JP2014030805A - 水処理装置および水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】処理膜の交換頻度を低減できる水処理装置および水処理システムを提供する。
【解決手段】ＲＯエレメント３を収容するベッセル２と、ベッセル２内に海水を含む被処理水を導入する導入口２ｂ１と、に含まれる有機物を吸着させる吸着部材４と、を備え、導入口２ｂ１とＲＯエレメント３との間に吸着部材４を配置した。また、吸着部材４は、ベッセル２に対して取り外し可能であり、整流機能を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、海水などを透過させることで淡水を得る水処理装置および水処理システムに関する。

近年、逆浸透（ＲＯ：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜によるろ過処理を用いた逆浸透膜処理装置（水処理装置）を含んで構成された淡水化処理システム（水処理システム）が増加する傾向にある。このような逆浸透膜処理装置は、海水にその浸透圧の２倍以上の圧力を加えて逆浸透膜を通過させることによって、塩分の透過を抑制して、淡水を得ることができるものである。逆浸透膜処理装置の透過性能を低下させる現象として、有機ファウリングがある。有機ファウリングは、海水中に含まれる微生物が生成する細胞外代謝産物などによって生じるファウリング（目詰まり）であり、逆浸透膜を目詰まりさせる現象である。

このような有機ファウリングは、ファウリング原因物質（ファウラント）のＲＯ膜の膜面への吸着から始まり、それを餌に微生物が膜面で増殖することで発生するといわれている。そこで、特許文献１では、処理膜（ＲＯ膜など）の表面に、抗菌剤を含む糸で構成した供給側流路材を積層したものを使用することが提案されている。

特開２０１０−８９０８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、供給水（被処理水）を供給側流路材によって処理膜表面に導くことで抗菌するものであるため、処理膜に微生物などを含む供給水が接触するのを十分に阻止することはできず、処理膜の交換頻度を低減することは困難であった。

本発明は、処理膜の交換頻度を低減できる水処理装置および水処理システムを提供することを目的とする。

本発明は、塩分を含む被処理水を淡水化する逆浸透膜を備えた処理部と、前記処理部を収容する容器と、前記容器内に前記被処理水を導入する導入部と、前記被処理水に含まれる有機物を吸着させる吸着部材と、を備え、前記導入部と前記処理部との間の容器内に前記吸着部材を配置したことを特徴とする。

これによれば、被処理水を逆浸透膜に導入する前に、被処理水に含まれる有機物（ファウラント）を逆浸透膜の上流側の吸着部材によって吸着させることができるので、逆浸透膜に有機物が吸着するのを低減することが可能になる。

本発明によれば、逆浸透膜の交換頻度を低減可能な水処理装置および水処理システムを提供できる。

本実施形態に係る水処理装置を示す内部構造図である。 水処理装置のＲＯエレメントの内部構造を示す一部展開斜視図である。 水処理装置のＲＯエレメントのＲＯ膜の展開図である。 水処理装置のＲＯエレメントがベッセルに組み込まれた逆浸透膜モジュールを示す透視斜視図である。 水処理装置に設けられる吸着部材を示す正面図である。 水処理装置の流体の流れを示す模式図である。 各種試薬ごとの吸着量を示すグラフである。 水処理装置を備えた水処理システムを示す概略構成図である。

以下、本実施形態に係る水処理装置１およびこの水処理装置１を備えた水処理システム１００について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る水処理装置１は、海水、汽水、かん水などの比較的塩分濃度の高い水を工業用水や飲料水などの水として再利用可能に浄化処理をする海水淡水化処理系（水処理システム１００）に適用されるものである。なお、「海水、汽水、かん水などの比較的塩分濃度の高い水」は、塩分を含む被処理水（以下、被処理水と略記する）に相当する。

図１は、本実施形態に係る水処理装置を示す内部構造図である。なお、図１では、水処理装置の被処理水が導入される入口側のみを図示している。
図１に示すように、水処理装置１は、ベッセル２（容器）、逆浸透膜エレメント（以下、ＲＯエレメントと表記）３、吸着部材４などで構成されている。なお、ＲＯエレメント３は、逆浸透膜を備えた処理部に相当する。

