特許 7137914 膜ろ過処理装置および膜ろ過処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-07

(45)【発行日】2022-09-15

(54)【発明の名称】膜ろ過処理装置および膜ろ過処理方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/44 20060101AFI20220908BHJP

   B01D 61/12 20060101ALI20220908BHJP

   B01D 61/22 20060101ALI20220908BHJP

【ＦＩ】

C02F1/44 A

B01D61/12

B01D61/22

C02F1/44 D

C02F1/44 F

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2017142114

(22)【出願日】2017-07-21

(65)【公開番号】P2019018191

(43)【公開日】2019-02-07

【審査請求日】2020-05-13

(73)【特許権者】

【識別番号】591030651

【氏名又は名称】水ｉｎｇ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 祐喜

【審査官】高橋 成典

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－２８４３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／２０４００２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２３７２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３０５４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５０２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０２９０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２５１１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７９４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１７０４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３２７９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０５４５０６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ６１／００ － ７１／８２

Ｃ０２Ｆ １／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被処理水の供給を受けて膜透過水及び排出水を得る分離膜と、
前記分離膜の前記被処理水の供給側に設けられたポンプと、
前記分離膜の排出水を得る排出側に設けられたバルブと、
前記分離膜を透過する前の前記被処理水、前記膜透過水及び前記排出水の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と、
前記分離膜を透過する前の前記被処理水、前記膜透過水の流速又は流量をそれぞれ検出する流速・流量検出手段と、
前記分離膜を透過する前の前記被処理水の温度を検出する温度検出手段と、
前記分離膜を透過する前の前記被処理水の溶質濃度を検出する濃度検出手段と、
前記圧力検出手段、前記流速・流量検出手段、前記温度検出手段、前記濃度検出手段の検出結果から、前記分離膜の膜間差圧の上昇に比例して透過流束が徐々に増加し、一定値以上に膜間差圧が上昇した場合に前記透過流束が一定値に収束する現象が生じる際の透過流束である限界透過流束を演算し、該限界透過流束の演算結果に基づいて、前記分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくとも一方を制御するように、前記ポンプの駆動及び前記バルブの開度の少なくとも一方の制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする膜ろ過処理装置。

【請求項2】

前記制御手段が、前記分離膜の限界透過流束を、前記被処理水の温度、溶質濃度、及び膜面流速の実測値を用いて演算することを特徴とする請求項１に記載の膜ろ過処理装置。

【請求項3】

前記制御手段が、前記分離膜の限界透過流束と前記分離膜の透過流束の実測値とを比較し、前記限界透過流束が前記実測値よりも大きい場合には、前記膜間差圧を上げるように制御し、前記限界透過流束が前記実測値と等しい場合には、前記膜間差圧を下げるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の膜ろ過処理装置。

【請求項4】

前記制御手段が、前記分離膜の限界透過流束と前記分離膜の透過流束の目標値とを比較し、前記限界透過流束が前記目標値以上の場合には膜面流速を下げるように制御し、前記限界透過流束が前記目標値より小さい場合には、膜面流速を上げるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の膜ろ過処理装置。

【請求項5】

前記制御手段が、前記分離膜の前記限界透過流束を、以下の関係式（１）に基づいて演算することを特徴とする請求項３又は４に記載の膜ろ過処理装置。
Ｊ_lim＝Ｊ_lim0×ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ）／ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）×（ｖ／ｖ₀）ⁿ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）／ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ₀）・・・（１）
（ここでＪ_limは限界透過流束、Ｊ_lim0は基準点における分離膜の限界透過流束、Ｃ_gはゲル層の溶質濃度、Ｃは被処理水の溶質濃度の実測値、Ｃ₀は基準点における被処理水の溶質濃度、Ｅ、Ｑは係数、Ｔ₀は基準点における被処理水の温度、Ｔは被処理水の温度の実測値、ｖは膜面流速の実測値、ｖ₀は基準点における膜面流速の実測値、基準点は測定の基準となるときの実測値を示す。）

