(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水に酸化剤を添加する工程と、粘土を数回焼結してなり緻密な多孔性を有する粒子を母体とし、マンガン酸化物をこの母体に添着した濾材粒子から構成された濾過層及び集水ストレーナを収納した濾過タンクに被処理水を通過させて被処理水に含まれている鉄及びマンガンを除去する工程と、通常使用する取り出し口から処理水を取り出す工程中において、この処理水を分岐し逆洗水として逆洗水槽に蓄える手段を有し、前記逆洗水槽から前記処理水で前記濾過タンク内を逆洗浄する工程と、前記逆洗浄後に、前記被処理水に酸化剤を供給して濾過洗浄を行って前記マンガン酸化物を賦活再生する工程とを具備し、前記濾材粒子径は、０．２８〜０．６５ｍｍであり、前記集水ストレーナの目幅は、０．１５〜０．２５ｍｍであり、且つ前記被処理水に酸化剤を添加する工程が行われる酸化装置、前記濾過タンク及び前記逆洗水槽は、１つの鉄・マンガンの除去装置内に収納され、前記逆洗水槽に蓄えられた処理水に酸化剤を添加してＰＨ１０以上に調整してなる賦活水を前記濾過タンク内に供給し、この賦活水を閉塞循環させて前記マンガン酸化物を賦活再生する工程をさらに具備したことを特徴とする鉄・マンガンの除去方法。
【請求項２】
被処理水に添加する酸化剤を供給する酸化装置と、濾過タンクと、前記濾過タンクに収納され、粘土を数回焼結してなり緻密な多孔性を有する粒子を母体とし、マンガン酸化物をこの母体に添着した濾材粒子から構成された濾過層と、前記濾過タンクに収納され、この濾過層を通過した処理水を集める集水ストレーナと、前記濾過タンクから取り出された処理水を分岐して逆洗水として逆洗水槽に蓄える手段とを具備し、前記濾材粒子径は、０．２８〜０．６５ｍｍであり、前記集水ストレーナの目幅は、０．１５〜０．２５ｍｍであり、前記逆洗水槽から前記処理水を用いて前記濾過タンク内を逆洗浄し、前記逆洗浄後に前記被処理水に酸化剤を供給して濾過洗浄を行って前記マンガン酸化物を賦活再生し、且つ前記被処理水に酸化剤を添加する工程が行われる酸化装置、前記濾過タンク及び前記逆洗水槽は、１つの装置内に収納され、前記逆洗水槽に蓄えられた処理水に酸化剤を供給する酸化装置より前記酸化剤を添加してＰＨ１０以上に調整してなる賦活水を前記濾過タンク内に供給し、この賦活水を閉塞循環させて前記マンガン酸化物を賦活再生することを特徴とする鉄・マンガンの除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下水及び伏流水等の被処理水中の鉄・マンガンを除去して被処理水を産業用水（雑用水、工業用水、消雪水、工事用水等）や上水（飲料水等）に役立たせることができる鉄・マンガンの除去方法及び除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下水及び伏流水等の被処理水中の鉄・マンガンを除去する方法には、酸化材を添加しながら凝集沈殿を行う方法や比較的処理時間を長くとる鉄バクテリア等の微生物を利用する方法もあるが、最も多く用いられているのが酸化雰囲気を維持するための酸化剤を添加しながら酸化鉄・マンガン酸化物を濾過材表面に添着させた自触媒、酸化触媒を充填層にして被処理水を通過させて処理する接触濾過法である。
接触濾過法は、被処理水中の鉄・マンガンが酸化された当初に個体表面に付着する性質のあることを利用していて、付着したマンガン酸化物などそれ自身が酸化雰囲気にあれば、触媒的に酸化を促進して流入してきた鉄、マンガンを酸化し、濾過材表面に付着させて連続的に除去する原理によっている。
【０００３】
