JP4544020B2 - 膜濾過システムの運転方法 - Google Patents

Description

この発明は、給水中の不純物を除去する濾過膜部を備え、この濾過膜部からの濃縮水の一部を排水するとともに、残部を前記濾過膜部の上流側へ還流させる膜濾過システムの運転方法に関する。

熱機器や水使用機器への給水の水処理システムとして、給水中に含まれる不純物，たとえば溶存塩類を濾過する濾過膜部を有する膜濾過システムがある（たとえば、特許文献１参照。）。この膜濾過システムでは、前記濾過膜部の一側から給水が流入し、この給水中に含まれる不純物が捕捉される。そして、前記濾過膜部の他側から流出した透過水が前記機器へ供給される。

ところで、前記濾過膜部の他側からは、透過水の他に濃縮水が流出する。前記膜濾過システムにおいては、水の有効利用を図るため、濃縮水の一部のみを排水し、残部を前記濾過膜部の上流側へ還流させる構成（いわゆる、クロスフロー濾過）がある。
特開平５−２２０４８０号公報

ここで、水の利用効率を高めるためには、系外への濃縮水の排水量を減少し、透過水量と排水量との和に対する透過水量の割合（以下、「回収率」と云う。）を高くすればよい。しかし、回収率を高くすればするほど、前記濾過膜部の上流側への濃縮水の還流量が多くなるため、濾過膜の表面付近において、給水中の不純物の濃度が高くなり、ファウリングやスケーリングといった現象による前記濾過膜の詰まりが発生する。ここで、ファウリングとは、水中の懸濁物質，コロイド，有機物などが膜面に沈着または吸着する現象を云い、スケーリングとは、水中に溶解している溶存塩類が、溶解度以上に濃縮されることによって、膜面に析出して沈着する現象を云う。

前記濾過膜部で前記濾過膜の詰まりが発生すると、水の透過流束が低下するため、透過水量の低下を生じる。また、前記濾過膜部で前記濾過膜の詰まりが発生すると、圧力損失の上昇によって前記濾過膜が破損しやすくなるため、不純物が透過水中へリークし、透過水の水質が悪化する。そこで、水の利用効率をできるだけ高く図りつつ、前記濾過膜部における前記濾過膜の詰まりや劣化を防止することができる濃縮度合になるような回収率で常に運転することが望ましい。

ところで、前記濾過膜部への給水の水温は、前記濾過膜の特性に影響を与える。たとえば、給水の水温が変化すると、透過流束が変化することによって、透過水量が変化する。また、濾過膜部と脱気膜部とを併用し、給水の温度変化に応じて、不純物の濾過および溶存気体の脱気を効率よく行う水処理方法が提案されているが（特願２００４−９７８１０号）、この水処理方法では、給水の温度に基づいて、前記濾過膜部への加圧ポンプの回転数を制御し、給水圧力を変えることにより、前記濾過膜部からの透過水量を変化させている。このように、前記加圧ポンプの給水圧力を変化させると、排水量も変化してしまうため、水の利用効率が低下したり、また前記濾過膜部で前記濾過膜の詰まりが発生したりするおそれがある。

この発明が解決しようとする課題は、常に一定の回収率を維持することができる膜濾過システムの運転方法を実現することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、給水中の塩化物イオンおよび硫酸イオンからなる腐食促進成分を除去する濾過膜部と、給水を前記濾過膜部へ供給するポンプと、前記濾過膜部からの透過水中の溶存酸素を除去する脱気膜部とを備え、前記濾過膜部からの濃縮水の一部を排水するとともに、残部を前記濾過膜部の上流側へ還流させる膜濾過システムの運転方法であって、
（ａ）給水圧力および給水温度の両変化に対する前記濾過膜部からの透過水中の腐食促進成分残存値、および前記脱気膜部からの脱気水中の溶存酸素残存値の関係を予め求めておくとともに、腐食促進成分残存許容値と溶存酸素残存許容値を定め、
（ｂ）給水温度の検出値に基づいて、腐食促進成分残存許容値と溶存酸素残存許容値をともに充足するように、前記ポンプの回転数を制御して、前記濾過膜部への給水圧力を調整することにより透過水量を増減させ、
（ｃ）前記濾過膜部からの透過水量に基づいて、システムの回収率が一定になるように、濃縮水の排水量を調節することを特徴としている。

請求項１に記載の発明では、前記濾過膜部からの濃縮水は、一部が系外へ排水され、残部が前記濾過膜部の上流側へ還流される。そして、前記濾過膜部からの濃縮水の排水量は、回収率が一定になるよう、前記濾過膜部からの透過水量に基づいて調節される。