【請求項6】

前記被処理水が含油廃液を含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の膜ろ過処理装置。

【請求項7】

分離膜を透過する被処理水の性状変動因子となる複数の実測値を用いて演算された前記分離膜の限界透過流束に基づいて前記分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくともいずれかを制御することを含み、
前記制御が、
前記被処理水の水温・溶質濃度、膜面流束、透過流束、透過圧力を測定し、
前記測定結果から前記分離膜の限界透過流束を以下の関係式（１）に基づいて演算し、
Ｊ_lim＝Ｊ_lim0×ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ）／ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）×（ｖ／ｖ₀）ⁿ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）／ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ₀）・・・（１）
（ここでＪ_limは限界透過流束、Ｊ_lim0は基準点における分離膜の限界透過流束、Ｃ_gはゲル層の溶質濃度、Ｃは被処理水の溶質濃度の実測値、Ｃ₀は基準点における被処理水の溶質濃度、Ｅ、Ｑは係数、Ｔ₀は基準点における被処理水の温度、Ｔは被処理水の温度の実測値、ｖは膜面流速の実測値、ｖ₀は基準点における膜面流速の実測値、基準点は測定の基準となるときの実測値を示す。）
前記演算された前記限界透過流束と、前記測定された透過流束とを比較し、
前記演算された前記限界透過流束が前記測定された透過流束よりも大きい場合には、前記演算された前記限界透過流束と前記測定された透過流束とが等しくなるまで膜間差圧を上げるようにポンプ出力を上げるかバルブ開度を下げ、
前記演算された前記限界透過流束が前記測定された透過流束よりも小さい場合には、膜間差圧を下げるようにポンプ出力を下げるかバルブ開度を上げ、
目標とする総透過水量又は濃縮倍率になるように制御すること
を特徴とする膜ろ過処理方法。

【請求項8】

分離膜を透過する被処理水の性状変動因子となる複数の実測値を用いて演算された前記分離膜の限界透過流束に基づいて前記分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくともいずれかを制御することを含み、
前記制御が、
前記被処理水の水温・溶質濃度、膜面流束、透過流束、透過圧力を測定し、
前記測定結果から前記分離膜の限界透過流束を以下の関係式（１）に基づいて演算し、
Ｊ_lim＝Ｊ_lim0×ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ）／ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）×（ｖ／ｖ₀）ⁿ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）／ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ₀）・・・（１）
（ここでＪ_limは限界透過流束、Ｊ_lim0は基準点における分離膜の限界透過流束、Ｃ_gはゲル層の溶質濃度、Ｃは被処理水の溶質濃度の実測値、Ｃ₀は基準点における被処理水の溶質濃度、Ｅ、Ｑは係数、Ｔ₀は基準点における被処理水の温度、Ｔは被処理水の温度の実測値、ｖは膜面流速の実測値、ｖ₀は基準点における膜面流速の実測値、基準点は測定の基準となるときの実測値を示す。）
前記演算された前記限界透過流束と、予め設定された透過流束の目標値とを比較し、
前記演算された前記限界透過流束よりも前記透過流束の目標値が大きい場合には、前記演算された前記限界透過流束と前記測定された透過流束とが等しくなるまで膜間流束を下げるようにポンプ出力を上げるかバルブ開度を下げ、
前記演算された前記限界透過流束よりも前記透過流束の目標値が小さい場合には、前記演算された前記限界透過流束と前記測定された透過流束とが等しくなるまで膜間流束を下げるようにポンプ出力を下げるかバルブ開度を上げ、
目標とする総透過水量又は濃縮倍率になるように制御すること
を特徴とする膜ろ過処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜ろ過処理装置及び膜ろ過処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

膜ろ過処理装置の運転条件は、被処理水や使用する膜の性状等に応じて、膜閉塞が起こりにくくなるように経済性を考慮して設定されているが、従来の膜ろ過処理装置の運転条件は、予備試験やそれまでの経験によって決定されていることが多い。そのため、被処理水の性状が変動する場合には、当初の運転条件の設定値が、被処理水の性状変動後においても最適値であるとは限らず、性状変動に基づいて運転条件の設定値を制御することが困難である。

【0003】

被処理水の性状変動に基づく運転条件の制御方法として例えば、特開２０００－６１４６６号公報（特許文献１）には、被処理水を膜モジュールに循環させてろ過処理する際に、被処理水中の汚泥濃度、つまり溶質濃度の大きさに応じて、膜モジュールを通過する被処理排水の膜面流速を変更することにより、膜の目詰まりの防止や透過流束を向上する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０００－６１４６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、被処理排水中の汚泥濃度に対して最適な膜面流速を決定する根拠が明確でなく、膜ろ過処理装置の運転条件の設定方法として最適な手法であるとはいえない。

