CN1302278A

CN1302278A - 净化装置

Info

Publication number: CN1302278A
Application number: CN00800619A
Authority: CN
Inventors: 前川孝昭; 藤田和男
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2001-07-04
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: EP1112966A1; EP1112966B1; DE60036529D1; DE60036529T2; WO2000063123A8; US6712947B1; WO2000063123A1; CN1151082C; EP1112966A4

Abstract

在流水床上装有负极板,而且与该负极板相对在上面装有正极板的流水净化装置,其特征在于,在正极板的流水流向前后和左右至少一方设置浮子,使正极板沉到流水的水面下,正极板上设有将其安装在与负极相对的上面位置的安装手段,正极板与负极板上具备电场发生机构,通过产生高电场脉冲使流水中含有的水质污染物质氧化分解。

Description

净化装置

技术领域

本发明涉及流水的净化装置。更详细的说，本发明涉及对于除去造成河川流水富营养化的物质氮和磷等有用，使河川的水质污染物质氧化分解的净化装置。

背景技术

以前，关于河川的水质污染物质的净化，开发并应用了通过微生物栖息的膜自然发达起来形成的生物膜在河川内进行催化氧化的方法，该方法主要适用于废水中含有的碳源的净化，但不适于除去造成富营养化的物质氮和磷。

因此，在现有技术中为了防止富营养化，必须将碳源以外的氮和磷分解后除去，这些生物膜处理法未必是充分的，另外也讨论了采用进一步强化生物膜的营养盐包括固定法的硝化、脱氮以及使用Mg盐的磷酸铵结晶法的应用等，但是存在下述较大的缺点，在河川中除去铵时氮的清除率不超过60％，由于C/N比的范围不能确保足够的清除率，由于在铵态氮的硝化中硝化菌的反应速度低，即使确保在河川流水中溶有充足的氧，也不能进行硝化。因此，将氮和磷的清除率提高到90％以上的手段无论如何都是非常必要的。

因此，本发明的课题是提供一种新的净化装置，它可以解决上述现有技术中的问题，有效除去河川等流水中的氮和磷等水质污染物质。

发明公开

本发明解决了上述课题，提供了一种在流水床上装有负极板，而且与该负极板相对在上面装有正极板的流水净化装置，其特征在于，在正极板的流水流向的前后以及左右至少一方设置浮子，使正极板沉到流水的水面下，正极板上设有将其安装在与负极相对的上面位置的安装手段，正极板与负极板上具备电场发生机构，通过产生高电场脉冲使流水中含有的水质污染物质氧化分解。

图面的简单说明

图1是举例说明本发明净化装置构成的侧剖面图和正剖面图。

图2是说明具备电场控制机构的例子的侧剖面图和正剖面图。

另外，图1、2中的符号表示以下含义。

A：导电性多孔性金属

B：氧化电极、铂电极

C：气体储存器

D：密封板

E：负电极

F：气垫(浮子)

G：乱流发生板

h：可动吊钩

I：差动变压器

P：气体收集泵

V：流速计

Tu：浊度计

CPU：控制装置

PA：电场发生装置

图3是说明具备除垢器机构的例子的侧剖面图。

图4是说明具备气体催化氧化装置的例子的构成图。另外，图4中的符号表示以下物质。

A：氧化分解装置

B：氢气瓶

C：气体混合装置

d：催化剂

图5是说明具备沉降物捕集装置的例子的构成图。

发明的最佳实施方式

上述本发明是通过产生高电场脉冲在毫微秒～微秒间在金属面上产生氧化力强的O-游离基(氧游离基)或OH-游离基(氢氧游离基)，主要氧化与之冲撞的污浊水的碳源、氮源，这时通过产生的H⁺离子与浮游性悬浊物质的带电离子凝集反应使磷凝集沉降分离，仅1步操作就可以除去90～95％的污染物质，这是现有技术所不能实现的，从而解决了问题。

而且，在具体的实施方式中，除了净化装置的结构之外，由于流水的水位和流量变动较大，为了与之相对应有必要考虑根据水的流量、SS的浓度适当地自动将投入电力量控制在最适电力量，保持一定的污染物质清除率。例如，由于河川流水在1天中时间性的变动较大，最小时与最大时的比可以达到1∶10～20，流量的大小与通过速度成比例，为了投入与之相应的电力，有必要增设控制装置，以便根据流速、浮游性悬浊物的浓度、水深调整最适的最小电力投入量。另外，也必须避免在洪水等紧急时刻本装置在流水中成为障碍。

