JP7699084B2 - METHOD FOR EVALUATING MEMBRANE CLOUDDING PROPERTY OF COAGULATED WATER, COAGULATION MEMBRANE FILTRATION METHOD, AND COAGULATION MEMBRANE FILTRATION SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、凝集処理水の膜閉塞性評価方法、凝集膜ろ過方法、および凝集膜ろ過システムに関し、特に、凝集膜ろ過プロセスの途中で生じる凝集処理水の膜閉塞性評価方法、この方法を利用する凝集膜ろ過方法および凝集膜ろ過システムに関する。 The present invention relates to a method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water, a coagulation membrane filtration method, and a coagulation membrane filtration system, and in particular to a method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water that occurs during the coagulation membrane filtration process, and a coagulation membrane filtration method and coagulation membrane filtration system that utilize this method.
従来、浄水処理では固液分離プロセスとして砂ろ過が主流であったが、近年では、より高度な固液分離が期待できる精密ろ過膜(MF膜)や限外ろ過膜(UF膜)を用いた低圧膜ろ過法の導入が進んでいる。 Traditionally, sand filtration has been the mainstream solid-liquid separation process in water purification, but in recent years, low-pressure membrane filtration methods using microfiltration membranes (MF membranes) and ultrafiltration membranes (UF membranes), which are expected to achieve a higher level of solid-liquid separation, have been increasingly introduced.
例えば、中大規模の浄水場の老朽化に伴う更新設備に膜ろ過を適用するケースが多くなっているが、その場合、水道原水として河川水などの表流水を利用しているため、色度成分などの溶解性物質除去の観点から膜前処理として凝集処理を組み合わせる場合が多い。 For example, membrane filtration is increasingly being applied to equipment upgrades to aging medium- to large-scale water purification plants. In such cases, since surface water such as river water is used as the raw water for the water supply, coagulation treatment is often combined as a membrane pretreatment process to remove soluble substances such as color components.
膜前処理としての凝集処理は、膜ろ過法の課題の一つである有機性膜汚染の原因物質であるバイオポリマーの低減にも有効であるが、一方で、残留凝集剤による膜汚染の問題が生じる。特に、浄水処理における凝集では、ポリ塩化アルミニウム(PACl)や硫酸バンド(Alm)などのアルミニウム系凝集剤が用いられるため、凝集処理水中に存在する残留アルミニウムが膜汚染の原因物質となる。 Coagulation treatment as a membrane pretreatment is also effective in reducing biopolymers, which are a cause of organic membrane fouling, one of the issues with membrane filtration, but it also causes the problem of membrane fouling due to residual coagulants. In particular, aluminum-based coagulants such as polyaluminum chloride (PACl) and aluminum sulfate (Alm) are used for coagulation in water purification treatment, and residual aluminum present in the coagulated water is a cause of membrane fouling.
凝集処理水中の残留アルミニウムは、μmオーダーのマイクロレベルのアルミニウム粒子、0.45μmの膜でろ過可能な溶解性アルミニウム、および数nm~数十nmオーダーであるがその正電荷の影響で負電荷を有する上記0.45μmの膜をほとんど透過しないナノアルミニウム粒子に分けられる。このうち、マイクロレベルのアルミニウム粒子はマイクロフロックなどの粗大粒子へ取り込まれた形態であり、このマイクロフロックは膜の物理的な篩分け効果で除去が可能であるので問題にならないが、ナノアルミニウム粒子が膜閉塞の原因となるため、凝集処理水中のナノアルミニウム粒子の存在を知ることが凝集処理水の膜汚染性を把握する上で重要である。 Residual aluminum in coagulation treated water can be divided into micro-level aluminum particles on the order of μm, soluble aluminum that can be filtered through a 0.45 μm membrane, and nano-aluminum particles on the order of several nm to several tens of nm that have a negative charge due to their positive charge and barely pass through the 0.45 μm membrane. Of these, micro-level aluminum particles are in a form that is incorporated into coarse particles such as microflocs, and these microflocs are not a problem because they can be removed by the physical sieving effect of the membrane, but nano-aluminum particles cause membrane blockage, so knowing the presence of nano-aluminum particles in coagulation treated water is important in understanding the membrane fouling potential of coagulation treated water.
特許文献1は、本願出願人による特許出願に係る特許文献であり、凝集膜ろ過による浄水処理において、被処理水の急速撹拌プロセスの水理学的滞留時間を緩速撹拌プロセスの水理学的滞留時間以上とすることを開示する。凝集処理水からのナノアルミニウム粒子の除去は、それがマイクロフロックなどの粗大粒子への衝突・取り込みであるフロック形成過程で生じるものであるところ、特許文献1の発明によれば、ナノアルミニウム粒子のサブマイクロフロックおよびマイクロフロックへの取り込みが促進され、凝集処理水中に残留するナノアルミニウム粒子を効果的に低減させることが可能となる。
特許文献2は、ナノアルミニウム粒子(20~500nm程度と報告されている)のゼータ電位を計測制御して膜汚染を抑制する試みを提案する。具体的には、膜処理に供する被膜ろ過水に電磁波を照射し、電磁波の照射後に凝集剤と混和してフロックを形成し、このフロックを含む前処理水中のメソ粒子(すなわち、ナノアルミニウム粒子)のゼータ電位を測定し、測定されたメソ粒子のゼータ電位が0mVに近づくように照射する電磁波の性状を制御するものである。特許文献2の発明によれば、膜ろ過した際に膜ファウリングの発生を十分に抑制することが可能な前処理水が得られる。 Patent Document 2 proposes an attempt to suppress membrane fouling by measuring and controlling the zeta potential of nanoaluminum particles (reported to be about 20 to 500 nm). Specifically, the method irradiates electromagnetic waves to membrane-filtered water to be subjected to membrane treatment, mixes the water with a coagulant after the electromagnetic wave irradiation to form flocs, measures the zeta potential of meso particles (i.e., nanoaluminum particles) in the pretreated water containing the flocs, and controls the properties of the irradiated electromagnetic waves so that the measured zeta potential of the meso particles approaches 0 mV. According to the invention of Patent Document 2, pretreated water can be obtained that can sufficiently suppress the occurrence of membrane fouling when filtered through a membrane.
特許文献1の発明によれば、凝集処理水中に残留するナノアルミニウム粒子を効果的に低減させることが可能となるものの、ナノアルミニウム粒子濃度を実際に測定したわけではない。
According to the invention of
特許文献2では、メソ粒子(ナノアルミニウム粒子)のゼータ電位を測定しているが、ゼータ電位測定装置などのナノ粒子計は非常に高価で熟練した分析技術が必要であり、また、基本的には計装向けの測定装置ではないため、実際の水処理設備に適用することは現実的ではない。 In Patent Document 2, the zeta potential of meso particles (nano aluminum particles) is measured, but nanoparticle meters such as zeta potential measuring devices are very expensive and require skilled analytical techniques. In addition, they are not basically measuring devices for instrumentation, so it is not practical to apply them to actual water treatment facilities.
加えて、ナノ粒子計の使用においては、測定ターゲット粒子よりも大きい粗大粒子の妨害抑制を目的として前処理に遠心分離処理や膜ろ過処理を行うことが多いが、遠心分離処理や膜ろ過処理により評価するべきナノアルミニウム粒子が除去されるので、分析評価の目的によっては前処理条件の慎重な選択が必要であることも指摘されている。また、このことは、ナノアルミニウム粒子が凝集沈降やと粗大粒子の衝突、いわゆるフロック形成がナノ粒子除去ポテンシャルを有することを示唆していることにもなる(非特許文献1)。 In addition, when using nanoparticle counters, centrifugation and membrane filtration are often used as pretreatment to suppress interference from coarse particles larger than the measurement target particles. However, because the nanoaluminum particles to be evaluated are removed by centrifugation and membrane filtration, it has been pointed out that careful selection of pretreatment conditions is necessary depending on the purpose of the analysis and evaluation. This also suggests that the aggregation and settling of nanoaluminum particles and the collision of coarse particles, known as floc formation, have the potential to remove nanoparticles (Non-Patent Document 1).
さらに、従来の砂ろ過とは異なり、膜ろ過では沈殿池は不要であるので、凝集処理水がそのまま膜供給水となるが、この場合、上述のマイクロレベルのアルミニウム粒子、ナノアルミニウム粒子および溶解性アルミニウムが膜供給水中に混在しており、この中から膜閉塞の原因となるナノアルミニウム粒子のアルミニウム濃度を求めることは非常に困難である。 Furthermore, unlike conventional sand filtration, membrane filtration does not require a settling tank, so the coagulated treated water becomes the membrane supply water as is. In this case, however, the above-mentioned micro-level aluminum particles, nano-aluminum particles, and soluble aluminum are mixed in the membrane supply water, and it is extremely difficult to determine the aluminum concentration of the nano-aluminum particles that cause membrane blockage.
