(57)【要約】【課題】本発明は、容器に充填された処理膜の処理性能を安定化して向上させることができる水処理装置を提供する。【解決手段】本発明の水処理装置１０によれば、配管４２の吐出口４６から噴射された海水が、整流部材５０によってベッセル２４の径方向に放射状に流れるので、ＲＯ膜２８の入口端面２８Ａに対する海水の垂直方向成分が一度消滅する。その後、海水は、ベッセル２４の軸方向に向かう。この間、軸方向に向かう海水流の流速軸方向成分は、ＲＯ膜２８の入口端面２８Ａ全域において略均一になる。これにより、海水がＲＯ膜２８の全面に十分に暴露されるので、ＲＯ膜２８の表面全体が効率よく海水に暴露される。よって、ＲＯ膜２８の処理性能が向上する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を処理する処理膜が円筒状の容器に充填され、該容器の端面に前記被処理水を供給する配管が接続された水処理装置において、
前記配管の吐出口には、該吐出口から前記容器内に噴射された前記処理水を該容器の径方向に拡散する整流部材が設けられていることを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記整流部材は、外周面に流出口を備えた筒状容器であり、前記配管の吐出口から噴射された処理水は、前記筒状容器の底部に衝突して前記流出口から前記容器の径方向に拡散する請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記整流部材は、略円錐状のガイド部材であり、前記配管の吐出口から噴射された処理水は、前記ガイド部材によって前記容器の径方向に拡散される請求項１に記載の水処理装置。
【請求項４】
前記処理膜は逆浸透膜である請求項１、２又は３に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水処理装置に関し、特に逆浸透膜（以下、ＲＯ（Reverse Osmosis）膜）を使用して海水を淡水に処理する水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＯ膜を使用した従来の淡水化装置では、逆浸透圧を利用するため、特許文献１の如く、円筒状に構成されたベッセル内にＲＯ膜が充填されている。脱塩される海水は、ベッセルの端部に連結された海水供給用配管（以下、配管）の吐出口からベッセル内に流入するが、一般的な淡水化装置の場合、配管の径はベッセルの内径に比べて著しく小さいため、海水の急拡大流れがベッセル内に形成される。また、ＲＯ膜はベッセル内に充填される際、設置効率をよくする観点から、配管の吐出口とＲＯ膜の入口端面との距離が十分に短く設定されている。これらの理由により、配管の吐出口とＲＯ膜の入口端面との間には、海水の助走区間の短い急拡大流れが形成される。これにより、海水は吐出口から減速することなく、ＲＯ膜の入口端面の略中心部に衝突してＲＯ膜内に流入する。つまり、特許文献１の水処理装置では、海水の流入方向が、ＲＯ膜の入口端面に対して垂直方向に設定されている。
【０００３】
ＲＯ膜に流入した海水は、ＲＯ膜に浸透することにより脱塩され、脱塩された透過水は、ＲＯ膜の中央部に配置されている芯管に浸透し、芯管からベッセルの外部に取り出される。
【０００４】
なお、ＲＯ膜としては、濾過膜とメッシュ状のサポートとを重ね合わせて袋状に閉じた濾過膜体を、芯管を中心にロールケーキ状に巻いたスパイラル膜が知られている（例えば、特許文献２）。また、多数本の中空糸膜を使用した膜も周知である。更に、ベッセル内において、海水に加える圧力は５ＭＰａ以上であり、この圧力に耐え得るようにベッセルは、ステンレス製等の高圧容器で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３４２７１号公報
【特許文献２】特表２００８−５３４２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の如く、特許文献１の水処理装置では、ベッセルの内部において、海水の急拡大流れがＲＯ膜の入口端面の略中心部付近に衝突する。このため、ＲＯ膜内を移動する海水の流れも、軸中心付近を移動することになる。よって、特許文献１の水処理装置では、ＲＯ膜の中心付近のみ主として使用され、ＲＯ膜の全域（面積）を有効に利用することができないという問題があった。また、特許文献１の水処理装置では、使用される限定された膜面のみが早期に汚染されて目詰まりが進行するため、海水の加圧力（透過水の吸引圧力）が短時間で増加する。この不具合により、特許文献１の水処理装置では、装置の運転が不安定になり易いという問題があった。
