JP3495724B2

JP3495724B2 - 窒素処理方法

Info

Publication number: JP3495724B2
Application number: JP2001285563A
Authority: JP
Inventors: 直樹広; 友人小泉; 毅樂間; 正博井関
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2004-02-09
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: JP2003088871A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に硝酸態窒素及
び硝酸イオンを含む被処理水の窒素処理方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、水に対する関心が高まってきてお
り、生産活動や生活活動により排出される排水中の環境
汚染物質の増大に対し、自然の浄化作用では賄えなくな
り、これまでの快適な生活環境の維持に支障が生じてい
る。特に、排水に含まれる有機物や、窒素・リンなどの
栄養塩類の流入により川や湖の赤潮やアオコの異常発生
による自然環境の破壊が問題となっている。また、飲料
水に硝酸性窒素が混入されることにより、乳幼児のチア
ノーゼという呼吸困難病を引き起こす原因となり、社会
問題にまで発展している。

【０００３】そこで、上記問題を解決するために、環境
汚染物質を減少させることが必要であり、そのためには
人類の活動レベルを低下させるか、技術開発により生産
活動における環境汚染物質の発生を抑制するか、又は発
生した環境汚染物質を無害化することが必要となる。し
かし、活動レベルを低下させることや生産活動における
環境汚染物質の発生抑制には限度があるため、環境汚染
物質を効率的に無害化できる技術が早急に求められてい
る。

【０００４】一般には、環境汚染物質を構成する窒素、
即ち、アンモニア態窒素や硝酸態窒素は、生物的処理に
より処理が行われているが、先ずアンモニア態窒素を硝
酸態窒素に変換する硝化工程と、硝酸態窒素を窒素ガス
に変換する脱窒工程の２つの工程により行われるため、
２つの反応槽が必要となると共に、処理時間が遅いた
め、処理効率が低下する問題があった。

【０００５】また、該生物的処理では、脱窒素細菌を保
有するために、大容量の嫌気槽が必要となり、設備建設
コストの高騰、装置設置面積の増大を招く問題があっ
た。更に、該脱窒素細菌は、周囲の温度環境、その他、
被処理水中に含まれる成分などにより、著しく影響され
るため、特に、温度が低くなる冬場になると、活動が低
下し、脱窒素作用が低下し、処理効率が不安定となる問
題があった。

【０００６】そこで、上記技術的課題を解決するため
に、被処理水に電流を流してアンモニア、亜硝酸態窒
素、硝酸態窒素を酸化又は還元分解して窒素ガスにする
方法がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電解による窒素化合物の処理方法では、窒素ガスになり
にくく、特に、低濃度の硝酸イオンは、カソードにおけ
る還元反応を生じることが難しいため、被処理水中の窒
素成分として残留し、除去できないと云う問題がある。

【０００８】そこで、本発明は、従来の技術的課題を解
決するために成されたものであり、低濃度の硝酸イオン
条件下でも効率的に窒素化合物も除去を行うことができ
ると共に、装置の小型化及びコストの低減を図ることが
できる窒素化合物の窒素処理方法を提唱する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気化学的手
法により被処理水中の窒素化合物を処理する方法であっ
て、カソードを構成する金属材料として、周期表の第Ｉ
ｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導
電体に被覆したものを用い、アノードを囲繞すると共
に、イオンの通過は許容する遮蔽部材を配置し、被処理
水の供給及び排水を行いつつ、カソードとアノード間
に、電圧を印加して、遮蔽部材内方に硝酸態窒素を収集
する収集ステップを実行することを特徴とする。

【００１０】本発明の窒素処理方法によれば、電気化学
的手法により被処理水中の窒素化合物を処理する方法で
あって、カソードを構成する金属材料として、周期表の
第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族
を導電体に被覆したものを用い、アノードを囲繞すると
共に、イオンの通過は許容するフィルターなどの遮蔽部
材を配置し、被処理水の供給及び排水を行いつつ、カソ
ードとアノード間に、電圧を印加して、遮蔽部材内方に
硝酸態窒素を収集する収集ステップを実行するので、効
率的にアノードと遮蔽部材間の被処理水の硝酸態窒素濃
度を高くすることができ、被処理水の処理効率を向上さ
せることができるようになる。

