JP2018202358A - 濃縮処理方法、及び濃縮処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被処理水に含有されたアンモニアの駆動溶液側への漏洩を抑えて、被処理水を濃縮処理することができる濃縮処理方法、及び濃縮処理装置を提供することを課題とする。【解決手段】アンモニア態窒素を含有した被処理水と塩を含有した駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させることで前記被処理水を濃縮処理する濃縮処理方法であって、前記塩の前記正浸透膜に対する透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上である、濃縮処理方法。【選択図】図３
Description
本発明は、正浸透膜を用いて下水や工場排水等の被処理水を濃縮処理する濃縮処理方法、及び濃縮処理装置に関する。
従来から、溶解成分の濃度が高い駆動溶液と溶解成分の濃度が該駆動溶液よりも低い被処理水とを半透膜を介して接触させることで駆動溶液と被処理水との間に生じる浸透圧を利用して、該被処理水から濃縮水を得る濃縮処理装置が知られている（特許文献１）。
例えば、特許文献１の濃縮処理装置は、正浸透膜の一次側（低濃度側）に下水や工場排水等の被処理水が導入され、正浸透膜の二次側（高濃度側）に、駆動溶液として被処理水よりも浸透圧が高い海水が導入されることで、一次側から二次側に水を移動させるように構成されている。
ところで、正浸透膜は、被処理水中の溶存物質が駆動溶液側に漏洩しないように、該溶存物質が駆動溶液側に移動するのを阻止する性能を有しているものの、アンモニア態窒素の駆動溶液側への移動を阻止する性能が低く、アンモニア態窒素は、比較的正浸透膜を透過しやすい。よって、正浸透膜は、アンモニア濃度の高い被処理水を濃縮処理するには不向きな場合があり、また、放流水（駆動溶液側）に対するアンモニア（窒素濃度）の規制が厳しい場所では採用できないという問題がある。
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、被処理水に含有されたアンモニアの駆動溶液側への漏洩を抑えて、被処理水を濃縮処理することができる濃縮処理方法、及び濃縮処理装置を提供することを課題とする。
出願人は、アンモニア態窒素を含有した被処理水と塩を含有した駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させて被処理水を濃縮させる濃縮処理方法において、塩の移動がアンモニア態窒素の移動に影響を及ぼすという新たな知見を得た。具体的には、被処理水と駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させることで、水は、浸透圧差によって被処理水から駆動溶液へ移動する。これに対して、被処理水中のアンモニア態窒素は、２液間のアンモニア態窒素の濃度差を駆動力として被処理水から駆動溶液へ移動する。また、駆動溶液中の塩は、２液間の塩の濃度差を駆動力として駆動溶液から被処理水へ移動する。中でも、駆動溶液中で拡散しやすい塩は、駆動溶液から被処理水へ移動し易いという性質を有する。このように、出願人は、当初、被処理水の透過流束を上げると、水の透過量の増大と共に塩やアンモニアの透過量も増大すると考えていたが、実際には、溶媒及び溶質の移動のメカニズムが異なることに気付き、この点に着目して、塩の透過流束を種々変更して被処理水の濃縮処理を行ったところ、塩の透過流束が大きいほどアンモニアの阻止率が上昇するという知見を得た。
即ち、出願人は、駆動溶液の塩の種類と濃度とを変更することによって塩の透過流束を徐々に上げて濃縮処理を行った結果、塩の透過流束が大きいほど塩が被処理水側に移動しやすくなる一方、アンモニア態窒素が駆動溶液側に移動しにくくなる現象を確認した。
以上の知見に基づいて、本発明に係る濃縮処理方法は、アンモニア態窒素を含有した被処理水と塩を含有した駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させることで前記被処理水を濃縮処理する濃縮処理方法であって、前記塩の前記正浸透膜に対する透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上であることを特徴とする。
かかる構成によれば、塩の透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上の駆動溶液を使用することで、アンモニア態窒素の透過量を低く抑えることができ、アンモニアの阻止率を向上させることができる。
本発明の一態様として、前記塩の透過流束は、３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上８０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以下であってもよい。
上記構成によれば、塩の透過流束を３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上とすることでアンモニアの阻止率を高い水準で維持しつつ、塩の透過流束を８０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以下とすることで塩の被処理水側への透過量を適量に抑えるこができる。そのため、アンモニアを良好に阻止しつつ、被処理水が濃縮されることで得られる濃縮水の塩濃度が高くなり過ぎるのを防止することができる。
