JP5333486B2 - 水処理方法及び水処理システム - Google Patents

Description

本発明は、逆浸透膜分離装置を用いた水処理方法及び水処理システムに関する。

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は、再生プロセス中にイオン交換樹脂床が流動しやすい。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は、中間集液部付近で再生液の偏流が起こりやすい。つまり、これらの再生方式を採用した硬水軟水装置では、イオン交換樹脂床の流動や再生液の偏流に起因して、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。そのため、ＲＯ膜において高い塩除去率を維持するために、更なる改良が望まれている。

従って、本発明は、劣悪な水質の硬水を用いた場合においても、高い塩除去率及び透過水量を維持することができる水処理方法及び水処理システムを提供することを目的とする。

本発明は、原水を陽イオン交換樹脂床塔で軟化処理して軟水を製造する硬水軟化工程と、硬水軟化工程で製造された軟水を逆浸透膜モジュールで透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜分離工程と、を含み、前記陽イオン交換樹脂床塔においては、深さが３００〜１５００ｍｍ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軟化プロセス；再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、底部で集液することにより再生液の下降流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる第１再生プロセス；及び、第１再生プロセス後に再生液を前記陽イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、中間部で集液することにより再生液の上昇流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の一部を再生する第２再生プロセスを含んで運転され、第２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が１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床に対し、再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給する一方で、第２再生プロセス後の軟化プロセスでは、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水を供給し、前記逆浸透膜モジュールは、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を有し、当該逆浸透膜は、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％以上である、水処理方法に関する。

また、前記陽イオン交換樹脂床塔においては、第１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へ配液しながら、底部で集液することにより原水の下降流を生成して、導入された再生液を押し出す第１押出プロセス；及び、第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底部へ配液しながら、中間部で集液することにより原水の上昇流を生成して、導入された再生液を押し出す第２押出プロセスを含んで運転され、第１及び第２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るとともに、第１及び第２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、原水を陽イオン交換樹脂床塔で軟化処理して軟水を製造する硬水軟化装置と、前記硬水軟化装置で製造された軟水を逆浸透膜モジュールで透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜分離装置と、前記陽イオン交換樹脂床塔に収容された、深さが３００〜１５００ｍｍ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軟化プロセス；再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、底部で集液することにより再生液の下降流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる第１再生プロセス；及び、第１再生プロセス後に再生液を前記陽イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、中間部で集液することにより再生液の上昇流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の一部を再生する第２再生プロセスに切り換え可能なバルブ手段と、第２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、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、第２再生プロセス後の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、前記逆浸透膜モジュールは、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を有し、当該逆浸透膜は、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％以上である、水処理システムに関する。

また、前記バルブ手段は、第１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へ配液しながら、底部で集液することにより原水の下降流を生成して、導入された再生液を押し出す第１押出プロセス；及び、第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底部へ配液しながら、中間部で集液することにより原水の上昇流を生成して、導入された再生液を押し出す第２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、第１及び第２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、第１及び第２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、劣悪な水質の硬水を用いた場合においても、高い塩除去率及び透過水量を維持することができる水処理方法及び水処理システムを提供することができる。

実施形態の水処理システム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６により実行されるプロセスのフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、制御部６により実行される基本プロセスを示す説明図である。

以下、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、本実施形態の水処理システム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６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）〜（ｃ）は、制御部６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、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６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（後述）のプロセス制御バルブ３２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６（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６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６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６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。

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、後述する第２再生プロセスＳＴ５後の軟化プロセス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、陽イオン交換樹脂床塔としての圧力タンク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。

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の中間部付近に設定される。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を製造する軟化プロセスＳＴ１における原水Ｗ１の流れ；再生液としての塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部へ配液しながら、底部で集液することにより塩水Ｗ３の下降流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる第１再生プロセスＳＴ３における塩水Ｗ３の流れ；及び、第１再生プロセスＳＴ３後に塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の底部へ配液しながら、中間部で集液することにより塩水Ｗ３の上昇流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の一部を再生する第２再生プロセスＳＴ５における塩水Ｗ３の流れ、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は、第１再生プロセスＳＴ３、及び第１再生プロセスＳＴ３の終了後に行なわれる第２再生プロセスＳＴ５を含む。第１再生プロセスＳＴ３は、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる並流再生プロセスである。第２再生プロセスＳＴ５は、陽イオン交換樹脂床３１１の一部を再生させる部分向流再生プロセスである。本実施形態における陽イオン交換樹脂床３１１の再生は、二段の再生プロセスにより運転される。詳しくは、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ことにより運転される。

