JP4896782B2

JP4896782B2 - 膜ろ過システムおよび膜の洗浄方法

Info

Publication number: JP4896782B2
Application number: JP2007073034A
Authority: JP
Inventors: 武士松代; 学桜井; 秀司関; 浩一中川; 卓毛受
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008229502A

Description

本発明は、河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水、などの水処理に適した膜ろ過システムおよびこの膜ろ過システムにおける膜の洗浄方法に関する。

従来、水処理分野において、原水（河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水など）をろ過して、生活用水、工業用水、農業用水を得る方法として、例えば、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などの膜が用いられている。

膜は、原水中の微生物、藻類、粘土などの固形分に対して高い分離性能を有しており、水処理分野での適用が拡大している。近年では、膜の素材として親水性材料を用いるのが一般的である。また、疎水性材料を用いる場合でも、膜面を重クロム酸カリの硫酸溶液等で親水化処理することで、ろ過性能を向上させることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、膜は、継続的に原水を通水することによって、膜表面や内部に原水中の固形分が堆積してろ過抵抗が増加し、ろ過性能が低下することがある。この場合、必要な処理水量を得るために膜差圧が高くなり、膜ろ過システムの運転に要するエネルギーが増大する恐れがある。

そこで、このような膜ろ過システムでは、予め設定された周期、あるいは膜が所定の差圧上昇を示した時点で、ろ過した処理水を処理水側から流す、原水側あるいは処理水側から圧縮空気を送るなどの物理洗浄を行い、膜表面や内部の付着物のうち、可逆的なものを取り除いている。

一方、膜表面や内部には、このような物理洗浄で除去し難い付着物が徐々に蓄積するため、膜差圧が予め設定されている上限値を越えた時点で、膜ろ過処理を停止して薬品洗浄を行い、物理洗浄で除去できなかった付着物を除去している。

そして、薬品洗浄を行っても、膜表面や内部などの付着物が取り除けなくなり、膜差圧の回復が認められなくなった場合、あるいは、膜の使用期間がある一定期間を超えた場合には、膜が寿命に達したと判断して交換を行っている。
特開平５−２３５５３号公報

このような膜ろ過システムでは、薬品洗浄や膜交換に要する費用を抑制するために、膜基体の外表面側に所定の温度で可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した膜を用いて、膜表面あるいは膜内部の付着物を温水で洗浄することが検討されている。

しかしながら、このような膜ろ過システムでは、被処理水の温度が高分子材料の下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ：Lower Critical Solution Temperature）よりも著しく低い場合、温水を得るために要する費用が増大していた。また、被処理水の温度が高分子材料のＬＣＳＴよりも高い場合、可逆的に膨張／収縮する高分子材料の作用によるろ過および洗浄の効果を十分に得られないことがあった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、膜の洗浄に用いる温水を得るために要する費用を低減し、トータルのランニングコストを低減しながら、効果的なろ過および洗浄を行うことができる膜ろ過システムおよび膜の洗浄方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の膜ろ過システムは、請求項１に記載のように、複数の貫通孔を有する膜基体と、この膜基体の外表面側に温度およびｐＨの変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とを有する膜を容器に充填して一体化してなり、供給された原水を膜ろ過し、処理水として排出する膜モジュールと、前記原水または前記処理水を前記膜モジュール内に供給して前記膜の洗浄を行う洗浄手段と、前記孔径調整材の周囲の温度およびｐＨを変化させることにより、前記膜ろ過時は前記孔径調整材を膨張させ、前記洗浄時は前記孔径調整材を収縮させる条件可変手段とを備え、前記条件可変手段は、前記洗浄時において、前記孔径調整材の周囲の温度を調整するために、前記原水または前記処理水の一部を、温度を調整しつつ前記膜モジュールの周囲を介して循環させることを特徴とする。

また、本発明の膜ろ過システムは、請求項２に記載のように、請求項１に記載の膜ろ過システムにおいて、前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方を検知する検知手段と、この検知手段による検知結果に応じて、前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方が所定の目標値になるように前記条件可変手段を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする。

本発明の膜の洗浄方法は、請求項３に記載のように、複数の貫通孔を有する膜基体と、この膜基体の外表面側に温度およびｐＨの変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とを有する膜を容器に充填して一体化してなり、供給された原水を膜ろ過し、処理水として排出する膜モジュールを備える膜ろ過システムにおける膜の洗浄方法であって、前記原水または前記処理水の一部のｐＨを変化させる工程と、ｐＨが変化した前記原水または前記処理水を前記膜モジュール内に供給するとともに、前記原水または前記処理水の一部を、温度を調整しつつ前記膜モジュールの周囲を介して循環させることにより前記前記孔径調整材の周囲の温度を変化させて、前記孔径調整材を収縮させる工程と、前記膜モジュール内に供給された水を排出する工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の膜の洗浄方法は、請求項４に記載のように、請求項３に記載の膜の洗浄方法において、前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方を検知する工程と、前記検知する工程における検知結果に応じて、前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方が所定の目標値になるように調整する工程とをさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、膜基体の外表面側に物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した膜を用い、温度調整と薬品添加を組み合わせることで効果的なろ過および洗浄を行うことができ、また、膜の洗浄に用いる温水を得るために要する費用を低減し、トータルのランニングコストを低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜について説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜を示す断面構成図である。

