JP2006051487A

JP2006051487A - 水浄化用電極、それを用いた水浄化方法、及び排水処理システム

Info

Publication number: JP2006051487A
Application number: JP2004290492A
Authority: JP
Inventors: Toshio Yamane; 俊男山根
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】陰極と陽極の間に隔膜を必要とせず、簡便な電極構成により有効塩素を効率よく発生させることが可能な水浄化用電極、それを用いた水浄化方法及び排水所処理システムを提供する。
【解決手段】陰極１が金属１２と炭素繊維シート１１の積層体からなり、陽極２と対峙してなる水浄化用電極１０、及び前記水浄化用電極が装填された非隔膜式電解槽において、水と塩化ナトリウムの存在下で、塩化ナトリウムの電解により有効塩素を発生させる水浄化方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、非隔膜式電解槽に好適に用いられる水浄化用電極、それを用いた水浄化方法及び排水処理システムに関する。

従来、水処理分野での塩素系物質の利用は、主として次亜塩素酸、次亜塩素酸塩、イソシアヌル酸などが知られており、これらの塩素系物質を用いた薬剤を添加することで殺菌・浄化に利用されてきた。

一方近年、電極を用いて塩素を生成し、水処理を行う方法が増加しており、例えば、特許文献１には、オンサイト方式の隔膜式電解層を用いた方法による水処理剤の製造法として、陽イオン交換膜により陽極室と陰極室に仕切られてなる隔膜式電解槽にて、陽極室に塩化アルカリ溶液、陰極室に水を供給しながら塩化アルカリの分解率５０〜７０％で電解を行い、上記電解槽から陽極液、陰極液および塩素ガスを反応槽へ導いて反応させ、有効塩素濃度２〜６重量％の次亜塩素酸アルカリを含む水処理剤を製造する方法において、使用する陽極が金属チタンまたはその合金からなる導電性基材上に白金族金属またはその酸化物を含む電極活性物質からなる被覆層を被着してなり、使用するイオン交換膜は交換基としてスルホン酸基のみを有し、得られる塩化アルカリ溶液中の不純物Ｃａ2+およびＭｇ2+の濃度が１．０〜１０．０ｐｐｍの範囲にある水処理薬剤の製造法が開示されている。

しかしながら、上記従来の塩素系物質を用いた薬剤を添加する方法では、例えば、次亜塩素酸ナトリウムのＬＤ５０値は１２ｍｇ／ｋｇと毒劇物に匹敵する高い毒性を持っていることなど、通常、塩素系物質の取り扱いに多大な注意を要し、その取り扱いには熟練した専門家を必要とするなどの問題があった。

また、特許文献１に記載のような、隔膜式電解層を用いる方法では、一般にその装置及びシステムの構造が複雑であり、そのため設備導入に費用がかかる問題や、設備のメンテナンスに手間がかかるといった問題があった。

特開平２００３−２９３１７８号公報

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、陰極と陽極の間に隔膜を必要とせず、簡便な電極構成により有効塩素を効率よく発生させることが可能な水浄化用電極、それを用いた水浄化方法及び排水処理システムを提供することにある。

請求項１記載の水浄化用電極は、陰極が金属と炭素繊維シートの積層体からなり、陽極と対峙してなることを特徴とする。

請求項２記載の水浄化方法は、請求項１記載の水浄化用電極が装填された非隔膜式電解槽において、水と塩化ナトリウムの存在下で、塩化ナトリウムの電解により有効塩素を発生させることを特徴とする。

請求項３記載の排水処理システムは、生物処理工程と、該生物処理工程で発生する汚泥を沈殿除去する沈殿工程と、上記請求項２記載の水浄化方法で汚泥を減量する工程と、減量した汚泥を生物処理工程に戻す工程とを有することを特徴とする。

請求項４記載の排水処理システムは、請求項３記載の排水処理システムにおいて、減量される汚泥が生物処理工程で発生した汚泥、及び／又は、沈殿工程で除去された汚泥であることを特徴とする請求項３記載の排水処理システムである。

