(57)【要約】【課題】比較的簡便に被処理水を濃縮し、得られた濃縮水を効率的に処理することができる水処理方法および水処理システムを提供する。【解決手段】被処理水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に被処理水を存在させ、二次側に被処理水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水を濃縮して濃縮水を得る工程と、前記濃縮水を反応槽に導入して曝気処理する工程とを有する水処理方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に被処理水を存在させ、二次側に被処理水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水を濃縮して濃縮水を得る工程と、
前記濃縮水を反応槽に導入して曝気処理する工程とを有することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
前記曝気処理を微生物存在下で行う請求項１に記載の水処理方法。
【請求項３】
さらに、前記曝気処理により得られる曝気処理水を前記正浸透膜装置に返送する工程を有する請求項１または２に記載の水処理方法。
【請求項４】
さらに、前記高張溶液を逆浸透膜装置に導入して、逆浸透膜装置に備えられた第２半透膜の一次側から二次側に高張溶液中の水を浸透させることにより処理水を得る工程と、
前記高張溶液を前記逆浸透膜装置から前記正浸透膜装置に返送する工程とを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理方法。
【請求項５】
第１半透膜を備え、第１半透膜を挟んで被処理水が存在する一次側と被処理水よりも高浸透圧の高張溶液が存在する二次側とを有し、被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水が濃縮されて濃縮水が得られる正浸透膜装置と、
散気装置を備え、第１半透膜の一次側から排出された濃縮水を曝気処理する反応槽とを有することを特徴とする水処理システム。
【請求項６】
前記反応槽の流出部と前記正浸透膜装置の第１半透膜の一次側流入部とに連通し、前記反応槽の曝気処理水を前記正浸透膜装置の第１半透膜の一次側に移送する返送流路が設けられている請求項５に記載の水処理システム。
【請求項７】
第２半透膜を備え、第２半透膜を挟んで高張溶液が存在する一次側と高張溶液よりも低浸透圧の処理水が存在する二次側とを有し、高張溶液中の水を第２半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより処理水が得られる逆浸透膜装置がさらに設けられ、
第１半透膜の二次側流出部と第２半透膜の一次側流入部とに連通し、高張溶液を第１半透膜の二次側から第２半透膜の一次側に移送する第１流路と、
第２半透膜の一次側流出部と第１半透膜の二次側流入部とに連通し、高張溶液を第２半透膜の一次側から第１半透膜の二次側に移送する第２流路とが設けられている請求項５または６に記載の水処理システム。
【請求項８】
前記正浸透膜装置は、被処理水中に設けられている請求項５〜７のいずれか一項に記載の水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正浸透膜装置を利用した水処理方法および水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微生物存在下で被処理水を曝気処理する活性汚泥法による水処理が広く知られており、また、活性汚泥法による水処理をよりコンパクトな設備で行う方法として膜分離活性汚泥法が近年普及しつつある。膜分離活性汚泥法は、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）を用いて反応槽中の活性汚泥濃度を高めて、高効率に生物処理を行えるようにするものである。さらに特許文献１には、ＭＦ膜やＵＦ膜よりも精密分離することができる逆浸透膜を用いた水処理方法が開示され、被処理水を逆浸透膜を用いて膜分離処理することにより透過水と濃縮水とに分離し、濃縮水を生物処理する水処理方法が開示されている。特許文献１に開示された方法によれば、逆浸透膜を用いることにより高純度の水が得られる一方、濃縮水には被処理水中の懸濁物質や溶解性の炭素、窒素、リン成分等が濃縮される形となり、生物処理をよりコンパクトな設備で行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７２７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されるように被処理水を逆浸透膜を用いて処理する場合、膜の目詰まり防止のために高度な前処理が必要となる場合が多く、処理が煩雑化しやすくなる。