JP5961916B2

JP5961916B2 - 水処理装置

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Publication number: JP5961916B2
Application number: JP2011059680A
Authority: JP
Inventors: 敦行真鍋; 修平泉; 隼人渡邉; 一樹松本; 悠司高島
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: JP2012192373A

Description

本発明は、水処理装置、特に、特定の性状の原水を浄化するための水処理装置に関する。

半導体や医薬の製造過程においては、製品の品質向上や安全性確保等の観点から、溶存している天然成分や懸濁物質等の夾雑成分を除去した精製水が大量に使用されており、そのような精製水は、例えば、工業用水、上水または地下水などの原水を逆浸透膜装置によりろ過処理することで製造されている。

このような精製水の製造では、効率的な大量生産が求められることから、逆浸透膜装置での回収率、すなわち、原水に対して得られる透過水の割合を高めることでろ過水量（透過水量）の増加を図る必要がある。ところが、逆浸透膜装置は、回収率を高めると濃縮水の夾雑成分濃度が高まることから夾雑成分の除去能力が低下し、透過水の水質が低下しやすくなる。

このような不具合への対策の一つとして、特許文献１には、軟水化装置により処理された原水を逆浸透膜装置へ供給する水処理装置が記載されている。ここで用いられる軟水化装置は、原水に含まれる夾雑成分のうちの硬度成分を陽イオン交換樹脂でのイオン交換により原水から除去するものである。軟水化装置を用いたこの水処理装置は、原水に含まれる夾雑成分の一部を逆浸透膜装置でのろ過処理前に予め除去することから、原水をそのまま逆浸透膜装置へ供給する場合に比べて濃縮水での夾雑成分濃度の上昇を抑えることができ、夾雑成分の除去能力を維持しながら回収率を高めて原水の処理効率を改善することができるものと考えられる。

しかし、この水処理装置は、軟水化装置において用いる陽イオン交換樹脂を適宜再生する必要があることから運転管理が煩雑になり、また、軟水化装置のために水処理費用の高額化が避けられない。

特開２０１０−８２６１０号公報

本発明の目的は、逆浸透膜装置を用いて原水を浄化する水処理において、煩雑な運転管理によらずに透過水の水質低下を抑えて回収率を高めることにある。

本発明者らは、工業用水、水道水、地下水（浅井戸水、深井戸水、湧水または伏流水等）および地表水（河川水または湖沼水等）などの、水源の地質に由来の硬度成分（カルシウムイオンおよびマグネシウムイオン）、ナトリウムイオンおよびシリカなどを夾雑成分として含む一般的な原水は、海水の浸透等の影響によりナトリウムイオン濃度が非常に高い特殊なものを除き、含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が一般に１．５以上であることに着目した。そして、逆浸透膜装置によるそのようなモル比の原水の浄化を様々な観点から研究したところ、特定の性状の逆浸透膜を用いた場合において、透過水の水質低下を抑えて回収率を高めることができることを見出した。

第１の観点に係る本発明は、シリカおよび硬度成分を含みかつ含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上の原水を浄化するための水処理装置に関するものである。この水処理装置は、原水の供給経路と、架橋全芳香族ポリアミドを用いた負荷電性のスキン層を表面に有する、操作圧力０．７ＭＰａおよび回収率１５％の条件で濃度５００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．０および温度２５℃の塩化ナトリウム水溶液を供給したときの水透過係数が１．３×１０^−１１〜１．７×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１でありかつ塩除去率が９９％以上の逆浸透膜を備えた、供給経路からの原水をろ過して透過水と濃縮水とに分離するための逆浸透膜装置とを備えている。

この水処理装置は、供給経路に設けられた、原水へスケール分散剤を添加するための添加装置と、供給経路に設けられた、原水のｐＨを調整するための第１調整手段と、逆浸透膜装置での透過水の回収率を調整するための第２調整手段と、濃縮水の水質を検査するための水質検査装置と、水質検査装置により検査された水質に基づいて、濃縮水のランゲリア指数を算出するための演算手段と、濃縮水のランゲリア指数が０．３以下に維持されるよう、かつ、シリカ濃度が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持されるよう、第１調整手段と第２調整手段とを制御する水質制御手段とをさらに備えていてもよい。

他の観点に係る本発明は、シリカおよび硬度成分を含みかつ含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上の原水を浄化し、塩除去率が９９％以上の精製水を製造するための水処理方法に関するものである。この水処理方法は、原水を逆浸透膜装置へ供給し、回収率を７０〜９０％に設定して透過水と濃縮水とに分離するとともに、逆浸透膜装置から流出する濃縮水の一部を逆浸透膜装置へ供給される原水に合流させ、かつ、逆浸透膜装置から流出する濃縮水の残余を廃棄する工程を含み、逆浸透膜装置において、架橋全芳香族ポリアミドを用いた負荷電性のスキン層を表面に有する、操作圧力０．７ＭＰａおよび回収率１５％の条件で濃度５００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．０および温度２５℃の塩化ナトリウム水溶液を供給したときの水透過係数が１．３×１０^−１１〜１．７×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１でありかつ塩除去率が９９％以上の逆浸透膜を用いるとともに、透過水の流量（Ｂ）に対する逆浸透膜装置から流出する濃縮水の流量（Ｄ）の比率（Ｄ／Ｂ）を３以上に調整する。

この水処理方法は、原水に対してスケール分散剤を添加する工程をさらに含んでいてもよく、この場合は、濃縮水のランゲリア指数を０．３以下に、かつ、シリカ濃度を１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持する。

本発明は、シリカおよび硬度成分を含みかつ含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上の原水を逆浸透膜装置を用いて浄化するに当たり、架橋全芳香族ポリアミドを用いた負荷電性のスキン層を表面に有する特定の性状の逆浸透膜を用いているため、透過水の水質低下を抑えて回収率を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る水処理装置の概略図。本発明の実施の形態２に係る水処理装置の概略図。実施の形態２に係る水処理装置の動作を示すフローチャート。

