(57)【要約】【課題】  塩水を脱塩化して淡水を製造するための、ナノろ過膜、逆浸透膜及び熱式蒸留ユニットを用いた脱塩方法において、スケール成分の析出を抑制しながら、高い回収率で、かつエネルギー効率に優れた方法を提供する。【解決手段】  塩水をナノろ過膜でろ過することによってスケール成分を含むイオン含有量を低減させる。そのナノろ過水を、低めの塩濃度の上流側ナノろ過水とそれよりは塩濃度の高い下流側ナノろ過水とに分流して取り出し、その上流側ナノろ過水を半透膜に導くことによって、半透膜において淡水をより高い回収率かつ少ないエネルギー消費量で得る。下流側ナノろ過水を熱式蒸留法に導くことによって、より高い回収率で淡水を得る。この結果、システム全体で高い回収率で、かつエネルギー効率に優れた脱塩が可能となる。【選択図】  図１
2008100219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノろ過膜ユニットを二段以上に直列に配設した多段ナノろ過膜ユニットに、塩水を供給してナノろ過水とナノろ過膜濃縮水とに分離する工程であって、前記ナノろ過水を、多段ナノろ過膜ユニット中の上流側ナノろ過膜から得られる低濃度の上流側ナノろ過水と、多段ナノろ過膜ユニット中の下流側ナノろ過膜から得られる高濃度の下流側ナノろ過水とに分流して取り出すナノろ過工程と、前記上流側ナノろ過水を、多段半透膜ユニットに供給して、半透膜透過水と半透膜濃縮水とに分離する逆浸透処理工程と、前記下流側ナノろ過水を、熱式蒸留ユニットに供給して、蒸留水とブローダウンとに分離する熱式蒸留工程を含むことを特徴とする脱塩方法。
【請求項２】
前記熱式蒸留ユニットが、多段フラッシュ蒸留法、多重効用法、蒸気圧縮法、あるいはこれらを複合させた蒸留法のうちのいずれかによって蒸留水を得る蒸留ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の脱塩方法。
【請求項３】
前記下流側ナノろ過水に、塩水を混合して前記熱式蒸留ユニットに供給することを特徴とする請求項１または２に記載の脱塩方法。
【請求項４】
前記半透膜濃縮水を、前記下流側ナノろ過水と混合して前記熱式蒸留ユニットに供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の脱塩方法。
【請求項５】
前記多段ナノろ過膜ユニットにおいて、少なくとも第一段ナノろ過膜ユニットと第二段ナノろ過膜ユニットの間に昇圧ユニットを配したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脱塩方法。
【請求項６】
前記多段半透膜ユニットにおいて、少なくとも第一段半透膜ユニットと第二段半透膜ユニットの間に昇圧ユニットを配したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脱塩方法。
【請求項７】
前記半透膜が、逆浸透膜であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の脱塩方法。
【請求項８】
加熱した塩水を、前記ナノろ過膜ユニットに供給することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の脱塩方法。
【請求項９】
多段ナノろ過膜ユニットから得られるナノろ過水の全水量に対する上流側ナノろ過水の水量の比率を年間で変動させ、かつ、ナノろ過工程における運転モードとして、前記比率の年平均値よりも小さい比率に設定される逆浸透処理工程低稼働率モードと、前記比率の年平均値よりも大きい比率に設定される逆浸透処理工程高稼働率モードとを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の脱塩方法。
【請求項１０】
前記逆浸透処理工程低稼働率モードを高電力需要期に適用し、前期逆浸透処理工程高稼働率モードを低電力需要期に適用することを特徴とする請求項９に記載の脱塩方法。
【請求項１１】
ナノろ過膜ユニットを二段以上に直列に配設した多段ナノろ過膜ユニットと、前記多段ナノろ過膜ユニット中の上流側ナノろ過膜から得られる低濃度の上流側ナノろ過水が供給される多段半透膜ユニットと、前記多段ナノろ過ユニット中の下流側ナノろ過膜から得られる高濃度の下流側ナノろ過水が供給される熱式蒸留ユニットと、前記上流側ナノろ過水の水量と前記下流側ナノろ過水の水量との比率を変更するための流量調整手段とから構成されることを特徴とする脱塩装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高回収率で塩水を淡水化して淡水製造する際に好適な、ナノろ過膜、逆浸透膜、および熱式蒸留を用いた脱塩方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、海水から工業用水や飲料水などの淡水を得る技術が発達し、従来から一般的に行われてきた蒸発法に替わって逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いた膜分離法が注目を集めるようになってきている。この膜分離法は運転に要するエネルギーも少なくて済み、高品質な淡水を得ることができるため、さまざまな分野への利用拡大が期待されている。
【０００３】
一方、蒸発法は、発電プラントと蒸発法造水プラントと併設した電力・造水二重目的プラントにおいて発電プラントからの廃蒸気を熱源として蒸留を行うことによって、海水を加熱するためのエネルギーを新たに必要とせずに高品質な淡水を得ることができるという利点がある。しかしながら、この電力・造水二重目的プラントにおいては、発電プラントからの廃蒸気を利用するために、造水プラントでの造水能力は発電プラントの発電量に制約される問題点がある。そこで、この電力・造水二重目的プラントに、さらに逆浸透膜を用いた膜分離法造水プラントを併設して、造水能力を蒸発法造水プラントと膜分離法造水プラントとで適切に分担・調整するハイブリッド方式海水淡水化システムが検討されつつある。
【０００４】
ところで、海水淡水化を実施するにあたっては、いかに低コストで造水するかが技術の焦点となるために回収率を高める努力が払われる訳であるが、高回収率で運転を行うと、膜分離法であっても蒸発法であっても海水から淡水が取り出された後の海水濃縮水には高濃度の溶質成分が含まれていて、水への溶解度が低いスケール成分が析出し易い。従って、膜分離法であれば逆浸透膜面に析出したスケール成分が堆積して膜が閉塞し易く、膜寿命や逆浸透膜透過水水質が低下したりする問題が惹起され、また、蒸発法であれば伝熱管に析出したスケール成分が付着して伝熱効率が低下したりする問題を惹起される。
【０００５】
そこで、海水淡水化にあたっては、海水をあらかじめナノろ過膜（ＮＦ膜）によって前処理してスケール成分をある程度まで取り除いておき、然る後、逆浸透膜を用いた膜分離法や蒸発法によって高い回収率で淡水を得る方法が提案されている（特許文献１〜４参照）。
【０００６】
また、海水をあらかじめナノろ過膜によって前処理してスケール成分をある程度まで取り除いておき、然る後、逆浸透膜を用いた膜分離法によって淡水を得たうえで、逆浸透膜濃縮水から蒸発法によって淡水を得る方法が提案され（特許文献５参照）、さらに、ナノろ過膜によって処理されたナノろ過水を逆浸透膜を用いた膜分離法と蒸発法とに分配して、それぞれから淡水を得る方法が提案されている（特許文献６参照）。
【０００７】
特許文献５や特許文献６には、海水をまずナノろ過膜で処理することにより、スケール成分を含む海水中のイオン含有量の少ないナノろ過水とし、ナノろ過膜の次段である逆浸透膜を用いた膜分離法や蒸発法でのスケール析出を抑制して高い回収率で淡水を得る方法が記載されている。しかし、この方法では、ナノろ過工程、逆浸透処理工程、及び熱式蒸留工程を、各々の工程での供給水量、回収率、エネルギー消費を効率よく分配して、低エネルギー消費で高い回収率で淡水を得るための工程の組合せとしては未だ実用的に不満足なものであった。
【０００８】
ところで、逆浸透処理による淡水化方法では、海水を第一段の逆浸透膜ユニットで逆浸透処理するにあたって、その逆浸透膜透過水を逆浸透膜ユニットの上流側と下流側とから分流して取り出し、然る後、第一段の下流側逆浸透膜透過水を第二段の逆浸透膜ユニットでさらに逆浸透処理をして、得られた第二段の逆浸透膜透過水と第一段の上流側逆浸透膜透過水とを混合して良好な水質の淡水を得る方法が提案されている（特許文献７参照）。この方法によれば第一段の逆浸透膜透過水の全量を第二段の逆浸透膜ユニットで逆浸透処理した場合と比較して、十分に良好な水質の淡水を得られるうえに第二段の逆浸透膜ユニットを小規模化できる利点がある。しかしながら、この方法では、淡水の回収率を十分に高くできない問題点がある。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２０６４６０号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０１６５号公報
