JP6105879B2

JP6105879B2 - 脱炭酸処理装置

Info

Publication number: JP6105879B2
Application number: JP2012198632A
Authority: JP
Inventors: 斉藤　孝行; 孝行斉藤; 田中　俊博; 俊博田中; 孝幸小林; 英俊水野
Original assignee: Ebara Jitsugyo Co Ltd
Current assignee: Ebara Jitsugyo Co Ltd
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: JP2014050820A

Description

本発明は、被処理水の水中から遊離炭酸成分を除去する脱炭酸処理装置に係り、特に構造を簡便にし、送水ポンプを不要にした省エネルギー型の脱炭酸処理装置に関する。

水源として井水を用いる場合、一般的に河川水に比べて遊離炭酸が多く存在している。このため、配管がスケールで閉塞したり、配管が腐食したりするトラブルが発生しやすい。このような井水中の炭酸の形態は、ｐＨによって変化するが、遊離炭酸の多くはＣＯ_２ガスの状態で存在しており、一部は分子状の炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）の形態で存在している。また、井水には遊離炭酸以外に解離した重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）や炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）が存在している。

例えば、下記の（１）式に示すように、水中に炭酸水素塩を溶存させておくために必要な従属性遊離炭酸を除いた残りの遊離炭酸が、いわゆる浸食性遊離炭酸となるが、この浸食性遊離炭酸が配管等を腐食させる原因となる。逆に、従属性遊離炭酸が少なければ、（１）式は左辺に移動し、このため炭酸カルシウムが析出してスケールを形成することになる。

また、純水製造プロセスにおいてイオン交換処理装置で純水を製造する場合、遊離炭酸ばかりでなく重炭酸イオンおよび炭酸イオンはアニオン交換樹脂へのイオン負荷となり、アニオン交換樹脂の処理容量を低下させる原因となる。あるいは、ＲＯ処理装置においては、ＲＯ膜では解離していない遊離炭酸の除去ができないことから、ＲＯ処理水に遊離炭酸がリークし処理水の導電率等の水質を悪化させる原因となる。

このように、遊離炭酸は配管を腐食したりスケールを形成して詰まらせたり、さらに純水製造プロセスでは純水製造装置の性能を低下させる原因となっている。したがって、一般的には、脱炭酸塔によって遊離炭酸の除去が行われている。

例えば、特許文献１は、脱酸素及び脱炭酸処理装置並びに処理方法に関する発明を開示している。公報に開示された窒素脱気塔は、いわゆる従来型脱炭酸塔の構造と同じ構造を有し、従来型脱炭酸塔において、空気を窒素に変更することによって脱酸素の機能を付加している。すなわち、窒素脱気塔（脱炭酸塔）に導入される被処理水のｐＨを、予め酸を添加して６．５以下に調整し、酸性に調整した被処理水を充填層の上部から供給する。充填層下部に配置された窒素散気ノズルから窒素を噴出し、充填層において窒素と被処理水とを接触させて酸素及び遊離炭酸を除去している。そして、この処理水にアルカリを添加してｐＨを６．５〜９に調整した後、処理水を送水ポンプによって排出するようにした技術が記載されている。なお、脱炭酸処理水のｐＨを中性以上に調整する理由は、被処理水のｐＨを予め酸性に調整するため、脱炭酸処理水のｐＨが酸性領域となる場合があり、給水配管やボイラを腐食させる恐れがあるためである。

上記特許文献１に開示されているように、従来型の脱炭酸塔は、充填材を用い、送水ポンプによって、処理水を次工程に送水するのが一般的である。

特開２００３−４７９５０号公報

従来の脱炭酸塔は、充填材を用い、被処理水を充填層の上部から供給し、充填層下部に配置された散気ノズルから空気を噴出し、充填層で空気と被処理水とを接触させて遊離炭酸を除去している。このため、従来型脱炭酸塔は充填層の炭酸ガス分圧を下げるために、塔上部からの排気を十分に行う必要がある。これによって、密閉構造にすることや、加圧して脱炭酸処理することが困難である。したがって、処理水を次工程に移送するためには、送水ポンプの使用が不可欠である。

ところで、昨今の省エネルギーを強く求められる社会では、電力コストの低減が課題となっている。しかしながら、従来型脱炭酸塔にあっては処理水を次工程へ送水するポンプを必要とすることから、電力コストの低減を図ることが難しい。

本発明は、このような従来の技術が有する問題点に着目してなされたものであり、遊離炭酸成分が除去された処理水を送水するのに要する電力コストの削減が可能となる省エネルギー型の脱炭酸処理装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は下記の手段によって達成される。