図９は、被処理水から鉄・マンガンを除去する従来の除去装置に用いられる濾過タンクの部分透視側面図である。濾過タンクは、上部に被処理水を内部に供給する散水ノズル１５、下部に濾過された処理水を集水する集水ストレーナ１６を有しており、その間には、母体表面にマンガン酸化物を添着した濾材粒子から構成された濾過層１４及び支持砂利層１７、１８が配置されている。このような従来の濾過装置には、砂利層が必要であり、砂利層があるので必然的に小型化することは困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
濾過を継続的に続けていると、やがて濾過できない限界点が表われる。これは鉄分に関しては、物理濾過なので濾過材濾過層の目詰まりを生じるためである。マンガンに関しては、濾過材表面に添着したマンガン酸化物がマンガンを添着し続けて肥大化し、やがては吸着できない状況になるためである。
ここで逆洗浄を行うと、物理的濾過の障害物である酸化鉄は、濾過とは反対の流れにより排出されて目詰まりは解消される。一方、マンガンを吸着して肥大化したマンガン酸化物も同様にその表皮が剥離し排出されるが、その際濾過材に添着されていた元のマンガン酸化物も剥離し排出される場合があり、その結果マンガン酸化物が減少してマンガン除去に影響が生じてくる。
マンガンは、ＰＨ１０以上の雰囲気下においては、自然完全酸化を完結できるので、その賦活・再生にはＰＨ１０以上の環境が必要になる。
また、工業用水などに用いる水は、このような方法で鉄・マンガンを除去しているが、従来の除去装置（濾過装置）は、除鉄を行う濾過塔と除マンガンを行う濾過塔の２つの塔があり、その結果除去装置の大型化を招いていた。
【０００５】
本発明は、このような事情によりなされたものであり、地下水及び伏流水等の被処理水から鉄及びマンガン等を新規な構造の濾過手段により除去し、さらに滅菌処理を施すことにより、被処理水を産業用水（雑用水、工業用水、消雪水、工事用水等）や上水（飲料水等）に利用する鉄・マンガンの除去方法及びこの方法を実施するに際して用いられ、小形化された除去装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、地下水及び伏流水等の被処理水から鉄及びマンガン等を除去し、さらに滅菌処理を施す方法及びこの方法を実施する除去装置において、除去装置に設けられる濾過タンクは、１塔のみであり、この濾過タンクで除鉄・除マンガンを行うことを特徴としている。そして、濾過タンクは、集水ストレーナとその上に配置された濾過層とを収納し、この濾過層は、粘土を数回焼結してなり緻密な多孔性を有する粒子を母体とし、マンガン酸化物をこの母体に添着した濾材粒子から構成され、濾材粒子の粒径は、粒径０．２８〜０．６５ｍｍであり、集水ストレーナの目幅０．１５〜０．２５ｍｍであることを特徴としている。
除鉄用濾過材と除マンガン用濾過材とでは、濾過材に求める要求が異なる（例えば、除鉄は物理的濾過なので線速度（濾過速度）を遅くし、除マンガンは吸着除去なので接触時間（接触面積・濾過速度）を遅くする必要がある）ので濾過材を十分検討し、濾材粒子の粒径を限定することにより双方の要求を満足させることができた。また、濾過タンク内の濾過層下部に目幅を限定した集水ストレナーを用いることにより、従来必要とされた濾過材支持砂利を不要とし、タンク自体を小型化することが可能になる。
【０００７】
また、本発明では、除鉄用凝集剤を用いずに滅菌剤を酸化剤として使用するので凝集装置が不要になる。これは滅菌剤として使用する次亜塩素酸ナトリウムで生成される水酸化第二鉄のクラスタが小さく、従来の濾過材径では通過してしまったが上記のような粒径の細かにすると十分に濾過が可能になる。
本発明で用いられる濾過層は、粘土を数回焼結してなり緻密な多孔性を有する粒子を母体とし、マンガン酸化物をこの母体に添着した濾材粒子から構成されるが、濾材粒子の母体には、粘土を数回焼成した緻密な多孔性を有する、例えば、シャモット基材が用いられる。シャモット基材は、マンガン酸化物に対する密着性が優れ比重も見掛け比重で１．０位であり、急速濾過用に適している。
