JP2019018186A - 膜ろ過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した流量制御を実現する汎用性の高い膜ろ過装置を提供する。【解決手段】膜ろ過装置１０は、逆浸透膜またはナノろ過膜を有するろ過手段１１と、ろ過手段１１に被処理水を供給する供給ライン１と、ろ過手段１１からの透過水を流通させる透過水ライン２と、ろ過手段１１からの濃縮水を流通させる濃縮水ライン３と、ろ過手段１１に一定流量の被処理水を供給する定量ポンプ１２と、透過水ライン２を流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段２０であって、濃縮水ラインに設けられた流量調整弁２１と、透過水ライン２を流れる透過水の流量を検出する流量検出手段２２と、流量検出手段２２により検出された透過水の流量に基づいて、流量調整弁２１の開度を調整する制御部２３と、を有する第１の流量制御手段２０と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、逆浸透膜またはナノろ過膜を有する膜ろ過装置に関する。

被処理水に含まれる不純物を除去する水処理装置として、逆浸透膜（ＲＯ膜）またはナノろ過膜（ＮＦ膜）を有する膜ろ過装置が知られている。この装置では、所定の供給圧力でＲＯ膜またはＮＦ膜に供給された被処理水（原水）が、ＲＯ膜またはＮＦ膜により、透過水と濃縮水とに分離される。これにより、不純物が除去された処理水（透過水）が得られている。

ＲＯ膜またはＮＦ膜を有する膜ろ過装置では、多くの場合、水の有効利用（節水）の観点から、不純物を含む濃縮水の一部を濃縮排水として外部に排出し、残りを濃縮還流水としてＲＯ膜またはＮＦ膜の上流側に還流させる構成が採用されている。これにより、すべての濃縮水を濃縮排水として排出する場合に比べて、回収率（透過水の流量と濃縮排水の流量との和に対する透過水の流量の割合）を向上させることができ、節水を実現することができる。

これと同時に、膜ろ過装置では、水温の変化（すなわち、水の粘性の変化）による透過水の流量変化に対応するために、加圧ポンプの回転数を制御することでＲＯ膜またはＮＦ膜への原水の供給圧力を調整して、透過水の流量を一定に維持する流量制御も行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２９６９４５号公報

ところで、加圧ポンプの回転数制御により原水の供給圧力を調整する方法は、三相２００Ｖの交流電源で動作する加圧ポンプを使用する場合には、汎用のインバータを利用することで比較的容易に実現可能である。しかしながら、例えば、単相１００Ｖの交流電源で動作する加圧ポンプを使用する場合には、対応する汎用のインバータの入手が困難なため、加圧ポンプの回転数制御すら実現することが困難である。そのため、上述の方法は、実質的に三相２００Ｖの交流電源が利用可能な環境に限定され、透過水の流量制御の方法として汎用性が高いとは言えない。

そこで、本発明の目的は、安定した流量制御を実現する汎用性の高い用性の高い膜ろ過装置を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様による膜ろ過装置は、被処理水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜またはナノろ過膜を有するろ過手段と、ろ過手段に接続され、ろ過手段に被処理水を供給する供給ラインと、ろ過手段に接続され、ろ過手段からの透過水を流通させる透過水ラインと、ろ過手段に接続され、ろ過手段からの濃縮水を流通させる濃縮水ラインと、供給ラインに設けられ、ろ過手段に一定流量の被処理水を供給する定量ポンプと、透過水ラインを流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段であって、濃縮水ラインに設けられた流量調整弁と、透過水ラインを流れる透過水の流量を検出する流量検出手段と、流量検出手段により検出された透過水の流量に基づいて、流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する第１の流量制御手段と、を有している。

また、本発明の他の態様による膜ろ過装置は、被処理水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜またはナノろ過膜を有するろ過手段と、ろ過手段に接続され、ろ過手段に被処理水を供給する供給ラインと、ろ過手段に接続され、ろ過手段からの透過水を流通させる透過水ラインと、ろ過手段に接続され、ろ過手段からの濃縮水を流通させる濃縮水ラインと、濃縮水ラインに設けられ、濃縮水ラインを流れる濃縮水の流量を一定に保持する定流量弁と、透過水ラインを流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段であって、供給ラインに設けられた流量調整弁と、透過水ラインを流れる透過水の流量を検出する流量検出手段と、流量検出手段により検出された透過水の流量に基づいて、流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する第１の流量制御手段と、を有している。

このような膜ろ過装置によれば、透過水の流量制御の方法として、ポンプの回転数制御を行う必要がないため、さまざまな環境で使用することができ、高い汎用性を実現することができる。

以上、本発明によれば、安定した流量制御を実現する汎用性の高い膜ろ過装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。

本実施形態の膜ろ過装置１０は、原水（被処理水）に含まれる不純物を除去して処理水を生成する装置であって、原水を、不純物を含む濃縮水と、不純物が除去された透過水とに分離するろ過手段１１を有している。ろ過手段１１は、逆浸透膜（ＲＯ膜）またはナノろ過膜（ＮＦ膜）を有している。

