JP7356108B2 - 水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、水処理方法に関する。

中空糸膜モジュールを用いた膜濾過システムは、原水中の不純物等を高精度に分離可能であること、装置のフットプリントが小さいこと及び運転の自動化が容易であること等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。この膜濾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とが適切なバランスを保っていることが必要である。また中空糸膜の細孔径よりも微細な粒子が原水中に多数含まれている場合には、当該粒子により細孔が閉塞する膜ファウリングが進行する。これにより、濾過流量が低下し、膜濾過システムの運転の継続が困難になる。このようなトラブルを防止するためには、膜濾過される前の原水に対して何らかの前処理を行うことが有効である。

このような前処理の代表的なものとしては、凝集剤と呼ばれる薬剤を原水に添加することにより、原水中の微粒子を粗大化させて膜ファウリングを抑制する凝集操作がある。この操作では、適切な凝集条件を選定することにより、原水中の微粒子による膜ファウリングの発生を抑制することができる。しかし、適切な凝集条件の選定が困難である場合には、細孔の閉塞を抑制することが困難であるだけでなく、逆に濾過運転が不安定になる場合もある。例えば、原水に対する凝集剤の添加量が不足している場合には、微粒子の凝集反応の進行が不十分となり、膜ファウリングが進行する。逆に、原水に対する凝集剤の添加量が過剰である場合には、粗大な粒子が多量形成されるため、濾過運転中に膜表面が閉塞され、濾過運転中における通水抵抗が上昇する。

さらに、凝集剤の添加量だけではなく、原水と凝集剤とを混合する際の撹拌強度や原水のｐＨ等の条件によっても凝集反応の効率は変化するため、様々な種類の原水に対して適切な凝集条件を選定することは容易ではない。しかも、河川水や地下水等の環境水が原水として用いられる場合には、天候等の影響により水質が変動するため、変動する水質に応じて凝集条件を都度調節することも求められる。これに対し、特許文献１には、原水の濁度を計測し、当該計測された濁度に基づいて調整された量の無機凝集剤を添加する水処理方法が記載されている。

国際公開第２０１７／１１５４５５号

特許文献１に記載された水処理方法は、種々の水質のうち濁度のみに着目し、濁度の計測結果に基づいて原水への凝集剤の添加量を調整する方法である。しかし、適切な凝集剤の添加条件は濁度以外の水質によっても変化するため、濁度のみに着目しても常に適切な凝集剤の添加条件を選定可能であるとは限らない。したがって、従来の水処理方法では、原水の水質変動への対応が万全ではなく、原水中の不純物の適切な凝集条件を選定することができないため、膜ファウリングを抑制するのが困難という課題がある。

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、膜ファウリングを抑制しつつ原水を膜濾過することが可能な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方法は、不純物を含む原水を膜濾過により処理する方法である。この水処理方法は、前記不純物を凝集させる凝集剤を、前記原水に添加することと、前記不純物が凝集することにより形成された凝集体のフラクタル次元を得ることと、前記フラクタル次元に基づいて前記原水への前記凝集剤の添加条件を調節することと、前記凝集剤が添加された前記原水を膜濾過によって処理することにより、前記原水から前記不純物を除去して濾過水を得ることと、を含み、前記フラクタル次元が１．６以上２．４以下の範囲内であるか否かを判定し、前記フラクタル次元が前記範囲内に収まって膜ファウリングが抑制されるように前記原水への前記凝集剤の添加条件を調節する。

本発明者は、原水を膜濾過により処理する水処理方法において、膜ファウリングをより確実に抑制するための方策について鋭意検討を行った。その結果、本発明者は、凝集剤を原水に添加することにより形成された凝集体のフラクタル構造に着目し、その凝集体のフラクタル次元と膜ファウリングの程度との間に相関関係があることを新たに見出した。

本発明は、上述のような観点に基づいてなされたものである。本発明の水処理方法では、原水に凝集剤を添加することにより当該原水に含まれる不純物の凝集体を形成し、当該凝集体のフラクタル次元を得た後、当該フラクタル次元に基づいて原水への凝集剤の添加条件を調節する。このため、従来のように原水の濁度のみに基づいて原水への凝集剤の添加条件を調節する方法とは異なり、凝集体のフラクタル次元を指標とすることにより、膜ファウリングを抑制するための適切な凝集剤の添加条件を簡単に選定することができる。したがって、本発明の水処理方法によれば、適切な条件で凝集剤が添加された原水を膜濾過することにより、膜ファウリングを抑制しつつ濾過水を得ることが可能になる。

さらに、凝集体のフラクタル次元が１．６以上２．４以下の範囲内になるように調節されるため、フラクタル次元が当該範囲外である場合に比べて膜ファウリングが大幅に抑制される。したがって、凝集体のフラクタル次元が当該範囲内に収まるように原水への凝集剤の添加条件を調節することにより、膜ファウリングをより確実に抑制しつつ原水を膜濾過することが可能である。

