JPWO2013125373A1 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents
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Abstract
複数種類の被処理水から処理水を得る水処理装置であって、環境への排水負荷が小さいとともに、分離膜の汚染が少なく、洗浄頻度や殺菌剤のコストが低い、安定運転可能な水処理装置、とくに半透膜を適用した淡水製造用水処理装置を提供する。この水処理装置は、被処理水Ａを前処理する前処理ユニットＸと、該処理水Ｂの一部Ｂ１を透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離する膜分離ユニットＹと、該処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した混合水を透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離する膜分離ユニットＺを有するとともに、濃縮水Ｃ２の少なくとも１部を前処理ユニットＸに還流するラインを有することを特徴とする。
Description
本発明は、海水、河川水、地下水、廃水処理水を処理して淡水を得るための半透膜ユニットを用いた水処理装置に関するものであり、さらに詳しくは、低コストと安定運転を可能にする水処理装置および水処理方法に関するものである。
近年深刻化してきている水環境の悪化に伴い、これまで以上に水処理技術が重要になってきており、とくに分離膜利用技術が非常に幅広く適用されてきている。飲料水、工業用水、農業用水などを得るためには、河川水、湖沼水などの浄化が主であるが、水資源が極端に少なく、かつ、石油による熱資源が非常に豊富である中東地域で蒸発法を中心に海水淡水化が進められてきた。しかし、中東以外の熱源が豊富でない地域でも、海水淡水化のニーズが高まり、とくに１９９０年以降、所要動力が小さい半透膜（とくに逆浸透膜）を用いた淡水化プロセスが採用され、カリブ諸島や地中海エリアなどで多数のプラントが建設され実用運転されている。逆浸透膜設備では、圧力エネルギーを有する濃縮海水が排出されるため、エネルギー回収ユニットによって圧力回収を行うのが一般的であり、これによってさらに、所要動力が低減できる仕組みになっている。最近では、逆浸透法の技術進歩による信頼性の向上やコストダウンに加え、エネルギー回収技術の著しい向上によって中東においても多くの逆浸透法海水淡水化プラントが建設されるに至っている。
逆浸透膜による淡水化プロセス自体も技術開発、改良が重ねられている。逆浸透膜はその名の由来である膜面の濃度差に起因する浸透圧に逆らって圧力を加え、淡水を得るものであるが、膜分離の有効圧力は操作圧力から供給水濃度に基づく浸透圧が差し引かれたものである。このため、逆浸透膜による淡水化プロセスとしては、特許文献１，非特許文献１に記載されたように、途中で運転圧力を上げて後段の濃縮された高浸透圧に対抗して淡水を効率的に取り出したり、非特許文献２に示されるような逆浸透膜よりも分離サイズが大きく、通常、海水淡水化に不向きとされるナノろ過膜を用いて透過水を２回処理したり、非特許文献３に例示されるように、河川水と海水を併用することによって、エネルギー効率を高めたり、特許文献２、非特許文献４、非特許文献５に記載されたように海水に下水や低圧逆浸透膜濃縮水を海水に混合して、浸透圧を下げるというプロセスが提案されている。とくに、低圧逆浸透膜の濃縮水を混合して浸透圧を下げるという非特許文献４，非特許文献５に記載されたプロセスは、従来の海水淡水化プロセスに比べて所要エネルギーを大きく低減させることができるため、非常に期待されている。
例えば図３に低圧逆浸透膜の濃縮水を混合することにより、海水の浸透圧を下げる従来の水処理装置の概略フロー図を示す。この水処理装置は、有機物を含む廃水ａおよび海水ｄを、前処理ユニットｘ、低圧逆浸透膜ユニットｙおよび逆浸透膜ユニットｚで処理することにより、所要エネルギーを低減するようにして淡水を得る装置である。
