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Dokumentenidentifikation DE60218257T2 08.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001295853
Titel VERFAHREN ZUR WASSERBEHANDLUNG UND VORRICHTUNG DAFÜR
Anmelder Sanyo Electric Co., Ltd., Moriguchi, Osaka, JP
Erfinder Masahiro, Iseki, Ota-shi, Gunma, 373-0852, JP;
Naoki, Hiro, Osaka-shi, Osaka, 536-0006, JP;
Tomohito, Koizumi, Ota-shi, Gunma, 373-0813, JP;
Tsuyoshi, Rakuma, Ora-gun, Gunma, 370-0524, JP
Vertreter Betten & Resch, 80333 München
DE-Aktenzeichen 60218257
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.09.2002
EP-Aktenzeichen 022563886
EP-Offenlegungsdatum 26.03.2003
EP date of grant 21.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse C02F 9/06(2006.01)A, F, I, 20070123, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C02F 1/72(2006.01)A, L, I, 20070123, B, H, EP  

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stickstoffbehandlungsverfahren und -system für zu behandelndes Wasser, das organischen Stickstoff, Nitritstickstoff, Nitratstickstoff, Salpetersäureionen oder Ammoniak enthält (wobei "zu behandelndes Wasser" im Folgenden als "für die Behandlung vorgesehenes Wasser" bezeichnet wird).

Es ist gut bekannt, dass das Vorhandensein von Stickstoffverbindungen eine der Ursachen der Eutrophierung von Flüssen und Seen ist. In Haushaltsabwasser oder Industrieabwasser gibt es viele Stickstoffverbindungen, wobei sie aber schwer zu reinigen sind und wobei es bisher keine wirksamen Gegenmaßnahmen gibt. Im Allgemeinen wird eine biologische Behandlung implementiert. Allerdings umfasst die biologische Behandlung zwei Prozesse, d. h. einen Nitrifikationsprozess zur Umwandlung von Ammoniakstickstoff in Nitratstickstoff und einen Denitrifikationsprozess zur Umwandlung von Nitratstickstoff in Stickstoffgas. Dementsprechend gibt es ein Problem, dass zwei verschiedene Reaktionsgefäße erforderlich sind. Es gibt ein weiteres Problem, dass die Behandlungseffizienz äußerst niedrig ist, da eine für die Behandlung erforderliche Zeit äußerst lang ist.

Ferner gibt es in dieser biologischen Behandlung ein weiteres Problem, dass ein anaerobes Gefäß mit großer Kapazität notwendig ist, um die Denitrierungsbakterien zu halten, wodurch die Erhöhung der Ausrüstungskonstruktionskosten und der Vorrichtungsinstallationsfläche erzeugt wird. Es gibt ein weiteres Problem, dass die Denitrierungsbakterien stark durch die Umgebungstemperatur, durch in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser enthaltene Bestandteile und dergleichen beeinflusst werden und dass insbesondere während der Wintersaison, wenn die Temperatur niedrig ist, ihre Aktivitäten verringert werden, was die Denitrierungswirkung verschlechtert und zu einer instabilen Verarbeitungseffizienz führt.

Dementsprechend ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, um die vorstehenden technischen Probleme zu lösen, wobei dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser Strom zugeführt wird, um Ammoniak, Nitritstickstoff und Nitratstickstoff durch Oxidation oder Reduktion zu Stickstoffgas zu zersetzen.

Allerdings gibt es gemäß dem herkömmlichen Stickstoffverbindungs-Behandlungsverfahren, das auf der Elektrolyse beruht, ein Problem, dass eine Umkehrreaktion stattfindet, in der auf der Katodenseite Ammoniak erzeugt wird, während auf der Anodenseite Salpetersäureionen erzeugt wird, was zur Verringerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit führt. Daraus folgend gibt es eine erhöhte Unannehmlichkeit wegen der Senkung der Stickstoffentfernungseffizienz.

Aus EP-A-0412175 sind die Schaffung eines Verfahrens zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, das die Schritte Trennen von zu behandelndem Wasser in einen Katodenreaktionsbereich und einen Anodenreaktionsbereich unter Verwendung einer Kationenaustauschmembran, Anwenden eines elektrolytischen Prozesses auf das Wasser durch Erregen einer Katode und einer Anode, die im Katodenreaktionsbereich bzw. im Anodenreaktionsbereich in Wasser eingetaucht sind, um Wasser zu erzeugen, das im Katodenreaktionsbereich Ammoniak und Stickstoff enthält, umfasst und einer Vorrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens bekannt. Das in dem Katodenbereich gebildete Ammoniak diffundiert durch die Membran und wird in dem Anodenbereich zu N2 oxidiert.

