(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的手法により被処理水中のリン酸とリン化合物とリン酸イオンのうちの何れか若しくは全て、及び、有機態窒素と亜硝酸態窒素と硝酸態窒素とアンモニア態窒素のうちの何れか若しくは全てを処理する排水処理方法であって、
カソードを構成する金属材料は、導電体であり、アノードを構成する導電性材料は、不溶性材料又はカーボンであると共に、
前記被処理水には、塩化カルシウムを添加する処理と、
前記アノードにおいて前記塩化カルシウムの塩素イオンを酸化させ、次亜塩素酸を生成する処理と、
前記カソードにおいて前記亜硝酸態窒素又は硝酸態窒素を還元した後、前記次亜塩素酸により酸化させて窒素成分を除去する処理と、
前記塩化カルシウムのカルシウムイオンにより前記リン化合物を凝集沈殿する処理と、
からなることを特徴とする排水処理方法。
【請求項２】
前記カソードを構成する金属材料は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものを用いることを特徴とする請求項１の排水処理方法。
【請求項３】
電気化学的手法により被処理水中のリン酸とリン化合物とリン酸イオンのうちの何れか若しくは全て、及び、有機態窒素と亜硝酸態窒素と硝酸態窒素とアンモニア態窒素のうちの何れか若しくは全てを処理する排水処理方法であって、
カソードを構成する金属材料は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものとし、
アノードを構成する導電性材料は、不溶性材料又はカーボンであると共に、
前記被処理水には、塩化カルシウムを添加してなる排水処理方法において、
前記被処理水中に含まれるカルシウムイオンの量は、被処理水中に含まれるリン酸イオンの量に対してモル比５／３倍以上であることを特徴とする排水処理方法。
【請求項４】
前記被処理水は、生物的処理浄化槽により処理した後の水であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の排水処理方法。
【請求項５】
前記請求項１、請求項２又は請求項３の排水処理方法により被処理水中のリン酸とリン化合物とリン酸イオンのうちの何れか若しくは全て、及び、有機態窒素と亜硝酸態窒素と硝酸態窒素とアンモニア態窒素のうちの何れか若しくは全てを処理する排水処理装置を生物的処理浄化槽の後段に配置したことを特徴とする排水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン酸やリン化合物及びリン酸イオンや有機態窒素、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素及びアンモニア態窒素を含む排水処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、川や湖の富栄養化の原因の１つに窒素化合物及びリン化合物の存在があることは周知である。また、このリン化合物や窒素化合物は、一般家庭の生活排水中や工場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。一般に、窒素化合物に処理には、生物的処理が行われており、先ずアンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換する硝化工程と、硝酸態窒素を窒素ガスに変換する脱窒工程の２つの工程により行われている。
【０００３】
他方、リン化合物の処理方法には種々提案されているが、家庭排水については石灰凝集沈殿法が知られている。この技術は、被処理水中のリン酸イオンをカルシウムイオンと反応させて水不溶性の塩、カルシウムヒドロキシアパタイトとして凝縮沈殿させて除去する技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の生物的処理では、２つの反応槽が必要となると共に、処理時間が遅いため、処理効率が低下する問題があった。また、上記従来の方法では、窒素化合物及びリン化合物を含む被処理水を同時に処理するものではないため、装置が大型化する問題があった。
【０００５】
また、該生物的処理では、硝化菌及び脱窒素細菌を保有するために、大容量の好気槽及び嫌気槽が必要となり、設備建設コストの高騰、装置設置面積の増大を招く問題があった。更に、該脱窒素細菌は、周囲の温度環境、その他、被処理水中に含まれる成分などにより、著しく影響されるため、特に、温度が低くなる冬場になると、活動が低下し、脱窒素作用が低下し、処理効率が不安定となる問題があった。
【０００６】
