JP5375851B2 - イオン交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、硬水軟化装置等のイオン交換装置に関する。

従来より、水道水や地下水等の原水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）や硝酸性窒素（硝酸イオン及び亜硝酸イオン）等をイオン交換樹脂により吸着して除去するイオン交換装置が知られている。これらのイオン交換装置のうち、陽イオン交換樹脂を使用して原水中の硬度成分をナトリウムイオンやカリウムイオンへ置換するものは、通常、硬水軟化装置と呼ばれる。一方、イオン交換装置のうち、陰イオン交換樹脂を使用して原水中の硝酸性窒素を塩化物イオンへ置換するものは、通常、硝酸性窒素除去装置と呼ばれる。

硬水軟化装置において、イオン交換樹脂床は、所定の採水量に達すると、イオン交換基が硬度成分でほぼ飽和状態になり、イオン交換能力を失う状態、すなわち破過状態になる。そこで、硬水軟化装置では、イオン交換樹脂床が破過状態になる前に、イオン交換樹脂床が収容される圧力タンクへ再生液として塩水を供給してイオン交換能力を回復させる再生プロセス及び押出プロセスが行われている。

硬水軟化装置においては、塩水タンクに収容された塩水を圧力タンクへ供給すると共に、供給された塩水を圧力タンクから系外へ排出させるための駆動力を得る構成として、水頭圧差を利用した構成がある。水頭圧差を利用した構成を有する硬水軟化装置としては、例えば、圧力タンクよりも上方に原水タンク及び塩水タンクを配置し、再生プロセス時には塩水タンクから塩水を圧力タンク内へ下降流として流入させ、また押出プロセス時には原水タンクから原水を圧力タンク内へ下降流として流入させる硬水軟化装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−２１６５３７号公報

再生液の供給及び排出に水頭圧差を利用する構成においては、イオン交換樹脂床の再生率を安定化させる必要がある。なぜなら、イオン交換樹脂床の再生率が不安定であると、所期の採水量及び水質を恒常的に確保できなくなるからである。そのために、再生プロセス及び押出プロセスを通じて、水頭圧差の変動及び通液抵抗の変動を最小限に抑制することが肝要となる。水頭圧差の変動を少なくすることにより、イオン交換樹脂床を流通する再生液及び／又は水の線速度の変動幅が抑制され、イオン交換樹脂床の再生率を安定化することができる。水頭圧差の変動は、主として装置の構造設計や施工状態に起因するが、従来の構成のイオン交換装置では、これら要因について十分な注意が払われておらず、イオン交換樹脂床の再生率が不安定になりやすかった。

従って、本発明は、再生プロセス及び／又は押出プロセスにおいて、イオン交換樹脂床を流通する再生液及び／又は水の線速度の変動幅を最小限にすることができるイオン交換装置を提供することにある。

本発明は、イオン交換樹脂床が収容される圧力タンクと、前記イオン交換樹脂床を再生する再生液及び／又は水が貯留される液タンクと、前記圧力タンクと前記液タンクとを接続する液供給ラインと、接続端部及び大気に開放された開放末端部を有する排水ラインであって、前記接続端部において前記圧力タンクに接続され、前記液タンクから前記圧力タンクへ供給された再生液及び／又は水を前記開放末端部から排水として排出する排水ラインと、を備え、前記液タンクにおける液面と前記排水ラインにおける前記開放末端部との高さの関係が、前記液タンクにおける液面＞前記開放末端部の関係になるように設定されており、前記液タンクにおける液面と前記排水ラインにおける前記開放末端部との間の水頭圧差により、前記液タンクから前記圧力タンクへ再生液及び／又は水を供給すると共に、再生液及び／又は水を前記圧力タンクから前記排水ラインへ排出するように構成され、前記液タンクから前記圧力タンクへの再生液及び／又は水の供給が終了した時の水頭圧差が、その供給を開始した時の水頭圧差に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように、前記液タンクの液面と前記排水ラインの前記開放末端部との位置が設定されるイオン交換装置に関する。

また、前記イオン交換装置は、前記イオン交換樹脂床が、架橋度が１０〜１２％のイオン交換樹脂ビーズからなることが好ましい。

また、前記イオン交換装置は、前記イオン交換樹脂ビーズの粒径の均一係数が、１．２以下であることが好ましい。

また、前記イオン交換装置は、前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部配液部と、前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部配液部と、前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部集液部と、前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部集液部と、原水を前記底部配液部へ配液しながら、前記頂部集液部で集液することにより原水の上昇流を生成して、処理水を製造する水処理プロセスの水の流れ；及び、再生液を前記頂部配液部へ配液しながら、前記底部集液部で集液することにより再生液の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床を再生させる再生プロセスの再生液の流れを切り換え可能なバルブ手段と、前記水処理プロセス及び前記再生プロセスを順に切り換えるように、前記バルブ手段を制御するバルブ制御手段と、を更に備えることが好ましい。

また、前記イオン交換装置は、前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部配液部と、前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部配液部と、前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部集液部と、前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部集液部と、原水を前記頂部配液部へ配液しながら、前記底部集液部で集液することにより原水の下降流を生成して、処理水を製造する水処理プロセスの水の流れ；及び、再生液を前記底部配液部へ配液しながら、前記頂部集液部で集液することにより再生液の上昇流を生成して、前記イオン交換樹脂床を再生させる再生プロセスの再生液の流れを切り換え可能なバルブ手段と、前記水処理プロセス及び前記再生プロセスを順に切り換えるように、前記バルブ手段を制御するバルブ制御手段と、を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、再生プロセス及び／又は押出プロセスにおいて、イオン交換樹脂床を流通する再生液及び／又は水の線速度の変動幅を最小限にすることができるイオン交換装置を提供することができる。

本発明のイオン交換装置の第１実施形態としての硬水軟化装置１の全体構成図である。 第１実施形態の硬水軟化装置１により実行されるプロセスを示すフローチャートである。 第１実施形態の各プロセスにおける各弁の開閉状態を示す説明図である。 本発明のイオン交換装置の第２実施形態としての硬水軟化装置１Ａの全体構成図である。 第２実施形態の各プロセスにおける各弁の開閉状態を示す説明図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明のイオン交換装置の第１実施形態としての硬水軟化装置１について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のイオン交換装置の第１実施形態としての硬水軟化装置１の全体構成図である。図２は、第１実施形態の硬水軟化装置１により実行されるプロセスを示すフローチャートである。図３は、第１実施形態の各プロセスにおける各弁の開閉状態を示す説明図である。

本実施形態の硬水軟化装置１は、水道水、地下水、工業用水等の原水中に含まれる硬度成分をナトリウムイオン（又はカリウムイオン）へ置換して軟水を生成する。硬水軟化装置１は、軟水を各種の用水として需要箇所へ供給する目的で使用される。硬水軟化装置１は、家屋やマンション等の居住建物、ホテルや大衆浴場等の集客施設、ボイラやクーリングタワー等の冷熱機器、食品加工装置や洗浄装置等の水使用機器等に接続される。

また、本実施形態の硬水軟化装置１は、原水Ｗ１をイオン交換樹脂床２１１（後述）で軟水化して得られた処理水（軟水）Ｗ２を浴室等の需要箇所（不図示）に供給する水処理プロセスＳＴ１と、原水タンク６に原水Ｗ１を補水する第１補水プロセスＳＴ２と、排水ラインＬ５の内部に滞留しているエアを排出する（エア抜きする）呼び水プロセスＳＴ３と、塩水Ｗ４を供給してイオン交換樹脂床２１１を再生させる再生プロセスＳＴ４と、原水タンク６に原水Ｗ１を補水する第２補水プロセスＳＴ５と、イオン交換樹脂床２１１に供給された塩水Ｗ４を押し出す押出プロセスＳＴ６と、イオン交換樹脂床２１１に残留した塩水Ｗ４を洗浄するリンス・プロセスＳＴ７と、塩水タンク４に原水Ｗ１を補水する第３補水プロセスＳＴ８と、を実行可能な構成を備える。

まず、図１を参照して、本実施形態の硬水軟化装置１の全体構成について説明する。以下の説明において「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。
図１に示すように、本実施形態の硬水軟化装置１は、圧力タンク２と、液タンクとしての塩水タンク４と、バルブ制御手段としての制御部５と、液タンクとしての原水タンク６と、を備える。

