膜ろ過システムの運転方法
【課題】 本発明の課題は、地下水、河川水、湖沼水、下水２次処理水などの被処理水を膜ろ過して透過水を得る膜ろ過方法において、評価用膜モジュールから運転条件を予測し、安定に長期間運転できる膜ろ過システムを提供すること。
【解決手段】精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を加速試験評価する評価用膜モジュールを備え、その評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度から膜ろ過システム本体の運転条件を最適化する膜ろ過システムの運転方法。
【解決手段】精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を加速試験評価する評価用膜モジュールを備え、その評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度から膜ろ過システム本体の運転条件を最適化する膜ろ過システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
浄水処理、工業用水製造、下排水処理、逆浸透膜前処理などの水処理に用いられる精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を用いた膜ろ過システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密ろ過膜や限外ろ過膜などの分離膜は、食品工業や医療分野、用水製造、廃水処理分野等の様々な方面で利用されている。特に近年では、飲料用製造分野すなわち浄水処理過程において分離膜が使われることが多くなってきている。緩速ろ過もしくは急速ろ過による水処理と比べて、膜ろ過による水処理は、原水中の不純物を確実に、安定的に除去できる他、設備の設置面積が小さく用地が少なくてすむ、設備設置費が少ないという点で非常に優位である。このため、今後ますます安全な水を安定的に製造する方法として、膜ろ過による水処理の必要性が高まると考えられる。
【０００３】
しかしながらその一方で、総ろ過水量の増加に伴う分離膜における汚れの蓄積、すなわち膜ファウリングによる性能低下が起こる。河川水や湖沼水など自然水の水源水質は様々であり、種々の不純物を含有する。そのため、膜ファウリングの進行、すなわち膜の性能推移もこの水源水質により変わってくる。したがって、膜ろ過プロセスの設計では膜供給水質とコストに応じた膜ろ過流束や洗浄条件の設定、前処理の選択が重要であるが、被処理水中に含有している成分は様々であるため膜のファウリング成分の特定は難しく、経験的に膜ろ過流束や洗浄条件の設定や前処理の選択を行っている。そのため、安全率を過大に見込んで膜ろ過流束を設定したり、過剰な前処理プロセスを付与して、コスト的に不利になることが多い。また水質は日々変化しており、急激に膜間差圧が上昇することがある。一度差圧が上がってしまった膜は、運転を停止し、薬品洗浄などしなければならない。このため、膜ろ過システムとして最適な条件で運転することはもちろん、日々の水質の変化をいち早く察知し、最適な運転条件に変更することが長期に、低コストで安定運転するためには必要になる。
【０００４】
このため、膜ろ過システムの運転条件を予測することが必要となってくるが、例えば非特許文献１にあるように、実用用途における実液透水性能を推定するためには、(a)極力実液そのもの、あるいは代表的実液、あるいは実液に近いモデル液を用い、(b)用いる膜についても極力実用に近いスケールのモジュールにて、(c)極力実用ろ過運転に近い運転方法によって、(d)ある程度の期間運転を行う「実液評価」が欠かせない。したがって結局は実際に運転してみないと、どの運転条件でどのくらいの期間、安定に運転できるかはわからない。
【０００５】
特許文献１では、膜分離活性汚泥装置に使用される分離膜の汚染の程度を見積もる方法が開示されているが、評価に用いる被処理水は、汚泥の上澄み液を用い、かつ固形分を分離する工程を必要とするため煩雑であり、かつ上澄み液の希釈倍率やろ過流量、評価時間など決められておらず、正しく評価するためには経験が必要になる。
【０００６】
また特許文献２では膜ろ過初期の膜ろ過特性の測定データから、膜ろ過プラントの長期安定膜ろ過流束の推定方法が開示されているが、流束以外の運転条件をあらかじめ決めておく必要がある。また実際には、一定の流束で運転し続けていると、台風や季節変動による自然の変化によって急激な差圧上昇が度々生じる。一度膜間差圧が上がってしまった膜は、膜ろ過システムを一度停止させ、薬品洗浄などをしなくてはならず、コスト的にも不利になる。
【非特許文献１】膜学実験法−人工膜編−日本膜学会２００６年発行pp163-164
【特許文献１】特開２００７−１２５４６５号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０５９６５８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、簡便な方法で運転予測することは難しく、また水質は日々変化することから、一つの運転条件で安定運転を続けることは困難である。本発明は、地下水、河川水、湖沼水、海水、下水二次処理水などの被処理水を膜ろ過して透過水を得る膜ろ過システムにおいて、評価用膜モジュールから適切な運転条件を予測し、安定に長期間運転できる膜ろ過システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、断続的に評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を評価することで、膜ろ過システムの運転条件を決めることができることを知るに至った。すなわち本発明は、
