JP2020124668A - 水処理システム及び水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濃縮度の高い廃水を得るために、高アルカリ環境下において運転する場合であっても、高い運転稼働率及びコストダウンを実現する水処理システムを提供すること。【解決手段】実施形態の水処理システムは、軟水化処理ユニットと、第１ないし第３分離ユニットと、凝集沈殿ユニットとを備える。軟水化処理ユニットは、被処理水からアルカリ土類金属を回収して、被軟水化水を得る。第１分離ユニットは、被軟水化水を第１の脱塩水及び第１の濃縮水に分離する。第２分離ユニットは、第１の濃縮水を第２の脱塩水及び第２の濃縮水に分離する。凝集沈殿ユニットは、カチオン交換樹脂の再生処理に使用された再生液と第２の濃縮水との混合液に対して凝集沈殿処理を行い、シリカ成分を含む凝集沈殿物を生成させる。第３分離ユニットは、凝集沈殿物が除去された混合液を第３の脱塩水及び第３の濃縮水に分離する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水処理システム及び水処理方法に関する。

近年、健全な水循環を実現するための法規制が強化されている。ＺＬＤ（Zero Liquid Discharge）は、水質汚染リスクの低減、廃水の再生、及び再利用の視点から、工場内で水を再生して利用すると共に、さらに工場から外部に出される排水をゼロにまで低減することで水環境保全を図るコンセプトである。

排水をゼロまで低減するためには、最終的には蒸発法で固形分と脱イオン水に分離する必要がある。蒸発法は、廃水を加熱して水蒸気を発生させて、この水蒸気を冷却して脱イオン水を得ることで、固形分と脱イオン水に分離する方法である。この方法は、２段フラッシュ蒸発法、多段フラッシュ蒸発法等が実用化されており、非常に純度の高い脱イオン水が得られるという利点を有しているが、熱源を必要とするためにエネルギー効率が悪いという欠点がある。そのため、エネルギー消費量低減の観点から、廃水の濃縮度を可能な限り高めることによって、蒸発法で処理する廃水量を極力低減することが求められている。

これらのことから、蒸発法の前段階で、固形分を含有した濃縮廃水と真水を分離するための分離膜として逆浸透（ＲＯ：Reverse Osmosis）膜（以下、「ＲＯ膜」と称する）が用いられている。ＲＯ膜を適用した脱塩・濃縮システムは、ＲＯ膜に対し、被処理水を加圧導入し、ＲＯ膜を透過した水である脱イオン水と、ＲＯ膜を透過せず、濃縮された濃縮水とを得る基本プロセスから構成されている。

ＲＯ膜は、シリカ、硬度スケール及びバイオファウリングによって目詰まりが生じる恐れがある。ＲＯ膜に目詰まりが生じると、ＲＯ膜を洗浄するために、水処理システム全体を停止する必要があるので、水処理システムの稼働率が低下する。また、想定された濃縮度まで濃縮されていない濃縮水を蒸発処理することになり、蒸発のために要する熱エネルギーが増加するため、全体的な処理コストの増加も招く。

しかしながら、ＲＯ膜は、イオン性物質、微粒子、有機物、一部の溶存気体等ほぼ全てに対する除去効果があることや、目詰まりやトラブルが発生しない限り、再生等の不連続の工程を実施しなくてもよい等といった利点を有しているので、広く用いられている。

ＲＯ膜を用いて廃水の濃縮率を高める方法として、廃水中の硬度成分をイオン交換樹脂等の軟水化装置で除去し、さらに脱気塔等で脱炭酸処理した後に、廃水を高ｐＨにしてＲＯ膜分離する方法が記載されている。この方法は、ＲＯ膜の詰まり原因の１つである硬度成分を軟水化装置で除去して、炭酸イオン成分を脱気塔で除去することで硬度スケールを抑制する。また、硬度成分や、炭酸イオン成分を除去した廃水を、シリカの少なくとも大部分がイオン状で存在するｐＨ（ｐＨ≧１０）にして、ＲＯ膜分離装置を運転することによって、シリカによるＲＯ膜の目詰まりを抑制したものである。また、廃水を高ｐＨにすることでバイオファウリングを抑制する効果もある。

しかしながら、高ｐＨ条件で濃縮率を高めたＲＯ膜運転を行うと、ｐＨが高いほど膜劣化速度が大きく、膜分離性能が経時的に低下する。一方で、ｐＨを下げると、溶解度が低いシリカが析出しやすくなり、シリカスケールによるＲＯ膜の目詰りが生じ、システム稼動率が低減する。

シリカを除去する方法として、シリカ含有水に規定濃度範囲のマグネシウム塩及び鉄塩を添加して、シリカを沈殿除去する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、マグネシウム塩を新たに添加する必要があり、薬品コストが高くなる。

以上まとめると、水処理システムでは、廃水の蒸発のために要する熱エネルギーを低減することによってコストダウンを図ることができる。このためには、廃水の濃縮度を高めることが必須であるが、廃水の濃縮度が高くなると、一般に、シリカが析出し易くなる。シリカは、分離膜の目詰まりをもたらし、稼働率を低下させる要因となる。シリカの析出は、高アルカリ環境下では抑制されるものの、逆に高アルカリ環境下では、膜劣化速度が大きくなり、膜分離性能が低下するので、稼働率を低下させる要因となり得る。

以上のような事情を考慮し、濃縮度の高い廃水を得るために、高アルカリ環境下において運転する場合であっても、膜分離性能の低下を抑え、高い運転稼働率及びコストダウンを実現する水処理システム及び水処理方法が望まれている。

米国特許第６５３７４５６号明細書 国際公開第２０１４／１３６６５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、濃縮度の高い廃水を得るために、高アルカリ環境下において運転する場合であっても、高い運転稼働率及びコストダウンを実現する水処理システム及び水処理方法を提供することである。

実施形態の水処理システムは、軟水化処理ユニットと、第１分離ユニットと、第２分離ユニットと、凝集沈殿ユニットと、第３分離ユニットとを備える。軟水化処理ユニットは、被処理水からアルカリ土類金属を回収して、軟水化された被処理水である被軟水化水を得る。第１分離ユニットは、第１の運転圧で脱塩処理を行い、被軟水化水を、第１の脱塩水及び第１の濃縮水に分離する。第２分離ユニットは、第１の運転圧よりも高い第２の運転圧で脱塩処理を行い、第１の濃縮水を、第２の脱塩水及び第２の濃縮水に分離する。凝集沈殿ユニットは、アルカリ土類金属の回収に使用されたカチオン交換樹脂の再生処理に使用された再生液と第２の濃縮水との混合液に対して凝集沈殿処理を行い、シリカ成分を含む凝集沈殿物を生成させる。第３分離ユニットは、第２の運転圧よりも高い第３の運転圧で脱塩処理を行い、凝集沈殿物が除去された混合液を、第３の脱塩水及び第３の濃縮水に分離する。

実施形態の水処理方法が適用された水処理システムの概略構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。 調整ユニットの構成例を示す概念図である。 第１分離ユニットの構成例を示す概念図である。 第２分離ユニットの構成例を示す概念図である。 凝集沈殿ユニットの構成例を示す概念図である。 第１の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャート（１／２）である。 第１の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャート（２／２）である。 第２の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態の水処理システムに適用されるファインバブル生成装置の構成例を示す概念図である。 第２の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャート（１／２）である。 第２の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャート（２／２）である。 第３の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。 第３の実施形態の水処理システムに適用されるファインバブル生成装置の構成例を示す概念図である。 第３の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャートである。 第４の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。 第４の実施形態の水処理システムに適用されるファインバブル生成装置の構成例を示す概念図である。 第４の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャートである。

図１は、実施形態の水処理方法が適用された水処理システムの概略構成を示すブロック図である。

すなわち、水処理システム１０は、少なくとも、軟水化処理ユニット１００と、脱塩ユニット２００と、熱処理装置３００とを備えている。

軟水化処理ユニット１００は、強酸性カチオン交換樹脂が充填された強酸性カチオン交換樹脂塔１１０と、弱酸性カチオン交換樹脂が充填された弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０とを備えている。

また、脱塩ユニット２００は、第１分離ユニット２１０と、第２分離ユニット２２０と、第３分離ユニット２３０と、凝集沈殿ユニット２４０とを備えている。

軟水化処理ユニット１００は、例えば工場廃水のような被処理水ａから、カチオン交換樹脂を用いて、アルカリ土類金属を回収し、軟水化された被処理水である被軟水化水ｂを得る。具体的には、軟水化処理ユニット１００は、被処理水ａを、先ず強酸性カチオン交換樹脂塔１１０を通過させることによって、カルシウムのような第１のアルカリ土類金属を回収し、次に弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０を通過させることによって、第１のアルカリ土類金属よりも低いイオン選択性を有するマグネシウムのような第２のアルカリ土類金属を回収する。

