(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強型イオン交換樹脂及び弱型イオン交換樹脂を充填した樹脂塔に下降流通水・上昇流通薬を行う向流再生式イオン交換装置において、樹脂塔の上部と下部に一対の集水装置を設け、下部集水装置の上部には順次下から上に向って、強型イオン交換樹脂を充填した充填部、該イオン交換樹脂層高の２〜１５％のフリーボードを介して強型イオン交換樹脂より大粒径で且つ、強型イオン交換樹脂を保持できる大きさで比重が１より小さい不活性樹脂を充填した充填部、塔中間部に水は通すがイオン交換樹脂は通さない中間隔壁、弱型イオン交換樹脂を充填した充填部、該イオン交換樹脂層高の２〜１５％のフリーボードを介して弱型イオン交換樹脂より大粒径で且つ、弱型イオン交換樹脂を保持できる大きさで比重が１より小さい不活性樹脂を充填した充填部が配備され、その上部に上部集水装置が配され、前記下部集水装置には処理水流出弁、逆洗水流入弁、再生剤流入弁及び洗浄弁を有する集配水管が接続され、また上部集水装置には原水流入弁及び再生排水流出弁を有する集配水管が接続されていることを特徴とする向流再生式イオン交換装置。
【請求項２】
前記強型イオン交換樹脂は、弱型イオン交換樹脂の粒径とほぼ同等か、それより小さいものを使用することを特徴とする請求項１記載の向流再生式イオン交換装置。
【請求項３】
前記請求項１又は２記載の向流再生式イオン交換装置の再生方法において、下記（ａ）〜（ｅ）の工程を順次行い樹脂を再生することを特徴とする向流再生式イオン交換装置の再生方法。
（ａ）下部集水装置からの高流速逆洗により強・弱型イオン交換樹脂の大部分を不活性樹脂層に押しつけ、通水時に蓄積した懸濁物質を不活性樹脂層を経由して上部集水装置から排出除去すると共に、強・弱型イオン交換樹脂の固定床を形成する工程、
（ｂ）高流速逆洗に引き続き、高流速逆洗より低速で且つ、上記（ａ）工程で形成された固定床を維持するに必要な流速で再生剤を下部集水装置から通薬する工程、
（ｃ）通薬に引き続き、通薬工程（ｂ）とほぼ同じ流速で下部集水装置から処理水を通水し、残留する再生剤を押出す押出工程、
（ｄ）押出終了後、通水を停止し、再生された樹脂を自由に落下させる沈整工程、
（ｅ）上部集水装置から下降流で通水して樹脂を洗浄する洗浄工程。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン交換装置に係わり、特に強型イオン交換樹脂、及び弱型イオン交換樹脂を一塔の樹脂塔内に充填し、下降流通水・上昇流通薬を行う向流再生式イオン交換装置とその再生方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
強・弱型イオン交換樹脂を一塔内に充填し、通水を弱→強型イオン交換樹脂、再生を強→弱型イオン交換樹脂で行う向流再生式イオン交換装置は再生効率が高く、近年採用例が多い。しかし、向流再生式の特長を発揮するには強・弱型イオン交換樹脂を２層に分離・維持する必要がある。強・弱型イオン交換樹脂が混合すると処理水質不良、採水量不足等のトラブルが発生する。一方、向流再生では通水時、及び通薬時にイオン交換樹脂層を固定床に維持する必要も有する。特に、処理水水質を左右する強型イオン交換樹脂を如何に固定床に維持するかが開発の重要なポイントとなる。
【０００３】
