JP2003290774A

JP2003290774A - 排水中のアンモニア性窒素の除去方法および装置

Info

Publication number: JP2003290774A
Application number: JP2002098478A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Komatsu; 正小松
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP3700846B2

Abstract

(57)【要約】【課題】アルカリや酸等の薬剤添加や水蒸気の注入設
備を必要とせず、また薬剤の誤注入による活性汚泥死滅
の危険性がなく、安定した処理が可能な排水中のアンモ
ニア性窒素の除去方法および装置を提供する。【解決手段】陽極室２１と陰極室２２との間に陽イオ
ン交換膜１１が配設され排水を処理するために設けたイ
オン交換槽１と、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排
出し排出後の処理水を前記陰極室に導入するために設け
た脱炭酸塔２と、前記陰極室内に発生するアンモニアガ
スを排出するために設けた脱アンモニア塔３とを備え、
前記陽極室側から排水を導入し、イオン交換槽の電極
９，１０に通電することにより陽極室内に発生する炭酸
ガスを脱炭酸塔２から排出し、また、通電により陰極室
内に発生するアンモニアガスを脱アンモニア塔３から排
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、アンモニア性窒
素、特にアンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／また
は炭酸水素イオンとを含む排水、例えば、畜産廃棄物の
メタン発酵後の消化脱離液、し尿のメタン発酵後の消化
脱離液、生ゴミのメタン発酵後の消化脱離液などの排水
から、アンモニア性窒素を除去する方法および装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】アンモニア含有排水は、放流先の富栄養
化、地下水汚染などの原因となるのでアンモニアを除去
することが必要である。例えば、前記メタン発酵後の消
化脱離液は、メタン発酵過程で汚濁物質である有機物は
ある程度分解されているものの、河川等に放流するレベ
ルまでには低下しておらず、活性汚泥処理等で残存有機
物を分解処理して放流するのが一般的である。この分解
処理した排水中には、アンモニウムイオンと炭酸イオン
および／または炭酸水素イオンとを含む。

【０００３】アンモニア性窒素の除去方法としては、バ
クテリアを用いた生物化学的処理による方法があるが、
メタン発酵後の消化脱離液のようにバクテリアの餌とな
るBOD成分よりアンモニア濃度が高い排水の場合には、
空気または水蒸気を用いて気相中にアンモニアを移動さ
せ、気相中のアンモニアを触媒で窒素と水に酸化分解す
るか、硫酸等の酸に吸収させて硫酸アンモニウムの形態
で回収するのが効率的といわれている。

【０００４】液から気相中にアンモニアを移動させるア
ンモニアストリッピングとしては、空気ストリッピング
と、蒸気ストリッピングとがある（「アンモニアストリ
ッピング」，環境創造8,(9),67(1978)など参照）。アン
モニアの空気ストリッピングは、アルカリを添加して液
のpHを上昇させ、これに空気を接触させ、空気をキャリ
アガスとして用いて、アンモニアガスを放散させる方法
である。液やガスは常温でもよいが、加熱した方が効率
が高くなる。一方、蒸気ストリッピングは、アルカリを
添加して液のpHを上昇させ、これに水蒸気を吹込み、水
蒸気をキャリアガスとして用いて、アンモニアガスを放
散させる方法である。この場合、液のpHは中性でもよ
い。

【０００５】気相中のアンモニアの触媒酸化に関して
は、例えば、特開平８−２４６５１号公報や特開２００
０１−２５７７８号公報に記載され、よく知られてい
る。なお、前記後者の公報には、キャリアガスによるス
トリッピング工程や加熱工程で触媒酸化する工程を含む
２次公害物質の低減を目的としたアンモニア含有排水の
浄化方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記アンモ
ニアストリッピングにおいては、下記のような問題があ
った。

【０００７】前記アルカリを添加してアンモニアストリ
ッピングをする方法は、ストリッピング後の液を活性汚
泥処理するのに、酸で中和する必要がある。即ち、アル
カリの薬剤費とアルカリ添加量のコントロール設備、及
び酸の薬剤費と酸添加量のコントロール設備が必要であ
り、薬剤のランニングコストアップと設備のコストアッ
プになる問題があった。

