JP2012239927A - 排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりもきめ細かな制御を行うことができる排水処理方法を提供しようとするもの。
【解決手段】排水１を有隔膜電気分解の陽極側３に通す陽極側処理工程と、陰極側４に通す陰極側処理工程とを具備させるようにした。陽極側処理工程と陰極側処理工程における現象と、排水の性状の変化とを有機的に結合して制御することができる。前記隔膜Pとしてアニオン交換膜５を用い、陰極側処理工程で排水中に含有される塩化物イオンを陽極側３へと移動させて低減するようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

この発明は、有隔膜方式の電気分解を利用した排水処理方法に関するものである。

従来、排水の処理方法として次のような提案があった（特許文献１）。
すなわち、難分解性物質を含有する廃液又は排水を、陽極が導電性セラミックス電極である電解装置内に導入し、10A/dm^２以上の高い電流密度で電気分解し、廃液又は排水に次亜ハロゲン酸と活性酸素を生成させ強力な酸化分解作用を与える。この強力な酸化分解作用とは、高い電流密度で行われる電気分解による陽極酸化と、そこで生成する次亜ハロゲン酸と活性酸素による酸化分解作用である。
ヒドロキシラジカルなどの活性酸素は陽極で生成し強力であるが、このヒドロキシラジカルなどの活性酸素の寿命は短い。一方電解処理水中に生成した次亜ハロゲン酸は有機物等に接触しなければその寿命はヒドロキシルラジカルなどの活性酸素よりはるかに長い。
電解処理水の中の次亜ハロゲン酸は有機物等に接触して経時的に分解してヒドロキシラジカルなどの活性酸素を生成して難分解性化合物を酸化分解することが出来る、というものである。
しかし、この排水の処理方法ではきめ細かな制御を行うことができないという問題があった。
特許公開２００３−１２６８６０号公報

そこでこの発明は、従来よりもきめ細かな制御を行うことができる排水処理方法を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
(１)この発明の排水処理方法は、排水を有隔膜電気分解の陽極側に通す陽極側処理工程と、陰極側に通す陰極側処理工程とを具備させるようにしたことを特徴とする。このように構成したので、陽極側処理工程と陰極側処理工程における現象と、排水の性状の変化とを有機的に結合して制御することができる。
ここで、前記排水とは浄化されるべき水を総称する概念であって、工場廃水等の廃棄する水のみならず、プールの水、風呂の水、浄化槽の水その他の再利用する水をも含むものである。

陽極側処理工程（陽極側の電解通路）の現象として、塩化物イオン（Cl⁻）から有効塩素（Cl₂）が生成し（２Cl⁻→Cl₂+２e⁻）、ｐＨが低下（２H₂O→O₂+４H⁺+４e⁻、水素イオンH⁺が生成）するということを例示できる。前記塩素（Cl₂）が水（H₂O）と反応して、次亜塩素酸（HOCｌ）と塩酸（HCｌ）が生成する（Cl₂+ H₂O→HOCｌ+ HCｌ）。次亜塩素酸により排水中の汚れ成分が酸化分解され、化学的酸素要求量CODが低減していくことになる。そして排水のｐHが低下すると、塩素ガス（Cl₂）を気相へと揮発させ易くなる（２HOCｌ+２H⁺→Cl₂↑+H₂O）。

前記陰極側処理工程（陰極側の電解通路）の現象として、残留塩素（有効塩素）の酸化力が低減し（Cl₂→HOCｌ→OCｌ⁻）、ｐＨが増加（ヒドロキシル基OH⁻が生成）するということを例示できる（２H₂O+２e⁻→H₂+2OH⁻）。
ここで、有効塩素の酸化力は、HOCｌ＞OCｌ⁻の順序になっており、ｐHが増加することによりHOCｌよりもOCｌ⁻の割合が多くなってきたら（HOCｌ+ OH⁻→OCｌ⁻+ H₂O）、全体的な酸化力は低減することになる。
排水のｐHが増加すると、揮発した塩素ガスを溶解させ易くなり回収し易くなる（Cl₂+２ OH⁻→２HOCｌ）。
前記排水の性状として、化学的酸素要求量COD、水素イオン濃度ｐH、残留塩素濃度、食塩濃度などを例示することが出来る。

