(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水を処理して処理水を生産水として回収する装置において、
該排水中の硬度成分を除去する軟化装置と、
該軟化装置の軟化処理水を、１００℃以上であって、該軟化処理水の臨界温度以下の温度において、該軟化処理水が液相を維持する圧力下、直流電流を供給して電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解する高温高圧電解装置と、
該高温高圧電解装置で得られた電解処理水を脱塩処理して脱塩水を得る電気透析装置とを備える水回収装置であって、
該電気透析装置は、該電解処理水を処理して該脱塩水と酸溶液とアルカリ溶液とを得る酸・アルカリ製造用電気透析装置を含み、該酸・アルカリ製造用電気透析装置は、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩水が下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で脱塩処理されるように、２段以上直列に連結されており、
該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に、それぞれ該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に通水される水よりもイオン濃度の低い水が通水され、
該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に、それぞれ該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液とアルカリ溶液が通水される電気透析装置であることを特徴とする水回収装置。
【請求項２】
請求項１において、前記上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置及び下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液を貯留する酸貯槽と、前記上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置及び下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られたアルカリ溶液を貯留するアルカリ貯槽とを有し、
該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液とアルカリ溶液は、それぞれ該酸貯槽とアルカリ貯槽を経て前記上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に通水されることを特徴とする水回収装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記酸・アルカリ製造用電気透析装置は、双方の隣接する室とバイポーラ膜で仕切られた緩衝室を、陽極と陰極との間に有し、
前記電解処理水は、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水された後、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水され、次いで該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水された後、該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水されて脱塩処理されることを特徴とする水回収装置。
【請求項４】
排水を処理して処理水を生産水として回収する装置において、
該排水中の硬度成分を除去する軟化装置と、
該軟化装置の軟化処理水を、１００℃以上であって、該軟化処理水の臨界温度以下の温度において、該軟化処理水が液相を維持する圧力下、直流電流を供給して電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解する高温高圧電解装置と、
該高温高圧電解装置で得られた電解処理水を脱塩処理して脱塩水を得る電気透析装置とを備える水回収装置であって、
該電気透析装置は、該電解処理水を処理して該脱塩水と酸溶液とアルカリ溶液とを得る酸・アルカリ製造用電気透析装置を含み、該酸・アルカリ製造用電気透析装置は、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩水が下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で脱塩処理されるように、２段以上直列に連結されており、
該酸・アルカリ製造用電気透析装置は、双方の隣接する室とバイポーラ膜で仕切られた緩衝室を、陽極と陰極との間に有し、
前記電解処理水は、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水された後、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水され、次いで該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水された後、該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水されて脱塩処理されることを特徴とする水回収装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記酸・アルカリ製造用電気透析装置は、該酸・アルカリ製造用電気透析装置の陽極室から排出される陽極水を脱気処理して脱気処理水を該陽極室に循環させる陽極水脱気循環手段と、陰極室から排出される陰極水を脱気処理して脱気処理水を該陰極室に循環させる陰極水脱気循環手段とを備えることを特徴とする水回収装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、前記高温高圧電解装置に流入する該軟化処理水と該電解処理水とを熱交換することによって、該軟化処理水を加熱する熱交換器を有することを特徴とする水回収装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記電解処理水を脱気処理する脱気手段を有し、該脱気手段の脱気処理水が前記電気透析装置で処理されることを特徴とする水回収装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の水回収装置で排水を処理して処理水を生産水として回収する水回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スケール成分、有機物、無機イオン等を含む排水、特に、閉鎖系空間で生じた人体排出水、生活排水などの排水を処理して水を回収する水回収装置及び水回収方法に関するものである。詳しくは、本発明は、核シェルター、災害避難所、宇宙ステーション又は月・火星ミッションの有人宇宙船、月面基地などの閉鎖系空間で生じる排水を、この閉鎖系空間内において、簡易な構成の装置で効率的に処理する水回収装置及び水回収方法に関する。
本発明はまた、この水回収装置における脱塩装置として好適な電気透析装置と、この電気透析装置を用いた脱塩処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
核シェルター、災害避難所、宇宙ステーション又は月・火星ミッションの有人宇宙船、月面基地などの閉鎖系空間で発生した尿などの人体排出水や生活排水をこの閉鎖系空間内で処理して水回収を図る場合、
(1)  宇宙空間などでは重力が微少であるため、重力による気液分離、固液分離は困難である。
(2)  閉鎖系空間であるため、放出ガス種や放出量に制限がある。
(3)  高い水回収率が要求され、また消費電力や設置スペースを小さくする必要がある。
といった制約がある。
【０００３】
このような制約に対して、膜蒸留法（特許文献１）が提案されているが、膜蒸留法では以下のような問題がある。即ち、被処理排出物には揮発性のものもあり、このような排出物は蒸留や膜蒸留では除去し得ない；硬度成分を含む排水を蒸発させるとスケール障害が起こる；排出物には通常たんぱく質などの有機物が含まれているので、ファウリングが起こり膜蒸留性能を低下させる；基本的な操作は蒸発なのでエネルギー消費量が大きい。
【０００４】
