(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中での電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の板状の電極と、対極としてのアノード側の板状の電極とを少なくとも３枚、両端がカソード側の電極となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、水を導入して電極を浸すための電解槽に収容するとともに、両端のカソード側の電極を、それぞれ電解槽の内壁面と密着させて配置するか、または電解槽と一体に形成した脱窒素処理手段を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
水中での電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の板状の電極と、対極としてのアノード側の板状の電極とを少なくとも３枚、両端がカソード側の電極となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、水を導入して電極を浸すための電解槽に収容するとともに、電解槽の少なくとも内面の、少なくとも両端の電極と対向する面を導電性の材料にて形成し、かつアノード側の電極と電気的に接続した脱窒素処理手段を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
水中での電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の板状の電極と、対極としてのアノード側の板状の電極とを少なくとも３枚、両端がカソード側の電極となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、水を導入して電極を浸すための電解槽に収容するとともに、両端のカソード側の電極の外側面を水と接触しないように構成した脱窒素処理手段を有することを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気化学反応によって水を脱窒素処理するための水処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工場廃水や生活排水、地下水等に溶存する硝酸イオン、亜硝酸イオン、アンモニア等の窒素成分は水質汚染の原因物質であることから、これらを除去する必要がある。
上記のうち硝酸イオン、亜硝酸イオン等の酸化態窒素を除去する方法として、従来は、脱窒素菌を用いる生物的脱窒法が知られている。
【０００３】
しかし脱窒素菌等の生体触媒は、活動の程度が温度によって左右されるため、生物的脱窒法では、窒素成分の除去能力が季節や天候などによって大きく変動するという問題がある。
そこで生体触媒を用いずに、電気化学反応によって酸化態窒素を除去することが検討された。
例えば特開平１１−３４７５５８号公報においては、
・  電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の電極と、対極としてのアノード側の電極との間を陽イオン交換膜で隔ててカソード室とアノード室を形成し、
・  水を、まずカソード室に導入して、水に含まれる酸化態窒素を還元したのち、
・  アノード室に導いて、先の還元反応で生成したアンモニアを窒素分子に酸化して除去する
装置が提案された。
【０００４】
また簡易的に、陽イオン交換膜を省略した装置も提案された。
かかる装置においては、カソード側の電極として、上記のように電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有する、例えば真鍮などの電極を用いるとともに、アノード側の電極として、電気化学反応によって、塩素を含む水から次亜塩素酸またはそのイオンを発生させる機能を有する白金−イリジウム電極などを用いる。
【０００５】
そして、水道水などの塩素を含む水に、電源回路から、両電極を介して直流電流を流すと、下記式(1)〜(4)の電気化学反応を生じて、酸化態窒素を窒素ガスに変換して除去することができる。
（カソード側）
ＮＯ3-＋６Ｈ2Ｏ＋８ｅ-→ＮＨ3＋９ＯＨ-      (1)
（アノード側）
２Ｃｌ-→Ｃｌ2＋２ｅ-      (2)
Ｈ2Ｏ＋Ｃｌ2⇔ＨＣｌＯ＋Ｈ+＋Ｃｌ-      (3)
（アノード側＋カソード側）
２ＮＨ3＋３ＨＣｌＯ→Ｎ2↑＋３ＨＣｌ＋３Ｈ2Ｏ      (4)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
陽イオン交換膜のない簡易型の装置では、カソード側およびアノード側の電極をそれぞれ板状に形成するとともに、両極性の板状の電極を合計３枚以上、交互に、かつ互いに平行に配列することによって、単位体積あたりの水処理の効率を向上することができる。
ところが発明者が検討したところ、上記のようにカソード側とアノード側の電極を複数枚ずつ交互に、かつ互いに平行に配列した際に、その両端がカソード側の電極であると、特に当該電極の、アノード側の電極と対向しない外側の面が、電気化学反応を行った際に急速に腐食してしまうという問題のあることがわかった。
【０００７】
この原因について発明者がさらに検討したところ、以下の事実が明らかとなった。
すなわちカソード側の電極の少なくとも表面は、前述したように酸化態窒素を還元する作用を有する、真鍮や、あるいは銅などの金属にて形成する必要がある。
