JP3902227B2 - 瀘過の監視及び制御システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、限外瀘過及びマイクロ瀘過システムに関し、特に膜瀘過システムと共に使用するテスト、監視及び制御システムに関する。
本発明は、ファイバー膜瀘過システムへのその応用に対して述べられているが、一般にそれは限外瀘過／マイクロ瀘過システムに適用可能であり、すでに述べた特定の応用に制限されるものではないと評価されるであろう。
背景技術
ファイバー膜瀘過は、多数の微小孔を有した中空筒状ファイバーの使用を含んだ良く開発された方法である。各ファイバーは、瀘液から不純物を排斥しながら瀘液がファイバーの外部からファイバー壁の微小孔を通ってファイバーの内部に流入できるようになっている。孔は、例えば直径で約０．２マイクロメータとできる。
実際には、幾千というファイバーが、共に束ねられて胴に入れられるが、完成した組立体は、モジュール５（図２を見よ）として知られている。胴６は、通常円筒状であり、ファイバー７はその中を縦に伸びている。胴の端は、各端で栓８をポット形成するものとして知られている樹脂等で通常シールされている。中空ファイバー７の端は、貫通しており、各ファイバー７の内部がモジュール５の外部と両端で連通するようにポット栓８に入れられており、これによって瀘液が２つの端部箇所から取り出されることになる。代わりのものとしては、各ファイバーの両端がポット成形部を貫通してモジュール５の一端で外部と連通したり、又はファイバーが一端でポット成形部を貫通し且つファイバーの他方端がシールされている。
図１に示されているように、モジュール５は、各々がマニホールド１０を分かち合っている一例としてのモジュール５から構成されている『バンク』９に通常（しかし必須ではない）配置されており、バンクはアレー状に配列されている。
使用に際し、ファイバーの外面とモジュール胴の内面との間の空間に供給又は流入が行われる。瀘液は、ファイバー７の微小孔付き膜を通ってファイバーの内部に流入し、その後栓８を通過してファイバーの長さに沿ってモジュール５の外部へと、通常はマニホールド内に流入する。
瀘過システムの運転は、システムへの供給流や瀘液の流れ、気体及び若しくは瀘液を使用したフィルターの逆洗、逆洗中の保湿剤や特別な化学洗浄剤の導入を制御する幾つかの弁１１によって通常は制御される。これらの弁１１は、一般に圧縮空気によって空圧作動され、各弁への圧縮空気の流入は、電気的に作動されるソレノイドによって制御される。
システムの運転は、システム中の幾つかの点で流体流や流体圧、温度、他のパラメータを計測する検出器によって監視される。フィードバック回路が本システムに組込まれており、本システムが予じめ設定された制御条件に従って確実に作動するようにしている。
使用中、ファイバーは、瀘過不純物で詰まって定期的に『逆洗』を必要とし、不純物を除去して瀘過の効率を維持するようにしている。逆洗の周期と実施方法は、瀘過される供給流の状態やタイプに依って変わる。図３は、いろいろなタイプの供給法に関するフラックスの下り勾配を図示している。多くの場合、供給流の状態は流体力学的状態にあり、従っていつどのように逆洗が必要になるかを予想することは困難である。このことで、本システムを不効率に作動させることになる『最悪』状況に対してうまく対処するべく本システムを設定することになる。
更に、特定の目的のために瀘過プラントを設計する時に必要とされるモジュール５の寸法、数、タイプを選択する場合に幾つかのファクターを考慮することになる。例えば、プラント容量や必要とされる瀘過レベル、逆洗必要事項、瀘過される供給流の各々は、調査する必要がある。これらのファクターの幾つかは、比較的計測が容易であるが、供給流の特性を数量化することは特に困難であることがわかった。プラントに設計者は、この点に関して類似したタイプの供給流の前の経験に基づいて供給流の特質について仮定を設定しがちであった。特定の瀘過成果が達成されるのを確実にするために、プラントは、供給流に対する『最悪のケース』を仮定して設計される。設計者は、次いで上述の他のファクターはもちろん寸法やコストの制約に対してこられの供給流の仮定を平衡に保たなければならない。
供給流の評価上の問題は、通常と異なった又は独特な供給流が含まれている時には悪化する。そのような場合、縮尺モデルで広範囲で費用のかかるテストがフィルター装置の所望のタイプに基づいた特定の供給流の効果を評価するのに必要となろう。このことは、特に多くの異なったフィルター装置をテストする必要がある場合に、瀘過プラントを設計建設するコストを大幅に増大する。
本発明の目的は、従来技術の一つ又はそれ以上のこれらの不利な点を克服し或は少なくても実質的に改良することにある。
本発明の別の目的は、少なくてもその態様の一つにおいて、リアルタイムで供給流の状態を確かめ、供給流の状態に応答してダイナミックに瀘過システムを制御できる制御監視システムを提供するにある。
発明の開示
第１態様に依ると、本発明は既知の特性を有するフィルターに対する供給流の汚れ効果を測定する方法を提供するものであり、この方法は：
ｉ）既知の特性を有するフィルターに供給流を通過させ；
ii）連続的に又は何回かの時間間隔をおいて、フィルターを横切った供給流に対する抵抗の変化を測定し；及び
iii）濾過された容積の関数としてフィルターを横切る抵抗の変化をプロットし且つそのようにしてプロットされたカーブの勾配をカーブが直線部にさしかかる点又は間隔で計測することにより、フィルターに対する供給流の汚れ特性を表す供給汚れ指数（ＦＦＩ）を算定する各工程から構成されている。
