JP5669651B2

JP5669651B2 - 淡水化装置及び淡水化方法

Info

Publication number: JP5669651B2
Application number: JP2011081252A
Authority: JP
Inventors: 克憲松井; 竹内　和久; 和久竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012213730A

Description

本発明は、海水を淡水化するための淡水化装置及び淡水化処理方法に関する。

海水を淡水化するための設備として、逆浸透膜（ＲＯ膜、ＲｅｖｅｒｓｅＯｓｍｏｓｉｓＭｅｍｂｒａｎｅ）を用いて海水（原水）を脱塩処理して淡水化する海水淡水化装置（以下、淡水化装置という）がある。ＲＯ膜としては、酢酸セルロース膜やポリアミド膜などが使用される。

淡水化装置では、一般的に、原水を脱塩処理する前に、殺菌などを目的として原水に塩素剤を添加する前処理が行われる。ＲＯ膜としてポリアミド膜などの塩素耐性を有しない材料からなる膜を使用した場合、ＲＯ膜に塩素が接触すると、ＲＯ膜が劣化する。そのため、ＲＯ膜の前段側において、還元剤を用いて原水中の塩素を中和処理する必要がある。還元剤としては、例えば重亜硫酸ソーダ（ＳＢＳ、Ｓｏｄｉｕｍｂｉｓｕｌｆａｔｅｓｏｄａ）が用いられる（特許文献１〜３）。

特開平７−３０８６７１号公報特開平７−１７１５６５号公報特開平９−５７０７６号公報

塩素を含む原水をＳＢＳ溶液で中和する際には、中和処理した原水中の酸化還元電位を計測して、中和の終了を確認する。酸化還元電位（ＯＲＰ）はＯＲＰ計により計測する。該ＯＲＰ計は、原水の性状（ｐＨ等）、ＯＲＰ電極の連続使用による電極汚れ、及びＯＲＰ計自体の製造要因のぶれ等により絶対値が変動することがある。このため、ＳＢＳを添加した原水のＯＲＰの絶対値を直接測定し、これを目標値としてＳＢＳ溶液の供給量を制御しようとすると、ＳＢＳ溶液の注入量が不足、または過剰となる可能性がある。ＳＢＳ溶液の注入量が不足した場合には、原水が十分に中和されないため、ＲＯ膜の損傷要因となる。ＳＢＳ溶液の注入量が過剰の場合には、ランニングコストが嵩む上、ＳＢＳ由来の硫黄化合物が逆浸透膜に付着し、閉塞等の問題を引き起こす可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、塩素処理した後の原水に対して還元剤を用いて中和処理する際に、ＳＢＳ溶液の過剰注入を抑制しつつ、より確実に中和処理を完了することのできる淡水化装置及び淡水化方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、塩素含有水を添加した原水から塩類を分離するための逆浸透膜を有する脱塩処理装置と、前記脱塩処理装置の前流側で、前記塩素含有水を添加した原水に、塩素を中和可能な還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた淡水化装置であって、前記還元剤供給装置が、前記脱塩処理装置の前流側から前記塩素含有水を添加した原水を抜き出して、該抜き出した原水に塩素成分を定量的に添加する塩素添加部と、前記塩素成分を添加した原水の塩素量を定量する塩素定量部と、前記塩素定量部で定量した塩素量と、前記定量的に添加した塩素量との差分の塩素量に対応する還元剤量を算出して、還元剤の供給量を決定する還元剤供給量決定部と、前記決定した供給量の還元剤を脱塩処理装置の前流側で前記塩素含有水を添加した原水に供給する還元剤供給部とを含む淡水化装置を提供する。

上記発明によれば、塩素含有水を添加した原水に、更に定量的に塩素成分を加えることで、塩素濃度が高くなるため、より正確に塩素量を定量することが可能となる。添加前後の差分の塩素量は、塩素含有水を添加した原水に含まれる塩素量に相当するため、上記差分の塩素量を中和するために必要な還元剤量を算出することで、還元剤の供給量を決定できる。

上記発明の一態様において、前記還元剤供給装置が、前記塩素含有水を添加した原水の一部を抜き出して、定量用の還元剤溶液を添加しつつ、還元剤と塩素との酸化還元電位の最大変化部を求め、この当量点に対応する還元剤添加濃度を求め、該還元剤添加濃度を前記還元剤供給量決定部で決定した還元剤の供給量と比較し、前記還元剤供給量を適宜補正する補正部を備えても良い。
補正部を備えることで、より正確に適量の還元剤を注入することが可能となる。