これらの金属は、本来的に、酸化態窒素や、あるいは電気化学反応によって生成する塩化水素などの酸によって腐食しやすいものである。
【０００８】
しかしカソード側の電極の、アノード側の電極と対向する面の近傍は、前記の電気化学反応のうち式(1)の反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、腐食は急速に進行しない。
ところが上記電極の、アノード側の電極と対向しない外側の面では式(1)の電気化学反応はほとんど進行しないため、当該面は酸から保護されず、急速に腐食してしまうのである。
【０００９】
このためカソード側、およびアノード側の板状の電極を少なくとも３枚、交互に、かつ互いに平行に配列した構成において、カソード側の電極が酸によって急速に腐食するのを、より簡単な構成で、しかもより確実に防止する対策が求められる。
【００１２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、水中での電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の板状の電極と、対極としてのアノード側の板状の電極とを少なくとも３枚、両端がカソード側の電極となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、水を導入して電極を浸すための電解槽に収容するとともに、両端のカソード側の電極を、それぞれ電解槽の内壁面と密着させて配置するか、または電解槽と一体に形成した脱窒素処理手段を有することを特徴とする水処理装置である。
【００１５】
請求項１のうち、両端のカソード側の電極を、それぞれ電解槽の内壁面と密着させて配置した構成によれば、両端のカソード側の電極の、腐食が生じやすい外側面を、水と接触しないように電解槽の内壁面と密着させているため、かかる面が酸によって急速に腐食するのを確実に防止できる。また両端のカソード側の電極の内側面と、中間のカソード側の電極の両面は、何れもアノード側の電極と対向しており、前記式(1)の電気化学反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。
【００１６】
また請求項１の構成のうち、両端のカソード側の電極を、電解槽と一体に形成した構成によれば、腐食が生じやすい外側面を全くなくすることができる。そして電解槽の内面をカソード側の電極として機能させて電気化学反応を行うことができる上、当該内面は必ずアノード側の電極と対向することになり、前記式(1)の電気化学反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。また中間のカソード側の電極の両面は、何れもアノード側の電極と対向しており、前記式(1)の電気化学反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、やはり急速に腐食することがない。
【００１７】
したがって請求項１の構成でも、カソード側の電極が急速に腐食するのをより簡単な構成で、しかもより確実に防止することが可能となる。
請求項２記載の発明は、水中での電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の板状の電極と、対極としてのアノード側の板状の電極とを少なくとも３枚、両端がカソード側の電極となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、水を導入して電極を浸すための電解槽に収容するとともに、電解槽の少なくとも内面の、少なくとも両端の電極と対向する面を導電性の材料にて形成し、かつアノード側の電極と電気的に接続した脱窒素処理手段を有することを特徴とする水処理装置である。
【００１８】
請求項２の構成では、その両端のカソード側の電極の外側の面が、アノード側に接続された電解槽の内面との間で、前記式(1)の電気化学反応を生じて還元性の状態となり、酸から保護されるため、急速に腐食することがない。また両端のカソード側の電極の内側面と、中間のカソード側の電極の両面は、何れもアノード側の電極と対向しており、やはり式(1)の電気化学反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。
【００１９】
したがって請求項２の構成でも、カソード側の電極が腐食するのをより簡単な構成で、しかもより確実に防止することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１(a)は、この発明の一実施形態にかかる水処理装置１の要部である、脱窒素処理手段１１の構造を簡略化して示す図、図１(b)は、上記例の水処理装置１の、全体の構造を簡略化して示す図である。
まず図１(b)を参照して、この例の水処理装置１は、
カソード側およびアノード側の板状の電極１１１、１１２と、両電極１１１、１１２を収容し、水Ｗを導入して電極１１１、１１２を浸すための電解槽１１０とを有し、両電極１１１、１１２を通して水Ｗに直流電流を流すことで、電気化学反応によって酸化態窒素を分解、除去するための脱窒素処理手段１１と、
脱窒素処理手段１１に、図示しない供給源から水Ｗを供給し、脱窒素処理後の水Ｗを、これも図示しない供給先へ供給するための給水手段１２と、
電極１１１、１１２に直流電流を供給するための電源回路１３と、
上記各部を制御するための制御手段３０と、
を備えている。
【００２４】