更に、上記リン化合物の処理方法では、凝縮沈殿生成におけるｐＨが高いため、リン化合物の処理後にアルカリ性から中性に処理する必要があった。また、使用する石灰の量が大量であり、メンテナンスが困難である問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、効率的に窒素化合物及びリン化合物を含む被処理水の処理を行うことができる排水処理方法を提唱する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気化学的手法により被処理水中の窒素化合物及びリン化合物を処理する方法であって、カソードを構成する金属材料は、導電体であり、アノードを構成する導電性材料は、不溶性材料又はカーボンであると共に、被処理水には、塩化カルシウムを添加することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、電気化学的手法により被処理水中の窒素化合物及びリン化合物を処理する方法において、カソードを構成する金属材料は、導電体であり、アノードを構成する導電性材料は、不溶性材料又はカーボンであると共に、被処理水には、塩化カルシウムを添加するので、塩化カルシウムの塩素イオンにより、被処理水中のアンモニアが例えば次亜塩素酸等の物質と脱窒反応をすることにより、相乗効果によって、硝酸態窒素、アンモニア態窒素及び窒素化合物などの窒素成分を効果的に除去することができるようになる。
【００１０】
更に、カソード近傍のｐＨがアルカリになることを利用して、リン酸イオンを凝縮沈殿させることができるため、処理後に被処理水を中性に調整する必要がなくなる。
【００１１】
これにより、一般家庭や工場等から排出される窒素化合物及びリン化合物を含む被処理水から効率的に窒素化合物及びリン化合物を除去することができるようになり、排水処理能力が向上される。
【００１２】
また、格別に別個の処理槽を設けることなく、同一の槽内においてリン化合物及び窒素化合物の処理を行うことができるようになり、本発明を実現する処理装置を小型化することができるようになる。
【００１３】
請求項２の発明の排水処理方法は、請求項１の発明に加えて、カソードを構成する金属材料は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものを用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明に加えて、カソードを構成する金属材料は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものを用いるので、被処理水中の硝酸態窒素と亜硝酸態窒素のアンモニアへの還元反応をより一層促進させることができ、還元反応に要する時間を更に短縮することができるようになる。
【００１５】
請求項３の発明の排水処理方法は、被処理水中に含まれるカルシウムイオンの量は、被処理水中に含まれるリン酸イオンの量に対してモル比５／３倍以上であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明に加えて、被処理水中に含まれるカルシウムイオンの量は、被処理水中に含まれるリン酸イオンの量に対してモル比５／３倍以上とするので、リン酸イオンを凝集沈殿させるのに十分なカルシウムイオンを被処理水中に存在させることにより、効果的にリンを凝集沈殿させることができ、リンの処理効率を向上させることができるようになる。
【００１７】
請求項４の発明の排水処理方法は、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に加えて、被処理水は、生物的処理浄化槽により処理した後の水であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明によれば、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に加えて、被処理水は、生物的処理浄化槽により処理した後の水であるので、前記生物的処理浄化槽、例えば活性汚泥処理槽などでＣＯＤやＢＯＤなどを高度に除去すると共に、活性汚泥処理槽で発生する菌を、次亜塩素酸や活性酸素により殺菌した後、排水処理することができるようになる。
【００１９】
請求項５の発明の排水処理システムは、請求項１、請求項２又は請求項３の排水処理方法により被処理水中の窒素化合物及びリン化合物を処理する窒素及びリンの処理装置を生物的処理浄化槽の後段に配置したことを特徴とする排水処理システム。
【００２０】
