TWI581858B - 逆滲透膜裝置之操縱方法以及逆滲透膜裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於處理MBR處理水等之含有高分子有機物的水之逆滲透膜裝置及其操縱方法，該高分子有機物會吸附於膜使得膜污染進行。本發明亦關於使用該逆滲透膜裝置之生物處理水的處理方法。
以往在海水淡水化、超純水製造、工業用水處理、排水回收處理等時，逆滲透膜係用以除去原水中的離子類或有機物等所使用(例如非專利文獻1)。逆滲透膜會因為膜表面的微生物之繁殖或有機物之吸附使得透過流束降低，或因濁質造成阻塞使得模組壓差上昇。因而，必須定期洗淨逆滲透膜，使透過流束、元件的原水側和濃縮水側的壓差(以下稱為元件壓差)恢復。
作為逆滲透膜元件已知有螺旋型膜元件。藉由在透過水間隔件的兩面重疊逆滲透膜並接合3邊而形成袋狀膜，將該袋狀膜的開口部安裝於透過水集水管，與網狀的原水間隔件一起，以螺旋狀捲繞在透過水集水管的外周面而構成之螺旋型膜元件是已知的。該螺旋型膜元件係
從元件的一方之端面側供應原水，沿著原水間隔件流過，從另一方之端面側成為濃縮水被排出。原水係於沿著原水間隔件流過的過程中，透過逆滲透膜成為透過水。該透過水係沿著透過水間隔件而流入透過水集水管的內部，從透過水集水管的端部被排出。
如此地，螺旋型膜元件係藉由捲繞於透過水集水管的袋狀膜間所配設之原水間隔件而形成原水路徑。
藉由將螺旋型膜元件的原水間隔件的厚度加厚，使濁質不易阻塞原水流路，而能避免濁質蓄積造成的元件壓差之上昇、透過水量、透過水質之降低。為了改善濁質造成的阻塞性，市面上有將原水間隔件的厚度加大之螺旋型逆滲透膜元件。
若原水間隔件變厚，則每一元件的膜面積變小，每一元件的透過水量減少。市售的螺旋型逆滲透膜元件的膜面積為42m2(440ft2)以下。
即使將原水間隔件的厚度加大，仍無法期待對於膜污染物質的吸附所造成的透過流束降低之改善效果。
為了將每一元件的膜面積加大，亦有提案將原水間隔件的厚度減薄(例如專利文獻1)。一般而言，認為若原水間隔件的厚度變薄則濁質造成的流路阻塞將成為問題。關於原水間隔件的厚度薄者，有什麼樣的特性、宜進行什麼樣的操縱，尚未得知。
將下水等有機性污水在生物處理槽進行活性
污泥處理，藉由浸漬設置在生物處理槽內的浸漬型膜分離裝置使活性污泥混合液固液分離之膜分離活性污泥法(MBR：隔膜生物反應器)，能得到穩定的水質之處理水，且提高活性污泥濃度，進行高負荷處理。將該MBR處理水(浸漬型膜分離裝置的膜過濾水)直接供水到逆滲透膜裝置以進行逆滲透膜分離處理之有機性排水的處理方法亦已有提案(例如，非專利文獻2)。
MBR處理水含有大量成為膜污染物質之分子量10,000以上的高分子有機物。因而，在處理MBR處理水的逆滲透膜裝置，隨著時間經過之透過流束降低或膜間壓差之增加程度較大。
〔專利文獻1〕日本特許第4107724號公報
〔非專利文獻1〕「使用者用之實用膜分離技術」(1996年4月30日初版1刷發行，日刊工業新聞社)第6頁
〔非專利文獻2〕「水處理膜的製膜技術和材料評價」(2012年1月30日第1版第1刷發行，科學&科技股份有限公司)第11頁
本發明之課題在於提供，能將MBR處理水等含有大量膜污染物質之原水，防止透過水量降低且穩定地處理之逆滲透膜裝置及其操縱方法，及使用該逆滲透膜裝置的生物處理水之處理方法。
逆滲透膜，已知因為通水會使得膜表面產生被稱為濃度極化之現象，當濃度極化變大時，膜面的溶質濃度會變高。本發明人等為了解決上述課題，解析螺旋型逆滲透膜元件的流動條件的結果，得到如以下之見解。
1)若使膜的透過流束變小則濃度極化變小。
2)若膜表面的通水線速變大則濃度極化變小。
3)若溶質的分子量變大則濃度極化變大。
本發明人等深入瞭解到，膜污染之引起淤積的原因物質為分子量10,000以上的高分子有機物，特別像是多糖類、蛋白質之生物代謝物，該等高分子有機物因為濃度極化使得膜面濃度上昇時，透過流束及透過水量之降低變得顯著。
進一步反覆檢討的結果，得到以下見解。藉由使用每一元件的膜面積加大後的螺旋型逆滲透膜元件作為逆滲透膜元件，即使是相同的透過水量，亦能使透過流束比以往的螺旋型逆滲透膜元件小。藉由以一定值以下的
