(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素化合物を含有する汚染水域から生物学的に窒素を除去する方法において、該汚染水域の水を電解槽に導入し、該導入した水を該電解槽内で直流電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させ、該発生ガスを別々に汚染水域へ供給することを特徴とする汚染水域の窒素除去方法。
【請求項２】
前記発生ガスの汚染水域への供給は、発生ガスを水に溶解した後、散水装置を介して行うことを特徴とする請求項１記載の汚染水域の窒素除去方法。
【請求項３】
前記発生ガスの汚染水域への供給は、発生ガスをガス透過膜を介して汚染水域へ直接溶解して行うことを特徴とする請求項１記載の汚染水域の窒素除去方法。
【請求項４】
前記発生ガスの別々の汚染水域への供給は、水素ガスが底泥内であり、酸素ガスが底泥上層部であるか、又は、該水域を２分し、一方が水素ガスであり、他方が酸素ガスであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の汚染水域の窒素除去方法。
【請求項５】
前記直流電解は、電源として太陽電池を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の汚染水域の窒素除去方法。
【請求項６】
窒素化合物を含有する汚染水域から生物学的に窒素を除去する装置において、該汚染水域の水を直流電解する電解槽と、該電解槽で発生する水素ガス及び酸素ガスを別々に汚染水域へ供給する供給手段とを有することを特徴とする汚染水域の窒素除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚染水域の窒素除去方法に係り、特に、窒素化合物により汚染された湖沼、内湾、河川水等から生物学的な硝化脱窒素法により窒素を除去する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人口や産業の集中による水環境の汚染は、深刻であり、特に湖沼・内湾等の閉鎖性水域では、富栄養化の進行による赤潮やアオコの被害が継続的に発生している。富栄養化の原因は、植物プランクトンの栄養源である窒素及びリンが閉鎖性水域に蓄積することである。
このような汚染水域の浄化手段としては、底泥の浚渫、エアレーション、砂礫やプラスチック製充填材を用いた生物接触酸化法、凝集沈殿や吸着法によるリン除去、ウォータレタスや葦などの植物による浄化、あるいは汚染水の直接ろ過などが行われている。
これらの中で、接触酸化法は微生物による自浄作用を倣った方法で有効であるが、汚染濃度が高い水を処理対象とする場合には、接触材表面に生育する微生物への酸素供給が不足したり、多量の汚染発生を伴うことがある。
【０００３】
このような場合には、接触材の下部から曝気する方法も行っているが、処理水量が膨大なことから、曝気による消費動力が過大になり実用性は低い。また、通常の接触酸化法やろ過法では、ＢＯＤ、ＳＳ等の有機物は除去できるが窒素やリンの除去効果は期待できない。
窒素・リンを除去する方法として、植物を使う方法が試みられており、窒素やリンは植物体に吸収されることで除去できるが、大量に繁茂する植物体の処分が困難なこと、植物の生育には季節変動があことなどから、広範な普及は難しい。凝集剤や吸着剤によるリン除去は、多量の薬品の投与が必要で、汚泥の発生を伴うことから課題が多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑み、薬剤の投与を必要とせず、発生汚泥や植物体の処分も必要なく、さらには省エネルギー的な汚染水域の窒素除去方法と装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、窒素化合物を含有する汚染水域から生物学的に窒素を除去する方法において、該汚染水域の水を電解槽に導入し、該導入した水を該電解槽内で直流電解して水素ガス及び酸素ガスを発生させ、該発生ガスを別々に汚染水域へ供給することとしたものである。
