(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通液可能な仕切部材によって上下に区画された濾過部およびイオン交換部を有するイオン交換塔と、
前記濾過部に廃イオン交換樹脂からなる粒状濾材を充填して形成された濾過層と、
前記イオン交換部に粒状イオン交換樹脂を充填して形成されたイオン交換層と、
前記イオン交換塔の上部に連絡する上部給排液路、および下部に連絡する下部給排液路と、
前記濾過層を独立して逆洗するように濾過部に設けられた濾過層逆洗装置と
を備えていることを特徴とするイオン交換装置。
【請求項２】
濾過層逆洗装置は、濾過層の上部および下方に、逆洗用の水および／または空気を導入する水／空気導入管を備えている請求項１記載の装置。
【請求項３】
イオン交換塔は、側壁の濾過層の上面より上部に水抜口および／または洗浄排液口を備えている請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
請求項１記載のイオン交換装置の再生方法であって、下部給排液路から再生剤をイオン交換層に上向流で通液し、イオン交換樹脂を仕切部材に押付けて固定床を形成した状態でイオン交換樹脂を再生し、再生液を濾過層に通して濾過層を洗浄することを特徴とするイオン交換装置の再生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は濾過部とイオン交換部が一体となったイオン交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
イオン交換装置では被処理液中のＳＳ成分によるイオン交換層の閉塞と汚染を防止するために、濾過装置が前置されているが、装置が複雑になり、大きい敷地面積が必要になるほか、操作も繁雑になる。
このような点を解決するために、濾過器とイオン交換塔を一体化した装置として、比重の小さい不活性粒状物をイオン交換層の上部に積層した装置が提案されている（特公昭５５−２６９０１号）。この装置は比重差を利用して軽い不活性樹脂を上層に積層し、濾過層として利用するものであり、これによりＳＳ分を除去してイオン交換の閉塞と汚染が防止される。
【０００３】
しかしながら、このような装置では、濾過層が閉塞して差圧が上昇したときでも、濾過層のみを逆洗することができない。この場合イオン交換部から水および／または空気を導入して逆洗を行うと、イオン交換層が乱れて再生形の樹脂と非再生形の樹脂とが混合するため、その状態でイオン交換を再開すると、イオン交換処理水質が低下して採水不可となり、再生剤利用効率が低下する。特にＳＳ濃度の高い被処理液の場合は、差圧上昇による逆洗頻度が高いため、この傾向が強くなる。また逆洗の都度イオン交換樹脂を再生すると、再生剤の利用効率が悪くなるなどの問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のような問題点を解決するため、イオン交換層を乱すことなく濾過層を独立して逆洗することができ、このため逆洗の都度のイオン交換層の再生を行うことなく引続いてイオン交換を行うことができ、これによりイオン交換層の再生剤利用効率を高くして、長期にわたってイオン交換を行うことが可能なイオン交換装置を得ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のイオン交換装置および再生方法である。
（１）  通液可能な仕切部材によって上下に区画された濾過部およびイオン交換部を有するイオン交換塔と、
前記濾過部に廃イオン交換樹脂からなる粒状濾材を充填して形成された濾過層と、
前記イオン交換部に粒状イオン交換樹脂を充填して形成されたイオン交換層と、
前記イオン交換塔の上部に連絡する上部給排液路、および下部に連絡する下部給排液路と、
前記濾過層を独立して逆洗するように濾過部に設けられた濾過層逆洗装置と
を備えていることを特徴とするイオン交換装置。
（２）  濾過層逆洗装置は、濾過層の上部および下方に、逆洗用の水および／または空気を導入する水／空気導入管を備えている上記（１）記載の装置。
（３）  イオン交換塔は、側壁の濾過層の上面より上部に水抜口および／または洗浄排液口を備えている上記（１）または（２）記載の装置。
