JP4654134B2 - 揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム、及びその浄化方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して汚染土壌中の揮発性有機化合物を無害化する揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム、及びその浄化方法に関するものである。

従来、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）は、溶剤、接着剤、洗浄剤などに広く用いられてきた。しかし、これらＶＯＣは毒性が高いものが多いことに加え、大気中の光化学スモッグや浮遊粒子状物質の原因になることが知られている。

工場跡地の汚染土壌には、工場稼動時に排出されたＶＯＣが蓄積・濃縮されており、地下水や大気を経由して健康被害を起こすことが懸念されている。そのため、平成１５年２月に土壌汚染対策法、平成１６年６月には大気汚染防止法の改正法令が施行され、ＶＯＣの排出基準などが強化されている。従って、工場跡地などの汚染土壌を無害化してＶＯＣを含まない浄化土壌としてリサイクルすることが望まれている。

土壌中のＶＯＣ処理としては、大別して物理・化学的処理、熱処理、生物処理（バイオレメディエーション）などの浄化方法が知られている。物理・化学的処理には、紫外線や酸化剤などで分解する方法（酸化還元分解処理）、粒子による分級洗浄、高圧水や界面活性剤により分離する方法（土壌洗浄処理）、吸引井戸を設けて気体にして分離する方法（ガス吸引、曝気処理）などがある。熱処理には、２００℃〜６００℃で揮発分離する方法（熱脱着処理）、８００℃〜１０００℃で焼却する方法（熱分解処理）、１２００℃以上の高温で溶融させる方法（溶融固化処理）などがある。生物処理には、汚染現場または地上プラントにおいてバクテリアで分解する方法がある。

図３には、従来技術の一例として、真空吸引法を利用した浄化システム９１の概略構成を示している。この浄化システム９１は、気液分離槽９２、ブロワー９３、活性炭槽９４を備える。気液分離槽９２は、汚染土壌に設けられた抽出井戸９５に配管９６を介して接続されており、ブロワー９３を駆動することにより、抽出井戸９５から土壌ガスと汚染地下水とを同時に吸引する。そして、気液分離槽９２内で土壌ガスと水分とを分離し、分離した土壌ガスを配管９７を通して活性炭槽９４に送る。活性炭槽９４には、活性炭からなるフィルター材９８が設けられており、そのフィルター材９８に土壌ガスを通過させる。これにより、土壌ガスに含まれるＶＯＣが活性炭に吸着され、ＶＯＣを除去した浄化空気が装置外部に排気される。

また、汚染土壌を浄化する技術は特許文献１〜３にも開示されている。具体的にいうと、特許文献１においては、ＶＯＣが混入した汚染土壌と水とを混合して得られた泥水を曝気処理し、土壌中からＶＯＣを揮発させる土壌の浄化方法が開示されている。特許文献２においては、汚染土壌を加熱してＶＯＣを含む気体を抽出し、そのＶＯＣをオゾンで分解する浄化方法が開示されている。この方法では、紫外線の照射や過酸化水素の添加を併用することで酸化力が増し、ＶＯＣの分解効率が高められている。特許文献３においては、汚染空気を吸引するための井戸を土壌に設けて、真空ポンプを用いて汚染空気を吸引し、その汚染空気に含まれているＶＯＣを活性炭からなる吸着装置で取り除くようにした浄化方法が提案されている。

さらに、近年では、超音波を利用して汚染土壌を洗浄する洗浄装置（例えば、特許文献４参照）や、水溶液に含まれるＶＯＣなどを超音波により無害化する処理装置（例えば、特許文献５参照）が提案されている。

特許文献４に記載の浄化装置では、汚染土壌に水を供給して超音波洗浄を行い、さらに、その洗浄されたスラリー状の土壌を流通させながら超音波洗浄を行うことで、汚染土壌を浄化している。

特許文献５に記載の処理装置では、ＶＯＣを含む水溶液に塩基性金属塩からなる触媒物質を添加して、比較的低い周波数（例えば、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の超音波を照射する。水溶液中に超音波を照射すると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経てホットスポットと呼ばれる数千度、数千気圧の反応場が局所的に形成される。そして、この極限反応場でＶＯＣが熱分解されると考えられている。
特開２００２−５９１５１号公報 特開２００４−３２１９１９号公報 特開２００５−８７８０９号公報 特開２００５−８１２４７号公報 特開２００５−１６９３８９号公報

ところで、特許文献１〜３に記載の浄化方法では、抽出したＶＯＣを外部に漏れないように浄化システムを構成することが困難であり、大気汚染などが懸念されている。さらに、抽出したＶＯＣを活性炭などに吸着させて処理する場合、その活性炭を廃棄するためにコストが嵩むといった問題も生じてしまう。また、熱処理による土壌の浄化方法を採用する場合では、設備が大型になり工場跡地などの現場で浄化処理をすることができないといった問題や、設備のランニングコストが高くなるといった問題が生じる。さらに、生物処理や吸引井戸を設けて気体にして分離する浄化方法では、処理時間が長くなるため、実用的ではない。具体的には、図３に示す従来の浄化システム９１を用いて、例えば、１００ｍ^３の汚染土壌を環境基準値の５０倍から環境基準値以下となるよう浄化する場合、２年以上の処理時間が必要になる。また、この浄化システム９１を稼動させるためには、土壌に抽出井戸９５を掘ったり、各処理槽９２，９４や配管９６，９７などを設置したりするための工期も必要になる。

また、特許文献４に記載の浄化装置では、比較的低い周波数（２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の超音波を照射しているので、汚染土壌を効率よく浄化することができる。しかし、洗浄水に含まれる有害物質は分解することができないため、その洗浄水の排水処理が別途必要になる。