本発明の他態様として、前記正浸透膜は、溶質を分離する活性層と、該活性層を支持する支持層と、を備え、前記活性層が前記駆動溶液に接して、且つ前記支持層が前記被処理水に接するように配置してもよい。
活性層が駆動溶液に接して、且つ支持層が被処理水に接するように正浸透膜を配置することで、活性層が被処理水に接し、且つ支持層が駆動溶液に接する場合に比べて塩の透過流束が大きくなる。そのため、上記構成によれば、活性層が被処理水に接し、且つ支持層が駆動溶液に接する場合に比べてアンモニアの阻止率を高くすることができる。
本発明の別の態様として、前記被処理水を濃縮処理することで得られた希釈された駆動溶液と海水とを逆浸透膜を介して接触させて、前記希釈された駆動溶液を濃縮処理し、該濃縮処理された駆動溶液を、前記被処理水を濃縮処理するための駆動溶液として再利用してもよい。
かかる構成によれば、海水を用いて希釈された駆動溶液を濃縮できるので、駆動溶液を再生するための溶液を容易に準備できると共に、圧力をかけて純水を得るような通常の逆浸透膜に比べて、駆動溶液側にかける圧力を低くすることができるので、低エネルギーで駆動溶液を再生することができる。また、再生された駆動溶液を被処理水の濃縮処理に再利用することができる。
本発明に係る濃縮処理装置は、アンモニア態窒素を含有した被処理水と塩を含有した駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させることで前記被処理水を濃縮処理する濃縮処理装置であって、前記塩の前記正浸透膜に対する透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上である。
かかる構成によれば、塩の透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上の駆動溶液を使用することで、アンモニア態窒素の透過量を低く抑えることができ、アンモニアの阻止率を向上させることができる。
以上より、本発明によれば、被処理水に含有されたアンモニアの駆動溶液側への漏洩を抑えて、被処理水を濃縮処理することができる濃縮処理方法、及び濃縮処理装置を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の濃縮処理方法は、例えば、図１に示すような濃縮処理装置１を用いて実施することができる。
本実施形態の濃縮処理方法は、アンモニア態窒素を含有した被処理水ＦＳと塩を含有した駆動溶液ＤＳとを正浸透膜ＦＯを介して接触させることで被処理水ＦＳを濃縮処理する濃縮処理方法であって、駆動溶液ＤＳとして、塩の正浸透膜ＦＯに対する透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上である駆動溶液ＤＳを使用する。例えば、本実施形態では、透過流束は、３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上８０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以下であるのが好ましい。
また、本実施形態の濃縮処理方法では、被処理水ＦＳを濃縮処理することで得られた希釈された駆動溶液ＤＳと海水ＳＷとを逆浸透膜ＲＯを介して接触させて、前記希釈された駆動溶液ＤＳを濃縮処理し、該濃縮処理された駆動溶液ＤＳを、被処理水ＦＳを濃縮処理するための駆動溶液ＤＳとして再利用する。
図１を参照しつつ、濃縮処理装置１について説明する。濃縮処理装置１は、アンモニア態窒素を含有した被処理水ＦＳと塩を含有した駆動溶液ＤＳとを正浸透膜ＦＯを介して接触させることで、被処理水ＦＳと駆動溶液ＤＳとの間に生じる浸透圧を利用して被処理水ＦＳを濃縮処理する（被処理水ＦＳから駆動溶液ＤＳへ水を移動させる）ものである。濃縮処理装置１は、正浸透膜ＦＯを用いて被処理水ＦＳを濃縮する第１濃縮部２を備える。本実施形態の濃縮処理装置１は、被処理水ＦＳを濃縮することで得られる希釈された駆動溶液ＤＳ（以下、希釈駆動溶液ＤＳ１とする）を、逆浸透膜ＲＯを用いて濃縮し、濃縮された駆動溶液ＤＳ（以下、濃縮駆動溶液ＤＳ２とする）を第１濃縮部２に供給するように構成されている。そのため、本実施形態の濃縮処理装置１は、希釈駆動溶液ＤＳを濃縮する第２濃縮部３を備える。以下、希釈駆動溶液ＤＳ１及び濃縮駆動溶液ＤＳ２を単に駆動溶液ＤＳと称する場合がある。
図１に示すように、本実施形態の濃縮処理装置１は、希釈駆動溶液ＤＳ１を、海水ＳＷを用いて濃縮することで再生し、駆動溶液ＤＳを再利用するように構成されている。即ち、本実施形態の濃縮処理装置１は、駆動溶液ＤＳを流通させる駆動溶液流通系統Ａと、被処理水ＦＳを流通させる被処理水流通系統Ｂと、海水ＳＷを流通させる海水流通系統Ｃとを備える。
第１濃縮部２は、正浸透膜ＦＯと、駆動溶液ＤＳを流通させる駆動溶液流通部２Ａと、被処理水ＦＳを流通させる被処理水流通部２Ｂとを備える。第１濃縮部２は、駆動溶液流通部２Ａと被処理水流通部２Ｂとが正浸透膜ＦＯによって仕切られることで構成されている。第１濃縮部２では、駆動溶液ＤＳと被処理水ＦＳとの間に発生する浸透圧に基づいて、被処理水流通部２Ｂから駆動溶液流通部２Ａへ水Ｗが移動する。第１濃縮部２は、駆動溶液流通部２Ａが駆動溶液流通系統Ａに属し、被処理水流通部２Ｂが被処理水流通系統Ｂに属することで、駆動溶液流通系統Ａと、被処理水流通系統Ｂとに跨るように構成されている。