また、膜蒸留の前処理として膜式活性汚泥処理を行う方法（特許文献２）も提案されているが、この方法では運転条件が適正値を外れると微生物が失活し易く、一旦微生物が失活してしまうと元に戻らない；活性汚泥は有機物の１／３〜１／２を汚泥としてしまうため、貴重な水を含んだ汚泥が廃棄物となる；などの問題があった。
【０００５】
これらの問題を解決するものとして、硬度成分粗取り装置、軟化装置、電解装置、触媒分解装置、及び電気透析装置から構成される水回収装置（特許文献３）が提案されている。
しかし、この水回収装置でも、電解装置の電流効率が低く、消費電力が大きい点に関して更なる改善が必要である；電解装置で酸素／水素の混合ガスが生成し、また、後段の電気透析装置への負荷となる次亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸等の塩素酸化物が生成するため、その対処のための手段を設置する必要がある；電解装置における電気分解で除去しきれなかった有機物や生成した過塩素酸等の酸化物質を処理するために、電解装置の後段に触媒分解装置を設ける必要があり、設置スペースやメンテナンス等を考慮するとより簡易な構成とすることが望まれる；電気透析装置においては、直接酸やアルカリを製造するため、システム全体の水回収率も低い水準となる；といった課題が残されている。
【０００６】
一方、高温高圧下の電気分解によって、有機物や還元性物質を含有する水を処理すること（特許文献４）は公知であるが、閉鎖空間での水回収に適用することや尿素の分解についての示唆はなく、更には、閉鎖系空間内での水回収に際しての前段での処理や後段での処理に対する影響など、システムとして構築した際に生じる課題については何ら言及されていない。
【０００７】
本発明者らは、スケール成分、有機物、無機イオン等を含む排水、特に、核シェルター、災害避難所、宇宙ステーション又は月・火星ミッションの有人宇宙船、月面基地などの閉鎖系空間で生じた人体排出水、生活排水などの排水を、スケール発生による目詰まり、有機物によるファウリング等を懸念することなく、また、蒸発のような多量のエネルギーを消費することなく、簡易な構成の装置により効率的に処理する水回収装置を提供するべく、鋭意検討を重ねた結果、これらの排水を、軟化装置で処理して硬度成分を十分除去した後、高温高圧下での電気分解で有機物やアンモニアなどの被酸化性物質を分解し、その後電気透析装置でイオン類を除去して生産水と塩分濃縮液を得ること、すなわち、排水中の有機物や尿素、アンモニアなどの被酸化性物質を分解するに当たり、高温高圧下での電気分解を行うことで、以下の作用機構で上記課題を解決することができることを見出し、先に特許出願した（特願２０１３−２２１４２５。以下「先願」という。）。
【０００８】
高温高圧下での電気分解であれば、排水中の被酸化性物質を、後段の電気透析装置で直接除去することができる炭酸や有機酸、硝酸等のイオンに変換することができる。
この高温高圧下での電気分解で、排水中の有機物の一部は炭酸ガスに、アンモニアや硝酸の一部は分解されて窒素ガスとなる。そのため、特許文献３における電解装置の後段の触媒分解装置を不要とすることが可能となる。また、高圧下では、その圧力によって、電気分解で発生するガスが水に溶解し、気泡による電極面への被分解物接触妨害を抑制することができる。また、高温で処理することによって熱分解の効果を利用するとともに物質移動速度を高めることで、電気分解効率を高めることもできる。更には、水の電気分解で生じた水素と酸素のガスを、再度水に戻す反応を引き起こすことができるため、爆発性の高い水素／酸素の混合ガスから、酸素濃度を低減させることができ、副生ガスを、爆発限界値を下回る安全性の高いものとすることができる上に、水回収率を高いものとすることができる。また、電気分解での酸化物の生成が抑制されることから、電解装置の後段にある電気透析装置への負荷を低減することもできる。
【０００９】
なお、先願の水回収装置では、電気透析装置として、好ましくは、脱塩用電気透析装置と酸・アルカリ製造用電気透析装置とが直列に設けられる。
ここで、脱塩用電気透析装置は、図４に示すように、陽極と陰極の間に、それぞれ電極室及びバイポーラ膜ＢＰＭを介して濃縮室、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室、カチオン交換膜ＣＭ、濃縮室………………の繰り返し単位が、両極側が濃縮室となるように設けられた２室型の電気透析装置である。脱塩用電気透析装置では、脱塩室内を通過する被処理水中の塩類（ＸＹ）を構成する陰イオンＸ−及び陽イオンＹ＋がそれぞれアニオン交換膜ＡＭ、カチオン交換膜ＣＭを透過して濃縮室内に濃縮されることにより、脱塩室からは塩分が除去された脱塩水が得られ、一方、濃縮室からは、塩分濃縮液が得られる。
一方、酸・アルカリ製造用電気透析装置は、一般的に、３室式の電気透析装置であり、図５に示すように、陽極と陰極の間に、それぞれ電極室及びバイポーラ膜ＢＰＭを介して、酸室、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室、カチオン交換膜ＣＭ、アルカリ室、………………………の繰り返し単位が、陽極側が酸室、陰極側がアルカリ室となるように設けられたものであり、図５の通り、被処理水中の陰イオンＸ−及び陽イオンＹ＋がそれぞれアニオン膜ＡＭ又はカチオン膜ＣＭを透過して酸室又はアルカリ室に移動し、脱塩室から脱塩水が得られると共に、酸室から酸溶液が、アルカリ室からアルカリ溶液が得られる。即ち、酸・アルカリ製造用電気透析装置は、脱塩室に隣接する室が、陰イオンＸ−及び陽イオンＹ＋が濃縮される濃縮室ではなく、陰イオンのみが濃縮され水中からＨ＋が生成する酸室と、陽イオンのみが濃縮され、水中からＯＨ−が生成するアルカリ室である点において、脱塩用電気透析装置とは異なる構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−０９５５２６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１９９６３号公報
【特許文献３】特開２０１３−０７５２５９号公報
【特許文献４】特許第３７４６３００号公報
【特許文献５】特願２０１３−２２１４２５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
先願の水回収装置であれば、スケール成分、有機物、無機イオン等を含む排水を、スケール発生による目詰まり、有機物によるファウリング等を懸念することなく、また、蒸発のような多量のエネルギーを消費することなく、簡易な構成の装置により効率的に処理することができるが、以下のような不具合があった。
【００１２】
＜高温高圧電解装置に起因する課題＞
（１）  電気分解により、水の電気分解由来の水素ガス、有機物の電気分解由来の二酸化炭素等のガスが発生する。一方で、原水中には酸素等微量の溶存ガスが存在している。水素ガスは酸素との混合により爆発の危険性があるため、安全上の対策をとる必要がある。高温高圧電解装置では、酸素ガス発生量は低減されるものの、水素ガス及び二酸化炭素ガスの発生を完全になくすことはできない。
高温高圧電解装置で発生したガスが気泡として後段の電気透析装置に混入すると、電気透析の抵抗となり、電圧が上昇してしまう。さらに、気泡の発生量も多くなり、密閉系では気泡発生分の容量を確保するために装置サイズが大きくなる。
（２）  消費電力が大きい。
【００１３】
＜電気透析装置に起因する課題＞
（１）  １段の電気透析装置では、十分な水質の処理水を得ることができない。
（２）  （１）より、電気透析装置の後段に電気脱イオン装置を設けた場合、高水質の処理水を得ることができるが、消費電力が過大となる。
（３）  先願では、脱塩用電気透析装置と酸・アルカリ製造用電気透析装置とを設けているが、この場合、脱塩用電気透析装置と酸・アルカリ製造用電気透析装置との間にタンクが必要となる。
また、処理水の水質を高めるためには、脱塩用電気透析装置を２段に設ける必要があり、この場合、２機の脱塩用電気透析装置と酸・アルカリ製造用電気透析装置とで３機の電気透析装置が必要となる。
（４）  電気透析装置でも、電解装置と同様、水の電気分解により、陰極室で水素ガスが、陽極室で主として酸素ガスがそれぞれ発生し、電解装置と同様の問題が生じる。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決し、先願の水回収装置よりも更に処理効率に優れた水回収装置及び水回収方法と、この水回収装置に有効な電気透析装置と、この電気透析装置を用いた脱塩処理方法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】
