JP2012500117A - 膜濾過システムの逆洗エネルギ効率の改善 - Google Patents

Abstract

中空糸膜が望ましい少なくとも１つの透過性膜を含む膜濾過システムの逆洗方法であって、この方法には、濾過プロセスが停止するかまたは中断すると、システム内に依然として存在する透過液に可変圧の加圧ガスを作用させて、逆洗プロセス中、透過性膜の孔を逆洗するための液体を供給するステップが含まれている。また、交互に切り替わる液体逆洗圧を利用して、懸濁液から固形物を濾過する方法も提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜濾過システムに関するものであり、とりわけ、こうしたシステムで用いられる膜を洗浄するための方法及び装置の改善に関するものである。

膜洗浄は、現在実施されている膜濾過プロセスの成功にとって重要なステップである。定期的に洗浄しなければ、膜には不純物が詰まり、最終的に動作不能になるまで効率が低下することになる。さまざまな物理的膜洗浄方式が提案され、発表されてきた。以下では、いくつかの典型的な方法について要約することにする。

１．気泡による膜洗浄。この方法は、最初に先行技術文献の１つで発表され（非特許文献１参照）、低圧濾過プロセスにおいて広く用いられるようになった。気泡で生じる剪断力によって、膜表面の汚損物質は除去されるが、膜孔内の汚損物質はほとんど減少しない。

２．逆洗または逆パルス法。この方法では、膜孔を通る流体の逆流（濾過流方向に対する）を利用して、汚損物質が取り除かれる。反対方向への逆洗では、ガスまたは液体またはそれらの組合せを流体として用いることが可能である。

先行技術文献の１つには、逆洗中の指定時点において、中空糸膜が供給側でガスによって加圧される、逆洗技法の記載がある（特許文献１参照）。この文献の記述によれば、中空糸膜から汚損成分を有効に除去するため、こうした逆洗が定期的に利用される。

液体逆洗を実施するには、一般に、液体ポンプと液体保持タンクが必要になる。ポンプによって、通常の濾過流と逆方向の透過流が膜孔に通され、膜孔からたまった固形物及び不純物が取り除かれる。

加圧濾過システムによっては、加圧システムにガスで加圧される液体による逆洗を利用するのが有利であり、逆洗性能を損なうことなく、効率が改善されることが分かった。ガスで加圧される液体による逆洗は、一般に、中空糸膜の内腔側に通常は空気である圧縮ガスを送り、濾過サイクルの終了時に内腔内に残存する濾過液を膜壁のシェルまたは供給側に押しやることによって実現する。逆洗空気圧は、一般に１５０ｋＰａを超えるように設定される。加圧空気発生のコスト及びエネルギ要件を抑制するため、空気圧を最低限に保つのが望ましい。

明細書全体を通じた先行技術に関する論考は、こうした先行技術が、周知のものであるか、または、当該分野における一般常識の一部をなすことを容認するものとみなすべきではない。

国際公開第０３／０５９４９５号パンフレット

山本他、Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９８９年、第２巻、ｐ．４３−５４

本発明の目的は、先行技術の欠点の少なくとも１つを克服または改善するか、あるいは、有用な代替案を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、少なくとも１つの透過性中空糸膜を含む膜濾過システムの逆洗方法が提供されるが、この方法には、濾過プロセスが停止するかまたは中断すると、システム内に依然として存在する透過液に可変圧の加圧ガスを作用させて、逆洗プロセス中、透過性中空糸膜の孔を逆洗するための液体を供給するステップが含まれる。

本発明の第２の態様によれば、懸濁液から固形物を濾過する方法が提供されるが、この方法は、
（ｉ）懸濁液に浸された透過性中空糸膜の壁の前後に圧力差を生じさせて、透過性中空糸膜の外面に懸濁液を押しやり、透過性中空糸膜の壁による濾過を誘発し、持続させるステップが含まれることと、
（ａ）懸濁液の少なくとも一部が膜壁を通って、透過性中空糸膜の内腔から透過液として排出されることと、
（ｂ）固形物の少なくとも一部が、透過性中空糸膜上または内に残留するか、さもなければ、透過性中空糸膜のまわりの液体内に懸濁固形物として残留することと、さらに、
（ｉｉ）存在する場合、透過性中空糸膜の内腔及び／または濾過液マニホルド内に残存する透過液を利用し、透過性中空糸膜のバブルポイントより低い可変圧のガスを透過液に作用させて、内腔及び／または濾過液マニホルド内の透過液の少なくとも一部を、透過性中空糸膜の孔を通して置き換え、その結果、透過性中空糸膜上または内に残留する固形物が除去されるようにすることによって、膜の孔を定期的に逆洗するステップが含まれることを特徴とする。

