(57)【要約】      （修正有）【課題】より効率的な処理を実現する、電気二重層キャパシタ技術を利用した水処理システム及び水処理方法を提供する。【解決手段】電気二重層キャパシタ機構２ａ〜２ｆを備えた処理水槽１ａ〜１ｆを複数基設けて、それぞれの処理水槽１ａ〜１ｆにおいて１．被処理水の導入、２．イオン性物質の電極への吸着、３．イオン除去水の排水、４．イオン濃縮用水の導入、５．イオン性物質の電極からの脱着、６．イオン濃縮水の排水の工程をその順に行い、且つ、前記１．〜６．の工程を前記処理水槽１ａ〜１ｆごとにずらして行うことにより、該１．〜６．からなる一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽と、前記処理水槽に被処理水を導入する被処理水導入管と、前記被処理水に存在するイオン性物質を前記電気二重層キャパシタ機構に備わる電極に吸着させる電源装置と、前記処理水槽から前記イオン性物質が低減されてなるイオン除去水を排水するイオン除去水排水管と、前記処理水槽にイオン濃縮用水を導入するためのイオン濃縮用水導入管と、前記電極に吸着させた前記イオン性物質を脱着させる電源スイッチ装置と、前記処理水槽から前記イオン性物質が濃縮されてなるイオン濃縮水を排水するイオン濃縮水排水管と、前記処理水槽から排水された前記イオン濃縮水を貯留するイオン濃縮水貯留槽と、前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記イオン濃縮用水導入管を通じて前記処理水槽に戻すイオン濃縮水返送管とを備え、
前記処理水槽を複数基備えてなる水処理システム。
【請求項２】
前記イオン濃縮水貯留槽は所定の１基を備え、前記所定の１基に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記イオン濃縮水返送管及び前記イオン濃縮用水導入管を通じて、前記処理水槽に戻すように構成されている、請求項１記載の水処理システム。
【請求項３】
前記イオン濃縮水貯留槽への注水又は該貯留槽からの系外への排水により、系内に存する前記イオン濃縮用水の総水量が調整されるように構成されている、請求項１又は２記載の水処理システム。
【請求項４】
前記イオン濃縮水貯留槽からの系外への排水又は該貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により、系内に存する前記イオン濃縮用水のイオン性物質の濃度が調整されるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項５】
前記イオン濃縮水貯留槽は、前記イオン濃縮水排水管を通じて排水される前記イオン濃縮水を貯留する第一貯留槽と、水位壁と、前記第一貯留槽から前記水位壁を超えたオーバーフロー分の該イオン濃縮水を貯留する第二貯留槽とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項６】
前記被処理水として、生物処理槽を備えた水処理システムからの処理後水が前記被処理水導入管を通じて導入されるように構成されており、前記イオン濃縮水貯留槽からの排水又は前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により生成した凝集物を、前記生物処理槽に戻す濃縮イオン再利用経路を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項７】
前記処理水槽を少なくとも６基備え、下記（１）〜（６）の工程をそれぞれの処理水槽においてその順に行い、且つ、前記（１）〜（６）の工程を前記処理水槽ごとにずらして行うことにより、該（１）〜（６）からなる一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水処理システム。
（１）前記被処理水の導入
（２）前記イオン性物質の前記電極への吸着
（３）前記イオン除去水の排水
（４）前記イオン濃縮用水の導入
（５）前記イオン性物質の前記電極からの脱着
（６）前記イオン濃縮水の排水
【請求項８】
被処理水を、電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽に導入し、前記被処理水に存在するイオン性物質を前記電気二重層キャパシタ機構に備わる電極に吸着させて、前記被処理水から前記イオン性物質が低減されてなるイオン除去水を得、前記処理水槽から前記イオン除去水を排水した後に、前記処理水槽にイオン濃縮用水を導入し、前記電極に吸着させた前記イオン性物質を脱着させて、前記イオン濃縮用水中に前記イオン性物質が濃縮されてなるイオン濃縮水を得、前記処理水槽から前記イオン濃縮水を排水してイオン濃縮水貯留槽に貯留し、前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記イオン濃縮用水として再利用するようにした水処理方法であって、
前記処理水槽として複数基を備え、
前記複数基の処理水槽において、前記電気二重層キャパシタ機構による処理を構成する一連の工程を前記処理水槽ごとにずらして行うことにより、該一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるようにする、該水処理方法。
【請求項９】
前記イオン濃縮水貯留槽は所定の１基を備え、前記所定の１基に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記処理水槽に戻して、前記イオン濃縮用水として再利用する、請求項８記載の水処理方法。
【請求項１０】
前記イオン濃縮水貯留槽への注水又は該貯留槽からの系外への排水により、系内に存する前記イオン濃縮用水の総水量が調整されるようにする、請求項８又は９記載の水処理方法。
【請求項１１】
前記イオン濃縮水貯留槽からの系外への排水又は該貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により、系内に存する前記イオン濃縮用水のイオン性物質濃度が調整されるようにする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項１２】
