JP2008100220A - Method for producing freshwater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高回収率で、塩水を淡水化して淡水を得る際に好適な、2段以上のナノろ過膜ユニット装置と脱塩ユニット装置とを配設した造水装置を用いて造水する方法に関する。 The present invention produces water using a fresh water generator having a high recovery rate and a two-stage or more nanofiltration membrane unit device and a desalination unit device suitable for desalinating salt water to obtain fresh water. Regarding the method.
近年、海水から工業用水や飲料水などの淡水を得る技術が発達し、従来から行われてきている蒸発法や逆浸透膜に代表される膜分離法、それらを組み合わせたシステムなどが注目を集めるようになってきている。さて、この造水方法の検討においては、いかに高品質な水質を低コストで造水するかが技術の焦点となる。 In recent years, technologies for obtaining fresh water such as industrial water and drinking water from seawater have been developed, and the conventional evaporation methods, membrane separation methods typified by reverse osmosis membranes, and systems that combine them attract attention. It has become like this. Now, in the examination of this fresh water generation method, the technical focus is how to produce high quality water at low cost.
造水コストの低コスト化の検討として、特許文献1においては、運転操作圧力の低いナノろ過膜を2段に配列して海水から淡水を得る検討がなされたが、2段のナノろ過膜を透過した水質は、蒸発残留物(TDS)で1000mg/Lと水質基準値(500mg/L)を大きく上回り、十分な飲用水品質が得られていない。また、特許文献2には、ナノろ過膜を2段に配列し、2段のナノろ過透過水を蒸発法や逆浸透膜分離法で処理しており、十分な飲用水品質の水質は得られるが、取水した塩水からどれだけの水を製造したかを表す回収率が大幅に低下し、造水コストが大幅に増大する。
As a study for lowering the water production cost, in
そこで、回収率を高める努力が払われる訳であるが、高回収率で運転を行うと逆浸透膜の濃縮水側の溶質成分濃度が高まって、水への溶解度が低いスケール成分が析出し、また、供給水に含まれる濁質成分が膜面に堆積して膜寿命や透過水品質が低下したりするなどといった問題を惹起していた。 Therefore, efforts are made to increase the recovery rate, but when operating at a high recovery rate, the concentration of the solute component on the concentrated water side of the reverse osmosis membrane increases, depositing a scale component with low solubility in water, In addition, turbid components contained in the supplied water are deposited on the membrane surface, causing problems such as a reduction in membrane life and permeate quality.
そして、逆浸透膜へ供給する海水をあらかじめナノろ過膜により前処理して、スケール成分をある程度まで取り除いておき、回収率を高める方法が開発され、特許文献3,4で開示されているが、特許文献3、4では、ナノろ過膜1段の透過水を逆浸透膜分離法や蒸発法で処理することから、十分な飲用水品質の水質は得られるが、ナノろ過部での回収率(30〜50%)、ナノろ過後段部での回収率(40〜60%)となるため、全体の回収率(〜30%)は結果として高くならないことから、低価格の造水コストとは言えない。さらに、特許文献5では、ナノろ過膜1段の透過水を逆浸透膜に供給し、従来は廃棄する逆浸透膜の濃縮水をさらに蒸発法で処理することで造水量を増やしているが、ナノろ過膜の透過水には海水のTDSの50%程度が残っているので、逆浸透膜に供給する際には1〜2MPaの浸透圧が生じることになるが、逆浸透膜の運転圧力が1.5〜2.5MPaと記載されており、十分な有効圧力が得られないことから逆浸透膜では十分な透過水量が得られず、結果として回収率が十分に上がらないと言った問題点があった。
And, the seawater supplied to the reverse osmosis membrane is pretreated with a nanofiltration membrane in advance, the scale component is removed to some extent, and a method for increasing the recovery rate has been developed and disclosed in
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、塩水を運転操作圧力の低いナノろ過膜処理工程で2段階以上で処理し、2段目以降のナノろ過膜処理工程の濃縮水を脱塩ユニット処理工程で処理することにより、高回収率で飲用水品質の淡水を得ることができる造水方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, treat salt water in two or more stages in a nanofiltration membrane treatment process with low operating pressure, and concentrate water in the second and subsequent nanofiltration membrane treatment processes. It is to provide a fresh water generation method capable of obtaining drinking water-quality fresh water with a high recovery rate by treating the water in the desalting unit treatment step.
上記目的を達成するための本発明の造水方法は、ナノろ過膜ユニット装置を2段以上に直列に配設しさらに脱塩ユニット装置を配設した造水装置によって塩水から淡水を製造する方法であって、加熱装置を用いて1段目ナノろ過膜ユニット装置に供給される前の塩水を温め、温められた塩水を1段目ナノろ過膜ユニット装置に通水し、1段目ナノろ過膜ユニット装置からのナノろ過水を2段目ナノろ過膜ユニット装置に通水し、2段目ナノろ過膜ユニット装置以降からのナノろ過濃縮水を脱塩ユニット装置に通水して脱塩水を製造すること、さらに、該脱塩水と2段目ナノろ過膜ユニット装置以降からのナノろ過水とを混合して淡水とするものである。 In order to achieve the above object, the fresh water production method of the present invention is a method for producing fresh water from salt water by a fresh water production device in which nanofiltration membrane unit devices are arranged in series in two or more stages and further a desalination unit device is arranged. Then, the salt water before being supplied to the first-stage nanofiltration membrane unit apparatus is warmed using a heating device, and the heated salt water is passed through the first-stage nanofiltration membrane unit apparatus, and the first-stage nanofiltration membrane apparatus is passed through. The nanofiltration water from the membrane unit device is passed through the second-stage nanofiltration membrane unit device, and the nanofiltration concentrated water from the second-stage nanofiltration membrane unit device is passed through the desalination unit device to remove the desalted water. In addition, the demineralized water and the nanofiltration water from the second-stage nanofiltration membrane unit apparatus are mixed to obtain fresh water.
