(57)【要約】      （修正有）【課題】液体廃棄物の最小の発生を伴う水から汚染物を除去するのに有用な後効率水処理に関する。【解決手段】アニオン性汚染物の除去用標準イオン交換プロセスにおいて、汚染された飲料水は圧力容器内で強塩基性アニオン交換樹脂と接触させられる。少なくとも２基の定置円筒状容器１，２，３を含む連続水処理系であり、そこでは各容器がイオン交換樹脂を含有し、各容器は各先端に平坦ヘッド１ｂ，２ｂ，３ｂ及びフラクタル液体ディストリビューター１ａ，２ａ，３ａを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二つの定置した円筒状容器を含む連続水処理系であって、ここで、各容器はイオン交換樹脂を含有し、それぞれの容器はそれぞれの先端に平坦なヘッド及びフラクタルな液体ディストリビューターを有する水処理系。
【請求項２】
該イオン交換樹脂が４００ミクロンから７００ミクロンの調和平均サイズを有するビーズからなり、及び調和平均サイズから５０ミクロンを超えない少なくとも９５％のビーズを有する請求項１に記載の水処理系。
【請求項３】
水が１０ｍ３／時から６０ｍ３／時の容器当たりの流速で処理される請求項２に記載の水処理系。
【請求項４】
それぞれがアニオン交換樹脂を含有する３又は４基の容器を有する請求項３に記載の水処理系。
【請求項５】
水が４０ｍ３／時から６０ｍ３／時の容器当たりの流速で処理される請求項４に記載の水処理系。
【請求項６】
支持体フレーム上に構築され、大きさが幅２．３０×高さ２．３７ｍ×長さ６．０８ｍ以下である請求項５に記載の水処理系。
【請求項７】
各容器の内径が１．１ｍから１．２５ｍである請求項６に記載の水処理系。
【請求項８】
各容器の高さが１．２ｍから１．３ｍである請求項７に記載の水処理系。
【請求項９】
該アニオン交換樹脂が強塩基性アニオン交換樹脂である請求項８に記載の水処理系。
【請求項１０】
該強塩基性イオン交換樹脂が硝酸塩を除去することができ、少なくとも９８％、好ましくは少なくとも９９％の、４００ミクロンから１０００ミクロンのサイズ範囲の粒子を有するマクロレティキュラーイオン交換樹脂である請求項９に記載の水処理系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体廃棄物の最小の発生を伴う水から汚染物を除去するのに有用な高効率水処理系に関する。アニオン性汚染物の除去用標準イオン交換プロセスにおいて、汚染された飲料水は圧力容器内で強塩基性アニオン交換樹脂と接触させられる。ブライン溶液は、「再生」プロセスの過程で樹脂から硝酸塩を除去するのに使用される。窒素‐積載ブライン処分用の現行の方法は、それを都市流出水処理施設に又は直接海洋に排出することである。ブライン廃棄物を最小にすることは、環境への塩化物排出を減少させ、また水処理コストを減少させるであろう。
【背景技術】
【０００２】
実質的に農業活動が存在する区域は、しばしば肥料及び家畜に由来する窒素による地下水の汚染に悩んでいる。硝酸塩を除去するのに有用な高効率水処理系への従前の試みは、ＰＣＴ特許出願ＷＯ０２／４８０４７号に開示されている。この文献に開示された系は、擬似移動床性能に近づかせるためにコンピューターアルゴリズムにより制御された多数の容器及びそれぞれの容器について多数のバルブを使用している。しかしながら、このプロセスは、多数のバルブ故に機械的破損を受けやすい。プロセス流れにおける小変動が積載速度及び再生時間を変化させ、従って系の定常状態運転を妨害するので、このプロセスは不安定である。更に、この文献は、従来のドーム型容器のみを開示する。
【０００３】
【特許文献１】ＰＣＴ特許出願ＷＯ０２／４８０４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明により検討される課題は、高流速において水から汚染物を除去するのに有用な信頼できる低廃棄物水処理系の必要性である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、少なくとも二つの定置した円筒状容器を含む連続水処理系を提供し、ここでそれぞれの容器はイオン交換樹脂を含有し、それぞれの容器はそれぞれの先端に平らなヘッド及びフラクタル（ｆｒａｃｔａｌ）な液体ディストリビューターを有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