以下、本発明を詳細に説明する。
請求項１の水浄化用電極は、陰極が金属と炭素繊維シートの積層体からなり、陽極と対峙してなるものである。

上記電極によれば、陰極と陽極の間に隔膜を要しない非隔膜式電解槽において、水と塩化ナトリウムの存在下で通電することで、塩化ナトリウムの電解により効率よく有効塩素を発生させることができ、水浄化を行うことができる。

即ち、陰極が金属と炭素繊維シートの積層体からなるので、上記電解により陽極で発生した塩素（以下、Ｃｌ_２とも記す）は陰極を構成する炭素繊維シートの繊維内に吸着され易くなる。一方、陰極を構成する金属表面では水酸基（以下、ＯＨ−とも記す）が発生し、積層された炭素繊維シートに吸着された近傍のＣｌ2と反応して、例えば、次亜塩素酸イオン（以下、ＣｌＯ−とも記す）などの有効塩素を効率よく発生することができる。

因みに、陰極が金属と炭素繊維シートの積層体ではなく金属のみの場合には、Ｃｌ_２は陰極近傍に滞留し難くなり、上記に比べてＣｌＯ−の発生量が低下するとともに、Ｃｌ_２はガスとして系外に散逸しやすくなる。また、陰極が炭素繊維シートのみの場合には、陰極表面への還元電流の供給が不十分になり効率が低下することに加えて、炭素繊維シートが柔らか過ぎるために取り扱いが困難になる。

上記陰極に用いられる金属の種類としては、特に限定されないが、有効塩素によって腐食を受けにくく水の電気分解に有利なものが好ましく、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）が好適である。中でも耐腐食性に優れる点でＳＵＳ３１６であることがより好ましい。

上記陰極に用いられる炭素繊維シートとしては、特に限定されず、例えば、市販の産業用炭素繊維素材が用いられた炭素繊維シートなどが挙げられる。シートの形態としては、例えば、不織布、織布、フェルト、マット、紙などが挙げられ、特に限定されない。

上記炭素繊維の前駆物質としては、例えば、アクリル系、ビニロン系、フェノール系、セルロース系などの有機繊維などが挙げられる。また、費用が許すならば、高い吸着能を有する賦活化された活性炭素繊維を用いることも有効である。

金属と炭素繊維シートの積層形態としては、例えば、金属の片面または両面に炭素繊維シートが積層されたものであってもよく、また、炭素繊維シートの片面又は両面に金属が積層されたものであってもよい。積層面は双方の全面に積層されてものでもよいし一部に積層されたものであってもよい。

また、上記における金属の形態は、板状に限らず丸棒状や多角形の棒状であってもよいし、また、パンチングメタルなどの有孔状、或いは網状のものであってもよい。

本発明における陽極の材料としては、特に限定されないが、メンテナンスの点から、金属溶出が少ない金属材料が好ましく、例えば、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、若しくはそれらの混合物など、所謂白金属元素からなるものが好ましい。

しかし、陽極全体に上記材料を用いると高価になるため、溶液と接触しない陽極内部にチタンなどの金属を用い、少なくともその表面が上記白金系元素からなるものがより好ましい。従って、チタンなどの金属を基材としてその表面に白金系元素を焼成若しくはメッキなどによりコーティングしたものが最適である。

請求項２の水浄化方法は、上記水浄化用電極が装填された非隔膜式電解槽において、水と塩化ナトリウムの存在下で、塩化ナトリウムの電解により有効塩素を発生させる。上記水浄化用電極を用いることにより、陰極と陽極の間に隔膜を必要とせず、簡便な電極構成により有効塩素を効率よく発生させることが可能となる。

従って、電解槽に導入された被分解物は、上記により発生する有効塩素により二次的に酸化を受け、効率的に分解される。また、電解槽内の塩化ナトリウムは導電率を高める電解質としての役割も発揮することができる。

