し尿排水中のリンの除去方法および除去装置
【課題】不要なイオンや成分を添加する必要がなく、且つ、迅速にし尿排中のリンを除去することができるリン除去装置を提供する。また、し尿排水中のリンの効率的な除去方法を提供する。
【解決手段】少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、一部が金属溶出部材の一部に接触した、電気伝導性を有する炭素材と、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えるリンの除去装置である。また、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材の一部と、電気伝導性を有する炭素材の一部とをし尿排水中で接触させて金属溶出部材から鉄イオンを溶出させる工程と、溶出した鉄イオンと、し尿排水中のリンとが反応してリン化合物が析出する工程と、析出したリン化合物のうち、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去する工程とを含むリンの除去方法である。
【解決手段】少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、一部が金属溶出部材の一部に接触した、電気伝導性を有する炭素材と、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えるリンの除去装置である。また、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材の一部と、電気伝導性を有する炭素材の一部とをし尿排水中で接触させて金属溶出部材から鉄イオンを溶出させる工程と、溶出した鉄イオンと、し尿排水中のリンとが反応してリン化合物が析出する工程と、析出したリン化合物のうち、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去する工程とを含むリンの除去方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、し尿排水中に溶解しているリンを効率的に除去するための装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、リンは、枯渇が懸念されている貴重な資源であると共に、環境水（湖沼池、河川、ため池、湾、海域等に存在する水）の富栄養化の原因物質でもある。そして、環境水を富栄養化する汚染源としては、例えば、畜産業から排出される家畜し尿（畜産排水）や、人間のし尿などが知られている。
【０００３】
そこで、湖沼や内湾等の閉鎖性水域の富栄養化による水質汚染を防止するために、畜産排水や人間のし尿などの所謂し尿排水からリンを除去する技術の開発が求められている。
【０００４】
これに対し、排水中に溶解しているリンを除去する方法として、鉄塩またはアルミニウム塩を排水に添加することにより、水中のリンを水に不溶性のリン酸鉄またはリン酸アルミニウムとして析出させて除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、糞尿中のリンを除去する方法として、糞尿中に微鉄粉を添加することにより、リン化合物を水不溶性成分として除去する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６８２４８号公報
【特許文献２】特開２０００−１４０８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記鉄塩またはアルミニウム塩を用いた除去方法では、鉄イオンやアルミニウムイオン以外のイオンや成分も水中に加えられてしまうという問題があった。即ち、処理対象水への鉄塩やアルミニウム塩の添加に伴い、鉄イオンまたはアルミニウムイオンと結合して鉄塩またはアルミニウム塩を形成している塩化物イオンや硫酸イオン等の対イオンも処理対象水中に添加されることとなり、処理対象水中の塩化物イオン濃度や硫酸イオン濃度が上昇し、生態系へ悪影響が生じるという問題があった。
【０００８】
また、上記微鉄粉を用いた除去方法では、微鉄粉とリン化合物とが水不溶性成分を形成する速度が遅い、即ちリン除去速度が低いという問題があった。
【０００９】
そのため、不要なイオンや成分を添加する必要がなく、且つ、迅速にし尿排中のリンを除去することができるリン除去装置が求められていた。また、し尿排水中のリンの効率的な除去方法も求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のし尿排水中のリンの除去装置は、し尿排水中のリンを除去する装置であって、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、一部が前記金属溶出部材の一部に接触した、電気伝導性を有する炭素材と、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えることを特徴とする。このように、鉄を含有する金属溶出部材と炭素材とを接触させれば、金属溶出部材と炭素材とで局部電池が形成されるので、金属溶出部材から鉄イオンが迅速に溶出し、し尿排水中に溶解していたリンと反応して不溶性のリン化合物を形成する。従って、不要なイオンや成分を水中に添加することなく、低い環境負荷で、し尿排水中のリンを迅速かつ効率的に除去することができる。また、本発明のリンの除去装置は、析出物除去手段を備えているので、析出物が金属溶出部材等の表面を覆って鉄イオンの溶出を阻害することを防止し得る。なお、局部電池を形成するという観点から、本発明のリンの除去装置では、金属溶出部材と炭素材とは互いに一部が接触している必要がある。また、本発明において、電気伝導性を有するとは、電気伝導率が１０−３Ｓ／ｍ以上であることを指す。
