JP2012130888A - イオン交換システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】向流再生及びスプリット・フロー再生と同等の処理水の純度を得、スプリット・フロー再生よりも多くの採水量を得る複数基直列水処理・再生方式のイオン交換システムの運転方法を提供すること。
【解決手段】直列通水の水処理プロセスを行うイオン交換システムの運転方法であって、再生プロセスは、第１再生プロセスは、再生剤をイオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、イオン交換樹脂床の底部で集液することにより再生剤の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床の全体を再生させる第１再生プロセスと、第１再生プロセスの後に行われ再生剤をイオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の上昇流を生成して、イオン交換樹脂床の一部を再生させる第２再生プロセスとを含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、イオン交換装置の運転方法に関する。

３基のイオン交換装置を備え、互いに直列に接続した複数の前記イオン交換装置のイオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で順次通過させて処理水を製造する直列通水の水処理プロセスを行い、前記直列接続の上流側イオン交換装置に再生プロセスの要求が生ずると、前記上流側イオン交換装置を再生対象としてイオン交換樹脂床に対し、再生剤を通過させる再生プロセスを行うとともに、前記直列接続の下流側イオン交換装置、再生プロセスが終了したイオン交換装置を、それぞれ前記上流側イオン交換装置，前記下流側イオン交換装置として前記直列通水の水処理プロセスを行うイオン交換システム（以下、「複数基直列水処理・再生方式のイオン交換システム」という。）の運転方法は、特許文献１にて知られている。

特許文献１のイオン交換装置としての一般的な軟水化装置は、構造がシンプルであるという理由で並流再生を採用しているものが多い。しかし、並流再生は、再生プロセス後の軟水化プロセスにおける硬度リークレベルが比較的高い。特に、複数基直列水処理・再生方式のイオン交換装置は、高硬度の原水を処理するために使用される。そして、再生対象となる直列接続の上流側のイオン交換装置は、通常の貫流点を越えて通水処理を行うので、再生が終了したイオン交換装置を下流側のイオン交換装置として直列通水の水処理プロセスを行うとき、前記硬度リークレベルが高くなるため、処理水を使用するボイラ等の機器でスケール障害が起きやすい。このため、高純度の処理水を得るために、再生レベル（イオン交換樹脂１リットル当たりの再生剤使用量）を高く設定する必要がある。

また、向流再生は、並流再生に比べて硬度リークレベルが低いため、処理水の純度低下の課題を解消できる。しかしながら、再生プロセス中に流動しないようにイオン交換樹脂床を保持するために、各種の複雑な技術を必要とする。

これに対して、スプリット・フロー再生は、並流再生及び向流再生の課題を同時に解決できる。すなわち、再生レベルを低く抑えても、高純度の処理水を実用的な採水量の範囲で得ることができるメリットを有している。

しかしながら、スプリットフロー再生にもつぎの課題がある。その課題は、硬水軟化装置の大型化に伴って、樹脂貯槽の内径を大きくした場合に起こる。すなわち、イオン交換樹脂床の直径Ｚに対する深さＤ１の比率を小さくしていくと、所期の採水量を得られないという現象が見られる。この現象は、比率Ｄ１／Ｚを小さくしていくほど顕著になる。

出願人は、これらの課題を解決する新規な再生プロセスをＰＣＴ／ＪＰ２０１０／００３１７９（以下、「新規再生プロセス出願」という。）にて出願している。

特開平３−１２２８７

この発明の目的は、つぎの要求項目を同時に達成できる複数基直列水処理・再生方式の
イオン交換システムの運転方法を提供することである。
（１）向流再生及びスプリット・フロー再生と同等の処理水の純度を得る。
（２）再生レベルを抑えつつ、スプリット・フロー再生よりも多くの採水量を得る。（３）イオン交換樹脂床の直径に対する深さの比率を小さくしても実用的な採水量を得る。

上記の目的を達成する第１発明は、深さＤ１を有するイオン交換樹脂床を有する複数のイオン交換装置を備え、互いに直列に接続した複数の前記イオン交換装置のイオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で順次通過させて処理水を製造する直列通水の水処理プロセスを行い、前記直列接続の上流側イオン交換装置に再生プロセスの要求が生ずると、前記上流側イオン交換装置を再生対象としてイオン交換樹脂床に対し、再生剤を通過させる再生プロセスを行うとともに、前記直列接続の下流側イオン交換装置、再生プロセスが終了したイオン交換装置を、それぞれ前記上流側イオン交換装置，前記下流側イオン交換装置として前記直列通水の水処理プロセスを行うイオン交換システムの運転方法であって、
前記イオン交換樹脂床は、同一種のイオン交換樹脂ビーズからなり；
前記再生プロセスは、第１再生プロセス及び当該第１再生プロセス終了後に行われる第２再生プロセスを含み；
前記第１再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の底部で集液することにより再生剤の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床の全体を再生させるプロセスであり；
前記第２再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の上昇流を生成して、前記イオン交換樹脂床の一部を再生させるプロセスである、イオン交換システムの運転方法である。

