WO2011030589A1

WO2011030589A1 - 淡水製造方法及び淡水製造装置

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Publication number: WO2011030589A1
Application number: PCT/JP2010/058518
Authority: WO
Inventors: 谷口　雅英; 寛生高畠; 稚子荻原
Original assignee: 東レ株式会社
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-03-17
Also published as: AU2010293661A1; MX2012002889A; JPWO2011030589A1; SG178514A1; EP2476651A1; AU2010293661B2; EP2476651A4; US20120168378A1; CN102482123A; JP5549591B2

Abstract

　本発明の目的は、複数種類の供給水を混合して利用する、半透膜を用いた淡水製造装置において、半透膜ユニットから排出される濃縮水のエネルギーを有効活用することであり、そして、低コストで、供給水変動に対しても効率的にエネルギーを回収することが可能な圧力交換式エネルギー回収ユニットを効果的に適用した淡水製造方法および淡水製造装置を提供することである。そのために、水質の異なる複数種の供給水を、半透膜を透過させて淡水を製造する淡水製造方法において、半透膜を備えた半透膜ユニットに供給される複数種の供給水のうちの一部（第１供給水という）は、前記半透膜ユニットから排出される濃縮水の圧力エネルギーを回収する圧力交換式エネルギー回収ユニットを利用して昇圧し、前記複数種の供給水のうちの残り（第２供給水という）は、高圧ポンプにより昇圧し、昇圧した前記第１供給水及び前記第２供給水を合わせて前記半透膜ユニットに供給する。

Description

淡水製造方法及び淡水製造装置

　本発明は、海水と河川水、地下水又は廃水処理水との組合せのような複数種の原水から淡水を製造するための、半透膜ユニットを用いた淡水製造装置、方法に関するものである。さらに詳しくは、複数種の原水から淡水を製造する装置において、半透膜ユニットから出る濃縮水のエネルギーを有効利用するための装置、方法に関するものである。

　近年深刻化してきている水環境の悪化に伴い、これまで以上に水処理技術が重要になってきており、分離膜を利用する水処理技術が非常に幅広く適用されてきている。海水淡水化の水処理技術として、従来、水資源が極端に少なく、かつ、石油による熱資源が非常に豊富である中東地域では蒸発法を中心に実用化されてきていた。一方、熱源が豊富でない中東以外の地域では、所要動力が小さい半透膜（とくに逆浸透膜）を用いた淡水化プロセスが採用され、カリブ海諸島や地中海エリアなどで多数のプラントが建設され実用運転されている。逆浸透膜を用いた淡水化設備では、圧力エネルギーを有する濃縮海水が排出される。そのため、エネルギー回収ユニットによってその圧力を回収し、これによって所要動力を低減する仕組みが適用されてきている。最近での技術進歩により、逆浸透膜法による淡水化技術はさらに信頼性が向上し、コストダウンされ、さらにエネルギー回収技術が著しく向上してきたので、中東地域においても多くの逆浸透膜法海水淡水化プラントが建設されるに至っている。

　エネルギーを回収するにあたって、約１０年前までは、ポンプを水圧で回してエネルギーを回収する逆転ポンプや水力発電に多用されるペルトン水車が主に適用されてきた（エネルギー回収効率７０～９０％）。最近は、圧力交換式と呼ばれるエネルギー回収ユニットが開発され、そのエネルギー回収効率の高さ（約９５％）から、海水淡水化装置におけるエネルギー回収装置の主役となりつつある（非特許文献１）。

　また、逆転ポンプやペルトン水車を用いた従来のエネルギー交換ユニットは、設定流量に対して最適設計されるため、水量が変動した場合にその回収効率が低下するが、圧力交換式エネルギー回収ユニットは、同じ量の水どうしで圧力交換するため、供給水量が変動する場合もエネルギー回収効率を維持できるというメリットがある。なお、圧力交換式エネルギー回収ユニットを備えた従来の代表的な淡水製造装置のフローを図８に示す。

