(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水をｐＨ６〜７の範囲で凝集沈殿する凝集沈殿手段と、その凝集沈
殿手段による処理水を通過させて不純物を除去する、細孔径が１ｎｍ〜１０μｍの
範囲の分離膜（１４）を有するろ過手段（４）とを備えている造水システムであって
、前記の凝集沈殿手段は、原水、凝集剤およびｐＨ調整剤を混合撹拌する混合装置（
１）と、混合装置により処理された原水に含まれる不純物をフロックに形成する噴流
撹拌式のフロック形成装置（２）と、形成されたフロックを分離する上向流交互傾斜
管式の沈殿池（３）とを備えていることを特徴とする、造水システム。
【請求項２】
分離膜が、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース又はポリスルフォ
ンからなるものである、請求項１に記載の造水システム。
【請求項３】
分離膜が中空糸膜である、請求項１又は２に記載の造水システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、河川水、湖沼水、排水等を浄化し、上水道や飲料・産業用水として供
給するための造水システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密ろ過膜や限外ろ過膜などを利用したろ過装置は食品分野、医療分野をはじめとする産業用水、飲料水などの供給、排水浄化等に広く利用されている。ところで、前記の分離膜は、ろ過操作を続けるのに伴って不純物が膜面や細孔内に蓄積され、次第にろ過操作が困難になるので、定期的に物理洗浄や薬液による洗浄で汚れを除去する必要がある。通常、分離膜面の堆積物を剥離させたり閉塞した細孔から閉塞物を取り除くために、膜面のフラッシングやエアスクラッピング等の物理洗浄を行い、物理洗浄だけでは除去できない汚れに対しては、酸、アルカリ、界面活性剤、塩素等の酸化剤、酵素等による薬液洗浄を実施する。これらの除去操作は、当然、造水装置の処理能率の低下をもたらすので、特開平１０−２０２０１０号公報や特開平１１−１９６８９号公報には、分離膜ろ過装置の前段に凝集沈殿装置を設けて原水を処理し、沈殿する不純物を除去してから前記ろ過装置に給水し、分離膜の負荷を低減して洗浄操作の頻度を減らす提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえば、亀井らの報告（水道協会誌、６４巻、８号、ｐ２６〜３３（１９９５））に記載されているように、凝集分離操作を膜ろ過の前処理として利用するためには凝集剤の注入率に最適値があってその添加量が不足しても過剰であっても分離膜のろ過能力が低下する。また、不純物の種類、濃度、原水温度、使用する凝集剤の種類等、たとえば、粘土系コロイドの含有量の多い原水に対する場合と、フミン質などに起因する色度成分の多い原水を処理する場合とでは凝集条件が異なるので、その条件設定は容易ではない。しかも、その凝集条件を誤るとろ過膜の目詰りが逆に促進され、円滑に造水することができなくなる。
【０００４】
一方、原水として処理することの多い河川水、湖沼水等には、砂や粘土などの汚濁物質類、フミン質に代表される有機物類、鉄、マンガン、シリカ、カルシウム、アルミニウム等の金属類などが様々の形態で不規則に含まれ、その種類や濃度の変動が大きく、とくに気象の変化によって急激に原水の性状が変化してしまうという宿命があって、凝集条件の設定は容易ではなく、ろ過膜の目詰まりによるろ過手段の操業率低下が大きな問題であった。
【０００５】
そこで本発明は、使用する分離膜の目詰り頻度を減少させ、安定して浄水を供給
することのできる造水システムの提供を目的として研究した結果、完成されたもの
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決する目的で分離膜の目詰り等に関する研究を行った過程で、物理洗浄によって除去できる汚れ（可逆ファウリングという）は主として濁度成分として測定される粘土系コロイドであり、物理洗浄では除去できず薬液洗浄によって除去する汚れ（不可逆ファウリングという）の主体は高分子量のフミン質であることを見出した。また、粘土系コロイドなどの濁度成分は、ｐＨ７前後で最もよく凝集沈殿され、フミン質等の色度成分はｐＨ５前後で最もよく凝集沈殿されることが知られている。そして、凝集沈殿操作中のｐＨと分離膜の目詰まりの度合いとの関係を詳細に試験し解析し検討した結果、ｐＨ６〜７の範囲で前記の濁度成分とフミン質の両者をともに高いレベルで分離、除去し、操業中の分離膜ろ過抵抗の上昇速度を極めて小さくできることを見出した。
