JP3700846B2

JP3700846B2 - 排水中のアンモニア性窒素の除去方法および装置

Info

Publication number: JP3700846B2
Application number: JP2002098478A
Authority: JP
Inventors: 正小松
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2003290774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アンモニア性窒素、特にアンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンとを含む排水、例えば、畜産廃棄物のメタン発酵後の消化脱離液、し尿のメタン発酵後の消化脱離液、生ゴミのメタン発酵後の消化脱離液などの排水から、アンモニア性窒素を除去する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アンモニア含有排水は、放流先の富栄養化、地下水汚染などの原因となるのでアンモニアを除去することが必要である。例えば、前記メタン発酵後の消化脱離液は、メタン発酵過程で汚濁物質である有機物はある程度分解されているものの、河川等に放流するレベルまでには低下しておらず、活性汚泥処理等で残存有機物を分解処理して放流するのが一般的である。この分解処理した排水中には、アンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンとを含む。
【０００３】
アンモニア性窒素の除去方法としては、バクテリアを用いた生物化学的処理による方法があるが、メタン発酵後の消化脱離液のようにバクテリアの餌となるBOD成分よりアンモニア濃度が高い排水の場合には、空気または水蒸気を用いて気相中にアンモニアを移動させ、気相中のアンモニアを触媒で窒素と水に酸化分解するか、硫酸等の酸に吸収させて硫酸アンモニウムの形態で回収するのが効率的といわれている。
【０００４】
液から気相中にアンモニアを移動させるアンモニアストリッピングとしては、空気ストリッピングと、蒸気ストリッピングとがある（「アンモニアストリッピング」，環境創造8,(9),67(1978)など参照）。アンモニアの空気ストリッピングは、アルカリを添加して液のpHを上昇させ、これに空気を接触させ、空気をキャリアガスとして用いて、アンモニアガスを放散させる方法である。液やガスは常温でもよいが、加熱した方が効率が高くなる。一方、蒸気ストリッピングは、アルカリを添加して液のpHを上昇させ、これに水蒸気を吹込み、水蒸気をキャリアガスとして用いて、アンモニアガスを放散させる方法である。この場合、液のpHは中性でもよい。
【０００５】
気相中のアンモニアの触媒酸化に関しては、例えば、特開平８−２４６５１号公報や特開２０００１−２５７７８号公報に記載され、よく知られている。なお、前記後者の公報には、キャリアガスによるストリッピング工程や加熱工程で触媒酸化する工程を含む２次公害物質の低減を目的としたアンモニア含有排水の浄化方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記アンモニアストリッピングにおいては、下記のような問題があった。
【０００７】
前記アルカリを添加してアンモニアストリッピングをする方法は、ストリッピング後の液を活性汚泥処理するのに、酸で中和する必要がある。即ち、アルカリの薬剤費とアルカリ添加量のコントロール設備、及び酸の薬剤費と酸添加量のコントロール設備が必要であり、薬剤のランニングコストアップと設備のコストアップになる問題があった。
【０００８】
さらに薬注には誤注入の危険性がある。活性汚泥はアルカリ性や酸性にするとバクテリアが死滅することがある。効率的な排水処理を行うには、活性汚泥を処理対象液に馴化させなければならないが、死滅させると再馴化まで排水処理が中断するので装置の２重化などの対策を取る必要がある。
【０００９】
水蒸気によりストリッピングする方法は、水蒸気を作るための水処理設備と軟水化薬剤が必要であり、水蒸気を発生させるための熱エネルギーを消費する問題があった。トータルコストの観点から、水蒸気発生などのユーティリティはない方が望ましい。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、アルカリや酸等の薬剤添加や水蒸気の注入設備を必要とせず、また薬剤の誤注入による活性汚泥死滅の危険性がなく、安定した処理が可能な排水中のアンモニア性窒素の除去方法および装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明においては、アンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンとを含む排水中からアンモニア性窒素を除去する方法において、下記の工程を含むこととする（請求項１の発明）。
１）陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜を配設したイオン交換槽に、前記陽極室側から前記排水を供給する工程。
２）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程。
３）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程。
【００１２】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の方法において、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程は、陽極室内の水を脱炭酸塔に供給し、脱炭酸塔に導入した空気をキャリヤガスとして排出する工程とし、脱気後の処理水を前記陰極室に導入する（請求項２の発明）。
【００１３】
また、前記請求項１または２に記載の方法において、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程は、陰極室内の水を脱アンモニア塔に供給し、脱アンモニア塔に導入した空気をキャリヤガスとして排出する工程とする（請求項３の発明）。
【００１４】
さらに、前記請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記排出したアンモニアガスは、触媒酸化により、窒素と水とに分解する（請求項４の発明）。
【００１５】
また、前記請求項３の発明を実施するための装置としては、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜が配設され排水を処理するために設けたイオン交換槽と、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出し排出後の処理水を前記陰極室に導入するために設けた脱炭酸塔と、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出するために設けた脱アンモニア塔とを備えるものとする（請求項５の発明）。
【００１６】
（作用）
前記発明の作用について、総括的に以下にのべる。例えば、メタン発酵装置においては、タンパク質など窒素成分を含む成分は下式のように分解し、アンモニウムイオンと炭酸水素イオンが生成する。
