JP2013123679A - 硬水軟化装置の運転方法及び硬水軟化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出口領域をほぼ完全に再生し、硬度リーク量が十分に低減された高純度の軟水を製造する。
【解決手段】深さＤ１が３００〜１５００ｍｍ、直径Ｚに対する深さＤ１の比率が１．８〜３の陽イオン交換樹脂床３１１に対し、原水Ｗ１を下降流で通過させて軟水Ｗ２を製造する水軟化プロセスと、再生液Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部３２１及び底部３２２の両側から配液しながら中間部３２３で集液して再生液Ｗ３の対向流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる再生プロセスとを含む。再生プロセスでは、陽イオン交換樹脂床３１１の底部３２２を基点として深さＤ２が１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床３１３に対し、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給し、再生プロセス後の水軟化プロセスでは、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の硬水を供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、陽イオン交換樹脂を用いた硬水軟化装置の運転方法及び硬水軟化装置に関する。

従来、半導体製造工程や電子部品の洗浄、医療器具の洗浄等においては、不純物を含まない高純度の純水が使用される。この種の純水は、一般に、地下水や水道水等の原水を逆浸透膜（以下、「ＲＯ膜」ともいう）で処理することにより製造される。

ＲＯ膜を用いた純水の製造システムでは、原水中に含まれる鉄分（典型的には、不溶状態のコロイド状鉄）がＲＯ膜の膜面等に沈着する、いわゆるファウリングと呼ばれる現象が発生して、塩除去率及び透過水量が低下する。このため、除鉄装置による前処理を行なうのが一般的である。

除鉄装置は、原水に酸化剤を注入して、鉄分を不溶化して除去する設備である。しかし、ＲＯ膜への供給水に酸化剤が残留すると膜自体が劣化するため、除鉄装置の後段に、更に活性炭濾過装置を設ける必要がある。従って、従来の純水の製造システムでは、原水に残留する酸化剤を除去するための前処理が複雑となり、造水のコストが高くなることが避けられなかった。

そこで、本出願人は、硬度が５ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の軟水をＲＯ膜に供給することにより、ＲＯ膜の酸化劣化を抑制しつつ、塩除去率を高めて高純度の純水を安定供給することができる純水の製造方法を提案した（特許文献１参照）。

特開２０１０−８２６１０号公報

しかしながら、従来の硬水軟化装置では、劣悪な水質の硬水に対しては、硬度リーク量が十分に低減された高純度の軟水を製造することや、実用的な採水量を確保することが困難であった。例えば、特許文献１に開示された向流再生方式の硬水軟化装置では、再生プロセス中にイオン交換樹脂床が流動しやすい。このため、イオン交換樹脂床の再生率が低くなる傾向にあり、ＲＯ膜に対して高純度の軟水を恒常的に供給することが困難となっていた。また、特許文献１に開示されたスプリット・フロー再生方式の硬水軟化装置では、劣悪な水質の硬水を使用するに際して、出口領域をほぼ完全に再生する必要があり、その再生条件を最適化することが求められている。

従って、本発明は、出口領域をほぼ完全に再生し、劣悪な水質の硬水を用いた場合においても、硬度リーク量が十分に低減された高純度の軟水を製造することができる硬水軟化装置の運転方法及び硬水軟化装置を提供することを目的とする。

本発明は、深さが３００〜１５００ｍｍ、且つ直径に対する深さの比率が１．８〜３の陽イオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で通過させて軟水を製造する水軟化プロセスと、再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより再生液の対向流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる再生プロセスと、を含み、再生プロセスでは、前記陽イオン交換樹脂床の底部を基点として深さ１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床に対し、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給し、再生プロセスの後の水軟化プロセスでは、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の硬水を供給する、硬水軟化装置の運転方法に関する。

また、再生プロセスの後に、原水を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより原水の対向流を生成して、導入された再生液を押し出す押出プロセスを含み、再生プロセスでは、前記陽イオン交換樹脂床に対して再生液を０．７〜２ｍ／ｈの線速度で通過させ、押出プロセスでは、前記陽イオン交換樹脂床に対して原水を０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過させることが好ましい。

