JPWO2018182033A1

JPWO2018182033A1 - 造水方法及び造水装置

Info

Publication number: JPWO2018182033A1
Application number: JP2018525490A
Authority: JP
Inventors: 川島　義之; 義之川島; 谷口　雅英; 雅英谷口; 寛生高畠
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-02-06
Also published as: WO2018182033A1

Abstract

上流側半透膜モジュールまたは上流側半透膜エレメントから得られる上流側透過水と下流側半透膜モジュールまたは下流側半透膜エレメントから得られる下流側透過水とを合わせた全透過水を取り出す第１の運転方法と、上流側透過水と下流側透過水とを分割して上流側透過水のみを取り出す第２の運転方法とを、任意に切り替える、造水方法。

Description

本発明は、原水を半透膜に透過させてその透過水を得る造水方法及び造水装置に係り、特に運転条件や運転状態による水質の低下を抑制する造水方法及び造水装置に関する。

高濃度溶液の浄水化技術には様々なものがあるが、省エネルギーおよび省資源プロセスの一例として、半透膜を用いた膜分離方法が利用されている。膜分離方法の一例である逆浸透法によれば、塩分等の溶質を含んだ溶液を、該溶液の浸透圧以上の圧力をもって逆浸透膜を透過させることで、溶質分が低減された液体（透過水）と濃縮水とに分離することができる。この技術は、例えば海水、かん水、有害物を含んだ水から飲料水レベルの水を得ることも可能であるし、また、工業用超純水の製造、排水処理、有価物の回収などにも用いられている。

半透膜分離法は、通常複数本の半透膜エレメントを、各半透膜エレメントの内部に位置する集水管を連結させて１本の圧力容器に直列に装填した状態（これをモジュールと称す）で使用される。モジュール入口側（上流側）の半透膜エレメントに供給された原水は、半透膜エレメント内の間隙を通って半透膜面に供給され、透過水と濃縮水とに分離される。分離された透過水は集水管に集められ、モジュール端部に設けられ集水管に連結された透過水取り出し口から取り出される。この際、原水はモジュール全体に均一に供給されるのではなく、上流側のエレメントから順に透過水が分離されるため、モジュール出口側（下流側）に近づくにつれて供給される原水量は減少し、塩濃度は高くなる。またこれに伴って透過水量も減少していき、その濃度は高くなって、すなわち透過水質が悪化していく。

このような現象は季節変動に伴う水温上昇が生じた際、より顕著に現れる。温度が上昇すると、半透膜が膨張し孔径が大きくなり、かつ粘度が低下することで単位面積当たりの透過水量と塩透過率が増加する。上流側の半透膜エレメントを透過する水量が増加する分、下流側の半透膜エレメントに供給される原水量は減少し、下流側半透膜エレメントでは比較的水質の悪い透過水を少量得ることとなる。このとき透過水質の悪化を防止するため、予め半透膜エレメントの本数を少なくしておき、水温が低いときは所望の透過水量を得るために運転圧力を高くして運転される。また年間の水温変動が大きくなると、低水温時の運転圧力が半透膜モジュールの許容圧力、例えば、８．０〜９．０ＭＰａを超える可能性があるため、例えば原水濃度（ここでは濃度＝ＴＤＳ：ＴｏｔａｌＤｉｓｓｏｌｖｅｄＳｏｌｉｄｓ）が４５０００ｍｇ／Ｌであれば、運転可能な温度範囲は約４０℃までに制限される場合もあった。

透過水質を低下させる要因としては、ファウリング（膜面汚れ）や膜劣化も挙げられる。ファウリングは微生物の繁殖や塩の析出などが原因であり、膜劣化は不溶物による膜表面の擦過や次亜塩素酸等の酸化物で膜が破壊されることが原因である。これらが生じた際は薬品での洗浄等で性能の回復を図るが、不可逆的な変化が蓄積し、次第に性能が低下し水質が悪化していく。このとき、半透膜エレメント本数を少なくすれば所望の水質を得ることが可能となるが、これを実施するには一旦運転を停止するなど多大な時間と労力を要するため、従来技術ではある水準まで性能が低下したところで新品の半透膜エレメントへと交換する。

半透膜エレメントに供給される原水の流量を均一化し安定的に運転する装置及び方法として、特許文献１ではモジュール内の逆浸透膜エレメントの原水流路横断面積を変化させる逆浸透分離装置およびその方法が、特許文献２では透過水の流路をなす集水管を遮断するシャッタ機構を設け、さらに供給側（上流側）透過水の流量を調整するバルブ機構を設けた逆浸透膜処理装置および造水方法が、特許文献３では、透過水を供給側（上流側）と排出側（下流側）とに分離する抵抗体を備え、さらに供給側（上流側）透過水の流量を調整するバルブを設けた逆浸透処理装置が開示されている。しかしいずれの場合も、温度変化等が原因で生じる透過水の水質低下を抑制し、運転範囲を広げたり半透膜エレメントの交換頻度を低下させたりするものではなかった。

日本国特開２０００−２８８３５６号公報日本国特開２００１−１３７６７２号公報日本国特開２０１２−１３０８３８号公報

従来の技術では、このように透過水質を低下させる現象に対し、予め半透膜エレメントの本数を少なく設計し、かつ所望の透過水量を得るために高い運転圧力で運転するか、半透膜エレメントの交換により対処していた。そのためポンプの必要動力が大きくなって電力費が高くなったり、半透膜エレメントの交換費用が掛かったり、設計可能な温度範囲が制限されたりする問題があった。

