JP4765874B2

JP4765874B2 - 膜モジュールの洗浄方法

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Publication number: JP4765874B2
Application number: JP2006264272A
Authority: JP
Inventors: 伸説新井
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008080266A

Description

本発明は、水処理用の膜モジュールの洗浄方法に係り、特に膜モジュールの１次側を洗浄する方法に関する。

Ｉ．逆浸透膜モジュールなどの水処理用膜モジュールの１次側を洗浄する方法として、特開平１１−１０４６３６号に記載されたものがある。同号公報の膜モジュールは、逆浸透膜モジュールであり、原水を原水供給用配管を介して膜モジュールの１次側に導入し、膜エレメントの透過水を生産水用配管を介して取り出すと共に、１次側の濃縮水を濃縮水用配管を介して取り出すようにしている。１次側の洗浄に際しては、この濃縮水用配管を介して気液二相流を１次側に導入し、洗浄排水を原水供給用配管を介して排出する。

II．精密濾過装置、限外濾過装置、逆浸透膜分離装置などの膜分離装置内に装填される膜モジュールとして、集水管の外周に分離膜を巻回したスパイラル型膜モジュールがある。このスパイラル型膜モジュールにあっては、下記非特許文献にみられる通り、集水管の外周に袋状の分離膜（リーフ）が網目状のスペーサを介して巻回され、スパイラル型膜エレメントが構成されている。

集水管には管内外を連通する開口が穿設されている。分離膜は袋状のものであり、その中央部が集水管に接着されるか、又は集水管をくるんでいる。この袋状分離膜の内部にはメッシュスペーサ等よりなる流路材が挿入されており、この袋状分離膜の内部が透過水流路となっている。

このスパイラル型膜エレメントが筒状のハウジング（耐圧ベッセル）内に収容されることにより、スパイラル型膜モジュールが構成される。膜エレメントの前端面に臨んで原水流入スペースが形成され、後端面に臨んで濃縮水流出スペースが形成されている。集水管の末端は、ハウジングの後端面の中央部から延出するか、又は該中央部の透過水取出部に接続される。

原水は、ハウジングに設けられた原水流入口から該原水流入スペースに流入し、次いで膜エレメントの前端面から袋状膜同士の間の原水流路に流入し、そのまま膜エレメントの長手方向に流れ、膜エレメントの後端面から流出する。この原水流路を流れる間に水が袋状分離膜を透過してその内部に入り、集水管内に流入し、該集水管の後端側からモジュール外に取り出される。

膜エレメントの後端面を通り抜けた濃縮水は、濃縮水流出スペースから、ハウジングに設けられた濃縮水流出口を介してハウジング外に取り出される。この袋状分離膜同士の間の原水流路、原水流入スペース及び濃縮水流出スペースなどが「１次側」であり、袋状分離膜の内部側や集水管内などが「２次側」である。
特開平１１−１０４６３６号水処理管理便覧Ｐ２３３（平成１０年丸善株式会社）

膜エレメントの１次側を洗浄する場合、洗浄流体を膜エレメントの１次側の全体になるべく万遍なく流通させることが望ましいが、洗浄流体の流れに偏流が生じ、部分的に洗浄不十分な箇所が生じることがある。

特に、膜モジュールがスパイラル型膜モジュールである場合、このような偏流が生じ易い。これは、後に図示して詳述する通り、筒状のハウジングの軸心位置に集水管が配管されるため、原水流入口及び濃縮水流出口がいずれもハウジングの非軸心位置に配置されるようになるためである。

