CN102791637A - 淡水制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及淡水制备方法，其是将原水供给半透膜单元得到淡水的淡水制备方法，该方法根据半透膜单元的淡水流量和/或半透膜单元的运转压力的变化，将与原水溶质浓度不同的水和上述原水混合并供给。

Description

淡水制备方法
技术领域
本发明涉及用于由海水和河流水、地下水或废水处理水的组合这样的多种原水制备淡水的、使用了半透膜单元的淡水制备方法和淡水制备装置。进而详细说来，涉及在由多种原水制备淡水的淡水制备装置中，使用了能抑制设备成本和运转成本的半透膜单元的淡水制备方法和淡水制备装置。
背景技术
伴随近年来水环境恶化的日益严重，水处理技术比以往变得更重要，利用分离膜的水处理技术正被非常广泛地应用。作为海水淡化的水处理技术，现有技术中，在水资源极端匮乏并且由于石油而使热能资源非常丰富的中东地区，以蒸发法为中心进行实用化，而在热源不丰富的中东以外的地区，采用使用了所需动力小的半透膜(特别是反浸透膜)的淡水化方法，在加勒比海群岛、地中海地区等多数工厂正在建设并实用运转。
特别是，近年来，由在淡水化中产生的具有压力能的浓缩排水高效率地回收能量的技术也可被应用，进而可节约能量地由海水制备淡水。
在反浸透膜淡水化设备中，以经常得到一般必要的生产水量作为目的，因此根据原水的浓度、温度，进行控制半透膜单元的运转数、半透膜单元的运转压力的运转。具体来说，当原水浓度上升时，为了补充渗透压的增加部分，使运转压力上升；当原水温度上升时，因为半透膜的透水性上升，所以使运转压力下降，由此维持规定的生产水量。
进而，一旦要维持上述那样的生产水量，生产水质也会变动，例如，原水温度上升而使运转压力下降时，水质大大地降低。此外，由浓缩排水回收能量时，能量回收装置的适用压力范围有所限制，由于运转压力变动导致从设计压力点偏离时，出现了能量回收效率降低的问题。
于是，为了将生产水质、运转压力维持在一定范围内，如专利文献1所示，提出原水温度上升时，由于半透膜的水透过性上升，减少半透膜单元的运转数以维持运转压力的方案并实用化，但是减少运转数时，半透膜单位面积的负荷变大，有容易产生膜破损的问题。作为解决该问题的方法，如专利文献2所示，提出将原水和由同一原水转移到发电工厂的凝汽器所得的高温原水适当地混合，从而保持恒定温度的方案。
另一方面，将海水作为原水的用半透膜的淡水制备，虽说与蒸发法相比能量方面优异，但由于海水的高浸透压而引起的高压力工艺，与将河流水作为原水的自来水制备工艺相比所需的能量大。因此，最近将污水废水净化处理并用半透膜回收再利用的淡水制备设备正被实用化(非专利文献1)。进而，将海水和河流水并用(非专利文献2)，或将海水和污水废水并用(非专利文献3)而降低能量成本的***正被提出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-239134号公报
专利文献2：日本实开平4-137795号公报。
非专利文献
非专利文献1：A. J. von Gottberg等，”World’s Largest Membrane-based Water Reuse Project,” Proc. IDA World Congress, Bahama, 2003.
非专利文献2：J. S. S. Chin等，”Increasing Water Resources through Desalination in Singapore： Planning for a Sustainable Future,” Proc. IDA World Congress, Dubai, 2009.