【0006】

例えば、特許文献１に記載された方法では、汚泥濃度値に対してあらかじめ設定された条件を満足するように、循環ポンプの出力及びバルブの開度が調整されることが記載されている。しかしながら、その制御方法は比較的単純であり、汚泥濃度が高くなるにつれて、膜面流速を大きくするような制御が記載されているだけである。

【0007】

膜処理において、透過流束の大きさを決定する因子は、被処理水の溶質濃度の大きさだけではない。そのため、特許文献１に記載された方法では、被処理水の溶質濃度以外の膜透過流束の決定因子が変動した場合に最適な膜面流速の条件を決定することが困難である。

【0008】

上記課題を鑑み、本発明は、被処理水の性状変動が生じた場合に、その性状変動に追随して膜の透過流束をより適正な範囲に制御することができ、膜ろ過処理装置の運転条件を最適化することが可能な膜ろ過処理装置及び膜ろ過処理方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明者が鋭意検討したところ、被処理水の性状変動因子となる複数の実測値の変動に基づいて分離膜の透過流束を予測し、その予測結果に基づいて運転条件を制御することが有効であるとの知見を得た。

【0010】

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、分離膜を透過する被処理水の性状変動因子となる複数の実測値を用いて演算された分離膜の透過流束予測値に基づいて、分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくとも一方を制御する制御手段を備える膜ろ過処理装置が提供される。

【0011】

本発明に係る膜ろ過処理装置は一実施態様において、複数の実測値が、被処理水の温度、溶質濃度、及び膜面流速の実測値を含む。

【0012】

本発明は別の一側面において、被処理水の供給を受けて膜透過水及び排出水を得る分離膜と、分離膜の被処理水の供給側に設けられたポンプと、分離膜の排出水を得る排出側に設けられたバルブと、分離膜を透過する前の被処理水、膜透過水及び排出水の圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と、分離膜を透過する前の被処理水、透過水の流速又は流量をそれぞれ検出する流速・流量検出手段と、分離膜を透過する前の被処理水の温度を検出する温度検出手段と、分離膜を透過する前の被処理水の溶質濃度を検出する濃度検出手段と、圧力検出手段、流速・流量検出手段、温度検出手段、濃度検出手段の検出結果から演算された分離膜の透過流束予測値に基づいて、分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくとも一方を制御するように、ポンプの駆動及びバルブの開度の少なくとも一方の制御を行う制御手段とを備える膜ろ過処理装置が提供される。

【0013】

本発明に係る膜ろ過処理装置は一実施態様において、透過流束予測値が、分離膜の限界透過流束である。

【0014】

本発明に係る膜ろ過処理装置は別の一実施態様において、制御手段が、透過流束予測値と分離膜の透過流束の実測値とを比較し、透過流束予測値が実測値よりも大きい場合には、膜間差圧を上げるように制御し、透過流束予測値が実測値と等しい場合には、膜間差圧を下げるように制御する。

【0015】

本発明に係る膜ろ過処理装置は更に別の一実施態様において、制御手段が、透過流束予測値と分離膜の透過流束の目標値とを比較し、透過流束予測値が目標値以上の場合には膜面流速を下げるように制御し、透過流束予測値が目標値より小さい場合には、膜面流速を上げるように制御する。

【0016】

本発明に係る膜ろ過処理装置は更に別の一実施態様において、制御手段が、分離膜の透過流束予測値を、以下の関係式（１）に基づいて演算する。
Ｊ_lim＝Ｊ_lim0×ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ）／ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）×（ｖ／ｖ₀）ⁿ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）／ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ₀）・・・（１）
（ここでＪ_limは限界透過流束、Ｊ_lim0は基準点における分離膜の限界透過流束、Ｃ_gはゲル層の溶質濃度、Ｃは被処理水の溶質濃度の実測値、Ｃ₀は基準点における被処理水の溶質濃度、Ｅ、Ｑは係数、Ｔ₀は基準点における被処理水の温度、Ｔは被処理水の温度の実測値、ｖは膜面流速の実測値、ｖ₀は基準点における膜面流速の実測値を示す。）

