(57)【要約】【課題】  生産水の回収率を高く維持しつつ、逆洗水に添加した酸化剤を効率的に利用し、膜面に付着、堆積した有機系汚濁物質を、効率的に洗浄除去する膜の洗浄方法および膜分離装置を提供する。【解決手段】  膜モジュールに膜のろ過側から原水側へ酸化剤を含んだ逆洗水を逆流させて膜を洗浄する方法であって、酸化剤を含んだ逆洗水を原水側へ逆流させた後、膜の原水側から排出された逆洗排水を再利用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜モジュールに膜のろ過側から原水側へ酸化剤を含んだ逆洗水を逆流させて膜を洗浄する方法であって、酸化剤を含んだ逆洗水を原水側へ逆流させた後、膜の原水側から排出された逆洗排水を再利用することを特徴とする膜の洗浄方法。
【請求項２】
前記逆洗排水を前記膜モジュールとは別の膜モジュールでろ過し、そのろ過水を前記逆洗水として再利用する、請求項１に記載の膜の洗浄方法。
【請求項３】
前記逆洗排水に凝集剤を添加して前記別の膜モジュールでろ過する、請求項２に記載の膜の洗浄方法。
【請求項４】
前記逆洗水を加熱して膜のろ過側から原水側へ逆流させる、請求項１〜３のいずれかに記載の膜の洗浄方法。
【請求項５】
膜モジュールと、該膜モジュールへの逆洗水供給手段と、該膜モジュールからの逆洗排水排出手段と、該膜モジュールからの逆洗排水を濾過する、該膜モジュールとは別の膜モジュールとを備えた膜分離装置。
【請求項６】
前記別の膜モジュールと前記逆洗水供給手段とが連結されている、請求項５に記載の膜分離装置。
【請求項７】
前記別の膜モジュールの前段に凝集剤添加手段が設けられている、請求項５または６に記載の膜分離装置。
【請求項８】
前記逆洗水供給手段に逆洗水の加熱手段が設けられている、請求項５〜７のいずれかに記載の膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜ろ過を行う膜分離装置および膜の洗浄方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密濾過膜（ＭＦ膜）および限外濾過膜（ＵＦ膜）は、粒子除去性能が高く、原水中の粒子をほぼ完全に除去することができ、また、ＭＦ膜分離装置、ＵＦ膜分離装置は簡易な操作で運転できることから、原水の除濁、除菌手段として、工業的に広く利用されている。例えば、逆浸透膜分離装置の前処理として、あるいは超純水中の微粒子除去などに、ＭＦ膜またはＵＦ膜の高度な粒子除去性能が有効に利用されている。また、河川水、湖沼水、井水などの天然水を除濁、除菌して飲料水を得る浄水処理分野などにも、その高い信頼性、操作性が認められている。
【０００３】
ところで、膜分離装置では装置の小型化が求められており、この点からは中空糸膜モジュールが有効である。中空糸膜モジュールは、一般に耐圧性のケーシング内に中空糸膜を充填し、原水を中空糸膜の内側または外側に導いてろ過する構成とされている。ろ過の方向により、中空糸の内側から外側へろ過する内圧式中空糸膜モジュールと、中空糸の外側から内側へろ過する外圧式中空糸膜モジュールとの２つの型式に分類されるが、断面円形で耐圧強度が高い中空糸膜は、内圧型、外圧型の方式の違いを問わず逆洗操作を行うことが可能である。一般に、逆洗は、膜のろ過方向とは逆の方向にろ過水を流入させ、膜に堆積した汚濁物をろ過水の逆流による物理洗浄作用で剥離除去することにより行われる。このような逆洗操作を運転工程に組み込んで、所定の時間ろ過を継続した後、定期的に逆洗を行うようにすることにより、膜の汚染の進行を防止し、薬品洗浄に至る期間を大幅に延長する、すなわち、膜の薬品洗浄頻度を大幅に低減することが可能となる。
【０００４】
しかしながら、膜分離処理により浄水を得る場合、膜に付着、堆積した汚濁物は、従来の逆洗方法では容易に除去することができない場合がある。すなわち、原水には無機成分のみならず、有機物質、あるいは水中微生物や藻類の代謝物、死骸などに起因する高分子状有機物質も含まれている。そして、これらの有機成分に基づく膜面の汚濁物質は、ろ過水を逆流させる従来の物理的な逆洗方法では除去できない場合がある。
【０００５】
そこで、膜に堆積した有機系汚濁物質を、ろ過水による物理洗浄作用によって除去するだけでなく、ろ過水に酸化剤を添加させて逆流させ、酸化剤による化学的洗浄作用とで除去する方法もある。しかしながら、この方法で膜面に付着、堆積した有機系汚濁物質を除去するためには、酸化剤を添加した逆洗水に膜を十分さらす必要がある。このためには、酸化剤を添加した逆洗水を逆流し続けることとなるため、大量の逆洗水、すなわち、大量のろ過水が必要となり、結果的に生産されるろ過水の回収率が低下する。