上記水処理方法において、前記凝集剤が添加された前記原水を１００ｓ^－１以上１０００ｓ^－１以下の撹拌強度で撹拌することにより、前記原水中で前記不純物を凝集させてもよい。これにより、原水に含まれる不純物と原水に添加された凝集剤とをより確実に混合し、凝集体の形成を促進することが可能になる。

上記水処理方法において、レーザ回折散乱法により得られる測定パラメータに基づいて、前記フラクタル次元を算出してもよい。この方法によれば、凝集体のフラクタル次元を簡単に得ることが可能である。

上記水処理方法において、前記凝集剤として、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第二鉄及びポリシリカ鉄からなる群より選択される少なくとも一つが用いられてもよい。これらの材料を凝集剤として用いることにより、原水中の不純物をより確実に凝集させることが可能である。

上記水処理方法において、前記凝集剤が添加された前記原水のｐＨが６．０以上８．０以下となるようにｐＨ調整剤を前記原水に添加してもよい。

凝集剤の添加により原水のｐＨが中性から酸性又はアルカリ性に変化する場合がある一方、原水中の不純物の凝集反応はｐＨが中性付近であることを要する。これに対し、上記方法によれば、凝集剤の添加により原水のｐＨが６．０未満又は８．０超えに変化した場合でも、ｐＨ調整剤の添加により、原水のｐＨを不純物の凝集反応が起こるｐＨ領域に調整することが可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、膜ファウリングを抑制しつつ原水を膜濾過することが可能な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おける水処理装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態における膜モジュールの内部の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る水処理方法の手順を説明するためのフローチャートである。 実験例１における濾過時間と膜間圧力差との関係を示すグラフである。 実験例５における濾過時間と膜間圧力差との関係を示すグラフである。 凝集体のフラクタル次元と膜ファウリング値との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る水処理方法を詳細に説明する。

（水処理装置）
まず、本発明の一実施形態に係る水処理方法の実施に用いられる水処理装置１の構成を、図１及び図２に基づいて説明する。水処理装置１は、原水Ｗ１に含まれる不純物を膜濾過により当該原水Ｗ１から除去して濾過水を得る装置であり、当該膜濾過の前処理として不純物の凝集処理を実施するように構成されている。図１に示すように、水処理装置１は、原水槽１０と、凝集剤添加機構１１と、ｐＨ調整剤添加機構１２と、撹拌機構２０と、原水供給配管３０と、膜モジュール４０と、濾過水取出配管５０とを主に備えている。以下、これらの構成要素をそれぞれ説明する。

原水槽１０は、図略の水源から供給される原水Ｗ１（膜濾過の対象となる水）を貯留するものであり、膜モジュール４０の前段（上流側）に配置されている。原水Ｗ１は、例えば懸濁物質や細菌類等の各種不純物を含んでいる。原水Ｗ１としては、例えば河川水、湖沼水、地下水及び工業廃水等を例示することができるが、これらに限定されない。

凝集剤添加機構１１は、原水Ｗ１中の不純物を凝集させる凝集剤を、原水槽１０内へ添加するものである。本実施形態においては、当該凝集剤として、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第二鉄及びポリシリカ鉄からなる群より選択される少なくとも一つが用いられる。なお、図示は省略するが、凝集剤添加機構１１は、凝集剤を収容する収容部と、当該収容部から原水槽１０への凝集剤の添加量を調節する添加量調節部とを含む。

ｐＨ調整剤添加機構１２は、原水Ｗ１のｐＨを調整するためのｐＨ調整剤を、原水槽１０内へ添加するものである。ｐＨ調整剤としては、例えば硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、クエン酸又はシュウ酸等の酸類や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア水、水酸化カルシウム又は水酸化マグネシウム等の塩基類が用いられる。

撹拌機構２０は、原水槽１０内に貯留された原水Ｗ１を撹拌するものである。具体的には、図１に示すように、撹拌機構２０は、原水槽１０の外に配置されたモータ２１と、モータ２１に接続された基端部から原水槽１０内に位置する先端部まで延びる回転軸２２と、回転軸２２の先端部に設けられた複数の撹拌翼２３とを有している。回転軸２２は、モータ２１の駆動により軸回りに回転可能となっている。したがって、モータ２１を駆動させることにより、凝集剤やｐＨ調整剤が添加された原水Ｗ１を原水槽１０内において撹拌翼２３により撹拌し、混合することができる。

原水供給配管３０は、原水槽１０内に貯留された原水Ｗ１を膜モジュール４０へ供給するための配管である。図１に示すように、原水供給配管３０は、上流端が原水槽１０の出口１０Ａに接続されていると共に、下流端が膜モジュール４０の原水入口４６に接続されている。また原水供給配管３０には、原水槽１０から流出した原水Ｗ１を加圧して膜モジュール４０へ向かって送り出す送水ポンプ３１と、原水供給配管３０内を流れる原水Ｗ１の圧力を検知する原水側圧力検知部３２とが、原水Ｗ１の流れ方向において上流側から順に配置されている。

