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WO2013031544A1 - 海水淡水化システムおよび海水淡水化方法 - Google Patents

海水淡水化システムおよび海水淡水化方法 Download PDF

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WO2013031544A1
WO2013031544A1 PCT/JP2012/070794 JP2012070794W WO2013031544A1 WO 2013031544 A1 WO2013031544 A1 WO 2013031544A1 JP 2012070794 W JP2012070794 W JP 2012070794W WO 2013031544 A1 WO2013031544 A1 WO 2013031544A1
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WO
WIPO (PCT)
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seawater
membrane
sewage
water
seawater desalination
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2012/070794
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English (en)
French (fr)
Inventor
暁 佐々木
能登　一彦
関根　康記
光太郎 北村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Plant Technologies Ltd filed Critical Hitachi Plant Technologies Ltd
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Priority to SG2014003578A priority patent/SG2014003578A/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies

Definitions

  • the present invention relates to a seawater desalination system and a seawater desalination method for desalinating seawater and sewage.
  • seawater desalination system S100 shown in FIG. 6 as a system which desalinates seawater and sewage.
  • Production of production water s101 (industrial water) using sewage in the seawater desalination system S100 is performed as follows.
  • the salinity of sewage is about 0.1%.
  • MBR Membrane Bioreactor
  • MBR permeated water that has permeated MBR101 is sent to low-pressure RO membrane by pump p102.
  • Reverse Osmosis Membrane Reverse osmosis membrane
  • the MBR permeated water that has passed through the MBR 101 is low at a salinity of about 0.1%, so that the low pressure RO membrane 102 is a low pressure RO membrane of about 1 to 2 MPa (megapascal).
  • the MBR permeated water sent by the pump p102 is desalinated by permeating the low-pressure RO membrane 102, almost half is produced as production water s101 (industrial water), and the other half is concentrated water s104 containing impurities such as salt. As separated and removed.
  • Concentrated water s104 having a volume of about 1 ⁇ 2 of sewage concentrated to a salt concentration of about 0.2% containing impurities such as salt removed by the low-pressure RO membrane 102 is sent from the low-pressure RO membrane 102 to the agitation tank 104. .
  • Production of industrial water as production water s102 from seawater in the seawater desalination system S100 is performed as follows.
  • the salinity of seawater is about 3-4%.
  • Seawater is sent to a UF membrane (Ultrafiltration Membrane) 103 by a pump p103, and the particles are removed by the UF membrane 103 and sent to a stirring tank 104.
  • the UF membrane-permeated seawater that has passed through the UF membrane 103 and the concentrated water s104 having a volume of about 1 ⁇ 2 of the sewage concentrated from the sewage by the low-pressure RO membrane 102 are stirred, and then pumped. Water is sent to the medium pressure RO membrane 105 by p104.
  • the UF membrane permeated seawater that has passed through the UF membrane 103 has a salinity of 3-4%, but is diluted with concentrated water s104 having a salinity of about 0.2%.
  • An RO membrane (reverse osmosis membrane) of about 3-5 MPa is used.
  • the mixed water s103 fed from the agitation tank 104 to the intermediate pressure RO membrane 105 by the pump p104 is desalinated by passing through the intermediate pressure RO membrane 105, and about half of the production water s102 (industrial water) is desalinated. ) And the remaining half is separated and removed as brine s105 containing impurities such as salt. That is, the production water s102 (industrial water) is produced with a capacity of about 1/2 of seawater plus about 1/4 of sewage.
  • the brine s105 is removed and drained with a capacity of about 1/2 of seawater plus about 1/4 of sewage.
  • the pressure energy of the brine s105 is recovered as rotational energy by the power recovery device 106 and used as a power source (energy source) for sending pressure to the intermediate pressure RO membrane 105 of a part of the mixed water s103 that bypasses the pump p104. It is done.
  • seawater desalination system S200 shown in FIG.
  • the seawater desalination system S200 is configured such that the sewage concentrated water s104 in the seawater desalination system S100 of FIG. 6 is not sent to the agitation tank 204, and sewage desalination and seawater desalination are configured independently. .
  • seawater desalination system S200 particles of the seawater are removed by the UF membrane 203, but are not diluted with the water from the sewage (the concentrated water s104 of the sewage in FIG. 6) in the stirring tank 204, so the salinity is about 3 It is as high as 4%. Therefore, a high pressure RO membrane 205 which is a high pressure RO membrane (reverse osmosis membrane) of about 6 to 8 MPa is used.
  • sewage passes through the low-pressure RO membrane 202 to be desalinated, and about half of the sewage production water s201 (industrial water) is obtained.
  • the seawater has its particles removed by the UF membrane 203, passes through the high-pressure RO membrane 205, and is desalinated, so that production water s203 (drinking water) in half the amount of seawater is obtained. Since the other configuration is the same as that of the seawater desalination system S100 of FIG. 6, the components of the seawater desalination system S100 are denoted by reference numerals in the 200s and detailed description thereof is omitted.
  • the conventional seawater desalination system S100 (see FIG. 6) has the following advantages over the seawater desalination system S200 (see FIG. 7).
  • the waste water (concentrated water s104) separated and removed in the process of producing the production water s101 from the sewage is used in the process of producing the production water s102 from the seawater. Therefore, there is an advantage that the production amount of production water from seawater can be increased. Specifically, when wastewater from the sewage (concentrated water s104) is not used, the production water from seawater has a capacity of about 1/2 that of seawater, but the volume of the sewage is increased to about 1/2. Therefore, a large amount of industrial water can be taken from the production water s102.
  • seawater (salt concentration of about 3 to 4%) is added to the concentrated water s104 (salt concentration of about 0.2%) separated by the low-pressure RO membrane 102 of the sewage, so the seawater is diluted and the salinity is increased. descend. Therefore, when wastewater from the sewage (concentrated water s104) is not used, seawater has a high salinity, so the high-pressure RO membrane 205 was necessary, but the medium-pressure RO was diluted with the concentrated water s104. The membrane 105 is sufficient, and the power of the pump p104 can be reduced as compared with the case of the high-pressure RO membrane 205.
