JP2021171675A - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理水に対する除鉄性能及び除濁性能を向上させることが可能な水処理装置を提供する。【解決手段】水処理装置１は、鉄成分を含む被処理水３０に重炭酸塩を添加する重炭酸塩添加部３と、重炭酸塩添加部３の下流側に設けられ、酸化鉄（III）［Ｆｅ２Ｏ３］、四酸化三鉄［Ｆｅ３Ｏ４］、水酸化鉄［Ｆｅ（ＯＨ）３］、オキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］、及び二酸化マンガン［ＭｎＯ２］のうち少なくとも一種の化合物１０を担持した粒子状担持体９を充填した通水層４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理水（特に井戸水）に含まれる鉄成分及び濁質成分を除去して、水浴び、食器洗い、洗濯などの生活用水として活用するための水処理装置に関するものである。

従来、通水することで被処理水に含まれる鉄成分及び濁質成分を除去するものとして、酸化剤を用いて被処理水の浄化を行う水処理装置が知られている（例えば、特許文献１）。

以下、従来の水処理装置１０１について図１６を用いて説明する。

従来の水処理装置１０１は、被処理水１３０を水処理（浄化）して生活用水１３１として供給する装置である。具体的には、図１６に示すように、従来の水処理装置１０１は、上流側から順に酸化剤添加手段１０３と、凝集層１０５及び濾過層１０６からなる通水層１０４と、を有して構成される。酸化剤添加手段１０３には、例えば固形状のトリクロロイソシアヌル酸ナトリウムからなる酸化剤タブレット１０７が充填されている。そして、上流側に設けられたポンプ１０２によって被処理水１３０は、水処理装置１０１に送られる。従来の水処理装置１０１では、被処理水１３０が酸化剤添加手段１０３を通過することにより被処理水１３０中に酸化剤が添加され、被処理水１３０中の２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］が３価の鉄イオン［Ｆｅ^３＋］に酸化する。

その後、被処理水１３０は下流側に設けた通水層１０４を構成する凝集層１０５を通過する。凝集層１０５は、酸化鉄（III）［Ｆｅ_２Ｏ_３］、四酸化三鉄［Ｆｅ_３Ｏ_４］、水酸化鉄［Ｆｅ（ＯＨ）_３］、オキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］のうち少なくとも一つの鉄化合物粒子を担持した粒状の多孔質担持体を充填して作られた層であり、被処理水１３０中の３価の鉄イオンは、鉄化合物粒子に付着し、同化することで３価の酸化鉄もしくは水酸化鉄の鉄凝集体を形成する。そして、鉄凝集体は、ある程度の大きさになると吸着していた鉄化合物粒子から脱離する。

その後、脱離した鉄凝集体を含む被処理水１３０は、更に下流側の濾過層１０６を通過する。濾過層１０６は、ケイ砂またはセラミックなどの粒子状の濾過体を充填して作られた層であり、鉄凝集体は、濾過層１０６を通過する際に濾過体に付着する。その結果、被処理水１３０中の鉄成分は除去される。

ここで、濁質成分は、被処理水１３０を濁らせる不溶性の成分であり、含水ケイ酸アルミニウムを主成分とするカオリンなどがある。濁質成分の粒子径は、５μｍ〜１０μｍであり、例えば０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの多孔質担持体を用いた凝集層１０５及び有効径０．３５ｍｍの濾過体を用いた濾過層１０６では物理的にほとんど濾過できないほど小さい。しかしながら、通水層１０４では、被処理水１３０中に鉄成分が存在すると、鉄成分がバインダーの役割を果たし、濁質成分の多孔質担持体及び濾過体への付着を促す。通水層１０４は、この作用によって濁質成分を除去することができる。また、通水層１０４では、鉄成分の酸化凝集作用が加わると、その凝集作用にも濁質成分が巻き込まれるため高い濾過作用が得られる。

これらの結果、従来の水処理装置１０１では、高い除鉄性能及び除濁性能を有する。また、従来の水処理装置１０１では、容積あたりの除鉄性能及び除濁性能が高いため、装置をコンパクトにすることができる。

国際公開第２０１６／１９９３８５号

しかしながら、従来の水処理装置は、酸化剤を用いた被処理水の浄化によって高い除鉄性能及び除濁性能を有するものの、その性能には限界があり、近年では、更に高い除鉄性能及び除濁性能が求められている。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、被処理水に対する除鉄性能及び除濁性能を向上させることが可能な水処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る水処理装置は、鉄成分を含む被処理水に重炭酸塩を添加する第一添加部と、第一添加部の下流側に設けられ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物を担持した担持体を充填した通水層と、を備えることを特徴としたものである。これにより、所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、被処理水に対する除鉄性能及び除濁性能を向上させることが可能な水処理装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る水処理装置の構成を示す模式図である。 図２は、同水処理装置における重炭酸塩添加部の構成を示す模式図である。 図３は、同水処理装置における通水層の構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る水処理装置の構成を示す模式図である。 図５は、同水処理装置における通水層の構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る水処理装置の構成を示す模式図である。 図７は、実施例における各水処理装置の詳細条件及び評価結果をまとめた図である。 図８は、実施例における水処理装置Ａの構成を示す模式図である。 図９は、実施例における水処理装置Ｂ及び水処理装置Ｃの構成を示す模式図である。 図１０は、実施例における水処理装置Ｄの構成を示す模式図である。 図１１は、各水処理装置への通水量ごとの除鉄率を示す図である。 図１２は、水処理装置Ｃ及び水処理装置Ｄへの通水量ごとの圧力損失を示す図である。 図１３は、水処理装置Ｃの重炭酸ナトリウム添加濃度ごとの除鉄率を示す図である。 図１４は、通水量１５Ｌ及び通水量３０Ｌにおける水処理装置Ｃの重炭酸ナトリウム添加濃度ごとの除鉄率を示す図である。 図１５は、水処理装置Ｄの水溶性シリカ濃度ごとの除鉄率を示す図である。 図１６は、従来の水処理装置の構成を示す模式図である。

本発明に係る水処理装置は、鉄成分を含む被処理水に重炭酸塩を添加する第一添加部と、第一添加部の下流側に設けられ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物を担持した粒子状担持体を充填した通水層と、を備える。

こうした構成によれば、第一添加部を流通することで、被処理水中に含まれる２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］が重炭酸塩と反応して水酸化第一鉄［Ｆｅ（ＯＨ）_２］になる。その後、通水層を流通することで、水酸化第一鉄は、粒子状担持体に担持された化合物に化学的に吸着し、被処理水中の酸素によって酸化されてオキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］の形で固定化される。さらに、固定化されたオキシ水酸化鉄の上で被処理水中の水酸化第一鉄の化学吸着反応が連続して起こるため、高い除鉄性能が得られる。一方、被処理水中に含まれる濁質粒子は、水酸化第一鉄が粒子状担持体に吸着する際に巻き込まれる形で吸着するため、高い除濁性能が得られる。つまり、被処理水に対する除鉄性能及び除濁性能を向上させることが可能な水処理装置とすることができる。

また、本発明に係る水処理装置では、通水層は、凝集層と、凝集層の下流側に配置された濾過層と、を有して構成される。そして、凝集層には、表面にＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物を担持した粒子状の多孔質担持体が充填されている。また、濾過層には、表面にＭｎＯ_２を担持して構成され、多孔質担持体よりも小さな粒子径を有する無機粒子が充填されている。このようにすることで、化合物を担持した凝集層と濾過層とを機能分離して被処理水を通水させることができるので、被処理水に対して高い除鉄性能及び除濁性能を維持しながら、圧力損失を低減することができる。