本発明の第３の態様によれば、濾過システムにおける懸濁液から固形物を濾過する方法が提供されるが、この方法は、
（ｉ）透過性中空糸膜の壁の前後に、透過性中空糸膜の内腔面に懸濁液を作用させる圧力差を生じさせて、透過性中空糸膜の壁による濾過を誘発し、持続させるステップが含まれることと、
（ａ）懸濁液の少なくとも一部が透過性中空糸膜の壁を通って、透過性中空糸膜の外面から透過液として排出されることと、
（ｂ）少なくとも一部の固形物が、透過性中空糸膜上または内に残留するか、さもなければ、透過性中空糸膜内に懸濁固形物として残留することと、さらに、
（ｉｉ）濾過プロセスを停止または中断するステップと、
（ｉｉｉ）濾過プロセスの中断後、濾過システム内に残存する透過液を利用し、透過性中空糸膜のバブルポイントより低い可変圧のガスを透過液に作用させて、透過液の少なくとも一部を、透過性中空糸膜の孔を通して置き換え、その結果、透過性中空糸膜上または内に残留する固形物が除去されるようにすることによって、透過性中空糸膜の孔を定期的に逆洗するステップが含まれることを特徴とする。

文脈において別段の要求が明確になされない限り、この説明及び特許請求の範囲全体を通じて、「〜を含む」、「〜を含んでいる」等の言葉は、限定的または網羅的意味とは対照的な包含的意味、すなわち、「〜を含んでいるが、〜に限定されるわけではない」という意味に解釈すべきである。

ガス圧は、第１と第２の値の間で変えるのが望ましく、第１の値は第２の値より大きい。第１と第２の圧力値は、膜透過率または膜フィルタ抵抗といった測定可能な膜特性に基づいて決定されるのが望ましい。

膜透過率が第１の所定の値以下の場合には、第１の値のガス圧を用いるのが望ましく、膜透過率が第２の所定の値以上の場合には、第２の値のガス圧を用いるのが望ましい。

膜抵抗が第１の所定の値以上の場合には、第１の値のガス圧を用いるのが望ましく、膜抵抗が第２の所定の値以下の場合には、第２の値のガス圧を用いるのが望ましい。

第１及び第２の所定の値は異なる値にすることもできるし、あるいは同じ値にすることも可能である。

ガス圧は、第１の値と第２の値の間で連続して変化させることも、循環させることも、あるいは、交互に切り替えることも可能である。

固形物は、逆洗ステップ中に膜のまわりのバルク液中に取り出すのが望ましい。

透過性中空糸膜は、透過性高分子中空糸膜が望ましい。いくつかの透過性高分子中空糸膜は、束にして、モジュール内に並列に入れるのが望ましい。中空糸の内腔は、フィルタマニホルドと流体的に通じているのが望ましい。

膜濾過システムは、単一中空糸、単一モジュール、複数モジュール、または、複数モジュール内の単一モジュールとすることが可能である。

濾過システムには、複数の中空糸膜モジュールが含まれるのが望ましい。

いくつかの代替実施形態では、膜濾過システムは加圧式膜濾過システムである。

他の実施形態では、膜濾過システムは浸漬式膜濾過システムである。

さらなる別の実施形態では、膜は必ずしも中空糸とは限らず、例えば、平板とすることも可能である。

本発明のもう１つの態様によれば、少なくとも１つの透過性膜を含む膜濾過システムの逆洗方法も提供されるが、この方法には、濾過プロセスが停止または中断すると、システム内に依然として存在する透過液に可変圧を加えて、逆洗プロセス中、透過性膜の孔を逆洗するための液体を供給するステップが含まれる。

可変圧は、可変圧のガスを透過液に作用させるか、または、透過液のポンピング速度を変えることによって加えることが可能である。

本発明によれば、懸濁液から固形物を濾過する方法も提供されるが、この方法には、
（ｉ）透過性膜の壁の前後に、透過性膜の第１の側に懸濁液を作用させる圧力差を生じさせて、透過性膜の壁による濾過を誘発し、持続させるステップが含まれることと、
（ａ）懸濁液の少なくとも一部が透過性膜の壁を通って、透過性膜の第２の側から透過液として排出されることと、
（ｂ）少なくとも一部の固形物が、透過性膜上または内に残留するか、さもなければ、透過性膜の第１の側のまわりの液体内に懸濁固形物として残留することと、さらに、
（ｉｉ）濾過プロセスの中断後、透過性膜の第２の側に残存する透過液を利用し、透過性膜のバブルポイントより低い可変圧のガスを透過液に作用させて、透過液の少なくとも一部を、透過性膜の第２の側から透過性膜の孔を通して置き換え、その結果、透過性膜上または内に残留する固形物が除去されるようにすることによって、透過性膜の孔を定期的に逆洗するステップが含まれることを特徴とする。

