電気透析法による地下水中の硝酸性窒素の除去
RemovalNitrateofby

NitrogenfromElectrodialysis

Groundwater

Reversali(環)技術部計画第2課

石豊丸

Yutakalshimaru

西尾弘

Ilironobu

荻伸

Nishio野行

Yukihiro洋

Ogino

地下水中の硝酸性窒素はイオン化しており,通常の浄水処理では除去することができない｡硝酸性窒素の除去には脱塩法である,イオン交換樹脂法･電気透析法･逆浸透膜法などが必要になる｡
当社は硝酸性窒素の除去技術として電気透析法に着目し,長崎県加津佐町宮原簡易水道に浄水分
野では国内第1号機となる極性転換式電気透析装置(処理水量:し,も150m3/日)を1998年3月に納入6月から給水を行っている｡

極性転換方式とは,電気透析法で問題となる,スケーリングや膜表面への有機コロイドの付着を,一定時間ごとに電気透析槽の電極の極性を入れ替えることで解決した方式である｡通常電気透析で必要な電極部や濃縮水ラインへの硫酸の添加などの薬品注入や,膜の解体洗浄が通常運転において不要になる画期的な方式である｡
加津佐町では,原水硝酸性窒素濃度26.9mg/1に対して処理水濃度は6.5mg/1と,除去率75.8%で安定して稼働しており,本稿ではその運転状況もあわせて報告する｡
Nitrateformationmethemoglobin
conventional

water

(EDR)

reversaleliminate

capacity

mg/1

in

if

toon

of

150m3/day
raw

since

water

気and

are

性

June

thein

form

infants･

The

Shinkoissubstance

Pantechas

nitratenitrogenofnegatively

electrodialysIS

eliminated.
removal

ratio

75.8%

This

cancolloids

on

Thus
EDR

orwithelectrodialysIS

chargedSuffered.

ofriskremovedthegroundwater.

deliveredofahardlyapplieddeposition

The

has

water

groundfromconventional

achievedchemicalunit

havlngfrom

6･5mg/1

26･9

1998.

窒

素

Nitrate

透析

ElectrodialysIS

極性転換式電気透析

74ofcleanlng

the酸

methods.

which

has

電

taken

electrodes

membrane硝byremoval

membraneandionizedanpurification
methodscalinganion‑transfer
lnJeCtion

inexists

nitrogennitrogenElectrodialysIS

神鋼パンテツク技報

reversal

vol.

42

No.

2(1999/3)

Iま えがき法, ②電気透析法,③連投透膜法がある｡

地下水中の硝酸性窒素濃度が,農耕地への化学肥

これらの中でも,容易な維持管理,安価なランニ料の多投入や家畜糞尿の浸透等により,水道水質基ングコストから最近,電気透析法が注目されている｡

準(long/1)を超過する事例が近年増加してい2.極性転換式電気透析装置

る｡1)･2)代替水源を確保できない地域においてこのよ2.

うな地下水を水道水源とする場合,従来法(凝集沈1電気透析法
電気透析(Electrodialysis:ED)とは,電気エ澱＋砂ろ過)では硝酸性窒素が除去できないため,ネルギーを用いて溶液中の溶解イオンを膜を介し,新たな除去技術が必要となっている｡

もう一方の溶液に移動させるプロセスである｡溶液

硝酸性窒素を多く含む水道水を乳幼児が摂取する中に陽極と陰極を入れ,直流電位をかけると,溶液と,メトヘモグロビン血症(ヘモグロビンの酸素運中の陽イオンは陰極の方に移動し,一方,陰イオン搬能力を奪う疾患)を起こす危険性がある｡メトヘは陽極の方に移動(電気泳動)する｡この時,陽極モグロビン血症は,摂取した硝酸性窒素が体内で亜では酸素ガスや塩素ガスが発生し,陰極では水素ガ硝酸性窒素に還元されて起こり,チアノーゼや窒息スが発生する｡

を引き起こす｡水道水中の硝酸性窒素が原因とされる,乳幼児の発症は欧米で報告されている｡(第1図)