因此，首先认为在本发明的净化装置的结构中，以下方式是适当的，但是并不局限于此。<1>在正极板上设置使之可以上下移动的手段。<2>设置气体捕集手段(捕集通过氧化分解产生的气体)<3>正极板具有金属(包括合金。以下相同。)以及金属氧化物中至少1种的正极物质。<4>正极板由基板和正极物质构成，基板例如是金属、陶瓷、树脂或其中2种以上的复合体。<5>正极物质是例如氧化钛、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡和铂中的至少1种。<6>在更具体的例子中，在正极板上，多孔性钛、多孔性陶瓷或不锈钢板与氧化钛、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡和铂中的至少1种一体化。<7>正极板沉入水面的深度为水深的1/5～1/10。

在通过产生高电场脉冲将流水中含有的水质污染物质氧化分解的本发明中，为了有效地产生高电场脉冲并使由此产生的上述游离基有效作用，在实施中非常主要的一个方面是如何构成正极板。更优选的是，在本发明中使用金属氧化物或贵金属作为正极物质。如上所述，氧化钛、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡这种金属氧化物或铂是有效的。

这些正极物质是金属氧化物的场合，可以将其粒子制成粉末压成物，将其烧制成形或烧结成形，也可以将这些物质或其粒子担载于适当的基板上。这时用于担载的基板最好是耐腐蚀性良好，例如多孔性钛、多孔性陶瓷或不锈钢板等，优选这些正极物质构成膜状的正极面。可以使基板本身具有导电性，也可以使这些膜状的正极物质具有导电性。

金属氧化物可以通过熔敷或蒸馏等附着在基板上形成一体，或通过涂敷溶胶溶液进行烧结等手段与基板形成一体。

铂的场合，可以表面电镀，或附着铂箔后使用。

另外，负极只要是耐腐蚀性良好的金属或表面被覆金属的物质任何一种均可。例如不锈钢板或被覆铂箔的金属板。

实际上正极板能够通过可上下移动的手段沉入水面，另外优选在正极板附近设有捕集氧化分解产生的气体的捕集手段。

另外，正极板具有与负极相对的凹状曲面，在产生高电压脉冲或捕集分解气体的方面，这在本发明中是优选的。

以下举例进行具体说明，例如在本发明的氧化分解净化装置中，以不锈钢板或设有铂箔的金属板作为负极，与这些金属板平行的上面是正极板，该正极板通过熔敷等方法将氧化钛、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡或铂箔附着在不锈钢压铸板等的上面，而且这一面与负极板相对，呈平缓的凹状曲线，其流向前后设有浮子，正极沉入水深的1/5～1/10，该浮子在正极板四个角的部位可以上下移动。另外，封闭使分解产生的气体不能放出，设置气体储存器，使之可以捕集产生的气体。

而且，在本发明的净化装置中，通过高电场脉冲波使水流呈湍流状态，与氧化电极面(正极板)冲撞，优选污染物的氧化反应至少持续2～3秒。另外如上所述，最好可以防止氧化分解产生的气体排放到空气中。氧化反应是通过物理化学反应产生的，N源生成N₂、NO_x,S源生成SO_x、H₂S等有害气体，C源大部分生成CO₂气体，少量生成CO气体。这些中间产物最好通过氢等进行还原处理。这种处理手段、处理装置也在本发明中提出。

其次，结合附图进一步举例说明本发明的实施方式。首先，图1是说明本发明净化装置构成的主要部分的横剖面图(a)和正剖面图(b)。正极板是以例如钛等导电性多孔金属(A)作为基板，使氧化钛、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡等氧化物或铂构成的氧化电极或铂电极(B)与之形成一体而构成的。与流水的流向(α)垂直，设置多个这样的电极(B)。

上述正极板通过在流向(α)上前后设置的利用储存空气产生浮力的气垫(浮子)(F)浮起来，并通过可动吊钩(h)上下移动。

可动吊钩(h)通过差动变压器(I)检测出其位置。

而且，该图1的例子中，在构成正极板的基板——多孔性金属(A)的背面设置用于气密的密封板(D)使之形成一体，正极板的下游装有气体储存器(C)，电极(B)表面产生的气体直接回收到气体储存器(C)中，或进入多孔性金属(A)后再回收到气体储存器(C)中，并通过气体收集泵(P)排出。如图1(b)所示，使电极(B)的断面成为凹型，容易捕集产生的气体。另外，为了维持湍流，在负极板(E)的表面上设置湍流发生板(G)，使之容易产生湍流，提高氧化分解率。

而且，通过在作为上下可动手段的可动吊钩(h)上设置差动变压器，使正极板和负极板之间的面间电压在200V/cm～10KV/cm之间变动，另外在流水的前方设置浊度计(Tu)作为浓度检测器，使电流值相应于该浓度在1～100mA之间变动。另外，同样设置流速计(V)，通过流速使频率在10KHz至150KHz之间变动，通过这种自动控制机构，可以根据水质污染的负载量有效进行氧化分解。

