特許 6720104 取水方法及び取水装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6720104

(24)【登録日】2020年6月19日

(45)【発行日】2020年7月8日

(54)【発明の名称】取水方法及び取水装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/24 20060101AFI20200629BHJP

   E02B 1/00 20060101ALI20200629BHJP

【ＦＩ】

   C02F1/24 B

   C02F1/24 A

   E02B1/00 Z

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-51726(P2017-51726)

(22)【出願日】2017年3月16日

(65)【公開番号】特開2018-153742(P2018-153742A)

(43)【公開日】2018年10月4日

【審査請求日】2019年3月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】591030651

【氏名又は名称】水ｉｎｇ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】秦 良介

(72)【発明者】

【氏名】島村 和彰

【審査官】 山崎 直也

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５３５１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１８１５８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−０８７５６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０２Ｆ １／２０−１／２６

１／３０−１／３８

Ｅ０２Ｂ １／００−３／０２

３／１６−３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

取水対象とする水中に水の導入口を備える取水升を配置し、前記導入口から前記取水升内に前記水を下向流で取り入れるとともに前記取水升の下部から気体を送り込んで気泡を発生させて前記気泡を上向流で流し、前記気泡と前記水とを対向流で接触させることにより前記水に含まれる汚染物質を前記気泡に吸着させて分離し、前記水中の前記汚染物質を吸着した前記気泡を浮力によって前記導入口から前記取水対象とする水中へ放出するとともに、前記気泡を分離した後の水を採取することを特徴とする取水方法。

【請求項2】

前記気泡と接触した後に気泡と分離した水を採取することが、前記取水升内において前記気泡が前記水と接触する領域よりも下方から前記取水升内の水を汲み上げることを含む請求項１に記載の取水方法。

【請求項3】

前記取水升内へ流入する水の下向流の流速が、前記取水升内を上昇する気泡の上昇速度よりも小さくなるように、前記取水升内から水を引き抜くことを含む請求項１又は２に記載の取水方法。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の取水方法によって取水された水を陸上で前処理することを含む水処理方法。

【請求項5】

取水対象とする水中に配置され、水の導入口を備える取水升と、
前記取水升内の水と対向流で接触することにより前記水に含まれる汚染物質を吸着させるための気泡を発生させる気泡発生手段と、
前記水中の前記汚染物質を吸着した前記気泡を浮力によって前記導入口から前記取水対象とする水中へ放出させて前記気泡を分離した後の水を採取する取水手段と
を備えることを特徴とする取水装置。

【請求項6】

前記取水手段の取水口が、前記取水升内において前記気泡発生手段よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の取水装置。

【請求項7】

前記取水升が、
前記導入口から前記水を下向流で導入するとともに前記取水升の下部から前記導入口へと前記気泡を上向流で流すことにより、前記気泡と前記水とを対向流で接触させる吸着分離部と、
前記取水升の下部において前記吸着分離部と連通し、前記気泡と前記水がお互いの流れによって分離する脱気部と、
前記脱気部内に配置された取水配管と
を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の取水装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、取水方法、取水装置及び水処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水を利用する上で何らかの水源から取水する操作は基本的に必須であり、海水、汽水又は淡水などを取水し、取水した水の水質に応じて且つ使用目的に応じて水処理をする必要がある。取水する水には様々な物質が存在しており、水処理をする上で障害となる物質も少なくない。

【0003】

非特許文献１には、ろ過膜及び逆浸透膜の閉塞（ファウリング）の原因（ファウラント）として、全ての自然水域に含まれる透明で粘着性の高いゼリー状の有機物であるＴＥＰ（生体外分泌高分子粒子）の存在が認識されてきている。

【0004】

特許文献１には、ＲＯ膜（逆浸透膜）を用いた海水淡水化装置において、海水取水設備から海水を取水した後、海水をＲＯ膜に透過させる前に、膜の閉塞の原因となるＴＥＰを除去するための種々の前処理を施すことが記載されている。

【0005】

非特許文献２には、福岡都市圏の海水淡水化設備が記載されている。この海水淡水化設備では、取水方法として「浸透取水」方式が採用されており、海底の砂によってろ過した海水を陸上にくみ上げる仕組みになっている。これにより、陸上ではきれいな海水を安定して取水できるほか、取水管内に付着するフジツボやイガイの卵も海底の砂でろ過されるため、管内の清掃作業などの維持管理が簡略化できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０１４／１８１５８３号

