(57)【要約】【課題】圧力と流量から流路抵抗指標値を算出し、この流路抵抗指標値に基いて膜分離装置の運転条件及び／又は洗浄条件を制御する。【解決手段】第１配管３及び第２配管５の一方を介して供給水を膜モジュール４に流入させると共に、該第１配管３及び第２配管５の他方から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値を用いて演算した流路抵抗指標値に基づいて、運転条件及び／又は洗浄条件を制御する。Ｐ：該一方の配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、第１圧力センサと該他方の配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値。Ｆ：第２配管の流量。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜を有する膜モジュールと、該膜モジュールの一次側の流入部に連通する第１配管と、該膜モジュールの一次側の流出部に連通する第２配管と、該膜モジュールの二次側と連通する第３配管とを少なくとも備えた膜分離装置の運転条件及び／又は洗浄条件を制御する方法において、
該第１配管及び第２配管の一方を介して供給水を膜モジュールに流入させると共に、該第１配管及び第２配管の他方から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値もしくはＰ値、Ｆ値、Ｐ０値、Ｆ０値を用いて演算した流路抵抗指標値に基づいて、運転条件及び／又は洗浄条件を制御することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
Ｐ：該一方の配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、該第１圧力センサと該他方の配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値
Ｆ：第２配管の流量
Ｐ０：通水初期のＰ値
Ｆ０：通水初期のＦ値
【請求項２】
請求項１において、前記流路抵抗指標値は下記（１）〜（４）式のいずれかで算出される算出値、その逆数又は該算出値もしくは逆数に定数を加減乗除した値であることを特徴とする膜分離装置の制御方法。
Ｒ＝Ｐ／Ｆ                    …（１）
Ｑ＝Ｆ０／Ｐ０−Ｆ／Ｐ          …（２）
Ｕ＝Ｐ０／Ｆ０−Ｐ／Ｆ          …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ０｜・｜Ｆ−Ｆ０｜  …（４）
【請求項３】
請求項２において、前記Ｒ、Ｑ又はＸの値が第１所定値以上になった場合、又は、Ｒ、Ｑ又はＸの上昇速度が第２所定値以上になった場合に、膜分離装置の洗浄を開始することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【請求項４】
請求項３において、前記Ｒ、Ｑ又はＸの値が第３所定値以下にまで低下した場合に膜分離装置の洗浄を終了することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【請求項５】
請求項２において、前記Ｕの値が第４所定値以下になった場合、又は、Ｕの上昇速度が第５所定値以下になった場合に、膜分離装置の洗浄を開始することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５において、前記Ｕの値が第６所定値以上にまで上昇した場合に膜分離装置の洗浄を終了することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記第１配管から原水を供給し、前記第２配管から濃縮水を流出させる膜分離工程で流路抵抗指標値を求め、これに基づいて運転条件及び／又は洗浄条件を制御することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記第１配管から原水を供給して前記膜モジュール内に水を張る水張り工程で流路抵抗指標値を求め、これに基づいて運転条件及び／又は洗浄条件を制御することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項において、前記流路抵抗指標値に基づいて、濾過水量、循環水量、通水時間、及び空気バブリング時間の少なくとも１つを制御することを特徴とする膜分離装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜分離装置の運転条件及び／又は洗浄条件を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