ベッセル２は、円筒形状を有する筒体２ａと、この筒体２ａの軸方向の端部を塞ぐ端板２ｂ，２ｃ（端板２ｃについては図４参照）と、で構成されている。端板２ｂは、筒体２ａの軸方向の入口側の開口に着脱自在に構成されている。また、端板２ｂの径方向の中心から外れた位置には、被処理水が導入される導入口２ｂ１（導入部）が形成されている。

なお、本実施形態では、端板２ｂに導入口２ｂ１を形成した場合を例に挙げて説明するが、図１において二点鎖線で示すように、導入口２ｂ１に替えて、筒体２ａの周面の端板２ｂと吸着部材４との間に、被処理水が導入される導入口２ａ１を形成してもよい。

また、ベッセル２は、例えば、後記する高圧ポンプ４０（図８参照）による高い圧力（５ＭＰａ以上）に耐え得るスーパーステンレス（ＰＲＥＮ値（孔食係数）が４０以上の鋼種）によって構成されている。

図２は、水処理装置のＲＯエレメントの内部構造を示す一部展開斜視図である。
図２に示すように、ＲＯエレメント３は、逆浸透膜（以下、ＲＯ膜と表記）１１を含む膜ユニット１０が、ベッセル２（図１参照）の軸中心に対応する位置に沿って形成された集水管１２の周囲にスパイラル状に巻回されることで構成されている。

膜ユニット１０は、ＲＯ膜１１、スペーサ１３，１４により構成されている。

ＲＯ膜１１は、袋状に形成され、袋状に形成された開口が集水管１２の外周部に接着されている。なお、ＲＯ膜１１は、セルロースやポリアミドなどの素材で形成されている。

スペーサ１３は、メッシュ状に形成され、袋状のＲＯ膜１１の内側に配設されている。このスペーサ１３によって、ＲＯ膜１１がスパイラル状に巻かれてもＲＯ膜１１の内部空間が潰れないようになっている。

スペーサ１４は、メッシュ状に形成され、隣り合うＲＯ膜１１，１１の間に配設されている。また、スペーサ１４は、ＲＯ膜１１と同様に集水管１２の外周部に接着されている。

なお、ＲＯ膜１１の構造としては、スパイラル型に限定されるものではなく、中空糸型など他の種類の構造であってもよい。

図３は、水処理装置のＲＯエレメントのＲＯ膜の展開図である。なお、この図３は、ＲＯエレメント３を軸方向から見たときの展開図である。
図３に示すように、ＲＯエレメント３は、４枚の袋状のＲＯ膜１１，１１，１１，１１を備え、それぞれのＲＯ膜１１の袋状の開口が集水管１２の外周部に形成された透孔１２ａと連通するようにＲＯ膜１１が集水管１２に接着されている。ＲＯエレメント３に供給された被処理水は、ＲＯ膜１１の外表面を流れ、ＲＯ膜１１を外表面から内表面へと透過することにより脱塩される。そして、ＲＯ膜１１を透過した脱塩後の透過水は、ＲＯ膜１１の内側からＲＯ膜１１の袋状の開口、および集水管１２の透孔１２ａを介して集水管１２内に集水される。

なお、ＲＯ膜１１は、４枚に限定されるものではなく、３枚以下であっても、５枚以上であってもよい。また、透孔１２ａの形状や数は、適宜変更できる。

図４は、水処理装置のＲＯエレメントがベッセルに組み込まれた逆浸透膜モジュールを示す透視斜視図である。
図４に示すように、水処理装置１は、ベッセル２内に３個のＲＯエレメント３，３，３が軸方向に直列に配置され、隣り合う集水管１２同士が連結管１５を介して連結されることでモジュール化されている。なお、この例では、最も上流側に位置するＲＯエレメント３の集水管１２は、連結管１５を介して延長管１６と接続されている。延長管１６の端部は、閉塞されるとともに、端板２ｂを貫通する位置まで延びている。