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Transparent exopolymer particles: Potential agents for organic fouling and biofilm formation in desalination and water treatment plants,Edo Bar-Zeev et al., Desalination and Water Treatment 3 (2009) 136-142

【非特許文献2】守田幸雄，「福岡地区における海水淡水化プラントの運転事例」，学会誌「EICA」，2011年，第15巻第4号，P.48-51

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述のように、海水、汽水、淡水には、目的とする処理水を得る上で不要となる様々な成分が含まれていることから、不要成分を前処理によって予め取り除くことは、その後の水処理技術の負担を小さくする上で重要な処理であるといえる。

【0009】

特許文献１に記載された発明では、海から取水した海水を陸上において除濁処理することが記載されているが、特許文献１のように逆浸透膜を用いて海水を脱塩する場合には、高度な水質を維持するために、陸上において砂ろ過の他、加圧浮上法や膜ろ過など高度な手法を組み合わせる複雑な前処理が必要となる。その結果、陸上で行う前処理の負担が大きくなるとともに前処理設備が大型化するという問題がある。

【0010】

非特許文献１に記載された技術は、全ての自然水に含まれるＴＥＰと膜の閉塞の因果関係についての知見があるに留まり、効率の良い取水方法や前処理技術については何ら触れられていない。

【0011】

一方、非特許文献２に記載された発明のような海底で砂ろ過処理を施す取水方法は、陸上での前処理の負担を軽減できる点で有利である。しかしながら、非特許文献２に記載される手法は、取水箇所に広く安定した海底面が必要であるため、処理設備が大型化し、工事費や維持費も膨大になるという問題がある。

【0012】

上記課題を鑑み、本発明は、水中に含まれる濁質やＴＥＰなどの界面活性物質を取水前に簡易且つ小型の設備で低減でき、陸上での前処理操作を軽減することが可能な取水方法及び取水装置及び水処理方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討したところ、取水前に、取水対象とする水中に直接気体を送り込んで気泡を発生させ、水に含まれる汚染物質を気泡に吸着させて分離することが有効であるとの知見を得た。

【0014】

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、取水対象とする水中に気体を送り込んで気泡を発生させ、気泡と水とを接触させることにより水に含まれる汚染物質を気泡に吸着させて分離し、気泡を分離した後の水を採取することを含む取水方法が提供される。

【0015】

本発明に係る取水方法は一実施態様において、取水対象とする水中に水の導入口を備える取水升を配置し、導入口から取水升内に水を下向流で取り入れるとともに取水升の下部から気泡を発生させて気泡を上向流で流すことにより、気泡と水とを対向流で接触させることを含む。

【0016】

本発明に係る取水方法は別の一実施態様において、気泡と接触した後に気泡と分離した水を採取することが、取水升内において気泡が水と接触する領域よりも下方から取水升内の水を汲み上げることを含む。

【0017】

本発明に係る取水方法は別の一実施態様において、取水升内へ流入する水の下向流の流速が、取水升内を上昇する気泡の上昇速度よりも小さくなるように、取水升内から水を引き抜くことを含む。

【0018】

本発明は別の一側面において、取水方法によって取水された水を陸上で前処理することを含む水処理方法が提供される。

【0019】

本発明は更に別の一側面において、取水対象とする水中に配置され、水の導入口を備える取水升と、取水升内の水と接触することにより水に含まれる汚染物質を吸着させるための気泡を発生させる気泡発生手段と、気泡を分離した後の水を採取する取水手段とを備える取水装置が提供される。

【0020】

本発明に係る取水装置は一実施態様において、取水手段の取水口が、取水升内において気泡発生手段よりも下方に配置されている。

【0021】

本発明に係る取水装置は別の一実施態様において、取水升が、導入口から水を下向流で導入するとともに取水升の下部から導入口へと気泡を上向流で流すことにより、気泡と水とを対向流で接触させる吸着分離部と、取水升の下部において吸着分離部と連通し、気泡と水がお互いの流れによって分離される脱気部と、脱気部内に配置された取水配管とを備える。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、水中に含まれる濁質やＴＥＰなどの界面活性物質を取水前に簡易且つ小型の設備で低減でき、陸上での前処理操作を軽減することが可能な取水方法及び取水装置及び水処理方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施の形態に係る取水装置の一例を示す概略図である。