向流再生式イオン交換装置は下降流通水・上昇流通薬を行うものと、上昇流通水・下降流通薬を行うものに大別される。弱型イオン交換樹脂と強型イオン交換樹脂とでは、弱型イオン交換樹脂の方が比重が小さい。上昇流通水・下降流再生を行うには比重が小さい弱型イオン交換樹脂を樹脂塔下部に充填するため樹脂塔内部に物理的な仕切（中間隔壁）を設けなくては強・弱型イオン交換樹脂を２層に分離・維持できないのに対し、下降流通水・上昇流通薬では中間隔壁が無くても樹脂の比重差により２層に分離・維持できる特長がある。しかし強・弱型イオン交換樹脂の比重差は常に完全な分離が可能となるほど十分なものではない。両樹脂とも通水により負荷形となった場合、あるいは弱型アニオン交換樹脂が有機物を吸着して重くなった場合等では比重差がなくなり、分離不能となる。中間隔壁が無い装置ではトラブル発生の危険性を内在している。
【０００４】
従来の下降流通水・上昇流通薬を行う向流再生式イオン交換装置は、中間隔壁が無くても樹脂の比重差により２層に分離・維持できるというこの方式の特長を生かすため、主として中間隔壁無しで強・弱型イオン交換樹脂を２層に分離・維持する方向での改善がなされてきた。具体的な方法としては、▲１▼強・弱型イオン交換樹脂の比重差に加え、粒径差も付けて分離を良くする方法、▲２▼比重差の大きい再生形の状態で逆洗分離する方法、▲３▼弱型イオン交換樹脂のみを再生後、逆洗分離する方法等が考案されている。しかし▲１▼の方法では強・弱型イオン交換樹脂の組み合わせが制限され、また粒径差を付けるために大粒径となった強型イオン交換樹脂の再生が十分とならず、再生効率が低下・処理水水質の悪化が生じる。▲２▼、▲３▼の方法でも再生剤の有効利用が妨げられ、再生効率が低下する。
【０００５】
樹脂塔内に中間隔壁を設ける方法は、上昇流通水・下降流通薬を行う向流再生式イオン交換装置のみが実用化されている。下降流通水・上昇流通薬を行う向流再生式イオン交換装置でも中間隔壁を設ける方法は、若干提案されているが実用化されているものは殆ど無い。これまでに提案された具体的な方法としては、▲４▼強・弱型イオン交換樹脂を充填した塔を単に重ねたような構造で、それぞれが逆洗用の大きな空間（フリーボード）を持ったものを上昇流通薬する方法、▲５▼２塔を重ねた塔構造で、強型イオン交換樹脂層上部に中間集水管を埋設し、上昇流通薬時には上部から水を導入して中間集水管から排水することにより、樹脂塔下部に強型イオン交換樹脂の固定床を形成し、再生廃液は回収タンクに回収し、回収した再生廃液をポンプを使用して弱型イオン交換樹脂に通薬して再生する方法、▲６▼樹脂塔内部に上下に可動の中間隔壁を設置し、逆洗時には中間隔壁を上方に移動させて逆洗し、通薬時には中間隔壁を下方に移動させて樹脂塔下部に強型イオン交換樹脂を押しつけて固定床を形成する方法等がある。しかしこれらの方法では、上下２室に逆洗用のフリーボードを持たせた場合には樹脂塔高が高くなり、また中間隔壁の他に固定床維持のために複雑な機構・操作が必要となる等、実際に実用化されているものは殆ど無いのが現状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
中間隔壁無しで強・弱型イオン交換樹脂を２層に分離・維持する方法では、いずれにしても完全な分離・維持は不可能で、従来技術▲１▼〜▲３▼での改善は再生効率の低下等の問題点を伴い、また強・弱型イオン交換樹脂の組み合わせも限られる。中間隔壁を設けた▲４▼〜▲６▼では樹脂塔高が高くなり、複雑な機構や再生操作が必要となる等の問題点を持ち、実用化されたものが無い。中間隔壁を設けたものでは、上昇流通水・下降流通薬のみが実用化されているが、この方式では通水時に通水の中断によりイオン交換樹脂層が乱れ、処理水質が悪化し易い問題点を持つ。