また、本実施形態の硬水軟化装置１は、原水通水弁３１１と、バイパス弁３１２と、軟水通水弁３１３と、塩水弁３１４と、再生排水弁３１５と、第１補水弁３１６と、第２補水弁３１７と、フロースイッチ３２１と、を備える。このうち、原水通水弁３１１、バイパス弁３１２、軟水通水弁３１３、塩水弁３１４、及び再生排水弁３１５は、本実施形態におけるバルブ手段を構成する。

圧力タンク２は、圧力タンク本体２１を主体として構成される。圧力タンク本体２１は、上部に開口部を有する有底の筒状体であり、開口部を蓋部材で密閉している。圧力タンク本体２１の内部には、陽イオン交換樹脂ビーズからなるイオン交換樹脂床２１１、及び濾過砂利からなる支持床２１２が収容されている。

イオン交換樹脂床２１１は、原水Ｗ１を軟水化する処理材として機能する。イオン交換樹脂床２１１は、圧力タンク本体２１の内部において、支持床２１２の上部に積層されている。

本実施形態におけるイオン交換樹脂床２１１は、架橋度が１０〜１２％の陽イオン交換樹脂ビーズ、より好ましくは、架橋度が１０〜１２％で且つ粒径の均一係数が１．２以下の陽イオン交換樹脂ビーズにより構成される。陽イオン交換樹脂ビーズは、ナトリウム型の調和平均径が０．５〜０．８ｍｍであることが望ましく、カルシウム型からナトリウム型に変化したときの体積変化率が１０％以下であることがより望ましい。

架橋度が１０〜１２％の条件を満たす陽イオン交換樹脂ビーズとしては、例えば、三菱化学社製：製品名「ＤＩＡＩＯＮ ＳＫ１１０」，「ＤＩＡＩＯＮ ＳＫ１１２」、ダウ・ケミカル社製：製品名「ＡＭＢＥＲＬＩＴＥ ＩＲ１２２」，「ＡＭＢＥＲＬＩＴＥ ＩＲ１２４」、ピュロライト社製：製品名「ＰＵＲＯＬＩＴＥ Ｃ１００ｘ１０」，「ＰＵＲＯＬＩＴＥ Ｃ１００ｘ１２」等が挙げられる。

また、架橋度が１０〜１２％且つ粒径の均一係数が１．２以下の条件を満たす陽イオン交換樹脂ビーズとしては、例えば、三菱化学社製：製品名「ＤＩＡＩＯＮ ＵＢＫ１０」，「ＤＩＡＩＯＮ ＵＢＫ１２」、ダウ・ケミカル社製：製品名「ＩＭＡＣ ＨＰ１２２０」，「ＡＭＢＥＲＪＥＴ １２２０」、ピュロライト社製：製品名「ＰＵＲＯＦＩＮＥＰＦＣ１００ｘ１０」等が挙げられる。

支持床２１２は、イオン交換樹脂床２１１に対する流体の整流部材として機能する。支持床２１２は、圧力タンク本体２１の底部側に収容されている。圧力タンク２の詳細については後述する。

原水通水弁３１１、バイパス弁３１２、軟水通水弁３１３、塩水弁３１４、及び再生排水弁３１５は、少なくとも、原水Ｗ１を圧力タンク２の底部スクリーン（底部配液部）２４１へ配液しながら、頂部スクリーン（頂部集液部）２４２で集液することにより原水Ｗ１の上昇流を生成して、処理水である軟水Ｗ２を製造する水処理プロセスＳＴ１の水（原水Ｗ１、軟水Ｗ２）の流れ；及び、再生液である塩水Ｗ４を頂部スクリーン（頂部配液部）２４２へ配液しながら、底部スクリーン（底部集液部）２４１で集液することにより塩水Ｗ４の下降流を生成して、イオン交換樹脂床２１１を再生させる再生プロセスＳＴ４の塩水Ｗ４の流れを切り換え可能なバルブである。上述した各弁の配置、機能については後述する。

塩水タンク４は、イオン交換樹脂床２１１を再生する再生液としての塩水Ｗ４を貯留する液タンクである。塩水Ｗ４は、陽イオン交換樹脂ビーズを用いる硬水軟化装置においては、塩化ナトリウム、塩化カリウムの各水溶液等を利用することができる。

塩水タンク４は、圧力タンク２よりも重力方向における上方に配置されている。塩水タンク４は、重力方向と直交する方向に、原水タンク６と略並列な位置に配置されている。また、塩水タンク４から圧力タンク２への塩水Ｗ４の供給が終了した時の水頭圧差ｈｅＷ４が、その供給を開始した時の水頭圧差ｈｓＷ４に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように、塩水タンク４の液面４４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されている。

このように、本実施形態の硬水軟化装置１は、塩水タンク４の液面４４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との間の水頭圧差ｈｓＷ４〜ｈｅＷ４により、塩水タンク４から圧力タンク２へ塩水Ｗ４が流下するように構成されている。

制御部５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５は、フロースイッチ３２１から入力された検出信号等に基づいて、各弁の動作を制御する。メモリには、本実施形態の硬水軟化装置１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。この制御プログラムは、硬水軟化装置１において、例えば、水処理プロセスＳＴ１の流路や再生プロセスＳＴ４の流路を切り換えるように、各弁を制御するプログラムである。ＣＰＵは、制御プログラムに従って、水処理プロセスＳＴ１〜第３補水プロセスＳＴ８を順に切り換えるように、各弁３１１〜３１７を制御する。

原水タンク６は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１１及び第１補水ラインＬ７を経て供給された原水Ｗ１を貯留する液タンクである。原水Ｗ１としては、水道水、地下水、工業用水等を利用することができる。

原水タンク６は、圧力タンク２よりも重力方向における上方に配置されている。また、原水タンク６から圧力タンク２への原水Ｗ１の供給が終了した時の水頭圧差ｈｅＷ１が、その供給を開始した時の水頭圧差ｈｓＷ１に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように原水タンク６の液面６４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されている。

このように、本実施形態の硬水軟化装置１は、原水タンク６における液面６４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との間の水頭圧差ｈｓＷ１〜ｈｅＷ１により、原水タンク６から圧力タンク２へ原水Ｗ１が流下するように構成されている。

次に、上述した圧力タンク２、ライン／弁等、塩水タンク４、制御部５、及び原水タンク６の構成について詳細に説明する。

圧力タンク２において、圧力タンク本体２１の底部には、原水ラインＬ１の他方の端部が配置されている。圧力タンク本体２１内に配置される原水ラインＬ１は、合成樹脂製パイプ等を用いた集配液管２３１となっている。この集配液管２３１は、イオン交換樹脂床２１１を貫通して支持床２１２の下部に到達するように設けられている。

水処理プロセスＳＴ１において、原水ラインＬ１を流通する原水Ｗ１は、圧力タンク本体２１の底部から圧力タンク２の内部に供給される。一方、圧力タンク本体２１の頂部には、軟水ラインＬ２の一方の端部が配置されている。すなわち、水処理プロセスＳＴ１において、圧力タンク２の内部でイオン交換樹脂床２１１により処理されて得られた軟水Ｗ２は、圧力タンク２の上部から軟水ラインＬ２を流通する。

圧力タンク２に配置された、原水ラインＬ１（集配液管２３１）の他方の端部には、樹脂ビーズの流出を防止する底部スクリーン２４２が設けられている。底部スクリーン２４２は、樹脂ビーズよりも小さな多数の開孔を有する（後述する頂部スクリーン２４１も同様）。底部スクリーン２４２は、原水ラインＬ１の他方の端部と連通する。底部スクリーン２４２による配液位置及び集液位置は、支持床２１２の下部に設定される。底部スクリーン２４２は、水処理プロセスＳＴ１において、イオン交換樹脂床２１１の底部から原水Ｗ１を配液する底部配液部、及び再生プロセスＳＴ４において、イオン交換樹脂床２１１の底部から塩水Ｗ４を集液する底部集液部として機能する。

