JPWO2012057176A1 - 水処理方法および造水方法 - Google Patents

Abstract

溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以上の被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜及び／又はナノろ過膜によって処理する水処理方法であって、該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がるように、脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことで、海水、河川水、下水二次処理水などの原水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜やナノろ過膜によって膜処理して飲料水や工業用水等、高品質の水を製造する場合において、逆浸透膜やナノろ過膜のバイオファウリングを、薬品添加することなく、抑制する方法を提供する。

Description

本発明は海水、河川水、下水二次処理水などの原水を膜処理して飲料水や工業用水等、高品質の水を製造する水処理方法に関する。

海水などの原水から高品質の水を製造する方法の１つとして、逆浸透膜やナノろ過膜を用いた水処理方法がある。原水には濁質などの固形成分が含まれているため、原水を直接膜ろ過した場合、膜表面に付着する固形成分が多くなり、差圧が急上昇する。そのため、あらかじめ原水を前処理することが必要であり、最も良く用いられる方法は原水に凝集剤を添加し、固形成分をフロック化させ、砂やアンスラサイト等でろ過する凝集砂ろ過法である。但し、この方法では原水変動の影響を受けやすく処理水質が不安定であるため、精密ろ過膜や限外ろ過膜で被処理水を処理する膜前処理も近年、採用されている。

これらの前処理ではろ過の継続により砂や膜間に詰まった固形成分を定期的に洗浄・除去してやる必要があり、ろ過水を用いた逆圧洗浄と併せて、空気を吹き込んで洗い出しを行う空気洗浄が一般的に用いられる。

一方、上記方法で固形成分を除去しても、逆浸透膜やナノろ過膜の膜面での微生物増殖あるいは膜面への生物膜の付着、すなわちバイオファウリングにより、膜差圧が急上昇し、膜の透過性、分離性が低下することがある。バイオファウリングを防止する手段として、殺菌剤を添加する方法（特許文献１）、原水を生物処理して微生物の栄養源となる有機物を減少させる方法（特許文献２）、水温を上げて微生物の増殖を抑える方法（特許文献３）など、様々な方法が提案されているが、効果が必ずしも上がらないことも多い。

また、被処理水中の酸化還元電位を調整することにより微生物の増殖を抑制し、バイオファウリングを防止しようとする方法も提案されている。例えば特許文献４では、硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム等の還元剤を間欠的に添加することにより、微生物の増殖を抑制し、膜差圧の上昇を低減することができた旨、記載されている。

国際公開ＷＯ０２／０８０６７１号パンフレット 特開２００３−１１２１８１号公報 特開２０１０−０５８０６４号公報 特開２００７−２６０６３８号公報

しかしながら特許文献４に記載された方法においては、還元剤を添加するため薬剤添加量が多くなり、経済的でないことに加えて、薬品の環境面への影響も懸念される。

そこで本発明は、被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜やナノろ過膜によって処理する水処理方法において、新たに薬品を添加することなく、逆浸透膜やナノろ過膜のバイオファウリングを抑制することを目的としたものである。

かかる課題を解決するための本発明は、次のとおり特定されるものである。

（１）溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以上の被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜及び／又はナノろ過膜によって処理する水処理方法であって、該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がるように、脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする水処理方法。

（２）該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下である時間が固液分離ユニットの運転時間全体の半分以上となるように脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする（１）に記載の水処理方法。

（３）溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以上の被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜及び／又はナノろ過膜によって処理して透過水を得る造水方法であって、該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がるように、脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする造水方法。

（４）該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下である時間が固液分離ユニットの運転時間全体の半分以上となるように脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする（３）に記載の造水方法。

本発明によれば、脱酸素ガスで固液分離ユニットの洗浄を行うことにより、固液分離ユニットに詰まった固形成分を洗浄除去できるだけでなく、新たに薬品を添加することなく、被処理水の溶存酸素濃度を低減し、微生物の増殖速度を低下させることにより、逆浸透膜やナノろ過膜のバイオファウリングを抑制することが可能となる。

本発明の水処理方法を実施する装置の一例を示す概略フロー図である。 脱酸素ガスによる洗浄を実施した場合（実施例１）と、空気による洗浄を実施した場合（比較例１）と、脱酸素ガスの洗浄風量を実施例１よりも少なくした場合（比較例２）と、脱酸素ガスによる洗浄と空気による洗浄を併用した場合（比較例３）における、ろ過水中の溶存酸素濃度の推移を示したものである。

本発明の水処理方法は、溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以上の被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜及び／又はナノろ過膜によって処理する水処理方法において実施される。

被処理水の例としては、例えば海水、河川水、湖沼水、地下水、下水二次処理水等が挙げられ、本発明を実施することによる効果が顕著に現れるため、被処理水の溶存酸素濃度は１ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましい。