除濁を目的にＵＦ膜（限外濾過膜）やＭＦ膜（精密濾過膜）を用いる膜分離装置（除濁膜装置）に被処理水の通水を継続すると、分離膜に汚れが付着するため、通常３０秒〜６０分ごとに間欠的に洗浄流体（水及び／又は気体）を供給して膜の物理洗浄を行う。
【０００３】
この物理洗浄においても除去できない汚染が膜面や膜内に堆積するため、次第に膜の濾過能力が低下する。また、原水に濁質を含む場合や高い回収率で装置を稼働する場合には、濁質等の固形分が膜間や膜とハウジングの間にケーキ状に堆積して、有効膜濾過面積が減少する。
【０００４】
そのため、除濁膜装置においては定期的あるいは非定期的に薬品を用いた薬品洗浄や、排濁を目的とした強化物理洗浄が必要となる。
【０００５】
除濁膜装置の薬品洗浄や強化物理洗浄を行うタイミングを見極める指標として、一般的には原水入口圧と処理水出口圧の差圧（膜間差圧）が使用される（非特許文献１、特許第３９２４９１９号）。
【０００６】
しかしながら、有効膜面積を減少させる濁質汚染は圧密化されて強固な汚染にならないうちは膜間差圧に影響しにくいため、これらの文献に記された膜間差圧による洗浄の管理方法では、濾過能力を低下させる汚染の進行は捉えられるが、濁質汚染の進行を捉えられない欠点がある。濁質源が凝集フロック等の疎な濁質である場合は特に膜間差圧に影響しにくく、濁質汚染が膜間差圧に表れる段階では既に、濁質汚染は強固に圧密化されて薬品洗浄や強化物理洗浄でも取れにくい状態であるため、洗浄を複雑化させる。
【０００７】
また、膜間差圧を洗浄終了のタイミングを見極める指標に用いた場合も、濁質汚染は膜間差圧に表れにくいため、モジュール内に濁質汚染が残った状態で洗浄を終えてしまう可能性があり、その結果、その後の洗浄頻度が増加する。
【０００８】
このような状態を回避するため、圧密化が進行する前に感度良くモジュール内の濁質汚染を検知し、洗浄のタイミングを管理することが求められている。
【０００９】
除濁膜装置において濁質汚染を感知する手段として入口圧から循環水側圧力（循環圧）を引いたモジュール差圧を用いる場合があるが、濁質汚染の進行によるモジュール内流路抵抗の上昇に伴って循環水量が減少するため、重度の濁質汚染の進行を感知できない。また、原水中の濁度量と総濾過量から汚染度を推定する手段や、排水中の固形分量を測定する手段（特許第４１３５２６７号）があるが、いずれも間接的な検知方法であり、濁質汚染の進行を検出しにくい。
【００１０】
除濁膜の汚染の進行を回避する方法として、原水濁度に応じて濾過時間を変更する技術（特許第５０５４２８９号）や、原水中の特定の粒径の粒子数によってデッドエンド濾過とクロスフロー濾過を切り替える技術がある（特開２００７−１１１６３８）。しかし、これらは直接的にモジュール内の汚染を反映していない。
【００１１】
直接モジュール内の汚染を検知して運転制御する手段として、特許第５２５９４５４号では膜分離装置の原水入口圧（以下、入口圧）と処理水出口圧（以下、出口圧）の差圧（膜間差圧）を用いた流量調節を行っている。
【００１２】
特公平３−８０５２７には、透過側圧力と濃縮側圧力の関係（モジュール差圧）で流路閉塞を示す異常信号等を出すことが記載されている。また、特開２０１６−２０３０８５に記載されているように、濃縮水圧力を制御することで流動抵抗が変化することは公知である。
【００１３】
圧力だけの検知では、圧力が所定値まで上昇してその後一定になっている場合や下がった場合であっても、モジュール内での濁質汚染が進んでいることが散見された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３９２４９１９号
【特許文献２】特許第４１３５２６７号
【特許文献３】特許第５０５４２８９号
【特許文献４】特開２００７−１１１６３８号公報
【特許文献５】特許５２５９４５４号
【特許文献６】特公平３−８０５２７号公報
