WO2015002015A1 - 膜分離装置の運転方法及び膜分離システム - Google Patents

膜分離装置の運転方法及び膜分離システム Download PDF

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育野　望
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/12—Controlling or regulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • B01D63/12—Spiral-wound membrane modules comprising multiple spiral-wound assemblies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis

Definitions

  • the present invention relates to an operation method and a membrane separation system of a membrane separation device such as a reverse osmosis membrane separation device and a microfiltration device, and more particularly to an operation method and a membrane separation system of a spiral membrane separation device.
  • RO membrane reverse osmosis membrane
  • NF membrane nanofiltration membrane
  • Spiral membrane elements form a bag-like membrane by overlaying reverse osmosis membranes on both sides of the permeate spacer and bonding three sides, and attach the opening side of the bag-like membrane to the permeate water collecting pipe
  • the outer periphery of the permeate water collecting pipe is wound around in a spiral shape.
  • the raw water is supplied from one end face side of the spiral membrane element, flows along the raw water spacer, and is discharged as concentrated water from the other end face side of the spiral membrane element. In the process of flowing along the raw water spacer, the raw water permeates through the reverse osmosis membrane to become permeated water.
  • This permeated water flows along the permeated water spacer into the permeated water collecting pipe located in the center, It is discharged from the end of the water pipe.
  • a raw water path is formed by raw water spacers arranged between the wound bag-like membranes (Patent Documents 1 to 3).
  • the diameter (outer diameter) of the membrane element of the spiral membrane separator has been mainly 8 inches (about 20.32 cm), but in recent years, a large size of 16 inches (about 40.64 cm) has been used. (Paragraph 0007, paragraph 0007).
  • the amount of minimum brine in a reverse osmosis membrane separation device (hereinafter, also referred to as an 8-inch RO device) having a spiral membrane element having an outer diameter of 8 inches is generally 3.6 m 3 / h.
  • a reverse osmosis membrane separation device (hereinafter, sometimes referred to as a 16-inch RO device) having a spiral membrane element having an outer diameter of 16 inches has a membrane area four times that of an 8-inch RO device. 14.4 m 3 / h.
  • the desalination rate might be lower than that in the 8-inch RO device under the same membrane type and the same operating conditions. This is because the element diameter of the 16-inch RO device is about twice as large as that of the 8-inch RO device. Therefore, when operating with the minimum brine water amount 4 times the minimum brine water amount of the 8-inch RO device, This is considered to be because the flow velocity distribution becomes large, and a region with a small flow velocity is partially generated, concentration polarization occurs in this region, and the desalination rate decreases.
  • An object of the present invention is to provide an operation method and an operation system of a membrane separation device capable of obtaining permeated water having a good water quality from a large membrane separation device having a large-diameter membrane element having a diameter of 20 cm or more. .
  • the present invention relates to a method for operating a membrane separation apparatus in which n (n is 1 or more) membrane elements having a diameter of 20 cm or more are installed in a cylindrical vessel.
  • n is 1 or more membrane elements having a diameter of 20 cm or more are installed in a cylindrical vessel.
  • the permeated water amount of the membrane separation device is a (m 3 / h) and the minimum brine water amount of the membrane element is b (m 3 / h)
  • (a / n) / b is 0.1 to Water is passed through the membrane separation device so as to be 0.2.
  • the membrane separation system of the present invention comprises a membrane separation device in which n membrane elements (n is 1 or more) are installed in a cylindrical vessel, a flow rate adjusting means for raw water supplied to the membrane separation device, and the membrane
  • the raw water flow rate adjusting means and the control means for controlling the brine flow rate adjusting means so that (a / n) / b is 0.1 to 0.2 Have.
  • the membrane element preferably has a diameter of 20 to 50.8 cm.
  • the membrane element is preferably a reverse osmosis membrane element.
  • the membrane element is a spiral type membrane element having a water collecting pipe in the axial center, a plurality of membrane elements are coaxially arranged in the vessel, and the water collecting pipes of adjacent membrane elements are connected by a joint. Is preferred.
