(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置への流入原水のリン濃度に対する溶出金属のモル比が１〜３になるように電流を制御するリン酸イオン含有排水の処理方法。
【請求項２】
鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置の循環経路に設置される電解槽に流入するリン濃度に対する溶出金属のモル比が１．２〜３になるように電流を制御するリン酸イオン含有排水の処理方法。
【請求項３】
鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置への流入原水のリン濃度に対する溶出金属のモル比を１〜３とするべく、前記電極が鉄を含むばあい、溶出濃度が約１〜４５ｍｇ／リットル、または前記電極がアルミニウムを含むばあい、溶出濃度が約０．５〜２５ｍｇ／リットルになるように電流を制御するリン酸イオン含有排水の処理方法。
【請求項４】
鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置の循環経路に設置される電解槽に流入するリン濃度に対する溶出金属のモル比が１〜３であるときに、前記電極が鉄を含むばあい、溶出濃度が約１．５〜３０ｍｇ／リットル、または前記電極がアルミニウムを含むばあい、溶出濃度が約０．５〜１５ｍｇ／リットルになるように電流を制御するリン酸イオン含有排水の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水、とくに家庭排水または集合住宅の排水などのリン酸イオンを含む生活排水の処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
川や湖の富栄養化の原因の１つにリン化合物の存在があることは周知である。また、このリン化合物は一般家庭の生活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。
【０００３】
リン化合物の処理装置は種々提案されているが、家庭排水については鉄の電解溶出法が知られている（特開平３−８９９９８号公報、Ｃ０２Ｆ  ３／１２）。この技術は、排水中のリン酸イオンを鉄イオンと反応させ水不溶性の塩、たとえばＦｅＰＯ4やＦｅ（ＯＨ）x（ＰＯ4）yとして凝集沈殿させて除去しようとする技術であり、電解槽中に設置された鉄製の電極に通電して排水中に鉄イオンを溶出させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、リン酸イオンの濃度と金属の溶出量との関係について、考慮がなされていなかったため、リン酸イオンの除去効率が安定せず、安定した排水の浄化がえられなかった。
【０００５】
本発明は、叙上の事情に鑑み、リン酸イオンの除去効率を長期間高効率に持続させることができるリン酸イオン含有排水の処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のリン酸イオン含有排水の処理方法は、鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置への流入原水のリン濃度に対する溶出金属のモル比が１〜３になるように電流を制御することを特徴としている。
【０００７】
また本発明のリン酸イオン含有排水の処理方法は、鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置の循環経路に設置される電解槽に流入するリン濃度に対する溶出金属のモル比が１．２〜３になるように電流を制御することを特徴としている。
【０００８】
また本発明のリン酸イオン含有排水の処理方法は、鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置への流入原水のリン濃度に対する溶出金属のモル比を１〜３とすべく、前記電極が鉄を含むばあい、溶出濃度が約１〜４５ｍｇ／リットル、または前記電極がアルミニウムを含むばあい、溶出濃度が約０．５〜２５ｍｇ／リットルになるように電流を制御することを特徴としている。