また、本発明は、深さが３００〜１５００ｍｍ、且つ直径に対する深さの比率が１．８〜３の陽イオン交換樹脂床を収容した圧力タンクと、前記陽イオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で通過させて軟水を製造する水軟化プロセスと、再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより再生液の対向流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる再生プロセスとに切り換え可能なバルブ手段と、再生プロセスにおいて、前記陽イオン交換樹脂床の底部を基点として深さが１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床に対し、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給する再生液供給手段と、再生プロセスの後の水軟化プロセスにおいて、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水を供給する原水供給手段と、を備える硬水軟化装置に関する。

また、前記バルブ手段は、再生プロセスの後に、原水を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより原水の対向流を生成して、導入された再生液を押し出す押出プロセスに切り換え可能に構成され、前記再生液供給手段は、再生プロセスにおいて、前記陽イオン交換樹脂床に対して再生液を０．７〜２ｍ／ｈの線速度で通過させるように構成され、前記原水供給手段は、押出プロセスにおいて、前記陽イオン交換樹脂床に対して原水を０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過させるように構成されることが好ましい。

本発明によれば、出口領域をほぼ完全に再生し、劣悪な水質の硬水を用いた場合においても、硬度リーク量が十分に低減された高純度の軟水を製造することができる硬水軟化装置の運転方法及び硬水軟化装置を提供することができる。

実施形態に係る水処理システム１の全体構成図である。 硬水軟化装置３の概略断面図である。 制御部１０により実行されるプロセスのフローチャートである。 （ａ），（ｂ）は、制御部１０により実行される基本プロセスを示す説明図である。

まず、本発明の実施形態に係る水処理システム１について、図面を参照しながら説明する。水処理システム１は、例えば、淡水から純水を製造する純水製造システムに適用される。図１は、実施形態に係る水処理システム１の全体構成図である。図２は、硬水軟化装置３の概略断面図である。図３は、制御部１０により実行されるプロセスのフローチャートである。図４（ａ），（ｂ）は、制御部１０により実行される基本プロセスを示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水処理システム１は、原水ポンプ２と、硬水軟化装置３と、塩水タンク４と、逆浸透膜分離装置５と、制御部１０と、を備える。また、水処理システム１は、原水ラインＬ１と、軟水ラインＬ２と、塩水ラインＬ３と、排水ラインＬ４と、通水ラインＬ５と、濃縮水ラインＬ６と、を備える。
なお、本明細書における「ライン」とは、流路、径路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

原水ラインＬ１の上流側の端部は、原水Ｗ１の供給源（不図示）に接続されている。一方、原水ラインＬ１の下流側の端部は、硬水軟化装置３のプロセス制御バルブ３２（後述）に接続されている。

原水ポンプ２は、原水ラインＬ１に設けられている。原水ポンプ２は、供給源から供給された水道水や地下水等の原水Ｗ１を、硬水軟化装置３に向けて圧送する。原水ポンプ２は、制御部１０（後述）と不図示の信号線を介して電気的に接続されている。原水ポンプ２は、制御部１０により運転（駆動及び停止）が制御される。

原水ラインＬ１には、原水通水弁（不図示）が設けられている。原水通水弁は、原水ラインＬ１を開閉する。原水通水弁は、弁体の駆動部が不図示の信号線を介して制御部１０と電気的に接続されている。原水通水弁における弁の開閉は、制御部１０により制御される。

原水ラインＬ１、原水ポンプ２、不図示の原水通水弁、不図示の原水流量計（又はタイマ）は、本実施形態における原水供給手段を構成する。原水流量計は、水軟化プロセスＳＴ１（後述）における原水Ｗ１の供給量、すなわち軟水Ｗ２の採水量を計測するための機器であり、原水ラインＬ１又は軟水ラインＬ２に設けられる。タイマは、水軟化プロセスＳＴ１における原水Ｗ１の供給時間、すなわち軟水Ｗ２の採水時間を計測するための機器であり、制御部１０に組み込まれている。

また、原水ラインＬ１、原水ポンプ２及び不図示の原水通水弁は、後述する再生プロセスＳＴ３後の水軟化プロセスＳＴ１において、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水Ｗ１を、硬水軟化装置３に供給する原水供給手段としても機能する。

