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浄水器の作り方は？

水処理システム

水源や使用目的に応じて、水に含まれるあらゆる不純物を水から取り除くことを「水処理」といい、そのために使用される機器をまとめて「水処理装置」と呼んでいます。水処理には、物理的方法、化学的方法、生物的方法の3つの方法があります。

物理処理プロセス；水の外観を損ない、濁りの原因となる粘土、土砂、砂などの懸濁物質を水から分離する。

化学処理プロセス；水中に溶けているイオンを所望の値まで減少させるか、水中から完全に除去することである。

生物処理プロセス；化学的殺菌剤や紫外線システム（UV-Ultraviolet）により、水中の微生物を不活性化させることです。

ろ過装置
ろ過とは、水に溶けていない浮遊物をろ過によって水から分離し、水中の有機物による悪臭や味を化学的に除去し、水を自然な状態に変える全工程のことである。

水の自然な状態は、無色（透明）、無臭、無味である。濁りや臭いのある水は、汚染水とみなされます。また、外観に色がついている場合は、水中に不要な有機物や重金属が溶けていると考えることができます。

これらの不純物を除去するために必要なのが「ろ過装置」です。古典的な濾過装置は、大きく3つに分類することができる。

重力式フィルターは、沈殿池やタンクの後に使用されるシンプルなシステムで、重力によって水に加わる自然の力によって、さまざまなフィルターミネラルの層からなる濾床で水を濾過するという原理で動作する。ここでは、自然環境で行われているろ過を人工的なシステムで模倣することを目的としています。 重力フィルターは非常に低速で作動し、水中の粗い粒子状の浮遊物を大きく除去することができる。

マルチメディアフィルター：基本的に2つのグループに分けられます。

サンド（クォーツ）フィルターは、鉱物の大きさが異なる砂や砂利を一定の順序と高さで積み重ねて形成した層に、高圧かつ一定の速度で水を通すことで水中の懸濁物質をろ過し、ろ過した懸濁物質を逆洗（再生）により除去するという原理に基づいて作られた特殊なろ過システムである。これらの濾過層は、一般に繊維製、鋼製、ステンレス製のタンク内に配置され、「多層（マルチメディア）サンドフィルターシステム」と呼ばれ、すべての水処理システムの最初のフィルターユニットを構成している。その主な目的は、水中から一定の大きさ（80μ以上）の浮遊物を物理的にろ過し、分離することです。

活性炭フィルター；砂フィルターとは異なり、水中の浮遊物をろ過するのではなく、水中に含まれる遊離塩素や酸化剤を保持したり、有機物やそれらが発する悪臭・味を除去するために使用されるフィルターです。水処理システムの不可欠な要素であり、一般に軟水化システムや逆浸透膜の前に使用されます。

グリーンサンドフィルター；水中に溶けている鉄やマンガンなど、従来のろ過方法では除去できないものを保持する目的で、特に特殊で非常に珍しいグリーンサンド層で構成されたフィルターです。機械的なろ過能力は中程度で、水中に溶けている重金属を保持することが主な目的です。

カートリッジフィルターは、重力フィルターやマルチメディアフィルターと比較して、より小さな（1～50μ）懸濁物質を水から分離するために使用されるフィルターです。カートリッジ本体は、使用場所に応じてプラスチック製とスチール製があります。フィルター素材には、プトレックス、ナイロン、スチールフィルターが使用されています。プトレックスフィルターは1回限りの使用で、フィルターが飽和状態になると新しいものに交換する必要があります。ナイロン製やスチール製のカートリッジフィルターに比べ、ろ過能力が高い。ナイロン製やスチール製のカートリッジフィルターは、目詰まりしても洗浄すればきれいになり、何度も使用することができます。

ソフトニングシステム
一般に「水の硬度」として表現される、水に溶け込んだカルシウムイオンやマグネシウムイオンを、カチオン性樹脂によるイオン交換の原理で水から分離するシステムを「ソフトニングシステム」と呼びます。ソフトニングタンク内の樹脂には、ナトリウム（Na）イオンが含まれています。原水を樹脂に通すと、水中のカルシウム（Ca）とマグネシウム（Mg）が樹脂上でナトリウム（Na）イオンと置換され、水中の硬度を形成するイオンが水から分離されるのです。樹脂上のナトリウム（Na）イオンが枯渇した場合（樹脂の飽和といいます）、樹脂を生理食塩水で洗浄し、カルシウム（Ca）イオンとマグネシウム（Mg）イオンを残し、ナトリウム（Na）イオンで再チャージします。このプロセスを樹脂の再生と呼びます。機械的ろ過能力が極めて低いソフトニングシステムは、水の硬度に応じた樹脂の通過水量や時間調整により、人の手を介さずに全自動で制御されます。水処理装置