本発明は、上記の問題点を解決し、膜モジュールの１次側を十分に洗浄することができる膜モジュールの洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の膜モジュールの洗浄方法は、集水管（４）の外周に逆浸透膜を巻回した逆浸透膜エレメント（３）が円筒状ハウジング（２）内に収容され、該逆浸透膜エレメント（３）の一端側に原水流入スペース（８）が設けられ、他端側に濃縮水流出スペース（９）が設けられ、該原水流入スペース（８）に原水が供給され、該集水管（４）から透過水が取り出される膜モジュール（１）を洗浄する方法であって、該ハウジング（２）に設けられた洗浄流体入口部（２ａ）から該原水流入スペース（８）に原水と気体とを同時に供給し、気液混相流よりなる洗浄流体を前記膜エレメント（３）の一次側から前記濃縮水流出スペース（９）に流通させ、ハウジング（２）に設けられた洗浄流体出口部（２ｂ）から該洗浄流体を排出させる膜モジュールの洗浄方法において、該１次側の洗浄時における該洗浄流体入口部（２ａ）の洗浄流体の圧力をＰ_１とし、洗浄流体出口部（２ｂ）の洗浄流体の圧力をＰ_２としたときに、Ｐ_２／（Ｐ_１−Ｐ_２）が１．２〜１０となるように洗浄流体を流通させることを特徴とするものである。

また、Ｐ_１を０．０５ＭＰａ以上とすることが好ましい。

本発明者が種々研究を重ねた結果、膜モジュールの１次側を洗浄するに際して、膜エレメントの通水差圧Ｐ_１−Ｐ_２よりもハウジングの洗浄流体出口部の圧力Ｐ_２を高くすることにより、膜エレメントに万遍なく洗浄流体が流れるようになることが見出された。本発明は、かかる知見に基づくものであり、本発明によると膜エレメントの１次側を十分に洗浄することが可能となる。

本発明では、Ｐ_２＞（Ｐ_１−Ｐ_２）となるように洗浄を行うには、ハウジングの洗浄流体の流出口又はその下流側に可変絞りを設けて流出口圧力を制御するのが好ましい。

本発明では、膜エレメントの１次側の洗浄時において、洗浄流体の入口側の圧力をある程度高くすることにより、具体的にはＰ_１≧０．０５ＭＰａとすることにより、洗浄流体を１次側に、より万遍なく流通させることができる。

本発明で使用する膜エレメントは逆浸透膜エレメントである。なお、膜の素材は特に限定されない。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第１図は実施の形態に用いられる膜モジュールの軸心線方向の模式的な断面図、第２図（ａ）は膜モジュールの第１図における前面図、第２図（ｂ）は同じく後面図、第３図は膜モジュールへの通水系統図である。第４図及び第５図は膜モジュール内における洗浄流体の流れの説明図、第６図は膜モジュールの別の構成例を示す断面図、第７図は比較例における膜エレメントの汚れ状況を示す模式的な斜視図である。

第１図の通り、この実施の形態に用いられている膜モジュール１は、スパイラル型膜モジュールであり、円筒形のハウジング２内にスパイラル型膜エレメント３が該ハウジング２と同軸的に配置されている。

この膜エレメント３は、集水管４の外周に袋状分離膜５が網目状スペーサ（図示略）を介して巻回されたものである。

集水管４には管内外を連通する開口４ａが穿設されている。分離膜５は袋状のものであり、その中央部が集水管４に接着されるか、又は集水管４をくるんでいる。この袋状分離膜５の内部にはメッシュスペーサ等よりなる流路材（図示略）が挿入されており、この袋状分離膜５の内部が透過水流路となっている。

膜エレメント３の外周面とハウジング２の内周面との間にはリング状のトップ側シール材６が配置されている。

集水管４の前方側端部（図の左端）にはエンドキャップ７が装着され、後方側端部（図の右端）は、ハウジング２に設けられた透過水出口２ｃに嵌合されている。この実施の形態では、集水管４の一端（図の右端）から透過水が取り出されるよう構成されているが、両端から流出するよう構成されてもよい。

膜エレメント３の前端面に臨んで原水流入スペース８が形成され、後端面に臨んで濃縮水流出スペース９が形成されている。

ハウジング２の一端面に原水等の流入口２ａが設けられ、他端面に濃縮水等の流出口２ｂが設けられている。なお、第２図の通り、流入口２ａと流出口２ｂは、ハウジング２の軸心を挟んで互いに反対側に配置されている。