正浸透膜ＦＯは、溶質を分離する活性層Ｌ１と、該活性層Ｌ１を支持する支持層Ｌ２とを備える。即ち、正浸透膜ＦＯは、活性層Ｌ１と支持層Ｌ２とが重ね合わされることで構成されている。本実施形態の正浸透膜ＦＯは、活性層Ｌ１が駆動溶液ＤＳに接して、且つ支持層Ｌ２が被処理水ＦＳに接するように配置されている。
第２濃縮部３は、逆浸透膜ＲＯと、希釈駆動溶液ＤＳ１を流通させる駆動溶液流通部３Ａと、海水ＳＷを流通させる海水流通部３Ｃとを備える。第２濃縮部３は、駆動溶液流通部３Ａと海水流通部３Ｃとが逆浸透膜ＲＯによって仕切られることで構成されている。第２濃縮部３では、駆動溶液ＤＳと海水ＳＷとの間に発生する浸透圧以上の圧力を駆動溶液流通部３Ａ側に加えることで、駆動溶液流通部３Ａから海水流通部３Ｃへ水Ｗが移動する。第２濃縮部３は、駆動溶液流通部３Ａが駆動溶液流通系統Ａに属し、海水流通部３Ｃが海水流通系統Ｃに属することで、駆動溶液流通系統Ａと、海水流通系統Ｃとに跨るように構成されている。
正浸透膜ＦＯ及び逆浸透膜ＲＯは、少なくとも水分子が透過し、一定の大きさ以上の分子やイオンが透過しない膜であれば特に限定されず、正浸透膜ＦＯ及び逆浸透膜ＲＯには、公知の半透膜を用いることができる。また、膜を構成する材料や膜の形状についても特に限定されない。膜の材料としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホン等が挙げられる。膜モジュールの形状としては、例えば、中空糸膜モジュール、スパイラル膜モジュール、チューブラ膜モジュール等が挙げられる。
本実施形態の濃縮処理装置１は、第１濃縮部２での水Ｗの移動量と、第２濃縮部３での水Ｗの移動量とが等しくなるように構成されている。即ち、駆動溶液ＤＳは、第１濃縮部２で増加した水量に応じて希釈されると共に、第１濃縮部２で増加した水量と同量の水量が第２濃縮部３で抜き出されて濃縮される。そのため、本実施形態の濃縮処理装置１は、駆動溶液流通部２Ａの入口濃度が略一定に保たれるので、安定した濃縮処理能力を発揮することができる。
駆動溶液ＤＳは、例えば、塩として塩化ナトリウムを含有している。しかしながら、塩の種類としては、塩化ナトリウムに限定されるものでは無く、後述する塩化リチウム等の種々の塩を採用することができる。被処理水ＦＳとしては特に限定されず、例えば、下水や工場排水等の、アンモニア態窒素を含有する有機性排水が挙げられる。
駆動溶液流通系統Ａは、駆動溶液ＤＳが循環する系統である。駆動溶液流通系統Ａは、第１濃縮部２の駆動溶液流通部２Ａと、第２濃縮部３の駆動溶液流通部３Ａと、駆動溶液ＤＳが循環する循環配管５と、駆動溶液ＤＳを送液するポンプ４とを備える。
駆動溶液流通部２Ａには、例えば、後述する表１に示された塩を含有し、表１に示された塩濃度の駆動溶液ＤＳが供給される。駆動溶液流通部２Ａは、被処理水流通部２Ｂから駆動溶液流通部２Ａに水Ｗが移動することで、上流から供給された駆動溶液ＤＳに、水Ｗを加えた量の駆動溶液ＤＳ（希釈駆動溶液ＤＳ１）を排出する。本実施形態では、駆動溶液流通部２Ａには、駆動溶液流通部３Ａから排出された濃縮駆動溶液ＤＳ２が供給される。
駆動溶液流通部３Ａは、該駆動溶液流通部３Ａ側が加圧されることによって、海水流通部３Ｃへ水Ｗが移動するように構成されており、上流から供給された駆動溶液ＤＳから水Ｗを除した量の駆動溶液ＤＳ（濃縮駆動溶液ＤＳ２）を排出する。本実施形態では、駆動溶液流通部３Ａには、駆動溶液流通部２Ａから排出された希釈駆動溶液ＤＳ１が供給される。
循環配管５は、駆動溶液流通部２Ａから排出された希釈駆動溶液ＤＳ１が流通する第１配管５１と、駆動溶液流通部３Ａから排出された濃縮駆動溶液ＤＳ２が流通する第２配管５２とを備える。ポンプ４は、循環配管５中に介装されている。本実施形態のポンプ４は、第１配管５１中に介装されている。
被処理水流通系統Ｂは、被処理水ＦＳ及び処理済み水（以下、濃縮水とする）が流通する系統である。被処理水流通系統Ｂは、被処理水流通部２Ｂと、被処理水ＦＳ又は濃縮水が流通する流通配管７と、被処理水ＦＳを送液するポンプ６とを備える。
被処理水流通部２Ｂは、該被処理水流通部２Ｂから駆動溶液流通部２Ａ側に水Ｗが移動することで、上流から供給された被処理水ＦＳから水Ｗを除した量の濃縮水を排出する。排出された濃縮水は、ポンプ６によって図示しない他の処理装置へ送られ、更に処理される。
流通配管７は、被処理水ＦＳを被処理水流通部２Ｂに供給する第１配管７１と、被処理水流通部２Ｂから排出された濃縮水が流通する第２配管７２とを備える。ポンプ６は、流通配管７中に介装されている。本実施形態のポンプ６は、第１配管７１中に介装されている。
海水流通系統Ｃは、海水ＳＷが流通する系統である。海水流通系統Ｃは、海水流通部３Ｃと、海水ＳＷが流通する流通配管８と、海水ＳＷを送液するポンプ（図示しない）とを備える。
海水流通部３Ｃは、駆動溶液流通部３Ａから該海水流通部３Ｃへ水Ｗが移動することで、上流から供給された海水ＳＷに、水Ｗを加えた量の希釈された海水ＳＷを排出する。排出された海水は、図示しない海水供給部に戻される等して、再利用される。
流通配管８は、海水ＳＷを海水流通部３Ｃに供給する第１配管８１と、海水流通部３Ｃから排出された希釈された海水ＳＷが流通する第２配管８２とを備える。