好適な実施態様では、抵抗の変化は、時間に関してフィルターを通過する供給流の累積容積を読み取ることで計測される。代わりとして、圧力検出装置が、トランスメンブレン圧力（trans-membrane pressure：ＴＭＰ）降下の表現の抵抗変化に関係したフィルターのいずれかの側に配置される。
第２態様では、本発明は、瀘過システムを監視制御するオンライン方法を提供し、この方法は：
ｉ）濾過システムの幾つかの運転パラメータを監視することで本システムに使用される瀘過エレメントの抵抗を測定し；
ii）ｉ）で測定された抵抗値を使って濾過システムに対する供給流の汚れ特性を表した指数を、濾過された容積の関数としてフィルターを横切る抵抗の変化をプロットし且つそのようにプロットされたカーブの勾配をカーブが直線部にさしかかる点又は間隔で計測することにより算出し；
iii）算出された供給汚れ指数の値に基づいて瀘過システムの運転を制御する各工程から構成されている。
瀘過システムは、制御ファクターとして供給汚れ指数を使用した各種の方法で制御されると評価されるであろう。例えば、逆洗サイクルは、供給流の特定の特質に対して最適化され且つ連続状態で供給流の特質に従ってダイナミックに変えられる。同様に、本システムは、初期搭載に際して瀘過システムの性能を最適化する初期の供給流特性に基づいた自己設定手順を用意しうる。
特に、本発明は、逆洗貯水溜めの汚れ特性を計測するのに役立つものであることが判る。瀘過処理では、流入してくる供給流を瀘液と逆洗流とに分けている。逆洗流は、一般に流入供給流の流量の典型的には、１０％である。
或る応用では、例えば、乾燥地域では瀘過システムの逆洗流から出来るだけ多くの液体を回収しようとすることが重要である。これらの場合には、逆洗流は、通常、貯水溜めで静置される。貯水溜めからの上清みは、次に瀘過プラントの前に戻され、流入供給流と混ぜたり又は混合される。上清み流を流したり遮断することで、貯水溜めの汚れ特性は、供給流の汚れ指数における変化に注意を払って監視できる。もし上清みの汚れ特性が、供給流汚れ指数を高めるように、過度に上昇し始めると、本システムは、自動的に又はオペレータ調査を要請してこの問題を修正するアクションを取るよう構成できる。
第３態様では、本発明は、供給流の潜在する汚れ効果を測定するオンライン方法を提供し、この方法は：
ｉ）既知特性を有するフィルターに所定圧で供給流のサンプルを通し；
ii）連続的又は何回かの時間間隔に渡って、フィルターを横切る供給流に対する抵抗の変化を測定し；及び
iii）このデータから、既知フィルターにおける供給流サンプルの汚れ特性を表した供給流汚れ指数（ＦＦＩ）を上述の既知特性を有するフィルターに対する供給流の汚れ効果を測定する方法に従って算定する各工程を有している。
好ましくは、本方法は、更に、上記ＦＦＩを基準にして、瀘過装置に使用する膜フィルターの供給汚れ指数である第２のＦＦＩを算出する工程を有している。
望ましくは、瀘過された容積の関数としてフィルター横断時の抵抗の変化をプロットし、またそのようなプロットされたカーブの勾配をカーブが直線部分に到達する点又は間隔で計測することでＦＦＩが算出されることである。
フィルターを通過した供給流の累積容積を所定時間に幾つかの所定の点で記録することで、フィルターの抵抗の変化を計測することが望ましい。
他の実施態様では，圧力検出装置が或る時間に渡ってフィルターの抵抗の変化を計測したり又は予測したりするために使用される。
抵抗又は圧力のデータの入力に応答してＦＦＩをコンピュータによって算出するのが望ましい。特定の好適な実施態様では、コンピュータは入力されたデータから推定してより正確なＦＦＩを提供する。
第４の態様では、本発明は、上記第１〜３態様の方法による供給流の潜在する汚れ効果を測定するのに使用する装置を提供するもので、その装置は：
既知特性を有したフィルターと；
所定圧力で上記フィルターに供給流のサンプルを通過させる手段と；
或る時間に渡ってフィルター通過時の供給流に対する流れ抵抗の変化を測定する手段とを有しており；
他の既知のフィルターの供給流の潜在的な汚れ効果を推定するように流れに対する計測された流れ抵抗の変化に基づいて当該フィルターに関する供給流の汚れ特性を表示する供給流汚れ指数（ＦＦＩ）を上述の方法に従って数量的に算出するものである。
好ましくは、供給流サンプルをフィルターに通す手段は、サンプルを保持する容器と、予じめ選定された圧力でサンプルをフィルターに送るための容器内のサンプルを加圧する手段とを有している。
好ましくは、加圧手段は、手動操作ポンプである。最も好ましくは、容器と加圧手段は、改造された手動操作のガーデン噴霧器の形で提供される。
望ましくは、フィルターエレメントは酢酸セルロースタイプである。０．２２マイクロメータの酢酸セルロースのフィルター紙を使うのが特に望ましい。
一実施態様では、調整手段は、圧力ゲージを組込んだ調整弁の形を取っている。第２圧力ゲージが容器と調整器との間に直列に配置されているのが望ましい。
好ましくは、その装置の注水とクリーニングができるように一つ又はより多くの手動操作弁が設けられる。制御パラメータとして計測され且つ使用される瀘過システムの別の特性は、逆洗効率である。逆洗効率は、供給流システムと供給流の両方の特性であり、かくして、瀘過システムの特性を最適化するのに使用される。更に、複雑な経験的な設計を使うことで、幾つかの設計の内どれが所定の現場条件又は一組の操作条件に対して最も適しているかを評価するのが可能である。
