JP5891108B2 - 水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、水処理方法に関する。

従来から、被処理槽外に設置した分離膜によってろ過水を取り出す槽外型膜分離装置が提案されている（特許文献１及び２等）。この槽外型膜分離装置では、被処理水槽と分離膜を収容した膜モジュールとの間に設置されたポンプによって、被処理水が膜モジュールに供給され、被処理水を、膜モジュール内を循環させながら膜モジュールの一次側（被処理水供給側、以下同じ）から二次側（ろ過水取出し側、以下同じ）に向けてろ過することによりろ過水を得ている。

しかし、このような装置では、ろ過時においては、ポンプで圧送された被処理水が膜モジュールに供給されるため、膜モジュール内での被処理水の循環速度に応じて、ろ過水量及び膜間差圧が変動し、この循環速度とろ過水量とを独立して制御することができないという課題があった。特に、膜モジュールにおける汚れ等の蓄積、被処理水の種類によっては、意図する被処理水の循環速度によって、意図するろ過水量及び膜間差圧が得られないことがあった。

特開２００８−８６８６３号公報 特開２００４−２４９２３５号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、いわゆる槽外型膜分離装置を用いて水処理を行う場合に、膜モジュール内での被処理水の循環速度とろ過水量とを独立して制御することができる水処理方法を提供することを目的とする。

本発明の水処理方法は、以下の発明を含む。
〔１〕被処理水槽と、該被処理槽外に配置された膜モジュールと、ろ過水槽とが、それぞれ連結管によってこの順に連結され、
前記被処理水槽と前記膜モジュールとの間の連結管に第１のポンプ、
前記膜モジュールのろ過水槽側の連結管に第２のポンプを備えた水処理システムを用いて、
前記第１のポンプで被処理水を前記膜モジュールに供給すると同時に、前記第２のポンプで前記膜モジュールに供給された被処理水を吸引ろ過する工程を含むことを特徴とする水処理方法。
〔２〕外径が２．５ｍｍ〜１０ｍｍ及び外径と肉厚の比であるＳＤＲ値が５．８〜３４である自立構造を有する単一主要構成素材による中空糸膜を備えた膜モジュールを用いる〔１〕に記載の水処理方法。
〔３〕さらに、前記第２のポンプでろ過水を前記膜モジュールに供給して該膜モジュールを逆洗すると同時に、前記第１のポンプで前記膜モジュールを洗浄した水を吸引排水する工程を含む〔１〕又は〔２〕に記載の水処理方法。
〔４〕前記中空糸膜が塩化ビニル系樹脂により形成されてなる膜モジュールを用いる〔２〕に記載の水処理方法。

本発明の水処理方法では、いわゆる槽外型膜分離装置を用いて水処理を行う場合に、膜モジュール内での被処理水の循環速度とろ過水量とを独立して制御することが可能となる。

本発明で水処理方法で使用される膜モジュールの概略断面図である。 本発明の水処理方法で使用される水処理システムの概念図である。 本発明の水処理方法で使用される別の水処理システムの概念図である。

本発明の水処理方法では、いわゆる槽外型膜分離装置が用いられる。つまり、被処理水槽と、この被処理槽外に配置された膜モジュールと、ろ過水槽とが、それぞれ連結管によってこの順に連結された水処理システムが用いられる。

水処理システムで用いられる膜モジュールは、特に限定されるものではなく、水処理において一般に用いられ、膜によってろ過が可能なものであればどのようなものを用いてもよい。このような膜モジュール自体は従来から公知であり、例えば、特開昭６２−１４０６０７号公報、特開平６−３１９９６１号公報、特開２００９−１８３８２２号公報、国際公開２０１１／００４７８６Ａ１及び２０１１／１０８５７９Ａ１等に記載された種々のものを利用することができる。上記膜モジュールは、内圧式であってもよいし、外圧式であってもよい。

