JP2000210660A

JP2000210660A - 浸漬式膜濾過装置および清澄水の製造方法

Info

Publication number: JP2000210660A
Application number: JP11012163A
Authority: JP
Inventors: Masahide Taniguchi; 雅英谷口; Takashi Seki; 隆志関; Toshiji Onoe; 利次尾上
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-08-02

Abstract

(57)【要約】【課題】透過側の気泡発生による障害をなくし、膜の透
過性能低下を抑えながら長期に安定して連続運転が可能
な浸漬式膜濾過装置および清澄水の製造方法を提供する
ことを目的とする。【解決手段】濾過膜を被処理液に浸漬し、被処理液の水
頭圧によって清澄水を得る方式の浸漬式膜濾過装置であ
って、前記濾過膜の透過側には大気に開放される配管を
有するとともに、濾過膜の有効部分よりも下部に清澄水
貯留部を有し、かつ該清澄水貯留部の下流に清澄水を系
外へ取り出すための手段を備えていることを特徴とする
浸漬式膜濾過装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜濾過装置および
清澄水の製造方法に関するものであり、詳しくは、濾過
膜を被処理水に浸漬して、被処理液の水頭圧力差を透過
の駆動力として清澄水を取り出す浸漬式膜濾過装置およ
び清澄水の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、浄水処理、排水処理は、砂濾過
法、凝集沈殿法、塩素添加などを主要プロセスとしてシ
ステムが構築され、処理が行われてきた。しかし、砂濾
過法や凝集沈殿法では、広大な設備面積を必要とした
り、原水状況によっては、厳密な運転管理を行わないと
十分な分離が行えないなどの問題がクローズアップされ
てきており、その欠点を解消することができる技術とし
て、膜分離法の適用が推進されてきている。膜分離法
は、従来の砂濾過法よりも高速な濾過処理ができるとと
もに設備容積も小さく、かつ凝集沈殿法などの他プロセ
スと複合処理が可能である、精密な濾過が可能であるた
め、塩素などによる殺菌処理を省略もしくは軽減するこ
とができるなどのメリットを有している。

【０００３】これらの浄水、排水処理において膜分離法
を適用する場合、これまで主に展開されてきた工業用水
製造などで行われていた被処理水をポンプなどで加圧し
て膜分離処理を行う「加圧式」では高圧で処理できるた
めに、濾過速度を幅広く設定できるメリットがある反
面、装置の耐圧性が必要になるなどコストや運転管理の
面から問題があった。そこで、膜エレメントと膜エレメ
ントケースからなる膜分離モジュールを被処理水に浸漬
する「浸漬式」が幅広く採用されている。

【０００４】浸漬式膜分離膜モジュールは、被処理水側
の膜表面に被処理水中の汚れ物質が蓄積するため、被処
理水に膜面流速を付与することによって、膜面に蓄積す
る汚れを剥離させる方法を採るのが一般的である。被処
理水が活性汚泥水の場合、被処理水槽で曝気を行うた
め、この散気で得られる気液混相流を膜面に導入するこ
とによって効率的に膜面への汚れの蓄積を軽減させるこ
とができる。そのため、排水処理用浸漬式膜分離モジュ
ールでは、特開昭６０−１５０８８５号公報、特公平４
−７０９５８号公報などに見られるように活性汚泥処理
との併用における適用が活発である。また、膜を回転さ
せたり、膜面にポンプや撹拌子で流れを生じさせるとい
った手段によって膜面に流速を付与する方法も採ること
ができる。また、膜エレメントとしても、布状の平膜
型、管状膜型、ストロー状の中空糸膜型など多岐にわた
って展開されている。