また、本発明は、逆浸透膜を有する脱塩処理装置を用いて塩素含有水を添加した原水から塩類を分離する方法であって、前記脱塩処理装置の前流側から前記塩素含有水を添加した原水を抜き出して、該抜き出した原水に塩素成分を定量的に添加し、前記塩素成分を添加した原水の塩素量を定量し、前記定量した塩素量と、前記定量的に添加した塩素量との差分の塩素量に対応する還元剤量を算出して、還元剤の供給量を決定し、前記脱塩処理装置の前流側で、前記塩素含有水を添加した原水に、前記決定した供給量の還元剤を供給し、前記塩素含有水を添加した原水に含まれる塩素を中和する淡水化方法を提供する。

上記発明の一態様において、前記塩素含有水を添加した原水の一部を抜き出して、定量用の還元剤溶液を添加しつつ、還元剤と塩素との酸化還元電位の最大変化部である当量点を求め、この当量点に対応する還元剤添加濃度を求め、該還元剤添加濃度を前記還元剤供給量決定部で決定した還元剤の供給量と比較し、前記還元剤供給量を適宜補正しても良い。

本発明によれば、間接的に還元剤の必要量を定量できるため、還元剤の過剰注入を防止しつつ、塩素をより確実に中和することが可能となる。

第１実施形態に係る淡水化装置の概略図である。第２実施形態に係る補正部の概略図である。サンプル水基準ＳＢＳ濃度とＯＲＰ計測値との関係を示す図である。

（第１実施形態）
以下に、本発明に係る淡水化装置及び淡水化方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る淡水化装置１０の概略図である。淡水化装置１０は、前処理装置１３、脱塩処理装置１７、及び還元剤供給装置１８を具備してなる、海水（原水）から塩類を分離して淡水とする装置である。なお、図１中、符号２０は濃縮水、２１ａ、２１ｂは送液ポンプ、２２は原水ライン、２３は濾過水ライン、２４は濃縮水ライン、２５は透過水ラインを各々図示する。

前処理装置１３は、前処理膜１３ａを備えており、該前処理膜１３ａに原水（海水）１１を透過させることで、原水１１から濁質分を除去する役割を果たす。

脱塩処理装置１７は、濾過水ライン２３を介して前処理装置１３の後流側に接続されている。脱塩処理装置１７は、逆浸透膜（ＲＯ膜）１６を備えており、原水から塩類を分離することができる。逆浸透膜１６は、塩類を透過させない半透膜とされる。逆浸透膜１６は、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材などからなる。逆浸透膜１６は、逆浸透法により使用される既存の膜から選択され得る。

還元剤供給装置１８は、前処理装置１３と脱塩処理装置１７との間の濾過水ライン２３に接続されており、塩素添加部３１、塩素定量部３２、還元剤供給量決定部３３、及び還元剤供給部３４を備えている。
塩素添加部３１は、脱塩処理装置１７の前流側の濾過水ライン２３から、前処理装置１３で濁質分が除去された原水（濾過水１４Ａ）の一部を抜き出して、該抜き出した濾過水１４Ａに塩素成分を定量的に添加することができる。

塩素定量部３２は、塩素添加部３１により塩素成分を添加された濾過水１４Ｂの塩素量を定量することができる。塩素量の定量は、比色法（ＤＰＤ法、オルトトリジン法）、電流法などによって実施され得る。本実施形態では、ジエチル−ｐ−フェニレンジアンモニウム（ＤＰＤ）を用いた比色法（ＤＰＤ法）を例示する。

ＤＰＤ法では、塩素添加部３１により塩素成分を添加された濾過水にＤＰＤを加え、残留塩素との反応で生じる桃色から桃赤色を、残留塩素標準比色液と比較して定量する。残留塩素とは、遊離残留塩素と結合性残留塩素の合計量を指す。ＤＰＤと塩素による定色は５１３ｎｍ及び５５３ｎｍ付近に極大吸収波長を有する。ＤＰＤは遊離残留塩素と速やかに反応するが、結合性残留塩素との反応は遅く、試薬添加後１分以内に比色すると、遊離残留塩素のみが定量される。その後、ヨウ化カリウムを加えることでヨウ化物イオンが触媒となり、結合性残留塩素によっても発色が起こる。

