(57)【要約】【課題】エネルギ効率の高い淡水化システムを提供する。【解決手段】淡水化システムＳは、第１逆浸透処理装置６と、第１逆浸透処理装置６の一次側に被処理水を圧送する高圧ポンプ５と、第１逆浸透処理装置６の一次側から流出する被処理水を昇圧する中間昇圧ポンプ７と、中間昇圧ポンプ７から自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過する第２逆浸透処理装置８と、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する被処理水の残圧を利用して中間昇圧ポンプ７に動力を付与するリカバリタービン１１と、中間昇圧ポンプ７とリカバリタービン１１とを接続／遮断するクラッチ１２と、リカバリタービン１１を介して流出する被処理水の残圧によって、高圧ポンプ５よりも上流側から分流する被処理水を昇圧し、第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送する容積型の動力回収装置１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆浸透膜を有し、自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第１逆浸透処理装置と、
前記第１逆浸透処理装置よりも上流側に配置され、前記第１逆浸透処理装置の一次側に被処理水を圧送する第１ポンプと、
前記第１逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水を昇圧する第２ポンプと、
逆浸透膜を有し、前記第２ポンプから自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第２逆浸透処理装置と、
前記第２逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水の残圧によって回転するタービン翼を有し、前記タービン翼の回転によって前記第２ポンプに動力を付与するリカバリタービンと、
前記第２ポンプと、前記リカバリタービンと、を接続／遮断するクラッチと、
前記リカバリタービンを介して流出する被処理水の残圧によって、前記第１ポンプよりも上流側から分流する被処理水を昇圧し、前記第１逆浸透処理装置の一次側に圧送する容積型の動力回収装置と、を備えること
を特徴とする淡水化システム。
【請求項２】
前記動力回収装置によって昇圧された被処理水をさらに昇圧し、前記第１逆浸透処理装置の一次側に圧送する第３ポンプを備えること
を特徴とする請求項１に記載の淡水化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜を用いて被処理水を淡水化する淡水化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的な気候変動や水不足の影響によって水のニーズが高まりつつあり、市場規模の拡大が見込まれている。特に、逆浸透処理装置の一次側に浸透圧を超える高圧で海水を流入させることで、逆浸透膜を介して二次側から透過水（淡水）を得る淡水化システムが注目されている。
ところで、逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水は、所定の残圧を有している。したがって、この被処理水が有する残圧を利用してシステム全体のエネルギ効率を高めることが望まれている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、海水を逆浸透膜モジュールに供給して淡水化し、この逆浸透膜モジュールから排出される海水を圧力伝達式エネルギ回収装置によって昇圧し、昇圧した海水を別の逆浸透膜モジュールに供給する海水淡水化方法について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８１９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、圧力伝達式エネルギ回収装置で回収したエネルギを利用して海水を昇圧する構成になっているが、システム全体のエネルギ効率をさらに高める余地がある。
