JP2009279480A - 揮発性有機化合物の除去方法および除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の除去効率に優れた揮発性有機化合物の除去方法と、その方法で使用する揮発性有機化合物の除去装置とを提供すること。
【解決手段】揮発性有機化合物の除去装置は、水または水溶液を霧化して霧状の水粒子を発生させるための超音波霧化装置２５と、揮発性有機化合物を含んだ被処理ガスを超音波霧化装置２５によって発生されられた霧状の水粒子に接触させる第１の処理室２１と、微生物担持担体の充填層３４を具備した第２の処理室３１とを備える。超音波霧化装置２５で発生させた霧状の水粒子に被処理ガスを接触させた後、これらを充填層３４に送り込むことで、被処理ガスから揮発性有機化合物が除去される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理ガスから揮発性有機化合物（ＶＯＣ(Volatile Organic Compounds)）を除去するための方法および装置に関する。

従来、微生物を担持した担体を充填した脱臭塔に臭気成分を含む被処理ガスを通過させて、臭気成分を生分解する生物脱臭法が知られている。例えば、特許文献１の図２に示された生物脱臭装置は、微生物担持担体の充填層（１５）を内部に形成した生物脱臭塔（１０）と、前記充填層の上方に配設された水スプレーノズル（１６）と、前記生物脱臭塔内に臭気成分を含む被処理ガスを供給するガス導入管（１１）と、前記生物脱臭塔の前段に設けられた加湿装置とを備えている。この加湿装置は、スプレー塔（４０）、スプレーノズル（４６）及び水循環用のポンプ（５０）から構成されている。

特許文献１の生物脱臭装置では、微生物担持担体で微生物を育成するために当該担体の表面を濡れた状態に維持すべく、水スプレーノズル（１６）によって充填層（１５）に散水を行っている。また、加湿装置では、スプレーノズル（４６）から散水される水によってスプレー塔（４０）内に水分の飽和雰囲気を作り出し、スプレー塔を通過後、生物脱臭塔（１０）に送り込まれる被処理ガス中の水分濃度を実質的に飽和濃度としている。かかる加湿装置を生物脱臭塔の前段に設けて、被処理ガス中の水分量を予め飽和状態とすることで、生物脱臭塔（１０）内での水スプレーノズル（１６）からの散水量を低減させると共に、微生物担持担体からの水分蒸発を極力抑えて適切な水分を保持している。

なお、特許文献１の発明では、所定の含水率および所定の比表面積を有する活性炭を微生物担持担体として用いることにより、揮発性有機化合物等の臭気成分を一旦吸着しておき、その後に生物処理を行うことで、揮発性有機化合物等についても処理可能としている（同文献の第００１３段落参照）。
特開２００４−２４９９６号

しかしながら、特許文献１の装置及び方法では、生物脱臭塔の充填層（１５）に供給する被処理ガス中の水分濃度を飽和させるために加湿装置を用いているものの、生物脱臭塔（１０）内での散水は欠かせない。このため例えば、水スプレーノズル（１６）による充填層（１５）への散水直後に担体の表面に過剰な厚さの水膜が生成し、その結果、微生物による揮発性有機化合物の摂取が妨げられ、揮発性有機化合物の除去率が低下するという問題があった。

また、加湿装置でのスプレーノズル（４６）からの散水では、平均粒子径が約１００μｍ〜５ｍｍ程度という比較的大きな水粒子しか発生しない。かかる水粒子は、揮発性有機化合物の溶解能力が小さいだけでなく、充填層（１５）の微生物担持担体に水分を過剰供給して揮発性有機化合物の除去能力を低下させる一因となっていた。

更に、特許文献１では、担体上の微生物に副栄養分（窒素、リン、カリウム等）を補給するために、副栄養源供給管（２）を備えた水槽（２０）に水スプレーノズル（１６）を接続し、副栄養分を含んだ水を水スプレーノズル（１６）から充填層（１５）へ散水する必要があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、揮発性有機化合物の除去効率に優れた揮発性有機化合物の除去方法と、その方法で使用する揮発性有機化合物の除去装置とを提供することにある。

［方法発明］
本発明に従う揮発性有機化合物の除去方法は、水または水溶液を超音波霧化装置で霧化することにより霧状の水粒子を発生させ、揮発性有機化合物を含んだ被処理ガスを前記霧状の水粒子に接触させ、前記被処理ガス及び前記霧状の水粒子を微生物担持担体の充填層に送り込んで、前記揮発性有機化合物を生分解することを特徴とするものである。なお、本発明の除去方法において、前記霧状の水粒子は、平均粒子径が０．０２〜１０μｍの範囲にあることは好ましい。また、前記水溶液は、微生物の栄養分となる成分を含んだ水溶液であることは好ましい。