【０００６】
この問題点を解決するために、特許文献１には、逆洗水をろ過膜に浸透させた状態で所定時間保持することにより、添加した酸化剤を有効に作用させる方法が提案されている。この文献には、例えば酸化剤として次亜塩素酸ナトリウムを１０ｐｐｍ程度含んだ逆洗水を、ろ過膜のケーキ層に接する膜面まで浸透させた後、ろ過膜に浸透させた状態で１〜１０分の範囲で保持し、その後、酸化剤を含まない逆洗水で洗浄することで、大量の逆洗水を必要とせず、すなわち生産されるろ過水の回収率を低下させず、酸化剤を添加した逆洗水に膜を十分さらすことができる旨が記載されている。
【０００７】
しかし、保持時間を１〜１０分の範囲で設けた場合、稼働効率が低くなり、特に後段に逆浸透膜などの造水装置を設けている場合は、造水装置への供給水を確保するために、前段のＵＦ膜、ＭＦ膜によるろ過水を貯留するタンクの容量を大きくしなければならないことや、貯留タンクをろ過中に満タンにする必要があり、中空糸膜モジュールのモジュール本数を増やさなければならないといった問題がある。
【０００８】
また、大量の逆洗水を必要としないと示されているが、膜を逆洗するごとに、必ずろ過水が必要であり、かつ、その度に必ず酸化剤を添加する必要があり、生産されるろ過水の回収率を低下させないとはいえ、一定の限界が生じることとなる。
【０００９】
さらに、保持時間を設けることで酸化剤を添加した逆洗水に膜を十分にさらすことは可能であるが、有効に酸化剤を利用することは困難であり、系外に排出される逆洗排水中には、有効に利用されなかった酸化剤が存在することになる。
【特許文献１】特開２００２−５２３２１号公報（請求項１、００１１段落など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、生産水の回収率を高く維持しつつ、逆洗水に添加した酸化剤を効率的に利用し、膜面に付着、堆積した有機系汚濁物質を、効率的に洗浄除去する膜の洗浄方法および膜分離装置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】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、次の（１）〜（８）の構成を特徴とするものである。
（１）膜モジュールに膜のろ過側から原水側へ酸化剤を含んだ逆洗水を逆流させて膜を洗浄する方法であって、酸化剤を含んだ逆洗水を原水側へ逆流させた後、膜の原水側から排出された逆洗排水を再利用することを特徴とする膜の洗浄方法。
（２）前記逆洗排水を前記膜モジュールとは別の膜モジュールでろ過し、そのろ過水を前記逆洗水として再利用する、上記（１）に記載の膜の洗浄方法。
（３）前記逆洗排水に凝集剤を添加して前記別の膜モジュールでろ過する、上記（２）に記載の膜の洗浄方法。
（４）前記逆洗水を加熱して膜のろ過側から原水側へ逆流させる、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の膜の洗浄方法。
（５）膜モジュールと、該膜モジュールへの逆洗水供給手段と、該膜モジュールからの逆洗排水排出手段と、該膜モジュールからの逆洗排水を濾過する、該膜モジュールとは別の膜モジュールとを備えた膜分離装置。
（６）前記別の膜モジュールと前記逆洗水供給手段とが連結されている、上記（５）に記載の膜分離装置。
（７）前記別の膜モジュールの前段に凝集剤添加手段が設けられている、上記（５）または（６）に記載の膜分離装置。
（８）前記逆洗水供給手段に逆洗水の加熱手段が設けられている、上記（５）〜（７）のいずれかに記載の膜分離装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、逆洗水に添加した酸化剤を効率的に利用することができ、これにより薬品コストを大幅に低減し、かつ、生産されるろ過水の回収率を高く維持することができる。また、必要以上に稼働効率を低下させずにすむので、後段の造水装置への供給水を確保するためにろ過水の貯留するタンク容量を大きくする必要もなく、中空糸膜モジュールのモジュール本数を増やす必要もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１〜３は、本発明の一実施形態を示す膜分離装置の概略フロー図であり、図１は最終的な生産水（ろ過水）を得るためのろ過工程、図２は膜モジュールの逆洗工程、図３は膜モジュールの逆洗から排出された逆洗排水のろ過工程を示す。図１〜３において、１は原水タンク、２は膜モジュール、３はろ過水タンク、４は逆洗水タンク、５は逆洗排水タンク、６は逆洗排水ろ過用の膜モジュールである。本発明においては、このような膜分離装置において、生産水（ろ過水）を得るための原水のろ過工程の合間に、膜面に付着した有機系汚濁物質を除去する逆洗工程、逆洗排水のろ過工程などを実施する。なお、図１〜３においては、説明の便宜上、水が流れている配管を実線で示し、水の流れが停止している配管を破線で示してある。
