WO2012098969A1

WO2012098969A1 - 膜モジュールの洗浄方法、造水方法および造水装置

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Publication number: WO2012098969A1
Application number: PCT/JP2012/050416
Authority: WO
Inventors: 智宏前田; 谷口　雅英
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Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-26
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Abstract

　原水を精密ろ過／限外ろ過膜モジュールでろ過し、次いで半透膜ユニットで透過水と濃縮水とに分離する造水方法において、精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの膜表面および細孔内にスケールが付着・蓄積することによる目詰まりを防止するために、一時的に、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールにおけるろ過を中断し、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水として前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行うとともに、前記洗浄水にスケール防止剤とアルカリ性溶液を含有せしめる造水方法とする。

Description

膜モジュールの洗浄方法、造水方法および造水装置

　本発明は、原水を精密ろ過膜／限外ろ過膜（以下、ＭＦ／ＵＦ膜という。）モジュールでろ過し、そのろ過水を逆浸透膜（ＲＯ膜）またはナノろ過膜（ＮＦ膜）を備えた半透膜ユニットでろ過する造水方法および造水装置に関するものである。特に、前記造水方法におけるＭＦ／ＵＦ膜モジュールの洗浄方法に特徴を有する造水方法、およびそれを好適に実施できる造水装置に関するものである。

　近年、上下水道や廃水処理等の水処理用途において、膜によって原水中の不純物を分離除去して清澄な水に変換する膜ろ過法の普及が進んでいる。膜の除去対象物質は、膜の種類によって異なるが、ＭＦ／ＵＦ膜の場合は、一般的に縣濁物質、細菌、原虫、コロイド物質等が挙げられる。また、ＲＯ膜やＮＦ膜（以下、これらを合わせて半透膜という。）の場合は、溶解性有機物、ウィルス、イオン物質等が挙げられる。

　原水をＭＦ／ＵＦ膜でろ過する場合、ろ過を継続するに伴い、ＭＦ／ＵＦ膜の表面や膜細孔径内におけるフミン質やタンパク質等の付着量が増大し、ろ過差圧上昇が問題となってくる。

　そこで、ＭＦ／ＵＦ膜の１次側（供給水側）に気泡を導入し、膜を振動させ、膜同士を触れ合わせることにより膜表面の付着物質を掻き落とす空気洗浄や、ＭＦ／ＵＦ膜に対してろ過とは逆方向に膜ろ過水あるいは清澄水を圧力で流し、膜表面や膜細孔径内に付着していた付着物質を除去する逆圧洗浄等の物理洗浄が実用化されている。さらに洗浄効果を高めるため、例えば特許文献１では、逆圧洗浄水に次亜塩素酸ナトリウム等の酸化剤を添加して逆圧洗浄を行うことが記載されている。酸化剤は、膜表面や膜細孔内に付着したフミン酸や微生物由来のタンパク質等の有機物を分解・除去する効果がある。

　また、原水をＭＦ／ＵＦ膜でろ過した後、そのろ過水を半透膜で処理することにより清澄水を製造する方法はＩＭＳプロセスと呼称されている（非特許文献１参照）。ＩＭＳプロセスにおいて、特許文献２、３では、水回収率を高めるために本来系外に排出していた逆浸透膜濃縮水の一部をＭＦ膜／ＵＦ膜の逆圧洗浄水として利用する方法が提案されている。しかし、酸化剤を用いずに逆浸透膜濃縮水で逆洗する場合、浸透圧ショックにより膜モジュール内の微生物を死滅に至らしめるものの、フミン質や微生物由来のタンパク質等の有機物を分解・除去できないため、ファウリングが早期に進行してしまう問題があった。

　そこで、特許文献４では次亜塩素酸ナトリウム等の酸化剤を添加した逆浸透膜濃縮水をＭＦ膜／ＵＦ膜の逆圧洗浄水として利用する方法が提案されている。しかし、海水を逆浸透膜処理して得られる濃縮水等の場合、該濃縮水に高濃度のカルシウム、マグネシウムが存在している。そのため、海水膜ろ過水や逆浸透膜濃縮水に次亜塩素酸ナトリウムを添加すると、局所的にｐＨが高くなり、逆洗水中にスケールが生成する。またこのような逆圧洗浄水を用いて逆圧洗浄を行うと、膜細孔内にスケールが付着・蓄積し、無機ファウリングが著しく進行する。そのため、半透膜ユニットの濃縮水に次亜塩素産ナトリウム等の酸化剤をＭＦ膜／ＵＦ膜の逆圧洗浄水として使用することは現実的でないと考えられていた。

特開２００１－７９３６６号公報特開２００６－２７２１３６号公報特開２００７－１８１８２２号公報特開平９－２２０４４９号公報

山村弘之、"水資源有効利用システム用膜の現状と今後の課題"、「膜（ＭＥＭＢＲＡＮＥ）」、日本膜学会、Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５、ｐ２３５

