(57)【要約】【課題】充填層の展開率の原水温度に依存する変化を低減し、原水温度が変化しても充填層の展開率を所望の範囲内に収めることのできる、水処理方法および装置を提供する。【解決手段】容器の内部に粒状充填物の充填層を備え、前記充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽を用いる水処理方法であって、前記処理槽への原水の通水流量を調節する流量調節工程を含み、前記流量調節工程において、原水温度に応じて前記通水流量を変化させることを特徴とする、水処理方法。この方法を行うための装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の内部に粒状充填物の充填層を備え、前記充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽を用いる水処理方法であって、
前記処理槽への原水の通水流量を調節する流量調節工程を含み、
前記流量調節工程において、原水温度に応じて前記通水流量を変化させることを特徴とする、水処理方法。
【請求項２】
前記流量調節工程において、原水温度に応じて前記通水流量をヒステリシスを伴って変化させる、請求項１に記載の水処理方法。
【請求項３】
前記流量調節工程において、前記通水流量をＱｉとＱｉ＋１との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させ、ここで、ｉは１からｎまでの整数を表し、ｎは１以上の整数であり、Ｑｉ＜Ｑｉ＋１であり、
原水温度が上限閾値ＴＨｉ未満の値から上限閾値ＴＨｉ以上の値に変化したときに、前記通水流量がＱｉであれば前記通水流量をＱｉ＋１に変更し、
原水温度が下限閾値ＴＬｉを超える値から下限閾値ＴＬｉ以下の値に変化したときに、前記通水流量がＱｉ＋１であれば前記通水流量をＱｉに変更し、
ここでＴＬｉ＜ＴＨｉであり、ｎが２以上の場合、ＴＨｉ≦ＴＬｉ＋１である
請求項１に記載の水処理方法。
【請求項４】
前記粒状充填物が、二酸化マンガンを含む酸化触媒であるか、またはイオン交換樹脂である請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理方法。
【請求項５】
容器の内部に粒状充填物の充填層を備え、前記充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽を含む水処理装置であって、
前記処理槽への原水の通水流量を調節する流量調節手段を含み、
前記流量調節手段が、原水温度に応じて前記通水流量を変化させることを特徴とする、水処理装置。
【請求項６】
前記流量調節手段が、原水温度に応じて前記通水流量をヒステリシスを伴って変化させる、請求項５に記載の水処理装置。
【請求項７】
前記流量調節手段が、前記通水流量をＱｉとＱｉ＋１との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させ、ここで、ｉは１からｎまでの整数を表し、ｎは１以上の整数であり、Ｑｉ＜Ｑｉ＋１であり、
原水温度が上限閾値ＴＨｉ未満の値から上限閾値ＴＨｉ以上の値に変化したときに、前記通水流量値がＱｉであれば前記通水流量をＱｉ＋１に変更し、
原水温度が下限閾値ＴＬｉを超える値から下限閾値ＴＬｉ以下の値に変化したときに、前記通水流量がＱｉ＋１であれば前記通水流量をＱｉに変更し、
ここでＴＬｉ＜ＴＨｉであり、ｎが２以上の場合、ＴＨｉ≦ＴＬｉ＋１である
請求項５に記載の水処理装置。
【請求項８】
前記粒状充填物が、二酸化マンガンを含む酸化触媒であるか、またはイオン交換樹脂である請求項５〜７のいずれか一項に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒状充填物の充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽を含む水処理装置、例えばマンガン含有水からマンガンを除去するための水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、マンガンを含有する原水からマンガンを除去するための水処理方法が開示される。この文献によれば、酸化マンガン触媒の粒子が充填された充填層を備える酸化処理槽を用いる。酸化剤を添加した原水を、酸化処理槽に上向流にて通水し、膨張床を形成しながら原水中のマンガンを酸化析出させる。そして、後段のろ過膜によって酸化析出物を除去する。
