JP5606615B1 - 膜分離装置、循環水利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメントを長寿命化することが可能な膜分離装置を提供する。
【解決手段】膜分離装置１８は、分離膜エレメント２０と、被処理水を分離膜エレメントの一端側から被処理水流路４１に供給可能な第１流路２７と、他端側から被処理水流路に供給可能な第２流路２８と、被処理水の供給先を第１流路と第２流路とに切り換え可能な切り換え手段３２と、制御手段１００と、を有し、制御手段は、被処理水を、第１流路を介して分離膜エレメントの一端側から被処理水流路に供給することで集水管から透過水を取り出す第１運転モードと、被処理水を、第２流路を介して分離膜エレメントの他端側から被処理水流路に供給することで集水管から透過水を取り出す第２運転モードと、を切り換え手段による切り換えを制御することで実行する。
【選択図】図２

Description

本開示は、分離膜を用いて被処理水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置に関する。

近年、被処理水を透過水と濃縮水に分離する分離膜は、省エネルギーの観点で注目され、利用が進んでいる。たとえば、逆浸透膜を用いた逆浸透分離法では、塩分等の溶質を含んだ溶液を該溶液の浸透圧以上の圧力で逆浸透膜を透過させることで、該溶質の濃度が低減された液体を得ることが可能であり、例えば海水の淡水化や、超純水の製造、排水処理に用いられている。

これらの分離膜は、平膜の場合、たとえばスパイラル型エレメントという形態で用いられることが多い。特許文献１に記載されるスパイラル型分離膜エレメントは、透過水スペーサの両面に分離膜を重ね合わせて三辺を接着することにより袋状膜を形成し、該袋状膜の開口端を透過水集水管に取り付け、網状の被処理水スペーサとともに、集水管の周りにスパイラル状に巻回して構成されている。巻回される袋状膜間に配設される被処理水スペーサにより被処理水経路が形成されている。被処理水は、エレメントの一端側から他端側へ被処理水流路を流れる間に、分離膜を透過して透過水流路を通して集水管に流入する透過水と、被処理水流路から排出される濃縮水とに分離される。

特開平１１−２０７１５５公報

特許文献１に記載されるような従来の分離膜エレメントでは、分離膜エレメントの一端側から他端側にかけて形成される被処理水流路に対して、該被処理水流路の一端側から被処理水を供給され、該被処理水流路の他端側から濃縮水が排出されるよう構成されている。
この構成について本発明者が鋭意検討を行った結果、分離膜エレメントの一端側（被処理水の供給側）の方が分離膜エレメントの他端側（濃縮水の排出側）よりも分離膜の目詰まりの進行速度が速く、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることが明らかとなった。したがって、分離膜エレメントの一端側（被処理水の供給側）における分離膜の目詰まりの度合いに合わせて分離膜エレメントを交換すると、分離膜エレメントの他端側における分離膜の目詰まりの度合いがそれほど悪化していないにもかかわらず分離膜エレメントを交換することになるため、分離膜エレメントを最後まで使い切ることができなくなる。
本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメントを長寿命化することが可能な膜分離装置を提供することにある。

（１）本発明の幾つかの実施形態に係る膜分離装置は、
分離膜を用いて原水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置であって、
耐圧容器と、
前記耐圧容器に充填される分離膜エレメントであって、集水管と、前記集水管の周りに設けられた分離膜と、前記分離膜に沿って当該分離膜エレメントの一端側から他端側にかけて形成される被処理水流路と、を備え、前記被処理水流路に供給された被処理水が前記分離膜を透過して透過水として前記集水管から取り出されるよう構成された分離膜エレメントと、
前記被処理水を加圧して前記被処理水流路に供給するための加圧ポンプと、
前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を前記分離膜エレメントの前記一端側から前記被処理水流路に供給可能な第１流路と、
前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を前記分離膜エレメントの前記他端側から前記被処理水流路に供給可能な第２流路と、
前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水の供給先を前記第１流路と前記第２流路とに切り換え可能な切り換え手段と、
前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を、前記第１流路を介して前記分離膜エレメントの一端側から前記被処理水流路に供給することで前記集水管から透過水を取り出す第１運転モードと、前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を、前記第２流路を介して前記分離膜エレメントの他端側から前記被処理水流路に供給することで前記集水管から透過水を取り出す第２運転モードと、を前記切り換え手段による前記切り換えを制御することで実行可能な制御手段と、
を有する。