本発明の造水方法によると、塩水を運転操作圧力の低いナノろ過膜処理工程で2段階以上で処理し、2段目以降のナノろ過膜処理工程の濃縮水を脱塩ユニットで処理することを組み合わせることにより、高回収率、低コストで、飲用可能な高品質の淡水を製造することができる。 According to the water production method of the present invention, salt water is treated in two or more stages in a nanofiltration membrane treatment process with low operating pressure, and the concentrated water in the second and subsequent nanofiltration membrane treatment processes is treated in a desalting unit. By combining these, high-quality fresh water that can be drunk can be produced at a high recovery rate and low cost.
図1、図2、図3、図4は、それぞれ、本発明の脱塩方法の好ましい一実施様態を示す工程概略図である。各々の図で、同一または同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。 FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 4 are process schematic diagrams each showing a preferred embodiment of the desalting method of the present invention. In each figure, the same or equivalent components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1において、取水してきた塩水は、塩水中に含まれる濁質を除濁装置によって除去した後に、除濁された塩水である除濁水を加熱装置25によって加熱されて、ナノろ過1段目ポンプ1でもって1段目ナノろ過膜ユニット装置21における1段目ナノろ過膜モジュール2に供給される。1段目ナノろ過膜ユニット装置21から取り出されたナノろ過水は、ナノろ過2段目ポンプ3でもって2段目ナノろ過膜ユニット装置22における2段目ナノろ過膜モジュール4に供給される。また、1段目ナノろ過膜ユニット装置21から出たナノろ過濃縮水は系外に排出される。
In FIG. 1, the salt water taken is removed from the turbidity contained in the salt water by a turbidity removal device, and then the turbidity water that is the turbidity salt water is heated by the
2段目ナノろ過膜ユニット装置22から出たナノろ過濃縮水は、脱塩ユニット装置23に供給される。脱塩ユニット装置23からは、脱塩水が取り出され、さらに、濃縮水が取り出される。
The nanofiltration concentrated water output from the second-stage nanofiltration
2段目ナノろ過膜ユニット装置22から取り出されたナノろ過水と、脱塩ユニット装置23から取り出された脱塩水は、混合して淡水として取り出される。
The nanofiltration water taken out from the second-stage nanofiltration
ここで、塩水とは、例えばカルシウムイオン、マグネシウムイオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどのスケール成分や、ナトリウムイオンや塩化物イオンなどを有意な濃度で含有する水であり、例えばTDS濃度が1,500ppmを超える水であって、海水、湾水、かん水といわれる水であるが、これらに限られるものではない。TDS濃度とは、蒸発残留物濃度のことを指し、この蒸発残留物としては、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどが含まれる。 Here, salt water is water containing a significant concentration of scale components such as calcium ions, magnesium ions, bicarbonate ions, carbonate ions, sulfate ions, sodium ions, chloride ions, etc., for example, TDS concentration Is water exceeding 1,500 ppm, which is water called seawater, bay water or brine, but is not limited thereto. The TDS concentration refers to the evaporation residue concentration, and the evaporation residue includes sodium ion, calcium ion, magnesium ion, chloride ion, carbonate ion, sulfate ion and the like.
また、淡水とは、塩水に含まれるイオン類を相当量除去した水で飲用水品質を有するものをいい、例えば蒸発残留物濃度が500ppm未満、塩化物イオン濃度200ppm未満であって、本発明においては二段目以降のナノろ過水と、脱塩ユニット装置によって処理された脱塩水である逆浸透膜透過水、蒸留水とを混合した水である。 In addition, fresh water refers to water that has a drinking water quality obtained by removing a considerable amount of ions contained in salt water. For example, the evaporation residue concentration is less than 500 ppm, and the chloride ion concentration is less than 200 ppm. Is water obtained by mixing nanofiltration water after the second stage, reverse osmosis membrane permeated water which is desalted water treated by the desalting unit device, and distilled water.
除濁装置については、特に限定されるものではないが、例えば夾雑物除去装置、沈砂装置、殺菌剤添加装置、凝集装置、pH調整装置、沈殿装置、加圧浮上、脱炭酸装置、砂ろ過装置、精密ろ過膜、限外ろ過膜などを使用した膜ろ過装置などの前処理装置のいずれか1つ以上の装置を適宜組合わせた装置が好適に使用される。 The turbidity removal device is not particularly limited. For example, a contaminant removal device, a sand settling device, a bactericidal agent addition device, an agglomeration device, a pH adjustment device, a precipitation device, a pressurized flotation device, a decarbonation device, a sand filtration device. A device in which any one or more of pretreatment devices such as a membrane filtration device using a microfiltration membrane, an ultrafiltration membrane or the like is appropriately combined is preferably used.
