JP5743490B2

JP5743490B2 - 水処理システム及び水処理方法

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Publication number: JP5743490B2
Application number: JP2010240814A
Authority: JP
Inventors: 亮輔寺師; 川田　和彦; 和彦川田
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012091118A

Description

本発明は、水処理システム及び水処理方法に関し、特にエネルギー消費の少ない水処理システムに関する。

純水製造システム等の水処理システムは、水処理のための様々な装置が配管で結ばれて構成されている。これらの装置の例として、イオン交換装置、逆浸透膜（ＲＯ膜）装置、ろ過装置などがある。各装置は性能（不純物の除去特性等）を最大限に発揮させるために、最適な水温の範囲を有している。一方、ユースポイント（使用点）では、例えば２５℃、６０℃、８０℃等の様々な温度が要求されることがある。また、循環運転を行う部位では、循環運転に伴うポンプからの入熱などによって循環水の温度が上昇しやすくなる。このように、水処理システムでは、装置の温度要求、システム要求、システム構成などの様々な要因のために、システム内の様々な個所で温度調整を行う必要がある。

特許文献１には超純水の製造装置が開示されている。原水槽から供給された原水は脱気槽やＲＯ膜装置で処理され、後工程に送られる。ＲＯ膜装置における逆浸透膜の標準設計温度は２５℃であるため、ＲＯ膜装置の入口点における処理水の温度をこの温度に調整するため、原水槽と脱気槽の間にいくつかの熱交換器が設置されている。

水処理システム内を流通する被処理水等の温度調整を行う場合、従来は冷却塔やボイラなどの設備を設けることが一般的である。しかし、冷却塔やボイラは、エネルギーの利用効率、ひいては二酸化炭素排出量等の環境負荷の面で以下の問題がある。すなわち、加熱及び冷却のためのエネルギーは、加熱や冷却の対象部位で個々に投入されている。例えば、加熱のためにボイラを使用する場合には、ボイラに投入された熱エネルギーによって、加熱対象部位よりも高温の温水や蒸気が製造され、温水や蒸気の持つ熱が加熱対象部位に加えられる。冷却のために冷却塔を使用する場合には、冷却対象部位よりも低温の冷却水が製造され、冷却対象部位から熱が奪われる。温度調整に必要な全エネルギーは加熱及び冷却の各対象部位で必要となるエネルギーの総和となる。

特許文献２には、熱交換のために、ヒートポンプを水処理システムに用いた例が開示されている。ヒートポンプは、エネルギー効率の高い熱交換システムとして知られている。ヒートポンプは外部熱源から熱を奪い、奪った熱を加熱対象部位に供給し、あるいは冷却対象部位から熱を奪い、奪った熱を外部に放出する。ヒートポンプは、与えたエネルギー以上の熱を移動させることができるため、これを加熱または冷却手段として用いることで、大幅な運転効率の向上が可能となる。従来のヒートポンプは冷却用途としての側面が着目され、主にエアコン、冷蔵庫などに利用されてきた。しかし、高い運転効率のため、近年では給湯機などの加熱用途にも利用されるようになっている。

ヒートポンプとしては蒸気圧縮式ヒートポンプが一般的に用いられている。蒸気圧縮式ヒートポンプでは、内部を循環する冷媒が、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。冷媒はコンプレッサで圧縮されて高温の気相となり、凝縮する際に外部に熱を放出する。冷媒はその後膨張弁を通って減圧されて低温の気液混合相となり、蒸発する際に外部から熱を奪う。このサイクルを繰り返すことで、熱の移動を行うことができる。

特開２００９−１８３８００号公報特開２００２−１６０３６号公報特開２００６−０９５４７９号公報

従来、ヒートポンプの熱サイクルは高温状態（凝縮時）と低温状態（蒸発時）の温度差を大きく取るように設計されることが一般的であった。これは、従来の水加温用ヒートポンプはボイラ代替用途であり、ボイラ同様高温水を出湯するよう設計されているからである。

しかし、一般に水処理システムでは、内部を流通する水の温度は常温付近に維持されることが多く、極端な高温や低温にされることはない。加温する場合は、温度は２０〜３５℃となるように制御されることが多い。また、上述したＲＯ膜装置の例のように、水処理システムでは温度管理が要求される部位が多く、ユースポイントでの水温も場合により極めて厳しく管理される。このような微妙な温度調整が要求される部位では、ヒートポンプの冷媒温度と加熱冷却対象水との温度差が大きいと、微妙な温度調整が難しくなる。