【図2】本発明の実施の形態の変形例に係る取水装置の一例を示す概略図である。

【図3】本発明の実施の形態の別の変形例に係る取水装置の一例を表す概略図である。

【図4】気泡の上昇速度と気泡径との関係を表すグラフである。

【図5】実施例１及び比較例１の試験条件と取水した水中の汚染物質の濃度の推移を表すグラフであり、図５（ａ）は試験時間と散気時間との関係、図５（ｂ）は試験時間と濁度との関係、図５（ｃ）は試験時間と全有機炭素濃度（ＴＯＣ）との関係、図５（ｄ）は試験時間と溶存有機炭素濃度（ＤＯＣ）との関係、図５（ｅ）は試験時間とＴＥＰ濃度との関係をそれぞれ示す。

【図6】実施例２及び比較例２の試験条件と取水した水中の汚染物質の濃度の推移を表すグラフであり、図６（ａ）は試験時間と散気時間との関係、図６（ｂ）は試験時間と濁度との関係、図６（ｃ）は試験時間と全有機炭素濃度（ＴＯＣ）との関係、図６（ｄ）は試験時間と溶存有機炭素濃度（ＤＯＣ）との関係、図６（ｅ）は試験時間と陰イオン界面活性剤濃度との関係、図６（ｆ）は試験時間とＴＥＰ濃度との関係をそれぞれ示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

【0025】

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る取水装置は、水の導入口２を備える取水升１と、取水升１内の水と接触することによりその水に含まれる汚染物質を吸着させるための気泡６を発生させる気泡発生手段３と、気泡６を分離した後の水を取水する取水手段４とを備える。

【0026】

取水升１は、取水対象とする水を内部へ導入するための導入口２を有し、この導入口２から取水升１内に流入水を下向流で流すような構造になっている。取水升１の具体的形状は特に制限されないが、例えば、取水対象とする海水、淡水又は汽水中にほぼ全面を浸漬させることが可能な細長い筒状の反応槽が利用可能である。図１の例においては、取水升１は水底から水面まで延在し、取水升１の一部が水底に埋設された例を示しているが、本発明の目的を達成できるような配置であればこの配置に限定されないことは勿論である。

【0027】

気泡発生手段３は、取水升１中に水中に気体を送り込んで取水升１内に気泡６を発生させるための装置である。取水升１の下部に設けられた気泡発生手段３から気泡６を上向流で流し、気泡６を水面へ向けて上昇させることにより、導入口２から取水升１内に導入された水と気泡６とを対向流で接触させることができる。

【0028】

気泡６の表面は、ＯＨ^-、Ｃｌ^-、ＣＯＯ^-が濃縮して負電荷に帯電しているため、取水升１に導入される濁質成分、有機物及び油などの汚染成分で疎水基を持つ物質が、電気的に中和あるいは反発し、若しくはイオン交換されることにより、気泡６の表面に吸着されやくなる。このような性質を利用して水に含まれる汚染物質を気泡６に吸着させて分離することができる。

【0029】

気泡発生手段３としては、メンブレン式散気装置やセラミック製散気装置でブロワなどの送風機により散気するか、又はエジェクタ等で空気を吸引させて散気することが好適である。使用する気体としては一般的に空気が用いられるが、窒素や他のガスを供給してもよい。即ち、気泡とするガスは空気を用いるのが安価であるが、窒素ガスや酸素ガス、オゾンガスなどのあらゆるガスに限定されない。

【0030】

気泡発生手段３が発生させる気泡６の直径（気泡径）としては、取水対象とする水の性状及びその水に含まれる汚染物質の濃度や種類に応じて異なるが、気泡径１０μｍ〜５ｍｍとすることが好ましい。気泡径が１０μｍ未満であると、気泡の上昇速度が遅く、気泡６を用いた固液分離がうまく進まない場合がある。一方、気泡径が５ｍｍを越えると、気泡による固液分離に十分な気泡表面積を確保することができず、固液分離の効率が低下する場合がある。

【0031】

更に、取水対象とする水の性状に応じて、予備気泡発生手段（図示せず）を併用し、予備気泡発生手段によって取水升１内に対流を生じさせたり気泡発生手段３とは異なる気泡径の気泡を発生させたりしてもよい。これにより、水中の汚染物質の吸着効率を更に向上させることが可能となる。

【0032】

取水手段４としては、例えば取水升１の長手方向に沿って延在する取水配管などが用いられる。図３に示すように、取水手段４の取水口４１は、気泡発生手段３よりも下方に設けられており、取水口４１を介して、取水升１内において気泡６が水と接触する領域よりも下方（気泡発生手段３よりも下方）から、取水升１内の水を汲み上げることが好ましい。