【００１１】請求項２の窒素処理方法は、請求項１の発
明に加えて、収集ステップを実行した後、カソードとア
ノード間に電圧を印加し、被処理水の電気化学的手法に
よる脱窒処理を行う脱窒ステップを実行することを特徴
とする。

【００１２】請求項２の発明の窒素処理方法によれば、
請求項１の発明に加えて、収集ステップを実行した後、
カソードとアノード間に電圧を印加し、被処理水の電気
化学的手法による脱窒処理を行う脱窒ステップを実行す
るので、予め収集ステップにおいて遮蔽部材内方に収集
された高濃度の硝酸態窒素を電気化学的手法により処理
することにより、被処理水の電解効率を向上させること
ができるようになる。そのため、被処理水に含有される
硝酸態窒素の処理効率を向上させることができるように
なる。

【００１３】請求項３の発明の窒素処理方法は、請求項
２の発明に加えて、脱窒ステップは、被処理水の撹拌を
行いながら電気化学的手法による脱窒処理を行うことを
特徴とする。

【００１４】請求項３の発明の窒素処理方法によれば、
請求項２の発明に加えて、脱窒ステップは、被処理水の
撹拌を行いながら電気化学的手法による脱窒処理を行う
ので、被処理水中に存在する硝酸態窒素を効率的にカソ
ードに接触させることができ、硝酸態窒素の処理効率を
一層促進することができるようになる。

【００１５】請求項４の発明の窒素処理方法は、請求項
１、請求項２又は請求項３の発明に加えて、収集ステッ
プにより、遮蔽部材内方の被処理水の硝酸態窒素濃度が
所定高濃度に到達した後、被処理水の供給及び排水を停
止し、遮蔽部材内方の硝酸態窒素をカソード側に拡散す
る脱窒ステップを実行することを特徴とする。

【００１６】請求項４の発明の窒素処理方法によれば、
請求項１、請求項２又は請求項３の発明に加えて、収集
ステップにより、アノードと遮蔽部材間の被処理水の硝
酸態窒素濃度が所定高濃度に到達した後、被処理水の供
給及び排水を停止し、遮蔽部材内方の硝酸態窒素をカソ
ード側に拡散する脱窒ステップを実行するので、遮蔽部
材内方の被処理水中に存在しきれない硝酸態窒素が、排
水中に混入し、窒素処理せずに排水される不都合を未然
に回避することができるようになる。

【００１７】また、遮蔽部材内方に所定高濃度の硝酸態
窒素を収集するまで被処理水の供給及び排水を行うこと
により、効率的に被処理水の窒素処理を行うことができ
るようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態を詳述する。図１は本発明の窒素処理方法を実現
するための窒素処理装置１の概要を示す説明図である。
本実施例における窒素処理装置１は、例えば一般家庭の
生活排水や工場排水などに含有される窒素化合物の処理
を行うものであり、内部に処理室４を構成する処理槽２
により構成される。

【００１９】この処理槽２は、例えば矩形体を呈してお
り、処理槽２内の処理室４内に貯留される被処理水中に
は、少なくとも一部が被処理水中に浸漬される一対の電
極、即ち、カソード６とアノード７が対向して配設され
る。尚、本実施例では、一対の電極を用いているが、一
対よりも多い複数の電極を用いた場合であっても良いも
のとする。これらカソード６及びアノード７には、これ
ら電極間に通電するための電源２５が設けられる。尚、
この電源２５は詳細は後述する制御装置２２により、Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ制御が行われるものとする。

