JP6619610B2 - 精製水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパイラル式の逆浸透膜またはスパイラル式のナノろ過膜を有するろ過膜装置を用いて原水を処理する精製水製造装置に関するものである。

工業用水、水道水、井戸水などの比較的清浄度の高い水を処理して精製水を製造する製造装置において、これらの水を逆浸透膜またはナノろ過膜を用いて処理する装置は従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような逆浸透膜、ナノろ過膜によるろ過では、原水の温度によってろ過水の透過量が大きく変化する。例えば、逆浸透膜、ナノろ過膜（以下、ろ過膜という）への原水供給圧力が一定とすれば、原水温度２５℃での単位時間当たりのろ過水量を１００とすると、ろ過膜の特性により異なるが、１０℃ではおおよそ６５に減少し、３５℃では逆に１２８となり、１０℃と３５℃では約２倍のろ過水量差となる。

また、ろ過膜の閉塞によりろ過水量が減少することもある。したがって、この種の膜ろ過装置を安定して運転するためには、年間を通して一定のろ過水量を確保することと、一定の回収率（ろ過水量÷原水量×１００％）を維持する必要がある。

スパイラル式のろ過膜の場合、ろ過水量と濃縮水量の比率を、１対３〜５程度とる必要がある。これはろ過膜中に硬度成分などによる沈着物の付着を防ぐために必要である。しかし、濃縮水をすべて排出する場合、ろ過水の回収率は、ろ過水対濃縮水が１対３の場合で２５％、１対５の場合で１７％という低い値となる。このためスパイラル膜を１本使用するような小型の精製水製造装置では、通常、濃縮水の一定量を原水ポンプの上流側に帰還させて回収率を上げる手段を用いる。

特開２００６−２８１０２３号公報

ろ過水量と回収率を維持するために、原水を加温して原水温度を一定にし、透過水量を一定にする方法があるが、この場合、原水を加温するための設備と大きなエネルギーとを必要とする。

特に、この種のろ過膜装置では一定の濃縮水排水が必要であり、この濃縮水排水の加熱に供したエネルギーについては有効利用されることなく廃棄されることになる。また、原水を加温するこの方法では、ろ過膜の閉塞による透過水量の減少については排除することが出来ないという問題もある。

そこで、供給水量や供給水圧を一定にするために、原水供給ポンプの吐出量、圧力を制御する方法がある。具体的には、原水供給ポンプの回転数を制御する方法や、原水供給ポンプの出口側に制御弁を設け、吐出量を制御する方法である。

しかし、ろ過膜への供給水量や供給水圧を一定にしても、この方法だけでは、ろ過水量と回収率を一定にすることは出来ない。原水供給ポンプを使用する場合には、ろ過膜への供給圧力が変わるとろ過膜装置への供給水量が変動する。また、ろ過水量はろ過膜への供給圧力により変動するため、当然濃縮水量も変動し回収率も変動する。ろ過水量と回収率を一定にするためには、供給水量を一定にし、かつろ過水量または濃縮水量を一定にする方法や、ろ過水量を一定にし、かつ濃縮水量を一定にする方法等が考えられる。

また、濃縮水量を一定にするためには、濃縮水ラインに流量を制御する手段、例えば、制御弁と流量発信器を設け、濃縮水量を一定にする方法が考えられるが、この場合、装置が複雑になり高価な装置になってしまう。

さらに、特開２０１３−１２８９１１号公報にあるように濃縮水量を定流量弁で一定にし、供給水ポンプを精製水量によって制御することで本課題を解決する方法もある。この方法も有効な方法であるが、例えば、１００Ｖ電源を使用する、逆浸透膜の２．５インチモジュールや４インチモジュールを１本使用するような小さな精製水製造装置（精製水量で５０〜３００Ｌ／ｈｒ程度の装置）には不適切である。

ところで、スパイラル式のろ過膜の場合、上述したとおり、濃縮水の一部を原水ポンプ上流部に帰還させて回収率を上げる方法をとるが、原水ポンプの吐出量や圧力により、この帰還する水量が変動するという問題がある。

