(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝酸汚染水を硝酸還元することにより脱窒処理する硝酸汚染水の脱窒処理方法において、陰極と陽極とを設置した反応槽内で、脱窒菌を生体触媒として用い、硝酸汚染水を水素の発生しない低電位で電解処理することを特徴とする硝酸汚染水の脱窒処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硝酸汚染水の脱窒処理方法に関し、さらに詳しくは、地下水，産業排水及び家庭排水等に含有している窒素分を除去する水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基準値を越える高濃度の硝酸態窒素汚染水に対する処理法について、イオン交換法，逆浸透法，電解還元法などの物理化学的処理法及び生物学的脱窒法が検討され、一部実用化している。しかしながら、いずれの処理法も現段階では、高塩濃度再生排水処理，運転コスト，処理能力，処理水質などに問題を有しており、有効な処理技術の開発研究が重要な課題になっている。
各種の方法の中で、生物学的脱窒法は、上述のような硝酸イオン汚染水についての適用可能な処理法の１つと考えられる。そこで、そのプロセス開発に重要な因子は、適切な水素供与体の添加，制御、及び高速処理のための脱窒菌の高濃度化，高密度化であると考えられる。
【０００３】
通常の生物学的脱窒プロセスでは、有機物を水素供与体として添加しており、大きな処理速度が得られるが、十分な処理をするためには過剰量の有機物添加が必要であるため、処理水への有機物残留が問題となる。
一方、水素ガスを電子供与体としてマイクロコカスディナイトリフィカンズ(Micrococcus denitrificans) などの自栄養性細菌を用いる処理法では、残留有機物の問題は解決されるが、低溶解性の水素ガスの効率的供給，亜硝酸態窒素の残留等に問題点を有している。
このような上記問題点を解決するものとして、最近、生物学的電気化学的処理法が注目されている。
【０００４】
生物学的電気化学法について、特開平８−１９７８８号公報に開示されており、図４に基づいて該方法について説明する。
ステンレスで造られた円筒形の陰極兼反応槽９の中心に、多孔性プラスチック製円筒１０で覆われた炭素から造られた陽極３を設置する。陰極兼反応槽９と多孔性プラスチック製円筒１０との間で仕切られた空間に、脱窒菌を固定した炭素粒１１を充填する。なお、ここで充填する炭素粒１１は、陰極の役割を兼ねる粒子型電極である。
【０００５】
窒素分（硝酸分）を含む処理対象排水は、陰極兼反応槽９の中に収容される。そして、陽極３と陰極兼反応槽９とをつなぐ線に直流電源８により通電した場合、陽極３では電極材質の炭素が酸化し、炭酸イオンとして液中に溶解する。陰極兼反応槽９から電流が流れてくる炭素粒１１の表面上では、水が還元されて水素が発生する。
排水中の窒素分（硝酸分）は、水素を電子供与体として、炭素粒１１の表面上に固定した脱窒菌を生体触媒とし、窒素まで還元される。
【０００６】
しかしながら、水素（Ｈ2 ）は還元剤としては非常に高エネルギー（ギブスの自由エネルギー）であるため、硝酸を還元するのに水素を使用する上記方法ではエネルギーロスが大きく、硝酸汚染水の脱窒処理方法としては運転コスト，運転効率等の面で未だ問題であった。
ここで、硝酸の還元および水素の電子供与を、それぞれエネルギーとともに反応式で示せば、以下のようになる。
0003679918.tif 000002
（式中、ｚは反応に関与する電子数、Ｆはファラデー定数、Ｅは電位である。）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、水素の発生しない低電圧で生体を触媒とする電解、排水中の窒素分の還元を行うことにより、エネルギーロスの少ない硝酸汚染水の脱窒処理方法を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、硝酸汚染水の脱窒処理方法において、脱窒菌を生体触媒として用い、硝酸汚染水を水素の発生しない低電位で電解処理することによって、かかる問題点が解決されることを見い出した。
本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、硝酸汚染水を還元することにより脱窒処理する硝酸汚染水の脱窒処理方法において、脱窒菌を生体触媒として用い、硝酸汚染水を水素の発生しない低電位で電解処理する硝酸汚染水の脱窒処理方法を提供するものである。
また、本発明は、硝酸汚染水を硝酸還元することにより脱窒処理する硝酸汚染水の脱窒処理方法において、陰極と陽極とを設置した反応槽内で、脱窒菌を生体触媒として用い、硝酸汚染水を水素の発生しない低電位で電解処理する硝酸汚染水の脱窒処理方法を提供するものである。