第１発明によれば、つぎの効果を奏する複数基直列水処理・再生方式のイオン交換システムの運転方法を提供することができる。すなわち、向流再生及びスプリット・フロー再生と同等の処理水の純度を得ることができる。同時に、再生レベルを抑えつつ、スプリット・フロー再生よりも多くの採水量を得ることができる。しかも、イオン交換樹脂床の直径に対する深さの比率を小さくしても実用的な採水量を得ることができる。

第２発明は、第１発明において、第２再生プロセスは、再生剤をイオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の上昇流を生成して、イオン交換樹脂床の一部を再生させるとともに、再生剤をイオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の下降流を生成して、イオン交換樹脂床の他部を再生させる、イオン交換システムの運転方法である。

第２発明によれば、第１発明の効果に加え、スプリット・フロー再生の技術をそのまま用いることができる。

第３発明は、第１発明又は第２発明において、イオン交換装置は、硬水軟化装置であり；イオン交換樹脂床は、強酸性陽イオン交換樹脂ビーズからなり；深さＤ１が３００〜１５００ｍｍのイオン交換樹脂床に対し、底部を基点として深さＤ２が１００ｍｍの硬度リーク防止床が設定されており；第２再生プロセスは、硬度リーク防止床に対する再生レベルＲ２が１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生剤量Ｕ２を硬度リーク防止床に通過させるプロセスであり；再生レベルＲ２は、第２再生プロセス後の水処理プロセスにおいて、硬度リーク防止床によって硬度リーク量Ｙが１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の軟水を製造可能なレベルである、イオン交換システムの運転方法である。

第３発明によれば、第１発明又は第２発明の効果に加え、硬度リーク防止床において必要以上の再生剤を消費することを抑制できる。

第４発明は、第３発明において、第２再生プロセスにおける集液位置の深さＤ３は、イオン交換樹脂床の底部を基点としてＤ２〜０．８×Ｄ１に設定される、イオン交換システムの運転方法である。

第４発明によれば、第３発明の効果に加え、第１再生プロセスで再生済みのイオン交換樹脂床において、第２再生プロセスで硬度リーク防止床から脱離した硬度成分の再吸着による汚染量を減少できる。

本発明によれば、つぎの効果を奏する複数基直列水処理・再生方式のイオン交換システムの運転方法を提供することができる。すなわち、向流再生及びスプリット・フロー再生と同等の処理水の純度を得ることができる。同時に、再生レベルを抑えつつ、スプリット・フロー再生よりも多くの採水量を得ることができる。しかも、イオン交換樹脂床の直径に対する深さの比率を小さくしても実用的な採水量を得ることができる。

本発明の運転方法の実施形態１における第１処理プロセスを示す。 同実施形態１における第２処理プロセスを示す。 同実施形態１における第３処理プロセスを示す。 同実施形態１における３基のイオン交換装置に対する処理プロセスのローテーションを示す。 再生プロセスの相違によるイオン交換樹脂床の再生状態を示す。 イオン交換樹脂床深さＤ１，硬度リーク防止床深さＤ２及び中間集液位置深さＤ３の関係を示す。 本発明の運転方法の実施形態２における第１処理プロセスを示す。 同実施形態２における第２処理プロセスを示す。 同実施形態２における第３処理プロセスを示す。 本発明の運転方法の実施形態３における第１処理プロセスを示す。 同実施形態３における第２処理プロセスを示す。 同実施形態３における第３処理プロセスを示す。 同実施形態３における第４処理プロセスを示す。 同実施形態３における２基のイオン交換装置に対する処理プロセスのローテーションを示す。

この発明の実施の形態は、深さＤ１を有するイオン交換樹脂床を有する複数のイオン交換装置を備え、
互いに直列に接続した複数の前記イオン交換装置のイオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で順次通過させて処理水を製造する直列通水の水処理プロセスを行い、
前記直列接続の上流側イオン交換装置に再生プロセスの要求が生ずると、前記上流側イオン交換装置を再生対象としてイオン交換樹脂床に対し、再生剤を通過させる再生プロセスを行うとともに、
前記直列接続の下流側イオン交換装置、再生プロセスが終了したイオン交換装置を、それぞれ前記上流側イオン交換装置，前記下流側イオン交換装置として前記直列通水の水処理プロセスを行うイオン交換システムの運転方法である。

この実施の形態の前記イオン交換樹脂床は、同一種のイオン交換樹脂ビーズからなり；前記再生プロセスは、第１再生プロセス及び当該第１再生プロセス終了後に行われる第２再生プロセスを含み；前記第１再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の頂部へ
配液しながら、前記イオン交換樹脂床の底部で集液することにより再生剤の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床の全体を再生させるプロセスであり；前記第２再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の上昇流を生成して、前記イオン交換樹脂床の一部を再生させるプロセスであることを特徴としている。

この実施の形態は、以下に説明するように、３基以上のイオン交換装置を備えるイオン交換システムの運転方法の実施の形態１および実施の形態２と、２基のイオン交換装置を備えるイオン交換システムの運転方法の実施の形態３とを含むものである。

