従来の濾過と膜濾過: SWRO プレの選択

海水前処理は、すべての海水逆浸透 (SWRO) 淡水化プラントに不可欠な部分であり、ソース海水から微粒子、破片、微生物、懸濁物質、シルトを除去するために使用されます。 しかし、従来型濾過と膜濾過から選択できるのですが、どちらが適切でしょうか? Nicolay Voutchkov は 2 つのオプションを比較します。

導入

海水の前処理は、すべての海水逆浸透 (SWRO) 淡水化プラントに不可欠な部分です。 理想的には、前処理後に海水中に残る唯一の固体は溶解ミネラルだけであり、ミネラルが膜表面に沈殿するのを防ぐ方法で海水システムが運転されている限り、SWRO 膜は長期間洗浄せずに運転できます。とても長い間。

しかし、実際には、前処理システムは原海水に含まれる浮遊物質のすべてではなく大部分を除去するため、前処理後に海水中に残る浮遊物質、粒子状物質、シルトによる汚れが発生しやすくなります。 SWRO を定期的に洗浄することで汚れを元に戻すことができますが、場合によっては膜の汚れが元に戻らず、洗浄しても生産性が回復しない場合があり、SWRO 膜の一部またはすべての交換が必要になる場合があります。

SWRO 膜を汚れから保護するには、通常、従来の粒状媒体濾過と膜濾過という 2 種類の前処理システムが使用されます。 現在、大規模および中規模の淡水化プラントでは、従来の粒状媒体ろ過が主要な前処理技術です。 従来の海水前処理フィルターは、淡水濾過用途で使用されるフィルターと同様の構成と媒体を備えており、重力または圧力駆動フィルターのいずれかになります。 重力前処理フィルターは、イスラエルの 325,000 m3/日のアシュケロン工場など、現在稼働している世界最大の SWRO 淡水化プラントの一部で使用されています (図 1 を参照)。

たとえば、圧力粒状媒体フィルターは、オーストラリアのパースにある 160,000 m3/日のプラントで使用されています (図 2 を参照)。 圧力フィルターは、粒状媒体の重力フィルターと比較してコスト競争力があり、スペース効率が高く、設置と操作が簡単かつ迅速であるため、世界中の小規模プラントでも広く使用されています。 多くの場合、ソース海水を開放取水口から収集する場合、2 段階の二重媒体 (砂と無煙炭) 圧力フィルターが適用されます。 これらのフィルターの主なコスト上の欠点の 1 つは、フィルターが圧力下で動作するため、重力フィルターよりも多くのエネルギーを使用することです。

海水の前処理に膜ろ過を適用したのは比較的新しいことです。 現在、膜前処理を使用している本格的な海水淡水化プラントは世界中で 6 件未満です。 これらの前処理システムは、モジュールに設置された限外濾過 (UF) または精密濾過 (MF) 膜を適用し、加圧または真空を使用して原海水を濾過します。

世界最大の本格的な海水膜前処理システムは、バーレーンのアドゥルにある 140,000 m3/日の SWRO プラントにあります。 このプラントと、日本の 96,000 m3/日の福岡淡水化プラントにあるアジア最大の膜前処理システム (図 3 を参照) は、海水の前処理に圧力駆動 UF 膜を使用しています。

現在までに、UF 膜は主に海水原水から浮遊有機物、沈泥、病原体をよりよく除去できるため、MF 膜よりも海水前処理に広く応用されています。 多くの場合、海水に含まれるシルト粒子は MF 膜の細孔開口部のサイズと同様のサイズを持っています。これは、原海水中に浮遊しているシルト粒子がプロセス中に MF 膜の細孔に詰まり、不可逆的なファウリングを引き起こす可能性があることを意味します。 UF 膜の細孔は MF 膜の細孔よりも大幅に小さいため、通常はこの問題に直面することはありません。

