WO2018168012A1 - 逆浸透処理方法及び装置 - Google Patents

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heat
raw water
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拓自 彦坂
小野　雄壱
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栗田工業株式会社
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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
    • B01D61/04—Feed pretreatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F5/00—Softening water; Preventing scale; Adding scale preventatives or scale removers to water, e.g. adding sequestering agents

Definitions

  • the present invention relates to a reverse osmosis treatment method for treating water using a reverse osmosis membrane device, and more particularly to a reverse osmosis treatment method and device for heating water supplied to a reverse osmosis membrane device with a heat pump.
  • the water supply temperature is about 25 ° C. in order to maintain the amount of treated water (increased flux due to decreased water viscosity and improved recovery due to increased silica saturation solubility). It is warming up. Steam, hot water, an electric heater, etc. are used for heating this water supply, and energy is consumed.
  • Claim 7 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-91118 describes that the water supplied to the RO device is heated to 23 to 25 ° C. by a heat pump, but this publication discloses a specific description of the heat source of the heat pump. Not done.
  • Heat exchange between raw water and concentrated water can be performed to recover the concentrated water exhaust heat.
  • the temperature difference is small, the heat transfer area of the heat exchanger must be increased, resulting in high heat exchanger costs. Become. Further, since a temperature difference is necessary, it is impossible to recover the entire amount of heating.
  • the piping cost with the RO device becomes longer and the construction cost becomes higher.
  • the operation timing may not match.
  • the heat source of the heat pump may be concentrated water of the RO device (hereinafter sometimes referred to as RO concentrated water) or treated water.
  • RO concentrated water has a high concentration of scale components (for example, hardness components such as silica and calcium), other salt concentrations, and organic matter concentrations, dirt such as scale and slime is likely to be generated in the evaporator of the heat pump.
  • This invention aims at reducing heating cost by heating the water supply to RO apparatus with the heat pump which used RO concentrated water as a heat source.
  • Another object of the present invention is to prevent or suppress scale, slime, and the like in an evaporator, an RO device, and the like of this heat pump.
  • the reverse osmosis treatment method of the present invention is a reverse osmosis treatment method in which raw water is heated with a heat pump and then subjected to membrane separation treatment with a reverse osmosis membrane device.
  • the concentrated water of the reverse osmosis membrane device is used as at least part of the heat source fluid of the heat pump. Is used.
  • the recovery of the reverse osmosis membrane device so that the silica concentration of the concentrated water at the heat source fluid outlet of the evaporator of the heat pump is less than the silica scale deposition concentration and / or the Langeria index is 0 or less. Adjusting at least one of the rate and the temperature of the raw water.
  • the raw water is made alkaline with a predetermined pH or higher or acidic with a predetermined pH or lower.
  • a scale inhibitor and / or a slime inhibitor is added to the raw water.
  • the reverse osmosis treatment device of the present invention is a reverse osmosis treatment device that heats raw water with a heat pump and then performs membrane separation treatment with a reverse osmosis membrane device.
  • the concentrated water of the reverse osmosis membrane device is used as at least part of the heat source fluid of the heat pump.
  • a water passage that allows water to pass through is provided.
  • the heating cost can be reduced by heating the water supply to the RO device with the heat pump using the RO concentrated water as a heat source.
  • this invention apparatus can be comprised by piping construction etc. only by RO apparatus vicinity by using RO concentrated water as a heat source.
  • the temperature difference from the raw water can be increased, and heat can be recovered with a small heat transfer area.
  • water-concentrated RO concentrated water that is difficult to use as a heat source for a heat pump due to reasons such as high silica concentration and salt concentration can be used directly as a heat pump heat source.
  • the raw water to be subjected to RO treatment is supplied from the pipe 1 to the heat exchanger 2 and heated, then supplied from the pipe 3 to the heat exchanger 4, further heated, and then supplied to the RO device 6.
  • the permeated water of the RO device 6 is taken out from the pipe 7 as treated water, and the concentrated water flows out to the pipe 8 and is passed through the evaporator 11 of the heat pump 10 as a heat source fluid of the heat pump 10.
