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JP2015188769A - 水系におけるオンライン測定用前処理装置、これを備えたオンライン測定装置及びオンライン測定用前処理方法 - Google Patents

水系におけるオンライン測定用前処理装置、これを備えたオンライン測定装置及びオンライン測定用前処理方法 Download PDF

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JP2015188769A JP2014065750A JP2014065750A JP2015188769A JP 2015188769 A JP2015188769 A JP 2015188769A JP 2014065750 A JP2014065750 A JP 2014065750A JP 2014065750 A JP2014065750 A JP 2014065750A JP 2015188769 A JP2015188769 A JP 2015188769A
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Junichi Takahashi
淳一 高橋
和彦 角田
Kazuhiko Tsunoda
和彦 角田
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Kurita Water Industries Ltd
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Abstract

【課題】大きさが数ミリ程度に至る物質及び繊維状の物質によるファウリングを防止して、オンライン測定におけるメンテナンス頻度を低減しようとすること。
【解決手段】水質をオンライン測定すべき水系から導入されたサンプル水をクロスフロー濾過方式で濾過する複数の長尺な外圧式中空糸膜であり、使用状態において下端部となる第1の端部が固定された中空糸膜を備える。
【選択図】図1

Description

本技術は、オンライン測定用前処理技術に関する。より詳しくは、水系の水質の測定に用いるオンライン測定用前処理装置、これを備えたオンライン測定装置及びオンライン測定用前処理方法に関する。
従来から、水系設備を安定的かつ効率的に運転させる等の目的で、水質のオンラインモニタリング装置が用いられている。例えば、特許文献1には、測定する排水を測定目的の水質項目を含まない水で希釈し、希釈した排水から固形性有機物及び固形性無機物を固液分離後、分離液の水質を自動的に測定する自動水質測定方法が開示されている。
このようなオンラインモニタリングにおいては、被モニタリング水に懸濁物質や生物などが含まれることにより、しばしば測定の妨害や測定器の不良を引き起こす場合がある。そこで、通常、これらの障害を防止するために、実際の測定を行う前に、被モニタリング水中に存在する懸濁物質や生物を、ストレーナーや膜などを用いて除去する前処理が行われる。
例えば、特許文献2には、アニオン性高分子電解質を含む処理剤の濃度をオンストリームで監視する方法において、装置に試料水を導入する前に、ストレーナーを用いて、試料水中の粗大粒子を除去する方法が開示されている。
また、例えば、特許文献3では、オンライン分析において、中空糸膜フィルターの代わりにインラインフィルタを取り付けることにより、試験水中の陰イオン界面活性剤が減衰することのない前処理方法が開示されている。
しかしながら、従来のストレーナーやフィルターを用いた前処理方法では、以下の問題点がある。
(1)ストレーナーでは粒子状の物質は除去できるが、微生物由来のファウリングを抑えることができない。
(2)ストレーナーや膜の洗浄は定期的に実施しなければならないが、この期間を長くするためにはストレーナーや膜を大型にする必要がある。しかし、大型にするとコストが高くなり場所をとるだけでなく、保有水量が多くなるため分析に遅れが生じる。また、滞留時間が長くなることで、分析項目によっては低下してしまうことがある。この現象は薬注管理の自動化を行う場合において大きなリスクとなっている。
(3)懸濁物質や微生物によるファウリングがしばしば不定期なメンテナンスを必要とするため、メンテナンス員の出動スケジュールが管理しづらく無駄が生じる。
特開2000−46824号公報 特開平10−332595号公報 特開2002−236116号公報
上述の問題点を解消するために、本出願人は、特願2012−79684号において、中空糸膜による濾過技術を提案した。該技術によれば、オンライン測定において懸濁物質や生物による不定期なファウリングを防止することができ、安定的かつ高精度な水質測定を行うことができる。
本技術は、更に、大きさが数ミリ程度に至る物質及び繊維状の物質によるファウリングも防止して、オンライン測定におけるメンテナンス頻度を低減しようとするものである。
本技術に係るオンライン測定用前処理装置は、水質をオンライン測定すべき水系から導入されたサンプル水をクロスフロー濾過方式で濾過する複数の長尺な外圧式中空糸膜であり、使用状態において下端部となる第1の端部が固定された中空糸膜を備える。
前記中空糸膜は、使用状態において上端部となる第2の端部に独立した自由端を有していてもよい。
前記中空糸膜は、長手方向の両端部が前記第1の端部であり、使用状態において上端部となる第2の端部において折り返されていてもよい。
前記オンライン測定用前処理装置は、前記サンプル水を導入するサンプル水導入部を更に備え、前記サンプル水導入部は、前記中空糸膜における前記第1の端部寄りに配置されてもよい。この場合、前記オンライン測定用前処理装置は、前記中空糸膜によって濾過された濾過水を前記オンライン測定が行われる位置に向けて送出する濾過水送出部を更に備え、該濾過水送出部は、前記中空糸膜における前記第1の端部寄りに配置されてもよい。この場合、前記中空糸膜は、使用状態において上端部となる第2の端部に独立した自由端を有し、前記自由端が封止されてもよい。
さらに、前記オンライン測定用前処理装置は、前記中空糸膜によって濾過されなかった非濾過水を排水する非濾過水排水部を更に備え、該非濾過水排水部は、前記中空糸膜における使用状態において上端部となる第2の端部寄りに配置されてもよい。
本技術に係るオンライン測定装置は、前記オンライン測定用前処理装置を備える。
本技術に係るオンライン測定用前処理方法では、水質をオンライン測定すべき水系から導入したサンプル水を、下端部を固定した複数の長尺な外圧式中空糸膜によって、クロスフロー濾過方式で濾過する。