【0033】

図３に示す取水装置によれば、気泡を取水升１内の水から分離するために特別の装置を利用することなく、簡便かつ小型の装置で気泡と接触した後の水を取水することができる。

【0034】

取水升１内での気泡６の上昇速度は、例えば、水温２０℃の時、ストークス定理により図４に示すような関係を有する。例えば気泡径が１ｍｍ（１０００μｍ）のときは、気泡６の上昇速度は３２ｍ／ｍｉｎとなる。取水升１内の下部で流入水と気泡６とを効率良く分離するには、流入水の下向流の流速が、気泡６の上昇速度よりも小さくなるように、取水手段４から水を引き抜くことが好ましい。

【0035】

取水手段４へ気泡６を巻き込まないようにするために、図１に示すように、取水升１内に仕切板５を配置し、仕切板５で気泡６が多数存在する領域から分離された領域内に取水手段４を配置してもよい。図２に示すように、取水升１を、仕切板５を介して吸着分離部１０と脱気部１１とに分け、脱気部１１内に取水手段４を配置するようにしてもよい。仕切板５の最下端を気泡発生手段３よりも下に配置することで、気泡６の脱気部１１への混入を抑制することができる。また、吸着分離部１０の容積を脱気部１１の容積よりも大きくとることで、気泡６による吸着分離処理の効率をより高めることができる。

【0036】

吸着分離部１０においては、導入口２から水を下向流で導入するとともに取水升１の下部にある気泡発生手段３から気泡を発生させて、気泡６を上向流で流すことにより、気泡６と水とを対向流で接触させる。これにより、流入水中の汚染物質を気泡６に吸着させる。

【0037】

脱気部１１は、吸着分離部１０と取水升１の下部において連通している。脱気部１１においては、汚染物質が気泡６に吸着除去された後の処理水を受け入れて、この処理水を上向流で流し、処理水に随伴する気泡を上昇させて水面へと送る。即ち、気泡６と処理水がお互いの流れによって分離されることにより、水中から気泡６をより完全に除去するための領域として機能する。

【0038】

脱気部１１では、気泡６の浮上速度を下回るように脱気部１１内の水の流速が調整されており、気泡６は水面へ浮上することで分離される。このような構成を採用することにより、気泡６の分離効率が高まり、取水手段４から水を汲み上げる際に極力気泡６を巻き込まないようにすることができる。気泡６の巻き込みを防ぐために、取水手段４の取水口４１周辺には、気泡の侵入を防ぐための気泡侵入抑制部１２が形成されていてもよい。気泡侵入抑制部１２の構成は特に制限されない。気泡侵入抑制部１２が気泡６を消泡するような機能を有していても構わない。

【0039】

本発明が処理対象とする水は、海水、淡水、汽水などが好適に利用されるが、汚染物質を含む液体で気泡分離によりその汚染物質が除去できるような液体であればこれに限定されるものではない。

【0040】

例えば、随伴水などの含油排水、藻類を含む湖沼水、工場排水なども処理対象として利用することが可能である。取水対象とする水に含まれる汚染物質としては、例えば、膜分離における膜の閉塞の原因となる濁質、ＴＥＰなどの有機成分などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

【0041】

本発明の実施の形態に係る取水装置及び取水方法によれば、取水対象とする水中に取水升１を浸漬させ、取水升１内で気泡６を用いた汚染物質の分離を行った後、気泡６を分離した後の処理水を取水する。このように、取水対象とする水を、陸上へ汲み上げる前に本実施形態に係る処理を行うことにより、その後の陸上で行う水処理のための前処理の負担を小さくできる。

【0042】

例えば、ＴＥＰなどの低減目的のために泡沫分離処理を陸上で採用する場合には、泡沫分離処理により発生した泡沫を分離して処理しなければならない。本発明によれば、水中の汚染物質を吸着した気泡６を浮力によって、導入口２から取水対象とする水自体へそのまま戻すことができるため、汚染物質を吸着した気泡６を別途処理するための手段を設ける必要がなく、より効率良く処理を行うことができる。また、取水升１は、非特許文献２に記載されるような水中でろ過を行う場合のように、広く安定した海底面を必要としないため、設置の簡便性と汚染物質の除去に優れた取水装置を提供することができる。

【0043】

膜のファウリング物質として、溶存有機物や取水箇所の水質が影響を及ぼし、高濁度の原水が膜の閉塞の原因になる場合がある。本実施形態に係る取水装置及び取水方法によれば、取水前に膜のファウリング物質となる汚染物質を予め除去することができるため、取水して陸上で前処理を行う場合においても前処理の負担を小さくすることができる。