また、ろ過膜の原水通過部を浄化するフラッシングという方法がある。これは、ろ過水量を調整する調整弁に並列してフラッシング用自動弁を設置し、ろ過膜に通す原水の水圧を下げ、ろ過膜の原水通過部の硬度成分などを下げて浄化する方法である。この際、原水ポンプはろ過膜装置で精製されるろ過水と系外に排出される濃縮水と帰還ラインによって戻される濃縮水の和に相当する水量を吐出する能力があるが、フラッシング時は原水ポンプから吐出された水のほとんどが系外に排出されるため、使用原水が一時的に増大するという問題が発生する。このためフラッシング用自動弁の下流に調整弁を設置したりするが、排出量の調整が難しい。

フラッシングによる洗浄を行う場合、本来はフラッシング流量調整弁がないことが好ましい。通常ろ過時に使用する原水量は、ろ過水量＋濃縮水排水量となる。この時、原水供給ポンプから吐出される水量はろ過水量＋濃縮水排水量＋濃縮水帰還水量となる。フラッシング時の原水量は原水供給ポンプの吐出量となり、ろ過時の濃縮水帰還流量が排出されるため、一時的に原水使用量が多くなり、原水を供給する水道水ラインに影響を与える場合がある。

フラッシング用自動弁の下流側にフラッシング流量調整弁を設置することもあるが、これを設置するとろ過膜装置に対して本来必要とされるフラッシング流量より少量しか水が流れなくなり、フラッシングの効果が制限される。

本発明は上記の事情に着目してなされたものであって、その目的は、特に小型の精製水製造装置において原水の温度変動に影響されず、一定のろ過水量と一定の回収率を維持することができる精製水製造装置を提供することにある。

本発明は、特に小型の精製水製造装置において、ろ過膜への供給水量を調整する手段と、ろ過時に発生する濃縮水量を簡便な構成によって一定にすることで、原水の温度変動に影響されず、ろ過水量と回収率を一定にし、フラッシング時の濃縮水排出量を一定にし得る精製水製造装置の実現に至った。

上記課題を解決し得た本発明の精製水製造装置は、原水をろ過膜装置で処理し精製水を製造する装置において、前記ろ過膜装置に通じる原水供給ラインに設けられる原水供給ポンプが、ベーンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、及びピストンポンプから選択される定量ポンプであり、前記ろ過膜装置の濃縮水側に設けられ、ろ過膜装置に加えられる水圧を調整し、ろ過膜装置からのろ過水量を調整する濃縮水調整弁と、前記ろ過膜装置の濃縮水ラインに設けられ、前記濃縮水調整弁の下流側に設置される濃縮水排出定流量弁と、前記濃縮水ラインに設けられ、前記濃縮水調整弁と前記濃縮水排出定量弁の間から分岐され、濃縮水を前記原水供給ラインに帰還させる濃縮水帰還ラインを有し、さらに、前記濃縮水帰還ラインに前記原水供給ラインからの逆流を防ぐ逆止弁を備えている点に特徴を有している。

上記精製水製造装置において、前記原水の温度変化１０〜３０℃に伴う前記原水供給ポンプの吐出水量において、１０℃に対する３０℃での単位時間当たりの吐出水量（体積）の増分が１０％未満であることが好ましい。

上記精製水製造装置において、前記濃縮水調整弁に並列して、フラッシング用自動弁が設置されることが好ましい。

上記精製水製造装置において、前記ろ過膜装置が、スパイラル式の逆浸透膜、またはスパイラル式のナノろ過膜を有することが好ましい。

本発明の精製水製造装置によれば、小型の精製水製造装置でも原水温度に影響されず、年中、一定のろ過水量と一定の回収率を維持することができる。また、フラッシング時においても系外への排出量が一定となり、十分な洗浄効果も得ることができる。

従来のスパイラルタイプのろ過膜を用いた精製水製造装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る精製水製造装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る精製水製造装置を用いた場合の、フラッシング時濃縮水の電気伝導度変化を示した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の精製水製造装置について詳細に説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。