非专利文献3：“神鋼環境ソら4者　経产省のモデル事業　周南市で实証实验”，[online]，平成21年3月5日，日本水道新聞，[平成21年7月2日検索]，インターネット<URL ： http：//www.suido-gesuido.co.jp/blog/suido/2009/03/post_2780.html>。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是提供在混合利用多种原水、使用半透膜的淡水制备方法中，通过将运转控制范围抑制得小，使设备成本、特别是对半透膜的高压泵和浓缩水的能量回收单元的要求规格降低，同时能维持稳定的生产水量和生产水质的低成本的淡水制备方法。
解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明涉及以下(1)～(7)的内容。
(1)淡水制备方法，其是将原水供给半透膜单元得到淡水的淡水制备方法，根据半透膜单元的淡水流量和/或半透膜单元的运转压力的变化，将与原水溶质浓度不同的水和上述原水混合并供给。
(2)淡水制备方法，其是将至少两种溶质浓度不同的原水混合后供给半透膜单元得到淡水的淡水制备方法，根据半透膜单元的淡水流量和/或半透膜单元的运转压力的变化，控制至少两种原水的混合比率。
(3)根据(2)所述的淡水制备方法，控制至少两种原水的混合比率，以使半透膜单元的淡水流量和半透膜单元的运转压力在规定的范围内。
(4)根据(2)或(3)所述的淡水制备方法，在至少两种原水中，至少一种为海水、河流水、地下水、污水、废水、或它们的处理水。
(5)根据(4)所述的淡水制备方法，处理水为过滤水或浓缩水。
(6)根据(1)～(5)中任一项所述的淡水制备方法，使用水轮式或反转泵式能量回收装置将上述半透膜单元的浓缩水具有的压力能回收。
发明效果
通过本发明，在混合利用多种原水、使用半透膜的淡水制备方法中，根据原水的浓度、温度，将与原水浓度不同的水混合，通过使其混合比率变化，抑制对供给半透膜单元的高压泵的压力负荷变动，同时能维持高的能量回收效率，降低设备成本同时能利用小的能量来制备淡水。
附图说明
[图1]图1是显示本发明的淡水制备方法的一个实施方案的概略流程图。
[图2]图2是显示本发明的淡水制备方法的另一个实施方案的概略流程图。
[图3]图3是显示本发明的淡水制备方法的再另一个实施方案的概略流程图。
[图4]图4是显示本发明的淡水制备方法的再另一个实施方案的概略流程图。
具体实施方式
以下将本发明期待的实施方案用图来说明。但是，本发明的范围并不限定于这些。
在图1中显示可应用本发明的淡水制备装置的一个例子。在图1显示的淡水制备装置中，对于第1原水1a，具有能够混合供给第2原水1b的管路，根据需要能将原水1b和原水1a混合。然后，通过原水池2，利用原水供给泵3输送至前处理单元4。前处理水暂时被贮存在中间池6，通过高压泵7、半透膜单元8得到淡水。得到的淡水被贮存在淡水池10。另一方面，半透膜单元8的浓缩水在能量回收单元9被动力回收后，作为浓缩排水11被排出体系外。阀5a和阀5b分别是为了调节第1原水1a和第2原水1b的流量而设置的。
接着，说明关于通过图1显示的淡水制备装置的本发明的应用。
第1原水1a和第2原水1b各自的浓度不同，根据其混合比率来调整混合后的浓度。此外，混合比率可根据其浓度、温度在0～100%内变动。即，通常单独地供给原水1a和原水1b，仅在必要时混合也无妨。混合了的原水经过前处理后，在半透膜单元分为淡水和浓缩水，在半透膜单元8透过膜，作为淡水所得的水量、水质根据半透膜供给水(混合原水的前处理水)的温度、浓度而变化。在半透膜中溶剂(水)和溶质的透过一般按下式表示。
Jv=Lp(ΔP-π(Cm))　···(1)
Js=P(Cm-Cp)　···(2)
(Cm-Cp)/(Cf-Cp)=exp(Jv/k)　···(3)
Cp=Js/Jv　···(4)
Lp=α×Lp25×μ25/μ　···(5)
P=β×P25×μ25/μ×(273.15＋T)/(298.15)　···(6)
Cf　　：半透膜供给水浓度　　　　　[mg/L]
Cm　　：半透膜供给水膜面浓度　　　[mg/L]
Cp　　：透过水浓度　　　　　　　　[mg/L]
Js　　：溶质透过通量　　　　　　　[kg/m2/s]
Jv　　：水的透过通量　　　　　　　[m3/m2/s]
