JP2017196558A - 有機物分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機物含有水中の有機物を効率的に分解可能な小流量規模向けの紫外線照射装置を備えた有機物分解装置を提供する。
【解決手段】 有機物分解装置１は、有機物含有水である被処理水Ｗを貯留する原水タンク２と、この原水タンク２と循環ポンプ４を介して液相室３Ａの一側に接続したガス透過膜モジュール３と、このガス透過膜モジュール３の液相室３Ａの他側に接続した紫外線照射装置５と、この紫外線照射装置５で処理した処理水Ｗ１を排出する排出路６Ａと、この排出路６Ａから分岐した循環機構たる循環路６Ｂとを有する。原水タンク２には処理水Ｗ１のＴＯＣ濃度を測定するＴＯＣセンサ７が設けられている。そして、ガス透過膜モジュール３の気相室３Ｂ側には酸素含有気体としての空気（Ａｉｒ）が流通する構成となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機物含有水の有機物濃度を低減するための有機物分解装置に関し、特に有機物含有水中の有機物を効率的に分解可能な紫外線照射装置を備えた有機物分解装置に関する。

従来から半導体や液晶工場におけるＴＯＣ（全有機炭素）を含有する排水等からＴＯＣを除去するなど水中の有機物を分解するための手段として、紫外線を照射する方法がある。紫外線照射による有機物の分解は、他の有機物除去・分解処理と比較して消費電力が大きくランニングコスト的に不利であり、大流量規模においてスケールメリットが得にくい等のデメリットがある一方、維持管理が非常に容易で付帯設備が少なくて済む等のメリットを有する。

このような紫外線照射による有機物の分解反応は、水の分解によるヒドロキシラジカルの生成と、このヒドロキシラジカルのもつ強力な酸化力によるものと解されている。また、有機物の分解過程においては、対象の有機物にもよるが、有機酸等の中間体を経て、二酸化炭素（ＣＯ_２）が最終的な分解生成物として生成する。

この紫外線照射による有機物分解方法において、大量の排水を効率よく処理するために紫外線照射に加えて酸化剤等を併用することが種々提案されている。

例えば、特許文献１には、産業排水や都市下水などの排水中に含まれる有機物を酸化し分解除去するに際して、過酸化水素水添加装置、紫外線ランプ及び散気装置を備えた反応槽に排水を満たし、酸化剤として過酸化水素を一定量加えた後、紫外線を照射しながら同時にオゾン化ガスを散気装置から散気して酸化処理を行う装置が開示されている。

また、特許文献２には、有機物含有水中に、紫外線照射下において酸化剤を添加し、被処理水中に含まれた有機物を酸化分解処理するに際し、全被処理水中のＴＯＣ値に対して被処理水中に混入させる酸化剤の量を１〜５倍当量の範囲内でその添加量を経時的に制御する有機物含有水の処理方法が開示されている。

特許文献３には、難分解性有機物含有排水を酸化分解槽中で紫外線と酸化剤を併用して物理化学的に処理する方法において、紫外線照射工程へ処理水の一部を循環することにより難分解生有機物含有排水を希釈した後、紫外線を照射する難分解性有機物含有排水の処理方法が開示されている。

特許文献４には、被処理水中に含まれる有機物を分解する水処理装置であって、この処理水中に空気または酸素を大気圧より大きい圧力で接触させる接触手段と、光触媒を備え、この接触手段により空気又は酸素と接触した被処理水に紫外線を照射しつつ、当該光触媒と当該被処理水とを大気圧より大きい圧力で接触させることで前記有機物を分解する分解手段とを備える有機物含有水の処理装置が開示されている。

さらに、紫外線照射量を有機物が有機酸等のイオン性を持つ中間体に分解する程度にとどめ、このイオン性の中間体をイオン交換処理等を併用して処理する方法も広く知られている。この方法によれば、紫外線照射装置にかかるコストを最低限にとどめることができ、ひいては水処理設備の運用コストの最小限化が期待できる。