請求項５の発明の排水処理システムによれば、請求項１、請求項２又は請求項３の排水処理方法により被処理水中の窒素化合物及びリン化合物を処理する窒素及びリンの処理装置を生物的処理浄化槽の後段に配置したので、生物的処理浄化槽、例えば活性汚泥処理槽などでＣＯＤやＢＯＤなどを高度に除去すると共に、活性汚泥処理槽で発生する菌を、次亜塩素酸や活性酸素により殺菌した後、排水処理することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の窒素及びリン処理方法を実現するための排水処理装置１の概要を示す説明図である。本実施例における排水処理装置１は、内部に図示しない排水の流入口と流出口を有する処理室４を構成する処理槽２と、該処理室４内の被処理水中に少なくとも一部が浸漬するように対向して配置される一対の電極、即ち、アノード５と、カソード６と、該電極５、６に通電するための電源７と、該電極７を制御するための図示しない制御装置とから構成されている。尚、図中１０は、処理槽２内を撹拌するための撹拌手段としての撹拌子である。
【００２２】
前記カソード６は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものにより構成されており、前記アノード５は、不溶性金属、例えば白金、イリジウム、パラジウム又はその酸化物を含む不溶性電極又はカーボンなどから構成されている。
【００２３】
また、アノード５とカソード６との間に位置して、アノード５を囲繞するように、図２に示される如き円筒状に形成された遮蔽部材９が設けられている。該遮蔽部材９は、例えばガラス繊維やプラスチックのメッシュなどの非導電性部材にて構成されており、これにより、アノード５から発生する酸素気泡が、カソード６側に通過することを阻止することができる。このとき、アノード５側に存するイオンは、該遮蔽部材９を通過してカソード６側に移動することができる。
【００２４】
以上の構成により、処理槽２内の処理室４に硝酸性窒素及びリン化合物を含む被処理水を貯留し、前記制御装置により電源７をＯＮとし、カソード６及びアノード５に通電する。これにより、カソード６側では、被処理水中に含まれる硝酸イオンは、還元反応により亜硝酸イオンに変換される（反応Ａ）。また、硝酸イオンの還元反応により生成された亜硝酸イオンは、更に、還元反応により、アンモニアに変換される（反応Ｂ）。尚、このときカソード６近傍は、アルカリ性となる。以下に、反応Ａ及び反応Ｂを示す。
反応Ａ  ＮＯ3-＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→ＮＯ2-＋２ＯＨ-
反応Ｂ  ＮＯ2-＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-→ＮＨ3（ａｑ）＋７ＯＨ-
【００２５】
一方、アノード５側では、アノード５の表面から活性酸素や次亜塩素酸が発生し、これにより、被処理水中におけるアンモニアの脱窒作用により、窒素ガスを生成する（反応Ｃ）。以下に、反応Ｃを示す。
反応Ｃ  ＮＨ3（ａｑ）＋３（Ｏ）→Ｎ2↑＋３Ｈ2Ｏ
【００２６】
これにより、被処理水中の硝酸態窒素、亜硝酸態窒素及びアンモニア態窒素などの窒素化合物を効果的に処理可能となる。
【００２７】
また、被処理水中のリン化合物、即ち、リン酸イオンを処理するため、被処理水中に、塩化カルシウムを添加する。これにより、被処理水に加えられた塩化カルシウムのカルシウムイオンは、上述の如くカソード６近傍がアルカリ性であることから、脱リン反応により被処理水中のリン酸イオンと凝集沈殿し、水不溶性のカルシウムヒドロキシアパタイトを生成する（反応Ｄ）。以下に、反応Ｄを示す。
反応Ｄ  １０Ｃａ2+＋２ＯＨ-＋６ＰＯ43-→Ｃａ10（ＯＨ）2（ＰＯ4）6
【００２８】
反応式Ｄに示されるように、リン酸イオンのモル比６に対して、該リン酸イオンを凝集沈殿させるのに必要とするカルシウムイオンのモル比は１０である。そのため、被処理水に添加される塩化カルシウムのカルシウムイオンの量は、被処理水中に含まれるリン酸イオンの量に対し、モル比で５／３倍以上を添加する。尚、被処理水中に予めカルシウムイオンが存在している場合には、該カルシウムイオンの量を含めて、被処理水中に含まれるリン酸イオンの量に対し、モル比で５／３倍以上の塩化カルシウムを添加しても良いものとする。
【００２９】
これにより、リン酸イオンを凝集沈殿させるのに十分なカルシウムイオンを被処理水中に存在させることにより、効果的にリンを凝集沈殿させることができ、リンの処理効率を向上させることができるようになる。
【００３０】
尚、通常、上記脱リン反応Ｄを起こすためには、溶液中をアルカリ性とするため、格別な薬品を加える必要があるが、本発明では、カソード近傍は、アルカリ性であるため、その必要がない。また、薬品等によりアルカリ性とされた溶液は、排水時にｐＨ調整剤により中性にする必要があるが、本発明では、該ｐＨの調整は不要となる。
【００３１】
