JP5880432B2

JP5880432B2 - 塩水淡水化装置

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Publication number: JP5880432B2
Application number: JP2012514663A
Authority: JP
Inventors: 亘杉浦; 錦花朴
Original assignee: Toray Industries Inc
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Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2016-03-09
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Description

本発明は、逆浸透膜モジュールを用いて塩水から淡水を得る塩水淡水化装置に関するものであって、詳しくは、該逆浸透膜モジュールを洗浄する洗浄水の注入方法に特徴を有する塩水淡水化装置に関するものである。

逆浸透膜法による海水淡水化及びかん水淡水化は、相変化無しに塩分や有害物質を分離除去でき、運転管理が容易でエネルギー的に有利であることから、飲料用或いは工業用の淡水を取得する分野で利用されている。逆浸透膜の透過性、分離性の低下を防ぐために、通常、海水やかん水を逆浸透膜に供給する前に、砂ろ過、凝集沈殿、加圧浮上、精密ろ過膜と限外ろ過膜のろ過などの方法を用いて前処理を行った上で、さらに膜表面を定期的に洗浄する。

膜表面の定期的な洗浄方法としては、亜硫酸水素ナトリウム、特殊な殺菌剤や硫酸による運転中の間欠洗浄に加え、一定期間の運転後に淡水化装置を停止させ、クエン酸による酸洗浄、及び、苛性ソーダによるアルカリ洗浄を行う定期洗浄などが挙げられる。

間欠洗浄では、硫酸などの酸を間欠的に供給する殺菌方法が開発され（特許文献１）、多くのプラントで実用化されてきた。しかしながら、この間欠洗浄では、一時的に膜表面に付着した微生物層や金属イオンの析出物を除去することはできるが、間欠洗浄のみではこれら汚染物質の蓄積を完全に防止することはできず、いずれは設備を停止しての定期洗浄操作が必要となる。

定期洗浄では、淡水化装置に併設され、洗浄水と洗浄薬品を混合及び備蓄する洗浄タンク、洗浄タンク内の洗浄水を該淡水化装置に送液するための洗浄ポンプ、及び、洗浄水中の粒子状物質を除去するためのフィルターから成る洗浄設備を用い、洗浄タンクにクエン酸又は苛性ソーダを投入し、クエン酸水溶液濃度１〜３％若しくは苛性ソーダ水溶液ｐＨ１０〜１２となるように溶解、希釈し、洗浄ポンプを用いて逆浸透膜モジュールに送液して行う。逆浸透膜を洗浄した洗浄水は、洗浄戻り配管を経由して洗浄タンクに循環する。

逆浸透膜の透過原理から、海水またはかん水など、ある程度の塩分を含んだ供給水が逆浸透膜を透過するには、高圧ポンプなどを用いて供給水の圧力を浸透圧以上にする必要がある。浸透圧は塩分濃度と関係するが、例えば海水を逆浸透膜で分離する場合、最低３MPa程度以上、実用性を考慮すると少なくとも５MPa程度以上の圧力が必要となる。かん水の場合でも最低１MPa程度以上の圧力が必要となる。従って、淡水化装置において、圧力の高い液体が通る部分、すなわち、高圧ポンプと、高圧ポンプから逆浸透膜モジュールまでの配管と関連バルブ、及び逆浸透膜モジュールからの濃縮水の配管とバルブは、耐圧性のあるステンレス鋼を使用する。

しかし、ステンレス鋼の耐腐食性には限界がある。金属の腐食に影響する因子は様々であるが、根本的には金属が持つ電位と関係する。環境によって金属表面には異なる皮膜が生成されるが、その皮膜の性質によって電位は影響を受ける。ステンレス鋼は、濃硫酸、濃硝酸、塩素イオンを含まない淡水と中性溶液、アルカリ性溶液では表面に不動態皮膜が形成され、性質が安定となり腐食しにくい。しかし、塩酸、希硫酸、海水の中では不動態皮膜が形成されない或いは不安定となるため、腐食が発生する。塩素イオンを含む海水が酸性である環境では、ステンレス鋼の腐食はさらに促進される。実際の海水淡水化プラントで、高圧配管に一番多く使われるステンレス鋼３１６Ｌと３１７Ｌが数ヶ月後で腐食し始めたという実例も多数報告されている（例えば、非特許文献１など。）。希硫酸に耐える目的で開発された、耐腐食性のより強い９０４Ｌなどのステンレス鋼の場合でも隙間腐食が起きている（非特許文献２）。電位の異なる金属同士の接触も腐食に大きく影響する。淡水化装置には、配管と配管、配管とポンプの接続部分や溶接部分が多く存在するが、これらの部位で隙間腐食や孔食が発生しやすい。