また、膜ろ過装置１０は、ろ過手段１１にそれぞれ接続された複数のライン、すなわち、ろ過手段１１に原水を供給する供給ライン１と、ろ過手段１１からの透過水を流通させる透過水ライン２と、ろ過手段１１からの濃縮水を流通させる濃縮水ライン３とを有している。加えて、膜ろ過装置１０は、濃縮水ライン３から分岐した２つのライン、すなわち、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の一部を外部へ排出する排水ライン４と、濃縮水の残りを供給ライン１に還流させる還流水ライン５とを有している。還流水ライン５は、濃縮水ライン３から分岐した後、後述する定量ポンプ１２の上流側で供給ライン１に接続されている。なお、還流水ライン５は、供給ライン１に直接接続される代わりに、供給ライン１に設けられた原水タンク（図示せず）に接続されていてもよい。

さらに、膜ろ過装置１０は、供給ライン１に設けられ、ろ過手段１１に一定流量の原水を供給する定量ポンプ１２と、透過水ライン２を流れる透過水の流量を設定流量に調整する透過水流量制御機構（第１の流量制御手段）２０とを有している。透過水流量制御機構２０は、濃縮水ライン３に設けられた流量調整弁２１と、透過水ライン２を流れる透過水の流量を検出する透過水流量計（流量検出手段）２２と、透過水流量計２２により検出された透過水の流量に基づいて、流量調整弁２１の開度を調整する透過水流量制御部２３とを有している。

透過水流量制御部２３は、透過水流量計２２で検出された透過水の流量が一定（予め設定された目標流量）になるように、流量調整弁２１の開度を制御するものである。例えば、水温が変化すると、水の粘性が変化することで、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される透過水の流量も変化する。この変化に応じて、透過水流量制御部２３は、流量調整弁２１の開度を制御するようになっている。すなわち、水温が低くなると、水の粘性は高くなり、その結果、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される透過水の流量は減少する。そのため、透過水流量制御部２３は、この減少分を補うために、流量調整弁２１を閉じるように制御して、ＲＯ膜またはＮＦ膜にかかる原水の圧力（ろ過手段１１への原水の供給圧力）を増加させる。また、水温が高くなると、水の粘性は低くなり、その結果、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される透過水の流量は増加する。そのため、透過水流量制御部２３は、この増加分を打ち消すために、流量調整弁２１を開くように制御して、原水の供給圧力を減少させる。このように、透過水流量制御部２３は、流量調整弁２１の開度を調整してＲＯ膜またはＮＦ膜にかかる原水の圧力を調整することで、透過水の流量を一定に維持することができる。

また、本実施形態では、このような原水の圧力変化に対しても、上述したように、供給ライン１に定量ポンプ１２が設けられていることで、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を一定に保持することができる。すなわち、定量ポンプ１２は、供給ライン１を流れる原水の圧力が一定以上のときに吐出流量を一定に保持する機能を有している。そのため、透過水流量制御部２３により流量調整弁２１の開度が変化して、ＲＯ膜またはＮＦ膜にかかる原水の圧力が変化した場合にも、ろ過手段１１に供給される原水の流量を一定に保持することができ、それにより、濃縮水の流量も一定に保持することができる。

こうして、ろ過手段１１で分離される濃縮水の流量が常に一定に保持されることで、透過水の流量制御が排水ライン４や還流水ライン５を流れる濃縮水の流量に影響を及ぼすことがなくなる。その結果、排水ライン４や還流水ライン５でどのような流量制御を行っても、それが透過水の流量制御と干渉することはなくなるため、ハンチングを回避することができる。また、上述した透過水の流量制御の方法は、ポンプの回転数制御を行う必要がないため、例えば、単相１００Ｖの交流電源で動作する加圧ポンプを使用する場合にも実施可能である。そのため、透過水の流量制御の方法として、高い汎用性を実現することができる。

本実施形態で用いる定量ポンプ１２は、原水の圧力が一定以上のときに吐出流量を一定に保持することができるものであれば、その種類に特に制限はない。ここで、一定とは、吐出流量が厳密に一定であるだけでなく、所定の誤差範囲内で変動（脈動）していてもよいことを意味する。したがって、定量ポンプ１２としては、例えば、ベーンポンプ、ダイアフラムポンプ、プランジャーポンプ、ピストンポンプ、ねじポンプなどが挙げられる。その中でも、低騒音でコンパクトな点で、ベーンポンプ、ダイアフラムポンプを用いることが好ましく、さらに、他のポンプに比べて脈動が少ない点で、ベーンポンプを用いることがより好ましい。

なお、定量ポンプ１２の吐出規定流量は、一方では、ファウリングやスケーリングによる膜の詰まりが発生しない程度であればよく、他方では、圧力損失の増大によって膜を破損させない程度であればよい。ただし、定量ポンプ１２の規定吐出流量を必要以上に大きくすることは、定量ポンプ１２のサイズが大きくなることにつながり、エネルギー消費の点で好ましくない。そのため、定量ポンプ１２の規定吐出流量は、ろ過手段１１の透過流束とろ過手段１１に要求される濃縮水の最低流量も考慮して設定され、例えば、ろ過手段１１として直径が約１０．１６ｃｍ（４インチ）のＲＯ膜を用いる場合、原水の性状に合わせて３００〜１８００Ｌ／ｈの範囲である。

