JPH03284323A - 膜分離方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 意泉上例■里分對 本発明は、膜分離方法および装置に関する。より具体的
には、経時的な水温変動を有する比較的膜汚染性の低い
水から、いわゆる循環濾過により不純物を除去して清澄
な処理水を得るための方法および装置であって、省スペ
ースかつ低コストで安定した透過水量が得られるものに
関する。

従来凶舷迷 膜を用いて水中の不純物を除去する方法は広く知られて
おり、使用する膜を適当に選択すれば、懸濁粒子の除去
といった比較的大きなサイズの不純物の濾過がち、溶解
塩類の除去といっな極めて小さなサイズの不純物の除去
に至るまで、広範囲の不純物の除去に適用できることも
知られている。

膜分離にはいわゆる全量濾過方式と循環濾過方式とがあ
り、前者は被処理水の全量を膜に通し不純物を炉滓とし
て除去する方式であり、後者は被処理水を循環しながら
その一部を膜に通して処理水と不純物濃縮水とに分離す
る方式である。一般に後者は、循環流による膜面に平行
な流速が膜面近傍あるいは膜面上への不純物の蓄積を防
止し、前者に比べてｌ過抵抗の経時的増大が少ないとい
う利点を有するため、水処理においては広く用いられて
いる。

循環濾過を行う場合には、被処理水側に、Ｖ過のドライ
ビングフォースとしての正圧（操作圧力）に加えて、上
記膜面に平行な流速（膜面流速）を与える必要がある。

操作圧力を与えるなめには、供給ポンプを用いて被処理
水を膜装置に送り込むが、ポンプ内に水が滞留すること
によるポンプ内の水温上昇を防止し、あるいは供給ポン
プの回転数を一定に保ちながら操作圧力を適宜調整する
ことができるように、供給ポンプ出口側から供給ポンプ
入口側に一部被処理水を戻す場合もある。また、膜面流
速を与えるためには、循環ポンプと膜装置を含む循環系
を構成し、循環ポンプの回転数あるいは循環系に設けた
循環弁を調整することによって膜面流速を制御する。供
給ポンプと循環ポンプを１台のポンプで兼用することも
可能であるが、操作圧力と膜面流速を独立して制御する
ことが困難になるという難点がある。

工業的規模で循環濾過方式の膜分離を実施する場合には
、膜を要素として組み込んだ膜モジュールが用いられる
。一般に装置の処理容量は膜モジュール１本当たりの透
過水量と膜モジュールの本数によって決まるが、膜モジ
ュール１本当たりの透過水量は被処理水の性状や操作条
件によって変動するため、安全係数を見込んで最小透過
水量を基準として膜モジュールの本数を算定する必要が
あり、あるいは、−時的に未処理分を補助タンクで受け
て透過水量の変動を吸収しなり、別途設けた膜モジユー
ル補機で処理する必要がある。

このため、装置のコストが増大し、また限られたスペー
スに設置しなければならない場合には、設計上極めて都
合の悪い場合がある。

したがって、透過水量を一定に制御することができれば
極めて有利であり、その場合の手段として、従来は、透
過水量を連続的に測定し、その変動に応じて操作圧力、
膜面流速、水温などの運転条件を制御することにより、
透過水星を一定に維持すべく図ってきた。

明が解決しようとする課題 このように従来の方法は、制御対象である透過水量を直
接測定し、その変動に応じて水温や循環流速を調節する
ことにより、透過水量をフィードバック制御するもので
あるが、透過水量の変動を被処理水の水温や操作条件に
フィードバックすると測定ノイズの増幅や応答の遅れ等
により制御が不安定になりゃずいという欠点があっな９ また、水量変動を信号として出方する装置は従来コンパ
クト性に欠け、省スペース的見地から好ましいとはいえ
なかった。

さらに、従来は水温が低下したときの水温上昇手段とし
てスチームインジェクションを用いていたが、これでは
設備が大損がりになるという欠点があった。

課履乏五伏すＡム漠９王封 本発明では、透過水量の変動を久方パラメータとする代
わりに、循環水の水温を測定してその変動を久方パラメ
ータとすることにより、透過水量制御の安定性を改善し
、かつ水温変動を信号として出力する装置が比較的コン
パクトであることにより、装置全体の省スペース化を図
るものである。

また、本発明の−の好適な態様においては、水温変動に
応じて膜面流速を調整し、これにより透過水量を一定に
制御する装置が提供される。

本発明の別の好適な態様においては、水温変動に応じて
膜面流速および操作圧力を調整し、これにより透過水量
を一定に制御する装置が提供される。

本発明のさらに別の好適な態様においては、温度の低い
被処理水の水温を上げるために、処理水と被処理水との
間で熱交換を行う装置が提供される。

作囲 水温は水の粘度に影響を及ぼすため、一般に濾過抵抗を
決定する要素の一つである。また膜面近傍あるいは膜面
上に蓄積した不純物の量も、一般にＶ過抵抗を決定する
要素の一つである。そして本発明者らは、大きな膜汚染
を引き起こさない被処理水を循環濾過する場合、沢過抵
抗は基本的には水温と膜面流速とによって決まり、一定
揉作圧力の下で透過水量を一定に保つための水温と膜面
流速との関係はかなりの期間にわたってほぼ一定に保た
れることを見出だしたのである。

