JP2021016813A

JP2021016813A - 酸素ガス供給装置及び下水処理システム

Info

Publication number: JP2021016813A
Application number: JP2019132676A
Authority: JP
Inventors: 博俊村山; Hirotoshi Murayama
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-02-15

Abstract

【課題】消費電力を低減することができる酸素ガス供給装置及び下水処理システムを提供する。【解決手段】酸素ガス供給装置１は、水電解槽１０と、配管３０と、を備える。水電解槽１０は、陽極側セル１１及び陰極側セル１２を有し、水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを生成する。配管３０の第１端部３０ａは陽極側セル１１に接続されている。配管３０は、酸素ガスを曝気槽１００の内部に供給する。【選択図】図１

Description

実施形態は、酸素ガス供給装置及び下水処理システムに関する。

従来より、下水処理システムの一部に曝気槽が用いられている。曝気槽には活性汚泥が投入されており、活性汚泥中の好気性微生物が汚水中の有機物を分解する。曝気槽においては、汚水と活性汚泥を混合すると共に、好気性微生物を増殖させるために、ポンプ（ブロア）によって大気を曝気槽内に導入している。しかしながら、ポンプを駆動するためには膨大な電力が必要であり、下水処理システムに要する電力の約半分を占めるという問題がある。

特開２０１５−１０４７１２号公報

実施形態の目的は、消費電力を低減することができる酸素ガス供給装置及び下水処理システムを提供することである。

実施形態に係る酸素ガス供給装置は、水電解槽と、配管と、を備える。前記水電解槽は、陽極側セル及び陰極側セルを有し、水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを生成する。前記配管の第１端部は前記陽極側セルに接続されている。前記配管は、前記酸素ガスを曝気槽の内部に供給する。

実施形態に係る下水処理システムは、前記酸素ガス供給装置と、前記曝気槽と、を備える。

第１の実施形態に係る下水処理システムを示す図である。第２の実施形態に係る下水処理システムを示す図である。第３の実施形態に係る下水処理システムを示す図である。第４の実施形態に係る下水処理システムを示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係る下水処理システムを示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る下水処理システム１０１においては、酸素ガス供給装置１及び曝気槽１００が設けられている。曝気槽１００内には活性汚泥及び汚水が投入されており、活性汚泥中の好気性微生物が汚水中の有機物を分解する。曝気槽１００には、いずれも図示しない汚水（原水）の供給配管と処理水の排水配管が接続されている。曝気槽１００内には、いずれも図示しない散気管、気液接触を促進させるエアレータなどが設けられている。

酸素ガス供給装置１においては、水電解槽１０、電力制御回路２０及び配管３０が設けられている。水電解槽１０は、水を電気分解して酸素ガス（Ｏ_２）及び水素ガス（Ｈ_２）を生成する。水電解槽１０においては、陽極側セル１１及び陰極側セル１２が設けられている。陽極側セル１１内及び陰極側セル１２内には、電解液が保持されている。電解液は、例えば、アルカリ性水溶液である。陽極側セル１１と陰極側セル１２は、多孔質板１３によって仕切られている。多孔質板１３は、多孔質膜を備える板状体であるが、多孔質膜を備えればよく板状体に限定されない。なお、多孔質板１３の替わりに、イオン交換膜が設けられていてもよい。陽極側セル１１内には陽極電極１４が設けられており、陰極側セル１２内には陰極電極１５が設けられている。

陽極電極１４及び陰極電極１５は、電力制御回路２０に接続されており、電力制御回路２０から直流電力が供給される。電力制御回路２０には、例えば、酸素ガス供給装置１の外部に設けられた発電装置２００から電力が供給される。発電装置２００は、例えば、再生可能エネルギーを利用する発電装置であり、例えば、太陽光発電装置又は風力発電装置である。なお、電力制御回路２０には、通常の電力系統から電力が供給されてもよい。

