JPH06507344A - 地下水からの揮発性有機化合物の除去 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般に、汚染された地下水をクリーニングする手順（：関し、特に 、地下水から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去する現場での手順番＝関する。

この１０年間に、アメリカにおいて１２００を越える危険な廃棄場所力（、改善 するための調査と浄化が必要であるとして環境保全庁の国家優先１ノストに載せ られた。しかし、現在の改善方法は非常に費用がかかることカベし１ｆＬｌｆで あるので、別のコンセプトと技術が必要とされている。本発明１叡特に、地下水 源番；重大な損傷を与え、地下水によく発見されるＶＯＣに関する。

ｖＯＣ汚染物質の中で最も一般的なものは、ガソリンやシェド燃料などの石油製 品である。アメリカの環境保全庁は、アメリカには２００万を越える地下タンク があり、それらのうち２０％が漏れて、地下水を汚染して（すると推定してし） る。

そのようなタンクは、ベンゼン、トルエンおよびこれらの誘導体を漏らし、これ らは地下水に溶解する。■ＯＣ汚染物質の他の重要なグループ（ま、塩素イヒ炭 イヒ水素、特にＴＣＥ（トリクロロエチレン、ＣＨＣｌ＝ＣＣ１，）およびその 分解製品である。

水文学者や環境工学者にとっての一つの課題は、溶解された有機汚染物を簡単、 安価かつ効果的な方法で除去するための新しい現場改善方法を開発することであ る。多（の汚染された場所では、通常、有機汚染物質の多く力（分離した液相と して存在する。ある部分は、地下水に溶解したり、不飽和帯の気相に蒸発したり する。いったん地下水に溶解された有機汚染物は、羽毛のように運ばれる。帯水 層の改善中に、次の地上での処理で上澄みをすりＬＸとるかあるＬ）↓まポンプ で汲むことによって、有機液体の主体は、一般に、地下水から除去される。毛細 管力↓こよつて留どめられた液相のある部分は、ゆっくりと溶解し続けるであろ う。改善処理には、有毒物質の気相を除去するために、不飽和帯を強制減圧排気 することも含まれる。不幸にも、溶解した部分は現場で処理されない。というの は、改善技術が「ポンプ・アンド・トリート」（即ち地上）方法に限られている からである。

ある特別な場合には、新しく開発された生回復（ｂｉｏｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ）方法が、別の方法を提供する。この方法は、栄養物と酸素を注入し、微生物を 導入あるいは刺激することによって有機化合物の生分解を高めることをねらつた ものである。最近、調整された刺激の後の減少状態においてＴＣＥを助代謝する ことができるメタン生成微生物が自然系で発見されている。技術開発の初期段階 ではあるけれども、これらの方法は実用的かつ有効になるかもしれない。しかし 、これらの方法は非常に特別な状態に限られる。たとえば、ＴＣＥ含有水の現場 の生回復（ｂｉｏｒｅｓｅｄｉａｔｉｏｎ）は、ＴＣＥを約１００ｐｐ＋ｓ未満 含有の液体に限られる。というのは、これ以上の濃度は有毒であると思われるか らである。その代わり、加圧下で蒸発させる遊動装置を用いる現場改善技術が導 入された。

見たところでは、地下水からＶＯＣを除去するために、エアリフトポンプを気泡 を作り出すことに用いる現場帯水層改善方法は、文献には記述されていない。

水文学上の、地質学上のおよび工学上の様々な過程における気泡の効果について 関連の研究が詳しく調べている。減少液圧伝導率への効果、土壌水分ヒステリシ スへの効果および水面変動への効果に関して、地下水での気泡の一般的性質が水 文学文献に記述されている。気泡は、その特別な界面特性故に、多孔質媒体の粘 土鉱物のような懸濁粒子のキャリアとして働くかもしれないと示唆されている。

石油工学の文献には、油溜めへの効果に関して気泡の性質が研究者によって記述 されている。海洋学および鉱石加工のための浮遊技術のような様々な分野におい て自由液相の中の気泡による輸送は注目を受けている。海洋学では、泡は海面へ の有機物質の重要なキャリアとして語られている。