また、圧力タンク２に配置された、軟水ラインＬ２の一方の端部には、樹脂ビーズの流出を防止する頂部スクリーン２４１が設けられている。頂部スクリーン２４１は、軟水ラインＬ２の一方の端部と連通する。頂部スクリーン２４１による配液位置及び集液位置は、イオン交換樹脂床２１１の頂部付近に設定される。頂部スクリーン２４１は、再生プロセスＳＴ４において、イオン交換樹脂床２１１の頂部から塩水Ｗ４を配液する頂部配液部、及び水処理プロセスＳＴ１において、イオン交換樹脂床２１１の頂部から軟水Ｗ２を集液する頂部集液部として機能する。

硬水軟化装置１は、その内部に、各種のライン、弁等を備える。すなわち、ラインとして、原水ラインＬ１と、軟水ラインＬ２と、希釈水ラインＬ３と、塩水ラインＬ４と、排水ラインＬ５と、バイパスラインＬ６と、第１補水ラインＬ７と、第２補水ラインＬ８と、を備える。後述するように、原水ラインＬ１の一部は、排水ラインＬ５としても機能する。また、軟水ラインＬ２の一部は、塩水ラインＬ４としても機能する。

また、硬水軟化装置１は、弁として、原水通水弁３１１と、バイパス弁３１２と、軟水通水弁３１３と、塩水弁３１４と、再生排水弁３１５と、第１補水弁３１６と、第２補水弁３１７と、減圧弁７３と、を備える。また、硬水軟化装置１は、フロースイッチ３２１を備える。

次に、各ライン及び各弁の構成について説明する。
原水ラインＬ１は、上流側において、外部の原水供給源（不図示）に接続され、下流側において、圧力タンク２の底部と連通している。原水ラインＬ１は、原水Ｗ１を圧力タンク本体２１及び原水タンク６に供給する供給路を構成する。原水ラインＬ１には、原水供給源から原水Ｗ１が圧送される（例えば、原水Ｗ１が水道水であれば、水道圧により原水Ｗ１が圧送される）。原水ラインＬ１には、原水供給源から圧力タンク２に向けて順に、接続部Ｊ１１、減圧弁７３、フロースイッチ３２１、接続部Ｊ１２、原水通水弁３１１、及び接続部Ｊ１３が設けられている。

原水ラインＬ１の接続部Ｊ１１には、第１補水ラインＬ７の上流側が接続されている。原水ラインＬ１の接続部Ｊ１２には、バイパスラインＬ６の上流側の端部と、第２補水ラインＬ８の上流側の端部と、が接続されている。原水ラインＬ１の接続部Ｊ１３には、排水ラインＬ５の上流側の端部が接続されている。後述するように、原水ラインＬ１において、接続部Ｊ１３よりも下流側は、排水ラインＬ５としても機能する。

減圧弁７３は、原水Ｗ１を所定の水圧まで減圧する弁である。減圧弁７３は、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１１の下流側に設けられている。

フロースイッチ３２１は、原水ラインＬ１における減圧弁７３と接続部Ｊ１２との間に設けられている。フロースイッチ３２１は、制御部５と電気的に接続されている。フロースイッチ３２１は、原水ラインＬ１において所定の水流を検知すると、検出信号を制御部５に出力する。すなわち、フロースイッチ３２１は、原水ラインＬ１に所定流量の原水Ｗ１が流通したことを検知すると、検出信号を制御部５に出力する。

原水通水弁３１１は、原水ラインＬ１において、接続部Ｊ１２と接続部Ｊ１３との間に設けられている。原水通水弁３１１は、原水ラインＬ１における原水Ｗ１の流通を制御する。原水通水弁３１１は、弁体の駆動部が制御部５と電気的に接続されている。原水通水弁３１１における弁の開閉は、制御部５により制御される。

第１補水ラインＬ７は、上流側において、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１１に接続され、下流側において、原水タンク６に接続されている。第１補水ラインＬ７は、第１補水プロセスＳＴ２及び第２補水プロセスＳＴ５において、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１１から流通する原水Ｗ１を、原水タンク６に供給する供給路を構成する。

軟水ラインＬ２は、一方の端部において、圧力タンク２の頂部と連通し、他方の端部において、需要箇所（図示せず）に接続されている。軟水ラインＬ２は、イオン交換樹脂床２１１により処理されて得られた軟水Ｗ２を需要箇所に供給するための供給路を主として構成する。軟水ラインＬ２には、圧力タンク２から需要箇所に向けて順に、接続部Ｊ２１、軟水通水弁３１３、及び接続部Ｊ２２が設けられている。軟水ラインＬ２の接続部Ｊ２１には、塩水ラインＬ４の下流側の端部が接続されている。軟水ラインＬ２において、接続部Ｊ２１よりも圧力タンク２側は、塩水ラインＬ４としても機能する。また、軟水ラインＬ２の接続部Ｊ２２には、バイパスラインＬ６の下流側の端部が接続されている。

軟水通水弁３１３は、軟水ラインＬ２において、接続部Ｊ２１と接続部Ｊ２２との間に設けられている。軟水通水弁３１３は、軟水ラインＬ２における軟水Ｗ２の流通を制御する。軟水通水弁３１３は、弁体の駆動部が制御部５と電気的に接続されている。軟水通水弁３１３における弁の開閉は、制御部５により制御される。

塩水ラインＬ４は、上流側において、塩水タンク４のタンク領域４１（後述）に接続され、下流側において軟水ラインＬ２の接続部Ｊ２１に接続されている。塩水ラインＬ４は、イオン交換樹脂床２１１を再生させるための塩水Ｗ４を圧力タンク２に供給するための供給路を構成する。

塩水ラインＬ４には、塩水タンク４から軟水ラインＬ２の接続部Ｊ２１に向けて順に、第２逆止弁７２と、塩水弁３１４と、接続部Ｊ４と、が設けられている。第２逆止弁７２は、塩水Ｗ４の流れを、塩水タンク４から圧力タンク本体２１へ流下させる方向へのみ規制する。塩水弁３１４は、塩水ラインＬ４における塩水Ｗ４の流通を制御する。塩水弁３１４は、弁体の駆動部が制御部５と電気的に接続されている。塩水弁３１４における弁の開閉は、制御部５により制御される。

希釈水ラインＬ３は、上流側において、原水タンク６の底部に接続され、下流側において、塩水ラインＬ４の接続部Ｊ４に接続されている。希釈水ラインＬ３は、主として、再生プロセスＳＴ４において塩水Ｗ４を希釈するための原水Ｗを塩水ラインＬ４に供給するため、及び、押出プロセスＳＴ６においてイオン交換樹脂床２１１内の塩水Ｗ４を押し出す原水Ｗ１を、圧力タンク２に供給するための供給路を構成する。希釈水ラインＬ３には、第１逆止弁７１が設けられている。第１逆止弁７１は、原水Ｗ１の流れを、原水タンク６から圧力タンク本体２１へ流下させる方向へのみ規制する。

排水ラインＬ５の一方の端部は、大気に開放されており、開放末端部５１を構成する。また、排水ラインＬ５の他方の端部は、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１３に接続されている。排水ラインＬ５は、各種の排水Ｗ５を系外に排水するための排水路を構成する。

原水ラインＬ１の下流側は、圧力タンク２の底部と連通している。前述したように、原水ラインＬ１において、接続部Ｊ１３よりも下流側は、排水ラインＬ５としても機能する。従って、排水ラインＬ５の他方の端部は、原水ラインＬ１を介して圧力タンク２に接続されており、接続端部を構成する。

再生排水弁３１５は、排水ラインＬ５における接続部Ｊ１３よりも下流側に設けられている。再生排水弁３１５は、排水ラインＬ５における排水Ｗ５又は塩水Ｗ４の流通を制御する。再生排水弁３１５は、弁体の駆動部が制御部５と電気的に接続されている。再生排水弁３１５における弁の開閉は、制御部５により制御される。

バイパスラインＬ６は、上流側において、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１２に接続され、下流側において、軟水ラインＬ２の接続部Ｊ２２に接続されている。バイパスラインＬ６は、再生プロセスＳＴ４等において、圧力タンク２を介さずに需要箇所に原水Ｗ１を供給するための供給路を構成する。

バイパス弁３１２は、バイパスラインＬ６に設けられている。バイパス弁３１２は、バイパスラインＬ６における原水Ｗ１の流通を制御する。バイパス弁３１２は、弁体の駆動部が制御部５と電気的に接続されている。バイパス弁３１２における弁の開閉は、制御部５により制御される。