（１）精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、膜ろ過システム本体に使用されるろ過膜よりも膜面積の小さいろ過膜を有する、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価する評価用膜モジュールを備え、その評価用膜モジュールでろ過抵抗の上昇度を測定し、その結果に基づいて膜ろ過システム本体の運転条件を最適化する膜ろ過システムの運転方法であって、その運転方法が、定流量運転または定圧運転であり、評価用膜モジュールの流束または圧力が膜ろ過システム本体のそれよりも１．１倍以上１０倍以下の加速試験評価であることを特徴とする膜ろ過システムの運転方法。
（２）前記評価用膜モジュールで、ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上になった場合に、凝集剤を５ppm以上１００ppm以下、および／または逆流物理洗浄で次亜塩素酸ナトリウムを１０ppm以上５００ppm以下添加する請求項１に記載の膜ろ過システムの運転方法。
【発明の効果】
【０００９】
地下水、河川水、湖沼水、海水、下水二次処理水などの被処理水を膜ろ過して透過水を得る膜ろ過システムにおいて、安定に長期間運転できる膜ろ過システムの運転方法を提供することで、運転を停止し、薬品洗浄したり、膜交換したりすることによる水製造コスト高を抑えた膜ろ過システムの提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明における膜ろ過システムは、地下水、河川水、湖沼水、海水、および下水二次処理水から選ばれる少なくとも一種からなる被処理水を膜ろ過するために用いられる精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、精密ろ過膜および／または限外ろ過膜の前段、または並列に、膜ろ過システム本体に使用されるろ過膜よりも膜面積の小さい同じろ過膜を有する、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価する評価用膜モジュールを備えていることを特徴とする。このように構成された本発明による方法では、膜ろ過システム本体でろ過される同じ被処理水を評価用膜モジュールで加速試験評価によってろ過することができる。それにより、評価用膜モジュールのファウリングが膜ろ過システム本体のそれよりも早期に進行し、膜ろ過システム本体におけるろ過差圧の上昇を前もって知ることが可能になる。
【００１１】
ろ過膜の細孔が目詰まりして透水量が減少するとろ過抵抗が上昇する。そのためこれまでの研究では、１回のろ過工程において、ろ過抵抗が上昇しにくい膜を用いることが安定運転に繋がると考えられていた。しかしながら、実際の運転ではろ過工程と物理洗浄工程を交互に実施する膜ろ過方法が主流であるため、安定運転を可能にするには１回のろ過工程におけるろ過抵抗の上昇を抑制するより、物理洗浄工程を含む連続運転におけるろ過抵抗の上昇を抑制することが求められる。
【００１２】
つまり、ろ過工程で起こる目詰まりの程度ではなく、洗浄回復性を含んだろ過抵抗の変化が重要となる。１回のろ過工程においてろ過抵抗が上昇しても、物理洗浄工程において目詰まりを引き起こした成分が除去できれば、次のろ過工程開始時には透水量が増加してろ過抵抗は低下する。このように、ろ過工程および物理洗浄工程を交互に繰り返したときの総ろ過水量（m3/m2）を横軸に、式１から算出したろ過抵抗（1/m）を縦軸にプロットした図１において、各ろ過工程開始時のろ過抵抗を結んだ直線の傾きをろ過抵抗の上昇度とした。ろ過抵抗の上昇度が低いほど、ろ過、逆流物理洗浄を繰り返す膜ろ過運転において長期的には安定運転が可能となる。
【００１３】
発明者らは評価用膜モジュールでろ過、逆流物理洗浄を繰り返す膜ろ過運転評価において、膜ろ過システム本体のように、スクラビング洗浄の操作がなくても、評価用膜モジュールで得られたろ過抵抗の上昇度と膜ろ過システム本体の差圧上昇傾向に相関があることを見出した。また評価用膜モジュールで膜ろ過システム本体の差圧よりも圧力を上げた、加速試験評価をしたときに得られたろ過抵抗の上昇度は、膜ろ過システム本体の差圧がその圧力まで上昇した際の差圧上昇傾向と相関があることを見出した。
（式１）
ろ過抵抗(1/m) ＝（ろ過圧力(Pa)）×（密度(g/cm3)）×１０６×（膜面積(m2)）／（（粘度(Pa・s)×（単位時間あたりの透過水量(g/s)））
ここで精密ろ過膜または限外ろ過膜とは、膜に供給される原水に含有される成分のうち、５μm以上の成分を９０％以上、０．００５μm以下の成分を９０％未満除去する分離膜である。精密ろ過膜または限外ろ過膜の素材には、ポリアクリロニトリル、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、酢酸セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子素材、セラミック等の無機素材等を挙げることができ、特に限定されないが、安定運転を考慮すると耐薬品性と透水性が高いポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる場合が好ましい。ろ過膜の形状は中空糸状であっても平膜状であっても構わない。
【００１４】
評価用膜モジュールは膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価するため、本体の前段または並列に設置する。中空糸膜モジュールは、膜ろ過システム本体と同じ形状をした、大きさは特に限定されないが、筒状の容器に長さ１０cm〜５０cmの中空糸を１本〜１００本収納し、両端を封止したものが好ましい。平膜モジュールの場合も大きさは特に限定されないが、直径１５mm〜３００mmの円上に切り取った膜を基盤上でOリングなどで封止したものが好ましい。評価用膜モジュールのろ過および逆流物理洗浄の流量、圧力は膜ろ過システム本体とは別に調整するため、それぞれ流量調節バルブ、圧力計を備えていることが好ましい。
【００１５】
