(57)【要約】【課題】原水中に含まれるフミン質等の有機物や溶解性シリカ等の膜材質と非常に親和性の強い物質による膜閉塞を防止することができる清澄水の膜ろ過方法を提供する。【解決手段】ろ過膜３を構成する材料と同質粒子を清澄な原水に添加してろ過膜表面に同質粒子層５を形成し、原水に含まれる膜面材質との親和性の高いフミン質等の有機物や溶解性シリカ等の物質を、この同質粒子層５に吸着させながら膜ろ過を行う。これらの物質の膜面への吸着が大幅に低減され、同質粒子層５は通常の逆洗操作により容易に膜面から剥離させることができるので、薬品洗浄の回数を低減できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろ過膜を構成する材料と同質の粒子を清澄な原水に添加してろ過膜表面に同質粒子層を形成し、原水に含まれる膜面材質との親和性の高い物質をこの同質粒子層に吸着させながら膜ろ過を行うことを特徴とする清澄水の膜ろ過方法。
【請求項２】
同質粒子の粒径を、ろ過膜の膜細孔径の２倍以上としたことを特徴とする請求項１に記載の清澄水の膜ろ過方法。
【請求項３】
同質粒子を原水に一定量添加しながらろ過することを特徴とする請求項１に記載の清澄水の膜ろ過方法。
【請求項４】
逆洗毎にあらかじめろ過膜表面に同質粒子層を形成した後、ろ過を開始することを特徴とする請求項１に記載の清澄水の膜ろ過方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下水、伏流水、井戸水、湧水などの比較的清浄な原水から浄水を得るための、清澄水の膜ろ過方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上下水道、医薬品、食品関係などの多くの施設で用いられる浄水を得る方法として、膜ろ過方法が広く利用されている。膜ろ過方法は、ろ過膜により原水中の懸濁物質を除去することができる固液分離技術であるが、原水中に懸濁物質が多い場合には、前処理としてＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）や塩化第二鉄などの凝集剤を添加して懸濁物質の粒径を大きくし、膜ろ過及び逆洗を容易にする方法が採用されている。
【０００３】
一方、原水が地下水、伏流水、井戸水、湧水などの比較的清浄な清澄水である場合には、凝集剤を用いない無凝集での膜ろ過処理が望まれている。しかしながら、清澄水を無凝集で膜ろ過した場合には、膜閉塞により安定運転が困難となることがある。そのような場合には、通常の逆洗操作では膜差圧が回復できないためにろ過膜の薬品洗浄頻度が増加して維持管理が煩雑になり、膜ろ過コストが増加するおそれがあった。
【０００４】
これは、地下水などは天然のろ過処理が既になされているために原水中の懸濁物質の粒径が小さく、膜表面の細孔を閉塞し易いこと、及びフミン質等の有機物や溶解性シリカ等の膜材質と非常に親和性の強い原水中の物質が膜面に吸着し、通常の逆洗では容易に剥離しないことが原因であると考えられる。
【０００５】
なお特許文献１には、水ろ過用の膜モジュールを用いた全量ろ過方式の水処理方法において、ろ過膜表面にろ過膜に対して剥離性のよい無機物粒子によるコーティング層を形成しておき、ファウリング物質をコーティング層とともに逆洗により除去する方法が開示されている。しかし、膜材質と非常に親和性の強い原水中の物質はコーティング層を透過してろ過膜に吸着されるため、この方法によって上記した膜閉塞を十分に防止することはできなかった。