如图2所示，通过差动变压器(I)检测出正负的位置，并通过流速计(V)检测流量，通过浊度计检测SS量，使用控制装置(CPU)以及电场发生装置(PA)，通过数字控制经常对其进行最适电场处理，可以实施对电压、频率、脉冲定时、负荷比的控制。

例如在上述本发明的实例中，如图1(b)和图2(b)所示，净化装置设置在混凝土等的侧壁(β)的宽度内。这是因为实际上优选这样进行设置。

而且，在本发明的氧化分解净化装置中，如图1和图2所示，优选负极板(E)上具有多个由金属制的突起构成的湍流发生板(G)，可以使水流形成湍流，其高度以极板间高度的10～15％为界线。

突起的后方角度为20～40度，而且可以在水流的流向上设置2～10个左右的突起。

另外，考虑到河川中的悬浊物、砂、砂砾会侵入装置，为了防止SS浓度高引起电极面的劣化，如图3所示，优选自动控制通过刷子或水喷射定期的清扫电极面。另外，洪水时由于流出的水量变得比计划水量大，安装时如果能够将正电极从水中提起就可立即停止脉冲波的负载则是有效的。

另外，为了分解NO_x、SO_x、H₂S等有毒气体，使水电解产生的氢或如图4所示由H₂钢瓶(B)供给的氢在气体混合装置(C)中混合，通过催化剂(d)还原，以防止有毒气体的产生。

作为洪水时的对策，优选如图1所示，上浮到设定水位的上部时，立即通过电动发动机将该电极提到水面以上，以便保全装置。

而且，通过高电磁处理SS会发生沉淀，在下游侧通过泵以旁路方式或直接方式设置沉淀槽，使之重力沉淀，并使上清液返回到原来的河川中(图5)，可以除去污浊水中的磷和SS80～90％。

以下，结合实施例更详细的说明本发明。

实施例<实施例1>

在0.5×0.5×0.5m的U形沟中，用图2和图4所示本发明的装置处理流量为1～20L/分的约200户家庭排水的边沟。原水与处理水水质如表1所示。

表1

	原水	处理水
	原水	处理水	COD_CT	45～50	1～2
T-N	20～30	2～3	COD_CT	45～50	1～2
T-N	20～30	2～3	NH₃-N	18～25	1～2
NO₃-N	3～5	0.1～0.2	NH₃-N	18～25	1～2
NO₃-N	3～5	0.1～0.2	T～P	3～5	0.1～0.2
SS	40～45	5～10	T～P	3～5	0.1～0.2

unit:mg/l操作条件如表2所示。

表2

电压	4KV～10KV
电压	4KV～10KV	电流	2～10mA
频率	50～75KHz	电流	2～10mA
频率	50～75KHz	水深*	10cm
电极(正)	氧化钛(多孔性钛基板)	水深*	10cm
电极(正)	氧化钛(多孔性钛基板)	电极(负)	SUS(不锈钢板)

*：形成堰。

另外，生成气体的浓度如表3所示，用镍、铜进行催化处理加氢后的气体中有害气体减少至痕量。

表3

	生成气体	H₂处理后
	生成气体	H₂处理后	CO₂	50～60％	50～60％
O₂	1～2％	100～300ppm	CO₂	50～60％	50～60％
O₂	1～2％	100～300ppm	CO	0.1～0.2	10～20ppm
N₂	50～60％	50～60％	CO	0.1～0.2	10～20ppm
N₂	50～60％	50～60％	NO_x	300ppm	10ppm
SO_x	0.01～0.02％	3～5％	NO_x	300ppm	10ppm

<实施例2>

处理筑波市内的生活排水。正极板使用在具有30％空隙的多孔性陶瓷表面部分涂敷TiO₂粒子溶胶，使厚度达到2～3mm，干燥后，在500～600℃下烧结得到的物质，并以涂敷部位作为电极面。

使分解产生的气体排出到大气中，之后捕集。

11月～12月2个月的处理结果如表4所示。

表4

流量(m³/hr)		TOC(mg/L)	T-N(mg/L)	T·P(mg/L)	SS(mg/L)
流量(m³/hr)		TOC(mg/L)	T-N(mg/L)	T·P(mg/L)	SS(mg/L)	0.60	原水	13.2±5.0	10.3±3.8	1.0±0.5	30±8
处理水	3.0±1.0	1.5±0.5	0.04±0.01	2±1			原水	13.2±5.0	10.3±3.8	1.0±0.5	30±8
处理水	3.0±1.0	1.5±0.5	0.04±0.01	2±1	1.23		原水	12.5±5.0	10.1±3.5	1.2±0.6	32±8
处理水	2.5±1.0	1.8±0.8	0.08±0.02	3±1.5			原水	12.5±5.0	10.1±3.5	1.2±0.6	32±8