（１）被処理水を加圧状態に維持しながら被処理水中の遊離炭酸成分を除去する脱炭酸処理装置であって、
被処理水および脱炭酸用の空気が供給されるタンク部と、
前記タンク部の上部に接続され前記被処理水を導入する被処理水導入管と、
前記被処理水導入管の端部に設けられ前記タンク部内に前記被処理水を噴射するノズル部と、
前記被処理水導入管に接続され前記被処理水のｐＨ調整用の酸を添加する酸導入管と、
前記タンク部の頂部に配置され排気ガスを前記タンク部の外部に放出する排気部と、
前記タンク部の下部に接続され前記空気を導入する空気導入管と、
前記空気導入管の端部に設けられ前記タンク部内に前記空気を供給する空気供給部と、
前記タンク部の下部に配置され遊離炭酸成分が除去された処理水を貯溜する処理水貯留部と、
前記処理水貯留部に連通して前記処理水貯留部よりも高い位置まで立ち上がる導管を含み、前記処理水を使用する機器に前記処理水を送水する処理水流出部と、
前記排気部において前記タンク部の外部に放出する排気ガスの排気量を制御する排気量制御部と、を有し、
前記排気量制御部によって前記排気部における排気量を制御することによって、前記タンク部の内圧を加圧状態に維持するとともに前記処理水貯留部における処理水水位を予め定められた水位に保持し、前記タンク部内の圧力と前記処理水を使用する機器における圧力との差圧のみによって前記処理水流出部を介して前記処理水を送水してなる脱炭酸処理装置。

（２）前記排気量制御部は、
前記処理水貯留部における処理水水位を検知する検知部と、
前記排気部に配置される電気的駆動弁であって、前記検知部によって検知した処理水水位に連動して弁体の開度が調整される電気的駆動弁と、を有している上記（１）に記載の脱炭酸処理装置。

（３）前記処理水貯留部における処理水水位よりも上方の位置と、前記処理水貯留部における処理水水位よりも下方の位置とにおいて前記タンク部に連通する水位計測部をさらに有し、
前記検知部は、前記水位計測部における処理水水位を検知することによって、前記処理水貯留部における処理水水位を検知する、上記（２）に記載の脱炭酸処理装置。

（４）前記排気量制御部は、
前記排気部に配置される機械的駆動弁であって、弁体を閉じる方向に付勢する力を設定自在な機構を備え、前記タンク部内の圧力に連動して弁体の開度が調整される機械的駆動弁を有している上記（１）に記載の脱炭酸処理装置。

（５）前記空気供給部は、前記処理水貯留部に貯溜される前記処理水の中に浸漬されて、前記処理水の中に前記空気を散気する上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の脱炭酸処理装置。
（６）前記ノズル部から前記被処理水を噴射する噴流方向が上向きである上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の脱炭酸処理装置。

上記（１）の脱炭酸処理装置によれば、排気量制御部によって排気部における排気量を制御することによって、タンク部の内圧を加圧状態に維持するとともに処理水貯留部における処理水水位を予め定められた水位に保持し、タンク部内の圧力と処理水を使用する機器における圧力との差圧のみによって処理水流出部を介して処理水を送水している。処理水を送水するポンプを用いないことから、遊離炭酸成分が除去された処理水を送水するのに要する電力コストの削減が可能となり、省エネルギー型の脱炭酸処理装置を提供することができる。しかも、加圧状態を維持することによって、高い遊離炭酸除去率で被処理水中の遊離炭酸成分を除去することができる。

上記（２）の脱炭酸処理装置によれば、排気量制御部は、検知部によって検知した処理水水位に連動して弁体の開度が調整される電気的駆動弁を備えているので、処理水水位の下降に伴って電気的駆動弁の開度を大きくしてタンク部の内圧を下げ、逆に処理水水位の上昇に伴って電気的駆動弁の開度を小さくして内圧を上げるように制御することによって、内圧を一定の加圧状態に保持することが可能となる。

上記（３）の脱炭酸処理装置によれば、検知部によって水位計測部における処理水水位を検知することによって、水面の波打ちによる検知部のハンチングを防止することができる。処理水貯留部における処理水水位の検知が安定することから、処理水水位に連動して弁体の開度が調整される電気的駆動弁の作動も安定する。その結果、処理水水位を一定にする最適な排気量を制御することが可能である。

上記（４）の脱炭酸処理装置によれば、排気量制御部は、弁体を閉じる方向に付勢する力を設定自在な機構を備え、タンク部内の圧力に連動して弁体の開度が調整される機械的駆動弁を備えているので、タンク部の内圧が高くなると処理水水位は下降するが、このとき、機械的駆動弁の弁体が、内圧によって押し上げられ排気量が増加する。逆に、内圧が低くなると機械的駆動弁の弁体は閉じる方向に動作し、内圧が高まるまで開放されない。このように機械的に、内圧を一定の加圧状態に保持することが可能となる。

上記（５）の脱炭酸処理装置によれば、空気供給部が処理水の中に空気を散気することから、処理水の中にわずかに残った遊離炭酸をさらに除去することができ、遊離炭酸成分の除去効率を高めることが可能となる。
上記（６）の脱炭酸処理装置によれば、噴流方向が下向きである場合に比べて、遊離炭酸の除去率を高くすることができる。

本発明の実施形態に係る脱炭酸処理装置を示す基本的な系統図である。ｐＨと炭酸成分の理論的割合とを示す図である。電気的駆動弁を有する排気量制御部を適用した脱炭酸処理装置を示す系統図である。機械的駆動弁を有する排気量制御部に適用するスイング式逆止弁を示す断面図である。脱炭酸処理装置におけるタンク部の内圧とガス流量比との関係を示すグラフである。電気的駆動弁を用いる排気量制御部を適用した脱炭酸処理装置に、水位計測部をさらに設けた形態を示す系統図である。図７（Ａ）は、被処理水を噴射するノズル部を上向きに配置した脱炭酸処理装置を示す系統図、図７（Ｂ）は、被処理水を噴射するノズル部を下向きに配置した脱炭酸処理装置を示す系統図である。ノズル部の向きが遊離炭酸の除去率に与える影響を示すグラフである。空気量と被処理水量との比が遊離炭酸の除去率に与える影響を示すグラフである。被処理水のｐＨと処理水のｐＨとの関係を示すグラフである。実施例１において用いた脱炭酸装置を示す系統図である。実施例１および比較例１の処理性能を示すグラフである。図１３（Ａ）は、実施例２において用いた脱炭酸装置を示す系統図、図１３（Ｂ）は、比較例２において用いた脱炭酸装置を示す系統図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