配管やポンプが腐食すると、前処理後の逆浸透膜への供給水の水質に悪影響を与えるだけでなく、場合によってはプラントを停止してメンテナンスする必要がある。よりメンテナンス性を高めるために、耐腐食性の極めて高い２５４SMOのような[ASTM A31254]や[UNS S31254]相当品のスーパー・オーステナイト・ステンレス鋼や二相ステンレス鋼などの高価な材質を採用するプラントも1990年代中頃から建設されている。しかし、これらの耐腐食性の高いステンレス鋼の価格は、通常３１６Lや３１７Lの２−３倍であるため、これらの耐腐食性の高いステンレス鋼を採用すると装置の設備費が高くなり、造水コストも高くなる。

淡水化装置において、ステンレス配管の腐食問題を抑制しようとする試みはいくつか行われている。例えば特許文献２では、スーパー・オーステナイト・ステンレス鋼またはチタン材等の耐食性材質からなる筒状の耐食性配管と、この内部管体を覆って設けられた耐圧性配管を有する金属製の耐圧性外殻と、この外殻管体と前記内部管体との間に充填されるプラスチック・セメント材等からなるシーリング材とを備えたコンポジット構造の配管を提案している。こういうアイデアで作られた配管は安価で堅牢とは言えるが、配管製造工程が複雑であり、かつ配管性能の安定性を評価する必要があるなど、実用化までに解決すべき課題は多い。もう一つ配管腐食問題に注目した特許文献３では、ポリカルボン酸等の有機酸を被処理液に添加することにより高圧配管の腐食抑制を図るものである。しかし、有機酸を添加することにより配管腐食はある程度抑制されるとしても、薬品使用費がかかりコストアップになること、また廃水中の有機物濃度が上昇し、場合によっては再処理する必要があり環境への負担が高くなる等の弱点がある。

洗浄設備と逆浸透膜設備とを接続する箇所については、できるだけ洗浄水の送液に抵抗となる機器を経由しないよう、逆浸透膜モジュールの直前から洗浄液体を注入し、洗浄タンクへの戻り配管は逆浸透膜モジュールの下流直後に接続（特許文献４）することが一般的である。そのため、洗浄液体注入箇所については、供給塩水と洗浄液体とを切り替える弁に、洗浄液体の戻り分岐箇所については、濃縮塩水と洗浄戻り液体とを切り替える弁に、それぞれ高耐圧性、及び高耐腐食性を有する弁を採用している。

通常、洗浄設備と逆浸透膜設備とを接続する箇所に使用する弁については、ボール弁、グローブ弁、バタフライ弁など様々な形式の弁を使用することができるが、いずれの弁を用いても内漏れが発生する可能性がある。内漏れとは、弁座と弁体の僅かな隙間から、弁前後の高圧側から低圧側に流体が漏れ流れることを指す。洗浄設備と逆浸透膜設備を遮断する弁は、その前後の差圧が大きい上に、洗浄時の汚れ成分が弁座や弁体に付着することにより内漏れが発生しやすい。内漏れが発生すると、１〜１０MPa程度の圧力をもった塩水や濃縮水が、低圧材料で構成された洗浄設備に流入し、最悪の場合、配管、弁栓類や継ぎ手が破裂する可能性があった。この内漏れを防止する有効な対策方法は無く、弁を２重にして冗長化を図るか、内漏れが発生しても洗浄配管内が昇圧しないよう逃がし弁を設けるなどの対処療法しか無かった。

日本国特開２０００−２３７５５５号公報日本国特開２００１−１３７６７１号公報国際公開第０２／０８０６７１号日本国特開平１０−４６４号公報

ＦａｙｙａｚＭｕｄｄａｓｓｉｒＭｕｂｅｅｎ、ＩＤＡＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓ（２００５）：ＳＰ０５−００１ＪａｎＯ．Ｏｌｓｓｏｎ、ＭａｌｉｎＭ．Ｓｎｉｓ、ＩＤＡＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓ（２００５）：ＳＰ０５−０３６

本発明の目的は、逆浸透膜モジュールを用いて海水やかん水などの塩水から淡水を得る塩水淡水化装置において、比較的高価な高圧耐性の遮断弁の数量を削減すること、および、高圧の塩水や濃縮水が洗浄配管に流入し破裂する事故を防ぐことである。

前記課題を解決するための本発明は、次の（１）〜（２）の特徴を有するものである。
（１）塩水を昇圧する供給ポンプ、
昇圧された塩水を淡水と濃縮水とに分離する逆浸透膜からなる逆浸透膜モジュール、および
逆浸透膜モジュールを洗浄するための洗浄装置
を備えた塩水淡水化装置において、
供給ポンプと逆浸透膜モジュールとを結合する管路の少なくとも一部、および／または、逆浸透膜モジュールから排出される濃縮水の管路の少なくとも一部が取り外し式の配管からなり、
取り外し式の配管を取り外すことで、逆浸透膜モジュールの上流側の管路、および／または、逆浸透膜モジュールから排出される濃縮水の管路が洗浄装置と結合可能となる機構を備えた塩水淡水化装置。
（２）前記取り外し式の配管と前記管路が溝式継ぎ手で結合されている、（１）に記載の塩水淡水化装置。

