(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜分離活性汚泥法で処理された処理水が供給される処理水供給部と海水が供給される海水供給部とを備えると共に処理水と海水とが半透膜を介して接触することで処理水側から海水側への浸透圧が生じるように構成される浸透圧発生装置と、
該浸透発生装置における浸透圧を増加させる高浸透圧発生剤を海水に添加する高浸透圧発生剤添加部と、
浸透圧による海水供給部の水量の増加によって作動する発電機と
を備えることを特徴とする発電設備。
【請求項２】
浸透圧発生装置から排出される海水から高浸透圧発生剤を回収する高浸透圧発生剤回収手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発電設備。
【請求項３】
膜分離活性汚泥法で処理された処理水と海水とを半透膜を介して接触させて処理水側から海水側への浸透圧を生じさせる浸透圧発生工程と、
該浸透発生工程における浸透圧を増加させる高浸透圧発生剤を海水に添加する高浸透圧発生剤添加工程と、
浸透圧による海水側の水量の増加によって作動する発電機を用いて発電する発電工程と
を備えることを特徴とする発電方法。
【請求項４】
浸透圧発生工程後の海水から高浸透圧発生剤を回収する高浸透圧発生剤回収工程を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二液間に生じる浸透圧を利用して発電する発電設備および発電方法に関し、特に、膜分離活性汚泥法で処理された処理水と海水との間に生じる浸透圧を利用するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
浸透圧を利用した発電設備としては、例えば、溶解成分の濃度が比較的高い高濃度液と、溶解成分の濃度が比較的低い低濃度液とが半透膜を介して配置されることで、低濃度液側から高濃度液側への浸透圧を生じるように構成された浸透圧発生装置と、該浸透圧発生装置での高濃度液側の水量の増加によって発電する発電機とを備えるものが知られている（特許文献１参照）。このような発電設備においては、継続的に発電を行うために、浸透圧を継続的に生じさせることが必要となる。このため、浸透圧発生装置では、継続的に供給可能な海水と河川水（淡水）とが高濃度液と低濃度液として使用される場合がある（特許文献２参照）。
【０００３】
ところで、水処理の分野においては、活性汚泥法と膜分離法とを合わせた膜分離活性汚泥法（以下、ＭＢＲ法とも記す）が知られている。斯かるＭＢＲ法では、有機物を含有する被処理水と活性汚泥とが混合された混合水が曝気されたり、循環されたりすることで、有機物が好気的又は嫌気的に分解されるように構成されている（浄化工程）。そして、浄化工程後の混合水が分離膜（精密濾過膜（ＭＦ膜）や限外濾過膜（ＵＦ膜）等）で濾過されることで（膜分離工程）、活性汚泥が分離された処理水が得られると共に、分離された活性汚泥が浄化工程へ返送されるように構成されている。
【０００４】
このようなＭＢＲ法では、浄化工程における曝気や循環、膜分離工程における曝気等を行う必要があるため、他の水処理方法よりも電力の消費量が多くなる。このため、消費電力を回収するべく、ＭＢＲ法で得られる処理水を発電設備で使用することが提案されている。具体的には、上述の発電設備における浸透圧発生装置において、低濃度液としてＭＢＲ法による処理水を使用し、斯かる処理水と海水との間で生じる浸透圧を利用して発電する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１３８８８号公報
【特許文献２】特開２００９−４７０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、浸透圧を利用した発電設備では、浸透圧による高濃度液側の水量の増加によって生じる水流を利用して発電機のタービンを回転させるため、例えば、高濃度液の塩濃度が意図する濃度よりも低い場合（高濃度液と低濃度液との濃度差が小さい場合）、高濃度液側の水量が十分に増加しないため、タービンを十分な速度で回転させることが困難となることから、効率的な発電を行うことが困難となる。特に、ＭＢＲ法で得られる処理水と海水との間で生じる浸透圧を利用して発電する場合、処理水の水質にも影響されるため、処理水の水質によっては、よりいっそう十分な浸透圧を得ることができず、効率的な発電を行うことが更に困難となる。
