(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通気帯と地下水面をもつ地下の汚染区域から汚染物質を除去する方法であって、
汚染区域に地下水面より下の深さまで井戸穴を堀り、
井戸穴の中に地下水面より下の深さまで第１有孔垂直導管を、該第１有孔垂直導管の孔の少なくとも一部が地下水面より下に位置するように設置し、
第１有孔垂直導管の中に第２有孔垂直導管を、該第２有孔垂直導管の孔の少なくとも一部が地下水面より下に位置するように設置し、
第２有孔垂直導管の中に、第１真空抽出管の底開口が第２有孔垂直導管の中であって且つ地下水面より下に位置するように第１真空抽出管を設置し、
第１有孔垂直導管の内側にかつ第２有孔垂直導管の外側に第２真空抽出管を、該第２真空抽出管の底開口が地下水面より下に位置するように設置し、
第２有孔垂直導管に気体を導入すると同時に、第１真空抽出管と第２真空抽出管に真空を加え、土壌から気体と液体を第１真空抽出管と第２真空抽出管内に吸い込み、気体と液体の双方を二層共通流として第１真空抽出管と第２真空抽出管を通して地表面へ搬送し、
二層共通流を少なくとも１つの主として液体流と、少なくとも１つの主として気体流に分離し、
分離した液体流と気体流を別々に処理すること、
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
地下水面と、地下水面より上方の通気帯とをもつ地下の汚染区域から汚染物質を除去する装置であって、
地表面から地下水面より下のレベルまで下方に延び且つ孔の少なくとも一部が地下水面より下に位置している第１有孔垂直導管と、
第１有孔垂直導管の中に設置され、地表面から地下水面より下のレベルまで下方に延び且つ孔の少なくとも一部が地下水面より下に位置している第２有孔垂直導管と、
第２有孔垂直導管の中に設置され、底開口が第２有孔垂直導管の中に位置するとともに該底開口が地下水面より下に位置している第１真空抽出管と、
第１有孔垂直導管の内側にかつ第２孔垂直導管の外側に設置されるとともに底開口が地下水面より下に位置している第２真空抽出管と、
第２孔垂直導管の中に気体を導入する気体導入口と、
第１真空抽出管と第２真空抽出管に接続されていて、第１有孔垂直導管の周囲の地下に減圧区域を形成することによって、地下から気体と液体を第１真空抽出管と第２真空抽出管内に吸い込み、二相共通流として地表面へ搬送するように構成した少なくとも１個の真空発生装置と、
二相共通流を受け取り、別個の気体流と液体流に分離する手段と、
から成ることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、地下水から化学汚染物質を除去する方法および装置、より詳細には、真空抽出を用いて飽和帯と通気帯の双方から土壌汚染物質を除去する方法および装置に関するものである。
【０００２】
米国特許第５，０７６，３６０号は、好ましい実施例において、液相と気相を共通流として真空吸引し、液相と気相を分離し、次に分離した液体と気体を別個に処理して清浄な放出物にする諸工程から成る、地下から汚染物質を真空抽出する方法および装置を開示している。プライミング付き真空抽出法は、１個の真空発生装置を用いて１本の井戸ケーシングを通して液体流および土壌気体内の汚染物質を除去する。井戸ケーシングの内に使用されているプライミング管は、地表面から３０フィート以上も下に液体層を有する井戸（抽出管のスクリーン付き部分は完全にその液面より下方にある）を通して地下から液体と気体の両方を真空抽出することができるように、井戸の底に集まった液体へ空気または他の気体を導入する。
【０００３】
米国特許第５，０５０，６７６号および同第５，１９７，５４１号は、地下水面の上方および下方の土壌から汚染物質を抽出する装置および方法を開示している。この方法は、汚染区域の選定した部分に掘った井戸穴に、有孔垂直導管の孔が地下水面より下方に位置するように有孔垂直導管を設置する。代わりに、垂直導管の複数の孔の一部が地下水面より上方の通気帯に位置するように、垂直導管を設置してもよい。次に垂直導管に真空を加えて土壌から気体と液体を管内に吸い込み、気体と液体を共通流として地表面へ搬送する。地表面で共通流を主として液体流と、主として気体流に分離し、そのあと分離した液体流と気体流を別々に処理する。
【０００４】
米国特許第５，１７２，７６４号は、地下水面と通気帯をもつ地下の汚染区域から汚染物質を除去する方法を開示している。この方法は、汚染区域に井戸穴を堀り、その井戸穴に有孔垂直導管内の真空抽出管の開口が地下水面にまたは地下水面より下方に位置するように有孔垂直導管を設置する。次に垂直導管に気体を導入すると同時に、真空抽出管に真空を加えて、気体と液体を土壌から垂直導管へ、そして垂直導管から真空抽出管へ吸い込んで、気体と液体を共通流として地表面へ搬送する。そのあと共通流を主として液体流と主として気体流に分離し、分離した液体流と気体流を別個に処理する。そのほかに、この方法を実施する装置も開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上に挙げた既知の装置および方法は、それらの意図する目的には適しているが、地下水および土壌中の汚染物質を除去する方法および装置であって、地下水面の下方および（または）上方から汚染物質を除去することができる方法および装置が要望されている。さらに、地下水および土壌中の汚染物質を除去する方法および装置であって、さまざまな空気透過率およびさまざまな間隙率をもつ土壌から汚染物質を除去することができる方法および装置が要望されている。さらに、地下水および土壌中の汚染物質を除去する方法および装置であって、抽出井戸の場所に大きな融通性を持たせることができる方法および装置が要望されている。さらに、地下水および土壌中の汚染物質を除去する方法および装置であって、井戸に設置した真空ポンプの等価揚程より地下水面が深いとき、地下水面より下方から井戸を通して汚染物質を真空抽出することができる方法および装置が要望されている。さらに、地下水および土壌から汚染物質を除去する方法および装置であって、１個の真空ポンプを使用して１本の井戸すなわち導管を通して蒸気相と液相の両方に含まれている汚染物質を除去することができる簡単な機器を使用した方法および装置が要望されている。