JP2008241365A - 膜監視方法及び膜監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】膜の損傷の有無を化学的に判別することにより、ピンホールのような微小な膜の損傷でも検出が可能な膜監視方法及び膜監視システムを提供すること。
【解決手段】被処理液をろ過する膜２によってろ過されたろ過水の一部を抽出し、該抽出されたろ過水から溶存成分を揮散せしめて分離し、該分離された溶存成分中の揮発性化合物濃度をガス検知用検出器１０によって検出し、該揮発性化合物濃度が前記膜２の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜２の損傷の有無を判別する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膜監視方法及び膜監視システムに関し、詳しくは、膜の損傷の有無を化学的に判別することにより、ピンホール以下の微小な膜の損傷でも検出が可能な膜監視方法及び膜監視システムに関する。

近年、例えばＭＦ膜やＵＦ膜等の膜を用いて被処理水をろ過する膜処理装置は、ろ過水質が良好であり、維持管理も容易である等の理由から浄水施設への利用が進んでいる。

膜処理装置を浄水施設に利用する場合、クリプトコッカス等の微生物からの安全性を確保するため、膜の健全性が重要であり、そのためには、膜に破断やピンホール等の損傷が発生していないことを監視する必要がある。

従来、膜の損傷を検出する方法として、膜モジュールの一次側（原水側）の水を全量排出し、二次側（処理水側）の水は満水状態とした上で、二次側を吸引ポンプ等を用いて吸引し、この二次側の吸引減圧状態を観測することにより膜モジュールの損傷を検出する方法（非特許文献１）、膜モジュールごとに小型の音響センサを設置し、損傷箇所から漏洩した空気の気泡が発する音を検知することにより膜損傷の有無を判定する方法（非特許文献２）、ろ過水の濁度を検出する方法（非特許文献３）、膜モジュールの一次側を空気で加圧し、膜の損傷箇所からリークした空気の気泡がろ過水に混入したことによる電気抵抗の変化を捉えることにより膜損傷を検知する方法（非特許文献４）が提案されている。
第５７回全国水道研究発表会「（４−４５）膜損傷の検知方法」ｐ２２６、２２７、平成１８年５月 第５７回全国水道研究発表会「（４−４６）音響センサを使用した膜損傷の検知技術」ｐ２２８、２２９、平成１８年５月 第５７回全国水道研究発表会「（４−４７）膜損傷検知に向けた漏出感度向上方式の提案」ｐ２３０、２３１、平成１８年５月 第５７回全国水道研究発表会「（４−４８）膜モジュール１本ごとの膜損傷検知システム」ｐ２３２、２３３、平成１８年５月

従来提案されている技術は、気泡の漏出や濁度の変化を検出するという物理的な手法によって膜の損傷を検出しようとするものである。

これら物理的な手法では、膜の損傷が破断のような比較的大きな損傷である場合には有効であるが、膜の損傷がピンホール以下の極めて微小なものである場合、検出が困難又は不可能であるという問題がある。

そこで、本発明は、膜の損傷の有無を化学的に判別することにより、ピンホール以下の微小な膜の損傷でも検出が可能な膜監視方法及び膜監視システムを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
被処理液をろ過する膜を備えた膜処理装置における前記膜の損傷の有無を監視する膜監視方法であって、
前記膜によってろ過されたろ過水の一部を抽出し、該抽出されたろ過水から溶存成分を揮散せしめて分離し、該分離された溶存成分中の揮発性化合物濃度をガス検知用検出器によって検出し、該揮発性化合物濃度が前記膜の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別することを特徴とする膜監視方法。

（請求項２）
前記溶存成分の揮散方法が、ヘッドスペース法もしくはパージトラップ法であって、溶存成分を分離する際、前記抽出されたろ過水を加熱及びエアレーションすることにより揮発性化合物を高濃度化して分離することを特徴とする請求項１記載の膜監視方法。

（請求項３）
前記抽出されたろ過水から分離された溶存成分中の揮発性化合物を各構成成分に分離した後、該各構成成分濃度をガス検知用検出器によって検出し、各構成成分のうちの特定の構成成分濃度が前記膜の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別することを特徴とする請求項１又は２記載の膜監視方法。

（請求項４）
被処理液をろ過する膜を備えた膜処理装置における前記膜の損傷の有無を監視する膜監視システムであって、
前記膜によってろ過されたろ過水の一部を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出されたろ過水から溶存成分を揮散せしめ分離する分離手段と、
前記分離手段により分離された溶存成分中の揮発性化合物濃度を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された揮発性化合物濃度が前記膜の特性よって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別する判別手段とを有することを特徴とする膜監視システム。

