JP5048239B2 - 浄水装置 - Google Patents

Description

本発明は、逆浸透膜を利用した浄水装置であり、更に詳細には、濃縮水をそのまま排水せずに系内を循環させることによりシステム回収率を向上させるとともに、かかるシステム回収率を容易に設定・管理することができる浄水装置に関するものである。

従来より、水道水や地下水等の飲料水に含まれている不純物や、微生物を除去し、きれいな水を得るために、逆浸透膜を利用した浄水器が提供されている。

かかる一般的な逆浸透膜において、原水から浄水が透過される割合（以下、「膜回収率」という）は８〜２０％が平均値とされている。この値は、逆浸透膜の構造上、それ以上、の膜回収率とした場合に、薄膜に無機物等の汚れが付着し目詰まりを起こす可能性がある数値を膜メーカーが設定・推奨しているものであり、これ以下の膜回収率であれば、逆浸透膜に損傷を与えずに効率的に純水を透過することが可能であるとされているものである。

しかしながら、従来から一般に使用されている浄水器において、上のメーカーが推奨している膜回収率を厳密に守ると、原水のうち８０％程度が浄水を透過した後の濃縮水となって排水されることとなり、結果的に、原水のうち２０％程度しか浄水として活用されないため、非常に非経済的である。このため、メーカー推奨の値を上回る高い回収率で逆浸透膜を使用した浄水器も提供されているが、このような浄水器では、膜寿命が短くなるという問題があった。

そこで、かかる膜回収率を規定値以上に上げることなく、浄水装置全体の回収効率を向上し、浄水装置全体としての、原水から生成される浄水の総量の割合（以下、「システム回収率」という）を向上させることが求められており、既にこのような装置がいくつか知られている。

具体的には、最も簡単にシステム回収率を向上させる手段として、逆浸透膜モジュールの数を増やして直列配置する単段式システム（図１参照）が知られている。また、逆浸透膜モジュールの数に制約がある場合は、逆浸透膜モジュールより排出された濃縮水の一部を供給水に還元する再循環環状流路システムなどが知られている（図２参照）。

しかしながら、従来の単段式システム浄水器の場合、複数の逆浸透膜モジュールを使用する必要があり、再循環環状流路システム浄水器の場合は、逆浸透膜モジュールに循環に必要な水量を供給するためにもポンプの容量を大きくする必要があった。したがって装置も大がかりなものになり、結果的にコスト高となってしまうと共に、一般家庭用としては利用が難しいという欠点を有するものであった。

ところで、このシステム回収率は経済性（コスト）を左右することはもちろん、結果物として得られる浄水の水質や、逆浸透膜の寿命を決定する要因として、非常に重要なファクターとなっている。

しかしながら、従来の単段式システム浄水器や、再循環環状流路システム浄水器などでは、かかるシステム回収率を前もって設定しておくことは非常に困難であった。

すなわち、システム回収率を決定する要因としては、ポンプの容量、膜回収率などの内的要因とともに、供給水（水道水）の水質、水圧、温度などの外的要因も考慮に入れなければならず、更に、このうち、外的要因は常に安定しているとは限らないので、安定したシステム回収率を維持するためには、様々な要素を考慮し、適切な回収率を保つよう、管理しなければならなかった。

さらに、従来の再循環環状流路システム浄水器の場合、逆浸透膜モジュールから排出された濃縮水の一部のみ系内に還送され、その他の濃縮水は系外に排出されるため、これら濃縮水の流量の調整という新たな変動要因が加わり、よって、システム回収率を設定・管理するためには、上記要因に加え、濃縮水の流量バランスを制御しなければならなかった。

特開２００５−２７９６１４号

そこで本発明は、従来の浄水装置のかかる欠点を克服し、濃縮水をそのまま排水せずに系内を循環させることによりシステム回収率を向上させるとともに、かかるシステム回収率を容易に設定・管理することができる浄水装置の提供をその課題とするものである。

本発明は、上記のシステム回収率を向上させるという課題を解決するものであり、給水タンクから供給される浄水用原水を逆浸透膜モジュールに導入して膜分離処理し、透過水を浄水として系外に供給する浄水装置において、前記逆浸透膜モジュールで浄水と分離された濃縮水を前記給水タンクに還送することを特徴とする浄水装置である。

また本発明は、上記のシステム回収率を容易に設定・管理することができるという課題を解決するものであり、前記給水タンクからの浄水用原水の供給を、浄水用原水の量により制御することを特徴とする浄水装置である。

本発明の浄水装置は、逆浸透膜モジュールより排出された濃縮水を全て給水タンクに還送することにより、従来は排水として処理されていた濃縮水を、再度逆浸透膜モジュールに供給するための原水として再利用することで、システム回収率を向上することができるというものである。