【００１１】
ここで、本発明のリンの除去装置は、前記金属溶出部材が、スラグを含有する鉄、ドロスまたはスケールからなることが好ましい。なお、スラグを含有する鉄、ドロス、スケールは、製鉄工業や製鋼工業などから排出される副産物である。
【００１２】
また、本発明のリンの除去装置は、前記炭素材が炭素繊維からなることが好ましい。炭素繊維は比表面積および変形性が非常に大きい素材であるところ、炭素材として炭素繊維を用いれば、金属溶出部材との接触面積を大きく保って鉄イオンの溶出速度を高めることができるからである。更に、炭素繊維は機械的強度が高いからである。
【００１３】
そして、本発明のリンの除去装置は、前記析出物除去手段が曝気装置であることが好ましい。曝気に伴い生じる水流や空気流を用いれば、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を容易に除去することができるからである。なお、曝気装置による曝気は、連続曝気であっても良いし、間歇曝気であっても良い。
【００１４】
また、本発明のリンの除去方法は、し尿排水中のリンを除去する方法であって、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材の一部と、電気伝導性を有する炭素材の一部とを前記し尿排水中で接触させて前記金属溶出部材から鉄イオンを溶出させる工程と、溶出した前記鉄イオンと、前記し尿排水中のリンとが反応してリン化合物が析出する工程と、析出した前記リン化合物のうち、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去する工程とを含むことを特徴とする。このように、鉄を含有する金属溶出部材と炭素材とを接触させて局部電池を形成した際に溶出する鉄イオンを用いてし尿排水中のリンを除去すれば、不要なイオンや成分を水中に添加することなく、低い環境負荷で、し尿排水中のリンを迅速かつ効率的に除去することができる。また、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去すれば、析出物が金属溶出部材等の表面を覆って鉄イオンの溶出を阻害することを防止し得る。なお、本発明において、電気伝導性を有するとは、電気伝導率が１０−３Ｓ／ｍ以上であることを指す。
【００１５】
ここで、本発明のリンの除去方法は、前記析出物除去手段が曝気装置であり、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面へ前記曝気装置から線速度０．１〜８０ｍ／ｍｉｎで気体を吹き付けることにより前記析出物を除去することが好ましい。曝気に伴い生じる水流あるいは空気流を用いれば、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を容易に除去することができるからである。また、線速度０．１〜８０ｍ／ｍｉｎで気体を吹き付ければ、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を確実に除去することができるからである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のし尿排水中のリンの除去装置およびリンの除去方法によれば、不要なイオンや成分を水中に添加することなく、水中のリンを迅速かつ効率的に除去することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明のリンの除去装置を詳細に説明する。本発明のリンの除去装置は、畜産排水や人間のし尿などの所謂し尿排水に含まれているリンの除去に用いることができるものである。
【００１８】
具体的には、本発明のリンの除去装置は、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、電気伝導性を有する炭素材と、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えており、金属溶出部材の一部と炭素材の一部とが互いに接触しているものである。
【００１９】
（金属溶出部材）
ここで、金属溶出部材は、鉄を含有し、し尿排水中で炭素材と局部電池を形成するものである。そして、本発明のリンの除去装置では、金属溶出部材と炭素材との局部電池の形成により、金属溶出部材中の鉄が陽イオン（鉄イオン）となってし尿排水中へと溶出し、溶出した鉄イオンとし尿排水中のリンとが反応して水に不溶性のリン化合物を形成する。
【００２０】
なお、金属溶出部材が鉄以外の金属も含有している場合、局部電池の形成により該金属も金属イオンとなってし尿排水中へと溶出し、リン化合物を形成することとなる。
【００２１】
ここで、金属溶出部材としては、純鉄を含む任意の鉄含有材料を用いることができるが、コストおよび環境負荷の低減という観点からは、スラグを含有する鉄、ドロスまたはスケールを用いることが好ましい。なお、スラグを含有する鉄としては、鉄を精錬した際に生じるスラグ含有鉄や、鉄以外の金属を精錬した際に生じるスラグ含有鉄・金属（例えば、スラグ含有鉄・亜鉛等）が挙げられる。また、ドロスとしては、鉄の溶湯の表面に浮上している金属酸化物の厚膜や塊が挙げられ、スケールとしては、鋼の圧延工程で生成した圧延スケールや、溶断スケールなどが挙げられる。
