WO2016006344A1 - 淡水化システム - Google Patents

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WO2016006344A1
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reverse osmosis
treated
treatment device
osmosis treatment
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早津　昌樹
秀昭 黒川
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/06—Energy recovery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/58—Multistep processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the present invention relates to a desalination system that desalinates water to be treated using a reverse osmosis membrane.
  • Patent Document 1 discloses that seawater is supplied to a reverse osmosis membrane module to be desalinated, the seawater discharged from the reverse osmosis membrane module is pressurized by a pressure transmission energy recovery device, and the pressurized seawater is supplied to another reverse osmosis.
  • the seawater desalination method supplied to the membrane module is described.
  • Patent Document 1 The technology described in Patent Document 1 is configured to boost seawater using the energy recovered by the pressure transmission type energy recovery device, but there is room for further improving the energy efficiency of the entire system.
  • an object of the present invention is to provide a desalination system with high energy efficiency.
  • a desalination system has a reverse osmosis membrane, a membrane filtration is performed on water to be treated flowing into its primary side, and a permeate is discharged from the secondary side.
  • a reverse osmosis treatment device a first pump disposed upstream of the first reverse osmosis treatment device and pumping water to be treated to a primary side of the first reverse osmosis treatment device, and the first reverse osmosis treatment device
  • a second pump for boosting the water to be treated flowing out from the primary side, and a reverse osmosis membrane, and the water to be treated flowing into the primary side from the second pump is subjected to membrane filtration, and the permeated water from the secondary side.
  • a second reverse osmosis treatment device and a turbine blade rotating by residual pressure of water to be treated flowing out from a primary side of the second reverse osmosis treatment device, and the rotation of the turbine blade causes the second pump to rotate.
  • the water to be treated is separated from the upstream side of the first pump by the clutch for connecting / disconnecting the cover turbine and the residual pressure of the water to be treated flowing out through the recovery turbine, and the first reverse And a positive displacement type power recovery device that pumps the osmosis treatment device to the primary side.
  • a desalination system with high energy efficiency can be provided.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a desalination system according to the present embodiment.
  • the desalination system S allows water to be treated (for example, seawater) to flow into the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 and the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 at a high pressure.
  • 8 is a system that obtains permeated water (fresh water) from the secondary side.
  • permeated water is water obtained by permeating water to be treated through a reverse osmosis membrane and hardly contains impurities such as salt.
  • the desalination system S mainly includes a water intake pump 1, a pretreatment device 3, a high pressure pump 5, a first reverse osmosis treatment device 6, an intermediate booster pump 7, a second reverse osmosis treatment device 8, and a recovery turbine. 11, a clutch 12, a power recovery device 13, and a booster pump 16.
  • an intake pump 1, an intake tank 2, a pretreatment device 3, an RO (Reverse Osmosis) raw water tank 4, a high-pressure pump 5, and a first reverse osmosis treatment device 6 are arranged in order from the upstream side. Are connected sequentially. The connection relationship on the downstream side of the first reverse osmosis treatment device 6 will be described later.
  • the water intake pump 1 is a pump that takes water to be treated from a water intake through a pipe a1.
  • the intake tank 2 is a tank that temporarily stores the water to be treated that flows from the intake pump 1 through the pipe a2.
  • the pretreatment device 3 is a device that performs pretreatment for removing impurities from seawater flowing from the intake tank 2 through the pipe a3. Examples of the pretreatment include chemical addition treatment, agglomeration magnetic separation treatment, sand filtration treatment, and ultrafiltration treatment. In addition, description is abbreviate
  • the RO raw water tank 4 is a tank for temporarily storing water to be treated which flows from the pretreatment device 3 through the pipe a4.
  • the high-pressure pump 5 (first pump) is a pump that pumps water to be treated which flows from the RO raw water tank 4 through the pipe a5 to the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6.
  • the high-pressure pump 5 is disposed on the upstream side of the first reverse osmosis treatment device 6, and the discharge port thereof is connected to the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 via a pipe a ⁇ b> 6.
  • the pressurizing force of the high-pressure pump 5 is a predetermined pressure that allows the treated water to permeate from the primary side to the secondary side of the first reverse osmosis treatment device 6 through the reverse osmosis membrane of the first reverse osmosis treatment device 6. Set to pressure.
  • the 1st reverse osmosis processing apparatus 6 is an apparatus which carries out the membrane filtration of the to-be-processed water which flows in through the piping a6 from the high pressure pump 5.
  • FIG. the first reverse osmosis treatment device 6 is a cylindrical vessel, a water collecting pipe arranged along the central axis of the vessel, and an RO element arranged on the radially outer side of the water collecting pipe. And have.
  • the water collection pipe is provided with a plurality of holes for allowing permeate to flow therethrough.
  • the RO element is, for example, a reverse osmosis membrane wound around a water collection pipe so as to cover the above-described hole, and the outer peripheral surface thereof is in close contact with the inner peripheral wall of the vessel.
  • the reverse osmosis membrane has a property of allowing water to permeate through water to be treated which flows at a predetermined pressure exceeding the osmotic pressure, and not allowing impurities other than water such as ions and salts to permeate.
