JP2017140600A - 膜分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの析出を抑えながら高い回収率を実現することができる膜分離装置の提供。【解決手段】膜分離装置は、供給水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動され、供給水を吸入して逆浸透膜モジュールに向けて吐出する加圧ポンプと、第１制御部と、供給水、透過水又は濃縮水の温度を検出する温度検出手段と、装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁とを備え、第１制御部は、（ｉ）予め取得された供給水のシリカ濃度ＳＴ２０４と、検出温度値及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定したシリカ溶解度とに基づいて、濃縮水におけるシリカの許容濃縮倍率を演算ＳＴ２０６し、（ｉｉ）許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の目標流量値から排水流量を演算ＳＴ２０７し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が排水流量の演算値となるように、排水弁を制御ＳＴ２０８する膜分離装置。【選択図】図３

Description

本発明は、膜分離装置に関する。

半導体製造工程や電子部品の洗浄、医療器具の洗浄等においては、不純物を含まない高純度の純水が使用される。この種の純水は、一般に、地下水や水道水等の原水を逆浸透膜（以下、「ＲＯ膜」ともいう）で処理することにより製造される。

ＲＯ膜を用いた水処理システムの一例として、供給水の温度に関わらず、ＲＯ膜における透過水の流量を一定に保つ流量フィードバック制御を行うシステムが提案されている（特許文献１参照）。流量フィードバック制御では、ＲＯ膜で製造される透過水の流量が目標値となるように、ＲＯ膜に供給水を送出する加圧ポンプの運転周波数がインバータにより制御される。

特許文献１のシステムは、流量フィードバック制御に加えて、さらなる追加制御を行うものである（例えば「温度フィードフォワード制御」）。温度フィードフォワード制御は、透過水の回収率を最大としつつ、ＲＯ膜モジュールにおけるシリカ系スケールの析出を抑制することを目的とする。具体的には、供給水のシリカ濃度と、供給水の温度から決定したシリカ溶解度と、透過水の目標流量値とを関連付けることで、許容濃縮倍率を超えない範囲で回収率が最大となる濃縮水の目標排水流量を決定している。

特開２０１５−１２７０５６号公報

ＲＯ膜の回収率は、ＲＯ膜を使用する水処理システムのランニングコストに大きく関わるため、回収率をできるだけ高く維持することが求められる。特許文献１の温度フィードフォワード制御のような制御以外にも、スケールの析出を抑えながらもできるだけ高い回収率を維持できる技術の開発が望まれている。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、スケールの析出を抑えながら、より高い回収率を実現することができる膜分離装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様である膜分離装置は、供給水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動され、供給水を吸入して前記逆浸透膜モジュールに向けて吐出する加圧ポンプと、入力された演算値信号に対応する駆動周波数を前記加圧ポンプに出力するインバータと、透過水の流量が予め設定された目標流量値となるように、系内の物理量を用いて前記加圧ポンプの駆動周波数を演算し、当該駆動周波数の演算値に対応する演算値信号を前記インバータに出力する第１制御部と、供給水、透過水又は濃縮水の温度を検出する温度検出手段と、装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁と、を備え、前記第１制御部は、（ｉ）予め取得された供給水のシリカ濃度と、前記温度検出手段の検出温度値及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定したシリカ溶解度とに基づいて、濃縮水におけるシリカの許容濃縮倍率を演算し、（ｉｉ）当該許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の前記目標流量値から排水流量を演算し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が当該排水流量の演算値となるように、前記排水弁を制御する。

前記膜分離装置において、前記第１制御部は、（ｉ）予め取得された供給水の硬度と、前記温度検出手段の検出温度値及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定した炭酸カルシウム溶解度とに基づいて、濃縮水における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率を演算し、（ｉｉ）炭酸カルシウムの許容濃縮倍率がシリカの許容濃縮倍率よりも小さい場合には、シリカの許容濃縮倍率に代えて、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の前記目標流量値から排水流量を演算し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が当該排水流量の演算値となるように、前記排水弁を制御してもよい。

前記膜分離装置において、ｐＨを調整するためのｐＨ調整剤を供給水に添加するｐＨ調整剤添加装置と、前記ｐＨ調整剤添加装置から供給されるｐＨ調整剤の添加量を制御するための第２制御部とをさらに備え、前記第２制御部は、（ｉ）供給水の温度とｐＨ値と回収率との関係を表す目標ｐＨ算出テーブルと、前記検出温度とに基づいて目標ｐＨ値を算出し、（ｉｉ）供給水のｐＨ値を前記目標ｐＨ値に維持するようにｐＨ調整剤の添加量を制御し、前記第１制御部は、前記予め取得された供給水のｐＨ値として、前記目標ｐＨ値を使用してもよい。

前記膜分離装置において、前記第２制御部は、前記目標ｐＨ算出テーブルに基づき、前記検出温度において回収率が最大となるｐＨ値を目標ｐＨ値として算出し、供給水のｐＨ値を前記目標ｐＨ値に維持するようにｐＨ調整剤の添加量を制御してもよい。

前記膜分離装置において、供給水の硬度成分を減少させて軟化させる硬水軟化装置をさらに備え、前記ｐＨ調整剤添加装置は、ｐＨを増加させるアルカリ性薬剤を薬剤として添加してもよい。