上述したように、定量ポンプ１２と流量調整弁２１の開度調整とにより濃縮水の流量が常に一定に保持されることで、透過水の流量制御が濃縮水の流量に影響を及ぼすことがなくなり、その結果、排水ライン４または還流水ライン５を流れる濃縮水の流量制御が容易に実施可能になる。本実施形態では、排水ライン４を流れる濃縮水（以下、「濃縮排水」という）の流量を設定流量に調整するための排水流量制御機構（第２の流量制御手段）３０が設けられている。この排水流量制御機構３０による濃縮排水の流量制御は、透過水流量制御機構２０による透過水の流量制御とは独立して行われる。

排水流量制御機構３０は、排水ライン４に設けられた流量調整弁（流量調整手段）３１と、濃縮排水の流量を検出する排水流量計（流量検出手段）３２と、排水流量計３２により検出された濃縮排水の流量に基づいて、流量調整弁３１の開度を調整する排水流量制御部３３とを有している。

排水流量制御部３３は、透過水の流量と濃縮排水の流量との和に対する透過水の流量の割合である回収率を考慮して濃縮排水の設定流量を決定し、排水流量計３２による検出値がその設定流量となるように、流量調整弁３１の開度を調整するようになっている。このときの回収率は、水の有効利用（節水）の観点から、できるだけ高いことが好ましい。すなわち、濃縮排水の流量はできるだけ少ないことが好ましい。しかしながら、定量ポンプ１２により濃縮水の流量が一定に保持されているため、濃縮排水の流量が少なくなると、当然のことながら、還流水ライン５から供給ライン１に還流する濃縮水の流量が増加する。それにより、原水の不純物濃度が高まると、ろ過手段１１のＲＯ膜またはＮＦ膜の膜面に不純物（特に、シリカまたはカルシウム）が析出するスケーリングが起こりやすくなってしまう。したがって、濃縮排水の流量は、濃縮水の不純物濃度が溶解度以上の濃度にならない範囲で回収率が最大になるように、すなわち、不純物であるシリカまたはカルシウムが析出しない範囲で回収率が最大になるように設定される。

ただし、不純物の溶解度は、水温に応じて変化する。例えば、シリカの場合、その溶解度は温度に比例して増加し、カルシウム（炭酸カルシウム）の場合、温度が上昇するにつれてその溶解度は減少する。そのため、水温が低い場合には、シリカの溶解度が相対的に低く、シリカが析出しやすい（シリカスケールが発生しやすい）が、水温が高くなると、カルシウムの溶解度が相対的に低くなるため、カルシウムが析出しやすく（カルシウムスケールが発生しやすく）なる。そこで、本実施形態では、図示していないが、原水と透過水と濃縮水とのいずれかの水温を検出する温度センサ（水温検出手段）が設けられており、この温度センサで検出された水温に基づいて、濃縮排水の最適な設定流量が算出される。

具体的には、まず、検出された水温でシリカが析出する理論上の回収率（以下、「シリカの析出回収率」という）と、検出された水温でカルシウム（炭酸カルシウム）が析出する理論上の回収率（以下「カルシウムの析出回収率」という）が算出される。なお、シリカの析出回収率とカルシウムの析出回収率のそれぞれの算出方法については後述する。次に、シリカの析出回収率とカルシウムの析出回収率とが比較され、目標回収率として、より小さい方の析出回収率が設定される。そして、この目標回収率と、透過水流量計２２で検出された透過水の流量とに基づいて、以下の式（１）により、濃縮排水の目標流量が算出されて設定される。
（濃縮排水の流量）＝（透過水の流量／目標回収率）−（透過水の流量） （１）

上述した濃縮排水の設定流量の算出方法は、例えば定量ポンプの容量や原水の流量に上限があるなどの装置設計上の制約を受ける可能性があることに留意されたい。また、濃縮排水の設定流量の算出には、予め設定された透過水の目標流量を用いることもできるが、この方法は、透過水の目標流量と実際の流量が一致していない場合にスケーリングが発生する可能性があるため好ましくない。したがって、濃縮排水の設定流量の算出には、上述したように、透過水流量計２２で検出された透過水の流量（所定時間における平均流量）を用いることが好ましい。

なお、スケーリングの発生を確実に抑制するという観点からは、上記式（１）で算出された目標流量を上回る流量を濃縮排水の設定流量として設定することもできるが、節水の観点からは、算出された目標流量を濃縮排水の設定流量として設定することが好ましい。

ここで、シリカの析出回収率とカルシウムの析出回収率の算出方法についてそれぞれ説明する。

（シリカの析出回収率の算出方法）
シリカの析出回収率Ｙ_Ｓは、検出された水温でのシリカの溶解度（ｍｇ／Ｌ）をＣ_Ｓとし、予め測定された原水のシリカ濃度（ｍｇ／Ｌ）をＦ_Ｓとしたとき、以下の式（２）から算出される。
Ｙ_Ｓ＝（Ｃ_Ｓ−Ｆ_Ｓ）／Ｃ_Ｓ （２）