前記オンライン測定用前処理方法では、前記中空糸膜は、上端部に独立した自由端を有していてもよい。または、前記中空糸膜は、長手方向の両端部が下端部であり、上端部において折り返されていてもよい。
また、前記オンライン測定用前処理方法では、前記サンプル水を前記中空糸膜における前記下端部寄りの位置から導入してもよい。
また、前記オンライン測定用前処理方法では、前記中空糸膜によって濾過された濾過水を前記中空糸膜における前記下端部寄りの位置から前記オンライン測定が行われる位置に向けて送出してもよい。この場合、前記中空糸膜は、上端部に独立した自由端を有し、当該上端部が封止されたものであってもよい。
さらに、前記オンライン測定用前処理方法では、前記中空糸膜によって濾過されなかった非濾過水を前記中空糸膜における上端部寄りの位置から排水してもよい。
本技術によれば、大きさが数ミリ程度に至る物質及び繊維状の物質によるファウリングを防止して、オンライン測定におけるメンテナンス頻度を低減することができる。
本技術の第1の形態におけるオンライン測定用前処理装置を示す模式図である。 図1のオンライン測定用前処理装置によるサンプル水の濾過を示す模式図である。 第1の形態におけるオンライン測定装置を示す模式図である。 第1の形態におけるオンライン測定用前処理方法及びオンライン測定方法を示すフローチャートである。 本技術の第2の形態におけるオンライン測定用前処理装置を示す概略図である。 本技術の第3の形態におけるオンライン測定用前処理装置を示す概略図である。 本技術の第4の形態におけるオンライン測定用前処理装置を示す模式図である。 本技術の第5の形態におけるオンライン測定用前処理装置を示す模式図である。 従来のオンライン測定用前処理装置の一例を示す概略図である。 実験例の実験系を示す模式図である。
以下、本技術を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本技術は、以下に示す形態に限定されるものではない。
<1.第1の形態>
[オンライン測定用前処理装置]
図1は、本技術の第1の形態におけるオンライン測定用前処理装置(以下、前処理装置と略称する)1を模式的に示す模式図である。なお、図1におけるZ軸正方向は、鉛直上方向を示し、Z軸負方向は、鉛直下方向を示す。図1の前処理装置1の上下方向の向きは、前処理装置1の使用状態における向きの一例である。
オンライン測定においては、水系の水質を、該水系に接続されたオンライン測定器によって継続的に(換言すれば連続的に)測定することができる。前処理装置1は、このようなオンライ測定を行う際に、水系から採取されたサンプル水に対してオンライン測定に供される前に不要物(換言すれば、夾雑物)を除去する前処理を行うように構成されている。
具体的には、図1に示すように、前処理装置1は、サンプル水導入部11と、中空糸膜束12と、濾過水送出部13と、非濾過水排水部14とを備える。以下、これらの構成部について詳細に説明する。
(1)サンプル水導入部
サンプル水導入部11は、オンライ測定の対象である水系すなわち水質をオンライン測定すべき水系(以下、単に水系と略称する)から、サンプル水(換言すれば、測定対象の原水)を採取して中空糸膜束12に導入するための構成部である。
サンプル水導入部11は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、該導入部11は、中空糸膜束12を収納するケース15に設けられたサンプル水通水口111を備えてもよい。また、サンプル水導入部11は、サンプル水通水口111に接続(連通)されたサンプル水導入ライン112を更に備えてもよい(図1参照)。この場合、サンプル水導入ライン112内を通水されてサンプル水通水口111に到達したサンプル水は、サンプル水通水口111を通ってケース15内に流入して、中空糸膜束12に適切に導入される。
ここで、ケース15の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、中空糸膜束12の収納に適した長尺なケースを採用してもよい。また、ケース15は、筒状を呈していてもよい。この場合、筒状の具体的態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、円筒状を採用してもよい。さらに、ケース15の高さ方向は、ケース15内における通水方向であってもよい。
また、サンプル水通水口111の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、サンプル水通水口111は、ケース15の側壁151(図1参照)における下端近傍位置に、側壁151を貫通するように形成されていてもよい。また、所望するサンプル水の採取量等に応じて、サンプル水通水口111の形状、大きさ及び位置等を最適化してもよい。
さらに、サンプル水導入ライン112の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、サンプル水の水源とサンプル水通水口111との間に両者を流体連通するように配置された管路を採用してもよい。
この他にも、サンプル水導入部11は、図1に示すように、サンプル水導入ライン112上に、サンプル水移送装置113や不図示の弁などのサンプル水の通水を制御する要素を有していてもよい。
この場合、サンプル水移送装置113の動作は、制御装置16によって電気的に制御してもよい。制御装置16の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、制御装置16は、CPUやMPU等の演算処理部や、ROMやRAM等からなる主記憶部などを備えていてもよい。この場合、主記憶部に、制御内容に対応するプログラムやデータを格納しておき、演算処理部が、該プログラムを実行して制御を行ってもよい。また、主記憶部は、演算処理部の作業領域として利用してもよい。制御装置16は、前処理装置1及び後述するオンライン測定装置の動作の一切の電気的制御を司ってもよい。また、制御装置16には、オンライン測定装置の動作モード設定等の入力操作を行うための入力操作部が接続されていてもよい。この場合、制御装置16は、入力操作の内容に応じた制御を行ってもよい。
また、サンプル水移送装置113の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、ポンプを採用してもよい。この場合、ポンプの態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、カスケードポンプを採用してもよい。カスケードポンプを採用することで、上流側(サンプル水の水源側)からのサンプル水の吸込揚程(圧力)及び下流側(サンプル水通水口111側)へのサンプル水の押上揚程を十分に大きく確保して、サンプル水の導入を適切に行うことができる。