上記において、塩化ナトリウムが水中に残存成分として存在する場合は、通常、改めて塩化ナトリウムを添加する必要はないが、被分解物質の種類や濃度、所望する分解率によっては適宜添加することも可能である。

また、上記方法において、電極の設置数、通電の面積、電流、電圧などの諸条件についても、被分解物質の種類や濃度、所望する分解率によって適宜選択されるが、電圧としては、電極の破壊電圧未満、塩素過電圧及び酸素過電圧以上とすること、また、電流としては、陽極に用いられた白金属元素の寿命の点で、被覆厚みとのバランスを考慮して選択することが好ましい。本発明者の検討によれば、例えば、被分解物を有機汚泥として、電流密度０．０４Ａ／ｃｍ2を３か月にわたり連続的に白金−イリジウム陽極に印加した場合、被膜厚み０．３μｍの消失が観測される。

請求項３の排水処理システムは、生物処理工程と、該生物処理工程で発生する汚泥を沈殿除去する沈殿工程と、上記請求項２記載の水浄化方法で汚泥を減量する工程と、減量した汚泥を生物処理工程に戻す工程とを有するものである。

生物処理工程と、該生物処理工程で発生する汚泥を沈殿除去する沈殿工程とを有する排水処理システムにおいては、生物処理工程で処理される時に、排水中の水質汚濁物質の一部が汚泥化され、汚泥量が増加する。生物処理工程で処理された廃水は、適宜沈殿工程に導いて汚泥を分離し、懸濁物（ＳＳ）値が水質基準値以下の処理水として放流される。一方、沈殿工程で分離された濃縮汚泥は、一部は生物処理工程に返送されるが、排水処理が行われると、経時と共に増大するので、沈殿工程の汚泥分離能力を確保するために、定期的に排水処理システムから除去される。

生物的酸素消費量（ＢＯＤ）値やｎ−ヘキサン抽出物質濃度等の水質を水質基準値以下に保つためには、生物処理工程を高濃度汚泥として排水処理をすることが一般的に行われる。しかしながら、高濃度汚泥の場合であると、沈殿工程で分離される汚泥量が通常の場合よりも更に増大する。この増大した汚泥は、生物処理工程に返送する汚泥量を増やすか、頻繁に汚泥の除去をしなければ、沈殿工程が能力オーバーとなってしまう。

汚泥の返送量を一定量に保ち、生物処理工程における汚泥濃度を安定させるためには、発生した汚泥を一定量づつ消滅させ、返送汚泥量を所定の量にコントロールすれば良い。汚泥を減量する工程で用いられる請求項２の水浄化方法においては、電解槽に導入された被分解物（この場合は生物処理工程で発生する汚泥）は、塩化ナトリウムの電解により発生する有効塩素により、効率的に酸化分解解されてその一部が消滅し、濃度を減じる。

濃度を減じられた汚泥は生物処理工程に返送され、再び所定の高濃度汚泥となって排水処理に供せられる。従って、汚泥を減量する工程で消滅すべき汚泥量は、返送汚泥が生物処理工程に戻された時に、生物処理工程における汚泥濃度が所定の濃度となるように処理量をコントロールされると良い。

請求項４の排水処理システムは、請求項３記載の排水処理システムにおいて減量される汚泥が、生物処理工程で発生した汚泥、及び／又は、沈殿工程で除去された汚泥である排水処理システムである。即ち、生物処理工程は複数の生物処理装置によって構成される場合があり、その全ての装置で汚泥が増大する。従って、上記汚泥を減量する工程は、複数の生物処理槽のそれぞれの間、又は生物処理工程と沈殿工程との間、又は沈殿工程から除去された濃縮汚泥の貯留部に配置されても良い。

いずれの個所に配置されても、最終的に生物処理工程に搬送される汚泥量が削減されるので、該生物処理工程における汚泥濃度は所定の濃度に保たれる。従って、配置個所は、一個所に限らず、複数の個所に配置されていても良い。