前記イオン濃縮水貯留槽は、前記処理水槽から排水される前記イオン濃縮水を貯留する第一貯留槽と、水位壁と、前記第一貯留槽から前記水位壁を超えたオーバーフロー分の該イオン濃縮水を貯留する第二貯留槽とを有する、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項１３】
前記被処理水として、生物処理槽を備えた水処理システムからの処理後水が導入されるように構成されており、前記イオン濃縮水貯留槽からの排水又は前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により生成した凝集物を、前記生物処理槽に戻すようにする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項１４】
前記処理水槽として少なくとも６基を備え、前記電気二重層キャパシタ機構による処理として下記（１）〜（６）の工程をそれぞれの処理水槽においてその順に行い、且つ、前記（１）〜（６）の工程を前記処理水槽ごとにずらして行うことにより、該（１）〜（６）からなる一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるようにする、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の水処理方法。
（１）前記被処理水の導入
（２）前記イオン性物質の前記電極への吸着
（３）前記イオン除去水の排水
（４）前記イオン濃縮用水の導入
（５）前記イオン性物質の前記電極からの脱着
（６）前記イオン濃縮水の排水
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタ技術を利用した水処理システム及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業排水の最終処理工程や発電プラントの冷却水の最終放流工程など、希薄な無機物（窒素、リン、塩素等）の除去を対象にした水処理工程においては、活性炭を充填した吸着塔による吸着除去方式が採用されていた。吸着塔による吸着除去方式では、一定期間の運用の後に活性炭を回収して、新しいものと交換することでプラントの連続運転を行っていた。しかしながら、活性炭の回収、交換等にかかるメンテナンスコストが課題であった。
【０００３】
一方、溶液中のイオン性物質の除去技術として、電気二重層キャパシタ技術を利用した方法が知られている。電気二重層キャパシタは、活性炭等の高比表面積材料を集電体に積層した構造をした、いわゆる活性炭電極を備えている。活性炭電極を電解液に接触させつつ、電極の集電体を介して充電電流を負荷すると、正極側電極では電解液中のマイナスに帯電したイオン性物質と電極表面上に空孔が、負極側電極では電解液中のプラスに帯電したイオン性物質と電極表面上に電子が、それぞれ、活性炭電極を構成する高比表面積素材の微細表面と電解液との間の界面を挟んでイオンと電子（空孔）が配列して、いわゆる電気二重層が形成される。電気二重層キャパシタでは、この電気二重層構造により、充電電流に応じた電気的エネルギーを蓄えることができ、また、蓄えた電気的エネルギーは任意に電流として取り出すことができる。
【０００４】
このような電気二重層キャパシタ技術を、工業排水の最終処理工程や発電プラントの冷却水の最終放流工程など、希薄な無機物（窒素、リン、塩素等）の除去を対象にした水処理工程に利用することが考えられる。すなわち、電解液の代わりとしてイオン性物質を含む処理対象水を導入し、充電電流を負荷すると、処理対象水に含まれるイオン性物質が活性炭電極に静電吸着して除かれる一方、電極を短絡させたり、逆電流を負荷したりすることで、イオン性物質を電極から脱着させることができ、その電極の再利用が可能である。よって、吸着塔による吸着除去方式と同様の確実な吸着材として利用でき、しかも繰り返し利用することができるので、活性炭の回収、交換等にかかるメンテナンスコストを低減するメリットが期待できる。
【０００５】
このような電気二重層キャパシタ技術を利用した水処理に関し、例えば、特許文献１〜３には、通液型の電気二重層コンデンサを水の浄化に利用する技術が開示されている。また、特許文献４には、所定容量を有する処理水槽に処理対象水を導入し、これに活性炭電極を浸したうえ充電電流を負荷して、処理対象水に含まれるイオン性物質を電極に静電吸着させて取り除く、イオン性物質含有水の処理方法及びイオン性物質含有水の処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２７３４４２号公報
【特許文献２】特開２００３−２００１６８号公報
【特許文献３】特開２００１−３００５３５号公報
【特許文献４】特開２００２−２７３４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３に開示された通液型の電気二重層コンデンサを利用する方法では、処理対象水が電極付近を流れる間に静電吸着作用によりイオン性物質を除く方式であるため、工業排水の最終処理工程や発電プラントの冷却水の最終放流工程など、日々大量にかつ刻々と可変量で生じる排水に対応して、適切に処理を施すことが困難であった。
【０００８】
また、特許文献１〜３には、電極を再生するときに生じるイオン性物質を含有する排水については、そのまま系外に排出するものとされ、その浄化の問題について着眼されていなかった。
【０００９】
一方、特許文献４には、電極からのイオン性物質の脱着に使用する用水を繰り返し使用することにより、飽和濃度近くまでイオン性物質を濃縮したうえで、系外に排出することが記載されている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１〜３同様に、大量にかつ日々刻々と可変量で生じる排水に対応して、適切な浄化処理を実施するには、課題があった。すなわち、施設の大型化が避けられず、また、処理をバッチ式に行うので、イオン性物質の電極への確実な集合や、処理水槽への給水や排水にも時間もかかり、全体として処理効率が悪くなり、処理水槽の大型化に比例した処理能力を発揮できないという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、電気二重層キャパシタ技術を利用した水処理システム及び水処理方法であって、工業排水の最終処理工程や発電プラントの冷却水の最終放流工程などに対応するため、より効率的な処理を実現するようにした、水処理システム及び水処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明者が鋭意研究した、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、その第１の観点から、