硬水軟化装置３は、原水Ｗ１に含まれる硬度成分（カルシウムイオン及びマグネシウムイオン）を、陽イオン交換樹脂床３１１（後述）においてナトリウムイオン（又はカリウムイオン）に置換して軟水Ｗ２を製造する設備である。硬水軟化装置３は、図２に示すように、圧力タンク３１と、バルブ手段としてのプロセス制御バルブ３２と、を主体に構成されている。

圧力タンク３１は、上部に開口部を有する有底の筒状体であり、開口部が蓋部材で密閉されている。圧力タンク３１の内部には、陽イオン交換樹脂ビーズからなる陽イオン交換樹脂床３１１、及び濾過砂利からなる支持床３１２が収容されている。

陽イオン交換樹脂床３１１は、原水Ｗ１を軟水化する処理材として機能する。陽イオン交換樹脂床３１１は、圧力タンク３１の内部において、支持床３１２の上部に積層されている。陽イオン交換樹脂床３１１の深さＤ１は、３００〜１５００ｍｍの範囲に設定されている。また、陽イオン交換樹脂床３１１の直径Ｚに対する深さＤ１の比率（Ｄ１／Ｚ）は、１．８〜３の範囲に設定されている。この比率Ｄ１／Ｚの設定は、中間部スクリーン３２３（後述）の高さ付近、且つ中間部スクリーン３２３から径方向へ離れた部分において、再生液の短絡流や偏流による再生不良部分を生じさせないためのものである。つまり、比率Ｄ１／Ｚを１．８〜３の範囲に設定することにより、陽イオン交換樹脂床３１１の全体がほぼ均等に再生され、所期の採水量を確保することが可能になる。

支持床３１２は、陽イオン交換樹脂床３１１に対する流体の整流部材として機能する。支持床３１２は、圧力タンク３１の底部側に収容されている。

圧力タンク３１において、陽イオン交換樹脂床３１１の頂部には、陽イオン交換樹脂ビーズの流出を防止する頂部スクリーン３２１が設けられている。頂部スクリーン３２１は、不図示の第１流路を介してプロセス制御バルブ３２を構成する各種ラインとそれぞれ接続されている。

頂部スクリーン３２１による配液位置及び集液位置は、陽イオン交換樹脂床３１１の頂部付近で、且つ陽イオン交換樹脂床３１１の径方向の略中央部に設定される。頂部スクリーン３２１は、陽イオン交換樹脂床３１１の頂部に設けられる頂部配液部、及び陽イオン交換樹脂床３１１の頂部に設けられる頂部集液部として機能する。

圧力タンク３１において、陽イオン交換樹脂床３１１の底部には、陽イオン交換樹脂ビーズの流出を防止する底部スクリーン３２２が設けられている。底部スクリーン３２２は、不図示の第２流路を介してプロセス制御バルブ３２を構成する各種ラインとそれぞれ接続されている。

底部スクリーン３２２による配液位置及び集液位置は、陽イオン交換樹脂床３１１の底部付近で、且つ陽イオン交換樹脂床３１１の径方向の略中央部に設定される。底部スクリーン３２２は、陽イオン交換樹脂床３１１の底部に設けられる底部配液部、及び陽イオン交換樹脂床３１１の底部に設けられる底部集液部として機能する。

圧力タンク３１において、硬度リーク防止床３１３（後述）より上部であって、陽イオン交換樹脂床３１１の深さ方向の中間部には、陽イオン交換樹脂ビーズの流出を防止する中間部スクリーン３２３が設けられている。中間部スクリーン３２３は、不図示の第３流路を介してプロセス制御バルブ３２を構成する各種ラインとそれぞれ接続されている。

中間部スクリーン３２３による集液位置は、陽イオン交換樹脂床３１１の深さ方向の中間部付近で、且つ陽イオン交換樹脂床３１１の径方向の略中央部に設定される。中間部スクリーン３２３は、陽イオン交換樹脂床３１１の中間部に設けられる中間部集液部として機能する。

