JP2016188823A - 汚染水の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射能汚染水を吸着材又は膜分離装置で処理するに先立ち、汚染水を効率的に濃縮する方法を提供する。【解決手段】汚染水を正透浸膜１Ａを利用して濃縮することにより、濃縮のためのエネルギーを要することなく効率的に濃縮した後、吸着材又は膜分離装置で処理する。特に正透浸膜の駆動溶液としては海水を用いることが好ましい。正透浸膜モジュールから排出される希釈海水によりタービン発電機２Ａを駆動して発電することもできる。【選択図】図１

Description

本発明は、正浸透膜（ＦＯ膜）を利用した汚染水の処理方法及び処理装置と、浸透圧発電設備に関する。

従来、放射性物質で汚染された汚染水は、凝集沈殿、濾過等の方法により前処理した後、吸着材を充填した吸着塔に通水して放射性物質を吸着除去することで処理されている（例えば、特許文献１）。
しかし、この方法では、一般に放射能汚染水の放射性物質の濃度が極めて低いため、吸着材への吸着効率が悪く、多量の吸着材を用いて低流速で処理する必要がある。このため、大容量の吸着塔が必要となり、また多量の吸着材と、送水のための大型のポンプが必要となるため、設備コスト、吸着材コスト、運転コストが非常に高くつく上に、大量に排出される廃吸着材の処分も大きな問題となる。

放射能汚染水中の放射性物質を逆浸透膜（ＲＯ膜）等で除去する方法も提案されているが、この場合においても、汚染水の放射性物質濃度が低く、汚染水量が非常に多いことから、膜分離のために必要なエネルギーが大きく、また、大型の膜分離装置が必要となるという問題がある。

一方、正浸透膜（ＦＯ膜）を利用したＦＯ法（Ｆｏｒｗａｒｄ ｏｓｍｏｓｉｓ法、正浸透法）による水回収技術は、ＲＯ膜を用いるＲＯ法（Ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ法、逆浸透法）による水回収技術と比較して、水回収に必要な消費エネルギーを小さくできることから、近年、ＦＯ法による水回収技術の開発が進められている。ＦＯ法による水回収では、被処理水（水回収の対象となる溶液。本発明においては「被濃縮液」と称す場合がある。）と、この被処理水よりも浸透圧が高い駆動溶液（ＤＳ（Ｄｒａｗ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）とも称される。）とを、ＦＯ膜モジュールに通水し、被処理水中の水をＦＯ膜を透過させて駆動溶液側に流入させ、水と駆動溶液とを含むＤＳ混合液から水を回収する。

ＦＯ法では、ＲＯ法と異なり、被処理水から駆動溶液へ水が自発的に移動するので、被処理水に圧力を加える必要がなく、このため、ＦＯ法による水回収技術では、ＲＯ法による水回収と比較して必要な消費エネルギーを小さくすることができるという利点がある。

また、ＦＯ膜を用い、海水の圧力と淡水の圧力の差から得られるエネルギーを利用して発電を行う浸透圧発電も公知である（例えば、特許文献２）。
浸透圧発電は、海水と淡水をＦＯ膜で隔てると、淡水が圧力の高い海水側に自然と浸透する原理を応用したものであり、以下のような特徴がある。
（１） 熱や化学反応を伴わない混合エネルギーを利用する技術である。
（２） 天候や昼夜の影響を受けない、安定かつ制御可能なエネルギー利用技術である。
（３） 都市圏の近郊に立地でき、海水と下水処理場が揃う条件であれば原料の調達が容易である。

また、近年では、浸透圧発電プラントを海水淡水化施設に設ける提案もなされている。即ち、海水淡水化施設では、濃縮海水（海水から水分を除いた後に残る塩分濃度の高い海水）は淡水と混合して塩分濃度を下げて海に戻しているが、この濃縮海水を駆動溶液として用い、ＦＯ膜モジュールに濃縮海水と下水処理水を導入し、浸透圧差で下水処理水側からの水が浸透した海水の高圧力で発電機のタービンを駆動させて発電を行う。