電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽と、前記処理水槽に被処理水を導入する被処理水導入管と、前記被処理水に存在するイオン性物質を前記電気二重層キャパシタ機構に備わる電極に吸着させる電源装置と、前記処理水槽から前記イオン性物質が低減されてなるイオン除去水を排水するイオン除去水排水管と、前記処理水槽にイオン濃縮用水を導入するためのイオン濃縮用水導入管と、前記電極に吸着させた前記イオン性物質を脱着させる電源スイッチ装置と、前記処理水槽から前記イオン性物質が濃縮されてなるイオン濃縮水を排水するイオン濃縮水排水管と、前記処理水槽から排水された前記イオン濃縮水を貯留するイオン濃縮水貯留槽と、前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記イオン濃縮用水導入管を通じて前記処理水槽に戻すイオン濃縮水返送管とを備え、前記処理水槽を複数基備えてなる水処理システムを提供するものである。
【００１４】
本発明による水処理システムによれば、電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽において、その電気二重層キャパシタ機構に備わる電極に被処理水に含まれるイオン性物質を静電吸着させることで、効率的に除去できる。そして、その処理水槽を複数基設けて、電気二重層キャパシタ機構による処理を構成する一連の工程をそれぞれの処理水槽において工程をずらしながら行うことにより、処理水槽が大型化することによる効率の低下を最小限に抑えつつ、個々の処理水槽においては、水処理のためのバッチ処理サイクルを無駄なくタイミングよく行うようにしたので、効率的な連続運転が可能となる。また、電極からのイオン性物質の脱着に使用するイオン濃縮用水として、イオン濃縮水を循環させて再利用するようにしたので、系に導入する注水量の総量を増加させることなく、より効率的なイオン性物質の回収が可能となる。
【００１５】
上記水処理システムにおいては、前記イオン濃縮水貯留槽は所定の１基を備え、前記所定の１基に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記イオン濃縮水返送管及び前記イオン濃縮用水導入管を通じて、前記処理水槽に戻すように構成されていることが好ましい。
【００１６】
上記態様によれば、イオン濃縮水の貯留槽を１基に集約したので、施設の大型化を避けることができる。また、その１基の貯留槽を経由してイオン濃縮水をイオン濃縮用水として循環させて再利用するようにしたので、系に導入する注水量の総量を増加させることなく、より効率的なイオン性物質の回収が可能となる。
【００１７】
上記水処理システムにおいては、前記イオン濃縮水貯留槽への注水又は該貯留槽からの系外への排水により、系内に存する前記イオン濃縮用水の総水量が調整されるように構成されていることが好ましい。
【００１８】
上記態様によれば、システムの運転状況により、系内に存するイオン濃縮用水の総量を容易に調整することができる。また、その調整を、処理水槽から排水されるイオン濃縮水の貯留槽を介して行うことができ、施設の省スペース化を実現できる。
【００１９】
上記水処理システムにおいては、前記イオン濃縮水貯留槽からの排水又は該貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により、系内に存する前記イオン濃縮用水のイオン性物質の濃度が調整されるように構成されていることが好ましい。
【００２０】
上記態様によれば、システムの運転状況により、系内に存するイオン濃縮用水の濃度を容易に調整することができる。また、その調整を、処理水槽から排水されるイオン濃縮水の貯留槽を介して行うことができ、施設の省スペース化を実現できる。
【００２１】
上記水処理システムにおいては、前記イオン濃縮水貯留槽は、前記イオン濃縮水排水管を通じて排水される前記イオン濃縮水を貯留する第一貯留槽と、水位壁と、前記第一貯留槽から前記水位壁を超えたオーバーフロー分の該イオン濃縮水を貯留する第二貯留槽とを有することが好ましい。
【００２２】
上記態様によれば、イオン濃縮水貯留槽に貯留されるイオン濃縮水の上層部であって、より比重の軽い領域部分を再利用することにより、夾雑沈殿物等の不純物の少ないイオン濃縮水をイオン濃縮用水として再利用することができる。
【００２３】
上記水処理システムにおいては、前記被処理水として、生物処理槽を備えた水処理システムからの処理後水が前記被処理水導入管を通じて導入されるように構成されており、前記イオン濃縮水貯留槽からの排水又は前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により生成した凝集物を、前記生物処理槽に戻す濃縮イオン再利用経路を備えることが好ましい。
【００２４】
上記態様によれば、生物処理により浄化しきれなかったイオン性物質含有水を浄化することができる。また、前記イオン濃縮水に濃縮された硝酸イオン等のイオン類、又は前記凝集物に濃縮された硝酸塩等の塩類を回収して、生物処理工程に基質として回生することにより、生物処理槽を備えた水処理システムのランニングコスト（基質費用）の低減を図ることができる。
【００２５】
上記水処理システムにおいては、前記処理水槽を少なくとも６基備え、下記（１）〜（６）の工程をそれぞれの処理水槽においてその順に行い、且つ、前記（１）〜（６）の工程を前記処理水槽ごとにずらして行うことにより、該（１）〜（６）からなる一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるように構成されていることが好ましい。