  • water is passed through the membrane separation apparatus so that the ratio (a / n) / b of the permeated water amount (a / n) per membrane element to the minimum brine water amount b is 0.1 to 0.2.
  • the removal rate of a membrane element becomes high.
  • concentration polarization occurs and the quality of the permeated water deteriorates.
  • the water sampling rate permeated water amount / raw water amount
  • the permeated water with good water quality can be obtained. It can be obtained at a high recovery rate (water sampling rate).
  • Polarization occurs and the permeated water quality is likely to deteriorate. This is because the distribution of the flow velocity along the membrane surface occurs because the diameter of the membrane element increases.
  • concentration polarization on the membrane surface is affected not only by the flow velocity along the membrane surface but also by the membrane permeation flux. Therefore, if operation is performed based only on the amount of minimum brine water, concentration polarization occurs and the quality of the permeate water deteriorates. There is also a fear.
  • the permeated water having a good water quality can be collected at a high recovery rate by passing water in consideration of both the permeated water amount and the minimum brine water amount.
  • FIG. 2 is a perspective view of a part of FIG. 1. It is a flowchart of the membrane separation system which concerns on embodiment. It is a flowchart of the membrane separation system in an Example.
  • a plurality of (three in this embodiment) membrane elements 2 are coaxially installed in a cylindrical vessel 1.
  • the membrane element 2 is a spiral membrane element having a water collecting pipe 3 made of a perforated pipe at the axial center, and a bag-like separation membrane wound around the outer circumference of the water collecting pipe 3 via a raw water flow path spacer.
  • the outer diameter of each membrane element 2 is 20 cm or more, preferably 20 to 50.8 cm.
  • the axial length of the membrane winding part of each membrane element 2 is preferably 15 to 50 times the outer diameter.
  • the membrane of the membrane element 2 may be either a reverse osmosis membrane or a microfiltration membrane, but a reverse osmosis membrane is preferred.
  • the water collecting pipes 3 of the adjacent membrane elements 2 are connected by a joint 4.
  • the number n of membrane elements is preferably 3 to 6, particularly about 4 to 6.
  • raw water is introduced from the pipe 8 to one end side of the vessel 1 through the pump 5 and the flow rate control valve 6 and flows along the membrane surface of each membrane element 2.
  • water permeates the membrane, flows into the water collecting pipe 3, and is taken out as permeated water through a pipe 10 having a flow meter 9.
  • the concentrated water (brine) that has not passed through the membrane flows out through the pipe 11 connected to the other end of the vessel 1.
  • the pipe 11 is provided with a flow meter 12 and a flow control valve 13.
  • a guide 15 is extended along the inner peripheral surface on the one end side of the vessel 1, and the raw water flowing in from the pipe 8 is circumferentially introduced into the vessel 1 by the guide 15. It is comprised so that it may flow in while circulating around. This is because the raw water is uniformly supplied to the upstream end face of the membrane element 2.
  • the detection signals of the flow meters 9 and 12 are input to the controller 17, and the control signal from the controller 17 is given to the pump 5 and the flow rate adjusting valves 6 and 13.
  • the controller 17 sets the permeated water amount detected by the flow meter 9 to a (m 3 / h), the minimum brine water amount of the membrane element to b (m 3 / h), and the number of membrane elements 2 to n (n is 1 or more). ),
  • the flow rate regulating valves 6 and 13 are controlled so that (a / n) / b is 0.1 to 0.2. In order to operate so that (a / n) / b is less than 0.1, it is necessary to increase the number of films, which is not practical. When (a / n) / b exceeds 0.2, the water quality such as the electric conductivity of the permeated water deteriorates, which is not preferable.
  • Industrial reverse water membrane filtered water is supplied from the raw water tank 20 to the reverse osmosis membrane separation device at 12.25 m 3 / h, and the opening of the flow rate control valve 13 is adjusted so that the brine flow rate becomes each value shown in Table 1. Adjusted. As described above, automatic control by the controller 17 was not performed, and the opening degree control of the flow rate control valve 13 was manually performed.
  • Table 1 shows the quality of the permeated water and the water recovery rate.

