(57)【要約】【課題】  膜破損を判断する為の様々な条件における基準データを取得することなく、膜破損状態の診断が中空糸膜の形状や加圧気体を封入した密閉容積が異なる場合においても、簡便かつ正確で応用性の高い膜ろ過装置の膜破損診断方法および装置を提供する。【解決手段】  中空糸膜の内側に加圧気体を導入し、予め設定した圧力に到達した際に加圧気体の導入を停止して加圧側を密閉し、密閉後の高圧空間における圧力の経時変化から膜破損状態を診断する方法において、中空糸膜の破損状態を仮に想定した場合における前記高圧空間の圧力の経時変化を演算により求め、前記圧力の経時変化の実測値と前記演算値とを比較することにより、前記中空糸膜の破損状態を診断する。【選択図】  図４
2006289309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜を有する膜ろ過装置における中空糸膜の内側に加圧気体を導入し、予め設定した圧力に到達した際に前記加圧気体の導入を停止して加圧側を密閉し、密閉後の高圧空間における圧力の経時変化から膜破損状態を診断する方法において、前記中空糸膜の破損状態を仮に想定した場合における前記高圧空間の圧力の経時変化を演算により求め、前記圧力の経時変化の実測値と前記演算値とを比較することにより、前記中空糸膜の破損状態を診断することを特徴とする膜ろ過装置の膜破損診断方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜破損診断方法において、複数本の中空糸膜の内側空間を含む加圧空間を高圧貯気槽と仮定し、また中空糸膜を円管と仮定し、かつ膜破損孔を前記高圧貯気槽に設けたノズルと仮定し、さらに前記ノズルの孔径と数を仮定して複数種の中空糸膜の破損状態を想定し、前記貯気槽内加圧気体のノズルからの流出計算モデルに基づいて、貯気槽内加圧気体のエンタルピの経時変化を計算し、これにより、貯気槽内加圧気体の圧力の経時変化を、前記複数種の破損状態に対して演算により求め、この演算値と実測値とを比較することにより、前記中空糸膜の破損状態を診断することを特徴とする膜ろ過装置の膜破損診断方法。
【請求項３】
請求項２に記載の膜破損診断方法において、前記貯気槽内加圧気体の圧力Ｐの経時変化の演算は、下記数式（数１）に基づいて行なうことを特徴とする膜ろ過装置の膜破損診断方法。
【数１】
2006289309.tif 000006
前記数式において、各記号は以下のとおりとする。
Ｐ：時間のときの貯気槽内圧力［kg/m2］
Ｐ1：ノズル流出口部(中空糸膜破断部)の外部圧力［kg/m2］
Ａ1：ノズルの断面積(中空糸膜断面積)［m2］
Ｖ0：貯気槽内容積［m3］、ｔ：時間［sec］
ｄ：ノズルの相当直径(中空糸膜直径)［m］
ι：ノズルの長さ(中空糸膜破断部の長さ)［m］
ζ1：ノズル流入口部の損失係数、ζ2：ノズル流出口部の損失係数
λ：ノズル流路の摩擦係数、κ：気体の比熱比（空気の場合、1.4）
Ｒ：気体のガス定数（空気の場合、287[m2/s2K]）、Ｔ1：気体の絶対温度
Ｃ：時間ｔ＝０としたとき決まる定数
【請求項４】
請求項３に記載の膜破損診断方法において、前記貯気槽内加圧気体のノズルからの流出計算モデルは、貯気槽内加圧空気がノズル外部の水環境内に流出する場合と、貯気槽内加圧空気がノズル外部の空気環境内に流出する場合との２種類の計算モデルとし、各モデルに応じて前記貯気槽内加圧空気の圧力Ｐの経時変化の演算を行ない、前記いずれかの環境下の実測値と演算値とをそれぞれ比較することを特徴とする膜ろ過装置の膜破損診断方法。
【請求項５】
請求項１に記載の膜ろ過装置の膜破損診断方法を実施するための装置であって、中空糸膜の内側に加圧気体を導入し予め設定した圧力にする加圧気体供給装置および圧力調整器と、中空糸膜内外の圧力および温度を測定する中空糸膜内側圧力計、中空糸膜外側圧力計および温度計と、前記中空糸膜の破損状態を仮に想定した場合における高圧空間の圧力の経時変化を演算により求めた結果を予め記憶・格納し、前記中空糸膜内外の圧力の実測値とを比較して中空糸膜の破損状態を判定する機能を有する記憶判定手段とを備えることを特徴とする膜ろ過装置の膜破損診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、河川水や湖沼水等の表流水及び地下水等を、中空糸膜による精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜で処理するための膜ろ過装置において、その中空糸膜の破損を診断する膜破損診断方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水道原水である環境水に混入した塩素耐性原虫である、クリプトスポリジウム等の危険性が危惧されるようになってきた。