実施の形態１
図１を参照して、本発明の実施の形態１に係る水処理装置を説明する。図において、水処理装置１は、原水をろ過処理することで精製水を製造するためのものであり、原水の供給経路１０、逆浸透膜装置２０、処理水路３０および排水路４０を主に備えている。

供給経路１０は、原水の供給源（図示せず）からの原水を逆浸透膜装置２０に対して供給するためのものであり、原水の供給およびその停止を制御するための給水制御弁１１を有している。

逆浸透膜装置２０は、供給経路１０からの原水をろ過処理するためのものであり、逆浸透膜モジュール２１と加圧ポンプ２２とを主に備えている。

逆浸透膜モジュール２１は、単一または複数の逆浸透膜エレメント（図示せず）を備えたものである。逆浸透膜エレメントを形成する逆浸透膜は、架橋全芳香族ポリアミドを用いた負荷電性のスキン層、すなわち、負に帯電しやすいスキン層を表面に有するものであり、操作圧力０．７ＭＰａおよび回収率１５％の条件で濃度５００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．０および温度２５℃の塩化ナトリウム水溶液を供給したときの水透過係数が１．３×１０^−１１〜１．７×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１でありかつ塩除去率が９９％以上の性状のものである。

ここで、操作圧力とは、日本工業規格ＪＩＳＫ３８０２：１９９５「膜用語」で定義される平均操作圧力をいい、ここでは、逆浸透膜モジュール２１の一次側の入口圧力と一次側の出口圧力との平均値を指す。回収率とは、逆浸透膜モジュール２１へ供給される水（ここでは塩化ナトリウム水溶液）の流量（Ａ）に対する透過水の流量（Ｂ）の割合（％）（すなわち、Ｂ／Ａ×１００）をいう。水透過係数は、透過水量（ｍ^３／ｓ）を膜面積（ｍ^２）および有効圧力（Ｐａ）で除した値であり、逆浸透膜での水の透過性能を示す指標である。すなわち、水透過係数は、単位有効圧力を作用させたときに単位時間に膜の単位面積を透過する水の量を意味する。有効圧力は、日本工業規格ＪＩＳＫ３８０２：１９９５「膜用語」で定義されており、操作圧力（平均操作圧力）から浸透圧差および二次側圧力を差し引いた圧力である。また、塩除去率は、膜を透過する前後の特定の塩類の濃度（ここでは塩化ナトリウム濃度）から計算される値であり、逆浸透膜での溶質の阻止性能を示す指標である。塩除去率は、逆浸透膜モジュール２１の入口での原水における特定の塩類の濃度（Ｃ_１）および透過水における特定の塩類の濃度（Ｃ_２）から、（１−Ｃ_２／Ｃ_１）×１００により求められる。

上述のスキン層および性状を備えた逆浸透膜は、逆浸透膜エレメントとして市販されている。このような逆浸透膜エレメントとしては、例えば、東レ社製の型式名「ＴＭＧ２０−４００」（上記条件での水透過係数が１．７×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１）、ウンジン・ケミカル社製の型式名「ＲＥ８０４０−ＢＬＮ」（上記条件での水透過係数が１．６×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１）および日東電工社製「ＥＳＰＡ１」（上記条件での水透過係数が１．６×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１）等が挙げられる。

加圧ポンプ２２は、供給経路１０からの原水を加圧して逆浸透膜モジュール２１へ供給可能なものである。供給経路１０からの原水は、この加圧ポンプ２２により逆浸透膜での浸透圧以上に加圧された状態で逆浸透膜モジュール２１へ供給されることで逆浸透膜エレメントにおいて逆浸透し、一部が逆浸透膜エレメントを透過する。これにより、原水は、逆浸透膜エレメントにおいて、夾雑成分が除去された透過水（すなわち、精製水）と、夾雑成分濃度が高まった濃縮水とに分離される。

処理水路３０は、逆浸透膜装置２０において生成した透過水を送出するための経路であり、透過水を一時的に貯水するためのタンクや、透過水を利用する各種装置（例えば、半導体製造装置、医薬品製造装置および蒸気ボイラ装置等）に連絡している。

排水路４０は、逆浸透膜装置２０において生成した濃縮水を当該装置から排出するための経路であり、逆浸透膜装置２０側から循環経路４１と排水制御弁４２とをこの順に備えている。

循環経路４１は、逆浸透膜装置２０からの濃縮水の一部を供給経路１０へ循環させるためのものであり、排水路４０から分岐し、給水制御弁１１と加圧ポンプ２２との間において供給経路１０に連絡している。排水制御弁４２は、逆浸透膜装置２０からの濃縮水の廃棄量を制御するためのものである。

次に、上述の水処理装置１の動作を説明する。水処理装置１において、給水制御弁１１を開放し、原水の供給源から供給経路１０へ原水を供給すると、この原水は、加圧ポンプ２２により逆浸透膜モジュール２１での浸透圧以上に加圧されて逆浸透膜モジュール２１へ供給される。逆浸透膜モジュール２１へ加圧されて供給された原水は、一部が逆浸透膜を透過し（すなわち、ろ過され）、夾雑成分が除去された透過水として処理水路３０から排出される。一方、残余の原水は、逆浸透膜により透過を阻止された夾雑成分の濃度が高まった濃縮水として排水路４０へ押し流される。排水路４０へ流れた濃縮水は、一部が循環経路４１へ流れ、供給経路１０を流れる原水に合流する。また、循環経路４１へ循環しない残余の濃縮水は、排水制御弁４２から廃棄される。