この溶液に,陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を交互に入れ直流電位をかけると,各イオンはそれぞれ電荷と反対の電極の方に移動する｡陽イオンは陽)性呈芸…芸･b慧.fm&g71T2慧慧冨.i肖警

イオン交換膜は透過するが,陰イオン交換膜は透過た,亜硝酸塩が胃の内容物と反応して,発癌性の疑できない｡一方,陰イオンは陰イオン交換膜は透過いのあるニトロソアミンを生成するとされている｡3)するが,陽イオン交換膜は透過できない｡

このような硝酸性窒素汚染は日本のみではなく,ア

このため,第3図に示すように①と③の溶液はイオ(第2図)

メリカ,ヨーロッパ等でも問題になっており,ンが少なくなり,USEPA,れる｡前者を脱塩(希釈)と呼び,後者を濃縮と呼WHOでも硝酸性窒素の基準を設けている｡4)②と④の溶液はイオンが取り込ま
CaCO3,ぶ｡この時,陰極及び膜表面に,CaSO4･

1.水道水中の硝酸性窒素除去技術
地下水中の硝酸性窒素は,イオン化しており,水道の従来処理法である凝集沈澱＋砂ろ過では除去でAきず,更に,最近導入されているかび臭除去,消毒C副生成物低減のための高度処理法である生物処理,も漸

オゾン＋活性炭処理でも除去することはできない｡
また,自家用飲用井戸の汚染の場合,家庭レベルでi,′州･二聾;･≡紗)の芸警;争芸≡J漂'I:雲;a,芸左芸豊警孟芸三富u,:'誌には,新たな高度処理が必要となる｡現状,実用化されている硝酸性窒素除去法は,①イオン交換樹脂

第2図
Fig.

イオン交換膜の選択透過性
2Elective

permeability

ofion‑transfermem‑braneA{C① A ② C ③ A ㊨ C

恵[蚕ヨ㊨(＋)

㊨ cati.nA･糊^nioLl‑Transfer
Mernbrane㊨ Anior)Electrode瀞･‑ProdlJCt

Concenlr恥凝′･
Prodt事Ct‑Cor)ccntrate

Dr一山a8e

第1国

電気泳動

第3図

Fig.

1

Electrophoresis

Fig･

Vol.

42

No.

2(1999/3)

神鋼パンテツク技報￡】cctTOdc
Dr血喝.,

電気透析の原理3

PrincIPleofelectrodialysIS752日20等のスケールが発生するため,電気透析槽の性を転換することによって,付着懸濁物は電気的正常な運転ができなくなる｡従って,通常,このスに膜表面から剥離される｡

ケール発生防止のため,陰極及び濃縮側に硫酸を注

2)省スペース:通常の電気透析では,前述の通り電極や濃縮側の膜面にスケールが発生するのを防入する必要がある｡
2.

極性転換方式電気透析法

2(第5図)

ぐために,硫酸を添加する必要がある｡しかし,電気透析(ED)では,陽極と陰極が固定されて極性転換方式ではこれらの薬品が通常不要になるいるため,スケール防止用硫酸注入と膜表面に付着ため,ランニングコストが低減でき,薬品注入設した帯電コロイドを除去するために定期的な解体洗備も不要になるため大幅にスペースを削減するこ浄が必要となる｡しかし,電極極性を転換(陽極⇔とができる｡また,透析槽もー般の電気透析では陰極)すれば,スケール防止用の硫酸注入と膜の解膜を垂直に並べて配置するため,処理水量の増加体洗浄が不要となる｡このように,電極の極性を一に伴い設置スペースが増加する｡しかし,定時間毎に転換させる電気透析法が極性転換方式電法は膜を水平に積んでいくことができるので,大気透析法(些1ectro 9ialysis些eversal‥EDR)で幅に省スペースとなる｡透析膜はアイオニクス製ある｡

である｡

(第4図)

3

EDR

極性転換法式電気透析法(EDR)の特長

3)高い回収率:通常スケール防止用硫酸を注入し極性転換方式の電気透析では,通常の電気透析法ないため,電極排水を回収できる｡極性転換後の2.に比して次のような特長を有する｡

生成水は,硝酸性窒素濃度が設定値を上回るため

1)極性転換による自己洗浄:水道水源に含まれる排水するが(始動排水),この始動排水も回収す

懸濁物等は通常一に帯電しているため,＋に荷電している陰イオン交換膜表面に付着しやすい｡極るため,回収率は高くなる｡
膜の解体洗浄･な

4)容易な維持管理:薬品の注入,維持管理が容易

どの維持管理が不要となるため,となる｡
Anode

Cathode

<@@

■■l●‑
@

医療‑

〜四境匪‑
＋
@

@
@
Cathode3.