　一方、逆浸透膜による淡水化プロセス自体も技術開発、改良が重ねられてきている。逆浸透膜は、その名の由来である膜面の濃度差に起因する浸透圧に打ち勝つことができる圧力を加えて溶媒の水を膜透過させ、淡水を製造するものである。膜分離のために働く有効圧力は操作圧力から供給水濃度に基づく浸透圧が差し引かれたものであるため、途中で運転圧力を上げて後段の濃縮された高浸透圧に対抗して淡水を効率的に取り出すプロセスが提案されている（特許文献１、非特許文献２）。また、逆浸透膜よりも分離サイズが大きく、通常、海水淡水化には不向きとされるナノろ過膜を用いて透過水を２回処理する方法が提案されている（非特許文献３）。さらにまた、海水に下水再利用の濃縮排水を混合して、浸透圧を下げて逆浸透膜処理するプロセス（図９）が提案されている（非特許文献４、５）。

特開平８－１０８０４８号公報

Ｇ．Ｇ．ピケ、"Low Power Bill makes seawater affordable"、デサリネーション＆ウォーターリユース、１５（３）、ｐ４７－５０（２００５）山村弘之ら、"省エネ低コスト型逆浸透膜法海水淡水化技術の開発"、膜、２３（５）、ｐ２４５－２５０（１９９８）Ｒ．Ｃ．チェン、"A Novel Approach to Seawater Desalination Using Dual Dual-Staged Nanofiltration Process"、AWWA Annual Conference、（２００５．６） "神鋼環境ソら４者　経産省のモデル事業　周南市で実証実験"、[online]、平成２１年３月５日、日本水道新聞、[平成２１年７月２日検索]、インターネット<URL : http://www.suido-gesuido.co.jp/blog/suido/2009/03/post_2780.html> "「低炭素社会に向けた技術シーズ発掘・社会システム実証モデル事業」の採択について"、[online]、平成２１年３月２日、東レ株式会社プレスリリース、[平成２１年７月２日検索]、インターネット<http://www.toray.co.jp/news/water/nr090302.html>

　本発明の目的は、複数種類の供給水を混合して利用する、半透膜を用いた淡水製造装置において、半透膜ユニットから排出される濃縮水のエネルギーを有効活用することであり、そして、低コストで、供給水変動に対しても効率的にエネルギーを回収することが可能な圧力交換式エネルギー回収ユニットを効果的に適用した淡水製造方法および淡水製造装置を提供することにある。

　前記目的を達成するために、本発明は次のいずれかの構成をとる。
（１）　水質の異なる複数種の供給水を、半透膜を透過させて淡水を製造する淡水製造方法であって、半透膜を備えた半透膜ユニットに供給される複数種の供給水のうちの一部（第１供給水という）は、前記半透膜ユニットから排出される濃縮水の圧力エネルギーを回収する圧力交換式エネルギー回収ユニットを利用して昇圧し、前記複数種の供給水のうちの残り（第２供給水という）は、高圧ポンプにより昇圧し、昇圧した前記第１供給水及び前記第２供給水を合わせて前記半透膜ユニットに供給する淡水製造方法。
（２）　前記第１供給水は、前記第２供給水よりも全塩濃度が高い、前記（１）記載の淡水製造方法。
（３）　前記第１供給水の昇圧前の圧力は、前記第２供給水の昇圧前の圧力よりも低い、前記（２）記載の淡水製造方法。
（４）　前記第１供給水または前記第２供給水は、前記半透膜ユニットとは異なる半透膜ユニットからの濃縮水である、前記（１）～（３）いずれかに記載に淡水製造方法。
（５）　水質の異なる複数種の供給水を合わせて処理し透過水と濃縮水とを排出する半透膜ユニットと、前記複数種の供給水のうちの一部（第１供給水という）を前記半透膜ユニットに供給する第１供給水ラインと、前記複数種の供給水のうちの残り（第２供給水という）を前記半透膜ユニットに供給する第２供給水ラインと、前記半透膜ユニットから排出される濃縮水の圧力エネルギーを回収する圧力交換式エネルギー回収ユニットとを備え、前記圧力交換式エネルギー回収ユニットは、回収した圧力エネルギーで前記第１供給水を昇圧するように配設されてなり、さらに、前記第２供給水ラインには、前記第２供給水を昇圧する高圧ポンプを備えている淡水製造装置。
（６）　前記半透膜ユニットとは異なる半透膜ユニットを、該半透膜ユニットからの濃縮水が前記第１供給水として使用されるように前記第１供給水ラインに、または、該半透膜ユニットからの濃縮水が前記第２供給水として使用されるように前記第２供給水ラインに、備えている、前記（５）記載の淡水製造装置。