図１を参照して、実施形態に係る脱炭酸処理装置１０は、概説すれば、被処理水３１の水中から遊離炭酸成分を除去するために使用され、被処理水３１および脱炭酸用の空気６１が供給されるタンク部２０を有している。脱炭酸処理装置１０は、タンク部２０の上部領域においては、タンク部２０の上部に接続され被処理水３１を導入する被処理水導入管３０と、被処理水導入管３０の端部に設けられタンク部２０内に被処理水３１を噴射する噴射ノズル３２（ノズル部に相当する）と、被処理水導入管３０に接続され被処理水３１のｐＨ調整用の酸４１を添加する酸導入管４０と、タンク部２０の最上部である頂部に配置され排気ガス５１をタンク部２０の外部に放出する排気部５０と、を有している。脱炭酸処理装置１０は、タンク部２０の下部領域においては、タンク部２０の下部に接続され空気６１を導入する空気導入管６０と、空気導入管６０の端部に設けられタンク部２０内に空気６１を供給する散気管６２（空気供給部に相当する）と、タンク部２０の下部に配置され遊離炭酸成分が除去された処理水７１を貯溜する処理水貯留部７０と、を有している。脱炭酸処理装置１０はさらに、処理水貯留部７０に連通して処理水貯留部７０よりも高い位置まで立ち上がる導管８２を含み、処理水７１を使用する機器９０に処理水７１を送水する処理水流出部８０と、排気部５０においてタンク部２０の外部に放出する排気ガス５１の排気量を制御する排気量制御部１００と、を有している。そして、脱炭酸処理装置１０は、排気量制御部１００によって排気部５０における排気量を制御して処理水貯留部７０における処理水水位７２を予め定められた水位に保持し、タンク部２０内の圧力と処理水タンク９０（「処理水７１を使用する機器」に相当する）における圧力との差圧のみによって処理水流出部８０を介して処理水７１を送水している。図示する実施形態にあっては、散気管６２は、処理水貯留部７０に貯溜される処理水７１の中に浸漬されて、処理水７１の中に空気６１を散気している。以下、実施形態に係る脱炭酸処理装置１０について詳述する。

脱炭酸処理装置１０においては、被処理水３１がタンク部２０に流入する前に、被処理水３１のｐＨを酸性に調整する。その手段は、被処理水３１の被処理水導入管３０に接続された酸導入管４０を介して定量ポンプ等を用いて酸４１を所定量添加することによってなされる。

使用する酸は、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等の無機酸、あるいはクエン酸、シュウ酸、ギ酸、酢酸等の有機酸であるが、この他の有機酸として一般的にカルボン酸やスルホン酸を用いることができる。

図２に示すように、被処理水３１のｐＨを４以下とすることによって、被処理水３１の重炭酸イオンおよび炭酸イオンを含めて炭酸成分のほぼ１００％を遊離炭酸に変換することができる。また、被処理水３１のｐＨを５．７以下に調整することによって、炭酸成分の８０％を遊離炭酸に変換することができる。少なくとも被処理水３１のｐＨを６以下に調整することによって、７０％の炭酸成分を遊離炭酸にすることができ、脱炭酸処理装置１０において、７０％の遊離炭酸を除去することが可能となる。

脱炭酸処理装置１０においては、空気導入管６０を介して散気管６２から放出された加圧空気６１と、噴射ノズル３２から噴射された被処理水３１とを向流接触させて遊離炭酸を除去する。さらに、噴射された水滴がタンク部２０の内壁に衝突して壁面を濡らし、内壁に沿って流下する所謂濡れ壁効果によって遊離炭酸が除去される。次に、流下した処理水７１を下部の処理水貯留部７０に導入し、処理水貯留部７０の処理水水位７２よりも下部に配置された散気管６２に加圧空気６１を圧送する。散気管６２から放出された加圧空気６１によって、処理水７１を曝気する。処理水７１の中にわずかに残った遊離炭酸をさらに除去することができるため、遊離炭酸成分の除去効率が高くなる。

ｐＨを調整した被処理水３１を被処理水導入管３０を介して噴射ノズル３２からタンク部２０の内壁に向けて噴射する。噴射ノズル３２を用いる点に関しては、特開平１１−３１９８０３号公報に記載がある。

前記特許公報は脱気装置に関する特許である。前記特許公報に記載されている脱気装置は、従来型脱炭酸装置の構造とまったく同じ構造であり、従来型脱炭酸装置において、空気を窒素等の脱気するためのガスに変更することによって脱気の機能を付加したものである。すなわち、充填物を収容した充填層の下部にガス分散器を設置し、塔上部には排気管と、被処理水を導入する給水配管とが配設され、この給水配管に接続されたスプレーノズルから、被処理水を充填層面に噴霧することが記載されている。前記特許公報に記載された排気管は、単にガスを排出するためのものであり、排気量を調節あるいは制御する機能を具備していない。