集水管の周りに分離膜が設けられた従来の分離膜エレメントでは、分離膜エレメントの一端側から他端側にかけて形成される被処理水流路に対して、分離膜エレメントの一端側から被処理水流路に被処理水が供給され、分離膜エレメントの他端側で被処理水流路から濃縮水が排出されるよう構成されていた。すなわち、分離膜を用いて被処理水を透過水と濃縮水とに分離する際に、被処理水が被処理水流路を流れる方向は常に一方向であった。
この分離膜エレメントについて本発明者が鋭意検討を行った結果、分離膜の目詰まりの進行速度が、分離膜エレメントの一端側（被処理水の供給側）の方が分離膜エレメントの他端側（濃縮水の排出側）よりも速いことが明らかとなった。したがって、分離膜エレメントの一端側（被処理水の供給側）における分離膜の目詰まりの度合いに合わせて分離膜エレメントを交換すると、分離膜エレメントの他端側における分離膜の目詰まりの度合いがそれほど悪化していないにもかかわらず分離膜エレメントを交換することになるため、分離膜エレメントを使い切ることができない。
これに対し、上記（１）に記載の膜分離装置では、被処理水が被処理水流路を流れる方向を切り換えるために、被処理水を分離膜エレメントの一端側から被処理水流路に供給可能な第１流路と、被処理水を分離膜エレメントの他端側から被処理水流路に供給可能な第２流路と、被処理水の供給先を第１流路と第２流路とに切り換え可能な切り換え手段と、を有している。そして、被処理水を、第１流路を介して分離膜エレメントの一端側から被処理水流路に供給することで集水管から透過水を取り出す第１運転モードと、加圧ポンプによって加圧された被処理水を、第２流路を介して分離膜エレメントの他端側から被処理水流路に供給することで集水管から透過水を取り出す第２運転モードと、を切り換え手段による切り換えを制御することで実行可能な制御手段を有している。
これにより、第１運転モードと第２運転モードを切り替えることで、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。したがって、分離膜エレメントを長寿命化することが可能な膜分離装置を提供することができる。
なお、ここでの「分離膜」は、少なくとも、逆浸透膜（ＲＯ膜）、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、ナノろ過膜（ＮＦ膜）を含む意味で用いている。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の膜分離装置において、
前記制御手段は、前記第１運転モードと前記第２運転モードとを所定期間毎に切り換えるよう構成される。

上記（２）に記載の膜分離装置によれば、第１運転モードと第２運転モードとを所定期間毎に切り換えることで、分離膜の目詰まりの度合いを検出する検出器を用いることなく簡易な構成で、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。
なお、ここでの「前記第１運転モードと前記第２運転モードとを所定期間毎に切り換える」とは、第１運転モードと前記第２運転モードとを１回切り換える場合と複数回切り換える場合の両方を含む意味で用いている。例えば、制御手段は、１カ月毎に第１運転モードと第２運転モードの切り換えを行って、所定回数（例えば１２回）の切り換えを行った場合に、報知手段を制御して分離膜エレメントを交換するための報知を行うよう構成してもよい。或いは、例えば６カ月毎に第１運転モードと第２運転モードとの切り換え行って、１回の切り換えにより第１運転モードと第２運転モードを６カ月ずつ実行した場合に、報知手段を制御して分離膜エレメントを交換するための報知を行うよう構成してもよい。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の膜分離装置において、
前記制御手段は、前記分離膜における目詰まりの度合いが所定の度合いに達するまでは前記第１運転モードを実行し、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いを超えた場合に前記第２運転モードを実行するよう構成される。

上記（３）に記載の膜分離装置によれば、目詰まりの度合いを考慮して第１運転モードと第２運転モードとを切り換えるよう構成されているため、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを一層抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の膜分離装置において、
前記制御手段は、前記集水管から取り出される前記透過水の流量に関する情報と、前記分離膜の前後の圧力差に関する情報と、に基づいて前記目詰まりの度合いを判定するよう構成される。

分離膜の目詰まりの度合いによって、集水管から取り出される透過水の流量と、分離膜の前後の圧力差との関係は変化する。すなわち、目詰まりの度合いが高い（目詰まりが進行している）ほど、分離膜の前後の圧力差（分離膜に供給される被処理水の圧力と分離膜を透過した透過水の圧力との差）に対する、集水管から取り出される透過水の流量の比が小さくなる傾向にある。
したがって、上記（４）に記載の膜分離装置のように、集水管から取り出される透過水の流量に関する情報と、分離膜の前後の圧力差に関する情報とに基づいて分離膜の目詰まりの度合いを判定するよう制御手段を構成することで、分離膜の目詰まりの度合いを精度よく判定することができる。これにより、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを一層抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の膜分離装置において、
前記加圧ポンプと前記切り換え手段との間の第３流路に該第３流路の流路面積を調節可能に設けられた絞り手段を更に備え、
前記制御手段は、
前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように、前記絞り手段による前記流路面積の調節を制御し、
前記分離膜の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される。

上記（５）に記載の膜分離装置では、集水管から取り出される透過水の流量が一定になるように、加圧ポンプと切り換え手段との第３流路に設けられた絞り手段によって第３流路の流路面積を調節している。このように透過水の流量が一定に制御されている場合、上記（５）に記載のように、分離膜の目詰まりの度合いを分離膜の前後の圧力差から判定するよう制御手段を構成することで、分離膜の目詰まりの度合いを精度よく判定することができる。これにより、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを一層抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。
なお、ここでの「前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように」に関し、「一定」とは、ある纏まった期間一定であることを意味し、例えば夏季における一定の流量と、冬季における一定の流量とは異なっていてもよい。
また、ここでの「絞り手段」は少なくともバルブ及びベーンを含むものとする。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載の膜分離装置において、
前記被処理水流路から排出された濃縮水によって回転する水車を含む水力発電装置を更に備え、
前記絞り手段は、前記水力発電装置から得られる電力を利用して前記第３流路の流路面積を調節するよう構成される。

上記（６）に記載の膜分離装置によれば、上記被処理水流路から排出された濃縮水の圧力を利用して水力発電装置による発電を行い、得られた電力によって第３流路の流路面積の調節のための絞り手段を作動させることができるため、膜分離装置全体でのエネルギー消費を抑制しつつ、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の膜分離装置において、
前記被処理水流路から排出された濃縮水を前記加圧ポンプの上流側へ戻すための第４流路と、
前記第４流路に該第４流路の流路面積を調節可能に設けられた絞り手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、
前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように、前記絞り手段による前記第４流路の流路面積の調節を制御し、
前記分離膜の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される。