図３において、有機物を含む廃水ａが、第１の被処理水タンク２を経て、取水ポンプ３によって取水され、前処理ユニットｘに供給・処理された後、加圧ポンプ６を介して低圧逆浸透膜ユニットｙによって透過水ｃ１と濃縮水ｃ２に分けられる。透過水ｃ１は第１の生産水タンク１０に貯留され、濃縮水ｃ２は、海水ｄの処理ラインの混合タンク１７に送水される。海水ｄは、第２の被処理水タンク１４を経て、取水ポンプ１５によって取水され、前処理ユニット１６で処理された後に、混合タンク１７に送水され、濃縮水ｃ２と混合される。これにより得られた混合水ｆは、塩濃度が低く浸透圧が下げられている。この混合水ｆを加圧ポンプ１８により逆浸透膜ユニットｚに供給・処理することにより、従来の海水淡水化プロセスに比べて所要エネルギーを低減しながら、透過水ｅ１と濃縮水ｅ２に分離することができる。
しかし、低圧逆浸透膜の濃縮水は、濃縮水であるが故に不純物、特に有機物を多く含んでおり、海水と混合して高圧の逆浸透膜で処理する場合に、逆浸透膜をファウリングさせやすいという問題点を有している。とくに、非特許文献４のようなプロセスの場合に使用する下水処理水を再利用するための低圧逆浸透膜としては、膜表面の親水性向上、架電制御、平滑性向上によって微生物の付着を抑制した有機物汚染に耐性のある製品（例えば、東レ社製ＴＭＬシリーズ、非特許文献６）が販売、利用されている。これに対し、海水系の水処理に使用する高圧逆浸透膜は、所要エネルギー低減を主なターゲットにして開発されており、膜の透水性能や阻止性能に対して負に作用しやすいファウリングを低減する技術は適用されにくく、また通常そのような対策はなされていない。そのため、下水処理水由来の低圧逆浸透膜濃縮水が高圧逆浸透膜に供給された場合、生物の繁殖を促進させやすく、高圧逆浸透膜のバイオファウリングを引き起こしやすいという問題点を有している。さらに、図３に記載した水処理装置の上流側に設置された低圧逆浸透膜がバイオファウリングを引き起こした場合は、そのファウリング物質が下流側の高圧逆浸透膜に混入することになり、低圧逆浸透膜のみならず高圧逆浸透膜も性能低下してしまうという危険性をもっている。これらを防止するために低圧逆浸透膜および高圧逆浸透膜の頻繁な洗浄や殺菌剤の投入を必要とし、特許文献３に示すように洗浄液の再利用によるコストダウンの工夫は提案されているものの、本質的に運転コストの増大につながっている。
山村弘之ら、"省エネ低コスト型逆浸透膜法海水淡水化技術の開発"、膜、２３（５）、ｐ２４５−２５０（１９９８）
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本発明の目的は、複数種類の被処理水から処理水を得る水処理装置および水処理方法であって、低コストで、安定運転可能な水処理装置、とくに半透膜を適用した淡水製造用の水処理装置および水処理方法を提供することにある。
前記課題を解決するために、本発明の水処理装置は次の（１）〜（５）のいずれかの構成をとる。
（１）被処理水Ａを前処理する前処理ユニットＸと、該前処理ユニットＸの処理水Ｂの一部Ｂ１を透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離する膜分離ユニットＹと、前記処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した混合水Ｆを透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離する膜分離ユニットＺを有するとともに、前記濃縮水Ｃ２の少なくとも１部を前記前処理ユニットＸに還流するラインを有することを特徴とする水処理装置。
（２）前記前処理ユニットＸが、生物処理と固液分離を組み合わせた処理が可能なユニットであることを特徴とする（１）に記載の水処理装置。
（３）前記濃縮水Ｃ２から前処理ユニットＸに還流するライン上に化学処理ユニットを有することを特徴とする（１）または（２）に記載の水処理装置。
（４）前記膜分離ユニットＹ，膜分離ユニットＺの少なくとも一つが半透膜ユニットであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の水処理装置。