これに対して、本実施形態の脱炭酸処理装置１０は、排気量を制御する排気量制御部１００を備えており、上記特許公報に記載された技術とは大きな相違がある。

従来型脱炭酸塔は、脱炭酸された処理水を別途設置された処理水タンクに送水するためには、送水ポンプを用いている。

これに対して、本実施形態の脱炭酸処理装置１０にあっては、排気部５０においてタンク部２０の外部に放出する排気ガス５１の排気量を制御する排気量制御部１００を有し、この排気量制御部１００によって排気部５０における排気量を制御して処理水貯留部７０における処理水水位７２を予め定められた水位に保持し、タンク部２０内の圧力と処理水タンク９０における圧力との差圧のみによって処理水流出部８０を介して処理水７１を送水できる。処理水貯留部７０における処理水水位７２の保持は、目標とする処理水水位７２のプラスマイナス２０％の範囲で保持できていればよい。

脱炭酸処理装置１０の内圧を加圧し維持するために、処理水貯留部７０に接続した処理水流出部８０の導管８２を所定の高さ、すなわち、処理水タンク９０の満水水位の高さまで立ち上げ、空気導入管６０から導入された空気量と、上部に設けられた排気部５０からの排気量とを制御し、脱炭酸処理装置１０の内圧を加圧状態に維持する。これによって、処理水タンク９０に送水することが可能となる。このように、送水ポンプを用いずに被処理水３１の供給ポンプの揚程を利用して、処理水７１を送水することが可能である。

本実施形態の脱炭酸処理装置１０にあっては、送水ポンプを用いないことから、遊離炭酸成分が除去された処理水７１を送水するのに要する電力コストの削減が可能となり、省エネルギー型の脱炭酸処理装置１０を提供することができる。

充填材を使用する従来型脱炭酸装置にあっては、充填材が複雑な構造を有しているため、微粒子等の微細な不純物が充填材の表面に沈着して、汚染が進行し易い。バクテリアの繁殖を避けることが困難であり、充填層にスライムが発生する場合がある。本実施形態の脱炭酸処理装置１０にあっては、充填材を使用していないことから、バクテリアの繁殖によるスライムの発生も抑えることが可能となる。

図１に示される排気量制御部１００は、手動により弁体の開度を調整自在な流量調整弁１０１を有している。タンク部２０内に導入される被処理水量、導入される空気量、タンク部２０内から送水される処理水量の変動が小さい場合には、流量調整弁１０１を手動調整することによって、処理水貯留部７０における処理水水位７２を予め定められた水位に保持することができる。

一方、タンク部２０内に導入される被処理水量、導入される空気量、あるいはタンク部２０内から送水される処理水量などが変動し、処理水貯留部７０における処理水水位７２の変動が比較的大きい場合には、排気量制御部１００を次のように構成することができる。

図３には、電気的駆動弁１０２を有する排気量制御部１００を適用した脱炭酸処理装置１０が示される。図３に示される排気量制御部１００は、処理水貯留部７０における処理水水位７２を検知する検知部１０３と、排気部５０に配置される電気的駆動弁１０２であって、検知部１０３によって検知した処理水水位７２に連動して弁体の開度が調整される電気的駆動弁１０２と、を有している。検知部１０３には、例えば、処理水貯留部７０の処理水水位７２を検知し、制御信号を出力するレベル制御計を適用することができる。電気的駆動弁１０２には、例えば、電動式排気バルブを適用することができる。開閉動作のみを行う電磁弁を使用する場合には、電磁弁の開時間のデューティ比を変更することによって、排気ガス５１の排気量を制御することができる。

そして、レベル制御計１０３の水位出力信号を用いて電動式排気バルブ１０２の開度を制御することによって、空気導入管６０から導入された空気量と、排気部５０からの排気量とを制御することができる。さらに詳しくは、処理水水位７２の下降に伴って電動式排気バルブ１０２の開度を大きくしてタンク部２０の内圧を下げ、逆に処理水水位７２の上昇に伴って電動式排気バルブ１０２の開度を小さくして内圧を上げるように制御すれば、内圧を一定の加圧状態に保持することが可能となる。

図４には、機械的駆動弁１１０を有する排気量制御部１００に適用するスイング式逆止弁が示される。図４に示される排気量制御部１００は、排気部５０に配置される機械的駆動弁１１０であって、弁体１１１を閉じる方向に付勢する力を設定自在な機構１１２を備え、タンク部２０内の圧力に連動して弁体１１１の開度が調整される機械的駆動弁１１０を有している。機械的駆動弁１１０には、カウンター・ウェイト１１４を備えるスイング式逆止弁を適用することができる。スイング式逆止弁１１０は、弁体１１１を閉じる方向に付勢する力を設定自在な機構１１２として、弁体１１１の回転軸と同軸に取り付けられるレバー１１３と、レバー１１３に対する固定位置が調整自在なカウンター・ウェイト１１４とを有している。カウンター・ウェイト１１４のレバー１１３に対する固定位置を調整することによって、弁体１１１を閉じる方向に付勢する力を設定できる。