プロセス制御バルブ３２は、その内部に、各種のライン、弁等を備える。プロセス制御バルブ３２は、陽イオン交換樹脂床３１１に対して、少なくとも、原水Ｗ１を下降流で通過させて軟水Ｗ２を製造する水軟化プロセスＳＴ１における原水Ｗ１の流れと、再生液としての塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより塩水Ｗ３の対向流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる再生プロセスＳＴ３における塩水Ｗ３の流れと、を切り換え可能に構成されている。

本実施形態における再生プロセスＳＴ３では、図２に示すように、陽イオン交換樹脂床３１１の底部（すなわち、底面）を基点として深さＤ２が１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床３１３（後述）に対し、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる量の塩水Ｗ３を再生液として供給する。ここで、再生レベルとは、単位容積のイオン交換樹脂の再生に使用される再生剤量をいう。また、再生剤として塩化ナトリウムを用いる場合、１ｅｑは、５８．５ｇに相当する。

硬度リーク防止床３１３とは、劣悪な水質の硬水を原水Ｗ１とする水軟化プロセスＳＴ１を実施する際に、硬度リークを極力防止するために、陽イオン交換樹脂床３１１において十分に再生する必要のある領域である。硬度リーク防止床３１３の深さは１００ｍｍあればよく、少なくともこの限定された領域を所定の再生レベルで再生すれば、硬度リークを極力防止できる。

また、プロセス制御バルブ３２は、陽イオン交換樹脂床３１１に対して、再生プロセスＳＴ３の後に、原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより原水Ｗ１の対向流を生成して、導入された塩水Ｗ３を押し出す押出プロセスＳＴ４における原水Ｗ１の流れ、を切り換え可能に構成されている。

プロセス制御バルブ３２には、排水ラインＬ４の上流側の端部が接続されている。排水ラインＬ４からは、再生プロセスや押出プロセス等において使用された塩水Ｗ３や原水Ｗ１が排水Ｗ４として排出される。

更に、プロセス制御バルブ３２において、内部に備えられた弁体の駆動部は、制御部１０と不図示の信号線を介して電気的に接続されている。プロセス制御バルブ３２における弁の切り換えは、制御部１０により制御される。

ここで、硬水軟化装置３において実施される各プロセスについて説明する。
本実施形態の水処理システム１において、後述する制御部１０は、プロセス制御バルブ３２の流路を切り換えることにより、図３に示す以下のプロセスＳＴ１〜ＳＴ６の運転を繰り返し実施する。
（ＳＴ１）原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の全体に対して上から下へ通過させる水軟化プロセス
（ＳＴ２）洗浄水としての原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の全体に対して下から上へ通過させる逆洗浄プロセス
（ＳＴ３）再生液としての塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１に対して上から下へ通過させると共に、原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の主に硬度リーク防止床３１３に対して下から上へ通過させる再生プロセス
（ＳＴ４）押出水としての原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１に対して上から下へ通過させると共に、原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の主に硬度リーク防止床３１３に対して下から上へ通過させる押出プロセス
（ＳＴ５）濯ぎ水としての原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１に対して上から下へ通過させるリンス・プロセス
（ＳＴ６）補給水としての原水Ｗ１を塩水タンク４へ供給する補水プロセス

次に、上記プロセスＳＴ１〜ＳＴ６のうち、主要なプロセスである水軟化プロセスＳＴ１、再生プロセスＳＴ３、及び押出プロセスＳＴ４の運転方法について説明する。

水軟化プロセスＳＴ１では、図４（ａ）に示すように、原水Ｗ１を頂部スクリーン３２１から配液して、陽イオン交換樹脂床３１１の全体に対し、原水Ｗ１を下降流で通過させて、軟水Ｗ２を製造する。製造された軟水Ｗ２は、底部スクリーン３２２から集液される。なお、後述する再生プロセスＳＴ３が実施された後の水軟化プロセスＳＴ１では、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水Ｗ１を供給する。

