JP2003326265A - 排水中窒素化合物の窒素ガスへの還元方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】排水中に混在する窒素化合物の無害化処理法と
して生物学的処理によらない新規な排水処理プロセスを
提供すること。 【解決手段】 陽極２６として可溶性固体金属、陰極２
７として不溶性個体金属をそれぞれ設置した電解槽に窒
素化合物を含む排水１を供給し、両極２６、２７間に直
流電圧を印加し、電解槽下部より液中に空気１２、１３
をバブリングさせ、該バブリング空気１２、１３に同伴
するアンモニアガスを含む混合ガスを電解槽から還元触
媒層６に送り、窒素ガスに還元する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、富栄養化の原因物
質となる排水中の窒素化合物を窒素ガスに還元する排水
処理プロセスに関する。排水中の窒素化合物としては、
アンモニヤ態窒素、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素または有
機態窒素があり、本発明はこれらの一成分以上を含む排
水処理プロセスに関する。

【０００２】また、本発明は、特にアンモニヤ態窒素、
硝酸態窒素、有機態窒素などの窒素化合物が混在する排
水処理に好適な電解還元と気相触媒還元を組み合わせた
脱窒プロセスに関する。

【０００３】

【従来の技術】排水中の富栄養化を防止する目的で行わ
れる排水処理プロセスとして、排水中の亜硝酸態、硝酸
態、アンモニヤ態などの窒素化合物を除くために、一般
的には、生物学的法や物理・化学的処理法などにより行
われる。

【０００４】硝酸態窒素の生物学的処理法としては、嫌
気性状態の排水中に水素を供与して有機物を酸化する生
物学的法がある。この方法では還元剤として有機物の炭
素源が必要であり、一般にはメタノールが使用される。

【０００５】一方、物理化学的な手法による脱窒プロセ
スとしては、陰イオン交換膜を用いる方法や白金を担持
したパラジウムなどに代表される水素化触媒を用いる触
媒還元法などがある。

【０００６】イオン交換樹脂を用いる吸着法は、再生操
作で回収される濃厚な窒素化合物を含む廃液の二次処理
が必要になるため、処理コストが高くなる問題点があ
る。また、触媒還元法は、高価な触媒が必要であり、装
置自体も高温高圧の設備が必要になるなどの問題点があ
る。

【０００７】生物化学処理法に用いる微生物の活性は、
中性域が最適であり、それ以外になると著しく低下する
問題がある。たとえば酸性の被処理水は、そのまま処理
することができないため、被処理水のｐＨを最適範囲内
に調整する必要がある。そのための薬品や処理後のスラ
ッジ量も多くなる問題点がある。

【０００８】また、生物学的処理法で用いる微生物は、
急激な負荷変動があると、その負荷変動に追従すること
が難しく、活性を持続できない問題がある。高濃度の亜
硝酸態窒素、硝酸態窒素あるいはアンモニヤ態窒素を含
む排水を処理するには、的確な濃度調整が必要であり、
それにより処理装置の規模も大きくなるという問題点が
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】排水中のアンモニアヤ
態窒素の脱窒プロセスとしては、生物学的法、イオン交
換法、アンモニヤストリッピング法などがある。排水中
のアンモニヤ態窒素は、水に溶解するとアンモニウムイ
オンと溶存アンモニヤに分かれ、それらは、温度、液ｐ
Ｈにより解離平衡状態にある。しかし、液の温度が常
温、ｐＨが中性域では、ほとんどがアンモニウムイオン
として解離した状態で存在する。この状態では、空気を
液に吹き込んでバブリングしてもアンモニヤガスを液か
ら放散させることはできない。

【００１０】液中のアンモニウムイオンを気相に放散さ
せるには、液のｐＨを高くするか、液温度を高くして平
衡状態からずらし、溶存状態のアンモニヤを増やすこと
が必要になる。

【００１１】また、排水中の溶存アンモニヤのストリッ
ピング法には、ｐＨを調整して空気によりストリッピン
グさせるか、または水蒸気を吹き込んで温度を高めなが
らアンモニヤを放散する方法などがある。