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Abstract

　直径が２０ｃｍ以上の大径の膜エレメントを有する大型の膜分離装置から良好な水質の透過水を得ることができる膜分離装置の運転方法及び運転システムが提供される。直径２０ｃｍ以上の膜エレメント２が円筒状のベッセル１内に設置されている膜分離装置を運転する方法であって、該膜分離装置の透過水量をａ（ｍ３／ｈ）、膜エレメント２のミニマムブライン水量をｂ（ｍ３／ｈ）及び膜エレメントの本数をｎ（ｎは１以上）とした場合、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように通水することを特徴とする膜分離装置の運転方法及びシステム。

Description

膜分離装置の運転方法及び膜分離システム
　本発明は、逆浸透膜分離装置、精密濾過装置などの膜分離装置の運転方法及び膜分離システムに関するものであり、特にスパイラル型膜分離装置の運転方法及び膜分離システムに関する。
　海水の淡水化や、超純水、各種製造プロセス用水を得る方法として、例えば逆浸透膜（以下、ＲＯ膜と略称することもある。）やナノフィルトレーション膜（以下、ＮＦ膜と略称することもある。）を分離膜とするスパイラル型膜エレメントを用い、原水中からイオン成分や低分子成分を分離する方法が知られている。スパイラル型膜エレメントは、例えば、透過水スペーサーの両面に逆浸透膜を重ね合わせて３辺を接着することにより袋状膜を形成し、該袋状膜の開口部側を透過水集水管に取り付け、網状の原水スペーサーと共に、透過水集水管の外周面周りにスパイラル状に巻回することにより構成されている。原水はスパイラル型膜エレメントの一方の端面側から供給され、原水スペーサーに沿って流れ、スパイラル型膜エレメントの他方の端面側から濃縮水として排出される。原水は、原水スペーサーに沿って流れる過程で、逆浸透膜を透過して透過水となり、この透過水は透過水スペーサーに沿って、中央に位置する透過水集水管の内部に流れ込み、透過水集水管の端部から排出される。巻回された袋状膜間に配設される原水スペーサーにより原水経路が形成される（特許文献１～３）。
　逆浸透膜分離においては、膜表面における濃度分極によるスケールの発生や脱塩率の低下を抑制するために、濃縮液（ブライン）の流量が所定値以上となるように運転することが推奨されている（特許文献４の００３３段落、特許文献５の００１１段落、特許文献６の０００３～０００４段落）。この所定値はミニマムブライン水量（最小濃縮水量）と称される。ミニマムブライン水量は、膜分離装置のメーカーによって型番に応じて示されている。
　スパイラル型膜分離装置の膜エレメントの直径（外径）は、従来は８インチ（約２０．３２ｃｍ）が主流であったが、近年では１６インチ（約４０．６４ｃｍ）の大型のものも使用されるようになってきている（特許文献２の０００７段落）。外径８インチのスパイラル型膜エレメントを有する逆浸透膜分離装置（以下、８インチＲＯ装置ということがある。）のミニマムブライン水量は大概３．６ｍ３／ｈである。外径１６インチのスパイラル型膜エレメントを有する逆浸透膜分離装置（以下、１６インチＲＯ装置ということがある。）は、膜面積が８インチＲＯ装置の４倍であるため、ミニマムブライン水量は通常１４．４ｍ３／ｈとされている。
特開２０１１－１６７６６７ 特開２００９－２２０１０４ 特開２００６－２１８３４１ 特開２００７－３１３４４５ 特開平８－１０８０４８ 特開２０１１－１３６２８３
　１６インチＲＯ装置においてミニマムブライン水量を１４．４ｍ３／ｈで運転すると、同膜種、同運転条件における８インチＲＯ装置に比べ脱塩率が低くなることがあった。これは、１６インチＲＯ装置は８インチＲＯ装置に比べてエレメント直径が約２倍と大きいために、８インチＲＯ装置のミニマムブライン水量の４倍量のミニマムブライン水量にて運転したときにはエレメント内部における流速分布が大きくなり、部分的に流速の小さい領域が生じ、この領域で濃度分極が生じて脱塩率が低下するためであると考えられる。
　本発明は、直径が２０ｃｍ以上の大径の膜エレメントを有する大型の膜分離装置から良好な水質の透過水を得ることができる膜分離装置の運転方法及び運転システムを提供することを目的とする。
　本発明は、直径２０ｃｍ以上の膜エレメントが円筒状のベッセル内にｎ個（ｎは１以上）設置されている膜分離装置を運転する方法に関する。本発明では、該膜分離装置の透過水量をａ（ｍ３／ｈ）、膜エレメントのミニマムブライン水量をｂ（ｍ３／ｈ）とした場合、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように膜分離装置に通水が行われる。
　本発明の膜分離システムは、円筒状のベッセル内に膜エレメントがｎ個（ｎは１以上）設置された膜分離装置と、該膜分離装置に供給される原水の流量調節手段と、該膜分離装置から流出するブラインの流量調節手段と、該膜分離装置から取り出される透過水の流量検出手段と、該流量検出手段によって検出される透過水量をａ（ｍ３／ｈ）、膜エレメントのミニマムブライン水量をｂ（ｍ３／ｈ）とした場合、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように該原水流量調節手段及びブライン流量調節手段を制御する制御手段とを有する。
　本発明において、膜エレメントの直径は２０～５０．８ｃｍであることが好ましい。
　膜エレメントとしては逆浸透膜エレメントが好ましい。
　膜エレメントは、軸心部に集水管を有したスパイラル型膜エレメントであり、複数の膜エレメントが前記ベッセル内に同軸状に配置され、隣接する膜エレメントの集水管が継手で接続されていることが好ましい。