再生プロセスＳＴ３では、図４（ｂ）に示すように、塩水Ｗ３を頂部スクリーン３２１から配液して、陽イオン交換樹脂床３１１に対し、塩水Ｗ３を下降流で通過させる。同時に、塩水Ｗ３を底部スクリーン３２２からも配液して、陽イオン交換樹脂床３１１に対し、塩水Ｗ３を上昇流で通過させる。これにより、塩水Ｗ３の対向流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１を再生する。再生プロセスＳＴ３では、塩水Ｗ３を、陽イオン交換樹脂床３１１に対して０．７〜２ｍ／ｈの線速度で通過させる。また、硬度リーク防止床３１３に対しては、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる量の塩水Ｗ３を供給する。陽イオン交換樹脂床３１１を再生した使用済みの塩水Ｗ３は、中間部スクリーン３２３から集液される。この再生プロセスＳＴ３では、塩水Ｗ３の対向流を生成するスプリット・フロー再生により、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる。特に、本発明のスプリット・フロー再生では、硬度リーク防止床３１３に対して特定の再生レベルとなる塩水Ｗ３を供給することから、陽イオン交換樹脂床３１１の硬度リーク防止床３１３を含む下側領域を十分に再生することができる。

再生プロセスＳＴ３の終了後に実施される押出プロセスＳＴ４では、図４（ｂ）に示すように、原水Ｗ１を頂部スクリーン３２１から配液して、陽イオン交換樹脂床３１１に対し、原水Ｗ１を下降流で通過させる。同時に、原水Ｗ１を底部スクリーン３２２からも配液して、陽イオン交換樹脂床３１１に対し、原水Ｗ１を上昇流で通過させる。これにより、原水Ｗ１の対向流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１に導入された塩水Ｗ３を押し出す。陽イオン交換樹脂床３１１を通過した原水Ｗ１は、中間部スクリーン３２３から集液される。押出プロセスＳＴ４では、原水Ｗ１を、陽イオン交換樹脂床３１１に対して、０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過させる。

再生プロセスＳＴ３では、陽イオン交換樹脂床３１１の全体に対して、スプリット・フロー再生が行われる。そのため、陽イオン交換樹脂床３１１の全体がほぼ均等に再生されるが、特に硬度リーク防止床３１３を含む下側領域を十分に再生することができる。従って、水軟化プロセスＳＴ１では、純度の高い軟水Ｗ２の採水量を最大限にまで高められる。また、スプリット・フロー再生においては、再生液の押し出しに原水を使用しつつも、押出量を制限しているため、硬度リーク防止床３１３の汚染がほとんどなく、目標純度の軟水Ｗ２を製造することができる。

この再生プロセスＳＴ３を実施することにより、その後の水軟化プロセスＳＴ１において、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水Ｗ１を供給した場合に、硬度リーク量が０．８ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の高純度の軟水Ｗ２を製造することができる。

なお、逆洗浄プロセスＳＴ２、リンス・プロセスＳＴ５、及び補水プロセスＳＴ６については、図示による説明を省略する。陽イオン交換樹脂床３１１を再生するための一連のプロセスＳＴ２〜ＳＴ６が終了すると、再び、水軟化プロセスＳＴ１が実施される。

再び、図１を参照しながら水処理システム１の構成について説明する。
塩水タンク４は、陽イオン交換樹脂床３１１を再生する塩水Ｗ３を貯留する。塩水タンク４には、塩水ラインＬ３の上流側の端部が接続されている。塩水ラインＬ３の下流側の端部は、プロセス制御バルブ３２と連通し、プロセス制御バルブ３２を構成する各種ラインとそれぞれ接続されている。塩水ラインＬ３には、塩水弁（不図示）が設けられている。塩水弁は、塩水ラインＬ３を開閉する。塩水弁は、プロセス制御バルブ３２に組み込まれており、弁体の駆動部が制御部１０と不図示の信号線を介して電気的に接続されている。塩水弁における弁の開閉は、制御部１０により制御される。塩水タンク４は、再生プロセスＳＴ３において、陽イオン交換樹脂床３１１を再生する塩水Ｗ３を圧力タンク３１へ送出する。

塩水タンク４、不図示の塩水弁、不図示のエゼクタ及び塩水流量計は、本実施形態における再生液供給手段を構成する。エゼクタは、プロセス制御バルブ３２に組み込まれたポンプ要素である。エゼクタの吸込側に、塩水ラインＬ３の下流側の端部が接続されている。塩水流量計は、再生プロセスＳＴ３の実施中において、塩水Ｗ３の供給量を計量できるように、塩水ラインＬ３中に設けられている。