【００２０】また、本実施例で用いられるカソード６
は、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導電体とし
ての銅と亜鉛又は銅と鉄又は銅とニッケル又は銅とアル
ミニウムの合金又は焼結体から構成されており、アノー
ド７は、不溶性金属、例えば白金、イリジウム、パラジ
ウム又はその酸化物などから構成される不溶性電極又は
カーボンである。

【００２１】本実施例における処理室４内には、アノー
ド７とカソード６との間に位置して、アノード７を囲繞
するように、図２に示される如き円筒状に形成された遮
蔽部材９が設けられている。当該遮蔽部材９は、例えば
ガラス繊維やプラスチックのメッシュ又はフィルターな
どの非導電性部材にて構成されており、これにより、ア
ノード７から発生する酸素気泡が、カソード６側に通過
することを阻止することができると共に、処理室４内へ
の被処理水の供給及び排水により生じる水の流れの影響
を低減することができる。尚、この遮蔽部材９は、イオ
ンの移動は許容されるものとする。

【００２２】また、この遮蔽部材９の内方には、当該遮
蔽部材９により囲繞されるアノード７近傍の硝酸態窒
素、即ち、硝酸イオンの濃度を検出するための濃度検出
装置１５が設けられている。

【００２３】そして、この貯留槽２のカソード６側を構
成する側壁の下部には、一般家庭の生活排水や工場排水
などの被処理水を処理室４内に流入させるための流入口
１０が形成されている。この流入口１０には、前記被処
理水を処理槽２に案内するための配管１０Ａが接続され
ており、この配管１０Ａには、処理室４内への被処理水
の流入を制御する制御弁１０Ｂが設けられている。

【００２４】他方、アノード７側を構成する側壁の下部
には、処理室４内の被処理水を外部に排水するための流
出口１１が形成されている。この流出口１１にも、上記
と同様に、処理室４内の被処理水を外部に排水するため
の配管１１Ａが接続されており、この配管１１Ａには、
処理室４からの被処理水の流出を制御する制御弁１１Ｂ
が設けられている。また、この配管１１Ａには、排水と
して流出口１１から流出される被処理水の硝酸態窒素濃
度、本実施例では硝酸イオン濃度を検出するための限界
濃度検出装置１４が設けられている。

【００２５】また、図１においてカソード６の下方に設
けられる１２は、特にカソード６側の被処理水を撹拌す
る撹拌手段としての気泡発生装置である。尚、本実施例
では撹拌手段として気泡発生装置を用いているが、これ
以外に撹拌子により構成されていても良いものとする。

【００２６】また更に、図１において貯留槽２上方に設
置される１３は、被処理水搬送手段としての電動ポンプ
であり、アノード７と前記遮蔽部材９との間にある被処
理水を遮蔽部材９の外側、即ち、カソード６側の処理室
４内に搬送するものである。

【００２７】尚、図３に示す如く前記制御装置２２は、
汎用のマイクロコンピュータにより構成されているもの
であり、この制御装置２２の入力側には、限界濃度検出
装置１４と、濃度検出装置１５が接続されている。そし
て、この制御装置２２の出力側には、前記電源２５と、
気泡発生装置１２と、制御弁１０Ｂと、制御弁１１Ｂ
と、電動ポンプ１３が接続されている。

【００２８】以上の構成により、前記制御装置２２は、
制御弁１０Ｂを開放すると共に、制御弁１１Ｂを閉鎖
し、窒素化合物としての硝酸態窒素を含む被処理水を処
理室４内に貯留する。そして、処理室４内に所定量以上
の被処理水が貯留された後、制御弁１０Ｂを開放した状
態を維持したままで、制御弁１１Ｂを開放し、処理室４
内への被処理水の供給及び排水を同時に行う。

【００２９】このとき、前記制御装置２２は、電源２５
をＯＮとし、カソード６及びアノード７間に、比較的微
弱な電圧、即ち、被処理水内の窒素化合物の電解を生じ
ない程度の電圧を印加し、硝酸イオンの収集ステップを
実施する。尚、この収集ステップにおいて前記気泡発生
装置１２は、運転を停止し、被処理水の撹拌は行わない
ものとする。