本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡便に被処理水を濃縮し、得られた濃縮水を効率的に処理することができる水処理方法および水処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決することができた本発明の水処理方法とは、被処理水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に被処理水を存在させ、二次側に被処理水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水を濃縮して濃縮水を得る工程と、前記濃縮水を反応槽に導入して曝気処理する工程とを有するところに特徴を有する。本発明の水処理方法は、被処理水から水を除去して濃縮するのに逆浸透処理ではなく正浸透処理を採用することで、逆浸透処理のように半透膜を挟んだ浸透圧差に対抗して被処理水に過大な圧力を負荷しなくてすみ、被処理水に含まれる固形分の濃度や大きさに対する許容範囲が広くなるため、逆浸透処理ほど高度な前処理をする必要がない。正浸透処理により得られた濃縮水は、塩濃度が高められることによって、曝気処理の際に供給される気泡を小さくすることができ、濃縮水への酸素溶解効率を高めることができる。その結果、曝気処理の効率化を図ることができる。
【０００６】
曝気処理は微生物存在下で行うことが好ましく、これにより、濃縮水中の有機性の溶質（溶解性物質）を除去することができる。微生物存在下で曝気処理することにより得られた曝気処理水は正浸透膜装置に返送してもよく、これにより、第１半透膜の一次側の被処理水の溶質濃度を下げて、第１半透膜の水の浸透量を高めることが可能となる。
【０００７】
本発明の水処理方法は、さらに、高張溶液を逆浸透膜装置に導入して、逆浸透膜装置に備えられた第２半透膜の一次側から二次側に高張溶液中の水を浸透させることにより処理水を得る工程と、前記高張溶液を逆浸透膜装置から正浸透膜装置に返送する工程とを有することが好ましい。この場合、高張溶液が正浸透膜装置と逆浸透膜装置との間を循環する形となり、正浸透膜装置に供給する高張溶液が逆浸透膜装置で濃縮されて溶質濃度が所望程度に高く維持され、正浸透処理を安定して行えるようになる。
【０００８】
本発明はまた、本発明の水処理方法に好適に用いられる水処理システムも提供する。本発明の水処理システムは、第１半透膜を備え、第１半透膜を挟んで被処理水が存在する一次側と被処理水よりも高浸透圧の高張溶液が存在する二次側とを有し、被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水が濃縮されて濃縮水が得られる正浸透膜装置と；散気装置を備え、第１半透膜の一次側から排出された濃縮水を曝気処理する反応槽とを有するものである。本発明の水処理システムは、さらに、反応槽の流出部と正浸透膜装置の第１半透膜の一次側流入部とに連通し、反応槽の曝気処理水を正浸透膜装置の第１半透膜の一次側に移送する返送流路を設けてもよい。また、第２半透膜を備え、第２半透膜を挟んで高張溶液が存在する一次側と高張溶液よりも低浸透圧の処理水が存在する二次側とを有し、高張溶液中の水を第２半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより処理水が得られる逆浸透膜装置がさらに設けられ；第１半透膜の二次側流出部と第２半透膜の一次側流入部とに連通し、高張溶液を第１半透膜の二次側から第２半透膜の一次側に移送する第１流路と；第２半透膜の一次側流出部と第１半透膜の二次側流入部とに連通し、高張溶液を第２半透膜の一次側から第１半透膜の二次側に移送する第２流路とが設けられることも好ましい。
【０００９】
正浸透膜装置は被処理水中に設けられてもよい。正浸透膜装置を被処理水中に設けることにより、正浸透膜装置が設置される水深に対応して第１半透膜の一次側の被処理水に水圧がかかり、第１半透膜の一次側から二次側への水の浸透が促進されて、被処理水の濃縮を好適に行いやすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水処理方法および水処理システムによれば、被処理水から水を除去して濃縮するのに正浸透処理を採用することで、比較的簡便に被処理水を濃縮することができ、さらに、得られた濃縮水は塩濃度が高められているため、曝気処理で供給される気泡を小さくすることができ、濃縮水への酸素溶解効率を高めて曝気処理の効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の水処理システムの一例を表す。
【図２】本発明の水処理システムの他の一例を表す。
【図３】本発明の水処理システムの他の一例を表す。