  • the medium water heated by the condenser 13 of the heat pump 10 (water as a heat transfer medium) is circulated through the heat source fluid flow path of the heat exchanger 2.
  • the heat pump 10 compresses a heat medium such as chlorofluorocarbon from the evaporator 11 by the compressor 12 and introduces it into the condenser 13, and introduces the heat medium from the condenser 13 into the evaporator 11 through the expansion valve 14. It is configured as follows.
  • the medium water from the heat exchanger 2 is introduced into the condenser 13 via the pipe 15 and the pump 17, and the medium water heated by the condenser 13 is sent to the heat exchanger 2 via the pipe 16.
  • the concentrated water of the RO device 6 is introduced from the pipe 8 into the heat source fluid flow path of the evaporator 11.
  • the concentrated water whose temperature has been lowered by heat exchange is discharged through the pipe 9.
  • the scale component concentration and the organic matter concentration of the concentrated water of the RO device 6 are higher than the raw water, there is a high possibility that scale and slime are generated in the evaporator 11 and the pipes 8 and 9 of the heat pump 10, and this is prevented or suppressed (hereinafter referred to as “the scale”). It is necessary to prevent.) Further, it is necessary to prevent the scale and slime from being generated in the RO device 6.
  • the following measures i), ii) or iii) are taken to prevent scale and slime in the evaporator 11, the RO device 6, and the pipes 8 and 9.
  • the [silica concentration at the heat pump evaporator outlet 11a] is lower than the [silica saturated solubility] and / or the [Langeria index at the heat pump evaporator outlet 11a] is [0 or less].
  • One or both of lowering the recovery rate and raising the raw water temperature is performed.
  • the Langeeria index (LSI) at the RO concentrated water and the evaporator outlet is usually obtained by the following equation (1).
  • LSI pH-pHs (1)
  • the pH is the pH value of the concentrated water or the outlet of the evaporator.
  • the pHs is a theoretical pH value when the calcium carbonate is in an equilibrium state where neither calcium carbonate is dissolved nor precipitated in the concentrated water or the evaporator, and is obtained by the following equation (2).
  • pHs 9.3 + A value + B value ⁇ C value ⁇ D value (2)
  • the A value is a correction value determined by the evaporation residue concentration.
  • the B value is a correction value determined by the water temperature.
  • the C value is a correction value determined by the calcium hardness.
  • the D value is a correction value determined by the total alkalinity.
  • a part of the RO permeate may be added to the RO concentrated water to make the water quality suitable for passing through the heat pump evaporator. That is, adding a part of the RO permeated water to the RO concentrated water is also included in “decreasing the recovery rate”.
  • the silica concentration and the Langeria index in the RO concentrated water can be set as non-scale generation conditions.
  • silica scale is prevented by setting the silica concentration in the concentrated water at 23 to 25 ° C. to 100 to 120 ppm or less.
  • the pH of the raw water is set to 9 or more (for example, 9 to 11) under the condition that the Ca hardness of the raw water is 5 mg / L or less.
  • the pH of the raw water is set to 6 or less (for example, 4 to 6).
  • the pH of the raw water may be 6 or less (for example, 4 to 6), or a water softener may be provided in front of the RO membrane to remove the hardness component.
  • a scale inhibitor for calcium scale may be added to raw water, and in that case, the Langeria index may exceed zero.
  • the Langeria index may be 0.5 or less by using the organic polymer scale inhibitor.
  • raw water examples include, but are not limited to, industrial water (river water, lake water, etc.), ground water, tap water, treated water for various wastewaters, and the like.
  • well water (18 ° C.) is heated to 25 ° C. and subjected to RO treatment at 20 m 3 / h, and subjected to membrane separation with permeate 25 ° C., 14 m 3 / h, concentrated water 25 ° C., 6 m 3 / h.
  • the heat pump 10 and the heat exchangers 2 and 4 are installed, and the system is operated under the condition that the concentrated water temperature at the evaporator outlet 11a is 20 ° C.
  • the amount of steam used by the heat exchanger 4 at this time is equivalent to 101.8 kW.
  • silica, hardness component (or Langeria index), water temperature, etc. are measured at some or all of the inlet and outlet of the RO membrane and the heat source fluid inlet and outlet of the evaporator.
  • Equipment sensor, calculation unit, etc.
  • a control unit that automatically controls a part or all of the addition means
  • the entire apparatus may be designed to be automatically operable.
  • the amount of steam used by the heat exchanger 4 when performing the RO treatment under the same conditions is equivalent to 162.8 kW.