（５）前記膜分離ユニットＺの最大運転圧力が、膜分離ユニットＹの最大運転圧力よりも高いことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか記載の水処理装置。
（１）被処理水Ａを前処理する前処理ユニットＸと、該前処理ユニットＸの処理水Ｂの一部Ｂ１を透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離する膜分離ユニットＹと、前記処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した混合水Ｆを透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離する膜分離ユニットＺを有するとともに、前記濃縮水Ｃ２の少なくとも１部を前記前処理ユニットＸに還流するラインを有することを特徴とする水処理装置。
（２）前記前処理ユニットＸが、生物処理と固液分離を組み合わせた処理が可能なユニットであることを特徴とする（１）に記載の水処理装置。
（３）前記濃縮水Ｃ２から前処理ユニットＸに還流するライン上に化学処理ユニットを有することを特徴とする（１）または（２）に記載の水処理装置。
（４）前記膜分離ユニットＹ，膜分離ユニットＺの少なくとも一つが半透膜ユニットであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の水処理装置。
（５）前記膜分離ユニットＺの最大運転圧力が、膜分離ユニットＹの最大運転圧力よりも高いことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか記載の水処理装置。
また本発明の水処理方法は次の（６）〜（１０）のいずれかの構成をとる。
（６）被処理水Ａを前処理ユニットＸで処理した処理水Ｂの一部Ｂ１を、膜分離ユニットＹで透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離するとともに、前記処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した後、得られた混合水Ｆを膜分離ユニットＺによって透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離するとともに、前記濃縮水Ｃ２を前処理ユニットＸに還流することを特徴とする水処理方法。
（７）前記被処理水Ａの有機物濃度が被処理水Ｄの有機物濃度よりも高いとともに、前記被処理水Ｄの塩分濃度が被処理水Ａの塩分濃度よりも高いことを特徴とする（６）に記載の水処理方法。
（８）前記被処理水Ａの主成分が下廃水またはその処理水であるとともに、前記被処理水Ｄの主成分が海水であることを特徴とする（６）または（７）に記載の水処理方法。
（９）前記膜分離膜ユニットＺの運転圧力変動が小さくなるように前記処理水Ｂ２と被処理水Ｄの流量を制御することを特徴とする（６）〜（８）のいずれかに記載の水処理方法。
（１０）前記処理水Ｂ２と被処理水Ｄの流量を、処理水Ｂ２と被処理水Ｄの温度、濃度の少なくとも一つに基づいて制御することを特徴とする（９）に記載の水処理方法。
（６）被処理水Ａを前処理ユニットＸで処理した処理水Ｂの一部Ｂ１を、膜分離ユニットＹで透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離するとともに、前記処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した後、得られた混合水Ｆを膜分離ユニットＺによって透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離するとともに、前記濃縮水Ｃ２を前処理ユニットＸに還流することを特徴とする水処理方法。
（７）前記被処理水Ａの有機物濃度が被処理水Ｄの有機物濃度よりも高いとともに、前記被処理水Ｄの塩分濃度が被処理水Ａの塩分濃度よりも高いことを特徴とする（６）に記載の水処理方法。