【図４】本発明の水処理システムの他の一例を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、正浸透膜装置を用いた水処理方法と水処理システムに関し、正浸透膜装置を用いて被処理水の溶質濃度を高めて曝気処理することにより、被処理水を効率的に処理することを可能にするものである。
【００１３】
本発明の水処理方法は、被処理水を正浸透膜装置に導入して、被処理水中の水を正浸透膜装置に備えられた半透膜に浸透させることにより、被処理水を濃縮して濃縮水を得る正浸透処理工程と、濃縮水を反応槽に導入して曝気処理する曝気工程とを有する。被処理水を濃縮するのに逆浸透処理ではなく正浸透処理を採用することにより、半透膜を挟んだ浸透圧差に対抗して被処理水に過大な圧力を負荷しなくてすみ、また正浸透処理では被処理水に含まれる固形分の濃度や大きさに対する許容範囲が広くなるため、逆浸透処理ほど高度な前処理をする必要がなくなる。被処理水は、正浸透処理工程で濃縮される結果、塩濃度が高められて、曝気処理の際に濃縮水に供給された気泡を小さくすることができる。そのため、濃縮水への酸素溶解効率が高まって、曝気処理の効率化を図ることができる。また、水処理システムの設計条件にもよるが、得られる濃縮水の水量を被処理水量よりも減少させることが可能となり、反応槽をコンパクト化することができる。
【００１４】
本発明において処理対象となる被処理水は特に限定されない。被処理水には、曝気処理により処理可能な有機物や無機物が含まれ、例えば、曝気処理により被処理水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）やＢＯＤ（生物学的酸素要求量）が低減されるものが好ましい。被処理水には、例えば、曝気処理により酸化されうる有機化合物が含まれ、このような被処理水を用いれば、本発明の水処理方法または水処理システムにより被処理水中のＣＯＤを低減することができる。被処理水に生物分解性の有機化合物が含まれる場合は、微生物存在下で曝気処理を行うことで、被処理水のＢＯＤ等を低減することができる。被処理水には２価鉄塩等の無機化合物が含まれていてもよく、曝気処理により２価鉄イオンを酸化して不溶化することも可能である。本発明で用いられる被処理水としては、例えば、下水、し尿、畜産糞尿、厨房排水、工場排水、埋立浸出水等が挙げられる。
【００１５】
正浸透処理工程では、被処理水を正浸透膜装置に導入し、正浸透膜装置により被処理水を濃縮して、溶質濃度が高められた濃縮水を得る。正浸透膜装置には、被処理水中の水を浸透させるための半透膜が備えられており、本発明では、正浸透膜装置に備えられた半透膜を「第１半透膜」と称する。
【００１６】
正浸透膜装置に備えられる第１半透膜は、少なくとも水分子が透過し、一定の大きさ以上の分子やイオンが透過しない膜であれば特に限定されず、公知の半透膜を用いることができる。第１半透膜としては、逆浸透処理に一般に用いられる半透膜を使用してもよく、膜を構成する材料や膜の形式等は特に限定されない。膜の構成材料としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホン等が挙げられ、膜の形式としては、中空糸膜、スパイラル膜、チューブラ膜等が挙げられる。
【００１７】
正浸透膜装置は第１半透膜を挟んで一次側と二次側を有する。本発明において、半透膜を挟んだ一次側と二次側とは、半透膜を浸透する水の透過方向に基づき定められ、水は全体として半透膜の一次側から二次側に浸透する。なお、水が全体として半透膜の一次側から二次側に浸透するとは、水分子の一部が半透膜の二次側から一次側に浸透したとしても、全体としてみれば、水分子は半透膜の一次側から二次側に浸透する方が優勢であることを意味する。正浸透膜装置は、第１半透膜を挟んで第１半透膜の一次側と二次側とに区分され、第１半透膜の一次側には被処理水が存在することとなる。
【００１８】
正浸透膜装置では、第１半透膜の二次側に、被処理水よりも高浸透圧の高張溶液が存在している。つまり正浸透膜装置では、第１半透膜を挟んだ一次側に存在する被処理水の浸透圧が相対的に低くなり、二次側に存在する高張溶液の浸透圧は相対的に高くなる。正浸透膜装置では、被処理水と高張溶液の浸透圧差を利用して、被処理水中の水が第１半透膜の一次側から二次側に浸透することとなる。
【００１９】
高張溶液は、溶質が溶解した水溶液であり、被処理水よりも高い浸透圧を示すものであれば、特に限定されない。等温条件では、高張溶液が被処理水よりも高浸透圧であることは、高張溶液が被処理水よりも高い溶質濃度（モル濃度）を有することを意味する。高張溶液は人工的に調製してもよく、外部に存在する溶質濃度の高い溶液を高張溶液として利用するものであってもよい。前者の場合、溶質としては水に可溶な物質を用いればよく、例えば、塩類、糖類、水溶性高分子等を溶質として用いることができる。また、半透膜や機器に不具合を与えなければ、溶質として酸やアルカリを用いてもよい。後者の場合、海水や塩湖水等のかん水；尿等を高張溶液として用いることができる。また、し尿処理水や埋立浸出水処理水、一部の工場廃水処理水等は塩類を比較的高濃度に含んでいる場合があり、このような処理水を高張溶液として用いてもよい。