具体的には、図１に示すように、少なくとも、筒状のケース１０と、その中に収容される複数本の中空糸膜１２とを備えるものが挙げられる。
筒状のケース１０としては、金属、プラスチック類等の種々の材料のものを使用することができるが、一般的にケース成型が容易で、機械的強度を確保することができるプラスチックが用いられる。
中空糸膜１２は、中空糸膜外径、長さ、数等について、得ようとする膜モジュールの特性等に応じて、適宜調整することができる。中空糸膜１２は、所定本数束ねて中空糸膜束とし、その中空糸膜束を筒状ケース１０に合わせて所定の長さに切断してケース内に、ストレート状に挿入されることが好ましい。

この複数本の中空糸膜１２は、ケース１０内において、その両端面１０ａ、１０ｂ側がシール材１１によってシールされている。このシール材１１よりも端面（片端面又は両端面）１０ａ、１０ｂ側には、上述した複数本の中空糸膜１２の内側（中空内）空間と連通する被処理水供給／排出配管（図示せず）が接続される被処理水供給口２ａ及び排水口２ｂを備えている。
被処理水供給口２ａ及び排水口２ｂのうち排水口２ｂは、通常、デッドエンドろ過を行なう場合には閉じているが、排水口２ｂが開き、それに連結された配管の途中で閉塞されてもよい。排水口２ｂは、いわゆるフラッシング、ドレン等を行なう場合に利用される。
また、シール１１間のケース側面には、中空糸膜２の外側空間と連通する透過側配管（図示せず）が接続されるろ過水取出口２ｃが配置されている。このろ過水取出口２ｃは２以上配置されていてもよい。

特に、本発明においては、膜モジュール２に使用される中空糸膜１２は、外径が２．５ｍｍ〜１０ｍｍ及び外径と肉厚の比であるＳＤＲ値が５．８〜３４である自立構造を有する単一主要構成素材、例えば、各種樹脂による中空糸膜であることが好ましい。なお、単一主要構成素材による中空糸膜とは、主要構成素材が単一の素材であり、中空糸膜として機能する部位に、他の材料による支持部材等を用いることなく、自立構造をとり得るものを意味する。

例えば、国際公開２０１１／００４７８６Ａ１及び２０１１／１０８５７９Ａ１等に記載されたものが例示される。
なかでも、外径が、２．５ｍｍ程度以上、３ｍｍ程度以上、３．５ｍｍ程度以上、４ｍｍ程度以上、４．２ｍｍ程度以上、４．５ｍｍ程度以上、５ｍｍ程度以上のものがより好ましく、ＳＤＲ値が６．０程度以上、６．２程度以上、６．５程度以上のものがより好ましい。
各種樹脂としては、通常、中空糸膜を製造するために使用されるもののいずれを用いてもよいが、塩化ビニル系樹脂が好ましい。塩化ビニル系樹脂としては、中空糸膜を構成する全モノマーに対して、塩化ビニル（塩素化塩化ビニルを含む）が、５０質量％以上ものが挙げられる。また、塩化ビニル系樹脂が、中空糸膜を構成する全樹脂に対して５０質量％以上、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上含有されているものが挙げられる。

このような中空糸膜は、膜間差圧１００ｋＰａにおける純水の透過水量が１００Ｌ／（ｍ²・ｈ）程度以上、２００Ｌ／（ｍ²・ｈ）程度以上であることが適しており、６００Ｌ／（ｍ²・ｈ）程度以上であることが好ましく、８００Ｌ／（ｍ²・ｈ）程度以上であることがより好ましく、１０００Ｌ／（ｍ²・ｈ）程度以上であることがさらに好ましい。

本発明の水処理システムでは、中空糸膜モジュールは、１個のみであってもよいし、複数個、例えば、２個又は３個以上備えていてもよい。中空糸膜モジュールの数は、ろ過装置の規模、ろ過を意図する水処理量等によって適宜調整することができる。この場合、それぞれ並列接続、直列接続及びこれらの組み合わせのいずれでもよい。

