(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の地下水を地中から汲上げるための取水経路と、
前記取水経路に直結された、前記取水経路からの前記地下水を陽イオン交換体により処理することで処理水を得るための陽イオン交換装置と、
前記陽イオン交換装置からの前記処理水を送水するための送水経路と、
前記送水経路に設けられた、前記処理水へ次亜塩素酸イオンを供給するための供給装置と、
前記送水経路において前記供給装置の下流側に設けられた、前記処理水の次亜塩素酸イオン濃度を測定するための測定装置と、
前記陽イオン交換体を再生するための再生装置と、
前記測定装置での測定結果が予め設定した基準値未満に低下したときに前記再生装置を作動させる制御装置と、
を備えた地下水の浄化装置。
【請求項２】
地中から汲上げた、アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の地下水を陽イオン交換体により処理することで処理水を得る工程と、
前記陽イオン交換体からの前記処理水を送水するための送水経路において、前記処理水へ次亜塩素酸イオンを供給する工程と、
次亜塩素酸イオンが供給された前記処理水の一部を前記送水経路から採取し、その次亜塩素酸イオン濃度を測定する工程と、
前記次亜塩素酸イオン濃度が予め設定した基準値未満に低下したときに前記陽イオン交換体を再生する工程と、
を含む地下水の浄化方法。
【請求項３】
アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の水を陽イオン交換体により処理することで処理水を得、前記陽イオン交換体からの前記処理水を送水するための送水経路において前記処理水に次亜塩素酸イオンを供給することで浄化水を調製する場合において、前記陽イオン交換体の破過を検知するための方法であって、
次亜塩素酸イオンが供給された前記処理水の一部を前記送水経路から採取し、その次亜塩素酸イオン濃度を測定する工程と、
前記次亜塩素酸イオン濃度が予め設定した基準値未満に低下したか否かを判定する工程と、
を含む陽イオン交換体の破過検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の浄化装置、特に、地下水の浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下水は、アンモニア性窒素（アンモニウムイオン）、微生物などの有機物、鉄およびマンガンを含むことから、飲用水として用いるときにこれらの含有成分を除去するための浄化処理がなされている。なお、地中から汲上げた地下水は、通常、無酸素状態の還元性雰囲気にあることから、それに含まれる鉄およびマンガンは、いずれも２価のイオン（Ｆｅ２＋およびＭｎ２＋）の状態で溶解している。
【０００３】
一般的な地下水の浄化処理では、例えば、特許文献１に記載のように、地中から汲上げた地下水に対して次亜塩素酸ナトリウム水溶液を注入することで次亜塩素酸イオンを供給した後、この地下水を除鉄・除マンガン装置で処理する。ここで用いられる一般的な除鉄・除マンガン装置は、アンスラサイトおよびマンガン砂（水和二酸化マンガンを担持した触媒砂）をろ材として用いたろ過装置である。
【０００４】
この浄化処理において、地下水は、供給された次亜塩素酸イオンにより有機物が酸化され、殺菌される。また、地下水に含まれるアンモニア性窒素は、供給された次亜塩素酸イオンにより同じく酸化されることで窒素に変換されて揮発し、地下水から除去される。さらに、地下水に含まれる鉄およびマンガンのそれぞれの２価イオンは、供給された次亜塩素酸イオンにより酸化されることで３価のイオンになり、水酸化物として地下水中に析出することから、除鉄・除マンガン装置でのろ過により地下水から除去される。
【０００５】