【０００７】
そこで、本発明は、浸透圧を利用した発電において、浸透圧を生じさせる液体として、ＭＢＲ法で得られる処理水と海水とを使用した場合であっても、効率的な発電を行うことができる発電設備および発電方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る発電設備は、
膜分離活性汚泥法で処理された処理水が供給される処理水供給部と海水が供給される海水供給部とを備えると共に処理水と海水とが半透膜を介して接触することで処理水側から海水側への浸透圧が生じるように構成される浸透圧発生装置と、
該浸透発生装置における浸透圧を増加させる高浸透圧発生剤を海水に添加する高浸透圧発生剤添加部と、
浸透圧による海水供給部の水量の増加によって作動する発電機と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
斯かる構成によれば、高浸透圧発生剤添加部を備えることで、海水に高浸透圧発生剤を添加することができるため、高浸透圧発生剤を添加する前よりも浸透圧（換言すれば、処理水供給部側から海水供給部側へ移動する膜透過水量）を増加させることができる。このため、高浸透圧発生剤を添加する前の海水と処理水との間では効率的な発電に必要な浸透圧（換言すれば、膜透過水量の増加）を得ることができない場合であっても、高浸透圧発生剤の添加によって発電に必要な浸透圧（換言すれば、膜透過水量の増加）を得ることができる。このため、処理水の水質に影響されることなく、効率的な発電を行うことができる。
【００１０】
浸透圧発生装置から排出される海水から高浸透圧発生剤を回収する高浸透圧発生剤回収手段を更に備えることが好ましい。
【００１１】
斯かる構成によれば、高浸透圧発生剤回収手段を更に備えることで、回収した高浸透圧発生剤を再度浸透圧の増加に使用することが可能となる。このため、高浸透圧発生剤を循環して使用することができ、新たな高浸透圧発生剤の添加量を低減することができる。また、海水から高浸透圧発生剤が回収されることで、海水の水質を高浸透圧発生剤が添加される前の水質に戻すことができるため、発電設備で使用された海水を海洋へ放流し易くなる。
【００１２】
本発明に係る発電方法は、
膜分離活性汚泥法で処理された処理水と海水とを半透膜を介して接触させて処理水側から海水側への浸透圧を生じさせる浸透圧発生工程と、
該浸透発生工程における浸透圧を増加させる高浸透圧発生剤を海水に添加する高浸透圧発生剤添加工程と、
浸透圧による海水側の水量の増加によって作動する発電機を用いて発電する発電工程と
を備えることを特徴とする。
【００１３】
斯かる構成によれば、海水に高浸透圧発生剤を添加することで、高浸透圧発生剤を添加する前よりも浸透圧（換言すれば、膜透過水量）を増加させることができる。このため、高浸透圧発生剤を添加する前の海水と処理水との間では効率的な発電に必要な浸透圧（換言すれば、膜透過水量の増加）を得ることができない場合であっても、高浸透圧発生剤の添加によって発電に必要な浸透圧（換言すれば、膜透過水量の増加）を得ることができる。このため、処理水の水質に影響されることなく、効率的な発電を行うことができる。
【００１４】
浸透圧発生工程後の海水から高浸透圧発生剤を回収する高浸透圧発生剤回収工程を更に備えることが好ましい。
【００１５】
斯かる構成によれば、海水から高浸透圧発生剤を回収することで、回収した高浸透圧発生剤を再度浸透圧の増加に使用することが可能となる。このため、高浸透圧発生剤を循環して使用することができ、新たな高浸透圧発生剤の添加量を低減することができる。また、海水から高浸透圧発生剤が回収されることで、海水の水質を高浸透圧発生剤が添加される前の水質に戻すことができるため、発電設備で使用された海水を海洋へ放流し易くなる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、浸透圧を利用した発電において、浸透圧を生じさせる液体として、ＭＢＲ法で得られる処理水と海水とを使用した場合であっても、効率的な発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る水処理装置を示した概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図１を参照しながら説明する。なお、以下の図面において同一又は相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【００１９】
