膜ろ過システム
【課題】システムの省エネルギ化を図ることができる膜ろ過システムを提供する。
【解決手段】孔径調整材が付加されたろ過膜6を有する膜モジュール51,52と、膜モジュールにより処理された処理水が送られる処理水槽7と、処理水槽から膜モジュールまでの間に設けられた逆洗浄供給ラインL5と、逆洗浄供給ラインに設けられた逆洗浄ポンプ9と、逆洗浄供給ラインに設けられた加温手段8と、膜モジュールから逆洗浄使用済みの温水が排出される逆洗浄排出ラインL6と、膜モジュールのろ過膜でろ過されるべき原水を加温するための熱媒体が循環通流される熱媒体循環ラインL8,L9と、逆洗浄排出ラインに連通する第１の流路10aと熱媒体循環ラインに連通する第２の流路10bとを有し、第１の流路を流れる逆洗浄使用済みの温水と第２の流路を流れる熱媒体との間で熱交換させる熱交換器10とを有する。
【解決手段】孔径調整材が付加されたろ過膜6を有する膜モジュール51,52と、膜モジュールにより処理された処理水が送られる処理水槽7と、処理水槽から膜モジュールまでの間に設けられた逆洗浄供給ラインL5と、逆洗浄供給ラインに設けられた逆洗浄ポンプ9と、逆洗浄供給ラインに設けられた加温手段8と、膜モジュールから逆洗浄使用済みの温水が排出される逆洗浄排出ラインL6と、膜モジュールのろ過膜でろ過されるべき原水を加温するための熱媒体が循環通流される熱媒体循環ラインL8,L9と、逆洗浄排出ラインに連通する第１の流路10aと熱媒体循環ラインに連通する第２の流路10bとを有し、第１の流路を流れる逆洗浄使用済みの温水と第２の流路を流れる熱媒体との間で熱交換させる熱交換器10とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表流水、地下水等の淡水、雨水貯水、産業廃水、下水等の汚水、バラスト水等の海水の水処理に適した膜ろ過システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
表流水、地下水等の淡水、雨水貯水、産業廃水、下水等の汚水、バラスト水等の海水などをろ過して、生活用水、工業用水、農業用水などの有用水を得る手段として、例えば精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などのろ過膜が利用されている。これらのろ過膜は原水中の微生物、藻類、粘土などの固形分に対して高い分離性能を備えているため、水処理分野での使用が拡大している。膜の素材としては一般には親水性材料が用いられるが、疎水性材料を用いる場合でも、膜面を重クロム酸カリの硫酸溶液などにより親水化処理することで用いられる。
【０００３】
このようなろ過膜に継続的に原水を通水することにより、膜外表面や膜孔内に固形分などの異物が次第に付着・堆積してろ過性能が低下していく。そこで、所定の運転期間を過ぎたものは定期的にろ過した処理水や圧縮空気などによる物理洗浄を行い、膜外表面や膜孔内の付着物を除去する。さらに、物理洗浄では除去し難い付着物が徐々に蓄積するため、膜差圧が予め設定された閾値を越えたときに膜ろ過処理を停止し、所定の薬品を用いて膜を化学洗浄する。
【０００４】
しかし、薬品による膜の化学洗浄は、薬品そのもののコストがかかるばかりでなく、廃水を処理するためにコストがかかる。たとえば処理対象が河川水の場合は、微小で粘着性の高い懸濁物が含まれており、これらによって通常の物理洗浄ではろ過性能が回復しにくいファウリング（膜閉塞）が発生するが、ファウリング（膜閉塞）の発生を未然に防止しようとすると、薬品洗浄の頻度が高くなり、廃水処理による環境負荷の増大とコスト上昇を招くという問題がある。廃水処理の問題は地球環境保全の観点からも重要である。そこで、特許文献１〜３に記載された膜ろ過システムでは、膜の表面に所定の温度で可逆的に膨張または収縮の変化をする温度応答性化合物を有するろ過膜を用いることにより、低コストでかつ環境にやさしい膜洗浄方法として薬品の代わりに温水を用いて膜洗浄処理している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２９５０３号公報
【特許文献２】特開２００８−２８９９５９号公報
【特許文献３】特開２００７−１３０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の膜ろ過システムでは、所定の温度で可逆的に膨張／収縮や親水／疎水の変化を起こす温度応答性化合物の性質を利用して膜の洗浄効果を高めるために温水を使用するが、この温水を得るために多量の熱エネルギが消費されるばかりでなく、逆洗浄後の温排水はそのまま系外に排出されている。このため温排水とともに少なくない熱量が捨てられ、エネルギ利用効率が低いという問題がある。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、処理に要する全体的なエネルギを低減することができ、システムの省エネルギ化を図ることができる膜ろ過システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る膜ろ過システムは、原水槽(2)と、周囲環境の状態量の変化に応じて水を通過させるための孔の径を変化させる孔径調整材が付加されたろ過膜(6)を有する膜モジュール(51,52)と、前記原水槽から前記膜モジュールに原水を供給する原水供給ポンプ(3)と、前記膜モジュールにより処理された処理水が送られる処理水槽(7)と、前記処理水槽から前記膜モジュールまでの間に設けられた逆洗浄供給ライン(L5)と、前記処理水槽からの処理水を逆洗浄水として前記膜モジュールに供給するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた逆洗浄ポンプ(9)と、前記処理水を加熱して所定温度の温水を生成するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた加温手段(8)と、前記膜モジュールから逆洗浄使用済みの温水が排出される逆洗浄排出ライン(L6)と、前記膜モジュールのろ過膜でろ過されるべき原水を加温するための熱媒体が循環通流される熱媒体循環ライン(L8,L9)と、前記逆洗浄排出ラインに連通する第１の流路(10a)と前記熱媒体循環ラインに連通する第２の流路(10b)とを有し、前記第１の流路を流れる逆洗浄使用済みの温水と前記第２の流路を流れる熱媒体との間で熱交換させる熱交換器(10)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、逆洗浄時に膜モジュールから排出される温排水から熱交換器の熱媒体により余熱エネルギを回収し、回収した熱エネルギを膜モジュールのろ過膜に付与してろ過膜を予熱するので、処理に要する全体的なエネルギを低減することができ、システムの省エネルギ化を図ることができる膜ろ過システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜ろ過システムを示す構成ブロック図。
【図２】膜モジュールを切り欠いて示す斜視図。
【図３】（ａ）は常温通水時のろ過膜の状態を示す断面模式図、（ｂ）は温水洗浄時のろ過膜の状態を示す断面模式図。
【図４】本発明の実施形態に係る膜ろ過システムの熱交換器の詳細を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００１２】
膜ろ過システム１は、原水槽２、原水供給ポンプ３、ストレーナ４、中空糸状のろ過膜６を有する２つの膜モジュール５１,５２、処理水槽７、ヒータ８、逆洗浄ポンプ９、熱交換器１０、熱発電モジュール１１、熱媒体循環ポンプ１２、回収装置１３およびコンプレッサ１４を有し、平均孔径１００μｍ以下の微細孔を備えるろ過膜６を用いて原水中に含まれる固形分などの異物を除去して浄化された処理水を得るための水処理装置である。
【００１３】
膜ろ過システム１において処理対象となる原水は図示しない導水ポンプによって原水槽２に導かれている。原水槽２には、河川水、地下水、湖沼水などの淡水、雨水貯水、産業廃水や下水などの汚水、バラスト水などの海水が導入され、このような原水が一時的に滞留または貯留されている。原水中には、例えばシリカコロイド、ベントナイト、粘土などの無機物のほかに大腸菌などのバクテリア、クリプトスポリジウム、ジアルジアなどの原虫、プランクトンなどの異物が含まれている。これらはカルボキシル基、アミノ基、水酸基などを有している。
【００１４】
原水槽２は、供給ラインＬ１を介して２つの膜モジュール５１,５２の下部にそれぞれ接続されている。供給ラインＬ１の幹管にはバルブＶ１,ポンプ３およびストレーナ４が取り付けられ、ラインＬ１の各枝管にはバルブＶ２，Ｖ３がそれぞれ取り付けられている。供給ポンプ３は、膜ろ過処理の前段プロセスの処理水を原水として膜モジュール５１，５２に供給するようになっている。
【００１５】
供給ポンプ３は、膜モジュール５１,５２内の中空糸状のろ過膜６に対して十分な圧力を印加しうる能力を備えている。ストレーナ４は直径が１ミリ以上の比較的大サイズの異物を除去する性能を有している。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３およびポンプ３は、図示しない制御器によってそれぞれ動作がコントロールされるようになっている。この図示しない制御器は、膜ろ過システム１の全体を統括的に制御するものであり、これらバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉動作およびポンプ３の起動・停止動作ばかりでなく、後述する他のバルブＶ４〜Ｖ１４の開閉動作、ポンプ９，１２の起動・停止動作およびヒータ８のオンオフ動作をそれぞれ制御するものである。
【００１６】
図２に示すように、膜モジュール５１，５２の各々は長手軸が垂直方向に延び出す円筒状の本体ケーシング５ａを有し、この本体ケーシング５ａ内に多数の中空糸を束ねてなるろ過膜６が充填装入されている。ろ過膜６を構成する中空糸は、本体ケーシング５ａの長手軸と平行に並ぶように揃えられ、適所をバンドにより結束してバンドル状にまとまった形状にされるとともに、適所にスペーサを挿入して中空糸の相互間隔が所望の距離に保たれるようにされている。
【００１７】
ろ過膜６を構成する中空糸の上端部は、膜モジュール５１，５２の上部に設けられた第２及び第４の開口流路５ｃ，５ｅの近傍に開口している。また、ろ過膜６を構成する中空糸の下端部は、膜モジュール５１，５２の下部に設けられた第１の開口流路５ｂの近傍に開口している。
【００１８】
第１の開口流路５ｂは、本体ケーシング５ａの底部に設けられ、原水供給ラインＬ１に連通し、原水を膜モジュール５１，５２の下部に導入するための流路の一部をなすものである。原水供給ラインＬ１には上流側から順にバルブＶ１、供給ポンプ３、ストレーナ４およびバルブＶ２，Ｖ３が設けられている。
【００１９】
第２の開口流路５ｃは、本体ケーシング５ａの頂部に設けられ、処理水排出ラインＬ２および逆洗浄供給ラインＬ５にそれぞれ連通し、処理水または逆洗浄水が通流するための流路の一部をなすものである。すなわち、第２の開口流路５ｃは、通常運転時においては処理水排出ラインＬ２を通って処理水を処理水槽７に送り出すための排出口として機能する一方で、逆洗浄時においては逆洗浄供給ラインＬ５を通って処理水槽７／ヒータ８側から温水（約５０℃に加温した処理水）を膜モジュール５１，５２内に導入するための導入口として機能するものである。処理水排出ラインＬ２には膜モジュール５１，５２に１対１に対応するバルブＶ４，Ｖ５がそれぞれ設けられている。逆洗浄供給ラインＬ５には上流側から順にバルブＶ９、ヒータ８、逆洗浄ポンプ９およびバルブＶ１０，Ｖ１１が設けられている。
【００２０】
