JP2014124543A - Ｖｏｃ汚染地下水の揚水ばっ気処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、従来のＶＯＣ汚染地下水の揚水に伴うばっ気処理装置が、外部から見えない密閉型ではなく、また処理の必要に応じて組立てが自由自在にできるものでなかった欠点を改善した比較的小型で密閉型の処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、直列又は並列に必要数連結するばっ気水槽体１，ばっ気ブロア６及び活性炭吸着槽体５を設けて成るユニットにＶＯＣ汚染の地下揚水を通過させ、汚染濃度を漸次減少せしめて浄化する処理方法である。また、揚水井に連設する原水流入管がＦＲＰ製ばっ気水槽体に連通し、このばっ気水槽体は内部にＦＲＰ製の気液混合樹脂層部材を設けるとともに外部にばっ気ブロアを設け、前記ばっ気水槽体に活性炭吸着槽体を連設して成るユニットを直列又は並列に必要数連結して成る処理装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣという。）による汚染地下水の揚水ばっ気処理の方法及び装置に関するものである。

従来、ＶＯＣ汚染地下水の揚水に伴うばっ気処理装置としては、次のような特許文献が公知となっている。

特許第３７１６２２６号公報 特許第４９２３２６６号公報

これらのシステムや装置には、ブロワ、ポンプ、噴流発生凾、回収装置や気水分離部、汚染水ばっ気装置についての記載はあるが、全装置が外部から見えない密閉型のものではないし、処理の必要に応じて組立てが自由自在にできるものではないし、処理装置の設置のためのスペースが比較的広大で不経済なものである。

そこで、本発明は、従来のこのような処理装置の欠点を改善した処理方法と比較的小型で密閉型の処理装置を提供することを目的とするものである。

トリクロロエチレンに代表されるＶＯＣは非常に優れた洗浄剤として１９８０年代頃までは広く使用されていたが、１９９０年代よりその発がん性が問題となり、土壌汚染対策法(平成１４年法律第５３号)では第１種特定有害物質として規制の対象となっている。

発明者らは、ＶＯＣで汚染された地下水を揚水してばっ気することでＶＯＣを除去し、排水基準濃度以下になった処理水を排出する装置について、開発から施工に至るまで長期にわたり取り組んで来たが、開発の目的は、装置の製作費、運転・保守費を最少とする経済性を旨とするところにある。したがって、いたずらに広い適用性や高性能を求めることはせず、ある程度は使用条件が限定されることを想定している。

本発明は、直列又は並列に必要数連結するばっ気水槽体，ばっ気ブロア及び活性炭吸着槽体を設けて成るユニットにＶＯＣ汚染の地下揚水を通過させ、汚染濃度を漸次減少せしめて浄化する処理方法である。

また本発明は、揚水井に連設する原水流入管がＦＲＰ製ばっ気水槽体に連通し、このばっ気水槽体は内部にＦＲＰ製の気液混合樹脂層部材を設けるとともに外部にばっ気ブロアを設け、前記ばっ気水槽体に活性炭吸着槽体を連設して成るユニットを直列又は並列に必要数連結して成る処理装置である。

（１）装置全体が比較的小型である。
本機単体の大きさは、１２００ｍｍ×１０００ｍｍ（ばっ気水槽体と活性炭吸着槽体が一体構造でコンパトである。）で、制御盤が９００ｍｍ×５００ｍｍであり、これらの部材を収容設置するコンテナの大きさは６１００ｍｍ×２５００ｍｍである。

（２）装置全体が比較的軽量である。
本機単体の乾燥重量は２００ｋｇで、制御盤は２００ｋｇである。コンテナに内蔵した場合の全重量は３５００ｋｇという軽量である。
したがって、１０ｔトラックに積載して運搬することができる。

（３）装置全体は遮蔽性が高い。
鋼板製コンテナに内蔵され、内部に吸音材を兼ねた保温材が巻かれているので、ブロワやポンプなどの電動機の音は完全に遮断され、外部からは全く視認できない。

