WO2014064821A1 - 海水淡水化システム - Google Patents

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光晴 池田
本棒　享子
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    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the present invention relates to a seawater desalination system.
  • a seawater desalination system is a facility that produces drinkable freshwater with a salt concentration of 0.05 wt.% Or less from seawater with a salt concentration of 3.5 wt.%.
  • RO reverse osmosis
  • the reverse osmosis membrane method is a filtration method that separates fresh water and high-concentration salt water by pressurizing seawater in contact with a reverse osmosis membrane that does not transmit ions or impurities other than water. It is easy to receive. In particular, since the pore diameter of the osmotic membrane is nanometer or less, when microorganisms in seawater propagate on the reverse osmosis membrane, it easily causes clogging (Bio-Fouling), and the desalting efficiency decreases.
  • a technique using silver-supported activated carbon is disclosed as a conventional technique related to prevention of microbial propagation in water (Patent Document 1). Specifically, in water treatment of liquids containing various inorganic and organic substances such as wastewater treatment, seawater desalination, and production of pure water, a microbial sterilization facility is installed upstream and the treated water is made of silver-supported activated carbon. This is a method using a sterilizing means for sterilizing and a membrane means for concentrating and separating sterilized water to be treated.
  • the microorganisms in to-be-processed water can be disinfected, and the penetration
  • the silver-supported activated carbon uses a combination of activated carbon as a skeleton and silver with a bactericidal action, when regenerating the silver-supported activated carbon, it is a normal activated carbon regeneration process, which is a pre-process for heating organic matter and burning organic matter As such, chemical treatment to separate activated carbon and silver is necessary.
  • the activated carbon when using silver-supported activated carbon as a sterilization filter, the activated carbon is generally uneven in shape and the surface density of the supported silver varies, so it is difficult to control the flow rate of the water to be treated and the sterilization effect. Considering further improvement of the operation efficiency of the desalination system and reduction of maintenance man-hours, it is not necessarily a suitable method.
  • Patent Document 2 Calcium aluminate is known as a kind of cement having a cage structure made of CaCO 3 and Al 2 O 3 and having a composition formula of 12CaO ⁇ 7Al 2 O 3 .
  • the function of an oxidizing agent was imparted by incorporating active oxygen into the soot made of this calcium aluminate 12CaO ⁇ 7Al 2 O 3 (Patent Document 3).
  • the underwater biofouling prevention powder of Patent Document 2 is a resin composition containing crystalline calcium aluminate containing 1 ⁇ 10 19 pieces / cm 3 or more of this active oxygen (O ⁇ ). Prevents biofouling on structures.
  • this oxidizing agent and the underwater biofouling prevention powder have an antibacterial effect on the underwater structure, they do not have a function of capturing microorganisms, and therefore cannot prevent microorganisms from entering the reverse osmosis membrane disposed downstream.
  • An object of the present invention is to provide a low-cost, high-reliability seawater desalination system by suppressing microorganisms from entering a seawater desalination facility.
  • the seawater desalination system is characterized in that a microbial treatment tank is disposed upstream of a seawater desalination facility, and the microbial treatment tank includes a sterilization filter composed of titania or calcium aluminate containing active oxygen.
  • the present invention it is possible to suppress the invasion of microorganisms into the reverse osmosis membrane while reducing the environmental load, and it is possible to provide a highly reliable seawater treatment system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a seawater desalination system according to the present invention. It is a schematic diagram which shows the sterilization filter which this invention concerns. It is a schematic diagram which shows the sterilization filter which this invention concerns. It is a schematic diagram which shows the sterilization filter which this invention concerns. It is a figure which shows the sterilization filter which this invention concerns. It is a figure which shows the result of having calculated
  • a microbial treatment tank 18 is disposed upstream of a desalination treatment tank 13 having a reverse osmosis membrane 14, and the microbial treatment tank 18 has titania or active oxygen (O) as shown in FIG. -, O 2 -, O 3 -) by providing a sterilization canal 22 in sterilizing filter 21 composed of a calcium aluminate containing, in the microorganisms contained in for-treatment water sterilization, the captured desalination treatment tank 13 It is characterized by preventing intrusion.