【００１２】しかし、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素、有機
態窒素あるいはアンモニヤ態窒素が混在する窒素化合物
を含む排水を一度に処理するには生物学的処理と別途、
還元処理を行う必要がある。

【００１３】また、排水の生物学的処理は、脱窒速度が
遅く、高濃度の排水中の窒素化合物を処理する場合、微
生物の活性を脱窒処理するためには大量の微生物が必要
であり、装置容量を大きくする必要があるなどの問題が
ある。

【００１４】本発明の課題は、排水中に混在する窒素化
合物の無害化処理法として生物学的処理によらない新規
な排水処理プロセスを提供する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、次
の構成により解決される。請求項１記載の発明は、陽極
材に可溶性固体金属、陰極材に不溶性固体材料をそれぞ
れ設置した電解槽に窒素化合物を含む排水を供給し、両
極間に直流電圧を印加し、電解槽下部より液中に空気を
バブリングさせ、該バブリング空気に同伴するアンモニ
アガスを含む混合ガスを電解槽から還元触媒層に流通さ
せ、該還元触媒層で窒素ガスに還元する排水中窒素化合
物の窒素ガスへの還元方法である。

【００１６】請求項２記載の発明は、不溶性の陽極と不
溶性の陰極を備え、陽極室と陰極室の間に可溶性の金属
片、及び／又は金属粒子を充填した隔壁構造物を備えた
電解槽に窒素化合物を含む排水を供給し、両極間に直流
電圧を印加し、電解槽の下部より空気をバブリングさ
せ、該バブリング空気に同伴するアンモニアガスを含む
混合ガスを電解槽から還元触媒層に流通させ、該還元触
媒層で窒素ガスに還元する排水中窒素化合物の窒素ガス
への還元方法である。

【００１７】請求項３記載の発明は、陽極材に可溶性固
体金属、陰極材に不溶性固体材料をそれぞれ設置した陽
極室と陰極室を有する電解槽と、該電解槽の陽極室と陰
極室のうち、少なくとも陰極室の下部にバブリング用空
気導入部を設け、陽極室に窒素化合物含有排水導入部と
設け、陰極室には前記バブリング空気に同伴するアンモ
ニアガスを含む混合ガス排出部を設け、該混合ガス排出
部に接続して前記混合ガス導入部を備えたアンモニヤガ
スの還元触媒層を設けた排水中窒素化合物の窒素ガスへ
の還元装置である。

【００１８】前記還元装置には、電解槽の陽極と陰極間
の仕切に電解液拡散防止膜あるいはイオン交換膜を用い
てもよい。

【００１９】前記還元装置の陽極材の可溶性固体金属と
して、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、亜鉛から選ば
れたいずれかの金属を用い、陰極材の不溶性固体材料と
して、チタン材に白金若しくはプラチナを添着させた電
極材、ステンレス鋼、又はカーボンのいずれかを用いて
もよい。

【００２０】前記還元装置の陽極材の可溶性固体金属と
して、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、亜鉛から選ば
れた１以上の金属片及び／又は金属粒子を用いてもよ
い。

【００２１】前記還元装置の陽極材の陽極は、穴あき平
板又は波板を用いてもよい。

【００２２】請求項８記載の発明は、陽極材と陰極材に
不溶性固体材料をそれぞれ設置した陽極室と陰極室を有
し、陽極室と陰極室の間に可溶性の金属片及び／又は金
属粒子を充填した隔壁構造物を備えた電解槽と、電解層
の陽極室と陰極室のうち、少なくとも陰極室の下部にバ
ブリング用空気導入部を設け、陽極室に窒素化合物含有
排出導入部を設け、陰極室には前記バブリング空気に同
伴するアンモニアガスを含む混合ガス排出部を設け、該
アンモニアガスを含む混合ガス排出部に接続してアンモ
ニアガスを含む混合ガス導入部を備えたアンモニアガス
の還元触媒層を設けたことを特徴とする排水中窒素化合
物の窒素ガスへの還元装置である。