この発明によれば、前記濾過膜部からの透過水量に基づいて、濃縮水の排水量を調節することにより、常に一定の回収率を維持することができる。これにより、水の利用効率を高めながら、前記濾過膜部での濾過膜の詰まりを防止し、この結果、透過水量の低下や透過水の水質悪化を防止することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態に係る膜濾過システムの運転方法は、機器への給水ライン上に設けられた濾過膜部と、この濾過膜部からの濃縮水を排水するための排水ラインと、この排水ラインと前記濾過膜部の上流側の前記給水ラインとを接続する循環水ラインとを有する膜濾過システムにおいて実施される。

前記濾過膜部は、濾過膜により、給水中に含まれる不純物を濾過するものである。前記濾過膜としては、逆浸透膜（ＲＯ膜）やナノ濾過膜（ＮＦ膜）などを挙げることができる。前記逆浸透膜は、分子量が数十程度のイオン類を濾別可能な液体分離膜である。また、前記ナノ濾過膜は、２ｎｍ程度より小さい粒子や高分子（分子量が最大数百程度の物質）の透過を阻止することができる液体分離膜であり、濾過機能の点において、限外濾過膜（分子量が１，０００〜３００，０００程度の物質を濾別可能な膜）と前記逆浸透膜との中間に位置する機能を有する液体分離膜である。

前記膜濾過システムにおいて、前記濾過膜部からの濃縮水は、一部が前記排水ラインから排水され、残部が前記循環水ラインを通って前記濾過膜部の上流側へ還流される。すなわち、前記膜濾過システムでは、クロスフロー濾過を行うようになっている。

前記膜濾過システムでは、前記排水ラインからの濃縮水の排水量を、透過水量に基づいて調節する。具体的には、前記濾過膜部への水圧の低下や水温の低下などの要因により、透過水量が減少したときには、回収率（すなわち、透過水量と排水量との和に対する透過水量の割合）が一定になるように、濃縮水の排水量を減少させる。逆に、前記濾過膜部への水圧の上昇や水温の上昇などの要因により、透過水量が増加したときには、回収率が一定になるように、濃縮水の排水量を増加させる。ここで、透過水量は、たとえば前記濾過膜部からの前記給水ライン上に設けた流量センサによって検出される。

前記膜濾過システムの運転方法によれば、前記濾過膜部からの透過水量に基づいて、濃縮水の排水量を調節することにより、常に一定の回収率を維持することができる。これにより、水の利用効率を高めながら、前記濾過膜部での前記濾過膜の詰まりを防止し、この結果、透過水量の低下や透過水の水質悪化を防止することができる。

以下、この発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明を実施するための膜濾過システムの構成の一例を示す概略的な説明図である。

図１において、膜濾過システム１は、水道水，工業用水，地下水などの原水が貯留されている原水タンク（図示省略）から供給される原水の水処理を行い、この水をボイラ２へ給水として供給するものである。この膜濾過システム１は、前記ボイラ２への給水ライン３を備え、さらにこの給水ライン３と接続された濾過膜部４および脱気膜部５を上流側からこの順で備えている。また、前記膜濾過システム１は、給水を貯留する給水タンク６と、前記濾過膜部４の上流側に設けられ、給水を前記濾過膜部４へ供給するポンプ７と、前記濾過膜部４と前記脱気膜部５の間の前記給水ライン３に設けられた流量センサ８とを有している。さらに、前記膜濾過システム１は、前記流量センサ８の検出値に基づいて、後述する各排水弁を開閉する制御部９を有している。

ここで、前記濾過膜部４は、ナノ濾過膜（図示省略）を備えて構成されている。このナノ濾過膜は、ポリアミド系，ポリエーテル系などの合成高分子膜であり、２ｎｍ程度より小さい粒子や高分子（分子量が最大数百程度の物質）の透過を阻止することができる液体分離膜である。前記ナノ濾過膜は、通常、濾過膜モジュールとして構成されている。この濾過膜モジュールの形態には、スパイラルモジュール，中空糸モジュール，平膜モジュールなどがある。

前記濾過膜部４の一側へは、前記ポンプ７から送り出された給水が流入するようになっている。前記濾過膜部４内へ流入した給水は、前記ナノ濾過膜により、腐食促進成分が捕捉されるとともに、腐食抑制成分が透過されるようになっている。

