JP2019177338A - 逆浸透膜を備えた淡水の処理装置、及び逆浸透膜を備えた淡水の処理装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】逆浸透膜閉塞を抑制できるとともに、安定して高い回収率を維持して運転できる、淡水の処理装置を提供する。【解決手段】逆浸透膜、該逆浸透膜に淡水を供給する淡水供給配管、該逆浸透膜の透過水を移送する透過水配管、該逆浸透膜の濃縮水の少なくとも一部を該淡水供給配管に循環する循環水配管、及び該逆浸透膜の濃縮水の少なくとも一部を排水する排水配管、を備え、前記循環水配管は、循環する濃縮水の量を調整し得る循環水調圧弁を有し、前記排水配管は、排水する濃縮水の量を調整し得る排水調圧弁を有する、淡水の処理装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、逆浸透膜を用いて淡水を処理する、淡水の処理装置に関する。

逆浸透膜は、脱塩処理する場合、エネルギー消費量が少ない処理方法として知られており、様々な分野で使用され、排水、海水、淡水などの処理にも使用されている。
淡水の一部にはシリカが含有されていることが知られており、シリカを含有する水を逆浸透膜に導入して水処理装置を運転する場合には、膜表面にシリカが析出してスケーリングの問題を生じさせないように、濃縮水のシリカ濃度が溶解度未満になるように制御され、運転されている。そのため、日本の工業用水や市水中を用いた場合の水の回収率は７５〜８０％程度が上限になるとされている（特許文献１参照）。

一方で特許文献１では、被処理水の回収率を高めるために、濃縮水のｐＨを６以下に保って逆浸透膜処理をすることが提案されており、このような手法により濃縮中のシリカ濃度がシリカの溶解度以上とできる、とされている。そして、実施例において濃縮水中のシリカ濃度が２００〜３００ｐｐｍであったことが記載されている。

特開平７−１６３９７９号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案された方法によっても、原水シリカ濃度が３０ｐｐｍの場合、回収率は９０％程度となるが、回収率が上がれば上がるほど、濃縮排水の流量が多少ずれるだけで、回収率がずれるという問題がある。つまり、安定して高い回収率を維持することは非常に困難である。
本発明は、このような状況下、安定して高い回収率を維持して運転することができる、逆浸透膜を備えた淡水処理装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、淡水を処理するに際し、安定して高い回収率を維持すべく鋭意検討を重ね、逆浸透膜への淡水供給ライン、膜透過水移送ライン、濃縮水循環ライン、濃縮水排水ライン、のそれぞれにおいて、流量を制御することを試みた。そして、濃縮水循環ライン及び濃縮水排水ラインにおいて調圧弁を設け、その流量を制御することで、逆浸透膜閉塞を抑制できるとともに、安定して高い回収率を維持して装置を運転できることを見出し、発明を完成させた。
本発明は、以下のものを含む。
［１］逆浸透膜、
該逆浸透膜に淡水を供給する淡水供給配管、
該逆浸透膜の透過水を移送する透過水配管、
該逆浸透膜の濃縮水の少なくとも一部を該淡水供給配管に循環する循環水配管、及び
該逆浸透膜の濃縮水の少なくとも一部を排水する排水配管、を備え、
前記循環水配管は、循環する濃縮水の量を調整し得る循環水調圧弁を有し、
前記排水配管は、排水する濃縮水の量を調整し得る排水調圧弁を有する、淡水の処理装置。
［２］前記排水配管は、排水の流量を計測する排水流量計を備えており、前記排水調圧弁は該排水流量計の流量により制御される、［１］に記載の淡水の処理装置。
［３］前記透過水配管及び／又は前記循環水配管は、透過水及び／又は循環水の流量を計測する流量計を有しており、前記循環水調圧弁は該流量計の流量により制御される、［１］または［２］に記載の淡水の処理装置。
［４］前記排水調圧弁及び／又は循環水調圧弁は、ＰＩＤ制御される、［２］または［３］に記載の淡水の処理装置。
［５］［１］〜［４］のいずれかに記載の淡水の処理装置を運転する方法であって、前記排水配管により排水される濃縮水中のシリカ濃度が３００ｍｇ／Ｌ以上となるように運転する、淡水の処理装置を運転する方法。
［６］逆浸透膜を用いて淡水を濃縮水と透過水とに分離することで透過水を得る、透過水の製造方法であって、
前記濃縮水の少なくとも一部を循環する濃縮水循環工程と、
前記濃縮水の少なくとも一部を排水する濃縮水排水工程と、
前記濃縮水排水工程で得られた排水の流量によって、濃縮水排水工程に流入する流量を調整する第１制御工程と、
前記濃縮水循環工程で得られた循環水の流量及び／又は前記透過水の流量によって、濃縮水循環工程に流入する流量を調整する第２制御工程と、を有する透過水の製造方法。