なお、ＲＯエレメント３の個数は、図４に示すように３個に限定されるものではなく、２個以下であっても、４個以上であってもよい。また、水処理装置１は、後記する水処理システム１００（図８参照）に適用する場合、図４に示すようなモジュール化した水処理装置１を単独で使用するものであってもよく、またはモジュール化した水処理装置１を例えば並列に接続して使用するものであってもよく、水処理システム１００（図８参照）が必要とする水処理能力に応じて適宜変更することができる。

また、端板２ｂに形成された導入口２ｂ１（図１参照）には、配管２２が接続されている。また、筒体２ａの下流側の端部には、ＲＯ膜１１を透過しなかった濃縮水を排出する排水管２３が接続されている。また、端板２ｃには、集水管１２と連通する配管２４が接続され、集水管１２に集水された透過水を水処理装置１の外部に取り出すことができるようになっている。

図１に戻って、吸着部材４は、最も上流側に（最前段に）位置するＲＯエレメント３と導入口２ｂ１が形成された端板２ｂとの間に配置され、配管２２から導入された被処理水に含まれる有機物を吸着する吸着機能と、配管２２から導入された被処理水を整流する整流機能と、を有している。

図５は、水処理装置に設けられる吸着部材を示す正面図である。
図５に示すように、吸着部材４は、円盤状に形成されたベース材４ａを有し、ベース材４ａの中心に軸方向に貫通する貫通孔４ｂが形成され、この貫通孔４ｂに集水管１２（図１参照）が挿通されるように構成されている。

また、吸着部材４は、筒体２ａ（図１参照）の上流側の開口２ａ２（図１参照）から端板２ｂを取り外すことで着脱できるように構成されている。例えば、吸着部材４の下流側の端面は、筒体２ａの内周壁面から径方向内側に延びる位置決め部材２ｄに当接し、図示しない抜け止め部材によってＲＯエレメント３の端面に対向する位置に位置決めされている。

なお、位置決め部材２ｄを設けずに、延長管１６の外周面から径方向外側に突出する連結管１５に、吸着部材４の貫通孔４ｂの周縁部を当接させて位置決めするようにしてもよい。

また、吸着部材４は、軸方向に複数の通流孔４ｃが貫通して形成されている。通流孔４ｃの直径（孔径）ｄは、例えば、吸着部材４の直径Ｄが約４０ｃｍ（１６インチ）のものに対して、約２．８ｃｍ（１．１インチ）のものを使用することができる。なお、通流孔４ｃの孔径ｄを小さくすればするほど被処理水に含まれる有機物（ファウラント：ファウリング原因物質）の捕集率を高めることはできるが、そうすると通流孔４ｃが閉塞するおそれが高くなるので、ファウリングによって通流孔４ｃが閉塞しないようにするために、約５ｍｍ（０．２インチ）以上の孔径に設定することが好ましい。

また、吸着部材４は、例えば、以下の方法によって製造することができる。すなわち、吸着部材４は、高圧の被処理水に耐え得る材料で形成されたレンコン型のベース材４ａに、有機物を吸着させるのに適した吸着層をコーティングすることで得ることができる。

なお、図５に示す形状のベース材４ａは、単体で整流板として機能（形状）を有するものである。ここでの整流板とは、導入口２ｂ１から導入された被処理水の流れを均等化する均等板としての機能を有し、ＲＯエレメント３の上流側の端面に均等に被処理水が供給されるようにするものである。

また、図１では、ＲＯエレメント３の外周面とベッセル２の内周面との間に隙間が形成された状態で図示しているが、これは簡略化して図示しただけであり、吸着部材４を通過した被処理水の全量が、ＲＯエレメント３の端面に導入されるように構成されている。

ベース材４ａとしては、金属、樹脂など、吸着層をコーティングでき、かつ、高圧ポンプ４０（図８参照）の駆動力によって導入される被処理水の高圧に耐え得る材質であれば、特に限定されるものではない。

吸着部材４は、例えば、アルミナの原料となるＡｌ（ＯＣ_３Ｈ_７）_３を、水−エタノール溶液に溶解し、ディップなどでベース材４ａの表面に液膜を形成した後、少なくとも２００℃で加熱することで吸着層を得ることができる。なお、ベース材４ａの耐熱性が低い場合には、アルミナ粉末を分散させた樹脂をコーティングするなど別の方法で、ベース材４ａに吸着層を形成するようにしてもよい。