クリプトスポリジウムの大きさは３〜５μｍ程度であるので、原水のクリプトスポリジウムを除去するためには、それより大きな微粒子成分を完全に除去すればよいが、現在は暫定の指針として水道水の濁度を0.1以下にするよう示されている。クリプトスポリジウム対策として、従来の砂ろ過法と比較して有効な方法が、精密ろ過膜や限外ろ過膜を用いた浄水処理方法である。この方法では、理論上、膜孔径より大きい成分は、ほぼ完全に取り除かれることとなる。
【０００３】
しかしながら、何らかの原因により膜の一部が破損した場合には、その部分から漏洩が進み、処理水中に微粒子（クリプトスポリジウム等）が混入する可能性がある。このため膜処理においては、膜破損をいち早く検知し、対処することが重要となる。現在、膜破損の検知方法として普及しているのは、空気圧を用いる方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１は、その請求項１の記載を引用すれば、「中空糸膜ろ過装置の膜損傷検知方法であって、前記中空糸膜の外側に水を張り、内側から加圧空気を導入して、加圧空気による圧力注入時間と圧力変化率の関係から得られた一定の圧力注入時間を設定し、その設定時間から内側を加圧状態に保持して、中空糸膜の圧力保持率の経時変化を求めて、正常な状態の圧力保持率と膜損傷による状態の圧力保持率を比較して、中空糸膜の膜損傷を検知することを特徴とする中空糸膜ろ過装置の膜損傷検知方法。」を開示する。
【０００５】
即ち、特許文献１に記載の方法は、「中空糸膜の圧力保持率の経時変化を求めて、正常な圧力保持率との比較から、中空糸膜の膜損傷の有無を検知する方法」である。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の方法の場合、下記のような問題があった。即ち、特許文献１の方法の場合、膜が正常な状態の圧力保持率と膜が損傷している状態の圧力保持率を比較して膜損傷の有無を検知するため、予め、基準となる前記両者のデータを取得する必要がある。また、例えば破損中空糸膜の本数や破損孔の径等の膜破損状態を診断する要請に応えるためには、膜破損状態の異なる様々な破損状態の中空糸膜を準備して、基準となる大量のデータを取得しなければならない。更には、中空糸膜の形状や加圧気体を封入した密閉容積が異なる場合、その都度、前記の基準データの取得が必要となる。
【０００７】
特に、クリプトスポリジウム等の危険性が危惧される原水の汚染度が高い場合には、クリプトスポリジウムの個数濃度を低減する観点から、破損孔径が小さい場合にも、その膜破損の程度の診断が必要となる。このような要請に応え、膜ろ過装置による処理水の水質が異常となる危険性をアラーム可能とすることは、上記特許文献１の方法によっては極めて困難である。以上の問題点をまとめると、従来の方法の場合、
１）膜損傷状態を判断する為の基準データの取得に多くの時間と手間を要する。
【０００８】
２）膜損傷状態を判断する基準値に普遍性がない。
【特許文献１】特開２０００−３４２９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、１）膜破損を判断する為の様々な条件における基準データを取得することなく、２）膜破損状態の診断が中空糸膜の形状や加圧気体を封入した密閉容積が異なる場合においても、簡便かつ正確で応用性の高い膜ろ過装置の膜破損診断方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の課題を解決するため、この発明は、中空糸膜を有する膜ろ過装置における中空糸膜の内側に加圧気体を導入し、予め設定した圧力に到達した際に前記加圧気体の導入を停止して加圧側を密閉し、密閉後の高圧空間における圧力の経時変化から膜破損状態を診断する方法において、前記中空糸膜の破損状態を仮に想定した場合における前記高圧空間の圧力の経時変化を演算により求め、前記圧力の経時変化の実測値と前記演算値とを比較することにより、前記中空糸膜の破損状態を診断することを特徴とする（請求項１の発明）。