可変圧は、可変圧のガスを透過液に作用させるか、または、透過液のポンピング速度を変えることによって加えることが可能である。

本発明によれば、少なくとも１つの透過性膜を含む膜濾過システムの逆洗方法も提供されるが、この方法には、濾過プロセスが停止または中断すると、システム内に依然として存在する透過液に可変圧の加圧ガスを作用させて、逆洗プロセス中、透過性膜の孔を逆洗するための液体を供給するステップが含まれる。

本発明によれば、懸濁液から固形物を濾過する方法も提供されるが、この方法は、
（ｉ）透過性膜の壁の前後に圧力差を生じさせて、透過性膜の第１の側に懸濁液を押しやり、透過性膜の壁による濾過を誘発し、持続させるステップが含まれることと、
（ａ）懸濁液の少なくとも一部が透過性膜の壁を通って、透過性膜の第２の側から透過液として排出されることと、
（ｂ）固形物の少なくとも一部が、透過性膜上または内に残留するか、さもなければ、透過性膜の第１の側のまわりの液体内に懸濁固形物として残留することと、さらに、
（ｉｉ）濾過プロセスの中断後、透過性膜の第２の側に残存する透過液を利用し、透過性膜のバブルポイントより低い可変圧のガスを透過液に作用させて、透過液の少なくとも一部を、透過性膜の第２の側から透過性膜の孔を通して置き換え、その結果、透過性膜上または内に残留する固形物が除去されるようにすることによって、透過性膜の孔を定期的に逆洗するステップが含まれることを特徴とする。

次に、例証だけを目的として、添付の図面に関連して本発明の望ましい実施形態について述べることにする。

本発明の実施形態の１つによる濾過システム用逆洗システムの慨略図である。

図１を参照すると、本発明によるガスで加圧される液体による逆洗システムの実施形態の１つが示されている。このシステムには、上方ヘッダ７と下方ヘッダ８によって支持され、その間にほぼ垂直に延びる中空糸膜６を有する濾過モジュール５が含まれている。モジュール５は、加圧供給容器９内に配置されている。この実施形態では、濾過液が、中空糸膜６の両端から上方ポート１０及び下方ポート１１を通って排出されるが、実施形態によっては、濾過液はモジュールの一方の端部からのみ排出される場合もあるのは明らかであろう。上方ヘッダ７及び下方ヘッダ８には、それぞれ、上方ポート１０及び下方ポート１１を介して濾過液除去管路１２に接続されたそれぞれの濾過液貯留室１４及び１３が設けられている。濾過液除去管路１２は、弁ＡＶ２によって制御される。供給液は、弁ＡＶ１の制御下で供給管路１５を介して供給される。上方逆洗管路１６は、弁ＡＶ３の制御下で供給容器９の除圧を行う。廃棄物を含む液体が、弁ＡＶ４の制御下で廃液除去管路１７を介して除去される。

図１に示すように、一般には空気である逆洗ガスが、ガス圧調整弁ＰＲＶ３及び逆洗ガス制御弁ＡＶ５を介して供給される。ＰＲＶ３は、ガス管路１８を介して加圧ガス源１９に接続されたパイロット操作ガス調整弁である。ガス圧調整弁ＰＲＶ３は、最高圧設定値で十分な逆洗ガス流を供給するためのサイズが付与されている。ガス圧調整弁ＰＲＶ３は、関連するそれぞれの制御弁ＳＶ１及びＳＶ２とガス制御管路２１を介して、ガス圧調整弁ＰＶＲ１及びＰＶＲ２のいずれかによって設定された圧力設定値を受け入れる。ガス圧調整弁ＰＲＶ１は、約７０〜１２０ｋＰａの範囲の低圧に設定されるが、ガス圧調整弁ＰＲＶ２は、約１５０〜２５０ｋＰａの範囲の高圧に設定される。各ガス圧調整弁ＰＲＶ１及びＰＲＶ２は、ガス管路２２及び２３を介して加圧ガス源２０に接続されている。加圧ガス源１９及び２０が同じガス源とすることが可能であるのは明らかであろう。

このシステムで用いられる各種可制御弁は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）（不図示）によって制御される。