特開昭６０−２８８８３号公報 特開昭６２−２６２７９２号公報 特開平１０−５２６９３号公報 特開２０１１−２４５４２２号公報

特許文献１〜３に記載されているように紫外線の照射と酸化剤とを併用する方法は、酸化剤の添加設備と紫外線照射装置とからなる単純な構成で処理が可能であり、小流量向けの処理方式として有用な方法である。酸化剤として過酸化水素などの過酸化物等の薬液を用いる場合には、取り扱いに注意が必要な過酸化物の補充等の危険作業を伴う懸念もあるが、酸化剤として空気を用いる場合にはこの懸念もないなどの利点を有する。

しかしながら、これらの酸化剤を併用する方法では、有機物を分解した際に二酸化炭素が発生するため、被処理水の有機物濃度が高い場合にはラジカルスカベンジャーである二酸化炭素が系内に蓄積することになり、有機物の分解効率が大幅に低下する虞がある、という問題点がある。

また、特許文献４に記載された被処理水に空気または酸素を大気圧より大きい圧力で接触させる工程と、紫外線照射と、さらに光触媒とを併用する処理方法では、空気または酸素をエアレーション球を用いて供給しているので、酸素の供給と併せて二酸化炭素が押出し排出されるため、二酸化炭素の蓄積による悪影響を回避する効果が期待できる。しかしながら、エアレーション球を用いて空気または酸素を供給すると、十分な酸素供給効果及び二酸化炭素の排出効果が得られない、という問題点がある。

さらに、紫外線照射量を有機物が有機酸等のイオン性を持つ中間体に分解する程度にとどめ、イオン交換処理等を併用して処理する方法では、イオン交換装置等の付帯装置が必要であり、また分解対象の有機物濃度（有機物量）が多い場合にはイオン交換装置への負荷が高まるためイオン交換装置の再生設備も必要になるなど、処理システムが複雑化せざるを得ず、大水量規模の装置には適しているが、付帯設備に制限がありメンテナンスも容易であることが要求される小流量規模向けの処理方式としては不適切である、という問題点がある。

ここで、有機物を二酸化炭素（ＣＯ_２）にまで分解するためには、炭素（ｃ）１ｍｏｌに対して酸素（Ｏ）２ｍｏｌ（Ｏ_２）が必要となり、酸素（Ｏ）の一部は有機物の分解過程での生成分や水（Ｈ_２Ｏ）から微量供給されるものの、少なくとも当量分を外部から供給する必要がある。例えばＴＯＣ＝１００ｍｇ／Ｌ（ａｓＣ）の分解には、約２７０ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）の酸素が必要となる。常温常圧における水の飽和溶存酸素濃度は、接触ガスが空気の場合に約６ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）、接触ガスを酸素とした場合であっても４０ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）程度であることから、そのままでは２７０ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）の酸素を有機物含有水に供給することはできないため、何らかの工夫が必要になる。

そこで、溶存酸素としてではなく気液混相流として酸素を供給する方式を採用することにより、常温常圧下でも当該量の酸素を供給することが考えられるが、気泡として供給された酸素が紫外線照射装置内において、適宜溶解し有機物分解に寄与する系を実現することは非常に困難である。さらに、２７０ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）の酸素をあらかじめ溶解させるためには、大気圧の６〜７倍の圧力条件下とする必要があるが、そのためには該圧力に対する耐性を有する装置とする必要があり、これも現実的でない。

すなわち、従来は有機物含有水中の有機物を効率的に分解可能な小流量規模向けの紫外線照射装置を備えた有機物分解装置はなかった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、有機物含有水中の有機物を効率的に分解可能な小流量規模向けの紫外線照射装置を備えた有機物分解装置を提供することを目的とする。