（４）装置全体は高耐食性でかつ安価である。
他社製品と比較すると、構造が簡単な上に、ばっ気水槽体と活性炭吸着槽体はＦＲＰによって構成するものであるから高耐食性があり、価格が安く抑えられ、経済性の高い装置となる。

（５）装置内部の組合せの自由度が高い。
本機体の設置は、並列又は直列に自由に選択することができ、数機直列や数機並列という設置場所の状況に合わせて任意に配置組合せて連結することができる。また、本機体を設置したコンテナを積み上げることによって、２階建て・３階建てとして設置面積を最小限にすることができ、その場合でも内部のばっ気水槽を外部から視認することはできない。

（６）装置の増設と部分撤去が可能かつ簡単である。
処理水量や濃度の変化に応じ、本機体の運転開始後において増設したり、部分撤去したりすることが簡単にでき、施設の運転を短時間の停止で切り換えることができる。

（７）装置全体の設置工事が迅速かつ容易にできる。
小型軽量であることから、設置工事を安価にかつ安全に行うことができる。

（８）装置内におけるばっ気効率は良好である。
ばっ気水槽体内に設置した気液混合樹脂層部材によって、通常より高いばっ気効率が得られる。

（９）ばっ気水槽体の内部は、透明アクリル蓋板を通して視認ができる。この蓋板の取外しは、特殊ナットにより工具なしで可能である。

（１０）ばっ気水槽体のエアー散気管は、汚泥膜（皮膜）等による詰りが起りにくい構造となっている。

（１１）付属エアコンにより、夏季の井水温度による結露（機械室の水たまり）の発生を防止している。

（１２）小袋分けした活性炭使用により、活性炭吸着槽体内における活性炭の交換を容易に行うことができるようになる。

本装置の施工例を示すフローチャート 本装置の基本ユニットの直列状態を示す平面図 一ユニットの平面図 一ユニットの側面図 排水基準の合格範囲を示すグラフ ＶＯＣに対するばっ気揮散度を示すグラフ ＶＯＣを十分ばっ気したときを示すグラフ

まず本装置の概要を図１のフローチャートに示す。本装置は、汚染対策井戸から揚水された地下水を処理するための装置であり、ばっ気水槽体、ばっ気ブロア、活性炭吸着槽体の３つの部材を組み合わせたシンプルな構成（以下、ユニット型と呼ぶ。）である。図２は２基のユニットを直列に組み合わせた例を示し、必要に応じてユニット数を増減することは可能である。ばっ気によって水中のＶＯＣ濃度を低下させ、ばっ気中に揮散したＶＯＣを活性炭によって吸着処理して大気に排出し、一方、ＶＯＣ濃度が低下した処理水は排出する。

地下水にはＶＯＣ以外にＦｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｉ他の成分が含まれ、装置内にその汚泥が付着・沈殿するから、その清掃を必要とするが、シンプルな構造であるため、清掃作業はきわめて容易である。

次に、試験方法について説明する。

ばっ気性能表示方法において除去性能を表示する方法は、グラフは図５に示す形式に表示した。横軸を地下水（原水）のＶＯＣ濃度（ｍｇ／Ｌ）、縦軸を除去率（％）と定義する。この定義によれば、或るＶＯＣ濃度Ｘ（ｍｇ／Ｌ）の地下水が、処理によって排水基準Ａ（ｍｇ／Ｌ）に一致した時の除去率Ｙ（％）とすると、次の〔数式１〕が成立する。

例えば、トリクロロエチレン（以下、ＴＣＥとする。）の排水基準は０．３（ｍｇ／Ｌ）である。上式〔１〕のＡに０．３を代入し、ＸとＹの関係を図５のグラフの中に曲線で示す。このグラフ上に処理結果をプロットすると、曲線の左上にあれば処理水は排水基準をクリアしており、右下にあれば排水基準をクリアしていないことが明確に表現される。Ａ（ｍｇ／Ｌ）を、ＴＣＥの環境基準０．０３（ｍｇ／Ｌ）に置き換えれば、同様の判定を容易にすることができ、処理装置の性能を表示する目的に適したものである。