上記（７）に記載の膜分離装置では、集水管から取り出される透過水の流量が一定になるように、濃縮水を加圧ポンプの上流側へ戻すための第４流路に設けられた絞り手段によって第４流路の流路面積を調節している。このように透過水の流量が一定に制御されている場合、上記（７）に記載のように、分離膜の目詰まりの度合いを分離膜の前後の圧力差から判定するよう制御手段を構成することで、分離膜の目詰まりの度合いを精度よく判定することができる。これにより、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを一層抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。
なお、ここでの「前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように」に関し、「一定」とは、ある纏まった期間一定であることを意味し、例えば夏季における一定の流量と、冬季における一定の流量とは異なっていてもよい。
また、ここでの「絞り手段」は少なくともバルブ及びベーンを含むものとする。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の膜分離装置において、
前記被処理水流路から排出された濃縮水によって回転する水車を含む水力発電装置を更に備え、
前記絞り手段は、前記水力発電装置から得られる電力を利用して前記第４流路の流路面積を調節するよう構成される。

上記（８）に記載の膜分離装置によれば、上記被処理水流路から排出された濃縮水の圧力を利用して水力発電装置による発電を行い、得られた電力によって第４流路の流路面積の調節のための絞り手段を作動させることができるため、膜分離装置全体でのエネルギー消費を抑制しつつ、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の膜分離装置において、
前記制御手段は、
前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように、前記加圧ポンプの回転数を制御し、
前記分離膜の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される。

上記（９）に記載の膜分離装置では、集水管から取り出される透過水の流量が一定になるように、加圧ポンプの回転数を制御している。このように透過水の流量が一定に制御されている場合、上記（９）に記載のように、分離膜の目詰まりの度合いを分離膜の前後の圧力差から判定するよう制御手段を構成することで、分離膜の目詰まりの度合いを精度よく判定することができる。これにより、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを一層抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。
なお、ここでの「前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように」に関し、「一定」とは、ある纏まった期間一定であることを意味し、例えば夏季における一定の流量と、冬季における一定の流量とは異なっていてもよい。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）に記載の膜分離装置において、
前記制御手段は、前記加圧ポンプの消費電力が所定電力に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される。

上記（１０）に記載の膜分離装置では、集水管から取り出される透過水の流量が一定になるように、加圧ポンプの回転数を制御しているため、集水管から取り出される透過水の圧力が大気圧等のほぼ一定の圧力に管理されているならば、分離膜の前後の圧力差は、加圧ポンプの消費電力（単位時間あたりの消費電力量）から測定することができる。したがって、上記（１０）に記載のように、分離膜の目詰まりの度合いを加圧ポンプの消費電力から判定するよう制御手段を構成することで、分離膜の目詰まりの度合いを精度よく判定することができる。これにより、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを一層抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。

（１１）幾つかの実施形態に係る循環水利用システムは、
循環水が流れる循環流路と、
前記循環流路を流れる循環水を使用する、住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種からなる小口水需要体が複数集まって構成される水需要体、から排出される排出水を前記循環流路へ排出する排出流路と、
前記循環流路を流れる前記排出水を含む循環水を浄化する浄化手段と、
前記浄化手段で浄化された循環水を前記水需要体に供給する供給流路と、
を有し、
上記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の膜分離装置が、前記浄化手段の少なくとも一部を構成する。
上記（１１）に記載の循環水利用システムによれば、上記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の膜分離装置が浄化手段の少なくとも一部を構成しているため、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメントの分離膜を最後まで使い切ることができる。したがって、分離膜エレメントを長寿命化することが可能となり、水需要体から排出された循環水を浄化する浄化手段のメンテナンスが容易となる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、分離膜エレメントの一端側と他端側とで分離膜の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメントを長寿命化することが可能な膜分離装置を提供することができる。

幾つかの実施形態にかかる循環水利用システムを示した全体模式図である。 幾つかの実施形態に係る膜分離装置の模式図である。 幾つかの実施形態に係る膜分離装置が有する分離膜エレメントの一部切り欠き斜視図である。 幾つかの実施形態に係る膜分離装置の模式図である。 幾つかの実施形態に係る膜分離装置の模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の少なくとも一実施形態にかかる循環水利用システムを示した全体模式図である。
循環水利用システム１は、公共の上水道網とは別に、特定の地域を対象として構築されるシステムである。本システムの対象となる人口規模としては、おおよそ５，０００〜２０，０００人を想定している。対象地域としては、住居の集合体であるマンション、事務所の集合体であるオフィスビル、テナントの集合体である商業施設、及びこれらが混在する複合施設などである。

図１に示したように、循環水利用システム１は、循環流路２、水需要体３、排出流路４、供給流路６、膜分離装置１８を含む浄化装置８、飲用水生成手段１２、飲用水供給手段１４、などからなる。

循環流路２は、水道管が閉ループ状に配管されてなる管網として構成される。循環流路２を流れる循環水の原水は、公共の上水道から供給される水道水に限定されず、井戸水、河川から取水した水、海水を淡水化した水、雨水等であってもよい。また、循環水が不足する場合には、これらの原水を外部から補給水として循環流路２に取り入れるように構成してもよい。なお、これらの原水を補給水として循環流路２に取り入れる場合、その水質レベルに応じて後述する浄化装置８の処理槽に取り込むとよい。