【００２２】
そして、上述したスラグ含有鉄としては、鉄の含有率が５０質量％以上のものが好ましく、５０〜９９質量％のものが更に好ましく、５０〜９０質量％のものが特に好ましい。鉄の含有率が５０質量％未満の場合、鉄イオンの溶出速度が低下し、充分にリンを除去できなくなる恐れがあるからである。また、鉄の含有率が高い（例えば、９０質量％超の）スラグ含有鉄は再利用することができる貴重な鉄資源だからである。なお、鉄の含有率は蛍光Ｘ線分析装置により測定することができる。
【００２３】
また、スラグ含有鉄の粒径は２ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましい。スラグ含有鉄の粒径が小さすぎると取り扱い難いからである。また、粒径の大きいスラグ含有鉄は再利用できる貴重な資源だからである。ここで、一般にスラグ含有鉄の形状には粒状、板状、棒状、針状などの種々の形状があるが、本発明においてスラグ含有鉄の粒径とは、デジタルＣＣＤマイクロスコープ（モリテックス(株)製、ＭＳ−８０４）を用いて測定した値をいう。なお、所望の粒径を有するスラグ含有鉄は、破砕や篩い分けなどの既知の方法を用いて得ることができる。
【００２４】
（炭素材）
炭素材としては、例えば炭素繊維、木炭、竹炭、黒鉛、カーボンブラック、電極用炭素材、或いはこれらの混合物などを好適に用いることができる。ここで、炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維など既知の炭素繊維を用いることができ、例えば、直径７μｍのフィラメントが１２０００本集合してなる炭素繊維を用いることができる。
【００２５】
ここで、炭素材の形状は、特に限定されることなく、フィラメント状、板状、塊状、フィルム状、棒状、筒状、粉状、粒状、メッシュ状、または織物状にすることができる。なお、粒状とは径の長さが０．１ｍｍ超の粒子状であることを指し、粉状とは径の長さが０．１ｍｍ以下の粒子状であることを指す。ここで、径の長さとは、球状粒子の場合には直径を、矩形粒子の場合には対角線の長さを指し、デジタルＣＣＤマイクロスコープ（モリテックス(株)、ＭＳ−８０４）を使用して測定することができる。
【００２６】
（金属溶出部材と炭素材との接触）
上述した金属溶出部材と炭素材とは、例えば以下のようにして互いに接触させることができる。なお、金属溶出部材と炭素材との接触形式は下記に限定されることはなく、金属溶出部材と炭素材とがし尿排水中で局部電池を形成することができる任意の接触形式を用いることができる。
（１）し尿排水が流通可能な容器内に、金属溶出部材と炭素材とを混在させる。なお、容器の形状は、筒型、箱型など任意の形状とすることができる。
（２）金属溶出部材と炭素材とを積層する。
（３）メッシュ状の金属溶出部材と、板状の炭素材とを積層する。
（４）金属溶出部材に繊維状の炭素材を絡ませる。
【００２７】
（析出物除去手段）
析出物除去手段としては、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を除去することができるものであれば、既知の手段を用いることができる。具体的には、し尿排水中に水流を起こして析出物を除去する析出物除去手段として、曝気装置、撹拌装置、旋回流発生装置、超音波照射装置などが挙げられ、機械的な力で析出物を除去する析出物除去手段として、金属溶出部材および炭素材を振動させる振動装置、金属溶出部材および炭素材を回転させる回転装置などが挙げられる。なお、析出物の除去は、し尿排水から取り出した金属溶出部材および炭素材に対し、ボールミルやローラーミルを用いて行っても良い。
【００２８】
ここで、析出物を簡単に除去するという観点からは、曝気装置を用いることが好ましく、その際の曝気風量としては、線速度０．１〜８０ｍ/ｍｉｎとすることが好ましい。なお、曝気する気体は、任意の気体とすることができるが、空気を用いることが好ましい。空気は、低コストで利用することができる気体だからである。また、空気を曝気することで水中の溶存酸素量を高めて好気性微生物による水質浄化も促進することができるからである。
【００２９】
そして、上述したようなリンの除去装置によれば、金属溶出部材および炭素材がし尿排水中に浸漬されて局部電池を形成し、金属溶出部材から鉄イオンが溶出するので、該鉄イオンとし尿排水中のリンとが反応して、例えばリン酸第二鉄などの水に不溶性のリン化合物が析出する。即ち、し尿排水中からリンが除去される。また、リン酸第二鉄と共に析出する鉄化合物（例えば水酸化鉄など）は、一種の凝集剤としても作用するので、し尿排水のＣＯＤおよび臭気も低減する。なお、上記除去装置では、析出物除去手段により、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物は除去されることとなるので、析出物の堆積によりリンの除去速度が低下することがない。
【００３０】
ここで、析出したリン化合物は、例えば、金属溶出部材および炭素材の下方に受け器の配置する、或いは、処理したし尿排水を濾過、遠心分離またはフィルタープレスするなどの手段を用いて回収し、酸に溶解することでリン資源として再利用することができる。
