JP2019130502A - 膜ろ過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した流量制御を実現するとともに、省エネルギー性に優れた膜ろ過装置を提供する。【解決手段】膜ろ過装置１０は、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、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、濃縮水ライン３を流れる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４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と、濃縮水ライン３に設けられ、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の圧力を減圧して二次側の圧力を一定に保持する減圧弁１２と、排水ライン４を流れる濃縮水の流量を設定流量に調整するとともに、還流水ライン５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３０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。

透過水の流量制御では、透過水の流量が一定になるように原水の供給圧力を調整すると、それに応じて、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される濃縮水の流量も変化する。このような濃縮水の流量変化は、ファウリングやスケーリングによる膜の詰まりの発生や、圧力損失の増大による膜の破損につながるため、透過水の流量制御と同様に、濃縮水に対しても流量制御を行うことが求められている。しかしながら、上述した構成の膜ろ過装置では、透過水の流量制御に伴う濃縮水の流量変化に対し、濃縮還流水または濃縮排水の流量制御によって透過水の流量に対する濃縮水の割合を所定の割合に維持しようとすると、互いの流量制御が干渉してハンチングが発生する場合がある。

そこで、特許文献１には、ハンチングを回避する方法として、濃縮水を流通させる濃縮水ラインに定流量弁を設けることで、濃縮水の流量を常に一定に保持する方法が提案されている。この方法によれば、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るため、濃縮水側でどのような流量制御を行ったとしても、それが透過水の流量制御と干渉することがなくなり、ハンチングを回避することができる。同様の方法は、特許文献２にも記載されている。

特許６１６１３８４号公報 特開２０１６−２０３０８４号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載された方法には、上述したように、濃縮水ラインに定流量弁を設けることで、ハンチングを回避することができるというメリットがある一方、濃縮水の流量を任意の流量に調整することができないというデメリットがある。すなわち、例えば、回収率を調整するために濃縮排水の流量を減らしても、それに応じて濃縮還流水の流量が増えるため、濃縮水の流量を変化させることができない。そのため、加圧ポンプの吐出流量も変化させることができない。このことは、無駄なエネルギーの消費につながり、省エネルギーの観点から好ましくない。

そこで、本発明の目的は、安定した流量制御を実現するとともに、省エネルギー性に優れた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、濃縮水ラインから分岐し、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、濃縮水ラインから分岐して供給ラインに接続され、濃縮水ラインを流れる濃縮水の残りを供給ラインに還流させる還流水ラインと、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圧力を減圧して二次側の圧力を一定に保持する減圧弁と、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とともに、還流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、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、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、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、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、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、最も上流側のろ過手段に接続され、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、濃縮水ラインから分岐し、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、濃縮水ラインから分岐して供給ラインに接続され、濃縮水ラインを流れる濃縮水の残りを供給ラインに還流させる還流水ラインと、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圧力を減圧して二次側の圧力を一定に保持する減圧弁と、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とともに、還流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の流量制御手段と、を有している。

このような膜ろ過装置によれば、濃縮水ラインに減圧弁が設けられていることで、透過水の流量制御（一次側の圧力変動）が排水ラインや還流水ラインを流れる濃縮水の圧力（二次側の圧力）に影響を及ぼすことがなくなる。その結果、排水ラインや還流水ラインでどのような流量制御を行っても、互いの流量制御が干渉することを回避することができる。また、減圧弁の設置により、濃縮水ラインを流れる濃縮水の流量も一定に保持されず、任意の流量に調整することができる。そのため、ろ過手段への被処理水（原水）の供給圧力を調整するために加圧ポンプを使用する場合にも、濃縮水の流量調整に合わせて加圧ポンプの吐出流量を調整することができ、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。

以上、本発明によれば、安定した流量制御を実現するとともに、省エネルギー性に優れた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。

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、後述する加圧ポンプ２１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、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を有している。