＜イオン交換システムの運転方法の実施形態１＞
実施形態１に係るイオン交換システムの運転方法について詳述する。図１を参照して、イオン交換システムは、３基（台または塔と称することができる。）の第１イオン交換装置１Ａ，第２イオン交換装置１Ｂ，第３イオン交換装置１Ｃを含んで構成されている。各イオン交換装置１Ａ，ＩＢ，１Ｃは、同一種のイオン交換樹脂ビーズからなり、深さＤ１を有するイオン交換樹脂床２を有している。同一種とは、個々の樹脂ビーズの母体組成、及び官能基が同一であることを意味する。イオン交換樹脂ビーズは、陽イオン交換樹脂ビーズ及び陰イオン交換樹脂ビーズのうち、いずれかを選択できる。

そして、イオン交換システムの運転方法は、図１に示す第１処理と、図２に示す第２処理と、図２に示す第２処理と、図３に示す第３処理とをこの順に繰り返して行う。

第１処理は、互いに直列に接続した第１イオン交換装置１Ａおよび第２イオン交換装置１Ｂの各イオン交換樹脂床２に対し、原水を下降流で順次通過させて処理水を製造する直列通水の水処理プロセスを行うとともに、水処理プロセスを行っていない再生対象の第３イオン交換装置１Ｃのイオン交換樹脂床２に対し、再生剤を通過させる再生プロセスを行う処理である。

前記直列通水の水処理プロセスは、互いに直列に接続した第１イオン交換装置１Ａおよび第２イオン交換装置１Ｂの各イオン交換樹脂床２に対し、原水を下降流で順次通過させて処理水を製造するプロセスである。

この直列通水の水処理プロセスを詳細に説明すると、図１を参照して、まず第１イオン交換装置１Ａにおける水処理プロセスでは、原水３をイオン交換樹脂床２の頂部に設けた第１配液部８へ配液しながら、処理水４をイオン交換樹脂床２の底部に設けた第１集液部９で集液する。ついで、第１集液部９で集液された水は、第２イオン交換装置１Ｂにおいて、第１イオン交換装置１Ａと同様な水処理プロセスが行われる。通常、イオン交換装置は、破過前のイオン交換能力が残っている段階で再生する必要があるが、直列通水では、その必要がないため、１サイクル当たりの採水量を多くでき、節塩，節水となる。

前記再生プロセスは、第１再生プロセス及び当該第１再生プロセス終了後に行われる第２再生プロセスを含んでいる。第１再生プロセスは、イオン交換樹脂床２の全体を再生させる“並流再生プロセス”である。この第１再生プロセスは、再生剤５を第１配液部８によりイオン交換樹脂床２の頂部へ配液しながら、イオン交換樹脂床２の底部で第１集液部９により集液することにより再生剤５の下降流を生成して、イオン交換樹脂床２の全体を再生させるプロセスである。

また、第２再生プロセスは、再生剤５を第２配液部１０によりイオン交換樹脂床２の底部へ配液しながら、イオン交換樹脂床２の中間部の第２集液部１１で集液することにより再生剤５の上昇流を生成して、イオン交換樹脂床２の一部を再生させる“部分向流再生プ
ロセス”である。

この第１処理において、直列接続の原水の流れに対して上流側のイオン交換装置１Ａが破過して再生プロセスの要求が生ずると、図２に示す第２処理を行う。

この第２処理では、まず、直列接続の上流側の第１イオン交換装置１Ａを再生対象のイオン交換装置とし、下流側の第２イオン交換装置１Ｂを直列接続の上流側のイオン交換装置に位置させ、第１処理において再生対象であり、再生プロセスが終了した第３イオン交換装置１Ｃを直列接続の下流側のイオン交換装置に位置させる。

この状態において、直列接続された第２イオン交換装置１Ｂおよび第３イオン交換装置１Ｃにおいて、第１処理と同様の直列通水の水処理プロセスを行い、再生対象の第１イオン交換装置１Ａのイオン交換樹脂床２に対し、第１処理と同様の再生プロセスを行う。

さらに、この第２処理において、直列接続の原水３の流れに対して上流側のイオン交換装置１Ｂに再生プロセスの要求が生ずると、図３に示す第３処理を行う。この第３処理では、まず、直列接続の上流側の第２イオン交換装置１Ｂを再生対象のイオン交換装置とし、下流側の第３イオン交換装置１Ｃを直列接続の上流側のイオン交換装置に位置させ、第２処理において再生対象であり、再生プロセスが終了した第１イオン交換装置１Ａを直列接続の下流側のイオン交換装置に位置させる。

この状態において、直列接続された第３イオン交換装置１Ｃおよび第１イオン交換装置１Ａにおいて、第１処理および第２処理と同様の直列通水の水処理プロセスを行い、再生対象の第２イオン交換装置１Ｂのイオン交換樹脂床２に対し、第１処理および第２処理と同様の再生プロセスを行う。

そして、第３イオン交換装置１Ｃに再生プロセスの要求が生ずると、図１の第１処理が再び行われる。このように、この実施の形態１の運転方法は、図４に示すように、直列接続の上流側イオン交換装置に再生プロセスの要求が生ずると、前記上流側イオン交換装置，前記直列接続の下流側イオン交換装置、前記再生対象イオン交換装置を、それぞれ前記再生対象イオン交換装置，前記上流側イオン交換装置，前記下流側イオン交換装置とする処理プロセスのローテーションを順次行うように構成されている。