【特許文献１】特開２００４−１３０１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記した従来の問題点を解決して、原水中に含まれるフミン質等の有機物や溶解性シリカ等の膜材質と非常に親和性の強い物質による膜閉塞を防止し、薬品洗浄の回数を低減するとともに維持管理を容易にし、運転コストの低減を図ることができる清澄水の膜ろ過方法を提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するためになされた本発明の清澄水の膜ろ過方法は、ろ過膜を構成する材料と同質の粒子を清澄な原水に添加してろ過膜表面に同質粒子層を形成し、原水に含まれる膜面材質との親和性の高い物質をこの同質粒子層に吸着させながら膜ろ過を行うことを特徴とするものである。なお、同質粒子の粒径を、ろ過膜の膜細孔径の２倍以上とすることが好ましい。また、同質粒子を原水に一定量添加しながらろ過する方法、もしくは逆洗毎にあらかじめろ過膜表面に同質粒子層を形成した後、ろ過を開始する方法を取ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の清澄水の膜ろ過方法においては、ろ過膜表面にろ過膜を構成する材料と同質の粒子の層を形成し、原水に含まれる膜面材質との親和性の高い物質をこの同質粒子層に吸着させながら膜ろ過を行うので、同物質の膜面への吸着は大幅に低減される。またこの同質粒子層は通常の逆洗操作により容易に膜面から剥離させることができるので、薬品洗浄の回数を低減するとともに維持管理を容易にし、運転コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明を実施するための原水処理設備を説明するブロック図であって、１は地下水、伏流水、井戸水、湧水などの比較的清浄な清澄水である原水が貯留される原水槽、２は原水を膜ろ過するための膜モジュールである。ろ過膜３の材質としては、特に限定されずアルミナ、チタニア、ムライト、ジルコニア、シリカ、スピネル或いはこれらの混合物などのセラミック膜、あるいはＰＶＤＦ（ポリビニルデンフルオライド）、ＣＡ(酢酸セルロース)などの高分子膜が用いられる。膜構造は平膜、モノリス膜、中空糸膜などの各種のものを用いることができる。
【００１０】
原水はポンプ４によって膜モジュール２に打ち込まれ、この実施形態ではデッドエンドろ過が行われる。本発明では清澄水を原水とするため凝集剤は使用しないが、ろ過膜３を構成する材料と同質の粒子（同質粒子）を原水に添加し、ろ過膜３の表面に同質粒子層５を形成する。なお添加位置は図１中に破線で示すように、膜モジュール２の前段であればどの位置でもよい。
【００１１】
ろ過膜３の材質がアルミナのセラミック膜である場合には、同質粒子としてアルミナ粒子が添加され、ろ過膜３がチタニアのセラミック膜である場合には、チタニア粒子が添加される。同様に、ろ過膜３がＰＶＤＦの高分子膜である場合には、ＰＶＤＦ粒子が添加される。しかし、本発明者は、ろ過膜３の材質がアルミナ、チタニア、ムライト、ジルコニア、シリカ、スピネル或いはこれらの混合物などのセラミック膜である場合には、各材質間の親和性が高分子材質よりも高い為、添加される同質粒子は、ろ過膜３の材質と完全に同一である必要がない事を見出している。例えば、ろ過膜３の材質がチタニアからなる場合、同質粒子としてチタニアは勿論、アルミナ、ムライト、ジルコニア、シリカ、スピネルあるいはこれらの混合物等のセラミック粒子も用いることができる。
【００１２】
原水に添加される同質粒子の粒径は、ろ過膜３の膜細孔径の２倍以上とすることが好ましい。これは逆洗操作により膜面からの剥離が容易に行えるようにするためである。同質粒子の粒径がろ過膜３の膜細孔径と同等以下になると、同質粒子がろ過膜３の細孔内に進入して膜閉塞の原因となるので好ましくない。また、同質粒子を原水に一定量添加しながらろ過する、もしくは逆洗毎にあらかじめ同質粒子層を形成した後、ろ過を開始しても良い。
【００１３】
このように、同質粒子を原水に添加してろ過膜３の表面に同質粒子層５を形成すれば、原水に含まれる膜面材質との親和性の高いフミン質等の有機物や溶解性シリカ等は同質粒子層５に吸着され、ろ過膜３の表面への吸着量が減少する。このため従来よりも膜面にファウリング物質が形成されにくくなり、また膜差圧が上昇した場合にも、図１に示すように逆洗ポンプ７により膜モジュール２にろ過水を打込んで逆洗を行えば、同質粒子層５を容易にろ過膜３の表面から剥離させることができ、優れた逆洗効果を得ることができる。また、逆洗は特に逆洗ポンプ７を使用する必要があるわけではなく、例えば、図２に示すように加圧逆洗により加圧水や加圧空気を膜モジュール２に打ち込んでもよい。