  • O active oxygen
  • the sterilizing filter 21 of the present invention is provided with a water passage 22 for sterilization, and by changing the opening area and length of the water passage, the amount of water fed to the desalination treatment tank 13, that is, the treatment capacity and the sterilization effect of the desalination Providing a seawater desalination system that can be optimized.
  • the sterilization filter, titania or active oxygen (O -, O 2 -, O 3 -) by forming only the calcium aluminate containing even collapses deteriorated surface sterilization filter by hydrolysis, a new titania or active oxygen (O -, O 2 -, O 3 -) calcium aluminate containing made it possible to have a sustained bactericidal and capture by exposure.
  • the regeneration process of the sterilization filter can be easily performed by recovering the deteriorated titania or calcium aluminate and sintering again at a high temperature.
  • a microbial treatment tank is disposed upstream of a seawater desalination facility, and the microbial treatment tank is composed of calcium aluminate containing titania or active oxygen (O ⁇ , O 2 ⁇ , O 3 ⁇ ).
  • a structure in which is arranged is effective.
  • the filter for sterilization has a structure in which a water channel for sterilization is provided on a plate of calcium aluminate containing titania or active oxygen (O ⁇ , O 2 ⁇ , O 3 ⁇ ). It is effective that the filter for sterilization is a porous plate made of calcium aluminate containing titania or active oxygen (O ⁇ , O 2 ⁇ , O 3 ⁇ ).
  • the water treatment system according to the present invention will be described as an example of a seawater desalination system constituted by a reverse osmosis membrane as a desalination treatment.
  • the present invention is not limited to a seawater desalination system configured with a reverse osmosis membrane as a desalination treatment, but is also effective for other water treatment systems that involve sterilization of microorganisms, such as wastewater treatment systems and pure water production apparatuses.
  • the treated water is not limited to seawater but may be brine, river water, drainage, hot spring water, or the like.
  • the present invention is particularly effective for a seawater desalination system using a reverse osmosis membrane having low chemical resistance such as an aromatic polyamide resin.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention, and is a schematic diagram illustrating a seawater desalination system as an example.
  • the conventional seawater desalination system mainly includes a primary filtration tank 11 that removes foreign substances and turbid components in raw seawater taken from water intake equipment, a safety filter 12 to prevent solids from entering, and reverse osmosis. It comprises a high pressure pump 17 for injecting seawater into a desalination treatment tank 13 provided with a membrane 14 at a high pressure, and a fresh water storage tank 15 for storing treated water.
  • the treated water injected into the desalination treatment tank 13 at high pressure is separated into fresh water having a salt concentration of 0.05% or less that has permeated through the reverse osmosis membrane 14 having a nanoporous structure and non-permeated concentrated water, and the permeated water is fresh water stored as fresh water.
  • Non-permeated water has a salt concentration of 7-8% and is concentrated to about twice that of seawater. Therefore, after mixed and diluted with sewage treated water, it is discharged into the sea to reduce the impact on the environment.
  • microorganisms that survive in the raw seawater are provided by providing the microorganism treatment tank 18 upstream of the desalination treatment tank 13 in the conventional seawater desalination system described above, and disposing the sterilization filter 19 having a sterilization channel. Was sterilized and captured, and prevented from entering the desalination tank 13.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example in which a sterilization channel is provided on a calcium aluminate plate containing active oxygen as a microbial sterilization filter in a seawater desalination system.
  • the microorganism sterilization filter of the present invention was produced as follows. First, in order to prepare calcium aluminate as a constituent material of a sterilizing filter, calcium carbonate (CaCO 3 ) powder and alumina (Al 2 O 3 ) powder are mixed and then melted at a high temperature for production.
  • CaCO 3 calcium carbonate
  • Al 2 O 3 alumina
  • This calcium aluminate is produced in a high-temperature atmosphere furnace capable of gas replacement in order to accurately control the firing atmosphere and temperature, and the calcium carbonate powder and the alumina powder are preferably mixed at a molar ratio of 12: 7. .