  • the “primary side” of the first reverse osmosis treatment device 6 means a region upstream of the RO element in the space in the vessel.
  • the “secondary side” of the first reverse osmosis treatment device 6 means a region in the water collecting pipe described above.
  • the first reverse osmosis treatment device 6 includes a plurality of (for example, three) RO elements, the RO elements are arranged in series at a predetermined interval in the axial direction of the vessel.
  • the downstream pipe of the water collecting pipe included in the first reverse osmosis treatment device 6 is connected to the permeate tank 9 via the pipe a7.
  • the pipe a7 When the water to be treated is pumped into the vessel via the pipe a6, a part of the water to be treated passes through the RO element and flows into the water collecting pipe through the hole.
  • This permeated water is stored in the permeated water tank 9 through a water collection pipe and a pipe a7.
  • a pipe a8 through which water to be treated that has not permeated the RO element flows is connected to the vessel of the first reverse osmosis treatment device 6.
  • the water to be treated that has not permeated the RO element is directed to the intermediate booster pump 7 via the pipe a8.
  • the intermediate booster pump 7 (second pump) is a pump that boosts the water to be treated which flows from the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 through the pipe a8.
  • the suction port of the intermediate booster pump 7 is connected to the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 via a pipe a8, and the discharge port is connected to the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 via a pipe a9. .
  • the intermediate booster pump 7 has an impeller that boosts the water to be treated by rotating, and an electric motor that rotates the impeller.
  • a drive shaft is press-fitted and fixed to the rotor of the electric motor described above.
  • the drive shaft is rotatably supported by a bearing, and one end thereof is coupled to the clutch 12.
  • the second reverse osmosis treatment device 8 is a device that performs membrane filtration on the water to be treated that flows from the intermediate booster pump 7 through the pipe a9, and has the same configuration as the first reverse osmosis treatment device 6.
  • the number of RO elements included in the second reverse osmosis treatment device 8 is larger than that of the first reverse osmosis treatment device 6.
  • pipe a ⁇ b> 10 Through the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8, pipe a ⁇ b> 10 through which treated water with high salt concentration (hereinafter referred to as concentrated water) that has not permeated the RO element of the second reverse osmosis treatment device 8 flows. Is connected.
  • a pipe a ⁇ b> 11 Through the secondary side of the second reverse osmosis treatment device 8, a pipe a ⁇ b> 11 through which water (permeated water) that has passed through the RO element of the second reverse osmosis treatment device 8 flows is connected.
  • the permeate tank 9 has permeate flowing from the secondary side of the first reverse osmosis treatment device 6 via the pipe a7 and permeate water flowing from the secondary side of the second reverse osmosis treatment device 8 via the pipe a11. And a temporary storage tank.
  • the water supply pump 10 is a pump that pumps permeate flowing from the permeate tank 9 through the pipe a12 to the demand side through the pipe a13.
  • the demand side is an industrial area, an agricultural area, or a city near the desalination system S.
  • the recovery turbine 11 is a device that applies power to the intermediate booster pump 7 by rotating turbine blades with the residual pressure of concentrated water flowing out from the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8.
  • the recovery turbine 11 has an inlet connected to the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 via a pipe a10, and an outlet connected to the primary side of the power recovery device 13 via a pipe a14.
  • the recovery turbine 11 includes a turbine blade that rotates with the residual pressure of concentrated water, a casing that accommodates the turbine blade and the like, and a shaft member that is press-fitted and fixed to the rotation center of the turbine blade. .
  • the shaft member is rotatably supported through a bearing, and is connected to the clutch 12 through the casing. The turbine blades and the shaft member are rotated together by the residual pressure of the concentrated water, and power is applied to the intermediate booster pump 7.
  • the clutch 12 connects / disconnects the electric motor included in the intermediate booster pump 7 and the turbine blades included in the recovery turbine 11. For example, immediately after the high-pressure pump 5 and the intermediate booster pump 7 are started, the pressure of the water to be treated that flows into the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 is low, so the clutch 12 is disengaged. In this case, the intermediate booster pump 7 is driven without assistance from the recovery turbine 11.
  • the power recovery device 13 uses the residual pressure of the concentrated water flowing in via the recovery turbine 11 to boost the water to be treated that is diverted from the pipe a5 upstream of the high-pressure pump 5.
  • the power recovery apparatus 13 has a primary side inlet connected to the recovery turbine 11 via a pipe a14, and a primary side outlet connected to the concentrated water tank 14 via a pipe a15.
  • the power recovery device 13 has a secondary inlet connected to a pipe a5 (upstream of the high-pressure pump 5) via a pipe a18, and a secondary outlet connected to a suction port of the booster pump 16 via a pipe a19. It is connected to the.
  • the power recovery device 13 is a positive displacement power recovery device that recovers power by moving the piston in the cylinder using the residual pressure of the concentrated water.
  • a power recovery device 13 for example, a known device such as a DWEER (Dual Work Energy Exchanger) type energy recovery device or a PX (Pressure Exchanger) type energy recovery device can be used.
  • the DWEER type energy recovery apparatus has a plurality of cylindrical pressure vessels, although not shown.