以上の試験結果について考察する。

１．ばっ気によるＶＯＣの除去率の理論的算定について
ばっ気によってＶＯＣ除去率が、どのような値になるかを理論的に推定する方法について検討した内容を、以下説明する。

(１)ヘンリーの法則
液相と気相が接して存在する場合、ある気体成分の気相中の分圧と液相中のモル濃度は、ヘンリー定数によって定まることはよく知られている。各種のＶＯＣのヘンリー定数については、次の参考文献に多数の研究者が実験で求めたデータが掲載されている。このデータを利用してばっ気により水中のＶＯＣが空気中に理論的にどの程度揮散するかを考察した。ここに参考文献とは、次のものをいう。Compilation
of Henry's Law Constants for Inorganic and Organic Species of Potential
Importance in Environmental Chemistry, Rolf Sander Air Chemistry Department,
Max-Planck Institute of Chemistry (http://www.rolf-sander.net/henry/henry.pdf) 2012.8.21

(２)各種ＶＯＣのヘンリー定数
前記参考文献には、一つのＶＯＣについて多数の実験者が実施した結果が列記されており、比較的バラツキが大きいためにどの値を使用したらよいか迷うことになる。表１は、参考文献から代表的ＶＯＣのヘンリー定数ｋＨを平均して求めたものである。実験者によっては他とかけ離れた数値の場合があり、その場合は除外するなどしているので主観的な数値で、あくまでも参考である。

(３)平衡式
ここで、ヘンリー定数を利用して下記のモデルを仮定して理論的ばっ気効率を求めた。密閉された容器（Ｑ＋１（Ｌ））に濃度がａ（ｍｇ／Ｌ）のＶＯＣ汚染水１（Ｌ）が入れられており、残りの空間Ｑ（Ｌ）には清浄な空気が入っているとする。この容器をよく振とうして水中のＶＯＣの一部を気相に揮散させ、平衡状態とする。１気圧、２０℃の条件下で行うとし、気相に移動したＶＯＣをｘ（ｍｇ）とする。Ｑ（Ｌ）の空気中のＶＯＣの分圧は、次の〔数式２〕となる。

ここで、ｎ＝空気中のＶＯＣのモル数、Ｒ＝理想気体定数＝８．３１（Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔ＝２７３＋２０＝２９３（Ｋ）、Ｍ＝ＶＯＣの分子量である。

一方、水中に残留するＶＯＣの量は、ａ−ｘ（ｍｇ／Ｌ）であるから、水中のＶＯＣのモル分率は、次の〔数式３〕となる。

ヘンリーの法則は〔数式２〕と〔数式３〕の関係を定めるもので、次の〔数式４〕で表される。

〔数式４〕におけるｋＨ，ｉｎｖは表１のｋＨとは逆数の関係にあり、ｋＨ・ｋＨ，ｉｎｖ＝５５．３の関係からｋＨ，ｉｎｖを求めて代入しなければならない。ｋＨは絶対値が大きいと、ＶＯＣが水に溶けやすく、揮散し難い。すると、ばっ気処理が困難になる。一方、逆数の関係にあるｋＨ，ｉｎｖは数値が大きいとＶＯＣが水に溶け難く揮散し易いので、ばっ気が簡単になる。〔数式４〕の両辺の単位は、Ｐａであるので〔数式５〕でｋＨ，ｉｎｖをパスカル（Ｐａ）に換算した値を表１に併せて示している。

〔数式２〕、〔数式３〕、〔数式５〕を〔数式４〕に代入する。

ｘについて解くと、

〔数式７〕はａ（ｍｇ／Ｌ）のＶＯＣ汚染水の１（Ｌ）をＱ（Ｌ）の清浄な空気で、十分な時間をかけてばっ気した場合、ｘ（ｍｇ）のＶＯＣが空気相に移動し、水中にａ−ｘ（ｍｇ）が残留して平衡に達することを意味している。