他方、被処理水に添加された塩化カルシウムの塩素イオンは、アノード５において、酸化され、塩素を生成し（反応Ｅ）、生成された塩素は、被処理水中で、水と反応し、次亜塩素酸を生成する（反応Ｆ）。そして、生成された次亜塩素酸は、被処理水中に存するアンモニアと反応し、複数の化学変化を経た後、窒素ガスに変換される（反応Ｇ）。以下、反応Ｅ乃至反応Ｇを示す。
反応Ｅ  ＣａＣｌ2→Ｃａ2+＋２Ｃｌ−２Ｃｌ-→Ｃｌ2＋２ｅ-反応Ｆ  Ｃｌ2＋Ｈ2Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ反応Ｇ  ２ＮＨ4＋４ＨＣｌＯ→Ｎ2↑＋４ＨＣｌ＋４Ｈ2Ｏ
【００３２】
ここで、図３に示される実験結果は、アノード５及びカソード６に白金、イリジウム系の電極を使用し、リン酸と、塩化カルシウムを加えて０．００１Ｍ硝酸カリウム３００ｍｌを電解した場合における時間経過に伴う各イオンの濃度変化を示している。
【００３３】
図３によると、カソード６において、硝酸イオンは、徐々にアンモニアイオンに変化されるため、時間の経過に伴って減少していき、電気分解開始から１７０分経過後には、被処理水中に殆ど存在していない。これに対し、カソード６において、生じるアンモニアイオンは、徐々に増加した後、一定時間経過後には、被処理水内に添加された塩化カルシウムの塩素イオンと反応し、徐々に減少し、硝酸イオンの減少に伴い、電気分解開始から１７０分後には、被処理水中にほぼ存在していない。
【００３４】
また、アノード５近傍において、リン酸イオンは、塩化カルシウムのカルシウムイオンと脱リン反応を生じ、これにより、処理槽２の底面等にカルシウムヒドロキシアパタイトの状態で、沈殿生成される。そのため、リン酸イオン及びリン酸イオンの脱リン反応に使用されるカルシウムイオンは、時間の経過に伴って、徐々に減少し、電気分解開始から３００分経過後には、リン酸イオンは、被処理水中にほぼ存在していない。
【００３５】
これにより、上述の如く塩化カルシウムを被処理水中に添加することにより、カルシウムイオンが脱リン反応に供され、被処理水中のリン酸イオンの脱リン反応を促進させることができると共に、同一処理槽２内において、硝酸態窒素と亜硝酸態窒素のアンモニアへの還元反応を促進させることができ、還元反応に要する時間を短縮することができるようになる。
【００３６】
そのため、格別に別個の処理槽を設けることなく、同一の槽内においてリン化合物及び窒素化合物の処理を行うことができ、排水処理装置１を小型化することができるようになる。
【００３７】
また、カソード６より生じるアンモニアが、次亜塩素酸の物質と脱窒反応をすることにより、相乗効果によって、硝酸態窒素、アンモニア態窒素及び窒素化合物などの窒素成分を効果的に除去することができるようになる。
【００３８】
更に、カソード６近傍のｐＨがアルカリになることを利用して、リン酸イオンを凝縮沈殿させることができるため、処理後に被処理水を中性に調整する必要がなくなる。
【００３９】
これにより、一般家庭や工場等から排出される窒素化合物及びリン化合物を含む被処理水から効率的に窒素化合物及びリン化合物を除去することができるようになり、窒素化合物及びリン化合物の処理能力が向上される。
【００４０】
また、本発明の第１の具体的応用例としては、図４に示す如く生物的処理浄化槽、本実施例では所謂活性汚泥処理槽１１に被処理水を貯留し、該活性汚泥処理槽１１にてＣＯＤ及びＢＯＤを除去した後、該ＣＯＤ及びＢＯＤ処理が成された被処理水を本発明を適用した排水処理装置１の処理槽２にて窒素化合物及びリン化合物の処理を行う。
【００４１】
これにより、被処理水を活性汚泥処理槽１１にて一旦ＣＯＤ及びＢＯＤの処理をした後、更に、排水処理装置１にて窒素化合物及びリン化合物の処理を行うことができるようになり、被処理水を効果的に処理することができるようになる。また、活性汚泥処理槽１１にて処理された被処理水は、活性汚泥処理槽１１内にて発生する菌が含まれているが、排水処理装置１にて上述の如く次亜塩素酸や活性酸素により殺菌するため、被処理水を環境に適した状態で排水処理することができるようになる。
【００４２】
更に、本発明の第２の具体的応用例としては、図５に示す如く、所謂電解浮上によって被処理水中の浮遊物質を除去することもできる。
【００４３】
また更に、本発明の第３の具体的応用例としては、図６に示す如く生け簀や水族館などでの魚類を生息させる水槽１２の水の窒素化合物及びリン化合物除去に使用することができる。魚類を生息させる水槽には、魚から排出されるアンモニア等の窒素化合物によって水が著しく汚染されるため、定期的に水槽内の水を交換する必要があった。そこで、窒素化合物を含む水槽１２内の水を前記排水処理装置１にて窒素化合物の処理を行い、その後、排水処理装置１から排水された被処理水を次亜塩素酸除去装置１３にて被処理水中の次亜塩素酸を除去し、水槽１２内に戻す。
