(57)【要約】【課題】汚染物質が含まれている地下水を熱源として有効利用する。【解決手段】汚染地下水の熱利用システム１は、汚染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に接続された地下水移送配管４と、地下水移送配管４と熱的に接続されたヒートポンプ６と、ヒートポンプ６で熱交換した地下水に含まれる汚染物質を除去する汚染物質除去装置５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】
汚染物質を含有する地下水を揚水する揚水ポンプと、
前記揚水ポンプに接続された地下水移送配管と、
前記地下水移送配管と熱的に接続されたヒートポンプと、
前記ヒートポンプで熱交換した前記地下水に含まれる前記汚染物質を除去する汚染物質除去装置と、
を有する、汚染地下水の熱利用システム。
【請求項２】
前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記地下水を熱供給源として加熱されまたは排熱先として冷却される流体を供給する流体供給流路を有する、請求項１に記載の熱利用システム。
【請求項３】
汚染物質を含有する地下水を揚水することと、
ヒートポンプによって、揚水された前記地下水から熱回収し、または前記地下水に放熱することと、
前記ヒートポンプで熱交換した前記地下水に含まれる前記汚染物質を除去することと、
を有する、汚染地下水の熱利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染地下水の熱利用システム及び熱利用方法に関し、特に揮発性有機化合物や重金属等の汚染物質を含む地下水の熱エネルギー利用システムに関する。
【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。
【０００３】
また、カドミウム、鉛等の重金属や有機リン化合物等の農薬、ＰＣＢ、ダイオキシン類、鉱物油や重油等の油分も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。これらの物質は、これらを含む地下水を揚水した後、イオン交換法、活性炭吸着法、凝集沈殿法、加圧浮上分離法等によって処理される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
地下水にＶＯＣ、重金属等の汚染物質が含まれている場合、揚水された地下水は、汚染物質の除去後、そのまま排水されている。一方、地下水の温度は年間を通じてほぼ一定であり、安定した熱源である。汚染物質を含む地下水もその例外ではない。汚染物質を含む地下水は、従来、処理の対象としてのみ扱われ、熱源として利用する試みはなされていない。
【０００６】
本発明は、汚染物質が含まれている地下水を熱源として有効利用することのできる汚染地下水の熱利用システム及び熱利用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】
【０００７】
本発明の汚染地下水の熱利用システムは、汚染物質を含有する地下水を揚水する揚水ポンプと、揚水ポンプに接続された地下水移送配管と、地下水移送配管と熱的に接続されたヒートポンプと、ヒートポンプで熱交換した地下水に含まれる汚染物質を除去する汚染物質除去装置と、を有している。
【０００８】
本発明の汚染地下水の熱利用方法は、汚染物質を含有する地下水を揚水することと、ヒートポンプによって、揚水された地下水から熱回収し、または地下水に放熱することと、ヒートポンプで熱交換した地下水に含まれる汚染物質を除去することと、を有している。
【０００９】
本発明では、汚染物質を含有する地下水を熱源としてヒートポンプを作動させ、その後に汚染物質を除去する。地下水は、汚染物質を含有している場合でも、年間を通じてほぼ一定の温度に維持される安定した熱源である。このような地下水を利用することにより、地下水の持つ熱エネルギーの有効利用を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、汚染物質が含まれている地下水を熱源として有効利用することのできる汚染地下水の熱利用システム及び熱利用方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る汚染地下水の熱利用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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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汚染地下水の熱利用システムの概略構成図を示す。
【００１３】
汚染地下水の熱利用システム１は、汚染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、地下水移送配管４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。
【００１４】