そして、スイング式逆止弁１１０を用いることによって、機械的に内圧を制御することができる。さらに詳しくは、タンク部２０の内圧が高くなると処理水水位７２は下降するが、このとき、スイング式逆止弁１１０の弁体１１１が、内圧によって押し上げられ排気量が増加する。逆に、内圧が低くなるとスイング式逆止弁１１０の弁体１１１はカウンター・ウェイト１１４により閉まる方向に動作し、内圧が高まるまで開放されない。弁体１１１の動作はカウンター・ウェイト１１４の重さやレバー１１３に対する固定位置によって調整することができ、処理水水位７２を一定にする最適な排気量を制御することが可能である。

ここで、排気バルブに逆止弁を用いる点に関しては、特開昭６２−７４４１３号公報に記載がある。記特許公報に記載された技術では、被処理水にインジェクション装置により加圧空気または不活性ガスを導入し、このガス／水の混合物を脱ガス用装置のスプレー装置からスプレーし、遊離したガスを導管および逆止弁を介して装置外へ排出する。また、脱ガスされた水が捕集タンクを介して脱塩装置に導入される。逆止弁が内圧を制御する機能を有するという記載は一切ない。したがって、前記特許公報に記載された技術は、（１）被処理水を処理装置に導入する前に加圧空気または不活性ガスを被処理水に混合する点、（２）逆止弁が内圧を制御する機能を有していない点において、本実施形態の脱炭酸処理装置１０と明らかな相違がある。

圧力容器の容積と充填ガスの圧力との関係は以下のとおりである。

例えば、圧力容器にガスを封入する場合、圧力容器の容積と封入しなければならない圧力の関係から、断熱圧縮を前提として封入したガスの容積は以下の式（２）で求められる。

Ｖ２＝Ｖ１×（Ｐ２／Ｐ１）×（Ｋ２／Ｋ１） …（２）
ここに、封入ガスの容積；Ｖ２
圧力容器の容積；Ｖ１
封入ガス圧；Ｐ２
大気圧；Ｐ１
封入後の絶対温度；Ｋ２
封入前の絶対温度；Ｋ１
である。

実際の脱炭酸処理装置１０では、加圧空気６１の流入量と排気部５０からの排気量の動的なバランス関係で内圧が維持されている。すなわち、流入する空気量をＱ１とし、排出される空気量をＱ２とすれば、ガス流量比Ｑ１／Ｑ２はガス容積比Ｖ２／Ｖ１と等しい関係となり、式（２）からＰ２とＱ１／Ｑ２の関係を求めることができる。その結果を図５に示す。

図５から設定する内圧に対してガス容積比を求めることができ、Ｑ１を測定すればＱ２の制御が可能となる。例えば、装置内圧を０．０３ＭＰａに設定するためには、Ｑ１／Ｑ２を１．３に調節すればよく、任意の内圧に合わせてガス流量比を決めればよい。

ガス流量比の制御は、排気量を制御することであり、可変式排気バルブの開度を調整することに他ならない。このとき、空気流入量と排気量との動的なバランスが成立しており、処理水水位７２は一定レベルを維持することができる。結局、処理水水位７２を一定レベルに調整し維持すれば、ガス流量比を求める必要もなく、単純に処理水水位７２が一定になるように排気バルブの開度を制御すればよいことになる。

このように脱炭酸処理装置１０の内圧制御、すなわち排気量の制御は、電気的に行っても、機械的に行ってもよく、処理水水位７２をあるレベルで一定に維持できればよい。例えば、脱炭酸処理装置１０の内圧が３０ｋＰａであれば約３ｍの高さの処理水タンク９０まで送水可能となり、内圧が５０ｋＰａであれば約５ｍの高さの処理水タンク９０まで送水可能となる。

脱炭酸処理装置１０において、散気管６２から加圧空気６１を放出して処理水７１を曝気するため、処理水７１の水面が激しく波打ち、レベル制御計１０３の信号がハンチングして排気量の制御が困難となる場合がある。このような場合には、脱炭酸処理装置１０を次のように構成すればよい。

図６には、電気的駆動弁１０２を用いる排気量制御部１００を適用した脱炭酸処理装置１０に、水位計測部１２０をさらに設けた形態が示されている。図６に示される脱炭酸処理装置１０は、図３に示した脱炭酸処理装置１０の構成に加えて、処理水貯留部７０における処理水水位７２よりも上方の位置と、処理水貯留部７０における処理水水位７２よりも下方の位置とにおいてタンク部２０に連通する水位計測部１２０をさらに有している。そして、検知部１０３は、水位計測部１２０における処理水水位１２２を検知することによって、処理水貯留部７０における処理水水位７２を検知するようにしている。水位計測部１２０は、上部側の連通管１２３を介して、処理水貯留部７０における処理水水位７２よりも上方の位置においてタンク部２０に連通する。水位計測部１２０は、下部側の連通管１２４を介して、処理水貯留部７０における処理水水位７２よりも下方の位置においてタンク部２０に連通する。レベル制御計１０３を水位計測部１２０に取り付けることによって、水面の波打ちによるレベル制御計１０３のハンチングを防止することができる。処理水貯留部７０における処理水水位７２の検知が安定することから、処理水水位７２に連動して弁体の開度が調整される電気的駆動弁１０２の作動も安定する。その結果、処理水水位７２を一定にする最適な排気量を制御することが可能である。

