JP2015208715A - 廃水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境条件の変化に拘わらず十分な電流を得ることができ、廃水中のリンを効率よく回収できる廃水処理装置を提供する。
【解決手段】廃水処理装置１は、リンを含む有機物溶液からなる廃水Ｗを収容する処理槽２と、光触媒からなるアノード３と、酸素と水と電子とから水酸イオンを生成するカソード４と、外部回路５とを備える。アノード３に光を照射することにより廃水Ｗ中の有機物を酸化分解して二酸化炭素又は窒素と水素イオンと電子とを生成する一方、カソード４にリン酸塩を生成させて廃水Ｗ中のリンを回収する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、畜産廃水等のリンを含む有機物溶液からなる廃水を浄化処理する廃水処理装置に関する。

従来、有機物溶液を収容する処理槽に、光触媒からなるアノードと、対向電極としてのカソードとを設けた光燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

前記光燃料電池によれば、前記アノードに光を照射すると前記光触媒の作用により前記廃水中の有機物が酸化分解されて、二酸化炭素又は窒素と水素イオン（プロトン）と電子とが生成する。一方、前記対向電極としての前記カソードでは、前記廃水中の酸素が前記カソードから電子を受け取ることにより還元され、前記水素イオンと反応することにより水が生成する。

従って、前記アノードと前記カソードとを外部回路により接続することにより、該アノードから該カソードに前記電子を導くことができ、電流を取り出すことができる。特許文献１記載の前記光燃料電池は、前記有機物溶液として、メタノール等のアルコール類、尿素、アンモニア、アガロース、グルコース、アミノ酸、さらにはセルロース等のバイオマスに至るまで酸化分解することができるとされている。

そこで、前記光燃料電池を用いて、例えば、畜産廃水等の有機物溶液からなる廃水の浄化処理を行うことが考えられる。

一方、前記畜産廃水等の有機物溶液からなる廃水の浄化処理に微生物燃料電池を用いることが提案されている。前記微生物燃料電池として、例えば、有機物溶液からなる廃水を収容する処理槽に、有機物を分解して電子を放出する細胞外電子伝達能を有する微生物を含むバイオフィルムを備えるアノードと、対向電極としてのカソードとを設けたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

前記微生物燃料電池によれば、前記アノードにおいて前記微生物により前記廃水中の有機物が酸化分解されて、二酸化炭素又は窒素と水素イオン（プロトン）と電子とが生成する。一方、前記対向電極としての前記カソードでは、前記廃水中の酸素がカソードから電子を受け取ることにより還元されて水酸イオンが生成する。

従って、前記アノードと前記カソードとを外部回路により接続することにより、該アノードから該カソードに前記電子を導くことができ、電流を取り出すことができる。ここで前記カソード周辺では前記水酸イオンの生成により前記処理槽内に収容されている廃水の他の部分に比較してｐＨが大きくなる。そこで、前記廃水がリン、マグネシウム塩及びアンモニウム塩を含む場合には、該廃水中のマグネシウムイオン、アンモニウムイオン等の弱塩基がリンと化合して、リン酸マグネシウムアンモニウムが沈殿する。

この結果、前記微生物燃料電池によれば、前記廃水を燃料として電流を取り出すことができる一方、該廃水中のリンをリン酸マグネシウムアンモニウムとして回収することができる。前記廃水中のリンは河川、湖沼、又は特定の海域等に排出されるとその水域又は海域の富栄養化を招き、アオコ、赤潮等の環境汚染の原因となるが、前記のようにしてリンを回収することにより該環境汚染を防止することができる。また、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムは肥料として、再利用することができる。

特許第５３７４７０４号公報 特開２０１３−８４５９７号公報

しかしながら、前記微生物燃料電池では、環境条件の変化により前記微生物が十分に作用しないときには十分な電流を得ることができないという不都合がある。一方、前記光燃料電池によれば、光を照射することができれば十分な電流を得ることはできるが、前記廃水中のリンの回収は効率よく行うことができないという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、環境条件の変化に拘わらず十分な電流を得ることができ、しかも前記廃水中のリンを効率よく回収することができる廃水処理装置を提供することを目的とする。

本発明者は、前記光燃料電池により前記廃水中のリンの回収を効率よく行うことができない理由について鋭意検討した結果、該光燃料電池では前記カソードの周辺で十分にｐＨが大きくならないことを見出した。

