JP2008161797A - 淡水製造装置の運転方法および淡水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半透膜を用いてホウ素を効率的に除去し、高い水質の淡水を得ることができる実用的な淡水製造方法および淡水製造装置を提供する。
【解決手段】
原水もしくは原水を前処理して得た前処理水を第一の半透膜ユニット（Ａ）で処理して水質の異なる複数の透過水を得て、該複数の透過水の一部（ａ１）を第二の半透膜ユニット（Ｂ１）で処理するとともに、前記透過水の一部（ａ１）とは水質が異なる別の透過水（ａ２）を、第二の半透膜ユニット（Ｂ１）とは除去性能が異なる第三の半透膜ユニット（Ｂ２）で処理する淡水製造方法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、逆浸透膜やナノろ過膜などの半透膜を用いて原水から低コストで淡水を得ることができる淡水製造方法および淡水製造装置に関し、詳しくは原水中に含有される塩分やホウ素など所望の成分を効率的に除去することができる淡水製造方法および淡水製造装置に関するものである。

近年深刻化してきている水環境の悪化に伴い、これまで以上に水処理技術が重要になってきており、分離膜利用技術が非常に幅広く適用されてきている。海水淡水化についても、従来、水資源が極端に少なく、かつ、石油による熱資源が非常に豊富である中東地域で蒸発法を中心に実用化されてきていたが、熱源が豊富でない中東以外の地域ではエネルギー効率の高い逆浸透膜を用いた淡水化プロセスが採用され、カリブ諸島や地中海エリアなどで多数のプラントが建設され実用運転されている。さらに、最近では、逆浸透法の技術進歩による信頼性の向上やコストダウンが進み、中東においても多くの逆浸透法海水淡水化プラントが建設されるに至っている。
しかし、最近は、人間に与える有害物質の影響について研究が進み、これまで見逃されてきた微量成分の飲料水への含有が規制されるようになり、海水淡水化においても、より高い水質が求められる様になってきている。とくに、ここ数年はホウ素除去がクローズアップされている。ホウ素は一般に海水中に約４．５ｍｇ含有されおり、植物の生育への悪影響や不妊症などの問題が指摘されており、ＷＨＯが０．５ｍｇ／ｌ以下という飲料水ガイドラインを設けている。塩分濃度の高い中東海水では、ホウ素濃度も高く５〜６％の濃度になるため、さらに高率での除去が必要となる。

ところが、現在の海水淡水化逆浸透膜では、ホウ素除去率がせいぜい９０％程度であり、十分なホウ素除去性能を有しているとは言えず、現在、逆浸透膜を用いたプロセスにおけるホウ素除去法としては、一度、逆浸透膜を透過した水を、再度低圧逆浸透膜で処理する透過水二段法（特許文献１）や、ホウ素吸着剤を通過させるという後処理を複合させたと多段プロセス（非特許文献１）が採用されている。また、逆浸透膜でホウ素濃度をさらに低減させる方法としては、二段目の原水をｐＨ９．５以上に上げることによってホウ素をホウ酸イオンに解離させて除去率を上げるアルカリ添加法が提唱され（特許文献２）、実用化されている。さらに、逆浸透膜による海水淡水化プロセスでは、逆浸透膜エレメントを５〜８本直列に並べて各エレメントから透過水を得ながら、海水が濃縮されていくため、はじめの方の逆浸透膜エレメントから得られる透過水の方が濃縮された水を処理して得られる透過水、すなわち、後ろの方から得られる透過水よりも水質がよい。そこで、比較的水質のよいはじめの方の透過水を他と分けて取り出し、残りの比較的水質が悪い透過水のみを二段目の逆浸透膜に送る方法が提案されている（特許文献３）。しかし、原水水質が悪かったり、逆浸透膜が劣化したり、水質が悪化しやすい環境の場合、一段目の透過水は、たとえはじめの方であっても水質が十分に基準以下に維持できるとは限らず、このような場合には、すべてを二段目で処理しなければならなくなるため、結局、一段目の透過水をすべて処理できる規模の二段目ユニットを装備して通常は全てを使用しない（すなわち、無駄な設備が増える）か、一段目において安全を見た設計をする必要があり、設備が高価になってしまうという問題があった。
特開２００１−２６９５４３号公報（［００３８］〜［００３９］段落） 特許第３３１９３２１号公報（［０００６］〜［００１３］段落） 特開平１１−１０１４６号公報（請求項１） Ｊ．レドンド（Ｊ．Ｒｅｄｏｎｄｏ）ら、デサリネーション（Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ），第１５６巻，２００３年，ｐ２２９−２３８

本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、半透膜を用いた二段処理によってＴＤＳやホウ素を効率的に除去し、低コストで高い水質の淡水を得ることができる実用的な淡水製造方法および淡水製造装置を提供することにある。