Ein Verfahren zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Schritte des Aberregens der Katode und der Anode, wenn die elektrolytische Reaktion abgeschlossen ist, und Transportieren von elektrolysiertem Wasser, das Ammoniak und Stickstoff enthält, von dem Katodenreaktionsbereich zu dem Anodenreaktionsbereich, so dass das transportierte Wasser mit Wasser im Anodenreaktionsbereich, in dem während des elektrolytischen Prozesses Hypochlorsäure, Ozon oder aktiver Sauerstoff erzeugt worden ist, gemischt wird, um eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion zu erzeugen, um Stickstoffgas zu erzeugen. Darüber hinaus ist eine Vorrichtung zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Transportieren von Wasser von dem Katodenreaktionsbereich zu dem Anodenreaktionsbereich, wobei die Steuereinheit so betreibbar ist, dass sie die Leistungsversorgung steuert, um die Elektrode abzuerregen, wenn der elektrolytische Prozess abgeschlossen ist, und dass sie die Einrichtung zum Transportieren von Wasser steuert, um elektrolysiertes Wasser, das Ammoniak und Stickstoff enthält und sich im Katodenreaktionsbereich befindet, zum Anodenreaktionsbereich zu transportieren, um das transportierte Wasser mit Wasser im Anodenreaktionsbereich, in dem während des elektrolytischen Prozesses Hypochlorsäure, Ozon oder aktiver Sauerstoff erzeugt worden ist, zu mischen, wodurch eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion erzeugt wird, um Stickstoffgas zu erzeugen.

Somit wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die herkömmlichen technischen Probleme zu lösen, wobei es eine Aufgabe von ihr ist, ein Stickstoffbehandlungsverfahren und -system für eine Stickstoffverbindung zu schaffen, das die Stickstoffverbindung effizient behandeln kann und die Größe und die Kosten einer Vorrichtung verringern kann.

Da eine Umkehrreaktion, in der auf der Anodenseite Salpetersäureionen erzeugt werden, unterdrückt wird, kann Ammoniakstickstoff aus dem in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser enthaltenen Nitratstickstoff in dem Katodenreaktionsbereich mit hoher Effizienz erzeugt werden. Da der in dem Katodenreaktionsbereich mit hoher Effizienz erzeugte Ammoniakstickstoff eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion mit Hypohalogensäure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff gemäß der chemischen Technik erzeugt, können ferner Nitratstickstoff und Ammoniakstickstoff effizient entfernt werden.

Da die Stickstoffbehandlung im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall, in dem die Behandlung der Stickstoffverbindung unter Verwendung des Gefäßes für den biologischen Prozess ausgeführt wurde, gemäß der elektrochemischen Technik und der chemischen Technik erzielt werden kann, können ferner die Größe und die Kosten der Stickstoffbehandlungsvorrichtung selbst stark verringert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als ein die Katode bildendes Metallmaterial ein leitendes Material, das ein Element der Gruppe IB oder IIB des periodischen Systems enthält, oder ein leitendes Material, das mit dem Element beschichtet ist, verwendet. Somit kann eine Reduktionsreaktion des Nitratstickstoffs zu Nitritstickstoff und Ammoniak erleichtert werden, sodass eine für die Reduktionsreaktion erforderliche Zeit verkürzt werden kann und eine Entfernung niedrig konzentrierter Stickstoffverbindungen erzielt werden kann.

In einer Ausführungsform enthält das Verfahren den Schritt des Umrührens des zu behandelnden Wassers in dem Katodenreaktionsbereich. Somit wird die Wahrscheinlichkeit des Kontakts von in dem für die Behandlung vorgesehen Wasser enthaltenem Nitratstickstoff in dem Katodenreaktionsbereich, insbesondere der negativ geladenen Salpetersäureionen, mit der Katode erhöht, was zu einer weiteren Erleichterung der Erzeugung von Ammoniak aus den Salpetersäureionen führt.

Das zu behandelnde Wasser kann Wasser sein, nachdem ein Prozess in einem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess angewendet worden ist. Somit werden der COD, der BOD und dergleichen in dem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess wie etwa in einem Belebtschlamm-Prozessgefäß stark entfernt und werden ferner in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß erzeugte Bakterien durch Hypohalogensäure oder aktiven Sauerstoff sterilisiert, woraufhin das behandelte Wasser entladen wird.

Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:

1 ein erläuterndes Diagramm ist, das einen Entwurf einer Stickstoffbehandlungsvorrichtung zur Implementierung eines Stickstoffbehandlungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ein Diagramm zur Erläuterung eines ersten spezifischen Anwendungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;

3 ein Diagramm zur Erläuterung eines zweiten spezifischen Anwendungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist;

4 ein Diagramm zur Erläuterung eines dritten spezifischen Anwendungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist; und

5 ein Diagramm zur Erläuterung eines vierten spezifischen Anwendungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist.