【０００３】
特許文献２〜４にもこのような方法が開示されており、これらの文献は触媒の展開率に言及している。展開率は、次のように定義される。
{（通水時充填層高さ）−（非通水時充填層高さ）}／（非通水時充填層高さ）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２６６０８５号公報
【特許文献２】特開２０１７−１８９１８号公報
【特許文献３】特開２０１５−００３３１６号公報
【特許文献４】特開２０１５−１４７１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような水処理方法において、充填層の展開率が小さいと、充填層内の流れに片流れ（ショートパス）が生じることがある。展開率が大きいと、原水と触媒との接触時間が減少することがあり、また、触媒粒子が充填層から流出することがある。このような現象は、処理水の水質低下の原因となりうる。そのため、充填層の展開率が所望の範囲内に収まるように、酸化処理槽を設計することが望まれる。しかし、原水温度は環境温度に依存して変化し、展開率は原水温度に依存して変化しうる。したがって、原水温度の変化に起因して、展開率が所望の範囲から外れることがある。
【０００６】
マンガン除去のために用いられる酸化処理槽に限らず、粒状充填物の充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽においては、原水温度に依存して充填層の展開率が変化する可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、充填層の展開率の原水温度に依存する変化を低減し、原水温度が変化しても充填層の展開率を所望の範囲内に収めることのできる、水処理方法および水処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、
容器の内部に粒状充填物の充填層を備え、前記充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽を用いる水処理方法であって、
前記処理槽への原水の通水流量を調節する流量調節工程を含み、
前記流量調節工程において、原水温度に応じて前記通水流量を変化させることを特徴とする、水処理方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、
容器の内部に粒状充填物の充填層を備え、前記充填層に上向流の原水を通水して膨張床を形成しながら原水を処理する処理槽を含む水処理装置であって、
前記処理槽への原水の通水流量を調節する流量調節手段を含み、
前記流量調節手段が、原水温度に応じて前記通水流量を変化させることを特徴とする、水処理装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、充填層の展開率の原水温度に依存する変化を低減し、原水温度が変化しても充填層の展開率を所望の範囲に維持することのできる、水処理方法および水処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る水処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】充填層の展開率と通水線速度の相関の例を、原水温度毎に示すグラフである。
【図３】流量調節工程の例を説明するためのフローチャートである。
【図４】通水流量のステップ状変化の例を示す図である。