膜モジュール４０は、中空糸膜により原水Ｗ１を濾過する中空糸膜モジュールであり、原水槽１０の後段（下流側）に配置されている。図２は、膜モジュール４０の内部の構成を模式的に示している。

本実施形態における膜モジュール４０は、外圧濾過式の中空糸膜モジュールである。ここでいう「外圧濾過式」とは、中空糸膜の外表面側に原水Ｗ１が供給され、当該原水Ｗ１が中空糸膜の外表面から内表面に向かって膜壁を透過することにより得られる濾過水を、当該内表面側の中空部から取り出す濾過方式である。

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、外圧全量濾過式又は外圧循環濾過式のモジュールを用いることができる。膜寿命の観点からは、濾過処理と共に中空糸膜の表面洗浄を実施可能な外圧循環濾過式のモジュールが好ましい。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、外圧全量濾過式のモジュールが好ましい。なお、膜モジュールは、外圧濾過式の中空糸膜モジュールに限定されるものではなく、例えば、原水が中空糸膜の中空部を流れると共に、当該原水が中空糸膜の内表面から外表面に向かって膜壁を透過することにより濾過水が得られる内圧濾過式の中空糸膜モジュールであってもよい。

図２に示すように、膜モジュール４０は、束状の複数の中空糸膜４２を有する中空糸膜束４３と、中空糸膜束４３を収容するハウジング４１とを主に備えている。ハウジング４１の内部には、原水Ｗ１が流入する原水空間Ｓ１と、当該原水空間Ｓ１に対して液密に仕切られると共に濾過水が流入する濾過水空間Ｓ２とがそれぞれ設けられている。本実施形態における膜モジュール４０は、各中空糸膜４２の長さ方向が上下方向（鉛直方向）に沿い且つ濾過水空間Ｓ２が原水空間Ｓ１の上側に位置する縦置き姿勢で設置されている。しかし、膜モジュール４０の設置姿勢は特に限定されない。

各中空糸膜４２は、上端４２Ｂと下端４２Ａとを含み、上端４２Ｂから下端４２Ａに向かって延びる中空円筒形状を有している。各中空糸膜４２の上端４２Ｂは、開口状態で固定部材５３により固定されており、一方で各中空糸膜４２の下端４２Ａは、固定されずに樹脂等により封止されている。つまり、各中空糸膜４２の下端４２Ａ側の開口部は、樹脂等の封止剤により塞がれている。固定部材５３と中空糸膜束４３とにより中空糸膜エレメントが構成されており、当該中空糸膜エレメントはハウジング４１に対して挿抜可能となっている。

上記のように、本実施形態における中空糸膜束４３は、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４３は、充水された原水空間Ｓ１に空気等の気体を供給してバブリング洗浄を行う際に、気泡によって径方向に広がるように膨らむ。なお、中空糸膜束は、本実施形態のような片端フリータイプのものに限定されず、上端４２Ｂ及び下端４２Ａの両方が固定された両端固定タイプのものでもよい。

固定部材５３は、各中空糸膜４２の上端４２Ｂを収束固定する。より具体的には、各中空糸膜４２の上端４２Ｂは、固定部材５３を上下方向に貫通しており、濾過水空間Ｓ２に開口している。これにより、原水Ｗ１が中空糸膜４２の外表面から内表面に向かって膜壁を透過することにより得られた濾過水が、当該中空糸膜４２の中空部内を上端４２Ｂに向かって上向きに流れた後、当該上端４２Ｂ側の開口から濾過水空間Ｓ２へ流出可能となっている。

固定部材５３は、その外周部がハウジング４１の内面に密着しており、原水Ｗ１と濾過水との混水を防ぐために原水空間Ｓ１と濾過水空間Ｓ２とを隔離している。固定部材５３の構成材料としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂又はポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂を採用することができる。また中空糸膜束４３と固定部材５３との接着方法としては、例えば遠心接着法や静置接着法等が挙げられるが、特に限定されない。

中空糸膜４２の素材としては、種々のものを採用す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択される少なくとも１種類の素材を含む中空糸膜４２を用いることが好ましい。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４２の素材として好ましい。

中空糸膜４２は、親水化処理されていることが好ましい。本実施形態における中空糸膜４２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。しかし、中空糸膜は、親水化処理されているものに限定されず、親水化処理されていない中空糸膜が用いられてもよい。