  • each pressure vessel there is provided a piston that partitions the concentrated water flowing in via the pipe a14 and the water to be treated flowing in via the pipe a18.
  • the piston is reciprocated by alternately switching the direction in which the concentrated water on the primary side flows in the power recovery device 13 and the direction in which the water to be treated on the secondary side flows through the switching means. It has become.
  • the residual pressure of the concentrated water can be recovered as energy, and the water to be treated can be efficiently boosted.
  • the PX-type energy recovery device includes a plurality of revolver-shaped cylindrical rotating bodies, although illustration is omitted. Then, the switching means switches the direction in which the primary concentrated water flows and the direction in which the secondary treated water flows in the power recovery device 13 to recover the residual pressure of the concentrated water as energy. In addition, the pressure of the water to be treated is increased.
  • the desalination system S uses the residual pressure of the concentrated water flowing out from the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 to assist the drive of the intermediate booster pump 7 by the recovery turbine 11 and the power recovery device 13.
  • the pressure of the water to be treated is increased.
  • the concentrated water tank 14 is a tank that temporarily stores concentrated water flowing from the primary side of the power recovery apparatus 13 via the pipe a15.
  • the drainage pump 15 is a pump that pumps the concentrated water flowing from the concentrated water tank 14 through the pipe a16.
  • the concentrated water discharged from the drain pump 15 is discharged from the drain port to the sea or the like via the pipe a17.
  • the booster pump 16 (third pump) is a pump that further boosts the water to be treated that has been boosted by the power recovery device 13 and pumps it to the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6.
  • the suction port of the booster pump 16 is connected to the secondary outlet of the power recovery device 13 via the pipe a19, and the discharge port of the first reverse osmosis treatment device 6 via the pipes a20 and a6. Connected to the primary side.
  • the treated water boosted by the booster pump 16 merges with the treated water discharged from the high-pressure pump 5, and the merged treated water is fed to the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 via the pipe a6. Pumped.
  • the water to be treated that has not permeated the reverse osmosis membrane of the first reverse osmosis treatment device 6 has, for example, a residual pressure of 5.0 [MPa]. In this way, in the process of flowing through the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6, the pressure of the water to be treated hardly decreases.
  • the treated water of 5.0 [MPa] flowing through the pipe a8 is pressurized to, for example, 7.2 [MPa] by the intermediate booster pump 7.
  • the discharge pressure (7.2 [MPa]) of the intermediate booster pump 7 is set to be higher than the discharge pressure (5.2 [MPa]) of the high-pressure pump 5. This is because the second reverse osmosis treatment device 8 obtains the maximum permeated water from the water to be treated having a relatively high salinity.
  • the treated water boosted by the intermediate booster pump 7 flows into the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 through the pipe a9.
  • Part of the water to be treated flowing into the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 permeates the reverse osmosis membrane of the second reverse osmosis treatment device 8 and flows out to the secondary side, and further via the pipe a11.
  • the water to be treated (concentrated water) that has not permeated through the reverse osmosis membrane of the second reverse osmosis treatment device 8 has a residual pressure of 7.0 [MPa], for example.
  • the concentrated water flows into the recovery turbine 11 through the pipe a10.
  • the recovery turbine 11 for example, when power of 1.8 [MPa] is recovered, 5.2 [MPa] of concentrated water flows into the primary side of the power recovery device 13 via the pipe a ⁇ b> 14.
  • the treated water of 0.4 [MPa] flowing into the secondary side of the power recovery device 13 via the pipe a18 is, for example, due to the residual pressure (5.2 [MPa]) of concentrated water flowing through the primary side, for example , And the pressure is increased to 5.0 [MPa].
  • the pressure difference (0.2 [MPa]) between the concentrated water flowing into the primary side of the power recovery device 13 and the treated water flowing out from the secondary side is a pressure loss when the piston is reciprocated. is there.
  • the energy of the concentrated water can be recovered with very high efficiency (for example, 95% or more).
  • the treated water of 5.0 [MPa] flowing through the pipe a19 is pressurized to, for example, 5.2 [MPa] by the booster pump 16. That is, the booster pump 16 plays a role of increasing the pressure of the water to be treated up to a pressure substantially equal to the discharge pressure (5.2 [MPa]) of the high-pressure pump 5.
  • the treated water flowing through the pipe a20 merges with the treated water discharged from the high pressure pump 5.
  • the water to be treated thus joined is pumped to the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 through the pipe a6.
  • the supply amount of to-be-processed water is performed by performing desalination in two steps using the 1st reverse osmosis processing apparatus 6 and the 2nd reverse osmosis processing apparatus 8.
  • the amount of permeate produced (that is, the recovery rate) can be increased.
  • the intermediate booster pump 7 by increasing the pressure of the water to be treated flowing out from the primary side of the first reverse osmosis treatment device 6 by the intermediate booster pump 7, a large amount of permeated water can be obtained from the water to be treated having a relatively high salinity concentration.
  • the energy efficiency of the desalination system S is achieved. Can be increased. Furthermore, by using the positive displacement power recovery device 13, the energy of the concentrated water can be recovered with very high efficiency as described above.