【図５】通水流量のステップ状変化の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一態様は、処理槽を用いた水処理方法に関する。処理槽は、容器の内部に粒状充填物の充填層を備える槽である。処理槽では、充填層に上向流の原水を通水することにより、粒状充填物が流動状態となって展開し、膨張床を形成する。そして、展開した粒状充填物と原水とが接触し、原水が処理（例えば、酸化処理やイオン交換処理）される。
【００１３】
この水処理方法は、充填層への原水の通水流量（以下、単に「通水流量」と称することがある）を調節する流量調節工程を含む。流量調節工程においては、充填層の展開率の原水温度に依存する変化を低減し、充填層の展開率が所望の範囲内に収まるように、原水温度に応じて通水流量を変化させる。これは、ショートパスの発生を防止するために、原水と触媒との接触時間が減少することを防止するために、また、触媒粒子が充填層から流出することを防止するために、有効である。
【００１４】
以下、二酸化マンガンを含む粒状酸化触媒が充填された酸化処理槽を処理槽として用い、少なくともマンガンを含むマンガン含有水を処理する水処理装置及び水処理方法を例にして本発明を説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００１５】
図１に示す水処理装置は、酸化処理槽２０を有する。酸化処理槽２０は、容器２１の内部に、酸化触媒の充填層２２を備える。水処理装置にはラインＬ１から原水が供給される。ラインＬ１は酸化処理槽２０の入口に接続される。酸化処理槽２０の出口にラインＬ２が接続される。ラインＬ２は、膜濾過装置（不図示）の入口に接続される。ラインＬ１には、原水の通水流量を調節する流量調節手段１０が設けられる。
【００１６】
充填層２２の高さは、上向流の原水の線速度（以下、「ＬＶ」ということがある）に依存して、したがってラインＬ１から酸化処理槽２０に供給される原水の通水流量に依存して、変化する。予め酸化剤が添加された原水を酸化処理槽２０に供給するために、水処理装置は、不図示の酸化剤添加手段を含むことができる。酸化剤添加手段は、ラインＬ１に、例えばラインＬ１の流量調節手段１０より上流もしくは下流に、設けることができる。なお、図１に示すように流量調節手段１０が流量調節弁１３を含む場合に限らず、後に詳述するように流量調節手段１０が流量調節弁１３に替えてインバータを含む場合においても、同様に酸化剤添加手段を使用することができる。充填層２２において、原水に溶解していたマンガンが酸化されて析出する。酸化処理槽２０から酸化処理水がラインＬ２に抜き出される。酸化処理槽２０より下流において、膜濾過装置によって酸化処理水に含まれる析出物が除去され、マンガン濃度が低減された処理水が得られる。
【００１７】
図２に、このような酸化処理槽における充填層２２の展開率と通水線速度ＬＶの相関の例を、原水温度毎に示す。ここでは原水として工業用水および地下水を想定しており、それらの典型的な温度は１〜３０℃である。この図によれば、例えば２５〜４０％の展開率を実現するためには、水温３０℃ではＬＶを５３〜７５ｍ／ｈの範囲内の値にすべきであり、水温１℃ではＬＶを３５〜４９ｍ／ｈの範囲内の値にすべきである。つまり、原水温度に依存して、所望の範囲の展開率を実現するために必要なＬＶの範囲が異なる。詳しくは、原水温度が高いほど、ＬＶを大きくすべきである。同一の装置に関しては、ＬＶと通水流量とが比例するので、通水流量についても同様の議論が成り立つ。
【００１８】
流量調節工程では、ラインＬ１から供給される原水の温度が高いほど、通水流量が大きくなるように、通水流量を変化させる（ただし、一部の温度領域において、原水温度変化に対して通水流量が変化しないことは許容される）。これにより、充填層２２の展開率の、原水温度に依存する変化を低減することができる。
【００１９】
流量調節手段１０は、温度センサ１１、流量センサ１２、流量調節弁１３、温度指示計１４、流量指示調節計１５、制御装置１６を含む。温度センサ１１からの出力信号（原水温度に相当）が、温度指示計１４を経て、制御装置１６に送られる。制御装置１６から、通水流量の目標値に相当する信号が流量指示調節計１５に送られる。制御装置１６は、充填層の展開率の原水温度に依存する変化が低減するように、原水温度に応じて出力信号（通水流量の制御目標値）を変化させる。