また、本発明に係る水処理装置では、第一添加部は、被処理水が含有する鉄成分濃度１ｍｇ／Ｌに対して炭酸水素ナトリウム換算で３．４５ｍｇ／Ｌ以上の濃度となるように、被処理水に重炭酸塩を添加することが好ましい。これにより、被処理水に含まれる鉄成分に対して化学反応を確実に生じさせることが可能な重炭酸塩が添加されるので、被処理水に対する除鉄性能をさらに向上させることができる。

また、本発明に係る水処理装置では、被処理水に酸化剤を添加する第二添加部と、第一添加部及び第二添加部の上流側に設けられ、被処理水に含まれる水溶性シリカの濃度を検出する濃度検出部と、第一添加部を流通した被処理水を通水層に通水させる第一状態と、第二添加部を流通した被処理水を通水層に通水させる第二状態とを切り替える切替部と、をさらに備える。そして、切替部は、濃度検出部で検出した水溶性シリカの濃度情報に基づいて第一状態と第二状態とを切り替える。これにより、被処理水に含まれる水溶性シリカの濃度情報に基づいて、第一添加部を流通した被処理水を通水層に通水させる第一状態と、第二添加部を流通した被処理水を通水層に通水させる第二状態とが切り替えられるので、条件の異なる水質の被処理水に対しても一定上の高い除鉄性能及び除濁性能を得ることが可能となる。

また、本発明に係る水処理装置では、切替部は、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌ以下である場合に第一状態に切り替え、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌを超える場合に第二状態に切り替えることが好ましい。

被処理水中に含まれる水溶性シリカの濃度が高い場合、被処理水が酸素に触れると鉄成分と水溶性シリカが結合して微粒子が形成され、通水層での化学吸着による鉄成分の捕集作用を阻害する。つまり、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、高い除鉄性能が得られないばかりか、重炭酸塩を添加することでかえって除鉄性能を低下させることが懸念される。このため、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌ以下である場合には、切替部を第一状態に切り替えて、重炭酸塩の添加によって除鉄率及び除濁率を向上させる一方、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、切替部を第二状態に切り替えて、酸化剤の添加によって従来と同じ水準の除鉄率及び除濁率を確保するようにする。これにより、条件の異なる水質の被処理水に対しても一定上の高い除鉄性能及び除濁性能を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
まず、図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１に係る水処理装置１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る水処理装置１の構成を示す模式図である。図２は、水処理装置１における重炭酸塩添加部３の構成を示す模式図である。図３は、水処理装置１における通水層４の構成を示す模式図である。

本実施の形態１に係る水処理装置１は、ポンプ２によって井戸水などの被処理水３０（鉄成分及び濁質成分を含む地下水）を汲み上げて水処理（浄化）して生活用水３１として使用するための装置である。

具体的には、図１に示すように、水処理装置１は、流入口３ａと、重炭酸塩添加部３と、接続管５と、通水層４と、出水管６と、取水口６ａと、を有して構成される。また、水処理装置１の上流側には、井戸水などの被処理水３０を汲み上げるポンプ２が設置され、水処理装置１には、ポンプ２によって汲み上げられた被処理水３０が流入口３ａから装置内部に導入される。そして、水処理装置１では、流入口３ａから導入された被処理水３０は、重炭酸塩添加部３、接続管５、通水層４、出水管６の順に流通して、取水口６ａから生活用水３１として排出される。なお、重炭酸塩添加部３は、請求項の「第１添加部」に相当する。

流入口３ａは、重炭酸塩添加部３を構成する筐体の上部に設けられ、外部から被処理水３０を導入するための導入口である。

重炭酸塩添加部３は、流入口３ａから導入される被処理水３０に対して重炭酸塩を添加するためのものである。具体的には、図２に示すように、重炭酸塩添加部３は、重炭酸塩タブレット７を筐体の内部に充填する構造となっており、通水層４へと被処理水３０を送るための接続管５が底部に挿通されている。そして、重炭酸塩添加部３では、流入口３ａから内部に被処理水３０を通すことで重炭酸塩タブレット７から溶出した重炭酸塩が被処理水３０に添加される。その後、接続管５の上面（上端部）を被処理水３０の水位が超えることで、被処理水３０は、接続管５を通過して下流側の通水層４へと流れていく。

ここで、重炭酸塩タブレット７は、重曹などの重炭酸塩と、ポリビニルアルコールまたはカルボメキシメチルセルローズなどのバインダーと、少量の水とを混合した後に、それらを押し固めて乾燥することで作られた水溶性の固形物である。そして、被処理水３０が重炭酸塩添加部３を通過することで、被処理水３０中の鉄成分濃度１ｍｇ／Ｌあたり炭酸水素ナトリウム（モル質量８４ｇ／ｍｏｌ）換算で、３．４５ｍｇ／Ｌ以上の濃度となるように、被処理水３０に重炭酸塩が添加される。仮に重炭酸塩が炭酸水素カリウム（モル重量１００ｇ／ｍｏｌ）である場合、３．４５×１００／８４＝４．１１ｍｇ／Ｌ以上の炭酸水素カリウム濃度が必要である。

被処理水３０中には、２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］及び有効径約７μｍの無機質の不溶性濁質粒子（例えば含水ケイ酸アルミニウムを主成分とするカオリンなど）が含まれており、重炭酸塩が添加されることで２価の鉄イオンは水酸化第一鉄［Ｆｅ（ＯＨ）_２］に変化する。

接続管５は、重炭酸塩添加部３と通水層４との間を鉛直方向上下に接続して構成され、重炭酸塩添加部３において重炭酸塩が添加された被処理水３０を通水層４に送出するための配管である。被処理水３０は、重炭酸塩添加部３を通過した後に、この接続管５を介して、その下流側にある通水層４に導入される。

通水層４は、接続管５から導入される被処理水３０（重炭酸塩が添加された被処理水３０）から鉄成分及び濁質成分を除去するためのものである。具体的には、図３に示すように、通水層４は、充填筒８と、化合物１０を担持した粒子状担持体９と、砂利１１と、通水メッシュ１２と、を有して構成される。そして、通水層４では、接続管５から導入された被処理水３０は、化合物１０を担持した粒子状担持体９と、砂利１１と、通水メッシュ１２との順に流通して、出水管６から送出される。

充填筒８は、通水層４を構成する筐体であり、上端部に接続管５が接続され、下端部に出水管６が接続されている。

粒子状担持体９は、その表面に酸化鉄（III）［Ｆｅ_２Ｏ_３］、四酸化三鉄［Ｆｅ_３Ｏ_４］、水酸化鉄（III）［Ｆｅ（ＯＨ）_３］、オキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］、及び二酸化マンガン［ＭｎＯ_２］のうち少なくとも１つの化合物１０を担持して構成される。粒子状担持体９は、一般的に粒子径が０．２ｍｍ〜２ｍｍの粒子状物質であり、材質としては、ケイ砂、セラミックス、ゼオライト、アンスラサイト、活性炭などを用いることができる。

ここで、粒子状担持体９に対して、鉄などの化合物１０を担持させる方法としては、例えば、粒子状担持体９を第一塩化鉄溶液に浸した状態で次亜塩素酸ナトリウムを添加し、数時間後に水洗いして乾燥させる、もしくは粒子状担持体９を第二塩化鉄、ポリ硫酸鉄もしくはポリシリカ鉄の水溶液に浸して数時間後に水洗いして乾燥させるなどの方法がある。

また、粒子状担持体９に対して、マンガンなどの化合物１０を担持させる方法としては、例えば、過マンガン酸カリウム［ＫＭｎＯ_４］の溶液に浸して風乾させた後に水洗いして乾燥させる方法がある。

粒子状担持体９に化合物１０を一度担持させれば、被処理水３０中の鉄成分を吸着除去することで半永久的に鉄化合物を担持した状態を維持することができるため、高い除鉄性能及び除濁性能を維持することができる。