截面：50cm×75cm 水深：30cm 常压：5kv,10kHz 负荷比5％正电极：TiO₂负电极：Ti(厚度3mm)

用氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡代替TiO₂时，也几乎得到同样的结果。

工业实用性

如以上的详细说明，本发明可以有效除去以前难以除去的氮、磷等水质污染物质，可以高效率地实施河川等流水的净化。

Claims

1、在流水床上装有负极板，而且与该负极板相对在上面装有正极板的流水净化装置，其特征在于，在正极板的流水流向前后和左右至少一方设置浮子，使正极板沉到流水的水面下，正极板上设有将其安装在与负极相对的上面位置的安装手段，正极板与负极板上具备电场发生机构，通过产生高电场脉冲使流水中含有的水质污染物质氧化分解。

2、如权利要求1所述的净化装置，正极板上设置有可以使之上下移动的手段。

3、如权利要求1或2所述的净化装置，设有气体捕集手段。

4、如权利要求3所述的净化装置，相对于正极板在流水的流向后部设置气体捕集手段。

5、如权利要求3或4所述的净化装置，在正极板的与负极板相对面的背面上部设置气体捕集手段。

6、如权利要求1至5中任意一项所述的净化装置，正极板具有金属以及金属氧化物中的至少1种正极物质。

7、如权利要求1至6中任意一项所述的净化装置，正极板由基板和正极物质构成，基板是由金属、陶瓷、树脂或其中2种以上构成的复合体。

8、如权利要求1至7中任意一项所述的净化装置，正极板是多孔质板。

9、如权利要求6至8中任意一项所述的净化装置，正极物质是氧化钛、氧化钌、氧化钴、氧化镍、氧化锡和铂中的至少1种。

10、如权利要求7至9中任意一项所述的净化装置，在正极板上以多孔性钛、多孔性陶瓷或不锈钢板作为基板。

11、如权利要求6至10中任意一项所述的净化装置，在正极板上设置多个具有正极物质的正极面。

12、如权利要求1至11中任意一项所述的净化装置，正极板具有与负极相对的凹状曲面。

13、如权利要求1至12中任意一项所述的净化装置，正极板上设置有气密手段。

14、如权利要求13所述的净化装置，气密手段设置在正极板的与负极相对面的背面。

15、如权利要求2至14中任意一项所述的净化装置，正极板通过可上下移动的手段沉入水面的深度为水深的1/5～1/10。

16、如权利要求1至15中任意一项所述的净化装置，以不锈钢板或被覆铂箔的金属板作为负极。

17、如权利要求2至16中任意一项所述的净化装置，在使正极板可沿重力方向上下移动的可动手段上设有差动变压器，构成使正极板和负极板间的面间电压在200V/cm～10KV/cm之间变动的控制机构。

18、如权利要求1至17中任意一项所述的净化装置，相对于正极板在流水的前方设置浊度检测器，构成使电流值相应于该浊度在1～100mA之间变动的自动控制机构。

19、如权利要求1至18中任意一项所述的净化装置，在流水中设置流速计，构成通过流速使频率在10KHz至150KHz之间变动的自动控制机构。

20、如权利要求1至19中任意一项所述的净化装置，在正极板和负极板中至少一方上设置多个金属制的突起，得到使流水形成湍流的结构，突起的高度为正极板与负极板间距离的10～15％。

21、如权利要求1至20中任意一项所述的净化装置，具备手动或自动通过高压喷水装置或刷辊清洗正极板和负极板中一方或双方表面的机构。

22、如权利要求3至21中任意一项所述的净化装置，气体捕集手段具有气体储存器，具备用水压、吸入泵或压缩机吸引气体储存器中的气体，将该气体与电解产生的氢气或氢气瓶供给的氢气混合，通过催化剂将气体还原成N₂和水的机构。

23、如权利要求1至22中任意一项所述的净化装置，同时附设用于捕集分离通过悬浊产生的沉降物的装置及在其流向后方的降低流速的沉淀槽，或者形成堰，通过泵将一部分水流抽上来，经过旁路，在重力沉淀槽中沉淀，上清液返回到原来的河川中。

24、如权利要求2至23中任意一项所述的净化装置，具备在洪水等流量异常时，通过油压或电动机将可上下移动的手段吊到上部方向的紧急避难装置。

25、流水的净化处理方法，其特征在于用权利要求1至24中任意一项所述的装置进行处理。