【０００８】さらに薬注には誤注入の危険性がある。活
性汚泥はアルカリ性や酸性にするとバクテリアが死滅す
ることがある。効率的な排水処理を行うには、活性汚泥
を処理対象液に馴化させなければならないが、死滅させ
ると再馴化まで排水処理が中断するので装置の２重化な
どの対策を取る必要がある。

【０００９】水蒸気によりストリッピングする方法は、
水蒸気を作るための水処理設備と軟水化薬剤が必要であ
り、水蒸気を発生させるための熱エネルギーを消費する
問題があった。トータルコストの観点から、水蒸気発生
などのユーティリティはない方が望ましい。

【００１０】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、この発明の課題は、アルカリ
や酸等の薬剤添加や水蒸気の注入設備を必要とせず、ま
た薬剤の誤注入による活性汚泥死滅の危険性がなく、安
定した処理が可能な排水中のアンモニア性窒素の除去方
法および装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、この発明においては、アンモニウムイオンと炭酸イ
オンおよび／または炭酸水素イオンとを含む排水中から
アンモニア性窒素を除去する方法において、下記の工程
を含むこととする（請求項１の発明）。１）陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜を配設した
イオン交換槽に、前記陽極室側から前記排水を供給する
工程。２）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前
記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程。３）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前
記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程。

【００１２】前記請求項１の発明の実施態様としては、
下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項
１に記載の方法において、前記陽極室内に発生する炭酸
ガスを排出する工程は、陽極室内の水を脱炭酸塔に供給
し、脱炭酸塔に導入した空気をキャリヤガスとして排出
する工程とし、脱気後の処理水を前記陰極室に導入する
（請求項２の発明）。

【００１３】また、前記請求項１または２に記載の方法
において、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排
出する工程は、陰極室内の水を脱アンモニア塔に供給
し、脱アンモニア塔に導入した空気をキャリヤガスとし
て排出する工程とする（請求項３の発明）。

【００１４】さらに、前記請求項１ないし３のいずれか
に記載の方法において、前記排出したアンモニアガス
は、触媒酸化により、窒素と水とに分解する（請求項４
の発明）。

【００１５】また、前記請求項３の発明を実施するため
の装置としては、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換
膜が配設され排水を処理するために設けたイオン交換槽
と、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出し排出後の
処理水を前記陰極室に導入するために設けた脱炭酸塔
と、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する
ために設けた脱アンモニア塔とを備えるものとする（請
求項５の発明）。

【００１６】（作用）前記発明の作用について、総括的
に以下にのべる。例えば、メタン発酵装置においては、
タンパク質など窒素成分を含む成分は下式のように分解
し、アンモニウムイオンと炭酸水素イオンが生成する。

【００１７】 RCHNH₂COOH＋2H₂O → RCOOH＋NH₃＋CO₂＋2H₂ NH₃＋H₂O＋CO₂ → NH₄ ⁺＋HCO₃ ^- 上記炭酸水素イオンは、pHによって支配される解離反応
により、次式のように、炭酸イオンを生ずる。

【００１８】HCO₃ ^-⇔H⁺＋CO₃ ^2- 上記のようにアンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／
または炭酸水素イオンを含む排水を、イオン交換槽に供
給すると、この排水は電解液として働き、通電により、
陽イオンが陽極室から陰極室に移動する。

【００１９】陽極室において、炭酸イオンおよび／また
は炭酸水素イオンを含む液から、アンモニウムイオンを
含む陽イオンが除去されると、イオンバランス上、陽イ
オンは水素イオンに置き換わり、液のpHが低下して、次
式により炭酸イオンおよび炭酸水素イオンは炭酸ガスに
なる。