（４）  上記（１）記載のイオン交換装置の再生方法であって、下部給排液路から再生剤をイオン交換層に上向流で通液し、イオン交換樹脂を仕切部材に押付けて固定床を形成した状態でイオン交換樹脂を再生し、再生液を濾過層に通して濾過層を洗浄することを特徴とするイオン交換装置の再生方法。
【０００６】
濾過部において濾過層を形成するための粒状濾材としては、使用済の廃イオン交換樹脂を用いる。濾材として使用される廃イオン交換樹脂は、イオン交換用として使用され、使用済となったイオン交換樹脂であり、イオン交換能が低下したものが一般的であるが、イオン交換能が低下しないものであってもよい。このようなイオン交換樹脂としてはカチオン交換樹脂、アニオン交換樹脂のいずれでもよく、両者を混合して用いてもよいが、いずれか一方の樹脂を用いるのが好ましく、被処理水に無機凝集剤を添加して凝集濾過を行う場合は、カチオン交換樹脂、特に強酸性のカチオン交換樹脂が好ましい。濾材となる廃イオン交換樹脂の粒径は、０．３〜１ｍｍφのものが好ましい。
【０００７】
イオン交換部においてイオン交換層を形成するためのイオン交換樹脂としては、強もしくは弱酸性カチオン交換樹脂、強もしくは弱塩基性アニオン交換樹脂など、一般に使用されている樹脂を選択することができる。これらは単床式、複床式、混床式など、任意の充填形式とすることができる。また一部のイオン交換樹脂を上記イオン交換部に充填し、残部を別のイオン交換塔に充填して組合せて使用することもできる。
【０００８】
本発明のイオン交換装置においては、濾過部とイオン交換部を区画する仕切部材上に粒状濾材を充填して濾過層を形成し、仕切部材の下側に粒状イオン交換樹脂を充填してイオン交換層を形成する。この場合、イオン交換層はイオン交換塔下部に設けられた通液可能な支持板上に形成される。イオン交換部は再生時にイオン交換樹脂が前記仕切部材に押付けられて固定床を形成するように、上部空間を小さくし、逆に濾過部は展開状態を維持するように上部空間を大きくするのが好ましい。
【０００９】
濾過部に設けられる濾過層逆洗装置は濾過層に水および／または空気を導入して水逆洗および／または空気逆洗を行う装置であり、濾過層の表層部のみを逆洗するものと、全層を逆洗するものを設けるのが好ましい。
上記給排液路は被処理液の給液路と逆洗排液路として利用される。下部給排液路は処理液取出路と全体に対する逆洗および再生剤給液路として利用される。
【００１０】
【作用】
本発明のイオン交換装置においては、上部給排液路からイオン交換塔の上部に被処理液を供給すると、被処理液は濾過部で濾過層を通過して濾過され、ＳＳ成分が濾過層に捕捉される。濾過液は仕切部材を通してイオン交換部に移行し、イオン交換層を通過してイオン交換される。イオン交換処理液は下部給排液路から取出される。
こうして被処理液は一つのイオン交換装置において濾過およびイオン交換され、イオン交換層の閉塞、汚染が防止される。
【００１１】
濾過層が閉塞して差圧が上昇すると、通液を停止して、濾過層逆洗装置により水および／または空気を濾過部に導入して、濾過層の逆洗を行う。このとき表層のみが閉塞している場合は、表層のみの逆洗を行うことができ、その繰返しにより全層が閉塞している場合は、全層の逆洗を行う。このような逆洗は数回繰返すと、逆洗により剥離しないで残留するＳＳ分が蓄積するので、イオン交換樹脂の再生の際、再生廃液を利用して濾過層の洗浄を行う。
【００１２】
イオン交換樹脂の再生は、下部給排液路から逆洗水を送液してイオン交換層と濾過層をともに逆洗した後、イオン交換層に再生剤を上向流で通液してイオン交換樹脂を再生し、再生液はそのまま濾過層に通して濾過層を洗浄する。再生剤はカチオン交換樹脂に対しては１〜１０重量％の酸水溶液、アニオン交換樹脂に対しては１〜１０重量％のアルカリ水溶液が用いられるが、その一方または両方の再生排液を濾過層に通して洗浄が行われる。どちらの再生排液の場合も、濾過層を通過する際濾材に付着したＳＳ分を剥離、除去し、濾過性能を回復する。特に濾材として廃イオン交換樹脂を用いる場合は、再生排液による洗浄によって残留交換基を再生し、濾材としての活性を付与することができる。
【００１３】
本発明では、濾材として廃イオン交換樹脂を用いることにより、ＳＳ成分等の捕捉力を大きくして高流速で濾過を行うことができ、しかも酸、アルカリを用いて逆洗を行うことができ、これにより短時間で効率よく濾材の洗浄を行って濾過能力をほぼ完全に回復できるほか、樹脂に残留するイオン交換能力を利用することも可能になる。濾材として廃イオン交換樹脂を用いることにより高流速で濾過が行えるのは、濾材に残留するイオン交換基により、イオン交換その他の電気化学的な作用が、物理化学的な濾過作用に加味されることにより、ＳＳ捕捉力が大きくなり、これによりＳＳがリークしないためであると推測されるが、詳細は不明である。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