【特許文献３】特開平９−１４１２６０号公報
【特許文献４】特開２００５−２６２０７８号公報
【特許文献５】特開２００６−０２１１０６号公報
【特許文献６】特開２００３−５０７１８３号公報
【特許文献７】特開平１１−０１０１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上記した従来技術における問題点を解決し、塩水から淡水を取得する脱塩方法において、濃縮水におけるスケール成分の析出を抑制することができ、かつ、より高効率で淡水を製造することができる、ナノろ過膜、逆浸透膜、及び熱式蒸留ユニットを用いた脱塩方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の脱塩方法は、次の特徴を有するものである。
【００１２】
ナノろ過膜ユニットを二段以上に直列に配設した多段ナノろ過膜ユニットに、塩水を供給してナノろ過水とナノろ過膜濃縮水とに分離する工程であって、前記ナノろ過水を、多段ナノろ過膜ユニット中の上流側ナノろ過膜から得られる低濃度の上流側ナノろ過水と、多段ナノろ過膜ユニット中の下流側ナノろ過膜から得られる高濃度の下流側ナノろ過水とに分流して取り出すナノろ過工程と、前記上流側ナノろ過水を、多段半透膜ユニットに供給して、半透膜透過水と半透膜濃縮水とに分離する逆浸透処理工程と、前記下流側ナノろ過水を、熱式蒸留ユニットに供給して、蒸留水とブローダウンとに分離する熱式蒸留工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明法においては、塩水をナノろ過膜でろ過することによってスケール成分を含むイオン含有量を低減させ、そのナノろ過水を、低めの濃度の上流側ナノろ過水とそれよりは濃度の高い下流側ナノろ過水とに分流して取り出し、その上流側ナノろ過水を半透膜に導き、下流側ナノろ過水を熱式蒸留ユニットに導く。この結果、半透膜による逆浸透処理工程では、スケール成分の濃度が低いほど淡水をより高い回収率で得ることができ、また、スケール成分を含むイオン含有量が少ないほど浸透圧が低くなるためにより少ないエネルギー消費量で淡水を得ることができる。また、熱式蒸留工程では、スケール成分の濃度が低いほど淡水をより高い回収率で得ることができるために、エネルギー消費量は変わらないままで従来よりも高い回収率で淡水を得ることができる。この結果、システム全体で高い回収率で、かつエネルギー効率に優れた脱塩方法が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。なお、本発明はこれら実施形態に限られるものではない。
図１、図２、図５、図６、及び図７は、それぞれ、本発明の脱塩方法の好ましい一実施様態を示す工程概略図である。各々の図で、同一または同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１において、符号１０及び符号１１は、取水してきた原水に前処理を施した塩水を示す。塩水１０は、ＮＦ高圧ポンプ２３でもって多段ナノろ過膜ユニット２０における第一段ナノろ過膜ユニット２１へと供給される。第一段ナノろ過膜ユニット２１から出た第一段ナノろ過膜濃縮水２６はＮＦ昇圧ポンプ２４で昇圧されて第二段ナノろ過膜ユニット２２へと供給される。また、第一段ナノろ過膜ユニット２１から出た第一段ナノろ過水２５はＲＯ高圧ポンプ３３で昇圧されて第一段逆浸透膜ユニット３１（多段逆浸透膜ユニット３０における１段目の逆浸透膜ユニット）へと供給される。
【００１６】
第一段逆浸透膜ユニット３１から出た第一段逆浸透膜透過水３５は淡水化されているので逆浸透処理水３９として取り出される。第一段逆浸透膜ユニット３１から出た第一段逆浸透膜濃縮水３６はＲＯ昇圧ポンプ３４で昇圧されて第二段逆浸透膜ユニット３２へと供給される。第二段逆浸透膜ユニット３２から出た第二段逆浸透膜透過水３７は淡水化されているので逆浸透処理水３９として取り出される。また、第二段逆浸透膜ユニット３２から出た第二段逆浸透膜濃縮水３８は第二段逆浸透膜濃縮水放流弁４５を経て放流されるか、あるいは、第二段逆浸透膜濃縮水供給弁４４を経て熱式蒸留ユニット４０へと供給される。
【００１７】
第二段ナノろ過膜ユニット２２から出た第二段ナノろ過膜濃縮水２８は系外に排出される。また、第二段ナノろ過膜ユニット２２から出た第二段ナノろ過水２７は、熱式蒸留ユニット４０へと供給されるが、その途中において、塩水供給弁４３を経て供給される塩水１１が添加されてもよいし、また、第二段逆浸透膜濃縮水供給弁４４を経て供給される第二段逆浸透膜濃縮水３８が添加されてもよい。熱式蒸留ユニット４０からは、蒸留水４１が取り出され、さらに、ブローダウン４２が取り出される。
【００１８】
ここで、原水とは、例えばカルシウムイオン、マグネシウムイオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどのスケール生成成分や、ナトリウムイオンや塩化物イオンなどを有意な濃度で含有する水であり、具体的には、ＴＤＳ濃度が１，５００ｐｐｍを超える水、例えば、海水、湾水、かん水といわれる塩分含有水である。ＴＤＳ濃度は、溶解性物質濃度のことであり、この溶解性物質としては、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどが含まれる。また、このＴＤＳ濃度は塩濃度ともいわれる。
【００１９】
また、多段ナノろ過膜ユニット２０に供給される塩水１０には、原水中に含まれる懸濁物質、有機物、微生物、酸化剤等の不純物によってナノろ過膜をファウリングや膜劣化させないために、例えば、夾雑物除去、沈砂、殺菌剤添加、凝集、ｐH調整、沈殿、砂ろ過、加圧浮上、脱炭酸、精密膜ろ過、限外膜ろ過などの前処理を原水に施すことによって不純物をある程度以上除去した塩水を用いればよい。これら前処理としては、ナノろ過膜のファウリングや膜劣化を抑制するために通常採用される前処理方法や条件を採用すればよい。これらの前処理を組み合わせて適宜原水に施してもよい。
【００２０】
また、熱式乾留ユニット４０への供給水中に添加される塩水１１は、多段ナノろ過膜ユニット２０へ供給される塩水１０と同じであってもよいし、塩水１０とは別に、取水した原水に、例えば夾雑物除去、沈砂、殺菌剤添加、凝集、ｐH調整、沈殿、砂ろ過、加圧浮上、脱炭酸、精密膜ろ過、限外膜ろ過、スケール生成防止剤添加などの前処理を原水に施した塩水を用いてもよい。これらの前処理としては、熱式蒸留ユニット４０においてスケール成分の析出や熱式蒸留ユニット４０の腐食を生じさせないために通常採用される前処理方法や条件を採用すればよい。また、これらの前処理を組み合わせて適宜原水に施してもよい。
【００２１】
また、本発明の脱塩法によって取得する淡水は、塩水に含まれるイオン類を相当量以上除去した水であって、飲料水品質を有するものであり、例えば、ＴＤＳ濃度が５００ｐｐｍ未満、塩化物イオン濃度２００ｐｐｍ未満である。本発明法により取得される半透膜透過水（逆浸透処理水）や蒸留水、あるいはこれらの混合水が淡水に該当する。
【００２２】
本発明法によって取得される半透膜透過水と蒸留水は、別々に使用に供しても構わないし、用途に応じた混合比で混合して使用に供しても構わないし、また、半透膜透過水と蒸留水を全量混合して使用に供しても構わない。即ち、得られた半透膜透過水と蒸留水の使用方法は使用目的等に応じて適宜選択すればよい。
【００２３】
また、ナノろ過膜ユニットでのスケール析出を防ぐ方法として、予め塩水にスケール生成防止剤を添加しておいてもよい。なお、スケール生成防止剤は、スケール成分中の金属イオン（カルシウムイオン、マグネシウムイオン等）と錯体を形成して、これを可溶化させることによりスケール析出を防止するものであり、例えば有機イオンまたは無機イオンからなるポリマー、あるいはモノマーがあり、具体的には、ヘキサメタ燐酸ナトリウムやエチレンジアミン四酢酸四ナトリウム等の薬品が挙げられる。
【００２４】