本発明の膜分離装置によれば、スケールの析出を抑えながら、より高い回収率を実現することができる。

第１実施形態に係る水処理システム１の全体構成図 第１実施形態の制御部８が流量フィードバック水量制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャート 第１実施形態の制御部８が温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャート 第２実施形態の制御部８が温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャート 第３実施形態に係る水処理システム１の全体構成図 第３実施形態の制御部８がｐＨ調整制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャート 模式的な目標ｐＨ算出テーブルを示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る水処理システム１について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る水処理システム１の全体構成図である。水処理システム１は、例えば、淡水から純水を製造する純水製造システムに適用される。

図１に示すように、第１実施形態に係る水処理システム１は、加圧ポンプ２と、温度検出手段としての温度センサ３と、ｐＨ検出手段としてのｐＨセンサ４と、インバータ５とを備える。また、水処理システム１は、逆浸透膜モジュールとしてのＲＯ膜モジュール６と、流量検出手段としての流量センサ７と、制御部８と、第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１と、を備える。このうち、加圧ポンプ２、ＲＯ膜モジュール６、流量センサ７及び制御部８は、本実施形態における膜分離装置を構成する。図１では、電気的な接続の経路を破線で示す。

水処理システム１は、原水ラインＬ１と、透過水ラインＬ２と、濃縮水ラインＬ３と、を備える。本明細書における「ライン」とは、流路、径路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

原水ラインＬ１の上流側の端部は、原水Ｗ１の供給源（不図示）に接続されている。一方、原水ラインＬ１の下流側の端部は、ＲＯ膜モジュール６に接続されている。

加圧ポンプ２は、原水ラインＬ１に設けられている。加圧ポンプ２は、供給源から供給された水道水や地下水等の原水Ｗ１を、ＲＯ膜モジュール６に向けて圧送する。加圧ポンプ２は、インバータ５（後述）と電気的に接続されている。加圧ポンプ２には、周波数が変換された駆動電力がインバータ５から供給される。加圧ポンプ２は、入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動される。

温度センサ３は、原水ラインＬ１を流通する原水Ｗ１の温度を検出する機器である。温度センサ３は、接続部Ｊ１において原水ラインＬ１に接続されている。また、温度センサ３は、制御部８と電気的に接続されている。温度センサ３で検出された原水Ｗ１の温度（以下、「検出温度値」ともいう）は、制御部８へ検出信号として送信される。

ｐＨセンサ４は、原水ラインＬ１を流通する原水Ｗ１のｐＨを検出する機器である。ｐＨセンサ４は、接続部Ｊ２において原水ラインＬ１に接続されている。また、ｐＨセンサ４は、制御部８と電気的に接続されている。ｐＨセンサ４で検出された原水Ｗ１のｐＨ（以下、「検出ｐＨ値」ともいう）は、制御部８へ検出信号として送信される。

インバータ５は、加圧ポンプ２に対して、周波数が変換された駆動電力を供給する電気回路である。インバータ５は、制御部８と電気的に接続されている。インバータ５には、制御部８から電流値信号が入力される。インバータ５は、入力された電流値信号に対応する駆動周波数を加圧ポンプ２に出力する。

ＲＯ膜モジュール６は、原水Ｗ１を、溶存塩類が除去された透過水Ｗ２と、溶存塩類が濃縮された濃縮水Ｗ３とに膜分離処理する設備である。ＲＯ膜モジュール６は、単一又は複数のＲＯ膜エレメント（不図示）を備える。ＲＯ膜モジュール６は、これらＲＯ膜エレメントにより原水Ｗ１を膜分離処理し、透過水Ｗ２及び濃縮水Ｗ３を製造する。ＲＯ膜モジュール６の一次側入口ポートには、原水ラインＬ１の下流側の端部が接続されている。

ＲＯ膜モジュール６の二次側ポートには、透過水ラインＬ２の上流側の端部が接続されている。ＲＯ膜モジュール６で得られた透過水Ｗ２は、透過水ラインＬ２を介して需要箇所等に送出される。また、ＲＯ膜モジュール６の一次側出口ポートには、濃縮水ラインＬ３の上流側の端部が接続されている。ＲＯ膜モジュール６で得られた濃縮水Ｗ３は、濃縮水ラインＬ３を介して、ＲＯ膜モジュール６の外に排出される。濃縮水ラインＬ３の下流側には、第１排水バルブ９、第２排水バルブ１０及び第３排水バルブ１１（後述）が接続されている。

なお、濃縮水ラインＬ３から排出された濃縮水Ｗ３の一部を、加圧ポンプ２の上流側における原水ラインＬ１に還流させてもよい。濃縮水Ｗ３の一部を原水ラインＬ１に還流させることにより、ＲＯ膜モジュール６の表面での水流速を所定範囲に保つことができる。

本実施形態におけるＲＯ膜モジュール６は、膜表面に架橋全芳香族ポリアミドからなる負荷電性のスキン層が形成された逆浸透膜（不図示）を有する。この逆浸透膜は、濃度５００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．０、温度２５℃の塩化ナトリウム水溶液を、操作圧力０．７ＭＰａ、回収率１５％で供給したときの水透過係数が、１．５×１０−１１ｍ３・ｍ−２・ｓ−１・Ｐａ−１以上、且つ塩除去率が９９％以上となる性能を有する。

操作圧力とは、ＪＩＳ Ｋ３８０２−１９９５「膜用語」で定義される平均操作圧力である。操作圧力は、ＲＯ膜モジュール６の一次側の入口圧力と一次側の出口圧力との平均値を指す。回収率とは、ＲＯ膜モジュール６への供給水（ここでは塩化ナトリウム水溶液）の流量Ｑｆに対する透過水の流量Ｑｐの割合（すなわち、Ｑｐ／Ｑｆ×１００）をいう。

