JP2008302333A - 造水方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理水中の溶解性有機物を除去して、逆浸透膜の膜分離性能の低下を防止し、膜分離性能の長期安定化を図る。
【解決手段】生物反応処理水や、下水が混合した海水などの被処理水を逆浸透膜で膜ろ過し、被処理水中のイオンを除去する造水方法である。逆浸透膜１２の前処理として前記被処理水をセラミック製のナノろ過膜１４に通水して前記溶解性有機物を除去したのち、前記逆浸透膜１２に通水して前記被処理水に含まれるイオンを除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は造水方法及びその装置に関し、特に逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いた造水方法及びその装置に関する。

造水及び水処理に用いられる膜には、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノろ過膜（ＮＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）がある。
このうち逆浸透膜は孔径が最も小さく、水中に溶解している塩類、有機物等を除去し、水だけを通すことができる分離膜であり、脱塩分野、食品分野、半導体分野で多用されている。

逆浸透膜は上述のように塩類、有機物等を除去して真水などの処理水を得ることができるが、膜ろ過分離によって膜表面に塩類などの無機物や、有機物が付着し、膜が汚染されて膜の透水量が減少したり、ろ過圧力が上昇するなどの性能の低下が生じる。そのため、この汚染を除去する洗浄作業が必要となる。この洗浄作業は無機物と有機物で異なっている。例えば無機物の洗浄には水洗いまたは酸洗いを行い、有機物の場合には酸化剤を用いて洗浄している。ところが逆浸透膜は、洗浄回数の増加、または特に強い酸化剤を用いて洗浄するとろ過膜が劣化し易く、膜寿命が低下するという問題があった。

そこで逆浸透膜の膜ろ過の汚染の負荷を軽減する目的で膜ろ過分離の前処理として例えば（１）〜（３）に示す方法によって、予め有機性廃水の有機物や塩類を除去して逆浸透膜のろ過膜の汚染を低減することが行われている。
（１）被処理水に塩素を間欠的に添加してバイオファウリングを防止する。
被処理水中の懸濁物質が膜表面に付着するバイオファウリングが起こる。そうすると逆浸透膜のろ過性能が著しく低下してしまう。特許文献１には、逆浸透膜の前処理方法において間欠的に被処理水に塩素系滅菌剤を注入する処理方法が開示されている。
（２）逆浸透膜の前段にナノろ過膜を用いてイオン除去する。
特許文献２には、海水をナノろ過膜に通して硫酸イオン濃度を低下させて、ついで逆浸透膜に通して塩類を除去する淡水化方法が開示されている。
（３）有機物除去のために前処理として生物処理を行う。
特許文献３の水処理方法によれば、逆浸透膜処理の前段に生物処理槽を設け、被処理水を生物処理することで同化可能有機炭素濃度を制御し、逆浸透膜に供している。
特開平６−２３３５６号公報 特開平９−１４１２６０号公報 特開２００３−１１２１８１号公報

しかしながら、特許文献１に示す被処理水に塩素を添加する方法では、酸化剤である塩素によって逆浸透膜が次第に劣化してしまう。また塩素の添加により被処理水中の有機物と反応して有害なトリハロメタンが発生してしまう。薬品を添加すると塩類濃度が高まり、逆浸透膜における脱塩処理の負荷が増加してしまう。

また特許文献２に示すナノろ過膜を用いた場合では、逆浸透膜に生じていた無機物／有機物による汚染が前段のナノろ過膜で生じるだけであり、特許文献２で逆浸透膜の性能向上、寿命伸長が図れたとしても、前段のナノろ過膜のメンテナンス（洗浄・交換）に必要な時間、手間、費用を考慮するとシステム全体のメリットは乏しい。

さらに特許文献３に示す生物処理を行う方法では、被処理水に含まれる溶解性有機物が、活性汚泥の代謝などで生じた生物処理後のものである場合、一度生物処理を受けた有機物であるため、生物処理では非常に分解しにくい。よってＭＢＲ処理水、下水処理水混入水を被処理水とする場合には効果的でないという問題があった。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために逆浸透膜の膜分離性能の低下を防止し、膜分離性能の長期安定化を図ることを目的としている。

本発明の造水方法は、被処理水を逆浸透膜で膜ろ過し、被処理水中のイオンを除去する造水方法において、前記逆浸透膜の前処理として前記被処理水をセラミック製のナノろ過膜に通水して溶解性有機物を除去したのち、前記逆浸透膜に通水して前記被処理水に含まれるイオンを除去することを特徴としている。

本発明の造水装置は、被処理水を逆浸透膜でろ過し、被処理水中のイオンを除去する造水装置において、前記逆浸透膜の前段に前記被処理水の溶解性有機物を除去するセラミック製のナノろ過膜と、前記セラミック製のナノろ過膜を通過した前記被処理水に含まれるイオンを除去する逆浸透膜とを備えたことを特徴としている。

上記構成による本発明の造水方法及びその装置によれば、逆浸透膜の前段に取り付けたセラミック製のナノろ過膜によって被処理水中に含まれる溶解性有機物を除去することができる。