そして、陽極側処理工程と陰極側処理工程の順番・組み合わせにより、浄化後の排水のｐHを中性に調製したり、処理後で放流前の残留塩素濃度（Cl₂、HOCｌ、OCｌ⁻）の低減をしたりすることができる。
排水の浄化の工程の選択方法として、ｐＨの中性への調整を例示することができ（排水がアルカリ領域であって下げたい場合は陽極側処理工程を選択し、排水が酸性領域であって上げたい場合は陰極側処理工程を選択する）、また陰極側処理工程を最終工程に設定すると放流前の残留塩素濃度の低減を図ることができる。

(２) 前記隔膜としてアニオン交換膜を用い、陰極側処理工程で排水中に含有される塩化物イオン（Cl⁻）を陽極側へと移動させて低減するようにしてもよい。このように構成すると、排水から塩化物イオン（Cl⁻）を低減することが出来る。

（３）前記隔膜としてカチオン交換膜を用い、陽極側処理工程で排水中に含有されるナトリウムイオン（Na⁺）を陰極側へと移動させて低減するようにしてもよい。このように構成すると、排水からナトリウムイオン（Na⁺）を低減することが出来る。
そして、塩化物イオンとナトリウムイオンの濃度を低減して脱塩することにより排水から純水を製造することができる。さらに、後工程でRO膜を使用すると清浄な超純水を製造することができる。

(４) 前記陽極側処理工程で排水の水素イオン濃度を低下させて塩素ガスを揮発させ易くするようにしてもよい。このように構成すると、排水に塩酸（HCｌ）等の酸を添加することなく、陽極側電解通路を利用して水素イオン濃度ｐHを低下させることにより、塩素ガス（Cl₂）を揮発し易くすることができ、酸の添加を削減して薬剤コストを低減乃至削減することができる。
すなわち、陽極側処理工程によりｐHが低下する傾向が見られるが（２H₂O→O₂+４H⁺+４e⁻）、排水のｐHを低下させ酸性にすることよって、浄化処理後の排水中の余剰の次亜塩素酸（HOCｌ）を塩素ガス（Cl₂）の形に変化させて揮発させて（２HOCｌ+２H⁺→Cl₂↑+H₂O）、残留塩素濃度を低下させることができる。次いで、この排水を陰極側処理工程に送って酸性から中性に戻すことができる。ここで、揮発した塩素ガスは、回収して排水に溶解させて再利用することができる。

なお、陽極側処理工程でｐHは下がるものの、陽極で有効塩素Cl₂ができるだけ生成しないようにすることが好ましい。すなわち、２Cl⁻→Cl₂+２e⁻という塩化物イオンから塩素が生成する反応を避けることが好ましい。

（５）前記陰極側処理工程で排水の水素イオン濃度を増加させて塩素ガスを溶解させ易くするようにしてもよい。このように構成すると、排水に苛性ソーダ（NaOH）等のアルカリを添加することなく、陰極側電解通路を利用して水素イオン濃度ｐHを増加させることにより、塩素ガス（Cl₂）を溶解させ易くすることができ、アルカリの添加を削減して薬剤コストを低減乃至削減することができる。

すなわち、陰極側処理工程によりｐHが増加する傾向が見られるが（２H₂O+２e⁻→H₂+2OH⁻）、排水のｐHを増加させアルカリ性にすることよって、塩素ガス（Cl₂）が溶解し易いようにして（Cl₂+２ OH⁻→２HOCｌ）、余剰の有効塩素を回収して浄化処理すべき排水の処理に再利用することができる。
また、酸性に傾いた排水を陰極側処理工程に送って中性に戻すことができる。

この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。
陽極側処理工程と陰極側処理工程における現象と、排水の性状の変化とを有機的に結合して制御することができるので、従来よりもきめ細かな制御を行うことができる排水処理方法を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を説明する。
〔実施形態１〕
図１に示すように、この実施形態の排水の処理方法は、排水（汚水原水）１を先ず無隔膜の電気分解槽２に供給するようにした。排水１への導電性の付与や有効塩素（Cl₂、HOCｌ、OCｌ⁻）の素となる塩化物イオン（Cl⁻）の供給のため、排水１の食塩濃度が３％程度になるようにNaClを添加した。