ナノアルミニウム粒子のアルミニウム濃度を求めることができなければ、実際に凝集膜ろ過を行い、ろ過抵抗の上昇を見ながら膜ろ過条件を制御するか、あるいは、事前に浄水設備に用いる膜と同一の物性を有する膜を備える実験設備を利用して膜ろ過を行い、凝集処理水のろ過定数を求めることでその凝集処理水の膜閉塞性を評価するということになる。しかしながら、前者であれば事前に凝集処理水の膜閉塞性を評価できないし、後者であれば凝集処理水の膜閉塞性の評価のための別の評価設備が必要となるし、評価のための時間もかかる。 If it is not possible to determine the aluminum concentration of nanoaluminum particles, one can actually perform coagulation membrane filtration and control the membrane filtration conditions while observing the increase in filtration resistance, or one can perform membrane filtration in advance using experimental equipment equipped with a membrane with the same physical properties as the membrane used in the water purification equipment, and evaluate the membrane clogging potential of the coagulation treated water by determining the filtration constant of the coagulation treated water. However, in the former case, it is not possible to evaluate the membrane clogging potential of the coagulation treated water in advance, and in the latter case, separate evaluation equipment is required to evaluate the membrane clogging potential of the coagulation treated water, and the evaluation takes time.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、凝集膜ろ過に際し、別設備で凝集処理水の膜閉塞性の評価を行うことなく、現場で簡単且つ迅速に凝集処理水の膜閉塞性を評価し得る凝集膜ろ過方法および凝集膜ろ過システムを提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a coagulation membrane filtration method and a coagulation membrane filtration system that can easily and quickly evaluate the membrane clogging of coagulation treated water on-site without having to evaluate the membrane clogging of the coagulation treated water in a separate facility.
また、本発明の目的は、凝集膜ろ過に際し、簡単且つ迅速に凝集処理水の膜閉塞性を評価し得る凝集処理水の膜閉塞性評価方法を提供することにもある。 Another object of the present invention is to provide a method for evaluating the membrane clogging of coagulation-treated water, which can easily and quickly evaluate the membrane clogging of the coagulation-treated water during coagulation membrane filtration.
発明者らは、上記目的の達成に向け、鋭意検討したところ、マイクロレベルのアルミニウム粒子、ナノアルミニウム粒子、溶解性アルミニウムが混在する凝集処理水中から膜閉塞の原因物質であるナノアルミニウム粒子を測定するにあたり、凝集処理水の一部を静置沈降させた上澄水中にはナノアルミニウム粒子および溶解性アルミニウムのみが存在し、マイクロレベルのアルミニウム粒子が存在しないこと、ならびに膜ろ過後の膜ろ過水には溶解性アルミニウムしか存在しないことに着目した。 The inventors conducted extensive research to achieve the above-mentioned objective, and noticed that when measuring nano-aluminum particles, which are the cause of membrane blockage, in coagulation-treated water containing a mixture of micro-level aluminum particles, nano-aluminum particles, and soluble aluminum, only nano-aluminum particles and soluble aluminum were present in the supernatant water obtained by leaving a portion of the coagulation-treated water to settle, but no micro-level aluminum particles were present, and that only soluble aluminum was present in the membrane-filtrated water after membrane filtration.
そして、凝集処理水中の上記上澄水のアルミニウム濃度と膜ろ過水中のアルミニウム濃度との差を求めることで、直接測定することが困難な凝集処理水中のナノアルミニウム粒子の濃度を簡単に算出し得ること、および算出された凝集処理水中のナノアルミニウム粒子の濃度がその凝集処理水を分離膜で膜ろ過する場合の見かけのケーキろ過定数と有意な相関があることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Then, the inventors discovered that by calculating the difference between the aluminum concentration of the supernatant water in the coagulation treated water and the aluminum concentration of the membrane filtered water, it is possible to easily calculate the concentration of nano-aluminum particles in the coagulation treated water, which is difficult to measure directly, and that the calculated concentration of nano-aluminum particles in the coagulation treated water has a significant correlation with the apparent cake filtration constant when the coagulation treated water is filtered through a separation membrane, thereby completing the present invention.
すなわち、上記目的は、被処理水に凝集剤を混和して凝集処理水を得る凝集処理工程と、前記凝集処理工程で得られた凝集処理水を精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択される分離膜で膜ろ過して膜ろ過水を得る膜ろ過工程と、前記凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と前記膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出するΔAl算出工程と、前記算出されたΔAlの値に基づき、前記凝集処理工程および前記膜ろ過工程の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更する運転条件変更工程と、を有することを特徴とする凝集膜ろ過方法により達成されることが見いだされた。 That is, it has been found that the above-mentioned object can be achieved by a coagulation membrane filtration method comprising: a coagulation treatment process in which a coagulant is mixed with the water to be treated to obtain coagulated treated water; a membrane filtration process in which the coagulated treated water obtained in the coagulation treatment process is subjected to membrane filtration using a separation membrane selected from a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane to obtain membrane filtered water; a ΔAl calculation process in which ΔAl is calculated, which is the difference between the aluminum concentration of the supernatant water of the coagulated treated water and the aluminum concentration of the membrane filtered water; and an operating condition change process in which the operating conditions of at least one of the coagulation treatment process and the membrane filtration process are changed from the operating conditions before the change based on the calculated ΔAl value.
本発明に係る浄水処理で生じた排水の処理方法の好ましい態様は以下の通りである。
(1)運転条件変更工程において、ΔAl算出工程で算出されたΔAlの値が0.5mg/Lを超える場合、ΔAlの値が0.5mg/L以下となるように凝集処理工程および膜ろ過工程の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更する。
(2)また、運転条件変更工程において、ΔAl算出工程で算出されたΔAlの値が0.3mg/Lを超える場合、ΔAlの値が0.3mg/L以下となるように凝集処理工程および膜ろ過工程の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更する。
(3)さらに、分離膜で凝集処理水を膜ろ過する場合の見かけのケーキろ過定数K2を算出する見かけのケーキろ過定数算出工程を有し、運転条件変更工程が、前記算出されたΔAlの値と前記算出されたK2の値とに基づき、凝集処理工程および膜ろ過工程の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更する。
A preferred embodiment of the method for treating wastewater generated in a water purification process according to the present invention is as follows.
(1) In the operating condition changing step, if the ΔAl value calculated in the ΔAl calculation step exceeds 0.5 mg/L, the operating conditions of at least one of the coagulation treatment step and the membrane filtration step are changed from the operating conditions before the change so that the ΔAl value becomes 0.5 mg/L or less.
(2) In addition, in the operating condition changing step, if the value of ΔAl calculated in the ΔAl calculation step exceeds 0.3 mg/L, the operating conditions of at least one of the coagulation treatment step and the membrane filtration step are changed from the operating conditions before the change so that the value of ΔAl becomes 0.3 mg/L or less.
(3) The method further includes an apparent cake filtration constant calculation step of calculating an apparent cake filtration constant K2 when the coagulation treated water is subjected to membrane filtration with a separation membrane, and an operating condition changing step of changing the operating conditions of at least one of the coagulation treatment step and the membrane filtration step from the operating conditions before the change, based on the calculated ΔAl value and the calculated K2 value.
また、上記目的は、凝集剤を添加した被処理水に対して凝集処理を行い、凝集処理水を得る凝集処理手段と、前記凝集処理手段で得られた前記凝集処理水を精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択される分離膜で膜ろ過して膜ろ過水を得る膜ろ過手段と、前記凝集処理水の上澄水中のアルミニウム濃度を測定する第一測定手段と、前記膜ろ過水中のアルミニウム濃度を測定する第二測定手段と、を有する凝集膜ろ過システムであって、
前記第一測定手段により測定された前記凝集処理水の上澄水中のアルミニウム濃度と前記第二測定手段により測定された前記膜ろ過水中のアルミニウム濃度との差であるΔAlの値を算出し、前記算出したΔAlの値に基づき、前記凝集処理手段および膜ろ過手段の少なくとも一方の運転条件の、変更前の運転条件からの変更を制御する制御部と、をさらに有することを特徴とする凝集膜ろ過システムによっても達成することができる。
The above object is to provide a coagulation membrane filtration system having a coagulation treatment means for performing coagulation treatment on water to be treated to which a coagulant has been added to obtain coagulated treated water, a membrane filtration means for membrane filtering the coagulated treated water obtained by the coagulation treatment means using a separation membrane selected from a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane to obtain membrane filtered water, a first measurement means for measuring the aluminum concentration in the supernatant of the coagulated treated water, and a second measurement means for measuring the aluminum concentration in the membrane filtered water,
This can also be achieved by a coagulation membrane filtration system further comprising: a control unit that calculates a value of ΔAl which is the difference between the aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water measured by the first measuring means and the aluminum concentration in the membrane filtered water measured by the second measuring means, and controls a change in the operating conditions of at least one of the coagulation treatment means and the membrane filtration means from the operating conditions before the change based on the calculated value of ΔAl.