第２補水ラインＬ８は、一方の端部において、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１２に接続され、他方の端部において、塩水タンク４と連通している。第２補水ラインＬ８は、第３補水プロセスＳＴ８において、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１２から流通する原水Ｗ１を、塩水タンク４に供給する供給路を構成する。

塩水タンク４は、タンク領域４１と、塩載置部４２と、ネット４３と、を備える。タンク領域４１は、塩水タンク４における塩水Ｗ４の貯留部を構成する。塩載置部４２は、タンク領域４１の内部に配置されている。塩載置部４２の底部には、透水性を有するネット４３が設けられている。塩載置部４２には、原水Ｗ１に溶解させる塩（塩化ナトリウム、塩化カリウム等）が載置されている。第２補水ラインＬ８の他方の端部は、タンク領域４１に向けて開放されている。第２補水ラインＬ８から供給された原水Ｗ１は、第２補水ラインＬ８の他方の端部からタンク領域４１に向けて流下する。塩載置部４２に載置された塩は、タンク領域４１に貯留された原水Ｗ１により溶解され、塩水Ｗ４が生成される。

塩水タンク４の底部には、塩水ラインＬ４の上流側の端部が接続されている。再生プロセスＳＴ４において、タンク領域４１の内部に貯留された塩水Ｗ４は、塩水タンク４における液面４４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との間の水頭圧差ｈｓＷ４〜ｈｅＷ４により、塩水ラインＬ４を流下する。この塩水Ｗ４は、塩水ラインＬ４の接続部Ｊ４において、希釈水ラインＬ３を流下した原水Ｗ１と混合して希釈される。希釈された塩水Ｗ４は、軟水ラインＬ２の一部を流下して圧力タンク２に供給され、頂部スクリーン２４１からイオン交換樹脂床２１１の頂部に配液される。

更に、塩水タンク４のタンク領域４１には、第１検出電極４５と、第１接地電極４６と、が設けられている。第１検出電極４５及び第１接地電極４６は、タンク領域４１において、塩水Ｗ４が満水か否か（すなわち、補水が必要か否か）を検出するための設備である。第１検出電極４５及び第１接地電極４６は、それぞれ棒状の金属部材により構成されている。

第１検出電極４５は、長手方向における一方（下方）の端部がタンク領域４１の内部に位置し、他方（上方）の端部がタンク領域４１の外部に位置している。第１検出電極４５の一方の前記端部の位置は、タンク領域４１の内部に塩水Ｗ４が満水となったときの液面４４と一致している。第１接地電極４６は、長手方向における一方（下方）の端部がタンク領域４１の底部近傍に位置し、他方（上方）の端部がタンク領域４１の外部に位置している。第１検出電極４５及び第１接地電極４６は、それぞれ他方の前記端部において制御部５と電気的に接続されている。第１検出電極４５と第１接地電極４６との間には、制御部５から所定の電圧が印加されている。

後述する第３補水プロセスＳＴ８において、タンク領域４１に貯留された塩水Ｗ４が満水でない場合、塩水Ｗ４の液面４４は、第１接地電極４６には達しても、第１検出電極４５には達しない。この場合には、第１検出電極４５と第１接地電極４６との間が短絡しないので、制御部５は、短絡電流を検知しない。制御部５は、第３補水プロセスＳＴ８において、短絡電流を検知しない場合には、第２補水弁３１７を開状態として、塩水タンク４への原水Ｗ１の補水を開始する。

一方、タンク領域４１に貯留された塩水Ｗ４が満水になると、塩水Ｗ４の液面４４は、第１接地電極４６に達するだけでなく、第１検出電極４５の下方の端部に達する。この場合には、第１検出電極４５と第１接地電極４６との間が短絡するので、制御部５は、短絡電流を検知する。制御部５は、第３補水プロセスＳＴ８において、短絡電流を検知した場合には、第２補水弁３１７を閉状態として、塩水タンク４への原水Ｗ１の補水を停止する。これにより、塩水タンク４のタンク領域４１には、所定量（満水）の塩水Ｗ４が貯留される。

また、塩水タンク４の上部には、オーバーフロー管（不図示）が取り付けられている。このオーバーフロー管は、上述した第１検出電極４５と第１接地電極４６との間において、短絡電流を正常に検知できなかった場合に、超過した塩水Ｗ４を系外に排出するための設備である。

原水タンク６には、第２検出電極６５と、第２接地電極６６と、が設けられている。第２検出電極６５及び第２接地電極６６は、原水タンク６において、原水Ｗ１が満水か否か（すなわち、補水が必要か否か）を検出するための設備である。第２検出電極６５及び第２接地電極６６は、それぞれ棒状の金属部材により構成されている。

第２検出電極６５は、長手方向における一方（下方）の端部が原水タンク６の内部に位置し、他方（上方）の端部が原水タンク６の外部に位置している。第２検出電極６５の一方の前記端部の位置は、原水タンク６の内部に原水Ｗ１が満水となったときの液面６４と一致している。第２接地電極６６は、長手方向における一方（下方）の端部が原水タンク６の底部近傍に位置し、他方（上方）の端部が原水タンク６の外部に位置している。第２検出電極６５及び第２接地電極６６は、それぞれ他方の前記端部において制御部５と電気的に接続されている。第２検出電極６５と第２接地電極６６との間には、制御部５から所定の電圧が印加されている。

後述する第１補水プロセスＳＴ２及び第２補水プロセスＳＴ５において、原水タンク６に貯留された原水Ｗ１が満水でない場合、原水Ｗ１の液面６４は、第２接地電極６６には達しても、第２検出電極６５には達しない。この場合には、第２検出電極６５と第２接地電極６６との間が短絡しないので、制御部５は、短絡電流を検知しない。制御部５は、第１補水プロセスＳＴ２及び第２補水プロセスＳＴ５において、短絡電流を検知しない場合には、第１補水弁３１６を開状態として、原水タンク６への原水Ｗ１の補水を開始する。

一方、原水タンク６に貯留された原水Ｗ１が満水になると、原水Ｗ１の液面６４は、第２検出電極６５の下方の端部に達する。この場合には、第２検出電極６５と第２接地電極６６との間が短絡するので、制御部５は、短絡電流を検知する。制御部５は、第１補水プロセスＳＴ２及び第２補水プロセスＳＴ５において、短絡電流を検知した場合には、第１補水弁３１６を閉状態として、原水タンク６への原水Ｗ１の補水を停止する。これにより、原水タンク６には、所定量（満水）の原水Ｗ１が貯留される。

また、原水タンク６の上部には、オーバーフロー管（不図示）が取り付けられている。このオーバーフロー管は、上述した第２検出電極６５と第２接地電極６６との間において、短絡電流を正常に検知できなかった場合に、溢れた原水Ｗ１を系外に排出するための設備である。

制御部５は、水処理プロセスＳＴ１〜第３補水プロセスＳＴ８を順に切り換えるように、各弁を制御する。制御部５は、図示しないメモリと、演算部としてのＣＰＵと、を備える。

メモリは、後述する水処理プロセスＳＴ１、第１補水プロセスＳＴ２、呼び水プロセスＳＴ３、再生プロセスＳＴ４、第２補水プロセスＳＴ５、押出プロセスＳＴ６、リンス・プロセスＳＴ７、及び第３補水プロセスＳＴ８の各プロセスの処理手順に関するデータ等を記憶する。

ＣＰＵは、フロースイッチ３２１から出力された検出信号（原水ラインＬ１を所定量の原水Ｗ１が流通したことを検知したときに出力される信号）やタイマ等の情報に基づいて、硬水軟化装置１で実行すべき処理を設定する。そして、ＣＰＵは、メモリに記憶された各プロセスの処理手順に関するデータに基づいて、所定の弁開閉信号を各弁３１１〜３１７に出力する。なお、各弁３１１〜３１７の開閉は、それぞれの弁に設けられた弁体の駆動部（不図示）により制御される。弁体の駆動部は、ＣＰＵにより出力された弁開閉信号に基づいて、弁体の開閉を制御する。以下の説明において、弁を開くことを「開状態」といい、弁を閉じることを「閉状態」という。