砂利１１及び通水メッシュ１２は、粒子状担持体９が出水管６から流れ出てこないようにするためのものであり、粒子状担持体９の下流側に設けられる。砂利１１及び通水メッシュ１２は、例えば、線径が１ｍｍで網目の大きさが２ｍｍ×２ｍｍのプラスチック製の通水メッシュ１２を敷いた上に、２ｍｍ〜８ｍｍの径を有する砂利１１を敷き詰めて構成される。

次に、被処理水３０に含まれる鉄成分及び濁質成分の捕集除去作用について説明する。

被処理水３０中に含まれる鉄成分と濁質成分の捕集除去作用について様々な検討を重ねた結果、重炭酸塩を添加することで従来の酸化物（例えば、塩素系酸化物）を添加する以上の効果が得られることを見出した。重炭酸塩を添加することによって除鉄性能及び除濁性能が向上する原理を完全に解明できていないが、以下の反応が促進されると推測する。

Ｆｅ^２＋ ＋ ３ＨＣＯ_３ ⁻ → Ｆｅ（ＯＨ）_２ ＋ ３ＣＯ_２
Ｚ−ＦｅＯＯＨ ＋ Ｆｅ（ＯＨ）_２ ＋ １／４・Ｏ_２ → Ｚ−（（ＦｅＯＯＨ）−（ＦｅＯＯＨ）） ＋ １／２・Ｈ_２Ｏ
ここで、Ｚは粒子状担持体９の表面を示す。

上記反応を促進させるために水酸化物イオン［ＯＨ⁻］のみが必要だということであれば、水酸化ナトリウムなどの解離度「１」の強アルカリ性化合物を添加しても同様の効果が得られるはずだが、実際には除湿性能の向上（高い除鉄性能）が得られない。そのため添加するのは重炭酸塩であることが重要である。上記反応に示すように、重炭酸塩添加部３を流通することで、被処理水３０中に含まれる２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］が重炭酸塩と反応して水酸化第一鉄［Ｆｅ（ＯＨ）_２］になる。その後、通水層４を流通することで、水酸化第一鉄は、粒子状担持体９に担持された化合物１０に化学的に吸着し、被処理水３０中の酸素によって酸化されてオキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］の形で固定化される。さらに、固定化されたオキシ水酸化鉄の上で被処理水３０中の水酸化第一鉄の化学吸着反応が連続して起こる。一方、被処理水３０中に含まれる濁質成分（濁質粒子）は、水酸化第一鉄が粒子状担持体９に吸着する際に巻き込まれる形で吸着する。そして、水酸化第一鉄は、化学的に吸着しているため粒子状担持体９の表面に比較的強い力で付着しており、ある程度の大きさになるまで付着し続ける。そのため、水酸化第一鉄等の鉄化合物を凝集させて物理的に濾過する従来の水処理装置（酸化剤による鉄化合物の凝集作用を用いた水処理装置）よりも高い除鉄性能及び除濁性能を示す。

そして、通水層４によって鉄成分と濁質成分とが除去された被処理水３０は、出水管６に送出される。

ところで、粒子状担持体９が保持できる量を超えて鉄成分と濁質成分を吸着すると、保持しきれなくなった鉄成分と濁質成分が出水管６から出てくることが懸念される。つまり、それまでの時間が、水処理装置１における処理可能時間となる。このため、水処理装置１では、処理可能時間において所定の時間が経過すると、通水層４の再生処理を行うように制御される。

再生処理では、図１及び図４には示していないが、通水層４に対して、通常の順方向（接続管５から出水管６へと流れる方向）の流れとは逆方向（出水管６から接続管５へと流れる方向）の流れとなるように、出水管６側から洗浄水（例えば、ポンプ２から直接供給される被処理水３０）を通水して接続管５側から排出する。この際、砂利１１の存在によって、通水層４の全領域に均一に洗浄水を流すことが可能となる。これにより、約１ｍｍの球状でオレンジ色の塊が通水層４の上流側（接続管５）へと出てくるのが観察される。これは、粒子状担持体９に吸着した鉄成分と濁質成分とが凝集成長してできた塊である。つまり、再生処理によって、粒子状担持体９に付着した鉄成分と濁質成分とを粒子状担持体９から剥がして除去することができることが分かる。ここで、鉄成分と濁質成分とは、主に粒子状担持体９の接続管５側の表面に付着しているため、逆方向の流れとなるように被処理水３０を通水することで、これらを効果的に剥がして除去することができる。なお、剥がされた鉄成分と濁質成分とは、接続管５から被処理水３０とともに出てきてそのまま下水道に排水される。その後、通水層４に対して順方向に通水することで、被処理水３０中の鉄成分と濁質成分とを再び除去できるようになる。

出水管６は、その一端が通水層４の下流側に接続するとともに、他端に取水口６ａを有して構成される。そして、出水管６は、通水層４によって鉄成分と濁質成分とが除去された被処理水３０を取水口６ａに送出するための配管である。

取水口６ａは、水処理装置１によって水処理（浄化）された被処理水３０を生活用水３１として供給するための供給口である。

以上のようにして、実施の形態１に係る水処理装置１では、被処理水３０（鉄成分及び濁質成分を含む地下水）を水処理（浄化）して生活用水３１として供給する。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る水処理装置１ａは、通水層４ａが凝集層１３と濾過層１４とを有して構成されている点で実施の形態１と異なる。これ以外の水処理装置１ａの構成は、実施の形態１に係る水処理装置１と同様である。以下、実施の形態１で説明済みの内容は再度の説明を適宜省略し、実施の形態１と異なる点を主に説明する。

本発明の実施の形態２に係る水処理装置１ａについて、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る水処理装置１ａの構成を示す模式図である。図５は、水処理装置１ａにおける通水層４ａの構成を示す模式図である。

本実施の形態２に係る水処理装置１ａもまた、ポンプ２によって井戸水などの被処理水３０（鉄成分及び濁質成分を含む地下水）を汲み上げて水処理（浄化）して生活用水３１として使用するための装置である。

水処理装置１ａは、図４に示すように、上流側から順に重炭酸塩添加部３と、通水層４ａとを有して構成される。また、水処理装置１ａの上流側にポンプ２が設けられている。そして、水処理装置１ａでは、実施の形態１と同様に、ポンプ２によって汲み上げられ、流入口３ａから導入される被処理水３０は、重炭酸塩添加部３を流通することで、被処理水３０には、被処理水３０中の鉄成分濃度１ｍｇ／Ｌあたり炭酸水素ナトリウム換算で３．４５ｍｇ／Ｌ以上の濃度となるよう重炭酸塩が添加される。

通水層４ａは、主に２種類の層で構成され、上流側（接続管５側）に位置する凝集層１３と、下流側（出水管６側）に位置する濾過層１４とを有している。

具体的には、通水層４ａは、図５に示すように、充填筒８と、凝集層１３と、濾過層１４と、砂利１１と、通水メッシュ１２とを有して構成される。そして、通水層４ａでは、接続管５から導入された被処理水３０は、凝集層１３と、濾過層１４と、砂利１１と、通水メッシュ１２との順に流通して、出水管６から送出される。なお、酸化剤添加部１９は、請求項の「第２添加部」に相当する。

凝集層１３は、濾過層１４の上流側に位置し、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの粒子径を有する多孔質担持体１５が充填されて構成される。多孔質担持体１５は、活性炭またはゼオライトなどのように、１μｍ以下の無数の細孔を有し、分子及びイオンなどの微細な物質を吸着することができる。また、多孔質担持体１５は、その表面に酸化鉄（III）［Ｆｅ_２Ｏ_３］、四酸化三鉄［Ｆｅ_３Ｏ_４］、水酸化鉄（III）［Ｆｅ（ＯＨ）_３］、オキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］、及び二酸化マンガン［ＭｎＯ_２］のうち少なくとも１つの化合物１０ａを担持している。なお、多孔質担持体１５の粒子径は、後述する濾過層１４に充填される無機粒子１６の粒子径よりも大きくなるように設計される。

