JP5808632B2 - 地下水中の揮発性物質の除去システム及び除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下水中の揮発性物質の除去システム及び除去方法に関し、特に地下水中の揮発性物質を原位置で酸化処理によって除去するシステムに関する。

トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン等の有機塩素系化合物、あるいはベンゼン等の炭化水素系化合物は土壌及び地下水汚染の原因物質として対策が求められている。これらの化合物は揮発性を有することから揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、以下、ＶＯＣという場合がある。）とも呼ばれる。土壌、特に地下水からＶＯＣを原位置（ｉｎ ｓｉｔｕ）で除去する方法として、過硫酸塩を酸化剤として地下水に注入する方法が知られている（特許文献１）。この方法によれば、ＶＯＣを含有する地下水は注入された過硫酸塩によって分解処理される。ＶＯＣの分解効率は地下水の温度と相関関係があり、地下水の温度が高いほど分解反応が促進され、ＶＯＣが効率的に除去される（非特許文献１）。

特許第４４０５６９２号明細書

クン−チャン ハン(Kun-Chang Huang)他、「加熱活性化した過硫酸塩の酸化作用による揮発性有機化合物の劣化」(Degradation of volatile organic compounds with thermally activated persulfate oxidation)、Chemosphere、２００５年、６１巻、５５１〜５６０頁

地下水を加熱するためには、地下水位より深い位置まで設けた井戸にヒータを設置する方法や、井戸から温水、蒸気等を拡散させる方法が考えられるが、動力費（電気、石油等）が莫大であり、エネルギーの有効利用の観点から改善の余地がある。

本発明は、エネルギーの有効利用を図ることのできる地下水中の揮発性物質の除去システム及び除去方法を提供することを目的とする。

本発明による地下水中の揮発性物質の除去システムは、揮発性物質を含有する地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で地下水が連通可能な酸化剤注入井戸に、酸化剤を注入する酸化剤注入装置と、酸化剤注入井戸の近傍で地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で地下水が連通可能な熱交換井戸に一部が設けられ、熱交換井戸内の地下水と一部で接触し、内部を媒体が循環する媒体循環配管と、地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で地下水が連通可能な揚水井戸に設置され、地下水を揚水することによって酸化剤注入井戸から揚水井戸に向けて地下水を拡散させる揚水ポンプと、媒体循環配管内の媒体を加熱するヒートポンプと、を有している。ヒートポンプは、揚水ポンプで揚水された地下水を熱源として利用する。

本発明による地下水中の揮発性物質の除去方法は、揮発性物質を含有する地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で地下水が連通可能な酸化剤注入井戸に、酸化剤を注入することと、酸化剤注入井戸の近傍で地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で地下水が連通可能な熱交換井戸に、内部に媒体を保持する媒体循環配管の一部を、媒体循環配管の熱交換井戸の内部に位置する部分の少なくとも一部が地下水に接触するように設けることと、地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で地下水が連通可能な揚水井戸に設けられた揚水ポンプで地下水を揚水することによって、酸化剤注入井戸から揚水井戸に向けて地下水を拡散させることと、媒体をヒートポンプで加熱し、加熱された媒体を媒体循環配管の内部で循環させることと、を有している。ヒートポンプは、揚水ポンプで揚水された地下水を熱源として媒体を加熱する。

ヒートポンプはヒータなどの加熱装置と比べエネルギー効率が高いため、エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明によれば、エネルギーの有効利用を図ることのできる地下水中の揮発性物質の除去システム及び除去方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る地下水中の揮発性物質の除去システムの概略構成図である。 井戸の概略断面図である。 ヒートポンプの概略構成図である。 曝気装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る地下水中の揮発性物質の除去システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、地下水中の揮発性物質の除去システム１の概略構成を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は、断面図である。