そのほかに、地下水および土壌から汚染物を除去する方法および装置であって、真空抽出管内で空気と水が混合する結果として抽出した地下水中の汚染物質の濃度を減らすことができる（あとの水処理要求の緩和につながる）方法および装置が要望されている。さらに、地下水および土壌から汚染物質を除去する方法および装置であって、ある土壌条件において抽出井戸の近くの飽和帯（地下水）から水を抜き、水が抜かれた土壌を通って空気が移動できるようにすることによって、汚染物質の抽出速度を高めて浄化時間を短縮する方法および装置が要望されている。さらに、地下水および土壌から揮発性物質、不揮発性物質、金属汚染物質などを含む種々の汚染物質を除去する方法および装置が要望されている。さらに、より迅速に土壌汚染物質を除去する方法および装置が要望されている。さらに、井戸の中の真空抽出管を通して土壌汚染物質を除去する方法および装置であって、井戸の中の真空抽出管の深さを容易に調整することができる方法および装置が要望されている。さらに、真空抽出法で土壌汚染物質を除去する方法および装置であって、真空源や処理装置の汚染が少ない、もしくは汚染しない方法および装置が要望されている。
【０００６】
本発明の目的は、上に述べた利点を備えた、地下水および土壌から汚染物質を除去する方法および装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明（またはその特定の実施例）の上記およびその他の目的は、通気帯と地下水面をもつ地下の汚染区域から汚染物質を除去する方法であって、汚染区域に地下水面より下の深さまで井戸穴を堀り、その井戸穴の中に地下水面より下の深さまで第１有孔垂直導管を設置し、その第１有孔垂直導管の中に第２有孔垂直導管を設置し、その第２有孔垂直導管の中に第１真空抽出管の底開口が第２有孔垂直導管の中に位置するように第１真空抽出管を設置し、その第１有孔垂直導管の内側にかつ第２有孔垂直導管の外側に第２真空抽出管を設置し、その第２有孔垂直導管に気体を導入すると同時に、第１真空抽出管と第２真空抽出管に真空を加えて、土壌から気体と液体を第１真空抽出管と第２真空抽出管内に吸い込み、気体と液体の双方を二層共通流として第１真空抽出管と第２真空抽出管を通して地表面へ搬送し、その二層共通流を少なくとも１つの主として液体流と、少なくとも１つの主として気体流に分離し、分離した液体流と気体流を別個に処理する、諸工程から成る方法を提供することによって達成することができる。
【０００８】
本発明のもう１つの実施例は、地下水面と、その地下水面より上方の飽和帯とをもつ地下の汚染区域から汚染物質を除去する装置に関するものである。本装置は、地表面から地下水面より下のレベルまで下方に延びている第１有孔垂直導管と、その第１有孔垂直導管の中に設置され、地表面から地下水面より下のレベルまで下方に延びている第２有孔垂直導管と、その第２有孔垂直導管の中に設置され、底開口が第２有孔垂直導管の中に位置している第１真空抽出管と、その第１有孔垂直導管の内側にかつ第２孔垂直導管の外側に設置された第２真空抽出管と、その第２孔垂直導管の中に気体を導入する気体導入口と、第１真空抽出管と第２真空抽出管に接続されていて、第１有孔垂直導管の周囲の地下に減圧区域を形成することによって、地下から気体と液体を第１真空抽出管と第２真空抽出管内に吸い込み、二相共通流として地表面へ搬送するように構成した少なくとも１個の真空発生装置と、二相共通流を受け取り、別個の気体流と液体流に分離する手段で構成されている。
【０００９】
【実施例】
本発明は、地下水および土壌から汚染物質を除去する方法および装置に関するものである。汚染物質は通気帯の中に、または地下水面の下方に、またはその両方に存在することがある。本方法は、汚染区域に地下水面より下の深さまで井戸穴を堀り、その井戸穴の中に地下水面より下の深さまで第１有孔垂直導管を設置し、その第１有孔垂直導管の中に第２有孔垂直導管を設置し、その第２有孔垂直導管の中に第１真空抽出管の底開口が第２有孔垂直導管内に位置するように第１真空抽出管を設置し、その第１有孔垂直導管の内側にかつ第２有孔垂直導管の外側に第２真空抽出管を設置し、その第２有孔垂直導管に気体を導入すると同時に、第１真空抽出管と第２真空抽出管に真空を加えて土壌から気体と液体を第１真空抽出管と第２真空抽出管内に吸い込み、気体と液体の両方を二相共通流として第１真空抽出管と第２真空抽出管を通して地表面へ搬送し、その共通流を少なくとも１つの主として液体流と、少なくとも１つの主として気体流に分離し、そして分離した液体流と気体流を別々に処理する諸工程から成っている。処理した水は土壌へ戻すこともできるし、通常のやり方で放水することもできる。本発明の一実施例においては、自然の地下水面より下および不飽和帯（通気帯）の中の両方に延びている有孔部（スクリーン）が垂直導管に形成されている。本発明の別の実施例においては、地下水面の下にだけ延びている有孔部（スクリーン）が垂直導管に形成されている。不飽和帯は、自然の地下水面の上方にある自然の通気帯であってもよいし、抽出井戸を通して地下水を除去したため地下水面が局部的に下降して生じた拡大した「人工の」通気帯であってもよい。地下水面より下および通気帯の中の両方へ延びるようにスクリーンを配置すれば、真空抽出管に連結した真空発生装置の作用の下で蒸気相の汚染物質を含む土壌気体を垂直導管に吸引することができる。気体は液相を同伴するので、これらの二相を真空抽出管を通して共通流として一緒に地表面へ搬送することができる。二相共通流は、地表面においてサイクロン分離器、ノックアウトポット、その他の適当な装置で分離される。分離後、それらの各相は汚染物質除去装置へ送られて別々に処理される。適当な汚染物質除去プロセスとしては、ろ過、吸着、エアストリッピング、沈降、凝集、沈殿、スクラビング、等がある。
【００１０】
別の実施例においては、水を除去することで地下水面が局部的に下降した場合でもスクリーンが常に地下水面より下に位置するように、垂直導管が構成されている。そのような構造の場合、真空装置の吸込み側における擾乱と圧力減少のために生じる相変化に対処するために地上で蒸気と液体を分離して各相を別々に処理する必要があるかもしれないが、地上に搬送される流体は主として液相である。
【００１１】
