JP3117064B2 - 酸化態窒素含有水の処理方法及び装置 - Google Patents

酸化態窒素含有水の処理方法及び装置

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JP3117064B2 JP07053780A JP5378095A JP3117064B2 JP 3117064 B2 JP3117064 B2 JP 3117064B2 JP 07053780 A JP07053780 A JP 07053780A JP 5378095 A JP5378095 A JP 5378095A JP 3117064 B2 JP3117064 B2 JP 3117064B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化態窒素含有水の処
理に係り、特に上水処理、用水処理、地下水汚染修復事
業に用いられる硝酸性あるいは亜硝酸性窒素を含む水を
生物学的に脱窒素する酸化態窒素含有水の処理方法及び
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】地下水は一般に水質が良好で、水道水源
として広く利用されているが、近年硝酸性窒素による地
下水汚染が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、イオン交換法、逆浸透法、触媒還
元法、有機物を水素供与体とする生物学的脱窒法、水素
ガスを水素供与体とする生物学的脱窒法などが知られて
いる。しかし、イオン交換法ではイオン交換樹脂の再生
廃液中に高濃度の硝酸及び共存塩類が濃縮されるため
に、その廃水処理が必要になる。逆浸透法、触媒還元法
は運転コストが極めて高く実用的でない。有機物を水素
供与体とする生物学的脱窒法は、有機物としてエタノー
ル、酢酸等の無害で安価な有機物を使用するが、後処理
として残留有機物の好気性処理が必要であり、また大量
の有機性汚泥を生成する。
【0003】水素ガスを利用する生物学的脱窒法は、有
機物を利用する方法にくらべて汚泥発生量が少ないとい
う利点を有するが、爆発性の高い水素を大量に使用する
施設であるために、安全性への配慮から設備コストが高
くなり、運転管理も難しくなる。一方、水を電気分解す
ることにより陰極から水素を発生させると共に、陰極表
面に水素資化性脱窒菌を固定化した生体触媒固定化電極
を浸漬して、水中の硝酸性窒素を脱窒処理する方法(特
開平5−329497公報参照)が開発されている。こ
の方法は、水素ガスを利用する生物学的脱窒法の一種で
あるが、水素の貯蔵施設が不要なことから、実用性が高
い技術と考えられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、この生
体触媒固定化電極による窒素除去技術について、地下
水、排水、あるいは人工排水等を利用して、その脱窒性
能を検討してきたが、陰極の脱窒反応に対して、陽極で
発生する酸素が阻害作用をもたらすという問題があっ
た。その対策として、陽極に酸素と結合しやすい炭素材
料を使用することで、酸素を二酸化炭素等に変換する方
法を検討してきたが、陽極に炭素材料を使用する場合、
電極が徐々に消耗し、頻繁な電極の交換が必要なことが
明らかになった。また、通電条件によっては、処理水に
微量有機物が浸出するという問題も明らかになった。本
発明は、上記生体触媒固定化電極法の問題点を解消し、
酸素による脱窒反応阻害を防止し、脱窒反応を効率よく
行わせる方法及び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、酸化態窒素を含有する水を、電気分解
して陰極から水素、陽極から酸素を発生させると共に、
該酸化態窒素を前記陰極表面に固定化された水素資化性
脱窒素菌により脱窒素する水の処理方法において、前記
陰極と陽極を酸素を透過せず、電子を透過する部材によ
り離隔して配備し、陽極で発生する酸素の陰極側への移
行を防止することとしたものである。また、本発明で
は、少なくとも一対の陰極と陽極を設けた電気分解槽を
有し、該陰極の表面に水素資化性脱窒素細菌を固定化し
た酸化態窒素含有水の処理装置において、前記陰極と陽
極の間に酸素を透過せず、電子を透過する隔離部材を設
けたものである。本発明において、用いる隔離部材とし
てはイオン交換膜が好適に使用することができる。
【0006】このように、本発明では、生体触媒を固定
化した陰極及び陽極を配備し、被処理水を電気分解する
ことで陰極から水素を生成させ、陰極表面に担持させた
生体触媒の作用により、被処理水中の硝酸性窒素及び/
又は亜硝酸性窒素を脱窒処理する方法において、陰極と
陽極の間に隔膜等の酸素を透過せず、電子を透過する隔
離部材を配備することを特徴とする窒素の除去方法であ
る。すなわち本発明は、電極間に隔膜等の酸素を透過せ
ず、電子を透過する隔離部材を介在させることで、陽極
で発生する酸素が陰極の脱窒反応を阻害することを阻止