前記課題を解決するための本発明は、次の（１）〜（９）のいずれかを特徴とするものである。
（１）原水もしくは原水を前処理して得た前処理水を第一の半透膜ユニット（Ａ）で処理して水質の異なる複数の透過水を得て、該複数の透過水の一部（ａ１）を第二の半透膜ユニット（Ｂ１）で処理するとともに、前記透過水の一部（ａ１）とは水質が異なる別の透過水（ａ２）を、第二の半透膜ユニット（Ｂ１）とは除去性能が異なる第三の半透膜ユニット（Ｂ２）で処理することを特徴とする淡水製造方法。
（２）第二の半透膜ユニット（Ｂ１）の濃縮水を第三の半透膜ユニット（Ｂ２）の供給水に混合することを特徴とする、前記（１）に記載の淡水製造方法。
（３）第二の半透膜ユニット（Ｂ１）の濃縮水の浸透圧が前記透過水（ａ２）の浸透圧の９０％以上１１０％以下であることを特徴とする、前記（２）に記載の淡水製造方法。
（４）第一の半透膜ユニット（Ａ）が異なる除去性能を有する少なくとも２つのサブユニット（Ａ１）および（Ａ２）からなるとともに、サブユニット（Ａ１）から前記透過水（ａ１）を得て、サブユニット（Ａ２）から前記透過水（ａ２）を得ることを特徴とする、前記（１）−（３）のいずれかに記載の淡水製造方法。
（５）原水が海水であるとともに、サブユニット（Ａ１）にかける圧力よりもサブユニット（Ａ２）にかける圧力を大きくすることを特徴とする、前記（４）に記載の淡水製造方法。
（６）前記透過水（ａ１）の特定成分濃度が前記透過水（ａ２）の特定成分濃度よりも低いことを特徴とする、前記（１）−（５）のいずれかに記載の淡水製造方法。
（７）第二の半透膜ユニット（Ｂ１）の透過水の特定成分濃度が第三の半透膜ユニット（Ｂ２）の透過水の特定成分濃度の９０％以上１１０％以下であることを特徴とする、前記（１）−（６）のいずれかに記載の淡水製造方法。
（８）原水もしくは原水を前処理して得た前処理水を処理し水質の異なる複数の透過水を得るための第一の半透膜ユニット（Ａ）と、該複数の透過水の一部（ａ１）を処理するための第二の半透膜ユニット（Ｂ１）と、前記透過水の一部（ａ１）とは水質が異なる別の透過水（ａ２）を処理するための第三の半透膜ユニット（Ｂ２）とを有し、第二の半透膜ユニット（Ｂ１）と第三の半透膜ユニット（Ｂ２）とでは除去性能が互いに異なることを特徴とする淡水製造装置。

本発明によれば、原水から高い水質の透過水を効率的に得ることができる。そのため、たとえば海水からホウ素濃度を低減させた飲用に適した淡水を低コストで効率的に得ることができる。

本発明の淡水製造装置の一例を図１に示す。図１に示す淡水製造装置は、原水１に前処理を施すフィルターなどの前処理手段２と、前処理水を処理する第一の半透膜ユニット６（第一の半透膜ユニット（Ａ））と、第一の半透膜ユニット６から得られた透過水の一部を処理するための第二の半透膜ユニット１４（第二の半透膜ユニット（Ｂ１））と、前記第一の半透膜ユニット６から得られた透過水の残りを処理する第三の半透膜ユニット２１（第三の半透膜ユニット（Ｂ２））とを主要機器として構成される。

各半透膜ユニットとしては、特に制約がないが、取扱いを容易にするため中空糸膜状や平膜状の半透膜を筐体に納めて流体分離素子（エレメント）としたものを耐圧容器に装填したものを用いることが好ましい。流体分離素子は、平膜で形成する場合、例えば図５に示すように、多数の孔を穿設した筒状の中心パイプ４２の周りに、半透膜４３と、トリコットなどの透過水流路材４５と、プラスチックネットなどの供給水流路材４４とを含む膜ユニットを巻回し、これらを円筒状の筐体に納めた構造とするのが好ましい。流体分離素子において、供給水３８は、一方の端部からユニット内に供給され、他方の端部に到達するまでの間に半透膜４３を透過し、透過した透過水４０が、中心パイプ４２へと流れ、他方の端部において中心パイプ４２から取り出される。一方、半透膜４３を透過しなかった供給水３８は、他方の端部において濃縮水３９として取り出される。また、流体分離素子は複数本を直列あるいは並列に接続して半透膜ユニットを構成することも好ましい。図６に、図５に示す流体分離素子を複数直列に接続して耐圧容器に装填した半透膜ユニットの断面図を例示する。この図では、各流体分離素子４６の中心パイプ４２をパイプジョイント４８で連結し、供給水３８が順次流体分離素子４６を通過する際に膜を透過し、その水が中心パイプ４２に集められて透過水４０として取り出される構造になっている。

半透膜４３の素材には酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができる。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。

そして、図１において、第一の半透膜ユニット６は、水質の異なる複数の透過水を得ることができるように構成されている。すなわち、第一の半透膜ユニット６を構成する複数の流体分離素子の中心パイプ間にプラグを介在させ、上流側の流体分離素子から得られる水質のよい透過水はユニットの上流側端部から取り出し、下流側の流体分離素子から得られる水質の劣る透過水（上流側の流体分離素子を通過する間に濃縮された水を処理して得られる透過水）はユニットの下流側端部から取り出すように構成されている。具体的には、図８に示すように、耐圧容器の両端部に透過水の取り出し口５０を設け、水質の良い前段の流体分離素子の透過水を上流側の取り出し口５０から取り出し、残りを下流側の取り出し口５０から取り出すように構成している。このようにして第一の半透膜ユニット６の透過水を分割することが可能となる。

