JP2004025123A

JP2004025123A - 排水処理装置及び排水処理方法

Info

Publication number: JP2004025123A
Application number: JP2002188656A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Nagai; 永井　正彦; Ichiro Toyoda; 豊田　一郎; Masayuki Tabata; 田畑　雅之; Masamichi Asano; 浅野　昌道; Mitsuru Sakimura; 崎村　充
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】電解酸化処理中に陽極及び陰極から発生する気体を有効に利用することにより、電流効率を向上すること。
【解決手段】本発明の排水処理装置は、陽極１１と、陰極１２と、該電解槽１００を陽極室１０と陰極室２０とに分ける隔膜３０と、陽極室１０と陰極室２０をバイパスする流路２を含む電解槽１００と、前記電解槽１００に電流を供給する電源６０と、前記陽極１１から発生する気体（塩素）を原水と気液接触により吸収する気体吸収手段４０とを備える。また、前記陰極１２から発生する気体（水素）を燃料とする燃料電池５０を更に備えてもよく、この場合、前記気体吸収手段４０により吸収されなかった残存気体（酸素）を前記燃料電池５０に供給する酸化剤供給手段を更に備えてもよい。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中のＣＯＤ（化学的酸素消費量）やＴ−Ｎ（窒素成分）を分解除去する排水処理装置に関し、より詳細には、これらを電解酸化により分解除去する排水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電解槽を用いて電解酸化をすることにより、ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｄｅｍａｎｄ）やＴ−Ｎを酸化分解する技術が知られている。この技術は、例えば、特開平７−６８２７７号公報（下水の高度処理方法）や特開平７−１６３９８７号公報（水の高度処理方法）などに開示されている。また、電解槽内を陽極室と陰極室に隔てる隔膜を用いて電解酸化を行う技術が特開平９−１５０１５９号公報（ＣＯＤ含有水のＣＯＤの除去方法）に開示されている。
【０００３】
図４を参照して、従来の排水処理装置の処理方法を説明する。図４は、隔膜を備える電解槽を利用する、ＣＯＤ成分やＴ−Ｎ成分を除去する従来の排水処理装置を示す。この図４において、従来の排水処理装置は、電解槽１００及び電源６０を備え、電解槽１００は、隔膜３０によって、陽極１１を含む陽極室１０と、陰極１２を含む陰極室２０に隔てられる。原水は、流路１を介して電解槽１００の陽極室１０に流入し、バイパス２を介して陰極室２０に流入する。そして、電解処理を終えると、流路３を介して外部に放出される。また、電解槽１００内の陽極１１と陰極１２は、配線１３及び１４を介して電源６０と接続され、電解処理中、両電極間に所定の電流値が流される。
【０００４】
電源６０は直流電源であり、その正極は配線１３を介して電解槽１００の陽極１１に、負極は陰極１２に接続される。各電極１１及び１２は、白金メッキのチタン電極が好ましいが、これに限定するものではなく、例えば、鉄材などで作られた電極などでもよい。隔膜３０は、通常、電解に対して安定な多孔質膜が用いられる。この隔膜３０は、処理される原水中のイオンについては陽極室１０と陰極室２０の間を通すが、各電極室で発生するガスについては通さないものである。
【０００５】
この排水処理装置では、電解酸化による排水処理中、陽極から主として酸素及び塩素（次亜塩素酸、次亜塩素酸イオン）が発生し（図において矢印５）、ＣＯＤなどの有機物や窒素化合物が酸化される。また、陰極では、主に水素が発生し（図において矢印６）、硝酸イオンが還元される。従来の排水処理装置は、各電極から発生した気体（ガス）をそのままあるいは排気ガスの排気管（以下、排気管５，６のように記載する）を介して外部に放出され、すなわち、捨てられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の排水処理装置では、陽極１１から発生する次亜塩素酸、次亜塩素酸イオンが変化した塩素ガス及び酸素ガスは気相に移動してしまうが、これは電解処理における損失である。すなわち、排出される塩素ガスは、水中の次亜塩素酸あるいは次亜塩素酸イオンがガス化したものであり、その損失した分だけ酸化剤としての利用効率を低下させることになる。従って、この気相に散逸してしまう塩素量が増加すると、それだけ電流効率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
