JP2007111638A - 膜浄水設備及び膜浄水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転のエネルギーを抑えながら、濾過膜の目詰まりを抑制することができる膜浄水設備及び膜浄水方法を提供する。
【解決手段】 膜浄水設備１は、原水中の懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子の数を計数する微粒子カウンタ９と、計数された特定の粒径を有する微粒子の数に基づいて、濾過膜３ａで行われる原水の濾過方式をデッドエンド濾過とクロスフロー濾過との間で切り替える制御部１５と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原水に含まれる微粒子を濾過膜を用いて除去する膜浄水設備及び膜浄水方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１記載の膜浄水設備が知られている。この膜浄水設備は、濾過膜により原水を濾過することで、原水中の懸濁物質を除去して、膜ろ過水を得るものである。この種の膜浄水設備における濾過膜の濾過方式として、濾過膜に導入される原水の全量について濾過を行うデッドエンド濾過と、原水を濾過膜に沿って通過させ循環させながらその原水の一部についてのみ濾過を行うクロスフロー濾過とがある。
特許３０２８４４７号公報

しかしながら、デッドエンド濾過方式による濾過では、原水の循環量が少ないので小さいエネルギーで運転が可能である一方、濾過膜の目詰まりを発生させやすいという欠点がある。これに対して、クロスフロー濾過方式による濾過では、濾過膜の目詰まりを発生させにくい一方で、原水を多く循環させるための大きなエネルギーが必要であるという欠点がある。このような膜浄水設備にあっては、省エネルギー化と目詰まりの抑制とを両立させるために、上記デッドエンド濾過とクロスフロー濾過の２方式を適宜切り替えながら膜浄水設備を運転することが考えられる。そして、このような運転においても、更なる省エネルギー化及び目詰まりの抑制が望まれる。

そこで、本発明は、運転のエネルギーを抑えながら、濾過膜の目詰まりを抑制することができる膜浄水設備及び膜浄水方法を提供することを目的とする。

上述のような膜浄水設備では、懸濁物質を含む原水自体が、濾過膜において目詰まりを発生し易い性状であるときには、濾過方式としてクロスフロー濾過を選択し目詰まりを抑えることが好ましい。それに対し、原水が比較的目詰まりを発生し難い性状であるときには、デッドエンド濾過を選択し運転のエネルギーを抑えることが好ましい。このように、運転のエネルギーを抑えながら濾過膜の目詰まりを抑制する上では、原水の濾過膜での目詰まりの発生し易さを検知し、それに応じてタイミング良く濾過方式を切り替えることが望まれる。なお、以下の説明においては、濾過膜における目詰まりの発生し易さを示す上記のような原水の性状を、「目詰まり容易性」と称する。

ここで、原水による膜の目詰まり容易性を表し得る一般的な指標としては、原水の「ＦＩ値（Fouling Index）」がある。しかし、ＦＩ値は、原水について連続的に自動測定することが困難であるので、上記濾過方式を切り替える際の判断基準として採用するとすれば、設備の連続的な運転が困難となる。そこで、本発明者らは、原水の目詰まり容易性を表し得る値で、ＦＩ値の代わりに濾過方式の切り替え基準として採用しうる測定値を見出すべく、鋭意研究を行った。その結果、本発明者らは、原水中の懸濁物質の微粒子数を粒径ごとに分けて計数した場合、その粒径の中に、微粒子数とＦＩ値とが高い相関関係を示すものが存在することを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明に係る膜浄水設備は、原水に含まれる懸濁物質を濾過膜を用いて除去する膜浄水設備において、原水中の懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子の数を計数する微粒子計数手段と、微粒子計数手段によって計数された特定の粒径を有する微粒子の数に基づいて、濾過膜で行われる原水の濾過の方式をデッドエンド濾過とクロスフロー濾過との間で切り替える制御手段と、を備えたことを特徴とする。