なお、シリカの溶解度の算出方法としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）Ｄ４９９３−８９などに規定された方法を用いることができる。

（カルシウムの析出回収率の算出方法）
カルシウムの析出回収率は、濃縮水のランゲリア指数を算出する方法を利用して算出される。ここで、ランゲリア指数（飽和指数）とは、カルシウム（炭酸カルシウム）の析出の可能性を示す指標であり、水の実際のｐＨと、理論ｐＨ（ｐＨｓ：水中の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ｐＨ）との差（ｐＨ−ｐＨｓ）を意味する。すなわち、ランゲリア指数が正の値で絶対値が大きいほど炭酸カルシウムが析出しやすくなり、負の値では炭酸カルシウムは析出されない。そのため、カルシウムの析出回収率は、濃縮水のランゲリア指数がゼロになるときの回収率として算出される。なお、より安全側の値として設定するために、カルシウムの析出回収率は、濃縮水のランゲリア指数が負の値になるときの回収率であってもよい。

濃縮水のランゲリア指数は、濃縮水のｐＨと、濃縮水の不純物濃度（カルシウム濃度、総アルカリ度、および蒸発残留物濃度）と、検出された水温とから算出される。ランゲリア指数の算出方法としては、例えば、特開平１１−２６７６８７号公報（段落［００２５］〜［００２７］）などに記載された方法を用いることができる。また、濃縮水の不純物濃度（カルシウム濃度、総アルカリ度、および蒸発残留物濃度）は、予め測定された原水の不純物濃度（カルシウム濃度、総アルカリ度、および蒸発残留物濃度）と、回収率とから算出される。したがって、カルシウムの析出回収率Ｙ_Ｃは、濃縮水のランゲリア指数がゼロになるときの濃縮水の不純物濃度（ｍｇ／Ｌ）をＣ_Ｃとし、予め測定された原水の不純物濃度（ｍｇ／Ｌ）をＦ_Ｃとしたとき、以下の式（３）の関係で表されることになる。
Ｙ_Ｃ＝（Ｃ_Ｃ−Ｆ_Ｃ）／Ｃ_Ｃ （３）

流量調整弁３１としては、例えば、電磁弁や定流量弁を複数組み合わせたもの（並列に複数接続したもの）を用いることもできるが、上述のように回収率制御を行う場合には、電動比例制御弁を用いることが好ましい。これにより、電動比例制御弁の分解能に応じて開度調整を細かく行うことができ、電磁弁の組み合わせなどによる段階式での開度調整に比べて、回収率を滑らかに調整することができる。例えば、５０〜７０％の範囲の回収率を５段階（５０％、５５％、６０％、６５％、７０％）にしか制御できない段階式では、目標回収率が６４％に設定された場合、回収率を６０％にしか調整することができず、無駄な濃縮排水が発生してしまう。したがって、流量調整弁３１として電動比例制御弁を用いることは、このような濃縮排水の無駄も削減することができるため、節水の観点からも有利である。

さらなる節水を実現するためには、回収率の目標値をより高く設定する必要があるが、本実施形態では、上述の析出回収率をより高くすることを目的として、スケール防止剤を原水に添加するようになっていてもよい。この場合、濃縮水の最低流量を下回らない範囲で定量ポンプ１２の規定吐出流量を小さくすることができ、省エネルギー化を実現することもできる。スケール防止剤の添加は、薬注ポンプによって行うことができる。

スケール防止剤は、シリカやカルシウムなどのスケール成分の析出を抑制可能な物質であれば、特定のものに限定されるものではない。その種類としては、例えば、１−ヒドロキシエチリデン−１，１−ジホスホン酸、２−ホスホノブタン−１，２，４−トリカルボン酸、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、ニトリロトリメチルホスホン酸などのホスホン酸とその塩類などのホスホン酸系化合物；正リン酸塩、重合リン酸塩などのリン酸系化合物；ポリマレイン酸、マレイン酸共重合物などのマレイン酸系化合物；アクリル酸系ポリマーなどが挙げられ、アクリル酸系ポリマーとしては、ポリ（メタ）アクリル酸、マレイン酸／（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸／スルホン酸、（メタ）アクリル酸／ノニオン基含有モノマーなどのコポリマーや、（メタ）アクリル酸／スルホン酸／ノニオン基含有モノマー、（メタ）アクリル酸／アクリルアミド−アルキルスルホン酸／置換（メタ）アクリルアミド、（メタ）アクリル酸／アクリルアミド−アリールスルホン酸／置換（メタ）アクリルアミドのターポリマーなどが挙げられる。ターポリマーを構成する（メタ）アクリル酸としては、例えば、メタアクリル酸およびアクリル酸と、それらのナトリウム塩などの（メタ）アクリル酸塩などが挙げられる。ターポリマーを構成するアクリルアミド−アルキルスルホン酸としては、例えば、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸とその塩などが挙げられる。また、ターポリマーを構成する置換（メタ）アクリルアミドとしては、例えば、ｔ−ブチルアクリルアミド、ｔ−オクチルアクリルアミド、ジメチルアクリルアミドなどが挙げられる。