  • firing was performed in an oxygen atmosphere using a high-temperature atmosphere furnace equipped with a vacuum pump capable of obtaining a high-purity oxygen atmosphere.
  • the firing temperature was 1200 ° C.
  • the particle size of the calcium aluminate powder was adjusted by sieving, and then dry press-molded with a mold provided with a sterilizing water channel 22 Thereafter, it was fired again.
  • the particle diameter of the calcium aluminate powder is preferably uniform and preferably 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less in diameter.
  • the firing temperature is effectively 1200 ° C. or less in order to prevent remelting of the calcium aluminate powder.
  • a sterilizing filter provided with a sterilizing water channel using a mold on a plate-like calcium aluminate was manufactured, but the sterilizing filter of the present invention was limited to a cylindrical water channel as shown in FIG.
  • the sterilization filter should just have the clearance gap for a to-be-processed water to flow into a freshwater treatment facility instead of a thing.
  • a structure in which a gap formed by bundling cylindrical rods 31 formed of calcium aluminate as shown in FIG. 3 is used as a water channel 32 may be used, and a porous filter as shown in FIG. 4 is also effective.
  • test results of a water treatment system to which the sterilizing filter of the example is applied are shown in FIGS.
  • Absorption method was adopted as a test method. That is, when microorganisms are present in water, the irradiated light is scattered and absorbed, so that the relative amount of microorganisms can be evaluated by measuring the absorbance. Therefore, the amount of microorganisms in the treated water obtained by treating the seawater obtained by filtering foreign matters and turbid components in the raw seawater with filter paper with the sterilizing filter in FIG. 2 and in the untreated sterilized filter seawater was evaluated by absorbance (FIG. 5). ).
  • the absorbance of the water to be treated was lower than that of the untreated water, and it was shown that the penetration of microorganisms downstream could be suppressed by permeation through the sterilization filter.