【0017】

本発明に係る膜ろ過処理装置は更に別の一実施態様において、被処理水が含油廃液を含む。

【0018】

本発明は更に別の一側面において、分離膜を透過する被処理水の性状変動因子となる複数の実測値を用いて分離膜の透過流束予測値を演算し、透過流束予測値の演算結果に基づいて分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくとも一方を制御することを含む膜ろ過処理方法が提供される。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、被処理水の性状変動が生じた場合に、その性状変動に追随して膜の透過流束をより適正な範囲に制御することができ、膜ろ過処理装置の運転条件を最適化することが可能な膜ろ過処理装置及び膜ろ過処理方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置の一例を示す概略図である。

【図2】膜間差圧ΔＰと透過流束Ｊとの関係を表すグラフである。

【図3】分離膜近傍の溶質濃度の変化と分離膜上に堆積されるゲル層を表す模式図である。

【図4】関係式（１）のゲル層の溶質濃度Ｃ_gの算出に用いられるグラフを示し、過去のデータ群について透過流束を縦軸とし、溶質濃度の自然対数を横軸とした場合の関係を表すグラフである。

【図5】本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置において、理論値＞実測値、即ち、透過流束予測値が実測値よりも大きくなった場合に行われる膜間差圧制御方法を説明するグラフである。

【図6】本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置において、理論値＝実測値、即ち、透過流束予測値が実測値と等しくなった場合に行われる膜間差圧制御方法を説明するグラフである。

【図7】本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置において、目標値に基づく膜面流速の制御方法を説明するグラフである。

【図8】本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置を用いた膜間差圧の制御方法を説明するフローチャートである。

【図9】本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置を用いた膜面流速の制御方法を説明するフローチャートである。

【図10】透過流束の実測値と本発明の実施の形態に係る関係式を使って求めた透過流束の計算値との関係を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

【0022】

本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置は、図１に示すように、被処理水を貯蔵する原水槽１と、被処理水を膜ろ過処理する分離膜を備える膜ろ過手段２と、原水槽１から膜ろ過手段２に被処理水を供給するポンプ３と、膜ろ過手段２の排出側に設けられ、ろ過手段２で得られる排出水を原水槽１へ循環させる循環ラインＬ３に設けられたバルブ４と、ポンプ３の駆動及びバルブ４の開度の少なくとも一方の制御が可能な制御手段５とを備える。

【0023】

原水槽１に収容される被処理水の種類は特に限定されない。被処理水としては、溶解性有機物や濁質、油分などの汚染物を含む流体が用いられる。例えば、下水の二次処理水、水産加工業、自動車製造業、石油精製業、乳製品製造業、飲料製造業、金属加工業等に関する工場などから排出される含油廃液や、地下水、用水、海水、汽水、廃棄物の最終処分場から発生する浸出水などが、本実施形態に係る被処理水として利用可能である。

【0024】

膜ろ過手段２は、被処理水の供給を受けて膜透過水及び排出水を得る分離膜を備える。分離膜の種類は特に限定されず、限外ろ過膜、精密ろ過膜、ナノろ過膜等の種々の膜を用いることができる。膜ろ過手段２で得られた膜透過水は、膜ろ過手段２に接続された供給ラインＬ２を介して分離される。膜ろ過手段２で得られた排出水は、循環ラインＬ３を介して排出されるとともにその一部が原水槽１へ循環される。

【0025】

ポンプ３は、膜ろ過手段２へ被処理水を供給する被処理水の供給側、即ち、原水槽１から膜ろ過手段２へ被処理水を供給する供給ラインＬ１に設けられている。供給ラインＬ１には、分離膜を透過する前の被処理水の溶質濃度を検出する濃度検出手段１１と、分離膜を透過する前の被処理水の温度を検出する温度検出手段１２と、分離膜を透過する前の被処理水の流速又流量をそれぞれ検出する流速・流量検出手段１３と、分離膜を透過する前の被処理水の圧力を検出する圧力検出手段１４が設けられている。

【0026】

供給ラインＬ２には、膜透過水の流速又流量を検出する流速・流量検出手段２３と、膜透過水の圧力を検出する圧力検出手段２４とが設けられている。循環ラインＬ３には、排出水の圧力を検出する圧力検出手段３４が設けられている。濃度検出手段１１、温度検出手段１２、流速・流量検出手段１３、２３、圧力検出手段１４、２４、３４の検出結果は、膜ろ過処理装置の実測値として制御手段５へ出力される。

