(57)【要約】【課題】  温度による窒素成分の除去能力に影響を受けない水処理装置を提供する。【解決手段】  電極１０１，１０２の一方は、たとえば、導電性を有する不溶性材料、当該不溶性材料を塗布された導電材料、または、当該不溶性材料を塗布されたカーボン等からなる。電極１０１，１０２の他方は、鉄または鉄を含有する化合物（鉄を含有する合金）からなる。電極１０１，１０２の一方をアノード電極として、当該一方の電極上で窒素除去に関連する反応を進行させ、さらに、電極１０１，１０２間で極性を入替え、他方の電極（鉄または鉄含有化合物）をアノード電極として、当該他方の電極上でリン除去に関連する反応を進行させることができる。つまり、電解槽１００のみで、電気化学的な窒素除去およびリン除去が可能となる。【選択図】  図３
2006061910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を収容する収容部と、
前記収容部内の被処理水に浸され、当該被処理水内の窒素化合物を電気化学的に処理する窒素処理用電極対とを含み、
前記窒素処理用電極対の一方の電極は、導電性の不溶性材料、導電性の不溶性材料を塗布された導電材料、または、導電性の不溶性材料を塗布された炭素からなり、
前記窒素処理用電極対の他方の電極は、周期律表のＩＩｂ族の元素の一種類以上を含む導電体、または、鉄もしくは鉄を含有する化合物からなり、
前記一方の電極上で窒素除去に関連する反応を進行させ、電極間で極性を入れ替えることにより、前記他方の電極上でリン除去に関連する反応を進行させることを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理装置に関し、特に、被処理水内の窒素成分を、微生物処理以外の方法で除去する水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水処理装置では、工場廃水や地下水などの被処理水中の窒素成分（有機性窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、および、アンモニア性窒素等）は、微生物処理によって除去されていた。
【特許文献１】特開平１１−９０４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、微生物の活動は温度による影響を受けるため、従来の水処理装置では、窒素成分の除去能力が、夏場と冬場では大きく変動する、という問題があった。また、微生物処理では、水素供与体となる有機物（エタノール等）が必要とされるため、メンテナンスの頻度が高くなるという問題もあった。
【０００４】
本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、温度による窒素成分の除去能力に影響を受けない水処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の或る局面に従った水処理装置は、被処理水を収容する収容部と、前記収容部内の被処理水に浸され、当該被処理水内の窒素化合物を電気化学的に処理する窒素処理用電極対とを含み、前記窒素処理用電極対の一方の電極は、導電性の不溶性材料、導電性の不溶性材料を塗布された導電材料、または、導電性の不溶性材料を塗布された炭素からなり、前記窒素処理用電極対の他方の電極は、周期律表のＩＩｂ族の元素の一種類以上を含む導電体、または、鉄もしくは鉄を含有する化合物からなり、前記一方の電極上で窒素除去に関連する反応を進行させ、電極間で極性を入れ替えることにより、前記他方の電極上でリン除去に関連する反応を進行させることを特徴とする。
【０００６】
窒素化合物とは、有機性窒素、アンモニウムイオン、硝酸イオン、亜硝酸イオンなどの化合物である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の或る局面に従うと、窒素処理用電極対において、被処理水から窒素成分（有機性窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、および、アンモニア性窒素等）を除去するための反応が進行する。具体的には、たとえば、電極上で、被処理水中の窒素成分が、電気化学的に、アンモニウムイオン等に変換され、そして、他方の電極上での反応生成物と反応すること等により、変換されたアンモニウムイオンは、さらに、窒素ガスに変換される。
【０００８】
これにより、水処理装置では、電気化学的に、つまり、微生物に頼ることなく、被処理水中の窒素成分が除去される。したがって、水処理装置の窒素成分の除去能力は、温度によって変動しなくなる。
【０００９】
また、収容部のみで窒素除去およびリン除去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に示す水処理装置は、主に、家庭用排水や工場排水を処理する大規模な排水処理施設に適用されるものであるが、家庭用合併浄化槽等の中小規模の排水処理施設に適用することもできる。また、以下に示す水処理装置によれば、特に、生活排水やメッキ工場の廃水等に含まれる窒素化合物を、電解処理により、被処理水から除去することができる。
【００１１】
図１は、本発明の第一の実施の形態である水処理装置を含む水処理システムの処理工程を模式的に示す図であり、図２は、当該システムを構成する装置の模式的な縦断面図である。
【００１２】