ここで、排水路４０から循環経路４１へ流れる濃縮水の流量は、給水制御弁１１を通じて供給する原水の流量および排水制御弁４２から廃棄する濃縮水の流量のうちの少なくとも一方を制御することで調整される。原水の流量は、加圧ポンプ２２の回転数を増減することにより調整することもできる。循環経路４１へ流れる濃縮水の流量は、透過水の流量（Ｂ）に対する逆浸透膜モジュール２１から流出する濃縮水の流量（Ｄ）（すなわち、循環経路４１へ分岐する前の流量）の比率Ｄ／Ｂが３以上になるように調整するのが好ましく、５以上になるように調整するのがより好ましい。流量比率Ｄ／Ｂが３未満の場合は、逆浸透膜の一次側の膜面流速が低くなるため、原水に含まれる懸濁物質が堆積したり、スケールが沈着したりしやすくなり、膜面が閉塞して所望の水透過性能が得られなくなる可能性がある。

水処理装置１を用いて浄化する原水、すなわち、供給経路１０へ供給する原水は、シリカ（ここでは、日本工業規格ＪＩＳＫ０１０１：１９９８「工業用水試験法」の「４４．シリカ（ＳｉＯ_２）」において規定された全シリカを意味する。）、ナトリウムイオンおよび硬度成分（カルシウムイオンおよびマグネシウムイオン）を夾雑成分として含むものであり、含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上のものである。一般に、工業用水、水道水、地下水（浅井戸水、深井戸水、湧水または伏流水等）および地表水（河川水または湖沼水等）等の一般的に原水として用いられる水は、水源に由来の天然成分であるシリカ、ナトリウムイオンおよび硬度成分を含んでおり、含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上である。また、工場排水についても、上述の条件を満足するものであれば、水処理装置１での処理対象の原水になり得る。これに対し、海水や汽水およびこれらが浸透した地層を水源とする地下水等は、ナトリウムイオン濃度が高いために上記モル比が１．５未満（多くの場合は１未満）になるため、水処理装置１での処理対象にはなりにくい。

原水の含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比は、原水のナトリウムイオン濃度とカルシウムイオン濃度とを測定することで確認することができる。ナトリウムイオン濃度は、例えば、市販のイオン電極を用いることで測定することができる。また、カルシウムイオン濃度は、例えば、市販の測定試薬キット等を用いた化学分析手法により測定することができるが、市販のイオン電極を用いて測定することもできる。

水処理装置１は、逆浸透膜モジュール２１において上述の特定の逆浸透膜を備えた逆浸透膜エレメントを用いているため、含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上の一般的な原水をそのまま供給経路１０から逆浸透膜装置２０へ供給することで、逆浸透膜装置２０での回収率を７０〜９０％程度の比較的高率に設定しながら高純度の透過水、特に、塩除去率が９９％以上の透過水を効率的に生産することができる。

なお、シリカおよび硬度成分を含みかつ含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上の条件を満足しない原水については、上記条件を満足するように調整することで、この実施の形態の水処理装置１による浄化が可能である。上記条件を満足するための原水の水質調整は、原水への薬剤添加によることもできるが、この場合は原水の夾雑成分濃度を高めてしまうことから電気伝導率が上昇し、透過水の水質を損なう可能性がある。したがって、原水の水質は、異なる水質の水を適宜混合することで調整するのが好ましい。この場合、原水に対して混合する水の種類は、特に限定されるものではなく、例えば、ナトリウムイオンをＨ型陽イオン交換樹脂でイオン交換することにより得られる改質水や、一価イオン選択性イオン交換膜を用いた電気透析装置でナトリウムイオンを除去した改質水等を用いることができる。

また、水処理装置１は、逆浸透膜の一次側の膜面流速を高めることを目的とし、逆浸透膜装置２０の排水路４０に循環経路４１を設けたクロスフロー方式を採用しているが、クロスフロー方式を採らない場合も本発明を同様に実施することができる。

実施の形態２
図２を参照して、本発明の実施の形態２に係る水処理装置を説明する。図において、水処理装置２は、原水をろ過処理することで精製水を製造するためのものであり、原水の供給経路１０、逆浸透膜装置２０、処理水路３０、排水路４０および制御装置５０を主に備えている。

供給経路１０は、原水の供給源（図示せず）からの原水を逆浸透膜装置２０に対して供給するためのものであり、原水の供給およびその停止を制御するための給水制御弁１１並びに原水に対して薬剤を添加するための第１添加装置１２および第２添加装置１３をこの順に備えている。なお、供給経路１０を通じて供給する供給源からの原水は、実施の形態１において説明したものと同様のもの、すなわち、水源に由来の天然成分であるシリカ、ナトリウムイオンおよび硬度成分を含み、含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上のものである。

第１添加装置１２（第１調整手段の一例）は、逆浸透膜装置２０へ供給する原水に対してｐＨ調整剤を注入するためのものであり、第１部位１２ａと第２部位１２ｂとを備えている。第１部位１２ａは、原水に対し、原水のｐＨを低下させる酸性薬剤を注入するための部位である。ここで用いられる酸性薬剤は、特に限定されるものではなく、例えば、塩酸、硫酸または硝酸などの無機酸であり、通常、水溶液として用いられる。一方、第２部位１２ｂは、原水に対し、原水のｐＨを高めるアルカリ性薬剤を注入するための部位である。ここで用いられるアルカリ性薬剤は、例えば、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属の水酸化物や炭酸塩などであり、通常、水溶液として用いられる。

第１部位１２ａおよび第２部位１２ｂは、それぞれ、ｐＨ調整剤の貯蔵部と、ｐＨ調整剤を貯蔵部から原水へ注入するための注入部とを有しており、注入部は、ｐＨ調整剤の注入量を調節するための制御弁を有している。

