝集剤添加部１０２により添加されている。つまり、前記充水工程より前に、膜ろ過原水に対して凝集剤を添加する工程が行われる。この凝集剤添加工程では、前記無機系凝集剤に含まれる金属イオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保たれるように前記無機系凝集剤の添加量を制御される。

また、前記凝集剤を添加する工程において、前記膜ろ過原水の濁度を計測し、信号を出力すること、出力された信号を受信し、設定された演算を行うこと、及び、前記演算結果に基づいた量の凝集剤を添加することが含まれていてもよい。

次に、ろ過工程が実施される。この工程では、気体抜き口１１から原水が溢れた後、制御部１００により濾液出口バルブ７１を開くと共に気体排出口バルブ６２を閉じる。そして、内部空間Ｓ１に満たされた原水が中空糸膜１４の外表面側から膜壁を通過して内表面側へ浸透し、原水の処理が行われ、濾液側の空間Ｓ２から膜ろ液として取り出される。

上記ろ過工程においては、ろ過時間の経過に伴って中空糸膜の外表面に原水中の浮遊汚濁物質や添加した凝集剤が堆積していく。これにより、原水の透過流速が低下し、中空糸膜によるろ過能力が低下する。そのため、中空糸膜モジュールの純水透水性能が低下した際には、ろ過開始から一定時間が経過した後にろ過運転を一時中断し、以下に説明する中空糸膜モジュールの洗浄方法により洗浄を行ってもよい。これにより、中空糸膜の外表面に堆積した浮遊汚濁物質や凝集剤が除去され、中空糸膜のろ過能力を回復させることができる。ろ過後の洗浄については、後述する洗浄方法１（機械的洗浄）または洗浄方法２（薬品洗浄）のみが実施されてもよいし、その両方が実施されてもよい。実施順序、実施回数に制限はないが、薬品洗浄の効果を高めるため、洗浄方法１、洗浄方法２の順で実施することが好ましい。ろ過後に洗浄方法１による洗浄のみが行われて再びろ過を行う、というサイクルを繰り返した後に、ろ過後に洗浄方法１および洗浄方法２による洗浄がこの順で行われ、再びろ過を行う、という運転方法も好ましい態様である。

（洗浄方法１：機械的洗浄）
以下にエアーを使用した中空糸膜の洗浄方法を示す。まず、逆洗工程が実施される。この工程では、上記ろ過工程において中空糸膜１４によりろ過された濾液を、気体により中空糸膜１４の内表面側から外表面側に押し出す。具体的には、制御部１００により逆洗用バルブ４２及び排水バルブ９２を開くことにより、濾液側気体入口５３からハウジング１３の濾液側の空間Ｓ２に気体（空気）が導入され、当該気体により濾液が加圧される。そして、加圧された濾液は中空糸膜１４の内表面側から外表面側に押し出される。この時、内部空間Ｓ１の水の一部は、ドレン抜き口１２から系外に排出される。

このように中空糸膜１４の逆圧洗浄を行うことにより、上記ろ過工程において中空糸膜１４の外表面に付着した浮遊汚濁物質が当該外表面から浮いた状態となる。その後、制御部１００により濾液側圧抜きバルブ８１を開くことにより、濾液側の空間Ｓ２の圧力を低下させる。

次に、充水工程（バブリング前）が行われる。この工程では、上記逆洗工程において下がった内部空間Ｓ１内の液面を上昇させるため、内部空間Ｓ１に原水を供給する。具体的には、制御部１００により原水バルブ２２及び気体排出口バルブ６２を開くと共に、送液ポンプ２３を作動させる。これにより、原水配管２１を介してハウジング１３内に原水が供給され、内部空間Ｓ１内の液面が上昇する。その後、送液ポンプ２３の動作を停止させ且つ原水バルブ２２を閉じることにより、原水の供給を停止する。

次に、バブリング工程が行われる。この工程では、充水されたハウジング１３の内部空間Ｓ１に気体を予め定められた時間供給し、中空糸膜束全体において浮遊汚濁物質を効果的に除去することができる。