第３の開口流路５ｄは、本体ケーシング５ａの側周面の下部に設けられ、温水排出ラインＬ６、熱媒体供給ラインＬ９および加圧空気供給ラインＬ１０にそれぞれ連通し、温排水または熱媒体または加圧空気が通流するための流路の一部をなすものである。
【００２１】
第４の開口流路５ｅは、本体ケーシング５ａの側周面の上部に設けられ、温水排出ラインＬ６、熱媒体戻りラインＬ８および加圧空気供給ラインＬ１０にそれぞれ連通し、温排水または熱媒体または加圧空気が通流するための流路の一部をなすものである。温水排出ラインＬ６には膜モジュール５１，５２に１対１に対応するバルブＶ１２，Ｖ１３が設けられている。熱媒体供給ラインＬ９にはポンプ１２およびバルブＶ１４が設けられている。加圧空気供給ラインＬ１０には膜モジュール５１，５２に１対１に対応するバルブＶ６，Ｖ７が設けられている。膜モジュール５１，５２から溢れ出る水は、温水排出ラインＬ６により熱交換器１０に導かれ、熱交換器１０において熱媒体循環ラインＬ８，Ｌ９を通流する熱媒体と熱交換した後に熱交換器１０から出て行くようになっている。
【００２２】
なお、熱媒体供給ラインＬ９および熱媒体戻りラインＬ８は、熱媒体が系外に漏れ出さないようにして熱交換器１０と膜モジュール５１，５２との間で熱媒体を循環させる閉じた回路を形成するために、膜モジュール５１，５２内では二重管構造（図示せず）になっている。また、加圧空気供給ラインＬ１０には、コンプレッサ１４からの加圧空気を膜モジュール５１，５２内に吹き込むためのノズル（図示せず）が設けられている。
【００２３】
図３を参照して膜モジュール内のろ過膜の詳細を説明する。
【００２４】
ろ過膜６を構成する中空糸は、図３の（ａ）に示すように基体５ａに微細な多数の孔６４を有し、外表面６１に孔径調整材６３としての温度応答性化合物であるN-イソプロピルアクリルアミドが付加（塗布）されている。N-イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖は温度の変化やｐＨの変化に応じて収縮または膨張して、孔６４の径が大きくなるか、または小さくなるようになっている。例えば第１の膜モジュール５１内のろ過膜６を逆洗浄する場合に、ヒータ８で約５０℃に加温した処理水を逆洗浄水としてラインＬ５を介して膜モジュール５１内に導入すると、図３の（ｂ）に示すように孔６４の径が拡大するとともに、温度応答性化合物６３の形態が変化することにより付着していた異物２２がろ過膜の外表面６１から離脱するようになる。これによりろ過膜６が清浄化され、低下したろ過性能が回復する。
【００２５】
上述したように膜表面を温度応答性高分子６３で処理した機能性中空糸膜と温水洗浄を組み合わせることにより、ファウリング（膜閉塞）の発生を抑制することができる。機能性中空糸は、温度に応じて膜表面の物性が変化するため、温水で逆洗浄することにより膜表面の汚れを効率良く除去する。室温では温度応答性高分子が伸びた状態にあるため、膜を水が通過する際に汚濁物質を捕獲しやすい。膜表面の汚れを除去する場合は、膜が接する水を約４０℃以上に加温して温度応答性高分子を収縮させ、汚濁物質を膜表面から離脱させることができる。ちなみにN-イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖は、温度が約２５℃を超えると収縮を開始し、４０℃付近では収縮がほぼ飽和状態となる。また、N-イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖は、ｐＨが酸性領域になるに伴い収縮し、中性またはアルカリ性のｐＨ領域になるにしたがって膨張する。
【００２６】
ろ過膜にかかる膜差圧は、通常５〜３０ｋＰａ程度であるが、財団法人水道技術研究センターの「小規模水道における膜ろ過施設導入ガイドライン」によると精密ろ過膜の場合は最大１５０ｋＰａであり、限外ろ過膜の場合は３００ｋＰａ以下であることという指針が示されている。
【００２７】
次に図４を参照して熱交換器の詳細を説明する。
【００２８】
熱交換器１０は、逆洗浄時に膜モジュール５１（又は５２）から排出される温排水を通流させる第１の流路１０ａと、膜モジュール５１（又は５２）に循環供給される熱媒体を通流させる第２の流路１０ｂとを備えている。これら第１の流路１０ａと第２の流路１０ｂとは、図示のように流体の流れの向きが対向流となるように熱交換器本体内部に形成されている。
【００２９】
第１の流路１０ａは、入口側が逆洗浄排出ラインＬ６に連通し、出口側が回収ラインＬ７に連通している。一方、第２の流路１０ｂは、入口側が熱媒体戻りラインＬ８に連通し、出口側が熱媒体供給ラインＬ９に連通している。この第２の流路１０ｂは、膜モジュール５１，５２と熱交換器１０との間で熱媒体を循環させる循環回路の一部をなすものである。
【００３０】
次に本実施形態の膜ろ過システムの作用を説明する。
【００３１】
以下に述べる一連の工程手順に従って膜ろ過処理が行われる。
【００３２】
バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を開け、ポンプ３の駆動によって各膜モジュール５１，５２に原水をそれぞれ供給し、ろ過膜の外表面６１側に所定の圧力をかける。
【００３３】
膜モジュール５１，５２の上部のバルブＶ４，Ｖ５を開け、ろ過膜６によりろ過された処理水を膜モジュール５１，５２からラインＬ２を介して処理槽７に送り出す。開口流路５ｄ，５ｅを介して膜モジュール５１，５２から排出する残留水は、回収率を上げるため原水槽２へ戻すようにしてもよい。
【００３４】
次に、逆洗浄処理の作用について説明する。
【００３５】
膜ろ過処理を繰り返し行うと図３の（ａ）に示すようにろ過膜の外表面６１に固形分などの異物２２が付着蓄積してろ過性能が低下するため、定期的に所定の頻度（例えば１回／日）で温度調整またはｐＨ調整のいずれか一方を用いてろ過膜を逆洗浄する。以下、第１の膜モジュール５１を逆洗浄処理する場合について説明する。なお、第１の膜モジュール５１を逆洗浄処理している間に、これと同時並行して第２の膜モジュール５２のほうでは膜ろ過処理が行われる。