（１）前記被処理水の導入
（２）前記イオン性物質の前記電極への吸着
（３）前記イオン除去水の排水
（４）前記イオン濃縮用水の導入
（５）前記イオン性物質の前記電極からの脱着
（６）前記イオン濃縮水の排水
【００２６】
上記態様によれば、処理水槽を少なくとも６基設けて、それぞれの処理水槽において工程（１）〜（６）をずらしながら行うことにより、処理水槽が大型化することによる効率の低下を最小限に抑えつつ、より無駄のない効率的な連続運転が可能となる。
【００２７】
一方、本発明は、その第２の観点から、
被処理水を、電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽に導入し、前記被処理水に存在するイオン性物質を前記電気二重層キャパシタ機構に備わる電極に吸着させて、前記被処理水から前記イオン性物質が低減されてなるイオン除去水を得、前記処理水槽から前記イオン除去水を排水した後に、前記処理水槽にイオン濃縮用水を導入し、前記電極に吸着させた前記イオン性物質を脱着させて、前記イオン濃縮用水中に前記イオン性物質が濃縮されてなるイオン濃縮水を得、前記処理水槽から前記イオン濃縮水を排水してイオン濃縮水貯留槽に貯留し、前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記イオン濃縮用水として再利用するようにした水処理方法であって、前記処理水槽として複数基を備え、前記複数基の処理水槽において、前記電気二重層キャパシタ機構による処理を構成する一連の工程を前記処理水槽ごとにずらして行うことにより、該一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるようにする、該水処理方法を提供するものである。
【００２８】
本発明による水処理方法によれば、電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽において、その電気二重層キャパシタ機構に備わる電極に被処理水に含まれるイオン性物質を静電吸着させることで、効率的に除去できる。そして、その処理水槽を複数基設けて、電気二重層キャパシタ機構による処理を構成する一連の工程をそれぞれの処理水槽において工程をずらしながら行うことにより、処理水槽が大型化することによる効率の低下を最小限に抑えつつ、個々の処理水槽においては、水処理のためのバッチ処理サイクルを無駄なくタイミングよく行うようにしたので、効率的な連続運転が可能となる。また、電極からのイオン性物質の脱着に使用するイオン濃縮用水として、イオン濃縮水を循環させて再利用するようにしたので、系に導入する注水量の総量を増加させることなく、より効率的なイオン性物質の回収が可能となる。
【００２９】
上記水処理方法においては、前記イオン濃縮水貯留槽は所定の１基を備え、前記所定の１基に貯留された前記イオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、前記処理水槽に戻して、前記イオン濃縮用水として再利用することが好ましい。
【００３０】
上記態様によれば、イオン濃縮水の貯留槽を１基に集約したので、施設の大型化を避けることができる。また、その１基の貯留槽を経由してイオン濃縮水をイオン濃縮用水として循環させて再利用するようにしたので、系に導入する注水量の総量を増加させることなく、より効率的なイオン性物質の回収が可能となる。
【００３１】
上記水処理方法においては、前記イオン濃縮水貯留槽への注水又は該貯留槽からの系外への排水により、系内に存する前記イオン濃縮用水の総水量が調整されるようにすることが好ましい。
【００３２】
上記態様によれば、処理状況により、系内に存するイオン濃縮用水の総量を容易に調整することができる。また、その調整を、処理水槽から排水されるイオン濃縮水の貯留槽を介して行うことができ、施設の省スペース化を実現できる。
【００３３】
上記水処理方法においては、前記イオン濃縮水貯留槽からの排水又は該貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により、系内に存する前記イオン濃縮用水のイオン性物質濃度が調整されるようにすることが好ましい。
【００３４】
上記態様によれば、処理状況により、系内に存するイオン濃縮用水の濃度を容易に調整することができる。また、その調整を、処理水槽から排水されるイオン濃縮水の貯留槽を介して行うことができ、施設の省スペース化を実現できる。
【００３５】
上記水処理方法においては、前記イオン濃縮水貯留槽は、前記処理水槽から排水される前記イオン濃縮水を貯留する第一貯留槽と、水位壁と、前記第一貯留槽から前記水位壁を超えたオーバーフロー分の該イオン濃縮水を貯留する第二貯留槽とを有することが好ましい。
【００３６】
上記態様によれば、イオン濃縮水貯留槽に貯留されるイオン濃縮水の上層部であって、より比重の軽い領域部分を再利用することにより、夾雑沈殿物等の不純物の少ないイオン濃縮水をイオン濃縮用水として再利用することができる。
【００３７】
上記水処理方法においては、前記被処理水として、生物処理槽を備えた水処理システムからの処理後水が導入されるように構成されており、前記イオン濃縮水貯留槽からの排水又は前記イオン濃縮水貯留槽に貯留された前記イオン濃縮水へのイオン凝集剤の添加により生成した凝集物を、前記生物処理槽に戻すようにすることが好ましい。
【００３８】
上記態様によれば、生物処理により浄化しきれなかったイオン性物質含有水を浄化することができる。また、前記イオン濃縮水に濃縮された硝酸イオン等のイオン類、又は前記凝集物に濃縮された硝酸塩等の塩類を回収して、生物処理工程に基質として回生することにより、生物処理槽を備えた水処理システムのランニングコスト（基質費用）の低減を図ることができる。
【００３９】
上記水処理方法においては、前記処理水槽として少なくとも６基を備え、前記電気二重層キャパシタ機構による処理として下記（１）〜（６）の工程をそれぞれの処理水槽においてその順に行い、且つ、前記（１）〜（６）の工程を前記処理水槽ごとにずらして行うことにより、該（１）〜（６）からなる一連の工程が、前記処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるようにすることが好ましい。