本発明によれば、塩水供給管路における切り替え弁、あるいは、濃縮水導出管路における切り替え弁に換え、取り外し式の配管のみを用いることができるため、塩水淡水化装置におけるコスト削減が可能となる。また、物理的に通常運転配管と洗浄配管を切り離すことができるため、高圧の塩水や濃縮水が洗浄配管に流入し破裂する事故を未然に防ぐことができる。

図１は、本発明の塩水淡水化装置（エネルギー回収装置の無いケース）を示すフロー図である。図２は、本発明の塩水淡水化装置（容積式エネルギー回収装置を用いたケース）を示すフロー図である。図３は、本発明の塩水淡水化装置（タービン式エネルギー回収装置を用いたケース）を示すフロー図である。図４は、本発明の取り外し式配管を示す図１〜３に係る詳細図である。図５は、本発明の取り外し式配管を示す図１〜３に係る詳細図である。図６は、従来の塩水淡水化装置（エネルギー回収装置の無いケース）を示すフロー図である。図７は、従来の塩水淡水化装置（容積式エネルギー回収装置を用いたケース）を示すフロー図である。図８は、従来の塩水淡水化装置（タービン式エネルギー回収装置を用いたケース）を示すフロー図である。

本発明の実施形態を説明するために、まず、従来の塩水淡水化装置における洗浄水供給管路の結合方法を比較例として、エネルギー回収装置の無いケース（図６）、容積式エネルギー回収装置を用いたケース（図７）、及びタービン式エネルギー回収装置を用いたケース（図８）について説明する。

エネルギー回収装置の無いケース（図６）の塩水淡水化装置は主に、供給ポンプ１、逆浸透膜（RO膜）からなる逆浸透膜モジュール２、一端が前処理設備に結合し、他端が供給ポンプ１に結合された塩水供給管路９、一端が供給ポンプ１に結合し、他端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合した逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、一端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合し、他端が逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に結合された第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、一端が逆浸透膜モジュールの淡水導出部に結合され、他端が淡水回収設備に結合した淡水取出管路１９、一端が逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部に結合され、他端が濃縮水絞り弁２５に結合された逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、一端が濃縮水絞り弁２５に結合され、他端が低圧濃縮水管路分岐部２７に結合された第２の逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２６、一端が低圧濃縮水管路分岐部２７に結合され、他端が濃縮水収集設備に結合した濃縮水払出管路２２、洗浄水を貯留する洗浄タンク５、洗浄水を逆浸透膜設備に供給する洗浄ポンプ６、一端を洗浄タンク５の洗浄水導出部に結合され、洗浄ポンプ６を経由し、他端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合した洗浄水供給管路２３、一端が低圧濃縮水管路分岐部２７に結合し、他端が洗浄タンク５の洗浄水戻り部に結合した洗浄水戻り管路２４、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７上にあって、洗浄運転時に遮断する塩水供給管路遮断弁３２、洗浄水供給管路２３上にあって、通常の造水運転時に遮断する洗浄水供給管路遮断弁３３、濃縮水払出管路２２上にあって、洗浄時に遮断する低圧濃縮水遮断弁２９、かつ、洗浄水戻り管路２４上にあって、通常の造水運転時に遮断する低圧洗浄水戻り遮断弁２８からなる。

エネルギー回収装置の無いケース（図６）の塩水淡水化装置を用いて塩水を淡水化するフローは、典型的には次に述べる通りである。前処理設備から導入された塩水が塩水供給管路９から流入し、供給ポンプ１により加圧され、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、及び第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を経由して逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に供給される。この際、塩水が洗浄水供給管路２３に流入しないよう、塩水供給管路遮断弁３２は開、洗浄水供給管路遮断弁３３は閉としておく。逆浸透膜モジュール２にて、逆浸透膜法により淡水、及び濃縮水に分離され、淡水は淡水取出管路１９を通り淡水回収設備へ払い出される。濃縮水は逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０を経由し、濃縮水絞り弁２５で減圧された後、第２の逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２６、及び濃縮水払出管路２２を経由して濃縮水回収設備へ払い出される。この際、濃縮水が洗浄水戻り管路２４に流入しないよう、低圧濃縮水遮断弁２９は開、低圧洗浄水戻り遮断弁２８は閉としておく。

エネルギー回収装置の無いケース（図６）の逆浸透膜モジュール２を洗浄するフローは、典型的には、次に述べる通りである。洗浄タンク５内で調整された洗浄水は、洗浄ポンプ６にて必要な圧力に昇圧され、洗浄水供給管路２３と第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を経由して逆浸透膜モジュール２に供給される。この際、洗浄水が逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７に逆流しないよう、塩水供給管路遮断弁３２は閉、洗浄水供給管路遮断弁３３は開としておく。洗浄後の排水は、大部分が逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部から取り出され、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、第２の逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２６、及び洗浄水戻り管路２４を経由して洗浄タンク５に循環する。この際、洗浄後の洗浄水が濃縮水払出管路２２に流出しないよう、低圧濃縮水遮断弁２９は閉、低圧洗浄水戻り遮断弁２８は開としておく。なお、一部、逆浸透膜モジュール２から淡水取出管路１９に払い出される洗浄後の洗浄水は、淡水取出管路１９上に設けられた分岐部から洗浄タンク５に循環させるが、本図では省略している。