【０００６】
そこで、本発明は、エネルギ効率の高い淡水化システム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】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係る淡水化システムは、逆浸透膜を有し、自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第１逆浸透処理装置と、前記第１逆浸透処理装置よりも上流側に配置され、前記第１逆浸透処理装置の一次側に被処理水を圧送する第１ポンプと、前記第１逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水を昇圧する第２ポンプと、逆浸透膜を有し、前記第２ポンプから自身の一次側に流入する被処理水を膜濾過し、二次側から透過水を流出させる第２逆浸透処理装置と、前記第２逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水の残圧によって回転するタービン翼を有し、前記タービン翼の回転によって前記第２ポンプに動力を付与するリカバリタービンと、前記第２ポンプと、前記リカバリタービンと、を接続／遮断するクラッチと、前記リカバリタービンを介して流出する被処理水の残圧によって、前記第１ポンプよりも上流側から分流する被処理水を昇圧し、前記第１逆浸透処理装置の一次側に圧送する容積型の動力回収装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エネルギ効率の高い淡水化システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る淡水化システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
≪実施形態≫
＜淡水化システムの構成＞
図１は、本実施形態に係る淡水化システムの構成図である。
淡水化システムＳは、第１逆浸透処理装置６の一次側、及び第２逆浸透処理装置８の一次側に高圧で被処理水（例えば、海水）を流入させ、各逆浸透処理装置６，８の二次側から透過水（淡水）を得るシステムである。
前記した「透過水」とは、逆浸透膜を介して被処理水を透過させることで得られる水であり、塩分などの不純物をほとんど含んでいない。
【００１１】
淡水化システムＳは、主として、取水ポンプ１と、前処理装置３と、高圧ポンプ５と、第１逆浸透処理装置６と、中間昇圧ポンプ７と、第２逆浸透処理装置８と、リカバリタービン１１と、クラッチ１２と、動力回収装置１３と、ブースタポンプ１６と、を備えている。
【００１２】
図１に示すように、上流側から順に、取水ポンプ１、取水タンク２、前処理装置３、ＲＯ（Reverse Osmosis）原水タンク４、高圧ポンプ５、及び第１逆浸透処理装置６が、各配管を介して順次接続されている。なお、第１逆浸透処理装置６よりも下流側の接続関係については後記する。
【００１３】
取水ポンプ１は、取水口から配管ａ１を介して被処理水を取水するポンプである。
取水タンク２は、取水ポンプ１から配管ａ２を介して流入する被処理水を一時的に貯留するタンクである。
前処理装置３は、取水タンク２から配管ａ３を介して流入する海水から不純物を除去するための前処理を行う装置である。前記した前処理として、例えば、薬品添加処理、凝集磁気分離処理、砂濾過処理、限外濾過処理がある。なお、前記した各前処理の詳細については説明を省略する。
ＲＯ原水タンク４は、前処理装置３から配管ａ４を介して流入する被処理水を一時的に貯留するタンクである。
【００１４】
高圧ポンプ５（第１ポンプ）は、ＲＯ原水タンク４から配管ａ５を介して流入する被処理水を第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送するポンプである。高圧ポンプ５は、第１逆浸透処理装置６よりも上流側に配置され、その吐出口は配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に接続されている。