濾過層１４は、凝集層１３の下流側に位置し、有効径０．３５ｍｍを有する無機粒子１６が充填されて構成される。また、無機粒子１６は、その表面に二酸化マンガン［ＭｎＯ_２］からなる化合物１０ｂを担持している。ここで、有効径とは、累積通過質量百分率が１０％になる粒子の大きさ（寸法）のことであり、粒子径の小さい方から１０％と、残る９０％の水の流れやすさが同じであることから、水の流れやすさの指標となる。

そして、濾過層１４の下流側には、無機粒子１６が出水管６から流れ出てこないように砂利１１及び通水メッシュ１２がそれぞれ設けられている。

次に、水処理装置１ａにおいて、被処理水３０に含まれる鉄成分及び濁質成分の捕集除去作用について説明する。

被処理水３０が重炭酸塩添加部３を流通することによって、被処理水３０中の２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］は水酸化第一鉄［Ｆｅ（ＯＨ）_２］に変化する。なお、水酸化第一鉄に変化しなかったとしても、２価の鉄イオンは、下流側の通水層４ａを構成する凝集層１３に存在する多孔質担持体１５によって吸着捕捉され、添加された重炭酸塩によって水酸化第一鉄に変わる。

そして、重炭酸塩を添加された被処理水３０が通水層４ａを構成する凝集層１３を流通することで、水酸化第一鉄は、多孔質担持体１５に担持された化合物１０ａに吸着し、被処理水３０中の酸素によって酸化されてオキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］の形で固定化される。この反応が吸着したオキシ水酸化鉄の上で連続的に起こることで、大きなオキシ水酸化鉄（鉄化合物）の塊となる。

凝集層１３に充填される多孔質担持体１５の粒子径は、濾過層１４に充填される無機粒子１６よりも粒子径が大きいため、多孔質担持体１５は、鉄化合物の塊を保持できる力は小さいものの、無数の細孔に化合物１０ａが多く担持されているため、鉄化合物の塊を生成する能力が高い。そのため、凝集層１３でより大きな鉄化合物の塊が形成される。

続いて、凝集層１３を流通した被処理水３０は、濾過層１４を流通する。

濾過層１４では、被処理水３０の水流の力によって凝集層１３から脱離した大きな鉄化合物の塊が、濾過層１４に充填された無機粒子１６によって保持される。無機粒子１６は、細孔を有さないが、凝集層１３を構成する多孔質担持体１５よりも粒子径が小さいため、より多くの鉄化合物の塊を物理的な力で留めておくことができる。同時に無機粒子１６の表面全体に二酸化マンガンからなる化合物１０ｂを担持しているため、鉄化合物の塊を化学吸着による大きな力によって留めることができる。

このように、通水層４ａでは、凝集層１３によって大きく成長させた鉄化合物の塊を、多孔質担持体１５よりも粒子径が小さい無機粒子１６で物理的かつ化学的な力で留めることができるため、目詰まりすなわち圧力損失が上昇しにくいという特徴を有する。

そして、通水層４ａによって鉄成分と濁質成分とが除去された被処理水３０は、出水管６に送出され、必要に応じて取水口６ａから生活用水３１として供給される。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る水処理装置１ｂは、装置内に導入される被処理水３０が重炭酸塩添加部３を流通する状態（第一状態）と、装置内に導入される被処理水３０が酸化剤添加部１９を充填する状態（第二状態）とを切り替え可能に構成されている点で実施の形態１と異なる。これ以外の水処理装置１ｂの構成は、実施の形態１に係る水処理装置１と同様である。以下、実施の形態１で説明済みの内容は再度の説明を適宜省略し、実施の形態１と異なる点を主に説明する。

本発明の実施の形態３に係る水処理装置１ｂについて、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る水処理装置１ｂの構成を示す模式図である。

本実施の形態３に係る水処理装置１ａもまた、ポンプ２によって井戸水などの被処理水３０（鉄成分及び濁質成分を含む地下水）を汲み上げて水処理（浄化）して生活用水３１として使用するための装置である。

具体的には、水処理装置１ｂは、図６に示すように、流入口１７ａと、濃度検出部１７、流路切替部１８と、重炭酸塩添加部３と、重炭酸塩添加流路２１と、酸化剤添加部１９と、酸化剤添加流路２２と、接続管５と、通水層４と、出水管６と、取水口６ａと、を有して構成される。また、水処理装置１ｂの上流側には、井戸水などの被処理水３０を汲み上げるポンプ２が設置され、水処理装置１には、ポンプ２によって汲み上げられた被処理水３０が流入口１７ａから装置内部に導入される。そして、水処理装置１ｂでは、第一状態において、流入口１７ａから導入された被処理水３０は、濃度検出部１７、重炭酸塩添加部３、流路配管２１ａと、流路切替部１８と、接続管５、通水層４、出水管６の順に流通して、取水口６ａから生活用水３１として排出される。一方、水処理装置１ｂでは、第二状態において、流入口１７ａから導入された被処理水３０は、濃度検出部１７、酸化剤添加部１９、流路配管２２ａと、流路切替部１８と、接続管５、通水層４、出水管６の順に流通して、取水口６ａから生活用水３１として排出される。

流入口１７ａは、濃度検出部１７を構成する筐体に設けられ、外部から被処理水３０を導入するための導入口である。

濃度検出部１７は、水処理装置１ｂの最上流側に設置され、流入口１７ａから導入される被処理水３０に含まれる水溶性シリカの濃度を測定して検出する機器である。濃度検出部１７は、検出した水溶性シリカの濃度情報を制御部（図示せず）に出力する。そして、濃度検出部１７を流通した被処理水３０は、重炭酸塩添加部３の流入口３ａまたは酸化剤添加部１９の流入口１９ａに送出される。なお、濃度検出部１７を流通した被処理水３０は、重炭酸塩添加流路２１または酸化剤添加流路２２に送出されるとも言える。

ここで、水溶性シリカの濃度検出には、例えば、水溶性シリカ濃度の検出精度の高いモリブデンブルー法が用いられる。モリブデンブルー法では、検出対象となる水溶性シリカを含む水溶液に硫酸とモリブデン酸アンモニウムからなる発色剤を添加してケイモリブデン酸を生成させイエローに呈色させる。その後、シュウ酸からなる隠蔽剤を注入し混合して発色反応を妨害する成分であるリンモリブデン酸を分解する。続いて、アスコルビン酸からなる還元剤を添加して水溶性シリカがモリブデン酸アンモニウムと反応して生成するヘテロポリ化合物を還元することにより青色に発色させる。この青色に発色した溶液の波長８１５ｎｍ付近の吸光度を測定することにより、水溶性シリカ濃度を測定する。濃度検出部１７では、この方法を適用し、一定量をサンプリングした被処理水３０における水溶性シリカ濃度を測定して検出している。

流路切替部１８は、濃度検出部１７と接続管５との間に設置され、流入口１７ａから導入される被処理水３０を、重炭酸塩添加流路２１を流通させて接続管５に導出する第一状態と、酸化剤添加流路２２を流通させて接続管５に導出する第二状態とを切り替えるための弁である。ここで、流路切替部１８は、重炭酸塩添加部３及び酸化剤添加部１９の上流側または下流側に設置可能であるが、通水層４への非切り替え側の添加剤の混入を避けるために、本実施の形態では流路切替部１８を下流側に設けている。

重炭酸塩添加流路２１は、濃度検出部１７と流路切替部１８とを連通する一つの流路であり、この流路内に重炭酸塩添加部３が設けられている。そして、重炭酸塩添加流路２１を流通する被処理水３０には、重炭酸塩添加部３を流通することによって重炭酸塩が添加される。