そして、排水中に食塩が共存する状態での電気分解（２Cl⁻→Cl₂+２e⁻、Cl₂+ H₂O→HOCｌ+ HCｌ）で生成する次亜塩素酸（HOCｌ）により、排水中の汚れ成分（主として有機成分）は酸化分解されることになる。また、前記汚れ成分は陽極電極に接触して直接酸化されることにより分解されることになる。さらに、前記汚れ成分は電解により生成するヒドロキシルラジカル（・OH）により分解されることになる。

この排水の処理方法では、有隔膜電気分解の陽極側３（電解通路）に通す陽極側処理工程と、陰極側４（電解通路）に通す陰極側処理工程とを具備させるようにした。これにより、陽極側処理工程と陰極側処理工程における現象と、排水１の性状の変化とを有機的に結合して制御することができ、従来よりもきめ細かな制御を行うことができる。以下、この点について詳述する。

前記陽極側処理工程（陽極側３の電解通路）の現象として、塩化物イオン（Cl⁻）から有効塩素（Cl₂）が生成し（２Cl⁻→Cl₂+２e⁻）、ｐＨが低下（２H₂O→O₂+４H⁺+４e⁻、水素イオンH⁺が生成）するということを例示できる。前記塩素（Cl₂）が水（H₂O）と反応して、次亜塩素酸（HOCｌ）と塩酸（HCｌ）が生成する（Cl₂+ H₂O→HOCｌ+ HCｌ）。次亜塩素酸により排水中の汚れ成分が酸化分解され、化学的酸素要求量CODが低減していくことになる。そして排水１のｐHが低下すると、塩素ガス（Cl₂）を気相へと揮発させ易くなる（２HOCｌ+２H⁺→Cl₂↑+H₂O）。

前記陰極側処理工程（陰極側４の電解通路）の現象として、残留塩素（有効塩素）の酸化力が低減し（Cl₂→HOCｌ→OCｌ⁻）、ｐＨが増加（ヒドロキシル基OH⁻が生成）するということを例示できる（２H₂O+２e⁻→H₂+2OH⁻）。
ここで、有効塩素の酸化力は、HOCｌ＞OCｌ⁻の順序になっており、ｐHが増加することによりHOCｌよりもOCｌ⁻の割合が多くなってきたら（HOCｌ+ OH⁻→OCｌ⁻+ H₂O）、全体的な酸化力は低減することになる。
そして排水１のｐHが増加すると、揮発した塩素ガスを溶解させ易くなり回収し易くなる（Cl₂+２ OH⁻→２HOCｌ）。
前記排水１の性状として、化学的酸素要求量COD、水素イオン濃度ｐH、残留塩素濃度、食塩濃度などを例示することが出来る。

そして、陽極側処理工程と陰極側処理工程の順番・組み合わせにより、浄化後の排水１のｐHを中性に調製したり、処理後で放流前の残留塩素濃度（Cl₂、HOCｌ、OCｌ⁻）の低減をしたりすることができる。
排水１の浄化の工程の選択方法として、ｐＨの中性への調整を例示することができ（排水１がアルカリ領域であって下げたい場合は陽極側処理工程を選択し、排水１が酸性領域であって上げたい場合は陰極側処理工程を選択する）、また陰極側処理工程を最終工程に設定すると放流前の残留塩素濃度の低減を図ることができる。

前記隔膜Pとしてアニオン交換膜５を用い、陰極側処理工程で排水１中に含有される塩化物イオン（Cl⁻）を陽極側３へと移動させて低減するようにしており、排水１から塩化物イオン（Cl⁻）を低減することが出来る。前記アニオン交換膜は、フッ素系の材質であることは耐久性の面から好ましい。

