JP5843921B2 - 淡水化装置及び淡水化方法 - Google Patents

Description

本発明は、塩素処理した後の原水を還元剤により中和処理する際に、円滑且つ効率的に行うことができる淡水化装置及び淡水化方法に関する。

海水淡水化設備においては、脱塩処理することにより原水（海水）を淡水化させて上水として使用するための海水淡水化装置（以下、淡水化装置という）が用いられている。

このような淡水化装置は、原水である海水中の濁質分を除去するために、ＭＯ膜（逆浸透膜）、ＵＦ膜（限外濾過膜）又はＭＦ膜（精密濾過膜）等を用いた前処理装置が用いられている。また、原水に対しては、一般に殺菌、殺藻や有機物、鉄、マンガン、アンモニアなどを除去する目的で、塩素剤（塩素含有水）を原水に加える塩素処理を行っている。この塩素処理は、例えば液化塩素、次亜塩素酸ソーダ、塩水の電解によって生成する塩素などを用いるようにしている。

この塩素処理及び濾過処理したものを、ＲＯ膜を備えた逆浸透膜装置で脱塩処理している。ところで、前記ＲＯ膜が塩素耐性の材料（例えば酢酸セルロール等）を用いている場合には、問題がないが、塩素耐性を有しない材料（例えばポリアミド膜）をＲＯ膜としている場合には、逆浸透膜装置の前段側において、還元剤を用いて塩素の中和処理をする必要がある。

この還元剤として、例えば重亜硫酸ソーダ（Sodium bisulfate soda「ＳＢＳ」という)が用いられている（特許文献１〜３）。この従来の塩素処理及び中和処理を行う淡水化装置の一例を図５に示す。

図５に示すように、従来の淡水化装置１００は、塩素含有水１２を供給した原水１１中の濁質分を濾過する前処理膜１３ａを有する前処理装置１３と、前記前処理装置１３からの濾過水１４から塩分を除去して透過水１５を生産する逆浸透膜（ＲＯ膜）１６を有する逆浸透膜装置１７と、逆浸透膜装置１７の前流側で濾過水１４にＳＢＳ溶液１８を供給する還元剤タンク１９とを具備してなり、濁質分の除去と塩素処理とを行っている。なお、図５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。

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

ところで、塩素含有水１２をＳＢＳ溶液１８で中和する際には、塩素を直接定量するのが理想的であるが、分析装置が高価であるために、濾過水１４中の酸化還元電位（ＯＲＰ）を図示しないＯＲＰ計により計測して、中和の終了を確認しているが、該ＯＲＰ計は、原水１１の性状（ｐＨ等）や、ＯＲＰ電極の連続使用による電極汚れや、ＯＲＰ計自体の製造要因のぶれ等の要因で絶対値が変動することがある。

このため、ＳＢＳ溶液１８を濾過水１４に添加する際、添加後の原水１１のＯＲＰの絶対値を直接測定し、これを目標値にＳＢＳ溶液の供給量を制御しようとすると、前記誤差の影響を受けてＳＢＳ溶液１８の注入量不足、又は注入量過剰となり、この結果、注入量不足の場合には、後段の逆浸透膜１６の損傷を起こしたり、注入量過剰の場合には、ランニングコストが嵩んだり、ＳＢＳ起因の硫黄化合物が逆浸透膜に付着し、閉塞等の問題を引きおこしたりするような場合がある。

本発明は、前記問題に鑑み、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、円滑且つ効率的に行うことができる淡水化装置及び淡水化方法を提供することを課題とする。