水需要体３は、循環流路２を流れる循環水を生活用水として利用する主体である。水需要体３は、住居３ａ、テナント３ｂ、及び事務所３ｃの内の少なくとも一種からなる小口水需要体が複数集まって構成される。住居３ａとは、１世帯が生活するマンションの一部屋や戸建て家屋などを指す。テナント３ｂは、商業施設の一区画において一般顧客に対してサービスを提供する店舗などを指す。業種としては、例えば、服飾店、雑貨店、ドラッグストア、酒屋、等々の小売業や、レストラン、カフェ、寿司屋、居酒屋、等々の飲食業などを含む。事務所３ｃは、オフィスビルの一部分などにおいて、そこで働く勤務者が一定の目的のために事務を行う場所を指す。
住居３ａにおける生活用水の用途としては、例えばシャワーや風呂、洗濯、食器の洗浄、手洗いや洗顔、トイレ、等々が挙げられる。テナント３ｂにおける生活用水の用途としては、洗浄やトイレ等が挙げられる。また業種によって水需要量が大きく異なっており、例えば飲食店は小売業と比べてはるかに大量の生活用水を利用する。事務所３ｃにおける生活用水の用途は主にトイレである。

また、水需要体３には、上述した循環水とは別に、飲用水が供給される。この飲用水は、公共の上水道網から導水した水道水を更に浄化することで生成され、市販のミネラルウォーターと同等の品質を有するものである。このような仕組みは、循環水を飲用することに抵抗を感じる人の不安感を解消させることができるとともに、本循環水利用システム１を普及させる際のセールスポイントとなることを期待してのものである。

水道水は、水道水導水管１６を介して、公共の上水道網から飲用水生成手段１２に導水される。飲用水生成手段１２は、導水した水道水を浄化して水需要体３のための飲用水を生成する。

飲用水生成手段１２で生成された飲用水は、飲用水供給手段１４によって小口水需要体の各々に供給される。飲用水供給手段１４は、飲用水送水管１４ａ、貯留タンク１４ｂ、及び飲用水配管１４ｃなどからなる。飲用水生成手段１２で生成された飲用水は、飲用水送水管１４ａを介して貯留タンク１４ｂに送水され、貯留タンク１４ｂにて一旦貯留される。そして、貯留タンク１４ｂに貯留されている飲用水は、飲用水配管１４ｃを介して、上述した住居３ａ、テナント３ｂ、及び事務所３ｃからなる小口水需要体の各々に供給される。なお、循環水利用システム１における飲用水の原水は、水道水には限定されず、例えば井戸水や河川から取水した水、海水を淡水化した水などであってもよい。

排出流路４は、水需要体３から排出される排出水を循環流路２へ排水するための流路である。この排出流路４から排水される排出水には、水需要体３が生活用水として利用した循環水の他に、飲用水やその他のシステム外由来の水も含まれている。供給流路６は、後述する浄化装置８で浄化された循環水を生活用水として水需要体３に供給するための流路である。排出流路４及び供給流路６は共に管路から構成される。

また、本循環水利用システム１において、上記循環流路２は、公共の下水道網には接続されていない。後述するように、排出水の浄化過程で発生する汚泥ケーキ等の余剰汚泥はシステム外に搬出されるが、それ以外の排出水は１００％再利用される。すなわち、本循環水利用システム１は、システム内で循環的に水供給と水処理とが行われ、システム外には下水を排出しない完全循環型の循環水利用システムとなっている。
なお、排出流路４及び供給流路６には、排出水が循環流路２に排水されるように、又は循環水が水需要体３に供給されるように、ポンプやバルブなどの機器類が地形条件等に応じて上述した以外に適宜設置されてもよい。

浄化手段８は、循環流路２を流れる排出水を含む循環水を浄化する手段であり、膜分離装置１８を有している。図２に、浄化手段８の少なくとも一部を構成する膜分離装置１８の構成例を示す。
次に、図２及び図３を用いて膜分離装置１８について説明する。図２は、幾つかの実施形態に係る膜分離装置１８の模式図であり、図３は、幾つかの実施形態に係る膜分離装置１８が有する分離膜エレメント２０の一部切り欠き斜視図である。

図２に示す膜分離装置１８は、分離膜モジュール２４、加圧ポンプ２６、第１流路２７、第２流路２８、第３流路２９、第４流路３０、第５流路３１、バルブ７０及びバルブ７２からなる切り換え手段３２、バルブ７４、バルブ７６及び制御手段１００等を備えている。
分離膜モジュール２４は、耐圧容器３６と、耐圧容器３６に充填される分離膜エレメント２０とを有している。
分離膜エレメント２０は、図２及び図３に示すように所謂スパイラル型分離膜エレメントであり、集水管３８と、集水管３８の周りに設けられた分離膜４０と、分離膜４０に沿って分離膜エレメント２０の軸方向一端側２０ａから他端側２０ｂにかけて形成される被処理水流路４１と、を備えており、被処理水流路４１に供給された被処理水が分離膜４０を透過して透過水として集水管３８から取り出されるよう構成されている。

図３に示すように、分離膜エレメント２０は、合成樹脂で形成されたメッシュ状の透過水スペーサ４２の両面に分離膜４０を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）４４を形成し、その封筒状膜４４の開口部を集水管３８に取り付け、合成樹脂で形成されたメッシュ状の被処理水スペーサ４６とともに集水管３８の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。この封筒状膜４４は複数設けられており、各封筒状膜４４の外側（各封筒状膜４４の間）に、被処理水スペーサ４６に沿って被処理水流路４１が形成されており、各封筒状膜４４の内側に透過水スペーサ４２によって透過水流路５０が形成されている。集水管３８には、分離膜４０を透過した透過水を集水管内に導くための貫通孔５２が複数設けられている。なお、図３に示した透過水スペーサ４２及び被処理水スペーサ４６は、図２においては分離膜エレメント２０の流路を分かりやすくするために不図示としている。