【００２０】
高張溶液は、逆浸透処理により調製してもよい。例えば、外部に存在する溶質濃度の高い溶液の溶質濃度を逆浸透処理によりさらに高めて、高張溶液として用いてもよい。また、正浸透処理工程では、第１半透膜の一次側から二次側に水が浸透することにより高張溶液が希釈されるが、水で希釈された高張溶液を逆浸透処理により濃縮して溶質濃度を高めて、再び正浸透膜装置の第１半透膜の二次側に供給してもよい。
【００２１】
被処理水と高張溶液の浸透圧は、ｖａｎ’ｔ  Ｈｏｆｆの式に基づき、溶質濃度（モル濃度）と温度をパラメータとして求めることができる。あるいは、被処理水と高張溶液とを半透膜を挟んで同一液面高さとなるように設置した後、それぞれの液面高さの変化を観察することで、被処理水と高張溶液の浸透圧の大小を判別してもよい。この場合、高張溶液の液面高さが高くなれば、高張溶液が被処理水よりも浸透圧が高いと判断される。
【００２２】
正浸透処理工程では、上記のように被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水から濃縮水が得られる。このとき、被処理水から水を除去して濃縮するのに逆浸透処理ではなく正浸透処理を採用することで、逆浸透処理のように半透膜を挟んだ浸透圧差に対抗して被処理水に過大な圧力を負荷しなくてすむ。また、逆浸透膜装置による処理では一般に、装置の詰まりを防止するために、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）や活性炭等を用いた高度な前処理が必要となるところ、正浸透膜装置による処理では、被処理水に含まれる固形分の濃度や大きさに対する許容範囲が広くなるため、逆浸透処理ほど高度な前処理をしなくても装置の詰まりが起こりにくい。つまり、正浸透膜装置では、多少固形分濃度が高い被処理水や、様々な粒径の固形分が含まれる被処理水を用いても、正浸透処理が可能となる。そのため、被処理水の濃縮を効率的に行えるようになり、また、装置の詰まり防止のための付帯設備（例えば、前処理設備）を過剰に設けなくてすむ。
【００２３】
正浸透処理工程で得られた濃縮水、すなわち正浸透膜装置の第１半透膜の一次側から排出された濃縮水は、反応槽に導入して曝気処理する。曝気工程では、酸素含有ガス（例えば、空気や純酸素）を濃縮水に導入し、曝気処理を行う。曝気工程で濃縮水を曝気処理することにより、濃縮水のＣＯＤやＢＯＤ等を低減することができる。
【００２４】
曝気処理では、曝気処理される水の塩濃度（無機イオン濃度）が高いほど、曝気により供給された気泡を小さくできることが経験上知られており、本発明では、被処理水を濃縮して塩濃度を高めることによって、曝気処理の際に濃縮水に供給された気泡を小さくすることができる。その結果、濃縮水への酸素溶解効率が高まって、曝気処理の効率化を図ることができる。また、曝気処理により得られる曝気処理水の返送条件にもよるが、正浸透処理工程で被処理水を濃縮することにより濃縮水の水量を被処理水の水量よりも低減させることが可能となり、曝気処理する反応槽のコンパクト化を図ることができる。
【００２５】
反応槽には、濃縮水を曝気処理するための散気装置が備えられている。散気装置としては、水処理に一般に用いられる公知の散気装置を用いればよい。散気装置は、酸素含有ガスを反応槽の濃縮水に供給するものであってもよく、酸素含有ガスを含む濃縮水を反応槽に供給するものであってもよい。
【００２６】
酸素含有ガスを反応槽に供給する場合、散気装置としては、例えば、メンブレン型散気装置、ディフューザー型散気装置、多孔型散気装置等を用いればよい。また、酸素含有ガスを撹拌羽根で細分化しながら濃縮水に供給する水中機械式撹拌装置を用いてもよい。
【００２７】
酸素含有ガスを含む濃縮水を反応槽に供給する場合は、例えば、ガス供給手段を備えた管路を反応槽の濃縮水中に開口して設け、当該管路を通して反応槽に濃縮水を供給することにより、管路を流れる濃縮水にガス供給手段から酸素含有ガスが供給されて、これを反応槽に供給すればよい。ガス供給手段としては、管路にガス供給口を設けたり、管路にガス供給管を挿入すればよく、ガス供給口やガス供給管の管路に接続しない側の端は、大気開放するか、送風機（ブロア）や圧縮機（コンプレッサー）等を接続して強制的に酸素含有ガスを供給すればよい。ガス供給口やガス供給管の管路に接続しない側の端が大気開放されている場合は、管路に濃縮水が流れることで、エジェクター効果により大気中の空気が自然吸気され、管路の濃縮水中に空気が混入される。濃縮水が流れる管路は、濃縮水が反応槽との間を循環するように循環管路として設けられることが好ましい。