Abstract

原水は配管１から熱交換器２に供給され、加熱された後、配管３から蒸気を熱源とした熱交換器４に供給され、さらに加熱された後、ＲＯ装置６に供給される。ＲＯ装置６の透過水は配管７から処理水として取り出され、濃縮水は配管８へ流出し、ヒートポンプ１０の熱源流体として該ヒートポンプ１０の蒸発器１１に通水される。熱交換器２の熱源流体流路には、ヒートポンプ１０の凝縮器１３によって加熱された媒体水が循環流通される。

Description

逆浸透処理方法及び装置
　本発明は、逆浸透膜装置を用いて水を処理する逆浸透処理方法に係り、特に逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱する逆浸透処理方法及び装置に関する。
　逆浸透膜装置（以下、ＲＯ装置ということがある。）にあっては、処理水量維持（水の粘度低下によるフラックス上昇、シリカ飽和溶解度上昇による回収率向上）の為、給水温度を２５℃程度に加温している。この給水の加熱には蒸気、温水、電気ヒーターなどが使用され、エネルギーを消費している。
　特開２０１２－９１１１８号公報の請求項７には、ＲＯ装置の給水をヒートポンプによって２３～２５℃に加熱することが記載されているが、同号公報にはヒートポンプの熱源についての具体的記載はなされていない。
特開２０１２－９１１１８号公報
　ＲＯ装置の給水を、蒸気、温水、電気ヒーター等によって加熱する場合、加熱コストが高い。また、給水加熱に投入したエネルギーは濃縮水と一緒に廃棄されることなり、エネルギーロスとなっている。
　原水と濃縮水を熱交換して、濃縮水排熱を回収することが可能であるが、温度差が小さい為、熱交換器の伝熱面積を大きくする必要があり、熱交換器費用が高くなる。また、温度差が必要なため、加熱分を全量回収することは不可能である。
　異なる設備（冷凍機、コンプレッサーなど）の排熱を熱源にする場合、ＲＯ装置との配管コスト長が長くなり、工事費用が高くなる。また、稼働のタイミングが合わないこともある。
　ＲＯ装置の給水をヒートポンプで加熱する場合において、ヒートポンプの熱源をＲＯ装置の濃縮水（以下、ＲＯ濃縮水ということがある。）もしくは処理水とすることが考えられる。しかしながら、ＲＯ濃縮水は、スケール成分（例えばシリカやカルシウム等の硬度成分）濃度やその他の塩類濃度、有機物濃度が高いため、ヒートポンプの蒸発器等にスケール、スライム等の汚れが生成し易い。
　本発明は、ＲＯ濃縮水を熱源としたヒートポンプでＲＯ装置への給水を加熱することにより加熱コストを低減することを目的とする。また、本発明は、その一態様において、このヒートポンプの蒸発器やＲＯ装置等でのスケール、スライム等を防止又は抑制することを目的とする。
　本発明の逆浸透処理方法は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いる。
　本発明の一態様では、前記ヒートポンプの蒸発器の熱源流体出口における濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度未満、及び／又は、ランゲリア指数が０以下となるように、前記逆浸透膜装置の回収率及び前記原水の温度の少なくとも一方を調整する。
　本発明の一態様では、前記原水を所定ｐＨ以上のアルカリ性とするか、所定ｐＨ以下の酸性とする。
　本発明の一態様では、前記原水にスケール防止剤及び／又はスライム防止剤を添加する。
　本発明の逆浸透処理装置は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する通水路を備える。
　本発明によると、ＲＯ濃縮水を熱源としたヒートポンプでＲＯ装置への給水を加熱することにより、加熱コストを低減することができる。また、ＲＯ濃縮水を熱源とすることにより、ＲＯ装置近傍のみでの配管工事等で本発明装置を構成することができる。
　ヒートポンプを用いることにより、原水との温度差を大きくでき、小さい伝熱面積で熱回収できる。
　本発明の一態様によると、シリカ濃度や塩類濃度が高い等の理由によりヒートポンプの熱源として利用することが難しい水質のＲＯ濃縮水を直接ヒートポンプ熱源として利用できる。