【００３０】これにより、被処理水中に存在する硝酸態
窒素としての硝酸イオンは、正の電荷が帯電されたアノ
ード７に引きつけられ、前記遮蔽部材９を透過して、遮
蔽部材９の内方であってアノード７近傍に収集される。
このとき、遮蔽部材９は、被処理水の通過は許容しつ
つ、アノード７側、即ち、アノード７内方への被処理水
の流れの影響を低減することができるため、被処理水の
処理室４内への供給及び排水により生じる流水により、
遮蔽部材９内方であってアノード７近傍に収集された硝
酸イオンが排水として外部に流出することを未然に防止
することができるようになる。

【００３１】そして、この被処理水の供給及び排水を継
続又は、複数回に渡って行うことにより、大量の被処理
水中に含まれる硝酸イオンを遮蔽部材９内方であってア
ノード７近傍に収集することができるため、遮蔽部材９
内方であってアノード７近傍の硝酸イオンの濃度を効率
的に高くすることができる。

【００３２】前記遮蔽部材９の内方に設けられた硝酸イ
オン濃度を検出するための濃度検出装置１５により、遮
蔽部材９内方における被処理水中の硝酸イオン濃度が所
定の高濃度に達したか否かを検出する。制御装置２２
は、遮蔽部材９内方の硝酸イオン濃度が所定の高濃度に
達した場合には、制御弁１０Ｂ及び１１Ｂを閉鎖し、被
処理水の供給及び排水を停止する。

【００３３】これにより、遮蔽部材９内方に所定濃度以
上の硝酸イオンが収集しきれず、排水中に硝酸イオンが
多量に残留し、窒素処理を行わずに外部に排水される不
都合を未然に回避することができるようになる。また、
アノード７と遮蔽部材９間に所定の高濃度以上の硝酸態
窒素（硝酸イオン）を収集するまで被処理水の供給及び
排水を行うことにより、効率的に被処理水の窒素処理を
行うことができるようになる。

【００３４】尚、この被処理水の供給及び排水の停止
は、流出口１１に接続される配管１１Ａに設けられる被
処理水の硝酸イオン濃度を検出するための限界濃度検出
装置１４により、排水中の被処理水中の硝酸イオン濃度
が所定の限界濃度に達したか否かを検出し、この検出の
基づき、制御弁１０Ｂ及び１１Ｂの制御を行うことによ
り実施しても良いものとする。

【００３５】これにより、遮蔽部材９内方の被処理水中
に存在しきれない硝酸イオンが、残留したまま外部に流
出することを回避することができるようになり、所定の
限界濃度以上の硝酸イオンが窒素処理されずに排水され
る不都合を未然に回避することができるようになる。そ
のため、被処理水の窒素処理効率を向上させることがで
きるようになる。

【００３６】また、この被処理水の供給及び排水の停止
は、上述した以外に、予め設定した被処理水の供給量又
は供給時間などを目安に行っても良いものとする。

【００３７】そして、制御装置２２は、前記貯留槽２上
方に設置される電動ポンプ１３を運転し、遮蔽部材９内
方にある被処理水を遮蔽部材９の外側、即ち、カソード
６が存在する処理室４内に搬送し、係る高濃度の硝酸イ
オンを含有する被処理水を被処理水中に拡散させる。
尚、この高濃度の硝酸イオンの拡散は、遮蔽部材９の除
去又は遮蔽部材９を開放によっても行うことができる。

【００３８】その後、制御装置２２は、電源２５により
カソード６及びアノード７間に、窒素化合物を電解可能
とする電圧を印加し、高濃度の硝酸イオンを含有する被
処理水の電気化学的手法としての電解を行う脱窒ステッ
プを実施する。