被処理水ａは、このようにアルカリ土類金属が回収されることによって、被軟水化水ｂとなる。被軟水化水ｂは、脱塩ユニット２００の第１分離ユニット２１０へ供給される。

一方、第１のアルカリ土類金属を回収した強酸性カチオン交換樹脂塔１１０には、第１のアルカリ土類金属が吸着し、第２のアルカリ土類金属を回収した弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０には、第２のアルカリ土類金属が吸着する。また、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０および弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０には、これらアルカリ土類金属のみならず、鉄等の重金属も吸着する。このため、定期的に、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０から、吸着したアルカリ土類金属や重金属を除去する再生処理が必要となる。このような再生処理は、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０を、酸を用いて洗浄することによってなされる。強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０に吸着されたアルカリ土類金属は、この再生処理によって、洗浄に使用された酸性溶液である再生液ｃとともに、軟水化処理ユニット１００から排出される。

この再生液ｃは、図示しないポンプ等によって、カチオン交換樹脂再生ラインＬ０内を移送されることによって、脱塩ユニット２００の凝集沈殿ユニット２４０へ供給される。なお、水処理システム１０では、カチオン交換樹脂再生液供給ラインＬ０のみならず、後述するような他の多くのラインＬが後述されるが、これらラインＬは何れも、例えば配管である。

再生液ｃは、必ずしも強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０の両方に対してなされた再生処理によって発生したものに限定されず、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０のうちの一方に対してなされた再生処理によって得られたものであってもよい。

第１分離ユニット２１０は、圧力容器２１１を備え、この圧力容器２１１内に、例えばＲＯ膜のような分離膜２１３を有する脱塩膜エレメント２１２を配置している。そして、軟水化処理ユニット１００から供給された被軟水化水ｂに対して、分離膜２１３を用いて、第１の運転圧（好適には０〜３ＭＰａ程度）で脱塩処理を行い、被軟水化水ｂを、脱塩水ｄ１及び濃縮水ｅ１に分離する。濃縮水ｅ１は、被軟水化水ｂよりもＴＤＳ（Total Dissolved Solid）が高く濃縮されている。濃縮水ｅ１は、ラインＬ３を介して排出され、第２分離ユニット２２０へ供給される。一方、脱塩水ｄ１は、ラインＬ４を介して排出され、例えば、被処理水ａを排出した工場で再利用される。

第２分離ユニット２２０は、ポンプ２２７及び圧力容器２２１を備えており、圧力容器２２１内に、例えばＲＯ膜のような分離膜２２３を有する脱塩膜エレメント２２２を配置している。

ポンプ２２７は、ラインＬ３に設けられ、脱塩膜エレメント２１２から排出された濃縮水ｅ１を、第１の運転圧よりも高い第２の運転圧（好適には３〜８ＭＰa）に昇圧して、脱塩膜エレメント２２２へ供給する。この際に、濃縮水ｅ１は、ポンプ２２７の動力熱を受けるので、加熱された状態で脱塩膜エレメント２２２へ供給される。このように、ポンプ２２７は、濃縮水ｅ１を脱塩膜エレメント２２２へ供給するための供給手段としてのみならず、脱塩膜エレメント２２２へ供給される濃縮水ｅ１の昇圧及び加熱を行う昇圧・加熱手段としても寄与する。

脱塩膜エレメント２２２は、濃縮水ｅ１に対して、分離膜２２３を用いて、第１の運転圧よりも高い第２の運転圧（好適には３〜８ＭＰa）で脱塩処理を行い、濃縮水ｅ１を、脱塩水ｄ２及び濃縮水ｅ２に分離する。脱塩水ｄ２は、ラインＬ７を介して排出される。ラインＬ７はラインＬ４に接続されており、脱塩水ｄ２はラインＬ４へ流入し、脱塩水ｄ１と合流された後に、例えば、被処理水ａを排出した工場で再利用される。濃縮水ｅ２は、濃縮水ｅ１よりもＴＤＳが高く濃縮されており、ラインＬ５を介して脱塩膜エレメント２２２から排出される。

ラインＬ５は、凝集沈殿ユニット２４０へ接続されているが、ラインＬ５の途中には、濃縮水ｅ２の一部を、ラインＬ３のポンプ２２７の上流側へ戻すためのラインＬ６も接続されている。

このラインＬ６によって、脱塩膜エレメント２２２からの濃縮水ｅ２は、すべてが凝集沈殿ユニット２４０へ供給される訳ではなく、一部がポンプ２２７によってラインＬ３に戻され、濃縮水ｅ１と混合された後、前述したようにポンプ２２７によって昇圧、加熱された後に、再び脱塩膜エレメント２２２へ供給される。したがって、脱塩膜エレメント２２２へは、濃縮水ｅ１のみならず、濃縮水ｅ１と濃縮水ｅ２とが混合された濃縮水もまた、前述したように、ポンプ２２７によって、昇圧及び加熱されながら供給される。この濃縮水は、濃縮水ｅ１よりもＴＤＳ濃度が高いので、このように、濃縮水ｅ２の一部をラインＬ３に戻すことによって、脱塩膜エレメント２２２へ、より高いＴＤＳ濃度の濃縮水を供給することが可能となる。

凝集沈殿ユニット２４０は、凝集沈殿槽２４１を備えている。凝集沈殿槽２４１には、ラインＬ５を介して供給された濃縮水ｅ２と、カチオン交換樹脂再生液供給ラインＬ０を介して供給された再生液ｃとが供給され、混合される。再生液ｃには、凝集剤として寄与するカルシウムやマグネシウムのようなアルカリ土類金属が含まれているので、濃縮水ｅ２と再生液ｃとの混合液中には、シリカ成分の凝集沈殿物ｆが凝集沈殿する。

凝集沈殿物ｆは、ドレン等によって、凝集沈殿槽２４１から排出される。一方、凝集沈殿物ｆが除去された混合液ｇは、凝集沈殿槽２４１からポンプ等によって昇圧されて、第３分離ユニット２３０へ供給される。

第３分離ユニット２３０は、圧力容器２３１を備え、この圧力容器２３１内に、例えばＲＯ膜のような分離膜２３３を有する脱塩膜エレメント２３２を配置している。そして、凝集沈殿槽２４１から供給された混合液ｇに対して、脱塩膜エレメント２３２において、分離膜２３３を用いて、第２の運転圧よりも高い第３の運転圧（好適には８〜１２ＭＰａ）で脱塩処理を行い、混合液ｇを、脱塩水ｄ３及び濃縮水ｅ３に分離する。脱塩水ｄ３は、ラインＬ１１を介して排出される。ラインＬ１１はラインＬ４に接続されており、脱塩水ｄ３はラインＬ４へ送られ、脱塩水ｄ１及び脱塩水ｄ２と合流された後に、例えば、被処理水ａを排出した工場で再利用される。濃縮水ｅ３は、濃縮水ｅ２よりもＴＤＳが高く濃縮されており、熱処理装置３００へ供給される。

熱処理装置３００は、脱塩膜エレメント２３２から供給された濃縮水ｅ３を濃縮・蒸発乾燥処理することによって、濃縮水ｅ３から、溶解性固形分である塩分ｈ、水分ｉ、及びガス状の揮発成分ｊを回収する。

塩分ｈは、濃縮された廃棄物として廃棄される。水分ｉは再生水として、例えば、被処理水ａを排出した工場に戻され、再利用される。揮発成分ｊは、環境に放出される。

このような概略構成をなす水処理システム１０の具体的な各実施形態について、以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、図１で示した部位と同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避ける。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の水処理システムについて説明する。

図２は、第１の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。

水処理システム１１は、前処理ユニット８０と、調整ユニット１８０とをさらに備えている点が、水処理システム１０と異なる。

前処理ユニット８０は、例えば工場廃水のような被処理水ａに対して、固形分除去処理、軟水化処理、及び脱気処理等を含む前処理を実施するユニットであり、例えば、固形分除去装置９０と、前述した軟水化処理ユニット１００と、脱気装置１３０とを直列に配置することによって構成される。

固形分除去装置９０、軟水化処理ユニット１００、及び脱気装置１３０の前段にはそれぞれ、必要に応じて、図示しないポンプが設けられている。

固形分除去装置９０は、例えば、精密濾過（ＭＦ：Microfiltration）膜、限外濾過（ＵＦ：Ultrafiltration）膜、及びＭＢＲ（Membrane Bioreactor）法等の膜分離技術を用いて実現する。このような固形分除去装置９０は、被処理水ａを濾過し、被処理水ａから固形分を除去する。固形分を除去された被処理水ａ１は、固形分除去装置９０から、例えば軟水化処理ユニット１００の前段に設けられた図示しないポンプによって、軟水化処理ユニット１００へ供給される。