  • the treated water and untreated water are identified using a method for identifying sulfate-reducing bacteria (see Microbial Experimental Method for Marine Assessment p94-97). Medium was grown for 2 weeks.
  • a sterilizing filter of calcium aluminate containing titania and active oxygen of this example a structure in which a sterilizing water channel is provided in a plate material, a structure in which a gap formed by combining cylinders is a sterilizing water channel, and a porous plate structure
  • the present invention is applicable to other structures combining solids of titania and calcium aluminate containing active oxygen, and is not limited thereto.

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Abstract

海水淡水化設備の上流に微生物処理槽が配置され、前記微生物処理槽が、チタニアまたは活性酸素を含むカルシウムアルミネートで構成された殺菌フィルタを備えることにより、海水淡水化設備への微生物の侵入を抑止し海水淡水化システムの信頼性が向上する。

Description

海水淡水化システム
　本発明は、海水淡水化システムに関する。
　近年、淡水資源に乏しい地域における海水淡水化システムの需要が増えている。海水淡水化システムとは、塩濃度3.5wt.%の海水から、飲料可能な塩濃度0.05wt.%以下の淡水を製造する設備であり、その製造方式は、大きく分けて液相変化を伴う蒸発法と液相変化を伴わない逆浸透(Reverse Osmosis:RO)膜法及び電気透析法がある。
　逆浸透膜法とは、水以外のイオンや不純物を透過しない逆浸透膜に接触した海水を加圧することにより淡水と高濃度の塩水を分離する濾過方法であり、蒸発法に比べ原海水の影響を受けやすい。特に、浸透膜の孔径はナノメートル以下であるため、逆浸透膜上に海水中の微生物が繁殖すると容易に目詰まり(Bio-Fouling)を引き起こし、脱塩効率が低下する。
　水中微生物繁殖防止にかかわる従来技術として、銀担持活性炭を用いる技術が開示されている（特許文献１）。具体的には、排水処理、海水の淡水化、純水の製造等、各種の無機物質、有機物質を含有する液の水処理において、上流に微生物殺菌設備を設け被処理水を銀担持活性炭で殺菌する殺菌手段と殺菌した被処理水を濃縮分離する膜手段を用いる方法である。特許文献１の技術により、被処理水中の微生物を殺菌し、逆浸透膜への微生物の侵入を抑止できる。しかし、銀担持活性炭は、骨格となる活性炭と殺菌作用を持つ銀を併用しているため、銀担持活性炭を再生する場合には、通常の活性炭再生工程である高温加熱し有機物を燃焼する前工程として、活性炭と銀を分離する化学処理が必要である。また、銀担持活性炭を殺菌フィルタとして用いる場合、一般的に活性炭は形状が不均一で担持される銀の面密度もばらつきがあるため、被処理水の流量や殺菌効果の制御が困難であり、淡水化システムの運転効率のさらなる向上や保守工数の削減を考慮すると、必ずしも適した手法とは言えなくなった。
　そして、水中微生物繁殖防止にかかわる従来技術として、活性酸素を含むカルシウムアルミネートを用いた水中生物付着防止粉末が開示されている（特許文献２）。カルシウムアルミネートとは、CaCO3とAl2O3を原材料とした、組成式12CaO・7Al2O3からなる籠（ケージ）の構造を有すセメントの一種として知られている。このカルシウムアルミネート12CaO・7Al2O3からなる籠内部に活性酸素を取り込むことにより、酸化剤の機能を付与した（特許文献３）。特許文献２の水中生物付着防止粉末は、この活性酸素(O-)を1×1019個/cm3以上含有した結晶カルシウムアルミネートを含む樹脂組成物であり、例えば塗料として用いることにより、水中構造物への生物付着を防止している。しかし、この酸化剤及び水中生物付着防止粉末は、水中構造物を抗菌する効果はあるものの、微生物を補足する機能はないため、下流に配置された逆浸透膜への微生物侵入を防止できない。
特開昭61-054278号公報 特開2006-３１２６０２号公報 特開2002-３２１８号公報
　本発明の目的は、海水淡水化設備への微生物侵入を抑止することにより、低コストで高信頼性の海水淡水化システムを提供することにある。
