JP2006015253A - 電解法による排水処理方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的小規模な処理設備で、たとえ汚濁物質中に安定なシアン化合物が含まれていても、シアンを所望どおりに除去でき、かつ、電解処理後の排水をそのまま放出することも可能な電解法による排水処理方法と装置の提供。
【解決手段】 アルミニウムイオンを溶出する電極３を用いて排水Ｗを電解して浮上分離した物質Ｍ１を除去する排水処理方法で、電極３による電解処理を一次電解処理とし、一次電解処理後の処理排水Ｗ１に不溶性の電極５を用いて二次電解して浮上分離した物質Ｍ２を除去する方法と、汚濁物質を含む排水Ｗを収容する電解槽１とアルミニウムイオンを溶出する電極３が設けられた排水処理装置で、電解槽１を一次電解槽として、電解処理後の処理排水Ｗ１を収容する二次電解槽２を備え、処理排水Ｗ１に不溶性の電極５が二次電解槽２内に設けられ、両電解槽１，２を連通する連通路１４が設けられている装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、懸濁物質、油分、シアン化合物、重金属などの各種の汚濁物質を含む排水を処理する技術、特に、これらの汚濁物質の中でもシアン化合物を含む排水を処理するのに適した技術に関する。
より詳しくは、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極を用いて汚濁物質を含む排水を電解し、その電解により浮上分離した物質を除去して処理する電解法による排水処理方法、および、汚濁物質を含む排水を収容する電解槽を備え、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極が前記電解槽内に設けられている電解法による排水処理装置に関する。

例えば、シアン化合物を含む排水を処理する方法として、従来、アルカリ塩素法や電解酸化法による酸化分解が用いられてきた。
しかし、酸化分解による処理の場合、その対象がシアンイオンに限定され、鉄錯体のような安定なシアン化合物の処理には有効でないことが知られている。
そこで、現在、紺青法あるいは亜鉛白法といった凝集沈殿法が主に使われており、凝集沈殿法は、懸濁物質を含む排水でも処理可能であるなど有効な技術である（凝集沈殿法に言及した適切な特許文献は見当たらない）。

しかしながら、凝集沈殿法は、多量の凝集剤を添加する必要があり、そのため、排水処理後に多量の汚泥が発生するという問題があるばかりか、非常に複雑かつ大規模な処理設備が必要となって、少量の排水が発生する場合や、短期間だけ排水が発生するような場合にそのような設備を設置することは困難となり、このようなケースでは産業廃棄物として処理されることが多いのが実態であった。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するため、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極を用いる電解浮上分離法についての検討を行った。
その結果、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極を用いて汚濁物質を含む排水を電解し、その電解により浮上分離した物質を除去する排水処理方法では、比較的小規模な処理設備で済み、その上、たとえ汚濁物質中に鉄錯体のような安定なシアン化合物が含まれていても、シアンを所望どおりに除去できることが明らかとなった。
しかし、排水中にアルミニウムイオンが多量に溶出するため、電解処理後の排水に顕著な濁りが生じ、その濁りが排水の水質基準を上回るために、電解処理後の排水をそのまま外部へ放出することができないという新たな課題が浮上した。

本発明は、このような経過を経て完成に至ったもので、その目的は、比較的小規模な処理設備で、しかも、たとえ汚濁物質中に安定なシアン化合物が含まれていても、シアンを所望どおりに除去でき、かつ、電解処理後の排水をそのまま放出することも可能な電解法による排水処理方法と装置を提供することにある。