【００２３】

【作用】本発明は、硝酸態窒素、亜硝酸体窒素、アンモ
ニヤ態窒素、有機態窒素などの窒素化合物を窒素ガスに
還元する脱窒プロセスであり、まず、排水中の窒素化合
物を電気化学的な還元反応によりアンモニウムイオンに
還元し、該アンモニウムイオンを電解槽内の陰極部の高
ｐＨ域に電気泳動させ、溶解平衡から溶存アンモニヤガ
スとして放散させる。次いで得られたアンモニヤを含む
ガスを還元触媒層に通し、アンモニヤガスを窒素ガスに
還元する方法である。

【００２４】上記本発明の排水処理プロセスでは、排水
中の窒素化合物を窒素ガスに還元するために、電解槽に
よるアンモニウムイオンへの還元と、アンモニヤガスの
気相での触媒還元法を組み合わせている。

【００２５】アンモニヤガスの気相還元触媒は、コウジ
ライト担体、ハニカム状担体に酸化チタン、バナジウ
ム、ニッケル、白金などを担持した触媒などが用いられ
る。

【００２６】本発明では、電解槽内の陽極と陰極の液の
ｐＨに高低差を付けるために、陽極、陰極の液が急激に
混ざらないように両極の中間部に拡散防止膜を設置する
二室電解槽を用いる。前記拡散防止膜で仕切られた両極
の液がヘッド差で自由に流通できる目開きの繊維などを
拡散防止膜材料として用いることが有効である。

【００２７】電解槽の陽極部に供給された液中の窒素化
合物は、アンモニウムイオンに還元され、電気的な泳動
により陰極に移動する。通常、陰極室の液ｐＨは１１以
上の高アルカリ状態にあるために、溶解平衡からアンモ
ニウムイオンは液中に溶存アンモニヤ状態として存在し
ており、空気を陰極部にバブリングすることによりアン
モニヤガスとして放散することができる。得られたアン
モニヤを含む混合ガスを、還元触媒層に流通させ窒素ガ
スに還元することができる。

【００２８】本発明の電解槽の電極材は、陽極に可溶性
固体金属を用いる点にも特徴がある。可溶性固体金属と
しては、鉄、アルミニウム、カドミウム、亜鉛などが使
用できるが、常に液に溶出することから陽極の電極は消
耗する。コスト面などを考えると最も安価な鉄材を陽極
の電極材とすることが有効である。

【００２９】本発明の陽極に用いる電極板の形状は、電
極材を電気化学的に鉄イオン、アルミニウムイオンとし
て溶出できればよく、必ずしも平板に限定されるもので
はない。

【００３０】また、陽極に用いる電極材としては、極端
な場合、鉄やアルミニウムの機械加工で得られる屑材を
充填した篭状のものを陽極に懸垂して使用しても本発明
の目的を達成できる。

【００３１】陽極の液のｐＨ域は重要であるが、通常、
電解反応では陽極のｐＨ１〜３と低くなり、陰極は１１
以上のｐＨになる。当然、液ｐＨは、陽極の表面状態が
最も低くなり、陰極の表面ほど高くなるｐＨ分布が発生
する。

【００３２】陽極でｐＨを低く維持できるので、鉄電極
表面から溶出する鉄イオンは、水酸化鉄として沈降する
ことなく、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）やヘマタイト（Ｆ
ｅ₂Ｏ₃）に酸化される。この鉄イオンの酸化反応過程で
排水中の亜硝酸態窒素、硝酸態窒素を還元する反応が起
こる。

【００３３】亜硝酸態窒素、硝酸態窒素の還元反応で
は、一部、窒素ガスに還元するものもあるが、大部分が
電解反応で生成する水素イオンと反応し、アンモニウム
イオンに還元する反応が起こる。

【００３４】陽極から溶出したＦｅ²⁺、Ｆｅ³⁺の還元力
とｐＨを低く維持することにより、硝酸態窒素、亜硝酸
態窒素から酸素が抜き取られる還元反応が進行する。

【００３５】前述したように、アンモニウムイオンはｐ
Ｈ条件により、以下の溶解平衡状態にある（図１）。

【００３６】 ＮＨ₄ ⁺ ＋ ＯＨ^- ←→ ＮＨ₃ ＋ Ｈ₂Ｏ （３） アンモニウムイオンは、液ｐＨが高いと前記式（３）の
反応は右側に移動し、溶存アンモニヤ（ＮＨ₃）を生成
する。