【0027】

制御手段５は、分離膜を透過する被処理水の性状変動因子となる複数の実測値、即ち、本実施形態では、被処理水の温度、溶質濃度、及び膜面流速の実測値を少なくとも用いて分離膜の透過流束予測値を演算し、透過流束予測値の演算結果に基づいて、分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくとも一方を制御する。制御手段５としては、図示しない演算処理部と記憶装置を少なくとも備え、所定の制御アルゴリズムに基づいて所定の動作指令を送出する汎用又は専用の計算機が利用可能である。

【0028】

具体的には、制御手段５は、圧力検出手段１４、２４、３４、流速・流量検出手段１３、２３、温度検出手段１２、濃度検出手段１１の検出結果から、分離膜の透過流束予測値を演算し、透過流束予測値の演算結果に基づいて、分離膜の膜間差圧及び膜面流速の少なくとも一方を制御するように、ポンプ３の駆動及びバルブ４の開度の少なくとも一方の制御を行う。

【0029】

膜ろ過処理では、図２に示すように、膜間差圧ΔＰの上昇に比例して透過流束Ｊが徐々に増加していくが、ある程度以上に膜間差圧ΔＰを上昇させると、透過流束Ｊがある一定値に収束していく。これは、図３に示すように、被処理水中の溶質が膜面近傍に溜まることで、膜表面に被処理水中の溶質濃度の数十～数百倍程度となるゲル層が生じ、ゲル層の抵抗が膜間差圧ΔＰに比例して増加するようになるためである。

【0030】

ゲル層における物質収支より、以下の式（２）が成り立つ。
Ｊ×Ｃ－Ｄ×ｄＣ／ｄｘ＝ＪＣp・・・（２）
（ここで、Ｊ：透過流束、Ｃ：被処理水の溶質濃度、Ｄ：溶質拡散係数、Ｃp：膜透過水の溶質濃度である。）

【0031】

ゲル層の溶質濃度をＣg、膜透過水の溶質濃度Ｃp＝０とし、式（２）を積分すると、透過流束Ｊについて、式（３）が得られる。
Ｊ＝ｋ×ｌｎ（Ｃg／Ｃ）・・・（３）
（ここで、ｋ：物質移動係数（＝溶質拡散係数Ｄ/境膜厚さδ）である。）

【0032】

つまり、上述の透過流束Ｊがある一定値に収束する現象が生じる際、式（３）が成り立ち、そのときの透過流束のことを「限界透過流束」と呼ぶことができる。限界透過流束となる膜間差圧（以下「限界膜間差圧」という）以下で、膜ろ過処理装置を運転することは、膜処理の経済性を考慮する上で重要である。

【0033】

本実施形態によれば、制御手段５が、透過流束予測値として、分離膜の限界透過流束Ｊ_limを演算する。制御手段５による限界透過流束Ｊ_limの演算結果から、分離膜の透過流束Ｊが限界透過流束Ｊ_limに近づくように被処理水の性状変動に応じてリアルタイムで運転条件を設定することができるため、膜ろ過手段２の運転条件を常に適正な範囲内に制御することができ、より効率の高い膜ろ過処理を実現することができる。

【0034】

透過流束Ｊは、ダルシーの法則より式（４）のように表すことができる。
Ｊ＝ΔＰ／μＲ・・・（４）
（ここで、ΔＰ：膜間差圧、μ：被処理水の粘度、Ｒ：膜ろ過抵抗である。）

【0035】

アンドレードの式より、被処理水の粘度μは、被処理水の温度Ｔに依存し、式（５）の関係がある。
μ＝Ａ×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）・・・（５）
（ここで、Ａ、Ｅ：係数、Ｔ：被処理水の温度である。）

【0036】

一方、アレニウスの式より、式（２）の拡散係数Ｄは、被処理水の温度Ｔに依存し、式（６）の関係がある。
Ｄ＝Ｂ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）・・・（６）
（ここで、Ｂ、Ｑ：係数である。）

【0037】

物質移動係数ｋは膜面流速ｖに依存し、流速変化法により、式（７）の関係がある。
ｋ／ｋ₀＝（ｖ／ｖ₀）ⁿ・・・（７）
（ここで、ｖ₀：基準点における膜面流速、ｋ₀：ｖ₀における基準物質移動係数、ｎ：係数である。）