容積式エネルギー回収装置を用いたケース（図７）の塩水淡水化装置は主に、供給ポンプ１、逆浸透膜（RO膜）からなる逆浸透膜モジュール２、容積式エネルギー回収装置３、ブースターポンプ４、一端が前処理設備に結合し、他端が塩水供給管路分岐部１０に結合した塩水供給管路９、一端が塩水供給管路分岐部１０に結合し、他端が供給ポンプ１に結合された供給ポンプ吸込管路１１、一端が供給ポンプ１に結合し、他端が供給ポンプ吐出管路結合部１６に結合された供給ポンプ吐出管路１２、一端が塩水供給管路分岐部１０に結合し、他端が容積式エネルギー回収装置３に結合された容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路１３、一端が容積式エネルギー回収装置３に結合し、他端がブースターポンプ４に結合され、かつ、容積式エネルギー回収装置３において、容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路１３に導通している容積式エネルギー回収装置塩水吐出管路１４、一端がブースターポンプ４に結合し、他端が供給ポンプ吐出管路結合部１６に結合されたブースターポンプ吐出管路１５、一端が供給ポンプ吐出管路結合部１６に結合され、他端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合された逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、一端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合され、他端が逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に結合された第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、一端が逆浸透膜モジュールの淡水導出部に結合され、他端が淡水回収設備に結合した淡水取出管路１９、一端が逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部に結合され、他端が高圧濃縮水管路分岐部３４に結合された逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、一端が高圧濃縮水管路分岐部３４に結合され、他端が容積式エネルギー回収装置３に結合されたエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１、一端が容積式エネルギー回収装置３に結合され、他端が濃縮水収集設備に結合し、かつ、容積式エネルギー回収装置３において、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１に導通している濃縮水払出管路２２、洗浄水を貯留する洗浄タンク５、洗浄水を逆浸透膜設備に供給する洗浄ポンプ６、一端を洗浄タンク５の洗浄水導出部に結合され、洗浄ポンプ６を経由し、他端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合した洗浄水供給管路２３、一端が高圧濃縮水管路分岐部３４に結合し、他端が洗浄タンク５の洗浄水戻り部に結合した洗浄水戻り管路２４、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７上にあって、洗浄運転時に遮断する塩水供給管路遮断弁３２、洗浄水供給管路２３上にあって、通常の造水運転時に遮断する洗浄水供給管路遮断弁３３、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１上にあって、洗浄時に遮断する高圧濃縮水遮断弁３６、かつ、洗浄水戻り管路２４上にあって、通常の造水運転時に遮断する高圧洗浄水戻り遮断弁３５からなる。

容積式エネルギー回収装置を用いたケース（図７）の塩水淡水化装置を用いて塩水を淡水化するフローは、典型的には次に述べる通りである。前処理装置から導入された塩水が塩水供給管路９から流入し、塩水供給管路分岐部１０を介して供給ポンプ吸込管路１１と容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路１３とに分岐され、一部は供給ポンプ吸込管路１１に入り供給ポンプ１により加圧され、残りは容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路１３を経由して容積式エネルギー回収装置３に流入し、容積式エネルギー回収装置３の圧力交換作用により逆浸透膜モジュール２から逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、及びエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１を経由して排出される濃縮水の圧力を回収し、容積式エネルギー回収装置塩水吐出管路１４を経由して圧力昇圧用のブースターポンプ４に供給され、さらにブースターポンプ４の昇圧作用によりブースターポンプ吐出管路１５を経由して供給ポンプ吐出管路結合部１６にて上記供給ポンプ１の吐出水と合流し、第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を経由して逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に供給される。逆浸透膜モジュール２に供給された塩水は、逆浸透膜法により淡水と濃縮水とに分離され、淡水は逆浸透膜モジュール２の淡水導出部より淡水取出管路１９を介して淡水回収設備に払い出され、濃縮水は逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部より逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０を介して排出される。逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０から排出された高圧の濃縮水はエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１を経由して容積式エネルギー回収装置３に流入し、その圧力が前述の通り容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路１３より流入した塩水の昇圧に利用される。圧力を回収された低圧の濃縮水は濃縮水払出管路２２を介して濃縮水収集設備へ流出する。