本発明は、透過水質の低下時においても透過水質の低下を抑制し、運転圧力の低減や半透膜エレメント交換頻度の低減を図って造水装置の運転コストを下げ、同時に設計可能な温度範囲の広い造水方法および造水装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水方法であって、原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントを、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる半透膜モジュールを含み、前記半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）が連通されてなり上流側に位置する上流側半透膜モジュールと、前記半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）が連通されてなり下流側に位置する下流側半透膜モジュールと、前記上流側半透膜モジュールに接続された第１の原水供給経路、前記上流側半透膜モジュールから排出される上流側濃縮水が前記下流側半透膜モジュールに原水として供給されるよう接続された濃縮水接続経路、前記上流側半透膜モジュールから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールから得られる下流側透過水を合流させるよう接続された透過水接続経路、前記下流側半透膜モジュールに接続された第１の濃縮水排出経路を有し、前記濃縮水接続経路と、前記透過水接続経路とを介して、前記上流側半透膜モジュールと前記下流側半透膜モジュールが接続される構成を含む第１の造水装置、または、前記半透膜エレメントｎ本（ｎは３以上の整数）が連通されてなり、かつ下流側から数えてｎ／２本未満の下流側半透膜エレメントと残りの上流側半透膜エレメントの間に位置する集水管に透過水に抵抗を与える集水管区切り部または集水管バルブが設けられた半透膜モジュールと、第２の原水供給経路、第２の濃縮水排出経路、前記下流側半透膜エレメントから得られる下流側透過水を取り出す下流側透過水取り出し経路、前記上流側半透膜エレメントから得られる上流側透過水を取り出す上流側透過水または全透過水取り出し経路を含む第２の造水装置のいずれかを用い、前記上流側半透膜モジュールまたは前記上流側半透膜エレメントから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールまたは前記下流側半透膜エレメントから得られる下流側透過水とを合わせた全透過水を取り出す第１の運転方法と、上流側透過水と下流側透過水とを分割して上流側透過水のみを取り出す第２の運転方法とを、任意に切り替えることを特徴とする造水方法を提供する。
また本発明は、原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水装置であって、原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる上流側半透膜モジュールと、前記半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる下流側半透膜モジュールを含み、前記上流側半透膜モジュールに接続された第１の原水供給経路、前記上流側半透膜モジュールから排出される上流側濃縮水が前記下流側半透膜モジュールに原水として供給されるよう接続された濃縮水接続経路、前記上流側半透膜モジュールから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールから得られる下流側透過水を合流させるよう接続された透過水接続経路、前記下流側半透膜モジュールに接続された第１の濃縮水排出経路、流路の切り替えが可能な透過水接続経路切り替え部及び前記透過水接続経路切り替え部に接続された下流側透過水排出経路を備えることを特徴とする、造水装置を提供する。
また、本発明は、原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水装置であって、原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる上流側半透膜モジュールと、前記半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる下流側半透膜モジュールを含み、前記上流側半透膜モジュールに接続された第１の原水供給経路、前記上流側半透膜モジュールから排出される上流側濃縮水が前記下流側半透膜モジュールに原水として供給されるよう接続された濃縮水接続経路、前記上流側半透膜モジュールから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールから得られる下流側透過水を合流させるよう接続された透過水接続経路、前記下流側半透膜モジュールに接続された第１の濃縮水排出経路、前記透過水接続経路とは異なる場所に設けられ上流側透過水または上流側透過水と下流側透過水とを合わせた全透過水を取り出す上流側透過水または全透過水取り出し経路、前記透過水接続経路に設けられた開閉の切り替えが可能な透過水接続経路バルブを備えることを特徴とする、造水装置を提供する。
また、本発明は、原水昇圧用高圧ポンプを備え、原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水装置であって、原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｎ本（ｎは３以上の整数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる半透膜モジュールを含み、前記半透膜モジュールは、第２の原水供給経路、第２の濃縮水排出経路、前記半透膜モジュール内の下流側から数えてｎ／２本未満の半透膜エレメントから得られる下流側透過水を取り出す下流側透過水取り出し経路と、残りの半透膜エレメントから得られる上流側透過水を取り出す上流側透過水または全透過水取り出し経路を備え、下流側から数えてｎ／２本未満の位置にある半透膜エレメントの上流側の集水管に設けられた、透過水に抵抗を与える集水管区切り部と、前記下流側透過水取り出し経路に設けられた流量ないし流路を制御する流量ないし流路制御部を備えること、もしくは、下流側から数えてｎ／２本未満の位置にある半透膜エレメントの上流側の集水管に設けられた、開閉の切り替えが可能な集水管バルブに加え、前記下流側透過水取り出し経路に設けられた止水部または流量ないし流路制御部の少なくともいずれか１つを備えることを特徴とする造水装置を提供する。