ソフトニングシステムは、以下の基準で選定する必要があります。
樹脂の高さ：運転中に最適な効率を得るためには、タンクの高さ、それに伴う樹脂の高さ、および逆洗時の樹脂の膨潤率を慎重に計算する必要があります。そうしないと、逆洗時に樹脂が漏れてしまい、水の硬度を十分に取り除けないという問題が発生することがあります。

再生時間の決定；再生時間を決定する最も重要な要因は、樹脂の種類、原水の硬度、得ようとする軟水の流量、タンクの直径、それに伴って樹脂を通過する水の流量である。これらの値を総合的に判断して設計することで、最適なソフトニングシステムを選択することができます。一般的な用途では、各ソフトニングシステムが少なくとも1日1回（最大3回）再生することを想定して設計する必要があります。この作業は、1日最大3回まで可能です。この処理を1日に何回行うかは、通常、原水の水質と初期投資コストに依存する。そのため、選択を誤ると、製品の水質・水量が低下するか、初期投資コストがいたずらに増大することになる。

使用する樹脂の吸着係数；水処理装置に使用される市販の樹脂は多数ある。重要なのは、軟水化システムのニーズを満たし、完全に軟水化できる樹脂を選択することです。商業的な配慮から樹脂の種類を減らすと、システムの効率が悪くなり、石灰や沈殿物の発生など好ましくない結果を招く。特に工業用途では、石灰の生成とその被害、除去のために費やす費用は、初期投資費用である樹脂の数百倍にもなる。このため、初期投資費用を惜しまず、原水に適した吸収係数の高い樹脂を選定して軟水化システムを設計する必要があります。

運転方式：ソフトニングシステムは、原水の硬度や必要な製品流量に応じて、Single、Duplex（Tandem）、Triplexの3種類のアプリケーションタイプで運転することが可能です。シングルソフトニングシステムは、小流量で比較的硬度の低い水に使用されるシステムで、再生時に生成水を出さないバッチ式の軟水化システムである。

二重（タンデム）軟化システム その名の通り、1台のソフトニングシステムを2台並列につないで作ったシステムです。大流量が要求される水や硬度の高い水に使用される。必要な流量の水を連続的に生成し、片方のソフトニングユニットが働いている間、もう片方は再生処理を終えてスタンバイの状態で待機する仕組みになっています。走行中のソフトニングシステムの樹脂が飽和状態になると、スタンバイユニットが作動し、他のユニットの再生が行われる。この工程は全自動でボリューム制御され、人の手を介する必要がありません。システム出口の流量計は、製品水の量を測定することでどのソフトニングタンクを起動させるかを決定し、このプロセスを順次続けていきます。ここで最も重要なことは、原水の硬度に応じて各軟化装置を通過できる最大水量を、樹脂吸収係数に従って正しく計算し、自動化に定義することである。システムオートメーションに定義されたこの値は、流量計によって測定され、入力された値まで最初のタンクを作動させる信号を自動弁群に送ります。計算された最大流量に達すると、流量計は第2の信号を送って第2の軟化槽を作動させ、第1の軟化槽は再生されて準備位置に保持される。この工程は、水が通る限り連続して繰り返され、途切れることなく軟水を得ることができる。

トリプレックス（トリプルソフトニングシステム） システムは、デュプレックス（タンデム）システムと同様に、非常に高い流量と連続的に水を生産するための非常に硬い水に適したシステムです。このシステムでは、3つのソフトニングシステムが互いに独立して動作し、並行して動作しています。こちらも二重（タンデム）システムと同様、全自動容積制御（ボリューメトリック）として制御される。2+1、つまり2台が稼働している間に1台を再生・休止させ、このプロセスを各ソフトニングシステムでそれぞれ繰り返すという原理で稼働しています。

逆浸透膜(オスモス)
効率に影響を与える要因 ;
ROで得られる水質は、膜の種類、操作圧力、pH、原水の性質、温度など多くの要因に左右されます。Ca、Mg、硫酸塩などの2価のイオンは、一般にNa、Clなどの1価のイオンよりも効果的に除去される。例えばホウ酸塩のように、pHの影響を大きく受ける物質もあります。

圧力
ROの運転圧力は、供給水中の全溶解固形分と希望するろ過圧力効率によって決まる。TDSはシステムの浸透圧を決定する。100mg/lt TDSは1psiに相当する。供給は、浸透圧差とろ過圧の和よりも大きくなければならない。そのため、海水処理ではブラインよりもはるかに高い圧力が必要となる。また、圧力差を大きくすることで、濾過品質を向上させることができます。塩分の通過は一定でありながら、水圧を高め、より質の高い水を得ることができる。

ROシステムの圧力を上げれば、いくらでも水が得られると思われているが、そうではない。膜メーカーは、最大流量、1日の水流量、表面積を考慮して設計しています。これは、膜の隣に鉱物ができるためで、濃度分極と呼ばれる。さらに、膜は時間の経過とともに圧力で圧縮される。そのため、通過する水の拡散が遅くなり、生産量（流量）が減少する。