（請求項５）
前記分離手段は、前記抽出手段により抽出されたろ過水を加熱及びエアレーションすることにより揮発性化合物を高濃度化する濃縮手段を有することを特徴とする請求項４記載の膜監視システム。

（請求項６）
前記検出手段は、前記分離手段によって分離された溶存成分中の揮発性化合物を各構成成分に分離した後、該各構成成分濃度を検出し、
前記判別手段は、前記検出手段によって検出された各構成成分のうちの特定の構成成分濃度が前記膜の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別することを特徴とする請求項４又は５記載の膜監視システム。

本発明によれば、膜の損傷の有無を化学的に判別することにより、ピンホール以下の微小な膜の損傷でも検出が可能な膜監視方法及び膜監視システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る膜監視システムの一例を説明する構成図であり、１は原水（被処理水）を膜処理する膜処理装置の一つの膜モジュールを示している。膜モジュール１は膜２を有している。

本発明において膜モジュール１に使用される膜２は、通常の膜処理に使用される膜を使用することができ、何ら限定されない。膜２の種類としては、例えばＭＦ膜（精密ろ過膜）、ＵＦ膜（限外ろ過膜）、ＮＦ膜（ナノろ過膜）、ＲＯ膜（逆浸透膜）、電気透析セルにおけるイオン交換膜等があり、これらのいずれでもよい。

また、本発明において膜の損傷とは、膜の公称孔径や公称分画分子量を超えて膜の表裏（内外）を連通させる、例えば破断、亀裂、ピンホールのことであり、膜の表面が傷ついた程度の、膜の表裏（内外）を連通させず、且つ、透過性に影響を与えない場合は含まれない。

原水は、導入管３によって膜モジュール１に導入される。膜モジュール１において原水は膜２によってろ過され、ろ過水がろ過水排出管４によって排出されると共に、濃縮水が濃縮水排出管５によって排出される。

図中、６はろ過水排出管４の途中に接続された抽出管、７は抽出管６の途中に設けられた開閉弁、８はバイアル、９はポンプ、１０はガス検知用検出器、１１はバイアル８内のろ過水を排水するための排水管である。

抽出管６は、開閉弁７が開放されることによって、ろ過水排出管４からその内部を流れるろ過水の少なくとも一部を抽出し、バイアル８に送るようになっている。

バイアル８は、上部に空間８ａが形成される程度にろ過水Ｗを貯留することにより内部に気相と液相とを形成し、ヘッドスペース法もしくはパージトラップ法によってろ過水Ｗから溶存しているガス成分を揮散せしめて分離する。

バイアル８は加温手段（図示せず）を有しており、貯留されたろ過水Ｗが所定温度に加温されると共に、空間８ａ内のガスがポンプ９によって吸引され、バイアル８内のろ過水Ｗ中に戻され、該ろ過水Ｗがエアレーションされることにより、ろ過水Ｗに含まれる揮発性有機物（ＶＯＣ）等の揮発性化合物を濃縮するようになっている。

ガス検知用検出器１０は、バイアル８においてろ過水Ｗから分離されたガス成分中の揮発性化合物濃度を検出する検出手段である。このガス検知用検出器１０としては、ガス成分中から揮発性化合物濃度を検出可能であれば特に問わず、例えば水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）、電子捕獲型検出器（ＥＣＤ）、質量分析型検出器（ＭＳ）、化学発光法（ＣＬ）等を用いることができる。

ここでは、ガス検知用検出器１０として水素炎イオン化検出器を用いた場合について説明する。

ガス検知用検出器１０はバイアル８内の空間８ａのガス成分中から揮発性化合物を検出して電気信号に変換する。ガス検知用検出器１０は、これにより検出された検出信号に基づいて揮発性化合物濃度を検出する。

ここで、膜モジュール１を構成する膜２が、例えば公称分画分子量100,000のＵＦ膜である場合、膜２が健全であれば、上記公称分画分子量を超える物質は膜２によって阻止されるため、ろ過水中には上記公称分画分子量よりも小さい物質しか存在しない。このときのろ過水の揮発性化合物濃度は、膜２の特性（公称孔径や公称分画分子量）によって規定される濃度（以下、ベース濃度という。）となる。