　海水淡水化システムは、海水淡水化設備の上流に微生物処理槽が配置され、前記微生物処理槽が、チタニアまたは活性酸素を含むカルシウムアルミネートで構成された殺菌フィルタを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、環境負荷を低減しつつ、逆浸透膜への微生物侵入を抑止することが可能となり、高信頼性の海水処理システムを提供することができる。
本発明が係る海水淡水化システムを示す模式図である。 本発明が係る殺菌フィルタを示す模式図である。 本発明が係る殺菌フィルタを示す模式図である。 本発明が係る殺菌フィルタを示す模式図である。 本発明の実施例を適用した微生物の捕獲量を実験的に求めた結果を示す図である。 本発明の実施例を適用した微生物の殺菌量を実験的に求めた結果を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
　図１に示した海水淡水化システムにおいて、逆浸透膜14を備えた淡水化処理槽13の上流に、微生物処理槽18が配置され、前記微生物処理槽18に図2のチタニアまたは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートで構成された殺菌フィルタ21に殺菌用水路22を設けることにより、被処理水に含まれる微生物を殺菌、捕獲し淡水化処理槽13への侵入を防止することを特徴とする。
　具体的には、殺菌作用を持つチタニアもしくは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートを焼結させ表面にミクロポーラス状の凹凸を形成し効率よく微生物を殺菌・捕獲する。さらに、本発明の殺菌フィルタ21は、殺菌用の水路22を設け、水路の開口面積と長さを変更することにより、淡水化処理槽13への送水量つまり淡水化の処理能力と殺菌効果の最適化が可能となる海水淡水化システムを提供する。そして、殺菌フィルタは、チタニアもしくは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートのみで形成することにより、加水分解により殺菌フィルタの表面が劣化し崩れても、新たなチタニアもしくは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートが露出することにより殺菌及び捕獲の持続性を持たせることを可能とした。また、殺菌フィルタの再生処理も、劣化したチタニアもしくはカルシウムアルミネートを回収し、再度高温焼結すればよく、再生処理も容易となった。
　本発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。即ち、海水淡水化設備の上流に、微生物処理槽が配置され、前記微生物処理槽にチタニアまたは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートで構成された殺菌用フィルタを配置した構造が有効である。その殺菌用フィルタは、チタニアまたは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートの板に殺菌用水路を設けた構造であることが有効である。その殺菌用フィルタは、チタニアまたは活性酸素(O-,O2 -,O3 -)を含むカルシウムアルミネートで構成された多孔質板であることが有効である。
　以下、実施例を説明する。
　ここでは本発明による水処理システムを、脱塩処理として逆浸透膜で構成された海水淡水化システムを例として説明する。しかし、本発明は、脱塩処理として逆浸透膜で構成された海水淡水化システムに限るものではなく、廃水処理システムや純水製造装置など、微生物殺菌を伴うその他水処理システムにも有効である。また、被処理水は海水だけではなく、かん水、河川水、排水、温泉水、その他でもよい。本発明はとりわけ、芳香族ポリアミド樹脂など耐薬品性の低い逆浸透膜を用いた海水淡水化システムに特に有効である。
　水処理システムのうち、微生物殺菌槽を設けた海水淡水化システムの実施例を述べる。
　図１は本発明の実施例の説明図であり、海水淡水化システムを例とした模式図である。従来の海水淡水化システムは、主に取水設備より取り入れた原海水中の異物や濁質成分を取り除く1次濾過槽11と、固形物が混入するのを防止するための保安フィルタ12、逆浸透膜14を備えた淡水化処理槽13に海水を高圧で注入する高圧ポンプ17及び、処理水を保管する淡水貯水槽15で構成される。淡水化処理槽13に高圧で注入された被処理水は、ナノポーラス構造の逆浸透膜14を透過した塩濃度0.05%以下の淡水と非透過の濃縮水に分離され、透過水は淡水として淡水貯水槽15に保管される。非透過水は塩濃度が7～8%と海水の約2倍程度に濃縮されるため、下水処理水と混合希釈した後、海に放水することにより環境への影響を低減している。本発明では、以上の従来型の海水淡水化システムにおける淡水化処理槽13の上流に微生物処理槽18を設け、殺菌水路を有す殺菌フィルタ19を配置することにより、原海水中に生存する微生物を殺菌及び捕獲し、淡水化処理槽13に侵入するのを防止した。