中空糸膜束４３は、中空糸膜４２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、高い濾過流量で水処理装置１を運転することが可能になる。しかし、中空糸膜４２の本数が多くなり過ぎると、中空糸膜４２の洗浄時における不純物の排出効率が低下する。このため、中空糸膜４２の外径をｄｉ（ｍ）、中空糸膜束４３における中空糸膜４２の本数をｎ（本）、ハウジング４１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４１は、上下方向に長い中空円筒形状の容器であり、上面４１Ａと、下面４１Ｃと、これらを接続する側面４１Ｂとを含む。図２に示すように、ハウジング４１内の原水空間Ｓ１に中空糸膜束４３が収容されている。

ハウジング４１の下面４１Ｃには、原水Ｗ１を原水空間Ｓ１へ導入するための原水入口４６が設けられている。またハウジング４１の側面４１Ｂのうち下面４１Ｃの真上の部位には、原水空間Ｓ１内の水を系外へ排出するためのドレン抜き口４７と、中空糸膜４２の洗浄用気体（空気等）を原水空間Ｓ１へ導入するための原水側気体入口４５とがそれぞれ設けられている。

ハウジング４１の上面４１Ａには、濾過水空間Ｓ２から系外へ濾過水を取り出すための濾過水出口５２が設けられており、当該濾過水出口５２に濾過水取出配管５０の上流端が接続されている。図２に示すように、濾過水取出配管５０には、濾過水側気体入口４８が設けられており、図略のエアーコンプレッサー等の気体供給源から供給される気体（圧縮空気）を、当該濾過水側気体入口４８を通じて濾過水空間Ｓ２へ導入することができる。当該濾過水側気体入口４８は、中空糸膜４２の中空部内の濾過水を膜外へ押し出す逆圧洗浄を実施する際に用いられる。

また図１に示すように、濾過水取出配管５０には、当該濾過水取出配管５０内を流れる濾過水の圧力を検知する濾過水側圧力検知部５１が設けられている。当該濾過水側圧力検知部５１による検知値と原水側圧力検知部３２による検知値とに基づいて、膜間圧力差（膜モジュール４０の一次側圧力と膜モジュール４０の二次側圧力との差）を監視することができる。

図２に示すように、ハウジング４１の側面４１Ｂのうち固定部材５３の直下の部位には、原水空間Ｓ１内の気体を系外へ排出するための気体抜き口４４が設けられている。気体抜き口４４は、原水空間Ｓ１を外部へ開放する部分であり、側面４１Ｂのうち上下方向の中央部よりも上側の部位に設けられている。

ハウジング４１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 Ｓｔｙｌｅｎｅ）樹脂等が挙げられるが、これらの材質に限定されない。

また上述の通り、本実施形態における中空糸膜エレメントはハウジング４１に対して着脱可能であるが、固定部材５３の外周部にＯ（オー）リングやパッキング等が取り付けられ、固定部材５３がハウジング４１に対して液密に装着されていてもよい。この場合、固定部材５３をハウジング４１から取り外して中空糸膜束４３を交換することにより、ハウジング４１を繰り返し使用することが可能である。しかしこれに限定されず、ハウジング４１の内面に固定部材５３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。

（水処理方法）
次に、上記水処理装置１を用いて実施される本実施形態に係る水処理方法の各手順を、図３に示すフローチャートに従って説明する。本実施形態に係る水処理方法では、以下の手順により、不純物を含む原水Ｗ１を膜濾過により処理し、清浄な濾過水を得る。

まず、不純物を含む原水Ｗ１（例えば河川水等）を図略の水源から原水槽１０へ一定量供給し、当該原水Ｗ１を原水槽１０において貯留する（ステップＳ１０）。次に、凝集剤添加機構１１により、原水槽１０内に貯留された原水Ｗ１に所定量の凝集剤を添加する（ステップＳ２０）。本実施形態では、凝集剤として、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第二鉄及びポリシリカ鉄からなる群より選択される少なくとも一つが、原水Ｗ１に添加される。この場合、上記群より選択される一種類の材料のみが凝集剤として添加されてもよいし、上記群より選択される複数種類の材料が凝集剤として添加されてもよい。また上記以外の材料が凝集剤として添加されてもよい。

次に、凝集剤が添加された原水Ｗ１を、撹拌機構２０（図１）により撹拌する（ステップＳ３０）。具体的には、モータ２１の駆動により回転軸２２を軸回りに回転させ、撹拌翼２３により原水Ｗ１と凝集剤とを混合する。本実施形態では、凝集剤が添加された原水Ｗ１を、１００ｓ^－１以上１０００ｓ^－１以下の撹拌強度で撹拌する。しかし、原水Ｗ１の撹拌強度はこれに限定されず、１００ｓ^－１未満の撹拌強度で原水Ｗ１が撹拌されてもよいし、１０００ｓ^－１を超える撹拌強度で原水Ｗ１が撹拌されてもよい。

次に、凝集剤が添加された原水Ｗ１のｐＨを測定し、当該ｐＨが６以上８以下の範囲外であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。この時、原水槽１０に備えられた図略のｐＨ計が用いられてもよいし、凝集剤添加後の原水Ｗ１の一部を原水槽１０から採取してｐＨを測定してもよい。