逆洗効率が供給流の特性と共に変化し、また供給流にみょうばん等の化学剤を混ぜる時に、ｐＨの変化と共に大きく変化するので、混ぜる手続を制御するのは有効な制御パラメータであることが判っている。制御の通常の方法は、直接ｐＨを計測し、制御パラメータとしてｐＨを使って制御することである。しかし、ｐＨセンサーは、正確に較正維持するのが難しいことが判っており、また供給流の汚れ特性を使った制御はより信頼性の高い作動を与えることが判っている。
別の態様として、瀘過システムを監視制御する方法が提供されており、その方法は：
ｉ）本瀘過システムの幾つかの運転パラメータを監視することで本システムの逆洗サイクル中に所定時間で本システムに使用された瀘過エレメントの抵抗値を測定し；
ii）ｉ）で測定された抵抗値を使って瀘過システムの逆洗サイクルの効率を表す逆洗効率値を算定し；及び
iii）算定された逆洗効率の値に基づいて瀘過システムの運転を制御する各工程から構成されている。
好ましくは、逆洗サイクル中の所定時期は、前の逆洗の直後と、次の逆洗の直前と、次の逆洗の直後である。
また別の態様として、瀘過システムを監視制御するために提供された装置であり：−
ｉ）瀘過システムの幾つかの運転パラメータを監視することで、本システムの逆洗サイクル中に所定時期で本システムで使用される瀘過エレメントの抵抗値を測定する手段と；
ii）ｉ）で測定された抵抗値を使って瀘過システムの逆洗サイクルの効率を表す逆洗効率値を算定する手段と；及び
iii）算定された逆洗効率の値に基づいて瀘過システムの運転を制御する手段とから構成されている。
さらに別の態様として、瀘過システムの運転を監視する方法が提供されており：
ａ）所定のサンプリング率で瀘過システム内の選定された箇所でシステムのパラメータ値をサンプリングし；
ｂ）所定の時間間隔で、サンプルされたパラメータ値からパラメータのプロフィル特性を発生させ；及び
ｃ）瀘過システムの正しい運転を決めるためにパラメータのプロフィル特性を分析する各工程から構成されている。
好ましくは、分析工程は、所望の特性に対して発生させたプロフィル特性を比較し、また所望された特性から逸脱する領域が発生した特性以内に入っているかどうかを判別する工程を含んでいる。
更にまた別の態様として、瀘過システムの運転を監視する装置が提供されており、この装置は：−
ａ）所定のサンプリング率で瀘過システム内の選定箇所でシステムのパラメータ値をサンプリングする手段と；
ｂ）所定の時間間隔で、サンプルされたパラメータ値からパラメータのプロフィル特性を発生させる手段と；及び
ｃ）瀘過システムの正しい運転を測定するためにパラメータのプロフィル特性を分析する手段とから構成されている。
分析手段は、所望特性に対して発生プロフィル特性を比較し且つ所望特性から逸脱する領域が発生特性以内に入っているか判別する手段を含む。この比較の結果として、分析手段は、欠陥が修正されたり、回避され、またシステムの運転が最適運転に復帰されるように逸脱を惹起する欠陥を多分表示し、更にその問題に対する可能な解決策を助言する。そのような『問題解決策』は、オペレータが関心のある領域で表示でき、且つスナップショットのその領域の分析に関連して、欠陥と解答についての詳細を得ることができるスナップショットの対話式ディスプレイをオペレータ／ユーザに提供することによって対話方式で実施できる。必要とされる分析のタイプの選定は、ドロップダウンメニュー等によって行われる。
【図面の簡単な説明】
本発明の好適な実施態様を添付図面を参照にしてここに例としてのみ説明する。：
図１は、典型的な横断流のマイクロ瀘過システムを示す。；
図２は、図１で使われているファイバーモジュールの詳細な横断面図を示す。；
図３は、時間に関してフラックス下り勾配の異なったタイプを示す。；
図４は、膜の抵抗特性のグラフを示す。；
図５は、逆洗の後のフィルターの抵抗／容積のグラフを示す。；
図６は、本発明の第４態様に係る装置の概略線図である。；
図７は、連続式膜瀘過機の典型的な逆洗プロフィルを示す。；
図８は、再通水プログラムに欠陥のある逆浸透法に対する事前処理の為に家庭給水設備に搭載された瀘過機から得られたスナップショットプロフィルを示す。；
図９は、欠陥を修正した図８と同じ機械のスナップショットプロフィルを示す。；
図１０は、故障した瀘過弁ポジショナーを備えた瀘過機から得られたスナップショットのプロフィルを示す。；
図１１は、故障を修理した図１０と同じ機械のスナップショットプロフィルを示す。；
図１２は、過度の再通水圧力スパイクを伴った瀘過機から得られたスナップショットプロフィルを示す。；及び
図１３は、故障を修理した図１２と同じ機械のスナップショットプロフィルを示す。
発明の実施の形態
本発明の一つの好適な形態において、監視制御システムは、本システムの選択された運転パラメータを監視するように配置された幾つかの検出と監視の装置とインターフェイス接続された専用のコンピュータ演算システムから構成される。システムプロクラムの制御の下で、演算器は、入力されたパラメータに応答して瀘過システムの運転を制御する。システム運転の制御を別として、本制御監視システムは、システム性能とデータ登録とシステム遠隔測定を規則的にテストするようにプログラムが組まれる。
上述のように、供給流の状態を良く示すのは、供給汚れ指数（ＦＦＩ）であることが判っている。この指数は、供給流がどの程度汚れているかの関数であり、供給流の質と共に変化する。特定システムのＦＦＩは、次のようにして算出される。
特定膜の抵抗は、

によって測定される。
但し
Ｒ＝流量（ｍ^-1）に対する抵抗で、典型的に１０¹²；
η＝水と仮定されている供給流の粘度（Ｐａ、Ｓ）；
ΔＰ＝しばしば、ＴＭＰと表現されるトランスメンブレン圧力（Ｐａ）；
Ｑ＝膜通過流量（ｍ³／秒）；及び
Ａ＝膜面積（ｍ²）．
