(57)【要約】【課題】ランニングコストを低減しつつ、効果的に、被処理水を処理可能とする水処理方法及び水処理装置を提供する。【解決手段】磁場中で起電力を誘起した処理物質を被処理水中に投入し、当該処理物質に与える磁場を時間的に変化させる、例えば、被処理水中にばっ気を行うことにより、被処理水中の被反応物質を処理する。特に、処理物質に、被処理水中の被反応物質の酸化還元電位を超える起電力を発生させることにより処理を容易に実現する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場中で誘導起電力を発生する処理物質を被処理水中に投入し、前記処理物質が磁場中を移動することにより、前記被処理水中の被反応物質を処理することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
前記処理物質に、前記被処理水中の被反応物質の酸化還元電位より卑、或いはより貴、若しくはより卑、より貴の両者となる起電力を発生させることを特徴とする請求項１の水処理方法。
【請求項３】
静磁場中で前記処理物質を運動させるか、若しくは、磁場自体を変化させることによって前記処理物質を通過する磁束を時間的に変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２の水処理方法。
【請求項４】
異なるレストポテンシャルを有する複数種類の前記処理物質を前記被処理水中に投入することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の水処理方法。
【請求項５】
前記処理物質として酸化鉄を用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４の水処理方法。
【請求項６】
前記処理物質は酸化鉄（III）であり、前記被処理水中に光を照射することを特徴とする請求項５の水処理方法。
【請求項７】
前記被処理水中に塩化物イオンを投入することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の水処理方法。
【請求項８】
被処理水中に投入され、磁場中で誘導起電力を発生する処理物質と、該処理物質を磁場中にて移動させる作用手段とを備えたことを特徴とする水処理装置。
【請求項９】
前記作用手段は、前記被処理水中の被反応物質の酸化還元電位より卑、或いはより貴、若しくはより卑、より貴の両者となる起電力を前記処理物質に発生させることを特徴とする請求項８の水処理装置。
【請求項１０】
前記作用手段は、静磁場中で前記処理物質を運動させるか、若しくは、磁場自体を変化させることによって前記処理物質を通過する磁束を時間的に変化させることを特徴とする請求項８又は請求項９の水処理装置。
【請求項１１】
異なるレストポテンシャルを有する複数種類の前記処理物質が前記被処理水中に投入されていることを特徴とする請求項８、請求項９又は請求項１０の水処理装置。
【請求項１２】
前記処理物質は微細寸法を有して前記被処理水中に複数投入されると共に、前記被処理水を濾過する濾過手段を備え、
前記作用手段は、前記被処理水中に静磁場を発生させる磁場発生手段と、前記被処理水を攪拌する攪拌手段とから構成されていることを特徴とする請求項８、請求項９、請求項１０又は請求項１１の水処理装置。
【請求項１３】
前記処理物質は酸化鉄を用いることを特徴とする請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１又は請求項１２の水処理装置。
【請求項１４】
前記処理物質は酸化鉄（III）であり、前記被処理水中に光を照射する光発生手段を備えたことを特徴とする請求項１３の水処置装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば有機物、有機態窒素、亜硝酸窒素、硝酸態窒素、アンモニア態窒素などの窒素化合物や例えばリン酸、リン酸イオンなどのリン化合物を含む被反応物質を含む被処理水を電気化学的に処理する水処理方法及び水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、川や湖の富栄養化の原因の一つに窒素化合物の存在があることは周知である。また、この窒素化合物は、一般家庭の生活排水中や工場排水中に多く存在するが、浄化処理が困難なものであり、有効な対策がとれないのが現状である。一般には、生物的処理が行われているが、先ずアンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換する硝化工程と、硝酸態窒素を窒素ガスに変換する脱窒工程の２つの工程により行われるため、２つの反応槽が必要となると共に、処理時間が長いため、処理効率が低くなる問題があった。
【０００３】
また、該生物的処理では、硝化細菌及び脱窒素細菌を保有するために大容量の嫌気槽が必要となり、設備建設コストの高騰、装置設置面積の拡大を招く問題があった。更に、これら硝化細菌及び脱窒素細菌は、周囲の温度環境、その他、被処理水中に含まれる成分などに著しく影響されるため、特に温度が低くなる冬場になると、活動が低下して脱窒素作用が低下し、処理効率が不安定となる問題もあった。
【０００４】
そこで、上記技術的課題を解決するために、被処理水に電流を流してアンモニア、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素を酸化、又は、還元分解して窒素ガスにする方法がある（例えば、特許文献１参照。）。この場合、被処理水中にアノードとなる電極及びカソードとなる電極を浸漬し、これらに所定の電流を流すことで、電気化学的に処理を行うものであった。
【０００５】
