コックスの廃棄水の処理用電気化学処理装置

I. 製品概要

コークス炉排水は、石炭化学工業において最も処理が困難な排水の一つです。石炭の高温炭化（コークス化）、ガス精製、化学製品回収プロセスから発生し、主に残留アンモニア水、石炭ガス最終冷却排水、粗ベンゼン分離水、タール処理排水を含みます。その典型的な水質特性は以下の通りです：高COD濃度、高アンモニア窒素濃度、難分解性有毒物質（フェノール類、ベンゼン系化合物、多環芳香族炭化水素、ピリジン、キノリン、カルバゾールなどの複素環式化合物）の含有量が高い、生分解性が極めて低い（BOD₅/CODは通常0.10～0.20）、シアン化物および硫化物含有量が高い、油分（タール）含有量が高い、水質および水量の変動が大きい。

コークス炉排水の処理は、長年にわたりコークス製造企業にとって中心的な環境課題となっています。従来のプロセスルートは通常、「前処理（油分除去、フェノール除去、アンモニアストリッピング）→生物処理（A/O、A²/O、SBRなど）→高度処理」というパターンに従いますが、実際の運用には多くの課題があります：① フェノール化合物、シアン化物、複素環式化合物は、生物系内の微生物を強く阻害または死滅させるため、活性汚泥の頻繁な中毒やブルッキング、生物系の不安定な運転を引き起こします；② 生分解性が極めて低い（B/C < 0.20）ため、生物段階でのCOD除去率は限定的であり、排水中のCODは現在の排出基準をはるかに下回ります；③ 冬季の低温は、生物系の硝化効率を急激に低下または停止させるため、アンモニア窒素の超過が著しくなります。このシステムは電気化学酸化技術を採用しており、コークス炉排水処理プロセスの複数の段階に柔軟に統合でき、以下の主要な機能を担います：

アンモニアストリッピング後のフェノール除去排水に対して：排水中のフェノール、シアン化物、複素環式化合物などの有毒物質を直接酸化分解し、1～2時間で生物毒性を完全に除去します。B/C比を0.10～0.20から0.35以上に向上させ、後続の生物系に安全で安定した流入条件を作り出し、ショックによるシステム崩壊を効果的に防止します。

生物処理排水の高度処理に対して：生物処理排水中の残留COD（難分解性フミン質、芳香族ポリマーなど）と色度を深く除去し、CODと色度を完全に除去して最も厳しい排出基準を満たします。

クエンチング排水処理に対して：CODと色度除去後、排水をクエンチングシステムで再利用し、クエンチング水のクローズドループ循環を実現し、真水取水と外部汚染のリスクを低減します。

プロセス全体で消費されるのは電力のみであり、化学薬品の添加は不要で、鉄スラッジや吸着飽和炭などの有害廃棄物を生成しません。電極はスケール付着や汚染に強く、コークス炉排水のような高硬度、高塩分、油分含有量などの複雑な水質に適応できます。常温常圧（0～40℃）で運転され、季節や温度変化の影響を受けません。コークス炉排水の安定した基準遵守と高度化を実現するための重要なコア技術です。

II. コークス炉排水処理の難しさと本装置による解決策

III. 動作原理

油分除去、沈殿、アンモニアストリッピングなどの前処理後、コークス炉排水は電気化学反応器に入り、電極の作用下で以下の反応が発生します：

(1) 直接電気酸化 コークス炉排水の特性的な有毒汚染物質は、アノード表面で直接酸化されます：フェノール類（フェノール、クレゾール、ナフトールなど）：ベンゼン環がアノード表面でヒドロキシル化された後、さらに酸化されて開環し、小分子有機酸に変換され、最終的にCO₂とH₂Oに鉱化されます。フェノールの酸化開環プロセスは、微生物に対する細胞膜浸透毒性を完全に除去します。シアン化物（CN⁻）：アノードで直接シアネート（CN⁻→CNO⁻）に酸化されます。シアネートはさらに加水分解されてアンモニアと炭酸塩になり、その高い毒性は完全に除去されます。複素環式化合物（ピリジン、キノリン、カルバゾール、インドールなど）：窒素含有複素環はアノード表面で直接開環されます。Nは環から放出され、NH₃またはN₂に変換されます。環系構造は破壊され、生物毒性は大幅に低減します。多環芳香族炭化水素（ナフタレン、アントラセン、フェナントレンなど）：芳香環系はアノード表面で徐々に酸化されて開環されます。高分子縮合構造は小分子分解性物質に分解されます。