図１に示すように、第１の実施形態で用いる膜１０は、ポリエチレン等の高分子材料からなり、複数の貫通孔（膜孔）を有する膜基体１と、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材２とで構成される。孔径調整材２は膜基体１の外表面側に付加されている。孔径調整材２の一例としては、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドがある。

膜基体１、孔径調整材２は、炭素原子、水素原子、酸素原子、窒素原子から構成され、図３に示すように、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する。

図１（ａ）に示すように、固形分などの溶質３を含む原水（河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水、など）、１００μｍ以下の細孔を有する膜１０のふるい作用により、細孔よりも大きな物質は膜面および孔径調整材２に捕捉される。原水中に含まれる溶質３としては、例えば、シリカコロイド、ベントナイト、粘土などの無機物のほか、大腸菌などのバクテリア、クリプトスポリジウム、ジアルジアなどの原虫、プランクトンが挙げられる。これら溶質３は、カルボキシル基、アミノ基、水酸基などを有している。

上述したように、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドは温度およびｐＨに対して応答性を示す。

このような物理的または化学的な環境変化に対応したＮ−イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖の膨張／収縮の変化を利用して、ろ過および逆洗を行うようにする。すなわち、図１に示す膜１０を用いて、原水を膜の外表面側から内表面側に通水して外表面側に原水中の溶質３を捕捉する。この後、膜１０の内表面側から外表面側に逆洗する際に、外表面側に滞留している原水に対して温度調整またはｐＨ調整の少なくともいずれか一方を行うことにより、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの高分子鎖を収縮させる。このとき、図１（ｂ）に示すように、高分子鎖の収縮にともなって、膜孔の孔径が拡張（開口）する。

Ｎ−イソプロピルアクリルアミドは、その性状が変化する下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ：Lower Critical Solution Temperature）以下では、アミド基と水との強い相互作用によって膨張するが、温度の上昇によりアミド基と水との水素結合が不安定になるにともない収縮する。

Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの孔径調整材２はその側鎖にアミド基を持ち、図３（ａ）に示すように、ＬＣＳＴである約３２℃以下において膨張する。しかし、図２および図３（ｂ）に示すように、約２５℃を超えると脱水和して収縮し、４０℃付近では収縮もほぼ飽和状態となる。

また、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの孔径調整材２は、ｐＨが酸性領域になるにともない収縮し、中性あるいはアルカリ性領域になるにしたがい膨張する。したがって、洗浄水のｐＨ調整を行う場合は、洗浄水のｐＨを酸性領域とすることで、孔径調整材２を収縮させるのがよい。

また、このときの膜差圧は通常５〜３０ｋＰａ程度であるが、（財）水道技術研究センターの「小規模水道における膜ろ過施設導入ガイドライン」によると、「精密ろ過膜の場合は最大１５０ｋＰａ、限外ろ過膜の場合は３００ｋＰａ以下であること」とされていることから同程度以下であることが望ましい。

以上説明したように、従来の膜では、カルボキシル基、アミノ基、水酸基などを有している溶質３が水素結合により膜面に付着するため、単に逆洗するだけでは除去し難い。このため、逆洗時に、洗浄水の温度調整またはｐＨ調整の少なくともいずれか一方を行うことで、固形分３と膜表面との結合力を弱めて剥離しやすくすることができる。

なお、孔径調整材２の高分子材料としては、（１）Ｎ−イソプロピルアクリルアミドに、アクリル酸、２-カルボキシイソプロピルアクリルアミド、３-カルボキシ-n-プロピルアクリルアミドを共重合した高分子、（２）Ｎ−ビニルイソ酪酸アミド系重合体、（３）ポリ−Ｎ−アルキルアクリルアミド誘導体、（４）ポリイソプロピルアクリルアミドに代表されるポリアクリルアミド誘導体とポリビニル誘導体との共重合体、（５）Ｎ−ビニルイソ酪酸アミドなどのＮ−ビニルＣ_３−９アシルアミドと、Ｎ−ビニルアセトアミドなどのＮ−ビニルＣ_１−３アシルアミドとの共重合体、（６）ポリアクリルアミド誘導体およびポリ−Ｎ−ビニルアシルアミド、（７）Ｎ−イソプロピルアクリルアミドで構成された単量体の重合体、およびＮ−ビニルイソ酪酸アミドで構成された単量体の重合体、などが考えられる。なお、孔径調整材２としては、これらの高分子に限定されるものではなく、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料であればよい。

次に、本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜モジュールについて説明する。図４は第１の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜モジュールの一例を示している。