さらに、冷媒の温度差が大きいとコンプレッサの圧縮仕事を増加する必要があり、このことは運転コストの増加に直接的につながる。冷媒の温度差が大きいとヒートポンプの内部からの放熱ロスも大きくなる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされ、エネルギー効率が高く、しかも安定した温度制御が可能な水処理システム及び水処理方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様に係る水処理システムは、複数の水処理装置と、それぞれが、互いに隣接する複数の水処理装置同士を接続し、内部を水が流れる第１及び第２の配管区間と、第１の配管区間と第２の配管区間の一方との間で冷媒の凝縮工程が、他方との間で冷媒の蒸発工程が生じるように、第１の配管区間と第２の配管区間の間に位置する蒸気圧縮式ヒートポンプと、第１の配管区間と蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられ、第１の配管区間からの吸熱のみを蒸気圧縮式ヒートポンプに伝達する第１の中間ループと、第２の配管区間と蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられ、蒸気圧縮式ヒートポンプからの排熱のみを第２の配管区間に伝達する第２の中間ループと、を有し、蒸気圧縮式ヒートポンプは、第１の配管区間の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の出口側における水の温度が２０〜３５℃となるように構成されている。

上記構成によれば、第２の配管区間を流れる水と第１の配管区間を流れる水との間で、蒸気圧縮式ヒートポンプを介して熱移動が行われ、第１の配管区間を流れる水の温度が２０〜３５℃の範囲に調整される。

このように比較的低い温度範囲に水温を調整する場合、蒸気圧縮式ヒートポンプの凝縮温度と蒸発温度の差が小さくなる。このためヒートポンプサイクルの１サイクルあたりの圧力差が小さくなる。蒸気圧縮式ヒートポンプの運転に必要なエネルギーは、理論上はコンプレッサの圧縮仕事に等しいため、圧力差が小さければコンプレッサによる圧縮仕事が少なくて済む。この結果、単位圧縮仕事あたりの熱移動量である成績係数（ＣＯＰ）を大きく取ることが可能となる。また、蒸気圧縮式ヒートポンプの凝縮温度と蒸発温度の差が小さいことから、冷媒の放熱による熱損失も抑えられる。このようにして、蒸気圧縮式ヒートポンプの消費エネルギーを抑えながら、第１の配管区間を流れる水を所望の温度に調整することができる。

これに加えて、水処理システムでは水温を２０〜３５℃の範囲に調整する部位が多い。つまり、水処理システムは、システム内での熱移動を比較的狭い温度範囲で行うのに特に適している。

本発明の他の実施態様によれば、本発明の水処理システムの運転方法は、それぞれが互いに隣接する水処理装置同士を接続する第１及び第２の配管区間の一方との間で冷媒の凝縮工程が、他方との間で冷媒の蒸発工程が生じるように蒸気圧縮式ヒートポンプを運転することと、を含み、第１の配管区間からの吸熱のみが、第１の配管区間と蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられた第１の中間ループによって蒸気圧縮式ヒートポンプに伝達され、蒸気圧縮式ヒートポンプからの排熱のみが、第２の配管区間と蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられた第２の中間ループによって第２の配管区間に伝達され、蒸気圧縮式ヒートポンプを運転することは、第１の配管区間の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の出口側における水の温度が２０〜３５℃となるように制御することを含んでいる。

このように、本発明によれば、エネルギー効率が高く、しかも安定した温度制御が可能な水処理システム及び水処理方法を提供することができる。

本発明の水処理システムの、基本的な実施形態を示す概念図である。本発明の効果を説明するための線図（モリエル線図）である。本発明の水処理システムの、中間ループを設けた実施形態を示す概念図である。本発明の水処理システムの、複数の排熱配管区間が設けられた実施形態を示す概念図である。本発明の水処理システムの、複数の吸熱及び排熱配管区間が設けられた実施形態を示す概念図である。本発明の水処理システムの、補助加熱手段が設けられた実施形態を示す概念図である。本発明の水処理システムの、第２のヒートポンプが設けられた実施形態を示す概念図である。水処理システムの構成の一例を示す概略図である。水処理システムの熱水殺菌時のライン構成を示す概略図である。

図１〜７を参照して、本発明の水処理システムに係るいくつかの実施形態について説明する。これらの図は水処理システムを構成する様々な装置のうち、各実施形態に関連する部分だけを抽出して示すものである。実際の水処理システムの例は後述する。

図１（ａ）には、互いに隣接する第１及び第２の装置１，２と、これらを接続する第１の配管１１と、が示されている。これらの装置１，２及び配管１１には第１の装置１から第２の装置２に向けて、図中右向きに流体（被処理水）が流通している。同様に、図１（ａ）には、互いに隣接する第３及び第４の装置３，４と、これらを接続する第２の配管１２と、が示されている。これらの装置３，４及び配管１２にも、第３の装置３から第４の装置４に向けて、図中右向きに流体（被処理水）が流通している。第１〜第４の装置１〜４はどのようなものであっても構わない。