軟水化処理ユニット１００は、強酸性カチオン交換樹脂及び弱酸性カチオン交換樹脂を用いて、被処理水ａ１を軟水化する。このため、軟水化処理ユニット１００は、強酸性カチオン交換樹脂が充填された強酸性カチオン交換樹脂塔１１０を前段に、弱酸性カチオン交換樹脂が充填された弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０を後段に設置して構成される。例えば、強酸性カチオン交換樹脂としては、スルホン酸基を交換基として有するイオン交換樹脂、弱酸性カチオン交換樹脂としては、カルボン酸基を交換基として有するイオン交換樹脂を使用することができる。

このような構成により、軟水化処理ユニット１００は、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０によって、被処理水ａ１から、カルシウムやマグネシウム等のアルカリ土類金属からなる硬度成分を除去することによって、被処理水ａ１を軟水化し、硬度成分の濃度が低減された被軟水化水ｂを得る。

被軟水化水ｂは、軟水化処理ユニット１００から、例えば脱気装置１３０の前段に設けられた図示しないポンプによって、脱気装置１３０へ供給される。

なお、カチオン交換樹脂に多量のカルシウムやマグネシウム等の硬度成分や、鉄等の重金属が吸着すると、カチオン交換樹脂は飽和し、硬度成分の漏洩が生じるので、カチオン交換樹脂の再生処理を定期的に実施する必要がある。

強酸性カチオン交換樹脂塔１１０の再生処理を行う場合には、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０に、濃ＮａＣｌ溶液を供給し、強酸性カチオン交換樹脂に吸着した硬度成分および重金属とＮａを交換する。これによって、強酸性カチオン交換樹脂を再生する。

弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０の再生処理を行う場合には、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０に、塩酸溶液を供給し、弱酸性カチオン交換樹脂に吸着した硬度成分および重金属とＨ^＋を交換する。これによって、弱酸性カチオン交換樹脂を再生する。なお、塩酸溶液で再生処理した後に、水酸化ナトリウム溶液を供給することで、Ｎａ^＋型弱酸性イオン交換樹脂に再生してもよい。

さらに、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０に塩酸を供給する。これによって、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０から排出された硬度成分を含有した再生液ｃ（弱酸性交換樹脂再生液）が得られる。この再生液ｃは、カチオン交換樹脂再生液供給ラインＬ０を介して凝集沈殿ユニット２４０の凝集沈殿槽２４１に供給される。

脱気装置１３０は、純水製造等で用いられる既存のものが使用可能であり、例えば、充填式脱炭酸塔、ばっ気装置、膜脱気装置、及び真空脱気装置等を用いて実現する。いずれも、脱気効率向上のため、塩酸、硫酸等の酸を被軟水化水ｂに添加し、被軟水化水ｂのｐＨを７以下、より好ましくは５．５以下に下げて処理を行なうことが好ましい。気液接触式の場合、Ｇ／Ｌ比（Ｎ−ｍ^３／ｍ^３）は５〜２０の範囲が好ましい。なお、脱気装置１３０は、公知の技術を用いて実現可能であり、適用に制限はない。

このような脱気装置１３０は、被軟水化水ｂに対して脱気処理を行い、被軟水化水ｂから、例えば二酸化炭素のようなガスを脱気する。このように脱気された被軟水化水ｂ１は、ラインＬ１を介して、調整ユニット１８０へ供給される。

調整ユニット１８０は、第１分離ユニット２１０へ導入される被軟水化水ｂ１のｐＨ調整等を行うための設備である。

図３は、調整ユニットの構成例を示す概念図である。

図３に例示されるように、調整ユニット１８０は、液混和槽１８１と、ラインＬ１に設けられ、脱気装置１３０からの被軟水化水ｂ１を液混和槽１８１へ供給するためのポンプ１８２と、液混和槽１８１へ薬液ｋを供給するための薬液ラインＬａと、液混和槽１８１に貯液された被軟水化水ｂ１の水質を測定するための水質計１８４と、ラインＬ２に設けられ、液混和槽１８１においてｐＨ調整等がなされた被軟水化水ｂ２を脱塩膜エレメント２２２へ供給するためのポンプ１８３とを備えている。

薬液ラインＬａを介して液混和槽１８１へ供給される薬液ｋは、例えば、ｐＨ調整剤、殺菌剤、スケール防止剤、バイオファウリング防止剤、及び膜洗浄剤等が挙げられる。薬液ｋは、例えば、水質計１８４により計測される水質や、脱塩ユニット２００の各脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２で用いられる分離膜２１３、２２３、２３３の材質や性能等により使い分けられる。薬液ｋはさらに、定常運転時、及びメンテナンス時等に応じて使い分けることもできる。

ｐＨ調整剤としては、例えば、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ剤を用いることができる。このようなｐＨ調整剤によって、調整ユニット１８０は、液混和槽１８１において、被軟水化水ｂ１のｐＨを１０以上、好ましくは１０．５以上にする。

水質計１８４は、液混和槽１８１においてｐＨ調整された被軟水化水ｂ１のｐＨを測定するｐＨ計である。さらには、液混和槽１８１に貯液された被軟水化水ｂ１の水位を測定する水位計や、導電率を測定する導電率計等を適宜含んでいてもよい。

ポンプ１８３は、液混和槽１８１に貯液された被軟水化水ｂ１のｐＨ等の水質が、脱塩膜エレメント２２２へ供給されるのに適切になったことが水質計１８４によって検出された場合に起動される。これによって、液混和槽１８１において所定の水質に調整された被軟水化水ｂ２が、ポンプ１８３によって、あらかじめ設定された圧力まで昇圧され、ラインＬ２を介して第１分離ユニット２１０の脱塩膜エレメント２１２へ供給される。

なお、あらかじめ設定された圧力とは、脱塩膜エレメント２１２における分離膜２１３の浸透圧よりも高い圧力であり、例えば、０〜３ＭＰａ程度が好適である。

図４は、第１分離ユニットの構成例を示す概念図である。

前述したように、第１分離ユニット２１０は、圧力容器２１１を備え、この圧力容器２１１内に、例えばＲＯ膜のような分離膜２１３を有する脱塩膜エレメント２１２を配置している。図４では、一例として、第１分離ユニット２１０が１つの圧力容器２１１を備え、圧力容器２１１が１つの脱塩膜エレメント２１２を配置した例を示している。しかしながら、第１分離ユニット２１０が備える圧力容器２１１の数は、単数に限定されず、複数であってもよい。また、圧力容器２１１の内部に設置される脱塩膜エレメント２１２の数もまた、単数に限定されず、複数であってもよい。

脱塩膜エレメント２１２は、内部に分離膜２１３を備えているとともに、１つの導入部２１４、及び２つの排出部２１５、２１６を備えている。

導入部２１４は、ラインＬ２に接続されており、ラインＬ２を介して調整ユニット１８０から供給される被軟水化水ｂ２を、脱塩膜エレメント２１２の内部に導入するための入口である。

分離膜２１３は、例えば、スパイラル状や中空糸状等の膜を適用し、導入部２１４から導入された被軟水化水ｂ２を濾過して、分離膜２１３を透過した脱塩水ｄ１と、分離膜２１３を透過せず、ＴＤＳが濃縮された濃縮水ｅ１とに分離する。

排出部２１５は、濃縮水ｅ１を脱塩膜エレメント２１２から排出するための出口であり、排出部２１６は、脱塩水ｄ１を脱塩膜エレメント２１２から排出するための出口である。

排出部２１５から排出された濃縮水ｅ１は、排出部２１５に接続されたラインＬ３を介して、下流側の第２分離ユニット２２０へ向けて送液される。脱塩水ｄ１は、排出部２１６から排出され、ラインＬ４に流入する。

図５は、第２分離ユニットの構成例を示す概念図である。

第２分離ユニット２２０もまた、第１分離ユニット２１０と同様に、圧力容器２２１を備え、圧力容器２２１の内部に脱塩膜エレメント２２２を配置している。脱塩膜エレメント２２２の構成は、脱塩膜エレメント２１２の構成と同一であり、分離膜２２３、導入部２２４、及び２つの排出部２２５、２２６はおのおの、分離膜２１３、導入部２１４、及び２つの排出部２１５、２１６に対応するので、重複説明を避ける。また、第２分離ユニット２２０が備える圧力容器２２１の数や、圧力容器２２１の内部に設置される脱塩膜エレメント２２２の数が、単数に限定されず、複数であってもよいことも、第１分離ユニット２１０と同様である。

