JP7377000B2

JP7377000B2 - 水処理システムおよび水処理方法

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Publication number: JP7377000B2
Application number: JP2019059933A
Authority: JP
Inventors: 浩雅楠田; 正樹神澤
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020157238A

Description

本発明は、水処理システムおよび水処理方法に関する。

塩類濃度の高い河川水または汽水等の塩類を含有した原水を取水し、プラント等に設けられる冷却塔等の水利用設備の熱媒として利用するために、原水に対して前処理を行う水処理システムが知られている。このような水処理システムでは、例えば逆浸透膜を利用した脱塩処理が行われる。脱塩処理において逆浸透膜を透過した透過水は、塩類濃度が十分に低減されるため、水利用設備に供給される。一方、脱塩処理において逆浸透膜を透過しなかった残りの水は塩類濃度の非常に高い濃縮水として排出される。

しかし、原水の塩類濃度が比較的に高い場合、脱塩処理のために供給される原水量に対する逆浸透膜を透過して生成される透過水量の割合（透過水回収率）が低くなる。そのため、濃縮水を再度逆浸透膜に供給してシステム全体における透過水回収率を高めることが行われる（下記特許文献１，２参照）。濃縮水は塩類濃度が高いため、濃縮水に脱塩処理を行うと、膜上に濃縮水中の炭酸カルシウム等がスケールとして析出し易くなるため、濃縮水に含まれる炭酸カルシウム等の析出成分を除去するために苛性ソーダおよびソーダ灰等の薬剤を用いた化学軟化処理が行われる。

特開２００３－１５４３６２号公報特開平１０－２７２４９５号公報

ここで、逆浸透膜を透過した透過水が水利用設備において熱媒として利用されると、透過水の一部が蒸発することにより塩類濃度が上昇した水が生成され、排出される。従来の構成において、このような水利用設備の排水は、上記脱塩処理によって排出された濃縮水と混合された後、化学軟化処理を行っていた。

しかし、このような従来の態様では、化学軟化処理に用いられる薬剤を大量に必要とする問題がある。なお、特許文献１および２には、水利用設備の排水を再利用するための構成については開示されていない。

そこで、本発明は、化学軟化処理に用いられる薬剤の量を低減することができる水処理システムおよび水処理方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水処理システムは、塩類を含有する原水を導入して所定の水利用設備に給水するために前記原水の脱塩処理を行う水処理システムであって、前記原水を、逆浸透膜を用いた脱塩処理により、透過水と濃縮水とに分離して排出する第１逆浸透膜脱塩設備と、前記第１逆浸透膜脱塩設備で排出された濃縮水に対して化学軟化処理を行う化学軟化設備と、を備え、前記透過水は、前記水利用設備に導入され、その排水が前記化学軟化処理後の軟化水に混合されるように構成される。

上記構成によれば、第１逆浸透膜脱塩設備から排出された塩類濃度の高い濃縮水に水利用設備の排水が加えられる前に、当該濃縮水に対して化学軟化処理が行われる。これにより、化学軟化処理を適用する水の量を低減させることができる。さらに、化学軟化処理は適用される水の塩類濃度が高い程、除去する析出成分を析出させ易くする（除去し易くする）ことができる。したがって、化学軟化処理に用いられる薬剤の量を低減することができる。

前記水処理システムは、前記水利用設備の排水と前記軟化水との混合水を、逆浸透膜を用いて脱塩し、透過水と濃縮水とに分離して排出する第２逆浸透膜脱塩設備を備えてもよい。これにより、水利用設備の排水および軟化水との混合水から再度透過水を生成することができ、透過水回収率をより高くすることができる。

前記水利用設備は、導入された前記透過水が当該水利用設備において利用される際に、前記透過水の一部が蒸発するように構成されていてもよい。前記水利用設備は、前記透過水により対象物の冷却を行う冷却塔であってもよい。

また、本発明の他の態様に係る水処理方法は、塩類を含有する原水を導入して所定の水利用設備に給水するために前記原水の脱塩処理を行う水処理方法であって、前記原水を、逆浸透膜を用いた脱塩処理により、透過水と濃縮水とに分離し、前記濃縮水に対して化学軟化処理を行い、前記透過水を、前記水利用設備に導入し、その排水を前記化学軟化処理後の軟化水に混合する。

