(57)【要約】  本発明の課題は、電力供給が不安定な自然エネルギーを主動力としても、安定した生産水量と生産水質を維持可能な、淡水製造装置の運転方法を提供することにある。  少なくとも自然エネルギーを動力源１２にし、半透膜ユニット８で溶質濃度の異なる少なくとも２種類の原水を混合してなる被処理水から淡水を得るための淡水製造装置の運転方法において、前記自然エネルギーによって発電された電力に応じて、前記少なくとも２種類の原水１ａ，１ｂの混合比を制御して前記被処理水の溶質濃度を調整し、淡水を得る淡水製造装置の運転方法。
2014115769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも自然エネルギーを動力源にし、半透膜ユニットで溶質濃度の異なる少なくとも２種類の原水を混合してなる被処理水から淡水を得るための淡水製造装置の運転方法において、前記自然エネルギーによって発電された電力に応じて、前記少なくとも２種類の原水の混合比を制御して前記被処理水の溶質濃度を調整し、淡水を得る淡水製造装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記少なくとも２種類の原水のうち、少なくとも１種類が海水、河川水、湖沼水、地下水、下水、廃水、雨水、またはそれらの処理水である淡水製造装置の運転方法。
【請求項３】
請求項２に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記処理水が、糸巻きフィルター、不織布フィルター、ディスクフィルター、砂、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜の少なくともいずれか一つで処理されたろ過水もしくは濃縮水である淡水製造装置の運転方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記自然エネルギーが太陽光、風力、波力の少なくともいずれか一つを含む淡水製造装置の運転方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記淡水製造装置が電力貯蔵手段を備え、余剰電力は貯蔵し、電力不足時には放出する淡水製造装置の運転方法。
【請求項６】
請求項５に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記半透膜ユニットで淡水を得る運転を行うために必要な電力が得られないとき、または前記電力貯蔵手段の貯蔵量が設定値を下回ったときに、半透膜ユニットの洗浄を行った後に運転を停止させる淡水製造装置の運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記洗浄が、被処理水側を通水させるフラッシング洗浄である淡水製造装置の運転方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記洗浄に際して、殺菌剤、酸、アルカリの少なくともいずれか一つを添加する淡水製造装置の運転方法。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、
前記電力貯蔵手段が、蓄電池、揚水、電気分解の少なくともいずれか一つからなる淡水製造装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギーを利用して被処理水中から不純物を除去する淡水製造装置の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、とくに分離膜利用技術が非常に幅広く適用されてきている。飲料水、工業用水、農業用水などを得るためには、河川水、湖沼水などの浄化が主であるが、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蒸発法を中心に海水淡水化が進められてきた。しかし、中東以外の熱源が豊富でない地域でも、海水淡水化のニーズが高まり、とくに１９９０年以降、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ため、エネルギー回収ユニットによって圧力回収を行うのが一般的であり、これによってさらに、所要動力が低減できる仕組みになっている。最近では、逆浸透膜法の技術進歩による信頼性の向上やコストダウンに加え、エネルギー回収技術の著しい向上によって中東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。【０００３】