空気−液質量交換は２つの異なることに適用されてきた。ひとつは、地上の大型 タワーを用いた工業用廃水の「ガスストリッピング」である。もうひとつは、微 量の揮発性化学薬品の凝度分析のための「パージ・アンド・トラップ」実験技術 である。この水−気相の質量移動は、非常に効率がよい。ガスストリッピングの 場合、水性層の濃度を、しばしば検出限界である水質基準まで減らすことができ る。

今日において、国内での使用のために提供される前に、汚染された場所のポンプ で汲み揚げられた地下水から揮発性化学薬品を除去する標準的な方法としてガス ストリッピングが用いられていることに注目するのは興味深いことである。研究 室のパージ・アンド・トラップ法も多くの化合物に対して効果的な除去方法であ 本発明は飽和帯から溶解■ＯＣを現場で除去するための新しいコンセプトを含む 。それは、標準的な「ポンプ・アンド・トリート」方法は避ける。それは、ガス −リフトポンプ技術と現場の蒸気ストリップ方法の組み合わせである。アイデア は井戸に気体を注入して、中の汚染された水を上げることである。この処理の間 に、ＶＯＣは水から気泡に移される。注入される気体は空気、あるいはニトロゲ ン、二酸化炭素もしくは他の気体の組合せなどの何か特定の気体であってよい。

注入される気体は周囲の温度であってもよいし、暖かくあるいは冷たくてもよい 。

ＶＯＣは蒸気の抽出によって井戸の上部に集められる。

本発明の目的は、溶解した汚染物を除去するための簡単、安価かつ効率的な技術 を提供することである。すなわち、地下水からＶＯＣを除去するために、ガス− リフトポンプおよび現場の蒸気ストリップ技術を使用することである。

本発明の付加的目的と利点は以下の記述において述べるが、一部分は記述から明 らかであるかあるいは発明の実施によって分かるであろう。発明の目的と利点は とりわけ請求の範囲で指摘された手段と組み合わせによって実現され、達成され る。

発明の要旨 本発明は地下水からｖＯＣを除去するシステムに対するものである。このシステ ムは、井戸にガスを注入して、地下水の流れを上記井戸の方へ向かわせると共に 、ＶＯＣを上記地下水から上記井戸内の上昇気泡へと移動させるようにする手段 を備えている。このシステムはさらに、上記井戸の最上部にあって、上記気泡内 に入っているｖＯＣを収集する手段を備えている。

本発明の現場改善方法は、蒸気ストリッピングの形態にガス・リフト・ポンピン グを組み合わせた技術を用い、井戸にガスを注入することによって達成される。

ガスが井戸に注入されると、ガスは水を上昇させると共に、地下水の流れを井戸 の方へと向かわせて、循環浄化ゾーンを形成する。この処理の間、ｖＯＣは汚染 水から井戸内の上昇気泡へ移動させられる。ＶＯＣ蒸気を含むガスは井戸の最上 部で収集される。このシステムでは、水は地表面まで上昇することは許されない 。

むしろ、水は、ルート帯の下方に設けられた一連のドレーンを通して、不飽和帯 に入れられる。そして、ＶＯＣの部分のない水が浸透して地下水面に戻る。水が 循環するにつれて、■ＯＣ濃度は徐々に低くなる。

本発明の技術の実用性を、水から気泡へのＶＯＣの質量移動の概念に従って分析 した。汚染液体と気泡との間の平衡分配が速やかに確立されるためにこのシステ ムは有望であることを計算は示している。

図面の簡単な説明 添付図面、これは中に組み込まれ、この明細書の一部をなしているが、この添付 図面は発明の好適実施例を概略的に示しており、上述の一般的な説明と後述の好 適実施例の詳細な説明と合わせて、本発明の詳細な説明するのに役立つ。

図１は、空気管と排水浸透装置を取り付けた、帯水層改善のために設計された井 戸の概略図である。［改善循環セルは定常状態に達する。この状態の間、水（実 線矢）は井戸の中で上げられ、不飽和帯に押し付けられ、水面に浸透し、流れて 井戸に戻る。空気（破線矢）は井戸に注入され、泡が上昇し、ＶＯＣをしみ込ま せて、井戸の上面に集められる。］ 図２はスロットとバッフル付きのエダクタ−パイプを用いて空気が帯水層に入る のを妨げるための井戸の設計図である。水の流れは実線矢で示され、空気の流れ は白抜きの矢で示される。分かるように、井戸が水面より上にスクリーンを有す ると、エダクタ−パイプと井戸のケーシングとの間の環状の空間はベンチレータ ーに連結される。これは、通気帯からの蒸気の排出を可能にする。

