(57)【要約】  膜濾過システムを逆流洗浄するための方法および装置であって、この方法および装置では、濾過処理を停止するか一時中断したとき濾過システム内に現存している透過水を、逆流洗浄処理時に膜孔を逆流洗浄するための液体を供給するのに使用する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜濾過システムの逆流洗浄方法であって、逆流洗浄処理中に、膜孔を逆流洗浄するための液体を提供するために、濾過処理を停止した際、システムに現存している透過水を使用するステップを具備することを特徴とする膜濾過システム逆流洗浄方法。
【請求項２】
前記膜の逆流洗浄中、加圧ガスを使用して、残存する透過水を前記膜の細孔を経て押しやるステップを具備することを特徴とする請求項１に記載の膜濾過システム逆流洗浄方法。
【請求項３】
前記透過水に印加される圧力は、ガスが膜の細孔内に入り込まないよう膜の泡立ち点以下であることを特徴とする請求項２に記載の膜濾過システム逆流洗浄方法。
【請求項４】
懸濁液から固形分を濾過して除去する方法であって、
(ｉ)懸濁液中に浸漬された、透過性中空膜の壁を跨いで圧力差を付与するステップであって、懸濁液は、膜壁による濾過が引き起こされかつ持続するように、多孔性中空膜の外面に接触させられ、ここで、
(ａ)懸濁液の一部は前記膜壁を通過して、中空膜内腔から透過水として引き出されると共に、
(ｂ)前記固形分の少なくとも一部が中空膜表面あるいはその内部に保持されるか、あるいはさもなければ、膜を取り囲む液体中に浮遊固形分として保持されるようなものであるステップと、
(ii)上記液状透過水に対して泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜孔を経て、内腔内の液状透過水の少なくとも一部を移動させることによって、前記内腔内に存在する透過水を用いて膜孔を周期的に逆流洗浄し、前記中空膜表面あるいは中空膜中に留まっている固形分を除去するステップと、を具備することを特徴とする懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項５】
逆流洗浄ステップ中、除去された前記固形分を、前記膜を取り囲む大量の液体中に混入させることを特徴とする請求項４に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項６】
逆流洗浄ステップ前に、前記大量の液体の量を減少させるステップをさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項７】
前記大量の液体の量は前記懸濁液の供給を一時停止することによって減少させられ、一方、前記膜壁を跨いだ圧力差を付与し続けると共に前記膜から透過水を引き出し続けることを特徴とする請求項６に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項８】
掃引、ドレーンダウンによって、あるいは前記大量の液体の少なくとも一部を放出するための供給およびブリード処理によって、除去された固形分を含む前記大量の液体の少なくとも一部を除去するステップを具備することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項９】
前記膜内腔内の透過水に加えて、付属物、たとえばマニホールド、ヘッダー、配管などに残存する透過水を逆流洗浄液体源として利用することを具備することを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項１０】
懸濁液から固形分を濾過して除去する方法であって、
(ｉ)膜壁による濾過を引き起こしかつ維持するために、透過性中空膜内面に懸濁液が接触させられる透過性中空膜の壁を跨いで圧力差を付与するステップであって、ここで、
(ａ)懸濁液の一部が前記膜壁を透過して、前記膜の外面から透過水として引き出されると共に、
(ｂ)前記固形分の少なくとも一部が中空膜表面あるいはその内部に保持されるか、あるいはさもなければ浮遊固形分として前記膜中に保持されるようなものであるステップと、
(ii)前記濾過処理を停止あるいは一時中断するステップと、
(iii)液状透過水に対して泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜孔を経て、液状透過水の少なくとも一部を流動させることによって、懸濁液の濾過処理後に残存している透過水を用いて膜孔を周期的に逆流洗浄し、前記中空膜の表面あるいは内部に留まっている固形分を除去するステップと、を具備することを特徴とする懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項１１】
濾過を停止あるいは一時中断したとき、逆流洗浄に利用可能な透過水の量を増大させるため、透過水流動回路中に、さらなるチャンバーあるいはリザーバを設けることを具備することを特徴とする請求項４ないし請求項１０のいずれか１項に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項１２】