後述する第２再生プロセスＳＴ５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、再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる量の塩水Ｗ３を供給する。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、軟化プロセスＳＴ１での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、第１再生プロセスＳＴ３の後に、原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部へ配液しながら、底部で集液することにより原水Ｗ１の下降流を生成して、導入された塩水Ｗ３を押し出す第１押出プロセスＳＴ４における原水Ｗ１の流れ；及び、第２再生プロセスＳＴ５の後に、原水Ｗ１を陽イオン交換樹脂床３１１の底部へ配液しながら、中間部で集液することにより原水Ｗ１の上昇流を生成して、導入された塩水Ｗ３を押し出す第２押出プロセスＳＴ６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は、内部に備えられた弁体の駆動部が制御部６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６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６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〜ＳＴ８の運転を実施する。
（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の全体に対して上から下へ通過させる第１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の全体に対して上から下へ通過させる第１押出プロセス
（ＳＴ５）再生液としての塩水Ｗ３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第２再生プロセス
（ＳＴ６）押出水としての原水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第２押出プロセス
（ＳＴ７）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
（ＳＴ８）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〜ＳＴ８のうち、主要なプロセスである軟化プロセスＳＴ１、第１再生プロセスＳＴ３、及び第２再生プロセスＳＴ５の運転方法について説明する。

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。
後述する第２再生プロセスＳＴ５後の軟化プロセス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。

第１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の全体に対し、塩水Ｗ３を下降流で通過させて、陽イオン交換樹脂床３１１を再生する。第１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。陽イオン交換樹脂床３１１を再生した使用済みの塩水Ｗ３は、底部スクリーン３２２から集液される。この第１再生プロセスＳＴ３では、並流再生により、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる。

第１再生プロセスＳＴ３の終了後に実施される第１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の全体に対し、原水Ｗ１を下降流で通過させて、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、底部スクリーン３２２から集液される。第１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。

第１再生プロセスＳＴ３及び第１押出プロセスＳＴ４では、陽イオン交換樹脂床３１１の全体に対して、並流再生が行われる。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ことにより、軟化プロセスＳＴ１では、軟水Ｗ２の採水量が最大限にまで高められる。

第２再生プロセスＳＴ５では、図４（ｃ）に示すように、塩水Ｗ３を底部スクリーン３２２から配液して、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て、陽イオン交換樹脂床３１１の硬度リーク防止床３１３を含む下側領域を再生する。第２再生プロセスＳＴ５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。陽イオン交換樹脂床３１１の硬度リーク防止床３１３を含む下側領域を再生した塩水Ｗ３は、中間部スクリーン３２３から集液される。第２再生プロセスＳＴ５では、陽イオン交換樹脂床３１１の底部に設定された硬度リーク防止床３１３に対し、再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる量の塩水Ｗ３を供給する。この第２再生プロセスＳＴ５では、部分向流再生により、陽イオン交換樹脂床３１１の硬度リーク防止床３１３を含む下側領域を主に再生させる。
この第２再生プロセスＳＴ５を実施することにより、後の軟化プロセス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。

第２再生プロセスＳＴ５の終了後に実施される第２押出プロセスＳＴ６では、図４（ｃ）に示すように、原水Ｗ１を底部スクリーン３２２から配液して、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、原水Ｗ１を上昇流で通過させて、陽イオン交換樹脂床３１１の硬度リーク防止床３１３を含む下側領域に導入された塩水Ｗ３を押し出す。硬度リーク防止床３１３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。第２押出プロセスＳＴ６では、原水Ｗ１を、陽イオン交換樹脂床３１１の下部領域に対して、０．７〜２ｍ／ｈの線速度、且つ０．４〜２．５ＢＶの押出量で通過させる。

第２再生プロセスＳＴ５及び第２押出プロセスＳＴ６では、陽イオン交換樹脂床３１１の下部領域に対して、部分向流再生が行われる。そのため、硬度リーク防止床３１３が重点的に再生されることにより、軟化プロセスＳＴ１では、軟水Ｗ２の硬度リーク量が極限まで抑制される。

なお、逆洗浄プロセスＳＴ２、リンス・プロセスＳＴ７、及び補水プロセスＳＴ８については、図示による説明を省略する。

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６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６により制御される。塩水タンク４は、第１再生プロセスＳＴ３及び第２再生プロセスＳＴ５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。

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、逆浸透膜としての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で製造された透過水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で製造された濃縮水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、並流再生及び部分向流再生からなる二段の再生プロセス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６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６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、上述した軟化プロセスＳＴ１〜補水プロセスＳＴ８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、製造された透過水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。