この膜浄水設備においては、原水中の懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子数が計数される。計数されたこの微粒子数に基づいて、濾過膜で行われる濾過の方式が切り替えられながら運転され、デッドエンド濾過とクロスフロー濾過とが行われる。この場合の濾過方式の切り替えの基準として、原水のＦＩ値に高い相関関係を有する粒径の微粒子数を採用することにより、原水のＦＩ値を測定することなく原水の目詰まり容易性が認識され、その目詰まり容易性に追従した濾過方式の切り替えが可能になる。すなわち、この膜浄水設備によれば、原水の目詰まり容易性に追従してタイミングよく濾過方式を切り替えることが可能になるので、運転のエネルギーを抑えながら、濾過膜の目詰まりを抑制することができる。

また、制御手段は、特定の粒径を有する微粒子の数が閾値未満の場合には、濾過の方式をデッドエンド濾過にし、特定の粒径を有する微粒子の数が閾値以上の場合には、濾過の方式をクロスフロー濾過にするように、濾過の方式を切り替え、閾値は可変であると好適である。このような構成を採用することで、原水の処理速度が比較的高い高フラックス運転を行う場合や、原水の処理速度が比較的低い低フラックス運転を行う場合にも、それぞれに適切な閾値を選択することができるので、処理速度に応じた濾過方式の切り替えを行うことができる。

また、本発明の膜浄水方法は、原水に含まれる懸濁物質を濾過膜を用いて除去する膜浄水方法において、原水中の懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子の数を計数する微粒子計数ステップと、微粒子計数ステップによって計数された特定の粒径を有する微粒子の数に基づいて、濾過膜で行われる原水の濾過の方式を、デッドエンド濾過とクロスフロー濾過との間で切り替える制御ステップと、を備えたことを特徴とする。

この膜浄水方法においては、原水中の懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子数が計数される。計数されたこの微粒子数に基づいて、濾過膜で行われる濾過の方式が切り替えられながら運転され、デッドエンド濾過とクロスフロー濾過とが行われる。この場合の濾過方式の切り替えの基準として、原水のＦＩ値に高い相関関係を有する粒径の微粒子数を採用することにより、原水のＦＩ値を測定することなく原水の目詰まり容易性が認識され、その目詰まり容易性に追従した濾過方式の切り替えが可能になる。すなわち、この膜浄水方法によれば、原水の目詰まり容易性に追従してタイミングよく濾過方式を切り替えることが可能になるので、運転のエネルギーを抑えながら、濾過膜の目詰まりを抑制することができる。

本発明の膜浄水設備及び膜浄水方法によれば、運転のエネルギーを抑えながら、濾過膜の目詰まりを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る膜浄水設備及び膜浄水方法の好適な一実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、膜浄水設備１は、導入した原水から懸濁物質を除去して膜ろ過水を得る設備であり、原水槽２及び膜濾過装置３を備えている。この膜浄水設備１には、懸濁物質を含んだ原水がラインＬ１を通じて導入され、一旦原水槽２に貯留される。そして、原水槽２の原水は、原水ポンプＰ２によりラインＬ２及びラインＬ１１を通じて、膜濾過装置３の入口から導入される。

膜濾過装置３は、原水を濾過する濾過膜３ａを有しており、導入した原水を濾過膜３ａによって濾過する。そして、膜濾過装置３は、原水の濾過後の固体成分を濾過膜３ａで捕捉すると共に、液体成分をラインＬ１２を通じて出口から排出する。ラインＬ１２から排出された液体は、膜ろ過水として一旦浄水池５に貯留され、図示しない後段の処理に送られる。また、膜濾過装置３には、濾過膜３ａよりも上流側においてラインＬ１３が接続されており、ラインＬ１３上のバルブＶ１３を開くことで、ラインＬ１１から導入した原水の一部をラインＬ１３から排出することができる。ラインＬ１３から排出された原水は、循環ポンプＰ１３によって再びラインＬ１１を通じ、入口側から膜濾過装置３に導入される。なお、ここでは、濾過膜３ａは、材料が酢酸セルロースであり、公称孔径０．０１μｍの内圧式中空糸ＵＦ膜によって構成されている。