【０００５】ところで、浸漬式膜分離モジュールにおい
て清澄水（透過水）を取り出すための膜間圧力差、すな
わち分離駆動力を付与する方法としては、基本的に３種
類が存在する。１つは、特公平４−７０９５８号公報に
例示されるように膜の透過側を吸引ポンプによって減圧
する方法である。もう一つは、特公平８−２２３７０号
公報に例示されるように膜の透過側の配管を膜モジュー
ルよりも低くすることによって透過側を負圧状態にし、
吸引ポンプと同じ作用を得るものである。また、３番目
の方法としては、特開平７−２９９４９０号公報に例示
されるように被処理水に対して、膜モジュールを深くま
で浸漬することによって、水位差（水頭圧差）を生じさ
せ、実質的に被処理水側を加圧状態にするものである。
これらの方法は、基本的には、排他的なものではなく、
併用させることも基本的には問題ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで、１番目の方法
は、吸引圧力を調節・制御することによって必要な処理
量を安定して得ることができるというメリットを有して
いるが、ポンプ動力を必要とするため、ランニングコス
ト上の問題がある。２番目、３番目の方法は、ポンプ動
力を必要としないという点から、経済的なメリットを有
するが、基本的に圧力が一定となり、一定の処理量を得
ることは困難であるといった特徴を有している。

【０００７】さらに、本発明者らは、浸漬式膜濾過モジ
ュールの開発検討を行う過程で、次のような知見を得
た。１番目、および２番目の方法、すなわち、透過側を
吸引して減圧状態にした場合、減圧状態にしなかった場
合に比べて、被処理液中に溶存している空気が溶けきれ
なくなり、膜の透過側で気泡が発生することが判明し
た。この気泡は透過側に滞留しやすく、気泡が滞留した
部分では清澄水（透過水）の流れが阻害されるため、有
効膜面積が減少したり、清澄水（透過水）流動抵抗が増
大し、濾過性能を低下させることになる。

【０００８】この場合、１番目の方法では、定流量を得
るために、吸引ポンプの出力がアップし、定流量を確保
しようとする。この結果、膜の透過流束が局所的に増加
し、膜が汚損することになる。また、吸引圧力が大きく
なりすぎると、膜の細孔内へ汚れが引き込まれ、物理洗
浄や薬液洗浄による回復性も低下する。さらに、本発明
者らが基礎検討を行った結果、透過流束と膜面への汚れ
の蓄積は、級数的な変化を示すので、ある透過流束を越
えて濾過を行うと、その部分での汚れの蓄積が急速に進
むことになり非常に好ましくないことが判明した。ま
た、実際に運転検討を行ったところ、発生した気泡は、
吸引ポンプのラインにも引き込まれやすく、その過程で
ポンプへの負荷変動が生じやすく、その結果、脈動が生
じるため、定流量の吸引が困難になるという事態を引き
起こしていた。

【０００９】また、２番目の方法に至っては、サイホン
による吸引を行うため、気泡の発生は致命的であり、長
期間の運転を行ううちにサイホンが効かなくなり、連続
運転を困難であった。

【００１０】一方、３番目の方法では透過側を負圧にし
ないため、気泡の発生・蓄積を抑えることができるが、
膜にかかる圧力差を制御できないため、いわゆる定圧運
転になる。定圧運転の場合、膜が新品状態で透過性能が
高いときは、膜透過流束が高くなる。これは、前述のよ
うに膜面への汚れの蓄積を急速に促進させることになる
ため、連続運転期間を縮める要因となっていた。

【００１１】本発明の目的は、透過側の気泡発生による
障害をなくし、膜の透過性能低下を抑えながら長期に安
定して連続運転が可能な浸漬式膜濾過装置および清澄水
の製造方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、「濾過膜を被
処理液に浸漬し、被処理液の水頭圧によって清澄水を得
る方式の浸漬式膜濾過装置であって、前記濾過膜の透過
側には大気に開放される配管を有するとともに、濾過膜
の有効部分よりも下部に清澄水貯留部を有し、かつ該清
澄水貯留部の下流に清澄水を系外へ取り出すための手段
を備えていることを特徴とする浸漬式膜濾過装置。」に
より基本的に達成される。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、分離の駆動力を得る方
法として基本的に前述の３番目の方法、すなわち、水頭
圧による圧力を用いるものである。これによって透過側
を減圧する必要はなく、気泡の発生を抑えた浸漬式膜濾
過を実施することが可能となる。