除濁水を温めるための加熱装置25については、特に制限されるものではないが、プレート式、二重管式、多管円筒式、渦巻管式などの熱交換器が挙げられる。この熱交換器の熱源としては、除濁水を温めることができる熱量を有していれば特に制限されるものではないが、蒸気供給装置から輸送された加熱蒸気や、多段フラッシュ蒸留、多重効用式蒸留、及び、蒸気圧縮蒸留からなる群から選択される蒸留ユニットである脱塩ユニット装置23から発生する廃熱が挙げられる。
Although it does not restrict | limit especially about the
ナノろ過膜ユニット装置に水を供給するためのナノろ過1段目ポンプ1、ナノろ過2段目ポンプ3としては、渦巻ポンプやタービンポンプ、プランジャーポンプなどの種々の形式のポンプを用いることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
As the nanofiltration first-
1段目ナノろ過膜モジュール2および2段目ナノろ過膜モジュール4を構成するナノろ過膜については、例えば、素材としては、ポリアミド系、ポリピペラジンアミド系、ポリエステルアミド系、あるいは水溶性のビニルポリマーを架橋したものなどを使用することができ、その膜構造としては、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面の膜に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有するもの(非対称膜)や、このような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分離機能層を有するもの(複合膜)などを使用することができる。しかしながら、低圧運転時における高造水量のためには複合膜であることが好ましく、中でも、透過水量、耐薬品性等の点からポリアミド系複合膜が、さらにはピペラジンポリアミド系複合膜が好ましい。
For the nanofiltration membranes constituting the first-stage
1段目ナノろ過膜モジュール2および2段目ナノろ過膜モジュール4は、平膜状の膜を集水管の周囲に巻囲したスパイラル型エレメントや、プレート型支持板の両面に平膜を張ったものをスペーサーを介して一定の間隔で積層してモジュール化したプレート・アンド・フレーム型エレメント、さらには、管状膜を用いたチューブラー型エレメント、中空糸膜を束ねてケースに収納した中空糸膜エレメントを、耐圧容器に単数もしくは複数個直列に接続して収容して構成される。エレメントの形態としては、いずれの形態であってもよいが、操作性や互換性の観点からはスパイラル型エレメントを使用するのが好ましい。なお、エレメント本数は、膜性能に応じて任意に設定することができる。スパイラル型エレメントを用いた場合、1つのモジュールに装填するエレメントの本数は、直列に4本から6本程度に配列することが好ましい。
The first-stage
ここで、ナノろ過膜ユニット装置とは、一段以上に直列に配設されたナノろ過膜モジュールと、ナノろ過膜モジュールに塩水を供給するための配管と、各段のナノろ過膜モジュールによって塩水が濃縮されたナノろ過濃縮水を後段のナノろ過膜モジュールへ通水する配管と、最後段のナノろ過膜モジュールから出るナノろ過濃縮水を取り出す配管と、各段のナノろ過膜モジュールによってナノろ過されたナノろ過水をそれぞれ取り出す配管とによって構成される。このとき、各段でナノろ過膜モジュールは並列に複数配設しても構わない。また、本発明においては、最上流の段のナノろ過膜ユニット装置から1段目ナノろ過膜ユニット装置、2段目ナノろ過膜ユニット装置、3段目ナノろ過膜ユニット装置、と順番に称することとする。さらに、2段目ナノろ過膜ユニット装置以降と称した場合には、2段目ナノろ過膜ユニット装置から最後段のナノろ過膜ユニット装置までの全て、あるいは一部の段のナノろ過膜ユニット装置であることを意味する。 Here, the nanofiltration membrane unit device is a nanofiltration membrane module arranged in series in one or more stages, piping for supplying saltwater to the nanofiltration membrane module, and saltwater by each stage nanofiltration membrane module. It is nanofiltered by a pipe for passing the concentrated nanofiltration concentrated water to the subsequent nanofiltration membrane module, a pipe for taking out the nanofiltration concentrated water from the last nanofiltration membrane module, and the nanofiltration membrane module at each stage. It is comprised with the piping which takes out nano filtration water, respectively. At this time, a plurality of nanofiltration membrane modules may be arranged in parallel at each stage. In the present invention, the first-stage nanofiltration membrane unit device, the first-stage nanofiltration membrane unit device, the second-stage nanofiltration membrane unit device, and the third-stage nanofiltration membrane unit device are referred to in this order. And Furthermore, when the second-stage nanofiltration membrane unit device is referred to, all or part of the nanofiltration membrane unit device from the second-stage nanofiltration membrane unit device to the last-stage nanofiltration membrane unit device is used. It means that.
また、各段のナノろ過膜ユニット装置毎、あるいはナノろ過膜ユニット装置を構成する各段のナノろ過膜モジュール毎に、異なる種類のナノろ過膜エレメントを用いても構わない。 Further, different types of nanofiltration membrane elements may be used for each stage of nanofiltration membrane unit device or for each stage of nanofiltration membrane module constituting the nanofiltration membrane unit device.
1段目ナノろ過膜ユニット装置21は、上述の除濁装置から得られる除濁水中のスケール成分を除去するナノろ過膜を備えた1段目ナノろ過膜モジュール2を有し、その一段目ナノろ過膜ユニット装置21の回収率が50〜90%の範囲内になるように運転する。また、一段目ナノろ過膜ユニット装置21の回収率は、出来るだけ高い方が良いが、90%を超えると、ナノろ過膜面上で硫酸カルシウムなどのスケール成分の析出が起こり、膜が閉塞されるため好ましくない。また、回収率の下限については50%までが好ましい。50%を下回る場合には、2段目以降の回収率を仮に80〜90%といった高回収率で運転しても、一段目ナノろ過膜ユニット装置21の回収率と合わせると高々40〜45%程度の回収率にしかならず、システム全体としては高回収率で淡水を得ることが出来なくなる。ナノろ過膜ユニット装置の回収率のより好ましい範囲は60〜90%、さらに好ましくは65〜85%の範囲である。
The first-stage nanofiltration
ナノろ過膜ユニット装置の蒸発残留物濃度の排除性能が50〜97%で、2荷イオンの排除性能が80%以上であれば、特に限定するものではない。排除性能については、以下の式で算出した。 There is no particular limitation as long as the nanofiltration membrane unit apparatus has an evaporation residue concentration elimination performance of 50 to 97% and a bivalent ion elimination performance of 80% or more. The exclusion performance was calculated by the following formula.