本発明法において、ける半透膜としてはナノろ過膜あるいは逆浸透膜を用いる。ナノろ過膜は、例えば、塩化ナトリウム濃度が５００〜２０００ｍｇ／Ｌの試験水を操作圧力０．３〜１．５ＭＰａの条件下で塩化ナトリウム除去率が５〜９３％を示す膜である。また、逆浸透膜は、例えば、塩化ナトリウム濃度が５００〜２０００ｍｇ／Ｌの試験水を操作圧力０．５〜３．０ＭＰａの条件下で塩化ナトリウム除去率が９３％以上を示す膜である。これら膜は、それぞれ、ナノろ過膜エレメント、逆浸透膜エレメントを構成する分離膜要素の中で膜分離機能を奏するものである。ここで、ナノろ過膜エレメント、逆浸透膜エレメントの材質や形状は特に制限されるものではないが、例えば、エレメント形状としてはスパイラル型、中空糸型、プレートアンドフレーム型、チューブラー型などが挙げられる。
【００２５】
本発明で用いる多段ナノろ過膜ユニット２０では、ナノろ過膜ユニットを二段以上に直列に配設されていて、各段のナノろ過膜ユニットによって分離・濃縮されて塩濃度が高まったナノろ過膜濃縮水は、後段のナノろ過膜ユニットへ供給される。ここで、最上流の段のナノろ過膜ユニットから、第一段、第二段、第三段、と順番に称することとする。各段のナノろ過膜ユニットはナノろ過膜モジュールを並列に配設して構成される。ナノろ過膜モジュールは、ナノろ過膜エレメントを１本もしくは直列に複数本接続して圧力容器内に収納したものである。また、各々の段のナノろ過膜ユニット毎、あるいは圧力容器内に収納するナノろ過膜エレメント毎に、異なる種類のナノろ過膜エレメントを用いても構わない。このとき、ナノろ過膜モジュールやナノろ過膜ユニットを構成する配管などには、各々のナノろ過膜ユニットへ供給される塩水への耐腐食性や、その供給圧力への耐圧性を有している材質や形状を用いる。
【００２６】
同様に、多段逆浸透膜ユニット３０は、逆浸透膜ユニットを二段以上に直列に配設して構成され、逆浸透膜ユニットは、逆浸透膜モジュールを並列に配設して構成される。これらの装置構成においては、ナノろ過膜の代わりに逆浸透膜が用いられ、操作圧力が異なること以外は、前記した多段ナノろ過膜ユニット、ナノろ過膜ユニット、ナノろ過膜モジュールと同様であればよい。例えば、逆浸透膜モジュールや逆浸透膜ユニットを構成する配管などは、各々の逆浸透膜ユニットへ供給されるナノろ過水への耐腐食性や、その供給圧力への耐圧性を有している材質や形状を用いる。また、各々の段の逆浸透膜ユニット毎、あるいは圧力容器に収納する逆浸透膜エレメント毎に、異なる種類の逆浸透膜エレメントを用いても構わない。
【００２７】
図２、図５、図６は、それぞれ、多段ナノろ過膜ユニット２０の部分を例示する工程概略図である。
【００２８】
図２において、第一段ナノろ過膜モジュール２１０には、直列に接続された複数の第一段ナノろ過膜エレメント２１１が配設されている。同様に、第二段ナノろ過膜モジュール２２０には、直列に接続された複数の第二段ナノろ過膜エレメント２２１が配設されている。
【００２９】
塩水１０はＮＦ高圧ポンプ２３を経て第一段ナノろ過膜モジュール２１０へと供給される。この第一段ナノろ過膜モジュール２１０からのナノろ過水は、その上流側から取り出されるとともに下流側からも取り出される。それぞれを、第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水２１２、第一段ナノろ過膜ユニット下流側ナノろ過水２１３という。第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水２１２は第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水流量調整弁２１４を経て第一段ナノろ過水２５として次工程の第一段逆浸透膜ユニットに送られる。また、第一段ナノろ過膜モジュール２１０から出た第一段ナノろ過膜濃縮水２６は昇圧されて第二段ナノろ過膜モジュール２２０へと供給される。第二段ナノろ過膜モジュール２２０からは、第二段ナノろ過水２７と第二段ナノろ過膜濃縮水２８とが取り出される。第二段ナノろ過水２７と第一段ナノろ過膜ユニット下流側ナノろ過水２１３とは次工程の熱式蒸留ユニットへと送られる。
【００３０】
この図２では、簡略化のため、第一段ナノろ過膜ユニット２１を、それを構成する１本の第一段ナノろ過膜モジュール２１０でもって図示している。また、同様に、第二段ナノろ過膜ユニット２２を、それを構成する１本の第二段ナノろ過膜モジュール２２０でもって図示している。
【００３１】
図５には、第一段ナノろ過膜ユニット２１として、第一段ナノろ過膜モジュール２１０ａ、２１０ｂを、それぞれ並列に配設させた場合であって、そのうちの一つはナノろ過水を下流側からのみ取り出すものである一実施態様を示す。ここで、塩水１０はＮＦ高圧ポンプ２３を経て、第一段ナノろ過膜モジュール２１０ａ、２１０ｂのそれぞれに供給される。上流側から取り出された第一段ナノろ過膜モジュール上流側ナノろ過水２１２ａは、第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水流量調整弁２１４を経て第一段ナノろ過水２５として次工程の第一段逆浸透膜ユニットに送られる。第一段ナノろ過膜モジュール２１０ａ、２１０ｂのそれぞれ下流側から取り出された第一段ナノろ過膜ユニット下流側ナノろ過水は合流され、さらに第二段ナノろ過水２７と合わせて次工程の熱式蒸留ユニットへと送られる。また、取り出された第一段ナノろ過膜濃縮水は合流され、昇圧されて第二段ナノろ過膜モジュール２２０へと供給される。
【００３２】
この図５では、簡略化のため、第一段ナノろ過膜ユニット２１を、それを構成する２本の第一段ナノろ過膜モジュール２１０ａ、２１０ｂでもって図示しているが、これら第一段ナノろ過膜モジュール２１０ａ、２１０ｂのそれぞれの本数の配分は適宜決めればよい。
【００３３】
図６には、複数の多段ナノろ過膜ユニット２０ａ、２０ｂをそれぞれ並列に配設させた実施態様を示す。ここで、多段ナノろ過膜ユニット２０ａにおいて、塩水１０はＮＦ高圧ポンプ２３ａを経て、第一段ナノろ過膜ユニット２１ａに供給される。第一段ナノろ過膜ユニット２１ａから出た第一段ナノろ過水２５ａは、第一段ナノろ過水２５として次工程の第一段逆浸透膜ユニットへ送られる。また、第一段ナノろ過膜ユニット２１ａから出た第一段ナノろ過膜濃縮水２６ａはＮＦ昇圧ポンプ２４ａで昇圧されて第二段ナノろ過膜ユニット２２ａに供給されて、第二段ナノろ過水２７ａと第二段ナノろ過膜濃縮水２８ａが取り出される。同様にして、多段ナノろ過膜ユニット２１ｂにおいて、塩水１０から取り出された第一段ナノろ過水２５ｂと第二段ナノろ過水２７ｂは、第二段ナノろ過水２７ａと合流され、第二段ナノろ過水２７として次工程の熱式蒸留ユニットへと送られる。第二段ナノろ過膜濃縮水２８ａ、２８ｂは系外に排出される。
【００３４】
この図６では、多段ナノろ過膜ユニット２０ａ、２０ｂを構成する機器、被処理水および処理水をそれぞれ区別するために、符号に添字ａ、ｂを付けているが、これら多段ナノろ過膜ユニット２０ａ、２０ｂのそれぞれの系列数の配分は適宜決めればよい。
【００３５】
本発明において、上流側ナノろ過水とは、例えば、図１に示したように第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られる第一段ナノろ過水２５の全量であってもよいし、図２に示したように第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られる第一段ナノろ過水２５のうち、第一段ナノろ過膜モジュール２１０の上流側ナノろ過膜エレメントから得られる第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水２１２であってもよい。また、図５に示したように、第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られる第一段ナノろ過水２５のうち、第一段ナノろ過膜ユニット２１を構成する複数の並列配設された第一段ナノろ過膜モジュール２１０の一部のナノろ過膜モジュールの上流側ナノろ過膜エレメントから取り出される第一段ナノろ過膜モジュール上流側ナノろ過水２１２ａであってもよいし、図６に示したように、並列に配設された複数の多段ナノろ過膜ユニット２０のうちの一部の多段ナノろ過膜ユニット２０ａから得られる第一段ナノろ過水２５ａであってもよい。また、ここに挙げた手段を組合せて得られたナノろ過水であってもよい。即ち、二段以上に配設された多段ナノろ過膜ユニットから得られるナノろ過水を、上流側ナノろ過膜エレメントから得られるイオン含有量の少ない上流側ナノろ過水と、それよりはイオン含有量が多い下流側ナノろ過水とに分流して取り出すことができれば、上流側ナノろ過水の取り出し方は特に制限されるものではない。
【００３６】