【００３７】一連の反応による脱窒反応を進めるには、
液のｐＨ調整が必要であり、このためには、ｐＨの高低
差を自動調整できる二室電解槽構成が有効である。

【００３８】陰極の電極材は、陽極と同じ材料でも良い
が、カーボンや不可溶性材料が有効である。前記不可溶
性材料としては、チタンを基材とした材料に白金又はプ
ラチナを添着させた電極材、ステンレス鋼などが有効で
ある。

【００３９】本発明の二室電解槽の構成は、陽極、陰
極、陽極室、陰極室、拡散防止膜、直流電圧印加部から
なる。

【００４０】窒素化合物の電解反応により生成したアン
モニウムイオンは、ｐＨの高い陰極からアンモニヤガス
として空気と共に還元触媒層を通り、窒素ガスに還元さ
れる。 本発明の排水中の窒素化合物の窒素ガスへの還
元反応の作動原理を以下に説明する。なお、窒素化合物
を含む被処理排水は二室電解槽の陽極室に供給され、電
極材として、陽極に鉄板、陰極にカーボンを用いた場合
を代表例として窒素化合物の窒素ガスへの還元メカニズ
ムを以下に説明する。

【００４１】電極間に直流電圧を印加すると、陽極の鉄
板から鉄が液中に溶け出す。この状態で鉄は、Ｆｅ²⁺、
Ｆｅ³⁺のイオンとして溶出し、ｐＨが低い域で安定なヘ
マタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）が生
成する。窒素化合物としてＮＯ₃ ^-、ＮＯ₂ ^-の酸素が引き
抜かれ、Ｈ⁺と反応して大部分がＮＨ₄ ⁺に還元する。

【００４２】陽極で生成したアンモニウムイオン（ＮＨ
₄ ⁺）は、拡散防止膜を通過し、陰極に電気化学的に泳動
し、濃縮される。陰極ではｐＨが１１以上と高くできる
ので、アンモニウムイオンと溶存アンモニヤの溶解平衡
状態関係は式（３）の右側にシフトする。

【００４３】陰極室に空気をバブリングすることで液中
に溶存したアンモニヤは、アンモニヤガスとして脱気す
るので、脱気したアンモニヤガスを還元触媒層に導き、
窒素ガスに還元することができる。前記還元触媒層の温
度を２００℃〜５００℃に調整し、空間速度（ＳＶ）を
５０００〜２００００ｈ^-1で反応させる。

【００４４】本発明の一連の脱窒反応では、陽極の電極
材として鉄の外に、可溶性材料を用いることで本発明の
陽極の電極から溶出した金属イオンが還元機能を発揮す
る。

【００４５】可溶性材料としては、鉄、アルミニウム、
亜鉛などを電極材として用いることができる。その中で
も鉄やアルミニウム電極は、材料コスト、沈降物の後処
理が容易である点からも有効である。

【００４６】この一連の脱窒反応速度は、陽極の電極材
とした金属の溶出速度に支配され、その際の硝酸態窒素
の還元力が律速条件になる。前記脱窒反応の速度を上げ
るためには陽極の電極材の表面積を増大することが有効
になる。平板電極の表面積を高めるために穴開き電極や
波型構成などにすることが有効になる。

【００４７】陽極材は金属イオンの供給手段として考え
ることができ、機械工作で得られる金属の削り短片を充
填したものに、カーボン電極又は鉄電極などで接続すれ
ば電極にすることも可能である。

【００４８】また、鉄粉やアルミニウムの粉を流動化さ
せることで、鉄粉やアルミニウム粉の複極化現象によ
り、鉄あるいはアルミニウムを溶解させるのに有効な手
段となる。

【００４９】また、拡散防止膜の代わりに鉄片を充填し
た電解室の隔壁部を設置することでも本発明の鉄イオン
による還元反応を進めることができる。

【００５０】陽極室で生成する金属酸化物は、マグネタ
イト、ヘマタイトなどの酸化物として沈降するので、陰
極室の底部より窒素ガスや空気をバブリングさせること
で電解槽内の液を混合させ、電極表面の界面を更新する
ことが金属の溶解速度を高める点で有効である。