  • the positive displacement power recovery device 13 is configured to push the piston by the pressure of the concentrated water flowing through the primary side and pressurize the water to be treated flowing through the secondary side. Accordingly, the pressure of concentrated water flowing into the primary side via the pipe a14 (for example, 5.2 [MPa]) and the pressure of treated water flowing out from the secondary side via the pipe a19 (for example, 5.0). [MPa]) is approximately 1: 1. If the concentrated water is supplied directly from the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 to the primary side of the power recovery device 13 without providing the recovery turbine 11 and the clutch 12, the following situation occurs. .
  • the residual pressure of the concentrated water flowing out from the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 is very high (for example, 7.0 [MPa]), from the secondary side of the power recovery device 13 through the pipe a19.
  • the pressure of the to-be-processed water which flows out also becomes high (for example, 6.8 [MPa]).
  • the pressure of the water to be treated flowing through the pipes a19 and a20 becomes higher than the discharge pressure (for example, 5.2 [MPa]) of the high-pressure pump 5, and the water to be treated flows backward to the high-pressure pump 5 side.
  • the discharge pressure for example, 5.2 [MPa]
  • a depressurization valve (not shown) for depressurizing the concentrated water flowing out from the primary side of the second reverse osmosis treatment device 8 is provided, for example, concentrated water depressurized to 5.2 [MPa].
  • a configuration is also conceivable in which the gas flows into the primary side of the power recovery device 13. However, in such a configuration, the kinetic energy of the concentrated water is wasted in the process of passing through the pressure reducing valve, and the energy efficiency of the entire system is lowered.
  • the water to be treated discharged from the high-pressure pump 5 is subjected to membrane filtration with the first reverse osmosis treatment device 6, and the membrane-treated water to be treated (permeated water) is supplied to the permeate tank 9.
  • the present invention is not limited to this.
  • a plurality of first reverse osmosis treatment devices (not shown) are connected in parallel, and piping is connected so that water to be treated discharged from the high-pressure pump 5 is diverted to the primary side of each first reverse osmosis treatment device. May be.
  • the pipes are connected so that the water to be treated flowing out from the primary side of each first reverse osmosis treatment apparatus joins and travels toward the intermediate booster pump 7.
  • each said embodiment demonstrated the case where seawater was desalinated, it is not restricted to this.