【００１５】
なお、膜モジュール２、６は、たとえば複数本の中空糸膜が筒状ケースに収納されてなるが、その中空糸膜としては多孔質であれば特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテル−エーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィドスルホン（ＰＰＳＳ）、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＯ）、ポリビニルアルコール、セルロースアセテート、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリイミドなどの有機物、セラミック、金属などの無機物その他の材質を選定することができる。特に、耐薬品性に優れているポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）膜が好ましい。
【００１６】
このような膜のうち、その平均孔径が０．００１〜１０μｍの膜が好ましく、平均孔径０．０５〜１μｍの膜がさらに好ましい。平均孔径が０．００１μｍ未満では、目詰まりが早くなり、１０μｍを超えると汚濁物質を除去しにくくなる。
【００１７】
この膜分離装置において、生産水（ろ過水）を得るための原水のろ過は、たとえば図１に示すように、ポンプＰ１を作動させ、原水タンク内の原水を膜モジュール２に導入して行う。膜を透過したろ過水は、ろ過タンク３を経て生産水として取り出される。
【００１８】
ろ過方式としては、全量ろ過方式でもクロスフローろ過方式でもよい。また、加圧ろ過方式でも陰圧ろ過方式でもよいが、加圧ろ過方式がより高いろ過流束が得られるため好ましい。また、内圧ろ過、外圧ろ過のどちらでもよいが、外圧ろ過のほうが、エアスクラビングの効果が大きいので好ましい。
【００１９】
ろ過流束は、特に制限するものではないが、０．１〜５ｍ／ｄとするのが好ましい。このろ過流束が０．１ｍ／ｄ未満では、生産水の回収率が低下し、５ｍ／ｄを超えると膜モジュールの差圧上昇が高くなるおそれがある。
【００２０】
また、ろ過時間は、特に制限するものではないが、５〜６０分とし、その後、後述の逆洗を行うことが好ましい。このろ過時間が５分未満では、生産水の回収率が低下し、６０分を超えると膜モジュールの差圧上昇が高くなる。
【００２１】
次に、膜モジュールの差圧が上昇した場合には、膜の逆洗を行うが、膜の逆洗にあたっては、ポンプＰ１を停止して、ポンプＰ２を作動させ、図２に示すように逆洗水タンク４に貯留され酸化剤が添加された逆洗水を膜モジュール２のろ過側から逆流させる。膜モジュール２から排出される逆洗排水は、逆洗排水タンク５に貯留する。
【００２２】
逆洗水としては、特に制限するものではないが、本実施形態のように原水を膜モジュールでろ過することで得られたろ過水や、工業用水、水道水、ＲＯ透過水が好ましい。そして、この水に添加される酸化剤としては、特に制限するものではないが、次亜塩素酸ナトリウム、二酸化塩素、過酸化水素などが好ましく、特に次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。
【００２３】
逆洗水中の酸化剤の濃度としては、０．１〜５００，０００ｍｇ／Ｌであることが好ましい。酸化剤濃度が０．１ｍｇ／Ｌ未満では、十分な逆洗効果を得ることができず、５００，０００ｍｇ／Ｌを超えると、薬品により装置を腐食させるおそれがある。逆洗排水を排出せず再利用することを考慮すると、１０〜５００，０００ｍｇ／Ｌがさらに好ましい。逆洗水中の酸化剤の濃度を高くすることにより、膜面に付着、堆積した有機系汚濁物質をより効率的に除去することができるようになる。
【００２４】
逆洗の時間は、特に制限するものではないが、１〜１２０秒の範囲内とするのが好ましい。１回の逆洗時間が１秒未満では、十分な洗浄効果が得られず、１２０秒を超えると膜モジュールの稼働効率が低くなる。
【００２５】