　本発明の目的は、原水をＭＦ／ＵＦ膜モジュールでろ過し、そのろ過水をＲＯ膜またはＮＦ膜を備えた半透膜ユニットで膜ろ過する造水方法において、ＭＦ／ＵＦ膜の表面および細孔内にスケールが付着・蓄積することによる目詰まりを防止することができるＭＦ／ＵＦ膜モジュールの洗浄方法、造水方法および造水装置を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明は次のいずれかの構成を特徴とするものである。
（１）　原水を精密ろ過／限外ろ過膜モジュールでろ過し、次いで半透膜ユニットで透過水と濃縮水とに分離する造水方法において、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールにおけるろ過の中断時に実施する膜モジュールの洗浄方法であって、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水とし、スケール防止剤とアルカリ性溶液を含有せしめた前記洗浄水を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行う膜モジュールの洗浄方法。
（２）　前記濃縮水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、前記（１）に記載の膜モジュールの洗浄方法。
（３）　前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールから得られたろ過水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加し前記半透膜ユニットで分離することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、前記（１）に記載の膜モジュールの洗浄方法。
（４）　さらに前記濃縮水の少なくとも一部にもスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、前記（３）に記載の膜モジュールの洗浄方法。
（５）　原水を精密ろ過／限外ろ過膜モジュールでろ過し、次いで半透膜ユニットで透過水と濃縮水とに分離する造水方法であって、一時的に、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールにおけるろ過を中断し、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水として前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行うとともに、前記洗浄水にスケール防止剤とアルカリ性溶液を含有せしめる造水方法。
（６）　前記濃縮水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、前記（５）に記載の造水方法。
（７）　前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールから得られたろ過水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加し前記半透膜ユニットで分離することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、前記（５）に記載の造水方法。
（８）　さらに前記濃縮水の少なくとも一部にもスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、前記（７）に記載の造水方法。
（９）　精密ろ過／限外ろ過膜モジュールと、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールのろ過水の少なくとも一部を透過水と濃縮水とに分離する半透膜ユニットと、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水として前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行う逆圧洗浄ユニットと、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめるスケール防止剤供給ユニットと、前記洗浄水にアルカリ性溶液を含有せしめるアルカリ性溶液供給ユニットとを備える造水装置。
（１０）　前記スケール防止剤供給ユニットとして、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにスケール防止剤を供給するユニットを備え、前記アルカリ性溶液供給ユニットとして、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにアルカリ性溶液を供給するユニットを備える、前記（９）に記載の造水装置。
（１１）　前記スケール防止剤供給ユニットとして、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールのろ過水を半透膜ユニットに供給するラインにスケール防止剤を供給するユニットを備え、前記アルカリ性溶液供給ユニットとして、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにアルカリ性溶液を供給するユニットを備える、前記（９）に記載の造水装置。
（１２）　前記スケール防止剤供給ユニットとして、さらに、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにスケール防止剤を供給するユニットを備える、前記（１１）に記載の造水装置。

　なお、本発明において「精密ろ過／限外ろ過膜モジュール」とは、精密ろ過膜モジュールおよび限外ろ過膜モジュールの少なくとも一方という意味である。

　本発明によれば、原水をＭＦ／ＵＦ膜モジュールでろ過し、次いで半透膜ユニットで透過水と濃縮水とに分離する造水方法において、一時的に、前記ＭＦ／ＵＦ膜モジュールにおけるろ過を中断し、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水として前記ＭＦ／ＵＦ膜モジュールの２次側から供給して前記ＭＦ／ＵＦ膜モジュールの逆圧洗浄を行うとともに、該洗浄水にスケール防止剤とアルカリ性溶液を含有せしめる。すなわち、ＭＦ／ＵＦ膜モジュールを、アルカリ性溶液を添加した洗浄水で逆圧洗浄するとともに、該洗浄水に予めスケール防止剤を添加しておく。これにより、逆圧洗浄水中に局所的なｐＨ上昇によりスケールが生成されることを抑制し、膜表面および細孔内にスケールが付着・蓄積することによる目詰まりを防止することができる。

