JP6010636B2 - マイクロ／ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法及びシステム - Google Patents
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Description
本発明は、汚染地下水を修復する技術分野に属し、特に、マイクロ/ナノバブルにより、地下水を原位置（元の位置）で修復する方法及びシステムに関する。
環境と発展は、現在の国際社会で広く注目されている重大な課題である。持続可能な発展を実現するために、環境保護と発展は両立しなければならない。地下水は世界の水資源の重要な構成部分として、特に地表水が深刻に汚染された状況にある中国では、経済と社会の発展に極めて重要な役割を担っている。最近、社会経済の急速的な発展に伴う産業廃棄物の大量発生のため、グローバル的な環境汚染問題が一層深刻になり、その中、石油化学産業は重要な汚染源のひとつである。現在、中国の地下水質の劣化傾向が著しく、多くの地域の地下水は有害有機物に汚染されている状況にある。中国の「第十二回の五カ年計画」には、「環境保護の強化」及び「土壌汚染等、国民の健康を害する突出した環境問題」の解決、「地下水汚染の防止措置の強化」が提案された。2011年10月に発行された「全国地下水汚染防止措置計画（2011〜2020年）」には「基本的地下水の水質劣化傾向をくいとめる」、「重点産業業種の地下水環境に対する監視管理を強化する」、「計画的に地下水汚染に対する修復を加速度的に推進する」ことが提案された。経済的且つ省エネで効果的に汚染地下水を修復する革新的な技術の開発と応用は、国民経済と社会の持続可能な発展のための重要な課題である。
汚染地下水を原位置で修復する技術は、コストが低く、環境への攪乱が小さいため、急速に発展を遂げ、地下水汚染を修復する主流技術である。自然減衰法とバイオスパージングは、有機汚染された地下水を原位置で修復する一般的な技術であり、大規模で、低汚染濃度の汚染サイト修復に適する。自然減衰法とは、適切な条件下で、自然界に存在する生物、化学、物理過程を利用し、生物分解、希釈、分散作用、吸着や吸収、揮発と化学転換等を含み、土壌と地下水における汚染物の含有量、毒性、移動性を低減させる方法である。自然減衰法は、揮発性と半揮発性の石油系炭化水素、有機ハロゲン化合物による汚染土壌と地下水を効果的に浄化することができ、汚染濃度の低い場合における一般的な原位置で修復技術である。効果的な自然減衰は、強化修復技術の代わりに利用できるため、修復コストの節約を可能にする。自然減衰法は、長期にわたりモニタリングして、汚染サイトの自然分解傾向と進捗状況を把握する必要がある。過去の研究成果によれば、サイトの自然分解能力が環境条件に強く依存し、酸素供給条件の不良のため、電子受容体は微生物分解反応に必要な量を確保できない場合が多く、好気性微生物の分解作用が抑制され、反応速度が緩慢になることが明らかにされている。バイオスパージングは、真空又は加圧によって、汚染された土壌を曝気し、土壌中の酸素濃度を増加させることによって、好気性微生物の活性を向上させ、土壌における汚染物の分解効率を向上させる。ところが、バイオスパージングの過程においては、空気は帯水層においてマイクロチャンネルや直径ミリメートル/センチメートルオーダーの独立気泡形態で移動するため、その影響範囲が小さく、酸素供給の効率が悪く、好気性微生物の分解能力が十分に発揮されないため、修復作用が限られている。
曝気の効率を向上させるために、気泡の直径を低減させることにより、水中における気相の停滞時間を増加させることは、主な研究方向のひとつである。１９８０年代以降、ＯＨＲ方式（Original Hydrodynamic Reaction)で微細バブルを発生させることが一度注目されたが、発生する気泡の直径はまだミリメートルオーダーであった。９０年代中期頃、気泡発生技術は飛躍的に向上し、気泡直径はマイクロメートルオーダーに達し、商品となる市販装置が世に出た。マイクロ/ナノバブルとは、水中におけるマイクロメートルとナノオーダーの気泡の総称であり、その直径は一般的に６０μｍ未満であり、マイクロバブルの直径は１〜６０μｍの間であり、ナノバブルの直径は２００ｎｍ以下である。現在、水中におけるマイクロ/ナノバブル発生技術は既に完成されている。水中においてミリメートル/センチメートルオーダーのマクロバブルは浮力の作用で迅速的に上昇し、水の表面で破裂する。