これらの中でも、ホスホン酸系化合物とアクリル酸系ポリマーのうち少なくとも１種類を含むものを用いることが好ましい。また、カルシウムとシリカに由来するスケールを同時に抑制するためには、２−ホスホノブタン−１，２，４−トリカルボン酸と、アクリル酸と（メタ）アクリル酸／２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸／置換（メタ）アクリルアミドのターポリマーとの混合物とからなるスケール防止剤を用いることが特に好ましい。

なお、ＲＯ膜用の市販のスケール防止剤としては、オルガノ株式会社製の「オルパージョン」シリーズ、ＢＷＡ Ｗａｔｅｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ社製の「Ｆｌｏｃｏｎ（登録商標）」シリーズ、Ｎａｌｃｏ社製の「ＰｅｒｍａＴｒｅａｔ（登録商標）」シリーズ、ゼネラル・エレクトリック社製の「Ｈｙｐｅｒｓｐｅｒｓｅ（登録商標）」シリーズ、栗田工業株式会社製の「クリバーター（登録商標）」シリーズなどが挙げられる。

上述したように、本実施形態では、定量ポンプ１２により濃縮水の流量が一定に維持されるため、排水ライン４および還流水ライン５の一方を流れる濃縮水の流量を規定するだけで、他方を流れる濃縮水の流量も規定することができる。そのため、図示した実施形態では、排水ライン４に流量制御手段（流量調整弁３１と排水流量計３２）が設けられ、還流水ライン５には、排水ライン４および還流水ライン５を流れる濃縮水の圧力バランスを調整するための手動弁（圧力調整弁）１３が設けられているが、その逆であってもよい。すなわち、還流水ライン５に、流量制御手段としての流量調整弁（比例制御弁）と流量計が設けられ、排水ライン４に、圧力バランス調整のための手動弁が設けられていてもよい。あるいは、排水ライン４および還流水ライン５の両方に、流量制御手段としての流量調整弁（比例制御弁）と流量計を設けることもできる。また、上述した実施形態では、透過水流量制御部と排水流量制御部とが別個に設けられているが、１つの流量制御部により、透過水の流量調整と濃縮排水の流量調整とが行われるようになっていてもよい。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。以下、第１の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、透過水流量制御機構２０の構成が第１の実施形態と異なっている。具体的には、流量調整弁２１が濃縮水ライン３にではなく供給ライン１に設けられている点で、第１の実施形態と異なっている。これに伴い、濃縮水ライン３には、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を一定に保持する定流量弁１４が設けられ、供給ライン１には、第１の実施形態の定量ポンプ１２の代わりに、原水の圧力変動に応じて吐出流量が変化する加圧ポンプ１５が設けられている。流量調整弁２１は、加圧ポンプ１５とろ過手段１１との間に配置されている。

本実施形態では、透過水流量制御機構２０による透過水の流量制御は、以下のように行われる。例えば、水温が低くなると水の粘性は高くなり、その結果、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される透過水の流量は減少するが、この減少分を補うように、流量調整弁２１が開くように制御され、ろ過手段１１への原水の供給圧力を増加させる。また、水温が高くなると水の粘性は低くなり、その結果、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される透過水の流量は増加するが、この増加分を打ち消すように、流量調整弁２１が閉じるように制御され、原水の供給圧力を減少させる。このように、流量調整弁２１の開度、すなわち、原水の供給圧力が調整され、本実施形態においても、透過水の流量を一定に維持することができる。

なお、ろ過手段１１への原水の供給圧力の変化に応じて、ろ過手段１１のＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される濃縮水の流量も変化するが、本実施形態では、濃縮水ラインＬ３に、上述したように定流量弁１４が設けられている。そのため、流量調整弁２１の開度が変化して原水の供給圧力が変化した場合にも、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を一定に保持することができる。その結果、第１の実施形態と同様に、透過水の流量制御が排水ライン４や還流水ライン５を流れる濃縮水の流量に影響を及ぼすことがなくなり、排水流量制御機構３０による濃縮排水の流量制御を、透過水流量制御機構２０による透過水の流量制御と独立して行うことが可能になる。

ここで、定流量弁１４の規定流量は、一方では、ファウリングやスケーリングによる膜の詰まりが発生しない程度であればよく、他方では、圧力損失の増大によって膜を破損させない程度であればよい。ただし、定流量弁１４の規定流量を必要以上に大きくすることは、加圧ポンプ１５に要求される流量が必要以上に大きくなり、結果的に加圧ポンプ１５のサイズが大きくなるため、エネルギー消費の点で好ましくない。そのため、定流量弁１４の規定流量は、ろ過手段１１の透過流束とろ過手段１１に要求される濃縮水の最低流量も考慮して設定され、例えば、ろ過手段１１として直径が約１０．１６ｃｍ（４インチ）のＲＯ膜を用いる場合、２００〜１５００Ｌ／ｈの範囲である。

ところで、定流量弁１４には、定流量弁１４を正常に作動させるための作動差圧範囲（定流量弁の一次側と二次側の圧力差の許容範囲）が規定されている。そのため、例えば、ろ過手段１１として中高圧用のＲＯ膜を使用する場合や、水温が極端に低下した場合など、条件によっては、原水の供給圧力が著しく上昇して濃縮水の圧力が上昇し、定流量弁１４の一次側と二次側の圧力差が作動差圧範囲を超えてしまうことがある。その場合、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量が一定に保持されないおそれがある。