【０００９】
さらに本発明のリン酸イオン含有排水の処理方法は、鉄またはアルミニウムを含む電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンまたはアルミニウムイオンを電気化学的に溶出させリン酸イオンを鉄またはアルミニウムとの不溶性塩の形で凝集沈殿させる排水の処理方法であって、排水処理装置の循環経路に設置される電解槽に流入するリン濃度に対する溶出金属のモル比が１〜３であるときに、前記電極が鉄を含むばあい、溶出濃度が約１．５〜３０ｍｇ／リットル、または前記電極がアルミニウムを含むばあい、溶出濃度が約０．５〜１５ｍｇ／リットルになるように電流を制御することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のリン酸イオン含有排水の処理方法を説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施の形態にかかわる排水処理装置を示す説明図、図２は図１における電解槽を示す一部切欠斜視図、図３は電極ユニットを示す説明図である。
【００１２】
本発明は、たとえば合併浄化槽などの排水処理装置に用いられる。かかる排水処理装置は、図１に示すように、第１嫌気ろ床槽Ａと、第２嫌気ろ床槽Ｂと、生物ろ過槽Ｃと、処理水槽Ｄと、消毒槽Ｅとからなり、前記第１嫌気ろ床槽Ａに流入した排水を各槽にて処理したのち、消毒槽Ｅから排出するようにされている。そして電解槽１が、前記処理水槽ＤからエアポンプＦにより揚水された処理水を第１嫌気ろ床槽Ａへ戻す循環経路Ｌに設置されている。
【００１３】
前記電解槽１は、図１〜３に示すように、排水の流入口２と流出口３を有する排水処理室４と、該処理室４内の排水中に少なくとも一部が浸漬するように配置されている電極５、６と、該電極５、６に通電するための電源７と、電極５、６の電極を所定の時間ごとに切り換えるための極性反転回路および電極５、６に通電する電流を制御するための電流制御回路を有するコントローラ８と、前記排水処理室４内の排水中に空気を供給する空気曝気装置９を備えている。
【００１４】
前記電極５、６は、鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金または鉄−アルミニウム合金などの鉄イオンまたはアルミニウムイオン発生源から製作することができる。
【００１５】
前記電極５、６は、図２〜３に示すように、仕切りケース１０内に取手１１を挟んで所定の間隔だけ離れて収納される電極ユニット１２として、電解槽１内に、たとえば仕切り棒１３により４セット組み込まれる。また該電極５、６には、端子１４がネジ止またはハンダ付などにより固着されており、該端子１４から引き出されたリード線１５がコネクター１６に接続されている。また前記仕切りケース１０には、排水の流入口１０ａと流出口１０ｂが形成されているとともに、空気流入口１０ｃが形成されている。
【００１６】
前記空気曝気装置９は、排水処理室４の底中央に設置される多孔質の散気管１７または散気板と、該散気管１７に圧縮空気を吸き込むための、図示しないエアポンプとから構成されており、前記散気管１７とエアポンプはパイプ１８により接続されている。
【００１７】
本実施の形態では、前記散気管１７は排水処理室４の底中央に設置されているが、本発明においては、とくにこれに限定されるものではなく、排水を撹拌し、排水の流出とともに、排水中のリン酸イオンと電極から溶出した鉄イオン（アルミニウムイオン）との反応生成物である水不溶性の塩を流出させやすい位置を適宜選定して設置することができる。また、散気管を処理室内の排水中で上下方向に動かすことで排水の対流を生じやすくすることもできる。なお、本実施の形態では、前記排水の撹拌により、鉄イオンとリン酸イオンとの反応性を向上させることもできる。
【００１８】