【００３１】
なお、し尿排水のｐＨは、７．０〜９．０であることが好ましい。ｐＨが低すぎると金属溶出部材に含まれる鉄の溶解が生じることがあると共に、リン化合物の溶解度が増加して効率的にリンを除去できなくなるからである。また、ｐＨが高すぎると溶解した鉄イオンが水酸化物イオンと反応して水酸化物を形成してしまうため、リン酸化合物の形成が抑制されてしまうからである。
【００３２】
また、し尿排水のリン濃度は、特に制限されることはないが、５００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。なお、し尿排水のリン濃度が高すぎる場合、任意に、希釈してから処理することができる。
【実施例】
【００３３】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例において、し尿排水のｐＨ、リン濃度、ＣＯＤおよび鉄濃度、並びに金属溶出部材の性状は、下記の方法で測定した。
【００３４】
（ｐＨ）
パックテスト（ＫＲ−ｐＨ、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
（リン濃度）
パックテスト（ＷＡＫ−ＰＯ４、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
（ＣＯＤ）
パックテスト（ＷＡＫ−ＣＯＤ、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
（鉄濃度）
パックテスト（ＷＡＫ−Ｆｅ、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
【００３５】
（金属溶出部材の組成）
Ｘ線分析装置（セイコーインスツルメンツ（株）製、SEA2120E）を用いて測定した。
（金属溶出部材の密度）
嵩密度は、化学天秤で測定した質量を、メスシリンダーで量った容積で割ることで求めた。真密度は、ピクノメーターを用いて測定した。
【００３６】
（実施例１〜２および比較例１〜３）
プラスチック製容器（５００ｍｌ広口ポリビン）内に、群馬県畜産試験場内の豚舎から生じたし尿と牛舎から生じた搾乳排水とを混合したし尿排水と、金属溶出部材としてのスラグ含有鉄と、炭素材としての木炭および炭素繊維とを表１に示す配合で封入し、振とう器（ＴＡＩＴＥＣ製、ＮＲ−１０）を用いて、該プラスチック製容器を振幅４ｃｍ、振とう数１２０回／分で２４時間左右に振とうしてリン除去実験を行った。し尿排水のｐＨ、ＣＯＤ、リン濃度、鉄濃度の変化を表２に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
*1 高炉、転炉および電気炉から排出したスラグ含有鉄を５ｍｍ篩で篩い分けした際の篩下、嵩密度３．５ｇ／ｃｍ３、真密度６．９ｇ／ｃｍ３、組成は下記の通り
Ｆｅ：７９．５質量％、Ｃａ：７．５質量％、Ｓｉ：３．１質量％、Ａｌ：２．１質量％、Ｚｎ：２．０質量％、Ｍｎ：３．１質量％、Ｃｒ：０．７質量％、Ｐ：０．７質量％、Ｃｕ：０．１質量％、Ｐｂ：０．５質量％、Ｓ：０．３質量％、Ｍｇ：０．２質量％、Ｋ：０．２質量％、
*2 粗砕した岩手県産切り炭（黒炭）を４ｍｍ篩で篩い分けした際の篩下
*3 ストランド状炭素繊維（東邦テナックス（株）製、ＰＡＮ系、１２Ｋ品）
【００３９】
【表２】
【００４０】
（実施例３〜４および比較例４〜６）
配合量を変化させた点を除き、他の点では実施例１〜２および比較例１〜３と同様にしてリン除去実験を行った。し尿排水、金属溶出部材および炭素材の配合を表３に、し尿排水のｐＨ、ＣＯＤ、リン濃度、鉄濃度の変化を表４に示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】
【表４】
【００４３】
（実施例５〜７および比較例７）
プラスチック製容器（５００ｍｌ広口ポリビン）内に、炭素繊維製織物（フクオカ機業製、平織り、４ｃｍ角）を敷き、その上に表５に示す量のスラグ含有鉄を設置した。次に、容器内に、群馬県畜産試験場内の豚舎から生じたし尿と牛舎から生じた搾乳排水とを混合したし尿排水１５０ｍｌを封入し、振とう器（ＴＡＩＴＥＣ製、ＮＲ−１０）を用いて、該プラスチック製容器を振幅４ｃｍ、振とう数１２０回／分で１７２時間左右に振とうしてリン除去実験を行った。し尿排水のＣＯＤ、リン濃度の変化を表６に示す。
【００４４】
【表５】
【００４５】
【表６】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、し尿排水中に溶解しているリンを効率的に除去するための装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、リンは、枯渇が懸念されている貴重な資源であると共に、環境水（湖沼池、河川、ため池、湾、海域等に存在する水）の富栄養化の原因物質でもある。そして、環境水を富栄養化する汚染源としては、例えば、畜産業から排出される家畜し尿（畜産排水）や、人間のし尿などが知られている。
【０００３】
そこで、湖沼や内湾等の閉鎖性水域の富栄養化による水質汚染を防止するために、畜産排水や人間のし尿などの所謂し尿排水からリンを除去する技術の開発が求められている。
【０００４】
