JP7336790B2 - 水処理システム及び水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、水処理システム及び水処理方法に関する。

膜濾過による水処理技術は、安全性が高く且つ高品質であり、さらにコンパクトで低コストなプロセスにより水中の不純物を分離可能である等の理由から、様々な分野で利用されている。現状、膜濾過の技術課題としては、以下の点が挙げられる。

第一に、水質変動に対応可能であることが必要である。例えば、河川水の濾過において、気候変動を背景に集中豪雨等により河川の水質が急激に変動する場合がある。このような場合にも、河川水を安定に膜濾過するための技術が求められる。

第二に、高難度水にも対応可能であることが求められる。膜濾過は、高品質な処理水を提供可能な濾過精度を有する一方、多量の有機物や微細粒子を含む水を濾過する際に膜の目詰まりが発生する場合がある。したがって、このような高難度水の処理に膜濾過を適用するのが困難という問題がある。

第三に、流束（フラックス）が高い場合の濾過にも対応可能であることが求められる。フラックス（単位面積、単位時間当たりの透水量、Ｌ／ｍ^２／ｈｒ）を高めることにより、装置をよりコンパクトにして低コスト化することができる。

これらの課題を解決する方法として、凝集剤の添加と膜濾過を組み合わせた凝集膜濾過法が考えられる。この方法によれば、上記課題に対して以下の解決策を提供することができる。

第一の課題に対し、水質変動に応じて被処理水への凝集剤の添加量を調整することにより、水質変動に依らず安定した膜濾過が可能になる可能性がある。第二の課題に対し、被処理水が多量の有機物や微細粒子を含む場合でも、凝集剤の添加によってこれらをフロック化した状態で濾過することにより、膜の目詰まりが抑制される。第三の課題に対し、凝集フロックの特性を適宜制御することにより、高フラックスの濾過条件を達成可能となる可能性がある。

従来の凝集膜濾過法では、凝集剤の添加によってフロックを形成した後、当該フロックを沈殿槽で沈殿させ、その後上澄み水を濾過するのが主流であった。この場合、沈殿槽にて十分な水面積負荷（滞留時間）を確保するために比較的大きな水槽が必要になり、設置スペースの問題が生じる。また凝集剤の添加量が多くなり易く、コスト高になりがちという問題もある。

従来の凝集膜濾過法では、凝集フロックの沈降性に着目してその特性が制御される。例えば、特許文献１には、沈降性の良いフロックを形成可能な凝集沈殿制御装置や制御方法が記載されている。また特許文献２には、懸濁物質を含む原液への凝集剤の注入率を決定することが可能な凝集方法が記載されている。

特開２０１９－５５４０６号公報 特開２０１７－１２１６０１号公報

凝集膜濾過法において、凝集フロックを沈殿させず、凝集フロックを含む被処理水を直接膜濾過することが可能であれば、沈殿槽の設置スペースの問題が解消されるだけでなく、凝集剤の添加量の削減も期待できる。しかし、特許文献１は、沈降性の良い凝集フロックを形成するための技術を提案するものであり、安定な膜濾過運転という目的で適切な凝集フロックを形成するという視点はない。このため、凝集フロックを含む被処理水を直接膜濾過すると、凝集フロックが膜表面に付着することにより当該膜表面にケーク層が形成され、濾過運転の継続が困難になる場合がある（可逆性ファウリング）。

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、可逆性ファウリングを抑制しつつ被処理水を膜濾過することが可能な水処理システム及び水処理方法を提供することである。

本発明の一局面に係る水処理システムは、不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する凝集剤添加部と、前記不純物の凝集により形成される凝集フロックのフラクタル次元を測定するフラクタル次元測定部と、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値に基づいて、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように前記凝集剤添加部を制御して前記被処理水への前記凝集剤の添加量を調整する添加量制御部と、前記凝集フロックを含む前記被処理水を膜濾過する膜濾過部と、を備える。

本発明者等は、凝集フロックを含む被処理水を直接膜濾過する際に、可逆性ファウリングを抑制する上で凝集フロックのどのような特性が重要であるのかについて鋭意研究を行った。その結果、本発明者等は、以下の知見を得て本発明に想到した。

