JP2018153799A - 逆浸透処理方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱することにより加熱コストを低減する。【解決手段】原水は配管1から熱交換器2に供給され、加熱された後、配管3から蒸気を熱源とした熱交換器4に供給され、さらに加熱された後、RO装置6に供給される。RO装置6の透過水は配管7から処理水として取り出され、濃縮水は配管8へ流出し、ヒートポンプ10の熱源流体として該ヒートポンプ10の蒸発器11に通水される。熱交換器2の熱源流体流路には、ヒートポンプ10の凝縮器13によって加熱された媒体水が循環流通される。【選択図】図1

Description

本発明は、逆浸透膜装置を用いて水を処理する逆浸透処理方法に係り、特に逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱する逆浸透処理方法及び装置に関する。
逆浸透膜装置(以下、RO装置ということがある。)にあっては、処理水量維持(水の粘度低下によるフラックス上昇、シリカ飽和溶解度上昇による回収率向上)の為、給水温度を25℃程度に加温している。この給水の加熱には蒸気、温水、電気ヒーターなどが使用され、エネルギーを消費している。
特開2012−91118号公報の請求項7には、RO装置の給水をヒートポンプによって23〜25℃に加熱することが記載されているが、同号公報にはヒートポンプの熱源についての具体的記載はなされていない。
特開2012−91118号公報
RO装置の給水を、蒸気、温水、電気ヒーター等によって加熱する場合、加熱コストが高い。また、給水加熱に投入したエネルギーは濃縮水と一緒に廃棄されることなり、エネルギーロスとなっている。
原水と濃縮水を熱交換して、濃縮水排熱を回収することが可能であるが、温度差が小さい為、熱交換器の伝熱面積を大きくする必要があり、熱交換器費用が高くなる。また、温度差が必要なため、加熱分を全量回収することは不可能である。
異なる設備(冷凍機、コンプレッサーなど)の排熱を熱源にする場合、RO装置との配管コスト長が長くなり、工事費用が高くなる。また、稼働のタイミングが合わないこともある。
RO装置の給水をヒートポンプで加熱する場合において、ヒートポンプの熱源をRO装置の濃縮水(以下、RO濃縮水ということがある。)もしくは処理水とすることが考えられる。しかしながら、RO濃縮水は、スケール成分(例えばシリカやカルシウム等の硬度成分)濃度やその他の塩類濃度、有機物濃度が高いため、ヒートポンプの蒸発器等にスケール、スライム等の汚れが生成し易い。
本発明は、RO濃縮水を熱源としたヒートポンプでRO装置への給水を加熱することにより加熱コストを低減することを目的とする。また、本発明は、その一態様において、このヒートポンプの蒸発器やRO装置等でのスケール、スライム等を防止又は抑制することを目的とする。
本発明の逆浸透処理方法は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いることを特徴とするものである。
本発明の一態様では、前記ヒートポンプの蒸発器の熱源流体出口における濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度未満、及び/又は、ランゲリア指数が0以下となるように、前記逆浸透膜装置の回収率及び前記原水の温度の少なくとも一方を調整する。
本発明の一態様では、前記原水を所定pH以上のアルカリ性とするか、所定pH以下の酸性とする。
本発明の一態様では、前記原水にスケール防止剤及び/又はスライム防止剤を添加する。
本発明の逆浸透処理装置は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する手段を備えたことを特徴とするものである。
本発明によると、RO濃縮水を熱源としたヒートポンプでRO装置への給水を加熱することにより、加熱コストを低減することができる。また、RO濃縮水を熱源とすることにより、RO装置近傍のみでの配管工事等で本発明装置を構成することができる。
ヒートポンプを用いることにより、原水との温度差を大きくでき、小さい伝熱面積で熱回収できる。
本発明の一態様によると、シリカ濃度や塩類濃度が高い等の理由によりヒートポンプの熱源として利用することが難しい水質のRO濃縮水を直接ヒートポンプ熱源として利用できる。
実施の形態に係る逆浸透処理装置のブロック図である。
以下、図1を参照して実施の形態について説明する。
