JP4831480B2 - 膜濾過システム - Google Patents

Description

この発明は、給水中の不純物を除去する濾過膜部を備え、この濾過膜部からの濃縮水の一部を前記濾過膜部の上流側へ還流させるとともに、残部を排水する膜濾過システムに関する。

機器への給水の水処理システムとして、給水中に含まれる不純物，たとえば溶存塩類を濾過する濾過膜部を有する膜濾過システムがある（たとえば、特許文献１参照）。この膜濾過システムでは、給水ポンプから供給された給水が前記濾過膜部へ流入し、給水中に含まれる不純物が濾過される。そして、前記濾過膜部から流出した透過水が前記機器へ供給される。
特開平５−２２０４８０号公報

ところで、前記濾過膜部からは、透過水の他に濃縮水が流出する。前記膜濾過システムにおいては、濃縮水の一部のみを排水し、残部を還流ラインを介して前記給水ポンプの上流側へ還流させる構成のクロスフロー濾過方式の膜濾過システムがある。この膜濾過システムにおいては、水中の懸濁物質，コロイドおよび有機物などが膜面に沈着または吸着するファウリングを防止する目的で、前記濾過膜の表面で所定の流速が確保されるように運転されている。このため、透過水量に対して前記濾過膜部からの濃縮水量が一定以上になるように、前記給水ポンプの供給水量を設定しているが、透過水量に対して濃縮水量を必要以上に多くすると、前記給水ポンプの供給水量も多くなり、消費電力が大きくなる。そこで、ファウリングが発生せず、なおかつ前記給水ポンプにおいて無駄な電力が消費されないように、透過水量に対し、所定の割合となるように濃縮水量が設定されている。

ここで、本願出願人は、前記濾過膜部における濾過膜の詰まりを防止するとともに、必要量以上の濃縮水の排水を防止するために、前記濾過膜部への給水，前記濾過膜部からの透過水および前記濾過膜部からの濃縮水のうちのいずれかの水温，もしくは前記濾過膜部への給水の水質に基づいて、濃縮水の排水量を調節する膜濾過システムの運転方法を提案した（特願２００５−１３３１９６号）。しかし、濃縮水の排水量を増加させたとき、濃縮水の還流量がそのままとなっていると、排水量と還流量とを合わせた水量，すなわち濃縮水量が設定値よりも増加することとなる。したがって、透過水量に対し、濃縮水量が必要以上に多くなり、前記給水ポンプの供給水量が必要以上に多くなるので、無駄な電力が消費される。一方、濃縮水の排水量を減少させたとき、濃縮水の還流量がそのままとなっていると、濃縮水量が設定値よりも減少することとなる。したがって、透過水量に対し、濃縮水量が少なくなって前記濾過膜の表面での流速が低下し、ファウリングによる前記濾過膜の詰まりが発生するおそれがある。

また、本願出願人は、給水の温度変化に応じて不純物の濾過および溶存気体の脱気を効率よく行うために、給水の温度に基づいて、前記濾過膜部からの透過水量を調節する膜濾過システムの運転方法を提案した（特開２００５−２７９４５９号公報）。しかし、透過水量を減少させたとき、濃縮水の還流量がそのままとなっていると、透過水量に対して濃縮水量が必要以上に多くなり、前記給水ポンプの供給水量が必要以上に多くなって無駄な電力が消費される。一方、透過水量を増加させたとき、濃縮水の還流量がそのままとなっていると、透過水量に対して濃縮水量が少なくなって前記濾過膜の表面での流速が低下し、ファウリングによる前記濾過膜の詰まりが発生するおそれがある。