例えば、特許文献４の浄化装置と特許文献５の処理装置とで浄化システムを構成し、特許文献４の浄化装置で排出された洗浄水を特許文献５の処理装置で処理すれば、洗浄水に含まれる有害物質を分解することが可能となる。しかし、特許文献５の処理装置では、触媒物質を添加して有機化合物の分解処理を行っているため処理コストが嵩む。さらに、その浄化システムでは、構成が複雑となり大規模なシステムとなるため、設備コストが増大するといった問題も生じる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、汚染土壌の浄化処理を効率よく短時間で行うことができる揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム、及びその浄化方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、揮発性有機化合物を含む汚染土壌と洗浄水との混合物を入れる洗浄槽を有し、前記混合物中に１００ｋＨｚ未満の超音波を照射して汚染土壌を洗浄することにより、汚染土壌側から洗浄水側に揮発性有機化合物を抽出する超音波洗浄装置と、前記超音波洗浄装置から排出される洗浄水を入れる分解槽を有し、前記洗浄水中に１００ｋＨｚ以上の超音波を照射することにより、揮発性有機化合物を分解して無害化する超音波分解装置と、前記超音波洗浄装置から前記超音波分解装置に洗浄水を供給する供給通路の途中に設けられ、前記洗浄水に含まれる土壌粒子と洗浄水とを分離する濾過体通過方式の固液分離装置と、前記固液分離装置の下流側にて前記供給通路から分岐し、前記固液分離装置で分離された洗浄水を前記洗浄槽に戻すための通路と、前記供給通路において前記固液分離装置の上流側に設けられた液体圧送手段と、前記供給通路上において前記通路が分岐する位置に設けられ、前記洗浄水の流路を超音波洗浄装置側または超音波分解装置側に切り替える流路切替用バルブと、前記液体圧送手段及び前記流路切替用バルブを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、予め設定した複数回分だけ洗浄処理及び固液分離を行った後、前記流路切替用バルブにより前記洗浄水の流路を前記超音波分解装置側に切り替えて前記洗浄水を前記超音波分解装置側に供給するように制御することを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システムをその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、超音波洗浄装置の洗浄槽内において、揮発性有機化合物を含む汚染土壌と洗浄水との混合物中に比較的低い１００ｋＨｚ未満の超音波が照射されると、その超音波が混合物中の土壌粒子に作用し、その超音波の振動エネルギーによって汚染土壌が洗浄される。その際、汚染土壌に含まれる揮発性有機化合物が洗浄水側に抽出される。一方、超音波分解装置の分解槽内において、比較的高い１００ｋＨｚ以上の超音波が洗浄水中に照射されると、その洗浄水中にキャビテーション（気泡）が発生して高温・高圧の反応場が形成される。ここで、揮発性有機化合物は、疎水性であるため、キャビテーション周辺（洗浄水と気泡との界面）に自発的に集まり、さらに揮発してキャビテーションの中に入り込む。その結果、高温・高圧の反応場の作用によって、揮発性有機化合物を熱分解して無害化することができる。従って、本発明の浄化システムでは、特殊な薬剤などの添加物を用いることなく、汚染土壌から抽出した揮発性有機化合物を無害化することができ、洗浄した土壌を再利用することができる。また、この浄化システムでは、汚染土壌の洗浄処理と揮発性有機化合物の分解処理とでそれぞれの処理に適した周波数の超音波を照射することができるので、短時間で効率よく土壌浄化処理を行うことができ、浄化システムのランニングコストを抑えることができる。

なお、本発明における揮発性有機化合物としては、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アセトンなどを挙げることができる。

上記発明によれば、固液分離装置により、土壌粒子と洗浄水とを分離して、土壌粒子を取り除いた洗浄水を超音波分解装置の分解槽に導入することができる。従って、分解槽内の洗浄水中に超音波が効率よく伝播し、揮発性有機化合物の分解に有効なキャビテーションをより多く発生させることができる。従って、揮発性有機化合物を効率よく分解することができる。

また、上記発明によれば、分解槽から排出された洗浄水を洗浄槽に戻すことにより、その洗浄水を再利用して新たな汚染土壌を洗浄できるため、浄化システムのランニングコストを低減することができる。また、固液分離装置で分離された洗浄水を洗浄槽に戻して再利用することにより、洗浄水中の揮発性有機化合物の濃度を高めることができる。よって、超音波の照射による揮発性有機化合物の分解を効率よく行うことができる。またこの場合、揮発性有機化合物の分解処理中に汚染土壌の洗浄処理を複数回行うことにより、システム全体の処理効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のシステムを用いた浄化方法であって、揮発性有機化合物を含む汚染土壌と洗浄水との混合物中に１００ｋＨｚ未満の超音波を照射して汚染土壌を洗浄することにより、汚染土壌側から洗浄水側に揮発性有機化合物を抽出する洗浄工程と、前記洗浄工程にて排出される前記洗浄水に含まれる土壌粒子と洗浄水とを分離する固液分離工程と、前記固液分離工程にて分離された洗浄水の少なくとも一部を前記洗浄工程にて再利用することにより、前記洗浄水に含まれる揮発性有機化合物の濃度を高める濃縮工程と、前記揮発性有機化合物が濃縮された洗浄水中に１００ｋＨｚ以上の超音波を照射することにより、揮発性有機化合物を分解して無害化する分解工程とを含むことを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化方法をその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、洗浄工程において、揮発性有機化合物を含む汚染土壌と洗浄水との混合物中に比較的低い１００ｋＨｚ未満の超音波が照射されると、その超音波が混合物中の土壌粒子に作用し、その超音波の振動エネルギーによって汚染土壌が洗浄される。その際、汚染土壌に含まれる揮発性有機化合物が洗浄水側に抽出される。そして、固液分離工程では、洗浄水に含まれる土壌粒子と洗浄水とが分離される。さらに、濃縮工程では、固液分離工程にて分離された洗浄水の少なくとも一部が洗浄工程にて再利用され、洗浄水に含まれる揮発性有機化合物の濃度が高められる。その後、分解工程において、揮発性有機化合物が濃縮された洗浄水中に比較的高い１００ｋＨｚ以上の超音波が照射されると、その洗浄水中にキャビテーション（気泡）が発生して高温・高圧の反応場が形成され、その反応場の作用によって揮発性有機化合物を確実に熱分解して無害化することができる。従って、この浄化方法によれば、特殊な薬剤などの添加物を用いることなく、汚染土壌から抽出した揮発性有機化合物を無害化することができ、洗浄した土壌を再利用することができる。また、汚染土壌の洗浄処理と揮発性有機化合物の分解処理とでそれぞれの処理に適した周波数の超音波を照射することができるので、短時間で効率よく土壌浄化処理を行うことができ、浄化システムのランニングコストを抑えることができる。またこの浄化方法では、揮発性有機化合物の分解工程の実施中に汚染土壌の洗浄工程を複数回行うことができるので、処理効率を向上させることができる。