酸素ガス供給装置１には、上記以外にも、水電解槽１０に電解液を供給する電解液供給手段、電解液と酸素ガスとを分離する酸素ガス分離手段、電解液と水素ガスとを分離する水素ガス分離手段、酸素ガスから電解液を除去する酸素ガス洗浄塔、水素ガスから電解液を除去する水素ガス洗浄塔等が設けられていてもよい。

配管３０の一方の端部３０ａは、水電解槽１０の陽極側セル１１に接続されている。例えば、端部３０ａは、陽極側セル１１に気密的に接続されている。配管３０の他方の端部３０ｂは、曝気槽１００の内部に配置されている。例えば、端部３０ｂは、曝気槽１００の底部付近に配置されている。また、端部３０ｂには、微小な孔が複数形成されている。配管３０の途中には、弁３０ｃが設けられている。弁３０ｃは、端部３０ａ側の圧力が一定の圧力を超えると開き、酸素ガスを端部３０ｂ側に流通させる。

次に、本実施形態に係る下水処理システム１０１の動作について説明する。
曝気槽１００内には、汚水及び活性汚泥が保持されている。また、水電解槽１０内には、電解液が保持されている。この状態で、発電装置２００から酸素ガス供給装置１の電力制御回路２０に電力が供給されると、陽極電極１４と陰極電極１５との間に直流電圧が印加される。

これにより、水電解槽１０内において電解液が電気分解され、陽極側セル１１内において酸素ガスが発生し、陰極側セル１２内において水素ガスが発生する。このとき、酸素ガスの発生に伴い、陽極側セル１１内の圧力が上昇し、水素ガスの発生に伴い、陰極側セル１２内の圧力が上昇する。例えば、陽極側セル１１内の酸素ガスの圧力は、１〜２ＭＰａ程度となる。陽極側セル１１と配管３０の端部３０ａとは気密的に接続されているため、陽極側セル１１内の圧力は配管３０内に伝わる。これにより、弁３０ｃが開く。

この結果、陽極側セル１１において発生した酸素ガスは、配管３０を介して、曝気槽１００の内部に供給される。このとき、配管３０の端部３０ｂにおいて、酸素ガスの圧力が水圧よりも高ければ、酸素ガスは配管３０の端部３０ｂから曝気槽１００内に放出される。例えば、曝気槽１００の深さが１０ｍであり、配管３０の端部３０ｂが曝気槽１００の底部付近に配置されていれば、端部３０ｂにおける水圧は０．２ＭＰａ程度である。上述の如く、酸素ガスの圧力は例えば１〜２ＭＰａであるため、端部３０ｂにおいては酸素ガスの圧力が水圧よりも高く、酸素ガスを放出することができる。配管３０の端部３０ｂから放出された酸素ガスにより、曝気槽１００内の好気性微生物が活性化し、有機物の分解が促進される。これにより、汚水が浄化される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る酸素ガス供給装置１によれば、水電解槽１０によって生成した高圧の酸素ガスを、配管３０を介して、高圧のまま曝気槽１００内に供給している。このため、酸素ガスを加圧して曝気槽１００内に流入させるためのポンプが不要であり、ポンプを駆動するための電力も不要である。これにより、下水処理システム１０１の消費電力を低減することができる。また、生成した酸素ガスをその場で消費するため、酸素ガスを貯蔵するコストがかからない。

また、本実施形態においては、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置２００から、水電解槽１０に電力が供給されている。このため、水の電気分解に要する電力の少なくとも一部を、再生可能エネルギーによって賄うことができる。

更に、本実施形態においては、大気ではなく酸素ガスを曝気槽１００内に供給している。このため、大気を供給する場合よりも、曝気槽１００内の溶存酸素の濃度が増加し、効率的に好気性微生物を活性化させることができる。例えば、供給流量が同じである場合、純度が１００％に近い酸素ガスを曝気槽１００内に供給すれば、酸素濃度が２０％程度の大気を供給する場合と比較して、汚水の処理能力を２〜３倍に向上させることができる。このように、本実施形態に係る下水処理システム１０１は、消費電力を抑えつつ、汚水を効率的に処理することができる。