【００３６】
(i)ドレイン工程
バルブＶ１２および膜モジュール下部のバルブＶ２を開け、膜モジュール５１の内部にある水を排出する。排出した水は、回収率を向上させるために原水槽２へ戻すようにしてもよい。
【００３７】
(ii)温水工程
バルブＶ９を開け、処理槽７から処理水をヒータ８の容器へ送り出し、ヒータ８により処理水を５０℃になるまで加熱する。ヒータ容器内の処理水の温度が５０℃に達すると、バルブＶ１０を開け（このときバルブＶ１１は閉じた状態）、ポンプ９を起動し、温水を膜モジュール５１の上部に導入する。膜モジュール５１の内部の温度が５０℃になるまで膜モジュール５１から温水を溢れ出させる。膜モジュール５１を所定の温度にするため、ヒータ８で加熱した温水を用いて膜モジュール５１を加温する。膜モジュール５１から溢れる温水は、排水ラインＬ６を通って熱交換器１０に送られ、熱交換器１０において温排水から余熱エネルギを回収するとともに水（熱媒体）に熱エネルギを付与する。
【００３８】
(iii)逆圧・逆流工程
バルブＶ６を開け、膜モジュールの処理水側からコンプレッサ１４により加圧空気を供給し、ろ過膜６の内表面側に所定の圧力をかける。さらに、膜モジュール上部のバルブＶを開け、膜モジュールの上部の処理水（２次側の処理水）を原水の循環ラインへ押し出す。
【００３９】
(iv)エアスクラビング工程
圧力を保持したままの状態で、バルブＶ６を開け、所定時間だけ膜モジュール下部の原水側からコンプレッサ１４により加圧空気を供給し、吹き込みエアのバブリングによりろ過膜６を揺動させる。
【００４０】
(v)ドレイン工程
所定時間エアスクラビングを行った後、バルブＶおよび膜モジュール下部のバルブＶを開け、膜モジュール５１内の温水を排出する。このときコンプレッサ１４により加圧空気を流したままのほうがより効果的に付着物を排出することができる。膜モジュール５１から排出された温排水は、ラインＬ６を通って熱交換器１０に送られ、熱交換器１０において熱媒体と熱交換されて保有する熱エネルギが回収される。
【００４１】
さらに、熱交換器１０は熱発電装置１１に熱エネルギを付与するため、熱発電装置１１は熱発電することができる。さらに、熱交換器１０からラインＬ７を介して回収装置１３に温排水を送り出し、温排水を回収し、再生し、ラインＬ５に戻して再利用することができる。
【００４２】
(vi)原水すすぎ工程
バルブＶ２を開け、さらに膜モジュール上部のバルブＶ４を開け、ポンプ３を起動し、膜モジュール５１のすすぎを行う。すすいだ水は、回収、再生して再利用するようにしてもよいし、系外に排出するようにしてもよい。このときコンプレッサ１４から加圧空気を流したままの状態にあるほうがより効果的にすすぎを行うことができるが、電力コストを削減するために加圧空気の供給を停止することもできる。
【００４３】
本実施形態では２つの膜モジュールを並列に配置して交互に運転→逆洗浄→運転を繰り返すように動作を制御したが、さらに３つ以上の膜モジュールを並列に配置して他の膜モジュールが水処理運転している間に当該膜モジュールを逆洗浄するようにローテーションを組むこともできる。なお、処理対象水量の規模にもよるが、下水処理設備などの通常の水処理システムにおいては膜モジュールの数はせいぜい数十基から数百基程度までであるが、海水淡水化プラントのように処理対象水量が膨大になるもので設備が大規模にわたるものでは膜モジュールの数が数千基から数万基にも及ぶことがあるため、逆洗浄のローテーション操作をコンピュータシステムの管理下で自動制御することになる。
【００４４】
本発明は、表流水、地下水等の淡水、雨水貯水、産業廃水、下水等の汚水をろ過処理する比較的小規模の水処理プラントの他に、膜ろ過ユニット数が数千から数万の多数におよぶ海水淡水化プラントにも採用することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…膜ろ過システム、２…原水槽、２２…異物（固形分など）、
３…原水供給ポンプ、４…ストレーナ、
５１，５２…膜モジュール、５ａ…ケーシング、
５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ…開口流路、
６…ろ過膜、６０…基体、６１…外表面、６２…内表面、
６３…孔径調整材（温度応答性化合物、pH応答性化合物）、６４…孔、
７…処理水槽、８…ヒータ（加温手段）、９…逆洗浄ポンプ、
１０…熱交換器、１０ａ…第１の流路、１０ｂ…第２の流路、
１１…熱発電モジュール、
１２…循環ポンプ、
１３…回収再生装置、
１４…コンプレッサ（気体供給装置）、
Ｌ１〜Ｌ１０…ライン、Ｖ１〜Ｖ１４…バルブ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表流水、地下水等の淡水、雨水貯水、産業廃水、下水等の汚水、バラスト水等の海水の水処理に適した膜ろ過システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
表流水、地下水等の淡水、雨水貯水、産業廃水、下水等の汚水、バラスト水等の海水などをろ過して、生活用水、工業用水、農業用水などの有用水を得る手段として、例えば精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などのろ過膜が利用されている。これらのろ過膜は原水中の微生物、藻類、粘土などの固形分に対して高い分離性能を備えているため、水処理分野での使用が拡大している。膜の素材としては一般には親水性材料が用いられるが、疎水性材料を用いる場合でも、膜面を重クロム酸カリの硫酸溶液などにより親水化処理することで用いられる。
【０００３】