これに対して、マイクロ/ナノバブルは直径が小さいので、粘性力と浮力の作用で上昇速度が遅く、水中における停滞時間が長く、ナノバブルが水において数ヶ月停滞することができる。このため、マイクロ/ナノバブルは地下水に伴い移動することができ、普通のバブルより遷移影響の範囲が大幅に増加する。水気界面張力の作用により気泡の内圧が大きくなり、それに伴う高い溶解能力は、水中に高い含有量の溶存酸素を提供することができる。同時に、マイクロ/ナノバブルの気液界面にマイナスイオンを帯び、特定の汚染物と互いに作用することができ、マイクロ/ナノバブルが破裂する時に生じるラジカルと振動波も、汚染物質の除去に寄与することができる。
本発明は、マイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法及びシステムを提供し、異なる水文地質環境条件と、異なる有機汚染サイトにおいて原位置で汚染地下水を修復しながら、修復の過程における汚染物の濃度、微生物群集と数量、温度、ｐＨ値、酸化還元電位等のパラメーターを監視し分析して、関連科学研究に実験データを提供することが可能である。
本発明に記載されたマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法は、以下のステップを含む。
（１）地下水が有機汚染物質により汚染された領域の上流位置に、地上と連通する１つまたは複数の注水井を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置を注水井内にセットし、ソーラー発電装置または蓄電池により電力を供給し、地上にある遠隔無線通信装置と連結し、遠隔監視と制御を実現するステップと、
（２）空気と水は、マイクロ/ナノバブル発生装置によりマイクロ/ナノバブル水の形態で地下水システムに進入し、マイクロ/ナノバブルが地下水の流れに従い移流拡散して、直接的に有機汚染物質を分解し、または、微生物に電子受容体を持続的に供給することにより、有機汚染物質の分解と除去を促進するステップと、
（３）汚染領域において、異なる位置で地上と連通する複数の監視井を設置し、監視井を利用し、有機汚染物質を除去する過程における各パラメーターをリアルタイムで監視と分析し、その分析結果に基き、マイクロ/ナノバブルの発生時間、進水量と吸気量を遠隔で調整するステップ。
（１）地下水が有機汚染物質により汚染された領域の上流位置に、地上と連通する１つまたは複数の注水井を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置を注水井内にセットし、ソーラー発電装置または蓄電池により電力を供給し、地上にある遠隔無線通信装置と連結し、遠隔監視と制御を実現するステップと、
（２）空気と水は、マイクロ/ナノバブル発生装置によりマイクロ/ナノバブル水の形態で地下水システムに進入し、マイクロ/ナノバブルが地下水の流れに従い移流拡散して、直接的に有機汚染物質を分解し、または、微生物に電子受容体を持続的に供給することにより、有機汚染物質の分解と除去を促進するステップと、
（３）汚染領域において、異なる位置で地上と連通する複数の監視井を設置し、監視井を利用し、有機汚染物質を除去する過程における各パラメーターをリアルタイムで監視と分析し、その分析結果に基き、マイクロ/ナノバブルの発生時間、進水量と吸気量を遠隔で調整するステップ。
前記マイクロ/ナノバブルの大きさは１００ｎｍ〜０.２ｍｍである。
前記１つの注水井の効果的な修復の汚染領域の最大範囲は５００ｍを超えず、前記有機汚染物質の濃度は５０００ｐｐｍを超えない。
本発明が提供する、前記方法を利用するマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復するシステムの技術方案は以下の通りである。地下水が有機汚染物質により汚染された領域の上流位置に、１つまたは複数の注水井を設置し、汚染領域の上方において、位置が異なる複数の監視井を設置し、注水井の地下水面の下方において、マイクロ/ナノバブル発生装置を設置し、地上にソーラー発電装置を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置とソーラー発電装置との間に電源線で接続され、マイクロ/ナノバブル発生装置の上面に進水口と進気管をセットし、進気管の先端は地下水面より高く、マイクロ/ナノバブル発生装置の底面にマイクロ/ナノバブル水の出口をセットし、マイクロ/ナノバブル発生装置に無線通信装置をセットし、各々の監視井内に水質監視センサーをそれぞれセットする。