まず、気体排出口バルブ６２を開いた状態において制御部１００によりバブリング用バルブ３２を開く。これにより、エアーコンプレッサー３３から供給された気体（空気）が原水側気体入口７を通じてハウジング１３の内部空間Ｓ１（下部空間Ｓ１２よりも下側の空間）に供給され、当該内部空間Ｓ１に気泡が発生する。そして、図５に示すように、気泡Ｂが中空糸膜束１５の径方向に広がりつつ、中空糸膜１４同士の隙間Ｓ４及び中空糸膜束１５の外周部とハウジング１３の内側面との隙間Ｓ３を上昇する。この気泡Ｂによって中空糸膜１４が揺動されることにより、中空糸膜１４の膜表面に付着した浮遊汚濁物質を剥がれ落とすことができる。なお、気体は、中空糸膜１４の下端１４Ａから上端１４Ｂに向かって上昇した後、気体抜き口１１からハウジング１３の外に排出される。

最後に、排水工程が行われる。この工程では、制御部１００により排水バルブ９２が開かれることにより、上記バブリング工程において膜表面から剥がれた浮遊汚濁物質を含む水がドレン抜き口１２から系外に排出される。

（洗浄方法２：薬品洗浄）
薬品洗浄工程は、まず原水バルブ２２を開いて、薬品をハウジング１３内に充水する。薬品は１～５質量%の溶液濃度に調整することが好ましい。その後、中空糸膜１４を薬品に一定時間浸漬する。浸漬時間は、薬品の種類、温度等の条件により適正な時間を設定する。また、浸漬の前後あるいは途中で、バブリング用バルブ３２を開き、中空糸膜１４同士の隙間に薬液を導入する工程を含めても良い。なお、薬品洗浄においてバブリング工程を実施することで洗浄効果がより向上するが、バブリング工程がない場合でも十分な洗浄効果がある。浸漬終了後、排水バルブ９２を開き、ハウジング１３内から薬品を排出する。排出後、ハウジング内の通水洗浄を行い、薬品を除いた後に、通常のろ過工程を再開する。通水洗浄に用いる洗浄水は、原水やろ液、水道水などを用いても良く、特に限定されない。

以上のようにして中空糸膜モジュールの洗浄が行われた後、ろ過工程が再び開始される。即ち、本実施形態に係る中空糸膜モジュールの洗浄方法（バブリング工程を含む）は、１つのろ過工程と次のろ過工程との間に実施される。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例により制限されるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（実施例１）
中空糸膜として、親水化処理されたポリフッ化ビニリデン系樹脂からなり、平均孔径が０．０２μｍであり、有効長が９７０ｍｍのものを用いた。また、中空糸膜束として、膜面積が４０ｍ^２である片端フリータイプのものを用いた。

上記中空糸膜モジュールを用いて、河川水の凝集膜ろ過運転を行った。凝集剤としてＰＡＣ（Ｐｏｌｙ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ：ポリ塩化アルミニウム）を使用し、ＡＬＴ比が０．３以上となるように添加量を制御しながら、外圧全ろ過方式にて、流量４２００Ｌ／ｈの条件で３０分間定流量ろ過を行った。

ろ過運転後、中空糸膜モジュールの濾液側に０．１９ＭＰａの圧縮空気を供給することにより逆圧洗浄を行った。その後、ハウジング内において散気部材に気体を６０秒間供給し、バブリング洗浄を行った。具体的には、散気部材により５０００ＮＬ／ｈの流量でハウジング内に空気を分散させ、気体抜き口から排気した。その後、排水工程において、気体抜き口及びドレン抜き口を開放し、ハウジング内の残留液を系外に排出した。

以降、ろ過運転と洗浄を繰返しながら、中空糸膜の外表面側の圧力Ｐ１と中空糸膜の内表面側の圧力Ｐ２の差である膜間差圧Ｐ（＝Ｐ１－Ｐ２）を計測し、膜間差圧の上昇幅を用いてろ過運転の安定性を１５日間かけて評価した。実施例１におけるＡＬＴ比と膜間差圧の関係を図６に示す。

１５日間の運転期間中において、膜間差圧の上昇量ΔＰは約１０ｋＰａとなり、大きな差圧上昇無く運転することができた。

（比較例１）
ＡＬＴ比が０．３未満となるように凝集剤添加量を制御した以外は上記実施例１と同じ原水を使用し、同じろ過条件で連続ろ過運転を継続した。結果を図７に示す。