図４に示すように、円筒状のケーシング内には、円筒軸方向に多数の膜が装填されている。この膜モジュールに装填される膜としては、図１に示した膜１０が用いられる。原水がこの膜を通過する間にろ過され、膜ろ過水（処理水）と濃縮水（排水）とに分離される。

この場合、固形分などの溶質３（図１参照）を含む原水（河川水・地下水・湖沼水などの淡水、雨水貯水・産業廃水・下水などの汚水、バラスト水などの海水、など）は、１００μｍ以下の細孔を有する膜のふるい作用により細孔よりも大きな物質は膜面および孔径調整材２に捕捉される。容器に一体化した場合は、原水を膜面に沿って流し、処理水が原水とは直角方向に流れ、原水の一部が循環するクロスフローろ過方式か、原水を循環させることなく全量ろ過する全量ろ過方式によってろ過を行うことが可能となる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムについて説明する。図５は本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

図５に示す膜ろ過システム１００は、図４に示した構成の膜モジュール１３を用いたもので、図示しない導水ポンプによって導かれた原水を一時貯水する原水槽１１と、原水槽１１内の原水を膜モジュール１３に供給する原水ポンプ１２と、原水ポンプ１２によって導かれた原水を膜ろ過する膜モジュール１３と、膜モジュール１３で膜ろ過された処理水を貯水する処理水槽１４とを備えている。また、原水槽１１内に貯水された原水の一部を洗浄水として導入して貯水する洗浄水槽１５と、この洗浄水槽１５内に貯水された原水を所定温度に加熱するヒータ１６と、原水槽１１および洗浄水槽１５にｐＨ調整のための薬品を注入する薬品注入設備１７とを備えている。さらに、洗浄時に加圧空気を供給するコンプレッサ１８も備えている。なお、図中Ｖ１〜Ｖ１０は各配管に設けられたバルブを示す。

図６は本発明に係る膜ろ過システムにおけるろ過処理を説明するための図、図７は本発明に係る膜ろ過システムにおける物理洗浄の一例を説明するための図である。図６および図７では、図５に示す膜ろ過システム１００におけるろ過処理および物理洗浄を説明するために必要な部分のみを図示している。

図６において、原水は図示しない導水ポンプによって原水槽１１へ導かれている。そして、原水ポンプ１２の加圧によって膜モジュール１３に原水が導入され、膜モジュール１３を透過した処理水は処理水槽１４に貯留される。

通常の洗浄は、図７を用いて説明する以下の手順により実施する。

（１）逆圧工程
バルブＶ９を開け、コンプレッサ１８によって膜の処理水側から加圧空気を供給して膜の内表面側に圧力をかける。

（２）逆流工程
膜の原水側のバルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部のバルブＶ６を開け、膜モジュール１３の上部（２次側）の処理水を原水側に押し出して排出する。排出した水は回収率を向上させるため、原水槽１１へ戻してもよい。

（３）エアスクラビング工程
圧力を保持したまま、バルブＶ８を開けて一定時間だけ膜モジュール１３の原水側下部からコンプレッサ１８により加圧空気を供給し、膜モジュール１３を空気によって揺動させる。

（４）ドレン工程
一定時間エアスクラビングを行った後、バルブＶ１０および膜モジュール１３下部のバルブＶ５を開けて膜モジュール１３内の水を排出する。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的に付着物を排出することができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

（５）原水すすぎ
バルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部のバルブＶ６を開け、原水ポンプ１２を起動し、膜モジュール１３のすすぎを行う。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的にすすぎを行うことができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

（６）ろ過
膜モジュール１３上部のバルブＶ６を閉め、ろ過側のバルブＶ７を開けてろ過を再開する。前工程でコンプレッサ１８が動いている場合には停止する。

図５に示す膜ろ過システム１００では、通常の洗浄は上記手順により行い、ある所定の頻度で、以下の手順により、温度調整または薬品添加によるｐＨ調整の少なくともいずれか一方を用いて洗浄を行う。

（１）ドレン工程
バルブＶ１０および膜モジュール１３下部のバルブＶ５を開けて膜モジュール１３内の水を排出する。排出した水は回収率を向上させるため、原水槽１１へ戻してもよい。

（２）温水工程
薬品注入設備１７により、原水槽１１、あるいは洗浄水槽１５に導入した原水に薬品を添加し、ヒータ１６により孔径調整材２の高分子材料のＬＣＳＴまで温度調整した洗浄水槽１５内の原水の一部を、原水ポンプ１２で膜モジュール１３内の原水側を介して循環させる。このようにして、膜モジュール１３内の原水の温度調整または原水への薬品添加の少なくともいずれか一方の手段により、膜の外表面に付加した孔径調整材２を可逆的に収縮させる。

（３）逆圧・逆流工程
バルブＶ９を開け、膜モジュール１３の処理水側からコンプレッサ１８からの加圧空気を供給して膜の内表面側に圧力をかける。さらに膜モジュール１３上部のバルブＶ６を開け、膜モジュール１３の上部（２次側）の処理水を原水の循環ラインへ押し出す。