なお、高圧ポンプ５の加圧力は、第１逆浸透処理装置６が有する逆浸透膜を介して、当該第１逆浸透処理装置６の一次側から二次側に被処理水を透過させ得る所定圧力に設定されている。
【００１５】
第１逆浸透処理装置６は、高圧ポンプ５から配管ａ６を介して流入する被処理水を膜濾過する装置である。第１逆浸透処理装置６は、図示は省略するが、円筒状を呈するベッセルと、ベッセルの中心軸線に沿って配置される集水配管と、集水配管の径方向外側に配置されるＲＯエレメントと、を有している。
集水配管には、透過水を通流させるための孔が複数設けられている。ＲＯエレメントは、例えば、前記した孔を覆うように集水配管に巻回される逆浸透膜であり、その外周面はベッセルの内周壁に密着している。逆浸透膜は、浸透圧を超える所定圧力で流入する被処理水のうち水を透過させ、イオンや塩類など水以外の不純物を透過させない性質を有している。
【００１６】
なお、第１逆浸透処理装置６の「一次側」とは、前記したベッセル内の空間においてＲＯエレメントよりも上流側の領域を意味している。また、第１逆浸透処理装置６の「二次側」とは、前記した集水配管内の領域を意味している。
ちなみに、第１逆浸透処理装置６が複数（例えば、３個）のＲＯエレメントを備える場合、各ＲＯエレメントは、前記したベッセルの軸方向において所定間隔を空けて直列に配置される。
【００１７】
第１逆浸透処理装置６が有する集水配管は、その下流端が配管ａ７を介して透過水タンク９に接続されている。被処理水が配管ａ６を介してベッセル内に圧送されると、一部の被処理水がＲＯエレメントを透過し、前記した孔部を介して集水配管内に流入する。この透過水は、集水配管及び配管ａ７を介して透過水タンク９に貯留される。
【００１８】
また、第１逆浸透処理装置６のベッセルには、ＲＯエレメントを透過しなかった被処理水が通流する配管ａ８が接続されている。ＲＯエレメントを透過しなかった被処理水は、配管ａ８を介して中間昇圧ポンプ７に向かう。
【００１９】
中間昇圧ポンプ７（第２ポンプ）は、第１逆浸透処理装置６の一次側から配管ａ８を介して流入する被処理水を昇圧するポンプである。中間昇圧ポンプ７の吸入口は配管ａ８を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に接続され、吐出口は配管ａ９を介して第２逆浸透処理装置８の一次側に接続されている。
【００２０】
中間昇圧ポンプ７は、図示は省略するが、回転することで被処理水を昇圧する羽根車と、この羽根車を回転させる電動機と、を有している。前記した電動機の回転子には、駆動軸が圧入固定されている。この駆動軸は、軸受によって回転可能に軸支され、その一端がクラッチ１２に連結されている。
【００２１】
第２逆浸透処理装置８は、中間昇圧ポンプ７から配管ａ９を介して流入する被処理水を膜濾過する装置であり、第１逆浸透処理装置６と同様の構成を備えている。なお、塩分濃度の比較的高い被処理水から最大限の透過水を得るために、第２逆浸透処理装置８が有するＲＯエレメントの個数を第１逆浸透処理装置６よりも多くすることが好ましい。
【００２２】
第２逆浸透処理装置８の一次側には、当該第２逆浸透処理装置８のＲＯエレメントを透過しなかった塩分濃度の高い被処理水（以下、濃縮水という。）が通流する配管ａ１０が接続されている。第２逆浸透処理装置８の二次側には、当該第２逆浸透処理装置８のＲＯエレメントを透過した水（透過水）が通流する配管ａ１１が接続されている。
【００２３】
透過水タンク９は、第１逆浸透処理装置６の二次側から配管ａ７を介して流入する透過水と、第２逆浸透処理装置８の二次側から配管ａ１１を介して流入する透過水と、を一時的に貯留するタンクである。
送水ポンプ１０は、透過水タンク９から配管ａ１２を介して流入する透過水を、配管ａ１３を介して需要側に圧送するポンプである。ちなみに、需要側とは、淡水化システムＳの近隣の工業地域、農業地域、都市である。
【００２４】
リカバリタービン１１は、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧によってタービン翼を回転させ、中間昇圧ポンプ７に動力を付与する装置である。リカバリタービン１１は、その流入口が配管ａ１０を介して第２逆浸透処理装置８の一次側に接続され、流出口が配管ａ１４を介して動力回収装置１３の一次側に接続されている。