透過水流量制御機構２０は、供給ライン１に設けられ、供給ライン１を流れる原水の圧力（ろ過手段１１への原水の供給圧力）を調整する加圧ポンプ（圧力調整手段）２１と、透過水ライン２に設けられ、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、加圧ポンプ２１を制御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、加圧ポンプ２１の回転数を制御するインバータ（図示せず）を含み、透過水流量計２２で検出された透過水の流量が一定になるように、加圧ポンプ２１の回転数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、加圧ポンプ２１の回転数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、この減少分を補うように、加圧ポンプ２１の回転数を上げることで、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ように、加圧ポンプ２１の回転数を下げることで、原水の供給圧力を低下させる。

このように、本実施形態では、加圧ポンプ２１の回転数、すなわち原水の供給圧力を調整することで、透過水の流量は一定（予め設定された目標流量）に維持されるが、その原水の供給圧力の変化に応じて、ＲＯ膜またはＮＦ膜で分離される濃縮水の圧力も変化することになる。このような濃縮水の圧力変化そのものを抑制するために、濃縮水ライン３には、減圧弁１２が設けられている。減圧弁１２は、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）だけでなく、二次側の圧力を一定に保持する機能も有している。これにより、透過水流量制御部２３により加圧ポンプ２１の回転数が変化して、ろ過手段１１への原水の供給圧力が変化した場合にも、濃縮水の圧力を一定に保持することができる。

こうして、濃縮水ライン３に減圧弁１２が設けられていることで、ろ過手段１１で分離される濃縮水の圧力が常に一定に保持され、透過水の流量制御（一次側の圧力変動）が排水ライン４や還流水ライン５を流れる濃縮水の圧力（二次側の圧力）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、減圧弁１２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ことがないため、後述するように、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を任意の流量に調整することができる。その結果、濃縮水の流量調整に合わせて加圧ポンプ２１の吐出流量を調整することができ、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。さらに、減圧弁１２を設けることは、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ため、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１２の種類は、減圧弁１２の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。また、減圧弁１２の流量範囲は、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、減圧弁１２の流量範囲を必要以上に大きくすることは、コストが無駄なる点で好ましくない。そのため、減圧弁１２の流量範囲は、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を考慮して設定され、さらに、後述する回収率（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）の調整範囲も考慮して設定される。例えば、ろ過手段１１として直径が約２０．３２ｃｍ（８インチ）のＲＯ膜を用いる場合、減圧弁１２の流量範囲は、１〜１５ｍ^３／ｈの範囲である。なお、ろ過手段１１に要求される濃縮水の最低流量とは、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ための濃縮水ライン３に流すべき濃縮水の最低流量を意味する。以下、これを単に「最低濃縮水量」ともいう。

上述したように、減圧弁１２の設置により、透過水の流量制御（一次側の圧力変動）が濃縮水の圧力（二次側の圧力）に影響を及ぼすことがなくなり、その結果、排水ライン４および還流水ライン５を流れる濃縮水の流量制御が容易に実行可能になる。そこで、本実施形態の膜ろ過装置１０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とともに、還流水ライン５を流れる濃縮水（以下、「濃縮還流水」という）の流量を設定流量に調整する濃縮水流量制御機構（第２の流量制御手段）３０を有している。濃縮水流量制御機構３０は、濃縮排水と濃縮還流水のそれぞれの流量調整の結果として、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を任意の流量に調整することができる。この濃縮水流量制御機構３０による濃縮排水と濃縮還流水の流量制御は、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。

濃縮水流量制御機構３０は、排水ライン４に設けられた排水流量調整弁（第１の流量調整弁）３１と、濃縮排水の流量を検出する排水流量計（第１の流量検出手段）３２と、還流水ライン５に設けられた還流水流量調整弁（第２の流量調整弁）３３と、濃縮還流水の流量を検出する還流水流量計（第２の流量検出手段）３４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、排水流量調整弁３１の開度を調整するとともに、還流水流量計３４により検出された濃縮還流水の流量に基づいて、還流水流量調整弁３３の開度を調整する濃縮水流量制御部３５と、を有している。

以下、濃縮水流量制御機構３０による濃縮排水の流量制御と濃縮還流水の流量制御について詳細に説明する。

（濃縮排水の流量制御）
濃縮水流量制御部３５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、排水流量調整弁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、後述するように、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量は最低濃縮水量を下回らないように調整されるため、濃縮排水の流量が最低濃縮水量よりも少なくなると、その分、濃縮還流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。
（濃縮排水の目標流量）＝
（透過水の検出流量／目標回収率）−（透過水の検出流量） （１）