（４）エアスクラビング工程
圧力を保持したまま、バルブＶ８を開けて一定時間だけ膜モジュール１３の原水側下部からコンプレッサ１８により加圧空気を供給し、膜モジュール１３を空気によって揺動させる。

（５）ドレン工程
一定時間エアスクラビングを行った後、バルブＶ１０および膜モジュール１３下部のバルブＶ５を開けて膜モジュール１３内の水を排出する。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的に付着物を排出することができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

（６）原水すすぎ
バルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部の循環ラインのバルブＶ６を開け、原水ポンプ１２を起動し、膜モジュール１３のすすぎを行う。すすいだ水は、上記の図７を用いて説明した手順における原水すすぎ工程と同様に、系外に排出しても構わない。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的にすすぎを行うことができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

（７）ろ過
膜モジュール１３上部のバルブＶ６を閉め、ろ過側のバルブＶ７を開けてろ過を再開する。前工程でコンプレッサ１８が動いている場合には停止する。

第１の実施形態によれば、膜モジュール１３へ流入する原水の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方の条件を変化させることにより、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性によって、膜モジュール１３における膜の外表面の孔径調整材２で捕捉した溶質３を系外へ、効果的に排出することができる。

（第１の実施形態の変形例）
図８は本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。

図８に示す膜ろ過システム１１０は、図５に示した膜ろ過システム１００に対し、洗浄水槽１５内の原水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ１９と、膜モジュール１３の内部の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２０と、センサ１９，２０で検知した値に応じて温度、ｐＨ値等を制御するための監視制御装置２１とを追加した構成である。

膜ろ過システム１１０における洗浄の手順は、上記膜ろ過システム１００と同様であるが、監視制御装置２１は、上記温水工程において、センサ１９，２０の検出結果により、膜モジュール１３内（孔径調整材の周囲）の温度またはｐＨの少なくともいずれか一つが所定の目標値になるように、ヒータ１６および薬品注入設備１７を制御する。ここで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用との和が最小となるように温度または薬品添加量の少なくともいずれか一つを制御することが好ましい。

第１の実施形態の変形例によれば、膜モジュール１３へ流入する原水の温度およびｐＨに応じて、温度または薬品添加量の少なくともいずれか一方を制御することで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用を抑制しながら、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性を生かした効果的なろ過と洗浄を行うことができる。

（第２の実施形態）
図９は本発明の第２の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

図９に示す膜ろ過システム１２０は、図５に示した膜ろ過システム１００に対し、膜モジュール１３の周囲を所定の空間を介して覆うように設けられた外筒１３ａと、洗浄水槽１５に貯水された原水を外筒１３ａに供給し、膜モジュール１３の外側を介して循環させる原水ポンプ２２とを追加した構成である。また、薬品注入設備１７は原水槽１１に薬品を注入するが、洗浄水槽１５には注入しないようになっている。

膜ろ過システム１２０におけるろ過処理および通常の洗浄は、上述した膜ろ過システム１００と同様の手順で行われる。そして、ある所定の頻度で、以下の手順により、温度調整または薬品添加によるｐＨ調整の少なくともいずれか一方を用いて洗浄を行う。

（２）温水工程
原水槽１１に薬品を添加した原水を膜モジュール１３内に供給する。また、ヒータ１６により孔径調整材２の高分子材料のＬＣＳＴまで温度調整した洗浄水槽１５内の原水の一部を、原水ポンプ２２で外筒１３ａに供給し、膜モジュール１３の外側を介して循環させる。このようにして、膜モジュール１３内の原水の温度調整または原水への薬品添加の少なくともいずれか一方の手段により、膜の外表面に付加した孔径調整材２を可逆的に収縮させる。なお、膜モジュール１３内の温度が以下の工程中でＬＣＳＴ以上を確保できる時点で、循環は停止して構わない。

（６）原水すすぎ
バルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部の循環ラインのバルブＶ６を開け、原水ポンプ１２を起動し、膜モジュール１３のすすぎを行う。すすいだ水は回収率を向上させるため、洗浄水槽１５に戻しても構わない。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的にすすぎを行うことができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

第２の実施形態によれば、膜モジュール１３内の原水の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方の条件を変化させることにより、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性によって、膜モジュール１３における膜の外表面の孔径調整材２で捕捉した溶質３を系外へ、効果的に排出することができる。

また、ヒータ１６により温めた原水を膜モジュール１３の外側を介して循環させることで膜モジュール１３内の温度調整を行うので、温めた原水を有効に利用することができ、温める原水の量を節約することができる。

なお、上記説明では、温度調整した原水を膜モジュール１３の外側を介して循環することで膜モジュール１３内の温度調整を行っているが、膜モジュール１３自体を外部から温度調整する方法であれば、上記説明の温度調整方法に限定するものではない。

（第２の実施形態の変形例）
図１０は本発明の第２の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。

図１０に示す膜ろ過システム１３０は、図９に示した膜ろ過システム１２０に対し、洗浄水槽１５内の原水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ１９と、膜モジュール１３の外側を循環する原水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２３と、センサ１９，２３で検知した値に応じて温度、ｐＨ値等を制御するための監視制御装置２１とを追加した構成である。

