CN114945423A - 水处理系统及水处理方法 - Google Patents

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Abstract

水处理系统100具备：过滤装置16，其包含RO膜元件12及NF膜元件14，用RO膜元件12及NF膜元件14对包含氯化钠的原水进行处理，生成经浓缩的原水；和电解装置18，其配置于过滤装置16的下游，对所述经浓缩的原水进行电解从而生成包含次氯酸钠的水。

Description

水处理系统及水处理方法
技术领域
本发明涉及水处理系统及水处理方法。
背景技术
发电站等设施常常需要大量的水。大量的水例如由海中来供应。但是，海水中含有幼虫、细菌、浮游生物等微生物。这些微生物附着于配管而使配管堵塞。因此，在使用前需要对海水进行杀菌。但是，通过从外部添加化学药品来进行大量的海水的杀菌是困难的。
专利文献1中记载了一种具备电解装置的海水电解系统。电解装置为用于对海水进行电解从而生成作为杀菌成分的次氯酸钠的装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-246553号公报
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1的海水电解系统还具备用于提高氯化物离子浓度的浓缩手段。专利文献1中，作为浓缩手段，记载了一种具备RO膜的淡水化装置。
但是，对于具备RO膜的淡水化装置，不仅氯化物离子浓缩，钙离子、镁离子等硬度成分也会浓缩。硬度成分例如以水垢的形式堆积于电解装置的电极，使电极寿命的缩短及维护频率的增加等新的课题明显化。堆积于电极的水垢也有可能使功耗增加。
本发明的目的在于，提供用于避免电极寿命的缩短及维护频率的增加、并且削减水处理系统的功耗的技术。
用于解决问题的方案
本发明提供一种水处理系统，其具备：
过滤装置，其包含RO膜元件及NF膜元件，用前述RO膜元件及前述NF膜元件对包含氯化钠的原水进行处理，生成经浓缩的原水；和
电解装置，其配置于前述过滤装置的下游，对前述经浓缩的原水进行电解从而生成包含次氯酸钠的水。
另一方面，本发明提供一种水处理方法，其包括：
用RO膜元件及NF膜元件对包含氯化钠的原水进行处理从而生成经浓缩的原水；和
对前述经浓缩的原水进行电解从而生成包含次氯酸钠的水。
发明的效果
根据本发明，能够避免电极寿命的缩短及维护频率的增加、并且能够削减水处理系统的功耗。
附图说明
图1为本发明的一实施方式的水处理系统的构成图。
图2为电解装置的构成图。
图3为变形例的水处理系统的构成图。
图4为应用图1所示的水处理系统的发电站的构成图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本发明不限定于以下的实施方式。
图1示出本发明的一实施方式的水处理系统100的构成。水处理系统100具备前处理装置10、过滤装置16及电解装置18。水处理系统100构成为由包含氯化钠的原水生成包含次氯酸钠的水。
包含氯化钠的原水的种类没有特别限定。作为包含氯化钠的原水，可举出海水、湖水、汽水、工业废水等。包含氯化钠的原水典型而言为海水。发电站等设施大多使用大量的海水。使用的水的量越多，则由本实施方式的水处理系统100得到的利益越增加。其中，包含次氯酸钠的水的用途没有特别限定。包含次氯酸钠的水可用于发电站的冷却水、船舶的压载水、水族馆的水槽的水等各种各样的水的杀菌。
前处理装置10、过滤装置16及电解装置18利用流路20a、20b、20c、20d及20e依次来连接。原水依次流过前处理装置10、过滤装置16及电解装置18。流路20a、20b、20c、20d及20e各自利用1个或多个配管来构成。根据需要，可以在流路20a、20b、20c、20d及20e各自配置有泵、阀、传感器等设备。