本発明の造水方法によれば、透過水質が低下した際に上流側透過水のみを取り出すことで透過水質の低下を抑制することができ、かつ透過水質がよい場合は上流側透過水と下流側透過水を合わせた全透過水を取り出すことでポンプの所要動力を抑えることができる。従って、運転可能な温度範囲が広がるとともに、半透膜エレメントの交換頻度の低減及び電気代の低減により、経済的な運転が可能となる。

図１は、本発明の一実施態様に係る、造水装置の一例である。図２は、本発明の別の実施形態に係る、透過水接続経路バルブを有し下流側透過水排出経路を有さない造水装置の一例である。図３は、本発明の別の実施形態に係る、下流側透過水排出経路が第１の原水供給経路に接続される造水装置の一例である。図４は、本発明の別の実施形態に係る、集水管区切り部または集水管バルブが設けられた半透膜モジュールを含む造水装置の一例である。図５は、本発明の別の実施形態に係る、下流側透過水取り出し経路が上流側透過水または全透過水取り出し経路に接続される造水装置の一例である。図６は、本発明の別の実施形態に係る、下流側透過水取り出し経路が上流側透過水または全透過水取り出し経路と第２の原水供給経路に接続される造水装置の一例である。図７は、本発明の別の実施形態に係る、下流側透過水取り出し経路が上流側透過水または全透過水取り出し経路と下流側透過水排出経路に接続される造水装置の一例である。図８は、本発明の別の実施形態に係る、集水管区切り部または集水管バルブが設けられた半透膜モジュールを含む半透膜モジュールが多段に配置される造水装置の一例である。図９は、本発明の一実施態様に係る、スパイラル型逆浸透膜エレメントの概略図である。

以下、発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の好ましい実施形態の造水方法に好適な造水装置の概念図であって、本装置は高圧ポンプ２９、第１の原水供給経路（原水供給経路）１、上流側半透膜モジュール２２、下流側半透膜モジュール２３、第１の濃縮水排出経路（濃縮水排出経路）２、上流側透過水または全透過水取り出し経路３、濃縮水接続経路８、透過水接続経路９、下流側透過水排出経路１０からなり、上流側半透膜モジュール２２と下流側半透膜モジュール２３は濃縮水接続経路８及び透過水接続経路９により接続されている。また、透過水接続経路９には透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８が設けられており、透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８は下流側透過水取り出し経路４に接続されている。

上流側半透膜モジュール２２には、原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）が、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通して装填されており、下流側半透膜モジュール２３には、半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）が上流側半透膜モジュール２２と同様に装填されている。

高圧ポンプ２９により昇圧された原水は、第１の原水供給経路１を通って上流側半透膜モジュール２２に導入される。導入された原水は、半透膜エレメントにより半透膜処理がなされ、透過水は透過水流路材によって設けられた間隙によって集水管に集められ、集水管を通じて集水管に接続された上流側透過水または全透過水取り出し経路３または透過水接続経路９に導かれる。半透膜エレメントを透過しなかった濃縮水は下流側に配置された半透膜エレメントに原水として導入され、透過水は上述のように集水管に接続された上流側透過水または全透過水取り出し経路３、または透過水接続経路９に導かれる。上流側半透膜モジュールの最下流に位置する半透膜エレメントにおいては、透過水は上述のように集水管に接続された上流側透過水または全透過水取り出し経路３、または透過水接続経路９に導かれ、濃縮水は濃縮水接続経路８を介して下流側に配置された下流側半透膜モジュール２３に原水として導入される。

下流側半透膜モジュール２３から排出される濃縮水は第１の濃縮水排出経路２を通じて下流側半透膜モジュール２３の外部へ排出され、透過水は集水管を通じて集水管に接続された透過水接続経路９へ導かれる。

ここで、透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８は三方弁であり、一方は透過水接続経路９を介して上流側半透膜モジュール２２に、一方は透過水接続経路９を介して下流側半透膜モジュール２３に、一方は下流側透過水排出経路１０に接続してされている。

従って、上流側半透膜モジュール２２及び下流側半透膜モジュール２３の方向を開とし、下流側透過水排出経路１０の方向を閉とすれば、上流側半透膜モジュール２２から得られる透過水（上流側透過水）及び下流側半透膜モジュール２３から得られる透過水（下流側透過水）を合わせた全ての透過水（全透過水）は上流側透過水または全透過水取り出し経路３から取り出される。あるいは上流側半透膜モジュール２２、下流側半透膜モジュール２３、下流側透過水排出経路１０の全ての方向を開とすれば、上流側透過水または全透過水取り出し経路３または下流側透過水排出経路１０の両方から全透過水を取り出すこともできる。このように全透過水を取り出す運転方法を第１の運転方法と呼ぶ。

また、上流側半透膜モジュール２２の方向を閉とし、下流側半透膜モジュール２３及び下流側透過水排出経路１０の方向を開とすれば、上流側透過水は上流側透過水または全透過水取り出し経路３から取り出され、下流側透過水は下流側透過水排出経路１０から排出される。このように上流側透過水と下流側透過水とを分割して上流側透過水のみを取り出す運転方法を第２の運転方法と呼ぶ。

季節変動に伴う供給水温の上昇などにより、上流側半透膜エレメントから得られる透過水量が増加したとき、下流側半透膜モジュールでは比較的水質の悪い透過水を少量得ることとなる。このとき第１の運転方法から第２の運転方法に切り替えることで、水量が少なく水質の悪い下流側透過水が除かれ、結果として造水装置から得る透過水（上流側透過水のみ）の水量を維持しつつ水質の低下が抑制される。