膜ろ過システム１３０における洗浄の手順は、上記膜ろ過システム１２０と同様であるが、監視制御装置２１は、上記温水工程において、センサ１９，２３の検出結果により、膜モジュール１３内の温度またはｐＨの少なくともいずれか一つが所定の目標値になるように、ヒータ１６および薬品注入設備１７を制御する。ここで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用との和が最小となるように温度または薬品添加量の少なくともいずれか一つを制御することが好ましい。

第２の実施形態の変形例によれば、膜モジュール１３内の原水の温度およびｐＨに応じて、温度または薬品添加量の少なくともいずれか一方を制御することで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用を抑制しながら、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性を生かした効果的なろ過と洗浄を行うことができる。

（第３の実施形態）
図１１は本発明の第３の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

図１１に示す膜ろ過システム１４０は、図５に示した膜ろ過システム１００に対し、洗浄水槽１５と、ヒータ１６と、薬品注入設備１７とを省略し、処理水槽１４内に貯水された処理水の一部を洗浄水として導入して貯水する洗浄水槽２４と、この洗浄水槽２４内の処理水を加熱するヒータ２５と、洗浄水槽２４にｐＨ調整のための薬品を注入する薬品注入設備２６と、洗浄水槽２４内の洗浄水を膜モジュール１３に処理水側から供給する逆洗水ポンプ２７とを追加した構成である。

図１２は本発明に係る膜ろ過システムにおける物理洗浄の他の一例を説明するための図である。図１２では、図１１に示す膜ろ過システム１４０における物理洗浄を説明するために必要な部分のみを図示している。

膜ろ過システム１４０におけるろ過処理は、上述した膜ろ過システム１００と同様の手順で行われるが、通常の洗浄は、図１２を用いて説明する以下の手順により実施する。

（１）逆圧水工程
処理水槽１４内の処理水を逆洗水ポンプ２７により膜モジュール１３の処理水側から逆流させ、膜モジュール１３下部の原水側か、あるいは膜モジュール１３上部の原水側から排出する。このとき、コンプレッサ１８によって膜モジュール１３下部の原水側から加圧空気を供給して膜モジュール１３を揺動させる。

（２）原水すすぎ
バルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部のバルブＶ６を開け、原水ポンプ１２を起動し、膜モジュール１３のすすぎを行う。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的にすすぎを行うことができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

（３）ろ過
膜モジュール１３上部のバルブＶ６を閉め、ろ過側のバルブＶ７を開けてろ過を再開する。このときコンプレッサ１８が動いている場合には停止する。

図１１に示す膜ろ過システム１４０では、通常の洗浄は、図１２を用いて説明した手順または前述の図７を用いて説明した手順の少なくともいずれか一方により行い、ある所定の頻度で、以下の手順により、温度調整または薬品添加によるｐＨ調整の少なくともいずれか一方を用いて洗浄を行う。

（１）逆圧水工程
洗浄水槽２４に導入された処理水に薬品注入設備２６により薬品を添加し、逆洗水ポンプ２７により膜の処理水側から逆流させ、膜モジュール１３下部の原水側か、あるいは膜モジュール１３上部の原水側から排出する。このとき、コンプレッサ１８によって膜モジュール１３下部の原水側から加圧空気を供給して膜モジュール１３を揺動させる。

同時に、ヒータ２５により孔径調整材２の高分子材料のＬＣＳＴまで温度調整した洗浄水槽２４内の処理水を、逆洗水ポンプ２７で膜モジュール１３の処理水側から供給する。このようにして、膜モジュール１３内の温度調整あるいは処理水への薬品添加の少なくともいずれか一方の手段により、膜の外表面に付加した孔径調整材２を可逆的に収縮させる。

（２）原水すすぎ
バルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部のバルブＶ６を開け、原水ポンプ１２を起動し、膜モジュール１３のすすぎを行う。このとき、すすぎ水は原水槽１１へ循環しても構わない。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的にすすぎを行うことができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

第３の実施形態によれば、膜モジュール１３内の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方の条件を変化させることにより、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性によって、膜モジュール１３における膜の外表面の孔径調整材２で捕捉した溶質３を系外へ、効果的に排出することができる。

（第３の実施形態の変形例）
図１３は本発明の第３の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。

図１３に示す膜ろ過システム１５０は、図１１に示した膜ろ過システム１４０に対し、膜モジュール１３の内部の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２０と、洗浄水槽２４内の処理水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２８と、センサ２０，２８で検知した値に応じて温度、ｐＨ値等を制御するための監視制御装置２１とを追加した構成である。

膜ろ過システム１５０における洗浄の手順は、上記膜ろ過システム１４０と同様であるが、監視制御装置２１は、上記逆圧水工程において、センサ２０，２８の検出結果により、膜モジュール１３内の温度またはｐＨの少なくともいずれか一つが所定の目標値になるように、ヒータ２５および薬品注入設備２６を制御する。ここで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用との和が最小となるように温度または薬品添加量の少なくともいずれか一つを制御することが好ましい。