【００５１】本発明では、二室電解槽を構成させ、高低
のｐＨ領域を発生させている。従って、陽極の被処理排
水のｐＨを低く維持し、電極から溶出するＦｅ²⁺、Ｆｅ
³⁺を充分に亜硝酸態窒素、硝酸態窒素の還元反応に供与
することが有効な手段となる。

【００５２】当然、反応場のｐＨ高低差を薬品により調
整することも可能である。鉄イオンを硫酸第一鉄あるい
は硫酸第二鉄として供与し、それぞれをｐＨ調整するこ
とで、本発明の機能を達成できるが、鉄イオンのカウン
ターイオンとして硫酸イオンが共存することになり、電
極から鉄イオンが溶出する際の還元力に比べると、亜硝
酸態窒素、硝酸態窒素の還元は低下する。

【００５３】

【発明の実施の形態】実施例１ 本発明の実施の形態の電解還元と気相触媒還元を組み合
わせる排水中の窒素化合物の処理システムを図２に示
す。

【００５４】前記処理システムは陽極室１０、陰極室１
１からなる二室電解槽に沈殿する沈殿物の回収部、気相
触媒還元部、被処理液の供給部からなる。

【００５５】前記二室電解槽の電解実験に用いた実験装
置の構成を図３に示す。窒素化合物を含む被処理排水１
は調整タンク２よりポンプ３を経て流れ８となり二室電
解槽の陽極室１０に供給される。

【００５６】図３の実験装置に示すように、二室電解槽
は陽極室１０と陰極室１１、液の急激な拡散を防止する
拡散防止膜２５からなる。陽極室１０と陰極室１１の底
部からは陽極室１０と陰極室１１内で液の混合を行うた
めに空気１２、１３をぞれぞれ供給する。陽極室１０と
陰極室１１にはそれぞれ可溶性固体金属２６と不溶性固
体材料２７が設置される。

【００５７】陰極室１１で発生したガスは、導入された
空気１２を同伴して陰極室１１の上部出口ガス流れ２２
となり、加熱炉７の気相触媒層６に導入され、アンモニ
ヤは窒素ガスになり、流れから抜き出される。触媒層出
口ガス流れ５には未反応アンモニヤガスが含まれる場合
があるので、その一部は循環流９として触媒層６の入口
側の陰極室１１の上部出口ガス流れ２２と混合処理する
ことも可能である。

【００５８】また、被処理排水１に塩素イオンが含まれ
る場合には塩素ガスが陽極室１０で発生する。また、触
媒層６ではアンモニヤガスの窒素ガスへの選択的な還元
反応が起こるが、微量であるがアンモニヤガスの一部が
ＮＯ₂、ＮＯｘなどの窒素酸化物に酸化されるので、こ
れらの混合ガスを陽極室１０から排出する混合ガス流れ
４として触媒層出口ガス流れ５に合流させ、一括酸性ガ
スを処理することもできる。

【００５９】陽極室１０と陰極室１１で沈降する沈殿物
は、それぞれ電解槽の底部出口流路２３、２４より抜き
出し、脱水機ベルトコンベヤ１８、１９により脱水し、
沈殿物１４、１５を分離する。

【００６０】陽極室１０の沈殿物を濾過した液は、一旦
貯留室１６に貯められ、その後ポンプ２０より陽極室１
０内の液に戻される。一方、陰極室１１の沈殿物を濾過
した液は、一旦貯留室１７に貯められ、その後、出口２
１より放流することができる。

【００６１】陽極２６の電極材に鉄板、陰極２７の電極
材にカーボン板を用い、両極２６、２７に直流電圧を１
〜３０Ｖで印加すると、約１０〜２０分で陽極液、陰極
液のｐＨが変化し始め、その後の電解時間の経過ととも
に変化する。その様子を図４のプロファイルに示す。陽
極液のｐＨは１．９、陰極液のｐＨは１１．８近傍で一
定な値となる。