電極１１１、１１２は、それぞれ配線１３ａ、１３ｂを介して、電源回路１３の正極（＋）および負極（−）に接続してあり、それによって電極１１１はカソード側、電極１１２はアノード側の電極となる。
図において符号１３ｃは、図示しない交流電源との接続プラグ、１３ｄ、１３ｅは、接続プラグ１３ｃと電源回路１３とを繋ぐ２本の交流配線、１３ｆは漏電ブレーカである。
【００２５】
カソード側の電極１１１としては、前述したように電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有する電極を使用する。具体的には例えば、真鍮や銅の他、亜鉛などの１１族もしくは１２族の元素を含む板状の導電体や、１１族もしくは１２族の元素を導電体に被覆した板状の複合体などを用いることができる。
またアノード側の電極１１２としては、前述したように塩素を含む水から次亜塩素酸またはそのイオンを発生させる機能を有する白金−パラジウム電極などを使用する。具体的には例えば、チタニウム（Ｔｉ）製の基板の表面全面に金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金−イリジウム（Ｐｔ−Ｉｒ）などの、電解反応の際に触媒として機能する貴金属の薄膜を、めっき法や焼成処理によってコーティングしたものを使用することができる。
【００２６】
給水手段１２は、図示しない供給源から、水Ｗを電解槽１１０に供給するための第１の給水路１２ａと、この給水路１２ａを開閉して、電解槽１１０に供給する水Ｗの量を調整すべく開閉するための電磁弁Ｖ１と、処理後の水Ｗを、電解槽１１０から図示しない供給先（排水溝など）へ供給するための第２の給水路１２ｂと、水Ｗを、この給水路１２ｂを通して送出するためのポンプＰ１とを備えている。また符号Ｓ１は、電解槽１１０内の水Ｗの水位を測定するための水位センサである。
【００２７】
制御手段３０は、水位センサＳ１による水位の測定結果に基づいて電磁弁Ｖ１を開閉し、かつ電源回路１３と、ポンプＰ１とを駆動制御するためなどに機能する。
例えば制御手段３０は、水位センサＳ１によって測定した電解槽１１０内の水位が、平常状態の下限値を示す第１の所定値以上で、かつ平常状態の上限値を示す第２の所定値以下である平常状態において、電磁弁Ｖ１を開いて水Ｗを電解槽１１０内に流入させ、かつポンプＰ１を動作させて電解槽１１０内の水Ｗを送出しながら、電源回路１３を動作させて、電極１１１、１１２を介して、水Ｗに直流電流を流すことで、電気化学反応によって水Ｗを連続的に脱窒素処理する。
【００２８】
また制御手段３０は、電解槽１１０内の水位が低下して、水位センサＳ１によって測定した水位が、第１の所定値より低い第３の所定値に達すると、電源回路１３を停止して脱窒素処理を停止するとともに、ポンプＰ１を停止して水の送出を停止する。そして水位が第１の所定値まで回復した時点で脱窒素処理を再開するとともに、水の送出を再開する。
一方、制御手段３０は、電解槽１１０内の水位が上昇して、水位センサＳ１によって測定した水位が、第２の所定値より高い第４の所定値に達すると、電磁弁Ｖ１を閉じて水の流入を停止する。そして水位が第２の所定値まで戻った時点で電磁弁Ｖ１を開いて水の流入を再開する。
【００２９】
なお図では、カソード側およびアノード側の板状の電極１１１、１１２をそれぞれ１枚ずつ記載しているが、実際には、図１(a)に示すように合計３枚以上（図では７枚）の電極を、両端がアノード側の電極１１２となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、電解槽１１０に収容する。
これにより、前述したようにカソード側の電極１１１が急速に腐食することを防止できる。すなわち図に見るように、全てのカソード側の電極１１１の両面は、いずれもアノード側の電極１１２と対向しており、電気化学反応時には、前記式(1)の反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。
【００３０】
また図２(a)に示すように合計３枚以上（図では９枚）の電極を、両端がカソード側の電極１１１となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、電解槽１１０に収容するとともに、両端のカソード側の電極１１１、１１１を、それぞれ電解槽１１０の内壁面１１０ａと密着させて配置してもよい。
この構成でも、先に述べたようにカソード側の電極１１１が急速に腐食することを防止できる。すなわち図に見るように、両端のカソード側の電極１１１、１１１の、外側の面は、水Ｗと接触しないように、電解槽１１０の内壁面１１０ａと密着させているため、かかる面が酸によって急速に腐食するのを確実に防止できる。また両端のカソード側の電極１１１、１１１の内側面と、中間のカソード側の電極１１１の両面は、何れもアノード側の電極１１２と対向しており、電気化学反応時には、前記式(1)の反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。
【００３１】
また図２(b)に示すように両端のカソード側の電極を電解槽１１０と一体に形成してもよい。つまり電解槽１１０の全体、もしくはその内面を真鍮などの、電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有する材料にて形成し、かつカソード側に電気的に接続してもよい。