図２に示す膜分離装置１８において、加圧ポンプ２６は、被処理水を加圧して被処理水流路４１に供給するために設けられており、定格出力で運転するよう構成されている。

第１流路２７は、加圧ポンプ２６によって加圧された被処理水を分離膜エレメント２０の一端側２０ａから被処理水流路４１に供給可能に構成されている。第２流路２８は、加圧ポンプ２６によって加圧された被処理水を分離膜エレメント２０の他端側２０ｂから被処理水流路４１に供給可能に構成されている。

切り換え手段３２は、加圧ポンプ２６によって加圧された被処理水の供給先を第１流路２７と第２流路２８とに切り換え可能に構成されており、図２に例示する構成においてはバルブ７０及びバルブ７２によってこの切り換えを行う。ただし、切り換え手段３２の構成は、図２に示す構成に限らず、例えば加圧ポンプ２６によって加圧された被処理水の供給先を三方弁によって第１流路２７と第２流路２８とに切り換え可能に構成してもよい。
また、図２に示す膜分離装置１８は、バルブ７０及びバルブ７２の他に、第４流路３０に設けられたバルブ７４及び第５流路３１に設けられたバルブ７６を有している。

制御手段１００は、分離膜４０によって被処理水を透過水と濃縮水とに分離するためのモードとして、第１運転モードと第２運転モードとを切り換え手段３２による切り換えを制御することで実行可能に構成されている。第１運転モードは、加圧ポンプ２６によって加圧された被処理水を、第１流路２７を介して分離膜エレメント２０の一端側２０ａから被処理水流路４１に供給することで集水管３８から透過水を取り出す運転モードであり、制御手段１００の第１運転モード実行部１００ａにより実行される。第２運転モードは、加圧ポンプ２６によって加圧された被処理水を、第２流路３０を介して分離膜エレメント２０の他端側２０ｂから被処理水流路４１に供給することで集水管３８から透過水を取り出す運転モードであり、制御手段１００の第２運転モード実行部１００ｂにより実行される。

以下、この２つの運転モードについて図２を用いて説明する。
（第１運転モード）
制御手段１００は、第１運転モードにおいて、バルブ７０及びバルブ７４を開き、バルブ７２及びバルブ７６を閉じるよう構成されている。第１運転モードでは、まず、被処理水が矢印１１０に沿って加圧ポンプ２６に流入する。被処理水は加圧ポンプ２６によって加圧された後、矢印１１１に沿って第１流路２７を流れ、耐圧容器３６の一端側開口５８から耐圧容器内の第１液室６０へ流入する。
第１液室６０から被処理水流路４１へ流入した被処理水は、分離膜エレメント２０の一端側２０ａから他端側２０ｂへ被処理水流路４１を流れる間に分離膜４０の前後圧力差によって透過水と濃縮水とに分離される。透過水は、透過水流路５０を介して貫通孔５２から集水管３８に流入し、分離膜エレメント２０の他端側２０ｂへ流れて集水管３８から矢印１１２の方向へ取り出される。分離膜エレメント２０の他端側２０ｂにおいて被処理水流路４１から第２液室６４へ排出された濃縮水は、耐圧容器３６の他端側開口６２から第２流路２８へ矢印１１３の方向に排出されて第２流路２８を通り、第４流路３０を矢印１１４の方向に流れて加圧ポンプ２６の上流側に戻される。第４流路３０を通って加圧ポンプ２６の上流側に戻された濃縮水は、矢印１１０の被処理水と合流して再び加圧ポンプ２６によって加圧される。なお、この濃縮水は、加圧ポンプ２６の上流側に戻さずに膜分離装置１８から排出してもよい。

（第２運転モード）
制御手段１００は、第２運転モードにおいて、切り換え手段３２を構成するバルブ７０及びバルブ７４を閉じて、バルブ７２及びバルブ７６を開くよう構成されている。第２運転モードでは、まず、被処理水が矢印１１０に沿って加圧ポンプ２６に流入する。被処理水は加圧ポンプ２６によって加圧された後、矢印１１５、１１６に沿って第２流路２８を流れ、耐圧容器３６の他端側開口６２から第２液室６４へ流入する。
第２液室６４から被処理水流路４１へ流入した被処理水は、分離膜エレメント２０の他端側２０ｂから一端側２０ａへ被処理水流路４１を流れる間に分離膜４０の前後圧力差によって透過水と濃縮水とに分離される。透過水は、透過水流路５０を介して貫通孔５２から集水管３８に流入し、分離膜エレメント２０の他端側２０ｂへ流れて集水管３８から矢印１１２の方向へ取り出される。分離膜エレメント２０の一端側２０ａにおいて被処理水流路４１から第１液室６０へ排出された濃縮水は、耐圧容器３６の一端側開口６５から第５流路３１へ矢印１１７の方向に流れて加圧ポンプ２６の上流側に戻される。第５流路３１を通って加圧ポンプ２６の上流側に戻された濃縮水は、矢印１１０の被処理水と合流して再び加圧ポンプ２６によって加圧される。なお、この濃縮水は、加圧ポンプ２６の上流側に戻さずに膜分離装置１８から排出してもよい。

以上の第１運転モードと第２運転モードとを制御手段１００によって切り替えることで、分離膜エレメント２０の一端側２０ａと他端側２０ｂとで分離膜４０の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメント２０の分離膜４０を最後まで使い切ることができる。したがって、分離膜エレメント２０を長寿命化することが可能な膜分離装置１８を提供することができる。これにより、水需要体３から排出された循環水を浄化する浄化手段８のメンテナンスが容易となる。