また、図１において、第二の半透膜ユニット１４と第三の半透膜ユニット２１とは、それらユニットへの供給水の水質に合わせて除去性能が互いに異なるように構成されている。

さらに、図１においては、濃縮によるスケール析出を防止したりｐＨ調整のため、それぞれの半透膜ユニットの供給水に対してスケール防止剤添加手段３，１０，１８やｐＨ調整手段４，１２，１９が設けられている。スケール防止剤添加手段はｐＨ調整手段よりも上流側に配置することが好ましい。スケール防止剤添加手段やｐＨ調整手段としては、特に限定されるものではなく、一般的な薬注ポンプを使用することができる。なお、図示しないが、ｐＨ調整手段の直後にはインラインミキサーを設けたり、添加口を供給水の流れに直接接触するようにするなどして添加口近傍での急激なｐＨ変化を防止することも好ましい。なお、ｐＨ調整手段は本発明の実施にあたって必須ではないが、例えばホウ素除去を目的とする場合は、アルカリを添加することによってホウ素がイオン化し、半透膜の除去率が上がるため好適である。但し、アルカリ性ではととくにスケールが析出しやすくなるため、上述したようにスケール防止剤の併用を考慮する必要がある。
そして、図１には、本発明の実施にあたって必須ではないが、経済性に応じて濃縮水が保有するエネルギーを回収するため、第一の半透膜ユニット６の濃縮水（一次濃縮水２５）側にのエネルギー回収手段も設けられている。

このような淡水製造装置において、原水１は、その濁度などに応じて、そのまま、もしくは前処理手段２により前処理が施された後、第一の昇圧ポンプ５によって加圧供給されて第一の半透膜ユニット６に送られ、水質の異なる複数の一次透過水７、１６（透過水（ａ１）、（ａ２））が得られ、それぞれの中間タンク８、１７に貯留される。第一の中間タンク８に貯留された一次透過水７（透過水（ａ１））は、第二の昇圧ポンプ１３によって第二の半透膜ユニット１４に送られ、第一の二次透過水１５が得られる。一方、第二の中間タンク１７に貯留された一次透過水１６（透過水（ａ２））は、第三の昇圧ポンプ２０によって第二の半透膜ユニット１４と除去性能が異なる第三の半透膜ユニット２１に送られ、第二の二次透過水２２が得られる。このように本発明においては、第一の半透膜ユニット６で得られる透過水でも上流側の流体分離素子から得られる透過水と下流側の流体分離素子から得られる透過水とに水質差があることに着目し、それらを分けて取り出し、それぞれの水質にみあった除去性能を有する第二の半透膜ユニット１４および第三の半透膜ユニット２１で別個にさらに処理する。これにより、高度に要求される水質を経済的に達成することが可能になる。

なお、第二の半透膜ユニットの濃縮水３２と第三の半透膜ユニットの濃縮水２３の扱いは特に制限されるものではないが、図１では、排水バルブ３３や３４を開放することによって系外に排出することも出来るし、元々第一の半透膜ユニットの透過水の濃縮水であるので、水質に問題がなければ、還流バルブ３０や３１を開放して原水ラインにもどして第一の半透膜ユニットに送ることも可能である。もちろん、水質や必要に応じて片方のみを還流することも両方還流することも問題ない。また、第二の半透膜ユニット１４や第三の半透膜ユニット２１で処理する量や割合については、特に制限されるものではないが、最終透過水タンク２４における水質が満足できるようにすることが必要である。もし、第一半透膜ユニット６の透過水質が十分によい場合は、バイパスバルブ２８を開放して一次透過水の一部をそのまま最終生産水タンク２４に送ることも可能である。

また、それぞれの半透膜ユニットの供給水には、必要に応じて、濃縮によるスケール析出を防止するためのスケール防止剤やｐＨ調整のための酸、アルカリを添加することも好ましい。

スケール防止剤とは、溶液中の金属、金属イオンなどと錯体を形成し、金属あるいは金属塩を可溶化させるもので、有機や無機のイオン性ポリマーあるいはモノマーが使用できる。有機系のポリマーとしてはポリアクリル酸、スルホン化ポリスチレン、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミンなどの合成ポリマーやカルボキシメチルセルロース、キトサン、アルギン酸などの天然高分子が、モノマーとしてはエチレンジアミン四酢酸などが使用できる。また、無機系のスケール防止剤としてはポリリン酸塩などが使用できる。

これらのスケール防止剤の中では入手のしやすさ、溶解性など操作のしやすさ、価格の点から特にポリリン酸塩、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）が好適に用いられる。ポリリン酸塩とはヘキサメタリン酸ナトリウムを代表とする分子内に２個以上のリン原子を有し、アルカリ金属、アルカリ土類金属とリン酸原子などにより結合した重合無機リン酸系物質をいう。代表的なポリリン酸塩としては、ピロリン酸４ナトリウム、ピロリン酸２ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、テトラポリリン酸ナトリウム、ヘプタポリリン酸ナトリウム、デカポリリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、およびこれらのカリウム塩などがあげられる。