本発明の第１の特徴構成は、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極を用いて汚濁物質を含む排水を電解し、その電解により浮上分離した物質を除去して処理する電解法による排水処理方法であって、前記アルミニウムイオンを溶出する電極による電解処理を一次電解処理として、その一次電解処理後の処理排水に不溶性の電極を用いて前記処理排水を二次電解し、その二次電解により浮上分離した物質を除去して処理するところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極を用いて汚濁物質を含む排水を電解し、その電解により浮上分離した物質を除去して処理するので、比較的小規模な処理設備で済み、凝集剤も不要もしくは少量で済むために汚泥発生量が少なく、しかも、後述する実験結果から明らかなように、たとえ汚濁物質中に鉄錯体のような安定なシアン化合物が含まれていても、シアンを所望どおりに除去できる。
そして、そのアルミニウムイオンを溶出する電極による電解処理を一次電解処理として、一次電解処理後の処理排水に不溶性の電極を用いて処理排水を二次電解し、その二次電解により浮上分離した物質を除去して処理するので、二次電解処理後の処理排水に生じる濁りが抑制される。
つまり、一次電解処理後の処理排水中には、一次電解処理時に溶出したアルミニウムイオンが多量に含まれており、そのアルミニウムイオンが二次電解時において有効に消費されるので、二次電解によってシアンのみならず、懸濁物質、油分、重金属などの各種の汚濁物質の除去が促進されるとともに、二次電解処理後の処理排水に生じる濁りが抑制され、場合によっては、その二次電解処理後の処理排水をそのまま外部へ放出することも可能となる。

本発明の第２の特徴構成は、上述した排水処理方法において、前記汚濁物質を含む排水のｐＨを３以下に調整して前記一次電解処理を実行するところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、汚濁物質を含む排水のｐＨを３以下に調整して一次電解処理を実行するので、後述する実験結果から明らかなように、シアンをはじめとして、各種の汚濁物質をより一層効率良く除去することができる。

本発明の第３の特徴構成は、上述した排水処理方法において、前記汚濁物質がシアン化合物を含むところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、汚濁物質がシアン化合物を含むので、有害なシアンを確実に除去することができる。

本発明の第４の特徴構成は、汚濁物質を含む排水を収容する電解槽を備え、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極が前記電解槽内に設けられている電解法による排水処理装置であって、前記電解槽を一次電解槽として、その一次電解槽内での電解処理後の処理排水を収容する二次電解槽を備え、前記処理排水に不溶性の電極が前記二次電解槽内に設けられるとともに、前記一次電解槽と二次電解槽を連通する連通路が設けられているところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、汚濁物質を含む排水を収容する電解槽を備え、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極がその電解槽内に設けられているので、この電解槽と電極を使用して、上記第１の特徴構成において記述した一次電解処理を実行することができる。
そして、この電解槽を一次電解槽として、その一次電解槽内での電解処理後の処理排水を収容する二次電解槽を備え、前記処理排水に不溶性の電極が二次電解槽内に設けられているので、二次電解槽と処理排水に不溶性の電極を使用して、上述した二次電解処理を実行することができるとともに、一次電解槽と二次電解槽を連通する連通路が設けられているので、一次電解処理と二次電解処理を連続的に実行して、シアンをはじめとする各種の汚濁物質の除去を能率良く行うことができる

本発明の第５の特徴構成は、上述した排水処理装置において、前記一次電解槽と二次電解槽が並設されて、電解処理により浮上分離した物質を除去する掻き取り装置が、前記一次電解槽と二次電解槽内の上方に設けられているところにある。

本発明の第５の特徴構成によれば、一次電解槽と二次電解槽が並設されて、電解処理により浮上分離した物質を除去する掻き取り装置が、一次電解槽と二次電解槽内の上方に設けられているので、例えば、一次電解槽用の掻き取り装置と二次電解槽用の掻き取り装置を一体化し、かつ、ひとつの駆動装置で駆動するように構成することができ、掻き取り装置の構成とその駆動系を簡略化することができる。

本発明の第６の特徴構成は、上述した排水処理装置において、前記アルミニウムイオンを溶出する電極が、前記一次電解槽の一側方に配置されて上下方向に抜き差し自在に構成されているところにある。

本発明の第６の特徴構成によれば、アルミニウムイオンを溶出する電極が、一次電解槽の一側方に配置されて上下方向に抜き差し自在に構成されているので、一次電解槽内に処理すべき排水を収容したままで、アルミニウムイオンの溶出により消耗した電極の取り替えを容易に行うことができる。