【００１５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ね、以下の［１］〜［４］，［１１］，［１２］の水回収装置及び水回収方法と、［５］〜［１０］の電気透析装置及び脱塩処理方法を発明した。
【００１６】
［１］  排水を処理して処理水を生産水として回収する装置において、該排水中の硬度成分を除去する軟化装置と、該軟化装置の軟化処理水を、１００℃以上であって、該軟化処理水の臨界温度以下の温度において、該軟化処理水が液相を維持する圧力下、直流電流を供給して電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解する高温高圧電解装置と、該高温高圧電解装置で得られた電解処理水を脱塩処理して脱塩水を得る電気透析装置とを備える水回収装置であって、該高温高圧電解装置に流入する該軟化処理水と該電解処理水とを熱交換することによって、該軟化処理水を加熱する熱交換器を有することを特徴とする水回収装置。
【００１７】
［２］  排水を処理して処理水を生産水として回収する装置において、該排水中の硬度成分を除去する軟化装置と、該軟化装置の軟化処理水を、１００℃以上であって、該軟化処理水の臨界温度以下の温度において、該軟化処理水が液相を維持する圧力下、直流電流を供給して電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解する高温高圧電解装置と、該高温高圧電解装置で得られた電解処理水を脱塩処理して脱塩水を得る電気透析装置とを備える水回収装置であって、該電解処理水を脱気処理する脱気手段を有し、該脱気手段の脱気処理水が前記電気透析装置で処理されることを特徴とする水回収装置。
【００１８】
［３］  排水を処理して処理水を生産水として回収する装置において、該排水中の硬度成分を除去する軟化装置と、該軟化装置の軟化処理水を、１００℃以上であって、該軟化処理水の臨界温度以下の温度において、該軟化処理水が液相を維持する圧力下、直流電流を供給して電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解する高温高圧電解装置と、該高温高圧電解装置で得られた電解処理水を脱塩処理して脱塩水を得る電気透析装置とを備える水回収装置であって、該電気透析装置の電極室から排出される電極水を脱気処理する脱気手段を有し、該脱気手段の脱気処理水が該電気透析装置の電極室に循環されることを特徴とする水回収装置。
【００１９】
［４］  排水を処理して処理水を生産水として回収する装置において、該排水中の硬度成分を除去する軟化装置と、該軟化装置の軟化処理水を、１００℃以上であって、該軟化処理水の臨界温度以下の温度において、該軟化処理水が液相を維持する圧力下、直流電流を供給して電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解する高温高圧電解装置と、該高温高圧電解装置で得られた電解処理水を脱塩処理して脱塩水を得る電気透析装置とを備える水回収装置であって、該電気透析装置は、該電解処理水を処理して該脱塩水と酸溶液とアルカリ溶液とを得る酸・アルカリ製造用電気透析装置を含み、該酸・アルカリ製造用電気透析装置は、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩水が下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で脱塩処理されるように、２段以上直列に連結されていることを特徴とする水回収装置。
【００２０】
［５］  被処理水を処理して脱塩水と酸溶液とアルカリ溶液とを得る酸・アルカリ製造用電気透析装置が、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩水が下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で脱塩処理されるように、２段以上直列に連結されてなる電気透析装置であって、該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に、それぞれ該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に通水される水よりもイオン濃度の低い水が通水され、該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に、それぞれ該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液とアルカリ溶液が通水されることを特徴とする電気透析装置。
【００２１】
［６］  ［５］において、前記上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置及び下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液を貯留する酸貯槽と、前記上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置及び下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られたアルカリ溶液を貯留するアルカリ貯槽とを有し、該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液とアルカリ溶液は、それぞれ該酸貯槽とアルカリ貯槽を経て前記上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の酸室とアルカリ室に通水されることを特徴とする電気透析装置。
【００２２】
［７］  被処理水を処理して脱塩水と酸溶液とアルカリ溶液とを得る酸・アルカリ製造用電気透析装置が、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩水が下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で脱塩処理されるように、２段以上直列に連結されてなる電気透析装置であって、該酸・アルカリ製造用電気透析装置は、双方の隣接する室とバイポーラ膜で仕切られた緩衝室を、陽極と陰極との間に有し、前記被処理水は、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水された後、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水され、次いで該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水された後、該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水されて脱塩処理されることを特徴とする電気透析装置。
【００２３】
［８］  ［５］又は［６］において、該酸・アルカリ製造用電気透析装置は、双方の隣接する室とバイポーラ膜で仕切られた緩衝室を、陽極と陰極との間に有し、
前記被処理水は、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水された後、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水され、次いで該上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水された後、該下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に通水されて脱塩処理されることを特徴とする電気透析装置。
【００２４】
［９］  ［５］ないし［８］のいずれかにおいて、前記酸・アルカリ製造用電気透析装置は、該酸・アルカリ製造用電気透析装置の陽極室から排出される陽極水を脱気処理して脱気処理水を該陽極室に循環させる陽極水脱気循環手段と、陰極室から排出される陰極水を脱気処理して脱気処理水を該陰極室に循環させる陰極水脱気循環手段とを備えることを特徴とする電気透析装置。
【００２５】
［１０］  ［５］ないし［９］のいずれかに記載の電気透析装置に被処理水を通水して脱塩処理する脱塩処理方法。
【００２６】