逆浸透膜分離装置５は、硬水軟化装置３により製造された軟水Ｗ２を、逆浸透膜（後述のＲＯ膜モジュール５ｂ）により、溶存塩類等が除去された透過水Ｗ５と、溶存塩類等が濃縮された濃縮水Ｗ６とに膜分離処理する設備である。逆浸透膜分離装置５は、軟水ラインＬ２を介して硬水軟化装置３（プロセス制御バルブ３２）の下流側に接続されている。

逆浸透膜分離装置５は、加圧ポンプ５ａと、ＲＯ膜モジュール５ｂと、を備える。加圧ポンプ５ａは、硬水軟化装置３から送出された軟水Ｗ２を加圧し、ＲＯ膜モジュール５ｂに送出する。ＲＯ膜モジュール５ｂは、単一又は複数のＲＯ膜エレメント（不図示）を備える。逆浸透膜分離装置５は、これらＲＯ膜エレメントにより軟水Ｗ２を膜分離処理し、透過水Ｗ５及び濃縮水Ｗ６を製造する。

ＲＯ膜モジュール５ｂの透過水出口には、通水ラインＬ５の上流側の端部が接続されている。逆浸透膜分離装置５で得られた透過水Ｗ５は、通水ラインＬ５を介して、脱塩水として二次精製装置や需要箇所に送出される。また、ＲＯ膜モジュール５ｂの濃縮水出口には、濃縮水ラインＬ６の上流側の端部が接続されている。逆浸透膜分離装置５で得られた濃縮水Ｗ６は、濃縮水ラインＬ６を介して、外部に排出される。なお、膜面での流速を所定範囲に保つため、濃縮水Ｗ６の一部を逆浸透膜分離装置５の上流側の軟水ラインＬ２に還流させ、その他の濃縮水Ｗ６を外部に排出するように構成してもよい。

本実施形態におけるＲＯ膜モジュール５ｂは、膜表面に架橋全芳香族ポリアミドからなる負荷電性のスキン層が形成された逆浸透膜（不図示）を有する。この逆浸透膜は、濃度５００ｍｇ／Ｌ、ｐＨ７．０、温度２５℃の塩化ナトリウム水溶液を、操作圧力０．７ＭＰａ、回収率１５％で供給したときの水透過係数が、１．５×１０^−１１ｍ^３・ｍ^−２・ｓ^−１・Ｐａ^−１以上、且つ塩除去率が９９％以上となるものである。このような性能に設定された逆浸透膜は、淡水の脱塩処理において、供給水の硬度が低いほど、電気伝導率（ＥＣ）で評価したときの塩除去率（すなわち、（供給水ＥＣ−透過水ＥＣ）／供給水ＥＣ×１００）が高くなるという特性を持っている。そのため、スプリット・フロー再生を行う硬水軟化装置３で製造された高純度の軟水Ｗ２（実力値として、０．８ｍｇＣａＣＯ_３以下）を恒常的に供給することで、高い塩除去率（通常、９８．５％以上）を維持することが可能である。

ここで、操作圧力とは、ＪＩＳ Ｋ３８０２−１９９５「膜用語」で定義される平均操作圧力である。操作圧力は、ＲＯ膜モジュール５ｂの一次側の入口圧力と一次側の出口圧力との平均値を指す。回収率とは、ＲＯ膜モジュール５ｂへの供給水（ここでは塩化ナトリウム水溶液）の流量Ｑ_１に対する透過水の流量Ｑ_２の割合（すなわち、Ｑ_２／Ｑ_１×１００）をいう。水透過係数は、透過水量［ｍ^３／ｓ］を膜面積［ｍ^２］及び有効圧力［Ｐａ］で除した値であり、逆浸透膜の水の透過性能を示す指標である。すなわち、水透過係数は、単位有効圧力を作用させたときに単位時間に膜の単位面積を透過する水の量を意味する。有効圧力は、ＪＩＳ Ｋ３８０２−１９９５「膜用語」で定義され、操作圧力（平均操作圧力）から浸透圧差及び二次側圧力を差し引いた圧力である。塩除去率は、膜を透過する前後の特定の塩類の濃度（ここでは塩化ナトリウム濃度）から計算される値であり、逆浸透膜の溶質の阻止性能を示す指標である。塩除去率は、ＲＯ膜モジュール５ｂへの入口濃度（Ｃ_１）および透過水の濃度（Ｃ_２）から、（１−Ｃ_２／Ｃ_１）×１００により求められる。