また、有機物を吸着させるのに好適な材料としては、アルミナが特に好ましいが、アルミナに限定されるものではなく、例えば、溶液に可溶な芳香族ポリアミドを適用することもできる。

図６は、水処理装置の流体の流れを示す模式図である。
図６に示すように、水処理装置１は、矢印Ａ１に示すように、導入口２ｂ１から、被処理水としての供給水（例えば、海水などを前処理した前処理水）が導入されると、吸着部材４の表面、つまり吸着部材４の軸方向上流側に向いている表面４ａ１や、通流孔４ｃの内壁面４ｃ１に接しながら通流する。これにより、供給水Ａ１に含まれる有機物（ファウラント）が吸着部材４に吸着される。また、吸着部材４を通過した供給水Ａ１は、吸着部材４とＲＯエレメント３との間の空間Ｑに滞留し、吸着部材４の軸方向下流側に向いている表面４ａ２に接することによっても、供給水Ａ１に含まれる有機物が吸着部材４に吸着される。

また、本実施形態では、吸着部材４のベース材４ａが整流機能（均等化機能）を有する形状を有しているので、吸着部材４の一部に向けて導入口２ｂ１から被処理水が導入されたとしても、導入口２ｂ１からの供給水Ａ１を、吸着部材４の上流側において均等に分散させて、吸着部材４の各通流孔４ｃに均等に通流させることができる。

なお、前記した説明では、通流孔４ｃの内壁面４ｃ１にも吸着層を設ける場合を例に挙げて説明したが、内壁面４ｃ１には吸着層を設けないようにすることで、内壁面４ｃ１への有機物（ファウラント）の吸着を低減することができ、通流孔４ｃの詰まり（閉塞）を低減することができる。よって、通流孔４ｃの孔径ｄを小さく形成したとしても、通流孔４ｃの閉塞を抑えることができる。

ちなみに、吸着部材４に有機物が吸着される原理は以下に記載する通りである。すなわち、所定の形状を有するベース材４ａにアルミナなどをコーティングした吸着部材４に被処理水（供給水）を通流させることで、吸着部材４の電荷をプラス側に帯電させることができる。一方、有機物（微生物および海水中の粒子）はマイナス側に帯電しているので、有機物を吸着部材４に良好に吸着させることが可能になる。ちなみに、表面がアルミナなどでコーティングされた吸着部材４を適用することで、有機物の吸着性を高めることが可能になる。

ところで、海水用のＲＯ膜１１を備えた水処理装置１では、有機ファウリングがＲＯエレメント３の前段部に集中して起こり、後段での発生は少なくなることが知られている。そこで、本実施形態の水処理装置１では、ベッセル２に挿入される１段目（端板２ｂ側）のＲＯエレメント３の前段に吸着部材４を配置することで、被処理水に含まれる多くの有機物を吸着させることが可能になる。つまり、本実施形態のように、１段目のＲＯエレメント３の前段に配置することで、吸着部材４を無駄に配置することなく、より少ない吸着部材４の数で有機物を効率的に吸着することが可能になる。

また、吸着部材４による有機物吸着後の供給水は、矢印Ａ２に示すように、ＲＯエレメント３の端面から導入され、ＲＯ膜１１（図２、図３参照）を透過して淡水化されることで、矢印Ｂに示すように、透過水として集水管１２に集水される。透過水Ｂは、配管２４（図４参照）から生産水として外部のその水質レベルに応じた用途に供給される。

一方、ＲＯ膜１１を透過しなかった供給水は、矢印Ｃに示すように、ベッセル２内を下流に行くにしたがって徐々に塩分濃度が高められ、供給水Ａ１よりも塩分濃度の高い塩水（濃縮水）となって排水管２３（図４参照）から排出される。