本発明の電解法による排水処理方法と排水処理装置につき、その実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の電解法による排水処理装置は、図１の原理図に示すように、懸濁物質、油分、シアン化合物、重金属などの各種の汚濁物質を含む排水Ｗを収容する一次電解槽１と、その一次電解槽１内で電解処理した後の一次処理排水Ｗ１を収容する二次電解槽２を備えている。
一次電解槽１内には、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極、具体的には、アルミニウム製の陽極と陰極で構成される一対の電極３が多数対配置されて、一次電解用電源４に接続され、二次電解槽２内には、一次処理排水Ｗ１に不溶性の電極、具体的には、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）の合金からなる陽極とステンレスからなる陰極で構成される一対の電極５が多数対配置されて、二次電解用電源６に接続されている。

一次電解槽１は、側面視においてほぼ直角三角形に近い形状を有し、その直角部分を挟む一辺をほぼ水平方向に向け、他辺をほぼ垂直方向に向けて配置され、多数対のアルミニウム製の電極３が、一次電解槽１の一側方である垂直壁に沿って、かつ、その上方の一部を排水Ｗの水面から突出させて配置されるとともに、上下方向に抜き差し自在に構成されている。
その一次電解槽１の内部は、分離板７によって上方に位置する循環部８と下方に位置する沈降部９に分離され、循環部８側に電極３が配置されるとともに、循環促進用の傾斜板８ａが複数枚配置されて、電極３の下方に排水Ｗの流入口１０が設けられ、沈降部９の下方に一次処理排水Ｗ１の流出口１１が設けられている。

二次電解槽２も、一次電解槽１と概ね同じような形状を有していて、一次処理排水Ｗ１に不溶性の電極５が、その二次電解槽２内の比較的下方に配置されている。
その二次電解槽２において、その側方には一次処理排水Ｗ１の流入口１２が設けられ、下方には二次処理排水Ｗ２の流出口１３が設けられていて、二次電解槽２の流入口１２と一次電解槽１の流出口１１が、連通路１４を介して互いに連通接続されている。
その一次電解槽１の流入口１０には、ポンプ１５を介してｐＨ調整容器１６が連通接続され、ｐＨ調整容器１６には、ｐＨセンサ１７ａを有するｐＨ調整装置１７や攪拌具１８などが設けられ、供給管１９から排水Ｗが供給されるように構成されている。

そして、一次電解槽１の上方には、一次電解処理により排水Ｗ上に浮上分離した物質Ｍ１を除去するレーキ状の第１掻き取り装置２０が排水Ｗの水面に沿って往復移動自在に設けられ、二次電解槽２の上方には、二次電解処理により一次処理排水Ｗ１上に浮上分離した物質Ｍ２を除去するレーキ状の第２掻き取り装置２１が一次処理排水Ｗ１の水面に沿って往復移動自在に設けられている。
ただし、実際の実施に際しては、図２に示すように、一次電解槽１と二次電解槽２が互いに隣接する状態で並設され、かつ、第１掻き取り装置２０と第２掻き取り装置２１がひとつのレーキ部材により構成されて、ひとつの動力源により一体的に往復移動するように構成されている。

つぎに、この電解法による排水処理装置の作用を説明するとともに、電解法による排水処理方法について言及する。
まず、処理すべき排水Ｗは、供給管１９からｐＨ調整容器１６に供給されて、排水ＷのｐＨが調整される。具体的には、ｐＨ調整容器１６内の排水Ｗに対してｐＨ調整装置１７から塩酸が添加され、ｐＨセンサ１７ａによりｐＨ値を検出しながら攪拌具１８で攪拌されて、例えば、排水ＷがｐＨ３程度に調整される。
ｐＨ３程度に調整された排水Ｗは、ポンプ１５の作動により流入口１０から一次電解槽１内に供給され、循環部８において傾斜板８ａの作用により循環されながら、アルミニウム製の電極３により一次電解処理される。