この浄化処理では、次亜塩素酸イオンが殺菌、アンモニア性窒素の酸化並びに鉄およびマンガンの酸化を同時に負担することになるため、汲上げた地下水に対して多量の次亜塩素酸イオンを供給する必要がある。特に、次亜塩素酸イオンは、アンモニア性窒素との反応で消費されやすいことから、殺菌並びに鉄およびマンガンの酸化を円滑に進めるためには、このような事情を考慮して次亜塩素酸イオンの供給量を多く設定する必要がある。ところが、地下水にフミン質などの難分解性有機物が含まれると、次亜塩素酸イオンの供給量が多くなるに従ってトリハロメタン等の有害物を副生するため、このような副生成物を除去するための工程が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９５８１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、次亜塩素酸イオンの供給量を抑えて地下水を浄化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、地下水の浄化装置に関するものであり、この装置は、アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の地下水を地中から汲上げるための取水経路と、取水経路に直結された、取水経路からの地下水を陽イオン交換体により処理することで処理水を得るための陽イオン交換装置と、陽イオン交換装置からの処理水を送水するための送水経路と、送水経路に設けられた、処理水へ次亜塩素酸イオンを供給するための供給装置と、送水経路において供給装置の下流側に設けられた、処理水の次亜塩素酸イオン濃度を測定するための測定装置と、陽イオン交換体を再生するための再生装置と、測定装置での測定結果が予め設定した基準値未満に低下したときに再生装置を作動させる制御装置とを備えている。
【０００９】
他の観点に係る本発明は、地下水の浄化方法に関するものであり、この方法は、地中から汲上げた、アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の地下水を陽イオン交換体により処理することで処理水を得る工程と、陽イオン交換体からの処理水を送水するための送水経路において、処理水へ次亜塩素酸イオンを供給する工程と、次亜塩素酸イオンが供給された処理水の一部を送水経路から採取し、その次亜塩素酸イオン濃度を測定する工程と、次亜塩素酸イオン濃度が予め設定した基準値未満に低下したときに陽イオン交換体を再生する工程とを含む。
【００１０】
さらに他の観点に係る本発明は、アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の水を陽イオン交換体により処理することで処理水を得、陽イオン交換体からの処理水を送水するための送水経路において処理水に次亜塩素酸イオンを供給することで浄化水を調製する場合において、陽イオン交換体の破過を検知するための方法に関するものであり、この検知方法は、次亜塩素酸イオンが供給された処理水の一部を送水経路から採取し、その次亜塩素酸イオン濃度を測定する工程と、次亜塩素酸イオン濃度が予め設定した基準値未満に低下したか否かを判定する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る地下水の浄化装置および浄化方法は、還元性雰囲気の地下水を陽イオン交換体により処理した後に次亜塩素酸イオンを供給しているため、次亜塩素酸イオンの供給量を抑えることができ、結果的にトリハロメタン等の有害物の生成を抑えながら地下水を浄化することができる。
【００１２】
本発明に係る陽イオン交換体の破過検知方法は、陽イオン交換体での処理により得られた処理水の次亜塩素酸イオン濃度に着目しているため、陽イオン交換体の破過を容易に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の一形態に係る浄化装置の概略図。
【図２】前記浄化装置の動作フローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照して、本発明の実施の一形態に係る地下水の浄化装置を説明する。この浄化装置により浄化される地下水は、アンモニア性窒素（アンモニウムイオン）、微生物などの有機物、鉄およびマンガンを含むもの、特に、無酸素状態の還元性雰囲気にあることで鉄およびマンガンをそれぞれ２価の鉄イオンおよび２価のマンガンイオンとして含むものである。
【００１５】
図１において、浄化装置１は、取水経路１０、陽イオン交換装置２０、送水経路３０、再生装置４０、薬剤供給装置５０、測定装置６０および制御装置７０を主に備えている。
【００１６】
取水経路１０は、地下水を汲上げるためのポンプ１１を有しており、一端が井戸や地中の帯水層などの水源に延びている。
【００１７】
陽イオン交換装置２０は、それぞれ陽イオン交換体を充填した第１ユニット２１および第２ユニット２２の２つのユニットを有している。取水経路１０は、陽イオン交換装置２０内において、第１切換弁２３を通じて第１経路１０ａおよび第２経路１０ｂの２つの経路に分岐している。第１経路１０ａは第１ユニット２１に対して直結している。また、第２経路１０ｂは、第２ユニット２２に対して直結している。第１切換弁２３の詳細については後記する。