k　　  ：物质移动系数　　　　      [m/s]
Lp　　：纯水透过系数　　　　　　  [m3/m2/Pa/s]
Lp25　 ：在25℃的纯水透过系数　　  [m3/m2/Pa/s」
P　　　：溶质透过系数　　　　　　　[m/s]
P25　　 ：在25℃的溶质透过系数　　  [m3/m2/Pa/s]
T　　　：温度　　　　　　　　　　　[℃]
α　　　：根据运转条件的变动系数　　[-]
β　　　：根据运转条件的变动系数　　[-]
ΔP　　：运转压力　　　　　　　　　[Pa]
μ　　　：粘度  　　　　　　　　　　 [Pa·s]
μ25　　 ：在25℃的粘度　　　　　　  [Pa·s]
π　　　：浸透压　　　　　　　　　　[Pa]
在(1)式中，半透膜供给水膜面浓度Cm变得越高，浸透压π越上升，例如，非离子性物质时，理论上能由π=Cm/Mw×R×(273.15＋T)算出(在此，Mw为分子量，R为气体常数。)。此外，温度变得越低，水的粘度μ越上升。由于这些而纯水透过系数Lp降低，水的透过通量Jv都降低。此外，由于半透膜供给水浓度Cf上升，而且由于温度上升而溶质透过通量Js增大，生产水的水质(透过水浓度)Cp恶化。
现有技术为了处理这些问题，当半透膜供给水浓度Cf上升时、水温降低时，将运转压力ΔP增大。由此，使Jv增加，使Cp降低。相反半透膜供给水浓度Cf降低时、水温上升时，将运转压力ΔP减小。
在本发明的运转方法中，其特征在于，使运转压力ΔP基本不变化，改变原水的混合比率使半透膜供给水浓度Cf变化。即，当原水温度降低了时，为了使半透膜供给水浓度Cf降低，改变原水的混合比率，使浸透压π降低，利用浸透压π降低导致的有效压力(ΔP-π)的增加来补偿由温度降低产生的粘度上升所引起的透水性降低，使运转压力ΔP恒定，从而使生产水量恒定。
进而，半透膜单元的浓缩水以自运转压力ΔP在单元内的流动压损(通常为0.1～0.5MPa左右)降低的程度具有基本接近ΔP的高压能，由此用于回收压力能的装置的高效率的压力范围没那么宽，例如，在5MPa下回收效率为80%，但在3MPa时降低至50%。因此，如日本特开2001-46842号公报记载的那样，也提出对半透膜单元在透过侧施加压力以维持供给水侧的高压力，提高能量回收效率的技术，但是在透过侧施加压力时，不能避免一定程度的能量损失，而且具有在透过侧需要耐压性的问题。通过应用本发明，使能量回收压力的变动变小，而且能实现通常稳定的高能量回收效率。
此外，通过应用本发明，能缩小在设备成本中占非常大部分的高压泵和能量回收单元的设计压力点，同时可不需要高压泵的压力控制***即变换器，能大幅降低设备成本。
应用本发明时，第1原水和第2原水，只要对浸透压给予影响的浓度不同，就没有特别的限制，例如，能使用高浓度的海水或浓缩海水、比海水浓度低的河流水、地下水、污水、废水、或它们的处理水。作为处理水，举例过滤水和浓缩水。如图3所示的那样，将在半透膜单元8b生成的浓缩排水作为一种原水来使用，能有效地活用通常被排出体系外的浓缩排水，因此是有效果的。此时，浓缩排水为高浓度原水和低浓度原水均可。但是，在任何情况下，根据本发明的主旨即将压力变动减小的观点，优选浓度相差大的情况。
具体来说，例如在日本近海的海水温度变化为10～30℃左右，冬季(10℃)的粘度为夏季(30℃)的约1.6倍，也根据半透膜的特性、运转条件而不同，半透膜特性无变化时，在夏季如果有效压力(运转压力-浸透压)为5bar能运转，则在冬季为了得到相同的产水量，有效压力需变为8bar。在此，如果将浸透压降低以补充增加了的3bar，能抑制运转压力的变动。具体来说，例如在夏季仅将TDS(Total Dissolved Solid，全部蒸发残留物)浓度为3.5wt%(浸透压为约28bar)的海水作为第1原水来运转，在冬季如果混合10%左右的TDS浓度为0.2wt%的河流水作为第2原水，则浸透压被降低约25bar左右，能补充冬季3bar的增加部分。
进而，第2原水和第1原水温度不同，也优选以缓和温度变化的方式混合。即，例如，发电厂的冷却水、被生物处理了的污水废水的处理水，经生物处理后温度上升，因此如果代替河流水作为第2原水混合，则能补充冬季温度的降低，降低混合率。相反，根据抑制夏季温度上升的观点，如果将海水作为第1原水，将地下水、底流水作为第2原水，则能抑制温度的上升。