このような母体を回転式反応釜内で塩化マンガン（ＭｎＣｌ２  ・４Ｈ２  Ｏ）と過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４  ）とで交互に反応させて、これを数回繰り返し、最後に焼き付けを行う。塩化マンガンと過マンガン酸カリウムの一定量を反応させると、粘着性の茶褐色〜黒褐色のマンガンの高級酸化物（ＭｎＯ・Ｍｎ２  Ｏ７  ，ＭｎＯ２  ・Ｈ２  Ｏ）が生成する（（１）、（２）式参照）。この酸化物を母体に添着し、焼結させて濾材粒子を得る。
Ｎａ２  Ｚ＋ＭｎＣｌ２  →ＭｎＺ＋２ＮａＣｌ            ・・・（１）
ＭｎＺ＋２ＫＭｎＯ４  →Ｋ２  Ｚ・ＭｎＯ・Ｍｎ２  Ｏ７      ・・・（２）
【０００８】
本発明の鉄・マンガンの除去方法に用いられる除去装置は、濾過を行うと共に逆洗浄、濾過洗浄及び循環洗浄などの処理を行う。逆洗浄は、物理的な濾過により蓄積している鉄分を除去する。濾過洗浄は、酸化剤を投入して濾過層に用いられているマンガン酸化物の賦活・再生を行う。さらに、循環洗浄により処理水のＰＨを１０以上にしてマンガン酸化物の賦活・再生を行う。
濾過洗浄において、従来技術では被処理水で洗浄する方法と濾過処理を行った処理水を用いて洗浄する方法とがある。前者は被処理水で洗浄するために洗浄の効果が期待できない。後者は、処理水を貯留する設備を必要としている。
本発明では、システムの小型化がなされているので、濾過洗浄に要する水量が少なくてすみ、その結果システム内で洗浄水として用いるための処理水を蓄える洗浄水タンクを必要に応じて設置することができる。
また、濾過材に使用しているマンガン酸化物は、その触媒機能が劣化してくる。触媒機能を賦活・再生させるためにはＰＨ１０付近の賦活水の存在が必要である。そのため、本発明では、洗浄水として用いられる処理水に酸化剤、例えば、次亜塩素酸ナトリウムを混入させてＰＨ１０付近に調整した賦活水を用い、この賦活水を閉塞循環させてマンガン酸化物の賦活・再生を行う。
【０００９】
次に、本発明の濾過処理における鉄・マンガンの除去機構を説明する。
１．除鉄について
水中の鉄分を除去するには、鉄分を不溶性の酸化物に変えてこれを濾過材（濾過層）により濾過させる。
鉄は、アルカリ度のある水中において、重炭酸鉄の形で溶存している。そして、適量のＣＯ２  の存在下において安定している（（３）式参照）。
Ｆｅ（ＨＣＯ３  ）２  ←→ＦｅＣＯ３  ＋ＣＯ２  ＋Ｈ２  Ｏ    ・・・（３）
ＣＯ２  が減少して平衡が破れると、（３）式の右辺の反応に進み、炭酸鉄を生じ、更に加水分解して無色の水酸化第一鉄（Ｆｅ（ＯＨ）２  ）を生ずる（（４）式参照）。
ＦｅＣＯ３  ＋Ｈ２  Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）２  ＋ＣＯ２  ↑        ・・・（４）
水酸化第一鉄は、酸素混入と時間経過と共に容易に酸化されて、溶解度が０．０１ｐｐｍ以下の難溶性で赤錆色の水酸化第二鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３  ）に変化する（（５）式参照）。
２Ｆｅ（ＯＨ）２  ＋１／２  Ｏ２  ＋Ｈ２  Ｏ→２Ｆｅ（ＯＨ）３  ・・・（５）
【００１０】
水中の鉄分は、次亜塩素酸ナトリウムの酸化反応によって水酸化第二鉄に変化する（（６）式参照）。
２Ｆｅ２＋＋ＮａＣｌＯ＋５Ｈ２  Ｏ→２Ｆｅ（ＯＨ）３  ＋ＮａＣｌ＋４Ｈ＋  ・・・（６）