この発明が解決しようとする課題は、濾過膜部へ給水を供給する給水ポンプにおける無駄な電力の消費を抑えるとともに、前記濾過膜部における濾過膜の詰まりを防止することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、給水中の不純物を除去するためのナノ濾過膜または逆浸透膜を有する濾過膜部；前記濾過膜部の一次側入口ポートに接続された給水ライン；前記給水ラインに設けられた給水ポンプ；前記濾過膜部の二次側ポートに接続された透過水ライン；前記透過水ラインに設けられた流量センサ；前記濾過膜部の一次側出口ポートに接続された濃縮水ライン；前記濃縮水ラインから分岐する１以上の排水ライン；前記排水ラインのそれぞれに設けられた１以上の排水弁；前記濃縮水ラインから分岐し、前記給水ポンプの上流側の前記給水ラインと接続された還流ライン；前記還流ラインに設けられた比例制御弁；前記給水ライン，前記透過水ラインまたは前記濃縮水ラインに設けられた温度センサ；および前記流量センサの検出値に基づいて、前記給水ポンプを制御するとともに、前記温度センサの検出値に基づいて、前記排水弁および前記比例制御弁を制御する制御手段を備え、
（ａ）前記制御手段は、前記流量センサの検出値が一定となるように、前記給水ポンプの回転数を制御し、
（ｂ）前記制御手段は、前記温度センサの検出値に応答して、前記排水弁からの濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させ、
（ｃ）前記制御手段は、水回収率が減少するとき、前記比例制御弁の開度を減少することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を減少させ、かつ、
（ｄ）前記制御手段は、水回収率が増加するとき、前記比例制御弁の開度を増加することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を増加させることを特徴とする。

さらに、請求項２に記載の発明は、給水中の不純物を除去するためのナノ濾過膜または逆浸透膜を有する濾過膜部；前記濾過膜部の一次側入口ポートに接続された給水ライン；前記給水ラインに設けられた給水ポンプ；前記濾過膜部の二次側ポートに接続された透過水ライン；前記透過水ラインに設けられた流量センサ；前記濾過膜部の一次側出口ポートに接続された濃縮水ライン；前記濃縮水ラインから分岐する１以上の排水ライン；前記排水ラインのそれぞれに設けられた１以上の排水弁；前記濃縮水ラインから分岐し、前記給水ポンプの上流側の前記給水ラインと接続された還流ライン；前記還流ラインに設けられた比例制御弁；前記給水ラインに設けられた水質センサ；および前記流量センサの検出値に基づいて、前記給水ポンプを制御するとともに、前記水質センサの検出値に基づいて、前記排水弁および前記比例制御弁を制御する制御手段を備え、
（ａ）前記制御手段は、前記流量センサの検出値が一定となるように、前記給水ポンプの回転数を制御し、
（ｂ）前記制御手段は、前記水質センサの検出値に応答して、前記排水弁からの濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させ、
（ｃ）前記制御手段は、水回収率が減少するとき、前記比例制御弁の開度を減少することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を減少させ、かつ、
（ｄ）前記制御手段は、水回収率が増加するとき、前記比例制御弁の開度を増加することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を増加させることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、前記温度センサの検出値に応答して、前記排水弁からの濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させても、これに応じて前記濾過膜部の上流側への濃縮水の還流量を調節することにより、前記濾過膜部からの濃縮水量を設定値に維持して、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持することができる。これにより、前記濾過膜部へ給水を供給するための給水ポンプにおいて無駄な電力を消費することを防止することができるとともに、前記濾過膜の表面での流速が維持されてファウリングによる前記濾過膜の詰まりを防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記水質センサの検出値に応答して、前記排水弁からの濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させても、これに応じて前記濾過膜部の上流側への濃縮水の還流量を調節することにより、前記濾過膜部からの濃縮水量を設定値に維持して、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持することができる。これにより、前記濾過膜部へ給水を供給するための給水ポンプにおいて無駄な電力を消費することを防止することができるとともに、前記濾過膜の表面での流速が維持されてファウリングによる前記濾過膜の詰まりを防止することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
（第一実施形態）
まず、この発明の第一実施形態について説明する。図１は、この発明に係る膜濾過システムの第一実施形態の構成を示す概略的な説明図である。