（８）前記被処理水Ａの主成分が下廃水またはその処理水であるとともに、前記被処理水Ｄの主成分が海水であることを特徴とする（６）または（７）に記載の水処理方法。
（９）前記膜分離膜ユニットＺの運転圧力変動が小さくなるように前記処理水Ｂ２と被処理水Ｄの流量を制御することを特徴とする（６）〜（８）のいずれかに記載の水処理方法。
（１０）前記処理水Ｂ２と被処理水Ｄの流量を、処理水Ｂ２と被処理水Ｄの温度、濃度の少なくとも一つに基づいて制御することを特徴とする（９）に記載の水処理方法。
本発明の水処理装置によれば、複数種類の被処理水ＡおよびＤから処理水を得るとき、環境への排水負荷を小さくするとともに、分離膜の汚染を少なくし、洗浄頻度や殺菌剤投入にかかるコストを低くし、安定運転を可能にする。とくに被処理水Ｄを海水とし、膜分離ユニットＺに半透膜ユニットを適用した淡水製造用の水処理装置にしたとき、膜分離ユニットＺにおける分離膜の汚染抑制、洗浄頻度や殺菌剤のコスト低減、安定運転を可能にすると共に、エネルギー回収ユニットを配置したときのエネルギー回収効率を高く維持することが容易になる。
本発明の水処理方法によれば、環境への排水負荷を小さく、分離膜の汚染を少なく、洗浄頻度や殺菌剤のコストを低くしながら、複数種類の被処理水ＡおよびＤから処理水を得る運転を安定して行うことができる。
以下、本発明の望ましい実施の形態を、図面を用いて説明する。ただし、本発明の範囲がこれらに限られるものではない。
図１は、本発明の水処理装置の実施形態として淡水製造装置の一例を示す概略フロー図である。本発明の水処理装置は、前処理ユニットＸ、膜分離ユニットＹおよび膜分離ユニットＺを必ず有する。膜分離ユニットＹおよび膜分離ユニットＺは、好ましくは半透膜ユニットである。この水処理装置により、２種の互いに異なる被処理水Ａおよび被処理水Ｄが水処理される。
前処理ユニットＸは、被処理水Ａを前処理し処理水Ｂを排出する。前処理ユニットＸとしては、好ましくは生物処理と固液分離を組み合わせた処理が可能なユニットであるとよい。膜分離ユニットＹは、処理水Ｂの一部Ｂ１を処理し透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離する。このうち濃縮水Ｃ２の少なくとも１部を前処理ユニットＸに還流するラインを設ける。
本発明の水処理装置は、被処理水Ｄ及び処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を混合する混合タンク１７を有することができる。これにより得られた混合水Ｆを、膜分離ユニットＺが処理し透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離する。被処理水Ｄとして海水を処理するとき、膜分離ユニットＺは、その最大運転圧力が、膜分離ユニットＹの最大運転圧力よりも高くするとよい。このとき濃縮水Ｅ２の圧力エネルギーを回収するため、エネルギー回収ユニット２０を有することができる。
図２は、本発明の水処理装置の他の実施形態を例示する概略フロー図である。図２に記載した概略フロー図では、前処理ユニットＸの一例として、生物処理槽２３に膜分離ユニット２４を浸漬して吸引ろ過分離する膜分離活性汚泥槽を適用している。また濃縮水Ｃ２を前処理ユニットＸに還流するラインに、前処理ユニットＸとは異なる化学処理ユニット２２を設けている。この化学処理ユニット２２により、濃縮水Ｃ２が含有する不純物を除去することができるため好ましい。とくに、この濃縮水Ｃ２からなる還流水は、前処理ユニットＸで除去しきれなかった不純物を多く含む。このため化学処理ユニット２２としては前処理ユニットＸでの処理を助ける前処理手段であることが好ましい。例えば、有機物を吸着したり分解を促進するユニットが好適である。特に設備の持続性を考慮すると、化学処理ユニットが有機物を分解できることが好ましい。化学処理ユニット２２を設けることによって、前処理ユニットＸにおける有機物を分解・除去する効率を高くすることができる。前処理ユニットＸが膜分離活性汚泥槽であるとき、好適な化学処理ユニット２２としてはオゾンや過酸化水素を添加する促進酸化手段を例示することができる。