この一次電解処理においては、アルミニウム製の電極３から溶出したアルミニウムイオンによる凝集作用と発生気泡による浮上分離作用によって汚濁物質が分離して浮上し、その排水Ｗ上に浮上分離した物質（フロック）Ｍ１が、第１掻き取り装置２０により掻き取り除去され、物質Ｍ１が除去された後の一次処理排水Ｗ１は、流出口１１から連通路１４を通流し、流入口１２を経て二次電解槽２内に供給される。
一次処理排水Ｗ１は、二次電解槽２内において循環されながら、チタンと白金の合金からなる一次処理排水Ｗ１に不溶性の電極５により二次電解処理される。
この二次電解処理では、電極５の表面における酸化分解と発生気泡による浮上分離作用で汚濁物質が分離して浮上し、その浮上分離した物質（フロック）Ｍ２が、第２掻き取り装置２１により掻き取り除去され、二次電解処理後の二次処理排水Ｗ２は、流出口１３を通って装置外へ排出され、必要な場合には適当な処理が施され、必要がなければそのまま外部へ放出される。

本発明による排水処理方法の効果を確認するため、種々の実験を行ったので、その一部について言及する。
一次電解槽１として、図１の右側に示すようなほぼ直角三角形に近い形状の電解槽を準備し、一次電解用の電極３として、厚さ３ｍｍ、面積１４４０ｃｍ²（このうち、液中面積は１３４０ｃｍ²）のアルミニウム製電極を使用した。
一次電解槽１への排水Ｗの流入速度は１００Ｌ／ｈｒ（１．７Ｌ／ｍｉｎ）とし、電極間空隙の容積が１３Ｌであることから、電極との接触時間は７．８ｍｉｎであった。
排水Ｗとしての試料は、地中から採取した地下水にフェロシアン化カリウムを添加し、シアン濃度が１０ｍｇ−ＣＮ／Ｌとなるように調整したものを用いた。ただし、地下水の状況等によってシアン濃度が変動することから、実験の度に原水を採取し、原水中のシアン濃度を分析した。
試料液中のシアン濃度は、液中の懸濁物質中に含まれるシアンも含むシアン濃度を測定することとし、ＪＩＳ−Ｋ０１０２「工場排水試験方法」３８．１．２全シアン(ｐＨ２以下で発生するシアン化水素)に従って蒸留し、全自動シアン測定装置（アナテック・ヤナコ製Ｔ−ＣＮ５０１）を使用して、３８．４イオン電極法に従って定量した。

まず、原水ｐＨ、電流、電極間隔（電圧）をパラメータとし、図３の図表に示す各条件について実験を行った。
一次電解槽へ１００Ｌ／ｈｒの流速で原水を供給し、条件３、すなわち、原水のｐＨを調整することなく処理を行った。このときの原水のｐＨは７であった。その結果、３時間後には大量のフロックが取水口に蓄積し、全く処理できない状態となった。このとき、原水中シアン濃度９．３８ｍｇ−ＣＮ／Ｌに対し、６．５時間処理後の処理水中シアン濃度は７．７２ｍｇ−ＣＮ／Ｌとほとんどシアン化合物が除去できていないことが明らかとなった。

そこで、原水に塩酸を添加し、ｐＨを３に調整した後、一次電解槽へ供給した。その結果、２４時間後でもフロックがあまり析出せず、６．５時間処理後のシアン濃度も１０．０８から１．１９ｍｇ−ＣＮ／Ｌとなってかなりの改善が見られた。これは、溶出したアルミニウムイオンが下記［数１］の反応により水酸化アルミニウムと平衡状態になるが、ｐＨ４以上ではほとんどアルミニウムイオンの状態で存在することができないのに対し、ｐＨ３ではかなり高濃度のアルミニウムイオンが液中に存在し、これが凝集剤としての働きをするためであると考えられる。