図１および図２を参照して、本実施の形態の水処理システムは、主に、タンク１および電解槽１００から構成される。タンク１は、地中に埋設されている。タンク１の内部は、第一仕切壁２、第二仕切壁３、第三仕切壁４および第四仕切壁２０により、第一嫌気ろ床槽５、第二嫌気ろ床槽１０、接触ばっ気槽１４、沈殿槽１９および消毒槽２１に区画されている。また、タンク１の上部は、複数のマンホール２８で蓋をされている。さらに、タンク１内部の部材は、タンク１の外部にある部材（第三ブロア３０等）に接続されている。そして、図２では、第三ブロア３０等の、タンク１の外部にある部材を、便宜上、タンク１の上方に記載しているが、これらの部材は、必ずしもタンク１の上方に設置されるものではない。
【００１３】
第一嫌気ろ床槽５は、被処理水である生活雑排水が流入する流入口６を備え、その内部に第一嫌気ろ床７を配設されている。つまり、第一嫌気ろ床槽５は、生活雑排水が流入するため、本実施の形態では、共雑物除去槽でもある。そして、本実施の形態では、第一嫌気ろ床槽５により、流入槽が構成されている。第一嫌気ろ床槽５では、生活雑排水中の難分解性の雑物が沈殿分離されるとともに、第一嫌気ろ床７に付着した嫌気性微生物により生活雑排水中の有機物が嫌気分解される。また、硝酸性の窒素が、窒素ガスへと還元される。
【００１４】
また、第一嫌気ろ床槽５には、第一移流管８が備えられている。また、第一仕切壁２の上部には、第一給水口９が形成されている。第一移流管８の一端は第一嫌気ろ床槽５内に、他端は第二嫌気ろ床槽１０内に、配置されている。第一嫌気ろ床槽５で嫌気分解された処理水は、第一移流管８を介して、後退する第二嫌気ろ床槽１０に供給される。
【００１５】
第二嫌気ろ床槽１０には、第二嫌気ろ床１１が備えられている。第二嫌気ろ床１１により、浮遊物質が捕捉され、嫌気性微生物により有機物が嫌気分解され、硝酸性の窒素が窒素ガスへと還元される。
【００１６】
第二嫌気ろ床槽１０には、第二移流管１２が備えられている。また、第二移流管１２の上部には、噴出装置３２が取付けられている。噴出装置３２は、第三ブロア３０に接続されている。また、噴出装置３２は、第二仕切壁３上部に貫通する第二給水口１３を介して、第二嫌気ろ床槽１０と接触ばっ気槽１４を接続させている。
【００１７】
噴出装置３２は、第三ブロア３０から空気を送られることにより、噴出口３１から第二移流管１２内に空気を吹出す。これにより、第二移流管１２における、第二嫌気ろ床槽１０から接触ばっ気槽１４への処理水の供給が促進される。
【００１８】
接触ばっ気槽１４は、接触材１５を備えている。接触材１５は、好気性微生物の培養を促進するために備えられている。接触ばっ気槽１４の底部付近には、第一散気管１６が設けられている。
【００１９】
第一散気管１６は、その上端を第一ブロア１７に接続されている。第一散気管１６の下面側には、複数の孔が形成されている。そして、第一ブロア１７から空気を送り込まれると、該空気は、該孔から気泡として放出される。なお、第一散気管１６の下面側に孔が形成されることにより、上面または側面に孔が形成される場合よりも、汚泥がその内部に入り難い。
【００２０】
第一散気管１６から気泡が放出されることにより、接触ばっ気槽１４は、好気状態に維持される。これにより、接触ばっ気槽１４では、処理水は好気性微生物によって好気分解されるとともに、硝化され、アンモニア性窒素が、硝酸性の窒素へと分解される。接触ばっ気槽１４内の好気性微生物には、硝化菌が含まれる。一般に、硝化菌とは、アンモニア酸化細菌と亜硝酸化細菌のことを指す。
【００２１】
接触材１５には、増殖して徐々に大きくなった生物膜が付着している。そして、第一散気管１６から気泡が放出されると、接触材１５に付着している生物膜は、剥離する。
【００２２】
接触ばっ気槽１４の下部には、ポンプ３３が備えられている。また、ポンプ３３の上方には、汚泥返送路３４が接続され、汚泥返送路３４の上端には、図の左側に延びるように、汚泥返送路３５が接続されている。これにより、接触ばっ気槽１４で生じた汚泥は、第一嫌気ろ床槽５に送られる。なお、第三仕切壁４の下端は、タンク１の内壁面には接続されておらず、接触ばっ気槽１４と沈殿槽１９とは、下部で接続されている。
【００２３】
沈殿槽１９の上部には、消毒槽２１が設けられている。消毒槽２１は、沈殿槽１９の上澄みが流れ込むように、構成されている。また、消毒槽２１には、殺菌装置２２が備えられている。殺菌装置２２には、塩素系等の薬品が備えられている。消毒槽１９に流入した処理水は、該薬品に消毒され、排水口２３を介して、電解槽１００に送られる。また、電解槽１００と共に、当該電解槽１００内にハロゲンイオンを供給するための貯蔵部１１１およびポンプ１１０が設置されている。電解槽１００は、被処理水中から窒素成分を除去するためのものであって、後述する電解槽５９とは別に設けられる。なお、電解槽１００の構成については、後述する。
【００２４】
また、沈殿槽１９には、第三移流管３８およびポンプ３９が備えられている。接触ばっ気槽１４内の処理水は、第三移流管３８を介して、沈殿槽１９に流れ込む。なお、この流れは、ポンプ３９により、促進される。
【００２５】
沈殿槽１９と第一嫌気ろ床槽５は、第一返送管２４により、接続されている。第一返送管２４は、その内部に、第二散気管２５を備えている。第二散気管２５は、第二ブロア２６に接続されている。第二散気管２５は、適宜、空気を噴出するための噴出孔を形成されている。そして、第二散気管２５は、第二ブロア２６から供給される空気を該噴出孔から噴出して、沈殿槽１９内の処理水を、第一返送管２４を介して、第一嫌気ろ床槽５に送り込む。
【００２６】
なお、第一嫌気ろ床槽５の上部には、電解槽５９が設けられている。電解槽５９は、第一返送管２４から被処理水を導入される。そして、電解槽５９の内側には、電極対５１，５２が設けられている。電極対５１，５２は、それぞれ、電源５７に接続されている。