逆洗流束は、特に制限するものではないが、０．１〜１０ｍ／ｄの範囲内であることが好ましい。逆洗流束が０．１ｍ／ｄ未満では、膜面に付着、堆積した有機系汚濁物質を十分に除去することが難しくなり、１０ｍ／ｄを超えると、膜モジュールの機械的劣化をまねき易くなる。そして、逆洗後、逆洗排水を排出せず再利用することを考慮すると、生産水の回収率に関係なく逆洗流束を高く設定することができることから、１〜１０ｍ／ｄであることがさらに好ましい。
【００２６】
そして、逆洗水は、たとえば逆洗水タンク４の中に加熱器を設けるなどして、必要に応じて加熱することが好ましい。加熱温度としては、１０〜６０℃の範囲内とするのが好ましい。逆洗水の水温が１０℃未満では冬場の原水の温度と変わらないため酸化剤の反応が遅い。６０℃を超えると、後段に設けられている膜モジュールの耐久性が劣るおそれがある。酸化剤の反応は１０℃高ければ２倍早くなると言われており、逆洗水の水温は高いほうがよく、好ましくは２０〜６０℃、さらに好ましくは３０〜６０℃がよい。逆洗水の水温を上げることで、より短時間で逆洗を効率的に行うことができ、膜モジュール２の稼働効率を高めることができるようになる。なお、逆洗水を加熱するための加熱器は、逆洗排水を再利用する工程のどこに設けられていてもよく、特に逆洗水タンクの中に設けることに限定はしない。
【００２７】
さらに、ろ過工程から逆洗工程に移る際、膜モジュール内に原水を満たしたままでもよいが、酸化剤を添加した逆洗水の濃度が低下しないように、膜モジュール内の原水を排水したのちに逆洗工程に入るほうが好ましい。
【００２８】
さらにまた、逆洗工程の際に、膜面の原水側に気体を送り込み、膜面を振動させることにより膜の洗浄を行うことも好ましい。膜面に吸着した有機物が逆洗水に含まれる酸化剤により分解されて非吸着性物質となるため、膜の孔を閉塞する非吸着性物質が、気体の導入により有効にふるい落とされ、洗浄効果が高くなる。
【００２９】
続いて、逆洗排水の再利用にあたっては、ポンプＰ２を停止して、ポンプＰ３を作動させ、図３に示すように逆洗排水タンク５に貯留された逆洗排水を膜モジュール６に導入する。このとき、逆洗排水中の懸濁物を効率よく除去するために、逆洗排水タンクに貯留された逆洗排水に凝集剤添加手段（図示せず）から凝集剤を添加し、一定時間反応させてから、膜モジュール６に供給することも好ましい。膜を透過したろ過水は、逆洗水タンク４に貯留される。そして、逆洗排水中に含まれる有機物によって酸化剤が徐々に消費されるため、再利用水には、定期的に酸化剤を補給することも好ましい。酸化剤の補給方法については特に制限するものではないが、定期的に薬注ポンプで補給してもよいし、定期的に濃度を測定して逆洗水タンクに直接を補給してもよい。
【００３０】
凝集剤としては、特に制限するものではないが、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ3）等の鉄系凝集剤、硫酸バンド等のアルミニウム系凝集剤等の無機系凝集剤、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）等の有機ポリマー系凝集剤が好ましい。
【００３１】
そして、後述するように逆洗排水をろ過する膜モジュール６を逆洗する場合は、凝集剤を添加したあと、逆洗排水タンクを沈殿槽の形状として、上澄み液と、ドレンを別々の膜モジュール６でろ過することも好ましい。上澄み液は沈殿物が少なく、ドレンは沈殿物が多く、それぞれ膜モジュールに堆積する量が異なるため、膜モジュール６の逆洗頻度を別々とすることができる。
【００３２】
逆洗排水をろ過する膜モジュール６のろ過時間は、原水をろ過する膜モジュール２のろ過時間より短ければよく、０．１〜５９分とするのが好ましい。また、膜モジュール６におけるろ過流束は、特に制限するものではないが、０．１〜５ｍ／ｄとするのが好ましい。ろ過流束が０．１ｍ／ｄ未満では、生産されるろ過水の回収率が低く、５ｍ／ｄを超えると目詰まりが早くなる。原水をろ過する膜モジュール２のろ過時間は、上述したようにたとえば５〜６０分の範囲内で好適に選択されるが、逆洗排水のろ過は原水をろ過している時間中に終了すれば足りる。一方、逆洗排水は、短時間でろ過するよりも、時間をかけてろ過するほうが低流束でろ過することができ、膜の目詰まりが発生しにくい。したがって、例えば、原水をろ過する膜モジュール２のろ過時間が６０分の場合、逆洗排水のろ過時間を５０分と設定するときと１分と設定するときでは、前者のほうが逆洗排水のろ過流束を１／５０にすることができ、低流束でろ過が可能となり、膜モジュールの目詰まりがしにくく、膜の差圧上昇を抑えながら運転することが可能となる。
【００３３】
