JP2011189287A - 浄水膜ろ過監視制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】設計仕様や運転条件を事前にシミュレーションして、全体システムを効率的に設計・運転することを課題とする。
【解決手段】水中の濁質分を分離除去する浄水膜ろ過監視制御システムにおいて、原水が供給される供給水槽１と、供給水槽に凝集剤を注入する凝集剤注入装置と、供給水槽に活性炭を注入する活性炭注入装置８と、供給水槽の下流側に配置された，前処理水をろ過する膜モジュール１1と、膜モジュールの下流側に配置された処理水槽と、膜モジュールに温水を供給する温水供給装置１４と、原水の吸光度を計測する吸光度計５と、供給水槽から膜モジュールに供給される原水の電流を計測する電流計測計９と、流動計測計，凝集剤注入装置に電気的に接続され、電流計測計で計測されるオンラインの流動電流値を指標として、凝集剤注入装置からの凝集剤注入率を制御する制御部１９を具備したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、河川水・地下水・雨水貯水・湖沼水等の淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水等の海水などの原水中の濁質分を分離する膜ろ過処理技術を用いた浄水膜ろ過監視制御システムに関する。

周知の如く、膜ろ過法は、除濁・除菌を効率良く行えること、運転管理が容易なことから、浄水場への導入が進んでいるが、原水中の微小で粘着性の高い懸濁物によって、ファウリング（目詰まり）が生じることがある。従って、膜は洗浄を繰り返しながら運転する必要があり、一般的に二種類の洗浄方法がある。ろ過水を透過側（２次側）から流す逆圧洗浄を代表例とする物理洗浄と、薬品による薬品洗浄である。

物理洗浄は定期的に（３０分〜1時間に１回程度）自動で行ない、膜表面あるいは内部への付着物のうち可逆的なものを除去できる。但し、物理洗浄では膜細孔などに付着したファウリング物質を完全に除去しきれず膜間差圧は上昇を続けるので、ある程度膜間差圧が上昇したら薬品洗浄を実施しなければならない。そして、薬品洗浄を行っても、膜表面や内部等の付着物が取り除けなくなり、膜差圧の回復が認められなくなった場合、あるいは、膜の使用期間がある一定期間を超えた場合には、膜が寿命に達したと判断して交換を行っている。

このように、薬品洗浄の頻度が多いと、薬品洗浄排水処理による環境負荷やコストの増大につながること、薬品洗浄、ろ過膜の交換等を行なうごとに、膜ろ過処理を停止しなければならないこと、物理洗浄間隔が多すぎると、不必要な処理水を排水すること（回収率の減少）などの観点から、薬品洗浄の頻度やろ過膜の交換頻度をなるべく少なくし、膜ろ過システムの稼働率を高くするとともに、薬品洗浄や膜交換に要するコストを低減する必要がある。

薬品洗浄頻度を少なくするための技術として、以下が知られている。
（１）温水洗浄の導入（特許文献１）
物理洗浄（３０分から1時間に１回）と薬品洗浄（半年〜１年に１回）の間に温水を用いて洗浄する工程（１日に１回）を用いることによって、極力薬品洗浄する期間を延長化する。膜細孔などに目詰まりしたファウリング物質は、温水での洗浄によりある程度剥離することが知られている。なお、膜ろ過処理水をヒートポンプによって２５℃〜６０℃まで加熱して温水を生成する。

（２）前処理としての凝集剤注入
微小で粘着性の高い懸濁物質を膜処理の前段である程度の大きさ（マイクロフロック）にしてから膜処理を実施する方法が知られている。この方法は、膜の細孔に目詰まりしにくい大きさまでフロックを成長させることで、物理洗浄で剥離しやすくすることを目的としている。

（３）前処理としての活性炭注入
物理洗浄で剥離しない成分である有機物の低減を目的として粉末の活性炭注入を行う。ただし、この場合は、活性炭そのものが膜のファウリング成分になる可能性もあるため、上記（２）の凝集剤注入との併用が必須である。