【０００７】
具体的には、原水をｐＨ６〜７の範囲内となるようにｐＨ調整して凝集沈殿させ
、濁度の５６％以上と溶解性有機炭素量の４３％以上とを除去した後に、細孔径が
１ｎｍ〜１０μｍの範囲の分離膜を用いてろ過して不純物を除去する。凝集沈殿に
はアルミニウム系又は鉄系の凝集剤を用いるとよい。
【０００８】
そして本発明は、原水をｐＨ６〜７の範囲で凝集沈殿する凝集沈殿手段と、その
凝集沈殿手段による処理水を通過させて不純物を除去する、細孔径が１ｎｍ〜１０
μｍの範囲の分離膜１４を有するろ過手段４とを備えている造水システムであって
、このうち、凝集沈殿手段としては、原水、凝集剤およびｐＨ調整剤を混合撹拌す
る混合装置１と、混合装置により処理された原水に含まれる不純物をフロックに形
成する噴流撹拌式のフロック形成装置２と、形成されたフロックを分離する上向流
交互傾斜管式の沈殿池３とを備えている、造水システムを提供する。分離膜１４と
しては、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース又はポリスルフォンからなるもの
が好適であって、その使用形態には中空糸膜が好ましい。
【０００９】
なお、本発明における分離膜の細孔径は、膜透過速度（Ｊｖ：ｍ3／ｍ2・ｓ）および透過膜による圧力差（ΔＰ：Ｐａ）から（１）式により膜の透水性（Ｌｐ：ｍ3／ｍ2・ｓ・Ｐａ）を求め、（２）式から算出した細孔径（Ｒｐ：ｍ）の値である。
【００１０】
Ｊｖ＝Ｌｐ・ΔＰ                      （１）
Ｌｐ＝（Ｈ／Ｌ）・Ｒｐ2／（８η）    （２）
ただし、Ｈ：膜含水率［−］      Ｌ：膜の厚さ［ｍ］
η：水の粘度［Ｐａ・ｓ］
【００１１】
【発明の実施の形態】
さらに本発明を、実施形態例を挙げながら具体的に説明する。図１は本発明造水システムの一実施形態を示すフローシートである。図１に示される造水システムは、凝集沈殿手段として、処理する原水を所定のｐＨに調整して凝集剤を添加し、撹拌、混合して原水中の不純物質をマイクロフロック化する急速撹拌槽１、マイクロフロックを粗大化する噴流攪拌装置２、粗大化したフロックを沈降分離する上向流交互傾斜管式の沈殿地３を、不純物質を沈降分離した前記の原水から残りの不純物質を分離するろ過手段として、分離膜を用いたろ過装置４を備えている。
【００１２】
まず、原水を供給配管５からｐＨ計７を装着した急速撹拌槽１に連続的に供給する。急速撹拌槽１には、パドル式、プロペラ式、タービン式等の攪拌機が装着され、さらにｐＨ計７の測定値によりｐＨ調整剤貯槽９から添加するｐＨ調整剤量を制御して、内部の原液ｐＨを６〜７の範囲内に制御する制御手段８が取り付けられている。供給された原液は、急速撹拌槽１内において凝集剤貯槽１０から供給される所要量の凝集剤、およびｐＨ制御手段８の制御下に供給されるｐＨ調整剤とを添加して撹拌混合されてｐＨ６〜７の範囲内に制御され、含有する不純物質がマイクロフロック化される。
【００１３】
凝集剤としては、使いやすく沈降性のよいフロックを形成することからポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム等のアルミニウム系凝集剤が好ましく、また、鉄系の凝集剤も好ましく用いられる。これらの凝集剤は、ｐＨ６〜７の範囲でフミン質及び濁度物質を適度に沈降・沈殿させ膜ろ過手段の前処理としての効果が高い。前記の凝集剤は、河川表流水、湖沼水、地下水などの自然水の浄水化処理に向いており、本発明処理対象の原水と一致するケースが多いものと考えられる。
【００１４】
マイクロフロックを含む原水は、噴流撹拌式や左右迂流形、上下迂流形、ボルテックス形、直角流式パドル形、軸流式パドル形等のフロック形成装置２に送られて緩流速撹拌され、含有するマイクロフロックが粗大化される。好ましいフロック形成装置２として具体例を挙げ説明すると、水槽を多数の直径５〜３０ｍｍの円形孔又は幅数ｍｍ、長さ数〜数十ｃｍのスリット状孔が配列された多孔板１１で仕切り、マイクロフロックを含む原水を通過させる。多孔板１１は、孔を噴流となって通過する原水を緩速撹拌し、マイクロフロックを粗大フロックに形成する無動力のフロッキュレーターとしての作用を奏する。
【００１５】