＜第２の実施形態＞
図２は、本実施形態に係る下水処理システムを示す図である。
図２に示すように、本実施形態に係る下水処理システム１０２においては、酸素ガス供給装置２、曝気槽１００、ポンプ（ブロア）４１及び配管４２が設けられている。配管４２の一方の端部はポンプ４１の出側に接続されており、他方の端部は曝気槽１００の内部に配置されている。ポンプ４１は、大気を吸い込んで加圧し、配管４２を介して、曝気槽１００内に導入する。酸素ガス供給装置２においては、水電解槽１０、電力制御回路２０、配管３０が設けられている。配管３０の端部３０ｂは、曝気槽１００の内部には配置されておらず、ポンプ４１の入側に接続されている。なお、配管３０の端部３０ｂを、ポンプ４１の出側の配管４２に接続するように構成してもよい。

本実施形態に係る下水処理システム１０２においては、水電解槽１０において生成された酸素ガスを、配管３０を介してポンプ４１に供給する。ポンプ４１は、酸素ガスを大気と混合して配管４２に供給し、曝気槽１００の内部に供給する。ポンプ４１及び配管４２は、大気供給装置を構成している。換言すると、配管３０および配管４２は、配管３０からの酸素ガスとポンプ４１から吐出される大気を曝気槽１００の内部に供給する構成である。

本実施形態によれば、発電装置２００が出力する電力が小さく、酸素ガスが十分に生成されない場合であっても、ポンプ４１及び配管４２によって大気を曝気槽１００内に供給することができる。これにより、発電装置２００の出力変動の影響を抑制し、安定的に汚水を浄化することができる。

また、本実施形態においては、配管３０の端部３０ｂを既存の大気供給装置のポンプ４１に接続するだけで、酸素ガス供給装置２を曝気槽１００に取り付けることができる。このため、酸素ガス供給装置２を曝気槽１００に取り付ける場合に、曝気槽１００の内部に配管を設ける工事が不要である。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

＜第３の実施形態＞
図３は、本実施形態に係る下水処理システムを示す図である。
図３に示すように、本実施形態に係る下水処理システム１０３においては、酸素ガス供給装置３、曝気槽１００、溶存酸素センサー１２０、ポンプ４１及び配管４２が設けられている。溶存酸素センサー１２０は、曝気槽１００内に配置されており、曝気槽１００内の汚水の溶存酸素濃度を測定する。

酸素ガス供給装置３においては、第２の実施形態に係る酸素ガス供給装置２（図２参照）の構成に加えて、配管４４、タンク４５、配管４６及び燃料電池４７が設けられている。配管４４の一方の端部４４ａは、水電解槽１０の陰極側セル１２に気密的に接続されており、他方の端部４４ｂはタンク４５に接続されている。タンク４５は、配管４６を介して、燃料電池４７に接続されている。燃料電池４７は、水素を用いて発電を行なう発電手段の一例であり、溶存酸素センサー１２０から曝気槽１００内の溶存酸素濃度を示す信号を受信し、溶存酸素濃度が既定値未満となったときに、タンク４５から供給される水素ガスと大気中の酸素を用いて発電し、生成された電力をポンプ４１に供給する。

次に、本実施形態に係る下水処理システム１０３の動作について説明する。
水電解槽１０が電解液を電気分解することにより、陽極側セル１１において酸素ガスが発生すると共に、陰極側セル１２において水素ガスが発生する。この水素ガスは、配管４４を介してタンク４５内に流入し、一旦、タンク４５に貯蔵される。