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。なお、回収率（目標回収率）として、通常は、パーセントで表した値が用いられるが、上記式（１）では、小数で表した値が用いられることは言うまでもない。

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）

なお、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は、透過水の流量と濃縮排水の流量との和に対する濃縮水の流量の割合である許容濃縮倍率で表すことができる。すなわち、回収率Ｙは、許容濃縮倍率をＮとしたとき、以下の式（４）で表すことができる。
Ｙ＝（Ｎ−１）／Ｎ （４）

したがって、上記式（１）〜（３）は、上記式（４）を用いて、それぞれ以下のように表すことができる。
（濃縮排水の目標流量）＝（透過水の検出流量）／（許容濃縮倍率−１） （１’）
Ｎ_Ｓ＝Ｃ_Ｓ／Ｆ_Ｓ （２’）
Ｎ_Ｃ＝Ｃ_Ｃ／Ｆ_Ｃ （３’）
ここで、Ｎ_Ｓは、カルシウムの析出回収率に対応する許容濃縮倍率であり、Ｎ_Ｃは、シリカの析出回収率に対応する許容濃縮倍率である。

シリカおよびカルシウムの析出回収率の算出方法や濃縮排水の設定流量の算出方法は、例えば加圧ポンプの容量や原水の流量などの装置設計上の制約によって、予め回収率や流量に制約がある場合には、上述した限りではない。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、実際の回収率が目標回収率からずれる可能性があるため好ましくない。すなわち、透過水の実際の流量が目標流量よりも大きい場合には、実際の回収率が目標回収率を上回ることでスケーリングが発生したり、透過水の実際の流量が目標流量よりも小さい場合には、実際の回収率が目標回収率を下回ることで節水を図ることができなくなったりする。

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１２による透過水の検出流量を用いることが好ましい。これにより、透過水の流量制御が適切に実施されない事態が発生しても、実際の回収率が目標の回収率からずれることを抑制することができる。なお、実際の算出には、透過水の検出流量のばらつきなどによる影響を最小限に抑えるために、所定検出時間や所定検出回数における平均流量を用いることが好ましい。

ただし、装置起動時や運転再開時など、透過水の流量が安定せず、検出流量のばらつきが非常に大きい場合には、透過水の流量が安定するまでの一定期間、予め設定された透過水の目標流量を用いて、濃縮排水の設定流量を算出するようになっていてもよい。また、透過水の目標流量と実際の流量との差に応じて、濃縮排水の設定流量の算出に用いる透過水の流量を切り替えるようになっていてもよい。すなわち、その差が所定範囲内にある場合には、目標流量を用いて算出し、その差が所定範囲を外れた場合には、実際の流量を用いて算出するようになっていてもよい。

上述のように回収率制御を行う場合、排水流量調整弁３１としては、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、排水流量調整弁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。

ただし、排水流量調整弁３１として電動比例制御弁を用いる場合には、その開閉速度と、濃縮水流量制御部３５による濃縮排水の設定流量の算出速度（演算速度）との関係に注意が必要である。例えば、２つの速度が大きく異なっている場合、電動比例制御弁の開閉が完了して濃縮排水の流量が安定する前に濃縮排水の設定流量が変更されると、ハンチングが発生する可能性がある。また、透過水流量計２２による透過水の検出流量に基づいて濃縮排水の設定流量が決定されるため、濃縮排水の流量制御は、加圧ポンプ２１の回転数を制御するインバータの応答速度にも影響を受ける可能性がある。したがって、濃縮水流量制御部３５による濃縮排水の設定流量の演算速度を決定する際には、電動比例制御弁の開閉速度とインバータの応答速度とを考慮することが好ましい。すなわち、電動比例制御弁の開閉速度が遅い場合は、インバータの応答速度を遅くし、電動比例制御弁の開閉速度が速い場合は、インバータの応答速度を速くすることが好ましい。なお、本実施形態では、上述したように、減圧弁１２の設置により透過水の流量制御と濃縮水の流量制御とが独立して行われるため、互いの流量制御が干渉することを抑制することができる。その結果、上述のようなハンチングの発生を極力抑制することができ、実際の回収率が目標の回収率からずれることを抑制することができる。この点からも、濃縮水ライン３に減圧弁１２が設けられていることが好ましい。