第２添加装置１３は、逆浸透膜装置２０へ供給する原水に対してスケール分散剤を添加するためのものであり、スケール分散剤の貯蔵部と、スケール分散剤を貯蔵部から原水へ添加するための添加部とを有している。添加部は、スケール分散剤の添加量を調節するための制御弁を有している。

ここで用いられるスケール分散剤は、水溶性のものであれば特に限定されるものではないが、例えば、アクリル酸系ポリマー、メタクリル酸系ポリマーおよびマレイン酸系ポリマーなどのポリカルボン酸、ポリスルホン酸並びにホスホン酸などを挙げることができる。これらのスケール分散剤は、二種以上のものが併用されてもよい。また、スケール分散剤は、通常、水溶液として用いられる。

スケール分散剤としては、逆浸透膜装置２０の後記する逆浸透膜モジュール２１において、逆浸透膜の膜面に炭酸カルシウム系スケールが付着するのを効果的に抑制可能なことから、ポリカルボン酸とホスホン酸とを含むものが好ましい。このようなスケール分散剤の例として、ポリカルボン酸とホスホン酸とを含む、濃度が３３〜３７重量％の水溶液であるＢＷＡＷＡＴＥＲＡＤＤＩＴＩＶＥＳ社の商品名「フロコン２６０」を挙げることができる。

逆浸透膜装置２０は、供給経路１０からの原水をろ過処理するためのものであり、実施の形態１の水処理装置１において用いられるものと同様の逆浸透膜モジュール２１および加圧ポンプ２２を主に備えている。

排水路４０は、逆浸透膜装置２０において生成した濃縮水を当該装置から排出するための経路であり、逆浸透膜装置２０側から循環経路４１、水質検査装置４２および排水制御弁４３をこの順に備えている。

循環経路４１は、逆浸透膜装置２０からの濃縮水の一部を供給経路１０へ循環させるためのものであり、排水路４０から分岐し、第２添加装置１３と加圧ポンプ２２との間において供給経路１０に連絡している。

水質検査装置４２は、排水路４０を流れる濃縮水の水質を測定するためのものであり、排水路４０から分岐する、濃縮水の一部を水質検査用の試料として採取するためのサンプリング経路４１０を有している。サンプリング経路４１０は複数に分岐しており、各分岐路は、それぞれ、濃縮水のｐＨ値を測定するためのｐＨセンサ４１１、濃縮水の温度を測定するための温度センサ４１２、濃縮水の電気伝導率を測定するための電気伝導率センサ４１３、濃縮水のカルシウム硬度を測定するための硬度センサ４１４および濃縮水の総アルカリ度を測定するための総アルカリ度センサ４１５を有している。ｐＨセンサ４１１、温度センサ４１２および電気伝導率センサ４１３としては、水質検査用において用いられる各種のものを使用することができる。

硬度センサ４１４としては、一般的な比色式のものが用いられる。比色式のセンサは、採取された濃縮水の試料に発色試薬（例えば、２−ヒドロキシ−１−（２’−ヒドロキシ−４’−スルホ−１’−ナフチルアゾ）−３−ナフトエ酸）を添加したときの試料の発色を特定の吸収波長の吸光度の変化として検出し、当該吸光度に基づいてカルシウム硬度を判定するものである。

総アルカリ度センサ４１５により測定される総アルカリ度は、炭酸水素塩、炭酸塩および水酸化物等として濃縮水に含まれるアルカリ成分の量を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）の量に換算して表したものであり、各種の水質分析に関わるＪＩＳ規格等において酸消費量（ｐＨ４．８）と称されているものである。一般的な総アルカリ度センサ４１５は、比色式のものであり、これは、採取された濃縮水の試料に発色試薬（例えば、メチルオレンジ）を添加したときの試料の発色を特定の吸収波長の吸光度の変化として検出し、当該吸光度に基づいて総アルカリ度を判定するものである。

排水制御弁４３は、逆浸透膜装置２０からの濃縮水の廃棄量を制御するためのものである。

制御装置５０は、水処理装置２の動作を制御するためのものであり、動作を統括する中央制御装置、水処理装置２の動作プログラムや各種のデータを記憶する記憶装置および情報の入出力装置（いずれも図示せず）を備えた電子情報処理組織である。入出力装置の入力部は、水質検査装置４２が連絡しており、ｐＨセンサ４１１、温度センサ４１２、電気伝導率センサ４１３、硬度センサ４１４および総アルカリ度センサ４１５の各センサでの測定データを受信可能である。また、入力部には、水処理装置１の動作において必要な各種のデータや指令等を手動で入力するための操作盤５１などが連絡している。一方、入出力装置の出力側は、給水制御弁１１、第１添加装置１２、第２添加装置１３、加圧ポンプ２２、排水制御弁４３および水質検査装置４２での測定データやその他の情報を表示したり、所要の情報の手動入力を案内したりするための表示装置５２が連絡しており、これらの各部に対して所要の動作信号を発信可能である。

記憶装置に記憶された動作プログラムは、濃縮水のランゲリア指数を算出するための演算プログラムと、濃縮水の水質制御プログラムとを含んでいる。

ランゲリア指数は、水系におけるスケール発生傾向を評価するための一般的な指標であり、正の値で絶対値が大きいほど炭酸カルシウムが析出しやすいことを示し、また、負の値で絶対値が大きいほど炭酸カルシウムが析出しにくいことを示す。また、ランゲリア指数が０のときは、炭酸カルシウムが析出も溶解もしない平衡状態にある。このことから、濃縮水のランゲリア指数が０未満の場合は、逆浸透膜モジュール２１の膜面において炭酸カルシウムによるスケールが生成しにくい状態にあり、逆に、０を超える場合は、逆浸透膜モジュール２１の膜面において炭酸カルシウムによるスケールが生成しやすいことになる。

濃縮水のランゲリア指数（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は濃縮水のｐＨ値である。また、ｐＨｓは、濃縮水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。