この膜浄水設備１においては、バルブＶ１３の開閉及び循環ポンプＰ１３のＯＮ／ＯＦＦによって原水の流動経路を変更することができ、このことで、膜濾過装置３における濾過方式を選択的に切り替えて運転することができる。すなわち、バルブＶ１３を閉じ循環ポンプＰ１３をＯＦＦにした場合には、膜濾過装置３の入口から導入される原水は、全量が濾過膜３ａによって濾過されることになる。つまり、この場合、濾過膜３ａで行われる原水の濾過方式は、デッドエンド濾過である。このデッドエンド濾過で膜浄水設備１を運転する場合、原水の循環量が少ないので小さいエネルギーで運転が可能である一方、濾過膜３ａの目詰まりが発生しやすいという欠点がある。

これに対し、バルブＶ１３を開け循環ポンプＰ１３をＯＮにした場合、膜濾過装置３の入口から導入される原水は、濾過膜３ａの膜面に沿って通過し循環しながら、その原水の一部が濾過膜３ａで濾過され、残りはラインＬ１３を通じて再び膜濾過装置３の入口へ導入されて循環することになる。つまり、この場合、濾過膜３ａで行われる原水の濾過方式は、クロスフロー濾過である。このクロスフロー濾過で膜浄水設備１を運転する場合、濾過膜３ａの膜面に沿って発生する原水の流れによって膜面が洗浄され、膜面に付着するの懸濁物質が押し流されるので、濾過膜３ａの目詰まりを発生させにくい。その一方で、クロスフロー濾過による運転では、原水を多く循環させるための大きなエネルギーが必要であるという欠点がある。

このため、膜浄水設備１において、運転のエネルギーを抑えながら、濾過膜３ａの目詰まりを抑制するためには、原水の目詰まり容易性に合わせて、上記２種類の濾過方式をタイミングよく切り替えながら運転することが好ましい。すなわち、原水の目詰まり容易性が小さい場合には、運転のエネルギーの節約を優先させるべく濾過方式をデッドエンド濾過とし、原水の目詰まり容易性が大きい場合には、濾過膜３ａの目詰まり抑制を優先させるべく濾過方式をクロスフロー濾過とすることが望まれる。そして、この濾過方式をタイミングよく切り替えるためには、季節や天候等の諸条件によって随時変化する原水の目詰まり容易性を正しく検知することが重要である。

ここで、懸濁物質を含む原水の性状を示す指標としては、ＦＩ値が一般的に用いられており、このＦＩ値は、目詰まりの容易性を直接示す指標であるので、濾過方式の切り替え基準とすることも可能である。ところが、ＦＩ値は連続的に自動測定できないので、切り替え基準として原水のＦＩ値を用いると、膜浄水設備１の円滑な連続運転が困難になる。

そこで、本発明者らは、濾過膜３ａの目詰まりに関わっている懸濁物質の微粒子は、ほとんどが濾過膜３ａの孔径に対応した特定の粒径のものであることを見出し、そのような特定の粒径を有する微粒子（以下「特定微粒子」という）の数の大小を、目詰まり容易性の指標として用いることができることを見出した。そして、膜浄水設備１では、原水の単位体積あたりに含まれる特定微粒子数を、ＦＩ値の代わりに濾過方式の切り替え基準として採用している。すなわち、この膜浄水設備１では、上記特定微粒子数が閾値未満の場合には、濾過方式がデッドエンド濾過とされ、上記特定微粒子数が閾値以上の場合には、濾過方式がクロスフロー濾過とされて運転が行われる。

このような、上記特定微粒子数を基準とした濾過方式の切り替えを行うため、膜浄水設備１は、濁度センサ７及び微粒子カウンタ９を備えている。濁度センサ７は、原水槽２中の原水の濁度を測定し、その結果を電気信号に変換して制御部１５に送信する。また微粒子カウンタ９は、原水槽２中の原水の単位体積あたりに含まれる懸濁物質の微粒子数を、粒径ごとに測定し、その結果を電気信号に変換して制御部１５に送信する。また、制御部１５は、これらの電気信号を処理すると共に、バルブＶ１３及び循環ポンプＰ１３に電気信号を送信することでバルブＶ１３の開閉及び循環ポンプＰ１３のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