脱炭酸処理装置１０において、噴射ノズル３２から被処理水３１を噴射するにあたり、図７（Ｂ）に示したように、噴射ノズル３２からの噴流水の方向が略下方であっても構わないが、図７（Ａ）に示したように、噴射ノズル３２からの噴流水の方向が略上方である方が遊離炭酸の除去性能に優れている。

図８に示すように、処理水水位７２から噴射ノズル３２までの高さを横軸にして、噴射ノズル３２からの噴流方向について、縦軸に示した遊離炭酸の除去率で比較した結果、噴流方向が上向きの方が下向きよりも明らかに除去性能が良好であった。したがって、噴射ノズル３２からの噴流水の方向は、遊離炭酸の除去率が高い、略上方が好ましい。噴流方向を上向きとすることによって遊離炭酸の除去率が高くなる理由は、次のように考察される。すなわち、噴流方向を下向きにしたときには、円錐状に広がった噴流体の形状はいわゆるカサのようになり、排気ガスの上昇を妨げた部分において炭酸ガスの分圧が高くなって遊離炭酸が除去され難くなるが、噴流方向を上向きにしたときには、タンク部２０内の排気ガスが上昇しやすく、炭酸ガスの分圧が高くならず遊離炭酸が除去されやすくなるからと考察される。

脱炭酸処理装置１０において、散気管６２は処理水貯留部７０の処理水水位７２よりも下部に配置するが、散気管６２の水深が１００〜５００ｍｍであればよい。曝気効率を考えれば、散気管６２の水深は深い程よいと思われる。しかし、脱炭酸装置では、一般的にブロアーで空気６１を散気管６２に導入することが多いため、散気管６２の水深が深いと空気６１の押し込み抵抗が大きくなり、ブロアーの必要電力が増加したり、場合によっては空気６１を押し込むことが困難となったりする。したがって、散気管６２の実用的な水深範囲は、１００〜５００ｍｍである。

脱炭酸処理装置１０において、散気管６２から放出される空気量は、被処理水３１の流量に対して１：１０であればよい。従来の充填式脱炭酸処理装置１０では、（空気量）／（被処理水３１量）が５〜２０であるのに対して、図９に示すように、脱炭酸処理装置１０では、（空気量）／（被処理水量）が１０以上で遊離炭酸の除去率がほぼ平衡となる。このように、従来の充填式脱炭酸装置より（空気量）／（被処理水量）が少ないにもかかわらず、遊離炭酸の除去率は８５％と良好である。

このように、本実施形態の脱炭酸処理装置１０は、噴射ノズル３２のスプレー効果、濡れ壁効果、さらに曝気効果が複合的に作用して、従来よりも高い遊離炭酸除去効率を示していると思われる。

本実施形態において、被処理水３１が脱炭酸処理装置１０に流入する前に、あらかじめ被処理水３１のｐＨを酸性に調整するが、脱炭酸処理装置１０で炭酸を除去された処理水７１のｐＨは、遊離炭酸が除去されるため中性側にシフトする。このため、処理水７１のｐＨはアルカリ剤で中和処理することなく、水道水基準のｐＨ範囲、５．８〜８．６になることが好ましい。

そこで、被処理水３１（水道水）のｐＨと処理水７１のｐＨとの関係について調べた。その結果を図１０に示す。なお、被処理水３１の全炭酸は４０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌであり、被処理水３１のｐＨは硫酸を添加して調整した。

図１０から、処理水７１のｐＨがアルカリ剤を添加することなく、水道水基準の５．８〜８．６となるためには、被処理水３１のｐＨを５以上に調整すればよい。

本発明の効果を、以下の例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の例のみに制限されるわけではない。

（実施例１）
図１１に示される構成を備える脱炭酸処理装置１０によって、下記に示した水質の水道水を被処理水３１として、ｐＨを調整後、脱炭酸処理を行った。

［被処理水水質］
水温；１３．５℃
調整後のｐＨ；６．０５
遊離炭酸濃度；２７．５ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ
使用した脱炭酸処理装置１０は、直径１２５ｍｍ、高さ２８００ｍｍであり、装置内部を空洞とするために充填材は充填していない。

被処理水３１を５００Ｌ／ｈの流速で、被処理水導入管３０より脱炭酸処理装置１０に導入する。被処理水３１には酸導入管４０から定量ポンプで約５％の硫酸を添加し、ｐＨが６．０５となるように調整した。酸性に調整した被処理水３１を噴射ノズル３２から上方向に噴射し、処理水７１を、内壁を伝わらせて処理水貯留部７０へ流下させた。

処理水流出部８０の導管８２を２０００ｍｍの高さまで立ち上げ、処理水貯留部７０に設置された散気管６２から加圧空気６１で処理水７１を曝気し、処理水水位７２が約５００ｍｍ（±２０％）になるように、レベル制御計１０３の出力信号と電動式排気バルブ１０２の開度を連動させて制御し、脱炭酸処理装置１０の内圧を約２０ｋＰａに維持した。このときの加圧空気量と被処理水量の比率を６〜１２の範囲で変化させ、遊離炭酸の除去率を求めた。その結果を図１２に示す。