上記第１運転モードと第２運転モードとの切り換えのタイミングに関し、幾つかの実施形態では、図２に示す制御手段１００は、分離膜４０における目詰まりの度合いが所定の度合いに達するまでは第１運転モードを実行し、目詰まりの度合いが所定の度合いを超えた場合に第２運転モードを実行するよう構成される。この場合、制御手段１００の判定部１００ｃは、集水管３８から取り出される透過水の流量に関する情報と、分離膜４０の前後の圧力差に関する情報と、に基づいて目詰まりの度合いを判定することが望ましい。

分離膜４０の目詰まりの度合いによって、集水管３８から取り出される透過水の流量と、分離膜４０の前後の圧力差との関係は変化する。すなわち、目詰まりの度合いが高い（目詰まりが進行している）ほど、分離膜４０の前後の圧力差（分離膜４０に供給される被処理水の圧力と分離膜４０を透過した透過水の圧力との差）に対する、集水管３８から取り出される透過水の流量の比が小さくなる傾向にある。

したがって、上述のように、集水管３８から取り出される透過水の流量に関する情報と、分離膜４０の前後の圧力差に関する情報とに基づいて分離膜４０の目詰まりの度合いを判定するよう制御手段１００を構成することで、分離膜４０の目詰まりの度合いを精度よく判定することができる。

図２に示す膜分離装置１８は、集水管３８から取り出される透過水の流量を計測するための流量計測手段６６と、第１流路の圧力を計測するための圧力計測手段６８とを更に備えている。制御手段１００は、第１運転モードにおいて、流量計測手段６６によって計測された透過水の流量が一定になるように、絞り手段としてのバルブ７４による第４流路３０の流路面積の調節を制御する。そして、分離膜４０の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、目詰まりの度合いが所定の度合いに達したと判定するよう構成されている。

図２に示す膜分離装置１８では、集水管３８から取り出される透過水の圧力が大気圧等のほぼ一定の圧力に維持されており、第１流路２７の圧力を圧力計測手段６８によって計測すれば、分離膜４０の前後の圧力差を算出することができる。ただし、分離膜４０の前後の圧力差を求める方法はこれに限らず、圧力計測手段６８を第１流路２７ではなく第４流路３０に設け、第４流路３０の圧力と集水管３８から取り出される透過水の圧力との差分を分離膜４０の前後の圧力差として求めてもよい。また、集水管３８から取り出される透過水の圧力が上述のように大気圧等の一定の圧力に維持されていれば、集水管３８から取り出される透過水の圧力を測定する必要はないが、集水管３８から取り出される透過水の圧力が一定でない場合は、該透過水の圧力と第４流路３０の圧力とを測定してそれらの差分を分離膜４０の前後の圧力差としても求めてもよい。

図２に示す膜分離装置１８は、被処理水流路４１から排出された濃縮水によって回転する水車を含む水力発電装置９０、９２を備えており、水力発電装置９０は第４流路３０に設けられ、水力発電装置９２は第５流路に設けられている。バルブ７４は、水力発電装置９０、９２から得られる電力を利用して第４流路の流路面積を調節するよう構成され、バルブ７６は、水力発電装置９０、９２から得られる電力を利用して第５流路の流路面積を調節するよう構成される。これにより、膜分離装置１８全体でのエネルギー消費を抑制することができる。

図２に示した実施形態では、第１運転モードにおいて、集水管３８から取り出される透過水の流量を一定にするための構成として、絞り手段としてのバルブ７４によって第４流路３０の流路面積を調節する構成を示した。ただし、集水管３８から取り出される透過水の流量を一定にするための構成はこれに限らず、例えば、図４や図５に示す構成を採用することもできる。図４及び図５に示す膜分離装置１８の基本構成は図２と同じであるため、共通する構成については説明を省略し、以下では、図２と異なる点を中心に説明する。

図４に示す膜分離装置１８は、第３流路２９に該第３流路２９の流路面積を調節可能な絞り手段としてのバルブ７８を有しており、制御手段１００は、流量計測手段６６によって計測された透過水の流量が一定になるように、バルブ７８による第３流路２９の流路面積の調節を制御するよう構成されている。この場合における分離膜４０の目詰まりの度合いは、制御手段１００による上述の判定と同じ方法で判定することができる。

図４に示す膜分離装置１８は、被処理水流路４１から排出された濃縮水によって回転する水車を含む水力発電装置９０、９２を備えており、バルブ７８は、水力発電装置９０、９２から得られる電力を利用して第３流路の流路面積を調節するよう構成されている。これにより、膜分離装置１８全体でのエネルギー消費を抑制することができる。
幾つかの実施形態に係る膜分離装置１８は、図４に示すように被処理水流路４１から排出された濃縮水を、加圧ポンプ２６の上流側に戻さずに膜分離装置１８の外へ排出するよう構成してもよい。

図５に示す膜分離装置１８では、制御手段１００は、集水管３８から取り出される透過水の流量が一定になるように、インバータ８０によって加圧ポンプ２６の回転数を制御するよう構成されている。この場合における分離膜４０の目詰まりの度合いは、制御手段１００による上述の判定と同じ方法で判定することが可能であるが、図２における圧力計測手段６８を設けることなく判定することも可能である。図５に示す制御手段１００は、インバータ８０を介して加圧ポンプ２６の消費電力を測定し、測定した消費電力が所定電力に達した場合に、分離膜４０の目詰まりの度合いが所定の度合いに達したと判定して第１運転モードから第２運転モードへの切り換えを行うよう構成される。このように、加圧ポンプ２６の回転数制御により集水管３８から取り出される透過水の流量を一定にする構成では、目詰まりの度合いが進むにつれて加圧ポンプ２６の回転数が上昇するため、加圧ポンプ２６の消費電力を分離膜４０の目詰まりの度合いを示す指標として用いれば、簡易な構成で分離膜４０の目詰まりの度合いを判定し、分離膜エレメント２０の一端側２０ａと他端側２０ｂとで分離膜４０の目詰まりに偏りが生じることを抑制することができる。

