JP3788688B2

JP3788688B2 - 酸化態窒素含有水の電解処理方法と装置

Info

Publication number: JP3788688B2
Application number: JP17801198A
Authority: JP
Inventors: 啓典西井; 卓鴻野
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: JPH11347558A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化態窒素含有水の電解処理に係り、特に、用水あるいは廃水中の硝酸・亜硝酸性窒素を電解処理する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下水は、広く水道の水源として利用されているが、近年１０ｍｇ／リットルを越える硝酸性窒素による汚染が特に農村部において数多く報告されている。
地下水中の硝酸性窒素除去方法としては、従来、イオン交換法、生物処理法などが知られている。しかし、前者においては、硝酸性窒素を吸着した樹脂を再生するために、多量の食塩水を使用する必要があり、硝酸性窒素及び塩分濃度の高い再生廃液を排出するため、その処理が必要となる。また、後者では、被処理水に水素供与体として有機物を過剰に添加することから、処理水中に有機物が残留する。また、処理水中には反応に関与する菌体も流出するため、浄水処理としては、後段に何らかの処理が必要である。さらに、後者では多量の余剰汚泥を排出するため、これを処理する設備が必要である。なお、生物処理法には、水素供与体として水素ガスを利用する方法も存在するが、この方法では処理速度が遅く、また大がかりな水素供給設備が必要となる。
【０００３】
そこで、最近、水中の酸化態窒素を水素ガスとともに反応させ、窒素ガスに還元する水素添加触媒の作用による酸化態窒素除去方法が提案されている。さらにこの作用を電解によって陰極から生成する水素ガスを利用し、水素添加触媒を担持した陰極上で行う方法が提案されている。この方法は、イオン交換法のように高濃度の再生廃液を排出することがなく、生物処理法のように有機物や菌体による処理水の汚染もない。また反応速度が速く、大がかりな水素供給設備も不要であることなどから、実用的な方法であると考えられる。
しかし、この電解と水素添加触媒による方法を適用した際には、被処理水の組成及び処理条件によっては、陰極表面での還元反応で硝酸・亜硝酸態窒素を全て窒素ガスに還元することは困難であり、その一部が、アンモニア態窒素まで過還元されることが明らかとなった。アンモニア態窒素は、硝酸態窒素に比べ毒性が高いため、低濃度でも処理水中に含まれることは用水への適用の際に好ましくない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑み、副生成物であるアンモニア態窒素の生成を抑制し、又は生成したアンモニア態窒素を除去することができる、触媒還元活性を有する陰極を利用した酸化態窒素含有水の電解処理方法と装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、酸化態窒素含有水を、陰極として酸化態窒素還元能を有する導電性触媒を担持した電極を使用した電解槽により電気分解し、陰極で発生する水素ガスとの反応により酸化態窒素を窒素ガスに還元する電解処理方法において、前記電解槽は、陽極として塩素発生型の材質を用い、該陽極と陰極との間に酸素を透過せず、電子を透過する陽イオン交換膜が配備され、被処理水を陰極に通水してから陽極に通水することにより、陰極で副生するアンモニア態窒素を陽極で酸化・除去することを特徴とする酸化態窒素含有水の電解処理方法としたものである。
また、本発明では、酸化態窒素含有水を電気分解する、少なくとも一対の陰極と陽極を有し、陰極室と陽極室の間に酸素を透過せず、電子を透過する陽イオン交換膜を配備し、陰極表面に酸化態窒素還元触媒を担持した電解層を有する電解処理装置において、前記陽極を塩素発生型の材質とし、前記陰極室と陽極室を経路で接続すると共に、陰極室の処理水を陽極室に通水できる構成としたことを特徴とする酸化態窒素含有水の電解処理装置としたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明では、電極間に酸素を透過せず、電子を透過する隔膜を有し、陰極室と陽極室を連通する配管を具備した電解槽を使用し、被処理水を陰極室に通水した後、陽極室に通水する。陰極室では、電解による水素の発生と電極上の触媒の作用により酸化態窒素が還元され、窒素ガスとアンモニア態窒素が生成する。窒素ガスは気相中に揮散するが、アンモニア態窒素は水中に溶解し、残存する。残存したアンモニア態窒素は、陽極室に通水することによって、窒素ガス又は硝酸態窒素に酸化される。
次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の電解処理装置の概略構成図を示す。
【０００７】
図１において、１は電解槽、２は触媒担持された陰極、３は陽極、４は陰極室、５は陽極室、６は隔膜、７は中間槽、８は被処理水、９は処理水、１０は直流電源である。
図１のように、被処理水８は陰極室４→中間槽７→陽極室５の順に通水する。硝酸性窒素を含む被処理水８は、まず隔膜電解槽１の陰極室４内で電解による水素生成反応と触媒反応の組み合わせにより、窒素分子、亜硝酸性窒素、アンモニア性窒素に還元される。
陰極反応を次に示す。
２ＮＯ₃ ^-＋２Ｈ₂ → ２ＮＯ₂ ^-＋２Ｈ₂Ｏ
２ＮＯ₂ ^-＋３Ｈ₂ → Ｎ₂↑ ＋２Ｈ₂Ｏ＋２ＯＨ^-
２ＮＯ₃ ^-＋５Ｈ₂ → Ｎ₂↑ ＋４Ｈ₂Ｏ＋２ＯＨ^-
ＮＯ₃ ^-＋５Ｈ₂ → ＮＨ₄ ＋３Ｈ₂Ｏ
【０００８】
これらを含む陰極室４流出水は次に中間槽７に導入される。窒素分子は溶解度が低いため、この時点で窒素ガスとして気相中に揮散する。陽極室５では残存した亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素が陽極３表面でそれぞれ硝酸性窒素及び窒素分子に酸化される。
陽極反応は次のとおりである。
ＮＯ₂ ^-＋２ＯＨ^- → ＮＯ₃ ^-＋Ｈ₂Ｏ
２ＮＨ₄ ⁺＋８ＯＨ^- → Ｎ₂ ＋８Ｈ₂Ｏ
この結果、陽極室５流出水中には陽極室５で亜硝酸性窒素から酸化された硝酸性窒素が少量残存するが、被処理水８中の硝酸性窒素は大部分が窒素ガスとして除去される。なお、被処理水８中に塩素イオンが含まれる場合は陽極３表面で次亜塩素の生成が同時に起こり、被処理水８中に混入した細菌は殺菌される。
この際の陽極材質としては、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔのうちの１種又は複数種をＴｉ等の基材にコーティングした電極又はフェライト電極が好適に用いられるが、これに限られるものではない。
【０００９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
実施例１
図１に従い被処理水を陰極室から陽極室に通水して連続実験を行った。
実験は、装置構成を表１、処理条件の原水水質を表２、通水条件を表３に示す条件で行った。
【００１０】
【表１】