上述の操作を行う基準としては、全透過水の水質低下が直接的、または間接的に判断できるものであればよく、原水、濃縮水、上流側透過水、下流側透過水、全透過水のうちいずれか１つ以上の、水温、水量、水質（塩濃度）が判断材料となりうる。例えば、いずれかの水温が３５℃を上回った場合、上流側透過水の水質(塩濃度)が８００ｍｇ／ｌを上回った場合、下流側透過水の水質が２０００ｍｇ／ｌを上回った場合、上流側透過水に対する下流側透過水の水量の割合が１０％を下回った場合、全透過水の水質が９００ｍｇ／ｌを上回った場合に第１の運転方法から第２の運転方法に切り替えればよい。

あるいは、上述の水質低下が生じた際は下流側半透膜モジュールにおいて塩の濃縮がほとんど生じなくなるため、上流側濃縮水の水質に対する下流側濃縮水の水質(塩濃度)の比が１０５％を下回った場合に第１の運転方法から第２の運転方法に切り替えればよい。

尚、運転方法を切り替える基準は上記に限定されるものではなく、案件に応じて求められる水質や水量に合わせて適宜変更してよい。

また、上述の操作は造水装置が稼働中であっても停止中であっても実施できるため、上述の操作は任意のタイミングで行えばよい。

ここで、第１の運転方法において透過水量を確保するため、上流側半透膜モジュール２２に装填される半透膜エレメントの本数をｍ本（ｍは２以上の整数）、下流側半透膜エレメントに装填される半透膜エレメントの本数をｐ本（ｐは自然数）としたとき、ｐ＜ｍを満たす必要がある。

半透膜エレメントの形態としては、平膜ではスパイラル、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だもの、中空糸では束ねた上でエレメントに組み込んで使用するなどの方法がある。本発明ではこれらの形態によって左右されるものではないが、好ましくは平膜のスパイラル型であると、取り出される透過水量が多く、上流側半透膜モジュールに供給される原水と下流側半透膜モジュールに供給される原水の水量や濃度の差が大きくなるため、本発明の効果を得るに好ましい。

図９はスパイラル型半透膜エレメントの概念図であって、半透膜４０、半透膜の原水側に位置する原水流路材４１、半透膜の透過側に位置する透過水流路材４２、透過水３２を集める集水管２４より構成されている。原水３０がスパイラル型半透膜エレメントに流れ込み、濃縮水３１が排出される。

半透膜モジュールは複数個の半透膜エレメントを、前段の半透膜エレメントから得られる濃縮水を後段の半透膜エレメントに原水として供給するよう集水管を介して接続し、直列に圧力容器の中に収めたものである。エレメントの本数に特に規定はないが、好ましくは４〜８本のエレメントを組み込むとよい。また、この半透膜モジュールを並列に配置したものを半透膜モジュールユニットと呼び、その組み合わせ、本数、配列は目的に応じて任意に行うことができる。

本発明の造水装置における被処理水は本発明の主旨から言って特に限定されるものではないが、溶液中の溶質濃度が０．５重量％以上の海水、かん水、高濃度かん水などであれば、上流側半透膜エレメントに供給される原水と下流側半透膜エレメントに供給される原水の水量や濃度の差が大きくなるため、本発明の効果が十分発揮され好ましい。さらに好ましくは、原水濃度が３００００ｍｇ／Ｌ以上である海水や高濃度かん水であるとよい。

また、本発明の造水装置の運転条件は本発明の主旨から言って特に限定されるものではないが、原水の水量に対して回収される透過水の水量を表す回収率が３０％以上であると、後段の半透膜エレメントに供給される原水濃度が高くなり、本発明の効果が十分発揮され好ましい。

図２は本発明の造水方法に好適な別の実施形態における造水装置の概念図であって、透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８は開閉の切り替えが可能なバルブであり、透過水取り出し経路は有しない。ここで、透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８を開とすれば第１の運転方法を取り、透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８を閉とすれば第２の運転方法を取ることができる。

上述の下流側半透膜モジュールの集水管と、下流側半透膜モジュール２３から透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８の間に位置する下流側透過水接続経路９と、透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８は、下流側透過水を止水した際に圧力が掛かるため、耐圧性を有すことが好ましく、より好ましくは原水側の運転圧力として想定され得る９．０ＭＰａに耐えられる耐圧性を有すると好ましい。

透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８は図３のように原水合流経路６を介して第１の原水供給経路１に接続されてもよい。ここで透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８を、上流側半透膜モジュール２２及び下流側半透膜モジュール２３の方向を開とし、原水合流経路６の方向を閉とすれば、第１の運転方法をとる。また、上流側半透膜モジュール２２の方向を閉とし、下流側半透膜モジュール２３及び原水合流経路６の方向を閉とすれば、第２の運転方法をとる。

このとき第２の運転方法において、原水濃度を下げて高圧ポンプの所要動力を下げることが可能となり好ましい。

上述の透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ２８は、ゲートバルブ、グローブバルブ、二方ボールバルブ、三方ボールバルブ、バタフライバルブ、Λポートバルブなどを用いるとよく、止水する場合は耐圧性に優れるゲートバルブまたはグローブバルブが好ましく、流路の切り替えに用いる場合は三方ボールバルブが好ましい。