するものである。
【0007】本発明で使用する隔離部材は、石綿布やそ
の改良膜(フッ素処理膜)が利用でき、またセラミック
膜や精密ろ過膜などの隔膜が有効であるが、酸素の陰極
への移動を阻止できるものであれば種類は限定されな
い。単一素材でも複合素材でも良く、また、壁、板、膜
状等形状もとわない。なお、硝酸イオン(NO3 - )が
陽極へ移動して脱窒効率が低下することを防ぐためには
イオン交換膜、特に陽イオン交換膜が有効である。本発
明における生体触媒は、水素資化性脱窒菌であり、陰極
表面に自然に付着増殖することで固定化されたものが利
用できるが、包括法や結合法により強制的に陰極表面に
固定化されたものでも利用できる。本発明における陰極
材質は、脱窒菌の担持に好適な凹凸を有し、導電性が高
いものであれば特に限定されないが、炭素材、金属不織
布などが好適である。一方、陽極材質は、導電性が高
く、耐酸化性が高い材質が好適で、白金等の貴金属をコ
ーティングしたチタンが有効であるが、これに限定され
るものではない。
【0008】
【作用】図1に、本発明の酸化態窒素含有水の処理装置
の基本構成図を示し、この図を用いて本発明の作用を説
明する。図1において、被処理水1は、原水ポンプ等に
より下部の原水流入部から生物反応槽3に流入する。こ
の時、短絡流の発生を防ぐために、原水流入部にディフ
ューザ等の分散器を使用するのが有効である。
【0009】生物反応槽3には陰極4(すなわち生体触
媒固定化電極)及び陽極5を浸漬し、電極間に隔離部
材、例えば陽イオン交換膜などの隔膜6を設置する。電
極間に数V以上(通常は10V以下)の直流電圧を印加
すると、電圧の増加につれて陰極4から水素ガス、陽極
5からは酸素ガスが発生する。隔膜6が陽イオン交換膜
の場合、陽イオン(Na+ やCa2+など)は陽極側から
陰極側へ移動するが、陰イオン(NO3 - やCl-
ど)は移動できない。また、酸素や水素は膜の存在によ
り移動できない。その結果、陰極側には、陽極で発生す
る酸素を含まない、陽イオンがやや多い水が生成され
る。
【0010】隔膜6が陰イオン交換膜の場合は、陰イオ
ンは陰極側から陽極側へ移動できるが、陽イオン、及び
酸素、水素は移動できない。その結果、陰極側には、発
生酸素を含まない、陰イオンがやや低い水が生成され
る。隔膜6が精密ろ過膜の場合は、イオンは自由に移動
するが、酸素や水素は移動できない。その結果、陰極に
は発生酸素を含まない、陽イオンが高く、陰イオンが低
い水が生成される。このように、陰極側では選択する隔
離手段によってイオンの濃度が変化し、pHが変化する
ので、被処理水の水質や処理条件(滞留時間、電圧な
ど)によって適宜選択する必要がある。
【0011】陰極4では、陰極表面に担持されている生
体触媒8(水素資化性脱窒菌)が、被処理水中の硝酸性
窒素及び/又は亜硝酸性窒素を、電極より発生する水素
ガスを水素供与体として生物学的に脱窒する。その機構
を図4に示す。このように陰極表面では生体触媒8によ
り次式の反応により脱窒される。2NO3 - +5H2
2H+ → N2 +6H2 O一方、陽極5で発生する酸素
は、従来法では陰極4に移動して脱窒反応の効率を著し
く低下させたが、電極間に設置した隔膜等の隔離部材6
により、脱窒反応が行われる陰極側へはほとんど移動し
ない。従って、陰極4の脱窒反応は酸素の阻害を受ける
ことなく、極めて効率よく進行する。
【0012】処理水2として陰極側の流出水のみを集め
ると、硝酸性窒素が最も低い水質が得られるが、地下水
等の低濃度硝酸性窒素の脱窒処理においては、窒素除去
率は必ずしも90%以上の高い除去率が要求されるわけ
ではない。水道水質基準を満足する10mg/リットル
以下(硝酸性窒素+亜硝酸性窒素合計値として)であれ
ば、飲用に適切である。このような事情から、処理水2
は陰極側流出水と陽極側流出水を混合した生物反応槽流
出水を集水するのが一般的である。以上示した図1は基
本構成図であるが、処理規模が大きくなると、図3又は
図5に示すように複数の隔離部材6を配備する生物反応
槽3を採用するのが良く、また、生物反応槽3は単段で
使用することが多いが、直列に連結して使用することも
可能である。なお、図3及び図5において、各符号は図
1と同じ意味を有す。
【0013】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれに限定されるものではない。 実施例1 本実施例は図1の装置を用いて行った。処理条件は次の
通りである。 ・被処理水:K県F市の地下水 水質:硝酸性窒素10mg/リットル前後、亜硝酸性窒
素0mg/リットル (注)地下水の硝酸性窒素が実験試水としては低かった
(4〜6mg/リットル)ので、不足分を試薬硝酸ナト
リウムを添加して補った 水量:1m3 /日 水温:17℃
【0014】・生物反応槽 容積:10リットル 陽極:チタン(表面に白金をメッキ、電極面積0.15