本発明により、簡便に安定して高い回収率を維持して運転することができる、逆浸透膜を備えた淡水処理装置を提供することができる。更に、逆浸透膜を用いて水処理を行うことから、有機物等の除去が可能となり、質の高い処理水を提供することができる。

本発明の一実施形態を示す、処理フロー図である。 本発明における制御工程を示すフロー図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に限定されない。

図１は、本発明の一実施形態を示す、処理フロー図である。当該処理フローが適用される水処理装置１００は、逆浸透膜１を備えた水処理装置であり、淡水を逆浸透膜に供給し、その透過水を回収する装置である。
水処理装置１００は、逆浸透膜１に淡水を供給する淡水供給配管１０と、逆浸透膜１の透過水を移送する透過水配管２０と、逆浸透膜１の濃縮水の一部を必要に応じてフラッシングするフラッシング配管３０と、逆浸透膜１の濃縮水の一部を排水する排水配管４０と、逆浸透膜１の濃縮水の一部を淡水供給配管に循環する循環配管５０と、を備える。

本実施形態の水処理装置で処理する水は淡水である。淡水は、一般的には塩分濃度の規定により海水とは区別される概念であり、塩分（ＮａＣｌ）濃度が０．１重量％以下であってよく、０．０５重量％以下であってよく、０．０３重量％以下であってよく、０．０１重量％以下であってよい。具体的には、工業用水、市水のようなきれいな淡水や、工業廃水、地下水、河川水、湖沼水、湧水、中水など不純物の多い淡水があげられるが、本実施形態に係る水処理装置は地下水を処理することに特に適する。
地下水には様々な物質が含まれ、例えば鉱物などに由来する各種ミネラル、例えばカルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、硫酸イオン、鉄イオン、シリカなどを含んでいてもよく、有機物を含んでいてもよい。

逆浸透膜１は特段限定されず、市販のものを用いることができる。また、通常逆浸透膜と称される膜よりも孔径が若干大きいナノフィルター膜（ＮＦ膜ともいう）も、本実施形態において逆浸透膜に含まれ得る。
また、逆浸透膜の形状や状態は特段限定されず、集水管の外側に逆浸透膜を巻き回した円柱状の逆浸透膜エレメントを使ってもよく、１個以上の逆浸透膜エレメントを円筒状のベッセル（耐圧容器）内に収納した逆浸透膜モジュール（逆浸透膜ユニットとも呼ばれる。）を使ってもよく、１個以上の逆浸透膜モジュールを並列又は直列に繋げて使ってもよい。本実施形態において、前述の逆浸透膜の形状や状態は全て逆浸透膜に含まれ得る。

淡水供給配管１０は、淡水原水と循環水配管５０からの循環濃縮水とを、逆浸透膜１に供給する配管である。淡水供給配管１０は、流量計１１と供給ポンプ１２を有し、供給ポンプ１２は流量計１１の流量によって制御され得る。水処理装置１００の運転により、逆浸透膜１の膜に有機物や無機物が付着することで膜の閉塞が始まると流量計１１が示す流量が低下する。その場合にはポンプ１２の出力を向上させる制御を、制御システムによって、又は管理者によって実施することができる。

淡水供給配管１０から、逆浸透膜１に供給する淡水原水と循環濃縮水の量は、逆浸透膜１の処理能力（膜メーカーの設計値）により適宜設定すればよいが、一般に膜ろ過流束が高いほど阻止率が高く、ランニングコストが低いため、膜ろ過流束が通常０．２ｍ^３／ｍ^２／Ｄａｙ以上であることが好ましい。一方、膜ろ過流束が低いほど膜ファウリングを引き起こしにくいため、通常２．０ｍ^３／ｍ^２／Ｄａｙ以下であり、０．６ｍ^３／ｍ^２／Ｄａｙ以下であることが好ましく、０．３ｍ^３／ｍ^２／Ｄａｙ以下であることがより好ましい。
淡水供給配管１０の長さや径は、処理する淡水の量により適宜設定することができる。また、配管の材料も特段限定されないが、通常ステンレス管や塩ビ管が用いられる。

透過水配管２０は、逆浸透膜１からの透過水を移送する配管であり、透過水はそのまま処理水として、所望の用途、例えば飲料水や洗浄水などに用いられ得る。透過水配管は流量計２１を備え、流量計２１により測定された透過水の流量によって、後述する循環水配管５０が有する循環水調圧弁を制御し得る。

フラッシング配管３０は、逆浸透膜１の逆浸透膜に付着した堆積物や、配管に付着したスラッジを洗浄する際に使用する配管であり、通常開閉弁３３を備える。

本実施形態においては、逆浸透膜の状態（ファウリングの程度等）に応じて、水処理装置を、定常運転／フラッシングの切り換えをする。この際の水処理装置の運転は、以下の式に示すように、原水の導電率と濃縮水の導電率とを指標にして水回収率をコントロールしながら行う。
［式］
濃縮水導電率＝[原水導電率−原水導電率×（１００％−水回収率）×濃縮倍率]／濃縮水流量