被処理水に含まれる有機物や微細粒子等は、膜の不可逆性ファウリング（膜の目詰まり）の原因になるが、これらは凝集剤の添加によってフロック化する。このため、凝集剤が添加された被処理水を直接膜濾過する場合でも、不可逆性ファウリングの発生は抑制可能である。しかし一方で、凝集フロックの形成により水中のＳＳ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ）の濃度が高くなり、これが可逆性ファウラントとして膜表面に蓄積することによりケーク層が形成される。そして、ケーク層の通水抵抗（ケーク抵抗）が急上昇し、膜濾過の運転継続が困難になる場合がある。

本発明者等は、上記の問題点に着目し、膜濾過における可逆性ファウリングが凝集フロックのどのような特性により支配されているのかについて鋭意研究を行った。その結果、本発明者等は、凝集フロックのフラクタル次元という特性が膜濾過における可逆性ファウリングのポテンシャル（ケーク抵抗）との間に高い相関性を有することを見出し、本発明に想到した。

本発明は、上記の観点に基づいてなされたものである。本発明の水処理システムでは、凝集剤の添加により被処理水中に凝集フロックが形成され、この凝集フロックのフラクタル次元の測定値に基づいて、凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように被処理水への凝集剤の添加量が調整される。このように、膜濾過の可逆性ファウリングポテンシャルとの相関性が高いフラクタル次元を指標として凝集剤の添加量を調整することにより、凝集フロックを含む被処理水を直接膜濾過する場合でも可逆性ファウリングを抑制可能となる。

上記水処理システムは、前記凝集フロックのフラクタル次元と前記膜濾過部の可逆性ファウリングポテンシャルとの相関データが格納された記憶部をさらに備えていてもよい。

本発明者等の研究結果によれば、可逆性ファウリングポテンシャルは、フラクタル次元が小さい領域ではフラクタル次元の増加に対して線形的に増加する一方、フラクタル次元がある閾値を超えると、線形関係から外れて急上昇する傾向がある。これは、フラクタル次元の増加により凝集フロックの密度が上がり、密度が一定以上になるとケーク抵抗に大きく影響し始めるためである。この知見に基づき、フラクタル次元が上記線形領域に収まるように凝集剤の添加量を調整することにより、膜濾過部の可逆性ファウリングをより効果的に抑制することができる。

一方、フラクタル次元が上記線形領域内であっても小さ過ぎる場合には、凝集不良が起こり、微細なフロックや凝集していない有機物等が不可逆性ファウラントとなって膜濾過運転が阻害される場合がある。このため、凝集フロックのフラクタル次元が好ましくは０．８以上、更に好ましくは１．０以上、最も好ましくは１．２以上になるように凝集剤の添加量を調整することが好ましい。

ここで、「線形関係が維持される領域」とは、フラクタル次元を増加させたときに、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルの線形近似式のＲ^２値が、好ましくは０．７以上、更に好ましくは０．８以上、最も好ましくは０．８５以上に維持される領域を意味する。

上記水処理システムにおいて、前記添加量制御部は、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、前記線形関係を有しないフラクタル次元の最小値以下の領域に収まるように、前記凝集剤添加部を制御してもよい。

この構成によれば、膜濾過部の可逆性ファウリングをより効果的に抑制することができる。

上記水処理システムにおいて、前記フラクタル次元測定部は、前記凝集フロックの画像データを取得する画像取得部を含んでいてもよく、前記画像データに基づいて前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値を得るものであってもよい。

この構成によれば、レーザ回折散乱法を用いてフラクタル次元を測定する場合に比べて、装置コストを下げると共に装置メンテナンスの負担を軽減することもできる。

上記水処理システムにおいて、前記フラクタル次元測定部は、前記画像データとフラクタル次元とを教師データとして機械学習された予測モデルを用いて、前記画像データからフラクタル次元の測定値を出力する出力部をさらに含んでいてもよい。前記添加量制御部は、出力されたフラクタル次元の測定値が前記線形領域に収まるように、前記凝集剤添加部を制御してもよい。