(2) 間接電気酸化 アノードの水の電気分解によりヒドロキシルラジカル（·OH）が生成されます。同時に、コークス炉排水中に自然に存在する塩化物イオンの電気分解により活性塩素（Cl₂、H₂O）が生成されます。OCl、OCl⁻）：ヒドロキシルラジカルは、様々な難分解性有機化合物に対して非選択的な酸化攻撃を行い、特に多環芳香族炭化水素や複素環式化合物に対して顕著な開環効果を示します。活性塩素は溶液中にさらに拡散し、アンモニア窒素を急速に酸化すると同時に、アノードに直接接触していない有機化合物の酸化を補完します。

(3) アンモニア窒素の酸化除去：コークス炉排水中のアンモニア窒素濃度は高く、電気化学的除去は間接酸化経路を通じて達成されます：アノードで塩化物イオンが電気分解されて活性塩素が生成されます。活性塩素はアンモニア窒素を急速に窒素ガスに酸化します。塩化物イオンは反応中に再生・循環し、アンモニア窒素の酸化に継続的に参加します。アンモニア窒素除去率は80%～99%に達します。

(4) CODの同時除去と生分解性の向上：直接および間接酸化後、コークス炉排水中の高分子芳香族および複素環式有機化合物は、芳香環/複素環の開環→高分子の鎖切断→小分子有機酸、アルコール、アルデヒドなどへの変換を起こします。これらの小分子有機物は、BOD₅検出で微生物に利用されるため、BOD₅が増加します。同時に、一部の有機物はCO₂に完全に鉱化され、CODが低下します。B/C比は0.10～0.20から0.35以上に増加し、後続の生化学システムに高品質の生分解性炭素源を提供します。

IV. 主要な利点（コークス炉排水向け）

V. 技術パラメータ（カスタマイズ可能）

VI. プロセス配置

オプション1：生化学処理前の前処理と解毒

コークス炉排水 → 油分除去・沈殿（タール・SS除去） → 電気化学処理装置（フェノール類、シアン化物、複素環式化合物除去、B/C比向上） → 中間槽/均等槽 → 生化学システム → 二次沈殿槽 → 基準適合排水

説明：これはコークス炉排水処理において最も重要で中心的な応用構成です。電気化学的解毒ユニットは生化学システムの前に配置され、「フェノール/シアン化物/複素環式化合物の酸化分解＋B/C比の向上」という主要な機能を担います。電気化学的解毒なしのコークス炉排水が直接生化学システムに入ると、微生物は長期的な毒性阻害状態に置かれ、システム運転が極めて不安定になります。解毒後、生化学段階のCOD除去率が大幅に向上し、システムは年間を通じて安定して運転され、流入毒性の変動の影響を受けません。

オプション2：生化学処理排水の高度処理

コークス炉排水 → 前処理 → 生化学システム → 二次沈殿槽 → 電気化学処理システム（残留COD・色度除去） → 基準適合排水

オプション3：生化学前解毒＋生化学後高度処理

コークス炉排水 → 前処理 → 電気化学処理システム（生化学前） → 生化学システム → 電気化学高度処理ユニット（生化学後） → 基準適合排水/再利用

注：新規建設のコークス炉排水処理プラントまたは包括的なアップグレードプロジェクトでは、生化学処理の前後にそれぞれ1つの電気化学ユニットを設置します。フロントエンドは解毒と生分解性向上を担当し、生化学処理の安定かつ効率的な運転を保証します。バックエンドは残留CODと色度の高度除去を担当し、排水の安定した基準遵守を保証します。2つの電気化学ユニットが連携することで、コークス炉排水処理システムはショックに対する最も高い耐性を持ち、最も安定した排水と最適な運転コストを実現します。装置投資は単一ユニット構成よりも若干高くなりますが、生化学システムの信頼性と最終排水基準遵守の確実性が大幅に向上し、全体として最高の費用対効果が得られます。