【００２７】
電解槽５９内では、電極対５１，５２における電気分解（適宜、電解と略す）反応により、鉄イオンやアルミニウムイオン等の金属イオンが溶出する。これにより、電解槽５９内では、溶出した金属イオンと処理水内のリン化合物等が反応して、水に難溶性の金属塩が生成し、凝集する。金属イオンとして鉄イオンが溶出した際、生成される難容性の金属塩としては、主に、「ＦｅＰＯ4 」，「Ｆｅ（ＯＨ）3 」，「ＦｅＯＯＨ」，「Ｆｅ2 Ｏ3 」，および，「Ｆｅ3 Ｏ4 」の化合物を挙げることができる。つまり、被処理水に鉄イオンが供給されると、主に、上記した５種類の化合物が凝集する。
【００２８】
電解槽５９の下流側には、磁気処理ユニット６０が設置されている。電解槽５９内の被処理水が、磁気処理ユニット６０内に流れ込む。
【００２９】
磁気処理ユニット６０では、被処理水が磁石と接触する。なお、Ｆｅ2 Ｏ3 やＦｅ3 Ｏ4 は、磁石に引きつけられる。つまり、被処理水に鉄イオンが供給されて生じた凝集物は、Ｆｅ2 Ｏ3 やＦｅ3 Ｏ4 を含むため、磁石に引きつけられる。これにより、Ｆｅ2 Ｏ3 やＦｅ3 Ｏ4 とともに凝集しているＦｅＰＯ4 も、磁石に引きつけられ、被処理水から分離されることになる。
【００３０】
磁気処理ユニット６０で処理された後、被処理水は、再び、第一嫌気ろ床槽５に送られる。
【００３１】
つまり、本実施の形態の水処理システムでは、図１に示すように、被処理水は、第一，第二嫌気ろ床槽５，１４で処理された後、接触ばっ気槽１４に送られ、さらに、沈殿槽１９に送られる。沈殿槽１９における被処理水は、沈殿する汚泥と共に、電解槽５９を介して、第一嫌気ろ床槽５に返送される。なお、沈殿槽１９から接触ばっ気槽１４へも沈殿する汚泥と共に、被処理水は流れ、また、接触ばっ気槽１４から第二嫌気ろ床槽１０へも、接触剤１５から剥離した汚泥と共に被処理水が流れ込む。沈殿槽１９内の被処理水の上澄みは、消毒槽２１に流れ込む。そして、消毒槽２１内の被処理水は、排水口２３を介して、電解槽１００に送られる。
【００３２】
次に、電解槽１００の構成について、図３（Ａ）をさらに参照して説明する。図３（Ａ）は、電解槽１００の構造を模式的に示す図である。なお、図３（Ａ）には、電解槽１００の周辺の部材も、合わせて記載されている。
【００３３】
電解槽１００には、導入管１２３から、被処理水が導入される。また、電解槽１００からは、導出管１２２を介して、被処理水が排出される。
【００３４】
電解槽１００内には、窒素除去槽１００Ａが収容されている。窒素除去槽１００Ａ内には、電解槽１００内の被処理水が導入され、当該被処理水内に２枚の電極１０１，１０２が浸されている。電極１０１，１０２には、制御回路１１５内の電源１１５０から電位を与えられる。電極１０１，１０２により、窒素処理のための電極対が構成される。
【００３５】
電解槽１００の上流側にはイオン濃度計１１６が、下流側にはイオン濃度計１１７が、設置されている。イオン濃度計１１６，１１７は、窒素系のイオンの総量を検出するものである。そして、これらの検出出力は、制御回路１１５に入力される。
【００３６】
窒素除去槽１００Ａには、ポンプ１１０を介して、貯蔵部１１１から、水溶液中でハロゲンイオンを供与する化合物（塩化ナトリウム等）を供給される。貯蔵部１１１には、当該化合物が、液体等の流動性を有する態様で、貯蔵されている。ハロゲンイオンは、後述するような、窒素除去槽１００Ａ内での窒素除去に関連する反応で消費される。そして、貯蔵部１１１からの、ハロゲンイオンを供与する化合物の注入量は、制御回路１１５により、イオン濃度計１１６，１１７の検出出力に基づいて、制御される。具体的には、窒素系のイオンの総量が多くなれば、当該化合物の注入量が多くなるように、制御される。
【００３７】
ここで、さらに、図３（Ｂ）を参照して、窒素除去槽１００Ａの構成を説明する。図３（Ｂ）は、電解槽１００内の窒素除去槽１００Ａのみを示す図である。
【００３８】
窒素除去槽１００Ａは、その底部に、弁１８０を備えている。また、窒素除去槽１００Ａには、当該窒素除去槽１００Ａ内に風を送ることのできるブロア１２１が設置されている。ブロア１２１の送風動作は、制御回路１１５により制御される。以下に、ブロアの送風動作についての制御態様、および、弁１８０の開閉について説明する。
【００３９】
まず、電極１０１，１０２への電力の供給が停止されている状態で、ブロア１２１に、窒素除去槽１００Ａ内へ風を送らせる。これにより、窒素除去槽１００Ａ内の気圧が上昇する。窒素除去槽１００Ａ内の気圧が高くなると、その圧力により、弁１８０が閉塞するとともに、窒素除去槽１００Ａ内の被処理水が排出管１２２を介して、窒素除去槽１００Ａ外へ排出される。弁１８０が閉塞する状態は、図３（Ｂ）に示されている。また、このときの被処理水の流れが、矢印Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６として示されている。
【００４０】
そして、一定時間後に、ブロア１２１による送風を停止させる。これにより、窒素除去槽１００Ａ内の気圧が低下する。この状態で、電極１０１，１０２への電力の供給が開始される。なお、窒素除去槽１００Ａ内の圧力が低下することにより、弁１８０が開放され、電解槽１００から窒素除去槽１００Ａ内に、被処理水が導入される。弁１８０が開放している状態は、図３（Ａ）に示されている。また、このときに窒素除去槽１００Ａ内に流れ込む被処理水の流れが、矢印Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３として示されている。
【００４１】