海水前処理のための濾過技術の選択は、徹底的なライフサイクルの費用対効果分析に基づいて行う必要があります。 目的の選択のためのバックグラウンド システム パフォーマンス情報を作成するには、2 種類のシステムを並べてパイロット テストすることも強くお勧めします。 粒状培地と膜前処理濾過のどちらを選択する場合には、次の問題を考慮する必要があります。

源海水の水質の影響

精密ろ過および限外ろ過は、従来の媒体ろ過よりも広範囲の粒子除去能力を備えています。 通常、単一または二重媒体フィルターは、懸濁状態の原水有機物、消毒副生成物前駆体、微粒子、シルトおよび病原菌に関して除去効率が低くなります。 また、膜濾過技術は、主な処理メカニズムが細孔膜を通した機械的な粒子除去であるため、水源海水の温度、pH、濁度、色、病原菌汚染、水粒子のサイズと種類の季節変化によって引き起こされる混乱が起こりにくいです。 。

したがって、取水水質が季節変動が大きく、病原菌、微粒子、有機微粒子汚染の増加という点で課題を抱えている用途では、膜濾過技術が性能上の利点をもたらす可能性があります。 ただし、海水淡水化プラントの原水が、サーフゾーンから遠く離れた、限られた季節変動のみにさらされる適切な深さ (通常は 20 メートル以上) にある開放取水口から収集される場合、粒状濾過材の濾過は非常にコストがかかる可能性があります。 - 膜ろ過に代わる効果的な前処理。

前処理システムを選択する場合、元の海水温度は非常に重要な要素です。 真空駆動膜前処理システムの適用は、通常、温度 12 ℃ 未満の海水に対する圧力膜ろ過や従来の粒状媒体ろ過よりもコスト効率が低くなります。これは、真空駆動膜ろ過の生産性 (流束) が、水温によって大幅に低下するためです。低温では海水の単位重量が大幅に増加します。

砂媒体濾過は、次のような突然の予測不可能な水質変化にさらされる可能性が非常に高い海水源に対して、特定の追加の利点をもたらす可能性があります。非常に高いまたは低い pH の化学薬品の流出。 大量のオイルとグリースの流出。 非常に高い水温、またはこの用途に使用される場合、MF または UF 前処理膜に不可逆的な損傷を与える可能性のあるその他の汚染物質に頻繁にさらされること。 通常、粒状濾材は、広範囲の極端な取水水質条件に対応でき、濾材の交換コストは、同じサイズのプラントのすべての膜エレメントを交換するコストよりも大幅に低くなります。

この問題は、地表取水口を備えた海水淡水化プラントの前処理システムにとって非常に重要です。 多くの場合、原海水には小さな鋭利な物体 (貝殻粒子など) が含まれており、前処理膜に簡単に穴が開き、損傷を与える粒子が膜前処理システムの上流で除去されない限り、すぐに膜の完全性が失われる可能性があります。膜前処理システムの前に、スクリーンメッシュサイズ 120 ミクロン以下のマイクロスクリーニングシステムを組み込みます (図 4 を参照)。

さらに、海水にはフジツボが含まれており、発達の初期段階ではそのサイズは 130 ～ 150 ミクロンであり、120 ミクロン以下でないとスクリーンの開口部を通過できます。 フジツボが前処理施設や設備にコロニーを形成すると、除去するのは非常に困難であり、他のほとんどの海洋生物にとって非常に効果的な殺生物剤である塩素処理にも耐えることができます。 微細なマイクロスクリーン（80～120ミクロンサイズ）の使用は、膜前処理を使用する海水淡水化プラント全体を確実に稼働させるために不可欠であるため、従来の膜ろ過前処理と膜ろ過前処理を比較する際には、そのコストを考慮する必要があります。 。 顆粒培地ろ過を使用する前処理システムでは、フジツボの発生のすべての段階で効果的にフジツボを除去するため、マイクロスクリーンは必要ありません。