【０００７】
ところで、特許文献１の水処理装置では、ＲＯ膜の入口端面に流れ分配板が設けられている。しかしながら、この流れ分配板は、海水の流入方向に多数の孔が形成されているものなので、海水がＲＯ膜の入口端面に垂直に当たることは避けられない。海水の効率のよい淡水化に関しては、海水をＲＯ膜の外表面から半径方向に浸透させることが理想的である。
【０００８】
一方で、水処理装置が大型化した場合、すなわち、ベッセルが大口径化した場合であっても、ベッセルの拡大率に従って配管の径を大きくすることは非現実的である。つまり、海水タンクからベッセルに至るまでの配管の途中にはエルボ管、ベルブ等の付帯部品が設けられているので、配管の大口径化には技術的、施工的に限界があるからである。また、このような配管は耐圧管であるため高価であり、配管を大口径化すれば、装置の価格が嵩み費用面でも非現実的である。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、容器に充填された処理膜の処理性能を向上させることができる水処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記目的を達成するために、被処理水を処理する処理膜が円筒状の容器に充填され、該容器の端面に前記被処理水を供給する配管が接続された水処理装置において、前記配管の吐出口には、該吐出口から前記容器内に噴射された前記処理水を該容器の径方向に拡散する整流部材が設けられていることを特徴とする水処理装置を提供する。
【００１１】
従来の水処理装置の問題点は、配管の吐出口の径と容器の内径の比が大きく、この比が大きいことに起因して、吐出口の直後に噴流が発生し、また、吐出口と処理膜の入口端面との間の距離が短いことに起因して、処理水の流速成分が減衰しない状態で、処理水が処理膜の入口端面に垂直方向に衝突することにある。
【００１２】
処理膜の入口端面に衝突した処理水は、そのまま処理膜の下流部まで移動しながら、その間に処理膜の表面から透過水が膜内に浸透する。処理水が処理膜を移動する際、処理膜がスパイラル状のＲＯ膜であると、その構造の特徴から、容器の軸方向だけでなく周方向にも流速成分が発生する。このため、処理膜の入口から出口にかけて、処理膜の入口端面において軸中心付近にしか衝突していなかった処理水は、処理膜の半径方向にも分散される。しかしながら、スパイラル状のＲＯ膜は、濾過膜体を多重に巻回した狭小流路のような構造なので、処理膜の周方向への移動は少ない。このため、処理膜の入口端面における処理水の衝突面積が小さいと、処理水が流れる領域が狭範囲に限定されてしまい、上述した不具合が発生する。
【００１３】
そこで本発明では、処理膜の入口端面に対する処理水流体の垂直方向成分を容器内で直ちに減衰させることにより、処理膜の入口端面に衝突する際の処理水の流速分布を入口端面全域において均一化できる整流部材、又は入口端面の外周側に偏らせるような整流部材を備える。
【００１４】
具体的な整流部材は、配管の吐出口から容器内に噴射された処理水の流れ方向を容器の径方向に変更するものである。これにより、容器内に流入した処理水は、容器の内周面に向けて流れるので、前記垂直方向成分は小さく、また、この垂直方向成分は、容器の内周面に向けて流れる間に消滅、或いは著しく減衰する。そして、処理水は容器の内周面に衝突し、容器内において軸方向を主流とした流れとなる。この流れの流速分布は、流れの軸方向に関して略均一、又は処理膜の外周側に偏る。したがって、この整流部材の作用により、処理膜の入口端面に衝突する際の流速分布が入口端面全域において略均一になり、又は処理膜の外周側に偏るため、処理膜の処理性能が向上する。
【００１５】
整流部材の一態様は、有底でその外周面に流出口を備えた筒状容器である。配管の吐出口から噴射された処理水は、筒状容器の底部に衝突して流出口から容器の径方向に拡散する。
【００１６】
また、整流部材の一態様は、円錐状のガイド面をガイド部材である。配管の吐出口から噴射された処理水は、ガイド部材のガイド面によって容器の径方向に拡散される。