式（１）から明らかなように、濃縮水のランゲリア指数は、濃縮水のｐＨの低下とともに小さくなり、ｐＨの上昇とともに大きくなる。したがって、濃縮水のランゲリア指数は、濃縮水のｐＨを調整することで制御可能である。

ランゲリア指数の演算プログラムは、水質検査装置４２の各センサでの測定データから、所定の関係式を用いて算出することで、または、所定の数値テーブルを参照することで、Ａ〜Ｄ値を求める。そして、求めたＡ〜Ｄ値から式（２）によりｐＨｓを求め、このｐＨｓとｐＨセンサ４１１での実測ｐＨとから式（１）によりランゲリア指数を算出する。なお、ランゲリア指数を算出するために必要な各種の数値テーブルは、記憶装置に記憶しておくことができる。

一方、水質制御プログラムは、後記するプロセスにより第１添加装置１２、加圧ポンプ２２および排水制御弁４３を制御することで濃縮水のランゲリア指数およびシリカ濃度を制御するためのものである。

次に、上述の水処理装置２の基本動作を説明する。水処理装置２において、給水制御弁１１を開放し、原水の供給源から供給経路１０へ原水を供給すると、この原水は、第２添加装置１３からスケール分散剤が連続的または一定時間毎に添加され、また、加圧ポンプ２２により逆浸透膜モジュール２１での浸透圧以上に加圧されて逆浸透膜モジュール２１へ供給される。逆浸透膜モジュール２１へ加圧されて供給された原水は、一部が逆浸透膜を透過し（すなわち、ろ過され）、夾雑成分が除去された透過水として処理水路３０から排出される。一方、残余の原水は、逆浸透膜により透過を阻止された夾雑成分の濃度が高まった濃縮水として排水路４０へ押し流される。排水路４０へ流れた濃縮水は、一部が循環経路４１へ流れ、供給経路１０を流れる原水に合流する。また、循環経路４１へ循環しない残余の濃縮水は、排水制御弁４３から廃棄される。

このような水処理装置２の動作では、逆浸透膜モジュール２１へ供給する原水の流量（Ｆ_１）、透過水の流量（Ｆ_２）および排水制御弁４３から廃棄される濃縮水の流量（Ｆ_３）を制御することで、回収率を調節することができる。ここでの回収率は、逆浸透膜モジュール２１へ供給される原水の流量（Ｆ_１）に対する透過水の流量（Ｆ_２）の割合（％）（すなわち、Ｆ_２／Ｆ_１×１００）である。本実施の形態において、Ｆ_１は、給水制御弁１１から供給される原水の流量である。

水処理装置２は、逆浸透膜モジュール２１において実施の形態１と同様に特定の逆浸透膜を備えた逆浸透膜エレメントを用いているため、実施の形態１において説明した水質条件の原水を供給経路１０から逆浸透膜装置２０へ供給することで、逆浸透膜装置２０での回収率を７０〜９０％程度の比較的高率に設定しながら高純度の透過水、特に、塩除去率が９９％以上の透過水を効率的に生産することができる。

次に、図３に示す動作フローチャートを参照して、水処理装置２の動作をより具体的に説明する。この水処理方法においては、先ず、原水の試料を採取し、原水のシリカ濃度（ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ）を分析する。原水のシリカ濃度は、市販の測定試薬キット等を用いた化学分析手法により測定することができるが、市販の自動測定装置を用いて測定することもできる。

操作者が水処理装置２を始動すると、動作プログラムは、ステップＳ１において、制御装置５０の表示装置５２に情報入力案内を表示し、ステップＳ２において操作者が原水のシリカ濃度を入力するのを待つ。操作者が予め調べた原水のシリカ濃度を操作盤５１から入力すると、動作プログラムはステップＳ２からステップＳ３へ移行し、逆浸透膜装置２０において設定すべき回収率を算出する。より具体的には、入力された原水のシリカ濃度に基づいて、濃縮水のシリカ濃度が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持され得る回収率を算出する。

ここで、回収率は、高く設定することで原水の濃縮倍率が高くなり（すなわち、濃縮水における夾雑成分濃度が高くなり）、低く設定することで原水の濃縮倍率が低くなる（すなわち、濃縮水における夾雑成分濃度が低くなる）。このため、原水のシリカ濃度が判明している場合、回収率の調節により原水の濃縮倍率を制御すれば、結果的に濃縮水のシリカ濃度を制御することができる。例えば、回収率を９０％に設定したとき、原水の濃縮倍率は１０倍程度になる。この場合、原水のシリカ濃度が例えば１０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌであれば、濃縮水のシリカ濃度は原水での濃度の１０倍、すなわち、１００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ程度に維持されるから、９０％の回収率は濃縮水のシリカ濃度を１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持する上で適切な回収率である。これに対し、原水のシリカ濃度が例えば２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌであれば、濃縮水のシリカ濃度は１０倍の２００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ程度に維持されるから、９０％の回収率は濃縮水のシリカ濃度を１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持する上で不適切な回収率である。

原水の濃縮倍率に基づいて算出される回収率は、濃縮水のシリカ濃度を１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持可能な上限値である。このような上限値の回収率は、原水において一時的にシリカ濃度が上昇する事態が生じたとき、濃縮水のシリカ濃度を１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持することができない可能性がある。また、回収率は、逆浸透膜モジュール２１の膜面でのファウリングによる原水の処理効率の低下を回避する観点から、通常、９０％以下に設定するのが好ましい。したがって、これらの事情を考慮し、ステップＳ３において算出する回収率は、通常、上述の上限値を補正し、当該上限値よりも小さく設定するのが好ましい。なお、ファウリングとは、原水中の懸濁物質や有機物等が逆浸透膜の膜面に沈着または吸着する現象をいい、これは逆浸透膜での透過水量を低下させる原因となり得る。