ここで、腐食促進成分および腐食抑制成分について説明する。まず、腐食促進成分とは、前記ボイラ２が貫流ボイラである場合、かかる貫流ボイラにおける非不動態化金属よりなる複数の伝熱管（図示省略）の腐食が発生しやすい部位，とくに内側に水分（ここでは、ボイラ水）が接触し，かつ外側から加熱される前記伝熱管の内面に作用し、その腐食を促進するものを云い、通常、硫酸イオン，塩化物イオンおよびその他の成分を含んでいる。ちなみに、腐食促進成分として重要なものは、硫酸イオンおよび塩化物イオンの両者である。ところで、ＪＩＳ Ｂ８２２３：１９９９は、前記貫流ボイラを含む特殊循環ボイラの腐食を抑制する観点から、これらのボイラにおけるボイラ水の水質に関する各種の管理項目および推奨基準を規定している。この規定では、ボイラ水の塩化物イオン濃度についての基準値を設けている。一方、ボイラ水の硫酸イオン濃度には、言及されていないが、本願出願人においては、ボイラ水に含まれる硫酸イオンが、腐食促進成分として前記伝熱管などに作用していることを確認している。

つぎに、腐食抑制成分とは、前記ボイラ２の前記伝熱管の腐食が発生しやすい部位，とくに内側に水分（ここでは、ボイラ水）が接触し，かつ外側から加熱される前記伝熱管の内面に作用し、その腐食を抑制可能なものを云い、通常、シリカ（すなわち、二酸化ケイ素）を含んでいる。ところで、給水に含まれるシリカは、一般に、前記伝熱管におけるスケール生成成分と認識されており、可能な限りその濃度を抑制することが好ましいと考えられている。しかしながら、本願出願人においては、ボイラ水に含まれるシリカが腐食抑制成分として前記伝熱管などに作用していることを確認している。ここで、シリカは、給水として用いる水道水，工業用水，地下水などにおいて、通常、含有されている成分である。

前記濾過膜部４の他側からは、腐食抑制成分を多く含む透過水と腐食促進成分を多く含む濃縮水とがそれぞれ分離されて流出するようになっている。そして、透過水は、前記給水ライン３を流れて前記給水タンク６内に貯留されるようになっている。一方、濃縮水は、その一部が排水ライン１０から排水されるとともに、残部が前記排水ライン１０と前記ポンプ７の上流側の前記給水ライン３とを接続する循環水ライン１１を流れて前記ポンプ７の上流側へ還流されるようになっている。

前記排水ライン１０は、前記循環水ライン１１の接続箇所よりも下流側が、第一排水ライン１２，第二排水ライン１３および第三排水ライン１４に分岐している。そして、これらの各排水ライン１２，１３，１４には、それぞれ第一排水弁１５，第二排水弁１６および第三排水弁１７が設けられている。

ここで、前記各排水弁１５，１６，１７は、それぞれ定流量弁機構（図示省略）を備えている。すなわち、前記各排水弁１５，１６，１７は、後述するように前記ポンプ７の給水圧力を変えたとしても、前記各排水弁１５，１６，１７から流出する濃縮水の流量が一定になるように構成されている。また、前記定流量弁機構は、前記各排水弁１５，１６，１７において、それぞれ異なる流量値に設定されている。

前記脱気膜部５は、気体透過膜を多数備えた気体透過膜モジュール（図示省略）と、給水中の溶存気体，具体的には溶存酸素を気体透過膜モジュールを通して真空吸引する水封式真空ポンプ（図示省略）とを備えている。

前記制御部９には、信号線１８，１８，…を介して前記ポンプ７，前記流量センサ８および前記各排水弁１５，１６，１７が接続されている。そして、前記制御部９は、前記流量センサ８の検出値に基づいて、前記各排水弁１５，１６，１７を開閉制御する。また、前記制御部９には、前記信号線１８を介して前記給水ライン３に設けられた温度センサ１９が接続されている。そして、前記制御部９は、前記温度センサ１９の検出値に基づいて、前記ポンプ７の回転数を制御し、前記濾過膜部４への給水圧力を調節する。

ここで、前記制御部９による前記温度センサ１９の検出値に基づく前記ポンプ７の制御について説明する。一般に、前記ナノ濾過膜は、その濾過性能（腐食促進成分の除去率）が給水圧力の低下や給水温度の上昇にともなって低下するという特性を有している。一方、前記気体透過膜は、脱気性能（溶存酸素の除去率）が給水圧力の低下や給水温度の上昇にともなって上昇するという特性を有している。このように、前記ナノ濾過膜と前記気体透過膜とでは、前記ボイラ２の前記電熱管に腐食を生じさせる腐食促進成分および溶存酸素の除去について、相反する特性を有しているため、前記制御部９は、前記給水ライン３を流れる給水温度の変化に応じて、不純物の濾過および溶存酸素の脱気を効率よく行う。