水透過係数は、透過水の流量［ｍ３／ｓ］を膜面積［ｍ２］及び有効圧力［Ｐａ］で除した値である。水透過係数は、逆浸透膜の水の透過性能を示す指標である。すなわち、水透過係数は、単位有効圧力を作用させたときに単位時間に膜の単位面積を透過する水の量を意味する。有効圧力は、ＪＩＳ Ｋ３８０２−１９９５「膜用語」で定義される。有効圧力は、操作圧力（平均操作圧力）から浸透圧差及び二次側圧力（背圧）を差し引いた圧力である。

本実施形態の水透過係数の条件を満たす逆浸透膜は、逆浸透膜エレメントとして市販されている。逆浸透膜エレメントとしては、例えば、東レ社製：型式名「ＴＭＧ２０−４００」、ウンジン・ケミカル社製：型式名「ＲＥ８０４０−ＢＬＦ」、日東電工社製：型式名「ＥＳＰＡ１」等を用いることができる。

流量センサ７は、透過水ラインＬ２を流通する透過水Ｗ２の流量を検出する機器である。流量センサ７は、接続部Ｊ３において透過水ラインＬ２に接続されている。流量センサ７は、制御部８と電気的に接続されている。流量センサ７で検出された透過水Ｗ２の流量（以下、「検出流量値」ともいう）は、制御部８へ検出信号として送信される。

第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１は、濃縮水ラインＬ３から排出された濃縮水Ｗ３の排水流量を調節する弁である。上述した濃縮水ラインＬ３の下流側は、分岐部Ｊ４及びＪ５において、第１排水ラインＬ４、第２排水ラインＬ５及び第３排水ラインＬ６に分岐している。

第１排水ラインＬ４には、第１排水バルブ９が設けられている。第２排水ラインＬ５には、第２排水バルブ１０が設けられている。第３排水ラインＬ６には、第３排水バルブ１１が設けられている。

第１排水バルブ９は、第１排水ラインＬ４を開閉することができる。第２排水バルブ１０は、第２排水ラインＬ５を開閉することができる。第３排水バルブ１１は、第３排水ラインＬ６を開閉することができる。

第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１は、それぞれ定流量弁機構（不図示）を備える。定流量弁機構は、第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１において、それぞれ異なる流量値に設定されている。例えば、第１排水バルブ９は、開状態において、ＲＯ膜モジュール６の回収率が９５％となるように排水流量が設定されている。第２排水バルブ１０は、開状態において、ＲＯ膜モジュール６の回収率が９０％となるように排水流量が設定されている。第３排水バルブ１１は、開状態において、ＲＯ膜モジュール６の回収率が８０％となるように排水流量が設定されている。

濃縮水ラインＬ３から排出される濃縮水Ｗ３の排水流量は、第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１を選択的に開閉することにより、段階的に調節できる。例えば、第２排水バルブ１０のみを開状態とし、第１排水バルブ９及び第３排水バルブ１１を閉状態とする。この場合には、ＲＯ膜モジュール６の回収率を９０％とすることができる。また、第１排水バルブ９及び第２排水バルブ１０を開状態とし、第３排水バルブ１１のみを閉状態とする。この場合には、ＲＯ膜モジュール６の回収率を８５％とすることができる。従って、本実施形態において、濃縮水Ｗ３の排水流量は、第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１を選択的に開閉することにより、回収率を６５％〜９５％までの間で、５％毎に段階的に調節できる。

第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１は、それぞれ制御部８と電気的に接続されている。第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１における弁体の開閉は、制御部８からの駆動信号により制御される。

制御部８は、ＣＰＵ及びメモリ含むマイクロプロセッサ（不図示）により構成される。また、制御部８は、透過水Ｗ２の流量が予め設定された目標流量値となるように、透過水Ｗ２の検出流量値をフィードバック値として、加圧ポンプ２の駆動周波数を演算する。そして、制御部８は、演算した駆動周波数の演算値に対応する電流値信号をインバータ５に出力する（以下、「流量フィードバック水量制御」ともいう）。この流量フィードバック制御は、流量センサ７により透過水Ｗ２の流量が正常に検出されているときに実行される制御モードである。

ここで、制御部８による流量フィードバック水量制御について説明する。図２は、制御部８が流量フィードバック水量制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。図２に示すフローチャートの処理は、水処理システム１の運転中において、繰り返し実行される。

図２に示すステップＳＴ１０１において、制御部８は、透過水Ｗ２の目標流量値Ｑｐ´を取得する。この目標流量値Ｑｐ´は、例えば、システム管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。

ステップＳＴ１０２において、制御部８は、内部のタイマ（不図示）による計時ｔが制御周期である１００ｍｓに達したか否かを判定する。このステップＳＴ１０２において、制御部８により、タイマによる計時が１００ｍｓに達したと（ＹＥＳ）判定された場合に、処理はステップＳＴ１０３へ移行する。また、ステップＳＴ１０２において、制御部８により、タイマによる計時が１００ｍｓに達していない（ＮＯ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０２へ戻る。