また、サンプル水導入部11におけるサンプル水の採取量は特に限定されず、中空糸膜束12の大きさや目的の測定項目、測定方法などに応じた好適な値を設定してもよい。好ましい態様の一例として、サンプル水の採取量を、50mL以上500mL以下にしてもよい。採取量を50mL以上とすることで、測定セルの洗浄や、中空糸膜束12またはサンプル水導入ライン112における滞留水の影響を受け難くなるため、測定の精度を向上させることができる。一方、採取量を500mL以下とすることで、後述するサンプル水の流速と相まって、中空糸膜束12ひいては前処理装置1の小型化に寄与することができる。
(2)中空糸膜束
中空糸膜束12は、複数の中空糸膜121を有しており、各中空糸膜121は、管状の長尺な中空形状に形成されている。中空糸膜束12の配置態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、中空糸膜束12は、ケース15内に、ケース15の高さ方向に各中空糸膜12の長手方向を沿わせるようにして収納されていてもよい。
〔クロスフロー濾過方式〕
中空糸膜121は、水系から導入されたサンプル水をクロスフロー濾過方式で濾過する。図2に示すように、クロスフロー濾過においては、ケース15内に導入された被濾過水(サンプル水)が、一部循環されながら中空糸膜121の膜面に平行に流れるようにして濾過が行われる。なお、同図中の黒丸は、懸濁物質等の除去対象物を模式的に示したものである。
ここで、従来の前処理技術では、膜面に供給された被濾過水を循環させずに全量濾過するデッドエンド濾過を行うことが主流であり、クロスフロー濾過は、通常は、水量が多い大型の浄水設備で採用されていた。しかし、本技術では、オンライン測定を高濁度及びバクテリア存在下において行う場合に、クロスフロー濾過方式が非常に有効であることを突き止め、該方式を採用するに至った。
クロスフロー濾過では、被濾過水が膜面に平行に流れるため、懸濁物質等の膜面への付着を抑制することができる。また、クロスフロー濾過では、デッドエンド濾過のように膜面にサンプル水が滞留することがないため、滞留による分析値の低下を抑えることができる。特に、例えば、残留塩素や過酸化水素水等の酸化物質や、ヒドラジンや亜硫酸イオン等の還元物質などといった反応性の高い物質、アンモニアやリン酸イオンや有機物等の生物による代謝に利用されたり代謝されたりする物質などを分析する場合、その分析値の低下を有効に防止することができる。このようなクロスフロー濾過の効果は、後述する自動洗浄を採用する場合には更に高めることができる。
〔外圧式〕
中空糸膜121は、外圧式中空糸膜であり、図2に示すように、ケース15内における中空糸膜121の外側に給水された被濾過水を、中空糸膜121の外側から内側に向かわせて濾過する。
被濾過水を中空糸膜の内側から外側に向かわせて濾過する内圧式の中空糸膜に比較して、外圧式の中空糸膜は、オンライン測定に適している。具体的には、内圧式では、圧力損失が高く、懸濁粒子により膜入口部で流路閉塞が生じ易いことから、高濁度の濾過に不向きである。また、内圧式では、中空糸膜によって濾過された濾過水がケース側に流出するところ、ケース側では、中空糸膜側に比べて容量が大きく滞留部ができ易いため、オンライン測定のように少量の処理水で分析を実施する場合には、分析の遅れや誤差が生じ易い。これに対して、外圧式は、内圧式に比較して流路閉塞が生じ難く、被濾過水中に懸濁物質が多い場合にも使用することができる。また、後述する自動洗浄を実施して、中空糸膜間などの流れの遅い箇所に懸濁粒子が蓄積することを防止することも可能である。
〔自由端及び固定端〕
各中空糸膜121は、図1における上端部121aすなわち使用状態における第2の端部が、前処理装置1本体(ケース15内)に固定されていない自由端である。また、各中空糸膜121は、図1における下端部121bすなわち使用状態における第1の端部が、処理装置1本体に固定された固定端である。
このような中空糸膜121の態様は、オンライン測定において、大きさが数ミリ程度に至る懸濁物質(以下、粗大懸濁物質と称する)及び繊維状の物質(以下、繊維状物質と略称する)によるファウリングを防止してメンテナンス頻度を少なくするのに適している。
具体的には、中空糸膜を固定する際に中空糸膜の上端部を固定する場合には、濾過水の流量を継続的に確保することができず、連続的かつ安定的なオンライン測定が困難であることが分かった。本発明者等は、このような測定の困難性の原因が、粗大懸濁物質や繊維状物質によるファウリングにあるとの予想の下で、該原因を取り除き得る構成を鋭意研究した。その結果、上記の中空糸膜121が、意外にも該原因の発生を未然に回避してサンプル水の流量を確保するのに適することが突き止められ、該中空糸膜121が採用されるに至った。
以上述べたもの以外で、上端部121a及び下端部121bの態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、中空糸膜121における下端部121b寄りにサンプル水導入部11を配置してもよい。このような態様は、既述のように、サンプル水通水口111をケース15の下端近傍位置に形成することでも好適に実現することができる。かかる態様によれば、下端部121b側からサンプル水を導入することができるので、中空糸膜121の動きがない下端部121b即ち固定端側へのサンプル水の滞留を有効に抑制して、下端部121bへの粗大懸濁物質や繊維状物質の引っ掛かりを構造上回避できる。
〔その他の構成〕
中空糸膜121によってサンプル水を濾過する際の流速は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、流速を1L/h以上10L/h以下にしてもよい。流速を1L/h以上とすることで、分析値の低下を抑えることができる。一方、流速を10L/h以下とすることで、装置の小型化を実現することができる。このように、本技術では、少ないサンプル流量で高精度な測定結果を出すこともできるので、中空糸膜121の膜面積を小さくすることができる。また、膜面積を小さくすることで、クロスフロー濾過を用いても、膜の洗浄などに必要な付帯設備の小型化及び低価格化を図ることができる。