発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意研究を行っていたが、ＯＲＰ計の絶対値には個体差があるものの、酸化剤（塩素）とＳＢＳの当量点でＯＲＰ計の指示値が急激に変化する値については種々の変動要因の影響を受けずに、常に安定していることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明の淡水化装置は、塩素含有水を添加した原水から塩分を除去して透過水を生産する逆浸透膜を有する逆浸透膜装置と、前記逆浸透膜装置の前流側において、添加した塩素を中和する還元剤注入装置とを具備し、前記還元剤注入装置は、原水の一部を抜出水として抜き出す抜き出しラインと、前記抜き出しラインに設けられ、前記抜出水に定量用の還元剤溶液を供給する定量用還元剤供給部と、前記抜出水と前記定量用の還元剤溶液との混合液の酸化還元電位を計測する酸化還元電位（ＯＲＰ）計と、前記酸化還元電位（ＯＲＰ）によって測定された酸化還元電位により当該酸化還元電位の最大変化部である当量点を算出し、算出した当量点に基づいて前記逆浸透膜装置の前流側における原水に供給する前記還元剤溶液の添加量を制御する演算制御処理部とを具備することを特徴とする。

本発明の淡水化装置においては、塩素含有水を添加した原水中の濁質分を濾過する前処理膜を有することが好ましい。

本発明の淡水化方法は、塩素含有水を添加した原水から塩分を除去して透過水を生産する逆浸透膜を有する逆浸透膜装置を用いて淡水化する方法であって、原水の一部を抜出水として抜き出して、前記抜出水に定量用の還元剤溶液を添加しつつ、前記抜出水と前記定量用の還元剤溶液との混合液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、この濃度に対応した還元剤溶液を原水に供給し、逆浸透膜装置に供給する原水を中和することを特徴とする。

本発明によれば、塩素処理した後の原水に対し、還元剤を用いて中和処理する際に、濾過水の一部を抜き出して、別途ＯＲＰ計測を行い、その当量点での中和情報を元に、原水に供給するＳＢＳ溶液の供給を最適化することができ、中和処理を確実に且つ効率的に行うことができる。

図１は、本実施例に係る淡水化装置の概略図である。 図２は、本実施例に係る還元剤注入装置の概略図である。 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。 図４は、原水のｐＨを変化させた際におけるＯＲＰ値とＳＢＳ／ＣｌＯモル比との関係図である。 図５は、従来技術に係る淡水化装置の概略図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明に係る実施例に係る淡水化装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例に係る淡水化装置の概略図である。なお、従来技術で説明した淡水化装置の構成部材と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。図１に示すように、本実施例に係る淡水化装置１０は、塩素含有水１２を添加した原水１１中の濁質分を濾過する前処理膜１３ａを有する前処理装置１３と、前記前処理装置１３からの濾過水から塩分を除去して透過水を生産する逆浸透膜（ＲＯ膜）１６を有する逆浸透膜装置１７と、前記逆浸透膜装置１７の前流側において、添加した塩素を中和する還元剤注入装置３０とを具備してなり、前記還元剤注入装置３０が、濾過水１４の一部１４ａを抜き出して、定量用還元剤であるＳＢＳ溶液１８ａ（図２参照）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（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還元剤であるＳＢＳ溶液１８を濾過水１４中に供給し、塩素を中和するものである。

なお、本発明においては、塩素含有水１２を添加した原水１１中の濁質分を濾過するために、前処理膜１３ａを有する前処理装置１３を設置した一例を示しているが、本発明はこれに限定されず、当該前処理装置１３の設置を不要としてもよい。

図２は、本実施例に係る還元剤注入装置の一例を示す。図２に示すように、本実施例に係る還元剤注入装置３０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１４ａをサンプル水として抜出す抜出ライン３１と、抜出された一部抜出水１４ａに定量用の還元剤溶液であるＳＢＳ溶液１８ａ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３２と、定量用ＳＢＳ溶液１８ａが添加された混合液１４ｂの酸化還元電位を計測する電極３３ａ及び測定部３３ｂを有する酸化還元電位（ＯＲＰ）計３３とを具備するものである。

そして、定量用ＳＢＳ溶液１８ａを一部抜出水１４ａに供給しつつＯＲＰ計３３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１８ａの還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）を求め、この還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）となるように、逆浸透膜装置１７の前流側における濾過水１４に供給するＳＢＳ溶液１８の添加量を算出し、還元剤タンク１９からＳＢＳ溶液１８を濾過水１４に供給する流量調節制御の演算制御処理を演算装置３４により行うようにしている。図２中、符号３５は一部抜出水１４ａを測定部３３ｂに供給する定量ポンプ、３６は定量用ＳＢＳ溶液１８ａを供給する流量可変定量ポンプ、３７はシーケンサー、３８はＳＢＳ溶液１８の供給量を制御する制御弁、３９は流量調節計、４６は排水を各々図示する。