頻繁かつ大規模な赤潮や藻類の発生が起こりやすい外洋取水口を備えた淡水化プラントで膜前処理を選択する場合は、膜前処理施設の前に溶解空気浮遊選鉱 (DAF) または粒状媒体ろ過システムを使用することを強くお勧めします。 。

フットプリント

メンブレン技術は、粒状媒体濾過と比較してスペース効率が高くなります。 膜ろ過の設置面積が小さいというメリットは、敷地面積が限られている既存の水処理プラントをアップグレードする場合や、新たな土地取得に多額の費用がかかる場合には、通常、より重要になります。

膜モジュールの種類とサイズ、および取水の水質特性に応じて、膜濾過システムは従来の濾過システムよりも設置面積が 20 ～ 60% 小さくなる場合があります。 膜濾過のスペース上のメリットは、単段膜前処理システムと同等の性能を達成するために 2 段階の粒状媒体濾過が必要となる高濁度海水の場合により重要です。 処理がより困難な取水海水の場合、粒状媒体ろ過システムを表面負荷率 4.0 gpm/平方フィート (10 m3/m2.hr) 未満に設計する必要がある場合、または 2 段階の粒状媒体ろ過が必要な場合同等のフィルター排水を生成するには、膜濾過システムの設置面積を最大 60% 小さくすることができます。

経験則として、典型的な地表水の水質条件下では、表面負荷率 3.5 ～ 5.0 gpm/平方フィート (8.5 ～ 12.2 m3/m2.hr) で設計された粒状媒体フィルターの設置面積は、約 30 ～同等の濾過水品質を生成する超濾過または精密濾過システムよりも 50% 大きい。 平均よりも優れた流入水質の場合、粒状濾材フィルターが水表面負荷率 6 ～ 8 gpm/平方フィート (15 ～ 20 m3/m2.hr) の表面負荷率で適切に機能できる場合、設置面積の合計の差は通常、膜の前処理により 20 ～ 40 パーセントのメリットが得られます。

廃棄物の流れの量と質

従来のシステムと膜前処理システムは、生成される廃棄物の種類、品質、量によって大きく異なります。 通常、従来のろ過システムでは、廃棄物フィルターの逆洗という 1 つの廃棄物ストリームのみが生成されます。 適切に設計されたプラント内のこの水流の量は、プラントの総取水源水量の 4 ～ 6 % の間で変化します。 もともと原水に含まれていた固体に加えて、この廃液には凝固剤 (通常は鉄塩) とポリマーも含まれています。

膜前処理システムは通常、廃膜洗浄水と膜洗浄液という 2 つの大きな廃棄物の流れを生成します。 膜洗浄水流の量は通常、プラントの取水源量の 8 ～ 12 %、つまり従来のシステムによって生成される廃棄物フィルターの逆洗量の約 2 倍です。 前処理膜フィルターを保護するために設置する必要があるマイクロスクリーンにより、その洗浄のために追加の廃棄物排出が発生することを考慮すると、廃液流量の差はさらに大きくなります。膜前処理システムの廃液流量が比較的大きいため、比例してより大きな取水源量が必要となり、その結果、海水淡水化プラント取水施設のサイズと建設コストが増加し、前処理施設に原水を汲み上げるための運転コストとメンテナンスコストが増加します。

毎日の膜洗浄と毎月の膜洗浄に加えて、コスト競争力のある膜前処理システムの設計と運用では、高用量の塩素、塩基、および酸を短期間に使用する化学強化膜逆洗 (CEB) を毎日短時間行う必要があることがよくあります。 この性能向上 CEB により、RO 膜プラントで生成される廃棄物流の量が増加し、原水の前処理の全体的なコストも増加します。

化学薬品の使用

通常、従来の粒状媒体前処理システムは、効果的な固体分離のために原水調整化学薬品を使用します。 これにより、植物の化学薬品のコストが増加します。 ただし、メディアの洗浄には化学薬品は一切使用されていません（時折塩素を添加する場合を除く）。 膜前処理システムはかなりの量の膜洗浄化学薬品を使用しますが、これは年間総コストで従来の粒状濾材フィルターで使用される原水調整化学薬品に匹敵する可能性があります。 プラント前処理システムの費用対効果分析では、これらの洗浄剤のコストを考慮する必要があります。