中空糸膜121の膜面積は特に限定されず、サンプル水の採取量や、水系に存在する懸濁物や微生物の種類、大きさ及び量などに応じて自由に設計してもよい。好ましい態様の一例として、膜面積を0.01m以上0.3m以下にしてもよい。膜面積を0.01m以上とすることで、濾過効率の低下を抑制して、オンライン測定の精度及び効率を向上させることができる。一方、膜面積を0.3m以下とすることで、前処理装置1の小型化を実現し、オンライン測定装置への組み込みを可能とするとともに、滞留水の量を低減することができる。
中空糸膜121の孔径は特に限定されず、水系に存在する懸濁物や微生物の種類及び大きさや、オンライン測定に必要な濾過水の流量などに応じて自由に設計してもよい。好ましい態様の一例として、中空糸膜121の孔径を0.2μm以下にしてもよい。孔径は、平均孔径であってもよい。孔径を0.2μm以下にすることで、バクテリアを除去することもできるため、バクテリアが存在する水系にも前処理装置1を適用することが可能となる。
中空糸膜121の種類は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、マイクロフィルター(MF)や限外濾過膜(UF)を挙げることができる。
(3)濾過水送出部
濾過水送出部13は、濾過水(換言すれば、濾過されたサンプル水)を中空糸膜束12からオンライン測定が行われる位置(以下、測定位置と略称する)に向けて送出するための構成部である。
濾過水送出部13の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、該送出部13は、中空糸膜12の内部と接続された集水部131を備えてもよい。また、濾過水送出部13は、集水部131に形成された濾過水通水口132を更に備えてもよい。さらに、濾過水送出部13は、濾過水通水口132に接続された濾過水送出ライン133を更に備えてもよい。このような態様は図1に示されている。この場合、各中空糸膜121の内部の濾過水は、集水部131に集水された上で、濾過水通水口132から濾過水送出ライン133に通水され、その後、該ライン133内を測定位置に向けて送出される。この場合、該送出は、濾過水の水流をそのまま利用して簡易に行ってもよく、または、濾過水通水口132上に濾過水移送装置を設け、この濾過水移送装置の移送力も利用して効率的に行ってもよい。該濾過水移送装置は、ポンプ等であってもよく、また、該移送力は圧力等であってもよい。また、濾過水移送装置の動作は、制御装置16によって制御してもよい。
ここで、集水部131の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、図1に示すように、集水部131は、ケース15の下端に配置されていてもよい。また、集水部131は、濾過水に被濾過水が混入しないように、被濾過水を通水させる空間に対して直接的には(中空糸膜121を介することを除いては)隔絶された状態で配置されていてもよい。
また、濾過水通水口132の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、図1に示すように、濾過水通水口132は、集水部131の底壁131aに、底壁131aを貫通するように形成されていてもよい。さらに、所望する濾過水の送出量等に応じて、濾過水通水口132の形状、大きさ及び位置等を最適化してもよい。
さらに、濾過水送出ライン133の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、濾過水通水口132と測定位置との間に配置された管路を採用してもよい。
また、濾過水送出部13の配置態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、濾過水送出部13は、中空糸膜121における下端部121b寄りに配置されてもよい。このような態様は、例えば、上記のように、集水部131及び濾過水通水口132をケース15の下側に設けることでも好適に実現することができる。
かかる態様によれば、サンプル水導入部11を下端部121b寄りに配置した上記態様(図1参照)と相まって、粗大懸濁物質や繊維状物質の引っ掛かりが回避されている下端部121b側からの濾過水の送出を適切に行うことができる。
(4)非濾過水排水部
非濾過水排水部14は、中空糸膜束12によって濾過されなかったサンプル水(以下、非濾過水と称する)を排水するための構成部である。
非濾過水排水部14の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、非濾過水排水部14は、ケース15に設けられた非濾過水通水口141を備えてもよい。また、非濾過水排水部14は、非濾過水通水口141に接続された非濾過水排水ライン142を更に備えてもよい(図1参照)。この場合、非濾過水は、非濾過水通水口141から非濾過水排水ライン142に通水された上で、該ライン142内を排水位置に向けて適切に排水される。この場合、該排水は、非濾過水の水流をそのまま利用して簡易に行ってもよく、または、非濾過水排水ライン142上に非濾過水移送装置を設け、この非濾過水移送装置の移送力も利用して効率的に行ってもよい。該非濾過水移送装置は、ポンプ等であってもよく、また、該移送力は、圧力等であってもよい。また、非濾過水移送装置の動作は、制御装置16によって制御してもよい。なお、排水位置は、サンプル水の水源であってもよい。
ここで、非濾過水通水口141の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、図1に示すように、非濾過水通水口141は、ケース15の上端近傍位置に、ケース15の側壁151を貫通するように形成されていてもよい。この場合、非濾過水通水口141は、ケース15の不図示の上部キャップに形成されていてもよい。また、所望する非濾過水の排水量等に応じて、非濾過水通水口141の形状、大きさ及び位置等を最適化してもよい。
また、非濾過水排水ライン142の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、非濾過水通水口141と排水位置との間に配置された管路を採用してもよい。
また、非濾過水排水部14の配置態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、非濾過水排水部14は、中空糸膜121における上端部121a寄りに配置されてもよい。このような態様は、上記のように、非濾過水通水口141をケース15における上部側に設けることでも好適に実現することができる。
かかる態様によれば、サンプル水導入部11を下端部121b寄りに配置した上記態様と相まって、下端部121b側から上端部121a側に向かうサンプル水の流れに応じて上端部121a側に流れた粗大懸濁物質や繊維状物質を効率良く排出することができる。