  • the conventional seawater desalination systems S100 and S200 have the following problems.
  • the permeability of the UF membrane or RO membrane is highly dependent on the temperature of the permeated liquid.
  • Seawater desalination systems S100 and S200 desalinate seawater, but the seawater may be cold in some countries and regions.
  • the seawater permeability of the UF membrane 103 and the medium pressure RO membrane 105 is reduced due to an increase in viscosity due to low temperature seawater. Therefore, extra power is required for the pumps p103 and p104 to allow low temperature seawater to permeate the UF membrane 103 and the medium pressure RO membrane 105, resulting in a problem that the power is increased.
  • the seawater permeability of the UF membrane 203 and the high-pressure RO membrane 205 decreases due to low-temperature seawater. Therefore, in order to permeate low-temperature seawater through the UF membrane 203 and the high-pressure RO membrane 205, the power of the pumps p203 and p204 is necessary and there is a problem that the power increases.
  • the concentrated water s104 separated by the low-pressure RO membrane 102 of the seawater desalination system S100 is pumped by the pump p102, but the pressure energy of the concentrated water s104 is not utilized.
  • the brine s202 separated by the low pressure RO membrane 202 of the seawater desalination system S200 is pressurized by the pump p202, but the pressure energy of the brine s202 is not utilized. Therefore, it cannot be said that energy is used effectively.
  • seawater desalination systems S100 and S200 have four pumps, which require pump manufacturing costs, installation costs, maintenance costs, etc., and may increase costs.
  • an object of the present invention is to provide a seawater desalination system and a seawater desalination method that can effectively use energy and have low energy costs.
  • a seawater desalination system is a seawater desalination system for desalinating seawater and sewage, wherein the heat exchanger exchanges heat between the sewage or its treated water and the seawater. It has.
  • the seawater desalination method of claim 6 is a method for realizing the seawater desalination system of claim 1.
  • the seawater desalination system according to claim 2 is a seawater desalination system for desalinating seawater and sewage, wherein the membrane separation activated sludge treatment apparatus treats the sewage by a membrane separation activated sludge method, and the membrane separation activated sludge.
  • the permeated water that has passed through the treatment device is permeated, and the salt content thereof is contained in the first concentrated water to be removed, and at the same time, the first RO membrane that generates industrial water and the seawater are permeated to remove particles in the seawater.
  • the seawater desalination method of claim 7 is a method for realizing the seawater desalination system of claim 2.
  • seawater desalination system and seawater desalination method of the present invention a seawater desalination system and seawater desalination method that can effectively use energy and have low energy costs can be realized.
  • FIG. 1 It is a notional block diagram of the seawater desalination system of Embodiment 1 which concerns on this invention. It is a conceptual diagram which shows the variation of the heat exchanger in the seawater desalination system of Embodiment 1, (a) is a conceptual diagram which shows the heat exchanger which sends seawater to the flow path of sewage, and heat-exchanges, (b) FIG. 2 is a conceptual diagram showing a heat exchanger that exchanges heat by sending sewage to a seawater channel, and (c) is a heat exchanger that exchanges heat by sending a heat medium to the sewage channel and seawater channel. FIG. It is a figure which shows the position which heat-exchanges sewage in the seawater desalination system of Embodiment 1. FIG.
  • FIG. 2 It is a notional block diagram which shows the seawater desalination system of Embodiment 2.
  • FIG. It is a notional block diagram which shows the seawater desalination system of Embodiment 3.
  • FIG. It is a notional block diagram which shows the conventional seawater desalination system. It is a notional block diagram which shows the other conventional seawater desalination system.
  • FIG. 1 is a conceptual configuration diagram of a seawater desalination system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the seawater desalination system S according to Embodiment 1 includes an MBR (Membrane Bioreactor) 1 that treats sewage by a membrane separation activated sludge method to produce industrial water s1 from sewage, and salt and ions contained in the sewage. And a low pressure RO membrane (Reverse Osmosis Membrane) 2 that removes impurities and desalinates the water.
  • MBR Membrane Bioreactor
  • RO membrane Reverse Osmosis Membrane
  • the MBR1 performs solid-liquid separation to separate and remove activated sludge from sewage.
  • the RO membrane reverse osmosis membrane
  • the low-pressure RO membrane 2 is a low-pressure RO membrane that removes the salinity and the like with a relatively low permeation pressure of about 1 to 2 MPa (megapascal) since the salinity of the sewage is as low as about 0.1%.
  • the seawater desalination system S has a UF membrane (Ultrafiltration Membrane) 3 that removes particles contained in seawater and a UF membrane 3 to remove particles in order to produce drinking water s2 from seawater.
  • a high-pressure RO membrane 5 that removes impurities such as salt and ions contained in the seawater agitated in the agitation tank 4 from which particles have been removed and desalinates the water. is doing.
  • the agitation tank 4 also has a role of storing the seawater supplied to the pump p4 to enable stable operation of the pump p4.
  • the UF membrane (ultrafiltration membrane) 3 allows the seawater to permeate and performs molecular level sieving according to the pore size of the membrane and the molecular size of the substance to be removed in the seawater, thereby removing particles in the seawater.
  • the high-pressure RO membrane 5 is a high-pressure RO membrane that removes salt and the like with a relatively high permeation pressure and about 6 to 8 MPa (megapascal) because the salt concentration of seawater is about 3 to 4%.
  • the sewage used for the seawater desalination system S flows in the ground, for example, in a temperate region, it is relatively warm and has a temperature of about 15 to 20 ° C.
  • the seawater used in the seawater desalination system S is exposed to the atmosphere, it is easily affected by climate change, that is, it is easily affected by temperature fluctuation, and it may be as low as about 10 ° C in the beginning of autumn. is there.
  • the UF membrane 3 and the high-pressure RO membrane 5 used for desalinating seawater have high temperature dependency of the permeated liquid, and the permeability is low when the temperature is low, while the permeability is high when the temperature is high. It tends to be high.
  • the seawater desalination system S includes a heat exchanger 6 that performs heat exchange to give the heat of sewage to the seawater.
