JP2019155293A - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有用成分が回収され、系外へ排出する水の処理が容易であり、装置の運転トラブルも防止される水処理装置を提供する。【解決手段】水系１からの水を受け入れて透過処理する、有用成分非透過性の選択性透過膜（ＮＦ膜）を有したＮＦ膜モジュール４と、該ＮＦ膜モジュール４の透過水を脱イオン処理するＲＯ装置９と、前記ＮＦ膜モジュール４の非透過水と該ＲＯ装置９の透過水を前記水系１に戻す手段とを有する水処理装置。【選択図】図１

Description

本発明は、水系からの水を処理して該水系に戻す水処理装置に関する。

開放循環式冷却システムにあっては、冷却塔ブロー水を処理し、処理水を冷却塔に戻す処理が行われている（特許文献１等）。

最近は、水の使用量削減や回収が求められており、水処理を実施している系、例えば冷却水やボイラ等においても、その系外への排出ブロー水を回収することが求められている。しかし、従来の水回収技術は、水処理に有効な成分も除去してしまう。過剰に水中の成分を除去するため、エネルギーや薬品の無駄があった。

冷却塔ブロー水を回収するプロセスでは、前処理ろ過（砂ろ過、活性炭、ＭＦ膜等）とＲＯ膜やＥＤＲ（極性転換方式電気透析装置）との組合せの処理が行われる。従来のブロー水回収プロセスでは、ブロー水の全量を前処理膜やＭＦ膜等で処理した後にＲＯ膜へ供給する。このＲＯ膜等により、水処理薬品や溶存塩類等が濃縮水中に濃縮されて系外に排出され、ＲＯ膜等の透過水が回収水として回収される。

特開２００３−１２５５号公報

上記従来の回収プロセスでは、水処理に有効な成分であるカルシウム、亜鉛、ポリマー、りん酸や、ホスホン酸等の薬剤の成分など、原水中に含まれる各種の有用成分も全て濃縮水に含まれて系外に排出されてしまう。また、従来の回収プロセスでは、ＲＯ膜等で、亜鉛やりん酸、有機物（ＴＯＣ，ＣＯＤ）等も濃縮されるため、ＲＯ膜等のファウリングが起きやすくなる。また、濃縮水を排出するに際しては、亜鉛やりん酸、ＣＯＤ，ＢＯＤ等を除去処理する必要がある。

本発明は、有用成分が回収され、系外へ排出する水の処理が容易であり、装置の運転トラブルも防止される水処理装置を提供することを目的とする。

本発明の水処理装置は、水系からの水を受け入れて透過処理する、有用成分非透過性の選択性透過膜を有した選択性透過膜装置と、該選択性透過膜装置の透過水を脱イオン処理する脱イオン装置と、前記選択性透過膜装置の非透過水と該脱イオン装置の脱イオン水とを前記水系に戻す手段とを有する。

本発明の一態様では、前記水系の水は、防錆剤、スケール防止剤及びスライム防止剤の少なくとも１種を含んでいる。

本発明の一態様では、前記水系は冷却水系、水処理装置、もしくは水処理装置に供給する補給水系（防錆剤やスケール防止剤等の薬剤が入っているもの）である。

本発明の一態様では、前記選択性透過膜はＮＦ膜であり、前記脱イオン装置はＲＯ装置又は電気脱イオン装置である。

本発明では、水系からの水を、選択性透過膜（２価以上のイオンの排除率が高い膜、有機物を排除する膜等）で処理し、この選択性透過膜の透過水をＲＯ膜やＥＤＲ等の脱イオン装置で処理する。そして、選択性透過膜の非透過水を水系に返送して有用成分を回収する。また、脱イオン装置の脱イオン水を水系に返送して水を回収する。このようにして、有用成分及び水が回収される。