第３図の通り、流入口２ａには、原水が原水ポンプ１１、弁１２、配管１３を介して導入される。この配管１３のうち流入口２ａの近傍に圧力計１４が設けられている。この圧力計１４の検出圧力がＰ_１である。配管１３には、１次側の洗浄時にコンプレッサ１５、配管１６、弁１７を介して空気が吹き込まれるようになっている。

流出口２ｂには、濃縮水等の流出用配管１８が接続され、この配管１８に圧力計１９が設置されている。この圧力計１９の検出圧力がＰ_２である。図示は省略するが、この配管１８のうち圧力計１９よりも下流側に、可変絞りなどの流路抵抗部材が設けられており、流出口２ｂでの圧力を調整できるようにしてある。

透過水出口２ｃには、透過水の流出用配管２０と弁２１が設けられている。

このように構成された膜モジュールの作動を次に説明する。

［原水の膜分離処理運転］
原水を膜分離処理するときには、コンプレッサ１５は停止状態とされ、弁１７は閉とされる。

弁１２，２１を開とし、原水ポンプ１１を作動させると、原水が流入口２ａから流入スペース８に流入し、次いで膜エレメント３の前端面から分離膜５同士の間の原水流路に流入し、そのまま膜エレメント３の長手方向に流れ、膜エレメント３の後端面から流出する。この原水流路を流れる間に水が分離膜５を透過してその内部に入り、開口４ａから集水管４内に流入し、該集水管４の右端側から膜モジュール１外に取り出される。

膜エレメント３の後端面を通り抜けた濃縮水は、流出スペース９から、流出口２ｂ及び配管１８を介してハウジング２外へ取り出される。

この分離膜５同士の間の原水流路、流入スペース８及び流出スペース９などが「１次側」であり、袋状分離膜５の内部側や集水管４内などが「２次側」である。

［膜モジュール１の１次側の洗浄］
膜モジュール１の１次側を気体を用いて洗浄するときには、次のＡ、Ｂ、ＣのうちＣを採用する。

Ａ：空気のみを供給し、膜モジュール１内の保有水と混合して気液混相状態として洗浄する。この場合、弁１２を閉、原水ポンプ１１を停止状態、弁１７を開とし、コンプレッサ１５を作動させる。配管１８からの洗浄排水は系外に排出する。

Ｂ：膜モジュール１から水抜きした後、空気を供給し、膜モジュール１内に僅かに残存した保有水との混合により気液洗浄（気液比を大きくした洗浄方法）し、最後に洗浄液（例えば原水）を供給し、汚れ成分を配管１８から押し出し除去する。この配管１８からの排水は、系外に排出する。

膜モジュール１から水抜きをするには、弁１２を閉、原水ポンプ１１を停止状態、弁１７を開とし、コンプレッサ１５から空気を膜モジュール１内に送り込めばよい。また、図示はしないが、ハウジング２に水抜き口と大気開放口とを設けておき、これらを開放することにより水抜きしてもよい。

Ｃ：原水と空気とを同時に膜モジュール１に供給し、気液混相状態として洗浄する。

この場合、弁１２、１７を開とし、原水ポンプ１１及びコンプレッサ１５を作動させる。配管１８からの洗浄排水は、系外に排出する。

この方法は、気液比を任意に設定することができる。また、粘性の異なる気液が交互に膜面を通過する際に膜面堆積物に振動が与えられ、剥離効果を高めることが可能となり、好適である。

このＣの洗浄方法における気液比に特に制限は無いが、好ましくは液相の流量を通水時（原水処理運転時）の原水の流量の２倍以上、気相の流量も通水時の原水流量の２倍以上とし、気液比２：１〜１：２とする。

洗浄の継続時間についても特に制限は無いが、特にＣの方法の場合、洗浄時間が長ければ長いほど洗浄に用いる水量が増え水回収率が低下することとなる。洗浄時の流量にもよるが、洗浄時間は１０秒から５分程度が好ましい。