不純物のフロックを形成した原水は、上向流交互傾斜管式の沈殿池３においてフロックを沈降分離して処理水となる。沈殿池３としては、長方形沈殿池、円形沈殿池、２階層沈殿池、３階層沈殿池、傾斜管沈殿池、傾斜板沈殿池、中間取出沈殿池、高速凝集沈殿池等の様々な形状、方式のものを利用することができる。上向流交互傾斜管式の沈殿池３の具体例を挙げ簡単に説明すると、図１中の１２に示すように断面が５０ｍｍ程度で矩形状の管を水槽内に鉛直方向に対して６０度程度、１列ごとに交互に逆方向に傾斜させて取り付け、使用することができる。
【００１６】
凝集沈殿手段として本発明には急速撹拌槽１と噴流撹拌式のフロック形成装置２
と上向流交互傾斜管式の沈殿池３とを組み合わせた図１に例示する造水システムが
好適である。被処理水の流れが処理工程で噴流から上向き流に変わるために密度流
が起こりにくく、精密にフロックを分離できるので、原水の水質が急激に変化する
場合にも、処理水の水質変動が小さく、分離膜ろ過装置に安定した水質の処理水を
供給できるからである。さらに滞留時間が短く、コンパクトな装置にまとめられる
利点がある。
【００１７】
つぎに、本発明造水システム又は造水方法は、飲料水、一般用水、排水処理などの低コスト・大量処理が要求される分野で用いられるため、ろ過手段４に使用する分離膜１４は、細孔径が１ｎｍ〜１０μｍ程度のいわゆる精密ろ過膜又は限外ろ過膜が好ましい。ろ過して不純物を除去された浄水は、浄水導出配管１５から系外に取り出される。
【００１８】
分離膜の形態にとくに制限はなく、中空糸膜、管状膜、平膜などを用いることができるが、一般的に装置単位容積当たりの有効膜面積が大きい外径が２ｍｍ未満の中空糸膜が好適である。
【００１９】
本発明に使用する分離膜の素材としては、ポリアクリロニトリル、ポリスルフォン、ポりフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、酢酸セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどや、セラミック等の無機素材をあげることができる。なかでも親水性素材のポリアクリロニトリル、酢酸セルロースは、汚れにくく洗浄回復性がよいという特長があって好ましく、ポリスルフォンは比較的耐品性が高く、殺菌のために各種薬剤を使用する浄水処理に好適である。
【００２０】
本発明に用いるろ過手段では定圧ろ過方式、定流ろ過方式のいずれでもよい。一般的には一定量の浄水を得られる定量ろ過方式が採用されるが、目的により適宜に選択すればよい。また、ろ過手段の操業方法は、被処理水の全量をろ過する全ろ過運転でも被処理水の一部を被処理水に返送するクロスフローろ過運転のいずれも採用できるが、全ろ過運転の方が、操作が単純で凝集沈殿手段での処理量やエネルギーコストが小さく一般的に有利である。
【００２１】
【実施例】
原水として河川水を用い、図１に例示したのと同じ構成の本発明造水システムを用い、河川水からの造水試験を行ったので、その結果を説明する。
【００２２】
実施例１
原水をｐＨ計を取り付けた急速撹拌槽内に連続供給し、これにｐＨ計からの信号によりｐＨ調整剤として使用した水酸化ナトリウム溶液の流量を調整しながら加えて槽内のｐＨを６．１に保持した。凝集剤には、ポリ塩化アルミニウムを用い、濃度が１０ｐｐｍになるように添加した。つぎにこの原水を、噴流撹拌式のフロック形成装置に導いてフロックを形成し、つづいて上向流交互傾斜管式の沈殿池でフロックを沈殿分離し、清澄水を溢流させてトラフにより集水した。集水した凝集沈殿処理水の濁度（度）、及び高分子量フミン質の含有量に関係する溶解性有機炭素量ＤＯＣ（ｍｇ／ｌ）と波長が２６０ｎｍの紫外線吸光度Ｅ２６０（ｃｍ-1）とを測定した。測定結果を表１に示す。
【００２３】
上記の凝集沈殿処理水を分離膜を用いて連続ろ過処理を行い、ろ過抵抗の上昇速度を測定して目詰まり評価を行った。分離膜には、細孔径が０．０１μｍのポリアクリロニトリル中空糸限外ろ過膜を使用し、有効長が２０ｃｍ程度の中空糸膜を２０本束ね小型モジュールにして用いた。加圧窒素を用いて約２０００ｍｌの凝集沈殿処理水をろ過圧力５０ｋＰaで定圧ろ過し、透過水量の変化を電子天秤で測定、ろ過抵抗上昇速度（ｌ／（ｍ・ｓ）を算出した。測定結果を表１に示す。
【００２４】
実施例２
実施例１と同じ原水を用い同じ処理条件で、ただし、急速撹拌槽内のｐＨ値を６．４に保持して造水試験を実施し、測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００２５】
実施例３