ステップＳＴ１０３（ステップＳＴ１０２：ＹＥＳ判定）において、制御部８は、流量センサ７で検出された透過水Ｗ２の検出流量値Ｑｐを取得する。

ステップＳＴ１０４において、制御部８は、ステップＳＴ１０３で取得した検出流量値（フィードバック値）ＱｐとステップＳＴ１０１で取得した目標流量値Ｑｐ´との偏差がゼロとなるように、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより操作量Ｕを演算する。なお、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムでは、制御周期（１００ｍｓ）毎に操作量の変化分を演算し、これを前回の操作量に加算することで今回の操作量を決定する。

ステップＳＴ１０５において、制御部８は、操作量Ｕ、目標流量値Ｑｐ´及び加圧ポンプ２の最大駆動周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの設定値）に基づいて、加圧ポンプ２の駆動周波数Ｆを演算する。

ステップＳＴ１０６において、制御部８は、駆動周波数Ｆの演算値を、対応する電流値信号（４〜２０ｍＡ）に変換する。

ステップＳＴ１０７において、制御部８は、変換した電流値信号をインバータ５に出力する。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ１０１へリターンする）。

制御部８はさらに、原水Ｗ１の温度とｐＨ値に基づいて、透過水Ｗ２の回収率制御を行う（以下、「温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御」ともいう）。第１実施形態は、流量フィードバック水量制御を行うＲＯ装置において、シリカのスケールを析出させない範囲で高い回収率を実現するために、供給水である原水Ｗ１の温度とｐＨ値に基づいて回収率を制御するものである。この温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御は、上述した流量フィードバック水量制御と並行して実行される。

次に、制御部８による温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御について説明する。図３は、制御部８が温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。図３に示すフローチャートの処理は、水処理システム１の運転中において、繰り返し実行される。

図３に示すステップＳＴ２０１において、制御部８は、透過水Ｗ２の目標流量値Ｑｐ´を取得する。この目標流量値Ｑｐ´は、例えば、システム管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。

ステップＳＴ２０２において、制御部８は、原水Ｗ１のシリカ（ＳｉＯ２）濃度Ｃｓを取得する。このシリカ濃度Ｃｓは、例えば、システム管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。原水Ｗ１のシリカ濃度は、事前に原水Ｗ１を水質分析することにより得ることができる。なお、原水ラインＬ１において、不図示のセンサにより原水Ｗ１のシリカ濃度を計測してもよい。

ステップＳＴ２０３において、制御部８は、温度センサ３から原水Ｗ１の検出温度値Ｔを取得する。

ステップＳＴ２０４において、制御部８は、ｐＨセンサ４から原水Ｗ１の検出ｐＨ値「Ｐｈ」を取得する。原水Ｗ１のｐＨ値は、事前に原水Ｗ１を水質分析することにより取得することもできる。

ステップＳＴ２０５において、制御部８は、取得した検出温度値Ｔおよび検出ｐＨ値「Ｐｈ」に基づいて、水に対するシリカ溶解度Ｓｓを決定する。ここで、供給水のｐＨが同じでも、供給水の温度が上昇するほど、シリカの溶解度も増加する。また、供給水の温度が同じでも、供給水のｐＨが基準値（中性）から下降又は上昇するほど、シリカの溶解度は増加する。このような傾向を踏まえ、供給水に関してｐＨおよび温度とそれに対応するシリカ溶解度の関係を実験などにより予め測定しておき、データとして制御部８に記憶しておく。当該データに基づき、測定された供給水の温度とｐＨ値の両方から、シリカ溶解度Ｓｓを決定する。

ステップＳＴ２０６において、制御部８は、前のステップで取得又は決定したシリカ濃度Ｃｓ、及びシリカ溶解度Ｓｓに基づいて、濃縮水Ｗ３におけるシリカの許容濃縮倍率Ｎｓを演算する。シリカの許容濃縮倍率Ｎｓは、下記の式（１）により求めることができる。
Ｎｓ＝Ｓｓ／Ｃｓ （１）

例えば、シリカ濃度Ｃｓが２０ｍｇＳｉＯ２／Ｌ、温度２５℃およびｐＨ（具体値を追記）におけるシリカ溶解度Ｓｓが１００ｍｇＳｉＯ２／Ｌであれば、許容濃縮倍率Ｎｓは“５”となる。

ステップＳＴ２０７において、制御部８は、前のステップで取得又は演算した目標流量値Ｑｐ´、及び許容濃縮倍率Ｎｓに基づいて、回収率が最大となる排水流量（目標排水流量Ｑｄ´）を演算する。目標排水流量Ｑｄ´は、下記の式（２）により求めることができる。
Ｑｄ´＝Ｑｐ´／（Ｎｓ−１） （２）

ステップＳＴ２０８において、制御部８は、濃縮水Ｗ３の実際排水流量ＱｄがステップＳＴ２０７で演算した目標排水流量Ｑｄ´となるように、第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１の開閉を制御する。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ２０１へリターンする）。

上述した第１実施形態に係る水処理システム１によれば、例えば、以下のような効果が得られる。

第１実施形態に係る水処理システム１によれば、制御部８は、流量フィードバック水量制御と並行して、温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御を実行する。このような温度・ｐＨフィードフォワード回収率制御を実行することにより、ＲＯ膜モジュール６におけるシリカ系スケールの析出を抑制しながら、透過水Ｗ２に関してより高い回収率を実現することができる。特にＳＴ２０５、ＳＴ２０６で説明したように、供給水の温度とｐＨ値の両方の値から、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓを算出して回収率制御を行っている。このように供給水の温度だけでなくｐＨ値も考慮することで、温度だけを考慮する場合よりも、供給水の実際の状態をより正確に把握することができ、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓを精度良く算出することができる。よって、シリカ系スケールの析出を精度良く抑えながら、透過水Ｗ２に関してより高い回収率を実現することができる。

