JPWO2005110584A1 - ろ過膜の逆洗方法および逆洗装置 - Google Patents

Abstract

無数のろ過孔を有する基体層１１ｂと、この基体層より微細なろ過孔を有する分離層１１ａとを備えたセラミックろ過膜をケーシング内に収納した膜ろ過装置の逆洗方法に関するもので、ろ過膜の２次側に圧力をｐ１に制御した空気を供給して、膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々にドレンした後、空気圧をｐ３に高めてろ過膜内部の水を空気とともに１次側に押し出し、閉塞物を剥離する。従来のように大量の逆洗排水が一挙に排出されないので、逆洗効果を低下させることなく逆洗排水管の径を小さく設計でき、設備のコンパクト化と設備自由度を高めることができる。

Description

本発明は、ろ過膜の逆洗方法および逆洗装置に関するものである。

例えば、図２に例示するような多孔質部１１に多数のろ過流路１２を平行に配置したろ過膜エレメント１を、図４に示すようにケーシング１３内に配設した膜ろ過装置のろ過運転は、原水ａを１次入口室１３ａに導入し、ろ過流路１２を通過して１次出口室１３ｂ及び上部ヘッダ管１７を経て返送原水ｂとして循環しながら原水ａを多孔質部１１の微細なろ過孔によってろ過し、ろ過水ヘッダ管１４から取り出すクロスフローろ過方式や、1次側を満水状態にしてからケーシング上部のバルブを閉じ、導入された原水をろ過水ヘッダ管１４を介して全量ろ過水として得るデッドエンドろ過方式によって、ろ過水ｃがケーシング１３側面とろ過エレメント１側面との間の２次室１３ｃを経て取り出すように、行なわれる。

かくして、ろ過運転が進行するに従い、ろ過流路１２の内表面には分離されたＳＳなどが堆積して閉塞物となり、ろ過効率が低下するようになる。この場合、適宜なタイミングでろ過運転を中止し、逆洗水ｆを２次室１３ｃから高圧で送給して前記多孔質部１１のろ過孔を逆流させ、ろ過流路１２の内表面に堆積した閉塞物を剥離させて、逆洗排水ｅとして取り出す、という逆洗操作が行なわれる。

この場合、逆洗水ｆとしてろ過水ｃ自体が利用されるのが普通であるが、逆洗が繰り返されると汚れた逆洗排水ｅの量が増大する一方、ろ過水ｃの量が相対的に減少するのでろ過装置の運転効率が低下するという問題があった。そして、このような問題に対処するため、逆洗水ｆとしてろ過水ｃを利用するのではなく、高圧空気を送給して逆洗する方法（特許文献１、２）も提案されている。

しかしろ過水を用いて逆洗を行う場合にも、高圧空気を用いて逆洗を行う場合にも、ろ過膜エレメント１の内部に存在する大量の水が一挙に一次側に押し出されることとなり、逆洗効果を高めるためには逆洗排水を速やかに系外に放出しなければならない。このため逆洗排水を流す配管の径を十分大きく設計しておくことが必要であり、膜ろ過設備のコンパクト化を妨げ、設備配置自由度を低くしていた。複数のエレメントを操作単位とする実設備では例えば図５に示すように逆洗排水を流す配管を下部ヘッダ管１５としてろ過膜エレメント１を収めたケーシングの下部と直結させていた。そのため複数のエレメントから流れる逆洗排水を速やかに流すために下部ヘッダ管１５及び逆洗排水バルブ１６を大径とする必要があった。
特開２００２−１２６４６８号公報：請求項１、段落（００１０） 特開２００２−３５７４８号公報：請求項２、段落（０００７）

本発明は前記した従来の問題点を解決し、逆洗効果を低下させることなく逆洗排水管の径を小さく設計することができ、それによって設備のコンパクト化と設備自由度を高めることができるろ過膜の逆洗方法および逆洗装置を提供することを目的してなされたものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明のろ過膜の逆洗方法は、閉塞物により目詰まりを生じたろ過膜の２次側に圧力を制御した空気を供給して、膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々にドレンした後、空気圧を高めてろ過膜内部の水を空気とともに１次側に押し出し、閉塞物を剥離することを特徴とするものである。