【００１７】
本発明においては、前記処理膜は逆浸透膜であることが好ましい。すなわち、本発明は、海水を淡水化処理する水処理装置に好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水処理装置によれば、配管の吐出口から容器内に噴射された処理水の流れ方向を容器の径方向に変更することができるので、処理膜の入口端面全域に、処理水が均一に衝突、又は入口端面の外周部に高い流速分布を生じさせることができる。これによって、本発明によれば、処理水を処理膜の略全域に浸透させることができるので、処理膜の処理性能が向上する。
【００１９】
本発明によれば、処理膜の表面が処理水に一様に曝露され、一部の膜面のみが曝露されることは無い。このため、処理膜による効率的な水処理運転が可能となる。また、このような膜面への一様な曝露がなされることにより、ファウリングの発生が一様かつ徐々に進んでいくことで、ファウリングによる閉塞時間を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態の水処理装置が設置された海水淡水化処理システムのブロック図
【図２】実施の形態の水処理装置のエレメントの構成を示した斜視図
【図３】図２に示したエレメントがベッセルに組み込まれたモジュールの斜視図
【図４】図２に示したエレメントのＲＯ膜が巻回される前の状態を示したエレメントの正面図
【図５】図２に示したエレメントの正面図
【図６】図３に示したモジュールの一部を判断して示した側面断面図
【図７】第１の態様の整流部材の構成を示した斜視図
【図８】整流部材によって発生する海水の流速分布の一例を示した説明図
【図９】整流部材によって発生する海水の流速分布の一例を示した説明図
【図１０】第２の態様の整流部材の構成を示した説明図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面に従って本発明に係る水処理装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は、実施の形態の水処理装置１０が組み込まれた海水淡水化処理システム２０のブロック図である。
【００２３】
同図に示す海水淡水化処理システム２０は、海水が貯留されたタンク１２、高圧ポンプ１４、及び水処理装置１０から構成される。タンク１２の海水は、高圧ポンプ１４によって水処理装置１０に高圧で供給され、水処理装置１０の後述するＲＯ膜（処理膜）によって逆浸透処理（脱塩処理）されることにより、脱塩された透過水１６と、塩分が濃縮された濃縮水１８とに分離される。このようにして得られた透過水１６は、水処理装置１０の外部に送液される。なお、実施の形態の海水淡水化処理システム２０は、高圧ポンプ１４によって海水を水処理装置１０に高圧で供給しているが、水処理装置１０の透過水出口側に高圧の吸引ポンプを接続し、この吸引ポンプによってタンク１２から海水を水処理装置１０に導入させるようにしてもよい。また、高圧ポンプ１４及び吸引ポンプの双方を設けてもよい。
【００２４】
タンク１２内の海水としては、原海水をそのまま使用してもよいが、前処理を施して原海水に含まれる濁質成分等を除去した海水を使用することが好ましい。前処理としては、フィルタ利用、沈殿池に原海水を導入して塩素等の殺菌剤を添加し、原海水中の粒子を沈殿除去するとともに微生物を殺菌する等の処理がある。また、原海水に塩化鉄等の凝集剤を添加して濁質成分を凝集させ、これを濾過して除去した海水を使用してもよい。
【００２５】
水処理装置１０は、図２に示すエレメント２２を単数、又は複数個直列に接続し、これを図３に示すベッセル（容器）２４に充填してモジュール２６とし、このモジュール２６を単独で、又は並列に接続することにより構成される。そして、モジュール２６には、高圧ポンプ１４によって所定の操作圧力が負荷されるようになっている。なお、図３には、３個のエレメント２２、２２…を直列に接続したモジュール２６が示されているが、エレメント２２の個数は３個に限定されるものではない。また、ベッセル２４は、高圧（５ＭＰａ以上）に耐え得るようにスーパーステンレス（ＰＲＥＮ値（孔食係数）が４０以上の鋼種）によって構成されている。
【００２６】