次亜塩素酸ナトリウムにより酸化された水酸化第二鉄は不溶性であるので、濾過材通過中に濾過される（（７）式参照）。
Ｆｅ（ＨＣＯ３  ）２  ＋ＮａＣｌＯ＋Ｈ２  Ｏ→２Ｆｅ（ＯＨ）３  ↓＋ＮａＣｌ・・・（７）
また、接触酸化されたγ−オキシ水酸化鉄は、濾過材に吸着されて除鉄される（（８）式参照）。
Ｚ−ＭｎＯ・Ｍｎ２  Ｏ７  ＋４Ｆｅ（ＨＣＯ３  ）２  →Ｚ−［Ｍｎ２  Ｏ］３  −［γ−ＦｅＯＯＨ］４  ＋８ＣＯ２  ＋２Ｈ２  Ｏ                ・・・（８）
２．除マンガンについて
【００１１】
水中のマンガン分と次亜塩素酸ナトリウムの酸化反応（（９）式参照）により黒褐色の二酸化マンガン水和物が生成される。
マンガンの溶存比は、鉄に比較すると、はるかに少ないが、鉄のように容易には空気で酸化されず、次亜塩素酸ナトリウムによる酸化が容易である。これは、鉄がＰＨ７以上で自然酸化するのに対し、マンガンはＰＨ１０以上でないと自然完全酸化をしないことによる。
Ｍｎ２＋＋ＮａＣｌＯ＋２Ｈ２  Ｏ→ＭｎＯ２  ・Ｈ２  Ｏ＋ＮａＣｌ＋２Ｈ＋  ・・・（９）
酸化剤である次亜塩素酸ナトリウムを連続注入してマンガンを濾過材表面で接触酸化させ、濾過材に吸着させて除去する（（１０）式参照）。Ｚは、母体を示す。
Ｚ−［ＭｎＯ（ＯＨ）２  ］＋Ｍｎ（ＨＣＯ３  ）２  ＋ＮａＯＣｌ→Ｚ−［ＭｎＯ（ＯＨ）２  ］２  ＋２ＣＯ２  ＋ＮａＣｌ                    ・・・（１０）
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図８を参照して発明の実施の形態を説明する。
図１は、鉄・マンガンの除去装置の概略システム図、図２は、図１の除去装置を用いて、鉄・マンガンを除去する流れを説明するフロー図、図３は、図１の除去装置を用いた濾過の流れを説明する概略システム図、図４は、図１の除去装置を用いた逆洗浄の流れを説明する概略システム図、図５は、図１の除去装置を用いた濾過洗浄の流れを説明する概略システム図、図６は、図１の除去装置を用いた循環洗浄の流れを説明する概略システム図、図７は、図１に示される除去装置の概略図、図８は、図１の除去装置に用いられる濾過タンクの部分透視側面図である。図１及び図７に示すように、鉄・マンガンの除去装置１０は、１塔の濾過タンク１、五方切換弁２、調整弁３、酸化ポンプを有する酸化装置４、逆洗水槽５及び制御盤６を有している。この除去装置１０には、井戸水を被処理水８として配管により接続されている。井戸から導出された配管Ｉは、三方切換弁９を介して配管Ａ、Ｇにより除去装置１０に接続されている。配管Ａには濾過・逆洗ポンプ７が配置され、被処理水８を除去装置１０内部に供給するように構成されている。配管Ｇは、逆洗水槽５に接続されている。
【００１３】
濾過タンク１は、被処理水８を上部から供給する配管Ｂに接続され、被処理水８を濾過してなる処理水を供給する配管Ｃに接続されている。五方切換弁２には、配管Ａ、配管Ｂ、配管Ｃ、配管Ｄ及び配管Ｈが接続されている。酸化装置４からは、酸化剤が酸化装置弁を介して配管Ａに供給されるようになっている。逆洗水槽５は、例えば、２５０リットルの容量があり、配管Ｅに接続されて処理水が供給されるように構成され、配管Ｇに接続されて槽内に蓄えられた処理水を配管Ａに供給されるように構成されている。配管Ｅは、分岐弁を介して配管Ｄ及び配管Ｆに接続され、配管Ｆは、処理水を外部に供給するように構成されている。制御盤６は、除去装置内部で行われる濾過、逆洗浄、濾過洗浄、循環洗浄を適正に処理されるように調整する。