【００２０】2H⁺＋CO₃ ^2-→H₂O＋CO₂ H⁺＋HCO₃ ^- →H₂O＋CO₂ 炭酸ガスは、気体として液中に溶解しているので、空気
で液中から追い出すことができる。一方、陽イオンの移
動先である陰極室においては、OH^-イオンの増加でイオ
ンバランスが保たれるが、液のpHが上昇して、アンモニ
ウムイオンは、次式によりアンモニアガスになる。

【００２１】NH₄ ⁺＋OH^- → NH₃＋H₂O アンモニアガスは、気体として液中に溶解しているので
空気で液中から追い出すことが可能となる。

【００２２】なお、陽イオン交換膜では、選択的にアン
モニウムイオンを移動させることはできず、ナトリウム
イオン（Na⁺）などの陽イオンも移動する。従って、炭
酸ガスを追い出した脱炭酸溶液は、陽イオン交換膜で移
動しきれていないアンモニウムイオンが含まれている
が、陰極室に導入された脱炭酸溶液は、陰極室において
前述のように、OH^-イオンとの反応によりアンモニアガ
スとなる。

【００２３】この発明においては、脱炭酸を行っている
ので、陰極側のアンモアガスの固定化を防止できる。脱
炭酸を行わないと下式の反応によりアンモニアガスがア
ンモニウムイオンとなり、アンモニアを液中から除去で
きない。

【００２４】NH₃＋H₂O＋CO₂ → NH₄ ⁺＋HCO₃ ^- 排出されたアンモニアガスは、次式のとおり、触媒によ
り酸化され窒素と水とに分解される。 4NH₃＋3O₂ → 2N₂＋6H₂O

【００２５】

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施例に
ついて以下に述べる。

【００２６】図１は、この発明の実施例に係る排水中の
アンモニア性窒素の除去装置の模式的構成を示す。図１
に示す装置は、陽極室２１と陰極室２２との間に陽イオ
ン交換膜１１が配設されたイオン交換槽１と、陽極室２
１内に発生する炭酸ガスを排出し、排出後の処理水を陰
極室２２に導入する脱炭酸塔２と、陰極室２２内に発生
するアンモニアガスを排出する脱アンモニア塔３とを備
える。

【００２７】また、図１において、４は脱炭酸用ポン
プ、５は脱アンモニア用ポンプ、６および７は、キャリ
ヤガスとしての空気を、脱炭酸塔２および脱アンモニア
塔３にそれぞれ導入するためのブロア、８は直流電源、
９および１０は、イオン交換槽１内に設けた正負の電極
を示す。

【００２８】次に、上記装置の動作について以下に述べ
る。例えば、メタン発酵後の消化脱離液は、図示しない
脱水機で液中の汚泥を除去した後、まず、イオン交換槽
１における陽極室２１および陰極室２２の双方に満たさ
れる。その後、陽極室２１側に前記汚泥除去後の液を導
入しつつ、電極９および１０に通電される。イオン交換
槽1において、陽極室２１と陰極室２２は陽イオン交換
膜１１で仕切られており、電極９および１０に通電する
と、陽極室２１に入った液は、陽イオンが陰極室２２に
移動するため酸性化し、液中の炭酸イオンおよび炭酸水
素イオンが炭酸ガスとなる。

【００２９】陽極室２１の液は、脱炭酸用ポンプ４によ
り脱炭酸塔２に導入され、脱炭酸塔２の下部より、ブロ
ア６で空気を導入し炭酸ガスを脱気する。脱気後の液は
陰極室２２に導入する。陰極室２２では、陽イオンの移
動によってアルカリ性になるので、アンモニウムイオン
がアンモニアガスとなる。陰極室２２の液は、脱アンモ
ニアポンプ５により、脱アンモニア塔３に導入し、脱ア
ンモニア塔３の下部より、ブロア７で空気を導入しアン
モニアガスをストリッピングする。ストリッピングされ
たアンモニアは、図示しない触媒酸化器で窒素と水（水
蒸気）とに分解する。