これに対し、排水中に溶解しているリンを除去する方法として、鉄塩またはアルミニウム塩を排水に添加することにより、水中のリンを水に不溶性のリン酸鉄またはリン酸アルミニウムとして析出させて除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、糞尿中のリンを除去する方法として、糞尿中に微鉄粉を添加することにより、リン化合物を水不溶性成分として除去する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６８２４８号公報
【特許文献２】特開２０００−１４０８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記鉄塩またはアルミニウム塩を用いた除去方法では、鉄イオンやアルミニウムイオン以外のイオンや成分も水中に加えられてしまうという問題があった。即ち、処理対象水への鉄塩やアルミニウム塩の添加に伴い、鉄イオンまたはアルミニウムイオンと結合して鉄塩またはアルミニウム塩を形成している塩化物イオンや硫酸イオン等の対イオンも処理対象水中に添加されることとなり、処理対象水中の塩化物イオン濃度や硫酸イオン濃度が上昇し、生態系へ悪影響が生じるという問題があった。
【０００８】
また、上記微鉄粉を用いた除去方法では、微鉄粉とリン化合物とが水不溶性成分を形成する速度が遅い、即ちリン除去速度が低いという問題があった。
【０００９】
そのため、不要なイオンや成分を添加する必要がなく、且つ、迅速にし尿排中のリンを除去することができるリン除去装置が求められていた。また、し尿排水中のリンの効率的な除去方法も求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のし尿排水中のリンの除去装置は、し尿排水中のリンを除去する装置であって、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、一部が前記金属溶出部材の一部に接触した、電気伝導性を有する炭素材と、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えることを特徴とする。このように、鉄を含有する金属溶出部材と炭素材とを接触させれば、金属溶出部材と炭素材とで局部電池が形成されるので、金属溶出部材から鉄イオンが迅速に溶出し、し尿排水中に溶解していたリンと反応して不溶性のリン化合物を形成する。従って、不要なイオンや成分を水中に添加することなく、低い環境負荷で、し尿排水中のリンを迅速かつ効率的に除去することができる。また、本発明のリンの除去装置は、析出物除去手段を備えているので、析出物が金属溶出部材等の表面を覆って鉄イオンの溶出を阻害することを防止し得る。なお、局部電池を形成するという観点から、本発明のリンの除去装置では、金属溶出部材と炭素材とは互いに一部が接触している必要がある。また、本発明において、電気伝導性を有するとは、電気伝導率が１０−３Ｓ／ｍ以上であることを指す。
【００１１】
ここで、本発明のリンの除去装置は、前記金属溶出部材が、スラグを含有する鉄、ドロスまたはスケールからなることが好ましい。なお、スラグを含有する鉄、ドロス、スケールは、製鉄工業や製鋼工業などから排出される副産物である。
【００１２】
また、本発明のリンの除去装置は、前記炭素材が炭素繊維からなることが好ましい。炭素繊維は比表面積および変形性が非常に大きい素材であるところ、炭素材として炭素繊維を用いれば、金属溶出部材との接触面積を大きく保って鉄イオンの溶出速度を高めることができるからである。更に、炭素繊維は機械的強度が高いからである。
【００１３】
そして、本発明のリンの除去装置は、前記析出物除去手段が曝気装置であることが好ましい。曝気に伴い生じる水流や空気流を用いれば、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を容易に除去することができるからである。なお、曝気装置による曝気は、連続曝気であっても良いし、間歇曝気であっても良い。
【００１４】
また、本発明のリンの除去方法は、し尿排水中のリンを除去する方法であって、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材の一部と、電気伝導性を有する炭素材の一部とを前記し尿排水中で接触させて前記金属溶出部材から鉄イオンを溶出させる工程と、溶出した前記鉄イオンと、前記し尿排水中のリンとが反応してリン化合物が析出する工程と、析出した前記リン化合物のうち、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去する工程とを含むことを特徴とする。このように、鉄を含有する金属溶出部材と炭素材とを接触させて局部電池を形成した際に溶出する鉄イオンを用いてし尿排水中のリンを除去すれば、不要なイオンや成分を水中に添加することなく、低い環境負荷で、し尿排水中のリンを迅速かつ効率的に除去することができる。また、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去すれば、析出物が金属溶出部材等の表面を覆って鉄イオンの溶出を阻害することを防止し得る。なお、本発明において、電気伝導性を有するとは、電気伝導率が１０−３Ｓ／ｍ以上であることを指す。
【００１５】