上述した第１実施形態の回収率制御によれば、（ｉ）予め取得された供給水のシリカ濃度Ｃｓと、検出温度値Ｔ及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定したシリカ溶解度Ｓｓとに基づいて、濃縮水Ｗ３におけるシリカの許容濃縮倍率Ｎｓを演算する。さらに、（ｉｉ）当該許容濃縮倍率Ｎｓの演算値、及び透過水Ｗ２の目標流量値Ｑｐ´から排水流量Ｑｄ´を演算する。最後に、（ｉｉｉ）濃縮水Ｗ３の実際排水流量が当該排水流量Ｑｄ´の演算値となるように、第１排水弁９〜第３排水弁１１を制御する。このような制御により、シリカ系スケールが析出しない範囲で透過水Ｗ２の回収率をできるだけ向上させることができ、透過水Ｗ２に関してより高い回収率を実現することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、シリカ系スケールに着目したが、その他のスケール成分に着目してもよい。特に、淡水ではシリカだけでなく、炭酸カルシウムもスケールとして出やすいため、第２実施形態では、シリカだけでなく炭酸カルシウムについても、ＳＴ２０１−ＳＴ２０６と同様の処理を行い、許容濃縮倍率を算出する。具体的なフローは図４の通りである。水処理システム１の構成は第１実施形態と同じ（図１）であるため、説明と図示を省略する。

図４に示すように、図３と同様のＳＴ２０１〜ＳＴ２０６（シリカ）を実施しながら、新たなＳＴ２０９〜ＳＴ２１１（炭酸カルシウム）を並行して実施する。ＳＴ２０９は、ＳＴ２０２と並行して実施し、ＳＴ２１０およびＳＴ２１１は、ＳＴ２０５およびＳＴ２０６と並行して実施する。ＳＴ２０１〜ＳＴ２０６の内容は、図３を用いて説明した内容と同様であるため説明を省略する。

ステップＳＴ２０９において、制御部８は、原水Ｗ１の硬度Ｈｄを取得する。硬度は、カルシウム硬度ないし単なる硬度（カルシウム硬度+マグネシウム硬度）であり、第２実施形態では、炭酸カルシウムの濃度を表す指標として用いる。硬度Ｈｄは、例えば、システム管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。原水Ｗ１の硬度Ｈｄは、事前に原水Ｗ１を水質分析することにより得ることもできる。なお、原水ラインＬ１において、不図示のセンサにより原水Ｗ１の硬度を計測してもよい。

ステップＳＴ２１０において、制御部８は、ＳＴ２０３で取得した検出温度値ＴおよびＳＴ２０４で取得した検出ｐＨ値「Ｐｈ」に基づいて、水に対する炭酸カルシウム溶解度Ｓｃを決定する。本発明者らは、シリカと同様に、炭酸カルシウムについても、供給水の温度およびｐＨ値と、スケール析出（炭酸カルシウムの溶解度）の相関性があることを見出した。具体的には、供給水の温度が上昇するほど、炭酸カルシウムの溶解度は低下し、供給水のｐＨが上昇するほど、炭酸カルシウムの溶解度は低下することから、それに応じてシリカ濃度によるスケール管理に加えて炭酸カルシウム濃度によるスケール管理が重要であるという知見を見出した。このような傾向を踏まえ、供給水に関してｐＨおよび温度とそれに対応する炭酸カルシウムの溶解度の関係を予め把握しておき、データとして制御部８に記憶しておく。当該データに基づき、供給水の温度とｐＨ値の両方から、炭酸カルシウム溶解度Ｓｃを決定する。

ステップＳＴ２１１において、制御部８は、ＳＴ２０９で取得した硬度Ｈｄ、及びＳＴ２１０で決定した炭酸カルシウム溶解度Ｓｃに基づいて、濃縮水Ｗ３における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃを演算する。炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃは、下記の式（３）により求めることができる。
Ｎｃ＝Ｓｃ／Ｈｄ （３）

ステップＳＴ２１２において、制御部８は、前のステップで取得又は演算した目標流量値Ｑｐ´、許容濃縮倍率Ｎｓ、及び許容濃縮倍率Ｎｃに基づいて、回収率が最大となる排水流量（目標排水流量Ｑｄ´）を演算する。具体的には、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓと炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃのうち、小さい方の許容濃縮倍率を選択する。次に、選択された許容濃縮倍率を用いて、目標排水流量Ｑｄ´を以下の通り演算する。

小さい方の許容濃縮倍率として、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓが選択された場合には、目標排水流量Ｑｄ´は、下記の式（４）により求めることができる。
Ｑｄ´＝Ｑｐ´／（Ｎｓ−１） （４）
一方、小さい方の許容濃縮倍率として、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃが選択された場合には、目標排水流量Ｑｄ´は、下記の式（５）により求めることができる。
Ｑｄ´＝Ｑｐ´／（Ｎｃ−１） （５）

ステップＳＴ２１３において、制御部８は、濃縮水Ｗ３の実際排水流量ＱｄがステップＳＴ２１２で演算した目標排水流量Ｑｄ´となるように、第１排水バルブ９〜第３排水バルブ１１の開閉を制御する。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ２０１へリターンする）。