そして、所定の時間、この状態で保留される。これにより、電極１０１，１０２付近で起こる反応に従って、窒素が除去される。
【００４２】
以降、以上説明したような、電極１０１，１０２への電力の供給を停止させてブロア１２１に窒素除去槽１００Ａ内へ風を送らせる状態と、ブロア１２１の送風を停止させて電極１０１，１０２へ電力を供給する状態とを繰り返す。これにより、電極１０１，１０２における電気化学的な反応によって生成したものを確実に被処理水に供給し、被処理水内の窒素成分を確実に除去でき、かつ、被処理水を効率良く電極１０１，１０２付近に導入できるため、被処理水内の窒素成分を効率良く除去できる。
【００４３】
このように断続的に送風動作を実行するよう制御されるブロア１２１は、間欠定量ポンプとして作用していると言える。
【００４４】
なお、制御回路１１５は、イオン濃度計１１６，１１７の検出出力に基づいて、電極１０１，１０２間に流す電流量を制御してもよい。具体的には、窒素系のイオンの総量が多くなれば、電極１０１，１０２間に流す電流量が多くなるように、制御される。
【００４５】
次に、電極１０１，１０２により構成される電極対の構造について、より詳細に説明する。図４は、当該電極対の斜視図である。
【００４６】
図４を参照して、電極対を構成する電極１０１，１０２は、支持部１０３に取付けられている。支持部１０３の上部からは、電極１０１，１０２を制御回路１１５に接続する配線１２０が延びている。
【００４７】
次に、支持部１０３の構造を説明する。図５は、支持部１０３の分解斜視図である。
【００４８】
図５を参照して、支持部１０３の内部には、カバー１０３Ａ、パッキン１０３Ｂ、金属板１０３Ｃ、絶縁体１０３Ｄ、金属板１０３Ｅ、パッキン１０３Ｆが、順に、重ね合わされている。また、支持部１０３の上面には、配線１２０を通すための孔１０３Ｇが形成されている。配線１２０は、先端に、２つの端子を備えている。配線１２０は、孔１０３Ｇを介して、支持部１０３の内部に挿入され、先端の２つの端子を、それぞれ、金属板１０３Ｃ，１０３Ｅに電気的に接続される。つまり、図４および図５に示す支持部１０３は、配線１２０の一部を内蔵している。
【００４９】
電極１０１は、金属性のネジ等により、支持部１０３の表側に、カバー１０３Ａおよびパッキン１０３Ｂを介して、金属板１０３Ｃと電気的に接続されつつ、固定される。電極１０２は、金属性のネジ等により、支持部１０３の裏側に、支持部１０３の裏面およびパッキン１０３Ｆを介して、金属板１０３Ｅと電気的に接続されつつ、固定される。
【００５０】
なお、金属板１０３Ｂと金属板１０３Ｅとは、絶縁体１０３Ｄによって絶縁されている。これにより、配線１２０が支持部１０３の内部に導入されていても、電極１０１と電極１０２とが電気的に絶縁される。なお、電極１０１と電極１０２の絶縁の観点からすれば、支持部１０３自体が絶縁体で構成されることが好ましい。
【００５１】
また、電極１０１と電極１０２とが支持部１０３の表面側，裏面側にそれぞれ取付けられることにより、支持部１０３は、電極１０１と電極１０２とを一定の間隔で支持することになる。これにより、電極１０１が電極１０２に接触して短絡することを回避できる。
【００５２】
ここで、電極１０１，１０２に通電された際の電解反応に基づいた、被処理水中の窒素除去反応について、説明する。図６は、電解槽１００内の電解反応を説明するための図である。
【００５３】
図６を参照して、電極１０１，１０２は、制御回路１１５内の電源１１５０により通電される。そして、電極１０１，１０２の一方をカソード電極とし他方をアノード電極として通電された場合、アノード側では、被処理水中に存在するハロゲンイオン（図６では塩化物イオン）が酸化され、ハロゲンガス（塩化物イオンが酸化された場合は塩素）が生成された後、当該ガスが被処理水中の水と反応して次亜塩素酸が生成される。一方、カソード側では、被処理水中の窒素成分（被処理水中の有機系窒素化合物等）が硝酸イオンに変換され、さらに、硝酸イオンがアンモニウムイオンに変換される。そして、このように電気化学的に生成された次亜塩素酸とアンモニウムイオンが反応することにより、窒素成分は、クロラミン類を経て、窒素ガスに変換される。
【００５４】
つまり、電解槽１００内では、被処理水中の窒素成分が、電気化学的に窒素ガスへと変換され、被処理水から除去される。
【００５５】
また、上記のような反応機構を考慮すると、貯蔵部１１１（または後述する貯蔵部１４０，１５０）に貯蔵され、ハロゲンイオンを供与する化合物としては、次亜塩素酸または次亜塩素酸塩等、次亜塩素酸イオンを供与できるものが好ましい。
【００５６】
なお、電極１０１，１０２の一方は、たとえば、導電性を有する不溶性材料、当該不溶性材料を塗布された導電材料、または、当該不溶性材料を塗布されたカーボン等からなる。電極１０１，１０２の一方をこのように構成することにより、被処理水中の有機性の窒素成分をも、電解処理により、窒素ガスへ変換できる。
【００５７】
ここで言う導電性の不溶性材料は、たとえば、周期律表のＩｂ族またはＩＩｂ族の元素を少なくとも一種類は含む導電対であることが好ましい。これにより、電極１０１，１０２のカソード側の反応（窒素成分に関する反応）の効率が向上する。
【００５８】
また、電極１０１，１０２は、互いに極性が異なるよう通電されるが、制御回路１１５は、これらの極性を定期的に入替える（交換させる）ことが好ましい。これにより、電極１０１，１０２上で同じ反応のみが進行することを回避できるため、反応の副産物が電極１０１，１０２上に膜状に蓄積することを回避できる。
【００５９】