しかし、もし、この膜２に上記公称分画分子量を超える大きさのピンホールが発生している場合、膜２を通過するはずのない上記公称分画分子量を超える分子量の大きな揮発性化合物が、ピンホールを通過してろ過水と共にろ過水排出管４に排出され、ろ過水中に含まれる揮発性化合物濃度がベース濃度よりも増加することになる。従って、バイアル８内のろ過水Ｗ中の揮発性化合物をガス検知用検出器１０を用いて検出し、その濃度がベース濃度を超えたか否かを監視することにより、その膜２の損傷の有無を判別することができる。

図２は、ろ過水Ｗから水素炎イオン化検出器によって検出された出力信号の一例を示している。

膜モジュール１を構成する膜２がピンホールのない健全な膜である場合、膜本来の特性に基づいた良好なろ過水が得られるため、図中のＡに示すような信号が得られる。この信号Ａは膜２のベース濃度を示している。このベース濃度は膜２の種類によって異なり、ＭＦ膜よりもＵＦ膜の方がベース濃度は低くなり、ＮＦ膜やＲＯ膜ではほとんど０となる。

しかし、この膜２にピンホールが発生している場合、膜２の特性によって本来通過が阻止されるはずの分子量の大きな揮発性化合物がピンホールを通してろ過水中に漏出することにより、ろ過水中の揮発性化合物濃度がベース濃度よりも上昇し、信号は図中のＢに示すようになる。

ガス検知用検出器１０は、ヘッドスペース法もしくはパージトラップ法により放散された揮発性化合物濃度が、予め規定されたベース濃度を超えたか否かを監視することにより、膜２の損傷の有無を判別する。

すなわち、膜２が健全な状態のベース濃度を既定値として例えばガス検知用検出器１０が予め保有しておき、検出された揮発性有機物濃度が上記ベース濃度を超えたか否かを監視する。

このベース濃度は、膜処理装置の運転初期等に、実際に処理を行う原水を用いて予め取得しておくと好ましい。

そして、検出された揮発性化合物濃度が信号Ａのベース濃度の範囲内に納まっている場合には、膜２は健全であると判別され、検出された揮発性化合物濃度が図２中の信号Ｂのようにベース濃度を超えた場合には、本来膜２を通過するはずのない揮発性化合物までもが膜２を通過していると判断され、膜２にピンホール等の損傷が発生していると判別される。

膜２の損傷の有無の判別は、このようにガス検知用検出器１０が行うものに限らず、ガス検知用検出器１０の検出結果を受けて、該ガス検知用検出器１０とは別体のパーソナルコンピュータ（図示せず）等が行うようにしてもよい。

本発明において、検出された揮発性化合物濃度がベース濃度を超えた場合に警告を発することは好ましい。警告は、例えば図示しないモニター画面上等において行うことができる。

本発明によれば、膜モジュール１から排出されたろ過水の少なくとも一部を抽出し、その抽出されたろ過水から溶存成分を揮散せしめて分離し、該分離された溶存成分中の揮発性化合物濃度を検出することにより膜２の損傷の有無を化学的に判別するため、膜２の損傷が比較的大きな破断の場合はもちろんのこと、極めて微小なピンホールの場合であっても検出が可能である。

しかも、本発明は、膜２の損傷を検出するために膜処理動作を中断する必要はない。従って、膜処理動作中でも、例えば所定時間毎等の定期的に膜２の損傷の有無を容易に監視することができる。

図３は、複数基の膜モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…を有する膜処理装置に本発明を適用する場合のシステムの一例を示している。

本発明では、このように複数基の膜モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…を有する膜処理装置においても、1基のバイアル８及びガス検知用検出器１０を設置するだけでよい。

すなわち、各膜モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…のろ過水排出管４Ａ、４Ｂ、４Ｃ…に、それぞれ抽出管６Ａ、６Ｂ、６Ｃ…を接続し、各抽出管６Ａ、６Ｂ、６Ｃ…によってろ過水の少なくとも一部をバイアル８に送る構成とする。各抽出管６Ａ、６Ｂ、６Ｃ…には、それぞれ開閉弁７Ａ、７Ｂ、７Ｃ…が設けられる。

この場合、膜の監視は、開閉弁７Ａ、７Ｂ、７Ｃ…の開閉を選択的に行うことにより、膜モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…毎にろ過水の少なくとも一部をバイアル８に抽出することで、上記のようにガス検知用検出器１０によって膜の損傷の有無を判別する。

この態様では、開動作する開閉弁７Ａ、７Ｂ、７Ｃ…とガス検知用検出器１０における検出作業とを一対一に対応させることにより、各膜モジュール１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…毎の膜の損傷の有無を監視することができる。