そして、当該ｐＨが６以上８以下の範囲外である場合には（ステップＳ４０のＹＥＳ）、当該ｐＨが６以上８以下の範囲内となるように、ｐＨ調整剤添加機構１２（図１）により所定量のｐＨ調整剤を原水Ｗ１に添加する（ステップＳ５０）。具体的には、凝集剤添加後の原水Ｗ１のｐＨが６未満である場合には、塩基類をｐＨ調整剤として原水Ｗ１に添加し、一方で凝集剤添加後の原水Ｗ１のｐＨが８を超える場合には、酸類をｐＨ調整剤として原水Ｗ１に添加する。

そして、ｐＨ調整剤添加後の原水Ｗ１を撹拌機構２０により撹拌した後、当該原水Ｗ１のｐＨを再び測定し、当該ｐＨが６以上８以下の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ６０）。ｐＨ調整剤添加後の原水Ｗ１のｐＨが６以上８以下の範囲内である場合には（ステップＳ６０のＹＥＳ）、ステップＳ７０に進み、当該ｐＨが未だ６以上８以下の範囲外である場合には（ステップＳ６０のＮＯ）、ステップＳ５０に戻って再び原水Ｗ１のｐＨ調整を行う。また、凝集剤の添加後の時点で原水Ｗ１のｐＨが６以上８以下の範囲内である場合には（ステップＳ４０のＮＯ）、原水Ｗ１へのｐＨ調整剤の添加を行わず、ステップＳ７０に進む。

このようにして、原水Ｗ１に凝集剤を添加し、また必要に応じてｐＨ調整剤をさらに添加することにより、原水Ｗ１中の不純物が凝集剤の作用によって凝集し、個々の不純物（微粒子）よりも粗大な凝集体が形成される。この凝集体は、中空糸膜４２の細孔径よりも大きい。

次に、ステップＳ７０～Ｓ９０において、原水Ｗ１中の不純物が凝集することにより形成された凝集体のフラクタル次元を得る。ここで、当該凝集体は、全体とそれを構成する部分とが相似である構造、すなわち自己相似な構造であるフラクタル構造を有している。そして、「フラクタル次元」とは、フラクタル構造におけるある構造パターンがどの程度の複雑さにおいて構造全体に広がっているかを表す指標である。本実施形態においては、レーザ回折散乱法により得られる測定パラメータに基づいて、以下の通り、凝集体のフラクタル次元を算出する。

まず、凝集剤（又は凝集剤及びｐＨ調整剤）が添加された原水Ｗ１の一部を、原水槽１０から採取する（ステップＳ７０）。次に、当該ステップＳ７０において採取された原水Ｗ１に対して、粒子径分布測定装置を用いたレーザ回折散乱測定を実施する（ステップＳ８０）。具体的には、凝集体を含む原水Ｗ１に対して波長４０５ｎｍのレーザ光を入射し、その時の散乱光強度Ｉ及び前方小角散乱の散乱ベクトルｑをそれぞれ測定する。なお、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）。

次に、上記ステップＳ８０における測定結果に基づいて、凝集体のフラクタル次元を算出する（ステップＳ９０）。ここで、散乱光強度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。したがって、上記ステップＳ８０における測定により得られた散乱光強度Ｉ及び前方小角散乱の散乱ベクトルｑを両対数グラフにプロットし、その時得られる傾き（Ｄ）をフラクタル次元として算出する。

次に、上記ステップＳ９０において算出された凝集体のフラクタル次元に基づいて、以下の通り、原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を調節する。まず、フラクタル次元の値が目標範囲内であるか否か、具体的にはフラクタル次元の値が１．６以上２．４以下の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。そして、フラクタル次元の値が１．６以上２．４以下の範囲外である場合には（ステップＳ１００のＮＯ）、フラクタル次元の値が１．６以上２．４以下の範囲内に収まるように原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を調節する（ステップＳ１１０）。より好ましくは、フラクタル次元の値が１．６以上２．０以下の範囲内に収まるように原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を調節してもよい。

具体的には、上記ステップＳ９０において算出されたフラクタル次元の値が１．６未満である場合には、原水Ｗ１への凝集剤の添加量を、上記ステップＳ２０における凝集剤の添加量よりも増加させる。一方、上記ステップＳ９０において算出されたフラクタル次元の値が２．４を超える場合には、原水Ｗ１への凝集剤の添加量を、上記ステップＳ２０における凝集剤の添加量よりも減少させる。なお、本実施形態では、凝集剤の添加量を増減させることにより添加条件を調節する場合を一例として説明したが、例えば凝集剤の種類を変更することにより添加条件を調節してもよいし、凝集剤の添加量及び種類の両方を変更することにより添加条件を調節してもよい。