  • the heat exchanger 6 separates sewage flowing through the flow path r11 upstream of the MBR1 in the path for desalinating sewage and seawater flowing through the flow path r2 upstream of the UF membrane 3 in the path for desalinating seawater. Heat exchange is performed, and the heat of sewage is given to seawater by heat exchange.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing variations of the heat exchanger in the seawater desalination system.
  • FIG. 2A is a conceptual diagram showing a heat exchanger that exchanges heat by flowing seawater through a sewage flow path
  • FIG. 2B is a conceptual diagram that shows a heat exchanger that exchanges heat by flowing sewage through a flow path of seawater.
  • FIG. 2 (c) is a conceptual diagram showing a heat exchanger that exchanges heat by flowing a heat medium through a flow path of sewage and a flow path of seawater.
  • the heat exchanger 6A shown in FIG. 2 (a) causes the seawater in the flow path r2 upstream of the UF membrane 3 to flow in the sewage flow path r11 upstream of the MBR1, thereby exchanging the heat of the sewage by the heat exchange. It is the composition given to.
  • the heat exchanger 6B shown in FIG. 2 (b) causes the sewage heat to flow into the seawater by heat exchange by flowing the sewage of the flow path r11 upstream of the MBR1 into the flow path r2 of seawater upstream of the UF membrane 3. It is the structure which gives.
  • the heat exchanger 6C shown in FIG. 2 (c) pumps a liquid heat medium n that easily transfers heat into the sewage flow path r11 upstream of the MBR1 and the seawater flow path r2 upstream of the UF membrane 3. And the heat of the sewage in the flow path r11 upstream of the MBR1 is carried by the heat medium n and given to the seawater in the flow path r2 upstream of the UF membrane 3.
  • FIG. 1 illustrates the case where the heat exchanger 6 is disposed downstream of the pump p1 of the sewage flow path r11 and downstream of the pump p3 of the seawater flow path r2, but the heat exchanger 6 is Can be arranged regardless of the upstream and downstream of the pump p1 of the flow path r11, and can be arranged regardless of the upstream and downstream of the pump p3 of the seawater flow path r2.
  • the downstream side of the pump p3 of the seawater flow path r2 is the pressure feeding force to the seawater sewage flow path r11 (in the flow path r11). (Pumping force to a coil or the like placed) is more preferable.
  • the heat exchanger 6A may be disposed either upstream or downstream of the pump p1 of the sewage flow path r11.
  • the downstream of the pump p1 of the sewage flow path r11 provides a pumping force to the sewage seawater flow path r2.
  • the heat exchanger 6B may be disposed either upstream or downstream of the pump p3 in the seawater flow path r2.
  • any type of heat exchanger such as a counter flow heat exchanger, a parallel flow heat exchanger, or a cross flow heat exchanger, may be selected and used as the heat exchanger 6.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a position where the sewage exchanges heat with seawater in the seawater desalination system.
  • the position where sewage is heat-exchanged with seawater is the position A of the sewage flow path r11 upstream of the MBR1, the position B of the flow path r12 after permeating the MBR1, and the low pressure RO membrane 2.
  • the position C of the flow path r13 of the brine s6 or the position D of the flow path r14 after passing through the low-pressure RO membrane 2 may be used.
  • the upstream side of the sewage flow path is thermally preferable in the order of the position A, the position B, the position C, and the position D on the upstream side because the sewage has more heat.
  • the sewage is pumped into the seawater desalination system S by the pump p1, exchanges heat with the seawater flowing through the flow path r2 via the heat exchanger 6, gives heat to the seawater, and is sent to the MBR1. Sewage passes through MBR1 to remove activated sludge flocs and bacteria.
  • the MBR permeated water s5a that has passed through the MBR1 is sent to the low-pressure RO membrane 2 by the pump p2, and passes through the low-pressure RO membrane 2, thereby removing the brine s6 containing impurities such as salt and ions, and desalinating it.
  • Industrial water s1 is produced.
  • the industrial water s1 is obtained about 1/2 of the sewage, while the remainder of the sewage, that is, about 1/2 of the sewage, is removed as the brine s6 containing impurities such as salt and ions.
  • seawater desalination system S the process of making drinking water s2 which is production water from seawater will be described.
  • the seawater is pumped into the seawater desalination system S by the pump p 3, warmed by the heat of the sewage through the heat exchanger 6, and fed to the UF membrane 3.
  • Seawater warmed by the heat exchanger 6 passes through the UF membrane 3 and particles in the seawater are removed.
  • the UF membrane permeated seawater s5b which is seawater from which particles have been removed by the UF membrane 3, is stirred and made uniform in the stirring tank 4.
  • the stirred UF membrane permeated seawater s5b is sent to the high pressure RO membrane 5 by the pump p4.
  • the UF membrane-permeated seawater s5b is produced as a brine s7 containing almost half of the salt or impurities such as ions, and the other half is produced as desalinated drinking water s2.
  • seawater desalination system S of the first embodiment in the heat exchanger 6, low-temperature seawater recovers and heats the heat of sewage at a temperature higher than seawater.
  • Each RO membrane 5 can be easily and satisfactorily permeated.
  • each motive power of the pumps p3 and p4 for pumping seawater can be reduced. Therefore, energy saving of the seawater desalination system S can be realized.
  • FIG. 4 is a conceptual configuration diagram illustrating the seawater desalination system according to the second embodiment.
  • the seawater desalination system 2S according to the second embodiment is provided with an energy recovery device 21 that recovers pressure energy of the brine s6 of the seawater desalination system S according to the first embodiment. Since other configurations are the same as the seawater desalination system S of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the seawater desalination system 2S includes an energy recovery device 21 that recovers the pressure energy of the brine s6 removed by the low-pressure RO membrane 2 as electrical energy or rotational energy (mechanical energy).
  • the energy recovery device 21 recovers mechanical energy as electrical energy (electric power) by, for example, generating small hydraulic power from the pressure energy of the brine s6 using a water wheel or a gear.
  • the electric power recovered by the energy recovery device 21 is used as electric power of a pump p3 that pumps seawater to the UF membrane 3 (indicated by a broken line in FIG. 4). In addition, you may divert not to use as electric power of pump p3 but to other electric power.