「フラクタル液体ディストリビューター」は、おおよそ水力学的に同等である流路により液体を実質的に均等に分配するための装置である。この種の系は、例えば、米国特許第４，９９９，１０２号及び第５，３５４，４６０号；及びＭ．キールニーによる「工作されたフラクタルズでの流体力学の調節」；Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｃｏｍｍｕｎ．；第１７３巻、４３〜５２頁（１９９９）に開示されている。ディストリビューターは、処理される液体及び再生剤溶液と適合する任意の材料で構築される。好ましい材料としては、例えば、ＰＶＣ、ｃＰＶＣ及びポリプロピレンが挙げられる。好ましくは、フラクタル液体ディストリビューターは円筒状であり、円筒状容器の各先端に搭載されることができ、容器の断面を横切って実質的に均一分配で液体を容器に進入させ、容器から離れさせる。好ましくは、フラクタル液体ディストリビューターは、容器を流出する単一のフローチャネル及び容器に向かう複数のフローチャネルを有している。好ましくは、液体ディストリビューターは容器の外径と実質的に等しい直径を有しており、クランプにより容器に取り付けられている。本発明の別の態様では、マニホルドは、容器の内径と実質的に等しい直径を有し、容器内に座している。マニホルドにより提供される実施的にむらのないフローディストリビューションは、容器中の処理媒体に異なる組成物の液相間での鋭い分離を維持し、それにより高流速又はより小さな容器の使用を許容させることにより最大効率を達成させる。再生効率は、また、この配列により最大化され、再生溶液がそれを通して容器に入るマニホルドにより効率的に分配されることを確かにする。更に、再生剤が容器を通して供給流れと反対の方向に向けられ、容器がそれぞれの先端においてフラクタル液体ディストリビューターを有するとき、供給及び再生流れは効率的に分配され、収集される。
【０００７】
好ましくは、本発明の系に使用される円筒状の容器は、圧力容器であり、垂直形態で設定される。容器は定置されている、即ち、系が運転されるとき容器は所定の位置に固定されるが、オフラインにあるときは取り外され得る。容器及び関連配管及びバルブは、処理水及び再生剤溶液と適合する任意の材料で構築される。好ましい材料としては、例えば、ブチルゴムで裏打ちされた鋼材及びステンレスチールが挙げられる。好ましくは、処理媒体が水で膨潤するとき、処理媒体は実質的に容器の内部を満たす。容器は平坦なヘッド及び底部を有し、曲がったヘッド及び底部を有する容器と比較して容器の高さが減少される。好ましくは、容器の内径は０．６ｍから１．５ｍである。好ましくは、容器の内径は少なくとも０．７５ｍ、より好ましくは少なくとも０．９ｍである。好ましくは内径は１．２５ｍを超えない。本発明の一つの好ましい態様においては、容器の内径は１．１ｍから１．２５ｍである。容器の高さは、好ましくは少なくとも０．６ｍ、より好ましくは少なくとも０．９ｍ及び最も好ましくは少なくとも１．１ｍである。好ましくは、容器の高さは、１．３ｍを超えない。本発明の好ましい態様においては、容器の高さは１．２ｍから１．３ｍである。
【０００８】
好ましくは、容器はアニオン交換樹脂を含有する。本発明の好ましい態様においては、強塩基イオン交換樹脂が水からの複合アニオン汚染物を除去するのに使用される。斯かる汚染物の例としては、硝酸塩、過塩素酸塩、砒酸塩が挙げられる。他の好ましい態様においては、弱塩基性イオン交換樹脂は、クロム酸塩及び二クロム酸塩を除去するのに使用される。強塩基性アニオン交換樹脂は、スチレン‐ジビニルベンゼン又はポリアクリルコポリマーのような不溶性ポリマーに結合した不揮発性４級アンモニウム官能部位を含有する。この種の材料の例としては、アンバーライト（Ａｍｂｅｒｌｉｔｅ、商標）ＩＲＡ４００、アンバーライトＩＲＡ４１０、アンバーライトＩＲＡ４５８又はイマック（Ｉｍａｃ、商標）ＨＰ５５５が挙げられる。弱塩基性アニオン交換樹脂は、スチレン‐ジビニルベンゼン、ポリアクリル、及びフェノール‐ホルムアルデヒドコポリマーのような不溶性ポリマーマトリックスに結合された第二級又は第三級アミンを含有する。弱塩基性アニオン交換樹脂の例としては、アンバーライトＩＲＡ９６、アンバーライトＩＲＡ６７及びデュオライト（Ｄｕｏｌｉｔｅ、商標）Ａ７が挙げられる。