本発明の水浄化用電極によれば、陰極が金属と炭素繊維シートの積層体からなり、陽極と対峙してなるので、陰極と陽極の間に隔膜を必要とせず、簡便な電極構成により有効塩素を効率よく発生させることができる。

また、本発明の水浄化方法は、上記水浄化用電極が用いられ、水と塩化ナトリウムの存在下で、塩化ナトリウムの電解により有効塩素を発生させるので、上記同様に、陰極と陽極の間に隔膜を必要とせず、簡便な電極構成により有効塩素を効率よく発生させることができ、良好な水浄化方法を提供することができる。

本発明の排水処理システムは、排水処理システムに上記水浄化方法による汚泥の減量工程が組み込まれている。該排水処理システムの生物処理工程で増大する汚泥を消滅させて減量するので、汚泥の除去回数を増やさなくても、沈殿工程で分離された汚泥を生物処理工程に返送しても生物処理工程における汚泥濃度が所定の濃度を保つことができ、沈殿工程が能力オーバーにならない。減量のコントロール次第で、汚泥の除去を必要としない排水処理システムの成立も可能である。なお、上記汚泥の減量工程は、排水処理システムのどの位置に配置されても良く、また複数の汚泥処理工程があっても良い。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の水浄化用電極の一例を示す模式図である。陰極１は、金属１２の両側に炭素繊維シート１１が積層されてなる。陽極２は、基材２２の表面を白金族元素２１がコーティングされている。そして陰極１が陽極２と対峙し水浄化用電極を構成している。

図２は、本発明の水浄化用電極の他の一例を示す模式図である。金属１２の両側に炭素繊維シート１１が積層されてなる２個の陰極１，１が配置され、その間の中央部に、基材２２の表面が白金族元素２１でコーティングされてなる陽極２が、陰極１，１との間隔ｄが等しくなるように配置されている。

図３は、本発明の水浄化用電極の更に他の一例を示す模式図である。基材２２の表面が白金族元素２１でコーティングされてなる２個の陽極２，２が配置され、その間の中央部に、金属１２の両側に炭素繊維シート１１が積層されてなる陰極１が、陽極２，２との間隔ｄが等しくなるように配置されている。

上記図２及び図３の例において、陰極及び陽極の数は２個に限定されるものではなく、複数が用いられ、互いに取り巻くように、若しくは交互に配置されても良い。

図４は、本発明の水浄化用電極の更に他の一例を示す模式図である。陰極１は、炭素繊維シート１１の両側に金属１２が積層されてなる。陽極２は、基材２２の表面を白金族元素２１がコーティングされている。そして両者は直流電源３を介して接続されている。

図５は、本発明の水浄化方法の一例を示す模式図である。非隔膜式電解槽４（以下、単に「電解槽」という）に本発明の水浄化用電極１０が装填されている。未処理の原水５は、ポンプ６によって電解槽４に導入され、必要によって塩化ナトリウム８が添加される（導入された原水５に塩化ナトリウムが残存成分として存在する場合は、必ずしも塩化ナトリウム８を添加する必要はない）。そして、電源３より陰極１及び陽極２に通電することで、塩化ナトリウムの電解により有効塩素を発生させ、原水の浄化を行う。

上記において、電解槽４の材質としては、規模大小を問わず、プラスチック、耐食処理を施したＲＣ（補強コンクリート）、絶縁および耐食処理を施した金属などが好適に用いられる。また、ポンプ６としては、特に限定されず、例えば、機械式ポンプ、エアリフトポンプ等が用いられる。

上記塩化ナトリウム８としては、食塩をそのまま用いてもよいし、錠剤や岩塩を用いてもよい。また、塩化ナトリウムを含有する塩水や海水を用いてもよい。更に、電解を促進すべく電解槽４内に攪拌手段９が用いられてもよい。攪拌手段９としては、例えば、撹拌翼、ポンプ撹拌、エアー導入などによる方法が用いられる。