一方、酸やアルカリとしては、硫酸や水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムが一般的に用いられるが、塩酸、シュウ酸、水酸化カリウム、重炭酸ナトリウム、水酸化アンモニウムなどを使用することもできる。但し、海水へのスケール成分の増加を防止するためにはカルシウムやマグネシウムは使用しない方がよい。

また、アルカリは、いずれの半透膜ユニットの供給水に添加しても効果的であるが、運転コストの面からは、第一の半透膜ユニットの方が原水流量が多いためにアルカリ添加量も多くなり、さらに、回収率が一般的に第二の半透膜ユニット１４の回収率よりも低い場合は、排水となる濃縮水流量が多くなり廃水処理コストも大きくなることから、第二もしくは第三の半透膜ユニットの供給水に優先的にアルカリを添加する方が好ましい。なお、ここでいうアルカリ添加の許容範囲は、半透膜の耐アルカリ性、アルカリ添加によるスケール発生危険性に対する許容範囲、アルカリ添加やスケール防止剤の添加コストに応じて適宜設定されるものである。

そして、上記したような本発明は、たとえば次ように変更して実施することも可能である。すなわち、第二の半透膜ユニットの透過水１５と第三の半透膜ユニットの透過水２２の水質は、第一の半透膜ユニット６の運転条件や一次透過水７、１６の分割方法、第二の半透膜ユニット１４や第三の半透膜ユニット２１の膜性能や運転条件によって変化させることが可能である。したがって、例えば、第二の半透膜ユニットの透過水１５を飲料水として、また、第三の半透膜ユニットの透過水２２を非飲用水とする場合は、図２のように最終生産水タンクを２種類に分けることも可能である。なお、図２に示す形態は、説明を省略するが、上記した点以外は図１に示した形態と同じである。

また、第二の半透膜ユニットの透過水１５と第三の半透膜ユニットの透過水２２とを一つの用途に使用する場合は、第二の半透膜ユニットの透過水１５における特定成分濃度が第三の半透膜ユニットの透過水２２における特定成分濃度の９０％以上１１０％以下となるようにすると、混合によるエネルギー損失が抑えられるため、経済的に好ましい。なお、特定成分濃度とは、所望する生産水の水質、使用目的によって異なるが、全塩分やホウ素、臭素、フッ素、アンモニア、硝酸、シリカなどの除去対象物質の濃度である。

さらに、第二の半透膜ユニットの濃縮水３２と第三の半透膜ユニットの濃縮水２３をともに還流させる場合もそれらの浸透圧がほぼ同じになるようにすると経済的である。すなわち、一次透過水７（ａ１）、１６（ａ２）における浸透圧比がａ１：ａ２＝１：αだった場合、第二の半透膜ユニットの回収率Ｒ２と第三の半透膜ユニットの回収率Ｒ３の関係がＲ３＝α×Ｒ２−α＋１となるように回収率を設定すると良い。

一次透過水７、１６の分割の仕方としては、第一の半透膜ユニットの中で水質の良い部分と水質が比較的悪い部分で分割するのが良い。これを実現する方法としては、上述したような方法の他、図３に例示するように第一の半透膜ユニット６を前段のサブユニット３６と後段のサブユニット３７に分け、特定成分濃度が低い供給水から得られる水質の良い透過水（前段のサブユニット３６から得られる透過水）を第二の半透膜ユニット１４に送り、前段サブユニット３６の濃縮水となるために前段に比べて比較的水質の悪い透過水（後段のサブユニット３７から得られる透過水）を第三の半透膜ユニット２１に送る方法が挙げられる。この場合、図４に示す様に、サブユニット３６とサブユニット３７の間には、昇圧ポンプ５４を設けることも可能であり、昇圧ポンプの動力をエネルギー回収ユニット２６から得ることも好ましい。なお、図３、図４に示す形態は、説明を省略するが、上記した点以外は図１に示した形態と同じである。

また、図９に示すように、上流側の流体分離素子から取り出す透過水と下流側の流体分離素子から取り出す透過水の流量を制御するため、第一の半透膜ユニット６の少なくとも一方の取り出し口５０に流量調節バルブ４７、５１を設けて制御したり、流体分離素子を接続するパイプジョイント４８の一つを栓４９などによって遮蔽することで透過水を２つに分割することも可能である。

さらに、水質の悪い後段の流体分離素子から得られた透過水を処理する第三の半透膜ユニット２１の除去性能を、水質の良い前段の流体分離素子から得られた透過水を処理する第二の半透膜ユニット１４の除去性能よりも高くすると、第二の半透膜ユニット１４と第三の半透膜ユニット２１の透過水質が近くなり好ましい。具体的には、第二の半透膜ユニット１４に収納される半透膜を高透水型にしたり、例えばホウ素のようにアルカリ性にすると除去率が上がる物質を除去する必要がある場合は、第三の半透膜ユニット２１の供給水を第二の半透膜ユニット１４の供給水よりも高ｐＨにすることで、実現することができる。さらに、第二の半透膜ユニット１４に収納する半透膜を高透水型にすると低圧で運転出来るようになり、動力コストを抑えられるのでさらに好ましい。