【００１８】
上述のように、取水経路１０は、第１経路１０ａおよび第２経路１０ｂを通じてそれぞれ第１ユニット２１および第２ユニット２２に対して直結しているため、取水経路１０により汲上げられた地下水は、第１ユニット２１および第２ユニット２２へ供給されるまで無酸素状態の還元性雰囲気に維持され得る。
【００１９】
第１ユニット２１および第２ユニット２２のそれぞれに充填された陽イオン交換体は、Ｎａ型、Ｋ型若しくはＨ型の強酸性陽イオン交換体またはＮａ型、Ｋ型若しくはＨ型の弱酸性陽イオン交換体であり、通常は粒状や繊維状の樹脂製である。ここで、地下水に含まれる硬度成分（カルシウムイオンおよびマグネシウムイオン）を浄化時に併せて除去するときは、強酸性陽イオン交換体、特に、Ｎａ型またはＫ型の強酸性陽イオン交換体を用いるのが好ましい。
【００２０】
送水経路３０は、陽イオン交換装置２０からの処理水を送水するためのものであり、処理水を一時的に貯留するための貯水槽（図示省略）や水道経路（図示省略）などに末端が連絡している主経路３１を有し、この主経路３１は、陽イオン交換装置２０内において第１送水路３２と第２送水路３３の２つの経路に分岐している。第１送水路３２は、第１ユニット２１の出口側に連絡しており、第２切換弁３２ａを有している。第２切換弁３２ａは、第１ドレン経路３４が連絡しており、第１ユニット２１からの処理水の流路を主経路３１および第１ドレン経路３４のいずれか一方に切替えるためのものである。第２送水路３３は、第２ユニット２２の出口側に連絡しており、第３切換弁３３ａを有している。第３切換弁３３ａは、第２ドレン経路３５が連絡しており、第２ユニット２２からの処理水の流路を主経路３１および第２ドレン経路３５のいずれか一方に切替えるためのものである。なお、第１ドレン経路３４と第２ドレン経路３５とは合流し、単一の廃棄経路３６を形成している。
【００２１】
再生装置４０は、陽イオン交換装置２０の第１ユニット２１または第２ユニット２２に充填された陽イオン交換体のイオン交換能を再生するためのものであり、供給部４１と、供給経路４２とを有している。供給部４１は、陽イオン交換体を再生するための再生剤溶液を供給経路４２を通じて第１ユニット２１または第２ユニット２２へ供給するためのものである。ここで用いられる再生剤溶液は、陽イオン交換体の種類に応じて選択されるものである。Ｎａ型陽イオン交換体を用いる場合は、例えば塩化ナトリウム水溶液が用いられる。また、Ｋ型陽イオン交換体を用いる場合は、例えば塩化カリウム水溶液が用いられる。さらに、Ｈ型陽イオン交換体を用いる場合は、例えば塩酸水溶液が用いられる。
【００２２】
供給経路４２は、第１切換弁２３に連絡している。第１切換弁２３は、４方弁であり、次の２形態のいずれかに流路を設定することができる。
＜第１形態＞
取水経路１０と第１経路１０ａとを連絡し、かつ、供給経路４２と第２経路１０ｂとを連絡する。
＜第２形態＞
取水経路１０と第２経路１０ｂとを連絡し、かつ、供給経路４２と第１経路１０ａとを連絡する。
【００２３】
薬剤供給装置５０は、陽イオン交換装置２０からの処理水に対して次亜塩素酸イオンを供給するためのものであり、より具体的には、処理水に対して次亜塩素酸ナトリウムや次亜塩素酸カリウム等の次亜塩素酸塩または次亜塩素酸の水溶液（以下、「薬剤水溶液」という場合がある）を供給するためのものである。この薬剤供給装置５０は、送水経路３０に連絡しており、処理水に対する薬剤水溶液の供給量を制御できるよう設定されている。
【００２４】
測定装置６０は、送水経路３０において、薬剤供給装置５０の下流側に配置されており、薬剤供給装置５０から薬剤水溶液が供給された処理水における次亜塩素酸イオン濃度を測定するためのものである。より具体的には、測定装置６０は、送水経路３０から処理水の一部を採取し、処理水における次亜塩素酸イオン濃度を塩素濃度として測定するためのものであり、採取した処理水に呈色試薬を添加して反応させ、この反応による処理水の発色強度を測定することで処理水の塩素濃度、すなわち次亜塩素酸イオン濃度を測定するものである。このような測定装置は、例えば、特開２００７−９３３９８号公報等に記載されたものであり、既に知られたものである。
【００２５】