(４)各種ＶＯＣのばっ気効率の推定
〔数式７〕を利用してばっ気によってどの程度の揮散が生じるかを代表的なＶＯＣについて計算したものが図６である。横軸は汚染水に対するばっ気空気量の倍数（空気体積／水体積）で、縦軸は水中の残留率である。図中で、１，１，２−トリクロロエタンは極めて揮散し難く、１，１−ジクロロエチレンは揮散し易い性質を持っていることがわかる。

２．ばっ気効率の改善について
空気と汚染水を一度に撹拌してばっ気する方法は、最も効率的なばっ気方法ではない。決められた空気を複数に等分し、等分した少量の空気で複数回ばっ気することによって、ばっ気効率を高めることが可能となる。このことは、溶媒抽出において溶媒を分割すると、抽出率を上げられることと同じで、よく知られた方法である。例えば、ＴＣＥを１０倍の空気でばっ気するとき、図６から残留率は約０．２と読み取れる。その空気を１０等分し１倍の空気で１０回に分けてばっ気し、結果的に１０倍の空気でばっ気をすることを考える。計算には〔数式７〕を用いるが、１回目に１倍の空気でばっ気し、２回目以降は前回のばっ気によりＶＯＣ濃度の低減を反映した水中濃度をａ（ｍｇ／Ｌ）に代入して繰り返し計算をする。その結果、一度で１０倍の空気でばっ気した時の残留率０．１９４が同量の空気量を１０回に分けてばっ気（仮に、分割ばっ気と呼ぶ。一方、一度にばっ気方法を一括ばっ気と呼ぶ。）をすると０．０３１となり、ばっ気効率は極端に向上する計算結果となる。本装置では、処理水とばっ気用空気は連続的に流れているので一括ばっ気に近いか、或いは分割ばっ気に近いのかは不明であるが、ばっ気方法を工夫することにより、理論的には図６より良好なばっ気効率に改善する可能性が残されていると考えられる。代表的なＶＯＣを１０分割ばっ気した場合の計算値は、図７に示すとおりである。

３．むすび
ＶＯＣに汚染された地下水の浄化対策工事を施工するに当たって、ばっ気装置の比較・検討を実験すると、要求は十分満たしているが、オーバースペックで不経済になる場合が多く見受けられる。このような場合に適する経済的な装置を独自開発して改良・実績を積み重ねて来た。その中で、ばっ気性能を図５で示す方法で表すことを提案した。この表示方法はばっ気性能を見易く表示することができると考える。また、ばっ気によるＶＯＣの残留濃度をヘンリーの法則を利用して算出する具体的な数式を紹介した。ある仮定条件の下ではあるが、実際のばっ気運転が計算値とどのような関係にあるかを知ることができる。この数式を基に更に推論を進めると、ばっ気方法によって、この効率を大幅に改善する余地があることも判明した。

４．その他
地下揚水に対し油分の処理が必要なときは、ばっ気水槽体手前に油分除去設備を設置する。

また、地下揚水に対し鉄分の除去が必要なときは、ばっ気水槽体における処理後に除鉄設備による除去が必要となる。

本発明は、ユニット型のばっ気装置であるところ、装置全体に係る構成の実施例は次のとおりである。

１はばっ気水槽体で、その全体は高耐食ＦＲＰ製であり、縦１０００ｍｍ×横８００ｍｍ×高さ１１００ｍｍから成り、その有効容量は８００Ｌである。

２は前記ばっ気水槽体内部に設置する気液混合樹脂層部材で、これに収容される合成樹脂ペレットはφ２ｍｍ、充填量３００Ｌ（充填高さ４００ｍｍ）である。

この気液混合樹脂層部材においては、上側方より流入する水と下側の散気管より吐出されるエアーとを効率よく混合し、ＶＯＣの分離能力を合成樹脂層のない従来のばっ気装置よりも向上させている。