Anhand der beigefügten Zeichnung werden nun ausführlich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Entwurf einer Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 zur Ausführung eines Stickstoffbehandlungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Ausführungsform führt die Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 eine Behandlung von Stickstoffverbindungen aus, die z. B. in Haushaltsabwasser oder Industrieabwasser enthalten sind, wobei sie ein Behandlungsgefäß 2 mit einer Behandlungskammer 4 darin umfasst.

Das Behandlungsgefäß 2 besitzt z. B. eine rechteckige Form. Im für die Behandlung vorgesehenen Wasser, das in der Behandlungskammer 4 des Behandlungsgefäßes 2 aufgehoben ist, sind ein Paar Elektroden, d. h. eine Katode 6 und eine Anode 7, einander gegenüberstehend angeordnet, wobei wenigstens Abschnitte davon in das für die Behandlung vorgesehene Wasser eingetaucht sind. In dieser Ausführungsform wird das Paar Elektroden verwendet. Allerdings können ebenfalls mehrere Elektroden, mehr als das Paar, verwendet werden. Es ist eine Leistungsversorgung 25 zum Erregen der Katode 6 und der Anode 7 vorgesehen. Die Leistungsversorgung 25 wird durch eine (nicht gezeigte) Steuereinheit auf EIN/AUS-Art gesteuert.

In dieser Ausführungsform ist die Katode 6 aus einer Legierung oder aus einem Sinterkörper von Kupfer und Zink, von Kupfer und Eisen, von Kupfer und Nickel oder von Kupfer und Aluminium als ein leitendes Material, das ein Element der Gruppe IB oder IIB des periodischen Systems enthält, hergestellt, während die Anode 7 eine unlösliche Elektrode ist, die aus einem unlöslichen Metall wie etwa Platin, Iridium, Palladium oder aus seinem Oxid hergestellt ist oder aus Kohlenstoff hergestellt ist.

Um das Innere der Behandlungskammer 4 in einen Katodenreaktionsbereich 6A, wo die Katode 6 angeordnet ist, und in einen Anodenreaktionsbereich 7A, wo die Anode 7 angeordnet ist, zu trennen, ist in dieser Ausführungsform zwischen der Katode 6 und der Anode 7 in der Behandlungskammer 4 eine Kationenaustauschmembran 9 vorgesehen.

In einem unteren Teil einer Seitenwand, die den Katodenreaktionsbereich 6A des Behandlungsgefäßes 2 bildet, ist ein Einlass 10 zum Einleiten des für die Behandlung vorgesehen Wassers wie etwa des vorstehenden Haushaltsabwassers oder Industrieabwassers in die Behandlungskammer 4 vorgesehen. Mit dem Einlass 10 ist ein Rohr 10A verbunden, um das für die Behandlung vorgesehene Wasser zu dem Behandlungsgefäß 2 zu führen. Das Rohr 10A ist mit einem Steuerventil 10B versehen, um den Fluss des für die Behandlung vorgesehenen Wassers in die Behandlungskammer 4 zu steuern.

Andererseits ist in einem unteren Teil einer Seitenwand, die den Anodenreaktionsbereich 7A bildet, ein Auslass 11 zum Ablassen des behandelten Wassers in der Behandlungskammer 4 ins Äußere vorgesehen. Wie im Vorstehenden ist mit dem Auslass 11 ein Rohr 11A zum Ablassen des behandelten Wassers in der Behandlungskammer 4 nach außen verbunden, wobei es mit einem Steuerventil 11B versehen ist, um den Fluss des behandelten Wassers aus der Behandlungskammer 4 zu steuern.

Das Bezugszeichen 12 bezeichnet in 1 einen Blasengenerator, der in einem unteren Teil des Katodenreaktionsbereichs 6A als eine Rühreinrichtung zum Umrühren des für die Behandlung vorgesehenen Wassers in dem Katodenreaktionsbereich 6A vorgesehen ist. Der Blasengenerator 12 wird durch die vorstehende Steuereinheit gesteuert. In dieser Ausführungsform wird der Blasengenerator als die Rühreinrichtung verwendet, wobei er aber eher durch ein richtiges Rührelement als durch den Blasengenerator ersetzt sein kann.

Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 13 in 1 eine elektrische Pumpe, die an einer Stelle über dem Behandlungsgefäß 2 als eine Fördereinrichtung für für die Behandlung vorgesehenes Wasser vorgesehen ist, um das für die Behandlung vorgesehene Wasser in dem Katodenreaktionsbereich 6A zu dem Anodenreaktionsbereich 7A zu fördern. Die elektrische Pumpe 13 wird durch die vorstehende Steuereinheit gesteuert.

Bei der oben beschriebenen Anordnung öffnet die vorstehende Steuereinheit das Steuerventil 10B und schließt das Steuerventil 11B, um dadurch für die Behandlung vorgesehenes Wasser, das Nitratstickstoff als eine Nitratverbindung enthält, in dem Katodenreaktionsbereich 6A der Behandlungskammer 4 aufzubewahren. In diesem Fall wird angenommen, dass als eine Flüssigkeit, um das Erregen der Anode 7 zu ermöglichen, dasselbe für die Behandlung vorgesehene Wasser oder z. B. das Leitungswasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A aufbewahrt wird.

