淡水化: 前段階の開発

凝固は、1960 年代に逆浸透による脱塩が開始されて以来、コロイド物質や粒子状物質などの潜在的な汚染物質を除去するための最も一般的な前処理プロセスの 1 つです。 凝集は、粒子に関連する静電荷を中和することにより、小さな粒子を結合して大きなフロックを形成します。このプロセスは凝集と呼ばれます。 通常、SWRO システムでは塩化第二鉄などの無機凝集剤が使用され、これらを高分子電解質などの有機凝集剤と組み合わせて、下流の清澄および濾過プロセスの前にインラインで添加することができます。 粒子状の汚れに加えて、SWRO 膜はスケーリングや塩の析出の影響を受けやすいです。 これは、通常、海水用途では最大 50% のシステム回収率で動作するため、塩濃度が RO 膜からの廃棄流に流入するレベルの 2 倍になる可能性があるためです。 スケール制御は、酸 (pH を下げるため) と、ホウ素などの特定の過飽和イオンを対象としたさまざまな独自のスケール防止剤を投与することで実現できます。 前酸化は、フミン酸やフルボ酸などの NOM をターゲットにして RO の生物付着を減らす試みにも使用されますが、これは酸化に耐性のない膜に悪影響を与える可能性があり、一部の微生物や微生物叢は酸化に耐性があります。 また、塩素化は細胞溶解を引き起こし、それによって増殖を促進する基質の放出を引き起こす可能性があります。 使用される前酸化化学薬品には、塩素、臭化物、ヨウ素、オゾンなどがあります。 UV 照射を生物濾過と併用して栄養素を除去することもでき、独自の殺生物剤を連続投与または膜洗浄計画の一部として追加することもできます。 オゾンと組み合わせた UV など、前酸化方法のさまざまな組み合わせを使用できます。 電気塩素化は、電流を使用して海水から酸化塩素を生成するために使用されますが、場所によっては法外な費用がかかる場合があります。

SWRO による処理を目的とした従来の海水処理方法には、沈降 (インライン凝固に続く)、媒体濾過、およびカートリッジ濾過が含まれていました。 濾過には、1 段階または 2 段階の二重媒体濾過 (DMF) が含まれる傾向があります。 この濾過技術は一般に、より低い懸濁物質レベルやその他の汚染物質には対応できていますが、浮力が高く壊れやすい藻類の性質に対応することがますます困難になっていることがわかってきました。 さらに、藻類の発生時には凝固剤の投与レベルを高める必要があり、最終的にはフィルターへの固形物負荷が増加し、常にフィルターの稼働時間が短縮されたり、逆洗がより頻繁になったりすることになり、すべての要因が運用コストを増加させます。 藻類負荷を効率的に除去できるため、下流プロセスへの固体負荷を軽減できると同時に、凝固剤の化学的要件を最小限に抑えることができると認められている確立された技術の 1 つが、溶解空気浮遊選鉱 (DAF) です。 DAF は基本的に、以前に溶解した空気を放出し、凝固剤を飼料供給源に投入して、処理された下清と、捕捉されて DAF ユニットの表面に浮遊する濃縮廃棄物「スラッジ」を生成することによって機能します。 DAF ユニットの油圧負荷を変更し、空気濃度、凝固剤濃度、スラッジ除去速度と機構を最適化することにより、最高の DAF 効率を決定できます。 藻類は本質的に軽くて密度が低いため、この材料は自然に沈降プロセスではなく DAF を使用した浮遊選鉱に適しています。 DAF は、都市の飲料水供給と工業処理の両方における幅広い水道業界での応用が確立されており、この技術が信頼性が高く堅牢であることが実証されています。 DAF ユニットは、Enpure Ltd を含む多くの請負業者によって供給されます。Enflo-DAF™ 製品などの Enpure のパッケージは、凝集滞留時間の要件を通常 10 分以下で最小限に抑え、現在までに最高 10 分以下の高速で動作します。 SWRO 前処理用途では 30 m/h で処理できるため、プラント全体に必要な設置面積が削減されます。 従来の他のタイプの前濾過には、吸着やマルチメディア濾過 (MMF) などがあります。 吸収は通常、NOM を低減するための粒状活性炭をフィルター媒体として使用するか、投与して接触システムを通して再循環させることによって達成されます。 MMF システムは通常、高速で動作する加圧フィルターですが、大規模な重力供給 DMF プロセスよりも低い流量を処理する傾向があります。