更に、本発明の浄水装置は、給水タンク内からの浄水用原水の供給を浄水用原水の量により制御するので、原水から透過される浄水あるいは濃縮水の割合を容易に設定することが可能であり、よって、様々な要素を考慮することなく、システム回収率を容易に設定・管理することができるものである。

以下、本発明の浄水装置の一実施態様を、図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施態様に何ら制約されるものではない。

図３は本実施態様に係る浄水装置の処理フローの概略を示す図面である。図中、1は給水タンクを、２は送水ポンプを、３はプレフィルターを、４は逆浸透膜モジュールを、５は流量調整バルブを、１１は取水パイプを、１１ａは取水口を示し、更に、Ｌ１は給水ラインを、Ｌ２は還送ラインを、Ｌ３は系外供給ラインをそれぞれ示す。また、Ａは取水限界線を示す。

図３に示すように、本実施態様に係る浄水装置は、給水タンク１から給水ラインＬ１を介して、送水ポンプ２、プレフィルター３、逆浸透膜モジュール４がそれぞれ連通されている。この逆浸透膜モジュール４は、系外供給ラインＬ３を介して給水口（図示せず）に接続する一方、還送ラインＬ２を介して、流量調整バルブ５および給水タンク１へとそれぞれ連通されている。

上記の図３に示す浄水装置による浄水製造では、まず、給水タンク１に蓄えられた原水を、送水ポンプ２により逆浸透膜モジュール４に向けて送水する。そして、逆浸透膜モジュール４の前段に設けられたプレフィルター３により前処理される。このプレフィルター３を通すことにより、原水からサビ等の約５μｍ以上の不溶物や、トリハロメタン、トリクロロメチレン等のハロゲン化炭素や、塩素および臭気源となる有機物が除去される。

次いで、このプレフィルター３の処理水は、逆浸透膜モジュール４に送り込まれ、ここで逆浸透膜処理が行われる。この処理により、塩類、あるいは微生物、ウイルス等の０.０００１μｍ以上の物質が除去され、不純物をほぼ含まない浄水が得られる。この逆浸透膜モジュール４に使用される逆浸透膜素材としては、酢酸セルロース系、ポリアミド系、架橋ポリアミン系、架橋ポリエーテル系、スルホン化ポリスルホン等の素材が挙げられる。また、膜のエレメント構造としては、スパイラル型、中空糸型、チューブ型などが挙げられる。本発明において、逆浸透膜モジュールとしては、何れの種類の膜を使用してもよく、例えば、市販の膜を適宜選択して使用することが出来る。

かかる前処理および逆浸透膜処理により得られた浄水は、逆浸透膜モジュール４より系外供給ラインＬ３を介して給水口（図示せず）に送られ、前記給水口からコップ、ボトル等の容器へと供給、利用される。一方、逆浸透膜モジュール４において、浄水と分離された濃縮水は、逆浸透膜モジュール４より還送ラインＬ２を介し、流量調整バルブ５を経て給水タンク１へ還送される。この給水タンク１へ還送された濃縮水は、再び、浄水用の原水として、上記と同様にしてプレフィルター３および逆浸透モジュール４で前処理および逆浸透膜処理が行われ、その一部は浄水として系外に供給され、残りは濃縮水として再度給水タンク１へ還送される。

上記の一連のサイクルを繰り返す結果、給水タンク１内の残量は、自然蒸発などを考慮しなければ、（浄水装置運転前における原水の総量）−（浄水として系外に供給された総量）になる。本実施態様では、かかる給水タンク１内の残量が、取水パイプ１１の取水口１１ａ部分に接する水位である取水限界線Ａよりも低い水位に達すると、取水口１１ａからの取水ができなくなるため、その時点において給水タンク１からの取水が中止される。すなわち、給水タンク内からの浄水用原水の供給を浄水用原水の量により制御することが可能となるのである。

制御の基準となる取水限界線Ａは、例えば、取水口１１ａの位置（高さ）の設定により決めることができ、かかる位置（高さ）設定は、単純に、取水パイプ１１の給水タンク１に対する取り付け位置を上下すればよい。このような方法の他、給水タンク１内外に水位センサーを設けて、給水タンク１内の残量が任意の水位になった時点で、給水タンク１からの取水が中止されるようにしてもよい。

給水タンク１からの取水が中止された後、該給水タンク内に残存した浄水用原水を系外に排出し、該タンクに新たに浄水用原水を補給する。この処理は、手動で行っても良いし、あるいは自動化することも可能である。但し、自動化する場合は、該給水タンク内に残存した浄水用原水を系外に自動排出した後、原水を自動供給するために、あらかじめ、給水タンク１に排水管および給水管を接続しておく必要がある。

本発明の浄水装置においては、濃縮水は系外に排出されることなく給水タンク１へ還送され、再度浄水用原水となるので、給水タンク１内の原水の全溶解性物質（Total Dissolved Solids)濃度（以下、「ＴＤＳ濃度」という）は、原水より透過された浄水が、系外に供給されるにつれて高くなる。従って、原水のＴＤＳ濃度が極端に高まって、膜のつまりおよび、浄水の水質に影響が出る前に、給水タンク１からの取水および浄水処理を中止する必要があり、よって、システム回収率の設定・管理は重要となるのである。