この実施の形態１の転方法（本運転方法）の再生プロセスによれば、第１再生プロセス（並流再生プロセス）では、イオン交換樹脂床２の全体が再生される。一方、第２再生プロセス（部分向流再生プロセス）では、中間集液位置から下方のイオン交換樹脂床（以下、“下側部分樹脂床”と称する）が再生される。中間集液位置は、第２集液部１１に形成される流出孔のうち、最も下側の孔の下端で定義する。

並流再生プロセス及び部分向流再生プロセスは、いずれも個別に公知であるが、本運転方法の再生プロセスでは、これらのプロセスを連続して実行することに特徴を有している。つまり、並流再生プロセスを第１再生プロセスとして実行し、第１再生プロセス終了後に、部分向流再生プロセスを第２再生プロセスとして実行する。換言すれば、本運転方法は、従来行われていた一段の再生プロセスを、二段の再生プロセスに改良したものである。

一段及び二段の再生プロセスの相違について、図５に基づき以下に説明する。図５は、硬水軟化装置におけるイオン交換樹脂床２の再生状態を定性的，かつ模式的に示すものである。紙面の上方は、イオン交換樹脂床２の頂部側であり、紙面の下方は、イオン交換樹脂床２の底部側である。図５中で、ハッチングを施している領域は、未再生のＣａ型陽イ
オン交換樹脂ビーズの分布を示す。一方、ハッチングを施していない領域は、再生済のＮａ型陽イオン交換樹脂ビーズの分布を示す。従来の並流再生及びスプリット・フロー再生におけるＣａ型陽イオン交換樹脂ビーズの分布は、それぞれ図５（ａ）及び（ｂ）で示される。特に、スプリット・フロー再生においては、イオン交換樹脂床２の中間集液部の高さ付近であって、外周側部分の再生不良部分の存在により、Ｃａ型陽イオン交換樹脂ビーズの占める面積が多くなっている。

これに対して、本運転方法の二段再生によるＣａ型陽イオン交換樹脂ビーズの分布は、図５（ｃ）で示される。イオン交換樹脂床２の全体に対するＣａ型陽イオン交換樹脂ビーズが占める面積の比率が小さいことは、再生プロセス後の水処理プロセスにおいて、処理水（軟水）の採水量が増加することを意味する。また、イオン交換樹脂床２の底部において、Ｃａ型陽イオン交換樹脂ビーズが占める面積の比率が小さいことは、水処理プロセスでの硬度リークレベルが低く、処理水の純度が高いことを意味している。

以上の説明から明らかなように、本運転方法の再生プロセスによれば、再生不良部分が減少するので、スプリット・フロー再生よりも多い量であって、並流再生よりやや少ない量の採水量を得ることができる。同時に、本運転方法の再生プロセスによれば、スプリット・フロー再生と同等の処理水の純度を確保することができる。更に、本運転方法の再生プロセスによれば、公知の並流再生及び部分向流再生の技術をそのまま利用できるので、イオン交換装置の開発コストを低減できるという付随効果も奏する。この付随効果は、本質的ではなく、公知の並流再生及び部分向流再生の技術を変形したものとしても良いことは勿論である。

（実施の形態１の再生プロセスの好適例１）
実施形態１に係る運転方法の再生プロセスは、好適例１〜４を含む。好適例１では、イオン交換装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃを硬水軟化装置とするとともに、イオン交換樹脂床２を強酸性陽イオン交換樹脂ビーズから構成する。そして、図６に示すように、深さＤ１が３００〜１５００ｍｍのイオン交換樹脂床２に対し、底部を基点として深さＤ２が１００ｍｍの硬度リーク防止床６を設定する。

第２再生プロセスでは、硬度リーク防止床６に対する再生レベルＲ２が１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生剤量Ｕ２を、硬度リーク防止床６に通過させる。再生レベルＲ２は、第２再生プロセス後の水処理プロセス（水軟化プロセス）において、硬度リーク防止床６によって硬度リーク量Ｙが１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の軟水を製造可能なレベルである。再生剤として塩化ナトリウム（分子量：５８．５）を使用した場合、再生レベルＲ２の範囲は、５９〜３５１ｇＮａＣｌ／Ｌ−Ｒに相当する。

硬度リーク防止床６は、深さＤ３を有する下側部分樹脂床７の底部を占めるものある。下側部分樹脂床７において、硬度リーク防止床６とそれ以外の部分とは、視覚的に識別されるものではなく、仮想的なものである。硬度リーク防止床６は、所要の軟水の純度を確保する機能を持つ。

イオン交換樹脂床２の深さＤ１を３００〜１５００ｍｍとするのは、次の理由による。まず、下限値について説明する。イオン交換樹脂床２の深さＤ１が極端に低い場合、再生剤の偏流やショートパスが起こりやすくなるため、再生効率が低下してしまう。また、イオン交換反応が起こる領域（イオン交換帯）の長さが伸びると、有効に利用できるイオン交換樹脂床２が少なくなるため、イオン交換容量（貫流交換容量）が少なくなる。従って、イオン交換樹脂床２の容量が２０Ｌを超えるような硬水軟化装置の設計では、通常は８００ｍｍ以上の深さが推奨される。しかしながら、特に小容量の硬水軟化装置であれば、３００ｍｍ以上の深さを確保すれば実用できる。このため、３００ｍｍを下限値とする。
次に、上限値について説明する。本来、上限値は不要である。ただし、イオン交換樹脂床２の深さＤ１が高過ぎると、通水時の圧力損失が上昇したり、装置高さが高くなって運送上の問題が発生したりする。このような事情から、イオン交換樹脂床２の深さが１５００ｍｍを超える硬水軟化装置は、製造される可能性は低い。このため、１５００ｍｍを上限値とする。