そこで、本発明は前記目的を達成するために、リンを含む有機物溶液からなる廃水を収容する処理槽と、該処理槽に設置された光触媒からなるアノードと、該処理槽に設置された対向電極としての酸素と水と電子とから水酸イオンを生成するカソードと、該アノードと該カソードとを接続する外部回路とを備える廃水処理装置であって、該アノードに光を照射することにより該廃水中の有機物を酸化分解して二酸化炭素又は窒素と水素イオンと電子とを生成する一方、該カソードにリン酸塩を生成させることにより該廃水中のリンを回収することを特徴とする。

本発明の廃水処理装置は、リンを含む有機物溶液からなる廃水を収容する処理槽と、該処理槽に設置された光触媒からなるアノードと、該処理槽に設置された対向電極としてのカソードと、該アノードと該カソードとを接続する外部回路とを備える。ここで、前記アノード、前記カソード及び前記外部回路は光燃料電池を構成している。

そこで、本発明の廃水処理装置では、アノードに光を照射することにより該廃水中の有機物を酸化分解し、二酸化炭素又は窒素と水素イオンと電子とを生成する。一方、前記カソードでは、酸素と水と電子とから水酸イオンが生成し、この結果、前記外部回路により電流を取り出すことができる。

このとき、前記カソードでは水酸イオンが生成するので、該カソード周辺の廃水のｐＨが前記処理槽内に収容されている廃水の他の部分に比較して大きくなる。この結果、前記カソードの周辺にリン酸塩が生成することとなり、前記廃水中のリンを該リン酸塩として回収することができる。

前記カソードとしては、例えばカーボンフェルト等のカーボン繊維を用いることができる。また、前記廃水がマグネシウム塩及びアンモニウム塩を含むときには、前記リン酸塩は、リン酸マグネシウムアンモニウムとなる。

前記廃水中のリンを前記リン酸マグネシウムアンモニウムとして回収する場合、該廃水の組成によっては、該廃水中のマグネシウムイオン又はアンモニウムイオンが不足することがある。そこで、本発明の廃水処理装置において、前記カソードは前記カーボン繊維からなる中空筒状体であり、前記処理槽は前記中空筒状体の内部にマグネシウム塩を供給するマグネシウム塩供給手段又は、該中空筒状体の内部にアンモニアを供給するアンモニア供給手段を備えることが好ましい。

前記処理槽が前記マグネシウム塩供給手段又は、前記アンモニア供給手段を備えることにより、前記廃水に所要量のマグネシウムイオン又はアンモニウムイオンが供給されることとなる。従って、前記廃水中のリンを前記リン酸マグネシウムアンモニウムとして効率よく回収することができる。

このとき、本発明の廃水処理装置では、前記カソードをカーボン繊維からなる中空筒状体とし、前記マグネシウム塩供給手段又は、前記アンモニア供給手段により該中空筒状体の内部にマグネシウムイオン又はアンモニウムイオンを供給する。このようにすると、前記マグネシウムイオン又はアンモニウムイオンが前記カーボン繊維から外部に滲出し、前記中空筒状体の外表面に沿って前記リン酸マグネシウムアンモニウムを効率よく生成させることができる。

また、本発明の廃水処理装置において、前記処理槽は前記カソードを囲繞する周壁部材を備え、該周壁部材はカチオン透過膜からなり、前記廃水が流通自在であることが好ましい。

前記カソードは前記カチオン透過膜からなる前記周壁部材により囲繞されていることにより、該カソード側から前記アノード側に前記水酸イオンが透過することができないので、該カソード周辺の廃水のｐＨをさらに大きくすることができる。一方、前記周壁は前記廃水が流通自在であるので、前記アノード側から前記カソード側に流入する該廃水中のリンを前記リン酸マグネシウムアンモニウムとしてさらに効率よく回収することができる。

また、本発明の廃水処理装置では、前記廃水の濁度の状態によっては、照射された光が前記アノードに到達しにくく、前記光触媒の作用が十分に得られないことがある。そこで、本発明の廃水処理装置において、前記アノードは照射された光をその表面に導く導光部材を備えることが好ましい。