具体的には、給水圧力および給水温度の両変化に対する前記濾過膜部４からの透過水中の腐食促進成分残存値および前記脱気膜部５からの脱気水中の溶存酸素残存値を予め求め、これらの値を前記制御部９内に記憶させておく。そして、前記制御部９は、前記温度センサ１９の検出値に基づいて、腐食促進成分残存許容値と溶存酸素残存許容値をともに充足するように、前記ポンプ７の回転数を制御し、前記濾過膜部４への給水圧力を調節する。たとえば、ある給水圧力で運転中に給水温度が下がり、前記温度センサ１９で前記脱気膜部５からの脱気水が溶存酸素残存許容値を超える給水温度が検出されたとする。このとき、前記制御部９は、前記ポンプ７の回転数を可変させて、溶存酸素残存許容値以下の脱気水が得られるように、前記濾過膜部４への給水圧力を低減させることによって透過水量を減量させる（以下、「減量運転」と云う。）。

つぎに、前記膜濾過システム１の運転方法について説明する。前記膜濾過システム１では、前記ポンプ７により、前記濾過膜部４へ給水を供給し、前記ナノ濾過膜（図示省略）で腐食促進成分を濾過する。前記ナノ濾過膜で濾過した後の透過水には、腐食抑制成分が含まれている。つぎに、この腐食抑制成分が含まれている透過水中の溶存酸素を前記脱気膜部５で脱気し、この水を前記ボイラ２へ供給する給水として前記給水タンク６内に貯留する。

前記濾過膜部４からの濃縮水は、一部を前記排水ライン１０から排水し、残部を前記循環水ライン１１を介して前記ポンプ７の上流側へ還流させる。そして、前記制御部９は、回収率が一定になるように、透過水量に基づいて、濃縮水の排水量を調節する。具体的には、前記制御部９は、前記流量センサ８の検出値に基づいて、回収率が一定になる排水量が得られるように、前記各排水弁１５，１６，１７を開閉制御する。たとえば、通常運転時に前記温度センサ１９により給水温度の低下が検出され、前記減量運転へ移行したときには、透過水量が減少される。一方、前記減量運転時に前記温度センサ１９により給水温度の上昇が検出され、前記通常運転へ移行したときには、透過水量が増加される。そこで、前記制御部９は、前記通常運転時と前記減量運転時とで一定の回収率となるように、前記各排水弁１５，１６，１７の開状態を適宜設定し、排水量を増減させる。

この実施例で説明した前記膜濾過システム１では、前記給水ライン３には、前記濾過膜部４と前記脱気膜部５とが設けられているが、この他に、前記給水ライン３に、給水中の次亜塩素酸ナトリウムに由来する塩素剤などの酸化剤を活性炭などの吸着材によって除去する酸化剤除去部や、給水中の硬度分をイオン交換樹脂などによって除去する軟水化処理部などが、この順で前記濾過膜部４の上流側に設けられていてもよい。

この発明を実施する膜濾過システムの構成の一例を示す概略的な説明図である。

符号の説明

１ 膜濾過システム
４ 濾過膜部

Claims (1)

1. 給水中の塩化物イオンおよび硫酸イオンからなる腐食促進成分を除去する濾過膜部と、給水を前記濾過膜部へ供給するポンプと、前記濾過膜部からの透過水中の溶存酸素を除去する脱気膜部とを備え、前記濾過膜部からの濃縮水の一部を排水するとともに、残部を前記濾過膜部の上流側へ還流させる膜濾過システムの運転方法であって、
   （ａ）給水圧力および給水温度の両変化に対する前記濾過膜部からの透過水中の腐食促進成分残存値、および前記脱気膜部からの脱気水中の溶存酸素残存値の関係を予め求めておくとともに、腐食促進成分残存許容値と溶存酸素残存許容値を定め、
   （ｂ）給水温度の検出値に基づいて、腐食促進成分残存許容値と溶存酸素残存許容値をともに充足するように、前記ポンプの回転数を制御して、前記濾過膜部への給水圧力を調整することにより透過水量を増減させ、
   （ｃ）前記濾過膜部からの透過水量に基づいて、システムの回収率が一定になるように、濃縮水の排水量を調節することを特徴とする膜濾過システムの運転方法。

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