ここで、本発明のリンの除去方法は、前記析出物除去手段が曝気装置であり、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面へ前記曝気装置から線速度０．１〜８０ｍ／ｍｉｎで気体を吹き付けることにより前記析出物を除去することが好ましい。曝気に伴い生じる水流あるいは空気流を用いれば、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を容易に除去することができるからである。また、線速度０．１〜８０ｍ／ｍｉｎで気体を吹き付ければ、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を確実に除去することができるからである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のし尿排水中のリンの除去装置およびリンの除去方法によれば、不要なイオンや成分を水中に添加することなく、水中のリンを迅速かつ効率的に除去することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明のリンの除去装置を詳細に説明する。本発明のリンの除去装置は、畜産排水や人間のし尿などの所謂し尿排水に含まれているリンの除去に用いることができるものである。
【００１８】
具体的には、本発明のリンの除去装置は、少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、電気伝導性を有する炭素材と、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えており、金属溶出部材の一部と炭素材の一部とが互いに接触しているものである。
【００１９】
（金属溶出部材）
ここで、金属溶出部材は、鉄を含有し、し尿排水中で炭素材と局部電池を形成するものである。そして、本発明のリンの除去装置では、金属溶出部材と炭素材との局部電池の形成により、金属溶出部材中の鉄が陽イオン（鉄イオン）となってし尿排水中へと溶出し、溶出した鉄イオンとし尿排水中のリンとが反応して水に不溶性のリン化合物を形成する。
【００２０】
なお、金属溶出部材が鉄以外の金属も含有している場合、局部電池の形成により該金属も金属イオンとなってし尿排水中へと溶出し、リン化合物を形成することとなる。
【００２１】
ここで、金属溶出部材としては、純鉄を含む任意の鉄含有材料を用いることができるが、コストおよび環境負荷の低減という観点からは、スラグを含有する鉄、ドロスまたはスケールを用いることが好ましい。なお、スラグを含有する鉄としては、鉄を精錬した際に生じるスラグ含有鉄や、鉄以外の金属を精錬した際に生じるスラグ含有鉄・金属（例えば、スラグ含有鉄・亜鉛等）が挙げられる。また、ドロスとしては、鉄の溶湯の表面に浮上している金属酸化物の厚膜や塊が挙げられ、スケールとしては、鋼の圧延工程で生成した圧延スケールや、溶断スケールなどが挙げられる。
【００２２】
そして、上述したスラグ含有鉄としては、鉄の含有率が５０質量％以上のものが好ましく、５０〜９９質量％のものが更に好ましく、５０〜９０質量％のものが特に好ましい。鉄の含有率が５０質量％未満の場合、鉄イオンの溶出速度が低下し、充分にリンを除去できなくなる恐れがあるからである。また、鉄の含有率が高い（例えば、９０質量％超の）スラグ含有鉄は再利用することができる貴重な鉄資源だからである。なお、鉄の含有率は蛍光Ｘ線分析装置により測定することができる。
【００２３】
また、スラグ含有鉄の粒径は２ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましい。スラグ含有鉄の粒径が小さすぎると取り扱い難いからである。また、粒径の大きいスラグ含有鉄は再利用できる貴重な資源だからである。ここで、一般にスラグ含有鉄の形状には粒状、板状、棒状、針状などの種々の形状があるが、本発明においてスラグ含有鉄の粒径とは、デジタルＣＣＤマイクロスコープ（モリテックス(株)製、ＭＳ−８０４）を用いて測定した値をいう。なお、所望の粒径を有するスラグ含有鉄は、破砕や篩い分けなどの既知の方法を用いて得ることができる。
【００２４】
（炭素材）
炭素材としては、例えば炭素繊維、木炭、竹炭、黒鉛、カーボンブラック、電極用炭素材、或いはこれらの混合物などを好適に用いることができる。ここで、炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維など既知の炭素繊維を用いることができ、例えば、直径７μｍのフィラメントが１２０００本集合してなる炭素繊維を用いることができる。
【００２５】
ここで、炭素材の形状は、特に限定されることなく、フィラメント状、板状、塊状、フィルム状、棒状、筒状、粉状、粒状、メッシュ状、または織物状にすることができる。なお、粒状とは径の長さが０．１ｍｍ超の粒子状であることを指し、粉状とは径の長さが０．１ｍｍ以下の粒子状であることを指す。ここで、径の長さとは、球状粒子の場合には直径を、矩形粒子の場合には対角線の長さを指し、デジタルＣＣＤマイクロスコープ（モリテックス(株)、ＭＳ−８０４）を使用して測定することができる。
【００２６】
（金属溶出部材と炭素材との接触）
上述した金属溶出部材と炭素材とは、例えば以下のようにして互いに接触させることができる。なお、金属溶出部材と炭素材との接触形式は下記に限定されることはなく、金属溶出部材と炭素材とがし尿排水中で局部電池を形成することができる任意の接触形式を用いることができる。
（１）し尿排水が流通可能な容器内に、金属溶出部材と炭素材とを混在させる。なお、容器の形状は、筒型、箱型など任意の形状とすることができる。
（２）金属溶出部材と炭素材とを積層する。