図２に示すように、前処理装置１３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１４ａ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３３ｂに供給する。シーケンサー３７からの信号を受けた流量可変定量ポンプ３６によりサンプル水である一部抜出水１４ａに定量用ＳＢＳ溶液１８ａ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１４ｂの酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定部３３ｂで計測し、ＯＲＰ計３３とシーケンサー３７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１８の供給流量を算出し、流量調節の制御弁３８に信号を発信する演算機能を演算制御処理部３４により行う。

ここで、前記操作において、ＯＲＰ計３３の測定部３３ｂ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１７に供給する濾過水１４に添加するＳＢＳ溶液１８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３４での演算内容と、流量調節計３９への出力内容について説明する。
１） 一定流量のサンプル水１４ａに定量用ＳＢＳ溶液１８ａを、供給流量を変えながら混合し、混合後の混合液１４ｂの酸化還元電位（ＯＲＰ）を、測定部３３ｂの電極３３ａで測定し、ＯＲＰ計３３でその結果を求める。ここで、定量用ＳＢＳ溶液１８ａ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３７からの信号により、流量可変定量ポンプ３６を変化させることで行う。
２） 流量可変定量ポンプ３６からＯＲＰ測定部３３ｂにいたる液の滞留時間および電極３３ａ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１８ａ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３７からの定量用ＳＢＳ溶液１８ａの供給流量信号は、同時に演算装置３４にも送られ、ここでまず、ＯＲＰ計３３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３３ｂ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。前記（１）式にて、Ｃ1、Ｆ2の変数はあらかじめ演算装置３４に入力しておき、Ｆ1は供給流量変化ごとにシーケンサー３７から自動入力される。
４） 次に、演算装置３４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３４にて前記当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）となるよう、逆浸透膜装置１７の前流に供給するＳＢＳ溶液１８の流量（Ｆ３）を（２）式により算出し、対応する信号が流量調節計３９に発信される。なお、（２）式にてＦ4、Ｃ3の変数はあらかじめ演算装置３４に入力しておく。
６） なお、各機器の検出誤差等を考慮した場合には、（２）式の当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）の代わりに（Ｃｓｍ＋α）を代入して算出したＦ3に対応する信号を、流量調節計３９に発信することもできる。ここで、αの値は調整値として機器仕様、実際の海水での実測値により適宜決められる。

前記演算装置３４から流量調節計３９へ発信される信号は、前記１）〜５）までの一連のステップが完了する毎とし、その間隔はあらかじめ設定しておく。

ここで、従来においては、ＯＲＰの値は海水の性状（ｐＨ等）、ＯＲＰ電極の汚れ、ＯＲＰセンサー自体のロット差等の要因で絶対値が変動している。したがってＳＢＳ溶液を添加する際、添加後の濾過水のＯＲＰの絶対値を直接測定し、これを目標値にＳＢＳ供給量を制御しようとすると、前記誤差の影響を受けてＳＢＳ注入量が不足、又は注入量が過剰となる。そして、注入量不足の場合には後段のＲＯ膜の損傷を起こしたり、注入量過剰の場合には、ランニングコストがかさんだり、ＳＢＳ起因の硫黄化合物がＲＯ膜に付着して閉塞の問題を引きおこしていた。

これに対し、本発明においては、（１）塩素と還元剤であるＳＢＳ溶液との当量点でＯＲＰ値が急激に変化すること、（２）当量点は海水の性状、ＯＲＰ電極の汚れ、ＯＲＰ電極等の従来では影響を受けていた変動要因の影響を受けず、常に安定していることを見出し、これに基づき、本発明の完成に至った。