上記方法によれば、脱塩処理によって分離された塩類濃度の高い濃縮水に水利用設備の排水が加えられる前に、当該濃縮水に対して化学軟化処理が行われる。これにより、化学軟化処理を適用する水の量を低減させることができる。さらに、化学軟化処理は適用される水の塩類濃度が高い程、除去する析出成分を析出させ易くする（除去し易くする）ことができる。したがって、化学軟化処理に用いられる薬剤の量を低減することができる。

本発明によれば、塩類を含有する原水を導入して所定の水利用設備に給水するために原水の脱塩処理を行う際に、化学軟化処理に用いられる薬剤の量を低減することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る水処理システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す水処理システムにおける各設備の給排水における流量、Ｃａ濃度、塩類濃度、ｐＨの各値の設計値の一例を示す表である。図３は、図１に示す水処理システムに対応する比較例を示すブロック図である。図４は、図３に示す比較例の水処理システムにおける各設備の給排水における流量、Ｃａ濃度、塩類濃度、ｐＨの各値の設計値の一例を示す表である。

以下、本発明の一実施の形態に係る水処理システムについて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る水処理システムの概略構成を示すブロック図である。水処理システム１は、原水Ｗ１を導入して水利用設備６に給水するために原水Ｗ１の脱塩処理を行うシステムとして構成される。図１に示すように、本実施の形態における水処理システム１は、取水設備２、第１逆浸透膜脱塩設備（第１ＲＯ設備）３、化学軟化設備４、および第２逆浸透膜脱塩設備（第２ＲＯ設備）５を備えている。

取水設備２は、河川の汽水域等から原水Ｗ１を取水する。原水Ｗ１には塩類が含有されている。例えば、内陸性の河川等における原水Ｗ１のＣａ濃度は、５０ｍｇ／ｌ以上となっている。第１ＲＯ設備３は、原水Ｗ１を、逆浸透膜を用いた脱塩処理により、脱塩された（塩類濃度が原水Ｗ１より低くなった）透過水Ｗ２と残留の（塩類濃度が原水Ｗ１より高くなった）濃縮水Ｗ３とに分離して排出する。

化学軟化設備４は、第１ＲＯ設備３で排出された濃縮水Ｗ３に対して化学軟化処理を行う。例えば、濃縮水Ｗ３が貯留されたタンク（図示せず）にＮａＯＨ（苛性ソーダ）およびＮａ_２ＣＯ_３（ソーダ灰）等の薬剤を投入し、Ｃａイオンが含まれる水（濃縮水Ｗ３）からＣａＣＯ_３を析出させる。また、ＣａＣＯ_３の粒径を大きくするために、凝集剤（例えばＦｅ_２（ＳＯ_４）_３等）をさらに投入してもよい。さらに、殺菌剤（例えばＣａ（ＣｌＯ）等）をさらに投入してもよい。析出されたＣａＣＯ_３は、所定のろ過機によりろ過される。

このように、化学軟化設備４は、化学軟化処理によって濃縮水Ｗ３からＣａイオン等のスケール成分を除去し、残りの軟化水Ｗ５を排出する。

水利用設備６は、例えば透過水Ｗ２により対象物の冷却を行う冷却塔として構成される。冷却塔は、工業プラントにおける冷却水の供給源として構成される。冷却水は、例えば蒸気タービンによる発電設備で使用された蒸気を水に戻す復水器等に供給される。冷却水の温度は、復水器で蒸気を水に戻す熱交換を行うことにより上昇する。このため、冷却塔は、熱交換後の冷却水を再利用するために冷却するように構成されている。

例えば、冷却塔の一種である開放型冷却塔は、一部の冷却水が蒸発する際の気化熱により他の冷却水の冷却を行うように構成されている。開放型冷却塔において、当該冷却塔に導入された冷却水（復水器からの戻り水）は、冷却塔内に設置された充填材に滴下される。充填材には外気等の空気が供給される。これにより、一部の冷却水が蒸発しようとし、その気化熱により、その他の冷却水が冷却される。