除去システム１は、酸化剤注入井戸３ａ、熱交換井戸３ｂ及び揚水井戸３ｃの３種類の井戸と組み合わせて用いられる。これらの井戸３は、ＶＯＣの除去を必要とするエリアに２次元状に配置される。図１（ａ）を参照すると、酸化剤注入井戸３ａと揚水井戸３ｃは交互に一定間隔で、全体として格子状に配置されている。熱交換井戸３ｂは、酸化剤注入井戸３ａと揚水井戸３ｃの近傍、具体的にはこれらの井戸がなす列の間に複数個配置されている。酸化剤注入井戸３ａはＶＯＣを分解する酸化剤の注入に用いられ、揚水井戸３ｃは、内部に配置された揚水ポンプ２で地下水を揚水することによって、地下水の拡散を促進する。酸化剤注入井戸３ａから注入された酸化剤は、酸化剤注入井戸３ａと揚水井戸３ｃに付した矢印のように、主として揚水井戸３ｃの方向に移動し、対象エリア全域に拡散する。熱交換井戸３ｂは対象エリアの地下水を加温し、酸化剤による酸化作用を促進するために設けられている。

これらの井戸３の配置パターンは図１（ａ）の例に限定されず、酸化剤が均等に拡散し、かつ酸化剤を含んだ地下水をできるだけ均等に加温することが可能な任意の配置パターンを採用することができる。

図２にこれらの井戸３の概略断面を示す。井戸３の構成は、内部に設置される設備に応じて内径が異なる場合があるが、酸化剤注入井戸３ａ、熱交換井戸３ｂ及び揚水井戸３ｃとも基本的に同一である。いずれの井戸３ａ〜３ｃも、揮発性物質を含有する地下水の水位（帯水層３５の水位）より深く掘削され、周囲の地盤との間で地下水が連通可能である。井戸３は、ボーリングによって地盤に縦坑３１を設け、その内側に概ね中空円筒形のケーシング３２を設けることによって形成される。ケーシング３２はステンレス鋼、鉄鋼、塩ビ等より形成され、ケーシング３２の側壁は、地下水の連通を可能とするため、多数の貫通孔３３を有している。縦坑３１の内壁とケーシング３２の側壁との空間は、ケーシング３２の固定および地下水の連通を促進するため、砂利、砕石、硅砂３４等が充填されている。ケーシング３２内部の水位は周囲の帯水層３５の水位ＷＬとほぼ一致している。ケーシング３２の帯水層３５より上方の側壁はセメントなどの遮水構造とすることもできる。

除去システム１は、酸化剤注入井戸３ａに酸化剤を注入する酸化剤注入装置４を有している。図１（ａ）では、一つの酸化剤注入井戸３ａだけが酸化剤注入装置４と接続されているが、全ての酸化剤注入井戸３ａが酸化剤注入装置４と接続されている。酸化剤としては、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩が好適に用いられる。過硫酸塩は無色透明であるため、地下水に注入しても変色などの問題が生じない。酸化剤は、酸化剤が溶解した酸化剤溶液の状態で、酸化剤注入井戸３ａの帯水層３５中に設けられたノズル（図示せず）から酸化剤注入井戸３ａの内部空間に供給される。酸化剤はケーシング３２の貫通孔３３を通って、酸化剤注入井戸３ａの外部の帯水層３５に拡散し、帯水層３５に含まれているＶＯＣを分解処理する。

酸化剤の溶剤としては、後述する曝気装置１０を通過した地下水の一部または全部を利用することができる。曝気装置１０を通過した地下水はＶＯＣがほぼ除去されているため、再度地下に戻しても問題はない。地下水以外の水を溶剤の一部として用いてもよく、溶剤の全てを地下水以外の水としてもよい。

除去システム１は、内部に媒体を保持する媒体循環配管５を有している。媒体循環配管５にはポンプ２４が設けられ、内部を媒体が循環するようにされている。媒体循環配管５の一部は熱交換井戸３ｂに挿入され、熱交換井戸３ｂの内部に位置する部分の少なくとも一部が地下水に接触している。図１（ｂ）に示すように、媒体循環配管５は閉ループの配管であり、いくつかの熱交換井戸３ｂを順次通るように構成されている。媒体循環配管５は、熱交換井戸３ｂの底部でＵ字部をなし、地上部では、ヒートポンプ６と熱的に接続されている。媒体循環配管５の媒体としては、グリコール系や有機酸塩系の不凍液を用いることができる。