本発明の方法によれば、水または水溶液を超音波霧化装置で霧化することで霧状の水粒子が発生する。この霧状の水粒子は、平均粒子径が０．０２〜１０μｍ程度と非常に微細である。このため、この霧状の水粒子に揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含んだ被処理ガスが接触すると、その気液接触面積が大きいために、揮発性有機化合物が霧状の水粒子内に容易に溶け込む（霧状水粒子によるＶＯＣの高溶解除去作用）。

続いて、相互接触した被処理ガス及び霧状の水粒子が微生物担持担体の充填層に送り込まれることで、揮発性有機化合物が担体上の微生物によって生分解され最終的に除去される。揮発性有機化合物を溶解した霧状の水粒子は、揮発性有機化合物のキャリヤー（運び屋）となって揮発性有機化合物を担体上の微生物に運ぶため、微生物による揮発性有機化合物の摂取が円滑化される。また、霧状の水粒子は、担体表面や微生物表面に適量の水分を均一に供給するため、従来法と異なり、担体表面の水膜が過剰に厚膜化せず、微生物による揮発性有機化合物の摂取が妨げられることがない。従って、本発明の方法によれば、従来法よりも揮発性有機化合物の除去効率が高められる。

なお、超音波霧化装置での霧化対象を「微生物の栄養分となる成分を含んだ水溶液」とすることで、霧状の水粒子には微生物の栄養分が含まれることになり、この栄養分が霧状の水粒子によって担体表面や微生物表面に直接供給される。従って、本発明の方法によれば、副栄養分を含んだ水を水スプレーノズル（１６）から充填層（１５）へ散水する必要があった従来法に比べて、方法の実施に使用する装置の簡素化が可能になる。

［装置発明］
本発明に従う揮発性有機化合物の除去装置は、水または水溶液を霧化して霧状の水粒子を発生させるための超音波霧化装置と、揮発性有機化合物を含んだ被処理ガスを前記超音波霧化装置によって発生させた霧状の水粒子に接触させるための第１の処理室と、前記第１の処理室の下流側に設けられると共に微生物担持担体の充填層を有する第２の処理室とを備えてなるものである。なお、本発明の除去装置において、前記第１の処理室は、前記水又は水溶液を貯留するプール領域を有しており、そのプール領域に前記超音波霧化装置が配置されていることは好ましい。

本発明の除去装置を用いれば、上記本発明の除去方法を効率的且つ確実に実施することができる。

本発明の揮発性有機化合物の除去方法および除去装置によれば、従来例よりも揮発性有機化合物の除去効率を飛躍的に高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態の揮発性有機化合物の除去装置は、第１の処理室としての霧化室２１と、第１の処理室の下流側に位置する第２の処理室としての生物脱臭塔３１とを備えている。

霧化室２１は、直立円筒状の気密室として形成されている。霧化室２１の天井部には、被処理ガスを同室内に導入するための導入配管２２が設けられている。また、霧化室２１の下部は、水又は水溶液を貯留するプール領域Ｐとなっており、そのプール領域Ｐには、給水管２３及び排水管２４を介して水又は水溶液を外部から給水及び外部へ排水可能となっている。そして、霧化室２１のプール領域Ｐには、水または水溶液を霧化して霧状の水粒子を発生させるための超音波霧化装置２５が配置されている。

なお、給水管２３を通じてプール領域Ｐには、超音波霧化装置２５によって霧化された水分を補うだけの水または水溶液が常に供給される。プール領域Ｐに貯留される水溶液としては、後記生物脱臭塔の充填層３４に生息する微生物にとって栄養分となる成分を含んだ水溶液があげられる。

生物脱臭塔３１は、霧化室２１に隣接して設けられている。霧化室２１内のプール領域Ｐの上方の気相領域Ｇは、連結配管３２を介して生物脱臭塔３１の内部と連通している。生物脱臭塔３１の天井部には、生物脱臭塔３１内を上昇してきたガスを塔外に排出して大気中に開放するための排出配管３３が設けられている。

この生物脱臭塔３１内には、連結配管３２と排出配管３３との中間位置において、微生物担持担体の充填層３４が設けられている。「微生物担持担体」とは、有機化合物等の生分解作用のある微生物が担持された担体のことであって、例えばセラミックス製の多孔質体からなるものである。充填層３４は、微生物担持担体が無数に充填された層であって、従来の一般的な生物脱臭塔が備えているものと同じものである。なお、本実施形態の除去装置の生物脱臭塔３１は、微生物担持担体の充填層３４に対し水分（水又は水溶液）を散布するための設備を特に備えていない。