また、陰極１２では、窒素化合物から生成する硝酸イオン、亜硝酸イオンが還元されるのであるが、それとともに大量の水素が発生してしまう。この水素の生成にも電流が消費されるのであるから、このことも電流効率が低下する原因と考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、陽極で発生する塩素ガスを処理前の原水に戻すとともに、残留する酸素ガスと陰極から発生する水素ガスとを有効に利用して発電し、その電力を排水処理装置の電源に供給することにより、系全体の電流効率を向上することができる排水処理装置及び排水処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一実施の形態における排水処理装置は、陽極と、陰極と、該電解槽を陽極室と陰極室とに分ける隔膜と、陽極室と陰極室をバイパスする流路を含む電解槽と、前記電解槽に電流を供給する電源と、前記陽極から発生する気体を気液接触により吸収する気体吸収手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、排水処理装置は、気体吸収手段を介して、電解酸化の処理中に陽極から発生する気体を気液接触により原水に吸収して、再度電解酸化処理に有効に利用する。したがって、この発明によって、本発明の排水処理装置は、電解槽から発生する排気ガスをクリーンにできるとともに、酸化剤を有効に再利用できるので、従来のものより系全体の電流効率を向上することができる。ここで、電源から供給されるのは、直流電流であり、以下の排水処理装置及び排水処理方法においても同様である。なお、本発明では電解槽は一つに限らず、複数の電解槽を用いてカスケード状に原水を処理してもよい。この場合、それに対応して、電源や気体吸収手段の数を変更することとなる。
【００１１】
また、前記陽極で発生する塩素の吸収を促進するために、排水処理する原水にアルカリ剤を添加する手段を更に備えてもよい。陽極から発生する塩素系の気体の量如何により、アルカリ剤を添加するか、添加する場合にはどの程度の量にすべきかが決定される。
【００１２】
さらに、上記本発明の排水処理装置のいずれかに、前記陰極から発生する気体を燃料とする燃料電池を更に備えてもよい。本発明の電解槽においては、陰極から主に水素が発生する。この水素を燃料として燃料電池で利用し、熱エネルギーとして回収するとともに、それを電気エネルギーに変換して前記電源に供給することにより、さらに電流効率を向上することができる。
【００１３】
なお、前記気体吸収手段により吸収されなかった残存気体を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段を更に備えてもよい。この残存気体は主に酸素であり、それは燃料電池の燃焼を助ける。したがって、この構成により、電流効率をさらに向上することができる。
【００１４】
また、もう一つの態様における本発明の排水処理装置は、陽極と、陰極と、該電解槽を陽極室と陰極室とに分ける隔膜と、陽極室と陰極室をバイパスする流路を含む電解槽と、前記電解槽に電流を供給する電源と、前記陰極から発生する気体を燃料とする燃料電池と、前記燃料電池で生成した電気エネルギーを前記電源に供給する手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、電気エネルギー供給手段により排気された気体から回収したエネルギーを電源に供給するので、その電気エネルギーを利用することによりエネルギー効率を向上することができる。
【００１６】
本発明のもう一つの態様において、本発明の一実施の形態における排水処理方法は、原水に電解で発生した酸化剤を接触させ吸収させる段階と、隔膜により陽極室と陰極室に隔てられた電解槽の陽極室に、酸化剤を吸収した原水を供給する段階と、陽極室と陰極室をバイパスする流路を介して、原水を陰極室に供給する段階と、陽極及び陰極に接続された電源により、電解槽に電流を供給する段階と、陽極室で発生した気体を陽極室に供給する前の原水と接触する段階と、を有することを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、陽極室で発生した気体、すなわち、塩素系の気体を処理前の原水と接触することにより、従来排気していた電解酸化処理中に気体として散逸する酸化剤を有効に再利用することができる。
【００１８】
また、本発明の排水処理方法は、前記電流供給段階以降に、陰極から発生する気体を燃料電池に誘導し、それを燃料として発電する段階と、前記発電段階において発電された電力を電源に供給する段階と、を更に有してもよい。
【００１９】
この発明によれば、陰極から発生する気体、すなわち、水素を燃料電池の燃料として利用し、その燃料電池で生成した電気エネルギーを電源に供給することによって、電解酸化処理中の電流効率を向上することができる。
【００２０】
さらに、前記発電段階は、前記接触段階において吸収されなかった残存気体を燃料電池に供給する段階を含んでもよい。この残存気体は酸素であり、燃料電池では酸化剤として利用される。
【００２１】
