JP2013163141A - 膜ろ過システム - Google Patents

Abstract

【課題】逆浸透膜とともに使用する前処理膜の洗浄効率を向上する。
【解決手段】前処理膜と、高圧ポンプと、逆浸透膜と、微細気泡発生装置とを備える。前処理膜は、被処理水に含まれる不溶解性成分を除去する。高圧ポンプは、前処理膜で不溶解性成分が除去された被処理水に圧力を与える。逆浸透膜は、高圧ポンプで圧力が与えられた被処理水を、被処理水に含まれる溶解性成分を除去した処理水と、溶解性成分が濃縮された濃縮水とに分離する。微細気泡発生装置は、逆浸透膜から高圧で排出される濃縮水を導入して微細気泡を発生し、洗浄中の前処理膜に微細気泡を含む濃縮水を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、前処理膜で前処理された被処理水を逆浸透膜で処理する膜ろ過システムに関する。

イオンや塩類を含む海水、汽水または地下水等から生活用水、工業用水または農業用水等を製造する膜ろ過システムでは、逆浸透（reverse osmosis : ＲＯ）膜を利用する方法が用いられることがある。ＲＯ膜は、水を透過させるが、イオンや塩類など水以外の不純物は透過させない性質を持つ。このＲＯ膜では、被処理水に溶質の濃度に応じた浸透圧以上の圧力をかけることで、水と溶質とを分離することができる。

ＲＯ膜を用いる膜ろ過システムでは、被処理水に含まれる不溶解性成分を除去するための前処理を施すことが一般的である。例えば、海水を淡水化する場合、海水中に含まれる濁質、藻類、微生物等を前処理で除去することで、ＲＯ膜への汚濁負荷を低減し、ＲＯ膜の薬品洗浄の回数を減少させ、長期間にわたる安定した運転を可能とする。

前処理には、不溶解性成分を除去可能な膜を利用することが一般的であるが、前処理で利用する前処理膜に多くの不溶解性成分が溜まると、この前処理膜を洗浄する必要が生じる。

特開２００７−２８９９４０号公報 特開２００９−２４０９０３号公報 特開２００７−２８９８９９号公報 特開２００８−２８９９５９号公報 特開２０１１−１６０４４号公報 特開２０１１−６２６３２号公報 特開２０１１−７２９３９号公報

しかしながら、前処理で溜まる不溶解性成分は除去が困難であり、不溶解性成分の除去に必要なエネルギーが大きくなる問題があった。

したがって、本発明は、逆浸透膜とともに使用する前処理膜の洗浄効率を向上することができる膜ろ過システムを提供する。

実施形態に係る膜ろ過システムは、前処理膜と、高圧ポンプと、逆浸透膜と、微細気泡発生装置とを備える。前処理膜は、被処理水に含まれる不溶解性成分を除去する。高圧ポンプは、前処理膜で不溶解性成分が除去された被処理水に圧力を与える。逆浸透膜は、高圧ポンプで圧力が与えられた被処理水を、被処理水に含まれる溶解性成分を除去した処理水と、溶解性成分が濃縮された濃縮水とに分離する。微細気泡発生装置は、逆浸透膜から高圧で排出される濃縮水を導入して微細気泡を発生し、洗浄中の前処理膜に微細気泡を含む濃縮水を供給する。

本発明の第１実施形態に係る膜ろ過システムの構成を説明する概略図である。 本発明の第２実施形態に係る膜ろ過システムの構成を説明する概略図である。

以下に、図面を用いて本発明の各実施形態について説明する。以下の説明について、同様の構成については同一の符号を用いて説明を省略する。本発明の実施形態に係る膜ろ過システムは、ＲＯ膜（逆浸透膜）を利用して塩類やイオンを含む海水、汽水、地下水等から塩類やイオンを除いて淡水化するとともに、ＲＯ膜の前段の前処理膜を洗浄する機能を有する水処理システムである。以下では、海水を取水して、淡水化する一例で説明する。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の膜ろ過システム１ａは、取水源から取水した被処理水を貯留する取水槽１１、取水槽１１から導入された被処理水を前処理する前処理膜１２、前処理された被処理水を導入してろ過する膜ろ過水槽１３、膜ろ過水槽１３から処理水を導入して淡水化するＲＯ膜１４、ＲＯ膜１４から淡水を導入する処理水槽１５を備えている。また、膜ろ過システム１ａは、濃縮水の一部を利用して微細気泡を発生する微細気泡発生装置１６を備えている。さらに、膜ろ過システム１ａは、前処理膜１２に超音波を与える超音波発生装置１７を備えていてもよい。