図１において、膜濾過システム１は、水道水，工業用水，地下水等の水源からの原水が貯留されている原水タンク（図示省略）から供給される原水の水処理を行い、この水をボイラなどの機器（図示省略）へ給水として供給するものである。この膜濾過システム１は、給水中の不純物を除去するためのナノ濾過膜または逆浸透膜を有する濾過膜部３と、濾過膜部３の一次側入口ポートに接続された給水ライン２ａと、濾過膜部３の二次側ポートに接続された透過水ライン２ｂとを備えている。

前記給水ライン２ａには、前記濾過膜部３の上流側に給水ポンプ４が設けられ、前記濾過膜部３の下流側に第一流量センサ５が設けられている。そして、前記第一流量センサ５の検出値に基づいて、後述する制御手段２１により、前記濾過膜部３からの透過水量が一定となるように、前記給水ポンプ４の回転数が制御されるようになっている。

前記濾過膜部３は、ナノ濾過膜を備えて構成されている。このナノ濾過膜は、ポリアミド系，ポリエーテル系などの合成高分子膜であり、２ｎｍ程度より小さい粒子や高分子（分子量が最大数百程度の物質）の透過を阻止することができる液体分離膜である。前記ナノ濾過膜は、通常、濾過膜モジュールとして構成されている。この濾過膜モジュールの形態には、スパイラルモジュール，中空糸モジュール，平膜モジュールなどがある。ちなみに、前記機器がボイラである場合、前記ナノ濾過膜は、ボイラ缶体の腐食促進成分（たとえば、硫酸イオンおよび塩化物イオンなど）を捕捉し、腐食抑制成分（たとえば、シリカなど）を透過する濾過膜として機能する。

前記濾過膜部３へは、前記給水ポンプ４から送り出された給水が流入するようになっている。前記濾過膜部３内へ流入した給水は、前記ナノ濾過膜によって濾過され、透過水として前記濾過膜部３から前記透過水ライン２ｂへ流出するようになっている。

また、前記濾過膜部３からは、透過水のほか濃縮水も流出するようになっている。この濃縮水は、前記濾過膜部３の一次側出口ポートに接続された濃縮水ライン６へ流出するようになっている。

前記濃縮水ライン６は、排水ライン７と還流ライン８とに分岐している。そして、前記還流ライン８は、前記給水ポンプ４の上流側の前記給水ライン２ａと接続されている。前記濾過膜部３から流出した濃縮水は、一部が前記排水ライン７から系外へ排出され、残部が前記還流ライン８を介して前記給水ポンプ４の上流側へ還流されるようになっている。

前記排水ライン７は、第一排水ライン９，第二排水ライン１０および第三排水ライン１１に分岐している。そして、これらの各排水ライン９，１０，１１には、それぞれ第一排水弁１２，第二排水弁１３および第三排水弁１４が設けられている。また、前記各排水ライン９，１０，１１には、前記各排水弁１２，１３，１４の下流側に、それぞれ第一定流量弁１５，第二定流量弁１６および第三定流量弁１７が設けられている。

前記各定流量弁１５，１６，１７は、それぞれ異なる流量値に設定されている。したがって、前記各排水ライン９，１０，１１からの排水量は、それぞれ異なる量に設定されており、前記各排水弁１２，１３，１４の開閉状態の組合せにより、系外への濃縮水の排水量を段階的に調節できるようになっている。

前記還流ライン８には、第二流量センサ１８が設けられており、さらにこの第二流量センサ１８の下流側に、還流量調節手段として比例制御弁１９が設けられている。

前記給水ポンプ４，前記各流量センサ５，１８，前記各排水弁１２，１３，１４および前記比例制御弁１９は、信号線２０，２０，…を介して制御手段２１と接続されている。この制御手段２１は、前記濾過膜部３からの濃縮水の排水量に応じて、前記比例制御弁１９を制御するほか、前記膜濾過システム１における各種制御を行うようになっている。