還元剤供給量決定部３３は、塩素定量部３２で定量した濾過水１４Ｂの塩素量と、濾過水１４Ａに定量的に添加した塩素量との差分の塩素量に対応する還元剤量を算出して、還元剤の供給量を決定することができる。

還元剤供給部３４は、還元剤供給量決定部３３で決定された量の還元剤を、脱塩処理装置１７の前流側にある濾過水ライン２３に供給することができる。

次に、淡水化装置１０を用いて海水を淡水化する方法を説明する。
海水（原水）１１を淡水化装置１０に供給すると、まず、塩素含有水１２が原水１１に添加される。塩素含有水１２は、次亜塩素酸ナトリウムの水溶液などとされ、１ｐｐｍ程度添加される。

塩素含有水１２が添加された原水１１は、前処理装置１３に送られ、前処理膜１３ａによって濾過されて濾過水１４Ａとなる。濾過水１４Ａは濾過水ライン２３を通り、還元剤で中和された後、脱塩処理装置１７へと供給される。

濾過水１４Ａの中和は、還元剤供給装置１８によって行われる。まず、塩素添加部３１によって濾過水ライン２３から濾過水１４Ａの一部を抜き出す。次に、抜き出した濾過水１４Ａに、塩素成分を定量的に添加し、濾過水１４Ｂとする。塩素成分は、次亜塩素酸ナトリウムの水溶液などの形態で添加されて良く、塩素含有水１２と同じ組成であることが好ましい。塩素成分の添加量は、０．５〜１．０ｐｐｍ程度とすると良い。

次に、塩素定量部３２により、濾過水１４Ｂに含まれる塩素量（Ｘ）を定量する。次に、定量した濾過水１４Ｂに含まれる塩素量（Ｘ）から、濾過水１４Ａに定量的に添加した塩素量（Ｙ）を除算し、濾過水１４Ａにもともと含まれる塩素量（Ｚ）を算出する。

次に、還元剤供給量決定部３３により還元剤の供給量を決定する。例えば、塩素含有水として次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）溶液を使用し、還元剤としてＳＢＳ（ＮａＨＳＯ_３）溶液を使用した場合の酸化還元反応は次の式で示される。
ＮａＣｌＯ＋ＮａＨＳＯ_３→ＮａＨＳＯ_４＋ＮａＣｌ
上記反応式に基づき、ＮａＣｌＯ１ｍｏｌに対して、ＮａＨＳＯ_３１ｍｏｌとなるようにＳＢＳ溶液の供給量を決定すると良い。

上記で決定した還元剤の供給量の情報は、還元剤供給部３４に提供される。還元剤供給部３４は、提供された情報に基づき、濾過水ライン２３に還元剤を供給する。これによって、還元剤を過剰注入することをなく、濾過水ライン２３を流れる濾過水１４を中和することができる。なお、濾過水ライン２３から濾過水１４の一部を抜き出してから還元剤を濾過水ライン２３へと供給するまでを一連の中和処理工程とし、該中和処理工程は脱塩処理装置１７へ塩素成分が混入しないよう繰り返し実施される。

中和された濾過水１４は、脱塩処理装置１７へと供給され、逆浸透膜１６にて塩類が分離される。

（第２実施形態）
本実施形態では、還元剤注入装置が補正部を備える以外は第１実施形態と同様の構成とされる。
図２に、本実施形態に係る還元剤供給装置の補正部１００の一例を示す。補正部１００は、前処理装置（図示せず）からの濾過水ライン２３を流れる濾過水１４の一部抜出水１０４ａをサンプル水として抜出す抜出ライン１０１と、抜出された一部抜出水１０４ａに定量用の還元剤溶液であるＳＢＳ溶液１０８ａを供給する定量用還元剤供給部である定量用ＳＢＳ供給タンク１０２と、定量用ＳＢＳ溶液１０８ａが添加された混合液１０４ｂの酸化還元電位を計測する電極１０３ａ及び測定部３３ｂを有する酸化還元電位（ＯＲＰ）計１０３とを具備する。