特開２００５−３２４１５１号公報

上述した（１）〜（３）それぞれに関しては、その効果が十分知られている。しかし、膜モジュールの性能だけでなく、対象とする原水水質の違い、前処理などの周辺プロセスの違い、温水洗浄などの運転方法の違いに応じて、将来の膜差圧上昇が大きく変動するため、適切な前処理運転および洗浄条件を決定する必要がある。一般に、適切な運転とは、膜差圧上昇を抑制できることを示す。凝集剤注入や活性炭注入を前処理で行うと、物理洗浄で剥離しやすい物質を生成できるが、定速ろ過の場合、物理洗浄を実施するまでに必要なポンプ動力が増加する傾向がある。そのため、膜ろ過中の全期間で必要なポンプ動力コストなども含めたトータルでのシステム設計・評価技術が要求される。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、浄水処理で利用されている水中の濁質分を分離する膜ろ過装置において、前処理により膜に堆積する膜差圧上昇の原因となるファウリング成分を除去しやすくし、設計仕様や運転条件を事前にシミュレーションすることによって、全体システムを効率的に設計・運転する浄水膜ろ過監視制御システムを提供することを目的とする。

本発明に係る浄水膜ろ過監視制御システムは、水中の濁質分を分離除去する浄水膜ろ過監視制御システムにおいて、原水が供給される供給水槽と、この供給水槽に凝集剤を注入する凝集剤注入装置と、前記供給水槽に活性炭を注入する活性炭注入装置と、前記供給水槽の下流側に配置された，前処理水をろ過する膜モジュールと、この膜モジュールの下流側に配置された処理水槽と、前記膜モジュールに温水を供給する温水供給装置と、前記供給水槽に供給される原水の吸光度を計測する吸光度計と、前記供給水槽から膜モジュールに供給される原水の電流を計測する電流計測計と、前記流動計測計，凝集剤注入装置に電気的に接続され，前記電流計測計で計測されるオンラインの流動電流値を指標として、凝集剤注入装置からの凝集剤注入率を制御する制御部とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、前処理により膜に堆積する膜差圧上昇の原因となるファウリング成分を除去しやすくし、設計仕様や運転条件を事前にシミュレーションすることによって、全体システムを効率的に設計・運転する浄水膜ろ過監視制御システムを提供できる。

本発明の一実施例に係る浄水膜ろ過監視制御システムの概略的な説明図。 図１の監視制御システムにおける、凝集剤注入率と流動電流値，沈殿上澄濁度との関係を示す特性図。 図１の監視制御システムにおける，膜ろ過水流量と膜間差圧上昇との関係を示す特性図。 図１の監視制御システムにおいて、凝集剤注入によるケーキ層の前後での抵抗の変化を示すための説明図。 図１の監視制御システムにおいて、膜ろ過設備導入時のように運転実績データがない場合に、パラメータα、βを求めるための特性図。 図１の監視制御システムにおいて、累積濁質量除去率の指標である調整パラメータが所定の値の時の逆洗流量と累積濁質除去率との関係を示す特性図。

以下に、本発明の実施形態に係る浄水膜ろ過監視制御システムについて図１を参照して説明する。
図中の符番１は、原水が供給される供給水槽を示す。この供給水槽１に原水を供給する配管２ａには、原水ポンプ３，ストレーナ４及び原水吸光度計５が介装されている。ここで、ストレーナ４は原水中の夾雑物を除去する機能を有し、原水吸光度計５は原水の吸光度を連続的に測定する機能を有する。供給水槽１には、ｐＨ調整剤注入設備６，凝集剤注入設備７及び活性炭注入設備８が接続され、ｐＨ調整剤，凝集剤及び活性炭が夫々注入できるようになっている。

供給水槽１には、流動電流計９，前処理ポンプ１０を介装した配管２ｂを介して複数系列の膜モジュール１１が接続されている。ここで、流動電流計９とは、マイナスに帯電している原水の粒子が凝集剤添加によって荷電が中和されファンデルワールス力で凝集する特性を利用して、懸濁粒子表面の荷電状態を間接的に測定する計量器であり、凝集剤注入の過不足を判断する指標となる。

前記前処理ポンプ１０は、加圧全量ろ過方式で膜モジュール１１への前処理水のろ過を行う機能を有する。前処理ポンプ１０では、ポンプ回転数のインバータ制御により処理流量一定制御が行なわれる。膜モジュール１１は、逆圧水洗浄（物理洗浄）を行う機能を有する。この逆圧水洗浄では、膜の２次側から処理水を供給する定期的な逆圧水方式（エアスクラビング併用）と、低頻度で膜の２次側から処理水を加温した温水を供給する逆圧水方式の両方の逆圧水洗浄を併用する。温水の生成には、後述するヒートポンプ式給湯装置を使用する。