RO処理される原水は、配管1から熱交換器2に供給され、加熱された後、配管3から熱交換器4に供給され、さらに加熱された後、RO装置6に供給される。RO装置6の透過水は配管7から処理水として取り出され、濃縮水は配管8へ流出し、ヒートポンプ10の熱源流体として該ヒートポンプ10の蒸発器11に通水される。
熱交換器2の熱源流体流路には、ヒートポンプ10の凝縮器13によって加熱された媒体水(伝熱媒体としての水)が循環流通される。
ヒートポンプ10は、蒸発器11からの代替フロン等の熱媒体を圧縮機12で圧縮して凝縮器13に導入し、凝縮器13からの熱媒体を膨張弁14を介して蒸発器11に導入するように構成されている。
凝縮器13に熱交換器2からの媒体水が配管15及びポンプ17を介して導入され、凝縮器13で加熱された媒体水が配管16を介して熱交換器2に送水される。
蒸発器11の熱源流体流路に配管8からRO装置6の濃縮水が導入される。熱交換により降温した濃縮水は、配管9を介して排出される。
熱交換器4の熱源流体流路には、蒸気が供給される。
RO装置6の濃縮水のスケール成分濃度や有機物濃度が原水よりも高いため、ヒートポンプ10の蒸発器11や配管8,9でスケールやスライムが発生するおそれが高いので、これを防止ないし抑制(以下、防止という。)する必要がある。また、RO装置6においてもスケールやスライムが発生することを防止する必要がある。
そこで、この実施の形態では、蒸発器11や、RO装置6、配管8,9におけるスケール、スライム防止のために次のi),ii)又はiii)の対策を行う。
i) 蒸発器11の熱源流体出口11aを流れる濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度を超えない様に、及び/又は、ランゲリア指数が0以下となるように、RO回収率及び原水温度の一方又は双方を調整する。
すなわち、[ヒートポンプ蒸発器出口11aにおけるシリカ濃度]が[シリカ飽和溶解度]よりも低くなるように、及び/又は、[ヒートポンプ蒸発器出口11aにおけるランゲリア指数]が[0以下]となるように、RO回収率を下げること、及び原水温度を上げることの一方又は双方を行う。
なお、RO濃縮水及び蒸発器出口でのランゲリア指数(LSI)は、通常、次の式(1)により求められる。
LSI=pH−pHs (1)
(1)において、pHは濃縮水もしくは蒸発器出口のpH値である。また、pHsは、濃縮水もしくは蒸発器において炭酸カルシウムが溶解も析出もしない平衡状態にあるときの理論上のpH値であり、次の式(2)により求められる。
pHs=9.3+A値+B値−C値−D値 (2)
式(2)において、A値は、蒸発残留物濃度により定まる補正値である。蒸発残留物濃度は、電気伝導率と相関があるため、所定の換算式を用いて電気伝導率から蒸発残留物濃度を求めることができる。B値は、水温により定まる補正値である。C値は、カルシウム硬度により定まる補正値である。D値は、総アルカリ度により定まる補正値である。
なお、RO透過水の一部をRO濃縮水に添加して、ヒートポンプ蒸発器に通水するのに適当な水質にしてもよい。即ち、RO透過水の一部をRO濃縮水に添加することも「回収率を低下させること」に包含される。
このように、回収率を下げたり原水温度を高くしたりすることにより、RO濃縮水中のシリカ濃度やランゲリア指数をスケール非発生条件とすることができる。例えば、23〜25℃の濃縮水中のシリカ濃度を100〜120ppm以下とすることにより、シリカスケールが防止される。
ii) RO装置6およびヒートポンプ蒸発器11でシリカスケールが析出しない様に原水のpHを調整する。具体的には、原水のCa硬度が5mg/L以下の条件でpHを9以上(例えば、9〜11)とする。又は、原水のpHを6以下(例えば、4〜6)とする。高pHでシリカをイオン化させることにより、ゲル化を抑制し、スケール析出を抑制することができる。また、原水を低pHとすることにより、シリカの析出速度を低下させてシリカスケールを抑制することができる。
iii) RO装置6およびヒートポンプ蒸発器11でスケール、スライムが析出しない様に原水に薬品(スケール防止剤やスライム防止剤など)を添加する。スケール防止剤やスライム防止剤としては、特に制限はなく、各種のものを用いることができる。