　図２は、海水淡水化システムにおける微生物殺菌フィルタとして、活性酸素を含有したカルシウムアルミネートの板に殺菌水路を設けた例の模式断面図である。本発明の微生物殺菌フィルタは以下のとおり製造した。まず、殺菌フィルタの構成材となるカルシウムアルミネートを作成するために、炭酸カルシウム（CaCO3）粉末とアルミナ（Al2O3）粉末を混合した後、高温溶融し製造する。このカルシウムアルミネートの製造は、焼成雰囲気や温度を精度よく制御するため、ガス置換が可能な高温雰囲気炉がよく、炭酸カルシウム粉末及びアルミナ粉末はモル比率12:7の割合で混合するのが好ましい。ここではカルシウムアルミネートの製造と活性酸素の含有を同時に行うため、高純度の酸素雰囲気が得られる真空ポンプが併設された高温雰囲気炉を用い、酸素雰囲気中で焼成した。また、焼成温度は１２００℃とした。以上の作成法で得た活性酸素を含有するカルシウムアルミネートをボールミルで破砕後、篩分けによりカルシウムアルミネート粉末の粒径を整えた上で、殺菌水路22を設けた金型で乾式プレス成型した後、再度焼成した。本発明においては、殺菌フィルタの残留応力によるき裂を防止し、全長1μm以上の微生物を捕獲しやすくするため、カルシウムアルミネート粉末の粒径は均一とし、直径1μm以上50μm以下とするのが好ましい。焼成温度は、カルシウムアルミネート粉末の再溶融を防止するために1200℃以下が有効である。
　以上の、実施例では、板状のカルシウムアルミネートに、金型を用い殺菌水路を設けた殺菌フィルタを製造したが、本発明の殺菌フィルタは図２のような円柱状の水路に限定されたものではなく、被処理水が淡水処理設備に流れるための隙間を殺菌フィルタが有していればよい。例えば図３に示したようなカルシウムアルミネートで形成された円柱棒31を束ね構成されたすき間を水路32とした構造でもよく、また図４のようなポーラス状のフィルタでも有効である。以上の工程により、Bio-Foulingが防止され、信頼性が向上した海水淡水化システムができる。
　本発明の効果として、実施例の殺菌フィルタを適用した水処理システムの試験結果を図５、６に示す。試験法としては、吸光法を採用した。即ち、水中に微生物が存在すると照射された光は散乱・吸収されるため、吸光度を計測することにより微生物量の相対量を評価できる。そこで、原海水中の異物や濁質成分を濾紙により濾過した海水を、図２の殺菌フィルタで水処理した被処理水中及び殺菌フィルタ未処理の海水中の微生物量を吸光度により評価した（図５）。その結果、被処理水の吸光度は、未処理の吸光度よりも低く、殺菌フィルタを透過させることにより、下流への微生物の侵入が抑止できたことが示された。また、被処理水に含まれる活性微生物量を評価するため、被処理水と未処理水を、硫酸還元菌を対象とした同定手法（海洋アセスメントのための微生物実験法p94-97を参照）で２週間培地成長させた。その結果、未処理水では微生物の活性を示す硫化鉄形成による培地の黒化が確認されたものの、被処理水では黒化がなく、殺菌フィルタにより活性微生物の侵入を抑止できる結果が得られた（図６）。
　ここで、本発明の実施例より殺菌フィルタの下流への微生物の侵入が抑制できた理由を説明する。活性炭素を含有したカルシウムアルミネートの殺菌機能を有す機構については明らかになっていないが、カルシウムアルミネートの加水分解により放出された活性酸素が持つ酸化力により細胞膜や細胞内酵素を破壊されたと推定している。以上により、本発明により微生物の侵入及びBio-Foulingが抑止された海水化淡水化システムを提供できることが実証された。
　以上、本発明を実施するための最良の形態について、実施例の図１～６を基に詳細に説明した。なお、本実施例のチタニア及び活性酸素を含むカルシウムアルミネートの殺菌フィルタとして、板材に殺菌水路を設けた構造及び、円柱を組合せ出来たすきまを殺菌水路とした構造、及び多孔質板の構造を用いたが、本発明はチタニア及び活性酸素を含むカルシウムアルミネートの固形物を組合せた他の構造にも適用可能であり、これに限定したものではない。
　11…1次濾過槽、12…安全フィルタ、13…淡水化処理槽、14…逆浸透膜、15…淡水貯水槽、16…送水ポンプ、17…高圧ポンプ、18…微生物処理槽、19…殺菌フィルタ、21…殺菌板（チタニア、活性酸素を含むカルシウムアルミネート）、22…殺菌水路、31…殺菌棒（チタニア、活性酸素を含むカルシウムアルミネート）、32…殺菌水路、41…殺菌多孔板（チタニア、活性酸素を含むカルシウムアルミネート）、42…殺菌水路、61…微生物培地、62…硫化鉄による黒化。

Claims (3)

  1. 　海水淡水化設備の上流に微生物処理槽が配置され、前記微生物処理槽が、チタニアまたは活性酸素を含むカルシウムアルミネートで構成された殺菌フィルタを備えることを特徴とする海水淡水化システム。
  2. 請求項１において、前記殺菌フィルタは、前記カルシウムアルミネートの板に水路を設けた構造であること特徴とする海水淡水化システム。
  3. 請求項１において、前記殺菌フィルタは、前記カルシウムアルミネートで構成された多孔質板であること特徴とする海水淡水化システム。
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