上述した実施形態の水処理システム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、塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の頂部スクリーン３２１へ配液しながら、底部スクリーン３２２で集液することにより塩水Ｗ３の下降流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の全体を再生させる第１再生プロセスＳＴ３；及び、第１再生プロセスＳＴ３の後に塩水Ｗ３を陽イオン交換樹脂床３１１の底部スクリーン３２２へ配液しながら、中間部スクリーン３２３で集液することにより塩水Ｗ３の上昇流を生成して、陽イオン交換樹脂床３１１の一部（主に硬度リーク防止床３１３）を再生する第２再生プロセスＳＴ５を含んで運転される。そのため、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、第２再生プロセスＳＴ５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、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、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、スケーリングやファウリングを抑制して、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、第１再生プロセスＳＴ３及び第２再生プロセスＳＴ５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、第１押出プロセスＳＴ４及び第２押出プロセスＳＴ６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、本実施形態の第２再生プロセスでは、底部スクリーン３２２から中間部スクリーン３２３への塩水Ｗ３の上昇流を生成しているが、更に、頂部スクリーン３２１から中間部スクリーン３２３への塩水Ｗ３の下降流を生成してもよい。

また、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。

１ 水処理システム（純水の製造システム）
３ 硬水軟化装置
４ 塩水タンク
５ 逆浸透膜分離装置
５ｂ ＲＯ膜モジュール（逆浸透膜）
６ 制御部
３１ 圧力タンク（陽イオン交換樹脂床塔）
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
Ｌ５ 通水ライン
Ｌ６ 濃縮水ライン
Ｗ１ 原水
Ｗ２ 軟水
Ｗ３ 塩水（再生液）
Ｗ４ 排水
Ｗ５ 透過水
Ｗ６ 濃縮水

Claims (4)

1. 原水を陽イオン交換樹脂床塔で軟化処理して軟水を製造する硬水軟化工程と、
   硬水軟化工程で製造された軟水を逆浸透膜モジュールで透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜分離工程と、を含み、
   前記陽イオン交換樹脂床塔においては、深さが３００〜１５００ｍｍ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軟化プロセス；再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、底部で集液することにより再生液の下降流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる第１再生プロセス；及び、第１再生プロセス後に再生液を前記陽イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、中間部で集液することにより再生液の上昇流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の一部を再生する第２再生プロセスを含んで運転され、
   第２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が１００ｍｍに設定された硬度リーク防止床に対し、再生レベルが１〜６ｅｑ／Ｌ−Ｒとなる再生液量を供給する一方で、第２再生プロセス後の軟化プロセスでは、電気伝導率が１５０ｍＳ／ｍ以下、且つ全硬度が５００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ以下の原水を供給し、
   前記逆浸透膜モジュールは、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を有し、
   当該逆浸透膜は、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％以上である、
   水処理方法。
2. 前記陽イオン交換樹脂床塔においては、第１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へ配液しながら、底部で集液することにより原水の下降流を生成して、導入された再生液を押し出す第１押出プロセス；及び、第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底部へ配液しながら、中間部で集液することにより原水の上昇流を生成して、導入された再生液を押し出す第２押出プロセスを含んで運転され、
   第１及び第２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るとともに、第１及び第２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に記載の水処理方法。
3. 原水を陽イオン交換樹脂床塔で軟化処理して軟水を製造する硬水軟化装置と、
   前記硬水軟化装置で製造された軟水を逆浸透膜モジュールで透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜分離装置と、
   前記陽イオン交換樹脂床塔に収容された、深さが３００〜１５００ｍｍ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軟化プロセス；再生液を前記陽イオン交換樹脂床の頂部へ配液しながら、底部で集液することにより再生液の下降流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の全体を再生させる第１再生プロセス；及び、第１再生プロセス後に再生液を前記陽イオン交換樹脂床の底部へ配液しながら、中間部で集液することにより再生液の上昇流を生成して、前記陽イオン交換樹脂床の一部を再生する第２再生プロセスに切り換え可能なバルブ手段と、
   第２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、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、
   第２再生プロセス後の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、
   前記逆浸透膜モジュールは、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を有し、
   当該逆浸透膜は、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％以上である、
   水処理システム。
4. 前記バルブ手段は、第１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へ配液しながら、底部で集液することにより原水の下降流を生成して、導入された再生液を押し出す第１押出プロセス；及び、第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底部へ配液しながら、中間部で集液することにより原水の上昇流を生成して、導入された再生液を押し出す第２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、第１及び第２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、第１及び第２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た、
   請求項３に記載の水処理システム。

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