Enpure は現在、サウジアラビアの Ras Al Khair プロジェクトに取り組んでいます。このプロジェクトは、斗山重工業建設株式会社向けの塩水変換公社のサイトにある 1,630 万ポンドの DAF/DMF SWRO 前処理プラントです (図 3 を参照)。 DAF プラントは 41,922 m3/h を処理できる規模になっており、DMF は 39,654 m3/h を処理します。 Enpure はシステムの設計、主要機器の供給、設置の監督を請け負い、試運転は 2013 年 5 月に完了する予定です。プロジェクトの理念に不可欠な要素は、統合パイロット テスト フェーズの供給と運用でした。 ラス アル ケアルはサウジアラビアの東海岸に位置し、生の海水の状態は一般的にアラビア湾の北端で見られるものに典型的です。 パイロットプラントは、38,000 mg/l ～ 47,000 mg/l の範囲の総溶解固形分 (TDS) および 20 mg/l ～ 40 mg/l の範囲の総懸濁固形分 (TSS) を含む海水を処理するように設計されました。 完全に自動化されたフルスケール DAF システムは、Enpure の高速 EnFlo-ViteTM プロセスの 16 ストリームで構成され、最近開発された分配システム、スタティック ミキサー、ノズル、ヘッダー、空気飽和器、リサイクル ポンプ、注入ポンプ、計装、バルブ、水圧管が組み込まれています。 DAF システムからの処理された濾液は、重力流を介して、濾材、濾過床、送風機、逆洗ポンプ、機器、およびバルブからなる 40 個の DMF ストリームに送られます。 DAF および DMF ステージでは、SWRO プロセスステージに移送する前に、海水を厳格な基準 (DMF 後) を満たすように処理する必要があります。 これらは、DMF 共通濾液での濁度 <0.5 NTU および SDI (シルト密度指数、15 分間のテスト後) <4 です。 DAF パイロット プラントは、61.2 m3/h を処理する単一の EnFlo-Vite™ ストリームと、その後にそれぞれ 2.5 m3/h を処理する 4 台の DMF ユニットで構成されていました。 パイロットプラントは 9 か月以上の連続運転を完了しました。 これまでの結果は、プロセスが指定されたパフォーマンス制限内で適切に動作していることを示しているとエンピュアは言います。 DMF を使用すると、必要な SWRO 給水仕様を達成できます。 パイロット プラントには、補助ポンプ、化学薬品投与システム、制御パネル (自動操作を実現するプログラマブル ロジック制御 (ヒューマン インターフェイス付き) を含む)、および完全に空調された 2 つのコンテナ ユニットにすべて組み込まれた完全装備の実験室が含まれていました。

DAF を除いて、SWRO の前処理には従来のプロセスが広く使用されてきましたが、慎重な設計と綿密なオペレーター制御の必要性により、限外濾過 (UF)、精密濾過 (MF) の使用の人気が高まっています。程度は低いですが、SWRO 前処理用のナノ濾過 (NF) システムもあります。 MF/UF テクノロジーのさまざまなメーカーは、SDI < 2 (指定された入口パラメータを超えないことを条件) を保証しており、ここ数十年にわたって広範なパイロット テストが実施されてきました。 UF 膜はおそらく、プロセス設計エンジニアに汚染物質の除去と RO 供給品質の間の最適なバランスを提供しますが、前述したように、単位プロセスの選択はサイト固有の条件に依存します。 UF システムは、特定の条件下では独自の前処理が必要な場合があり、これにはすでに説明したプロセスが含まれる可能性があることに注意することが重要です。 DAF テクノロジーは UF と組み合わせることができ、藻類除去の例では、1 段階または 2 段階の DMF の代替手段となる可能性があります。 凝固は UF システムの前で使用でき、SWRO フィードの品質をさらに向上させる可能性があります。 最良の選択肢は、自動化システムを使用して、飼料の品質が悪い期間に低用量の凝固剤を利用することです (通常、従来の前処理で必要な濃度の 3 分の 1 以下)。 飼料の品質が良好な場合には、この濃度を下げることができ、場合によってはゼロにすることができます。 費用対効果の高い脱塩に関する以前の記事 (ろ過+分離、2011 年 7 月/8 月) で説明したように、浸透を利用する確立された方法は、膜の塩水側に圧力を加えてプロセスを逆に操作し (逆浸透)、圧力を克服することです。浸透圧によって水を生理食塩水から膜の淡水側に移動させます。 ただし、(逆ではなく) 直接浸透プロセスは、浸透原理を利用してエネルギーを利用する可能性を通じて、別の新しいアプローチを提供します。 SWRO システムの直前の前処理技術としてろ過水を処理するように設計されたシステムは、順浸透 (FO) システムと呼ばれます。 FO プロセスでは、淡水が FO 膜を通過する推進力を生み出すためにドローソリューションが使用されます。 このドロー溶液は海水よりも濃縮されており、浸透圧剤、通常は重炭酸アンモニウムの溶液です。 FO 膜には食塩水が供給され、透過水は濃度の違いによる直接浸透によってドロー溶液に流れ込みます。 その後、誘導溶液中の溶質は回収されて再利用され、精製された誘導溶液は SWRO システムの下流処理用の処理水を形成します。

さまざまな前処理技術は、特定の汚染物質を優先的に除去することが多く、SWRO 膜の汚れに対してさまざまな影響を及ぼします。 したがって、効率的で最適化されたシステムを確保するには、適切な単位プロセスを選択するプロセス設計エンジニアの役割が重要です。 藻類などの汚染物質を含む変動性の高い給水は、従来から処理が困難であり、大きな課題を抱えています。 他のサイトで得た経験を利用し、それを効果的なパイロット テスト プログラムに投影することによってのみ、効果的なシステムを開発できます。 また、特定の条件下や、地域の海水の組成や温度に影響を与える気候や気象条件の変化により、選択したプロセス設計が効率的に動作しない可能性があることに注意することも重要です (図 4 を参照)。 したがって、あらゆる変化を確実に早期に検出するには、淡水化システムの継続的な監視と最適化が必要です。 UF 膜の人気、藻類の問題を解決するための DAF の適合性、電力要件を削減するための FO の実装など、さまざまな前処理プロセスを効果的かつ効率的に組み合わせることで、SWRO システムの全体的な信頼性を向上させることが可能になります。生涯コストを削減し続けます。 より高度なプロセス制御と運用監視により、気候変動の課題にシステムを適応させることも可能になります。