硬度リーク防止床６の深さＤ２を１００ｍｍに設定する理由は、前記の第２の知見に基づくもので、次の通りである。まず、硬水軟化装置は、イオン交換樹脂床２の深さＤ１を３００〜１５００ｍｍとすること；第２再生プロセスでは、硬度リーク防止床６に対する再生レベルＲ２が１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生剤量Ｕ２を硬度リーク防止床６に通過させること；及び、再生レベルＲ２は、第２再生プロセス後の水処理プロセスにおいて、硬度リーク防止床６によって硬度リーク量Ｙが１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の軟水を製造可能なレベルとすること、を前提としている。この前提において、硬度リーク防止床６を除くイオン交換樹脂床２で原水に含まれる硬度成分のほぼ９９％を除去し、かつ硬度リーク防止床６で残り１％を除去するために、少なくとも１００ｍｍの深さＤ２を確保する。

再生レベルＲ２を１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとするのは、次の理由による。再生レベル（ｅｑ／Ｌ−Ｒ）を横軸とし、再生率（％）を縦軸とした再生レベル−再生率特性において、下限値の１．０ｅｑ／Ｌ−Ｒ以下では、再生剤量が少なく、再生が不安定となる。また、上限値の６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒは、実用性と経済性の観点から定めた値である。再生レベルＲ２は、より好ましくは、２．６〜５．１ｅｑ／Ｌ−Ｒとする。この範囲は、実験的に確認されたものである。より好ましい再生レベルＲ２は、下側部分樹脂床７の深さＤ３を２５０ｍｍとして、この下側部分樹脂床７に対する再生レベルＲ２１に換算すると、１．０〜２．１ｅｑ／Ｌ−Ｒに相当する。

好適例１においては、硬水軟化装置の再生プロセスを通じて、全再生レベルＲが１．０〜４．１ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる全再生剤量Ｕをイオン交換樹脂床２に通過させる。具体的には、第１再生プロセスでは、全再生剤量Ｕから前記の再生剤量Ｕ２（再生レベルＲ２から求められる再生剤量）を差し引いた残りの再生剤量Ｕ１を、イオン交換樹脂床２の全体に通過させる。一方、第２再生プロセスでは、再生剤量Ｕ２を硬度リーク防止床６に通過させる。つまり、全再生レベルＲは、第１再生プロセス及び第２再生プロセスを通じての包括的な再生レベルとして定義される。

（実施の形態１の再生プロセスの好適例２）
前記の好適例１においては、次のように構成するのが好ましい。好適例２では、第２再生プロセスにおける集液位置の深さＤ３を、イオン交換樹脂床２の底部を基点としてＤ２〜０．８×Ｄ１に設定し、より好ましくは、Ｄ２〜０．５×Ｄ１に設定する。

深さＤ３の下限値は、中間集液位置が硬度リーク防止床６の深さＤ２以上でないと、硬度リーク防止床６の再生が十分に行われないので、深さＤ２と同じ値とする。深さＤ３の上限値は、イオン交換樹脂床２の汚染と流動を防止する観点から、０．８×Ｄ１に設定する。底部からの集液位置の深さＤ３が高くなると、第２再生プロセスで発生した高濃度のＣａイオンを含有する再生排液が、イオン交換樹脂床２を汚染しやすい。すなわち、第１再生プロセスで再生されたイオン交換樹脂床２に硬度成分が再吸着することにより、採水量が低下するおそれがある。また、底部からの集液位置の深さＤ３が高くなると、第２再生プロセス中に、再生剤の流れにより下側部分樹脂床７が流動しやすい。すなわち、下側部分樹脂床７に対して上側部分樹脂床の比率が小さく、下方への押圧力が小さい場合、樹脂ビーズが浮上することにより、再生剤との接触時間が短くなるおそれがある。このため、実用的な採水量を確保できる範囲内で、深さＤ３の上限値を０．８×Ｄ１に設定する。
更に、イオン交換樹脂床２の汚染と流動を確実に防止して、採水量を高めるためは、深さＤ３の上限値を０．５×Ｄ１とするのがより好ましい。なお、深さＤ３の上限値の例示は、臨界的意義を有するものではなく、変更可能である。

（実施の形態１の再生プロセスの好適例３）
前記の好適例１及び好適例２においては、次のように操作するのが好ましい。好適例３では、第１再生プロセスの後に、原水３をイオン交換樹脂床２の頂部へ配液しながら、イオン交換樹脂床２の底部から集液することにより、原水３の下降流を生成して、導入された再生剤５を押し出す第１押出プロセスを行う。そして、第２再生プロセスの後にも、原水３をイオン交換樹脂床２の底部へ配液しながら、イオン交換樹脂床２の中間部で集液することにより、原水３の上昇流を生成して、導入された再生剤５を押し出す第２押出プロセスを行う。