第二の半透膜ユニット１４や第三の半透膜ユニット２１の供給水や濃縮水の濃度関係によっては、それぞれの濃縮水を第一の半透膜ユニット６の供給水として環流するだけでなく、例えば、図７に例示するように第二の半透膜ユニットの濃縮水３２を第三の半透膜ユニット２１の供給水に混合することも好ましい。とくに、一次透過水７として水質の良い部分を取り出し、第二の半透膜ユニットの濃縮水３２の濃度が、水質の悪い方の一次透過水１６のＴＤＳ濃度の９０％以上１１０％以下となるように第二の半透膜ユニット１４の回収率を設定し、第二の半透膜ユニットの濃縮水３２を第三の半透膜ユニット２１の供給水に混合することが好ましい。これによって、濃度の異なる水の混合によるエネルギー損失を減らすことが出来る。

なお、本発明においては、特に限定されるものではないが、半透膜，支持部材，流路材などによって構成される流体分離素子に不要なダメージを与えずに透過水質と透過水量をできるだけ高いレベルに維持することが好ましい。透過水質に関して、一般に、半透膜の除去性能は温度が上昇するほど低下する。一般的に、運転条件変更によって透過水質を向上させるためには、原水の濃縮率を下げる（＝回収率を下げる）、原水流量を上げる、または膜面積あたりの透過水流量を上げて濃度分極を低減する、といった方法をとることができるが、いずれも課題がある。回収率を下げることは透過水流量を減少させることになる。原水流量を上げることは、高流量による圧力損失が増大し、エネルギー損失が大きくなるとともに、半透膜エレメントにダメージを与える可能性が高くなる。膜面積あたりの透過水流量を大きくすると、膜面へ汚れが堆積しやすくなり、膜の寿命に悪影響を及ぼしやすい。また、透過水量を上げる場合も、原水流量を上げたり、回収率を上げたりすることによって達成可能であるが、半透膜エレメントへのダメージを与える可能性が高くなるので注意が必要である。
さらに、一般に半透膜ユニットは多数の流体分離素子を直列接続して構成されることが多いが、この場合、流体分離素子それぞれにおいて膜面積あたりの透過水流量に違いがある。膜面積あたりの透過水流量は、半透膜への圧力差が大きいほど大きく、また、原水の濃度が低いほど大きくなるが、一般的には、先頭の流体分離素子で透過水流量が最も大きくなる。そのため、一般には、半透膜メーカーが推奨する流体分離素子あたりの最大造水量を上回らない様に注意が必要である。透過流束を大きくしない方法については、半透膜の面積を増やす、すなわち、流体分離素子数を増やすことによって解決することができるが、運転圧力低下による透過水質低下を招くおそれもあるため、注意が必要である。

なお、複数本の流体分離素子を直列した構成では、先頭の透過水流量を測定することが容易でない。理想的には、先頭流体分離素子の透過水流量は、同じ原水で同じ運転条件で、流体分離素子本数を１本にして透過水流量を測定するのが最も直接的で好ましいが、参考文献１（M. タニグチ（Ｍ．Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ）らによるジャーナル・オブ・メンブレン・サイエンス，第１８３巻，２０００年，ｐ２４９−２５８）に示される方法でシミュレーションによって推定することも設計にあたってはより好ましい方法である。

ところで、本発明に適した原水としては、海水、かん水、河川水、地下水、排水やその処理水など特に制限されるものではなく、様々な原水に対して適用することが可能である。

海水など溶質を高濃度に含有する原水の場合には、浸透圧を考慮して、第一の半透膜ユニット６への供給水の昇圧に高圧ポンプを用いる必要があるが、第一の半透膜ユニット６で処理されるに従い供給水の浸透圧が非常に高くなるため、第一の半透膜ユニット６の耐圧性を高める必要がある。そのため、第一の半透膜ユニット６に用いる流体分離素子としては、例えば、東レ（株）製TM800シリーズが好適である。その場合は、第二および第三の半透膜ユニット２１に供給される水は低濃度になるため、低圧仕様の半透膜ユニット、例えば東レ（株）製TM700シリーズが好適である。

一方、第一の半透膜ユニット６としていわゆるナノろ過膜といわれる阻止性能が比較的低い半透膜を用いる場合、浸透圧の影響を減じつつ、分子量が比較的大きな分子や膜に対して荷電反発の大きい多価イオンを効率的に除去できる。とくに、多価イオンはスケール生成の原因となる場合が多く、第一の半透膜ユニットでスケール成分を除去すれば、第二、第三の半透膜ユニットでのスケール発生が抑えられ、高回収率にすることができる。

そして、本発明において、第一の半透膜ユニット６へ供給される供給水は、半透膜面への汚れの堆積が少なくなるように、清澄であることが好ましい。このためには、まず、取水水質自体が良好であることが好ましいが、表層水が汚染されている場合は、地下水などの浸透水を得ることも好ましい。また、本発明において、第一の半透膜ユニット６に供給される供給水には、水質など必要に応じて、濁質成分の除去や殺菌などの前処理を施しておくことが好ましい。これらの処理により半透膜ユニット６、１４、２１や後段プロセスの性能低下を防ぐことができ、処理装置の長期に渡る安定運転を可能にする。具体的な処理は、供給水の性状により適宜選択すればよい。