この構成によれば、機械学習の学習済みモデルを導入することにより、凝集フロックの画像データからフラクタル次元の測定値が瞬時に得られる。このため、膜濾過運転の現場において、フラクタル次元を連続的に測定しつつ、その測定結果に応じて凝集剤の添加量を適宜調整することができる。

本発明の他の局面に係る水処理システムは、不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する凝集剤添加部と、前記不純物の凝集により形成される凝集フロックの画像データを取得する画像取得部と、前記凝集フロックのフラクタル次元が目標範囲に収まっているか否かを前記画像データから判定する判定部と、前記判定部による判定結果に基づいて、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように前記凝集剤添加部を制御して前記被処理水への前記凝集剤の添加量を調整する添加量制御部と、前記凝集フロックを含む前記被処理水を膜濾過する膜濾過部と、を備える。

この構成によれば、フラクタル次元が目標範囲内であるか否かを画像データから直接判定した上で凝集剤の添加量が適切に調整されるため、凝集フロックを含む被処理水を直接膜濾過する場合でも可逆性ファウリングを抑制することができる。

本発明のさらに他の局面に係る水処理方法は、不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する工程と、前記凝集剤の添加により形成される凝集フロックのフラクタル次元を測定する工程と、前記凝集フロックを含む前記被処理水を膜濾過する工程と、を備える。この水処理方法では、予め得られた前記凝集フロックのフラクタル次元と膜濾過における可逆性ファウリングポテンシャルとの相関関係に基づいて、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように、前記凝集剤の添加量を調整する。

このようにすれば、可逆性ファウリングポテンシャルが急上昇しない領域にフラクタル次元を制御することにより、膜濾過中の可逆性ファウリングを効果的に抑制することができる。

上記水処理方法において、前記被処理水に前記凝集剤を添加した後、前記凝集フロックの沈殿操作を行わずに前記被処理水を直接膜濾過してもよい。

このようにすれば、沈殿槽の設置スペースの問題が生じず、また凝集フロックを沈殿させる場合に比べて凝集剤の添加量を少量に抑えることができる。

上記水処理方法において、前記被処理水を膜濾過する工程では、片端フリータイプの中空糸膜モジュールを用いてもよい。

上記水処理方法は、前記中空糸膜モジュールを二次側からのエア加圧により逆洗する工程をさらに備えていてもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、可逆性ファウリングを抑制しつつ被処理水を膜濾過することが可能な水処理システム及び水処理方法を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る水処理システムの構成を模式的に示す図である。 上記水処理システムに用いられる中空糸膜モジュールの構成を模式的に示す図である。 フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る水処理方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る水処理システム及び水処理方法を詳細に説明する。

（実施形態１）
＜水処理システム＞
まず、本発明の実施形態１に係る水処理システム１の構成を、図１及び図２に基づいて説明する。水処理システム１は、膜濾過により被処理水から不純物を除去して処理水を得るものであり、膜濾過の前段で凝集剤を被処理水に添加する。図１に示すように、水処理システム１は、凝集槽２０と、凝集剤添加部１０と、フラクタル次元測定部４０と、添加量制御部３１と、判定部３２と、記憶部３３と、膜濾過部５０とを主に備える。

凝集槽２０は、被処理水に含まれる有機物や微細粒子等の不純物の凝集操作を行うための槽であり、膜濾過部５０の前段に設置されている。被処理水としては、例えば河川水、湖沼水、地下水及び工業廃水等を用いることができるが、これらに限定されない。

凝集剤添加部１０は、凝集槽２０内の被処理水に凝集剤を添加するものである。凝集剤添加部１０は、凝集剤源１１と、凝集剤源１１から凝集槽２０に凝集剤を添加するための添加ライン１２と、添加ライン１２に設置されると共に凝集槽２０への凝集剤の添加量を調整する添加量調整部１３とを含む。添加量調整部１３は、例えばポンプであり、回転数により凝集剤の添加量を調整する。