上記目的に鑑み、本発明は、有機物含有水を被処理水として処理する紫外線照射装置を備えた有機物分解装置であって、前記紫外線照射装置の前段に設けられた、前記有機物含有水が通過する液相室及び前記液相室とガス透過膜を介して区画された酸素含有気体が通過する気相室を有するガス透過膜モジュールと、前記紫外線照射装置で処理した処理水の一部又は全部を循環する循環機構とを備える有機物分解装置を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、まず有機物含有水は、ガス透過膜モジュールの液相室を通過するが、このガス透過膜モジュールは有機物含有水との接触面積が非常に大きいので、気相室側に酸素を含有する気体を流通させることで、ガス透過膜を介して有機物の分解に必要となる酸素を効率的に有機物含有水に供給することができる一方、有機物分解の阻害成分となる二酸化炭素が有機物含有水に過剰に含まれている場合には、二酸化炭素は逆に液相室側から気相室側に流入するのでこれを排出することができる。続いて、このようにして酸素を供給した被処理水を紫外線照射装置で処理することで有機物を効果的に分解することができる。そして、有機物含有水における有機物濃度が高い場合には、循環機構により紫外線照射装置の処理水の全量または一部を循環しながら処理することで、有機物含有水に酸素を適宜供給しながら、有機物を所望の濃度にまで低減することができる。

上記発明（発明１）においては、前記紫外線照射装置で処理した処理水の有機物濃度を測定するＴＯＣセンサを備えるのが好ましい（発明２）。

かかる発明（発明２）においては、紫外線照射装置で処理した処理水の有機物濃度をＴＯＣセンサで測定することにより、有機物濃度が所望とする値以下となったら循環機構による循環を停止し、被処理水を有機物分解装置から外部に排出すればよい。

本発明の有機物分解装置によれば、有機物分解で必要となる酸素を効率的に有機物含有水に供給することができるとともに、有機物分解の阻害成分となる過剰な二酸化炭素を排出した後、紫外線照射装置で処理しているので、有機物含有水中の有機物を効果的に分解することができる。そして、有機物含有水における有機物濃度が高い場合には、紫外線照射装置の処理水の全量または一部を循環しながら処理することで、酸素を適宜供給しながら、有機物を所望の濃度にまで低減することができる。

本発明の一実施形態による有機物分解装置を示すフロー図である。

以下、本発明の有機物分解装置の一実施形態について添付図面を参照にして詳細に説明する。

図１は本実施形態の有機物分解装置を示しており、図１において有機物分解装置１は、有機物含有水である被処理水Ｗを貯留する原水タンク２と、この原水タンク２と循環ポンプ４を介して液相室３Ａの一側で接続したガス透過膜モジュール３と、このガス透過膜モジュール３の液相室３Ａの他側に接続した紫外線照射装置５と、この紫外線照射装置５で処理した処理水Ｗ１を排出する排出路６Ａと、この排出路６Ａから分岐した循環機構たる循環路６Ｂとを有する。原水タンク２には、被処理水ＷのＴＯＣ濃度を測定するＴＯＣセンサ７が設けられている。そして、ガス透過膜モジュール３の気相室３Ｂ側には酸素含有気体としての空気（Ａｉｒ）が流通する構成となっている。なお、図１中の符号８、９は、それぞれ排出路６Ａ及び循環路６Ｂに設けられた切替バルブである。

上述したような有機物分解装置１において、ガス透過膜モジュール３を構成するガス透過膜とは、水などの液体は透過させないが、ガス（気体）は透過させる膜である。被処理水Ｗに効率的に酸素を供給し、また有機物の分解に伴い生成する二酸化炭素を効率的に排出するためには、できる限り広い気液接触面を有することが好ましく、例えば中空糸形状のガス透過膜が高密度で充填された脱気膜、溶解膜モジュールを好適に用いることができる。