幾つかの実施形態では、制御手段１００は、図２、図４、図５に示した膜分離装置１８において、透過水の流量を一定にするための制御を行わず、流量計測手段６６によって計測される透過水の流量のみに基づいて、分離膜４０の目詰まりの度合いを判定してもよい。
この場合、加圧ポンプ２６を定格出力で運転していると、分離膜４０の目詰まりの度合いが高まるにつれて、流量計測手段６６によって計測される透過水の流量が減少する。従って、流量計測手段６６によって計測される透過水の流量が所定量に達した場合に、目詰まりの度合いが所定の度合いに達したと判定し、第１運転モードから第２運転モードへの切り換えを行うよう制御手段１００を構成すれば、簡易な構成で分離膜４０の目詰まりの度合いを判定し、分離膜エレメント２０の一端側２０ａと他端側２０ｂとで分離膜４０の目詰まりに偏りが生じることを抑制することができる。

第１運転モードと第２運転モードとの切り換えのタイミングに関し、幾つかの実施形態では、図２、図４、図５に示した制御手段１００において、透過水の流量や分離膜４０の前後の圧力差に関わらず、第１運転モードと第２運転モードとを所定期間毎に切り換えるよう構成してもよい。例えば、制御手段１００は、１カ月毎に第１運転モードと第２運転モードの切り換えを行って、所定回数（例えば１２回）の切り換えを行った段階で分離膜エレメント２０を交換するための報知を不図示の報知手段を制御して行うよう構成してもよい。或いは、例えば６カ月毎に第１運転モードと第２運転モードとの切り換え行って、１回の切り換えにより第１運転モードと第２運転モードを６カ月ずつ実行した段階で分離膜エレメント２０を交換するための報知を不図示の報知手段を制御して行うよう構成してもよい。
このように、第１運転モードと第２運転モードとを所定期間毎に切り換えることで、分離膜４０の目詰まりの度合いを検出するための機器を設けることなく簡易な構成で、分離膜エレメント２０の一端側２０ａと他端側２０ｂとで分離膜４０の目詰まりに偏りが生じることを抑制し、分離膜エレメント２０の分離膜４０を最後まで使い切ることができる。

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば上述した実施形態を組み合わせても良く、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

本発明の少なくとも一実施形態は、公共の上水道網とは別に、特定の地域を対象として構築される循環水利用システムにおいて好適に用いることが出来る。

１ 循環水利用システム
２ 循環流路
３ 水需要体
３ａ 住居
３ｂ テナント
３ｃ 事務所
４ 排出流路
６ 供給流路
８ 浄化手段
１２ 飲用水生成手段
１４ 飲用水供給手段
１４ａ 飲用水送水管
１４ｂ 貯留タンク
１４ｃ 飲用水配管
１６ 水道水導水管
１８ 膜分離装置
２０ 分離膜エレメント
２０ａ 分離膜エレメントの一端側
２０ｂ 分離膜エレメントの他端側
２４ 分離膜モジュール
２６ 加圧ポンプ
２７ 第１流路
２８ 第２流路
２９ 第３流路
３０ 第４流路
３１ 第５流路
３２ 切り換え手段
３６ 耐圧容器
３８ 集水管
４０ 分離膜
４１ 被処理水流路
４２ 透過水スペーサ
４４ 封筒状膜
４６ 被処理水スペーサ
５０ 透過水流路
５２ 貫通孔
５８ 一端側開口
６０ 第１液室
６２ 他端側開口
６４ 第２液室
６５ 一端側開口
６６ 流量計測手段
６８ 圧力計測手段
７０，７２，７４，７６，７８ バルブ
８０ インバータ
９０，９２ 水力発電装置
１００ 制御手段
１００ａ 第１運転モード実行部
１００ｂ 第２運転モード実行部
１００ｃ 判定部

Claims (14)