また、第２分離ユニット２２０は、ラインＬ３に設けられたポンプ２２７を備えている。

ポンプ２２７は、ラインＬ３内を流れる濃縮水ｅ１を、脱塩膜エレメント２２２の分離膜２２３の浸透圧よりも高い圧力まで昇圧して、導入部２２４から脱塩膜エレメント２２２内に供給する。この圧力は、脱塩膜エレメント２１２の分離膜２１３の浸透圧よりも高く、好適には３〜８ＭＰａ程度である。また、この際に、濃縮水ｅ１は、ポンプ２２７の動力熱を受けるので、加熱された状態で脱塩膜エレメント２２２へ供給される。このように、ポンプ２２７は、濃縮水ｅ１を脱塩膜エレメント２２２へ供給するための供給手段としてのみならず、脱塩膜エレメント２２２へ供給される濃縮水ｅ１の昇圧及び加熱を行う昇圧・加熱手段としても寄与する。

脱塩膜エレメント２２２では、導入部２２４から導入された濃縮水ｅ１を、分離膜２２３において濾過し、分離膜２２３を透過した脱塩水ｄ２と、分離膜２２３を透過せず、ＴＤＳがさらに濃縮された濃縮水ｅ２とに分離する。

脱塩水ｄ２は、排出部２２６から排出され、ラインＬ７に流入する。ラインＬ７はラインＬ４に接続されており、脱塩水ｄ２はラインＬ４へ流入し、脱塩水ｄ１と合流された後に、例えば、被処理水ａを排出した工場で再利用される。

濃縮水ｅ２は、排出部２２５から脱塩膜エレメント２２２外へ排出される。排出部２２５には、凝集沈殿ユニット２４０の凝集沈殿槽２４１に至るラインＬ５が接続されている。

なお、ラインＬ５には、濃縮水ｅ２の一部を、ラインＬ３のポンプ２２７の上流側へ戻すためのラインＬ６も接続されている。したがって、図１を用いて前述したように、脱塩膜エレメント２２２からの濃縮水ｅ２は、すべてが凝集沈殿槽２４１へ供給される訳ではなく、ポンプ２２７によって、一部がラインＬ３に戻され、濃縮水ｅ１と混合された後、前述したようにポンプ２２７によって昇圧、加熱された後に、再び脱塩膜エレメント２２２へ供給される。

したがって、脱塩膜エレメント２２２へは、濃縮水ｅ１のみならず、濃縮水ｅ１及び濃縮水ｅ２が混合された濃縮水もまた、ポンプ２２７によって、昇圧及び加熱されながら供給される。このような構成によって、脱塩膜エレメント２２２へ、よりＴＤＳ濃度の高い濃縮水を供給することが可能となる。

図６は、凝集沈殿ユニットの構成例を示す概念図である。

凝集沈殿ユニット２４０は、凝集沈殿槽２４１と、水質計２４２と、ポンプ２４３と、薬液ラインＬｂとを備えている。

凝集沈殿槽２４１には、ラインＬ５を介して、脱塩膜エレメント２２２から濃縮水ｅ２が供給される。また、カチオン交換樹脂再生液供給ラインＬ０を介して、軟水化処理ユニット１００から再生液ｃが供給される。これによって、凝集沈殿槽２４１では、濃縮水ｅ２と再生液ｃとが混合され、混合液として貯液される。

凝集沈殿槽２４１にはさらに、薬液ラインＬｂを介して、薬液ｍが供給される。薬液ｍとしては、例えば、苛性ソーダ、水酸化カリウム等のアルカリ剤や、塩酸等の酸剤等といったｐＨ調整剤が挙げられる。これによって、凝集沈殿槽２４１において、混合液のｐＨは、シリカが効率良く沈殿するｐＨ、好ましくはｐＨ８〜１０．５に調整される。

前述したように、再生液ｃには、凝集剤として寄与するカルシウムやマグネシウムのようなアルカリ土類金属が含まれていることに加えて、このようなｐＨ調整がなされることによって、混合液中において、シリカ成分の凝集沈殿物ｆが凝集沈殿する。なお、温度が高いほど、シリカ成分の凝集沈殿は、促進される。前述したように、ポンプ２２７は、加熱手段としても寄与しているので、ポンプ２２７による加熱効果によって、凝集沈殿槽２４１に貯液された混合液において、シリカ成分が、より効率良く沈殿するようになる。凝集沈殿物ｆは、ドレン配管Ｌ８を介して、凝集沈殿槽２４１から排出される。

水質計２４２は、混合液のｐＨを測定するｐＨ計である。水質計２４２はさらに、凝集沈殿槽２４１に貯液されている混合液の水位を測定する水位計や、導電率を測定する導電率計等を含んでいてもよい。

ポンプ２４３は、第３分離ユニット２３０の脱塩膜エレメント２３２に至るラインＬ９に設けられており、水質計２４２による測定結果に応じて起動される。例えば、ポンプ２４３は、水質計２４２によって測定されたｐＨの値が、脱塩膜エレメント２３２へ供給されるのに適切な値となった場合に起動される。これによって、ポンプ２４３は、凝集沈殿物ｆが除去された混合液ｇを、あらかじめ設定された圧力へ昇圧しながら脱塩膜エレメント２３２へ供給する。

なお、あらかじめ設定された圧力とは、脱塩膜エレメント２３２における分離膜２３３の浸透圧よりも高い圧力である。この圧力は、脱塩膜エレメント２２２の分離膜２２３の浸透圧よりも高く、例えば、８〜１２ＭＰａ程度が好適である。

第３分離ユニット２３０もまた、第１分離ユニット２１０と同様に、圧力容器２３１を備え、圧力容器２３１の内部に脱塩膜エレメント２３２を配置している。脱塩膜エレメント２３２の構成は、脱塩膜エレメント２１２の構成と同一であり、分離膜２１３に対応する分離膜２３３の他、導入部２１４及び２つの排出部２１５、２１６に対応する導入部及び２つの排出部も同様に備えた構成であるので、重複説明を避ける。また、第３分離ユニット２３０が備える圧力容器２３１の数や、圧力容器２３１の内部に設置される脱塩膜エレメント２３２の数が、単数に限定されず、複数であってもよいことも、第１分離ユニット２１０と同様である。

脱塩膜エレメント２３２は、凝集沈殿ユニット２４０からラインＬ９を介して供給された混合液ｇを、分離膜２３３を用いて、脱塩水ｄ３及び濃縮水ｅ３に分離する。濃縮水ｅ３は、濃縮水ｅ２よりもさらにＴＤＳ濃度が高い。

脱塩水ｄ３は、脱塩膜エレメント２３２から排出され、ラインＬ１１に流入する。ラインＬ１１はラインＬ４に接続されており、脱塩水ｄ３はラインＬ４に流入し、脱塩水ｄ１及び脱塩水ｄ２と合流された後に、例えば、被処理水ａを排出した工場で再利用される。

一方、濃縮水ｅ３は、ラインＬ１０に設けられたポンプ（図示せず）によって、ライン１０を介して、熱処理装置３００へ供給される。

熱処理装置３００は、例えば、蒸発濃縮装置、蒸発乾燥装置、及び有機物熱処理装置等を備え、熱を用いた蒸留回収、蒸発乾燥処理、焼却、及び触媒酸化等の熱処理プロセスのうち、少なくとも１つ以上の熱処理プロセスを実施する。例えば、濃縮水ｅ３中のイオン分の主成分が、アルカノールアミン等の有機アミン類である場合、有機物熱処理装置の熱処理プロセスにより、有機物を、分離、濃縮、廃棄することができる。また、有機物熱処理装置の熱処理プロセスにより、熱処理炭素を生成し、水分を回収する。

このように、熱処理装置３００は、濃縮水ｅ３を濃縮・蒸発乾燥処理することによって、濃縮水ｅ３から、溶解性固形分である塩分ｈ、水分ｉ、及び揮発成分ｊを回収する。塩分ｈは、濃縮された廃棄物として廃棄される。水分ｉは再生水として、例えば、被処理水ａを排出した工場に戻され、再利用される。揮発成分ｊは、環境に放出される。

例えば、濃縮水ｅ３中のイオン分の主成分が、無機イオン分である場合、熱処理装置３００による濃縮・蒸発乾燥処理により、イオン分を固形状の塩分として回収することが可能となる。

なお、熱処理装置３００に、晶析装置、及び遠心分離装置等を設けてもよい。これにより、固形状の塩分の回収をより円滑に実行することが可能となる。

次に、以上のように構成された第１の実施形態の水処理システム１１の動作例について説明する。

図７及び図８は、第１の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャートである。

水処理システム１１の動作例として、例えば工場廃水のような被処理水ａが処理される場合について説明する。

水処理システム１１によって処理される被処理水ａは、例えばポンプによって前処理ユニット８０の固形分除去装置９０へ送液され、固形分除去装置９０において濾過され、固形分が除去される（Ｓ１）。固形分を除去された被処理水ａ１は、例えばポンプによって軟水化処理ユニット１００の強酸性カチオン交換樹脂塔１１０へ供給される。