また、これ以外にも、被処理水中の例えば微生物フロックなどから形成される汚泥を処理する方法として、被処理水中に磁性体粉末を添加混合し、当該被処理水を磁気処理することでフロックを凝集させ、固液分離する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。また、当該特許文献２に、磁性粉末添加に先立ち、他の凝集剤を添加する凝集処理方法として、特許文献３に示す処理方法がある。
【０００６】
当該凝集処理方法は、被処理水に凝集剤を添加して凝集を行い、当該被処理水を磁化磁性体粉末を含む流動床を通過させ、凝集フロックを捕捉して分離するものである。凝集剤としては塩化第二鉄等が用いられている。
【特許文献１】特開２０００−１１７２５９号公報
【特許文献２】特開昭４８−４２５７０号公報
【特許文献３】特開平１１−５７３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献２及び特許文献３による被処理水の処理方法では、何れも被処理水中の微生物等の被処理物を磁性体粉末によって凝集フロックを形成し、当該凝集フロックを分離することで被処理水の処理を行うものである。しかしながら、かかる方法では、被処理水中の被処理物を凝集することにより分離するため、分離されるフロックが大量に生成されると共に、分離後のフロックを更に処理しなければならない問題が生じる。
【０００８】
また、当該方法では、磁性体粉末の周囲は有機物で覆われてしまうため、磁性体表面における物理化学的反応を用いることは期待できない。
【０００９】
そこで、特許文献１に記載の発明の如く電気化学的に被処理水を処理することで、被処理水中のアンモニア態窒素を酸化又は、還元分解して窒素ガスに変換する方法があるが、かかる方法では、被処理水中に電極を浸漬し、所定の電位を印加する必要があるため、処理に際し、多大な消費電力量が必要となり、ランニングコストが高騰する問題がある。また、取扱い次第では、爆発の危険性を含んでいる。そのため、電気化学的処理の高度化に加えて、より安価で安全な処理方法を開発が望まれている。
【００１０】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、ランニングコストを低減しつつ、効果的に、被処理水を処理可能とする水処理方法及び水処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水処理方法は、磁場中で誘導起電力を発生する処理物質を被処理水中に投入し、処理物質が磁場中を移動し、当該処理物質が通過する磁束を変化させることにより、被処理水中の被反応物質を処理することを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明の水処理方法は、上記発明において、処理物質に、被処理水中の被反応物質の酸化還元電位より卑、或いはより貴、若しくはより卑、より貴の両者となる起電力を発生させることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明の水処理方法は、上記各発明において、静磁場中で処理物質を運動させるか、若しくは、磁場自体を変化させることによって処理物質を通過する磁束を時間的に変化させることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明の水処理方法は、上記各発明において、異なるレストポテンシャルを有する複数種類の処理物質を被処理水中に投入することを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明の水処理方法は、上記各発明において、処理物質として酸化鉄を用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明の水処理方法は、上記発明において、処理物質は酸化鉄（III）であり、被処理水中に光を照射することを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明の水処理方法は、上記各発明において、被処理水中に塩化物イオンを投入することを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明の水処理装置は、被処理水中に投入され、磁場中で誘導起電力を発生する処理物質と、該処理物質を磁場中にて移動させる作用手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明の水処理装置は、上記発明において、作用手段は、被処理水中の被反応物質の酸化還元電位より卑、或いはより貴、若しくはより卑、より貴の両者となる起電力を処理物質に発生させることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０の発明の水処理装置は、上記各水処理装置の発明において、作用手段は、静磁場中で処理物質を運動させるか、若しくは、磁場自体を変化させることによって処理物質を通過する磁束を時間的に変化させることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明の水処理装置は、上記各水処理装置の発明において、異なるレストポテンシャルを有する複数種類の前記処理物質が被処理水中に投入されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２の発明の水処理装置は、上記各水処理装置の発明において、処理物質は微細寸法を有して被処理水中に複数投入されると共に、被処理水を濾過する濾過手段を備え、作用手段は、被処理水中に静磁場を発生させる磁場発生手段と、被処理水を攪拌する攪拌手段とから構成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項１３の発明の水処理装置は、上記各水処理装置の発明において、処理物質は酸化鉄を用いることを特徴とする。