本発明は、これらの従来技術が持つ問題点を一挙に解決し、強・弱型イオン交換樹脂の分離・維持が完全で、簡単な機構・操作により下降流通水・上昇流通薬を行う向流再生式イオン交換装置とその再生方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、強型イオン交換樹脂及び弱型イオン交換樹脂を充填した樹脂塔に下降流通水・上昇流通薬を行う向流再生式イオン交換装置において、樹脂塔の上部と下部に一対の集水装置を設け、下部集水装置の上部には順次下から上に向って、強型イオン交換樹脂を充填した充填部、該イオン交換樹脂層高の２〜１５％のフリーボードを介して強型イオン交換樹脂より大粒径で且つ、強型イオン交換樹脂を保持できる大きさで比重が１より小さい不活性樹脂を充填した充填部、塔中間部に水は通すがイオン交換樹脂は通さない中間隔壁、弱型イオン交換樹脂を充填した充填部、該イオン交換樹脂層高の２〜１５％のフリーボードを介して弱型イオン交換樹脂より大粒径で且つ、弱型イオン交換樹脂を保持できる大きさで比重が１より小さい不活性樹脂を充填した充填部が配備され、その上部に上部集水装置が配され、前記下部集水装置には処理水流出弁、逆洗水流入弁、再生剤流入弁及び洗浄弁を有する集配水管が接続され、また上部集水装置には原水流入弁及び再生排水流出弁を有する集配水管が接続されていることとしたものである。
【０００８】
前記強型イオン交換樹脂は、弱型イオン交換樹脂の粒径とほぼ同等か、それより小さいものを使用するのが良い。
また本発明では前記の向流再生式イオン交換装置の再生方法において、下記（ａ）〜（ｅ）の工程を順次行い樹脂を再生することとしたものである。
（ａ）下部集水装置からの高流速逆洗により強・弱型イオン交換樹脂の大部分をそれぞれ不活性樹脂層に押しつけ、通水時に蓄積した懸濁物質を不活性樹脂層を経由して上部集水設備から排出除去すると共に、強・弱型イオン交換樹脂の固定床を形成する工程
（ｂ）高流速逆洗に引き続き、高流速逆洗より低速で且つ、（ａ）で形成された固定床を維持するに必要な流速で再生剤を下部集水装置から通薬する工程
（ｃ）通薬に引き続き、通薬工程（ｂ）とほぼ同じ流速で下部集水装置から処理水を通水し、残留する再生剤を有効に利用する押出工程
（ｄ）押出終了後、通水を停止し、再生された樹脂を自由に落下させる沈整工程（ｅ）上部集水装置から下降流で通水して樹脂を洗浄する洗浄工程。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を示した図１によって本発明の詳細を説明する。
本発明では、樹脂塔１の中間部に水は通すが、イオン交換樹脂を通さない中間隔壁２が設けられており、樹脂塔の上下に一対の集水装置３、４を設け、下部集水装置３の上部に強型イオン交換樹脂５を充填し、更にその上部には強型イオン交換樹脂層高の２〜１５％のフリーボード６を介して強型イオン交換樹脂より大粒径で且つ、強型イオン交換樹脂を保持できる大きさで比重が１より小さい不活性樹脂７を充填する。その上に中間隔壁２を設け、その上部には弱型イオン交換樹脂８を充填し、更にその上部には弱型イオン交換樹脂層高の２〜１５％のフリーボード９を介して弱型イオン交換樹脂より大粒径で且つ、弱型イオン交換樹脂を保持できる大きさで比重が１より小さい不活性樹脂１０が充填され、その上に上部集水装置４が設けられている。そして下部集水装置には処理水流出弁１３、逆洗水流入弁１４、再生剤流入弁１５、洗浄弁１６を有する集配水管が接続されており、上部集水装置４には原水流入弁１１、再生排水流出弁１２を有する集配水管が接続されている。
【００１０】
再生に際しては