本実施形態に係る発電設備１は、二液間に生じる浸透圧を利用して発電するように構成される。浸透圧を生じさせる二液としては、有機物を含有する被処理水が膜分離活性汚泥法（以下、ＭＢＲ法とも記す）で処理されることで得られる処理水（以下、ＭＢＲ処理水とも記す）と、海水とが使用される。なお、被処理水としては、特に限定されるものではなく、例えば、生活排水や工場排水等の下水を用いることができる。
【００２０】
発電設備１は、浸透圧を生じさせる浸透圧発生装置２と、浸透圧によって生じる水流で作動する発電機３とを備える。また、発電設備１は、浸透圧発生装置２における二液間の浸透圧を増加させる高浸透圧発生剤を海水に添加する高浸透圧発生剤添加部４と、高浸透圧発生剤を含有する海水から高浸透圧発生剤を回収する高浸透圧発生剤回収部５とを更に備える。
【００２１】
浸透圧発生装置２は、半透膜２ａで仕切られた内部空間を備える。これにより、浸透圧発生装置２は、ＭＢＲ処理水が供給される内部空間を有する処理水供給部２ｂと、海水が供給される内部空間を有する海水供給部２ｃとを備える。そして、浸透圧発生装置２は、供給されるＭＢＲ処理水と海水とが半透膜２ａを介して接触するように構成される。これにより、浸透圧発生装置２は、半透膜２ａを介してＭＢＲ処理水側から海水側へ水分が浸透して浸透圧を生じるように構成される。半透膜２ａとしては、特に限定されるものではなく、一般的な正浸透膜や逆浸透膜を用いることができる。
【００２２】
処理水供給部２ｂは、ＭＢＲ法によって被処理水を処理する生物処理装置Ｍと流体的に連結される。具体的には、生物処理装置Ｍから放出されるＭＢＲ処理水を処理水供給部２ｂへ向かって流通させる処理水流路Ｌ１によって処理水供給部２ｂと生物処理装置Ｍとが流体的に連結されると共に、処理水供給部２ｂから放出されるＭＢＲ処理水を生物処理装置Ｍへ向かって返送させる返送水流路Ｌ２によって処理水供給部２ｂと生物処理装置Ｍとが流体的に連結される。
【００２３】
海水供給部２ｃは、海水の供給源（具体的には、海洋Ｓ）と流体的に（具体的には、海水を海水供給部２ｃへ向かって流通させる海水流路Ｌ３によって）連結される。海水流路Ｌ３には、海水を吸引するためのポンプ（図示せず）が設けられている。また、海水供給部２ｃは、発電機３と流体的に（具体的には、海水供給部２ｃから放出される希釈された海水を発電機３へ向かって流通させる希釈水流路Ｌ４によって）連結される。
【００２４】
前記発電機３は、浸透圧発生装置２（具体的には、海水供給部２ｃ）と流体的に（具体的には、希釈水流路Ｌ４によって）連結される。そして、発電機３は、浸透圧発生装置２（具体的には、海水供給部２ｃ）から放出される希釈された海水（以下、希釈水とも記す）の流れによって作動し、発電するように構成される。斯かる発電機３としては、例えば、希釈水の流れによって回転するタービンを備えるもの等を用いることができる。また、発電機３は、後述する高浸透圧発生剤回収部５と流体的に（具体的には、発電機３から放出される希釈水を高浸透圧発生剤回収部５へ向かって流通させる希釈水流路Ｌ５によって）連結される。
【００２５】
高浸透圧発生剤添加部４は、浸透圧発生装置２に供給される前の海水に高浸透圧発生剤を添加可能に構成される。また、高浸透圧発生剤添加部４は、後述する高浸透圧発生剤回収部５と流体的に（具体的には、回収された高浸透圧発生剤を返送する高浸透圧発生剤返送流路Ｌ６によって）連結される。高浸透圧発生剤としては、海水に添加されることによって、海水とＭＢＲ処理水との間に生じる浸透圧を増加させることが可能であれば、特に限定されるものではないが、本実施形態では、海水から回収可能な性質のものであることが好ましい。
【００２６】
また、高浸透圧発生剤としては、海水に対して可溶性を有するものであってもよく、海水中に分散可能なものであってもよい。海水に対して可溶性を有する高浸透圧発生剤としては、例えば、無機塩、糖類、可溶性の気体（アンモニア等）等が挙げられる。一方、海水中に分散可能な高浸透圧発生剤としては、海水中に均一に分散可能であればよく、例えば、有機溶媒や、ナノ粒子等が挙げられる。また、高浸透圧発生剤が添加される対象の海水よりも塩類濃度の高い海水を高浸透圧発生剤として使用してもよい。