容積式エネルギー回収装置を用いたケース（図７）の逆浸透膜モジュール２を洗浄するフローは、典型的には、次に述べる通りである。洗浄タンク５内で調整された洗浄水は、洗浄ポンプ６にて必要な圧力に昇圧され、洗浄水供給管路２３と第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を経由して逆浸透膜モジュール２に供給される。この際、洗浄水が逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７に逆流しないよう、塩水供給管路遮断弁３２は閉、洗浄水供給管路遮断弁３３は開としておく。洗浄後の排水は、大部分が逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部から取り出され、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、及び洗浄水戻り管路２４を経由して洗浄タンク５に循環する。この際、洗浄後の洗浄水がエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１に流出しないよう、高圧洗浄水戻り遮断弁３５は開、高圧濃縮水遮断弁３６は閉としておく。なお、一部、逆浸透膜モジュール２から淡水取出管路１９に払い出される洗浄後の洗浄水は、淡水取出管路１９上に設けられた分岐部から洗浄タンク５に循環させるが、本図では省略している。

タービン式エネルギー回収装置を用いたケース（図８）の塩水淡水化装置は主に、供給ポンプ１、逆浸透膜（RO膜）からなる逆浸透膜モジュール２、タービン式エネルギー回収装置３７、一端が前処理設備に結合し、他端が供給ポンプ１に結合した塩水供給管路９、一端が供給ポンプ１の吐出部に結合し、他端がタービン式エネルギー回収装置３７の塩水昇圧部を経由し、逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合された逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、一端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合され、他端が逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に結合された第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、一端が逆浸透膜モジュールの淡水導出部に結合され、他端が淡水回収設備に結合した淡水取出管路１９、一端が逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部に結合され、他端が高圧濃縮水管路分岐部３４に結合された逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、一端が高圧濃縮水管路分岐部３４に結合され、他端がタービン式エネルギー回収装置３７の濃縮水圧力エネルギー回収部に結合されたエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１、一端がタービン式エネルギー回収装置３７に結合され、他端が濃縮水収集設備に結合し、かつ、タービン式エネルギー回収装置３７において、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１に導通している濃縮水払出管路２２、洗浄水を貯留する洗浄タンク５、洗浄水を逆浸透膜設備に供給する洗浄ポンプ６、一端を洗浄タンク５の洗浄水導出部に結合され、洗浄ポンプ６を経由し、他端が逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に結合した洗浄水供給管路２３、一端が高圧濃縮水管路分岐部３４に結合し、他端が洗浄タンク５の洗浄水戻り部に結合した洗浄水戻り管路２４、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７上にあって、洗浄運転時に遮断する塩水供給管路遮断弁３２、洗浄水供給管路２３上にあって、通常の造水運転時に遮断する洗浄水供給管路遮断弁３３、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１上にあって、洗浄時に遮断する高圧濃縮水遮断弁３６、かつ、洗浄水戻り管路２４上にあって、通常の造水運転時に遮断する高圧洗浄水戻り遮断弁３５からなる。

タービン式エネルギー回収装置を用いたケース（図８）の塩水淡水化装置を用いて塩水を淡水化するフローは、典型的には次に述べる通りである。前処理装置から導入された塩水が塩水供給管路９から流入し、供給ポンプ１により加圧され、さらに濃縮水の圧力エネルギーを回収した動力を用いてタービン式エネルギー回収装置３７にて昇圧され、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、及び第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を経由して逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に供給される。逆浸透膜モジュール２に供給された塩水は、逆浸透膜法により淡水と濃縮水とに分離され、淡水は逆浸透膜モジュール２の淡水導出部より淡水取出管路１９を介して淡水回収設備に払い出され、濃縮水は逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部より逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０を介して排出される。逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０から排出された高圧の濃縮水はエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１を経由してタービン式エネルギー回収装置３７に流入し、その圧力が前述の通り逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７の塩水の昇圧に利用される。圧力を回収された低圧の濃縮水は濃縮水払出管路２２を介して濃縮水収集設備へ流入する。

タービン式エネルギー回収装置を用いたケース（図８）の逆浸透膜モジュール２を洗浄するフローは、典型的には、次に述べる通りである。洗浄タンク５内で調整された洗浄水は、洗浄ポンプ６にて必要な圧力に昇圧され、洗浄水供給管路２３と第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を経由して逆浸透膜モジュール２に供給される。この際、洗浄水が逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７に逆流しないよう、塩水供給管路遮断弁３２は閉、洗浄水供給管路遮断弁３３は開としておく。洗浄後の排水は、大部分が逆浸透膜モジュール２の濃縮水導出部から取り出され、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、及び洗浄水戻り管路２４を経由して洗浄タンク５に循環する。この際、洗浄後の洗浄水がエネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１に流出しないよう、高圧洗浄水戻り遮断弁３５は開、高圧濃縮水遮断弁３６は閉としておく。なお、一部、逆浸透膜モジュール２から淡水取出管路１９に払い出される洗浄後の洗浄水は、淡水取出管路１９上に設けられた分岐部から洗浄タンク５に循環させるが、本図では省略している。