図２に示すようにエレメント２２は、ＲＯ膜２８と処理水管３０とを含む膜ユニット３２が集水管３４の周囲に配置されて構成されている。膜ユニット３２は図４の如く、４枚の袋体状のＲＯ膜２８、２８…が集水管３４の外周部に放射状に接続され、これらのＲＯ膜２８、２８…を、図５の如く集水管３４の周囲にスパイラル状に巻回することにより構成される。袋体状のＲＯ膜２８の一端は開口され、この開口部が図４に示す集水管３４の透孔３６と連通するようにＲＯ膜２８が集水管３４に接着されている。被処理水である海水は、ＲＯ膜２８の外表面を流れ、ＲＯ膜２８を透過することにより脱塩される。そして、ＲＯ膜２８を透過した脱塩後の透過水は、ＲＯ膜２８の内側からＲＯ膜２８の開口、及び集水管３４の透孔３６を介して集水管３４内に集水され、集水管３４から処理水管３０を介してエレメント２２から排出される。なお、図４の符号３８は、ＲＯ膜２８の内部に配置されるメッシュ状のスペーサーである。このスペーサー３８によって、ＲＯ膜２８がスパイラル状に巻かれてもＲＯ膜２８の内部空間が潰れないように保持される。また、符号４０は、隣接するＲＯ膜２８、２８の間に配置されたメッシュ状のスペーサーである。このスペーサー４０もＲＯ膜２８と同様に集水管３４の外周部に放射状に接着されている。
【００２７】
図３の如く、ベッセル２４の一端側の端面には、配管４２が接続されている。この配管４２を介して、図１のタンク１２からベッセル２４内に海水が高圧ポンプ１４によって供給される。
【００２８】
配管４２は、図６に示すモジュール２６の側面側の断面図において、ベッセル２４の一端側の開口を閉塞する蓋４８に接続される。また、配管４２は、配管４２の軸ａがベッセル２４の中心軸ｂと同軸上、又は平行になるように蓋４８に接続されている。また、配管４２の吐出口４６は、蓋４８の内側面と面一に形成されている。
【００２９】
配管４２の吐出口４６からベッセル２４内に供給された海水は、後述する整流部材５０を介してエレメント２２の膜ユニット３２に導かれ、ＲＯ膜２８、２８…を順次透過したのち、前述の如く集水管３４に集水されて処理水管３０からモジュール２６の外部に取り出される。また、ＲＯ膜２８、２８…を透過しなかった濃縮水は、下流側のエレメント２２、２２に順に導かれて、上記と同様に透過水と濃縮水とに分離され、最終的に濃縮水排出管４４からモジュール２６の外部に排出される。この濃縮水排出管４４は、ベッセル２４の他端側の外周部に接続されている。
【００３０】
ところで、実施の形態の水処理装置１０では、モジュール２６に海水の整流部材５０が備えられている。
【００３１】
この整流部材５０は、配管４２の吐出口４６からベッセル２４内に噴射された海水をベッセル２４の径方向に拡散するものであり、蓋４８の内側面に固定されている。
【００３２】
整流部材５０の第１の態様は、有底でその周面に複数の流出口５２、５２…を備えた筒状容器である。整流部材５０は、整流部材５０の軸ｃが配管４２の軸ａと同軸上に位置するように蓋４８に固定され、図７の斜視の如く整流部材５０の底部５４が配管４２の吐出口４６と対向配置されている。よって、配管４２の吐出口４６からベッセル２４内に噴射された海水は、整流部材５０の底部５４に衝突して流出口５２、５２…からベッセル２４の径方向に拡散する。
【００３３】
ところで、特許文献１の水処理装置では、配管の吐出口から噴射した海水は、その流速が減衰しないまま噴流状態でＲＯ膜の入口端面に進入する。この際、ＲＯ膜の入口端面と配管の吐出口との間の助走区間が短いため、吐出口から噴射した海水は、ベッセル内において半径方向に広がらない状態で、かつ流速の高い軸方向成分を保ちながらＲＯ膜の入口端面に衝突し、ＲＯ膜内に進入していく。この作用により、特許文献１の水処理装置では、ＲＯ膜の処理性能を向上させることができなかった。
【００３４】
次に、前記の如く構成された実施の形態の水処理装置１０の作用について説明する。
【００３５】
実施の形態の水処理装置１０では、整流部材５０を設けているので、特許文献１の水処理装置のような流速分布が配管４２の吐出口４６とＲＯ膜２８の入口端面２８Ａとの間に生じない。
【００３６】
図８に実施の形態の水処理装置１０の、ＲＯ膜２８の入口端面２８Ａに対する海水の流速分布を矢印で示す。
【００３７】
この水処理装置１０では、整流部材５０を設けているので、配管４２の吐出口４６からベッセル２４内に噴射された海水は、整流部材５０の底部５４に衝突して流出口５２、５２…からベッセル２４の径方向に拡散する。