本実施形態では第１の配管１１から吸熱し（符号Ｑ_C1で示す。）、第２の配管１２に排熱される（同じく、符号Ｑ_H1で示す。）。このような状況は、例えば第１の装置１の出口点水温が第２の装置２の入口点における要求水温よりも高く、被処理水を冷却することが必要であり、かつ第３の装置３の出口点水温が第４の装置４の入口点における要求水温よりも低く、被処理水を加熱することが必要である場合に生じる。一例として、前述のようにＲＯ膜装置は逆浸透膜の標準設計温度が２５℃であるが、入口点における水温がこれより低い場合、ＲＯ膜装置に入る前に被処理水を加熱する必要がある。

この目的のため、水処理システムには第１の配管１１（吸熱配管区間）から吸熱し、第２の配管１２（排熱配管区間）に排熱する蒸気圧縮式のヒートポンプ２１が設けられている。具体的には、ヒートポンプ２１は、アンモニア、二炭化炭素、Ｒ４１０Ａを始めとする代替フロンなどの冷媒を蒸発させる蒸発器２２と、冷媒を圧縮するコンプレッサ２３と、冷媒を凝縮させる凝縮器２４と、冷媒を膨張させる膨張弁２５、とを備え、これらの要素２２〜２５がこの順で閉ループ２６上に配置されている。従って、冷媒は、閉ループ２６内を循環しながら、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受けることになる。蒸発器２２に隣接して第１の配管１１が位置しており、冷媒が蒸発した際の気化熱によって、第１の配管１１を流れる流体から熱が奪われる（なお、各図において、波線は熱交換が行わる部位であることを示す。）。蒸発した冷媒はコンプレッサ２３で圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器２４に送られ、周囲に熱を放出して凝縮する。凝縮器２４に隣接して第２の配管１２が位置しており、凝縮の際に放出された凝縮熱が第２の配管１２を流れる流体に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁２５を通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ２１の１サイクルの運転の間に、吸熱配管区間１１からの吸熱と、排熱配管区間１２への排熱が行われる。

ヒートポンプ２１を用いることによって、第１の配管１１から奪われた熱の少なくとも一部を第２の配管１２に与えることができる。このため、奪われた熱を棄てる必要がなく、第２の配管１２に供給する熱を別の装置（ボイラ等）で発生させる必要もない。しかも、ヒートポンプ２１は一般に成績係数（加熱または冷却の能力をＱ、このＱを得るために消費した電力Ｌとしたときに、Ｑ／Ｌで定義される。）が３〜５の付近にあり、必要な電気エネルギーが、発生させる熱エネルギーと比べてはるかに小さい。このように、本実施形態の水処理システムでは吸熱配管区間１１から奪った熱を排熱配管区間１２に移動させるため、熱エネルギーの無駄が生じにくく、しかも、この熱移動に効率の高いヒートポンプ２１を用いているために、少ないエネルギー消費が実現される。

また、冷却及び加熱のためにボイラや冷却塔を別途設置する場合、これらの装置は一般に、温度調整が必要な部位から離れたところに設けられる。燃料貯蔵施設など多数の付帯設備が必要なボイラでは、特にこの傾向が強い。このため、冷水や温水、蒸気等を配管で移送する際の熱伝達ロスが大きく、追加の加熱冷却装置を設けるなど、エネルギー効率及びコスト面で不利となりやすい。ボイラや冷却塔は一般に必要エネルギーが大きく、環境負荷が大きいという問題もある。ヒートポンプ２１を吸熱配管区間１１と排熱配管区間１２の中間付近に設置することで、熱伝達ロスを最小限に抑えることができる。

さらに、ヒートポンプ２１は冷媒の蒸発時の気化熱と凝縮時の凝縮熱を利用しているため、吸熱側及び排熱側の温度とは無関係に熱移動を行うことができる。つまり、吸熱側の水温と排熱側の水温がほとんど同じ場合や、排熱側の水温が吸熱側の水温より高い場合でも熱移動が可能である。上述の通り、水処理システムでは、例えば発電システムなどと異なり、システム内で極端な温度差が生じることはあまりなく、一般的な熱交換器を有効利用することは困難であった。このため、冷却には冷水等を、加熱には蒸気等を個別に供給する方式が一般的であったが、本発明では、ヒートポンプ２１を用いているため、吸熱配管区間１１と排熱配管区間１２の温度に拘わらず、これらの間で必要な熱量の移動が可能となっている。

本実施形態では上記に加え、第２の配管１２（第１の配管区間）は、ヒートポンプの出口側（より一般的には、第２の配管１２の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位３１の出口側）における水温が２０〜３５℃となるようにされている。このような温度条件下でヒートポンプを作動させると、エネルギー効率が飛躍的に高まる。吸熱配管区間１１のヒートポンプ２１の入口側での温度を２０〜３５℃とすると、ヒートポンプ２１の凝縮温度と蒸発温度の差が小さくなる場合があり、さらにエネルギー効率を向上させることができる。

