JP2006142263A

JP2006142263A - 有機排水処理方法および有機排水処理用電極反応槽

Info

Publication number: JP2006142263A
Application number: JP2004339368A
Authority: JP
Inventors: Jun Fukaishi; 準深石; Katsumi Yoshitake; 克巳吉武
Original assignee: PROUD KK
Current assignee: PROUD KK
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】２種類の電源を使用し、電極の配置や印加電圧のバランスをとることにより、有機排水中のＣＯＤ、全窒素量を著しく低減させることができる。
【解決手段】１０〜１００Ｖの高圧側電位と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極反応領域で有機排水を処理するに際し、有機排水の導電率を１００〜３５０００μＳ/cmとし、前記高圧側と低圧側の電位差を１〜１０Ｖとする。電極反応槽において、各電極対を構成する陽極と陰極間距離は５０〜６００ｍｍであり、前記高圧側と低圧側の電極対間距離は５０〜６００ｍｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水の電気分解と電極の触媒反応を利用した各種有機排水の処理方法および該有機排水処理用の電極反応槽に関するものである。

従来、電解反応を利用する排水処理方法として、代表的には、隔膜電解法と電解凝集法が知られている。隔膜電解法は陰極と陽極の間にイオン交換膜を介在させて酸化還元反応を行うものであるが、液質の種類によっては隔膜の閉塞が早く、頻繁に隔膜を交換する必要に迫られる。また、電解凝集法はアルミ電極を用いることによりアルミニウムをイオン化し、水酸化アルミニウムと一緒に濁質分を凝集分離させる方法であって、電力消費量を考慮すると電極間隔を広くとることができず、この結果、電極間に凝集スラッジやスカムが堆積し、電極間が閉塞し易く、電極の洗浄、清掃作業を頻繁に行う必要がある。
上記したように隔膜電解法と電解凝集法は、運転管理が煩雑なばかりか、電極に付着した有機物によって、電極反応効率が低下することが知られており、電流依存による反応であることから有機物の酸化効率は決して高くはない。また、従来法では電極反応は起こるものの、ガス化反応まで進まず、汚染物質の除去に直接つながらないことが多かったり、エネルギーロスが多いという欠点を有している。

本願出願人は、工業廃水等の無機廃水や屎尿などの有機廃水の処理に用いる電極反応槽の電極構造として、先に特開２００３−１１２１８３号公報（特許文献１）において、それぞれ高圧電源に接続されている陽極電極および陰極電極が仮想対称軸を中心として線対称位置に相互に間隔を隔てて対峙している第１電極対と、前記第１電極対を中間に位置させるようにして前記仮想対称軸方向において前記第１電極対の両側にそれぞれ第１電極対と間隔を隔てて配置されており、それぞれ低圧電源に接続されている陽極電極および陰極電極が仮想対称軸を中心として線対称位置に相互に間隔を隔てて対峙している第２電極対および第３電極対とを有し、前記第２電極対および第３電極対におけるそれぞれの電極は、前記仮想対称軸方向に間隔を隔てて同位置に配置されており、前記第１電極対におけるそれぞれの電極は、前記仮想対称軸方向に間隔を隔てて前記第２電極対および第３電極対におけるそれぞれの電極と異なる位置に配置されている電極構造を提案した。当該液体処理用電極構造によれば、液体中の浮遊物と窒素の除去、および脱臭、脱色、殺菌をある程度達成することができる。

しかしながら、特許文献１には、２電源、３電極の電極構成と、チタン基材に白金を被覆した電極構造、更には、高圧側電源（３００Ｖ仕様）と低圧側電源（６０Ｖ仕様）を用いたことを開示したものの、電極反応槽に配備すべき電極の詳細条件や電極電位及び被処理水の性状については何も記載していなかった。
特開２００３−１１２１８３号公報

本発明は、２種類の電源を使用し、電極の配置や印加電圧のバランスをとることにより、排水中のＣＯＤ、全窒素量を著しく低減させることができる有機排水の処理方法を提供するものである。また、本発明は、運転コストが低廉で運転管理が容易な有機排水処理用電極反応槽を提供するものである。

本発明の有機排水処理方法は、１０〜１００Ｖの高圧側電位と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極反応領域で有機排水を処理するに際し、有機排水の導電率を１００〜３５０００μＳ/cmとし、前記高圧側と低圧側の電位差を１〜１０Ｖとすることを特徴とするものである。
前記高圧側電位を２０〜４０Ｖとし、高圧側と低圧側の電位差を３〜７Ｖとすることが好ましい。
前記有機排水の導電率は５０００〜１００００μＳ/cmとすることが好ましい。