特開２０１４−１４５６８７号公報 特開２０１４−１０１８１８号公報

従来の放射能汚染水の処理法では、汚染水の放射性物質濃度が極めて低いことに起因して、大きな吸着塔や膜分離装置が必要となり、設備コスト、運転コスト、処理コストが高くつくという課題があった。

本発明は汚染水を効率的に濃縮することで、上記の課題を解決する汚染水の処理方法及び処理装置と、この処理装置を利用した浸透圧発電設備を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、汚染水をＦＯ膜を利用して濃縮することにより、濃縮のためのエネルギーを要することなく効率的に濃縮することができることを見出した。

即ち、本発明は以下を要旨とする。

［１］ 汚染水を吸着材又は分離膜で処理して該汚染水中に含まれる汚染物質を除去する方法］において、該吸着材又は分離膜による処理に先立ち、該汚染水を正透浸膜で処理して該汚染水中の汚染物質を濃縮し、該汚染物質が濃縮された汚染水を前記吸着材又は分離膜で処理することを特徴とする汚染水の処理方法。

［２］ ［１］において、前記正透浸膜の駆動溶液として、海水を用いることを特徴とする汚染水の処理方法。

［３］ ［１］又は［２］において、前記汚染水が、放射性物質で汚染された水であることを特徴とする汚染水の処理方法。

［４］ 被濃縮液として汚染水が通水されると共に、駆動溶液として海水が通水される正透浸膜モジュールと、該正透浸膜モジュールから得られる濃縮汚染水が通水される吸着塔又は膜分離装置とを備えることを特徴とする汚染水の処理装置。

［５］ ［４］において、前記汚染水が放射性物質で汚染された水であることを特徴とする汚染水の処理装置。

［６］ ［４］又は［５］に記載の汚染水の処理装置と、前記正透浸膜モジュールから排出される希釈駆動溶液により駆動されるタービン発電機とを備える浸透圧発電設備。

本発明によれば、ＦＯ膜を用いることで、濃縮のためのエネルギーを要することなく汚染水を効率的に濃縮し、その後の吸着処理や膜分離処理における設備コスト、運転コスト、処理コストを大幅に低減することができる。

本発明においては、特にＦＯ膜による濃縮の駆動溶液（以下「ＤＳ」と称す場合がある。）として海水を用いることが好ましい。
即ち、汚染水、特に放射性物質で汚染された放射能汚染水は主として原子力発電所から排出されるが、原子力発電所は一般的に海に面して設けられ、発電所の冷却水等は海へ放流されている。そこで、ＦＯ膜処理のＤＳとして海水を使用すると、ＤＳとしての海水を容易に調達できる上に、淡水である汚染水から海水との浸透圧の差を駆動力として、水（純水）だけを海水中に取り出すことができる。この処理で希釈された海水は海へ放流することができる。
一般に、海水の浸透圧は３０ｋｇ／ｃｍ^２以上であり、この浸透圧を利用すると、汚染水から水を取り出して濃縮するだけでなく、海水側に移行した水により、発電にも利用できる程度に十分に高い圧力を得ることができる。
従って、この希釈海水の圧力を利用して発電を行うことで、余剰のエネルギーを電力として回収することができる。

本発明の浸透圧発電設備の実施の形態の一例を示す系統図である。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明においては、放射能汚染水等の汚染水を、吸着材又は分離膜で処理するに先立ち、ＦＯ膜を用いて濃縮する。本発明で濃縮する汚染水としては、例えば、放射性ストロンチウム、放射性セシウム等の放射性元素を１００〜３００μｇ／Ｌ程度含む希薄放射能汚染水が挙げられる。