  • it can also be applied when purifying industrial wastewater.
  • it is preferable to obtain permeated water using the first reverse osmosis treatment device 6 and the second reverse osmosis treatment device 8 after performing a predetermined pretreatment by the pretreatment device 3 according to the quality of industrial water.
  • the booster pump 16 that boosts the water to be treated flowing out from the secondary side of the power recovery apparatus 13 has been described, but the booster pump 16 may be omitted.

Abstract

　エネルギ効率の高い淡水化システムを提供する。淡水化システム（Ｓ）は、第１逆浸透処理装置（６）と、第１逆浸透処理装置（６）の一次側に被処理水を圧送する高圧ポンプ（５）と、第１逆浸透処理装置（６）の一次側から流出する被処理水を昇圧する中間昇圧ポンプ（７）と、中間昇圧ポンプ（７）から自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過する第２逆浸透処理装置（８）と、第２逆浸透処理装置（８）の一次側から流出する被処理水の残圧を利用して中間昇圧ポンプ（７）に動力を付与するリカバリタービン（１１）と、中間昇圧ポンプ（７）とリカバリタービン（１１）とを接続／遮断するクラッチ（１２）と、リカバリタービン（１１）を介して流出する被処理水の残圧によって、高圧ポンプ（５）よりも上流側から分流する被処理水を昇圧し、第１逆浸透処理装置（６）の一次側に圧送する容積型の動力回収装置（１３）と、を備える。

Description

淡水化システム
　本発明は、逆浸透膜を用いて被処理水を淡水化する淡水化システムに関する。
　近年、世界的な気候変動や水不足の影響によって水のニーズが高まりつつあり、市場規模の拡大が見込まれている。特に、逆浸透処理装置の一次側に浸透圧を超える高圧で海水を流入させることで、逆浸透膜を介して二次側から透過水（淡水）を得る淡水化システムが注目されている。
　ところで、逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水は、所定の残圧を有している。したがって、この被処理水が有する残圧を利用してシステム全体のエネルギ効率を高めることが望まれている。
　例えば、特許文献１には、海水を逆浸透膜モジュールに供給して淡水化し、この逆浸透膜モジュールから排出される海水を圧力伝達式エネルギ回収装置によって昇圧し、昇圧した海水を別の逆浸透膜モジュールに供給する海水淡水化方法について記載されている。
特開２００４－８１９１３号公報
　特許文献１に記載の技術では、圧力伝達式エネルギ回収装置で回収したエネルギを利用して海水を昇圧する構成になっているが、システム全体のエネルギ効率をさらに高める余地がある。
　そこで、本発明は、エネルギ効率の高い淡水化システムを提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る淡水化システムは、逆浸透膜を有し、自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第１逆浸透処理装置と、前記第１逆浸透処理装置よりも上流側に配置され、前記第１逆浸透処理装置の一次側に被処理水を圧送する第１ポンプと、前記第１逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水を昇圧する第２ポンプと、逆浸透膜を有し、前記第２ポンプから自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第２逆浸透処理装置と、前記第２逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水の残圧によって回転するタービン翼を有し、前記タービン翼の回転によって前記第２ポンプに動力を付与するリカバリタービンと、前記第２ポンプと、前記リカバリタービンと、を接続／遮断するクラッチと、前記リカバリタービンを介して流出する被処理水の残圧によって、前記第１ポンプよりも上流側から分流する被処理水を昇圧し、前記第１逆浸透処理装置の一次側に圧送する容積型の動力回収装置と、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、エネルギ効率の高い淡水化システムを提供できる。
本発明の一実施形態に係る淡水化システムの構成図である。
≪実施形態≫
＜淡水化システムの構成＞
　図１は、本実施形態に係る淡水化システムの構成図である。
　淡水化システムＳは、第１逆浸透処理装置６の一次側、及び第２逆浸透処理装置８の一次側に高圧で被処理水（例えば、海水）を流入させ、各逆浸透処理装置６，８の二次側から透過水（淡水）を得るシステムである。
　前記した「透過水」とは、逆浸透膜を介して被処理水を透過させることで得られる水であり、塩分などの不純物をほとんど含んでいない。
　淡水化システムＳは、主として、取水ポンプ１と、前処理装置３と、高圧ポンプ５と、第１逆浸透処理装置６と、中間昇圧ポンプ７と、第２逆浸透処理装置８と、リカバリタービン１１と、クラッチ１２と、動力回収装置１３と、ブースタポンプ１６と、を備えている。
　図１に示すように、上流側から順に、取水ポンプ１、取水タンク２、前処理装置３、ＲＯ（Reverse Osmosis）原水タンク４、高圧ポンプ５、及び第１逆浸透処理装置６が、各配管を介して順次接続されている。なお、第１逆浸透処理装置６よりも下流側の接続関係については後記する。
　取水ポンプ１は、取水口から配管ａ１を介して被処理水を取水するポンプである。
　取水タンク２は、取水ポンプ１から配管ａ２を介して流入する被処理水を一時的に貯留するタンクである。