前記アノードは、前記導光部材を備えることにより、前記廃水の濁度に拘わらず照射された光をその表面に到達させることができ、前記光触媒の作用を十分に得ることができる。

本発明の廃水処理装置の一構成例を示す模式的断面図。 図１に示すカソードの一構成例を示す模式的斜視図。 図１に示すカソードの他の構成例を示す模式的斜視図。 図１に示すアノードの一構成例を示し、（Ａ）は模式的縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のIV−IV線断面の一例を示す横断面図、（Ｃ）は（Ａ）のIV−IV線断面の他の例を示す横断面図。 図１に示すアノードの他の構成例を示す正面図。 図１に示すアノードのさらに他の構成例を示す正面図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態の廃水処理装置１は、廃水Ｗを収容する処理槽２と、処理槽２に設置されたアノード３及び対向電極としてのカソード４と、アノード３とカソード４とを接続する外部回路５とを備え、外部回路５には充電可能なバッテリー６が接続されている。

処理される廃水Ｗは、畜産廃水等のリンを含む有機物溶液の他、リンを含む有機物溶液が排出された湖沼、河川又は特定の海域の水でもよい。これらの廃水は、多くの場合マグネシウム塩及びアンモニウム塩を含んでいる。処理槽２は、角形であっても円筒形であってよく、その形状に限定はない。

アノード３は、光触媒からなる多孔質電極である。前記光触媒としては、二酸化チタン又は可視光光触媒を用いることができる。前記可視光光触媒としては、例えば、ＦｅＯ_３、Ｃｕ_２Ｏ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＷＯ_３等を挙げることができる。

カソード４は、酸素と水と電子とから水酸イオンを生成する材料からなり、このような材料として例えばカーボンフェルト等のカーボン繊維を挙げることができる。

廃水処理装置１では、アノード３に光を照射すると、次式のように、前記光触媒の作用により廃水Ｗ中の有機物が酸化分解され、二酸化炭素又は窒素と水素イオンと電子とを生成する。

有機物 → ＣＯ_２／Ｎ_２ ＋ Ｈ^＋ ＋ ｅ⁻
一方、カソード４では、次式のように、酸素と水と電子とから水酸イオンが生成する。

Ｏ_２ ＋ ２Ｈ_２Ｏ ＋ ４ｅ⁻ → ４ＯＨ⁻
このとき、アノード３で生成した電子は外部回路５によりカソード４に送られ、この結果、外部回路５により電流を取り出すことができる。

また、カソード４の周辺の廃水Ｗは、前記のようにして生成する水酸イオンにより、処理槽２内に収容されている廃水Ｗの他の部分に比較してｐＨが大きくなる。この結果、カソード４の周辺の廃水Ｗはアルカリ性になり、廃水Ｗに含まれるリンが廃水Ｗ中のマグネシウムイオン、アンモニウムイオン等のカチオンと反応して、次式に示すように、リン酸マグネシウムアンモニウム等のリン酸塩が生成する。尚、リンは実際にはリン酸イオン（ＨＰＯ_４ ^２−）として反応に関与する。

Ｍｇ^２＋ ＋ ＮＨ_４ ^＋ ＋ ＨＰＯ_４ ^２− ＋ ＯＨ⁻ ＋ ５Ｈ_２Ｏ →
ＭｇＮＨ_４ＰＯ_４・６Ｈ_２Ｏ
ここで、廃水Ｗの組成によっては、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成するマグネシウムイオン又はアンモニウムイオンが不足することがある。そこで、廃水処理装置１では、図２に示すように、カソード４をカーボンフェルトからなる中空筒状電極１１とし、中空筒状電極１１の内部に塩化マグネシウム等のマグネシウム塩を供給するマグネシウム塩供給導管１２と、中空筒状電極１１の内部にアンモニアを供給するアンモニア供給導管１３とを備える構成とすることができる。

このようにすると、マグネシウム塩供給導管１２により中空筒状電極１１の内部に供給されたマグネシウム塩からマグネシウムイオンが生成する。また、アンモニア供給導管１３により中空筒状電極１１の内部に供給されたアンモニアが前記廃水中の水素イオンと反応してアンモニウムイオンが生成する。尚、アンモニア供給導管１３は、アンモニアに代えて、塩化アンモニウム等のアンモニウム塩を供給するようにしてもよい。

前記マグネシウムイオン及びアンモニウムイオンは、中空筒状電極１１を形成するカーボンフェルトの間隙から中空筒状電極１１の外部に滲出することにより廃水Ｗ中のリンと反応し、前記リン酸マグネシウムアンモニウムを効率よく生成させることができる。前記リン酸マグネシウムアンモニウムは、中空筒状電極１１の外表面に沿って生成して結晶を形成するので、中空筒状電極１１の下方に金属板１４を配設しておくことにより、金属板１４を用いて該結晶を回収することができる。