本発明で処理する汚染水は、ＦＯ膜を用いて濃縮し得る程度に塩分濃度の低い淡水（例えば塩分濃度１％以下）であり、この汚染水は、ＦＯ膜モジュールに通水して水分を円滑にＤＳ側に移行させるために、浮遊固形分が少ないことが望ましく、例えば、ＳＳ濃度１ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。このため、汚染水のＳＳ濃度が１ｍｇ／Ｌを超える場合には、濾過、沈殿、凝集濾過、凝集沈殿、スクリーン等による前処理でＳＳ１ｍｇ／Ｌ以下に低減することが望ましい。

ＦＯ膜による汚染水の濃縮のために用いるＤＳとしては、前述の通り、原子力発電所における調達に有利であること、塩分濃度が高く、大きな浸透圧を得ることができることから、海水を用いることが好ましい。海水淡水化施設が併設されている場合には、海水淡水化施設で得られる濃縮海水を用いてもよく、場合によっては汽水を用いることもでき、これらの混合水を用いてもよい。

このＤＳについても、ＦＯ膜モジュールに円滑に通水するために浮遊固形分が少ないことが好ましく、ＳＳとして５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。従って、ＤＳとして用いる海水等のＳＳ濃度が５ｍｇ／Ｌよりも高い場合は、濾過、沈殿、凝集濾過、凝集沈殿、スクリーン等による前処理で予め浮遊固形分を除去することが好ましい。

ＦＯ膜としては市販のＦＯ膜を用いることができ、例えば、Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．（ＨＴＩ）社製の三酢酸セルロース膜が挙げられるが、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＧＥ）社製の二酢酸と三酢酸との混合酢酸セルロース膜であるＣＥやＣＧ等のＲＯ膜をＦＯ膜として使用しても構わない。なお、ＦＯ膜は、親水性の高い膜であることが、汚染水中の汚染物質が付着しにくい点において好ましい。

このようなＦＯ膜モジュールの被濃縮室（原水室）側に、被濃縮液として汚染水を通水すると共に、ＤＳ室側に海水等のＤＳを通水すると、浸透圧で汚染水中の水がＦＯ膜を透過してＤＳ室側に移行することで、汚染水が濃縮される。この水の透過はエネルギーを要することなく進行するため、ＦＯ膜を用いることで、濃縮のためのエネルギーを必要とすることなく汚染水を濃縮することができる。

ＦＯ膜による汚染水の濃縮の程度は、汚染水の塩分濃度、ＤＳとして用いる海水の塩分濃度に依存するが、例えば、海水（塩分濃度３．３〜３．７％）をＤＳとして用いて、汚染地下水等の塩分濃度０．３〜０．５％程度の汚染水を濃縮する場合、容易に２〜１０倍程度に濃縮することができる。

本発明では、このようにして濃縮された濃縮汚染水を吸着材により吸着処理するか、或いはＲＯ膜又は精密濾過膜（ＮＦ膜）等で膜分離処理する。この吸着材による処理又は膜分離処理において、供給される汚染水が予め高濃縮されているため、吸着材による処理であれば、濃縮を行わない場合に比べて吸着材量を少なく、処理速度を高くすることができ、吸着塔や送水ポンプを小型化して低コストで効率的な処理を行える。また、ＲＯ膜やＮＦ膜による処理においても、汚染水量が少なくなった分、膜分離装置や送水ポンプを小型化することができる。
なお、吸着材による処理と膜分離による処理を併用してもよい。

ＦＯ膜は、処理を継続することによりスライム汚染が起こる場合があるため、必要に応じて薬品洗浄を行う。スライム汚染が激しい場合には、スライム防止剤の添加やスルファミン酸、亜硫酸等により剥離処理を行ってもよい。
なお、ＦＯ膜では、ＲＯ膜のような塩分濃縮によるスケール障害の問題はない。