（数１）
Ａｌ³⁺＋３ＯＨ^-←→Ａｌ（ＯＨ）₃

しかし、この条件においても取水口に徐々にフロックが蓄積しており、また、処理水中のシアン濃度も排水基準の１ｍｇ−ＣＮ／Ｌを超過していることから、十分な処理性能を持っているとは言えない。

このような経過を経て、アルミニウム製の電極による一次電解処理だけでは確実に目標の水質まで処理することは困難と判断し、アルミニウム製の電極で処理した後の一次処理排水をその一次処理排水に不溶性の電極で二次電解処理することとした。
その際に使用したのが図１および図２に示した装置であり、アルミニウム製の電極による一次電解槽と不溶性の電極による二次電解槽を一体化させ、両方の槽の液面に浮上分離した物質をひとつの掻き取り装置で同時に掻き取ることのできる構造とした。
このような装置に原水を流速１００Ｌ／ｈｒで供給し、一次側電極へ２０Ａ（電圧約８Ｖ）、二次側電極へ４Ａ（電圧約７Ｖ）の電流を流して電解処理した結果、二次処理排水はほぼ無色透明の状態まで処理され、６時間半処理後のシアン濃度は０．２８ｍｇ−ＣＮ／Ｌと排水基準を大きく下回るレベルまで除去することができた。

上述のように、排水基準を下回る水質を得られる装置が完成したのを受け、条件を変えて処理することにより処理水質に影響を与えるパラメータを明らかにした。
なお、原水ｐＨ３、電流２０Ａ、電極間隔３３ｍｍを標準の条件とし、これまでに実施した処理条件を図３の図表に示し、その結果を図４の図表および図５の図表に示す。
この実験の結果は以下の通りであった。
（１）電流を１０Ａにすると、二次処理排水のシアン濃度が１．４２ｍｇ−ＣＮ／Ｌと高くなった。
（２）原水ｐＨ無調整（ｐＨ７）ではほとんど処理できず、ｐＨ４でも二次処理排水のシアン濃度が１．９８ｍｇ−ＣＮ／Ｌと排水基準を下回ることができなかった。
（３）電極間隔を縮め電圧を３Ｖにすると、標準条件と同じ２０Ａの電流を流しているにもかかわらず、二次処理排水濃度が２．８３ｍｇ−ＣＮ／Ｌと高くなった。
以上の結果から、以下のことが明らかとなった。
（１）電流値は１００Ｌ／ｈｒの排水に対し１０Ａでは不十分であり、２０Ａで十分である。
（２）排水のｐＨは３以下にすることが好ましい。
（３）電圧は高いほうが好ましく、電圧５Ｖ以下では十分な処理性能が得られない。低い電圧で十分な処理性能が得られない理由は、電圧が低いと十分な水の電気分解が起こらず、生成したフロックを浮上させるために十分な気泡が発生しないためと考えられる。

その他、浮上分離した物質の発生量なども測定し、その発生量などを図４の図表に併記した。例えば、その物質は、標準の条件で排水１ｍ³当たり９．２３ｋｇ発生した。この物質は、気泡を多く含むために比重が０．３５と軽く、含水率は９６．７％であった。
また、条件1において排水基準を大幅に下回る水質の処理排水を得ることに成功したことを受け、同条件により２４時間連続処理を行った。
その結果、原水中シアン濃度９．０１ｍｇ−ＣＮ／Ｌに対して２４時間後の二次処理排水中シアン濃度が０．２１ｍｇ−ＣＮ／Ｌとなり、長時間連続的に処理しても高い処理性能が維持されることが確認できた。

以上の結果をまとめると、鉄シアン錯体のような安定なシアン化合物を含む排水を処理する技術として、電解浮上分離法を活用した排水処理技術の開発を行い、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極により一次電解処理を行った後、不溶性電極により二次電解処理を行うというこれまでにない新規な処理装置を開発するに至った。
原水のｐＨを３以下に調整した後に処理することにより、１０ｍｇ−ＣＮ／Ｌという高濃度の鉄シアン錯体を含む排水を排水基準を大きく下回るレベルまで処理することができ、また、原水ｐＨ以外に処理性能に影響を与える因子として電流、電圧があることが明らかとなった。
電解浮上分離法には、排水中に含まれる有害イオン以外に油分や懸濁物質を同時に除去できるという特徴があり、これらの物質で複合汚染された排水の処理に多大な威力を発揮するものと期待され、また、凝集沈殿法と比較して大幅にコンパクトな装置とすることが可能であることから、これまで産業廃棄物として廃棄されていたような小規模の排水処理現場への適用に有効である。