なお、濃縮水のシリカ濃度が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌを超える場合、逆浸透膜モジュール２１の膜面においてシリカ系スケールが生成しやすくなることから、比較的短時間のうちに透過水量が減少し、原水の処理効率が低下する。

次に、動作プログラムはステップＳ４へ移行する。このステップでは、表示装置５２が初期準備の完了を表示し、操作者が水処理装置２の運転開始指令を入力するのを待つ。そして、操作者が操作盤５１を通じて運転開始指令を入力すると、動作プログラムはステップＳ５へ移行し、水処理装置２の運転を開始する。

ステップＳ５において、動作プログラムは、先ず、給水制御弁１１を開放し、原水の供給源から供給経路１０へ原水を供給する。これにより、水処理装置２は、既述の基本動作を開始する。また、このステップでは、ステップＳ３で算出された回収率が達成されるよう、逆浸透膜モジュール２１での透過水の流量（Ｆ_２）および廃棄する濃縮水の流量（Ｆ_３）をそれぞれ加圧ポンプ２２の回転数および排水制御弁４３の開度の制御により調節する。これにより、濃縮水のシリカ濃度は、１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持される。

また、このステップでは、循環経路４１へ流れる濃縮水の流量を調整することで、透過水の流量（Ｂ）に対する逆浸透膜モジュール２１から流出する濃縮水の流量（Ｄ）（すなわち、循環経路４１へ分岐する前の流量）の比率Ｄ／Ｂが３以上になるように制御するのが好ましく、５以上になるように制御するのがより好ましい。流量比率Ｄ／Ｂが３未満の場合は、逆浸透膜の一次側の膜面流速が低くなるため、原水に含まれる懸濁物質が堆積したり、スケールが沈着したりしやすくなり、膜面が閉塞して所望の水透過性能が得られなくなる可能性がある。

また、ステップＳ５において、動作プログラムは、第２添加装置１３によるスケール分散剤の添加を開始する。ここで、動作プログラムは、給水制御弁１１から供給経路１０へ供給する原水の流量（Ｆ_１）を参照し、当該原水におけるスケール分散剤の濃度を制御する。スケール分散剤は、逆浸透膜モジュール２１の膜面でのスケールの生成が抑制されるように原水での濃度を設定する必要があり、当該濃度を高めに設定するのが一般的であるが、この実施の形態では、濃縮水のシリカ濃度が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持され、また、濃縮水のランゲリア指数が後記するように０．３以下の範囲に維持されるため、１〜５ｍｇ／Ｌ程度の微量に設定するだけで効果的に機能し得る。この結果、排水制御弁４３から廃棄される濃縮水は、スケール分散剤による化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の上昇が抑えられ、環境負荷を与えにくい。

さらに、ステップＳ５において、動作プログラムは、水質検査装置４２を作動させ、サンプリング経路４１０を通じて排水路４０から常時採取される濃縮水の試料の水質検査を開始する。

次のステップＳ６において、動作プログラムは、操作者が操作盤５１から水処理装置２の停止指令を入力したか否かを判断する。操作者が停止指令を入力したとき、動作プログラムはステップＳ７へ移行し、給水制御弁１１を閉鎖するとともに、その他の装置を停止する。これにより、逆浸透膜装置２０への原水の供給が停止し、水処理装置２は動作を終了する。

一方、水処理装置２の運転中、動作プログラムは、ステップＳ８において濃縮水のランゲリア指数（ＬＳＩ）を算出する。ここでは、水質検査装置４２のｐＨセンサ４１１、温度センサ４１２、電気伝導率センサ４１３、硬度センサ４１４および総アルカリ度センサ４１５によりそれぞれ測定されたｐＨ、温度、電気伝導率、硬度および総アルカリ度の各データから所定の数値テーブルを参照することで既述のＡ〜Ｄ値を求め、既述の式（２）および（１）からランゲリア指数を算出する。

ステップＳ８において算出されたランゲリア指数は、次のステップＳ９において０以上０．３以下の範囲にあるか否かが判断される。ランゲリア指数が上記範囲から外れるものと判断されたとき、動作プログラムはステップＳ１０へ移行し、濃縮水のランゲリア指数の制御動作を実行する。

ここで、ランゲリア指数が０．３を超える場合、動作プログラムは、第１添加装置１２において第１部位１２ａの制御弁を作動させ、供給経路１０を流れる原水に対して酸性薬剤を注入する。これにより、濃縮水は、ｐＨが低下し、ランゲリア指数が小さくなる。一方、ランゲリア指数が０未満の場合、動作プログラムは、第１添加装置１２において第２部位１２ｂの制御弁を作動させ、供給経路１０を流れる原水に対してアルカリ性薬剤を注入する。これにより、濃縮水は、ｐＨが上昇し、ランゲリア指数が大きくなる。このように、第１添加装置１２は、酸性薬剤を添加するための第１部位１２ａと、アルカリ性薬剤を添加するための第２部位１２ｂとの両方を備えているため、濃縮水のランゲリア指数を上述の狭い範囲に迅速にかつ安定に制御することができる。

なお、ランゲリア指数の調整のために必要なアルカリ性薬剤は、微量であるため、原水における含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比を変動させにくく、原水での当該モル比を維持することができる。

動作プログラムは、水処理装置２の運転中、すなわち、操作者が操作盤５１から停止指令を入力しない限り、ステップＳ８およびステップＳ９を繰返し、必要なときはステップＳ１０を実行することで濃縮水のランゲリア指数が０以上０．３以下の範囲になるよう制御する。