このようなろ過膜に継続的に原水を通水することにより、膜外表面や膜孔内に固形分などの異物が次第に付着・堆積してろ過性能が低下していく。そこで、所定の運転期間を過ぎたものは定期的にろ過した処理水や圧縮空気などによる物理洗浄を行い、膜外表面や膜孔内の付着物を除去する。さらに、物理洗浄では除去し難い付着物が徐々に蓄積するため、膜差圧が予め設定された閾値を越えたときに膜ろ過処理を停止し、所定の薬品を用いて膜を化学洗浄する。
【０００４】
しかし、薬品による膜の化学洗浄は、薬品そのもののコストがかかるばかりでなく、廃水を処理するためにコストがかかる。たとえば処理対象が河川水の場合は、微小で粘着性の高い懸濁物が含まれており、これらによって通常の物理洗浄ではろ過性能が回復しにくいファウリング（膜閉塞）が発生するが、ファウリング（膜閉塞）の発生を未然に防止しようとすると、薬品洗浄の頻度が高くなり、廃水処理による環境負荷の増大とコスト上昇を招くという問題がある。廃水処理の問題は地球環境保全の観点からも重要である。そこで、特許文献１〜３に記載された膜ろ過システムでは、膜の表面に所定の温度で可逆的に膨張または収縮の変化をする温度応答性化合物を有するろ過膜を用いることにより、低コストでかつ環境にやさしい膜洗浄方法として薬品の代わりに温水を用いて膜洗浄処理している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２９５０３号公報
【特許文献２】特開２００８−２８９９５９号公報
【特許文献３】特開２００７−１３０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の膜ろ過システムでは、所定の温度で可逆的に膨張／収縮や親水／疎水の変化を起こす温度応答性化合物の性質を利用して膜の洗浄効果を高めるために温水を使用するが、この温水を得るために多量の熱エネルギが消費されるばかりでなく、逆洗浄後の温排水はそのまま系外に排出されている。このため温排水とともに少なくない熱量が捨てられ、エネルギ利用効率が低いという問題がある。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、処理に要する全体的なエネルギを低減することができ、システムの省エネルギ化を図ることができる膜ろ過システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る膜ろ過システムは、原水槽(2)と、周囲環境の状態量の変化に応じて水を通過させるための孔の径を変化させる孔径調整材が付加されたろ過膜(6)を有する膜モジュール(51,52)と、前記原水槽から前記膜モジュールに原水を供給する原水供給ポンプ(3)と、前記膜モジュールにより処理された処理水が送られる処理水槽(7)と、前記処理水槽から前記膜モジュールまでの間に設けられた逆洗浄供給ライン(L5)と、前記処理水槽からの処理水を逆洗浄水として前記膜モジュールに供給するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた逆洗浄ポンプ(9)と、前記処理水を加熱して所定温度の温水を生成するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた加温手段(8)と、前記膜モジュールから逆洗浄使用済みの温水が排出される逆洗浄排出ライン(L6)と、前記膜モジュールのろ過膜でろ過されるべき原水を加温するための熱媒体が循環通流される熱媒体循環ライン(L8,L9)と、前記逆洗浄排出ラインに連通する第１の流路(10a)と前記熱媒体循環ラインに連通する第２の流路(10b)とを有し、前記第１の流路を流れる逆洗浄使用済みの温水と前記第２の流路を流れる熱媒体との間で熱交換させる熱交換器(10)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、逆洗浄時に膜モジュールから排出される温排水から熱交換器の熱媒体により余熱エネルギを回収し、回収した熱エネルギを膜モジュールのろ過膜に付与してろ過膜を予熱するので、処理に要する全体的なエネルギを低減することができ、システムの省エネルギ化を図ることができる膜ろ過システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜ろ過システムを示す構成ブロック図。
【図２】膜モジュールを切り欠いて示す斜視図。
【図３】（ａ）は常温通水時のろ過膜の状態を示す断面模式図、（ｂ）は温水洗浄時のろ過膜の状態を示す断面模式図。
【図４】本発明の実施形態に係る膜ろ過システムの熱交換器の詳細を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００１２】
膜ろ過システム１は、原水槽２、原水供給ポンプ３、ストレーナ４、中空糸状のろ過膜６を有する２つの膜モジュール５１,５２、処理水槽７、ヒータ８、逆洗浄ポンプ９、熱交換器１０、熱発電モジュール１１、熱媒体循環ポンプ１２、回収装置１３およびコンプレッサ１４を有し、平均孔径１００μｍ以下の微細孔を備えるろ過膜６を用いて原水中に含まれる固形分などの異物を除去して浄化された処理水を得るための水処理装置である。
【００１３】
膜ろ過システム１において処理対象となる原水は図示しない導水ポンプによって原水槽２に導かれている。原水槽２には、河川水、地下水、湖沼水などの淡水、雨水貯水、産業廃水や下水などの汚水、バラスト水などの海水が導入され、このような原水が一時的に滞留または貯留されている。原水中には、例えばシリカコロイド、ベントナイト、粘土などの無機物のほかに大腸菌などのバクテリア、クリプトスポリジウム、ジアルジアなどの原虫、プランクトンなどの異物が含まれている。これらはカルボキシル基、アミノ基、水酸基などを有している。
【００１４】
原水槽２は、供給ラインＬ１を介して２つの膜モジュール５１,５２の下部にそれぞれ接続されている。供給ラインＬ１の幹管にはバルブＶ１,ポンプ３およびストレーナ４が取り付けられ、ラインＬ１の各枝管にはバルブＶ２，Ｖ３がそれぞれ取り付けられている。供給ポンプ３は、膜ろ過処理の前段プロセスの処理水を原水として膜モジュール５１，５２に供給するようになっている。