【００２７】
特に、海水からの回収が容易である点で、ナノ粒子は、磁性を有する素材であることが好ましい（以下、磁性を有するナノ粒子を「磁性体粒子」とも記す）。磁性体粒子としては、金属化合物等であることが好ましい。また、磁性体粒子としては、磁性を有する担体粒子の表面を親水性高分子で被覆したものが挙げられる。具体的には、アセチルアセトン鉄（III）のナノ粒子をポリアクリル酸で被覆したもの等が挙げられる。
【００２８】
高浸透圧発生剤回収部５は、発電機３と流体的に（具体的には、希釈水流路Ｌ５によって）連結されると共に、高浸透圧発生剤添加部４と流体的に（具体的には、高浸透圧発生剤返送流路Ｌ６によって）連結される。高浸透圧発生剤回収部５は、発電機３から放出される希釈水から高浸透圧発生剤を回収可能に構成されると共に、回収された高浸透圧発生剤を高浸透圧発生剤添加部４へ返送可能に構成される。
【００２９】
次に、上記のように構成される発電設備１を用いて発電する方法について説明する。
【００３０】
生物処理装置Ｍで被処理水が処理されることで、ＭＢＲ処理水が得られる。そして、該ＭＢＲ処理水は、処理水流路Ｌ１を介して浸透圧発生装置２（具体的には、処理水供給部２ｂ）へ供給される。これに伴い、高浸透圧発生剤添加部４によって高浸透圧発生剤が添加された海水が海水流路Ｌ３を介して浸透圧発生装置２（具体的には、海水供給部２ｃ）に供給される。海水に対する高浸透圧発生剤の添加量としては、特に限定されるものではないが、浸透圧発生装置２における浸透圧が所定値以上となるように、高浸透圧発生剤が海水に添加されることが好ましい。具体的には、浸透圧が好ましくは２．５ＭＰａ以上５．０ＭＰａ以下、より好ましくは２．５ＭＰａ以上７．５ＭＰａ以下となるように高浸透圧発生剤が海水に添加されることが好ましい。
【００３１】
このように、処理水供給部２ｂにＭＢＲ処理水が供給され、海水供給部２ｃに海水が供給されることで、ＭＢＲ処理水と海水とが半透膜２ａを介して接触した状態になる。これにより、浸透圧によってＭＢＲ処理水の水分が半透膜２ａを透過して海水側に浸透（正浸透）する。なお、斯かる浸透圧は、海水に高浸透圧発生剤が添加されていない場合の浸透圧よりも高いものとなる。つまり、ＭＢＲ処理水から海水への水分の移動量は、海水に高浸透圧発生剤が添加されていない場合より多くなる。
【００３２】
そして、上記のように浸透圧が生じることで、処理水供給部２ｂ内では、ＭＢＲ処理水が濃縮されて水量が減少するため、処理水供給部２ｂ内が引圧状態になる。これにより、生物処理装置ＭからＭＢＲ処理水を処理水供給部２ｂ内に引き込む力が発生し、処理水供給部２ｂ内へのＭＢＲ処理水の供給が効率的に行われる。また、濃縮されたＭＢＲ処理水は、返送水流路Ｌ２を介して生物処理装置Ｍへ返送される。
【００３３】
一方、海水供給部２ｃ内では、ＭＢＲ処理水からの水分の浸透を受けて海水が希釈されるため、水量が増加する。そして、増加した水量の海水（即ち、希釈水）が海水供給部２ｃから放出され、希釈水流路Ｌ４を介して発電機３へ供給される。つまり、海水供給部２ｃ内での水量の増加によって、発電機３へ向かっての希釈水の流れが発生する。そして、発電機３では、海水供給部２ｃから放出される希釈水の流れによって、タービンが回転することで発電される。
【００３４】
発電機３で使用された希釈水は、高浸透圧発生剤を含有するため、高浸透圧発生剤回収部５によって高浸透圧発生剤が回収される。高浸透圧発生剤を回収する部（方法）としては、特に限定されるものではなく、高浸透圧発生剤の性状に応じて適宜選択することができる。例えば、高浸透圧発生剤が無機塩、糖類、有機溶媒である場合には、逆浸透膜を用いた逆浸透法によって希釈水から水分を除去することにより（即ち、希釈水を濃縮することにより）、高浸透圧発生剤が高濃度で回収される。また、高浸透圧発生剤がアンモニア（可溶性の気体）である場合には、アンモニアストリッピング法を用いることで、希釈水からアンモニアガスが回収される。更に、高浸透圧発生剤が磁性体粒子である場合には、希釈水を磁場内に通過させることで、磁性体粒子が磁場内に留まるため、希釈水から磁性体粒子が回収される。なお、磁場の形成には、例えば、電磁石を用いることができる。具体的には、スチールウールを充填したカラムに磁性体粒子を含有した希釈水を通水させると共に、該カラムに通電することで、スチールウールが電磁石の役割を担うため、カラム内で液体と磁性体粒子との流速差が生じる。つまり、磁性体粒子は、電磁石に引き付けられてカラムを抜け難くなるため、磁性体粒子を分離することができる。