　本発明によると、複数種類の供給水を混合して利用する、半透膜を備えた淡水製造装置において、圧力交換式エネルギー回収ユニットに通す供給水を、該ユニットに通さない供給水と実質的に異なるものとすることによって、ポンプや配管への要求を低くしてコストに抑えるとともに、供給水量や水質変動に対しても安定して高いエネルギー回収効率を維持することが可能となる。さらに、半透膜ユニットから出る濃縮水の圧力エネルギーの有効利用を促進させることができる。

本発明に係る淡水製造装置の一実施態様を示す概略フロー図である。本発明に係る淡水製造装置の別の一実施態様を示す概略フロー図である。本発明に係る淡水製造装置のさらに別の一実施態様を示す概略フロー図である。本発明に係る淡水製造装置の一実施態様を示す概略フロー図である。本発明に係る淡水製造装置の別の一実施態様を示す概略フロー図である。本発明に係る淡水製造装置のさらに別の一実施態様を示す概略フロー図である。本発明に係る淡水製造装置のさらに別の一実施態様を示す概略フロー図である。圧力交換式エネルギー回収ユニットを備えた従来の代表的な淡水製造装置のフロー図である。異なる供給水を混合供給して半透膜処理する従来の淡水製造装置のフロー図である。

　以下、本発明の望ましい実施の形態を、図面を用いて説明する。ただし、本発明の範囲がこれらに限られるものではない。

　本発明の淡水製造装置の一例を図１に示す。図１に示す淡水製造装置は、水質の異なる複数種の供給水を処理し、透過水と濃縮水とを排出する半透膜ユニット９と、複数種の供給水のうちの一部（第１供給水という）を半透膜ユニット９に供給する第１供給水ラインと、複数種の供給水のうちの残り（第２供給水という）を半透膜ユニット９に供給する第２供給水ラインと、半透膜ユニット９から排出される濃縮水の圧力エネルギーを回収する圧力交換式エネルギー回収ユニット４とを備えている。圧力交換式エネルギー回収ユニット４は、回収した圧力エネルギーで第１供給水を昇圧するように配設されてなり、さらに、第２供給水ラインには、第２供給水を昇圧する高圧ポンプ８を備えている。

　第１供給水は、第１供給水タンク１から第１取水ポンプ２で第１前処理ユニット３に供給された後、第１前処理ユニット３で処理された処理水が圧力交換式エネルギー回収ユニット４に供給される。

　圧力交換式エネルギー回収ユニット４で昇圧された水は、さらに昇圧ポンプ５によって、高圧ポンプ８で昇圧された第２供給水と同等の圧力まで昇圧される。

　一方、第２供給水は、第２供給水タンク６から第２取水ポンプ７によって第２前処理ユニット１１に供給されて処理された後、高圧ポンプ８によって実質的に膜処理に必要な圧力にまで昇圧される。高圧ポンプ８で昇圧された水は、前記した圧力交換式エネルギー回収ユニット４及び昇圧ポンプ５で昇圧された水と混合され、半透膜ユニット９に供される。

　半透膜ユニット９では、混合して供給された第１供給水および第２供給水が処理され、透過水と濃縮水が排出される。透過水は生産水１０として取り出される。一方、半透膜ユニット９から排出される、圧力エネルギーを有する濃縮水は、圧力交換式エネルギー回収ユニット４に供給され、第１供給水に圧力エネルギーを伝達した後、濃縮排水１６として系外に排出される。

　本発明においては、第１供給水と第２供給水として、塩濃度や温度などの水質が異なる原水を使用する。そのため、第１供給水ラインおよび第２供給水ラインには、それぞれの水質に応じた異なる特性の配管や機器を配設することができる。