濃縮処理装置１の処理能力について一例を挙げる。濃縮処理装置１が、例えば、１１０ｍ３／ｄ（ｄは、１日を意味する）の被処理水ＦＳを１０ｍ３／ｄまで濃縮処理する場合、１００ｍ３／ｄの水Ｗを駆動溶液ＤＳ側に移動させる必要がある。同時に、１００ｍ３／ｄの水Ｗを駆動溶液ＤＳから海水ＳＷ側に移動させる必要がある。この場合、一般的な海水ＳＷの塩濃度を０．６ｍｏｌ／Ｌとして、駆動溶液ＤＳに含有された塩が塩化ナトリウムであったとすると、駆動溶液流通部３Ａに加える圧力を極力低く抑えるためには、第２濃縮部３の入口の塩濃度が０．６ｍｏｌ／Ｌ以下であるのが好ましい。即ち、第１濃縮部２の出口の塩濃度が０．６ｍｏｌ／Ｌ以下となる。例えば、後述する表１におけるケースｃのように、第１濃縮部２に塩濃度が１．２ｍｏｌ／Ｌの駆動溶液ＤＳを供給しつつ、第１濃縮部２の出口の塩濃度を０．６ｍｏｌ／Ｌとしたい場合には、第１濃縮部２の入口では、駆動溶液ＤＳを１００ｍ３／ｄ供給することとなる。
本実施形態に係る濃縮処理装置１の説明は以上である。以下、本発明について、実施例を挙げて説明する。
（駆動溶液ＤＳ）
駆動溶液ＤＳとしては、塩の種類として、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、グルコース（Ｇｌｕｃｏｓｅ）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）を採用した。塩化ナトリウムについては、０．３ｍｏｌ／Ｌ、０．６ｍｏｌ／Ｌ、１．２ｍｏｌ／Ｌ（ナトリウムイオン濃度基準）の三種類の濃度に調整した。塩化リチウムについては、０．６ｍｏｌ／Ｌ（リチウムイオン濃度基準）、グルコースについては、１．２ｍｏｌ／Ｌ（炭素濃度基準）、硫酸マグネシウムについては、１．２ｍｏｌ／Ｌ（マグネシウムイオン濃度基準）とし、各駆動溶液ＤＳが０．６ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウムと同じ浸透圧を有するように調整した。後述する表１中では、「ｍｏｌ／Ｌ」を「Ｍ」として表記している。
駆動溶液ＤＳとしては、塩の種類として、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、グルコース（Ｇｌｕｃｏｓｅ）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）を採用した。塩化ナトリウムについては、０．３ｍｏｌ／Ｌ、０．６ｍｏｌ／Ｌ、１．２ｍｏｌ／Ｌ（ナトリウムイオン濃度基準）の三種類の濃度に調整した。塩化リチウムについては、０．６ｍｏｌ／Ｌ（リチウムイオン濃度基準）、グルコースについては、１．２ｍｏｌ／Ｌ（炭素濃度基準）、硫酸マグネシウムについては、１．２ｍｏｌ／Ｌ（マグネシウムイオン濃度基準）とし、各駆動溶液ＤＳが０．６ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウムと同じ浸透圧を有するように調整した。後述する表１中では、「ｍｏｌ／Ｌ」を「Ｍ」として表記している。
（被処理水ＦＳ）
アンモニウムイオン中の窒素濃度が３０ｍｇ／Ｌとなるように調整した被処理水ＦＳを使用した。
アンモニウムイオン中の窒素濃度が３０ｍｇ／Ｌとなるように調整した被処理水ＦＳを使用した。
（正浸透膜ＦＯ）
正浸透膜ＦＯとしては、Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ社製、ＣＴＡ−ＥＳ膜を使用した。
正浸透膜ＦＯとしては、Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ社製、ＣＴＡ−ＥＳ膜を使用した。
以上の駆動溶液ＤＳ、被処理水ＦＳ、及び正浸透膜ＦＯを使用して、正浸透膜ＦＯの活性層Ｌ１側に被処理水ＦＳを導入し、支持層Ｌ２側に駆動溶液ＤＳを導入した場合（ＡＬ−ＦＳ）、及び正浸透膜ＦＯの活性層Ｌ１側に駆動溶液ＤＳを導入し、支持層Ｌ２側に被処理水ＦＳを導入した場合（ＡＬ−ＤＳ）の２ケースで濃縮処理を行った。
（アンモニアの阻止率）
アンモニアの阻止率は以下の式によって算出した。
Ｒｅｊ＝（１−Ｃｐ／Ｃｂ）×１００
Ｒｅｊ ：アンモニアの阻止率［％］
Ｃｐ ：透過液のアンモニア濃度［ｍｇ／Ｌ］
Ｃｂ ：被処理水ＦＳ中のアンモニア濃度［ｍｇ／Ｌ］
アンモニアの阻止率は以下の式によって算出した。
Ｒｅｊ＝（１−Ｃｐ／Ｃｂ）×１００
Ｒｅｊ ：アンモニアの阻止率［％］
Ｃｐ ：透過液のアンモニア濃度［ｍｇ／Ｌ］
Ｃｂ ：被処理水ＦＳ中のアンモニア濃度［ｍｇ／Ｌ］
（塩の透過流束）
塩の透過流束Ｊｓの算出方法について説明する。以下、説明の都合上、駆動溶液ＤＳについてはＤＳ、被処理水ＦＳについてはＦＳと表記するものとする。
塩の透過流束Ｊｓ［ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ］＝(ＦＳへの塩の透過量[ｍｍｏｌ])/(膜面積[ｍ２]×時間[ｈ])
具体的には、濃縮処理前のＦＳ中の塩濃度（ＤＳに使用している塩（≒漏れてくる塩）の種類に応じて測定イオン種は異なる）をイオンクロマトグラフィーで測定し、測定された濃度に濃縮処理前のＦＳ液量を掛けることで濃縮処理前のＦＳ中の塩量を求める。同様に、濃縮処理後のＦＳ中の塩量を求め、その差分により、濃縮処理中にＤＳからＦＳへ流入した塩量（塩の透過量）が求まる。この流入した塩量を濃縮処理時間および膜面積で除すことで、塩の透過流束Ｊｓが求まる。
塩の透過流束Ｊｓの算出方法について説明する。以下、説明の都合上、駆動溶液ＤＳについてはＤＳ、被処理水ＦＳについてはＦＳと表記するものとする。
塩の透過流束Ｊｓ［ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ］＝(ＦＳへの塩の透過量[ｍｍｏｌ])/(膜面積[ｍ２]×時間[ｈ])