【００２８】
曝気工程では、曝気処理を微生物存在下で行うことが好ましい。曝気処理を微生物存在下で行うことにより、濃縮水を好気性生物処理することができ、濃縮水中の有機性の溶質（溶解性成分）を除去することができる。例えば、濃縮水中の溶解性炭素成分は二酸化炭素ガスとして濃縮水から除去され、溶解性窒素成分は窒素ガスとして濃縮水から除去され、溶解性リン成分は汚泥に固定化されて濃縮水から除去される。微生物存在下で曝気処理する方法としては、活性汚泥法（膜分離活性汚泥法を含む）、担体法、固定床生物膜法等が挙げられる。
【００２９】
反応槽は、少なくとも曝気処理を行う槽を有していればよく、曝気処理を行わない槽を有していてもよい。例えば曝気処理を微生物存在下で行う場合は、反応槽として嫌気槽および／または無酸素槽をさらに設けることにより、濃縮水に含まれる窒素および／またはリンを除去することができる。この場合、正浸透膜装置から排出された濃縮水は、一般的には反応槽として嫌気槽や無酸素槽に導入されるが、本発明では、濃縮水は好気槽に導入されるのに先立って嫌気槽や無酸素槽に導入されてもよい。
【００３０】
正浸透膜装置から排出された濃縮水は、反応槽に導入される前に沈殿槽や流量調整槽等に導入されてもよい。すなわち、正浸透膜装置から排出された濃縮水は、反応槽に導入されるのに先立って、他の槽や装置に導入されてもよい。
【００３１】
曝気工程で濃縮水を曝気処理することにより得られる曝気処理水は、水質に応じて、下水や河川等に放流されるか、さらに処理が行われる。さらなる処理は従来公知の方法から適宜選択して行えばよく、例えば、曝気処理を微生物存在下で行う場合は、曝気処理水を固液分離処理（例えば、沈殿処理や膜分離処理）することが好ましい。固液分離処理を行うことにより、固形分濃度が低減された曝気処理水を得ることができる。また、曝気処理水の溶解性金属濃度が高い場合は金属除去処理（例えば、酸またはアルカリの添加による凝集沈殿処理やキレート処理）を行ってもよい。処理に伴い汚泥等の固形分が発生した場合は、濃縮や脱水等の減容化処理を行ってもよい。
【００３２】
曝気処理を微生物存在下で行う場合は、濃縮水中の炭素成分や窒素成分、リン成分等が除去され溶質濃度が低減する。また、２価鉄イオンを含有する濃縮水を曝気処理する場合なども、２価鉄イオンが酸化されて不溶化し、濃縮水の溶質濃度が低減する。このように曝気処理により濃縮水中の溶質濃度が低減する場合、曝気処理により得られる曝気処理水を正浸透膜装置に返送することも好ましく、これにより第１半透膜の一次側の被処理水の溶質濃度を下げて、第１半透膜の水の浸透量を高めることが可能となる。なお、正浸透膜装置に返送する曝気処理水は、固液分離処理が施されて固形分濃度が低減されたものであってもよく、金属除去処理により溶質濃度がさらに低減されたものであってもよく、曝気処理水にはこれらの処理が施されたものも含まれる。
【００３３】
曝気処理水を正浸透膜装置に返送する場合、曝気処理水は一部または全部が正浸透膜装置に返送されればよいが、曝気処理水は一部のみを正浸透膜装置に返送することが好ましい。曝気処理水の一部のみを正浸透膜装置に返送することにより、例えば微生物により処理できない無機塩類等が濃縮水や曝気処理水中に過度に濃縮せず、第１半透膜の一次側の被処理水（この場合、被処理水には返送された曝気処理水も含まれることとなる）の溶質濃度が高くなりすぎて第１半透膜の水の浸透量が大きく低下するのが防止される。反応槽をコンパクトにする点からは、正浸透膜装置に返送する曝気処理水の量は、第１半透膜を透過する水の透過量よりも少ないことが好ましい。
【００３４】
次に、本発明の水処理方法と水処理システムの構成例について、図面を参照して説明する。なお、本発明は、図面に示した実施態様に限定されるものではない。
【００３５】
図１には、本発明の水処理システムの第１実施態様を示した。図１に示した水処理システムは、第１半透膜を備えた正浸透膜装置１と、散気装置１２を備えた反応槽１１を有する。被処理水２１は、正浸透膜装置１に導入されて濃縮され、濃縮水２５が得られる。濃縮水２５は、反応槽１１に導入されて曝気処理され、曝気処理水２６が得られる。
【００３６】
正浸透膜装置１は、第１半透膜を挟んで一次側と二次側を有する。被処理水２１は、第１半透膜の一次側に導入され、第１半透膜の二次側には被処理水２１よりも高浸透圧の高張溶液２２が導入される。その結果、正浸透膜装置１では、第１半透膜の一次側に被処理水２１が存在し、二次側に被処理水２１よりも高浸透圧の高張溶液２２が存在することとなる。正浸透膜装置１では、この状態で被処理水２１中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水２１が濃縮されて濃縮水２５が得られる。
【００３７】