上述した第２実施形態の回収率制御によれば、制御部８は、第１実施形態と同様の回収率制御に加えて、ＳＴ２０９〜ＳＴ２１１を実行する。すなわち、（ｉ）予め取得された供給水の硬度Ｈｄと、検出温度値Ｔ及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定した炭酸カルシウム溶解度Ｓｃとに基づいて、濃縮水Ｗ３における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃを演算する。さらに、（ｉｉ）炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃがシリカの許容濃縮倍率Ｎｓよりも小さい場合には、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓに代えて、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃの演算値、及び透過水Ｗ２の目標流量値Ｑｐ´から排水流量Ｑｄ´を演算する。最後に、（ｉｉｉ）濃縮水Ｗ３の実際排水流量が当該排水流量Ｑｄ´の演算値となるように、第１排水弁９〜第３排水弁１１を制御する。

このように、第２実施形態の回収率制御は、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓと炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃのうち、小さい方の許容濃縮倍率を選択して、排出流量と回収率を決定するものである。これにより、シリカと炭酸カルシウムの両方を析出させないようにしながら、より高い回収率を実現することができるという新たな効果を奏する。

第２実施形態では特に、ＳＴ２１０、ＳＴ２１１で説明したように、供給水の温度とｐＨ値の両方の値から、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃを算出し、当該許容濃縮倍率Ｎｃをシリカの許容濃縮倍率Ｎｓと比較して回収率制御を行っている。このように供給水の温度だけでなくｐＨ値も考慮することで、温度だけを考慮する場合よりも、供給水の実際の状態をより正確に把握することができ、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃを精度良く算出することができる。このように、炭酸カルシウムスケールが析出しない範囲で可能な限り高い回収率で運転することにより、シリカスケールに加えて炭酸カルシウムスケールの析出も抑制しながら、透過水Ｗ２に関してより高い回収率を実現することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る水処理システム１Ａについて、図５、図６を参照しながら説明する。図５は、第３実施形態に係る水処理システム１Ａの全体構成図である。図６は、第１、第２実施形態で行う制御フローに加えて新たに行う制御フローである。

第３実施形態では、主に第１、第２実施形態との相違点について説明する。第３実施形態では、第１、第２実施形態と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、第３実施形態では、第１、第２実施形態と重複する説明を適宜省略する。

図５に示すように、第３実施形態に係る水処理システム１Ａは、新たな構成として、原水ポンプ１２と、硬水軟化装置１３と、再生液供給手段としての塩水タンク１４と、ｐＨ調整剤添加装置１５とを備える。第３実施形態は、硬水軟化装置１３を用いてＲＯ膜モジュール６に供給する供給水の軟化処理を行うとともに、ｐＨ調整剤添加装置１５を用いてｐＨ調整を行うことで、より高い回収率を実現するものである。

原水ラインＬ７の上流側の端部は、原水Ｗ１の供給源（不図示）に接続されている。一方、原水ラインＬ７の下流側の端部は、硬水軟化装置１３に接続されている。

原水ポンプ１２は、原水ラインＬ７に設けられている。原水ポンプ１２は、供給源から供給された水道水や地下水等の原水Ｗ１を、硬水軟化装置１３に向けて圧送する。原水ポンプ１２は、制御部８と電気的に接続されている。原水ポンプ１２の運転（駆動及び停止）は、制御部８により制御される。

原水ラインＬ７及び原水ポンプ１２は、軟化プロセスにおいて、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以下の原水Ｗ１を、硬水軟化装置１３に供給する。

硬水軟化装置１３は、原水Ｗ１に含まれる硬度成分（カルシウムイオン及びマグネシウムイオン）を、陽イオン交換樹脂床（不図示）においてナトリウムイオン（又はカリウムイオン）に置換して軟水Ｗ５を製造する設備である。

塩水タンク１４は、陽イオン交換樹脂床を再生する塩水Ｗ４を貯留する。塩水タンク１４には、塩水ラインＬ９の上流側の端部が接続されている。塩水ラインＬ９の下流側の端部は、プロセス制御バルブ（不図示）と連通し、プロセス制御バルブを構成する各種ラインとそれぞれ接続されている。

塩水ラインＬ９には、塩水弁（不図示）が設けられている。塩水弁は、塩水ラインＬ９を開閉する。塩水弁は、プロセス制御バルブに組み込まれている。塩水弁において、弁体の駆動部は、不図示の信号線を介して制御部８と電気的に接続されている。塩水弁における弁の開閉は、制御部８により制御される。塩水タンク１４は、再生プロセスにおいて、陽イオン交換樹脂床を再生する塩水Ｗ４を圧力タンク（不図示）へ送出する。

ｐＨ調整剤添加装置１５は、硬水軟化装置１３により製造された軟水Ｗ５のｐＨを調整するためにｐＨ調整剤を添加する装置である。ｐＨ調整剤添加装置１５は、接続部Ｊ７にて軟水ラインＬ８に接続している。軟水Ｗ５にｐＨ調整剤を添加することで、ｐＨ調整された軟水Ｗ６を製造する。第２実施形態では、ｐＨ調整剤として、ｐＨ値を増加させるアルカリ性薬剤（水酸化ナトリウムなど）を用いる。

ＲＯ膜モジュール６は、ｐＨ調整された軟水Ｗ６を、溶存塩類が除去された透過水Ｗ７と、溶存塩類が濃縮された濃縮水Ｗ８とに膜分離処理する設備である。ＲＯ膜モジュール６の一次側入口ポートは、軟水ラインＬ８を介して硬水軟化装置１３の下流側に接続されている。