【００２５】
リカバリタービン１１は、図示は省略するが、濃縮水の残圧で回転するタービン翼と、タービン翼等を収容するケーシングと、タービン翼の回転中心に圧入固定された軸部材と、を備えている。この軸部材は、軸受を介して回転可能に軸支され、ケーシングを貫通してクラッチ１２に連結されている。そして、濃縮水の残圧によってタービン翼及び軸部材が一体で回転し、中間昇圧ポンプ７に動力を付与するようになっている。
【００２６】
クラッチ１２は、中間昇圧ポンプ７が有する電動機と、リカバリタービン１１が有するタービン翼と、を接続／遮断するものである。
例えば、高圧ポンプ５及び中間昇圧ポンプ７の起動直後は、第２逆浸透処理装置８の一次側に流入する被処理水の圧力が低いため、クラッチ１２は遮断されている。この場合、中間昇圧ポンプ７はリカバリタービン１１からのアシストなしで駆動する。
【００２７】
一方、高圧ポンプ５及び中間昇圧ポンプ７が定格運転の状態に達したら、クラッチ１２が接続される。この場合、リカバリタービン１１のタービン翼の回転に伴うトルクがクラッチ１２を介して中間昇圧ポンプ７に伝達される。つまり、中間昇圧ポンプ７の駆動がリカバリタービン１１によってアシストされるようになっている。
【００２８】
動力回収装置１３（Energy Recovery Device：ＥＲＤ）は、リカバリタービン１１を介して流入する濃縮水の残圧を利用して、高圧ポンプ５よりも上流側の配管ａ５から分流する被処理水を昇圧する装置である。
図１に示すように、動力回収装置１３は、一次側流入口が配管ａ１４を介してリカバリタービン１１に接続され、一次側流出口が配管ａ１５を介して濃縮水タンク１４に接続されている。また、動力回収装置１３は、二次側流入口が配管ａ１８を介して配管ａ５（高圧ポンプ５の上流側）に接続され、二次側流出口が配管ａ１９を介してブースタポンプ１６の吸入口に接続されている。
【００２９】
動力回収装置１３は、濃縮水の残圧を利用してシリンダ内のピストンを動かすことで動力を回収する容積型の動力回収装置である。このような動力回収装置１３として、例えば、ＤＷＥＥＲ（Dual Work Energy Exchanger）型エネルギ回収装置や、ＰＸ（Pressure Exchanger）型エネルギ回収装置等、公知のものを用いることができる。
【００３０】
ＤＷＥＥＲ型エネルギ回収装置は、図示は省略するが、複数本の円筒状の圧力容器を有している。それぞれの圧力容器内には、配管ａ１４を介して流入する濃縮水と、配管ａ１８を介して流入する被処理水と、を仕切るピストンが設けられている。そして、動力回収装置１３内で一次側の濃縮水が通流する向きと、二次側の被処理水が通流する向きとを切替手段によって交互に切り替えることで、前記したピストンを往復させるようになっている。これによって、濃縮水が有する残圧をエネルギとして回収し、被処理水を効率的に昇圧することができる。
【００３１】
ＰＸ型エネルギ回収装置は、図示は省略するが、レボルバ状の円筒回転体を複数備えている。そして、動力回収装置１３内で一次側の濃縮水が通流する向きと二次側の被処理水が通流する向きとを切替手段によって切り替えることで、濃縮水が有する残圧をエネルギとして回収し、被処理水を昇圧するようになっている。
【００３２】
このように淡水化システムＳは、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧を利用し、リカバリタービン１１によって中間昇圧ポンプ７の駆動をアシストするとともに、動力回収装置１３によって被処理水を昇圧するようになっている。
【００３３】
濃縮水タンク１４は、動力回収装置１３の一次側から配管ａ１５を介して流入する濃縮水を一時的に貯留するタンクである。
排水ポンプ１５は、濃縮水タンク１４から配管ａ１６を介して流入する濃縮水を圧送するポンプである。排水ポンプ１５から吐出された濃縮水は、配管ａ１７を介して排水口から海などに排出される。
【００３４】