[オンライン測定装置]
図3は、本技術の第1の形態におけるオンライン測定装置10を模式的に示す模式図である。図3に示すように、オンライン測定装置10は、前処理装置1と、オンライン測定器の一例としてのオンライン分析計101とを備えている。前処理装置1の具体的な構成は上記と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
オンライン分析計101は、前処理装置1に対して濾過水の通水方向における下流側の位置(すなわち、測定位置)に配置され、濾過水送出ライン133に接続されている。オンライン分析計101には、前処理装置1(中空糸膜束12)によって濾過された濾過水が、濾過水送出ライン133を通って移送される。そして、オンライン分析計101は、移送された濾過水に対して、予め設定された測定項目に該当する水質測定を行う。測定項目は特に限定されず、残留塩素や過酸化水素水等の酸化物質や、ヒドラジンや亜硫酸イオン等の還元物質などといった反応性の高い物質、アンモニアやリン酸イオンや有機物等の生物による代謝に利用されたり代謝されたりする物質などを含んでもよい。
[オンライン測定用前処理方法及びオンライン測定方法]
図4は、本技術の第1の形態におけるオンライン測定用前処理方法及び該方法を用いたオンライン測定方法を示すフローチャートである。以下、このフローチャートにしたがって本方法を説明する。なお、以下の説明では、フローチャートの各ステップを実施する主体の好ましい一例として、上記前処理装置1及びオンライン測定装置10の構成部を例示するが、本方法を実施する主体はかかる構成部に限定されるものではない。
(1)ステップ1(サンプリング工程)
本方法では、先ず、図4のステップ1(S1)において、サンプル水導入部11により、水系からサンプル水を逐次導入する。このとき、サンプル水を中空糸膜121における下端部121b寄りの位置から導入することで、下端部121bへの粗大懸濁物質や繊維状物質の引っ掛かりを回避してもよい。
(2)ステップ2(濾過工程)
次いで、ステップ2(S2)において、中空糸膜束12により、ステップ1(S1)において導入されたサンプル水すなわち被濾過水を、外圧式かつクロスフロー濾過方式で濾過する。このとき、各中空糸膜121の下端部121bが固定端で上端部121aが自由端であるため、上端部121aへの粗大懸濁物質や繊維状物質の引っ掛かりが回避され、継続的な濾過が適切に行われる。
(3)ステップ3(濾過水送出工程)
次いで、ステップ3(S3)においては、濾過水送出部13により、ステップ2(S2)において濾過された濾過水を、オンライン分析計101に向けて送出する。このとき、濾過水を中空糸膜121における下端部121b寄りの位置から送出することで、粗大懸濁物質や繊維状物質の引っ掛かりが回避されている下端部121b側からの濾過水の送出を適切に行ってもよい。
(4)ステップ4(非濾過水排水工程)
一方、ステップ4(S4)においては、非濾過水排水部14により、ステップ2(S2)において濾過されなかった非濾過水を排水する。このとき、非濾過水を中空糸膜121における上端部121a寄りの位置から排水することで、サンプル水の流れの向きに応じて上端部121a側に流れた粗大懸濁物質や繊維状物質を効率良く排出してもよい。
(5)ステップ5(オンライン測定工程)
このようにしてオンライン測定用前処理方法の全ステップを実施した後に、ステップ5(S5)において、オンライン分析計101によってステップ3(S3)において送出された濾過水の水質を測定することで、オンライン測定方法の全ステップを実施する。
以上のように、第1の形態によれば、上端部121aへの粗大懸濁物質及び繊維状物質の引っ掛かりを回避してファウリングを防止することができるので、オンライン測定におけるメンテナンス頻度を低減することができる。また、本形態によれば、下端部121b側への粗大懸濁物質及び繊維状物質の引っ掛かりを回避することも可能である。さらに、本形態によれば、濾過水の送出を適切かつ効率的に行うことも可能である。さらにまた、本形態によれば、非濾過水の排水を効率的に行うことも可能である。
<2.第2の形態>
図5は、本技術の第2の形態における前処理装置1を示す概略図である。なお、図1と同様に、図5におけるZ軸正方向は、鉛直上方向を示し、Z軸負方向は、鉛直下方向を示す。図5の前処理装置1の上下方向の向きは、前処理装置1の使用状態における向きの一例である。
本形態の前処理装置1は、図1の前処理装置1に対して、中空糸膜121の上端部121aおよび下端部121bの構成が更に特定されている。具体的には、図5に示すように、中空糸膜121は、長手方向の両端部が下端部121bとなっている。また、中空糸膜121は、上端部121aにおいて折り返されていて、上端部121aがU字状を呈している。その他の構成及び適用し得る変形例は、第1の形態と同様であるので詳細は割愛する。
第2の形態によれば、第1の形態と同様の効果を奏することができ、また、上方に向かう水流がU字状の上端部121aに当たって中空糸膜121の揺れを増加させることで、中空糸膜束12をほぐし易くすることができるので、中空糸膜121の洗浄効果を得ることができる。
<3.第3の形態>
図6は、本技術の第3の形態における前処理装置1を示す概略図である。なお、図1、図5と同様に、図6におけるZ軸正方向は、鉛直上方向を示し、Z軸負方向は、鉛直下方向を示す。図6の前処理装置1の上下方向の向きは、前処理装置1の使用状態における向きの一例である。
本形態の前処理装置1は、図1の前処理装置1に対して、中空糸膜121の上端部121aおよび下端部121bの構成が図5とは異なった態様で特定されている。具体的には、図6に示すように、各中空糸膜121の上端部121aは、複数の中空糸膜121の共通の自由端とはなっておらず、それぞれが独立している。具体的には、上端部121aに対して該上端部121aが属する中空糸膜121の長手方向における下端部121bと反対側の位置には、該上端部121aに繋がった他の中空糸膜は存在しない。また、上端部121aに対して該上端部121aが属する中空糸膜121の長手方向における下端部121bと反対側の位置には、該中空糸膜121自身の延長部分も存在しない。換言すれば、各中空糸膜121は、それぞれが独立した1本の線状(I字状)を呈する。