  • the energy recovery device 21 recovers the pressure energy of the brine s6 as rotational energy (mechanical energy), applies it to the seawater flowing through the UF membrane 3, and does not include the pump p3.
  • a pump p3 may be provided to reduce the power of the pump p3.
  • the rotational energy (mechanical energy) and pressure energy recovered by the energy recovery device 21 may be applied to other locations without being applied to the seawater flowing through the UF membrane 3.
  • the pressure energy of the brine s6 is recovered by the energy recovery device 21, so that energy saving can be realized. Therefore, energy cost can be reduced.
  • the seawater desalination system 2S of Embodiment 2 although the case where the heat exchanger 6 is provided is illustrated, you may comprise without providing the heat exchanger 6 in the area where the temperature of seawater is high.
  • FIG. 5 is a conceptual configuration diagram illustrating the seawater desalination system according to the third embodiment.
  • the seawater desalination system 3S according to the third embodiment is configured such that the brine s6 separated by the low-pressure RO membrane 2 of the seawater desalination system S according to the first embodiment is merged with the seawater flow path r2. Since other configurations are the same as the seawater desalination system S of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the seawater desalination system 3S merges the brine s6 separated by the low-pressure RO membrane 2 into the seawater flow path r2, and uses the pressure energy of the brine s6 to obtain a pumping force of seawater to the UF membrane 3. . For this reason, the pump p3 is not provided.
  • the production water s9 obtained from seawater is industrial water.
  • the production water s9 may be used as drinking water.
  • the pump p3 since the pump p3 is not provided, the manufacturing cost, the installation cost, the maintenance management cost, etc. of the pump p3 are eliminated, and the cost can be reduced.
  • the pump p3 when the pressure energy of the brine s6 is not large and the pumping force of seawater to the UF membrane 3 is insufficient, the pump p3 may be provided. In this case, since the power of the pump p3 can be reduced, energy saving can be achieved. Therefore, energy cost can be reduced.
  • the seawater desalination system 3S of Embodiment 3 although the case where the heat exchanger 6 was provided was illustrated, you may comprise without providing the heat exchanger 6 in the area where the temperature of seawater is high.

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Abstract