図１の除去装置を用いた揮発性有機化合物の除去方法は、概ね次の通りである。

先ず、超音波霧化装置２５を作動させてプール領域Ｐの水又は水溶液を霧化することで平均粒子径が０．０２〜１０μｍの範囲にある霧状の水粒子を発生させる。すると、霧状の水粒子が霧化室２１の気相領域Ｇに充満する。導入配管２２から霧化室２１内に導入された被処理ガス（揮発性有機化合物を含む）は、霧化室２１内に充満している霧状の水粒子と接触して混ざり合う。その際、被処理ガスに含まれる揮発性有機化合物の一部が霧状の水粒子に溶け込むことで、揮発性有機化合物の気相（被処理ガス）から液相（霧状の水粒子）への移動が起こる。

被処理ガスと霧状の水粒子の混合相は、連結配管３２を介して生物脱臭塔３１内に移動し、充填層３４に供給される。充填層３４に進入した霧状の水粒子は、微生物担持担体およびその担体上の微生物に付着し、これらに水分並びに水分に溶け込んだ揮発性有機化合物（及び水分に溶け込んだ栄養分）を提供する。また、充填層３４に進入した被処理ガス中の揮発性有機化合物のいくらかは、水濡れした微生物担持担体の表面に付着する。このようにして微生物担持担体等の表面に到達した揮発性有機化合物は、担体表面に生息する微生物によって生分解されて無害化される。

［実施例１］
図１の装置を用いてＶＯＣの除去実験を行った実施例１について説明する。なお、実施例１では、霧化室２１の内容積が５リットル、生物脱臭塔３１の内容積が５リットル、セラミック製の微生物担持担体を充填した充填層３４の占有体積が約４リットルである。霧化室２１のプール領域Ｐには、普通の水を貯留させた。超音波霧化装置２５としては、本多電子株式会社製の超音波霧化ユニットＨＭ−３０３Ｎを使用し、霧化室２１において、平均粒子径が約０．０２〜１０μｍという非常に微細な水粒子を発生させるようにした。また、試験用の被処理ガスとして、複数種類の揮発性有機化合物（具体的には、メタノール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、トルエン、キシレン）を総濃度で数百ｐｐｍ含有するガスを用いた。

実施例１では、霧化室２１に対し、毎分２５リットルの割合で上記試験用の被処理ガスを供給した。そして、被処理ガスの除去装置への入口点である導入配管２２、霧化室２１と生物脱臭塔３１の中間点である連結配管３２、及び、除去装置からの出口点である排出配管３３の三箇所においてガスをサンプリングし、それぞれのガスのＶＯＣ濃度を触媒酸化・ＮＤＩＲ方式ＶＯＣ測定器（東亜ディーケーケー株式会社製の揮発性有機化合物測定装置ＧＩＶ−２００）を用いて測定した。三つの測定点でのＶＯＣ濃度の測定結果を後記表１に示す。なお、表１では、入口点（２２）でのＶＯＣ濃度をＸ、中間点（３２）でのＶＯＣ濃度をＹ、出口点（３３）でのＶＯＣ濃度をＺとしている。

表１に掲げた測定結果（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に基づいて、除去装置の前段（霧化室２１）でのＶＯＣ除去率、除去装置の後段（生物脱臭塔３１）でのＶＯＣ除去率、除去装置全体でのＶＯＣ除去率を計算した。なお、それぞれのＶＯＣ除去率の計算式は次の通りである。
装置前段（霧化室２１）でのＶＯＣ除去率（％）＝１００×（Ｘ−Ｙ）／Ｘ
装置後段（生物脱臭塔３１）でのＶＯＣ除去率（％）＝１００×（Ｙ−Ｚ）／Ｙ
装置全体でのＶＯＣ除去率（％）＝１００×（Ｘ−Ｚ）／Ｘ
これらの計算結果を後記表２に示す。

更に、前記中間点（３２）及び前記出口点（３３）においてそれぞれサンプリングしたガスをガスクロマトグラフィー（ＧＣ）にかけ、個々のＶＯＣごとに、生物脱臭塔３１を通過させる前後での各成分の除去率を測定した。その測定結果を後記表３に示す。

［比較例］
比較例は、図２の装置を用いて、上記実施例１と同じ条件でＶＯＣの除去実験を行った事例である。図２の装置は従来例（特許文献１）の装置に相当するものであって、図１の装置とは以下の点で異なる。即ち、第１の処理室２１には、水循環用のポンプ５１で汲み上げた水を散水するためのスプレーノズル４６が設けられ、第１の処理室２１は加湿装置となっている。スプレーノズル４６からの散水により、第１の処理室２１内には、平均粒子径が約１００μｍ〜５ｍｍ程度の比較的大きな水粒子が飽和する。また、生物脱臭塔３１内には、水循環用のポンプ５２で汲み上げた水を微生物担持担体の充填層３４に散水するためのスプレーノズル１６が設けられている。なお、この比較例では、処理室２１の内容積が５リットル、生物脱臭塔３１の内容積が７リットル、充填層３４の占有体積が約４リットルである。