【００１５】
供給ポンプ３は、膜モジュール５１,５２内の中空糸状のろ過膜６に対して十分な圧力を印加しうる能力を備えている。ストレーナ４は直径が１ミリ以上の比較的大サイズの異物を除去する性能を有している。バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３およびポンプ３は、図示しない制御器によってそれぞれ動作がコントロールされるようになっている。この図示しない制御器は、膜ろ過システム１の全体を統括的に制御するものであり、これらバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉動作およびポンプ３の起動・停止動作ばかりでなく、後述する他のバルブＶ４〜Ｖ１４の開閉動作、ポンプ９，１２の起動・停止動作およびヒータ８のオンオフ動作をそれぞれ制御するものである。
【００１６】
図２に示すように、膜モジュール５１，５２の各々は長手軸が垂直方向に延び出す円筒状の本体ケーシング５ａを有し、この本体ケーシング５ａ内に多数の中空糸を束ねてなるろ過膜６が充填装入されている。ろ過膜６を構成する中空糸は、本体ケーシング５ａの長手軸と平行に並ぶように揃えられ、適所をバンドにより結束してバンドル状にまとまった形状にされるとともに、適所にスペーサを挿入して中空糸の相互間隔が所望の距離に保たれるようにされている。
【００１７】
ろ過膜６を構成する中空糸の上端部は、膜モジュール５１，５２の上部に設けられた第２及び第４の開口流路５ｃ，５ｅの近傍に開口している。また、ろ過膜６を構成する中空糸の下端部は、膜モジュール５１，５２の下部に設けられた第１の開口流路５ｂの近傍に開口している。
【００１８】
第１の開口流路５ｂは、本体ケーシング５ａの底部に設けられ、原水供給ラインＬ１に連通し、原水を膜モジュール５１，５２の下部に導入するための流路の一部をなすものである。原水供給ラインＬ１には上流側から順にバルブＶ１、供給ポンプ３、ストレーナ４およびバルブＶ２，Ｖ３が設けられている。
【００１９】
第２の開口流路５ｃは、本体ケーシング５ａの頂部に設けられ、処理水排出ラインＬ２および逆洗浄供給ラインＬ５にそれぞれ連通し、処理水または逆洗浄水が通流するための流路の一部をなすものである。すなわち、第２の開口流路５ｃは、通常運転時においては処理水排出ラインＬ２を通って処理水を処理水槽７に送り出すための排出口として機能する一方で、逆洗浄時においては逆洗浄供給ラインＬ５を通って処理水槽７／ヒータ８側から温水（約５０℃に加温した処理水）を膜モジュール５１，５２内に導入するための導入口として機能するものである。処理水排出ラインＬ２には膜モジュール５１，５２に１対１に対応するバルブＶ４，Ｖ５がそれぞれ設けられている。逆洗浄供給ラインＬ５には上流側から順にバルブＶ９、ヒータ８、逆洗浄ポンプ９およびバルブＶ１０，Ｖ１１が設けられている。
【００２０】
第３の開口流路５ｄは、本体ケーシング５ａの側周面の下部に設けられ、温水排出ラインＬ６、熱媒体供給ラインＬ９および加圧空気供給ラインＬ１０にそれぞれ連通し、温排水または熱媒体または加圧空気が通流するための流路の一部をなすものである。
【００２１】
第４の開口流路５ｅは、本体ケーシング５ａの側周面の上部に設けられ、温水排出ラインＬ６、熱媒体戻りラインＬ８および加圧空気供給ラインＬ１０にそれぞれ連通し、温排水または熱媒体または加圧空気が通流するための流路の一部をなすものである。温水排出ラインＬ６には膜モジュール５１，５２に１対１に対応するバルブＶ１２，Ｖ１３が設けられている。熱媒体供給ラインＬ９にはポンプ１２およびバルブＶ１４が設けられている。加圧空気供給ラインＬ１０には膜モジュール５１，５２に１対１に対応するバルブＶ６，Ｖ７が設けられている。膜モジュール５１，５２から溢れ出る水は、温水排出ラインＬ６により熱交換器１０に導かれ、熱交換器１０において熱媒体循環ラインＬ８，Ｌ９を通流する熱媒体と熱交換した後に熱交換器１０から出て行くようになっている。
【００２２】
なお、熱媒体供給ラインＬ９および熱媒体戻りラインＬ８は、熱媒体が系外に漏れ出さないようにして熱交換器１０と膜モジュール５１，５２との間で熱媒体を循環させる閉じた回路を形成するために、膜モジュール５１，５２内では二重管構造（図示せず）になっている。また、加圧空気供給ラインＬ１０には、コンプレッサ１４からの加圧空気を膜モジュール５１，５２内に吹き込むためのノズル（図示せず）が設けられている。
【００２３】
図３を参照して膜モジュール内のろ過膜の詳細を説明する。
【００２４】
ろ過膜６を構成する中空糸は、図３の（ａ）に示すように基体５ａに微細な多数の孔６４を有し、外表面６１に孔径調整材６３としての温度応答性化合物であるN-イソプロピルアクリルアミドが付加（塗布）されている。N-イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖は温度の変化やｐＨの変化に応じて収縮または膨張して、孔６４の径が大きくなるか、または小さくなるようになっている。例えば第１の膜モジュール５１内のろ過膜６を逆洗浄する場合に、ヒータ８で約５０℃に加温した処理水を逆洗浄水としてラインＬ５を介して膜モジュール５１内に導入すると、図３の（ｂ）に示すように孔６４の径が拡大するとともに、温度応答性化合物６３の形態が変化することにより付着していた異物２２がろ過膜の外表面６１から離脱するようになる。これによりろ過膜６が清浄化され、低下したろ過性能が回復する。
【００２５】