具体的には、濃縮処理前のＦＳ中の塩濃度（ＤＳに使用している塩（≒漏れてくる塩）の種類に応じて測定イオン種は異なる）をイオンクロマトグラフィーで測定し、測定された濃度に濃縮処理前のＦＳ液量を掛けることで濃縮処理前のＦＳ中の塩量を求める。同様に、濃縮処理後のＦＳ中の塩量を求め、その差分により、濃縮処理中にＤＳからＦＳへ流入した塩量（塩の透過量）が求まる。この流入した塩量を濃縮処理時間および膜面積で除すことで、塩の透過流束Ｊｓが求まる。
（アンモニアの透過流束）
アンモニアの透過流束ＪＮＨ４の算出方法について説明する。
アンモニアの透過流束ＪＮＨ４［ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ］＝(ＤＳへのアンモニウムイオンの透過量[ｍｍｏｌ])/(膜面積[ｍ２]×時間[ｈ])
具体的には、濃縮処理前のＤＳ中のアンモニウムイオン濃度をイオンクロマトグラフィーで測定し、測定された濃度に濃縮処理前のＤＳ液量を掛けることで濃縮処理前のＤＳ中のアンモニウムイオンの量を求める。同様に、濃縮処理後のＤＳ中のアンモニウムイオンの量を求め、その差分により、濃縮処理中にＦＳからＤＳへ流入したアンモニウムイオンの量（アンモニウムイオンの透過量）が求まる。この流入したアンモニウムイオンの量を濃縮処理時間、及び膜面積で除すことで、アンモニアの透過流束ＪＮＨ４が求まる。
アンモニアの透過流束ＪＮＨ４の算出方法について説明する。
アンモニアの透過流束ＪＮＨ４［ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ］＝(ＤＳへのアンモニウムイオンの透過量[ｍｍｏｌ])/(膜面積[ｍ２]×時間[ｈ])
具体的には、濃縮処理前のＤＳ中のアンモニウムイオン濃度をイオンクロマトグラフィーで測定し、測定された濃度に濃縮処理前のＤＳ液量を掛けることで濃縮処理前のＤＳ中のアンモニウムイオンの量を求める。同様に、濃縮処理後のＤＳ中のアンモニウムイオンの量を求め、その差分により、濃縮処理中にＦＳからＤＳへ流入したアンモニウムイオンの量（アンモニウムイオンの透過量）が求まる。この流入したアンモニウムイオンの量を濃縮処理時間、及び膜面積で除すことで、アンモニアの透過流束ＪＮＨ４が求まる。
表１に、駆動溶液ＤＳ中の塩の種類及び塩濃度を示し、各塩に対して、正浸透膜ＦＯの活性層Ｌ１が被処理水ＦＳ側を向くように正浸透膜ＦＯを配置した場合（以下、ＡＬ−ＦＳとする）、該活性層Ｌ１が駆動溶液ＤＳ側を向くように正浸透膜ＦＯを配置した場合（以下、ＡＬ−ＤＳとする）のそれぞれにおける、塩の透過流束Ｊｓ、アンモニアの透過流束ＪＮＨ４、及びアンモニアの阻止率Ｒｅｊをまとめた。
また、塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの透過流束ＪＮＨ４との関係を表したグラフを図２に、塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの阻止率Ｒｅｊとの関係を表したグラフを図３に示す。
[同じ塩（ＮａＣｌ）を使用して濃度を変更した場合（表１のａ〜ｃ）]
表１のａ〜ｃを参照すると、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、塩濃度の上昇に伴って塩の透過流束Ｊｓが上昇していることが分かる。また、アンモニアの透過流束ＪＮＨ４については、ＡＬ−ＦＳでは０．３Ｍと０．６Ｍとの間に顕著な差が見られないものの、０．６Ｍから１．２Ｍへ濃度が上昇するに伴って、４．８から２．７へ大幅に減少した。これに対して、ＡＬ−ＤＳでは、塩濃度の上昇に伴ってアンモニアの透過流束ＪＮＨ４が明らかに減少した。また、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、アンモニアの阻止率Ｒｅｊは、塩濃度の上昇に伴って上昇した。即ち、塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの透過流束ＪＮＨ４との関係（図２参照）及び塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの阻止率Ｒｅｊとの関係（図３参照）を見てみると、塩の透過流束Ｊｓが大きいほどアンモニアの透過流束ＪＮＨ４が減少し、且つアンモニアの阻止率Ｒｅｊが上昇することが分かる。
表１のａ〜ｃを参照すると、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、塩濃度の上昇に伴って塩の透過流束Ｊｓが上昇していることが分かる。また、アンモニアの透過流束ＪＮＨ４については、ＡＬ−ＦＳでは０．３Ｍと０．６Ｍとの間に顕著な差が見られないものの、０．６Ｍから１．２Ｍへ濃度が上昇するに伴って、４．８から２．７へ大幅に減少した。これに対して、ＡＬ−ＤＳでは、塩濃度の上昇に伴ってアンモニアの透過流束ＪＮＨ４が明らかに減少した。また、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、アンモニアの阻止率Ｒｅｊは、塩濃度の上昇に伴って上昇した。即ち、塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの透過流束ＪＮＨ４との関係（図２参照）及び塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの阻止率Ｒｅｊとの関係（図３参照）を見てみると、塩の透過流束Ｊｓが大きいほどアンモニアの透過流束ＪＮＨ４が減少し、且つアンモニアの阻止率Ｒｅｊが上昇することが分かる。