３は散気管で、これはＳＵＳ３０４製であり、φ６ｍｍの散気孔（ばっ気水槽体１台当たり７０個）、エアー量１ｍ^３／分（ばっ気水槽体１台当たり）である。

原水鉄分などのスケール付着の少ない散気孔径を、実証実験で求めて採用した。

４は前記ばっ気水槽体１の上面部における透明アクリル蓋板で、運転時、ばっ気水槽体内部におけるばっ気状況が確認できる透明アクリル製の蓋板である。

５は活性炭吸着槽体で、その全体は高耐食ＦＲＰ製であり、縦３００ｍｍ×横８００ｍｍ×高さ５００ｍｍから成り、その活性炭充填量は１００Ｌである。

この活性炭吸着槽体５は前記ばっ気水槽体１と一体構造に成り、設置スペースや配管等のムダをなくし、分離ＶＯＣを直接吸着する。

活性炭は、２０Ｌづつ小分けした網袋に収容し、交換作業をし易くしている。

６はばっ気ブロアで、出力０．７５Ｋｗ、エアー吐出量１．０ｍ^３／分であり、前記ばっ気水槽体１と一体構造に成り、その全体は設置スペースや配管等をなくし小型化している。

７はＰＨ電極で、これは流入原水のＰＨを測定し、排水放流に問題がある場合は、酸、アルカリの薬剤注入が行える制御組込みにする。

８は水位電極で、ばっ気水槽体内の水位を制御し、処理水ポンプ１５の発停を行う。

９はばっ気エア流量計で、ばっ気エアの流量を測定する。

１０は原水流入管で、これは後記揚水井２１に連通する。

１１は処理水流出口で、自然流下で次のばっ気水槽体に送水する。

１２はばっ気水槽体の排水用のドレンである。

１３は前記原水流入管１０に設けた原水流入量計測用の電磁流量計である。

１４は処理水放流量計側用の電磁流量計である。

１５は処理水ポンプで、０．７５Ｋｗ、２００Ｌ／分である。

１６は処理水排出口である。

１７は活性炭排気口で、室外への排出口となる。

１８は制御盤で、これは、ばっ気装置制御、遠隔監視、遠隔操作、井戸ポンプ（原水ポンプ）の制御、処理水ポンプ制御インバータ制御を行う。

１９は機械室で、この機械室の外郭は鋼板製コンテナ２０から成り、このコンテナ内部には内部断熱防音材、メンテナンス用ドア、結露防止用エアコン、換気扇、照明器具等を設置する。

以上の機材から成る本装置は、コンテナ内部においてばっ気水槽体を直列又は並列に自由に選択して設置するものである。

即ち、汚染水の濃度を段階的に減少させるためには、ばっ気水槽体を直列に必要数設置するし、地下水量の多い場合には漸次分散するために、並列に必要数設置することになる。

また、コンテナの積み上げにより２階建や３階建に組み合わせることをする。

２１は地下揚水井であり、水中モーターポンプを有する。

１ ばっ気水槽体
２ 気液混合樹脂層部材
３ 散気管
４ 透明アクリル蓋板
５ 活性炭吸着槽体
６ ばっ気ブロア
７ ＰＨ電極
８ 水位電極
９ ばっ気エア流量計
１０ 原水流入管
１１ 処理水流出口
１２ ドレン
１３ 原水流入量計測用の電磁流量計
１４ 処理水放流量計側用の電磁流量計
１５ 処理水ポンプ
１６ 処理水排出口
１７ 活性炭排気口
１８ 制御盤
１９ 機械室
２０ コンテナ
２１ 地下揚水井

Claims (2)

1. 直列又は並列に必要数連結するばっ気水槽体，ばっ気ブロア及び活性炭吸着槽体を設けて成るユニットにＶＯＣ汚染の地下揚水を通過させ、汚染濃度を減少せしめて浄化することを特徴とするＶＯＣ汚染地下水の揚水ばっ気処理方法。
2. 地下揚水井に連設する原水流入管がＦＲＰ製ばっ気水槽体に連通し、このばっ気水槽体は内部にＦＲＰ製気液混合樹脂層部材を設けるとともに外部にばっ気ブロアを設け、前記ばっ気水槽体に活性炭吸着槽体を連設して成るユニットを直列又は並列に必要数連結して成ることを特徴とするＶＯＣ汚染地下水の揚水ばっ気処理装置。

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