上述したように膜表面を温度応答性高分子６３で処理した機能性中空糸膜と温水洗浄を組み合わせることにより、ファウリング（膜閉塞）の発生を抑制することができる。機能性中空糸は、温度に応じて膜表面の物性が変化するため、温水で逆洗浄することにより膜表面の汚れを効率良く除去する。室温では温度応答性高分子が伸びた状態にあるため、膜を水が通過する際に汚濁物質を捕獲しやすい。膜表面の汚れを除去する場合は、膜が接する水を約４０℃以上に加温して温度応答性高分子を収縮させ、汚濁物質を膜表面から離脱させることができる。ちなみにN-イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖は、温度が約２５℃を超えると収縮を開始し、４０℃付近では収縮がほぼ飽和状態となる。また、N-イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖は、ｐＨが酸性領域になるに伴い収縮し、中性またはアルカリ性のｐＨ領域になるにしたがって膨張する。
【００２６】
ろ過膜にかかる膜差圧は、通常５〜３０ｋＰａ程度であるが、財団法人水道技術研究センターの「小規模水道における膜ろ過施設導入ガイドライン」によると精密ろ過膜の場合は最大１５０ｋＰａであり、限外ろ過膜の場合は３００ｋＰａ以下であることという指針が示されている。
【００２７】
次に図４を参照して熱交換器の詳細を説明する。
【００２８】
熱交換器１０は、逆洗浄時に膜モジュール５１（又は５２）から排出される温排水を通流させる第１の流路１０ａと、膜モジュール５１（又は５２）に循環供給される熱媒体を通流させる第２の流路１０ｂとを備えている。これら第１の流路１０ａと第２の流路１０ｂとは、図示のように流体の流れの向きが対向流となるように熱交換器本体内部に形成されている。
【００２９】
第１の流路１０ａは、入口側が逆洗浄排出ラインＬ６に連通し、出口側が回収ラインＬ７に連通している。一方、第２の流路１０ｂは、入口側が熱媒体戻りラインＬ８に連通し、出口側が熱媒体供給ラインＬ９に連通している。この第２の流路１０ｂは、膜モジュール５１，５２と熱交換器１０との間で熱媒体を循環させる循環回路の一部をなすものである。
【００３０】
次に本実施形態の膜ろ過システムの作用を説明する。
【００３１】
以下に述べる一連の工程手順に従って膜ろ過処理が行われる。
【００３２】
バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を開け、ポンプ３の駆動によって各膜モジュール５１，５２に原水をそれぞれ供給し、ろ過膜の外表面６１側に所定の圧力をかける。
【００３３】
膜モジュール５１，５２の上部のバルブＶ４，Ｖ５を開け、ろ過膜６によりろ過された処理水を膜モジュール５１，５２からラインＬ２を介して処理槽７に送り出す。開口流路５ｄ，５ｅを介して膜モジュール５１，５２から排出する残留水は、回収率を上げるため原水槽２へ戻すようにしてもよい。
【００３４】
次に、逆洗浄処理の作用について説明する。
【００３５】
膜ろ過処理を繰り返し行うと図３の（ａ）に示すようにろ過膜の外表面６１に固形分などの異物２２が付着蓄積してろ過性能が低下するため、定期的に所定の頻度（例えば１回／日）で温度調整またはｐＨ調整のいずれか一方を用いてろ過膜を逆洗浄する。以下、第１の膜モジュール５１を逆洗浄処理する場合について説明する。なお、第１の膜モジュール５１を逆洗浄処理している間に、これと同時並行して第２の膜モジュール５２のほうでは膜ろ過処理が行われる。
【００３６】
(i)ドレイン工程
バルブＶ１２および膜モジュール下部のバルブＶ２を開け、膜モジュール５１の内部にある水を排出する。排出した水は、回収率を向上させるために原水槽２へ戻すようにしてもよい。
【００３７】
(ii)温水工程
バルブＶ９を開け、処理槽７から処理水をヒータ８の容器へ送り出し、ヒータ８により処理水を５０℃になるまで加熱する。ヒータ容器内の処理水の温度が５０℃に達すると、バルブＶ１０を開け（このときバルブＶ１１は閉じた状態）、ポンプ９を起動し、温水を膜モジュール５１の上部に導入する。膜モジュール５１の内部の温度が５０℃になるまで膜モジュール５１から温水を溢れ出させる。膜モジュール５１を所定の温度にするため、ヒータ８で加熱した温水を用いて膜モジュール５１を加温する。膜モジュール５１から溢れる温水は、排水ラインＬ６を通って熱交換器１０に送られ、熱交換器１０において温排水から余熱エネルギを回収するとともに水（熱媒体）に熱エネルギを付与する。
【００３８】
(iii)逆圧・逆流工程
バルブＶ６を開け、膜モジュールの処理水側からコンプレッサ１４により加圧空気を供給し、ろ過膜６の内表面側に所定の圧力をかける。さらに、膜モジュール上部のバルブＶを開け、膜モジュールの上部の処理水（２次側の処理水）を原水の循環ラインへ押し出す。
【００３９】
(iv)エアスクラビング工程
圧力を保持したままの状態で、バルブＶ６を開け、所定時間だけ膜モジュール下部の原水側からコンプレッサ１４により加圧空気を供給し、吹き込みエアのバブリングによりろ過膜６を揺動させる。
【００４０】
(v)ドレイン工程
所定時間エアスクラビングを行った後、バルブＶおよび膜モジュール下部のバルブＶを開け、膜モジュール５１内の温水を排出する。このときコンプレッサ１４により加圧空気を流したままのほうがより効果的に付着物を排出することができる。膜モジュール５１から排出された温排水は、ラインＬ６を通って熱交換器１０に送られ、熱交換器１０において熱媒体と熱交換されて保有する熱エネルギが回収される。
【００４１】
さらに、熱交換器１０は熱発電装置１１に熱エネルギを付与するため、熱発電装置１１は熱発電することができる。さらに、熱交換器１０からラインＬ７を介して回収装置１３に温排水を送り出し、温排水を回収し、再生し、ラインＬ５に戻して再利用することができる。
【００４２】
(vi)原水すすぎ工程
バルブＶ２を開け、さらに膜モジュール上部のバルブＶ４を開け、ポンプ３を起動し、膜モジュール５１のすすぎを行う。すすいだ水は、回収、再生して再利用するようにしてもよいし、系外に排出するようにしてもよい。このときコンプレッサ１４から加圧空気を流したままの状態にあるほうがより効果的にすすぎを行うことができるが、電力コストを削減するために加圧空気の供給を停止することもできる。