即ち、図４に示すように、同じ塩を含有した駆動溶液ＤＳを使用した場合、塩濃度が低い駆動溶液ＤＳ（左図）を基準とすると、該駆動溶液ＤＳよりも塩濃度が高い駆動溶液ＤＳ（右図）では、同じ塩を使用しているため塩の拡散のしやすさは等しいものの、駆動溶液ＤＳと被処理水ＦＳとの塩の濃度差が大きいために、塩濃度が低い左図の場合よりも塩の透過量が多くなる（右図の塩の下矢印）。塩の透過量が多くなることでアンモニアの透過を阻害する効果（即ち、アンモニアが透過しにくくなる効果、右図のＮＨ４Ｎの上矢印）と、駆動溶液ＤＳと被処理水ＦＳとの間に生じる浸透圧が大きいために、被処理水ＦＳからの水の透過量が多くなる効果（右図のＷの上矢印）との相乗効果によって、アンモニアの阻止率Ｒｅｊを上昇させることができる。
[塩の種類を変更して同じ浸透圧の駆動溶液ＤＳを使用した場合（表１のｂ、ｄ〜ｆ）]
表１のｂ、ｄ〜ｆを参照すると、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、同じ浸透圧の下では、塩の種類によって塩の透過流束Ｊｓが大きく相違することが分かる。塩化ナトリウム及び塩化リチウムは、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、グルコース及び硫酸マグネシウムに比べて塩の透過流束Ｊｓが大きく、アンモニアの阻止率Ｒｅｊも、グルコース及び硫酸マグネシウムに比べて大きい。言い換えると、グルコース及び硫酸マグネシウムの塩の透過流束Ｊｓが極端に低くなっており、アンモニアの阻止率Ｒｅｊも５０％を下回る。この値は、後述するように、海水ＳＷにおけるアンモニアの阻止率Ｒｅｊ（５０％前後）よりも小さいため、グルコース及び硫酸マグネシウムは、塩化ナトリウム及び塩化リチウムと比較して、アンモニアを阻止する性能が劣ることが分かる。ここで、塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの透過流束ＪＮＨ４との関係（図２参照）及び塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの阻止率Ｒｅｊとの関係（図３参照）を見てみると、塩の透過流束Ｊｓが大きいほどアンモニアの透過流束ＪＮＨ４が減少し、且つアンモニアの阻止率Ｒｅｊが上昇する傾向があることが分かる。
表１のｂ、ｄ〜ｆを参照すると、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、同じ浸透圧の下では、塩の種類によって塩の透過流束Ｊｓが大きく相違することが分かる。塩化ナトリウム及び塩化リチウムは、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、グルコース及び硫酸マグネシウムに比べて塩の透過流束Ｊｓが大きく、アンモニアの阻止率Ｒｅｊも、グルコース及び硫酸マグネシウムに比べて大きい。言い換えると、グルコース及び硫酸マグネシウムの塩の透過流束Ｊｓが極端に低くなっており、アンモニアの阻止率Ｒｅｊも５０％を下回る。この値は、後述するように、海水ＳＷにおけるアンモニアの阻止率Ｒｅｊ（５０％前後）よりも小さいため、グルコース及び硫酸マグネシウムは、塩化ナトリウム及び塩化リチウムと比較して、アンモニアを阻止する性能が劣ることが分かる。ここで、塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの透過流束ＪＮＨ４との関係（図２参照）及び塩の透過流束Ｊｓとアンモニアの阻止率Ｒｅｊとの関係（図３参照）を見てみると、塩の透過流束Ｊｓが大きいほどアンモニアの透過流束ＪＮＨ４が減少し、且つアンモニアの阻止率Ｒｅｊが上昇する傾向があることが分かる。
例えば、塩化ナトリウム（表１のｂ）と塩化リチウム（表１のｄ）とを比較すると、同じ塩濃度、同じ浸透圧の下で、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、塩化リチウムのアンモニアの阻止率Ｒｅｊが塩化ナトリウムのアンモニアの阻止率Ｒｅｊよりも大きい。このことから、塩化リチウムは、塩化ナトリウムよりもアンモニアを阻止する能力が高い溶質であることが分かる。即ち、図５に示すように、塩化ナトリウムを含有した駆動溶液ＤＳ（左図）を基準とすると、塩化リチウムを含有した駆動溶液ＤＳ（右図）では、同じ塩濃度を使用しているため被処理水ＦＳに対する濃度差が等しいものの、塩化リチウムの方が塩化ナトリウムよりも水中を拡散し易いために、塩化ナトリウムよりも塩の透過量が多くなる（右図の塩の下矢印）。塩の透過量が多くなることでアンモニアの透過を阻害する効果（即ち、アンモニアが透過しにくくなる効果、右図のＮＨ４Ｎの上矢印）が発揮され、アンモニアの阻止率Ｒｅｊを上昇させることができる。
この場合、塩化ナトリウムの浸透圧と塩化リチウムの浸透圧とが等しいため、水Ｗ（左図及び右図のＷの上矢印）の量は等しい。アンモニアの阻止率Ｒｅｊの算出式によれば、透過液のアンモニア濃度Ｃｐが小さいほどアンモニアの阻止率Ｒｅｊが上昇するので、透過液のアンモニア濃度Ｃｐを下げるためには水Ｗの移動量が多い方が好ましい。即ち、水中を拡散し易い塩を用いて、且つ被処理水ＦＳと駆動溶液ＤＳとの間に発生する浸透圧を高くする（即ち、駆動溶液ＤＳの塩濃度を上げる）とアンモニアの阻止率Ｒｅｊが高くなる。