【００２０】
流量センサ１２から通水流量の測定値（現在値）が流量指示調節計１５に送られる。流量指示調節計１５から流量調節弁１３に、弁開度に相当する信号（操作量）が送られる。流量センサ１２、流量調節弁１３、および流量指示調節計１５を用いて、クローズループ制御により、通水流量を制御目標値に制御することができる。なお、温度指示計１４を省くことができ、また流量指示調節計１５の流量指示機能を省くことができる。
【００２１】
流量調節工程において、ハンチング防止の観点から、原水温度に応じて通水流量をヒステリシスを伴って変化させることが好ましい。特には、通水流量を、ＱｉとＱｉ＋１との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させることが好ましい。ｎは１以上の整数であり、ｉは１からｎまでの整数を表す（ｉ＝１、２、・・・ｎ）。ＱｉおよびＱｉ＋１はいずれも通水流量であり、ただしＱｉ＜Ｑｉ＋１である。
【００２２】
原水温度の変化を知るために、原水温度を適宜のサンプリング間隔ごとに繰り返し測定し、前回の測定値と、最新の測定値を比較することができる。原水温度の前回の測定値は、制御装置１６に記憶させることができる。
【００２３】
図３を用いて流量調節工程の例について説明する。まずステップＳ１において原水温度（Ｔ）を測定する。ステップＳ１で、原水の通水流量（Ｑ）も測定することができる。初回の測定時には、原水温度の変化は判定できないので、その後の工程（ステップＳ２〜Ｓ５）は実施せずにステップＳ１に戻り、再び原水温度および通水流量を測定する。
【００２４】
ステップＳ２において、原水温度の前回の測定値がＴＨｉ未満であり、且つ、原水温度の最新の測定値が上限閾値ＴＨｉ以上であるとき、「原水温度Ｔが上限閾値ＴＨｉ未満の値から上限閾値ＴＨｉ以上の値に変化した」と判定することができる。これは、原水温度が上昇して上限閾値ＴＨｉに達したことを意味する。さらに、通水流量Ｑ（最新の測定値）がＱｉであるか否かを判定する。これらの条件が両方とも満たされる場合はステップＳ３に移り、それ以外の場合はステップＳ４に移る。ステップＳ３では通水流量ＱをＱｉ＋１に変更し、その後、ステップＳ１に戻る。
【００２５】
ステップＳ４において、原水温度の前回の測定値がＴＬｉを超え、かつ、原水温度の最新の測定値がＴＬｉ以下であるとき、「原水温度Ｔが下限閾値ＴＬｉ超の値から下限閾値ＴＬｉ以下の値に変化した」と判定することができる。これは、原水温度が下降して下限閾値ＴＬｉに達したことを意味する。さらに、通水流量Ｑ（最新の測定値）がＱｉ＋１であるか否かを判定する。これらの条件が両方とも満たされる場合はステップＳ５に移り、それ以外の場合はステップＳ１に戻る。ステップＳ５では通水流量をＱｉに変更し、その後、ステップＳ１に戻る。
【００２６】
なお、いずれのｉについても、ＴＬｉ＜ＴＨｉであり、ｎが２以上の場合、ＴＨｉ≦ＴＬｉ＋１である。また、Ｑｉ、ＴＨｉおよびＴＬｉは、図２に示したような展開率とＬＶ（もしくは通水流量）と原水温度との相関に基づいて、原水温度が変化しても展開率が所望の範囲内に収まるように、予め決めておくことができる。
【００２７】
〔ｎ＝１の例〕
図４に、通水流量のステップ状変化の例を示す。この例では、ｎ＝１であり、ｉがとりうる値は１だけである。通水流量を、Ｑ１とＱ２との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させる。
【００２８】
原水温度が上限閾値ＴＨ１未満の値から上限閾値ＴＨ１以上の値に変化したときに、通水流量がＱ１であれば通水流量をＱ２に変更する（通水流量がＱ２であれば通水流量をＱ２に維持する）。また、原水温度が下限閾値ＴＬ１を超える値から下限閾値ＴＬ１以下の値に変化したときに、通水流量がＱ２であれば通水流量をＱ１に変更する（通水流量がＱ１であれば通水流量をＱ１に維持する）。なお、ＴＬ１＜ＴＨ１である。