Wenn das in den Katodenreaktionsbereich 6A eingeleitete für die Behandlung vorgesehene Wasser daraufhin einen vorgegebenen Wasserspiegel erreicht hat, schließt die Steuereinheit das Steuerventil 10B und schaltet die Leistungsversorgung 25 ein, um die Katode 6 und die Anode 7 zu erregen. Im Ergebnis wird in dem Katodenreaktionsbereich 6A auf Salpetersäureionen, die Nitratstickstoff enthalten, der in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser enthalten sind, wegen der Elektrolyse als eine elektrochemische Technik eine Reduktionsreaktion angewendet, wodurch er in salpetrige Säure umgewandelt wird, die ähnlich Nitritionen enthält (Reaktion A). Daraufhin wird auf die durch die Reaktionsreaktion von Salpetersäureionen erzeugte salpetrige Säure weiter eine Reduktionsreaktion angewendet, wodurch sie in Ammoniak umgewandelt wird, das Ammoniakstickstoff enthält (Reaktion B). Die Reaktionen A und B sind wie im Folgenden gezeigt. NO2 + H2O + 2e → NO2 + 2OHReaktion A NO2 + 5N2O + 6e → NH3 (wässrig) + 70HReaktion B

In dieser Ausführungsform ist die Katode 6 aus einer Legierung oder aus einem Sinterkörper aus Kupfer und Zink, aus Kupfer und Eisen, aus Kupfer und Nickel oder aus Kupfer und Aluminium als ein leitendes Material, das ein Element der Gruppe IB oder IIB des periodischen Systems enthält, hergestellt. Somit kann die Reduktionsreaktion von Nitratstickstoff in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser zum Bilden von Nitritstickstoff und Ammoniak erleichtert werden, sodass eine für die Reduktionsreaktion erforderliche Zeit verkürzt werden kann und eine Entfernung niedrig konzentrierter Stickstoffverbindungen erzielt werden kann.

Da der Katodenreaktionsbereich 6A und der Anodenreaktionsbereich 7A in diesem Fall durch die Kationenaustauschmembran 9 aufgeteilt sind, kann verhindert werden, dass negativ geladene Salpetersäureionen, die in dem Katodenreaktionsbereich 6A vorhanden sind, zu der Anode 7 angezogen werden, sodass sich die Salpetersäureionen nicht zu der Katode 6 bewegen, wodurch die Effizienz der Reduktionsreaktion der Salpetersäureionen äußerst stark verringert wird. Dementsprechend kann aus den Salpetersäureionen mit hoher Effizienz Ammoniak erzeugt werden.

Während die Katode 6 und die Anode 7 erregt werden, betreibt die Steuereinheit den Blasengenerator 12 als die Rühreinrichtung, um das für die Behandlung vorgesehene Wasser in dem Katodenreaktionsbereich 6A umzurühren. Bei diesem Umrühren wird Nitratstickstoff, der in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser in dem Katodenreaktionsbereich 6A enthalten ist, insbesondere die negativ geladenen Salpetersäureionen, positiv in Kontakt mit der Katode 6 gebracht, sodass die Wahrscheinlichkeit des Kontakts der Salpetersäureionen mit der Katode 6 im Vergleich zum Fall der Ausführung keines Umrührens verbessert wird, was zur Erleichterung der Herstellung von Ammoniak aus den Salpetersäureionen führt.

Bei der Erregung der Katode 6 und der Anode 7 wird wegen der Katode 6 in dem Katodenreaktionsbereich 6A wie oben beschrieben die Reaktion der Umwandlung von Salpetersäureionen in Ammoniak erzeugt, während in dem Anodenreaktionsbereich 7A von der Oberfläche der Anode 7 Hypochlorsäure als ein Beispiel einer Hypohalogensäure oder von Ozon oder aktivem Sauerstoff erzeugt wird. Somit sind in dem für die Behandlung vorgesehenem Wasser oder Leitungswasser, das in dem Anodenreaktionsbereich 7A vorhanden ist, Hypochlorsäure oder Ozon oder aktiver Sauerstoff vorhanden.

Es kann eingerichtet werden, dass in dem Anodenreaktionsbereich 7A eine Einrichtung zum Einstellen der Konzentration der Chloridionen (ein Beispiel von Halogenidionen) in dem in dem Anodenreaktionsbereich 7A aufbewahrten für die Behandlung vorgesehenen Wasser vorgesehen ist, um dadurch das für die Behandlung vorgesehene Wasser auf eine vorgegebene Chloridionenkonzentration einzustellen. Da bei dieser Anordnung die Chloridionenkonzentration in dem Anodenreaktionsbereich 7A erhöht wird, wird die Effizienz der Herstellung von Hypochlorsäure verbessert.