図１は、従来のスパイラルタイプのろ過膜を用いた小型の精製水製造装置を示す構成図である。同図において精製水製造装置は、原水供給ラインＬ１に原水供給ポンプ１とろ過膜装置入口圧力指示計２、ろ過膜装置３が設けられ、ろ過膜装置３からのろ過水ラインＬ２にろ過水流量計４が設けられている。ろ過水装置３からの濃縮水ラインＬ３にろ過膜装置に与えられる圧力を調整する濃縮水調整弁５が設けられている。

また、濃縮水調整弁５の上流側から濃縮水帰還ラインＬ４を分岐させ、原水供給ポンプ１上流側の原水供給ラインＬ１に接続している。それにより濃縮水の一部を循環させるようになっている。上記濃縮水帰還ラインＬ４には濃縮水帰還水量調整弁９が設けられている。

さらに、濃縮水調整弁５の上流側からフラッシングラインＬ５を分岐させ、濃縮水調整弁５と並列にフラッシング用自動弁８を設置し、その下流にフラッシング流量調整弁１０を設置している。

ろ過水量を調整する場合、ろ過水流量計４を見ながら濃縮水調整弁５を調整し、ろ過膜装置３に加わる原水水圧を調整する。この際、原水供給ポンプ１に定量性がない場合、ろ過膜への供給圧力が変わると、ろ過膜装置３への供給水量が変動する（圧力が高くなると供給水量が減少する）ため、回収率が変動する。また、原水供給ポンプ１に定量性があっても濃縮水帰還水量調整弁９を都度調整しないと回収率を一定にすることができない。

図２は本発明の実施の形態に係る精製水製造装置の基本構成を示したものである。同図において精製水製造装置は、原水供給ラインＬ１に定量性を持つ原水供給ポンプ１、ろ過膜装置入口圧力指示計２、ろ過膜装置３が設けられ、ろ過膜装置３からのろ過水ラインＬ２にろ過水流量計４が設けられている。

また、ろ過膜装置３からの濃縮水ラインＬ３に、ろ過膜装置に与えられる圧力を調整する濃縮水調整弁５、濃縮水排出定流量弁６が設けられている。

また、濃縮水調整弁５と濃縮水排出定流量弁６の間から濃縮水帰還ラインＬ４を分岐させ、原水供給ポンプ１上流側の原水供給ラインＬ１に接続している。それにより濃縮水の一部を循環させるようになっている。上記濃縮水帰還ラインＬ４には逆止弁７が設けられ、原水供給ラインＬ１側からの逆流を防ぐことができるようになっている。

また、濃縮水調整弁５の上流側からフラッシングラインＬ５を分岐させ、濃縮水調整弁５と並列にフラッシング用自動弁８を設置し、フラッシング用自動弁８の下流側は濃縮水調整弁５の下流側に合流させている。

ろ過水ラインＬ２に流れるろ過水量は、ろ過水流量計４を見ながら濃縮水調整弁５を調整し、ろ過膜装置３に供給される供給水圧力を調整することで行われる。ろ過膜に供給される水の圧力を高くするとろ過水量は増加し、低くするとろ過水量は減少する。この調整頻度は１週間に１回程度で良い。この調整を行うことでろ過水については、原水の温度、ろ過膜装置３におけるろ過膜の閉塞にかかわらず、原水供給ポンプ１の吐出圧力能力範囲内で一定にすることができる。