また、廃水処理装置１では、図３に示すように、カソード４（図３では中空筒状電極１１として示す）をカチオン透過膜からなる周壁部材１５により囲繞するようにしてもよい。前記カチオン透過膜としては、例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標）等を用いることができる。

このようにすると、カソード４で生成する水酸イオンが前記カチオン透過膜をカソード４側からアノード３側に透過することができないので、周壁部材１５内部においてカソード４の周辺の廃水ＷのｐＨをさらに大きくすることができる。但し、前記カチオン透過膜は前記リン酸イオンも透過することができないので、周壁部材１５の外部から内部にリン酸イオンが流入できるように、周壁部材１５は廃水Ｗが流通自在となる窓１５ａを備えている。

この結果、窓１５ａから流入する廃水Ｗ中のリンを前記リン酸マグネシウムアンモニウムとしてさらに効率よく回収することができる。この場合、金属板１４は、中空筒状電極１１と周壁部材１５との下方に配置される。

また、廃水Ｗは多くの場合、汚泥等を含んでおり濁度が大きいため、照射された光がアノード３に到達しにくく、前記光触媒の作用が十分に得られないことがある。そこで、廃水処理装置１は、照射された光をアノード３の表面に導く導光部材を備えることが好ましい。

前記導光部材は、図４（Ａ）に示すように、アノード３の周囲に間隔を存して配設された導光板１６とすることができる。この場合導光板１６は中空筒状体であり、図４（Ｂ）に示すように四角筒状体であってもよく、図４（Ｃ）に示すように円筒状体であってもよい。

また、前記導光部材は、図５に示すように、アノード３の周囲に間隔を存してスパイラル上に配設された導光棒１７であってもよい。導光板１６又は導光棒１７は、図示しないレンズ等により集光された光をアノード３の表面に導くことができる。

また、前記導光部材は、図５に示すように、アノード３の側面の一部に沿って形成されたガラス又は樹脂製の中空筒状体１８であってもよい。中空筒状体１８は内部に空気が入っており、空気を介して光をアノード３の表面に導くことができる。廃水処理装置１が屋外に設置される場合には、中空筒状体１８は上端部に雨水除けの蓋１８ａを備えることが好ましい。

アノード３は、前記導光部材を備えることにより、廃水Ｗの濁度に拘わらず照射された光をその表面に到達させることができ、前記光触媒による有機物の酸化分解を効率よく行うことができる。

尚、本実施形態では、カソード４は処理槽２に収容された廃水Ｗ中に浸漬される形態としているが、一部が処理槽２の壁面を突き抜けて外気に接触しているエアカソードとしてもよい。前記エアカソードは、外気に接触する部分にポリテトラフルオロエチレンを塗布して空気拡散層を形成することにより、カソード４における反応に用いられる酸素を外気から供給することができる。

１…廃水処理装置、 ２…処理槽、 ３…アノード、 ４…カソード、 ５…外部回路、 Ｗ…廃水。

Claims (6)

1. リンを含む有機物溶液からなる廃水を収容する処理槽と、該処理槽に設置された光触媒からなるアノードと、該処理槽に設置された対向電極としての酸素と水と電子とから水酸イオンを生成するカソードと、該アノードと該カソードとを接続する外部回路とを備える廃水処理装置であって、
   該アノードに光を照射することにより該廃水中の有機物を酸化分解して二酸化炭素又は窒素と水素イオンと電子とを生成する一方、該カソードにリン酸塩を生成させることにより該廃水中のリンを回収することを特徴とする廃水処理装置。
2. 請求項１記載の廃水処理装置において、前記カソードはカーボン繊維からなることを特徴とする廃水処理装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の廃水処理装置において、前記廃水がマグネシウム塩及びアンモニウム塩を含むときに、前記リン酸塩はリン酸マグネシウムアンモニウムであることを特徴とする廃水処理装置。
4. 請求項３記載の廃水処理装置において、前記カソードはカーボン繊維からなる中空筒状体であり、前記処理槽は前記中空筒状体の内部にマグネシウム塩を供給するマグネシウム塩供給手段又は、該中空筒状体の内部にアンモニアを供給するアンモニア供給手段を備えることを特徴とする廃水処理装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の廃水処理装置において、前記処理槽は前記カソードを囲繞する周壁部材を備え、該周壁部材は、カチオン透過膜からなり、前記廃水が流通自在であることを特徴とする廃水処理装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の廃水処理装置において、前記アノードは照射された光をその表面に導く導光部材を備えることを特徴とする廃水処理装置。