洗浄の実施頻度についても特に制限はない。ただし、実施頻度が多くなると、水回収率が低下するところから、３０分から数日に１回の頻度が好ましい。

このＣの洗浄方法では、洗浄流体として原水を１次側に流通させているが、膜分離処理した処理水などであってもよい。

なお、上記Ａ，Ｂ，Ｃいずれの洗浄方法にあっても、洗浄流体供給時には、洗浄流体等が分離膜５を透過しないよう弁２１を閉じておくことが好ましい。

原水などを洗浄流体として用いる場合、粗大な濁質（例えば粒径１ｍｍ以上程度の粒子）を除去しておくのが好ましい。原水を膜分離処理する運転時も同様である。

上記Ａ、Ｂ、Ｃの洗浄方法では、コンプレッサから空気を供給するようにしているが、他の圧気源があればそれを用いてもよく、気体も空気に限定されない。

図示の実施の形態では、原水膜分離処理時の原水の通水方向（順方向）に洗浄流体を流通させている。

膜モジュール１の１次側の洗浄を行う場合、いずれの洗浄方式においても、Ｐ _２を（Ｐ_１−Ｐ_２）の１．２倍以上とする。

Ｐ_２の（Ｐ_１−Ｐ_２）に対する倍率を大きくするには、Ｐ_１を一定条件下、圧力計１９の下流側に設けた図示しない弁（流出口用配管弁）を絞るか、この弁を開けて、洗浄流体の供給圧も高くしてＰ_１を高くする。洗浄流体の供給圧を一定とし、流出用配管弁を絞ると、洗浄流体の流量が低下して洗浄効果が低下する。Ｐ_１を大きくすると洗浄流体の流速は早くなり洗浄効果は上昇するが、ある一定以上になると洗浄効果は変わらなくなる一方で、膜の破損や、高圧をかけるための設備が必要となり経済的に好ましくない。このため、Ｐ_２の（Ｐ_１−Ｐ_２）に対する倍率の上限は１０倍以下、特に５倍以下とするのが好ましく、また、Ｐ_１は０．０５ＭＰａ以上とするのが好ましく、さらに１ＭＰａ以下、特に０．５ＭＰａ以下とすることが好ましい。

このように、１次側の洗浄に際して洗浄流体の出口側の圧力Ｐ_２を所定値以上に高くすることにより、膜モジュール内における洗浄流体の偏流を防止（抑制を含む）し、十分な洗浄効果を得ることが可能となる。

本発明は、超純水製造のほか、排水や循環冷却水のブロー水を脱塩処理して回収する逆浸透膜の洗浄に好適に用いることができる。さらに、本発明は濁質系の膜汚染に対して優れた効果を発揮する。従って、本発明を上述のような逆浸透膜の洗浄に採用した場合には、逆浸透膜装置の前段に通常設けられる除濁装置（限外濾過膜、精密濾過膜及びその他の濾過器）を省略することが可能となる。なお、これらの除濁装置を省略した場合には、粗大な夾雑物が逆浸透膜装置に供給されて膜を破損させたり、あるいは、膜エレメントの原水流入路を閉塞するおそれがあるため、ディスクフィルターやスプリングフィルター等を設けることが好ましい。

なお、スパイラル型膜モジュールにおいて、１次側の洗浄に際して偏流が発生し易い理由について第４図及び第５図を参照して説明する。

第４図は、第１図の膜モジュールにおいてＰ_２＞（Ｐ_１−Ｐ_２）を満たさないように洗浄流体を流した場合の説明図である。前述の第３図（ａ），（ｂ）の通り、流入口２ａと流出口２ｂとはハウジング２の軸心を挟んで反対側に位置している。この第４図では、洗浄流体は、ハウジング２の軸心線と斜交方向に流入口２ａと流出口２ｂとの間を短絡的に流れる。そのため、膜エレメント３の流入スペース８側にあっては、流入口２ａから遠い側に洗浄不十分領域Ｄ_１が生じ易い。また、膜エレメント３の流出スペース９側にあっては、流出口２ｂから遠い側に洗浄不十分領域Ｄ_２が生じ易い。