しかしながら、逆浸透膜による海水淡水化が万能というわけではなく、中東のように高濃度海水、さらに温度が高い場合は、脱塩能力が低下し、処理水（淡水）の塩濃度が大きくなる傾向にある（非特許文献１）ため、高品質の処理水を得るために、脱塩水を再度低圧逆浸透膜で処理する、透過水二段法という方法が多く建設・稼動にいたっており、逆浸透膜性能の向上、プロセス・システムの改善による更なる所要エネルギー低減が求められている。そのための方法として、逆浸透膜を複数種類組み合わせる方法（特許文献１）、逆浸透膜の濃縮水を再度逆浸透膜で処理する方法（特許文献２）、ナノろ過膜で前処理して硬度成分を除去し、逆浸透膜の回収率を上げる方法（特許文献３）、ナノろ過膜の処理水を再度ナノろ過膜で処理する方法（非特許文献２）が提案され、実用化に至っているものも少なくない。【０００４】
さらに、エネルギー消費量が低減したといっても、分離膜による水処理には電力が必要とされ、その源は、石油や石炭による火力や原子力といった、必ずしも環境に優しい技術と言い難いエネルギーである。そのため、太陽エネルギー、風力、波力などの自然エネルギーによって産み出された電力を活用する試み（非特許文献３、特許文献４）がなされているが、自然エネルギーの大きな課題の一つとして、安定供給が挙げられる。すなわち、太陽エネルギーは日射量によって、風力は風速によって発電量が変動する。そのため、非特許文献３にもあるように大きな蓄電池を備え、発電量の変動を吸収する必要があるが、高コストな蓄電池が淡水化に大きな影響を与え、実用化、普及にとって大きな障害となっている。現在は、水力、火力、原子力といった従来発電技術による電力と併用する技術が実用化されているが、安定供給のためには発電量を制御しやすい水力や火力が中心になっている必要があり、自然エネルギーのように状況によって変動する発電方法主体での実用化・普及には至っていない。【０００５】
とくに、逆浸透膜を海水淡水化に適用する場合は、浸透圧以上の圧力がかからなければ、淡水を得ることができないため、発電によるポンプ圧力が浸透圧を上回る特定期間、すなわち、太陽光であれば、大容量の蓄電池を備えるか、従来の電力を併用しなければ、昼間の日射量が大きな時間しか淡水製造ができないでいた。このように、自然エネルギー主体の電力を逆浸透膜による海水淡水化に適用する場合、供給される電力に応じた逆浸透膜装置の最適運転が可能なシステム、またその最適運転技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本国特許第３５５１１２７号公報
【特許文献２】日本国特開平８−１０８０４８号公報
【特許文献３】日本国特開平８−２０６４６０号公報
【特許文献４】日本国特開２０００−２０２４４１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】谷口雅英ら、”Behavior  of  a  reverse  osmosis  plant  adopting  a  brine  conversion  two-stage  process  and  its  computer  simulation,” J. Membrane Sci., 183, p249 (2001).
【非特許文献２】S. Adham et al., ”Long Beach’s dual-stage NF beats single-stage SWRO,” D&WR 13(3), p18 (2003).
【非特許文献３】A. Kunczynski, “Development and optimization of 1000-5000 GPD solar power SWRO,” Proc. IDA World Congress on D&WR, BAH03-040 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、電力供給が不安定な自然エネルギーを主動力としても、安定した生産水量と生産水質を維持可能しつつ、電力貯蔵手段の小型化が可能な淡水製造装置の運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は次の（１）−（９）の実施態様に関する。
（１）  少なくとも自然エネルギーを動力源にし、半透膜ユニットで溶質濃度の異なる少なくとも２種類の原水を混合してなる被処理水から淡水を得るための淡水製造装置の運転方法において、前記自然エネルギーによって発電された電力に応じて、前記少なくとも２種類の原水の混合比を制御して前記被処理水の溶質濃度を調整し、淡水を得る淡水製造装置の運転方法。【００１０】
（２）  （１）に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記少なくとも２種類の原水のうち、少なくとも１種類が海水、河川水、湖沼水、地下水、下水、廃水、雨水、またはそれらの処理水である淡水製造装置の運転方法。【００１１】