【００１７】
RCHNH₂COOH＋2H₂O → RCOOH＋NH₃＋CO₂＋2H₂
NH₃＋H₂O＋CO₂ → NH₄ ⁺＋HCO₃ ^-
上記炭酸水素イオンは、pHによって支配される解離反応により、次式のように、炭酸イオンを生ずる。
【００１８】
HCO₃ ^-⇔H⁺＋CO₃ ^2-
上記のようにアンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンを含む排水を、イオン交換槽に供給すると、この排水は電解液として働き、通電により、陽イオンが陽極室から陰極室に移動する。
【００１９】
陽極室において、炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンを含む液から、アンモニウムイオンを含む陽イオンが除去されると、イオンバランス上、陽イオンは水素イオンに置き換わり、液のpHが低下して、次式により炭酸イオンおよび炭酸水素イオンは炭酸ガスになる。
【００２０】
2H⁺＋CO₃ ^2-→H₂O＋CO₂
H⁺＋HCO₃ ^- →H₂O＋CO₂
炭酸ガスは、気体として液中に溶解しているので、空気で液中から追い出すことができる。一方、陽イオンの移動先である陰極室においては、OH^-イオンの増加でイオンバランスが保たれるが、液のpHが上昇して、アンモニウムイオンは、次式によりアンモニアガスになる。
【００２１】
NH₄ ⁺＋OH^- → NH₃＋H₂O
アンモニアガスは、気体として液中に溶解しているので空気で液中から追い出すことが可能となる。
【００２２】
なお、陽イオン交換膜では、選択的にアンモニウムイオンを移動させることはできず、ナトリウムイオン（Na⁺）などの陽イオンも移動する。従って、炭酸ガスを追い出した脱炭酸溶液は、陽イオン交換膜で移動しきれていないアンモニウムイオンが含まれているが、陰極室に導入された脱炭酸溶液は、陰極室において前述のように、OH^-イオンとの反応によりアンモニアガスとなる。
【００２３】
この発明においては、脱炭酸を行っているので、陰極側のアンモアガスの固定化を防止できる。脱炭酸を行わないと下式の反応によりアンモニアガスがアンモニウムイオンとなり、アンモニアを液中から除去できない。
【００２４】
NH₃＋H₂O＋CO₂ → NH₄ ⁺＋HCO₃ ^-
排出されたアンモニアガスは、次式のとおり、触媒により酸化され窒素と水とに分解される。
4NH₃＋3O₂ → 2N₂＋6H₂O
【００２５】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２６】
図１は、この発明の実施例に係る排水中のアンモニア性窒素の除去装置の模式的構成を示す。図１に示す装置は、陽極室２１と陰極室２２との間に陽イオン交換膜１１が配設されたイオン交換槽１と、陽極室２１内に発生する炭酸ガスを排出し、排出後の処理水を陰極室２２に導入する脱炭酸塔２と、陰極室２２内に発生するアンモニアガスを排出する脱アンモニア塔３とを備える。
【００２７】
また、図１において、４は脱炭酸用ポンプ、５は脱アンモニア用ポンプ、６および７は、キャリヤガスとしての空気を、脱炭酸塔２および脱アンモニア塔３にそれぞれ導入するためのブロア、８は直流電源、９および１０は、イオン交換槽１内に設けた正負の電極を示す。
【００２８】
次に、上記装置の動作について以下に述べる。例えば、メタン発酵後の消化脱離液は、図示しない脱水機で液中の汚泥を除去した後、まず、イオン交換槽１における陽極室２１および陰極室２２の双方に満たされる。その後、陽極室２１側に前記汚泥除去後の液を導入しつつ、電極９および１０に通電される。イオン交換槽1において、陽極室２１と陰極室２２は陽イオン交換膜１１で仕切られており、電極９および１０に通電すると、陽極室２１に入った液は、陽イオンが陰極室２２に移動するため酸性化し、液中の炭酸イオンおよび炭酸水素イオンが炭酸ガスとなる。
【００２９】
陽極室２１の液は、脱炭酸用ポンプ４により脱炭酸塔２に導入され、脱炭酸塔２の下部より、ブロア６で空気を導入し炭酸ガスを脱気する。脱気後の液は陰極室２２に導入する。陰極室２２では、陽イオンの移動によってアルカリ性になるので、アンモニウムイオンがアンモニアガスとなる。陰極室２２の液は、脱アンモニアポンプ５により、脱アンモニア塔３に導入し、脱アンモニア塔３の下部より、ブロア７で空気を導入しアンモニアガスをストリッピングする。ストリッピングされたアンモニアは、図示しない触媒酸化器で窒素と水（水蒸気）とに分解する。
【００３０】
上記により、アンモニア性窒素、特にアンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンとを含む排水から、アンモニア性窒素を、効率よくかつ連続的に安定して除去できる。なお、アンモニアガスや炭酸ガスの排出方法は、上記実施例のように脱アンモニア塔や脱炭酸塔を用いる方法に限定されず、加熱脱気や化学的吸着等、ニーズに応じた種々の方法が採用できる。また、前述のように、装置の起動時において、消化脱離液を陰極室に満たした場合、脱離液の水質によっては、陰極室内の陽イオンがまだ充分でなく、起動時のアンモニア除去率が低下する場合があるが、この場合には陰極室に、例えばＮａＣｌの水溶液を満たして起動するのが好ましい。
【００３１】
【発明の効果】
前述のように、この発明によれば、アンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンとを含む排水中からアンモニア性窒素を除去する方法において、下記の工程を含むこととし、
１）陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜を配設したイオン交換槽に、前記陽極室側から前記排水を供給する工程。
２）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程。
３）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程。
【００３２】
また、上記発明を実施するための装置としては、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜が配設され排水を処理するために設けたイオン交換槽と、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出し排出後の処理水を前記陰極室に導入するために設けた脱炭酸塔と、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出するために設けた脱アンモニア塔とを備えるものとしたので、
アルカリや酸等の薬剤添加や水蒸気の注入設備を必要とせず、また薬剤の誤注入による活性汚泥死滅の危険性がなく、安定した処理が可能な排水中のアンモニア性窒素の除去方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わるアンモニア性窒素の除去装置の模式的構成図
【符号の説明】
１：イオン交換槽、２：脱炭酸塔、３：脱アンモニア塔、４：脱炭酸用ポンプ、５：脱アンモニア用ポンプ、６，７：ブロア、８：直流電源、９，１０：電極、１１：陽イオン交換膜、２１：陽極室、２２：陰極室。