【００１１】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の膜破損診断方法において、複数本の中空糸膜の内側空間を含む加圧空間を高圧貯気槽と仮定し、また中空糸膜を円管と仮定し、かつ膜破損孔を前記高圧貯気槽に設けたノズルと仮定し、さらに前記ノズルの孔径と数を仮定して複数種の中空糸膜の破損状態を想定し、前記貯気槽内加圧気体のノズルからの流出計算モデルに基づいて、貯気槽内加圧気体のエンタルピの経時変化を計算し、これにより、貯気槽内加圧気体の圧力の経時変化を、前記複数種の破損状態に対して演算により求め、この演算値と実測値とを比較することにより、前記中空糸膜の破損状態を診断する（請求項２の発明）。
【００１２】
また、前記請求項２に記載の膜破損診断方法において、前記貯気槽内加圧気体の圧力Ｐの経時変化の演算は、下記数式（数１）に基づいて行なう（請求項３の発明）。
【００１３】
【数１】
2006289309.tif 000003
【００１４】
前記数式（数１）において、各記号は以下のとおりとする。
【００１５】
Ｐ：時間のときの貯気槽内圧力［kg/m2］
Ｐ1：ノズル流出口部(中空糸膜破断部)の外部圧力［kg/m2］
Ａ1：ノズルの断面積(中空糸膜断面積)［m2］
Ｖ0：貯気槽内容積［m3］、ｔ：時間［sec］
ｄ：ノズルの相当直径(中空糸膜直径)［m］
ι：ノズルの長さ(中空糸膜破断部の長さ)［m］
ζ1：ノズル流入口部の損失係数、ζ2：ノズル流出口部の損失係数
λ：ノズル流路の摩擦係数、κ：気体の比熱比（空気の場合、1.4）
Ｒ：気体のガス定数（空気の場合、287[m2/s2K]）、Ｔ1：気体の絶対温度
Ｃ：時間ｔ＝０としたとき決まる定数
さらに、前記請求項３に記載の膜破損診断方法において、前記貯気槽内加圧気体のノズルからの流出計算モデルは、貯気槽内加圧空気がノズル外部の水環境内に流出する場合と、貯気槽内加圧空気がノズル外部の空気環境内に流出する場合との２種類の計算モデルとし、各モデルに応じて前記貯気槽内加圧空気の圧力Ｐの経時変化の演算を行ない、前記いずれかの環境下の実測値と演算値とをそれぞれ比較する（請求項４の発明）。
【００１６】
上記請求項１ないし４の発明によれば、各種演算結果から推定される高圧空間内の圧力の経時変化と実測した高圧空間内の圧力の経時変化とを比較照合することで膜破損状態が判断できるので、膜破損の判断に必要な様々な条件における基準データの取得が不要となる。また、中空糸膜の形状や加圧気体を封入する密閉容積が異なっても、簡便に応用できる。さらに、対象とする原水の水質や処理水の水質の要求レベルに応じて、膜破損状態の許容限度前にアラームを出すようにすれば、膜ろ過装置の適正かつリーズナブルな運転が実施できる。詳細は後述する。
【００１７】
また、上記請求項１の膜破損診断方法を実施するための膜破損診断装置の発明としては、下記請求項５の発明が好ましい。即ち、中空糸膜の内側に加圧気体を導入し予め設定した圧力にする加圧気体供給装置および圧力調整器と、中空糸膜内外の圧力および温度を測定する中空糸膜内側圧力計、中空糸膜外側圧力計および温度計と、前記中空糸膜の破損状態を仮に想定した場合における高圧空間の圧力の経時変化を演算により求めた結果を予め記憶・格納し、前記中空糸膜内外の圧力の実測値とを比較して中空糸膜の破損状態を判定する機能を有する記憶判定手段とを備えることを特徴とする（請求項５の発明）。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、膜破損を判断する為の様々な条件における基準データを取得することなく、膜破損状態の診断が中空糸膜の形状や加圧気体を封入した密閉容積が異なる場合においても、簡便かつ正確で応用性の高い膜ろ過装置の膜破損診断方法および装置が提供できる。そのため、本発明に係る膜破損診断方法および装置は、膜ろ過装置の導入が予想される中・大規模の浄水施設においても、特に水の安定供給の観点から、より好適な維持管理手段として利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１ないし図４に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００２０】