（３）  （２）に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記処理水が、糸巻きフィルター、不織布フィルター、ディスクフィルター、砂、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜の少なくともいずれか一つで処理されたろ過水もしくは濃縮水である淡水製造装置の運転方法。【００１２】
（４）  （１）から（３）のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記自然エネルギーが太陽光、風力、波力の少なくともいずれか一つを含む淡水製造装置の運転方法。【００１３】
（５）  （１）から（４）のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記淡水製造装置が電力貯蔵手段を備え、余剰電力は貯蔵し、電力不足時には放出する淡水製造装置の運転方法。【００１４】
（６）  （１）から（５）のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記半透膜ユニットで淡水を得る運転を行うために必要な電力が得られないとき、または前記電力貯蔵手段の貯蔵量が設定値を下回ったときに、半透膜ユニットの洗浄を行った後に運転を停止させる淡水製造装置の運転方法。
（７）  （６）に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記洗浄が、被処理水側を通水させるフラッシング洗浄である淡水製造装置の運転方法。
（８）  （６）または（７）に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記洗浄に際して、殺菌剤、酸、アルカリの少なくともいずれか一つを添加する淡水製造装置の運転方法。
（９）  （５）から（８）のいずれか１項に記載の淡水製造装置の運転方法であって、前記電力貯蔵手段が、蓄電池、揚水、電気分解の少なくともいずれか一つからなる淡水製造装置の運転方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明淡水製造装置の運転方法によれば、電力供給が不安定な自然エネルギーを主動力とした場合でも、安定した生産水量と生産水質を維持可能しつつ、電力貯蔵手段の小型化が可能な、淡水製造装置の運転方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明に係る淡水製造装置の一例を示すフロー図である。
【図２】図２は本発明に係る淡水製造装置の他の一例を示すフロー図である。
【図３】図３は本発明に係る淡水製造装置のさらに他の一例を示すフロー図である。
【図４】図４は本発明に係る淡水製造装置のさらに他の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の運転方法を適用する淡水製造装置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。
【００１８】
本発明を適用可能な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では、第１の原水１ａと第２の原水１ｂを混合し、被処理水タンク２に一旦貯留して、被処理水供給ポンプ３で、前処理ユニット４に送られる。得られた前処理水は中間タンク６にいったん貯留され、高圧ポンプ７にて半透膜ユニット８に送られて処理される。半透膜ユニット８で処理された前処理水は、淡水（透過水）と濃縮水１１とに分離される。得られた淡水は、淡水タンク１０に貯留される。濃縮水１１は系外に排出される。バルブ５ａとバルブ５ｂは、それぞれ第１の原水１ａと第２の原水１ｂの流量制御のために備えられており、バルブ５ｃは、半透膜ユニット８の透過水流量制御のために備えられている。バルブ５ｄは、半透膜ユニット８のフラッシング洗浄のために備えられている。図１のフローにおいて必要な動力は、自然エネルギーを用いた動力源としての自然エネルギー発電ユニット１２によって供給されるが、短時間の電力供給量の変動を吸収するために小型の電力貯蔵ユニット１３を備え、電力安定供給制御ユニット１４によって必要な電力を各ユニット（図１においては、被処理水供給ポンプ３、高圧ポンプ７）に選択供給するようになっている。
【００１９】
つづいて、図１に示す淡水製造装置による本発明の運転方法の適用について述べる。