さて、前記膜濾過システム１の運転方法について説明する。前記膜濾過システム１では、前記給水ポンプ４により、前記濾過膜部３へ給水を供給し、前記ナノ濾過膜で濾過を行う。このとき、前記制御手段２１は、前記第一流量センサ５の検出値に基づいて、透過水量が一定となるように、前記給水ポンプ４の回転数を制御する（定流量制御）。ここで、水の粘性は、水温が低くなるほど大きくなり、高くなるほど小さくなる。したがって、水温が低くなるほど透過水量が低下するので、前記制御手段２１は、透過水量が一定となるように、前記給水ポンプ４の回転数を上げて供給水量を多くし、一方で水温が高くなるほど透過水量が増加するので、前記制御手段２１は、透過水量が一定となるように、前記給水ポンプ４の回転数を下げて供給水量を少なくする。

そして、前記ナノ濾過膜で濾過した後の透過水は、前記濾過膜部３から前記透過水ライン２ｂへ流出し、前記機器（図示省略）へ供給される。一方で、前記濾過膜部３からは濃縮水も流出し、この濃縮水は、一部が前記排水ライン１１から排水され、残部が前記還流ライン８を介して前記給水ポンプ４の上流側へ還流される。ここで、前記濾過膜部３からの濃縮水量は、前記ナノ濾過膜の表面付近でファウリングが発生せず、なおかつ前記給水ポンプ４において無駄な電力が消費されないように、透過水量に対し所定の割合となるような量に設定されている。

前記制御手段２１は、前記各排水弁１２，１３，１４を開閉制御し、濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させる。ここで、濃縮水の排水量の調節は、たとえば前記ナノ濾過膜の詰まりを防止するとともに、必要量以上の濃縮水の排水を防止するために、前記濾過膜部３への給水，前記濾過膜部３からの透過水および前記濾過膜部４からの濃縮水のうちのいずれかの水温，もしくは前記濾過膜部３への給水の水質に基づいて行う。水温に基づいて濃縮水の排水量を調節する場合、前記給水ライン２ａ，前記透過水ライン２ｂおよび前記濃縮水ライン６のいずれかに温度センサ（図示省略）を設け、この温度センサの検出値が変化したときには、その水温における給水中の各種不純物（たとえば、炭酸カルシウムやシリカ等）の溶解度以上の濃縮が起きない範囲で濃縮水の排水量を増減する。また、水質に基づいて濃縮水の排水量を調節する場合、前記濾過膜部３の上流側の前記給水ライン２ａに、たとえば給水の電気伝導度を測定する電気伝導度センサ，給水に含まれる硬度分の濃度を測定する硬度センサ，給水に含まれるシリカの濃度を測定するシリカセンサ，給水に含まれる懸濁物質の濃度を測定する濁度センサなどの水質センサ（図示省略）を設け、この水質センサにより、たとえば硬度分，シリカ，懸濁物質などの濃度の増加が検知されたときには、前記ナノ濾過膜の詰まりを発生させないように濃縮水の排水量を増加する。逆に、前記水質センサにより、たとえば硬度分，シリカ，懸濁物質などの濃度の減少が検出されたときには、前記ナノ濾過膜の詰まりは発生しにくいので、濃縮水の排水量を減少する。

前記制御手段２１は、濃縮水の排水量に応じて設定される還流量となるように、前記比例制御弁１９を制御する。具体的には、前記制御手段２１は、濃縮水の排水量を増加させ、水回収率が減少するとき、前記比例制御弁１９の開度を小さくし、濃縮水量を設定値に維持するように、還流量を減少させる。一方、前記制御手段２１は、濃縮水の排水量を減少させ、水回収率が増加するとき、前記比例制御弁１９の開度を大きくし、濃縮水量を設定値に維持するように、還流量を増加させる。

ここで、給水の水温が変化した場合、透過水量が一定となるように前記給水ポンプ４の供給水量を変化させるので、濃縮水の排水量に応じて設定された還流量が変化してしまう。そこで、前記制御手段２１は、前記第二流量センサ１８の検出値に基づいて、濃縮水の排水量に応じて設定された還流量が一定となるように、前記比例制御弁１９の開度を調節する。