本発明の有機排水処理用電極反応槽は、１０〜１００Ｖの高圧側電位が付与される電極対と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極対とを備えた有機排水を処理するための電極反応槽において、各電極対を構成する陽極と陰極間距離が５０〜６００ｍｍであり、前記高圧側と低圧側の電極対間距離が５０〜６００ｍｍであることを特徴とするものである。
また、本発明の有機排水処理用電極反応槽は、１０〜１００Ｖの高圧側電位が付与される電極対と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極対とを備えた有機排水を処理するための電極反応槽において、各電極対を構成する陽極と陰極間距離を５０〜６００ｍｍとし、前記高圧側と低圧側の電極対間距離を前記陽極と陰極間距離の０．５〜２倍長としたことを特徴とするものである。

前記電極反応槽において、高圧側電極対を挟んでその両側に低圧側電極対が配されてなることが好ましい。更に、前記陽極を挟んでその両側に陰極が、または陰極を挟んでその両側に陽極が配されてなることが好ましい。
前記陽極が触媒電極、特にPt-Ir/Tiであり、前記陰極がTi材からなることが好ましい。
前記電極の形状が板状、網目状、丸棒状、パイプ状のいずれかであることが好ましい。
前記電極の電流密度が０．５〜２０Ａ／ｄｍ²、特に０．５〜２．０Ａ／ｄｍ²であることが好ましい。

本発明によれば、有機排水中に含まれる汚染物質を効果的に分解除去して、排水中のＣＯＤ、全窒素量を著しく低減させることができる。
本発明の排水処理方法は低電力で運用することができると共に、装置の運転管理が容易であることから、総じて、運転コストが廉価である。

本発明に係る有機排水処理方法は、１０〜１００Ｖの高圧側電位と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極反応領域で有機排水を処理するに際し、有機排水の導電率を１００〜３５０００μＳ/cmとすると共に、前記高圧側と低圧側の電位差を１〜１０Ｖとすることを特徴とする。
本発明の有機排水処理方法は、水の電気分解と触媒電極の触媒反応を利用するものであり、排水中で電気分解することにより排水中に存在する溶質から、過酸化水素、オゾンなどの過酸化物、次亜塩素酸等の塩素酸、炭素ラジカル、ヘテロラジカル等の酸化性物質を生成させて、排水の酸化処理を行うものである。従って、本発明の処理方法では電流が反応推進力になる。

本発明の有機排水処理方法は、導電率が１００〜３５０００μＳ/cmの有機排水に適用することができる。導電率が１００μＳ/cm未満の排水は水道水程度となり、排水処理の必要がない。また、導電率が３５０００μＳ/cmを超える排水は電流が流れ過ぎて意図する酸化分解反応とは異なる反応が起きる可能性が高い。有機排水の導電率の好ましい範囲は、５０００〜１００００μＳ/cmである。

続いて、本発明方法に用いる電極反応槽について、図１に示す電極反応槽１０の斜視図を参照しながら説明する。
図１において、処理すべき有機排水が張られた方形箱型の電極反応槽１０内には複数の電極対が配設されている。本発明方法では、高圧電源１２と低圧電源１４の少なくとも２つの電源を備え、電極反応領域において効果的な反応が生起するように電極対を配置するものである。即ち、本発明では、高圧電源１２に接続した電極と低圧電源１４に接続した電極との電流密度に差をつけることにより、隔膜を設置せず、反応を促進するものである。

電極反応槽１０の容積は、有機排水の処理量、運転方法により決定される。また、電極反応槽１０における処理時間（滞留時間）は３０分〜３時間で十分である。

高圧側電極対２１、２２には１０〜１００Ｖの電圧を付与し、低圧側電極対３１、３２には１〜９９Ｖの電圧が付与される。高圧側電極対２１、２２に付与する電圧が１０Ｖ未満では、前記酸化性物質が生成し難く、一方、１００Ｖを超えてもそれ以上反応の向上が認められず、不経済となる。高圧側電極対２１、２２に付与する電圧の好ましい範囲は、２０〜４０Ｖである。
低圧側電極対３１、３２に付与する電圧は、前記した高圧側と低圧側の電位差（１〜１０Ｖ）によって決定されるが、低圧側電極対３１、３２の近傍で有効な反応が起きている事実と、理論上の下限値が１．２６Ｖであることを考慮して、１〜９９Ｖとしたものである。