第１の原水１ａと第２の原水１ｂは、それぞれの溶質濃度が異なり、その混合比率によって混合後の被処理水の溶質濃度を調整する。なお、溶質濃度の測定方法としては、原水を蒸発させてその重量を測定して求める方法（ＴＤＳ（全溶解性固形分））や、簡易的には電気伝導度計で電気伝導度を測定し、それを溶質濃度に換算する方法が例示される。被処理水は前処理を経た後、半透膜ユニットで淡水と濃縮水に分けられるが、半透膜ユニット８で膜を透過して淡水（透過水）として得られる水量や水質は、半透膜供給水（被処理水（混合原水）の前処理水）の温度、溶質濃度によって変化する。半透膜における溶媒（水）と溶質の透過は一般に次式で表現される。
【００２０】
Ｊｖ＝Ｌｐ（ΔＰ−π（Ｃｍ））・・・（１）
Ｊｓ＝Ｐ（Ｃｍ−Ｃｐ）・・・（２）
（Ｃｍ−Ｃｐ）／（Ｃｆ−Ｃｐ）＝ｅｘｐ（Ｊｖ／ｋ）・・・（３）
Ｃｐ＝Ｊｓ／Ｊｖ・・・（４）
Ｌｐ＝α×Ｌｐ２５×μ２５／μ・・・（５）
Ｐ＝β×Ｐ２５×μ２５／μ×（２７３．１５＋Ｔ）／（２９８．１５）・・・（６）
Ｃｆ      ：半透膜供給水濃度        ［ｍｇ／ｌ］
Ｃｍ      ：膜面濃度                ［ｍｇ／ｌ］
Ｃｐ      ：透過水濃度              ［ｍｇ／ｌ］
Ｊｓ      ：溶質透過流束            ［ｋｇ／ｍ２／ｓ］
Ｊｖ      ：純水透過流束            ［ｍ３／ｍ２／ｓ］
ｋ        ：物質移動係数            ［ｍ／ｓ］
Ｌｐ      ：純水透過係数            ［ｍ３／ｍ２／Ｐａ／ｓ］
Ｌｐ２５  ：２５℃での純水透過係数  ［ｍ３／ｍ２／Ｐａ／ｓ」
Ｐ        ：溶質透過係数            ［ｍ／ｓ］
Ｐ２５    ：２５℃での溶質透過係数  ［ｍ／ｓ］
Ｔ        ：温度                    ［℃］
α        ：運転条件による変動係数  ［−］
β        ：運転条件による変動係数  ［−］
ΔＰ      ：運転圧力                ［Ｐａ］
μ        ：粘度                    ［Ｐａ・ｓ］
μ２５    ：２５℃での粘度          ［Ｐａ・ｓ］
π（Ｃｍ）：浸透圧                 ［Ｐａ］
【００２１】
（１）式において、半透膜供給水の膜面濃度Ｃｍが高くなるほど浸透圧π（Ｃｍ）が上昇する。浸透圧π（Ｃｍ）は、例えば、非イオン性物質の場合、理論的にはπ（Ｃｍ）＝Ｃｍ／Ｍｗ×Ｒ×（２７３．１５＋Ｔ）から算出することができる。ここで、Ｍｗは分子量、Ｒ＝気体定数である。また、低温になるほど水の粘度μが上がる。これらによって純水透過係数Ｌｐが低下し、いずれも、純水の透過流束Ｊｖが減少する。また、半透膜供給水濃度Ｃｆが上がることによって、また、温度上昇によって溶質透過流束Ｊｓが増大し、生産水の水質である透過水濃度Ｃｐが悪化する。
【００２２】
従来、これらに対処するために、半透膜供給水濃度Ｃｆ上昇時や水温低下時には、運転圧力ΔＰを大きくしていた。これによって、純水透過流束Ｊｖを増加させ、透過水濃度Ｃｐを低下させていた。逆に半透膜供給水濃度Ｃｆ低下時や水温上昇時には、運転圧力ΔＰを小さくしていた。
【００２３】
本発明の運転方法においては、発電電力の供給量が不安定な自然エネルギーを動力源としており、その発電量に応じて運転圧力ΔＰを変化させるとともに、溶質濃度の異なる少なくとも２種類の原水の混合比率を変えて半透膜供給水（被処理水）の濃度Ｃｆを変化させることを特徴としている。すなわち、発電量が十分なときには、水源として豊富な海水などの高濃度の原水を処理し、発電量が不十分なときには、発電量に応じて純水透過流速Ｊｖが変化せず、半透膜供給水濃度Ｃｆが低下するように高濃度の原水と低濃度の原水、少なくとも２種類の原水の混合比率および運転圧力ΔＰを変え、浸透圧π（Ｃｍ）を低下させて生産水量を一定にするものである。また、生産水質を一定としたい場合は、透過水濃度Ｃｐが一定となるよう純水透過流速Ｊｖを下げるようにしても良い。生産水量と生産水質が一定にできる運転ができれば原水の混合比率は特に制限されず、完全に原水の切り替えを行っても良い。
【００２４】
逆浸透膜の場合には、浸透圧に対抗する圧力が必要なため、自然エネルギーによる発電量が小さく、ポンプによる加圧が浸透圧以下しか得られない場合には、逆浸透膜は運転できない。例えば、被処理水のＴＤＳ（全溶解性固形分）が１００００ｍｇ／ｌ程度あると、その浸透圧が８ｂａｒ程度になるが、１０倍に希釈できれば、浸透圧は０．８ｂａｒ程度まで下げることができる。
【００２５】