図４は本発明の造水方法に好適な別の実施形態における造水装置の概念図であって、本装置は半透膜モジュール２１、第２の原水供給経路（原水供給経路）１、第２の濃縮水排出経路（濃縮水排出経路）２、上流側透過水または全透過水取り出し経路３、下流側透過水取り出し経路４、高圧ポンプ２９、止水部または流量ないし流路制御部２５からなり、半透膜モジュール２１には、集水管を介して接続される複数の半透膜エレメント２０が装填されている。また、半透膜エレメント２０ｂ、２０ｃの間に位置する集水管２４に、透過水に抵抗を与える機能を有する集水管区切り部２６または集水管バルブ２７が設けられている。

ここで、集水管区切り部２６または集水管バルブ２７が開であれば、第１の運転方法をとり、半透膜エレメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃを透過した透過水は分離されることなく、上流側透過水または全透過水取り出し経路３または下流側透過水取り出し経路４の少なくともいずれか一方から取り出される。

集水管区切り部２６または集水管バルブ２７が閉であれば、第２の運転方法をとり、半透膜エレメント２０ａ、２０ｂを透過した透過水は上流側透過水または全透過水取り出し経路３を通って取り出され、半透膜エレメント２０ｃを透過した透過水は、下流側透過水取り出し経路４を通って取り出される。また、半透膜エレメント２０ｃを透過した透過水は下流側透過水取り出し経路４を通り、下流側透過水取り出し経路４に設けられた止水部または流量ないし流路制御部２５により、下流側透過水を上流側透過水とともに取り出すか、止水するか、原水に還流させるか、濃縮水とともに排出するか、あるいは別の用途のために取り出すか、切り替えることができる。

集水管区切り部２６または集水管バルブ２７は、第１の運転方法において透過水量を確保するため、半透膜モジュール２１に装填される半透膜エレメントの本数をｎ本（ｎは３以上の整数）としたとき、下流側から数えてｎ／２本未満の位置にある半透膜エレメントの上流側に設置する必要がある。

特に半透膜エレメントが下流側にあればあるほど、該半透膜エレメントに供給される原水量が低下し、その透過水質は悪化するため、集水管区切り部２６または集水管バルブ２７を、最も下流側に位置する半透膜エレメントの上流側に設置するとより好ましい。

上述の集水管区切り部２６または集水管バルブ２７は透過水に抵抗を与えるものであればよく、プラグ、キャップ、フランジ、オリフィス、ゲートバルブ、グローブバルブ、ボールバルブなどを用いることができる。またその材質は鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、銀、銀合金、金、金合金、白金、白金合金、チタン、チタンニッケル合金、インジウム合金、アルミナ、酸化アルミ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、窒化アルミ、天然ゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンサルファイド、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリウレタン、ポリ乳酸、メタクリル樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ノリル樹脂、ＦＲＰなどを用いるとよい。本発明ではいずれの素材も有効であるが、より好ましくは透過水への溶出が少なく、耐蝕性、耐薬性、耐圧性に優れるステンレス鋼、ノリル樹脂、ＦＲＰ、ポリエチレンテレフタレートを用いるとよい。

本実施形態の集水管バルブ２７の操作方法はいずれの場合も有効であるが、半透膜モジュール２１を開放することなく操作することが可能であるため、半透膜モジュール２１の外部から操作できるものがよく、より好ましくは半透膜モジュール２１の外部から赤外線等を用いて非接触で操作できるものがよい。

上述の集水管区切り部２６または集水管バルブ２７に代わり、透過水の一部を通過させる多孔質体でもよく、水温に応じて開閉の程度が変わる形状記憶合金を用いてもよい。

上述の下流側透過水取り出し経路４に設けられた止水部または流量ないし流路制御部２５は、ゲートバルブ、グローブバルブ、二方ボールバルブ、三方ボールバルブ、バタフライバルブ、Λポートバルブなどを用いるとよく、止水する場合は耐圧性に優れるゲートバルブまたはグローブバルブが好ましく、流路を制御する場合は三方ボールバルブが好ましい。

上述の集水管区切り部２６または集水管バルブ２７と、半透膜モジュール２１から止水部または流量ないし流路制御部２５の間に位置する下流側透過水取り出し経路４と、止水部または流量ないし流路制御部２５は、下流側透過水を止水ないし流量を制御する際に圧力が掛かるため、耐圧性を有すことが好ましく、より好ましくは原水側の運転圧力として想定され得る９．０ＭＰａに耐えられる耐圧性を有すると好ましい。

図５は図４の造水装置に流路を加えた造水装置の概念図であって、下流側透過水取り出し経路４に備えられる止水部または流量ないし流路制御部２５は透過水合流経路５を介し上流側透過水または全透過水取り出し経路３に接続される。ここで、集水管区切り部２６または集水管バルブ２７を開かつ流路制御部２５が開または閉、または集水管区切り部２６または集水管バルブ２７を閉かつ止水部または流量ないし流路制御部２５が開であれば第１の運転方法をとり、集水管区切り部２６または集水管バルブ２７と止水部または流量ないし流路制御部２５が共に閉であれば第２の運転方法をとることができる。