除去システム１は、媒体循環配管５に熱的に接続され、媒体循環配管５内の媒体を加熱するヒートポンプ６を有している。ヒートポンプ６は、媒体循環配管５を循環する媒体を加熱するための熱源として、揚水ポンプ２で揚水された地下水を利用する。媒体は、ヒートポンプ６によって、地下水の温度（一般的に年間を通して１５〜１７℃の間にある）よりも高温となるまで加熱され、加熱された媒体は、熱交換井戸３ｂ内の地下水を加熱する。地下水を加温した媒体はヒートポンプ６に戻り、再び加熱される。ヒートポンプ６はそれ自体エネルギー効率が高く、電熱ヒータ、ボイラ等を用いた従来の加熱装置と比べて、低いエネルギーで地下水の加温を行うことができる。

過硫酸塩は高温環境下でＶＯＣの酸化作用が向上することが知られている。上述の非特許文献１によれば、２０℃、３０℃、４０℃での除去率は、トリクロロエチレンの場合それぞれ２１．８％，６１．８％，７９．６％、テトラクロロエチレンの場合それぞれ２４．３％，５９．３％，７４．９％、ベンゼンの場合それぞれ３４．０％，８０．７％，９４．３％であり、わずか１０度から２０度の上昇で除去率は大幅に向上する。

図３は、ヒートポンプ６の概略構成図である。ヒートポンプ６は本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。ヒートポンプ６は、アンモニア、二酸化炭素、フロン類やＲ４１０Ａを始めとする代替フロン類などの冷媒を蒸発させる蒸発器６ａと、冷媒を圧縮するコンプレッサ６ｂと、冷媒を凝縮させる凝縮器６ｃと、冷媒を膨張させる膨張弁６ｄ、とを備え、これらの要素がこの順で閉ループ６ｅ上に配置されている。冷媒は、閉ループ６ｅ内を循環しながら、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。凝縮器６ｃと媒体循環配管５との隣接部は熱交換部７を形成しており、蒸発器６ａと配管２２との隣接部は熱交換部９を形成している。蒸発器６ａで冷媒が蒸発した際の気化熱によって、熱交換部９を介して、配管２２を流れる地下水から熱ＱＣが奪われる。蒸発した冷媒はコンプレッサ６ｂで圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器６ｃに送られる。凝縮の際に放出された凝縮熱ＱＨが熱交換部７を介して媒体循環配管５を流れる媒体に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁６ｄを通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ６の１サイクルの運転の間に、熱源８からの吸熱と配管２２内の地下水の加熱が行われる。

ヒートポンプ６によって加熱できる地下水温度の上限は特にない。

ヒートポンプ６は蒸気圧縮式に加えて、熱電子式、化学式、吸着式または吸収式のヒートポンプ６を用いることも可能である。

揚水ポンプ２は、揮発性物質を含有する地下水を揚水するため揚水井戸３ｃの内部に設置され、配管２２に接続されている。図１（ａ）では、一つの揚水ポンプ２だけが配管２２と接続されているが、全ての揚水ポンプ２が配管２２と接続されており、各配管２２はヒートポンプ６の上流側で合流している。揚水ポンプ２はケーシング３２内部の地下水位よりも下方の位置に設置される。揚水ポンプ２は、地下水を揚水することによって酸化剤注入井戸３ａから揚水井戸３ｃに向けて地下水を拡散させる。

除去システム１は、ヒートポンプ６で熱交換した地下水に空気を接触させることによって地下水に含有されている揮発性物質を空気に移行させる曝気装置１０を有している。図４に、２種類の曝気装置１０ａ，１０ｂの概略構成図を示す。

図４（ａ）に示す曝気装置１０ａは、充填塔１１と、充填塔１１に空気を供給する送風機（ブロア）１２と、を有している。充填塔１１の上部からスプレイノズル１３によって地下水が噴霧される。充填塔１１の内部には充填層１４が設けられており、地下水は充填層１４の表面に薄い被膜となって保持される。充填塔１１の下部から送風機１２によって空気が供給される。被膜状態の地下水は下方から上方に吹き上げられる空気(白抜き矢印で示す）と接触し、ＶＯＣは空気に移行する。ＶＯＣを除去された地下水は充填塔１１の底部１４ａに滞留し、ポンプ１５によって充填塔１１から排出される。ＶＯＣを吸収した空気は充填塔１１の上部から排出される。排出された空気は、活性炭が充填された活性炭処理装置１７に送られ、ＶＯＣが活性炭に吸着される。