【0038】

限界透過流束Ｊ_limは、膜間差圧ΔＰに依存しないため、式（３）～（７）により、膜ろ過処理における現時点での限界透過流束Ｊ_limは、式（８）のように表現できる。
Ｊ_lim＝Ｊ_lim0×Ｒ₀／Ｒ×Ｉｎ（Ｃ_g／Ｃ）／ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ₀）／ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）×（ｖ／ｖ₀）ⁿ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）／ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ₀）・・・（８）
（ここで、Ｃ₀は基準点における被処理水の溶質濃度、Ｃ_gはゲル層の溶質濃度、Ｃは現時点における被処理水の溶質濃度、Ｔ₀は基準点における被処理水の温度、Ｊ_lim0は基準点における分離膜の限界透過流束をそれぞれ示すものであり、基準点とは過去のある任意の時点の実測値を適宜設定した値を示す。）

【0039】

基準点、つまり測定の基準となる時から現時点、つまり測定時における膜閉塞が無視できると仮定すると、
Ｒ₀／Ｒ≒１・・・（９）
となる。

【0040】

式（９）を用いて式（８）を変形すると、分離膜の限界透過流束Ｊ_limは、以下の関係式（１）に基づいて計算することができる。
Ｊ_lim＝Ｊ_lim0×ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ）／ｌｎ（Ｃ_g／Ｃ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ₀）×ｅｘｐ（Ｅ／Ｔ）×（ｖ／ｖ₀）ⁿ×ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ）／ｅｘｐ（－Ｑ／Ｔ₀）・・・（１）
（ここで、Ｊ_limは限界透過流束、Ｊ_lim0は基準点における分離膜の限界透過流束、Ｃ_gはゲル層の溶質濃度、Ｃは被処理水の溶質濃度の実測値、Ｃ₀は基準点における被処理水の溶質濃度、Ｅ、Ｑは係数、Ｔ₀は基準点における被処理水の温度、Ｔは被処理水の温度の実測値、ｖは膜面流速の実測値、ｖ₀は基準点における膜面流速の実測値を示す。）なお、ゲル層の溶質濃度Ｃ_gは、図４に示すように、過去のデータ群についての透過流束を縦軸とし、溶質濃度の自然対数を横軸としたグラフにおける横軸の切片として求められる。

【0041】

制御手段５は、上記の関係式（１）に基づいて分離膜の透過流束予測値として、測定時の限界透過流束Ｊ_limを演算する。即ち、制御手段５は、基準点における被処理水の温度Ｔ₀、溶質濃度Ｃ₀、膜面流速ｖ₀、限界透過流束Ｊ_lim0の値と、圧力検出手段１４、２４、３４、流速・流量検出手段１３、２３、温度検出手段１２、濃度検出手段１１が検出した被処理水の温度Ｔ、溶質濃度Ｃ、膜面流速ｖの値とを用いて、分離膜の透過流束予測値として、限界透過流束Ｊ_limを演算する。

【0042】

更に制御手段５は、限界透過流束Ｊ_limの演算結果（演算値）と、分離膜の透過流束の実測値Ｊとを比較する。比較の結果、限界透過流束Ｊ_limが実測値Ｊよりも大きい場合には、その比較結果、即ち透過流束の差分に応じて、制御手段５は、限界透過流束Ｊ_lim＝実測値Ｊとなるまで、膜間差圧ΔＰを上昇させるようにポンプ３の駆動及びバルブ４の開度の少なくとも一方を制御する（図５参照）。

【0043】

なお、限界透過流束Ｊ_lim＝実測値Ｊである場合であっても、透過流束が所定の値に収束している場合がある（図６参照）。これは、被処理水中の溶質が膜面近傍に留まることで、膜表面にゲル層が生じ、ゲル層の抵抗が膜間差圧ΔＰに比例して増加するためである。この場合、膜間差圧ΔＰが余剰状態にあるといえる。そこで、制御手段５は、限界透過流束Ｊ_lim＝実測値Ｊである場合、膜間差圧ΔＰが低下するように、一旦、ポンプ３の駆動及びバルブの開度を調整する制御を行う。具体的には、限界透過流束Ｊ_lim＝実測値Ｊである場合、限界透過流束Ｊ_lim＞実測値Ｊとなるまで膜間差圧ΔＰを一旦下げ、その後、限界透過流束Ｊ_lim＝実測値Ｊとなるように膜間差圧ΔＰを上昇させる。これにより、被処理水の性状変動に応じてより適切な運転条件に設定し、制御することが可能となる。