次に、このようなＦＯ膜による汚染水の濃縮を利用した本発明の浸透圧発電設備について、図１を参照して説明する。

図１は本発明の浸透圧発電設備の実施の形態の一例を示すものである。
図１中、１はＦＯ膜モジュールであり、ＦＯ膜１Ａにより内部が被濃縮室（原水室）１ＢとＤＳ室１Ｃとに仕切られている。
汚染水と海水は、それぞれ図示しない送水ポンプにより、被濃縮室１Ｂ、ＤＳ室１Ｃに導入される。被濃縮室１Ｂ内の汚染水中の水がＦＯ膜１Ａを透過してＤＳ室１Ｃに移行することで汚染水が濃縮され、被濃縮室１Ｂから排出した濃縮汚染水は、図示しない吸着塔等で更に汚染物質の除去処理が行われる。一方、ＤＳ室１Ｃから排出される、ＦＯ膜１Ａを透過してきた水で希釈され加圧されたＤＳ混合水（希釈海水）は、発電機２のタービン２Ａを回転させて発電を行った後、海に放流される。

以下に実施例に代わるコンピュータソフトによるシミレーション結果を挙げて本発明の効果をより具体的に説明する。

［実施例１］
放射性ストロンチウム^９０Ｓｒで汚染された放射能汚染水を模擬した、Ｓｒ濃度１００μｇ／Ｌの模擬汚染水（塩分濃度０．３％）を、吸着材としてユニオン昭和社製合成ゼオライト「Ａ−５１」を用いて吸着処理する場合において、ＦＯ膜による濃縮を行うことによる効果を検証するシミレーションを行った。ＦＯ膜による濃縮を行わずに、上記の吸着材による吸着処理でＳｒ濃度０．０１μｇ／Ｌ以下の処理水を得るためには、吸着材１００ｍＬを充填した吸着塔にこの模擬汚染水をＳＶ１０ｈｒ^−１で通水する必要がある。
この模擬汚染水をＦＯ膜モジュール（ＨＴＩ社製「ＨＴＩ−ＦＯＭ」）に通水し、ＤＳとして海水を用いて濃縮すると、Ｓｒ濃度を２０倍に濃縮することができる。
Ｓｒ濃度が２０倍に濃縮された濃縮模擬汚染水を上記と同様の吸着材で吸着処理してＳｒ濃度０．０１μｇ／Ｌ以下の処理水を得るためには、吸着材１０ｍＬを充填した吸着塔にＳＶ１０ｈｒ^−１で通水すればよく、吸着材量は１／１０に、従って、吸着塔の大きさも１／１０に小型化される。

このようなＦＯ膜による濃縮を２４０Ｌ／ｈｒの汚染水処理量、６００Ｌ／ｈｒの海水通水量で行った場合、希釈海水よりなるＤＳ混合液１６９７Ｌ／ｈｒを得ることができ、このＤＳ混合液を用いて、フランシス水車発電機を駆動させると３８４Ｗ／ｈｒの電力を得ることができる。

１ ＦＯ膜モジュール
１Ａ ＦＯ膜
２ 発電機
２Ａ タービン

Claims (6)

1. 汚染水を吸着材又は分離膜で処理して該汚染水中に含まれる汚染物質を除去する方法において、該吸着材又は分離膜による処理に先立ち、該汚染水を正透浸膜で処理して該汚染水中の汚染物質を濃縮し、該汚染物質が濃縮された汚染水を前記吸着材又は分離膜で処理することを特徴とする汚染水の処理方法。
2. 請求項１において、前記正透浸膜の駆動溶液として、海水を用いることを特徴とする汚染水の処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記汚染水が、放射性物質で汚染された水であることを特徴とする汚染水の処理方法。
4. 被濃縮液として汚染水が通水されると共に、駆動溶液として海水が通水される正透浸膜モジュールと、該正透浸膜モジュールから得られる濃縮汚染水が通水される吸着塔又は膜分離装置とを備えることを特徴とする汚染水の処理装置。
5. 請求項４において、前記汚染水が放射性物質で汚染された水であることを特徴とする汚染水の処理装置。
6. 請求項４又は５に記載の汚染水の処理装置と、前記正透浸膜モジュールから排出される希釈駆動溶液により駆動されるタービン発電機とを備える浸透圧発電設備。

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