制御装置７０は、浄化装置１の動作プログラムを記憶した電子情報処理組織であり、情報の入出力部を備えている。入出力部の入力側は、浄化装置１の動作に必要な情報を入力するためのものであり、動作指令等を入力するための入力盤や測定装置５０の測定情報出力部が連絡している。また、入出力部の出力側は、ポンプ１１、第１切換弁２３、第２切換弁３２ａ、第３切換弁３３ａ、再生装置４０、薬剤供給装置５０および測定装置６０等へ所要の動作指令を出力するためのものである。
【００２６】
次に、図２の動作フローチャートに基づいて浄化装置１の動作を説明する。
操作者が浄化装置１の電源スイッチをＯＮにすると、動作プログラムは、ステップＳ１において初期動作を実行する。この初期動作では、第１切換弁２３を第１形態に設定し、第２切換弁３２ａを第１送水路３２と主経路３１とが連絡するよう設定し、また、第３切換弁３３ａを第２送水路３３と第２ドレン経路３５とが連絡するよう設定する。
【００２７】
ステップＳ１の完了後、動作プログラムはステップＳ２へ移行し、操作者が入力盤から作動スイッチをＯＮにしたか否かを判断する。操作者が作動スイッチをＯＮにすると、動作プログラムはステップＳ３へ移行し、地下水の浄化動作を開始する。ここでは、ポンプ１１を作動し、取水経路１０により地下水の汲上げを開始する。汲上げられた地下水は、第１経路１０ａを通じて第１ユニット２１へ供給され、陽イオン交換体により処理される。ここで、取水経路１０は、第１経路１０ａを通じて第１ユニット２１に直結しているため、汲上げられた地下水は、還元性雰囲気を維持した状態で第１ユニット２１へ供給されることになり、そこに含まれるアンモニア性窒素（アンモニウムイオン）並びに２価の鉄イオンおよび２価のマンガンイオンの各イオンが陽イオン交換体とのイオン交換により除去される。また、陽イオン交換体として強酸性陽イオン交換体を用いている場合、地下水に含まれる硬度成分は、陽イオン交換体とのイオン交換により併せて除去される。
【００２８】
第１ユニット２１において各イオンの除去処理がされた地下水、すなわち処理水は、第１送水路３２から主経路３１へ流れ、薬剤供給装置５０から薬剤水溶液が連続的に供給される。これにより、処理水は、次亜塩素酸イオン濃度が高まり、残留している有機物が酸化されることで殺菌される。この際、処理水は、陽イオン交換装置２０においてアンモニア性窒素並びに鉄イオンおよびマグネシウムイオンが除去されているため、有機物の酸化または殺菌のために必要な量の薬剤水溶液を添加すれば足りるため、トリハロメタン等の有害物が生成しにくい。したがって、薬剤水溶液の供給により殺菌された処理水は、安全な浄化水として、主経路３１を通じて送水されることになる。
【００２９】
ここで、薬剤水溶液の供給量は、処理水における次亜塩素酸イオン濃度が処理水の殺菌処理のために必要な濃度を十分に上回り、かつ、飲料水での規制値を下回る範囲での一定の濃度（以下、「目標濃度」という場合がある。）になるよう、処理水の単位流量に対して一定流量になるよう設定する。そして、この濃度は、測定装置６０により測定される。
【００３０】
このような浄化動作中、動作プログラムは、ステップＳ４において操作者が作動スイッチをＯＦＦにしたか否かを判断する。操作者が作動スイッチをＯＦＦにしたとき、動作プログラムは、ステップＳ５へ移行し、ポンプ１１、薬剤供給装置５０および測定装置６０を停止する等の停止動作を実行した後に終了する。
【００３１】
一方、操作者が作動スイッチをＯＦＦに操作しない限り、動作プログラムは、浄化動作を継続し、ステップＳ６において、測定装置６０により測定される処理水の次亜塩素酸イオン濃度が基準値未満に低下したか否かを判断する。ここで、基準値は、目標濃度よりも低い濃度範囲において任意に設定した濃度であり、通常、処理水における次亜塩素酸イオン濃度が処理水の殺菌処理のために必要な最低濃度の前後の狭い濃度帯の範囲で任意に設定するのが好ましい。
【００３２】
第１ユニット２１は、地下水を連続的に処理することで陽イオン交換体のイオン交換能が低下し、除去すべきイオンが第１ユニット２１で捕捉されずに通過する破過が生じる。ここで、陽イオン交換体のイオン交換能の低下により最初に破過するイオン種は、アンモニア性窒素であり、このアンモニア性窒素は処理水に漏出すると薬剤供給装置５０から供給される薬剤水溶液による次亜塩素酸イオンと反応することで窒素に変換される。この際、アンモニア性窒素は、多量の次亜塩素酸イオンを消費する（通常、１ｍｇＮＨ４−Ｎ／Ｌのアンモニア性窒素に対し、７ｍｇＣｌ２／Ｌ相当の次亜塩素酸イオンが消費される）ため、アンモニア性窒素の破過が生じると処理水における次亜塩素酸イオン濃度が目標濃度から速やかに低下し始める。