図８は、濾過タンク１の内部を説明する部分透視側面図である。濾過タンクは、上部に被処理水を内部に供給する散水ノズル１２、下部に濾過された処理水を集水する集水ストレーナ１３を有しており、その間には、粘土を数回焼結してなり緻密な多孔性を有する粒子を母体とし、マンガン酸化物をこの母体に添着した濾材粒子から構成された濾過層１１が形成されている。濾材粒子の粒径は、０．２８〜０．６５ｍｍである。集水ストレーナの目幅は、０．１５〜０．２５ｍｍである。この実施例の濾過タンクの断面積は、例えば、０．１２６ｍ２  であり、その処理能力は、例えば、２．５ｍ３  ／時間である。
【００１４】
次に、図２及び図３を参照して制御盤により制御された被処理水を濾過して処理水とする流れを説明する。なお、図２は、除去装置の動作を自動制御するシステムフローを示す図であるが、濾過−逆洗浄−濾過洗浄工程を説明するフロー図であり、循環洗浄は含まれていない。この除去装置で濾過処理を行うと、後処理として逆洗浄及び濾過洗浄は必ず行わなければならないが、循環洗浄は必ず行わなければならない処理ではない。装置の濾過状態が劣化したら適宜行う処理であるので図２に示すフローには含めなかった。
まず、三方切換弁９を濾過処理する方向に切換えて、井戸などからの被処理水８を配管Ｉを通して配管Ａに供給し、濾過・逆洗ポンプ７により除去装置１０の内部に供給する。そして、配管Ａを通過中に酸化装置４から次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤を酸化装置弁を通して被処理水に供給する。配管Ａの被処理水は、五方切換弁２を介して配管Ｂにより濾過タンク１に供給され、濾過処理が開始する。このとき装置内の圧力が高ければ、給水ポンプ（濾過・逆洗ポンプ７）を停止し、所定の圧力になるまで運転待機の状態を維持する。所定の圧力になったら給水ポンプ及び酸化装置内の酸化ポンプの運転を開始させる。所定時間になったら濾過処理は終了し、逆洗浄処理に移行する。
【００１５】
配管Ｂから供給される被処理水は、図８に示すように、散水ノズル１２から濾過層１１へ流れ、濾過されて処理水として集水ストレーナ１３を介して外部に供給される。濾過タンク１下部から導出する供給された処理水は、配管Ｃ、五方切換弁２、配管Ｄ、分岐弁の経路を通り、分岐弁から逆洗水槽５の繋がる配管Ｅ及び処理水取り出し口に繋がる配管Ｆに供給される。この様に、被処理水は、濾過されて処理水として処理水取り出し口から外部に供給される。この処理水は、濾過処理により鉄及びマンガンが除去される（例えば、鉄は０．３ｐｐｍ以下、マンガンは０．０５ｐｐｍ以下にすることができる）。この実施例の除去装置の濾過速度は、例えば、２０ｍ／時間である。
【００１６】
次に、図２及び図４を参照して逆洗浄処理の流れを説明する。
逆洗浄は、濾過処理後に行われ、物理的な濾過により蓄積している鉄分を濾過層から除去することを目的としている。まず、三方切換弁９を操作して逆洗水槽５の処理水を配管Ｇから配管Ａに供給する。このとき配管Ａの処理水には酸化剤を混入させない。配管Ａの処理水は、濾過・逆洗ポンプ７の運転により、五方切換弁２まで流され、五方切換弁２を操作して配管Ｃに流され、濾過タンク１に供給されて逆洗運転が開始される。すなわち、濾過タンク下部から集水ストレーナ及び濾過層を通って上部から配管Ｂに流れるようにして逆洗浄が所定時間行われる。配管Ｂに流れた処理水は、五方切換弁２の切換えにより配管Ｈを通って排水口から外部へ排出される。
本発明では、濾過タンクを１塔のみ用いるのでシステムの小型化がなされ、その結果逆洗浄に要する水量が少なくすることができる。
【００１７】
次に、図２及び図５を参照して濾過洗浄処理の流れを説明する。
