(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄および／またはアルミニウムを含む少くとも一対の電極を取手を挟んで所定の間隔だけ離れるようにすることにより構成された電極ユニットを有し、この電極ユニットの一対の電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンおよび／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イオンおよび／またはアルミニウムイオンとの反応により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、
排水処理装置に設置される電解槽への流入水の電導度が０．３〜１．５ｍＳ／ｃｍ、電流密度が０．５〜１ｍＡ／ｃｍ2である場合、一対の電極間の距離を１〜５５ｃｍに設定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方法に関する。
【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、電解槽に流入する浮遊物が電極間に接触し、電流がリークするばあいがある。また、電解槽内に設けられている撹拌端子やバッキなどの撹拌機構が停止したり、または電極の極性反転機構が停止すると、電極表面に金属化合物が堆積し、電極間の電流のリークが発生するばあいがある。これらのばあい、リン除去効率が低下し、安定したリン除去性能を持続することができない。そこで、電極間を広げることが一応考えられるが、電極間の距離を広げると、２５Ｖ以上（電気用品取締法では２５Ｖ以下である）に電圧を上げないと所定の電解効率を達成できない惧れがある。
【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、鉄および／またはアルミニウムを含む少くとも一対の電極を取手を挟んで所定の間隔だけ離れるようにすることにより構成された電極ユニットを有し、この電極ユニットの一対の電極を用いてリン酸イオンを含む排水中に鉄イオンおよび／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イオンおよび／またはアルミニウムイオンとの反応により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、排水処理装置に設置される電解槽への流入水の電導度が０．３〜１．５ｍＳ／ｃｍ、電流密度が０．５〜１ｍＡ／ｃｍ2である場合、一対の電極間の距離を１〜５５ｃｍに設定することを特徴としている。
【０００９】
【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。
【００１０】
図１は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、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、図４は最大電圧２５Ｖを基準として、電極間の距離Ｌ、電流密度ｉおよび電導度Ｓの関係を示す図である。
【００１１】
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。
【００１２】
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の極性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ばっ気装置９を備えている。
【００１３】
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および／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。
【００１４】
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。
【００１５】
前記空気ばっ気装置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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、鉄イオンおよび／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１．０〜４．０、好ましくは１．５〜２．５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、モル比が４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。
【００１８】
また電解槽への流入水の電導度は、排水処理装置における各槽の処理能力により異なるが、通常１ｍＳ／ｃｍ以下であり、高いときでも１．５ｍＳ／ｃｍである。ところで、一定の電導度のときに、電極間の距離を大きくすると、電圧が上昇し、一定の距離にある電極間に一定の電流を通電しているばあいに、水の電導度が低下すると、電圧が上昇するため、最大電圧２５Ｖを基準として、電極間の距離Ｌ、電流密度ｉおよび電導度Ｓの関係を予め求める必要がある。図４より、電流密度ｉに対する電極間の距離Ｌは、水の電導度Ｓが１．４１（Ｓ１）、０．７２（Ｓ２）、０．２９（Ｓ３）および０．１９（Ｓ４）へと低下すると、小さくしなければならないことがわかる。なお、各電導度Ｓ１〜Ｓ４に対する回帰直線は、それぞれＬ＝−５６．５ｉ＋８１．４、Ｌ＝−３５．５ｉ＋５．８、Ｌ＝−１９．５ｉ＋２３．６およびＬ＝−１３．８ｉ＋１６．６である。
【００１９】
したがって、本発明においては、水の導電度Ｓが０．３ｍＳ／ｃｍ以下の低いばあいには、電流密度ｉの依存度が小さいことから、まず、電流密度Ｓを０．０５〜１ｍＡ／ｃｍ2に設定するとともに、電極間の距離Ｌを約１〜２４ｃｍに設定する。ここで、距離Ｌの下限値を１ｃｍとしたのは、たとえば電解槽内のバッキが停止したとき、電極表面に最大約０．５ｃｍの付着物が堆積するため、両極間が１ｃｍ未満のばあい、電極の導通が発生し、鉄の溶出が起らなくなるからである。ついで電導度Ｓが０．３〜１．５ｍＳ／ｃｍのばあいには、電流密度ｉの依存度が大きく、たとえば電解槽に配置する電極対数を、汚水処理装置を使用する人数の変化により４対から２対に変えたとき、電流密度が約２倍に変化するため、電流密度Ｓの平均的な値０．５を境界として、０．０５〜０．５ｍＡ／ｃｍ2と０．５〜１ｍＡ／ｃｍ2の２つの範囲に区画すると、それぞれの電極間の距離Ｌは１〜６０ｃｍおよび１〜５５ｃｍに設定する必要がある。なお、前記電流密度Ｓが０．０５〜０．５ｍＡ／ｃｍ2であるばあい、計算上距離Ｌは約８１ｃｍではあるが、最大距離Ｌを６０ｃｍとしたのは、処理装置のマンホールの径が通常約６０ｃｍ位なので、たとえば一対の電極の設置作業およびメンテナンスのときにマンホールからの搬出作業を容易に行なうためである。
【００２０】
本発明では、前記水の電導度の範囲に基づいて、電流密度と電極間の距離を設定したのち、鉄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、必要な鉄イオンの溶出量を制御する。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
実施例
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るとともに、電解槽への流入水の電導体が約１ｍＳ／ｃｍであったので、電極間の距離をそれぞれ２５ｃｍに設定した。また電圧を常時監視しながら、電極の電解を両極で行なうように極性反転時間を１時間に制御した。
【００２７】
そして流入口からリン濃度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、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１．５〜２．５に設定すると鉄の溶出量は、つぎの式（１）により（１〜３／３１）×（１．５〜２．５）×５５．８４７＝２．７〜１３．５ｍｇ／リットルとなる。
【００２８】
(リン濃度／リン原子量)×(モル比)×(鉄原子量)                  （１）
【００２９】
したがって、鉄の溶出量が２．７〜１３．５ｍｇ／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１６．２〜８１ｇ確保するための電解電流値は、つぎの式（２）により（１６．２〜８１／５５．８４７）×２×９６５００／（２４×６０×６０）＝０．６５〜３．２４Ａとなる。
【００３０】
(１日の溶出量／鉄原子量)×(グラム当量)×(電荷量)／(１日の秒数)  （２）
【００３１】
このため、電流値を０．６５〜３．２４Ａに設定するための電極の浸水表面積は、１６２５〜８１００ｃｍ2になる。ここで、電流密度が小さいとカソード側電極からの水素ガス発生が少なくなり、不動態皮膜の除去が低下し、皮膜の生成が増すため、電流密度を０．４ｍＡ／ｃｍ2に設定している。したがって、電極の浸水表面積を１６２５〜８１００ｃｍ2にして、Ｆｅ／Ｐが１．５〜２．５になるように電解電流値を０．６５〜３．２４Ａに制御した。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
なお、本実施の形態では、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。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、流入してくる浮遊物や電極表面に形成される金属化合物などの堆積による電流のリークが回避できるとともに、安定したリン除去ができるため、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。
【図４】最大電圧２５Ｖを基準として、電極間の距離Ｌ、電流密度ｉおよび電導度Ｓの関係を示す図である。
【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  空気ばっ気装置
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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