透過流束進行操縱，能使濃度極化變小，抑制透過流束及透過水量之降低。藉由使通水線速為一定值以上，能進一步抑制透過流束之降低。
本發明係基於這種見解而達成者，其要旨如以下。
〔1〕一種逆滲透膜裝置之操縱方法，其係在將含有高分子有機物的水作為原水進行處理的逆滲透膜裝置之操縱方法，其特徵在於，該原水係以0.01ppm以上的濃度含有分子量10,000以上的高分子有機物，該逆滲透膜裝置具有滿足下述式(1)的膜面積之螺旋型逆滲透膜元件，且以透過流束0.6m/d以下操縱該逆滲透膜裝置，膜面積(m2)≧n2×(11/16)…(1)
其中，n表示逆滲透膜元件的直徑(英吋)。
〔2〕如〔1〕之逆滲透膜裝置之操縱方法，其中，前述透過流束為0.45m/d以下。
〔3〕如〔1〕或〔2〕之逆滲透膜裝置之操縱方法，其中，以線速0.1m/s以上的濃縮水流量進行操縱。
〔4〕如〔1〕至〔3〕中任一項之逆滲透膜裝置之操縱方法，其中，前述逆滲透膜元件的直徑n為8英吋。
〔5〕如〔1〕至〔4〕中任一項之逆滲透膜裝置之操縱方法，其中，前述原水為MBR處理水。
〔6〕一種逆滲透膜裝置，係將以0.01ppm以上的濃度含有分子量10,000以上的高分子有機物之水作為原水進行處理；其特徵在於，具有滿足下述式(1)的膜面積之螺旋型逆滲透膜元件，且以透過流束0.6m/d以下進行操縱，膜面積(m2)≧n2×(11/16)…(1)
其中，n表示逆滲透膜元件的直徑(英吋)。
〔7〕一種生物處理水之處理方法，其特徵在於，將生物處理水藉由如〔6〕之逆滲透膜裝置進行逆滲透膜分離處理。
根據本發明，能將MBR處理水等含有大量膜污染物質的原水，防止透過水量降低而穩定地進行逆滲透膜分離處理。
亦即，根據本發明，藉由將每一元件的膜面積加大，即使是相同的透過水量，亦能使透過流束比以往的螺旋型逆滲透膜元件小。藉由以一定值以下的透過流束進行操縱，能使膜面的濃度極化變小而抑制透過水量降低。因此，能繼續長期穩定之處理。
1‧‧‧生物處理手段
2‧‧‧凝集處理手段
3‧‧‧固液分離手段
4‧‧‧過濾手段
5‧‧‧保安過濾器
6‧‧‧逆滲透膜裝置
7‧‧‧MBR(浸漬型膜分離裝置)
10‧‧‧逆滲透膜
11‧‧‧原水間隔件
12‧‧‧透過水間隔件
第1a、1b及1c圖係表示本發明的生物處理水之處理方法的實施形態之系統圖。
第2a圖係表示以NaCl水溶液或含有平均分子量10,000的高分子有機物之水作為原水的逆滲透膜分離處理中的透過流束和濃縮倍率之關係之示意表，第2b圖係平均線速和濃縮倍率之關係的圖表。
第3圖係實施例所使用的平膜單元的構造之示意剖視圖。
以下詳細說明本發明的實施形態。
本發明中，藉由逆滲透膜裝置進行逆滲透膜分離處理之原水，係以0.01ppm以上的濃度含有分子量10,000以上的高分子有機物之水。分子量10,000以上的高分子有機物，特別是多糖類、蛋白質這種生物代謝物的膜容易被污染而成為透過流束降低的原因。本發明中，含有0.01ppm以上、例如0.05~0.5ppm這種高分子有機物，藉由通水使逆滲透膜的透過流束大量降低之水為原水。
作為這種高分子有機物含有水，各種排水的回收水或生物處理水，特別是MBR處理水等適合使用。
分子量10,000以上的高分子有機物的水中濃度之測量方法未有特別限制，可使用藉由LC-OCD(液體層析有機碳測量)、HPLC(高速液體層析法)等層析法進行分子量截留以測量TOC等之機器進行測量。該濃度
亦可藉由事先使用截留分子量10,000的UF膜，分離分子量10,000以上的物質和未達10,000的物質，進行TOC分析而測量。
裝填在本發明的逆滲透膜裝置的螺旋型逆滲透膜元件，係將膜單元捲繞成為螺旋狀者，該膜單元於逆滲透膜的平膜的一次側(一方之面)配置有用以使原水通水的的原水間隔件，於二次側(另一方之面)配置有用以使透過水通水的透過水間隔件膜單元。
作為螺旋型逆滲透膜元件的直徑未有特別限制，提供4英吋、8英吋、16英吋者，但一般使用8英吋的螺旋型逆滲透膜元件。
元件之長度通常為1m左右，但不限定於此。
本發明使用的螺旋型逆滲透膜元件係以具有滿足下述式(1)的膜面積為特徵。
膜面積(m2)≧n2×(11/16)…(1)
其中，n表示逆滲透膜元件之直徑(英吋)。