前記マイクロ/ナノバブル発生装置は、進水量と出水量が１Ｌ/ｍｉｎ〜１０Ｌ/ｍｉｎであり、進気量が０.０２５Ｌ/ｍｉｎ〜０.２５Ｌ/ｍｉｎであり、発生するマイクロ/ナノバブルの大きさが１００ｎｍ〜０.２ｍｍである。
マイクロ/ナノバブルが有機汚染物質を除去する過程の主要な原理は以下の通りである。
（１）マイクロ/ナノバブルが地下水における溶存酸素濃度を増加させ、現場の好気性微生物を従来の１０倍以上増加させることができ、好気性微生物の増殖による有機汚染物質の分解を促進する。
（２）マイクロ/ナノバブルの表面に電荷があり、汚染物に吸着作用がある。
（３）マイクロ/ナノバブルが破裂する時にエネルギーをリリースし、ヒドロキシラジカルイオンを生じさせ、汚染物には酸化分解作用がある。
（１）マイクロ/ナノバブルが地下水における溶存酸素濃度を増加させ、現場の好気性微生物を従来の１０倍以上増加させることができ、好気性微生物の増殖による有機汚染物質の分解を促進する。
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（３）マイクロ/ナノバブルが破裂する時にエネルギーをリリースし、ヒドロキシラジカルイオンを生じさせ、汚染物には酸化分解作用がある。
本発明の有益な効果は以下の通りである。
（１）マイクロ/ナノバブルの酸素供給効果が優れ、継続時間が長く、影響の範囲が大きく、自然減衰とバイオスパージングなどの一般的な原位置で修復技術の欠点を補い、微生物の分解作用を促進し、有機汚染地下水を修復できる。
（２）異なる場所の水文地質条件、有機汚染の状況（種類や濃度など)、及び微生物生態環境条件に対し、修復技術の詳細を選択し設計することができ、コストが低く、環境に優しく且つ省エネで効果的という利点があり、大面積且つ低汚染濃度のサイトの修復に適する。
（３）主に汚染物の濃度、微生物群集と数量、温度、ｐＨ値、酸化還元電位などを含むパラメーターをリアルタイムで監視することができ、修復効果を科学的に分析評価した上、システムの遠隔制御によって、さらにコストを低減し修復効率を向上できる。
（４）マイクロ/ナノバブル発生装置はソーラーエネルギーと蓄電池により電力が供給され、運転が安定し、メンテナンスコストが低い。特に大規模の汚染サイトや電力供給が困難な野外にある汚染サイトに大きな利点がある。
（５）マイクロ/ナノバブル発生装置が遠隔無線装置により地上と連結し、遠隔操作を実現し、人工と物資を節約することができる。
（６）マイクロ/ナノバブル発生装置は水と空気を利用しマイクロ/ナノバブルを含む水を発生させ、そのうち、水は直接的に地下水を利用し、気体は自己吸引装置により大気を利用するため、余分な場所を占有する必要がなく、水源と気源の獲得が便利で素早く、人工や物資、運転コストを節約できる。
（７）当該技術が土着微生物の活性と増殖を促進して、サイト外の環境微生物を導入せず、サイト環境と生態への影響が小さい。
（８）当該技術に必要とする注水井、監視井は、一部が既存の調査井戸を利用することができ、初期投資が少なく、運転コストが低い。
（９）地下水修復が所定の環境標準に達した後、関連装置と設備を回収して、再利用すことができる。
（１）マイクロ/ナノバブルの酸素供給効果が優れ、継続時間が長く、影響の範囲が大きく、自然減衰とバイオスパージングなどの一般的な原位置で修復技術の欠点を補い、微生物の分解作用を促進し、有機汚染地下水を修復できる。
（２）異なる場所の水文地質条件、有機汚染の状況（種類や濃度など)、及び微生物生態環境条件に対し、修復技術の詳細を選択し設計することができ、コストが低く、環境に優しく且つ省エネで効果的という利点があり、大面積且つ低汚染濃度のサイトの修復に適する。
（３）主に汚染物の濃度、微生物群集と数量、温度、ｐＨ値、酸化還元電位などを含むパラメーターをリアルタイムで監視することができ、修復効果を科学的に分析評価した上、システムの遠隔制御によって、さらにコストを低減し修復効率を向上できる。
（４）マイクロ/ナノバブル発生装置はソーラーエネルギーと蓄電池により電力が供給され、運転が安定し、メンテナンスコストが低い。特に大規模の汚染サイトや電力供給が困難な野外にある汚染サイトに大きな利点がある。