図７は、各種試薬ごとの吸着量を示すグラフである。なお、各種試薬は、実施例としてアルミナ、比較例として酸化チタンおよび酸化亜鉛の粉末を使用し、人工海水に模擬ファウリング原因物質としてヒアルロン酸を添加したものを、モデル海水として使用した。そして、モデル海水中に各種粉末を投入し、１５分間攪拌した。なお、攪拌時間は、モデル海水中の粉末が平衡に達する時間である。そして、攪拌前のモデル海水中のヒアルロン酸量と、攪拌後のモデル海水中のヒアルロン酸量をＴＯＣ（Total Organic Carbon）計で測定して、吸着量（μｇ／ｍ^２）を算出した。なお、表面積はＢＥＴ法にて求めた。図７に示すように、アルミナを使用した場合には、比較例として示した他の金属酸化物（酸化チタン、酸化亜鉛）に比べて吸着量が特に優れていることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の水処理装置１では、導入口２ｂ１とＲＯエレメント３との間に吸着部材４を配置することで、ＲＯエレメント３の前段（上流側）で、ファウリング原因物質である有機物を捕集し、捕集した有機物を餌にして有機ファウリングをＲＯエレメント３の前段（上流側）で誘発させることができるので、ＲＯエレメント３に有機ファウリングが発生するのを低減することができ、ＲＯエレメント３の交換頻度を低減することが可能になる。

また、本実施形態の水処理装置１では、有機物（ファウリング原因物質、ファウラント）をＲＯエレメント３の直前で除去することで、再汚染を防止することができる。

また、ＲＯエレメント３で有機ファウリングが発生した場合、ＲＯエレメント３の流路の詰まりによってＲＯエレメント３の洗浄を良好に行うことができなくなる（閉塞した流路には洗浄用の薬液が流れず、薬液洗浄の効果が低い）ことが多い。本実施形態の水処理装置１では、ＲＯエレメント３での有機ファウリングの発生を抑制できるので、流路の閉塞を低減することができ、薬液洗浄による効果が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態の水処理装置１では、吸着部材４をベッセル２に対して着脱可能に取り付けられているので、交換時にはベッセル２から吸着部材４のみを取り外して、新たな吸着部材４を取り付けるだけでよい、つまり水処理装置１の全体を交換する必要がないので、無駄を無くすことができる。

また、本実施形態の水処理装置１では、吸着部材４に整流機能を持たせることで、ＲＯエレメント３のＲＯ膜１１に均等に被処理水（供給水Ａ２：図６参照）を導入することができ、ＲＯエレメント３の全面を有効に利用することができるとともに、吸着部材４に効果的に有機物を吸着させることができる。

また、本実施形態の水処理装置１では、吸着部材４の表面を、アルミナを含む材料で被覆することで、被処理水に含まれる有機物の吸着量を高めることができる。その結果、ＲＯエレメント３に発生する有機ファウリングをさらに低減することができ、ＲＯエレメント３の交換頻度をさらに低減することが可能になる。

図８は、水処理装置を備えた水処理システムを示す概略構成図である。
図８に示すように、水処理システム１００は、水処理装置１、高圧ポンプ４０、センシング部５０などで構成されている。

高圧ポンプ４０は、被処理水（供給水Ａ１，Ａ２）が水処理装置１のＲＯ膜１１に対して逆浸透するような高い圧力で駆動できる能力を有するものである。高圧ポンプ４０によって、例えば、被処理水が３．５〜６ＭＰａ程度に昇圧されて、配管４１を介して水処理装置１の導入口２ｂ１に供給される。

なお、高圧ポンプ４０の吸入口（導入ポート）には、配管４２（メインライン）が接続され、この配管４２に被処理水が導入される。この被処理水は、例えば、前処理装置（不図示）によって前処理されたものである。前処理装置としては、例えば、限外ろ過膜（ＵＦ（Ultra Filtration）膜）を用いたＵＦ装置、精密ろ過膜（ＭＦ（Micro Filtration）膜）を用いたＭＦ装置、砂ろ過装置などが用いられる。このように、取水された海水（原水）などは、前処理装置によって、それに含まれる固形性物質が除去された被処理水とした後に、水処理装置１に導入される。

また、高圧ポンプ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを搭載したＣＰＵボード、入出力インターフェースボードなどを搭載した制御装置２００によって、駆動モータの駆動開始、駆動停止、回転速度が制御される。