排除性能(%)=(1−ナノろ過水濃度/((供給水濃度+ナノろ過濃縮水濃度)/2))×100 Exclusion Performance (%) = (1−Nano Filtration Water Concentration / ((Supply Water Concentration + Nano Filtration Concentrated Water Concentration) / 2)) × 100
また、回収率とは、各々のユニット装置への供給水流量に対する処理水流量の割合であり、例えば、ナノろ過膜ユニット装置では供給水に対するナノろ過水、脱塩ユニット装置23では供給水に対する脱塩水、本発明の脱塩方法では塩水に対する淡水、の流量の割合である。
The recovery rate is the ratio of the treated water flow rate to the supply water flow rate to each unit device. For example, in the nanofiltration membrane unit device, the nanofiltration water for the supply water, and in the
1段目ナノろ過膜ユニット装置21の操作圧力については、膜の種類、塩水の水質や水温、回収率などによって適宜選択されるが、通常、0.1〜7MPa、好ましくは0.5〜4MPaの範囲で選択される。
The operating pressure of the first-stage nanofiltration
また、1段目ナノろ過膜ユニット装置21に供給させる除濁水を温調して温水とすることで、ナノろ過膜の透水性が向上して1段目ナノろ過膜ユニット装置21の操作圧力を、温調しないでナノろ過膜ユニット装置の替わりに逆浸透膜ユニット装置を用いた場合に比べてさらに下げることが可能となる。このことによって、エネルギー消費量を低減することができ、さらに除濁水を温調するための熱源として多段フラッシュ蒸留、多重効用式蒸留、及び、蒸気圧縮蒸留からなる群から選択される蒸留ユニットである脱塩ユニット装置23から発生する廃熱を使用すると、温調に使用するエネルギー消費量をも低減することができて好ましい。
Moreover, by adjusting the temperature of the turbidity water to be supplied to the first-stage nanofiltration
通常、塩水の水温が年間変動する場合には、1段目ナノろ過膜ユニット装置21のナノろ過水流量を一定に保つために、水温が低下した場合には除濁水の供給圧力を高くしたり、水温が上昇した場合には除濁水の供給圧力を低くしたり、1段目ナノろ過膜ユニット装置21で使用する1段目ナノろ過膜モジュール2の本数を減らしたりする煩雑な運転制御を行うことが必要であるのに対し、加熱装置25を使用して年間通して水温を一定に制御することができれば、ナノろ過水流量を一定に保つことができるので、塩水の供給圧力を年間を通じて一定に維持すればよく、除濁水の供給圧力の制御や1段目ナノろ過膜モジュール2の本数の変更などといった1段目ナノろ過膜ユニット装置21の運転制御を簡略化でき、運転コストを低減することができる。同様に、1段目ナノろ過膜ユニット装置21の後段の2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過膜ユニット装置においても、水温変動に伴う煩雑な運転制御を簡略化できるために運転コストを低減することができる。さらに、年間を通じてナノろ過膜、逆浸透膜の透水性を一定に保つことから、設計時の膜分離性能、膜ユニット性能の予測が容易となるので好ましい。
Normally, when the salt water temperature fluctuates annually, in order to keep the nanofiltration water flow rate of the first-stage nanofiltration
1段目ナノろ過膜ユニット装置21に供給させる除濁水を加熱装置25によって温調する水温については、好ましくは30〜60℃、さらに好ましくは35〜45℃の範囲である。加熱装置を使用して年間を通じて除濁水を一定の水温に保つ場合、少なくとも年間変動する塩水の最高水温以上にしなければならない。一方、一般に水温が高くなるほどナノろ過膜、逆浸透膜の透水性は向上するが、逆に排除率が低下してナノろ過水、逆浸透膜透過水の蒸発残留物量が高くなること、ナノろ過膜エレメント、逆浸透膜エレメントの温度耐久性を考慮すると、除濁水の温度は35〜45℃の範囲で温度調整することが好ましい。
About the water temperature which controls the temperature of the turbidity water supplied to the 1st step | paragraph nanofiltration
次に、2段目ナノろ過膜ユニット装置22は、1段目ナノろ過膜ユニット装置21のナノろ過膜モジュール2の構成と同様の範囲であれば良く、2段目ナノろ過膜ユニット装置22の操作圧力については、膜の種類、塩水の水質や水温、回収率などによって適宜選択されるが、通常、0.1〜7MPa、好ましくは0.5〜4MPaの範囲で選択される。また、2段目ナノろ過膜ユニット装置22に供給される1段目ナノろ過膜ユニット装置21のナノろ過水を温調してもよい。2段目ナノろ過膜ユニット装置への供給水の水温をさらに上げることでナノろ過膜の透水性が向上し、2段目ナノろ過膜モジュール4の操作圧力をさらに下げることが可能となる。
そして、脱塩ユニット装置23は、2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過濃縮水を処理して脱塩水を調製し、2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過水と混合して、飲用水品質を満足する淡水に調製している。脱塩ユニット装置23としては、例えば、多段フラッシュ蒸留(MSFD)ユニット、多重効用蒸留(MED)ユニット、蒸気圧縮蒸留(VCD)ユニット、あるいはこれらを複合させた蒸留ユニット装置や、逆浸透膜ユニット装置が挙げられるが、これらに限られるものではない。
Next, the second-stage nanofiltration
And the
蒸留ユニット装置からは、不純物が非常に少ない蒸留水が調製され、一方、濃縮水であるブローダウンが排出される。蒸留ユニット装置への供給水として、塩水よりもカルシウムイオン、マグネシウムイオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどのスケール成分が低減された2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過濃縮水を用いることによって、熱駆動型造水ユニット装置23の最高ブライン温度(TBT)を、従来技術よりも高めることが可能となり、回収率の向上、エネルギー効率の向上を図ることができる。逆浸透膜ユニット装置からは、逆浸透処理された不純物が非常に少ない逆浸透膜透過水が調製され、濃縮水である逆浸透膜濃縮水が排出される。逆浸透膜ユニット装置への供給水として、塩水よりもスケール成分が低減された2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過濃縮水を用いることによって、従来技術よりも回収率を高めてもスケール成分の析出を発生させることがないので、エネルギー効率の向上を図ることができる。
Distilled water with very few impurities is prepared from the distillation unit apparatus, while blowdown, which is concentrated water, is discharged. Nanofiltration concentrated water after the second-stage nanofiltration