凝集剤の種類は特に限定されないが、例えばポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第二鉄又はポリシリカ鉄等を用いることができる。図１に示すように、凝集槽２０には撹拌機構２１が設けられており、凝集剤添加後の被処理水が撹拌機構２１によって撹拌されることにより、凝集フロックが被処理水中に形成される。また、凝集槽２０内に所定のｐＨ調整剤を添加するｐＨ調整剤添加部がさらに設けられていてもよい。

フラクタル次元測定部４０は、凝集フロックのフラクタル次元を測定する。本実施形態におけるフラクタル次元測定部４０は、凝集槽２０から流出した被処理水（凝集フロック含有水）を一時的に貯める貯留槽４２と、貯留槽４２内の被処理水に含まれる凝集フロックの画像データを取得するカメラである画像取得部４１と、当該画像データから凝集フロックのフラクタル次元の測定値を出力する出力部４３とを含む。

貯留槽４２は、凝集槽２０の後段で且つ膜濾過部５０の前段に設置されている。画像取得部４１は、凝集フロックの画像データを出力部４３に送信する。出力部４３は、凝集フロックの画像データとフラクタル次元とを教師データとして機械学習された予測モデルを用いて、画像取得部４１から送信された画像データを入力としてフラクタル次元の測定値を出力する。

この機械学習の学習済みモデルは、特に限定されないが、例えば以下の方法により作製されるものであり、コントローラ３０（コンピュータ）に搭載されている。まず、凝集剤の添加量やｐＨ等の凝集条件を変更し、種々のフラクタル次元の水を準備する。そして、凝集フロックの画像データとフラクタル次元の値とを紐付けたデータを十分な量準備し（例えば数千パターン）、これを機械学習の教師付データ（トレーニングデータ）として使用する。画像から確認される凝集フロックの密度が高い場合にはフラクタル次元の値が大きくなり、凝集フロックの密度が低い場合にはフラクタル次元の値が小さくなる、という相関関係がある。具体的なディープラーニングの手法としては、ＣＮＮ（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）としてＡｌｅｘＮｅｔやＲｅｓＮｅｔを用いることができる。また上記データの一部をテストデータとしてモデル精度を検証することができる。モデル精度は、８０％以上であることが好ましく、９３％以上であることがより好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。

膜濾過部５０は、凝集フロックを含む被処理水を膜濾過するものであり、例えば外圧式の中空糸膜モジュールである。図１に示すように、貯留槽４２の出口と膜濾過部５０の入口とを接続する入口ラインＬ１には、膜濾過部５０の一次側圧力を検知する一次側圧力センサＰ１が設けられている。また膜濾過部５０の出口に接続された出口ラインＬ２には、膜濾過部５０の二次側圧力を検知する二次側圧力センサＰ２が設けられている。一次側圧力センサＰ１の検出値から二次側圧力センサＰ２の検出値を引いた値が、中空糸膜モジュールの膜間差圧（ＴＭＰ）である。なお、膜濾過部は中空糸膜モジュールに限定されない。

図２は、膜濾過部５０の内部構成を模式的に示している。図２に示すように、膜濾過部５０は、束状の複数の中空糸膜５２を有する中空糸膜束５３と、中空糸膜束５３を収容するハウジング５１とを備える。ハウジング５１の内部には、濾過前の被処理水が流入する一次側空間Ｓ１と、一次側空間Ｓ１に対して液密に仕切られると共に処理水が流入する二次側空間Ｓ２とが設けられている。

中空糸膜束５３は、片端フリータイプのものである。すなわち、中空糸膜５２は、上端５２Ｂと下端５２Ａとを含み、上端５２Ｂが開口した状態で固定部材５４により固定されると共に、下端５２Ａが固定されずに一本ずつ封止されている。この封止樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂を用いることができる。片端フリータイプの中空糸膜束５３は、各中空糸膜５２が独立して揺動可能であるため、濁質成分が蓄積しにくい。一次側空間Ｓ１と二次側空間Ｓ２とは、固定部材５４により互いに隔離されている。なお、中空糸膜束は片端フリータイプに限定されず、両端が固定されたものでもよい。