１４日間の運転期間中において、膜間差圧の上昇量ΔＰは約７０ｋＰａとなり、運転が困難であった。また、膜間差圧が急激に上昇する期間があり、長期的な運転を考えると、ろ過運転の安定性は乏しいことが分かる。

（実施例２）
実施例１で使用した中空糸膜モジュールから中空糸膜をサンプリングし、１％硫酸溶液に60分間浸漬した際の純水透水性能の回復効果を計測した。溶液は富士フイルム和光純薬株式会社製の硫酸試薬を純水で希釈し、作製した。回復効果の評価については薬液浸漬前後での純水透水性能の変化量を指標とした。

初期透水性能が１３．９Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）であったのに対し、膜ろ過使用後の純水透水性能は４．９Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）、酸性薬液への浸漬後が１２．７Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）となり、高い洗浄効果を得ることができた。

（比較例２）
比較例１で使用した中空糸膜モジュールから中空糸膜をサンプリングし、実施例２と同じ酸性薬液に浸漬した際の純水透水性能の回復効果を計測した。回復効果の評価については薬液浸漬前後での純水透水性能の変化量を指標とした。

初期透水性能が１３．５Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）であったのに対し、膜ろ過使用後の純水透水性能は５．０Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）、酸性薬液への浸漬後が９．６Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）となり、実施例２と比べて洗浄効果が劣ることが確認できた。

（考察）
実施例１と比較例１の評価結果より、ＡＬＴ比を０．３以上に制御することにより、膜間差圧の急上昇が抑えられていることが確認できた。

実施例２と比較例２の評価結果より、ＡＬＴ比を０．３以上に制御することにより、酸性薬液を使用した際の膜間差圧の回復量が増加しており、薬品洗浄の効果が高められていることが確認できた。

以上の結果から、本発明の水処理装置を用いることで長期間安定的にろ過運転を継続できることが分かる。

なお、今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

４ 散気部材
１０，１０Ａ 中空糸膜モジュール
１３ ハウジング
１４ 中空糸膜
１５ 中空糸膜束
４３ 散気用通気孔
Ｓ１ 内部空間
１０１ 添加量制御部
１０２ 凝集剤添加部
１０３ 濁度測定部

Claims (8)

1. 膜ろ過原水に対してアルミニウム系凝集剤を添加する凝集剤添加部と、
   前記アルミニウム系凝集剤に含まれるアルミニウムイオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保たれるように前記アルミニウム系凝集剤の添加量を制御する添加量制御部と、
   中空糸膜モジュールを有する膜ろ過部とを、少なくとも備える水処理装置。
2. 前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が４Ｌ／（ｍ^２・ｈｒ・ｋＰａ）以上であることを特徴とする、請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が低下した際に、酸性薬品による薬品洗浄を実施する洗浄部をさらに備える、請求項１または２に記載の水処理装置。
4. 前記洗浄部が、前記中空糸膜モジュールの純水透水性能が初期透水性能に対して５０％以下となった際に、酸性薬品による薬品洗浄を実施する機能を備える、請求項３に記載の水処理装置。
5. 前記添加量制御部が、膜ろ過原水の濁度を計測し、信号を出力する濁度計側部をさらに備える、請求項１～４に記載の水処理装置。
6. 膜ろ過原水に対してアルミニウム系凝集剤を添加する工程、および
   その後、中空糸膜モジュールを用いて膜ろ過を行う工程を少なくとも含み、
   前記アルミニウム系凝集剤を添加する工程において、前記アルミニウム系凝集剤に含まれるアルミニウムイオン濃度と、膜ろ過原水の濁度との比が０．３以上に保たれるように前記アルミニウム系凝集剤の添加量を制御することを特徴とする、水処理方法。
7. 前記凝集剤を添加する工程において、
   前記膜ろ過原水の濁度を計測し、信号を出力すること、
   出力された信号を受信し、設定された演算を行うこと、及び、
   前記演算結果に基づいた量の凝集剤を添加することを含む、請求項６に記載の水処理方法。
8. さらに、酸性薬品で前記中空糸膜モジュールを薬品洗浄する洗浄工程を含む、請求項６または７に記載の水処理方法。

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