以上詳述したように、請求項１〜２に記載の発明によると、揮発性有機化合物を含む汚染土壌を効率よく短時間で浄化することができる。

以下、本発明を揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システムに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１はその汚染土壌の浄化システムを示す概略構成である。

図１に示されるように、本実施の形態の浄化システム１は、ホッパー２、超音波洗浄装置３、固液分離装置４、超音波分解装置５、排水槽６、及び制御装置７を備える。この汚染土壌浄化システム１は、工場跡地などの汚染現場において、トリクロロエチレン（ＴＣＥ）などの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含む汚染土壌を浄化するとともに、その汚染土壌から抽出したＶＯＣを分解して無害化するためのシステムである。なお、この浄化システム１は、例えばトラックなどの車両８に搭載可能な可搬式のシステムである。勿論、この浄化システム１は、特に搬送を目的としない固定式のシステムであってもよい。

具体的には、図示しない掘削機で掘削された汚染土壌Ｅ１がホッパー２に投入され、そのホッパー２で混合された後に超音波洗浄装置３に供給される。

超音波洗浄装置３は、汚染土壌Ｅ１と洗浄水Ｗ１との混合物（泥水）を入れる洗浄槽３１と、その洗浄槽３１内の汚染土壌Ｅ１と洗浄水Ｗ１とを撹拌する撹拌機３２と、洗浄槽３１内の洗浄水Ｗ１に超音波を照射する超音波振動子３３と、その超音波振動子３３を駆動するための発振回路３４とを備える。本実施の形態の洗浄槽３１は、１１０リットルの容量を有し、１回の洗浄処理において、例えば、１０ｋｇの汚染土壌Ｅ１と１００リットルの洗浄水Ｗ１が入れられる。そして、撹拌機３２によって撹拌されることによって、洗浄水Ｗ１中に土壌粒子が分散される。なお、この超音波洗浄装置３の洗浄槽３１に供給される洗浄水Ｗ１としては、水道水などの安価な水が用いられる。勿論、水道水以外の水（例えば雨水、海水など）を用いることも許容される。

超音波振動子３３は、平板状の圧電セラミックスからなり、発振回路３４の発振信号に基づいて、低周波数（具体的には２０ｋＨｚ）の超音波１０を自身の厚さ方向に出力する。本実施の形態の超音波洗浄装置３では、複数の超音波振動子３３が洗浄槽３１の底部に設けられており、各超音波振動子３３から上方に向けて超音波１０が照射される。このとき、その超音波１０が洗浄水Ｗ１中の土壌粒子に作用し、その超音波１０の振動エネルギーにより汚染土壌Ｅ１が超音波洗浄される。その際、汚染土壌Ｅ１側から洗浄水Ｗ１側にＶＯＣが抽出される。

固液分離装置４は、超音波洗浄装置３から超音波分解装置５に洗浄水Ｗ１を供給する供給通路としての供給用配管４０の途中に設けられている。固液分離装置４は、円筒状の分離槽４１と、その分離槽４１内の中央部に設けられた濾過体４２とを備える。また、超音波洗浄装置３と固液分離装置４とを接続する供給用配管４０には供給ポンプ４３が設けられている。そして、その供給ポンプ４３が駆動されることにより、超音波洗浄装置３から固液分離装置４に洗浄水Ｗ１が圧送され、その固液分離装置４において、洗浄水Ｗ１が濾過体４２を通過することにより、土壌粒子と洗浄水Ｗ１とが分離される。なお、固液分離装置４において分離された土壌Ｅ２は、図示しない乾燥機で水分が除去された後、排出口４４から装置外部に排出されてＶＯＣを含まない浄化土壌として再利用される。

また、固液分離装置４と超音波分解装置５とを接続する供給用配管４０の途中には、流路切替用バルブ４６が設けられている。流路切替用バルブ４６は、さらに循環用配管４７を介して超音波洗浄装置３に接続されている。流路切替用バルブ４６は、洗浄水Ｗ１の流路を超音波洗浄装置３側または超音波分解装置５側に切り替えるバルブであり、固液分離装置４から排出される洗浄水Ｗ１を超音波洗浄装置３と超音波分解装置５とのいずれか一方に供給する。

具体的には、先ず、流路切替用バルブ４６によって洗浄水Ｗ１の流路が超音波洗浄装置３側に切り替えられる。この場合、固液分離装置４で分離された洗浄水Ｗ１は超音波洗浄装置３に戻されて再利用される。つまり、ホッパー２から新たに供給された汚染土壌Ｅ１がその洗浄水Ｗ１によって再び洗浄され、その洗浄水Ｗ１中のＶＯＣ濃度が高められる。そして、予め設定された所定回数（例えば、２０回）の洗浄処理が終了したときに、流路切替用バルブ４６によって洗浄水Ｗ１の流路が超音波分解装置５側に切り替えられる。これにより、ＶＯＣ濃度が高められた洗浄水Ｗ１が超音波分解装置５に供給される。

超音波分解装置５は、固液分離装置４で分離された洗浄水Ｗ１を入れる分解槽５１と、その分解槽５１内の洗浄水Ｗ１に超音波１０を照射する第１超音波振動子５２及び第２超音波振動子５３と、各超音波振動子５２，５３を駆動するための発振回路５４とを備える。