前記隔膜Pとしてカチオン交換膜６を用い、陽極側処理工程で排水中に含有されるナトリウムイオン（Na⁺）を陰極側４へと移動させて低減するようにしており、排水１からナトリウムイオン（Na⁺）を低減することが出来る。前記カチオン交換膜は、フッ素系の材質であることは耐久性の面から好ましい。
そして、塩化物イオンとナトリウムイオンの濃度を低減して脱塩することにより排水１から純水を製造することができる。さらに、後工程でRO膜を使用すると清浄な超純水を製造することができる。

排水１は無隔膜の電気分解槽２で酸化分解による浄化作用を受けた後、有隔膜の電気分解の右側の経路７で、塩化物イオンとナトリウムイオンが除去され、脱塩された清浄な処理水８が最終的に排出される。一方、電気分解の左側の経路９では塩化物イオンとナトリウムイオンの濃縮水10が出来るので、この濃縮水10を汚水原水１にフィード・バックして食塩水として再利用するようにしている。これにより、食塩の薬剤費用を削減するようにしている。
また、有隔膜電気分解の陽極側３（電解通路）に通す陽極側処理工程の各段（４段で構成している）で一部揮発した塩素ガスを収集するようにしている。この塩素ガスは、汚水原水１にバブリングして溶解させるようにしてもよい（図示せず）。このようにすると、排水１に溶解した塩素ガスが水と反応して次亜塩素酸が生成し、この次亜塩素酸が汚れ成分を酸化分解することになる。
さらに、有隔膜電気分解の陰極側４（電解通路）に通す各段（４段で構成している）で発生した水素ガスを収集するようにしている。そして、この収集した水素ガスを燃料電池（図示せず）に送って発電に供し、発生した電気を電気分解のための電力源として利用している。これにより、排水処理のための電気代を節減して省エネに資することができる。
〔実施形態２〕

図２に示すように、この実施形態の排水の処理方法は、排水（汚水原水）１を先ず無隔膜の電気分解槽２に供給するようにした。排水１への導電性の付与や有効塩素（Cl₂、HOCｌ、OCｌ⁻）の素となる塩化物イオン（Cl⁻）の供給のため、排水１の食塩濃度が３％程度になるようにNaClを添加した。
そして、排水中に食塩が共存する状態での電気分解（２Cl⁻→Cl₂+２e⁻、Cl₂+ H₂O→HOCｌ+ HCｌ）で生成する次亜塩素酸（HOCｌ）により、排水中の汚れ成分（主として有機成分）は酸化分解されることになる。また、前記汚れ成分は陽極電極に接触して直接酸化されることにより分解されることになる。さらに、前記汚れ成分は電解により生成するヒドロキシルラジカル（・OH）により分解されることになる。

次いで、陽極側処理工程（陽極側３の電解通路）で排水１の水素イオン濃度を低下させて塩素ガスを揮発させ易くするようにしており、排水１に塩酸（HCｌ）等の酸を添加することなく、陽極側電解通路を利用して水素イオン濃度ｐHを低下させることにより、塩素ガス（Cl₂）を揮発し易くすることができ、酸の添加を削減して薬剤コストを低減乃至削減することができる。
すなわち、陽極側処理工程によりｐHが低下する傾向が見られるが（２H₂O→O₂+４H⁺+４e⁻）、排水１のｐHを低下させ酸性にすることよって、浄化処理後の排水１中の余剰の次亜塩素酸（HOCｌ）を塩素ガス（Cl₂）の形に変化させて揮発させて（２HOCｌ+２H⁺→Cl₂↑+H₂O）、残留塩素濃度を低下させることができる。
次いで、この排水１を陰極側処理工程（陰極側４の電解通路）に送って酸性から中性に戻す。一方、揮発した塩素ガスは、回収して無隔膜の電気分解槽２の前の排水１に溶解させて酸化剤として再利用するようにしている。

なお、陽極側処理工程でｐHは下がるものの、陽極で有効塩素Cl₂ができるだけ生成しないようにすることが好ましい。すなわち、２Cl⁻→Cl₂+２e⁻という塩化物イオンから塩素が生成する反応を避けることが好ましい。
〔実施形態３〕