【００２９】
通常運転において、上記以外の場合は、通水流量を変化させない。ただし、異常時など、通常運転以外の運転においては、通水流量を変更させることができる。
【００３０】
流量調節工程の開始時においては、例えば次のように通水流量を設定することができる。すなわち、原水温度が下限閾値ＴＬ１以下であれば通水流量をＱ１に設定する。原水温度が上限閾値ＴＨ１以上であれば、通水流量をＱ２に設定する。原水温度が下限閾値ＴＬ１を超え、上限閾値ＴＨ１未満であれば、通水流量をＱ１もしくはＱ２に設定する。
【００３１】
〔ｎ＝４の例〕
展開率をより狭い幅に収める観点から、通水流量のステップ状の変更を複数段階行うことが好ましい。すなわちｎが２以上であることが好ましい。以下に、図５を用いてｎ＝４の場合の例を説明する。ｉがとり得る値は１、２、３および４である。すなわち、通水流量を４段階のステップ状に変化させるので、通水流量は５個（Ｑ１〜Ｑ５）存在する。
【００３２】
図５には０℃から３０℃までの原水温度範囲を示してあり、通常この温度範囲を想定すれば足りることが多いが、０℃未満のときの通水流量をＱ１、３０℃以上のときの通水流量をＱ５とすることができる。あるいは、さらにステップ数を増やして、より高温の領域まで通水流量のステップ状変化を行うこともできる。
【００３３】
この例では、全てのｉについて、ＴＨｉ＝ＴＬｉ＋１である。すなわちこの例では、ＴＨ１とＴＬ２は同じ値、ＴＨ２とＴＬ３は同じ値、ＴＨ３とＴＬ４は同じ値を持つ。しかし、その限りではなく、ｎが２以上の場合に全てのｉについてＴＨｉ≦ＴＬｉ＋１であればよい。またこの例では各ヒステリシス領域の幅（上限閾値と下限閾値との差）は５℃で同一であるが、その限りではない。各段階の通水流量、上限閾値、下限閾値は、図５に示す値を有する。なお、この例の通水流量Ｑ１〜Ｑ５をＬＶに換算すると、それぞれ４４、４６、４８、５０及び５１ｍ／ｈに相当する。
【００３４】
原水温度が上限閾値ＴＨ１未満の値から上限閾値ＴＨ１以上の値に変化したときに、通水流量がＱ１であれば通水流量をＱ２に変更する。また、原水温度が下限閾値ＴＬ１を超える値から下限閾値ＴＬ１以下の値に変化したときに、通水流量がＱ２であれば通水流量をＱ１に変更する。このようにして、通水流量を、Ｑ１とＱ２との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させる。
【００３５】
また、原水温度が上限閾値ＴＨ２未満の値から上限閾値ＴＨ２以上の値に変化したときに、通水流量がＱ２であれば通水流量をＱ３に変更する。また、原水温度が下限閾値ＴＬ２を超える値から下限閾値ＴＬ２以下の値に変化したときに、通水流量がＱ３であれば通水流量をＱ２に変更する。このようにして、通水流量を、Ｑ２とＱ３との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させる。
【００３６】
同様にして、上限閾値ＴＨ３および下限閾値ＴＬ３を用いて、通水流量を、Ｑ３とＱ４との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させる。また、上限閾値ＴＨ４および下限閾値ＴＬ４を用いて、通水流量を、Ｑ４とＱ５との間でヒステリシスを伴ってステップ状に変化させる。通常運転においては、上記以外の場合は、通水流量を変化させない。
【００３７】
流量調節工程の開始時においては、例えば次のように通水流量を設定することができる。すなわち、原水温度がＴＬ１（ＴＬｉのうちの最も小さいもの）以下であれば通水流量をＱ１（Ｑｉのうちの最も小さいもの）に設定する。原水温度が上限閾値ＴＨ４（ＴＨｉのうちの最も大きいもの、すなわちＴＨｎ）以上であれば、通水流量をＱ５（Ｑｉ＋１のうちの最も大きいもの、すなわちＱｎ＋１）に設定する。原水温度が下限閾値ＴＬｉを超え、上限閾値ＴＨｉ未満の場合、通水流量をＱｉもしくはＱｉ＋１に設定する。
【００３８】
〔通水流量を変更する手段の他の例〕