（ａ）逆洗水流入弁１４、再生排水流出弁１２を開き、下部集水装置３からの高流速逆洗により強型イオン交換樹脂５の大部分を不活性樹脂層７に、弱型イオン交換樹脂８の大部分が不活性樹脂層１０に押しつけ、通水時に蓄積した懸濁物質を不活性樹脂層１０を経由して上部集水装置４から排出除去すると共に、強型イオン交換樹脂５、弱型イオン交換樹脂８の固定床を形成する高流速逆洗工程
（ｂ）高流速逆洗に引き続き、逆洗水流入弁１４を閉じ、再生剤流入弁１５を開くことにより高流速逆洗より低速で且つ、（ａ）で形成された固定床を維持するに必要な流速で再生剤を下部集水装置３から通薬する工程
（ｃ）通薬に引き続き、通薬工程とほぼ同じ流速で下部集水装置３から処理水を通水し、残留する再生剤を有効に利用する押出工程
（ｄ）押出終了後、再生剤流入弁１５、再生排水流出弁１２に閉じ、押出を停止し、再生された樹脂を自由に落下させる沈整工程
（ｅ）原水流入弁１１、洗浄弁１６を開き、上部集水装置４から下降流で原水を通水して樹脂を洗浄する洗浄工程
の５工程により樹脂を再生する。
【００１１】
工程（ａ）の高流速逆洗は本発明独自のもので、イオン交換樹脂の固定床を実質的に維持したまま、短時間の内に上部に移動させる。この時に必要な逆洗流速はイオン交換樹脂の種類、フリーボードの割合等により異なる。一例を挙げるとフリーボード１０％の場合強型カチオン交換樹脂でＬＶ２０〜２６ｍ／ｈ程度以上、強型アニオン交換樹脂でＬＶ１４〜２０ｍ／ｈ程度以上が必要である。これ以下の逆洗流速ではイオン交換樹脂層の下部が流動層となる割合が増加する。固定床として維持される割合が減じると向流再生の効果が充分に発揮されず、処理水質が悪化する。
本発明においてフリーボードの割合の選択は重要で、小さ過ぎると樹脂の膨潤を吸収しきれない場合が生じる可能性が有り、大き過ぎると高流速逆洗の工程でイオン交換樹脂層の下部が流動層となる割合が増加し、処理水質悪化の危険性が増加する。フリーボードとしてはイオン交換樹脂の最大層高の２〜１５％とするのが適切である。高流速逆洗に使用する水は原水でも良いが、イオン交換樹脂層下部に無用のイオン負荷を与え、処理水質悪化の原因となるので処理水を使用するのが好ましい。
【００１２】
本発明において工程（ａ）はイオン交換樹脂の固定床を形成する他にも重要な役割を持っている。即ち高流速逆洗によりイオン交換樹脂層が上方に移動し、不活性樹脂層にぶつかって止まる衝撃で、通水時にイオン交換樹脂層表面に蓄積した懸濁物質がイオン交換樹脂層からはずれ、不活性樹脂層を経由して上部集水装置から高濃度で排出除去される。従来の逆洗が懸濁物質の排出に１０〜２０分程度必要であるのと比較して、本発明では従来の逆洗とは全く異なった原理で懸濁物質が排出されるため、１〜３分程度と極めて短時間で終了する。また本発明では再生毎に高流速逆洗を行うため、懸濁物質の蓄積も生じ難い。
本発明において不活性樹脂の粒径選択は重要で、細か過ぎると懸濁物質の排出除去が不十分となり易く、大きすぎるとイオン交換樹脂のリーク、あるいは上部集水装置の目詰まりの危険性を生じる。不活性樹脂の粒径としてはイオン交換樹脂の有効径の２〜８倍のものを使用することが必要である。不活性樹脂層高としては１００〜４００ｍｍが適切である。
【００１３】