また、本発明では、脱イオン装置への給水は選択性透過膜で有用成分が除去されているため、脱イオン装置からの排水には有用成分が含まれておらず、脱イオン装置の排水の処理が容易となる。また、脱イオン装置への給水は、選択性透過膜で処理されているため、不純物濃度が低減されており、脱イオン装置の安定運転が可能となる。

なお、選択性透過膜として、中空糸タイプの低圧型ＮＦ膜を用いる場合、従来の前処理膜の役割を代替することができ、装置を小型化することができる。

実施の形態に係る水処理装置のブロック図である。 実施例で用いた試験装置のブロック図である。 実施例で用いた試験装置のブロック図である。 比較例で用いた試験装置のブロック図である。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。 試験結果を示すグラフである。

以下、図１を参照して実施の形態について説明する。なお、図１では水系は循環冷却水系であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、有用成分を含む水を保持した各種水系の処理に適用することができる。

図１の水処理装置では、水系１の水の一部は、ポンプ２によって前処理膜（例えばＭＦ膜や砂濾過、多層濾過（ＭＭＦ）、２層濾過（ＤＭＦ)、カートリッジフィルターなど）やストレーナ等よりなる前処理装置３に供給され、粒径の大きな固形物質が除去された後、選択性透過膜装置としてのＮＦ装置４に供給される。ＮＦ装置４の非透過水（濃縮水）は、配管５を介して水系１へ返送される。なお、非透過水の一部は、必要に応じ、配管６から系外に排出される。

ＮＦ装置の透過水は、配管７、ポンプ８を介して脱イオン装置としてのＲＯ装置９に供給される。なお、ＲＯ装置の代りにＥＤＲなどの電気透析装置が用いられてもよい。ＲＯ装置９の透過水は、配管１０を介して水系１に返送される。ＲＯ装置９の非透過水（濃縮水）は、配管１１から系外に排出されるが、水回収率向上のために、その一部は、配管１２を介してＲＯ装置への給水配管７へ返送され、再度ＲＯ処理される。

この実施の形態では、冷却水系１には、防錆剤、スケール防止剤、スライム防止剤などの水処理薬剤が添加されており、水系１からの水中には、各種有用成分（ポリマー、りん酸塩、有機りん酸化合物、亜鉛イオン、カルシウムイオン等）が含まれているが、これらの有用成分はＮＦ装置４で非透過水に回収され、水系１に戻される。また、ＲＯ装置９からの脱イオン水も配管１０を介して水系１に回収されるので、水が有効利用され、補給水量が少なくなる。

ＲＯ装置９の濃縮水には、水処理上不要であったり、その成分によっては水処理の上限が決められてしまうような成分（塩化物イオンやシリカ等）が含まれているが、濃縮水を排出することにより、これらの成分が系外に排出される。このように、塩化物やシリカ等の、水処理上問題を引き起こす可能性のある成分を選択的に除去できるため、このような成分の水系中での濃度を低下させることができる。

なお、水系１において有用成分が過剰に濃縮しないように水系１からブローすることも必要に応じて実施するが、図１の場合、ＮＦ装置の濃縮水の一部を配管６から系外に排出することにより、水系からのブロー量を削減することができる。

本発明は、冷却水系以外にも、防錆剤やスケール防止剤などの薬剤を添加している各種水系にも適用可能である。

［実施例１］
＜処理１＞
実機循環冷却水系から採取したサンプル水を、図２に示すＮＦ膜モジュールを用いた循環処理装置によってＮＦ膜ろ過して濃縮処理した。

図２では、タンク２０内のサンプル水がポンプ２１、配管２２を介してＮＦ膜モジュール２３へ供給される。ポンプ２１の吐出水の一部は配管２９でタンク２０へ返送される。ＮＦ膜モジュール２３の濃縮水は、定流量弁２５を有した配管２４を介してタンク２０へ返送される。ＮＦ膜モジュール２３の透過水は、配管２６から透過水槽２７へ導入され、重量測定器２８で水量が測定される。