鉄（アルミニウム）の電解溶出法には、従来公知の方法が採用でき、電極への通電は連続的でも断続的、パルス的でもよい。しかし通電量は、リン酸や他のイオンの濃度、排水の流量などによって異なるが、鉄イオンまたはアルミニウムイオンの排水中の濃度／リン濃度のモル比（以下、「Ｆｅ／Ｐ」と略す）が１．０〜３．０、好ましくは１．５〜２．０となるように調節すればよい。すなわち、排水中のリンはリン酸イオンとして存在し、そのリン酸イオンと鉄イオンとを反応させ、ＦｅＰＯ4またはＦｅ（ＯＨ）x（ＰＯ4）ｙを生成し、沈降させるため、たとえば、ＦｅＰＯ4のばあい、ＦｅとＰのモル比は１で充分であるが、反応効率を考慮すると、モル比が１以上でないと７０〜８０％以上の高いリン除去効率はえられない。一方、電解槽に流入するリン濃度が高いほど、余裕をもって溶出させる鉄の量は少なくてよいため、モル比の上限は３が最適であって、モル比が３以上になると、リン除去率が９９％以上となり（すなわち、効率は限界に達し）、これ以上モル比をあげても、余分の鉄が流出側へ放流されランニングコストの上昇や環境汚染にもつながる惧れがあるからである。
【００１９】
また、一般に浄化槽に流入する無処理の排水中のリン濃度は、通常３〜５ｍｇ／リットルであるが、低いときには０．５ｍｇ／リットルであり、高いときでも８ｍｇ／リットルである。
【００２０】
本実施の形態においては、このリン濃度０．５〜８ｍｇ／リットルによってＦｅ／Ｐを１〜３になるように、電極に通電させる電流をコントローラで制御し、ファラデーの法則により、必要な鉄またはアルミニウムの溶出量を制御する。
一方、排水を本実施の形態における循環式の処理装置で生物処理すると、生物処理により電解槽に流入するリン濃度は１〜５ｍｇ／リットルに低下するため、溶出量に余裕をもたせる必要がある。このためＦｅ／Ｐが１では充分に処理できないので、電解槽が循環式の処理装置の循環経路に設定されるばあいには、Ｆｅ／Ｐは１．２〜３に設定する必要がある。
【００２１】
これにより、リン除去効率を７０〜８０％以上安定して維持することができる。
【００２２】
ここで、鉄の溶出量を電流で制御するにあたり、その電流値は合併浄化槽に流入されるリン量に比例する。
【００２３】
この流入リン量は、生活排水中一人当たり一日１．２ｇであり、また一人当たり一日の排水量は２００リットルといわれているため、流入リン濃度は統計的に数値として表わされる。これより、流入リン濃度を算出すると、６ｍｇ／リットルとなる。しかし、実際はもう少し低く、約５ｍｇ／リットルである。
【００２４】
この鉄の電解溶出法によるリン除去技術は、流入リン量または流入リン濃度が分かっている必要があり、その流入リン量または流入リン濃度の決定には、つぎのパラメーターが必要である。
【００２５】
１．合併浄化槽の使用者数または使用合併浄化槽が何人用であるか
２．流入リン濃度の測定
使用者数に基づいて電解槽内を通過する流量（使用者数×２００リットル×循環比）が決められる。
【００２６】
流入リン濃度については事前に、リン濃度測定を行なってもよい。また、統計的な値６ｍｇ／リットルを使用してもよい。ただし、リン濃度は流入状態が変化すると、リン濃度が最大８ｍｇ／リットルにもなる場合がある。よって、リン除去量の安定性を重要視すると、流入リン濃度を高めの６．５〜７ｍｇ／リットルに設定してもよい。
【００２７】
なお、本発明における、リン酸イオン含有排水の鉄（アルミニウム）の電解溶出法による処理は、電極から溶出した鉄イオン（アルミニウムイオン）が排水中のリン酸イオンと反応して水不溶性のリン酸と鉄（アルミニウム）との塩を生成させる反応（反応Ａ）を利用するものであるが、排水中は水酸化物イオンが存在しており、溶出した鉄イオン（アルミニウムイオン）は水酸化物イオンとも反応する（反応Ｂ）。反応Ｂは反応Ａよりも速いので、リン酸イオンを捕捉するためには電流量を多くして鉄イオン（アルミニウムイオン）の溶出量を増す必要がある。
【００２８】