そこで、定流量弁１４の上流側の濃縮水ライン３に、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の圧力を減圧する（すなわち、二次側の圧力を一次側の圧力よりも低くすることができる）減圧弁が設けられていてもよい。これにより、ろ過手段１１への原水の供給圧力が著しく上昇する場合であっても、定流量弁１４の一次側と二次側の圧力差を作動差圧範囲内に収めて定流量弁１４を正常に作動させることができ、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を一定に保持することができる。また、減圧弁を設けることで、それよりも下流側の周辺部材（配管など）にそれほどの耐圧性能が要求されなくなる。そのため、減圧弁の設置は、安全面で有利であるだけでなく、耐圧性能がそれほど高くない安価な汎用品が利用可能になることで、コスト面でも有利である。なお、減圧弁の種類は、濃縮水の圧力を定流量弁１４の作動差圧範囲内に減圧することができるものであれば特に限定されるものではないが、定流量弁１４の規定流量以上の流量が流れるものや、二次側の圧力が排水ライン４や還流水ライン５の通水差圧よりも大きくなるものを選定する必要がある。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。以下、上述した実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、ろ過手段（第１のろ過手段）１１の下流側にさらに別のろ過手段（第２のろ過手段）１６が設けられている点で、第１の実施形態と異なっている。第２のろ過手段１６は、第１のろ過手段１１に直列に接続され、第１のろ過手段１１で分離された透過水を被処理水として処理するようになっている。すなわち、第２のろ過手段１６の上流側には、第１のろ過手段１１からの透過水を流通させる第１の透過水ライン２ａが接続され、下流側には、第２のろ過手段１６からの透過水を流通させる第２の透過水ライン２ｂが接続されている。これにより、本実施形態の膜ろ過装置１０は、第１の実施形態と比べて、より良好な水質の処理水を生成することができる。

第２のろ過手段１６には、第２のろ過手段１６からの濃縮水を流通させる第２の濃縮水ライン６が接続されている。第２のろ過手段１６では、第１のろ過手段１１からの透過水がさらに透過水と濃縮水に分離されるため、水質の観点からは、第２のろ過手段１６からの濃縮水を必ずしも外部に排出する必要はない。そのため、第２の濃縮水ライン６は、節水の観点から、第２のろ過手段１６で分離された濃縮水の全てを供給ライン１に還流させるために、定量ポンプ１２の上流側で供給ライン１に接続されている。あるいは、第２の濃縮水ライン６は、供給ライン１に直接接続される代わりに、供給ライン１に設けられた原水タンク（図示せず）に接続されていてもよい。なお、第２の濃縮水ライン６には、第２のろ過手段１６のＲＯ膜またはＮＦ膜を洗浄する場合などに第２のろ過手段１６からの濃縮水の一部または全部を外部に排出する排水ラインが接続されていてもよい。

第２の濃縮水ライン６には、第２の濃縮水ライン６を流れる濃縮水の流量を調整するための手動弁１７と濃縮水流量計１８が設けられている。これにより、第２のろ過手段１６の回収率（第２のろ過手段１６からの透過水の流量と第２のろ過手段１６からの濃縮水の流量との和に対する、第２のろ過手段１６からの透過水の流量の割合）を任意に調整することができる。なお、回収率の手動調整の煩雑さを解消するために、手動弁１７の代わりに、濃縮水流量計１８で検出された濃縮水の流量に基づいて開度を調整可能な比例制御弁が設けられていてもよい。あるいは、回収率を一定範囲に保持するために、手動弁１７と濃縮水流量計１８の代わりに、定流量弁が設けられていてもよい。この場合、条件によっては、定流量弁の一次側と二次側の圧力差が作動差圧範囲を超えてしまうことがあるが、それを回避するために、第２の実施形態の定流量弁１４の場合と同様に、定流量弁の上流側に減圧弁が設けられていてもよい。

本実施形態では、膜ろ過装置１０の下流側に接続された、例えば電気式脱イオン水製造装置に、一定流量の処理水を供給するために、透過水流量制御機構２０の透過水流量計２２は、第２の透過水ライン２ｂに設けられている。このため、排水流量制御部３３は、回収率の目標値に基づいて濃縮排水の設定流量を算出するにあたり、第１の透過水ライン２ａを流れる透過水の流量を別途知る必要があるが、本実施形態では、その流量を間接的に検出することができる。すなわち、排水流量制御部３３は、透過水流量計２２による測定値（第２のろ過手段１６からの透過水の流量）と、濃縮水流量計１８による測定値（第２のろ過手段１６からの濃縮水の流量）との和から、第１の透過水ライン２ａを流れる透過水の流量を算出することができる。また、上述したように、手動弁１７と濃縮水流量計１８の代わりに定流量弁が設けられている場合、濃縮水流量計１８による測定値の代わりに、定流量弁の規定流量を用いて、第１の透過水ライン２ａを流れる透過水の流量を算出することができる。あるいは、第１の透過水ライン２ａに図示しない流量計が設けられ、第１のろ過手段１１からの透過水の流量を直接検出するようになっていてもよい。