図１は、本発明に従って真空抽出および処理を行うシステム１０の略図（必ずしも一定の縮尺で描いてない）である。図示のように、揮発性汚染物質源１２は、吸収された、溶解した、あるいは浮遊する自由相および気相の汚染物質のプルーム１４を通気帯（不飽和帯）の土壌１６の中に形成する。プルーム１４を形成している汚染物質は自然の地下水面１８に向かって下方に浸透する傾向がある。地下水は矢印１９の方向に移動している。汚染物質の水より軽い、溶解しない成分２０は、地下水面１８の上面に浮かぶ傾向があり、溶解した成分は地下水面１８より下のプルーム２２の中で下方に浸透する傾向があり、水より重い自由相成分２４は不透水層２６へ向かって下方に移動する傾向がある。
【００１２】
あとで詳しく説明する抽出井戸２８はプルーム１４の区域に掘られており、通気帯を通過し、自然の地下水面１８の下まで延びている。抽出井戸２８の近くに設置された真空抽出装置３２は、一般に約７インチ〜約２９インチ（水銀柱）の高真空状態を発生するように設計されたものが好ましい。真空抽出装置３２によって除去された気体は、許容環境汚染限度内であれば３４の所で大気中へ放出することもできるし、あるいは焼却するか、凝集器、粒状活性炭素濾過器、その他の処理装置３６へ送って、さらに処理することもできる。処理装置３６は、抽出した気体から汚染物質を除去する作用をする。このプロセスで抽出された水は、通常の金属除去装置、揮発性有機化合物除去装置、その他の浄化装置を通すことによって処理することができる。処理され浄化された水は、この段階で十分に清浄であれば、下水溝へ戻すか、３８で示すように地下へ直接戻すことができる。汚染物質は、最終的に破壊するために、またはさらに処理するためにドラム缶４０に貯蔵することができる。真空抽出装置３２によって井戸２８から抽出した気体および液体を処理する具体的な装置の１つが、米国特許出願第０８／２３６，７９１号（１９９４年４月２９日出願、発明の名称“Apparatus and Process for Treating Contaminated Soil Gases and Liquids”）に開示されている。
【００１３】
図２に、抽出井戸２８をより詳しく示す（必ずしも一定縮尺で描いてない）。図示した形態の抽出井戸２８は細長い井戸穴４２を有し、その中に外側有孔垂直導管５３が設置されている。この外側有孔垂直導管５３の中に内側垂直導管４４が設置されている。内側垂直導管４４と外側垂直導管５３の底は共に閉じてある。内側垂直導管４４と外側垂直導管５３の地下水面より下の部分に、または地下水面より上および下の部分に孔があけられている。これら２本の垂直導管の孔は、地下の同じ深さにあってもよいし、異なる深さにあってもよい。図２では、内側垂直導管４４と外側垂直導管５３は地下の同じ深さに孔を有するが、必ずしも図示した形態にする必要はない。図示した実施例においては、垂直導管４４，５３は、孔の無い上部４６と孔（スクリーン）付き下部４８を有する。外側垂直導管５３と内側垂直導管４４は、任意の適当な材料、たとえばポリ塩化ビニル、ステンレス鋼や亜鉛メッキ鋼などの金属、Teflon（登録商標）などのプラスチック、等で作ることができる。外側垂直導管５３と内側垂直導管４４は必ずしも同じ材料である必要はない。外側垂直導管５３の中に内側垂直導管４４を挿入することができ、かつ外側垂直導管５３と内側垂直導管４４の間に充填材料を入れることができ、かつ中間垂直導管３７（外側抽出管３３が入っている）を設置することができるという条件で、外側垂直導管５３と内側垂直導管４４を互いに任意の所望の相対寸法にすることができる。例えば、ある実施例においては、内側垂直導管４４の直径は約４〜６インチであり、外側垂直導管５３の直径は約１２〜１４インチであるが、他の寸法および他の相対寸法を選定することもできる。孔（スクリーン）付き部に、任意の所望のまたは適当な形状および寸法の孔をあけることができる。例えば、ある実施例においては、外側垂直導管５３と内側垂直導管４４の孔付き部に  0.010 インチのスロットを設けることができる。好ましい実施例においては、外側垂直導管５３の孔が内側垂直導管４４の孔より大きい（すなわち、面積が大きい、またはより広い網目である）ので、ある種の粒状物は外側垂直導管５３の孔を通過することができても、内側垂直導管４４の孔を通過することができない。内側垂直導管４４の内部に内側真空抽出管３０とオプションの追加内側真空抽出管３５が設置されている。内側垂直導管４４の外壁と外側垂直導管５３の内壁の間に、外側真空抽出管３３が入っている中間垂直導管３７が設置されている。中間垂直導管３７の形状、構造、および材質は、外側垂直導管５３および内側垂直導管４４のそれと同じであり、内側垂直導管４４の外面と外側垂直導管５３の内面の間に入る適当な寸法を有する。中間垂直導管３７を必要としない場合には、外側真空抽出管３３を有孔垂直導管の中に設置しないで、外側垂直導管５３と内側垂直導管４４の間に設置してもよい。しかし、外側垂直導管５３と内側垂直導管４４の間に充填材料を入れる場合には、有孔垂直導管が存在することが好ましい。好ましい実施例においては、外側垂直導管５３の孔は中間垂直導管３７の孔より大きい（すなわち、面積が大きい、またはより広い網目である）ので、ある種の粒状物は外側垂直導管５３の孔を通過することができ���も、中間垂直導管３７の孔を通過することができない。真空抽出管３０，３３，３５は、任意の適当な材料、例えばポリ塩化ビニル、ステンレス鋼や亜鉛メッキ鋼などの金属、Teflon（登録商標）などのプラスチックで作ることができ、硬質または軟質のいずれであってもよい。外側垂直導管５３と内側垂直導管４４の上端は、図示のように、コンクリート床に結合されており、コンクリート床には適当な管継手５２が設置されている。管継手５２は、真空抽出管３０，３３，３５を真空抽出装置３２（図２には見えていない）の残りの部分に結合し、真空抽出管３０，３３，３５を真空抽出装置３２に流体的に接続することができる。図示した実施例においては、真空抽出管３０，３３，３５はすべて１個の真空抽出装置３２に流体的に接続されている。代案として（図示せず）、特に１個の真空ポンプの揚程に限界がある場合や、ひどい汚染区域において高速抽出が要望されている場合や、その両方である場合には、２個以上の真空抽出装置を使用することができる。好ましい実施例においては、二相真空抽出プロセスの動作を止めずに、垂直導管４４，５３内で真空抽出管３０，３３，３５を容易に動かすことができる。例えば、真空抽出管を垂直導管内に保持することを可能にし、かつ真空抽出管が井戸の中で異なる深さまで上下に滑ることを許す管継手によって、真空抽出管を垂直導管内に保持してもよい。