【００１４】ここで、本発明の浸漬式濾過装置の実施形
態の一例を示す側断面回路図を図１に、膜モジュールの
外観を図２に、膜エレメントの外観を図３に示す。ここ
で用いた膜エレメント（図３）は、フレーム４の両面に
清澄水流路材８を挿んで膜２を接着剤によって接着した
平膜エレメントで、膜の下方に清澄水貯留部３を透過側
に連接した構造になっている。また、図中５、６は、清
澄水取水用配管と大気開放用配管である。図２に示す膜
モジュールはこのエレメントを複数並列に配置してエレ
メント容器１０に装填し、清澄水取水用配管５と大気開
放用配管６を連接したものである。

【００１５】また、図４は、この膜モジュールを被処理
液槽１１に浸漬し、清澄水取水用配管５に取水ポンプ７
を接続した回路図である。図４に示すように、膜の被処
理液側には、被処理液自身による水頭圧が生じ、かつ透
過側は、大気開放用配管６によって常圧にされるので、
膜を介して圧力差が生じる。これにより、被処理液から
清澄水を得ることができ、得られた清澄水は、清澄水貯
留部３に流下して貯留される。貯留された清澄水は、清
澄水取水ポンプ７によって系外へ取り出される。

【００１６】なお、本発明における清澄水を系外へ取り
出す手段は、特に限定されるものではないが、吸水ポン
プが一般的であり、ポンプの種類としても、遠心ポン
プ、往復ポンプ、回転ポンプ、エアリフトポンプなど特
に制限されるものではない。しかしながら、本発明の実
施にあたって、濾過を一定量脈動なく行えることが好ま
しく、さらに、低位置の清澄水をくみあげる場合が多い
ので、その場合は、自給式の回転ポンプが好ましい。ま
た、被処理液が生物処理槽で、曝気を必要とする場合
は、曝気ラインを利用してエアリフトポンプを用いると
取水用の動力を省略できるので、装置が簡略化できて望
ましい方法である。

【００１７】清澄水の取水方法としても、とくに限定さ
れるものではないが、本発明の主旨からして定流量で取
水するのが好ましい。ただし、運転開始直後から取水量
が膜透過量よりも多いと、清澄水貯留部への供給量が不
足するため、ポンプが清澄水を安定して吸水できないこ
とになる。従って、少なくとも、運転開始直後に得られ
る膜透過水量よりも少ない流量を取水量として設定しな
ければならない。このとき、取水量が膜透過水量よりも
小さい状況では、清澄水貯留部内の清澄水量は、時間と
ともに増加する。その結果、清澄水は、図４に示すよう
に清澄水取水用配管５と大気開放用配管６の方へ貯まっ
ていき、そのため、膜濾過の駆動力である水頭圧力差が
小さくなるので、膜透過水量が減少する。最終的には、
取水量と膜透過水量が同じになる高さで平衡状態にな
る。この状態で膜濾過が続けられるが、濾過の進行とと
もに、膜が被処理液中の汚れ物質などによって目詰まり
を起こし、膜透過性能が低下し、膜透過水量が取水量を
下回ってくる。その結果、前述とは反対に、貯まってい
た清澄水の水位が低くなっていくので、水頭圧力差が高
くなり、そのため、膜透過水量は増加し、取水量とバラ
ンスがとれたところで水位が安定する。このように、常
に取水した清澄水量が、膜濾過によって清澄水貯留部に
補給されることになるので、取水手段の選択・設定の仕
方によってどのような取水方法も可能になり、従来、容
易でなかった定量濾過が可能となる。その結果、膜面へ
の汚れの蓄積を抑えられ、長期間安定した運転ができる
ようになる。

【００１８】ここで、取水量の設定については、被処理
水における膜透過水量の初期値が、純水で測定した値と
同じであるので、膜モジュールを被処理液に浸漬する前
に予め純水透過係数Ｋを測定しておくことにより、適切
な清澄水の取水量Ｑ（ｍ3 ／ｄ）を得ることができる。
一般に、連続運転によって膜の透過性が低下した場合、
膜エレメントを薬液に浸漬するなどして、いわゆる薬液
洗浄を行って性能を回復させる。