本発明を適用するにあたって、第１の原水および第２の原水は、浸透圧に影響を与える溶質濃度が異なれば特に制限はなく、たとえば、海水、河川水、湖沼水、地下水、下水、廃水、雨水、またそれらの処理水や濃縮水を用いることができる。ただし、いずれの場合においても発電量または運転圧力ΔＰによって被処理水（半透膜供給水）の溶質濃度を調整するという観点から、濃度の差は大きい方が好ましく、溶質濃度が高濃度である海水や濃縮海水と、海水よりも低濃度である河川水、湖沼水、地下水、下水、廃水、雨水、またそれらの処理水や濃縮水、海水淡水化された処理水を組み合わせると効果的である。また、低濃度原水が豊富にある場合は、低濃度原水の混合比率が大きいほど運転圧力ΔＰを下げることができ、ポンプの消費電力を抑えることができるので好ましく、さらに電力貯蔵手段を備えている場合、余剰電力があれば、電力を貯蔵することができる。
【００２６】
ここでの処理水としては、例えば糸巻きフィルター、不織布フィルター、ディスクフィルター、砂、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜のいずれかで処理されたろ過水もしくは濃縮水を使用することができる。除濁を目的としている場合は、糸巻きフィルター、不織布フィルター、ディスクフィルター、砂、精密ろ過膜、限外ろ過膜を使用することが好ましく、溶質濃度を下げる目的ではナノろ過膜、逆浸透膜を使用すると効果的である。
【００２７】
つづいて、半透膜分離ユニットの洗浄工程について述べる。半透膜は原水に含有される汚れ成分によって汚染されていくので、性能回復させるために適宜、洗浄が行われるのが一般的である。さらに自然エネルギーを利用している場合は、電力供給が不安定であることから不定期に運転を停止させる必要があるため、半透膜ユニットで淡水を得る運転を行うために必要な電力が得られなくなったとき、または電力貯蔵ユニットの貯蔵量が設定値を下回ったときは、半透膜ユニットの洗浄を行った後に停止させることが好ましい。
【００２８】
洗浄工程では、被処理水の性状や半透膜の特性を鑑みて、様々な洗浄方法を採ることが出来る。例えば、被処理水、淡水（半透膜処理水）、濃縮水のいずれかを半透膜ユニット８の被処理水側に供給し、半透膜処理を行わずに、すなわち淡水を得ずに、フラッシングする方法が挙げられる。被処理水を用いる場合は、バルブ５ｃを開、バルブ５ｄを閉とした状態で運転すれば、半透膜ユニット８をフラッシング洗浄することができる。
【００２９】
また図示してないが、一旦、被処理水の半透膜ユニットへの供給を停止し、半透膜ユニット内で被処理水の流入口と濃縮水の排出口とを入れ替えるように設定した後、被処理水の半透膜ユニットへの供給を再開し、逆向きのフラッシング洗浄することも半透膜エレメント内や膜面に付着、堆積した汚れ（ファウリング）物質を除去することが出来るので好ましい態様である。
【００３０】
さらに、半透膜の汚れの程度によっては洗浄に際して薬品を添加することも好ましい。オンラインの場合は、洗浄薬品を被処理水側に連続もしくは間欠注入する。例としては、次亜塩素酸、クロラミン、二酸化塩素、過マンガン酸カリウム、次亜硫酸ナトリウム、２，２−ジブロモ―３−ニトリロプロピオンアミド（ＤＢＮＰＡ）などの殺菌剤や硫酸、塩酸、クエン酸などの一般的な酸や、水酸化ナトリウムなどのアルカリを挙げることが出来る。オフラインの場合は、被処理水や処理水などをそのまま、もしくは、加温したり上述の洗浄薬品を添加して洗浄効果を上げて、汚染部分に供給し、フラッシングしたり、浸漬することが一般的である。ここでいう汚染部分は、被処理水側、処理水側、いずれでもかまわないが、汚染しやすい被処理水側に適用するのが好ましい。
【００３１】
図２に半透膜ユニット８ｂで生成した濃縮水を原水の一つとして用いる一例を示す。第１の原水１ａは、被処理水タンク２ａに一旦貯留して、被処理水供給ポンプ３ａで、前処理ユニット４ａに送られ、得られた前処理水が中間タンク６にいったん貯留される。一方、第２の原水１ｂは、被処理水タンク２ｂに一旦貯留して、被処理水供給ポンプ３ｂで、前処理ユニット４ｂに送られ、得られた前処理水が半透膜ユニット８ｂにて淡水を得る。得られた淡水は、淡水タンク１０ｂに貯留される。半透膜ユニット８ｂから排出された濃縮水は、第３の原水１ｃとして、被処理水タンク２ｃに一旦貯留した後、被処理水供給ポンプ３ｃで、中間タンク６に送られ、第１の原水１ａを前処理した前処理水と所定の比率で混合し、被処理水（半透膜ユニット８ａへの供給水）となる。なお、被処理水タンク２ｃを設けず、第３の原水１ｃを中間タンク６に直接送る形態でも差し支えない。被処理水（半透膜ユニット８ａへの供給水）は、高圧ポンプ７にて半透膜ユニット８ａにて淡水を得る。得られた淡水は、淡水タンク１０ａに貯留される。濃縮水１１は系外に排出される。バルブ５ａとバルブ５ｄは、それぞれ第１の原水１ａと第３の原水１ｃとの流量制御を行い、バルブ５ｂとバルブ５ｅは、半透膜ユニット８ｂおよび８ａの透過水流量制御のために備えられている。被処理水を用いて半透膜ユニットの洗浄する場合は、例えばバルブ５ｅを開、バルブ５ｆを閉とした状態で運転すれば、半透膜ユニット８ａをフラッシング洗浄することができる。