次に、本発明の浄水装置における、システム回収率の設定方法について説明する。まず、システム回収率を５０％と設定する場合は、取水口１１ａの位置（高さ）の設定を、給水タンク１満量時のちょうど半分の水位に該当する位置に設定すればよい。このように設定することにより、給水タンク１内の原水のうち、総量の５０％に相当する量が浄水として系外に供給された時点で、給水タンク１からの取水が中止および浄水処理が中止される。その結果、原水と浄水の割合が５：５となり、システム回収率５０％を達成することができる。

システム回収率の設定を変更するには、取水口１１ａの位置（高さ）の設定を変更するだけでよい。すなわち、システム回収率を７０％と設定する場合は、取水口１１ａの位置（高さ）の設定を、給水タンク１満量時のちょうど３割の水位に該当する位置に設定すればよい。かかる方法によれば、ポンプの容量、膜回収率、供給水（水道水）の水質、水圧、温度等の、様々な要素を考慮することなく容易にシステム回収率を設定・変更することが可能となる。

なお、本発明の浄水装置において、膜回収率や浄水の生産効率（時間あたりの生成量）は、流量調整バルブ５を調整して、濃縮水の流量を調整することにより可能である。しかしながら、本発明の浄水装置は閉じられた循環系であるので、かかる膜回収率や浄水の生産効率の変更により、システム回収率は影響をうけないことはいうまでもない。

試 験 例：
図１に示す構成の浄水装置を用い、これを連続して運転した時の、浄水および濃縮水のＴＤＳ濃度と、原水の全溶解性物質のなかで逆浸透膜を通過しないものの百分率（以下、「除去率」という）を測定した。

この測定は、給水タンクの水量が２０リットルの状態で開始し、原水のＴＤＳ濃度が１１２.８ｐｐｍ、原水温度１９℃、膜回収率１６.２％、システム回収率７５％という条件のもと行われ、浄水が１リットル分離生成される（給水タンク内の水量が１リットル減少する）ごとに、浄水および濃縮水のＴＤＳ濃度（表中では、「Ｒ.Ｏ.ＴＤＳ」および「排水ＴＤＳ」と表記する）と除去率を測定した。この結果を表１に示す。

この試験結果から、タンク内の水量が減少するにつれ、原水のＴＤＳ濃度が高くなっていくことが見て取れるが、除去率はほぼ９８〜９９％の範囲を維持しており、よって浄水のＴＤＳ濃度も多少高くはなるものの、当初の原水ＴＤＳ（１１２.８ｐｐｍ）の２.２ないし５.７％の範囲のＴＤＳ濃度に収まっており、浄水機能は問題がないことが明らかとなった。

以上説明した本発明の浄水装置は、種々の特徴を有するものである。すなわち、システム中に設けられた給水タンクの存在により、ＴＤＳの上昇傾向が緩やかであり、かつ、定期的に原水を交換するため、ＴＤＳ自体も低下するので、ＲＯ膜に対する負担が少ないものである。また、給水タンクの存在により、従来のＲＯ膜を使用する浄水器では必須とされていた水温変動時の排水量や、圧力調整が不要となり、システム回収率を固定することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係る浄水装置はシステム回収率を向上させるとともに、かかるシステム回収率を容易に設定・管理することができるものであるが、通常の運転時において外部からの給水を必要としない循環システムを採用しているため、給水管を設置するのが困難な場所においても、例えば、自立式給水ステーションとして浄水を供給することが可能となる。

従来の単段式システム 従来の再循環環状流路システム 本発明に係る浄水装置の処理フローの概略図

符号の説明

１ … … 給水タンク
２ … … 送水ポンプ
３ … … プレフィルター
４ … … 逆浸透膜モジュール
５ … … 流量調整バルブ
１１ … … 取水パイプ
１１ａ… … 取水口
Ｌ１ … … 給水ライン
Ｌ２ … … 還送ライン
Ｌ３ … … 系外供給ライン
Ａ … … 取水限界線
以 上

Claims (2)

1. 給水タンクから供給される浄水用原水を逆浸透膜モジュールに導入して膜分離処理し、透過水を浄水として系外に供給する浄水装置において、前記逆浸透膜モジュールで浄水と分離された濃縮水を前記給水タンクに還送するとともに、前記給水タンクからの浄水用原水の供給を、前記給水タンク中での取水口の高さを任意に設定し、該タンク内の水位が該取水口の高さを下回った時点で中止することにより制御することを特徴とする浄水装置。
2. 前記給水タンクが、該タンク内の濃縮水を系外に自動排水し、系外より原水を自動補充する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の浄水装置。
   

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