【特許文献７】特開２０１６−２０３０８５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】岩永  匡紀、膜の劣化とファウリング対策  膜汚損防止・洗浄法からトラブルシューティングまで、ｐ２１２−２２９、２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、圧力と流量から流路抵抗指標値を算出し、この流路抵抗指標値に基いて膜分離装置の運転条件及び／又は洗浄条件を制御する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の膜分離装置の制御方法は、分離膜を有する膜モジュールと、該膜モジュールの一次側の流入部に連通する第１配管と、該膜モジュールの一次側の流出部に連通する第２配管と、該膜モジュールの二次側と連通する第３配管とを少なくとも備えた膜分離装置の運転条件及び／又は洗浄条件を制御する方法において、該第１配管及び第２配管の一方を介して供給水を膜モジュールに流入させると共に、該第１配管及び第２配管の他方から流出水を流出させた際の、下記Ｐ値とＦ値もしくはＰ値、Ｆ値、Ｐ０値、Ｆ０値を用いて演算した流路抵抗指標値に基づいて、運転条件及び／又は洗浄条件を制御することを特徴とする。
Ｐ：該一方の配管に設けられた第１圧力センサの検知圧力、又は、該第１圧力センサと該他方の配管に設けられた第２圧力センサの検知圧力の平均値
Ｆ：第２配管の流量
Ｐ０：通水初期のＰ値
Ｆ０：通水初期のＦ値
【００１８】
本発明の一態様では、前記流路抵抗指標値は下記（１）〜（４）式のいずれかで算出される算出値、その逆数又は該算出値もしくは逆数に定数を加減乗除した値である。
Ｒ＝Ｐ／Ｆ                    …（１）
Ｑ＝Ｆ０／Ｐ０−Ｆ／Ｐ          …（２）
Ｕ＝Ｐ０／Ｆ０−Ｐ／Ｆ          …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ０｜・｜Ｆ−Ｆ０｜  …（４）
【００１９】
本発明の一態様では、前記Ｒ，Ｑ又はＸの値が第１所定値以上になった場合、又は、Ｒ，Ｑ又はＸの上昇速度が第２所定値以上になった場合に、膜分離装置の洗浄を開始する。
【００２０】
本発明の一態様では、前記Ｒ，Ｑ又はＸの値が第３所定値以下にまで低下した場合に膜分離装置の洗浄を終了する。
【００２１】
本発明の一態様では、前記Ｕの値が第４所定値以下になった場合、又は、Ｕの上昇速度が第５所定値以下になった場合に、膜分離装置の洗浄を開始する。
【００２２】
本発明の一態様では、前記Ｕの値が第６所定値以上にまで上昇した場合に膜分離装置の洗浄を終了する。
【００２３】
本発明の一態様では、前記第１配管から原水を供給し、前記第２配管から濃縮水を流出させる膜分離工程で流路抵抗指標値を求め、これに基づいて運転条件及び／又は洗浄条件を制御する。
【００２４】
本発明の一態様では、前記第１配管から原水を供給して前記膜モジュール内に水を張る水張り工程で流路抵抗指標値を求め、これに基づいて運転条件及び／又は洗浄条件を制御する。
【００２５】
本発明の一態様では、前記流路抵抗指標値に基づいて、濾過水量、循環水量、通水時間、及び空気バブリング時間の少なくとも１つを制御する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、流路抵抗指標値の経時変化に基づいて膜汚染を抑制するために適切な前処理条件を選択することができる。また、流路抵抗指標値と、膜の濾過能力の指標である膜間差圧とを併用して洗浄を管理することで、濁質による汚染と膜表面／内部の汚染を総合的に考慮した前処理の管理が可能である。
【００２７】
本発明によると、膜分離装置の差圧のみあるいは処理水質のみに基づいて膜分離装置の運転条件及び／又は洗浄条件を制御する場合に比べて、運転条件及び／又は洗浄条件を的確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】膜分離装置のフロー図である。
【図２】実験結果を表わすグラフである。
【図３】実験結果を表わすグラフである。
【図４】実験結果を表わすグラフである。
【図５】実験結果を表わすグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図１を参照して実施の形態について説明する。図１は膜分離装置を示すフロー図であり、被処理水としての原水は、原水配管１からポンプ２及び第１配管３を介して膜モジュール４の一次側に供給される。膜モジュール４の分離膜４ａを透過しなかった濃縮水は、該一次側に連通する第２配管５を介して原水配管１に返送される。分離膜４ａを透過した処理水は、膜モジュール４の二次側に連通する第３配管６を介して取り出される。配管５からは配管２０が分岐しており、該配管２０にバルブ２１が設けられている。第２配管５にもバルブ２２が設けられている。なお、原水槽（図示略）を設置し、第２配管５からの水を原水槽に導入させてもよい。