【００１９】薬液洗浄のタイミングは、初期透過性能の
１／１０〜１／２倍程度まで透過性能が低下した時点で
行うのが一般的である。本発明における浸漬式膜濾過装
置の場合、膜が新品で透過性能が高い状態では、清澄水
の水位が高い状態にあり、膜性能が低下してくると清澄
水の水位が低下し、最終的には、清澄水貯留部が空にな
って、設定量の取水ができなくなるまでが、連続運転の
寿命となるので、この時点の透過性能が、初期透過性能
の１／１０〜１／２倍になるのが効率的である。

【００２０】このことから、下記の式を満たす範囲で取
水量Ｑを設定することが好ましいことが判明した。

【００２１】Ｑ＝ａ×Ｋ×Ｌ×Ｓ（１／１０≦ａ≦１／２）ここで、Ｌ：膜エレメントの有効膜部分の最下部水深（ｍ）Ｋ：使用前の膜エレメントの有効膜部分を被処理液と同
温度の純水に浸漬したときの純水透過係数（ｍ3 ／ｄ・
１ｍＡｑ）Ｓ：膜面積（ｍ）である。また、被処理液と同温度のＫを得るには、次式
を用いて補正すればよい。

【００２２】Ｋ＝（温度Ｔ℃のＫ）×（温度Ｔ℃の水の
粘度）／（被処理液温度の水の粘度）なお、清澄水貯留部が空になって設定した取水量が得ら
れなくなった時点で、連続運転を終了し、膜の薬液洗浄
もしくは、膜の交換を行うことになるが、この時期を自
動的に認識する手段としては、清澄水貯留部の水位検出
手段を備え、水位が一定値以下になったことを検出した
り、清澄水の取水ラインに流量センサを備え、取水量が
設定下限流量以下になった状況を検知することにより、
アラームを発生させたり、膜性能を回復させる物理洗浄
や薬液洗浄を実行することが可能である。

【００２３】なお、本発明における膜濾過運転方法とし
ては、水頭圧力差を駆動力として濾過運転を行う以外特
に限定されるものではないが、最も簡便な運転方法とし
ては、特に操作をせずに、水頭圧力差に任せた濾過を行
うことである。また、定期的に濾過量を減らしたり、濾
過を中止する間欠運転などを行うことも可能である。な
お、このような運転を行うときは、清澄水の取水を一時
的に減らしたり、取水をやめることによって実施するこ
とが可能である。また、図５に示すように、大気開放用
配管６に設けたバルブ６′を閉止した上で、取水ライン
から清澄水を加圧逆流させることによって膜の透過側か
ら被処理液側への逆圧洗浄を行うことも可能である。こ
こで、濾過膜の透過側に、清澄水を供給するための手段
としては特に制限されるものではないが、取水手段とし
てポンプを用いる場合は、逆流が可能なポンプを使用す
ることにより取水手段と逆圧洗浄手段の両方を行うこと
が可能となるので好適である。

【００２４】ところで、本発明における物理洗浄として
は、膜の被処理液側に流速を与えることによる剪断力に
よってり汚れを剥離させる方法、前述のような逆圧洗浄
などがあげられる。また、薬液洗浄としては、膜の被処
理液側に薬液を接触させる方法、透過側に薬液を注入す
る方法があげられる。使用する薬液としても、酸、アル
カリ、次亜塩素酸ソーダなど特に制限されるものではな
い。

【００２５】本発明に用いられる膜は、特に制限される
ものではなく、形態としては、平膜、中空糸膜が代表的
である。とくに、平膜の場合は、膜面に流速を与えた場
合の剪断力による汚れの除去効果が高く本発明に適して
いる。また、中空糸膜の場合は、膜自身が液中で揺動し
やすいため、汚れが脱落しやすい特長も有している。