実施例１と同じ原水を用い同じ処理条件で、ただし、急速撹拌槽内のｐＨ値を６．９に保持して造水試験を実施し、測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００２６】
比較例１
実施例１と同じ原水を用い同じ処理条件で、ただし、急速撹拌槽内のｐＨ値を５．５に保持して造水試験を実施し、測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００２７】
比較例２
実施例１と同じ原水を用い同じ処理条件で、ただし、急速撹拌槽内のｐＨ値を７．１に保持して造水試験を実施し、測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００２８】
比較例３
実施例１と同じ原水を用い同じ処理条件で、ただし、急速撹拌槽内のｐＨ値を７．３に保持して造水試験を実施し、測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００２９】
比較例４
実施例１と同じ原水を用い同じ処理条件で、ただし、急速撹拌槽内のｐＨ値を７．８に保持して造水試験を実施し、測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００３０】
実施例４
実施例１で処理したのと同じ原水を急速撹拌槽内に連続供給し撹拌して、凝集剤を添加、ｐＨを６．５に調整した。凝集剤にはポリ塩化アルミニウムを用い、濃度が５ｐｐｍになるように添加した。ｐＨは、急速撹拌槽内に取り付けたｐＨセンサーと、ｐＨコントローラーとを用い、ｐＨ調整剤として使用した水酸化ナトリウム溶液の添加流量を制御して調整した。ついで急速撹拌槽からの原水を噴流撹拌式のフロック形成装置に導いてフロックを形成し、さらに上向流交互傾斜管式の沈殿池に導いてフロックを沈殿分離し、清澄水を溢流させてトラフにより集水した。
【００３１】
そして、集水した凝集沈殿処理水を分離膜を用いて連続ろ過処理を行い、ろ過抵抗の上昇速度を測定して目詰まりについて評価した。分離膜として、細孔径が０．０１μｍ、膜面積１２ｍ2の高重合度ポリアクリロニトリル中空糸限外ろ過膜モジュール１本を使用し、膜ろ過流速１．０４×１０-5ｍ／ｓの定流量ろ過運転を約２２００時間続け、この間、６０分に１回の割合で膜透過水による逆洗とエアスクラビングによる洗浄とを実施した。この間のろ過差圧の変化を測定したので結果を図２に示す。また、運転期間中における、膜透過水のE２６０平均値が０．０３５ｃｍ-1、除去率が７４％であり、ＤＯＣの平均値が２．０６ｍｇ／ｌ、除去率が４５％であった。
【００３２】
比較例５
実施例１で処理したのと同じ原水を凝集沈殿処理を行わないで、直接、細孔径が０．０１μｍ、膜面積１２ｍ  の高重合度ポリアクリロニトリル中空糸限外ろ過膜モジュール１本を使用し、膜ろ過流速１．０４×１０-5ｍ／ｓの定流量ろ過運転を約１０００時間続けた。この間、６０分に１回の割合で膜透過水による逆洗とエアスクラビングによる洗浄とを実施し、ろ過差圧の変化を測定したので結果を図２に示す。また、運転期間中における、膜透過水のE２６０平均値が０．０９１ｃｍ-1、除去率が３５％であり、ＤＯＣの平均値が２．２４ｍｇ／ｌ、除去率が１４％であった。
【００３３】
【表１】
0004408524.tif 000002
【００３４】
【発明の効果】
本発明の造水システムにおいては、前段階の凝集沈降分離手段によって、河川水
や湖沼水中の濁度成分及び高分子量のフミン質の両汚染物質が同時に、かつ高レベ
ルで分離、除去されてしまい、つづくろ過手段に使用する精密ろ過膜や限外ろ過膜
等の分離膜の過抵抗の急速な上昇を防止して分離膜の寿命を長く、操業条件の設定
を容易にして、良質の水を安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明造水システムの一実施形態を示すフローシート
【図２】  実施例４及び比較例５におけるろ過差圧の経時変化を示す図
【符号の説明】
１：混合撹拌装置（急速撹拌槽）    ２：フロック形成装置（噴流撹拌装置）
３：沈殿池                ４：ろ過手段          ５：原水供給配管
６：攪拌機                ７：ｐＨ計            ８：ｐＨ制御手段
９：ｐＨ調整剤槽        １０：凝集剤槽        １１：多孔板
１２：上向流傾斜管      １３：ポンプ          １４：分離膜
１５：浄水導出配管
【図１】
0004408524.tif 000003
【図２】
0004408524.tif 000004