［１１］  ［１］ないし［４］のいずれかにおいて、前記電気透析装置が、［５］ないし［９］のいずれかに記載された電気透析装置であることを特徴とする水回収装置。
【００２７】
［１２］  ［１］ないし［４］及び［１１］のいずれかに記載の水回収装置で排水を処理して処理水を生産水として回収する水回収方法。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、スケール成分、有機物、無機イオン等を含む排水を、スケール発生による目詰まり、有機物によるファウリング等を懸念することなく、また、蒸発のような多量のエネルギーを消費することなく、簡易な構成の装置により、効率的に処理して処理水を回収、再利用することが可能となる。このため、例えば宇宙ステーションや宇宙船等の宇宙空間において、人間の生命維持に不可欠な水を再利用することができ、宇宙での人間の長期滞在が可能となる。
【００２９】
請求項１の水回収装置であれば、軟化処理水と電解処理水とを熱交換器で熱交換して軟化処理水を予備加熱することにより、高温の電解処理水の熱を回収して有効利用することで、消費電力を低減することができる。
【００３０】
請求項２の水回収装置であれば、電解処理水を脱気手段で脱気処理することにより、水蒸気を拡散させることなく、電気分解で発生したガスを除去して安全性を高めることができる。このため、水回収率を高く維持すると共に、消費電力を高めることができ、更には後段の電気透析装置における気泡混入による抵抗増大、電圧上昇を防止することができる。
【００３１】
請求項３の水回収装置であれば、電気透析装置の電極室で発生したガスを脱気して発生ガスに起因する抵抗増大、電圧上昇を防止することができる。
特に、陰極室で発生した水素ガスの脱気により爆発の危険性を回避することができる。陽極室で発生した酸素ガスを脱気して回収することにより、閉鎖系空間におけるキャビンエアとして利用することもできる。
【００３２】
請求項４の水回収装置であれば、２段以上直列に設けた酸・アルカリ製造用電気透析装置により、酸・アルカリ製造用電気透析装置間にタンクを必要とすることなく、高水質の処理水を得ることができる。酸・アルカリ製造用電気透析装置であれば、２段の直列に設けた２機の酸・アルカリ製造用電気透析装置で、飲料水としての基準値を十分に満たす、高水質の処理水を得ることができる。また、後段に電気脱イオン装置を設ける場合に比べて、同等の水回収率において消費電力を低減することができる。
【００３３】
請求項５〜９の電気透析装置であれば、２段以上直列に連結した酸・アルカリ製造用電気透析装置により、高度に脱塩処理することができ、高水質の処理水を効率的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の水回収装置の実施の形態の一例を示す系統図である。
【図２】本発明の電気透析装置の実施の形態の一例を示す系統図である。
【図３】本発明の電気透析装置の実施の形態の他の例を示す系統図である。
【図４】一般的な脱塩用電気透析装置の構成とイオン移動を説明する模式的な断面図である。
【図５】一般的な酸・アルカリ製造用電気透析装置の構成とイオン移動を説明する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施形態に限定されるものではない。
なお、以下においては、本発明を、主として、閉鎖系空間で発生した排水を処理して再利用するための水回収装置に適用した場合を例示して説明するが、本発明は、閉鎖系空間内で生じた排水の処理、回収に限らず、スケール成分、有機物、無機イオン等を含む様々な排水の処理、回収に適用することができる。
【００３６】
図１は本発明の水回収装置の実施の形態の一例を示す系統図である。
この水回収装置では、図１に示されるように、被処理水であるスケール成分、有機物、無機イオン等を含む排水、例えば閉鎖系空間内で生じた排水を、まず軟化装置１に導入して該排水中の硬度成分を除去し、軟化処理水を、熱交換器２で電解処理水と熱交換して予備加熱した後、高温高圧電解装置３にて高温高圧下に電気分解することにより、該軟化処理水中の被酸化性物質を分解除去する。電解処理水は、脱気膜装置４で脱気処理した後、脱気処理水を中間タンク５を経て２段に直列に設けた酸・アルカリ製造用電気透析装置１０，２０で構成される電気透析装置６で脱塩処理し、脱塩水を処理水タンク７に回収する。
【００３７】
＜被処理水＞
本発明において処理対象となる被処理水は、スケール成分、有機物、無機イオン等を含む排水であって、例えば、核シェルター、災害避難所、宇宙ステーション又は月・火星ミッションの有人宇宙船、月面基地などの閉鎖系空間で発生した人体排出水（尿、汗など）や生活排水（空調関係の凝縮水、厨房排水、洗濯排水、風呂・シャワー排水、清掃排水、動植物などの飼育栽培により発生する排水など）などの排水が挙げられる。ここで、閉鎖系空間とは、内外での物質やエネルギーのやりとりが制限された空間をさし、特に、本発明が好適に適用される閉鎖系空間としては、シェルター、宇宙ステーションや宇宙船等の宇宙空間が挙げられ、特に宇宙空間の有人環境において本発明を有効に適用することができる。
【００３８】
これらの閉鎖系空間から排出される排水は、主として空調関係の凝縮水や人体から排出される汗や尿などであり、Ｍｇ、Ｃａ等のスケール成分、たんぱく質や尿素等の有機物、Ｎａ、Ｋ、Ｃｌ、ＳＯ４、ＰＯ、ＮＨ３、ＮＯ等の無機イオンが含まれている。
本発明において処理対象となる被処理水の水質としては、例えば次のようなものが挙げられるが、以下の排水の混合排水であってもよい。
＜人体から排出される汗や尿を主体とする排水＞
ｐＨ：６〜８
ＴＯＣ：２０００〜１５０００ｍｇ／Ｌ
無機イオン：５０００〜２００００ｍｇ／Ｌ
Ｎａ：１０００〜５０００ｍｇ／Ｌ
ＮＨ４：１００〜１５００ｍｇ／Ｌ
Ｋ：５００〜２５００ｍｇ／Ｌ
Ｃｌ：２０００〜１００００ｍｇ／Ｌ
ＰＯ４：５００〜２５００ｍｇ／Ｌ
＜生活排水＞
ｐＨ：５〜１３
ＴＯＣ：１〜２００ｍｇ／Ｌ
無機イオン：０．０１〜２００ｍｇ／Ｌ
Ｎａ：０．０１〜１０ｍｇ／Ｌ
ＮＨ４：０．０１〜１００ｍｇ／Ｌ
Ｋ：０．０１〜１０ｍｇ／Ｌ
Ｃｌ：０．０１〜１０ｍｇ／Ｌ
ＰＯ４：０．０１〜１０ｍｇ／Ｌ
【００３９】
なお、閉鎖系空間において発生する尿や各種の生活排水はそれぞれ水質が異なるため、本発明により水回収するに当たり、必要に応じてそれぞれの水種を単独で処理しても良いし、それらを予め混合して処理しても良い。また、処理工程の途中から特定の水種の被処理水を合流させることも可能である。これらの処理方法は処理効率を考慮して決めることが望ましい。
【００４０】
一般的に前記被処理水のうち、スケール成分は尿に最も多く含まれるため、軟化装置１による硬度成分の除去は尿のみを処理対象とし、次工程の高温高圧電解装置３において、他の被処理水を合流させて処理してもよく、このようにすることにより、各工程における被処理水量を無駄に増やすことなく、効率的に処理することができる。
【００４１】
＜軟化装置＞
本発明においては、上記のような排水をまず軟化装置１で処理して、排水から硬度成分を除去する。この軟化処理には、Ｎａ型の強酸性カチオン交換樹脂もしくは弱酸性カチオン交換樹脂を用いることができ、以下のイオン交換反応で硬度成分が除去される。  
ＣａＸ、ＭｇＸ  ＋  Ｒ−Ｎａ  →  Ｒ＝Ｃａ、Ｒ＝Ｍｇ  ＋  ＮａＸ
ここで、Ｘは陰イオンを、Ｒはイオン交換樹脂交換基を示す。
【００４２】
通常、軟化装置１としては、Ｎａ型強酸性カチオン交換樹脂もしくは弱酸性カチオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂塔が用いられる。その処理条件には特に制限はないが、通常、処理温度は２０〜４０℃、通液ＳＶ（空間速度）は０．１〜１００ｈｒ−１、好ましくは５〜２０ｈｒ−１である。
【００４３】
この軟化装置１により、被処理水中の２価のＭｇ、Ｃａ等のスケール成分が除去されるため、後段の高温高圧電解装置３において、スケールの発生が抑制され、電流が効率良く流れるようになる。
【００４４】
軟化装置１は、後段の電気透析装置６の酸・アルカリ製造用電気透析装置１０，２０で得られた酸溶液、アルカリ溶液により再生することができる。即ち、酸・アルカリ製造用電気透析装置１０，２０からの酸溶液は、軟化装置１のＮａ型強酸性カチオン交換樹脂もしくは弱酸性カチオン交換樹脂の再生剤として利用することができ、アルカリ溶液は強酸性カチオン交換樹脂もしくは弱酸性カチオン交換樹脂のＮａ形化剤として利用することができる。再生時の通水ＳＶは特に制限はないが通常０．１〜５０ｈｒ−１、例えば４．５ｈｒ−１である。