加速試験評価は、まず膜ろ過システム本体の単位面積あたりの１回のろ過流量、逆流物理洗浄量と評価用膜モジュールの単位面積あたりの１回のろ過流量、逆流物理洗浄量が同じになるように設定する。定流量加速運転評価では、単位面積（m2）あたりの水の移動量（m3/s）から求められる流束（m3/m2・s）を膜ろ過システム本体の１．１倍以上１０倍以下にした定流量条件で評価用膜モジュールを運転する。１０倍を超えると評価用膜モジュールのろ過圧力が高くなり、膜が潰れるなどの問題が生じ、また１．１倍未満では加速評価ではなくなるので、膜ろ過システム本体の変化への対応が遅くなる場合がある。好ましくは１．１倍以上３倍以下である。
【００１６】
例えば膜ろ過システム本体で流束１．５m/dで運転している場合、評価用膜モジュールでは２．０m/dになるように運転することが好ましい。逆流物理洗浄流束もろ過流束の加速倍率に合わせることが好ましい。定圧加速運転評価では、圧力を膜ろ過システム本体の１．１倍以上１０倍以下の定圧条件で評価用膜モジュールを運転する。１０倍を超えると評価用膜モジュールのろ過圧力が高くなり、膜が潰れるなどの問題が生じ、また１．１倍未満では加速評価ではなくなるので、膜ろ過システム本体の変化への対応が遅くなる場合がある。好ましくは１．２倍以上５倍以下である。例えば、膜ろ過システム本体のろ過差圧が２０kPa〜４０kPaであれば、評価用膜モジュールは５０kPa、膜ろ過システム本体のろ過差圧が４０〜６０kPaであれば、評価用膜モジュールは８０kPaとすることが好ましい。このとき逆流物理洗浄圧力は、ろ過圧力の加速倍率に合わせることが好ましい。より加速運転評価する場合は、評価用膜モジュールの単位面積あたりの１回のろ過流量、逆流物理洗浄量を増やしてもよい。
【００１７】
一度の評価で、ろ過工程、逆流物理洗浄工程は５回以上繰り返すことが必要である。この評価は毎日行ってもよいし、数日に１回であってもよい。水質は日々変化することから、毎日評価する方が、膜ろ過システム本体への早期対応が可能になる。評価用膜モジュールは装置に取り付けたまま、何度でも評価が可能である。ただし、ろ過抵抗の上昇度の値が１．０×１０１２m-2以上になった評価用膜モジュールは、新品と取り替えることが好ましい。
【００１８】
ろ過抵抗の上昇度の評価は、総ろ過水量（m3/m2）を横軸に、式１から算出したろ過抵抗（1/m）を縦軸にプロットした図１において、各ろ過工程開始時のろ過抵抗５点を結んだ直線の傾きを指す。ただし、５点が直線上に乗らない場合には、線形近似で直線の傾きを求めてろ過抵抗の上昇度とする。
【００１９】
このろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2未満、特に０．３×１０１２m-2以下であれば、膜ろ過システム本体の差圧は大きく変化せず、安定に長期運転が可能になる。ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上となった場合は、膜ろ過システム本体の膜間差圧は徐々に上昇し、特に１．０×１０１２m-2以上となった場合は、膜ろ過システム本体の膜間差圧は急激に上昇する。
【００２０】
そこで本発明では、ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上となった場合、あるいは１．０×１０１２m-2以上となった場合に、前処理として膜ろ過システム本体に入る被処理水にポリ塩化アルミニウムなどのアルミニウム塩や硫酸鉄などの鉄塩などの凝集剤を５ppm以上１００ppm以下添加する、および／または逆流物理洗浄で膜ろ過システム本体に次亜塩素酸ナトリウムを１０ppm以上５００ppm以下添加することで安定運転を維持できることを見出した。
【００２１】
添加剤の効果、コストを考慮するとより好ましくは凝集剤が５ppm以上５０ppm以下、次亜塩素酸ナトリウムが１０ppm以上３００ppm以下である。また他にも効果はあまり高くないが、ろ過流束を小さくする、ろ過時間を短くする、逆流物理洗浄流束を大きくする、逆流物理洗浄時間を長くするなどの膜ろ過システム本体の運転条件を変更してもよい。変更する膜ろ過システム本体の運転条件は、必要透水量およびコスト試算などから考えて決めるとよい。
【００２２】
評価用膜モジュールは凝集剤、次亜塩素酸ナトリウムを添加しない被処理水のろ過抵抗の上昇度を測定しており、ろ過抵抗の上昇度の値から運転条件を決めることができる。そのため被処理水が変化し、ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上となり、凝集剤などを添加して運転を継続した後に、再びその値が０．５×１０１２m-2以上から０．５×１０１２m-2未満になった場合は、凝集剤の添加などの条件を必要としなくなる。このようにコストや環境への負荷を最低限にした適切な条件で膜ろ過システム本体の運転を長期に安定運転できることが本発明の効果である。
【００２３】
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００２４】
平均孔径が０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜モジュール（膜面積１１．５m2）を用いて、琵琶湖水の定流量外圧全ろ過運転を行った。運転条件は、ろ過流束２．５m/d、逆流物理洗浄流束５．０m/d、回収率９５％（ろ過３０分、逆流物理洗浄３０秒、スクラビング洗浄６０秒）とした。
【００２５】
図２には膜ろ過システム本体に並列につなげた、中空糸膜評価用膜モジュール装置を示した。筒状容器内に膜ろ過システム本体と同じ平均孔径が０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜６本を収納して端部固定した長さ１５mmの評価用膜モジュール１（膜面積０．００４m2）を取り付けた。膜ろ過工程では、被処理水を取水口２から採水し、流量調節バルブ３で流量、圧力計４で圧力を調整し、開放したバルブ５の先につなげた評価用膜モジュール１に通水し、開放したバルブ６の先から膜を透過したろ過水９が得られる。このときバルブ７およびバルブ８は閉じてある。逆流物理洗浄工程では、膜を透過したろ過水９を流量調節バルブ１０で流量、圧力計１１で圧力を調整し、開放したバルブ８の先につなげた評価用膜モジュール１に通水し、開放したバルブ７の先から排水する。このときバルブ５およびバルブ６は閉じている。このろ過、逆流物理洗浄工程を繰り返して、ろ過抵抗の上昇度を求めた。
