JP6998833B2

JP6998833B2 - イオン交換樹脂を含む通水評価装置及び原水評価方法

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Publication number: JP6998833B2
Application number: JP2018100402A
Authority: JP
Inventors: 晃彦津田
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: JP2019202290A

Description

本発明はイオン交換樹脂を含む通水評価装置に関する。また、この通水評価装置を用いた水処理システムにおける原水評価方法に関する。

純水製造装置などの水処理システムは、原水として工業用水を使用しており、河川水や湖沼水を起源とする工業用水には、糖、タンパク質、土壌由来の有機物が含まれている。土壌由来の有機物は、地域によって組成が異なることが一般的に知られており、総称してフミン質といわれている。フミン質とは植物などが微生物によって分解されるときの最終分解生成物で、直鎖の炭化水素と多環芳香族化合物（分子量１００～１０万程度）の難分解性高分子化合物である。土壌と同じ褐色のフミン酸やフルボ酸があり腐植質ともいう。フミン酸の多くは、凝集沈殿、急速ろ過等による一般的な処理法で除去できるが、フルボ酸等は除去できない。フミン酸は酸に不溶であるが、フルボ酸は酸に可溶でＣＯＯＨ基、ＯＨ基が多く親水性が高く、分子量は小さい。このため、糖、タンパク質、フミン酸は、通常行われる前処理（凝集、ｐＨ調整、濾過等）によって除去することができ、フルボ酸以外の有機酸や低分子は、イオン交換樹脂に付着しても、通常の再生操作によって容易に剥離除去することができる。一方、活性炭を用いた吸着塔をイオン交換樹脂を充填した樹脂塔の前段に配してフルボ酸を含む有機物全般を除去することができるが、吸着能を越えると破瓜が生じて有機物がイオン交換樹脂を充填した樹脂塔に流入してしまう。したがって、処理原水中の有機物を把握することが重要となる。

特許文献１には、イオン交換装置に供給される供給水の水質の良否を評価する評価方法と、この評価方法に基づいてイオン交換装置の運転を管理する方法が開示されている。この評価方法は、有機炭素検出型サイズ排除クロマトグラフ法（ＬＣ－ＯＣＤ）による有機物評価方法が提案されており、定性分析と組み合わせることで、フルボ酸のみを分析できるとされている。

特開２０１５－２２６８６６号公報

水処理システムに使用する原水には、最初に砂ろ過による夾雑物のろ過が行われる。有機物の含まれる原水では、有機物を栄養源として微生物、菌類等の成長により砂ろ過装置の目詰まりが起こることがある。そのため、砂ろ過前に塩素、一般的には次亜塩素酸ソーダを原水中に投入し、微生物、菌類等を殺菌することが行われる。

一方、イオン交換樹脂を含む水処理システムでは、陽イオン交換樹脂にて原水中のＣａなどの硬度成分（カチオン成分）を除去した後、陰イオン交換樹脂で有機物を含むアニオン成分が除去される。原水に次亜塩素酸ソーダを大量に投入すると、一部は有機物を塩素化して塩化物を生成するが、多くは残留塩素として原水中に残る。フミン酸やフルボ酸などのOH基、COOH基を含む有機物（フミン質）は、塩素化されやすい傾向がある。

塩素添加した原水を用いたイオン交換装置では、残留塩素によるイオン交換樹脂への影響を抑えるために、亜硫酸ナトリウムの添加や活性炭処理等により残留塩素が除去されていた。
イオン交換装置における陰イオン交換樹脂は、アルカリにより再生され、さらに再生液を洗浄してから再利用される。塩素添加した原水を用いた場合に、残留塩素を除去したとしても、洗浄性が低下して、水処理システムの利用効率が悪化することがある。

本発明は、原水中に含まれる有機物の塩素化による陰イオン交換樹脂への影響を事前に把握することができるイオン交換樹脂を含む通水評価装置を提供することを目的とする。また本発明は、通水評価装置により塩素化された有機物を吸着したイオン交換樹脂を用いて、原水を評価する方法を提供することを目的とする。

本発明の通水評価装置は、原水を塩素添加の有無で２系統に分けてイオン交換装置に通水することで、使用する原水がイオン交換装置を用いた水処理システムに適したものであるかを把握するものである。

すなわち、本発明の通水評価装置は、
陽イオン交換樹脂を充填した第１樹脂筒と、前記第１樹脂筒の下流側の陰イオン交換樹脂を充填した第２樹脂筒とを含む通水経路を２系統有し、
第１の通水経路は、塩素添加することなく原水を通水し、
第２の通水経路は、
前記第１樹脂筒の上流側に設けられ、原水に塩素を添加する塩素添加装置と、
前記塩素添加装置の下流側であって前記第１樹脂筒の上流側に設けられ、有機物を飽和させた活性炭を含む塩素除去フィルターとを備え、
前記第２の通水経路は、前記塩素除去フィルターを通過した原水を通水する
ことを特徴とする。