図４（ｂ）に示す曝気装置１０ｂは、本体容器１９と、本体容器１９に空気を供給する送風機（ブロア）１２と、を有している。本体容器１９の内部には、多数の平面状のトレイ２０が配置されている。各トレイ２０上には、トレイ２０の底面に保持された側壁によって、２次元状に延びる流路（図示せず）が形成されている。地下水は本体容器１９の上部から最上段のトレイ２０に供給され、最上段のトレイ２０上の流路に沿って流れる。最上段のトレイ２０の出口に達した地下水は一つ下のトレイ２０に落下し、同様にしてトレイ２０上の流路に沿って流れる。このようにして、地下水は最上段のトレイ２０から最下段のトレイ２０へと流れ、最終的に本体容器１９の底部１９ａに滞留し、ポンプ１５によって本体容器１９から排出される。

一方、各トレイ２０の底面には多数の曝気孔２１が形成されており、送風機１２によって下方から上方に吹き上げられる空気(白抜き矢印で示す）は、曝気孔２１を通ってトレイ２０の流路に進入する。この際、各トレイ２０に進入した空気はトレイ２０の流路を流れる地下水と気液接触し、ＶＯＣは空気に移行する。このようにして、空気は各トレイ２０を流れる地下水と気液接触してＶＯＣを吸収しながら、最下段のトレイ２０から最上段のトレイ２０まで上昇し、最終的に本体容器１９の上部から排出される。排出された空気は、活性炭が充填された活性炭処理装置１７に送られ、ＶＯＣが活性炭に吸着される。

地下水に含まれるＶＯＣは酸化剤を地下水に注入することにより、地下で（原位置で）分解処理される。しかし、ＶＯＣの全量を分解処理することは困難な場合があり、特に、分解処理を開始してしばらくの間は多くのＶＯＣが地下水に残存している。このため、揚水された地下水はＶＯＣを含んでいる場合がある。曝気装置１０は原位置でのＶＯＣ分解処理のバックアップ装置として、地下で処理されずに地上に回収されたＶＯＣを地下水から分離する。曝気装置１０は、地下水の汚染状態、酸化剤の注入量等に応じて省略することができる。

ヒートポンプ６の熱源８としては、揚水された地下水以外（熱源１）にも様々なものが利用可能である。図５を参照すると、一例では、曝気装置１０を通過し加熱された地下水を熱源８として利用することができる（熱源２）。媒体循環配管５を介してヒートポンプ６で加熱され曝気装置１０を通過した地下水は、曝気装置１０で多少温度が低下するものの、依然として高温状態にある場合がある。曝気装置１０を通過した地下水は地下水の加熱源として有効に利用することができる。従来は曝気装置１０で処理された地下水はそのまま下水などに排出されていたが、ヒートポンプ６で熱回収することにより、エネルギーの有効利用を図ることができる。

送風機１２から供給され地下水に接触した後の空気をヒートポンプ６の熱源８として利用することもできる（熱源３）。送風機１２から供給される空気はモータの発熱等によって加熱されるため、曝気装置１０を出た排ガスは高温状態にあり、地下水の加熱源として有効に利用することができる。曝気装置１０と活性炭処理装置１７とを結ぶ配管２３の一部をヒートポンプ６と熱的に接触させることによって、排ガスのエネルギーを利用することができる。

ヒートポンプ６は大気を熱源８として利用することもできる（熱源４）。夏季などには外気温が３０〜３５℃に達することがあるため、地下水の加熱源として有効に利用することができる。ヒートポンプ６の冷媒の吸熱側配管をコイル状に形成し、コイル状の部分を直接外気に曝すことによって効率的に大気の熱エネルギーを回収することができる。熱源８として利用された空気は冷却用に再利用することもできる。