このように、開放型冷却塔として構成される水利用設備６は、冷却水として導入された透過水Ｗ２が当該水利用設備６において利用される際に、その一部が蒸発するよう構成されている。このような水利用設備６では、冷却水として用いられる透過水Ｗ２を補充する必要が生じる。さらに、透過水Ｗ２の一部が蒸発することにより、透過水Ｗ２内の塩類が濃縮し、塩類濃度が上昇する。塩類濃度が過度に高くなると、水利用設備６内でＣａ等が凝集してスケールとして堆積する恐れがあるため、定期的に水利用設備６内の冷却水（透過水Ｗ２）を排出する必要がある。

したがって、水利用設備６においては、適宜透過水Ｗ２が導入され、導入した透過水Ｗ２が冷却等に利用された後、定期的に排水（ブロー水）Ｗ４として排出される。

水処理システム１は、水利用設備６から排出されるブロー水Ｗ４が化学軟化処理後の軟化水Ｗ５に混合されるように構成される。例えば、図１に示すように、水処理システム１は、化学軟化設備４から排出される軟化水Ｗ５および水利用設備６から排出されるブロー水Ｗ４を貯留する貯留タンク７を備えている。貯留タンク７は、軟化水Ｗ５およびブロー水Ｗ４を混合した後の混合水Ｗ６を貯留する。

第２逆浸透膜脱塩設備５は、ブロー水Ｗ４と軟化水Ｗ５との混合水Ｗ６を、逆浸透膜を用いて脱塩し、透過水Ｗ７と濃縮水Ｗ８とに分離して排出する。第２ＲＯ設備５における逆浸透圧は、第１ＲＯ設備３における逆浸透圧より高い圧力が必要となる。第２ＲＯ設備５に導入される混合水Ｗ６は、第１ＲＯ設備３に導入される原水Ｗ１より塩類濃度が高いためである。第２ＲＯ設備５で分離された透過水Ｗ７は、水利用設備６に再導入される。第２ＲＯ設備５で排出された濃縮水Ｗ８は系外に廃棄される。

上記構成によれば、第１ＲＯ設備３から排出された塩類濃度の高い濃縮水Ｗ３に水利用設備６の排水（ブロー水）Ｗ４が加えられる前に、当該濃縮水Ｗ３に対して化学軟化処理が行われる。これにより、化学軟化処理を適用する水の量を低減させることができる。さらに、化学軟化処理は適用される水の塩類濃度（Ｃａ濃度）が高い程、除去する析出成分（Ｃａ成分）を析出させ易くする（除去し易くする）ことができる。したがって、化学軟化処理に用いられる薬剤の量を低減することができる。さらに、第２ＲＯ設備５において、水利用設備６の排水（ブロー水）Ｗ４および軟化水Ｗ５が混合された混合水Ｗ６から再度透過水Ｗ７を生成することができる。これにより、透過水回収率をより高くすることができる。

以下、本実施の形態の水処理システム１における各設備の給排水（透過水Ｗ２，Ｗ７、濃縮水Ｗ３，Ｗ８、軟化水Ｗ５、ブロー水Ｗ４、混合水Ｗ６）の流量および塩類濃度等について比較例と対比して説明する。

図２は、図１に示す水処理システムにおける各設備の給排水における流量、Ｃａ濃度、塩類濃度、ｐＨの各値の設計値の一例を示す表である。図２に示すＷ１～Ｗ８が、図１における各給排水名に付されたＷ１～Ｗ８に対応している。下記例では、原水Ｗ１の流量が１００ｍ^３／ｈ、Ｃａ濃度が１００ｍｇ／ｌ、塩類濃度が１０００ｍｇ／ｌ、ｐＨが６－８の場合の各給排水における各値を表にしている。