第５図は、流入口２ａを流出口２ｂと対面させて、即ち、流入口２ａと流出口２ｂとを結ぶ直線がハウジング２の軸心線と平行となるように設けた場合の洗浄流体の流れ状況を示している。

この場合には、洗浄流体は流入口２ａと流出口２ｂとの間を直線状に短絡的に流れる。そのため、膜エレメント３のうち流入口２ａ及び流出口２ｂとハウジング軸心線を挟んで反対側に洗浄不十分領域Ｄ_３が生じ易い。

本発明のとおりＰ_２＞（Ｐ_１−Ｐ_２）の条件にて洗浄流体を流通させると、このような偏流が防止され、Ｄ_１〜Ｄ_３の如き洗浄不十分領域の発生が防止される。

なお、第２図〜第５図の膜モジュール１ではハウジング２内に１個の膜エレメント３が設置されているが、第６図の膜モジュール１Ａのように、ハウジング２Ａ内に２個以上の膜エレメント３を配置してもよい。なお、第６図では隣接する膜エレメント３の集水管４同士がジョイント２４で結合されている。左側の膜エレメント３の原水流路から流出した水は、左右の膜エレメント３，３同士の間のスペース２５を経て右側の膜エレメント３の原水流路に流入し、流出口２ｂにまで流れる。

原水を洗浄流体に用いた場合には、原水に次亜塩素酸ナトリウム等の酸化剤や水酸化ナトリウムなどのアルカリ、硫酸などの酸などの薬品を添加したものを用いてもよい。

以下、実施例及び比較例について説明する。

実施例１
原水として、市水にポリ塩化アルミニウム（工業用試薬）を１００ｍｇ／Ｌ添加し、水酸化アルミニウムフロックを模擬濁質とする模擬排水を調製した。

膜モジュール及びその通水系統は、膜モジュールを縦置き、即ち膜エレメントの長手方向（軸方向）が上下方向となるように設置したこと以外は第２図の通りである。膜エレメントは逆浸透膜エレメント（ＥＳ２０−Ｄ４，日東電工（株））である。透過流束０．４ｍ／ｄ（透過水量２．８ｍ^３／ｄ）の定透過流束運転を、また１回／１２時間の頻度で１次側の気液洗浄を繰り返し実施し、約７日間運転を継続実施した。

原水処理時の流入口圧力Ｐ_１と流出口圧力Ｐ_２はそれぞれ、０．７０ＭＰａ、０．６８Ｍｐａであった。

なお、給水の流れ方向は膜モジュール下部から上部の方向とし、原水流入口と濃縮水流出口とは、第２図及び第３図の如く、モジュール端面の中心に対し軸対称の位置とした。

１次側を洗浄する気液洗浄は、上記Ｃ方式とした。洗浄液流量１２０Ｌ／Ｈｒ、洗浄空気流量１８０ＮＬ／Ｈｒの条件にて、膜エレメントに気液を同時に供給した。

洗浄液としては給水である模擬排水を、洗浄気体として空気を、それぞれ給水用の高圧ポンプおよびコンプレッサーを用いて供給し、気液洗浄時間は３０秒／回で実施した。

この気液洗浄時、入口圧Ｐ_１及び出口圧Ｐ_２はそれぞれＰ_１＝０．２１ＭＰａ、Ｐ_２＝０．１８ＭＰａであり、Ｐ_１−Ｐ_２＝０．０３ＭＰａであるのでＰ_２／（Ｐ_１−Ｐ_２）＝６であった。

連続通水実施後、膜エレメントを取り出し、膜エレメントの入口端面部分を確認したところ、濁質の詰まりは見られなかった。また、膜エレメントを解体し膜表面を観察したところ、若干量の濁質の付着が確認されたが、濁質の付着にムラは見られず、膜エレメント内において均一な洗浄効果が得られたことが認められた。

実施例２
気液洗浄時の液流量７５Ｌ／Ｈｒ、エア流量１２０ＮＬ／Ｈｒとしたこと以外は実施例１同様の試験を実施した。

気液洗浄時の流入口圧力Ｐ_１と流出口圧力Ｐ_２はそれぞれ、Ｐ_１＝０．０９ＭＰａ、Ｐ_２＝０．０５ＭＰａであり、Ｐ_１−Ｐ_２＝０．０４ＭＰａであるので、Ｐ_２／（Ｐ_１−Ｐ_２）＝１．２５であった。