適当な管継手としては、空密Ｏリング機構、テーパーゴム「ストッパー」装置、真空定格圧縮管継手などがある。図２には、管継手としてＯリング５１を示してある。真空抽出管３０，３３，３５は、外側垂直導管５３内（内側真空抽出管３０，３５の場合はさらに内側垂直導管４４内に、外側真空抽出管３３の場合はさらに中間垂直導管３７内に）の地下水面より下に、地下水面のレベルに、または地下水面に近い少し上に、底開口を有する。真空抽出管３０，３３，３５は地下の同じ深さの所で終わっていてもよいし、異なる深さの所で終わっていてもよい。汚染物質が二つ以上の別々の深さに存在する場合は、１本またはそれ以上の真空抽出管が各汚染物質のレベルに開口を有するように、多数の真空抽出管を設置することが望ましい。必ずしも必要でないが、真空抽出管３０，３３，３５の下端は水平面と厳密に平行でなく或る角度をつけることが好ましい。真空抽出管の下端に或る角度をつけることで開口の表面積が増すので、抽出井戸の始動はより容易になる。真空抽出管３０，３３，３５の底開口の好ましい角度は、水平面に対し約１０°〜８０°である（４５°がより好ましい）が、この範囲外であってもよい。
【００１４】
地表面または地表面に近い抽出井戸２８の端部に、空気流量計（図示せず）を備えた空気導入口３１が設置されている。空気導入口３１は、低圧力、大気圧力、または高圧力を含む任意の所望の圧力で空気を内側垂直導管４４内に導入すなわち注入することができる。外側垂直導管５３と内側垂直導管４４の間の空間に空気を導入することができるように、オプションの空気導入口２９を設置することができる。大気圧以上の圧力で空気を注入することが望ましい場合は、真空抽出管に接続された真空ポンプの吐出口を空気入口３１，２９に接続することによって、追加の真空ポンプ（図示せず）で空気圧を加えることができる。空気導入口３１，２９を通る空気流量は、ほぼ零の値から真空抽出管に接続された真空ポンプのＣＦＭ定格能力範囲内の任意の値にすることができる。装置を始動する時は一定の空気流量が必要であるが、プロセスが作動して一定の時間を経過したあとは、空気流量を零にすることができる。そのようにすれば、空気導入口３１または２９を通して井戸に空気が導入されないので、地表面に近い土壌および地下水に最大の真空が加わる。さらに、ある種の汚染物質の抽出を向上させるため、所望ならば、空気導入口３１または２９またはその両方を通して導入される空気を加熱してもよい。さらに、空気導入口３１，２９は、内側垂直導管４４および抽出流内に他の物質すなわち化学物質を導入する入口として使用することができる。その理由は、導入された他の物質すなわち化学物質は流入空気と一緒に垂直導管を通ってその底まで下降し、そのあと水と空気の混合物と一緒に真空抽出管３０を通って上昇するとき、化学的または他のやり方で水と空気の混合物と相互作用をするからである。例えば、酸化剤、界面活性剤、その他の化学物質を導入して、真空抽出管によって除去される水または蒸気に浮遊する汚染物質を処理することができる。さらに、土壌汚染物質を細菌またはその他の生物学的方法による相互作用によって生物学的に無害な物質に変化させる生体内変化プロセスと共に本発明の装置および方法を使用する場合は、１個またはそれ以上の気体導入口を使用して、真空抽出管にセルローズなどの生体内変化の養分を導入することもできるし、あるいは嫌気処理を促進する窒素、または好気処理を促進する酸素を導入することもできる。土壌汚染物質を処理する生物学的処理に関するこれ以上の情報は、例えば、W. K. Ahlert et al.,“In situ Bioremediation of Soil Contaminated with Methy Benzene Species, ” M. A. Franson, “In Situ Bioremediation of Unleaded Gasoline Contaminated Ground Water, Plainfield, Connecticut,A Case Study,”and M. Leavitt et al.,“Inplications of Surfactant Augmentation for In Situ Bioremediation Systems, ”all contained in In Situ Treatment of Contaminated Soil and Water, Proceedings of the 1992 U.S.EPA/A&WMA International Symposium, Air and Waste Management Association (Pittsburgh 1992) ; and Subsurface Restoration Conference, June 21-24, 1992, Dallas, Texas (Rice University Dept.of Envi. Sci.& Eng., Houston TX 1992）に記載されている。
【００１５】
真空抽出管３０，３３，３５を通して吸い上げられる液体は、一般に、二相形態である、すなわち分離した二層流（層別流、波状流、および環状流を含む）、間欠二層流（プラグ流およびスラグ流を含む）、または分布した二層流（泡状流およびミスト流を含む）のいずれかである。水滴やミストや（または）液中の同伴蒸気はスラグ流のほうに入る。システムを通過する空気流は、不飽和帯（通気帯）からの空気、水が抜かれた飽和帯からの空気、空気導入口３１（もし存在すれば、２９）からの低圧、大気圧または高圧の空気、および気体導入口４１，６１，６３からの大気圧または高圧の空気のうち１つまたはそれ以上によって供給される。従って、抽出井戸付近の地下から空気を抽出する必要はない。一般に、システム全体を通して高い蒸気／空気速度が維持される。真空抽出管内の空気速度は、蒸気相の水、種々のサイズの水滴、あるいは空気中に同伴する同種の物を搬送する、すなわち浮揚させる程度にすべきである。一般に、約１〜２００フィート／秒の空気速度値またはそれ以上ならば十分である。
【００１６】
内側真空抽出管３０は少なくとも１つの気体導入口４１を備えている。図２に示すように、内側真空抽出管３０は１つの気体導入口４１を備えている。同様に、外側真空抽出管３３は１つの気体導入口６１を備えており、オプションの追加内側真空抽出管３５は１つの気体導入口６３を備えている。