【００４５】
＜熱交換器＞
軟化装置１からの軟化処理水は、高温高圧電解装置３の電解処理水と熱交換することにより予備加熱した後、高温高圧電解装置３に導入される。
電解処理水は、通常１００〜３７４℃、好ましくは２００〜２５０℃程度の高温であるため、このような高温の電解処理水をその高圧条件を維持して軟化処理水と熱交換して予備加熱することにより、電解処理水の熱エネルギーを回収し、加熱エネルギーを削減することができるため、高温高圧電解装置３を用いることによる消費電力の増大の問題を軽減することができる。
【００４６】
熱交換器２における熱交換で、通常２０〜３０℃程度の軟化処理水を１８０〜２２０℃程度に加熱することができる。
【００４７】
なお、熱交換器２と高温高圧電解装置３との間には背圧弁を設け、高温高圧電解装置３からの電解処理水の圧力を調整する。
【００４８】
＜高温高圧電解装置＞
熱交換器２で予備加熱された軟化処理水は、次いで高温高圧電解装置３で電気分解することにより、排水中に含まれている有機物、尿素、アンモニアなどの被酸化性物質が分解除去される。排水中に含まれるこれらの被酸化性物質のうち具体的なＴＯＣ濃度は１００〜２００００ｍｇ／Ｌ程度であり、尿を対象とする場合は１０００〜１００００ｍｇ／Ｌ、通常５０００〜７０００ｍｇ／Ｌ程度である。
【００４９】
高温高圧電解装置３に適用される反応容器としては、次のようなものが好ましい。
一端側に被処理水の入口、他端側に電解処理水の出口を設けた配管などの円筒形の容器（円筒状配管型容器）の内部に、陽極を、被処理水（軟化処理水）の流れと平行方向に、かつ容器と絶縁するように離隔して設置し、配管自体を陰極として、陽極、陰極間に直流電源を接続する。円筒形の容器は、角筒形等の他の形状の容器に比べて内圧に対して強度を保持しやすく、反応容器の肉厚を薄くすることができ、装置の小型化が可能となる。また、電極を被処理水の流れに対して平行に設置することで、発生した気泡を処理水とともに容器外へ押し出すことが可能となり、電極への気泡付着を抑制し、反応効率を高めることができる。
【００５０】
高温高圧電解装置の陰極（即ち、反応容器の内壁）の構成材料としては、例えばハステロイ、インコロイ等のニッケル基合金；チタン基合金；炭素鋼、ステンレス鋼等の鋼材等を用いることができる。また、白金等の金属で被覆されたものであってもよい。
また、陰極は導電性ダイヤモンド電極からなるものであってもよく、導電性ダイヤモンド電極であれば、化学的安定性に優れ、電流効率が高く、電解効率の面で好ましい。この場合、ニオブ、タングステン、ステンレス、モリブデン、白金、イリジウム等の金属からなる基材に導電性ダイヤモンドの被覆層を形成したものとすることができる。
【００５１】
陽極は、陽極と陰極となる反応容器内壁との距離が均等となるように設けられることが好ましい。この距離にばらつきがある場合には、距離が短い部分に局部的に過大な電流が流れ、その部分の陽極の劣化が促進されることとなり好ましくない。本発明では、円筒状配管型容器内に、平板状、円柱形状又は円筒形状の陽極を、その中心軸が反応容器の内壁の中心軸と実質的に一致するように設けることが好ましい。
【００５２】
陽極は、１枚又は複数枚の平板状のものをそのまま設置してもよいし、メッシュ又は網を円筒形状に形成したものでもよいし、板を円筒形状に形成したものでもよいし、棒状体であってもよい。
陽極としては、少なくともその表面が、ルテニウム、イリジウム、白金、パラジウム、ロジウム、錫若しくはこれらの酸化物又はフェライトであるものが好ましい。陽極そのものがこれらの物質で構成されていてもよいし、陽極の基材の表面がこれらの物質で被覆されていてもよい。
陽極を構成するルテニウム、イリジウム、白金、パラジウム、ロジウム、錫は、金属元素そのものであってもよいし、酸化物であってもよい。また、これらの金属の合金も好適に用いられる。合金としては、例えば、白金−イリジウム、ルテニウム−錫、ルテニウム−チタンなどが挙げられる。上記した金属等は、耐食性に優れており、陽極として用いる場合に優れた不溶性を示す。
【００５３】
陽極もまた陰極と同様の理由から導電性ダイヤモンド電極からなるものであってもよく、この場合、陽極全体が導電性ダイヤモンドから構成されるものであってもよく、シリコン、ニオブ、タングステン、ステンレス、モリブデン、白金、イリジウム等の金属、或いは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化モリブデン、炭化タングステン等の非金属等からなる基材に導電性ダイヤモンドの被覆層を形成したものであってもよい。ＴＯＣの分解は特に陽極で起こるため、陽極に導電性ダイヤモンド電極を用いることにより、ＴＯＣを効率的に分解することができる。
【００５４】
本発明において、高温高圧下とは、１００℃以上であって、被処理水の臨界温度以下の温度において、該被処理水が液相を維持する圧力であり、通常１００〜３７４℃、好ましくは２００〜２５０℃で、通常２〜２０ＭＰａ、好ましくは５〜１０ＭＰａである。特に、電気分解時の温度が２００℃以上であると、たんぱく質や尿素の分解効率が向上する。
【００５５】
また、高温高圧下での電解条件は、被処理水の水質や用いる電極の種類、反応容器の構成等によっても異なるが、通常供給する直流電流は２〜３０Ａ、好ましくは５〜２０Ａ程度であり、電流密度は０．１〜５００Ａ／ｄｍ２、好ましくは１〜５０Ａ／ｄｍ２であり、電解時間は通常０．５〜３０ｈｒ、好ましくは５〜２０ｈｒである。従って、被処理水を円筒状配管型容器の一端側から他端側へ通液して電気分解を行う一過式通液型の反応容器にあっては、被処理水の反応容器内の滞在時間が上記の好適な電解時間となるように流速を調節することが好ましい。
なお、高温高圧電解装置における具体的な線速は０．１〜５０ｍ／ｈｒ、好ましくは１〜２０ｍ／ｈｒである。低温低圧での電気分解の場合には、電極に気泡が溜まるため、この気泡を取り除くために線速を大きくする必要があったが、高温高圧下での電気分解では、このような気泡の発生が抑制されるため、線速を大きくする必要はなく、装置の小型化を図ることができる。
【００５６】
このような高温高圧条件下での電気分解により、以下の反応で有機物や尿素、アンモニア等を分解するが、その際、本発明では上記の高温高圧条件で電気分解を行うために、電気分解時における酸素ガスや水素ガスの発生を抑制するとともに、過塩素酸等の酸化物質の生成を抑制することができる。また、酸素と水素から水を生成する条件に設定することで、水回収率を向上させることができる。  
有機物→（酸化）→有機酸、ＣＯ２
尿素→ＮＨ４＋＋ＣＯ３２−
２ＮＨ３＋３ＨＣｌＯ→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋３ＨＣｌ
上記の反応で生じた次亜塩素酸を利用して、たんぱく質等の有機物や尿素を分解し、後段の電気透析装置６で除去可能な有機酸、アンモニア等のイオンに変換することができる。このように、本発明によれば、高温高圧電解装置３において、後段の電気透析装置６では除去し得ない尿素を、高温高圧下の電気分解でアンモニアと炭酸に分解除去することができる。なお、上記反応式中、ＨＣｌＯは被処理水（排水）に含まれる塩素イオンの電解反応（２Ｃｌ−＋Ｈ２Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ＋２ｅ−）により発生したものである。
【００５７】
通常の電気分解では、無機イオンが酸化され、ＣｌＯ３やＣｌＯ４等の過塩素酸が生成するが、本発明では、高温高圧条件で処理することにより、これらの酸化物質の生成が抑えられ、更に後段の電気透析装置６の負荷となるＣｌＯ３やＣｌＯ４等の過塩素酸の生成を抑制することができるため、前述の特許文献３のように、高温高圧電解装置３の後段に当該過塩素酸等を分解するための触媒分解装置を設置する必要がなくなり、電解処理水を、他の水処理手段を経ることなく、電気透析装置６に直接供給することが可能となる。
【００５８】
高温高圧電解装置３の被処理水の昇圧においては、ガスを用いた昇圧などが考えられるが、閉鎖系空間内では設備、スペースなどが限られているため、ポンプを用いて昇圧することで目的の圧力を設定することによって装置の小型化、省スペース化が達成される。この場合、電気分解時の圧力は、被処理水を昇圧して高温高圧電解装置３に送液する高圧ポンプと高温高圧電解装置３の処理水出口に設けた背圧バルブの調整により制御することができる。
【００５９】