螺旋型逆滲透膜元件的膜面積未滿足上述式(1)、膜面積(m2)比n2×(11/16)更小時，無法使同一透過水量的透過流束變小，而未能達成本發明的目的。
螺旋型逆滲透膜元件的膜面積(m2)特佳為n2×11/16以上，尤佳為n2×13/16。為了確保逆滲透膜、原水間隔件及透過水間隔件之必要量，膜面積為n2×
16/16以下。
作為逆滲透膜之材質未有特別限制，除去率
高之膜為佳，因此使用伸苯二胺與酸氯化物合成於基材上之芳香族聚醯胺膜為佳。逆滲透膜的厚度0.1~0.15mm為通常使用的範圍。
原水間隔件、透過水間隔件的形狀並無特別
限制，但由聚乙烯、聚丙烯等樹脂構成，且一般具有相同或相異的直徑之複數條線材係等間隔地並排，以45度至90度的角度互相地交叉重疊之篩網狀間隔件。
現在，作為一般採用的原水間隔件，有厚度
為0.69mm(26mil)、0.71mm(28mil)、0.86mm(34mil)者等。本發明中為了滿足前述式(1)，較佳為使用厚度0.6mm以下例如0.2~0.6mm左右者，作為原水間隔件。若原水間隔件的厚度過厚則每一元件的膜面積變小，無法滿足前述式(1)。若原水間隔件的厚度過薄，則有濁質造成流路阻塞之問題。
篩網狀原水間隔件的空孔率為60~95%、篩
網的大小為1.0~4.0mm較佳。只要是這種空孔率和篩網的大小之篩網狀原水間隔件，除了能充分確保通水性，還能賦予原水混合效果，有助於濃度極化之抑制。空孔率是從空間體積減去線材體積後除以空間體積之值的百分率。
篩網的大小為線材間的間隔。
透過水間隔件的厚度未有特別限制，但0.1~
0.25mm較適當。若透過水間隔件的厚度過厚則與原水間
隔件同樣地每一元件的膜面積變小，若過薄則壓差變大，透過水量變小。
本發明係以透過流束0.6m/d以下，操縱使用具有如上述之膜面積的螺旋型逆滲透膜元件的逆滲透膜裝置。
一般，在逆滲透膜裝置的標準操作壓之純水透過流束為0.7~0.85m/d，讓含有無機鹽類、有機物的原水通水時，通常設定為0.5~0.7m/d左右。
本發明人已經由實驗確認，分子量10,000以上的高分子有機物是使逆滲透膜污染的物質，其高分子有機物濃度的膜面濃度超過1ppm時，透過流束的降低變為顯著。本發明人發現在含有0.01ppm以上的分子量10,000以上的高分子有機物之原水，若膜面濃度的濃縮倍率超過100倍則透過流束顯著地降低。為了使濃縮倍率不超過100倍，透過流束必須為0.6m/d以下。因而，本發明係以透過流束0.6m/d以下、較佳為0.45m/d以下操縱逆滲透膜裝置。但是，若透過流束過度下降則必要的膜張數變多，不符經濟效益，因此透過流束為0.2m/d以上較佳。
濃縮水流量通常在8英吋螺旋型逆滲透膜元件的情形為2.0~8.0m3/h，此時的線速為0.05~0.15m/s。本發明中，濃縮水的通水線速也依據透過流束，但維持0.1m/s以上對於使膜面濃度上昇較佳。若該線速比
0.1m/s低則膜面的濃縮倍率超過100倍，由於透過流束顯著地降低而不佳。另一方面，若線速超過0.2m/s則壓力損失變得過大，膜破損的可能性提高，因此不佳。因而，更佳的線速為0.1~0.2m/s。
作為8英吋螺旋型逆滲透膜元件，若膜面積比n2×(11/16)=44m2更小者進行滿足上述條件之操縱，則透過水量及水回收率降低。因此，為了滿足上述透過流束和線速的條件，必須使用膜面積為44m2以上，亦即n2×(11/16)以上的螺旋型逆滲透膜元件。
本發明的逆滲透膜裝置特別適用於生物處理水的逆滲透膜分處理。
第1a圖、第1b圖及第1c圖係顯示使用本發明的逆滲透膜裝置之本發明的生物處理水之處理方法的實施形態之系統圖。
第1a圖中，生物處理水係由好氧及/或厭氧性生物處理手段1、凝集處理手段2、加壓浮上等固液分離手段3、過濾手段4、保安過濾器5及逆滲透膜裝置6處理。第1b圖中，將生物處理手段1的處理水直接以膜過濾裝置等過濾手段4固液分離後的水，導入逆滲透膜裝置6進行逆滲透膜分離處理。第1c圖中，將MBR(浸漬型膜分離裝置)7的處理水直接導入逆滲透膜裝置6進行處理。本發明方法不限定於該等方法。
以下係舉參考例、實施例及比較例進一步具體地說明本發明。
直徑8英吋的螺旋型逆滲透膜元件(n2×(11/16)=44)的原水間隔件的厚度和膜面積之關係，與流量一定時的透過流束和線速之關係，顯示於以下表1、2。