【００３３】
そこで、動作プログラムは、ステップＳ６において次亜塩素酸イオン濃度が基準値未満に低下したと判断したときは、ステップＳ７へ移行し、第１ユニット２１の陽イオン交換体の再生動作を実行する。ここでは、先ず、第１切換弁２３を第２形態に切換え、また、第３切換弁３３ａを第２送水路３３と主経路３１とが連絡するよう切換えるとともに、第２切換弁３２ａを第１送水路３２と第１ドレン経路３４とが連絡するよう切換える。これにより、取水経路１０からの地下水は、第２経路１０ｂを通じて第２ユニット２２へ供給され、その陽イオン交換体によるイオン交換により含有しているイオンが除去されて主経路３１へ流れる。このため、浄化装置１においては、第１ユニット２１の陽イオン交換体の再生動作中においても、地下水の浄化を継続することができる。
【００３４】
また、再生動作においては、再生装置４０を作動し、供給部４１から供給経路４２を通じて第１ユニット２１へ再生剤溶液を供給する。供給された再生剤溶液は、第１ユニット２１の陽イオン交換体に捕捉されたイオンを除去することで陽イオン交換体を再生し、除去したイオンを含む廃液として第１ドレン経路３４から廃棄経路３６に流れて廃棄される。なお、再生装置４０は、タイマー制御や流量制御により規定量の再生剤溶液を供給した後に、陽イオン交換体のリンスなどを経てから自動停止するよう設定するのが好ましい。
【００３５】
動作プログラムは、ステップＳ７において再生動作の実行後、ステップＳ４に戻り、操作者が作動スイッチをＯＦＦにしたか否かを判断する。そして、操作者が作動スイッチをＯＦＦに操作しない限り、動作プログラムは、第２ユニット２２を用いた浄化動作を継続し、ステップＳ６以下を繰り返す。この場合、ステップＳ７の再生動作においては、第１切換弁２３、第２切換弁３２ａおよび第３切換弁３３ａを所要の形態に切換え、再生された第１ユニット２１により地下水の浄化を継続するとともに、第２ユニット２２の陽イオン交換体を再生する。
【００３６】
以上のように、浄化装置１は、地下水に含まれるアンモニア性窒素等のイオンを陽イオン交換体でのイオン交換により除去しているため、殺菌のために地下水へ供給する次亜塩素酸イオン量、すなわち、薬剤水溶液量を抑えることができ、経済的に運転することができる。また、地下水の処理のために用いる第１ユニット２１または第２ユニットにおける陽イオン交換体の破過を殺菌のために供給した次亜塩素酸イオンの濃度に基づいて速やかに検知することができ、また、破過を検知したときは使用していたユニットを別のユニットに変更するとともに使用していたユニットの陽イオン交換体を再生するため、地下水を連続的かつ安定的に浄化することができる。
【００３７】
なお、浄化装置１により得られる処理水（浄化水）は、必要によりｐＨ調整をすることができる。例えば、Ｈ型の陽イオン交換体を用いた場合、得られる処理水（浄化水）は弱酸性になるため、処理水（浄化水）の用途により必要な場合はｐＨ調整するのが好ましい。
【００３８】
この実施の形態では、陽イオン交換装置２０において第１ユニット２１および第２ユニット２２の２つのユニットを設け、これらのユニットを交互に再生しながら地下水を連続的に浄化しているが、陽イオン交換装置２０において単一のユニットを設け、当該ユニットの再生中は地下水の浄化を一時的に中断するように変更することもできる。
【００３９】
また、この実施の形態において、次亜塩素酸イオンが供給された処理水は、貯水槽や水道経路へ供給される前に、膜分離装置や沈降装置等により処理することで残留する不純物をさらに除去することもできる。
【００４０】
さらに、この実施の形態における陽イオン交換体の破過検知の工程は、アンモニア性窒素、鉄イオンおよびマンガンイオンを含む還元性雰囲気の水であって地下水以外のものを陽イオン交換体により処理し、その処理水へ次亜塩素酸イオンを供給することで浄化水を調製する場合においても同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  浄化装置
１０  取水経路
２０  陽イオン交換装置
３０  送水経路
４０  再生装置
５０  薬剤供給装置
６０  測定装置
７０  制御装置
【図１】
0005849444.tif 000002
【図２】
0005849444.tif 000003