本実施形態の水透過係数及び塩除去率の条件を満たす逆浸透膜は、逆浸透膜エレメントとして市販されている。逆浸透膜エレメントとしては、例えば、東レ社製：型式名「ＴＭＧ２０−４００」、ウンジン・ケミカル社製：型式名「ＲＥ８０４０−ＢＬＦ」、日東電工社製：型式名「ＥＳＰＡ１」等を用いることができる。

制御部１０は、ＣＰＵ及びメモリ含むマイクロプロセッサ（不図示）により構成される。制御部１０は、不図示の原水流量計、塩水流量計から入力された検出信号等に基づいて、プロセス制御バルブ３２の動作を制御する。メモリには、本実施形態の硬水軟化装置３の運転を実施する制御プログラムが予め記憶されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムに従って、上述した水軟化プロセスＳＴ１〜補水プロセスＳＴ６を順に切り換えるように、プロセス制御バルブ３２を制御する。

上記のように構成された水処理システム１において、原水Ｗ１の供給源（不図示）から原水ラインＬ１を介して供給された原水Ｗ１は、原水ポンプ２により硬水軟化装置３のプロセス制御バルブ３２へ送出される。原水Ｗ１は、圧力タンク３１の陽イオン交換樹脂床３１１を通過することにより軟化処理され、軟水Ｗ２が製造される。軟水Ｗ２は、更に軟水ラインＬ２を経て逆浸透膜分離装置５へ送出される。逆浸透膜分離装置５では、ＲＯ膜モジュール５ｂにおいて膜分離処理され、透過水Ｗ５及び濃縮水Ｗ６が製造される。この後、得られた透過水Ｗ５は、通水ラインＬ５を介して、脱塩水として二次精製装置や需要箇所に送出される。

上述した実施形態に係る水処理システム１によれば、例えば、以下のような効果が奏される。
本実施形態の水処理システム１において、硬水軟化装置３の陽イオン交換樹脂床３１１は、深さＤ１（図２参照）が３００〜１５００ｍｍで、且つ直径Ｚに対する深さＤ１の比率（Ｄ１／Ｚ）が１．８〜３に設定されている。そして、塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部スクリーン３２１及び底部スクリーン３２２へそれぞれ配液しながら、中間部スクリーン３２３で集液することにより塩水Ｗ３の対向流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる再生プロセスＳＴ３を含んで運転される。そのため、再生液の短絡流や偏流による再生不良部分を生じることがなく、硬度リーク量が十分に低減された高純度の軟水Ｗ２を実用的な採水量の範囲で最大限に得ることができる。

また、本実施形態の水処理システム１において、再生プロセスＳＴ３では、陽イオン交換樹脂床３１１の底部を基点として深さＤ２（図２参照）が１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床３１３に対し、再生レベルが少なくとも１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる量の塩水Ｗ３を供給する。そのため、陽イオン交換樹脂床３１１において、硬度リークの防止に重要な出口領域である硬度リーク防止床３１３をほぼ完全に再生することができる。これによれば、水軟化プロセスＳＴ１において、原水Ｗ１として硬度レベルの高い劣悪な水質の硬水を用いた場合でも、硬度リーク量を極限にまで抑制した高純度の軟水Ｗ２を得ることができる。

従って、本実施形態の水処理システム１によれば、水軟化プロセスＳＴ１において、原水Ｗ１として劣悪な水質の硬水を用いた場合でも、逆浸透膜分離装置５に対して高純度の軟水Ｗ２を恒常的に供給することができるため、ＲＯ膜モジュール５ｂにおける酸化劣化のみならず、スケールの付着や堆積を抑制して、高い塩除去率及び透過水量を維持することができる。