【００３０】
第１配管３には第１圧力センサ７が設けられている。第２配管５には第２圧力センサ８と第１流量センサ９が設けられている。第３配管６には、第３圧力センサ１０と第２流量センサ１１が設けられている。
【００３１】
これらのセンサ７〜１１の検出値は、判定装置（図示略）に入力されており、該判定装置によって分離膜４ａの汚染状況を検知する。
【００３２】
本発明の一態様では、次式（１）〜（４）で定義される流路抵抗指標値Ｒ，Ｑ，Ｕ及びＸのいずれかに基づいて分離膜４ａの汚染状況を検知する。
【００３３】
Ｒ＝Ｐ／Ｆ                    …（１）
Ｑ＝Ｆ０／Ｐ０−Ｆ／Ｐ          …（２）
Ｕ＝Ｐ０／Ｆ０−Ｐ／Ｆ          …（３）
Ｘ＝｜Ｐ−Ｐ０｜・｜Ｆ−Ｆ０｜  …（４）
ただし、Ｐ：第１圧力センサ７の検出圧力又は第１圧力計７と第２圧力計８の検出圧力の平均値
Ｆ：第２配管５の流量
Ｆ０：通水初期のＦ値（原水の通水開始時のＦの値）
Ｐ０：通水初期のＰ値（Ｇの通水開始時のＰの値）
【００３４】
なお、本発明において、通水開始とは、新品の膜に対して通水を開始する場合だけでなく、薬品洗浄や、洗浄流体（水及び／又は気体）をモジュール1次側に激しく導入する強化物理洗浄した膜に対して通水を再開する場合も包含する。
【００３５】
上記（１）式で定義される流路抵抗指標値Ｒは、単位水量が流れているときの給水圧力を表わすものであり、このＲ値が大きいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。
【００３６】
上記（２）式で定義される流路抵抗指標値Ｑは、循環水量と給水圧力との比Ｆ／Ｐの初期値と現在値との差を表わすものであり、このＱ値が大きいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。
【００３７】
流路抵抗指標値Ｕは、小さいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。
【００３８】
流路抵抗指標値Ｘは、大きいほど分離膜４ａの汚染が進行していることになる。
【００３９】
上記説明では、Ｒ，Ｑ，Ｕ，Ｘに基づくとしているが、それらの逆数１／Ｒ，１／Ｑ，１／Ｕ，１／Ｘや、これらの値に定数を加減乗除（加算、減算、乗算、又は除算）した値であってもよい。例えば、Ｒの場合、ａ・Ｒ（ａは正又は負の定数。ａは−１であってもよく、この場合ａ・Ｒは−Ｒとなる。），ａ／Ｒ，Ｒ＋ｂ，ｃ・Ｒ＋ｄ（ｂ，ｃ，ｄは正又は負の定数）のように算定した値であってもよい。Ｑ，Ｕ，Ｘの場合も同様である。
【００４０】
上記流路抵抗指標値を用いた膜分離装置の洗浄運転例としては、例えば、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値の経時的変化をプロットし、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値が装置稼働初期から所定値以上増加するか、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値の上昇速度が所定値に達した際に洗浄を開始する。また、Ｒ値、Ｑ値又はＸ値が所定の下限値以下にまで低下したならば洗浄を終了する。Ｕ値の場合は、増減をこれと逆とすればよい。
【００４１】
洗浄の手段は、原水によって異なるため特に指定はなく、酸洗浄、アルカリ洗浄の少なくとも1つの洗浄を含む薬品洗浄や、洗浄流体（水及び／又は気体）をモジュール1次側に激しく導入する強化物理洗浄を単独/組み合わせで実施する。
【００４２】
また、上記Ｒ値、Ｑ値、Ｕ値、Ｘ値のほかに、膜分離装置の透過水側に設置された流量センサ１１と圧力センサ１０で検出される流量，圧力と、圧力センサ７，８の検出圧力とを用いて、膜間差圧ΔＰを下記式（５）で算出し、洗浄の管理指標とすることで、濁質汚染と膜表面／内部の汚染を総合的考慮した洗浄の管理を行う。
ΔＰ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／２−Ｐ３  ……（５）
ただし、Ｐ１：第１圧力センサ７の検出圧力
Ｐ２：第２圧力センサ８の検出圧力
Ｐ３：第３圧力センサ１０の検出圧力
【００４３】
本発明の膜分離装置の運転方法の一態様では、前記Ｒ、Ｑ、Ｕ又はＸの値に基づいて、濾過水量、循環水量、通水時間、及び空気バブリング時間の少なくとも１つを制御する。