膜面を経て気泡を流動させることにより前記膜面をスカーリングするステップをさらに具備することを特徴とする請求項４ないし請求項１１のいずれか１項に記載の懸濁液から固形分を濾過して除去する方法。
【請求項１３】
懸濁液から微細な固形分を除去するための濾過システムであって、
(ｉ)懸濁液を収容する槽と、
(ii)前記槽内の、透過性を有する複数の中空膜と、
(iii)懸濁液の一部が膜壁を通過し透過水として取り出されるよう、前記膜壁を跨いだ圧力差を付与するための手段と、
(iv)前記膜から透過水を引き出すための手段と、
(ｖ)システムおよび前記膜内腔内の液状透過水に対して泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜壁中に留まっている固形分を押し出すと共に、除去された固形分を、前記膜を取り囲む懸濁液中に移動させるために、膜壁を経て、前記内腔内の液状透過水の少なくとも一部を吐出させるための手段と、を具備してなることを特徴とする濾過システム。
【請求項１４】
前記膜は多数の膜モジュール内に配置されており、かつ前記膜モジュールはバンク内で使用されると共に、システムに懸濁液を分配すると共にシステムから透過水を除去するためのマニホールドに接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の濾過システム。
【請求項１５】
ガスがモジュールの前記バンクの前記マニホールド内に導入され、このマニホールド内の透過水が逆流洗浄のために利用されるようになっていることを特徴とする請求項１４に記載の濾過システム。
【請求項１６】
逆流洗浄廃液量が低減されるよう、逆流洗浄前に、前記槽内の懸濁液の量を低減させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１３ないし請求項１５のいずれか１項に記載の濾過システム。
【請求項１７】
前記槽内の懸濁液の量は供給槽への供給物の流入を一時中断させることによって減少させられ、一方、前記膜壁を跨いだ圧力差を付与し続けると共に前記膜から透過水を引き出し続けることを特徴とする請求項１６に記載の濾過システム。
【請求項１８】
前記膜壁を跨いだ圧力差を加圧ガスの作用によって得ることを特徴とする請求項１７に記載の濾過システム。
【請求項１９】
逆流洗浄、スカーリングおよび／またはクリーニングステップ中の、あるいはこのステップに続く、前記槽からの廃棄物含有液の掃引あるいはドレーンダウン中に、膜を含む槽内にガスまたは気泡を供給するステップを具備することを特徴とする膜濾過システムを洗浄する方法。
【請求項２０】
前記掃引あるいはドレーンダウンステップを、部分的にあるいは全て、液体逆流洗浄ステップによって実施することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記槽から液体を排除するのを助けるために、廃棄物含有液へ加圧ガスを作用させるステップを具備することを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記掃引あるいはドレーンダウンステップを部分的に液体逆流洗浄ステップによって実施すると共に、さらなる掃引あるいはドレーンダウンステップを前記液体逆流洗浄ステップに続いて実施することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
供給液体を用いて、前記槽から廃棄物含有液を押し流すステップを具備することを特徴とする請求項１９ないし請求項２２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜濾過システムに関し、さらに詳しくは、そうしたシステムにおいて使用される膜を洗浄するための改良方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜洗浄は膜濾過処理の出来にとって重要なステップである。定期的な洗浄がなされないと膜は不純物で詰まり、やがては機能を発揮しなくなる。さまざまな物理的膜洗浄方法が提案され、発表されている。典型的な方法の概要は次のとおりである。
１．気泡を用いた洗浄。この方法はYamamoto他によって最初に提案され(Water Science Technology、第2巻、p.43-54、1989年)、低圧濾過処理において広く利用されている。気泡によって生じるせん断力は膜表面の汚損物質を除去するが、膜孔内の汚れの低減には役立たない。
２．逆流洗浄あるいは逆脈流方法。この方法は、膜孔を通過する流体の逆向きの流れを用いて、そこから汚れ物質を除去するものである。逆流洗浄における流体としては、ガスまたは液体のいずれも使用可能である。
【０００３】
