JP2012246711A - 海水の浸透取水ろ過方法及び砂層表面の目詰まり防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広大な面積の浸透取水施設を必要としないようにする。
【解決手段】海底の砂層内に取水配管を埋め込み、海中から砂層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透取水ろ過方法である。海水浸透速度を４００m／日以下でできるだけ大きい速度とする。砂層を潮流や波浪の水粒子速度がない静穏海域に設置して、砂層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止する。
【効果】短期間での取水量が大量となり、従来に比べて取水面積を小さくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、海底の砂層内を浸透してくる海水を取水する際のろ過方法、及びこのろ過方法を実施するために、砂層表面に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を取り除いて目詰まりを防止する装置に関するものである。

海水を取水する方法として、現在は、図５に示すように、例えば海底に設けた取水口１から導水管２を介して海水を取水する直接取水法が多く採用されている。なお、図５中の３は海水を取水するためのポンプ、４は逆浸透膜装置である。

しかしながら、直接取水法は、海水と同時にごみ、懸濁物、生物等を全て取水するので、クラゲや赤潮の異常発生時、油の流出事故時、高波による濁度の増大時には、取水を停止しなければならない場合がある。また、取水口や導水管へのフジツボ、イガイ等の海洋生物の付着が激しいので、定期的な清掃、付着防止の薬品（塩素）添加、全管路における生物付着代を考慮した管径の増大等が必要である。さらに、取水した海水を逆浸透膜で処理する場合には、凝集剤を添加した海水をろ過する砂ろ過施設が必要となるので、砂ろ過施設に溜まった汚泥を処理する施設が必要になる。

そこで、近年、取水する海水の前処理として、凝集剤等の薬品を使用しないで、図６に示すように、海底の砂層（以下、砂ろ過層という。）５内を浸透してくる海水を取水する間接取水法が脚光を浴びている。

この間接取水法は、汀線より数百m、水深十数mの沖合にて海底を掘削し、当該掘削部に、図７に示すように、砕石層５ａ、粒調砕石層５ｂ、置換砂層５ｃで構成された砂ろ過層５を形成しながら、再び同じ海底面まで埋め戻すことで、砕石層５ａ中に設置した取水配管６から、ろ過浸透して浄化された海水を取水する方法である。この間接取水法の場合、直接取水法の問題は一切発生しないが、イニシャルコストが高いことと、浸透面での目詰まりによる取水量の低下の問題により、普及拡大が遅れている。

そこで、このような浸透取水法において、海水を取水する海底の砂ろ過層の目詰まりを可及的に低減でき、また砂ろ過層の表面に堆積した懸濁物等を、手間をかけずに取り除くことができ、安定した取水を確保し得る方法が特許文献１で提案されている。

この特許文献１で提案された浸透取水法は、海底の砂ろ過層内に発現される海水浸透流速を１〜８m／日とし、前記砂ろ過層の水深は、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くすることを特徴としている。

しかしながら、この特許文献１で提案された浸透取水法は、海水の浸透取水速度が１〜８m／日という、非常に緩速なろ過速度であるため、短期間で大量の海水を取水するには広大な面積を必要とし、工事規模が大きくなる。加えて、表面に堆積したシルト（泥分）による砂ろ過層の目詰まりを防止するために、最適な海水流動が促進される海域への設置が必要であり、波浪による海水流動がある場所を求めるために、海水淡水化プラントから遠くの位置での取水となる。

特許第３８９９７８８号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の浸透取水法は、海水の浸透取水速度が非常に緩速なろ過速度であるため、短期間で大量の海水を取水するには広大な面積を必要とするという点である。加えて、最適な海水流動が促進される海域への設置が必要であり、海水淡水化プラントから遠くの位置での取水となるという点である。

本発明は、上記問題を解決し、広大な面積を必要としない海水の浸透取水法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明の海水の浸透取水ろ過方法は、
海底の砂ろ過層内に取水配管を埋め込み、海中から砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透取水ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
砂ろ過層を潮流や波浪の水粒子速度がない静穏海域に設置して、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止するか、或いは、砂ろ過層を潮流や波浪の水粒子速度が活発な海域に設置して、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を波や流れにより取り除いて目詰まりを防止することを最も主要な特徴としている。

上記の本発明では、海水浸透速度が４００m／日以下のできるだけ大きい速度とすることで、短期間での取水量が大量となり、従来に比べて取水面積を小さくすることができる。

上記本発明のうち、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止する場合は、機械式、エアー式、噴流水式の何れかの装置を砂ろ過層の表面に設置すれば良い。

本発明では、海水浸透速度が４００m／日以下のできるだけ大きい速度とすることで、短期間での取水量が大量となり、従来に比べて取水面積を小さくすることができる。また、本発明のうち、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止する場合は、最適な海水流動が促進される海域への設置が不要になり、海水淡水化プラントの近くで取水できる。従って、工事規模や取水施設規模を格段に小規模化することができ、これに伴い、周囲環境への工事時の影響も各段に緩和できる。