上記構成のように構成された硬水軟化装置１において、制御部５は、各弁３１１〜３１７の開閉を制御することにより、図２に示す以下のプロセスＳＴ１〜ＳＴ８を順次実施する。
（ＳＴ１）原水Ｗ１をイオン交換樹脂床２１１に対して下から上へ通過させる水処理プロセス（水軟化プロセス）
（ＳＴ２）再生プロセスＳＴ４に先立ち、原水タンク６に希釈水としての原水Ｗ１を補水する第１補水プロセス
（ＳＴ３）原水Ｗ１を排水ラインＬ５から強制排水して、排水ラインＬ５の内部に滞留しているエアを排出する（エア抜きする）と共に、排水ラインＬ５に溜まったゴミ等を除去することにより、再生不良を防止する呼び水プロセス
（ＳＴ４）再生液としての塩水Ｗ４をイオン交換樹脂床２１１に対して上から下へ通過させる再生プロセス
（ＳＴ５）押出プロセスＳＴ６に先立ち、原水タンク６に押出水としての原水Ｗ１を補水する第２補水プロセス
（ＳＴ６）押出水としての原水Ｗ１をイオン交換樹脂床２１１に対して上から下へ通過させる押出プロセス
（ＳＴ７）濯ぎ水としての原水Ｗ１をイオン交換樹脂床２１１に対して上から下へ通過させるリンス・プロセス
（ＳＴ８）次回の再生プロセスＳＴ４で使用する塩水Ｗ４を調製するために、塩水タンク４に原水Ｗ１を補水する第３補水プロセス

また、各弁３１１〜３１７の開閉は、図３に示すように、プロセスＳＴ１〜ＳＴ８毎に、制御部５により制御される。その結果、圧力タンク２の内部は、プロセスＳＴ１〜ＳＴ８毎に、流体の流れが生成される状態か、或いは、流体の流れが生成されない状態となる。

次に、本実施形態における硬水軟化装置１の運転方法（動作）について詳細に説明する。なお、水処理プロセスＳＴ１を除く各プロセスＳＴ２〜ＳＴ８においては、バイパス弁３１２が開状態となっている。そのため、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１１よりも下流側を流通する過剰な原水Ｗ１は、接続部Ｊ１２からバイパスラインＬ６へ流通し、接続部Ｊ２２及び軟水ラインＬ２を介して、軟水Ｗ２の需要箇所へ一時的に供給される。

〔水処理プロセスＳＴ１〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ１に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる水道水、地下水、工業用水等の原水Ｗ１は、原水ラインＬ１を介して、圧力タンク本体２１の内部に供給され、底部スクリーン２４２から配水される。底部スクリーン２４２から配水された原水Ｗ１は、イオン交換樹脂床２１１を上昇流で通過する。その過程において、原水Ｗ１の硬度成分は、ナトリウムイオン（又は、カリウムイオン）へ置換され、原水Ｗ１は軟水化される。

イオン交換樹脂床２１１を通過した処理水（軟水Ｗ２）は、圧力タンク２の頂部で頂部スクリーン２４１へ集水される。その後、軟水Ｗ２は、軟水ラインＬ２を介して、軟水Ｗ２の需要箇所へ供給される。そして、所定量の軟水Ｗ２を採取することにより、イオン交換樹脂床２１１が硬度成分を置換できなくなると、制御部５は、第１補水プロセスＳＴ２以降のプロセスを実施する。

〔第１補水プロセスＳＴ２〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ２に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１１を経て第１補水ラインＬ７を流通し、原水タンク６に補水される。ここでは、前回の押出プロセスＳＴ６で減少した原水タンク６の液位が満水になるまで原水Ｗ１が補水される。

〔呼び水プロセスＳＴ３〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ３に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１２及びＪ１３を経て排水ラインＬ５を流通し、排水Ｗ５として排水ラインＬ５の開放末端部から系外に排出される。

〔再生プロセスＳＴ４〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ４に示す開閉状態に設定される。その結果、塩水タンク４の内部に貯留された塩水Ｗ４は、塩水タンク４の液面４４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との水頭圧差により、塩水ラインＬ４を介して流下する。同時に、原水タンク６の内部に貯留された原水Ｗ１は、原水タンク６の液面６４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との水頭圧差により、希釈水ラインＬ３を介して流下する。各ラインを流下した塩水Ｗ４と原水Ｗ１とは、塩水ラインＬ４の接続部Ｊ４で混合され、所定濃度（約１０重量％）の塩水Ｗ４となる。この塩水Ｗ４は、塩水ラインＬ４を介して、圧力タンク２の頂部に配置された頂部スクリーン２４１から配液され、圧力タンク本体２１の内部を下降流で通過する。その過程において、塩水Ｗ４は、イオン交換樹脂床２１１を再生する。使用済みの塩水Ｗ４は、圧力タンク２の底部に配置された底部スクリーン２４２で集液され、排水ラインＬ５を介して系外に排水される。この再生プロセスＳＴ４は、所定時間実行され、所定量の塩水Ｗ４を供給することにより完了する。

〔第２補水プロセスＳＴ５〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ５に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１１を経て第１補水ラインＬ７を流通し、原水タンク６に供給される。ここでは、再生プロセスＳＴ４で減少した原水タンク６の液位が満水になるまで原水Ｗ１が補水される。

〔押出プロセスＳＴ６〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ６に示す開閉状態に設定される。その結果、塩水Ｗ４が塩水ラインＬ４を介して流下しなくなり、原水タンク６の内部に貯留された原水Ｗ１のみが希釈水ラインＬ３及び塩水ラインＬ４を介して流下する。流下した原水Ｗ１は、圧力タンク２の頂部に配置された頂部スクリーン２４１から配水され、圧力タンク本体２１の内部を下降流で通過する。その過程において、原水Ｗ１は、先行して供給された塩水Ｗ４を押し出しながら、引き続き、イオン交換樹脂床２１１を再生する。使用済みの塩水Ｗ４及び原水Ｗ１は、圧力タンク２の底部に配置された底部スクリーン２４２で集水され、排水ラインＬ５を介して系外に排水される。この押出プロセスＳＴ６は、所定時間実行され、所定量の原水Ｗ１を供給して塩水Ｗ４を押し出すことにより完了する。

〔リンス・プロセスＳＴ７〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ７に示す開閉状態に設定される。その結果、軟水通水弁３１３及びバイパス弁３１２が開状態になり、原水ラインＬ１には、原水供給源から原水Ｗ１が圧送される。この原水Ｗ１は、原水ラインＬ１、接続部Ｊ１２、バイパスラインＬ６、接続部Ｊ２２、軟水ラインＬ２を介して、圧力タンク２へ流通する。そして、原水Ｗ１は、圧力タンク２の頂部に配置された頂部スクリーン２４１から配水され、圧力タンク本体２１の内部を下降流で通過する。その過程において、原水Ｗ１は、イオン交換樹脂床２１１の内部に残留する塩水Ｗ４を洗い流しながら、イオン交換樹脂床２１１をリンスする。使用済みの原水Ｗ１は、圧力タンク２の底部に配置された底部スクリーン２４２で集水され、排水ラインＬ５を介して系外に排水される。このリンス・プロセスＳＴ７は、フロースイッチ３２１による水流有りの積算検知時間が所定時間に達するまで実行され、所定量の原水Ｗ１を供給することにより完了する。

このように、リンス・プロセスＳＴ７においては、外部の原水供給源から圧送された原水Ｗ１が圧力タンク２へ流通する。従って、圧力タンク２への単位時間当たりの原水供給量は、押出プロセスＳＴ６の場合よりも大きくなる。このため、イオン交換樹脂床２１１の内部に残留する塩水Ｗ４は、速やかに洗い流される。

なお、呼び水プロセスＳＴ３〜リンス・プロセスＳＴ７においては、バイパス弁３１２が開状態となっている。このため、ユーザが軟水Ｗ２の需要箇所で蛇口等を開くと、バイパスラインＬ６を介して原水Ｗ１が供給される。このように、本実施形態の硬水軟化装置１では、一連の再生作動の実行時において、ユーザに原水Ｗ１を供給することができる（原水供給状態）。