さらに、上記目的は、被処理水に対する凝集処理により得られる凝集処理水を膜ろ過する凝集膜ろ過に際し、前記凝集処理水の膜閉塞性を評価する凝集処理水の膜閉塞性評価方法であって、
前記凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と前記膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出するΔAl算出工程と、前記算出されたΔAlの値に基づき、前記凝集処理水の膜閉塞性を評価する膜閉塞性評価工程と、を有することを特徴とする凝集処理水の膜閉塞性評価方法によっても達成することができる。
Further, the above object is to provide a method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water, which evaluates membrane clogging of the coagulation-treated water obtained by coagulation treatment of water to be treated,
This can also be achieved by a method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water, which comprises a ΔAl calculation step of calculating ΔAl, which is the difference between the aluminum concentration of the supernatant water of the coagulation-treated water and the aluminum concentration of the membrane-filtrated water, and a membrane clogging evaluation step of evaluating the membrane clogging of the coagulation-treated water based on the calculated ΔAl value.
本発明によれば、凝集処理水中のナノアルミニウム粒子濃度を別の膜ろ過設備などを準備することなくΔAlとして簡単且つ迅速に算出することができる。また、このΔAlは凝集処理水を分離膜で膜ろ過する場合の見かけのケーキろ過定数K2と有意な相関があることから、浄水処理の現場で簡単且つ迅速にΔAlを指標として凝集処理水の膜閉塞性を評価することができる。 According to the present invention, the nanoaluminum particle concentration in the coagulation treated water can be calculated simply and quickly as ΔAl without the need for separate membrane filtration equipment. In addition, since this ΔAl has a significant correlation with the apparent cake filtration constant K2 when the coagulation treated water is subjected to membrane filtration using a separation membrane, it is possible to easily and quickly evaluate the membrane clogging of the coagulation treated water at the water purification site using ΔAl as an indicator.
<凝集膜ろ過方法>
本発明の凝集膜ろ過方法は、浄水処理の固液分離プロセスとして実施される。本発明の凝集膜ろ過方法は、凝集処理工程と、膜ろ過工程と、ΔAl算出工程と、運転条件変更工程と、を有する。以下、図1~図4を参照して説明する。図1は本発明の凝集膜ろ過方法を説明するためのフローチャートであり、図2(a)はケーキろ過の閉塞モデル図であり、同図(b)はろ材(円管の束)上の堆積粒子pによる抵抗増加を、円管tが長くなったことに置き換えて説明するモデル図であり、図3は本発明の凝集膜ろ過方法の運転条件変更工程の第一の例を示すフローチャートであり、図4は本発明の凝集膜ろ過方法の運転条件変更工程の第二の例を示すフローチャートである。
[凝集処理工程(S100)]
本工程では、被処理水に凝集剤を混和して凝集処理水を得る。被処理水には水道原水が用いられる。水道原水は、例えば、河川水、地下水、ダム湖水、湖沼水、伏流水、地下水などが挙げられる。
<Coagulation membrane filtration method>
The coagulation membrane filtration method of the present invention is carried out as a solid-liquid separation process for water purification. The coagulation membrane filtration method of the present invention includes a coagulation treatment step, a membrane filtration step, a ΔAl calculation step, and an operating condition change step. Hereinafter, the method will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 1 is a flow chart for explaining the coagulation membrane filtration method of the present invention, FIG. 2(a) is a model diagram of a cake filtration blockage, and FIG. 2(b) is a model diagram for explaining an increase in resistance due to deposited particles p on a filter medium (a bundle of circular tubes) by replacing it with an increase in the length of the circular tubes t, FIG. 3 is a flow chart showing a first example of an operating condition change step of the coagulation membrane filtration method of the present invention, and FIG. 4 is a flow chart showing a second example of an operating condition change step of the coagulation membrane filtration method of the present invention.
[Aggregation treatment step (S100)]
In this process, a flocculant is mixed with the water to be treated to obtain flocculated treated water. Raw water for water supply is used as the water to be treated. Examples of raw water for water supply include river water, groundwater, reservoir water, lake water, underground water, and groundwater.
本発明において、凝集剤は、アルミニウム系凝集剤であり、例えば、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンドなどが挙げられる。なお、本発明の具体的な実施に際し、アルミニウム系以外の無機凝集剤や、高分子凝集剤が別途添加されていてもよい。 In the present invention, the flocculant is an aluminum-based flocculant, such as polyaluminum chloride or aluminum sulfate. In the specific implementation of the present invention, inorganic flocculants other than aluminum-based flocculants or polymer flocculants may be added separately.
凝集剤の混和はインラインミキサーなどの配管中で行われてもよく、撹拌槽中の撹拌によって行われてもよい。好ましくは、凝集剤の混和は、前段の急速撹拌槽と後段の緩速撹拌槽との組み合わせを含む凝集処理部の前段の急速撹拌槽で実施される。アルミニウム系凝集剤である凝集剤の被処理水への混和により、マイクロレベルのアルミニウム粒子、ナノアルミニウム粒子および溶解性アルミニウムが混在する凝集処理水が得られる。 The mixing of the flocculant may be carried out in a pipe such as an in-line mixer, or by stirring in a stirring tank. Preferably, the mixing of the flocculant is carried out in a rapid stirring tank upstream of the flocculation treatment section, which includes a combination of a rapid stirring tank upstream and a slow stirring tank downstream. By mixing the aluminum-based flocculant with the water to be treated, flocculated treated water containing a mixture of micro-level aluminum particles, nano-aluminum particles, and soluble aluminum is obtained.
なお、既に述べたとおり、マイクロレベルのアルミニウム粒子とは、μmオーダーのアルミニウム粒子のことをいい、溶解性アルミニウムとは、0.45μmの膜でろ過可能なアルミニウムのことをいい、ナノアルミニウム粒子とは、数nm~数十nmオーダーであるがその正電荷の影響で負電荷を有する上記0.45μmの膜をほとんど透過しないナノアルミニウム粒子のことをいうものとする(以上、凝集処理工程(S100))。 As already mentioned, micron-level aluminum particles refer to aluminum particles on the order of μm, soluble aluminum refers to aluminum that can be filtered through a 0.45 μm membrane, and nano-aluminum particles refer to nano-aluminum particles on the order of several nm to several tens of nm that are negatively charged due to their positive charge and therefore hardly pass through the 0.45 μm membrane (above, the agglomeration process (S100)).
[膜ろ過工程(S110)]
本工程では、凝集処理工程(S100)で得られた凝集処理水を精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択される分離膜で膜ろ過して膜ろ過水を得る。
[Membrane filtration step (S110)]
In this step, the coagulation treated water obtained in the coagulation treatment step (S100) is subjected to membrane filtration using a separation membrane selected from a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane to obtain membrane filtered water.
上述のとおり、分離膜は精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択され、分離膜の種類は、高分子膜、無機膜、MF膜、UF膜のいずれでも構わないが、浸漬型膜モジュールが使用できる高分子膜、特に、物理的にも化学的にも強いPVDFを材質とする膜が好ましく、これも浸漬型膜モジュールが使用できるMF膜が好ましい。加えて、膜の形状は中空糸膜が容積効率的に好ましい。 As mentioned above, the separation membrane is selected from microfiltration membranes and ultrafiltration membranes, and the type of separation membrane may be any of polymer membranes, inorganic membranes, MF membranes, and UF membranes, but polymer membranes that can be used with immersion type membrane modules, particularly membranes made of physically and chemically strong PVDF, are preferred, and MF membranes that can also be used with immersion type membrane modules are preferred. In addition, a hollow fiber membrane is preferred for the membrane shape in terms of volume efficiency.
省エネルギの観点から水位差が利用できる孔径0.05μm以上の膜が好ましく、さらには、有機物による膜閉塞抑制の観点から、その最小径である0.05μmの膜が最適である。 From the viewpoint of energy conservation, a membrane with a pore size of 0.05 μm or more is preferable since it allows the use of the water level difference, and furthermore, from the viewpoint of preventing membrane clogging by organic matter, a membrane with a pore size of 0.05 μm, which is the smallest diameter, is optimal.
膜ろ過装置の構造は、ケーシング型でも槽浸漬型のいずれでも構わないが、高濁度原水への適用性が高い、槽浸漬型の方が好ましい。 The structure of the membrane filtration device can be either a casing type or a tank-immersed type, but the tank-immersed type is preferred as it is more applicable to raw water with high turbidity.
膜ろ過して得られた膜ろ過水は、処理水槽(図示しない)に処理水としてある程度の時間滞留させ、浄水として使用される(以上、膜ろ過工程(S110))。 The membrane filtered water obtained by membrane filtration is retained as treated water in a treatment water tank (not shown) for a certain period of time and used as purified water (this concludes the membrane filtration process (S110)).