【００４４】
これにより、水槽１２内の水を定期的に交換する必要がなくなり、水槽１２のメンテナンス作業性を向上させることができる。また、水槽１２から排水処理装置１に貯留された被処理水は、次亜塩素酸によって殺菌されるため、その後、係る被処理水が水槽１２に戻されることにより、水槽１２内の魚の生存率を向上させることができるようになる。
【００４５】
また、これ以外に、本発明を適用した排水処理方法は、プールや浴場における被処理水の浄化及び井戸水や地下水の浄化などにも適用することができるものとする。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、電気化学的手法により被処理水中の窒素化合物及びリン化合物を処理する方法において、カソードを構成する金属材料は、導電体であり、アノードを構成する導電性材料は、不溶性材料又はカーボンであると共に、被処理水には、塩化カルシウムを添加するので、塩化カルシウムの塩素イオンにより、被処理水中のアンモニアが、例えば次亜塩素酸等の物質と脱窒反応をすることにより、相乗効果によって、硝酸態窒素、アンモニア態窒素及び窒素化合物などの窒素成分を効果的に除去することができるようになる。
【００４７】
更に、カソード近傍のｐＨがアルカリになることを利用して、リン酸イオンを凝縮沈殿させることができるため、処理後に被処理水を中性に調整する必要がなくなる。
【００４８】
これにより、一般家庭や工場等から排出される窒素化合物及びリン化合物を含む被処理水から効率的に窒素化合物及びリン化合物を除去することができるようになり、窒素化合物及びリン化合物の処理能力が向上される。
【００４９】
また、格別に別個の処理槽を設けることなく、同一の槽内においてリン化合物及び窒素化合物の処理を行うことができるようになり、本発明を実現する処理装置を小型化することができるようになる。
【００５０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明に加えて、カソードを構成する金属材料は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものを用いるので、被処理水中の硝酸態窒素と亜硝酸態窒素のアンモニアへの還元反応をより一層促進させることができ、還元反応に要する時間を更に短縮することができるようになる。
【００５１】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明に加えて、被処理水中に含まれるカルシウムイオンの量は、被処理水中に含まれるリン酸イオンの量に対してモル比５／３倍以上とするので、リン酸イオンを凝集沈殿させるのに十分なカルシウムイオンを被処理水中に存在させることにより、効果的にリンを凝集沈殿させることができ、リンの処理効率を向上させることができるようになる。
【００５２】
請求項４の発明によれば、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に加えて、被処理水は、生物的処理浄化槽により処理した後の水であるので、前記生物的処理浄化槽、例えば活性汚泥処理槽などでＣＯＤやＢＯＤなどを高度に除去すると共に、活性汚泥処理槽で発生する菌を、次亜塩素酸や活性酸素により殺菌した後、排水処理することができるようになる。
【００５３】
請求項５の発明の排水処理システムによれば、請求項１、請求項２又は請求項３の排水処理方法により被処理水中の窒素化合物及びリン化合物を処理する排水処理装置を生物的処理浄化槽の後段に配置したので、生物的処理浄化槽、例えば活性汚泥処理槽などでＣＯＤやＢＯＤなどを高度に除去すると共に、活性汚泥処理槽で発生する菌を、次亜塩素酸や活性酸素により殺菌した後、排水処理することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排水処理方法を実現するための排水処理装置の概要を示す説明図である。
【図２】アノードの構造説明図である。
【図３】各イオン濃度の変化を示す図である。
【図４】本発明の第１の具体的応用例を説明する図である。
【図５】本発明の第２の具体的応用例を説明する図である。
【図６】本発明の第３の具体的応用例を説明する図である。
【符号の説明】
１  排水処理装置
２  処理槽
４  排水処理室
５  アノード
６  カソード
７  電源
９  遮蔽部材
１０  撹拌子
１１  活性汚泥処理槽
１２  水槽
１３  次亜塩素酸除去装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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