前記窒素除去方法において、発生ガスの汚染水域への供給は、発生ガスを水に溶解した後、散水装置を介して行うか、発生ガスをガス透過膜を介して汚染水域へ直接溶解して行うことができ、また、前記発生ガスの別々の水域への供給は、水素ガスが底泥内であり、酸素ガスが底泥上層部であるか、又は、該水域を２分し、一方に水素ガスを、他方に酸素ガスを供給することができる。
また、本発明では、窒素化合物を含有する汚染水域から生物学的に窒素を除去する装置において、該汚染水域の水を直流電解する電解槽と、該電解槽で発生する水素ガス及び酸素ガスを別々に汚染水域へ供給する供給手段とを有することを特徴とする汚染水域の窒素除去装置としたものである。
前記直流電解は、電源として太陽電池を用いるのがよい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、汚染水を揚水した後に直流電解し、発生水素及び発生酸素を別々に水域へ導入する汚染水域の窒素除去方法である。
本発明における発生水素及び酸素の導入方法は、予め別々の水に水素及び酸素を溶解し、パイプ、チューブあるいはディフューザーのような散水装置を介して水域へ導入する。又は、発生ガスを水域に直接導入し、供給先において、ゴアテックス（登録商標、ジャパンゴアテックス株式会社製）等のガス透過膜から構成されるガス溶解装置を介して、汚染水域へ供給することも可能である。
水素の供給先と酸素の供給先は、平面的あるいは立体的に異なる空間であることが必要である。例えば、水域を平面的に２分し、一方に水素をもう一方に酸素を供給するか、あるいは、水域に底泥の堆積がある場合には、水素を底泥内あるいは底泥中層部から低層部に供給し、酸素を底泥上層部の水域あるいは底泥上層表面に供給する。
【０００７】
さらに、本発明で使用する水素ガス及び酸素ガスは、該水域からくみ上げた水を直流電解することによって獲得されるものであり、この電源として太陽電池を使うことにより、クリーンエネルギーによる水域の浄化が可能となる。また本発明では、太陽電池で得られた直流をインバータで交流に変換し、揚水ポンプ、ガス溶解用コンプレッサ、及び送水ポンプ等の動力源にすることも可能である。また、汚染水域が風況に恵まれた地域である場合には、これらの電源を風力発電により賄うこともできる。
これらの浄化装置は地上に据え置きしてもよく、また、浮体上に配置して水面に浮かべてもよい。
次に、本発明による水域の窒素化合物の除去機構について、説明する。
閉鎖性水域では、窒素化合物は、アンモニア性窒素や硝酸性窒素であることが多い。本発明の原理は、生物学的な硝化脱窒法であり、硝酸性窒素は脱窒菌により窒素ガスへ還元し、アンモニア性窒素は硝化菌による硝酸性窒素への酸化の後、脱窒菌により窒素ガスへ還元することで水域から除去される。
【０００８】
次いで、図面を用いて、本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明の窒素除去方法の一例を説明する概略構成図を示す。
図１において、１は揚水パイプ、２は電解槽で、３が陰極、４が陽極、５が隔膜を示し、６は水素溶解槽、７は酸素溶解槽、８は水素水散水装置、９は酸素水散水装置、１０は直流電源、１１は底泥を示す。
図１に基づいて本発明を説明すると、水域から汲み上げられた水は、ストレーナ等により必要な前処理を受けた後に、電解槽２へ導入される。電解槽２には、陽極４と陰極３が配備され、隔膜５により区画される。陰極３からは水素ガスが発生し、水素ガスは水素溶解槽６で水に溶解される。陽極４からは酸素ガスが発生し、酸素ガスは酸素溶解槽７で水に溶解される。
【０００９】
酸素溶解水は、ポンプあるいは高低差によって散水装置９を介して、底泥１１上部へ供給され、底泥１１表層近傍に生育する硝化菌に酸素を供給して、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する。水素溶解水は、ポンプあるいは高低差により散水装置８を介して、底泥１１中へ供給される。こうして底泥１１に水素が供給され、底泥１１中に生育する脱窒菌は、水素を還元剤として硝酸性窒素を窒素ガスに還元する。