本発明による原水供給ポンプ１は、例えばベーンポンプが使用される。使用例をあげると、ろ過水量を２００Ｌ／ｈｒ、濃縮水量を４２０Ｌ／ｈｒ（原水量＝２００＋４２０＝６２０Ｌ／ｈｒ、回収率：２００÷６２０×１００＝３２％）とする。２５℃のろ過膜装置入口圧力が０．６ＭＰａの場合、原水供給ポンプの吐出量は１３００Ｌ／ｈｒ程度で濃縮水帰還ラインに６８０Ｌ／ｈｒ流れる。１０℃でのろ過膜装置入口圧力は０．９ＭＰａ程度になり原水供給ポンプの吐出量は１２５０Ｌ／ｈｒ程度で濃縮水帰還ラインには６３０Ｌ／ｈｒ流れる。この原水供給ポンプの吐出水量差５０Ｌ／ｈｒは濃縮水帰還ラインに流れる水量差であり、原水供給ポンプにある程度の定量性があるため設備的には大きな問題にならない。

つまり、ろ過水量を調整するためにろ過膜装置３に供給される水圧力が増減しても、原水供給ポンプ１は定量性があるため、原水供給ポンプの吐出量は大きく変動しない。

なお、本発明における原水供給ポンプ１は、上記のベーンポンプの他に、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、及びピストンポンプから選択される定量ポンプを用いることができる。これらの定量ポンプについて、特段の機能や構成を規定するものではないが、原水温度に影響されず、年中、一定のろ過水量と一定の回収率を維持する観点から、ポンプ性能として、原水の温度変化が１０〜３０℃に伴う原水供給ポンプの吐出水量において、１０℃に対する３０℃での単位時間当たりの吐出水量（体積）の増分が１０％未満であることが好ましく、５％未満であることがより好ましい。

濃縮水調整弁５を通った濃縮水は濃縮水排出定流量弁６を通って常時一定水量が系外に排出される。また、余剰の濃縮水は濃縮水帰還ラインＬ４を通って原水供給ポンプ１の上流側に戻される。

本発明における濃縮水排出定流量弁６としては、一次側（流入側）または二次側（流出側）に水圧の変動があっても一定の流量を供給するように構成された定流量弁を使用する。その動作原理は、流体圧力を弁体内のピストン（可動弁）で受け、スプリング力とのバランスで弁体内の流体通過面積を変え、一定流量を得るようになっている。その他に流路に弾力性のある弁を設け、それが流体圧力のバランスにより開閉し一定流量を得られるようになっているものもあり、方式にはよらない。

濃縮水排出定流量弁６については、市販の定流量弁は許容できる差圧に限度がある。このシステムの場合、濃縮水排出定流量弁６の入口側の圧力は原水供給ポンプ１の入口側圧力とほぼ同一になる。厳密に言えば濃縮水帰還ラインＬ４と逆止弁７の抵抗分だけ高くなるのでこの部分の抵抗をできるだけ減少させる構成が重要となる。

特に小型の精製水装置の場合、精製水装置への給水は施設の水道水に直結される場合が多く、その場合の水圧は０．１から０．３ＭＰａ程度である。このため濃縮水排出定流量弁にかかる水圧もこれと同程度になるため、市販の定流量弁でも十分使用できる範囲となる。

定流量弁は、通常、一カ所に過大な流量が流れないようにするために使用されることが多いが、本発明では濃縮水ラインの流量を一定にするために用いている。

また、上記定流量弁は圧力変動に対する制御装置を必要としないため、省スペース、省コストが図れるという利点がある。

濃縮水帰還ラインに設けられる逆止弁は、濃縮水ライン側から供給水ポンプ側に流れるようになっており、逆には流れない。これはポンプが停止し、原水供給側に圧力が残っている場合の逆流を防ぐためである。したがって、逆止弁がない場合、原水供給側から定流量弁を通って水が系外に流出することになる。

フラッシングを行う場合は、ろ過水量を調整する調整弁に並列してフラッシング用自動弁を開く。このとき系外に排出されるフラッシング水も定流量弁を通るため排出水量は一定となる。ろ過膜装置内を流れる水量は原水供給ポンプ１の吐出量と同一になる。また、ろ過膜装置内を流れる原水濃度も短時間で下がるため洗浄効果も十分発揮される。