中空糸膜５２の上端５２Ｂは、固定部材５４を厚さ方向に貫通し、二次側空間Ｓ２に開口している。これにより、一次側空間Ｓ１内の被処理水が中空糸膜５２の外面から内面に向かって透過することにより得られた処理水が、上端５２Ｂ側の開口から二次側空間Ｓ２に流出する。

ハウジング５１は、上下方向に長い中空円筒形状の容器であり、上面５１Ａと、下面５１Ｃと、これらを接続する側面５１Ｂとを含む。図２に示すように、ハウジング５１内の一次側空間Ｓ１に中空糸膜束５３が収容されている。

ハウジング５１の下面５１Ｃには、入口ラインＬ１（図１）の下流端が接続された水入口４６が設けられている。またハウジング５１の側面５１Ｂのうち下面５１Ｃの直ぐ上の部位には、排水用のドレン抜き口４７と、一次側空間Ｓ１へのエア導入用の一次側エア入口４５とが設けられている。

ハウジング５１の上面５１Ａには、出口ラインＬ２の上流端が接続された水出口５５が設けられている。出口ラインＬ２には、二次側エア入口４８が設けられている。モジュールの逆洗時には、図略のエアーコンプレッサから二次側エア入口４８を通じて二次側空間Ｓ２にエアが導入される。

水処理システム１は、コントローラ３０を備えており、このコントローラ３０は、添加量制御部３１と、判定部３２と、記憶部３３と、出力部４３とを含む。添加量制御部３１、判定部３２及び出力部４３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）により実行されるコンピュータの各機能である。記憶部３３は、メモリ等の記憶装置により構成されている。

記憶部３３には、凝集フロックのフラクタル次元と膜濾過部５０の可逆性ファウリングポテンシャルとの相関データが格納されている。この相関データの一例を図３のグラフに示す。図３中、横軸がフラクタル次元を示し、縦軸が可逆性ファウリングポテンシャルを示す。図３に示すように、フラクタル次元が小さい領域（図３の例ではフラクタル次元が２．０３以下である領域）ではフラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される一方、フラクタル次元が所定の閾値（図３の例では２．０３）を超えると可逆性ファウリングが急上昇する。この相関データは、予め実験により取得されており、記憶部３３に格納されている。

「フラクタル次元」は、凝集フロックの全体の密度を表す概念である。Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１１４，（２０１７），８８－１０３では、カオリンとポリ塩化アルミニウムを用いた場合のフロックの実行密度とフロックのサイズとの関係が検討されている。凝集フロックのサイズが大きくなるに従って実行密度は小さくなり、凝集フロックのサイズが小さくなるに従って実行密度は大きくなる。

フラクタル次元は、凝集フロックのサイズと実行密度との関係の傾きを表現する概念である。フラクタル次元が大きい場合、どの粒子サイズでも実行密度が高いフロックが形成され易い。一方、フラクタル次元が小さい場合、どの粒子サイズでも実行密度が低いフロックが形成され易い。またこの文献によると、フラクタル次元を決定するパラメータとしてはＡＬＴ比が最も支配的であり、ｐＨ、撹拌強度及びアルカリ度の影響は比較的小さい。

「可逆性ファウリングポテンシャル」は、濾過運転の開始点と終了点との間での膜間差圧の差であり、以下のように測定される。まず、被処理水に凝集剤を添加し、これを膜濾過部５０により濾過する。そして、所定の濾過時間の経過後に逆洗及びバブリング洗浄を順に実施し、洗浄後に濾過運転を再開する。このサイクルを所定の期間繰り返し、この間膜濾過部５０の膜間差圧を継続的に測定する。この測定データを基に、任意のサイクルの濾過終了点での膜間差圧から次サイクルの濾過開始点での膜間差圧を引いた値の平均が、可逆性ファウリングポテンシャルとして定義される。

判定部３２は、出力部４３から送信されるフラクタル次元の測定値が、上記線形領域に収まると共に所定の下限値以上であるか否か（図３の例では１．８５以上２．０３以下であるか否か）を判定する。この判定結果の情報は、判定部３２から添加量制御部３１に出力される。