遊離炭酸の除去率は、以下の式で求めた。
遊離炭酸除去率（％）＝
（原水遊離炭酸−処理水遊離炭酸）÷（原水遊離炭酸）×１００
原水の遊離炭酸濃度；原水のｐＨから遊離炭酸の成分比（図２）を求め、
原水の全炭酸濃度に成分比を掛けて求めた。
処理水７１の遊離炭酸濃度；処理水７１のｐＨから遊離炭酸の成分比を求め、
処理水７１の全炭酸濃度に成分比を掛けて求めた。

（比較例１）
比較例１は、図１１において、処理水流出部８０の導管８２の立ち上げ高さを５００ｍｍとし、レベル制御計１０３の電源をＯＦＦとし、電動式排気バルブ１０２の開度を全開にした。これら以外は、実施例１と同様に処理を行った。その結果を図１２に示す。

（実施例１と比較例１との対比）
実施例１および比較例１の結果（図１２）から、脱炭酸処理装置１０の内圧を２０ｋＰａに加圧した実施例１の遊離炭酸除去率が、加圧しなかった比較例１の遊離炭酸除去率より明らかに高い傾向を示した。

したがって、本発明の脱炭酸処理装置１０は、加圧状態に保持することによって、高い遊離炭酸除去率を示し良好な性能であった。

また実施例１では、脱炭酸処理装置１０の内圧を保持することで、処理水７１の送水ポンプを用いずに処理水７１を移送できることができた。

（実施例２）
図１３（Ａ）に示される構成を備える脱炭酸処理装置１０によって、下記に示した水質の水道水を被処理水３１として、ｐＨを調整後、脱炭酸処理を行った。

［被処理水水質］
水温；１４．１℃
調整後のｐＨ；６．０２
遊離炭酸濃度；２８．４ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ
使用した脱炭酸処理装置１０は、直径１２５ｍｍ、高さ２８００ｍｍであり、装置内部を空洞とするために充填材は充填していない。

被処理水３１を５００Ｌ／ｈの流速で、被処理水導入管３０より脱炭酸処理装置１０に導入する。被処理水３１には酸導入管４０から定量ポンプで約５％の硫酸を添加し、ｐＨが６．０２となるように調整した。酸性に調整した被処理水３１を噴射ノズル３２から下方向に噴射し、処理水７１を、内壁を伝わらせて処理水貯留部７０へ流下させた。

処理水流出部８０の導管８２を２０００ｍｍの高さまで立ち上げ、処理水貯留部７０に設置された散気管６２から加圧空気６１で処理水７１を曝気し、処理水水位７２が約５００ｍｍ（±２０％）になるように、流量調整弁１０１の開度を手動で調整して、脱炭酸処理装置１０の内圧を約２０ｋＰａに維持した。このときの加圧空気量と被処理水量との比率を１０に設定し、遊離炭酸の除去率を求めた。その結果、遊離炭酸の除去率は８７．１％であった。

（比較例２）
比較例２は、図１３（Ｂ）に示したように、脱炭酸処理装置１０ａの底部から８００ｍｍを基準にして、中央部に充填材１３０であるラッシリング（ＴＦＥ製、６φ×６ｍｍ）を充填層高約１０００ｍｍとなるように充填した。これら以外は、実施例２と同様に処理を行った。その結果、遊離炭酸の除去率は８４．８％であった。

（実施例２と比較例２との対比）
実施例２および比較例２の結果から、充填材を用いない本発明の脱炭酸処理装置１０の方が、充填材１３０を用いた従来の脱炭酸処理装置１０ａよりも明らかに高い遊離炭酸除去性能を示した。すなわち、本発明の脱炭酸処理装置１０は、スプレー効果、濡れ壁効果、更に曝気効果が複合的に作用して、従来の充填式脱炭酸処理装置１０ａよりも高い遊離炭酸除去効率を示したと考えられる。

（実施例３）
実施例２と同様の条件で、図１３（Ａ）に示す本発明の脱炭酸処理装置１０により、脱炭酸処理を約２週間連続して行った。ただし、この試験期間中の水温は１４．１〜１４．９℃であった。

試験開始直後の処理水７１と２週間後の処理水７１について、水に含まれる懸濁物質の量を比較するため、その指標の１つであるＳＤＩ（ＳｉｌｔＤｅｎｓｉｔｙＩｎｄｅｘ）を測定した。但し、ＳＤＩの測定にはＡｐｐｌｉｅｄＭｅｍｂｒａｎｅｓ社製の「ＳｉｍｐｌｅＳＤＩ」を用いた。

その結果、試験開始直後の処理水７１のＳＤＩは３．５であった。また、２週間後の処理水７１のＳＤＩは３．７であった。

（比較例３）
比較例２と同様の条件で、図１３（Ｂ）に示したように、脱炭酸処理装置１０ａの底部から８００ｍｍを基準にして、中央部に充填材１３０であるラッシリング（ＴＦＥ製、６φｘ６ｍｍ）を充填層高約１０００ｍｍとなるように充填した充填式脱炭酸処理装置１０ａにより、脱炭酸処理を約２週間連続して行った。但し、この試験期間中の水温は１４．１〜１４．９℃であった。