第３実施形態におけるＲＯ膜モジュール６としては、第１実施形態と同じＲＯ膜モジュール６が使用される。当該ＲＯ膜モジュール６が有する逆浸透膜は、淡水の脱塩処理において、供給水の硬度が低いほど、電気伝導率（ＥＣ）で評価したときの塩除去率（すなわち、（供給水ＥＣ−透過水ＥＣ）／供給水ＥＣ×１００）が高くなる。そのため、例としてスプリット・フロー再生を行う硬水軟化装置１３で製造された高純度の軟水Ｗ５（実力値として、０．８ｍｇＣａＣＯ３以下）を恒常的に供給することで、高い塩除去率（通常、９８．５％以上）を維持できる。

塩除去率は、膜を透過する前後の特定の塩類の濃度（ここでは塩化ナトリウム濃度）から計算される値である。塩除去率は、逆浸透膜の溶質の阻止性能を示す指標である。塩除去率は、供給水の濃度Ｃｆ及び透過水の濃度Ｃｐから、（１−Ｃｐ／Ｃｆ）×１００により求められる。

本実施形態の水透過係数及び塩除去率の条件を満たす逆浸透膜は、前述した逆浸透膜エレメントとして市販されている。

制御部８は、不図示の軟水流量センサ、塩水流量センサから入力された検出信号等に基づいて、硬水軟化装置１３のプロセス制御バルブの動作を制御する。制御部８のメモリには、硬水軟化装置１３の運転を実施する制御プログラムが予め記憶されている。

制御部８は、第１、第２実施形態と同様に、流量フィードバック水量制御（図２）と、温度・ｐＨフィードバック回収率制御（図３）を行うとともに、追加の制御として、図６に示すｐＨ調整制御を行う。図６に示すフローチャートの処理は、水処理システム１Ａの運転中において、繰り返し実行される。

図６に示すステップＳＴ３０１において、制御部８は、ＲＯ膜モジュール６への供給水（軟水Ｗ６）の温度とｐＨ値と回収率との関係を表す「目標ｐＨ算出テーブル」を準備する。当該テーブルは、供給水の温度およびｐＨ値に応じて、シリカがスケール析出する限界値の回収率を定めたものである。目標ｐＨ算出テーブルは、原水ごとに予め用意することができる。

ステップＳＴ３０２において、制御部８は、温度センサ３により検出される供給水の検出温度に基づいて、目標ｐＨ算出テーブルから、当該検出温度において回収率が最大となるｐＨ値を目標ｐＨ値として算出する。具体的な方法の一例について、図７を用いて説明する。

図７は、模式的な目標ｐＨ算出テーブルを示している。図７に示すように、３種類の温度（１５℃、２０℃、２５℃）と、３種類のｐＨ（７．５、８．０、８．５）に関して、シリカスケールが析出する限界値となる回収率が予め測定されている。これらのデータが、目標ｐＨ算出テーブルとして制御部８に記憶されている。

図７に示す例では、測定された供給水の温度が１５℃の場合、回収率が最も高くなるｐＨは８．５である。よって、ｐＨ値８．５を目標ｐＨ値として算出すればよい。一方、測定された供給水の温度が２０℃の場合、回収率が最も高くなるｐＨは８．０である。よって、ｐＨ値８．０を目標ｐＨ値として算出すればよい。さらに、測定された供給水の温度が２５℃の場合、回収率が最も高くなるｐＨは７．５である。よって、ｐＨ値７．５を目標ｐＨ値として算出すればよい。

ステップＳＴ３０３において、制御部８は、目標ｐＨ値となるようにｐＨ調整剤の添加量を定めるとともに、当該添加量を添加するようにｐＨ調整剤添加装置１５を制御する。

ステップＳＴ３０４において、制御部８は、算出した目標ｐＨ値を、供給水のｐＨ値として取得する。制御部８は、取得した供給水のｐＨ値を、前述した図３、４におけるＳＴ２０４の検出ｐＨ値「Ｐｈ」として使用する。

上述した第３実施形態による制御によれば、（ｉ）供給水（軟水Ｗ６）の温度とｐＨ値と回収率との関係を表す目標ｐＨ算出テーブルと、検出温度とに基づいて目標ｐＨ値を算出する（ＳＴ３０１−ＳＴ３０２）。さらに、（ｉｉ）供給水のｐｈ値を目標ｐＨ値に維持するようにｐＨ調整剤の添加量を制御する（ＳＴ３０３）。さらに、予め取得された供給水のｐＨ値として、当該目標ｐＨ値を使用する（ＳＴ３０４）。

上記制御は、以下の原理に基づくものである。すなわち、硬水軟化装置１３を設けて原水Ｗ１に軟化処理を実施することにより、原水Ｗ１における炭酸カルシウムを含む硬度成分を減少させることができる。これにより、前述したＳＴ２０７（図４）で取得する硬度Ｈｄが減少するため、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃは増加する（ＳＴ２０９）。よって、もう一方のシリカの許容濃縮倍率Ｎｓを増加させるように調整することができれば、シリカと炭酸カルシウムの両方を析出させない範囲で、より高い回収率が実現可能となる。その手段として、ｐＨ調整剤添加装置１５を設けて、軟水Ｗ５にｐＨ調整剤を投入し、理想のｐＨ値となるように調整する。具体的には、アルカリ性薬剤を軟水Ｗ５に添加することにより、軟水Ｗ５のｐＨ値を増加させる（軟水Ｗ６となる）。本発明者らは、溶液のｐＨ値が中性付近の値よりも増加すると、シリカの溶解度も大幅に上がることに着目した。そこで、アルカリ性薬剤を軟水Ｗ５に添加することにより、シリカの溶解度が大幅に増加して、シリカの許容濃縮倍率Ｎｓを大きく増加させることができる。ｐＨ値を増加させると、炭酸カルシウムの溶解度は下がるが、硬水軟化装置１３による軟水処理で既に減少しているので、影響は少ない。このように、第３実施形態では、軟水処理によって炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎｃを増加させつつ、軟水Ｗ５のｐＨ調整によってシリカの許容濃縮倍率Ｎｓも増加させている。このように、炭酸カルシウムとシリカのそれぞれの許容濃縮倍率を増加させた上で、回収率制御することにより、シリカと炭酸カルシウムの両方のスケール析出を抑えながら、より高い回収率を実現することができる。