一方、酸化剤添加流路２２は、濃度検出部１７と流路切替部１８とを連通する別の流路であり、流路内に酸化剤添加部１９が設けられている。そして、酸化剤添加流路２２を流通する被処理水３０には、酸化剤添加部１９を流通することによって酸化剤が添加される。

要するに、重炭酸塩添加流路２１と酸化剤添加流路２２とは、互いに並列して配置された流路であり、被処理水３０がそれぞれに流通するように設けられている。

流路切替部１８は、制御部（図示せず）と無線または有線にて接続されており、濃度検出部１７からの水溶性シリカの濃度情報に基づいて第一状態と第二状態との間での切り替え制御がなされる。具体的には、流路切替部１８は、被処理水３０中の水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌ以下の場合には、第一状態として、重炭酸塩添加流路２１に被処理水３０が流通するように切り替え、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌよりも高い場合には、第二状態として、酸化剤添加流路２２に被処理水３０が流通するように切り替える。

なお、第一状態では、重炭酸塩添加流路２１に被処理水３０が流通するが、酸化剤添加流路２２には被処理水３０が流通しないようになっている。一方、第二状態では、酸化剤添加流路２２に被処理水３０が流通するが、重炭酸塩添加流路２１には被処理水３０が流通しないようになっている。

通水層４は、重炭酸塩添加流路２１及び酸化剤添加流路２２のどちらにも共通して使用される。これにより、それぞれの流路に別の通水層４を設ける必要がなくなるため、装置を小型化することができる。そして、被処理水３０が通水層４を流通することにより、被処理水３０中に含まれる鉄成分と濁質成分とが除去される。

そして、通水層４によって鉄成分と濁質成分とが除去された被処理水３０は、出水管６に送出され、必要に応じて取水口６ａから生活用水３１として供給される。

次に、水処理装置１ｂを構成する重炭酸塩添加部３について詳細に説明する。

重炭酸塩添加部３は、濃度検出部１７を介して流入口３ａから導入される被処理水３０に対して重炭酸塩を添加し、重炭酸塩添加部３の底部に挿通された流路配管２１ａから送出するように構成される。つまり、重炭酸塩添加部３では、流入口３ａから被処理水３０を通すことで重炭酸塩タブレット７から溶出した重炭酸塩が被処理水３０に添加される。その後、流路配管２１ａの上面（上端部）を被処理水３０の水位が超えることで、重炭酸塩が添加された被処理水３０は、流路配管２１ａ、流路切替部１８、接続管５の順に通過して下流側の通水層４へと流れていく。

その後、通水層４では、実施の形態１において説明したように、被処理水３０に含まれる鉄成分及び濁質成分の捕集除去がなされる。そして、通水層４によって鉄成分と濁質成分とが除去された被処理水３０は、出水管６に送出される。

次に、水処理装置１ｂを構成する酸化剤添加部１９について詳細に説明する。

酸化剤添加部１９は、従来の水処理装置を構成する酸化剤添加手段１０３と同様の役割を有するものである。酸化剤添加部１９は、酸化剤タブレット２０を筐体の内部に充填する構造を有し、濃度検出部１７を介して流入口１９ａから導入される被処理水３０に対して酸化剤を添加し、酸化剤添加部１９の底部に挿通された流路配管２２ａから送出するように構成される。つまり、酸化剤添加部１９では、流入口１９ａから被処理水３０を通すことで酸化剤タブレット２０から溶出した酸化剤が被処理水３０に添加される。その後、流路配管２２ａの上面（上端部）を被処理水３０の水位が超えることで、酸化剤が添加された被処理水３０は、流路配管２２ａ、流路切替部１８、接続管５の順に通過して下流側の通水層４へと流れていく。

ここで、酸化剤タブレット２０は、例えばトリクロロイソシアヌル酸ナトリウムからなる固形状のタブレットである。そして、被処理水３０が酸化剤添加部１９を通過することにより被処理水３０中に酸化剤が添加され、被処理水３０中の２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］が３価の鉄イオン［Ｆｅ^３＋］に酸化する。

その後、酸化剤が添加された被処理水３０は、通水層４に送出される。そして、通水層４では、酸化鉄（III）［Ｆｅ_２Ｏ_３］、四酸化三鉄［Ｆｅ_３Ｏ_４］、水酸化鉄（III）［Ｆｅ（ＯＨ）_３］、オキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］、及び二酸化マンガン［ＭｎＯ_２］のうち少なくとも一つの化合物１０（図３参照）を担持した粒子状担持体９が充填されているため、被処理水３０中の３価の鉄イオンは、化合物１０の粒子に付着し、酸化鉄（III）もしくは水酸化鉄（III）の鉄凝集体を形成し、粒子状担持体９によって物理的に捕集される。

また、濁質成分は、鉄成分の酸化凝集作用が加わると、その凝集作用に濁質成分が巻き込まれて除去される。

ここで、酸化剤による酸化法の場合には、水溶性シリカと鉄成分が共存していても、およそ１１時間以内であれば除鉄性能及び除濁性能の低下は小さいことが判明している。

以上のようにして、通水層４によって鉄成分と濁質成分とが除去された被処理水３０は、出水管６に送出される。

次に、流路切替部１８の切り替え動作について説明する。

使用される地域の地質によるが、井戸水などの被処理水３０は、予め水溶性シリカを含むことがある。そして、被処理水３０中に含まれる水溶性シリカの濃度が高い場合、被処理水３０が酸素に触れると鉄成分と水溶性シリカが結合して微粒子が形成され、通水層４での化学吸着による鉄成分の捕集作用を阻害する。これまでに行った実験評価によると、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、高い除鉄性能が得られないばかりか、重炭酸塩を添加することでかえって除鉄性能を低下させることが分かっている。このため、水処理装置１ｂでは、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌ以下である場合には、流路切替部１８を第一状態に切り替えて、被処理水３０が重炭酸塩添加部３を流通するようにする。これにより、水処理装置１ｂは、被処理水３０への重炭酸塩の添加によって、被処理水３０に対する除鉄率及び除濁率を向上させる。一方、水処理装置１ｂでは、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、流路切替部１８を第二状態に切り替えて、被処理水３０が酸化剤添加部１９を流通するようにする。これにより、水処理装置１ｂは、酸化剤の添加によって、従来と同じ水準の除鉄率及び除濁率を確保するようにする。

以上のように、水処理装置１ｂでは、水溶性シリカの含有量などの条件の異なる水質の被処理水３０に対しても一定上の高い除鉄性能及び除濁性能を得ることが可能となる。

本実施の形態に係る水処理装置の除鉄性能（除鉄率）及び除濁性能（除濁率）について説明する。実施例では、構成の異なる４種類の水処理装置Ａ〜Ｄを作成し、被処理水３０を通水して、それぞれの除鉄率及び除濁率を評価した。それぞれの水処理装置の詳細を図７にまとめる。図７は、実施例における各水処理装置の詳細条件及び評価結果をまとめた図である。

ここで、除鉄率を求めるための水中鉄濃度は、被処理水３０中のイオン及び不溶性含む全部の成分と、１、１０−フェナントロリン指示薬とを反応させ、その発色強度から鉄成分の濃度を定量測定した。この際、測定に使用した吸光光度計は、米ＨＡＣＨ社製のＤＲ９００である。