濾過洗浄は、逆洗浄処理後に行われ、酸化剤を投入して濾過層に用いられているマンガン酸化物の賦活・再生を行うことを目的としている。まず、三方切換弁９を操作して井戸などから被処理水８を配管Ａに流し、濾過・逆洗ポンプ７を運転させて配管Ａの被処理水を送り出す。このとき配管Ａの被処理水には酸化装置弁を開いて酸化装置６から酸化剤を酸化ポンプにより混入させる。配管Ａの被処理水は、五方切換弁２を操作して配管Ｂに流し、濾過タンク１に供給されて濾過洗浄処理が開始する。すなわち、濾過タンク上部から濾過層及び集水ストレーナを通って下部から配管Ｃに流れるようにして濾過洗浄が所定時間行われる。配管Ｃに流れた処理水は、五方切換弁２の切換えにより配管Ｈを通って排水口から外部へ排出される。この実施例の除去装置の濾過洗浄速度は、例えば、２０ｍ／時間である。
【００１８】
次に、図６を参照して循環洗浄処理の流れを説明する。
循環洗浄は、例えば、濾過洗浄後、濾過を行い逆洗水槽に処理水が蓄えられた後に行われ、処理水のＰＨを１０以上にしてマンガン酸化物の賦活・再生を行うことを目的としている。まず、三方切換弁９を操作して逆洗水槽５の処理水を配管Ｇから配管Ａに供給する。このとき配管Ａの処理水には酸化装置弁を開いて酸化装置６から酸化剤を酸化ポンプにより混入させる。配管Ａの処理水は、濾過・逆洗ポンプ７の運転により、五方切換弁２まで流され、五方切換弁２を操作して配管Ｂに流され、濾過タンク１に供給されて循環洗浄運転が開始される。すなわち、濾過タンク上部から濾過層及び集水ストレーナを通って配管Ｃに流れるようにし、配管Ｃの処理水が五方切換弁２を操作して逆洗水槽４に供給される。この様にして、循環洗浄が所定時間行われる。
【００１９】
濾過材に使用しているマンガン酸化物は、その触媒機能が劣化してくる。触媒機能を賦活・再生させるためにはＰＨ１０以上の処理水の存在が必要である。そのため、このように、洗浄水として用いられる処理水に次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤を混入させてＰＨ１０以上に調整した賦活水とし、これを閉塞循環させてマンガン酸化物の賦活・再生を行う。
【００２０】
【発明の効果】
地下水及び伏流水等の被処理水から鉄及びマンガンを１塔の濾過タンクにより除去することにより、装置の小形化が達成されるので従来では設置出来なかった家庭や小規模事業所でも地下水を利用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄・マンガンの除去装置の概略システム図。
【図２】図１の除去装置を用いて鉄・マンガンを除去する流れを説明するフロー図。
【図３】図１の除去装置を用いた濾過の流れを説明する概略システム図。
【図４】図１の除去装置を用いた逆洗浄の流れを説明する概略システム図。
【図５】図１の除去装置を用いた濾過洗浄の流れを説明する概略システム図。
【図６】図１の除去装置を用いた循環洗浄の流れを説明する概略システム図。
【図７】図１の除去装置の概略図。
【図８】図１の除去装置に用いる本発明に係る濾過タンクの部分透視側面図。
【図９】従来の除去装置に用いられる濾過タンクの部分透視側面図。
【符号の説明】
１・・・濾過タンク、    ２・・・五方切換弁、    ３・・・調整弁、    ４・・・酸化装置、    ５・・・逆洗水槽、    ６・・・制御盤、    １０・・・鉄・マンガンの除去装置、    １１、１４・・・濾過層、    １２、１５・・・散水ノズル、    １３、１６・・・集水ストレーナ、    １７、１８・・・支持砂利層。
【図１】
0003593631.tif 000002
【図２】
0003593631.tif 000003
【図３】
0003593631.tif 000004
【図４】
0003593631.tif 000005
【図５】
0003593631.tif 000006
【図６】
0003593631.tif 000007
【図７】
0003593631.tif 000008
【図８】
0003593631.tif 000009
【図９】
0003593631.tif 000010