【００４３】
本実施形態では２つの膜モジュールを並列に配置して交互に運転→逆洗浄→運転を繰り返すように動作を制御したが、さらに３つ以上の膜モジュールを並列に配置して他の膜モジュールが水処理運転している間に当該膜モジュールを逆洗浄するようにローテーションを組むこともできる。なお、処理対象水量の規模にもよるが、下水処理設備などの通常の水処理システムにおいては膜モジュールの数はせいぜい数十基から数百基程度までであるが、海水淡水化プラントのように処理対象水量が膨大になるもので設備が大規模にわたるものでは膜モジュールの数が数千基から数万基にも及ぶことがあるため、逆洗浄のローテーション操作をコンピュータシステムの管理下で自動制御することになる。
【００４４】
本発明は、表流水、地下水等の淡水、雨水貯水、産業廃水、下水等の汚水をろ過処理する比較的小規模の水処理プラントの他に、膜ろ過ユニット数が数千から数万の多数におよぶ海水淡水化プラントにも採用することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…膜ろ過システム、２…原水槽、２２…異物（固形分など）、
３…原水供給ポンプ、４…ストレーナ、
５１，５２…膜モジュール、５ａ…ケーシング、
５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ…開口流路、
６…ろ過膜、６０…基体、６１…外表面、６２…内表面、
６３…孔径調整材（温度応答性化合物、pH応答性化合物）、６４…孔、
７…処理水槽、８…ヒータ（加温手段）、９…逆洗浄ポンプ、
１０…熱交換器、１０ａ…第１の流路、１０ｂ…第２の流路、
１１…熱発電モジュール、
１２…循環ポンプ、
１３…回収再生装置、
１４…コンプレッサ（気体供給装置）、
Ｌ１〜Ｌ１０…ライン、Ｖ１〜Ｖ１４…バルブ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水槽と、
周囲環境の状態量の変化に応じて水を通過させるための孔の径を変化させる孔径調整材が付加されたろ過膜を有する膜モジュールと、
前記原水槽から前記膜モジュールに原水を供給する原水供給ポンプと、
前記膜モジュールにより処理された処理水が送られる処理水槽と、
前記処理水槽から前記膜モジュールまでの間に設けられた逆洗浄供給ラインと、
前記処理水槽からの処理水を逆洗浄水として前記膜モジュールに供給するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた逆洗浄ポンプと、
前記処理水を加熱して所定温度の温水を生成するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた加温手段と、
前記膜モジュールから逆洗浄使用済みの温水が排出される逆洗浄排出ラインと、
前記膜モジュールのろ過膜でろ過されるべき原水を加温するための熱媒体が循環通流される熱媒体循環ラインと、
前記逆洗浄排出ラインに連通する第１の流路と前記熱媒体循環ラインに連通する第２の流路とを有し、前記第１の流路を流れる逆洗浄使用済みの温水と前記第２の流路を流れる熱媒体との間で熱交換させる熱交換器と、
を有することを特徴とする膜ろ過システム。
【請求項２】
前記熱交換器で回収した熱エネルギを電気エネルギに変換する熱発電モジュールをさらに有することを特徴とする請求項１記載の膜ろ過システム。
【請求項３】
前記熱交換器を通過した逆洗浄水を回収し、再生し、再利用する手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の膜ろ過システム。
【請求項１】
原水槽と、
周囲環境の状態量の変化に応じて水を通過させるための孔の径を変化させる孔径調整材が付加されたろ過膜を有する膜モジュールと、
前記原水槽から前記膜モジュールに原水を供給する原水供給ポンプと、
前記膜モジュールにより処理された処理水が送られる処理水槽と、
前記処理水槽から前記膜モジュールまでの間に設けられた逆洗浄供給ラインと、
前記処理水槽からの処理水を逆洗浄水として前記膜モジュールに供給するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた逆洗浄ポンプと、
前記処理水を加熱して所定温度の温水を生成するために、前記逆洗浄供給ラインに設けられた加温手段と、
前記膜モジュールから逆洗浄使用済みの温水が排出される逆洗浄排出ラインと、
前記膜モジュールのろ過膜でろ過されるべき原水を加温するための熱媒体が循環通流される熱媒体循環ラインと、
前記逆洗浄排出ラインに連通する第１の流路と前記熱媒体循環ラインに連通する第２の流路とを有し、前記第１の流路を流れる逆洗浄使用済みの温水と前記第２の流路を流れる熱媒体との間で熱交換させる熱交換器と、
を有することを特徴とする膜ろ過システム。
【請求項２】
前記熱交換器で回収した熱エネルギを電気エネルギに変換する熱発電モジュールをさらに有することを特徴とする請求項１記載の膜ろ過システム。
【請求項３】
前記熱交換器を通過した逆洗浄水を回収し、再生し、再利用する手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の膜ろ過システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−５６３４０（Ｐ２０１１−５６３４０Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０６２３６（Ｐ２００９−２０６２３６）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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