【００３９】これにより、被処理水中に含まれる硝酸態
窒素としての硝酸イオンは、電解により、還元反応を生
じ、同じく硝酸態窒素としての亜硝酸イオンに変換され
る（反応Ａ）。また、硝酸イオンの還元反応により生成
された亜硝酸イオンは、更に、還元反応を生じ、アンモ
ニア態窒素を含むアンモニアに変換される（反応Ｂ）。
以下に、反応Ａ及び反応Ｂを示す。反応ＡＮＯ₃ ^-＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→ＮＯ₂ ^-＋２ＯＨ^- 反応ＢＮＯ₂ ^-＋５Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-→ＮＨ₃（ａｑ）＋７ＯＨ^-

【００４０】このとき、処理室４内の被処理水中には高
濃度の硝酸イオンが存在しているため、効率的に硝酸イ
オンがカソード６において還元反応を生じ、高効率で硝
酸イオンからアンモニアを生成することができるように
なる。

【００４１】尚、制御装置２２は、この脱窒ステップに
おいて、前記撹拌手段としての気泡発生装置１２を運転
し、被処理水の撹拌を行うため、被処理水に含まれる硝
酸態窒素、特に負に帯電した硝酸イオンが積極的にカソ
ード６に接触し、撹拌を行わない場合に比して硝酸イオ
ンのカソード６への接触確率が向上し、上記硝酸イオン
からアンモニアの生成を著しく促進させることができる
ようになる。

【００４２】一方、アノード７側では、アノード７の表
面から活性酸素や次亜塩素酸が発生し、これにより、被
処理水中におけるアンモニアの脱窒作用により、窒素ガ
スを生成する（反応Ｃ）。以下に、反応Ｃ乃至反応Ｆを
示す。反応ＣＮＨ₃（ａｑ）＋３（Ｏ）→Ｎ₂↑＋３Ｈ₂Ｏ反応ＤＮａＣｌ→Ｎａ⁺＋Ｃｌ^- ２Ｃｌ^-→Ｃｌ₂＋２ｅ^- 反応ＥＣｌ₂＋Ｈ₂Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ反応Ｆ２ＮＨ₄＋４ＨＣｌＯ→Ｎ₂↑＋４ＨＣｌ＋４Ｈ₂Ｏ

【００４３】これにより、被処理水中内の硝酸態窒素、
亜硝酸態窒素及びアンモニア態窒素などの窒素化合物を
同一の処理室４内において、処理可能となる。また、予
め被処理水中の硝酸イオン濃度を所定の高濃度にした状
態で前記脱窒ステップを行うため、多量の被処理水に含
まれる硝酸態窒素を高効率で処理することができるよう
になり、被処理水の処理効率を著しく向上させることが
できるようになる。

【００４４】また、被処理水中の塩化物イオン濃度を調
整する手段を備え、当該被処理水を所定の塩化物イオン
濃度に調整しても良いものとする。これにより、被処理
水の塩化物イオン濃度が高くなることにより、次亜塩素
酸の発生効率を向上させることができるようになる。

【００４５】尚、本実施例では、遮蔽部材９内方に収集
された硝酸イオンを他の被処理水中に拡散させ、電解す
ることにより窒素処理を行っているが、これ以外に、遮
蔽部材９内方の硝酸イオンが高濃度に存在する被処理水
を例えば図示しない収集手段により外部に吸い上げ、処
理した場合であっても、被処理水の処理効率を向上させ
ることができるようになる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明の窒素処理方
法によれば、電気化学的手法により被処理水中の窒素化
合物を処理する方法であって、カソードを構成する金属
材料として、周期表の第Ｉｂ族又は第ＩＩｂ族を含む導
電体、若しくは、同族を導電体に被覆したものを用い、
アノードを囲繞すると共に、イオンの通過は許容するフ
ィルターなどの遮蔽部材を配置し、被処理水の供給及び
排水を行いつつ、カソードとアノード間に、電圧を印加
して、遮蔽部材内方に硝酸態窒素を収集する収集ステッ
プを実行するので、効率的にアノードと遮蔽部材間の被
処理水の硝酸態窒素濃度を高くすることができ、被処理
水の処理効率を向上させることができるようになる。