このようにして、原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を調節した後、ステップＳ３０へ戻り、原水Ｗ１の撹拌（ステップＳ３０）、原水Ｗ１のｐＨの確認（ステップＳ４０）、必要に応じたｐＨ調整剤の添加（ステップＳ５０）、原水槽１０からの原水Ｗ１のサンプリング（ステップＳ７０）、サンプリングされた原水Ｗ１のレーザ回折散乱測定（ステップＳ８０）及び凝集体のフラクタル次元の算出（ステップＳ９０）を再度行う。そして、凝集剤の添加条件調節後におけるフラクタル次元の値が１．６以上２．４以下の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。すなわち、凝集体のフラクタル次元の値が１．６以上２．４以下の範囲内となる凝集剤の添加条件が確認されるまで、ステップＳ３０～Ｓ１１０の操作を繰り返す。そして、フラクタル次元の値が１．６以上２．４以下の範囲内であることが確認された後（ステップＳ１００のＹＥＳ）、その時の原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を最適添加条件として確定する（ステップＳ１２０）。

次に、上記ステップＳ１２０において確定された条件で凝集剤が添加された原水Ｗ１を、膜モジュール４０において膜濾過によって処理することにより、原水Ｗ１から不純物（当該不純物の凝集体）を除去して濾過水を得る（ステップＳ１３０）。具体的には、原水槽１０の出口１０Ａ（図１）を開き、上記最適添加条件で凝集剤が添加された原水Ｗ１を、原水供給配管３０を通じて膜モジュール４０（原水空間Ｓ１）へ一定流量で供給する。原水Ｗ１は、各中空糸膜４２（図２）の外表面から内表面に向かって膜壁を透過し、この時、当該原水Ｗ１に含まれる不純物の凝集体が中空糸膜４２の外表面に付着する。これにより、不純物が除去された清浄な濾過水が中空糸膜４２の中空部内へ流入し、濾過水空間Ｓ２を通過してモジュールの外へ取り出される。

このようにして、一定時間連続で原水Ｗ１の濾過を行った後（ステップＳ１４０のＹＥＳ）、以下のようにして膜モジュール４０の逆圧洗浄を行う（ステップＳ１５０）。具体的には、原水槽１０から膜モジュール４０への原水Ｗ１の供給を停止し、図略の気体供給源から濾過水側気体入口４８（図２）を通じて濾過水空間Ｓ２へ気体（例えば圧縮空気）を供給する。そして、当該圧縮空気により、各中空糸膜４２の中空部内の濾過水を膜外へ（すなわち原水空間Ｓ１）へ押し出す。これにより、濾過運転中に各中空糸膜４２の外表面に付着した凝集体が除去され、その後、当該凝集体を含む水がドレン抜き口４７（図２）からモジュール外へ排出される。このようにして膜モジュール４０の逆圧洗浄を行った後、原水Ｗ１の膜濾過を再開する（ステップＳ１６０）。

以上の通り、本実施形態に係る水処理方法では、原水Ｗ１に凝集剤を添加することにより原水Ｗ１中に含まれる不純物の凝集体を形成した後、当該凝集体についてフラクタル次元を取得し、そのフラクタル次元に基づいて原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を調節する。具体的には、フラクタル次元が１．６以上２．４以下の範囲内に収まるように、原水Ｗ１への凝集剤の添加条件を調節する。このように、凝集体のフラクタル次元を指標とすることにより、中空糸膜４２における膜ファウリングを抑制するための適切な凝集剤の添加条件を簡単に選定することができる。そして、適切な条件の下で凝集剤が添加された原水Ｗ１を膜モジュール４０において中空糸膜４２によって濾過することにより、膜ファウリングを抑制しつつ清浄な濾過水を得ることが可能になる。

また上記水処理方法において、濾過運転中の膜ファウリングを抑制するために、凝集体のフラクタル次元について上限値を定めた意義は以下の通りである。

まず、各中空糸膜４２を、均一な内径及び長さを有する円管（細孔）を束ねた濾材として仮定すると、円管内の層流の流れを示すハーゲンポアズイユの式に基づき、濾材における流量計算式は下記の式（１）の通りとなる。下記の式（１）において、「Ｊ」は単位濾過面積当たりの流量、「Ｎ」は単位濾過面積当たりの円管数、「ｄ」は円管の直径、「ΔＰ」は円管両端での差圧、「μ」は流体の粘度、「Ｌ」は円管の長さをそれぞれ示している。

Ｊ＝Ｎ・π・ｄ^４・ΔＰ／１２８μＬ・・・（１）

そして、原水Ｗ１中の不純物（凝集体）が細孔の開口で除去され、開口を塞ぐように捕捉される濾過モデルを想定した場合、定流量濾過における差圧ΔＰと濾液量ｖとの関係は、下記の式（２）の通りである。「ΔＰ_０」は濾材両端での差圧、「Ｋｃ」は閉塞係数を示している。