1地域
長崎県南高来那加津佐町は島原半島の南西に位置

Fig.

Anode

極性転換式電気透析の原理
4Princlple(1996年11月現在)

する人口8776人の町である｡

第1表
第4図

(国内第1号

3.長崎県加津佐町導入事例機)5)of

ElectrodialysISTablel
reversal

宮原簡易水道地下水水質(1998年6月‑9月の平均値)
Raw
Water
Miyahara
Quality
ofpurification

water

plant

LessthanO.10

Turbidity(degree)

1

Color(degree)

6.6

pH(‑)
Potassiumpermanent

1.2

consumptionvalue(mg/1)
CoILoid81
DepDSitioEL

争盛

feed

feed

Pロ&ltiye敬

PoLELr弓ty

第5国
Fig.

7β

極性転換による自己洗浄
5Self‑cleanlng

Of

EDR

by

polarlty

Electricconductivity

255(pS/cm25℃)
TDS(mg/1)

240

Iron(mg/1)

0.01

Manganese(mg/1)

0.003

Nitritenitrogen(mg/1)

LessthanO.005

Nitratenitrogen(mg/1)

26.9

reversal

神鋼パンテツク技報

Vol.

42

No.

2(1999/3)

町は浄水施設として,第1浄水場(980m3/日),第が硝酸性窒素により汚染されている｡第1表に,

2浄水場(370mソ日),第3浄水場(1150mソ日),

1998年6月‑

六反田簡易水道(150m3/日),八石簡易水道(40この地下水は,硝酸性窒素以外は水質基準を満足しm3/日),宮原簡易水道(150m3/日)の6箇所の浄水場を有している｡この内,宮原簡易水道地区は畑ているが,地下水中の硝酸性窒素濃度が約20mg/1作が中心で,特に馬鈴薯が主な作物であり,堆肥や質基準の10mg/1を常に超過しているため,電気窒素系肥料の多投人により,水道原水となる地下水透析を導入することとした｡当社は,この宮原簡易From

to MayOctober

Surfacewater[source : surface

9月の宮原簡易水道地下水水質を示す｡と高く,時期により濃度のバラツキはあるものの水

water]･････････ノ♂′̲

････>NaCIO)

andimentatio

From

June to September

tra1ectro10water

Tapwater+*

Coagula&Tapostc

Orlnatl[source : groundwater]

Groundwater

第6図

NaCIO

宮原浄水場プロセスフロー

Fig･

6Process

diagramflowofMiyahara

water

purification

plant

Grourldwater
ChlorideSand[0,3rng/Q]

filtration

Feed

pu血p

Feed

inleta:⊃Feed̲5<tank≡

C()ncentrateinletq)
ロコ
■￣ロ
E:

Recycle

pump

【:O

｢コCU

73
〔エ】

MembraTle
stack

Electrodelヽ7aSte

ProductOff･spec

prodllCt
feed tank][Return toConcentrate

第7図
Fig.

recycleConcentrateblowdoll･n

写真1

EDRシステムフロー
7

Photo.1

FlowdiagramofEDR

42No.

EDR

systempurirication

systemVol.

EDR(宮原簡易水道)

2(1999/3)

神鋼パンテツク技報

ofMiyaharawaterplant77

水道に浄水分野では国内第1号機となるEDR
真1)を1998年3月に納入,(写

6月から給水を行って流水を取水できないため,地下水を取水する｡従って,宮原簡易水道の浄水処理フローは,表流水の場いる｡次にその運転状況を報告する｡

令,凝集沈澱＋砂ろ過,地下水の場合,砂ろ過＋3.