本発明において、高温高圧電解装置３は、被処理水を一過式で通液して処理するものであることが、循環式の場合に比べて設備コストや消費電力を抑えることができ、好ましい。即ち、循環式では、高圧を維持して循環する場合には、タンクを高圧仕様にする必要があり、また、圧を開放して循環する場合には、昇圧を繰り返す必要があり、通液ポンプの消費電力が過大となるが、一過式であればこのような問題が解消される。また、一過式であれば、循環式に比べ、液流速を遅くすることができる。そのため、脱気膜装置４内の滞留時間を確保しやすいため、後段の脱気膜装置４を小型化することができる。
【００６０】
なお、循環式の装置とは、当該装置の流出水を当該装置の入口側へ返送して再度当該装置で処理する方式の装置をさし、一過式の装置とは、当該装置の流出水を当該装置及びその上流側へ返送することなく、後段の装置へ送給する装置をさす。いずれの方式の装置にあっても、装置間にタンクを設けてもよく、配管により送液するようにしてもよい。
【００６１】
高温高圧電解装置３は、前述の円筒状配管型の反応容器を複数個直列に連結して設置したものであってもよく、また、反応容器を複数個直列に連結した反応容器群を複数列並列に設置したものであってもよく、このようにして反応容器を複数個設けることにより、高温高圧電解装置３の処理水量、有機物等の分解量を高めることができる。また、各反応容器の入り口の有機物濃度に合わせ、各反応容器の電流条件を最適化することで、電流効率の向上、印加電圧の低減を図ることができ、消費電力を抑えることができる。
【００６２】
＜脱気膜装置＞
前述の通り、高温高圧電解装置３では、水の電気分解に由来して水素ガスが、また、有機物の電気分解に由来して二酸化炭素等のガスが発生する。
【００６３】
図１の水回収装置では、高温高圧電解装置３からの電解処理水を脱気膜装置４で脱気処理することにより、電解処理水中のガスを除去できる。
電解処理水の脱気手段としては、脱気膜装置の他、遠心分離装置などを用いることもできるが、コンパクトで脱気効率に優れることから、脱気膜装置４を用いることが好ましい。
【００６４】
なお、高温高圧電解装置３と脱気膜装置４との間には、背圧弁を設け、電解処理水の圧力を調整する。
脱気膜装置４の脱気処理水は、中間タンク５に貯留される。中間タンク５を設けることにより、高温高圧電解装置３と後段の電気透析装置６を同時に運転する必要がなくなり、最大消費電力を抑えたり、異なる処理流速に対応したりすることができるようになる。
【００６５】
＜電気透析装置＞
電解処理水の脱気処理水は、次いで電気透析装置６で脱塩処理する。
図１の水回収装置では、電気透析装置６として、酸・アルカリ製造用電気透析装置１０，２０を用い、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置１０で得られた脱塩水を下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置２０で更に脱塩処理して処理水（生産水）を得る。
本発明で用いる電気透析装置は、酸・アルカリ製造用電気透析装置を３段以上直列に連結したものであってもよい。
以下、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置１０を「第１電気透析装置」と称し、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置２０を「第２電気透析装置」と称す。
【００６６】
第１電気透析装置１０及び第２電気透析装置２０は、図５に示すように、陽極と陰極の間に、それぞれ電極室及びバイポーラ膜ＢＰＭを介して、酸室、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室、カチオン交換膜ＣＭ、アルカリ室、………………………の繰り返し単位が、陽極側が酸室、陰極側がアルカリ室となるように設けられたものであり、図５の通り、被処理水中の陰イオンＸ−及び陽イオンＹ＋がそれぞれアニオン膜ＡＭ又はカチオン膜ＣＭを透過して酸室又はアルカリ室に移動し、脱塩室から脱塩水が得られると共に、酸室から酸溶液が、アルカリ室からアルカリ溶液が得られる。
【００６７】
以下、図２を参照して、第１電気透析装置１０及び第２電気透析装置２０における水の流れについて説明する。
【００６８】
中間タンク５からの電解処理水の脱気処理水は、配管４１，４２を経て第１電気透析装置１０の脱塩室に導入されて脱塩処理され、脱塩処理水は、配管４３を経て第２電気透析装置２０の脱塩室に導入されて更に脱塩処理され、脱塩処理水は配管４４より処理水タンク７に送給される。
配管４１からの脱気処理水の一部は、配管４５，４６より第２電気透析装置２０の酸室及びアルカリ室にそれぞれ通水された後、配管４７，４８よりそれぞれ酸タンク３１，アルカリタンク３２に送給される。酸タンク３１からの酸溶液及びアルカリタンク３２からのアルカリ溶液は、それぞれ配管４９，５０を経て第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室に通水された後、配管５１，５２を経て酸タンク３１，アルカリタンク３２にそれぞれ循環される。
【００６９】
第１電気透析装置１０及び第２電気透析装置２０の電極水（陽極側の電極室（陽極室）の陽極水と陰極側の電極室（陰極室）の陰極水）は、第１電気透析装置１０の陽極側の電極室及び陰極側の電極室から、それぞれ配管５３，５４、脱気膜装置７１，７２、配管５５，５６、電極水タンク７３，７４、配管５７，５８、第２電気透析装置２０の陽極側の電極室、陰極側の電極室、配管５９，６０を循環するように構成されている。
【００７０】
処理水となる第２電気透析装置２０からの脱塩水の取り出し配管４４には、配管６１が分岐しており、運転開始初期の低水質の脱塩水は、配管４１に戻され、再度脱塩処理されるように構成されている。
【００７１】
酸タンク３１内の酸溶液及びアルカリタンク３２内のアルカリ溶液は、それぞれ、配管６２，６３及び配管６４を経て、軟化装置１に送給され、軟化装置１のイオン交換樹脂の再生剤として利用される。また、処理水タンク６内の処理水が配管６５，６４を経て、再生剤のリンス水として軟化装置１に送給される。酸タンク３１の酸溶液及びアルカリタンク３２のアルカリ溶液は、処理水との混合水として軟化装置１に送給してもよい。
【００７２】
また、処理水タンクからの処理水は、配管６５から、配管６６及び配管６７，６８を経て電極室の補給水として電極水タンク７３，７４に送給される。
【００７３】
第１電気透析装置１０，第２電気透析装置２０における電気透析処理の処理条件は特に制限はないが、電流密度は０．１〜１０Ａ／ｄｍ２、処理温度は２０〜４０℃、圧力は０〜０．１ＭＰａ、流速は５０〜１００ｍ／ｈｒ程度、流量は装置のサイズにより異なるが１〜１００ｍＬ／ｍｉｎ程度とすることが好ましい。
【００７４】
このように、酸・アルカリ製造用電気透析装置を２段以上直列に連結し、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩水を更に下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置で脱塩処理するように、それぞれ一過式で通水処理することにより、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置から、高水質の処理水を得ることができるようになる。
なお、電気透析装置を一過式ではなく循環式の処理で行うと、処理の後半で、脱塩水と酸、アルカリ溶液との濃度差が大きくなり、脱塩効率が著しく低下するため、後掲の参考例２のように、処理水水質、消費電力量、水回収率のすべてが悪化する。
【００７５】
その際、図２に示すように、下流側の第２電気透析装置２０の酸室及びアルカリ室に被処理水である電解処理水の脱気処理水を通水し、第２電気透析装置２０の酸室及びアルカリ室からの酸溶液及びアルカリ溶液を、それぞれ酸タンク３１及びアルカリタンク３２を経て上流側の第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室に通水するようにすることにより、下流側の第２電気透析装置２０の脱塩室に隣接する酸室及びアルカリ室に、上流側の第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室よりもイオン濃度の低い清澄な水が流れるようになり、下流側の第２電気透析装置２０の脱塩室において、より高度に脱塩処理することができるようになる。また、上流側の第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室と酸タンク３１及びアルカリタンク３２とで、酸溶液及びアルカリ溶液がそれぞれ循環するように構成することにより、より高濃縮された酸溶液とアルカリ溶液を上流側の第１電気透析装置１０より得ることができるようになり、この高濃度の酸溶液及びアルカリ溶液を用いて、軟化装置１を効率的に再生処理することが可能となる。また、各透析セルで、脱塩水と酸、アルカリ溶液との濃度差が小さくなるため、イオンの濃度拡散の影響が小さく、脱塩効率が向上するため、電気消費量が低減され、また、浸透圧も小さくなるため、脱塩室から酸、アルカリ室への水の移動も少なくなり、水回収率も向上する。