（１）前記被処理水の導入
（２）前記イオン性物質の前記電極への吸着
（３）前記イオン除去水の排水
（４）前記イオン濃縮用水の導入
（５）前記イオン性物質の前記電極からの脱着
（６）前記イオン濃縮水の排水
【００４０】
上記態様によれば、処理水槽を少なくとも６基設けて、それぞれの処理水槽において工程（１）〜（６）をずらしながら行うことにより、処理水槽が大型化することによる効率の低下を最小限に抑えつつ、より無駄のない効率的な連続運転が可能となる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、電気二重層キャパシタ技術を利用した水処理システム及び水処理方法であって、工業排水の最終処理工程や発電プラントの冷却水の最終放流工程などに対応するため、より効率的な処理を実現するようにした、水処理システム及び水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る水処理システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２Ａ】図１に示した水処理システムの運転フローを説明する概略構成図であり、図２Ａ（ｉ）には、被処理水を処理水槽に導入する工程の概略構成図を示し、図２Ａ（ｉｉ）には、充電電流の負荷によりイオン性物質を電極に吸着させる工程の概略構成図を示す。
【図２Ｂ】図１に示した水処理システムの運転フローを説明する概略構成図であり、図２Ｂ（ｉｉｉ）には、被処理水からイオン性物質の存在量が低減されてなるイオン除去水を処理水槽から排水する工程の概略構成図を示し、図２Ｂ（ｉｖ）には、イオン濃縮用水を処理水槽に導入する工程の概略構成図を示す。
【図２Ｃ】図１に示した水処理システムの運転フローを説明する概略構成図であり、図２Ｃ（ｖ）には、電極の短絡又は逆電流の負荷によりイオン性物質を電極から脱着させる工程の概略構成図を示し、図２Ｃ（ｖｉ）には、イオン濃縮用水中にイオン性物質の存在量が高められてなるイオン濃縮水を処理水槽から排水する工程を示す。
【図３】本発明に使用可能な電気二重層キャパシタ用電極カセットの分解斜視概略図である。
【図４】図３に示した二重層キャパシタ用電極カセットの構成部材を一部組み付けたときの構造を表わす分解斜視概略図である。
【図５】図３，図４に示した二重層キャパシタ用電極カセットの５基を使用して構成した処理水槽を表わす断面概略構成図である。
【図６】本発明にかかる水処理システムの第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図７】試験例１において、被処理水、イオン除去水（放流水）、及びイオン濃縮水（循環水）の一部を経時的にサンプリングして、それらの硝酸イオン濃度を調べた結果を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照しつつ、本発明について更に具体的に説明する。
【００４４】
図１には、本発明に係る水処理システムの第１の実施形態が示される。この実施形態では、水処理システム１０は、６基の処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）を備えており、処理水槽１のそれぞれには、電気二重層キャパシタ機構２（図中では、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆで表わされる。）が備わる。また、被処理水を、６基の処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）のそれぞれに導入するための被処理水導入管Ｌ１が備わる。また、電気二重層キャパシタ機構２（図中では、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆで表わされる。）を作動させて得られる、イオン性物質の存在量が低減されてなるイオン除去水を、６基の処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）のそれぞれから排水するためのイオン除去水排水管Ｌ２が備わる。また、イオン濃縮用水を、６基の処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）のそれぞれに導入するためのイオン濃縮用水導入管Ｌ３が備わる。また、電気二重層キャパシタ機構２（図中では、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ及び２ｆで表わされる。）を作動させて得られる、イオン性物質の存在量が高められてなるイオン濃縮水を、６基の処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）のそれぞれから排水するためのイオン濃縮水排水管Ｌ４が備わる。更に、処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）から排水されたイオン濃縮水を貯留するためのイオン濃縮水貯留槽６と、イオン濃縮水貯留槽６に貯留されたイオン濃縮水をそのまま又は所定の処理後に、処理水槽１（図中では、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆで表わされる。）にイオン濃縮用水導入管Ｌ３を通じて戻すための、そのイオン濃縮用水導入管Ｌ３に連通するイオン濃縮水返送管Ｌ５が備わる。
【００４５】
更に、図１に示す水処理システム１０では、各所に送液ポンプＰや電磁弁Ｖが配置されて、各所管内を流れる流体の流速や流量等、その送液系を調整可能にしている。
【００４６】
次に、図２Ａ〜図２Ｃを参照しつつ、上記処理水槽による水処理のバッチ処理サイクルについて説明する。
【００４７】