液体逆洗を開始する前に、ＰＬＣは、測定された膜透過率を確かめて、必要な逆洗ガス圧を決定する。膜透過率がＰＬＣに記憶されている設定値を超えると、弁ＳＶ１が開かれ、パイロット操作ガス圧調整弁ＰＲＶ３は、より低い逆洗ガス圧に設定される。膜透過率がＰＬＣに記憶されている設定値より低いと、弁ＳＶ２が開かれ、ＰＲＶ３はより高い逆洗ガス圧に設定される。逆洗ガス圧は、上限と下限の間の任意の圧力とすることが可能である。

代わりに、高膜透過率状態で液体逆洗性能を高めるため、逆洗液体に加えられるガス圧を交互に切り替えることにより、液体逆洗は高圧逆洗と低圧逆洗の間で交互に行うように設定することが可能である。例えば、低圧逆洗による１回または数回の濾過サイクルの後、高圧逆洗による１回または数回の濾過サイクルが実施される。高圧逆洗による濾過サイクルが完了すると、低圧逆洗による濾過サイクルが再開される。

代わりに、ＰＬＣにおいて膜フィルタ抵抗の増大を測定し、高圧液体逆洗を可能にするために利用することが可能である。濾過サイクルにおけるフィルタ抵抗の増大がＰＬＣの事前設定値を超えると、逆洗中にＳＶ２が起動され、高圧液体逆洗のため、高ガス圧がシステムに加えられる。

もう１つの操作上の変形態様では、ＰＬＣまたは他の装置によって濾過サイクルの開始を記録し、数回の濾過サイクルにわたって比較することが可能である。所定の数の濾過サイクルにわたるフィルタ抵抗の正味増大がＰＬＣに記憶されている設定値を超えると、システムは高圧液体逆洗を行うようにスイッチされる。フィルタ抵抗の正味増大がＰＬＣに記憶されている設定値未満に低下すると、システムはスイッチされて、低圧液体逆洗に復帰する。

下記の例では、６×１２０のモジュールの加圧膜プラント運転について分析された。この例において、プラント洗浄間隔は３５日に設定された。液体逆洗のためのガス圧は、最初の２３日間の運転については１００ｋＰａに設定され、最後の１２日間の運転については２００ｋＰａに設定された。表１には比較結果が示されている。

その比較から明らかなように、この例では、液体逆洗圧を交互に切り替えることによって、ガスで加圧される液体による逆洗に用いられるガスの２１．８％を節約することが可能である。

本発明は、とりわけ加圧システムに関連して例証されているが、浸漬システムでの利用にも容易に適応させることが可能である。これらは、ガス逆洗ではなく液体逆洗の利用を伴うシステムである。液体逆洗には、清浄な（通常は濾過された）液体を押し戻して孔に通し、汚損物を取り除くことが含まれる。

液体逆洗は、一般に、空気で加圧するかまたはポンプで操作する。空気で加圧される液体による逆洗は、ガスを用いて濾過液を逆方向に押しやるという点を除けば、図１に示す方式と同様である。上と下の圧力及び液体逆洗圧は、対応するガス圧によって制御され、このガス圧はやはりＰＬＣによって制御される。

ポンプ式逆洗を利用して、同様の結果を得ることも可能である。その場合、ポンプで直接濾過液を戻して膜に通し、汚損物が取り除かれる。上と下の圧力及び液体逆洗圧は、ポンプの回転速度によって制御され、この回転速度はやはりＰＬＣによって制御される。

これまでに得られた結果が示唆するように、逆洗圧を交互に切り替えることによって長期膜性能が損なわれることはない。本発明の方法を用いることによって、現場洗浄（ＣＩＰ）事象の間隔を長くする（＞３０日）ことが可能になる。

既述の本発明の精神または範囲から逸脱しない、本発明のさらなる実施形態及び事例も可能であることは明らかである。

５ 濾過モジュール
６ 中空糸膜
７ 上方ヘッダ
８ 下方ヘッダ
９ 加圧供給容器
１０ 上方ポート
１１ 下方ポート
１２ 濾過液除去管路
１３ 濾過液貯留室
１４ 濾過液貯留室
１５ 供給管路
１６ 上方逆洗管路
１７ 廃液除去管路
１８ ガス管路
１９ 加圧ガス源
２０ 加圧ガス源
２１ ガス制御管路
２２ ガス管路
２３ ガス管路
ＡＶ１〜５ 弁
ＰＲＶ１〜３ ガス圧調整弁
ＳＶ１ 制御弁
ＳＶ２ 制御弁

Claims (18)