ΔＰ＝ΔＰ_０・（１＋Ｋｃ・ｖ）・・・（２）

上記の式（２）によれば、閉塞係数Ｋｃにより差圧ΔＰの上昇（膜ファウリング）の程度が決定される。そして、当該閉塞係数Ｋｃは、凝集体に固有の値であり、当該凝集体のフラクタル次元に比例して増大すると推定される。フラクタル次元は、凝集体における自己相似性の指標であり、凝集体の密度が高くなるに従って大きくなる。したがって、フラクタル次元が小さい場合は、凝集体の密度が低くなり、凝集体の通水抵抗が小さくなるため、閉塞係数Ｋｃが小さくなる。一方、フラクタル次元が大きい場合は、凝集体の密度が高くなり、凝集体の通水抵抗が大きくなるため、閉塞係数Ｋｃが大きくなる。

したがって、フラクタル次元の上限値を定めることの意義は、凝集体の密度が過剰に高くなり、上記閉塞モデルにおける閉塞係数Ｋｃが過剰になるのを抑制するためである。すなわち、上記水処理方法では、原水Ｗ１中の不純物が中空糸膜４２の細孔よりも大きい凝集体を形成すると共に、当該凝集体が原水Ｗ１の通過を許容する密度となるように、原水Ｗ１への凝集剤の添加条件が調節される。これにより、中空糸膜４２の細孔内が不純物の凝集体により閉塞されるのを抑制可能であると共に、濾過運転中に当該凝集体が中空糸膜４２の細孔の開口を塞ぐように外表面側で捕捉されても、原水Ｗ１が当該凝集体を通過することができるため、膜ファウリングを抑制することができる。

なお、上記実施形態は、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。したがって、本発明の範囲には、以下の実施形態も含まれる。

上記実施形態では、凝集剤の最適添加条件を確定した後に原水Ｗ１の膜濾過を開始する場合を一例として説明したが、これに限定されない。すなわち、膜モジュール４０において原水Ｗ１の膜濾過を行いつつ、フラクタル次元に基づく凝集剤の添加条件の調節を並行して行ってもよい。

上記実施形態では、レーザ回折散乱法により凝集体のフラクタル次元を算出する場合を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、凝集体の画像を取得した後、当該画像を２値化処理することにより、凝集体のフラクタル次元（上記実施形態における傾きＤに相当する値）を算出してもよい。さらに、凝集体の画像とフラクタル次元との相関関係を予め調査し、凝集体の画像と当該相関関係とに基づいてフラクタル次元を推定し、推定されたフラクタル次元に基づいて凝集剤の添加条件を調節してもよい。

上記実施形態では、中空糸膜モジュールを用いた濾過を膜濾過の一例として説明したがこれに限定されず、中空糸膜モジュール以外の膜濾過機構が用いられてもよい。

（実験例１）
まず、河川表流水を原水としてサンプリングし、これに凝集剤であるポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）を１．０ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で添加し、ｐＨ調整剤により原水のｐＨを７．０に調整し、粒子径分布測定装置を用いたレーザ回折散乱測定を行った。この測定結果に基づいて、凝集体のフラクタル次元は２．０２と算出された。

上記の凝集剤添加条件及びｐＨ調整剤添加条件の下で、図１の水処理装置により原水を濾過し、その時の膜ファウリング値を算出した。中空糸膜としては、ポリフッ化ビニリデンを素材とし、公称孔径が０．０２μｍのものを用いた。そして、２．４ｍ／ｄの流束で２０時間濾過運転を行い、その間３０分毎に逆圧洗浄による中空糸膜の洗浄を実施した。１回の逆圧洗浄とその次の逆圧洗浄との間における膜間圧力差の上昇の平均値を「膜ファウリング値」として算出した。膜ファウリング値は、濾過運転の安定性を示す指標であり、膜ファウリング値が大きい程濾過運転が不安定であり、膜ファウリング値が小さい程濾過運転が安定であることを意味する。

図４は、実験例１における濾過時間（ｈ、横軸）と膜間圧力差（ＴＭＰ、ｋＰａ）との関係を示すグラフである。本実験例では、膜ファウリング値は０．７５ｋＰａと算出された。

（実験例２）
ポリ塩化アルミニウムを２．４ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加した点以外は、上記実験例１と同様である。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が２．２９と算出され、膜ファウリング値は０．８５ｋＰａと算出された。

（実験例３）
原水として上記実験例１と異なる種類の河川表流水をサンプリングし、ポリ塩化アルミニウムを２．４ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加した点以外は、上記実験例１と同様である。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が２．１３と算出され、膜ファウリング値は０．４９ｋＰａと算出された。

（実験例４）
原水として上記実験例１と異なる人工調製原水を使用し、ポリ塩化アルミニウムを１．１ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加し、ｐＨ調整剤により原水のｐＨを７．１に調整した点以外は、上記実験例１と同様である。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が１．６５と算出され、膜ファウリング値は０．１０ｋＰａと算出された。