　第１の本発明の海水淡水化システムは、海水と下水とを淡水化する海水淡水化システム(Ｓ)であって、下水またはその処理水と海水とで熱交換する熱交換器(６)を具備している。　第２の本発明の海水淡水化システムは、海水と下水とを淡水化する海水淡水化システム(Ｓ)であって、下水を膜分離活性汚泥法により処理する膜分離活性汚泥処理装置(１)と、膜分離活性汚泥処理装置(１)を透過した透過水(ｓ５ａ)から塩分を第１の濃縮水(ｓ６)に含んで除去し、工業用水(ｓ１)を生成する第１のＲＯ膜(２)と、海水を透過させて当該海水中の粒子を除去するＵＦ膜(３)と、ＵＦ膜(３)を透過した処理水(ｓ５ｂ)が送られ、処理水(ｓ５ｂ)の塩分が第２の濃縮水(ｓ７)に含まれ除去されるとともに飲料水(ｓ２)を生成する第２のＲＯ膜(５)と、下水またはその処理水(ｓ５ａ、ｓ６、ｓ１)と海水とで熱交換する熱交換器(６)とを具備している。

Description

海水淡水化システムおよび海水淡水化方法
　本発明は、海水と下水とを淡水化する海水淡水化システムおよび海水淡水化方法に関する。
　近年、世界的な人口増や新興国を含む広域な産業の進展から、砂漠地域などでの飲料水や工業用水の造水需要が顕在化している。
　従来、海水、下水を淡水化するシステムとして、図６に示す海水淡水化システムＳ１００がある。
　海水淡水化システムＳ１００における下水を用いた生産水ｓ１０１(工業用水)の生産は、以下のように遂行される。なお、下水の塩分濃度は、０．１％程度である。
　下水は、ポンプｐ１０１により、膜分離活性汚泥法が適用されるＭＢＲ(Membrane Bioreactor)１０１に送水され、ＭＢＲ１０１で活性汚泥などが除去され、ＭＢＲ１０１を透過したＭＢＲ透過水が、ポンプｐ１０２により低圧ＲＯ膜(Reverse Osmosis Membrane：逆浸透膜)１０２に送水される。
　なお、ＭＢＲ１０１を透過したＭＢＲ透過水は、塩分濃度０．１％程度で低いので、低圧ＲＯ膜１０２は、低圧の約１～２ＭＰａ(メガパスカル)のＲＯ膜が使用される。
　ポンプｐ１０２により送水されたＭＢＲ透過水は、低圧ＲＯ膜１０２を透過することで淡水化され、ほぼ半分が生産水ｓ１０１(工業用水)として生産され、残り半分が塩分などの不純物を含む濃縮水ｓ１０４として分離、除去される。
　低圧ＲＯ膜１０２で除去された塩分などの不純物を含む塩分濃度０．２％程度に濃縮された下水の約１／２の容量の濃縮水ｓ１０４は低圧ＲＯ膜１０２から攪拌槽１０４に送水される。
　海水淡水化システムＳ１００における海水からの生産水ｓ１０２である工業用水の生産は以下のように遂行される。なお、海水の塩分濃度は、３～４％程度である。
　海水は、ポンプｐ１０３により、ＵＦ膜(Ultrafiltration Membrane)１０３に送水され、ＵＦ膜１０３で粒子が除去され攪拌槽１０４に送水される。攪拌槽１０４では、このＵＦ膜１０３を透過したＵＦ膜透過海水と、前記した低圧ＲＯ膜１０２で下水から濃縮された下水の１／２程度の容量の濃縮水ｓ１０４とが攪拌された後、ポンプｐ１０４により、中圧ＲＯ膜１０５に送水される。
　ＵＦ膜１０３を透過したＵＦ膜透過海水は、３～４％の塩分濃度であるが、塩分濃度０．２％程度の濃縮水ｓ１０４で希釈されるため、中圧ＲＯ膜１０５は、中圧の約３～５ＭＰａのＲＯ膜(逆浸透膜)が使用される。
　攪拌槽１０４からポンプｐ１０４により中圧ＲＯ膜１０５に送水された混合水ｓ１０３は、中圧ＲＯ膜１０５を透過することで淡水化され、１／２程度が淡水化された生産水ｓ１０２(工業用水)として生産され、残り１／２程度が塩分などの不純物を含むブラインｓ１０５として分離、除去される。つまり、生産水ｓ１０２(工業用水)は、海水の１／２プラス下水の１／４程度の容量をもって生産される。
　つまり、ブラインｓ１０５は、海水の１／２プラス下水の１／４程度の容量をもって除去され排水される。
　なお、ブラインｓ１０５の圧力エネルギは、動力回収装置１０６で回転エネルギとして回収され、ポンプｐ１０４を迂回した一部の混合水ｓ１０３の中圧ＲＯ膜１０５への送圧の動力源(エネルギ源)として用いられる。
　従来のその他の例として、図７に示す海水淡水化システムＳ２００がある。
　海水淡水化システムＳ２００は、図６の海水淡水化システムＳ１００における下水の濃縮水ｓ１０４を、攪拌槽２０４に送水せず、下水の淡水化と海水の淡水化とを独立して構成したものである。
　海水淡水化システムＳ２００においては、海水は、ＵＦ膜２０３で粒子が除去されるが、攪拌槽２０４で下水からの送水(図６の下水の濃縮水ｓ１０４)で希釈されないため、塩分濃度が約３～４％と高い。そのため、高圧の約６～８ＭＰａのＲＯ膜(逆浸透膜)である高圧ＲＯ膜２０５を用いている。
　海水淡水化システムＳ２００は、下水が低圧ＲＯ膜２０２を透過して淡水化され、下水の約半分の生産水ｓ２０１(工業用水)が得られる。一方、海水はＵＦ膜２０３で粒子が除去され、高圧ＲＯ膜２０５を透過して淡水化され、海水の１／２の量の生産水ｓ２０３(飲料水)が得られる。
　その他の構成は、図６の海水淡水化システムＳ１００と同様であるから、海水淡水化システムＳ１００の構成要素に２００番台の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
　従来の海水淡水化システムＳ１００(図６参照)は、海水淡水化システムＳ２００(図７参照)に比較し、次のメリットがある。
　第１に、図６の海水淡水化システムＳ１００では、下水から生産水ｓ１０１を造水する過程で分離し除去された排水(濃縮水ｓ１０４)を、海水から生産水ｓ１０２を造水する過程に用いるため、海水からの生産水の生産量が高められるメリットがある。
　具体的には、下水からの排水(濃縮水ｓ１０４)を用いない場合には、海水からの生産水は海水の１／２程度の容量であったものが、下水の１／２程度の容量増水した分、生産水ｓ１０２の工業用水を多く取水できる。
　第２に、海水(塩分濃度３～４％程度)が、下水の低圧ＲＯ膜１０２で分離された濃縮水ｓ１０４(塩分濃度０．２％程度)が加えられるため、海水が希釈され塩分濃度が低下する。そのため、下水からの排水(濃縮水ｓ１０４)を用いない場合には、海水は塩分濃度が高いため、高圧ＲＯ膜２０５が必要であったのが、濃縮水ｓ１０４で希釈されるため、中圧ＲＯ膜１０５で済み、ポンプｐ１０４の動力を高圧ＲＯ膜２０５の場合に比較し低下させることができる。
　何故なら、中圧ＲＯ膜の透過圧力は、約３～５ＭＰａであるのに対し、高圧ＲＯ膜の透過圧力は約６～８ＭＰａであり、高圧ＲＯ膜を透過させるためには、中圧ＲＯ膜より大きな動力(エネルギ)を必要とする。
　なお、本願に係る先行技術文献として特許文献１がある。