[ΔAl算出工程(S120)]
本工程では、凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出する。
[ΔAl calculation step (S120)]
In this step, ΔAl, which is the difference between the aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water and the aluminum concentration in the membrane filtered water, is calculated.
まず、ΔAlの算出に先立ち、凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度および膜ろ過水のアルミニウム濃度を測定する。 First, prior to calculating ΔAl, the aluminum concentration of the supernatant water of the coagulation treated water and the aluminum concentration of the membrane filtered water are measured.
凝集処理水の上澄水は、凝集処理工程(S100)で得られた凝集処理水を、500ml容積のビーカーなどの容器に採取し、3~5分間静置してフロックを沈降させ、水面上部の20mL程度をデジタルピペットで採水することにより得ることが好ましい。この手順で凝集処理水の上澄水を採水することで、粗大粒子とナノアルミニウム粒子を含むナノ粒子群とを分離することができる。 The supernatant of the coagulation-treated water is preferably obtained by collecting the coagulation-treated water obtained in the coagulation treatment step (S100) in a container such as a 500 ml beaker, leaving it to stand for 3 to 5 minutes to allow the flocs to settle, and then collecting approximately 20 mL of the water above the water surface with a digital pipette. By collecting the supernatant of the coagulation-treated water using this procedure, it is possible to separate the coarse particles from the nanoparticle group containing nanoaluminum particles.
凝集処理水の静置時間は、3分未満だと粗大粒子の沈降が不十分であり、3~5分の範囲であることが好ましく、5分がより好ましく、それより長いとナノアルミニウム粒子が凝集沈降する可能性があるので好ましくない。 If the flocculated water is left to stand for less than 3 minutes, the settling of coarse particles will be insufficient, so a setting time of 3 to 5 minutes is preferable, with 5 minutes being more preferable. If it is longer than that, the nanoaluminum particles may flocculate and settle, which is not preferable.
得られた凝集処理水の上澄水をアルミニウム濃度の測定に供する。 The supernatant water from the coagulation treatment is used to measure the aluminum concentration.
膜ろ過水は、膜ろ過工程(S110)で得られた膜ろ過水をそのままアルミニウム濃度の測定に供することができる。 The membrane filtered water obtained in the membrane filtration process (S110) can be used directly for measuring the aluminum concentration.
アルミニウム濃度の測定は、比色法(吸光光度法)、原子吸光法、ICP発光分光分析法およびICP質量分析法などにより実施することができるが、簡単且つ迅速にアルミニウム濃度を測定する観点から、比色法(吸光光度法)を採用することが好ましい。 The aluminum concentration can be measured by colorimetry (absorption spectrophotometry), atomic absorption spectrometry, ICP atomic emission spectrometry, ICP mass spectrometry, etc., but from the viewpoint of simple and rapid measurement of the aluminum concentration, it is preferable to use colorimetry (absorption spectrophotometry).
比色法(吸光光度法)によるアルミニウム濃度測定に際し、ポータブルアルミニウム測定器(品番:HI 96712、ハンナ インスツルメンツ社製)、アルミニウム測定器(品番:MF2PTM-7712H、シロ産業社製)など市販の測定機器を使用することもできるし、紫外可視分光光度計(品番:UVmini-1240、島津製作所製)など市販の分光光度計を用いる場合には、例えば、エリオクロムシアニンレッド試薬(ECR:Eriochrome Cyanine Red)を用いた吸光光度法により反応液の535nmの吸光度を計測することにより、求めるアルミニウムの濃度を得ることができる。 When measuring the aluminum concentration by colorimetry (spectrophotometric method), commercially available measuring equipment such as a portable aluminum meter (product number: HI 96712, manufactured by Hanna Instruments) or an aluminum meter (product number: MF2PTM-7712H, manufactured by Shiro Sangyo Co., Ltd.) can be used. When using a commercially available spectrophotometer such as an ultraviolet-visible spectrophotometer (product number: UVmini-1240, manufactured by Shimadzu Corporation), the desired aluminum concentration can be obtained by measuring the absorbance of the reaction solution at 535 nm using spectrophotometric method using, for example, Eriochrome Cyanine Red (ECR).
凝集処理水の上澄水および膜ろ過水のアルミニウム濃度の測定後、凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度から膜ろ過水のアルミニウム濃度を減算することでΔAlが得られる(以上、ΔAl算出工程(S120))。 After measuring the aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water and the membrane filtered water, ΔAl is obtained by subtracting the aluminum concentration in the membrane filtered water from the aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water (this is the ΔAl calculation step (S120)).
[(任意)見かけのケーキろ過定数(K2)算出工程(S130)]
本工程は任意工程であり、本工程では、分離膜で凝集処理水を膜ろ過する場合の見かけのケーキろ過定数(K2)を算出する。
[(Optional) Apparent cake filtration constant (K2) calculation step (S130)]
This step is an optional step, and in this step, an apparent cake filtration constant (K2) is calculated when the coagulated treated water is subjected to membrane filtration using a separation membrane.
見かけのケーキろ過定数(K2)の測定は、ケーキろ過の閉塞モデルに基づくケーキろ過式により行うことができる(例えば、角屋正人著、日本ポール株式会社 マーケティング・コミュニケーショングループ編集発行、2013 SPRING Pall News、117巻第10~第15頁を参照)。 The apparent cake filtration constant (K2) can be measured using a cake filtration equation based on a cake filtration clogging model (see, for example, Masato Kadoya, edited and published by Marketing and Communications Group, Nippon Pall Co., Ltd., SPRING Pall News, 2013, Vol. 117, pp. 10-15).
ケーキろ過の閉塞モデルとは、ろ材を均一な内径、長さを持った円管の束と仮定した場合、負荷した粒子が円管を塞ぐことなく、ろ材(円管の束)の表面に体積していくというモデルである。その場合、図2(a)に示すように、円管tの束上に負荷した粒子pの量に比例して、堆積粒子p(ケーキ層)の厚みが増していく。ここで、堆積粒子pによる抵抗増加は、図2(b)に示す円管tが長くなったことに置き換えられる。 The clogging model of cake filtration is a model in which, assuming that the filter medium is a bundle of circular tubes with uniform inner diameter and length, the loaded particles accumulate on the surface of the filter medium (bundle of circular tubes) without clogging the circular tubes. In this case, as shown in Figure 2(a), the thickness of the deposited particles p (cake layer) increases in proportion to the amount of particles p loaded on the bundle of circular tubes t. Here, the increase in resistance due to the deposited particles p can be replaced by the lengthening of the circular tubes t shown in Figure 2(b).
そして、ハーゲンポアズイユの式をろ材に適用し、上記ケーキろ過の閉塞モデルも考慮して計算を進めることにより、定圧ろ過の場合には、以下の式(1) Then, by applying the Hagen-Poiseuille equation to the filter medium and carrying out calculations while taking into account the above-mentioned cake filtration clogging model, the following equation (1) is obtained for constant pressure filtration.
定流量ろ過の場合には、以下の式(2)
を、それぞれ得ることができる。
In the case of constant flow rate filtration, the following formula (2)
can be obtained, respectively.
見かけのケーキろ過定数は凝集処理水の膜閉塞性を示す指標として知られていることから、後述する運転条件変更工程(S140)で運転条件の変更を判断するにあたり、本工程において凝集処理工程(S100)で得られた凝集処理水の見かけのケーキろ過係数K2を測定することで、ΔAlとK2とに基づきその凝集処理水の膜閉塞性をより多角的に判断することができる。 The apparent cake filtration constant is known as an index of membrane clogging of the coagulation-treated water. Therefore, when determining whether to change the operating conditions in the operating condition change step (S140) described below, the apparent cake filtration constant K2 of the coagulation-treated water obtained in the coagulation treatment step (S100) is measured in this step, and the membrane clogging of the coagulation-treated water can be determined from a more comprehensive perspective based on ΔAl and K2.
[運転条件変更工程(S140)]
本工程では、算出されたΔAlの値に基づき、凝集処理工程(S100)および膜ろ過工程(S110)の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更する。
[Operating condition changing step (S140)]
In this step, the operating conditions of at least one of the flocculation treatment step (S100) and the membrane filtration step (S110) are changed from the operating conditions before the change based on the calculated value of ΔAl.
変更の対象となる運転条件としては、凝集処理条件、膜ろ過条件などが挙げられる。 Operating conditions that may be subject to change include coagulation treatment conditions and membrane filtration conditions.