【００１４】
なお、加圧逆洗の手順は例えば次の通りである。
水逆洗の場合
（1）Ｖ３を閉じてＶ４を開とし、逆洗水槽８にろ過水を貯める。あるいはＶ６を開き、処理水槽６からポンプ８により逆洗水槽８にろ過水を貯める。
（2）次にＶ７を開いて圧縮空気により逆洗水槽８内を加圧する。
（3）Ｖ２を開き逆洗する。
空気逆洗の場合
（1）Ｖ８を開き圧縮空気で膜モジュール２の二次側を加圧する。
（2）Ｖ２を開き逆洗する。
上記した逆洗方法自体は従来と同様であり、本発明は、形成する同一粒子層の剥離が可能な逆洗方法であれば、特に逆洗方法によって限定されるものではない。また、逆洗頻度も従来と同様であり、例えば一定時間毎に行っても、膜差圧が所定値に達するごとに行ってもよい。
【実施例１】
【００１５】
伏流水を原水とし、ろ過膜の材質がそれぞれアルミナ、チタニア、ジルコニアであるセラミック膜３種類と、ろ過膜がＰＶＤＦである高分子膜を用いて膜ろ過実験を行った。使用したセラミック膜は出願人会社製のモノリス膜であり、高分子膜は一般に市販されている中空糸膜を用いた。
膜面積は、全て０.４ｍ2であり、孔径は０.１μｍである。ただし、ろ過膜の材質がアルミナ及びＰＶＤＦの膜のみ、孔径１μｍの膜も実験した。
原水に、表１に示す条件で各種の粒子を添加し、運転流束８ｍ3/(ｍ2・日)で、３時間ごとに逆洗を繰り返しながら、膜差圧の変化を１週間観察した。なお、１日あたりの差圧上昇速度を表１に付記した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
以下、表１に付記した差圧上昇速度の試験結果を用いて本発明を具体的に説明する。実験１〜６は、粒子を添加しない従来のろ過条件であり、これを比較例とした。
実験７〜実験１４は、原水にろ過膜材質と全く同材質の粒子を一定量添加しながらろ過した条件である。このうち、実験７〜１２は、膜差圧上昇速度が実験１〜６と比較して減少しており、本発明の効果である目詰まり抑制効果があった。しかし、実験１３、１４では逆に目詰まりが進行した。これは、実験７〜１２では、添加した粒子の粒径が、膜細孔径の２倍〜５倍であり、実験１３、１４では、１.５倍であることから、添加する粒子の粒径が小さく、粒子自体が細孔に目詰まりした為と考えられる。したがって、添加する同質粒子の粒径としては、少なくとも膜細孔径の１.５倍以上、望ましくは２倍以上が必要である。
【００１８】
実験1５〜１８は、ろ過膜材質がアルミナのセラミック膜を用いて、セラミック粒子としてチタニア、ムライト、ジルコニア、高分子の粒子としてＣＡを原水に一定量添加しながらろ過した条件である。なお、実験１８のみ膜細孔径１．０μmの膜を用いた。このうち、実験１５、１６、１８は、膜細孔径の違いにかかわらず膜差圧上昇速度が実験１〜６と比較して減少しており、本発明の効果である目詰まり抑制効果があった。しかし、実験１７では、効果が見られなかった。これは、実験１５、１６、１８では、添加した粒子の材質がセラミックであり、材質間の親和性が高分子に比べ高い為、アルミナのろ過膜を閉塞させてしまう地下水中のファウリング物質を、例えばチタニア等の他のセラミック材質の粒子層で吸着することができる為である。一方、実験１７では、ＣＡの粒子では、アルミナのろ過膜を閉塞させてしまう地下水中のファウリング物質を吸着することができなかった為、効果が見られなかったと推定される。
【００１９】
実験１９〜２２は、ろ過膜材質がチタニア及びジルコニアのセラミック膜を用いて、アルミナ、ジルコニア、スピネル、及びチタニアとアルミナを重量基準で５０％混合したセラミック粒子を原水に一定量添加しながらろ過した条件である。実験１９〜２２では、膜差圧上昇速度が実験１〜６と比較して減少しており、本発明の効果である目詰まり抑制効果があった。実験１５、１６、１８でも示したように、ろ過膜の材質がアルミナ、チタニア、ムライト、ジルコニア、シリカ、スピネル或いはこれらの混合物などのセラミック膜である場合には、各材質間の親和性が高分子材質よりも高い為、添加される同質粒子は、ろ過膜の材質と完全に同一である必要がない事が判明した。