本発明の水処理方法では、図１に示すように、被処理水Ａが、第１の被処理水タンク２を経て、取水ポンプ３によって取水され、前処理ユニットＸに供給・処理される。前処理ユニットＸで処理された処理水Ｂは、供給ポンプ５によって送水され、処理水Ｂ１と処理水Ｂ２に分けられる。分取された処理水Ｂ１は加圧ポンプ６を介して膜分離ユニットＹに供給・処理され透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分けられる。このうち、透過水Ｃ１は第１の生産水タンク１０に貯留され、濃縮水Ｃ２は、還流ライン９によって、前処理ユニットＸに還流される。なお、濃縮水Ｃ２の還流量が少なくても問題ない場合、濃縮水Ｃ２の少なくとも一部をそのまま排水ライン８から排出することも可能である。なお、前処理ユニットＸとして、複数の前処理ユニットを直列や並列に構成した場合、濃縮水Ｃ２を、直列に配置した前処理ユニットＸの途中や並列に配置した前処理ユニットＸの一部に還流させることもできる。
また、処理水Ｂから処理水Ｂ１と分岐した残りの少なくとも一部は処理水Ｂ２として、送水ライン１２によって、混合タンク１７に送られる。ここで、処理水Ｂ２の流量を減らしたい場合は、排水ライン１１からその一部を系外に排出することも可能である。
被処理水Ｄは、第２の被処理水タンク１４を経て、取水ポンプ１５によって取水され、必要に応じて、前処理ユニット１６で処理された後に、混合タンク１７に送水され、処理水Ｂ２と混合される。処理水Ｂ２および被処理水Ｄの混合水Ｆは、加圧ポンプ１８によって、膜分離ユニットＺに供給・処理され、透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離される。
ここで、被処理水Ａと被処理水Ｄについては、それぞれ制約されるものではないが、被処理水Ａの方が被処理水Ｄよりも高汚濁であること、具体的には、被処理水Ａの有機物や懸濁物質の濃度が、被処理水Ｄよりも高いことが好ましい。さらに、被処理水Ａを処理する前処理ユニットＸについても制約されるものではない。前処理ユニットＸが行う前処理としては、凝集沈殿や加圧浮上といった化学的処理、砂ろ過や膜ろ過といった物理的な固液分離処理、生物的処理もしくは、それらの組み合わせから適宜選ぶことができる。後段の膜分離ユニットＹへの負荷を鑑みるに、前処理ユニットＸとしては、有機物濃度と懸濁物濃度を低減させる生物処理と固液分離を含む組み合わせたユニットであることが好ましい。
ここでいう生物処理法としては、活性汚泥法が代表的である、活性汚泥法は、活性汚泥などの微生物により廃水中の有機物や窒素・リンなどの汚濁物質の分解・除去を行うものである。活性汚泥は、廃水処理等に一般に利用されるものであり、種汚泥としては他の廃水処理施設の引き抜き汚泥などが通常使用される。活性汚泥法では、汚泥濃度として２，０００ｍｇ／Ｌ〜５，０００ｍｇ／Ｌ程度で被処理水Ａの滞留時間は通常１時間〜２４時間で運転される。また後述する膜分離活性汚泥法では、汚泥濃度として２，０００ｍｇ／Ｌ〜２０，０００ｍｇ／Ｌ程度で被処理液Ａの滞留時間は通常１時間〜２４時間で運転される。いずれの場合も被処理水Ａの性状に応じて最適なものを採択するのがよい。また、凝集剤を添加する装置を設置して、活性汚泥を含む被処理水Ａに凝集剤を添加することも、リンや溶解性の有機物を膜分離活性汚泥処理液から削減できるという点で好ましい。
このようにして、生物処理された中間処理水を固液分離することによって清澄な処理水として得ることができる。従来からの最も簡便な手法は、重力沈降分離処理であり、エネルギーがほとんどかからないという点で好適である。しかし、固体成分を沈降させるために広大な面積が必要となること、水質によっては沈降不良を起こし、処理水質が悪化することが問題である。そこで、近年は、固液分離性能が優れたプロセス、具体的には、図２に例示するように、活性汚泥法を実施し、その生物処理された中間処理水を精密ろ過膜や限外ろ過膜などの分離膜ユニット２４によって固液分離処理する、いわゆる膜分離活性汚泥法が好適である。