すなわち、塩素含有水１２として、例えば次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）溶液を使用した場合、ＳＢＳ（ＮａＨＳＯ₃）溶液との酸化還元反応は次の式で示される。
ＮａＣｌＯ＋ＮａＨＳＯ₃→ＮａＨＳＯ₄＋ＮａＣｌ
本反応式にもとづき、ＮａＣｌＯ／ＮａＨＳＯ₃ ＝１(ｍｏｌ／ｍｏｌ)が当量点となり、この付近でＯＲＰは最大変化する。ＮａＣｌＯを含むサンプル水中に加えるＮａＨＳＯ₃量を変化させ、図３に示したとおり、ＯＲＰが最大変化する当量点に対応する還元剤添加濃度（（Ｃｓｍ）所謂還元剤添加濃度）を求めれば、これが当量濃度となる。この当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）となるようＲＯ供給水である濾過水１４へのＳＢＳ溶液１８の供給流量を前述した（２）式により算出し、ＳＢＳ供給流量を調節する。

本発明により、ＳＢＳを過不足なく安定して注入できるので、注入量不足および過剰注入に起因する前記諸問題が解決され、安定したＳＢＳの供給制御が可能となる。なお、本発明は原水１１として海水に限定されるものでは無く、河川水、地下水等かん水に対しても適用可能である。また、塩素含有水１２として次亜塩素酸、塩素酸、塩素ガス溶解水等の有効塩素を含む塩素化合物であれば、すべて本発明が適用可能である。

［試験例］
次に、本発明の効果を示す試験例について説明する。ここで、図４は、原水のｐＨを変化させた際におけるＯＲＰ値とＳＢＳ／ＣｌＯモル比との関係図である。本試験では、ｐＨの値を三種類とした（ｐＨ＝６．０、ｐＨ＝６．５、ｐＨ＝７．０）。

図４に示すように、ｐＨの変動（ｐＨ＝６．０、ｐＨ＝６．５、ｐＨ＝７．０）があった場合においても、ＯＲＰが最大変化する当量点に対応する還元剤添加濃度（Ｃｓｍ）はほぼ同じであり、還元剤の添加を確実に行うことができることが確認された。

よって、還元剤であるＳＢＳを過不足なく安定して注入できるので、注入量不足および過剰注入に起因する従来技術における諸問題が解決され、安定したＳＢＳの供給制御が可能となる。

以上のように、本発明に係る淡水化装置によれば、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、円滑且つ効率的に行うことができる。

１０、１００ 淡水化装置
１１ 原水
１３ 前処理装置
１３ａ 前処理膜
１４ 濾過水
１５ 透過水
１６ 逆浸透膜
１７ 逆浸透膜装置
１８ ＳＢＳ溶液
１９ 還元剤タンク
３０ 還元剤注入装置

Claims (3)

1. 塩素含有水を添加した原水から塩分を除去して透過水を生産する逆浸透膜を有する逆浸透膜装置と、
   前記逆浸透膜装置の前流側において、添加した塩素を中和する還元剤注入装置とを具備し、
   前記還元剤注入装置は、
   原水の一部を抜出水として抜き出す抜き出しラインと、
   前記抜き出しラインに設けられ、前記抜出水に定量用の還元剤溶液を供給する定量用還元剤供給部と、
   前記抜出水と前記定量用の還元剤溶液との混合液の酸化還元電位を計測する酸化還元電位（ＯＲＰ）計と、
   前記酸化還元電位（ＯＲＰ）によって測定された酸化還元電位により当該酸化還元電位の最大変化部である当量点を算出し、算出した当量点に基づいて前記逆浸透膜装置の前流側における原水に供給する前記還元剤溶液の添加量を制御する演算制御処理部とを具備することを特徴とする淡水化装置。
2. 請求項１において、
   塩素含有水を添加した原水中の濁質分を濾過する前処理膜を有することを特徴とする淡水化装置。
3. 塩素含有水を添加した原水から塩分を除去して透過水を生産する逆浸透膜を有する逆浸透膜装置を用いて淡水化する方法であって、
   原水の一部を抜出水として抜き出して、前記抜出水に定量用の還元剤溶液を添加しつつ、
   前記抜出水と前記定量用の還元剤溶液との混合液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、この濃度に対応した還元剤溶液を原水に供給し、逆浸透膜装置に供給する原水を中和することを特徴とする淡水化方法。

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