本発明で用いられる水処理システムは、特に限定されるものではなく、被処理水槽と、膜モジュールと、ろ過水槽とが、それぞれ連結管によってこの順に連結されたものであれば、当該分野で通常利用されるもののいずれであってもよい。
また、被処理水槽及びろ過水槽は、それぞれ被処理水及びろ過水を収容し得るものであれば、当該分野で通常利用されるもののいずれであってもよい。
被処理水槽と、膜モジュールと、ろ過水槽とを連結する連結管は、水処理システムの規模、意図する水処理性能等によって、当該分野で通常使用されている配管を使用することができる。

例えば、図２及び図３に示す水処理システムを利用することができる。
このような水処理システムでは、特に、矢印Ａのように被処理水が供給され、収容される被処理水槽１と膜モジュール２の被処理水供給口２ａとの間の連結管には第１のポンプ３が設置されており、膜モジュールのろ過水取出口２ｃのろ過水槽４側の連結管には第２のポンプ５が設置されている。
このように、膜モジュール２の一次側及び二次側に、第１のポンプ３及び第２のポンプ５をそれぞれ備えることにより、一次側から膜モジュール２への被処理水の供給の量及び／又は速度（循環流速）の制御と、二次側から膜モジュール２へのろ過水の吸引ろ過（ろ過水量）の制御とを、独立に行うことができ、特に、圧損による膜モジュール内の循環流速の低減を効果的に防止することができる。この効果は、比較的大口径（例えば、直径２．５ｍｍ程度以上）の中空糸膜を備えた膜モジュールを使用するシステムにおいて顕著である。

このような水処理システムでは、図２及び図３に示すように、膜モジュール２の排水口２ｂは、被処理水槽１と配管によって連結されていてもよいし、図３に示すように、膜モジュール２の排水口２ｂと被処理水槽１との間の連結管は、さらに第３のポンプ６を介して、連結されていてもよい。

膜モジュール２は、排水口２ｂ側において、吸気（矢印Ｃ）を可能とする吸気口を備えていてもよい。このような吸気口を備えることにより、系中に空気が吸入され、容易に水を抜くことができる。ただし、配管の途中で空気抜きができる場合は、吸気口は不要である。

また、逆洗等の際に気体を供給するために、気体供給装置をさらに備えていてもよい。この気体供給装置は、気体（好ましくは圧縮空気）を膜モジュール２に供給するための装置であり、一般にはブロア、コンプレッサ、マイクロバブル発生ブロア等が挙げられる。通常、気体としては空気が供給されるが、オゾン等を供給し得る装置であってもよい。気体は膜モジュール内に気泡として供給され、この気泡により、膜モジュール内の中空糸膜を効果的に洗浄することができる。気泡の大きさは、中空糸膜を洗浄するために有用なものであれば特に限定されるものではなく、ステンレス、セラミック、プラスチック、ゴムなどに１ｍｍ〜数十ｍｍ程度の空気吐出孔を開けた散気管等を利用して、適宜調整することが好ましい。また、いわゆるマイクロバブル（例えば、数十μｍ〜数百μｍ程度）を発生させる手段等を利用してもよい。気体供給装置は、膜モジュールの上流側（被水処理槽側）及び／又は下流側（透過水槽側）のいずれに連結されていてもよい。

さらに、被処理水槽１と膜モジュール２の被処理水供給口２ａとの間の連結管であって、第１のポンプ３の被処理水槽１側に排水口（矢印Ｂ）が設けられていることガ好ましい。このような排水口を利用することにより、後述する逆洗等の際に膜モジュール２を洗浄した排水を、被処理水槽１に戻すことなく、システム外に排出することができる。また、排水は、システム外への排出以外に、被処理水槽に戻してもよい。