分解槽５１は、直方体をなす箱状に形成され、例えば、１００リットルの容量を有する。そして、その分解槽５１の底面外側には複数の第１超音波振動子５２が設けられ、分解槽５１の側面外側には複数の第２超音波振動子５３が設けられている。各超音波振動子５２，５３は、平板状の圧電セラミックスからなり、発振回路５４の発振信号に基づいて、高周波数（具体的には５００ｋＨｚ）の超音波１０を自身の厚さ方向に出力する。従って、第１超音波振動子５２により、分解槽５１内の洗浄水Ｗ１に向けて下方（第１の方向）から超音波１０が照射される。また、第２超音波振動子５３により、その超音波１０に直交するように側方（第２の方向）から洗浄水Ｗ１に向けて超音波１０が照射される。

本実施の形態における分解槽５１には、その槽内を仕切って上下に区画する仕切り板５６が設けられている。ここでは、仕切り板５６として、超音波１０の波長の１／２の厚さを有する板材（例えば、アクリル樹脂プレート）を用いている。具体的にいうと、周波数５００ｋＨｚの超音波１０の波長は約３ｍｍであるため、ここでは厚さ約１．５ｍｍのアクリル樹脂プレートを用いている。なお、この程度の厚さのアクリル樹脂プレートは、仕切り板５６に必要とされる所望の剛性、強度も備えている。従って、使用時に水圧が加わったとしても変形や破壊が起きにくいものとなっている。また、波長の１／２の厚さの仕切り板５６を用いることにより、超音波１０がその仕切り板５６を透過して上方の領域に効率よく伝播される。

仕切り板５６によって仕切られた分解槽５１は、上側半分の領域が、超音波１０による洗浄水Ｗ１の処理を最初に行う一次処理室５７となっていて、下側半分の領域が、超音波１０による洗浄水Ｗ１の処理をその次に行う二次処理室５８となっている。また、分解槽５１の底面に設けられた第１超音波振動子５２を基準とすると、二次処理室５８のほうが第１超音波振動子５２から近い位置にあり、一次処理室５７のほうが第１超音波振動子５２から遠い位置にある。また、分解槽５１の側面において第２超音波振動子５３は、一次処理室５７及び二次処理室５８に対応する位置にそれぞれ設けられている。

分解槽５１の一次処理室５７には、前記固液分離装置４から一次処理室５７内に洗浄水Ｗ１を供給するための供給用配管４０が接続されている。一方、分解槽５１の二次処理室５８には、二次処理室５８内から洗浄水Ｗ１を排出するための排出用配管６１が接続されている。そして、分解槽５１の外部には、一次処理室５７及び二次処理室５８間を連通させる通路としての移送用配管６２が配設されている。移送用配管６２における一方の端部は一次処理室５７の側面上部に接続され、他方の端部は二次処理室５８の側面上部に接続されている。

供給用配管４０の途中に設けられた流路切替用バルブ４６の流路を超音波分解装置５側に切り替えると、洗浄水Ｗ１が供給用配管４０を通してまず分解槽５１の一次処理室５７内に供給される。この一次処理室５７において、下方及び側方から直交するよう超音波１０が照射されることにより洗浄水Ｗ１中のＶＯＣが分解される。次に、一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１は、移送用配管６２を介して二次処理室５８内に供給され、そこでも下方及び側方から直交するよう超音波１０が照射されることにより洗浄水Ｗ１中のＶＯＣが分解される。その後、二次処理室５８内の洗浄水Ｗ１は、排出用配管６１を通して分解槽５１から排水槽６に排出される。

さらに、本実施の形態では、分解槽５１の上部に、一次処理室５７の洗浄水Ｗ１を撹拌するための撹拌機６５が設けられている。この撹拌機６５は、分解槽５１の上面に固定されるモータ６６と、そのモータ６６の回転軸に連結される撹拌部材（プロペラ）６７とをから構成され、モータ６６の駆動に伴い撹拌部材６７が回転して洗浄水Ｗ１を撹拌する。撹拌機６５の撹拌部材６７は、分解槽５１において第２超音波振動子５３を設けた面に対向する面の近傍に配置されているため、第２超音波振動子５３から離間した位置にある。従って、撹拌部材６７が第２超音波振動子５３と近接した位置にある場合とは異なり、撹拌部材６７が超音波１０の伝播を妨げるおそれがなく、よって一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１中に超音波１０を均一に伝播させることができる。

また、分解槽５１の上部、すなわち一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１の上部には、空気層Ａ１が存在している。

排水槽６には、洗浄水Ｗ１を洗浄槽３１に戻すための通路としての循環用配管６８が接続されている。その循環用配管６８の途中には液体圧送手段としてのポンプ６９と流路切替用バルブ７０とが設けられている。排水槽６に一旦蓄えられた洗浄水Ｗ１は、ポンプ６９によって循環用配管６８を通して圧送され、流路切替用バルブ７０を介して、洗浄槽３１に戻されて洗浄処理に再利用されたり、下水として下水道に排水されたりする。

制御装置７は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、入出力ポート（図示略）などからなる周知のマイクロコンピュータにより構成され、超音波洗浄装置３（撹拌機３２及び発振回路３４）や超音波分解装置５（発振回路５４及び撹拌機６５）と電気的に接続されている。なお、図示しないが、制御装置７は、ポンプ４３，６９や流路切替用バルブ４６，７０にも接続されている。制御装置７を構成するＲＯＭ７２は制御プログラムを記憶しており、ＣＰＵ７１はＲＡＭ７３を利用してその制御プログラムを実行する。その結果、制御装置７は各種の制御信号を超音波洗浄装置３や超音波分解装置５などに出力してシステム全体を統括的に制御する。