【００３８】
これにより、ベッセル２４内に流入した海水は、ベッセル２４の内周面に向けて放射状に流れるので、ＲＯ膜２８の入口端面２８Ａに対する垂直方向成分は小さく、また、この垂直方向成分は、ベッセル２４の内周面２４Ｂに向けて流れる間に消滅、或いは著しく減衰する。そして、海水はベッセル２４の内周面２４Ｂに衝突し、ベッセル２４内において軸ｂ方向を主流とした流れとなる。この間、各流出口５２、５２…から流出する海水により、海水流体間の合流抵抗が相互に働くことから、軸ｂ方向に向う海水の流速分布は、流れの軸方向に関して略均一、又はＲＯ膜２８の外周側に偏る。したがって、この整流部材５０の作用により、ＲＯ膜２８の入口端面２８Ａに衝突する際の流速分布が入口端面２８Ａ全域において略均一になり、又は図９に示すように流速分布がＲＯ膜２８の外周側に偏るため、ＲＯ膜２８の処理性能が向上する。
【００３９】
図１０には、整流部材６０の第２の態様が示されている。
【００４０】
この整流部材６０は、略円錐形状に構成されている。この整流部材６０は、配管４２の軸ａと、その軸ｄが同軸上に配置されるとともに、その頂部６０Ａが吐出口４６に所定距離離間して対向配置されている。また、整流部材６０は、ねじ棒６２、ナット６４、保持部材６６からなる固定部材６８によって、配管４２に固定されている。なお、整流部材６０の固定箇所は蓋４８であってもよい。
【００４１】
配管４２の吐出口４６から噴射された海水は、整流部材６０の傾斜した円錐面（ガイド面）６０Ｂによってベッセル２４の径方向に拡散される。以降の作用は、整流部材５０と同様であるので、ここではその説明を省略する。なお、整流部材６０を円錐形状に構成したが、形状はこれに限定されるものではなく、配管４２の吐出口４６から噴射された海水をベッセル２４の径方向に拡散できるガイド面を備えた形状であればよい。例えば、吐出口４６にその面が対向する板材であってもよい。板材の表面がガイド面となる。
【００４２】
以上の如く、整流部材５０、６０の作用により、ＲＯ膜２８の入口端面２８Ａにおいて、海水がＲＯ膜２８の全面に十分に暴露され、そのままエレメント２２内と出口に向けて移動していく。このため、ＲＯ膜２８の表面全体が効率よく海水に暴露される。これにより、ＲＯ膜２８のファウリングの発生が一様かつ徐々に進んでいくことで、ファウリングによる閉塞時間を減少させることができる。
【００４３】
したがって、実施の形態の水処理装置１０によれば、特許文献１の水処理装置と比較してＲＯ膜２８の処理性能が向上する。
【００４４】
このような水処理装置１０は、図６において配管４２の吐出口４６の口径φ１とベッセル２４の内径φ２との比（拡大率）が高く、かつ吐出口４６とＲＯ膜２８の入口端面２８Ａとの距離Ｌが短い場合に有効である。例えば、ベッセル２４の内径φ２は、吐出口４６の口径φ１の５〜１０倍であり、距離Ｌはベッセル２４の内径φ２の５倍以下である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
実施の形態では、ＲＯ膜を使用して海水を淡水化処理する水処理装置について説明したが、処理膜はＲＯ膜に限定されるものではなく、中空糸膜を適用してものでもよい。すなわち、処理膜を使用して被処理水を水処理する装置であれば、本発明の構成を適用できる。また、被処理水は海水に限定されるものではなく、ＲＯ膜、中空糸膜等の処理膜を使用して、水道水中の溶存物質、濁質、微生物等を除去する水処理装置であっても、本発明の構成を適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…水処理装置、１２…タンク、１４…高圧ポンプ、１６…透過水、１８…濃縮水、２０…海水淡水化処理システム、２２…エレメント、２４…ベッセル、２６…モジュール、２８…ＲＯ膜、３０…処理水管、３２…膜ユニット、３４…集水管、３６…透孔、３８…スペーサー、４０…スペーサー、４２…配管、４４…濃縮水排出管、４６…吐出口、４８…蓋、５０…整流部材、５２…流出口、５４…底部、６０…整流部材、６２…ねじ棒、６４…ナット、６６…、保持部材、６８…固定部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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