図３は図２の３−３線平面図である。

図４８と４ｂは垂直パイプの中の水と空気の混合物の流れのパターンを示す図で あり、それぞれ、空気の体積分率が６７％である「泡流れのパターン」、および 空気の体積分率が７０％である（弾丸状の泡を含む）「ステップ流れのパターン 」である。

図５は種々の所望の全リフト量について、浸水度に対する、注入された空気ごと に排出される水の体積比を示す図である。このグラフは、ケーシングと空気管の 標準的な直径の使用を想定しており、個々の分野の場合に対する有用なガイドと して役立つ。

図６はパイプの中を流れる水と気泡の混合物を示しており、液体境界相（その厚 さをｒｈＪで示す）を横切る■ＯＣ質量移送モデルの説明をするための図である 。

図７は泡流れのパターン（Ｇ＝２）について、ＴＣＥとＰＣＨの減少比に対する 循環ステップの必要数を示すグラフである。

図８は０．０１の減少比について、ＴＣＥとＰＣＨに対する空気／水の体積比に 対する循環ステップの必要数を示すグラフである。

図９ａと９ｂは井戸からそれぞれ５１１と１５１１に再浸透する半径流れシステ ムに関して、水頭分布と流路を示す断面図である。

図１０は空気注入井戸から５コと１５ｍ離れたところに再浸透する半径流れシス テムに関して、地下水面下０．　’２５１１に放出された１００個の微粒子の移 動時間を示す図である。

好ましい実施例の説明 この発明を、いくつかの好、ましい実施例によって説明する。上記好ましい実施 例は、地下水からＶＯＣを除去するための現場改善処理を含んでいる。

図１に示すように、このことは、エアリフトポンプに蒸気ストリッピングの構成 を結合させた技術を使用して、井戸１０へ空気を注入することによって達成され る。空気が井戸に注入されたときに、それによって水は持ち上げられ、その空気 は、循環する浄化領域を作り出しながら地下水の流れを上記井戸へ向わせる。

この過程の間に、ＶＯＣは汚染された水から、上記井戸の内側の上昇する空気の 泡に移動させられる。ｖＯＣの蒸気は、上記井戸の頂上で収集される。この装置 では、水は地表面まで持ち上げられることが許されていない。これに代えて、水 は地表面よりも上に持ち上げられてもよい。いずれにしても、上記水は、その後 、ルート帯下に設けられた排水管の系列を経由して不飽和帯に向かわせられる。

それから、上記水は、少量のＶＯＣが分離されて、地下水面に戻ってしみ込む。

水は循環し続けるので、■ＯＣ濃度は、次第に減少する。

上記提案された方法の実施可能性が、水から空気の泡へのｖｏｃの質量移動の概 念に従って分析された。計算結果は、汚染された液体と空気の泡との間の平衡分 配が速やかに達成されるから上記方法は成功の見込みがあることを示した。すな わち、“泡流れのパターゾについては井戸内の流れが３ｍ経過した後には、平衡 状態が生じる。

この現場蒸気ストリッピング方法は、さまざまな技術の組み合わせを含んでいる 。図１に示されるように、井戸１０は、汚染された水が上記井戸１ｏに流れ込め るように、井戸用スクリーン囲い１２によって完全もしくは部分的に飽和帯１５ 内で仕切られている。上記井戸は、他の場所は一体の囲い１４で囲まれている。

上記井戸の囲いの内側に空気管１６が導入され、この空気管１６の中に、コンプ レッサー１８によって空気が注入される。前述したように、空気以外のガスが、 適宜用いられてよい。バルブ１７は、管１６内の空気流を制御する。空気注入速 度は、地下水の上記井戸への実質的な循環を作り出すように、またＶｏｃの現場 で揮発速度を制御するように、調整することができる。質量交換速度は、液相と 気相との間のｖＯＣの移動にほぼ等しい。