ここで、本実施の形態における浄化システム１の動作について説明する。

作業者は、制御装置７の操作部（図示略）を操作して浄化システム１を稼動させ、超音波洗浄装置３の洗浄槽３１に、所定量（例えば、１００リットル）の洗浄水Ｗ１を入れるとともに、ホッパー２から所定量（例えば、１０ｋｇ）の汚染土壌Ｅ１を入れる。その後、制御装置７は土壌浄化処理を開始する。

詳しくは、洗浄工程において、制御装置７は、撹拌機３２に制御信号を出力することによりその撹拌機３２を回転させる。これにより、汚染土壌Ｅ１と洗浄水Ｗ１との混合物が撹拌され、洗浄水Ｗ１中に土壌粒子が分散される。次いで、制御装置７は、発振回路５４に制御信号を出力してその発振回路５４から発振信号を出力させる。この発振信号に基づいて超音波振動子３３が振動することにより、２０ｋＨｚの超音波１０が洗浄槽３１の混合物（泥水）に所定時間（具体的には１５分）照射される。これにより、その超音波１０が混合物中の土壌粒子に作用し、その超音波１０の振動エネルギーにより汚染土壌Ｅ１が洗浄される。その際、汚染土壌Ｅ１に含まれるＶＯＣが洗浄水Ｗ１側に抽出される。ここで、例えば、洗浄槽３１に入れた１０ｋｇの汚染土壌Ｅ１から洗浄水Ｗ１（１００Ｌ）に１５０ｍｇのトリクロロエチレン（ＴＣＥ）が抽出される。この場合、洗浄水Ｗ１のＴＣＥ濃度は、環境基準値（０．０３ｍｇ／Ｌ）の５０倍（１．５ｍｇ／Ｌ）になる。

続く、固液分離工程において、制御装置７は、供給ポンプ４３を駆動して超音波洗浄装置３の洗浄槽３１から固液分離装置４の分離槽４１に洗浄水Ｗ１を圧送する。固液分離装置４は、その洗浄水Ｗ１に含まれる土壌粒子と洗浄水Ｗ１とを分離し、分離された土壌Ｅ２を乾燥させた後、排出口４４から装置外部に排出する。なおここで、制御装置７は、前記供給ポンプ４３の駆動に先立ち流路切替用バルブ４６の流路を超音波洗浄装置３側に切り替える。これにより、固液分離装置４で分離された洗浄水Ｗ１（１００リットル）は、流路切替用バルブ４６を介して再び超音波洗浄装置３に戻される。

そして、超音波洗浄装置３では、ホッパー２から新たな汚染土壌Ｅ１が供給され、固液分離装置４から供給された洗浄水Ｗ１を用いてその汚染土壌Ｅ１の洗浄処理が行われる（濃縮工程）。すなわち、撹拌機３２により汚染土壌Ｅ１と洗浄水Ｗ１が撹拌されるとともに、超音波振動子３３から超音波が所定時間照射されて洗浄処理が行われる。さらに、洗浄処理の終了後、超音波洗浄装置３から固液分離装置４に洗浄水Ｗ１が圧送されて、固液分離装置４において土壌粒子と洗浄水Ｗ１とを分離する固液分離処理が行われる。

本実施の形態では、上記のような洗浄処理と固液分離処理とが２０回繰り返し実施されることで、洗浄水Ｗ１に含まれるＶＯＣ濃度が３０ｍｇ／Ｌに高められる。

続く、分解工程において、制御装置７は、流路切替用バルブ４６の流路を超音波分解装置５側に切り替えることにより、固液分離装置４の洗浄水Ｗ１を超音波分解装置５の分解槽５１（一次処理室５７）に供給する。またこのとき、制御装置７は、撹拌機６５に制御信号を出力してその撹拌機６５の撹拌部材６７を回転させて一次処理室５７の洗浄水Ｗ１を撹拌する。

そして、制御装置７は、発振回路５４に制御信号を出力してその発振回路５４から発振信号を出力させる。この発振信号に基づいて第１超音波振動子５２及び第２超音波振動子５３が振動することにより、５００ｋＨｚの超音波１０が所定時間（具体的には５時間）照射される。

ここで、第１超音波振動子５２の発生した超音波１０は、先ず第１超音波振動子５２から近い位置にある二次処理室５８内の洗浄水Ｗ１に伝達し、その洗浄水Ｗ１中を上方に進行する。その際にある程度音場が整えられる。二次処理室５８内の洗浄水Ｗ１を通過した超音波１０は、仕切り板５６を通過した後、さらに第１超音波振動子５２から遠い位置にある一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１に伝播する。つまり、二次処理室５８内の洗浄水Ｗ１は、第１超音波振動子５２の発生した超音波１０を一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１に伝播させる媒体として作用する。一次処理室５７内に伝播した超音波１０は、洗浄水Ｗ１中をさらに上方向に進行し、最終的には洗浄水Ｗ１の液面（洗浄水Ｗ１と空気層Ａ１との界面）で反射される。このため、液面近傍では定在波が発生する。

また、本実施の形態では、分解槽５１の側面に設けられた第２超音波振動子５３から一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１に向けて超音波１０が照射される。従って、一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１には、下方及び側方から直交するよう超音波１０が照射され、音場が多重化されることで定在波が増加する。その結果、ナノレベルからミクロンレベルのキャビテーションがより多く発生し、洗浄水Ｗ１中の広い範囲で高温・高圧の反応場が形成される。ＶＯＣは、疎水性、揮発性であるため、キャビテーション周辺（洗浄水Ｗ１と気泡との界面）に自発的に集まり、さらに揮発してキャビテーションの中に入り込む。その結果、高温・高圧の反応場の作用によってＶＯＣが熱分解され無害化される。具体例を挙げると、例えば、ＶＯＣがトリクロロエチレンやテトラクロロエチレンである場合には、塩素イオンと無害な炭化水素とが生成される。また、一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１は、キャビテーションの発生により脱気される。