（３）メッシュ状の金属溶出部材と、板状の炭素材とを積層する。
（４）金属溶出部材に繊維状の炭素材を絡ませる。
【００２７】
（析出物除去手段）
析出物除去手段としては、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物を除去することができるものであれば、既知の手段を用いることができる。具体的には、し尿排水中に水流を起こして析出物を除去する析出物除去手段として、曝気装置、撹拌装置、旋回流発生装置、超音波照射装置などが挙げられ、機械的な力で析出物を除去する析出物除去手段として、金属溶出部材および炭素材を振動させる振動装置、金属溶出部材および炭素材を回転させる回転装置などが挙げられる。なお、析出物の除去は、し尿排水から取り出した金属溶出部材および炭素材に対し、ボールミルやローラーミルを用いて行っても良い。
【００２８】
ここで、析出物を簡単に除去するという観点からは、曝気装置を用いることが好ましく、その際の曝気風量としては、線速度０．１〜８０ｍ/ｍｉｎとすることが好ましい。なお、曝気する気体は、任意の気体とすることができるが、空気を用いることが好ましい。空気は、低コストで利用することができる気体だからである。また、空気を曝気することで水中の溶存酸素量を高めて好気性微生物による水質浄化も促進することができるからである。
【００２９】
そして、上述したようなリンの除去装置によれば、金属溶出部材および炭素材がし尿排水中に浸漬されて局部電池を形成し、金属溶出部材から鉄イオンが溶出するので、該鉄イオンとし尿排水中のリンとが反応して、例えばリン酸第二鉄などの水に不溶性のリン化合物が析出する。即ち、し尿排水中からリンが除去される。また、リン酸第二鉄と共に析出する鉄化合物（例えば水酸化鉄など）は、一種の凝集剤としても作用するので、し尿排水のＣＯＤおよび臭気も低減する。なお、上記除去装置では、析出物除去手段により、金属溶出部材および炭素材の表面に析出した析出物は除去されることとなるので、析出物の堆積によりリンの除去速度が低下することがない。
【００３０】
ここで、析出したリン化合物は、例えば、金属溶出部材および炭素材の下方に受け器の配置する、或いは、処理したし尿排水を濾過、遠心分離またはフィルタープレスするなどの手段を用いて回収し、酸に溶解することでリン資源として再利用することができる。
【００３１】
なお、し尿排水のｐＨは、７．０〜９．０であることが好ましい。ｐＨが低すぎると金属溶出部材に含まれる鉄の溶解が生じることがあると共に、リン化合物の溶解度が増加して効率的にリンを除去できなくなるからである。また、ｐＨが高すぎると溶解した鉄イオンが水酸化物イオンと反応して水酸化物を形成してしまうため、リン酸化合物の形成が抑制されてしまうからである。
【００３２】
また、し尿排水のリン濃度は、特に制限されることはないが、５００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。なお、し尿排水のリン濃度が高すぎる場合、任意に、希釈してから処理することができる。
【実施例】
【００３３】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例において、し尿排水のｐＨ、リン濃度、ＣＯＤおよび鉄濃度、並びに金属溶出部材の性状は、下記の方法で測定した。
【００３４】
（ｐＨ）
パックテスト（ＫＲ−ｐＨ、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
（リン濃度）
パックテスト（ＷＡＫ−ＰＯ４、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
（ＣＯＤ）
パックテスト（ＷＡＫ−ＣＯＤ、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
（鉄濃度）
パックテスト（ＷＡＫ−Ｆｅ、（株）共立理化学研究所製、商標）を用いて測定した。
【００３５】
（金属溶出部材の組成）
Ｘ線分析装置（セイコーインスツルメンツ（株）製、SEA2120E）を用いて測定した。
（金属溶出部材の密度）
嵩密度は、化学天秤で測定した質量を、メスシリンダーで量った容積で割ることで求めた。真密度は、ピクノメーターを用いて測定した。
【００３６】
（実施例１〜２および比較例１〜３）
プラスチック製容器（５００ｍｌ広口ポリビン）内に、群馬県畜産試験場内の豚舎から生じたし尿と牛舎から生じた搾乳排水とを混合したし尿排水と、金属溶出部材としてのスラグ含有鉄と、炭素材としての木炭および炭素繊維とを表１に示す配合で封入し、振とう器（ＴＡＩＴＥＣ製、ＮＲ−１０）を用いて、該プラスチック製容器を振幅４ｃｍ、振とう数１２０回／分で２４時間左右に振とうしてリン除去実験を行った。し尿排水のｐＨ、ＣＯＤ、リン濃度、鉄濃度の変化を表２に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
*1 高炉、転炉および電気炉から排出したスラグ含有鉄を５ｍｍ篩で篩い分けした際の篩下、嵩密度３．５ｇ／ｃｍ３、真密度６．９ｇ／ｃｍ３、組成は下記の通り
Ｆｅ：７９．５質量％、Ｃａ：７．５質量％、Ｓｉ：３．１質量％、Ａｌ：２．１質量％、Ｚｎ：２．０質量％、Ｍｎ：３．１質量％、Ｃｒ：０．７質量％、Ｐ：０．７質量％、Ｃｕ：０．１質量％、Ｐｂ：０．５質量％、Ｓ：０．３質量％、Ｍｇ：０．２質量％、Ｋ：０．２質量％、