前处理装置10在原水的流动方向配置于过滤装置16的上游，对包含氯化钠的原水进行处理。前处理装置10为用于从包含氯化钠的原水中将固体物、细菌、胶体等大粒径的溶质去除的装置。前处理装置10对延长过滤装置16的维护时间及寿命有贡献。作为前处理装置10，可举出沉淀装置、砂过滤装置、硅藻土过滤装置、网状过滤器、MF(微滤，Microfiltration)膜元件、UF(超滤，Ultrafiltration)膜元件等。选自这些中的1种或2种以上的组合可用作前处理装置10。
在前处理装置10的入口连接有流路20a。通过流路20a，原水流入至前处理装置10。前处理装置10的出口和过滤装置16的入口利用流路20b来连接。原水利用前处理装置10来处理，然后，通过流路20b，流入过滤装置16。
过滤装置16包含RO(反渗透，Reverse Osmosis)膜元件12及NF(纳滤，Nanofiltration)膜元件14，用RO膜元件12及NF膜元件14对包含氯化钠的原水进行处理，生成经浓缩的原水。经浓缩的原水被供给至电解装置18。过滤装置16为膜过滤装置。
RO膜元件12阻止包含1价离子及2价离子的全部种类的溶质。NF膜元件14阻止2价离子、并且使1价离子的一部分透过。因此，通过将RO膜元件12和NF膜元件14组合，能够选择性地提高氯化钠浓度，能够选择性地降低2价离子的浓度及COD(化学需氧量，ChemicalOxygen Demand)。作为2价离子，可举出钙离子、镁离子、硫酸离子等。经浓缩的原水与用过滤装置16处理前的原水(例如海水)比较，具有高的氯化钠浓度(mg/升)、具有低的2价离子浓度(mg/升)及低的COD。2价离子浓度为选自由钙离子浓度、镁离子浓度及硫酸离子浓度组成的组中的至少1种。进而，经浓缩的原水与用过滤装置16处理前的原水相比，具有高的TDS(总溶解固体，Total Dissolved Solid)浓度(mg/升)。
一例中，经浓缩的原水中的氯化钠浓度可以为用过滤装置16处理前的原水(例如海水)的氯化钠浓度的1倍以上且3倍以下，也可以大于1倍且为3倍以下。经浓缩的原水中的钙离子浓度可以为用过滤装置16处理前的原水的钙离子浓度的0.2倍以上且1倍以下、也可以为0.2倍以上且不足1倍。经浓缩的原水中的镁离子浓度可以为用过滤装置16处理前的原水的镁离子浓度的0.2倍以上且1倍以下、也可以为0.2倍以上且不足1倍。经浓缩的原水中的TDS浓度可以为用过滤装置16处理前的原水的TDS浓度的0.8倍以上且3倍以下、也可以比1倍大且为3倍以下。经浓缩的原水中的CaCO3形式的硬度成分的浓度可以为用过滤装置16处理前的原水的该硬度成分的浓度的0.2倍以上且1倍以下、也可以为0.2倍以上且不足1倍。
本实施方式中，RO膜元件12及NF膜元件14的位置关系按照：包含氯化钠的原水由RO膜元件12来处理、从RO膜元件12排出的浓缩水由NF膜元件14来处理的方式确定。从NF膜元件14排出的透过水作为经浓缩的原水而供给至电解装置18。即，在原水的流动方向，RO膜元件12配置于上游、NF膜元件14配置于下游。在RO膜元件12的原水入口连接有流路20b。在RO膜元件12的浓缩水出口及NF膜元件14的原水入口连接有流路20c。从RO膜元件12排出的浓缩水通过流路20c、流入至NF膜元件14。利用这样的构成，能够可靠地提高氯化钠浓度，能够可靠地降低钙离子、镁离子、硫酸离子等2价离子的浓度。原有的系统具备RO膜元件及电解装置的情况下，能够在不伴有大幅的设计变更的情况下构建本实施方式的水处理系统。
从RO膜元件12排出的浓缩水是高压的，因此即使从流路20c省略了增压泵，也能使从RO膜元件12排出的浓缩水在不升压下供给至NF膜元件14并进行处理。即，根据本实施方式，可以节约设备费用及能量。但是，可以在流路20c中配置泵。