この一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１は、続いて移送用配管６２を通過して二次処理室５８内に供給される。二次処理室５８は一次処理室５７の下方に位置しているため、とりわけポンプ等の圧送手段を用いなくても、洗浄水Ｗ１は重力の作用により移送用配管６２を介して自然に流下する。従って、この構成によれば二次処理室５８内への洗浄水Ｗ１の供給をスムーズに行うことができる。また、二次処理室５８には脱気された洗浄水Ｗ１が供給されるため、第１超音波振動子５２の発生した超音波１０を一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１に効率よく伝播させることができる。

また、この二次処理室５８内においても洗浄水Ｗ１には超音波１０が作用する。具体的には、第１超音波振動子５２の発生した超音波１０と第２超音波振動子５３の発生した超音波１０とが直交するよう照射されることにより、二次処理室５８内の洗浄水Ｗ１には音場が多重化される。この二次処理室５８では一次処理室５７ほど定在波が発生しないため、ＶＯＣの分解反応が起こるエリアも少ないと考えられる。しかし、二次処理室５８内に洗浄水Ｗ１を通じることにより、洗浄水Ｗ１に残存するＶＯＣが確実に分解され無害化される。

本実施の形態のように、分解槽５１の下方及び側方から直交するように超音波１０を照射して音場を多重化することにより、洗浄水Ｗ１に含まれるＶＯＣが効率よく短時間で分解される。その結果、洗浄水Ｗ１のＶＯＣ濃度を環境基準値（０．０３ｍｇ／Ｌ）以下に低減させることができる。

また、超音波分解装置５による分解処理の実施中には、超音波洗浄装置３による洗浄処理と固液分離装置４による固液分離処理とが併行して行われ、システム全体の処理効率が高める。

因みに、汚染土壌Ｅ１の密度が１．５ｋｇ／Ｌである場合、浄化システム１において、１回の洗浄処理で処理される１０ｋｇの汚染土壌Ｅ１は６．７Ｌ程度となる。また、１日では、１５分間の洗浄処理を９６回、５時間の分解処理を４．８回行うことが可能である。従って、浄化システム１を連続的に稼動させた場合、１００ｍ^３の汚染土壌Ｅ１を１６０日程度で浄化することが可能となる。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の浄化システム１では、特殊な薬剤などの添加物を用いることなく、超音波１０の照射のみで汚染土壌Ｅ１から抽出したＶＯＣを無害化することができる。さらに、洗浄した汚染土壌を再利用することができることから、環境負荷を低減することができる。また、この浄化システムでは、土壌粒子の洗浄処理とＶＯＣの分解処理とでそれぞれの処理に適した周波数の超音波１０を照射することができるので、短時間で効率よく土壌浄化処理を行うことができる。具体的には、図３の従来の浄化システム９１を用いる場合、１００ｍ^３の汚染土壌の浄化を行うためには２年程度の処理時間が必要となる。これに対して、本実施の形態の浄化システム１を用いる場合、処理時間を半年未満に短縮することができる。さらに、従来システムのような活性炭の廃棄処理も不要となる。従って、図３の従来システムと比較して、浄化システム１のランニングコストを１／５程度に低減することができる。

（２）本実施の形態の浄化システム１では、廃棄物を出さずに汚染土壌Ｅ１を完全に無害化することができる。また、土壌浄化処理中にＶＯＣが装置外部に漏れることがないクローズドシステムを構築することができ、ＶＯＣによる大気汚染の問題も生じることがない。

（３）本実施の形態の浄化システム１では、超音波１０を利用して土壌浄化処理を効率よく行うことができることから、各装置３，５を小型化して車両８に搭載可能な可搬式システムを実現することができる。従って、浄化システム１を搭載した車両８を工場跡地などに移動させることにより、汚染土壌Ｅ１の原位置処理を行うことが可能となる。

（４）本実施の形態の浄化システム１では、固液分離装置４により洗浄水Ｗ１と土壌粒子とを分離して、土壌粒子を取り除いた洗浄水Ｗ１を超音波分解装置５の分解槽５１に導入することができる。従って、超音波１０が分解槽５１内の洗浄水Ｗ１中に効率よく伝播してキャビテーションをより多く発生させることができ、ＶＯＣを確実に分解することができる。

（５）本実施の形態の浄化システム１では、固液分離装置４で分離された洗浄水Ｗ１を洗浄槽３１に戻して再利用することにより、洗浄水Ｗ１中のＶＯＣ濃度を高めることができる。これにより、超音波照射によるＶＯＣの分解を効率よく行うことができる。また、ＶＯＣの分解処理と並行して汚染土壌Ｅ１の洗浄処理を複数回行うことができるので、システム全体の処理効率を向上させることができる。つまり、分解処理に要する時間は洗浄処理に要する時間よりも長いため、洗浄処理を１回のみ行い分解処理が終わるまで洗浄処理を行わないとすると、超音波洗浄装置３の稼動効率が低下してしまう。しかしながら、本実施形態の浄化システム１では、分解処理の実施中でも繰り返し洗浄処理が行われるため、超音波洗浄装置３の稼動効率が向上し、結果的にシステム全体の処理効率の向上につながる。

（６）本実施の形態の浄化システム１では、分解槽５１から排水槽６に排出された洗浄水Ｗ１を洗浄槽３１に戻して洗浄水Ｗ１を再利用することにより、浄化システム１のランニングコストを低減することができる。特に、工場跡地などにおいて洗浄水Ｗ１を十分に確保できない場合でも、洗浄水Ｗ１を再利用することにより、汚染土壌Ｅ１の浄化処理を連続して行うことが可能となる。

（７）本実施の形態の超音波洗浄装置３では、超音波振動子３３を洗浄槽３１の底部の内面側ではなく外面側に設けているため、洗浄槽３１の内面側における凹凸が少なくなり、洗浄水Ｗ１中に超音波１０を均一に伝播させて土壌粒子を効率よく分散させることができる。