好適例３では、第１押出プロセスを行うことにより、第１再生プロセスで使用される再生剤量Ｕ１を、無駄なくイオン交換樹脂床２の末端まで通過させ、かつ樹脂ビーズから脱離した硬度成分が再吸着することを防止する。このため、第１再生プロセスの再生効率を上げることができる。また、第２再生プロセスを行う前に、第１再生プロセスで脱離した硬度成分を、硬度リーク防止床６から系外へ排出するので、第２再生プロセスの再生効率を上げることができる。

更に、第１及び第２押出プロセスでは、押出水として処理水（軟水）を使用しない。このため、押出プロセスに処理水を使用する従来の硬水軟化装置と比較して、処理水の貯留タンク及び送水ポンプが不要となる。加えて、硬水軟化装置の流路を切り換えるプロセス制御バルブの構造を簡素化できるメリットがある。

ここで、上記の運転方法に係る実施形態１を実現するイオン交換システムに用いるイオン交換装置１について説明する。イオン交換装置１は、同一種のイオン交換樹脂ビーズからなるイオン交換樹脂床２に、再生剤５を通液して再生するものである。イオン交換装置１は、イオン交換樹脂床２；イオン交換樹脂床２の頂部に設けた第１配液部８；イオン交換樹脂床２の底部に設けた第２配液部１０；イオン交換樹脂床２の底部に設けた第１集液部９；イオン交換樹脂床２の中間部に設けた第２集液部１１；及びバルブ手段を備えている。このイオン交換装置１として、ＷＯ０７／２３７９６号公報に記載の構造のイオン交換装置を用いることができる。

前記バルブ手段は、少なくとも次の流れを切換可能に構成されている。
（ａ）原水３を第１配液部８へ配水しながら、第１集液部９で集液することにより原水３の下降流を生成して、処理水４を製造する水処理プロセスの流体の流れ
（ｂ）再生剤５を第１配液部８へ配液しながら、第１集液部９で集液することにより再生剤５の下降流を生成して、イオン交換樹脂床２の全体を再生させる第１再生プロセスの流体の流れ
（ｃ）再生剤５を第２配液部１０へ配液しながら、第２集液部１１で集液することにより再生剤５の上昇流を生成して、下側部分樹脂床７を再生させる第２再生プロセスの流体の流れ

更に、イオン交換装置１は、バルブ手段を制御して、水処理プロセス，第１再生プロセス及び第２再生プロセスを順に切り換える制御手段を備えている。制御手段は、第１再生プロセスを行った後、第２再生プロセスに切換えて、イオン交換樹脂床２の再生を二段階で行う。

（イオン交換装置の好適例１）
前記イオン交換装置１は、好適例１〜３を含む。好適例１〜３は、硬水軟化装置である。好適例１では、深さＤ１が３００〜１５００ｍｍのイオン交換樹脂床２に対し、底部を基点として深さＤ２が１００ｍｍの硬度リーク防止床６を設定する。第２再生プロセスでは、硬度リーク防止床６に対する再生レベルＲ２が１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生剤量Ｕ２を硬度リーク防止床６に通過させる。そして、再生レベルＲ２は、第２再生プロセス後の水処理プロセス（水軟化プロセス）において、硬度リーク防止床６によって硬度リーク量Ｙが１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の軟水を製造可能なレベルである。

（イオン交換装置の好適例２）
前記の好適例１においては、次のように構成するのが好ましい。好適例２では、硬水軟化装置の再生プロセスを通じて、全再生レベルＲが１．０〜４．１ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる全再生剤量Ｕをイオン交換樹脂床２に通過させる。具体的には、第１再生プロセスでは、全再生剤量Ｕから前記の再生剤量Ｕ２（再生レベルＲ２から求められる再生剤量）を差し引いた残りの再生剤量Ｕ１を、イオン交換樹脂床２の全体に通過させる。一方、第２再生プロセスでは、再生剤量Ｕ２を硬度リーク防止床６に通過させる。

（イオン交換装置の好適例３）
前記の好適例２においては、次のように構成するのが好ましい。好適例３では、硬水軟化装置は、全再生レベルＲを１．０〜４．１ｅｑ／Ｌ−Ｒの範囲内で任意に選択可能な選択手段を備える。そして、制御手段は、選択された全再生レベルＲに対応して、再生レベルＲ２を１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒ、好ましくは２．６〜５．１ｅｑ／Ｌ−Ｒの範囲で設定する。再生レベルＲ２は、全再生レベルＲの増加に伴って増加する関係の設定値である。好適例３によれば、高い全再生レベルＲを選択しても、第２再生プロセスで必要以上の再生剤を使用しない。従って、第１再生プロセスでの再生剤の使用割合を多くすることができるので、採水量を増加させることができる。

（イオン交換装置の構成要素）
前記イオン交換装置１の構成要素について説明する。イオン交換樹脂ビーズは、陽イオン交換樹脂ビーズ及び陰イオン交換樹脂ビーズのうち、いずれかを選択できる。また、再生剤は、陽イオン交換樹脂ビーズを用いる硬水軟化装置では、塩化ナトリウム，塩化カリウム，水酸化ナトリウム及び水酸化カリウム等を利用できる。イオン交換樹脂床２は、特定の構成に限定されない。例えば、ケイ石や不活性樹脂からなる支持床上に積層されていてもよい。イオン交換樹脂床２は、樹脂貯槽内に配置される。樹脂貯槽は、特定の形状，構造及び材質に限定されない。