国際公開第03/059495号においてBartels他が逆流洗浄技術を開示している。この技術では、逆流洗浄中の特定の時間に、中空繊維膜が供給側においてガスを用いて加圧される。Bartels他は、中空繊維膜から汚れ成分を効果的に除去するために、そうした逆流洗浄の定期的使用について説明している。
【０００４】
液体逆流洗浄を実施するためには、通常、液体ポンプおよび液体貯蔵タンクが必要である。ポンプは、膜孔を通過する通常の濾過流とは逆の方向に透過水流を供給し、膜孔から、堆積した固形分および不純物を取り除く。加圧膜濾過処理に関して、これはさらに付属物を必要とする。典型的な膜濾過システムにおいては、膜モジュールは、マニホールドまたは他の同様な配管設備に接続され、供給物の流入および濾過水／透過水の排出を可能にする。濾過期間の終了時、膜の透過水側および透過水マニホールドは、透過水で満たされたままである。
【特許文献１】国際公開第03/059495号パンフレット
【非特許文献１】Yamamoto他、「Water Science Technology」、1989年、第2巻、p.43-54
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、マニホールド内および膜内(インサイドアウト濾過の場合には膜内腔(membrane lumen)あるいは膜および透過水を収容する槽内)に残存している、そうした透過水を、液体逆流洗浄のための液体源として利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ある態様によれば、本発明は膜濾過システムの改良型逆流洗浄方法を提供し、この方法は、濾過処理を停止したときシステム内に現存する透過水を、逆流洗浄処理中、膜孔を逆流洗浄するための液体を提供するのに使用するステップを具備してなる。
【０００７】
好ましくは、膜の逆流洗浄時、残存している透過水を、膜孔を経て押しやるのに加圧ガスが利用される。
【０００８】
好ましくは、透過水に作用させるガスの圧力は、ガスが膜孔内に入り込めないよう、膜の泡立ち点(bubble point)よりも低い値であるべきである。
【０００９】
他の態様によれば本発明は懸濁液から固形分を濾過する方法を提供し、この方法は、
(ｉ)懸濁液中に浸漬された、透過性のある中空膜の壁を跨いだ圧力差を付与するステップであって、懸濁液は、膜壁による濾過が引き起こされかつ持続するよう多孔性中空膜の外面に接触させられ、ここで、
(ａ)懸濁液の一部は膜壁を通過し、中空膜内腔から透過水として引き出され、かつ
(ｂ)固形分の少なくとも一部が中空膜表面あるいはその内部に保持されるか、さもなければ膜を取り囲む液体中に浮遊固形分として保持されるようなものであるステップと、
(ii)液状透過水に対して泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜孔を経て、上記内腔内の液状透過水の少なくとも一部を流動させることによって、この内腔内に存在する透過水を用いて膜孔を周期的に逆流洗浄し、中空膜表面あるいは中空膜中に留まっている固形分を除去するステップと、を具備してなる。
【００１０】
懸濁液から固形分を濾過する方法は、
(ｉ)膜壁による濾過が引き起こされかつ持続するよう透過性中空膜の内面に接触させられる懸濁液を収容する透過性中空膜の壁を跨いだ圧力差を付与するステップであって、ここで、
(ａ)懸濁液の一部は膜壁を通過し、この膜の外面から透過水として引き出され、かつ
(ｂ)固形分の少なくとも一部が中空膜表面あるいは中空膜中に保持されるか、さもなければ膜内に浮遊固形分として保持されるようなものであるステップと、
(ii)濾過処理を停止するか一時中断するステップと、
(iii)液状透過水に対して泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜孔を経て、液状透過水の少なくとも一部を流動させることによって、懸濁液の濾過処理後に残存している透過水を用いて膜孔を周期的に逆流洗浄し、中空膜表面あるいは中空膜中に留まっている固形分を除去するステップと、を具備してなる。
【００１１】
他の態様によれば本発明は、濾過システム中の懸濁液から固形分を濾過するための方法を提供し、この方法は、
(ｉ)膜壁による濾過を引き起こしかつ維持するために、透過性中空膜の内面に接触させられる懸濁液を収容する透過性中空膜の壁を跨いで圧力差を付与するステップであって、ここで、
(ａ)懸濁液の一部は膜壁を透過し、膜の外面から透過水として引き出されると共に、
(ｂ)固形分の少なくとも一部は、中空膜表面あるいはその中に保持され、さもなければ浮遊固形分として膜内に保持されるようなものであるステップと、
(ii)濾過処理を停止あるいは一時中断するステップと、
(iii)液状透過水に対して泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜孔を経て、液状透過水の少なくとも一部を流動させることによって、懸濁液の濾過処理後にシステム中に残存している透過水を用いて膜孔を周期的に逆流洗浄し、中空膜表面あるいは中空膜中に留まっている固形分を除去するステップと、を具備する。