強酸性カチオン交換樹脂塔１１０では、被処理水ａ１から、カルシウムのように高いイオン選択性を有するアルカリ土類金属である硬度成分が除去され、被処理水ａ１が軟水化される（Ｓ２）。

軟水化された被処理水ａ１は、次に、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０へ供給され、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０では、マグネシウムのように、カルシウムよりも低いイオン選択性を有するアルカリ土類金属である硬度成分が除去されることによって、さらに軟水化され（Ｓ３）、被軟水化水ｂとして、例えばポンプによって、脱気装置１３０へ供給される（Ｓ４）。

一方、ステップＳ２の処理によって、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０には、カルシウムのようなアルカリ土類金属が吸着し、ステップＳ３の処理によって、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０には、マグネシウムのようなアルカリ土類金属や、鉄等の重金属が吸着している。このため、定期的に、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０及び弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０から、吸着したアルカリ土類金属および重金属を除去する再生処理が必要となる。

強酸性カチオン交換樹脂塔１１０の再生処理を行う場合には、強酸性カチオン交換樹脂塔１１０に、濃ＮａＣｌ溶液が供給されることによって、強酸性カチオン交換樹脂に吸着した硬度成分および重金属と、Ｎａとが交換される。これによって、強酸性カチオン交換樹脂の再生がなされる。

弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０の再生処理を行う場合には、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０に、塩酸溶液が供給されることによって、弱酸性カチオン交換樹脂に吸着した硬度成分および重金属と、Ｈ^＋とが交換される。これによって、弱酸性カチオン交換樹脂の再生がなされる。

さらに、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０に塩酸が供給される。これによって、弱酸性カチオン交換樹脂塔１２０から排出された硬度成分を含有した再生液ｃ（弱酸性交換樹脂再生液）が得られる。この再生液ｃは、後述するステップＳ１０で説明するように、カチオン交換樹脂再生液供給ラインＬ０を介して凝集沈殿ユニット２４０に供給される。

ステップＳ４では、脱気装置１３０において、被軟水化水ｂに対して脱気処理が行われ、被軟水化水ｂから、例えば二酸化炭素のようなガスが脱気される（Ｓ４）。このように脱気された被軟水化水ｂ１は、例えば、１０００ｍｇ／Ｌから数１０００ｍｇ／Ｌ程度のＴＤＳ濃度を有しており、ポンプ１８２によって、ラインＬ１を介して、調整ユニット１８０の液混和槽１８１へ供給される（Ｓ５）。

液混和槽１８１にはまた、薬液ラインＬａから、ｐＨ調整剤、殺菌剤、スケール防止剤、バイオファウリング防止剤、及び膜洗浄剤等のような薬液ｋも供給される。ｐＨ調整剤としては、例えば、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ剤が用いられる。このようなｐＨ調整剤によって、液混和槽１８１において、被軟水化水ｂ１のｐＨが、１０以上、好ましくは１０．５以上に調整される。

このようにして液混和槽１８１においてｐＨ調整された被軟水化水ｂ１のｐＨは、水質計１８４によって測定される。そして、水質計１８４によって、ｐＨが１０以上、より好ましくは１０．５以上であることが検出されると、ポンプ１８３が起動され、液混和槽１８１から、被軟水化水ｂ２が、ポンプ１８３によって、あらかじめ設定された圧力まで昇圧されながら、ラインＬ２を介して第１分離ユニット２１０へ供給される（Ｓ６）。なお、あらかじめ設定された圧力とは、第１分離ユニット２１０の脱塩膜エレメント２１２における分離膜２１３の浸透圧よりも高い圧力であり、例えば、０〜３ＭＰａ程度が好適である。

第１分離ユニット２１０へ供給された被軟水化水ｂ２は、導入部２１４から脱塩膜エレメント２１２内へ導入され、分離膜２１３を透過した透過水が、脱塩水ｄ１として、排出部２１６から、ラインＬ４内へ排出される。一方、分離膜２１３を透過せず、ＴＤＳが濃縮された濃縮水ｅ１が、排出部２１５からラインＬ３内へ排出される（Ｓ７）。

ラインＬ３にはポンプ２２７が備えられており、このポンプ２２７によって、ラインＬ３内を流れる濃縮水ｅ１が、第２分離ユニット２２０の脱塩膜エレメント２２２の分離膜２２３の浸透膜よりも高い圧力である、例えば３〜８ＭＰａ程度まで昇圧された状態で、分離ユニット２２０の脱塩膜エレメント２２２へ供給される（Ｓ８）。

脱塩膜エレメント２２２では、分離膜２２３を透過した透過水が、脱塩水ｄ２として、排出部２２６から、ラインＬ７内へ排出される。一方、分離膜２２３を透過せず、濃縮水ｅ１よりもさらにＴＤＳが濃縮された濃縮水ｅ２が、排出部２２５からラインＬ５内へ排出される（Ｓ９）。

ラインＬ５は凝集沈殿ユニット２４０の凝集沈殿槽２４１に至っているが、ラインＬ５には、濃縮水ｅ２の一部を、ラインＬ３のポンプ２２７の上流側へ戻すためのラインＬ６も接続されている。このため、排出部２２５から排出された濃縮水ｅ２は、すべてが凝集沈殿槽２４１へ供給される訳ではなく、ポンプ２２７によって、一部がラインＬ３に戻され、濃縮水ｅ１と混合された後、ポンプ２２７によって昇圧、加熱された後に、再び第２分離ユニット２２０の脱塩膜エレメント２２２へ供給され、ステップＳ８の処理が繰り返される。これによって、脱塩膜エレメント２２２へ、より高いＴＤＳ濃度の濃縮水が供給される。

排出部２２５からラインＬ５へ排出された濃縮水ｅ２のうち、ラインＬ３へ戻されなかった濃縮水ｅ２は、凝集沈殿ユニット２４０の凝集沈殿槽２４１へ供給される。また、凝集沈殿槽２４１には、ステップＳ３で得られたカルシウムやマグネシウムのようなアルカリ土類金属である硬度成分を含有した再生液ｃが、カチオン交換樹脂再生液供給ラインＬ０を介して凝集沈殿ユニット２４０の凝集沈殿槽２４１に供給される（Ｓ１０）。

これによって、凝集沈殿槽２４１では、濃縮水ｅ２と再生液ｃとの混合液が貯液される。

凝集沈殿槽２４１にはさらに、薬液ラインＬｂを介して、薬液ｍが供給される。薬液ｍは、例えば、ｐＨ調整剤であり、凝集沈殿槽２４１にｐＨ調整剤を供給することによって、混合液は、シリカが効率良く沈殿するｐＨ、好ましくはｐＨ８〜１０．５にｐＨ調整される。

前述したように、再生液ｃには、凝集剤として寄与するカルシウムやマグネシウムのようなアルカリ土類金属が含まれていることに加えて、このようなｐＨ調整がなされることによって、凝集沈殿槽２４１において、混合液中に、シリカ成分の凝集沈殿物ｆが効率良く凝集沈殿する。凝集沈殿物ｆは、ドレン配管Ｌ８を介して、凝集沈殿槽２４１から排出される。

凝集沈殿槽２４１から第３分離ユニット２３０の脱塩膜エレメント２３２に至るラインＬ９には、水質計２４２による測定結果に応じて起動されるポンプ２４３が設けられている。例えば、水質計２４２がｐＨ計である場合、ポンプ２４３は、ｐＨ計によって測定された混合液のｐＨの値が、第３分離ユニット２３０の脱塩膜エレメント２３２へ供給されるのに適切な値となった場合に起動される。

これによって、凝集沈殿物ｆが除去された混合液ｇは、ポンプ２４３によって、あらかじめ設定された圧力へ昇圧されながら、凝集沈殿槽２４１から、ラインＬ９を介して第３分離ユニット２３０へ供給される（Ｓ１１）。

なお、あらかじめ設定された圧力とは、脱塩膜エレメント２３２における分離膜２３３の浸透圧よりも高い圧力である。この圧力は、脱塩膜エレメント２２２の分離膜２２３の浸透圧よりも高く、例えば、８〜１２ＭＰａ程度が好適である。

第３分離ユニット２３０へ供給された混合液ｇは、脱塩膜エレメント２３２へ供給され、分離膜２３３を透過した透過水が、脱塩水ｄ３として、ラインＬ１１内へ排出される。一方、分離膜２３３を透過せず、混合液ｇよりもさらにＴＤＳが濃縮された濃縮水ｅ３が、ライン１０内へ排出され（Ｓ１２）、熱処理装置３００へ供給される（Ｓ１３）。

ステップＳ１３では、熱処理装置３００において、濃縮水ｅ３に対して、例えば濃縮・蒸発乾燥処理がなされることにより、濃縮水ｅ３から、溶解性固形分である塩分ｈ、水分ｉ、及び揮発成分ｊが回収される（Ｓ１４）。