また、上流側ナノろ過水の流量を調整するための方法は特に制限されるものではないが、例えば、次のような手段が挙げられる。図１に示したように二段以上に配設されたナノろ過膜ユニットの第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られる第一段ナノろ過水２５の全量を上流側ナノろ過水２５１とする場合には、ＮＦ高圧ポンプ２３による第一段ナノろ過膜ユニット２１への塩水の供給圧力の調整と、ＮＦ昇圧ポンプ２４による第二段ナノろ過膜ユニット２２への第一段ナノろ過膜濃縮水２６の供給圧力の調整とによって流量を調整する。並列に複数配設された多段ナノろ過膜ユニット２０のうちの任意の数の多段ナノろ過膜ユニットの運転を休止することによって流量を調整する。図２に示したような第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水流量調整弁２１４によって流量を調整する。あるいは、これらの流量調整手段を組合せて流量調整する。
【００３７】
このような流量調整手段を使用することにより、上流側ナノろ過水の流量と、下流側ナノろ過水の流量とを所望水準に調整し、そして、上流側ナノろ過水の流量と下流側ナノろ過水との流量の比率を所望水準に調整、変更すればよい。このように、上流側ナノろ過水の流量、下流側ナノろ過水の流量、それらの流量比率を調整し、変更することにより、上流側ナノろ過水および下流側ナノろ過水のそれぞれの水質、例えばＴＤＳ濃度やスケール成分の濃度を適宜変更することができる。
【００３８】
図３は、１０本のナノろ過膜エレメントを直列に配列したナノろ過膜ユニットによって塩水をナノろ過した場合における、上流側から下流側へと至る各ナノろ過膜エレメントから出るろ過水の水質を示すものである。ナノろ過膜ユニット内においては、その最上流から供給された塩水は、ナノろ過水が取り出された残りが順次下流側へと流れていくので下流側に至るほどＴＤＳ濃度が高くなり、従って、図３に示されるようにナノろ過膜ユニット内の各々のナノろ過膜エレメントから取り出されたナノろ過水も下流側に至るほどＴＤＳ濃度が高くなる。よって、上流側に位置するナノろ過膜エレメントから取り出された上流側ナノろ過水は、下流側に位置するナノろ過膜エレメントから取り出された下流側ナノろ過水や、上流側ナノろ過水と下流側ナノろ過水を混合したナノろ過水よりもＴＤＳ濃度が低くなる。
【００３９】
ここで、多段ナノろ過膜ユニットのナノろ過水を上流側ナノろ過水と下流側ナノろ過水とに分流させて取り出し、上流側ナノろ過水を逆浸透処理工程に供給することによって、上流側ナノろ過水の浸透圧がナノろ過水の浸透圧よりも低くできることから、逆浸透処理工程において、多段半透膜ユニットへの供給圧力を低くすることができ、エネルギー消費量を低減することができる。さらに、上流側ナノろ過水は、塩水に対してスケール成分の濃度が十分に低減されているために、逆浸透処理工程において、スケール析出を大幅に抑制でき、高い回収率で逆浸透処理水を得ることができる。
【００４０】
上流側ナノろ過水のＴＤＳ濃度は、多段ナノろ過膜ユニットに供給された塩水のＴＤＳ濃度にも左右されるが、ナノろ過膜エレメントの膜分離性能、多段ナノろ過膜ユニットへの供給圧力、ナノろ過工程での操作温度、ナノろ過工程での膜ろ過流束、ナノろ過工程での回収率、ナノろ過水を上流側ナノろ過水と下流側ナノろ過水とに分流する割合などを任意に設定することによって調整できる。これらのＴＤＳ濃度調整方法としては通常の方法を採用すればよいのであり、特に制限されるものではない。
【００４１】
また、図３の場合、多段ナノろ過膜ユニットに、日本近海で採取した海水であって、ＴＤＳ＝３３，５００ｐｐｍ、カルシウムイオン＝２７０ｐｐｍ、硫酸イオン＝２，１００ｐｐｍの塩水を供給したものであるが、この場合、海水に対し、ナノろ過膜は、二価のイオンであるカルシウムイオンや硫酸イオンといったスケール成分を選択的に排除していることが分かる。そのため、下流側ナノろ過水では、塩水に対してスケール成分の濃度が十分に低減されていることから、熱式蒸留ユニットにおける回収率が、熱式蒸留ユニットへの供給水が塩水である場合にはスケール生成防止の観点から抑制されていたのに対し、熱式蒸留ユニットへの供給水が下流側ナノろ過水である場合の方が高くすることができる。
【００４２】
なお、回収率とは、各々の工程への供給水流量に対する処理水流量の割合である。例えば、ナノろ過工程では、供給された塩水に対するナノろ過水の割合であり、逆浸透処理工程では、供給された上流側ナノろ過水に対する半透膜透過水の割合であり、熱式蒸留工程では、供給された下流側ナノろ過水に対する蒸留水の割合、あるいは、供給された下流側ナノろ過水および半透膜濃縮水に対する蒸留水の割合である。本発明の脱塩方法では供給された塩水に対する半透膜透過水と蒸留水の混合水、の流量の割合である。
【００４３】
多段ナノろ過膜ユニット２０へのＮＦ高圧ポンプ２３による塩水１０の供給圧力は、ナノろ過膜エレメントの種類、塩水の水質や水温、多段ナノろ過膜ユニット２０での回収率などによって適宜選択されるが、通常、０．１〜６．０ＭＰａ、好ましくは０．５〜４．５ＭＰａの範囲で選択される。
【００４４】
また、ナノろ過膜ユニットにおいては、塩水の供給圧力は下流側に至るほど流路抵抗などの圧力損失によって漸減するうえに、供給された塩水は下流側に至るほどＴＤＳ濃度が高くなって浸透圧が高くなることから、ナノろ過膜にかかる供給圧力から塩水の浸透圧を差し引いた、ナノろ過に要する有効圧力は、下流側に至るほど低くなる。ここで、海水程度のＴＤＳ濃度を有する塩水のナノろ過にあたっては、ナノろ過膜ユニットの下流側に至るほど有効圧力が大きく減じられて、各々のナノろ過膜エレメントの造水量が、最上流側から下流側に至るほどに大幅に少なくなりがちになる。
【００４５】
そのため、複数段に構成された多段ナノろ過膜ユニット２０においては、各段のナノろ過膜ユニットの間に配置した昇圧ユニットによって、各々の段のナノろ過膜ユニットにおいて減じてしまった有効圧力を補填して、各々の段のナノろ過膜ユニットにおけるナノろ過膜エレメント１本あたりのろ過水量が均しくなるように調整するのが好ましい。この場合、一部のナノろ過膜エレメントへの水量的な負荷の偏りによる極端な膜の短寿命化などが起きず、膜寿命が均されて、例えば、ナノろ膜水質の推測、膜寿命の推定、膜エレメント交換などの維持管理などが容易になるので好ましい。
【００４６】
特に、複数段に構成した多段ナノろ過膜ユニット２０におけるナノろ過水量に占める第一段ナノろ過膜ユニット２１からのナノろ過水量の割合が大きく、使用されるナノろ過膜エレメントの本数の割合も大きいことから、少なくとも第一段ナノろ過膜ユニット２１と第二段ナノろ過膜ユニット２２の間に昇圧ユニットを配置するのが好ましい。昇圧ユニットとしては、例えば昇圧ポンプ、ターボチャージャーが挙げられる。あるいは、例えば第一段ナノろ過膜ユニット２１のナノろ過水側に背圧をかけて、第一段ナノろ過膜ユニット２１における有効圧力を減じさせる方法も好ましいが、背圧をかけることによってエネルギー効率が低減されるので、背圧をかけることによるエネルギー効率の低減分の運転費用と、昇圧ユニットの設置費用および運転費用とを比較して、選択すればよい。
【００４７】
ここで、昇圧ユニットによって昇圧された供給圧力は、ナノろ過膜エレメントの種類、塩水の水質や水温、多段ナノろ過膜ユニット２０での回収率などによって適宜選択されるが、通常、０．５〜７．０ＭＰａの範囲で選択される。
【００４８】
また、ナノろ過工程での回収率は、出来るだけ高い方が好ましいが、回収率が９０％を超えるとナノろ過膜面でスケール成分が析出して堆積し、膜が閉塞し易くなるので好ましくない。ここで、高い回収率としたときに最も問題となるのが塩水に含まれるスケール成分、特に硫酸カルシウムの析出である。硫酸カルシウムは主に２水和物（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）で析出し、析出限界濃度は「膜利用ハンドブック」（大矢晴彦著）によれば約３，２８０ｐｐｍと報告されている。このデータから、析出限界のカルシウムイオン濃度は約９６５ｐｐｍ、硫酸イオン濃度は約２，３１５ｐｐｍが得られる。一方、海水中（日本近海、ＴＤＳ濃度が約３５，０００ｐｐｍとして）にはカルシウムイオンが約４００ｐｐｍ、硫酸イオンが約２，３００ｐｐｍ含まれているため、ナノろ過工程において塩水側のカルシウム濃度が析出限界濃度を超えなければスケール析出は起こらない。あるいはスケール生成防止剤を使用してスケール析出を抑制することもできる。また、回収率の下限については６０％が好ましい。６０％を下回ると後段の逆浸透処理工程や熱式蒸留工程において仮に８０〜９０％といった高い回収率を得たとしても、システム全体として５０〜５５％程度の回収率しか得られないので好ましくない。ナノろ過工程での回収率が低い場合、前処理の設備規模を大きくしなければならないので、経済的あるいはエネルギー的な損失が大きくなる。