地下水に含まれる汚染物質としては、ＶＯＣ、重金属、農薬、ＰＣＢ、ダイオキシン類、油分等が挙げられる。ＶＯＣは上述したトリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ベンゼンの他に、四塩化炭素、ジクロロエタン、ジクロロエチレン、テトラクロロメタン等を含む。これらの物質は土壌汚染対策法に規定される第一種特定有害物質の一部である。重金属は鉄（Ｆｅ）より比重の大きい金属元素を意味し、カドニウム、鉛、六価クロム、ヒ素等を含む。また、土壌汚染対策法上では第二種特定有害物質（以下、重金属類と言う場合がある。）として、重金属の他に、ふっ素、ほう素等を含む。農薬はシマジンやチラウム、有機りん等を含む。ＰＣＢは絶縁油等に用いられるポリ塩化ビフェニルである。これらの物質は土壌汚染対策法に規定される第三種特定有害物質の一部である。ダイオキシン類はダイオキシン類対策特別措置法で規定されている。本発明が対象とする地下水はＶＯＣ、重金属類、農薬、ＰＣＢ、ダイオキシン類、油分の少なくともいずれかを汚染物質として含有している。従って、揚水ポンプ２及び揚水ポンプ２に接続された地下水移送配管４は、これらの汚染物質を含有する地下水を移送する。
【００１５】
熱利用システム１は、地下水移送配管４と熱的に接続されたヒートポンプ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。同図に示す構成では、地下水移送配管４を移送される地下水が冷却源として用いられ、外部から供給された水及び空気が冷却される。水は配管２５で、空気は配管２６で供給される。配管２５，２６は、ヒートポンプ６に熱的に接続される流体供給流路であり、供給された流体は、地下水を排熱先として冷却される。水及び空気は同時に冷却することもできるし、切り替え器（図示せず）を用いていずれか一方だけを冷却することもできる。水及び空気の代わりに、任意のプロセス流体を冷却することもできる。冷却された水及び空気の用途に制約はなく、例えば夏季を中心として、冷水器、空調設備（冷房モード）等で利用することができる。
【００１６】
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と地下水移送配管４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２５，２６との隣接部は熱交換部９を形成している。
【００１７】
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２５を流れる水及び配管２６を流れる空気から熱ＱＣが奪われ、水及び空気が冷却される。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を介して地下水移送配管４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、水及び空気が冷却され、地下水への放熱が行われる。揚水ポンプ２で連続的に地下水を揚水することにより、一定の温度範囲にある地下水が連続的にヒートポンプ６の熱交換部７に伝えられる。このため、熱交換部７で連続的な放熱を行うことができる。
【００１８】
地下水移送配管４と配管２５，２６を交換することによって、地下水からの熱回収と水及び空気の加熱が行われる。この場合も、配管２５，２６は、ヒートポンプ６に熱的に接続された流体供給流路であるが、供給された流体は、地下水を熱供給源として加熱される。加熱された水及び空気の用途に制約はなく、例えば冬季を中心として、給湯機、温水器、空調設備（暖房モード）等で利用することができる。ヒートポンプ６によって加熱できる空気及び水の温度の上限は特にない。
【００１９】
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。
【００２０】
熱利用システム１は、汚染物質を除去する汚染物質除去装置５を有している。汚染物質除去装置５は地下水に含まれる汚染物質の種類によって様々な処理装置を選択できる。
【００２１】
地下水に含まれる汚染物質がＶＯＣの場合、汚染物質除去装置５として曝気装置を選択することができる。曝気装置は、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。図４に、２種類の曝気装置１０ａ，１０ｂの概略構成図を示す。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
地下水に含まれる汚染物質が重金属類の場合、汚染物質除去装置５は重金属類の種類によってイオン交換装置若しくは活性炭吸着装置、凝集沈殿装置、加圧浮上分離装置等を選択でき、またはこれらを直列に組み合わせて構成することができる。物質ごとの処理方法例を表１に示す。
【００２６】
【表１】
2013076516.tif 000003
【００２７】
本発明によれば、従来汚染物質を除去した後廃棄していた地下水をヒートポンプの熱源として有効利用することができる。地下水は地下水移送配管で移送され、ヒートポンプとは熱的に接続されるだけであるので、汚染した地下水が環境に拡散することはない。
【００２８】
汚染地下水の処理は場合によっては数十年という長期に渡って行われるため、この間、安定した熱源を使用し続けられることは、エネルギーの有効利用の観点から大きなメリットとなる。
【００２９】
また、地下水を排熱先としてヒートポンプを作動させる場合、地下水の温度は上昇する。ＶＯＣを除去する曝気装置は、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。すなわち、ヒートポンプを冷水器、空調設備（冷房モード）等で利用する場合は、ＶＯＣの除去効率が向上するという付加的な効果も得られる。
【符号の説明】
【００３０】
１  汚染地下水の熱利用システム
２  揚水ポンプ
３  揚水井戸
４  地下水移送配管
５  汚染物質除去装置
６  ヒートポンプ
１０，１０ａ，１０ｂ  曝気装置
２４  重金属除去装置
【図１】
2013076516.tif 000004
【図２】
2013076516.tif 000005
【図３】
2013076516.tif 000006
【図４】
2013076516.tif 000007