本発明の造水装置の一実施態様を示すフロー図である。本発明の造水装置の別の実施態様を示すフロー図である。

　以下、図面に示す実施形態に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

　本発明に係る図１に示す造水装置は、例えば、原水を貯留する原水貯留槽１と、原水を供給する原水供給ポンプ２と、原水供給時に開となる原水供給弁３と、原水をろ過する中空糸膜モジュール４（ＭＦ／ＵＦ膜モジュール）と、逆圧洗浄や空気洗浄する場合に開となるエア抜き弁５と、ろ過時に開となるろ過水弁６と、中空糸膜ろ過水を貯留するろ過水貯留槽７と、中空糸膜モジュール４のろ過水を透過水と濃縮水に分離する半透膜ユニット１８と、中空糸膜モジュール４で得られたろ過水を半透膜ユニット１８に供給するブースターポンプ１９と、半透膜ユニット１８の濃縮水を貯留する濃縮水貯留槽２０と、半透膜ユニットの濃縮水を系外へ排水する場合に開となる濃縮水排水弁２２と、濃縮水を洗浄水として供給して中空糸膜モジュール４を逆圧洗浄する逆洗ポンプ８と、該逆圧洗浄時に開となる逆洗弁９と、逆洗時に濃縮水貯留槽２０からの濃縮水が通る逆洗配管１０と、中空糸膜モジュール４の１次側の水を排水する場合に開となる排水弁１１と、圧縮空気を中空糸膜モジュール４の下部に供給し空気洗浄する場合に開となる空気弁１２と、圧縮空気の供給源であるコンプレッサー１３を含む空気供給ユニットと、アルカリ性溶液を貯留するアルカリ性溶液貯留槽１４と、逆圧洗浄水としての濃縮水にアルカリ性溶液を供給するアルカリ性溶液供給ポンプ１５と、スケール防止剤を貯留するスケール防止剤貯留槽１６と、逆圧洗浄水としての濃縮水にスケール防止剤を供給する第１スケール防止剤供給ポンプ１７と、半透膜ユニット１８への供給水にスケール防止剤を供給する第２スケール防止剤供給ポンプ２１が設けられている。

　ここで、図１に示す装置では、スケール防止剤供給ユニットとして、半透膜ユニット１８の濃縮水にスケール防止剤を供給する第１スケール防止剤供給ポンプ１７と、半透膜ユニット１８への供給水にスケール防止剤を供給する第２スケール防止剤供給ポンプ２１とが設けられているが、いずれか一方であっても構わない。

　そして、図１に示す装置では、中空糸膜モジュール４のろ過水を一旦、中間タンクであるろ過水貯留槽７に貯留した後、半透膜ユニット１８に供給しているが、図２のように中間タンクを介さず、中空糸膜モジュール４のろ過水を直接半透膜ユニット１８に供給して透過水と濃縮水とに分離しても構わない。

　また、図１に示す装置では、濃縮水貯留槽２０に貯留した半透膜ユニット１８の濃縮水を洗浄水とし、かつ、逆洗ポンプ８を用いて逆圧洗浄を行っているが、図２のように濃縮水貯留槽２０と逆洗ポンプ８を介さず、半透膜ユニット１８の高圧濃縮水をそのまま中空糸膜モジュール４に供給して逆圧洗浄を実施しても構わない。

　中空糸膜モジュール４としては、図１のような加圧型膜モジュール以外にも、原水の入った膜浸漬槽に浸漬させてポンプやサイフォン等で吸引ろ過する浸漬型膜モジュールでも構わない。また加圧型膜モジュールの場合、外圧式でも内圧式であっても良いが、前処理の簡便さの観点から外圧式である方が好ましい。

　中空糸膜モジュール４を構成するＭＦ／ＵＦ膜の材質としては、多孔質の中空糸膜であれば特に限定しないが、セラミック等の無機素材、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、クロロトリフルオロエチレン－エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール、ポリエーテルスルホン、ポリ塩化ビニルからなる群から選ばれる少なくとも１種類を含んでいると好ましく、さらに膜強度や耐薬品性の点からはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）がより好ましく、親水性が高く耐汚れ性が強いという点からはポリアクリロニトリルがより好ましい。

　中空糸膜モジュール４を構成する膜は、ＭＦ膜であってもＵＦ膜であっても構わず、表面細孔径が０．００１μｍ～１０μｍの範囲内である膜を適宜選択することができる。

　ＭＦ／ＵＦ膜モジュールとしては、図１に示す中空糸膜モジュール４の他、平膜、管状膜、モノリス膜等を用いたモジュールでも構わない。

　ＭＦ／ＵＦ膜モジュールにおけるろ過方式は、全量ろ過方式、クロスフローろ過方式のどちらでも良いが、エネルギー消費が少ないという観点から全量ろ過が好ましい。ここでＭＦ／ＵＦ膜モジュールにおけるろ過流量の制御方法としては、定流量ろ過であっても定圧ろ過であっても差し支えはないが、ろ過水の生産水量の制御のし易さの点から定流量ろ過である方が好ましい。