第３の実施形態の変形例によれば、膜モジュール１３へ流入する処理水の温度およびｐＨに応じて、温度または薬品添加量の少なくともいずれか一つを制御することで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用を抑制しながら、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性を生かした効果的なろ過と洗浄を行うことができる。

（第４の実施形態）
図１４は本発明の第４の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

図１４に示す膜ろ過システム１６０は、図１１に示した膜ろ過システム１４０と同様の構成である。

膜ろ過システム１６０におけるろ過処理および通常の洗浄は、上述した膜ろ過システム１４０と同様の手順で行われる。そして、ある所定の頻度で、以下の手順により、温度調整または薬品添加によるｐＨ調整の少なくともいずれか一方を用いて洗浄を行う。

（２）温水工程
洗浄水槽２４に導入された処理水に薬品注入設備２６により薬品を添加し、ヒータ２５により孔径調整材２の高分子材料のＬＣＳＴまで温度調整した洗浄水槽２４内の処理水を逆洗水ポンプ２７で膜モジュール１３の処理水側から供給し、膜モジュール１３内を薬品を添加した温水で満たす。回収率を向上させるため、膜モジュール１３から排出される薬品を添加した温水は原水槽１１に戻しても構わない。このようにして、膜モジュール１３内の温度調整あるいは処理水への薬品添加の少なくともいずれか一方の手段により、膜の外表面に付加した孔径調整材２を可逆的に収縮させる。

（３）逆圧・逆流工程
バルブＶ９を開け、膜モジュール１３の処理水側からコンプレッサ１８からの加圧空気を供給して膜の内表面側に圧力をかける。さらに膜モジュール１３上部のバルブＶ６を開け、膜モジュール１３の上部（２次側）の処理水を押し出す。このとき、回収率を向上させるため、排出水を原水槽１１に戻しても構わない。

（６）原水すすぎ
バルブＶ１，Ｖ４、および膜モジュール１３上部の循環ラインのバルブＶ６を開け、原水ポンプ１２を起動し、膜モジュール１３のすすぎを行う。すすいだ水は、原水槽１１に戻しても構わない。このときコンプレッサ１８から加圧空気を流したままの方がより効果的にすすぎを行うことができるが、電力費を削減するために加圧空気を停止しても構わない。

第４の実施形態によれば、膜モジュール１３へ供給する処理水の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方の条件を変化させることにより、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性によって、膜モジュール１３における膜の外表面の孔径調整材２で捕捉した溶質３を系外へ、効果的に排出することができる。

（第４の実施形態の変形例）
図１５は本発明の第４の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。

図１５に示す膜ろ過システム１７０は、図１４に示した膜ろ過システム１６０に対し、膜モジュール１３の内部の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２０と、洗浄水槽２４内の処理水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２８と、センサ２０，２８で検知した値に応じて温度、ｐＨ値等を制御するための監視制御装置２１とを追加した構成である。

膜ろ過システム１７０における洗浄の手順は、上記膜ろ過システム１６０と同様であるが、監視制御装置２１は、上記温水工程において、センサ２０，２８の検出結果により、膜モジュール１３内の温度またはｐＨの少なくともいずれか一つが所定の目標値になるように、ヒータ２５および薬品注入設備２６を制御する。ここで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用との和が最小となるように温度または薬品添加量の少なくともいずれか一つを制御することが好ましい。

第４の実施形態の変形例によれば、膜モジュール１３へ流入する処理水の温度およびｐＨに応じて、温度または薬品添加量の少なくともいずれか一方を制御することで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用を抑制しながら、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性を生かした効果的なろ過と洗浄を行うことができる。

（第５の実施形態）
図１６は本発明の第５の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

図１６に示す膜ろ過システム１８０は、図１４に示した膜ろ過システム１６０に対し、膜モジュール１３の周囲を所定の空間を介して覆うように設けられた外筒１３ａと、洗浄水槽２４内の洗浄水を外筒１３ａに供給し、膜モジュール１３の外側を介して循環させる逆洗水ポンプ２９とを追加した構成である。

同時に、ヒータ２５により孔径調整材２の高分子材料のＬＣＳＴまで温度調整した洗浄水槽２４内の処理水を、逆洗水ポンプ２９で外筒１３ａに供給し、膜モジュール１３の外側を介して循環させる。このようにして、膜モジュール１３内の処理水の温度調整または処理水への薬品添加の少なくともいずれか一方の手段により、膜の外表面に付加した孔径調整材２を可逆的に収縮させる。なお、膜モジュール１３内の温度が以下の工程中でＬＣＳＴ以上を確保できる時点で、循環は停止して構わない。

本実施形態によれば、膜モジュール１３内の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方の条件を変化させることにより、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性によって、膜モジュール１３における膜の外表面の孔径調整材２で捕捉した溶質３を系外へ、効果的に排出することができる。