第１配液部８は、好ましくは、イオン交換樹脂床２の頂部から再生剤５をイオン交換樹脂床２の横断面に亘り、できるだけ均等に流す構造とする。このため、第１配液部８は、再生剤５をイオン交換樹脂床２の横断面に亘り分散させる構造が望ましい。しかしながら、イオン交換樹脂床２の上部にフリー・ボードが存在し、この空間に再生剤５が貯留されれば、再生剤５がイオン交換樹脂床２の横断面に亘ってほぼ均等に流れる。このため、第１配液部８の分散構造は、必須の要件ではない。

第１集液部９は、好ましくは、イオン交換樹脂床２の底部から再生剤５をイオン交換樹脂床２の横断面に亘り、できるだけ均等に収集する構造とする。このため、イオン交換樹脂床２の下にケイ石や不活性樹脂からなる支持床を設け、支持床中に第１集液部９を配置することが望ましい。なお、樹脂貯槽を円筒形状とする場合には、第１集液部９のサイズ（例えば、外径）は、樹脂貯槽の下端部または上端部に形成した開口から挿入可能であることが望ましい。第１集液部９のサイズを小型化しておくことで、装置の組み立てが容易になる。

第２配液部１０は、好ましくは、第１集液部９と兼用するが、これに限定されるものではない。すなわち、第２配液部１０は、第１集液部９と個別に設けてもよい。

第２集液部１１は、好ましくは、イオン交換樹脂床２の中間部から再生剤５をイオン交換樹脂床２の横断面に亘り、できるだけ均等に収集する構造のものとする。とは言え、現実的には、イオン交換樹脂床２の中間部において、均等な収集は困難である。勿論、第２集液部１１を水平方向に広げる構造とすれば、より均等な収集が可能である。しかしながら、第２集液部１１では、実際に液が流入する孔の位置や数が限定される関係上、偏流を避けることはできない。なお、樹脂貯槽を円筒形状とする場合には、第２集液部１１のサイズ（例えば、外径）は、樹脂貯槽の下端部または上端部に形成した開口から挿入可能であることが望ましい。第２集液部１１のサイズを小型化しておくことで、装置の組み立てが容易になる。

バルブ手段は、適正な個数のバルブにより構成される。バルブ手段は、イオン交換装置１の各プロセスにおける流体の流れを制御できるものであれば、特定の構成に限定されない。

＜イオン交換システムの運転方法の実施形態２＞
本発明は、上記の実施形態１に限定されるものではなく、他の実施形態２を含む。実施形態２は、実施形態１の第２再生プロセスを変形したものである。実施形態２での第２再生プロセスは、図７〜９に示すように、再生剤５の上昇流に加えて、イオン交換樹脂床２の頂部へ再生剤５を配液しながら、中間部で集液する下降流を有する。第２再生プロセス以外は、実施の形態１と同様であるので、図７〜図９において実施の形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

実施形態２においては、下側部分樹脂床７の部分向流再生に加えて、第２集液部１１よりも上方の上側部分樹脂床の部分並流再生を同時に行うことになる。部分向流再生及び部分並流再生を同時に行う第２再生プロセスは、従来のスプリット・フロー再生に準じる技術である。しかしながら、実施形態２は、第２再生プロセスに先行して、第１再生プロセスで全体並流再生を行う点で、スプリット・フロー再生とは本質的に異なる。

実施形態２においては、実施形態１と同様に、イオン交換樹脂床２を陽イオン交換樹脂ビーズから構成することにより、イオン交換装置１を硬水軟化装置とすることができる。硬水軟化装置においては、好ましくは、深さＤ１が３００〜１５００ｍｍのイオン交換樹脂床２に対し、底部を基点として深さＤ２が１００ｍｍの硬度リーク防止床６を設定する。第２再生プロセスでは、硬度リーク防止床６に対する所定再生レベルＲ２が１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生剤量Ｕ２を硬度リーク防止床６に通過させる。再生レベルＲ２は、第２再生プロセス後の水処理プロセス（水軟化プロセス）において、硬度リーク防止床６によって硬度リーク量Ｙが１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の軟水を製造可能なレベルである。

また、硬水軟化装置においては、第２再生プロセスにおける集液位置の深さＤ３を、イオン交換樹脂床２の底部を基点としてＤ２〜０．８×Ｄ１に設定し、より好ましくは、Ｄ２〜０．５×Ｄ１に設定する。更に、部分向流再生及び部分並流再生の再生剤の配分は、部分向流再生の再生剤量を、部分並流再生の再生剤量よりも多くするのが好ましい。しかしながら、部分向流再生及び部分並流再生の再生剤の配分は、両者を等量としてもよい。