（濃縮還流水の流量制御）
ところで、ろ過手段１１のＲＯ膜またはＮＦ膜には、上述したように、最低濃縮水量（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ための濃縮水ライン３に流すべき濃縮水の最低流量）が規定されている。そのため、濃縮水流量制御部３５は、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量がこの最低濃縮水量を下回らないように、濃縮還流水の流量制御を実行するようになっている。具体的には、濃縮水流量制御部３５は、回収率を考慮して決定された濃縮排水の設定流量と、最低濃縮水量とを比較し、比較した結果に基づいて濃縮還流水の設定流量を決定し、還流水流量計３４による検出値がその設定流量となるように、還流水流量調整弁３３の開度を調整するようになっている。なお、還流水流量調整弁３３としては、開度調整を細かく行うことができる点で、排水流量調整弁３１と同様に電動比例制御弁を用いることが好ましい。

濃縮還流水の設定流量は、具体的には、以下のように決定される。すなわち、濃縮排水の設定流量と最低濃縮水量とが比較され、濃縮排水の設定流量が最低濃縮水量よりも小さい場合、以下の式（５）により、濃縮還流水の設定流量が決定され、濃縮排水の設定流量が最低濃縮水量と同じかそれよりも大きい場合、以下の式（６）により、濃縮還流水の設定流量が決定される。
（濃縮還流水の設定流量）＝（最低濃縮水量）−（濃縮排水の設定流量） （５）
（濃縮還流水の設定流量）＝０ （６）

こうして、濃縮排水の設定流量が最低濃縮水量よりも小さい場合には、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量が最低濃縮水量になるように、濃縮排水の設定流量が最低濃縮水量と同じかそれよりも大きい場合には、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量が濃縮排水の設定流量になるように、濃縮還流水の流量制御が行われる。したがって、濃縮水ライン３を流れる濃縮水の流量を、回収率と最低濃縮水量とに基づいた最適な流量に調整することができ、加圧ポンプ２１の吐出流量を最適に調整することができる。その結果、無駄なエネルギーの消費を抑え、エネルギー消費量を最小化することができる。

なお、本実施形態では、回収率の目標値をより高く設定して、さらなる節水を実現するために、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、減圧弁１２の流量範囲を小さくすることができ、結果として、より小さい容量の加圧ポンプ２１を用いることで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、１つの流量制御部（濃縮水流量制御部３５）によって濃縮排水と濃縮還流水の流量調整が行われているが、それらが別個の流量制御部によって行われるようになっていてもよい。また、透過水流量制御部２３と濃縮水流量制御部３５とがそれぞれ別個に透過水と濃縮水（濃縮排水と濃縮還流水）の流量調整を行う代わりに、すべての流量調整が１つの流量制御部によって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。

本実施形態では、第１の実施形態のろ過手段（第１のろ過手段）１１に加えて、その下流側にさらに別のろ過手段（第２のろ過手段）１３が設けられている。第２のろ過手段１３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１３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（中間透過水ライン）６が接続され、下流側には、第２のろ過手段１３からの透過水を流通させる第２の透過水ライン２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１３には、第２のろ過手段１３からの濃縮水を流通させる第２の濃縮水ライン７が接続されている。第２のろ過手段１３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１３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７は、節水の観点から、第２のろ過手段１３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、加圧ポンプ２１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７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７には、第２のろ過手段１３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１３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７には、第２の濃縮水ライン７を流れる濃縮水の流量を調整するための手動弁１４と濃縮水流量計１５が設けられている。これにより、第２のろ過手段１３の回収率（第２のろ過手段１３からの透過水の流量と第２のろ過手段１３からの濃縮水の流量との和に対する、第２のろ過手段１３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１４の代わりに、濃縮水流量計１５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１４と濃縮水流量計１５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（定流量弁を正常に作動させるための上記圧力差の許容範囲）を超えてしまうことがあるが、それを回避するために、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２に設けられている。このため、濃縮水流量制御部３５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６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、濃縮水流量制御部３５は、透過水流量計２２による測定値（第２のろ過手段１３からの透過水の流量）と、濃縮水流量計１５による測定値（第２のろ過手段１３からの濃縮水の流量）との和から、第１の透過水ライン６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１４と濃縮水流量計１５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１５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６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６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。