図１に示した水処理システムでは、第１半透膜の二次側に導入する高張溶液２２に海水を用いている。海水を海からポンプで汲み上げて正浸透膜装置１に供給し、正浸透膜装置１から排出された高張溶液２３を海に戻している。このように、高張溶液２２として海水を用いることにより、低コストに正浸透処理を行うことができる。
【００３８】
正浸透膜装置１で濃縮された濃縮水２５は、散気装置１２を備えた反応槽１１に導入され、曝気処理される。このとき、濃縮水２５は被処理水２１よりも水量が減るため、反応槽１１の容積をコンパクトにすることができる。また、濃縮水２５は被処理水２１よりも塩濃度が高くなるため、反応槽１１で散気装置１２から供給された気泡を小さくして、濃縮水２５への酸素溶解効率を高めることができ、曝気処理の効率化を図ることができる。
【００３９】
図２には、本発明の水処理システムの第２実施態様を示した。第２実施態様の水処理システムは、高張溶液として海水を用いるのではなく、高張溶液を逆浸透膜装置で処理しながら循環利用している点と、固液分離された曝気処理水を正浸透膜装置に返送している点で、第１実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第１実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。
【００４０】
図２に示した水処理システムは、第２半透膜を備えた逆浸透膜装置５をさらに有している。逆浸透膜装置５としては、逆浸透処理に用いられる公知の装置を用いればよく、逆浸透膜装置５の第２半透膜を構成する材料や膜の形式等は特に限定されない。
【００４１】
逆浸透膜装置５は第２半透膜を挟んで一次側と二次側を有する。そして、正浸透膜装置１の第１半透膜の二次側流出部と逆浸透膜装置５の第２半透膜の一次側流入部とに連通して第１流路６が設けられ、逆浸透膜装置５の第２半透膜の一次側流出部と正浸透膜装置１の第１半透膜の二次側流入部とに連通して第２流路７が設けられている。なお、第１半透膜の二次側流入部と二次側流出部、第２半透膜の一次側流入部と一次側流出部は、それぞれ、高張溶液２２，２３が流入する部分または流出する部分として定められる。
【００４２】
正浸透膜装置１の第１半透膜の二次側から流出した高張溶液２３は、第１流路６を通って、逆浸透膜装置５の第２半透膜の一次側に移送される。逆浸透膜装置５では、高張溶液２３が第２半透膜の一次側に存在することとなり、一方、第２半透膜の二次側には、高張溶液２３よりも低浸透圧の処理水２４が存在している。逆浸透膜装置５では、この状態で第２半透膜の一次側に存在する高張溶液２３を加圧することにより、高張溶液２３中の水を第２半透膜の一次側から二次側に浸透させて処理水２４を得る。その結果、高張溶液２３は逆浸透膜装置５で水が除去されて、溶質濃度が高められる。溶質濃度が高められ、逆浸透膜装置５の第２半透膜の一次側から流出した高張溶液２２は、第２流路７を通って、正浸透膜装置１の第１半透膜の二次側に移送される。つまり、正浸透膜装置１から流出した高張溶液２３は、逆浸透膜装置５に導入されて溶質濃度が高められ、溶質濃度が高められた高張溶液２２は逆浸透膜装置５から正浸透膜装置１に返送されることとなる。
【００４３】
図２に示した水処理システムを用いる場合、本発明の水処理方法は、被処理水を正浸透膜装置に導入して、正浸透膜装置に備えられた第１半透膜の一次側に被処理水を存在させ、二次側に被処理水よりも高浸透圧の高張溶液を存在させた状態で、被処理水中の水を第１半透膜の一次側から二次側に浸透させることにより、被処理水を濃縮して濃縮水を得る工程と、高張溶液を逆浸透膜装置に導入して、逆浸透膜装置に備えられた第２半透膜の一次側から二次側に高張溶液中の水を浸透させることにより処理水を得る工程と、高張溶液を逆浸透膜装置から正浸透膜装置に返送する工程とを有することとなる。
【００４４】
図２に示した水処理システムでは、このように高張溶液２２，２３を正浸透膜装置１と逆浸透膜装置５との間を循環させることにより、正浸透膜装置１に供給する高張溶液２２の溶質濃度を所望程度に高く維持して、正浸透処理を安定して行うことができるようになる。つまり、正浸透膜装置１から流出した高張溶液２３は、正浸透膜装置１に流入する高張溶液２２よりも水で希釈されて溶質濃度が低下するが、高張溶液２３をそのまま正浸透膜装置１に再び供給すると、正浸透膜装置１の第１半透膜の一次側と二次側との間に十分な浸透圧差が確保されず、第１半透膜を透過する水の浸透量が減ってしまうところ、正浸透膜装置１から流出した高張溶液２３を逆浸透膜装置５で処理して正浸透膜装置１に返送することにより、溶質濃度が高められた高張溶液２２を正浸透膜装置１に供給でき、正浸透処理を安定して行うことができるようになる。
【００４５】
また、高張溶液２２，２３は、基本的に正浸透膜装置１と逆浸透膜装置５の間の閉じた系を循環しているため、不純物等の混入が防止され、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）や活性炭等による前処理を行うことなく逆浸透処理を比較的簡便に行うことが可能となる。