取水槽１１は、ラインＬ１及び取水ポンプＰ１を介して取水源である海から取水した海水を貯留する。

前処理膜１２は、例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）等であり、ラインＬ２及び膜ろ過ポンプＰ２を介して、取水槽１１で貯留される被処理水（海水）を導入し、被処理水に含まれる不溶解性成分を被処理水から除去する。ろ過により前処理膜１２の膜表面に残った不溶解性成分は、逆洗のタイミングで前処理膜１２から除去される。すなわち、前処理膜１２の膜表面には、海水中の濁質、微生物、微生物が放出する粘性の高い有機物、溶存有機物または無機イオン等の不溶解性成分が蓄積する。このような不溶解性成分が多く蓄積すると前処理膜１２が目詰まりし、差圧が大きくなっていく。したがって、前処理膜１２では、目詰まりを解消するため、定期的等のタイミングで、膜の逆側（二次側）から洗浄水を送水して膜面に付着した汚れを除去（逆洗）する必要がある。

膜ろ過水槽１３は、ラインＬ３を介して、前処理膜１２で処理された被処理水が導入される。膜ろ過水槽１３の被処理水の一部は、逆洗のタイミングで膜ろ過水槽１３から、ラインＬ８及び逆洗ポンプＰ５を介して、前処理膜１２に通水される。

ＲＯ膜１４は、ラインＬ４、送水ポンプＰ３及び高圧ポンプＰ４を介して、膜ろ過水槽１３で処理された被処理水を導入し、被処理水に含まれる塩類やイオンを除去したろ過水と、塩類やイオンを含む濃縮水とに分離する。ＲＯ膜１４で処理するためには、溶質の浸透圧以上の圧力をかける必要がある。したがって、膜ろ過システム１ａでは、送水ポンプＰ３で被処理水を送水するだけでなく、高圧ポンプＰ４で被処理水を塩類やイオンの浸透圧以上の圧力（例えば、約５〜６ＭＰａ程度）にした後にＲＯ膜１４に送ることが必要になる。

ＲＯ膜１４で得られた淡水は、淡水ラインＬ５を介して処理水槽１５へ送られ、生活用水、工業用水または農業用水等として利用される。ＲＯ膜１４で淡水と分離された濃縮水は、濃縮水ラインＬ６及び減圧弁Ｂを介し、例えば、取水源である海へ排出される。ＲＯ膜１４では高圧で被処理水を処理することから、ＲＯ膜１４から排出される濃縮水が高圧である為、減圧弁Ｂで減圧した後に排出している。また、ＲＯ膜１４から排出された濃縮水の一部は、濃縮水ラインＬ６から分岐したラインＬ７を介して、微細気泡発生装置１６に供給される。

微細気泡発生装置１６は、濃縮水ラインＬ６から分岐するラインＬ７を介してＲＯ膜１４から排出される濃縮水の一部を導入すると、前処理膜１２の逆洗に利用する微細気泡を生成する。例えば、微細気泡発生装置１６は、周囲の空気を取り込み、衝撃波方式や旋回方式等を利用して、マイクロバブルやナノバブル等の微細気泡を発生する。濃縮水はＲＯ膜１４から高圧で排出されるため、ＲＯ膜１４から排出される濃縮水が有する圧力を利用することで、微細気泡発生装置１６で必要な動力を低くすることができる。

超音波発生装置１７は、前処理膜１２に接続され、前処理膜１２の逆洗の際に超音波を発生する。

〈前処理膜の洗浄〉
膜ろ過システム１ａでは、前処理膜１２を逆洗する際には、前処理膜１２の二次側から逆洗水を供給する。具体的には、膜ろ過システム１ａでは、ラインＬ８及び逆洗ポンプＰ５を介して、膜ろ過水槽１３の膜ろ過水を逆洗水として供給する。これにより、前処理膜１２では、膜表面の付着物質が剥離される。

また、膜ろ過システム１ａでは、膜ろ過水槽１３の膜ろ過水に加え、ラインＬ９を介して微細気泡発生装置１６で発生された微細気泡を含有する微細気泡含有水を前処理膜１２に供給する。これにより、前処理膜１２では、微細気泡を利用して膜面を洗浄することができるため、膜ろ過水のみを利用する逆洗と比較して、洗浄効率を向上することができる。