図１は、本発明が適用される膜ろ過装置に設置された膜破損診断装置の模式的構成図である。図１において、１は加圧気体供給装置、２は圧力調整器、３は加圧気体入口弁、４は大気開放弁、５は中空糸膜内側圧力計、６は温度計、７は膜ユニット、８は中空糸膜外側圧力計、９はドレイン弁ａ、１０はドレイン弁ｂ、１１は膜破損診断手段、１２は記憶・判定回路部、５１は原水、５２は原水供給ポンプ、５３はろ過入口弁、５４はろ過出口弁、５５は膜ろ過水、５６は逆洗ポンプ、５７は逆洗水入口弁を示している。また、図１中の破線は各種機器を結ぶ信号線で、信号の流れを示している。
【００２１】
まず、図１に示す膜ろ過装置のろ過工程と逆洗工程の流れについて説明する。ろ過工程においては、原水５１を原水供給ポンプ５２によりろ過入口弁５３を介して膜ユニット７に圧送して膜ろ過水５５を生成し、このろ過水は、ろ過出口弁５４を介して膜ろ過装置外部へ排水される。このとき他の弁は閉じた状態である。また、ろ過工程を間欠的に停止させて行う逆洗工程においては、膜ろ過水５５を逆洗ポンプ５６により逆洗水入口弁５７を介して膜ユニット７に圧送して、膜洗浄後の逆洗排水はドレイン弁ａ９を介して膜ろ過装置外部へ排水される。このとき他の弁は閉じた状態である。
【００２２】
次に、逆洗工程に引続き、加圧気体を用いた膜破損診断を行う流れを説明する。逆洗ポンプ５６を停止し、逆洗水入口弁５７とドレイン弁ａ９を閉じて逆洗工程を終了する。逆洗工程終了後、大気開放弁４とドレイン弁ａ９を開いて、膜ユニット７内の中空糸膜内側の水を水頭差により排水する。次に、大気開放弁４およびドレイン弁ａ９を閉じ、ドレイン弁ｂ１０および加圧気体入口弁３を開ける。ここで、中空糸膜外側は大気圧開放となる。この状態で、加圧気体供給装置１により出力され、圧力調整器２により所定圧力となった加圧気体を、膜ユニット７内の中空糸膜内側から導入する。
【００２３】
加圧気体導入後、中空糸膜の内側および細孔内に残存する水が、加圧気体により中空糸膜外径側へ押し出され、ドレイン弁ｂ１０より排水される。ドレイン弁ｂ１０からの水の流出が無くなった後、加圧気体供給装置１からの加圧気体の導入を停止するとともに加圧気体入口弁３を閉じ、この時点を起点として、中空糸膜内側圧力計５で測定した圧力と、中空糸膜外側圧力計８で測定した圧力と、温度計６で測定した圧力気体の温度とが、実時間（例えば、１秒周期）で膜破損診断手段１１の内部にある記憶・判定回路部１２に入力される。この場合、加圧気体を例えば空気とすると中空糸膜の内側および外側共に空気となるが、必要に応じて特許文献１に記載されたように、内側のみに加圧空気を貯めて外側を水環境（水張り状態）とするように構成することもできる。
【００２４】
ここで、前記の圧力は両者の絶対圧力比に、温度は絶対温度にそれぞれ変換して記憶する。一方、記憶・判定回路部１２には、中空糸膜の内側の絶対圧力Ｐと、中空糸膜の外側の絶対圧力Ｐ1との比が所定の値となる所要時間ｔを、予め設定した中空糸膜破損部の破損孔の面積Ａ1と、図１の膜ろ過装置の設計図面から算出される高圧空間の容積Ｖ1と、さらに前記破損孔から流出する流れの損失係数、前記加圧気体の種類で決まる定数、前記加圧気体の絶対温度Ｔ1、時間ｔ＝0として決まる定数Ｃ等から、前記請求項３に記載した数式（数１）により演算した種々条件下のデータを予め記憶・格納しておく。
【００２５】
ここで、記憶・判定回路部１２では、実測した絶対圧力比の時間変化データと計算で求めた各種の絶対圧力比の時間変化データとを照合して、前記数１により予め求めた演算結果に基づいて合致または近似の条件における膜の破損孔の面積を推定し、膜破損状態を判定する。また、膜破損診断手段１１に、推定した膜の破損孔の面積に基づいた異常判別機能を持たせれば、膜異常時にアラームまたは動作信号を上位の制御機器に対して出力可能である。診断後は大気開放弁４を開けて圧力を抜き、膜に異常が無ければろ過工程に移行する。
【００２６】
次に、図２および図３に基づき、前記数１の計算モデルおよび数式誘導経過の概要を述べる。図２は、貯気槽内加圧気体のノズルからの流出計算モデルの概念図であり、図３は貯気槽内加圧気体の経時変化のイメージ図である。図２は、複数本の中空糸膜の内側空間を含む加圧空間を高圧貯気槽と仮定し、また中空糸膜を円管と仮定し、かつ膜破損孔を前記高圧貯気槽に設けたノズルと仮定した場合のモデルを示し、図２に示す記号の一部は、前述の請求項３の発明に記載と同一であるので説明を省略する。前述において記載のない記号は下記のとおりである。