図６は、本発明の排水処理システムの一例を示す工程図である。排水処理システムは、生物処理工程（Ａ）と該生物処理工程Ａで発生する汚泥を沈殿除去する沈殿工程（Ｂ）と、上記請求項２記載の水浄化方法で汚泥を減量する工程（Ｃ）と、減量した汚泥を生物処理工程（Ａ）に戻す工程（Ｄ）とを有する。生物処理工程（Ａ）は、例えば生物処理槽Ａ１の底部に配置された散気管Ａ１１から空気を噴出しその空気によって排水を撹拌しつつ排水処理をする、一般的な曝気式活性汚泥排水処理槽（汚泥化槽または曝気槽ともいう。）である。生物処理槽は単基Ａ１でも複数基Ａ１、Ａ２、・・でも良い。

沈殿工程（Ｂ）は、一般的な生物汚泥を沈殿除去する沈殿槽Ｂ１であれば良く、その内部に汚泥の分離が短時間で行えるよう種々の装置、例えば傾斜板等（図示せず）が設けられていても良い。沈殿槽Ｂ１の底部Ｂ２に沈降した汚泥は例えばエアーリフト等の汚泥引き抜き装置Ｂ３で引き抜かれ、請求項２記載の水浄化方法で汚泥を減量する工程（Ｃ）に送られる。

なお、汚泥の減量工程（Ｃ）は、沈殿工程Ｂの後に限らず、生物処理工程（Ａ）の各生物処理槽Ａ１、Ａ２、・・の間（例えば（イ）、（ロ）等）でも良く、その全て又は一部に配置されていても良い。

電解槽Ｃ１は、図５に示される電解槽Ｃ１がそのまま適用される。この電解槽で酸化分解された汚泥は、返送工程（Ｄ）を経て生物処理工程（Ａ）に戻される。汚泥の戻し先は、生物処理槽Ａ１、Ａ２、・・のいずれでも良く、又すべてであってもよい。しかしながら、生物処理工程（Ａ）が高濃度汚泥の場合は、生物処理工程全体の汚泥濃度をコントロールし易いので、最初の処理槽Ａ１が好ましい。

以下、本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。
以下に実施例および比較例を示すことにより、本発明を具体的に説明する。尚、本発明は下記実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
以下に示す条件で水浄化を行った。
電解槽容量：３Ｌ、無隔膜
陰極：炭素繊維シート＋ＳＵＳ３０４平板＋炭素繊維シートの積層体
陽極：チタン基材に白金を焼成被覆
電極面積：１５０ｃｍ2
電圧：５Ｖ
塩化ナトリウム濃度：０．７％
被分解物種：有機汚泥

（実施例２）
以下に示す条件で水浄化を行った。
電解槽容量：３Ｌ、無隔膜
陰極：網状ＳＵＳ３０４＋炭素繊維シート＋網状ＳＵＳ３０４の積層体
陽極：チタン基材に白金を焼成被覆
電極面積：１５０ｃｍ2
電圧：５Ｖ
塩化ナトリウム濃度：０．７％
被分解物種：有機汚泥

（比較例１）
以下に示す条件で水浄化を行った。
電解槽容量：３Ｌ、無隔膜
陰極：ＳＵＳ３０４平板
陽極：チタン基材に白金を焼成被覆
電極面積：１５０ｃｍ2
電圧：５Ｖ
塩化ナトリウム濃度：０．７％
被分解物種：有機汚泥

（比較例２）
以下に示す条件で水浄化を行った。
電解槽容量：３Ｌ、無隔膜
陰極：カーボン平板
陽極：チタン基材に白金を焼成被覆
電極面積：１５０ｃｍ2
電圧：５Ｖ
塩化ナトリウム濃度：０．７％
被分解物種：有機汚泥