【００７６】
なお、図１の電気透析装置では、第２電気透析装置２０からの酸溶液及びアルカリ溶液は、酸タンク３１及びアルカリタンク３２に送給され、酸タンク３１及びアルカリタンク３２内の酸溶液及びアルカリ溶液が、それぞれ第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室に送給されるように構成されているが、第２電気透析装置２０からの酸溶液及びアルカリ溶液は、酸タンク３１及びアルカリタンク３２を経由することなく、直接第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室に通水されてもよい。
また、下流側の第２電気透析装置２０の酸室及びアルカリ室には、上流側の第１電気透析装置１０の酸室及びアルカリ室よりもイオン濃度の低い水が通水されればよく、被処理水（電解処理水の脱気処理水）の他、別途系外から純水を導入して通水してもよく、また、処理水又は純水で希釈した酸溶液やアルカリ溶液を通水してもよい。
【００７７】
また、図２の電気透析装置では、第１電気透析装置１０及び第２電気透析装置２０の電極室からの電極水（陽極側の電極室（陽極室）からの陽極水と、陰極側の電極室（陰極室）からの陰極水）が、それぞれ、脱気膜装置７１，７２で脱気処理された後、第１電気透析装置１０及び第２電気透析装置２０に循環される。このように、電極水をそれぞれ脱気処理することにより、第１電気透析装置１０及び第２電気透析装置２０における気体の発生に起因する電気抵抗の上昇及び電圧上昇を防止して電流効率を高めることができる。即ち、酸・アルカリ製造用電気透析装置では、水の電気分解により、陰極で水素が、陽極で酸素と水素とが発生する。発生した気体は、電気透析の抵抗となるが、図２の電気透析装置では、この気体を脱気膜装置７１，７２で除去することができる。また、陽極水と陰極水とを別々に脱気処理することにより、陽極側の電極室で発生した酸素を脱気膜装置で回収し、閉鎖系空間におけるキャビンエアとして利用することも可能となる。
【００７８】
なお、電極水の脱気手段としては脱気膜装置に限らず、遠心分離装置や触媒装置を用いることもできるが、コンパクトで脱気効率に優れ、また、脱気した酸素の回収利用も容易であることから、脱気膜装置を用いることが好ましい。
【００７９】
酸・アルカリ製造用電気透析装置の電極室においては、運転の継続によって陽極側の電極室（陽極室）のｐＨが低下し、陰極側の電極室（陰極室）のｐＨが上昇する。陽極室のｐＨが低下すると塩素ガスが発生しやすくなるため、ｐＨの調整を行う必要がある。通常、陽極水としては硫酸ナトリウム水溶液等が用いられているが、陽極水としてｐＨ緩衝作用のあるリン酸ナトリウム水溶液や、グリシンと水酸化ナトリウムを含む水溶液を用いることによって、ｐＨの低下を抑制することが可能となる。その他のｐＨ調整手段としては、硫酸ナトリウムを用いた場合においては、陰極室と陽極室の流路を切り替えて通水する方法等が考えられる。
【００８０】
また、酸・アルカリ製造用電気透析装置の陽極室にバイポーラ膜を透過した塩素ガスが混入する場合、２枚のバイポーラ膜で区画形成された室（本発明において、この室を「緩衝室」と称す。）を陽極室に隣接して設け、被処理水を、まず、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水した後、上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の緩衝室に通水し、その後上流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室、下流側の酸・アルカリ製造用電気透析装置の脱塩室に順次通水して脱塩処理するようにすることで、塩素イオンを除去して陽極室での塩素ガスの発生を防止することができる。
【００８１】
以下に緩衝室を有する酸・アルカリ製造用電気透析装置による脱塩処理について、図３を参照して説明する。
【００８２】
図３は、１段目の酸・アルカリ製造用電気透析装置１００として、陽極１１１と陰極１１２との間に、陽極室１０１、バイポーラ膜ＢＰＭ、緩衝室１０２、バイポーラ膜ＢＰＭ、酸室１０３、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室１０４、カチオン交換膜ＣＭ、アルカリ室１０５、バイポーラ膜ＢＰＭ、酸室１０６、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室１０７、カチオン交換膜ＣＭ、アルカリ室１０８、バイポーラ膜ＢＰＭ、陰極室１０９の順で配置したものを用い、第２の酸・アルカリ製造用電気透析装置２００として、陽極２１１と陰極２１２との間に、陽極室２０１、バイポーラ膜ＢＰＭ、緩衝室２０２、バイポーラ膜ＢＰＭ、酸室２０３、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室２０４、カチオン交換膜ＣＭ、アルカリ室２０５、バイポーラ膜ＢＰＭ、陰極室２０６の順で配置したものを用い、これらを直列に連結したものである。
なお、緩衝室を有する酸・アルカリ製造用電気透析装置は、陽極室、バイポーラ膜ＢＰＭ及び緩衝室と、陰極室及びバイポーラ膜ＢＰＭとの間に、バイポーラ膜ＢＰＭ、酸室、アニオン交換膜ＡＭ、脱塩室、カチオン交換膜ＣＭ、及びアルカリ室の繰り返し単位が、緩衝室側が酸室、陰極側がアルカリ室となるように設けられたものであり、その繰り返し単位数には特に制限はない。
【００８３】
図３の電気透析装置では、被処理水（例えば、図１の電解処理水の脱気処理水）は、まず、下流側の第２の酸・アルカリ製造用電気透析装置２００の緩衝室２０２に通水された後、上流側の第１の酸・アルカリ製造用電気透析装置１００の緩衝室１０２に通水され、それぞれ隣接する酸室２０３，１０３より塩素イオン（Ｃｌ−）を回収した後、上流側の緩衝室１０２に近い側の脱塩室１０４に通水され、更に、脱塩室１０７に、脱塩室１０４とは逆方向に通水される。脱塩室１０４と１０７で脱塩処理された脱塩水は、第２の酸・アルカリ製造用電気透析装置２００の脱塩室２０４に通水され、この脱塩室２０４からの脱塩水が処理水として取り出される。
【００８４】
このように、陽極室と酸室との間にバイポーラ膜ＢＰＭで区画形成された緩衝室を設け、この緩衝室で酸室からの塩素イオンを回収し、これを脱塩室で脱塩処理することにより、処理水水質を向上させると共に、酸室及び陽極室における塩素ガスの発生を防止することができ、塩素による陽極の劣化も防止される。
この場合、被処理水は、下流側の緩衝室から上流側の緩衝室に通水することが、下流側の酸室の塩素イオンをより高度に除去して、下流側の脱塩室の脱塩水の水質を高める上で好ましい。
【００８５】
この図３の電気透析装置においても、図２に示すように、電極水を脱気処理して循環させることが好ましい。また、酸溶液及びアルカリ溶液についても、図２に示す電気透析装置と同様に循環させることが好ましい。
【００８６】
なお、図３の電気透析装置において、第１の酸・アルカリ製造用電気透析装置１００の脱塩室１０４からの脱塩水は、図３に破線で示すように、脱塩室１０７に通水することなく、第２の酸・アルカリ製造用電気透析装置２００の脱塩室２０４に通水してもよい。
【００８７】
このように、緩衝室を設けた酸・アルカリ製造用電気透析装置を用いることにより、運転を継続した場合の酸室及び陽極室における塩素濃度の上昇を抑制して処理水質の低下を防止し、高水質の処理水を安定に得ることが可能となる。
【００８８】
図２，３に示す電気透析装置は、本発明の水回収装置の電気透析装置として好適であるが、このような本発明の電気透析装置は何ら本発明の水回収装置の電気透析装置に限らず、単独で電気透析装置として用いることもでき、また、前段及び／又は後段に必要な装置を設けて各種の排水又は用水処理装置として用いることもできる。