また、ランゲリア指数を0以下とするには、原水のpHを6以下(例えば、4〜6)とするか、又は、RO膜の前段に軟水器を設けて硬度成分を除去するようにしても良い。なお、カルシウムスケール用のスケール防止剤を原水に添加しても良く、その場合は、ランゲリア指数は0を超えても良い。例えば、スケール防止剤の性能にもよるが、有機高分子スケール防止剤を利用することにより、ランゲリア指数を0.5以下となるように制御することが可能となる。
なお、原水としては、工業用水(河川水、湖沼水等)、地下水、水道水、各種排水の処理水などが例示されるが、これに限定されない。
図1のシステムに従って井水(18℃)を25℃に加熱して20m/hでRO処理して透過水25℃、14m/h、濃縮水25℃、6m/hで膜分離し、ヒートポンプをCOP(成績係数)5で運転する場合、図1のようにヒートポンプ10及び熱交換器2,4を設置し、蒸発器出口11aの濃縮水温度を20℃とする条件でシステムを運転するときの熱交換器4の蒸気使用量は101.8kW相当となる。
なお、本発明のヒートポンプを備えた逆浸透膜装置においては、RO膜の入口や出口、蒸発器の熱源流体入口や出口の一部もしくは全部に、シリカや硬度成分(もしくはランゲリア指数)、水温等の測定機器(センサや算出ユニット等)を設け、該機器の測定値に基づいて、RO膜の回収率、pH調整(酸やアルカリの添加手段の制御)、薬品添加(スケール防止剤やスライム防止剤の添加手段)の一部又は全部を自動で制御する制御ユニットを設け、装置全体を自動運転可能に設計しても良い。熱源流体出口に上記測定機器を設けてRO膜の運転条件を制御することで、ヒートポンプを備えた逆浸透膜装置全体を安定に運転することが可能となる。
一方、図1のシステムにおいて熱交換器2及びヒートポンプ10を設置しない場合、同条件でRO処理するときの熱交換器4の蒸気使用量は162.8kW相当となる。
上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。
2,4 熱交換器
6 RO装置
10 ヒートポンプ
11 蒸発器
12 圧縮機
13 凝縮器
14 膨張弁
本発明の逆浸透処理方法は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、該ヒートポンプの蒸発器に通水される熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いるとともに、該ヒートポンプの後段に設けられた、蒸気による熱交換器で該ヒートポンプで加熱した原水を加熱した後、該逆浸透膜装置で逆浸透膜処理することを特徴とするものである。
本発明の逆浸透処理装置は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、該ヒートポンプの蒸発器に通水される熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する手段と、該ヒートポンプで加熱した原水を加熱する蒸気による熱交換器とを備え、該熱交換器で加熱された原水が該逆浸透膜装置で処理されることを特徴とするものである。

Claims (5)

  1. 原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、
    該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いることを特徴とする逆浸透処理方法。
  2. 請求項1において、前記ヒートポンプの蒸発器の熱源流体出口における濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度未満、及び/又はランゲリア指数が0以下となるように、前記逆浸透膜装置の回収率及び前記原水の温度の少なくとも一方を調整することを特徴とする逆浸透処理方法。
  3. 請求項1又は2において、前記原水を所定pH以上のアルカリ性とするか、所定pH以下の酸性とすることを特徴とする逆浸透処理方法。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項において、前記原水にスケール防止剤及び/又はスライム防止剤を添加することを特徴とする逆浸透処理方法。
  5. 原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、
    該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する手段を備えたことを特徴とする逆浸透処理装置。
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