第１のポンプ３、第２のポンプ５及び／又は第３のポンプ６は、送液することができるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、渦巻ポンプ、ディフューザーポンプ、渦巻斜流ポンプ、斜流ポンプ、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、歯車ポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプ、カスケードポンプ、ジェットポンプなど、種々のポンプを用いることができる。これらのポンプは、被処理水又はろ過水等を、吸水、揚水、圧出等するためのポンプとして利用することができる。

このような水処理システムは、薬液タンク、薬液注入ポンプ等、薬液洗浄を可能とする装備をさらに備えていてもよい。

このような水処理システムを利用する本発明の水処理方法では、通常、被処理水槽１内の被処理水が、第１のポンプ３により膜モジュール２の被処理水供給口２ａに供給される。この際、同時に、第２のポンプ５で膜モジュール２に供給された被処理水を、ろ過水取出口２ｃから吸引ろ過する。それによって、被処理水が膜モジュール２の中空部内部を流れて、排水口２ｂから流出し、再び被処理水槽１に戻る被処理水循環路を循環すると同時に、その一部が、適切な膜間差圧を生じさせることにより、中空部内部から外部に浸出してろ過される。
ろ過水は、膜モジュール２のろ過水取出口２ｃから所望の水量で取り出され、膜モジュール２と透過水槽３とを結ぶ配管に設けられた連結管を通って、ろ過水槽４に送水される。

このように、被水処理槽１側からの膜モジュール２への被処理水の供給の量及び／又は速度（循環流速）の制御と、ろ過水槽４側からの膜モジュール２へのろ過水の吸引ろ過（ろ過水量）の制御とを、独立に行うことが可能となる。よって、圧損による膜モジュール内の循環流速の低減を効果的に防止することができる。
なお、被処理水は、上述したようにクロスフローろ過に付されてもよいし、排水口２ｂを閉塞し、被処理水循環路を省略又は閉塞した水処理システムを用いたデッドエンドろ過に付されてもよい。

透過水槽４に送水された透過水は、その一部において、膜モジュール２を構成する膜の逆洗用水として用いてもよい。この場合、第２のポンプ５でろ過水を膜モジュール２のろ過水取出口２ｃに供給すると同時に、第１のポンプ３で膜モジュール２の被処理水供給口２ａから洗浄した水を吸引排水することが好ましい。
このように、ろ過水槽４側からの膜モジュール２へのろ過水の供給量及び／又は速度（循環流速）の制御と、被処理水槽１側からの膜モジュール２への逆洗水の吸引排水（吸引水量）の制御とを、独立に行うことができ、特に、圧損による膜モジュール内の循環流速の低減を効果的に防止することが可能となり、より強力な膜モジュールの洗浄が実現される。

また、透過水槽４に送水された透過水は、その一部が膜モジュール２に逆送する際に、その逆洗用水に、薬液注入ユニットから薬液注入ポンプによって、薬液が注入され、薬液洗浄用水が、膜モジュール２に逆送されてもよい。
膜モジュール２に逆送された透過水及び薬液洗浄用水は、膜モジュール２の膜を逆洗した後、膜モジュール２の排水口２ｂから配管を経て、矢印Ｂで示す排水口からシステム外に排出することが好ましい。

本発明の水処理方法では、例えば、水処理（ろ過）及び逆洗を交互に行うことが好ましい。ただし、必ずしも連続的に行わなくてもよく、例えば、水処理又は逆洗の後あるいはこれらの間に、フラッシング、ドレン、休憩工程を行なってもよい。
フラッシングは、主に槽、配管内部及び／又は膜モジュールなどの浮遊／付着物、残留異物等を除去するために行なう工程であり、加圧せずに、例えば、膜面流速０．１ｍ／ｓ以上で行なうことが好ましい。フラッシングする際の水は、通常被処理水が用いられる。膜モジュールを通した水は、フラッシング水として、再度被処理水槽１に戻される。
一般に、中空糸膜の内径よりも大きな粒子や繊維の塊、棒状の物質が膜モジュール端面でひっかかり、管路を塞ぐことがあるが、このモジュール端面での閉塞を、被処理水の供給向きと逆向きにフラッシングをすることで防止してもよい。