第１ＲＯ設備３では原水Ｗ１の８０％が透過水Ｗ２として排出される。透過水Ｗ２は、Ｃａ濃度を含む塩類濃度が十分に低減されている。その一方、濃縮水Ｗ３は、Ｃａ濃度および塩類濃度がそれぞれ原水の５倍になっている。化学軟化設備４において、濃縮水Ｗ３に化学軟化処理が行われることにより、Ｃａイオンが除去され、軟化水Ｗ５においてＣａ濃度が低減している。軟化水Ｗ５における全体の塩類濃度も、濃縮水Ｗ３に比べて、Ｃａ濃度の低減に相当する濃度分低減している。

水利用設備６から排出されたブロー水Ｗ４は、Ｃａ濃度を含む塩類濃度が水利用設備６に導入される透過水Ｗ２の５０倍に濃縮されている。上述したように、水利用設備６においてこのような塩類濃度の水を利用し続けると、スケールが堆積し易くなる。一方で、ブロー水Ｗ４と濃縮水Ｗ３とを比較すると、ブロー水Ｗ４の塩類濃度は、濃縮水Ｗ３の塩類濃度の１／１０であり、濃縮水Ｗ３の塩類濃度に比べてかなり低い。

そのため、本実施の形態においては、塩類濃度がより高い濃縮水Ｗ３に対して、ブロー水Ｗ４が混合される前に、化学軟化処理を行うことにより、必要な薬剤量を効果的に低減させている。

また、化学軟化処理に際して投入される薬剤（ＮａＯＨ、Ｎａ_２ＣＯ_３等）は、液中でアルカリ性を示すため、化学軟化設備４から排出される軟化水Ｗ５は、ｐＨが９．５－１０のアルカリ性を示す。ここで、逆浸透膜脱塩設備においては導入された水を逆浸透膜に透過させることによりイオンが濃縮されるため、濃縮水のｐＨは上昇する。このことは、第１ＲＯ設備３において濃縮水Ｗ３のｐＨの範囲が原水Ｗ１のｐＨに比べて上方にシフトしていることからも理解できる。

逆浸透膜脱塩設備に導入される水のｐＨが高いと、逆浸透膜脱塩処理において逆浸透膜にＣａ成分が析出し易くなるため、濃縮水の割合が増えてしまい、透過水回収率が低下してしまう。このようなことから、逆浸透膜脱塩設備に導入される水は中性であることが好ましい。このため、化学軟化処理後の軟化水Ｗ５を後段の第２ＲＯ設備５にそのまま導入するのは好ましくない場合がある。このため、従来の化学軟化処理においては、化学軟化処理後の軟化水に対して硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の酸を中和剤（ｐＨ調整剤）として加えて、軟化水を中性に戻す処理が行われ得る。

本実施の形態においては、上述の通り、化学軟化処理後の軟化水Ｗ５にブロー水Ｗ４が混合される。この混合後の混合水Ｗ６のｐＨは、軟化水Ｗ５より低い値となる。混合水Ｗ６のｐＨが低くなる原因の１つは、ブロー水Ｗ４のｐＨは６．５－７．５の中性であるため、軟化水Ｗ５にブロー水Ｗ４を混合することにより、ｐＨが低下することである。また、化学軟化設備４における化学軟化処理によって高い塩類濃度の濃縮水Ｗ３に対して積極的にＣａ成分等を析出させることにより、軟化水Ｗ５におけるイオンバランスが変化することも、混合水Ｗ６のｐＨが低くなる他の原因として、推測される。

このため、本実施の形態における水処理システム１においては、化学軟化処理後に中和剤を加えなくてもよくなる場合がある。ただし、化学軟化処理後の軟化水Ｗ５のｐＨによっては、軟化水Ｗ５に中和剤が加えられてもよい。この場合であっても、加えられる中和剤の量は、従来のシステムより少なくて済む。

以上のように、Ｃａ成分を積極的に析出させたい化学軟化処理において、より高い塩類濃度の濃縮水Ｗ３を導入し、なるべくＣａ成分を析出させたくない逆浸透膜脱塩処理において、化学軟化処理後の軟化水Ｗ５にブロー水Ｗ４を混合した混合水Ｗ６を導入することにより、化学軟化処理において投入される薬剤の量を低減しつつ、第２ＲＯ設備５に導入される混合水Ｗ６にｐＨ調整のための中和剤を投入する必要性をなくす、または、中和剤の投入量を低減させることができる。