なお、本発明ではろ過水Ｗ中の揮発性化合物量を検出できればよいため、必ずしも特定の揮発性化合物の同定を行う必要はない。このため、以上の説明では分離カラム等を用いることにより溶存するガス成分を各構成成分に分離する構成をとっていない。このため、簡単且つ安価に膜監視を行うことができる。

しかし、本発明では、分離カラム等を使用するガスクロマトグラフ等によって、溶存するガス成分を各構成成分に分離することも可能である。ガス成分を各構成成分に分離する手段は分離カラムに何ら限定されない。

この場合は、溶存ガス成分中の特定の構成成分の定量を行うことにより、膜２の損傷の有無を判別することができる。従って、抽出されたろ過水から分離された溶存ガス成分中の揮発性化合物を各構成成分に分離して各構成成分濃度をガス検知用検出器によって検出した後、各構成成分のうちの特定の構成成分濃度が膜２の特性によって規定される濃度を超えたか否かを検出する構成とすればよい。

（実施例１）
ピンホールのない正常なＭＦ膜を有する膜モジュールのろ過水と劣化したＭＦ膜を有する膜モジュールのろ過水について、表１に示す物理化学分析を行った。

その結果、劣化したＭＦ膜のろ過水からは、正常なＭＦ膜からは検出されない炭化水素や還元性化合物が検出され、膜の損傷が判別された。

（実施例２）
ピンホールのない正常なＲＯ膜を有する膜モジュールのろ過水と劣化したＲＯ膜を有する膜モジュールのろ過水について、表２に示す物理化学分析を行った。

その結果、劣化したＲＯ膜のろ過水からは、正常なＲＯ膜からは検出されないハロカーボンが検出され、膜の損傷が判別された。

本発明に係る膜監視システムの一例を説明する構成図 ろ過水から水素炎イオン化検出器を用いて検出されたクロマトグラムの一例を示す図 複数基の膜モジュールを有する膜処理装置に本発明を適用する場合のシステムの一例を示す構成図

符号の説明

１：膜モジュール
２：膜
３：導入管
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ：ろ過水排出管
５：濃縮水排出管
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ：抽出管
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ：開閉弁
８：バイアル
８ａ：空間
９：ポンプ
１０：ガス検知用検出器
１１：排水管

Claims (6)

1. 被処理液をろ過する膜を備えた膜処理装置における前記膜の損傷の有無を監視する膜監視方法であって、
   前記膜によってろ過されたろ過水の一部を抽出し、該抽出されたろ過水から溶存成分を揮散せしめて分離し、該分離された溶存成分中の揮発性化合物濃度をガス検知用検出器によって検出し、該揮発性化合物濃度が前記膜の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別することを特徴とする膜監視方法。
2. 前記溶存成分の揮散方法が、ヘッドスペース法もしくはパージトラップ法であって、溶存成分を分離する際、前記抽出されたろ過水を加熱及びエアレーションすることにより揮発性化合物を高濃度化して分離することを特徴とする請求項１記載の膜監視方法。
3. 前記抽出されたろ過水から分離された溶存成分中の揮発性化合物を各構成成分に分離した後、該各構成成分濃度をガス検知用検出器によって検出し、各構成成分のうちの特定の構成成分濃度が前記膜の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別することを特徴とする請求項１又は２記載の膜監視方法。
4. 被処理液をろ過する膜を備えた膜処理装置における前記膜の損傷の有無を監視する膜監視システムであって、
   前記膜によってろ過されたろ過水の一部を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段により抽出されたろ過水から溶存成分を揮散せしめ分離する分離手段と、
   前記分離手段により分離された溶存成分中の揮発性化合物濃度を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された揮発性化合物濃度が前記膜の特性よって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別する判別手段とを有することを特徴とする膜監視システム。
5. 前記分離手段は、前記抽出手段により抽出されたろ過水を加熱及びエアレーションすることにより揮発性化合物を高濃度化する濃縮手段を有することを特徴とする請求項４記載の膜監視システム。
6. 前記検出手段は、前記分離手段によって分離された溶存成分中の揮発性化合物を各構成成分に分離した後、該各構成成分濃度を検出し、
   前記判別手段は、前記検出手段によって検出された各構成成分のうちの特定の構成成分濃度が前記膜の特性によって規定される濃度を超えたか否かにより前記膜の損傷の有無を判別することを特徴とする請求項４又は５記載の膜監視システム。

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