特許第４４８１３４５号公報
　ところで、従来の海水淡水化システムＳ１００、Ｓ２００においては、以下の問題がある。
　第１に、ＵＦ膜やＲＯ膜の透過度は透過液体の温度依存性が高い。
　海水淡水化システムＳ１００、Ｓ２００は海水を淡水化するが、国や地域によっては海水が低温である場合がある。この場合、海水淡水化システムＳ１００において、低温の海水により、ＵＦ膜１０３や中圧ＲＯ膜１０５の海水の透過度が粘度の上昇などにより低下する。そのため、低温の海水をＵＦ膜１０３や中圧ＲＯ膜１０５に透過させるのに、ポンプｐ１０３、ｐ１０４の動力が余計に必要になり、動力が大きくなるという問題がある。
　同様に、海水淡水化システムＳ２００において、低温の海水により、ＵＦ膜２０３や高圧ＲＯ膜２０５の海水の透過度が低下する。そのため、低温の海水をＵＦ膜２０３や高圧ＲＯ膜２０５に透過させるのに、ポンプｐ２０３、ｐ２０４の動力が余計に必要になり、動力が大きくなるという問題がある。
　第２に、海水淡水化システムＳ１００の低圧ＲＯ膜１０２で分離される濃縮水ｓ１０４は、ポンプｐ１０２により圧送されるが、濃縮水ｓ１０４の圧力エネルギは利用されていない。同様に、海水淡水化システムＳ２００の低圧ＲＯ膜２０２で分離されるブラインｓ２０２はポンプｐ２０２で加圧されるが、ブラインｓ２０２の圧力エネルギは利用されていない。
　従って、エネルギが有効に利用されているとは言い難い。
　第３に、海水淡水化システムＳ１００、Ｓ２００とも、ポンプを４つ設けており、ポンプの製造コスト、設置コスト、維持管理コストなどが必要で、コスト増を招来する怖れがある。
　本発明は上記実状に鑑み、エネルギを有効に活用でき、エネルギコストが低廉な海水淡水化システムおよび海水淡水化方法の提供を目的とする。
　上記目的を達成すべく、請求項１の海水淡水化システムは、海水と下水とを淡水化する海水淡水化システムであって、前記下水またはその処理水と前記海水とで熱交換する熱交換器を具備している。
　請求項６の海水淡水化方法は、請求項１の海水淡水化システムを実現する方法である。
　請求項２の海水淡水化システムは、海水と下水とを淡水化する海水淡水化システムであって、前記下水を膜分離活性汚泥法により処理する膜分離活性汚泥処理装置と、前記膜分離活性汚泥処理装置を透過した透過水を透過させ、その塩分が第１の濃縮水に含まれ除去されるとともに工業用水を生成する第１のＲＯ膜と、前記海水を透過させて当該海水中の粒子を除去するＵＦ膜と、前記ＵＦ膜を透過した処理水を透過させ、当該処理水の塩分が第２の濃縮水に含まれ除去されるとともに飲料水を生成する第２のＲＯ膜と、前記下水またはその処理水と前記海水とで熱交換する熱交換器とを具備している。
　請求項７の海水淡水化方法は、請求項２の海水淡水化システムを実現する方法である。
　本発明の海水淡水化システムおよび海水淡水化方法によれば、エネルギを有効に活用でき、エネルギコストが低廉な海水淡水化システムおよび海水淡水化方法を実現できる。
本発明に係る実施形態１の海水淡水化システムの概念的構成図である。 実施形態１の海水淡水化システムにおける熱交換器のバリエーションを示す概念図であり、(ａ)は下水の流路に海水を送流し熱交換する熱交換器を示す概念図であり、(ｂ)は海水の流路に下水を送流し熱交換する熱交換器を示す概念図であり、(ｃ)は下水の流路と海水の流路とに熱媒体を送流して熱交換する熱交換器を示す概念図である。 実施形態１の海水淡水化システムにおいて下水を熱交換する位置を示す図である。 実施形態２の海水淡水化システムを示す概念的構成図である。 実施形態３の海水淡水化システムを示す概念的構成図である。 従来の海水淡水化システムを示す概念的構成図である。 従来のその他の海水淡水化システムを示す概念的構成図である。
　以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜実施形態１＞＞
　図１は、本発明に係る実施形態１の海水淡水化システムの概念的構成図である。
　実施形態１の海水淡水化システムＳは、下水から工業用水ｓ１を造水するために、下水を膜分離活性汚泥法で処理するＭＢＲ(Membrane Bioreactor)１と、下水に含有される塩分やイオンなどの不純物を除去し淡水化する低圧ＲＯ膜(Reverse Osmosis Membrane)２とを具備している。
　ＭＢＲ１は、固液分離を行い、下水から活性汚泥を分離し除去する。
　ＲＯ膜(逆浸透膜)は、水は通すが塩分などの低分子物質やイオンを通しにくい半透膜である。低圧ＲＯ膜２は、下水の塩分濃度が０．１％程度と低いので、比較的低い透過圧約１～２ＭＰａ(メガパスカル)で塩分などを除去する低圧のＲＯ膜である。
　また、海水淡水化システムＳは、海水から飲料水ｓ２を造水するために、海水に含有される粒子を除去するＵＦ膜(Ultrafiltration Membrane)３と、ＵＦ膜３を透過して粒子が除去された海水を撹拌して一様にする撹拌槽４と、粒子が除去され撹拌槽４で撹拌された海水に含有される塩分やイオンなどの不純物を除去し淡水化する高圧ＲＯ膜５とを具備している。なお、撹拌槽４は、ポンプｐ４に供給される海水を貯留して安定的なポンプｐ４の作動を可能とする役割も有する。
　ＵＦ膜(限外ろ過膜)３は、海水を透過させることで膜の孔径と海水中の除去対象物質の分子の大きさによって分子レベルのふるい分けを行い、海水中の粒子を除去する。
　高圧ＲＯ膜５は、海水の塩分濃度が３～４％程度であるので、比較的高い透過圧、約６～８ＭＰａ(メガパスカル)で塩分などを除去する高圧なＲＯ膜である。
　ところで、海水淡水化システムＳに用いる下水は地中を流れるために、例えば、温帯の地域の場合、比較的温かく約１５～２０℃の温度を有している。一方、海水淡水化システムＳに用いる海水は大気に晒されているため、気候の変動の影響を受け易く、つまり気温の変動の影響を受け易く、秋口には１０℃前後の低温になる場合がある。
　前記したように、海水を淡水化するために使用するＵＦ膜３、高圧ＲＯ膜５は、透過液体の温度依存性が高く、低温の場合には透過度が低い一方、高温の場合には透過度が高い傾向にある。
　そこで、海水淡水化システムＳでは、下水のもつ熱を海水に与える熱交換を行う熱交換器６を備えている。具体的には、熱交換器６は下水を淡水化する経路のＭＢＲ１の上流の流路ｒ１１を流れる下水と、海水を淡水化する経路のＵＦ膜３の上流の流路ｒ２を流れる海水とを熱交換させ、下水の熱を熱交換により海水に付与する。