添加量制御部３１は、凝集フロックのフラクタル次元の測定値に基づいて、凝集剤添加部１０を制御して被処理水への凝集剤の添加量を調整する。具体的には、添加量制御部３１は、凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、上記線形領域に収まると共に所定の下限値以上になるように（例えば１．８５以上２．０３以下となるように）、添加量調整部１３のポンプ回転数を制御する。したがって、添加量制御部３１は、フラクタル次元の測定値が上記線形領域の外である場合（例えばフラクタル次元が２．０３を超える場合）、凝集槽２０への凝集剤の添加量を減少させるためにポンプ回転数を下げる。より好ましくは、添加量制御部３１は、凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、上記線形関係を有しないフラクタル次元の最小値（図３の例では１．９８）以下の領域に収まるように、凝集剤添加部１０を制御する。

＜水処理方法＞
次に、本発明の実施形態１に係る水処理方法を、図４のフローチャートに従って説明する。

まず、不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する（工程Ｓ１０）。具体的には、添加量調整部１３のポンプを所定の回転数で作動させることにより、凝集槽２０内の被処理水に凝集剤が添加される。そして、被処理水を撹拌機構２１によって撹拌することにより不純物が凝集し、水中に凝集フロックが形成される。

次に、凝集フロックを含む被処理水を膜濾過すると共に（工程Ｓ２０）、凝集フロックのフラクタル次元を測定する（工程Ｓ３１，Ｓ３２）。工程Ｓ２０では、凝集槽２０から流出した被処理水が膜濾過部５０により濾過され、出口ラインＬ２から処理水が取り出される。本方法では、被処理水に凝集剤を添加した後、凝集フロックの沈殿操作を行わずに被処理水を直接膜濾過する。つまり、凝集槽２０と膜濾過部５０との間に凝集フロックを沈殿させるための沈殿槽は設置されていない。

工程Ｓ３１では、凝集槽２０から流出した被処理水が貯留槽４２に貯められ、凝集フロックの画像データが画像取得部４１により取得される。そして、この画像データが画像取得部４１から出力部４３に送信され、当該画像データを入力としてフラクタル次元の測定値が出力される（工程Ｓ３２）。このデータ処理には、上記の機械学習の学習済みモデルが用いられる。

工程Ｓ３３～Ｓ３６では、予め得られた凝集フロックのフラクタル次元と膜濾過における可逆性ファウリングポテンシャルとの相関関係（例えば図３のグラフ）に基づいて、凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まると共に所定の下限値以上になるように、凝集剤の添加量を調整する。以下、各工程を詳細に説明する。

工程Ｓ３３では、フラクタル次元の測定値のデータが出力部４３から判定部３２に送信され、この測定値が上記線形領域の外であるか否かを判定部３２が判定する。具体的には、フラクタル次元の測定値と図３の相関データとに基づき、当該測定値が線形領域の上限値（図３の例では２．０３）を超えるか否かを判定部３２が判定する。

フラクタル次元の測定値が線形領域の外である場合（工程Ｓ３３のＹＥＳ）、凝集槽２０への凝集剤の添加量を減少させる（工程Ｓ３４）。具体的には、添加量制御部３１が添加量調整部１３のポンプ回転数を下げる。一方、フラクタル次元の測定値が線形領域内である場合には（工程Ｓ３３のＮＯ）、ポンプ回転数を下げずに工程Ｓ３５に進む。

工程Ｓ３５では、フラクタル次元の測定値が所定の下限値（例えば１．８５）未満であるか否かを判定部３２が判定する。当該測定値が下限値未満である場合（工程Ｓ３５のＹＥＳ）、凝集槽２０への凝集剤の添加量を増加させる（工程Ｓ３６）。具体的には、添加量制御部３１が添加量調整部１３のポンプ回転数を上げる。一方、フラクタル次元の測定値が下限値以上である場合には（工程Ｓ３５のＮＯ）、添加量調整部１３のポンプ回転数を変更しない。