なお、脱窒の還元剤としては、水素のほかに底泥中の有機物も利用可能であり、水素を供給することで脱窒速度はさらに促進される。この場合には、底泥の無機化も促進されるので、底泥の減容化と安定化も効果としてもたらされる。
【００１０】
図２は、ガス透過膜を使用する本発明の窒素除去方法を説明する概略構成図である。
図２において、図１と同じ符号は同じ意味を有し、１２は水素タンク、１３は酸素タンク、１４は水素透過膜、１５は酸素透過膜を示す。
図２に基づいて、本発明を説明すると、電解槽２から発生する酸素ガスと水素ガスは、各々コンプレッサで酸素タンク１３及び水素タンク１２に貯留され、そこからパイプを通して各々ガス透過膜（１４及び１５）へ供給される。ガス透過膜は、水を通さずにガスを通す材質のものであれば、いかなる材質でも使用可能で、例えば、ゴアテックス（登録商標）などが好適である。ガスの供給圧力を静圧以上にすると、ガスは膜表面で気泡化し、あたかもエアレーションをした状況になる。ガスの気泡化により、底泥等の巻き上がりが問題になる場合には、ガス供給圧力を下げて、膜表面から水にガスが直接溶解するようにする。また、膜表面には硝化菌あるいは脱窒菌が付着し、これにより窒素除去反応が促進される効果が生じる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
幅３ｍ×奥行１ｍ×深さ１ｍのコンクリート製実験水槽に、０．８ｍに湖沼水を張り、湖沼の底泥を０．３ｍ敷いて、表１の条件で７日間通電した。
この際の水素と酸素の発生量は水素１２５ｍｌ／時、酸素６３ｍｌ／時であり、それぞれ図１に示されるように、溶解槽中で水に溶解して水域中に導入した。
【００１２】
【表１】
0004029950.tif 000002
【００１３】
処理結果を表２に示す。
【表２】
0004029950.tif 000003
表２に示すように、７日間の通電処理で窒素及びＴＯＣが減少し、底泥量も減容化された。
【００１４】
実施例２
幅３ｍ×奥行１ｍ×深さ１ｍのコンクリート製実験水槽に、０．８ｍに湖沼水を張り、表１と同じ条件で２０日間通電した。
ガス透過膜は、膜面積１ｍ2 のゴアテックス（登録商標）を使用し、酸素供給圧力は、１．０ｋｇ／ｃｍ2 として酸素ガスは気泡化させた。水素ガスは０．０４ｋｇｆ／ｃｍ2 で供給し、膜面から水中に溶解させた。実験水槽は気泡化した酸素の影響で、極めて緩やかな旋回流が形成された。水質は、１４日間は硝化が進行して、アンモニアのほとんどが硝酸性窒素になり、硝酸性窒素が３ｍｇ／ｌに増加した。その後、最後の６日間で硝酸性窒素が減少した。これは、当初１４日間は、水中のＤＯが高いために脱窒できなかったが、その後、水素ガス透過膜の表面に脱窒菌が増殖し、膜面で脱窒反応が起こったためと考えられた。
【００１５】
処理結果を表３に示す。
【表３】
0004029950.tif 000004
表３に示すように、２０日間の通電処理で窒素及びＴＯＣが減少した。
【００１６】
【発明の効果】
本発明により、薬剤の投与が必要なく、発生汚泥や植物体の処分も必要なく、さらにはクリーンエネルギーを用いた省エネルギーな方法により、汚染水域からの窒素化合物の除去が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒素除去方法の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の窒素除去方法の他の例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１：揚水パイプ、２：電解槽、３：陰極、４：陽極、５：隔膜、６：水素溶解槽、７：酸素溶解槽、８：水素水散水装置、９：酸素水散水装置、１０：直流電源、１１：底泥、１２：水素タンク、１３：酸素タンク、１４：水素透過膜、１５：酸素透過膜
【図１】
0004029950.tif 000005
【図２】
0004029950.tif 000006