【００１７】
詳しく述べると、図２に示すように、気体導入口４１は内側真空抽出管３０の横にある開口を通って内側真空抽出管３０に入る。代案（図示せず）として、気体導入口４１は内側真空抽出管３０の底開口から内側真空抽出管３０に入ることができる。気体導入口６１は外側真空抽出管３３に対し同様に配置されており、気体導入口６３はオプションの追加内側真空抽出管３５に対し同様に配置されている。しかし、すべての真空抽出管は同じ形態の気体導入口を持つ必要はなく、例えば、ある真空抽出管は管の横にある開口を通って入る気体導入口を、別の真空抽出管は管の底開口を通って入る気体導入口を、第３の真空抽出管は複数の気体導入口を有していてもよい。各気体導入口４１，６１，６３は気体供給源（大気またはある種の別の所望の気体であってもよい）と、オプションの空気圧縮機に流体的に接続されている。図２の実施例では、各気体導入口はそれ自身の気体供給源を備えている。代案（図示せず）として、２つ以上の気体導入口を同じ空気供給源に接続することができる。また、圧搾空気が入っているタンクを気体供給源として使用してもよい。気体導入口４１への気体供給は弁４５によって制御される。気体導入口４１内の圧力は、所望ならば、オプションの圧力計４７で監視することができる。さらに、所望ならば、弁４５をオンオフするため、または気体導入口４１から内側真空抽出管３０へ気体を供給する持続時間および（または）気体の圧力を制御するため、またはその両方を行うため、気体導入口４１の構成に自動制御装置を追加してもよい。気体導入口６１，６３も同様に弁を備えており、またオプションとして圧力計および（または）自動制御装置を備えることもできる。
【００１８】
作用について説明すると、真空抽出管３０内に二層流を生じさせるため、真空抽出管へ真空を加える前、加える間、または加えた後、真空抽出管に気体を導入する。図２に示すように、真空抽出管３０，３３，３５がそれぞれ１個の気体導入口４１，６１，６３を備えている実施例においては、真空抽出管に真空を加える時、真空抽出管内に二層流が生じるまで（その時点で、気体導入口を通る気体流を停止する）、気体導入口を通して気体を連続的に加えることができる。気体導入口を通して気体を加える実際の持続時間は、井戸の深さ、井戸内の個々の気体導入口の深さ、個々の真空抽出管内の地下水位、井戸、真空抽出管、および気体導入口の寸法、気体導入口を通して加える気体の圧力、等の要因によって変わる。直径が４インチの井戸に、約２０〜６０ポンド／平方インチの圧力で気体を導入した時の典型的な持続時間は、地下水位が１５フィート以下の時は約１５〜２０秒であり、地下水位が約１８〜２５フィートの時は約４５秒である。幾つかの例において、気体導入口４１を通して気体を加える持続時間は５分またはそれ以上にすることができる。
【００１９】
真空抽出管が複数の気体導入口（図示せず）を備えている本発明の実施例においては、一般に、真空抽出管に真空を加える時、一番上の気体導入口の深さから真空抽出管内に二層流が生じるまで、最初に一番上の気体導入口を通して連続的に気体を加える。この時点で、次の深さの気体導入口を通して気体が導入され、その気体導入口の深さから真空抽出管内に二層流が生じるまで続けられる。次に、その次の深さの気体導入口を通して気体が導入され、その次の気体導入口の深さから真空抽出管内に二相流が生じるまで続けられる。いったん各気体導入口の深さから二相流が生じたら、各導入口を通る気体の流れを停止してもよいが、真空抽出管内の二相流がどんな時でも停止することがないように、ある導入口を通る気体の流れと次の深さの導入口を通る気体の流れが少なくともある程度の重複していることが好ましい。各導入口を通る気体の流れの持続時間と、２つまたはそれ以上の導入口からの気体の流れが重複している持続時間は各井戸によって異なるであろう。しかし、或る導入口を通る気体の流れと別の導入口を通る気体の流れを重複させずに各導入口を通る気体の流れを順次開始させることも可能であるし、あるいは増える深さによって順次でなく、一定の順序で複数の導入口を通る気体の流れを開始させることも可能である。そのほか、複数の気体導入口を通る気体の流れを同時に開始させることもできる。所望ならば、タイマー制御装置で各気体導入口を作動させることにより、各気体導入口を通る流れの持続時間を自動的に制御することもできる。
【００２０】
一般に、いったん二相流真空抽出プロセスが首尾よく開始されたら、１つまたは複数の気体導入口を通る気体の流れが止められる。しかし、真空抽出プロセス中のさまざまな時間に、真空抽出管を通る流れが望ましい二相流からスラグ流などの別形式の流れへ変化することがある。そのような場合には、気体導入口４１，６１，および（または）６３を通して気体を導入し、真空抽出管３０，３３，３５内の流れをそれぞれ望ましい二相流へ戻すことができる。気体導入口４１，６１，および６３を通る気体の流れは、気体を真空抽出管３０，３３，３５に同時に導入する場合は同時であってもよいし、気体を全部より少ない真空抽出管に導入する場合は別々であってもよいし、あるいは気体を一部または全部の真空抽出管にパターンまたは連続的に導入する場合は一斉であってもよい。
【００２１】
気体導入口４１，６１，６３は軟質または硬質のどちらでもよく、任意の適当な材料、例えばポリ塩化ビニル、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリプロピレン、等を含むプリマーおよびプラスチック、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、銅、真鍮、等の金属、あるいは他の適当な材料であってもよい。必ずしも必要でないが、好ましい実施例においては、１つまたはそれ以上の気体導入口は軟質材料であり、真空抽出管の周囲にコイル状に巻き付けられ、真空抽出管に開いている。気体導入口チューブの表面は粘着性でない（例えば、ワイヤ組ひも）から、気体導入口チューブを取り付けた真空抽出管を井戸の中で上下させると、気体導入口チューブはばねのように伸縮することができる。気体導入口４１，６１，６３は、所望の流量が真空抽出管を通れるように任意の所望の寸法または適切な寸法にすることができるが、一般に気体導入口が取り付けられた真空抽出管の寸法、井戸の深さ、井戸の周囲の詰め物の性質、等によって変わるであろう。一般に、直径が約４インチの井戸の場合、例えば真空抽出管の直径は約１／２〜３インチであり、気体導入口チューブの直径は約１／４〜１／２インチであるが、もちろん他の相対寸法を用いることができる。