【００４９】
ナノろ過工程での回収率は、ナノろ過膜ユニットへの塩水の供給圧力、ナノろ過膜エレメントの種類、塩水の水質や水温、スケール生成防止剤の添加などによって適宜選択されるが、好ましくは６０〜９０％、さらに好ましくは６５〜８５％の範囲である。
【００５０】
ここで、多段半透膜ユニットは、一段以上の複数段の半透膜ユニットから構成されるものとする。多段半透膜ユニットへは、上流側ナノろ過水が供給水として供給される。通常、半透膜ユニットは半透膜濃縮水のＴＤＳ濃度に対応する浸透圧に約０．５〜３．０ＭＰａ程度を上乗せした圧力で運転を行うので、例えば、海水（日本近海、ＴＤＳ濃度が約３５，０００ｐｐｍとして）を供給水としたときは、供給圧力を約５ＭＰａ以上とする必要がある。これに対し、ナノろ過によってあらかじめＴＤＳ濃度を低減して浸透圧を低下させることによって、半透膜への供給圧力を低下させることができる。
【００５１】
本発明においては、多段ナノろ過膜ユニットにおいて得られたナノろ過水を、相対的にＴＤＳ濃度の低い上流側ナノろ過水と、それよりもＴＤＳ濃度の高い下流側ナノろ過水に分流したうえで、上流側ナノろ過水を多段半透膜ユニットに供給するために、多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水（上流側ナノろ過水と下流側ナノろ過水を混合したものにあたるので、ＴＤＳ濃度は上流側ナノろ過水よりは高く、下流側ナノろ過水よりは低い。従って、その浸透圧は上流側ナノろ過水よりも高い）を多段半透膜ユニットに供給するときの供給圧力よりも、さらに供給圧力を低めることができるので好ましい。特に、浸透圧の低下による供給圧力の低減効果は、直接的にエネルギー消費量に比例するために、相対的にＴＤＳ濃度の低い上流側ナノろ過水を多段半透膜ユニットに供給することによって、ＲＯ供給ポンプのエネルギー消費量を効果的に低減できる。
【００５２】
多段半透膜ユニットへの上流側ナノろ過水の供給圧力は、半透膜エレメントの種類、上流側ナノろ過水の水質や水温、多段半透膜ユニットでの回収率などによって適宜選択されるが、通常、０．５〜８．０ＭＰａ、好ましくは１．０〜７．０ＭＰａの範囲で選択される。
【００５３】
また、複数段に構成された多段半透膜ユニットにおいては、各段の半透膜ユニットの間に配置した昇圧ユニットによって、各々の段の半透膜ユニットにおいて減じてしまった有効圧力を補填して、各々の段の半透膜ユニットにおける半透膜エレメント１本あたりの透過水量が均しくなるように調整するのが好ましい。特に、多段半透膜ユニットにおける透過水量に占める第一段半透膜ユニットからの透過水量の割合が大きく、使用される半透膜エレメントの本数の割合も大きいことから、少なくとも第一段半透膜ユニットと第二段半透膜ユニットの間に昇圧ユニットを配置するのが好ましい。昇圧ユニットとしては、例えば昇圧ポンプ、ターボチャージャーが挙げられる。あるいは、例えば第一段半透膜ユニットの半透膜透過水側に背圧をかけて、第一段半透膜ユニットにおける有効圧力を減じさせる方法も好ましいが、背圧をかけることによってエネルギー効率が低減されるので、背圧をかけることによるエネルギー効率の低減分の運転費用と、昇圧ユニットの設置費用および運転費用とを比較して、選択すればよい。
【００５４】
ここで、昇圧ユニットによって昇圧された供給圧力は、半透膜エレメントの種類、上流側ナノろ過水の水質や水温、多段半透膜ユニットでの回収率などによって適宜選択されるが、通常、１．０〜１０ＭＰａの範囲で選択される。
【００５５】
逆浸透処理工程における回収率は、出来るだけ高い方が好ましいが、回収率を９０％よりも大きくすると、濃縮水の流量が少なくなり、半透膜面での濃度分極現象が大きくなり、膜面での実質的なＴＤＳ濃度が高くなるため、浸透圧が上昇することになってエネルギー消費量が大きくなり、効率的に淡水を得ることが出来なくなるばかりか、淡水のＴＤＳ濃度も上昇するので好ましくない。また、上流側ナノろ過水は、塩水に比べてＴＤＳ濃度が低減されているのと同時に、スケール成分の濃度が十分に低減されている。
【００５６】
例えば、硫酸カルシウムの場合、析出限界のカルシウムイオン濃度は約９６５ｐｐｍ、硫酸イオン濃度は約２，３１５ｐｐｍであるのに対し、図３に示した日本近海の海水のナノろ過水の硫酸イオン濃度は５０ｐｐ未満であることから、回収率９０％とした場合でもスケール析出の可能性はないといえる。よって、回収率は、スケール析出性を考慮せずに、水の回収率とエネルギー消費量とを考慮して適宜決めることができる。また、回収率を６０％よりも小さくするのは、得られる淡水の水質を特に良くしたり、エネルギー消費量を低減したりする上では好ましいが、ナノろ過工程と逆浸透処理工程とを合わせた回収率として４０〜５５％程度しか得られないので、好ましくない。
【００５７】
しかしながら、本発明においては、第二段半透膜濃縮水を熱式蒸留ユニットへの供給水の一部とする場合、逆浸透膜処理工程における回収率を５０％程度としても、熱式蒸留ユニットにおける回収率を仮に６０〜７０％として運転した場合には、逆浸透処理工程で得られる半透膜透過水と、熱式蒸留工程によって第二段半透膜濃縮水から得られる蒸留水とを合わせると上流側ナノろ過水のうち８０〜９０％程度を淡水として回収できる。よって、逆浸透処理工程における回収率は、第二段半透膜濃縮水を熱式蒸留ユニットに供給する場合、逆浸透処理工程と熱式蒸留工程とを合わせた回収率とエネルギー消費量とを比較して適宜選択すればよい。
【００５８】
よって、本発明においては逆浸透処理工程における回収率の好ましい範囲は、半透膜エレメントの種類、上流側ナノろ過水の水質や水温、多段半透膜ユニットへの供給圧力、第二段半透膜濃縮水の熱式蒸留ユニットへの供給の有無などによって適宜選択されるが、５０〜８５％である。
【００５９】
また、本発明においては、多段ナノろ過膜ユニットや多段半透膜ユニットにエネルギー回収装置を設置しても構わない。エネルギー回収装置としては、例えばぺルトン水車、逆転ポンプ、ターボチャージャー、ワークエクスチェンジャー、プレッシャーエクスチェンジャーなどが挙げられる。多段ナノろ過膜ユニットや多段半透膜ユニットにエネルギー回収装置を設置することは、ＮＦ高圧ポンプ、ＮＦ昇圧ポンプ、ＲＯ高圧ポンプ、ＲＯ昇圧ポンプに使用されるエネルギー消費量を大幅に回収できるので好ましい。
【００６０】
本発明において、半透膜としてナノろ過膜あるいは逆浸透膜を使用することができるが、その処理水の水質、あるいはその処理水と蒸留水とを混合して得られる淡水の水質、例えばＴＤＳ濃度を考慮して、半透膜の種類を適宜選択すればよい。半透膜として逆浸透膜を使用する場合、逆浸透膜はナノろ過膜よりも排除率が高いことから、半透膜としてナノろ過膜を使用した場合よりも逆浸透処理水のＴＤＳ濃度を十分に低くすることができるために好ましい。
【００６１】
熱式蒸留ユニットとしては、例えば、多段フラッシュ蒸留（ＭＳＦＤ）、多重効用蒸留（ＭＥＤ）、蒸気圧縮蒸留（ＶＣＤ）、あるいはこれらを複合させた蒸留方法が挙げられるが、これらに限られるものではない。熱式蒸留ユニットから、蒸留された不純物が非常に少ない淡水である蒸留水と、濃縮水であるブローダウンが排出される。
【００６２】
熱式蒸留ユニットへの供給水として、塩水よりもカルシウムイオン、マグネシウムイオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオンなどのスケール成分が低減されたナノろ過水を用いることによって、熱式蒸留ユニットの最高ブライン温度（ＴＢＴ）を、従来技術よりも高めることが可能となり、回収率の向上、エネルギー効率の向上を図ることができる。ここで、上流側ナノろ過水と下流側ナノろ過水を混合したナノろ過水に比べて、下流側ナノろ過水はＴＤＳ濃度が高くなるために、ナノろ過水よりも下流側ナノろ過水の方が沸点が上昇する。例えば、ナノろ過水よりも下流側ナノろ過水の方がＴＤＳ濃度として１０，０００ｍｇ／Ｌ高い場合でも、沸点は０．２℃程度しか上昇しないために、熱式蒸留ユニットにおけるエネルギー消費量は大きく変わらない。
【００６３】
熱式蒸留ユニットへの供給水として、下流側ナノろ過水を用いることでＴＢＴの上昇に伴う回収率の向上が見込めるが、この下流側ナノろ過水に塩水１１を混合することによって、ナノろ過工程、逆浸透処理工程、熱式蒸留工程から構成されるハイブリッド方式海水淡水化システム全体の回収率が向上するので好ましい。