なお膜ろ過装置は、無数のろ過孔を有する基体層と、この基体層より微細なろ過孔を有する分離層とを備えたセラミックろ過膜をケーシング内に収納したものであることが好ましく、膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々にドレンした後、セラミックろ過膜の基体層の表面から分離層との境界面までの滞留水を１次側に押し出すステップを含ませることができる。また、逆洗操作の前に洗浄薬品を含む洗浄水でろ過エレメント内の滞留水を置換することもできる。

また上記の課題を解決するためになされた本発明の逆洗装置は、無数のろ過孔を有するセラミックろ過膜から形成されたろ過エレメントをケーシング内に収納した膜ろ過装置のための逆洗装置であって、逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管の下側にろ過水ヘッダ管を配置するとともに、逆洗空気供給管の先端に圧力制御可能な逆洗空気供給源を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、閉塞物により目詰まりを生じたろ過膜の２次側から圧力を制御しつつ空気を供給して、ろ過膜内に滞留している滞留水と空気を置換し、膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々にドレンするため、逆洗排水を流す配管の径を大きくしなくても排水することができる。またその後に空気圧を高めてろ過膜内部の水を空気とともに１次側に押し出し閉塞物を剥離するが、その際の逆洗排水量は比較的僅かであるから、逆洗排水を流す配管の径を大きくしなくても排水可能である。このため、逆洗効果を低下させることなく下部ヘッダ管などの径を小さく設計することができ、それによって設備のコンパクト化と設備自由度を高めることができる。

また本発明の逆洗装置は、逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管の下側にろ過水ヘッダ管を配置したものである。このため上記した本発明の逆洗が行えることはもちろん、逆洗空気の供給時にろ過水ヘッダ管内のろ過水は逆流しないから逆洗排水量が少なくなり、ろ過水量に対する逆洗時の排水量の比であらわされる回収率が向上するという利点がある。

図１は膜ろ過装置の模式図である。 図２はろ過膜エレメントを示す斜視図である。 図３は、本発明の逆洗方法を説明するろ過膜の模式的な断面図である。 図４は従来のろ過装置の模式図である。 図５は多数のエレメントを備えた従来の実設備の模式図である。

符号の説明

１ ろ過膜エレメント
１１ 多孔質部
１１ａ 分離層
１１ｂ 基体層
１１ｘ セラミック細粒子
１１ｙ セラミック粗粒子
１２ ろ過流路
１３ ケーシング
１３ａ １次入口室
１３ｂ １次出口室
１３ｃ ２次室
１４ ろ過水ヘッダ管
１５ 下部ヘッダ管
１６ 逆洗排水バルブ
１７ 上部ヘッダ管
２ ケーシング
２ａ １次入口室
２ｂ １次出口室
２ｃ ２次室
２ｄ パッキン
２１ ろ過水ヘッダ管
２２ 逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管
２３ 逆洗空気供給源
２４ 上部ヘッダ管
２５ 下部ヘッダ管
ａ 原水
ｂ 返送原水
ｃ ろ過水
ｅ 逆洗排水
ｆ 逆洗水
ｇ 空気
x バルブ

次に、本発明の実施形態を図１から図３を参照しながら説明する。本発明が適用され得る膜ろ過装置は、先に説明したものと基本的に同じである。すなわち、図２に示されるように多孔質部１１に多数のろ過流路１２を平行に配置したろ過膜エレメント１を、ケーシング２内に配設したものである。ろ過膜エレメント１の上下外周はパッキン２ｄによりシールされ、ろ過膜エレメント１自体の上下両端面もシールされて、原水とろ過水が混じらない構造となっている。原水ａは１次入口室２ａに導入され、ろ過流路１２、１次出口室２ｂ、上部ヘッダ管２４を経由して返送原水ｂとして循環するクロスフロー方式や、１次出口室２ｂ途中に配置したバルブｘを閉じた全量ろ過方式によりろ過される。原水ａはろ過流路１２の内面に形成された微細なろ過孔を有する分離層でろ過され、ろ過水ｃがケーシング２の側面とろ過エレメント１側面との間の２次室２ｃを経て、ろ過水配管２２からろ過水ヘッダ管２１に取り出される。