ここでいう精密ろ過膜や限外ろ過膜は、明確な定義なしに呼称されている場合が多いが、ＩＵＰＡＣにおいては、精密ろ過膜は０．１μｍ以上の粒子を除去することができ、圧力を駆動力とする分離膜と定義されている。また限外ろ過膜は、通常０．００１〜０．１μｍの細孔を有した膜と説明されている。生物処理された水を精密ろ過／限外ろ過膜分離する場合、水を加圧ポンプで膜分離ユニットに供給する加圧ろ過や、膜分離ユニットを生物処理槽に浸漬して吸引ろ過分離する浸漬ろ過法など、様々な方法を適用可能であるが、高濃度活性汚泥が入った水を処理する点から、安定運転しやすく、エネルギーコストも比較的小さい、浸漬ろ過法を適用すると好ましい。なお、ここに適用される膜も中空糸膜、平膜など制約されるものではないが、ユニット構造がシンプルで、高濃度の処理に適しているという観点からは平膜が好適である。
後段の膜分離ユニットＹについても前処理ユニットＸの処理水をさらに浄化できれば特に制約はないが、精密ろ過膜や限外ろ過膜よりもさらに小さな分子を分離できるナノ濾過膜や逆浸透膜といった半透膜ユニット、また限外濾過膜でも表面荷電を強めて分離性能を高めた荷電型限外ろ過膜などの半透膜ユニットを適用することが好ましい。
ここで、前処理ユニットＸに精密ろ過膜や限外濾過膜を適用した場合、処理水Ｂ中の懸濁物質をほぼ１００％除去することはできるものの、有機物濃度をゼロにすることは困難である。このため、膜分離ユニットＹにより排出した濃縮水Ｃ２は、処理水Ｂに比べて有機物濃度が高いことになる。したがって、濃縮水Ｃ２が環境への放流基準を満足していれば、もちろん、排水ライン８から系外に排出することはできる。しかし、濃縮水Ｃ２が環境への放流基準を満していないとき、濃縮水Ｃ２を前処理ユニットＸの前に還流し、再度、前処理ユニットＸで処理する。この結果、排水ライン８のみでなく、前処理ユニットＹの処理水Ｂを、例えば、排水ライン１１から系外に排出することによって、処理水の有機物濃度を低減し、環境へ排水負荷を改善することができる。さらに、上述した通り、濃縮水Ｃ２を前処理ユニットＸへ還流する還流ライン９に、前処理ユニットＸとは異なる処理手段を有する化学処理ユニット２２を配置し、各種の処理プロセスを適用することも好ましい。
一方、被処理水Ｄは、処理水Ｂ２と混合希釈され、混合水Ｆとして膜分離ユニットＺに送られる。膜分離ユニットＺは、好ましくは半透膜ユニットがよい。被処理液Ｄとしては、被処理水Ａよりも浸透圧が高い、すなわち塩分などの溶解成分濃度が高いことが好ましい。このような被処理水Ｄを選定することによって、処理水Ｂ２との混合で希釈され、混合水Ｆの浸透圧が被処理液Ｄの浸透圧と比べ低減するため、後段の膜分離ユニットＺに半透膜を用いた場合の運転圧力低減を実現することが可能となる。
このような場合、膜の透水性能や運転条件にもよるが、通常、膜分離ユニットＹよりも膜分離ユニットＺの方が、運転圧力が高くなる。すなわち、加圧ポンプ、配管の耐圧性など、膜分離ユニットＹよりも膜分離ユニットＺの方が、最大運転圧力が高くできるように設計することが好ましい。さらに、材質としても、膜分離ユニットＺの方が高い塩濃度にさらされるため、腐食耐久性も高いことが好ましい。具体的には、膜分離ユニットＹよりも膜分離ユニットＺの方に腐食耐久性の高い高級なステンレス、より具体的には、膜分離ユニットＹ周辺部材としては、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＡＦ２３０４などの標準的な耐腐食性を有するものもしくは、ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３１７などの耐腐食性が少し高められたもの、膜分離ユニットＺ周辺部材には、さらに耐腐食性を高めたＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌ、さらに、ＳＡＦ２５０７、ＳＵＳ８３６Ｌ、ＳＵＳ８９０Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌといった高級ステンレスを使用することが好ましい。