以上、上述の第１実施形態−第３実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の第１実施形態−第３実施形態に限定されない。例えば、第３実施形態では、温度・ｐＨフィードフォワード制御と、ｐＨ調整制御の両方を制御部８が実施する場合について説明したが、別々の制御部により実施してもよい（すなわち、第１制御部と第２制御部）。

また第３実施形態では、硬水軟化装置１３による軟水処理とｐＨ調整剤添加装置１５によるｐＨ調整処理とを行う場合について説明したが、どちらか片方だけの処理を行ってもよい。

また第３実施形態では、ｐＨ調整剤としてアルカリ性薬剤を用いてアルカリ側にｐＨ調整を行う（ｐＨを増加させる）場合について説明したが、特に軟水処理を行わない場合には、酸側にｐＨ調整する（ｐＨを減少させる）場合であってもよい。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

１ 水処理システム
２ 加圧ポンプ
３ 温度センサ（温度検出手段）
４ ｐＨセンサ（ｐＨ検出手段）
５ インバータ
６ ＲＯ膜モジュール
７ 流量センサ（流量検出手段）
８ 制御部
９ 第１排水バルブ（排水弁）
１０ 第２排水バルブ（排水弁）
１１ 第３排水バルブ（排水弁）
１２ 原水ポンプ
１３ 硬水軟化装置
１４ 塩水タンク
１５ ｐＨ調整剤添加装置
Ｌ１ 原水ライン
Ｌ２ 透過水ライン
Ｌ３ 供給水ライン
Ｌ４ 第１排水ライン
Ｌ５ 第２排水ライン
Ｌ６ 第３排水ライン
Ｌ７ 原水ライン
Ｌ８ 軟水ライン
Ｌ９ 塩水ライン

Claims (5)

1. 供給水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
   入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動され、供給水を吸入して前記逆浸透膜モジュールに向けて吐出する加圧ポンプと、
   入力された演算値信号に対応する駆動周波数を前記加圧ポンプに出力するインバータと、
   透過水の流量が予め設定された目標流量値となるように、系内の物理量を用いて前記加圧ポンプの駆動周波数を演算し、当該駆動周波数の演算値に対応する演算値信号を前記インバータに出力する第１制御部と、
   供給水、透過水又は濃縮水の温度を検出する温度検出手段と、
   装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁と、を備え、
   前記第１制御部は、（ｉ）予め取得された供給水のシリカ濃度と、前記温度検出手段の検出温度値及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定したシリカ溶解度とに基づいて、濃縮水におけるシリカの許容濃縮倍率を演算し、（ｉｉ）当該許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の前記目標流量値から排水流量を演算し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が当該排水流量の演算値となるように、前記排水弁を制御する、膜分離装置。
2. 前記第１制御部は、（ｉ）予め取得された供給水の硬度と、前記温度検出手段の検出温度値及び予め取得された供給水のｐＨ値から決定した炭酸カルシウム溶解度とに基づいて、濃縮水における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率を演算し、（ｉｉ）炭酸カルシウムの許容濃縮倍率がシリカの許容濃縮倍率よりも小さい場合には、シリカの許容濃縮倍率に代えて、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の前記目標流量値から排水流量を演算し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が当該排水流量の演算値となるように、前記排水弁を制御する、請求項１に記載の膜分離装置。
3. ｐＨを調整するためのｐＨ調整剤を供給水に添加するｐＨ調整剤添加装置と、
   前記ｐＨ調整剤添加装置から供給されるｐＨ調整剤の添加量を制御するための第２制御部とをさらに備え、
   前記第２制御部は、（ｉ）供給水の温度とｐＨ値と回収率との関係を表す目標ｐＨ算出テーブルと、前記検出温度とに基づいて目標ｐＨ値を算出し、（ｉｉ）供給水のｐＨ値を前記目標ｐＨ値に維持するようにｐＨ調整剤の添加量を制御し、
   前記第１制御部は、前記予め取得された供給水のｐＨ値として、前記目標ｐＨ値を使用する、請求項１又は２に記載の膜分離装置。
4. 前記第２制御部は、前記目標ｐＨ算出テーブルに基づき、前記検出温度において回収率が最大となるｐＨ値を目標ｐＨ値として算出し、供給水のｐＨ値を前記目標ｐＨ値に維持するようにｐＨ調整剤の添加量を制御する、請求項３に記載の膜分離装置。
5. 供給水の硬度成分を減少させて軟化させる硬水軟化装置をさらに備え、
   前記ｐＨ調整剤添加装置は、ｐＨを増加させるアルカリ性薬剤を薬剤として添加する、請求項３又は４に記載の膜分離装置。

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