高圧側と低圧側の電位差を１〜１０Ｖとすることにより、汚染物質の高い分解除去率を達成することができる。高圧側と低圧側の電位差の好ましい範囲は、３〜７Ｖである。電極反応槽１０の運転に最適な電位差は、処理すべき有機排水の導電率と有機排水の組成により、更に、電極の材質も考慮して決められる。

本発明において高圧側の陽極２１と陰極２２とは、各々絶対的な陽極と陰極となるが、低圧側の陽極３１と陰極３２は、相対する電極間の電位分布により相対的な性格を持つことになり、陽極と陰極のいずれの電極にもなり得る。

各電極対を構成する陽極と陰極間距離Ａは５０〜６００ｍｍとし、高圧側と低圧側の電極対間距離Ｂも５０〜６００ｍｍとする。Ａ、Ｂ共に５０ｍｍ未満の間隔では、前記した範囲の導電率を有する有機排水では電流が流れ過ぎて、電流が分解反応に寄与せずに熱への変換が生じる。他方、６００ｍｍ以上の間隔をとると、使用する電極の大きさから必要な電流が得られなくなる。
また、電極対間距離Ｂを、陽極と陰極間距離Ａの０．５〜２倍長となるように設定しても良い。

図１に示す好ましい実施形態では、高圧側電極対２１、２２を中央に挟んでその両側に２つの低圧側電極対３１、３２と３１、３２とが配されている。
また、陽極２１、３１を中央に挟んでその両側に、２つの陰極２２、３２と２２、３２とが配されている。
本実施形態とは逆に、低圧側電極対３１、３２を中央に挟んでその両側に２つの高圧側電極対２１、２２と２１、２２とを配したり、また、陰極２２、３２を中央に挟んでその両側に、２つの陽極２１、３１と２１、３１とを配してもよい。
さらに、被処理水の性状や装置の処理能力に応じて、陽極と陰極、高圧側と低圧側電極対を平面的に縦横方向へ繰り返し設置することもできる。

陽極には触媒電極を用い、特に、Ｔｉ材をＰｔ／Ｉｒ合金で被覆したものが好ましい。一方、陰極にはＴｉ材を用いる。

前記電極の形状としては、図２に示すように、厚さ１〜５ｍｍ×幅５０〜６００ｍｍ×長さ５００〜４０００ｍｍの板状または網目状のもの（１）、直径５〜２０ｍｍ×長さ５００〜４０００ｍｍの丸棒状のもの（２）、厚さ１〜５ｍｍ×直径５０〜２００ｍｍ×長さ５００〜４０００ｍｍのパイプ状のもの（３）、厚さ１〜５ｍｍの板状または網目状の電極材を直径５０〜１０００ｍｍとなるように円筒形に成形したもの（４）、を例示することができる。

前記電極の電流密度は０．５〜２０Ａ／ｄｍ²とすることが好ましい。０．５Ａ／ｄｍ²未満では、有効な酸化分解反応が起きず、２０Ａ／ｄｍ²を超えると、電極の寿命が極端に短くなる。前記電極の電流密度のより好ましい範囲は０．５〜２．０Ａ／ｄｍ²である。
上記本発明の電極反応槽においては、電極間の距離が従来より著しく広いため、通常の運転では電極にスラッジ又はスカムが付着したり、ましてや、電極間が閉塞したり、電極が腐食することはないが、電極の汚染防止対策として超音波による洗浄を行っても良い。

図１に示す２電源３電極を備えた電極反応槽１０を使用して有機排水処理実験を行った。実験に使用した電極反応槽と被処理水の性状は次の通りである。
［電極反応槽］
７５０Ｗ×２５０Ｄ×２００Ｈ、有効容積３０Ｌの電極反応槽１０に、材質がＰｔ／Ｉｒで網目状の陽極２１、３１（電極面積：１．０８ｄｍ²）と、Ｔｉ板状の陰極２２、３２（電極面積：２．１６ｄｍ²）とを配置する。各陽極と陰極間の距離は１００ｍｍとした。
［豆乳希釈水の性状］
生の豆乳（ＣＯＤ値：約４００００ｐｐｍ、導電率：約３０００μＳ／ｃｍ）を水道水で約２０倍に希釈して、２０００〜３０００ｐｐｍのＣＯＤ値に調整したものを使用した。