ステップＳ１４において回収された塩分ｈは、廃棄され（Ｓ１５）、揮発成分ｊは、環境に放出され（Ｓ１６）、水分ｉは、再生水として、例えば、被処理水ａを排出した工場に戻され、再利用される（Ｓ１７）。また、ステップＳ７で回収された脱塩水ｄ１、ステップＳ９で回収された脱塩水ｄ２、及びステップＳ１２で回収された脱塩水ｄ３もまた、被処理水ａを排出した工場に戻され、再利用される（Ｓ１７）。

以上説明したように、水処理システム１１によれば、高アルカリの環境下において分離膜を使用する場合であっても、分離膜の目詰まりの可能性を低減し、かつ膜劣化を抑制して、稼働率向上を実現することができる。

すなわち、水処理システム１１は、３つの脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２を直列に接続した構成であることにより、よりＴＤＳ濃度の高い濃縮水ｅ３を熱処理装置３００に供給することができる。

特に、脱塩膜エレメント２２２からの濃縮水ｅ２のすべてを凝集沈殿槽２４１へ供給するのではなく、その一部を、脱塩膜エレメント２２２へ再度供給することによって、脱塩膜エレメント２２２へ供給される濃縮水のＴＤＳ濃度を、より高めることができるので、結果的に、熱処理装置３００へ供給される濃縮水ｅ３のＴＤＳ濃度も、例えば８万ｍｇ／Ｌ以上、望ましくは１０万ｍｇ／Ｌ以上のような極めて高い値とすることが可能となる。

濃縮水ｅ３のＴＤＳ濃度が高いほど、濃縮水ｅ３に含まれる水分の量はより少なくなるので、熱処理装置３００における濃縮・蒸発乾燥処理の際に消費される熱エネルギーを低減することが可能となる。これによって、コストダウンを図ることが可能となる。また、廃棄物の量を低減することも可能となる。

なお、このようにＴＤＳ濃度の高い濃縮水を処理する場合、脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２における分離膜２１３、２２３、２３３のシリカ等による目詰まりの可能性が高くなる。

しかしながら、水処理システム１１では、固形分除去装置９０において固形成分、硬度成分、及び炭酸成分等を除去していること、また、凝集沈殿槽２４１においてシリカ成分を沈殿除去することによって、分離膜２１３、２２３、２３３のシリカ等による目詰まりのリスクを低減することができる。

特に、濃縮水ｅ１、及び濃縮水ｅ２の一部が、脱塩膜エレメント２２２へ再度供給される際に、ポンプ２２７による動作熱を受け加熱されるので、これら濃縮水に含まれるシリカの溶解度が上げられる。その結果、凝集沈殿槽２４１において、シリカ成分の凝集沈殿物ｆを、より多く凝縮沈殿させ、除去することができるので、分離膜２１３、２２３、２３３の目詰まりのリスクを低減することができる。

このように、水処理システム１１によれば、分離膜２１３、２２３、２３３の目詰まりや、硬度スケール析出や、シリカスケール析出の可能性が低減されるので、各脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２の長期運転が可能となり、もって、運転稼働率の向上を図ることが可能となる。

また、凝集沈殿ユニット２４０における凝集沈殿物ｆの生成のための凝集剤として寄与するマグネシウムやカルシウム等は、軟水化処理ユニット１００のカチオン交換樹脂によって回収されたものを使用しているので、マグネシウムやカルシウム等を新たに添加する必要はなくなり、薬品コストを下げることができる。

以上のように、第１の実施形態の水処理システムによれば、分離膜を使用して、廃液を高い濃縮度まで濃縮するために、高アルカリ環境下において運転する場合であっても、分離膜の目詰まりの可能性を低く抑えることによって、運転稼働率の向上及びコストダウンを実現することが可能となる。

次に、第２ないし第４の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、既に説明したものと同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避ける。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。

水処理システム１２は、水処理システム１１に、第４分離ユニット４００とファインバブル生成ユニット５００とを付加した構成をしている。

第４分離ユニット４００は、第１分離ユニット２１０、第２分離ユニット２２０、及び第３分離ユニット２３０と同様に、圧力容器４０１を備え、この圧力容器４０１内に、例えばＲＯ膜のような分離膜４０３を有する脱塩膜エレメント４０２を配置している。図９では、一例として、第４分離ユニット４００が１つの圧力容器４０１を備え、圧力容器４０１が１つの脱塩膜エレメント４０２を配置した例を示している。しかしながら、第４分離ユニット４００が備える圧力容器４０１の数は、単数に限定されず、複数であってもよい。また、圧力容器４０１の内部に設置される脱塩膜エレメント４０２の数もまた、単数に限定されず、複数であってもよい。

脱塩膜エレメント４０２は、ラインＬ４に接続された導入部４０４を有している。

導入部４０４は、ラインＬ４を介して供給される脱塩水ｄ（脱塩水ｄ１、ｄ２、ｄ３の混合液）を、脱塩膜エレメント４０２の内部に導入する。

分離膜４０３は、分離膜２１３、２２３、２３３と同様に、例えば、スパイラル状や中空糸状等の膜を適用し、導入部４０４から導入された脱塩水ｄを濾過して、分離膜４０３を透過した透過水ｎと、分離膜４０３を透過せず、ＴＤＳが濃縮された濃縮水ｅ４とに分離する。

排出部４０５は、濃縮水ｅ４を脱塩膜エレメント４０２から排出するための出口であり、排出部４０６は、透過水ｎを脱塩膜エレメント４０２から排出するための出口である。

排出部４０５から排出された濃縮水ｅ４は、排出部４０５に接続されたラインＬ１２を介して、ファインバブル生成ユニット５００へ供給される。排出部４０６から排出された透過水ｎは、排出部４０６に接続されたラインＬ１３を介して、脱塩膜エレメント４０２から排出され、例えば、被処理水ａを排出した工場で再利用される。

ファインバブル生成ユニット５００は、ラインＬ１２を介して脱塩膜エレメント４０２から供給された濃縮水ｅ４を減圧することによって、濃縮水ｅ４に溶存している気体からファインバブルを生成するファインバブル生成装置５０１を備えている。

図１０は、第２の実施形態の水処理システムに適用されるファインバブル生成装置の構成例を示す概念図である。

図１０は、ベンチュリー式のファインバブル生成装置５０１を示しており、ノズル部５０３を有することによって断面積の縮小及び拡大が実現されるベンチュリー管５０２を備えている。

ベンチュリー管５０２の上流側（図中上側）は、ラインＬ１２に接続されており、図示しないポンプによって、ラインＬ１２からベンチュリー管５０２へ濃縮水ｅ４が導入される。

ベンチュリー管５０２へ導入された濃縮水ｅ４が、ノズル部５０３を通過すると、急激な減圧によって、濃縮水ｅ４に溶存している気体が膨張した気泡が生じ、続いて生じる急激な圧力回復によって気泡は微細に粉砕されてファインバブルｑが発生する。

なお、ファインバブル生成装置５０１は、図１０に例示するようなベンチュリー式に限定されず、外部から気体を導入する図示しないエグゼクター式であってもよい。エグゼクター式では、狭い流路を高速で通過する液量によって生じる負圧を利用して、ガスを吸引し、下流における管路の拡大により生じたキャビテーションによって吸引ガスを微細に破砕することによって、ファインバブルを生成する。

ベンチュリー管５０２の下流側（図中下側）は、ラインＬ１３に接続されており、ファインバブル生成装置５０１で生成されたファインバブルｑを含む濃縮水ｅ４は、ラインＬ１３を介して液混和槽１８１へ供給される。

ファインバブルｑは、平均径１０００ｎｍ以下であり、液中安定性のみならず分離膜２１３、２２３、２３３、４０３への浸透性も高く、分離膜２１３、２２３、２３３、４０３におけるスケールやバイオファウリングを防止する効果を高める。また、ファインバブルｑの表面は疎水性であり、帯電していることから、スケール防止剤、バイオファウリング防止剤、ｐＨ調整剤、殺菌剤、及び膜洗浄剤等を付着させることも容易となるので、これによって、バブル安定性のみならず分離膜２１３、２２３、２３３、４０３の浸透性を高めるとともに、スケール及びバイオファウリング防止効果を高める。

また、スケール及びバイオファウリング防止効果は、平均径が小さいほど高くなることから、ファインバブルｑの平均径は、１５０ｎｍ以下であることが好ましい。

次に、以上のように構成された第２の実施形態の水処理システム１２の動作例について説明する。

図１１及び図１２は、第２の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャートである。

以下では、図７及び図８と異なる点について説明する。

ステップＳ７で排出された脱塩水ｄ１、ステップＳ９で排出された脱塩水ｄ２、及びステップＳ１２で排出された脱塩水ｄ３は、ラインＬ４において合流し、混合された後に、第４分離ユニット４００に供給され（Ｓ２０）、この混合された脱塩水は、分離膜４０３によって濃縮水ｅ４及び透過水ｎに分離される（Ｓ２１）。