【００２７】
Ｐ0：時間＝0のときの貯気槽内圧力［kg/m2］
Ｐa：ノズル外部の圧力［kg/m2］
ρ0：貯気槽内圧力Ｐ0のときの質量密度［kgs2/m4］
ρ1：ノズル流出口部(中空糸膜破断部)圧力Ｐ1のときの質量密度［kgs2/m4］
Ｑ：ノズルからの流出流量 [m3/s] 
ｕ1：ノズル流出口部の流速 [m/s]
図２の計算モデルにおいて、貯気槽内の気体のエンタルピー（熱エネルギー）は、ノズルから流出するエンタルピーによって減少する。このことを用いて、上記モデルにおける貯気槽内気体のエンタルピーの経時変化を計算することで、貯気槽内気体圧力の経時変化を求める演算式を導出した結果が数１である。また、数１における貯気槽内圧力Ｐ［kg/m2］と時間ｔ（sec）との関係を模式的に図示したのが図３である。
【００２８】
なお、数１において、ノズル流路の摩擦係数は、周知のように、管内が層流域の場合はλ＝６４／Ｒｅ（Ｒｅ：レイノルズ数）、乱流域の場合はλ＝0.316Ｒｅ-.25によって求める。上記Ｒｅはノズルの相当直径(中空糸膜直径)、気体の流速および動粘性係数によって異なる。
【００２９】
ところで、数１は、貯気槽内加圧気体がノズル外部の水環境内に流出する場合と、貯気槽内加圧気体がノズル外部の空気環境内に流出する場合との２種類の計算モデルに共通する一般式であるが、中空糸膜の寸法等の仕様や損失係数等の定数を決めて、加圧気体を空気（温度１０℃）とし水環境内に流出する場合の演算式を導出した結果の一例を示すと、下記の数２のとおりである。
【００３０】
【数２】
2006289309.tif 000004
【００３１】
また、同様に、加圧気体を空気（温度１０℃）とし空気環境内に流出する場合の演算式を導出した結果の一例は、下記の数３のとおりである。
【００３２】
【数３】
2006289309.tif 000005
【実施例】
【００３３】
次に、図４により実施例について述べる。図４は、本発明に基づき演算推定した結果の信頼性について、実規模の膜ろ過装置に中空糸膜1本を切断した破損膜エレメントを装着して比較検証した結果を示す。参考までに、中空糸膜２本切断と破損孔径1.5ｍｍの場合の計算結果、正常膜における実測値も併記して示す。なお、図４において、圧力の経時変化は、中空糸膜内外の圧力比で示す。ここで、使用した膜は、内径1.5ｍｍの中空糸膜6000本、膜面積40ｍ2である。また、加圧気体および外部環境は空気で、初期圧力は50kPaで行った。図４から、計算値（図４中の▲を結ぶ点線）と実測値（図２中の実線）はよく一致することがわかる。これにより、本発明による計算結果が高信頼性を有し実用的であることを確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る膜ろ過装置に設置された膜破損診断装置の模式的構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係り、貯気槽内加圧気体のノズルからの流出計算モデルの概念図。
【図３】本発明の実施の形態に係り、貯気槽内加圧気体の経時変化のイメージ図。
【図４】本発明に基づき演算推定した結果と実測値とを比較した結果を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１    加圧気体供給装置
２    圧力調整器
３    加圧気体入口弁
４    大気開放弁
５    中空糸膜内側圧力計
６    温度計
７    膜ユニット
８    中空糸膜外側圧力計
９    ドレイン弁ａ
１０    ドレイン弁ｂ
１１    膜破損診断手段
１２    記憶・判定回路部
５１    原水
５２    原水供給ポンプ
５３    ろ過入口弁
５４    ろ過出口弁
５５    膜ろ過水
５６    逆洗ポンプ
５７    逆洗水入口弁
【図１】
2006289309.tif 000007
【図２】
2006289309.tif 000008
【図３】
2006289309.tif 000009
【図４】
2006289309.tif 000010