また、電極１０１，１０２の他方は、鉄または鉄を含有する化合物（鉄を含有する合金）から構成されることが好ましい。これにより、上記した電極１０１，１０２の一方をアノード電極として、当該一方の電極上で窒素除去に関連する反応を進行させ、さらに、電極１０１，１０２間で極性を入替え、他方の電極（鉄または鉄含有化合物）をアノード電極として、当該他方の電極上でリン除去に関連する反応を進行させることができる。つまり、電解槽１００のみで、電気化学的な窒素除去およびリン除去が可能となる。
【００６０】
また、電極１０１，１０２の他方を、上記の導電性の不溶性材料または炭素電極としてもよい。
【００６１】
また、電極１０１，１０２の中の、アノード電極とされる方は、白金、酸化チタン等の酸化触媒作用を有する物質からなるか、そのような物質をコーティングされていることが好ましい。これにより、アノード電極側で進行すると考えられる、ハロゲンイオンの酸化反応が促進されるからである。
【００６２】
また、図４および図５を用いて説明したように、電極１０１，１０２を配線１２０と接続させるための端子は、支持部１０３内に内蔵されていたが、このような端子を支持部１０３の外に、かつ、支持部１０３と一体的に、設けることもできる。図７に、このように構成された電極対（支持部１０３および電極１０１，１０２）を示す。
【００６３】
図７は、図４に示す電極対の変形例を示すが、この変形例では、支持部１０３の孔１０３Ｇに管１０４Ａが固定され、当該管１０４Ａの先端には端子１０４Ｂが取付けられている。管１０４Ａ内には、電極１０１，１０２と端子１０４Ｂとを電気的に接続させる配線が通されている。管１０４Ａは、プラスティック等、支持部１０３に対して端子１０４Ｂを固定できる物質で構成されている。これにより、容易に、電極１０１，１０２と電源１１５０とを接続できる。
【００６４】
なお、電解槽１００内のアノード電極とカソード電極で進行する反応の速度は、異なると考えられる。具体的には、カソード電極側で進行する反応は、アノード電極側で進行する反応に比べて遅いと考えられる。このような場合、カソード電極とアノード電極とで、反応速度の遅い方の電極の表面積を速い方の表面積よりも大きくすることが好ましいと考えられる。その一例を、図８に示す。
【００６５】
図８に示す電極対では、電極１０１と電極１０２とは、同心で、かつ、径の異なる筒状に構成されている。図８に示す電極対では、電極１０１をカソード電極とされ、電極１０２をアノード電極とされることが好ましい。図８に示す例では、電極１０１，１０２の表面積が異なることに加えて、これらの電極が同心となるよう配置されている。これにより、電極１０１と電極１０２の表面が全体的に等間隔となっている。したがって、両電極上で生成された物が、電極１０１の内部で、均等に反応できる。
【００６６】
また、電極１０１，１０２上での反応効率を高めるためには、これらの電極の表面上に凹凸を設けることにより、表面積を大きくすることが好ましい。このような例を、図９および図１０に示す。図９は、図４に示した電極対の変形例の斜視図であり、図１０は、図９に示した電極１０１の側面図である。
【００６７】
図９に示した電極対では、電極１０１，１０２は、波板状とされて、支持部１０３に取付けられている。つまり、図９に示す電極対では、電極１０１（および電極１０２）の側面は、図１０に示されるように、波線状となっている。
【００６８】
なお、電極１０１，１０２の表面形状をポーラス状にする等、ミクロな視点で、電極の表面上に凹凸を設けてもよい。
【００６９】
また、電解槽１００内には、汚泥が蓄積することが考えられる。したがって、汚泥により電極１０１，１０２上の反応が阻害されることを回避するため、電解槽１００内に、当該汚泥を、電極１０１，１０２から剥離させる機構、および／または、電解槽１００から排出する機構を備えることが好ましい。このような機構を備えた、電解槽１００の変形例を、図１１に示す。
【００７０】
図１１を参照して、電解槽１００内には、超音波発振装置１３２、汚泥量センサ１３１、散気管１３５が設けられ、また、電解槽１００の下部にはバルブ１３３が設けられている。
【００７１】
散気管１３５は、図示せぬポンプに接続され、電極１０１，１０２の下部に設置され、電極１０１，１０２の下部から上方に気泡を放出する。この気泡により、電極１０１，１０２上に付着した汚泥が、粉砕し、当該電極上から剥離する。
【００７２】
超音波発振装置１３２および汚泥量センサ１３１は、制御回路１３０に接続される。超音波発振装置１３２が超音波を発振することにより、電解槽１００内の底部に固まっている汚泥が粉砕される。
【００７３】
なお、電極１０１，１０２上に付着した汚泥を粉砕・剥離させたり、電解槽１００の底部の汚泥を粉砕させるための機構としては、散気管や超音波発振装置の他に、電解槽１００内に攪拌棒を挿入したり、磁性を利用した攪拌子（磁石により構成され、外部から与えられる磁場の変動により回転等の運動を行なうもの）等を挙げることができる。
【００７４】
汚泥量センサ１３１により、電解槽１００内の汚泥が所定量に達したことが検出される。汚泥量センサ１３１の検出出力は、制御回路１３０に送信される。制御回路１３０は、汚泥が所定量に達したことに応じて、バルブ１３３を開く。これにより、電解槽１００では、汚泥量が所定量に達すると、バルブ１３３が自動的に開かれ、汚泥が排出される。なお、制御回路１３０は、汚泥が所定量に達した際に、その旨を報知し、手動で、バルブ１３３が開かれるように構成されてもよい。なお、汚泥量センサ１３１は、たとえば、導電率を検出できるセンサによって構成される。被処理水中の汚泥量に応じて、被処理水の導電率が変化すると考えられるからである。
【００７５】