【００２２】
それぞれの気体導入口４１，６１，６３を通して真空抽出管３０，３３，３５に導入される気体について任意の所望の圧力を用いることができる。典型的な圧力は、井戸の外側の大気圧から（その場合、空気圧縮機は必要ない）約１００ポンド／平方インチまでの範囲である。好ましい圧力は約２０〜６０ポンド／平方インチであり、より好ましい圧力は約３０〜５０ポンド／平方インチであるが、それらの範囲以外の圧力であってもよい。より高い圧力は真空抽出管内に二相流をより迅速に生じさせるほか、水の相対的深さがより大きい所ではより望ましいであろう（この例の相対的深さとは、気体導入口と真空抽出管内の地下水位の間の深さの差をいう）。
【００２３】
気体導入口を通して任意の所望の気体を真空抽出管に導入することができる。最も安価な気体として周囲空気を選択することができる。さらに、所望ならば、ある種の汚染物質の抽出を促進するために、気体導入口４１，６１，６３を通した導入する気体を加熱してもよい。気体導入口４１，６１，６３は、そのほか、化学的にまたは他のやり方で水と空気の混合物と相互作用させるため他の物質すなわち化学物質を垂直導管および抽出流内に導入する入口として使用することができる。例えば、真空抽出管によって除去される水または蒸気に浮遊している汚染物質を処理するために、酸化剤または界面活性剤または他の化学物質を導入することができる。さらに、土壌汚染物質を細菌または他の生物学的方法による相互作用によって生物学的に無害な物質に変化させる生体内変化プロセスと共に本発明の装置および方法を使用する場合は、気体導入口を使用して、セルローズなどの生体内変化の養分を真空抽出管に導入したり、嫌気処理を促進する窒素、または好気処理を促進する酸素を導入することができる。
【００２４】
所望ならば、さらに、内側垂直導管４４内に配置された内側真空抽出管と、内側垂直導管４４と外側垂直導管５３の間に配置された外側真空抽出管をシステムに追加することができる。
【００２５】
図２に戻って、外側垂直導管４４の上部４６はベントナイトセメントのような低浸透性グラウト５４で取り囲まれており、グラウト５４の下部はベントナイトシール５６で封止されている。周囲の土壌から外側垂直導管４４内へ気体と液体が容易に流入できるように、外側垂直導管５３のスクリーン付き下部４８と上部４６を取り囲んでいる井戸穴４２の区域に微細な砂４９が詰めてある。必ずしも必要でないが、内側垂直導管４４の外壁と外側垂直導管５３の内壁の間に充填材料５５を入れることが好ましい。充填材料５５は、気体と液体の通過を許すが、土壌粒子の通過を阻止する作用をする任意の適当な材料であってもよく、また天然材料または合成材料のいずれでもよい。適当な充填材料の例としては、砂、粘土、珪藻土、セラミック、石、焼結金属、ガラス繊維、炭素、セルローズ、綿、パーライト、フライアッシュ、アルミナ、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリサルフォン、ポリカーボネート、ナイロン、レーヨン、テフロン、等のほか、それらの充填材料の混合物がある。
【００２６】
発明の好ましい形態において、抽出井戸２８は、スクリーン付き下部４８が自然の地下水面１８より下、および地下水面１８より上の通気帯の中まで延びているように構成されている。スクリーン付き下部４８が延びている通気帯は、自然の地下水面１８であってもよいし、抽出井戸を通して長期にわたって地下水を除去したために地下水面が局部的に下降したとき生じる拡大した人工の通気帯（図２に参照番号１８′で示す）であってもよい。図示のように、下降した地下水面１８′は、真空抽出管３０，３３の底開口より上に位置し、かつ真空抽出管３５の底開口より上に位置している。例えば、極端に砂状の土壌で処理を行う時などの一定の場合には、地下水面１８′が１本またはそれ以上、場合によっては全部の真空抽出管の底のレベルまで下がることがある。しかし、垂直導管４４，５３のスクリーン付き下部４８が地下水面より下と、通気帯の中の両方にまたがっているので、抽出装置３２が発生した真空作用によって抽出井戸の中に吸い出された土壌気体（蒸気相）が液相を同伴して、一緒に地表面へ搬送することができる。あとで説明するように、地表面において二つの相を分離し、別々に処理することができる。
【００２７】
代案（図示せず）として、真空抽出装置３２の作用によって水を除去した後でも、下部４８のスクリーンが自然の地下水面または実際の地下水面の中に完全に浸るように、すなわち地下水面よりの下方に置かれるように、抽出井戸２８を構成することができる。後者の場合、地表面へ搬送される流体は主として液相であるが、通常は真空作用によって揮発した液体を含む気相が存在する。
【００２８】
図３に、真空抽出装置３２と、抽出した物質を処理する方法および装置を詳しく示す。モーター８０で駆動される真空ポンプ７８は、管８２、ノックアウトポット８４および管８６によって抽出井戸２８の管継手５２に流体的に接続されている。ノックアウトポット８４は通常の設計のものであってもよい。
【００２９】
ノックアウトポット８４は、あとで適切に処理できるように、抽出井戸２８から出てきた二つの相を分離する。これに関連して、液相の放出物を濾過工程とストリッピング工程へ通すために、管８８がノックアウトポット８４に連結されている。図示した実施例においては、濾過工程は通常のやり方で交互にまたは同時に使用できる並列のフィルタ９０、９２によって実施される。各フィルタを取り外し、掃除し、あるいは交換することができるように、遮断弁（簡潔にするため図面に示してない）がフィルタ９０または９２を隔離する。また、フィルタの負荷を指示するため、フィルタ９０、９２の吸込み側と排出側に適当な圧力計（図示せず）を設置してもよい。適当なフィルタ９０、９２の例としては、Aftek, Inc. から購入できる Series 500 filter bags (523, 525, 527, 529 ) 3M Filteration Products がある。もちろん、他の分離方法および装置を使用してもよい。
【００３０】