ブースタポンプ１６（第３ポンプ）は、動力回収装置１３によって昇圧された被処理水をさらに昇圧し、第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送するポンプである。ブースタポンプ１６の吸入口は、前記したように、配管ａ１９を介して動力回収装置１３の二次側流出口に接続され、吐出口は配管ａ２０，ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に接続されている。
なお、ブースタポンプ１６によって昇圧された被処理水は、高圧ポンプ５から吐出される被処理水と合流し、合流した被処理水は配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送される。
【００３５】
＜淡水化システムの動作＞
淡水化システムＳのうちＲＯ原水タンク４よりも下流側の動作について説明する。
例えば、配管ａ５を通流する０．４［ＭＰａ］の被処理水は、高圧ポンプ５によって５．２［ＭＰａ］まで昇圧される。
配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に流入する被処理水のうち、一部は第１逆浸透処理装置６の逆浸透膜を透過して二次側に流出し、さらに配管ａ７を介して透過水タンク９に貯留される。一方、第１逆浸透処理装置６の逆浸透膜を透過しなかった被処理水は、例えば、５．０［ＭＰａ］の残圧を有している。このように第１逆浸透処理装置６の一次側を通流する過程で、被処理水の圧力はほとんど低下しない。
【００３６】
配管ａ８を通流する５．０［ＭＰａ］の被処理水は、中間昇圧ポンプ７によって、例えば、７．２［ＭＰａ］まで昇圧される。このように中間昇圧ポンプ７の吐出圧力（７．２［ＭＰａ］）が、高圧ポンプ５の吐出圧力（５．２［ＭＰａ］）よりも高くなるように設定されている。これは、第２逆浸透処理装置８において、塩分濃度の比較的高い被処理水から最大限の透過水を得るためである。
【００３７】
中間昇圧ポンプ７によって昇圧された被処理水は、配管ａ９を介して第２逆浸透処理装置８の一次側に流入する。
第２逆浸透処理装置８の一次側に流入する被処理水のうち、一部は当該第２逆浸透処理装置８の逆浸透膜を透過して二次側に流出し、さらに配管ａ１１を介して透過水タンク９に貯留される。一方、第２逆浸透処理装置８の逆浸透膜を透過しなかった被処理水（濃縮水）は、例えば、７．０［ＭＰａ］の残圧を有している。この濃縮水は、配管ａ１０を介してリカバリタービン１１に流入する。
【００３８】
リカバリタービン１１において、例えば、１．８［ＭＰａ］分の動力が回収された場合、配管ａ１４を介して５．２［ＭＰａ］の濃縮水が動力回収装置１３の一次側に流入する。
配管ａ１８を介して動力回収装置１３の二次側に流入する０．４［ＭＰａ］の被処理水は、一次側を通流する濃縮水の残圧（５．２［ＭＰａ］）によって、例えば、５．０［ＭＰａ］まで昇圧される。
なお、動力回収装置１３の一次側に流入する濃縮水と、二次側から流出する被処理水との圧力差（０．２［ＭＰａ］）は、前記したピストンを往復させる際の圧力損失である。このように、容積型の動力回収装置１３を用いることによって、非常に高効率（例えば、９５％以上）で濃縮水のエネルギを回収できる。
【００３９】
配管ａ１９を通流する５．０［ＭＰａ］の被処理水は、ブースタポンプ１６によって、例えば、５．２［ＭＰａ］まで昇圧される。つまり、ブースタポンプ１６は、高圧ポンプ５の吐出圧力（５．２［ＭＰａ］）と略同一の圧力まで被処理水を昇圧する役割を担っている。
配管ａ２０を通流する被処理水は、高圧ポンプ５から吐出される被処理水と合流する。このようにして合流した被処理水は、配管ａ６を介して第１逆浸透処理装置６の一次側に圧送される。
【００４０】
＜効果＞
本実施形態に係る淡水化システムＳによれば、第１逆浸透処理装置６と、第２逆浸透処理装置８と、を用いて淡水化を二段階で行うことで、被処理水の供給量に対する透過水の造水量（つまり、回収率）を高めることができる。
また、第１逆浸透処理装置６の一次側から流出する被処理水を中間昇圧ポンプ７によって昇圧することで、塩分濃度の比較的高い被処理水から多くの透過水を得ることができる。
【００４１】
また、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧を利用し、リカバリタービン１１及び動力回収装置１３によって二段階で動力回収を行うことで、淡水化システムＳのエネルギ効率を高めることができる。さらに、容積型の動力回収装置１３を用いることで、前記したように、非常に高効率で濃縮水のエネルギを回収できる。