図１は実施例のイオン交換装置を示す断面図である。
図１において、１はイオン交換塔であり、通液可能な仕切板２により上部に濾過部３および下部にイオン交換部４が区画されている。濾過部３には仕切板２上に粒状濾材を充填して濾過層５が形成されている。イオン交換部４には通液可能な他の仕切板６上に粒状のイオン交換樹脂を充填して、イオン交換層７が形成されている。イオン交換部４の上部空間４ａは再生時にイオン交換層７が仕切板２に押付けられて固定床を形成するように小さいスペースとされ、逆に濾過部３の上部空間３ａは全層が展開するように大きいスペースとされている。
【００１５】
仕切板６はイオン交換層７の下方に集液部８を形成している。仕切板２、６はそれぞれ多孔板（目皿板）にスクリーンが一体化され、通液は可能であるが、濾材およびイオン交換樹脂は移動できないようになっている。
イオン交換塔１の頂部には空気抜口１１が設けられている。またイオン交換塔１の上部、すなわち濾過部３の上部空間３ａには被処理水導入路および逆洗排水路を兼ねる上部給排液管１２が設けられて、濾過層５の上方に開口している。上部給排液管１２の開口部には上向に拡開するロート状部１３が形成され、その下側の周辺部には下向に傾斜する笠状のガイド部１４が形成され、その接合部に逆Ｊ字状の空気抜管１５が設けられている。
【００１６】
イオン交換塔１の下部の集液部８には処理水取出路および再生剤導入路を兼ねる下部給排液管１６が設けられて、イオン交換層７の下方の集液部８に開口している。濾過層５の上部および下方には逆洗用の水および／または空気を導入する水／空気導入管１７、１８が設けられ、それぞれ交差方向に枝管１７ａ、１８ａを有し、給水／空気管１７ｂ、１８ｂに連絡している。水／空気導入管１７および枝管１７ａには両側に斜上向に開口する開口部が形成され、水／空気導入管１８および枝管１８ａには両側に斜下向に開口する開口部が形成されている（図示省略）。イオン交換塔１の側壁の濾過層５上面より若干上の部分には、水抜口１９および洗浄排液口２０が設けられている。Ｖ1、Ｖ2は弁である。他の管にも弁が設けられているが、図示は省略されている。
【００１７】
上記のイオン交換装置においては、図２（Ａ）に示すように、濾過部３において濾過を行い、イオン交換部４においてイオン交換が行われる。まず濾過部３では、弁Ｖ1は閉、弁Ｖ2は開で、被処理液を上部給排液管１２から導入して濾過層５を通過させることにより濾過が行われる。このとき濾材として廃イオン交換樹脂を用いると、残留交換基の作用により、ＳＳ捕捉力が大きくなって、高流速で濾過が行われ、被処理水に無機凝集剤を添加して凝集濾過を行う場合でも効率よく濾過を行うことができる。
濾過水は仕切板２を通してイオン交換部４に入り、イオン交換層７を通過する間にイオン交換が行われる。イオン交換処理液は仕切板６を通して集液部８に集められ、下部給排液管１６から取出される。
【００１８】
濾過層５の差圧が上昇したときは、図２（Ｂ）に示すように、弁Ｖ2を閉じ、イオン交換部４への通水を停止したまま、濾過層５の逆洗を行う。濾過層５の逆洗は、濾過層５の表層部のみが目詰まりしている場合は、水／空気導入管１７から水および／または空気を導入して表層部のみを展開し、また濾過層５の全層が目詰まりしている場合は、水／空気導入管１８から水および／または空気を導入して全層を展開して逆洗する。この段階では通常ＬＶ３０〜４０ｍ／ｈｒで１０〜２０分間水逆洗のみが行われるが、空気逆洗を行ってもよい。
【００１９】
空気逆洗を行う場合は、弁Ｖ1を開とし、水抜口１９から水抜きして、液面を濾過層５の上面より若干上の位置まで下降させて空気を吹込むと、濾過層５はほぐされてＳＳが剥離する。水逆洗の場合は、この状態から水／空気導入管１７または１８から水を導入することにより濾過層５は展開され、剥離ＳＳを含む逆洗排液は上部給排液管１２から排出される。このとき上昇する濾材は上部給排液管１２のロート状部１３の下側からガイド部１４に沿って循環し、ＳＳを含む水がオーバーフロー式にロート状部１３から集水されて排出される。空気抜管１５はロート状部１３とガイド部１４の下にたまる空気を抜出し、濾材の循環流を維持する。逆洗終了後は弁Ｖ1を閉、弁Ｖ2を開とし、前記と同様に図２（Ａ）に従って濾過工程およびイオン交換工程を再開する。