【００２４】
請求項１４の発明の水処理装置は、上記発明において、処理物質は酸化鉄（III）であり、被処理水中に光を照射する光発生手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の水処理方法によれば、磁場中で誘導起電力を発生する処理物質を被処理水中に投入し、処理物質が磁場中を移動することにより、誘起される誘導起電力を用いて、被処理水中の被反応物質を電気化学的に処理することが可能となる。
【００２６】
特に、請求項２の発明の如く処理物質に、被処理水中の被反応物質の酸化還元電位より卑、或いはより貴、若しくはより卑、より貴の両者となる起電力を発生させることにより、被反応物質の酸化還元処理が可能となる。そのため、例えば被処理水中の被反応物質が硝酸態窒素やアンモニア態窒素である場合には、当該硝酸態窒素やアンモニア態窒素を酸化及び還元処理することで、無害な窒素ガスにまで処理することが可能となる。
【００２７】
これにより、高度な被反応物質の処理能力を実現することができるようになる。また、本発明によれば、従来の如く電極に所定電位を印加する必要が無く、且つ、通常、処理効率の向上を図るために必要な撹拌を利用して反応を促進するため、ランニングコストの低減を図ることができると共に、処理における安全性を確保することができるようになる。
【００２８】
また、請求項３の発明によれば、上記各発明において、静磁場中で処理物質を運動させるか、若しくは、磁場自体を変化させることによって処理物質を通過する磁束を時間的に変化させるため、簡単な構成にて磁場を時間的に変化させることができるようになり、当該発明を実現するための装置の構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００２９】
また、請求項４の発明によれば、上記各発明において、異なるレストポテンシャルを有する複数種類の処理物質を被処理水中に投入することにより、処理物質に対応した酸化還元電位を実現でき、且つ、処理物質に応じた誘導起電力によって、当該複数の酸化還元電位より、卑或いは貴、若しくは、その両者が実現できるため、被処理物質を還元、或いは、酸化、若しくは酸化及び還元することが可能となる。
【００３０】
また、請求項５の発明によれば、上記各発明において、処理物質として酸化鉄を用いることにより、レストポテンシャルが負である酸化鉄を請求項１の発明の如く時間的に変化する磁場を与えることにより、誘導された起電力により、硝酸態窒素の還元反応と、塩化物イオンの酸化反応を生起することができる。
【００３１】
また、当該酸化鉄は、誘導起電力により、分極することで形成されたカソードにおいて、電位が酸化鉄の還元電位に達すると、鉄を生じる。他方、分極することで形成されたアノードにおいて、電位が鉄の酸化電位に達すると、鉄の溶解が生じる。当該溶解鉄の酸化に共役して、硝酸態窒素の還元反応と共に、被処理水中のリン酸イオンと反応することでリン酸鉄を形成することができる。
【００３２】
また、請求項６の発明によれば、上記発明において、処理物質として酸化鉄（III）であり、被処理水中に光を照射する酸化鉄（III）を光触媒として被処理水中の有機物を酸化して分解処理すると共に、窒素、リン除去処理を行うことができるようになる。
【００３３】
また、請求項７の発明によれば、上記各発明において、被処理水中に塩化物イオンを投入することにより、被処理水中に高効率で次亜塩素酸等の酸化剤を生成することができるようになる。これにより、被処理水中に生成された次亜塩素酸等の酸化剤により、誘導起電力により各処理物質に形成されるカソードにおいて生成されたアンモニア等の脱窒処理を行うことができるようになる。そのため、硝酸態窒素、アンモニア態窒素及び窒素化合物などの窒素成分をより一層効果的に処理することができるようになる。
【００３４】
また、処理物質が酸化鉄である場合には、当該酸化鉄に形成される不動態酸化被膜を塩化物イオンにて破壊することができることから、鉄溶解を促進させることができ、より一層、効果的に被反応物質を処理することが可能となる。
【００３５】
請求項８の発明の水処理装置によれば、被処理水中に投入され、磁場中で誘導起電力を発生する処理物質と、処理物質を磁場中にて移動させる作用手段とを備えたので、磁場の時間変化により誘起される誘導起電力を用いて、被処理水中の被反応物質を電気化学的に処理することが可能となる。
【００３６】
特に、請求項９の発明の如く作用手段は、被処理水中の被反応物質の酸化還元電位より卑、或いはより貴、若しくはより卑、より貴の両者となる起電力を処理物質に発生させることにより、被反応物質の酸化還元処理が可能となる。そのため、例えば被処理水中の被反応物質が硝酸態窒素やアンモニア態窒素である場合には、当該硝酸態窒素やアンモニア態窒素を酸化及び還元処理することで、無害な窒素ガスにまで処理することが可能となる。
【００３７】
これにより、高度な被反応物質の処理能力を実現することができるようになる。また、本発明によれば、従来の如く電極に所定電位を印加する必要が無く、且つ、通常、処理効率の向上を図るために必要な撹拌を利用して反応を促進するため、ランニングコストの低減を図ることができると共に、処理における安全性を確保することができるようになる。
【００３８】
また、請求項１０の発明によれば、上記各水処理装置の発明において、作用手段は、静磁場中で処理物質を運動させるか、若しくは、磁場自体を変化させることによって処理物質を通過する磁束を時間的に変化させることにより、簡単な構成にて磁場を時間的に変化させることができるようになり、装置の構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００３９】