以上のような構成に基づき、膜浄水設備１において行われる膜浄水方法について、図２を参照しながら説明する。

まず、濁度センサ７によって、原水槽２に貯留された原水の濁度が測定され（Ｓ１０２）、制御部１５は、この濁度が予め定められた基準値以上になるまでは、所定の運転を行う（後述のＳ１１０）。また、原水の濁度が基準値以上になった場合には、以下の処理を行う。即ち、微粒子カウンタ９によって、原水槽２に貯留された原水の単位体積あたりに含まれる懸濁物質の微粒子の数が、粒径ごとにカウントされ、電気信号として制御部１５に送られる。制御部１５は、粒径ごとに分けてカウントされた微粒子数のうち、予め設定された特定の粒径（ここでは、例えば、５μｍ以下の粒径）を有する微粒子のカウント数、つまり特定微粒子数Ｐを取得する（Ｓ１０４）。このように、微粒子カウンタ９及び制御部１５は、特定微粒子数Ｐを計数する微粒子計数手段を構成している。なお、上記「特定の粒径」の設定についての説明は後述する。

ここで、膜浄水設備１の運転状態が高フラックス運転（「高フラックス運転」については後述する）である場合には（Ｓ１０６）、濾過形式切り替えの閾値がｎ１に設定される（Ｓ１０８）。そして、原水の単位体積あたりの特定微粒子数Ｐが閾値ｎ１未満であれば、制御部１５は、バルブＶ１３及び循環ポンプＰ１３に電気信号を送信し、バルブＶ１３を閉じ循環ポンプＰ１３をＯＦＦにすることで、濾過形式をデッドエンド濾過に切り替える（Ｓ１１０）。これにより、膜浄水設備１内を循環する水が少なく抑えられるので、原水の目詰まり容易性が比較的低い場合において、運転に係るエネルギーを抑えながら効率の良い濾過を行うことができる。一方、特定微粒子数Ｐが閾値ｎ１以上であれば、制御部１５は、バルブＶ１３を開き循環ポンプＰ１３をＯＮにすることで、濾過形式をクロスフロー濾過に切り替える（Ｓ１１２）。これにより、原水の目詰まり容易性が比較的高い場合において、濾過膜３ａの目詰まりを抑制することができる。

また、ステップＳ１０６において、膜浄水設備１の運転状態が高フラックス運転以外である場合には、濾過形式の切り替えの閾値が上記ｎ１よりも大きいｎ２に設定される（Ｓ１１４）。そして、制御部１５は、上記Ｓ１０８と同様に、特定微粒子数Ｐが閾値ｎ２未満であれば、濾過形式をデッドエンド濾過に切り替え（Ｓ１１０）、微粒子数Ｐが閾値ｎ２以上であれば、濾過形式をクロスフロー濾過に切り替える（Ｓ１１２）。このように、膜浄水設備１の運転状態の設定が高フラックス運転であるかそれ以外の運転であるかによって、上記閾値が可変となっている。

この膜浄水設備１では、濾過膜３ａの上流側と下流側との水圧差（膜間差圧）を、図示しないセンサによって検知し、制御部１５はこの膜間差圧の推移（膜間差圧トレンド）を常時監視している。そして、制御部１５は、膜間差圧トレンドが異常であると判断した場合には（Ｓ１１４）、例えば濾過膜３ａの薬品洗浄といった異常時の処理を行う（Ｓ１１６）。以上説明した処理が、膜浄水設備１の運転中、制御部１５によって繰り返されることで、運転のエネルギーを抑えながら濾過膜３ａの目詰まりが抑制され、膜間差圧が安定した連続運転が可能となる。

ここで、上記処理における上記特定微粒子数Ｐに係る「特定の粒径」の設定について説明する。どのような粒径の微粒子が濾過膜３ａの目詰まりの主たる要因となるかは、原水中の懸濁物質の成分等の諸条件によって異なる。よって、濾過方式の切り替え基準としてどのような粒径の微粒子をカウントすべきかは、膜浄水設備１の処理対象となる原水に対応させた設定をする必要がある。そこで、特定の粒径の設定にあっては、処理対象となる原水について、予め実験によってＦＩ値と粒径ごとの微粒子数との関係を求め、ＦＩ値との相関関係が最も高い粒径を、その原水における上記特定の粒径として設定する。すなわち、原水中のある粒径の微粒子数が多くなれば、原水のＦＩ値も高くなるという相関関係があるが、そのような相関関係が最も高くなるような粒径の範囲を特定の粒径として設定する。