温度です。
給水温度を上げるとろ過流量が増えますが、ろ過品質には影響しません。膜構造の選択性にもよるが、この熱効果は1華氏あたり1.5〜2％である。温度を上げることは、膜の特定の動作上限以下でのみ有益である。これ以上の温度は膜にダメージを与えます。

最適化率;
膜の回収率は、ろ過品質に直接影響する。有機物、パイロジェン（火）、細胞、ウイルス、バクテリアなどの非イオン性化合物を除去することがろ過のプロセスです。また、細菌濃度が非常に高い場合、ろ過の流れに存在することもある。膜の孔を通過する際にそこに沈殿するかどうかは定かではないが、そうである可能性は認められている。したがって、ROの前に細菌学的な処理を行う必要があります。

膜の寿命に影響を与える要因 ;
設計性能を明らかにするためには、ろ過品質や運転効率を低下させる要因を検討する必要がある。低下とは、無機物、有機物、微生物などの増殖による生産量の減少のことです。あるいは、劣化とは、膜表面の不可逆的な損傷による水質の低下を意味することもある。

無機物汚染;
最も一般的な無機汚染の問題は、適切な前処理によって解消することができます。

浮遊物質。
一般的なろ過条件は、供給量にもよりますが、有孔トランジション膜で最大5ミクロン、スパイラルワインド膜で25ミクロン以下です。濁度は一般的に1NTU以下とされています。

重炭酸 アルカリ度
すべての水には炭酸水素カルシウムが含まれており、最終段階で炭酸カルシウムの形に変換されたり、沈殿物を形成して膜を塞いだりすることがあります。この問題を回避するため、給水は軟水化するか、酸で処理してpHを下げ、炭酸カルシウムの沈殿を防ぐ。一般的に、小型のRO装置では軟水化、大型の装置ではpHコントロールが採用されています。炭酸カルシウムで膜が詰まった場合は、酸洗浄できれいにすることができます。酸洗浄装置には、一般的にクエン酸やリン酸が用意されています。

硫酸カルシウム
硫酸カルシウムは、水への溶解度が限られています。水中に存在する場合、供給水がろ過によってブライン部を通過する際に、その濃度が高まり、沈殿物を形成して膜を詰まらせる。給水は、プレ軟水化装置を通したり、抗カルシウム剤で処理したりします。硫酸カルシウムで目詰まりした膜は、酸処理できれいにすることができます。硫酸カルシウムは、炭酸カルシウムよりも酸で除去することが困難です。

鉄、マンガン、ケイ酸塩、コロイド物質;
水中に溶けた鉄は、空気と接触すると酸化して水酸化鉄や酸化鉄となり、沈殿を生じます。これはゼラチン状の沈殿物であり、膜を詰まらせる。鉄分が0.05～0.5mg/lの場合、前処理で除去する必要があります。鉄の目詰まりは、腐食生成物が原因である可能性があります。マンガン、ケイ酸塩、アルミニウム、コロイド物質による問題は、鉄と同じである。

有機物のファウリング。
有機物で膜が汚れた場合は、洗剤や苛性ソーダで洗浄することができます。TFC膜はセルロース系膜に比べてpHの許容範囲が広いため、洗浄がしやすいとされています。

微生物によるファウリング。
セルロースアセテート膜は微生物の繁殖を助けますが、ポリアミドタイプの膜は微生物の繁殖を助けません。どちらも微生物によるファウリングの問題が発生する可能性があります。酢酸セルロース膜は、給水の塩素消毒により、この汚れを防いでいる。ポリアミド膜は塩素の酸化力に弱いので、塩素を含む給水はシステム内に入る前に処理する必要があります。

酸化させる。
主にTFC膜に関係するもので、塩素に対する耐性がある場合に検討される。しかし、すべての酸化剤が同じ効果を発揮するわけではありません。膜が過度の酸化化学物質にさらされると、システムが崩壊し、許容できない塩分通路が発生します。

加水分解を行う。
セルロース膜に関するもので、TFCの酸化と並行しています。同様に、加水分解によってシステムが損傷し、過度の塩分移行が発生することがあります。これは酸化と同じく不可逆的なダメージです。膜に供給される水のpHが高くなると、加水分解がより速く起こるようになる。一般に、pH maxは8～8.5に制限されます。

偏光しています。
この膜には、ミネラル濃度が大きく異なる2つの滞留溶液が並んで保持されている。これは濃度分極と呼ばれ、膜メーカーが膜の種類に応じた最大ろ過流量で調節している。膜透過は、分極が長く続くほど大きくなる。

排水の接続。
ROシステムは、給水と排水の間をつなぐ可能性があるため、給水ラインへの病原菌の侵入を防ぐために、適切な排水接続を行う必要があります。

建材です。
モジュールは200psigで動作し、全体がプラスチック材料でできています。プラスチック材料の温度限界は、膜の温度限界を超える。400psig以上では、304ステンレス鋼、青銅、真鍮で作られた部分があります。