【００２０】
このような濾過−逆洗の操作を繰返し、濾過層５の全層が目詰まりし、表層部のみの逆洗により差圧が回復しない場合には、全層の逆洗を行う。そして全層の逆洗によっても、付着ＳＳ分が蓄積されるので、イオン交換層７の再生に合せて、再生排液により濾過層５の洗浄を行う。この場合濾過層５およびイオン交換層７とも全層の逆洗を行うが、濾過層５は空気逆洗および水逆洗を組合せて行う。
【００２１】
このときの逆洗、再生、洗浄の操作は次のようにして行われる。まず図２（Ｃ）に示すように、弁Ｖ1を開、弁Ｖ2を閉とし、水抜口１９から水抜を行い、前述のように液面を濾過層５の若干上の位置に下降させる。この状態で図２（Ｄ）に示すように、水／空気導入管１８から空気を導入して空気逆洗を行い、濾材をほぐすとともに、付着したＳＳ分を剥離させる。このとき液面２１は上部給排液管１２の開口部より相当低くなっているので、濾材が飛び上がっても排出されることはない。
【００２２】
その後図３（Ａ）に示すように、水／空気導入管１８からの空気の導入を停止し、弁Ｖ2を開として、下部給排液管１６から逆洗水を導入して、イオン交換層７および濾過層５の全層を同時に逆洗し、逆洗排水は上部給排液管１２から排出する。これによりイオン交換層７および濾過層５はそれぞれ上向に展開され、剥離したＳＳ分が逆洗排水とともに排出される。このときイオン交換部４の上部空間４ａは小さいため、逆洗水の流速をＬＶ３０〜４０ｍ／ｈｒ、好ましくは約３５ｍ／ｈｒとすることにより、イオン交換部４のイオン交換樹脂は仕切板２に押付けられて固定床を形成する。これに対して濾過部３の上部空間３ａは大きくなっているため、濾過層５は全層が展開状態を維持し、逆洗が行われる。
【００２３】
この状態で図３（Ｂ）に示すように、下部給排液路管１６からの通液を再生剤の通液に切換えると、再生剤の流速を約１０ｍ／ｈｒ程度に低くしてもイオン交換層７は仕切板２に支持されて固定床を維持し、イオン交換樹脂の再生が行われる。このように上向に固定床を形成した状態で上向流で再生すると、向流再生となるため、再生効率は高くなる。
【００２４】
一方濾過層５は流速の低下により仕切板２上に堆積して固定床を形成し、仕切板２を通過して上昇する再生排液により洗浄され、洗浄排液は洗浄排液口２０から排出される。これにより濾材に付着していた金属化合物その他の不純物が除去され、ＳＳ成分が剥離して濾過能力を回復する。
濾材として廃イオン交換樹脂を用いるときは、再生液中の再生剤成分により残留交換基が再生され、前述のように濾材のＳＳ捕捉力を増大させる。
【００２５】
再生剤を通液したのち、同様の通路で純水を通液して押出工程および洗浄工程を行う。そして図３（Ｃ）に示すように、水／空気導入管１８から純水を導入すると、イオン交換層７はそのまま下に移動して、仕切板上に固定床を形成する。この状態で図３（Ｄ）に示すように、弁Ｖ2を閉じ、上部給排液管１２から被処理水を導入すると、上部空間３ａの空気が弁Ｖ1から追出され、イオン交換塔１内は満水状態になる。この状態で図２（Ａ）に示すように弁Ｖ1を閉、弁Ｖ2を開として、上部給排液路１２から被処理液を導入して濾過およびイオン工程を再開する。
【００２６】
試験例
図１のイオン交換装置の濾過部３に粒径０．３〜１ｍｍの廃イオン交換樹脂（カチオン交換樹脂ダイヤイオンＳＫＩＢまたはアニオン交換樹脂ＳＡ１００）を１ｍの高さに充填して濾過層５を形成し、イオン交換部４には新しいイオン交換樹脂（カチオン交換樹脂ダイヤイオンＳＫＩＢまたはアニオン交換樹脂ＳＡ１００）を１ｍの高さに充填してイオン交換層７を形成した。
水道水にカオリンを添加して濁度５〜６度に調整した被処理水にポリ塩化アルミニウムをAlとして０．５ｍｇ／ｌ添加し、硫酸でｐＨ６．５に調整して凝集処理を行い、図２（Ａ）に示すように通液してＬＶ３５ｍ／ｈｒの流速で濾過およびイオン交換を行った。
【００２７】
濾過部３における差圧は当初０．２５ｋｇｆ／ｃｍ2であったが次第に上昇し、８時間後に１〜１．５ｋｇｆ／ｃｍ2になったので、図２（Ｂ）に示すように濾過層５下部の水／空気導入管１８より水を導入してＬＶ３５ｍ／ｈｒで１５分間逆洗し、終了後通水を再開した。さらに８時間後に同様に水で逆洗した。