また、本実施形態の水処理システム１では、再生プロセスＳＴ３において、硬水軟化装置３の陽イオン交換樹脂床３１１に対して、塩水Ｗ３が０．７〜２ｍ／ｈの線速度で通過するように運転される。また、押出プロセスＳＴ４において、硬水軟化装置３の陽イオン交換樹脂床３１１に対して、原水Ｗ１が０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過するように運転される。このように、再生プロセス及び押出プロセスにおける通液の線速度を上記のような条件に規定することにより、陽イオン交換樹脂床３１１の再生効率を高め、軟水Ｗ２の採水量を高めることができる。また、押出プロセスの押出量を上記のような条件に制限することにより、押出水として劣悪な水質の硬水を用いた場合でも、硬度成分による硬度リーク防止床３１３の汚染を抑制し、軟水Ｗ２の純度を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

例えば、原水Ｗ１の供給源とは別に、原水ラインＬ１に原水Ｗ１を供給する原水タンクを設け、この原水タンクを含む設備を原水供給手段としてもよい。この場合には、原水タンクに貯留された原水Ｗ１を、洗浄水、押出水、及び濯ぎ水として硬水軟化装置３に供給する。

３ 硬水軟化装置
４ 塩水タンク
１０ 制御部
３１ 圧力タンク
３２ プロセス制御バルブ（バルブ手段）
３１１ 陽イオン交換樹脂床
３１３ 硬度リーク防止床
３２１ 頂部スクリーン
３２２ 底部スクリーン
３２３ 中間部スクリーン
Ｌ１ 原水ライン
Ｌ２ 軟水ライン
Ｌ３ 塩水ライン
Ｌ４ 排水ライン
Ｗ１ 原水
Ｗ２ 軟水
Ｗ３ 塩水（再生液）
Ｗ４ 排水

Claims (4)

1. 深さが３００〜１５００ｍｍ、且つ直径に対する深さの比率が１．８〜３の陽イオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で通過させて軟水を製造する水軟化プロセスと、
   再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより再生液の対向流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる再生プロセスと、を含み、
   再生プロセスでは、前記陽イオン交換樹脂床の底部を基点として深さ１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床に対し、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給し、
   再生プロセスの後の水軟化プロセスでは、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の硬水を供給する、
   硬水軟化装置の運転方法。
2. 再生プロセスの後に、原水を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより原水の対向流を生成して、導入された再生液を押し出す押出プロセスを含み、
   再生プロセスでは、前記陽イオン交換樹脂床に対して再生液を０．７〜２ｍ／ｈの線速度で通過させ、
   押出プロセスでは、前記陽イオン交換樹脂床に対して原水を０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過させる、
   請求項１に記載の硬水軟化装置の運転方法。
3. 深さが３００〜１５００ｍｍ、且つ直径に対する深さの比率が１．８〜３の陽イオン交換樹脂床を収容した圧力タンクと、
   前記陽イオン交換樹脂床に対し、原水を下降流で通過させて軟水を製造する水軟化プロセスと、再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより再生液の対向流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる再生プロセスとに切り換え可能なバルブ手段と、
   再生プロセスにおいて、前記陽イオン交換樹脂床の底部を基点として深さが１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床に対し、少なくとも再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給する再生液供給手段と、
   再生プロセスの後の水軟化プロセスにおいて、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水を供給する原水供給手段と、を備える、
   硬水軟化装置。
4. 前記バルブ手段は、再生プロセスの後に、原水を前記陽イオン交換樹脂床の頂部及び底部の両側から配液しながら、中間部で集液することにより原水の対向流を生成して、導入された再生液を押し出す押出プロセスに切り換え可能に構成され、
   前記再生液供給手段は、再生プロセスにおいて、前記陽イオン交換樹脂床に対して再生液を０．７〜２ｍ／ｈの線速度で通過させるように構成され、
   前記原水供給手段は、押出プロセスにおいて、前記陽イオン交換樹脂床に対して原水を０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過させるように構成される、
   請求項３に記載の硬水軟化装置。

Images