また、膜モジュール６は、原水をろ過する膜モジュールの逆洗排水だけをろ過するものであるので、その本数は、原水をろ過する膜モジュールの本数に比べてごくわずかでよい。
【００３４】
なお、図２に示した逆洗工程と図３に示した逆洗排水のろ過工程とは同時に行ってもよい。
【００３５】
このように、本実施形態では一端、逆洗水を逆洗水タンク４に貯留すると、何回も再利用することができるため、原水に対する生産水の回収率を実質１００％とすることができ、コスト低減に大きく寄与するものである。また、一端、逆洗水に酸化剤を添加すると新たに酸化剤を添加せずに何回も逆洗排水を再利用することができるため、逆洗ごとに逆洗排水を系外に排出する場合に比べて酸化剤を有効に利用することができるようになり、コスト低減に寄与することができる。
【００３６】
そして、逆洗排水をろ過する膜モジュール６も、差圧が上昇した場合には、原水を膜モジュールでろ過したろ過水などで逆洗することが好ましい。膜モジュール６を逆洗するにあたっては、ポンプＰ４を作動させ、図４に示すようにろ過水タンク３に貯留されたろ過水を膜モジュール６のろ過側から逆流させる。逆洗排水は、系外に排出させる。この逆洗排水は系外に排出されるが、酸化剤をほとんど含まないので、酸化剤を無駄に排出することはない。
【実施例】
【００３７】
＜実施例１＞
図１〜３に示す膜分離装置を用いて、ろ過工程と、逆洗工程および逆洗排水のろ過工程とを繰り返して運転した。
【００３８】
原水としては、濁度が２〜５ＮＴＵ、水温が１０〜１５℃の海水を用いた。逆洗水としては、ろ過工程で得られた濾過水に残留塩素の初期濃度が８０ｍｇ／Ｌとなるように次亜塩素酸ナトリウムを添加したものを用いた。膜モジュールとしては、逆洗可能なポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製精密ろ過中空糸膜（東レ株式会社製）モジュールを用いた。
【００３９】
ろ過工程は、ろ過流束１．５ｍ／ｄで１５分とし、逆洗工程は、逆洗流束３．０ｍ／ｄで０．５分とし、１週間運転した。
【００４０】
その結果、１週間経過後も膜ろ過差圧の上昇は見られなかった。逆洗排水の残留塩素濃度は有機物によって徐々に低下するものの、１時間に８０ｍｇ／Ｌであったものが７５ｍｇ／Ｌとなる程度であった。１時間に塩素が約１．３ｇ消費された計算となる。そのため、消費分だけの補給を薬注ポンプで行った。なお、本実施例では逆洗排水を系外から排出していないため、生産されるろ過水の回収率は９９．９％であった。
【００４１】
＜比較例１＞
逆洗排水を再利用せずに系外から排出した以外は実施例１と同様にして運転を行ったところ、膜ろ過差圧は同様の傾向が見られたが、次亜塩素酸ナトリウムは逆洗ごとに排出されるため、１時間に約２０ｇ消費された計算となった。実施例１に比べて１６倍も塩素消費量が多い計算となる。なお、本比較例では逆洗排水は逆洗ごとに系外から排出されるため、生産されるろ過水の回収率は９３．３％であった。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、たとえば海水淡水化やかん水淡水化に用いられる逆浸透膜分離装置の前処理用途の膜や、超純水製造における前処理用途の膜、さらには、河川水、湖沼水、井水などの天然水を除濁、除菌して飲料水を得る浄水処理分野などに用いられる膜の洗浄に好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示す膜分離装置のろ過工程を示す概略フロー図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す膜分離装置の逆洗工程を示す概略フロー図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す膜分離装置の逆洗排水再利用工程を示す概略フロー図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す膜分離装置の、洗排水をろ過する膜モジュールの逆洗工程を示す概略フロー図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：原水タンク
２：膜モジュール
３：ろ過水タンク
４：逆洗水タンク
５：逆洗排水タンク
６：逆洗排水をろ過する膜モジュール
Ｐ１：給水ポンプ
Ｐ２：逆洗ポンプ
Ｐ３：給水ポンプ
Ｐ４：逆洗ポンプ
【図１】
2005270906.tif 000003
【図２】
2005270906.tif 000004
【図３】
2005270906.tif 000005
【図４】
2005270906.tif 000006