【００４２】
なお、容積型の動力回収装置１３は、一次側を通流する濃縮水の圧力によってピストンを押し込み、二次側を通流する被処理水を昇圧する構成になっている。したがって、配管ａ１４を介して一次側に流入する濃縮水の圧力（例えば、５．２［ＭＰａ］）と、二次側から配管ａ１９を介して流出する被処理水の圧力（例えば、５．０［ＭＰａ］）と、の比は略１：１になる。
仮に、リカバリタービン１１及びクラッチ１２を設けず、第２逆浸透処理装置８の一次側から動力回収装置１３の一次側に向けて直接的に濃縮水を供給する場合、次のような事態が生じる。すなわち、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧が非常に高いため（例えば、７．０［ＭＰａ］）、動力回収装置１３の二次側から配管ａ１９を介して流出する被処理水の圧力も高くなる（例えば、６．８［ＭＰａ］）。この場合、配管ａ１９，ａ２０を通流する被処理水の圧力が、高圧ポンプ５の吐出圧力（例えば、５．２［ＭＰａ］）よりも高くなり、被処理水が高圧ポンプ５側に逆流する可能性がある。
【００４３】
このような事態を避けるために、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水を減圧する減圧弁（図示せず）を設け、例えば、５．２［ＭＰａ］まで減圧した濃縮水を動力回収装置１３の一次側に流入させる構成も考えられる。しかしながら、このような構成では、前記した減圧弁を通流する過程で濃縮水の運動エネルギが無駄に消費され、システム全体のエネルギ効率が低くなってしまう。
【００４４】
これに対して本実施形態では、前記したように、第２逆浸透処理装置８の一次側から流出する濃縮水の残圧を利用して、リカバリタービン１１から中間昇圧ポンプ７に動力を付与する構成になっている。したがって、中間昇圧ポンプ７の消費電力を従来よりも低減し、淡水化システムＳのエネルギ効率を高めることができる。
【００４５】
≪変形例≫
以上、本発明に係る淡水化システムＳについて前記実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記実施形態では、高圧ポンプ５から吐出される被処理水を第１逆浸透処理装置６で膜濾過し、膜濾過された被処理水（透過水）を透過水タンク９に供給する構成について説明したが、これに限らない。例えば、複数の第１逆浸透処理装置（図示せず）を並列接続し、高圧ポンプ５から吐出される被処理水が各第１逆浸透処理装置の一次側に分流するように配管を接続してもよい。この場合、各第１逆浸透処理装置の一次側から流出する被処理水が合流して中間昇圧ポンプ７に向かうように配管を接続する。なお、第２逆浸透処理装置８に関しても同様のことがいえる。
【００４６】
また、前記各実施形態は、海水を淡水化する場合について説明したが、これに限らない。例えば、工業排水を浄化処理する場合にも適用できる。この場合、工業用水の水質に応じて前処理装置３で所定の前処理を行った後、第１逆浸透処理装置６及び第２逆浸透処理装置８を用いて透過水を得ることが好ましい。
【００４７】
前記実施形態では、動力回収装置１３の二次側から流出する被処理水を昇圧するブースタポンプ１６を設ける構成について説明したが、ブースタポンプ１６を省略してもよい。この場合、動力回収装置１３の二次側から流出する被処理水の圧力が、高圧ポンプ５の吐出圧力に等しくなるように、中間昇圧ポンプ７の吐出圧力を高めに設定することが好ましい。
【符号の説明】
【００４８】
Ｓ  淡水化システム
１  取水ポンプ
２  取水タンク
３  前処理装置
４  ＲＯ原水タンク
５  高圧ポンプ（第１ポンプ）
６  第１逆浸透処理装置
７  中間昇圧ポンプ（第２ポンプ）
８  第２逆浸透処理装置
９  透過水タンク
１０  送水ポンプ
１１  リカバリタービン
１２  クラッチ
１３  動力回収装置
１４  濃縮水タンク
１５  排水ポンプ
１６  ブースタポンプ（第３ポンプ）
【図１】
2016016344.tif 000003