上端部121aすなわち自由端は、開口が封止されていてもよい。該封止は、封止剤によって行ってもよい。封止剤は、接着剤であってもよい。また、封止剤の種類は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、エポキシ樹脂等を採用してもよい。上端部121aを封止することで、濾過水の送出を効率的に行うとともに、粗大懸濁物質や繊維状物質が濾過水に混入することを防止することができる。このような効果は、第1の形態で説明した濾過水送出部13が中空糸膜121における下端部121b寄りに配置された構成と相まって、更に高めることができる。その他の構成及び適用し得る変形例は第1の形態と同様であるので詳細は割愛する。
第3の形態によれば、第1の形態と同様の効果を奏することができ、また、上端部121aへの粗大懸濁物質や繊維状物質の引っ掛かり及びこれにともなう中空糸膜の閉塞を回避することが可能となり、ファウリングを更に有効に防止することができる。
<4.第4の形態>
[オンライン測定用前処理装置及びオンライン測定装置]
図7は、本技術の第4の形態における前処理装置1を模式的に示す模式図である。図7の前処理装置1は、図1の前処理装置1に対して、非濾過水循環部17を更に備える点が異なっている。
非濾過水循環部17は、非濾過水排水部14によって排水された非濾過水をサンプル水導入部11に循環させるための構成部である。この形態では、非濾過水排水部14による非濾過水の少なくとも一部の排水位置が、非濾過水循環部17となる。
非濾過水循環部17の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、図7に示すように、非濾過水循環部17は、非濾過水排水ライン142とサンプル水導入ライン112との間に接続された非濾過水循環ライン171を備えてもよい。この場合、非濾過水は、非濾過水排水ライン142から非濾過水循環ライン171に導入された上で、該ライン171内を通水されてサンプル水導入ライン112に循環される。そして、循環された非濾過水は、サンプル水として再利用される。この場合、該循環は、非濾過水の水流をそのまま利用して簡易に行ってもよく、または、非濾過水循環ライン171上に非濾過水循環移送装置を設け、この循環移送装置の移送力も利用して効率的に行ってもよい。該非濾過水循環移送装置は、ポンプ等であってもよく、また、該移送力は、圧力等であってもよい。また、非濾過水循環移送装置の動作は、制御装置16によって制御してもよい。
また、第4の形態におけるオンライン測定装置10は、図3の前処理装置1における濾過水送出ライン133に、図3と同様のオンライン分析計101を接続して構成してもよい。
[オンライン測定用前処理方法及びオンライン測定方法]
第4の形態におけるオンライン測定用前処理方法及びオンライン測定方法は、図4に示したフローチャートにおけるステップ4(S4)の後に、非濾過水をサンプル水に循環するステップ(非濾過水循環工程)を実施することによって具現化してもよい。
第4の形態によれば、非濾過水を有効利用することができ、また、非濾過水をサンプル水に循環させる手段として、前処理装置1の外部の循環設備以外の態様をとることができるので、設計の自由度を向上させることができる。
<5.第5の形態>
[オンライン測定用前処理装置及びオンライン測定装置]
図8は、本技術の第5の形態における前処理装置1を模式的に示す模式図である。図8の前処理装置1は、図1の前処理装置1に対して、自動洗浄部18を更に備える点が異なっている。
自動洗浄部18は、中空糸膜121の自動洗浄を行うための構成部である。
自動洗浄部18の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、自動洗浄部18は、エアスクラビング洗浄を行うように構成されていてもよい。
エアスクラビング洗浄を行う場合における自動洗浄部18の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、図8に示すように、自動洗浄部18は、三方弁181を備えてもよい。また、同図に示すように、自動洗浄部18は、圧縮空気導入ライン182を更に備えてもよい。さらに、同図に示すように、自動洗浄部18は、圧縮空気供給装置183を更に備えてもよい。
ここで、三方弁181の態様は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、図8に示すように、三方弁181は、サンプル水導入ライン112上に、該ライン112と圧縮空気導入ライン182とを選択的に閉止するように配置されていてもよい。また、三方弁181は、閉止対象の切り替えを電気的に制御することが可能な電動弁または電磁弁であってもよい。この場合、三方弁181の電気的制御は、制御装置16によって行ってもよい。
また、圧縮空気導入ライン182の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、三方弁181と圧縮空気供給装置183との間に接続された管路を採用してもよい。
さらに、圧縮空気供給装置183の態様も特に限定されないが、好ましい態様の一例として、エアポンプやエアコンプレッサー等を採用してもよい。圧縮空気供給装置183の動作は、制御装置16によって電気的に制御してもよい。
サンプル水通水口111は、エアスクラビング洗浄の際の圧縮空気の給気口を兼ねてもよい。このようにすれば、サンプル水導入ライン112の一部を圧縮空気供給ラインとして活用することができる。
ケース15の厚み(換言すれば、外径と内径との差)は特に限定されないが、好ましい態様の一例として、厚みを2mm以上5mm以下にしてもよい。厚みを2mm以上とすることで、ケース15の剛性を確保して、エアスクラビング洗浄を行う際にケース15の折れ曲がりを防止することができる。
エアスクラビング洗浄においては、ケース15内に導入された圧縮空気が、ケース15内に存在するサンプル水とともに中空糸膜束12の周囲において上下動することで、その振動とせん断力によって、中空糸膜121の膜面の付着物を洗浄することができる。このとき、中空糸膜121の上端部121aが自由端であることにより、各中空糸膜121に十分な振動及びせん断力を付与して、洗浄効果を高めることができる。また、エアが上端部121a側に浮上する構成であるため、上端部121aを効率よく洗浄することができる。
また、エアスクラビング洗浄の際には、三方弁183によってケース15内へのサンプル水の導入を停止してもよい。ここで、クロスフロー濾過においては、物理的な動揺とともにエアを吹き込むことによって膜表面の流速を上げ、せん断力による洗浄効果を高めており、エアスクラビング洗浄時もサンプル水を導入するのが通常であった。しかし、サンプル水の導入を停止した状態でのエアスクラビング洗浄を行えば、通常のエア流量に比べて少ないエア量で洗浄効果を得ることができる。この結果、装置の小型化や低価格化を実現することができる。また、酸化性や還元性を持つ物質が測定対象の場合には、エア注入によって影響を受けた測定値の取り込みを排除することができる。