Die Steuereinheit erregt die Katode 6 und die Anode 7 für mehr als eine vorgegebene Zeit, wobei sie die Erregung der Katode 6 und der Anode 7 anhält, nachdem nahezu der gesamte in dem Katodenreaktionsbereich 6A vorhandene Nitratstickstoff in Ammoniakstickstoff umgewandelt worden ist, während sie das für die Behandlung vorgesehene Wasser in dem Katodenreaktionsbereich 6A mittels der elektrischen Pumpe 13 zu dem Anodenreaktionsbereich 7A fördert. Falls das für die Behandlung vorgesehene Wasser oder das Leitungswasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A in diesem Fall einen vorgegebenen oder höheren Wasserspiegel erreicht, öffnet die Steuereinheit das Steuerventil 11B, um einen Teil des für die Behandlung vorgesehenen Wassers oder des Leitungswassers aus dem Anodenreaktionsbereich 7A abzulassen. Zu dieser Zeit sollte das für die Behandlung vorgesehene Wasser oder das Leitungswasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A auf einem vorgegebenen oder höheren Wasserspiegel bleiben.

Das wie oben beschrieben von dem Katodenreaktionsbereich 6A zu dem Anodenreaktionsbereich 7A geförderte für die Behandlung vorgesehene Wasser, das Ammoniak (Ammoniakstickstoff) enthält, wird darin mit dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser oder Leitungswasser, das Hypochlorsäure oder Ozon oder aktiven Sauerstoff enthält, gemischt, das in dem Anodenreaktionsbereich 7A aufbewahrt wurde oder verblieben ist. Im Ergebnis erzeugt das in der vorstehenden Weise erzeugte Ammoniak chemisch (gemäß einer chemischen Technik) eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion mit in der vorstehenden Weise erzeugter/erzeugtem Hypochlorsäure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff, um dadurch Stickstoffgas zu erzeugen (Reaktion C). Die Reaktionen C bis F sind im Folgenden gezeigt. 2NH3 (wässrig) + 3(O) → N2 + 3H2OReaktion C NaCl → Na+ + Cl2Cl → Cl2 + 2e Reaktion D Cl2 + H2O → HClO + HClReaktion E 2NH3 + 3HClO → N2 + 3NCl + 3H2OReaktion F

Dementsprechend kann Ammoniakstickstoff, der in der Katodenreaktion 6A mit hoher Effizienz erzeugt wird, auf der Grundlage einer chemischen Reaktion als eine normale chemische Technik ohne Implementierung einer Elektrolyse eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion mit hyperchloriger Säure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff erzeugen, sodass die Entfernung von Nitratstickstoff und Ammoniakstickstoff effizient ausgeführt werden kann.

Ferner wird in dieser Ausführungsform das für die Behandlung vorgesehene Wasser, das Ammoniak enthält, auf das die elektrolytische Behandlung in dem Katodenreaktionsbereich 6A angewendet wird, mit dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A gemischt, das in dem Anodenreaktionsbereich 7A erzeugte(s) Hypochlorsäure oder Ozon oder aktiven Sauerstoff enthält. Somit kann das für die Behandlung vorgesehene Wasser, das Ammoniak enthält und das in dem Katodenreaktionsbereich 6A erzeugt wird, mit in dem Anodenreaktionsbereich 7A bereits erzeugter/erzeugtem Hypochlorsäure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff reagieren, sodass die Denitrierungsbehandlung effizient ausgeführt werden kann.

Nachdem die Ammoniakdenitrierungsbehandlung wie oben beschrieben in dem Anodenreaktionsbereich 7A implementiert worden ist, öffnet die Steuereinheit das Steuerventil 11B, sodass ein Teil des behandelten Wassers nach außen abgelassen wird. Auch in diesem Fall sollte das behandelte Wasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A auf dem vorgegebenen oder auf einem höheren Wasserspiegel bleiben.

Anschließend öffnet die Steuereinheit das Steuerventil 10B, während sie das Steuerventil 11B schließt, um dadurch neues für die Behandlung vorgesehenes Wasser in dem Katodenreaktionsbereich 6A aufzubewahren. Wenn das in den Katodenreaktionsbereich 6A eingeleitete für die Behandlung vorgesehene Wasser den vorgegebenen Wasserspiegel erreicht hat, schließt die Steuereinheit das Steuerventil 10B und schaltet die Leistungsversorgung 25 ein, um die Katode 6 und die Anode 7 zu erregen. Im Ergebnis wird in dem Katodenreaktionsbereich 6A wie im Vorstehenden Nitratstickstoff in Ammoniakstickstoff umgewandelt.