　一方、半透膜ユニット１８における半透膜とは、被分離混合液中の一部の成分、例えば溶媒を透過させ他の成分を透過させない半透性を有する膜であり、ＮＦ膜やＲＯ膜を包含する。その素材には酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材がよく利用されている。また、その膜構造には、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い分離機能層を有する複合膜などを適宜使用できる。膜形態には中空糸膜、平膜がある。本発明は、これら膜素材、膜構造や膜形態によらず実施することができいずれも効果があるが、代表的な膜としては、例えば酢酸セルロース系やポリアミド系の非対称膜およびポリアミド系、ポリ尿素系の分離機能層を有する複合膜などがあり、造水量、耐久性、塩排除率の観点から、酢酸セルロース系の非対称膜、ポリアミド系の複合膜を用いることが好ましい。

　半透膜ユニット１８の運転圧力は通常０．１ＭＰａ～１５ＭＰａであることが好ましく、供給水の種類、運転方法などで適宜使い分けられる。かん水や超純水などの浸透圧の低い水を供給水とする場合には比較的低圧で、海水淡水化や廃水処理、有用物の回収などの場合には比較的高圧で使用される。

　ＮＦ膜またはＲＯ膜を備えた半透膜ユニット１８としては、特に制約はないが、取り扱いを容易にするため、中空糸膜状や平膜状の半透膜を筐体に納めて流体分離素子（エレメント）としたものを耐圧容器に充填したものを用いることが好ましい。流体分離素子は、平膜で形成する場合、例えば、多数の孔を穿設した筒状の中心パイプの周りに、半透膜を流路材（ネット）とともに円筒状に巻回したものが一般的であり、市販品としては、東レ（株）製逆浸透膜エレメントＴＭ７００シリーズやＴＭ８００シリーズを挙げることができる。これら流体分離素子は１本で半透膜ユニットを構成してもよいが、複数本の流体分離素子を直列あるいは並列に接続して半透膜ユニットを構成することも好ましい。

　このような造水装置において、通常のろ過工程では、原水供給弁３およびろ過水弁６が開の状態で、原水貯留槽１に貯留されている原水が、原水供給ポンプ２によって中空糸膜モジュール４の１次側に供給され、該中空糸膜モジュール４で加圧ろ過される。ろ過時間は原水水質やろ過流束に応じて適宜設定するのが好ましいが、所定のろ過差圧に達するまでろ過を継続させても良い。

　中空糸膜モジュール４のろ過水は、一時的にろ過水貯留槽７に貯留された後、ブースターポンプ１９によって昇圧され、半透膜ユニット１８に供給される。半透膜ユニット１８では、供給水が、塩分などの溶質が除去された透過水と、塩分などの溶質が濃縮された濃縮水に分離される。

　本発明は、例えば所定時間上記のようなろ過および分離を行った後に、ＭＦ／ＵＦ膜モジュールにおけるろ過を一時的に中断し、半透膜ユニットの濃縮水を用いて前記ＭＦ／ＵＦ膜モジュールの逆圧洗浄を行う。すなわち、図１に示す装置においては、少なくとも該中空糸膜モジュール４におけるろ過を一時的に中断し、中空糸膜モジュール４にろ過方向とは逆方向から、半透膜ユニット１８から得られた濃縮水を逆流させる逆圧洗浄を行う。この洗浄は、図１に示す装置の場合、半透膜ユニット１８の運転を継続しながら実施することができるが、その間の半透膜ユニット１８での処理には、ろ過水貯留槽７に貯留しているろ過水を使用するものとする。

　中空糸膜モジュール４の逆圧洗浄は、原水供給ポンプ２を停止し、原水供給弁３とろ過水弁６を閉じて、中空糸膜モジュール４のろ過工程を停止してから、エア抜き弁５と逆洗弁９を開とし、逆洗ポンプ８を稼働することで行われる。

　また、逆圧洗浄に際しては、ＭＦ／ＵＦ膜に付着しているフミン質や微生物由来のタンパク質等の有機物を分解・除去するため、半透膜ユニットから得られた濃縮水にアルカリ性溶液を含有せしめて洗浄水とする。

　ここで、濃縮水は、例えばカルシウムイオン、マグネシウムイオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどのスケール生成成分や、ナトリウムイオンや塩化物イオンなどを有意な濃度で含有する水が、半透膜ユニットで濃縮された水である。そのため、当該水にアルカリ性溶液を添加して局所的にｐＨが高くなることで、スケールが生成し、目詰まりが起こりやすくなる。本発明者の検討によると、ＴＤＳ（Ｔｏｔａｌ　Ｄｉｓｓｏｌｕｂｅｄ　Ｓｏｌｉｄｓ）濃度が１，０００ｍｇ／Ｌ以上になると目詰まりが起こり易くなり始め、１０，０００ｍｇ／Ｌを超えると目詰まりがより起こり易くなり、３０，０００ｍｇ／Ｌを超えると目詰まりがさらに起こり易くなることが分かっている。そのため、本発明においては、アルカリ性溶液と共にスケール防止材を含有せしめた濃縮水でＭＦ／ＵＦ膜モジュールを逆圧洗浄する。こうすることで、従来廃棄処分が必要だった濃縮水を現実的に有効利用できる。