また、ヒータ２５により温めた処理水を膜モジュール１３の外側を介して循環させることで膜モジュール１３内の温度調整を行うので、温めた原水を有効に利用することができ、温める原水の量を節約することができる。

なお、上記説明では、温度調整した処理水を膜モジュール１３の外側を介して循環することで膜モジュール１３内の温度調整を行っているが、膜モジュール１３自体を外部から温度調整する方法であれば、上記説明の温度調整方法に限定するものではない。

（第５の実施形態の変形例）
図１７は本発明の第５の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。

図１７に示す膜ろ過システム１９０は、図１６に示した膜ろ過システム１８０に対し、膜モジュール１３の外側を循環する原水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２３と、洗浄水槽２４内の処理水の温度、ｐＨ値等を検知するためのセンサ２８と、センサ２３，２８で検知した値に応じて温度、ｐＨ値等を制御するための監視制御装置２１とを追加した構成である。

膜ろ過システム１９０における洗浄の手順は、上記膜ろ過システム１８０と同様であるが、監視制御装置２１は、上記逆圧水工程において、センサ２３，２８の検出結果により、膜モジュール１３内の温度またはｐＨの少なくともいずれか一つが所定の目標値になるように、ヒータ２５および薬品注入設備２６を制御する。ここで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用との和が最小となるように温度または薬品添加量の少なくともいずれか一つを制御することが好ましい。

第５の実施形態の変形例によれば、膜モジュール１３内の温度およびｐＨに応じて、温度または薬品添加量の少なくともいずれか一方を制御することで、温度を変化させる費用と薬品添加に要する費用を抑制しながら、物理的または化学的な環境変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料の特性を生かした効果的なろ過と洗浄を行うことができる。

（第６の実施形態）
図１８は第６の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜モジュールの一例を示している。

図１８に示すように、この膜モジュールは、平面状に形成された膜モジュールを複数積層して構成したものであり、図１８（ａ）に示すように、原水が平板面からモジュール内に流入すると、図１８（ｂ）に示すように、膜内を通過して膜ろ過水（処理水）となる。図１８に示す膜モジュールに装填される膜としては、図１に示した膜１０が用いられる。この膜モジュールは、原水が流入している槽（開放型または密閉型）に浸漬させた状態で使用することができる。

図１９は本発明の第６の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

図１９に示す膜ろ過システム２００は、図１８に示した構成の膜モジュール５５を、原水が流入している槽（開放型または密閉型）に浸漬させた構成を示しており、原水を導く導水ポンプ５１と、導水ポンプ５１によって導かれた原水を一時貯水する原水槽５２と、原水槽５２内の原水を膜浸漬槽５４に供給する原水ポンプ５３と、原水ポンプ５３によって導水された原水をろ過する膜浸漬槽５４と、この膜浸漬槽５４内に浸漬された膜モジュール５５と、膜ろ過後の処理水を吸引する吸引ポンプ５６と、吸引ポンプ５６で吸引された処理水を貯水する処理水槽５７と、処理水槽５７内の原水を所定温度に加熱するためのヒータ５８とを備えている。また、原水槽５２の原水温度を測定する温度計５９と、原水槽５２内の原水を所定温度に加熱するためのヒータ６０とを備えている。さらに、処理水槽５７内に貯水された処理水の一部を洗浄水として導入して貯水する洗浄水槽６１と、この洗浄水槽６１内の洗浄水の温度を測定する温度計６２と、洗浄水槽６１内に貯水された洗浄水を所定温度に加熱するヒータ６３と、洗浄水槽６１内の洗浄水を膜モジュール５５に供給する逆洗水ポンプ６４とを備えている。さらに、膜浸漬槽５４内の原水を加熱するヒータ６５と、膜浸漬槽５４に導入される原水自体を加熱するヒータ６６と、逆洗時に洗浄水を加熱するヒータ６７とを備えている。加えて、原水槽５２にｐＨ調整のための薬品を注入する薬品注入設備６８も備えている。なお、図中Ｖ３１〜Ｖ４１は各配管に設けられたバルブを示す。

図１９に示す膜ろ過システム２００において、原水は導水ポンプ５１によって原水槽５２へ導かれている。原水ポンプ５３によって膜浸漬槽５４へ原水が導入され、膜モジュール５５を透過した処理水は、槽外に配置された吸引ポンプ５６によって処理水槽５７内に吸引される。この場合、原水は、水位差方式または吸引方式、およびこれらの併用により生じる膜差圧により、膜を透過する。

そして、洗浄時には、原水槽５２に薬品を添加し、ヒータ６０，６５，６６のいずれか、またはそれらの組み合わせによって膜浸漬槽５４内の原水温度を加温した後、逆洗水ポンプ６４から供給される洗浄水をヒータ５８，６３，６７のいずれかまたはそれらの組み合わせで２５〜６０℃に加温して膜モジュール５５に供給して洗浄処理を実行する。すなわち、原水側での加熱は、ヒータ６０，６５，６６のいずれかあるいはそれらの組み合わせで行い、処理水側での加熱はヒータ５８，６３，６７のいずれかあるいはそれらの組み合わせで行う。