この装置の運転を継続することにより、タンク２０内の水が徐々に濃縮される。

ＮＦ膜としてはＤｅ．ＭＥＭ社製のもの（中空糸タイプＮＦ膜）を用いた。入口圧力０．２５〜０．３ＭＰａにて、５０％回収の条件で膜濾過した。タンク２０にサンプル水を５Ｌ取り入れ、透過水の水量が２．５Ｌとなった時点で、通水を終了した。

＜処理２＞
上記処理１で得られた透過水に対してスケール防止剤（栗田工業社製Ｋｕｒｉｖｅｒｔｅｒ Ｎ−５００）を１０ｍｇ／Ｌ添加し、図３に示した、ＲＯ膜（Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ社製、ＰＡ膜ＥＳ−２０）を有するＲＯシステムを用いて、透過水の回収率７０％、一定透過水量で運転を実施し、膜間差圧（ＴＭＰ，Trans Membrane Pressure）および、溶液電気伝導率をモニタリングし、溶液浸透圧を補正した膜間差圧０．７５ＭＰａ、２５℃条件の規格化透過流束Normalized Flux（ｍ^３／ｍ^２／ｄａｙ）を算出した。

図３のＲＯシステムでは、前記タンク２０内の濃縮されたサンプル水を給水としてポンプ３０、配管３１を介してＲＯユニット３２のベッセル３３に供給する。ベッセル３３内は、平膜よりなるＲＯ膜３４によって１次室３５と２次室３６とに区画されている。ベッセル３３は、循環ポンプ３８及びヒータ３９を備えたウォーターバス３７内に配置されている。１次室３５内は、マグネチックスターラ４０によって撹拌される。１次室３５を通液した非透過水（濃縮水）は、配管４１、定圧弁４２及び電気伝導度計４３を経て濃縮水槽４４に流入する。濃縮水槽４４は重量測定器４５上に設置されており、濃縮水槽４４に流入する濃縮水量が測定され、そのデータがロガー４６に記録される。

ＲＯ膜３４を透過した２次室３６内の透過水は、配管５０、電気伝導度計５１を経て透過水槽５２に流入する。透過水槽５２は重量測定器５３上に設置されており、透過水槽５２に流入する透過水量が測定され、そのデータがロガー５４に記録される。

前記配管３１，５０には圧力センサ６０，６１が設けられており、水圧データがロガー６２に記録される。

前記サンプル水と、図２のＮＦ膜濃縮水及び透過水と、図３のＲＯ膜透過水及び濃縮水の水質の分析結果を表１に示した。表１には、上記ＮＦ膜及びＲＯ膜のリジェクト率も示した。

＜考察＞
冷却水の水処理において防食やスケール防止に重要となるカルシウム硬度、亜鉛、りん酸イオンやホスホン酸、ポリマー等は、図２のＮＦ膜モジュール２３の処理により、６５〜１００％の高い率でリジェクトされた。一方で、腐食やスケールの因子となる塩化物イオンやシリカのＮＦ膜排除率（リジェクト率）は−１〜１１％と低く、ＮＦ膜を通過している。

図３のＲＯシステムでは、ＲＯ膜の閉塞を引き起こす有機物成分は、ＲＯ膜処理によってそのほとんどが除去されている。図５に平膜試験によるＲＯ膜の評価試験の結果として、Normalized Fluxの推移を示した。ＲＯ膜の透過流束は安定しており、スケールや有機物等のファウリングによる閉塞は確認されなかった。この結果より、ＲＯ膜により、不要なイオンが濃縮され、系外へ安定的に排出されることが認められた。

薬品成分（Ｚｎ，Ｔ−ＰＯ_４，Ｐｏｌｙｍｅｒ等）や有機物は、表１の通り、ＮＦ膜をほとんど透過せず、系内で再循環されるため、薬品の使用量を削減でき、ＲＯ濃縮水中のＺｎ，Ｐ，ＢＯＤを低減できた（Ｚｎ＝０．７，Ｐ＝１．３，ＢＯＤ＜２０）。このことにより、環境負荷を低減すると共に、追加の処理を必要とせず排水することも可能となる。