Da zu dieser Zeit ein Teil des behandelten Wassers, auf das die letzte Ammoniakdenitrierungsbehandung angewendet wird, wie oben beschrieben in dem Anodenreaktionsbereich 7A bleibt, wenn die Katode 6 und die Anode 7 erregt werden, werden von der Oberfläche der Anode 7 in dem Anodenreaktionsbereich 7A Hypochlorsäure oder Ozon oder aktiver Sauerstoff erzeugt, während Salpetersäureionen durch die Katode 6 in dem Katodenreaktionsbereich 6A wie oben beschrieben in Ammoniak umgewandelt werden. Somit wird die Hypochlorsäure oder das Ozon oder der aktive Sauerstoff in dem behandelten Wasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A neu erzeugt.

Obgleich aus dem Nitratstickstoff wegen der Elektrolyse in dem Katodenreaktionsbereich 6A Ammoniakstickstoff erzeugt wird, kann dementsprechend in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser oder in dem behandelten Wasser in dem Anodenreaktionsbereich 7A Hypochlorsäure oder Ozon oder aktiver Sauerstoff für die Behandlung von in dem Katodenreaktionsbereich 6A erzeugtem Ammoniakstickstoff in Form einer chemischen Reaktion erzeugt werden. Somit kann die Stickstoffbehandlung effizient implementiert werden.

In einem ersten spezifischen Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für die Behandlung vorgesehenes Wasser in einem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess, d. h. in einem so genannten Belebtschlamm-Prozessgefäß 32, wie es in diesem Beispiel in 2 gezeigt ist, aufbewahrt, wobei das für die Behandlung vorgesehene Wasser, nachdem in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß 32 der COD und der BOD entfernt worden sind, das für die Behandlung vorgesehene Wasser, auf das der COD- und BOD-Prozess angewendet wird, in das Behandlungsgefäß 2 der mit der vorliegenden Erfindung angewendeten Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 eingeleitet, in dem die Stickstoffverbindungsbehandlung ausgeführt wird.

Bei dieser Anordnung wird auf das für die Behandlung vorgesehene Wasser, wenn auf es in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß 32 der COD- und BOD-Prozess angewendet worden ist, weiter die Stickstoffverbindungsbehandlung in der Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 angewendet, sodass das für die Behandlung vorgesehene Wasser effektiv behandelt werden kann. Obgleich das in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß 32 verarbeitete für die Behandlung vorgesehene Wasser in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß 32 erzeugte Bakterien enthält, wird ferner in der Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 wie oben beschrieben eine Sterilisation mit Hypochlorsäure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff ausgeführt, sodass das behandelte Wasser in dem für die Umwelt geeigneten Zustand abgelassen wird.

Wie es in 3 gezeigt ist, können in einem zweiten spezifischen Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schwimmende Substanzen in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser auf der Grundlage eines so genannten elektrolytischen Auftauchens entfernt werden.

Wie in 4 gezeigt ist, kann in einem dritten spezifischen Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 zur Entfernung von Stickstoffverbindungen, die in Wasser enthalten sind, das in einem Wassergefäß 33 aufgehoben ist, wo Fische leben, in einem Fischschutzgebiet, in einem Aquarium oder dergleichen verwendet werden. Da das Wasser in dem Wassergefäß, wo Fische leben, außerordentlich stark mit Stickstoffverbindungen wie etwa Ammoniak verunreinigt ist, das von den Fischen abgegeben wird, muss das Wasser in dem Wassergefäß regelmäßig ausgetauscht werden. Somit wird auf das Wasser in dem Wasserbehälter 33, das Stickstoffverbindungen enthält, die Stickstoffverbindungsbehandlung in der Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 angewendet, woraufhin das von der Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 abgelassene behandelte Wasser in eine Hypochlorsäure eingeleitet wird, in der das behandelte Wasser entfernt wird, und woraufhin das behandelte Wasser in das Wassergefäß 33 zurückgegeben wird.

Bei dieser Anordnung ist es nicht notwendig, das Wasser in dem Wasserbehälter 33 regelmäßig auszutauschen, sodass die Wartungsfunktionsfähigkeit des Wasserbehälters 33 verbessert werden kann. Da das behandelte Wasser, das in der Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 aufgehoben wird, ferner durch Hypochlorsäure sterilisiert wird, kann die Überlebensrate der Fische in dem Wasserbehälter 33 verbessert werden, wenn dieses behandelte Wasser über die Hypochlorsäureentfernungsvorrichtung 34 an den Wasserbehälter zurückgegeben wird.

Wie in 5 gezeigt ist, wird in einem vierten spezifischen Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung NOx-Gas in der Luft unter Verwendung eines Photokatalysators oder Gaswäschers im Wasser gelöst, um eine wässrige Salpetersäurelösung zu bilden. Daraufhin wird die wässrige Salpetersäurelösung in die Stickstoffbehandlungsvorrichtung 1 oder 30 eingeleitet, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird, in der Stickstoff entfernt wird. Dies kann eine Situation verhindern, dass NOx-Gas in Wasser gelöst wird, um eine wässrige Salpetersäurelösung zu bilden, und daraufhin die wässrige Salpetersäurelösung in den Erdboden entleert wird, wobei der Erdboden stark gesäuert wird. Somit kann der Erdboden, der sauer geworden ist, ohne Verwendung eines Mittels neutral gehalten werden.