前記膜濾過システム１によれば、濃縮水の排水量を増加させ、水回収率が減少するとき、還流量を減少させて濃縮水量を設定値に維持することができ、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持することができるので、前記給水ポンプ４において無駄な電力を消費することを防止できる。また、濃縮水の排水量を減少させ、水回収率が増加するとき、還流量を増加させて濃縮水量を設定値に維持することができ、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持することができるので、前記ナノ濾過膜の表面での流速が維持され、ファウリングによる前記ナノ濾過膜の詰まりを防止することができる。

（第二実施形態）
つぎに、この発明の第二実施形態について説明する。図２は、この発明に係る膜濾過システムの第二実施形態の構成を示す概略的な説明図である。図２において、図１に示す前記第一実施形態の膜濾過システム１と同一の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図２に示す膜濾過システム３０では、前記還流ライン８が、第一還流ライン３１，第二還流ライン３２および第三還流ライン３３に分岐しており、これらの各還流ライン３１，３２，３３に、還流量調節手段としてそれぞれ第一開閉弁３４，第二開閉弁３５および第三開閉弁３６が設けられている。さらに、前記各還流ライン３１，３２，３３には、前記各開閉弁３４，３５，３６の下流側に、それぞれ第四定流量弁３７，第五定流量弁３８および第六定流量弁３９が設けられている。

前記各開閉弁３４，３５，３６は、前記信号線２０，２０，２０を介して前記制御手段２１と接続されており、この制御手段２１は、前記第一実施形態と同様に、前記膜濾過システム３０の各種制御を行うほか、透過水量に応じて、前記各開閉弁３４，３５，３６を制御するようになっている。

さて、前記膜濾過システム３０の運転方法について説明する。この実施形態においても、前記制御手段２１は、通常運転として、前記第一実施形態で説明した定流量制御を行うが、この通常運転のほか、所定のタイミングで、透過水量を減少させる減量運転を行う。前記制御手段２１は、透過水量に応じて濃縮水の排水量と還流量とを調節することにより、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持する。ここで、前記減量運転を行う所定のタイミングは、たとえば前記給水ライン２に温度センサ（図示省略）を設け、この温度センサの検出値が所定値まで低下したときである。ここで、前記給水ライン２には、前記濾過膜部３の下流側に、給水中の溶存気体を気体透過膜を通して真空吸引することにより除去する脱気膜部（図示省略）が接続されており、給水温度の変化に応じて、前記濾過膜部３による濾過および前記脱気膜部による脱気を効率よく行うために、前記減量運転を行う（詳細については、特開２００５−２７９４５９号公報参照）。

前記制御手段２１は、前記減量運転へ移行したときは、透過水量に対する濃縮水量の割合が一定となるように、前記各排水弁１２，１３，１４および前記各開閉弁３４，３５，３６の開状態を適宜設定し、透過水量に応じて濃縮水の排水量と還流量とを減少させる。そして、前記温度センサの検出値が、前記所定値よりも高くなったとき、前記減量運転から通常運転へ移行し、透過水量に対する濃縮水量の割合が一定となるように、前記各排水弁１２，１３，１４および前記各開閉弁３４，３５，３６の開状態を適宜設定し、透過水量に応じて濃縮水の排水量と還流量とを増加させ、前記通常運転時の排水量および還流量へ戻す。

前記膜濾過システム３０によれば、透過水量を減少させたとき、濃縮水の排水量および還流量を減少させ、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持することができる。したがって、透過水量に対して濃縮水量が必要以上に多くなることはなく、前記給水ポンプ４において無駄な電力を消費することを防止できる。また、透過水量を増加させたとき、濃縮水の排水量および還流量を増加させ、透過水量に対する濃縮水量の割合を維持することができる。したがって、透過水量に対して濃縮水量が少なくなって前記ナノ濾過膜の表面での流速が低下することはなく、ファウリングによる前記ナノ濾過膜の詰まりを防止することができる。