補正部１００は、定量用ＳＢＳ溶液１０８ａを一部抜出水１０４ａに供給しつつ、ＯＲＰ計１０３により両者の最大変化部である当量点を求め、求めた当量点に対応する定量用ＳＢＳ溶液１０８ａの還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）を求め、この還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）を中和可能なＳＢＳ溶液の流量を算出する演算装置１０４を備えている。
図２中、符号１０５は一部抜出水１０４ａを測定部１０３ｂに供給する定量ポンプ、１０６は定量用ＳＢＳ溶液１０８ａを供給する流量可変定量ポンプ、１０７はシーケンサー、１０９は排水を各々図示する。

前処理装置で前処理された濾過水１４には塩素が含有されているので、塩素含有水１２を含む濾過水１４の一部抜出水１０４ａをサンプル水として定量ポンプにて連続的に酸化還元電位（ＯＲＰ）計の測定部１０３ｂに供給する。
シーケンサー１０７からの信号を受けた流量可変定量ポンプ１０６によりサンプル水である一部抜出水１０４ａに定量用ＳＢＳ溶液１０８ａの供給流量を変えながら一定パターンで供給混合する。

次いで、混合液１０４ｂの酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定部１０３ｂで計測し、ＯＲＰ計１０３とシーケンサー１０７とからの信号により、還元剤と塩素との酸化還元電位の最大変化部（当量点）を求め、この当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）を求め、この濃度に対応したＳＢＳ溶液の量を算出する。

ここで、前記操作において、ＯＲＰ計１０３の測定部１０３ｂに供給される基準ＳＢＳ濃度（Ｃｓ）を（１）式にて算出することができる。
また、基準ＳＢＳ（Ｃｓ）の変化に対するＯＲＰ値の最大変化を与える還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）になるよう、逆浸透膜装置に供給する濾過水１４に添加するＳＢＳ溶液の流量（Ｆ３）を（２）式にて算出することができる。
Ｃｓ＝（Ｆ１×Ｃ１）／Ｆ２ …（１）
ここで、
Ｃｓ：サンプル水基準ＳＢＳ濃度（ｍｏｌ／ｌ）
Ｃ１：定量用ＳＢＳ溶液濃度（ｍｏｌ／ｌ）
Ｆ１：定量用ＳＢＳ溶液流量（１／ｈ）
Ｆ２：サンプル水流量（１／ｈ）
Ｆ３＝（Ｆ４×Ｃｓｍ）／Ｃ３ …（２）
Ｆ３：ＳＢＳ溶液１８の供給流量（１／ｈ）
Ｆ４：ＲＯ供給水流量（１／ｈ）
Ｃ３：ＳＢＳ溶液濃度（ｍｏｌ／ｌ）
Ｃｓｍ：当量点に対応する還元剤添加濃度（ｍｏｌ／ｌ）

ここで、演算装置１０４での演算内容について説明する。
１）一定流量のサンプル水１０４ａに定量用ＳＢＳ溶液１０８ａを、供給流量を変えながら混合し、混合後の混合液１０４ｂの酸化還元電位（ＯＲＰ）を、測定部１０３ｂの電極１０３ａで測定し、ＯＲＰ計１０３でその結果を求める。
ここで、定量用ＳＢＳ溶液１０８ａの供給流量は、あらかじめ変化パターンをプログラミングしたシーケンサー１０７からの信号により、流量可変定量ポンプ１０６を変化させることで行う。
２）流量可変定量ポンプ１０６からＯＲＰ測定部１０３ｂにいたる液の滞留時間および電極１０３ａの検出遅れ等を考慮し、上記供給流量はステップ状に変化させ、一定時間、定量用ＳＢＳ溶液１０８ａの供給量を維持する変化パターンとする。
３）シーケンサー１０７からの定量用ＳＢＳ溶液１０８ａの供給流量信号は、同時に演算装置１０４にも送られ、ここでまず、ＯＲＰ計１０３からのＯＲＰ信号値と、サンプル水基準ＳＢＳ濃度の関係を得る。
図３は、サンプル水基準ＳＢＳ濃度（ｍｏｌ／ｌ）と、ＯＲＰ計測値（ｍＶ）との関係図である。なお、図３の上段の横軸には、ＳＢＳ／Ｃｌモル比についても示している。
図３に示すとおり、横軸にＯＲＰの測定部１０３ｂに供給するサンプル水基準ＳＢＳ濃度（Ｃｓ）を前出（１）式により算出して示し、縦軸には検出されたＯＲＰ値の関係をプロットする。
上記（１）式にて、Ｃ１、Ｆ２の変数はあらかじめ演算装置１０４に入力しておき、Ｆ１は供給流量変化ごとにシーケンサー１０７から自動入力される。
４）次に、演算装置１０４では図３よりＳＢＳ濃度変化に対し、ＯＲＰの変化が最大となるサンプル水基準ＳＢＳ当量濃度が求められる。これが、当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）となる。
実測値を結んだスムージングカーブをＳＢＳ濃度（Ｃｓ）に対して微分することで自動的に求めることが可能である。
５）さらに、演算装置１０４にて上記当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）となるＳＢＳ溶液の流量（Ｆ３）を（２）式により算出する。
なお、（２）式にてＦ４、Ｃ３の変数はあらかじめ演算装置１０４に入力しておく。