　本発明では、膜エレメント１個当りの透過水量（ａ／ｎ）とミニマムブライン水量ｂとの比（ａ／ｎ）／ｂを０．１～０．２とするように膜分離装置に通水することにより、膜エレメントの除去率が高くなる。一般に、膜エレメントの膜に沿って被処理水が流れる場合、この膜面に沿う流速が小さくなると、濃度分極が生じ、透過水の水質が悪化する。膜面に沿う流速を大きくすると、濃度分極は解消されるが、採水率（透過水量／原水量）が低くなる。従って、濃度分極が生じない範囲で膜面流速を小さくすれば、良好な水質の透過水を多く採水することができる。
　８インチＲＯ装置の場合、ブライン水量がミニマムブライン水量（通常は３．６ｍ３／ｈ程度）以上でかつミニマムブライン水量近傍の水量となるように通水することにより、良好な水質の透過水を高回収率（採水率）にて得ることができる。
　１６インチＲＯ装置の場合、ブライン水量を８インチＲＯ装置のミニマムブライン水量の約４倍量３．６×４＝１４．４ｍ３／ｈ又はそれよりも若干多い量で通水しても、濃度分極が生じて透過水水質が悪化し易い。これは、膜エレメントの直径が大きくなるために、膜面に沿う流速に分布が生じるためである。また、膜表面における濃度分極は、膜面に沿う流速だけでなく、膜透過流束にも影響されるので、ミニマムブライン水量だけに基づいて運転すると、濃度分極が生じて透過水水質が悪化するおそれもある。
　本発明では、透過水量とミニマムブライン水量との双方を勘案して通水することにより、良好な水質の透過水を高回収率にて採水することができる。
膜分離装置の斜視図である。 図１の一部の透視図である。 実施の形態に係る膜分離システムのフロー図である。 実施例における膜分離システムのフロー図である。
　以下、図１～３を参照して実施の形態について説明する。
　図１の通り、円筒形ベッセル１内に複数個（この実施の形態では３個）の膜エレメント２が同軸状に設置されている。膜エレメント２は、軸心部に孔あき管よりなる集水管３を有し、この集水管３の外周に袋状分離膜が原水流路スペーサを介して巻回したスパイラル型膜エレメントである。この実施の形態では各膜エレメント２の外径は２０ｃｍ以上、好ましくは２０～５０．８ｃｍである。各膜エレメント２の膜巻回部の軸方向長さは外径の１５～５０倍であることが好ましい。膜エレメント２の膜は逆浸透膜、精密濾過膜などのいずれでもよいが、逆浸透膜が好適である。
　隣接する膜エレメント２の集水管３同士は継手４によって接続されている。膜エレメントの数ｎは３～６特に４～６程度が好ましい。
　図３の通り、原水はポンプ５、流量調節弁６を介して配管８からベッセル１の一端側に導入され、各膜エレメント２の膜面に沿って流れる。この途中で水が膜を透過し、集水管３に流入し、流量計９を有した配管１０を介して透過水として取り出される。膜を透過しなかった濃縮水（ブライン）は、ベッセル１の他端側に接続された配管１１を介して流出する。この配管１１には流量計１２と流量調節弁１３とが設けられている。
　この実施の形態では、図２の通り、ベッセル１の前記一端側の内周面に沿ってガイド１５が延設されており、配管８から流入する原水が該ガイド１５によりベッセル１内に周方向に周回しながら流入するように構成されている。これは原水を膜エレメント２の上流側の端面に万遍なく供給するためである。
　流量計９，１２の検出信号が制御器１７に入力され、制御器１７からの制御信号がポンプ５、流量調節弁６，１３に与えられる。
　制御器１７は、流量計９で検出される透過水量をａ（ｍ３／ｈ）、膜エレメントのミニマムブライン水量をｂ（ｍ３／ｈ）及び膜エレメント２の本数をｎ（ｎは１以上）とした場合、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように流量調節弁６，１３を制御する。（ａ／ｎ）／ｂが０．１未満となるように運転するには膜本数を多くする必要があり実用的ではない。（ａ／ｎ）／ｂが０．２を超過すると透過水の電気伝導率などの水質が悪化するので好ましくない。
　外径が１６インチ（約４０．６４ｃｍ）で膜巻回部の軸方向長さが１００ｃｍの逆浸透膜エレメント２を３個（ｎ＝３）ベッセル１内に設置して図１に示す逆浸透膜分離装置を構成した。この逆浸透膜分離装置に対し図４の通り、原水タンク２０を用いて通水した。図４のフローでは、原水として工業用水の膜濾過水を原水タンク２０に導入し、該原水タンク２０内の原水を図３と同様にポンプ５、流量調節弁６及び配管８を介して逆浸透膜分離装置に供給する。配管１１から流出したブラインの一部を配管２２、流量調節弁２３を介して原水タンク２０に戻す。配管１１から流出したブラインの残部を配管２１、流量調節弁１３を介して系外に取り出す。制御器１７による自動制御は行わず、流量調節弁１３の開度制御を手動にて行った。図４のその他の構成は図３と同様であり、同一符号は同一部分を示している。
　この逆浸透膜分離装置に対し原水タンク２０から工業用水膜濾過水を１２．２５ｍ３／ｈにて供給すると共に、ブライン流量が表１の各値となるように流量調節弁１３の開度を調節した。上述の通り、制御器１７による自動制御は行わず、流量調節弁１３の開度制御を手動にて行った。
　このときの透過水の水質と水回収率を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の通り、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように通水したＮｏ．４～Ｎｏ．７の場合、透過水の水質が良好となる。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　本出願は、２０１３年７月３日付で出願された日本特許出願２０１３－１３９８４６に基づいており、その全体が引用により援用される。