【００３５】
高浸透圧発生剤回収部５で回収された高浸透圧発生剤は、高浸透圧発生剤添加部４によって、再度、海水に添加される。高浸透圧発生剤回収部５で回収された高浸透圧発生剤で足りないときは不足分の高浸透圧発生剤を外部から添加する。一方、高浸透圧発生剤回収部５で高浸透圧発生剤が回収された希釈水は、河川や海洋等の環境中に放出可能な水質であれば、更に水処理されることなく環境中に放出されるが、更に所望の水質となるように水処理された後、環境中へ放出されてもよい。
【００３６】
以上のように、本発明に係る発電設備および発電方法によれば、浸透圧を利用した発電において、浸透圧を生じさせる液体として、ＭＢＲ法で得られる処理水と海水とを使用した場合であっても、効率的な発電を行うことができる。
【００３７】
即ち、海水に高浸透圧発生剤を添加することで、高浸透圧発生剤を添加する前よりも浸透圧（換言すれば、膜透過水量）を増加させることができる。このため、高浸透圧発生剤を添加する前の海水と処理水との間では効率的な発電に必要な浸透圧（換言すれば、膜透過水量の増加）を得ることができない場合であっても、高浸透圧発生剤の添加によって発電に必要な浸透圧（換言すれば、膜透過水量の増加）を得ることができる。このため、処理水の水質に影響されることなく、効率的な発電を行うことができる。
【００３８】
また、海水から高浸透圧発生剤を回収することで、回収した高浸透圧発生剤を再度浸透圧の増加に使用することが可能となる。このため、高浸透圧発生剤を循環して使用することができ、新たな高浸透圧発生剤の添加量を低減することができる。また、海水から高浸透圧発生剤が回収されることで、海水の水質を高浸透圧発生剤が添加される前の水質に戻すことができるため、発電設備１で使用された海水を海洋へ放流し易くなる。
【００３９】
なお、本発明に係る発電設備および発電方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、上記した複数の実施形態の構成や方法等を任意に採用して組み合わせてもよく（１つの実施形態に係る構成や方法等を他の実施形態に係る構成や方法等に適用してもよく）、さらに、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、海水供給部２ｃに供給される前の海水に高浸透圧発生剤が添加されているが、これに限定されるものではなく、所望する浸透圧が得られるのであれば、例えば、海水供給部２ｃ内で海水に高浸透圧発生剤が添加されてもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、発電機３で使用された希釈水から高浸透圧発生剤が回収されているが、これに限定されるものではなく、例えば、発電機３に供給される前の希釈水から高浸透圧発生剤が回収されてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…発電設備、２…浸透圧発生装置、２ａ…半透膜、２ｂ…処理水供給部、２ｃ…海水供給部、３…発電機、４…高浸透圧発生剤添加部、５…高浸透圧発生剤回収部、Ｌ１…処理水流路、Ｌ２…返送水流路、Ｌ３…海水流路、Ｌ４，Ｌ５…希釈水流路、Ｌ６…高浸透圧発生剤返送流路、Ｍ…生物処理装置、Ｓ…海洋
【要約】
【課題】浸透圧を利用した発電において、浸透圧を生じさせる液体として、ＭＢＲ法で得られる処理水と海水とを使用した場合であっても、効率的な発電を行うことができる発電設備および発電方法を提供することを課題とする。
【解決手段】膜分離活性汚泥法で処理された処理水が供給される処理水供給部と海水が供給される海水供給部とを備えると共に処理水と海水とが半透膜を介して接触することで処理水側から海水側への浸透圧が生じるように構成される浸透圧発生装置と、該浸透発生装置における浸透圧を増加させる高浸透圧発生剤を海水に添加する高浸透圧発生剤添加部と、浸透圧による海水供給部の水量の増加によって作動する発電機とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１【図１】
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