この構成では、腐食が生じやすいカソード側の電極の外側面を全くなくすることができる。そして電解槽１１０の内面をカソード側の電極として機能させて電気化学反応を行うことができる。しかもこの電解槽１１０の内面は必ずアノード側の電極１１２と対向することになり、電気化学反応時には、前記式(1)の反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。また中間のカソード側の電極１１１の両面は、何れもアノード側の電極１１２と対向しており、やはり電気化学反応時には、前記式(1)の反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。
【００３２】
さらに図３に示すように合計３枚以上（図では７枚）の電極を、両端がカソード側の電極１１１となるように交互に、かつ互いに平行に配列した状態で、電解槽１１０に収容するとともに、電解槽１１０の全体を、例えばステンレス鋼などの、耐食性でかつ導電性の材料にて形成し、かつアノード側の電極１１２と電気的に接続してもよい。
この構成でも、先に述べたようにカソード側の電極１１１が急速に腐食することを防止できる。すなわち両端のカソード側の電極１１１、１１１の外側の面は、アノード側に接続された電解槽１１０の内面との間で、前記式(1)の電気化学反応を生じて還元性の状態となり、酸から保護されるため、急速に腐食することがない。また両端のカソード側の電極１１１、１１１の内側面と、中間のカソード側の電極１１１の両面は、何れもアノード側の電極１１２と対向しており、やはり式(1)の電気化学反応によって還元性の状態となって酸から保護されるため、急速に腐食することがない。
【００３３】
なお電解槽１１０は、その内面の、少なくとも両端の電極１１１と対向する面のみを、導電性の材料にて形成しても、上記と同様の効果が得られる。その場合、当該面を白金−パラジウムなどで形成して、電極１１２として機能させるようにしてもよい。
図４(a)は、この発明の他の実施形態にかかる水処理装置１の構造を簡略化して示す図である。
【００３４】
図の水処理装置１は、先の図の例の構成などを有する脱窒素処理手段１１と、当該脱窒素処理手段１１の両電極１１１、１１２間に直流電流を供給するための電源回路１３とをユニット化してユニットＵを構成し、当該ユニットＵを１ユニット以上、同時に制御することができ、なおかつ処理する水量に応じて、制御するユニット数を増減できる制御手段３０に接続したものである。図中の一点鎖線は、各ユニットＵと制御手段３０との間で信号をやりとりする回線Ｃである。
【００３５】
例えばユニットＵが、前記図１(b)の構成を有する場合、ユニットＵと制御手段との間でやりとりする信号は、先に説明したように、
・  センサＳ１による水位の信号（ユニットＵ→制御手段３０）
・  電磁弁Ｖ１への開閉信号（制御手段３０→ユニットＵ）
・  電源回路１３への駆動、停止の信号（制御手段３０→ユニットＵ）
・  ポンプＰ１への駆動、停止の信号（制御手段３０→ユニットＵ）
の４種である。したがって回線Ｃは、上記４種の信号をパラレルに、あるいはシリアルに伝送する機能を有していればよい。
【００３６】
各ユニットＵにはそれぞれ１つずつ、回線Ｃを接続するための回線接続部を設ける。また制御手段３０には、接続可能なユニット数に応じた数の回線接続部を設け、制御手段３０と各ユニットＵとの間を回線Ｃでパラレルに接続する。
また図４(b)に示すように、それぞれのユニットＵに２つずつ回線接続部を設け、複数のユニットＵをいわゆるデイジーチェーン接続してもよい。
さらに制御手段３０と各ユニットＵに、それぞれハブの機能を持たせて、図４(c)に示すように複数のユニットＵをいわゆるカスケード接続してもよい。
【００３７】
ユニットＵとしては、先に述べたように処理水量が同じ１種のものを多数、用意してもよいし、基準容量の１倍、２倍、５倍および１０倍の４種などの、数種のユニットを用意して、それを適宜、組み合わせるようにしてもよい。
また各ユニットＵのうち脱窒素処理手段１１の構成は、図１(a)、図２(a)(b)のものに限定されず、電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有するカソード側の電極と、対極としてのアノード側の電極とを有する種々の構成を選択することができる。脱窒素処理手段１１は陽イオン交換膜を有するタイプのものでもよい。さらにユニットの全体の構成も、図１(b)の例のものには限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】同図(a)は、この発明の一実施形態にかかる水処理装置の要部である、脱窒素処理手段の構造を簡略化して示す図、同図(b)は、上記例の水処理装置の、全体の構造を簡略化して示す図である。
【図２】同図(a)(b)はそれぞれ、脱窒素処理手段の変形例の構造を簡略化して示す図である。
【図３】脱窒素処理手段の変形例の構造を簡略化して示す図である。
【図４】同図(a)〜(c)はそれぞれ、この発明の他の実施形態にかかる、脱窒素処理手段と電源回路とをユニット化した水処理装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  水処理装置
１１  脱窒素処理手段
１１０  電解槽
１１１  カソード側の電極
１１２  アノード側の電極
１３  電源回路
Ｕ  ユニット
３０  制御手段
【図１】
0003960843.tif 000002
【図２】
0003960843.tif 000003
【図３】
0003960843.tif 000004
【図４】
0003960843.tif 000005