また、請求項１１の発明によれば、上記各水処理装置の発明において、異なるレストポテンシャルを有する複数種類の前記処理物質が被処理水中に投入されているので、処理物質に対応した酸化還元電位を実現でき、且つ、処理物質に応じた誘導起電力によって、当該複数の酸化還元電位より、卑或いは貴、若しくは、その両者が実現できるため、被処理物質を還元、或いは、酸化、若しくは酸化及び還元することが可能となる。
【００４０】
また、請求項１２の発明によれば、上記各水処理装置の発明において、処理物質は微細寸法を有して被処理水中に複数投入されると共に、被処理水を濾過する濾過手段を備え、作用手段は、被処理水中に静磁場を発生させる磁場発生手段と、被処理水を攪拌する攪拌手段とから構成されているので、磁場発生手段により、微細寸法を有する処理物質に磁場を与えることができると共に、撹拌手段により被処理水を撹拌することで、当該処理物質に時間的に変化する磁束を与えることができ、各処理物質は各処理物質固有の誘導起電力を得ることができる。
【００４１】
これにより、各処理物質が当該誘導起電力により、分極し、それぞれカソードとアノードを形成することで、被処理水中に存在する硝酸態窒素の還元反応と、塩化物イオンの酸化反応を生起することができる。
【００４２】
特に、処理物質は、微細寸法に形成されていることから、撹拌手段により容易に加速させることができ、当該処理物質の速度が大きくなることで、各処理物質に生じる誘導起電力を増大させることができるようになる。
【００４３】
また、被処理水は、濾過手段を備えているので、処理後の被処理水と共に微細寸法の処理物質が排出される不都合を回避することができるようになる。これにより、メンテナンス作業を簡素化することができると共に、コストを削減することができる。
【００４４】
また、請求項１３の発明によれば、上記各水処理装置の発明において、処理物質は酸化鉄を用いることにより、レストポテンシャルが負である酸化鉄に請求項７の発明の如く時間的に変化する磁場を与えることにより、誘導された起電力により、硝酸態窒素の還元反応と、塩化物イオンの酸化反応を生起することができる。
【００４５】
また、当該酸化鉄は、誘導起電力により、分極することで形成されたカソードにおいて、電位が酸化鉄の還元電位に達すると、鉄を生じる。他方、分極することで形成されたアノードにおいて、電位が鉄の酸化電位に達すると、鉄の溶解が生じる。当該溶解鉄の酸化に共役して、硝酸態窒素の還元反応と共に、被処理水中のリン酸イオンと反応することでリン酸鉄を形成することができる。
【００４６】
また、請求項１４の発明によれば、上記発明において、処理物質は酸化鉄（III）であり、被処理水中に光を照射する光発生手段を備えたことにより、酸化鉄（III）を光触媒として被処理水中の有機物を酸化して分解処理すると共に、窒素、リン除去処理を行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
先ず、図１乃至図５を参照して本発明の基本的原理について説明する。図１は誘導起電力の模式図であり、図２は処理物質（担体）のレストポテンシャル状態を示す図、図３乃至図５は処理物質（担体）のレドックスポテンシャル（酸化還元電位）を示した図である。
【００４８】
図１に示すように処理物質（以下、担体と称す。）Ｓを所定の磁場中に存在させ、所定の速度ｖにて時間的に担体Ｓの位置を変化させることにより、誘導起電力ｅが発生する。当該誘導起電力の算出式を式１に示す。
式１  ｅ＝ｖＢｌ
尚、式中Ｂは、担体Ｓを通過する磁束密度であり、ｌは、担体の長さ寸法を示している。
【００４９】
また、担体Ｓは、図２に示すように当該担体Ｓを構成する材料に応じて所定のレストポテンシャルを有している。そのため、担体Ｓの一側には、少なからず正又はより正に近い電位を有するアノードとなり、他側には、負又はより負に近い電位を有するカソードを形成する。当該担体Ｓを上述したように磁場中に存在させ、所定の速度ｖにて時間的に担体Ｓの位置を変化させることにより、担体Ｓには、誘電起電力ｅが生じる。
【００５０】
これにより、担体Ｓは電磁誘導によって更に分極し、より正又は正に近い電位を有するアノードと、より負又は負に近い電位を有するカソードを形成することとなる。例えば、図３に示すように担体Ｓ（処理粒子）は正のレストポテンシャルを有しており、当該担体Ｓに起電力を誘起し、一端にアノードを形成すると共に、他端にカソードを形成する。このとき、当該担体Ｓが添加された被処理水中に被反応物質が存在しており、当該被反応物質のレドックスポテンシャル（酸化還元電位）よりもアノードに生じた酸化還元電位がより貴、即ち、正である場合には、当該担体Ｓに生じたアノードにおいて被反応物質の酸化反応を生起させることができる。尚、正のレストポテンシャルを有するものとしては、例えば、銅、白金、金、酸化マンガン、パラジウムなどがある。
【００５１】
他方、図４に示すように担体Ｓ（処理粒子）が負のレストポテンシャルを有しており、当該担体Ｓに起電力を誘起し、一端にアノードを形成すると共に、他端にカソードを形成する。このとき、当該担体Ｓが添加された被処理水中に被反応物質が存在しており、当該被反応物質のレドックスポテンシャルよりもカソードに生じた酸化還元電位より卑、即ち、負である場合には、当該担体Ｓに生じたカソードにおいて被反応物質の還元反応を生起させることができる。尚、このような負のレストポテンシャルを有するものとしては、例えば、鉄などがある。
【００５２】