図２は、蒸気圧縮式ヒートポンプの熱サイクルを示すモリエル線図である。上述の通り、蒸気圧縮式ヒートポンプは内部を循環する冷媒が、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。具体的には、冷媒は点Ａから点Ｂの区間で、冷媒よりも高温の流体と熱交換し（冷媒は加熱され、高温の流体は冷却される）蒸発する。点Ｂから点Ｃの区間ではコンプレッサにより圧縮され、温度及び圧力が上昇する。点Ｃから点Ｄの区間では、冷媒よりも低温の流体と熱交換し（冷媒は冷却され、低温の流体は加熱される）凝縮する。点Ｄから点Ａの区間では、冷媒は膨張弁を通過しながら膨張し、減圧される。冷媒は、点Ａから点Ｂの区間では外部の流体から熱Ｑ_Cを奪い（冷却工程）、点Ｂから点Ｃの区間ではコンプレッサによる圧縮仕事Ｗを受け、点Ｃから点Ｄの区間では外部の流体へ熱Ｑ_Hを与える（加熱工程）。加熱時の成績係数はＱ_H／Ｗであり、冷却時の成績係数はＱ_C／Ｗである。従って、Ｗが小さいほど成績係数は増加し、エネルギー効率が向上する。

サイクルＡＢＣＤは凝縮温度Ｔ２と蒸発温度Ｔ１に対応している。これに対してサイクルＡＢＣ’Ｄ’は、従来一般的であったより高い凝縮温度Ｔ２’に対応しており（蒸発温度Ｔ１は一定）、Ｑ_HはＱ_H’に増加するが、圧縮仕事ＷもＷ’に増加する。図より明らかな通りＱ_H／Ｗ＜Ｑ_H’／Ｗ’であるため、凝縮温度が増加すると加熱時の成績係数が低下する。同様にＱ_C／Ｗ＜Ｑ_C／Ｗ’であるため、凝縮温度が増加すると冷却時の成績係数が低下する。

以上のように、成績係数を上げるには凝縮温度と蒸発温度の差をできるだけ小さくすることが有効である。ところで、水処理システムでは水の温度がシステム内で大きく変動することはなく、常温付近の温度から高々数十度の範囲内で変動するにすぎない。従って、温度制御対象となる水の目標水温を常温付近に設定することで、冷媒の凝縮温度と蒸発温度の差も抑えることができる。水処理システムにおける加温箇所（例えばＲＯ膜装置）は、一般に２０〜３５℃程度の範囲で温度制御することが多い。よって、特定の部位の水温を２０〜３５℃程度となるように調整すれば、凝縮温度と蒸発温度の差が抑えられ、極めてエネルギー効率の高い運転が可能となる。

この点について補足すると、一般の水加温、または給湯用蒸気圧縮式ヒートポンプでは、熱源は水と空気に大別される。水の場合、主として冷水を対象としている。空気の場合、外気である。水はもちろん、外気であっても０℃付近では含有水分が凍結する恐れがある。このために凝縮温度は０℃より上、したがって線ＡＢは縦軸方向に下向きには実用上動かせないことになる。これに対して、線ＣＤ（Ｃ’Ｄ’）の位置はコンプレッサの圧縮仕事によって決まる。第２の配管１２の、蒸気圧縮式ヒートポンプの出口側における水温を従来よりも低めに設定することで、凝縮温度Ｔ２を下げることができ、その結果コンプレッサの圧縮仕事を減らすことができる。これによって、ヒートポンプの成績係数を上げ、運転効率を高めることができる。

吸熱配管区間１１のヒートポンプ２１の入口側（より一般的には、第１の配管１１の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位３２の入口側）での温度を２０〜３５℃とすると、ヒートポンプ２１の凝縮温度と蒸発温度の差が小さくなる場合があり、さらにエネルギー効率を向上させることができる。

本発明は、図１（ａ）に示すように配管同士の間で熱移動を行う代わりに、空気を熱源として利用することもできる。図１（ｂ）に示すように、空気を熱源として第２の配管１２を蒸気圧縮式ヒートポンプの出口側における温度が２０〜３５℃となるように加熱しても同様の効果が得られる。

以下に他のいくつかの実施形態を示す。いずれの実施形態でも、第２の配管１２（または１４）を温度制御対象配管とする場合は、第２の配管１２（または１４）の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位３１の出口側における水温が２０〜３５℃となるようにすればよい。