【００８９】
以上の説明では、本発明の水回収装置の電気透析装置６として、酸・アルカリ製造用電気透析装置１０，２０を２段に直列に連結したものを例示したが、本発明の水回収装置で用いる電気透析装置は、酸・アルカリ製造用電気透析装置を３段以上直列に連結したものであってもよい。
また、電気透析装置は、酸・アルカリ製造用電気透析装置を多段に設けたものに限らず、先願に記載されるように、脱塩用電気透析装置と酸・アルカリ製造用電気透析装置とを直列に設け、電解処理水の脱気処理水を脱塩用電気透析装置で処理してイオン類を除去した脱塩水よりなる生産水と、塩分濃縮液とを得、脱塩用電気透析装置で得られた塩分濃縮液を酸・アルカリ製造用電気透析装置で処理して脱塩水と酸溶液とアルカリ溶液とを得、酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた酸溶液とアルカリ溶液を、軟化装置の再生に利用し、酸・アルカリ製造用電気透析装置で得られた脱塩水の一部又は全部は、脱塩用電気透析装置の入口側に返送して電解処理水の脱気処理水と共にこの脱塩用電気透析装置で処理するようにしてもよい。
また、電気透析装置を脱塩用電気透析装置のみで構成することもできる。この場合、軟化装置は非再生型イオン交換装置とし、酸、アルカリによる再生を不要とすればよい。非再生型イオン交換装置の態様としては、イオン交換樹脂自体を容器から抜き出しで交換するタイプと、カラム自体を交換するタイプに大別される。脱塩用電気透析装置を設けた場合、図２に示す酸タンクやアルカリタンクは不要となり、濃縮室からの濃縮水の循環タンクが設けられる。
ただし、酸・アルカリ製造用電気透析装置であれば、酸・アルカリ製造用電気透析装置間にタンクが不要であるなどの利点を有することから、本発明の水回収装置においては、酸・アルカリ製造用電気透析装置を２段に設けた電気透析装置を用いることが好ましい。
【実施例】
【００９０】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００９１】
［実施例１］
表１に示す水質の原水１Ｌを、図１，２に示す水回収装置で処理した。
【００９２】
［装置仕様］
各装置の仕様は以下の通りである。
【００９３】
＜軟化装置＞
弱酸性カチオン交換樹脂塔
樹脂量：２０ｍｌ
通水ＳＶ：１０ｈｒ−１
温度：２５℃
【００９４】
＜熱交換器＞
温度２５℃の軟化処理水を温度２５０℃の電解処理水と熱交換して２００℃に予備加熱した。（２００℃から２５０℃への加熱は、ヒータを利用した。）
【００９５】
＜高温高圧電解装置＞
セル        ：一端側に被処理水の流入口、他端側に処理水の流出口を有する円筒状配管型反応容器（外径１２．７ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ３５０ｍｍ）×３機
陽極：反応容器の中心に、同軸状に設けられた酸化イリジウム電極
陰極：反応器内壁を兼ねる導電性チタン配管
バイポーラ電極：陽極に平行に配置された板状導電性ダイヤモンド電極
有効電極面積：０．６５ｄｍ２／セル
流速        ：１．７ｍＬ／ｍｉｎ（線速として２．７ｍ／ｈｒ）
投入電流    ：１．３Ａ
温度        ：２５０℃
圧力        ：７ＭＰａ
処理時間    ：１０ｈｒ
【００９６】
＜脱気膜装置＞
ポリポア社製「Ｇ４２０」
【００９７】
＜電気透析装置＞
酸・アルカリ製造用電気透析装置：（株）アストム社製アシライザーＳ３（部分改良）
２機
有効膜面積：０．５２ｄｍ２／室
電流      ：第１電気透析装置＝１．６Ａ
第２電気透析装置＝０．４Ａ
電流密度  ：第１電気透析装置＝３．１Ａ／ｄｍ２
第２電気透析装置＝０．８Ａ／ｄｍ２
流通方法  ：２台直列、一過式
圧力      ：０．１ＭＰａ
流量      ：３．４ｍＬ／ｍｉｎ
電極液    ：０．２５ｍｏｌ／ＬＮａ２ＳＯ４水溶液
【００９８】
［処理結果］
各装置の処理結果は以下の通りであった。
【００９９】
＜軟化装置＞
スケール成分：
Ｍｇ＜１ｍｇ／Ｌ
Ｃａ＜１ｍｇ／Ｌ
【０１００】
＜高温高圧電解装置＞
処理水ＴＯＣ：＜３ｍｇ／Ｌ
処理水気体量：２．７Ｌ／ｈ
消費電力量：２５４Ｗｈ／Ｌ
水損失量  ：１．５％
【０１０１】
＜脱気膜装置＞
脱気処理水気体量：０Ｌ／ｈ（脱気率：９９．９９％以上）
【０１０２】
＜電気透析装置＞
処理水電気伝導度：０．８ｍＳ／ｍ
消費電力量      ：２１０Ｗｈ／Ｌ
水損失量        ：１０％
【０１０３】
得られた処理水の水質を表１に示す。
【０１０４】
【表１】
0006565170.tif 000002
【０１０５】
［比較例１］
実施例１において、電解装置の処理条件を以下の通りとすること以外は同様に処理を行うと、実施例１の高温電圧電解処理水の酸素濃度は約１％であるのに対して、常温常圧電解処理水の酸素濃度は２６．７％となる。水素存在下での酸素爆発濃度範囲は５〜９６％であることから、以下の常温常圧の電解条件は爆発の危険があるため、爆発防止のため、電気分解で発生したガスを窒素ガスで希釈した。このときの窒素ガス流量は３Ｌ／ｍｉｎとした。
＜電解装置＞
セル：一端側に被処理水の流入口、他端側に処理水の流出口を有する円筒状配管型反応容器（外径１２．７ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ３５０ｍｍ）×３機
陽極：反応容器の中心に、同軸状に設けられた酸化イリジウム電極
陰極：反応器内壁を兼ねる導電性チタン配管
バイポーラ電極：陽極に平行に配置された板状導電性ダイヤモンド電極
有効電極面積：０．６５ｄｍ２／セル
流速        ：１０ｍＬ／ｍｉｎ
投入電流    ：１．３Ａ
温度        ：５０℃
圧力        ：大気圧
処理時間    ：１７ｈｒ
窒素ガス流量：３Ｌ／ｍｉｎ
【０１０６】
その結果、電解装置の処理結果は以下の通りであり、消費電力量が増大すると共に、水損失量が増大し、水回収率が悪かった。
処理水ＴＯＣ：＜３ｍｇ／Ｌ
消費電力量：７２４Ｗｈ／Ｌ
水損失量  ：２１．１％
【０１０７】
［参考例１］
実施例１において、電解装置を一過式ではなく、循環処理とし、電解処理水の一部を電解装置の入口側に循環して処理するようにしたこと以外は同様に処理を行った。このときの電解装置の流速は１０ｍＬ／ｍｉｎ、処理時間は１４ｈｒとなる。その他の条件は実施例１と同じである。
その結果、電解装置の処理結果は以下の通りであり、消費電力量が若干増大した。
処理水ＴＯＣ：＜３ｍｇ／Ｌ
消費電力量：３５０Ｗｈ／Ｌ
水損失量  ：１．５％
【０１０８】
［参考例２］
実施例１において、電気透析装置の第１電気透析装置及び第２電気透析装置を一過式ではなく、循環処理とし、第２電気透析装置の脱塩水の一部を第１電気透析装置で循環処理するようにしたこと以外は同様に処理を行った。このときの電気透析装置の流量は２０ｍＬ／ｍｉｎとなる。その他の条件は実施例１と同じである。
その結果、電気透析装置の処理結果は以下の通りであり、処理水の水質も、消費電力も水損失量もすべて悪化した。
処理水電気伝導度：２．０ｍＳ／ｍ
消費電力量      ：３５０Ｗｈｒ／Ｌ
水損失量：１７．３％
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
以上のように、本発明の水回収装置及び電気透析装置によれば、小型で簡易な構成の装置により生活排水や人体排出水から不純物を取り除いて再利用することができるため、本発明は特に、宇宙ステーションの生命維持装置に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  軟化装置
２  熱交換器
３  高温高圧電解装置
４，７１，７２  脱気膜装置
５  中間タンク
６  電気透析装置
７  処理水タンク
１０，２０  酸・アルカリ製造用電気透析装置
３１  酸タンク
３２  アルカリタンク
７３，７４  電極水タンク
１００  第１の酸・アルカリ製造用電気透析装置
２００  第２の酸・アルカリ製造用電気透析装置
ＡＭ  アニオン交換膜
ＣＭ  カチオン交換膜
ＢＰＭ  バイポーラ膜
【図１】
0006565170.tif 000003
【図２】
0006565170.tif 000004
【図３】
0006565170.tif 000005
【図４】
0006565170.tif 000006
【図５】
0006565170.tif 000007