〔第３補水プロセスＳＴ８〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１７は、図３のＳＴ８に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１２を経て第２補水ラインＬ８を流通し、塩水タンク４に供給される。ここでは、再生プロセスＳＴ４で減少した塩水タンク４の液位が満水になるまで原水Ｗ１が補水される。これにより、次回の再生プロセスＳＴ４で使用する塩水Ｗ４が調製される。制御部５は、第３補水プロセスＳＴ８が終了すると、各弁３１１〜３１７を水処理プロセスＳＴ１の状態に復帰させる。

上述した第１実施形態の硬水軟化装置１によれば、例えば、以下のような効果が奏される。
本実施形態の硬水軟化装置１においては、塩水タンク４から圧力タンク２への塩水Ｗ４の供給が終了した時の水頭圧差ｈｅＷ４が、その供給を開始した時の水頭圧差ｈｓＷ４に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように、塩水タンク４の液面４４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されている。

このため、再生プロセスＳＴ４において、塩水タンク４から圧力タンク２への塩水Ｗ４の供給が終了した時に、塩水タンク４における液面の減少を最小限に抑制することができる。従って、再生プロセスＳＴ４の開始から終了までの間において、イオン交換樹脂床２１１を流通する塩水Ｗ４の線速度の変動幅を最小限にすることができる。
なお、塩水Ｗ４の線速度とは、塩水Ｗ４の流量をイオン交換樹脂床２１１の横断面積で除したものであり、次式で示される。
線速度［ｍ／ｈ］＝流量［ｍ^３／ｈ］÷横断面積［ｍ^２］ ・・・ （１）

また、本実施形態の硬水軟化装置１においては、原水タンク６から圧力タンク２への原水Ｗ１の供給が終了した時の水頭圧差ｈｅＷ１が、その供給を開始した時の水頭圧差ｈｓＷ１に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように原水タンク６の液面６４と排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されている。

このため、再生プロセスＳＴ４及び押出プロセスＳＴ６において、原水タンク６から圧力タンク２への原水Ｗ１の供給が終了した時に、原水タンク６における液面の減少を最小限に抑制することができる。従って、再生プロセスＳＴ４及び押出プロセスＳＴ６の開始から終了までの間において、イオン交換樹脂床２１１を流通する塩水Ｗ４及び原水Ｗ１の線速度の変動幅を最小限にすることができる。

本実施形態の硬水軟化装置１において、イオン交換樹脂床２１１は、架橋度が１０〜１２％の陽イオン交換樹脂ビーズにより構成される。

これに対して、架橋度が１０％に満たない陽イオン交換樹脂ビーズによりイオン交換樹脂床２１１を構成した場合には、水処理プロセスＳＴ１を繰り返すうちに、原水Ｗ１中の残留塩素や溶存酸素等により酸化を受けて樹脂母体が不可逆的に膨潤し、イオン交換樹脂床２１１の通液抵抗が増加する。通液抵抗が増加すると、再生プロセスＳＴ４や押出プロセスＳＴ６において、塩水Ｗ４や原水Ｗ１を規定の線速度で通液できなくなるばかりでなく、偏流やショートパスが生じやすくなり、結果としてイオン交換樹脂床２１１の再生率が低下することになる。また、塩水Ｗ４の供給量をタイマによる時間計測で管理している場合には、塩水Ｗ４の流量が低下することにより、規定時間内に規定量の塩水Ｗ４の供給が完了せずに、再生不良を起こす可能性がある。

更に、樹脂母体が不可逆的に膨潤すると、陽イオン交換樹脂ビーズの強度が低下して、破砕に至ることもある。このため、イオン交換樹脂床２１１の一部が流失し、所期の採水量と水質を確保できなくなるおそれがある。

一方、架橋度が１２％を超える陽イオン交換樹脂ビーズによりイオン交換樹脂床２１１を構成した場合には、樹脂母体の耐酸化性は向上する。しかし、樹脂母体中の架橋剤の割合が多いために、イオン交換容量が相対的に減少する。この結果、所要の採水量を確保するためには、イオン交換樹脂床２１１の容量を増加させなければならないため、圧力タンク２が大型化する。また、架橋度の高い陽イオン交換樹脂ビーズは、一般的に脆くなる傾向がある。このため、水処理プロセスＳＴ１を繰り返すうちに、ビーズ間の摩擦により、陽イオン交換樹脂ビーズが破砕して、生成した軟水Ｗ２中に破砕片が混入するおそれがある。また、陽イオン交換樹脂ビーズが破砕することにより、イオン交換樹脂床２１１の一部が流失し、所期の採水量と水質を確保できなくなるおそれもある。

しかしながら、本実施形態のイオン交換樹脂床２１１は、架橋度が１０〜１２％の陽イオン交換樹脂ビーズにより構成されるため、上述のような不具合の発生を低減することができる。従って、本実施形態の硬水軟化装置１によれば、再生プロセスＳＴ４及び押出プロセスＳＴ６の実行中に、イオン交換樹脂床２１１の通液抵抗の変動を抑制して再生率を安定化させることにより、またイオン交換樹脂床２１１の流失を抑制することにより、所期の採水量と水質を恒常的に確保することができる。

また、本実施形態のイオン交換樹脂床２１１は、架橋度が１０〜１２％であることに加えて、粒径の均一係数が１．２以下である陽イオン交換樹脂ビーズにより構成される。

これに対して、均一係数が１．２を超える陽イオン交換樹脂ビーズによりイオン交換樹脂床２１１を構成した場合には、原水Ｗ１の上昇流による水処理プロセスＳＴ１や、一般的なイオン交換装置で行われている逆洗浄プロセスを実施したときに、沈降速度の違いにより、粒径の小さな陽イオン交換樹脂ビーズがイオン交換樹脂床２１１の上部に集中する一方で、粒径の大きな陽イオン交換樹脂ビーズがイオン交換樹脂床２１１の下部に集中する。

このように、粒径の不均一な陽イオン交換樹脂ビーズを用いると、イオン交換樹脂床２１１の内部において空隙分布が大きくなる。このため、イオン交換樹脂床２１１において、流体の流れやすい部分と流れにくい部分とが同時に発生し、通液抵抗が不安定になる。その結果、再生プロセスＳＴ４や押出プロセスＳＴ６において、塩水Ｗ４や原水Ｗ１を規定の線速度で通液できなくなるばかりでなく、偏流やショートパスが生じやすくなり、結果として、イオン交換樹脂床２１１の再生率が低下することになる。

しかしながら、本実施形態におけるイオン交換樹脂床２１１は、架橋度が１０〜１２％且つ粒径の均一係数が１．２以下の陽イオン交換樹脂ビーズにより構成されるため、上述のような不具合の発生を低減することができる。従って、本実施形態の硬水軟化装置１によれば、再生プロセスＳＴ４及び押出プロセスＳＴ６の実行中に、イオン交換樹脂床２１１の通液抵抗の変動を抑制して再生率を維持し、所期の採水量と水質を恒常的に確保することができる。

以上のように、本実施形態の硬水軟化装置１は、再生プロセス及び押出プロセスにおいて、水頭圧差の変動幅を最小限とするだけでなく、通液抵抗の変動を抑制するように、特定の物理化学的性質を有する陽イオン交換樹脂ビーズを用いてイオン交換樹脂床２１１を構成している。このため、所期の採水量と水質を得るために必要なイオン交換樹脂床２１１の再生率が安定して確保される。

なお、陽イオン交換樹脂ビーズとして、ナトリウム型の調和平均径が０．５〜０．８ｍｍのものを用いた場合には、再生液である塩水Ｗ４との接触効率が向上するため、イオン交換樹脂床２１１の再生率がより安定するという効果を奏する。更には、陽イオン交換樹脂ビーズとして、カルシウム型からナトリウム型に変化したときの体積変化率が１０％以下であるものを用いた場合には、再生プロセスＳＴ４及び押出プロセスＳＴ６を通じての経時的な通液抵抗の変化が抑制されるため、イオン交換樹脂床２１１の再生率が一層安定するという効果を奏する。

＜第２実施形態＞
図４は、本発明のイオン交換装置の第２実施形態としての硬水軟化装置１Ａの全体構成図である。図５は、第２実施形態の各プロセスにおける各弁の開閉状態を示す説明図である。なお、第２実施形態の硬水軟化装置１Ａにより実行されるプロセスを示すフローチャートは、第１実施形態（図２）と同じであるため説明を省略する。