【００１２】
好ましくは、逆流洗浄ステップ中に、固形分が除去され、それは膜を取り囲む大量の液体中に取り込まれる。
【００１３】
好ましくは、マニホールド、ヘッダー、配管などのような付属品内に残存する透過水を、逆流洗浄液体源として、膜内腔中のそれに加えて利用することも可能である。これらの液体源から逆流洗浄のために十分な量の透過水を得られない場合、さらなるチャンバーあるいはリザーバを透過水流動回路に設け、濾過が一時中断された際、逆流洗浄のために利用可能な透過水の量を増大させることも可能である。
【００１４】
多数のモジュールがバンク内で使用され、かつ供給物を分配すると共に透過水を取り出すためのマニホールドに接続されている場合、加圧ガスをモジュールのバンクのマニホールド内へ導入することが可能であり、これによってマニホールド内の透過水を逆流洗浄のために利用することもできる。膜モジュールの両端部から透過水を抽出する濾過処理の場合、ガス加圧式逆流洗浄は、必要に応じて、膜モジュールのいずれか一方の端部にのみ、あるいは同時に両端に適用するために選択可能である。
【００１５】
他の態様によれば、本発明は懸濁液から微細な固形分を除去するための濾過システムを提供し、このシステムは、
(ｉ)懸濁液を収容するための槽と、
(ii)この槽内の、透過性のある複数の中空膜と、
(iii)懸濁液の一部が膜壁を通過して、透過水として引き出されるよう、膜壁を跨いだ圧力差を付与するための手段と、
(iv)膜から透過水を引き出すための手段と、
(ｖ)システムおよび膜内腔内の液状透過水に対して、泡立ち点以下の圧力でガスを作用させ、膜壁中に留まっている固形分を押し出すと共に、除去された固形分を、膜を取り囲む懸濁液中に移動させるために、膜壁を経て、内腔内の液状透過水の少なくとも一部を吐出させるための手段と、を具備してなる。
【００１６】
上記改良方法を用いた一般的な逆流洗浄手順は、以下のステップのいくつか、あるいは全てを含んでいてもよい。
・通気ガスまたは他の低圧ガス源を用いた供給物槽内での供給物レベルのフィルタリングダウン(filtering-down)。
・膜表面を経て気泡を流動させることによる膜表面のスカーリング。
・膜孔を通過する通常の濾過流とは反対の方向に、システム内に現存する透過水を流動させることによる膜孔の逆流洗浄。
・逆流洗浄廃棄物の一部を排出するための、掃引、ドレーンダウンによるか、あるいは供給およびブリード処理による逆流洗浄廃棄物の排出。
・膜槽への補充、透過水側でのガス抜き、および濾過の再開。
【００１７】
逆流洗浄クリーニング終了時には、濃縮された逆流洗浄廃棄物をモジュールから排出しなければならない。逆流洗浄廃棄物を排出するには、二つの一般的な方法、すなわち濃縮物を槽からドレーンダウンするか、あるいは供給物流によって槽を掃引する方法がある。掃引処理中、膜槽の底部へ供給物を押し込むことは一般的な操作であり、プラグ流れは槽の上端から濃縮物を押し流す。
【００１８】
掃引期間の一部において、あるいはその全体を通じて、ガス(通常は空気)を膜槽内へと噴射することは有益であることがわかっている。ガス噴射によって槽内に生じる気泡は掃引効果を高め、したがって逆流洗浄効率を改善する。
【００１９】
他の態様によれば、本発明は膜濾過システムを洗浄する改良方法を提供し、この方法は、逆流洗浄、スカーリングおよび／またはクリーニングステップ中の、あるいはこのステップに続く、上記槽からの濃縮物の掃引あるいはドレーンダウン中に、膜槽内にガスまたは気泡を供給するステップを具備する。
【００２０】
槽からの濃縮物の、通気による掃引は、部分的にあるいは完全に液体逆流洗浄ステップ(ポンプ式液体逆流洗浄あるいは上記ガス加圧式液体逆流洗浄のいずれか)と一体化することができる。
【００２１】
重力によるドレーンダウンは、膜槽から逆流洗浄廃棄物を排出する一般的な方法である。不完全なドレーンダウンは逆流洗浄効率の低下につながることがある。なぜなら、非常に濃厚な廃棄物が槽内に残ることがあり、それは濾過を再開したとき、すぐさま膜を詰まらせる。モジュール群を使用するシステムにおいては、通常、ドレーンダウン後に、槽の底には液状廃棄物の層が存在する。濾過処理に関して、残存する廃棄物の影響を低減するために、いくつかの改良方法を利用できる。
１)ガス促進式ドレーンダウン。逆流洗浄の終了時、スカーリングガスを供給槽内へ噴射し続け、一方でガス抜きバルブを閉塞する。スカーリングガスの圧力はドレーンダウンを促進するのに役立つ。これに代えて、ドレーンダウンを促進するために、供給物槽に対して供給物側へ加圧ガスを作用させることができる。
２)希薄な逆流洗浄廃棄物。通常の逆流洗浄サイクル中に膜表面から汚れ物質を取り除くためにガススカーリングが開始される。槽内の固形分は、膜孔の液体逆流洗浄に先立ってあるいは逆流洗浄中に、まず部分的に排出できる。槽内の廃棄物量が低減するので、よりきれいな透過水が膜モジュールの供給側に入ってくるとき、固形分の濃度は液体逆流洗浄後に低下する。最終排出段階において、ドレーンダウンが不完全であっても、この槽が新しい供給水で再び満たされたときには槽内の固形分濃度は低下する。