　前処理装置３は、取水タンク２から配管ａ３を介して流入する海水から不純物を除去するための前処理を行う装置である。前記した前処理として、例えば、薬品添加処理、凝集磁気分離処理、砂濾過処理、限外濾過処理がある。なお、前記した各前処理の詳細については説明を省略する。
　ＲＯ原水タンク４は、前処理装置３から配管ａ４を介して流入する被処理水を一時的に貯留するタンクである。
　高圧ポンプ５（第１ポンプ）は、ＲＯ原水タンク４から配管ａ５を介して流入する被処理水を第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送するポンプである。高圧ポンプ５は、第１逆浸透処理装置６よりも上流側に配置され、その吐出口は配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に接続されている。
　なお、高圧ポンプ５の加圧力は、第１逆浸透処理装置６が有する逆浸透膜を介して、当該第１逆浸透処理装置６の一次側から二次側に被処理水を透過させ得る所定圧力に設定されている。
　第１逆浸透処理装置６は、高圧ポンプ５から配管ａ６を介して流入する被処理水を膜濾過する装置である。第１逆浸透処理装置６は、図示は省略するが、円筒状を呈するベッセルと、ベッセルの中心軸線に沿って配置される集水配管と、集水配管の径方向外側に配置されるＲＯエレメントと、を有している。
　集水配管には、透過水を通流させるための孔が複数設けられている。ＲＯエレメントは、例えば、前記した孔を覆うように集水配管に巻回される逆浸透膜であり、その外周面はベッセルの内周壁に密着している。逆浸透膜は、浸透圧を超える所定圧力で流入する被処理水のうち水を透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過させない性質を有している。
　なお、第１逆浸透処理装置６の「一次側」とは、前記したベッセル内の空間においてＲＯエレメントよりも上流側の領域を意味している。また、第１逆浸透処理装置６の「二次側」とは、前記した集水配管内の領域を意味している。
　ちなみに、第１逆浸透処理装置６が複数（例えば、３個）のＲＯエレメントを備える場合、各ＲＯエレメントは、前記したベッセルの軸方向において所定間隔を空けて直列に配置される。
　第１逆浸透処理装置６が有する集水配管は、その下流端が配管ａ７を介して透過水タンク９に接続されている。被処理水が配管ａ６を介してベッセル内に圧送されると、一部の被処理水がＲＯエレメントを透過し、前記した孔部を介して集水配管内に流入する。この透過水は、集水配管及び配管ａ７を介して透過水タンク９に貯留される。
　また、第１逆浸透処理装置６のベッセルには、ＲＯエレメントを透過しなかった被処理水が通流する配管ａ８が接続されている。ＲＯエレメントを透過しなかった被処理水は、配管ａ８を介して中間昇圧ポンプ７に向かう。
　中間昇圧ポンプ７（第２ポンプ）は、第１逆浸透処理装置６の一次側から配管ａ８を介して流入する被処理水を昇圧するポンプである。中間昇圧ポンプ７の吸入口は配管ａ８を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に接続され、吐出口は配管ａ９を介して第２逆浸透処理装置８の一次側に接続されている。
　中間昇圧ポンプ７は、図示は省略するが、回転することで被処理水を昇圧する羽根車と、この羽根車を回転させる電動機と、を有している。前記した電動機の回転子には、駆動軸が圧入固定されている。この駆動軸は、軸受によって回転可能に軸支され、その一端がクラッチ１２に連結されている。
　第２逆浸透処理装置８は、中間昇圧ポンプ７から配管ａ９を介して流入する被処理水を膜濾過する装置であり、第１逆浸透処理装置６と同様の構成を備えている。なお、塩分濃度の比較的高い被処理水から最大限の透過水を得るために、第２逆浸透処理装置８が有するＲＯエレメントの個数を第１逆浸透処理装置６よりも多くすることが好ましい。
　第２逆浸透処理装置８の一次側には、当該第２逆浸透処理装置８のＲＯエレメントを透過しなかった塩分濃度の高い被処理水（以下、濃縮水という。）が通流する配管ａ１０が接続されている。第２逆浸透処理装置８の二次側には、当該第２逆浸透処理装置８のＲＯエレメントを透過した水（透過水）が通流する配管ａ１１が接続されている。
　透過水タンク９は、第１逆浸透処理装置６の二次側から配管ａ７を介して流入する透過水と、第２逆浸透処理装置８の二次側から配管ａ１１を介して流入する透過水と、を一時的に貯留するタンクである。
　送水ポンプ１０は、透過水タンク９から配管ａ１２を介して流入する透過水を、配管ａ１３を介して需要側に圧送するポンプである。ちなみに、需要側とは、淡水化システムＳの近隣の工業地域、農業地域、都市である。
　リカバリタービン１１は、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧によってタービン翼を回転させ、中間昇圧ポンプ７に動力を付与する装置である。リカバリタービン１１は、その流入口が配管ａ１０を介して第２逆浸透処理装置８の一次側に接続され、流出口が配管ａ１４を介して動力回収装置１３の一次側に接続されている。
　リカバリタービン１１は、図示は省略するが、濃縮水の残圧で回転するタービン翼と、タービン翼等を収容するケーシングと、タービン翼の回転中心に圧入固定された軸部材と、を備えている。この軸部材は、軸受を介して回転可能に軸支され、ケーシングを貫通してクラッチ１２に連結されている。そして、濃縮水の残圧によってタービン翼及び軸部材が一体で回転し、中間昇圧ポンプ７に動力を付与するようになっている。
　クラッチ１２は、中間昇圧ポンプ７が有する電動機と、リカバリタービン１１が有するタービン翼と、を接続／遮断するものである。
　例えば、高圧ポンプ５及び中間昇圧ポンプ７の起動直後は、第２逆浸透処理装置８の一次側に流入する被処理水の圧力が低いため、クラッチ１２は遮断されている。この場合、中間昇圧ポンプ７はリカバリタービン１１からのアシストなしで駆動する。
　一方、高圧ポンプ５及び中間昇圧ポンプ７が定格運転の状態に達したら、クラッチ１２が接続される。この場合、リカバリタービン１１のタービン翼の回転に伴うトルクがクラッチ１２を介して中間昇圧ポンプ７に伝達される。つまり、中間昇圧ポンプ７の駆動がリカバリタービン１１によってアシストされるようになっている。