　例えば、２種類の供給水が異なる塩濃度をもつ場合であって、第１供給水に高濃度原水を、第２供給水に低濃度原水を使用する場合には、第１取水ポンプ２、第１前処理ユニット３、昇圧ポンプ５、圧力交換式エネルギー回収ユニット４、およびそれらが配設されたライン（第１供給水ライン）の配管として、塩分に対する耐腐食性に優れたものを設置する。一方、低濃度である第２供給水のラインの機器や配管としては、第１供給水ラインよりも耐腐食性の劣るものを設置する。この場合、第２供給水ラインの高圧ポンプ８や第２前処理ユニット１１などは、材質要求レベルを下げることができるため、設備やメンテナンスに要するコストを低減することができる。例えば、塩濃度の高い供給水のラインに対しては、耐腐食性に優れたデュプレックス系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、スーパーオーステナイト系ステンレス鋼、セラミック、繊維強化プラスチックなどの材質を使用するが、これら材質は価格が高価であることが難点である。しかしながら、本発明によれば、これら材質の使用量を必要最小限に抑えることができ、装置の低コスト化を実現することができる。

　高濃度原水の代表例としては、海水や海水由来の処理水や濃縮水のように塩濃度が高い水があげられ、また、低濃度原水の代表例としては、河川水、地下水、廃水処理水のように塩濃度が低い水が挙げられる。

　図２は、本発明に係る淡水製造装置の別の一実施態様であって、供給水の混合調節機能を付加した場合を示す。それぞれの原水の流量に変動や制約がある場合には、例えば図２に示すように混合調節機能を付加することが好ましい。具体的には、低濃度の第２供給水を、第２供給水タンク６から第１供給水タンク１へと流す配管と、この配管中の流量を調整する流量調整バルブ１３とを設けて、原水の流量変動に応じて第２供給水を第１供給水ラインへ供給できるようにすることが好ましい。さらに、高濃度の第１供給水を、第１供給水タンク１から第２供給水ラインへと流す配管と、この配管中の流量を調整する流量調整バルブ１２とを設けて、原水の流量変動に応じて第１供給水を第２供給水ラインへ供給できるようにしてもよい。但し、後者の配管では、高濃度の第１供給水が低濃度の第２供給水ラインへと流れることとなるので、低濃度の第２供給水ラインとして設計された機器や配管の劣化が許容される範囲内の流量に抑えるようにする。なお、図２に示す態様は、上記した点以外は図１と同じである。

　図３は、本発明に係る淡水製造装置のさらに別の一実施態様であって、供給水の温度調節機能を付加した場合を示す。第１供給水と第２供給水との間で水温の差がある場合であって、第２供給水の温度の方が高い場合には、図３のように配置した熱交換ユニット１４を通して、温度の低い第１供給水の温度を上げ、その後の圧力損失低減や前処理の効率化を促進してもよい。この場合、熱交換ユニット１４を通した第２供給水は、第２供給水タンクに全量戻すこともできれば、温度を下げたくない場合は、一部もしくは全部を排水用配管１５を通して、系外に排出することもできる。なお、図３に示す態様は、上記した点以外は図１と同じである。

　ところで、本発明においては、第１供給水と第２供給水としてどちらにどのような（例えば、高濃度、低濃度）のものを供給するかは特に制約されるものではない。例えば図１において、第１供給水に低濃度原水を、第２供給水に高濃度原水を使用することもできる。ただ、次の点を考慮すると、高塩濃度の供給水を、圧力交換式エネルギー回収ユニットで圧力交換により昇圧される方の供給水（すなわち第１供給水）とすることが好ましい。

　２種類の供給水は、混合された後に半透膜ユニット９で処理され、該半透膜ユニット９から、透過水（淡水）と圧力エネルギーをもつ濃縮水とが排出される。半透膜ユニット９から排出された濃縮水は、その圧力エネルギーが圧力交換式エネルギー回収ユニット４で圧力交換されるが、この圧力交換時に数％の濃縮水が第１供給水に漏れ込み易い。高濃度原水の方を第１供給水として使用すると、第１供給水中に、低濃度原水由来の濃縮水が漏れ込んだときでも、第１供給水の濃度がさらに高濃度となる可能性は小さく、濃縮水の漏れ込みによる悪影響が小さくなり、好ましい。例えば、全塩濃度３％の塩水を第１供給水とし、全塩濃度１％のかん水を第２供給水として使用し、それぞれを等量供給する場合には、半透膜ユニットの供給直前で混合された混合水の全塩濃度は２％となる。この混合において、供給水の３３％が半透膜を透過して淡水として得られるとすると、濃縮水の全塩濃度は３％となり、この濃縮水が圧力交換式エネルギー回収ユニットで第１供給水（全塩濃度３％）に混入しても悪影響はないということになる。従って、濃縮水の漏れ込みによる悪影響を抑えるという観点からすると、半透膜ユニットからの濃縮水の全塩濃度を、圧力交換式エネルギー回収ユニット４を利用して昇圧される水の全塩濃度以下にすることが好ましい。