前記膜モジュール１１には、所定の径の細孔をもつ膜が多数収容されており、膜のふるい作用により細孔よりも大きな物質を補足するようになっている。膜モジュール１１には、配管２ｃを介して処理水槽１２が接続されている。膜モジュール１１には、コンプレッサ１３，及びヒートポンプ１４ａを備えた給湯装置（温水供給装置）１４が夫々接続されている。コンプレッサ１３により、圧縮空気が原水側から膜モジュール１１に送られて物理洗浄が行なわれるようになっている。配管２ｃの途中と処理水槽１２を接続する分岐管１５には膜の洗浄時に使用されるポンプ１６が介装され、処理水槽１２と給湯装置１４を接続する配管２ｄには膜の洗浄時に使用されるポンプ１７が接続されている。処理水槽１２の下流側には、処理水の吸光度を測定するための処理水吸光度計１８を介装した配管２ｅが接続されている。

前記凝集剤注入装置７及び流動電流計９には、制御部１９が電気的に接続されている。

また、制御部１９は、図示しないが、ｐＨ調整剤注入装置６、活性炭注入装置８、原水吸光度計５、流動電流計９、処理水吸光度計１８及び温水供給装置１４等とも電気的に接続されている。更に、図示しないが、制御部１９は、膜モジュール１１における将来の膜差圧上昇の予測値ΔＰを求める膜差圧予測手段を備えている。ここで、膜差圧予測手段は、システム設計段階で、物理洗浄条件（逆洗流量や逆洗時間など）、温水洗浄条件（温水洗浄温度など）、ろ過流束、凝集剤注入率などの運転条件を決定するために必要な概念である。

前記予測値は、物理洗浄による場合の第１の予測値に温水洗浄による場合の第２の予測値を加えた値として表される。ここで、第１の予測値は、原水の粘性係数、ろ過流量、原水の濁度、洗浄による物質剥離量、凝集剤や活性炭によるケーク抵抗の蓄積量に基づく値である。第２の予測値は、原水の粘性係数、ろ過流量、濁度、温水による物質剥離量、凝集剤や活性炭によるケーク抵抗の蓄積量、有機物の濃度、凝集剤や活性炭による膜抵抗量に基づく値である。

上記浄水膜ろ過監視制御システムのろ過時及び洗浄時の作用は、次のようになる。
（ろ過時）
原水は原水ポンプ３により供給水槽１に導かれる。供給水槽１に導かれる途中の配管２ａではストレーナ４により原水中の夾雑物が取り除かれるとともに、原水吸光度計５により原水の吸光度が測定される。供給水槽１には、凝集剤注入設備７より凝集剤が注入され、活性炭注入設備８より活性炭が注入される。原水は、前処理ポンプ１０により膜モジュール１１へ導入され、膜モジュール１１を透過した処理水は処理水槽１２へ流入される。供給水槽１の下流側の配管２ｂでは流動電流計９により原水の流動電流値が測定され、処理水槽１２の下流側の配管２ｅでは処理水吸光度計１８により処理水の吸光度が連続的に測定される。

（洗浄時）
原水を連続して通水することによって、膜モジュール１１の膜面に原水中のファウリング物質が堆積してろ過抵抗が増加し、膜差圧が高くなる。従って、膜差圧が所定の値を示した時点で、膜の２次側からろ過された処理水を供給する逆圧水洗浄をしたり、あるいはコンプレッサ１３による圧縮空気を原水側から送る。更には、低頻度で膜の２次側から処理水を加温した温水を給湯装置１４により供給する。給湯装置１４からの温水は、例えば４０〜８０℃とする。

次に、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図１を参照する。本実施例１は、電流計測計９で計測されるオンラインの流動電流値を指標として、膜モジュール１１の上流側に配置された凝集剤注入装置７からの凝集剤注入率を常時変更しながら運転することを特徴としている。

凝集剤注入率は、例えば図２のようにして最適な値とする。ここで、図２は、凝集剤注入率と、流動電流値（無単位），沈殿上澄濁度（度）との関係を示している。即ち、通常の凝集沈殿を行う浄水プラントの場合には、流動電流値が０である凝集剤注入率（ここでは約６０ｍｇ／Ｌ）が最適な凝集剤注入率となる。しかし、本願で対象とするプロセスのように、供給水槽の後段で膜ろ過処理がある場合には、それよりも少ない凝集剤注入率（ここでは約３０ｍｇ／Ｌ）が最適となる可能性がある。なお、ここでの「最適」とは、物理洗浄および温水洗浄後の膜差圧の上昇が最も少ないことをいう。従って、流動電流値の目標値の決め方が膜差圧上昇に関連するため、例えば図３に示す試験結果を得ることで、最適な流動電流値目標値を例えば−２．０〜−３．５に設定することができる。なお、図３は温水洗浄を行う場合と行わない場合とで異なったものになるが、ここでは温水洗浄を行なった場合を示している。