紫外線照射装置５としては、特に制限はないが、例えば、低圧水銀ランプ、高圧水銀灯、水素放電管、キセノン放電管などを用いることができる。この紫外線照射装置５は、２００ｎｍ以下、特に１８５ｎｍ付近の波長を有する紫外線を照射するものを好適に用いることができる。

次に上述したような構成を有する本実施形態の有機物分解装置１の作用について説明する。まず、循環ポンプ４を起動して、原水タンク２から被処理水Ｗをガス透過膜モジュール３の液相室３Ａの一側に供給する。一方、ガス透過膜モジュール３の気相室３Ｂにスウィープ方式で一定量の空気（Ａｉｒ）を供給する。このとき、気相室３Ｂの圧力が液相室３Ａよりわずかに大きくなるようにしておくことにより、空気中の酸素ガスがガス透過膜を透過して液相室３Ａにおいて被処理水Ｗに供給される一方、被処理水Ｗに二酸化炭素が過剰量溶解している場合には気相室３Ｂに排出される。

この酸素を供給した被処理水Ｗを液相室３Ａの他側から吐出して、紫外線照射装置５に供給して紫外線を照射することにより被処理水Ｗ中の有機物を酸化分解する。この紫外線照射装置５での紫外線照射量は、紫外線酸化装置５に流入する被処理水Ｗに対して０．０５ｋｗｈ／ｍ^３以上、特に０．１ｋｗｈ／ｍ^３であることが好ましい。紫外線照射量が０．０５ｋｗｈ／ｍ^３より少ないと、ヒドロキシラジカルの発生が十分でないためＴＯＣを所望の除去率にまで低減するに要する時間が長くなりすぎる。ただし、紫外線照射量が過度に多くても、ＴＯＣ除去率は頭打ちとなるため、紫外線照射量は、通常０．０５〜２ｋｗｈ／ｍ^３の範囲とすればよい。

このとき、切替バルブ８を閉鎖する一方、切替バルブ９を開成しておくことにより、有機物が分解された処理水Ｗ１は排出路６Ａを経由して循環路６Ｂから原水タンク２に還流して上述した処理を繰り返す（図１中の（１））。この際、原水タンク２内の被処理水Ｗの有機物濃度をＴＯＣセンサ７で測定して、ＴＯＣの値が所望とする値以下となったら、切替バルブ８を開成する一方、切替バルブ９を閉鎖しておくことにより、処理水Ｗ１を排出路６Ａから排出して純水製造装置などの次の処理工程に回送したり、他の汎用的な用途に利用したりすることができる（図１中の（２））。また、処理水Ｗ１は排出路６Ａから排出せずに原水タンク２ごと次の処理工程に回送してもよい。このように被処理水Ｗを循環しながら処理することで、被処理水Ｗの有機物濃度が高い場合であっても、ガス透過膜モジュール３において常温常圧下で適宜酸素供給しながら処理することができ、容易に有機物分解装置を運用することができる。

上述したような処理においては、必要に応じ被処理水Ｗに酸化剤を併用添加しても良い。この場合、酸化剤の添加設備が付帯されることとなるが、本実施形態においては、ガス透過膜モジュール３により被処理水Ｗへの酸素の供給と二酸化炭素の排出が効率的に行われてることから、酸化剤の添加量も少量で済むため、添加設備も小さくて済む。この酸化剤に特に制限はないが、過酸化水素や過硫酸化合物等の過酸化物を好適に用いることができる。

以上、本発明について前記実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形実施が可能である。例えば、本実施形態においては、処理水Ｗ１の全量を循環させたが、切替バルブ８、９の開閉タイミングを制御するなどして一部を循環させるようにしても良い。また、酸素含有気体としては空気でなくとも、ＰＳＡなどにより酸素を発生させて酸素ガスを供給してもよい。