このような本発明によれば、従来の方法よりも低電位で電解が発生するので、従来法より約２〜３割程度、必要電力が低下する。これにより、硝酸汚染水の脱窒処理におけるランニングコストを低く抑えることができ、運転コスト，運転効率の面で優れた脱窒処理技術を提供できるのである。
以下、本発明について、詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態
原理的には、硝酸（ＨＮＯ3 ）の還元は０．９４Ｖ以下の電位であれば、反応は進行する。ところが、従来法のように水素（Ｈ2 ）を介在させると０Ｖの電位が必要となり、差し引き０．９４Ｖのロスになる。
そこで、本発明の硝酸汚染水の脱窒処理方法では、脱窒菌としての細菌、厳密には細菌内の電子受容体が０．９４Ｖ〜０Ｖの間で電極から電子を受け取り、受け取った電子が硝酸の還元に寄与することにより、電位を０Ｖまで低下させなくても反応を進行させるようにしたものである。
【００１０】
ここで、生体触媒として細菌を用いた場合の電子供与および硝酸の還元を反応式で示せば、以下のようになる。
細菌＋ｅ- （電極）  →  細菌・ｅ- （電極反応）
ＮＯ3 - ＋５（Ｈ+ ＋ｅ- ）  →  1/2 Ｎ2 ＋２Ｈ2 Ｏ＋ＯＨ- 
細菌・ｅ-         →  細菌＋ｅ- 
上記電極反応では、水素発生よりも高い電位で反応が進行する。
【００１１】
このようなことから、細菌等の生物の電子受け取り条件を確認するため、電流−電位曲線を測定すると図２に示すような結果になる。
ここで、試験水の組成としては、硝酸ナトリウムは窒素（Ｎ）に換算して８０ｍｇ／リットルとなる量、また、リン酸１カリウムはリン（Ｐ）に換算して１０ｍｇ／リットルとなる量を含有している。
図２の電流電位曲線は、生物有りと生物無しの２つのケースの硝酸溶液について測定した場合である。図２に示すように、電位を変えて電流密度を測定すると、先ず、硝酸還元と考えられる電流が現れ、次いで、生物有りの場合には生物の電子受け取り電流が現れ、最後に、水素（Ｈ2 ）発生と考えられる電流が現れた。
これらの間のおおよその電位差は、硝酸還元と微生物の電子受け取りとの間で約０．４〜０．５Ｖであり、微生物の電子受け取りと水素発生との間で約０．５Ｖであった。
【００１２】
したがって、硝酸汚染水を還元することにより脱窒処理する場合、脱窒菌としての微生物を生体触媒として用いることにより、微生物の電子受け取りと水素発生との間の電位差の分だけ、低電位で電解処理することができるのである。そして、この脱窒処理を、陰極と陽極とを設置した反応槽内で行うことにより、水素の発生しない硝酸汚染水の処理が可能となる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
【００１３】
【実施例】
実施例１
図２に示した上記実験によって得られた条件にて、図１に示す装置を用いて硝酸の電解試験を実施した。
反応槽１に、陰極２，陽極３及び参照電極４を設置した。参照電極４は、陰極電位をモニターしてコントロールするためのものである。反応槽１に、硝酸および微生物の入った試験水６を満たした。そして、この反応槽１内を攪拌機７で緩やかに攪拌しながら、定電位電源５によって陰極電位を
１）微生物の電子受け取り電位（水素発生電位よりも−０．５Ｖ付近）
２）水素発生電位
の２条件に保ちながら、硝酸の還元を行った。
その結果、硝酸の還元速度は、１）微生物の電子受け取り電位の場合と、２）水素発生電位の場合とで大差はなかった。
このように硝酸の還元速度は、水素発生電位による従来法と本発明の方法とで同等であった。一方、同量の硝酸を還元するのに必要な電力は、投入した電力の比となる。したがって、図３に示したように、本発明の方法は従来法より約２〜３割程度、必要電力が低下することがわかった。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の汚染水の脱窒処理方法によれば、従来の方法よりも低電位で電解が発生するので、従来法より約２〜３割程度、必要電力が低下する。これにより、本発明は、硝酸汚染水の脱窒処理におけるランニングコストを低く抑えた効率的な運転を行うことができ、産業上の意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１において、本発明の方法を用いて硝酸の電解試験を行った装置の概略図である。
【図２】図２は、電流−電位曲線を示した図である。
【図３】図３は、本発明と従来法の必要な電力を比較した図である。
【図４】図４は、従来法による硝酸の電解試験を行う装置の概略図である。
【符号の説明】
１  反応槽
２  陰極
３  陽極
４  参照電極
５  定電位電源
６  試験水
７  攪拌機
８  直流電源
９  陰極兼反応槽
１０  多孔性プラスチック製円筒
１１  炭素粒
【図１】
0003679918.tif 000003
【図２】
0003679918.tif 000004
【図３】
0003679918.tif 000005
【図４】
0003679918.tif 000006