【００２６】
実施例１
膜ろ過システムを２２日間運転した。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、５日ごとに評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。運転初期は、膜ろ過システム本体の膜間差圧は３０kPaであり、評価用膜モジュールのろ過圧力は５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度は０．４×１０１２m-2でほぼ一定であった。このとき膜ろ過システム本体の膜間差圧は２２日間、３０kPaから４０kPaであり、安定して運転することができた。
【００２７】
実施例２
実施例１と同時期に、評価用膜モジュールは定流量加速運転で、５日ごとに評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。ろ過流束は３．０m/d、逆流物理洗浄流束６．０m/dとした。ろ過抵抗の上昇度は０．３×１０１２m-2でほぼ一定であり、このときの膜ろ過システム本体の膜間差圧は２２日間、３０kPaから４０kPaであり、安定して運転することができた。
【００２８】
比較例１
実施例１と同時期に、評価用膜モジュールは定圧加速運転で、評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。評価用膜モジュールのろ過圧力を膜ろ過システム本体の膜間差圧３０kPaの１５倍の４５０kPaにしたところ、膜が潰れ、透水量が低下し、評価用膜モジュールで評価することができなかった。
【００２９】
比較例２
実施例１と同時期に、評価用膜モジュールは定流量加速運転で、評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。評価用膜モジュールのろ過流束を２．５m/dの１２倍の３０m/dにしたところ、ろ過圧力が急激に上昇し、膜が潰れ、透水量が低下し、評価用膜モジュールで評価することができなかった。
【００３０】
実施例３
実施例１とは別の時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度は０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の条件をろ過流束２．５m/dのまま、膜ろ過システム本体に入る被処理水にポリ塩化アルミニウム１０mg/L添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は４０kPaから５０kPaの間で安定になり、１５日目でも５０kPaであった。
【００３１】
比較例３
実施例３と同時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度はそれぞれ０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の条件をろ過流束２．５m/dのまま、膜ろ過システム本体に入る被処理水にポリ塩化アルミニウム２mg/L添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は２日目で５０kPaに達し、膜間差圧は上昇し続け、１５日目には１２０kPaに達し、運転を停止した。
【００３２】
実施例４
実施例３と同時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度はそれぞれ０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の逆流物理洗浄に次亜塩素酸ナトリウムを２０ppm添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は４５kPaから５５kPaの間で安定になり、１５日目でも５５kPaであった。
【００３３】
比較例４
実施例３と同時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度はそれぞれ０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の逆流物理洗浄に次亜塩素酸ナトリウムを５ppm添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は上昇し続け、１５日目には１５０kPaに達し、運転を停止した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の膜ろ過システムは、地下水、河川水、湖沼水、海水、下水２次処理水などを膜ろ過する際に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ろ過実験による総ろ過水量−ろ過抵抗のグラフの一例を示す。
【図２】評価用膜モジュールの概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：評価用膜モジュール
２：取水口
３：流量調整バルブ
４：圧力計
５：バルブ
６：バルブ
７：バルブ
８：バルブ
９：ろ過水
１０：流量調整バルブ
１１：圧力計
【技術分野】
【０００１】
浄水処理、工業用水製造、下排水処理、逆浸透膜前処理などの水処理に用いられる精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を用いた膜ろ過システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密ろ過膜や限外ろ過膜などの分離膜は、食品工業や医療分野、用水製造、廃水処理分野等の様々な方面で利用されている。特に近年では、飲料用製造分野すなわち浄水処理過程において分離膜が使われることが多くなってきている。緩速ろ過もしくは急速ろ過による水処理と比べて、膜ろ過による水処理は、原水中の不純物を確実に、安定的に除去できる他、設備の設置面積が小さく用地が少なくてすむ、設備設置費が少ないという点で非常に優位である。このため、今後ますます安全な水を安定的に製造する方法として、膜ろ過による水処理の必要性が高まると考えられる。