図３に示すように、この実施形態の排水の処理方法は、陰極側処理工程（陰極側４の電解通路）で排水１の水素イオン濃度を増加させて塩素ガス（実施形態２参照）を溶解させ易くするようにしており、排水１に苛性ソーダ（NaOH）等のアルカリを添加することなく、陰極側電解通路を利用して水素イオン濃度ｐHを増加させることにより、塩素ガス（Cl₂）を溶解させ易くすることができ、アルカリの添加を削減して薬剤コストを低減乃至削減することができる。

すなわち、陰極側処理工程によりｐHが増加する傾向が見られるが（２H₂O+２e⁻→H₂+2OH⁻）、排水１のｐHを増加させアルカリ性にすることよって、塩素ガス（Cl₂）が溶解し易いようにして（Cl₂+２ OH⁻→２HOCｌ）、塩素ガス溶解槽９において、後述の陽極側処理工程（陽極側３の電解通路）での余剰の有効塩素をバブリングし溶解させ回収して浄化処理すべき排水１の処理に再利用することができる。

次いで、排水（汚水原水）１を無隔膜の電気分解槽２に供給するようにした。排水１への導電性の付与や有効塩素（Cl₂、HOCｌ、OCｌ⁻）の素となる塩化物イオン（Cl⁻）の供給のため、排水１の食塩濃度が３％程度になるようにNaClを添加した。
そして、排水中に食塩が共存する状態での電気分解（２Cl⁻→Cl₂+２e⁻、Cl₂+ H₂O→HOCｌ+ HCｌ）で生成する次亜塩素酸（HOCｌ）により、排水中の汚れ成分（主として有機成分）は酸化分解されることになる。また、前記汚れ成分は陽極電極に接触して直接酸化されることにより分解されることになる。さらに、前記汚れ成分は電解により生成するヒドロキシルラジカル（・OH）により分解されることになる。

さらに、陽極側処理工程（陽極側３の電解通路）で排水１の水素イオン濃度を低下させて塩素ガスを揮発させ易くするようにしており（前記塩素ガス溶解槽９で回収して再利用する）、排水１に塩酸（HCｌ）等の酸を添加することなく、陽極側電解通路を利用して水素イオン濃度ｐHを低下させることにより、塩素ガス（Cl₂）を揮発し易くすることができ、酸の添加を削減して薬剤コストを低減乃至削減することができる。
すなわち、陽極側処理工程によりｐHが低下する傾向が見られるが（２H₂O→O₂+４H⁺+４e⁻）、排水１のｐHを低下させ酸性にすることよって、浄化処理後の排水１中の余剰の次亜塩素酸（HOCｌ）を塩素ガス（Cl₂）の形に変化させて揮発させて（２HOCｌ+２H⁺→Cl₂↑+H₂O）、残留塩素濃度を低下させることができる。

従来よりもきめ細かな制御を行うことができることによって、排水処理その他の水処理の用途に適用することができる。

この発明の排水の処理方法の実施形態１を説明するシステム・フロー図。 この発明の排水の処理方法の実施形態２を説明するシステム・フロー図。 この発明の排水の処理方法の実施形態３を説明するシステム・フロー図。

１ 排水
３ 陽極側
４ 陰極側
５ アニオン交換膜
６ カチオン交換膜
P 隔膜

Claims (5)

1. 排水１を有隔膜電気分解の陽極側３に通す陽極側処理工程と、陰極側４に通す陰極側処理工程とを具備させるようにしたことを特徴とする排水処理方法。
2. 前記隔膜Pとしてアニオン交換膜５を用い、陰極側処理工程で排水中に含有される塩化物イオンを陽極側３へと移動させて低減するようにした請求項１記載の排水処理方法。
3. 前記隔膜Pとしてカチオン交換膜６を用い、陽極側処理工程で排水中に含有されるナトリウムイオンを陰極側４へと移動させて低減するようにした請求項１又は２記載の排水処理方法。
4. 前記陽極側処理工程で排水１の水素イオン濃度を低下させて塩素ガスを揮発させ易くするようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の排水処理方法。
5. 前記陰極側処理工程で排水１の水素イオン濃度を増加させて塩素ガスを溶解させ易くするようにした請求項１乃至４のいずれかに記載の排水処理方法。