[正浸透膜ＦＯの活性層Ｌ１の向きを変更した場合（表１のＡＬ−ＦＳ，ＡＬ−ＤＳ）]
表１から、ＡＬ−ＦＳとＡＬ−ＤＳの塩の透過流束Ｊｓを比較すると、ａ〜ｆの全てのケースでＡＬ−ＤＳの塩の透過流束ＪｓがＡＬ−ＦＳの塩の透過流束Ｊｓよりも大きくなった。また、アンモニアの阻止率Ｒｅｊについても、ａ〜ｆの全てのケースでＡＬ−ＤＳのアンモニアの阻止率ＲｅｊがＡＬ−ＦＳのアンモニアの阻止率Ｒｅｊよりも大きくなった。このことからも、塩の透過流束Ｊｓが大きいほどアンモニアの阻止率Ｒｅｊが大きくなることが分かる。
表１から、ＡＬ−ＦＳとＡＬ−ＤＳの塩の透過流束Ｊｓを比較すると、ａ〜ｆの全てのケースでＡＬ−ＤＳの塩の透過流束ＪｓがＡＬ−ＦＳの塩の透過流束Ｊｓよりも大きくなった。また、アンモニアの阻止率Ｒｅｊについても、ａ〜ｆの全てのケースでＡＬ−ＤＳのアンモニアの阻止率ＲｅｊがＡＬ−ＦＳのアンモニアの阻止率Ｒｅｊよりも大きくなった。このことからも、塩の透過流束Ｊｓが大きいほどアンモニアの阻止率Ｒｅｊが大きくなることが分かる。
また、一般的な海水の塩濃度は０．５ｍｏｌ／Ｌ〜０．６ｍｏｌ／Ｌであって、塩の透過流束Ｊｓは、２５ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ〜３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈである（ＡＬ−ＦＳの場合）。また、一般的な海水によるアンモニアの阻止率Ｒｅｊは５０％程度である。そのため、駆動溶液ＤＳとして海水を使用すると、アンモニアを十分に除去することができない。しかしながら、図３からも明らかなように、塩の種類によらず、塩の透過流束Ｊｓが３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上となるように調整された駆動溶液ＤＳを使用することで、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、アンモニアの阻止率Ｒｅｊを海水による阻止率よりも高くすることができる。図３では、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、塩の透過流束Ｊｓが３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈから４０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈに上昇する過程で、アンモニアの阻止率Ｒｅｊが大幅に上昇している。即ち、好ましくは、塩の透過流束Ｊｓが４０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上となるように調整された駆動溶液ＤＳを使用することで、ＡＬ−ＦＳ、及びＡＬ−ＤＳの両ケースにおいて、アンモニアの阻止率Ｒｅｊをさらに高くすることができる。
即ち、塩の透過流束Ｊｓが３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上となるように、適切な塩濃度に調整するか、又は塩の種類を変えることで、濃縮処理装置１のアンモニアの阻止率Ｒｅｊを高くすることが可能となる。
以下、本実施形態の作用をまとめると、本実施形態によれば、塩の透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上の駆動溶液ＤＳを使用することで、アンモニア態窒素の透過量を低く抑えることができ、アンモニアの阻止率を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、塩の透過流束を３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上とすることでアンモニアの阻止率を高い水準で維持しつつ、塩の透過流束を８０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以下とすることで塩の被処理水ＦＳ側への透過量を適量に抑えることができる。そのため、アンモニアを良好に阻止しつつ、被処理水ＦＳが濃縮されることで得られる濃縮水の塩濃度が高くなり過ぎるのを防止することができる。
また、本実施形態によれば、活性層Ｌ１が駆動溶液ＤＳに接して、且つ支持層Ｌ２が被処理水ＦＳに接するように正浸透膜ＦＯを配置することで、活性層Ｌ１が被処理水ＦＳに接し、且つ支持層Ｌ２が駆動溶液ＤＳに接する場合に比べて塩の透過流束が大きくなる。そのため、上記構成によれば、活性層Ｌ１が被処理水ＦＳに接し、且つ支持層Ｌ２が駆動溶液ＤＳに接する場合に比べてアンモニアの阻止率を高くすることができる。
また、本実施形態によれば、逆浸透膜ＲＯで、海水ＳＷを用いて希釈された駆動溶液ＤＳを濃縮できるので、駆動溶液ＤＳを再生するための溶液を容易に準備できると共に、圧力をかけて純水を得るような通常の逆浸透膜に比べて、駆動溶液ＤＳ側にかける圧力を低くすることができるので、低エネルギーで駆動溶液ＤＳを再生することができる。また、再生された駆動溶液ＤＳを被処理水ＦＳの濃縮処理に再利用することができる。
尚、本発明の濃縮処理装置１は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明の他実施形態として、図６に示すように、濃縮処理装置１は、第２濃縮部３から排出された希釈された海水ＳＷを濃縮処理する第３濃縮部１０と、該第３濃縮部１０から排出された濃縮海水を第２濃縮部３の海水流通部３Ｃに供給するように該海水流通部３Ｃの上流に戻す戻し配管８３と、前記希釈された海水ＳＷを送液するポンプ９とを備えていてもよい。ここでは、上記実施形態と共通する構成については繰り返し説明しない。