図２Ａ〜図２Ｃでは、上記処理水槽として処理水槽１ｇが用いられている。この処理水槽１ｇは、被処理水導入管Ｌ１を通じて導入される被処理水、あるいはイオン濃縮用水導入管Ｌ３を通じて導入されるイオン濃縮用水、等を収容することが可能な水槽部３を備え、その水槽部３の収容空間内には一対の活性炭電極２０，２０が配置されている。そして、所定量の被処理水等が導入された状態では、その水槽部３に収容された被処理水に活性炭電極２０，２０の全体が浸かるようにしている。また、この処理水槽１ｇには、更に電源装置４と電源スイッチ装置５とが備わり、それらが活性炭電極２０の端部端子に回路接続して、電源装置４によって、活性炭電極に充電電流を負荷したり、それと逆向きに逆電流を負荷したり、電源スイッチ装置５によって、任意のタイミングで、その電流を短絡したり、その電流の向きを切換え変えたりすることができるようにしている。すなわち、少なくとも、これらの電源装置４と電源スイッチ装置５と活性炭電極２０との構成により、電気二重層キャパシタ機構２として機能することができるようにしている。
【００４８】
活性炭電極２０としては、通常、電気二重層キャパシタ用の電極として周知のものを使用すればよいが、例えば、この処理水槽１ｇでは、導電性材料で構成された平板状の集電体２１に、高比表面積材料として活性炭が塗工又は積層されて、集電体２１の片面側を覆う活性炭層２２をなす構造をしている。なお図中では、概略的に、集電体２１と活性炭層２２とが直線的もしくは平面的な界面を形成しているように表わされているが、ミクロにみて、かならずしも直線的もしくは平面的な界面を形成していなくともよく、活性炭電極２０の片面側を占める集電体２１を構成している導電性材料を介して、電源装置４からの電流の負荷による帯電効果が、活性炭電極２０のもう一方の片面側を占める活性炭層２２を構成している活性炭に、よく伝わるように両者が接していればよい。また、電極の全体形状に特に制限はなく、電極表面が、水槽部３内に収容された被処理水等によく接触できる形状であればよい。更に、水槽部３の一基あたりに複数対の電極を配置してもよい。
【００４９】
集電体２１を構成する導電性材料としては、例えば、ＳＵＳ、アルミニウム、カーボン、グラファイト、チタン、金等が挙げられる。集電体２１の厚みに特に制限はないが、通常、典型的には０．５〜２ｍｍ程度である。集電体２１は、メッシュ構造やパンチングメタル構造等、集電体の一方の片面側から他方の片面側に被処理水が流通できる構造によって構成されることが好ましい。
【００５０】
活性炭層２２を構成する材料としては、例えば、高比表面積を呈する活性炭素材を主材とするものが好適である。活性炭素材のＢＥＴ比表面積としては、５００ｍ2／ｇ以上のものを用いることが好ましく、８００ｍ2／ｇ以上のものを用いることがより好ましい。活性炭素材のＢＥＴ比表面積が小さいと、イオン性物質の吸着効率が低下する場合がある。一方、ＢＥＴ比表面積をあまり大きくし過ぎても、吸着効率が向上せずに、かえって低下する傾向さえあるので、必要以上に大きくするには及ばすに、そのＢＥＴ比表面積の上限としては１２００ｍ2／ｇ程度が目安である。また、活性炭層２２の厚みに特に制限はないが、通常、典型的には０．１〜０．２ｍｍ程度である。
【００５１】
集電体２１に、上記活性炭素材を主材とする材料を塗工又は積層して活性炭層２２となすには、周知の方法を利用すればよい。例えば、適当なバインダー液もしくは溶媒に活性炭素材を分散させ、シート状に成形してから、適宜圧延処理もしくは熱処理することによりシート状物を得、これを集電体２１に重ねて合わせて、更に圧延処理もしくは熱処理すること等により調製され得る。また、直接に集電体２１に、適当なバインダー液もしくは溶媒に活性炭素材を分散させたものを塗布等して、適宜圧延処理もしくは熱処理することにより調製することができる。
【００５２】
なお、上記活性炭以外にも、カーボンナノチューブ等、電気二重層キャパシタ用電極に適した高比表面積材料も知られているので、上記活性炭の代わりにこれらを用いることに特に制限はないが、コスト面からは、活性炭を用いることが好ましい。
【００５３】
図２Ａ（ｉ）には、工程（１）として、被処理水が被処理水導入管Ｌ１を通じて処理水槽１ｇに導入された状態が示されている。この状態は、電源スイッチ装置５がＯＦＦの状態となっており電源装置４からの通電はなく、イオン性物質７が活性炭電極２０に集合又静電吸着することなく、被処理水中に漂ったままの状態となっている。
【００５４】
図２Ａ（ｉｉ）には、工程（２）として、電源スイッチ装置５をＯＮにした状態が示されている。これにより電源装置４からの通電があり、充電電流の負荷により、被処理水中のイオン性物質７が活性炭電極２０に静電吸着している。このとき被処理水は、イオン性物質７の存在量が低減されてなるイオン除去水となっている。
【００５５】
図２Ｂ（ｉｉｉ）には、工程（３）として、被処理水からイオン性物質７の存在量が低減されてなるイオン除去水がイオン除去水排水管Ｌ２を通じて処理水槽１ｇから排水された状態が示されている。このときイオン性物質７は活性炭電極２０に静電吸着したままの状態である。
【００５６】
図２Ｂ（ｉｖ）には、工程（４）として、イオン濃縮用水がイオン濃縮用水導入管Ｌ３を通じて処理水槽１ｇに導入された状態が示されている。このときイオン性物質７は活性炭電極２０に静電吸着したままの状態である。
【００５７】
図２Ｃ（ｖ）には、工程（５）として、電源スイッチ装置５により、活性炭電極２０，２０の正極側及び負極側の両電極を短絡した状態が示されている。これにより活性炭電極２０からイオン性物質７が脱着し、イオン濃縮用水は、イオン濃縮用水中にイオン性物質７の存在量が高められてなるイオン濃縮水となっている。なお、工程（５）としては、電源スイッチ装置５により、充電電流と逆向きに逆電流を負荷してもよい。
【００５８】
図２Ｃ（ｖｉ）には、工程（６）として、イオン濃縮用水中にイオン性物質７の存在量が高められてなるイオン濃縮水がイオン濃縮水排水管Ｌ４を通じて処理水槽１ｇから排水された状態が示されている。
【００５９】
図１に示されるように、この水処理システム１０では、上記工程（３）において処理水槽１ｇから排水されたイオン除去水は、イオン除去水排水管Ｌ２を通じて放流水として系外へ排出される。一方、上記工程（６）において処理水槽１ｇから排水されたイオン濃縮水は、イオン濃縮水排水管Ｌ４を通じてイオン濃縮水貯留槽６へと送られ、一旦貯留された後、イオン濃縮用水として再利用するために、イオン濃縮水返送管Ｌ５を通じ、更にはイオン濃縮用水導入管Ｌ３を通じて、処理水槽１ａ〜１ｆのいずれかに戻すようにしている。