Claims

アンモニウムイオンと炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンとを含む排水中からアンモニア性窒素を除去する方法において、下記の工程を含むことを特徴とする排水中のアンモニア性窒素の除去方法。
１）陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜を配設したイオン交換槽に、前記陽極室側から前記排水を供給する工程。
２）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程。
３）前記イオン交換槽の電極に通電することにより、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程。
請求項１に記載の方法において、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出する工程は、陽極室内の水を脱炭酸塔に供給し、脱炭酸塔に導入した空気をキャリヤガスとして排出する工程とし、脱気後の処理水を前記陰極室に導入することを特徴とする排水中のアンモニア性窒素の除去方法。
請求項１または２に記載の方法において、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出する工程は、陰極室内の水を脱アンモニア塔に供給し、脱アンモニア塔に導入した空気をキャリヤガスとして排出する工程とすることを特徴とする排水中のアンモニア性窒素の除去方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記排出したアンモニアガスは、触媒酸化により、窒素と水とに分解することを特徴とする排水中のアンモニア性窒素の除去方法。
請求項３に記載の方法を実施するための装置であって、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜が配設され排水を処理するために設けたイオン交換槽と、前記陽極室内に発生する炭酸ガスを排出し排出後の処理水を前記陰極室に導入するために設けた脱炭酸塔と、前記陰極室内に発生するアンモニアガスを排出するために設けた脱アンモニア塔とを備えることを特徴とする排水中のアンモニア性窒素の除去装置。