このような運転方法によって、定常運転（連続運転）開始後すぐに水回収率を安定させて水処理装置を運転することができる。定常運転の継続時間は、１２時間以内が好ましく、６時間以内がより好ましく、３時間以内が更に好ましく、３０分以内が特に好ましい。またこのような運転方法によって、定常運転になったとき、高い水回収率でほぼ一定に維持できる。例えば９０％の水回収率をターゲットとして運転する場合に、水回収率の変動幅は±５％以内が好ましく、±３％以内がより好ましく、±１％以内が更に好ましい。さらに、水回収率をコントロールすることによって、何度も運転を中断してフラッシングを
行っても、長期間にわたって、設定した高い水回収率で安定して運転できる。
フラッシングは適宜行われ、一例としては、数時間の定常運転後にフラッシングを行ってよく、数日の定常運転後に行ってもよく、数週間の定常運転後に行ってよく、１か月の定常運転後に行ってよく、３か月の定常運転後に行ってよく、半年間の定常運転後に行ってよい。

排水配管４０は、逆浸透膜１の濃縮水の少なくとも一部を排水する配管である。排水配管４０は、流量計４１と排水調圧弁４３を備え、流量計４１により測定された透過水の流量によって、排水調圧弁４３を制御し得る。

本実施形態の淡水処理装置は、高い回収率を維持して運転できる装置であり、排水配管４０から排水される濃縮水は、シリカ濃度が３００ｍｇ／Ｌ以上となるよう運転することが可能であり、４００ｍｇ／Ｌ以上であってよく、５００ｍｇ／Ｌ以上であってよい。このような高いシリカ濃度で濃縮水を排水することは高い回収率で水処理を行うことを意味し、淡水の回収率が７０％以上であってよく、８０％以上であってよく、９０％以上であってよく、９２％以上であってよく、９５％以上であってよい。

循環配管５０は、逆浸透膜１の濃縮水の少なくとも一部を淡水供給配管１０に循環する配管である。循環配管５０は、流量計５１と循環水調圧弁５３とを備え、流量計５１により測定された循環水の流量によって、循環調圧弁５３を制御し得る。或いは、循環調圧弁５３は、上述した透過水配管２０が備える流量計２１により測定された透過水の流量によって制御されてもよい。

本実施形態では、排水配管４０と循環水配管５０にそれぞれ排水調圧弁４３と循環水調整弁５３とを備えることで、高い回収率を維持して安定な運転が可能となる。
淡水処理装置を運転することで、淡水に含まれる各種ミネラルや有機物が逆浸透膜で分離され、当該分離された各種ミネラルや有機物は逆浸透膜に堆積する。堆積物が多くなることで逆浸透膜を透過する透過水量が減るため、透過水量を確保するためには逆浸透膜への淡水の供給圧力を高くする必要があるが、その場合には逆浸透膜の閉塞が促進されて好ましくない。一方、排水の量を一定とするように制御する場合、透過水を増加させようとすると、循環量も増加することとなり、循環水中の塩濃度が増加する。そこで本発明者らは、排水配管４０と循環水配管５０にそれぞれ調圧弁を設け、それぞれの弁の開閉を制御する、すなわち排水量と循環水量を制御することで、高い回収率で安定した水処理装置の運転が可能となることに想到した。

即ち、排水配管４０が有する排水調圧弁４３は、排水配管４０の流量計４１により制御される（第１制御）。より具体的には、排水配管４０を流れる排水の量が予め設定した閾値を下回る場合には、排水調圧弁を開き、排水流量を確保する。一方で、排水配管４０を流れる排水の量が予め設定した閾値を上回る場合には、排水調圧弁を閉じることで、排水流量を抑制する。制御のフローを図２に示す。

また、循環水配管５０が有する循環水調圧弁５３は、透過水配管２０の流量計２１により、及び／又は循環水配管５０の流量計５１により制御され（第２制御）、より具体的には透過水配管２０を流れる透過水の量が予め設定した閾値を下回る場合には、及び／又は循環水配管５０を流れる循環水の量が予め設定した閾値を上回る場合には、循環水調圧弁５３を絞ることで、透過水流量を確保する。一方で、透過水配管２０を流れる透過水の量が予め設定した閾値を上回る場合には、及び／又は循環水配管５０を流れる循環水の量が予め設定した閾値を下回る場合には、循環水調圧弁５３を絞ることで、透過水流量を増加させる。なお、調圧弁は特段限定されず、既知の調圧弁を用いることができる。