【0044】

或いは、制御手段５は、限界透過流束Ｊ_limと分離膜の透過流束の目標値Ｊ_Tとを比較するようにしてもよい。目標値Ｊ_Tは被処理水の性状及び分離膜の特性に応じて予め種々に設定することができる。比較の結果、限界透過流束Ｊ_limが目標値Ｊ_T以上の場合には、限界透過流束Ｊ_lim＝目標値Ｊ_Tとするために、膜面流速ｖを下げるようにポンプ３の駆動及びバルブ４の開度の少なくとも一方を制御してもよい。限界透過流束Ｊ_limが目標値Ｊ_Tより小さい場合には、制御手段５は、制御限界透過流束Ｊ_lim＝目標値Ｊ_Tとなるように膜面流速ｖを上げるようにポンプ３の駆動及びバルブ４の開度の少なくとも一方を制御してもよい（図７参照）。

【0045】

本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置によれば、制御手段５により、関係式（１）を用いて分離膜の限界透過流束Ｊ_limを予測することができ、限界透過流束Ｊ_limに近づくようにポンプ３の駆動及びバルブ４の開度の少なくとも一方を調節することで、無駄な動力を軽減することができ、かつ常に高い透過流束を得ることができる。

【0046】

なお、図１に示す膜ろ過処理装置において、図示していない加温設備を、例えば被処理水の任意の流路や、原水槽１に別途、設けることで、加温された温度を制御手段５で検出するようにして、透過流束の実測値Ｊが限界透過流束Ｊ_limに近づくように、或いは限界透過流束Ｊ_limが目標値Ｊ_Tに近づくように、被処理水の温度を調節するよう制御することも可能である。これにより、被処理水の温度変動に追随して膜の透過流束をより適正な範囲に制御することができる。

【0047】

更に、図１に示す膜ろ過処理装置においては制御手段５が限界透過流束Ｊ_limを演算する例を示したが、制御手段５は別に、限界透過流束Ｊ_limを演算するための独立した演算手段（図示せず）を配置してもよいことは勿論である。

【0048】

本発明の実施の形態に係る膜ろ過処理装置の運転方法の例を図８及び図９を用いて説明する。図８に示す例は、被処理水の変動に基づいて分離膜の膜間差圧ΔＰを調整するフローの例を示し、図９に示す例は、被処理水の変動に基づいて分離膜の膜面流速ｖを調整するフローの例を示すものである。

【0049】

図８のステップＳ１１において、図１の圧力検出手段１４、２４、３４、流速・流量検出手段１３、２３、温度検出手段１２、濃度検出手段１１を用いて、被処理水の温度、溶質濃度、循環水の流量（膜面流速）、透過水の流量（透過流束）、循環水入口側圧力・出口側圧力及び透過水側圧力の実測値を検出する。ステップＳ１２において、制御手段５が、ステップＳ１１で測定された各実測値を用いて、透過流束予測値（演算値）として現時点での限界透過流束Ｊ_limを演算する。

【0050】

ステップＳ１３において、制御手段５が、ステップＳ１１で測定された透過流束の実測値Ｊと、ステップＳ１２で演算された現時点での限界透過流束Ｊ_limを比較し、限界透過流束Ｊ_lim＞実測値Ｊとなるか否かを判断する。限界透過流束Ｊ_lim＞実測値Ｊとなる場合には、ステップＳ１５に進む。限界透過流束Ｊ_lim＞実測値Ｊとならない場合にはステップＳ１４に進む。

【0051】

ステップＳ１４において、制御手段５が、限界透過流束Ｊ_lim＞実測値Ｊとなるまで、ポンプ３の出力を下げるか、バルブ４の開度を上げるか或いはポンプ３の出力及びバルブ４の開度の両方を調整し、ステップＳ１５へ進む。

【0052】

ステップＳ１５において、制御手段５が、限界透過流束Ｊ_lim＝実測値Ｊとなるまで、分離膜の膜間差圧ΔＰを上げるように、限界透過流束Ｊ_limと実測値Ｊとの差分に応じて、ポンプ３の出力を上げるか、バルブ４の開度を下げるか或いはポンプ３の出力及びバルブ４の開度の両方を調整する。