［処理方法と測定結果］
電極反応槽に希釈した豆乳３０Ｌを満たし、低圧側電位を２２．５Ｖに固定し、高圧側電位を２２．５Ｖ〜３２．５Ｖの間で変移させて電圧を印加した。このときの高圧側の電圧、電流と、低圧側の電圧、電流をモニターし、記録した。また、被処理水については、開始時から１時間（場合によっては３０分）毎に、液温、ｐＨ、導電率、ＯＲＰ（酸化還元電位）、ＣＯＤｍｎ（過マンガン酸カリウムを使用した分析による化学的酸素要求量）、Ｔ−Ｎ（全窒素）を測定した。なお、ＣＯＤｍｎについては、ＪＩＳ法により分析し、Ｔ−Ｎについては、ＨＡＣＨ社の比色分析計を使用した。
図３は、３時間処理後のＣＯＤ除去率を示すグラフであり、高圧側と低圧側の電圧差が４〜６Ｖで除去効率が高いことが分かる。なお、電圧差０Ｖのケースは１電源と同等であり、本発明の２電源を使用する処理方法が１電源の処理方法より優れていることが示されている。

(1) 高圧／低圧電極間隔
実施例１の豆乳希釈水を澱粉工場廃水に代えて、３０Ｌの電極反応槽にて有機排水処理を行った。澱粉工場廃水の性状は、ＣＯＤ値：２６１ｐｐｍ、Ｔ−Ｎ：３２２ｐｐｍ、ｐＨ：７．５、ＯＲＰ：−３００ｍＶ、導電率：７０９０μＳ／ｃｍであった。

ここでは、高圧側電極と低圧側電極間の距離を変更して、汚染物質（ＣＯＤ等）の除去率と除去効率を調べた。
印加電圧は、高圧側を27.5V、低圧側を22.5Vとした。電極に関しては、２種類の貴金属電極（白金（Ｐｔ）と酸化イリジウム（ＩｒＯ₂））を陽極として使用した。サンプリングは槽の７箇所で行った。
図４と図５は測定結果を示すグラフであり、各プロットにおいて、H-AとH-Cは、それぞれ高圧側陽極近傍と高圧側陰極近傍を示し、H-ACは、高圧側の陽極と陰極の中間位置を示す。同様に、L-AとL-Cは、それぞれ低圧側陽極近傍と低圧側陰極近傍を示し、L-ACは、低圧側の陽極と陰極の中間位置を示す。
本実施例では高圧／低圧電極の間隔を160ｍｍとした場合が、１番良い結果となっており、高圧／低圧の電極の間隔が小さ過ぎても、大き過ぎても良くなく、最適な間隔が存在する可能性があることが判った。

(2) 印加電圧
実施例１と同様にして、豆乳希釈水を被処理水とし、高圧側印加電圧／低圧側印加電圧を変化させた場合の汚染物質（ＣＯＤ等）の除去率と除去効率を調べた。
高圧側印加電圧を25Vから40Vまでとし、低圧側印加電圧を5V低い電圧に設定し、2時間印加した後の試験水のCODｍｎを測定した。サンプリングは槽の４箇所で行い、サンプリング位置による反応の差も調べた。
図６と図７は測定結果を示すグラフであり、27.5V／22.5V付近がCODの除去率、除去量がよいことが読み取れる。
次に、高圧側電圧を27.5Vに固定し、低圧側電圧のみを変えて実験を行った。
図８と図９は測定結果を示すグラフであり、高圧側／低圧側の電圧差が５Vの時、COD除去が最大となった。

スケールアップを目的として、１５００Ｗ×５００Ｄ×４００Ｈ、有効容積２２５Ｌの電極反応槽を使用して有機排水処理を行った。被処理水には澱粉工場排水と豆乳希釈水を使用した。
電極面積が3ｄｍ²（100ｍｍ×300ｍｍ）の網目状の貴金属電極を使用し、高圧側／低圧側電極の中心距離は320mmを、各陽極と陰極間の距離を２３０ｍｍとして、印加電圧によるCODとT−Nの除去量と効率への影響を調べた。
高圧側電圧／低圧側電圧の組み合わせは、27.54V/22.48V、27.53V/22.50V、53.24V/45.10V、41.68V/38.77V、44.76V/34.81V、32.92V/27.63Vに設定した。

(3) 高圧側印加電圧
図１０と図１１のグラフに示すように、COD除去量は高圧印加電圧が53Vのときに最大となっている。除去効率としては27.5Vのときがよくなっている。
また、図１２と図１３のグラフに示すように、T-Nの除去量、除去効率もCODの場合と同じ傾向を示している。