第２実施形態の硬水軟化装置１Ａは、第１実施形態の硬水軟化装置１に対して、圧力タンク２Ａ及び一部ライン及び弁の構成が異なる。その他の構成は同じであり、同等部分については、第１実施形態と同一符号を付して説明する。

図４に示すように、本実施形態の圧力タンク２Ａにおいて、圧力タンク２Ａに配置された、原水ラインＬ１の他方の端部には、頂部スクリーン２４１Ａが設けられている。頂部スクリーン２４１Ａは、水処理プロセスＳＴ１において、イオン交換樹脂床２１１の頂部から原水Ｗ１を配液する頂部配液部、及び再生プロセスＳＴ４において、イオン交換樹脂床２１１の頂部から塩水Ｗ４を集液する頂部集液部として機能する。

また、圧力タンク２Ａにおいて、圧力タンク２Ａに配置された、軟水ラインＬ２の一方の端部には、底部スクリーン２４２Ａが設けられている。底部スクリーン２４２Ａは、再生プロセスＳＴ４において、イオン交換樹脂床２１１の底部から塩水Ｗ４を配液する底部配液部、及び水処理プロセスＳＴ１において、イオン交換樹脂床２１１の底部から軟水Ｗ２を集液する底部集液部として機能する。

なお、圧力タンク本体２１内に配置される軟水ラインＬ２は、合成樹脂製パイプ等を用いた集配液管２３１となっており、この集配液管２３１がイオン交換樹脂床２１１を貫通して支持床２１２の下部に到達するように設けられている。

本実施形態では、第１実施形態の各ラインＬ１〜Ｌ８に加えて、第２排水ラインＬ９を備える。また、第１実施形態の各弁３１１〜３１７に加えて、第２排水弁３１８を備える。

なお、本実施形態においては、第１実施形態の再生排水弁３１５を「第１排水弁３１５」とし、第１実施形態の排水ラインＬ５を「第１排水ラインＬ５」として説明する。

第２排水ラインＬ９は、上流側において、軟水ラインＬ２の接続部Ｊ２３に接続され、下流側において、第１排水ラインＬ５の接続部Ｊ５に接続されている。第２排水弁３１８は、第２排水ラインＬ９に設けられている。第２排水弁３１８は、弁体の駆動部が制御部５と電気的に接続されている。第２排水弁３１８における弁の開閉は、制御部５により制御される。

次に、本実施形態における硬水軟化装置１Ａの運転方法（動作）について説明する。なお、水処理プロセスＳＴ１を除く各プロセスＳＴ２〜ＳＴ８においては、バイパス弁３１２が開状態となっている。そのため、第１実施形態と同じく、原水ラインＬ１の接続部Ｊ１１よりも下流側を流通する過剰な原水Ｗ１は、接続部Ｊ１２からバイパスラインＬ６へ流通し、接続部Ｊ２２及び軟水ラインＬ２を介して、軟水Ｗ２の需要箇所へ一時的に供給される。

〔水処理プロセスＳＴ１〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ１に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる水道水、地下水、工業用水等の原水Ｗ１は、原水ラインＬ１を介して、圧力タンク本体２１の内部に供給され、頂部スクリーン２４１Ａから配液される。頂部スクリーン２４１Ａから配液された原水Ｗ１は、イオン交換樹脂床２１１を下降流で通過する。その過程において、原水Ｗ１の硬度成分は、ナトリウムイオン（又は、カリウムイオン）へ置換され、原水Ｗ１は軟水化される。

イオン交換樹脂床２１１を通過した処理水（軟水Ｗ２）は、圧力タンク２Ａの底部で底部スクリーン２４２Ａへ集液される。その後、軟水Ｗ２は、軟水ラインＬ２を介して、軟水Ｗ２の需要箇所へ供給される。そして、所定量の軟水Ｗ２を採取することにより、イオン交換樹脂床２１１が硬度成分を置換できなくなると、制御部５は、第１補水プロセスＳＴ２以降のプロセスを実施する。

〔第１補水プロセスＳＴ２〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ２に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１１を経て第１補水ラインＬ７を流通し、原水タンク６に補水される。ここでは、前回の押出プロセスＳＴ６で減少した原水タンク６の液位が満水になるまで原水Ｗ１が補水される。

〔呼び水プロセスＳＴ３〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ３に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１２及びＪ１３を経て第１排水ラインＬ５を流通し、排水Ｗ５として第１排水ラインＬ５の開放末端部から外部に排出される。

〔再生プロセスＳＴ４〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ４に示す開閉状態に設定される。その結果、塩水タンク４の内部に貯留された塩水Ｗ４は、塩水タンク４の液面４４と第１排水ラインＬ５の開放末端部５１との水頭圧差により、塩水ラインＬ４を介して流下する。同時に、原水タンク６の内部に貯留された原水Ｗ１は、原水タンク６の液面６４と第１排水ラインＬ５の開放末端部５１との水頭圧差により、希釈水ラインＬ３を介して流下する。各ラインを流下した塩水Ｗ４と原水Ｗ１とは、塩水ラインＬ４の接続部Ｊ４で混合され、所定濃度の塩水Ｗ４となる。この塩水Ｗ４は、塩水ラインＬ４を介して、圧力タンク２Ａの底部に配置された底部スクリーン２４２Ａから配液され、圧力タンク本体２１の内部を上昇流で通過する。その過程において、塩水Ｗ４は、イオン交換樹脂床２１１を再生する。使用済みの塩水Ｗ４は、圧力タンク２Ａの頂部に配置された頂部スクリーン２４１Ａで集液され、第１排水ラインＬ５を介して系外に排水される。この再生プロセスＳＴ４は、所定時間実行され、所定量の塩水Ｗ４を供給することにより完了する。

〔第２補水プロセスＳＴ５〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ５に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１１を経て第１補水ラインＬ７を流通し、原水タンク６に供給される。ここでは、再生プロセスＳＴ４で減少した原水タンク６の液位が満水になるまで原水Ｗ１が補水される。

〔押出プロセスＳＴ６〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ６に示す開閉状態に設定される。その結果、塩水Ｗ４が塩水ラインＬ４を介して流下しなくなり、原水タンク６の内部に貯留された原水Ｗ１のみが希釈水ラインＬ３及び塩水ラインＬ４を介して流下する。流下した原水Ｗ１は、圧力タンク２Ａの底部に配置された底部スクリーン２４２Ａから配水され、圧力タンク本体２１の内部を上昇流で通過する。その過程において、原水Ｗ１は、先行して供給された塩水Ｗ４を押し出しながら、引き続き、イオン交換樹脂床２１１を再生する。使用済みの塩水Ｗ４及び原水Ｗ１は、圧力タンク２の頂部に配置された頂部スクリーン２４１Ａで集水され、第１排水ラインＬ５を介して系外に排水される。この押出プロセスＳＴ６は、所定時間実行され、所定量の原水Ｗ１を供給して塩水Ｗ４を押し出すことにより完了する。

〔リンス・プロセスＳＴ７〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ７に示す開閉状態に設定される。その結果、原水通水弁３１１、バイパス弁３１２及び第２排水弁３１８が開状態になる。原水通水弁３１１が開状態になると、原水ラインＬ１には、外部の原水供給源（不図示）から原水Ｗ１が圧送される。この原水Ｗ１は、原水ラインＬ１を介して、圧力タンク２Ａへ流通する。そして、原水Ｗ１は、圧力タンク２Ａの頂部に配置された頂部スクリーン２４１Ａから配水され、圧力タンク本体２１の内部を下降流で通過する。その過程において、原水Ｗ１は、イオン交換樹脂床２１１の内部に残留する塩水Ｗ４を洗い流しながら、イオン交換樹脂床２１１をリンスする。使用済みの原水Ｗ１は、圧力タンク２Ａの底部に配置された底部スクリーン２４２Ａで集水され、軟水ラインＬ２、接続部Ｊ２３、第２排水ラインＬ９、接続部Ｊ５、第１排水ラインＬ５を介して系外に排水される。このリンス・プロセスＳＴ７は、フロースイッチ３２１による水流有りの積算検知時間が所定時間に達するまで実行され、所定量の原水Ｗ１を供給することにより完了する。