【００４６】
第２流路７には、正浸透膜装置１に導入する高張溶液２２の溶質濃度調整手段が設けられていることが好ましい。図２では、第２流路７に調整タンク９が設けられ、調整タンク９に溶質または希釈水の供給装置１０が設けられ、供給装置１０から溶質または希釈水を供給することにより、高張溶液２２の溶質濃度を調整できるように構成されている。正浸透膜装置１において被処理水２１中の水の第１半透膜の浸透量を調整するためには、高張溶液２２の溶質濃度を調整することが主な操作因子となる。従って、逆浸透膜装置５から流出する高張溶液２２が所望程度の溶質濃度を有していない場合は、第２流路７に設けられた溶質濃度調整手段により、高張溶液２２の溶質濃度を調整することが好ましい。
【００４７】
高張溶液２２，２３には、正浸透膜装置１の第１半透膜または逆浸透膜装置５の第２半透膜を洗浄するための薬剤や、ファウリングを防止するための薬剤を加えてもよい。このような薬剤としては、酸、アルカリ、殺菌剤、酸化剤等が挙げられる。
【００４８】
図２に示した水処理システムでは、曝気処理は微生物存在下で行っており、反応槽１１で濃縮水２５を曝気処理（好気性生物処理）することにより汚泥が発生する。従って、反応槽１１から流出した汚泥（微生物）を含む曝気処理水２６は、沈殿槽１４で固液分離されて固形分濃度が低減された曝気処理水２６’と汚泥２７とに固液分離される。固液分離された曝気処理水２６’は、水質に応じてそのまま放流されるか、さらに処理が施される。汚泥２７は濃縮や脱水等の減容化処理を施してもよい。また、汚泥２７の少なくとも一部を反応槽１１に返送して、反応槽１１の微生物濃度を調整してもよい。
【００４９】
図２に示した水処理システムではまた、反応槽１１から流出し、沈殿槽１４で固液分離された曝気処理水２６’を正浸透膜装置１に返送している。そのために、反応槽１１の流出部と正浸透膜装置１の第１半透膜の一次側流入部とに連通する返送流路１５が設けられている。返送流路１５は、反応槽１１から流出する曝気処理水２６を直接または他の装置や流路を介して正浸透膜装置１の第１半透膜の一次側流入部に返送するように設けられていればよい。曝気処理水２６’は、反応槽１１で好気性生物処理されることにより溶質濃度が低減されるため、これを正浸透膜装置１の第１半透膜の一次側に導入することにより、第１半透膜の一次側の被処理水（被処理水には返送された曝気処理水２６’も含まれる）の溶質濃度を下げて、第１半透膜の水の浸透量を高めることが可能となる。
【００５０】
図３には、本発明の水処理システムの第３実施態様を示した。第３実施態様の水処理システムは、第１流路６に調整タンク８を設けている点と、沈殿槽１４を設ける代わりに反応槽１１に浸漬膜ろ材１３を設けている点と、膜ろ材１３で固液分離することにより得られた膜ろ過水を曝気処理水２６として正浸透膜装置１に返送している点で、第２実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第２実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。
【００５１】
図３に示した水処理システムでは、高張溶液２２，２３の循環ラインの第１流路６に調整タンク８を設け、第２流路７に調整タンク９を設けている。調整タンク８は、正浸透膜装置１から流出した高張溶液２３を受け入れて貯留するとともに、高張溶液２３を第１流路６を介して逆浸透膜装置５に供給することができる。調整タンク９は、逆浸透膜装置５から流出した高張溶液２２を受け入れて貯留するとともに、高張溶液２２を第２流路７を介して正浸透膜装置１に供給することができる。このように調整タンク８，９を設けることにより、正浸透膜装置１と逆浸透膜装置５の処理をそれぞれ独立して行えるようになる。
【００５２】
例えば、図２に示した水処理システムでは、逆浸透膜装置５に導入される高張溶液２３の量は、正浸透膜装置１の処理能力、すなわち、正浸透膜装置１に導入される高張溶液２２の量と第１半透膜の水の浸透量に依存する。しかし、図３に示した水処理システムでは、正浸透膜装置１の処理能力の変動を調整タンク８によって緩和することができ、逆浸透膜装置５に導入する高張溶液２３の量を、正浸透膜装置１の処理能力から独立して設定することができる。同様に、逆浸透膜装置５の処理能力の変動を調整タンク９によって緩和することができ、正浸透膜装置１に導入する高張溶液２２の量を、逆浸透膜装置５の処理能力から独立して設定することができる。
【００５３】