　図１に示す形態においてはアルカリ性溶液貯留槽１４のアルカリ性溶液をアルカリ性溶液供給ポンプ１５で供給すると共に、スケール防止剤貯留槽１６のスケール防止剤を第１スケール防止剤供給ポンプ１７で供給することで、濃縮水にアルカリ性溶液とスケール防止剤を含有せしめる。そして、該濃縮水を洗浄水として用いて中空糸膜モジュール４の逆圧洗浄をする。

　なお、ＴＤＳ濃度は、全溶解性物質濃度のことであり、この溶解性物質としては、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどが含まれる。海水のように塩濃度が高い水は、塩分に対して他の溶解性物質を極微量にしか包含しないため、塩濃度でＴＤＳ濃度を代替することができる。

　中空糸膜モジュール４の逆圧洗浄は、膜ろ過を続ける途中で例えば定期的に行われ、その頻度は通常１５分～１２０分に１回程度である。

　また、アルカリ性溶液とスケール防止剤を含む洗浄水を用いた逆圧洗浄は、毎回の逆圧洗浄時に適用しても構わないが、必ずしも全逆洗工程で実施する必要はない。薬品コスト削減のためには、１日に数回～１週間に１回程度の頻度で実施することが好ましい。

　２種類の逆圧洗浄（アルカリ性溶液とスケール防止剤を含む洗浄水を用いた逆圧洗浄とアルカリ性溶液とスケール防止剤を含まない洗浄水を用いた逆圧洗浄）の時間は、特に制限するものではないが、いずれも、５秒～１２０秒の範囲内とするのが好ましい。１回の逆圧洗浄時間が５秒未満では、十分な洗浄効果が得られず、１２０秒を超えると中空糸膜モジュール４の稼働効率が低くなる。逆圧洗浄の流束は、特に制限するものではないが、ろ過流束の０．５倍以上であることが好ましい。逆圧洗浄の流束がろ過流束の０．５倍未満では、膜面および細孔内に付着堆積した汚れを十分に除去することが難しい。逆圧洗浄の流束は高い方が膜の洗浄効果が高くなるので好ましいが、中空糸膜モジュール容器の破損や膜の亀裂等の損傷が起こらない範囲内に適宜設定する。

　アルカリ性溶液としては、水酸化ナトリウム溶液や次亜塩素酸ナトリウム溶液等が使用できる。中でも、使用し易さ、膜の洗浄効果が高いという点から次亜塩素酸ナトリウム溶液が好ましい。水酸化ナトリウム溶液を用いる場合には、ｐＨ１０未満の場合では洗浄効果がほとんど得られず、ｐＨ１２を超える場合では膜を劣化させる可能性が高いことから、ｐＨ１０以上ｐＨ１２以下の範囲が好ましい。次亜塩素酸ナトリウム溶液を用いる場合には、洗浄水中の塩素濃度が数ｍｇ／Ｌ～数千ｍｇ／Ｌの範囲となるように添加することが好ましい。中でも、後述するように、中空糸膜モジュール４内に次亜塩素酸ナトリウム溶液を保持する場合は、洗浄水中の塩素濃度が５０ｍｇ／Ｌ以上１０００ｍｇ／Ｌ以下となるようにすることが好ましい。これは塩素濃度が低すぎると中空糸膜モジュール４内に保持している間に該次亜塩素酸ナトリウム溶液が全て消費されてしまい洗浄効果が十分に得られないことと、塩素濃度が高すぎると排水を処理するコストが高くなるからである。

　スケール防止剤とは、溶液中の金属、金属イオンなどと錯体を形成し、金属あるいは金属塩を可溶化させるもので、有機や無機のイオン性ポリマーあるいはモノマーを使用できる。有機系のポリマーとしては、ポリアクリル酸、スルホン化ポリスチレン、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミンなどの合成ポリマーや、カルボキシメチルセルロース、キトサン、アルギン酸などの天然高分子が、モノマーとしてはエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）などが使用できる。また、無機系のスケール防止剤としてはポリリン酸塩などが使用できる。これらのスケール防止剤の中では入手のしやすさ、溶解性など操作のしやすさ、価格の点から特にポリリン酸塩、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）が好適に用いられる。ポリリン酸塩とはヘキサメタリン酸ナトリウムを代表とする分子内に２個以上のリン原子を有し、アルカリ金属、アルカリ土類金属とリン酸原子などにより結合した重合無機リン酸系物質をいう。代表的なポリリン酸塩としては、ピロリン酸四ナトリウム、ピロリン酸二ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、テトラポリリン酸ナトリウム、ヘプタポリリン酸ナトリウム、デカポリリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、およびこれらのカリウム塩などが挙げられる。これらスケール防止剤を単体で用いても良いが、複数のスケール防止剤を混合しても良い。