また、図５に示すように担体Ｓを磁場中で運動させることによって起電力を誘起し、一端にアノードを形成すると共に、他端にカソードを形成する。このとき、当該担体Ｓが酸化還元電位の異なる複数種類の物質からなり、且つ、添加された被処理水中に複数種類の被反応物質が存在している場合、被反応物質のレドックスポテンシャルよりもアノードに生じた酸化還元電位がより貴、即ち、正である場合には、当該担体Ｓに生じたアノードにおいて被反応物質の酸化反応を生起させることができる。また、担体Ｓに生じたカソードにおける酸化還元電位が被反応物質のレドックスポテンシャルよりもより卑、即ち、負である場合には、当該カソードにおいて被反応物質の還元反応を生起させることができる。このように、担体Ｓに生じる誘導起電力ｅが大きく正負を生じ、各アノード及びカソードにおいて所定の電位を生じることが可能な物質では、アノード及びカソードの両者において酸化還元反応を生起することが可能となる。また、複数の担体Ｓの組み合わせとして、一方に酸化、他方に還元反応を担わせることが可能となる。このような物質としては、例えば、白金と鉄の組み合わせなどがある。
【００５３】
そのため、担体Ｓは、磁場中において動かすことで誘導起電力は発生するものであれば、本発明を実現することが可能となる。即ち、アルミニウムなどの非磁性体、又は、酸化鉄（III）（ヘマタイト）等の常磁性体であっても、磁束を吸収するものであれば、本発明を実現することができる。
【００５４】
次に、図６乃至図１０を参照して、本発明の実施形態の一例について詳述する。図６は本発明の被処理水としての排水を処理する方法を実現するための排水処理装置１の概要を示す説明図である。本実施例における排水処置装置１は、例えば、硝酸態窒素やアンモニア態窒素などを含む窒素化合物やリン化合物などを含む排水を処理するためのものであり、本実施例では特に、養豚場などから排出される排水を処理するものである。
【００５５】
この排水処理装置１は、内部に図示しない排水の流入口と流出口とを有する処理室４を構成する処理槽２と、当該処理槽２内に貯溜された排水中に静磁場を発生させる磁場発生手段としての永久磁石３と、処理槽２内に配設された濾過手段としての複数の微孔性薄膜２４と、当該微孔性薄膜２４により濾過処理された排水を汲み上げるための吸引ポンプ２６と、処理室４の下部に設けられ、微孔性薄膜２４に旋回流を与えるためのブロワー２８と、処理室４内の排水中に可視光を照射するための光照射装置６を備えている。
【００５６】
そして、この処理室４内に貯溜された排水中には、前述した如き処理物質としての担体Ｓが所定量投入されている。本実施例において担体Ｓは、酸化鉄（強磁性を有する酸化鉄（III）鉄（II）（Ｆｅ3Ｏ4）、酸化鉄（常磁性を有する酸化鉄（III）（Ｆｅ2Ｏ3）及び白金（Ｐｔ）であり、これらは、例えば１ミクロン程度の微細粒子として処理室４内の排水中に投入される。
【００５７】
前記微孔性薄膜２４は、浸漬型平膜であり、図７に示すように前後面を形成する膜体３０、３０と、これら膜体３０、３０の周囲を囲繞する枠体３３とから構成されている。この膜体３０、３０の内部には、スペーサ３２、３２及び支持体３４が形成されている。また、枠体３３の上部には、膜体３０、３０間と連通すると共に、前記吸引ポンプ２６に接続するための集水出口３６が形成されている。
【００５８】
ここで、膜体３０は、所定の径以下の微孔を形成した膜部材であり、本実施例における担体Ｓや、排水中に含まれる油分、微粒子及びバクテリア等の移動を阻止し、水分のみを透過可能とする。これにより、排水中の担体Ｓ、油分、微粒子及びバクテリア等は膜体３０により分離され、膜体３０内に吸引された水分のみが微孔性薄膜２４の上部に形成された集水出口３６に達する。
【００５９】
また、処理槽２の下部に設けられたブロワー２８は、処理槽２内に気泡を供給するものである。この気泡は処理槽２内に収容された担体Ｓを速度ｖにて運動させると共に、各担体Ｓと排水中の硝酸態窒素やアンモニア態窒素、リン化合物などの被反応物質との衝突回数を増加させ、当該担体Ｓにおける電気化学的反応を促進するものである。
【００６０】
また、ブロワー２８により排水中に供給される気泡は、旋回流となり、微孔性薄膜２４の表面に付着した微粒子をばっ気洗浄する。これにより、微孔性薄膜２４をばっ気洗浄しながら排水中の水分のみを吸引して、膜体３０を通過させるので、膜体３０の微孔の閉塞を抑制しながら、安定した濾過処理を行うことができる。これにより、高濃度排水中で長期間運転が可能となり、濾過効率の向上を図ることができるようになる。
【００６１】
他方、吸引ポンプ２６には、膜体３０内に吸引され、微孔性薄膜２４の上部に形成された集水出口３６に収集された排水を外部に排水するための排水管が接続されている。
【００６２】
また、前記光照射装置６は、処理槽２内に収容された排水に可視光を照射する装置であり、当該処理槽２内に収容された担体Ｓ、なかでも酸化鉄（III）に可視光を照射することで、当該酸化鉄（III）を光触媒とし、排水中の有機物を酸化分解処理する。
【００６３】
前記永久磁石３は、それぞれ例えば処理槽２を介して対向する位置に複数設けられるものであり、これら永久磁石３、３間に位置する処理槽２内に貯溜された排水中には、例えば磁束密度が１０ｍＴの静磁場が発生している。
【００６４】
以上の構成により、処理槽２内に所定量の担体Ｓと排水が貯溜された状態でブロワー２８を運転することにより、排水中には上述した如く気泡による旋回流が生成される。これにより、担体Ｓが静磁場中を移動するため、担体Ｓ上に起電力が誘起され、図８に示すように、担体Ｓを構成する酸化鉄がレストポテンシャルの状態（図８左上）から誘導起電力が生じることで、分極が生じ、各担体Ｓの一端においてＦｅ3Ｏ4からＦｅが還元され（図８左下）、更に、当該Ｆｅに還元された側にアノードが形成されることで、他方にカソードが形成され、当該担体Ｓに生じる電位がＦｅの酸化電位よりも正となることで、Ｆｅが酸化され、これにより、担体Ｓのアノードから鉄（II）イオン（Ｆｅ2+）が排水中に溶出することとなる。
【００６５】