本说明书中，“NF膜”是指，将2000mg/升的浓度的氯化钠水溶液在操作压力0.7MPa、pH6.5～8、回收率15％、25℃的条件下过滤时的氯化钠阻止率为5％以上且不足93％的分离膜。“RO膜”是指，将2000mg/升的浓度的氯化钠水溶液在操作压力1.5MPa、pH6.5～8、回收率15％、25℃的条件下过滤时的氯化钠阻止率为93％以上的分离膜。
1价离子的阻止率可以依据JIS K 3805(1990)、按照以下的方法来测定。使NaCl水溶液在操作压力0.7MPa或1.5MPa下透过规定尺寸的分离膜。30分钟的准备阶段结束后，使用电导率测定装置进行透过液及供给液的电导率测定，根据其结果及标准曲线(浓度-电导率)、基于下式算出作为1价离子的阻止率的NaCl阻止率。也可以通过离子色谱法进行浓度测定来代替电导率测定。
·NaCl阻止率(％)＝(1-(透过液的NaCl浓度/供给液的NaCl浓度))×100
RO膜元件12及NF膜元件14的结构没有特别限定。作为RO膜元件12及NF膜元件14的结构，可举出螺旋型、中空纤维型、管型、板框(plate and frame)型等。RO膜元件12及NF膜元件14各自可以为单一的分离膜元件，也可以具有包含多个分离膜元件的分离膜组件的结构。
在RO膜元件12的透过水出口连接有流路20f。从RO膜元件12排出的透过水为洁净的淡水，具有高的利用价值。透过水通过流路20f而被导入至规定的使用场所。在NF膜元件14的浓缩水出口连接有流路20g。从NF膜元件14排出的浓缩水通过流路20g而被导入至海等废弃场所。
电解装置18配置于过滤装置16的下游、对经浓缩的原水进行电解从而生成包含次氯酸钠的水。过滤装置16的出口和电解装置18的入口利用流路20d来连接。经浓缩的原水通过流路20d而从过滤装置16供给至电解装置18。在电解装置18的出口连接有流路20e。包含次氯酸钠的水通过流路20e而供给至外部。
图2为电解装置18的构成图。电解装置18具备电解槽21、阳极22及阴极23。阳极22及阴极23彼此相对，以规定的间隔配置在电解槽21的内部。直流电源(未图示)连接于阳极22及阴极23连接。包含阳极22及阴极23的电极对的数量可以为1个、也可以为多个。图2的例子中，可以设置有单一的阳极22及多个阴极23。在阳极22的表面、阴极23的表面及电解槽21的内部发生以下的反应。即，在阳极22的表面生成氯气。在阴极23的表面生成氢气和氢氧化钠。氯气与氢氧化钠在电解槽21的内部进行反应，生成次氯酸钠。副产物的氢气用空气稀释后被释放到大气中。
阳极反应：2Cl-→Cl2+2e-
阴极反应：2Na++2H2O+2e-→2NaOH+H2
电解槽中的反应：2NaOH+Cl2→NaCl+NaClO+H2O
总反应：NaCl+H2O+2F→NaClO+H2
利用本实施方式的水处理系统100，可得到以下的效果。
电解装置18对经浓缩的原水进行电解。与用过滤装置16处理前的原水进行比较，经浓缩的原水具有高的氯化钠浓度及高的TDS浓度。因此，在电解装置18中可生成以高浓度包含次氯酸钠的水。为了生成单位重量的次氯酸钠而消耗的电力也减少。根据本发明人等的试算，与用电解装置对海水进行电解的情况相比，本实施方式的水处理系统100能够期待10％～15％的功耗的削减。
另外，COD的成分被NF膜元件14充分去除，因此经浓缩的原水具有低的COD。以高浓度包含次氯酸钠的水的生成及功耗的削减也与低的COD相关。COD高的情况下，在电解装置18中生成的次氯酸钠被COD的成分立即消耗。COD越低，越能够减少被COD的成分消耗的次氯酸钠的量。在COD高的海的沿岸部使用水处理系统100时该效果特别显著。