工程（ａ）の高流速逆洗で一度形成された固定層は、逆洗流速を下げても固定床が維持できる。本発明では工程（ｂ）の通薬流速を固定床が維持できる必要最小限以上で通薬することにより、固形床の維持とイオン交換樹脂と再生剤の接触時間の両立を図っている。固定床が維持できる限界の通薬流速の一例は強型カチオン交換樹脂で８ｍ／ｈ程度以上、強型アニオン交換樹脂で４ｍ／ｈ程度以上である。本発明でも通薬中にイオン交換樹脂の収縮が起こるが、通薬流速を固定床が維持できる限界流速以上としているため、収縮による流動層の発生は全く認められず、固定床下端部が収縮した分だけ上方に移動する。即ち従来法では多大の工夫を要していた「通薬時のイオン交換樹脂の収縮による流動層の発生を防止」が、本発明では工程（ａ）の高流速逆洗と、それに引き続く工程（ｂ）の固定床が維持できる必要最小限以上の流速で通薬するという簡単な操作だけで達成されている。
【００１４】
工程（ｃ）の押出は従来法と特に変わった点は無いが、工程（ｄ）の沈整は本発明独自のものである。即ち押出工程ではイオン交換樹脂層は不活性樹脂層に押しつけられて固定床を形成しているが、押出停止と共に固定床下部から順次崩壊し、下部集水装置の上に積層する。新たに形成された固定床は再生後のイオン交換帯をほぼ保っているため、通水時に処理水質が悪化することはない。
本発明ではこの工程によりイオン交換樹脂の全層が再生毎にほぐされ、固着等が解消されるため、イオン交換樹脂層の差圧増加が極めて生じ難い。またイオン交換樹脂層内に入り込んだ懸濁物質、イオン交換樹脂の破砕によって生じた破片等がイオン交換樹脂層が順次崩壊する過程で固定床下部から樹脂塔上方に移送され、次回の再生で塔外に排出される確率が高くなる効果も生じる。
工程（ｅ）の洗浄は従来法と特に変わった点は無いが、フリーボードが少ないこと及び工程（ｄ）でイオン交換樹脂層の固着が解消されることから、洗浄に要する時間が短く、洗浄に要する水量も少なくなる傾向が認められる。
【００１５】
本発明では中間隔壁を持つことにより、強・弱型イオン交換樹脂の分離・維持が完全となるため、樹脂の組み合わせの制限も無く、任意の最適な樹脂を組み合わすことができる。特に中間隔壁を使用しない場合には組み合わすことが不可能である比較的小粒径の強型イオン交換樹脂が使用可能となる特徴を持つ。
向流再生では通薬時にイオン交換樹脂層を固定床に維持する必要が有り、特に処理水水質を左右する強型イオン交換樹脂を固定床に維持することが重要となる。本発明ではイオン交換樹脂は高流速逆洗により不活性樹脂層を介して樹脂塔上部に固定床を形成するが、小粒径の強型イオン交換樹脂を使用することにより固定床に維持するに必要な最低流速が小さくなり、固定床の維持が容易となる。またこの効果に加え、小粒径の強型イオン交換樹脂は大粒径のものより再生し易く、低い再生剤濃度、短い再生剤接触時間でも十分な再生が可能となるため、固定床を維持するための通薬流速、再生剤濃度、再生剤接触時間の全ての条件を満足することが容易となる。
【００１６】
本発明ではイオン交換樹脂は高流速逆洗により不活性樹脂層を介して樹脂塔上部に固定床を形成するので、樹脂塔下部に固定床を形成する従来装置の様に複雑な装置・操作が不要となり、樹脂塔内には中間隔壁の他には何も無く、よりシンプルな装置となっている。また樹脂塔のフリーボードはイオン交換樹脂層高の２〜１５％と少なく、不活性樹脂を充填することを考慮に入れても従来の中間隔壁を持つ樹脂塔より樹脂塔高を低くでき、コンパクトな装置となっている。
【００１７】
【実施例】
以下に本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
内径６０ｍｍ、高さ２０００ｍｍの樹脂塔の下から１２００ｍｍの所に多孔板にサランネットを張った中間隔壁を設けて樹脂塔を２分割し、下室には強型カチオン樹脂ダウエックス  ＨＧＲ−Ｗ２（有効径０．６２ｍｍ）をＨ形で層高１０１５ｍｍ充填し、その上に不活性樹脂ダウエックスＩＦ−６２（径２．５〜３．５ｍｍ）を１３０ｍｍ充填した。フリーボードは５５ｍｍで強型カチオン樹脂層高の５．４％に相当する。