また、もう一つの態様における本発明の排水処理方法は、原水と電解で発生した酸化剤を接触吸収させる段階と、隔膜により陽極室と陰極室に隔てられた電解槽の陽極室に、酸化剤を注入された原水を供給する段階と、陽極室と陰極室をバイパスする流路を介して、原水を陰極室に供給する段階と、陽極及び陰極に接続された電源により、電解槽に電流を供給する段階と、陽極室で発生した気体を陽極室に供給する前の原水と接触する段階と、前記電流供給段階以降に、陰極から発生する気体を燃料電池に誘導し、それを燃料として発電する段階と、前記発電段階において発電された電力を電源に供給する段階と、を有することを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、従来排気していた陰極から発生する気体、すなわち、水素を燃料電池の燃料として利用し、それから回収した電気エネルギーを電源に供給するので、電解酸化処理中の電流効率を向上することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を参照して本発明に係る排水処理装置及び排水処理方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態は例示として挙げるものであり、これにより本発明を限定的に解釈すべきではない。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態における排水処理装置を示す。この図１において、本発明の排水処理装置は、従来の排水処理装置に比較して、気体吸収手段４０を更に備えている。なお、従来の排水処理装置と同一の構成要素は、同一の符号を付すとともに、その説明も省略する（以下、図２及び図３においても同様）。
【００２５】
処理原水は、流路１から電解槽１００の陽極室１０に流入するが、その前に、流路４を介して、アルカリ剤を添加され、さらに、気体吸収手段４０において陽極から発生する気体（主に、塩素系の気体と酸素）と気体・液体接触（気液接触）をする。これにより、陽極室１０で発生した酸化剤として機能するガス（塩素・酸素）を有効に利用できる。なお、原水にアルカリ剤を添加するか否かは、排気管５を介して排出される塩素系の気体の量に依存する。そのため、塩素などの発生量が少ない場合には、アルカリ剤を添加する必要がない。
【００２６】
前述したように、電解酸化の処理中、陽極室１０では、主に、塩素、次亜塩素酸、次亜塩素酸イオンなどが変化したの塩素系の気体と、酸素が発生する。発生した気体は、排気管５を介して、気体吸収手段４０に導入され、先に添加されたアルカリ剤と反応することにより塩素系の気体は原水内に溶け込む。しかし、液体への溶解度（溶解率）が低い酸素は、そのまま排気管７を介して外部に排気される。
【００２７】
陽極室１０において十分に酸化された原水は、流路２を介して陰極室２０に導入され、陰極１２において還元されてから、流路３を介して外部に放流される。このとき、陰極１２から発生した気体は、主に水素であるが（窒素なども含有する）、それはそのまま排気管６を介して外部に排気される。
【００２８】
このように、本発明における図１の排水処理装置では、陽極１１で発生する塩素系の気体を気体吸収手段４０によって吸収し、それを再度電解酸化処理することとしたので、気体として排気した酸化剤を有効に再利用することができるとともに、電解酸化処理における電流効率を向上することができる。また、このように、塩素系の気体を吸収した後に排気管７から外部に排出するので、電解酸化処理による排気ガスをクリーンにすることができる。なお、それでも酸化剤が不足するようであれば、処理原水に酸化剤を別途添加するようにしてもよい。
【００２９】
図２は、本発明の別の実施の形態における排水処理装置を示す。この図２において、本発明の排水処理装置は、従来の排水処理装置に比べ燃料電池５０を更に備える。この排水処理装置は、図１のものとは異なり、陰極１２から排出される気体である水素を有効に利用するものである。
【００３０】
原水は、上述のように、流路１から電解槽１００の陽極室１０に流入し、電解酸化処理を行いながら、流路２を介して陰極室２０へ、さらに流路３を介して放出される。このとき、陽極１１で発生した塩素や酸素は排気管５を介してそのまま排気される。それに対し、陰極１２で発生した水素は、排気管６を介して、燃料電池５０に供給される。
【００３１】
燃料電池５０は、水素などを燃焼させることにより発生した熱を、例えば、ガスタービンや蒸気タービンなどを電気エネルギーに変換するための装置であり、排気管６から供給される水素及び配管８から供給される空気を混合して燃焼し、熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する。この燃料電池５０における燃焼後の排気ガス（主に、水素と酸素が燃焼するので、水（Ｈ_２Ｏ）である）は、排気管９を介して外部に排気される。
【００３２】
燃料電池５０は、配線１５を介して電源６０に接続され、燃料電池５０において電気エネルギーとして回収されたエネルギーは、この配線１５を介して電源６０に供給される。
【００３３】
このように、本発明における図２の排水処理装置では、陰極１２で発生する水素を燃料として燃料電池５０に供給し、その燃料電池５０で発電した電気エネルギーを電源６０に供給する構成としたので、従来排気していたガスからエネルギーを回収できるとともに、そのエネルギーを電源６０に供給することにより、電解酸化処理における系全体の電流効率を向上することができる。
【００３４】