このような制御を行うことで、逆浸透膜の閉塞を抑制し、且つ高い回収率を維持し得ることを見出した。本発明の別の形態は以下のとおりである。
逆浸透膜を用いて淡水を濃縮水と透過水とに分離することで透過水を得る透過水の製造方法であって、
前記濃縮水の少なくとも一部を循環する濃縮水循環工程と、
前記濃縮水の少なくとも一部を排水する濃縮水排水工程と、
前記濃縮水排水工程で得られた排水の流量によって、濃縮水排水工程に流入する流量を調整する第１制御工程と、
前記濃縮水循環工程で得られた循環水の流量及び／または前記透過水の流量によって、濃縮水循環工程に流入する流量を調整する第２制御工程と、
を有する透過水の製造方法。

上記第１制御工程及び第２制御工程は、淡水処理装置の管理者が目視により流量計を確認し、調圧弁を調整することで行ってもよいが、流量計の結果を制御室に送り、制御室により制御してもよい。制御室は通常コンピュータにより制御が行われ、それぞれの調圧弁に対し、制御シグナルを送信する。制御の方法は特に限定されないが、ＰＩＤ制御によることが、淡水処理装置を高い回収率で維持しつつ、安定して運転するためには好ましい。

本実施形態では、上記説明した淡水処理装置の構成に加えて、他の配管や装置を備えてもよい。その他の装置としては、ｐＨ調整のためのｐＨ調整装置（例えば、酸添加装置）などがあげられる。
処理される淡水（被処理水）のｐＨは７．０以下であることが好ましく、６．０以下であることがより好ましく、５．５以下であることが更に好ましい。ｐＨにより、被処理水に含まれている遊離炭酸（水中に溶存している二酸化炭素）と重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）と炭酸イオン（ＣＯ_２ ^２−）との割合が異なり、ｐＨが低いほど遊離炭酸濃度が高い。透過水ｐＨ７．０以上の場合には、被処理水に含まれている遊離炭酸が低いため、透過水のアルカリ度が高くなり、好ましくない。また、被処理水のｐＨが中性付近においてシリカ溶解度が最も低く、ｐＨが低いほどシリカ溶解度が高くなる。そのため、ｐＨが低いほどシリカスケールが生成しにくい。一方、被処理水のｐＨが低すぎる場合には、塩阻止率が著しく減少し、好ましくない。ｐＨが４以上であることが好ましく、４．５以上であることがより好ましい。
ｐＨを上記範囲に調整するため、酸添加手段を有するｐＨ調整装置を備えてもよい。

１００ 淡水処理装置
１ 逆浸透膜
１０ 淡水供給配管
２０ 透過水配管
３０ フラッシング配管
４０ 排水配管
５０ 循環水配管
１１、２１、４１、５１ 流量計
１２ 供給ポンプ
３３ 開閉弁
４３、５３ 調圧弁

Claims (6)

1. 逆浸透膜、
   該逆浸透膜に淡水を供給する淡水供給配管、
   該逆浸透膜の透過水を移送する透過水配管、
   該逆浸透膜の濃縮水の少なくとも一部を該淡水供給配管に循環する循環水配管、及び
   該逆浸透膜の濃縮水の少なくとも一部を排水する排水配管、を備え、
   前記循環水配管は、循環する濃縮水の量を調整し得る循環水調圧弁を有し、
   前記排水配管は、排水する濃縮水の量を調整し得る排水調圧弁を有する、淡水の処理装置。
2. 前記排水配管は、排水の流量を計測する排水流量計を備えており、前記排水調圧弁は該排水流量計の流量により制御される、請求項１に記載の淡水の処理装置。
3. 前記透過水配管及び／又は前記循環水配管は、透過水及び／又は循環水の流量を計測する流量計を有しており、前記循環水調圧弁は該流量計の流量により制御される、請求項１または２に記載の淡水の処理装置。
4. 前記排水調圧弁及び／又は循環水調圧弁は、ＰＩＤ制御される、請求項２または３に記載の淡水の処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の淡水の処理装置を運転する方法であって、前記排水配管により排水される濃縮水のシリカ濃度が３００ｍｇ／Ｌ以上となるように運転する、淡水の処理装置を運転する方法。
6. 逆浸透膜を用いて淡水を濃縮水と透過水とに分離することで透過水を得る透過水の製造方法であって、
   前記濃縮水の少なくとも一部を循環する濃縮水循環工程と、
   前記濃縮水の少なくとも一部を排水する濃縮水排水工程と、
   前記濃縮水排水工程で得られた排水の流量によって、濃縮水排水工程に流入する流量を調整する第１制御工程と、
   前記濃縮水循環工程で得られた循環水の流量及び／または前記透過水の流量によって、濃縮水循環工程に流入する流量を調整する第２制御工程と、
   を有する透過水の製造方法。

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