これによりナノろ過膜の後段に取り付けた逆浸透膜への有機物の負荷が低減される。このため逆浸透膜の有機物による汚染が低減され酸化剤を用いたろ過膜の洗浄回数が少なくなり、ろ過膜の劣化を低減でき、逆浸透膜の長寿命化、及び膜分離性能の長期安定化を図ることができる。また本発明のナノろ過膜はセラミック製であるため、ろ過膜表面に付着した有機物を酸化剤で洗浄することにより容易に溶解性有機物を除去できる。このとき酸化剤によるろ過膜の劣化が起こらない。また強い酸化剤を用いて有機物を洗浄除去することができる。さらに本発明のナノろ過膜は、シリカイオン、カルシウムイオン、硫化物イオンなどのスケーリング成分を含む無機イオンを除去することがないため、スケーリングや無機成分により膜の汚染がない。そのためナノろ過膜の洗浄は有機物の除去のみを考慮すればよい。

また本発明の造水方法及びその装置は、逆浸透膜の前段に取り付けたセラミック製のナノろ過膜によって溶解性有機物を除去し、ついで逆浸透膜により無機物（イオン）を除去する。

これにより逆浸透膜は主に被処理水中に含まれる無機物を除去する。逆浸透膜のろ過膜に付着した無機物は水洗い又は酸洗いで除去できるため、酸化剤洗浄に比べてろ過膜の劣化が少ない。よって逆浸透膜の長寿命化、及び膜分離性能の長期安定化を図ることができる。

また本発明のセラミック製のナノろ過膜は、公知技術の特許文献２とは異なり、有機物は除去するが、イオンは除去しない孔径であり、濃縮液のイオン濃度が高くなることによるスケーリングが生じることがない。従って、濃縮倍率を制限する必要がなく、全量ろ過での運転が可能である。これにより、通常のナノろ過膜の運転のようにクロスフローろ過をする必要がなく、クロスフローのための膜供給流量が不要であり、ポンプ容量を小さくでき、動力費も少なくてよい。

また本発明のセラミックナノろ過膜は、有機物が含まれていない水においてはカルシウムイオンを全く除去できないが、有機物、特にフミン質を含む被処理水では、カルシウムイオンを除去することが可能である。これはナノろ過膜の表面に蓄積した有機物、特にフミン質とカルシウムイオンが錯体を形成し、これによりカルシウムイオンが除去されるためである。よって後段の逆浸透膜で除去していた無機イオンの一部であるカルシウムイオンの負荷が軽減されて、ろ過膜の除去率が向上する。

本発明のナノろ過膜は、孔径が０．２〜２．０ｎｍであり分子量数１００〜数１０００の有機成分（溶解性、生物難溶解性、色度成分）を除去できる。従って被処理水中の有機物を凝集することなく直接ろ過しても除去することが可能であり、凝集剤やｐＨ調整剤などの薬剤が必要ない。このため薬品の投入による塩類濃度の増加がない。よって逆浸透膜の負荷を低減できる。

また本発明のナノろ過膜は、無機物を除去することなく透過させているので、膜表面に無機物が析出するスケーリングが生じない。このため、高圧をかけることなく低動力を維持できるとともに、濃縮水を低減して処理水の回収率を上げることができる。

本発明の造水方法及びその装置の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は本発明の造水装置の構成概略を示す図である。図示のように有機性廃水の造水装置１０は、被処理水が流入する逆浸透膜（ＲＯ膜）１２の上流側にナノろ過膜（ＮＦ膜）１４を取り付けている。

本発明の被処理水としては、例えば、下水又は工業廃水を活性汚泥による生物反応処理を行った処理後の生物反応処理水や、下水又は下水処理水が混合した海水など、いずれも溶解性有機物含有水を対象としている。ここで溶解性有機物とは、例えば色度成分がある。色度成分はフルボ酸、フミン酸などのフミン質で分子量が数万以下であり、処理水中の色度として残存するものである。また活性汚泥による生物反応処理を行った処理後の生物反応処理水中の溶解性有機物は、生物処理後の活性汚泥の代謝物などである。このため生物処理では非常に分解しにくいものである。

逆浸透膜１２は、孔径が最も小さい膜であり、一般に用いられる膜素材としてポリアミド系、アミド系、酢酸セルロース系などがあげられる。また逆浸透膜１２の形状は、一例として活性層、支持層、基材からなる複合膜をスパイラル型構造に形成したものを用いることができる。逆浸透膜１２は、被処理水に溶解している塩類や有機物等を除去し、水だけを通すことができる。このとき処理水のほか、塩類、有機物や不純物などの濃縮水が常に連続的に排出される。

ナノろ過膜１４は、逆浸透膜１２よりも孔径が大きく、イオン類の除去率は大きくはないが、分子量数百程度以上の有機物を分離し除去することができる。一般に用いられているナノろ過膜は、膜素材としてポリアミド（ＰＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、酢酸セルロース（ＣＡ）などが用いられている。これらの膜素材は、酸化剤によるろ過膜の洗浄処理によって劣化し易い問題がある。