本発明の海水の浸透取水ろ過方法の実験フロー図である。 実験結果の一例を示した図で、（ａ）は濁度のデータを示した図、（ｂ）はシルト濃度指数（ＳＤＩ）のデータを示した図である。 完全閉塞と標準閉塞の経過時間と圧力損失の関係を示した図である。 本発明の海水の浸透取水ろ過方法のイメージ図である。 従来の直接海水取水方法の概略説明図である。 海底浸透海水取水方法の概略説明図である。 海底浸透部の概略構成図である。

本発明は、広大な面積の浸透取水施設を必要としないようにするという目的を、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度とすることで実現した。

以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図４を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の海水の浸透取水ろ過方法の実験フローを示した図である。

図１において、１１は海底から５０cm、水面から３．３mの位置に沈めた取水ポンプ、１２はこの取水ポンプ１１によって汲み上げた海水を溜める原水タンクである。原水タンク１２に溜められた海水は、原水ポンプ１３によって汲み上げられ、カラム装置１４に供給される。カラム装置１４には砂層１４ａと砂利層１４ｂからなるろ過層が設けられており、このろ過層を通ったろ過水は、処理水タンク１５に導かれる。

図１に示した実験フローでは、処理水タンク１５のろ過水をカラム装置１４に逆送する逆送ポンプ１６を介設した逆送配管１７と、カラム装置１４に供給された海水がオーバーフローしないように処理水タンク１５に案内するオーバーフロー管１８を設けている。

図１に示したフローの実験装置の取水ポンプで取水した海水を、カラム装置のろ過層を通過させたろ過水の濁度及びシルト濃度指数ＳＤＩを測定した。この測定に使用したろ過層は上方から、φ０．４５mmの砂層（厚さ９００mm）、φ２〜４mmの砂利層（厚さ７５mm）、φ４〜８mmの砂利（厚さ７５mm）、φ６〜１２mmの砂利（厚さ１５０mm）である。

測定結果を図２に示す。ここで、濁度のデータを得た原水には、図２（ａ）の浸透取水速度が０m／日で示した濁度となるような量のシルトを予め添加している。図２の結果より、浸透取水速度を５０〜４００m／日としても、濁度やシルト濃度指数ＳＤＩは浸透取水速度を従来の１〜８m／日とした場合と変わらず、同等の処理性能を示すことが確認された。

ところで、前記特許文献１の発明では、海底の砂ろ過層内に発現される海水浸透流速を１〜８m／日とし、砂ろ過層の水深は、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くすることとしている。

この特許文献１の発明において、海水の前記浸透取水速度を実現する条件として、砂ろ過層の水深を、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くする理由は、以下の通りである。

波によって海底面にある砂粒子がある程度移動することが確認される最大水深である表層移動限界水深における砂ろ過層の表層の砂が１cm以上移動することは海底の砂が洗われる程度であって、この水深よりも深ければ、砂ろ過層表層の砂粒子の移動は殆どないからである。

一方、波の作用によって海底の砂ろ過層が侵食されることが確認される最大水深である完全移動限界水深における砂ろ過層の表層の砂が５０cm以上移動することは海底の砂ろ過層の侵食が認められることになるからである。

また、特許文献１では、シルト粒子の粒径は、一般におおよそ０．００５mm〜０．０７４mmとし、シルトが動き出さない海水の流速、すなわち移動限界流速を求めている。この移動限界流速は、シルト粒子の限界実流速に対して面積空隙率（＝０．３５）を乗じた値となる。粒径と限界実流速の関係を表すグラフを使って求めたシルト粒子の限界実流速は、粒径が０．０８mmのシルト粒子の場合、０．０２６cm／sとしている。

従って、シルトの移動限界流速の上限は、０．０２６×０．３５×２４×３６００＝７８６．２４cm／日で、約８m／日となる。この結果から、砂ろ過層内に巻き込んだシルトによる目詰まりを生じさせないためには、最大でも海水浸透流速は、８m／日以下に設定すべきであるとしている。

また、砂ろ過層に十分な酸素を供給して生物膜を死滅に至らせないようにするためには、少なくとも１m／日の海水浸透流速が必要であるとしている。

これらより、特許文献１の発明では、前記の条件において海水の浸透取水速度を１〜８m／日とすることで、砂ろ過層の表層は海中に発現する波や流れなどにより適度に攪拌され、砂ろ過層表面に堆積したごみ、シルト等の懸濁物を除去することができ、安定した取水を確保できるとしている。

このように特許文献１の発明で規定された海水の浸透取水速度の上限は、海底の表層の砂ろ過層にシルトが進入または混入しないための条件である。この特許文献１におけるシルト吸収抑制の限界となる８m／日の求め方を踏襲すれば、発明者らが１〜８m／日の浸透取水速度の場合と同等の処理性能を示すことを確認した、例えば４００m／日の浸透取水速度とした場合は、シルトを吸収する傾向となる。