なお、エアスクラビング洗浄を行うための態様は、三方弁181に替わり、2ポートの電動弁や電磁弁を採用することによって実現してもよい。
また、自動洗浄部18の態様として、エアスクラビング洗浄以外の態様を採用してもよい。例えば、自動洗浄部18は、ケース15内に例えばサンプル水通水口111から薬剤を導入することによる薬品洗浄や、ケース15内に例えば非濾過水通水口141または濾過水通水口132から例えば薬剤を含んだ水を導入することによる逆流洗浄を行うように構成してもよい。
さらに、上記各洗浄方法を含めた2種類以上の洗浄方法を組み合わせた態様を採用してもよい。
[オンライン測定用前処理方法及びオンライン測定方法]
第5の形態におけるオンライン測定用前処理方法及びオンライン測定方法においては、例えば、図4の処理の開始後、例えば制御装置16によって、自動洗浄のトリガの発生の有無を継続的に判断するステップ(トリガ判別工程)を開始してもよい。トリガは、自動洗浄を行うべき特定の時期的なタイミングや自動洗浄を指示するユーザ入力等であってもよい。そして、トリガが発生したと判断されたら、自動洗浄部18によって、自動洗浄を行うステップ(自動洗浄工程)を実施してもよい。このとき、例えば制御装置16によって、サンプル水の導入を停止させてもよい。
第5の形態によれば、自動洗浄を行うことによって、中空糸膜121の膜面を清澄な状態に保持することができ、中空糸膜121の交換頻度を低減することができる。また、中空糸膜121の上端部121aが独立していることによって洗浄効果を高めることができるので、膜面を長期にわたり清澄に保つことができ、交換頻度を更に少なくすることができる。
<6.実験例>
以下、本技術に関する実験例について説明する。
本実験例では、本技術の前処理装置1(オンライン測定用前処理方法)を用いた場合と、既存のオンライン測定用前処理装置を用いた場合とで、サンプル水(被濾過水)および濾過水の流量にどのような差が生じるかを調べた。
[実験条件]
実験条件は以下の通りである。
[1.試料の条件]
(1)実験例1:本技術の中空糸膜121を備えた前処理装置
実験例1の試料は、図6の前処理装置1であって、中空糸膜121として、(株)クラレ製外圧式中空糸膜(濾過面積0.1m、濾過孔径0.1μm)を備えたものである。また、本試料におけるケースの内径は3cm、厚みは3mmである。
(2)実験例2:上端部がU字状に折り返された中空糸膜を備えた前処理装置
実験例2の試料は、中空糸膜として、図5のように上端部がU字状に折り返されて下端部が固定された外圧式の市販品(濾過面積1.0m、濾過孔径0.1μm)を備えた前処理装置である。
(3)実験例3:デッドエンドタイプの中空糸膜を備えた前処理装置
実験例3の試料は、中空糸膜として、デッドエンドタイプの市販品(濾過面積:0.3m、濾過孔径0.1μm)を備えた前処理装置である。
(4)実験例4:上端部が固定された中空糸膜を備えた前処理装置
実験例4の試料は、中空糸膜として、図9のように下端部がU字状に折り返されて上端部が固定された外圧式の市販品(濾過面積1.0m、濾過孔径0.1μm)を備えた前処理装置である。
[2.サンプル水の条件]
サンプル水は、活性汚泥処理水出口水(フロックや1mm角のスポンジを含む)及び製紙工場の白水(SS濃度約5000mg/L)の2種類である。
これら2種類のサンプル水を、同一構成の実験系において別々に用いた。実験系の詳細は次の通りである。
[3.実験系の条件]
実験系は、図10に示すオンライン測定システム200である。
該システム200は、サンプルタンク201、カスケードポンプ202、実験例1の前処理装置(便宜上、符号1Aで表す)、実験例2の前処理装置(便宜上、符号1Bで表す)、実験例3の前処理装置203、実験例4の前処理装置204、サンプル水の導入ライン205、濾過水の送出ライン206及び非濾過水の排水ライン207を備える。排水ライン207上には、エアスクラビング洗浄時にライン207を閉止するための弁208が配置されている。
サンプルタンク201の容量は200Lである。
システム200の動作を制御する制御系については、図示を省略し、後述する[4.実験系の運転条件]に説明を譲る。
[4.実験系の運転条件]
上記のサンプル水をサンプルタンク201内に用意した上で、カスケードポンプ202を駆動・制御することにより、各前処理装置1A、1B、203、204に対して、約2L/minの流速でサンプルタンク201からサンプル水を同時に通水した。このとき、サンプル水を循環させるために、通水後のサンプル水(すなわち、非濾過水)は、排水ライン207を介してサンプルタンク201に戻した。また、循環水の圧力は約0.2MPaとした。減じたサンプル水は、随時補充して実験を継続した。
各前処理装置1A、1B、203、204は、濾過水量0.06m/日、膜濾過流速0.6m/日にて運転した。
外圧式・クロスフロー濾過方式の前処理装置1A、1B、204については、小型のエアコンプレッサーを駆動・制御することにより、エアスクラビング洗浄を20分ごとに1分間実施した。
サンプル水及び濾過水の流量の評価は、導入ライン205及び送出ライン206上における各前処理装置1A、1B、203、204の前後にそれぞれ配置した流量計の計測結果に基づいて行った。
[実験結果]
実験結果をサンプル水の種類ごとに以下の表1、表2に示す。
表1は、サンプル水が活性汚泥処理出口水である場合の実験結果である。
表2は、サンプル水が製紙工場の白水である場合の実験結果である。
各表中の評価A〜Cの詳細は、次の通りである。
A:流量の低下が見られない。
B:流量の低下が見られるが、測定やサンプリングは可能である。
C:流量が極端に低下しているか流れていない。測定やサンプリングに支障を来す。
Figure 2015188769
Figure 2015188769
表1に示すように、本技術の前処理装置1A、1Bによれば、濾過開始から時間が経っても、サンプル水および濾過水の流量を確保することができた。一方、既存の前処理装置203、204は、濾過開始からの時間経過にともなって、サンプル水および濾過水の流量の低下が見られた。
表2に示すように、実験例1の前処理装置1Aによれば、白水の場合にも、長時間にわたって流量を確保できることが確認された。
本実験結果により、本技術の前処理装置1A、1Bが、粗大懸濁物質及び繊維状物質によるファウリングを防止し、オンライン測定を継続的かつ安定的に行い得ることが示唆された。