ここで、逆浸透膜ユニット装置としては、逆浸透膜ユニット装置に水を供給するためのROポンプ11と、逆浸透膜モジュール12から構成される。ROポンプとしては、渦巻ポンプやタービンポンプ、プランジャーポンプなどの種々の形式のポンプを用いることができるが、特にこれらに限定されるものではない。逆浸透膜モジュール12を構成するナノろ過膜については、例えば、素材としては、ポリアミド系、ポリピペラジンアミド系、ポリエステルアミド系、あるいは水溶性のビニルポリマーを架橋したものなどを使用することができ、その膜構造としては、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面の膜に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有するもの(非対称膜)や、このような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分離機能層を有するもの(複合膜)などを使用することができる。しかしながら、低圧運転時における高造水量のためには複合膜であることが好ましく、中でも、透過水量、耐薬品性等の点からポリアミド系複合膜が、さらにはピペラジンポリアミド系複合膜が好ましい。また、逆浸透膜モジュール12は、平膜状の膜を集水管の周囲に巻囲したスパイラル型エレメントや、プレート型支持板の両面に平膜を張ったものをスペーサーを介して一定の間隔で積層してモジュール化したプレート・アンド・フレーム型エレメント、さらには、管状膜を用いたチューブラー型エレメント、中空糸膜を束ねてケースに収納した中空糸膜エレメントを、耐圧容器に単数もしくは複数個直列に接続して収容して構成される。エレメントの形態としては、いずれの形態であってもよいが、操作性や互換性の観点からはスパイラル型エレメントを使用するのが好ましい。なお、エレメント本数は、膜性能に応じて任意に設定することができる。スパイラル型エレメントを用いた場合、1つのモジュールに装填するエレメントの本数は、直列に6本から8本程度に配列することが好ましい。また、逆浸透膜ユニット装置とは、逆浸透膜モジュール12を一段以上に直列に配設して、各段の逆浸透膜モジュールによって分離・濃縮された逆浸透膜濃縮水を、後段の逆浸透膜モジュールへ通水することによって構成される。このとき、各段で逆浸透膜モジュールは並列に複数配設しても構わない。 Here, the reverse osmosis membrane unit device includes an RO pump 11 for supplying water to the reverse osmosis membrane unit device and a reverse osmosis membrane module 12. As the RO pump, various types of pumps such as a centrifugal pump, a turbine pump, and a plunger pump can be used, but the RO pump is not particularly limited thereto. For the nanofiltration membrane constituting the reverse osmosis membrane module 12, for example, as a material, polyamide-based, polypiperazine amide-based, polyester amide-based, or a water-soluble vinyl polymer crosslinked can be used, The membrane structure has a dense layer on at least one side of the membrane, and has fine pores with gradually increasing pore diameters from the dense layer to the inside of the membrane or the membrane on the other side (asymmetric membrane), or such an asymmetric membrane. A material having a very thin separation functional layer (composite film) formed of another material on the dense layer can be used. However, a composite membrane is preferred for high water production during low-pressure operation, and among them, polyamide composite membranes and piperazine polyamide composite membranes are more preferable from the viewpoints of the amount of permeated water and chemical resistance. In addition, the reverse osmosis membrane module 12 is a spiral type element in which a flat membrane membrane is wound around a water collecting pipe, or a plate type support plate with flat membranes stretched on both sides at regular intervals via spacers. One or more plate-and-frame elements stacked and modularized, tubular elements using tubular membranes, and hollow fiber membrane elements bundled with hollow fiber membranes and housed in a case It is constructed by connecting in series. The element may be in any form, but it is preferable to use a spiral element from the viewpoint of operability and compatibility. The number of elements can be arbitrarily set according to the membrane performance. When spiral type elements are used, it is preferable that the number of elements loaded in one module is arranged in the order of 6 to 8 in series. In addition, the reverse osmosis membrane unit device is configured such that the reverse osmosis membrane modules 12 are arranged in series in one or more stages, and the reverse osmosis membrane concentrated water separated and concentrated by the reverse osmosis membrane modules in each stage is used as the reverse osmosis in the latter stage. It is configured by passing water through the membrane module. At this time, a plurality of reverse osmosis membrane modules may be arranged in parallel at each stage.
逆浸透膜ユニット装置の操作圧力については、膜の種類、逆浸透膜ユニット装置への供給水の水質や水温、逆浸透膜ユニット装置の回収率などによって適宜選択されるが、通常、2〜8MPa、好ましくは3〜7MPaの範囲で選択される。 The operating pressure of the reverse osmosis membrane unit device is appropriately selected depending on the type of membrane, the quality and temperature of the water supplied to the reverse osmosis membrane unit device, the recovery rate of the reverse osmosis membrane unit device, etc. , Preferably 3 to 7 MPa.