そして、本発明の特徴とするところは、このような膜ろ過装置におけるろ過運転が進行して、ろ過膜が閉塞物により目詰まりを生じたときに、１）ろ過膜の２次側から圧力を制御しつつ空気を供給する、２）加圧空気によって膜ろ過装置内の滞留ろ過水を一次側にドレンする、３）空気圧を高めてろ過膜内部の水を空気とともに１次側に押し出し、閉塞物を剥離する、という逆洗操作を行なう点にある。なお、逆洗操作の前に洗浄薬品を含む洗浄水でろ過エレメント内の滞留水を置換しておくことも可能である。

この点をより詳細に説明すると、先ず、前記ろ過エレメント１としては、そのろ過膜の構造が、図３（Ａ）に模式的に示すように、無数のセラミック粗粒子１１ｙからなり、無数のろ過孔を有する基体層１１ｂと、その１次側（ろ過流路１２側）のセラミック細粒子１１ｘからなり、基体層１１ｂより微細なろ過孔を有する分離層１１ａとからなるものを対象としている。

（ステップ１）
本発明では、このようなろ過エレメント１をケーシング２内に配設した膜ろ過装置を逆洗するに際して、ステップ１として、図３（Ａ）のように、分離層１１ａ、基体層１１ｂ、２次室２ｃにろ過水が充満している状態において、ろ過エレメント１とケーシング２との間の２次室２ｃに排水・給気配管と逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管２２を通じて圧力を制御した空気ｇを供給する。

ステップ１では、基体層１１ｂの発泡圧より低い圧力ｐ１の空気ｇを２次側室２ｃに送る。この結果、図３（Ｂ）に示すように、その２次室２ｃ内は空気で置換され、ろ過水は一次側（原水側）に押し出されドレンされる。この圧力ｐ１を制御することにより、膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々に排出することができる。

（ステップ２）
本発明は、さらに次のステップ２を含むことができる。すなわちステップ２では、圧力ｐ１の空気による２次室内ろ過水の押し出しに続いて、より高い圧力ｐ２に制御した空気ｇを供給して、図３（Ｃ）に示すように、その基体層１１ｂ内（基体層１１ｂの表面から基体層１１ｂと分離層１１ａとの境界面まで）の滞留水を空気で置換して、１次側に徐々に排出する。

この場合の圧力ｐ２は、ステップ１で用いた圧力ｐ１より高い圧力を用いる。すなわちｐ２は基体層１１ｂの発泡圧より高く、分離層１１ａの発泡圧より低い圧力に設定する。なお、ステップ１の段階でステップ２の圧力ｐ２の空気を供給することによって、２次室２ｃと基体層１１ｂの置換操作を実質的に同時に行うことも可能であるから、ステップ２はステップ１の後に行う他、実質的に同時に行うこともできる。この圧力ｐ２では空気は分離層を通過できない。

（ステップ３）
以上説明した２段階の加圧空気による２次室２ｃと基体層１１ｂの置換操作の後、ステップ３として図３（Ｄ）に示すように、分離層１１ａの発泡圧以上の圧力ｐ３の空気ｇを供給すれば、加圧空気は分離層１１ａ内の滞留水をろ過流路１２内に押し出すとともに、噴出空気として堆積物を剥離させ、ろ過膜の目詰まりを解消する。このステップ３でろ過流路１２内に押し出されるろ過膜内の滞留水は、ケーシング容積の約２.５％（後述を参照）に過ぎないので、逆洗排水を流す下部ヘッダ管２５などを大径としなくても高流速での排水が可能であり十分な洗浄効果が得られる。

また膜閉塞物の種類によっては、水が逆流する力により閉塞物を押し出すことが必要であるが、その場合には、ステップ１からステップ３に直接移行することによって、ケーシング２の容積の約２４％（基体層１１ｂ内と分離層１１ａに滞留した水量、後述を参照）の水を分離層１１ａから高速で押出し、効果的な膜の洗浄が可能となる。