另外，经浓缩的原水中的2价离子的浓度因NF膜元件14的工作而被充分降低。因此，水垢不易堆积在电解装置18的电极。由此，电极寿命延长，电解装置18的维护频率降低。例如，有每个月1次的维护频率变为3个月1次的可能性。若维护频降低，则也可以期待生产效率的提高。
另外，根据本实施方式，不需要在原水中添加特别的化学药品，也不需要在原水中添加追加的氯化钠。但是，可以在原水中加入特别的化学药品及氯化钠。
图3示出了变形例的水处理系统102的构成。水处理系统102具备过滤装置160来代替过滤装置16。过滤装置160具有RO膜元件12及NF膜元件14。图1所示的过滤装置16与图3所示的过滤装置160的差异在于RO膜元件12与NF膜元件14的位置关系。
本变形例中，RO膜元件12及NF膜元件14的位置关系按照：包含氯化钠的原水用NF膜元件14来处理、从NF膜元件14排出的透过水用RO膜元件12来处理的方式确定。从RO膜元件12排出的浓缩水作为经浓缩的原水而供给至电解装置18。即，在原水的流动方向，NF膜元件14配置于上游、RO膜元件12配置于下游。在NF膜元件14的原水入口连接有流路20b。在NF膜元件14的透过水出口及RO膜元件12的原水入口连接有流路20c。从NF膜元件14排出的透过水通过流路20c流入至RO膜元件12。利用这样的构成，也能够可靠地提高氯化钠浓度，能够可靠地降低钙离子、镁离子、硫酸根离子等2价离子的浓度。
本变形例的水处理系统102中可以有效利用的水的比例高于图1所示的水处理系统100中可以有效利用的水的比例。可以有效利用的水的比例为相对于包含氯化钠的原水的、应当供给至电解装置18的经浓缩的原水与从RO膜元件12排出的透过水的合计的比例。
如图1所示的水处理系统100那样NF膜元件14位于下游的情况下，从RO膜元件12排出的浓缩水的TDS浓度高，因此应当避免以高回收率运转NF膜元件14。对此，根据本变形例的水处理系统102，NF膜元件14位于上游。NF膜元件14使1价离子透过，因此浓缩水的浸透压的上升少。因此，允许以高回收率(例如超过70％的回收率)运转NF膜元件14。结果，可以有效利用的水的比例增加，也可以期待节电效果。
但是，对于本变形例的水处理系统102，流路20c中需要增压泵。图1所示的水处理系统100中不需要流路20c上的增压泵。另外，着眼于电解装置18的节电效果时，图1所示的水处理系统100是有利的。因此，综合考虑能量的削减效果及设备费用，可以选择系统100及102中任意者。
图4为应用图1所示的水处理系统100的发电站200的构成图。也可应用图3所示的水处理系统102来代替图1所示的水处理系统100。
发电站200具备朗肯循环30、冷却设备42及水处理系统100。
朗肯循环30包含锅炉31、涡轮32、冷凝器33及泵34。锅炉31为使用火力、核能等能源来产生高压的蒸气的蒸气产生器。由高压的蒸气使涡轮32驱动，生成电力。蒸气被冷凝器33(condenser)冷却从而液化。液相的水被泵34加压并返回至锅炉31。
冷却设备42例如为冷却塔。冷却设备42中，通过取水口41及流路51供给海水等的冷却水。使用完的冷却水通过排水路53而被导入至海等废弃场所。冷却设备42与朗肯循环30的冷凝器33被冷却回路52连接。通过使冷却水在冷却回路52中进行循环，从而在冷凝器33中蒸气被冷却。冷却回路的冷却水在冷却设备42中被海水冷却。
水处理系统100中，作为包含氯化钠的原水，从取水口41供给海水。在电解装置18中生成包含次氯酸钠的水。包含次氯酸钠的水通过流路20e而被分别供给至取水口41、冷却设备42及前处理装置10。从RO膜元件12排出的浓缩水的至少一部分通过流路20c而被导入至NF膜元件14。从RO膜元件12排出的浓缩水的剩余部分通过流路56被导入至海等废弃场所。