【００６４】
また、この下流側ナノろ過水に第二段半透膜濃縮水を混合して熱式蒸留ユニットに供給することで、ナノろ過工程、逆浸透処理工程、熱式蒸留工程から構成されるハイブリッド方式海水淡水化システム全体の回収率が、さらに向上するので好ましい。
【００６５】
ここで、第二段半透膜濃縮水に含まれる各々のスケール成分濃度は、半透膜エレメントの種類、上流側ナノろ過水の水質や水温、多段半透膜ユニット３０への供給圧力や回収率によって変動するが、通常、塩水に含まれる各々のスケール成分濃度よりも低いため、熱式蒸留ユニットに塩水を供給する場合よりも第二段半透膜濃縮水を供給する場合の方が、より高い淡水の回収率を得ることができる。このとき、第二段半透膜濃縮水を熱式蒸留ユニットに全量を供給しても構わないし、第二段半透膜濃縮水供給弁および第二段半透膜濃縮水放流弁を使用して第二段半透膜濃縮水の一部を熱式蒸留ユニットに供給しても構わない。下流側ナノろ過水、第二段半透膜濃縮水、塩水とを混合して得られる水質によって適宜決めればよい。この場合、例えば、スケール成分の濃度と、ナトリウムや塩化物イオン濃度を、第二段半透膜濃縮水の供給量の判断基準とすればよい。
【００６６】
ここで、図７は本発明の脱塩方法の好ましい一実施様態を示す工程概略図である。
【００６７】
図７では、海水１０を熱交換器５０により加熱して供給する。この熱交換器５０としては温廃水５１を利用して加熱する装置を示すが、塩水を温めることができる加熱装置であれば特に制限されるものではなく、プレート式、二重管式、多管円筒式、渦巻管式などが挙げられる。ここで、温廃水５１としては、塩水を温めることができる熱量を有している廃水であり、例えば、蒸気供給装置から輸送された加熱蒸気、熱式蒸留ユニット４０から発生する廃熱による温熱水を使用することができる。
【００６８】
多段ナノろ過膜ユニットに供給させる塩水を所定温度に加熱して温水とすることでナノろ過膜の透水性が向上し、多段ナノろ過膜ユニットの供給圧力を下げることが可能となり、さらには、多段ナノろ過膜ユニットの後段の多段半透膜ユニットの供給圧力を下げることも可能となる。このことによって、エネルギー消費量を低減することができる。さらに塩水を加熱するための熱源として熱式蒸留ユニットから発生する廃熱を使用すると、加熱に使用するエネルギー消費量をも低減することができる。
【００６９】
また、通常、塩水の水温が年間変動する場合には、多段ナノろ過膜ユニットのナノろ過水流量を一定に保つために、水温が低下した場合には塩水の供給圧力を高くしたり、水温が上昇した場合には塩水の供給圧力を低くしたり、多段ナノろ過膜ユニット内で使用するナノろ過膜モジュールの本数を減らしたりする煩雑な運転制御を行うことが必要である。これに対し、熱交換器を使用して年間を通して塩水の水温を略一定水準に制御することによって、ナノろ過膜の透水性を一定に保つことができるので、塩水の供給圧力を年間を通じて一定に維持すればよく、塩水の供給圧力の制御やナノろ過膜モジュールの本数の変更などといった多段ナノろ過膜ユニットの運転制御を簡略化でき、運転コストを低減することができる。同様に、多段ナノろ過膜ユニットの後段の多段半透膜ユニットにおいても、水温変動に伴う煩雑な運転制御を簡略化できるために運転コストを低減することができる。さらに、年間を通じてナノろ過膜、逆浸透膜の透水性を一定に保つことから、設計時の膜分離性能、膜ユニット性能の予測が容易となるので好ましい。
【００７０】
ここで、塩水を熱交換器によって加熱する温度水準は、好ましくは３０〜５０℃、さらに好ましくは３５〜４５℃の範囲である。加熱装置を使用して年間を通じて塩水を一定の水温に保つ場合、少なくとも年間変動する塩水の最高水温程度あるいはそれ以上にしなければならない。一方、一般に水温が高くなるほどナノろ過膜や逆浸透膜の透水性は向上するが、逆に排除率が低下してナノろ過水や逆浸透処理水のＴＤＳ濃度が高くなること、ナノろ過膜エレメントや逆浸透膜エレメントの温度耐久性を考慮すると、塩水の温度は３５〜４５℃の範囲内の所定温度となるように加熱することが好ましい。
【００７１】
ここで、多段ナノろ過膜ユニットから得られるナノろ過水の全水量に対する上流側ナノろ過水の水量の比率を年間で変動させる場合、その比率の年平均値（Ａ）よりも前記比率が小さくなるように流量調整する逆浸透処理工程低稼働率モードと、前期比率の年平均値（Ａ）よりも前記比率が大きくなるように流量調整する逆浸透処理工程高稼働率モードとを設ける。
【００７２】
逆浸透処理工程低稼働率モードでは、逆浸透処理工程に供給される上流側ナノろ過水の流量が減るために、並列に複数配設された多段半透膜ユニットの一部を休止させたり、多段半透膜ユニット内で並列に複数配設された半透膜モジュールの一部を休止させたりして多段半透膜ユニットの稼働率を低くすることによって、逆浸透処理工程における流量バランスを一定に保てばよい。一方、熱式蒸留工程に供給される下流側ナノろ過水の流量が増えるために、下流側ナノろ過水のＴＤＳ濃度およびスケール成分の濃度が低くなり、例えば熱式蒸留工程での最高ブライン温度（ＴＢＴ）を高くして回収率を向上させたり、並列に複数配設された熱式蒸留ユニットのうち、休止させていた熱式蒸留ユニットを運転させたりして熱式蒸留ユニットの稼働率を高くすることによって、熱式蒸留工程に供給される下流側ナノろ過水の流量増加に対応すればよい。
【００７３】
逆浸透処理工程高稼働率モードでは、逆浸透処理工程に供給される上流側ナノろ過水の流量が増えるために、並列に複数配設された多段半透膜ユニットのうち、休止させていた多段半透膜ユニットを運転させたり、多段半透膜ユニット内で並列に複数配設された半透膜モジュールのうち、休止させていた半透膜モジュールを運転させたりすることによって、逆浸透処理工程における流量バランスを一定に保てばよい。一方、熱式蒸留工程に供給される下流側ナノろ過水の流量が減るために、下流側ナノろ過水のＴＤＳ濃度およびスケール成分の濃度が高くなり、例えば熱式蒸留工程での最高ブライン温度（ＴＢＴ）を低くして回収率を低下させたり、並列に複数配設された熱式蒸留ユニットの一部を休止させたりして熱式蒸留ユニットの稼働率を低くすることによって、熱式蒸留工程に供給される下流側ナノろ過水の流量減少に対応すればよい。
【００７４】
また、年間を通じて水需要の変動が小さく、一方、電力需要が季節において、あるいは日中において変動する場合には、上記した運転モード切替えによる運転を行うことが好ましい。そのような場合としては、例えば、中東のような地域において、塩水の淡水化に要するエネルギーを電力に依存する膜分離法と、発電量の増大に伴って廃蒸気を熱源とする熱式蒸留法とを組み合わせて実施する複合プラントがあげられる。この複合プラントでは、各々の淡水生産量を任意に変動できることによって、高い回収率を維持したまま、高いエネルギー効率で塩水から淡水を得ることができる。
【００７５】
電力需要が最大であって電力供給にかかるコストが高まる高電力需要期には、ナノろ過工程や逆浸透処理工程における供給圧力や稼働率を低くして運転を行うことにより電力の使用量を抑制することができる。例えば、多段ナノろ過膜ユニットから得られるナノろ過水全量の水量に対する上流側ナノろ過水の水量の比率を小さくする逆浸透処理工程低稼働率モードにすることにより、電力の使用量を抑制することができる。この場合には、下流側ナノろ過水に含まれるスケール成分の濃度やＴＤＳ濃度を低くでき、熱式蒸留工程での回収率を向上できる。あるいは熱式蒸留工程への供給水に半透膜濃縮水や塩水を混合することにより、システム全体の回収率を維持することができる。従って、高電力需要期には、逆浸透処理工程低稼働率モードや上記した方法のうちから選択した条件を行うことで、エネルギー効率を高く保ったまま塩水から淡水を得ることができるようになる。
【００７６】
これとは反対に、電力需要のオフピークである低電力需要期では、ナノろ過工程や逆浸透処理工程においては、余剰傾向の電力を利用して高い供給圧力や高い稼働率で運転を行うことができる。例えば、多段ナノろ過膜ユニットから得られるナノろ過水全量の水量に対する上流側ナノろ過水の水量の比率を大きくする逆浸透処理工程高稼働率モードにすることで、高い回収率で半透膜透過水を得ることができ、システム全体の生産性およびエネルギー効率を増大させることができる。
【００７７】
かかるハイブリッド方式海水淡水化システムにおける水量やエネルギーの分配の変更は通常の方法によって容易に行うことができるために、システム全体を年間を通して、高い回収率かつ高いエネルギー効率となるような最適条件に設定して運転することができる。
