(57)【要約】【課題】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。【解決手段】地下水中の揮発性物質の除去システム１は、揮発性物質を含有する地下水を揚水する揚水ポンプ２と、揚水ポンプ２で揚水された地下水を加熱するヒートポンプ６と、ヒートポンプ６で加熱され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て処理水を得る曝気装置１０と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揮発性物質を含有する地下水を揚水する揚水ポンプと、
前記揚水ポンプで揚水された地下水を加熱するヒートポンプと、
前記ヒートポンプで加熱され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て処理水を得る曝気装置と、
を有する、地下水中の揮発性物質の除去システム。
【請求項２】
前記ヒートポンプは前記処理水を熱源として利用する、請求項１に記載の除去システム。
【請求項３】
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１または２に記載の除去システム。
【請求項４】
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３のいずれか１項に記載の除去システム。
【請求項５】
前記ヒートポンプは前記除去システムの外部から供給された温排水を熱源として利用する、請求項１から４のいずれか１項に記載の除去システム。
【請求項６】
前記処理水を熱源とする第２のヒートポンプを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の除去システム。
【請求項７】
前記処理水の少なくとも一部と前記ヒートポンプに供給される前の前記地下水との間で熱交換し、前記ヒートポンプに供給される前の前記地下水を加熱する熱交換器を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の除去システム。
【請求項８】
揮発性物質を含有する地下水を揚水することと、
揚水された前記地下水をヒートポンプで加熱することと、
前記ヒートポンプで加熱され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て処理水を得ることと、
を有する、地下水中の揮発性物質の除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、特に地下水を揚水し、曝気処理によって地下水中の揮発性物質を除去するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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を除去する方法として、曝気を利用した方法が知られている（特許文献１）。この方法によれば、ＶＯＣを含有する地下水を揚水し、揚水した地下水に送風機で空気を供給し気液接触（曝気）させる。地下水に含まれるＶＯＣは空気に移行し、地下水から分離され、活性炭などに吸着される。ＶＯＣの除去効率は曝気装置入口での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揮発が促進され、ＶＯＣが効率的に除去される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２１４９７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
揚水した地下水を加熱するためにはヒータを用いることが一般的であるが、動力費（電気、石油等）が莫大であり、廃熱もそのまま大気放出されるため、エネルギーの有効利用の観点から改善の余地がある。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の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を揚水する揚水ポンプと、揚水ポンプで揚水された地下水を加熱するヒートポンプと、ヒートポンプで加熱され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て処理水を得る曝気装置と、を有している。
【０００７】
本発明の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を揚水することと、揚水された地下水をヒートポンプで加熱することと、ヒートポンプで加熱され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て処理水を得ることと、を有している。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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。
【図２】揚水井戸の概略断面図である。
【図３】ヒートポンプの概略構成図である。
【図４】曝気装置の概略構成図である。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、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を示す。
【００１２】
地下水中の揮発性物質の除去システム１は、揮発性物質を含有する地下水を揚水する揚水ポンプ２を有している。揚水ポンプ２は、揚水井戸３の内部に設置され、配管２２に接続されている。図２は、揚水井戸３の概略断面を示す。揚水井戸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は鉄鋼、ステンレス鋼、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。地下水の存在している地盤の領域は帯水層３５と呼ばれ、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。本実施形態による揚水ポンプ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が、揚水ポンプを地上に置き、地上からケーシング３２内に、帯水層３５まで地下水吸入管を降ろしてもよい。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。
【００１３】
除去システム１は、揚水ポンプ２で揚水された地下水を加熱するヒートポンプ６を有している。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と配管２２との隣接部は熱交換部７を形成しており、蒸発器６ａと熱源８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を介して熱源８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を介して配管２２を流れる地下水に与えられる。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。
【００１４】
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が、一般的なヒートポンプ６では６０℃程度まで地下水を加熱することができる。
【００１５】
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。
【００１６】
除去システム１は、ヒートポンプ６で加熱され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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、複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。
【００１９】
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、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。
【００２０】
ヒートポンプ６の熱源８としては、様々なものが利用可能である。図１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１）。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。地下水の温度は一般的に年間を通して１５〜１７℃の間にあり、加熱され曝気装置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。また、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熱を行うことができる。
【００２１】
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２）。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。
【００２２】
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３）。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。
【００２３】
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４）。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。
【００２４】
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、曝気装置１０を通過した地下水（熱源１）と送風機１２から出た排ガス（熱源２）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３，４）、切り替え装置（図示せず）を設け、外気温の高低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。
【００２５】
以上の各実施形態において、曝気装置１０を通過した地下水を熱源とする第２のヒートポンプ２３を設けることもできる。曝気装置１０の排水を利用しない場合（熱源２〜４を利用する場合）は、排水の全量または一部を、熱交換部２４を介して第２のヒートポンプ２６の熱源とすることができる。第２ヒートポンプ２６で回収された熱の利用方法は特に限定されないが、熱交換部２５を介して空気、水等を加熱し、暖房、給湯等の用途に用いることができる。曝気装置１０の排水を利用する場合（熱源１を利用する場合）は、曝気装置１０の一部を地下水の加温のためにヒートポンプ６に供給し、残余の地下水の一部または全量を第２のヒートポンプ２６の熱源として利用することができる。
【００２６】
さらに、図５に示すように、揚水ポンプ２とヒートポンプ６の間に熱交換器２７を設け、曝気装置１０を通過した地下水の少なくとも一部とヒートポンプ６に供給される前の地下水との間で熱交換させることもできる。これによって、ヒートポンプ６に供給される前の地下水を加熱することができ、ヒートポンプ６の負荷を低減することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  揮発性物質の除去システム
２  揚水ポンプ
３  揚水井戸
６  ヒートポンプ
８  熱源
１０，１０ａ，１０ｂ  曝気装置
１２  送風機（ブロア）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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