演算装置１０４で算出された還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）を中和可能なＳＢＳ溶液の流量は、比較部還元剤定量部で定量した塩素量（Ｚ）と比較される。塩素量（Ｚ）が演算装置１０４で算出したＳＢＳの流量と大きく異なる場合、濾過水ライン２３に供給される還元剤量は適宜補正される。

１０淡水化装置
１１原水（海水）
１２塩素含有水
１３前処理装置
１３ａ前処理膜
１４濾過水
１５透過水
１６逆浸透膜（ＲＯ膜）
１７脱塩処理装置
１８還元剤供給装置
２０濃縮水
２１ａ、２１ｂ送液ポンプ
２２原水ライン
２３濾過水ライン
２４濃縮水ライン
２５透過水ライン
３１塩素添加部
３２塩素定量部
３３還元剤供給量決定部
３４還元剤供給部
１００補正部
１０１抜出ライン
１０２定量用ＳＢＳ供給タンク
１０３ＯＲＰ計
１０３ａＯＲＰ電極
１０３ｂＯＲＰ測定部
１０４演算装置
１０４ａサンプル水
１０４ｂ混合液
１０５定量ポンプ
１０６流量可変定量ポンプ
１０７シーケンサー
１０８ａ定量用ＳＢＳ溶液
１０９排水

Claims

塩素含有水を添加した原水から塩類を分離するための逆浸透膜を有する脱塩処理装置と、前記脱塩処理装置の前流側で、前記塩素含有水を添加した原水に、塩素を中和可能な還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた淡水化装置であって、
前記還元剤供給装置が、
前記脱塩処理装置の前流側から前記塩素含有水を添加した原水を抜き出して、該抜き出した原水に塩素成分を定量的に添加する塩素添加部と、
前記塩素成分を添加した原水の塩素量を定量する塩素定量部と、
前記塩素定量部で定量した塩素量と、前記定量的に添加した塩素量との差分の塩素量に対応する還元剤量を算出して、還元剤の供給量を決定する還元剤供給量決定部と、
前記決定した供給量の還元剤を脱塩処理装置の前流側で前記塩素含有水を添加した原水に供給する還元剤供給部と、
を含む淡水化装置。
前記還元剤供給装置が、
前記塩素含有水を添加した原水の一部を抜き出して、定量用の還元剤溶液を添加しつつ、還元剤と塩素との酸化還元電位の最大変化部を求め、この当量点に対応する還元剤添加濃度を求め、該還元剤添加濃度を前記還元剤供給量決定部で決定した還元剤の供給量と比較し、前記還元剤供給量を適宜補正する補正部を備える請求項１に記載の淡水化装置。
逆浸透膜を有する脱塩処理装置を用いて塩素含有水を添加した原水から塩類を分離する方法であって、
前記脱塩処理装置の前流側から前記塩素含有水を添加した原水を抜き出して、該抜き出した原水に塩素成分を定量的に添加し、
前記塩素成分を添加した原水の塩素量を定量し、
前記定量した塩素量と、前記定量的に添加した塩素量との差分の塩素量に対応する還元剤量を算出して、還元剤の供給量を決定し、
前記脱塩処理装置の前流側で、前記塩素含有水を添加した原水に、前記決定した供給量の還元剤を供給し、前記塩素含有水を添加した原水に含まれる塩素を中和する淡水化方法。
前記塩素含有水を添加した原水の一部を抜き出して、定量用の還元剤溶液を添加しつつ、還元剤と塩素との酸化還元電位の最大変化部である当量点を求め、この当量点に対応する還元剤添加濃度を求め、該還元剤添加濃度を前記還元剤供給量決定部で決定した還元剤の供給量と比較し、前記還元剤供給量を適宜補正する請求項３に記載の淡水化方法。