【００２６】膜構造としては、均質膜、多孔質膜、複合
膜などが挙げられるが、特に限定はない。これらの膜の
具体例としては、ポリアクリロニトリル多孔質膜、ポリ
イミド多孔質膜、ポリエーテルスルホン多孔質膜、ポリ
フェニレンスルフィドスルホン多孔質膜、ポリテトラフ
ルオロエチレン多孔質膜、ポリプロピレン多孔質膜、ポ
リエチレン多孔質膜等の多孔質膜や、これら多孔質膜に
機能層としては架橋型シリコーン、ポリブタジエン、ポ
リアクリロニトリルブタジエン、エチレンプロピレンラ
バー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子を複合化した複
合膜や架橋型シリコーンチューブなどの均質膜を挙げる
ことができる。

【００２７】膜の細孔径としても特に制限されるもので
はないが、孔径が小さいほど本発明の課題であるところ
の気泡が抜けにくくなるため、本発明の適用には細孔径
が小さなものほど効果が高い。具体的には、相当細孔径
０．１μｍ以下のものへ本発明を適用するととくに効果
的である。なお、ここでいうところの相当細孔径ｄは、
膜が汚損されていない状態で、水を透過させ、ｄ＝（３２×η×Ｌ×Ｆ／ΔＰ）0.5 η：水の粘度Ｌ：膜厚Ｆ：透過流束 ΔＰ：膜間差圧を計算することによって得た値である。

【００２８】本発明を適用可能な被処理液としても特に
制限されるものではないが、被処理水の性状によって
は、膜が侵されて劣化する場合があるため、注意が必要
である。なお、本発明に適した被処理液としては、河川
水、湖沼水、凝集処理後水、生物処理水、各種排水など
があげられるが、特に活性汚泥を含有した固形分濃度の
高い廃水処理に特に適している。

【００２９】

【実施例】以下実施例をもってもって本発明をさらに具
体的に説明する。ただし、本発明はこれにより限定され
るものではない。

【００３０】実施例１ポリエステル不織布にポリスルホン膜がコーティングさ
れた複合平膜（細孔径０．０１μｍ、厚さ５５μｍ、初
期純水透過性能１．２ｍ3 ／ｍ2 ・日・１ｍＡｑ）をフ
レームの両面に貼り付けた図３に示すような平膜エレメ
ント（有効膜部分：縦７００ｍｍ、幅１００ｍｍ、有効
膜面積０．１４ｍ）３枚を図２に例示するような内寸
（幅１１０ｍｍ×奥３６ｍｍ×高さ７１０ｍｍ）の膜エ
レメント容器に装填した上で、清澄水取水用配管と大気
開放用配管を連接させた膜モジュールを作製した。この
膜モジュールの清澄水取水用配管に、取水ポンプを取り
付けた図１に示す回路の浸漬式膜濾過装置を作製した。
この装置を、排水処理設備の生物処理槽（活性汚泥濃度
ＭＬＳＳ：１０，０００ｐｐｍ）で曝気範囲の上部に、
濾過膜有効部分の下端部から水面までの距離が２ｍにな
るように浸漬し、取水ポンプを設定流量０．３ｍ3 ／ｄ
（ａ＝０．３）に設定して、連続取水した。

【００３１】結果、設定流量の取水が不可能になるまで
に２８日の連続濾過ができ、得られた清澄水量は、８．
４ｍ3 であった。濾過運転終了後、３枚のうち中心の膜
エレメントを引き上げて外観を観察したところ、膜の全
体が黒褐色に変色していた。また、純水透過性能を測定
したところ、０．３５ｍ3 ／ｍ2 ・日・１ｍＡｑであっ
た。

【００３２】比較例１膜エレメントの大気開放用配管を封止する他は、実施例
と同じ装置を同じ方法で運転したところ、５日後には、
清澄水取水配管に気泡が蓄積し、時折、取水ポンプが脈
動していた。また、２８日後に得られた清澄水量は、
８．４ｍ3 であり、実施例１と同じであったが、２８日
の濾過運転終了後、３枚のうち膜エレメントを引き上げ
て外観を観察したところ、膜の上部があまり変色してい
ないのに対し、下部ほどひどく黒褐色に変色していた。
また、純水透過性能を測定したところ、０．２６ｍ3 ／
ｍ2 ・日・１ｍＡｑであった。