また、本発明は、上記通水評価装置を用いて原水の通水を行った後、前記第２樹脂筒における陰イオン交換樹脂の再生後の洗浄性を、前記第１の通水経路と第２の通水経路で比較することによって、処理すべき原水が塩素添加による殺菌、及びイオン交換樹脂による処理に適したものであるかどうかを評価する、水処理システムにおける原水評価方法に関する。

本発明に係る通水評価装置を用いることで、水処理システムに使用する原水が、塩素添加による殺菌、及びイオン交換樹脂による処理に適したものであるかどうかを確認することが可能となる。

塩素添加の有無による陰イオン交換樹脂の洗浄性の比較試験結果を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る通水評価装置の概略図。塩素除去フィルターにおける有機物除去率の変化を示すグラフ。蛍光分析によるフミン質の各通水経路における変化を示すグラフであり、（Ａ）は第２の通水経路（塩素添加あり）、（Ｂ）第１の通水経路（塩素添加なし）を示す。

図１は、陰イオン交換樹脂の再生後の洗浄性の比較試験であり、洗浄時間による排水の電気伝導率の変化を、新品の樹脂、塩素添加の有無で比較したものである。図１に示すように、新品樹脂は短時間で電気伝導率が低下しているのに対して、原水通水した後の陰イオン交換樹脂では洗浄性が低下している。そして塩素添加した場合は、塩素添加していない場合と比較してさらに洗浄性が低下している。

この原因として、本発明者は塩素化された有機物を吸着した陰イオン交換樹脂は、塩素化されていない有機物を吸着した陰イオン交換樹脂と比較して、再生液であるアルカリ薬液の離脱性が低下して洗浄性が低下したものと予測した。洗浄性の低下は１回の洗浄では極僅かであるが、洗浄を重ねるごとにその差が広がり、やがて早期に回復できずに寿命となり、イオン交換樹脂の入れ替えが必要となる。また、原水中の有機成分の組成によっても塩素添加した場合と塩素添加していない場合との差が異なることを確認した。

そこで、原水中の有機物への塩素添加の影響を、水処理システムを構築する前に把握することで、最適な水処理システムを構築することができる。つまり、イオン交換樹脂を用いた水処理システムを採用するのかどうか、また、微生物等の殺菌方法として塩素添加以外の他の方法を採用するかどうかを見極めるための試験装置を開発した。

本発明の通水評価装置は、原水を塩素添加したものと塩素添加しないものとに分けて、陽イオン交換樹脂を充填した第１樹脂筒と、その第１の樹脂筒の下流側の陰イオン交換樹脂を充填した第２樹脂筒とを含む通水経路に通水し、その洗浄性を比較することで、原水が塩素化されやすい有機物を含むかどうかを判定するものである。

図２は、本発明に係る通水評価装置の概略を示す図である。通水評価装置は、処理原水を紙面左の第１の通水経路と紙面右側の第２の通水経路の２系統に分割して通水する。第１の通水経路は、その経路に沿って通水方向に、陽イオン交換樹脂を充填した第１樹脂筒１１、陰イオン交換樹脂を充填した第２樹脂筒３１を有する。第２の通水経路は、その経路にそって通水方向に、塩素を添加する塩素添加装置５２、溶存塩素を除去する塩素除去フィルター６２、陽イオン交換樹脂を充填した第１樹脂筒１２、陰イオン交換樹脂を充填した第２樹脂筒３２を有する。

第１の通水経路は、塩素添加することなく、第１樹脂筒１１、第２樹脂筒３１へ通水することができる。第２の通水経路は、塩素添加装置５２から塩素（次亜塩素酸ソーダ等）を添加し、塩素除去フィルター６２を経て、第１樹脂筒１２、第２樹脂筒３２へ通水することができる。

また、両系統の第２の樹脂筒３１および３２への通水量を一定とするため、通水評価装置は、通水量を制御する手段を有する。図２に示す装置では、この通水量を制御する手段として、第２の樹脂筒３１および３２の上流側であって第１の樹脂筒１１および１２の下流側に流量を計測する積算流量計２１及び２２と、第２の樹脂筒３１および３２の下流側に流量調整弁４１及び４２が配置されている。

塩素添加装置５２は、原水へ所定量の塩素を添加する装置であればよく、公知の添加装置が使用できる。
塩素除去フィルター６２は活性炭層を通過させるものを使用する。活性炭としては繊維状、粒状のいずれでもよく、活性炭を使用した塩素除去フィルターは市販品として容易に入手可能であり、いずれも使用することができる。