実施例３と同様に、試験開始直後の処理水７１と２週間後の処理水７１について、ＳＤＩを測定した。

その結果、試験開始直後の処理水７１のＳＤＩは３．７であった。また、２週間後の処理水７１のＳＤＩは４．８であった。

（実施例３と比較例３との対比）
実施例３および比較例３の結果から、本発明である脱炭酸処理装置１０は、試験開始２週間後においても、ＳＤＩ値は３．７と低い値を維持していた。しかし、従来の充填式脱炭酸処理装置１０ａである比較例３においては、２週間後のＳＤＩ値は４．８と大きな値となり、処理水７１に含まれる懸濁物質の量が大幅に増加したことが判明した。

したがって、本発明である脱炭酸処理装置１０は、装置内の構造が簡便であることから、懸濁物質の増加が起こりにくく、特にバクテリアの増殖を抑えられるものと期待できる。

以上詳述したように、本発明の脱炭酸処理装置１０によれば、処理水７１の送水ポンプが不要となる。例えば、１０００ｍ^３／日の送水ポンプの消費電力は５．５ｋｗ程度であるから、電気料金を１５円／ｋｗ・ｈとして計算すると、年間７０万円以上の送水に要する電力コストが削減できる。

また、本発明の脱炭酸処理装置１０によれば、水中の重炭酸イオンや炭酸イオンを遊離炭酸に変換し、スプレー効果、濡れ壁効果、更に曝気効果が複合的に作用するため、従来の充填式脱炭酸処理装置よりも高効率で遊離炭酸を除去することができる。

したがって、本発明で得られた脱炭酸水をプロセス水として用いれば、給水配管の腐食やスケールでの詰りを防止することができ、食品工場のプロセス水や、純水製造プロセスの前処理装置として用いることができる。

１０脱炭酸処理装置、
２０タンク部、
３０被処理水導入管、
３１被処理水、
３２噴射ノズル（ノズル部）、
４０酸導入管、
４１ｐＨ調整用の酸、
５０排気部、
５１排気ガス、
６０空気導入管、
６１加圧空気、
６２散気管（空気供給部）、
７０処理水貯留部、
７１遊離炭酸成分が除去された処理水、
７２処理水水位、
８０処理水流出部、
８２導管、
９０処理水タンク（処理水を使用する機器）、
１００排気量制御部、
１０２電動式排気バルブ（電気的駆動弁）、
１０３レベル制御計（検知部）、
１１０機械的駆動弁、
１１１弁体、
１１２弁体を閉じる方向に付勢する力を設定自在な機構、
１２０水位計測部、
１２２水位計測部における処理水水位。

Claims

被処理水を加圧状態に維持しながら被処理水中の遊離炭酸成分を除去する脱炭酸処理装置であって、
被処理水および脱炭酸用の空気が供給されるタンク部と、
前記タンク部の上部に接続され前記被処理水を導入する被処理水導入管と、
前記被処理水導入管の端部に設けられ前記タンク部内に前記被処理水を噴射するノズル部と、
前記被処理水導入管に接続され前記被処理水のｐＨ調整用の酸を添加する酸導入管と、
前記タンク部の頂部に配置され排気ガスを前記タンク部の外部に放出する排気部と、
前記タンク部の下部に接続され前記空気を導入する空気導入管と、
前記空気導入管の端部に設けられ前記タンク部内に前記空気を供給する空気供給部と、
前記タンク部の下部に配置され遊離炭酸成分が除去された処理水を貯溜する処理水貯留部と、
前記処理水貯留部に連通して前記処理水貯留部よりも高い位置まで立ち上がる導管を含み、前記処理水を使用する機器に前記処理水を送水する処理水流出部と、
前記排気部において前記タンク部の外部に放出する排気ガスの排気量を制御する排気量制御部と、を有し、
前記排気量制御部によって前記排気部における排気量を制御することによって、前記タンク部の内圧を加圧状態に維持するとともに前記処理水貯留部における処理水水位を予め定められた水位に保持し、前記タンク部内の圧力と前記処理水を使用する機器における圧力との差圧のみによって前記処理水流出部を介して前記処理水を送水してなる脱炭酸処理装置。
前記排気量制御部は、
前記処理水貯留部における処理水水位を検知する検知部と、
前記排気部に配置される電気的駆動弁であって、前記検知部によって検知した処理水水位に連動して弁体の開度が調整される電気的駆動弁と、を有している請求項１に記載の脱炭酸処理装置。
前記処理水貯留部における処理水水位よりも上方の位置と、前記処理水貯留部における処理水水位よりも下方の位置とにおいて前記タンク部に連通する水位計測部をさらに有し、
前記検知部は、前記水位計測部における処理水水位を検知することによって、前記処理水貯留部における処理水水位を検知する、請求項２に記載の脱炭酸処理装置。
前記排気量制御部は、
前記排気部に配置される機械的駆動弁であって、弁体を閉じる方向に付勢する力を設定自在な機構を備え、前記タンク部内の圧力に連動して弁体の開度が調整される機械的駆動弁を有している請求項１に記載の脱炭酸処理装置。
前記空気供給部は、前記処理水貯留部に貯溜される前記処理水の中に浸漬されて、前記処理水の中に前記空気を散気する請求項１〜４のいずれか１つに記載の脱炭酸処理装置。
前記ノズル部から前記被処理水を噴射する噴流方向が上向きである請求項１〜５のいずれか１つに記載の脱炭酸処理装置。