また、除濁率を求めるための濁度は、透過散乱光方式を用いた同じく米ＨＡＣＨ社製のポータブル濁度計２１００Ｑを用いて測定した。

除鉄率及び除濁率を求める式は、以下の通りである。

除鉄率＝（１−通水後の鉄濃度／通水前の鉄濃度）×１００％
除濁率＝（１−通水後の濁度／通水前の濁度）×１００％
試験に用いた被処理水３０には、水道水をイオン交換樹脂に通したイオン交換水に対して鉄濃度が５．８ｍｇ／Ｌとなるように、塩化第一鉄四水和物［ＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ］を溶かし、濁度が１００ＮＴＵ（Ｎｅｐｈｅｌｏｍｅｔｒｉｃ Ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ Ｕｎｉｔ）となるように、はくとう土（カオリン）を投入混合したものを用いた。ちなみに、試験に用いるイオン交換水の水質を測定したところ、全硬度は０ｍｇ／Ｌ、水溶性シリカ濃度は０ｍｇ／Ｌ、Ｍアルカリ度は炭酸カルシウム［ＣａＣＯ_３］換算で５ｍｇ／Ｌであった。このことから、試験に用いるイオン交換水には、基本的にほとんど何の成分も含まれていない。なお、Ｍアルカリ度は、炭酸イオンの総量の指標であり、メチルレッド−ブロムクレゾールグリーン指示薬によってｐＨ４．８になるまでの酸消費量から求められる値である。

次に、試験に用いた水処理装置Ａ〜Ｄの詳細構成について図８〜図１０を用いて説明する。図８は、実施例における水処理装置Ａの構成を示す模式図である。図９は、実施例における水処理装置Ｂ及び水処理装置Ｃの構成を示す模式図である。図１０は、実施例における水処理装置Ｄの構成を示す模式図である。

まず、図８を参照して水処理装置Ａについて説明する。水処理装置Ａは、上流側に位置する酸化剤添加部１９（実施の形態３の酸化剤添加部１９を参照）と、下流側に位置する凝集層１３及び濾過層１４からなる通水層４ａ（実施の形態２の通水層４ａを参照）とを備えて構成される。水処理装置Ａは、比較対象（比較例１）である。比較例１は、従来の水処理装置に相当する。水処理装置Ａでは、酸化剤添加部１９及び通水層４ａが内径４５ｍｍの充填筒８の中に一体的に設けられており、酸化剤添加部１９と通水層４ａとの間に設けられる接続管５は省かれている。酸化剤添加部１９には、ほぼ正方体で１辺が約７ｍｍのトリクロロイソシアヌル酸ナトリウムからなる酸化剤タブレット２０が、通水性を有する仕切板２３の上に５個充填されている。

そして、上述した酸化剤添加部１９に対して、実験用に準備されたイオン交換水からなる被処理水３０を０．４７Ｌ／ｍｉｎの速度で通水することで、被処理水３０に対して、被処理水３０中の鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたり遊離塩素が１．７２ｍｇ／Ｌの濃度となるように添加される。そして、遊離塩素の酸化作用によって被処理水３０に含まれる２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］は３価の鉄イオン［Ｆｅ^３＋］に酸化する。

通水層４ａは、上流側の凝集層１３と下流側の濾過層１４とを有して構成されている。そして、凝集層１３には、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの径を有する粒子状の多孔質担持体１５（図５参照）が、容積で０．１６Ｌ、長さにして１０３ｍｍの分量、充填されている。また、濾過層１４には、有効径０．３５ｍｍを有する無機粒子１６（図５参照）が、容積で０．２０Ｌ、長さにして１２８ｍｍの分量、充填されている。

ここで、多孔質担持体１５には、粒子状活性炭をポリ硫酸第二鉄（［Ｆｅ_２（ＯＨ）_ｎ（ＳＯ_４）_{３−ｎ／２}］_ｍ）の水溶液に一日漬け置きして洗浄した後、乾燥させたものを用いた。以下、これを「鉄担持活性炭粒子」と呼ぶこととする。また、無機粒子１６には、ケイ砂の表面に二酸化マンガン［ＭｎＯ_２］を担持したものを用いた。以下、これを「マンガン担持砂」と呼ぶこととする。

次に、図９を参照して水処理装置Ｂ及び水処理装置Ｃについて説明する。水処理装置Ｂは、上流側に位置する重炭酸塩添加部３（実施の形態１の重炭酸塩添加部３を参照）と、下流側に位置する通水層４（実施の形態１の通水層４を参照）を備えて構成される。水処理装置Ｂは、比較対象（比較例２）である。水処理装置Ｂは、重炭酸塩添加部３及び通水層４が内径４５ｍｍの充填筒８の中に一体的に設けられており、重炭酸塩添加部３と通水層４との間に設けられる接続管５は省かれている。重炭酸塩添加部３にはカルボメキシメチルセルローズを添加して重炭酸ナトリウムを押し固めて作られた、ほぼ正方体で１辺が約７ｍｍの重炭酸塩タブレット７が、通水性を有する仕切板２３の上に７個充填されている。

そして、上述した重炭酸塩添加部３に対して、実験用に準備されたイオン交換水からなる被処理水３０を０．４７Ｌ／ｍｉｎの速度で通水することで、被処理水３０に対して、被処理水３０中の鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたり６．９０ｍｇ／Ｌの濃度となるように重炭酸ナトリウムが添加される。

通水層４は、粒子状担持体として、表面に何も担持していない無担持砂を有して構成される。無担持砂は、有効径０．３５ｍｍのケイ砂からなり、容積が０．３６Ｌ、長さにして２３１ｍｍの分量、充填されている。

水処理装置Ｃは、水処理装置Ｂと同様の構造を有しているが、通水層４を構成する粒子状担持体として、無担持砂ではなく、マンガン担持砂が用いられる。マンガン担持砂は、有効径０．３５ｍｍを有し、容積が０．３６Ｌ、長さにして２３１ｍｍの分量、充填されている。水処理装置Ｃは、実施対象（実施例１）である。

また、実験用に準備されたイオン交換水からなる被処理水３０に添加される重炭酸ナトリウムは、水処理装置Ｂと同様、０．４７Ｌ／ｍｉｎの通水速度において、被処理水３０中の鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたり６．９０ｍｇ／Ｌである。

最後に、図１０を参照して水処理装置Ｄについて説明する。水処理装置Ｄは、水処理装置Ａにおける酸化剤添加部１９の代わりに、水処理装置Ｂ及び水処理装置Ｃと同様の重炭酸塩添加部３が設けられている。水処理装置Ｄは、実施対象（実施例２）である。

そして、被処理水３０に添加される重炭酸ナトリウムは、水処理装置Ｂ及び水処理装置Ｃと同様、０．４７Ｌ／ｍｉｎの通水速度において、被処理水３０中の鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたり６．９０ｍｇ／Ｌである。

以上の４種類の水処理装置（水処理装置Ａ〜Ｄ）を用いて、実験用に準備されたイオン交換水からなる被処理水３０（通過前水３０ａ）を０．４７Ｌ／ｍｉｎの速度で通水して、被処理水３０の水処理（浄化）を行い、水処理装置の通過後の被処理水３０（通過後水３０ｂ）をそれぞれ得た。なお、各水処理装置への通水量は３０Ｌ（以下、「３０Ｌ通水」とも言う）とした。

そして、通過前水３０ａ及び通過後水３０ｂにおける鉄濃度及び濁度から、各水処理装置における除鉄率及び除濁率をそれぞれ算出した。各水処理装置に被処理水３０（通過前水３０ａ）を３０Ｌ通水した結果（ｐＨ、除鉄率、除濁率、圧力損失）を図７に示す。また、各水処理装置への通水量ごとの除鉄率を図１１に示す。