なお、前処理設備から導入された塩水は、通常逆浸透膜モジュール２で処理される前に前処理されることが好ましく、本発明の塩水淡水化装置においても好ましく採用することができる。前処理設備が導入される位置は通常、塩水供給管路９内であり、図１〜３、６〜８のいずれにおいても塩水供給管路９内に前処理設備が導入されている。ここで、前処理設備としては、精密膜ろ過あるいは限外膜ろ過、活性炭ろ過、保安フィルターなどが使用される。また、必要に応じ、殺菌剤、凝集剤、さらに還元剤、ｐH調整剤、スケール防止剤などの薬液添加を行うことができる。

ここで、図６〜８の各ケースにおける高圧材質からなる部分は、エネルギー回収装置の無いケース（図６）では、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、並びに、塩水供給管路遮断弁３２、洗浄水供給管路遮断弁３３、濃縮水絞り弁２５と、図示しない関連バルブ類、供給ポンプ１、及び逆浸透膜モジュール２である。また、洗浄水供給管路２３上の洗浄水供給管路遮断弁３３から逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１の区間も高圧材質とする必要がある。

容積式エネルギー回収装置を用いたケース（図７）では、供給ポンプ吐出管路１２、容積式エネルギー回収装置塩水吐出管路１４、ブースターポンプ吐出管路１５、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１、並びに、塩水供給管路遮断弁３２、洗浄水供給管路遮断弁３３、高圧洗浄水戻り遮断弁３５、高圧濃縮水遮断弁３６と、図示しない関連バルブ類、供給ポンプ１、容積式エネルギー回収装置３、ブースターポンプ４、及び逆浸透膜モジュール２である。また、洗浄水供給管路２３上の洗浄水供給管路遮断弁３３から逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１の区間、及び、洗浄水戻り管路２４上の高圧洗浄水戻り遮断弁３５から高圧濃縮水管路分岐部３４の区間も高圧材質とする必要がある。

タービン式エネルギー回収装置を用いたケース（図８）では、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１、並びに、塩水供給管路遮断弁３２、洗浄水供給管路遮断弁３３、高圧洗浄水戻り遮断弁３５、高圧濃縮水遮断弁３６と、図示しない関連バルブ類、供給ポンプ１、タービン式エネルギー回収装置３７、及び逆浸透膜モジュール２である。また、洗浄水供給管路２３上の洗浄水供給管路遮断弁３３から逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１の区間、及び、洗浄水戻り管路２４上の高圧洗浄水戻り遮断弁３５から高圧濃縮水管路分岐部３４の区間も高圧材質とする必要がある。

図６〜８の各ケースにおける低圧材質からなる部分は、エネルギー回収装置の無いケース（図６）では、塩水供給管路９、淡水取出管路１９、第２の逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２６、濃縮水払出管路２２、洗浄水戻り管路２４、洗浄水供給管路遮断弁３３より上流側の洗浄水供給管路２３と図示しない関連バルブ類である。

容積式エネルギー回収装置を用いたケース（図７）では、塩水供給管路９、供給ポンプ吸込管路１１、容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路１３、淡水取出管路１９、濃縮水払出管路２２、洗浄水供給管路遮断弁３３より上流側の洗浄水供給管路２３、高圧洗浄水戻り遮断弁３５より下流側の洗浄水戻り管路２４と図示しない関連バルブ類である。

タービン式エネルギー回収装置を用いたケース（図８）では、塩水供給管路９、淡水取出管路１９、濃縮水払出管路２２、洗浄水供給管路遮断弁３３より上流側の洗浄水供給管路２３、高圧洗浄水戻り遮断弁３５より下流側の洗浄水戻り管路２４と図示しない関連バルブ類である。

よく用いられる高圧材質として各種のステンレス鋼がある。ステンレス鋼は耐圧性に加えて耐酸性を向上させるために鉄にクロム、ニッケル、モリブデン、窒素、銅などを含ませた合金鋼であり、その金属組織によりオーステナイト系（例えば304、304L、316、316L、317、317L、904L）とオーステナイト・フェライト系（例えば254SMO 、2205、2507、Zeron100、329）があり、本発明においてはこれらのどのステンレス合金鋼を使用してもよい。

また、よく用いられる低圧材質として、各種のプラスチック材がある。プラスチック材には耐塩水腐食性を持つ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエステルや、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン重合体等のフッ素樹脂があり、本発明においてはこれらのどのプラスチック材を使用してもよい。また、先述のプラスチック材を、塩水と鋼管が直接接触しないよう鋼管内面にライニング若しくはコーティングしたライニング鋼管を使用してもよい。また、先述の高圧材料として記載したステンレス鋼を低圧材料として用いてもよい。

ここで、供給ポンプ１とは、上記高圧材質を用いて作られたポンプで、様々な形式があるが、本発明においては目的の圧力と流量を得られるものであれば特に形式を限定するものではなく、例えばプランジャーポンプのようなピストンタイプのポンプ、渦巻ポンプ、遠心ポンプ、多段遠心ポンプなどを適宜目的に応じて用いることができる。