（８）本実施の形態の超音波分解装置５では、第１超音波振動子５２及び第２超音波振動子５３をいずれも分解槽５１の内面側ではなく外面側に設けているため、分解槽５１の内面側における凹凸が少なくなり、分解槽５１内の洗浄水Ｗ１中に超音波１０を均一に伝播させることができる。また、分解槽５１内の洗浄水Ｗ１に向けて下方及び側方から直交するよう超音波１０を照射することができ、超音波１０の重ね合わせによる相乗効果を確実に得ることができる。具体的には、超音波１０の単独照射ではキャビテーションが発生しなかった気泡核が、他の方向からの超音波照射によりキャビテーションの根源として利用される。従って、洗浄水Ｗ１中にキャビテーションをより多く発生させることができ、それらキャビテーションによって高温・高圧の反応場の領域が広くなるため、洗浄水Ｗ１に含まれるＶＯＣを効率よく短時間で分解することができる。

（９）本実施の形態の超音波分解装置５では、分解槽５１の一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１が撹拌機６５を用いて撹拌されるので、洗浄水Ｗ１に含まれるＶＯＣが均一化されてＶＯＣとキャビテーションとの反応頻度が高くなることに加え、ＶＯＣの反応に起因する有効なキャビテーションが増加する。よって、洗浄水Ｗ１に含まれるＶＯＣを効率よく短時間で分解することができる。また、例えば、撹拌機６５の代わりに一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１を循環させる循環ポンプを設けた場合でも、洗浄水Ｗ１に含まれるＶＯＣを効率よく短時間で分解することができる。

（１０）本実施の形態の超音波分解装置５では、分解槽５１内の洗浄水Ｗ１に向けて下方及び側方から５００ｋＨｚの超音波１０を同時照射するよう構成したので、超音波１０の多重化による相乗効果が増し、ＶＯＣの分解効率を高めることができる。また、第１超音波振動子５２及び第２超音波振動子５３の発振回路５４を共通化することができ、装置コストも抑えることができる。

（１１）本実施の形態の超音波分解装置５では、分解槽５１内を仕切って上下に区画する仕切り板５６を設け、その下側の領域を二次処理室５８として用い、その上側の領域を一次処理室５７として用いている。そして、主に一次処理室５７内において超音波照射によるＶＯＣの分解反応を促進させるとともに、併せて二次処理室５８内においても洗浄水Ｗ１に超音波１０を照射することにより、残存するＶＯＣを分解することができ、処理効率を向上させることができる。

（１２）本実施の形態の超音波分解装置５では、洗浄水Ｗ１が一次処理室５７内での超音波処理により脱気された後に二次処理室５８内に供給されるので、分解槽５１の下方から照射される超音波１０を一次処理室５７内の洗浄水Ｗ１に効率よく伝播させることができる。

（１３）本実施の形態の超音波分解装置５では、一次処理室５７及び二次処理室５８を連通する移送用配管６２が分解槽５１の外部に設けられている。この場合、その移送用配管６２を分解槽５１の内部に設ける場合と比較して、配管６２が超音波１０の伝播に障害にならないため、反応効率の高い好適な音場を形成しやすくなる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態の浄化システム１では、超音波洗浄装置３と超音波分解装置５とを接続する供給用配管４０の途中に、洗浄水Ｗ１と土壌粒子とを分離する固液分離装置４を備えるものであったが、これに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、固液分離装置４を省略した浄化システム８１として具体化してもよい。すなわち、この浄化システム８１では、超音波洗浄装置３と超音波分解装置５とが供給用配管４０を介して接続されており、その供給用配管４０の途中には供給ポンプ４３が設けられている。また、超音波洗浄装置３の洗浄槽３１内において供給用配管４０の始端となる位置に、洗浄水Ｗ１を濾過するための濾過体８２が設けられている。そして、供給ポンプ４３を駆動することにより、洗浄槽３１内の洗浄水Ｗ１が濾過体８２を通して供給用配管４０に流入する。その際、濾過体８２で洗浄水Ｗ１中の土壌粒子が除去され、その洗浄水Ｗ１が供給用配管４０を通して超音波分解装置５に供給される。このようにしても、土壌粒子を取り除いた洗浄水Ｗ１を超音波分解装置５の分解槽５１に導入することができる。従って、分解槽５１内の洗浄水Ｗ１中に超音波１０が効率よく伝播してキャビテーションをより多く発生させることができ、ＶＯＣを確実に分解することができる。

さらに、超音波洗浄装置３の洗浄槽３１には、底面の超音波振動子３３に加えて、側面にも超音波振動子３５が設けられている。従って、洗浄槽３１内の泥水に向けて下方及び側方から直交するよう超音波１０が照射され、音場が多重化されることで汚染土壌Ｅ１が効率よく洗浄される。

このように浄化システム８１を構成しても、上記実施の形態と同様に、特殊な薬剤などの添加物を用いることなく、汚染土壌Ｅ１から抽出したＶＯＣを無害化することができ、洗浄した汚染土壌を再利用することができる。また、この浄化システム８１でも、土壌粒子の洗浄処理とＶＯＣの分解処理とでそれぞれの処理に適した周波数の超音波１０を照射することができるので、短時間で効率よく土壌浄化処理を行うことができる。

・上記実施の形態の浄化システム１において、排水槽６を省略し、分解槽５１から排出された洗浄水Ｗ１を洗浄槽３１に戻すよう構成してもよい。勿論、分解槽５１から排出された洗浄水Ｗ１を下水道に排水するよう構成してもよい。また、洗浄水Ｗ１を洗浄槽３１に戻すための循環用配管４７，６８や流路切替用バルブ４６，７０を省略してもよい。

・上記実施の形態の超音波分解装置５では、分解槽５１の底面及び側面に第１及び第２超音波振動子５２，５３を設け、下方及び側方から直交するよう超音波１０を照射するものであったが、この構成に限定されるものではない。具体的には、例えば、分解槽５１の底部に、対向する第１及び第２の傾斜面（テーパ面）を形成し、その第１の傾斜面外側に第１超音波振動子５２を設け、第２の傾斜面外側に第２超音波振動子５３を設ける。このように構成しても、分解槽５１内の洗浄水Ｗ１に向けて超音波１０を複数方向から照射することができ、各超音波１０の重ね合わせによる相乗効果を得ることができる。