　熱交換器６は、次のように種々の実施態様で構成される。
　図２は、海水淡水化システムにおける熱交換器のバリエーションを示す概念図である。図２(ａ)は下水の流路に海水を流し熱交換する熱交換器を示す概念図であり、図２(ｂ)は海水の流路に下水を流し熱交換する熱交換器を示す概念図であり、図２(ｃ)は下水の流路と海水の流路とに熱媒体を流して熱交換する熱交換器を示す概念図である。
　図２(ａ)に示す熱交換器６Ａは、ＭＢＲ１の上流の下水の流路ｒ１１内に、ＵＦ膜３の上流の流路ｒ２内の海水を流すことで、下水の熱を熱交換で海水に与える構成としたものである。
　図２(ｂ)に示す熱交換器６Ｂは、ＭＢＲ１の上流の流路ｒ１１の下水を、ＵＦ膜３の上流の海水の流路ｒ２内に流すことで、下水の熱を熱交換で海水に与える構成としたものである。
　図２(ｃ)に示す熱交換器６Ｃは、ＭＢＲ１の上流の下水の流路ｒ１１内とＵＦ膜３の上流の海水の流路ｒ２内とに、伝熱し易い液体の熱媒体ｎをポンプｐ９で循環させ、ＭＢＲ１の上流の流路ｒ１１内の下水の熱を、熱媒体ｎで運んでＵＦ膜３の上流の流路ｒ２内の海水に与える構成としたものである。
　これらは、シェル＆コイル式やシェル＆チューブ式と称される類の熱交換器６である。
　なお、図１では、熱交換器６を下水の流路ｒ１１のポンプｐ１の下流かつ海水の流路ｒ２のポンプｐ３の下流に配置した場合を例示しているが、熱交換器６は、下水の流路ｒ１１のポンプｐ１の上下流に拘らず配置でき、また海水の流路ｒ２のポンプｐ３の上下流に拘らず配置できる。
　また、図２(ａ)の熱交換器６Ａの場合、海水の流路ｒ２(図１参照)のポンプｐ３の下流の方が、海水の下水の流路ｒ１１への圧送力(流路ｒ１１中におかれたコイルなどへの圧送力)が得られるのでより好ましい。この場合、熱交換器６Ａは下水の流路ｒ１１のポンプｐ１の上下流何れに配置してもよい。
　同様に、図２(ｂ)の熱交換器６Ｂの場合、下水の流路ｒ１１(図１参照)のポンプｐ１の下流の方が、下水の海水の流路ｒ２への圧送力が得られるのでより好ましい。この場合、熱交換器６Ｂは、海水の流路ｒ２のポンプｐ３の上下流何れに配置してもよい。
　なお、熱交換器６は、対向流熱交換器、並行流熱交換器、直交流熱交換器など何れのタイプの熱交換器を選択して用いてもよいのは勿論である。
　図３は、海水淡水化システムにおいて下水を海水と熱交換する位置を示す図である。
　海水淡水化システムＳにおいて、下水を海水と熱交換する位置としては、ＭＢＲ１の上流の下水の流路ｒ１１の位置Ａ、ＭＢＲ１を透過後の流路ｒ１２の位置Ｂ、低圧ＲＯ膜２で除去されるブラインｓ６の流路ｒ１３の位置Ｃ、低圧ＲＯ膜２を透過後の流路ｒ１４の位置Ｄの何れでもよい。
　しかし、下水の流路の上流側の方が、下水が熱を多くもつので、熱的には、上流側の位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ、位置Ｄの順に好ましい。
　次に、図１に示す海水淡水化システムＳにおいて、下水から工業用水ｓ１を造水する過程について説明する。
　下水は、ポンプｐ１により海水淡水化システムＳ内に圧送され、熱交換器６を経由して流路ｒ２を流れる海水と熱交換され熱を海水に与え、ＭＢＲ１に送水される。下水は、ＭＢＲ１を透過することで活性汚泥フロックや細菌などが除去される。
　ＭＢＲ１を透過した下水のＭＢＲ透過水ｓ５ａは、ポンプｐ２により、低圧ＲＯ膜２に送水され、低圧ＲＯ膜２を透過することで、塩分やイオンなどの不純物を含むブラインｓ６が除去され淡水化され、工業用水ｓ１が生産される。
　工業用水ｓ１は、下水の１／２程度得られる一方、下水の残余の分、すなわち下水の１／２程度が塩分やイオンなどの不純物を含むブラインｓ６として除去される。
　次に、海水淡水化システムＳにおいて、海水から生産水である飲料水ｓ２を造水する過程について説明する。
　海水は、ポンプｐ３により海水淡水化システムＳ内に圧送され、熱交換器６を経由して下水の熱で温められ、ＵＦ膜３に送水される。熱交換器６で温められた海水は、ＵＦ膜３を透過して海水中の粒子が除去される。ＵＦ膜３で粒子が除去された海水であるＵＦ膜透過海水ｓ５ｂは、撹拌槽４で攪拌され一様にされる。
　そして、攪拌されたＵＦ膜透過海水ｓ５ｂは、ポンプｐ４により、高圧ＲＯ膜５に送水される。ＵＦ膜透過海水ｓ５ｂは、高圧ＲＯ膜５を透過することで、ほぼ半分が塩分やイオンなどの不純物を含むブラインｓ７として除去され、残り半分が淡水化された飲料水ｓ２として生産される。
　実施形態１の海水淡水化システムＳによれば、熱交換器６において、低温の海水が海水より高い温度の下水の熱を回収して温められるので、温められた海水は、ＵＦ膜３、高圧ＲＯ膜５をそれぞれ容易かつ良好に透過することができる。
　これに伴い、海水を圧送させるためのポンプｐ３、ｐ４のそれぞれの動力を削減することができる。そのため、海水淡水化システムＳの省エネルギ化を実現できる。
＜＜実施形態２＞＞
　図４は、実施形態２の海水淡水化システムを示す概念的構成図である。
　実施形態２の海水淡水化システム２Ｓは、実施形態１の海水淡水化システムＳのブラインｓ６の圧力エネルギを回収するエネルギ回収装置２１を設けたものである。
　その他の構成は、実施形態１の海水淡水化システムＳと同様であるから、同一の構成要素には実施形態１と同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
　海水淡水化システム２Ｓは、低圧ＲＯ膜２で除去されるブラインｓ６の圧力エネルギを電気エネルギまたは回転エネルギ(機械的エネルギ)として回収するエネルギ回収装置２１を設けている。
　エネルギ回収装置２１は、例えば、ブラインｓ６の圧力エネルギを水車や歯車などで小水力発電して、機械的エネルギを電気的エネルギ(電力)として回収している。エネルギ回収装置２１で回収した電力は、海水をＵＦ膜３に圧送するポンプｐ３の電力として用いる (図４中、破線で示す)。なお、ポンプｐ３の電力として用いず、他の電力に流用してもよい。
　或いは、エネルギ回収装置２１でブラインｓ６の圧力エネルギを回転エネルギ(機械的エネルギ)として回収してＵＦ膜３に流れる海水に与え、ポンプｐ３を設けない構成とする。
　或いは、エネルギ回収装置２１で回収した回転エネルギ(機械的エネルギ)が大きくない場合には、ポンプｐ３を設けてポンプｐ３の動力を減らすように構成してもよい。