供給水の濁質を除去する必要がある場合は、砂ろ過や精密ろ過膜、限外ろ過膜の適用が効果的である。このときバクテリアや藻類などの微生物が多い場合は、殺菌剤を添加することも好ましい。殺菌剤としては塩素を用いることが好ましく、たとえば塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムを遊離塩素として１〜５ｍｇ／ｌの範囲内となるように供給水に添加するとよい。なお、半透膜によっては特定の殺菌剤に化学的な耐久性がない場合があるので、その場合は、なるべく供給水の流れる方向に関して上流側で添加し、さらに、第一の半透膜ユニット６の供給水入口側近傍にて殺菌剤を無効にすることが好ましい。例えば、遊離塩素の場合は、その濃度を測定し、この測定値に基づいて塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムの添加量を制御したり、亜硫酸水素ナトリウムなどの還元剤を添加したりするとよい。また、濁質以外にバクテリアやタンパク質、天然有機成分などを含有する場合は、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化鉄（III）などの凝集剤を加えることも効果的である。凝集させた供給水は、その後に斜向板などで沈降させた上で砂ろ過を行ったり、複数本の中空糸膜を束ねた精密ろ過膜や限外ろ過膜によるろ過を行うことによって後段の半透膜ユニットを通過させるのに適した供給水とすることができる。とくに、凝集剤の添加にあたっては、凝集しやすいようにｐＨを調整することが好ましい。

一方、供給水に溶解性の有機物が多く含まれている場合は、塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムの添加によってそれら有機物を分解することはできるが、加圧浮上や活性炭ろ過を行うことによっても除去が可能である。また、溶解性の無機物が多く含まれている場合は、有機系高分子電解質やヘキサメタ燐酸ソーダなどのキレート剤を添加したり、イオン交換樹脂などを用いて溶解性イオンと交換したりするとよい。また、鉄やマンガンが可溶な状態で存在しているときは、ばっ気酸化ろ過法や接触酸化ろ過法などを用いることが好ましい。

あらかじめ特定イオンや高分子などを除去し、本発明における淡水製造装置を高効率で運転することを目的として、前処理にナノろ過膜や逆浸透膜を用いることも可能である。

実施にあたって、透過水及び供給水中の総塩濃度は、各液の電気伝導度を電気伝導度計（横川電機製ＳＣ８２）によって測定し、あらかじめ模擬海水で測定した模擬海水濃度と電気伝導度との関係式から求めた。ここでいう模擬海水とは、ＮａＣｌ＝２３．９２６ｇ／ｌ，Ｎａ_２ＳＯ_４＝４．００６ｇ／ｌ，ＫＣｌ＝０．７３８ｇ／ｌ，ＮａＨＣＯ_３＝０．１９６ｇ／ｌ，ＭｇＣｌ_２＝５．０７２ｇ／ｌ，ＣａＣｌ_２＝１．１４７ｇ／ｌ，Ｈ_３ＢＯ_３＝０．０２８６ｇ／ｌの割合で調合したものをいい、この濃度で調整した場合の全塩濃度は３．５重量％となる。
また、供給水や透過水中のホウ素濃度の測定はＩＣＰ発光分析装置（日立製作所製Ｐ−４０１０）で行い、またｐＨ測定は横川電機製ＰＨ８２を用いて測定した。

＜比較例１＞
比較例に使用した評価装置のフローを図１０に示す。評価装置は、凝集砂ろ過による前処理手段２、第一の半透膜ユニット供給水タンク５３、高圧ポンプ５、第一の半透膜ユニット６、昇圧ポンプ１３、第二の半透膜ユニット１４、第三の半透膜ユニット２１などで構成した。高圧ポンプ５の流量はインバーターで出力制御し、昇圧ポンプ１３、２０の出力は無調節だが、実質的には流量調節バルブ５６、５７で制御した。第一の半透膜ユニット６の一次透過水７の流量は第一の半透膜ユニット濃縮水流量調節バルブ２７によって調節し、第二の半透膜ユニット１４および第三の半透膜ユニット２１の透過水流量は、それぞれ濃縮水の環流バルブ３０、３１によって調節した。第二の半透膜ユニット１４および第三の半透膜ユニット２１の濃縮水は、第一の半透膜ユニット供給水タンク５３に全量還流した。また、第一の半透膜ユニット６としては、東レ（株）製高圧逆浸透膜エレメントTM810（直径１０ｃｍ、全長１ｍ）を図６に示すように６本直列に接続して耐圧容器に装填したもの２並列、第二の半透膜ユニット１４としては、東レ（株）製低圧逆浸透膜エレメントTM710（直径１０ｃｍ、全長１ｍ）を２本直列に接続して耐圧容器に装填したもの２並列、第三の半透膜ユニットとしても同TM710を２本直列に接続して耐圧容器に装填したもの１列とした。