【０００３】
しかしながらその一方で、総ろ過水量の増加に伴う分離膜における汚れの蓄積、すなわち膜ファウリングによる性能低下が起こる。河川水や湖沼水など自然水の水源水質は様々であり、種々の不純物を含有する。そのため、膜ファウリングの進行、すなわち膜の性能推移もこの水源水質により変わってくる。したがって、膜ろ過プロセスの設計では膜供給水質とコストに応じた膜ろ過流束や洗浄条件の設定、前処理の選択が重要であるが、被処理水中に含有している成分は様々であるため膜のファウリング成分の特定は難しく、経験的に膜ろ過流束や洗浄条件の設定や前処理の選択を行っている。そのため、安全率を過大に見込んで膜ろ過流束を設定したり、過剰な前処理プロセスを付与して、コスト的に不利になることが多い。また水質は日々変化しており、急激に膜間差圧が上昇することがある。一度差圧が上がってしまった膜は、運転を停止し、薬品洗浄などしなければならない。このため、膜ろ過システムとして最適な条件で運転することはもちろん、日々の水質の変化をいち早く察知し、最適な運転条件に変更することが長期に、低コストで安定運転するためには必要になる。
【０００４】
このため、膜ろ過システムの運転条件を予測することが必要となってくるが、例えば非特許文献１にあるように、実用用途における実液透水性能を推定するためには、(a)極力実液そのもの、あるいは代表的実液、あるいは実液に近いモデル液を用い、(b)用いる膜についても極力実用に近いスケールのモジュールにて、(c)極力実用ろ過運転に近い運転方法によって、(d)ある程度の期間運転を行う「実液評価」が欠かせない。したがって結局は実際に運転してみないと、どの運転条件でどのくらいの期間、安定に運転できるかはわからない。
【０００５】
特許文献１では、膜分離活性汚泥装置に使用される分離膜の汚染の程度を見積もる方法が開示されているが、評価に用いる被処理水は、汚泥の上澄み液を用い、かつ固形分を分離する工程を必要とするため煩雑であり、かつ上澄み液の希釈倍率やろ過流量、評価時間など決められておらず、正しく評価するためには経験が必要になる。
【０００６】
また特許文献２では膜ろ過初期の膜ろ過特性の測定データから、膜ろ過プラントの長期安定膜ろ過流束の推定方法が開示されているが、流束以外の運転条件をあらかじめ決めておく必要がある。また実際には、一定の流束で運転し続けていると、台風や季節変動による自然の変化によって急激な差圧上昇が度々生じる。一度膜間差圧が上がってしまった膜は、膜ろ過システムを一度停止させ、薬品洗浄などをしなくてはならず、コスト的にも不利になる。
【非特許文献１】膜学実験法−人工膜編−日本膜学会２００６年発行pp163-164
【特許文献１】特開２００７−１２５４６５号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０５９６５８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、簡便な方法で運転予測することは難しく、また水質は日々変化することから、一つの運転条件で安定運転を続けることは困難である。本発明は、地下水、河川水、湖沼水、海水、下水二次処理水などの被処理水を膜ろ過して透過水を得る膜ろ過システムにおいて、評価用膜モジュールから適切な運転条件を予測し、安定に長期間運転できる膜ろ過システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、断続的に評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を評価することで、膜ろ過システムの運転条件を決めることができることを知るに至った。すなわち本発明は、
（１）精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、膜ろ過システム本体に使用されるろ過膜よりも膜面積の小さいろ過膜を有する、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価する評価用膜モジュールを備え、その評価用膜モジュールでろ過抵抗の上昇度を測定し、その結果に基づいて膜ろ過システム本体の運転条件を最適化する膜ろ過システムの運転方法であって、その運転方法が、定流量運転または定圧運転であり、評価用膜モジュールの流束または圧力が膜ろ過システム本体のそれよりも１．１倍以上１０倍以下の加速試験評価であることを特徴とする膜ろ過システムの運転方法。
（２）前記評価用膜モジュールで、ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上になった場合に、凝集剤を５ppm以上１００ppm以下、および／または逆流物理洗浄で次亜塩素酸ナトリウムを１０ppm以上５００ppm以下添加する請求項１に記載の膜ろ過システムの運転方法。
【発明の効果】
【０００９】
地下水、河川水、湖沼水、海水、下水二次処理水などの被処理水を膜ろ過して透過水を得る膜ろ過システムにおいて、安定に長期間運転できる膜ろ過システムの運転方法を提供することで、運転を停止し、薬品洗浄したり、膜交換したりすることによる水製造コスト高を抑えた膜ろ過システムの提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明における膜ろ過システムは、地下水、河川水、湖沼水、海水、および下水二次処理水から選ばれる少なくとも一種からなる被処理水を膜ろ過するために用いられる精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、精密ろ過膜および／または限外ろ過膜の前段、または並列に、膜ろ過システム本体に使用されるろ過膜よりも膜面積の小さい同じろ過膜を有する、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価する評価用膜モジュールを備えていることを特徴とする。このように構成された本発明による方法では、膜ろ過システム本体でろ過される同じ被処理水を評価用膜モジュールで加速試験評価によってろ過することができる。それにより、評価用膜モジュールのファウリングが膜ろ過システム本体のそれよりも早期に進行し、膜ろ過システム本体におけるろ過差圧の上昇を前もって知ることが可能になる。