図１２に、電解槽１００の別の変形例として、電解槽１００の底部のみの構造を示す。図１２を参照して、電解槽１００の底部には、搬送管１４２が接続されている。搬送管１４２の内部には、スクリュー１４１が設置されている。スクリュー１４１は、モータ１４０に接続され、回転可能となっている。スクリュー１４１が回転することにより、電解槽１００底部に蓄積している汚泥は、当該電解槽１００外（図１２では右方向）へと運搬される。このようなスクリュー１４１を含む機構を取付けることによっても、電解槽１００底部に汚泥が蓄積することを回避できる。
【００７６】
また、電解槽１００についての、さらに別の変形例としては、図１３に示すように、電解槽１００内に複数の電極対を備えることが挙げられる。図１３を参照して、電解槽１００内には、支持部１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃそれぞれに、電極１０１Ａ，１０２Ａ、１０１Ｂ，１０２Ｂ、１０１Ｃ，１０２Ｃの３組の電極が取付けられ、また、電源１１５０に接続される配線１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃが取付けられている。このように、電解槽１００内に備えられる電極対の数を増やすことにより、単位時間当たりの窒素成分の処理量を増加できる。
【００７７】
また、本実施の形態では、図３等を用いて説明したように、電解槽１００に、図６を用いて説明した窒素除去反応を促進するために、水溶液中でハロゲンイオンを供与する化合物が注入される。なお、図６から理解されるように、ハロゲンイオンは、アノード電極での反応に利用される。このことから、ハロゲンイオンを供与する化合物は、アノード電極側に注入されるのが好ましい。
【００７８】
なお、このような化合物は、流動性を有する態様で貯蔵部１１１に貯蔵されていたが、ペレット状等の固形状であってもよい。以下に、固形状の当該化合物を電解槽１００に添加する例を説明する。図１４に、貯蔵部１１１の構造の変形例を模式的に示す。
【００７９】
図１４を参照して、電解槽１００の上流側には、固形状である当該化合物を貯蔵する貯蔵部１４０が設置されている。なお、貯蔵部１４０は、被処理水についての、電解槽１００への流路に接するように設けられ、当該貯蔵部１４０の底部であって当該流路に面する部分に孔１４０Ａが形成されている。これにより、貯蔵部１４０内の化合物は、電解槽１００に流れ込む被処理水によって、電解槽１００内に導入される。つまり、ポンプ等の装置を用いることなく、かつ、継続的に、貯蔵部１４０内の化合物を電解槽１００に添加できる。
【００８０】
また、貯蔵部１１１の別の変形例を図１５に示す。図１５に示す例では、貯蔵部１５０に当該化合物が貯蔵され、さらに、電解槽１００内の被処理水を貯蔵部１５０内に循環させ、再度、電解槽１００に戻す流路１５１が設けられている。また、流路１５１には、ポンプ１５２が取付けられている。ポンプ１５２は、電解槽１００内の処理水を、貯蔵部１５０内に導入し、さらに、貯蔵部１５０内から電解槽１００へと送ることができる。これにより、図１４に示した例と同様に、貯蔵部１５０内の化合物が、電解槽１００に流れ込む被処理水によって、電解槽１００内に添加される。また、図１５に示す例では、ポンプ１５２の動作態様を制御することにより、貯蔵部１５０内の化合物の添加量を制御できる。
【００８１】
また、図１１等を用いて、電極１０１，１０２の表面に付着した汚泥を除去する機構について説明を行なったが、電極１０１，１０２の表面での汚泥の付着自体を回避する対策として、電極１０１，１０２に対して、所定の膜を通過させた被処理水を供給することが考えられる。このような対策を、図１６を参照して、具体的に説明する。図１６は、電極１０１，１０２間に、当該電極１０１，１０２よりも上流に設けられた膜を通過させた後の被処理水を供給する機構を模式的に示す図である。
【００８２】
図１６に示す機構では、電極１０１，１０２は、集合管１６０内に設けられている。また、電極１０１，１０２より上流側には、内部に中空子フィルタ等の膜１６６を設置された、筒状の膜カートリッジ１６１が備えられている。膜カートリッジ１６１の下部には、側面に孔を形成された散気管１６３が備えられている。膜カートリッジ１６１の外周の上部は、膜ケース１６４に覆われ、外周の下部は、散気ケース１６５に覆われている。
【００８３】
集合管１６０と膜カートリッジ１６１とは、複数のチューブ１６２で接続されている。各チューブ１６２の一端は、集合管１６０内に導入され、他端は、膜１６６に対向している。膜カートリッジ１６１内に導入された被処理水は、膜１６６を通過した後、散気管１６３の放出する気泡によって押し上げられ、チューブ１６２を介して、集合管１６０内に導入される。
【００８４】
なお、図１６では、電極１０１，１０２は、それぞれ、集合管１６０の内壁面に沿うように、設けられている。これにより、集合管１６０内での被処理水の流れが、電極１０１，１０２によって阻害することを回避できる。
【００８５】
また、集合管１６０の長さや形状を適宜変更することにより、電極１０１，１０２における反応またはそれに連鎖して起こる反応に必要な時間だけ、被処理水を滞留させることができる。本実施の形態のように、電解反応に利用して被処理水の窒素除去を行なう場合、集合管１６０は、少なくとも１時間程度の滞留時間を確保できるよう構成されることが好ましい。
【００８６】
また、図１６に示したような機構の後に、さらに、図１１を用いて説明した汚泥を剥離・粉砕させる機構、図１２を用いて説明した汚泥を運搬する機構、図１３を用いて説明した被処理水に複数の電極対を通過させる機構、および、図１４，図１５を用いて説明したような貯蔵部１４０，１５０を、設置することもできる。