一方、曝気槽１００内の溶存酸素濃度が既定値未満となると、溶存酸素センサー１２０から出力された信号により、燃料電池４７が駆動を開始する。燃料電池４７は、タンク４５に貯蔵された水素ガスを配管４６を介して取り込み、この水素ガスと大気中の酸素を用いて発電し、電力をポンプ４１に供給する。これにより、ポンプ４１が駆動し、陽極側セル１１において発生した酸素ガスと大気を混合して、配管４２を介して曝気槽１００内に供給する。このようにして、曝気槽１００内の溶存酸素濃度が低下したときに、自動的にポンプ４１を駆動させ、酸素ガス及び大気を曝気槽１００内に供給する。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、水電解槽１０が水を電気分解して酸素ガスを生成するときに、同時に生成される水素ガスを用いて燃料電池４７を駆動し、生成された電力によってポンプ４１を駆動する。これにより、ポンプ４１を駆動する電力を酸素ガス供給装置３内で賄うことができる。この結果、ポンプ４１により大気を供給することによって、発電装置２００の発電量によらず安定的に汚水を浄化しつつ、燃料電池４７を併用することにより、消費電力を低減することができる。なお、燃料電池４７によって生成される電力と併せて、既存の電力系統から供給される電力を用いてもよい。

また、本実施形態においては、曝気槽１００内に溶存酸素センサー１２０を設け、溶存酸素濃度が規定値未満となったときに、燃料電池４７を駆動する。これにより、曝気槽１００内の溶存酸素濃度が低いときに、酸素ガス及び大気を自動的に曝気槽１００内に供給することができる。換言すれば、曝気槽１００内の溶存酸素濃度が高いときに、不必要なポンプ４１の駆動を抑制できる。この結果、電力を有効に活用して、効率的に汚水を浄化することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。

＜第４の実施形態＞
図４は、本実施形態に係る下水処理システムを示す図である。
図４に示すように、本実施形態に係る下水処理システム１０４は、第３の実施形態に係る下水処理システム１０３（図３参照）と比較して、配管３０の端部３０ｂが曝気槽１００の内部に配置されており、ポンプ４１に接続されていない点が異なっている。すなわち、ポンプ４１及び配管４２は、機械的には酸素ガス供給装置４から独立して、大気を曝気槽１００内に供給する機構を構成している。

本実施形態によれば、水電解槽１０が生成した酸素ガスは、曝気槽１００内に供給して無駄なく使用することができる。また、曝気槽１００内の溶存酸素濃度が低下したときに、ポンプ４１を駆動して大気を曝気槽１００内に供給することができる。このとき、酸素ガスに伴って生成される水素ガスを有効に活用し、燃料電池４７によって電力を生成することにより、ポンプ４１を駆動することができる。この結果、全体として少ない電力で効率的に汚水処理を行うことができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第３の実施形態と同様である。

以上説明した実施形態によれば、消費電力を低減することができる酸素ガス供給装置及び下水処理システムを実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の実施形態は、相互に組み合わせて実施することもできる。

１、２、３、４：酸素ガス供給装置
１０：水電解槽
１１：陽極側セル
１２：陰極側セル
１３：多孔質板
１４：陽極電極
１５：陰極電極
２０：電力制御回路
３０：配管
３０ａ、３０ｂ：端部
３０ｃ：弁
４１：ポンプ
４２：配管
４４：配管
４４ａ、４４ｂ：端部
４５：タンク
４６：配管
４７：燃料電池
１００：曝気槽
１０１、１０２、１０３、１０４：下水処理システム
１２０：溶存酸素センサー
２００：発電装置

Claims

陽極側セル及び陰極側セルを有し、水を電気分解して酸素ガス及び水素ガスを生成する水電解槽と、
第１端部が前記陽極側セルに接続され、前記酸素ガスを曝気槽の内部に供給する配管と、
を備えた酸素ガス供給装置。
大気を前記曝気槽の内部に供給するポンプをさらに備えた請求項１に記載の酸素ガス供給装置。
前記水素ガスを用いて電力を生成する発電手段をさらに備え、
前記電力により、前記ポンプを駆動する請求項２に記載の酸素ガス供給装置。
大気が供給されるポンプをさらに備え、
前記配管は、前記酸素ガスと前記ポンプから吐出される大気を前記曝気槽の内部に供給する請求項１に記載の酸素ガス供給装置。
前記曝気槽内の溶存酸素濃度が既定値未満となったときに、前記ポンプを駆動する請求項２〜４のいずれか１つに記載の酸素ガス供給装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の酸素ガス供給装置と、
前記曝気槽と、
を備えた下水処理システム。