透過水ｎは、ステップＳ１７において、再生水として、例えば、被処理水ａを排出した工場に戻され、再利用される（Ｓ１７）。

一方、濃縮水ｅ４は、ファインバブル生成ユニット５００へ供給され、ファインバブル生成装置５０１において、濃縮水ｅ４からファインバブルｑが生成される（Ｓ２２）。生成されたファインバブルｑは、濃縮水ｅ４とともに調整ユニット１８０へ供給され、液混和槽１８１においてステップＳ５の処理が行われる前に、被軟水化水ｂ１と混合される。

これによって、各脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２、４０２において処理される溶液中に、ファインバブルｑが含まれるようになるので、バブル安定性のみならず分離膜２１３、２２３、２３３、４０３の浸透性を高めるとともに、スケール及びバイオファウリング防止効果を高めることが可能となる。

（第３の実施形態）
図１３は、第３の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。

図１４は、第３の実施形態の水処理システムに適用されるファインバブル生成装置の構成例を示す概念図である。

第３の実施形態の水処理システム１３は、第２の実施形態の水処理システム１２の変形例であり、水処理システム１３が備えているファインバブル生成ユニット６００の構成が、水処理システム１２が備えているファインバブル生成ユニット５００の構成と異なる。

図１４に示すように、ファインバブル生成ユニット６００は、ファインバブル生成装置５０１に、空気ｒを取り込むための空気導入ライン６０２をさらに備えた構成をしているファインバブル生成装置６０１を備えている。

図１４に例示するファインバブル生成装置６０１は、図１０と同様にベンチュリー式のものであり、ノズル部５０３を有することによって断面積の縮小と拡大を有するベンチュリー管５０２と、ベンチュリー管５０２に接続され、周囲から空気ｒを取り込むための空気導入ライン６０２とを備えている。

空気導入ライン６０２は、ベンチュリー管５０２の断面積が最小となるノズル部５０３よりも上流側で、ベンチュリー管５０２に接続されている。これによって、濃縮水ｅ４は、空気ｒと混合され、空気ｒの気泡を含んだ状態で、ノズル部５０３に進入する。

空気ｒの気泡を含んだ状態で濃縮水ｅ４がノズル部５０３を通過すると、急激な減圧によって、空気ｒの気泡は膨張し、続いて生じる急激な圧力回復によって気泡は微細に粉砕されてファインバブルｑが発生する。

このような構成によって、ファインバブル生成装置６０１は、濃縮水ｅ４に溶存している気体のみならず、空気導入ライン６０２から取り込まれた空気ｒを、濃縮水ｅ４と混合し減圧することによっても、ファインバブルｑを生成することができる。

ファインバブル生成装置６０１によって生成されるファインバブルｑもまた、ファインバブル生成装置５０１によって生成されるファインバブルｑと同様に、平均径が１０００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以下のバブルであることが好ましい。

このように、濃縮水ｅ４に溶存している気体が膨張した気泡のみならず、周囲から取り込んだ空気ｒの気泡を用いてファインバブルｑを生成する構成であっても、各分離膜２１３、２２３、２３３、４０３におけるスケール析出やバイオファウリングの発生を抑制することができる。

特に、ファインバブルｑが二酸化炭素を含んでいる場合、殺菌効果や、バイオファウリング抑制効果を高めることが知られている。空気には二酸化炭素が含まれているので、ファインバブル生成装置６０１によって生成されたファインバブルｑによって、殺菌効果や、バイオファウリング抑制効果をさらに高めることができる。

したがって、ファインバブル生成装置６０１は、変形例として、ファインバブルｑを生成するために、周囲から取り込んだ空気ｒを利用する代わりに、空気ボンベから取り込んだ空気を利用したり、二酸化炭素ボンベから取り込んだ二酸化炭素を利用してもよい。特に、二酸化炭素ボンベから取り込まれた二酸化炭素を利用して生成されたファインバブルｑは、空気を利用して生成されたファインバブルｑよりも、二酸化炭素含有量が高い。このため、二酸化炭素ボンベから取り込まれた二酸化炭素を利用して生成したファインバブルｑによって、より高い殺菌効果、及び、より高いバイオファウリング抑制効果を実現することも可能となる。

次に、以上のように構成された第３の実施形態の水処理システム１３の動作例について説明する。

図１５及び図１２は、第３の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャートである。

以下では、図１５について、図１１と異なる点について説明する。図１５に示す以外の処理は、既に説明した図１２に示す通りであるので、重複説明を避ける。

ステップＳ２１において生成された濃縮水ｅ４は、ファインバブル生成ユニット６００へ供給され、ファインバブル生成装置６０１において、空気ｒが混合された濃縮水ｅ４からファインバブルｑが生成される（Ｓ３１）。生成されたファインバブルｑは、調整ユニット１８０へ供給され、液混和槽１８１においてステップＳ５の処理が行われる前に、被軟水化水ｂ１と混合される。

これによって、各脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２、４０２において処理される溶液中に、ファインバブルｑが含まれるようになるので、バブル安定性のみならず分離膜２１３、２２３、２３３、４０３の浸透性を高めるとともに、スケール及びバイオファウリング防止効果を高めることも可能となる。また、二酸化炭素の効果によって、水処理システム１２の場合よりも、より高い殺菌効果と、より高いバイオファウリング抑制効果とを実現することが可能となる。

（第４の実施形態）
図１６は、第４の実施形態の水処理システムの構成例を示すブロック図である。

図１７は、第４の実施形態の水処理システムに適用されるファインバブル生成装置の構成例を示す概念図である。

第４の実施形態の水処理システム１４は、第３の実施形態の水処理システム１３の変形例であり、水処理システム１４が備えているファインバブル生成ユニット７００の構成が、水処理システム１３が備えているファインバブル生成ユニット６００の構成と異なる。さらに、脱気装置１３０において脱気された例えば二酸化炭素のような脱気ガスｓを、ファインバブル生成ユニット７００へ供給するためのラインＬ１４を備えている。

ファインバブル生成ユニット７００は、図１７に示すように、ファインバブル生成装置６０１における空気導入ライン６０２の代わりに、脱気ガス導入ライン７０２を備えたファインバブル生成装置７０１を備えている。脱気ガス導入ライン７０２はラインＬ１４に接続されている。これによって、脱気装置１３０から供給された脱気ガスｓが、ライン１４を介して、脱気ガス導入ライン７０２から、ファインバブル生成装置７０１に供給される。

ファインバブル生成装置７０１において、脱気ガス導入ライン７０２は、ベンチュリー管５０２の断面積が最小となるノズル部５０３よりも上流側において、ベンチュリー管５０２に接続されている。これによって、濃縮水ｅ４は、脱気ガスｓと混合され、脱気ガスｓの気泡を含んだ状態で、ノズル部５０３に進入する。

脱気ガスｓの気泡を含んだ状態で濃縮水ｅ４がノズル部５０３を通過すると、急激な減圧によって、脱気ガスｓの気泡は膨張し、続いて生じる急激な圧力回復によって気泡は微細に粉砕されてファインバブルｑが発生する。

このような構成によって、ファインバブル生成装置７０１は、濃縮水ｅ４に溶存している気体のみならず、脱気ガス導入ライン７０２から取り込まれた脱気ガスｓを、濃縮水ｅ４と混合し減圧することによっても、ファインバブルｑを生成することができる。

ファインバブル生成装置７０１によって生成されるファインバブルｑもまた、平均径が１０００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以下のバブルであることが好ましい。

このように、濃縮水ｅ４に溶存している気体が膨張した気泡のみならず、脱気装置１３０からの脱気ガスｓの気泡を利用してファインバブルｑを生成する構成であっても、各分離膜２１３、２２３、２３３、４０３におけるスケール析出やバイオファウリングの発生を抑制することができる。

前述したように、ファインバブルｑが二酸化炭素を含んでいる場合、殺菌効果や、バイオファウリング抑制効果を高めることが知られているが、脱気装置１３０からの脱気ガスｓには、二酸化炭素も含まれている。したがって、ファインバブル生成装置７０１によって生成されたファインバブルｑによっても、殺菌効果や、バイオファウリング抑制効果を高めることができる。