上記実施例１と同じく、三つの測定点でのＶＯＣ濃度の測定結果を後記表１に、ＶＯＣ除去率の計算結果を後記表２に、生物脱臭塔３１を通過させる前後での各ＶＯＣ成分の除去率を後記表３にそれぞれ示す。

なお、表２に掲げられた各除去率の意味合いは必ずしも同じではない。即ち「前段での除去率」とは、被処理ガス中のＶＯＣが気相から液相（水粒子）に移動した割合を意味する。これに対し、「後段での除去率」とは、生物脱臭塔３１を通過する前後で生分解されたＶＯＣの割合を意味し、「全体での除去率」とは、装置全体（２１及び３１）を通過する前後で生分解されたＶＯＣの割合を意味する。

［結果の考察］
表１及び表２の結果から、比較例よりも実施例１の方が、被処理ガスからのＶＯＣの除去効率が高いことがわかる。これはひとえに、装置前段で発生させる水粒子の違いによるものであることは明らかである。また、表３の結果から、個別のＶＯＣ成分ごとに比較しても、実施例１は比較例よりもＶＯＣの除去効率が高いことがわかる。なお、メタノールのような比較的易水溶性のＶＯＣの場合には、実施例１と比較例との間の除去率の差は比較的小さいが、ケトン類、更には芳香族炭化水素というように難水溶性の程度が高まるほど、比較例に比べて実施例１の除去率の高さが次第に際立つ。このように本発明は、特に難水溶性のＶＯＣの除去において、従来例よりも優れた性能を発揮した。

［実施例２］
実施例２は、上記実施例１において、霧化室２１のプール領域Ｐに貯留する水溶液として硝酸アンモニウム水溶液（濃度：１００ｐｐｍ）を使用し、この硝酸アンモニウム水溶液（微生物の栄養分となる成分：窒素）を超音波霧化装置２５で霧化する事例である。実施例２では、実施例１の場合よりも、被処理ガスの除去能力が高められた。

なお、実施例２では、除去装置を昼夜を問わず約６ヶ月間連続運転する実験を行った。この間、生物脱臭塔３１の充填層３４に対する散水は一切行わず、充填層３４への水分及び栄養分の補給は、霧化室２１で発生させる霧状の水粒子のみとした。かかる条件下での連続実験にもかかわらず、実施例２では、実験開始から実験終了（６ヶ月後）にいたるまでの間、後段での除去率：約６５％を維持し続けた。このように微生物の栄養分となる成分を含む水溶液を霧化室２１のプール領域Ｐに貯留することで、生物脱臭塔３１に散水設備を備えずとも、長期にわたって微生物のＶＯＣ分解活性を維持することができた。

本発明に従う揮発性有機化合物の除去装置を示す図。 比較例（従来例）の揮発性有機化合物の除去装置を示す図。

符号の説明

２１…霧化室（第１の処理室）、２５…超音波霧化装置、３１…生物脱臭塔（第２の処理室）、３４…微生物担持担体の充填層、Ｐ…プール領域。

Claims (5)

1. 水または水溶液を超音波霧化装置で霧化することにより霧状の水粒子を発生させ、
   揮発性有機化合物を含んだ被処理ガスを前記霧状の水粒子に接触させ、
   前記被処理ガス及び前記霧状の水粒子を微生物担持担体の充填層に送り込んで、前記揮発性有機化合物を生分解する、ことを特徴とする揮発性有機化合物の除去方法。
2. 前記霧状の水粒子は、平均粒子径が０．０２〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の揮発性有機化合物の除去方法。
3. 前記水溶液は、微生物の栄養分となる成分を含んだ水溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載の揮発性有機化合物の除去方法。
4. 水または水溶液を霧化して霧状の水粒子を発生させるための超音波霧化装置と、
   揮発性有機化合物を含んだ被処理ガスを前記超音波霧化装置によって発生させた霧状の水粒子に接触させるための第１の処理室と、
   前記第１の処理室の下流側に設けられると共に微生物担持担体の充填層を有する第２の処理室と、を備えてなる揮発性有機化合物の除去装置。
5. 前記第１の処理室は、前記水又は水溶液を貯留するプール領域を有しており、そのプール領域に前記超音波霧化装置が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の揮発性有機化合物の除去装置。

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