【００８７】
以上説明した本実施の形態では、図１に示したような流れに沿って、被処理水が処理される。つまり、リン除去用の電解槽５９と窒素除去用の電解槽１００とで被処理水が処理されるため、被処理水中のリン成分および窒素成分が除去できる。なお、電解槽１００では、図６を用いて説明したように、反応工程の中で次亜塩素酸等の、微生物の活動を阻害するおそれのある化合物が発生する。このことから、窒素除去用の電解槽１００は、微生物処理後、つまり、嫌気ろ床槽５，１０および接触ばっ気槽１４を含む、生物ろ過槽、活性汚泥槽、担体流動処理槽での処理後に、設置されることが好ましい。
【００８８】
また、以上説明した本実施の形態では、窒素除去用の電解槽１００は、リン除去用の電解槽５９よりも下流側に設置されているが、電解槽１００と電解槽５９との位置関係はこれに限定されない。電解槽１００は、微生物処理後であれば、リン除去処理より上流側に設置されてもよい。
【００８９】
なお、上記したタンク１および電解槽１００は、主に、家庭用排水や工場排水を処理する大規模な排水処理施設に適用されるが、電解槽１００については、地下水や浄水の汲上げポンプの後段に設置され、これらの水の窒素成分の除去に利用することもできる。
【００９０】
また、本実施の形態では、図１および図２から理解されるように、電解槽１００は、タンク１の後段に、つまり、２次処理後の被処理水が導入されるように、設置されていた。このように、被処理水の３次処理用の装置として電解槽１００を利用する際の処理の流れとして、図１７（Ｂ），（Ｃ）に、その変形例を示す。なお、図１７（Ａ）は、図１７（Ｂ），（Ｃ）の処理の流れの一部分を示している。
【００９１】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）を参照して、この例では、まず、被処理水は、工程２００において、嫌気性処理および好気性処理がなされる。
【００９２】
工程２００での処理とは、図１７（Ａ）に示される工程での処理である。具体的には、嫌気ろ床槽２０１で処理された被処理水が、接触ばっ気槽２０２に送られる。接触ばっ気槽２０２での処理後の被処理水は、一部が剥離汚泥と共に嫌気ろ床槽２０１に返送され、一部は沈殿槽２０３に送られる。沈殿槽２０３内の被処理水は、一部は、沈殿汚泥と共に接触ばっ気槽２０２に返送されるが、一部は、次の工程へと送られる。
【００９３】
そして、図１７（Ｂ）を参照して、工程２００での処理後の被処理水は、接触ばっ気槽２１０に送られる。当該接触ばっ気槽２１０の処理水は、沈殿槽２１１に送られる。なお、接触ばっ気槽２１０の剥離汚泥は、別途設けられた、沈殿槽、汚泥濃縮貯留槽、汚泥濃縮設備等に送られる。沈殿槽２１１の被処理水は、一部は、沈殿汚泥と共に、嫌気ろ床槽２０１（図１７（Ａ）参照）に送られ、一部は、砂ろ過原水槽２１２に送られた後、砂ろ過装置２１３に送られる。
【００９４】
砂ろ過装置２１３で生じた洗浄排水は、リン除去用の電解槽２１４に送られた後、嫌気ろ床槽２０１に（図１７（Ａ）参照）返送される。砂ろ過装置２１３のろ過後の被処理水は、砂ろ過処理水槽２１５に送られた後、消毒槽２１６で消毒され、窒素除去用の１００で処理された後、施設外に放流される。
【００９５】
次に、図１７（Ａ）および図１７（Ｃ）を参照して、別の変形例について説明する。
【００９６】
この例でも、まず、被処理水は、工程２００において、嫌気性処理および好気性処理がなされる。
【００９７】
そして、工程２００における処理後の被処理水は、中間流量調整槽２２０，凝集槽２２１，凝集沈殿槽２２２，リン除去用の電解槽２２３を循環される。なお、リン除去用の電解槽２２３の被処理水は、工程２００内の嫌気ろ床槽２０１に送られる。
【００９８】
そして、凝集沈殿槽２２２内の上澄みは、消毒槽２２４に送られた後、窒素除去用の電解槽１００で処理された後、施設外に放流される。
【００９９】
以上説明した本実施の形態では、好気性微生物による処理が接触ばっ気槽１４において行なわれるタンク１の３次処理として電解槽１００および窒素除去槽１００Ａが備えられたが、本発明は、これに限定されない。図１８に示すように、電解槽１００および窒素除去槽１００Ａは、好気性微生物による処理が、接触ばっ気槽１４の代わりに生物ろ過槽１４Ａにおいて行なわれるようなタンク１の３次処理として採用されてもよい。
【０１００】
なお、図１８に示されたタンク１では、沈殿槽１９の代わりに、処理水槽１９Ａが設けられている。また、図１８に示すタンク１では、図１の第三仕切壁４の代わりに設けられた第三仕切壁４の下端は、タンク１の内壁に接続されており、接触ばっ気槽１４Ａと処理水槽１９Ａとは下部では連結されていない。
【０１０１】
また、以上説明した本実施の形態では、電解槽１００および窒素除去槽１００Ａは、タンク１の後段に、３次処理的に設けられていたが、タンク１内に、２次処理の一部として用いられてもよい。なお、上記したように、電解槽１００で処理された被処理水に含まれる物質は、微生物の活動を阻害するおそれがあるため、電解槽１００は、図１９に示すように、沈殿槽１９０に設置されることが好ましい。図１９に示すタンク１では、沈殿槽１９０において、被処理水の窒素除去がなされることにある。これにより、リン除去および窒素除去を行なう装置をコンパクトに構成できる。なお、図１９に示すタンク１は、図２に示したタンク１の沈殿槽１９を、電解槽１００および窒素除去槽１００Ａを追加された、沈殿槽１９０としたものである。
【０１０２】
図１９に示すようにタンク１内に電解槽１００および窒素除去槽１００Ａが設置された際には、図１１等を用いて説明した、電解槽１００内や電極１０１，１０２表面上の汚泥を除去する機構は、特に有効である。