【００６０】
ここで、イオン濃縮水貯留槽６での処理について、より具体的に説明すると、この水処理システム１０では、イオン濃縮水貯留槽６は、イオン濃縮水排水管Ｌ４を通じて排水されるイオン濃縮水を貯留する第一貯留槽６１と、水位壁６３と、第一貯留槽６１が受容する所定の水位を超え、水位壁６３を超えたオーバーフロー分のイオン濃縮水を貯留する第二貯留槽６４とを有する。このとき、第一貯留槽６１にはイオン濃縮水貯留槽６に貯留されるイオン濃縮水のうち比較的比重の重い下層部が滞留しやすく、第二貯留槽６２にはイオン濃縮水貯留槽６に貯留されるイオン濃縮水のうち比較的比重の軽い上層部が移行し易くなっている。よって、第二貯留槽６２に貯留した、より比重の軽い領域部分のイオン濃縮水を再利用することにより、夾雑沈殿物等の不純物の少ないイオン濃縮水をイオン濃縮用水として再利用することができる。一方、第一貯留槽６１に貯留したイオン濃縮水に対しては、自然沈降した夾雑沈殿物等の不純物や、更にポリ塩化アルミニウムや高分子凝集剤等のイオン凝集剤の添加により、イオン性物質を沈殿させた沈殿物は、再利用経路とは別経路により回収することができる。また、イオン濃縮水貯留槽６には注水を行ってもよく、この場合、第二貯留槽６２側に注水することにより、よりイオン性物質の濃度を低減したイオン濃縮水に調整して、これをイオン濃縮用水として再利用するようにしてもよい。
【００６１】
以上のとおり、イオン濃縮水貯留槽６では、系内のイオン濃縮用水の総量やイオン濃度を調整したり、場合によってはイオン濃度をモニターしたりするのに、都合がよい。
【００６２】
図１に示されるとおり、この水処理システム１０では、電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽を６基設けて、それぞれの処理水槽１ａ〜１ｆにおいて（１）被処理水の導入、（２）イオン性物質の電極への吸着、（３）イオン除去水の排水、（４）イオン濃縮用水の導入、（５）イオン性物質の電極からの脱着、（６）イオン濃縮水の排水の工程をその順に行い、且つ、処理水槽１ａ〜１ｆごとにずらして行うようにしている。また、上記（１）〜（６）のいずれかの工程が、処理水槽１ａ〜１ｆのいずれか１基において、すべて同期してなされるように構成されている。すなわち、より具体的に言えば、電気二重層キャパシタ機構による処理に必要とされる一連の工程が、各処理水槽間で見たときに周期的に繰り返されるようにしてあるので、所定の周期でタイミングをずらして各処理水槽の状態を見たときには、その一連の工程のうちの同じ若しくは同質の工程が行われている状態となっている。
【００６３】
表１には、処理水槽を６基設けたときの運転フローの一例が示される。
【００６４】
【表１】
2020062579.tif 000003
【００６５】
上記に説明したような、表１に示す運転フロー態様であれば、電気二重層キャパシタ機構による処理に必要とされる一連の工程を過不足なく、各処理水槽において所定の周期をもって繰り返すことができるので、水処理のためのバッチ処理サイクルを無駄なくタイミングよく行うことができ、効率的な連続運転が可能である。
【００６６】
ただし、他の運転フロー態様であっても、本発明による技術的効果を享受し得る。
【００６７】
例えば、表２には、処理水槽を７基設けたときの運転フローの一例が示される。この例のように、いずれか１基が中断の工程を取るように構成してもよい。
【００６８】
【表２】
2020062579.tif 000004
【００６９】
また、表３には、処理水槽を４基設けたときの運転フローの一例が示される。この例のように、電気二重層キャパシタ機構による処理に必要とされる一連の工程のうち、被処理水の導入の工程と、イオン性物質の吸着の工程とを、１のタイミングで行うべき同じ若しくは同質の工程と設定することも任意である。同様に、イオン濃縮用水導入の工程と、イオン性物質の脱着の工程とを、１のタイミングで行うべき同じ若しくは同質の工程と設定することも任意である。
【００７０】
【表３】
2020062579.tif 000005
【００７１】
また、表４には、処理水槽を２基設けたときの運転フローの一例が示される。この例のように、電気二重層キャパシタ機構による処理に必要とされる一連の工程のうち、被処理水の導入の工程と、イオン性物質の吸着の工程と、イオン除去水の排水の工程とを、１のタイミングで行うべき同じ若しくは同質の工程と設定することも任意である。同様に、イオン濃縮用水導入の工程と、イオン性物質の脱着の工程と、イオン濃縮水の排水の工程とを、１のタイミングで行うべき同じ若しくは同質の工程と設定することも任意である。
【００７２】
【表４】
2020062579.tif 000006
【００７３】
更に、上記した、（１）被処理水の導入、（２）イオン性物質の電極への吸着、（３）イオン除去水の排水、（４）イオン濃縮用水の導入、（５）イオン性物質の電極からの脱着、（６）イオン濃縮水の排水の工程について、それらの工程を、任意に別に定義づけられた工程に変更したり、任意に別に定義づけられた順序に変更したり、任意に別に定義づけられた工程に変更したうえ上記した工程を一部削除したり、各処理水槽において周期的に行なわれる一連の工程の開始タイミングを一部重複させたりずらしたりして、同時に開始させない所定周期を有する運転フローを採用したり、一の処理水槽において行われる工程の開始タイミングを、他の処理水槽で同じ若しくは同質の工程が行われている途中に行うようにしたり、いずれの態様についても、本発明の技術的効果を享受するため任意に採用し得る。すなわち、少なくとも２基以上の処理水槽を備え、その処理水槽間で見たときに、電気二重層キャパシタ機構による処理に必要とされる一連の工程が周期的に繰返されるように処理を行うようにすればよい。
【００７４】