止水部または流量ないし流路制御部２５は図６のように透過水合流経路５を介し上流側透過水または全透過水取り出し経路３に接続され、加えて原水合流経路６を介して第２の原水供給経路１に接続されてもよい。このとき、止水部または流量ないし流路制御部２５は流路制御部であり、集水管には集水管区切り部２６または集水管バルブ２７が設置される。ここで、集水管区切り部２６または集水管バルブ２７を開または閉とし、流路制御部２５を透過水合流経路５行きとすれば第１の運転方法をとり、集水管区切り部２６または集水管バルブ２７を閉とし流路制御部２５を原水合流経路６行きとすれば第２の運転方法をとる。ここで、第２の運転方法をとった場合、原水濃度を下げて高圧ポンプの所要動力を下げることができる。

また、止水部または流量ないし流路制御部２５は図７のように透過水合流経路５を介し上流側透過水または全透過水取り出し経路３に接続されてもよい。加えて、下流側透過水排出経路１０を介して第２の濃縮水排出経路２に接続されてもよい。このとき、止水部または流量ないし流路制御部２５は流路制御部であり、集水管には集水管区切り部２６または集水管バルブ２７が設置される。ここで、流路制御部２５を透過水合流経路５行きとすれば第１の運転方法をとり、流路制御部２５を下流側透過水排出経路１０行きに切り替えれば第２の運転方法をとる。

図８は半透膜モジュールが多段に配置され、かつ前段の半透膜モジュール２１ａから得られる濃縮水を後段の半透膜モジュール２１ｂに原水として供給する造水装置の概念図であって、後段の半透膜モジュール２１ｂは図４に示す半透膜モジュールと同様に集水管区切り部２６または集水管バルブ２７、上流側透過水または全透過水取り出し経路３、下流側透過水取り出し経路４、止水部または流量ないし流路制御部２５を有し、止水部または流量ないし流路制御部２５は透過水合流経路５を介し上流側透過水または全透過水取り出し経路３に接続され、加えて原水合流経路６を介して第２の原水供給経路１に接続される。

このとき、装置中で最も透過水質が悪く、かつ透過水量が少ない後段下流側の半透膜エレメントにおいて、透過水取り出し方法を切り替えられるため、透過水質の低下を抑制するに効果的である。

上述の造水装置は後段の半透膜モジュール２１ｂ及び半透膜モジュール２１ｂに接続される経路などが上述の形態であるが、前段の半透膜モジュール２１ａ及び半透膜モジュール２１ａに接続される経路が上述の形態であってもよく、前段、後段ともに上述の形態であってもよい。

かくして上述の本発明の造水方法および装置によれば、全透過水の水質低下が懸念される際には上流側透過水のみを取り出すことで、装置から得られる透過水の水質の低下を抑制することができる。

以下に具体的実施例を挙げて本発明を説明する。実施例ではスパイラル型逆浸透膜エレメントを用いた場合についてのみ説明を行っているが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１に示される形態と同様に、高圧ポンプ、第１の原水供給経路、上流側逆浸透膜モジュール、上流側透過水または全透過水取り出し経路、濃縮水接続経路、透過水接続経路、下流側逆浸透膜モジュール、第１の濃縮水排出経路、下流側透過水取り出し経路、下流側透過水接続経路に設けられ下流側透過水取り出し経路に接続された三方弁からなる造水装置を使用した。ここで上流側逆浸透膜モジュールには、有効膜面積３７ｍ^２、塩除去率９９．７５％、透過水量２４．６ｍ^３／ｄの性能を有し、最大運転圧力が８．３ＭＰａのスパイラル型逆浸透膜エレメント５本を装填し、下流側逆浸透膜モジュールには上述の逆浸透膜エレメントを１本装填した。

運転条件は、中東地域にて海水から工業用水を得る案件を想定し、原水ｐＨを７、原水ＴＤＳを４５０００ｍｇ／ｌ、原水流量を２００ｍ^３／ｄ、透過水量を８０ｍ^３／ｄ（回収率：４０％）、透過水塩濃度の上限を９００ｍｇ／ｌと設定した。

まずは原水温度を１５℃とし、第１の運転方法にて連続で３時間運転した。このとき、モジュール入口圧力は平均７．６５ＭＰａ、透過水塩濃度は平均２０６ｍｇ／ｌであった。

次に原水温度を４５℃とし、第２の運転方法にて連続で３時間運転した。このとき、モジュール入口圧力は平均６．８７ＭＰａ、透過水塩濃度は平均８２４ｍｇ／ｌであった。

＜比較例１＞
実施例１と同様の造水装置を使用し、運転条件の変更に関係なく常に第１の運転方法にて運転した。

原水温度を１５℃として３時間の連続運転を行ったところ、モジュール入口圧力は平均７．６２ＭＰａ、透過水塩濃度は平均２１３ｍｇ／ｌであり、実施例１と同様であった。

次に原水温度を４５℃として３時間の連続運転を行ったところ、モジュール入口圧力は平均６．５３ＭＰａ、透過水塩濃度は平均９６４ｍｇ／ｌとなり、透過水塩濃度の上限を超える結果となった。