【０００９】
本発明における平坦なヘッド及びフラクタル液体ディストリビューターを有する容器の使用は、プロセス及び再生剤流れ、再生剤及びすすぎ流れ、並びにすすぎ及びプロセス流れ間の鋭い「波頭（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）」を生み出すことにより廃棄物量を最小にする。伝統的な容器においては、流れの間に混合が存在し、いくぶんかのプロセス流れ又はすすぎ流れが再生剤と混合され廃棄物として処分されなければならず、それにより総廃棄物量を増加させることとなる。本発明の容器について平坦なヘッドの使用は、典型的に伝統的なドーム型ヘッドを有する容器に起きるようなヘッド空間の流れ間の混合を取り除くことができる。フラクタル液体ディストリビューターは、プロセス及び再生剤流れ双方を均等に分配し、収集し、それにより容器中でプラグフローに近づけ、流れ間に鋭い分離を与える。
【００１０】
本発明の好ましい態様においては、水処理系はアニオン交換樹脂を含有する２から５基の容器を含む。典型的には、一対の容器は、１以上の容器の同時再生を条件として、水を処理するのに並列で使用される。好ましくは、水処理系は３又は４基の容器を含む。一つの好ましい態様においては、イオン交換系は３基の容器を含有する；この態様においては、第三の容器が再生されながら、水を処理するのに２基の容器が並列で使用される。本発明の好ましい態様において、３基の容器及び関連した配管を含むイオン交換系は支持フレーム（「スキッド」）上に構築され、幅２．３０ｍ×高さ２．３７ｍ×長さ６．０８ｍを超えない大きさである。これらの寸法は、各パーツを標準海上輸送コンテナ内に適合させる。好ましくは、各容器は容器へ流れを分配し、容器からの流れを収集するために配管から構築される二つのマニホルド（ヘッダー）を有し、容器への流れ及び容器からの流れを調節する二つのバルブと一緒にそれぞれの端に取り付けられる。
【００１１】
系が水から硝酸塩を除去するために使用される好ましい態様において、イオン交換系は少なくとも９８％、好ましくは少なくとも９９％の４００ミクロンから１０００ミクロンのサイズ範囲の粒子を有する商業的に入手可能なマクロレティキュラーイオン交換樹脂を含有する。系が水から過塩素酸塩又は砒酸塩イオンを除去するために使用される他の好ましい態様において、ビーズは４００ミクロンから７００ミクロン、より好ましくは５００ミクロンから６５０ミクロン及び最も好ましくは６００から６５０ミクロンの調和平均サイズを有する商業的に入手可能な均一粒径樹脂である。好ましくは少なくとも９５％のビーズが平均の５０ミクロン以内にある。最も好ましくは、少なくとも９５％のビーズは５８０ミクロンから６８０ミクロンのサイズ範囲である。均一粒径樹脂は知られており、スクリーニング、拡張及びジェッティングを含む種々の方法で製造される。例えば、米国特許第３，９２２，２５５号は、調節可能な均一サイズのビーズを生産するための方法を開示する。
【００１２】
好ましい粒径範囲における樹脂ビーズのむらのないフロー分配及び使用は、より高い流速を与える。好ましくは、水は容器当たり１０ｍ３／時から６０ｍ３／時、より好ましくは容器当たり少なくとも２０ｍ３／時、より好ましくは容器当たり少なくとも３０ｍ３／時、及び最も好ましくは容器当たり少なくとも４０ｍ３／時の流速で処理される。本発明の好ましい態様においては、水は容器当たり４０ｍ３／時から６０ｍ３／時の流速で処理される。本発明の他の好ましい態様においては、水は容器当たり３０ｍ３／時から４０ｍ３／時の流速で処理される。本発明の他の好ましい態様においては、水は容器当たり２０ｍ３／時から３０ｍ３／時の流速で処理される。好ましくは、より小さなフロー範囲は、ここで記載されたより小さな容器サイズに相当する。
【００１３】
本発明の系は、使用されていない任意の容器又は複数容器において再生を行いつつ連続的に運転するよう設計される。３基の容器が存在する好ましい態様においては、第三のものが再生される一方で、二基が使用される。イオン交換樹脂の再生は、当業者により理解されるように、再生剤濃度、容量及び樹脂との接触時間に依存して多様な流速において遂行され得る。好ましくは、イオン交換樹脂の再生は、時間当たり２から８の床容量（ＢＶ／時）の流速で遂行される。１０％から２０％の水性塩化ナトリウムについてのアニオン交換樹脂の再生は、２から８の床容量（ＢＶ／時）、最も好ましくは約４ＢＶ／時である。好ましくは、供給フローは底部において容器に入り、一方で再生剤及び排水すすぎフローは上端から入り、供給及び再生剤フロー双方を均等に分配し、収集するために容器は底部においてフラクタル液体ディストリビューターを有し、上端にもう一つを有する。好ましくは、再生時間は、容器を再生させ、迅速に供給に戻されるためにサービスタイムより少ない。