このように、物理的または化学的な環境変化に応答性を有する膜から構成された膜モジュール５５を原水が流入している膜浸漬槽５４に浸漬させることによって、簡素なシステムを構成でき、また膜の交換が容易となり、膜供給水の濁度が高い場合にあっても安定した運転を実行することができる。

なお、図１９においては、原水側での加熱は、ヒータ６０，６５，６６で構成し、処理水側での加熱はヒータ５８，６３，６７で構成するようにしたが、これに限定されるものではない。すなわち、原水側では原水槽５２内の原水を加熱するヒータ６０、原水槽５２から膜浸漬槽５４に供給される原水を加熱するヒータ６６、または膜浸漬槽５４内の原水を加熱するヒータ６５の少なくともいずれかを備える構成であればよい。また、処理水側では、洗浄水槽６１内の処理水を加熱するヒータ６３、処理水槽５７内の処理水を加熱するヒータ５８、または膜浸漬槽５４に供給される処理水を加熱するヒータ６７の少なくともいずれかを備える構成であればよい。また、薬品注入設備６８が原水槽５２の替わりに洗浄水槽６１に薬品を注入するように構成してもよい。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜を示す断面構成図である。図１に示す膜における伸縮率と液温との関係を示す説明図である。図１に示す膜の表面構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜モジュールの一例であるケーシング収納型・円筒状膜モジュールの概略構成図である。本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。本発明に係る膜ろ過システムにおけるろ過処理を説明するための図である。本発明に係る膜ろ過システムにおける物理洗浄の一例を説明するための図である。本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。本発明の第２の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。本発明の第２の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。本発明の第３の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。本発明に係る膜ろ過システムにおける物理洗浄の他の一例を説明するための図である。本発明の第３の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。本発明の第４の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。本発明の第４の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。本発明の第５の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。本発明の第５の実施形態に係る膜ろ過システムの変形例を示す構成図である。本発明の第６の実施形態に係る膜ろ過システムで用いる膜モジュールの一例である平膜モジュールの概略構成図である。本発明の第６の実施形態に係る膜ろ過システムを示す構成図である。

符号の説明

１膜基体
２孔径調整材
３溶質
１０膜
１１原水槽
１２，２２原水ポンプ
１３膜モジュール
１４処理水槽
１５，２４洗浄水槽
１６，２５ヒータ
１７，２６薬品注入設備
１８コンプレッサ
１９，２０，２３，２８センサ
２１監視制御装置
２７，２９逆洗水ポンプ
５１導水ポンプ
５２原水槽
５３原水ポンプ
５４膜浸漬槽
５５膜モジュール
５６吸引ポンプ
５７処理水槽
５８，６０，６３，６５〜６７ヒータ
５９，６２温度計
６１洗浄水槽
６４逆洗水ポンプ
６８薬品注入設備
１００〜１９０膜ろ過システム

Claims

複数の貫通孔を有する膜基体と、この膜基体の外表面側に温度およびｐＨの変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とを有する膜を容器に充填して一体化してなり、供給された原水を膜ろ過し、処理水として排出する膜モジュールと、
前記原水または前記処理水を前記膜モジュール内に供給して前記膜の洗浄を行う洗浄手段と、
前記孔径調整材の周囲の温度およびｐＨを変化させることにより、前記膜ろ過時は前記孔径調整材を膨張させ、前記洗浄時は前記孔径調整材を収縮させる条件可変手段とを備え、
前記条件可変手段は、前記洗浄時において、前記孔径調整材の周囲の温度を調整するために、前記原水または前記処理水の一部を、温度を調整しつつ前記膜モジュールの周囲を介して循環させることを特徴とする膜ろ過システム。
前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方を検知する検知手段と、
前記検知手段による検知結果に応じて、前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方が所定の目標値になるように前記条件可変手段を制御する制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の膜ろ過システム。
複数の貫通孔を有する膜基体と、この膜基体の外表面側に温度およびｐＨの変化に応答して可逆的に膨張／収縮する高分子材料を付加した孔径調整材とを有する膜を容器に充填して一体化してなり、供給された原水を膜ろ過し、処理水として排出する膜モジュールを備える膜ろ過システムにおける膜の洗浄方法であって、
前記原水または前記処理水の一部のｐＨを変化させる工程と、
ｐＨが変化した前記原水または前記処理水を前記膜モジュール内に供給するとともに、前記原水または前記処理水の一部を、温度を調整しつつ前記膜モジュールの周囲を介して循環させることにより前記前記孔径調整材の周囲の温度を変化させて、前記孔径調整材を収縮させる工程と、
前記膜モジュール内に供給された水を排出する工程と
を含むことを特徴とする膜の洗浄方法。
前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方を検知する工程と、
前記検知する工程における検知結果に応じて、前記孔径調整材の周囲の温度またはｐＨの少なくともいずれか一方が所定の目標値になるように調整する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の膜の洗浄方法。