以下の具体的実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

［実施例１］
アルコール類、および有機酸類を含むＴＯＣ≒１００ｍｇ／Ｌの模擬排水（被処理水）Ｗを調製した。図１に示す有機物分解装置１において、ガス透過膜モジュール３としてＧ４５３（リキセル社製）を、循環ポンプ４としてＭＤＧ−Ｈ２Ａ１００（イワキ社製）を、紫外線照射装置５としてＫＵＳ−１／２Ｎ−ＳＰ（日本フォトサイエンス社製）を用いた。

上述したような構成の装置において、原水タンク２中に２Ｌの模擬排水Ｗを貯留し、この模擬排水Ｗを循環ポンプ４を用いて約２Ｌ／分で連続循環するとともに、ガス透過膜モジュール３には、常温の空気を０．５ＮＬ／分で連続供給した。このときの原水タンク２中の模擬排水Ｗの溶存酸素濃度を経時的に測定したところ、溶存酸素濃度は４〜６ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）だった。そして、模擬排水ＷのＴＯＣは約１５時間後３ｍｇ／Ｌ以下に低下した。この結果を処理条件とともに表１に示す。

［比較例１］
実施例１において、ガス透過膜モジュール３を用いずに有機物分解装置を構成した。この装置において、原水タンク２において散気球を用いて０．５ＮＬ／分で酸素曝気した以外は、実施例１と同様に処理を行った。このときの原水タンク２中の模擬排水Ｗの溶存酸素濃度を経時的に測定したところ、溶存酸素濃度は１５〜２０ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）だった。そして、模擬排水ＷのＴＯＣは約１８時間後３ｍｇ／Ｌ以下にまで低下していた。この結果を処理条件とともに表１に示す。

［比較例２］
実施例１において、ガス透過膜モジュール３を用いずに有機物分解装置を構成した。この装置において、原水タンク２において２ＮＬ／分で空気曝気した以外は、実施例１と同様に処理を行った。このとき原水タンク２中の模擬排水Ｗの溶存酸素濃度を経時的に測定したところ、溶存酸素濃度は０〜５ｍｇ／Ｌ（ａｓＯ_２）だった。そして、模擬排水ＷのＴＯＣは約１６時間後３ｍｇ／Ｌ以下にまで低下していた。この結果を処理条件とともに表１に示す。

表１から明らかな通り、ガス透過膜モジュールと紫外線照射装置とを用い、循環処理した実施例１の有機物分解装置では効率的に有機物を分解できた。これに対し、原水タンク２に酸素曝気した比較例１は、溶存酸素濃度が最も高かったので有機物分解効率が良いとも思われたが、ＴＯＣ３ｍｇ／Ｌ以下になるまで最も時間がかかった。これは曝気流量が小さいことにより、ラジカルスカベンジャーである二酸化炭素の排出が停滞し、有機物の分解効率が低下したためであると考えられる。一方、溶存酸素濃度確保するために空気の曝気量を大きくした比較例２では、二酸化炭素の排出が促進され、比較例１よりも有機物の分解効率が向上したと考えられる。

１ 有機物分解装置
２ 原水タンク
３ ガス透過膜モジュール
３Ａ 液相室
３Ｂ 気相室
４ 循環ポンプ
５ 紫外線照射装置
６Ａ 排出路
６Ｂ 循環路（循環機構）
７ ＴＯＣセンサ
Ｗ 被処理水
Ｗ１ 処理水

Claims (2)

1. 有機物含有水を被処理水として処理する紫外線照射装置を備えた有機物分解装置であって、
   前記紫外線照射装置の前段に設けられた、前記有機物含有水が通過する液相室及び前記液相室とガス透過膜を介して区画された酸素含有気体が通過する気相室を有するガス透過膜モジュールと、
   前記紫外線照射装置で処理した処理水の一部又は全部を循環する循環機構とを備える、有機物分解装置。
2. 前記紫外線照射装置で処理した処理水の有機物濃度を測定するＴＯＣセンサを備える、請求項１に記載の有機物分解装置。

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