この装置を用いて、東レ（株）愛媛工場の近傍の海水（塩濃度＝３５，６００ｍｇ／ｌ、ホウ素濃度４．７ｍｇ／ｌ、温度２９℃、ｐＨ＝７．６を原水とし、第一の半透膜ユニット６を供給水流量１００ｍ^３／日、一次透過水の流量４０ｍ^３／日（回収率４０％）とし、さらに、第二の半透膜ユニット１４を供給水流量２６．６７ｍ^３／日、透過水流量２２ｍ^３／日（回収率８２．５％）、第三の半透膜ユニット２１を供給水流量１３．３３ｍ^３／日、透過水流量１１ｍ^３／日（回収率８２．５％）で処理した。このとき、第二の半透膜ユニット１４の濃縮水流量は７ｍ^３／日なので、海水の消費量は９３ｍ^３／日となった。

運転の結果、装置全体として、海水取水量９３ｍ^３／日に対して生産水量３３ｍ^３／日となり、生産水の塩濃度は６．２ｍｇ／ｌ、ホウ素濃度は０．５４ｍｇ／ｌであった。また、第一の半透膜ユニット６の運転圧力は５．５ＭＰａ、第二の半透膜ユニット１４の運転圧力は１．０２ＭＰａであった。

＜実施例１＞
図１１に示す評価装置を構成した。すなわち図１０の評価装置における第一の半透膜ユニットを、図８に示すように透過水を分割できるように両側に透過水の取り出し口５０と透過水流量調節バルブ４７，５１を設けたものに変更し、圧力容器の両端から第一の半透膜ユニットの上流側の一次透過水７と下流側の一次透過水１６を別々に取り出せるようにした。また、上流側の一次透過水７を処理する第二の半透膜ユニット１４として東レ（株）製超低圧逆浸透膜エレメントTMG10（直径１０ｃｍ、全長１ｍ）を用い、第二の半透膜ユニットの濃縮水３２は、第三の半透膜ユニット供給水タンク１７に送り、一次透過水１６と混合されて第三の半透膜ユニット２１に供給されるように構成した。

この装置を用いて、比較例１と同様に、海水取水量９３ｍ^３／日に対して生産水量３３ｍ^３／日となるように運転した。具体的には、第一の半透膜ユニット６の供給水の流量と一次透過水７と一次透過水１６の和が比較例１と同じとなるように、また、濃縮水２３の流量が比較例１と同じ還流量になるように７ｍ^３／日とした。さらに、第一の半透膜ユニットの上流側の一次透過水７の流量と、下流側の一次透過水１７の流量は、透過水流量調節バルブ４７，５１によってそれぞれ２５ｍ^３／日、１５ｍ^３／日となるように調節した。つづいて、第二の半透膜ユニット１４の供給水流量は上流側の一次透過水７の流量と同じ２５ｍ^３／日とし、回収率を５０％、すなわち、透過水流量を１２．５ｍ^３／日に制御した。第三の半透膜ユニット２１の供給水流量は、下流側の一次透過水１６の流量１５ｍ^３／日と第二の半透膜ユニットの濃縮水３２の流量１２．５ｍ^３／日の和になるようにした。すなわち、前述のように第三の半透膜ユニット２１の濃縮水流量を７ｍ^３／日と設定しているので、透過水２２の流量は２０．５ｍ^３／日となり、総生産水流量は、第二の半透膜ユニットの透過水１５と第三の半透膜ユニットの透過水２２の和であり、３３ｍ^３／日となり、比較例１と同じ生産水量である。
運転の結果、生産水の塩濃度は４．２ｍｇ／ｌ（比較例１の２／３倍）、ホウ素濃度は０．４９ｍｇ／ｌ（比較例１の９／１０倍）であり、比較例１に比べて良好な水質が得られた。また、第一の半透膜ユニット６の運転圧力は比較例１よりわずかに高い５．６ＭＰａであったが、第二の半透膜ユニット１４の運転圧力は０．３２ＭＰａ、第３の半透膜ユニットの運転圧力は０．９５ＭＰａであり、いずれも比較例よりも小さかった。

本発明に係る淡水製造装置の一実施態様を示す概略フロー図である。 本発明に係る淡水製造装置（最終透過水を２種類に分割した態様）の一実施態様を示す概略フロー図である。 本発明に係る淡水製造装置（第一の半透膜ユニットが２段に分かれた態様）の一実施態様を示す概略フロー図である。 本発明に係る淡水製造装置（第一の半透膜ユニットの２段目で昇圧する態様）の一実施態様を示す概略フロー図である。 本発明に係る淡水製造装置に用いることが可能な流体分離素子の一例である。 本発明に係る淡水製造装置に用いることが可能な半透膜ユニットの一例である。 本発明に係る淡水製造装置（第二の半透膜ユニットの濃縮水を第三の半透膜ユニットの供給水とする態様）の一実施態様を示す概略フロー図である。 本発明に係る淡水製造装置に好適な第一の半透膜ユニットの一例である。 本発明に係る淡水製造装置に好適な第一の半透膜ユニットの他の一例である。 比較例で適用した従来の淡水製造装置のフロー図である。 実施例で適用した本発明に係る淡水製造装置のフロー図である。