如上述，通过本发明的应用，使半透膜单元的运转压力恒定，能抑制对高压泵的负荷变动，同时也能抑制对管道等的耐压性。
进而，如上述，使用能量回收装置由半透膜单元的浓缩排水回收压力能时，压力能回收装置也能在设计最适压力的附近运转，也能对节约能量有贡献。
此外，作为在此应用的能量回收装置，没有特别的限制，能使用反转泵、水轮式、涡轮增压器、压力交换式等中任一种，但使用最适压力范围狭小的反转泵、佩尔顿冲击式水轮式的能量回收装置时，本发明特别有效果。
作为本发明能应用的半透膜单元，没有特别的限制，为了容易使用，优选使用将空心丝膜状、平膜状的半透膜装入筐体并作为流体分离元件(部件)装填到耐压容器中得到的半透膜单元。流体分离元件以平膜状形成半透膜时，例如，在贯通设置有多个孔的筒状中心管的周围，一般随着管道材料(网格)半透膜以圆柱状卷曲，作为市售制品，能列举东丽(株)制造的反浸透膜部件TM700系列、TM800系列。这些流体分离元件可以由1个构成半透膜单元，或也可多个串联或并联连接构成半透膜单元。
半透膜的材料能使用醋酸纤维素系聚合物、聚酰胺、聚酯、聚酰亚胺、乙烯聚合物等高分子材料。而且，其膜构造为膜的至少一面具有致密层、由致密层向膜内部或膜另一面具有渐渐大的孔径的微细孔的非对称膜、或在非对称膜的致密层上具有由其他材料形成的非常薄的功能层的复合膜均可。
在半透膜单元中，为了浓缩供给水，可防止由浓缩而产生的水垢析出，或为了调节pH可对各半透膜单元的供给水添加防结垢剂、酸、碱。此外，为了能发挥其添加效果，与pH调节相比，优选在上流侧进行添加防结垢剂。此外，也优选在刚添加药品后设置管道混合器，或将添加口直接接触供给水的水流等，防止添加口附近急骤的浓度、pH变化。
作为防结垢剂，其与溶液中的金属、金属离子等形成络合物，使金属或金属盐可溶化，因此能使用有机、无机的离子性聚合物或单体。作为有机系的聚合物能使用聚丙烯酸、磺化聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚烯丙胺等合成聚合物、或羧基甲基纤维素、壳聚糖、藻酸等天然高分子，作为单体能使用乙二胺四乙酸等。此外，作为无机系的防结垢剂能使用聚磷酸盐等。在这些防结垢剂中，从获得的容易性、溶解性等操作的容易性、价格的方面考虑，特别优选使用聚磷酸盐、乙二胺四乙酸(EDTA)。聚磷酸盐是以六偏磷酸钠为代表，在分子内含有2个以上的磷原子，通过碱金属、碱土类金属与磷酸原子等结合了的聚合无机磷酸系物质。作为代表的聚磷酸盐，能列举焦磷酸4钠、焦磷酸2钠、三聚磷酸钠、四聚磷酸钠、七聚磷酸钠、十聚磷酸钠、偏磷酸钠、六偏磷酸钠、和它们的钾盐等。
另一方面，作为酸或碱，一般使用硫酸、氢氧化钠、氢氧化钙，也能使用盐酸、草酸、氢氧化钾、碳酸氢钠、氢氧化铵等。但是，为了防止对海水的水垢成分的增加，不使用钙或镁。
在本发明中，作为供给半透膜单元8之前的原水的前处理单元4，根据各供给水的水质等，能应用进行除去杂质成分、杀菌等的处理单元。
例如，作为需要除去供给水的杂质时的前处理单元4，应用砂滤、精密滤膜、超滤膜是有效果的。此时细菌、藻类等微生物多时，优选添加杀菌剂。作为杀菌剂优选使用氯，例如可向供给水添加氯气、次氯酸钠作为游离氯以使其在1～5mg/L的范围内。此外，由于存在因半透膜的种类不同而对特定的杀菌剂没有化学耐久性的情况，因此在该情况下应尽量在供给水的上流侧添加，进而优选在半透膜单元的供给水入口侧附近使杀菌剂无害化。例如，为游离氯时，测定其浓度，并可根据该测定值控制氯气、次氯酸钠的添加量，或添加亚硫酸氢钠等还原剂。
而且，供给原水含有杂质以外的细菌、蛋白质、天然有机成分等时，添加聚氯化铝、硫酸铝、氯化铁(III)等凝集剂也是有效果的。凝集了的供给水随后在斜向板等沉降后，进行砂滤，或进行利用扎起了多个空心丝膜的精密滤膜、超滤膜的过滤，由此能制成适于通过后段的半透膜单元的供给水。特别地，添加凝集剂时，为了容易凝集优选调整pH。
其中，在前处理使用砂滤时，如果也能应用自然地流下的方式的重力式过滤，也可应用在加压池中填充了砂的加压式过滤。填充的砂也可应用单一成分的砂，例如，将无烟煤、硅砂、石榴子石、浮石等组合起来可以提高过滤效率。关于精密滤膜、超滤膜均没有特别的限制，平膜、空心丝膜、管状型膜、折叠型、其他任何形状均能应用。关于膜的材料也没有特别的限定，能使用聚丙烯腈、聚苯砜、聚苯硫醚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚乙烯醇、醋酸纤维素、陶瓷等无机材料。而且，作为过滤方式，可应用加压供给水来过滤的加压过滤方式、抽吸透过侧来过滤的抽滤方式中的任何一种。特别地，抽滤方式时，优选应用在凝集沉淀槽、生物处理槽浸渍精密滤膜、超滤膜来过滤的所谓凝集膜过滤、利用膜的活性污泥法(MBR)。