凝集処理条件としては、例えば、アルミニウム系の凝集剤の注入率、撹拌条件、pHが挙げられる。例えば、凝集処理水中のナノアルミニウム粒子の濃度が最も低くなるように、アルミニウム系の凝集剤の注入率、凝集pHを(最適値に)調整することができ、撹拌槽での撹拌時間を長くとることでナノアルミニウム粒子のマイクロフロックやサブマイクロフロックへの取り込みが促され、凝集処理水中のナノアルミニウム粒子の濃度を低下させることができる。 Examples of coagulation treatment conditions include the injection rate of the aluminum-based coagulant, mixing conditions, and pH. For example, the injection rate of the aluminum-based coagulant and the coagulation pH can be adjusted (to optimal values) so that the concentration of nano-aluminum particles in the coagulation treatment water is at its lowest, and extending the mixing time in the mixing tank promotes the incorporation of nano-aluminum particles into micro-flocs and sub-micro-flocs, thereby lowering the concentration of nano-aluminum particles in the coagulation treatment water.
膜ろ過条件としては、例えば、ろ過流速を下げる運転条件の変更が考えらえる。これによれば、膜閉塞に至るまで時間を長くすることができる。 As a membrane filtration condition, for example, it is possible to change the operating conditions to lower the filtration flow rate. This can extend the time until the membrane becomes clogged.
本工程の運転条件の変更の一例を、図3により説明する。図3に示すように、ステップS140-1において、ΔAlが0.5mg/L以下であるかどうかを判断する。ΔAlが0.5mg/L超である場合(NO判定)、ステップS140-2に移行する。ΔAlが0.5mg/L以下である場合(YES判定)、運転条件を変更することなく再び凝集処理工程(S100)に移行する。 An example of changing the operating conditions of this process is explained with reference to FIG. 3. As shown in FIG. 3, in step S140-1, it is determined whether ΔAl is 0.5 mg/L or less. If ΔAl is greater than 0.5 mg/L (NO judgment), the process proceeds to step S140-2. If ΔAl is 0.5 mg/L or less (YES judgment), the process proceeds again to the flocculation treatment process (S100) without changing the operating conditions.
ステップS140-2では、ΔAlの値を小さくするよう、運転条件を変更する。変更する運転条件としては、上述の凝集処理条件や膜ろ過条件を選択して実施することができる。運転条件変更後、再び凝集処理工程(S100)に移行する。 In step S140-2, the operating conditions are changed to reduce the value of ΔAl. The operating conditions to be changed can be selected from the above-mentioned coagulation treatment conditions or membrane filtration conditions. After the operating conditions are changed, the process proceeds again to the coagulation treatment step (S100).
さらに、運転条件の変更に際し、ΔAlの値だけでなく、見かけのケーキろ過定数(K2)の値も考慮することとしてもよい。以下、ΔAlに加えてK2の値を考慮する場合を、本工程の運転条件の変更の第二の例として図4により説明する。図4に示すように、ステップS140-3において、ΔAlが0.5mg/L以下であり、且つK2が10(1/m)以下であるかどうかを判断する。ΔAlが0.5mg/L超であり、且つK2が10(1/m)超である場合(NO判定)、ΔAlが0.5mg/L超であり且つK2が10(1/m)以下である場合(NO判定)、およびΔAlが0.5mg/L以下であり且つK2が10(1/m)超である場合(NO判定)、ステップS140-4に移行する。ΔAlが0.5mg/L以下であり且つK2が10(1/m)以下である場合(YES判定)、運転条件を変更することなく再び凝集処理工程(S100)に移行する。 Furthermore, when changing the operating conditions, not only the value of ΔAl but also the value of the apparent cake filtration constant (K2) may be taken into consideration. Below, the case where the value of K2 is taken into consideration in addition to ΔAl will be described with reference to FIG. 4 as a second example of changing the operating conditions of this process. As shown in FIG. 4, in step S140-3, it is determined whether ΔAl is 0.5 mg/L or less and K2 is 10 (1/m) or less. If ΔAl is more than 0.5 mg/L and K2 is more than 10 (1/m) (NO judgment), if ΔAl is more than 0.5 mg/L and K2 is 10 (1/m) or less (NO judgment), or if ΔAl is 0.5 mg/L or less and K2 is more than 10 (1/m) (NO judgment), the process proceeds to step S140-4. If ΔAl is 0.5 mg/L or less and K2 is 10 (1/m) or less (YES judgment), the process proceeds again to the flocculation treatment step (S100) without changing the operating conditions.
ステップS140-4では、ΔAlの値およびK2の値を小さくするよう、運転条件を変更する。変更する運転条件としては、既に述べた凝集処理条件や膜ろ過条件を選択して実施することができる。運転条件変更後、再び凝集処理工程(S100)に移行する。 In step S140-4, the operating conditions are changed to reduce the values of ΔAl and K2. The operating conditions to be changed can be selected from the coagulation treatment conditions and membrane filtration conditions already described. After the operating conditions are changed, the process moves back to the coagulation treatment step (S100).
したがって、本発明の凝集膜ろ過方法によれば、膜ろ過において膜閉塞の原因となる凝集剤由来のナノアルミニウム粒子濃度をΔAlとして簡単且つ迅速に算出することができ、このΔAlを凝集処理水の膜閉塞性の指標として用いることで浄水処理の現場で迅速に運転条件を変更し、凝集膜ろ過の運転条件を最適化することができる。 Therefore, according to the coagulation membrane filtration method of the present invention, the concentration of nanoaluminum particles derived from the coagulant that causes membrane clogging in membrane filtration can be easily and quickly calculated as ΔAl, and by using this ΔAl as an indicator of membrane clogging in the coagulation treated water, the operating conditions can be quickly changed at the water purification site and the operating conditions of the coagulation membrane filtration can be optimized.
さらに、ΔAlとK2とを凝集処理水の膜閉塞性の指標として併用することで、より正確に凝集処理水の膜閉塞性を評価することが可能となる。 Furthermore, by using ΔAl and K2 together as indicators of membrane clogging of the coagulation-treated water, it is possible to more accurately evaluate the membrane clogging of the coagulation-treated water.
なお、上記運転条件変更工程(S140)において、ΔAlが0.5mg/L超である場合に凝集膜ろ過の運転条件を変更することとしているが、凝集膜ろ過の安定運転の維持、経済性の観点からは、ΔAlが0.3mg/L超である場合に凝集膜ろ過の運転条件を変更することが好ましい。 In the above-mentioned operating condition changing step (S140), the operating conditions of the coagulation membrane filtration are changed when ΔAl exceeds 0.5 mg/L. However, from the viewpoint of maintaining stable operation of the coagulation membrane filtration and economic efficiency, it is preferable to change the operating conditions of the coagulation membrane filtration when ΔAl exceeds 0.3 mg/L.
また、ΔAl算出工程(S120)~運転条件変更工程(S140)までは、後述する凝集膜ろ過システムにあるように、制御部による制御の下で実行されてもよいが、凝集処理水の上澄水および膜ろ過水のアルミニウム濃度の測定、ΔAlの算出(さらに任意にK2の測定)、ならびにこのΔAl(およびK2)の値に基づく凝集膜ろ過の運転条件変更を人が行うこととしてもよい。 The steps from the ΔAl calculation step (S120) to the operating condition change step (S140) may be performed under the control of a control unit, as in the coagulation membrane filtration system described below, but the aluminum concentration of the supernatant water and membrane filtered water of the coagulation treatment water, the calculation of ΔAl (and optionally the measurement of K2), and the change of the operating conditions of the coagulation membrane filtration based on the value of ΔAl (and K2) may also be performed manually.
<凝集膜ろ過システム>
図5は、本発明の凝集膜ろ過システム10を説明するブロック図である。図示のように、本発明の凝集膜ろ過システム10は、凝集剤2を添加した被処理水1に対して凝集処理を行い、凝集処理水3を得る凝集処理手段12と、膜ろ過手段14と、第一測定手段16と、第二測定手段18と、制御部20と、を有する。
<Coagulation membrane filtration system>
5 is a block diagram illustrating the coagulation
被処理水1、凝集剤2、および凝集処理水3については、上記凝集膜ろ過方法のものと同様であるので、ここではその説明を省略する。
The treated
凝集処理手段12としては、例えば、インラインミキサー、撹拌手段を備えた撹拌槽を挙げることができる。凝集処理手段12は、急速撹拌槽および急速撹拌槽の後段に位置する緩速撹拌槽を備えることが好ましい。 Examples of the flocculation treatment means 12 include an in-line mixer and a stirring tank equipped with a stirring means. It is preferable that the flocculation treatment means 12 is equipped with a rapid stirring tank and a slow stirring tank located downstream of the rapid stirring tank.