【００４７】請求項２の発明の窒素処理方法によれば、
請求項１の発明に加えて、収集ステップを実行した後、
カソードとアノード間に電圧を印加し、被処理水の電気
化学的手法による脱窒処理を行う脱窒ステップを実行す
るので、予め収集ステップにおいて遮蔽部材内方に収集
された高濃度の硝酸態窒素を電気化学的手法により処理
することにより、被処理水の電解効率を向上させること
ができるようになる。そのため、被処理水に含有される
硝酸態窒素の処理効率を向上させることができるように
なる。

【００４８】請求項３の発明の窒素処理方法によれば、
請求項２の発明に加えて、脱窒ステップは、被処理水の
撹拌を行いながら電気化学的手法による脱窒処理を行う
ので、被処理水中に存在する硝酸態窒素を効率的にカソ
ードに接触させることができ、硝酸態窒素の処理効率を
一層促進することができるようになる。

【００４９】請求項４の発明の窒素処理方法によれば、
請求項１、請求項２又は請求項３の発明に加えて、収集
ステップにより、アノードと遮蔽部材間の被処理水の硝
酸態窒素濃度が所定高濃度に到達した後、被処理水の供
給及び排水を停止し、遮蔽部材内方の硝酸態窒素をカソ
ード側に拡散する脱窒ステップを実行するので、遮蔽部
材内方の被処理水中に存在しきれない硝酸態窒素が、排
水中に混入し、窒素処理せずに排水される不都合を未然
に回避することができるようになる。

【００５０】また、遮蔽部材内方に所定高濃度の硝酸態
窒素を収集するまで被処理水の供給及び排水を行うこと
により、効率的に被処理水の窒素処理を行うことができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒素処理方法を実現するための窒素処
理装置の概要を示す説明図である。

【図２】アノードの構造説明図である。

【図３】制御装置の電気ブロック図である。

【符号の説明】

１窒素処理装置２処理槽４処理室６カソード７アノード９遮蔽部材１０流入口１０Ａ、１１Ａ配管１０Ｂ、１１Ｂ制御弁１１流出口１２気泡発生装置１３電動ポンプ１４濃度検出装置１５限界濃度検出装置２２制御装置２５電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井関正博大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (56)参考文献特開平11−347558（ＪＰ，Ａ) 特開平11−90173（ＪＰ，Ａ) 特開平10−473（ＪＰ，Ａ) 特開平７−299466（ＪＰ，Ａ) 特開平11−226576（ＪＰ，Ａ) 特開平７−256264（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 1/469 C02F 1/461

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気化学的手法により被処理水中の窒素
化合物を処理する方法であって、カソードを構成する金属材料として、周期表の第Ｉｂ族
又は第ＩＩｂ族を含む導電体、若しくは、同族を導電体
に被覆したものを用い、前記アノードを囲繞すると共に、イオンの通過は許容す
る遮蔽部材を配置し、前記被処理水の供給及び排水を行いつつ、前記カソード
とアノード間に、電圧を印加して、前記遮蔽部材の内方
に硝酸態窒素を収集する収集ステップを実行することを
特徴とする窒素処理方法。
【請求項２】前記収集ステップを実行した後、前記カ
ソードとアノード間に電圧を印加し、被処理水の電気化
学的手法による脱窒処理を行う脱窒ステップを実行する
ことを特徴とする請求項１の窒素処理方法。
【請求項３】前記脱窒ステップは、前記被処理水の撹
拌を行いながら前記電気化学的手法による脱窒処理を行
うことを特徴とする請求項２の窒素処理方法。
【請求項４】前記収集ステップにより、前記遮蔽部材
内方の前記被処理水の硝酸態窒素濃度が所定高濃度に到
達した後、前記被処理水の供給及び排水を停止し、前記
遮蔽部材内方の硝酸態窒素をカソード側に拡散する前記
脱窒ステップを実行することを特徴とする請求項１、請
求項２又は請求項３の窒素処理方法。