ポンプ９４（単段スクリュー形耐蝕性ポンプが好ましい）は、ノックアウトポット８４の液相流体を引き出す作用をする。適当な単段スクリュー形ポンプの例としては、Bornemann Pump, Inc.  から市販されたいる Model E4H-1024-P1  がある。適当な遠心ポンプの例としては、Siewert Equipment, Inc. から市販されている Model AC100A1  がある。同様に、他の適当な装置を使用してもよい。
【００３１】
図示した実施例においては、ポンプ９４によって液相流体が管９６を通してオプションのエアストリッピング装置９８へ送り込まれる。エアストリッピング装置９８の作用は流体から揮発性有機化合物を除去することである。エアストリッピング装置９８に連結された送風機１００は温い空気の流れをエアストリッピング装置９８のハウジングに通して、揮発性有機化合物をベント１０２から大気中に放出するか、またはその後の処理工程（図示せず）へ送る。移送ポンプ１０４はエアストリッピング装置９８の液溜めから液体を管１０６を通してその後の処理工程へ送る作用をする。エアストリッピング装置９８に取り付けられた「低レベル」スイッチ１０８に応答して、移送ポンプ１０４をオフにすることができる。また、エアストリッピング装置９８に取り付けられた「高レベル」スイッチ１１０はエアストリッピング装置９８内の高水位に応答してポンプ９４を制御する。エアストリッピング装置９８はこの分野の専門家に周知の通常の既製品であってもよい。
【００３２】
所望ならば、エアストリッピング装置９８を省いて、管９６の流体と管１２０の流体を合流させることができる。抽出中に空気と水がよく混じるので（真空の作用で地下水が空気流内に抽出される）、揮発性有機化合物が溶液からよく揮発することができ、従って後でエアストリッピングする必要がないという仮説に立っている。
【００３３】
さらに、エアストリッピング装置９８の必要性がないことにより、揮発性有機化合物を運ぶ空気流の総量が減少する。空気の放出を規制しなければならない場合には、これは大きな利点になる。エアストリッピングを行わずに実施する二相蒸気抽出プロセスのもう１つの利点は、蒸気／液体の混合および分離を行う際の圧力が低いので、通常のエアストリッピングを行う場合よりも水の酸素含有量が少ないことである。溶解酸素量が少ないことは装置の下流側の構成要素の腐蝕や汚れが少ないことが予想される。
【００３４】
上述のように、真空ポンプ７８の作用の下で、抽出井戸２８からの二相流体から分離された蒸気は真空ポンプ７８へ吸引される。図示した実施例では、真空ポンプ７８は液封形であり、家庭用上水が供給される上水管路１１２を備えている。上水管路１１２には、エアストリッピング装置９８の「高水位」スイッチ１１０に応答するソレノイド作動弁１１４が設置されている。
【００３５】
真空ポンプ７８は蒸気／液体分離器１１６を吸引し、その蒸気流体を大気中へ放出するか、該当する場合には管１１８を通してその後の処理工程へ送る。蒸気／液体分離器１１６からの大量の液相流体は、管１２０を通って液溜め１２２へ送られ、管１０６を通してエアストリッピング装置９８から送られた液相流体に合流される。蒸気／液体分離器１１６の液相流体の一部または全部を管路１２４を通して吸い出し、液封形ポンプ７８に水を供給する上水管路１１２の流れに合流させることができる。
【００３６】
「低レベル遮断」スイッチ１２８によって制御されるポンプ１２６は、液溜め１２２から液体を吸い出し、管１３０を通してその後の処理工程へ送る。図示した実施例では、液体は粒状活性炭素が入っている２段のキャニスタ１３２、１３４を通過する。上記以外の汚染物質除去プロセスを使用してもよい。管１３６を通って出てくる処理済みの水は十分に清浄であるので、それ以上の処理をせずに土壌または下水溝へ戻すことができる。
【００３７】
図４に、オプションの空気導入井戸５７の例を示す。空気導入井戸５７の井戸穴５８に管６０が挿入されている。一実施例においては、管６０は底に蓋を付けた（管の底は開いておくこともできる）４インチ径のＰＶＣパイプから成り、0.010 インチスロットのスクリーンを有する。管６０は上端が地表面６４まで延びたセメントカラー６２で取り囲まれている。所望のときカラー６２に適当な上蓋６８を取り付けて空気導入井戸５７を選択して被覆することができる。上蓋６８は一般に少なくともある程度の通気性を有する。井戸穴５８内の管６０の中間部７０を取り囲んでいるベントナイトスラリ７２は管６０と井戸穴５８の間に気密シールを提供する。管６０のスクリーン付き下部７４は通気性充填砂７６で取り囲まれている。後で明らかになるように、管６０はプルーム１４（図１参照）を取り囲んでいる区域へ空気を容易に導入することができる。
【００３８】
本発明に従って真空抽出を利用する１つの利点は、地下水の抽出速度を通常の単相流による抽出速度よりかなり高められることである。前に述べたように、真空抽出管３０と真空抽出装置３２を使用して地下に真空を加えることによって、帯水層より上方にある空気と土壌気体を井戸に向かって掃引する流体力学的効果によって、さらに垂直導管４４，５３内の低水頭（水圧）の人工的形成によって、土壌から水が吸い出される。垂直導管４４，５３内の低水頭は、実質上、垂直導管４４，５３を流体システム内の低い場所に置くので、周囲土壌内の水が容易に垂直導管４４，５３へ流れる。
【００３９】
通常のポンプで達成できるよりも地下水の抽出速度を人工的に高めることは、地下水の自然の再充満が遅い地下構造において特に有益である。抽出井戸２８の周囲の地下水捕捉区域の大きさが拡大することに加えて、システム１０が作動すると、自然の地下水面が下がるので、システム１０によって発生した蒸気抽出メカニズムによって浄化作用を受ける通気帯の容積が増加する。本発明の方法および装置の明白な利点は、処理時間が短縮されることと、全汚染物質除去作業の費用が少なくて済むことである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の装置および方法は、真空抽出管と空気導入手段を備えており、抽出装置がもはや土壌の空気透過率すなわち間隙率の条件に依存せず、真空ポンプの特性に相応しい空気流と水流を垂直導管に送り込むことができるので、いろいろな空気透過率およびいろいろな間隙率の土壌から液体および（または）気体の汚染物質を除去することができる。弁が設置された空気導入口は、個々の現場の土壌条件に合うように導入空気流量を調節することができる。空気導入口と弁は、真空抽出管を通して井戸から水を吐出するための空気を供給する。