次に、以上のように構成された第４の実施形態の水処理システム１４の動作例について説明する。

図１８及び図１２は、第４の実施形態の水処理システムの動作例を示すフローチャートである。

以下では、図１８について、図１５と異なる点について説明する。図１８に示す以外の処理は、既に説明した図１２に示す通りであるので、重複説明を避ける。

ステップＳ４の代わりにステップＳ４０が実行される。ステップＳ４０では、ステップＳ４と同様に、脱気装置１３０において、被軟水化水ｂに対して脱気処理が行われ、被軟水化水ｂから、例えば二酸化炭素のようなガスが脱気され、脱気された被軟水化水ｂ１が調整ユニット１８０の液混和槽１８１へ供給されることに加えて、脱気されたガスである脱気ガスｓがファインバブル生成ユニット７００へ供給される。

また、ステップＳ２１において生成された濃縮水ｅ４もまたファインバブル生成ユニット７００へ供給される。

ファインバブル生成ユニット７００では、ファインバブル生成装置７０１において、脱気ガスｓが混合された濃縮水ｅ４からファインバブルｑが生成される（Ｓ４１）。生成されたファインバブルｑは、調整ユニット１８０へ供給され、液混和槽１８１においてステップＳ５の処理が行われる前に、被軟水化水ｂ１と混合される。

これによって、各脱塩膜エレメント２１２、２２２、２３２、４０２において処理される溶液中に、ファインバブルｑが含まれるようになるので、バブル安定性のみならず分離膜２１３、２２３、２３３、４０３の浸透性を高めるとともに、スケール及びバイオファウリング防止効果を高めることも可能となる。また、脱気ガスｓにも二酸化炭素が含まれていることから、第３の実施形態で説明したように、水処理システム１２の場合よりも、より高い殺菌効果、及び、より高いバイオファウリング抑制効果を実現することが可能となる。

以上のように、第１ないし第４の実施形態の水処理システムによれば、分離膜を使用して、廃液を高い濃縮度まで濃縮するために、高アルカリ環境下において運転する場合であっても、分離膜の目詰まりの可能性を低く抑えることによって、運転稼働率の向上及びコストダウンを実現することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０〜１４・・水処理システム、８０・・前処理ユニット、９０・・固形分除去装置、１００・・軟水化処理ユニット、１１０・・強酸性カチオン交換樹脂塔、１２０・・弱酸性カチオン交換樹脂塔、１３０・・脱気装置、１８０・・調整ユニット、１８１・・液混和槽、１８２、１８３・・ポンプ、１８４・・水質計、２００・・脱塩ユニット、２１０・・第１分離ユニット、２１１・・圧力容器、２１２・・脱塩膜エレメント、２１３・・分離膜、２１４・・導入部、２１５、２１６・・排出部、２２０・・第２分離ユニット、２２１・・圧力容器、２２２・・脱塩膜エレメント、２２３・・分離膜、２２４・・導入部、２２５、２２６・・排出部、２２７・・ポンプ、２３０・・第３分離ユニット、２３１・・圧力容器、２３２・・脱塩膜エレメント、２３３・・分離膜、２４０・・凝集沈殿ユニット、２４１・・凝集沈殿槽、２４２・・水質計、２４３・・ポンプ、３００・・熱処理装置、４００・・第４分離ユニット、４０１・・圧力容器、４０２・・脱塩膜エレメント、４０３・・分離膜、４０４・・導入部、４０５、４０６・・排出部、５００・・ファインバブル生成ユニット、５０１・・ファインバブル生成装置、５０２・・ベンチュリー管、５０３・・ノズル部、６００・・ファインバブル生成ユニット、６０１・・ファインバブル生成装置、６０２・・空気導入ライン、７００・・ファインバブル生成ユニット、７０１・・ファインバブル生成装置、７０２・・脱気ガス導入ライン。

Claims (13)

1. 被処理水からアルカリ土類金属を回収して、軟水化された前記被処理水である被軟水化水を得る軟水化処理ユニットと、
   第１の運転圧で脱塩処理を行い、前記被軟水化水を、第１の脱塩水及び第１の濃縮水に分離する第１分離ユニットと、
   前記第１の運転圧よりも高い第２の運転圧で脱塩処理を行い、前記第１の濃縮水を、第２の脱塩水及び第２の濃縮水に分離する第２分離ユニットと、
   前記アルカリ土類金属の回収に使用されたカチオン交換樹脂の再生処理に使用された再生液と前記第２の濃縮水との混合液に対して凝集沈殿処理を行い、シリカ成分を含む凝集沈殿物を生成させる凝集沈殿ユニットと、
   前記第２の運転圧よりも高い第３の運転圧で脱塩処理を行い、前記凝集沈殿物が除去された前記混合液を、第３の脱塩水及び第３の濃縮水に分離する第３分離ユニットとを備える、水処理システム。
2. 前記再生液は、前記カチオン交換樹脂によって回収されたアルカリ土類金属を含む、請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記軟水化処理ユニットと前記第１分離ユニットとの間に介挿され、前記軟水化処理ユニットによって得られた被軟水化水に対してｐＨ調整剤を添加し、前記第１分離ユニットによって脱塩処理される前記被軟水化水を、ｐＨが所定値以上のアルカリ性にする調整ユニットをさらに備える、請求項１に記載の水処理システム。
4. 前記第２分離ユニットによって脱塩処理される前記第１の濃縮水を加熱する加熱部をさらに備える、請求項１に記載の水処理システム。
5. 前記第２分離ユニットによって分離された前記第２の濃縮水の一部を回収し、前記第１の濃縮水と混合させて、前記第２分離ユニットに供給するポンプをさらに備え、
   前記ポンプの動力熱が、前記第１の濃縮水及び前記回収された前記第２の濃縮水を加熱することによって、前記ポンプが前記加熱部として機能する、請求項４に記載の水処理システム。
6. 前記軟水化処理ユニットは、前記カチオン交換樹脂として、強酸性カチオン交換樹脂及び弱酸性カチオン交換樹脂を用いて、前記被処理水から、前記強酸性カチオン交換樹脂によって、第１のアルカリ土類金属を回収し、次に、前記弱酸性カチオン交換樹脂によって、前記第１のアルカリ土類金属よりも低いイオン選択性を有する第２のアルカリ土類金属を回収する、請求項１に記載の水処理システム。
7. 前記再生液は、前記弱酸性カチオン交換樹脂によって回収された第２のアルカリ土類金属を含む、請求項６に記載の水処理システム。
8. 前記第１のアルカリ土類金属は、カルシウムであり、前記第２のアルカリ土類金属は、マグネシウムである、請求項６に記載の水処理システム。
9. 前記軟水化処理ユニットと前記調整ユニットとの間に介挿され、前記軟水化処理ユニットによって得られた前記被軟水化水に対して脱気処理を行い、脱気された前記被軟水化水を、前記調整ユニットへ供給する脱気装置をさらに備える、請求項３に記載の水処理システム。
10. 前記第１の脱塩水、前記第２の脱塩水、及び前記第３の脱塩水が混合された脱塩水を、第４の脱塩水及び第４の濃縮水に分離する第４分離ユニットと、
    前記脱気装置によって前記被軟水化水から脱気されたガスを、前記第４の濃縮水と混合し減圧して、前記第４の濃縮水中にバブルを生成し、前記バブルを含む前記第４の濃縮水を、前記調整ユニットへ供給するバブル生成ユニットとをさらに備える、請求項９に記載の水処理システム。
11. 前記第１の脱塩水、前記第２の脱塩水、及び前記第３の脱塩水が混合された脱塩水を、第４の脱塩水及び第４の濃縮水に分離する第４分離ユニットと、
    前記第４の濃縮水を減圧して、前記第４の濃縮水に溶存している気体からバブルを生成し、前記バブルを含む前記第４の濃縮水を、前記調整ユニットへ供給するバブル生成ユニットとをさらに備える、請求項３に記載の水処理システム。
12. 前記バブル生成ユニットは、空気を取り込む機能を備え、前記第４の濃縮水に溶存している気体からバブルを生成することに加えて、前記機能によって取り込まれた空気を、前記第４の濃縮水と混合し減圧することによってもバブルを生成する、請求項１１に記載の水処理システム。
13. 被処理水からアルカリ土類金属を回収して、軟水化された前記被処理水である被軟水化水を得ることと、
    第１の運転圧で脱塩処理を行い、前記被軟水化水を、第１の脱塩水及び第１の濃縮水に分離することと、
    前記第１の運転圧よりも高い第２の運転圧で脱塩処理を行い、前記第１の濃縮水を、第２の脱塩水及び第２の濃縮水に分離することと、
    前記アルカリ土類金属の回収に使用されたカチオン交換樹脂の再生処理に使用された再生液と前記第２の濃縮水との混合液に対して凝集沈殿処理を行い、シリカ成分を含む凝集沈殿物を生成させることと、
    前記第２の運転圧よりも高い第３の運転圧で脱塩処理を行い、前記凝集沈殿物が除去された前記混合液を、第３の脱塩水及び第３の濃縮水に分離することとを含む、水処理方法。