　スケール防止剤の添加濃度は洗浄水中の少なくともスケール成分を溶解除去できれば十分である。費用や溶解にかかる時間などの操作性を考慮すると、一般的には０．０１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であり、特に一般的な海水レベルの場合においては０．１ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下が好ましく、更に好ましくは１ｐｐｍ以上２０ｐｐｍ以下である。添加濃度が０．０１ｐｐｍよりも低い場合にはスケールの発生を十分に抑制できない場合があるため、半透膜の性能劣化が起こる可能性がある。また、１００ｐｐｍを超えるとスケール防止剤それ自体が半透膜表面に付着して透水性能低下を引き起こしたり、水質を悪化させたりすることがあるため好ましくない。ただし、多量にスケール成分や金属類を含有する洗浄水では数十～数百ｐｐｍの添加が必要な場合もある。

　スケール防止剤はアルカリ性溶液を添加する手前で洗浄水に添加することが好ましい。スケール防止剤を添加する前にアルカリ性溶液を洗浄水に添加すると、局所的なｐＨ上昇によって洗浄水中にスケール生成する可能性が高くなる。

　なお、スケール防止剤は、必ずしも半透膜ユニット１８の下流側で濃縮水に添加する必要はない。第２スケール防止剤供給ポンプ２１により半透膜ユニット１８への供給水、すなわち中空糸膜モジュール４のろ過水にスケール防止剤を添加し、それを半透膜ユニット１８で透過水と濃縮水とに分離してもよい。このようにすることで、洗浄に用いられる濃縮水は結果的にスケール防止剤を含有したものとなり、かつ、アルカリ性溶液を添加する時点で濃縮水が既にスケール防止剤が含有していることになる。加えて、原水として硬度成分の多い海水を処理する場合など、半透膜ユニット１８への供給水にスケール防止剤を添加しておくことで、半透膜ユニット１８でのスケール生成を防ぐことができる。

　このように第２スケール防止剤供給ポンプ２１のみを用いてスケール防止剤を添加する場合、半透膜ユニット１８での濃縮によるスケール析出とアルカリ添加によるスケール析出の両方を考慮し、第２スケール防止剤供給ポンプ２１による添加量を決定する必要がある。

　勿論、第２スケール防止剤供給ポンプ２１により半透膜ユニット１８への供給水にスケール防止剤を添加するとともに、第１スケール防止剤供給ポンプ１７により半透膜ユニット１８で得られた濃縮水にスケール防止剤を添加してもよい。

　特に薬品費用削減の観点からは、中空糸膜モジュール４の中空糸膜ろ過水にスケール防止剤を添加し、さらに半透膜ユニット１８の濃縮水にもスケール防止剤を添加することが、好ましい。この時、第２スケール防止剤供給ポンプ２１では、半透膜ユニット１８での濃縮によるスケール析出を防止できる量のスケール防止剤を添加し、第１スケール防止剤供給ポンプ１７では、アルカリ性溶液を用いた逆洗を行う際に、アルカリ性溶液の添加によるスケール析出を防止できる量のスケール防止剤を添加することが好ましい。

　半透膜ユニット１８においては、濃縮によるスケール析出を防止するためにそれぞれの半透膜ユニット供給水に対してスケール防止剤を添加することが有効である。なお、海水からホウ素を効率的に除去する場合など、半透膜ユニット１８の供給水にアルカリ性溶液を添加してｐＨをアルカリ側に調整する場合は、その添加効果を発揮できるように、当該アルカリ性溶液の添加よりも上流側で、半透膜ユニット１８の供給水にスケール防止剤を添加することが好ましい。

　なお、薬品添加の直後にはインラインミキサーを設けたり、添加口を供給水の流れに直接接触させるなどして、添加口近傍での急激な濃度やｐＨ変化を防止することも好ましい。

　洗浄効果を高めるためには、アルカリ性溶液とスケール防止剤を含む洗浄水を用いた逆圧洗浄に続いて、中空糸膜モジュール４内に該アルカリ性溶液とスケール防止剤を含む洗浄水を所定時間保持させることが好ましい。中空糸膜モジュール４内にアルカリ性溶液とスケール防止剤を含む洗浄水を保持する時間は５～１８０分間程度であることが好ましく、更には１０～３０分間程度がより好ましい。あまり接触時間が短いと洗浄力が弱く、長すぎると装置を停めている時間が長くなり、装置の運転効率が落ちるからである。