図３に示した水処理システムではまた、反応槽１１の濃縮水２５中に、固液分離のための膜ろ材１３が浸漬して設けられている。反応槽１１の濃縮水２５に膜ろ材１３を浸漬設置することにより、反応槽１１の濃縮水２５の微生物濃度（活性汚泥濃度）を高く保つことができ、反応槽１１の容積当たりの処理負荷を高め、反応槽１１のコンパクト化を図ることができる。また、膜ろ材１３により濃縮水２５に含まれる固形分を高度に固液分離して、固形分濃度の極めて低い曝気処理水２６を得ることができる。曝気処理水２６は、返送流路１５を通して、正浸透膜装置１の第１半透膜の一次側に返送されている。反応槽１１からは、高濃度に微生物（活性汚泥）を含む濃縮水２５を汚泥２８として定期的に引き抜いて、反応槽１１の濃縮水２５の微生物濃度（活性汚泥濃度）を所望程度に調整することが好ましい。
【００５４】
膜ろ材１３は、散気装置１２の上方に設けるようにすることが好ましく、このように膜ろ材１３を設けることにより、散気装置１２から供給された気泡によって膜ろ材１３の表面（膜面）をクロスフロー方式で洗浄して、膜ろ材１３による安定した固液分離処理が実現できる。
【００５５】
膜ろ材１３としては、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）を用いればよい。膜ろ材１３を構成する材料や形式等は特に限定されず、膜の構成材料としては、例えば、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル等の有機膜；アルミナやジルコニア等の無機膜等が挙げられ、膜の形式としては、中空糸膜、管状膜、平板状膜、モノリス膜等が挙げられる。
【００５６】
図４には、本発明の水処理システムの第４実施態様を示した。第４実施態様の水処理システムは、正浸透膜装置１を被処理水２１中に設けている点と、反応槽１１を嫌気槽１１ａと好気槽１１ｂとで構成している点で、第３実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第３実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。
【００５７】
図４に示した水処理システムでは、水槽２内に正浸透膜装置１が設けられ、正浸透膜装置１が水槽２内の被処理水２１中に浸漬設置されている。水槽２に被処理水２１を供給することにより、被処理水２１が正浸透膜装置１の第１半透膜の一次側に導入されることとなる。正浸透膜装置１を被処理水２１中に設けることにより、正浸透膜装置１が設置される水深に対応して第１半透膜の一次側の被処理水２１に水圧がかかり、第１半透膜の一次側から二次側への水の浸透が促進されて、被処理水２１の濃縮を好適に行いやすくなる。
【００５８】
正浸透膜装置１を被処理水２１中に設ける場合、水槽２には、正浸透膜装置１の下方に散気装置３を設けることが好ましい。このように散気装置３を設けることにより、散気装置３から供給された気泡によって正浸透膜装置１の第１半透膜の膜面をクロスフロー方式で洗浄することができ、第１半透膜の目詰まりを防止して、正浸透処理を安定して行いやすくなる。水槽２に設置する散気装置３としては、反応槽１１（好気槽１１ｂ）に設置可能な散気装置を用いればよい。
【００５９】
図４に示した水処理システムでは、水槽２の被処理水２１の流入部と正浸透膜装置１との間に、夾雑物を除去するためのスクリーン４を設けている。スクリーン４を設けることにより、被処理水２１から粗大夾雑物が除去され、正浸透膜装置１やその他の設備や機器の損傷が防止され、好適に水処理を行うことができるようになる。
【００６０】
図４に示した水処理システムでは、反応槽１１が嫌気槽（無酸素槽）１１ａと好気槽１１ｂとで構成されており、好気槽１１ｂに膜ろ材１３が浸漬設置されている。正浸透膜装置１で濃縮された濃縮水２５は、反応槽１１の嫌気槽１１ａにまず導入され、その後好気槽１１ｂに導入される。好気槽１１ｂからは汚泥２８が引き抜かれ、汚泥２８の少なくとも一部が嫌気槽１１ａに返送される。このように濃縮水２５を処理することにより、濃縮水２５中の窒素を生物学的に除去することができる。すなわち、濃縮水２５中の有機性窒素が好気槽１１ｂで硝化され、これが嫌気槽１１ａに返送されて濃縮水２５中のＢＯＤを用いて脱窒されることにより、濃縮水２５中の有機性窒素を窒素ガスとして除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、下水、し尿、畜産糞尿、厨房排水、工場排水、埋立浸出水等の水処理に用いることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１：  正浸透膜装置
５：  逆浸透膜装置
６：  第１流路
７：  第２流路
１１：  反応槽
１２：  散気装置
１５：  返送流路
２１：  被処理水
２２，２３：  高張溶液
２４：  処理水
２５：  濃縮水
２６，２６’：  曝気処理水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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