Außer dem Vorstehenden kann das bei der vorliegenden Erfindung angewendete Stickstoffbehandlungsverfahren ebenfalls auf die Reinigung von für die Behandlung vorgesehenem Wasser in Schwimmbädern oder Bädern oder für die Reinigung von Brunnenwasser oder Grundwasser oder dergleichen angewendet werden.

In den vorstehenden Ausführungsformen wird Hypochlorsäure als ein Beispiel einer Hypohalogensäure verwendet. Allerdings ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Genauer können andere Halogene wie etwa Brom oder Fluor verwendet werden. In diesem Fall repräsentiert die Hypohalogensäure in dieser Erfindung Hypobromsäure oder Hypofluorsäure.

Wie oben ausführlich beschrieben wurde, wird gemäß dem Stickstoffbehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung die Stickstoffverbindung in für die Behandlung vorgesehenem Wasser gemäß der elektrochemischen Technik behandelt, werden der Katodenreaktionsbereich und der Anodenreaktionsbereich durch die zwischen der Katode und der Anode liegende Kationenaustauschmembran definiert und wird das in dem Katodenreaktionsbereich behandelte für die Behandlung vorgesehene Wasser gemäß der elektrochemischen Technik mit Hypohalogensäure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff gemäß der chemischen Technik behandelt. Da eine Umkehrreaktion, in der auf der Anodenseite Salpetersäureionen erzeugt werden, unterdrückt wird, kann somit in dem Katodenreaktionsbereich aus dem in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser enthaltenen Nitratstickstoff mit hoher Effizienz Ammoniakstickstoff erzeugt werden. Da ferner der in dem Katodenreaktionsbereich mit hoher Effizienz erzeugte Ammoniakstickstoff eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion mit Hypohalogensäure oder Ozon oder aktivem Sauerstoff gemäß der chemischen Technik erzeugt, können ferner Nitratstickstoff und Ammoniakstickstoff effizient entfernt werden.

Da die Stickstoffbehandlung gemäß der elektrochemischen Technik und gemäß der chemischen Technik erzielt wird, können ferner können im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall, in dem die Behandlung der Stickstoffverbindung unter Verwendung des Gefäßes für den biologischen Prozess ausgeführt wurde, die Größe und die Kosten der Stickstoffbehandlungsvorrichtung selbst stark verringert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außer dem Vorstehenden als das die Katode bildende Metallmaterial das leitende Material, das das Element der Gruppe IB oder IIB des periodischen Systems enthält, oder das leitende Material, das mit dem Element beschichtet ist, verwendet. Somit kann eine Reduktionsreaktion des Nitratstickstoffs zu Nitritstickstoff und Ammoniak erleichtert werden, sodass eine für die Reduktionsreaktion erforderliche Zeit verkürzt werden kann und die Entfernung niedrig konzentrierter Stickstoffverbindungen erzielt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außer dem Vorstehenden die Behandlung gemäß der chemischen Technik durch Mischen des für die Behandlung vorgesehenen Wassers, das in dem Katodenreaktionsbereich behandelt wird, gemäß der elektrochemischen Technik mit dem für die Behandlung vorgesehenen oder behandelten Wasser, das in dem Anodenreaktionsbereich erzeugte Hydrohalogensäure oder erzeugtes Ozon oder erzeugten aktiven Sauerstoff enthält, implementiert. Somit kann das für die Behandlung vorgesehene Wasser, das Ammoniak enthält und in dem Katodenreaktionsbereich erzeugt wird, mit Hypohalogensäure reagieren, die bereits in dem Anodenreaktionsbereich hergestellt worden ist, sodass die Denitrierungsbehandlung effizient ausgeführt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außer dem Vorstehenden die Behandlung gemäß der elektrochemischen Technik implementiert, während das für die Behandlung vorgesehene Wasser in dem Katodenreaktionsbereich umgerührt wird. Somit wird die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts des in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser in dem Katodenreaktionsbereich enthaltenen Nitratstickstoffs, insbesondere der negativ geladenen Salpetersäureionen, mit der Katode erhöht, was zu einer weiteren Erleichterung der Herstellung von Ammoniak aus der Salpetersäureionen führt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist außer dem Vorstehenden das für die Behandlung vorgesehene Wasser Wasser, nachdem auf dieses der Prozess in dem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess angewendet worden ist. Somit werden der COD, der BOD und dergleichen in dem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess wie etwa in einem Belebtschlamm-Prozessgefäß stark entfernt und werden ferner in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß erzeugte Bakterien durch Hypohalogensäure oder aktiven Sauerstoff sterilisiert, woraufhin das behandelte Wasser abgelassen wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stickstoffbehandlungsvorrichtung für die Behandlung der Stickstoffverbindung in dem für die Behandlung vorgesehenen Wasser gemäß irgendeinem der vorstehenden Stickstoffbehandlungsverfahren in der Phase nach dem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess angeordnet. Somit werden der COD, der BOD und dergleichen in dem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess wie etwa in einem Belebtschlamm-Prozessgefäß stark entfernt, wobei ferner in dem Belebtschlamm-Prozessgefäß erzeugte Bakterien durch Hypohalogensäure oder aktiven Sauerstoff sterilisiert werden, woraufhin das behandelte Wasser abgelassen wird.