　ここで、本発明における全塩濃度は、ＴＤＳ（全蒸発残留物）で代表されるが、成分分析によって得られる各種イオンや有機物単成分の総和としても得ることができる。ただし、単成分の和は測定誤差を大きく内包する場合が多く、ＴＤＳで示すことが好ましい。

　さらに、本発明においては、いずれか一方の供給水を予め別の半透膜ユニットで半透膜処理し、該半透膜処理から排出される濃縮水を、他方の供給水と混合して上述の半透膜ユニット９に混合させることも好ましい。

　但し、この場合は、上記別の半透膜ユニットから得られた濃縮水と上記他方の供給水とで圧力水準が相違する。そのため、圧力水準を合わせるための圧力調整を行うことなく、それぞれの供給配管を合流させることで混合させると（図示なし）、それぞれの供給水に圧力の変動が生じることによって流量バランスが変動し、混合割合が変動するという問題が生じる。流量バランスの変動を防止するためには、図９に示すような供給水混合タンク３１を設置し、供給水混合タンク３１内で濃縮水と第１供給水との混合を行うことが、一般的である。しかし、このようにすると、それぞれの供給水がもつ圧力エネルギーが、タンク３１内での混合時に失われ、その圧力エネルギーを活用することができない。

　そこで、本発明においては、上記別の半透膜ユニットからの濃縮水を第２供給水とし、該第２供給水を、高圧ポンプ８で昇圧した後であって、かつ、半透膜ユニット９への供給前に、第１供給水と混合することが好ましい。具体的には、例えば図４に示すように、図１に示すような装置の第２供給水ラインの高圧ポンプ８よりも上流側に、半透膜ユニット１７を設け、該半透膜ユニット１７からの濃縮水を半透膜ユニット９の第２供給水とすることが好ましい。

　こうすることで、混合時における供給水それぞれの圧力水準を高圧ポンプ８や昇圧ポンプ５などで調節することができ、ほぼ同水準の圧力をもつ第１供給水と第２供給水（上記別の半透膜ユニット１７からの濃縮水）を合流させて混合することができる。また、上記別の半透膜ユニット１７の濃縮水（第２供給水）は、その圧力を保持したままで高圧ポンプ８によって昇圧されるので、エネルギーロスを抑えることができる。なお、以下においては、このように２つの半透膜ユニットを用いる態様における、濃縮水のエネルギー回収が行われる半透膜ユニットを「第１半透膜ユニット」、第２供給水を得るために設けられた半透膜ユニットを「第２半透膜ユニット」と称する場合がある。

　そして、図４に示す態様において、半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）を、２種類の供給水のうちの低濃度側ラインに適用すること（即ち、低濃度の原水を第２供給水として使用し、第２供給水タンク６、第２取水ポンプ７、第２前処理ユニット１１、第２高圧ポンプを経て、第２供給水が半透膜ユニット１７に供給されること）とする場合には、半透膜ユニット１７への供給水の加圧水準は、半透膜ユニット９（第１半透膜ユニット）への供給水の加圧水準よりも小さくてすむ。そのため、半透膜ユニット１７からの濃縮水のもつ圧力は、第１半透膜ユニット９への供給水の加圧水準よりも小さい。従って、この場合には、半透膜ユニット１７からの濃縮水のもつ圧力をそのまま維持し、さらに高圧力へと昇圧して、第１半透膜ユニット９への供給水の加圧水準とすることができる。すなわち、半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）からの濃縮水の有する高い圧力エネルギーを消滅させずに有効利用でき、第１供給水との混合による圧力エネルギー損失を防止する効果が大きい。

　これとは逆に、半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）を、２種類の供給水のうちの高濃度側ラインに適用した場合（すなわち、高濃度の原水を第２供給水として使用し、第２供給水タンク６、第２取水ポンプ７、第２前処理ユニット１１、第２高圧ポンプを経て、第２供給水が半透膜ユニット１７に供給されるようにした場合）には、半透膜ユニット１７からの濃縮水のもつ圧力が、半透膜ユニット９への供給水の加圧水準よりも大きくなる場合がある。その場合は、半透膜ユニット１７からの濃縮水のもつ圧力の一部を消失させて、半透膜ユニット９への供給水の加圧水準に合わせる必要がある。そのため、圧力エネルギー損失を防止する効果はあまり大きくない。