以上から、本発明の水処理方法において、被処理水Ａの有機物濃度を被処理水Ｄの有機物濃度よりも高くするとともに、被処理水Ｄの塩分濃度を被処理水Ａの塩分濃度よりも高くすることが好ましい。このように被処理水ＡおよびＤを選択することにより、本発明の水処理方法のメリットを最大にすることができる。
被処理水Ａとして好適なものとしては、河川水、湖沼水、地下水、下水、産業廃水、またはそれらの処理水を挙げることができる。また、被処理水Ｄとして好適なものとしては、高濃度かん水、汽水、海水、またはそれらの処理水を挙げることができる。とくに、有機物濃度の点からは、下廃水やその処理水を被処理水Ａとし、海水やその処理水を被処理水Ｄとすると、本発明の効果が大きい。
したがって、膜分離ユニットＹ、膜分離ユニットＺについては、前述のようにナノ濾過膜や逆浸透膜が好ましいものの特に制約はなく、膜の形状としても平膜、中空糸膜など特に制約はない。ただし、膜分離ユニットＹとしては、有機物によるファウリング耐性が優れたもの、具体的には東レ製逆浸透膜ＴＭＬシリーズのように耐ファウリング性を有する分離膜を適用すると好ましい。また、膜分離ユニットＺとしては、一般に海水使用の逆浸透膜を適用することが可能であるし、混合によって運転圧力が低く抑えられれば、かん水用の比較的低圧逆浸透膜を適用することも可能である。
ところで、本発明の水処理方法において、被処理水Ｄの溶質濃度が海水やそれに準じて高い場合、膜分離ユニットＺが被処理水Ｄの温度や溶質濃度の影響を受けて運転圧力が変動しやすい。運転圧力が変動するということは、加圧ポンプの広範囲な出力制御が必要となり、加圧ポンプの大型化や制御機能装備による設備コストアップにつながる。そこで、本発明の適用にあたっては、処理水Ｂ２と処理水Ｄの混合割合を調整することにより、混合水Ｆの温度、濃度と、これに基づく浸透圧の変動を少なくすることが好ましい。これにより、膜分離ユニットＺの運転圧力変動を抑制することができる。具体的には、例えば、被処理水Ｄに海水を用いた場合、濃度が上がったり水温が下がったりすると運転圧力が上がるため、処理水Ｂ２の割合を増やして浸透圧を下げ（＝有効圧力を上げ）、運転圧力変動を抑制することが好ましい。なお、このとき、処理水Ｂ２と処理水Ｄの総流量を一定にすると、膜分離ユニットＺの透過流束（膜面積あたりの処理流量）が同じになるため好ましい。
また、被処理水Ａや被処理水Ｄは、とくに、下廃水である場合は、流入量を全量処理することが必要となる。このため、被処理水タンク２，１４に余裕があれば、処理水Ｂ２および処理水Ｄの流量調整が容易であるが、処理水Ｂ２および処理水Ｄの流量調整が難しいことも少なくない。したがって膜分離ユニットＹ、膜分離ユニットＺの運転が適切に行われるように、排水ライン８，１１を通して、系外に排出することも含め、処理水Ｂ１とＢ２の流量、処理水Ｄの混合流量を制御することも好ましい。
これによって、加圧ポンプ１８の出力変動を小さく抑えることができるようになるため、加圧ポンプ１８に出力制御機能、すなわち、高価なインバーターやエネルギーロスにつながる調節バルブなどを備える必要がなくなるか、これらの設備を最小限度に抑えることができるため、エネルギー面での効果が大きい。
膜分離ユニットＺから排出される濃縮水Ｃ２が送られる配管にはエネルギー回収ユニット２０を配置し、圧力エネルギーを回収することができる。エネルギー回収ユニット２０としては、特に制約はなく、逆転ポンプ、ペルトン水車といった旧来のユニット、ターボチャージャー、圧力交換式といった高効率のものまで、適用できる。また上述のように膜分離ユニットＺの運転圧力変動を抑えられれば、これらのエネルギー回収効率を高く維持することが容易になる。とくに、逆転ポンプやペルトン水車は、圧力や流量変動に対して、高効率を維持することができないため、膜分離ユニットＺの運転圧力変動を抑えることはエネルギー回収の面からも非常に効果が高い。
本発明は、複数種類の被処理水から処理水を得る水処理装置、さらに詳しくは、有機物濃度の高い下水などの被処理水と塩分濃度の高い海水から、淡水を得るための装置に関するものであり、有機物濃度の高い下水などの被処理水の一部を海水に混合させると共に、下水処理、再利用で生成した濃縮水を還流させることによって、環境への排水負荷が小さいとともに、分離膜の汚染が少なく、洗浄頻度や殺菌剤のコストが低い、安定運転可能な水処理装置、とくに半透膜を適用した淡水製造用水処理装置を提供することが可能となる。