しかしながら、排水中にカルシウムイオンまたはマグネシウムイオンが存在すると、それらのイオンは水酸化物イオンと反応する（反応Ｄ）。この反応Ｄは鉄イオン（アルミニウムイオン）と水酸化物イオンとの反応Ｂに優先するため、反応Ｂが抑制され、鉄イオン（アルミニウムイオン）はリン酸イオンとの反応Ａに有効に利用される。さらに、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンもリン酸イオンと反応して水不溶性の塩を形成するので、リン酸イオンの除去に貢献する。
【００２９】
このため、本発明では、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンを添加し、鉄イオン（アルミニウムイオン）と水酸化物イオンの反応Ｂを抑制し、鉄イオン（アルミニウムイオン）とリン酸イオンの反応Ａを効率よく行なわせることもできる。これにより、通電量を低減することができ、節電できるとともに鉄やアルミニウムの溶出量を低減できる。
【００３０】
本発明の排水の処理装置は前述のように一般家庭排水にとくに有利に利用できる。したがって、単独で使用してもよいが、他の浄化システム、たとえば活性汚泥法、膜分離法、嫌気・好気循環法などと組合せて家庭用、集合住宅用の総合排水浄化システムとすることができる。また、大規模処理システム（し尿処理場）にも利用できる。
【００３１】
つぎに本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００３２】
実施例１
図１に示す鉄の電解溶出排水処理装置において、排水中に浸漬させる４対の電極としては、高純度の鉄板を用いた。また電極の電解を両極で行なうように極性反転時間を６時間に制御した。
【００３３】
そして流入口からリン濃度３〜５ｍｇ／リットルを含む生活排水を１２００リットル／日で流入させるとともに、循環比を５に設定して処理装置内の循環流量を６０００リットル／日とする。各処理槽で生物処理されて、電解槽に流入するときの処理水中のリン濃度は１〜３ｍｇ／リットルになる。このとき、Ｆｅ／Ｐを１．２〜３のうち２に設定すると鉄の溶出量は、つぎの式（１）により（１〜３／３１）×２×５５．８４７＝３．６〜１０．８ｍｇ／リットルとなる。
【００３４】
（リン濃度／リン原子量）×（モル比）×（鉄原子量）      （１）
【００３５】
したがって、鉄の溶出量が３．６〜１０．８ｍｇ／リットルで、循環量が６０００リットル／日であるため、１日の鉄の溶出量を２１．６〜６４．８ｇ確保するための電解電流値は、つぎの式（２）により（２１．６〜６４．８／５５．８４７）×２×９６５００／（２４×６０×６０）＝０．８６〜２．５６Ａとなる。
【００３６】
0004026971.tif 000002
【００３７】
このため、電流値を０．８６〜２．５６Ａに設定するための電極の浸水表面積は、電流密度を０．５ｍＡ／ｃｍ2とすると、１７２０〜５１２０ｃｍ2になる。したがって、電極の浸水表面積を１７２０〜５１２０ｃｍ2にして、Ｆｅ／Ｐが１．２〜３になるように電解電流値を０．８６〜２．５６Ａに制御した。
【００３８】
そして電極の電気分解により、溶出した鉄イオンはリン酸イオンと反応して水不溶性の塩が生成される。生成された塩は流入水とともに、散気管から発生する空気（２リットル／ｍｉｎ）で撹拌され、流出側へと流れ出る。したがって、水不溶性の塩の堆積はほとんどなかった。
【００３９】
ついで流出口で採取した排水を孔径０．４５μｍのフィルターで濾過した濾液をＪＩＳ  Ｋ  ０１０２に規格された全リン分析法（４６．３）に準拠して調べた結果、リンの除去効率が７０〜８０％以上であることがわかった。
【００４０】
つぎに本発明の他の実施の形態を説明する。本実施の形態においては、リン濃度０．５〜８ｍｇ／リットルによってＦｅ／Ｐを１〜３になるように、電極に通電させる電流をコントローラで制御し、ファラデーの法則により、必要な鉄またはアルミニウムの溶出量を制御する。この溶出量は、つぎの式（３）により、電極が鉄を含むばあい、余裕をもって約１〜４５ｍｇ／リットル（０．５〜８／３１×（１〜３）×５５．８４７＝０．９〜４３．２ｍｇ／リットル）である。また電極がアルミニウムを含むばあい、式（３）により、余裕をもって約０．５〜２５ｍｇ／リットル（０．５〜３／３１×（１〜３）×２７＝０．４３〜２０．９ｍｇ／リットル）になる。