プラント全体の化学薬品の使用とコストの分析で考慮する必要があるもう 1 つの要因は、一般的に固形物とシルトがより優れているため、膜の前処理を使用することで RO システムの洗浄頻度、つまり SWRO 膜の洗浄コストが削減される可能性があることです。このタイプの前処理の除去能力。

電力使用量

従来の前処理システムは、原水中の微粒子を分離するために限られた量の電力を使用します。 前述したように、大規模な SWRO 淡水化プラントには通常、最小限の電力要件を備えた重力粒状濾過前処理プロセスが含まれています。 一方、膜システムのタイプ (圧力駆動または真空駆動) に応じて、膜システムは重力粒状媒体フィルターと比較して、原水から微粒子を除去するために約 2 倍多くの電力を使用します。 より多くの電力は、膜を通過する流れを駆動する圧力を生成するためだけでなく、膜の逆洗や原海水の汲み上げにも使用されます。 特定の用途について、従来型と膜前処理システムのライフサイクルコストを比較する際には、総電力使用量を考慮する必要があります。

ろ過材の交換頻度

良好に動作している粒状濾材フィルターは、年間 5 ～ 10 % の濾材を失います。一貫した性能を維持するには、濾材を交換する必要があります。 粒状培地の交換コストは通常​​、十分に予測可能であり、比較的安価です。現時点では、膜エレメントの耐用年数は通常 3 ～ 5 年の範囲で変化します。 耐用年数を 5 年と仮定すると、システムの生産能力と性能を維持するには、平均して膜エレメントの約 20% を毎年交換する必要があります。

膜エレメントのより頻繁な交換の必要性を引き起こす可能性のある追加の要因は、膜エレメントの完全性の低下です。 実際、米国および世界中の既存の膜システムに関する最近の研究では、ほとんどの施設または調査対象の施設で、膜エレメントの早期交換の必要性を引き起こした主な理由は、生産能力の損失ではなく、完全性の喪失であったことが示されています。 RO プラント用に粒状培地と膜前処理技術のどちらを選択するかを選択する際には、膜システムの長期使用の実績が限られていることと、その交換の必要性を引き起こす要因に関連する不確実性を考慮する必要があります。 膜の完全性が失われるリスクは、膜メーカー/サプライヤーが提供する膜エレメントの耐用年数保証に応じて対処する必要があります。

前処理膜の交換にかかる年間コストは、通常、保護のために設置されている SWRO 膜の交換にかかる年間費用に匹敵することを考慮すると、前処理膜の交換に多額の費用がかかるため、このタイプの前処理が困難になることがよくあります。この処理技術は、従来の粒状媒体の前処理ほど魅力的ではありません。 理論的には、粒状濾過の代わりに膜前処理を使用すると、SWRO 膜の洗浄と交換の頻度が減るはずですが、この仮定を証明するための本格的な実績が不足しているため、現在、ほとんどの SWRO 膜サプライヤーは、SWRO 膜の洗浄と交換の頻度を減らすことに消極的です。海水膜製品の耐用年数や洗浄サイクルの延長を保証します。 その結果、本格的な海水淡水化プロジェクトの実際の費用便益分析では、膜前処理の潜在的な利点を簡単に説明することができません。

膜要素と構成の多様性

現在、すべての UF および MF 膜メーカーは、独自の膜エレメントおよびシステムの設計、サイズ、構成を提供しています。 膜方式は濾過駆動力の種類（圧力か真空か）によって異なります。 個々の膜要素のサイズ。 膜容器のサイズ。 膜モジュールの構成。 膜エレメント逆洗の種類。 膜の完全性試験方法の種類。