【００１１】
【表２】

【表３】

【００１２】
処理結果を表４及び図３、図４に示す。図３はＮＯ₃−Ｎ、ＮＯ₂−Ｎ、ＮＨ₃−Ｎの経時変化を示すグラフであり、図４は原水中間槽、処理水・１０日間の平均値の濃度を示す。
【表４】

【００１３】
比較例１
比較のため、図２に示す陰極室のみに通水した回分実験を行った。図２において符号はすべて図１と同じであり、１１は陽極液である。
表５に装置構成、表６に原水水質、表７に通水条件を示す。
【表５】

【００１４】
【表６】

【表７】

【００１５】
処理結果を表８及び図５に示す。図５はＮＯ₃−Ｎ、ＮＯ₂−Ｎ、ＮＨ₄−Ｎの水質経時変化を示し、−−−点線は電気量に対して還元効率が１００％の場合のＮＯ₃−Ｎ濃度変化を示す。
【表８】

このように、比較例１の陰極室のみに通水した場合は、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素が被処理水中の全窒素濃度に対して、それぞれ７．５％、２６．６％生成した。一方、陰極室流出水を陽極室に通水した場合、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素の生成率は、平均で被処理水中の全窒素濃度の２．３％、１．０％であった。
【００１６】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると酸化態窒素の還元の際に、陰極で副生するアンモニア態窒素をほとんど除去することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電解処理装置の概略構成図。
【図２】比較例で用いた公知の電解処理装置の概略構成図。
【図３】本発明の処理結果を表す水質濃度の経過時間による変化を示すグラフ。
【図４】本発明の処理結果を表す水質変化の１０日間平均値を示すグラフ。
【図５】比較例の処理結果を表す水質濃度の経過時間（ｈ）による変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１：電解槽、２：陰極、３：陽極、４：陰極室、５：陽極室、６：隔膜、７：中間槽、８：被処理水、９：処理水、１０：直流電源、１１：陽極液

Claims

酸化態窒素含有水を、陰極として酸化態窒素還元能を有する導電性触媒を担持した電極を使用した電解槽により電気分解し、陰極で発生する水素ガスとの反応により酸化態窒素を窒素ガスに還元する電解処理方法において、前記電解槽は、陽極として塩素発生型の材質を用い、該陽極と陰極との間に酸素を透過せず、電子を透過する陽イオン交換膜が配備され、被処理水を陰極に通水してから陽極に通水することにより、陰極で副生するアンモニア態窒素を陽極で酸化・除去することを特徴とする酸化態窒素含有水の電解処理方法。
酸化態窒素含有水を電気分解する、少なくとも一対の陰極と陽極を有し、陰極室と陽極室の間に酸素を透過せず、電子を透過する陽イオン交換膜を配備し、陰極表面に酸化態窒素還元触媒を担持した電解層を有する電解処理装置において、前記陽極を塩素発生型の材質とし、前記陰極室と陽極室を経路で接続すると共に、陰極室の処理水を陽極室に通水できる構成としたことを特徴とする酸化態窒素含有水の電解処理装置。