【００４１】
0004026971.tif 000003
【００４２】
一方、排水を本実施の形態における循環式の処理装置で生物処理すると、生物処理により電解槽に流入するリン濃度は１〜５ｍｇ／リットルに低下するため、溶出量は前記と同様に算出すると、電極が鉄を含むばあい、余裕をもって約１．５〜３０ｍｇ／リットルであり、電極がアルミニウムを含むばあい、余裕をもって約０．５〜１５ｍｇ／リットルになる。
【００４３】
これにより、リン除去効率を７０〜８０％以上安定して維持することができる。
【００４４】
つぎに本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００４５】
実施例２
前記実施例１と同様に、図１に示す鉄の電解溶出排水処理装置において、排水中に浸漬させる４対の電極としては、高純度の鉄板を用いた。また電極の電解を両極で行なうように極性反転時間を６時間に制御した。
【００４６】
そして流入口からリン濃度３〜５ｍｇ／リットルを含む生活排水を１２００リットル／日で流入させるとともに、循環比を５に設定して処理装置内の循環流量を６０００リットル／日とする。各処理槽で生物処理されて、電解槽に流入するときの処理水中のリン濃度は０．５〜３ｍｇ／リットルになる。このとき、Ｆｅ／Ｐを１〜３に設定すると鉄の溶出量は、前記式（３）により（０．５〜３／３１×（１〜３）×５５．８４７）＝０．９〜１６．２ｍｇ／リットルとなる。
【００４７】
したがって、鉄の溶出量が０．９〜１６．２ｍｇ／リットルで、循環量が６０００リットル／日であるため、１日の鉄の溶出量を５．４〜９７．２ｇ確保するための電解電流値は、つぎの式（４）により（５．４〜９７．２／５５．８４７）×２×９６５００／（２４×６０×６０）＝０．２２〜３．８８Ａとなる。
【００４８】
0004026971.tif 000004
【００４９】
このため、電流値を０．２２〜３．８Ａに設定するための電極の浸水表面積は、電流密度を０．５ｍＡ／ｃｍ2とすると、４４０〜７６００ｃｍ2になる。したがって、電極の浸水表面積を４４０〜７６００ｃｍ2にして、Ｆｅ／Ｐが１〜３になるように電解電流値を０．２２〜３．８Ａに制御した。
【００５０】
そして電極の電気分解により、溶出した鉄イオンはリン酸イオンと反応して水不溶性の塩が生成される。生成された塩は流入水とともに、散気管から発生する空気（２リットル／ｍｉｎ）で撹拌され、流出側へと流れ出る。したがって、水不溶性の塩の堆積はほとんどなかった。
【００５１】
ついで流出口で採取した排水を孔径０．４５μｍのフィルターで濾過した濾液をＪＩＳ  Ｋ  ０１０２に規格された全リン分析法（４６．３）に準拠して調べた結果、リンの除去効率が７０〜８０％以上であることがわかった。
【００５２】
なお、以上の実施の形態では、排水処理装置の循環経路に設置される電解槽について説明したが、本発明においては、これの限定されるものではなく、たとえば回分式排水処理装置の回分槽などの小規模浄化槽に設置したものについても行なうことができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、高効率のリン除去性能を長期間持続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかわる排水処理装置を示す説明図である。
【図２】図１における電解槽を示す一部切欠斜視図である。
【図３】電極ユニットを示す説明図である。
【符号の説明】
１  電解槽
２  流入口
３  流出口
４  処理室
５、６  電極
７  電源
８  コントローラ
９  空気曝気装置
１０  仕切りケース
１１  取手
１２  電極ユニット
１３  仕切り棒
１４  端子
１５  リード線
１６  コネクター
１７  散気管
１８  パイプ
【図１】
0004026971.tif 000005
【図２】
0004026971.tif 000006
【図３】
0004026971.tif 000007