　本発明に適用可能な半透膜ユニット（半透膜ユニット９や半透膜ユニット１７）としては、特に制約はないが、取扱いを容易にするため、中空糸膜状や平膜状の半透膜を筐体に納めて流体分離素子（エレメント）としたものを耐圧容器に装填したものを用いることが好ましい。流体分離素子は、平膜状半透膜で形成する場合、例えば、多数の孔を穿設した筒状の中心パイプの周りに、半透膜を流路材（ネット）とともに円筒状に巻回したものが一般的であり、市販製品としては、東レ（株）製逆浸透膜エレメントＴＭ７００シリーズやＴＭ８００シリーズを挙げることができる。これらの流体分離素子は１本で半透膜ユニットを構成するものでも、また、複数本を直列あるいは並列に接続して半透膜ユニットを構成するものでもよい。

　半透膜の素材には、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができる。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。

　半透膜ユニットにおいては供給水が濃縮されるため、濃縮によるスケール析出を防止したりｐＨ調整のために、それぞれの半透膜ユニットの供給水に対してスケール防止剤や酸・アルカリを添加することが可能である。なお、スケール防止剤の添加は、その添加効果を発揮できるように、ｐＨ調整よりも上流側で実施することが好ましい。また、薬品添加の直後にはインラインミキサーを設けたり、添加口を供給水の流れに直接接触するようにするなどして、添加口近傍での急激な濃度やｐＨ変化を防止することも好ましい。

　スケール防止剤とは、溶液中の金属、金属イオンなどと錯体を形成し、金属あるいは金属塩を可溶化させるもので、有機や無機のイオン性ポリマーあるいはモノマーが使用できる。有機系のポリマーとしてはポリアクリル酸、スルホン化ポリスチレン、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミンなどの合成ポリマーやカルボキシメチルセルロース、キトサン、アルギン酸などの天然高分子が、モノマーとしてはエチレンジアミン四酢酸などが使用できる。また、無機系のスケール防止剤としてはポリリン酸塩などが使用できる。これらのスケール防止剤の中では、入手のしやすさ、溶解性など操作のしやすさ、価格の点から、特に、ポリリン酸塩、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）が好適に用いられる。ポリリン酸塩とはヘキサメタリン酸ナトリウムを代表とする分子内に２個以上のリン原子を有し、アルカリ金属、アルカリ土類金属とリン酸原子などにより結合した重合無機リン酸系物質をいう。代表的なポリリン酸塩としては、ピロリン酸４ナトリウム、ピロリン酸２ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、テトラポリリン酸ナトリウム、ヘプタポリリン酸ナトリウム、デカポリリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、およびこれらのカリウム塩などがあげられる。

　一方、酸やアルカリとしては、硫酸や水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムが一般的に用いられる。また、塩酸、シュウ酸、水酸化カリウム、重炭酸ナトリウム、水酸化アンモニウムなどを使用することもできる。但し、海水へのスケール成分の増加を防止するためには、カルシウムやマグネシウムは使用しない方がよい。

　本発明において、半透膜ユニット供給前の供給水を前処理するために設置することができる前処理ユニット（第１前処理ユニット３や第２前処理ユニット１１）としては、それぞれの供給水の水質などに応じて、濁質成分の除去や殺菌などを行う処理ユニットを適用することができる。

　例えば、供給水の濁質を除去する必要がある場合の前処理ユニットとしては、砂ろ過や精密ろ過膜、限外ろ過膜の適用が効果的である。このときバクテリアや藻類などの微生物が多い場合は、殺菌剤を添加することが好ましい。殺菌剤としては塩素を用いることが好ましく、たとえば塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムを遊離塩素として１～５ｍｇ／ｌの範囲内となるように供給水に添加するとよい。なお、半透膜の種類によっては特定の殺菌剤に化学的な耐久性がない場合があるので、その場合は、なるべく供給水の上流側で添加し、さらに、半透膜ユニットの供給水入口側近傍にて殺菌剤を無害化することが好ましい。例えば、遊離塩素の場合は、その濃度を測定し、この測定値に基づいて塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムの添加量を制御したり、亜硫酸水素ナトリウムなどの還元剤を添加したりするとよい。