【００２０】
実験２３〜２５は、ろ過膜材質がＰＶＤＦの高分子膜を用いて、アルミナ、及びＣＡの粒子を原水に一定量添加しながらろ過した条件である。実験２３〜２５では、膜差圧上昇速度が実験１〜６と比較して増加しており、ろ過膜の材質が高分子である場合には、セラミック膜と違い、全くの同材質の粒子を添加する必要があることが判明した。
【実施例２】
【００２１】
井戸水を原水とし、ろ過膜の材質がそれぞれアルミナ、チタニア、シリカであるセラミック膜３種類と、ろ過膜がＣＡである高分子膜を用いて膜ろ過実験を行った。使用したセラミック膜は出願人会社製のモノリス膜であり、高分子膜は一般に市販されている中空糸膜を用いた。
膜面積は、全て０.４ｍ2であり、孔径は０.１μｍである。ただし、ろ過膜の材質がチタニア及びＣＡの膜のみ、孔径１μｍの膜も実験した。
【００２２】
実施例２では、表２に示した粒子層厚さになるように、逆洗毎にあらかじめ各材質の粒子層を形成した後、実運転(ろ過)を開始するようにした。具体的には、逆洗毎に、高濃度の粒子を含む溶液(原水に添加)を所定の層厚さになるまで高流束でろ過する事により、同一粒子層を形成した。運転流束８ｍ3/(ｍ2・日)で、３時間ごとに逆洗を繰り返しながら、膜差圧の変化を１週間観察した。なお、１日あたりの差圧上昇速度を表２に付記した。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
以下、表２に付記した差圧上昇速度の試験結果を用いて本発明を具体的に説明する。実験１〜６は、粒子を添加しない従来のろ過条件であり、これを比較例とした。
実験７〜９は、ろ過膜の材質がアルミナ、チタニア、シリカであるセラミック膜に、逆洗毎に同材質の粒子層を５μｍ〜５０μｍ形成してからろ過を開始する条件で実施した実験である。これから、粒子層厚さの違いにかかわらず全て膜差圧上昇の抑制効果が見られた。しかし、膜差圧上昇の抑制効果には影響ないが、現実的には、あまり厚い粒子層を形成してしまうと圧力損失が大きくなり、押し込み圧力が必要となるとコスト増加につながる為、３００μｍを超える過剰の粒子層を形成することは望ましくない。
【００２５】
実験１０、１１は、ろ過膜の材質がチタニアであるセラミック膜に、逆洗毎にＣＡとアルミナの粒子層を形成してからろ過を開始する条件で実施した実験である。実験１０では、膜差圧上昇の抑制効果は見られなかったが、実験１１では、膜差圧上昇の抑制効果が見られた。これから、実施例１でも示したようにセラミック膜の場合では、各材質間の親和性が高分子材質よりも高い為、添加される同質粒子は、ろ過膜の材質と完全に同一である必要がないと判断された。
【００２６】
実験１２、１３は、孔径が１.０μｍの膜を用いて実験したものである。これから、膜細孔径が大きくなっても、同質粒子層を形成すると膜差圧上昇の抑制効果が見られることが明らかである。
【００２７】
上記した実施例のデータに示されるように、ろ過膜を構成する材料と同質粒子を原水に添加してろ過膜表面に同質粒子層を形成した状態で膜ろ過を行う本発明の方法によれば、逆洗により膜差圧の上昇を防止することができ、長期間にわたる連続使用が可能となる。従って本発明によれば、薬品洗浄の回数を低減するとともに維持管理を容易にし、運転コストの低減を図ることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  原水槽
２  膜モジュール
３  ろ過膜
４  ポンプ
５  同質粒子層
６  処理水槽
７  逆洗ポンプ
８  逆洗水槽
【図１】
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【図２】
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