図３には、図１と同様のシステムが示されている。本実施形態では、第１の配管１１とヒートポンプ２１との間に、第１の配管１１からの吸熱をヒートポンプ２１に伝達する第１の中間ループ１５を有している。同様に、第２の配管１２とヒートポンプ２１との間に、ヒートポンプ２１からの吸熱を第２の配管１２に伝達する第２の中間ループ１６を有している。このように中間ループ１５，１６を設けることで、ヒートポンプ２１の設置場所の制約が緩和される場合がある。すなわち、ヒートポンプ２１が第１の配管１１や第２の配管１２から離れている場合、これらの配管１１，１２をヒートポンプ２１まで引きまわす必要が生じる。水処理システムでは一般に、膜装置やイオン交換装置など圧力損失の大きい装置が多数設置されているため、圧力損失を抑えることが重要である。図３の例では、第１及び第２の配管１１，１２はそれぞれ、第１の装置１と第２の装置２、第３の装置３と第４の装置４を最短距離で結び、第１及び第２の配管１１，１２とヒートポンプ２１の間は圧力損失の小さい中間ループ１５，１６で接続すればよいので、水処理システムの圧力損失を抑えることが可能である。この利点は、ヒートポンプ２１が第１の配管１１や第２の配管１２から離れている場合に、特に大きい。図示は省略するが、第１の中間ループ１５と第２の中間ループ１６はいずれか一方だけを設けてもよいし、必要に応じて各中間ループ１５，１６を二重、三重のループとして構成することも可能である。中間ループに用いる媒体に特に制約はなく、腐食性の強い流体やスケールの発生しやすい流体を使う必要性は生じない。中間ループ１５，１６にＣＯ₂を充填すれば、水を充填する場合よりも効率的に熱を運搬できる。

従来は、中間ループを設ける場合でも、中間ループに用いる媒体が高温となることが多く、中間ループにおける放熱ロスが大きかったが、本実施形態では蒸気圧縮式ヒートポンプの出口側における温度が２０〜３５℃と低温であるため、媒体の温度も低く抑えられ、放熱ロスを抑えることができる。

図４，５は、複数の部位から吸熱し、あるいは排熱するようにされた水処理システムの実施形態を示している。図４を参照すると、水処理システムは、流体が流通するようにされた、互いに隣接する第５及び第６の装置５，６並びにこれらを接続する第３の配管１３と、第１及び第３の配管１，３から吸熱するようにされた第１の中間ループ１５と、を有している。図５を参照すると、水処理システムは上記構成に加え、流体が流通するようにされた、互いに隣接する第７及び第８の装置７，８並びにこれらを接続する第４の配管１４と、第２及び第４の配管１２，１４に排熱するようにされた第２の中間ループ１６と、を有している。

これらの実施形態に示すように、吸熱側、排熱側とも、熱の授受を行う配管区間は１箇所に限定されず、複数個所であってもよい。つまり、吸熱配管区間と排熱配管区間は単数対単数、単数対複数、複数対単数、複数対複数のいずれの組み合わせも可能である。複数の配管区間が中間ループを介して１台のヒートポンプ２１に接続されているため、ヒートポンプの台数を削減することが可能となる。勿論、個々の吸熱及び排熱配管区間の位置関係や移動熱量などを勘案して、水処理システムに複数の中間ループと複数のヒートポンプを設けることもできる。

一般にヒートポンプ２１のコンプレッサ能力は、吸熱配管区間での吸熱量（冷却）に対応した必要コンプレッサ能力Ｃ_Cと排熱配管区間での排熱量（加熱）に対応した必要コンプレッサ能力Ｃ_Hとが一致することはなく、いずれかに合わせて決定される。具体的には、以下の４パターンが考えられる。
（パターン１）Ｃ_H＞Ｃ_Cであり、コンプレッサ能力を排熱（加熱）側に合わせてＣ_Hとした場合。この場合は、吸熱配管区間での吸熱（冷却）が過剰となるため、吸熱配管区間を加熱する。もしくは吸熱配管区間での吸熱（冷却）が過剰とならないように、熱の一部を吸熱配管区間から奪い、残りを系外から奪う（例えば周囲の空気から熱を奪い、周囲の空気を冷却する。）。これは換言すれば、系外へ過剰分の冷却エネルギーを放出するということでもある。
（パターン２）Ｃ_H＞Ｃ_Cであり、コンプレッサ能力を吸熱（冷却）側に合わせてＣ_Cとした場合。この場合は、排熱配管区間での排熱（加熱）が不足するため、排熱配管区間を追加で加熱する。
（パターン３）Ｃ_H＜Ｃ_Cであり、コンプレッサ能力を排熱（加熱）側に合わせてＣ_Hとした場合。この場合は、吸熱配管区間での吸熱（冷却）が不足するため、吸熱配管区間から追加で除熱する。
（パターン４）Ｃ_H＜Ｃ_Cであり、コンプレッサ能力を吸熱（冷却）側に合わせてＣ_Cとした場合。この場合は、排熱配管区間での排熱（加熱）が過剰となるため、排熱配管区間から除熱する。もしくは排熱配管区間での排熱（加熱）が過剰とならないように、熱の一部を排熱配管区間に排出し、残りを系外へ排出する（例えば周囲の空気に熱を与え、周囲の空気を加熱する。）。これは換言すれば、系外へ過剰分の加熱エネルギーを放出するということでもある。