凝集剤2は凝集処理手段12よりも前段の位置または凝集処理手段12で凝集剤注入装置(図示せず)により被処理水1中に注入される。なお、図5では、凝集処理手段12で凝集剤2が被処理水1に注入されている。
The flocculant 2 is injected into the
凝集処理手段12が急速撹拌槽および急速撹拌槽の後段に位置する緩速撹拌槽を備える場合、急速撹拌槽は一槽でもよく、複数槽が直列に配置されたものであってもよい。複数槽である場合、三槽以下であることが好ましく、特に急速撹拌槽が三槽であることが好ましい。急速撹拌の撹拌強度は、水道施設設計指針2012による撹拌強度(速度勾配)G値で考えると、100 1/s以上であり、緩速撹拌槽のG値は10~75 1/sの範囲である。 When the coagulation treatment means 12 is equipped with a rapid mixing tank and a slow mixing tank located downstream of the rapid mixing tank, the rapid mixing tank may be a single tank, or multiple tanks may be arranged in series. If there are multiple tanks, it is preferable that there are three tanks or less, and it is particularly preferable that there are three rapid mixing tanks. The mixing strength of the rapid mixing is 100 1/s or more, when considered in terms of the mixing strength (speed gradient) G value according to the Waterworks Facility Design Guidelines 2012, and the G value of the slow mixing tank is in the range of 10 to 75 1/s.
凝集処理手段12においてアルミニウム系凝集剤である凝集剤2を添加した被処理水1に対して凝集処理が施されることで、マイクロレベルのアルミニウム粒子、ナノアルミニウム粒子および溶解性アルミニウムが混在する凝集処理水3が得られる。
In the coagulation treatment means 12, coagulation treatment is performed on the treated
膜ろ過手段14は、凝集処理手段12で得られた凝集処理水3を精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択される分離膜で膜ろ過して膜ろ過水4を得る手段である。分離膜の種類、孔径などの分離膜の情報については、上記凝集膜ろ過方法において説明済みであり、ここではその説明を省略する。 The membrane filtration means 14 is a means for membrane filtering the coagulated treated water 3 obtained by the coagulation treatment means 12 using a separation membrane selected from a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane to obtain membrane filtered water 4. Information about the separation membrane, such as the type and pore size, has already been explained in the coagulation membrane filtration method described above, and will not be explained here.
第一測定手段16は、凝集処理水3の上澄水中のアルミニウム濃度を測定する手段であり、第二測定手段18は、膜ろ過水4中のアルミニウム濃度を測定する手段である。 The first measuring means 16 is a means for measuring the aluminum concentration in the supernatant of the coagulation treated water 3, and the second measuring means 18 is a means for measuring the aluminum concentration in the membrane filtered water 4.
第一測定手段16および第二測定手段18としては、上記凝集膜ろ過方法において説明した機器を適宜に使用することができる。第一測定手段16および第二測定手段18は、後述する制御部20により制御される。
As the first measuring means 16 and the second measuring means 18, the devices described in the above coagulation membrane filtration method can be used as appropriate. The first measuring means 16 and the second measuring means 18 are controlled by the
制御部20は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等を備えたコンピュータである。制御部20は、ROMに記憶させたプログラムをRAM上に展開して対応する処理をCPUに実行させる。なお、上記プログラムはROMに記憶されている場合に限らず、NVRAM(Non-Volatile Randam Access Memory)に記憶されていればよい。
The
制御部20は、第一測定手段16により測定された凝集処理水3の上澄水中のアルミニウム濃度と第二測定手段18により測定された膜ろ過水4中のアルミニウム濃度との差であるΔAlの値を算出し、算出したΔAlの値に基づき、凝集処理手段12および膜ろ過手段14の少なくとも一方の運転条件の、変更前の運転条件からの変更を制御する。
The
ΔAlの算出方法は、制御部20がΔAlの算出を行うことに限定されている点を除けば上記凝集膜ろ過方法のΔAl算出工程(S120)と変わるところが無いので、ここではその説明を省略する。
The method for calculating ΔAl is the same as the ΔAl calculation step (S120) of the coagulation membrane filtration method described above, except that the
ΔAlの算出後、制御部20は、上記凝集膜ろ過方法の運転条件変更工程(S140)の第一の例で述べたように、ΔAlが所定の値に達しているかどうかを判断し、所定の値を超えていれば凝集処理手段12および膜ろ過手段14の少なくとも一方に信号を送ってその運転条件を変更させ、前記所定の値を超えていなければ信号を送らず、したがってその運転条件は変更されない。
After calculating ΔAl, the
凝集処理手段12および膜ろ過手段14の少なくとも一方の運転条件の種類は、上記凝集膜ろ過方法の運転条件変更工程(S140)と同じものであり、ここではその説明を省略する。 The types of operating conditions for at least one of the coagulation treatment means 12 and the membrane filtration means 14 are the same as those in the operating condition change step (S140) of the coagulation membrane filtration method described above, and so a description thereof will be omitted here.
また、運転条件変更後、または運転条件を変更しないことの決定後、制御部20による制御は終了してもよいし、あるいは所定時間をおいて再びΔAlを算出し、その結果に基づいて凝集処理手段12および膜ろ過手段14の少なくとも一方の運転条件を変更する(あるいは変更しない)制御を繰り返してもよい。
After the operating conditions are changed or after it is decided not to change the operating conditions, the control by the
本発明の凝集膜ろ過システム10によっても、本発明の凝集膜ろ過方法同様、膜ろ過において膜閉塞の原因となる凝集剤由来のナノアルミニウム粒子濃度をΔAlとして簡単且つ迅速に算出することができ、このΔAlを凝集処理水の膜閉塞性の指標として用いることで浄水処理の現場で迅速に運転条件を変更し、凝集膜ろ過の運転条件を最適化することができる。
As with the coagulation membrane filtration method of the present invention, the coagulation
<凝集処理水の膜閉塞性評価方法>
本発明の凝集処理水の膜閉塞性評価方法は、被処理水に対する凝集処理により得られる凝集処理水を膜ろ過する凝集膜ろ過に際し、凝集処理水の膜閉塞性を評価する方法である。被処理水、凝集処理、凝集処理水、膜ろ過については、上述の凝集膜ろ過方法と変わるところはないので、ここのではその説明については省略する。
<Method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water>
The method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water of the present invention is a method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water when the coagulation-treated water obtained by coagulation treatment of water to be treated is subjected to membrane filtration. The water to be treated, the coagulation treatment, the coagulation-treated water, and the membrane filtration are the same as those in the above-mentioned coagulation membrane filtration method, and therefore the description thereof will be omitted here.
本発明の凝集処理水の膜閉塞性評価方法は、ΔAl算出工程と、膜閉塞性評価工程と、を有する。以下、図6を参照して説明する。図6は、本発明の凝集処理水の膜閉塞性評価方法を説明するためのフローチャートである。 The membrane clogging evaluation method for coagulation-treated water of the present invention includes a ΔAl calculation step and a membrane clogging evaluation step. The method will be described below with reference to FIG. 6. FIG. 6 is a flow chart for explaining the membrane clogging evaluation method for coagulation-treated water of the present invention.
[ΔAl算出工程(S200)]
本工程では、凝集集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出する。なお、本工程は上述の凝集膜ろ過方法のΔAl算出工程(S120)と変わるところはないので、ここではその説明を省略する(以上、ΔAl算出工程(S200))。
[ΔAl calculation step (S200)]
In this step, ΔAl, which is the difference between the aluminum concentration of the supernatant water of the coagulation-collected water and the aluminum concentration of the membrane-filtered water, is calculated. Note that this step is no different from the ΔAl calculation step (S120) of the coagulation membrane filtration method described above, and therefore a description thereof will be omitted here (the ΔAl calculation step (S200) is the end).
[膜閉塞性評価工程(S210)]
本工程では、ΔAl算出工程(S200)で算出されたΔAlの値に基づき、凝集処理水の膜閉塞性を評価する。
[Membrane clogging evaluation step (S210)]
In this step, the membrane clogging property of the coagulation treated water is evaluated based on the value of ΔAl calculated in the ΔAl calculation step (S200).
発明者は、凝集膜ろ過による浄水処理プロセスにおいて、アルミニウム系凝集剤を添加して凝集処理を行う場合に得られるΔAlが、同じ浄水処理プロセスの凝集処理水を膜ろ過する際に得られる見かけのケーキろ過定数(K2)と良好な相関があることを発見した。 The inventors discovered that the ΔAl obtained when an aluminum-based coagulant is added to perform coagulation treatment in a water purification process using coagulation membrane filtration has a good correlation with the apparent cake filtration constant (K2) obtained when the coagulated water from the same water purification process is filtered through a membrane.