＜比較例２＞
実施例１と同様の造水装置を使用し、運転条件の変更に関係なく常に第２の運転方法にて運転した。

原水温度を１５℃として３時間の連続運転を行ったところ、モジュール入口圧力は平均８．４９ＭＰａ、透過水塩濃度は１８５ｍｇ／ｌとなり、逆浸透膜エレメントの最大運転圧力を超える結果となった。

次に原水温度を４５℃として３時間の連続運転を行ったところ、モジュール入口圧力は平均６．９１ＭＰａ、透過水塩濃度は平均８３０ｍｇ／ｌであり、実施例１と同様であった。
実施例及び比較例の結果を表１に示す。

本出願は、２０１７年３月３１日出願の日本特許出願、特願２０１７−０７０１９７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：原水供給経路（第１の原水供給経路、第２の原水供給経路）
２：濃縮水排出経路（第１の濃縮水排出経路、第２の濃縮水排出経路）
３：上流側透過水または全透過水取り出し経路
４：下流側透過水取り出し経路
５：透過水合流経路
６：原水合流経路（還流経路）
８：濃縮水接続経路
９：透過水接続経路
１０：下流側透過水排出経路
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ：半透膜エレメント
２１：半透膜モジュール
２２：上流側半透膜モジュール
２３：下流側半透膜モジュール
２４：集水管
２５：止水部または流量ないし流路制御部
２６：集水管区切り部
２７：集水管バルブ
２８：透過水接続経路切り替え部または透過水接続経路バルブ
２９：高圧ポンプ
３０：原水
３１：濃縮水
３２：透過水
４０：半透膜
４１：原水流路材
４２：透過水流路材