【００３０】上記により、アンモニア性窒素、特にアン
モニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イ
オンとを含む排水から、アンモニア性窒素を、効率よく
かつ連続的に安定して除去できる。なお、アンモニアガ
スや炭酸ガスの排出方法は、上記実施例のように脱アン
モニア塔や脱炭酸塔を用いる方法に限定されず、加熱脱
気や化学的吸着等、ニーズに応じた種々の方法が採用で
きる。また、前述のように、装置の起動時において、消
化脱離液を陰極室に満たした場合、脱離液の水質によっ
ては、陰極室内の陽イオンがまだ充分でなく、起動時の
アンモニア除去率が低下する場合があるが、この場合に
は陰極室に、例えばＮａＣｌの水溶液を満たして起動す
るのが好ましい。

【００３１】

【発明の効果】前述のように、この発明によれば、アン
モニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イ
オンとを含む排水中からアンモニア性窒素を除去する方
法において、下記の工程を含むこととし、１）陽極室と
陰極室との間に陽イオン交換膜を配設したイオン交換槽
に、前記陽極室側から前記排水を供給する工程。２）前
記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陽極
室内に発生する炭酸ガスを排出する工程。３）前記イオ
ン交換槽の電極に通電することにより、前記陰極室内に
発生するアンモニアガスを排出する工程。

【００３２】また、上記発明を実施するための装置とし
ては、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜が配設さ
れ排水を処理するために設けたイオン交換槽と、前記陽
極室内に発生する炭酸ガスを排出し排出後の処理水を前
記陰極室に導入するために設けた脱炭酸塔と、前記陰極
室内に発生するアンモニアガスを排出するために設けた
脱アンモニア塔とを備えるものとしたので、アルカリや
酸等の薬剤添加や水蒸気の注入設備を必要とせず、また
薬剤の誤注入による活性汚泥死滅の危険性がなく、安定
した処理が可能な排水中のアンモニア性窒素の除去方法
および装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に関わるアンモニア性窒素の
除去装置の模式的構成図

【符号の説明】

１：イオン交換槽、２：脱炭酸塔、３：脱アンモニア
塔、４：脱炭酸用ポンプ、５：脱アンモニア用ポンプ、
６，７：ブロア、８：直流電源、９，１０：電極、１
１：陽イオン交換膜、２１：陽極室、２２：陰極室。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０２Ｆ 1/46 ＺＡＢＣ０２Ｆ 1/46 １０３Ｆターム(参考） 4D006 GA17 HA41 JA71 KA72 KB17 KD30 MA03 MA13 PB08 PB27 PB28 PC61 4D011 AA15 AB03 AD03 4D037 AA12 AB11 AB12 BA23 BB05 CA04 4D061 DA08 DB18 DC13 DC15 EA09 EB13 FA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンモニウムイオンと炭酸イオンおよび
／または炭酸水素イオンとを含む排水中からアンモニア
性窒素を除去する方法において、下記の工程を含むこと
を特徴とする排水中のアンモニア性窒素の除去方法。１）陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜を配設した
イオン交換槽に、前記陽極室側から前記排水を供給する
工程。２）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前
記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程。３）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前
記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、前記陽
極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程は、陽極室内
の水を脱炭酸塔に供給し、脱炭酸塔に導入した空気をキ
ャリヤガスとして排出する工程とし、脱気後の処理水を
前記陰極室に導入することを特徴とする排水中のアンモ
ニア性窒素の除去方法。
【請求項３】請求項１または２に記載の方法におい
て、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する
工程は、陰極室内の水を脱アンモニア塔に供給し、脱ア
ンモニア塔に導入した空気をキャリヤガスとして排出す
る工程とすることを特徴とする排水中のアンモニア性窒
素の除去方法。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の方
法において、前記排出したアンモニアガスは、触媒酸化
により、窒素と水とに分解することを特徴とする排水中
のアンモニア性窒素の除去方法。
【請求項５】請求項３に記載の方法を実施するための
装置であって、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜
が配設され排水を処理するために設けたイオン交換槽
と、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出し排出後の
処理水を前記陰極室に導入するために設けた脱炭酸塔
と、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する
ために設けた脱アンモニア塔とを備えることを特徴とす
る排水中のアンモニア性窒素の除去装置。