【００３３】

【発明の効果】本発明において、濾過膜を被処理液に浸
漬し、被処理液の水頭圧によって清澄水を得る方式の浸
漬式膜濾過装置であって、該濾過膜の透過側が大気開放
されているとともに濾過膜の有効部分よりも下部に清澄
水貯留部が備えられ、該清澄水貯留部から清澄水を系外
へ取り出すための手段を備えていることを特徴とする浸
漬式膜濾過装置により、膜の透過性能低下を抑えながら
長期に安定して連続運転が可能な浸漬式膜濾過装置を提
供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る浸漬式膜濾過装置の一例の側断面
回路図である。

【図２】本発明に係る膜モジュールの一例の外観図であ
る。

【図３】本発明に係る平膜エレメントの外観図である。

【図４】本発明に係る浸漬式膜濾過装置の一例の運転状
態を示す側断面図である。

【図５】本発明に係る浸漬式膜濾過装置の一例の逆圧洗
浄状態を示す側断面図である。

【符号の説明】

１：膜エレメント２：膜３：清澄水貯留部４：フレーム５：清澄水取水配管６：大気開放用配管７：取水ポンプ８：透過側流路材９：膜接着部１０：膜エレメント容器１１：被処理水槽１２：散気管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA02 HA42 HA93 JA18A JA20A JA53A KA13 KA44 KC03 KC07 KC16 KD11 KD17 KD24 KE03R KE05P KE06P KE12P KE24P MA01 MA03 MA06 MA22 MA31 MB02 MC22 MC23 MC30 MC39 MC48X MC58 MC61 MC62X MC63 MC65 MC68 PA01 PA02 PB04 PB08 PC64

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】濾過膜を被処理液に浸漬し、被処理液の水
頭圧によって清澄水を得る方式の浸漬式膜濾過装置であ
って、前記濾過膜の透過側には大気に開放される配管を
有するとともに、濾過膜の有効部分よりも下部に清澄水
貯留部を有し、かつ該清澄水貯留部の下流に清澄水を系
外へ取り出すための手段を備えていることを特徴とする
浸漬式膜濾過装置。
【請求項２】清澄水を系外へ取り出す手段が定流量ポン
プであることを特徴とする請求項１記載の浸漬式膜濾過
装置。
【請求項３】該定流量ポンプが自給式であることを特徴
とする請求項２記載の浸漬式膜濾過装置。
【請求項４】請求項１記載の装置を被処理液に浸漬し、
水頭圧によって濾過膜を透過した清澄水を、清澄水貯留
部から系外に取り出すことを特徴とする清澄水の製造方
法。
【請求項５】前記清澄水貯留部の水位が設定値以下にな
った場合に、アラーム発生、物理洗浄、薬液洗浄のうち
の少なくとも一つの行程を行うことを特徴とする請求項
４に記載の清澄水の製造方法。
【請求項６】前記清澄水を系外へ取り出す手段における
清澄水の取水流量が設定値下限値以下になった場合に、
アラーム発生、物理洗浄、薬液洗浄のうちの少なくとも
一つの行程を行うことを特徴とする請求項４に記載の清
澄水の製造方法。
【請求項７】清澄水の取水量Ｑ（ｍ3 ／ｄ）が、次の式
を満たすことを特徴とする請求項４記載の清澄水の製造
方法。Ｑ＝ａ×Ｋ×Ｌ×Ｓ（１／１０≦ａ≦１／２）Ｌ：膜エレメントの有効膜部分の最下部水深（ｍ）Ｋ：使用前の膜エレメントの有効膜部分を被処理液と同
温度の純水に浸漬したときの純水透過係数（ｍ3 ／ｍ2
・ｄ・１ｍＡｑ）Ｓ：膜面積（ｍ）