ここで、微細気泡は、例えば、（１）〜（３）の特性を有する。

（１）気泡径が小さく、単位体積あたりの表面積が大きい。

（２）自己加圧効果がある。すなわち、気泡が縮小して消滅する効果である。一般に、５０μｍ以下の気泡は、自身の縮小作用により小さくなり消滅する。このとき、消える瞬間の泡の内部は、高温高圧になる。

（３）マイナスに帯電している。したがって、気泡同士が合体しにくい。

また、微細気泡は、（１）〜（３）の特性により、気体溶解効率上昇、付着性、比重低減、持続性、拡散性または圧壊（キャビテーションの一種）等の現象を生じる。これらの現象の中でも、圧壊という現象により病原性の微生物やウィルスなどの低減効果が確認されており、圧壊により、逆洗の効率を向上させることができる。

微細気泡の発生には大きな動力を必要とするが、膜ろ過システム１ａでは、ＲＯ膜１４を透過させるために被処理水を高圧にしている。したがって、膜ろ過システム１ａは、このＲＯ膜１４でろ過するために高圧で排出された濃縮水を有効利用して微細気泡を生成する。

微細気泡発生装置１６は、ラインＬ７の高圧の濃縮水を、微細気泡を発生するのに適した圧力、例えば１ＭＰａ程度に減圧する機能を有する。微細気泡発生装置１６は、濃縮水への空気の混入を中断して微細気泡の発生を停止することで、微細気泡を含まない濃縮水のみを前処理膜１２に供給することもできる。また、微細気泡発生装置１６は、空気の混入を調整して、生成する微細気泡のサイズをコントロールすることもできる。このように、膜ろ過システム１ａでは、微細気泡発生装置１６において空気の混入を中断したり調整したりすることで、更に高い洗浄効果を得ることもできる。

例えば、微細気泡発生装置１６において濃縮水へ混入させる空気量を調整して微細気泡の気泡径を変化し、大きさの異なる微細気泡生成する。膜ろ過システム１ａでは、異なる大きさの微細気泡を利用して前処理膜１２を洗浄することで、逆洗の効果を向上させることができる。具体的には、洗浄の初期段階では空気の混入量を少なくして、気泡径の小さい微細気泡を生成し、膜の内部にまで気泡を入り込ませる。また、洗浄が進むにつれて、空気の混入量を多くし、初期段階より大きな微細気泡で濁質等の剥離を促進させることが考えられる。

膜ろ過システム１ａでは、前処理膜１２の二次側のみから微細気泡含有水を供給してもよいし、前処理膜１２の一次側のみから微細気泡含有水を供給してもよいし、一次側及び二次側の両方から微細気泡含有水を供給してもよい。例えば、二次側だけでなく、一次側、又は、一次側と二次側の両方から微細気泡含有水を供給することによって、膜の表面、膜の内部に付着した汚れを効果的に除去することができる。

前処理膜１２を洗浄後、濁質等を含む洗浄排水は前処理膜１２から排出され、処理される。

膜ろ過システム１ａは、前処理膜１２の洗浄時に超音波発生装置１７で、超音波を発生し、膜ろ過水や微細気泡含有水に超音波を与えてもよい。超音波を与えることで、膜を膜ろ過水や微細気泡のみで洗浄する場合と比較して、洗浄効果を向上させることができる。

超音波洗浄は、付着物質等の除去に効果が高いことが知られている。また、超音波によって微細気泡の圧壊（崩壊）を促進させることができるため、膜ろ過システム１ａでは、微細気泡周囲で酸化力の高いＯＨラジカルを発生させ、ＯＨラジカルが膜表面に付着している濁質等と反応することで、膜表面の洗浄効果を高めることができる。この微細気泡の圧壊現象を利用するためには、膜の表面だけでなく、膜の内部に微細気泡を浸透させていくことが、より高い洗浄効果を得ることができる。したがって、膜ろ過システム１ａでは、微細気泡発生装置１６で気泡径の小さい微細気泡を生成し、膜の内部にまで微細気泡を入り込ませたうえで超音波を与えることで、より高い洗浄効果を得ることができる。

上述したように、第１実施形態に係る膜ろ過システム１ａは、前処理膜１２の洗浄に、ＲＯ膜１４で使用した圧力を使って発生させた微細気泡を利用している。これにより、微細気泡発生のために新たな動力源を使用することなく、前処理膜１２の洗浄効率を向上させることができる。またこの際、前処理膜１２のサイズ等に合わせて、微細気泡発生装置１６で発生する微細気泡のサイズを調整したり、微細気泡発生装置１６が異なるサイズの微細気泡を発生してこれらの異なるサイズの微細気泡を供給するタイミングを調整することで、洗浄効率を向上することができる。