図７に示すように、３０Ｌ通水時の除濁率は、水処理装置Ａを除いて９０％以上の除濁率が得られたが、水処理装置ごとの除鉄率では比較対象（比較例１、比較例２）と実施対象（実施例１、実施例２）とで大きな差が出た。比較対象である水処理装置Ａでは、３０Ｌ通水後に７４．３％（イオン交換水でなく一般的な井戸水を汲み上げた直後に用いた場合は９５％の高い除鉄率が得られるが）であり、同じく比較対象である水処理装置Ｂでは、６８．２％の除鉄率であった。これに対して、実施対象である水処理装置Ｃ及び水処理装置Ｄでは、それぞれ９８．４％及び９８．１％といずれもより高い除鉄率をとなった。こうした傾向は、図１１に示す通水量ごとの除鉄率においてもみられている。つまり、イオン交換水を被処理水３０の溶媒として用いた場合には、従来の酸化剤（塩素系酸化剤）を用いて２価の鉄イオンを酸化して担持体上の鉄化合物もしくはマンガン化合物の上に凝集する方法よりも、重炭酸塩によって２価の鉄イオンを水酸化第一鉄に変化させ、通水層４を構成する鉄担持活性炭粒子及びマンガン担持砂によって化学吸着する方法がより高い除鉄率が得られることがわかる。一方、重炭酸塩の添加による方法では、水処理装置Ｂが示すように、粒子状担持体が表面に鉄化合物もしくはマンガン化合物を担持していない場合に、高い除鉄率が得られないことがわかる。

ちなみに、被処理水３０（通過後水３０ｂ）のｐＨを同じｐＨ６．６３となるように重炭酸ナトリウムの代わりに水酸化ナトリウムＮａＯＨを被処理水３０に添加して測定したところ、３０Ｌ通水後の除鉄率は７０％であった。この結果から、重炭酸イオン以外の他の手段で水酸化物イオンを加えても高い除鉄率が得られないことが分かった。

次に、実施対象である水処理装置Ｃ及び水処理装置Ｄの通水量ごとの圧力損失の変化を図１２に示す。被処理水３０（通過前水３０ａ）を０．４７Ｌ／ｍｉｎの通水速度において、水処理装置Ｃの通水による圧力損失の上昇割合は、０．２６ｋＰａ／Ｌとなり、水処理装置Ｄの通水による圧力損失の上昇割合は、０．１４ｋＰａ／Ｌとなり、両者に差が生じている。水処理装置Ｄでは、鉄担持活性炭粒子を充填して凝集層１３を設け、その下流側に粒子径のより小さいマンガン担持砂を充填して濾過層１４を設けることで、被処理水３０中の鉄成分を凝集層１３で化学吸着して大きな塊を作り、剥がれて漏れた分を下流側の濾過層１４で化学吸着的な力を与えながら物理濾過することができる。その結果、粒子状担持体としてマンガン担持砂のみを充填している水処理装置Ｃよりも圧力損失の上昇を低くすることが可能となったと推察される。

次に、実施対象である水処理装置Ｃを用いて、高い除鉄率を得るためにはどの程度の重炭酸塩濃度が必要かを評価した。評価では、重炭酸塩添加部３に充填する重炭酸塩タブレット７の数を調整して、被処理水３０中の鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたりの重炭酸ナトリウム濃度を１．７２ｍｇ／Ｌ、３．４５ｍｇ／Ｌ、６．９０ｍｇ／Ｌ、１０．３ｍｇ／Ｌの４種類に変化させた。その結果として、水処理装置Ｃの各重炭酸ナトリウム添加濃度において評価した通水量ごとの除鉄率を図１３に示し、そのうちの通水量が１５Ｌの場合（１５Ｌ通水）及び３０Ｌの場合（３０Ｌ通水）における除鉄率を図１４に示す。

図１３及び図１４に示すように、３０Ｌ通水時の除鉄率において、添加する重炭酸ナトリウム濃度が３．４５ｍｇ／Ｌ以上で９０％以上の高い除鉄率が得られた。一般家庭で使用される水処理装置としては９０％以上の除鉄率を得ることが求められているため、重炭酸ナトリウム濃度が３．４５ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましいことが分かる。さらに、それ以上の重炭酸ナトリウム濃度である６．９０ｍｇ／Ｌ及び１０．３ｍｇ／Ｌでは、被処理水３０を１５Ｌ通水する場合であっても、いずれも９９．７％と非常に高い除鉄率が得られた。しがたって、９９％以上の非常に高い除鉄率を得たい場合には、被処理水３０中の重炭酸ナトリウム濃度を鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたり６．９０ｍｇ／Ｌ以上にすることが好ましい。

しかしながら、被処理水３０を３０Ｌ通水した場合には、６．９０ｍｇ／Ｌの重炭酸ナトリウム濃度で９８．４％の除鉄率であるのに対し、１０．３ｍｇ／Ｌの重炭酸ナトリウム濃度では９１．７％の除鉄率となった。１０．３ｍｇ／Ｌの重炭酸ナトリウム濃度において、１５Ｌ通水時よりも低下したのは、おそらく１０．３ｍｇ／Ｌの重炭酸ナトリウム濃度では、マンガン担持砂の上で起こる化学吸着によって塊が大きく成長しすぎたため、３０Ｌ通水した時に通水によって受ける力が大きくなり、通水層４ａの下流側に漏れ出たと推測する。したがって、被処理水３０中の鉄濃度１ｍｇ／Ｌあたり重炭酸ナトリウム濃度を６．９０ｍｇ／Ｌ前後とすることが更に好ましい。

次に、実施対象である水処理装置Ｄを用いて、被処理水３０中の水溶性シリカ濃度が除鉄率に与える影響を評価した。評価では、被処理水３０として、イオン交換水に対して水ガラス［Ｎａ_２Ｏ・ＳｉＯ_２］の水溶液を添加して、水溶性シリカ濃度を１０ｍｇ／Ｌ、２０ｍｇ／Ｌ、３０ｍｇ／Ｌ、４０ｍｇ／Ｌ、６０ｍｇ／Ｌの５種類に調整して、塩酸で中和した後に、塩化第一鉄四水和物とカオリンを加えたものを用いた。こうした被処理水３０を用いて通水量ごとの除鉄率を調査した結果を図１５に示す。ここで、水ガラスは、水に加えると加水分解して水溶性シリカと水酸化ナトリウムを生成するため、塩酸を加えて中和し、被処理水３０の最終的なｐＨが６．５０前後となるように調整している。

図１５に示すように、被処理水３０を３０Ｌ通水しても、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌまでは９０％以上の除鉄率を維持しているが、水溶性シリカ濃度が３０ｍｇ／Ｌになると８１．９％となり、水溶性シリカ濃度が４０ｍｇ／Ｌでは７４．５％、６０ｍｇ／Ｌでは６２．１％となった。このことから、被処理水３０に重炭酸塩を添加する方法では、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌよりも大きい場合には、９０％を超える高い除鉄率を得ることが難しいことがわかる。つまり、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、実施の形態３に係る水処理装置１ｂにおいて示したように、従来の水処理装置のように酸化剤を添加する方法によって水処理（浄化）する必要があると推察される。

以上、本実施の形態１〜３に係る水処理装置（水処理装置１、水処理装置１ａ、水処理装置１ｂ）によれば、以下の効果を享受することができる。

（１）水処理装置１では、鉄成分を含む被処理水３０に重炭酸塩を添加する重炭酸塩添加部３と、重炭酸塩添加部３の下流側に設けられ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物１０を担持した粒子状担持体９を充填した通水層４とを備えて構成した。こうした構成によれば、重炭酸塩添加部３を流通することで、被処理水３０中に含まれる２価の鉄イオン［Ｆｅ^２＋］が重炭酸塩と反応して水酸化第一鉄［Ｆｅ（ＯＨ）_２］になる。その後、通水層４を流通することで、水酸化第一鉄は、粒子状担持体９に担持された化合物１０に化学的に吸着し、被処理水３０中の酸素によって酸化されてオキシ水酸化鉄［ＦｅＯＯＨ］の形で固定化される。さらに、固定化されたオキシ水酸化鉄の上で被処理水３０中の水酸化第一鉄の化学吸着反応が連続して起こるため、高い除鉄性能が得られる。一方、被処理水３０中に含まれる濁質粒子は、水酸化第一鉄が粒子状担持体９に吸着する際に巻き込まれる形で吸着するため、高い除濁性能が得られる。つまり、被処理水３０に対する除鉄性能及び除濁性能を向上させることが可能な水処理装置１とすることができる。