空気管１６内の空気は、地下水面１９の下方に放出され、上昇する泡を作り出す 。上記井戸の外の水柱と上記井戸の内側の水と泡の混合物の柱との間の密度の差 によって、上昇力が作り出される。言い換えれば、水は上記井戸を上昇し、帯水 層の内側の水は上記井戸に向かって流れる。上記水と気泡の混合物２ｏは、上記 空気管の周囲の環状の空間２１内を上方に流れる。この装置において、水は上記 地面２２へ持ち上げられることが許容されておらず、これによって、コストを低 減し、上記ルート帯の上の生物環境を保護する。むしろ、上記水は、参照番号２ ５によって全体が示されるドレーンつまり排水管の系列を経由して、上記不飽和 帯２４に向かわせられる。それらの排水管は、上記不飽和帯の中に、地表面２２ の下方に設けられている。

それら排水管は、上記井戸から水平に放射している。そして、それらの目的は、 上記空気で持ち上げられた水を、上記不飽和帯２４を経由して浸透させて上記帯 水層に戻すことである（図３参照）。このようにして、上記井戸の近くに、水循 環室が形成される。上記排水管は、以下に更に詳細に述べるように、埋設された パイプ３２の系列からなっていてもよい。

同時に、空気除去室が上記井戸囲いの内部に形成される。上記空気の泡が上記井 戸の中の水を通り抜けて流れる期間の間、ｖＯＣは上記水から上記気相へ移され る。蒸気ストリッピングの有効性は、濃度勾配と、質量交換に利用できる時間の 長さと、上記空気泡の界面面積に基礎をおいている。上記ＶＯＣの蒸気は、上記 井戸の頂上で蒸気抽出技術を用いて集められる。上記井戸の中のｖＯＣの蒸気を 集めることを可能にするために、上記空気は上記水から分離されなければならな い。これは、簡単な偏向板３０を用いて達成される（図１）。この偏光板３０は 、上記泡が放出されることを可能にし、上記■ＯＣを含有する蒸気が蒸気抽出管 ３３を通して集められることを可能にする。水からガスを分離するために使用さ れる手段は、たとえば、さまざまな設計の偏光板、積み重ねられた多孔質板もし くは砂利パックを使用して達成されることができる。有機物が豊富な蒸気は、除 去のための活性炭３４を通過させられる。そして、蒸気を抽出できるように管３ ３に送風機３６が接続されている。ＶＯＣ蒸気の除去は、吸着、生物学的処理、 化学的処理、灰化、または大気への排気と希釈を含む多種の過程によって達成さ れる。

水が浸透して上記地下水面に戻っている間、通気室が不飽和帯２４内に作り出さ れる。この段階の間、上記■ＯＣは、土壌ガス内へ放出され続ける。土壌ガスを 排出することは、上記不飽和帯から上記ｖＯｃを除去するために利用される。

ポンプでくみ出された水は、上記地下水面に連続して排水されるから、上記不飽 和帯は、自然の「蒸気ストリッピング塔」として使用される。この過程が持続し ているときに、水は上記帯水層から上記井戸に、それから、上記地下水面に戻っ て循環する。上記ｖＯＣの濃度は減少し、十分な回数の循環の後に、それらは許 容濃度基準に到達する。

空気注入が泡を上記帯水層に向かわせるおそれがある場合に対しては、図２に示 すような修正された設計が可能である。エダクタ−管４０が、上記空気管１６と 上記井戸囲い１２との間に設けられ、井戸内の井戸を形成している。それゆえ、 上記空気管に注入された空気は、この「内側の井戸」の内に入れられるであろう 。

水と空気は、上記地表面２２に向かって上記エダクタ−管内を上昇し、さらなる 水を上記帯水層から上記エダクタ−管へ向かって流させるであろう。さらに、上 記エダクタ−管には、ガス泡が水平方向に逃げるのを防止するために孔とそらせ 板４２によって表されるように、下部にスロット／バフル手段が形成されている 。

この修正に伴って、気泡は上記エダクタ−管内に完全に含まれるので、気泡が上 記帯水層に入り込むことがほとんど不可能になる。

さらに、上記井戸囲い１２は、通気帯２４内に、図示されるようにスクリーンが 設けられていてもよく、もしくは、部分的にスクリーンが設けられていてもよい 。上記井戸囲いと上記エダクタ−管との間の環状空間４４は、井戸排気管４６を 通して排気されることができる。このことは、上記通気帯内のｖｏｃを含有する 蒸気が、地下水から除去されたＶＯＣを処理するために使用される同一の蒸気処 理装置によって抽出されて処理されることを可能にする。この装置の平面図を図 ３に示す。