このように、どのパターンを選択しても、吸熱配管区間または排熱配管区間のいずれかを除熱または加熱、あるいは水処理システムの系外と熱を授受する必要が生じる。ここでは、これらのパターンのうち、排熱配管区間での排熱（加熱）が不足するパターン２の例と、吸熱配管区間での吸熱（冷却）が過剰となるパターン１の例を、図６，７を参照して説明する。

図６の実施形態では、ヒートポンプ２１からの第２の配管１２への排熱（加熱）の不足分を補うために第２の配管１２を加熱する第２のヒートポンプ２７が設けられている。第２のヒートポンプ２７はヒートポンプ２１と基本的な構成は同じであるが、排熱量に応じコンプレッサ能力は適宜設定される。本実施形態では、第２のヒートポンプ２７はヒータとして用いられる。ヒートポンプ２１は第１の配管１１から熱量Ｑ_C1を奪い、熱量Ｑ_H1を第２の配管１２に放出する。ここで、熱量Ｑ_C1はコンプレッサ能力Ｃ_Cと吸熱時の成績係数ＣＯＰ_Cの積であり、熱量Ｑ_H1は、熱量Ｑ_C1にコンプレッサの圧縮仕事Ｗを加えた値である。すなわち、Ｑ_C1＝Ｃ_C×ＣＯＰ_C、Ｑ_H1＝Ｑ_C1＋Ｗであり、排熱時の成績係数ＣＯＰ_H＝Ｑ_H1／Ｗ＝Ｑ_C1／Ｗ＋１＝ＣＯＰ_C＋１の関係にある。つまり原理的に、熱量Ｑ_H1は熱量Ｑ_C1よりもコンプレッサの圧縮仕事Ｗの分だけ大きくなっており、ＣＯＰ_HはＣＯＰ_Cよりも１だけ大きくなっている。第２のヒートポンプ２７は第２の配管１２に加えられるべき熱量Ｑ_H1と熱量Ｑ_C1との差分の熱量Ｑ２を第２の配管１２に与える。ヒートポンプ２７の吸熱側は水処理システムと接続されていないため、熱量Ｑ２は大気中から奪われる（大気が冷却される）。

図７の実施形態では、ヒートポンプ２１による第１の配管１１からの過剰吸熱を補償するために、ヒートポンプ２１は水熱交換部２１ａと空気熱交換部２１ｂとを備えている。ヒートポンプ２１は水熱交換部２１ａで、第１の配管１１（内部の流通水）から熱量Ｑ_C1を奪い、熱量Ｑ_H1を第２の配管１２に放出する。第２の配管１２に与えられる熱量Ｑ_H1は所望の熱量に一致している。空気熱交換部２１ｂは、熱量Ｑ_C1と第１の配管１１から奪われるべき吸熱量との差分の熱量Ｑ２を周囲の空気から奪い、第１の配管１１に供給する。換言すれば、ヒートポンプ２１は、第１の配管１１と大気から熱を奪っていることになる。本実施形態は、第２のヒートポンプ２７が不要であるため、コストの観点からは図５の実施形態よりも有利となることが多い。

図８（ａ）は、水処理システムのうち、超純水製造装置の概略構成の一例を示している。原水の温度は設置場所や季節によっても異なるが、ここでは１５℃であると仮定する。純水を製造するには、原水を除濁膜１０８に通して懸濁物などを除去し、さらに活性炭塔１０９を通した後、加熱ポイント１０１で加熱してＲＯ膜装置１１０に送る。加熱するのはＲＯ膜装置１１０に用いられる逆浸透膜の標準設計温度が２５℃であるためである。２５℃の標準設計温度は透過水量の確保、塩類付着防止等の観点から設けられている。ＲＯ膜装置１１０出口での水温は、２５℃程度からこれよりやや低い２３℃程度の間の範囲とすることが望ましい。原水の温度によってはこの加熱工程は不要である。ＲＯ膜装置１１０を出た原水はイオン交換装置１１１でイオン成分を除去され、一次純水タンク１１２に貯蔵される。イオン交換装置１１１に用いられる樹脂の再生のため、イオン交換装置１１１には薬品供給ラインが設けられており、アルカリ薬液を加熱ポイント１２７で加熱してイオン交換装置１１１に供給し、アルカリ薬液の廃液を冷却ポイント１２８で冷却した後、中和槽１１３において酸廃液と中和させる。廃液は、中和された後も必要に応じて中和槽内１１３で冷却される。