したがって、所定の操作圧力下で所望の透過水量を得る
ための水温と膜面流速との関係を最初に求めておけば、
その後は水温を測定して膜面流速を調節することにより
、水温変動が生じた場合でも透過水量を一定に保つこと
ができるわけである。もちろん長期的には膜汚染等によ
り水温と膜面流速との関係も変化することがあるので、
適当な時期にこの関係を検定し、必要に応じて修正する
ことが好ましい。

また、操作圧力を一定に保つのではなく、膜面流速と操
作圧力とを同時に調整して透過水量を一定に制御するこ
ともできる。被処理水の水温変動が大きい場合には、こ
の方法が有効である。

さらに、被処理水の水温変動が大きい場合には、被処理
水と処理水との間で熱交換を行うことも有効である。一
般に処理水は被処理水より水温が高いことが多いので、
熱交換を行うことにより被処理水の水温を上げ、粘度を
下げて所定の透過水量を得るのに必要な膜面流速および
操作圧力を低減することもできる。

あるいは、膜面流速を一定にした場合には、Ｖ過抵抗は
ほぼ水温のみによって決まるので、水温の測定から透過
流速が推定でき、それに応じて使用する膜モジュールの
本数を増減させることにより、一定の処理量を得ること
もできる。

大旌珂 以下、図面を用いて、より具体的に述へる。

第１図は本発明の装置の一態様を示す。

被処理水は一旦調整槽１に流入し、供給ポンプ２および
循環ポンプ５を経て膜装置１０に供給される。膜装置１
０内を加圧下に通過する際に、一部の水が膜を透過して
処理水として取り出される。膜を透過せずに膜装置を通
過した被処理水は、その一部が圧力調整のため戻り井１
４を経て調整槽に戻され、残りの大部分が循環管路を経
て循環ポンプの入口側に循環される。

循環ポンプ５および膜装置１０は付随する管路とともに
加圧循環系を楕成し、加圧循環系内は供給ポンプ２およ
び戻り弁１４により所定の操作圧力に調整される。膜装
置内の膜面流速は、相対的に小さい膜透過流量Ｃを無視
すれば、循環流量Ａと戻り流量Ｂとの和になるが、戻り
流量は一般に循環流量に比べて小さいので、膜面流速は
循環流量によっておおかた決まるといってよい。特に操
作圧力を一定に保つ場合には、供給ポンプの回転数およ
び戻り弁の開度を一定とするなめ戻り流量はほぼ一定と
なり、膜面流速の調整は循環流量（すなわち循環ポンプ
の回転数）の調整のみによって行うことができる。ただ
し、膜面流速と操作圧力とを同時に調整する場合には、
操作圧力の調整のために戻り流量が変動するので、その
戻り流量の変動を考慮して循環流量を調整する必要があ
る。

循環水の水温を測定する手段８が加圧循環系を椙成する
管路に設けられ、測定された水温データはデータ処理装
置７に送られる。データ処理装置は当該水温データから
必要な膜面流速を算出し、循環ポンプの制御装置６を介
して循環ポンプ５の回転数を調整することにより、所定
の膜面流速が得られるようにする。

水温測定手段８としては、測定した水温を電気信号に変
換してデータ処理装置に入力できるタイプの種々のもの
が用いられる。

データ処理装置７としては、水温などの入力データを所
定の条件に従って加工し、循環ポンプの制御装置に適宜
制御信号を送ることの出来るものであればよく、いわゆ
るパソコンの類いを用いることができる。

循環ポンプの制御装置６としては種々のものが知られて
いるが、誘導電動機のインバータ制御を行うものが省エ
ネルギー的見地から好ましい。

熱交換を行う場合の装置のフローシートを第２図に示す
。この場合、被処理水は処理水管路の途中に設けられた
熱交換器１３を経てから調整槽１に流入する。

なお、透過水量と水温および膜面流速あるいは操作圧力
との関係はデータ処理装置に予め入力しておく必要かあ
るが、そのための透過水量（処理量）の測定は積算流量
計１２で行うことができる。

第１図および第２図には、このほか供給水用流量計３、
循環水用流量計１１、並びに圧力計４および９が示され
ている。

以下に、第１図の装置を用い、トンネルより湧出する排
水を被処理水として膜分離処理を行った結果を示す。

第１表に装置の主要機器の諸元を、第２表にトンネル排
水の性状を示す。

第１表 １）調整槽 １０００ｘ１８００ｘｌ　５００　（ｍｍ＞有効容積　
　２−２ｒｎ３ ２）膜装置 膜形式　　　内圧中空糸型有機限外Ｖ過膜膜素材　　　
ポリスルホン 公称分画分子量 ０００ 膜面積　　　５ｍ２／基 ゲージング　１００ｍｍφＸ１０００ｍｍ３）供給ポン
プ 最大流量　　１０リツタ一／分 最大揚程　　３０ｍ 電動機出力　２−２ｋｗ ４）循環ポンプ 最大流量　　５０ｒｎ３７時 最大揚程　　３０ｍ 電動機出力　５−５ｋｗ 循環水温Ｔ＝１８°Ｃ一定の条件下、膜面流速Ｖ＝１〜
４ｍ／秒の範囲においてフラックスＦを測定した。