　また、供給原水が、濁質以外にバクテリアやタンパク質、天然有機成分などを含有する場合は、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化鉄（III）などの凝集剤を加えることも効果的である。凝集させた供給水は、その後に斜向板などで凝集物を沈降させた上で砂ろ過を行ったり、複数本の中空糸膜を束ねた精密ろ過膜や限外ろ過膜によるろ過を行うことによって、後段の半透膜ユニットを通過させるのに適した供給水とすることができる。とくに、凝集剤の添加にあたっては、凝集しやすいようにｐＨを調整することが好ましい。

　ここで、前処理に砂ろ過を用いる場合は、被処理水が自然に流下する方式の重力式ろ過を適用することもできれば、加圧タンクの中に砂を充填した加圧式ろ過を適用することも可能である。充填する砂も、単一成分の砂を適用することが可能であるが、例えば、アンスラサイト、珪砂、ガーネット、軽石など、を組み合わせて、ろ過効率を高めることが可能である。

　精密ろ過膜や限外ろ過膜についても、特に制約はなく、平膜、中空糸膜、管状型膜、プリーツ型、その他いかなる形状のものも適宜用いることができる。膜の素材についても、特に限定されるもの、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、酢酸セルロースや、セラミック等の無機素材を用いることができる。また、膜ろ過方式にしても、供給水を加圧してろ過する加圧ろ過方式や透過側を吸引してろ過する吸引ろ過方式のいずれも適用可能である。とくに、吸引ろ過方式の場合は、凝集沈殿槽や生物処理槽に精密ろ過膜や限外ろ過膜を浸漬してろ過する、いわゆる凝集膜ろ過や膜利用活性汚泥法（ＭＢＲ）を適用することも好ましい。

　一方、供給水に溶解性の有機物が多く含まれている場合は、塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムの添加によってそれら有機物を分解することができるが、加圧浮上や活性炭ろ過を行うことによっても除去が可能である。また、溶解性の無機物が多く含まれている場合は、有機系高分子電解質やヘキサメタ燐酸ソーダなどのキレート剤を添加したり、イオン交換樹脂などを用いて溶解性イオンと交換したりするとよい。また、鉄やマンガンが可溶な状態で存在しているときは、曝気酸化ろ過法や接触酸化ろ過法などを用いることが好ましい。

　あらかじめ特定イオンや高分子などを除去し、本発明における淡水製造装置を高効率で運転することを目的として、前処理にナノろ過膜を用いることも可能である。

　図５は、本発明において、上述したように２つの半透膜ユニットを用い、かつ、第２供給水として汚濁水を用いる場合に好適に用いることができる淡水製造システムのフロー図である。この態様においては、第２供給水を、凝集剤や活性汚泥を併用した浸漬式の膜分離ユニット１９で膜分離処理し、得られた膜ろ過水を次に続く半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）へと供給する。

　図６は、図５の場合とは反対に、第１供給水側に半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）を設けた態様であり、第１供給水として汚濁水を用いる場合に好適に用いることができる淡水製造システムのフロー図である。この態様においては、第１供給水を膜分離ユニット１９で処理し、次いで半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）で処理する。なお、この場合は、半透膜ユニット１７からの濃縮水の加圧に圧力交換式エネルギー回収装置を用いる点で、図５と異なる。

　また、図７には、図５に示す淡水製造装置において、薬液注入を追加した場合を例示する。例えば、第１薬液タンク２７および供給ポンプ２８によって第１供給水に殺菌剤，制菌剤、洗浄剤を注入する。また、第２薬液タンク２２および供給ポンプ２３によって第２供給水に殺菌剤，制菌剤、洗浄剤を注入する。これらの薬品は、特に制約されるものではなく、酸、アルカリ、次亜塩素酸ソーダ、クロラミン、有機窒素イオウ系化合物、有機窒素硫黄系有機窒素硫黄系化合物、イソチアゾロン系化合物、ヒドラジン系化合物、ＤＢＮＰＡなど、必要に応じて様々な薬品を使用することができる。