流体が膜を通過すると、それは汚れ、抵抗が高くなる。多くの場合、この上昇は膜を通過した液体量に比例する。抵抗特性のグラフは、図４に示されている。

但し：
Ｒｆ＝汚れ層に依る流れに対する抵抗；
Ｒｍ＝Ｖの流れに対する抵抗＝０；
ＦＦＩ＝典型的に０−５００×１０¹²／ｍ^-2の供給汚れ指数；及び
Ｖ＝膜を通過した瀘液の容積
標準ファイバーに対して比較された与えられたファイバーの性能は、ＭＭＰによって与えられ、そこで標準ファイバー用のＭＭＰは、１となるように定義されている。膜Ｘに対してもその通りで、

但し：
ＭＭＰ_X＝ファイバー_xに対する膜の多孔率；
ＦＦＩ_X＝ファイバー_xに対する供給流の汚れ指数；及び
ＦＦＩ_MSF＝ＦＦＩ_Xに使用されたものと同じ供給流での標準ファイバーに対する供給汚れ指数．
供給汚れ指数（ＦＦＩ）は、連続式マイクロ瀘過プラントの上流側処理に効率を計測するために使用される。例えば、もしバイオリアクターが二次下水物又は処理済み紙廃棄物を生成するのに使用されると、又は携帯水を処理するために浄水器が使用されると、ＦＦＩは懸濁固形物レベルと固形物の特性（粒子寸法、圧縮性等）の推定値を与える。この上流側の処理の運転パラメータを変え且つＦＦＩを監視することで、それはより優れた経済性能を許しつつ連続式マイクロ瀘過処理に対して最適化される。
汚れ層の圧縮性は、ＴＭＰが増大するので与えられた汚れ層の抵抗の増大の尺度となっている。このことは、ＦＦＩにおける明白な増大として判断される。或る供給流は、相対的に圧縮が困難であるか、又は限界ＴＭＰ閾値を越す程大幅に圧縮可能かである。河川水が、このクラスに入る。しかし、『有機系』固形物レベルが増大するに従って圧縮性は増大する。下水汚物は、その特質に従って圧縮可能である。もし懸濁固形物レベルが高ければ、また特にもし藻が存在していれば、圧縮性は高い。紙廃棄物は非常に圧縮性がある。
良質の二次下水物（懸濁固形物や約５より小さい溶解性ＢＯＤ）は、通常又は質的に不良な二次下水物よりもかなり小さい圧縮性を有していることが判っている。ＦＦＩも、より高い流量とより高いＴＭＰの流量の両方が使用されるようにしながらもより低いものとなっている。後者は、化学洗浄の時間間隔を伸ばし本システムの運転コストを減じる。
再循環の圧力低下は、モジュールの詰まりの尺度となっている。燐酸塩を除去するために下水汚物を綿状に固まらせる際、ＴＭＰは各逆洗で回復することが判っている。到達した最大ＴＭＰは低いままとなっているが、しかし、再循環圧力は急速に立ち上る。これは、モジュール内での固形物の蓄積と相関されている。これらのファクターは、通常生ずる最大ＴＭＰよりもむしろ化学洗浄の引き金となるべく利用される。
図６に示した好ましい第２実施態様では、発明は上述した方法を利用して供給流の潜在的な汚れ効果を測定するのに使う装置３０から構成されている。
装置３０は、サンプル容器３１と手動操作可能な加圧ポンプ３２とを有している。圧力ホース３３は、容器３１の内部からフィルターハウジング３４へ延びており、また第１圧力ゲージ３６を組込んだ第１手動弁３５を直列に備えている。第２圧力ゲージ３７も容器３１とフィルターハウジング３４との間にホース３３を直列に備えている。代替実施態様では、圧力ホース３３は省かれており、また弁３５は容器３１の内部をフィルターハウジング３４に直接接続している。
フィルターハウジング３４は、既知の特性を有した使い捨てフィルターエレメント（不図示）を保持できるようになっている。好適な実施態様では、０．２μｍの酢酸セルロース瀘紙が使用されている。
使用に際し、供給流サンプルが容器３１内に入れられる。本装置は注水され、きれいなフィルターエレメントがフィルターハウジング３４内に装備される。手動ポンプが次いで作動され、容器を約１２０ｋＰａに加圧する。
第１弁３５は、供給流流体が一定の５０ｋＰａでフィルターへ供給されるまで開放されている。フィルターハウジング３４の外側から流れてくる瀘液は、計測ビーカー（不図示）に捕捉される。約１６のサンプルが採取されるまで、一分毎に瀘液の累積容積が記録される。
次いで流れが止められ、本装置は後続のテストの準備のためにフラッシングされ、清掃される。
記録された時間と累積容積のデータは、上記した数学関係に従って供給流のＦＦＩを算定する所有ソフトウェアのプログラムに入力される。ＦＦＩは、時間／容積カーブを推定するソフトウェアルーチンを備えることでより正確に算定される。平均化や補完法等の他のデータ処理技法が同様に使用される。
本装置を注水して清掃する目的で他の弁３８、３９が設けられる。弁やゲージや他に供給流サンプルの圧力や流量の特性を制御したり計測するのに、圧力又は流量のセンサーも設けられる。
ＦＦＩは、供給流とフィルターの特性であることに、注目すべきである。他のタイプのフィルターの特性をＦＦＩの領域で較正することで、フィルターのタイプ領域に基づく特定供給流の潜在的な汚れ効果は、単一の供給流サンプルで数量的に推定される。瀘過システムは、広範囲でコストのかかるテスト手順を必要としない特定の性能レベルまで設計され、規模設定される。
ＦＦＩは、更に在来の瀘過システムの運転を最適化し、監視し、問題解決するために使用される。そのオンラインの形態で、本発明は、供給流の質について連続した又は定期的なチェックを行う。これで、逆洗と保守のサイクルが最大効率で作動されることになる。
本発明のオンラインの形態が、オンラインのテストを含まない在来のシステムの問題解決に使われる。代わりに、オフラインシステムと特に上述の装置は、瀘過システムが設計される前に供給流の質を査定する安価な道具として使われる。供給流の質を数量的に評価することで、システム設計者が所定の供給流に応答して各種の瀘過エレメントの起こしそうな挙動をより正確に予測できるようにする。このことは、瀘過される供給流が独特なものであったり又は稀なものである場合、特に重要である。