（２）上述した水処理装置１に対して被処理水３０を通水することで、３０Ｌ通水時の除鉄率を、従来の水処理装置での除鉄率７４．３％と比べ、９０％以上（もしくは９８％以上）にまで容易に向上させることができる。

（３）水処理装置１ａでは、通水層４ａは、凝集層１３と、凝集層１３の下流側に配置された濾過層１４とを有して構成した。そして、凝集層１３には、表面にＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物１０ａを担持した粒子状の多孔質担持体１５を充填した。また、濾過層１４には、表面にＭｎＯ_２を担持して構成され、多孔質担持体１５よりも小さな粒子径を有する無機粒子１６を充填した。このようにすることで、化合物１０ａを担持した凝集層１３と濾過層１４とを機能分離して被処理水３０を通水させることができるので、被処理水３０に対して高い除鉄性能及び除濁性能を維持しながら、圧力損失を低減することができる。

（４）水処理装置１及び水処理装置１ａでは、重炭酸塩添加部３は、被処理水３０が含有する鉄成分濃度１ｍｇ／Ｌに対して炭酸水素ナトリウム換算で３．４５ｍｇ／Ｌ以上の濃度となるように、被処理水３０に重炭酸塩を添加するようにした。これにより、被処理水３０に含まれる鉄成分に対して化学反応を確実に生じさせることが可能な重炭酸塩が添加されるので、被処理水３０に対する除鉄性能をさらに向上させることができる。

（５）水処理装置１ｂは、被処理水３０に酸化剤を添加する酸化剤添加部１９と、重炭酸塩添加部３及び酸化剤添加部１９の上流側に設けられ、被処理水３０に含まれる水溶性シリカの濃度を検出する濃度検出部１７と、重炭酸塩添加部３を流通した被処理水３０を通水層４に通水させる第一状態と、酸化剤添加部１９を流通した被処理水３０を通水層４に通水させる第二状態とを切り替える流路切替部１８とを備えるように構成した。そして、流路切替部１８では、濃度検出部１７で検出した水溶性シリカの濃度情報に基づいて、第一状態と第二状態とを切り替えるようにした。これにより、被処理水３０に含まれる水溶性シリカの濃度情報に基づいて、重炭酸塩添加部３を流通した被処理水３０を通水層４に通水させる第一状態と、酸化剤添加部１９を流通した被処理水３０を通水層４に通水させる第二状態とが切り替えられるので、条件の異なる水質の被処理水３０に対しても一定上の高い除鉄性能及び除濁性能を得ることが可能となる。

（６）上述した水処理装置１ｂでは、流路切替部１８は、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌ以下である場合に第一状態に切り替え、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌを超える場合に第二状態に切り替えるようにした。上述したように、被処理水３０中に含まれる水溶性シリカの濃度が高い場合、被処理水３０が酸素に触れると鉄成分と水溶性シリカが結合して微粒子が形成され、通水層４での化学吸着による鉄成分の捕集作用を阻害する。つまり、水溶性シリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、高い除鉄性能が得られないばかりか、重炭酸塩を添加することでかえって除鉄性能を低下させることが懸念される。このため、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌ以下である場合には、流路切替部１８を第一状態に切り替えて、重炭酸塩の添加によって除鉄率及び除濁率を向上させる一方、水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌを超える場合には、流路切替部１８を第二状態に切り替えて、酸化剤の添加によって従来と同じ水準の除鉄率及び除濁率を確保するようにした。これにより、条件の異なる水質の被処理水３０に対しても一定上の高い除鉄性能及び除濁性能を得ることが可能となる。

以上、本発明に関して実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本実施の形態３に係る水処理装置１ｂでは、通水層として、実施の形態１に係る水処理装置１と同じ通水層４を用いたが、これに限られない。例えば、通水層として、実施の形態２に係る水処理装置１ａと同じ通水層４ａを用いてもよい。このようにすることで、上記した効果（３）を享受することができる。

また、本実施の形態３に係る水処理装置１ｂでは、制御部（図示せず）が、濃度検出部１７からの水溶性シリカに関する濃度情報に基づいて、流路切替部１８の切り替え動作を自動的に行うように制御したが、これに限られない。例えば、濃度検出部１７からの水溶性シリカに関する濃度情報を表示部等に表示させ、表示された濃度情報に基づいてマニュアルで流路切替部１８を切り替えるようにしてもよい。これにより、装置構成を簡略化することができる。

本開示に係る水処理装置は、従来の酸化剤添加方法よりも非常に高い除鉄率を得ることができる。そのため水浴び及び洗濯用水などの生活用水として活用する際に鉄成分及び濁質成分を含む井戸水を浄化する水処理装置として有用である。

１ 水処理装置
１ａ 水処理装置
１ｂ 水処理装置
２ ポンプ
３ 重炭酸塩添加部
４ 通水層
４ａ 通水層
５ 接続管
６ 出水管
７ 重炭酸塩タブレット
８ 充填筒
９ 粒子状担持体
１０ 化合物
１０ａ 化合物
１０ｂ 化合物
１１ 砂利
１２ 通水メッシュ
１３ 凝集層
１４ 濾過層
１５ 多孔質担持体
１６ 無機粒子
１７ 濃度検出部
１８ 流路切替部
１９ 酸化剤添加部
２０ 酸化剤タブレット
２１ 重炭酸塩添加流路
２２ 酸化剤添加流路
２３ 仕切板
３０ 被処理水
３０ａ 通過前水
３０ｂ 通過後水
３１ 生活用水
１０１ 水処理装置
１０２ ポンプ
１０３ 酸化剤添加手段
１０４ 通水層
１０５ 凝集層
１０６ 濾過層
１０７ 酸化剤タブレット
１３０ 被処理水
１３１ 生活用水
Ａ 水処理装置
Ｂ 水処理装置
Ｃ 水処理装置
Ｄ 水処理装置

Claims (5)

1. 鉄成分を含む被処理水に重炭酸塩を添加する第一添加部と、
   前記第一添加部の下流側に設けられ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物を担持した担持体を充填した通水層と、
   を備えることを特徴とした水処理装置。
2. 前記通水層は、凝集層と、前記凝集層の下流側に配置された濾過層と、を有して構成され、
   前記凝集層には、表面にＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯＯＨ、及びＭｎＯ_２のうち少なくとも一種の化合物を担持した粒子状の多孔質担持体が充填されており、
   前記濾過層には、表面にＭｎＯ_２を担持して構成され、前記多孔質担持体よりも小さな粒子径を有する無機粒子が充填されている、
   ことを特徴とした請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記第一添加部は、前記被処理水が含有する鉄成分濃度１ｍｇ／Ｌに対して炭酸水素ナトリウム換算で３．４５ｍｇ／Ｌ以上の濃度となるように、前記被処理水に前記重炭酸塩を添加することを特徴とした請求項１または２に記載の水処理装置。
4. 前記被処理水に酸化剤を添加する第二添加部と、
   前記第一添加部及び前記第二添加部の上流側に設けられ、前記被処理水に含まれる水溶性シリカの濃度を検出する濃度検出部と、
   前記第一添加部を流通した前記被処理水を前記通水層に通水させる第一状態と、前記第二添加部を流通した前記被処理水を前記通水層に通水させる第二状態とを切り替える切替部と、
   をさらに備え、
   前記切替部は、前記濃度検出部で検出した前記水溶性シリカの濃度情報に基づいて前記第一状態と前記第二状態とを切り替えることを特徴とした請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理装置。
5. 前記切替部は、前記水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌ以下である場合に前記第一状態に切り替え、前記水溶性シリカの濃度が二酸化ケイ素換算で２０ｍｇ／Ｌを超える場合に前記第二状態に切り替えることを特徴とした請求項４に記載の水処理装置。

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