活性炭においては、有機物が吸着するサイトと塩素イオンの吸着するサイトは異なるサイトである。そこで塩素除去フィルターの活性炭を有機物で飽和させておく。そうすることで塩素は除去するが、有機物の捕捉量が低下し、ほぼ原水と同等の濃度の有機物が第１樹脂筒、第２樹脂筒へと通水できる。飽和させる有機物は現場で使用する原水（被処理水）中の有機物であることが好ましい。

図３は、実験に使用した塩素除去フィルターの有機物除去率の変化を示す。ここではＴＯＣ６５０μｇ／Ｌ水を２Ｌ／分の流速で通過させた例を示しており、通水量が３００Ｌを越える辺りから、ほぼ飽和しているとみることができる。

図４は、蛍光分析による各通水経路における４３０ｎｍの蛍光の励起波長による変化を示すグラフであり、（Ａ）は第２の通水経路（塩素添加あり）、（Ｂ）第１の通水経路（塩素添加なし）を示す。フミン質は励起波長２６０ｎｍと３２０ｎｍにおいて蛍光（４３０ｎｍ）を発しており、原水と、第１樹脂筒出口、第２樹脂筒出口での変化を見ている。図４（Ａ）では、塩素除去フィルター６２出口の水についても評価している。同図から明らかなように、第２樹脂筒に充填した陰イオン交換樹脂によるフミン質の除去率はほぼ同等であることが分かる。つまり、同程度のフミン質が陰イオン交換樹脂により捕捉されており、これを再生し、洗浄性を評価した結果が図１である。

このように、同程度の有機物、特にフミン質が吸着された陰イオン交換樹脂であっても、塩素添加の有無により洗浄性が大きく異なることがこのような通水評価装置を用いて達成される。

なお、本実施形態の通水評価装置において、第２樹脂筒３１及び３２は着脱自在であることが好ましい。着脱自在であれば、各経路に通水して有機物を吸着させた後、樹脂筒ごと取り外して、洗浄性の評価に供することができる。

洗浄性の評価は、アルカリ薬剤による陰イオン交換樹脂の再生と、その後の純水置換における出口水の電気伝導率を評価することで行う。また、洗浄に使用する純水の電気伝導率を無視するために、純水置換に使用する純水（入口側純水）の電気伝導率も測定し、入口側と出口側の電気伝導率差により評価することが好ましい。洗浄性を評価する場合、通水評価装置から取り外した樹脂筒を用いてそのまま洗浄性の評価を行ってもよいし、樹脂筒から一部の陰イオン交換樹脂を取り出して評価してもよい。

第２の通水経路（塩素添加あり）と、第１の通水経路（塩素添加なし）とにおける陰イオン交換樹脂の洗浄性の差が大きい場合、塩素化による影響の大きい有機物が原水中に含まれていると判断でき、構築する水処理システムの構成の変更又は塩素以外の殺菌方法の選択などを検討する。これにより処理する原水に適した水処理システムの構築が可能となる。

１１，１２第１樹脂筒
２１，２２積算流量計
３１，３２第２樹脂筒
４１，４２流量調整弁
５２塩素添加装置
６２塩素除去フィルター

Claims

陽イオン交換樹脂を充填した第１樹脂筒と、前記第１樹脂筒の下流側の陰イオン交換樹脂を充填した第２樹脂筒とを含む通水経路を２系統有し、
第１の通水経路は、塩素添加することなく原水を通水し、
第２の通水経路は、
前記第１樹脂筒の上流側に設けられ、原水に塩素を添加する塩素添加装置と、
前記塩素添加装置の下流側であって前記第１樹脂筒の上流側に設けられ、有機物を飽和させた活性炭を含む塩素除去フィルターとを備え、
前記第２の通水経路は、前記塩素除去フィルターを通過した原水を通水する
ことを特徴とする通水評価装置。
前記第１及び第２の通水経路における第２樹脂筒は、前記通水評価装置から着脱自在である請求項１に記載の通水評価装置。
前記第２樹脂筒への通水量を、前記第１の通水経路と前記第２の通水経路とで同じとなるように通水量を制御する手段を有する請求項１又は２に記載の通水評価装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の通水評価装置を用いて原水の通水を行った後、前記第２樹脂筒における陰イオン交換樹脂の再生後の洗浄性を、前記第１の通水経路と第２の通水経路で比較することによって、処理すべき原水が塩素添加による殺菌、及びイオン交換樹脂による処理に適したものであるかどうかを評価する、水処理システムにおける原水評価方法。