【0044】

よって、取水された水を前処理し、前処理を行った処理水を膜分離等を用いて水処理するような水処理設備へ導入することにより、特に安定的に水処理を進めることができる。また、本実施形態に係る取水装置及び取水方法は、海水淡水化、製塩事業、養殖、水族館などの魚類など市域事業分野、浄水場などの各種取水を必要とする施設に好適に用いられるものである。

【実施例】

【0045】

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。

【0046】

（実施例１）
図３に示す取水装置を海水中に浸漬して取水操作を行った。図３に示すように、基準面（Ａ．Ｐ：荒川工事基準面）から４．０ｍの深さまで開口部を設け、これを導入口２として、海水を取水升１内へ流入させた。基準面から７．０ｍの深さに底面がくるように取水升１を配置し、基準面６．０ｍの深さに気泡発生手段３を配置した。取水手段４の取水口４１が、気泡発生手段３よりも０．５ｍほど下（基準面から６．５ｍの深さ）になるように配置した。気泡発生手段３として気泡径１００μｍ（製品仕様）の気泡を発生させるセラミック製散気管を使用し、取水手段４からの取水量を２０Ｌ／分とし、気泡発生手段３からの散気量を１０Ｌ／分とした。取水配管径は５０ｍｍ、取水升１の断面積は１ｍ²とした。

【0047】

図５（ａ）に示すように、散気を１時間毎に繰り返し、散気した場合としない場合の濁度、全炭素濃度（ＴＯＣ）、溶存有機炭素濃度（ＤＯＣ）、生体外分泌高分子粒子（ＴＥＰ）濃度の時間毎の変化を観察した。結果を図５（ｂ）〜図５（ｅ）に示す。なお、本実施例においては、取水した水中のＴＯＣは燃焼酸化方式によるＴＯＣ分析法によって、ＤＯＣは孔径１μｍのガラスフィルターにてろ過したろ過液を上述のＴＯＣ分析法で分析した。ＴＥＰは、海水試料を孔径０．４μｍのポリカーボネート製の濾紙で濾過し、濾紙表面に捕捉された試料をアルシアンブルーにて染色し、分光光度計によりキサンタンガム（ＸＧ）を標準として測定し、単位はμｇ−ＸＧ／Ｌで示した。本分析方法によって定量したＴＥＰは、酸性ムコ多糖類である。散気を行った場合を実施例１とし、散気を行わなかった場合を比較例１として、実施例１と比較例１の水質平均値を表１に示す。

【0048】

【表1】

【0049】

表１に示すように、実施例１によって、海水中の濁度が低減するともに有機物量であるＴＯＣ、ＤＯＣも低下するという結果が得られた。また、実施例１では平均値で濁度が５１％、ＴＥＰが３７％に低減された。

【0050】

（実施例２）
図３に示す取水装置を浄水用の取水に適用した。実施例２では、図６（ａ）に示すように、散気を２４時間毎に繰り返し、散気した場合としない場合の濁度、全炭素濃度（ＴＯＣ）、溶存有機炭素濃度（ＤＯＣ）、陰イオン界面活性剤濃度、生体外分泌高分子粒子（ＴＥＰ）濃度の時間毎の変化を観察した。結果を図６（ｂ）〜図６（ｆ）に示す。実施例２においては、取水量を１０Ｌ／分とし、気泡発生手段３からの散気量を５Ｌ／分とした。取水配管径は２５ｍｍ、取水升１の断面積は０．５ｍ²とした。他の条件は実施例１と同様である。

【0051】

散気を行った場合を実施例２とし、散気を行わなかった場合を比較例２として、実施例２と比較例２の水質平均値を表２に示す。

【0052】

【表2】

【0053】

表２に示すように、実施例２によって、濁度、ＴＯＣ、ＤＯＣ、陰イオン界面活性剤、ＴＥＰのいずれも低減した。また、実施例２では、平均値で濁度が４５％、ＴＯＣが５８％、ＤＯＣが４１％、ＴＥＰが４０％に低減された。陰イオン界面活性剤は、比較例２においては期間中６日間検出されたが、実施例２では一度も検出されなかった。

【符号の説明】

【0054】

１…取水升
２…導入口
３…気泡発生手段
４…取水手段
５…仕切板
６…気泡
１０…吸着分離部
１１…脱気部
１２…気泡侵入抑制部
４１…取水口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】