（実験例５）
ポリ塩化アルミニウムを４．８ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加した点以外は、上記実験例１と同様である。図５は、実験例５における濾過時間（ｈ、横軸）と膜間圧力差（ＴＭＰ、ｋＰａ）との関係を示すグラフである。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が２．４５と算出され、膜ファウリング値は１．８５ｋＰａと算出された。

（実験例６）
ポリ塩化アルミニウムを８．５ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加し、ｐＨ調整剤により原水のｐＨを８．０に調整した点以外は、上記実験例１と同様である。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が２．４７と算出され、膜ファウリング値は４．５０ｋＰａと算出された。

（実験例７）
ポリ塩化アルミニウムを１０．０ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加し、ｐＨ調整剤により原水のｐＨを８．０に調整した点以外は、上記実験例１と同様である。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が２．５９と算出され、膜ファウリング値は４．８０ｋＰａと算出された。

（実験例８）
原水として上記実験例１と異なる種類の河川表流水をサンプリングし、ポリ塩化アルミニウムを１０．０ｍｇ（Ａｌ_２Ｏ_３）／Ｌの濃度で原水に添加し、ｐＨ調整剤により原水のｐＨを８．０に調整した点以外は、上記実験例１と同様である。本実験例では、凝集体のフラクタル次元が２．４２と算出され、膜ファウリング値は１．４５ｋＰａと算出された。

（考察）
上記実験例１～８における各実験条件並びにフラクタル次元及び膜ファウリング値の算出結果を纏めると、下記の表１の通りである。また図６は、上記実験例１～８において得られたフラクタル次元（横軸）及び膜ファウリング値（縦軸、ｋＰａ）の値をプロットしたグラフである。

図６のグラフから明らかなように、凝集体のフラクタル次元と膜ファウリング値との間には相関関係が確認され、特に、フラクタル次元が２．４以下である場合にはフラクタル次元が２．４を超える場合に比べて膜ファウリング値が大幅に抑えられることが分かった。

なお、上記実験例１～８は、中空糸膜の細孔径が０．０２μｍで同じであるが、フラクタル次元が２．４以下である場合に膜ファウリングが効果的に抑制されることについては、細孔径に依存せず同じであると推察される。すなわち、フラクタル次元が２．４を超える場合に膜ファウリング値が大幅に上昇するのは、上述の通り凝集体の密度が高まって通水抵抗が上昇することに主に起因すると考えられ、このことは、中空糸膜の細孔径の大きさとは直接関係しないためである。

１ 水処理装置
１０ 原水槽
１０Ａ 出口
１１ 凝集剤添加機構
１２ ｐＨ調整剤添加機構
２０ 撹拌機構
２１ モータ
２２ 回転軸
２３ 撹拌翼
３０ 原水供給配管
３１ 送水ポンプ
３２ 原水側圧力検知部
４０ 膜モジュール
４１ ハウジング
４１Ａ 上面
４１Ｂ 側面
４１Ｃ 下面
４２ 中空糸膜
４２Ａ 下端
４３ 中空糸膜束
４４ 気体抜き口
４５ 原水側気体入口
４６ 原水入口
４７ ドレン抜き口
４８ 濾過水側気体入口
５０ 濾過水取出配管
５１ 濾過水側圧力検知部
５２ 濾過水出口
５３ 固定部材
Ｓ１ 原水空間
Ｓ２ 濾過水空間
Ｗ１ 原水

Claims (5)

1. 不純物を含む原水を膜濾過により処理する水処理方法であって、
   前記不純物を凝集させる凝集剤を、前記原水に添加することと、
   前記不純物が凝集することにより形成された凝集体のフラクタル次元を得ることと、
   前記フラクタル次元に基づいて前記原水への前記凝集剤の添加条件を調節することと、
   前記凝集剤が添加された前記原水を膜濾過によって処理することにより、前記原水から前記不純物を除去して濾過水を得ることと、を含み、
   前記フラクタル次元が１．６以上２．４以下の範囲内であるか否かを判定し、前記フラクタル次元が前記範囲内に収まって膜ファウリングが抑制されるように前記原水への前記凝集剤の添加条件を調節する、水処理方法。
2. 前記凝集剤が添加された前記原水を１００ｓ^－１以上１０００ｓ^－１以下の撹拌強度で撹拌することにより、前記原水中で前記不純物を凝集させる、請求項１に記載の水処理方法。
3. レーザ回折散乱法により得られる測定パラメータに基づいて、前記フラクタル次元を算出する、請求項１又は２に記載の水処理方法。
4. 前記凝集剤として、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第二鉄及びポリシリカ鉄からなる群より選択される少なくとも一つが用いられる、請求項１～３のいずれか１項に記載の水処理方法。
5. 前記凝集剤が添加された前記原水のｐＨが６以上８以下となるようにｐＨ調整剤を前記原水に添加する、請求項１～４のいずれか１項に記載の水処理方法。

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