２４時間後にイオン交換装置の再生が必要になったので、イオン交換樹脂層の再生と濾床の洗浄を行った。
【００２８】
このときの洗浄操作は、まず図２（Ｃ）に示すようにイオン交換塔１の通水を停止して、濾過層５の上層より上１０〜２０ｃｍの高さまで水抜を行い、図２（Ｄ）に示すように濾過層５下部の水／空気導入管１８より空気を導入して１ｍ3／ｍ2・ｍｉｎの流量、０．４ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で１５分間空気逆洗を行った後、図３（Ａ）に示すようにイオン交換層７の下部に水を導入してＬＶ３５ｍ／ｈｒで１５分間イオン交換層７および濾過層５について水逆洗を行い、イオン交換層７を仕切板２に押付ける。その後図３（Ｂ）に示すようにイオン交換層７の再生と濾過層５の洗浄を行った。
【００２９】
この場合、濾材として廃カチオン交換樹脂を用いた場合は、５重量％塩酸水溶液をイオン交換層７にＬＶ１０ｍ／ｈｒで通液してカチオン交換樹脂を再生した後、再生排液を酸洗浄液として濾過層５に導入して濾過層５を洗浄した。濾材が廃アニオン交換樹脂の場合は、２重量％水酸化ナトリウム水溶液をイオン交換層７に通液してアニオン交換樹脂を再生した後、再生排液をアルカリ洗浄液として濾過層５に導入して洗浄した。
【００３０】
酸またはアルカリ廃液で洗浄後、イオン交換層７および濾過層５を２０分間通水洗浄し、図３（Ｃ）、（Ｄ）の操作を経て濾過およびイオン交換を再開した。上記の酸またはアルカリ洗浄を行った場合の差圧の変化を図４（Ａ）に示す。比較例１として上記と同様に運転し、３回目の洗浄として酸またはアルカリ洗浄を行わず、空気および水逆洗のみを行った場合の差圧の変化を図４（Ｂ）に示す。
また比較例２として、従来装置のように中間水逆洗を行わないで運転を継続したときの結果を図５に示す。
図４（Ａ）から明らかなように、中間逆洗によって蓄積する濾過層５の汚れは酸またはアルカリ洗浄により除去され、初期の差圧が回復するのに対し、中間逆洗を行わない場合は図５に示すように約８時間で通水不可となり、中間逆洗を行う場合でも再生排液による洗浄を行わない場合は、図４（Ｂ）に示すように空気および水逆洗によって差圧が初期値まで回復しないことがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のイオン交換装置は、濾過部に廃イオン交換樹脂からなる粒状濾材を充填して濾過層を形成し、濾過部とイオン交換部を仕切部材で区画し、濾過部を独立して逆洗する手段を設け、イオン交換部の再生排液で濾過部を洗浄できるようにしたので、イオン交換層を乱すことなく濾過層を独立して逆洗することができ、このため逆洗の都度のイオン交換層の再生を行うことなく引続いてイオン交換を行うことができ、これによりイオン交換層の再生剤利用効率を高くして、長期にわたってイオン交換を行うことが可能なイオン交換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のイオン交換装置を示す断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ実施例のイオン交換装置の工程を示す系統図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ実施例のイオン交換装置の別の工程を示す系統図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ試験例の結果を示すグラフである。
【図５】試験例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  イオン交換塔
２、６  仕切板
３  濾過部
４  イオン交換部
５  濾過層
７  イオン交換層
８  集液部
１１  空気抜口
１２  上部給排液管
１３  ロート状部
１４  ガイド部
１５  空気抜管
１６  下部給排液管
１７、１８  水／空気導入管
１７ａ、１８ａ  枝管
１７ｂ、１８ｂ  給水／空気管
１９  水抜口
２０  洗浄排液口
２１  液面
【図１】
0003661204.tif 000002
【図２】
0003661204.tif 000003
【図３】
0003661204.tif 000004
【図４】
0003661204.tif 000005
【図５】
0003661204.tif 000006