その結果を第３表に示す。

第２表 トンネル排水水質 ＢＯＤ　　　　５〜２０ｍｇ／Ｉ Ｓ’３　　　　５〜４０ｍｇ／　１ ［フラックスと水温および膜面流速との関係コ操作圧力
を０−９ｋｇ／ｃｍ２と一定に保つこととし、予めフラ
ックスＦ［ｍ３／ｍ２・日］と水４Ｔ［°Ｃ］および膜
面流速Ｖ　［ｍ　／秒］との関係を求め、次式により整
理した。

Ｆ＝＝ａ　・Ｔ＋ｂ　−Ｖ十ｃ （ａ、ｂ、ｃは定数） 以上の結果より、 Ｆ＝０．３０４Ｖ＋（１８２４ （Ｔ＝　１８°Ｃ） なる関係が得られた。

次に、膜面流速Ｖ＝１．０ｍ／秒一定の条件下、循環水
温を１８℃、２０℃、２２℃と変えてフラックスを測定
した。その結果を第４表に示す。

以上の結果より、 Ｆ＝（Ｌ　０３５３Ｔ＋Ｏ−４８９ （Ｖ＝１−　Ｏｍ／秒） なる関係が得られた。

以上の関係を合わせて、 Ｆ＝（Ｌ　０３５３Ｔ 十〇、３０４Ｖ＋０．１９１ なる関係式を得た。

したがって、膜面流速■は Ｖ＝３−３３Ｆ −（Ｌ　１１６Ｔ−０−６２８ で与えられる。

［継続的排水処理試験］ 上記排水を（Ｌ　２７ｍ３／時の所定処理量にて処理を
行った。膜装置の操作圧力は０．９ｋｇ／ｃｒｎ２とし
た。運転開始時の水温は２３°Ｃであった。このときの
所定処理量を得るための必要膜面流速は１．０ｍ／秒で
あった。

排水温度の変化に伴い膜面環水の温度が１６°Ｃまで低
下したが、この間、水温を検出しながら膜面流速が調整
され、所定処理量０．２７ｍ３／時が維持された。

この点は積算流量計で確認された。なお水温１６℃での
膜装置の膜面流速は１．８ｍ／秒であった。

殖果 以上のとおり、本発明によれば、透過水量を一定に維持
することができ、そのなめ過剰の膜モジュールを設ける
ことなく低コスト、省スペース、省エネルギーにて膜分
離を行うことができる。なお、透過水量制御の安定性は
きわめて良好であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一態様を示すフローシートであ
る。 第２図は本発明の装置の別の態様を示すフローシートで
ある。 ［主要な符号の説明］ １−・・調整槽、２・・・供給ポンプ、５・−循環ポン
プ、６・・・循環ポンプ制御手段、７・−・データ処理
手段、８・・水温測定手段、１０−・・膜装置、１３・
・・熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、経時的に水温が変動する被処理水から循環ろ過方式
   により不純物を除去するための膜分離方法において、被
   処理水の水温変動を検知し、検知した水温変動に応じて
   それによる透過流速の変動を推定し、推定した透過流速
   の変動を補償するように膜面流速を調整し、かくして透
   過流速を一定に維持し、これにより透過水量を一定に制
   御することを特徴とする方法。 ２、該膜面流速を循環ポンプのインバータ制御により調
   整する請求項１記載の方法。 ３、膜面流速とともに操作圧力を調整する請求項１また
   は２記載の方法。 ４、該被処理水と膜透過後の処理水との間で熱交換を行
   う請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。 ５、該被処理水がトンネル湧出水である請求項１乃至４
   のいずれかに記載の方法。 ６、経時的に水温が変動する被処理水から循環ろ過方式
   により不純物を除去するための膜分離装置において、被
   処理水の水温変動を検知する手段、検知した水温変動に
   応じてそれによる透過流速の変動を推定する手段、およ
   び推定した透過流速の変動を補償するように膜面流速を
   調整する手段を具備していることを特徴とする装置。 ７、該透過流速の変動を推定して膜面流速を調整する手
   段がパソコンの指令によって動作する循環ポンプのイン
   バータ制御装置である請求項６記載の装置。 ８、膜面流速とともに操作圧力を調整する手段を具備し
   ている請求項６または７記載の装置。 ９、該被処理水と膜透過後の処理水との間で熱交換を行
   う手段を具備している請求項６乃至８のいずれかに記載
   の装置。