【実施例】
【００７８】
図４に示す多段ナノろ過膜ユニット２０と多段逆浸透膜ユニット３０とから構成される膜使用脱塩装置（工程）を使用して塩水１０の淡水化を行った。塩水１０としては、ＴＤＳ濃度３３，５００ｐｐｍ程度の海水を原水とし、夾雑物除去、ｐＨ調整、凝集、砂ろ過からなる前処理を行って得られた塩水を供給した。
【００７９】
なお、多段ナノろ過膜ユニット２０では、膜面積が２８ｍ２のナノろ過膜エレメント（東レ株式会社製、ＳＵ−６２０）を圧力容器内に６本入れて構成したナノろ過膜モジュール２本（並列配置）を、第一段ナノろ過膜ユニットとし、同様のナノろ過膜モジュール１本を第二段ナノろ過膜ユニットとした。そのナノろ過膜エレメントの性能は、温度２５℃、ｐＨ６．５、濃度５００ｐｐｍの塩化ナトリウム水溶液を０．３５ＭＰａで供給したとき、塩化ナトリウム除去率５５％、ろ過水量１８ｍ３／日である。
【００８０】
多段逆浸透膜ユニット３０では、膜面積が７ｍ２の逆浸透膜エレメントＡ（東レ株式会社製、ＳＵ−８１０）を圧力容器内に６本入れて構成した逆浸透膜モジュール２本（並列配置）を、第一段逆浸透膜ユニットとし、また、膜面積が７ｍ２の逆浸透膜エレメントＢ（東レ株式会社製、ＳＵ−８１０ＢＣＭ）を圧力容器内に６本入れて構成した逆浸透膜モジュール１本を、第二段逆浸透膜ユニットとした。逆浸透膜エレメントＡの性能は、温度２５℃、ｐＨ６．５、濃度３５，０００ｐｐｍの塩化ナトリウム水溶液を５．５ＭＰａで供給したとき、塩化ナトリウム除去率９９．７５％、ろ過水量４．０ｍ３／日である。逆浸透膜エレメントＢは、東レ株式会社製のＳＵ−８２０ＢＣＭの直径４インチ版エレメントであり、この膜エレメントの耐圧性能が１０ＭＰａである。
【００８１】
この多段ナノろ過膜ユニット２０の第一段ナノろ過膜ユニット２１へ、ＮＦ高圧ポンプ２３で、塩水１０を１．７ＭＰａに昇圧して供給した。第一段ナノろ過膜ユニット２１のナノろ過水側には、第一段ナノろ過膜ユニットナノろ過水流量調整弁２１４によって０．２ＭＰａの背圧をかけて、第一段ナノろ過膜ユニット２１でのナノろ過を行った。このとき、多段ナノろ過膜ユニット２０での回収率は８０％で、その内訳は第一段ナノろ過膜ユニット２１で回収率５５％、第二段ナノろ過膜ユニット２２で回収率２５％であった。また、このときに得られたナノろ過水の水質を表１に示す。ここで、多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水は、第一段ナノろ過膜ユニット２１からのナノろ過水と第二段ナノろ過膜ユニット２２からのナノろ過水とを混合させたナノろ過水である。
【００８２】
＜実施例１＞
第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られた第一段ナノろ過水２５を、上流側ナノろ過水として、多段逆浸透膜ユニット３０へ供給した。ＲＯ高圧ポンプ３３で、上流側ナノろ過水を５．７ＭＰａに昇圧して第一段逆浸透膜ユニット３１に供給し、第一段逆浸透膜濃縮水３６をＲＯ昇圧ポンプ３４によってさらに９．５ＭＰａまで昇圧して第二段逆浸透膜ユニット３２に供給した。このとき、多段逆浸透膜ユニット３０での回収率は７５％であった。
【００８３】
第二段ナノろ過膜ユニット２２から得られた第二段ナノろ過水２７を、下流側ナノろ過水として、第二段逆浸透膜濃縮水３８と混合して、熱式蒸留ユニットへと供給した。このときの逆浸透処理工程での水質を表２に示す。
【００８４】
この場合において、多段逆浸透膜ユニット３０から得られた逆浸透処理水３９の水量を１．０としたときの、流量比を表３に示す。つまり、水量２．５０の塩水を、多段ナノろ過ユニット２０へ供給して、第一段ナノろ過膜ユニット２１から水量１．３３の第一段ナノろ過水２５と、第二段ナノろ過膜ユニット２２から水量０．６７の第二段ナノろ過水２７とを合わせた水量２．００の多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水を得た。水量１．３３の上流側ナノろ過水を多段逆浸透膜ユニット３０によって、水量１．００の逆浸透処理水３９と、水量０．３３の第二段逆浸透膜濃縮水３８とに膜分離した。水量０．３３の第二段逆浸透膜濃縮水３８と水量０．６７の下流側ナノろ過水とを混合した水量１．００を、熱式蒸留ユニットへ供給した。
【００８５】
この場合において、熱式蒸留ユニットから排出されるブローダウンに含まれるカルシウムの濃度が、硫酸カルシウムの析出限界のカルシウム濃度である約９６５ｐｐｍの５０％程度である約５００ｐｐｍとなるように熱式蒸留ユニットの回収率を設定して、膜使用脱塩装置（工程）の電力消費量の計算を行った。電力消費量の計算結果を表３に示す。電力消費量は、ＮＦ高圧ポン２３、ＲＯ高圧ポンプ３３およびＲＯ昇圧ポンプ３４に必要な電力量を、得られた逆浸透処理水３９と蒸留水を混合した淡水の単位水量あたりの電力消費量として計算した。なお、硫酸カルシウムの析出限界濃度は、「膜利用ハンドブック」（大矢晴彦著）によると、硫酸カルシウムの２水和物（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）として約３，２８０ｐｐｍである。
【００８６】
熱式蒸留ユニットの回収率は５５％となり、水量０．５５の蒸留水が得られ、水量１．５５の淡水が得られた。このとき、膜使用脱塩装置（工程）の電力消費量は、３．３６ｋＷｈ／ｍ３であった。なお、電力消費量Ｅは、下式によって計算した。
【００８７】
電力消費量Ｅ［ｋＷｈ／ｍ３］＝ρｇＱ１Ｈ／（ηＱ２）
ここで用いた数値は次のとおりである。
ρ：各々のポンプに供給される水の密度（単位：ｋｇ／ｍ３）
ｇ：重力加速度（＝９．８ｍ／ｓ２）
Ｑ１：各々のポンプに供給される水の流量（単位：ｍ３／ｓ）
Ｑ２：淡水の流量（単位：ｍ３／ｈ）
Ｈ：各々のポンプの揚程（単位：ｍ）
η：各々のポンプのポンプ効率（＝０．８）
【００８８】
＜実施例２＞
図８に示す多段ナノろ過膜ユニット２０と多段逆浸透膜ユニット３０とから構成される膜使用脱塩装置（工程）を使用して塩水１０の淡水化を行った。多段ナノろ過膜ユニット２０において、第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られるナノろ過水を分流して、上流側から取り出される第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水２１２を第一段ナノろ過水２５（上流側ナノろ過水）として、下流側から取り出される第一段ナノろ過膜ユニット下流側ナノろ過水２１３を、第二段ナノろ過膜ユニット２２のナノろ過水と混合して第二段ナノろ過水２７（下流側ナノろ過水）として取り出した以外は図４の膜使用脱塩装置（工程）と同様の構成である。
【００８９】
この多段ナノろ過膜ユニット２０の第一段ナノろ過膜ユニット２１へ、ＮＦ高圧ポンプ２３で、塩水１０を１．７ＭＰａに昇圧して供給した。第一段ナノろ過膜ユニット２１のナノろ過水側には、第一段ナノろ過膜ユニットナノろ過水流量調整弁２１４によって０．２ＭＰａの背圧をかけて、第一段ナノろ過膜ユニット２１でのナノろ過を行った。このとき、多段ナノろ過膜ユニット２０での回収率は８０％で、その内訳は第一段ナノろ過膜ユニット２１で回収率５５％、第二段ナノろ過膜ユニット２２で回収率２５％であった。また、第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水として、第一段ナノろ過膜ユニット２１で得られたナノろ過水の内の５５％を取り出した。このときに得られたナノろ過水の水質を表４に示す。
【００９０】
第一段ナノろ過膜ユニット２１から得られた第一段ナノろ過水２５を、上流側ナノろ過水として、多段逆浸透膜ユニット３０へ供給した。ＲＯ高圧ポンプ３３で、上流側ナノろ過水を５．７ＭＰａに昇圧して第一段逆浸透膜ユニット３１に供給し、第一段逆浸透膜濃縮水３６をＲＯ昇圧ポンプ３４によってさらに９．５ＭＰａまで昇圧して第二段逆浸透膜ユニット３２に供給した。このとき、多段逆浸透膜ユニット３０での回収率は７５％であった。
【００９１】
第二段ナノろ過膜ユニット２２から得られた第二段ナノろ過水２７を、下流側ナノろ過水として、第二段逆浸透膜濃縮水３８と混合して、熱式蒸留ユニットへと供給した。このときの逆浸透処理工程での水質を表４に示す。
【００９２】