図３は、本発明のもう一つの実施の形態における排水処理装置を示す。この図３において、本発明の排水処理装置は、図１及び図２に示される排水処理装置を組み合わせたものである。すなわち、図３に示される排水処理装置は、図２に示される気体吸収手段４０と、図３に示される燃料電池５０とをともに備える。
【００３５】
原水の流れは、上述の図１及び図２と同様であるので、説明を省略する。陽極１１から発生する気体は、排気管５を介して気体吸収手段４０において原水と気液接触し、これにより、塩素系の気体は、処理前の原水内に吸収される。さらに残存する気体は、図１の排水処理装置とは異なり、排気管７を介して燃料電池５０に供給される。陰極１２から発生する気体は、図２の排水処理装置と同様に処理される。
【００３６】
気体吸収手段４０から排気管７に排出される気体は、主に酸素であり、この高濃度の酸素を燃料電池５０の酸化剤として用いることにより、燃料電池５０における燃焼効率を向上することができる。燃料電池５０内で起こる反応は、図２の排水処理装置と同様であり、排気管９を介して排気ガスとして排気される。
【００３７】
このように、本発明における図３の排水処理装置では、陽極１１から発生する酸素を燃料電池５０の酸化剤として有効に活用するので、上述の効果を奏するとともに、さらに電流効率を向上することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態においては、１つの電解槽１００を用いて原水を電解酸化処理する排水処理装置を示したが、本発明はこれに制限されず、複数の電解槽を用いて排水処理を行ってもよい。この場合、各電極から発生する気体を電解槽毎に回収して処理するか、すべての電解槽から排出される気体をまとめて処理するかは単なる設計事項にすぎない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来排気していた気体から酸化剤を回収して有効に再利用できるとともに、燃料電池に利用してエネルギーをも回収できるので、系全体の電流効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における排水処理装置を示す。
【図２】図２は、本発明の別の実施の形態における排水処理装置を示す。
【図３】図３は、本発明のもう一つの実施の形態における排水処理装置を示す。
【図４】隔膜を備える電界槽を利用する従来の排水処理装置を示す。
【符号の説明】
１００　　電解槽
１０　　陽極室
１１　　陽極
２０　　陰極室
１２　　陰極
３０　　隔膜
４０　　気体吸収手段
５０　　燃料電池

Claims

陽極と、陰極と、該電解槽を陽極室と陰極室とに分ける隔膜と、陽極室と陰極室をバイパスする流路と含む電解槽と、
前記電解槽に電流を供給する電源と、
前記陽極から発生する気体を気液接触により吸収する気体吸収手段と、
を備えることを特徴とする排水処理装置。
前記気体吸収手段は、前記陽極で発生する塩素を原水に吸収することを特徴とする請求項１記載の排水処理装置。
前記陽極で発生する塩素の吸収を促進するために、排水処理する原水にアルカリ剤を添加する手段を更に備えることを特徴とする請求項２記載の排水処理装置。
前記陰極から発生する気体を燃料とする燃料電池を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の排水処理装置。
前記気体吸収手段により吸収されなかった残存気体を前記燃料電池に供給する酸化剤供給手段を更に備えることを特徴とする請求項４記載の排水処理装置。
陽極と、陰極と、該電解槽を陽極室と陰極室とに分ける隔膜と、陽極室と陰極室をバイパスする流路を含む電解槽と、
前記電解槽に電流を供給する電源と、
前記陰極から発生する気体を燃料とする燃料電池と、
前記燃料電池で生成した電気エネルギーを前記電源に供給する手段と、
を備えることを特徴とする排水処理装置。
原水に酸化剤を添加する段階と、
隔膜により陽極室と陰極室に隔てられた電解槽の陽極室に、酸化剤を注入された原水を供給する段階と、
陽極室と陰極室をバイパスする流路を介して、原水を陰極室に供給する段階と、
陽極及び陰極に接続された電源により、電解槽に電流を供給する段階と、
陽極室で発生した気体を陽極室に供給する前の原水と接触する段階と、
を有することを特徴とする排水処理方法。
前記電流供給段階以降に、陰極から発生する気体を燃料電池に誘導し、それを燃料として発電する段階と、
前記発電段階において発電された電力を電源に供給する段階と、
を更に有することを特徴とする請求項６記載の排水処理方法。
前記発電段階は、前記接触段階において吸収されなかった残存気体を燃料電池に供給する段階を含むことを特徴とする請求項７記載の排水処理方法。
原水に酸化剤を注入する段階と、
隔膜により陽極室と陰極室に隔てられた電解槽の陽極室に、酸化剤を注入された原水を供給する段階と、
陽極室と陰極室をバイパスする流路を介して、原水を陰極室に供給する段階と、
陽極及び陰極に接続された電源により、電解槽に電流を供給する段階と、
陽極室で発生した気体を陽極室に供給する前の原水と接触する段階と、
前記電流供給段階以降に、陰極から発生する気体を燃料電池に誘導し、それを燃料として発電する段階と、
前記発電段階において発電された電力を電源に供給する段階と、
を有することを特徴とする排水処理方法。