酸化処理槽２０への通水流量を変更する場合、必ずしも流量調節弁１３を用いる必要はない。例えば、原水を輸送するためのポンプ（不図示）をラインＬ１に設け、そのポンプの回転数をインバータ（不図示）によって制御することにより、通水流量を調節することができる。この場合、流量指示調節計１５からの出力信号を、流量調節弁１３ではなく、インバータに送り、ポンプの回転数を制御することができる。この場合も、クローズループ制御により、通水流量を制御目標値に制御することができる。
【００３９】
あるいは、流量調節弁１３を用いずに、電磁弁などのオンオフ弁（不図示）を複数個並列に設けて、それらの開閉を制御することにより、通水流量を調節してもよい。この場合、流量指示調節計１５に替えて流量指示計（調節機能を持たない）を用い、その流量指示計から制御装置１６に原水流量の測定値に相当する信号を送ることができる。制御装置１６によって、原水温度に応じて通水流量（Ｑｉ）を決め、そのＱｉを実現できるように各オンオフ弁の開閉を決めることができる。そして、その開閉の信号を制御装置１６から各オンオフ弁に送ることができる。この場合の制御は、オープンループ制御である。
【００４０】
〔マンガン除去処理の条件について〕
図１に示したように、二酸化マンガンを含む酸化触媒が粒状充填物として充填された酸化処理槽について、前述の流量調節工程を行うことができる。酸化処理槽では、原水に含まれる鉄およびマンガンのうちの少なくとも１つの成分を酸化して析出させることができる。
【００４１】
マンガン除去処理を行う酸化処理槽において、酸化触媒の充填層の展開率は、２５％以上、４０％以下が好ましい。
【００４２】
酸化触媒の例として、二酸化マンガンが粒状となった酸化触媒、およびマンガン砂が挙げられる。酸化触媒の密度は、例えば２．８ｇ／ｃｍ３以上である。酸化触媒の粒径は、触媒が流出することを防ぐ観点から０．４ｍｍ以上が好ましく、触媒表面積が小さくなることを防ぐ観点から２．０ｍｍ以下が好ましい。酸化触媒の量は、例えば触媒層における水の空間速度が２００ｈ−１以下となるように決めることができる。
【００４３】
酸化処理槽における温度は、例えば、１〜５０℃の範囲である。酸化処理槽に供給する原水のｐＨは、例えば７．０〜８．６である。
【００４４】
酸化処理槽の上流で原水に添加する酸化剤は、例えば、次亜塩素酸ナトリウムである。原水中の溶解性マンガンの含有量は例えば０．０１〜５ｍｇ／Ｌであり、溶解性鉄の含有量は、例えば０．１〜２０ｍｇ／Ｌ以下である。酸化剤の添加量は、例えば、溶解性鉄の含有量１モルに対して０．５〜２モル、溶解性マンガンの含有量１モルに対して１〜４モルである。
【００４５】
酸化処理槽で処理した水を、膜ろ過などによってろ過することにより、酸化によって析出した析出物を除去することができる。このために、酸化処理槽の下流に、例えば、ろ過膜を備える膜濾過装置を設けることができる。ろ過膜は、酸化析出された鉄およびマンガン等の析出物をろ過できるものであればよく、例えば、ＵＦ（限外ろ過）膜、ＭＦ（精密ろ過）膜等が挙げられる。このように酸化処理槽および膜濾過装置を含む水処理装置、すなわち鉄／マンガン含有水の処理装置は、例えば、浄水処理場や、地下水の用水処理等において好適に適用可能である。
【００４６】
〔イオン交換処理について〕
粒状充填物としてイオン交換樹脂を用い、イオン交換水を製造することもできる。この場合の処理槽は、イオン交換樹脂塔である。粒状イオン交換樹脂として、公知のイオン交換樹脂を適宜用いることができる。イオン交換樹脂塔の構造としても、公知の構造を適宜採用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  流量調節手段
１１  温度センサ
１２  流量センサ
１３  流量調節弁
１４  温度指示計
１５  流量指示調節計
１６  制御装置
２０  酸化処理槽
２１  容器
２２  充填層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020131183.tif 000006
【図５】
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