連続通水実施後、膜エレメントを取り出し、膜エレメントの入口端面部分を確認したところ、濁質の詰まりは見られなかった。また、膜エレメントを解体し、膜表面を観察したところ、若干量の濁質の付着が確認できたが、濁質の付着にムラは見られず、膜エレメント内において均一な洗浄効果が得られたことが認められた。

比較例１
気液洗浄時、流出口側配管１８を圧力計１９よりも下流側部分から取り外し、流出口２ｂを開放状態としたこと以外は実施例１同様に試験を実施した。気液洗浄時の流入口圧力Ｐ_１と流出口圧力Ｐ_２はそれぞれ、Ｐ_１＝０．０５ＭＰａ、Ｐ_２＝０．０１ＭＰａであり、Ｐ_１−Ｐ_２＝０．０４ＭＰａであるので、Ｐ_２／（Ｐ_１−Ｐ_２）＝０．２５であった。

連続通水実施後、膜エレメントを取り出し、膜エレメントの入口端面部分を確認したところ、給水入口位置に対して反対側の部分で濁質による端面の部分的な詰まりが確認できた。また、膜エレメントを解体し、膜表面を観察したところ、端面同様、給水入口位置に対して反対側に相当する部分において、第７図の通り、入口端面から出口端面方向に１／３長さほど濁質の付着量が多い洗浄不十分領域Ｄ_１が存在していた。この結果より、膜エレメント内で気液洗浄時に偏流が生じ、均一な洗浄効果が得らないことが確認された。

実施の形態に用いられる膜モジュールの軸心線方向の模式的な断面図である。（ａ）図は膜モジュールの前面図、（ｂ）図は同じく後面図である。膜モジュールへの通水系統図である。膜モジュール内における洗浄流体の流れの説明図である。膜モジュール内における洗浄流体の流れの説明図である。膜モジュールの別の構成例を示す断面図である。比較例における膜エレメントの汚れ状況を示す模式的な斜視図である。

符号の説明

１，１Ａ膜モジュール
２，２Ａハウジング
３膜エレメント
４集水管
５分離膜
１１原水ポンプ
１５コンプレッサ

Claims

集水管（４）の外周に逆浸透膜を巻回した逆浸透膜エレメント（３）が円筒状ハウジング（２）内に収容され、該逆浸透膜エレメント（３）の一端側に原水流入スペース（８）が設けられ、他端側に濃縮水流出スペース（９）が設けられ、該原水流入スペース（８）に原水が供給され、該集水管（４）から透過水が取り出される膜モジュール（１）を洗浄する方法であって、
該ハウジング（２）に設けられた洗浄流体入口部（２ａ）から該原水流入スペース（８）に原水と気体とを同時に供給し、気液混相流よりなる洗浄流体を前記膜エレメント（３）の一次側から前記濃縮水流出スペース（９）に流通させ、ハウジング（２）に設けられた洗浄流体出口部（２ｂ）から該洗浄流体を排出させる膜モジュールの洗浄方法において、
該１次側の洗浄時における該洗浄流体入口部（２ａ）の洗浄流体の圧力をＰ_１とし、洗浄流体出口部（２ｂ）の洗浄流体の圧力をＰ_２としたときに、Ｐ_２／（Ｐ_１−Ｐ_２）が１．２〜１０となるように洗浄流体を流通させることを特徴とする膜モジュールの洗浄方法。
請求項１において、Ｐ_１を０．０５〜１ＭＰａとすることを特徴とする膜モジュールの洗浄方法。
請求項１又は２において、前記気液混相流の液相の流量を原水処理運転時の原水の流量の２倍以上とし、気相の流量を原水処理運転時の原水流量の２倍以上とし、気液比２：１〜１：２とすることを特徴とする膜モジュールの洗浄方法。