このように、リンス・プロセスＳＴ７においては、外部の原水供給源から圧送された原水Ｗ１が圧力タンク２Ａへ流通する。従って、圧力タンク２Ａへの単位時間当たりの原水供給量は、押出プロセスＳＴ６の場合よりも大きくなる。このため、イオン交換樹脂床２１１の内部に残留する塩水Ｗ４は、速やかに洗い流される。

なお、呼び水プロセスＳＴ３〜リンス・プロセスＳＴ７においては、バイパス弁３１２が開状態となっている。このため、ユーザが軟水Ｗ２の需要箇所で蛇口等を開くと、バイパスラインＬ６を介して原水Ｗ１が供給される。このように、第２実施形態の硬水軟化装置１においても、一連の再生作動の実行時において、ユーザに原水Ｗ１を供給することができる（原水供給状態）。

〔第３補水プロセスＳＴ８〕
制御部５からの指令信号により、各弁３１１〜３１８は、図５のＳＴ８に示す開閉状態に設定される。その結果、原水ラインＬ１を流れる原水Ｗ１は、原水ラインＬ１から接続部Ｊ１２を経て第２補水ラインＬ８を流通し、塩水タンク４に供給される。ここでは、再生プロセスＳＴ４で減少した塩水タンク４の液位が満水になるまで原水Ｗ１が補水される。これにより、次回の再生プロセスＳＴ４で使用する塩水Ｗ４が調製される。制御部５は、第３補水プロセスＳＴ８が終了すると、各弁３１１〜３１８を水処理プロセスＳＴ１の状態に復帰させる。

上述した第２実施形態の硬水軟化装置１Ａにおいても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

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、前述した第１及び第２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、第１及び第２実施形態では、希釈された塩水Ｗ４の濃度を一定に保つことが容易であることから、塩水タンク４の液面４４と原水タンク６の液面６４とが、共に同じ高さとなるように設定しているが、これに限定されない。すなわち、塩水タンク４においては、塩水タンク４から圧力タンク２への塩水Ｗ４の供給が終了した時の水頭圧差ｈｅＷ４が、その供給を開始した時の水頭圧差ｈｓＷ４に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように、塩水タンク４の液面４４と第１排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されていればよい。一方、原水タンク６においては、原水タンク６から圧力タンク２への原水Ｗ１の供給が終了した時の水頭圧差ｈｅＷ１が、その供給を開始した時の水頭圧差ｈｓＷ１に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように原水タンク６の液面６４と第１排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されていればよい。従って、塩水タンク４の液面４４と、原水タンク６の液面６４とが、異なる高さとなるように構成することもできる。

また、塩水タンク４又は原水タンク６のいずれか一方において、上述のような水頭圧差となるように、液面と第１排水ラインＬ５の開放末端部５１との位置が設定されていればよい。

更に、塩水タンク４及び原水タンク６を個別に備えるのではなく、原水タンク６を塩水タンク４と共用するように構成してもよい。この構成では、塩水タンク４において、第１検出電極４５及び第１接地電極４６の他に第２検出電極６５を設け、３本の電極を使用して補水時の液位を検出する。第２検出電極６５は、その先端位置がネット４３よりも下方であって、且つ第１接地電極４６の先端よりも上方になるように設定される。

そして、この構成では、第１補水プロセスＳＴ２では、第１検出電極４５で満水を検知するまで補水を行うと共に、第２補水プロセスＳＴ５では、第２検出電極６５で所定液位を検知するまで補水を行うように操作する。つまり、第１補水プロセスＳＴ２では、前回の第３補水プロセスＳＴ８の実施以降、蒸発等で低下した塩水Ｗ４の液位を満水に調節するため、原水Ｗ１の補水を行う。一方、第２補水プロセスＳＴ５では、押出プロセスＳＴ６で使用する原水Ｗ１を貯留するため、塩と接触させないように、ネット４３よりも下方の所定液位まで補水を行う。

第１及び第２実施形態において、図１及び図４に示す各ラインや弁等の配置や接続は一例を示したものであり、図１及び図４の構成に限定されない。

前述の第１及び第２実施形態では、本発明のイオン交換装置を硬水軟化装置に適用した例について説明したが、本発明の適用はこれに制限されない。例えば、硬水軟化装置におけるイオン交換樹脂のイオン交換樹脂を、陽イオン交換樹脂から陰イオン交換樹脂へ置換すれば、硝酸性窒素除去装置として使用することができる。

１，１Ａ 硬水軟化装置（イオン交換装置）
２，２Ａ 圧力タンク
４ 塩水タンク（液タンク）
５ 制御部（バルブ制御手段）
６ 原水タンク（液タンク）
２１１ イオン交換樹脂床
２４１，２４２Ａ 底部スクリーン（底部配液部、底部集液部）
２４２，２４１Ａ 頂部スクリーン（頂部配液部、頂部集液部）
Ｌ１ 原水ライン
Ｌ２ 軟水ライン
Ｌ３ 希釈水ライン（液供給ライン）
Ｌ４ 塩水ライン（液供給ライン）
Ｌ５ 排水ライン，第１排水ライン
Ｌ６ バイパスライン
Ｌ７ 第１補水ライン
Ｌ８ 第２補水ライン
Ｌ９ 第２排水ライン

Claims (5)

1. イオン交換樹脂床が収容される圧力タンクと、
   前記イオン交換樹脂床を再生する再生液及び／又は水が貯留される液タンクと、
   前記圧力タンクと前記液タンクとを接続する液供給ラインと、
   接続端部及び大気に開放された開放末端部を有する排水ラインであって、前記接続端部において前記圧力タンクに接続され、前記液タンクから前記圧力タンクへ供給された再生液及び／又は水を前記開放末端部から排水として排出する排水ラインと、
   を備え、
   前記液タンクにおける液面と前記排水ラインにおける前記開放末端部との高さの関係が、前記液タンクにおける液面＞前記開放末端部の関係になるように設定されており、
   前記液タンクにおける液面と前記排水ラインにおける前記開放末端部との間の水頭圧差により、前記液タンクから前記圧力タンクへ再生液及び／又は水を供給すると共に、再生液及び／又は水を前記圧力タンクから前記排水ラインへ排出するように構成され、
   前記液タンクから前記圧力タンクへの再生液及び／又は水の供給が終了した時の水頭圧差が、その供給を開始した時の水頭圧差に対して０．７〜０．９倍の範囲となるように、前記液タンクの液面と前記排水ラインの前記開放末端部との位置が設定されるイオン交換装置。
2. 前記イオン交換樹脂床は、架橋度が１０〜１２％のイオン交換樹脂ビーズからなる請求項１に記載のイオン交換装置。
3. 前記イオン交換樹脂ビーズの粒径の均一係数は１．２以下である請求項２に記載のイオン交換装置。
4. 前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部配液部と、
   前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部配液部と、
   前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部集液部と、
   前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部集液部と、
   原水を前記底部配液部へ配液しながら、前記頂部集液部で集液することにより原水の上昇流を生成して、処理水を製造する水処理プロセスの水の流れ；及び、再生液を前記頂部配液部へ配液しながら、前記底部集液部で集液することにより再生液の下降流を生成して、前記イオン交換樹脂床を再生させる再生プロセスの再生液の流れを切り換え可能なバルブ手段と、
   前記水処理プロセス及び前記再生プロセスを順に切り換えるように、前記バルブ手段を制御するバルブ制御手段と、
   を更に備える請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン交換装置。
5. 前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部配液部と、
   前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部配液部と、
   前記イオン交換樹脂床の頂部に設けられる頂部集液部と、
   前記イオン交換樹脂床の底部に設けられる底部集液部と、
   原水を前記頂部配液部へ配液しながら、前記底部集液部で集液することにより原水の下降流を生成して、処理水を製造する水処理プロセスの水の流れ；及び、再生液を前記底部配液部へ配液しながら、前記頂部集液部で集液することにより再生液の上昇流を生成して、前記イオン交換樹脂床を再生させる再生プロセスの再生液の流れを切り換え可能なバルブ手段と、
   前記水処理プロセス及び前記再生プロセスを順に切り換えるように、前記バルブ手段を制御するバルブ制御手段と、
   を更に備える請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン交換装置。

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