実施形態２によれば、スプリット・フロー再生に適用される樹脂貯槽及び／又はバルブ手段を、そのまま使用できる。

＜イオン交換装置の運転方法の実施形態３＞
この実施の形態３の運転方法は、複数のイオン交換装置を２基とした場合の運転方法である。まず、図１０に示す第１処理において、直列に接続した第１イオン交換装置１Ａ，第２イオン交換装置１Ｂのイオン交換樹脂床２に対し、原水３を下降流で順次通過させて処理水を製造する直列通水の水処理プロセスを行う。この水処理プロセスは、実施の形態１および実施の形態２と同様に行われる。

ついで、図１０に示す第１処理において、直列接続の上流側の第１イオン交換装置１Ａに再生プロセスの要求が生ずると、図１１の第２処理を行う。この第２処理は、上流側の第１イオン交換装置１Ａを再生対象としてイオン交換樹脂床２に対し、再生剤５を通過させる再生プロセスを行う。この再生プロセスは、実施の形態１または実施の形態２と同様に行われる。この再生プロセスと並行して、直列接続の下流側の第２イオン交換装置１Ｂのみで、水処理プロセスを行う。

図１１に示す第２処理において、第１イオン交換装置１Ａの再生プロセスが終了すると、図１２の第３処理を行う。この第３処理は、第１処理において直列接続の下流側イオン交換装置であった第２イオン交換装置１Ｂ、再生プロセスが終了した第１イオン交換装置１Ａを、それぞれ図１２に示すように上流側イオン交換装置，下流側イオン交換装置として直列通水の水処理プロセスを行う。

この第３処理において、直列接続の上流側の第２イオン交換装置１Ｂに再生プロセスの要求が生ずると、図１３の第４処理を行う。この第２処理は、上流側の第２イオン交換装置１Ｂを再生対象として再生プロセスを行う。この再生プロセスと並行して、直列接続の下流側の第１イオン交換装置１Ａのみで、水処理プロセスを行う。

そして、第４処理において、再生対象の第２イオン交換装置１Ｂの再生プロセスが終了すると、図１の第１処理が再び行われる。

このように、この実施の形態４の運転方法は、図１４に示すように、第１イオン交換装置１Ａ，第二イオン交換装置１Ｂに対して、第１〜第４処理における通水対象となるイオン交換装置と再生対象となるイオン交換装置をローテーションするように構成されている。

本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上記の実施形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。更に、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ イオン交換装置（硬水軟化装置）
２ イオン交換樹脂床
３ 原水
４ 処理水（軟水）
５ 再生剤
６ 硬度リーク防止床
８ 第１配液部
９ 第１集液部
１０ 第２配液部
１１ 第２集液部
Ｄ１ イオン交換樹脂床の深さ
Ｄ２ 硬度リーク防止床の深さ
Ｄ３ 集液位置の深さ（下側部分樹脂床の深さ）

Claims (4)

1. 深さＤ１を有するイオン交換樹脂床を有する複数のイオン交換装置を備え、
   互いに直列に接続した複数の前記イオン交換装置のイオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で順次通過させて処理水を製造する直列通水の水処理プロセスを行い、
   前記直列接続の上流側イオン交換装置に再生プロセスの要求が生ずると、前記上流側イオン交換装置を再生対象としてイオン交換樹脂床に対し、再生剤を通過させる再生プロセスを行うとともに、
   前記直列接続の下流側イオン交換装置、再生プロセスが終了したイオン交換装置を、それぞれ前記上流側イオン交換装置，前記下流側イオン交換装置として前記直列通水の水処理プロセスを行うイオン交換システムの運転方法であって、
   前記イオン交換樹脂床は、同一種のイオン交換樹脂ビーズからなり；
   前記再生プロセスは、第１再生プロセス及び当該第１再生プロセス終了後に行われる第２再生プロセスを含み；
   前記第１再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の底部で集液することにより再生剤の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床の全体を再生させるプロセスであり；
   前記第２再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の上昇流を生成して、前記イオン交換樹脂床の一部を再生させるプロセスである、イオン交換システムの運転方法。
2. 請求項１において、
   前記第２再生プロセスは、再生剤を前記イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の上昇流を生成して、前記イオン交換樹脂床の一部を再生させるとともに、再生剤を前記イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、前記イオン交換樹脂床の中間部で集液することにより再生剤の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床の他部を再生させる、イオン交換システムの運転方法。
3. 請求項１又は請求項２において、
   イオン交換装置は、硬水軟化装置であり；
   前記イオン交換樹脂床は、強酸性陽イオン交換樹脂ビーズからなり；
   深さＤ１が３００〜１５００ｍｍの前記イオン交換樹脂床に対し、底部を基点として深さＤ２が１００ｍｍの硬度リーク防止床が設定されており；
   前記第２再生プロセスは、前記硬度リーク防止床に対する再生レベルＲ２が１．０〜６．０ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生剤量Ｕ２を前記硬度リーク防止床に通過させるプロセスであり；
   前記再生レベルＲ２は、前記第２再生プロセス後の前記水処理プロセスにおいて、前記硬度リーク防止床によって硬度リーク量Ｙが１ｍｇＣａＣＯ３／Ｌ以下の軟水を製造可能なレベルである、イオン交換システムの運転方法。
4. 請求項３において、
   前記第２再生プロセスにおける集液位置の深さＤ３は、前記イオン交換樹脂床の底部を基点としてＤ２〜０．８×Ｄ１に設定される、イオン交換システムの運転方法。

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