実施の形態に係る逆浸透処理装置のブロック図である。
　以下、図１を参照して実施の形態について説明する。
　ＲＯ処理される原水は、配管１から熱交換器２に供給され、加熱された後、配管３から熱交換器４に供給され、さらに加熱された後、ＲＯ装置６に供給される。ＲＯ装置６の透過水は配管７から処理水として取り出され、濃縮水は配管８へ流出し、ヒートポンプ１０の熱源流体として該ヒートポンプ１０の蒸発器１１に通水される。
　熱交換器２の熱源流体流路には、ヒートポンプ１０の凝縮器１３によって加熱された媒体水（伝熱媒体としての水）が循環流通される。
　ヒートポンプ１０は、蒸発器１１からの代替フロン等の熱媒体を圧縮機１２で圧縮して凝縮器１３に導入し、凝縮器１３からの熱媒体を膨張弁１４を介して蒸発器１１に導入するように構成されている。
　凝縮器１３に熱交換器２からの媒体水が配管１５及びポンプ１７を介して導入され、凝縮器１３で加熱された媒体水が配管１６を介して熱交換器２に送水される。
　蒸発器１１の熱源流体流路に配管８からＲＯ装置６の濃縮水が導入される。熱交換により降温した濃縮水は、配管９を介して排出される。
　熱交換器４の熱源流体流路には、蒸気が供給される。
　ＲＯ装置６の濃縮水のスケール成分濃度や有機物濃度が原水よりも高いため、ヒートポンプ１０の蒸発器１１や配管８，９でスケールやスライムが発生するおそれが高いので、これを防止ないし抑制（以下、防止という。）する必要がある。また、ＲＯ装置６においてもスケールやスライムが発生することを防止する必要がある。
　そこで、この実施の形態では、蒸発器１１や、ＲＯ装置６、配管８，９におけるスケール、スライム防止のために次のｉ），ii）又はiii）の対策を行う。
i）　蒸発器１１の熱源流体出口１１ａを流れる濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度を超えない様に、及び／又は、ランゲリア指数が０以下となるように、ＲＯ回収率及び原水温度の一方又は双方を調整する。
　すなわち、［ヒートポンプ蒸発器出口１１ａにおけるシリカ濃度］が［シリカ飽和溶解度］よりも低くなるように、及び／又は、［ヒートポンプ蒸発器出口１１ａにおけるランゲリア指数］が［０以下］となるように、ＲＯ回収率を下げること、及び原水温度を上げることの一方又は双方を行う。
　ＲＯ濃縮水及び蒸発器出口でのランゲリア指数（ＬＳＩ）は、通常、次の式（１）により求められる。
　ＬＳＩ＝ｐＨ－ｐＨｓ　　　　　（１）
式（１）において、ｐＨは濃縮水もしくは蒸発器出口のｐＨ値である。ｐＨｓは、濃縮水もしくは蒸発器において炭酸カルシウムが溶解も析出もしない平衡状態にあるときの理論上のｐＨ値であり、次の式（２）により求められる。
　ｐＨｓ＝９．３＋Ａ値＋Ｂ値－Ｃ値－Ｄ値　　　　　（２）
式（２）において、Ａ値は、蒸発残留物濃度により定まる補正値である。蒸発残留物濃度は、電気伝導率と相関があるため、所定の換算式を用いて電気伝導率から蒸発残留物濃度を求めることができる。Ｂ値は、水温により定まる補正値である。Ｃ値は、カルシウム硬度により定まる補正値である。Ｄ値は、総アルカリ度により定まる補正値である。
　ＲＯ透過水の一部をＲＯ濃縮水に添加して、ヒートポンプ蒸発器に通水するのに適当な水質にしてもよい。即ち、ＲＯ透過水の一部をＲＯ濃縮水に添加することも「回収率を低下させること」に包含される。
　このように、回収率を下げたり原水温度を高くしたりすることにより、ＲＯ濃縮水中のシリカ濃度やランゲリア指数をスケール非発生条件とすることができる。例えば、２３～２５℃の濃縮水中のシリカ濃度を１００～１２０ｐｐｍ以下とすることにより、シリカスケールが防止される。
ii）　ＲＯ装置６およびヒートポンプ蒸発器１１でシリカスケールが析出しない様に原水のｐＨを調整する。具体的には、原水のＣａ硬度が５ｍｇ／Ｌ以下の条件でｐＨを９以上（例えば、９～１１）とする。又は、原水のｐＨを６以下（例えば、４～６）とする。高ｐＨでシリカをイオン化させることにより、ゲル化を抑制し、スケール析出を抑制することができる。また、原水を低ｐＨとすることにより、シリカの析出速度を低下させてシリカスケールを抑制することができる。