前に述べたように、逆洗効率も役立つ制御パラメータである。図５に示すように、各逆洗後には、膜の抵抗は低下するが、元の値までは戻らない。逆洗効率は、抵抗値がその元の値にどの程度まで近く復帰するかの尺度となる。
逆洗効率（ＢＥ）は、次のように決定される：

但し、Ｒｉ＝時間ｉの時の抵抗（ｉ＝１は前の逆洗直後を示し、ｉ＝２は当該の逆洗直前を、ｉ＝３は当該の逆洗の直後を示している）。
逆洗効率は、逆洗の効率を最適化するために使われる。例えば、機械への空気ラインの容量（そして空気供給量）の増大は、逆洗の最大の負のＴＭＰを増大することが示されている。このことは、次に逆洗効率を増大する。更に、エアーオン、ポンプオン（ＡＯＰＯ）段階を含めたことで逆洗効率を増大することが示されている。『エアーオン、ポンプオン』は、気体逆洗が依然進行中に連続式マイクロ瀘過装置の胴内に供給液が再度導入されるようなプロセスを意味している。１０秒のＡＯＰＯの継続は、５秒のＡＯＰＯに比較して逆洗効率で最早何ら改善する余地が無いことが示された。更に、逆洗掃除中の８００リットル／時／モジュールの横断流量は、４０００リットル／時／モジュールと同じ逆洗効率を与えるものであることが示された。逆洗の全ての段階、即ちエアーオンの初期の期間（ＡＯＰＯ前）やＡＯＰＯの長さ、掃除段階の速さや期間等は最適化される。このことは、もし高いフラックスが運転コストよりもより重要になるならば、機械のタイプ、供給様式、時間を伴った特定の供給又は同一供給に対してよく変化する。
更に逆洗効率の計測は、供給流体の処理を最適化するのに使われる。塩素は逆浸透（ＲＯ）膜の汚れを減少させることはよく知られており、またそれは液体逆洗として限外瀘過器にも使われる。驚くことではないが、ポリプロピレン膜による下水処理とＰＶＤＦ膜による水道処理の両方に対して連続式マイクロ瀘過の逆洗効率を向上するものと信じられている。他の化学剤も逆洗効率を向上するために使われる。これら化学剤の濃度やそれを適用する方法（即ち、供給流体が膜に当るまでの時間や逆洗直後に化学剤をより高いパルスで与えたり、又は逆洗後に化学剤を与えるだけ等）が更に最適化される。逆洗がより効果的であることが判る前に機械がその最大ＴＭＰに向かって作動できるようにすることは可能である（このことは、瀘過の一定時間後に、又は予め決められたＴＭＰ又は抵抗の増大後に現行の逆洗方法に匹敵する）。
更に固形物が膜に付着するのを防ぐ予防コーティングの利用は、逆洗効率の計測を利用して最適化される。これは、コーティング上に不純物を集め、逆洗処理中に膜からコーティングと不純物を吹き離す作用を有している。これらの予防コーティングは、限外フィルター、ナノフィルター又はＲＯフィルターを逆洗可能にするために使用される。
処理を最適化するために逆洗有効性を利用した例としては、正真正路の（分解された）色除去のために飲料水を沈殿させるものであった。ｐＨが減じるとみょうばん沈殿効率が高まることが判った。しかし、ｐＨが６．０より下がると、逆洗効率は約９８％から７０％に低下した。このことは、ｐＨを再び６．０より高くすると反対になることが判った。
幾つかのテスト手順も、瀘過システムが正しく作動しているかどうかを確かめたり、システム性能が低下しているか故障しているかをチェックするために、本制御監視システムによって採用される。
廃水瀘過システムは、各モジュールが幾千ものファイバーを収容した数百のモジュールから構成されている。これらシステムの故障は稀であるが、一本のファイバーの故障や破損で、未瀘過流入液が故障したファイバーの内部に入ってそれで瀘液を汚染させ、全システムの完全性を損なうことになる。
故障したファイバーを収容したモジュールを識別する既知のテストは、拡散性空気流テスト（ＤＡＦ）である。拡散性空気流量とは、膜内部の水への空気の溶融を経た後の高圧ゾーンから低圧ゾーンへの空気流量である。このテストでは、選択されたモジュールのファイバーと胴との間の空間は、空気又は水で充満され、ファイバーの内部は圧力空気が供給されている。ファイバーの膜は、細孔を流体で満たすために事前に濡らされ、空気がファイバーの内部からファイバーの外部へ拡散する速度が計測される。何も故障ファイバーが無いと、特定の膜に対する所定圧力差でのファイバー内部からファイバー外部への期待拡散性流量を表示する基準値とその速度は相関する。
もし或る一定の圧力を越せば、拡散性流れが細孔に気泡を発生させることで、無効にされる点に注意を払うのが重要である。このことは、膜の気泡点として知られており、次の等式によって定義される。

但し：
Ｐ＝気泡点圧力；
θ＝濡れ角度；
Ｂ＝ベコルド毛細管定数；
γ＝濡れ液体の表面張力；及び
ｄ＝細孔直径．
明らかに、もし欠陥のあるファイバーが存在していれば、計測された速度は、細孔を通る拡散性流れに対向したような欠陥を通る空気流に依る速度成分を含むことになるのでより高くなる。ファイバー内腔の完全性を監視するのに役立つ別のテストは、圧力減衰テストである。このテストは、一般に標準的な機械における自動化されたプロセスとして或る形態で利用できる。ＤＡＦテストに関しては、膜の胴側を一杯に維持しながら内腔を先ず空気でテスト圧力（通常１００ｋＰａ）に加圧する。一度テスト圧に到達すると、瀘液側はシールされて胴側は大気へ通気される。次に時間と共に瀘過システムの圧力が低下するのが監視される。この圧力の減衰は、何ら漏れている弁が無いものと仮定して膜を横断する空気流に直接関連され、従ってシステムの完全性に関連される。