見かけのケーキろ過定数(K2)は、膜閉塞性の指標として知られることから、予め被処理水にアルミニウム系凝集剤を添加して様々な条件で凝集処理を行い、得られた凝集処理水(およびΔAlについては膜ろ過水も)について膜ろ過した場合の見かけのケーキろ過定数(K2)とΔAlを求め、両者の関係式を得ておくことで、見かけのケーキろ過定数(K2)未知の凝集処理水およびその膜ろ過水についてΔAlの値を得て、そのΔAlの値をその関係式に当てはめることで長時間膜ろ過試験を行うことなく見かけのケーキろ過定数(K2)の値を求めることができる。そして、見かけのケーキろ過定数(K2)の値が膜閉塞性の指標となることから、凝集処理水の膜閉塞性をΔAlの値を算出することで簡単且つ迅速に評価することが可能となる。 The apparent cake filtration constant (K2) is known as an index of membrane clogging, so by adding an aluminum-based coagulant to the treated water in advance and performing coagulation treatment under various conditions, and then determining the apparent cake filtration constant (K2) and ΔAl when the resulting coagulated treated water (and membrane filtered water for ΔAl) is subjected to membrane filtration, and obtaining a relational equation between the two, it is possible to obtain the value of ΔAl for the coagulated treated water with an unknown apparent cake filtration constant (K2) and the membrane filtered water, and by applying the value of ΔAl to the relational equation, it is possible to determine the value of the apparent cake filtration constant (K2) without performing a long-term membrane filtration test. And since the value of the apparent cake filtration constant (K2) is an index of membrane clogging, it is possible to easily and quickly evaluate the membrane clogging of the coagulated treated water by calculating the value of ΔAl.
さらには、発明者は、凝集膜ろ過による浄水処理プロセスにおいて、アルミニウム系凝集剤を添加して凝集処理を行う際、得られた凝集処理水を膜ろ過した場合の見かけのケーキろ過定数(K2)が10(1/m)以下であることが好ましいという知見を得ている。そして、上記見かけのケーキろ過定数(K2)とΔAlの関係式から、見かけのケーキろ過定数(K2)が10(1/m)となるときのΔAlの値が0.5(mg/L)であることから、ΔAl算出工程(S200)で算出されたΔAlの値が0.5(mg/L)以下であると、凝集処理水の膜閉塞性が良好であると評価できる。 Furthermore, the inventors have found that in a water purification process using coagulation membrane filtration, when an aluminum-based coagulant is added to perform coagulation treatment, it is preferable that the apparent cake filtration constant (K2) when the resulting coagulated treated water is subjected to membrane filtration is 10 (1/m) or less. From the above-mentioned relational equation between the apparent cake filtration constant (K2) and ΔAl, the value of ΔAl is 0.5 (mg/L) when the apparent cake filtration constant (K2) is 10 (1/m). Therefore, when the value of ΔAl calculated in the ΔAl calculation step (S200) is 0.5 (mg/L) or less, the membrane clogging property of the coagulated treated water can be evaluated as good.
そのうえ、ΔAl算出工程(S200)で算出されたΔAlの値が0.3(mg/L)以下であると、見かけのケーキろ過定数(K2)がさらに小さくなることから、凝集処理水の膜閉塞性もさらに良好であると評価できる。 Furthermore, if the ΔAl value calculated in the ΔAl calculation step (S200) is 0.3 (mg/L) or less, the apparent cake filtration constant (K2) becomes even smaller, and the membrane clogging property of the coagulation treated water can be evaluated as being even better.
また、凝集処理水の膜閉塞性を評価するに際し、ΔAlの値だけでなく、見かけのケーキろ過定数(K2)の値と組み合わせることが、より正確に凝集処理水の膜閉塞性を評価する観点から好ましい。この場合、見かけのケーキろ過定数(K2)の値は10(1/m)以下であると凝集処理水の膜閉塞性が良好であると評価でき、見かけのケーキろ過定数(K2)の値が5(1/m)以下であると凝集処理水の膜閉塞性がさらに良好であると評価することができる(以上、膜閉塞性評価工程(S210))。 In addition, when evaluating the membrane clogging of the coagulation treated water, it is preferable to combine not only the ΔAl value but also the apparent cake filtration constant (K2) value in order to more accurately evaluate the membrane clogging of the coagulation treated water. In this case, if the apparent cake filtration constant (K2) value is 10 (1/m) or less, the membrane clogging of the coagulation treated water can be evaluated as good, and if the apparent cake filtration constant (K2) value is 5 (1/m) or less, the membrane clogging of the coagulation treated water can be evaluated as even better (the above is the membrane clogging evaluation process (S210)).
したがって、本発明の凝集処理水の膜閉塞性評価方法によれば、凝集処理水中のナノアルミニウム粒子濃度を別の膜ろ過設備などを準備することなくΔAlとして簡単且つ迅速に算出することができる。また、このΔAlは凝集処理水を分離膜で膜ろ過する場合の見かけのケーキろ過定数と有意な相関があることから、浄水処理の現場で簡単且つ迅速にΔAlを指標として凝集処理水の膜閉塞性を評価することができる。 Therefore, according to the method for evaluating the membrane clogging of coagulation-treated water of the present invention, the nanoaluminum particle concentration in the coagulation-treated water can be calculated simply and quickly as ΔAl without the need for separate membrane filtration equipment. In addition, since this ΔAl has a significant correlation with the apparent cake filtration constant when the coagulation-treated water is filtered through a separation membrane, the membrane clogging of the coagulation-treated water can be evaluated simply and quickly at the water purification site using ΔAl as an indicator.
なお、ΔAl(およびK2)を指標として凝集処理水の膜閉塞性を評価した後は、この評価結果に基づき凝集膜ろ過の運転条件を変更することで、凝集膜ろ過の運転条件を最適化することができる。 After evaluating the membrane clogging of the coagulation treated water using ΔAl (and K2) as an index, the operating conditions of the coagulation membrane filtration can be optimized by changing the operating conditions based on the evaluation results.
また、図6では、膜閉塞性評価工程(S210)が終わると本発明の凝集処理水の膜閉塞性評価方法の全ての工程を終了しているが、所定時間をおいてΔAl算出工程(S200)および膜閉塞性評価工程(S210)を繰り返すこととしてもよい。 In addition, in FIG. 6, all steps of the membrane clogging evaluation method of the present invention for coagulation treated water are completed when the membrane clogging evaluation step (S210) is completed, but the ΔAl calculation step (S200) and the membrane clogging evaluation step (S210) may be repeated after a predetermined time has elapsed.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。 The present invention will be explained in more detail below with reference to the following examples.
<実施例1>
(1)被処理水および凝集処理条件
被処理水(原水)には、膜ろ過設備が導入されている浄水場の比較的清澄な時期の冬季の河川水(濁度:2.7度、色度:4.1度、pH=7.5、TOC:0.7mg/L、UVA260:0.086(5cmセル))を使用した。
Example 1
(1) Water to be treated and coagulation treatment conditions The water to be treated (raw water) was river water (turbidity: 2.7 degrees, color: 4.1 degrees, pH = 7.5, TOC: 0.7 mg/L, UVA260 : 0.086 (5 cm cell)) collected in winter when the water was relatively clear and collected from a water purification plant equipped with membrane filtration equipment.
この被処理水に対し、ポリ塩化アルミニウム(PACl、塩基度50%)を添加し、容積500mLのビーカーを使用して凝集処理を行った。 Polyaluminum chloride (PACl, basicity 50%) was added to the treated water, and coagulation treatment was carried out using a 500 mL beaker.
凝集条件は、凝集pH=7.0、PACl注入率25mg/Lとした。これは、被処理水採水時の現場運転条件と同じ条件である。撹拌条件は以下の表1のとおりである。
The coagulation conditions were pH 7.0 and
(2)見かけのケーキろ過定数(K2)の測定
(1)被処理水および凝集処理条件で得られた凝集処理水をそれぞれ80mLずつ採取し、これを吸引ポンプを用いて全量定圧ろ過(吸引圧力90kPa)で膜に通水し、ろ過水量の経時変化を測定した。そして、その結果から、ケーキろ過理論に基づき、見かけのケーキろ過定数(K2)を求めた。
(2) Measurement of apparent cake filtration constant (K2) (1) 80 mL each of the water to be treated and the coagulated water obtained under the coagulation treatment conditions was collected, and this was passed through the membrane at constant pressure filtration (suction pressure 90 kPa) using a suction pump to measure the change in the amount of filtrate over time. From the results, the apparent cake filtration constant (K2) was calculated based on the cake filtration theory.
なお、膜はメルク社製のVVHP膜(疎水性PVDF膜、孔径0.1μm)を使用し、直径25mmの平膜用ガラス製フィルタホルダーを使用した。 The membrane used was a Merck VVHP membrane (hydrophobic PVDF membrane, pore size 0.1 μm), and a 25 mm diameter glass filter holder for flat membranes was used.
(3)ΔAlの測定
(1)被処理水および凝集処理条件で得られた5分静置沈殿後の水面上部を20mL程度デジタルピペットで採水し、凝集処理水の上澄水とした。同じ凝集処理水について(2)見かけのケーキろ過定数(K2)の測定において膜に通水させ、膜ろ過水を得た。
(3) Measurement of ΔAl (1) About 20 mL of the water surface after 5 minutes of settling in the treated water and the coagulation treatment conditions was collected with a digital pipette and used as the supernatant of the coagulation treatment water. The same coagulation treatment water was passed through a membrane in (2) the measurement of the apparent cake filtration constant (K2) to obtain membrane filtrate.