また固液分離ユニットは被処理水中に含まれる濁質などの固形成分を分離除去するものであるが、本発明においては、該固液分離ユニットに詰まった固形成分を洗浄するために脱酸素ガスを供給する仕組みを備えているものである。これにより本発明を実施することによる効果が得られる。具体的な固液分離ユニットの例としては、精密ろ過膜、限外ろ過膜を用いた膜ろ過装置や、砂、アンスラサイトなどの濾材を敷き詰めたろ過装置が挙げられる。脱酸素ガスを供給する仕組みについては、特に方法を問わないが、例えば圧縮された脱酸素ガスをレギュレーターにより、圧力調整した上で、該固液分離ユニットに供給する方法などがある。

また本発明において使用できる逆浸透膜、ナノろ過膜は、被処理水を飲料水、工業用水、都市用水などに利用できるように、塩濃度を下げることができるものであれば、いかなる素材のものを用いても良いが、例えば、酢酸セルロース系、ポリアミド系の素材により構成されるものが挙げられる。この中でも、本発明の方法において特に有効であるのは、ポリアミド系の素材により構成されるものである。ポリアミド系の膜は、殺菌剤として最も一般的に用いられる塩素に対する耐性が低く、わずかな濃度の塩素であっても膜劣化が顕著に起こるため、バイオファウリングを防止することが難しい。よって本発明を実施することによる効果が顕著に現れる。

本発明ではかかる水処理方法において、前記固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がるように、脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行い、固液分離ユニットに詰まった固形成分を洗浄除去することを特徴とする。

微生物の増殖速度は溶存酸素濃度に依存し、一般的に以下の式に従うことが知られている。

μ＝μ_ｍａｘ×Ｓ_Ｏ２／（Ｋ_Ｏ２＋Ｓ_Ｏ２）
ここで、μ：微生物の比増殖速度［１／ｄ］、μ_ｍａｘ：最大比増殖速度［１／ｄ］、Ｓ_Ｏ２：溶存酸素濃度［ｍｇ／Ｌ］、Ｋ_Ｏ２：溶存酸素の半飽和定数［ｍｇ／Ｌ］である。

Ｋ_Ｏ２の値は微生物の種類にもよるが、一般的に０．５［ｍｇ／Ｌ］程度である。よって溶存酸素濃度を０．５ｍｇ／Ｌ以下にまで下げることで、微生物の増殖速度を１／２以下にまで下げることができる。これに基づき、本発明では前記固液分離ユニットで固液分離したろ過水中の溶存酸素濃度を０．５ｍｇ／Ｌ以下にまで下げることが好ましい。ここにおいて、例えば隔膜式電極を備えた溶存酸素計をろ過水槽に設置し、溶存酸素濃度をモニタリングすることにより、０．５ｍｇ／Ｌ以下であることを確認することが好ましい。また脱酸素ガスは、それを固液分離ユニットに吹き込むことにより溶存酸素を追い出せるものであれば良く、例えば窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等が挙げられる。ガス洗浄は常時行っても構わないが、コスト面を考慮すると、間欠的に行うことが好ましい。なお、ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下となる時間が固液分離ユニットの運転時間全体の半分以上となることが好ましい。ここで、「固液分離ユニットの運転時間全体」とは、固液分離ユニットでのろ過や洗浄、給水、排水の各工程に要する時間全体のことを指すものとする。

以下、本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
海水（溶存酸素濃度７ｍｇ／Ｌ）を被処理水として、被処理水１を図１に示すような処理方法で処理を行った。まず被処理水１を分離膜３（ポリフッ化ビニリデン製中空糸限外ろ過膜（東レ製ＬＳＵ−１５１５）、膜面積：５０ｍ^２）が浸漬されている浸漬槽２（有効容量：３５０Ｌ）に入れ、分離膜３により、被処理水のろ過を行った。ろ過は吸引ポンプ４により行い、ろ過流束は１ｍ／ｄとした。次にろ過水５を送水ポンプ６で孔径５μｍのカートリッジフィルター７（ロキテクノ製ＳＬＳ−０５０）に通した後、高圧ポンプ８で逆浸透膜装置９に水を供給して、ろ過することにより、透過水１０と濃縮水１１を得た。なお、逆浸透膜としては膜材質がポリアミド、脱塩率が９９．７５％、膜面積が７．８ｍ^２のスパイラル型の逆浸透膜装置（東レ製ＴＭ８１０Ｃ）を用い、７本直列で運転を行った。運転は膜ろ過流束１４Ｌ／ｍ^２／ｈｒ、回収率３７％に設定した。なお、この回収率とは、透過水１０の流量／（透過水１０の流量＋濃縮水１１の流量）×１００で算出される。