符号の説明

１：原水
２：前処理手段
３：第一のスケール防止剤添加手段
４：第一のアルカリ添加手段（ｐＨ調整手段）
５：第一の半透膜ユニット昇圧ポンプ
６：第一の半透膜ユニット
７：第一の半透膜ユニットの一次透過水（透過水（ａ１））
８：第二の半透膜ユニット供給水タンク（中間タンク）
１０：第二のスケール防止剤添加手段
１２：第二のアルカリ添加手段（ｐＨ調整手段）
１３：第二の半透膜ユニット昇圧ポンプ
１４：第二の半透膜ユニット
１５：第二の半透膜ユニット透過水（第一の二次透過水）
１６：第一の半透膜ユニットの一次透過水（透過水（ａ２））
１７：第三の半透膜ユニット供給水タンク（中間タンク）
１８：第三のスケール防止剤添加手段
１９：第三のアルカリ添加手段（ｐＨ調整手段）
２０：第三の半透膜ユニット昇圧ポンプ
２１：第三の半透膜ユニット
２２：第三の半透膜ユニット透過水（第二の二次透過水）
２３：第三の半透膜ユニット濃縮水
２４：最終透過水タンク（生産水タンク）
２５：第一の半透膜ユニットの濃縮水（一次濃縮水）
２６：エネルギー回収ユニット
２７：第一の半透膜ユニット濃縮水流量調節バルブ
２８：第一の半透膜ユニット透過水（ａ１）バイパスバルブ
２９：第一の半透膜ユニット透過水（ａ１）流量調節バルブ
３０：第二の半透膜ユニット濃縮水還流バルブ
３１：第三の半透膜ユニット濃縮水還流バルブ
３２：第二の半透膜ユニット濃縮水
３３：第二の半透膜ユニット濃縮水排水バルブ
３４：第三の半透膜ユニット濃縮水排水バルブ
３５：第二の最終透過水タンク（生産水タンク）
３６：前段のサブユニット前段（Ａ１）
３７：後段のサブユニット後段（Ａ２）
３８：供給水
３９：濃縮水
４０：透過水
４１：シール材
４２：中心パイプ
４３：半透膜
４４：供給水流路材
４５：透過水流路材
４６：流体分離素子
４７：透過水流量調節バルブ
４８：パイプジョイント
４９：栓
５０：透過水の取り出し口
５１：透過水流量調節バルブ
５２：耐圧容器
５３：第一の半透膜ユニット供給水タンク
５６：第二の半透膜ユニット供給水流量調節バルブ
５７：第三の半透膜ユニット供給水流量調節バルブ

本発明の淡水製造装置の運転方法は、半透膜を用いた二段処理によってＴＤＳやホウ素を効率的に除去し、低コストで高い水質の淡水の製造を可能にする。

Claims (8)

1. 原水もしくは原水を前処理して得た前処理水を第一の半透膜ユニット（Ａ）で処理して水質の異なる複数の透過水を得て、該複数の透過水の一部（ａ１）を第二の半透膜ユニット（Ｂ１）で処理するとともに、前記透過水の一部（ａ１）とは水質が異なる別の透過水（ａ２）を、第二の半透膜ユニット（Ｂ１）とは除去性能が異なる第三の半透膜ユニット（Ｂ２）で処理することを特徴とする淡水製造方法。
2. 第二の半透膜ユニット（Ｂ１）の濃縮水を第三の半透膜ユニット（Ｂ２）の供給水に混合することを特徴とする請求項１に記載の淡水製造方法。
3. 第二の半透膜ユニット（Ｂ１）の濃縮水の浸透圧が前記透過水（ａ２）の浸透圧の９０％以上１１０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の淡水製造方法。
4. 第一の半透膜ユニット（Ａ）が異なる除去性能を有する少なくとも２つのサブユニット（Ａ１）および（Ａ２）からなるとともに、サブユニット（Ａ１）から前記透過水（ａ１）を得て、サブユニット（Ａ２）から前記透過水（ａ２）を得ることを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の淡水製造方法。
5. 原水が海水であるとともに、サブユニット（Ａ１）にかける圧力よりもサブユニット（Ａ２）にかける圧力を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の淡水製造方法。
6. 前記透過水（ａ１）の特定成分濃度が前記透過水（ａ２）の特定成分濃度よりも低いことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の淡水製造方法。
7. 第二の半透膜ユニット（Ｂ１）の透過水の特定成分濃度が第三の半透膜ユニット（Ｂ２）の透過水の特定成分濃度の９０％以上１１０％以下であることを特徴とする請求項１−６のいずれかに記載の淡水製造方法。
8. 原水もしくは原水を前処理して得た前処理水を処理し水質の異なる複数の透過水を得るための第一の半透膜ユニット（Ａ）と、該複数の透過水の一部（ａ１）を処理するための第二の半透膜ユニット（Ｂ１）と、前記透過水の一部（ａ１）とは水質が異なる別の透過水（ａ２）を処理するための第三の半透膜ユニット（Ｂ２）とを有し、第二の半透膜ユニット（Ｂ１）と第三の半透膜ユニット（Ｂ２）とでは除去性能が互いに異なることを特徴とする淡水製造装置。

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