【０１０３】
なお、タンク１での最終段階の処理は、消毒槽２１における処理とされることが好ましいため、電解槽１００および窒素除去槽１００Ａは、消毒槽２１よりも上流側に設置されることが好ましい。
【０１０４】
また、消毒槽２１内に、電解槽１００および窒素除去槽１００Ａを設置してもよい。消毒槽２１に電解槽１００が設置した場合、図１に示した処理工程は、図２０（Ａ）に示すものとなる。また、図１７（Ｂ），（Ｃ）に示したものは、それぞれ、図２０（Ｂ），（Ｃ）に示したものとなる。それぞれ、図１、図１７（Ｂ），（Ｃ）に示した工程が、消毒槽２１内で電解槽１００の処理が行なわれることを示している。
【０１０５】
また、上記した本実施の形態では、リン除去用の電解槽５９において、電解により金属イオンが供与されるが、電極対５１，５２を構成する電極は、鉄やアルミニウムの金属板であってもよいし、これらの金属をステンレス等の導電体に被覆したものであってもよい。なお、電極を、鉄板の代わりに、鉄を導電体に被覆させたものとすることにより、電極の軽量化を図ることができる。
【０１０６】
電極の軽量化は、水処理装置において、重要な意味を持つ。集合住宅や養豚場など、リン除去が必要とされる水処理装置では、電極の交換頻度を３〜４ヶ月に一度程度に抑えたいという要望があるため、単位表面積当たりの電極の重量の軽量化が、一度に作業する際の電極の重量を大きく左右するからである。
【０１０７】
つまり、１日当たり１０ｍ3 程度の汚水を処理する、５０人用の集合住宅用として設置される水処理装置において、リン除去用の電極として、１．５ｋｇ程度の鉄板が８枚使用される。また、１日当たり２０〜３０ｍ3 程度の汚水を処理する養豚場に設置される水処理装置では、同様の電極として、１．５ｋｇ程度の鉄板が３２枚使用される。このようなことから、鉄板の代わりに、導電体に鉄を被服させて電極とする等、電極の軽量化を図ることにより、水処理装置における電極の交換の作業が容易になる。
【０１０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一の実施の形態である水処理装置を含む水処理システムの処理工程を模式的に示す図である。
【図２】図１に示した水処理システムを構成する装置の模式的な縦断面図である。
【図３】（Ａ）は、図１の電解槽の構造を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の窒素除去槽の構成を説明するための図である。
【図４】図３の電極対の斜視図である。
【図５】図４の支持部の分解斜視図である。
【図６】図１の電解槽内の反応を説明するための図である。
【図７】図４の電極対の変形例の斜視図である。
【図８】図４の電極対の別の変形例の斜視図である。
【図９】図４の電極対のさらに別の変形例の斜視図である。
【図１０】図９の電極の側面図である。
【図１１】図１の電解槽の構造の変形例を模式的に示す図である。
【図１２】図１の電解槽の構造の別の変形例を模式的に示す図である。
【図１３】図１の電解槽の構造のさらに別の変形例を模式的に示す図である。
【図１４】図３の貯蔵部の構造の変形例を模式的に示す図である。
【図１５】図３の貯蔵部の構造の別の変形例を模式的に示す図である。
【図１６】図３の電極間に、当該電極よりも上流に設けられた膜を通過させた後の被処理水を供給する機構を模式的に示す図である。
【図１７】図１の処理工程の変形例を示す図である。
【図１８】図２のタンクの変形例を示す図である。
【図１９】図２のタンクの他の変形例を示す図である。
【図２０】図１，図１７（Ｂ），図１７（Ｃ）の処理工程の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  タンク、５  第一嫌気ろ床槽、１０  第二嫌気ろ床槽、１４  接触ばっ気槽、１４Ａ  生物ろ過槽、１９  沈殿槽、５１，５２  電極対、５９，１００  電解槽、６０  磁気処理ユニット、１００Ａ  窒素除去槽、１０１，１０２  電極、１０３  支持部、１０６，１０７  イオン濃度計、１１０  ポンプ、１１１，１４０  貯蔵部、１１５  制御回路、１１５０  電源。
【図１】
2006061910.tif 000003
【図２】
2006061910.tif 000004
【図３】
2006061910.tif 000005
【図４】
2006061910.tif 000006
【図５】
2006061910.tif 000007
【図６】
2006061910.tif 000008
【図７】
2006061910.tif 000009
【図８】
2006061910.tif 000010
【図９】
2006061910.tif 000011
【図１０】
2006061910.tif 000012
【図１１】
2006061910.tif 000013
【図１２】
2006061910.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2006061910.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
2006061910.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
2006061910.tif 000020
【図１９】
2006061910.tif 000021
【図２０】
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