　ただし、薬品を添加した第１供給水は、半透膜ユニット９（第１半透膜ユニット）で処理された後、濃縮水として系外に排出される。そのため、必要に応じて第１中和薬液タンク２９および供給ポンプ３０によって濃縮排水用配管に中和剤を収入し濃縮廃水の中和処理を行う。一方、薬品を添加した第２供給水の場合も同様に、第２中和薬液タンク２４と供給ポンプ２５によって、高圧ポンプ８を経て半透膜ユニット９（第１半透膜ユニット）へと供給される半透膜ユニット１７（第２半透膜ユニット）の濃縮水配管に中和剤を注入し、濃縮水の中和を行う。なお、この段階での濃縮水の中和を省略し、半透膜ユニット９から濃縮水として排出される段階でまとめて中和することも可能である。

　本発明は、半透膜の濃縮排水のエネルギーを回収するための圧力交換式エネルギー回収装置を用いた淡水製造装置および淡水製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、エネルギー回収ユニットによって昇圧される供給水と、エネルギー回収ユニットを通らずに高圧ポンプによって昇圧される供給水とを、水質の異なるものとすることで、低コストでの淡水製造を実現することができるものである。そのため、これにより、海水、河川水、地下水、排水処理水から低コストで淡水を得ることができる。

１：第１供給水タンク
２：第１取水ポンプ
３：第１前処理ユニット
４：圧力交換式エネルギー回収ユニット
５：昇圧ポンプ（ブースターポンプ）
６：第２供給水タンク
７：第２取水ポンプ
８：高圧ポンプ
９：半透膜ユニット（第１半透膜ユニット）
１０：生産水（淡水）
１１：第２前処理ユニット
１２：流量調整バルブ
１３：流量調整バルブ
１４：熱交換ユニット
１５：排水用配管
１６：濃縮排水用配管
１７：半透膜ユニット（第２半透膜ユニット）
１８：第２高圧ポンプ
１９：浸漬型ろ過分離ユニット
２２：第２薬液タンク
２３：第２薬液供給ポンプ
２４：第２中和薬液タンク
２５：第２中和薬液供給ポンプ
２６：排水バルブ
２７：第１薬液タンク
２８：第１薬液供給ポンプ
２９：第１中和薬液タンク
３０：第１中和薬液供給ポンプ
３１：供給水混合タンク

Claims

　水質の異なる複数種の供給水を、半透膜を透過させて淡水を製造する淡水製造方法であって、半透膜を備えた半透膜ユニットに供給される複数種の供給水のうちの一部（第１供給水という）は、前記半透膜ユニットから排出される濃縮水の圧力エネルギーを回収する圧力交換式エネルギー回収ユニットを利用して昇圧し、前記複数種の供給水のうちの残り（第２供給水という）は、高圧ポンプにより昇圧し、昇圧した前記第１供給水及び前記第２供給水を合わせて前記半透膜ユニットに供給する淡水製造方法。
　前記第１供給水は、前記第２供給水よりも全塩濃度が高い、請求項１記載の淡水製造方法。
　前記第１供給水の昇圧前の圧力は、前記第２供給水の昇圧前の圧力よりも低い、請求項２記載の淡水製造方法。
　前記第１供給水または前記第２供給水は、前記半透膜ユニットとは異なる半透膜ユニットからの濃縮水である、請求項１～３いずれかに記載に淡水製造方法。
　水質の異なる複数種の供給水を合わせて処理し透過水と濃縮水とを排出する半透膜ユニットと、前記複数種の供給水のうちの一部（第１供給水という）を前記半透膜ユニットに供給する第１供給水ラインと、前記複数種の供給水のうちの残り（第２供給水という）を前記半透膜ユニットに供給する第２供給水ラインと、前記半透膜ユニットから排出される濃縮水の圧力エネルギーを回収する圧力交換式エネルギー回収ユニットとを備え、前記圧力交換式エネルギー回収ユニットは、回収した圧力エネルギーで前記第１供給水を昇圧するように配設されてなり、さらに、前記第２供給水ラインには、前記第２供給水を昇圧する高圧ポンプを備えている淡水製造装置。
　前記半透膜ユニットとは異なる半透膜ユニットを、該半透膜ユニットからの濃縮水が前記第１供給水として使用されるように前記第１供給水ラインに、または、該半透膜ユニットからの濃縮水が前記第２供給水として使用されるように前記第２供給水ラインに、備えている、請求項５記載の淡水製造装置。