　さらに、膜表面にファウリング物質が付着蓄積している場合、空気弁１２を開にして中空糸膜モジュール４の１次側にコンプレッサー１３の圧縮空気を送り込み、膜を振動させる空気洗浄を実施することが好ましい。空気洗浄は、先述した２種類の逆圧洗浄実施中や実施前後、または中空糸膜モジュール４内にアルカリ溶液とスケール防止剤を含む洗浄水を保持させている時間の少なくとも一部で実施することが好ましい。中空糸膜モジュール４の１次側に押し出された水や中空糸膜モジュール４の下部から供給された空気はエア抜き弁５を通って系外に排出される。この場合、圧縮空気の圧力は、高い方が膜の洗浄効果が高くなるので好ましいが、膜が損傷しない範囲内で適宜設定する。

　以下に具体的実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。

　＜実施例１＞
　図１に示す装置を用意し、造水を行った。中空糸膜モジュール４には、東レ（株）製の分画分子量１５万Ｄａのポリフッ化ビニリデン製中空糸ＵＦ膜を備えた、膜面積が７２ｍ^２の加圧型中空糸膜モジュール（ＨＦＵ－２０２０）１本を用いた。半透膜ユニット１８には東レ（株）製逆浸透膜エレメント（ＴＭ８２０－４００）４本を用いた。

　中空糸膜モジュール４におけるろ過工程では、原水供給弁３とろ過水弁６を開き、原水供給ポンプ２を稼動させ、濁度が４度、ＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃａｒｂｏｎ：全有機炭素）濃度が２ｍｇ／Ｌ、塩濃度３．５％の海水をろ過流束３ｍ／ｄで全量ろ過した。また、半透膜ユニット１８における分離工程では、スケール防止剤貯留槽１６内のエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を、半透膜ユニット１８の供給水における濃度が１０ｐｐｍとなるように、第２スケール防止剤供給ポンプ２１を用いて常時添加しながら、膜ろ過流量６０ｍ^３／ｄ、濃縮水流量１２０ｍ^３／ｄ、回収率３３％で膜分離した。

　中空糸膜モジュール４で３０分ろ過した後、原水供給弁３とろ過水弁６を閉じ、原水供給ポンプ２を停止すると同時に、逆洗弁９と空洗弁１２とエア抜き弁５を開き、逆洗ポンプ８を稼動させ、半透膜ユニット１８の濃縮水を用いた流束３．３ｍ／ｄの逆圧洗浄と膜モジュールの下方から１００Ｌ／ｍｉｎで空気を供給する空気洗浄を同時に１分間実施した。その後、逆洗弁９と空洗弁１２を閉じ、逆洗ポンプ８を停止すると同時に、排水弁１１を開き、中空糸膜モジュール４内の水を系外に全量排出した。その後、原水供給弁３を開き、原水供給ポンプ２を稼動し、原水を中空糸膜モジュール４内に供給後、ろ過水弁６を開き、エア抜き弁５を閉じ、ろ過工程に戻り、先述した工程を繰り返していった。

　また１日１回アルカリ性溶液貯留槽１４内の次亜塩素酸ナトリウム溶液を半透膜ユニット１８の濃縮水に添加した洗浄水を用いた逆圧洗浄を実施した。逆洗弁９と空洗弁１２とエア抜き弁５を開き、逆洗ポンプ８、アルカリ性溶液供給ポンプ１５を稼動させ、流束３．３ｍ／ｄの逆圧洗浄と中空糸膜モジュール４の下方から１００Ｌ／ｍｉｎで空気を供給する空気洗浄を同時に１分間実施した。この時の逆圧洗浄水中の塩素濃度が５００ｍｇ／Ｌとなるように、ハック社製ポケット残留塩素計を用いて測定し、次亜塩素酸ナトリウム溶液添加量を適宜調整した。次に、逆洗ポンプ８、アルカリ性溶液供給ポンプ１５を停止し、中空糸膜モジュール４内が塩素濃度５００ｍｇ／Ｌで２０分間保持した。その後、原水供給弁３を開き、原水供給ポンプ２を稼動させ、原水を中空糸膜モジュール４内に供給後、ろ過水弁６を開き、エア抜き弁５を閉じ、ろ過工程に戻り、先述した工程を繰り返した。

　その結果、中空糸膜モジュール４のろ過差圧は、運転開始直後６０ｋＰａに対し、運転開始から１ヶ月の間も６０～７０ｋＰａを推移し、安定運転できた。また、半透膜ユニット１８の膜ろ過差圧は、運転開始直後１００ｋＰａであったのに対し、１ヶ月後も１２０ｋＰａ程度と安定していた。

　＜実施例２＞
　以下の点を変更した以外は実施例１と同様に造水を行った。すなわち、第２スケール防止剤供給ポンプ２１を用いてＥＤＴＡを添加することはしなかった。代わりに、次亜塩素酸ナトリウム溶液を添加した洗浄水を用いた逆圧洗浄の時に、第１スケール防止剤供給ポンプ１７を用いて、該洗浄水における濃度が２０ｐｐｍとなるようにＥＤＴＡを添加した。