そして、排水中では、図９に示す如き各反応が生じることで、排水中の硝酸態窒素やリン化合物が処理される。即ち、排水中に溶出された鉄（II）イオンは、排水中において鉄（III）イオンにまで酸化される（反応Ａ）。
反応Ａ    Ｆｅ2+→Ｆｅ3+＋ｅ-
【００６６】
このとき、担体Ｓとしての酸化鉄に誘起された起電力が、本実施例における排水中の被反応物質としての硝酸イオンの酸化還元電位及び亜硝酸イオンの酸化還元電位を越える大きさであることから、担体Ｓのカソード側では、アノード側において放出された電子が供給され、排水中に含まれる硝酸態窒素としての硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する反応を生起する（反応Ｂ）。更に、亜硝酸イオンに還元された硝酸態窒素は、担体Ｓのカソード側において電子が供給され、アンモニア（アンモニウムイオン）にまで還元される（反応Ｃ）。以下に、反応Ｂ及び反応Ｃを示す。
反応Ｂ    ＮＯ3-＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→ＮＯ2-＋２ＯＨ-
反応Ｃ    ＮＯ2-＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-→ＮＨ3（ａｑ）＋７ＯＨ-
【００６７】
一方、排水中には、担体Ｓとして白金も用いられていることから、当該担体Ｓとしての白金においても酸化鉄と同様に起電力が誘起される。当該白金において誘起された起電力は、排水中の被反応物質としての塩化物イオンの酸化還元電位を越える大きさであることから、白金により構成される担体Ｓのアノード側では、図１０に示すように塩化物イオンが電子を放出して塩素を生成する反応が生じる。更に、排水中において生成された塩素は、水に溶解して次亜塩素酸を生成する（反応Ｄ）。尚、本実施例では排水中に塩化物イオンが含有されているため、次亜塩素酸が生成されているが、これ以外に他のハロゲン化物イオンが排水中に含有されている場合には、次亜フッ素酸や次亜臭素酸などの他の次亜ハロゲン酸が生成されても同様の効果を奏するものとする。
反応Ｄ    ２Ｃｌ-→Ｃｌ2＋２ｅ-
Ｃｌ2＋Ｈ2Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ
【００６８】
ここで、排水中に含まれる塩化物イオン濃度が低い場合には、排水中に例えば塩化物イオンを含む化合物として、例えば、塩化カリウムなどを添加しても良い。
【００６９】
上述した如く白金により構成される担体Ｓにおいて生成された塩素は、水に溶解することで、次亜塩素酸が精鋭され、当該次亜塩素酸は、上記反応Ｃにおいて排水中に生成されたアンモニア（アンモニウムイオン）と反応し、複数の化学変化を経た後、窒素ガスに変換される（反応Ｅ）。
反応Ｅ    ＮＨ3＋ＨＣｌＯ→ＮＨ2Ｃｌ＋Ｈ2Ｏ
ＮＨ2Ｃｌ＋ＨＣｌＯ→ＮＨＣｌ2＋Ｈ2Ｏ
ＮＨ2Ｃｌ＋ＮＨＣｌ2→Ｎ2↑＋３ＨＣｌ
【００７０】
これにより、排水に含まれる被反応物質としての硝酸態窒素、亜硝酸態窒素及びアンモニア態窒素などの窒素化合物を担体Ｓに発生する誘導起電力により処理することができる。
【００７１】
他方、排水にリン化合物としてのリン酸イオンが含まれている場合には、上記反応Ａにおいて、生成された鉄（III）イオンと反応Ｆに示す如く脱リン反応を生じることにより、排水中のリン酸イオンと凝集沈殿し、水に難溶性のリン酸鉄を生成する。
反応Ｆ    Ｆｅ3+＋ＰＯ43-→ＦｅＰＯ4↓
これにより、排水中に含有されたリン化合物としてのリン酸イオンをリン酸鉄として沈殿処理することができる。
【００７２】
また、電子の供給のために排水中に鉄（II）イオンの状態で溶出し、排水中で酸化された鉄（III）イオンの一部は、この場合に酸化鉄により構成される担体Ｓであって誘導起電力により形成されるカソード側において、再度電子が供給され、鉄（II）イオンに還元されて再びアノード側において酸化される。
【００７３】
上述した如く処理槽２に貯溜された排水中の硝酸態窒素、亜硝酸態窒素、アンモニア態窒素などの窒素化合物やリン化合物などは、担体Ｓに誘起された起電力により、電気化学的に処理される。ここで、処理槽２内には、上述した如き濾過手段としての微孔性薄膜２４が設けられていることから、吸引ポンプ２６により処理された後の排水は、微孔性薄膜２４にて油分や微粒子、バクテリア、更には、前記担体Ｓを分離した後、膜体３０内に吸引された水分のみが集水出口３６を介して外部に排出される。
【００７４】
そのため、処理後の排水と共に微細寸法の担体Ｓが排出される不都合を回避することができるようになる。これにより、メンテナンス作業を簡素化することができると共に、コストを削減することができる。
【００７５】
これにより、本実施例によれば、静磁場中において担体Ｓをある速度において運動させることにより、当該担体Ｓに起電力を誘起させることができ、当該誘導起電力を用いて、排水中の硝酸態窒素やアンモニア態窒素などを電気化学的に処理することができるようになる。特に、本実施例では、担体Ｓとしてレストポテンシャルが負である酸化鉄を用いているため、硝酸態窒素やアンモニア態窒素の酸化還元電位を越える起電力を発生させることが可能となり、容易に、誘導起電力による電気化学的処理を実現することができるようになる。そのため、排水中の硝酸態窒素や亜硝酸態窒素などの高度な処理能力を実現することができるようになる。
【００７６】
特に、担体Ｓをある速度において運動させる手段として、上述した如き微孔性薄膜２４に付着した物質を水泡により除去する撹拌手段としてのブロワー２８を共用させることが可能となる。そのため、通常、微孔性薄膜による処理効率を向上させるのに必要な撹拌手段を利用して担体Ｓの処理能力を向上させることができる。
【００７７】