1. 循環水利用システムであって、
   循環水が流れる閉ループ状の循環流路と、
   前記循環流路を流れる循環水を使用する、住居、テナント、及び事務所の内の少なくとも一種からなる小口水需要体が複数集まって構成される水需要体、から排出される排出水を前記循環流路へ排出する排出流路と、
   前記循環流路を流れる前記排出水を含む循環水を浄化する浄化手段と、
   前記循環流路から分岐し、前記浄化手段で浄化された循環水を前記水需要体に供給する供給流路と、
   を有し、
   前記浄化手段は、分離膜を用いて原水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置を含み、
   前記膜分離装置は、
   耐圧容器と、
   前記耐圧容器に充填される分離膜エレメントであって、集水管と、前記集水管の周りに設けられた分離膜と、前記分離膜に沿って当該分離膜エレメントの一端側から他端側にかけて形成される被処理水流路と、を備え、前記被処理水流路に供給された被処理水が前記分離膜を透過して透過水として前記集水管から取り出されるよう構成された分離膜エレメントと、
   前記被処理水を加圧して前記被処理水流路に供給するための加圧ポンプと、
   前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を前記分離膜エレメントの前記一端側から前記被処理水流路に供給可能な第１流路と、
   前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を前記分離膜エレメントの前記他端側から前記被処理水流路に供給可能な第２流路と、
   前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水の供給先を前記第１流路と前記第２流路とに切り換え可能な切り換え手段と、
   前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を、前記第１流路を介して前記分離膜エレメントの一端側から前記被処理水流路に供給することで、前記分離膜エレメントの前記他端側に配向されている前記集水管の他端部から透過水を取り出す第１運転モードと、前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を、前記第２流路を介して前記分離膜エレメントの他端側から前記被処理水流路に供給することで前記集水管の前記他端部から透過水を取り出す第２運転モードと、を前記切り換え手段による前記切り換えを制御することで実行可能な制御手段と、
   を有するとともに、
   前記集水管の前記他端部は、前記循環流路と前記排出流路との接続部側ではなく、前記循環流路と前記供給流路との接続部側に向かって前記透過水を供給するように前記閉ループ状の循環流路に接続されている、循環水利用システム。
2. 前記制御手段は、前記第１運転モードと前記第２運転モードとを所定期間毎に切り換えるよう構成される請求項１に記載の循環水利用システム。
3. 前記制御手段は、前記分離膜における目詰まりの度合いが所定の度合いに達するまでは前記第１運転モードを実行し、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いを超えた場合に前記第２運転モードを実行するよう構成される請求項１に記載の循環水利用システム。
4. 前記制御手段は、前記集水管から取り出される前記透過水の流量に関する情報と、前記分離膜の前後の圧力差に関する情報と、に基づいて前記目詰まりの度合いを判定するよう構成される請求項３に記載の循環水利用システム。
5. 前記加圧ポンプと前記切り換え手段との間の第３流路に該第３流路の流路面積を調節可能に設けられた絞り手段を更に備え、
   前記制御手段は、
   前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように、前記絞り手段による前記流路面積の調節を制御し、
   前記分離膜の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される請求項４に記載の循環水利用システム。
6. 前記被処理水流路から排出された濃縮水によって回転する水車を含む水力発電装置を更に備え、
   前記絞り手段は、前記水力発電装置から得られる電力を利用して前記第３流路の流路面積を調節するよう構成される請求項５に記載の循環水利用システム。
7. 前記被処理水流路から排出された濃縮水を前記加圧ポンプの上流側へ戻すための第４流路と、
   前記第４流路に該第４流路の流路面積を調節可能に設けられた絞り手段と、
   を更に備え、
   前記制御手段は、
   前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように、前記絞り手段による前記第４流路の流路面積の調節を制御し、
   前記分離膜の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される請求項４に記載の循環水利用システム。
8. 前記被処理水流路から排出された濃縮水によって回転する水車を含む水力発電装置を更に備え、
   前記絞り手段は、前記水力発電装置から得られる電力を利用して前記第４流路の流路面積を調節するよう構成される請求項７に記載の循環水利用システム。
9. 前記制御手段は、
   前記集水管から取り出される前記透過水の流量が一定になるように、前記加圧ポンプの回転数を制御し、
   前記分離膜の前後の圧力差が所定圧力差に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される請求項４に記載の循環水利用システム。
10. 前記制御手段は、前記加圧ポンプの消費電力が所定電力に達した場合に、前記目詰まりの度合いが前記所定の度合いに達したと判定するよう構成される請求項９に記載の循環水利用システム。
11. 前記耐圧容器は、前記第１運転モードにおいて前記第１流路から当該耐圧容器内に被処理水を流入させるための第１開口と、前記第２運転モードにおいて当該耐圧容器から濃縮水を排出するための第２開口と、を当該耐圧容器の一端側に有する請求項１〜１０の何れか１項に記載の循環水利用システム。
12. 前記第１開口と前記第２開口とが、前記分離膜エレメントの軸延長線を挟むように配置されている請求項１１に記載の循環水利用システム。
13. 分離膜を用いて原水を透過水と濃縮水とに分離する膜分離装置であって、
    耐圧容器と、
    前記耐圧容器に充填される分離膜エレメントであって、集水管と、前記集水管の周りに設けられた分離膜と、前記分離膜に沿って当該分離膜エレメントの一端側から他端側にかけて形成される被処理水流路と、を備え、前記被処理水流路に供給された被処理水が前記分離膜を透過して透過水として前記集水管から取り出されるよう構成された分離膜エレメントと、
    前記被処理水を加圧して前記被処理水流路に供給するための加圧ポンプと、
    前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を前記分離膜エレメントの前記一端側から前記被処理水流路に供給可能な第１流路と、
    前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を前記分離膜エレメントの前記他端側から前記被処理水流路に供給可能な第２流路と、
    前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水の供給先を前記第１流路と前記第２流路とに切り換え可能な切り換え手段と、
    前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を、前記第１流路を介して前記分離膜エレメントの一端側から前記被処理水流路に供給することで前記集水管から透過水を取り出す第１運転モードと、前記加圧ポンプによって加圧された前記被処理水を、前記第２流路を介して前記分離膜エレメントの他端側から前記被処理水流路に供給することで前記集水管から透過水を取り出す第２運転モードと、を前記切り換え手段による前記切り換えを制御することで実行可能な制御手段と、
    を有するとともに、
    前記耐圧容器は、前記第１運転モードにおいて前記第１流路から当該耐圧容器内に被処理水を流入させるための第１開口と、前記第２運転モードにおいて当該耐圧容器から濃縮水を排出するための第２開口と、を当該耐圧容器の一端側に有する膜分離装置。
14. 前記第１開口と前記第２開口とが、前記分離膜エレメントの軸延長線を挟むように配置されている請求項１３に記載の膜分離装置。

Images