*2 粗砕した岩手県産切り炭（黒炭）を４ｍｍ篩で篩い分けした際の篩下
*3 ストランド状炭素繊維（東邦テナックス（株）製、ＰＡＮ系、１２Ｋ品）
【００３９】
【表２】
【００４０】
（実施例３〜４および比較例４〜６）
配合量を変化させた点を除き、他の点では実施例１〜２および比較例１〜３と同様にしてリン除去実験を行った。し尿排水、金属溶出部材および炭素材の配合を表３に、し尿排水のｐＨ、ＣＯＤ、リン濃度、鉄濃度の変化を表４に示す。
【００４１】
【表３】
【００４２】
【表４】
【００４３】
（実施例５〜７および比較例７）
プラスチック製容器（５００ｍｌ広口ポリビン）内に、炭素繊維製織物（フクオカ機業製、平織り、４ｃｍ角）を敷き、その上に表５に示す量のスラグ含有鉄を設置した。次に、容器内に、群馬県畜産試験場内の豚舎から生じたし尿と牛舎から生じた搾乳排水とを混合したし尿排水１５０ｍｌを封入し、振とう器（ＴＡＩＴＥＣ製、ＮＲ−１０）を用いて、該プラスチック製容器を振幅４ｃｍ、振とう数１２０回／分で１７２時間左右に振とうしてリン除去実験を行った。し尿排水のＣＯＤ、リン濃度の変化を表６に示す。
【００４４】
【表５】
【００４５】
【表６】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
し尿排水中のリンを除去する装置であって、
少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、
一部が前記金属溶出部材の一部に接触した、電気伝導性を有する炭素材と、
前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えることを特徴とする、リンの除去装置。
【請求項２】
前記金属溶出部材が、スラグを含有する鉄、ドロスまたはスケールからなることを特徴とする、請求項１に記載のリンの除去装置。
【請求項３】
前記炭素材が炭素繊維からなることを特徴とする、請求項１または２に記載のリンの除去装置。
【請求項４】
前記析出物除去手段が曝気装置であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のリンの除去装置。
【請求項５】
し尿排水中のリンを除去する方法であって、
少なくとも鉄を含有する金属溶出部材の一部と、電気伝導性を有する炭素材の一部とを前記し尿排水中で接触させて前記金属溶出部材から鉄イオンを溶出させる工程と、
溶出した前記鉄イオンと、前記し尿排水中のリンとが反応してリン化合物が析出する工程と、
析出した前記リン化合物のうち、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去する工程と、
を含むことを特徴とする、リンの除去方法。
【請求項６】
前記析出物除去手段が曝気装置であり、
前記金属溶出部材および前記炭素材の表面へ前記曝気装置から線速度０．１〜８０ｍ／ｍｉｎで気体を吹き付けることにより前記析出物を除去することを特徴とする、請求項５に記載のリンの除去方法。
【請求項１】
し尿排水中のリンを除去する装置であって、
少なくとも鉄を含有する金属溶出部材と、
一部が前記金属溶出部材の一部に接触した、電気伝導性を有する炭素材と、
前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を除去する析出物除去手段とを備えることを特徴とする、リンの除去装置。
【請求項２】
前記金属溶出部材が、スラグを含有する鉄、ドロスまたはスケールからなることを特徴とする、請求項１に記載のリンの除去装置。
【請求項３】
前記炭素材が炭素繊維からなることを特徴とする、請求項１または２に記載のリンの除去装置。
【請求項４】
前記析出物除去手段が曝気装置であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のリンの除去装置。
【請求項５】
し尿排水中のリンを除去する方法であって、
少なくとも鉄を含有する金属溶出部材の一部と、電気伝導性を有する炭素材の一部とを前記し尿排水中で接触させて前記金属溶出部材から鉄イオンを溶出させる工程と、
溶出した前記鉄イオンと、前記し尿排水中のリンとが反応してリン化合物が析出する工程と、
析出した前記リン化合物のうち、前記金属溶出部材および前記炭素材の表面に析出した析出物を析出物除去手段で除去する工程と、
を含むことを特徴とする、リンの除去方法。
【請求項６】
前記析出物除去手段が曝気装置であり、
前記金属溶出部材および前記炭素材の表面へ前記曝気装置から線速度０．１〜８０ｍ／ｍｉｎで気体を吹き付けることにより前記析出物を除去することを特徴とする、請求項５に記載のリンの除去方法。
【公開番号】特開２０１０−１７２８２９（Ｐ２０１０−１７２８２９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８７９８（Ｐ２００９−１８７９８）
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（５０８１７４６８７）石井商事株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（５０８１７４６８７）石井商事株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
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