(4) 高圧側／低圧側の印加電圧差
実施例４と同様にして、高圧側／低圧側の印加電圧差によるCOD、T-Nの除去量、効率を調べた。
電圧差は、2.5V、5.0V、7.5Vの3種類で調べた。このとき、高圧側の印加電圧は27.5V固定とし、低圧側のみ20V、22.5V、25Vとした。電極の間隔は、320mmに固定した。
図１４と図１５のグラフに示すように、高圧側印加電圧を27.5Vとした場合、低圧側印加電圧を22.5Vとしてその差を5Vとした場合が、COD除去量、除去効率ともによい。
また、図１６と図１７のグラフに示すように、T-Nの除去量、除去効率もCODの場合と同じ傾向を示している。

(5) 高／低圧側電極間距離
実施例４と同様にして、高圧側、低圧側電極の間隔（中心間の距離）を変えて、COD、T-Nの除去量、効率を調べた。
電極の間隔は、150mm、235mm、320mm、450mmに設定し、印加電圧は高圧側27.5V、低圧側22.5Vに固定した。
図１８と図１９のグラフに示すように、COD除去に関しては、電極中心間距離が235mmのときに最良となっている。
また、図２０と図２１のグラフに示すように、T-N除去に関しては、320mmの距離のときが最良となっている。

本発明の排水処理方法は、家畜屎尿排水、食品工場排水等の各種有機排水の処理の他、製紙工場含油排水、染色工場着色排水等の難処理排水、高濃度排水の一次処理、または仕上げ処理に適用することができる。

本発明の電極反応槽の斜視図である。電極の形状を示す斜視図である。実施例１における処理結果を示すグラフである。実施例２におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例２におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例３におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例３におけるＣＯＤ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例３におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例３におけるＣＯＤ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例４におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例４におけるＣＯＤ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例４におけるＴ−Ｎ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例４におけるＴ−Ｎ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例５におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例５におけるＣＯＤ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例５におけるＴ−Ｎ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例５におけるＴ−Ｎ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例６におけるＣＯＤ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例６におけるＣＯＤ除去率の測定結果を示すグラフである。実施例６におけるＴ−Ｎ除去量の測定結果を示すグラフである。実施例６におけるＴ−Ｎ除去率の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０電極反応槽
１２高圧電源
１４低圧電源
２１、２２高圧側電極対
３１、３２低圧側電極対

Claims

１０〜１００Ｖの高圧側電位と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極反応領域で有機排水を処理するに際し、有機排水の導電率を１００〜３５０００μＳ/cmとし、前記高圧側と低圧側の電位差を１〜１０Ｖとすることを特徴とする有機排水処理方法。
前記高圧側電位を２０〜４０Ｖとし、高圧側と低圧側の電位差を３〜７Ｖとする請求項１記載の有機排水処理方法。
前記有機排水の導電率が５０００〜１００００μＳ/cmである請求項１または２記載の有機排水処理方法。
１０〜１００Ｖの高圧側電位が付与される電極対と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極対とを備えた有機排水を処理するための電極反応槽において、各電極対を構成する陽極と陰極間距離が５０〜６００ｍｍであり、前記高圧側と低圧側の電極対間距離が５０〜６００ｍｍであることを特徴とする電極反応槽。
１０〜１００Ｖの高圧側電位が付与される電極対と１〜９９Ｖの低圧側電位が付与される電極対とを備えた有機排水を処理するための電極反応槽において、各電極対を構成する陽極と陰極間距離を５０〜６００ｍｍとし、前記高圧側と低圧側の電極対間距離を前記陽極と陰極間距離の０．５〜２倍長としたことを特徴とする電極反応槽。
高圧側電極対を挟んでその両側に低圧側電極対が配されてなる請求項４または５記載の電極反応槽。
陽極を挟んでその両側に陰極が、または陰極を挟んでその両側に陽極が配されてなる請求項４または５記載の電極反応槽。
前記陽極が触媒電極であり、前記陰極がTi材からなる請求項４〜７いずれか記載の電極反応槽。
前記触媒電極がPt-Ir/Tiである請求項８記載の電極反応槽。
前記電極の形状が板状、網目状、丸棒状、パイプ状のいずれかである請求項４〜９いずれか記載の電極反応槽。
前記電極の電流密度が０．５〜２０Ａ／ｄｍ²である請求項４〜１０いずれか記載の電極反応槽。
前記電極の電流密度が０．５〜２．０Ａ／ｄｍ²である請求項４〜１０いずれか記載の電極反応槽。