【００６２】被処理排水を電解槽内で処理し、両極２
６、２７に通電して６時間経過した時の陽極２６に用い
た鉄板と陰極のカーボン板の表面状態を観察した結果を
図５に示す。カーボン電極（陰極２７）表面は初期状態
とほとんど変化がないが、陽極２６の鉄板の表面はケロ
イド状になっており、鉄板から鉄が溶出したことが観察
できる。

【００６３】陽極室１０に沈降した沈殿物についてＸ線
回折結果と電子顕微鏡写真を図６（ａ）と図６（ｂ）に
それぞれ示す。Ｘ線回折の結果によると、沈殿物の大部
分は磁性を帯びたマグネタイトである。

【００６４】陽極室１０より溶出する鉄イオン量は、図
７に示す両極２６、２７間に通電する電流量に比例す
る。したがって、排水中の窒素化合物濃度に応じた還元
反応を調整するには電流量による制御が可能である。

【００６５】図２、図３に示す陽極室１０と陰極室１１
の間の拡散防止膜２５の膜材質としては、耐酸、耐アル
カリ材質であるシリカ系繊維、化学繊維、シリコン多孔
膜、又はろ紙などを用いることができ、更に、拡散防止
膜２５をイオン交換膜に置き換えることも可能である。

【００６６】ただし、拡散防止膜２５自体は、陽極室１
０と陰極室１１に入れた液を保持する必要があり、シリ
カ系繊維、化学繊維、シリコン多孔膜、ろ紙などより大
きな開口を有する多孔質の樹脂板などによりサンドイッ
チ構造に挟み機械的な強度を持たせる必要がある。

【００６７】次に、典型的な亜硝酸態又は硝酸態窒素イ
オンの還元反応特性を表１と図８、図９に示す。

【００６８】

【表１】 被処理排水の組成は亜硝酸イオン３３０ｍｇ／Ｌ、硝酸
イオン２８０ｍｇ／Ｌをそれぞれ亜硝酸カルシウム、硝
酸カルシウムにより濃度調整し、その状態で塩素イオン
５０００ｍｇ／Ｌになるように塩化カルシウムの濃度調
整をした。陽極２６の電極材は鉄板、陰極２７の電極材
はカーボン板を用いた。

【００６９】両極２６、２７に通電したときの電流値は
６Ａで一定とし、そのときの電極間電圧は９．９Ｖで時
間的に変化させた。

【００７０】亜硝酸イオンは通電後１時間経過すると２
０ｍｇ／Ｌ以下に減少した。一方、硝酸イオンは２８０
ｍｇ／Ｌから３０ｍｇ／Ｌに減少した。一方、アンモニ
ウムイオンは通電後、１時間すると８７ｍｇ／Ｌに増え
ている。この結果、亜硝酸イオン、硝酸イオンは電解後
に一部窒素ガスやアンモニヤ態窒素に還元していること
が明らかである。

【００７１】亜硝酸イオン、硝酸イオンのそれぞれの電
解時間に対する挙動について調べた結果を図８、図９に
示す。図８、図９から明らかなように、亜硝酸イオン濃
度、又は硝酸イオン濃度は通電と同時に急激な減少が起
こり、２〜３時間後にはほぼ１００％分解している。一
方、アンモニウムイオン濃度は通電後に急激に上昇し、
その後、アンモニウムイオンの生成が緩慢になる。これ
は亜硝酸イオン又は硝酸イオンがアンモニウムイオンに
還元しているのであれば、亜硝酸イオン又は硝酸イオン
の減少に反比例してアンモニウムイオンが上昇すること
が考えられる。しかし、図８に示すように通電後１．５
時間位からアンモニウムイオンの生成量が緩慢になって
くるのは、アンモニウムイオンがｐＨの高い陰極室１１
に電気泳動し、図１の平衡関係から溶存アンモニヤとし
て脱気しているためである。

【００７２】陰極室１１より脱気した空気に同伴される
アンモニヤガスは、触媒層６に導入され、触媒により窒
素ガスに還元されて無害化する。この場合の触媒層６は
電気炉などで３００℃〜５００℃の範囲で加熱し、空間
速度を５０００ｈ^-1〜２００００ｈ^-1で処理することで
無害化できる。