　その結果、中空糸膜モジュール４のろ過差圧は、運転開始直後６０ｋＰａに対し、運転開始から１ヶ月の間も６０～７０ｋＰａを推移し、安定運転できた。一方、半透膜ユニット１８の膜ろ過差圧は、運転開始直後１００ｋＰａであったのに対し、１ヶ月後も１４０ｋＰａ程度と高くなったが比較的安定していた。

　＜比較例１＞
　エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を全く添加しなかった以外は、実施例１と全く同じとした。

　その結果、中空糸膜モジュール４のろ過差圧は、運転開始直後６０ｋＰａに対し、スケール成分による目詰まりにより１ヶ月後には１５０ｋＰａと高くなり、薬液洗浄を実施せざるを得なくなった。半透膜ユニット１８の膜ろ過差圧も、運転開始直後１００ｋＰａであったのに対し、スケール発生により１ヶ月後には１８０ｋＰａと高くなった。

　本発明の目的は、原水を膜モジュールで膜ろ過する膜分離装置において、膜表面および細孔内にスケールが付着・蓄積することによる目詰まりを防止し、効果的に膜モジュールの洗浄を実現することができる。

１：原水貯留槽
２：原水供給ポンプ
３：原水供給弁
４：中空糸膜モジュール
５：エア抜き弁
６：ろ過水弁
７：ろ過水貯留槽
８：逆洗ポンプ
９：逆洗弁
１０：逆洗配管
１１：排水弁
１２：空気弁
１３：コンプレッサー
１４：アルカリ性溶液貯留槽
１５：アルカリ性溶液供給ポンプ
１６：スケール防止剤貯留槽
１７：第１スケール防止剤供給ポンプ
１８：半透膜ユニット
１９：ブースターポンプ
２０：濃縮水貯留槽
２１：第２スケール防止剤供給ポンプ
２２：半透膜濃縮水排水弁

Claims

　原水を精密ろ過／限外ろ過膜モジュールでろ過し、次いで半透膜ユニットで透過水と濃縮水とに分離する造水方法において、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールにおけるろ過の中断時に実施する膜モジュールの洗浄方法であって、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水とし、スケール防止剤とアルカリ性溶液を含有せしめた前記洗浄水を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行う膜モジュールの洗浄方法。
　前記濃縮水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、請求項１に記載の膜モジュールの洗浄方法。
　前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールから得られたろ過水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加し前記半透膜ユニットで分離することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、請求項１に記載の膜モジュールの洗浄方法。
　さらに前記濃縮水の少なくとも一部にもスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、請求項３に記載の膜モジュールの洗浄方法。
　原水を精密ろ過／限外ろ過膜モジュールでろ過し、次いで半透膜ユニットで透過水と濃縮水とに分離する造水方法であって、一時的に、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールにおけるろ過を中断し、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水として前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行うとともに、前記洗浄水にスケール防止剤とアルカリ性溶液を含有せしめる造水方法。
　前記濃縮水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、請求項５に記載の造水方法。
　前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールから得られたろ過水の少なくとも一部にスケール防止剤を添加し前記半透膜ユニットで分離することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、請求項５に記載の造水方法。
　さらに前記濃縮水の少なくとも一部にもスケール防止剤を添加することで、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめる、請求項７に記載の造水方法。
　精密ろ過／限外ろ過膜モジュールと、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールのろ過水の少なくとも一部を透過水と濃縮水とに分離する半透膜ユニットと、前記濃縮水の少なくとも一部を洗浄水として前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給して前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの逆圧洗浄を行う逆圧洗浄ユニットと、前記洗浄水にスケール防止剤を含有せしめるスケール防止剤供給ユニットと、前記洗浄水にアルカリ性溶液を含有せしめるアルカリ性溶液供給ユニットとを備える造水装置。
　前記スケール防止剤供給ユニットとして、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにスケール防止剤を供給するユニットを備え、前記アルカリ性溶液供給ユニットとして、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにアルカリ性溶液を供給するユニットを備える、請求項９に記載の造水装置。
　前記スケール防止剤供給ユニットとして、前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールのろ過水を半透膜ユニットに供給するラインにスケール防止剤を供給するユニットを備え、前記アルカリ性溶液供給ユニットとして、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにアルカリ性溶液を供給するユニットを備える、請求項９に記載の造水装置。
　前記スケール防止剤供給ユニットとして、さらに、前記濃縮水の少なくとも一部を前記精密ろ過／限外ろ過膜モジュールの２次側から供給するラインにスケール防止剤を供給するユニットを備える、請求項１１に記載の造水装置。