EDRとなる｡なお,

2浄水処理フロー

EDR装置を使用しない10月‑

第6図に宮原簡易水道の浄水処理フローを示す｡

5月までは,イオン交換膜の湿潤状態での養生保管

宮原簡易水道は,表流水と地下水の2つの水源をのために,自動で1週間に1回,通水するようにし有する｡水利権の関係から,6月‑9月までは,衣第2表

電気透析装置仕様(宮原簡易水道)

Table2

EDRsystem

specificationofMiyaharaている｡第7図にEDR装置のフローを示す｡

waterElectrodialysis

plant

purification

reversal(EDR)

Sizeofmembranes

EDRreactor

46cmXIO2cm

NumberofcellpalrS

300cell‑pairs

TotalEffectivemembrane
89.4m2surfacearea

Required

220V,Triphasecurrent,60Hz,10KVA

electricpower

SystemRecovery90%

Nitrogenremovalrate

69%

performance

Unnecessaryatnormaloperation

Chemicalin]ection

Indoor
Installation
5000mmX7000mmX3000mmH(Structureareas)includesmaintenancearea
Feed

167m3/dayNitratenitrogen

18mg/1

TDS

200mg/1

feedwaterquality

Feedwater

SDI5

Lessthan15

TurbidityLessthan2degree

Freequalityresidual

restrictions

chlorine

continuously

LessthanO.5mg/1

momentary

LessthanlOmg/1

Iron

LessthanO.3mg/1

Manganese

LessthanO.1mg/1

Production

QualityofEDR
treatedwater7β

150m3/dayNitratenitrogen

6mg/1

TDS

67mg/1

神鋼パンテツク技報

Vol.

42

No.

2(1999/3)

3.

3

装置仕様

酸性窒素濃度は26.9mg/1であり,水質変動に対し第2表に宮原簡易水道のEDR装置の装置仕様をても電気透析処理水は6.5mg/1と安定して処理さ示す｡
3.

4

れている｡

運転状況

第9図に電気伝導率と硝酸性窒素濃度を示す｡こ

第8図に硝酸性窒素の除去状況を示す｡原水の硝のように,電気伝導率と硝酸性窒素濃度には,良好な相関関係が認められ,硝酸性窒素除去を目的とした電気透析において,電気伝導率が運転を行うため

Raw

I‑◆‑

treatedwater十EDRwaterの重要な指標であることがわかる｡極性転換直後の

50

処理水は,硝酸性窒素濃度が高いため,処理水の電気伝導率が所定の備になるまでは,排水(始動排水)Bし,原水タンクに戻すことで回収率を高めている｡

⊂]qJ

如

第10図に蒸発残留物,第11図にカルシウム,第12図

く⊃.1ヒ【二にマグネシウムの除去状況を示す｡また,Gノーq

1998年6l一.t]

月から9月の運転結果を第3表に示す｡蒸発残留物,

a6/307./148/ll7/28)

カルシウム,マグネシウムの除去率は,それぞれ9/88/2567.9%,Da)′s

第8図

Changeof◆

NitrateRaw77.4%であった｡なお,硝酸性窒素を含めたこれらの除去率は,電流密度の調節に

硝酸性窒素除去状況
8Fig.

81.1%,

NitrogenFiltrated ∇ater■waterより簡単に変更できる｡
treated water

△EDR

400

g3‑

water‑1トーRaw

30.

＋

EDR

treatedwater

350

呂300

∫読}

+三250<=ヽ)LEEW･芋･呂E:
コ｢コ;=○重U:コ〔て5+)U･呂UQ)[上】51015
Nitrate2025

nitrogen303540Pig9.鷲Relation

betweenNitrateElectric

Conductivlty

7/14

7./28

[mg/E]

Nitrogen

and

第11図

カルシウム除去状況

Fig.

Changellor300

water＋EDR

8/25

9/8

Calsium‑‑‑‑●ト‑ Raw‑イトーRaw

8/ll

Days

硝酸性窒素濃度と電気伝導率の関係

96/30

45

treatedwater‑‑‑‑‑tl‑EDR

treatedwaterwater

250

Bq〉

B∈コー'Iu)
くU帆∈コb8
丁弓〔⊃E‑=50

6/30

7/14

7/28

8/ 11

8/25

9/8

6/ユ6

Days

6′/30

7/147/′288′/1
18′/25

9/8

Days

第10図

蒸発残留物除去状況

第12図

Fig.10ChangeTDS

マグネシウム除去状況

Fig.12

Change(1999/3)

神鋼パンテツク技報

Vol.