　動力回収装置１３（Energy Recovery Device：ＥＲＤ）は、リカバリタービン１１を介して流入する濃縮水の残圧を利用して、高圧ポンプ５よりも上流側の配管ａ５から分流する被処理水を昇圧する装置である。
　図１に示すように、動力回収装置１３は、一次側流入口が配管ａ１４を介してリカバリタービン１１に接続され、一次側流出口が配管ａ１５を介して濃縮水タンク１４に接続されている。また、動力回収装置１３は、二次側流入口が配管ａ１８を介して配管ａ５（高圧ポンプ５の上流側）に接続され、二次側流出口が配管ａ１９を介してブースタポンプ１６の吸入口に接続されている。
　動力回収装置１３は、濃縮水の残圧を利用してシリンダ内のピストンを動かすことで動力を回収する容積型の動力回収装置である。このような動力回収装置１３として、例えば、ＤＷＥＥＲ（Dual Work Energy Exchanger）型エネルギ回収装置や、ＰＸ（Pressure Exchanger）型エネルギ回収装置等、公知のものを用いることができる。
　ＤＷＥＥＲ型エネルギ回収装置は、図示は省略するが、複数本の円筒状の圧力容器を有している。それぞれの圧力容器内には、配管ａ１４を介して流入する濃縮水と、配管ａ１８を介して流入する被処理水と、を仕切るピストンが設けられている。そして、動力回収装置１３内で一次側の濃縮水が通流する向きと、二次側の被処理水が通流する向きとを切替手段によって交互に切り替えることで、前記したピストンを往復させるようになっている。これによって、濃縮水が有する残圧をエネルギとして回収し、被処理水を効率的に昇圧することができる。
　ＰＸ型エネルギ回収装置は、図示は省略するが、レボルバ状の円筒回転体を複数備えている。そして、動力回収装置１３内で一次側の濃縮水が通流する向きと二次側の被処理水が通流する向きとを切替手段によって切り替えることで、濃縮水が有する残圧をエネルギとして回収し、被処理水を昇圧するようになっている。
　このように淡水化システムＳは、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧を利用し、リカバリタービン１１によって中間昇圧ポンプ７の駆動をアシストするとともに、動力回収装置１３によって被処理水を昇圧するようになっている。
　濃縮水タンク１４は、動力回収装置１３の一次側から配管ａ１５を介して流入する濃縮水を一時的に貯留するタンクである。
　排水ポンプ１５は、濃縮水タンク１４から配管ａ１６を介して流入する濃縮水を圧送するポンプである。排水ポンプ１５から吐出された濃縮水は、配管ａ１７を介して排水口から海などに排出される。
　ブースタポンプ１６（第３ポンプ）は、動力回収装置１３によって昇圧された被処理水をさらに昇圧し、第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送するポンプである。ブースタポンプ１６の吸入口は、前記したように、配管ａ１９を介して動力回収装置１３の二次側流出口に接続され、吐出口は配管ａ２０，ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に接続されている。
　なお、ブースタポンプ１６によって昇圧された被処理水は、高圧ポンプ５から吐出される被処理水と合流し、合流した被処理水は配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送される。
＜淡水化システムの動作＞
　淡水化システムＳのうちＲＯ原水タンク４よりも下流側の動作について説明する。
　例えば、配管ａ５を通流する０．４［ＭＰａ］の被処理水は、高圧ポンプ５によって５．２［ＭＰａ］まで昇圧される。
　配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に流入する被処理水のうち、一部は第１逆浸透処理装置６の逆浸透膜を透過して二次側に流出し、さらに配管ａ７を介して透過水タンク９に貯留される。一方、第１逆浸透処理装置６の逆浸透膜を透過しなかった被処理水は、例えば、５．０［ＭＰａ］の残圧を有している。このように第１逆浸透処理装置６の一次側を通流する過程で、被処理水の圧力はほとんど低下しない。
　配管ａ８を通流する５．０［ＭＰａ］の被処理水は、中間昇圧ポンプ７によって、例えば、７．２［ＭＰａ］まで昇圧される。このように中間昇圧ポンプ７の吐出圧力（７．２［ＭＰａ］）が、高圧ポンプ５の吐出圧力（５．２［ＭＰａ］）よりも高くなるように設定されている。これは、第２逆浸透処理装置８において、塩分濃度の比較的高い被処理水から最大限の透過水を得るためである。
　中間昇圧ポンプ７によって昇圧された被処理水は、配管ａ９を介して第２逆浸透処理装置８の一次側に流入する。
　第２逆浸透処理装置８の一次側に流入する被処理水のうち、一部は当該第２逆浸透処理装置８の逆浸透膜を透過して二次側に流出し、さらに配管ａ１１を介して透過水タンク９に貯留される。一方、第２逆浸透処理装置８の逆浸透膜を透過しなかった被処理水（濃縮水）は、例えば、７．０［ＭＰａ］の残圧を有している。この濃縮水は、配管ａ１０を介してリカバリタービン１１に流入する。
　リカバリタービン１１において、例えば、１．８［ＭＰａ］分の動力が回収された場合、配管ａ１４を介して５．２［ＭＰａ］の濃縮水が動力回収装置１３の一次側に流入する。
　配管ａ１８を介して動力回収装置１３の二次側に流入する０．４［ＭＰａ］の被処理水は、一次側を通流する濃縮水の残圧（５．２［ＭＰａ］）によって、例えば、５．０［ＭＰａ］まで昇圧される。
　なお、動力回収装置１３の一次側に流入する濃縮水と、二次側から流出する被処理水との圧力差（０．２［ＭＰａ］）は、前記したピストンを往復させる際の圧力損失である。このように、容積型の動力回収装置１３を用いることによって、非常に高効率（例えば、９５％以上）で濃縮水のエネルギを回収できる。
　配管ａ１９を通流する５．０［ＭＰａ］の被処理水は、ブースタポンプ１６によって、例えば、５．２［ＭＰａ］まで昇圧される。つまり、ブースタポンプ１６は、高圧ポンプ５の吐出圧力（５．２［ＭＰａ］）と略同一の圧力まで被処理水を昇圧する役割を担っている。
　配管ａ２０を通流する被処理水は、高圧ポンプ５から吐出される被処理水と合流する。このようにして合流した被処理水は、配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送される。
＜効果＞