［比較例１］
＜実験条件＞
実施例１と同じ実機実冷却水をサンプル水とし、これを図４に示すようにＭＦ膜（クラレ社、ＰＶＤＦ製 孔径０．０２μｍ）を用いて、入口圧力０．２５〜０．３ＭＰａの条件にて全量濾過した。図４では、タンク７０内のサンプル水がポンプ７１、配管７２、ＮＦ膜モジュール７３、配管７４の順に流れ、濾過水槽７５に導入され、重量測定器７６で水量が計測される。ポンプ７１の吐出水の一部は配管７７でタンク７０へ返送される。

この濾過水にスケール防止剤（栗田工業社製Ｋｕｒｉｖｅｒｔｅｒ Ｎ−５００）を１０ｍｇ／Ｌ添加した検水Ａと、硫酸（１Ｎ）を３．４ｍＬ／Ｌ添加しｐＨを５．６に調整した検水Ｂを調製した。

各検水Ａ，Ｂを前記図３に示したＲＯシステム（ＲＯ膜は前記のものと同一）を用いて、透過水の回収率７０％、３０℃、一定透過水量で運転を実施し、膜間差圧（ＴＭＰ，Trans Membrane Pressure）および溶液電気伝導率をモニタリングし、溶液浸透圧を補正した膜間差圧０．７５ＭＰａ、２５℃条件のNormalized Flux（ｍ^３／ｍ^２／ｄａｙ）を演算した。

＜結果・考察＞
検水Ａを用いたときの水質分析結果および平膜試験装置によるNormalized Fluxの推移の観察結果をそれぞれ、表２、図６にそれぞれ示した。また、検水Ｂを用いたときの水質分析結果および平膜試験装置によるNormalized Fluxの推移の観察結果をそれぞれ、表３、図７に示した。

表２、図５の通り、ＭＦ膜透過水にスケール防止剤を添加しただけの検水Ａでは、カルシウム濃度も高くまた有機物も多く残存していることから、スケール防止剤を添加してＭＦ及びＲＯ処理しても、ＲＯ膜に明確なNormalized Fluxの閉塞傾向が確認された。ｐＨを硫酸により調整した検水Ｂの場合は、スケール傾向が出ないためにＦｌｕｘの低下は確認されず安定運定が可能となった。

硫酸によるｐＨ調整はＲＯ膜の運転の安定には効果的ではあるが、１ｍ^３のサンプルを処理するためには、９０％硫酸として１８５ｇの添加が必要となり、例えば時間１０ｍ^３の装置であれば、１ヶ月当たり１，３００ｋｇ強の消費になることから、タンクや保管場所の管理が課題となる。

また、ＲＯの濃縮水には、薬品成分（亜鉛、りん酸、ポリマー等）が含まれる事から、その排出先の基準を満たす事が困難となり、追加の処理もしくは、産廃への排出、回収率の低減等を検討する必要が生じる。

１ 水系
４ ＮＦ装置
９ ＲＯ装置

Claims (4)

1. 水系からの水を受け入れて透過処理する、有用成分非透過性の選択性透過膜を有した選択性透過膜装置と、
   該選択性透過膜装置の透過水を脱イオン処理する脱イオン装置と、
   前記選択性透過膜装置の非透過水と該脱イオン装置の脱イオン水とを前記水系に戻す手段と
   を有する水処理装置。
2. 前記水系の水は、防錆剤、スケール防止剤及びスライム防止剤の少なくとも１種を含んでいることを特徴とする請求項１の水処理装置。
3. 前記水系は冷却水系、水処理装置、もしくは水処理装置に供給する補給水系であることを特徴とする請求項１又は２の水処理装置。
4. 前記選択性透過膜はＮＦ膜であり、前記脱イオン装置はＲＯ装置又は電気脱イオン装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの水処理装置。

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