從表1、2能明瞭藉由使原水間隔件的厚度變薄，能使每一張元件1的膜面積變大，而能抑制淤積造成的通量降低。若原水間隔件的厚度變得過薄，則例如為0.2mm以下時，通水阻力變大，濁質等造成阻塞的風險變高。
逆滲透膜分離處理時，將NaCl水溶液或含有平均分子量10,000的高分子有機物之水作為原水時的透過流束或平均線速與濃縮倍率(膜面濃度/平均整體濃度)之關係的解析結果，得到第2a圖、第2b圖所示之關係。
由第2a圖、第2b圖，得知根據高分子的種類而多少有差異，但大致上與NaCl等分子量小的物質比較，高分子有機物的膜面濃度因為透過流束增大、平均線速降低，而顯著地增加。
想定膜面積44.0m2的8英吋螺旋型逆滲透膜元件，從日東電工製逆滲透膜「ES20」(厚度0.13mm)切出寬度50mm×長度800mm之平膜，與厚度0.65mm的聚丙烯製篩網狀原水間隔件(空孔率92%，篩網的大小2.6mm)及厚度10mm之陶瓷(多孔質陶瓷燒結體)製透過水間隔
件一起安裝於第3圖所示之試驗用平膜單元。
第3圖所示之平膜單元係於組合丙烯酸製的流路形成構件21、22、23、SUS製耐壓補強構件24、25而形成的空間內，保持讓原水間隔件11和透過水間隔件12透過逆滲透膜10而積層的膜單元之構成。
原水係從原水流入口13流入逆滲透膜10的一次側而沿著原水間隔件11流過，該期間透過逆滲透膜10的透過水係經由透過水間隔件12而從透過水流出口15被取出。又，濃縮水從濃縮水流出口14被取出。
作為原水係使用將生物處理水進行凝集過濾後之水，以透過流束0.6m/d、濃縮水流量以線速0.11m/s進行通水，調查500小時後的透過水量。
8英吋元件換算的初期透過水量為1.10m3/h，初期濃縮水量為5.66m3/h。
原水中的分子量10,000以上的高分子有機物的濃度為0.05ppm。將結果顯示於表3。
設想膜面積37.1m2的8英吋逆滲透膜元件，除了使用厚度0.86mm的聚丙烯製原水間隔件以外，進行與實施例1同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為0.93m3/h，初期濃縮水量為6.32m3/h。將結果顯示於表3。
除了透過流束為0.70m/d以外，進行與實施例1同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.28m3/h，初期濃縮水量為5.66m3/h。將結果顯示於表3。
除了透過流束為0.70m/d以外，進行與比較例1同樣的試驗，調查5 00小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.08m3/h，初期濃縮水量為6.32m3/h。將結果顯示於表3。
除了濃縮水流量以線速0.09m/s進行通水以外，進行與實施例1同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.10m3/h，初期濃縮水量為4.63m3/h。將結果顯示於表3。
除了濃縮水流量以線速0.09m/s進行通水以外，進行與比較例1同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為0.93m3/h，初期濃縮水量為5.17m3/h。將結果顯示於表3。
除了濃縮水流量以線速0.09m/s進行通水以外，進行與比較例2同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.28m3/h，初期濃縮水量為4.63m3/h。將結果顯示於表3。
除了透過流束為0.70m/d、濃縮水流量以線速0.09m/s進行通水以外，進行與比較例1同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過流量為1.08m3/h，初期濃縮水量為5.17m3/h。將結果顯示於表3所示。
設想膜面積50.7m2的8英吋螺旋型逆滲透膜元件，除了使用厚度0.50mm的聚丙烯製原水間隔件以外，進行與實施例2同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.27m3/h，初期濃縮水量為4.11m3/h。將結果顯示於表3。