次に本発明の逆洗装置について説明する。
図４に示したように、従来はろ過水ヘッダ管１４を逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管１５の上側に配置していた。これは逆洗に水の圧力を用いているため流路に空気が残留していると、逆洗圧力が残留空気の圧縮によって失われ逆洗効率の大幅な低下をもたらすこととなるため、ろ過水ヘッダ管１４をろ過水配管１５の上に設置することによりろ過水配管１５中の空気を完全に抜く必要があるためである。

これに対して本発明の逆洗装置では、図１に示すようにろ過水ヘッダ管２１を逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管２２の下側に配置している。従来の構造では、逆洗時にろ過水ヘッダ管１４内の滞留ろ過水が逆流するのに対して、本発明では、逆洗に先立ってろ過水配管内を空気で置換する工程を含むため残留空気の存在は逆洗効果に影響がない。そのためろ過水ヘッダ管２１を下向きに設置することが可能となり、逆洗空気供給源２３から空気ｇを供給しても、ろ過水ヘッダ管２１内のろ過水は逆流しないから、逆洗排水量が少なくなる。

以下に本発明の実施例を示す。
直径１８０ｍｍ、長さ１０００ｍｍで、その内部に内径2.5mmのろ過流路（セル）を２０００個備えたろ過膜エレメント１を、直径２００ｍｍのケーシング２に収納した場合、ケーシング内容積（入口室、出口室は含まない）を１００％とすると、２次室２ｃの容積：２１％、ろ過エレメント１の容積：４８％、ろ過流路分：３１％となる。またろ過膜エレメント１は基体層分：分離層分＝９：１とし、基体層と分離層の気孔率を５０％とすると、基体層と分離層に滞留するろ過水量は、それぞれ２１％、２．５％となる。

従来の逆洗方法では、ケーシング内の２次室分２１％、基体層分２１％、分離層分２．５％の合計４４．５％が少なくとも逆洗排水として排出されており、上記した膜を逆洗する場合、最大で流束2m/secで40Lの水を流していた。これに対して本発明では、段落００２１に記載の方法では、およそ１Lを流すだけでよくなる。また段落００２２に記載のステップ１からステップ３に直接移行する方法でも、およそ6Lを流すだけでよい。この場合の配管径は同じ流束で流すために従来の40Lの時に80mm必要であったのに対して、1Lのときは25mm、６Lのときも50ｍｍで十分となる。どちらで設計するかは、水質や運転条件に依存するが、いずれの場合においても従来と比較し大幅なコンパクト化が可能となる。

なお、ここで用いた膜はおよそ10μｍの孔径をもつ基体層と、孔径1μmからなる分離層をもっていたが、ｐ１は10kPa、p2は50kPa、p3は300kPaに設定したところ、前記した３ステップの逆洗を支障なく実施することができた。

Claims (5)

1. 閉塞物により目詰まりを生じたろ過膜の２次側に圧力を制御した空気を供給して、膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々にドレンした後、空気圧を高めてろ過膜内部の水を空気とともに１次側に押し出し、閉塞物を剥離することを特徴とするろ過膜の逆洗方法。
2. 膜ろ過装置が、無数のろ過孔を有する基体層と、この基体層より微細なろ過孔を有する分離層とを備えたセラミックろ過膜をケーシング内に収納したものであることを特徴とする請求項１記載のろ過膜の逆洗方法。
3. 膜ろ過装置内の滞留ろ過水を１次側に徐々にドレンした後、セラミックろ過膜の基体層の表面から分離層との境界面までの滞留水を１次側に押し出すステップを含むことを特徴とする請求項２記載のろ過膜の逆洗方法。
4. 逆洗操作の前に洗浄薬品を含む洗浄水でろ過エレメント内の滞留水を置換することを特徴とする請求項１記載のろ過膜の逆洗方法。
5. 無数のろ過孔を有するセラミックろ過膜から形成されたろ過エレメントをケーシング内に収納した膜ろ過装置のための逆洗装置であって、逆洗空気供給管を兼ねるろ過水配管の下側にろ過水ヘッダ管を配置するとともに、逆洗空気供給管の先端に圧力制御可能な逆洗空気供給源を設けたことを特徴とする逆洗装置。

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