脱塩ユニット装置23への供給水である2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過濃縮水は、塩水あるいは除濁水よりも蒸発残留物量、スケール成分の濃度が低減されており、塩水あるいは除濁水を脱塩ユニット装置23によって処理する場合よりも、高い回収率で脱塩水を得ることができる。ここで、脱塩ユニット装置23が逆浸透膜ユニット装置である場合の回収率は、逆浸透膜濃縮水の蒸発残留物量が高くなって浸透圧が高くなり過ぎることに起因する操作圧力の上限への到達してしまうような回収率上限、あるいは逆浸透膜濃縮水のスケール成分の濃度が高くなってスケール成分の析出が発生してしまうような回収率上限のいずれかによって決定される。しかしながら、2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過濃縮水の水質から、一般的に逆浸透膜ユニット装置の回収率は、蒸発残留物量に起因して上限が定まる。一方、脱塩ユニット装置23が蒸留ユニット装置である場合の回収率は、蒸留法の原理からブローダウンのスケール成分の濃度が高くなってスケール成分が析出してしまうような回収率で上限が定まる。よって、本発明においては、脱塩ユニット装置23に蒸留ユニット装置を選択する方が、回収率の面で好ましい。
The nanofiltration concentrated water after the second-stage nanofiltration
図2の造水装置は、脱塩ユニット装置23への供給水として、2段目ナノろ過膜ユニット装置22のナノろ過濃縮水と、加熱装置25もナノろ過膜ユニット装置21,22もバイパスさせた除濁水とを混合した水を使用した以外は、図1において図示した造水装置とまったく同様の構成である。
The fresh water generator of FIG. 2 bypasses the nanofiltration concentrated water of the second-stage nanofiltration
ここで、加熱装置もナノろ過膜ユニット装置もバイパスさせた除濁水は、1段目ナノろ過膜ユニット装置21に供給するための除濁装置と同様の構成からなる除濁装置によって塩水中の濁質を除去した除濁水であっても構わないし、除濁が1段目ナノろ過膜ユニット装置21に供給するための除濁装置とは異なる構成であって、脱塩ユニット装置23への供給水として十分な水質を得るために必要な前処理装置から構成される除濁装置によって塩水中の濁質を除去した除濁水であっても構わない。
Here, the turbid water in which both the heating device and the nanofiltration membrane unit device are bypassed is turbid in the salt water by the turbidity device having the same configuration as the turbidity device for supplying to the first-stage nanofiltration
図3の造水装置は、2段目ナノろ過膜ユニット装置22から得られるナノろ過水を、ナノろ過3段目ポンプ7と3段目ナノろ過膜モジュール8から構成される3段目ナノろ過膜ユニット装置24に通水することと、脱塩ユニット装置23への供給水として、2段目ナノろ過装置ユニット22から排出されるナノろ過濃縮水と、3段目ナノろ過ユニット装置24から排出されるナノろ過濃縮水と、ナノろ過ユニット装置をバイパスさせた除濁水とを混合した水を使用することと、3段目ナノろ過膜ユニット装置24によって調製されたナノろ過水と、脱塩ユニット装置23から調製された脱塩水とを混合して淡水とすること以外は、図2において図示した造水装置とまったく同様の構成である。
3, the nanofiltration water obtained from the second-stage nanofiltration
図4の造水装置は、1段目ナノろ過膜ユニット装置21へ供給される加熱された除濁水を、ナノろ過供給流量調整バルブ9とナノろ過バイパス流量調整バルブ10とを使用して、1段目ナノろ過膜ユニット装置21への供給水と、脱塩ユニット装置23への供給水とに分流させること以外は、図2において図示した造水装置とまったく同様の構成である。ここで、脱塩ユニット装置23への供給水は、温調された除濁水をナノろ過バイパス流量調整バルブ10を通過して、ナノろ過膜ユニット装置をバイパスさせた後に、2段目ナノろ過膜ユニット装置22以降のナノろ過濃縮水と混合した水である。
4 uses the nanofiltration supply flow
図1に示したように構成された造水装置において、本発明は次のように実施される。
たとえば、海水(塩水)を除濁装置で処理し、除濁された海水を加熱装置25によって所定温度まで温めた後、ナノろ過1段目ポンプ1で操作圧力まで加圧され、1段目ナノろ過膜ユニット装置21に通水され、ナノろ過水とナノろ過濃縮水とに分離される。この1段目ナノろ過膜ユニット装置21は、ナノろ過膜モジュール2を一段以上に直列に配設して、各段のナノろ過膜モジュールによって分離・濃縮されたナノろ過濃縮水を、後段のナノろ過膜モジュールへ通水することによって構成される。このとき、各段でナノろ過膜モジュールは並列に複数配設しても構わない。また、ナノろ過膜モジュール2を二段以上に直列に配設した場合には、各段の中間に昇圧ポンプを有しても良い。例えば、1段目のナノろ過膜モジュールのナノろ過濃縮水を2段目のナノろ過膜モジュールに供給する前に昇圧ポンプを用いて昇圧してもよい。このとき、1段目ナノろ過膜ユニット装置21は、回収率が50〜95%、蒸発残留物の排除性能が50〜95%で、2荷イオンの排除性能が80%以上となるように運転される。
In the desalinator constructed as shown in FIG. 1, the present invention is implemented as follows.
For example, seawater (salt water) is treated with a turbidity device, and the turbidized seawater is heated to a predetermined temperature by a
ここで、1段目ナノろ過膜ユニット装置21の上記運転条件を満足するにあたり最も問題となるのが海水に含まれるスケール形成成分である硫酸カルシウムである。硫酸カルシウムは主に2水和物(CaSO4・2H2O)で析出し、析出限界濃度は「膜利用ハンドブック」(大矢晴彦著)によれば約3,280mg/Lと報告されている。このデータから、析出限界のカルシウムイオン濃度は約965mg/L、硫酸イオン濃度は2,315mg/Lが得られる。
Here, calcium sulfate, which is a scale forming component contained in seawater, is most problematic when the above-described operating conditions of the first-stage nanofiltration
一方、海水中(日本近海、塩濃度が3.5重量%として)にはカルシウムイオンが約400mg/L、硫酸イオンが約2,300mg/L含まれているため、ナノろ過膜を用いた膜分離法では、被処理水側(濃縮水側)のカルシウム濃度が析出限界濃度を越えなければスケール析出は起こらない。 On the other hand, the seawater (the sea near Japan, assuming a salt concentration of 3.5% by weight) contains about 400 mg / L calcium ions and about 2,300 mg / L sulfate ions. In the separation method, scale precipitation does not occur unless the calcium concentration on the treated water side (concentrated water side) exceeds the precipitation limit concentration.