【００１８】
上室には弱型カチオン樹脂ダウエックス  ＭＡＣ−３（有効径０．５３ｍｍ）をＨ形で層高６２５ｍｍ充填し、その上に不活性樹脂ダウエックスＩＦ−６２（径２．５〜３．５ｍｍ）を１００ｍｍ充填した。フリーボードは７５ｍｍで弱型カチオン樹脂層高の１２％に相当する。
この樹脂塔に表１に示すイオン組成の原水を６０リットル／ｈでカチオンブレーク（エンドポイント１０μＳ／ｃｍ）まで通水し、通水後は表２に示す再生条件で再生した。
強型カチオン樹脂層：  ２．６リットル（基準形）、
弱型カチオン樹脂層：  １．６リットル（基準形）、
再生レベル：  ８１．５ｇ−ＨＣｌ／リットル−強樹脂、
【００１９】
【表１】
0003907012.tif 000002
【００２０】
【表２】
0003907012.tif 000003
【００２１】
この条件で通水・再生を４０サイクル繰り返した結果を表３に示す。通薬時間が１０分と短いためカチオン塔の処理水質は若干悪いが、４０サイクル後においても採水量は８００リットル前後とほぼ一定で、再生効率はほぼ９３％と良好であった。
【表３】
0003907012.tif 000004
【００２２】
実施例２
強型カチオン樹脂としてダウエックス  ＨＧＲ−Ｗ２の替わりに０．７ｍｍ以上の大粒径を除いたダウエックス  ＨＧＲ−Ｗ２（有効径０．５０ｍｍ）を充填した他は、実施例１と同一の条件で通水・再生を４０サイクル繰り返した。結果を表４に示す。
通薬時間が１０分と短いにも関わらず、カチオン塔の処理水質は実施例１より良好であった。採水量は８３０リットル前後とほぼ一定で、再生効率はほぼ９６％と良好であった。
【００２３】
【表４】
0003907012.tif 000005
【００２４】
比較例１
中間隔壁を除いた内径６０ｍｍ、高さ２０００ｍｍの樹脂塔に強型カチオン樹脂として０．７ｍｍ以上の大粒径を除いたダウエックス  ＨＧＲ−Ｗ２をＨ形で層高１０１５ｍｍ充填し、その上に弱型カチオン樹脂ダウエックス  ＭＡＣ−３をＨ形で層高６２５ｍｍ充填した。この樹脂塔に表１の原水を８４０リットル通水後、逆洗したところ、強型カチオン樹脂と弱型カチオン樹脂は完全に混合した。混合状態の樹脂に５％ＨＣｌ  ６．３リットルを下降流で通薬して樹脂を再生後、再度逆洗したが強型カチオン樹脂と弱型カチオン樹脂は混合したままで２層に分離することはできなかった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば従来の強・弱型イオン交換樹脂を１塔内に充填した向流再生式イオン交換装置の持つ欠点、即ち▲１▼強・弱型イオン交換樹脂の混合による処理水水質の悪化、及び採水量の低下、▲２▼強・弱型イオン交換樹脂の組み合わせの制限、▲３▼通水中断による処理水水質の悪化、▲４▼装置・再生操作の複雑化等が一挙に解決できる。その結果、シンプルでコンパクトなイオン交換装置、及び簡単で短時間に終了する再生方法を提供でき、良好な処理水質を安価にかつ安定的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様の１例を示すイオン交換塔の概略図。
【符号の説明】
１：樹脂塔、２：中間隔壁、３：下部集水装置、４：上部集水装置、５：強型イオン交換樹脂、６：フリーボード、７：不活性樹脂、８：弱型イオン交換樹脂、９：フリーボード、１０：不活性樹脂、１１：原水流入弁、１２：再生排水流出弁、１３：処理水流出弁、１４：逆洗水流入弁、１５：再生剤流入弁、１６：洗浄弁、
【図１】
0003907012.tif 000006