水处理系统100不仅生成包含次氯酸钠的水、还生成纯水。纯水可作为工作流体而被补充至朗肯循环30。图4所示的发电站200具备追加的RO膜元件43。RO膜元件12的透过水出口与追加的RO膜元件43的原水入口利用流路20f来连接。从RO膜元件12排出的透过水进一步利用追加的RO膜元件43来处理。从追加的RO膜元件43排出的透过水通过流路54作为工作流体而被补充至朗肯循环30。从追加的RO膜元件43排出的浓缩水通过流路55被导入至海等废弃场所。
发电站的朗肯循环需要大量的纯水。有时出于制造纯水的目的而在发电站设置RO膜元件。因此，有仅仅通过稍微改良原有的设备就能够导入本实施方式的水处理系统100的可能性。
另外，即使用于制造纯水的RO膜元件被设置于发电站，从RO膜元件排出的浓缩水的全部量也会被废弃至海或湖沼中。海水被直接供给至电解装置。
与此相对，利用图4所示的发电站200，从RO膜元件12排出的浓缩水在包含次氯酸钠的水的制造中使用。因此，能够减少来自取水口41的取水量。能够有效利用从RO膜元件12排出的浓缩水及透过水这两者。
本实施方式的水处理系统100及102不仅可应用于发电站200，还可应用于船舶、水族馆、工厂等各种设施。例如，船舶有时具备用于制造生活用水的淡水化装置和用于对压载水进行杀菌的电解装置。通过用NF膜元件将淡水化装置及电解装置连接，能在船内构建经济性优异的水处理系统。另外，能够生成以高浓度包含次氯酸钠的水对于有时在COD高的海中航行的船舶极其有用。
产业上的可利用性
本发明的水处理系统对于发电站、船舶、水族馆、工厂等各种设施有用。

Claims (9)

1.一种水处理系统，其具备：
过滤装置，其包含RO膜元件及NF膜元件，用所述RO膜元件及所述NF膜元件对包含氯化钠的原水进行处理，生成经浓缩的原水；和
电解装置，其配置于所述过滤装置的下游，对所述经浓缩的原水进行电解从而生成包含次氯酸钠的水。
2.根据权利要求1所述的水处理系统，其中，所述RO膜元件及所述NF膜元件的位置关系按照：所述包含氯化钠的原水用所述RO膜元件来处理、从所述RO膜元件排出的浓缩水用所述NF膜元件来处理的方式确定，
从所述NF膜元件排出的透过水作为所述经浓缩的原水而供给至所述电解装置。
3.根据权利要求1所述的水处理系统，其中，所述RO膜元件及所述NF膜元件的位置关系按照：所述包含氯化钠的原水用所述NF膜元件来处理、从所述NF膜元件排出的透过水用所述RO膜元件来处理的方式确定，
从所述RO膜元件排出的浓缩水作为所述经浓缩的原水而供给至所述电解装置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的水处理系统，其中，所述包含氯化钠的原水为海水。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的水处理系统，其还具备配置于所述过滤装置的上游的前处理装置。
6.一种水处理方法，其包括：
用RO膜元件及NF膜元件对包含氯化钠的原水进行处理从而生成经浓缩的原水；和
对所述经浓缩的原水进行电解从而生成包含次氯酸钠的水。
7.根据权利要求6所述的水处理方法，其中，生成所述经浓缩的原水时，用所述RO膜元件对所述包含氯化钠的原水进行处理，用所述NF膜元件对从所述RO膜元件排出的浓缩水进行处理，将从所述NF膜元件排出的透过水作为所述经浓缩的原水而供给至电解装置。
8.根据权利要求6所述的水处理方法，其中，生成所述经浓缩的原水时，用所述NF膜元件对所述包含氯化钠的原水进行处理，用所述RO膜元件对从所述NF膜元件排出的透过水进行处理，将从所述RO膜元件排出的浓缩水作为所述经浓缩的原水而供给至电解装置。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的水处理方法，其中，所述包含氯化钠的原水为海水。
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