そのため、1段目ナノろ過膜ユニット装置21の回収率を50〜90%の範囲とする場合、特に1段目ナノろ過膜ユニット装置21の2荷のイオン排除性能が90%の時は、スケール析出を防ぐために、濃縮水側のカルシウムイオン濃度が硫酸カルシウムの析出限界値である965mg/Lを越えない範囲にすることが好ましく、これを満足するためには、1段目ナノろ過膜ユニット装置21の回収率を63%以下程度にすることが好ましい。
Therefore, when the recovery rate of the first-stage nanofiltration
また、1段目ナノろ過膜ユニット装置21のスケール析出を防ぐ方法として、塩水である海水に予めスケール生成防止剤を添加しておいてもよい。スケール生成防止剤は、上記スケール成分中の金属イオン(Ca2+等)と錯体を形成して、これを可溶化させるものであり、例えば有機イオンまたは無機イオンからなるポリマ、あるいはモノマを用いることができる。具体的には、ヘキサメタ燐酸ナトリウムやエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム等の薬品を用いることができる。この場合、1段目ナノろ過膜ユニット装置21の回収率を63%以上にすることができる。
In addition, as a method for preventing scale deposition of the first-stage nanofiltration
次に、1段目ナノろ過膜ユニット装置21で得られたナノろ過水は、ナノろ過2段目ポンプによって、浸透圧以上の操作圧力になるように加圧され、2段目ナノろ過膜ユニット装置22に通水され、ナノろ過水とナノろ過濃縮水とに分離される。この2段目ナノろ過膜ユニット装置22は、ナノろ過膜モジュール4を一段以上に直列に配設して、各段のナノろ過膜モジュールによって分離・濃縮されたナノろ過濃縮水を、後段のナノろ過膜モジュールへ通水することによって構成される。このとき、各段でナノろ過膜モジュールは並列に複数配設しても構わない。また、ナノろ過膜モジュール4を二段以上に直列に配設した場合には、各段の中間に昇圧ポンプを有しても良い。例えば、1段目のナノろ過膜モジュールのナノろ過濃縮水を2段目のナノろ過膜モジュールに供給する前に昇圧ポンプを用いて昇圧してもよい。このとき、2段目ナノろ過膜ユニット装置22は、回収率が50〜95%の範囲で制御した。
Next, the nanofiltration water obtained by the first-stage nanofiltration
この2段目ナノろ過膜ユニット装置22で得られたナノろ過濃縮水を多段フラッシュ(MSFD)ユニット5に供給し、蒸留水を製造して、2段目ナノろ過膜ユニット装置22のナノろ過水と混合して淡水とする。
The nanofiltration concentrated water obtained by the second-stage nanofiltration
多段フラッシュ蒸留装置への供給水が塩水よりもカルシウムイオン、マグネシウムイオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどのスケール成分が低減された2段目ナノろ過膜ユニット装置22のナノろ過濃縮水を用いることによって、多段フラッシュ蒸留(MSFD)ユニット5の最高ブライン温度(TBT)を、従来技術より高めることができ、回収率の向上、エネルギー効率の向上を図ることができる。
The supply water to the multistage flash distillation apparatus is obtained by using the nanofiltration concentrated water of the second stage nanofiltration
また、多段フラッシュ蒸留(MSFD)ユニット5から発生する廃熱を用いて、1段目ナノろ過膜ユニット装置21への供給水を所望温度(例えば35〜45℃)の範囲内に制御することができるので、1段目ナノろ過膜ユニット装置21においては一定のナノろ過水量を安定して製造することができる。
Further, the waste water generated from the multistage flash distillation (MSFD)
ここで、2段目ナノろ過膜ユニット装置22のナノろ過水の水質として蒸発残留物量について着目すると、塩水の蒸発残留物量35000mg/L、1段目ナノろ過膜ユニット装置21で90%除去、2段目ナノろ過膜ユニット装置22で85%の除去がなされたと仮定してナノろ過水の蒸発残留物濃度は525mg/Lとなり、飲料水基準(例えば、蒸発残留物量500mg/L以下)の蒸発残留物量を超えることになるが、多段フラッシュ蒸留(MSFD)ユニット5で製造した蒸留水を混合することで飲料水基準を満足することができる。
Here, paying attention to the evaporation residue amount as the quality of the nanofiltration water of the second-stage nanofiltration
また、本発明においては、ナノろ過膜ユニット装置にエネルギー回収装置を設置しても構わない。エネルギー回収装置としては、例えばペルトン水車、ターボチャージャー、ワークエクスチェンジャー、プレッシャーエクスチェンジャーなどが挙げられるがこれらに限られるものではない。 In the present invention, an energy recovery device may be installed in the nanofiltration membrane unit device. Examples of the energy recovery device include, but are not limited to, a Pelton turbine, a turbocharger, a work exchanger, a pressure exchanger, and the like.
<実施例1>
図1に示す造水装置に、塩分濃度3.5重量%の海水を供給して造水を行った。
<Example 1>
Fresh water was produced by supplying seawater having a salinity of 3.5% by weight to the fresh water generator shown in FIG.
なお、除濁装置は、公称孔径0.01μmのポリアクリロニトリル製限外ろ過膜を中空糸とし、それを束ねて膜面積が12m2となったエレメントを、12本並列に配置して構成した。 In addition, the turbidity removing device was constituted by arranging in parallel 12 elements in which a polyacrylonitrile ultrafiltration membrane having a nominal pore diameter of 0.01 μm was made into a hollow fiber and bundled to a membrane area of 12 m 2 .