【００３２】
この場合、通常系外に排出される濃縮水を有効活用することができるため、非常に効果的である。なお、濃縮水（第３の原水１ｃ）は高濃度原水でも低濃度原水でも差し支えない。ただし、いずれの場合においても本発明の主旨である発電量（運転圧力）によって被処理水（半透膜供給水）の溶質濃度を調整するという観点から、原水１ａ，１ｃ間の溶質濃度の差は大きい方が、幅広く濃度調整出来るので好ましい。
【００３３】
また、図１では、第１の原水１ａと第２の原水１ｂの混合後、被処理水を得て前処理ユニット４によって処理しているが、図３のように、混合前の第１の原水１ａと第２の原水１ｂを独立してそれぞれに適した前処理ユニット４ａ，４ｂでの前処理を施した後、得られた前処理水を、バルブ５ａ，５ｂで流量制御することにより、所定の比率で混合して被処理水を得て半透膜ユニット８へ供給させることも好ましい態様である。
【００３４】
図４は、半透膜ユニット８で得られた淡水または濃縮水を希釈水として原水側に返送（還流）させる形態である。自然エネルギーの発電量が低い場合は、回収率が減ってしまうが、半透膜ユニット８で得られた淡水を第２の原水１ｂ（希釈水）として返送ポンプ１５により、原水側の中間タンク６に返送（還流）して第１の原水１ａと混合し、得られた被処理水の溶質濃度を下げることで、安定運転を継続させることが出来る。ここでバルブ５ｃを閉、バルブ５ａ，５ｂを調節することにより、第１の原水１ａと第２の原水１ｂの混合比を調節することができる。
【００３５】
さらに自然エネルギーの発電量が高い場合には、半透膜ユニット８からの濃縮水を第３の原水１ｃとして原水側の中間タンク６へ返送（還流）し第１の原水１ａと混合することによって回収率を高くすることが出来るので、見かけ上の回収率を一定に保つことが可能となる。ここでバルブ５ｂ、５ｅを閉、バルブ５ａ，５ｄを調節することにより、第１の原水１ａと第３の原水１ｃの混合比を調節することができる。この場合、濃縮水を第３の原水１ｃとして中間タンク６へ直接返送（還流）させる形態であるが、濃縮水を一旦タンクへ貯留する形態でも差し支えない。
【００３６】
本発明を適用可能な自然エネルギー発電ユニット（動力源）としては、とくに制約はなく、太陽光、波力、風力などやさらにそれらの組み合わせを挙げることが出来る。この中でも、時間によって発電力が周期的に変動する太陽光発電が本発明に適している。太陽光の場合、太陽高度の高い時間帯、すなわち、正午を中心とした時間帯は、海水などの溶質濃度が高濃度の原水を処理することが出来、それ以外の時間帯、すなわち朝夕の発電量が不足している時間帯には、発電された電力に応じて被処理水（半透膜供給水）の溶質濃度を調整することができる。そして、夜間は運転を完全に停止するか、蓄電貯蔵手段を併用する場合は、電力貯蔵手段の残容量で処理可能な範囲で原水を処理すると効果的である。
【００３７】
また、本発明に適用可能な電力貯蔵手段に特に制約はなく、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウム電池などの蓄電池、キャパシタ、水を高いところに送水貯留する揚水、電気分解によって水素を製造するなどを適用することが可能であり、これらを利用することで電力供給が不安定な自然エネルギーを主動力としても、発電力の変動による影響を抑えることができ、一定のポンプ圧力で運転が可能となるので、圧力変動による半透膜ユニットやポンプ、配管等への耐圧性を抑制することができる。特に制約は無いが、電力として貯蔵できるニカド電池、ニッケル水素電池、リチウム電池などの蓄電池を使用すると本発明の効果をより高めるので好ましい。上述のように発電力が周期的に変動するようなエネルギー源の場合、発電していない時間帯に蓄電貯蔵手段を使用する際は、蓄電電力を極力使用しないよう溶質濃度が低い原水を処理すると、電力の消費が抑えられ、従来よりも電力貯蔵手段の小型化が可能となるので好ましい。
【００３８】
本発明に適用可能な半透膜ユニットとしては、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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・アルカリを添加したりすることが可能である。なお、スケール防止剤添加は、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したり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。