一次純水タンク１１２に貯蔵された純水は紫外線酸化装置１１４、カートリッジポリッシャー装置（混床イオン交換樹脂が充填された非再生型イオン交換ユニット）１１５及び限外ろ過膜（ＵＦ膜）装置１１６を通って、各ユースポイント１１７において使用される。使用されなかった純水は循環ループ１１８を通って一次純水タンク１１２に回収され、さらに循環運転を続ける。この際、図示しないポンプからの入熱などによって循環中の純水の温度が上昇するため、ユースポイント１１７での温度要求に応じて純水を冷却する。本例では紫外線酸化装置１１４の入口側に冷却ポイント１１９が設けられている。紫外線酸化装置１１４の入口側での水温は２０〜３０℃程度とすることが望ましい。一方、使用目的によっては６０〜８０℃程度の高温超純水が必要とされる場合もある。本例では、純水タンク１１２から高温超純水供給ライン１２０が分岐しており、加熱ポイント１２１で昇温された後、紫外線酸化装置１２２、カートリッジポリッシャー装置１２３及び限外ろ過膜装置１２４を通って、ユースポイント１２５まで送られる。使用されなかった高温超純水は一次純水タンク１１２に戻る前に冷却ポイント１２６で冷却される。

図８（ｂ）〜（ｅ）は様々な排水処理装置の例を示している。排水は水処理システム内で発生したものでもよく、水処理システム外で発生したものでもよい。また、処理された排水はそのまま水処理システム外に放出されてもよく、図８（ａ）に示す超純水製造装置で再利用されてもよい（図中の＊印）。

図８（ｂ）は排水に嫌気性処理及び好気性処理を行うプロセスを示している。嫌気性処理と好気性処理は各々、嫌気性微生物と好気性微生物を用いた排水処理であるが、本例では嫌気性処理（メタン発酵）の最適温度が３６〜３８℃（中温発酵）、５３〜５５℃（高温発酵）と比較的高温であるため、予め加温する必要がある。中温発酵の場合は３０〜３５℃の範囲とすることもできる。一方、好気性処理の適正温度は３０℃程度であるため、嫌気性処理が終わった排水を冷却する必要がある。図８（ｃ）は好気性処理のみを行う例を示したものであり、好気性処理の最適温度である２０〜３０℃程度まで、排水が加温される。

図８（ｄ）は排水をアンモニアストリッピング処理するプロセスを示している。アンモニアストリッピング処理とは、遊離アンモニアに蒸気や空気を吹き込んで、遊離アンモニアを排水中から除去する処理である。この処理は排水が比較的高温で供給されることが望ましいため、ストリッピング装置の入口側に加熱ポイントが設けられている。アンモニアストリッピング処理はｐＨが高いほど効率が良く、最適温度は２０〜３５℃程度である。

以上説明した嫌気性処理、好気性処理及びストリッピング処理が終了した後は、排水の温度調整は不要である。しかし、他の加熱ポイントにおいて必要とされる熱量を得るために、上記処理を受けた排水から必要に応じて吸熱することができる。そこで、これらの装置の出口側に、吸熱が可能なポイントであるという意味で冷却ポイントが設けられている。また、これらのポイントを逆に、必要に応じてヒートポンプにて吸熱した熱の排出先として利用してもよい。

図８（ｅ）は、超純水が使用されたシステムから回収された排水の処理システムを示している。使用可能な排水としては、例えば半導体製造の際にウエハのリンスで用いた純水など、比較的清浄なものが挙げられる。排水は、過酸化水素が混合された後に紫外線酸化装置１０１に送られ、主に排水中のＴＯＣ(total organic carbon)成分が除去される。次に排水は、冷却ポイント１０２で冷却された後、活性炭塔１０３で有機物や臭気成分を除去され、イオン交換装置１０４に送られる。紫外線酸化装置１０１では、排水が数時間滞留し、温度がかなり上昇することがある。そこで、紫外線酸化装置１０１の出口側に冷却ポイント１０２が設けられている。

図９は、水処理システムのメンテナンスの際に熱水殺菌を行う場合のプロセスを示している。ここでは、処理水を軟化（ＣａイオンやＭｇイオンの除去）し、活性炭処理して原水とし、その原水をＲＯ膜装置、イオン交換装置（電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ））に通した後に、フィルタ処理と紫外線酸化を行うシステムの例を示している。図９（ａ）は活性炭とＲＯ膜を熱水殺菌する場合の例であり、通常時にはラインから隔離されている熱水源をラインに接続し、熱水源から破線で示すルートで熱水を供給し、ＲＯ膜装置と活性炭塔とが熱水殺菌される。処理が終了すると、熱水は冷却されて排水される。図９（ｂ）はＥＤＩ、フィルタ及び紫外線酸化装置を熱水殺菌する場合の例であり、通常時にはラインから隔離されている熱水源（加熱熱交）をラインに接続し、熱水源から破線で示すルートで熱水を供給し、ＥＤＩが熱水殺菌される。処理が終了すると、熱水は冷却されて排水される。熱殺菌後のブロー水（冷却熱交への流入水）は高温水であるため、ヒートポンプの熱源として使用することができる。