除濁された塩水を温めるために、熱駆動型造水ユニット装置23からの廃熱を熱源として熱交換により加熱する装置を配置した。
In order to warm the turbidized salt water, an apparatus for heating by heat exchange using the waste heat from the heat-driven water making
1段目ナノろ過膜ユニット装置21は、膜面積が7m2の膜エレメントを圧力容器に4本入れたモジュール2本を並列に、その後段に同様のモジュール1本を配置し、前段のモジュール2本からの濃縮水を昇圧ポンプで昇圧して後段のモジュールに導入する構成とした。ナノろ過膜の膜性能は、温度30℃、濃度2000mg/lの硫酸ナトリウム水溶液を0.45MPaで供給したとき、硫酸イオン除去率が90%で、膜透過流束が1.12m3/m2/dであった。また、温度30℃、濃度2000mg/lの塩化ナトリウム水溶液を0.45MPaで供給したとき、塩化物イオン除去率が85%で、膜透過流束が0.89m3/m2/dであった。
The first-stage nanofiltration
次に、2段目ナノろ過膜ユニット装置22は、膜面積が7m2の膜エレメントを圧力容器に4本入れたモジュール2本を並列に、その後段に同様のモジュール1本を配置し、前段のモジュール2本からの濃縮水を昇圧ポンプで昇圧して後段のモジュールに導入する構成とした。ナノろ過膜の膜性能は、温度30℃、濃度2000mg/lの硫酸ナトリウム水溶液を0.45MPaで供給したとき、硫酸イオン除去率が99%で、膜透過流束が1.05m3/m2/dであった。また、温度30℃、濃度2000mg/lの塩化ナトリウム水溶液を0.45MPaで供給したとき、塩化物イオン除去率が95%で、膜透過流束が0.73m3/m2/dであった。
Next, the second-stage nanofiltration
また、熱駆動型造水ユニット装置23には、多段フラッシュ蒸留装置(MSFD)を使用し、最高ブライン温度(TBT)を130℃に設定し、装置入りの流量(2段目ナノろ過膜ユニット装置22の濃縮水)と蒸留水量の比が1:1であった。
In addition, a multistage flash distillation apparatus (MSFD) is used for the heat driven fresh water
この造水装置を用い、除濁モジュールで得られた除濁水を、所定温度(35〜45℃)に温めた後に1段目ナノろ過膜ユニット装置21に通水し、運転圧力を4.0MPaにして前段のモジュールに供給し、その前段のモジュールの濃縮水を6.0MPaまで昇圧して後段のモジュールに供給し、ナノろ過膜ユニット装置21での回収率が60%となるようにして運転したところ、蒸発残留物濃度が0.082重量%のナノろ過水が得られた。
Using this fresh water generator, the turbid water obtained by the turbidity module was heated to a predetermined temperature (35 to 45 ° C.) and then passed through the first-stage nanofiltration
その後、このナノろ過水をナノろ過2段目ポンプ3で1.5MPaに昇圧して2段目ナノろ過ユニット装置22の前段のモジュールに供給し、その前段のモジュールの濃縮水を2.0MPaまで昇圧して後段のモジュールに供給して、透過水の回収率が55%となるように運転し、その濃縮水を多段フラッシュ蒸留装置に通水して濃縮水量の50%分の蒸留水を製造した。装置全体としては47%回収、混合水の蒸発残留物濃度が458mg/Lとなり、飲用水品質の淡水を高回収率で得ることができた。
Thereafter, the nanofiltration water is boosted to 1.5 MPa by the nanofiltration second-
<比較例1>
2段目ナノろ過膜ユニット装置22のナノろ過膜モジュール4の代わりに、逆浸透膜モジュールを用いた以外は実施例1と同様の造水装置を構成し、造水を行った。
<Comparative Example 1>
Instead of the
逆浸透膜モジュールは、膜面積が7m2のエレメントを圧力容器に4本入れ、実施例1と同様の構成で配置した。逆浸透膜の性能は、水温が30℃、濃度2000mg/lの塩化ナトリウム水溶液を7.5MPaで供給したとき、塩化物イオン除去率が99.5%で、膜透過流束が0.93m3/m2/dであった。 In the reverse osmosis membrane module, four elements having a membrane area of 7 m 2 were placed in a pressure vessel and arranged in the same configuration as in Example 1. The performance of the reverse osmosis membrane was as follows. When a sodium chloride aqueous solution having a water temperature of 30 ° C. and a concentration of 2000 mg / l was supplied at 7.5 MPa, the chloride ion removal rate was 99.5% and the membrane permeation flux was 0.93 m 3. / M 2 / d.
この造水装置を用い、1段目のナノろ過水をナノろ過2段目ポンプ3で1.5MPaに昇圧して、逆浸透膜モジュールの前段のモジュールに供給し、その前段のモジュールの濃縮水を2.0MPaまで昇圧して後段のモジュールに供給したところ、透過水の回収率が31%となり、その濃縮水を多段フラッシュ蒸留装置に通水して濃縮水量の50%分の蒸留水を製造した。混合水の蒸発残留物濃度が24mg/Lとなり、飲用水品質の淡水が得られ、回収率としては、装置全体で39%となった。
Using this fresh water generator, the first-stage nanofiltration water is boosted to 1.5 MPa by the nanofiltration second-
<比較例2>
比較例1と同様の造水装置を使用した。この造水装置全体の回収率を47%になるため、1段目ナノろ過水をナノろ過2段目ポンプ3で2.1MPaまで昇圧して、逆浸透膜モジュールにの前段のモジュールに供給し、その前段のモジュールの濃縮水を2.8MPaまで昇圧して後段のモジュールに供給した。逆浸透膜の透過水の回収率は55%となり、その濃縮水を多段フラッシュ蒸留装置に通水して濃縮水量の50%分の蒸留水を製造した。混合水の蒸発残留物濃度が28mg/Lとなり、飲用水品質の淡水が得られたが、2段目ナノろ過膜ユニット装置の供給圧力が1.4倍高くなったことで電力消費量が増大し、造水コストが増大した。
<Comparative example 2>
A fresh water generator similar to Comparative Example 1 was used. Since the recovery rate of the entire fresh water generator is 47%, the first-stage nanofiltration water is boosted to 2.1 MPa by the nanofiltration second-
1:ナノろ過1段目ポンプ
2:1段目ナノろ過膜モジュール
3:ナノろ過2段目ポンプ
4:2段目ナノろ過膜モジュール
5:多段フラッシュ蒸留(MSFD)ユニット
7:ナノろ過3段目ポンプ
8:3段目ナノろ過膜モジュール
9:ナノろ過供給流量調整バルブ
10:ナノろ過バイパス流量調整バルブ
11:ROポンプ
12:逆浸透膜モジュール
21:1段目ナノろ過膜ユニット装置
22:2段目ナノろ過膜ユニット装置
23:脱塩ユニット装置
24:3段目ナノろ過膜ユニット装置
25:加熱装置
1: Nanofiltration first stage pump 2: First stage nanofiltration membrane module 3: Nanofiltration second stage pump 4: Second stage nanofiltration membrane module 5: Multistage flash distillation (MSFD) unit 7: Nanofiltration third stage Pump 8: Third stage nanofiltration membrane module 9: Nanofiltration supply flow rate adjustment valve 10: Nanofiltration bypass flow rate adjustment valve 11: RO pump 12: Reverse osmosis membrane module 21: First stage nanofiltration membrane unit device 22: Two stages Eye nanofiltration membrane unit device 23: Desalination unit device 24: Third stage nanofiltration membrane unit device 25: Heating device
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