（５）マイクロ/ナノバブル発生装置が遠隔無線装置により地上と連結し、遠隔操作を実現し、人工と物資を節約することができる。
（６）マイクロ/ナノバブル発生装置は水と空気を利用しマイクロ/ナノバブルを含む水を発生させ、そのうち、水は直接的に地下水を利用し、気体は自己吸引装置により大気を利用するため、余分な場所を占有する必要がなく、水源と気源の獲得が便利で素早く、人工や物資、運転コストを節約できる。
（７）当該技術が土着微生物の活性と増殖を促進して、サイト外の環境微生物を導入せず、サイト環境と生態への影響が小さい。
（８）当該技術に必要とする注水井、監視井は、一部が既存の調査井戸を利用することができ、初期投資が少なく、運転コストが低い。
（９）地下水修復が所定の環境標準に達した後、関連装置と設備を回収して、再利用すことができる。
本発明はマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法及びシステムを提供し、以下、添付図面と発明を実施するための形態を参照しながら本発明をさらに説明する。
本発明に記載された方法とシステムを利用し地下水の有機汚染物質をマイクロ/ナノバブルで除去する現場の実施方案は以下の通りである。
（１）地下水の有機汚染物質の領域を特定し、地下水の流れ方向を特定し、必要とする注水井の数を設定し、１つの注水井に対し、この汚染された領域の最大範囲が５００ｍを超えず、有機汚染物質の濃度が５０００ｐｐｍを超えない時、本発明に記載された方法とシステムは最適な修復効果を発揮することができる。
（２）ステップ（１）の設定に基づき、汚染領域の上流位置で１つまたは複数の注水井を設置し、または既存の調査井を利用し、注水井の地下水面の下方において、マイクロ/ナノバブル発生装置１を設置し、地上にソーラー発電装置９を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置１とソーラー発電装置９との間に電源線１０により連結され、マイクロ/ナノバブル発生装置１の上面に進水口２と進気管３をセットし、進気管３の先端は地下水面より高く、マイクロ/ナノバブル発生装置１の底面にマイクロ/ナノバブル水出口５をセットする。マイクロ/ナノバブル発生装置１に無線通信装置６をセットし、マイクロ/ナノバブル発生装置１の進水量と出水量が１Ｌ/ｍｉｎ〜１０Ｌ/ｍｉｎであり、進気量が０.０２５Ｌ/ｍｉｎ〜０.２５Ｌ/ｍｉｎであり、発生するマイクロ/ナノバブルの大きさが１００ｎｍ〜０.２ｍｍであり、ソーラー発電装置９の出力が直流１２Ｖ(最大でも１５Ｖを超えない)であり、電流の強さが最大１０Ａである。
（３）地下水が有機汚染物質により汚染された領域において、異なる位置の複数の観測井を設置し、各々の監視井内に水質監視センサー１１をセットし、修復過程パラメーターを遠隔監視し分析する。
（４）注水井において、マイクロ/ナノバブル発生装置１が井戸内の空気４と地下水７を利用しマイクロ/ナノバブル水８を発生させ、井戸下部に注入し、地下水の流れ方向に沿ってマイクロ/ナノバブル水８が汚染領域に移流拡散し、有機汚染物質を除去する。
（１）地下水の有機汚染物質の領域を特定し、地下水の流れ方向を特定し、必要とする注水井の数を設定し、１つの注水井に対し、この汚染された領域の最大範囲が５００ｍを超えず、有機汚染物質の濃度が５０００ｐｐｍを超えない時、本発明に記載された方法とシステムは最適な修復効果を発揮することができる。
（２）ステップ（１）の設定に基づき、汚染領域の上流位置で１つまたは複数の注水井を設置し、または既存の調査井を利用し、注水井の地下水面の下方において、マイクロ/ナノバブル発生装置１を設置し、地上にソーラー発電装置９を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置１とソーラー発電装置９との間に電源線１０により連結され、マイクロ/ナノバブル発生装置１の上面に進水口２と進気管３をセットし、進気管３の先端は地下水面より高く、マイクロ/ナノバブル発生装置１の底面にマイクロ/ナノバブル水出口５をセットする。マイクロ/ナノバブル発生装置１に無線通信装置６をセットし、マイクロ/ナノバブル発生装置１の進水量と出水量が１Ｌ/ｍｉｎ〜１０Ｌ/ｍｉｎであり、進気量が０.０２５Ｌ/ｍｉｎ〜０.２５Ｌ/ｍｉｎであり、発生するマイクロ/ナノバブルの大きさが１００ｎｍ〜０.２ｍｍであり、ソーラー発電装置９の出力が直流１２Ｖ(最大でも１５Ｖを超えない)であり、電流の強さが最大１０Ａである。