本実施形態では、２つのろ過手段１１，１６が直列に接続されているが、ろ過手段の数はこれに限定されるものではなく、３つ以上のろ過手段が直列に接続されて設けられていてもよい。その場合にも、透過水の流量制御のための流量調整弁は、３つ以上のろ過手段のうち最も上流側のろ過手段に接続された濃縮水ラインに設けられ、最も下流側のろ過手段で分離された透過水が設定流量（予め設定された目標流量）に調整されることになる。なお、ここでいう「直列に接続される」とは、被処理水が複数のろ過手段で順次処理されることを意味し、隣接する２つのろ過手段において、上流側のろ過手段で分離された透過水が下流側のろ過手段に被処理水として供給されることを意味する。また、各ろ過手段は、複数のＲＯ膜またはＮＦ膜から構成されていてもよい。この場合、複数のＲＯ膜またはＮＦ膜は、一次側（原水および濃縮水の流通側）が直列に接続されて最終的に濃縮水ラインに接続され、二次側（透過水の流通側）が並列に接続されて最終的に透過水ラインに接続されることになる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る膜ろ過装置の構成を示す概略図である。以下、上述した実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、第２の実施形態の変形例であるとともに、第３の実施形態の変形例でもあり、第１の実施形態に対する第２の実施形態と同様に、透過水流量制御機構２０の構成が第３の実施形態と異なっている。すなわち、流量調整弁２１が第１の濃縮水ライン３にではなく供給ライン１に設けられ、これに伴い、第１の濃縮水ライン３には定流量弁１４が設けられ、供給ライン１には加圧ポンプ１５が設けられている。これ以外の構成については、第２の実施形態または第３の実施形態と同様である。

なお、本実施形態では、１つの加圧ポンプ１５で２つのろ過手段１１，１６に原水を供給する必要があるため、加圧ポンプ１５による第１のろ過手段１１への原水の供給圧力は、第２の実施形態に比べて大きくなる。そのため、本実施形態では、定流量弁１４の一次側と二次側の圧力差が作動差圧範囲を超えてしまうおそれが大きく、したがって、定流量弁１４の上流側に減圧弁が設けられていることが好ましい。

本実施形態においても、ろ過手段の数は２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよいことは言うまでもない。

１ 供給ライン
２ 透過水ライン
２ａ 第１の透過水ライン（中間透過水ライン）
２ｂ 第２の透過水ライン
３ 濃縮水ライン（第１の濃縮水ライン）
４ 排水ライン
５ 還流水ライン
６ 第２の濃縮水ライン
１０ 膜ろ過装置
１１ ろ過手段（第１のろ過手段）
１２ 定量ポンプ
１３，１７ 手動弁
１４ 定流量弁
１５ 加圧ポンプ
１６ 第２のろ過手段
１８ 濃縮水流量計
２０ 透過水流量制御機構
２１ 流量調整弁
２２ 透過水流量計
２３ 透過水流量制御部
３０ 排水流量制御機構
３１ 流量調整弁
３２ 排水流量計
３３ 排水流量制御部

Claims (16)