　或いは、公知の圧力直接変換方式のエネルギ回収装置２１として、ブラインｓ６の圧力を直接、ＵＦ膜３に流れる海水に与える構成としてもよい。
　なお、エネルギ回収装置２１で回収した回転エネルギ(機械的エネルギ)や圧力エネルギをＵＦ膜３に流れる海水に与えることなく、他の箇所に適用することとしてもよい。
　実施形態２によれば、ブラインｓ６の圧力エネルギをエネルギ回収装置２１で回収するので、省エネルギ化を実現できる。そのため、エネルギコストを削減できる。
　なお、実施形態２の海水淡水化システム２Ｓでは、熱交換器６を設ける場合を例示しているが、海水の温度が高い地域では熱交換器６を設けないで構成してもよい。
＜＜実施形態３＞＞
　図５は、実施形態３の海水淡水化システムを示す概念的構成図である。
　実施形態３の海水淡水化システム３Ｓは、実施形態１の海水淡水化システムＳの低圧ＲＯ膜２で分離されるブラインｓ６を、海水の流路ｒ２に合流させる構成したものである。
　その他の構成は、実施形態１の海水淡水化システムＳと同様であるから、同一の構成要素には実施形態１と同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
　海水淡水化システム３Ｓは、低圧ＲＯ膜２で分離されるブラインｓ６を、海水の流路ｒ２に合流させ、ブラインｓ６の圧力エネルギを用いて、海水のＵＦ膜３への圧送力を得ている。そのため、ポンプｐ３を設けない構成としている。
　この場合、海水から得られる生産水ｓ９は、工業用水となる。なお、生産水ｓ９を飲料水として用いてもよい。
　実施形態３の海水淡水化システム３Ｓによれば、ポンプｐ３を設けがないので、ポンプｐ３の製造コスト、設置コスト、維持管理コストなどが解消し、低コスト化を図れる。
　なお、ブラインｓ６の圧力エネルギが大きくなく海水のＵＦ膜３への圧送力が不足する場合には、ポンプｐ３を設ける構成としてもよい。この場合、ポンプｐ３の動力を削減できるため、省エネルギ化を図ることが可能である。そのため、エネルギコストを削減できる。
　なお、実施形態３の海水淡水化システム３Ｓでは、熱交換器６を設ける場合を例示したが、海水の温度が高い地域では熱交換器６を設けないで構成してもよい。
＜＜その他の実施形態＞＞
　なお、実施形態１～３では、下水と海水をそれぞれ淡水化して、工業用水と飲料水とを造水する場合を例示したが、本発明は、下水と海水をそれぞれ淡水化して飲料水を造水することなく工業用水を造水する場合にも適用可能である。例えば、図７の下水の一部を、海水を淡水化する経路に流入させ、工業用水を造水する場合にも適用可能である。
　このように、本発明は、下水と海水をそれぞれ淡水化するシステムであれば、幅広く適用可能である。
　１　　　ＭＢＲ(膜分離活性汚泥処理装置)
　２　　　低圧ＲＯ膜(第１のＲＯ膜)
　３　　　ＵＦ膜
　５　　　高圧ＲＯ膜(第２のＯ膜)
　６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ　熱交換器
　２１　　エネルギ回収装置
　Ｓ、２Ｓ、３Ｓ　海水淡水化システム
　ｓ１　　工業用水(下水の処理水)
　ｓ２　　飲料水
　ｓ５ａ　ＭＢＲ透過水(透過水、下水の処理水)
　ｓ５ｂ　ＵＦ膜透過海水(処理水)
　ｓ６　　ブライン(第１の濃縮水、下水の処理水)
　ｓ７　　ブライン (第２の濃縮水)

Claims (9)

  1. 　海水と下水とを淡水化する海水淡水化システムであって、
    　前記下水またはその処理水と前記海水とで熱交換する熱交換器を
    　具備することを特徴とする海水淡水化システム。
  2. 　海水と下水とを淡水化する海水淡水化システムであって、
    　前記下水を膜分離活性汚泥法により処理する膜分離活性汚泥処理装置と、
    　前記膜分離活性汚泥処理装置を透過した透過水を透過させ、その塩分が第１の濃縮水に含まれ除去されるとともに工業用水を生成する第１のＲＯ膜と、
    　前記海水を透過させて当該海水中の粒子を除去するＵＦ膜と、
    　前記ＵＦ膜を透過した処理水を透過させ、当該処理水の塩分が第２の濃縮水に含まれ除去されるとともに飲料水を生成する第２のＲＯ膜と、
    　前記下水またはその処理水と前記海水とで熱交換する熱交換器とを
    　具備することを特徴とする海水淡水化システム。
  3. 　前記熱交換器は、
    　前記ＵＦ膜より上流の前記海水と、前記膜分離活性汚泥処理装置の上流の下水または前記膜分離活性汚泥処理装置を透過した透過水または前記第１の濃縮水または前記生成された工業用水のうちの何れかとで、熱交換する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の海水淡水化システム。
  4. 　前記第１の濃縮水の圧力エネルギを回収するエネルギ回収装置を
    　具備することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の海水淡水化システム。
  5. 　前記第１の濃縮水を、前記ＵＦ膜の上流の前記海水に合流させる
    　ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の海水淡水化システム。
  6. 　海水と下水とを淡水化する海水淡水化方法であって、
    　前記下水またはそれを淡水化する過程での処理水と前記海水とで熱交換する
    　ことを特徴とする海水淡水化方法。
  7. 　海水と下水とを淡水化する海水淡水化方法であって、
    　前記下水またはそれを淡水化する過程での処理水と、前記海水とで熱交換し、
    　前記下水を、膜分離活性汚泥処理装置と第１のＲＯ膜とを透過させて工業用水を生成し、
    　前記海水を、ＵＦ膜と第２のＲＯ膜とを透過させて飲料水を生成する
    　ことを特徴とする海水淡水化方法。
  8. 　前記第１のＲＯ膜で除去された第１の濃縮水の圧力エネルギを回収する
    　ことを特徴とする請求項７に記載の海水淡水化方法。
  9. 　前記第１のＲＯ膜で除去された第１の濃縮水を、前記ＵＦ膜の上流の前記海水に合流させる
    　ことを特徴とする請求項７に記載の海水淡水化方法。
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