また、当該酸化鉄は、誘導起電力により、分極することで形成されたカソードにおいて、電位が酸化鉄の還元電位に達すると、鉄を生じる。他方、分極することで形成されたアノードにおいて、電位が鉄の酸化電位に達すると、鉄の溶解が生じる。当該溶解鉄の酸化に共役して、硝酸態窒素の還元反応と共に、被処理水中のリン酸イオンと反応することでリン酸鉄を形成することができる。
【００７８】
また、本実施例では、被処理水中に塩化物イオンが存在している、又は、上述した如く塩化物イオンを添加しているため、係る塩化物イオンによって、担体Ｓ、例えば鉄表面に形成される不動態被膜を破壊することが可能となり、鉄溶解を促進させることができるようになる。
【００７９】
これにより、排水中に被反応物質として硝酸態窒素やリン酸イオンが含まれている場合には、当該酸化鉄に生じた誘導起電力により、効果的に酸化・還元処理を行うことができ、高度な被処理水の処理を実現することができるようになる。
【００８０】
尚、担体Ｓとして用いられる酸化鉄（III）は、本実施例のように光照射装置６により可視光が照射されることで、光触媒として作用することが可能となり、これにより、排水中の有機物を酸化して分解処理することができるようになる。
【００８１】
本発明では、従来の如く電極に所定電位を印加する必要が無く、且つ、通常必要な撹拌手段を利用して反応を促進するため、ランニングコストの低減を図ることができると共に、処理における安全性を確保することができるようになる。
【００８２】
更にまた、本実施例では担体Ｓを１ミクロン程度の微粒子により構成していることから、ブロワー２８による気泡の発生により、容易に担体Ｓを所定の速度以上にて運動させることが可能となり、各担体Ｓに生じる誘導起電力を容易に増大させることができるようになる。
【００８３】
尚、本実施例では、静磁場中において担体Ｓをある速度において運動させることにより、担体Ｓに誘導起電力を発生させているが、これ以外にも、担体Ｓを静止又は運動させ、磁場を発生する永久磁石自体をモータなどにより時間的に変化させたり、電磁石を用いることにより、担体Ｓに誘導起電力を発生させても良いものとする。
【００８４】
また、本実施例では、担体Ｓとして、異なるレストポテンシャルを有する酸化鉄と白金を用いているため、それぞれ異なる誘導起電力値を得ることが可能となり、これにより、それぞれの被反応物質に対する酸化還元電位に対応することが可能となり、円滑な処理を実現することができるようになる。
【００８５】
以下に、本発明の誘導起電力による排水の処理能力についての実験結果を示す。実験に用いた排水サンプルは、１００ｍＭの塩化カリウムと、１０ｍＭの硝酸カリウムと、１０ｍＭのリン酸二水素カリウムを混合することにより調整されたものを用いた。また、担体Ｓとしては、異なる二種類のフェライト粉体、Ｆｅ3Ｏ4（マグネタイト）と、ＮｉＦｅＯ4を前記排水サンプルに対しそれぞれ０．３〜０．４ｇ用いた。尚、何れのフェライト粉体も粒子径が１μｍ程度のものを使用した。
【００８６】
本実験では、図１１に示すように永久磁石３、３間にモータ１０の回転軸１０Ａにそれぞれ所定の容器１２に収容された排水サンプル及び担体Ｓを配置させることにより行った。永久磁石３としては、ギャップ間隔を可変とするＴＭ−ＹＳＶ５５０９Ｃ−０３１型（玉川製作所製）を用い、ギャップ間隔は５０ｍｍとし、最大電流である１０Ａにて３．２３ｋＯｅ発生するものを用いた。本実験では８Ａをコイルに流し、排水サンプルの容器１２を中心部とコイル外に配置し、モータ１０により１分間あたり約９００回転させ、１〜３時間実施することにより行った。尚、中心部における中心磁束密度Ｂ１は、２５０ｍＴであり、コイル外における中心磁束密度Ｂ２は、１０ｍＴである。また、処理後は、マイクロ遠心機にて１２０００ｒｐｍ、１分間遠心沈降し、上澄みを得、当該上澄みに含まれるリン成分を比色法により、また窒素成分をイオンクロマトグラフィーにより測定した。
【００８７】
図１２には、Ｆｅ3Ｏ4（マグネタイト）を担体Ｓとして用いた場合のリン除去率と磁束密度との関係を示した図である。これによると、担体Ｓが無く磁束密度が０ｍＴである場合にはリン除去率は約１３％であり、担体Ｓが無く磁束密度が２５０ｍＴである場合には、リン除去率は約３０％であった。担体Ｓがあり磁束密度が２５０ｍＴである場合には、リン除去率は約８２％であった。これにより、排水サンプル中のリン化合物は、担体Ｓの有無に拘わらず、除去処理が可能であることが分かる。しかしながら、排水サンプル中に磁場や担体Ｓが存在することによってリン除去率が数倍に増加することが分かる。これにより、時間的に変化する磁場に担体Ｓを存在させることにより、リン除去率が向上することが分かる。
【００８８】
尚、時間的に変化する磁場や担体Ｓが存在しない場合にもリン除去が行われるのは、処理後の遠心処理によってＳＳが沈降するためである。担体Ｓが存在しない場合の磁場処理によるリン除去率の向上は、排水に本来含まれる磁性体等の担体Ｓや金属成分に磁場変化を発生させることによる分極形成あるいは、電流が生じることでＳＳの吸着等が生じたためであると考えられる。このことは、Ｆｅ3Ｏ4を担体Ｓとして添加することによって、リン除去率が向上していることからも推測できる。
【００８９】
図１３は、リン除去率に与える塩化物イオンの影響を示した図である。これによると、排水サンプル中のＫＨ2ＰＯ4が２００ｍＭであり、ＫＣｌを添加していないものを磁束密度１０ｍＴで上記と同様の実験を行った場合のリン除去率は約３．８％であった。排水サンプル中のＫＨ2ＰＯ4が２００ｍＭであり、ＫＣｌを添加していないものを磁束密度０ｍＴで上記と同様の実験を行った場合のリン除去率は約３．０％であった。これに対し、排水サンプル中のＫＨ2ＰＯ4が１０ｍＭであり、ＫＣｌを１００ｍＭ添加したものを磁束密度１０ｍＴで上記と同様の実験を行った場合のリン除去率は約２４．８％であった。尚、かかる場合には、ＫＨ2ＰＯ4を２００ｍＭとした場合にも略同様の結果であった。