1. 被処理水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜またはナノろ過膜を有するろ過手段と、
   前記ろ過手段に接続され、前記ろ過手段に被処理水を供給する供給ラインと、
   前記ろ過手段に接続され、前記ろ過手段からの透過水を流通させる透過水ラインと、
   前記ろ過手段に接続され、前記ろ過手段からの濃縮水を流通させる濃縮水ラインと、
   前記供給ラインに設けられ、前記ろ過手段に一定流量の被処理水を供給する定量ポンプと、
   前記透過水ラインを流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段であって、前記濃縮水ラインに設けられた流量調整弁と、前記透過水ラインを流れる透過水の流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手段により検出された前記透過水の流量に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する第１の流量制御手段と、
   を有する膜ろ過装置。
2. 被処理水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜またはナノろ過膜を有するろ過手段と、
   前記ろ過手段に接続され、前記ろ過手段に被処理水を供給する供給ラインと、
   前記ろ過手段に接続され、前記ろ過手段からの透過水を流通させる透過水ラインと、
   前記ろ過手段に接続され、前記ろ過手段からの濃縮水を流通させる濃縮水ラインと、
   前記濃縮水ラインに設けられ、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の流量を一定に保持する定流量弁と、
   前記透過水ラインを流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段であって、前記供給ラインに設けられた流量調整弁と、前記透過水ラインを流れる透過水の流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手段により検出された前記透過水の流量に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する第１の流量制御手段と、
   を有する膜ろ過装置。
3. 前記濃縮水ラインから分岐し、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の一部を外部へ排出する排水ラインと、前記濃縮水ラインから分岐して前記供給ラインに接続され、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の残りを前記供給ラインに還流させる還流水ラインと、を有する、請求項１または２に記載の膜ろ過装置。
4. 前記排水ラインを流れる濃縮水の流量を設定流量に調整する第２の流量制御手段を有する、請求項３に記載の膜ろ過装置。
5. 前記第２の流量制御手段が、前記排水ラインに設けられた流量調整弁と、前記排水ラインを流れる濃縮水の流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手段により検出された前記濃縮水の流量に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する、請求項４に記載の膜ろ過装置。
6. 前記第２の流量制御手段の前記制御部は、前記透過水ラインを流れる透過水の流量と前記排水ラインを流れる濃縮水の流量との和に対する前記透過水ラインを流れる透過水の流量の割合である回収率が所定の値になるように、前記排水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量を決定する、請求項５記載の膜ろ過装置。
7. 前記ろ過手段に供給される被処理水と前記ろ過手段からの透過水と前記ろ過手段からの濃縮水とのいずれかの水温を検出する水温検出手段を有し、
   前記第２の流量制御手段の前記制御部は、前記水温検出手段で検出された前記水温に基づいて、前記回収率が、前記ろ過手段の前記逆浸透膜またはナノろ過膜の膜面にシリカまたはカルシウムが析出しない最大の回収率となるように、前記排水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量を決定する、請求項６に記載の膜ろ過装置。
8. 前記還流水ラインに設けられ、前記排水ラインを流れる濃縮水と前記還流水ラインを流れる濃縮水の圧力を調整する圧力調整弁を有する、請求項３から７のいずれか１項に記載の膜ろ過装置。
9. 直列に接続された複数のろ過手段であって、それぞれが被処理水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜またはナノろ過膜を有する複数のろ過手段と、
   前記複数のろ過手段のうち最も上流側のろ過手段に接続され、前記最も上流側のろ過手段に被処理水を供給する供給ラインと、
   前記複数のろ過手段のうち最も下流側のろ過手段に接続され、前記最も下流側のろ過手段からの透過水を流通させる透過水ラインと、
   前記最も上流側のろ過手段に接続され、前記最も上流側のろ過手段からの濃縮水を流通させる濃縮水ラインと、
   前記供給ラインに設けられ、前記最も上流側のろ過手段に一定流量の被処理水を供給する定量ポンプと、
   前記透過水ラインを流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段であって、前記濃縮水ラインに設けられた流量調整弁と、前記透過水ラインを流れる透過水の流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手段により検出された前記透過水の流量に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する第１の流量制御手段と、
   を有する膜ろ過装置。
10. 直列に接続された複数のろ過手段であって、それぞれが被処理水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜またはナノろ過膜を有する複数のろ過手段と、
    前記複数のろ過手段のうち最も上流側のろ過手段に接続され、前記最も上流側のろ過手段に被処理水を供給する供給ラインと、
    前記複数のろ過手段のうち最も下流側のろ過手段に接続され、前記最も下流側のろ過手段からの透過水を流通させる透過水ラインと、
    前記最も上流側のろ過手段に接続され、前記最も上流側のろ過手段からの濃縮水を流通させる濃縮水ラインと、
    前記濃縮水ラインに設けられ、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の流量を一定に保持する定流量弁と、
    前記透過水ラインを流れる透過水の流量を設定流量に調整する第１の流量制御手段であって、前記供給ラインに設けられた流量調整弁と、前記透過水ラインを流れる透過水の流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手段により検出された前記透過水の流量に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する第１の流量制御手段と、
    を有する膜ろ過装置。
11. 前記濃縮水ラインから分岐し、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の一部を外部へ排出する排水ラインと、前記濃縮水ラインから分岐して前記供給ラインに接続され、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の残りを前記供給ラインに還流させる還流水ラインと、を有する、請求項９または１０に記載の膜ろ過装置。
12. 前記排水ラインを流れる濃縮水の流量を設定流量に調整する第２の流量制御手段を有する、請求項１１に記載の膜ろ過装置。
13. 前記第２の流量制御手段が、前記排水ラインに設けられた流量調整弁と、前記排水ラインを流れる濃縮水の流量を検出する流量検出手段と、該流量検出手段により検出された前記濃縮水の流量に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する制御部と、を有する、請求項１２に記載の膜ろ過装置。
14. 前記最も上流側のろ過手段に接続され、前記最も上流側のろ過手段からの透過水を流通させる中間透過水ラインを有し、
    前記第２の流量制御手段の前記制御部は、前記中間透過水ラインを流れる透過水の流量と前記排水ラインを流れる濃縮水の流量との和に対する前記中間透過水ラインを流れる透過水の流量の割合である回収率が所定の値になるように、前記排水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量を決定する、請求項１３に記載の膜ろ過装置。
15. 前記最も上流側のろ過手段に供給される被処理水と前記最も上流側のろ過手段からの透過水と前記最も上流側のろ過手段からの濃縮水とのいずれかの水温を検出する水温検出手段を有し、
    前記第２の流量制御手段の前記制御部は、前記水温検出手段で検出された前記水温に基づいて、前記回収率が、前記最も上流側のろ過手段の前記逆浸透膜またはナノろ過膜の膜面にシリカまたはカルシウムが析出しない最大の回収率となるように、前記排水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量を決定する、請求項１４に記載の膜ろ過装置。
16. 前記還流水ラインに設けられ、前記排水ラインを流れる濃縮水と前記還流水ラインを流れる濃縮水の圧力を調整する圧力調整弁を有する、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の膜ろ過装置。

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