以上のような動作プログラムにより、水処理装置２では、運転中において、濃縮水のランゲリア指数が０以上０．３以下に維持され、かつ、濃縮水のシリカ濃度が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持される。このため、逆浸透膜モジュール２１は、逆浸透膜において炭酸カルシウム系スケールおよびシリカ系スケールの生成が抑制され、透過水の流量を長期間に亘って安定に維持することができるため、逆浸透膜装置２０での回収率を上述の比較的高い範囲に安定に維持することができる。また、このような透過水の流量の維持は、濃縮水のｐＨを単純に低下させるよう調整することで達成されるのではなく、濃縮水のランゲリア指数を０以上の狭い範囲で精密に制御することで達成されるものであるから、原水に対するｐＨ調整剤、特に、酸性薬剤の注入量を抑制しながら達成することができる。その結果、原水に含まれる炭酸水素イオンや炭酸イオンが遊離炭酸（溶存炭酸ガス）に変化することを抑制し、逆浸透膜を透過する遊離炭酸の量を減らして透過水の水質低下を抑えることができる。

この実施の形態については、例えば次のような変更が可能である。
（１）原水のシリカ濃度は、原水の種類によっては水源の地質的事情により安定していることがある。この場合、季節変化等、原水のシリカ濃度が変動する事情がない限り、水処理装置２は、作動の毎に原水のシリカ濃度を測定し、その測定値を入力する必要性は低い。このような場合、最初の始動時に操作者が入力した原水のシリカ濃度を制御装置５０で記憶し、以後の始動時には動作プログラムのステップＳ１からステップＳ３を省略して動作させることもできる。

（２）上述の動作説明では、予め原水のシリカ濃度を測定し、その測定値に基づいて逆浸透膜装置２０での濃縮水のシリカ濃度が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持されるよう回収率を調整しているが、水質検査装置４２に濃縮水のシリカ濃度を測定するためのセンサをさらに設け、このセンサでのシリカ濃度の測定値が１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持されるよう回収率を調整することもできる。

（３）上述の動作説明では、逆浸透膜装置２０での濃縮水のランゲリア指数が０以上０．３以下の範囲になるよう制御しているが、ランゲリア指数の下限を設けないようにすることもできる。但し、そのようにすると、逆浸透膜装置２０での濃縮水において所要のランゲリア指数を達成するために原水に対して比較的多量のｐＨ調整剤（酸性薬剤）を添加することになり、結果的に逆浸透膜を透過する遊離炭酸の量が増加して透過水の水質が低下する。したがって、ランゲリア指数は、好ましくは０以上に設定するのが好ましく、仮にマイナス値に設定するとしても−０．２〜０の程度にとどめるのが好ましい。

なお、供給源からの原水は、特別な場合を除き、その一般的な水質から酸性薬剤の添加によるｐＨ調整で濃縮水のランゲリア指数を０．３以下に制御することができる。このため、供給経路１０では、通常、酸性薬剤を添加するための第１部位１２ａのみからなる第１添加装置１２を用いることもできる。

これに対し、供給源からの原水そのもののｐＨが酸性範囲にあるような特別な場合、例えば、原水が工場排水であってｐＨが５〜６程度の場合、逆浸透膜装置２０での濃縮水のランゲリア指数は原水のｐＨを調整しなくても０．３以下、特にマイナス値になることが多い。このような場合、透過水の水質を高めるために、アルカリ性薬剤を添加するための第２部位１２ｂのみからなる第１添加装置１２を用い、原水にアルカリ性薬剤を適宜添加しながら濃縮水のランゲリア指数を０．３付近まで高めるようにするのが好ましい。

（４）水処理装置２は、第１添加装置１２にアルカリ性薬剤を添加するための第２部位１２ｂを設け、そこから原水へアルカリ性薬剤を添加することで原水のｐＨを高めているが、原水の水質において適当な場合は、原水のｐＨを高めるための手段としてエアレーション方式（空気と原水との気液接触を利用した遊離炭酸の除去方法）を採用することもできる。

（５）水処理装置２では、逆浸透膜の一次側の膜面流速を高めることを目的とし、逆浸透膜装置２０の排水路４０に循環経路４１を設けたクロスフロー方式を採用しているが、クロスフロー方式を採らない場合も本発明を同様に実施することができる。

実施例１、２および比較例１、２
カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）およびシリカを表１に示す濃度で含む水質の試験水を調製し、この試験水をタンクに貯留した。逆浸透膜エレメント（東レ社製の型式名「ＴＭＧ２０−４００」）１本を装填した逆浸透膜モジュールに対し、運転圧力０．４９ＭＰａ、回収率７５％および温度２５℃の条件でタンクから試験水を連続的に供給し、試験水を浄化した。このときの逆浸透膜エレメントにおける透過水流量は、実施例１、２および比較例１、２のいずれにおいても１０００Ｌ／ｈであった。なお、逆浸透膜モジュールへの通水はクロスフロー方式とし、透過水流量に対して系内の循環流量が５倍となるように、濃縮水を逆浸透膜モジュールの１次側入口へ循環させた。

実施例１、２および比較例１、２の評価
試験水の供給開始から２４時間経過時点での透過水および濃縮水の電気伝導率（ＥＣ）を測定し、下記の式に基づいて逆浸透膜モジュールでの塩除去率を測定した。結果を表１に示す。
塩除去率（％）＝（濃縮水ＥＣ−透過水ＥＣ）／濃縮水ＥＣ×１００

表１によると、試験水において含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上である場合、塩除去率が９９％を超える。各実施例および各比較例において透過水流量は同じであり、また、回収率は同一に設定されているため、試験水の上記モル比が１．５以上の場合には、逆浸透膜モジュールでの水透過性能や回収率を犠牲にせずに高い塩除去率を達成可能なことがわかる。