これら凝集処理水の上澄水および膜ろ過水の各アルミニウム濃度を、JIS K 0102-2008 「58.4 ICP発光分光分析法」に従って測定した。 The aluminum concentrations in the supernatant water and membrane filtered water from these coagulation treatments were measured according to JIS K 0102-2008 "58.4 ICP atomic emission spectrometry."
そして、凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出した。実施例1の処理条件1~3の条件で得られた凝集処理水について、K2とΔAlの値を以下の表2に示す。
Then, ΔAl, which is the difference between the aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water and the aluminum concentration in the membrane filtered water, was calculated. The values of K2 and ΔAl for the coagulation treated water obtained under
また、図7は、K2を縦軸とし、ΔAlを横軸とし、実施例1の処理条件1~3の条件で得られた凝集処理水についてK2とΔAlの値をプロットしたグラフである。
Figure 7 is a graph plotting the values of K2 and ΔAl for the coagulated water obtained under
表2および図7に示すように、いずれの処理条件においても、撹拌時間が長くなるとΔAlとK2の値を小さくすることができる。また、処理条件1に関し、急速撹拌だけだと6分急速撹拌を行ったところでK2およびΔAlの減少幅は頭打ちになる。一方、処理条件2のように、急速撹拌を2分行っただけでは、K2を10(1/m)以下、ΔAlを0.5(mg/L)以下とするためには9分以上の緩速撹拌が必要となり、凝集処理水中のナノアルミニウム粒子濃度を低下させるために凝集処理の撹拌時間が長くなってしまう。
As shown in Table 2 and Figure 7, under all treatment conditions, the values of ΔAl and K2 can be reduced by increasing the mixing time. Furthermore, with
そこで、処理条件3のように、6分の急速撹拌を行うと、その後の1~2分の緩速撹拌を行うだけでもK2およびΔAlの値を十分に低下させることが可能であることがわかった。 It was found that rapid stirring for 6 minutes, as in treatment condition 3, followed by slow stirring for just 1 to 2 minutes, can sufficiently reduce the values of K2 and ΔAl.
また、図7に示されるように、ΔAlとK2との間には良好な相関関係が確認され、したがって、ΔAlを測定することでK2の値を予測することができることが分かった。同様に、K2の値からΔAlを予測することも可能である。
<実施例2>
実設備の膜供給水においてもΔAlとK2を測定した。
7, a good correlation was confirmed between ΔAl and K2, and it was therefore found that the value of K2 can be predicted by measuring ΔAl. Similarly, it is also possible to predict ΔAl from the value of K2.
Example 2
ΔAl and K2 were also measured in the membrane feed water of an actual facility.
被処理水は、実施例1と同じものを使用した。 The treated water was the same as in Example 1.
実設備の浄水処理フローは、急速撹拌部(水理学滞留時間(HRT):2分、130rpm)→緩速撹拌部(HRT:20分、30rpm)→沈殿池→膜ろ過設備となっている。凝集条件は、凝集pH=7.0、PACl注入率25mg/Lとした。
The water purification process flow of the actual equipment is as follows: rapid mixing section (hydraulic retention time (HRT): 2 min, 130 rpm) → slow mixing section (HRT: 20 min, 30 rpm) → settling tank → membrane filtration equipment. The coagulation conditions were coagulation pH = 7.0,
ΔAlとK2の測定条件は、実施例1の項目と同様である。測定結果は、ΔAl=0.29(mg/L)、K2=6.93(1/m)であり、実設備の浄水処理フローにおいて、ΔAlが0.5(mg/L)以下の範囲にあり、且つK2が10(1/m)以下の範囲にあり、現場の凝集処理水の膜閉塞性が小さく、良好な運転条件であることが分かった。 The measurement conditions for ΔAl and K2 were the same as those in Example 1. The measurement results were ΔAl = 0.29 (mg/L) and K2 = 6.93 (1/m). In the water purification flow of the actual facility, ΔAl was in the range of 0.5 (mg/L) or less and K2 was in the range of 10 (1/m) or less, indicating that the membrane clogging of the coagulated treated water at the site was small and the operating conditions were good.
10 凝集膜ろ過システム
12 凝集処理手段
14 膜ろ過手段
16 第一測定手段
18 第二測定手段
20 制御部
10 Coagulation
Claims (6)
前記凝集処理工程で得られた凝集処理水を精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択される分離膜で膜ろ過して膜ろ過水を得る膜ろ過工程と、
前記凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と前記膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出するΔAl算出工程と、
前記算出されたΔAlの値に基づき、前記凝集処理工程および前記膜ろ過工程の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更する運転条件変更工程と、
を有することを特徴とする凝集膜ろ過方法。 a flocculation treatment step of mixing a flocculant containing an aluminum-based flocculant with the water to be treated to obtain flocculated treated water;
a membrane filtration step of filtering the flocculated water obtained in the flocculation step through a separation membrane selected from a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane to obtain membrane filtered water;
A ΔAl calculation step of calculating ΔAl, which is the difference between the aluminum concentration of the supernatant water of the coagulation treated water and the aluminum concentration of the membrane filtrate;
An operating condition changing step of changing the operating conditions of at least one of the flocculation treatment step and the membrane filtration step from the operating conditions before the change based on the calculated ΔAl value;
A coagulation membrane filtration method comprising the steps of:
前記運転条件変更工程が、前記算出されたΔAlの値と前記算出されたK2の値とに基づき、前記凝集処理工程および前記膜ろ過工程の少なくとも一方の運転条件を変更前の運転条件から変更することを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載に凝集膜ろ過方法。 Further, an apparent cake filtration constant calculation step of calculating an apparent cake filtration constant K2 when the coagulated treated water is filtered through the separation membrane,
The coagulation membrane filtration method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the operating condition change step changes the operating conditions of at least one of the coagulation treatment step and the membrane filtration step from the operating conditions before the change based on the calculated ΔAl value and the calculated K2 value.
前記凝集処理手段で得られた前記凝集処理水を精密ろ過膜および限外ろ過膜から選択される分離膜で膜ろ過して膜ろ過水を得る膜ろ過手段と、
前記凝集処理水の上澄水中のアルミニウム濃度を測定する第一測定手段と、
前記膜ろ過水中のアルミニウム濃度を測定する第二測定手段と、を有する凝集膜ろ過システムであって、
前記第一測定手段により測定された前記凝集処理水の上澄水中のアルミニウム濃度と前記第二測定手段により測定された前記膜ろ過水中のアルミニウム濃度との差であるΔAlの値を算出し、前記算出したΔAlの値に基づき、前記凝集処理手段および膜ろ過手段の少なくとも一方の運転条件の、変更前の運転条件からの変更を制御する制御部と、をさらに有することを特徴とする凝集膜ろ過システム。 a flocculation treatment means for performing flocculation treatment on the water to be treated to which a flocculant containing an aluminum-based flocculant has been added, to obtain flocculated treated water;
a membrane filtration means for filtering the flocculated water obtained by the flocculation treatment means through a separation membrane selected from a microfiltration membrane and an ultrafiltration membrane to obtain membrane filtered water;
A first measuring means for measuring an aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water;
A second measuring means for measuring an aluminum concentration in the membrane filtrate,
a control unit that calculates a value of ΔAl which is the difference between the aluminum concentration in the supernatant water of the coagulation treated water measured by the first measuring means and the aluminum concentration in the membrane filtered water measured by the second measuring means, and controls a change of the operating conditions of at least one of the coagulation treatment means and the membrane filtration means from the operating conditions before the change based on the calculated value of ΔAl.
前記凝集処理が、前記被処理水にアルミニウム系凝集剤を含む凝集剤を混和して前記凝集処理水を得る処理であり、
前記凝集処理水の上澄水のアルミニウム濃度と前記膜ろ過水のアルミニウム濃度との差であるΔAlを算出するΔAl算出工程と、
前記算出されたΔAlの値に基づき、前記凝集処理水の膜閉塞性を評価する膜閉塞性評価工程と、を有することを特徴とする凝集処理水の膜閉塞性評価方法。 A method for evaluating membrane clogging of coagulated treated water, which evaluates membrane clogging of the coagulated treated water obtained by coagulation treatment of water to be treated, comprising the steps of:
The flocculation treatment is a treatment in which a flocculant containing an aluminum-based flocculant is mixed with the water to be treated to obtain the flocculated treated water,
A ΔAl calculation step of calculating ΔAl, which is the difference between the aluminum concentration of the supernatant water of the coagulation treated water and the aluminum concentration of the membrane filtrate;
A method for evaluating membrane clogging of coagulation-treated water, comprising: a membrane clogging evaluation step of evaluating membrane clogging of the coagulation-treated water based on the calculated ΔAl value.
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