42

No.

of

2of

Magnesium

79

第3表

水質分析結果(1998年6月‑9月の平均値)

TablesWater

qualityof

Miyahara

water

purification

plant(Meanvalues

water(o/.)
6.5

<0.1

<0.1

1

Color[degree]

̀98)

Removal

6.7<0.1

Turbidity[degree]

Septembertowater

6.6

pH

JuneEDRtreatedSandfiltrated

Rawwaterfrom

11

E.ontsaus:i岩:｡nperv:lau:ganate[‑g/1]
琵encdturi:ivlty[pS,c‑･25℃]
1.2

<1.0

<1.0269

280

73.6

72.6

TDS[mg/1]

245274

78.5

67.9

Iron[mg/1]

0.01

0.03

0.01

4.9

Manganese[mg/1]

0.003<0.001

Aluminum[mg/1]<0.001

<0.01

<0.01

<0.01

Silicicacid[mg/1]
Calcium[mg/1]

35.6

35.5

35.5

0.4

18.9

20.3

3.58

81.1

Magnesium[mg/1]

7.46

8.ll

1.69

77A

13.8

5.29

73.5

0.02

0.03

7.1

20.0

Sodium[mg/1]
Ammoniumnitrogen[mg/1]

0.04

Nitritenitrogen[mg/1]<0.005

Nitratenitrogen[mg/1]
Chloride[mg/1]
Sulfateion[mg/1]

むす<0.005
30.2

6.50

75.8

13.8

16.2

3.2

77.2

0.49

0.53

0.1276.0

び窒素除去の実用化を検討している｡6)[参考文献]

極性転換式電気透析による硝酸性窒素の除去は,

1 )厚生省生活衛生局水道環境部水道整備課,平成8年

安定した除去性･容易な維持管理･安価なランニン

水質編

度水道統計

グコスト(処理水1m3当たり0.6kWh)などの特2)水道産業新聞記事1998年7月23日付
3 )国包章一:硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素の健康影響,長を持つことが加津佐町での実施設運転結果より実証された｡<0.00526.9

EDRは硝酸性窒素による汚染がすすむ

水環境学会誌

水源に対して有効なシステムの一つとなるであろう｡

Vol.19(1996),

No.12,

p.965.日本水環境学会4)真柄泰基編,水道水質ハンドブック,
道新聞社

電気透析における硝酸性窒素収支は,希釈と濃縮のために変化は無い｡従って,回収率90%でEDR

p.21.日本水5)西尾弘伸ほか:電気透析法による地下水中の硝酸性窒素除去,日本水道協会関西地方支部第42回研究発表を運転すれば,濃縮排水中には原水の約10倍の濃度の硝酸性窒素が含まれることになる｡この高濃度排会講演集,

水は,閉鎖性水域の富栄養化など環境保全の立場か(1998),

p.86.

6)野中信一ほか:生物脱窒法による電気透析濃縮排水中の硝酸性窒素の除去,日本水道協会関西地方支部第4(1998), p. 181.
2回研究発表会講演集,

ら浄水場内で処理することが望ましいものと考えられる｡当社は,この排水の処理に生物脱窒法による連絡先
石丸豊

環境装置事業部西尾弘

伸(技術士･水道部門)技術部計画第2課

環境装置事業部FAX
E‑mailβ〃L行洋環境装置事業部
技術部計画第2課

担当課長

078‑232‑8102

TE

078‑232‑8056

FAXy.ishimaru@pantec.

野

技術部計画第2課

担当課長
TE

荻co.jpE‑mailL

078‑232‑8102

TE078‑232‑8056

FAX

h.nishio@pantec.

神鋼パンテツク技報

co.jp

E‑mailL

078‑232‑8102
078‑232‑8056

y.ogino@pantec.

Vol.

42

No.

2co.jp(1999/3)