【００１１】
ろ過膜の細孔が目詰まりして透水量が減少するとろ過抵抗が上昇する。そのためこれまでの研究では、１回のろ過工程において、ろ過抵抗が上昇しにくい膜を用いることが安定運転に繋がると考えられていた。しかしながら、実際の運転ではろ過工程と物理洗浄工程を交互に実施する膜ろ過方法が主流であるため、安定運転を可能にするには１回のろ過工程におけるろ過抵抗の上昇を抑制するより、物理洗浄工程を含む連続運転におけるろ過抵抗の上昇を抑制することが求められる。
【００１２】
つまり、ろ過工程で起こる目詰まりの程度ではなく、洗浄回復性を含んだろ過抵抗の変化が重要となる。１回のろ過工程においてろ過抵抗が上昇しても、物理洗浄工程において目詰まりを引き起こした成分が除去できれば、次のろ過工程開始時には透水量が増加してろ過抵抗は低下する。このように、ろ過工程および物理洗浄工程を交互に繰り返したときの総ろ過水量（m3/m2）を横軸に、式１から算出したろ過抵抗（1/m）を縦軸にプロットした図１において、各ろ過工程開始時のろ過抵抗を結んだ直線の傾きをろ過抵抗の上昇度とした。ろ過抵抗の上昇度が低いほど、ろ過、逆流物理洗浄を繰り返す膜ろ過運転において長期的には安定運転が可能となる。
【００１３】
発明者らは評価用膜モジュールでろ過、逆流物理洗浄を繰り返す膜ろ過運転評価において、膜ろ過システム本体のように、スクラビング洗浄の操作がなくても、評価用膜モジュールで得られたろ過抵抗の上昇度と膜ろ過システム本体の差圧上昇傾向に相関があることを見出した。また評価用膜モジュールで膜ろ過システム本体の差圧よりも圧力を上げた、加速試験評価をしたときに得られたろ過抵抗の上昇度は、膜ろ過システム本体の差圧がその圧力まで上昇した際の差圧上昇傾向と相関があることを見出した。
（式１）
ろ過抵抗(1/m) ＝（ろ過圧力(Pa)）×（密度(g/cm3)）×１０６×（膜面積(m2)）／（（粘度(Pa・s)×（単位時間あたりの透過水量(g/s)））
ここで精密ろ過膜または限外ろ過膜とは、膜に供給される原水に含有される成分のうち、５μm以上の成分を９０％以上、０．００５μm以下の成分を９０％未満除去する分離膜である。精密ろ過膜または限外ろ過膜の素材には、ポリアクリロニトリル、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、酢酸セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子素材、セラミック等の無機素材等を挙げることができ、特に限定されないが、安定運転を考慮すると耐薬品性と透水性が高いポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる場合が好ましい。ろ過膜の形状は中空糸状であっても平膜状であっても構わない。
【００１４】
評価用膜モジュールは膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価するため、本体の前段または並列に設置する。中空糸膜モジュールは、膜ろ過システム本体と同じ形状をした、大きさは特に限定されないが、筒状の容器に長さ１０cm〜５０cmの中空糸を１本〜１００本収納し、両端を封止したものが好ましい。平膜モジュールの場合も大きさは特に限定されないが、直径１５mm〜３００mmの円上に切り取った膜を基盤上でOリングなどで封止したものが好ましい。評価用膜モジュールのろ過および逆流物理洗浄の流量、圧力は膜ろ過システム本体とは別に調整するため、それぞれ流量調節バルブ、圧力計を備えていることが好ましい。
【００１５】
加速試験評価は、まず膜ろ過システム本体の単位面積あたりの１回のろ過流量、逆流物理洗浄量と評価用膜モジュールの単位面積あたりの１回のろ過流量、逆流物理洗浄量が同じになるように設定する。定流量加速運転評価では、単位面積（m2）あたりの水の移動量（m3/s）から求められる流束（m3/m2・s）を膜ろ過システム本体の１．１倍以上１０倍以下にした定流量条件で評価用膜モジュールを運転する。１０倍を超えると評価用膜モジュールのろ過圧力が高くなり、膜が潰れるなどの問題が生じ、また１．１倍未満では加速評価ではなくなるので、膜ろ過システム本体の変化への対応が遅くなる場合がある。好ましくは１．１倍以上３倍以下である。
【００１６】
例えば膜ろ過システム本体で流束１．５m/dで運転している場合、評価用膜モジュールでは２．０m/dになるように運転することが好ましい。逆流物理洗浄流束もろ過流束の加速倍率に合わせることが好ましい。定圧加速運転評価では、圧力を膜ろ過システム本体の１．１倍以上１０倍以下の定圧条件で評価用膜モジュールを運転する。１０倍を超えると評価用膜モジュールのろ過圧力が高くなり、膜が潰れるなどの問題が生じ、また１．１倍未満では加速評価ではなくなるので、膜ろ過システム本体の変化への対応が遅くなる場合がある。好ましくは１．２倍以上５倍以下である。例えば、膜ろ過システム本体のろ過差圧が２０kPa〜４０kPaであれば、評価用膜モジュールは５０kPa、膜ろ過システム本体のろ過差圧が４０〜６０kPaであれば、評価用膜モジュールは８０kPaとすることが好ましい。このとき逆流物理洗浄圧力は、ろ過圧力の加速倍率に合わせることが好ましい。より加速運転評価する場合は、評価用膜モジュールの単位面積あたりの１回のろ過流量、逆流物理洗浄量を増やしてもよい。
【００１７】
一度の評価で、ろ過工程、逆流物理洗浄工程は５回以上繰り返すことが必要である。この評価は毎日行ってもよいし、数日に１回であってもよい。水質は日々変化することから、毎日評価する方が、膜ろ過システム本体への早期対応が可能になる。評価用膜モジュールは装置に取り付けたまま、何度でも評価が可能である。ただし、ろ過抵抗の上昇度の値が１．０×１０１２m-2以上になった評価用膜モジュールは、新品と取り替えることが好ましい。