（３）地下水が有機汚染物質により汚染された領域において、異なる位置の複数の観測井を設置し、各々の監視井内に水質監視センサー１１をセットし、修復過程パラメーターを遠隔監視し分析する。
（４）注水井において、マイクロ/ナノバブル発生装置１が井戸内の空気４と地下水７を利用しマイクロ/ナノバブル水８を発生させ、井戸下部に注入し、地下水の流れ方向に沿ってマイクロ/ナノバブル水８が汚染領域に移流拡散し、有機汚染物質を除去する。
１ マイクロ/ナノバブル発生装置
２ 進水口
３ 進気管
４ 空気
５ マイクロ/ナノバブル水の出口
６ 無線通信装置
７ 地下水
８ マイクロ/ナノバブル水
９ ソーラー発電装置
１０ 電源線
１１ 水質監視センサー
２ 進水口
３ 進気管
４ 空気
５ マイクロ/ナノバブル水の出口
６ 無線通信装置
７ 地下水
８ マイクロ/ナノバブル水
９ ソーラー発電装置
１０ 電源線
１１ 水質監視センサー
Claims (5)
- マイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法であって、
地下水が有機汚染物質により汚染された領域の上流位置に、地上と連通する１つまたは複数の注水井を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置を注水井にセットし、ソーラー発電装置または蓄電池により電力を供給し、遠隔無線通信装置により地上と連結して、遠隔監視と制御を実現し、
空気と水とはマイクロ/ナノバブル発生装置によりマイクロ/ナノバブルを含む水を発生させ、地下水システムに進入し、マイクロ/ナノバブルが地下水の流れに従い移流拡散して、直接的に有機汚染物質を分解し、または、微生物に電子受容体を持続的に供給することにより、有機汚染物質の分解と除去を促進し、汚染領域において、異なる位置で地上と連通する複数の監視井を設置し、監視井を利用し、有機汚染物質を除去する過程における各パラメーターをリアルタイムで監視し分析して、その分析結果に基きマイクロ/ナノバブルの発生時間と吸気量とを遠隔で調整することを特徴とするマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法。 - 前記マイクロ/ナノバブルの大きさは１００ｎｍ〜０.２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法。
- 前記１つの注水井の処理可能な汚染領域の最大範囲は５００ｍを超えず、前記有機汚染物質の濃度は５０００ｐｐｍを超えないことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復する方法。
- 請求項１に記載の方法に基づいてマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復するシステムであって、
地下水が有機汚染物質により汚染された領域の上流位置に、１つまたは複数の注水井を設置し、汚染領域の上方において、位置が異なる複数の監視井を設置し、注水井の地下水面の下方において、マイクロ/ナノバブル発生装置（１）を設置し、地上にソーラー発電装置（９）を設置し、マイクロ/ナノバブル発生装置（１）とソーラー発電装置（９）との間に電源線（１０）により接続され、マイクロ/ナノバブル発生装置（１）の上面に進水口（２）と進気管（３）をセットし、進気管（３）の先端は地下水面より高く、マイクロ/ナノバブル発生装置（１）の底面にマイクロ/ナノバブル水出口（５）をセットし、マイクロ/ナノバブル発生装置（１）に無線通信装置（６）をセットし、各々の監視井内に水質監視センサーをそれぞれセットすることを特徴とするマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復するシステム。 - 前記マイクロ/ナノバブル発生装置（１）の進水量と出水量は１Ｌ/ｍｉｎ〜１０Ｌ/ｍｉｎであり、進気量は０.０２５Ｌ/ｍｉｎ〜０.２５Ｌ/ｍｉｎであり、発生するマイクロ/ナノバブルの大きさは１００ｎｍ〜０.２ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ/ナノバブルによる地下水を原位置で修復するシステム。
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