一方、図３〜５には、本発明に使用可能な、電気二重層キャパシタ機構を備えた処理水槽の他の一例が示される。すなわち、図３に示されるように、この例では、上記した電気二重層キャパシタ機構２を構成する電極として、電極カセット５０が用いられる。電極カセット５０は、１対の活性炭層５２，５２と１対の集電体５３，５３とが、セパレータ５１を挟んで対峙するように配され、これらを最外から１対の支持枠５４，５４が挟み込むようにして組み付けられている。また、集電体５３には端子５３ａが設けられ、組み付けたときに支持枠５４の上端に設けられた孔５４ａを挿入されて端子５３ａは支持枠５４の枠の外側に延出して、外部の電源装置に回路接続できるようにしている（図４参照）。なお、電気抵抗低減のため、セパレータ５１は、活性炭層５２の一方の片面側に積層するように配置され、集電体５３が活性炭層５２の他方の片面側に配置されることが好ましい。そして、図５に示すように、上記の電極カセット５０の５基を使用して、これを水槽部３の収容空間内に配置することで、処理水槽１ｈが構成される。
【００７５】
活性炭層５２と集電体５３に適した材料は、上述したとおりである。また、支持枠５４としては、合成樹脂等の材料を用いることができる。活性炭層５２と集電体５３とセパレータ５１とを挟持しながら、支持枠５４，５４の向かい合う側面どうしを適宜接着することにより、活性炭層５２と集電体５３とセパレータ５１とが積層した状態で支持される。一方、セパレータ５１の材質としては、電気絶縁性で、且つ、液体の透過性を有するものであればよい。例えば、ニトロセルロース膜、多孔質の高分子（ポリアミド等）膜、ガラスフィルター、不織布などが挙げられる。セパレータ５１の厚みに特に制限はないが、通常、典型的には０．０２〜０．２ｍｍ程度である。
【００７６】
更に、図６には、本発明にかかる水処理システムの第２の実施形態が示されている。この実施形態に係る水処理システム１０ａでは、被処理水導入管Ｌ１に連なる前段に生物処理槽を備えた水処理システム９０が配されおり、生物処理により除去できなかったイオン性物質を除去するために、その生物処理槽を備えた水処理システム９０での処理後水が、被処理水導入管Ｌ１を通じて、上記処理水槽１ａ〜１ｆに導入されるようにしている。また、イオン濃縮水貯留槽６からの排水、例えば主にその第一貯留槽６１に滞留した比較的比重の重いイオン濃縮水を一部回収して、又はそれらへのイオン凝集剤の添加により凝集物を生成させてその凝集物を、濃縮イオン再利用経路Ｌ６で水処理システム９０の生物処理槽に戻すようにしている。これによれば、上記イオン濃縮水に濃縮された硝酸イオン等のイオン類、又は上記凝集物に濃縮された硝酸塩等の塩類を回収して、生物処理工程に基質として回生することにより、生物処理槽を備えた水処理システムのランニングコスト（基質費用）の低減を図ることができる。
【実施例】
【００７７】
以下、具体的な試験例を挙げて本発明について更に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は、本試験例の態様に限定されるものではない。
【００７８】
［試験例１］
工場排水の最終処理工程を想定した模擬システムを組み、本発明の有用性について検証した。具体的には、以下の仕様で水処理システムを構築し、本発明の有用性について検証した。
【００７９】
（被処理水）
生物処理の脱窒処理後の排水を模した被処理水として、硝酸水溶液であって硝酸イオン（ＮＯ3-）濃度が１００ｐｐｍのものを調製した。
【００８０】
（電気二重層キャパシタ用電極）
図３，４において説明したセパレータ内蔵型電極カセットを、以下の部材により構成し、作製した。
・電極（正極、負極）：活性炭電極（日本黒鉛工業製のアルミ塗工ＥＤＬＣ電極  ２５ｃｍ2）
・セパレータ：ニッポン高度紙工業製のセルロースセパレータ
・集電体（及びセル支持基材）：ＳＵＳメッシュ
【００８１】
（処理水槽）
図５において説明した態様のとおりに、上記で作製したセパレータ内蔵型電極カセットを５基使用して、電極カセットの幅広表面どうしが向き合うように、ほぼ平行に、且つ、ほぼ等間隔に配置して、また、処理水槽の水槽部としては２００ｍＬ角型ガラス容器を使用して、被処理水を導入した際には、電極カセットの全体が浸かるようにした。
【００８２】
（イオン濃縮水貯留槽）
イオン濃縮水貯留槽としては１Ｌのガラス容器を使用した。
【００８３】
（システム構成）
上記の態様の処理水槽を６基とイオン濃縮水貯留槽の１基とを、他に電磁弁、送液ポンプとともに組み合わせて、図１において説明した構成と同様に配置し、水処理システムを構築した。
【００８４】
２０ｍＬ／ｍｉｎの条件でバッチへ供給及び放流水・濃縮水流量の調節、循環ポンプ流量の調節を行った。なお、初期状態としては、各処理水槽を純水で満たした状態から開始した。また、充電電流（及び逆電流）としては、北斗電工製マルチ充放電装置（HJ1001SD8）により１．３ｍＶ／ｓｅｃでセル電圧０Ｖから１．０Ｖ充放電（吸脱着）を行った。
【００８５】
図７には、被処理水、イオン除去水（放流水）、及びイオン濃縮水（イオン濃縮液貯留槽）の一部を経時的にサンプリングして、それらの硝酸イオン濃度を調べた結果を示す。
【００８６】
その結果、電気二重層機構の作動によるバッチ処理により、連続してＮＯ3-を除去できることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００８７】
１、１ａ〜１ｈ：処理水槽
２、２ａ〜２ｆ：電気二重層キャパシタ機構
３：水槽部
４：電源装置
５：電源スイッチ装置
６：イオン濃縮水貯留槽
７：イオン性物質
１０、１０ａ：水処理システム
２０：活性炭電極
２１、５３：集電体
２２、５２：活性炭層
５０：電極カセット
５１：セパレータ
５３ａ：端子
５４：支持枠
５４ａ：孔
６１：第一貯留槽
６２：第二貯留槽
６３：水位壁
９０：生物処理槽を備えた水処理システム
Ｐ：送液ポンプ
Ｖ：電磁弁
Ｌ１：被処理水導入管
Ｌ２：イオン除去水排水管
Ｌ３：イオン濃縮用水導入管
Ｌ４：イオン濃縮水排水管
Ｌ５：イオン濃縮水返送管
Ｌ６：濃縮イオン再利用経路
【図１】
2020062579.tif 000007
【図２Ａ】
2020062579.tif 000008
【図２Ｂ】
2020062579.tif 000009
【図２Ｃ】
2020062579.tif 000010
【図３】
2020062579.tif 000011
【図４】
2020062579.tif 000012
【図５】
2020062579.tif 000013
【図６】
2020062579.tif 000014
【図７】
2020062579.tif 000015