分離膜３の運転は１サイクル３５分で、表１に示される手順で行った。

まず、被処理水１を浸漬槽２に２分間給水し、満水状態にした後、窒素ガス１２を用いた洗浄（風量：１００Ｌ／ｍｉｎ）を行い、被処理水の溶存酸素を追い出した。次にろ過を９分間行った。なお、浸漬槽には水位センサーを設け、ろ過中に低水位に達した場合には、自動的に満水状態になるまで給水されるようにした。次に、ろ過により詰まった濁質などの固形成分を洗浄するため、逆圧洗浄と窒素洗浄を同時に行った。逆圧洗浄はろ過水５を逆洗ポンプ１３により、ろ過側から５２Ｌ／ｍｉｎで流すことにより行った。また窒素洗浄は風量：１００Ｌ／ｍｉｎで行った。この工程が終了するときに、満水状態になっているように、適宜給水も行った。このろ過９分、洗浄１分の工程を３回繰り返し、最後に浸漬槽内にたまった固形成分を系外に排出するために、排水を行った。この１サイクル３５分の工程を繰り返し、運転を行った。

運転中における、ろ過水５中の溶存酸素濃度の推移を図２に示す。ろ過工程の途中で給水が行われるため、常時０．５ｍｇ／Ｌ以下とはならないが、固液分離ユニットの運転時間全体の半分以上の時間、０．５ｍｇ／Ｌ以下が保たれていた。また、逆浸透膜装置９の運転では、逆浸透膜原水と濃縮水との圧力差（以下、運転差圧）を常時モニタリングしたが、２ヶ月間の運転で、運転差圧は約３０ｋＰａから約３３ｋＰａとわずかに増加するだけであった。

（比較例１）
窒素ガスによる洗浄を行う代わりに、空気による洗浄を行う以外は実施例１と同じ方法で運転を行った。運転中における、ろ過水５中の溶存酸素濃度の推移を図２に示す。溶存酸素濃度は７〜８ｍｇ／Ｌの間で推移した。その結果、逆浸透膜の運転差圧は２ヶ月間の運転で約３０ｋＰａから約１００ｋＰａまで上昇し、薬液洗浄を行わざるを得なかった。

（比較例２）
実施例１の条件において、窒素洗浄時の風量を３０Ｌ／ｍｉｎで行い、それ以外は実施例１と同じ方法で運転を行った。運転中における、ろ過水５中の溶存酸素濃度の推移を図２に示す。溶存酸素濃度は窒素洗浄後でも０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がらず約１ｍｇ／Ｌで推移した。その結果、逆浸透膜の運転差圧は２ヶ月間の運転で約３０ｋＰａから約１００ｋＰａまで上昇し、薬液洗浄を行わざるを得なかった。

（比較例３）
実施例１の条件において、１サイクル３５分において行う４回の洗浄のうち、最初の洗浄のみ窒素で洗浄を行い、残りの３回の洗浄は空気で洗浄を行うという運転を行った。具体的な運転手順を表２に示す。

他の条件は実施例１と同じ条件で運転を行った。運転中における、ろ過水５中の溶存酸素濃度の推移を図２に示す。１サイクル３５分（ろ過時間２７分）の内、溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下であったのは初期の６分だけであった。その結果、逆浸透膜の運転差圧は２ヶ月間の運転で約３０ｋＰａから約１００ｋＰａまで上昇し、薬液洗浄を行わざるを得なかった。

本発明は、海水、河川水、下水二次処理水などの原水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜やナノろ過膜によって膜処理して飲料水や工業用水等、高品質の水を製造する方法として、好適に使用することができる。

１ 被処理水
２ 浸漬槽
３ 分離膜
４ 吸引ポンプ
５ ろ過水
６ 送水ポンプ
７ カートリッジフィルター
８ 高圧ポンプ
９ 逆浸透膜装置
１０ 透過水
１１ 濃縮水
１２ 窒素ガス
１３ 逆洗ポンプ

Claims (4)

1. 溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以上の被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜及び／又はナノろ過膜によって処理する水処理方法であって、該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がるように、脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする水処理方法。
2. 該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下である時間が固液分離ユニットの運転時間全体の半分以上となるように脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
3. 溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以上の被処理水を固液分離ユニットで固液分離して得られるろ過水を逆浸透膜及び／又はナノろ過膜によって処理して透過水を得る造水方法であって、該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下まで下がるように、脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする造水方法。
4. 該ろ過水中の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下である時間が固液分離ユニットの運転時間全体の半分以上となるように脱酸素ガスで固液分離ユニットを洗浄するガス洗浄を行うことを特徴とする請求項３に記載の造水方法。

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