【００１４】
好ましくは、１床容量の再生剤溶液が望ましい質量の再生剤を樹脂に導入するために使用される。好ましくは、再生剤溶液は、１０％から２０％塩化ナトリウムの水溶液である（ブライン）である。ブライン溶液は、ブライン製造槽から飽和塩化ナトリウム水溶液をくみ出し、それを水又は回収されたブラインを含有する希釈ブライン槽からの希釈塩化ナトリウムのいずれかで希釈することにより生産される。再生の後、ブライン溶液は１床容量の置換すすぎ水で廃棄のため容器から排水されて置換される。最初の置換容量のすすぎ水は、引き続いて第二床容量の置換すすぎ水で廃棄のため置換される。第二床容量の置換すすぎ水は、この量が回収されるように第三床容量のすすぎ水で希釈ブライン槽に置換排水される。その次の量のすすぎ水は与えられた容器のいずれかの次の再生に使用されるためすすぎリサイクル槽に排水される。この方法においては、２床容量の廃棄物のみが生み出される。最も好ましくは、第一容量の置換すすぎ水は第二容量の置換すすぎ水により希釈ブライン槽に置換排水され、引き続きのすすぎ容量はその後の再生のため使用されるためすすぎリサイクル槽に置換排水される。この方法においては、１床容量の廃棄物が生まれる。このことは、容器上のフラクタル液体ディストリビューター及び平坦なヘッドを使用することにより達成される再生剤及びすすぎの間の鋭い分離なしでは可能とはならないだろう。
【００１５】
図１に関して、それは処理系が３基の容器を有する好ましい態様を図示しているが、フィード水はライン１０を通して入り、適当なバルブ位置により供給用の２基の容器の底部入り口に向かう、即ち、１、２及び３の二基は、それぞれの場合において平坦容器先端１ｂ、２ｂ又は３ｂ、フラクタル液体ディストリビューター１ａ、２ａ又は３ａ及びそれから容器中の樹脂床を通して流れ、他のフラクタル液体ディストリビューターを通して容器の上端を出て、それからライン２０を通して処理水として送られる。
【００１６】
供給用でない容器の同時再生は、ブライン製造槽４からの飽和塩化ナトリウム水溶液とポンプ７及びライン８０及び３０を経由してライン１０からの水又は希釈ブライン槽５からの希釈ブラインとを混ぜ合わせることにより生産されるブラインにより達成される。このブラインは、ライン３０を通して再生される容器上端に送られる、そこではフラクタル液体ディストリビューター及びそれから容器中の樹脂床を通して流れ、その後、他のフラクタル液体ディストリビューターを通して容器の底部を出て、それからライン４０通過しそこからライン５０を通して廃棄へと向かい又はライン６０を通して希釈ブライン槽へと向かう。再生の後で、容器は水、ポンプ７及びライン８０及び３０を経由してライン１０からの原水又はポンプ７及びライン８０及び３０を経由してすすぎリサイクル槽６からの水のいずれかですすがれる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、３個の容器を有する本発明の好ましい態様を図示する略図によるフローダイヤグラムである。
【符号の説明】
【００１８】
１    容器
２    容器
３    容器
４    ブライン製造槽
５    希釈ブライン槽
６    すすぎリサイクル槽
７    ポンプ
１ａ  フラクタル液体ディストリビューター
２ａ  フラクタル液体ディストリビューター
３ａ  フラクタル液体ディストリビューター
１ｂ  平坦容器先端
２ｂ  平坦容器先端
３ｂ  平坦容器先端
１０  ライン
２０  ライン
３０  ライン
４０  ライン
５０  ライン
６０  ライン
８０  ライン
【図１】
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【外国語明細書】
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