Anspruch[de]
Verfahren zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, das die folgenden Schritte umfasst: Trennen von zu behandelndem Wasser in einen Katodenreaktionsbereich (6A) und einen Anodenreaktionsbereich (7A) unter Verwendung einer Kationenaustauschmembran, Anwenden eines elektrolytischen Prozesses auf das Wasser durch Erregen einer Katode (6) und einer Anode (7), die im Katodenreaktionsbereich (6A) bzw. im Anodenreaktionsbereich (7A) in Wasser eingetaucht sind, um Wasser zu erzeugen, das im Katodenreaktionsbereich Ammoniakstickstoff enthält, gekennzeichnet durch die Schritte des Aberregens der Katode (6) und der Anode (7), wenn die elektrolytische Reaktion abgeschlossen ist, und Transportieren von elektrolysiertem Wasser, das Ammoniakstickstoff enthält, von dem Katodenreaktionsbereich (6A) zu dem Anodenreaktionsbereich (7A), so dass das transportierte Wasser mit Wasser im Anodenreaktionsbereich (7A), in dem während des elektrolytischen Prozesses Hypohalogensäure, Ozon oder aktiver Sauerstoff erzeugt worden ist, gemischt wird, um eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion zu erzeugen, um Stickstoffgas zu erzeugen. Verfahren zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, nach Anspruch 1, bei dem ein leitendes Material, das ein Element der Gruppe IB oder IIB des periodischen Systems enthält, oder ein leitendes Material, das mit dem Element beschichtet ist, als ein die Katode bildendes Metallmaterial verwendet wird. Verfahren zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Behandlung gemäß der elektrochemischen Technik implementiert ist, während das für die Behandlung vorgesehene Wasser in dem Katodenreaktionsbereich (6A) umgerührt wird. Verfahren zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das zu behandelnde Wasser Wasser ist, auf das bereits ein Prozess in einem Gefäß für die Reinigung durch einen biologischen Prozess angewendet worden ist. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Mischungsschritt das Pumpen des Wassers von dem Katodenreaktionsbereich (6A) in den Anodenreaktionsbereich (7A) umfasst. Vorrichtung zum Behandeln von Wasser, um Stickstoff zu entfernen, mit einer Steuereinheit, einem Gefäß (2), das zu behandelndes Wasser enthalten kann, einer Katode (6) und einer Anode (7), die in dem Gefäß (2) angeordnet sind, um in das zu behandelnde Wasser eingetaucht zu werden, einer Kationenaustauschmembran (9), die zwischen der Katode (6) und der Anode (7) in dem Gefäß (2) angeordnet ist, um einen Katodenreaktionsbereich (6A) bzw. einen Anodenreaktionsbereich (7A) zu bilden, und einer Leistungsversorgung (25) zum Erregen der Anode (7) und der Katode (6), um auf das zu behandelnde Wasser einen elektrolytischen Prozess anzuwenden, um im Katodenreaktionsbereich (6A) Wasser zu erzeugen, das Ammoniakstickstoff enthält, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Transportieren von Wasser (13) von dem Katodenreaktionsbereich (6A) zu dem Anodenreaktionsbereich (7A), wobei die Steuereinheit so betreibbar ist, dass sie die Leistungsversorgung (25) steuert, um die Elektrode (6, 7) abzuerregen, wenn der elektrolytische Prozess abgeschlossen ist, und dass sie die Einrichtung zum Transportieren von Wasser (13) steuert, um elektrolysiertes Wasser, das Ammoniakstickstoff enthält und sich im Katodenreaktionsbereich (6A) befindet, zum Anodenreaktionsbereich (7A) zu transportieren, um das transportierte Wasser mit Wasser im Anodenreaktionsbereich (7A), in dem während des elektrolytischen Prozesses Hypohalogensäure, Ozon oder aktiver Sauerstoff erzeugt worden ist, zu mischen, wodurch eine Ammoniakoxidations-Denitrierungsreaktion erzeugt wird, um Stickstoffgas zu erzeugen.






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