この場合において、熱式蒸留ユニットから排出されるブローダウンに含まれるカルシウムの濃度が、硫酸カルシウムの析出限界のカルシウム濃度である約９６５ｐｐｍの５０％程度である約５００ｐｐｍとなるように熱式蒸留ユニットの回収率を設定して、膜使用脱塩装置（工程）の電力消費量の計算を行った。電力消費量の計算結果を表３に示す。電力消費量は、ＮＦ高圧ポン２３、ＲＯ高圧ポンプ３３およびＲＯ昇圧ポンプ３４に必要な電力量を、得られた逆浸透処理水３９と蒸留水を混合した淡水の単位水量あたりの電力消費量として計算した。なお、硫酸カルシウムの析出限界濃度は、「膜利用ハンドブック」（大矢晴彦著）によると、硫酸カルシウムの２水和物（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）として約３，２８０ｐｐｍである。その結果、熱式蒸留ユニットの回収率は６９％となり、水量１．７６の蒸留水が得られ、水量２．７６の淡水が得られた。このとき、膜使用脱塩装置（工程）の電力消費量は、２．３１ｋＷｈ／ｍ３であった。
【００９３】
＜比較例１＞
実施例１の場合と同様にして得られた第一段ナノろ過膜ユニットナノろ過水２５と第二段ナノろ過膜ユニットナノろ過水２７とを、次工程に供給する方法を次のように変更した。
【００９４】
第一段ナノろ過膜ユニットナノろ過水２５と第二段ナノろ過膜ユニットナノろ過水２７とを混合して多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水とし、この多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水を５．８ＭＰａに昇圧して第一段逆浸透膜ユニット３１に供給した。第一段逆浸透膜濃縮水３６をＲＯ昇圧ポンプ３４によってさらに昇圧して第二段逆浸透膜ユニット３２へ供給した。この場合、実施例１と同様の多段逆浸透膜ユニット３０での回収率７５％を達成するためには第二段逆浸透膜ユニット３２への供給圧力が１０ＭＰａ以上必要であり、この供給圧力は逆浸透膜エレメントの耐圧性能の限界を超える高圧であって採用できない。従って、この場合には、多段逆浸透膜ユニット３０での回収率を７５％まで高めることは不可能であった。
【００９５】
＜比較例２＞
実施例１の場合と同様にして得られた第一段ナノろ過膜ユニットナノろ過水２５と第二段ナノろ過膜ユニットナノろ過水２７とを、次工程に供給する方法を次のように変更した。
【００９６】
第一段ナノろ過水２５と第二段ナノろ過水２７とを混合して多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水とし、この多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水の一部をＲＯ高圧ポンプ３３で５．８ＭＰａに昇圧して第一段逆浸透膜ユニット３１に供給した。第一段逆浸透膜濃縮水３６をＲＯ昇圧ポンプ３４によってさらに９．２ＭＰａまで昇圧して第二段逆浸透膜ユニット３２に供給した。このとき、多段逆浸透膜ユニット３０での回収率は７０％であった。
【００９７】
多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水の残部を、逆浸透膜濃縮水３８と混合して、熱式蒸留ユニットへ供給した。このときの逆浸透処理工程での水質を表２に示す。
【００９８】
この場合において、多段逆浸透膜ユニット３０から得られた逆浸透処理水３９の水量を１．０としたときの、流量比を表３に示す。つまり、水量２．５０の塩水を、多段ナノろ過ユニット２０へ供給して、第一段ナノろ過膜ユニット２１から水量１．３３の第一段ナノろ過水２５と、第二段ナノろ過膜ユニット２２から水量０．６７の第二段ナノろ過水２７とを合わせた水量２．００の多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水を得た。その一部である水量１．４３を多段逆浸透膜ユニット３０へ供給して、水量１．００の逆浸透処理水３９と、水量０．４３の第二段逆浸透膜濃縮水３８とに膜分離した。水量０．４３の第二段逆浸透膜濃縮水３８と、水量０．６７の多段ナノろ過膜ユニットナノろ過水残部とを混合した水量１．００を、熱式蒸留ユニットへ供給した。
【００９９】
この場合において、熱式蒸留ユニットから排出されるブローダウンに含まれるカルシウムの濃度が、硫酸カルシウムの析出限界のカルシウム濃度である約９６５ｐｐｍの５０％程度である約５００ｐｐｍとなるように熱式蒸留ユニットの回収率を設定して、膜使用脱塩装置（工程）の電力消費量の計算を行った。電力消費量の計算結果を表３に示す。電力消費量は、ＮＦ高圧ポン２３、ＲＯ高圧ポンプ３３およびＲＯ昇圧ポンプ３４に必要な電力量を、得られた逆浸透処理水３９と蒸留水を混合した淡水の単位水量あたりの電力消費量として計算した。なお、硫酸カルシウムの析出限界濃度は、「膜利用ハンドブック」（大矢晴彦著）によると、硫酸カルシウムの２水和物（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）として約３，２８０ｐｐｍである。
【０１００】
その結果、熱式蒸留ユニットの回収率は５５％となり、水量０．５５の蒸留水が得られ、水量１．５５の淡水が得られた。このとき、膜使用脱塩装置（工程）の電力消費量は、３．５７ｋＷｈ／ｍ３であり、実施例１、２よりもエネルギー効率が劣っていた。
【０１０１】
【表１】
2008100219.tif 000003
【０１０２】
【表２】
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【０１０３】
【表３】
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【０１０４】
【表４】
2008100219.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の脱塩方法を実施するための一実施態様を示す工程概略図である。
【図２】本発明の脱塩方法における多段ナノろ過膜ユニットの構成の一実施態様を示す工程概略図である。
【図３】１０のナノろ過エレメントを内設したナノろ過膜モジュールにおいて、各ナノろ膜エレメントから得られるナノろ過水の水質を示すグラフである。
【図４】本発明の脱塩方法を実施するための他の一実施態様を示す工程概略図である。
【図５】本発明の脱塩方法における多段ナノろ過膜ユニットの構成の他の一実施態様を示す工程概略図である。
【図６】本発明の脱塩方法における多段ナノろ過膜ユニットの構成の他の一実施態様を示す工程概略図である。
【図７】本発明の脱塩方法を実施するための他の一実施態様を示す工程概略図である。
【図８】本発明の脱塩方法を実施するための他の一実施態様を示す工程概略図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０、１１：塩水
２０：多段ナノろ過膜ユニット
２１：第一段ナノろ過膜ユニット
２１０：第一段ナノろ過膜モジュール
２１１：第一段ナノろ過膜エレメント
２１２：第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水
２１２ａ：第一段ナノろ過膜モジュール上流側ナノろ過水
２１３：第一段ナノろ過膜ユニット下流側ナノろ過水
２１４：第一段ナノろ過膜ユニット上流側ナノろ過水流量調整弁
２２：第二段ナノろ過膜ユニット
２２０：第二段ナノろ過膜モジュール
２２１：第二段ナノろ過膜エレメント
２２２：第二段ナノろ過膜ユニットナノろ過水
２３：ＮＦ高圧ポンプ
２４：ＮＦ昇圧ポンプ
２５：第一段ナノろ過水
２６：第一段ナノろ過膜濃縮水
２７：第二段ナノろ過水
２８：第二段ナノろ過膜濃縮水
３０：多段逆浸透膜ユニット
３１：第一段逆浸透膜ユニット
３２：第二段逆浸透膜ユニット
３３：ＲＯ高圧ポンプ
３４：ＲＯ昇圧ポンプ
３５：第一段逆浸透膜透過水
３６：第一段逆浸透膜濃縮水
３７：第二段逆浸透膜透過水
３８：第二段逆浸透膜濃縮水
３９：逆浸透処理水
４０：熱式蒸留ユニット
４１：蒸留水
４２：ブローダウン
４３：塩水供給弁
４４：第二段逆浸透膜濃縮水供給弁
４５：第二段逆浸透膜濃縮水放流弁
５０：熱交換器
５１：温廃水
【図１】
2008100219.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008100219.tif 000010
【図５】
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【図６】
2008100219.tif 000012
【図７】
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【図８】
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