ヒートポンプ６は温排水を熱源８として利用することもできる（熱源５）。温排水の供給源は特に限定されないが、工場、発電所等が隣接している場合、これらの設備で発生した温排水を利用することができる。

以上述べた各実施形態は、任意のパターンで組み合わせることができる。例えば、揚水された地下水（熱源１）と送風機１２から出た排ガス（熱源３）、曝気装置１０を通過した地下水（熱源２）と送風機１２から出た排ガス（熱源３）は、同時にヒートポンプ６の熱源として用いることができる。これらの熱源８とヒートポンプ６の冷媒との熱交換部９は直列に設けてもよいし並列に設けてもよい。また、大気や温排水を熱源とする場合（熱源４，５）、切り替え装置（図示せず）を設け、外気温や温排水の供給状況によって、熱源として使用するモードと使用しないモードとを切り替えてもよい。

１ 地下水中の揮発性物質の除去システム
２ 揚水ポンプ
３ａ 酸化剤注入井戸
３ｂ 熱交換井戸
３ｃ 揚水井戸
４ 酸化剤注入装置
５ 媒体循環配管
１０ 曝気装置

Claims (8)

1. 揮発性物質を含有する地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で前記地下水が連通可能な酸化剤注入井戸に、酸化剤を注入する酸化剤注入装置と、
   前記酸化剤注入井戸の近傍で前記地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で前記地下水が連通可能な熱交換井戸に一部が設けられ、前記熱交換井戸内の前記地下水と一部で接触し、内部を媒体が循環する媒体循環配管と、
   前記地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で前記地下水が連通可能な揚水井戸に設置され、前記地下水を揚水することによって前記酸化剤注入井戸から前記揚水井戸に向けて前記地下水を拡散させる揚水ポンプと、
   前記媒体循環配管内の前記媒体を加熱するヒートポンプと、
   を有し、前記ヒートポンプは、前記揚水ポンプで揚水された前記地下水を熱源として利用する、地下水中の揮発性物質の除去システム。
2. 前記ヒートポンプで熱交換した前記地下水に空気を接触させることによって前記地下水に含有されている前記揮発性物質を前記空気に移行させる曝気装置を有する、請求項１に記載の除去システム。
3. 前記ヒートポンプは前記曝気装置を通過した後の前記地下水を熱源として利用する、請求項２に記載の除去システム。
4. 前記曝気装置は前記空気を供給する送風機を有し、前記ヒートポンプは、前記送風機から供給され前記地下水に接触した後の前記空気を熱源として利用する、請求項２または３に記載の除去システム。
5. 前記酸化剤注入装置は、前記曝気装置を通過した前記地下水の少なくとも一部に前記酸化剤を溶解した酸化剤溶液を前記酸化剤注入井戸に注入する、請求項２から４のいずれか１項に記載の除去システム。
6. 前記ヒートポンプは大気を熱源として利用する、請求項１から５のいずれか１項に記載の除去システム。
7. 前記ヒートポンプは温排水を熱源として利用する、請求項１から６のいずれか１項に記載の除去システム。
8. 揮発性物質を含有する地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で前記地下水が連通可能な酸化剤注入井戸に、酸化剤を注入することと、
   前記酸化剤注入井戸の近傍で前記地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で前記地下水が連通可能な熱交換井戸に、内部に媒体を保持する媒体循環配管の一部を、該媒体循環配管の前記熱交換井戸の内部に位置する部分の少なくとも一部が前記地下水に接触するように設けることと、
   前記地下水の水位より深く掘削され周囲の地盤との間で前記地下水が連通可能な揚水井戸に設けられた揚水ポンプで前記地下水を揚水することによって、前記酸化剤注入井戸から前記揚水井戸に向けて前記地下水を拡散させることと、
   前記媒体をヒートポンプで加熱し、加熱された前記媒体を前記媒体循環配管の内部で循環させることと、
   を有し、前記ヒートポンプは、前記揚水ポンプで揚水された前記地下水を熱源として前記媒体を加熱する、地下水中の揮発性物質の除去方法。

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