【００１８】
ろ過抵抗の上昇度の評価は、総ろ過水量（m3/m2）を横軸に、式１から算出したろ過抵抗（1/m）を縦軸にプロットした図１において、各ろ過工程開始時のろ過抵抗５点を結んだ直線の傾きを指す。ただし、５点が直線上に乗らない場合には、線形近似で直線の傾きを求めてろ過抵抗の上昇度とする。
【００１９】
このろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2未満、特に０．３×１０１２m-2以下であれば、膜ろ過システム本体の差圧は大きく変化せず、安定に長期運転が可能になる。ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上となった場合は、膜ろ過システム本体の膜間差圧は徐々に上昇し、特に１．０×１０１２m-2以上となった場合は、膜ろ過システム本体の膜間差圧は急激に上昇する。
【００２０】
そこで本発明では、ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上となった場合、あるいは１．０×１０１２m-2以上となった場合に、前処理として膜ろ過システム本体に入る被処理水にポリ塩化アルミニウムなどのアルミニウム塩や硫酸鉄などの鉄塩などの凝集剤を５ppm以上１００ppm以下添加する、および／または逆流物理洗浄で膜ろ過システム本体に次亜塩素酸ナトリウムを１０ppm以上５００ppm以下添加することで安定運転を維持できることを見出した。
【００２１】
添加剤の効果、コストを考慮するとより好ましくは凝集剤が５ppm以上５０ppm以下、次亜塩素酸ナトリウムが１０ppm以上３００ppm以下である。また他にも効果はあまり高くないが、ろ過流束を小さくする、ろ過時間を短くする、逆流物理洗浄流束を大きくする、逆流物理洗浄時間を長くするなどの膜ろ過システム本体の運転条件を変更してもよい。変更する膜ろ過システム本体の運転条件は、必要透水量およびコスト試算などから考えて決めるとよい。
【００２２】
評価用膜モジュールは凝集剤、次亜塩素酸ナトリウムを添加しない被処理水のろ過抵抗の上昇度を測定しており、ろ過抵抗の上昇度の値から運転条件を決めることができる。そのため被処理水が変化し、ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上となり、凝集剤などを添加して運転を継続した後に、再びその値が０．５×１０１２m-2以上から０．５×１０１２m-2未満になった場合は、凝集剤の添加などの条件を必要としなくなる。このようにコストや環境への負荷を最低限にした適切な条件で膜ろ過システム本体の運転を長期に安定運転できることが本発明の効果である。
【００２３】
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００２４】
平均孔径が０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜モジュール（膜面積１１．５m2）を用いて、琵琶湖水の定流量外圧全ろ過運転を行った。運転条件は、ろ過流束２．５m/d、逆流物理洗浄流束５．０m/d、回収率９５％（ろ過３０分、逆流物理洗浄３０秒、スクラビング洗浄６０秒）とした。
【００２５】
図２には膜ろ過システム本体に並列につなげた、中空糸膜評価用膜モジュール装置を示した。筒状容器内に膜ろ過システム本体と同じ平均孔径が０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜６本を収納して端部固定した長さ１５mmの評価用膜モジュール１（膜面積０．００４m2）を取り付けた。膜ろ過工程では、被処理水を取水口２から採水し、流量調節バルブ３で流量、圧力計４で圧力を調整し、開放したバルブ５の先につなげた評価用膜モジュール１に通水し、開放したバルブ６の先から膜を透過したろ過水９が得られる。このときバルブ７およびバルブ８は閉じてある。逆流物理洗浄工程では、膜を透過したろ過水９を流量調節バルブ１０で流量、圧力計１１で圧力を調整し、開放したバルブ８の先につなげた評価用膜モジュール１に通水し、開放したバルブ７の先から排水する。このときバルブ５およびバルブ６は閉じている。このろ過、逆流物理洗浄工程を繰り返して、ろ過抵抗の上昇度を求めた。
【００２６】
実施例１
膜ろ過システムを２２日間運転した。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、５日ごとに評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。運転初期は、膜ろ過システム本体の膜間差圧は３０kPaであり、評価用膜モジュールのろ過圧力は５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度は０．４×１０１２m-2でほぼ一定であった。このとき膜ろ過システム本体の膜間差圧は２２日間、３０kPaから４０kPaであり、安定して運転することができた。
【００２７】
実施例２
実施例１と同時期に、評価用膜モジュールは定流量加速運転で、５日ごとに評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。ろ過流束は３．０m/d、逆流物理洗浄流束６．０m/dとした。ろ過抵抗の上昇度は０．３×１０１２m-2でほぼ一定であり、このときの膜ろ過システム本体の膜間差圧は２２日間、３０kPaから４０kPaであり、安定して運転することができた。
【００２８】
比較例１
実施例１と同時期に、評価用膜モジュールは定圧加速運転で、評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。評価用膜モジュールのろ過圧力を膜ろ過システム本体の膜間差圧３０kPaの１５倍の４５０kPaにしたところ、膜が潰れ、透水量が低下し、評価用膜モジュールで評価することができなかった。