【００４１】
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、ピロリン酸四ナトリウム、ピロリン酸二ナトリウム、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。
【００４２】
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が、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。
【００４３】
本発明において、半透膜ユニット８供給前の原水や被処理水の前処理ユニット４としては、それぞれの供給水の水質などに応じて、濁質成分やイオン成分などの除去、殺菌などが行われる前処理ユニットを適用することができる。
【００４４】
例えば、原水や被処理水の濁質を除去する必要がある場合の前処理ユニット４としては、マイクロメートル以下の高精度の固液分離が可能な糸巻きフィルター、不織布フィルター、ディスクフィルター、砂、精密ろ過膜、限外ろ過膜など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原水や被処理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、なるべく半透膜ユニットへの供給水の上流側で添加し、さらに、半透膜ユニットへ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。
【００４５】
また、原水や被処理水が、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。凝集させた原水や被処理水は、その後沈澱や加圧浮上で除濁した後、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ったりする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。
【００４６】
ここで、前処理に砂ろ過を用いる場合は、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ではないが、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、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。
【００４７】
一方、原水や被処理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。
【００４８】
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や濃縮水を利用することを目的とした場合の前処理ユニット４としては、半透膜であるナノろ過膜や逆浸透膜を用いることも可能である。
図示していないが、中間タンク６を設置せず、前処理ユニット４の処理水を直接半透膜ユニット８に直接供給する形態も、設備が簡略化できるので好ましい。また、自然エネルギーをエネルギー源としているため、装置全体を車載式や可搬式の形態にすれば、商用電力の得られない地域や災害時にも活用できるため、好ましい態様である。
【００４９】
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００５０】
本出願は、２０１３年１月２３日出願の日本特許出願、特願２０１３−００９８９７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、電力供給が不安定な自然エネルギーを主動力としても、安定した生産水量と生産水質を維持可能しつつ、電力貯蔵手段の小型化が可能な、淡水製造装置の運転方法を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ，１ｂ，１ｃ：原水
２，２ａ，２ｂ，２ｃ：被処理水タンク
３，３ａ，３ｂ，３ｃ：被処理水供給ポンプ
４，４ａ，４ｂ：前処理ユニット
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ：バルブ
６：中間タンク
７：高圧ポンプ
８，８ａ，８ｂ：半透膜ユニット
１０，１０ａ，１０ｂ：淡水タンク
１１：濃縮水
１２：自然エネルギー発電ユニット（動力源）
１３：電力貯蔵ユニット
１４：電力安定供給制御ユニット
１５：返送ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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