さらに、本発明の場合、土壌を通る空気流に対する土壌の条件は重要でなく、従って最大汚染区域の不規則な土壌条件すなわち難しい土壌条件を考慮せずに、それらの領域に抽出井戸を設置することができるので、抽出井戸を設置する場所に関して融通性が高い。さらに、井戸に連結した真空ポンプの等価揚程より地下水面が深いときでも、真空抽出管と空気導入口によって、地下水面より下の位置から井戸を通して汚染物質を真空抽出することができる。また、地下水面が約３５フィートより深い所にある場合は、液体汚染物質を除去するために必要な揚程はあらゆる市販の真空ポンプの揚程を越えていると予想される。しかし、本発明の装置および方法は、３５フィートまたはそれ以上の深さからでも、液体および気体汚染物質を除去することができる。ほとんどどんな定格の真空ポンプも、本発明の装置と共に地下水の抽出に使用することができる。すなわち、低ＣＦＭ定格ポンプでもかなり深い地下水面から地下水を抽出することができる。さらに、本発明の装置および方法は、地下水面より下のみから抽出するため装備した装置、および通気帯と地下水面より下の双方から抽出するため装備した装置で汚染物質を抽出するのに適している。
【００４１】
本発明の装置および方法は、上に述べた利点が得られると同時に、非常に深い井戸においても使用することができる。本発明の装置および方法は１００〜２００フィート以上の井戸に使用するのに適している。自然の地下水面が２０フィートまたはそれ以上の深さにある井戸や、地下水位を６０フィートまたはそれ以上の深さまで下げることが要望されている井戸においては、複数の気体導入口を使用する本発明の実施例が一般的に好ましい。さらに、本発明の装置および方法は、上に述べた利点が得られると同時に、吸上げプロセスを迅速に、簡単に、かつ効率的に始動させることができる。例えば、自然の地下水面が１０フィートの深さにある区域に井戸がある場合や、真空抽出プロセス中に地下水位が約４５フィートの深さまで下降する場合は、真空抽出プロセスを開始する前、真空抽出管は、最初、地表面より下に約１０フィートの深さに地下水を有しているであろう。仮に真空抽出管を地下水位よりわずか下のレベルまで動かして真空抽出プロセスを開始し、地下水位が４５フィートまで下降するまで垂直導管内で真空抽出管の高さを調節し続ければ、始動プロセスは、一般に、少なくとも一人（たいていは少なくとも二人）で少なくとも４５分を要するであろう。対照的に、本発明の装置および方法によれば、二相流を開始させるため垂直導管内の真空抽出管の高さを調整する必要がない。たとえ手動で行っても、各井戸ごとの始動プロセスは、一般に、一人で約４５秒かかるだけである。もし自動化プロセスで実施すれば、始動プロセスに必要な時間と人数は大幅に減少する。さらに、本発明の装置および方法は、使用中の真空抽出井戸の「停止時間」を最小限度にする。もし真空抽出管を通る二相流が停止すれば、そのあと井戸を再始動させるのに時間がかかる。さらに、作動停止時間とその後の再始動の間に地下水が井戸の周囲の領域に流入するので、毎分当たり除去する汚染物質の濃度に関してその井戸の効率を以前のレベルまで戻すには時間と日数がかかる。本発明の装置および方法によれば、真空抽出管を通る二相流が中断することは起こりそうもない。仮に中断しても、二相流を迅速に回復させることができる。従って、井戸の汚染物質除去効率の以前のレベルへの回復も比較的迅速である。汚染物質の抽出は迅速かつ効率的である。また抽出プロセスを中断せずに、垂直導管内の真空抽出管を動かして井戸内の真空抽出管の深さを調整することができる。また真空抽出管が軟質材料である場合は、井戸の表面開口が屋根の下にある時、深い井戸内の真空抽出管の深さを調節することができる。さらに、土壌と砂による真空抽出装置の汚染が少ない状態で、汚染物質を抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って地下の汚染区域から汚染物質を真空抽出する装置と地下の断面図である。
【図２】本発明の二重壁複数抽出管を設置した抽出井戸の断面図である。
【図３】本発明の真空抽出装置および方法によって地下から除去した物質を処理する装置の一例を示す略図である。
【図４】本発明と一緒に使用する空気導入井戸の断面図である。
【符号の説明】
１０  本発明の真空抽出処理システム
１２  揮発性汚染物質源
１４  汚染物質のプルーム
１６  土壌
１８  地下水面
１８′下降した地下水面
１９  地下水流
２０  汚染物質の水より軽い成分
２２  汚染物質のプルーム
２４  汚染物質の水より重い自由相成分
２６  不透水層
２８  抽出井戸
２９  空気導入口
３０  内側真空抽出管
３１  空気導入口
３２  真空抽出装置
３３  外側真空抽出管
３５  追加内側真空抽出管
３６  処理装置
３７  中間垂直導管
４０  ドラム
４１  気体導入口
４２  井戸穴
４４  内側垂直導管
４５  弁
４６  孔のない上部
４７  圧力計
４８  孔付き（スクリーン付き）下部
４９  砂
５１  Ｏリング
５２  管継手
５３  外側垂直導管
５４  グラウト
５５  充填材料
５６  ベントナイトシール
５７  空気導入井戸
５８  井戸穴
６０  垂直導管
６１  気体導入口
６２  カラー
６３  気体導入口
６４  地表面
６８  上蓋
７０  垂直導管の中間部
７２  ベントナイトスラリ
７４  スクリーン付き下部
７６  砂
７８  真空ポンプ
８０  モーター
８２  管
８４  ノックアウトポット
８６，８８  管
９０，９２  フィルタ
９４  ポンプ
９６  管
９８  エアストリッピング装置
１００  送風機
１０２  ベント
１０４  移送ポンプ
１０６  管
１０８  「低レベル」スイッチ
１１０  「高レベル」スイッチ
１１２  上水管路
１１４  ソレノイド作動弁
１１６  蒸気／液分離器
１１８，１２０  管
１２２  液溜め
１２４  管路
１２６  ポンプ
１２８  「低レベル遮断」スイッチ
１３０  管
１３２，１３４  キャニスタ
１３６  管
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003805414.tif 000004
【図４】
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