図８、９においては排熱配管区間と吸熱配管区間を太線で示しているが、以上説明したように、水処理システムにおいては通常運転時、メンテナンス時を問わず、様々な排熱配管区間及び吸熱配管区間が存在している。また、以上の説明から、水処理システムでは多くの部位が２０〜３５℃程度の温度範囲に制御すべき箇所が多いことが理解されよう。

次に、以上説明した水処理システムを、実施例によってさらに詳細に説明する。図１（ｂ）に示すのと同様の装置（装置３，４は設けていない）において、出力１．５ｋＷのコンプレッサを備えた蒸気圧縮式ヒートポンプを用いて、空気を熱源として、配管１２を流れる水を加熱した。加熱対象水のヒートポンプ入口側水温は２１℃、周囲の空気温度は２３℃であった。加熱対象水の流量を変化させることでヒートポンプ出口側水温を変化させた。このときの、流量毎の出口側水温、消費エネルギー、成績係数（ＣＯＰ）は以下の通りとなった。

従来のヒートポンプでは、加熱対象水のヒートポンプ出口側水温を高めに設定することが多い。これに対し、加熱対象水のヒートポンプ出口側水温を低めに設定するとＣＯＰが著しく改善される。２０〜３５℃の温度範囲では特に高いＣＯＰが得られた。これは、凝縮温度と蒸発温度の差が小さくなっているためであると考えられる。

１〜６第１〜６の装置
１１，１３第１，第３の配管（吸熱配管区間）
１２，１４第２，第４の配管（排熱配管区間）
２１ヒートポンプ

Claims

複数の水処理装置と、
それぞれが、互いに隣接する前記複数の水処理装置同士を接続し、内部を水が流れる第１及び第２の配管区間と、
前記第１の配管区間との間で冷媒の蒸発工程が、前記第２の配管区間との間で前記冷媒の凝縮工程が生じるように、前記第１の配管区間と前記第２の配管区間の間に位置する蒸気圧縮式ヒートポンプと、
前記第１の配管区間と前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられ、前記第１の配管区間からの吸熱のみを前記蒸気圧縮式ヒートポンプに伝達する第１の中間ループと、前記第２の配管区間と前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられ、前記蒸気圧縮式ヒートポンプからの排熱のみを前記第２の配管区間に伝達する第２の中間ループと、を有し、
前記蒸気圧縮式ヒートポンプは、前記第１の配管区間と前記第２の配管区間のいずれか一方の、前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の出口側における水の温度が２０〜３５℃となるように構成されている、水処理システム。
前記第１の配管区間と前記第２の配管区間のいずれか他方の、前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の入口側で温度２０〜３５℃の水が流れるようにされている、請求項１に記載の水処理システム。
入口側で前記第２の配管区間と接続された逆浸透膜装置を有し、前記蒸気圧縮式ヒートポンプは、前記第２の配管区間を流れる水を、水温が２３〜２５℃となるように加熱する、請求項１または２に記載の水処理システム。
入口側で前記第２の配管区間と接続された紫外線酸化装置を有し、前記蒸気圧縮式ヒートポンプは、前記第２の配管区間を流れる水を、水温が２０〜３０℃となるように加熱する、請求項１または２に記載の水処理システム。
入口側で前記第２の配管区間と接続されたアンモニアストリッピング装置を有し、前記蒸気圧縮式ヒートポンプは、前記第２の配管区間を流れる水を、水温が２０〜３５℃となるように加熱する、請求項１または２に記載の水処理システム。
入口側で前記第２の配管区間と接続された好気性処理装置を有し、前記蒸気圧縮式ヒートポンプは、前記第２の配管区間を流れる水を、水温が２０〜３０℃となるように加熱する、請求項１または２に記載の水処理システム。
それぞれが互いに隣接する水処理装置同士を接続する第１及び第２の配管区間に水を通水することと、
前記第１及び第２の配管区間の一方との間で冷媒の凝縮工程が、他方との間で前記冷媒の蒸発工程が行われるように蒸気圧縮式ヒートポンプを運転することと、
を含み、
前記第１の配管区間からの吸熱のみが、前記第１の配管区間と前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられた第１の中間ループによって前記蒸気圧縮式ヒートポンプに伝達され、前記蒸気圧縮式ヒートポンプからの排熱のみが、前記第２の配管区間と前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間に設けられた第２の中間ループによって前記第２の配管区間に伝達され、
前記蒸気圧縮式ヒートポンプを運転することは、前記第１の配管区間の、前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の出口側における水の温度が２０〜３５℃となるように制御することを含む、水処理方法。