上記実施例１によれば、電流計測計９で計測されるオンラインの流動電流値を指標として、膜モジュール１１の上流側に配置された凝集剤注入装置７からの凝集剤注入率を常時変更しながら運転することにより、膜ファウリングを抑制でき、ポンプ動力コストを含めたトータルでのシステム設計・運転が可能となる。

（実施例２）
図１を参照する。本実施例２は、膜モジュール１１の前段で、凝集剤注入設備７より凝集剤を供給水槽１に供給するとともに、活性炭注入設備８より活性炭を供給水槽１に供給する例を示す。本実施例では、流動電流計９で計測されるオンラインの流動電流値を指標として、凝集剤注入設備７からの凝集剤注入率を常時変更しながら運転するとともに、原水吸光度計５の吸光度に基づいて活性炭注入率を制御している。即ち、凝集剤の注入だけではフロックしにくい、微小な有機物を活性炭により吸着させた後に凝集剤を添加することでマイクロフロック化し、物理洗浄で剥離できる大きさのファウリング成分に変化させている。

活性炭注入率は、例えば以下の注入率式に基づいて行う。
活性炭注入率＝ａ×原水吸光度＋ｂ
ここで、符号ａ，ｂはパラメータであり、膜ろ過処理後の処理水吸光度計１８による指示値および過去に実施した実験結果に基づいて調整することが可能である。
実施例２によれば、凝集剤及び活性炭の供給水槽１への供給により、供給実施例１と比べ膜差圧上昇をいっそう抑制できる。

（実施例３）
前処理を実施しない場合（凝集剤も活性炭も注入しない場合）、物理洗浄によるファウリング成分の剥離率が高まる効果がある一方で、物理洗浄するまでの膜差圧上昇が大きくなることが懸念される。物理洗浄するまでの膜差圧上昇が大きいことは、ポンプ動力が増大することにもなるため、これらを考慮した上で薬品注入率を決定することが望ましい。

本実施例３は、これまでの洗浄条件や薬品注入率で運転を継続した場合の膜差圧を予測することが求められるので、ろ過中におけるファウリングの蓄積による膜差圧上昇の予測値ΔＰを求めて薬品洗浄時期を予測し、薬品洗浄コストとポンプ動力コスト、薬品コスト夫々トータルでのコスト評価するものである。

膜差圧上昇の予測値ΔＰは、次のようにして求める。
まず、前記予測値ΔＰ[Ｐａ]は、下記[式１]により表される。ここで、[式１]の１項目中のＲrは下記[式２]により表され、[式１]の２項目中のＲirは下記[式３]により表される。

式１

式２

式３

(ａ) ろ過中におけるファウリングの蓄積による膜差圧上昇の予測値ΔＰ[Ｐａ]は、上記式（１）で表される。即ち、膜差圧上昇は、抵抗Ｒr（物理洗浄で低減可能）と抵抗Ｒir（温水洗浄である程度低減可能）によるものと定義でき、ケーク抵抗Ｒrと膜モジュールの細孔の閉塞による抵抗Ｒirとも定義できる。模式的に示せば、図４の符号Ｐ１から符号Ｐ２までの抵抗がＲr、符号Ｐ２から符号Ｐ３までの抵抗がＲirとなる。なお、図４中、符番２１はファウリング物質が蓄積されたケーキ層を、符番２２は膜モジュール１１の膜を示す。

(ｂ) 上記式（１）中のＲrは濁質の堆積ｘ（積算値）と物理洗浄、凝集剤・活性炭注入の関数であり、上記式（１）で表される。また、Ｒirは有機物の堆積ｙ（積算値）と温水洗浄・凝集剤・活性炭注入の関数と仮定して、上記式（３）で表される。
式中のパラメータα，β，Ｋ，ｎ，ｙは、過去の運転実績データがある場合には、例えば最小二乗法により同定することができる。また、膜ろ過設備導入など運転実績データがない場合には、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示す実験結果などにより決定することができる。ここで、図５（Ａ）は、上記式（４）によるパラメータｎが２のときのファウリング物質の堆積量と膜差圧との関係を示す特性図を示す。図５（Ｂ）は、時間と膜差圧との関係を示す特性図を示す。例えば、図５（Ｂ）中の傾きαはろ過抵抗を、傾きβは傾きαをマクロ的に見たもので、所定の原水のろ過圧力、ろ過量、ろ過差圧等を試験した定圧ろ過試験結果から得られる。