気液混合物の垂直の流れのパターンは、空気と水の上記管内の速度の関数である 。連続的なより高い空気速度において生じる２つの流れのパターンつまり泡とス テップ（塊）の流れのパターンは、この方法に関連しており、図４ａと４ｂに示 される。低い空気速度では、ガスは分離した泡に分散させられ、そのいくつかは 、合体によって寸法が増加するかもしれない。泡が連続して発生させられている ときは、擬似平衡状態が達成され、寸法、形状および単位体積当たりの数が比較 的安定し、もはや合体によって影響されない。これが、図４ａの「泡パターン」 流れである。ガスの流れが増加するにつれて、泡のいくつかが合体してほぼ上記 管の端から端におよぶ大きなずきん形状の泡を形成する。これは、図４ｂの「ス ラッジパターン」の流れの開始を示す。泡（図４８）からスラッグ流れパターン （図４ｂ）への推移は、通常、ガス相の体積分率が、領　２５〜０．７０の間で あり、両方の相の速度に依存するときに起こる。空気の速度が、さらに増加する につれて、それらの泡は大きくなり、それぞれ弾丸形状になる。上記スラッグ流 れパターンは、小さな泡を含有する水のスラッジと交互に並ぶ薄い水の環によっ て囲まれた弾丸形状の泡によって特徴づけられる。ここでの関心以上の空気速度 のさらなる増加は、連続した空気部分を作り出す。

寿命の間の泡の半径の変化は、上昇中の流体静圧のたえまない減少に起因する増 加傾向と、水の中の空気の溶解に起因する減少傾向との間の競争によって支配さ れる。小さな泡にとって、泡半径の変化は、ガスが液体に溶解することによって 支配され、したがって、それらは、溶解しやす（て、消滅しやすい。これと対照 的に、大きな泡は成長する傾向にある。これら２つの反対の可能性を分ける泡の 半径の限界は、水の深さの関数である。それは、１０メートルの深さでは約１１ ００ｐであり、１００メートルの深さでは約３００ａｍである。

単一の泡が、管孔からよどんだ液体の中に放たれたとき、一定の速度に達するた めには、はんの少量の泡の半径分の距離が必要である。終末速度は、浮力が粘性 力と釣り合ったときに発生する。自由で静止した液相の中の単一の泡の上昇速度 は、泡の半径と水の粘度との関数であり、３０ｃｍ／秒を越えることができない 。

明らかに、隣り合う泡は、互いに影響を及ぼし合う。ある最小の分離距離よりも 小さい距離では、振動、螺旋運動およびランダムな動きが、衝突、付着あるいは 合体を引き起こす。さらに、上昇する泡によって作り出される渦の乱れが後を追 う泡の上昇を遅くする。実際、よどんだ液体の中の泡の連続した群れの速度は、 単一の泡のそれよりも極めて小さいことが発見された。

泡の群れが、垂直にあるいは傾いて流れる水の流れと一緒に上昇するときには、 ２つの流れの相のお互いの影響を考慮する必要がある。管の中の液体とガスの混 合物の垂直の流れの間、「スリップ」効果としても知られている「ホールドアツ プ」効果がある。すなわち、ガスは、液体よりも高い平均速度で流れる傾向があ る。上昇する水の中の泡の絶対上昇速度は、よどんだ液体の中の泡の速度と流れ る液体の局所的な絶対速度との単純なベクトルの総和であることが分かっている 。

流れる液体の中の泡の平均絶対上昇速度を決定するために、上記ベクトルの総和 の概念を適用するのには、速度における不均一、泡濃度における可変性、および 管と交差する液体の速度分布のために、いくらかの困難がある。ここでの目的の ために、液体ガス混合物の不安定な流れのパターンと、上記環状空間の内側の複 雑な相の幾何形状から、水と空気の速度の計算が困難となる。したがって、空気 と水の上昇速度は、経験的な関係に基づいて予測されなければならない。

井戸の中に空気を注入することによって地下水をくみ出す方法は、井戸の開発の 容認された方法である。それは、石油抽出のための方法としても用いられる。

この方法は、水井戸開発および石油回収の目的のための理論と実際において、よ く理解されているが、しかし、この発明におけるように、Ｖｏｃを現場で除去す るためのポンプ動作と蒸気ストリッピングとを結び付けた方法として使用された ことはなかった。