1. 少なくとも１つの透過性中空糸膜を含む膜濾過システムの逆洗方法であって、濾過プロセスが停止するかまたは中断すると、前記システム内に依然として存在する透過液に可変圧の加圧ガスを作用させて、逆洗プロセス中、前記透過性中空糸膜の孔を逆洗するための液体を供給するステップが含まれる方法。
2. 懸濁液から固形物を濾過する方法であって、
   （ｉ）前記懸濁液に浸された透過性中空糸膜の壁の前後に圧力差を生じさせて、前記透過性中空糸膜の外面に前記懸濁液を押しやり、前記透過性中空糸膜の壁による濾過を誘発し、持続させるステップが含まれることと、
   （ａ）前記懸濁液の少なくとも一部が前記膜壁を通って、前記透過性中空糸膜の内腔から透過液として排出されることと、
   （ｂ）前記固形物の少なくとも一部が、前記透過性中空糸膜上または内に残留するか、さもなければ、前記透過性中空糸膜のまわりの前記液体内に懸濁固形物として残留することと、さらに、
   （ｉｉ）存在する場合、前記透過性中空糸膜内腔及び／または濾過液マニホルド内に残存する透過液を利用し、前記透過性中空糸膜のバブルポイントより低い可変圧のガスを前記透過液に作用させて、前記内腔及び／または濾過液マニホルド内の透過液の少なくとも一部を、前記透過性中空糸膜の孔を通して置き換え、その結果、前記透過性中空糸膜上または内に残留する前記固形物が除去されるようにすることによって、膜の孔を定期的に逆洗するステップが含まれることを特徴とする、
   方法。
3. 濾過システムにおける懸濁液から固形物を濾過する方法であって、
   （ｉ）透過性中空糸膜の壁の前後に、前記透過性中空糸膜の内腔面に懸濁液を作用させる圧力差を生じさせて、前記透過性中空糸膜の壁による濾過を誘発し、持続させるステップが含まれることと、
   （ａ）前記懸濁液の少なくとも一部が前記透過性中空糸膜の壁を通って、前記透過性中空糸膜の外面から透過液として排出されることと、
   （ｂ）少なくとも一部の固形物が、前記透過性中空糸膜上または内に残留するか、さもなければ、前記透過性中空糸膜内に懸濁固形物として残留することと、さらに、
   （ｉｉ）濾過プロセスを停止または中断するステップと、
   （ｉｉｉ）前記濾過プロセスの中断後、前記濾過システム内に残存する透過液を利用し、前記透過性中空糸膜のバブルポイントより低い可変圧のガスを前記透過液に作用させて、前記透過液の少なくとも一部を、前記透過性中空糸膜の孔を通して置き換え、その結果、前記透過性中空糸膜上または内に残留する前記固形物が除去されるようにすることによって、前記透過性中空糸膜の孔を定期的に逆洗するステップが含まれることを特徴とする、
   方法。
4. 前記ガス圧が第１と第２の値の間で変えられることと、前記第１の値が前記第２の値より大きいことを特徴とする、請求項１〜３の任意の１つに記載の方法。
5. 前記第１と第２の圧力の値が、測定可能な膜特性を用いて決定されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記膜特性が膜透過率であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記膜特性が膜抵抗であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記第１の値のガス圧が、膜透過率が第１の所定の値以下の場合に利用され、前記第２の値のガス圧が、膜透過率が第２の所定の値以上の場合に利用されることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記第１の値のガス圧が、膜抵抗が第１の所定の値以上の場合に利用され、前記第２の値のガス圧が、膜抵抗が第２の所定の値以下の場合に利用されることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１つに記載の方法。
10. 前記第１の所定の値と前記第２の所定の値が異なることを特徴とする、請求項４〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 前記第１の所定の値と前記所定の値が同じであることを特徴とする、請求項４〜９のいずれか１つに記載の方法。
12. 前記ガス圧が、前記第１の値のガス圧と前記第２の値のガス圧との間で連続して変えられることを特徴とする、請求項４〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 前記ガス圧が、前記第１の値のガス圧と前記第２の値のガス圧の間で交互に切り替えられることを特徴とする、請求項４〜１１のいずれか１つに記載の方法。
14. 固形物が、逆洗ステップ中に前記膜のまわりのバルク液中に取り出されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
15. 前記濾過システムに複数の膜モジュールが含まれることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の方法。
16. 前記濾過システムに、複数の中空糸膜モジュールが含まれることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
17. 前記膜濾過システムが加圧式膜濾過システムであることを特徴とする、請求項１５〜１６のいずれか１つに記載の方法。
18. 前記膜濾過システムが浸漬式膜濾過システムであることを特徴とする、請求項１５〜１６のいずれか１つに記載の方法。

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