以上、この発明を前記各実施形態により説明したが、この発明はその要旨を変更しない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

この発明に係る膜濾過システムの第一実施形態の構成を示す概略的な説明図である。 この発明に係る膜濾過システムの第二実施形態の構成を示す概略的な説明図である。

符号の説明

１，３０ 膜濾過システム
３ 濾過膜部
１９ 比例制御弁（還流量調節手段）
２１ 制御手段
３４ 第一開閉弁（還流量調節手段）
３５ 第二開閉弁（還流量調節手段）
３６ 第三開閉弁（還流量調節手段）

Claims (2)

1. 給水中の不純物を除去するためのナノ濾過膜または逆浸透膜を有する濾過膜部；
   前記濾過膜部の一次側入口ポートに接続された給水ライン；
   前記給水ラインに設けられた給水ポンプ；
   前記濾過膜部の二次側ポートに接続された透過水ライン；
   前記透過水ラインに設けられた流量センサ；
   前記濾過膜部の一次側出口ポートに接続された濃縮水ライン；
   前記濃縮水ラインから分岐する１以上の排水ライン；
   前記排水ラインのそれぞれに設けられた１以上の排水弁；
   前記濃縮水ラインから分岐し、前記給水ポンプの上流側の前記給水ラインと接続された還流ライン；
   前記還流ラインに設けられた比例制御弁；
   前記給水ライン，前記透過水ラインまたは前記濃縮水ラインに設けられた温度センサ；および
   前記流量センサの検出値に基づいて、前記給水ポンプを制御するとともに、前記温度センサの検出値に基づいて、前記排水弁および前記比例制御弁を制御する制御手段を備え、
   （ａ）前記制御手段は、前記流量センサの検出値が一定となるように、前記給水ポンプの回転数を制御し、
   （ｂ）前記制御手段は、前記温度センサの検出値に応答して、前記排水弁からの濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させ、
   （ｃ）前記制御手段は、水回収率が減少するとき、前記比例制御弁の開度を減少することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を減少させ、かつ、
   （ｄ）前記制御手段は、水回収率が増加するとき、前記比例制御弁の開度を増加することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を増加させることを特徴とする膜濾過システム。
2. 給水中の不純物を除去するためのナノ濾過膜または逆浸透膜を有する濾過膜部；
   前記濾過膜部の一次側入口ポートに接続された給水ライン；
   前記給水ラインに設けられた給水ポンプ；
   前記濾過膜部の二次側ポートに接続された透過水ライン；
   前記透過水ラインに設けられた流量センサ；
   前記濾過膜部の一次側出口ポートに接続された濃縮水ライン；
   前記濃縮水ラインから分岐する１以上の排水ライン；
   前記排水ラインのそれぞれに設けられた１以上の排水弁；
   前記濃縮水ラインから分岐し、前記給水ポンプの上流側の前記給水ラインと接続された還流ライン；
   前記還流ラインに設けられた比例制御弁；
   前記給水ラインに設けられた水質センサ；および
   前記流量センサの検出値に基づいて、前記給水ポンプを制御するとともに、前記水質センサの検出値に基づいて、前記排水弁および前記比例制御弁を制御する制御手段を備え、
   （ａ）前記制御手段は、前記流量センサの検出値が一定となるように、前記給水ポンプの回転数を制御し、
   （ｂ）前記制御手段は、前記水質センサの検出値に応答して、前記排水弁からの濃縮水の排水量を調節することによって水の回収率を変化させ、
   （ｃ）前記制御手段は、水回収率が減少するとき、前記比例制御弁の開度を減少することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を減少させ、かつ、
   （ｄ）前記制御手段は、水回収率が増加するとき、前記比例制御弁の開度を増加することによって、前記濃縮水ラインの濃縮水量を設定値に維持するように還流量を増加させることを特徴とする膜濾過システム。

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