最初の静的な水位が与えられると、空気注入のために用いられる上記コンプレッ サー１８は、空気管１６（図１）の水中深度によって指令された最初の水頭に打 ち勝たなければならない。この水頭は、開始水中深度と呼ばれる。空気注入が開 始されると、水の柱は、部分的に空気に曝らされるので上記井戸の中の水の上昇 を生じさせ、これに続いて上記井戸への流れによる上記帯水層中の水位降下があ る。十分な時間が与えられると、一定の流速と一様な水位低下を伴う定常状態が 現れる。これは、最終的なくみ上げ水中深度と全ポンプ揚程を規定する。

実際的な目的のために、ある体積の水をくみ出す（もしくは空気で持ち上げる） ために必要な空気の体積を決定するための経験上の法則が確立されている。それ は、上記全ポンプ揚程、上記地下水面の下の上記空気管の水中深度、および上記 環状部の面積に依存する。水中深度の百分率に対する水の排出量は、空気注入量 が既知（図５参照）であるならば、計算できる。たとえば、水を、一様な状態の 流れの状態下で地下水面の上に１０．０メートル持ち上げたいときに、上記くみ 上げ水中深度が５０メートル、すなわち、１５．０メートルの３３％とすると、 注入された空気の各リットルについて、０．３３リツトルの水がくみ上げられる （図５）。

水−泡系の複雑さのために、■ＯＣ質量交換速度はただ近似されるに過ぎない。

この見積もりは、実際に得られるよりもかなり簡単な幾何形状に基づいているが 、計算結果は、上記方法は汚染された液体と空気の泡との間の均衡した分配が速 やかに達成されるから成功の見込みがあることを示す。溶解■ＯＣが水の相とガ スの相との間を移動させられる機構は、濃度勾配が存在するなかでの質量の流動 によって描写される。２つの可能性すなわち均衡状態と非均衡状態とが区別され なければならない。ここで提出される疑問は、すなわち、どれくらい速やかに上 記上昇する泡がＶＯＣ蒸気によって十分に飽和させられるかということである。

空気と水との間の揮発性の化合物の分布状態は、しばしば、ヘンリーの法則によ って表現される。それは、水の相とガスの相との間の揮発性の化合物の平衡の濃 度の線形の関係である。平衡状態の系に対するヘンリーの法則は、「理悲気体法 則」に基づいており、次に示される。

ここで、Ｈは無次元のヘンリー係数、Ｃａ１ｒとＣｗａｔｅｒはそれぞれ空気の 相と水の相におけるＶＯＣの質量濃度（ｇ　／　ｍす、Ｐｖは純粋な液体組織の 相の上で測定された蒸気圧力（ｍｍ　Ｈｇ）　、Ｍは溶質の分子量（ｇ１モル） 、Ｔは温度（０Ｋ）、そして、Ｓは水の中の溶質の平衡溶解度（ｇ／ｒｎ３）で ある。

１次の式は、質量移動の推進力が平衡状態からの逸脱に比例する場合に適用され る。比例定数は、幾何構造の寄与および相間の界面の複雑な構造を反映する全質 量移動係数である。上記１次の質量交換概念を、液相と気相におけるｖＯＣ濃度 の変化速度に適用すると、次式が得られる。

ここで、ＶａｉｒおよびＶｗａｔｅｒは多孔質媒介物中の空気と水の体積分率で あり、Ｋｐは気体−液体間の分配に対する全質量移動係数（１／秒）、そして、 ｔは時間（秒）である。

この発明の改善過程におけるＶＯＣ除去の有効性は、化学工学分析を適用するこ とによって、粗（見積もられる。たとえば、垂直に流れる水と空気泡を含有し、 水−気体界面で溶解ＶＯＣが移動させられる管を考える。このような系が、図６ に示される。揮発性の物質にとっては、液相から気相への質量移動は、「液相支 配」になる。したがって、水の薄膜（境界層）が、空気−水の界面の隣に存在す ると推測され、それを横切ってＶＯＣの濃度勾配が出現させられる。