本技術は、以下のような形態をとることもできる。
[オンライン測定用前処理装置の形態]
(1)水系からサンプル水を導入するサンプル水導入部と、
該導入部によって導入された前記サンプル水をクロスフロー濾過方式で濾過する複数の長尺な外圧式中空糸膜であり、使用状態において下端部となる第1の端部が固定された中空糸膜と、
該中空糸膜によって濾過された濾過水を前記水系の水質のオンライン測定が行われる位置に向けて送出する濾過水送出部と
を備えるオンライン測定用前処理装置。
(2)前記サンプル水導入部は、前記中空糸膜を収納する収納体に形成された前記サンプル水の導入口を有する上記(1)に記載のオンライン測定用前処理装置。
ここで、「収納体」の一例は、本明細書中にケース15として記載されているが、これに限定されない。また、「導入口」の一例は、本明細書中にサンプル水通水口111として記載されているが、これに限定されない。
(3)前記濾過水送出部は、前記中空糸膜を収納する収納体に設けられた前記濾過水の集水部及び該集水部に形成された該濾過水の送出口を有する上記(1)又は(2)に記載のオンライン測定用前処理装置。
ここで、「送出口」の一例は、本明細書中に濾過水通水口132として記載されているが、これに限定されない。
(4)前記中空糸膜によって濾過されなかった非濾過水を排水する非濾過水排水部を更に備える上記(1)〜(3)のいずれかに記載のオンライン測定用前処理装置。
(5)前記非濾過水排水部は、前記中空糸膜を収納する収納体に形成された排水口を有する上記(4)に記載のオンライン測定用前処理装置。
ここで、「排水口」の一例は、本明細書中に非濾過水通水口141として記載されているが、これに限定されない。
[オンライン測定装置の形態]
(6)水系から導入されたサンプル水をクロスフロー濾過方式で濾過する複数の長尺な外圧式中空糸膜であり、使用状態において下端部となる第1の端部が固定された中空糸膜を含むオンライン測定用前処理装置と、
該前処理装置において濾過された濾過水に基づいて、前記水系の水質のオンライン測定を行うオンライン測定器と
を備えるオンライン測定装置。
ここで、「オンライン測定器」の一例は、本明細書にオンライン分析計101として記載されているが、これに限定されない。
(7)上記(1)〜(5)のいずれかに記載のオンライン測定用前処理装置と、
該前処理装置において濾過された濾過水に基づいて、前記オンライン測定を行うオンライン測定器と
を備えるオンライン測定装置。
[オンライン測定方法の形態]
(8)水系から導入したサンプル水を、複数の長尺な外圧式中空糸膜であり、下端部を固定した中空糸膜によって、クロスフロー濾過方式で濾過し、
濾過された濾過水に基づいて、前記水系の水質のオンライン測定を行うオンライン測定方法。
(9)前記サンプル水を前記中空糸膜における前記下端部寄りの位置から導入する上記(8)に記載のオンライン測定方法。
(10)前記中空糸膜によって濾過された濾過水を前記中空糸膜における前記下端部寄りの位置から前記オンライン測定が行われる位置に向けて送出する上記(9)に記載のオンライン測定方法。
(11)前記中空糸膜は、前記上端部に独立した自由端を有し、当該上端部が封止されたものである上記(10)に記載のオンライン測定方法。
(12)前記中空糸膜によって濾過されなかった非濾過水を前記中空糸膜における前記上端部寄りの位置から排水する上記(9)〜(11)のいずれかに記載のオンライン測定方法。
1 オンライン測定用前処理装置
121 中空糸膜
121b 下端部

Claims (15)

  1. 水質をオンライン測定すべき水系から導入されたサンプル水をクロスフロー濾過方式で濾過する複数の長尺な外圧式中空糸膜であり、使用状態において下端部となる第1の端部が固定された中空糸膜を備えるオンライン測定用前処理装置。
  2. 前記中空糸膜は、使用状態において上端部となる第2の端部に独立した自由端を有する請求項1に記載のオンライン測定用前処理装置。
  3. 前記中空糸膜は、長手方向の両端部が前記第1の端部であり、使用状態において上端部となる第2の端部において折り返されている請求項1に記載のオンライン測定用前処理装置。
  4. 前記サンプル水を導入するサンプル水導入部を更に備え、
    前記サンプル水導入部は、前記中空糸膜における前記第1の端部寄りに配置された請求項1から3のいずれか一項に記載のオンライン測定用前処理装置。
  5. 前記中空糸膜によって濾過された濾過水を前記オンライン測定が行われる位置に向けて送出する濾過水送出部を更に備え、該濾過水送出部は、前記中空糸膜における前記第1の端部寄りに配置された請求項4に記載のオンライン測定用前処理装置。
  6. 前記中空糸膜は、使用状態において上端部となる第2の端部に独立した自由端を有し、前記自由端が封止された請求項5に記載のオンライン測定用前処理装置。
  7. 前記中空糸膜によって濾過されなかった非濾過水を排水する非濾過水排水部を更に備え、該非濾過水排水部は、前記中空糸膜における使用状態において上端部となる第2の端部寄りに配置された請求項4から6のいずれか一項に記載のオンライン測定用前処理装置。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載のオンライン測定用前処理装置を備えるオンライン測定装置。
  9. 水質をオンライン測定すべき水系から導入したサンプル水を、下端部を固定した複数の長尺な外圧式中空糸膜によって、クロスフロー濾過方式で濾過するオンライン測定用前処理方法。
  10. 前記中空糸膜は、上端部に独立した自由端を有する請求項9に記載のオンライン測定用前処理方法。
  11. 前記中空糸膜は、長手方向の両端部が下端部であり、上端部において折り返されている請求項9に記載のオンライン測定用前処理方法。
  12. 前記サンプル水を前記中空糸膜における前記下端部寄りの位置から導入する請求項9から11のいずれか一項に記載のオンライン測定用前処理方法。
  13. 前記中空糸膜によって濾過された濾過水を前記中空糸膜における前記下端部寄りの位置から前記オンライン測定が行われる位置に向けて送出する請求項12に記載のオンライン測定用前処理方法。
  14. 前記中空糸膜は、上端部に独立した自由端を有し、当該上端部が封止されたものである請求項13に記載のオンライン測定用前処理方法。
  15. 前記中空糸膜によって濾過されなかった非濾過水を前記中空糸膜における上端部寄りの位置から排水する請求項9から14のいずれか一項に記載のオンライン測定用前処理方法。
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