〔別実施形態〕
（１）先の実施形態では、一次電解用の電極としてアルミニウム製の陽極と陰極で構成された一対の電極を示したが、少なくとも陽極のみがアルミニウム製の電極またはアルミニウムイオンを溶出する電極であればよく、本明細書においては、これらを含めて「主としてアルミニウムイオンを溶出する電極」と総称する。
また、このアルミニウムイオンを溶出する電極３の一部を排水Ｗの水面から上方へ突出させて上下方向に抜き差し自在に構成した例を示したが、上下方向に抜き差し自在であれば、必ずしも電極３の一部を排水Ｗの水面から上方へ突出させる必要はない。例えば、電極３を上方から吊下げ支持したり、電極３から上方に向けて取り替え用の把持部を連設すれば、電極３全体を排水Ｗの水面下に位置させることもでき、さらに、把持部などがなくても、各種の工具類を使用して水面下に位置する電極３を上下方向に抜き差しして取り替えることもできる。

（２）先の実施形態では、二次電解用の電極としてチタンと白金の合金からなる陽極とステンレスからなる陰極で構成される一対の電極を示したが、電極から何も溶出せず気泡のみを発生する電極の対であればよく、本明細書においては、これらを含めて「一次処理排水に不溶性の電極」と総称する。

電解法による排水処理装置の原理図 電解法による排水処理装置の斜視図 実験の条件を示す図表 実験の結果を示す図表 実験の結果を示す図表

符号の説明

１ 一次電解槽
２ 二次電解槽
３ 主としてアルミニウムイオンを溶出する電極
５ 処理排水に不溶性の電極
１４ 連通路
２０，２１ 掻き取り装置
Ｍ１，Ｍ２ 電解処理により浮上分離した物質
Ｗ 汚濁物質を含む排水
Ｗ１ 処理排水

Claims (6)

1. 主としてアルミニウムイオンを溶出する電極を用いて汚濁物質を含む排水を電解し、その電解により浮上分離した物質を除去して処理する電解法による排水処理方法であって、
   前記アルミニウムイオンを溶出する電極による電解処理を一次電解処理として、その一次電解処理後の処理排水に不溶性の電極を用いて前記処理排水を二次電解し、その二次電解により浮上分離した物質を除去して処理する電解法による排水処理方法。
2. 前記汚濁物質を含む排水のｐＨを３以下に調整して前記一次電解処理を実行する請求項１に記載の電解法による排水処理方法。
3. 前記汚濁物質がシアン化合物を含む請求項１または２に記載の電解法による排水処理方法。
4. 汚濁物質を含む排水を収容する電解槽を備え、主としてアルミニウムイオンを溶出する電極が前記電解槽内に設けられている電解法による排水処理装置であって、
   前記電解槽を一次電解槽として、その一次電解槽内での電解処理後の処理排水を収容する二次電解槽を備え、前記処理排水に不溶性の電極が前記二次電解槽内に設けられるとともに、前記一次電解槽と二次電解槽を連通する連通路が設けられている電解法による排水処理装置。
5. 前記一次電解槽と二次電解槽が並設されて、電解処理により浮上分離した物質を除去する掻き取り装置が、前記一次電解槽と二次電解槽内の上方に設けられている請求項４に記載の電解法による排水処理装置。
6. 前記アルミニウムイオンを溶出する電極が、前記一次電解槽の一側方に配置されて上下方向に抜き差し自在に構成されている請求項４または５に記載の電解法による排水処理装置。

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