このような設定により、当該原水において濾過膜３ａの目詰まりの主たる要因となる微粒子の粒径が、上記特定の粒径として設定されることになる。そして、特定の粒径がこのように設定されることで、ＦＩ値を測定することなく、比較的連続的な測定が容易な特定微粒子数Ｐによって、原水の目詰まり容易性を正確に判断することができる。従って、膜浄水設備１では、原水の目詰まり容易性に連動して濾過方式をタイミングよく切り替えることが可能となる。その結果、膜浄水設備１の運転のエネルギーを抑え、濾過膜３ａの目詰まりを抑制しながら連続運転を行うことができる。なお、膜浄水設備１に、特定の粒径の設定を行う設定手段を設け、原水の性状を変化させ得る諸条件（例えば、降雨情報等）を参照しながら、上記のような特定の粒径の設定が自動的に行われるようにしてもよい。

また、上記処理において、高フラックス運転時の閾値ｎ１が、低フラックス運転時の閾値ｎ２に比して低く設定される理由は次の通りである。高フラックス運転を行う場合には、より目詰まりが発生しやすいため、目詰まりの抑制を優先すべく、比較的微粒子数が少ない場合であっても早めにクロスフロー濾過に切り替える必要があるからである。なお、ここでは、濾過膜３ａでの濾過流速を２．５ｍ／日以上とする運転を「高フラックス運転」といい、１．５ｍ／日未満とする運転を「低フラックス運転」といい、１．５ｍ／日以上２．５ｍ／日未満とする運転を「通常フラックス運転」という。なお、閾値ｎ１，ｎ２としては、原水のＦＩ値の２．５〜４に対応する値を設定することが好ましい。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、特定微粒子数に、原水の濁度、原水の濁度の上昇率、濾過膜３ａの孔径に近い粒径の微粒子数、ＦＩ値、降雨量情報、ダム放流情報、及び膜間圧差の変化率等の他の条件のうち一つ又は複数を組み合わせた切り替え基準をもって、デッドエンド濾過とクロスフロー濾過との切り替えを行ってもよい。

また、上記実施形態では、クロスフロー濾過の際に膜面の洗浄効果が高い内圧式中空糸膜を濾過膜３ａとして用いたが、本発明は、外圧式中空糸膜を用いてもよい。また、濾過膜３ａはＵＦ膜に限られず、ＭＦ膜であってもよい。また、濾過膜３ａの材質は、有機膜に限られず、無機膜であってもよい。

本発明に係る膜浄水設備の実施形態を示す概略図である。 膜浄水設備で行われる膜浄水方法のフローチャートである。

符号の説明

１…膜浄水設備、３…膜濾過装置、３ａ…濾過膜、９…微粒子カウンタ（微粒子計数手段）、１５…制御部（制御手段）。

Claims (3)

1. 原水に含まれる懸濁物質を濾過膜を用いて除去する膜浄水設備において、
   前記原水中の前記懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子の数を計数する微粒子計数手段と、
   前記微粒子計数手段によって計数された前記特定の粒径を有する微粒子の数に基づいて、前記濾過膜で行われる前記原水の濾過の方式をデッドエンド濾過とクロスフロー濾過との間で切り替える制御手段と、を備えたことを特徴とする膜浄水設備。
2. 前記制御手段は、
   前記特定の粒径を有する微粒子の数が閾値未満の場合には、前記濾過の方式をデッドエンド濾過にし、前記特定の粒径を有する微粒子の数が前記閾値以上の場合には、前記濾過の方式をクロスフロー濾過にするように、前記濾過の方式を切り替え、
   前記閾値は可変であることを特徴とする請求項１に記載の膜浄水設備。
3. 原水に含まれる懸濁物質を濾過膜を用いて除去する膜浄水方法において、
   前記原水中の前記懸濁物質の微粒子のうち特定の粒径を有する微粒子の数を計数する微粒子計数ステップと、
   前記微粒子計数ステップによって計数された前記特定の粒径を有する微粒子の数に基づいて、前記濾過膜で行われる前記原水の濾過の方式を、デッドエンド濾過とクロスフロー濾過との間で切り替える制御ステップと、を備えたことを特徴とする膜浄水方法。

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