つまり、シルトを攪拌もしくは運ぼうとする流れ場がないものとすれば、浸透取水速度を４００m／日とした場合のシルトの砂ろ過層への吸収速度は、（海水の浸透取水速度cm／s）×（砂粒径による空隙率）になると推察できる。従って、４００m／日の浸透取水速度の場合、シルトの砂ろ過層への吸収速度は、｛４００００cm／（２４×３６００）｝×０．３５＝０．１６cm／sとなる。また、酸素を供給するための限界流速１．０m／日以上を実現するためには、｛１００cm／（２４×３６００）｝×０．３５＝０．０００４cm／sとなる。

計算上では、海水の浸透取水速度を４００m／日とした場合は、目詰まりの要因となるシルト粒子が１時間当り約６m（≒０．１６×３６００／１００）も砂ろ過層に浸入することになって、実現性のある洗浄は困難である。

しかしながら、シルト粒子はろ過砂の空隙に比べて非常に小さいことから、いわゆる標準閉塞の形式をとり、シルトが水と共に移動する際に、ろ過砂との分子間力（物理吸着、静電気）によって捕捉されて堆積するため、表層付近にて付着滞留していく。

先に説明した図２（ａ）に示す、シルト成分を添加した実験においては、４００m／日の条件下では、２時間後にシルトはほぼ表層に堆積し、砂ろ過層の内部には１cm程度しか侵入しないことを確認した。

また、標準閉塞は空隙よりも大きな粒子に対しても起こる完全閉塞と異なり、粒子が空隙孔を完全に密閉するために、図３に示すように、シルト粒子の吸着によって空隙孔が時間をかけて狭くなる。これは、空隙の保持閾値まで緩やかに圧力損失が生じるために、シルトを除去し続けた場合でも長時間の浸透が可能であることを意味する。この経過時間は、ろ過材の条件や海水条件（シルト濃度）によっても異なり、この時間が強制洗浄の間隔となる重要な要素となる。

本発明は、発明者らの実験結果と上記の知見に基づき、従来の常識であり、タブーであったろ過材の海水浸透速度の高速化を実現することで、工事規模や取水施設規模の格段の小規模化を実現したものである。

すなわち、本発明の海水の浸透取水ろ過方法は、海底の砂ろ過層内に取水配管を埋め込み、海中から砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を浸透取水する際、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度とし、砂ろ過層を潮流や波浪の水粒子速度がない静穏海域に設置して、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止することを特徴とするものである。

海水よりも浸透性が高い地下水を使用した試験を発明者らが行った結果によれば、６００m／日の浸透速度までは正常に連続運転することができた。但し、浸透速度を７００m／日とした場合は、必要な浄化水量が取水量よりも多くなって、砂ろ過層で連続的に水が流れない状態となり、正常な取水ができなかった。従って、海水の浸透取水する際のろ過方法を対象とする本発明では、安全率を約１．５として、４００m／日の海水浸透速度を上限とした。

この本発明の海水の浸透取水ろ過方法を実施するための、砂ろ過層の表面に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を取り除く装置としては、砂ろ過層の表面を機械的に拭う装置、或いは砂ろ過層の表面にエアーを噴射する装置、或いは砂ろ過層の表面に水を噴射する装置の何れかを設置すれば良い。

このような本発明の場合、海水浸透速度を４００m／日とした場合には、例えば海水浸透速度が８m／日の従来に比べて取水量が５０倍となるので、取水面積を１／５０にすることができる。また、最適な海水流動が促進される海域への設置が不要になり、図４に示すように、海水淡水化プラント２１の近くに浸透取水施設２２を設置できて、工事規模や取水施設規模の格段の小規模化が可能になって、周囲環境への工事時の影響も各段に緩和できる。

また、上記本発明方法は、砂ろ過層の表面に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を取り除く装置を設置しない場合には、砂ろ過層を潮流や波浪の水粒子速度が活発な海域に設置して、波や流れによって砂ろ過層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を取り除いても良い。

本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１１ 取水ポンプ
１２ 原水タンク
１３ 原水ポンプ
１４ カラム装置
１４ａ 砂層
１４ｂ 砂利層
１５ 処理水タンク
２１ 海水淡水化プラント
２２ 浸透取水施設

Claims (3)

1. 海底の砂層内に取水配管を埋め込み、海中から砂層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透取水ろ過方法であって、
   海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
   砂層を潮流や波浪の水粒子速度がない静穏海域に設置して、砂層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止することを特徴とする海水の浸透取水ろ過方法。
2. 海底の砂層内に取水配管を埋め込み、海中から砂層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透取水ろ過方法であって、
   海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
   砂層を潮流や波浪の水粒子速度が活発な海域に設置して、砂層の表層に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を波や流れにより取り除いて目詰まりを防止することを特徴とする海水の浸透取水ろ過方法。
3. 請求項１に記載の海水の浸透取水ろ過方法を実施するために、砂層表面に取り込まれた生物、金属または懸濁物質を取り除いて目詰まりを防止する装置であって、
   機械式、エアー式、噴流水式の何れかの装置を前記砂層表面に設置したことを特徴とする砂層表面の目詰まり防止装置。

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