センシング部５０は、吸着部材４における有機物の吸着量を擬似的に検出して、吸着部材４を交換するか否かを判定するものである。このセンシング部５０は、吸着部材４と同様の吸着部材（不図示）を備えており、高圧ポンプ４０の上流側に配置されている。このように、センシング部５０を高圧ポンプ４０の上流に配置することにより、低圧領域においてセンシングが可能になるため、センシング部５０のセンシング方法を複数種類選択することが可能になる（センシング方法に幅を持たせることができる）。

また、センシング部５０は、例えば、ＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance）からなる質量センサを用いることができ、配管４２の一部をバイパスするバイパス配管４３（バイパスライン）上に設けられている。また、バイパス配管４３には、センシング部５０の上流側に、流速計（または流量計）５１が設けられている。

また、配管４２には、バイパス配管４３の上流側の接続点Ｐ１と、下流側の接続点Ｐ２との間に、流量調整弁４４が設けられている。

制御装置２００は、流速計５１により検出された検出値（流速）が、吸着部材４に導入される流速と一致するように流量調整弁４４の開度を調整する。なお、バイパス配管４３の断面積は、センシング部５０の流速が吸着部材４に導入される流速と一致できるような寸法に設定する。また、本実施形態では、センシング部５０と、バイパス配管４３と、流量調整弁４４と、制御装置２００とで、吸着量検出手段が構成されている。

このように、本実施形態の水処理システム１００では、バイパス配管４３にセンシング部５０を配置して、吸着部材４における有機物の吸着量を擬似的に検出することにより、メインラインの配管４１，４２に大幅な変更を伴うことなく、現行の水処理システム１００に適用することが可能になる。

制御装置２００は、センシング部５０の吸着部材の吸着量を検出して、その吸着量が吸着部材４の交換を必要とする吸着量に到達したと判定した場合には、吸着部材４の交換を必要とする水処理装置１への被処理水の導入を停止する。そして、ベッセル２から端板２ｂを取り外し、吸着部材４を延長管１６に沿って取り外し、新たな吸着部材４を取り付ける。なお、吸着部材４を取り外す際には、例えば、専用のフック引っ掛け穴を吸着部材４に予め形成しておくことで対応することができる。

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。例えば、整流機能を有する部材と、吸着機能を有する部材とを、ベッセル２内のＲＯエレメント３の上流側に別個に設けるようにしてもよい。

１ 水処理装置
２ ベッセル（容器）
２ａ 筒体
２ｂ，２ｃ 端板
２ｂ１ 導入口（導入部）
３ ＲＯエレメント（処理部）
４ 吸着部材
４ａ ベース材
４ｂ 貫通孔
４ｃ 通流孔
１１ ＲＯ膜（逆浸透膜）
４０ 高圧ポンプ（ポンプ）
４３ バイパス配管（吸着量検出手段）
４４ 流量調整弁（吸着量検出手段）
５０ センシング部（吸着量検出手段）
１００ 水処理システム
２００ 制御装置（吸着量検出手段）
Ａ１，Ａ２ 供給水（被処理水）
Ｂ 透過水
Ｃ 濃縮水

Claims (5)

1. 塩分を含む被処理水を淡水化する逆浸透膜を備えた処理部と、
   前記処理部を収容する容器と、
   前記容器内に前記被処理水を導入する導入部と、
   前記被処理水に含まれる有機物を吸着させる吸着部材と、を備え、
   前記導入部と前記処理部との間の容器内に前記吸着部材を配置したことを特徴とする水処理装置。
2. 前記吸着部材は、前記容器に対して着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記吸着部材は、整流機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水処理装置。
4. 前記吸着部材は、アルミナを含む材料で被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水処理装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水処理装置と、
   前記逆浸透膜に吸着された前記有機物の吸着量を擬似的に検出する吸着量検出手段と、
   前記水処理装置と前記吸着量検出手段との間に設けられ、前記被処理水を前記水処理装置の逆浸透膜に向けて圧送するポンプと、を備えることを特徴とする水処理システム。

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