【0053】

ステップＳ１６において、制御手段５が、予め任意に設定された目標総透過水量もしくは目標濃縮倍率を達成しているか否かを判断する。目標総透過水量もしくは目標濃縮倍率を達成している場合には、運転を終了する。目標透過水量もしくは目標濃縮倍率を達成していない場合には、ステップＳ１１へ戻り、ステップＳ１２～Ｓ１６を繰り返す。

【0054】

分離膜の膜面流速を制御する場合には、図９のステップＳ２１において、図１の圧力検出手段１４、２４、３４、流速・流量検出手段１３、２３、温度検出手段１２、濃度検出手段１１を用いて、被処理水の温度、溶質濃度、循環水の流量（膜面流速）、透過水の流量（透過流束）、循環水入口側圧力・出口側圧力及び透過水側圧力の実測値を測定する。ステップＳ２２において、制御手段５が、ステップＳ２１で測定された各実測値を用いて、透過流束予測値として、現時点での限界透過流束Ｊ_limを演算する。

【0055】

ステップＳ２３において、制御手段５が、予め定められた分離膜の透過流束Ｊの目標値Ｊ_Tと、ステップＳ２２で演算された現時点での限界透過流束Ｊ_limを比較し、限界透過流束Ｊ_lim＜目標値Ｊ_Tとなるか否かを判断する。限界透過流束Ｊ_lim＜目標値Ｊ_Tとなる場合には、ステップＳ２５に進む。限界透過流束Ｊ_lim＜目標値Ｊ_Tとならない場合にはステップＳ２４に進む。

【0056】

ステップＳ２４において、制御手段５が、限界透過流束Ｊ_lim＝目標値Ｊ_Tとなるまで、ポンプ３の出力を下げるか、バルブ４の開度を上げるか或いはポンプ３の出力及びバルブ４の開度の両方を調整し、ステップＳ２５へ進む。

【0057】

ステップＳ２５において、制御手段５が、限界透過流束Ｊ_lim＝目標値Ｊ_Tとなるまで、分離膜の膜間差圧ΔＰを上げるように、ポンプ３の出力を上げるか、バルブ４の開度を下げるか或いはポンプ３の出力及びバルブ４の開度の両方を調整する。

【0058】

ステップＳ２６において、制御手段５が、目標透過水量もしくは目標濃縮倍率を達成しているか否かを判断し、目標透過水量もしくは目標濃縮倍率を達成している場合には、運転を終了する。目標透過水量もしくは目標濃縮倍率を達成していない場合には、ステップＳ２１へ戻り、ステップＳ２２～Ｓ２６を繰り返す。

【0059】

本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態及び運用技術が明らかとなろう。

【0060】

例えば、上記の実施の形態では、制御手段５の中に図示しない演算手段が包含され、図示しない演算手段により透過流束予測値を演算する例を示したが、制御手段５とは独立して設けられた演算手段（図示せず）によって演算処理を実行し、その演算結果に基づいて、制御手段５が所定の制御を行うこともまた本発明に包含される。このように、本発明は上記の開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであって、その要旨を逸脱しない範囲において当業者の技術常識に基づき変形し具体化し得るものである。

【実施例】

【0061】

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。

【0062】

工場から排出された水溶性切削油剤廃液を試験原水として、限外ろ過膜（分画分子量３０万）を用いて濃縮処理した。濃縮液のノルマルヘキサン抽出物質濃度（＝溶質濃度Ｃ）が１６０００、３３０００、５４０００ｍｇ／Ｌとなったとき、表１に示した濃縮液の温度Ｔと膜面流速ｖの条件の組み合わせにおける限界透過流束を測定した。

【0063】

【表1】

【0064】

各条件の限界透過流束Ｊ_limは、上述の関係式（１）を用いて求めた。（１）式における各係数は、別途予備実験を実施して求めた。図１０に限界透過流束の実測値と、関係式（１）を用いた計算値（予測値）の比較を示す。なお、各透過流束は、任意で定めた透過流束に対する比で示している。

【0065】

図１０に示すように、限界透過流束の実測値と、式（１）による計算値（予測値）はほぼ一致していることがわかる。

【符号の説明】

【0066】

１…原水槽
２…膜ろ過手段
３…ポンプ
４…バルブ
５…制御手段
１１…濃度検出手段
１２…温度検出手段
１３、２３…流速・流量検出手段
１４、２４、３４…圧力検出手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】