今日の膜市場における製品の均一性の欠如とコモディティ化は、水道機器産業の急成長分野の表れであり、利点と欠点を伴います。複数の膜サプライヤーとシステムを利用できるため、現場固有のニーズにさらに適切に対応できます。特定の膜用途に対応できるため、水処理における膜システムの使用が増加します。 さらに、近年の膜用途の増加に伴うMFおよびUF膜市場のコモディティ化の欠如により、伝統的に膜を製造していない多くのメーカーが新製品で膜市場に参入することに関心が高まっています。 その結果、競争が激化し、新しい膜技術や装置の開発が加速します。

独自の機能を備えた新しい最高級の膜処理システムは、短期的には建設および運用コストを大幅に削減できる可能性がありますが、これらの削減は、通常 30 年以上であるプロジェクトの耐用年数にわたって損なわれる可能性があります。システム設計が将来の膜技術の利点に対応できるほど柔軟でない場合。 これに加えて、膜メーカーが製品をキャンセルする潜在的な脅威、およびこれに伴う膜の交換や新製品に適した工場の改修によって発生するダウンタイムと費用も考慮する必要があります。

精密ろ過および限外ろ過技術の現状と多様性に基づいて、膜システムの資金調達と導入に伴うリスクを軽減するための健全なアプローチは、このシステムの置き換えに対応できるような方法でシステム構成を設計することです。膜要素と、同様のタイプの他の既存のシステム/膜要素を少なくとも 1 つ組み合わせます。 将来の膜システムの変更や最小限の支出または交換で同じタイプの膜エレメントの代替供給業者の使用を可能にする柔軟な膜システム構成を提供するための追加の建設および設置コストは、資金コスト（コスト）を下げることで補われる可能性が非常に高いです。膜プラントの全体的なライフサイクルコストを最小限に抑えます。

ライフサイクルコスト

現在、膜前処理を使用した脱塩水の製造コストは、通常、従来の海水前処理を使用した脱塩プラントで製造される淡水のコストよりも 5 ～ 10 % 高くなります。 土地のコストと利用可能性が非常に高い場合、および/または単位化学コストとエネルギーが比較的低い場合など、場合によっては、膜前処理の方がコスト面で有利になる場合があります。

従来の膜前処理システムと膜前処理システムを比較するときに、過小評価されたり省略されたりすることが多い重要な要素は次のとおりです。(1) 前処理膜を保護するために必要なマイクロスクリーニング システムの追加資本コストと O&M コスト。 (2) 前処理膜洗浄および化学強化逆洗の実際の化学薬品コストと頻度。 (3) 前処理膜の耐用年数と交換コスト – ほとんどの分析では 5 年を想定していますが、実際の運用データでは、膜は完全性の損失により約 3 年で交換する必要があることが示されています。 (4) 膜前処理を使用した場合、SWRO 膜メーカーが RO 膜交換および洗浄頻度の低下を保証するという誤った仮定。 (5) 本格的な実績が限られた技術の使用、特に大規模設備の場合、長期的なリスクが伴うため、膜前処理の使用に関連するプロジェクト融資コストが高くなる。

まとめと結論

膜海水前処理は、従来の粒状媒体濾過に代わる魅力的な代替手段です。 しかし、本格的な海水淡水化プラントの前処理コストに影響を与える多くの要因を考慮すると、特定の海水淡水化プロジェクトに最適な前処理システムの選択は、徹底したライフサイクルに基づいて完了する必要があります。 2 つのシステムの設置と運用に関連するすべての支出と実際のコストを考慮したコスト分析。

海水淡水化業界が今後 5 ～ 10 年で海水膜前処理システムの運用に関する長期的な経験を積み、既存の膜前処理技術が進化し、互換性のある標準化およびコモディティ化された製品に収束するにつれて、UF または MF の使用が増加します。海水前処理用の膜は、時間の経過とともにより競争力があり魅力的になることが予想されます。 一方、UF 膜または MF 膜前処理の使用に有利な状況によっては、従来の粒状媒体ろ過が近い将来も引き続き海水用途で主流になると予想されます。