なお、本実施形態では、１つの加圧ポンプ２１で２つのろ過手段１１，１３に原水を供給する必要があるため、加圧ポンプ２１による第１のろ過手段１１への原水の供給圧力は、第１の実施形態に比べて大きくなる。そのため、減圧弁１２はより耐圧性能の高い種類を選定する必要がある。例えば、２つのろ過手段１１，１３としてそれぞれ直径が約２０．３２ｃｍ（８インチ）のＲＯ膜を用いる場合、第１のろ過手段１１の適用温度範囲が５〜３５℃で、例えば、減圧弁１２としては、株式会社ヨシタケ製（品番：ＧＤ−２００Ｈ）の減圧弁を用いることができる。

上述した実施形態では、２つのろ過手段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、減圧弁は、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。ただし、最も上流側のろ過手段を除いたすべてのろ過手段において、任意の流量調整手段により透過水と濃縮水の流量分配が適切に設定・調整される必要があることは言うまでもない。さらに、最も上流側のろ過手段からの濃縮排水の設定流量の算出には、最も下流側のろ過手段で分離された透過水ではなく、最も上流側のろ過手段で分離された透過水の流量が用いられることに留意されたい。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。

１ 供給ライン
２ 透過水ライン（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１の透過水ライン
７ 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 減圧弁
１３ 第２のろ過手段
１４ 手動弁
１５ 濃縮水流量計
２０ 透過水流量制御機構
２１ 加圧ポンプ
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 排水流量調整弁
３２ 排水流量計
３３ 還流水流量調整弁
３４ 還流水流量計
３５ 濃縮水流量制御部

Claims (10)

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、
   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圧力を減圧して二次側の圧力を一定に保持する減圧弁と、
   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とともに、前記還流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の流量制御手段と、
   を有する膜ろ過装置。
2. 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、
   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圧力を減圧して二次側の圧力を一定に保持する減圧弁と、
   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とともに、前記還流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の流量制御手段と、
   を有する膜ろ過装置。
3. 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第１の流量調整弁と、前記排水ラインを流れる濃縮水の流量を検出する第１の流量検出手段と、前記還流水ラインに設けられた第２の流量調整弁と、前記還流水ラインを流れる濃縮水の流量を検出する第２の流量検出手段と、前記第１の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、前記第１の流量調整弁の開度を調整するとともに、前記第２の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、前記第２の流量調整弁の開度を調整する制御部と、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３に記載の膜ろ過装置。
5. 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、前記排水ラインを流れる濃縮水の前記決定された設定流量と、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の予め定められた最低流量とを比較し、前記決定された設定流量が前記予め定められた最低流量よりも小さい場合、前記還流水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量を、前記予め定められた最低流量から前記決定された設定流量を減じた値に決定し、前記予め定められた最低流量と同じかそれよりも大きい場合、前記還流水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量をゼロに決定する、請求項５に記載の膜ろ過装置。
7. 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３に記載の膜ろ過装置。
8. 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７に記載の膜ろ過装置。
9. 前記第２の流量制御手段の前記制御部は、前記排水ラインを流れる濃縮水の前記決定された設定流量と、前記濃縮水ラインを流れる濃縮水の予め定められた最低流量とを比較し、前記決定された設定流量が前記予め定められた最低流量よりも小さい場合、前記還流水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量を、前記予め定められた最低流量から前記決定された設定流量を減じた値に決定し、前記予め定められた最低流量と同じかそれよりも大きい場合、前記還流水ラインを流れる濃縮水の前記設定流量をゼロに決定する、請求項８に記載の膜ろ過装置。
10. 前記第１の流量制御手段が、前記供給ラインに設けられ、該供給ラインを流れる被処理水の圧力を調整する圧力調整手段と、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、前記圧力調整手段を制御する制御部と、を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の膜ろ過装置。

Images