本発明で言う塩水とは、塩分を含む水の総称であり、塩素イオン濃度が300から15,000mg/l程度の一般的にかん水と呼称する比較的低濃度の塩水や、塩素イオン濃度が15,000から40,000mg/l程度の一般的に海水と呼称する比較的高濃度の塩水などを指す。

ここで、本発明に係る逆浸透膜モジュール２に使用される逆浸透膜とは、供給液の一部の成分、例えば塩分を透過させ他の成分を透過させない半透性膜である。その素材には酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材が使用できる。膜形態には中空糸膜、平膜などがある。本発明では、逆浸透膜の素材、膜形態によらず利用することができる。

逆浸透膜エレメントとは上記逆浸透膜を実際に使用するための形態化したものであり平膜、スパイラル、チューブラー、プレート・アンド・フレームのエレメントに組み込んで、また中空糸膜は束ねた上でエレメントに組み込んで使用することができるが、本発明ではこれらの逆浸透膜エレメントの形態に左右されるものではない。

逆浸透膜モジュールとは上述の逆浸透膜エレメント１〜数本を圧力容器の中に収めたモジュールを並列に配置したもので、その組合せ、本数、配列は目的に応じて任意に行うことができる。

エネルギー回収装置は、一般に、高圧ポンプの吐出側から出る液体が直接エネルギー回収装置に流入する、いわゆる高圧ポンプ一体型と、供給水の一部が高圧ポンプに流入し残りの一部がエネルギー回収装置に流入する、いわゆる高圧ポンプ分離型に大きく分かれるが、本発明で使用される容積式エネルギー回収装置３は、塩水供給管路９から流入された塩水の一部が供給ポンプ１に流入し、残りの一部が容積式エネルギー回収装置３に流入する、先述の高圧ポンプ分離型のエネルギー回収装置である。また、本発明で使用されるタービン式エネルギー回収装置は、塩水供給管路９から流入した塩水のうち、サンプルや水質測定計器などに供給するため分流した部分を除く全量が供給ポンプ１にて昇圧され、更にタービン式エネルギー回収装置によって昇圧される先述の高圧ポンプ一体型のエネルギー回収装置である。なお、タービン式エネルギー回収装置としては、濃縮水の圧力エネルギーをタービンや水車によって回転動力に変換し、直接供給ポンプ１の電動機軸を補助的に回転させるタイプのエネルギー回収装置を用いても良い。

容積式エネルギー回収装置３、及びタービン式エネルギー回収装置３７の材質は各種のステンレス及び／またはセラミックス材質部品を含み、ステンレス材質としては前述の高圧配管と同様に304、304L、316、316L、317、317L、904L、254SMO、2205、2507、Zeron100、329など、セラミックス材質としてはアルミナ、酸化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、窒化アルミなどが含まれる。

ブースターポンプ４とは、上記高圧材質を用いて作られたポンプで、設計流量において、ブースターポンプ吐出管路１５、供給ポンプ吐出管路結合部１６から逆浸透膜モジュール２の塩水供給部に至る逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、並びに第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８、逆浸透膜モジュール２、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１、容積式エネルギー回収装置３、及び容積式エネルギー回収装置塩水吐出管路１４の圧力損失の合計と等しい揚程以上の能力を有すればよく、本発明においては上記の揚程と流量を得られるものであれば特に形式を限定するものではなく、例えばプランジャーポンプのようなピストンタイプのポンプ、渦巻ポンプ、遠心ポンプ、多段遠心ポンプなどを適宜目的に応じて用いることができる。

逆浸透膜モジュール２の洗浄工程では、必ずしも洗浄水を洗浄タンク５に戻す必要はなく、洗浄水戻り管路２４を経由せずに、そのまま排水してもよい。また、洗浄水中の不純物を除去するために、フィルターを洗浄水戻り管路２４、洗浄タンク５から逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部３１に至る洗浄水供給管路２３のいずれかに設置してもよい。

本発明では、図１〜３に示す実施形態（実施例）のように、第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８と、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７、もしくは洗浄水供給管路２３を選択的に切り替えるために、両端に取り外し式配管接続継ぎ手８を有する取り外し式配管７を使用することを特徴とする。この取り外し式配管７を使用することにより、高圧材料を用いる塩水供給管路遮断弁３２、及び洗浄水供給管路遮断弁３３を不要とすることができる。