この結果、少ない薬剤量で２回目の逆浸透膜脱塩処理を実現することができる。第２ＲＯ設備５において混合水Ｗ６の９０％が透過水Ｗ７として排出され、水利用設備６に導入される。一方、第２ＲＯ設備５から排出される濃縮水Ｗ８は、塩類濃度が過度に高くなり、再処理には向かなくなるため、系外に廃棄される。しかし、廃棄される濃縮水Ｗ８の量は、この水処理システム１全体のわずか３％であり、水処理システム１全体としては、９７％の透過水利用率を実現可能であり、効率的な原水Ｗ１の利用が図れていると言える。

図３は、図１に示す水処理システムに対応する比較例を示すブロック図である。図１の構成と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。図３に示す比較例における水処理システムＣ１も、取水設備２、第１ＲＯ設備３、化学軟化設備４、および第２ＲＯ設備５を備え、水利用設備６に透過水Ｗ２，Ｗ７を供給するよう構成されている。ただし、水処理システムＣ１において、第１ＲＯ設備３から排出される濃縮水Ｗ３は、化学軟化設備４に導入される前に、貯留タンク７において水利用設備６の排水（ブロー水）Ｗ４に混合される。すなわち、化学軟化設備４には、濃縮水Ｗ３とブロー水Ｗ４との混合水Ｗ６Ｃが導入される。さらに、第２ＲＯ設備５には化学軟化設備４から排出された軟化水Ｗ５Ｃがそのまま導入される。

図４は、図３に示す比較例の水処理システムにおける各設備の給排水における流量、Ｃａ濃度、塩類濃度、ｐＨの各値の設計値の一例を示す表である。図４におけるＷ１～Ｗ８が、図３における各給排水名に付されたＷ１～Ｗ８に対応している。下記例でも、本実施の形態と同様に、原水Ｗ１の流量が１００ｍ^３／ｈ、Ｃａ濃度が１００ｍｇ／ｌ、塩類濃度が１０００ｍｇ／ｌ、ｐＨが６－８の場合の各給排水における各値を表にしている。

上記比較例の水処理システムＣ１においては、化学軟化設備４に導入される前に、濃縮水Ｗ３にブロー水Ｗ４が混合される。このため、化学軟化設備４に導入される混合水Ｗ６ＣのＣａ濃度を含む塩類濃度は、本実施の形態における水処理システム１の化学軟化設備４に導入される濃縮水Ｗ３に比べて低くなる。上述したように、Ｃａ成分を積極的に析出させたい化学軟化処理において導入される水は、塩類濃度が高いほど好ましいが、比較例においてはブロー水Ｗ４が混合されることにより、化学軟化設備４に導入される塩類濃度が低くなってしまう。したがって、化学軟化処理において混合水Ｗ６Ｃに含まれるＣａ成分を適切に析出させるためには、化学軟化処理に要する薬剤の量が本実施の形態より多くなる。

さらに、上記比較例の水処理システムＣ１においては、化学軟化設備４から排出された軟化水Ｗ５Ｃが第２ＲＯ設備５に導入される。軟化水Ｗ５Ｃは、上記実施の形態の水処理システム１における軟化水Ｗ５と同様に、ｐＨ９．５－１０のアルカリ性を示す。このため、第２ＲＯ設備５においてＣａ成分の析出を抑えて理想的な透過水回収率（９０％）を得るためには、中和剤によるｐＨ調整処理が必須となり、中和剤の量も本実施の形態における投入量より多くなる。

このように、比較例の水処理システムＣ１においては、化学軟化処理のための薬剤およびｐＨ調整のための中和剤の量が本実施の形態の水処理システム１に比べて多くなることが容易に予想され、そのコストを考慮すると、第２ＲＯ設備５における脱塩処理（２回目の脱塩処理）は実施されない可能性も生じる。その場合、比較例の水処理システムＣ１における混合水Ｗ６Ｃの３０ｍ^３／ｈは系外に廃棄されることとなり、システム全体の透過水回収率が低下する（９７％→７０％）結果となる。