・上記実施の形態の超音波分解装置５では、分解槽５１を仕切り板５６により一次処理室５７及び二次処理室５８に区画し、一次処理室５７内及び二次処理室５８内で洗浄水Ｗ１のＶＯＣを分解するよう構成したが、これに限定されるものではない。例えば、仕切り板５６より上側の領域のみをＶＯＣを分解する処理室として利用してもよい。なおこの場合、仕切り板５６より下側の領域には、超音波１０の伝播効率を高めるために脱気した水を充填する。勿論。仕切り板５６により２つの処理室５７，５８に区画する必要はなく、仕切り板５６を設けない分解槽５１としてもよい。

・上記実施の形態の超音波分解装置５では、水平に設けられた仕切り板５６によって分解槽５１内を上下に区画していたが、垂直に設けられた仕切り板５６によって分解槽５１内を左右に区画してもよい。

・上記実施の形態の超音波分解装置５では、第１及び第２超音波振動子５２，５３から５００ｋＨｚの超音波１０を照射する構成であったが、この周波数に限定するものではない。具体的には、例えば、４００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数域であれば、第１及び第２超音波振動子５２，５３から異なる周波数の超音波１０を照射しても、十分な分解効率を得ることができる。また、２００ｋＨｚや６００ｋＨｚの周波数を照射する場合でも、４００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの場合よりも分解効率は多少劣るが、単独照射の場合よりも相乗効果を得ることができる。従って、２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの周波数域の超音波１０を第１及び第２超音波振動子５２，５３から照射するよう構成してもよい。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置３では、超音波振動子３３から２０ｋＨｚの超音波１０を照射するものであったが、この周波数に限定されるものではない。例えば、汚染土壌Ｅ１の粒子サイズに応じて、この超音波１０の周波数は適宜変更することができる。ただし、超音波１０の周波数は、高すぎると洗浄効率が低下するため、１００ｋＨｚ未満とするのが好ましい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記各装置が車両に搭載されることを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム。

（２）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記分解装置は、前記洗浄水に向けて第１の方向から超音波を照射する第１超音波振動子と、前記第１の方向からの超音波に重なるようにその第１の方向とは異なる第２の方向から前記洗浄水に向けて超音波を照射する第２超音波振動子とを有することを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム。

（３）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記分解槽内を前記第１超音波振動子から遠い一次処理室と前記第１超音波振動子から近い二次処理室とに区画する仕切り部材と、一次処理室及び二次処理室を連通させる通路とを備え、前記一次処理室内には、超音波照射により分解されるべき被処理液体が最初に供給可能であり、前記二次処理室内には、前記一次処理室を通過した前記被処理液体が前記通路を介して供給可能であることを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム。

本発明を具体化した一実施の形態の汚染土壌の浄化システムを示す概略構成図。 別の実施形態の汚染土壌の浄化システムを示す概略構成図。 従来の汚染土壌の浄化システムを示す概略構成図。

符号の説明

１…揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム
３…超音波洗浄装置
４…固液分離装置
５…超音波分解装置
１０…超音波
３１…洗浄槽
４０…供給通路としての供給用配管
４７，６８…通路としての循環用配管
５１…分解槽
６９…液体圧送手段としてのポンプ
Ｅ１…汚染土壌
Ｗ１…洗浄水

Claims (2)

1. 揮発性有機化合物を含む汚染土壌と洗浄水との混合物を入れる洗浄槽を有し、前記混合物中に１００ｋＨｚ未満の超音波を照射して汚染土壌を洗浄することにより、汚染土壌側から洗浄水側に揮発性有機化合物を抽出する超音波洗浄装置と、
   前記超音波洗浄装置から排出される洗浄水を入れる分解槽を有し、前記洗浄水中に１００ｋＨｚ以上の超音波を照射することにより、揮発性有機化合物を分解して無害化する超音波分解装置と、
   前記超音波洗浄装置から前記超音波分解装置に洗浄水を供給する供給通路の途中に設けられ、前記洗浄水に含まれる土壌粒子と洗浄水とを分離する濾過体通過方式の固液分離装置と、
   前記固液分離装置の下流側にて前記供給通路から分岐し、前記固液分離装置で分離された洗浄水を前記洗浄槽に戻すための通路と、
   前記供給通路において前記固液分離装置の上流側に設けられた液体圧送手段と、
   前記供給通路上において前記通路が分岐する位置に設けられ、前記洗浄水の流路を超音波洗浄装置側または超音波分解装置側に切り替える流路切替用バルブと、
   前記液体圧送手段及び前記流路切替用バルブを制御する制御装置と
   を備え、前記制御装置は、予め設定した複数回分だけ洗浄処理及び固液分離を行った後、前記流路切替用バルブにより前記洗浄水の流路を前記超音波分解装置側に切り替えて前記洗浄水を前記超音波分解装置側に供給するように制御する
   ことを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化システム。
2. 請求項１に記載のシステムを用いた浄化方法であって、
   揮発性有機化合物を含む汚染土壌と洗浄水との混合物中に１００ｋＨｚ未満の超音波を照射して汚染土壌を洗浄することにより、汚染土壌側から洗浄水側に揮発性有機化合物を抽出する洗浄工程と、
   前記洗浄工程にて排出される前記洗浄水に含まれる土壌粒子と洗浄水とを分離する固液分離工程と、
   前記固液分離工程にて分離された洗浄水の少なくとも一部を前記洗浄工程にて再利用することにより、前記洗浄水に含まれる揮発性有機化合物の濃度を高める濃縮工程と、
   前記揮発性有機化合物が濃縮された洗浄水中に１００ｋＨｚ以上の超音波を照射することにより、揮発性有機化合物を分解して無害化する分解工程と
   を含むことを特徴とする揮発性有機化合物汚染土壌の浄化方法。

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