このテストは、現場で実施する上で簡単で都合のよいテストなので、log ４．５〜５．０よりも小さい完全性レベルを必要とするシステムにとって特に役立つ。しかし、log ５より大きい完全性レベルは、正確に計測するのが困難な１ｋＰａ／分（０．１４psi／分）より低い圧力減衰率を必要としている。そのような場合、ＤＡＦテストが使用されることになろう。
これらのテストは、定期的に及び若しくは性能パラメータの劣化検出に応答して制御システムによって自動的に実施できる。
瀘過システムは、それらの運転を制御するために多数の弁を使用しており、またこれらの弁の正しい作動はシステム性能を最適化する上で重大である。制御システムは、本発明の一態様に依ると、弁の制御と監視のために幾つかの選択を提供する。
一つの弁が瀘過機で故障したり又は漏れているのを検出するのは困難であることが判っている。大きな故障は、機械の作業を停止することで、また瀘過故障アラームによって簡単に検出される。知能的監視制御システムの使用は、弁性能の広範囲な監視を可能にする。制御システムは、所定の基準時間で機械の圧力プロフィルを計測し、基準プロフィルと現在値とを定期的に又は連続的に比較する。もし大きな差がなければ、これは機械が正常に作業しており、且つ全ての弁が正しく作動していることを示しているものと受け取られる。何か重大な差があればそれは弁欠陥を示し、また監視システムによって報告されることになる。
次の実施態様では、それが膜瀘過システムの逆洗サイクルのための圧力プロフィルに関係しているので、本発明の一形態を図解している。しかし、前に述べたように、この態様に係る発明は、例えば溶解ポリマーの瀘過や気体瀘過、ファイバー膜の定期的な清掃が必要とされる逆浸透システム等の瀘過システムの運転パラメータに等しく適用できる。
逆洗プロフィルは、逆洗サイクル中に発生させた圧力と流量の記録である。それは、逆洗中に生じたことについてかなりの量の情報を提供してくれるものであり、連続式瀘過装置において、逆洗性能によって問題点を診断するために本発明のこの実施態様が使用される。
逆洗の性能の特性に依って、圧力と流量は急速に変化し、従って変化を計測し記録できる特化されたデータ記録装置及び若しくはソフトウェアを使って記録されなければならない。最も一般的に使われている手段は、得られたデータの収集、記憶、表示及び分析のための適当なソフトウェアと共に、アナログ使用の入力や直接的なデジタル入力のための必要なアナログ−デジタル変換器と分離器とが組込まれたラップトップコンピュータによるものである。典型的な逆洗プロフィルでは、データは供給液と瀘液の圧力について、また供給液（又は瀘液）の流量について収集される。そのような装備では、典型的に、長期間に渡るデータ収集のためのいわゆる２分毎に一回比較される１０〜２０点／秒の速度でデータのサンプリングを行う。
逆洗プロフィルを解釈するために、逆洗の各種の段階とそれらの目的とを理解する必要がある。
連続式マイクロ瀘過装置に対する典型的なプロフィルは、図７に示されている。提供されたデータは、毎秒２０サンプルの割合でデータ記録装置を使って収集された。トランスメンブレン圧力（ＴＭＰ）は、供給液と瀘液の圧力差から算定されており、図７に示されている。
図７に示された圧力プロフィルは、各種の逆洗工程に関連し、また逆洗の効率に影響する幾つかの特性を含んでいる。図７を参照して、逆洗の工程を次に述べる。
図７を参照にすると、最初の逆洗工程は内腔排出工程（Ａ）である。この工程の機能は、空気で加圧する前に内腔から液体を排出するものである。内腔排出は、膜の気泡点を越さずに合理的な時間内で内腔から液体を押し出すのに十分な空気圧を必要とする。もし内腔排出圧力が余りにも高すぎると、胴側への空気突入が起こる。このことは、吹き戻し工程（Ｃ）における減圧された負のトランスメンブレン圧力（ＴＭＰ）及び若しくは不均一な逆洗を惹起することになる。もし内腔が十分に排出されないと、逆洗が不均一になろう。結果的に、内腔は最も効率的な逆洗を達成するために十分に排出されなければならない。
次の工程は、加圧工程（Ｂ）である。この工程中に、胴と瀘液の両側で理想的には約６００ｋＰａ（８７psi）に加圧されるべきである。このことは、結果的に吹き戻し工程中に最大の負のＴＭＰとなる。図１では、胴と瀘液は、一様に約６００ｋＰａに加圧され、この工程中に最小の負のＴＭＰが存在している。
加圧工程の次の吹き戻し工程（Ｃ）が続く。胴側弁の急速な開放によってこの工程で生じた負のＴＭＰは、膜の効果的な逆洗にとって重要である。生じた負のＴＭＰは、逆洗弁が開く速度や、（上記工程Ｂの）胴側の空気の存在や、促進液が克服しなければならない逆洗ラインにおける抵抗に依存できる。
工程（Ｄ）におけるエアーオンポンプは、大部分の供給流において特に有益であることが判っている。この工程のプログラムでは、十分な時間が許されるべきである（最少５秒）。供給液の流速をプロフィルに付加することは、この点で適当な供給流量を確保する助けとなる。
胴掃除工程中は、モジュールから固形物を完全に流し洗浄したり、瀘過と再通水の前に胴側から空気を除去するために、十分な流量が必要とされる。
この工程に時間を取るには、所定の設計の掃除流に基づいて設定されており、従って、もしこの工程での流量が設計流量より下であれば、固形物除去が不十分になってモジュールの詰まりと、不十分な逆洗回復となる。もし流量が設計流量より多いと、過度の逆洗を行って全体の効率を低下させる結果を招く。
内腔を再充填し、再通水に先立って瀘過システムから残留空気を追い出すのに工程（Ｆ）が必要である。