［第２実施形態］
図２に示すように、第２実施形態の膜ろ過システム１ｂは、図１を用いて上述した膜ろ過システム１aと比較して、微細気泡含有水槽１８を備えている点で異なる。この膜ろ過システム１ｂでは、前処理膜１２の逆洗の際には、微細気泡発生装置１６からラインＬ９を介して排出される微細気泡含有水が、微細気泡含有水槽１８で貯留された後、ラインＬ１１を介してラインＬ８に合流した後、逆洗ポンプＰ５を介して膜ろ過水とともに前処理膜１２に供給される。

上述した第２実施形態に係る膜ろ過システム１ｂでは、ＲＯ膜１４でろ過を行なっていないタイミングでも、微細気泡を用いた洗浄を継続することが可能になる。また、膜ろ過システムの規模が大きく前処理膜とＲＯ膜を複数有しており、前処理膜とＲＯ膜が１対１のペアで無い場合、１台のＲＯ膜から複数の前処理膜に微細気泡を注入する必要が生じる。したがって、微細気泡発生装置１６から前処理膜１２に微細気泡含有水を直接供給した場合、圧力や流量の調整が複雑になるため、予め微細気泡を発生させて微細気泡含有水を貯留することが有用となる。

第２実施形態に係る膜ろ過システム１ｂでも、第１実施形態に係る膜ろ過システム１ａと同様に、前処理膜１２の洗浄に、ＲＯ膜１４で使用した圧力を使って発生させた微細気泡を利用している。これにより、微細気泡発生のために新たな動力源を使用することなく、前処理膜１２の洗浄効率を向上させることができる。

上記のように、本発明を各実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなる。また、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。

１ａ，１ｂ…膜ろ過システム
１１…取水槽
１２…前処理膜
１３…膜ろ過水槽
１４…ＲＯ膜
１５…処理水槽
１６…微細気泡発生装置
１７…超音波発生装置
１８…微細気泡含有水槽

Claims (6)

1. 被処理水に含まれる不溶解性成分を除去する前処理膜と、
   前記前処理膜で不溶解性成分が除去された被処理水に圧力を与える高圧ポンプと、
   前記高圧ポンプで圧力が与えられた被処理水を、被処理水に含まれる溶解性成分を除去した処理水と、溶解性成分が濃縮された濃縮水とに分離する逆浸透膜と、
   前記逆浸透膜から高圧で排出される濃縮水を導入して微細気泡を発生し、洗浄中の前記前処理膜に微細気泡を含む濃縮水を供給する微細気泡発生装置と、
   を備えることを特徴とする膜ろ過システム。
2. 被処理水に含まれる不溶解性成分を除去する前処理膜と、
   前記前処理膜で不溶解性成分が除去された被処理水に圧力を与える高圧ポンプと、
   前記高圧ポンプで圧力が与えられた被処理水を、被処理水に含まれる溶解性成分を除去した処理水と、溶解性成分が濃縮された濃縮水とに分離する逆浸透膜と、
   前記逆浸透膜から高圧で排出される濃縮水を導入し、微細気泡を発生する微細気泡発生装置と、
   前記微細気泡生成装置で発生した微細気泡を含む濃縮水を貯留する微細気泡含有水槽と、
   前記前処理膜を洗浄するタイミングで、前記微細気泡含有水槽が貯留する濃縮水を前記前処理膜に送水するポンプと、
   を備えることを特徴とする膜ろ過システム。
3. 前記前処理膜の洗浄時に、超音波を発生して発生した超音波を前記前処理膜に与える超音波発生装置をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の膜ろ過システム。
4. 前記前処理膜の洗浄時に、前記前処理膜の一次側から微細気泡を含む濃縮水を供給する
   ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の膜ろ過システム。
5. 前記前処理膜の洗浄時に、前記前処理膜の一次側からの微細気泡を含む濃縮水を供給と、前記前処理膜の二次側からの微細気泡を含む濃縮水の供給とを切り替える
   ことを特徴とする、請求項１乃至３いずれか記載の膜ろ過システム。
6. 前記微細気泡発生装置は、空気の混入量を調整して異なる複数のサイズの微細気泡を発生する
   ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の膜ろ過システム。
   
   

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