Claims

原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水方法であって、
原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントを、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる半透膜モジュールを含み、
前記半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）が連通されてなり上流側に位置する上流側半透膜モジュールと、前記半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）が連通されてなり下流側に位置する下流側半透膜モジュールと、前記上流側半透膜モジュールに接続された第１の原水供給経路、前記上流側半透膜モジュールから排出される上流側濃縮水が前記下流側半透膜モジュールに原水として供給されるよう接続された濃縮水接続経路、前記上流側半透膜モジュールから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールから得られる下流側透過水を合流させるよう接続された透過水接続経路、前記下流側半透膜モジュールに接続された第１の濃縮水排出経路を有し、
前記濃縮水接続経路と、前記透過水接続経路とを介して、前記上流側半透膜モジュールと前記下流側半透膜モジュールが接続される構成を含む第１の造水装置、または、
前記半透膜エレメントｎ本（ｎは３以上の整数）が連通されてなり、かつ下流側から数えてｎ／２本未満の下流側半透膜エレメントと残りの上流側半透膜エレメントの間に位置する集水管に透過水に抵抗を与える集水管区切り部または集水管バルブが設けられた半透膜モジュールと、第２の原水供給経路、第２の濃縮水排出経路、前記下流側半透膜エレメントから得られる下流側透過水を取り出す下流側透過水取り出し経路、前記上流側半透膜エレメントから得られる上流側透過水を取り出す上流側透過水または全透過水取り出し経路を含む第２の造水装置のいずれかを用い、
前記上流側半透膜モジュールまたは前記上流側半透膜エレメントから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールまたは前記下流側半透膜エレメントから得られる下流側透過水とを合わせた全透過水を取り出す第１の運転方法と、上流側透過水と下流側透過水とを分割して上流側透過水のみを取り出す第２の運転方法とを、任意に切り替えることを特徴とする、造水方法。
前記第１の造水装置を用いた造水方法であって、
前記透過水接続経路に設けられ、流路の切り替えが可能な透過水接続経路切り替え部、及び前記透過水接続経路切り替え部に接続された下流側透過水排出経路を備える造水装置を用い、
前記第１の運転方法と前記第２の運転方法とを、前記透過水接続経路切り替え部によって任意に切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の造水方法。
前記第１の造水装置を用いた造水方法であって、
前記透過水接続経路に設けられ、開閉の切り替えが可能な透過水接続経路バルブを備える造水装置を用い、
前記第１の運転方法と前記第２の運転方法とを、前記透過水接続経路バルブによって任意に切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の造水方法。
前記第２の造水装置を用いた造水方法であって、
前記集水管区切り部に加え、前記下流側透過水取り出し経路に設けられた流量ないし流路を制御する流量ないし流路制御部を備える造水装置、
もしくは、
前記集水管バルブに加え、前記下流側透過水取り出し経路に設けられた止水部、または流量ないし流路制御部の少なくともいずれか１つを備える造水装置において、
前記第１の運転方法と前記第２の運転方法とを、前記流量ないし流路制御部もしくは前記集水管バルブによって任意に切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の造水方法。
前記造水方法において、原水、上流側濃縮水、濃縮水、上流側透過水、下流側透過水、全透過水からなる群から選ばれる少なくとも１つについて、
水質、水温、水量、水圧からなる群から選ばれる少なくとも１つを測定し、
測定された値があらかじめ定められた範囲内である場合に、前記第１の運転方法をとり、
測定された値があらかじめ定められた範囲から逸脱した場合に、前記第２の運転方法をとること
を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の造水方法。
前記造水方法において、
上流側濃縮水の電気伝導度に対する下流側濃縮水の電気伝導度の比があらかじめ定められた値を上回った場合、
下流側透過水または全透過水の水質があらかじめ定められた値を超えて悪化した場合、
原水、上流側濃縮水、濃縮水、上流側透過水、下流側透過水、全透過水のいずれかの水温があらかじめ定められた値を上回った場合、
下流側透過水量があらかじめ定められた値を下回った場合、
上流側透過水量に対する下流側透過水量の割合があらかじめ定められた値を下回った場合のうち、
少なくとも１つの条件に該当するとき、前記第２の運転方法をとり、
いずれの条件にも当てはまらないとき、前記第１の運転方法をとることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の造水方法。
前記造水方法において、原水塩濃度が３００００ｍｇ／Ｌ以上、回収率が３０％以上であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の造水方法。
原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水装置であって、
原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる上流側半透膜モジュールと、
前記半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる下流側半透膜モジュールを含み、
前記上流側半透膜モジュールに接続された第１の原水供給経路、前記上流側半透膜モジュールから排出される上流側濃縮水が前記下流側半透膜モジュールに原水として供給されるよう接続された濃縮水接続経路、前記上流側半透膜モジュールから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールから得られる下流側透過水を合流させるよう接続された透過水接続経路、前記下流側半透膜モジュールに接続された第１の濃縮水排出経路、流路の切り替えが可能な透過水接続経路切り替え部及び前記透過水接続経路切り替え部に接続された下流側透過水排出経路を備えることを特徴とする、造水装置。
原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水装置であって、
原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｍ本（ｍは２以上の整数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる上流側半透膜モジュールと、
前記半透膜エレメントｐ本（ｐはｐ＜ｍを満たす自然数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる下流側半透膜モジュールを含み、
前記上流側半透膜モジュールに接続された第１の原水供給経路、前記上流側半透膜モジュールから排出される上流側濃縮水が前記下流側半透膜モジュールに原水として供給されるよう接続された濃縮水接続経路、前記上流側半透膜モジュールから得られる上流側透過水と前記下流側半透膜モジュールから得られる下流側透過水を合流させるよう接続された透過水接続経路、前記下流側半透膜モジュールに接続された第１の濃縮水排出経路、前記透過水接続経路とは異なる場所に設けられ上流側透過水または上流側透過水と下流側透過水とを合わせた全透過水を取り出す上流側透過水または全透過水取り出し経路、前記透過水接続経路に設けられた開閉の切り替えが可能な透過水接続経路バルブを備えることを特徴とする、造水装置。
前記濃縮水接続経路と、
前記透過水接続経路と、
前記透過水接続経路バルブと、
前記透過水接続経路のうち、前記下流側半透膜モジュールから前記透過水接続経路バルブまでの間に位置する経路が、
原水側の運転圧に耐えられる耐圧性を有することを特徴とする、請求項９に記載の造水装置。
前記下流側半透膜モジュールに収容される前記半透膜エレメントが１本であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の造水装置。
前記下流側透過水排出経路と、前記第１の原水供給経路とが、原水合流経路（還流経路）を介して接続されることを特徴とする、請求項８に記載の造水装置。
原水昇圧用高圧ポンプを備え、原水を半透膜で分離し濃縮水を排出して透過水を取り出す造水装置であって、原水供給口、濃縮水排出口、半透膜、原水流路、透過水流路、透過水を集めて取り出す集水管を備える半透膜エレメントｎ本（ｎは３以上の整数）を、前段の半透膜エレメントから排出される濃縮水が後段の半透膜エレメントに原水として供給されるよう、集水管を介して連通してなる半透膜モジュールを含み、前記半透膜モジュールは、第２の原水供給経路、第２の濃縮水排出経路、前記半透膜モジュール内の下流側から数えてｎ／２本未満の半透膜エレメントから得られる下流側透過水を取り出す下流側透過水取り出し経路と、残りの半透膜エレメントから得られる上流側透過水を取り出す上流側透過水または全透過水取り出し経路を備え、
下流側から数えてｎ／２本未満の位置にある半透膜エレメントの上流側の集水管に設けられた、透過水に抵抗を与える集水管区切り部と、前記下流側透過水取り出し経路に設けられた流量ないし流路を制御する流量ないし流路制御部を備えること、
もしくは、
下流側から数えてｎ／２本未満の位置にある半透膜エレメントの上流側の集水管に設けられた、開閉の切り替えが可能な集水管バルブに加え、前記下流側透過水取り出し経路に設けられた止水部または流量ないし流路制御部の少なくともいずれか１つを備えること
を特徴とする造水装置。
前記集水管区切り部もしくは前記集水管バルブと、
前記下流側透過水取り出し経路のうち、前記半透膜モジュールから前記止水部または流量ないし流路制御部までの間に位置する経路と、
前記止水部または流量ないし流路制御部が、
原水側の運転圧に耐えられる耐圧性を有することを特徴とする請求項１３に記載の造水装置。
前記半透膜モジュールに収容されたｎ本の半透膜エレメントのうち、最も下流側に位置する半透膜エレメントの集水管の上流側に、前記集水管区切り部もしくは前記集水管バルブが設置されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の造水装置。
前記下流側透過水取り出し経路と、前記第２の原水供給経路とが、前記半透膜モジュールの外で前記流量ないし流路制御部、及び原水合流経路（還流経路）を介して接続されることを特徴とする、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の造水装置。