設想膜面積56.4m2的8英吋逆滲透膜元件，除了使用厚度0.40mm的聚丙烯製原水間隔件以外，進行與實施例2同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元
件換算的初期透過水量為1.41m3/h，初期濃縮水量為3.65m3/h。將結果顯示於表3。
除了透過流束0.50m/d、濃縮水流量以線速0.11m/s進行通水以外，進行與實施例3同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.06m3/h，初期濃縮水量為5.02m3/h。將結果顯示於表3。
除了透過流束為0.45m/d、濃縮水流量以線速0.11m/s進行通水以外，進行與實施例4同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.06m3/h，初期濃縮水量為4.47m3/h。將結果顯示於表3。
設想膜面積63.6m2的8英吋螺旋型逆滲透膜元件，除了使用厚度0.30mm的聚丙烯製原水間隔件，透過流束為0.40m/d以外，進行與實施例1同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.06m3/h，初期濃縮水量為3.78m3/h。將結果顯示於表3。
除了將分子量10,000以上的高分子有機物的濃度為0.005ppm之水作為原水使用以外，進行與比較例3同樣的試驗，調查500小時後的透過水量。8英吋元件換算的初期透過水量為1.08m3/h，初期濃縮水量為6.32m3/h。將結果顯示於表3。
根據表3明瞭以下情形。
在實施例1~7中，即使經過500小時仍能得到穩定的高透過水量。特別是實施例6、7在經過500小時後，未發生透過水量降低。比較例1、4並未發生很大的透過水量降低，但因為初期的透過水量低，500小時後能得到的透過水量仍然低。比較例2、5係初期的透過水量大，但因為透過水量的降低大，500小時後能得到的透過水量低。比較例3、6也是透過水量的降低大，500小時後能得到的透過水量低。如比較例7，原水的分子量10,000以上的高分子有機物濃度低時，透過水量的降低緩慢。
本發明可適用於海水淡水化、超純水製造、工業用水處理、排水回收處理等所使用的各種逆滲透膜裝置，特別是適用於處理生物處理水、尤其是適用於處理MBR處理水的逆滲透膜裝置。
使用特定的態樣詳細說明本發明，但所屬技術領域具有通常知識者應明瞭只要不脫離本發明之意圖及範圍即能做各種變更本。
本申請案係根據2013年2月20日提出申請之日本特許申請案2013-031033，以引用的方式援用其全體。
Claims (5)
- 一種逆滲透膜裝置之操縱方法，其係在將含有高分子有機物的水作為原水進行處理的逆滲透膜裝置之操縱方法，其特徵在於，該原水係以0.01ppm以上的濃度含有分子量10,000以上的高分子有機物，該逆滲透膜裝置具有具備滿足下述式(1)的膜面積之螺旋型逆滲透膜元件，該逆滲透膜元件的直徑n為8英吋，且以透過流束0.45m/d以下操縱該逆滲透膜裝置，膜面積(m2)≧n2×(11/16)…(1)其中，n表示逆滲透膜元件的直徑(英吋)。
- 如申請專利範圍第1項之逆滲透膜裝置之操縱方法，其中，以線速0.1m/s以上的濃縮水流量進行操縱。
- 如申請專利範圍第1或2項之逆滲透膜裝置之操縱方法，其中前述原水為MBR處理水。
- 一種逆滲透膜裝置，係將以0.01ppm以上的濃度含有分子量10,000以上的高分子有機物之水作為原水進行處理；其特徵在於，具有具備滿足下述式(1)的膜面積之螺旋型逆滲透膜元件，該逆滲透膜元件的直徑n為8英吋，且以透過流束0.45m/d以下進行操縱，膜面積(m2)≧n2×(11/16)…(1)其中，n表示逆滲透膜元件的直徑(英吋)。
- 一種生物處理水之處理方法，其特徵在於，將生物處理水藉由如申請專利範圍第4項之逆滲透膜裝置進行逆滲透膜分離處理。
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