したがって、以上より、本実施の形態の水処理システム１において、第１ＲＯ設備３で排出された濃縮水Ｗ３に、水利用設備６の排水（ブロー水）Ｗ４を混合する前に化学軟化処理を行うことにより、混合後に化学軟化処理を行う場合に比べて、化学軟化処理のための薬剤およびｐＨ調整のための中和剤の量を低減し、透過水回収率を高くすることができることが理解できる。上記比較例との対比において、化学軟化処理のための薬剤（例えば苛性ソーダおよびソーダ灰）の使用量が２～３割程度低減し、中和剤（例えば硫酸）の使用量が５０％程度低減することが見込まれる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、上記実施の形態では、第２ＲＯ設備５が第１ＲＯ設備３とは異なる設備であるように説明したが、第２ＲＯ設備として機能する第１ＲＯ設備において２回目の逆浸透膜脱塩処理を行ってもよい。すなわち、第１ＲＯ設備３に貯留タンク７から排出される混合水Ｗ６を再導入してもよい。また、水処理システム１は、３つ以上の逆浸透膜脱塩設備（第３ＲＯ設備、第４ＲＯ設備、…等）を備えていてもよい。

また、３回以上の逆浸透膜脱塩処理を行う場合（例えば３つ以上の逆浸透膜脱塩設備を備える場合）、化学軟化処理の対象となる濃縮水は、１回目の逆浸透膜脱塩処理によって排出される濃縮水に限られない。例えば、水処理システムにおいて、逆浸透膜脱塩処理を３回行う場合、２回目の逆浸透膜脱塩処理で排出された濃縮水のみに化学軟化処理を行ってもよいし、１回目および２回目の逆浸透膜脱塩処理で排出された濃縮水のそれぞれに化学軟化処理を行ってもよい。

上記水処理方法が適用される水利用設備６は、上記実施の形態において例示した開放型冷却塔に限られず、導入された水が蒸発し、少なくとも一部の水を排出する設備であれば、上記水処理方法を好適に適用可能である。例えば、水利用設備６は、工場用水利用設備、ボイラ、飲料水生成設備等を含み得る。

本発明は、塩類を含有する原水を導入して所定の水利用設備に給水するために原水の脱塩処理を行う際に、化学軟化処理に用いられる薬剤の量を低減するために有用である。

１水処理システム
３第１逆浸透膜脱塩設備（第１ＲＯ設備）
４化学軟化設備
５第２逆浸透膜脱塩設備（第２ＲＯ設備）
６水利用設備

Claims

塩類を含有する原水を導入して所定の水利用設備に給水するために前記原水の脱塩処理を行う水処理システムであって、
前記原水を、逆浸透膜を用いた脱塩処理により、透過水と濃縮水とに分離して排出する第１逆浸透膜脱塩設備と、
前記第１逆浸透膜脱塩設備で排出された濃縮水に対して化学軟化処理を行う化学軟化設備と、を備え、
前記水利用設備は、導入された前記透過水が当該水利用設備において利用される際に、前記透過水の一部が蒸発するように構成され、
前記透過水は、前記水利用設備に導入され、その排水が前記化学軟化処理後の軟化水に混合されるように構成される、水処理システム。
前記水利用設備の排水と前記軟化水との混合水を、逆浸透膜を用いて脱塩し、透過水と濃縮水とに分離して排出する第２逆浸透膜脱塩設備を備えた、請求項１に記載の水処理システム。
前記水利用設備は、前記透過水により対象物の冷却を行う冷却塔である、請求項１または２に記載の水処理システム。
塩類を含有する原水を導入して所定の水利用設備に給水するために前記原水の脱塩処理を行う水処理方法であって、
前記水利用設備は、導入された前記透過水が当該水利用設備において利用される際に、前記透過水の一部が蒸発するように構成され、
前記原水を、逆浸透膜を用いた脱塩処理により、透過水と濃縮水とに分離し、
前記濃縮水に対して化学軟化処理を行い、
前記透過水を、前記水利用設備に導入し、その排水を前記化学軟化処理後の軟化水に混合する、水処理方法。