本実施形態の濃縮処理装置１では、第２濃縮部３で海水ＳＷが希釈され、海水流通部３Ｃの出口の塩濃度が低くなる。そのため、第３濃縮部１０のＲＯにかかる操作圧を低くして純水を得ることができる。即ち、図６に係る濃縮処理装置１によれば、希釈された海水ＳＷが第３濃縮部１０に供給されるので、希釈されていない海水ＳＷを第３濃縮部１０で直接ＲＯ処理して純水を得る場合と比較して、低い操作圧（低動力）で純水を得ることができる。また、第３濃縮部１０で得られた純水（再生水）は工場用水や冷却水等の施設利用水として使用することもできる。尚、本実施形態では、第３濃縮部１０で再濃縮された濃縮海水を戻し配管８３を介して第２濃縮部３に戻す場合について例示しているが、第３濃縮部１０で再濃縮された濃縮海水は第２濃縮部３に戻さなくてもよい。
また、第３濃縮部１０には、海水ＳＷの淡水化に用いられる一般的なＲＯ膜を採用することができる。即ち、図６に示すように、第３濃縮部１０から純水を得ることができる。
上記実施形態では、駆動溶液ＤＳの塩として、塩化ナトリウム、塩化リチウム、グルコース、硫酸マグネシウムを一例として示し、塩としては塩化ナトリウム、及び塩化リチウムが好ましいとしたが、塩の種類は限定されるものではなく、溶媒（水）に対して拡散し易い塩を採用することで、低い濃度で高いアンモニアの阻止率Ｒｅｊを実現することができる。また、塩濃度としても、表１に記載された濃度に限定されず、種々の塩濃度を採用できる。即ち、第１濃縮部２（駆動溶液流通部２Ａ）に供給する駆動溶液ＤＳとしては、塩の種類及び濃度について自由に設定し得る。
上記実施形態では、正浸透膜ＦＯは、活性層Ｌ１が駆動溶液ＤＳに接して、且つ支持層Ｌ２が被処理水ＦＳに接するように配置されているが、正浸透膜ＦＯは、活性層Ｌ１が被処理水ＦＳに接して、且つ支持層Ｌ２が駆動溶液ＤＳに接するように配置されていてもよい。
上記実施形態では特に言及するものではないが、被処理水ＦＳとして下水を用いた場合、被処理水流通部２Ｂから排出された濃縮水をメタン発酵処理することで、メタン発酵槽をコンパクト化することができる。メタン発酵では、アンモニア濃度が高くなりすぎると微生物の活性が低くなってしまうが、被処理水ＦＳが正浸透膜ＦＯで濃縮されても、アンモニア濃度としては、メタン発酵するのに問題無い程度であり、たとえ濃縮水のアンモニア濃度が高かったとしても、微生物の活性を落とさない濃度に調整することで対応可能である。また、正浸透膜ＦＯを用いて被処理水ＦＳ中の窒素濃度を高めることで、窒素処理槽をコンパクト化することができる。
また、上記実施形態では特に言及するものではないが、駆動溶液流通系統Ａにおいて、時間の経過とともに少しずつ駆動溶液ＤＳのアンモニア濃度が高くなる場合があれば、駆動溶液ＤＳを引き抜いて入れ替えを行うこともできる。駆動溶液ＤＳを入れ替えることで、被処理水ＦＳを効率的に濃縮処理することができる。又は、駆動溶液ＤＳを引き抜いてアンモニアストリッピング法等によって駆動溶液ＤＳからアンモニアを除する処理を行った後、処理後の駆動溶液ＤＳを再利用してもよい。
１…濃縮処理装置、２…第１濃縮部、２Ａ…駆動溶液流通部、２Ｂ…被処理水流通部、３…第２濃縮部、３Ａ…駆動溶液流通部、３Ｃ…海水流通部、４，６，９…ポンプ、５…循環配管、７，８…流通配管、５１，７１，８１…第１配管、５２，７２，８２…第２配管、８３…戻し配管、１０…第３濃縮部、Ａ…駆動溶液流通系統、Ｂ…被処理水流通系統、Ｃ…海水流通系統、ＤＳ…駆動溶液、ＦＳ…被処理水、ＳＷ…海水、ＦＯ…正浸透膜、ＲＯ…逆浸透膜、Ｌ１…活性層、Ｌ２…支持層
Claims (5)
- アンモニア態窒素を含有した被処理水と塩を含有した駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させることで前記被処理水を濃縮処理する濃縮処理方法であって、前記塩の前記正浸透膜に対する透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上である、濃縮処理方法。
- 前記塩の透過流束は、３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上８０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以下である、請求項１に記載の濃縮処理方法。
- 前記正浸透膜は、溶質を分離する活性層と、該活性層を支持する支持層と、を備え、前記活性層が駆動溶液に接して、且つ前記支持層が前記被処理水に接するように配置する、請求項１又は２に記載の濃縮処理方法。
- 前記被処理水を濃縮処理することで得られた希釈された駆動溶液と海水とを逆浸透膜を介して接触させて、前記希釈された駆動溶液を濃縮処理し、該濃縮処理された駆動溶液を、前記被処理水を濃縮処理するための駆動溶液として再利用する、請求項１〜３の何れか１項に記載の濃縮処理方法。
- アンモニア態窒素を含有した被処理水と塩を含有した駆動溶液とを正浸透膜を介して接触させることで前記被処理水を濃縮処理する濃縮処理装置であって、前記塩の前記正浸透膜に対する透過流束が３０ｍｍｏｌ／ｍ２・ｈ以上である、濃縮処理装置。
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