　本実施形態に係る淡水化システムＳによれば、第１逆浸透処理装置６と、第２逆浸透処理装置８と、を用いて淡水化を二段階で行うことで、被処理水の供給量に対する透過水の造水量（つまり、回収率）を高めることができる。
　また、第１逆浸透処理装置６の一次側から流出する被処理水を中間昇圧ポンプ７によって昇圧することで、塩分濃度の比較的高い被処理水から多くの透過水を得ることができる。
　また、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧を利用し、リカバリタービン１１及び動力回収装置１３によって二段階で動力回収を行うことで、淡水化システムＳのエネルギ効率を高めることができる。さらに、容積型の動力回収装置１３を用いることで、前記したように、非常に高効率で濃縮水のエネルギを回収できる。
　なお、容積型の動力回収装置１３は、一次側を通流する濃縮水の圧力によってピストンを押し込み、二次側を通流する被処理水を昇圧する構成になっている。したがって、配管ａ１４を介して一次側に流入する濃縮水の圧力（例えば、５．２［ＭＰａ］）と、二次側から配管ａ１９を介して流出する被処理水の圧力（例えば、５．０［ＭＰａ］）と、の比は略１：１になる。
　仮に、リカバリタービン１１及びクラッチ１２を設けず、第２逆浸透処理装置８の一次側から動力回収装置１３の一次側に向けて直接的に濃縮水を供給する場合、次のような事態が生じる。すなわち、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧が非常に高いため（例えば、７．０［ＭＰａ］）、動力回収装置１３の二次側から配管ａ１９を介して流出する被処理水の圧力も高くなる（例えば、６．８［ＭＰａ］）。この場合、配管ａ１９，ａ２０を通流する被処理水の圧力が、高圧ポンプ５の吐出圧力（例えば、５．２［ＭＰａ］）よりも高くなり、被処理水が高圧ポンプ５側に逆流する可能性がある。
　このような事態を避けるために、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水を減圧する減圧弁（図示せず）を設け、例えば、５．２［ＭＰａ］まで減圧した濃縮水を動力回収装置１３の一次側に流入させる構成も考えられる。しかしながら、このような構成では、前記した減圧弁を通流する過程で濃縮水の運動エネルギが無駄に消費され、システム全体のエネルギ効率が低くなってしまう。
　これに対して本実施形態では、前記したように、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧を利用して、リカバリタービン１１から中間昇圧ポンプ７に動力を付与する構成になっている。したがって、中間昇圧ポンプ７の消費電力を従来よりも低減し、淡水化システムＳのエネルギ効率を高めることができる。
≪変形例≫
　以上、本発明に係る淡水化システムＳについて前記実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
　例えば、前記実施形態では、高圧ポンプ５から吐出される被処理水を第１逆浸透処理装置６で膜濾過し、膜濾過された被処理水（透過水）を透過水タンク９に供給する構成について説明したが、これに限らない。例えば、複数の第１逆浸透処理装置（図示せず）を並列接続し、高圧ポンプ５から吐出される被処理水が各第１逆浸透処理装置の一次側に分流するように配管を接続してもよい。この場合、各第１逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水が合流して中間昇圧ポンプ７に向かうように配管を接続する。なお、第２逆浸透処理装置８に関しても同様のことがいえる。
　また、前記各実施形態は、海水を淡水化する場合について説明したが、これに限らない。例えば、工業排水を浄化処理する場合にも適用できる。この場合、工業用水の水質に応じて前処理装置３で所定の前処理を行った後、第１逆浸透処理装置６及び第２逆浸透処理装置８を用いて透過水を得ることが好ましい。
　前記実施形態では、動力回収装置１３の二次側から流出する被処理水を昇圧するブースタポンプ１６を設ける構成について説明したが、ブースタポンプ１６を省略してもよい。この場合、動力回収装置１３の二次側から流出する被処理水の圧力が、高圧ポンプ５の吐出圧力に等しくなるように、中間昇圧ポンプ７の吐出圧力を高めに設定することが好ましい。
　Ｓ　淡水化システム
　１　取水ポンプ
　２　取水タンク
　３　前処理装置
　４　ＲＯ原水タンク
　５　高圧ポンプ（第１ポンプ）
　６　第１逆浸透処理装置
　７　中間昇圧ポンプ（第２ポンプ）
　８　第２逆浸透処理装置
　９　透過水タンク
　１０　送水ポンプ
　１１　リカバリタービン
　１２　クラッチ
　１３　動力回収装置
　１４　濃縮水タンク
　１５　排水ポンプ
　１６　ブースタポンプ（第３ポンプ）

Claims (2)

  1. 　逆浸透膜を有し、自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第１逆浸透処理装置と、
    　前記第１逆浸透処理装置よりも上流側に配置され、前記第１逆浸透処理装置の一次側に被処理水を圧送する第１ポンプと、
    　前記第１逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水を昇圧する第２ポンプと、
    　逆浸透膜を有し、前記第２ポンプから自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第２逆浸透処理装置と、
    　前記第２逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水の残圧によって回転するタービン翼を有し、前記タービン翼の回転によって前記第２ポンプに動力を付与するリカバリタービンと、
    　前記第２ポンプと、前記リカバリタービンと、を接続／遮断するクラッチと、
    　前記リカバリタービンを介して流出する被処理水の残圧によって、前記第１ポンプよりも上流側から分流する被処理水を昇圧し、前記第１逆浸透処理装置の一次側に圧送する容積型の動力回収装置と、を備えること
    　を特徴とする淡水化システム。
  2. 　前記動力回収装置によって昇圧された被処理水をさらに昇圧し、前記第１逆浸透処理装置の一次側に圧送する第３ポンプを備えること
    　を特徴とする請求項１に記載の淡水化システム。
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