工程Ｓ２０及び工程Ｓ３１～Ｓ３６を並行して実施することにより、凝集剤の添加量が適宜調整されつつ被処理水の膜濾過が継続される。そして、所定の濾過時間が経過すると（工程Ｓ４０のＹＥＳ）、濾過運転を一時停止し、膜濾過部５０の逆洗を行う（工程Ｓ４１）。この工程Ｓ４１では、中空糸膜モジュールを二次側からのエア加圧により逆洗する。具体的には、二次側エア入口４８（図２）からハウジング５１内にエアを導入し、二次側空間Ｓ２の処理水をエア加圧によって一次側空間Ｓ１に押し出す。このように、逆洗においてエアを用いることにより、水の回収率が高まってランニングコストが抑えられるだけでなく、洗浄効果（膜表面からのＳＳの剥離効果）を高めることもできる。その後、さらに一次側空間Ｓ１でバブリング洗浄等を行った後、濾過運転を再開する。

なお、本実施形態では、工程Ｓ３３，Ｓ３５での判定結果に基づいて凝集剤の添加量のみ増減させる場合を説明したが、これに限定されない。例えば、上記工程での判定結果に基づいて、被処理水のｐＨやアルカリ度又は撹拌強度のフィードバック制御をさらに行ってもよい。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る水処理方法及び水処理システムを説明する。実施形態２は基本的に実施形態１と同様であるが、凝集フロックの画像データからフラクタル次元の測定値を出力せず、当該画像データから凝集フロックのフラクタル次元が目標範囲に収まっているか否かを直接判定する点で異なる。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。

判定部３２は、上記の機械学習の学習済みモデルを用いて、凝集フロックのフラクタル次元が目標範囲に収まっているか否かを、画像取得部４１から送信される画像データから直接判定する。より具体的には、凝集フロックのフラクタル次元が上記線形領域に収まると共に所定の下限値以上であるか否か（例えば１．８５以上２．０３以下であるか否か）を、フラクタル次元の測定値を用いずに画像情報を用いて直接判定する。添加量制御部３１は、判定部３２による判定結果に基づいて、凝集剤添加部１０を制御して被処理水への凝集剤の添加量を調整する。

本実施形態に係る水処理方法では、図４のフローチャートにおいて、工程Ｓ３２でのフラクタル次元の測定値の出力が省略される。そして、工程Ｓ３３，Ｓ３５では、フラクタル次元の測定値ではなく凝集フロックの画像データに基づいて、実施形態１と同様の判定が行われる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る水処理システム及び水処理方法を説明する。実施形態３は基本的に実施形態１と同様であるが、機械学習の学習済みモデルを用いずに画像データに基づいてフラクタル次元を算出する点で異なる。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。

実施形態３におけるフラクタル次元測定部４０は、出力部４３に代えて、凝集フロックの画像解析を行う画像解析部を含む。この画像解析部は、画像取得部４１から送信される凝集フロックの画像データに基づいて、ボックスカウンティング法又はピクセルカウンティング法により凝集フロックのフラクタル次元を算出する。この画像解析部は、ＣＰＵによって実行されるコントローラ３０の一機能である。

ボックスカウンティング法では、まず、対象画像を２値化し、凝集フロックの部分とそれ以外の部分とを解析する。次に、対象画像を所定の大きさのセルにより分割し、凝集フロックの部分を含むセル数をカウントする。そして、セルの大きさと凝集フロックの部分を含むセル総数とを両対数グラフにプロットし、その時得られる直線の傾きからフラクタル次元を得ることができる。またピクセルカウンティング法では、対象画像に対して閾値を変化させて２値画像を作成し、各画像の閾値以上の画素数をカウントすることによりフラクタル次元の値が得られる。

本実施形態に係る水処理方法では、図４のフローチャートにおいて、工程Ｓ３２に代えて上記の方法によりフラクタル次元が算出される。その他の点は実施形態１と同様である。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係る水処理システム及び水処理方法を説明する。実施形態４は基本的に実施形態１と同様であるが、レーザ回折散乱法を用いて凝集フロックのフラクタル次元を測定する点で異なる。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。