また、Ｒrの定義により、物理洗浄時はＲr＝０とするべきであるが、物理洗浄流量や洗浄周期によっては十分な洗浄ができないケースも表現できるモデル式である必要がある。即ち、物理洗浄による物質の剥離量ｗａは係数ｋ_１を用いて以下のように定義する。つまり、逆洗時の洗浄効果は、累積濁質量の減少として捉え、以下の式（６）で定義した。
Ｐr（ｎ）＝（１−ｋ_１）Ｒr（ｎ−１） …（６）
但し、ｋ_１は累積濁質量除去率を表し、０．０≦ｋ_１≦１．０である。この除去率ｋ_１は、以下の式（７），（８）で表される。
ｋ_１＝ｅｘｐ（−ｈ_１／Ｑｂ）（但し、ｆｌａｇ＝１） …（７）
ｋ_１＝０（但し、ｆｌａｇ＝０） …（８）
なお、ｆｌａｇ（判定フラグ）が「１」とは物理洗浄中を示し、ｆｌａｇが「０」とは洗浄していないときを示す。また、式（７）中の符号Qｂは物理洗浄流量[ｍ^３／ｈ]、ｈ_１は調整パラメータを示す。図６は、ｈ_１＝０．００１時の逆洗流量と累積濁質除去率を示す特性図である。図６より、逆洗流量がある値（約２ｍ^３／ｈ）以上になると、累積濁質除去率が１となることがわかる。

また、温水洗浄時の基本的な考え方は、物理洗浄による可逆ファウリングの剥離と同様である。但し、剥離するのは膜細孔の閉塞による抵抗Ｒirであり、その除去率は温水洗浄流量、温水洗浄周期、温水水温で決まる。
上記のように、式（２）〜（５）によりＲr，Ｒirを求め、これらの値を式（１）に導入して膜差圧上昇の予測値ΔＰを求める。

実施例３によれば、ろ過中におけるファウリングの蓄積による膜差圧上昇の予測値ΔＰを求めて薬品洗浄時期を予測できるので、薬品洗浄コストとポンプ動力コスト、薬品コスト夫々トータルでのコスト評価することができる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、例えば、流動電流値の指標に加え、所定のタイミングで温水洗浄を実施することで得られる膜ファウリング成分の除去率を指標として凝集剤注入率を制御することにより、膜等に目詰まりしたファウリング物質をいっそう剥離することができる。また、供給水槽にｐＨ調整剤を注入するためのｐＨ調整剤注入設備を接続させ、原水中のｐＨを調整するようにしてもよい。

１…供給水槽、２ａ〜２ｅ…配管、３…原水ポンプ、４…ストレーナ、５…原水吸光度計、６…ｐＨ調整剤注入設備、７…凝集剤注入設備、８…活性炭注入設備、９…流動電流計、１０…前処理ポンプ、１１…膜モジュール、１２…処理水槽、１３…コンプレッサ、１４…給湯装置（温水供給装置）、１８…処理水吸光度計、１９…制御部。

Claims (3)

1. 水中の濁質分を分離除去する浄水膜ろ過監視制御システムにおいて、
   原水が供給される供給水槽と、
   この供給水槽に凝集剤を注入する凝集剤注入装置と、
   前記供給水槽に活性炭を注入する活性炭注入装置と、
   前記供給水槽の下流側に配置された，前処理水をろ過する膜モジュールと、
   この膜モジュールの下流側に配置された処理水槽と、
   前記膜モジュールに温水を供給する温水供給装置と、
   前記供給水槽に供給される原水の吸光度を計測する吸光度計と、
   前記供給水槽から膜モジュールに供給される原水の電流を計測する電流計測計と、
   前記流動計測計，凝集剤注入装置に夫々電気的に接続され，前記電流計測計で計測されるオンラインの流動電流値を指標として、凝集剤注入装置からの凝集剤注入率を制御する制御部とを具備したことを特徴とする浄水膜ろ過監視制御システム。
2. 流動電流値の指標に加え、所定のタイミングで温水洗浄を実施することで得られる膜ファウリング成分の除去率を指標として凝集剤注入率を制御することを特徴とする請求項１記載の浄水膜ろ過監視制御システム。
3. 前記供給水槽にｐＨ調整剤を注入するｐＨ調整剤注入設備を備えていることを特徴とする請求項１もしくは２記載の浄水膜ろ過監視制御システム。

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