濃縮側についても同様に、逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路２０と、エネルギー回収装置濃縮水吸込管路２１、もしくは洗浄水戻り管路２４を選択的に切り替えるために、両端に取り外し式配管接続継ぎ手８を有する取り外し式配管７を使用することができる。この取り外し式配管７を使用することにより、先述の高圧材料を用いる高圧洗浄水戻り遮断弁３５、及び高圧濃縮水遮断弁３６を不要とすることができる。なお、図１では、濃縮水絞り弁２５で減圧されるため、低圧洗浄水戻り遮断弁２８と低圧濃縮水遮断弁２９には先述の低圧材料を使用することができることから、濃縮水絞り弁２５の下流側に濃縮水払出管路２２と洗浄水戻り管路２４との分岐部（低圧濃縮水管路分岐部２７）を設けており、あえて取り外し式配管７を使用していないが、低圧洗浄水戻り遮断弁２８と低圧濃縮水遮断弁２９の代わりに取り外し式配管７を採用することもできるし、濃縮水絞り弁２５の上流側に取り外し式配管７を採用し、洗浄タンク５へ接続された洗浄水戻り管路２４を設けても良い。

図４及び図５に、両端に取り外し式配管接続継ぎ手８を有する取り外し式配管７の詳細図を示す。図４は通常運転時の接続状況であり、逆浸透膜モジュール塩水供給管路１７と第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を接続した状況を示している。図５は洗浄時の接続状況であり、洗浄水供給管路２３と第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路１８を接続した状況を示している。作業台３０は、取り外し式配管７が重い場合などに切り替え時の作業性を考慮し設置することができる。また、図４及び図５では同じ取り外し式配管７の向きを変えることによって、通常運転と洗浄運転の切り替えを行うように記載しているが、それぞれの接続に異なった形状・材質の取り外し式配管７を準備しても良い。取り外し式配管接続継ぎ手８としては、簡便に取り外し式配管７を取り外せるタイプの継ぎ手であればその形式にこだわる必要は無く、溝式継ぎ手（ビクトリック継ぎ手）、ユニオンカップリング、フランジ継ぎ手、ネジ式継ぎ手など様々な継ぎ手を使用することができる。

本発明の効果として、上述の高圧材料を用いた遮断弁を使用しなくて済む以外に、安全上のメリットがある。図６〜８に示す遮断弁による切り替えの場合、洗浄水供給管路２３上の洗浄水供給管路遮断弁３３、もしくは洗浄水戻り管路２４上の高圧洗浄水戻り遮断弁３５が通常運転時に内漏れを起こした場合、１〜１０MPa程度の高圧の塩水や濃縮水が、低圧材料で構成された洗浄水供給管路２３や洗浄水戻り管路２４に流入し、最悪の場合、低圧材料で構成された洗浄ラインが破裂する可能性がある。本発明では物理的に通常運転ラインと洗浄ラインとを切り離すため、加圧された塩水や濃縮水が洗浄ラインに流入する可能性は無く、安全である。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１１年１月１９日出願の日本特許出願２０１１−００８５１８に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１：供給ポンプ
２：逆浸透膜モジュール
３：容積式エネルギー回収装置
４：ブースターポンプ
５：洗浄タンク
６：洗浄ポンプ
７：取り外し式配管
８：取り外し式配管接続継ぎ手
９：塩水供給管路
１０：塩水供給管路分岐部
１１：供給ポンプ吸込管路
１２：供給ポンプ吐出管路
１３：容積式エネルギー回収装置塩水吸込管路
１４：容積式エネルギー回収装置塩水吐出管路
１５：ブースターポンプ吐出管路
１６：供給ポンプ吐出管路結合部
１７：逆浸透膜モジュール塩水供給管路
１８：第２の逆浸透膜モジュール塩水供給管路
１９：淡水取出管路
２０：逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路
２１：エネルギー回収装置濃縮水吸込管路
２２：濃縮水払出管路
２３：洗浄水供給管路
２４：洗浄水戻り管路
２５：濃縮水絞り弁
２６：第２の逆浸透膜モジュール濃縮水取出管路
２７：低圧濃縮水管路分岐部
２８：低圧洗浄水戻り遮断弁
２９：低圧濃縮水遮断弁
３０：作業台
３１：逆浸透膜モジュール塩水供給管路分岐部
３２：塩水供給管路遮断弁
３３：洗浄水供給管路遮断弁
３４：高圧濃縮水管路分岐部
３５：高圧洗浄水戻り遮断弁
３６：高圧濃縮水遮断弁
３７：タービン式エネルギー回収装置

Claims

塩水を昇圧する供給ポンプ、
昇圧された塩水を淡水と濃縮水とに分離する逆浸透膜からなる逆浸透膜モジュール、および
逆浸透膜モジュールを洗浄するための洗浄装置
を備えた塩水淡水化装置において、
供給ポンプと逆浸透膜モジュールとを結合する管路の少なくとも一部、および／または、逆浸透膜モジュールから排出される濃縮水の管路の少なくとも一部が取り外し式の配管からなり、
取り外し式の配管を取り外すことで、逆浸透膜モジュールの上流側の管路、および／または、逆浸透膜モジュールから排出される濃縮水の管路が洗浄装置と結合可能となる機構を備えた塩水淡水化装置。
前記取り外し式の配管と前記管路が溝式継ぎ手で結合されている、請求項１に記載の塩水淡水化装置。