ドレンは、主に、膜モジュールにおいて全ろ過により水処理を行なった際に中空糸膜の被処理水側に残留する浮遊、付着、残留物、濃縮液等を系外に除去／排出する工程である。通常、すべてのポンプを停止した状態で膜モジュールの下部又は同時に上部を開放することにより、濃縮液等を自然に落下させて回収する方法が挙げられるが、このドレンの際に、第１のポンプ３による吸引を利用して、ドレン時間を短縮化することができる。
休憩工程は、水処理を一次停止することを意味する。

本発明の水処理方法でのろ過、逆洗、フラッシングにおいては、超音波発生装置を利用して、当該分野で公知の方法を利用して、超音波を付与してもよい。この場合の超音波は、例えば、十数ｋＨｚ〜数ＧＨｚ程度の周波数のものであればよい。超音波は、膜モジュールにのみ付与することが好ましく、上述したバブリングと同様に、水処理、逆洗、フラッシング等を行なっている間又はそれら処理と処理との間に付与してもよく、常時行なってもよいし、間欠的に付与してもよい。

本発明の水処理方法の対象となる水の種類は特に限定されず、汚水処理場等における活性汚泥等を含む排水、家庭排水等の都市下水、工場廃水等の各種施設の排水、農業廃水、生物処理水、懸濁質を含む排水、海水、井戸水さらには河川、湖沼など水等の膜分離で処理される被処理水のいずれであってもよい。また別の観点から、例えば、ＳＳ（浮遊物質）が２００００程度以下、５０００程度以下、例えば、１０〜４０００程度の液体が挙げられる。

本発明は、河川水及び地下水の除濁、工業用水の清澄、排水及び汚水処理、海水淡水化の前処理等の水の精製等のために使用される水処理装置として、広範に利用することができ、経済的かつ効率的な水処理を行なうことができる。

１ 被処理水槽
２ 膜モジュール
２ａ 被処理水供給口
２ｂ 排水口
２ｃ ろ過水取出口
３ 第１のポンプ
４ 透過水槽
５ 第２のポンプ
６ 第３のポンプ
１０ ケース
１０ａ、１０ｂ 端面
１１ シール材
１２ 中空糸

Claims (4)

1. 被処理水槽と、該被処理槽外に配置された膜モジュールと、ろ過水槽と、前記被処理水槽と前記膜モジュールとを連結する２つの連結管と、前記膜モジュールと前記ろ過水槽とを連結する連結管と、
   前記膜モジュールから被処理水槽までの間の連結管に前記膜モジュールの下流側になるように配置された第１のポンプと、
   前記膜モジュールのろ過水槽側の連結管に配置された第２のポンプとを備えた水処理システムを用いて、
   前記被処理水を、前記被処理水槽から前記膜モジュールを経てろ過して前記ろ過水槽に供給する際に、
   前記第１のポンプと前記第２のポンプとを独立的に制御しながら、前記第１のポンプで被処理水を前記膜モジュールに供給すると同時に、前記第２のポンプで前記膜モジュールに供給された被処理水を吸引ろ過する工程を含むことを特徴とする水処理方法。
2. 外径が２．５ｍｍ〜１０ｍｍ及び外径と肉厚の比であるＳＤＲ値が５．８〜３４である自立構造を有する単一主要構成素材による中空糸膜を備えた膜モジュールを用いる請求項１に記載の水処理方法。
3. さらに、前記第２のポンプでろ過水を前記膜モジュールに供給して該膜モジュールを逆洗すると同時に、前記第１のポンプで前記膜モジュールを洗浄した水を吸引排水する工程を含む請求項１に記載の水処理方法。
4. 前記中空糸膜が塩化ビニル系樹脂により形成されてなる膜モジュールを用いる請求項２に記載の水処理方法。