実施形態４におけるフラクタル次元測定部４０は、画像取得部４１に代えて粒子径分布測定装置を含む。この装置により、貯留槽４２内の被処理水に対して波長６５０ｎｍ又は４０５ｎｍのレーザ光を入射し、その時の散乱強度Ｉ及び前方小角散乱の散乱ベクトルｑを測定する。前方小角散乱の散乱ベクトルｑは、ｑ＝（２π／λ）ｓｉｎ（θ／２）の式により表される（λは入射光の波長、θは散乱角度）。

ここで、散乱強度Ｉと前方小角散乱の散乱ベクトルｑは、Ｉ（ｑ）∝ｑ^－Ｄの式により表される関係を有する。このため、散乱強度Ｉと散乱ベクトルｑを両対数グラフにプロットし、線形近似した際に得られる傾き（Ｄ）をフラクタル次元として算出することができる。

本実施形態に係る水処理方法では、図４のフローチャートにおいて、工程Ｓ３１，Ｓ３２に代えて上記方法によりフラクタル次元の測定が行われる。その他の点は実施形態１と同様である。

１ 水処理システム
１０ 凝集剤添加部
３１ 添加量制御部
３２ 判定部
３３ 記憶部
４０ フラクタル次元測定部
４１ 画像取得部
４３ 出力部
５０ 膜濾過部

Claims (10)

1. 不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する凝集剤添加部と、
   前記不純物の凝集により形成される凝集フロックのフラクタル次元を測定するフラクタル次元測定部と、
   前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値に基づいて、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように前記凝集剤添加部を制御して前記被処理水への前記凝集剤の添加量を調整する添加量制御部と、
   前記凝集フロックを含む前記被処理水を膜濾過する膜濾過部と、を備えた、水処理システム。
2. 前記凝集フロックのフラクタル次元と前記膜濾過部の可逆性ファウリングポテンシャルとの相関データが格納された記憶部をさらに備える、請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記添加量制御部は、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、前記線形関係を有しないフラクタル次元の最小値以下の領域に収まるように、前記凝集剤添加部を制御する、請求項２に記載の水処理システム。
4. 前記フラクタル次元測定部は、前記凝集フロックの画像データを取得する画像取得部を含み、前記画像データに基づいて前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値を得る、請求項２又は３に記載の水処理システム。
5. 前記フラクタル次元測定部は、前記画像データとフラクタル次元とを教師データとして機械学習された予測モデルを用いて、前記画像データからフラクタル次元の測定値を出力する出力部をさらに含み、
   前記添加量制御部は、出力されたフラクタル次元の測定値が前記線形領域に収まるように、前記凝集剤添加部を制御する、請求項４に記載の水処理システム。
6. 不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する凝集剤添加部と、
   前記不純物の凝集により形成される凝集フロックの画像データを取得する画像取得部と、
   前記凝集フロックのフラクタル次元が目標範囲に収まっているか否かを前記画像データから判定する判定部と、
   前記判定部による判定結果に基づいて、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように前記凝集剤添加部を制御して前記被処理水への前記凝集剤の添加量を調整する添加量制御部と、
   前記凝集フロックを含む前記被処理水を膜濾過する膜濾過部と、を備えた、水処理システム。
7. 不純物を含む被処理水に凝集剤を添加する工程と、
   前記凝集剤の添加により形成される凝集フロックのフラクタル次元を測定する工程と、
   前記凝集フロックを含む前記被処理水を膜濾過する工程と、を備え、
   予め得られた前記凝集フロックのフラクタル次元と膜濾過における可逆性ファウリングポテンシャルとの相関関係に基づいて、前記凝集フロックのフラクタル次元の測定値が、フラクタル次元と可逆性ファウリングポテンシャルとの線形関係が維持される線形領域に収まるように、前記凝集剤の添加量を調整する、水処理方法。
8. 前記被処理水に前記凝集剤を添加した後、前記凝集フロックの沈殿操作を行わずに前記被処理水を直接膜濾過する、請求項７に記載の水処理方法。
9. 前記被処理水を膜濾過する工程では、片端フリータイプの中空糸膜モジュールを用いる、請求項７又は８に記載の水処理方法。
10. 前記中空糸膜モジュールを二次側からのエア加圧により逆洗する工程をさらに備えた、請求項９に記載の水処理方法。

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