【００７３】空間速度は単位流量あたりの処理ガス量を
触媒体積で除した値であるので、触媒体積を大きくする
か、又は被処理ガス量を少なくすることで気相還元効率
を高めることができる。被処理ガス量を少なくするには
陰極室１１でバブリングする空気量を少なくすることな
どにより空気に同伴するアンモニヤガスを効率よく窒素
ガスに還元することができる。

【００７４】本発明の排水中窒素化合物の還元には、陽
極２６に可溶性電極として鉄電極を用いるのが有効であ
るが、陽極２６の電極材に可溶性電極を用いることな
く、図１０に示す二室電解槽の実施例に示すように中央
に鉄砕片或いは鉄粒子を充填した層１００を設置しても
よい。この場合には、鉄粒子或いは鉄砕片間で、一個一
個の鉄粒子自体が陽陰極の分極現象で鉄が溶出し、効果
的な窒素化合物の還元ができる。

【００７５】また、窒素化合物以外の排水中の富栄養化
物となるリンやＣＯＤ物質であるニチオン酸イオンが共
存する場合についても、電解液内での陽極室１０の電極
２６、陰極室１１の電極２７で起こる酸化還元反応によ
り、陽極２６の鉄イオンがマグネタイトに沈降する際に
共沈する現象がある。また、ニチオン酸イオンなどは鉄
イオンがマグネタイトに酸化する際にニチオン酸イオン
を分解して無害な硫酸イオンに酸化する。従って、排水
中窒素化合物を含む排水にリン化合物、ＣＯＤ物質が共
存する場合にも窒素化合物以外に同時にニチオン酸イオ
ンやリン化合物を同時処理することができる。

【００７６】

【発明の効果】本発明は、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素、
アンモニヤ態窒素、有機体窒素が混在する排水中窒素酸
化物を窒素ガスに還元するのに、電解還元によりアンモ
ニウムイオンに液相還元し、電解槽のｐＨの高い域から
空気をバブリングしてアンモニヤガスを脱気し、空気に
同伴してくるアンモニヤガスを気相触媒層に通し窒素ガ
スに還元するようにしたものであるから、従来行われて
いた複雑な生物化学的な処理に代わり、高濃度で混在す
る窒素化合物の処理が可能になる。また、排水中窒素化
合物以外にリン化合物、ニチオン酸イオンなどの排出規
制物質を電極反応により液相で同時処理できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽内の電解層内におけるアンモニヤ態窒素のｐＨ、温
度との溶解平衡関係を示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態の二室電解槽を用いる排
水中の窒素化合物の還元を行う排水処理システムの構成
図である。

【図３】 本発明の実施の形態の排水中の窒素化合物の
還元用の二室電解槽実験装置の構成図である。

【図４】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽内のｐＨプロファイルを示す図である。

【図５】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽の陽極（鉄板）、陰極（カーボン）の電解後の表面
状態の写真を示す図である。

【図６】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽の陽極室に沈殿する鉄化合物のＸ線回折の結果（図
６（ａ））とＳＥＭ写真（図６（ｂ））を示す図であ
る。

【図７】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽の陽極より溶出する電流値と鉄イオン量の関係を示
す図である。

【図８】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽の電解反応による窒素化合物の電解特性を示す図で
ある。

【図９】 本発明の実施の形態の排水中処理用の二室電
解槽の窒素化合物の分解率を示す図である。

【図１０】 本発明の実施の形態の排水中処理用の電極
を複分極化して用いる二室電解槽の構成図を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 被処理排水 ２ 調整タンク ３ ポンプ ４ 混合ガス流れ ５ 触媒層出口ガス流れ ６ 触媒層 ７ 加熱炉 ８ 流れ ９ 循環流 １０ 陽極室 １１ 陰極室 １２、１３ 空気 １４、１５ 沈殿物 １６、１７ 貯留室 １８、１９ 脱水機ベ
ルトコンベヤ ２０ ポンプ ２１ 出口 ２２ ガス流れ ２３、２４ 出口流路 ２５ 拡散防止膜 ２６ 陽極（可溶性固体金属） ２７ 陰極（不溶性固
体材料） １００ 層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 寿生 茨城県日立市大みか町７丁目１番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 中本 隆則 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 (72)発明者 野澤 滋 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 Ｆターム(参考） 4D011 AA15 AB10 AC04 AD03 4D037 AA11 AB12 BA23 BB05 CA14 4D061 DA08 DB18 DB19 DC14 EA04 EB01 EB04 EB12 EB19 EB28 EB29 EB30 ED06 FA03