実施例３〜５
電気伝導率１５９ｍＳ／ｍ、硬度４１４ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、シリカ濃度４４ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ、総アルカリ度９０ｍｇＣａＣＯ_３／ＬおよびｐＨ７．６の水質に調整された試験用の供給水を調製し、この供給水をタンクに貯留した。この供給水において、含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比は、９．１であった。そして、タンクから延びる供給経路を通じ、この供給水を逆浸透膜エレメント（東レ社製の型式名「ＴＭＧ２０−４００」））を１本装填した逆浸透膜モジュールへ加圧ポンプにより加圧しながら連続的に供給し、透過水流量１０００Ｌ／ｈ、回収率７５％および温度２５℃の条件で運転した。透過水流量は、加圧ポンプの回転数の調節により制御した。逆浸透膜モジュールへの通水はクロスフロー方式とし、透過水流量に対して系内の循環流量が５倍となるように、濃縮水の一部を供給経路へ循環させた。このような供給水の処理運転中において、濃縮水の一部を定期的にサンプルとして採取し、濃縮水のシリカ濃度が概ね１３５〜１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌに、また、濃縮水の電気伝導率が概ね５１０〜５３０ｍＳ／ｍに維持されていることを確認した。

上述の運転において、逆浸透膜モジュールへ流れる供給水のｐＨを硫酸の添加により６〜６．６に調整することで濃縮水のｐＨを８〜９程度に調整し、実施例３ではランゲリア指数（ＬＳＩ）を−０．２に、実施例４では同指数を０．１に、実施例５では同指数を０．３にそれぞれ制御した。また、供給水に対し、スケール分散剤としてＢＷＡＷＡＴＥＲＡＤＤＩＴＩＶＥＳ社の商品名「フロコン２６０」を原液のまま濃度が２．５ｍｇ／Ｌになるよう添加した。

比較例３
供給水への硫酸添加により濃縮水のランゲリア指数を０．５に制御した点を除き、実施例３〜５と同様の条件で供給水を処理した。

比較例４
供給水への硫酸添加による濃縮水のランゲリア指数の制御をしなかった点を除き、実施例３〜５と同様の条件で供給水を処理した。

比較例５
供給水への硫酸添加により濃縮水のランゲリア指数を０．２に制御し、かつ回収率を増加させて濃縮水のシリカ濃度を１７０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ程度にまで高めた点を除き、実施例３〜５と同様の条件で供給水を処理した。

比較例６
供給水へのスケール分散剤を添加しなかった点を除き、ランゲリア指数を０．３に制御した実施例５と同様の条件で供給水を処理した。

比較例７
供給水への硫酸添加によるランゲリア指数の制御、及び、供給水へのスケール分散剤の添加をしなかった点を除き、実施例３〜５と同様の条件で供給水を処理した。

実施例３〜５および比較例３〜７の評価
実施例３〜５および比較例３〜７のそれぞれにおいて、水処理運転中の逆浸透膜エレメントの有効圧力の変化を経時的に測定した。そして、有効圧力の測定値、透過水流量の設定値および逆浸透膜エレメントの有効膜面積から透過水の水透過係数を所定時間経過時に算出した。なお、初期状態の水透過係数は、逆浸透膜エレメントの個体差により多少のばらつきがあるため、水処理運転の開始から１時間経過時点の数値を初期値とした。また、水処理運転の開始から２４時間経過時点での透過水の電気伝導率を測定した。電気伝導率は、透過水の水質を示す指標であり、数値が低いほど透過水にイオン成分（夾雑成分）が少ないこと、すなわち、水質が良好なことを表している。結果を表２に示す。なお、比較例７は、１２０時間経過時点の水透過係数が初期値の１５％未満まで低下したため、この時点で水処理運転を中止した。表２には、濃縮水のランゲリア指数、シリカ濃度および電気伝導率を表示しているが、表示の数値は水処理運転中での平均値である。

表２によると、実施例３〜５では、１５０時間経過時の水透過係数が初期値の９６〜９７％に維持されており、比較例３〜７に比べて逆浸透膜エレメントのスケール付着による閉塞が顕著に抑制されていることがわかる。また、実施例３〜５は、比較例３〜７に比べて透過水の電気伝導率が同程度の数値となっており、水質の良好な透過水が得られていることがわかる。さらに、実施例３〜５によると、濃縮水のランゲリア指数が０未満の場合に透過水の電気伝導率が若干高くなる傾向が見られるため、濃縮水のランゲリア指数は０以上に維持するのが好ましいこともわかる。

１、２水処理装置
１０供給経路
１２第１添加装置
１３第２添加装置
２０逆浸透膜装置
４２水質検査装置
４３排水制御弁
５０制御装置

Claims

シリカおよび硬度成分を含みかつ含有ナトリウムイオンに対する含有カルシウムイオンのモル比が１．５以上の原水を浄化し、塩除去率が９９％以上の精製水を製造するための水処理方法であって、
前記原水を逆浸透膜装置へ供給し、回収率を７０〜９０％に設定して透過水と濃縮水とに分離するとともに、前記逆浸透膜装置から流出する前記濃縮水の一部を前記逆浸透膜装置へ供給される前記原水に合流させ、かつ、前記逆浸透膜装置から流出する前記濃縮水の残余を廃棄する工程を含み、
前記逆浸透膜装置において、架橋全芳香族ポリアミドを用いた負荷電性のスキン層を表面に有する、操作圧力０．７ＭＰａおよび回収率１５％の条件で濃度５００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．０および温度２５℃の塩化ナトリウム水溶液を供給したときの水透過係数が１．３×１０^−１１〜１．７×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１でありかつ塩除去率が９９％以上の逆浸透膜を用いるとともに、前記透過水の流量（Ｂ）に対する前記逆浸透膜装置から流出する前記濃縮水の流量（Ｄ）の比率（Ｄ／Ｂ）を３以上に調整する、
水処理方法。
前記原水に対してスケール分散剤を添加する工程をさらに含み、前記濃縮水のランゲリア指数を０．３以下に、かつ、シリカ濃度を１５０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以下に維持する、請求項１に記載の水処理方法。