【００４４】
膜分離装置の膜としてはＵＦ膜、ＭＦ膜、ＲＯ膜などのいずれでもよい。被処理水は、ＳＳ濃度が１〜１００ｍｇ／Ｌ程度のものが好適であり、ＳＳ成分は有機成分、無機成分などのいずれでもよい。具体的な被処理水の一例としては、工水、市水、井水、河川水、湖沼水、産業排水などが例示されるが、これらに限定されない。
【実施例】
【００４５】
＜実験例１＞
除濁膜（膜面積１１．５ｍ２、公称口径０．０１μｍ）に対し、下記通水条件で、濁度約５０ｍｇ／Ｌ  ａｓ  乾燥量ＳＳの給水を透過流束６ｍ／Ｄで約１１時間通水し、モジュール内に濁質汚染を起こした。さらに、通水後は強化空気スクラビングで１時間の洗浄を行い、濁質汚染の除去洗浄を行った。
＜通水条件＞
給水        ：水道水＋塩化第二鉄  ５０ｍｇ／Ｌ、有機凝結剤２０ｍｇ／Ｌ
通水洗浄工程：水張り工程  ３０秒、濾過工程２８分、逆洗工程３０秒、空気スクラビ
ング工程  ３０秒
【００４６】
通水中の濾過工程の膜間差圧ΔＰを式（５）で算出し、図２に示した。また、水張り工程でのＲ値を式（１）で算出して図２に示した。なお、水張り工程ではポンプの出力（ｋＷ）を一定として循環し、濾過時の圧力はかかっていない。
【００４７】
通水によって濁質汚染は進行するが、膜間差圧は図２の通り、安定しており、膜汚染の指標値としては不十分であることが認められた。一方、式（１）で算出したＲ値は５時間経過頃から著しく上昇した。
【００４８】
さらに、通水前後、および洗浄後の膜間差圧、Ｒ値および下記（６）で算出される濁質残留率を図３に示す。なお、この洗浄は強化空気スクラビングを１時間行った後に、シュウ酸０．１％（ｐＨ２．２）を約１時間循環させることにより行った。
【００４９】
図３の通り強化空気スクラビングを終えた時点（洗浄１時間後）で、モジュール内に濁質が５０％以上残るが（図３（ｃ））、膜間差圧ΔＰは通水前の値まで回復している（図３（ａ））。図３（ｂ）の通り、流路抵抗指標値Ｒ値は、この時点では回復には至っていない。
【００５０】
濁質残留率＝［１−ＳＵＭ（洗浄排水中ｄｒｙ−ＳＳ量×排水量）
÷ＳＵＭ｛原水中ｄｒｙ−ＳＳ量×通水量−（逆洗排水中ｄｒｙ−ＳＳ量
＋空気バブリング排水中ｄｒｙ−ＳＳ量）｝］×１００            …（６）
【００５１】
＜実験例２＞
実験例１と同じ試験において、水張り工程でのモジュール差圧、循環流量、Ｒ値及びＱ値を測定・算出した。結果を図４，５に示す。
【００５２】
図４の通り、通水時間０〜５時間（Ｉ．汚染初期）では濁質汚染によって徐々にモジュール差圧が上昇していくため、モジュール差圧によって濁質汚染の進行を捉えることができる。一方、循環水流量は変動せず、軽度の濁質汚染を捉える事ができない。通水時間５〜８時間（II．汚染中期）ではモジュール差圧と循環水流量どちらも変動するため、２つのパラメータは単独では汚染の進行を定量的に把握できない。さらに、通水時間８〜１２時間（III．汚染末期）ではモジュール差圧は変動せず、循環水流量のみ低下する。そのため、モジュール差圧では重度な濁質汚染の進行を捉えることができない。
【００５３】
図５の通り、Ｒ値及びＱ値は、いずれも通水時間の経過と共に徐々に上昇する。このように、モジュール差圧と循環流量のパラメータを複合させたＲ値及びＱ値によると、汚染初期から末期までの全過程において濁質汚染の進行を捉えることが可能であることが認められた。
【００５４】
なお、上記実施例では、全量濾過を行ったために、水張り工程での圧力と流量とを用いてＲ値、Ｑ値を算出した。水張り工程でＲ値、Ｑ値を算出する場合には、クロスフロー濾過時に比較して第２配管から排出される流量が大きく、モジュール差圧と流量の変化を感度良く検知できる。もちろん、クロスフロー濾過等を行う場合は濾過時の圧力と流量とを用いてＲ値、Ｑ値等の流路抵抗指標値を算出することもできる。その場合、ポンプの出力一定及び／又は処理水量を一定として行うことが好ましい。また、本実施例では給水(原水)を用いているが、濾過水や工業用水を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
４  膜モジュール
７，８，１０  圧力センサ
９，１１  流量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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