（比較例３）
以下に示す条件で水浄化を行った。
電解槽容量：３Ｌ、無隔膜
陰極：絶縁不織布＋ＳＵＳ３０４平板＋絶縁不織布の積層体
陽極：チタン基材に白金を焼成被覆
電極面積：１５０ｃｍ2
電圧：５Ｖ
塩化ナトリウム濃度：０．７％
被分解物種：有機汚泥

上記実施例及び比較例について、反応開始後１時間目の分解率と分解に要した電力量を評価した。評価結果は表１に示した。

表１より明らかなように、本発明の実施例は電力量に対して高い分解率を発揮し、効率よく分解しうることが判明した。

（実施例３）
汚水処理能力５人規模の曝気槽と沈殿槽とを有する浄化槽に、図６に示す排水処理システムを組み込み、以下に示す条件で排水処理を４月から４ヶ月間行った。
第１汚泥化槽：０．５５容量
第２汚泥化槽：０．７容量
沈殿槽（沈殿部）：０．２６容量
沈殿槽（集泥部）：０．０３容量
電解槽（２段）：０．０９容量、無隔壁
エアーリフトポンプ稼働頻度：１回／時間×２４回／日
同稼働時間：２分／回
揚水量：約０．０９容量
陽極枚数：２枚
陰極枚数：４枚
設定電圧：１３Ｖ
到達電流：陽極１枚につき、８〜１０Ａ
最大流入流量：０．０８６容量
汚濁負荷：毎日
通電負荷：毎日
エアーリフトポンプ運転：毎日
なお、陽極及び陰極の材質、構造と面積、及び塩化ナトリウム濃度は実施例１と同じとした。また、電解槽には、エアーリフトポンプの稼働毎に汚泥が流入し、それと同じ量だけ処理された汚泥を含む処理汚泥が返送される。本例の場合の汚泥返送先は生物処理槽Ａ１とした。

運転期間を通じ、汚泥除去を行わなかったが、生物処理工程における平均汚泥濃度に変化は見られなかった。また、排水処理装置からの処理水水質は、期間を通じて、ＳＳ＜３００ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ＜３００ｍｇ／Ｌ、ｎ−ヘキサン溶出物濃度≦３０ｍｇ／Ｌであった。

本発明の水浄化用電極の一例を示す模式図である。本発明の水浄化用電極の他の一例を示す模式図である。本発明の水浄化用電極の更に他の一例を示す模式図である。本発明の水浄化用電極の更に他の一例を示す模式図である。本発明の水浄化方法の一例を示す模式図である。本発明の排水処理システムの一例を示す工程図である。

符号の説明

１陰極
２陽極
３電源
４非隔膜式電解槽
５原水
６ポンプ
８塩化ナトリウム
１０水浄化用電極
１１炭素繊維シート
１２金属
２１白金属元素
２２基材
（Ａ）生物処理工程
Ａ１、Ａ２生物処理槽
Ａ１１、Ａ２１散気菅
（Ｂ）沈殿工程
Ｂ１沈殿槽
Ｂ２沈殿槽底部
Ｂ３汚泥引き抜き装置
（Ｃ）汚泥減量工程
Ｃ１電解槽
（Ｄ）汚泥返送工程

Claims

陰極が金属と炭素繊維シートの積層体からなり、陽極と対峙してなることを特徴とする水浄化用電極。
請求項１記載の水浄化用電極が装填された非隔膜式電解槽において、水と塩化ナトリウムの存在下で、塩化ナトリウムの電解により有効塩素を発生させることを特徴とする水浄化方法。
生物処理工程と、該生物処理工程で発生する汚泥を沈殿除去する沈殿工程と、上記請求項２記載の水浄化方法で汚泥を減量する工程と、減量した汚泥を生物処理工程に戻す工程とを有することを特徴とする排水処理システム。
請求項３記載の排水処理システムにおいて、
減量される汚泥が生物処理工程で発生した汚泥、及び／又は、沈殿工程で除去された汚泥であることを特徴とする請求項３記載の排水処理システム。