2 ) 陰極:黒鉛(電極面積0.15m2 ) 電極間距離:10mm 隔膜:旭硝子(株)製陽イオン交換膜セレミオンCMV 陽極から3mmの位置に設置 電圧及び電流:直流7〜9V、1.5A(定電流計で電
流を一定制御)
【0015】図2に、被処理水と処理水の水質変化を示
す。図2において●は被処理水の硝酸性窒素、△は処理
水の亜硝酸性窒素、〇は処理水の硝酸性窒素を示す。脱
窒菌の固定化は陰極表面で自然に増殖する手法で行った
ために、運転初期には脱窒能力は認められなかった。し
かし、2〜3週間後からは陰極表面における生物スライ
ムの生成、及び処理水の硝酸性窒素の低下が認められ、
1.5ケ月後には処理水の硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の
合計値が4mg/リットル以下になった。
【0016】また、処理水の溶解性TOCを測定した結
果、被処理水:1.5〜3mg/リットルに対して、処
理水:1.5〜3mg/リットルであり、電極からの有
機物の浸出は認められなかった。SSは、被処理水:
(測定限界以下)に対して、処理水:0.5〜2mg/
リットルであり、これは増殖した水素資化性脱窒菌と推
定された。陽極の耐久性は高く、約3ケ月の連続運転で
消耗はなく、電解効率の低下も認められなかった。陰極
表面には、白いスケールの形成が認められたが、極性を
変換する(10分/日)ことでスケールを除去すること
ができた。
【0017】実施例2 実施例1に示した処理試験の後に、隔膜を陽イオン交換
膜から精密ろ過膜(メンブレンフィルター、アドバンテ
ック東洋(株)製の親水性PTFE膜、厚さ35μm、
孔径0.2μm)に交換して処理を行った。その結果、
実施例1と同様に被処理水の硝酸性窒素9.5〜11m
g/リットルに対して、処理水の硝酸性窒素は5〜6m
g/リットル、亜硝酸性窒素は0.1mg/リットル以
下であった。硝酸性窒素除去率は、実施例1に比べて僅
かに低下した。処理水のpHは実施例1の時で8.5〜
9.0あったのに対して、実施例2においては8〜8.
5であった。その結果、実施例2においては実施例1よ
りも陰極でのスケール形成量が少なくなった。
【0018】
【発明の効果】このように、本発明によって、生体触媒
固定化電極による脱窒反応の効率を上げることが可能に
なり、スケール形成及び電極の消耗が減少し従来法に必
要であった電極の頻繁な交換作業が不要になり、長時間
安定に操業できるようになった。また、処理水への微量
有機物の浸出も認められなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の処理装置の基本構成図。
【図2】被処理水と処理水の水質変化を示すグラフ。
【図3】本発明の処理装置の他の構成図。
【図4】陰極表面での反応説明図。
【図5】本発明の処理装置のもう一つの構成図。
【符号の説明】
1:被処理水、2:処理水、3:生物反応槽、4:生体
触媒固定化電極(陰極)、5:陽極、6:隔離部材(隔
膜)、7:直流電源、8:生体触媒(脱窒菌)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西井 啓典 神奈川県藤沢市本藤沢4丁目2番1号 株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 鴻野 卓 東京都大田区羽田旭町11番1号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 黒田 正和 栃木県足利市寿町15番10号 (56)参考文献 特開 平5−329497(JP,A) 特開 平8−141574(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C02F 3/34 101 C02F 1/46

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化態窒素を含有する水を、電気分解し
    て陰極から水素、陽極から酸素を発生させると共に、該
    酸化態窒素を前記陰極表面に固定化された水素資化性脱
    窒素菌により脱窒素する水の処理方法において、前記陰
    極と陽極を酸素を透過せず、電子を透過する部材により
    離隔して配備し、陽極で発生する酸素の陰極側への移行
    を防止することを特徴とする酸化態窒素含有水の処理方
    法。
  2. 【請求項2】 少なくとも一対の陰極と陽極を設けた電
    気分解槽を有し、該陰極の表面に水素資化性脱窒素細菌
    を固定化した酸化態窒素含有水の処理装置において、前
    記陰極と陽極の間に酸素を透過せず、電子を透過する隔
    離部材を設けたことを特徴とする酸化態窒素含有水の処
    理装置。
  3. 【請求項3】 前記隔離部材が、イオン交換膜である請
    求項2記載の酸化態窒素含有水の処理装置。
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