Claims (8)

  1. 　直径２０ｃｍ以上の膜エレメントが円筒状のベッセル内にｎ個（ｎは１以上）設置されている膜分離装置を運転する方法であって、
    　該膜分離装置の透過水量をａ（ｍ３／ｈ）、膜エレメントのミニマムブライン水量をｂ（ｍ３／ｈ）とした場合、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように通水することを特徴とする膜分離装置の運転方法。
  2. 　請求項１において、膜エレメントの直径が２０～５０．８ｃｍであることを特徴とする膜分離装置の運転方法。
  3. 　請求項１において、膜エレメントが逆浸透膜エレメントであることを特徴とする膜分離装置の運転方法。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項において、前記膜エレメントは軸心部に集水管を有したスパイラル型膜エレメントであり、複数の膜エレメントが前記ベッセル内に同軸状に配置され、隣接する膜エレメントの集水管が継手で接続されていることを特徴とする膜分離装置の運転方法。
  5. 　円筒状のベッセル内に膜エレメントがｎ個（ｎは１以上）設置された膜分離装置と、
    　該膜分離装置に供給される原水の流量調節手段と、
    　該膜分離装置から流出するブラインの流量調節手段と、
    　該膜分離装置から取り出される透過水の流量検出手段と、
    　該流量検出手段によって検出される透過水量をａ（ｍ３／ｈ）、膜エレメントのミニマムブライン水量をｂ（ｍ３／ｈ）とした場合、（ａ／ｎ）／ｂが０．１～０．２となるように該原水流量調節手段及びブライン流量調節手段を制御する制御手段と
    を備えてなる膜分離システム。
  6. 　請求項５において、膜エレメントの直径が２０～５０．８ｃｍであることを特徴とする膜分離システム。
  7. 　請求項５において、膜エレメントが逆浸透膜エレメントであることを特徴とする膜分離システム。
  8. 　請求項５ないし７のいずれか１項において、前記膜エレメントは軸心部に集水管を有したスパイラル型膜エレメントであり、複数の膜エレメントが前記ベッセル内に同軸状に配置され、隣接する膜エレメントの集水管が継手で接続されていることを特徴とする膜分離システム。
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