另一方面，供给水中大量含有溶解性的有机物时，通过添加氯气、次氯酸钠，能分解那些有机物，通过进行加压漂浮、活性碳过滤也可除去。此外，大量含有溶解性的无机物时，也可添加有机系高分子电解质、六偏磷酸苏打等螯合剂，或使用离子交换树脂等与溶解性离子交换。此外，铁、锰以可溶的状态存在时，优选使用曝气氧化过滤法、接触氧化过滤法等。
先除去特定离子、高分子等，以高效率地运转本发明中的淡水制备装置作为目的，前处理中也可使用纳米滤膜。
此外，图1中在第1原水和第2原水混合后通过前处理单元4处理，但也优选图2那样的将混合前的第1原水和第2原水独立地分别进行适当的前处理的方案。
实施例
＜参考例＞
使用在图4中显示流程的淡水制备装置，将东丽(株)爱媛工厂附近的海水(全部溶质浓度3.4重量%，水温25℃，pH为8.0)贮存在第1原水池2a中，作为前处理单元4a，使用东丽制造的空心丝膜模件HFU-2020(有效膜面积72m2)×1个，以流量3m3/h过滤，贮存在中间池6中。此时，第2原水池2b的供给阀5b完全关闭，以使仅供给第1原水。由该中间池6，以2m3/h供给由东丽制造的反浸透膜部件TM810×6个串联构成的半透膜单元8，以回收率为40%制备淡水时，淡水产水量为0.8m3/h，运转压力为60.3bar，透过水TDS浓度为115mg/L。
＜比较例＞
在除海水水温为15℃外与参考例相同的条件下，运转图4所示的淡水制备装置时，运转压力为71.9bar，透过水TDS浓度为73mg/L，运转压力与参考例相比升高。
＜实施例＞
海水水温为15℃，将在半透膜单元8得到的淡水贮存在原水池2b中，模拟了本发明中的第2原水。将与参考例相同地进行了前处理的第1原水(前处理海水)1.6m3/h和第二原水0.4m3/h混合(此时混合原水的浓度为2.7重量%)，供给半透膜单元8，与参考例相同地运转时，运转压力为61.3bar，透过水TDS浓度变为53mg/L，即使在低温下也能在与参考例相同的压力下运转。
详细地并且参照特定的实施方案说明了本发明，在不脱离本发明的思想和范围的前提下能加入各种变更、修正，对本领域技术人员来说是显而易见的。
本申请基于2010年3月15日申请的日本专利申请2010-057113，在此将其内容作为参照而引入。
产业实用性
本发明的目的是，涉及利用海水、河流水、地下水、排水处理水等原水的、使用了半透膜的淡水制备方法和淡水制备装置，根据需要通过混合浓度不同的水将运转控制范围抑制得小，由此能够提供使设备成本、特别是对半透膜的高压泵和浓缩水的能量回收单元的要求规格降低，同时可维持稳定的生产水量和生产水质，低成本的淡水制备方法。
符号说明
1a、1b和1ｃ：原水
2、2a、2b和2ｃ：原水池
3、3a、3b和3ｃ：原水供给泵
4、4a、4b和4ｃ：前处理单元
5a和5b：阀
6：中间池
7：高压泵
8：半透膜单元
9：能量回收单元
10：淡水池
11：浓缩排水

Claims (6)

1. 淡水制备方法，其是将原水供给半透膜单元得到淡水的淡水制备方法，根据半透膜单元的淡水流量和/或半透膜单元的运转压力的变化，将与原水溶质浓度不同的水和上述原水混合并供给。
2. 淡水制备方法，其是将至少两种溶质浓度不同的原水混合后供给半透膜单元得到淡水的淡水制备方法，根据半透膜单元的淡水流量和/或半透膜单元的运转压力的变化，控制至少两种原水的混合比率。
3. 根据权利要求2所述的淡水制备方法，控制至少两种原水的混合比率，以使半透膜单元的淡水流量和半透膜单元的运转压力在规定的范围内。
4. 根据权利要求2或3所述的淡水制备方法，在至少两种原水中，至少一种为海水、河流水、地下水、污水、废水、或它们的处理水。
5. 根据权利要求4所述的淡水制备方法，处理水为过滤水或浓缩水。
6. 根据权利要求1～5中任一项所述的淡水制备方法，使用水轮式或反转泵式能量回收装置将上述半透膜单元的浓缩水具有的压力能回收。
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