【００２９】
比較例２
実施例１と同時期に、評価用膜モジュールは定流量加速運転で、評価用膜モジュールのろ過抵抗の上昇度を測定した。評価用膜モジュールのろ過流束を２．５m/dの１２倍の３０m/dにしたところ、ろ過圧力が急激に上昇し、膜が潰れ、透水量が低下し、評価用膜モジュールで評価することができなかった。
【００３０】
実施例３
実施例１とは別の時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度は０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の条件をろ過流束２．５m/dのまま、膜ろ過システム本体に入る被処理水にポリ塩化アルミニウム１０mg/L添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は４０kPaから５０kPaの間で安定になり、１５日目でも５０kPaであった。
【００３１】
比較例３
実施例３と同時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度はそれぞれ０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の条件をろ過流束２．５m/dのまま、膜ろ過システム本体に入る被処理水にポリ塩化アルミニウム２mg/L添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は２日目で５０kPaに達し、膜間差圧は上昇し続け、１５日目には１２０kPaに達し、運転を停止した。
【００３２】
実施例４
実施例３と同時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度はそれぞれ０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の逆流物理洗浄に次亜塩素酸ナトリウムを２０ppm添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は４５kPaから５５kPaの間で安定になり、１５日目でも５５kPaであった。
【００３３】
比較例４
実施例３と同時期に、膜ろ過システムを１５日間運転した。運転初期の膜ろ過システム本体のろ過差圧は３５kPaであった。評価用膜モジュールは定圧加速運転で、ろ過圧力を５０kPaとした。ろ過抵抗の上昇度はそれぞれ０．９×１０１２m-2となり、膜ろ過システム本体の膜間差圧の急激な上昇が予想されたことから、すみやかに膜ろ過システム本体の逆流物理洗浄に次亜塩素酸ナトリウムを５ppm添加した。膜ろ過システム本体の膜間差圧は上昇し続け、１５日目には１５０kPaに達し、運転を停止した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の膜ろ過システムは、地下水、河川水、湖沼水、海水、下水２次処理水などを膜ろ過する際に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ろ過実験による総ろ過水量−ろ過抵抗のグラフの一例を示す。
【図２】評価用膜モジュールの概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：評価用膜モジュール
２：取水口
３：流量調整バルブ
４：圧力計
５：バルブ
６：バルブ
７：バルブ
８：バルブ
９：ろ過水
１０：流量調整バルブ
１１：圧力計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、膜ろ過システム本体に使用されるろ過膜よりも膜面積の小さいろ過膜を有する、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価する評価用膜モジュールを備え、その評価用膜モジュールでろ過抵抗の上昇度を測定し、その結果に基づいて膜ろ過システム本体の運転条件を最適化する膜ろ過システムの運転方法であって、その運転方法が定流量運転または定圧運転であり、評価用膜モジュールの流束または圧力が膜ろ過システム本体のそれよりも１．１倍以上１０倍以下の加速試験評価であることを特徴とする膜ろ過システムの運転方法。
【請求項２】
ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上になった場合に、凝集剤を５ppm以上１００ppm以下、および／または逆流物理洗浄で次亜塩素酸ナトリウムを１０ppm以上５００ppm以下添加する請求項１に記載の膜ろ過システムの運転方法。
【請求項１】
精密ろ過膜および／または限外ろ過膜を備えた膜ろ過システムにおいて、膜ろ過システム本体に使用されるろ過膜よりも膜面積の小さいろ過膜を有する、膜ろ過システム本体と同じ被処理水を評価する評価用膜モジュールを備え、その評価用膜モジュールでろ過抵抗の上昇度を測定し、その結果に基づいて膜ろ過システム本体の運転条件を最適化する膜ろ過システムの運転方法であって、その運転方法が定流量運転または定圧運転であり、評価用膜モジュールの流束または圧力が膜ろ過システム本体のそれよりも１．１倍以上１０倍以下の加速試験評価であることを特徴とする膜ろ過システムの運転方法。
【請求項２】
ろ過抵抗の上昇度の値が０．５×１０１２m-2以上になった場合に、凝集剤を５ppm以上１００ppm以下、および／または逆流物理洗浄で次亜塩素酸ナトリウムを１０ppm以上５００ppm以下添加する請求項１に記載の膜ろ過システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２３３５１１（Ｐ２００９−２３３５１１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８０１６７（Ｐ２００８−８０１６７）
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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