iii）　ＲＯ装置６およびヒートポンプ蒸発器１１でスケール、スライムが析出しない様に原水に薬品（スケール防止剤やスライム防止剤など）を添加する。スケール防止剤やスライム防止剤としては、特に制限はなく、各種のものを用いることができる。
　ランゲリア指数を０以下とするには、原水のｐＨを６以下（例えば、４～６）とするか、又は、ＲＯ膜の前段に軟水器を設けて硬度成分を除去するようにしても良い。なお、カルシウムスケール用のスケール防止剤を原水に添加しても良く、その場合は、ランゲリア指数は０を超えても良い。例えば、スケール防止剤の性能にもよるが、有機高分子スケール防止剤を利用することにより、ランゲリア指数を０．５以下となるように制御することが可能となる。
　原水としては、工業用水（河川水、湖沼水等）、地下水、水道水、各種排水の処理水などが例示されるが、これに限定されない。
　図１のシステムに従って井水（１８℃）を２５℃に加熱して２０ｍ３／ｈでＲＯ処理して透過水２５℃、１４ｍ３／ｈ、濃縮水２５℃、６ｍ３／ｈで膜分離し、ヒートポンプをＣＯＰ（成績係数）５で運転する場合、図１のようにヒートポンプ１０及び熱交換器２，４を設置し、蒸発器出口１１ａの濃縮水温度を２０℃とする条件でシステムを運転するときの熱交換器４の蒸気使用量は１０１．８ｋＷ相当となる。
　本発明のヒートポンプを備えた逆浸透膜装置においては、ＲＯ膜の入口や出口、蒸発器の熱源流体入口や出口の一部もしくは全部に、シリカや硬度成分（もしくはランゲリア指数）、水温等の測定機器（センサや算出ユニット等）を設け、該機器の測定値に基づいて、ＲＯ膜の回収率、ｐＨ調整（酸やアルカリの添加手段の制御）、薬品添加（スケール防止剤やスライム防止剤の添加手段）の一部又は全部を自動で制御する制御ユニットを設け、装置全体を自動運転可能に設計しても良い。熱源流体出口に上記測定機器を設けてＲＯ膜の運転条件を制御することで、ヒートポンプを備えた逆浸透膜装置全体を安定に運転することが可能となる。
　一方、図１のシステムにおいて熱交換器２及びヒートポンプ１０を設置しない場合、同条件でＲＯ処理するときの熱交換器４の蒸気使用量は１６２．８ｋＷ相当となる。
　上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　本出願は、２０１７年３月１６日付で出願された日本特許出願２０１７－０５１０９１に基づいており、その全体が引用により援用される。
　２，４　熱交換器
　６　ＲＯ装置
　１０　ヒートポンプ
　１１　蒸発器
　１２　圧縮機
　１３　凝縮器
　１４　膨張弁

Claims (5)

  1. 　原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、
    　該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いることを特徴とする逆浸透処理方法。
  2. 　請求項１において、前記ヒートポンプの蒸発器の熱源流体出口における濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度未満、及び／又はランゲリア指数が０以下となるように、前記逆浸透膜装置の回収率及び前記原水の温度の少なくとも一方を調整することを特徴とする逆浸透処理方法。
  3. 　請求項１又は２において、前記原水を所定ｐＨ以上のアルカリ性とするか、所定ｐＨ以下の酸性とすることを特徴とする逆浸透処理方法。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項において、前記原水にスケール防止剤及び／又はスライム防止剤を添加することを特徴とする逆浸透処理方法。
  5. 　原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、
    　該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する通水路を備えたことを特徴とする逆浸透処理装置。
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