図１の構成により、本発明の精製水製造装置の実証試験を行った。

精製水製造装置の構成は、以下に示すとおりである。
原水供給ポンプ１：朝日興業株式会社製ベーンポンプ ＨＶＰ−５５−ＡＡ−１００１
（１．２ＭＰａで１１８０Ｌ／ｈｒ程度の吐出性能を有する）
ろ過膜装置入口圧力指示計２：ブルゾン管式圧力指示器
ろ過膜装置３：Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ社ＥＳＰＡ２−４０４０
ろ過水流量計４：面積式フロート流量計
濃縮水調整弁５：ニードル弁
濃縮水排出定流量弁６：東京計装社製ＦＰＣ−Ｎ１５Ｐ−７．０
逆止弁７：ＫＩＴＺ社製スイング式逆止弁

当該試験に際しては、原水温度を変動させ、ろ過水量が３．３Ｌ／分になるよう濃縮水調整弁５でろ過水量を調整して測定を実施した。

測定項目は原水温度、ろ過膜供給圧力（ろ過膜装置入口圧力指示計２の読み）、ろ過水量（ろ過水流量計の読み）、濃縮水量（容器に受けて水量と時間を測定し算出）を測定した。回収率は、［ろ過水量÷（ろ過水量＋濃縮水量）×１００％］により求めた。

試験結果を表１に示す。表１に示すとおり１０℃から２５℃の原水温度範囲において、濃縮水量はほぼ一定であり、ろ過水量を調整することでほぼ一定の回収率を維持することが確認された。

フラッシング用自動弁８を開いた時に排出される濃縮水の電気伝導度変化を図３に示す。３０秒程度で濃縮水の電気伝導度は下がっており、ろ過膜装置３内に流れる水の電気伝導度が下がっていることがわかる。つまり、ろ過膜装置３内を流れる原水濃度が短時間で下がるため、洗浄効果が十分発揮されていることがわかる。

また、原水供給ポンプ１から吐出される水量は全量ろ過膜装置３内を流れ、系外への排出量は濃縮水排出定流量弁６から排出される水量であり、この水量はろ過水製造時と同様に一定であるため、水道水ラインから供給される原水量は増加しない。

１ 原水供給ポンプ
２ ろ過膜装置入口圧力指示計
３ ろ過膜装置
４ ろ過水流量計
５ 濃縮水調整弁
６ 濃縮水排出定流量弁
７ 逆止弁
８ フラッシング用自動弁
９ 濃縮水帰還水量調整弁
１０ フラッシング流量調整弁
Ｌ１ 原水供給ライン
Ｌ２ ろ過水ライン
Ｌ３ 濃縮水ライン
Ｌ４ 濃縮水帰還ライン
Ｌ５ フラッシングライン

Claims (3)

1. 原水をろ過膜装置で処理し精製水を製造する装置において、
   前記ろ過膜装置に通じる原水供給ラインに設けられる原水供給ポンプが、ベーンポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、及びピストンポンプから選択され、前記原水の温度変化１０〜３０℃に伴う前記原水供給ポンプの吐出水量において、１０℃に対する３０℃での単位時間当たりの吐出水量（体積）の増分が５％未満である定量ポンプであり、
   前記ろ過膜装置の濃縮水側に設けられ、ろ過膜装置に加えられる水圧を調整し、ろ過膜装置からのろ過水量を調整する濃縮水調整弁と、
   前記ろ過膜装置の濃縮水ラインに設けられ、前記濃縮水調整弁の下流側に設置される濃縮水排出定流量弁と、
   前記濃縮水ラインに設けられ、前記濃縮水調整弁と前記濃縮水排出定量弁の間から分岐され、濃縮水を前記原水供給ラインに帰還させる濃縮水帰還ラインを有し、
   さらに、前記濃縮水帰還ラインに前記原水供給ラインからの逆流を防ぐ逆止弁を備えていることを特徴とする精製水製造装置。
2. 前記濃縮水調整弁に並列して、フラッシング用自動弁が設置される請求項１に記載の精製水製造装置。
3. 前記ろ過膜装置が、スパイラル式の逆浸透膜、またはスパイラル式のナノろ過膜を有する請求項１又は２に記載の精製水製造装置。