【００９０】
これにより、塩化物イオンが共存していないとリンをほぼ除去できないことが分かる。一般に、酸化雰囲気で形成され、鉄の溶解を防ぐ働きをしている不動態被膜が塩化物イオンによって破壊され、その結果、鉄腐食が発生することが知られている。従って、塩化物イオンの存在下でのみリン酸が除去されるということは、有機物中におけるＳＳ吸着による除去以外では塩化物イオンの被膜アタックの結果発生する鉄表面からの鉄溶出を伴うリン酸鉄形成が、除去メカニズムとして妥当であることが分かる。
【００９１】
図１４は、リン除去率及び硝酸除去率とフェライト構成金属との関係を示した図である。これによると、担体ＳとしてＦｅ3Ｏ4を一部Ｎｉ（ニッケル）で置換したＮｉ−Ｆｅ2Ｏ4を用いた場合のリン除去率は約２８．５％であり、硝酸除去率は約１０．６％であった。これに対し、担体ＳとしてＦｅ3Ｏ4を用いた場合のリン除去率は約５０％であり、硝酸除去率は約９．４％であった。
【００９２】
これにより、鉄の組成比率とリン除去率に相関性があることが分かり、このことからもリン除去が鉄溶解に起因していることを裏付けることができる。尚、硝酸は何れの場合にも約１０％程度処理されていた。
【００９３】
以上の実験結果を踏まえると、本発明の時間的に変化する磁場中で誘導起電力を発生する担体Ｓによる排水中のリン化合物及び窒素化合物の処理は、有効なものであることが分かる。当該発明は、担体Ｓを動かす機構、例えば排水を流す若しくは動かす機構があればリン化合物を除去することができるため、従来の如く、電源や配線などを不要とすることができ、更には、安全、低コストな排水処理システムの構築を実現することができるものである。
【００９４】
尚、本実施例では、上述したように担体Ｓは、鉄を多く含む例えば酸化鉄が最も適しているが、本発明は、磁化を利用して実現するものではないため、これ以外にも、強磁性体に限らず、透磁率がゼロでないものであれば、実現が可能であるものとする。但し、透磁率が高い方が誘導起電力が大きくなるため、より好ましい。
【００９５】
また、被処理水中のリン化合物の量に対し、過剰に鉄を溶出させることで、過剰に存在する鉄（II）イオンにより被処理水中に生成された次亜塩素酸イオンを塩化物イオンとすることが可能となる。これにより、被処理水中の次亜塩素酸除去をも実現することが可能となるため、格別に次亜塩素酸除去手段を設けることなく、処理後の被処理水を環境中に排出することが可能となる。
【００９６】
また、本実施例では、上述したように担体Ｓの表面及び当該担体Ｓから溶解された鉄イオンなどを用いて被反応物質の処理を行うものであるため、凝集剤などを必要とすることなく、被処理水中の被反応物質を電気化学的に分解処理することが可能となる。また、処理の形態によっては、当該担体Ｓに生じた磁力により被処理水中の有機物などが引きつけられると、担体Ｓ表面が有機物等にて被覆されてしまい、反応場が減少してしまうことから、常磁性体により担体Ｓを構成した方が望ましい場合もある。また、担体Ｓが有機物等にて完全に被覆されてしまうと、被反応物質との反応場が無くなってしまうため、例えば、処理対象とする被処理水が汚泥などである場合には、濾過処理など、前処理を施すことで、より一層処理効率が向上することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】誘導起電力の模式図である。
【図２】処理物質（担体）のレストポテンシャル状態を示す図である。
【図３】処理物質（担体）のレドックスポテンシャル（酸化還元電位）を示した図である。
【図４】同じく処理物質（担体）のレドックスポテンシャル（酸化還元電位）を示した図である。
【図５】同じく処理物質（担体）のレドックスポテンシャル（酸化還元電位）を示した図である。
【図６】本発明の被処理水としての排水を処理する方法を実現するための排水処理装置の概要を示す説明図である。
【図７】微孔性薄膜の構成を示す図である。
【図８】酸化鉄のレストポテンシャルから誘導起電力により分極が生じた状態を示す図である。
【図９】各反応の模式図である。
【図１０】反応の模式図である。
【図１１】実験に用いた構成を説明する図である。
【図１２】Ｆｅ3Ｏ4（マグネタイト）を担体Ｓとして用いた場合のリン除去率と磁束密度との関係を示した図である。
【図１３】リン除去率に与える塩化物イオンの影響を示した図である。
【図１４】リン除去率及び硝酸除去率とフェライト構成金属との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００９８】
Ｓ    担体（処理物質）
１    排水処理装置
２    処理槽
３    永久磁石（磁場発生手段）
４    処理室
６    光照射装置
１０  モータ
１０Ａ  回転軸
１２  排水サンプル
２４  微孔性薄膜（濾過手段）
２６  吸引ポンプ
２８  ブロワー
３０  膜体
３２  スペーサ
３３  枠体
３４  支持体
【図１】
2006175398.tif 000003
【図２】
2006175398.tif 000004
【図３】
2006175398.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006175398.tif 000007
【図６】
2006175398.tif 000008
【図７】
2006175398.tif 000009
【図８】
2006175398.tif 000010
【図９】
2006175398.tif 000011
【図１０】
2006175398.tif 000012
【図１１】
2006175398.tif 000013
【図１２】
2006175398.tif 000014
【図１３】
2006175398.tif 000015
【図１４】
2006175398.tif 000016