３)槽底部での廃棄物洗浄。槽底部に残留している逆流洗浄廃棄物は、槽を経て供給水を急速にくみ出すことによって流れ出させることができる。逆流洗浄廃棄物は排出側へ押し流すことができ、あるいは供給物導入口へ押し流すと共に新しい供給物と混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ここで、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照し、例証としてのみ説明する。
【００２３】
図１を参照すると、中空繊維膜モジュール５が圧力槽６内に設けられており、濾過流はシェル側から繊維内腔７内へと向うようなものである。モジュール５のそれぞれは、上部マニホールド８および下部マニホールド９に接続されている。上部マニホールド８は、濾過処理中に繊維内腔７から引き出された透過水を除去するのに使用される。濾過処理が洗浄サイクルのために一時中断させられたとき、マニホールド８、接続された配管９および内腔７は、透過水で満たされたままとなる。本実施形態では、バルブ１０を閉鎖し、加圧ガスを、バルブ１１を経て、(膜の泡立ち点以下の圧力で)透過水に作用させることによって液体逆流洗浄が実施され、これによってマニホールド８および繊維内腔７内に残存している透過水は膜孔を経てシェル側部分１２に押しやられ、膜孔内に残留している固形分が除去される。
【００２４】
ある実施形態では、濾過ユニットは２０分間だけ濾過運転され、その後、逆流洗浄処理運転に切り換えられた。逆流洗浄手順は以下のようなものとなる。
・濾過を停止し、繊維膜表面のガススカーリングを開始する。
・１５秒間のガススカーリングの後、バルブ１１を経て、加圧ガスを、透過水マニホールド８に約２バールの調整された圧力で作用させ、１５秒間、膜孔を経て透過水を逆方向に押しやる。
・続いて、スカーリングおよび逆流洗浄によって除去された固形分を、２５秒間、槽を経て供給水をくみ出すことによってモジュール５から掃引する。
・掃引終了時にガス圧を解放し、濾過を再開する。
【００２５】
図２には、上記逆流洗浄法による膜間圧力(ＴＭＰ)特性の時間に関するグラフを示す。濾過性能は、向上した供給水の品質に起因して、膜間圧力(ＴＭＰ)に僅かな低下はあるものの安定しており、逆流洗浄処理が効果的なものであることを示した。
【００２６】
さらなる実施例では、掃引中に空気を利用することの有効性を示す。この実施例では、槽からの固形分の掃引を、ガスを槽内に噴射しながら８サイクル実施し、その後、ガスを噴射せずに、掃引を続いて８サイクル実施した。図３には、両形態の掃引過程中の抵抗の変化を示す。掃引中に空気を噴射した場合には膜の抵抗が僅かに低下するが、掃引中に空気を供給しない場合にはそれが上昇し始める、ということが明白である。
【００２７】
本発明の実施例による方法および装置は、望ましくは以下の利点を含むであろう(だが、これらには限定されない)。
１)逆流洗浄ポンプおよび逆流洗浄用透過水を収容するタンクを排除できる。
２)加圧ガスを使用することにより、ポンプでは経済的に実現できない短時間の「逆脈流」を容易に実現できる。
３)液体逆流洗浄廃棄物を節減できる。
４)省エネルギー運転ができる。
５)内腔から完全に液体が排出されているならば、負の膜間圧力(ＴＭＰ)を加えることは、膜の全てのポイントにガス圧を加えることに等しい。
【００２８】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明のさらなる実施形態および例証が可能であることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態が採用された６連モジュール膜濾過バンクの概略図である。
【図２】膜間圧力(ＴＭＰ)特性の時間に関するグラフである。
【図３】掃引ステップ中に空気を噴射した場合としない場合での抵抗の時間に関するグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
５  中空繊維膜モジュール
６  圧力槽
７  繊維内腔
８  上部マニホールド
９  下部マニホールド
１０,１１  バルブ
１２  シェル側部分
【図１】
2007505727.tif 000003
【図２】
2007505727.tif 000004
【図３】
2007505727.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月3日(2004.11.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007505727.tif 000006
【図２】
2007505727.tif 000007
【図３】
2007505727.tif 000008
【国際調査報告】
2007505727.tif 000009
2007505727.tif 000010
2007505727.tif 000011