もし内腔充填が不完全であれば、このことは、結果として再通水の加圧工程中に空気が内腔に入って、見せかけの逆洗や結果的に不十分な通水を招くことになる。過度に長い廃棄工程は逆洗に影響はしないが、無駄時間と逆洗廃水量を増すことになり、従って全体効率と瀘液生成を低下させることになる。
逆洗プロセスにおける次の段階は、再通水サイクルである。このサイクルは、内腔を瀘過サイクルの再開に適した状態に戻す必要がある。このサイクルは、加圧工程（Ｇ）で始まり、逆洗加圧工程（Ｂ）に関しては、漏液側と胴側の両方の圧力は５００ｋＰａ以上に、しかし好ましくは６００ｋＰａ（８７psi）に達するべきである。これよりも低い圧力は、不完全な再通水を招く。
再通水サイクルにおける次の段階は、再通水廃棄工程（Ｈ）である。胴と瀘液の圧力は、ほぼ同じ率で低下することが重要である。もし胴と瀘液の圧力が異なった時間に低下すれば、その結果は、負か又は正のいずれかのＴＭＰスパイクとなり、これらは回避されるべきである。
再通水廃棄工程中は、幾分空気がファイバー壁から胴側に解放される。胴廃棄工程中（Ｉ）の目的は、瀘過（又は第２通水）に先立って胴からこの空気を追い出すにある。
更に、逆洗運転の詳細は、我々の関連した特許出願であるＰＣＴ／ＡＵ９５／００５８７、ＡＵ−５５８４７／８６、ＡＵ−Ｂ−３４４００／８４及びＡＵ−Ａ−７７０６６／８７に詳述されており、それらは、参考にここに組込まれている。
逆洗プロフィルは、（必要とされるような他のデータに加えて）直接圧力と流量を計測する。その結果、弁やアクチュエータやソレノイド等の目視チェックを使って、分かっているとは限らない欠陥をピックアップすることができる。
次の例は、プロフィル分析を使って判別される問題のタイプについて表示するように設計されている。
例１−４Ｍ１０Ｃ ＣＭＦ装置−再通水プログラム故障
図８は、逆浸透に対する前処理のために家庭給水ラインに搭載された４Ｍ１０Ｃ機械から得られたスナップショットプロフィルを示している。スナップショットは、２０Ｈｚのサンプル速度で記録装置を使って実施された。その機械は、不十分な運転で、頻繁に清掃を必要としている。
サイクル（０〜６５秒）の逆洗過程について注意すべきただ異常な特徴は、胴の掃除中に瀘液圧力が高いままとなっている点である。これは、胴の掃除段階を開始後に５秒通気するようにプログラムが組まれている。
逆洗段階と違って、再通水プロフィルは明らかに普通でない。瀘液側と胴側は一様に加圧を行わないし、またそれらが６００ｋＰａに到達しないので、再通水加圧工程について問題点は明らかである。このことは、空気がシステムから逃げており、また適当な加圧を防いでいることを示している。プラントの綿密な点検によって、供給弁が再通水加圧段階中に故障で閉じなかった点が判った。これは、容易に揚げられるプログラミングの欠陥に依るものであった。結果として得られるプロフィルは、図９に示す。新しいプロフィルは、胴の掃除中に瀘液の圧力を抜く効果と、更に再通水プロフィルにおけるマークされた改善を示している。
例２−９０Ｍ１０Ｃ ＣＭＦ装置−故障した瀘液弁ポジショナー
９０Ｍ１０Ｃ機械から得られたプロフィルを、図１０示す。加圧は、逆洗と再通水加圧の両工程中も非常に不十分である。逆洗中のＴＭＰは、実際は負というよりもむしろ正であり、従って全く本来の逆洗が行われなかった。この場合の故障は濾液制御弁であった。弁ポジショナーは、瀘液制御弁がどの段階でも十分に閉じられるようにしていなかった。結果的に、空気が瀘液ラインを通って、連続的に失われ続けたために装置は加圧できなかった。
瀘液制御弁ポジショナーの再調節後は、結果を図１１に示すように、プロフィルは再記録された。負のＴＭＰは、いま良好な逆洗を与える約３８０ｋＰａである。
しかし、プロフィルは再通水排気中は、依然小さな問題を示しており、その間において、負のＴＭＰスパイクの期間は所望のもの（約２．５秒から１秒の推奨された最大値）よりもより長くなっている。これは胴側弁の一つが加圧工程の初期の部分で依然部分的に開いていることになるプログラム欠陥に依るものであることが判った。これで、瀘液が内腔から胴の方へ押し出され、かくして過剰な空気を瀘液システム内に導入することになる。この結果は、瀘液の排出が付加膨張空気に依って、もしかしたら起きる程急速には起きない。
例３−３００Ｍ１０−過度の再通水圧スパイク
この機械は、表層水を瀘過する飲料水プラントの一部分として搭載された。機械は、プラントの流量やＴＭＰを監視するチャートレコーダを備えている。チャートレコーダは、１８０ｋＰａにも及ぶ逆洗／再通水サイクル中の圧力スパイクを表示していた。これらのスパイクは、逆洗効率の低下と汚れの増大を招くと言った関与があった。スナップショットは、データ記録装置を使い、２０Ｈｚの速度でサンプリングして実施された。結果のプロフィルを図１２に示す。
サイクルの逆洗段階は、良好な負のＴＭＰ（−４４６ｋＰａ）を示すと共に正常な状態である。再通水サイクルは、加圧中は１７７ｋＰａのまた排気中は、１１７ｋＰａの正のスパイクを伴う圧力スパイク源である。
圧力プロフィルに関連したシーケンステーブルの検査で、スパイクは供給弁と逆洗弁の閉鎖に対応していることが判った。この場合、逆洗弁は、胴側を加圧させる供給弁よりも早く閉じていた。このことは、供給弁を閉じてから逆洗弁を閉じる前に２秒の遅れを設けることで説明した。問題の圧力スパイクは、基本的には除去されているのが図１３から理解できる。比較的小さくて問題になりそうもないので、これは不必要かもしれないが、他の幾つかのスパイクを最少にするために、更にチューニングが行われる。