そこで本発明のナノろ過膜１４は、セラミック製のナノろ過膜を用いている。セラミック製の細多孔膜は化学的、機械的、熱的に安定しているため、広範囲な用途性がある。以下セラミック製のナノろ過膜１４の製造方法について説明する。コーティングされた多層構造の最上層に厚さ２５０ｎｍで平均細孔サイズが５ｎｍのメソ多孔性のＴｉＯ_２層を形成する。多層構造のコーティング後、ポリマーゲルが形成され、ついで室温で乾燥する。コーティングと乾燥の湿度調整は、ゲル網状組織の加水分解と縮合に影響しＮＦ膜の品質に依存している。湿度５０％以上でゲルの加水分解は縮合よりも速く促進し、その結果ＴｉＯ_２・ｘＨ_２Ｏ粒子が形成され、ついでメソ多孔性粒子管微細孔が形成される。乾燥後得られた膜を焼結する。これによりＴｉＯ_２ナノろ過膜が形成される。

上記製法により得られたナノろ過膜は、材質として例えばＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を用い、孔径は０．２〜２．０ｎｍである。

上記構成による有機性廃水の処理装置の廃水処理について以下説明する。本実施形態では一例として、活性汚泥による生物反応処理した後の処理水を逆浸透膜分離する場合について説明する。活性汚泥により生物反応処理された被処理水中には、生物処理後の活性汚泥の代謝物などの色度成分である溶解性有機物が含まれている。

生物反応槽の排出側の配管上にはナノろ過膜１４、ついで逆浸透膜１２が設置されており、生物反応処理水（被処理水）は、まず始めにナノろ過膜１４に供給される。

ナノろ過膜１４ではろ過膜で被処理水に含まれる溶解性有機物を除去する。そして塩類などの無機物はろ過膜の孔径よりも小さくろ過膜を通過する。ここで無機物に含まれるカルシウムイオンの一部は、ナノろ過膜除去され、ナノろ過膜上に付着した有機物のフミン質と錯体を形成し、除去される。

ナノろ過膜１４を通過した被処理水は、ついで逆浸透膜１２に供給される。逆浸透膜１２では、被処理水に含まれる塩類などの無機物がろ過膜で除去される。ろ過膜を通過した水は処理水として再利用される。一方、ろ過膜で除去された塩類などの無機物は濃縮水として排出される。

このようにナノろ過膜で被処理水に含まれる溶解性有機物を除去するため、後段の逆浸透膜では、溶解性有機物の含有量が僅かとなる。このため有機物による汚染が減少し、酸化剤を用いた洗浄が低減される。またナノろ過膜では通常通過するカルシウムイオンの一部を除去することができる。

ところで所定期間膜ろ過分離を行ったナノろ過膜１４は、ろ過膜に付着した有機物を定期的に洗浄する必要がある。本発明のナノろ過膜は、セラミック製であるため、化学的に安定しており、酸化剤を用いた洗浄であっても、ろ過膜の劣化がほとんど起こらない。

またナノろ過膜１４の後段に設けた逆浸透膜１２では、被処理水にほとんど溶解性有機物が含まれていないため、主に無機物を除去する。よって逆浸透膜１２の洗浄は水洗い又は酸洗いで洗浄することができる。このため酸化剤による洗浄回数が低減され、膜ろ過の劣化が低減される。

以上説明したように、本発明は逆浸透膜の前処理としてセラミック製のナノろ膜を取り付け、被処理水中に含まれる溶解性有機物を除去したのち、逆浸透膜で有機性廃水に含まれる無機物を除去している。これにより逆浸透膜への有機物の負荷を低減して酸化剤による膜洗浄の洗浄回数が低減される。ろ過膜の劣化を低減できるため、逆浸透膜の長寿命化、及び膜分離性能の長期安定化を図ることができる。

本発明は、下水を含む海水又は工業廃水を逆浸透膜分離処理して造水する分野等において有用である。

本発明の造水装置の構成概略を示す図である。

符号の説明

１０………造水装置、１２………逆浸透膜（ＲＯ膜）、１４………ナノろ過膜（ＮＦ膜）。

Claims (2)

1. 被処理水を逆浸透膜で膜ろ過し、被処理水中のイオンを除去する造水方法において、
   前記逆浸透膜の前処理として前記被処理水をセラミック製のナノろ過膜に通水して溶解性有機物を除去したのち、前記逆浸透膜に通水して前記被処理水に含まれるイオンを除去することを特徴とする造水方法。
2. 被処理水を逆浸透膜でろ過し、被処理水中のイオンを除去する造水装置において、
   前記逆浸透膜の前段に前記被処理水の溶解性有機物を除去するセラミック製のナノろ過膜と、
   前記セラミック製のナノろ過膜を通過した前記被処理水に含まれるイオンを除去する逆浸透膜とを備えたことを特徴とする造水装置。

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