２ 第１の被処理水タンク
３ 取水ポンプ
５ 供給ポンプ
６ 加圧ポンプ
８ 排水ライン
９ 還流ライン
１０ 第１の生産水タンク
１１ 排水ライン
１２ 送水ライン
１４ 第２の被処理水タンク
１５ 取水ポンプ
１６ 第２の前処理ユニット
１７ 混合タンク
１８ 加圧ポンプ
２０ エネルギー回収ユニット
２１ 第２の生産水タンク
２２ 化学処理ユニット
２３ 生物処理槽
２４ 膜分離ユニット
３ 取水ポンプ
５ 供給ポンプ
６ 加圧ポンプ
８ 排水ライン
９ 還流ライン
１０ 第１の生産水タンク
１１ 排水ライン
１２ 送水ライン
１４ 第２の被処理水タンク
１５ 取水ポンプ
１６ 第２の前処理ユニット
１７ 混合タンク
１８ 加圧ポンプ
２０ エネルギー回収ユニット
２１ 第２の生産水タンク
２２ 化学処理ユニット
２３ 生物処理槽
２４ 膜分離ユニット
Claims (10)
- 被処理水Ａを前処理する前処理ユニットＸと、該前処理ユニットＸの処理水Ｂの一部Ｂ１を透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離する膜分離ユニットＹと、前記処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した混合水Ｆを透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離する膜分離ユニットＺを有するとともに、前記濃縮水Ｃ２の少なくとも１部を前記前処理ユニットＸに還流するラインを有することを特徴とする水処理装置。
- 前記前処理ユニットＸが、生物処理と固液分離を組み合わせた処理が可能なユニットであることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
- 前記濃縮水Ｃ２から前処理ユニットＸに還流するライン上に化学処理ユニットを有することを特徴とする請求項１または２に記載の水処理装置。
- 前記膜分離ユニットＹ，膜分離ユニットＺの少なくとも一つが半透膜ユニットであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水処理装置。
- 前記膜分離ユニットＺの最大運転圧力が、膜分離ユニットＹの最大運転圧力よりも高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の水処理装置。
- 被処理水Ａを前処理ユニットＸで処理した処理水Ｂの一部Ｂ１を、膜分離ユニットＹで透過水Ｃ１と濃縮水Ｃ２に分離するとともに、前記処理水Ｂの残りの少なくとも一部Ｂ２を被処理水Ａと異なる被処理水Ｄと混合した後、得られた混合水Ｆを膜分離ユニットＺによって透過水Ｅ１と濃縮水Ｅ２に分離するとともに、前記濃縮水Ｃ２を前処理ユニットＸに還流することを特徴とする水処理方法。
- 前記被処理水Ａの有機物濃度が被処理水Ｄの有機物濃度よりも高いとともに、前記被処理水Ｄの塩分濃度が被処理水Ａの塩分濃度よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の水処理方法。
- 前記被処理水Ａの主成分が下廃水またはその処理水であるとともに、前記被処理水Ｄの主成分が海水であることを特徴とする請求項６または７に記載の水処理方法。
- 前記膜分離膜ユニットＺの運転圧力変動が小さくなるように前記処理水Ｂ２と被処理水Ｄの流量を制御することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の水処理方法。
- 前記処理水Ｂ２と被処理水Ｄの流量を、処理水Ｂ２と被処理水Ｄの温度、濃度の少なくとも一つに基づいて制御することを特徴とする請求項９に記載の水処理方法。
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