本発明に係る制御監視システムによって提示される別の特徴は、瀘過システム全体に渡って使用されている弁の実際上の作動制御についてである。瀘過機を設定するには、弁操作の注意深いタイミング取りを必要とし、これらタイミングの幾つかは、現場仕様となっている。
弁の作動を調整するパルス幅によって、所望の速度でそれらは正確に開閉されることが判っている。制御システムは、水撃を回避するために弁の開閉速度を調節できる。
制御監視システムは、更に圧力スパイクを監視し、それに従って弁を制御する。そのような監視は、時間経過変化に伴う弁の性能低下を補償する閉鎖回路制御も提供する。
弁の位置制御も、開放ループ制御を使い且つシステム内における流量と圧力低下の計測値を使う回路を制御することで可能である。
以上述べた発明の形態は、上述した特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の更に別な実施態様も本発明の技術的範囲を逸脱しない限り可能であると評価されるであろう。

Claims (17)

1. ｉ）既知特性を有するフィルターに供給流を通過させ；
   ii）連続的又は何回かの時間間隔をおいて、フィルターを横切った供給流に対する抵抗の変化を測定し；及び
   iii）濾過された容積の関数としてフィルターを横切る抵抗の変化をプロットし且つそのようにプロットされたカーブの勾配をカーブが直線部にさしかかる点又は間隔で計測することにより、フィルターに対する供給流の汚れ特性を表す供給汚れ指数（ＦＦＩ）を算定する各工程から構成されることを特徴とする既知特性を有するフィルターに対する供給流の汚れ効果を測定する方法。
2. 抵抗の変化が、時間に関するフィルター通過供給流の累積容積を読み取ることにより計測される請求項１記載の方法。
3. 圧力検出装置が、抵抗変化をトランスメンブレン圧力（ＴＭＰ）降下の表現に関係付けるためにフィルターのいずれかの側に配置される請求項１記載の方法。
4. ｉ）濾過システムの幾つかの運転パラメータを監視することで、本システムで使用される瀘過エレメントの抵抗を測定し；
   ii）瀘過システムへの供給流の汚れ特性を表す供給汚れ指数をｉ）で測定された抵抗値を使用して、濾過された容積の関数としてのフィルターを横切る抵抗の変化をプロットし且つそのようにプロットされたカーブの勾配をカーブが直線部にさしかかる点又は間隔で計測することにより算定し；及び
   iii）算定された供給汚れ指数の値に応じて瀘過システムの運転を制御する各工程から構成されたことを特徴とする瀘過システムを監視して制御するオンライン方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の方法を使用して供給流の潜在的汚れ効果を測定するオフライン方法であって、
   ｉ）既知特性を有するフィルターに所定圧力で供給流のサンプルを通し；
   ii）連続的に又は何回かの時間間隔に渡って、フィルターを横切る供給流に対する流れ抵抗の変化を測定し；及び
   iii）このデータから、既知フィルターにおける供給流サンプルの汚れ特性を表す供給汚れ指数（ＦＦＩ）を上記方法に従って算定する各工程を有していることを特徴とした供給流の潜在的汚れ効果を測定するオフライン方法。
6. 更に、該ＦＦＩを基準にして、瀘過装置に使用する膜フィルターの供給汚れ指数である第２のＦＦＩを算出する工程を有している請求項５記載の方法。
7. 該ＦＦＩは、瀘過された容積の関数としてフィルターを横切った抵抗の変化をプロットし、且つそのようにプロットされたカーブの勾配をカーブがほぼ直線部にさしかかる点又は間隔で計測することで算定される請求項５記載の方法。
8. フィルターの抵抗の変化は、フィルターを通過した供給流の累積容積を所定時間に幾つかの所定点で記録することで計測される請求項５記載の方法。
9. 圧力検出装置が、時間に関してフィルターの抵抗の変化を計測又は推定するために使われる請求項５記載の方法。
10. ＦＦＩが、抵抗又は圧力のデータの入力に応答してコンピュータによって算定される請求項５記載の方法。
11. コンピュータが、ＦＦＩのより正確な算定を行うために入力されたデータから推定する請求項１０記載の方法。
12. 請求項１〜１１のいずれかの方法によって供給流の潜在的汚れ効果を測定するのに使用する装置であって、
    既知特性を有するフィルターと；
    所定の圧力で供給流のサンプルを上記フィルターに通す手段と；及び
    時間に関してフィルターを横切る供給流に対する流れ抵抗の変化を計測する手段と；
    他の既知フィルターにおける供給流の潜在的な汚れ効果を推定するように、流れに対する計測された抵抗の変化に基づいて、フィルターに対する供給流の汚れ特性を表示する供給汚れ指数（ＦＦＩ）を上記方法に従って数量的に算定する手段とを有していることを特徴とする装置。
13. フィルターに供給流サンプルを通す手段が、サンプルを保持する容器と、所定圧力でサンプルをフィルターに送るために容器内のサンプルを加圧する加圧手段とを有している請求項１２記載の装置。
14. 加圧手段が、手動ポンプである請求項１３記載の装置。
15. 容器及び加圧手段が、改造された手動操作されるガーデン噴霧器の形で用意されている請求項１３又は１４記載の装置。
16. フィルターは、酢酸セルロースタイプのフィルターエレメントを使っている請求項１２〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 一つ又はそれ以上の手動操作可能な弁が本装置の注水と清掃ができるように設けられている請求項１２〜１６のいずれかに記載の装置。

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