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極材に可溶性固体金属、陰極材に不溶
   性固体材料をそれぞれ設置した電解槽に窒素化合物を含
   む排水を供給し、両極間に直流電圧を印加し、電解槽下
   部より液中に空気をバブリングさせ、該バブリング空気
   に同伴するアンモニアガスを含む混合ガスを電解槽から
   還元触媒層に流通させ、該還元触媒層で窒素ガスに還元
   することを特徴とする排水中窒素化合物の窒素ガスへの
   還元方法。
2. 【請求項２】 不溶性の陽極と不溶性の陰極を備え、陽
   極室と陰極室の間に可溶性の金属片、及び／又は金属粒
   子を充填した隔壁構造物を備えた電解槽に窒素化合物を
   含む排水を供給し、両極間に直流電圧を印加し、電解槽
   の下部より空気をバブリングさせ、該バブリング空気に
   同伴するアンモニアガスを含む混合ガスを電解槽から還
   元触媒層に流通させ、該還元触媒層で窒素ガスに還元す
   ることを特徴とする排水中窒素化合物の窒素ガスへの還
   元方法。
3. 【請求項３】 陽極材に可溶性固体金属、陰極材に不溶
   性固体材料をそれぞれ設置した陽極室と陰極室を有する
   電解槽と、該電解槽の陽極室と陰極室のうち、少なくと
   も陰極室の下部にバブリング用空気導入部を設け、陽極
   室に窒素化合物含有排水導入部と設け、陰極室には前記
   バブリング空気に同伴するアンモニアガスを含む混合ガ
   ス排出部を設け、該混合ガス排出部に接続して前記混合
   ガス導入部を備えたアンモニヤガスの還元触媒層を設け
   たことを特徴とする排水中窒素化合物の窒素ガスへの還
   元装置。
4. 【請求項４】 電解槽の陽極と陰極間の仕切に電解液拡
   散防止膜あるいはイオン交換膜を用いることを特徴とす
   る請求項３記載の排水中窒素化合物の窒素ガスへの還元
   装置。
5. 【請求項５】 陽極材の可溶性固体金属としては、鉄、
   アルミニウム、銅、ニッケル、亜鉛から選ばれたいずれ
   かの金属を用い、陰極材の不溶性固体材料としては、チ
   タン材に白金若しくはプラチナを添着させた電極材、ス
   テンレス鋼、又はカーボンのいずれかを用いることを特
   徴とする請求項３記載の排水中窒素化合物の窒素ガスへ
   の還元装置。
6. 【請求項６】 陽極材の可溶性固体金属としては、鉄、
   アルミニウム、銅、ニッケル、亜鉛から選ばれた１以上
   の金属片及び／又は金属粒子を用いることを特徴とする
   請求項５記載の排水中窒素化合物の窒素ガスへの還元装
   置。
7. 【請求項７】 陽極は穴あき平板又は波板を用いること
   を特徴とする請求項３記載の排水中窒素化合物の窒素ガ
   スへの還元装置。
8. 【請求項８】 陽極材と陰極材に不溶性固体材料をそれ
   ぞれ設置した陽極室と陰極室を有し、陽極室と陰極室の
   間に可溶性の金属片及び／又は金属粒子を充填した隔壁
   構造物を備えた電解槽と、電解層の陽極室と陰極室のう
   ち、少なくとも陰極室の下部にバブリング用空気導入部
   を設け、陽極室に窒素化合物含有排出導入部を設け、陰
   極室には前記バブリング空気に同伴するアンモニアガス
   を含む混合ガス排出部を設け、該アンモニアガスを含む
   混合ガス排出部に接続してアンモニアガスを含む混合ガ
   ス導入部を備えたアンモニアガスの還元触媒層を設けた
   ことを特徴とする排水中窒素化合物の窒素ガスへの還元
   装置。