上記水と気体の界面を横切る局所的な化学的な平衡を仮定すると、上記界面の上 記液体側のｖＯＣ濃度は、 ここで、Ｃａ１ｒは、（十分に混合されていると仮定する）気泡の中の■ＯＣ濃 度である。管の中を流れている間に、泡の中の■ＯＣ濃度、　Ｃａ１ｒは増加す る。１次の質量移動速度関係に基づいて、管の長さに沿って流れている間、泡の 中の気体濃度の変化は、次式で示される。

ここで、Ｃ’ｗ＋＋＋＋は、上記界面での水の中のＶＯＣの質量濃度（ｇ／ｍっ であり、 ＫＬは、液体質量移動係数（ｍ／秒）、ａ、は混合物の単位体積当たりの泡の表 面積（ｍ”ｍ’）であり、 Ａは管の横断面積（ｍりであり、 Ｑ、、、は気体の体積流量（ｍ３／秒）であり、Ｘは長さくｍ）、そして、Ｕ、 ＝Ｑａｉｒ／Ａは表面の空気速度（ｍ／秒）である。

等式（３）は、溶解したＶＯＣの質量移動が十分に小さいと仮定しているので、 Ｑａｉｒはほとんど一定である。これは、たいへんもっともなことである。Ｋ、 が泡の直径に影響されることは注目すべきである。

上記管（図６）の底に入る空気にはＶＯＣがなく、Ｃａ１ｒ（ｘ＝０）＝０であ る。したがって、等式（３）の解は、次式になる。

この解は、泡は、その寿命時間の間、上記井戸の頂上において達成される一定の 濃度Ｃ−１１゜、のＶＯＣを含有する水と接触することを想定している。この近 似は、上記質量交換速度の内輪の見積もり（低めの見積もり）をもたらす。

鍵となる問題は、蒸気の飽和（つまり平衡状態）を達成するのに必要な移動距離 Ｘ５ａｔはどれだけであるかである。式（４）から、蒸気平衡速度を制御する未 知の臨界パラメータは、質量移動係数であるＫＬであることがわかる。それは、 化学工学において使用されている半実験的方法を用いて推定することができる。

質量移動係数は無次元のジャーウッド（Ｓｈｅｒｗｏｏｄ）数ｓｈの中に組み込 まれている。

ここで、ｄ、は泡の平均直径（ｍ）　、ＤＬは溶解■ＯＣの水中における拡散率 （ｍ２／５ｅｃ）である。シャーウッド数は流れの状態と分子の拡散の寄与を考 慮することによって計算できる。シャーウッド数は化学工学および生化学工学に おける種々のシステムのために開発されている。産業用散気リアクターでは泡が 大量に生成されるが、このリアクターが本システムに最も関係がある。大きな泡 が上昇する間にその形を変える空気上昇動作に対しては、次の相関が証明された 。

Ｓｈ、＝０．５ＧｒＩ′３Ｓｃ”　（６）ここで、ＧｒとＳｃはそれぞれグラシ ョフ（Ｇｒａｓｈｏｆ）数とシュミット（Ｓｃｈｍｉｄｔ）数であり、流れの状 態と分子拡散をそれぞれ特徴づけており、そここで、ρ、とρ、はそれぞれ水と 空気の質量密度（２７ｍ３）、μ、は水の粘度（ｇ／ｍ／５ｅｃ）　、ｖ＝μ、 ／ρ、は水の動粘度（ｍ”／５ｅｅ）である。グラショフ数は、流体の動きのた めの主な駆動力を密度差（浮力）が供給している状況に対して、（レイノルズ数 と同様に）流れの状態を説明する特徴的な無次元の値である。

式（６）、（７）を用いてこの現場蒸気ストリッピング装置のＫＬを見積もった 。また、水と気泡が井戸内を上昇する間に起こる蒸気飽和の変化を、種々の流れ の状態に対して計算した。泡とスラップの流れのパターンのうち、図４ａ、ｂに 対応する２つのケースを考える。１つ目のケースは、平均泡サイズが０６４ｃｍ である。２つ目のケースは、２つの異なるタイプの泡が混在している。その場合 、蒸気飽和の計算は、水のスラッジ中の小さな泡と細長い弾丸形の泡とに対して 別々に行った。下の計算は、ＴＣＥを含有する水に対しては、両方のケースにお いて蒸気は数メートルだけ流れた後に飽和することを示している。式（４）。

（６）および表１（下記）の数値を用いると、井戸のケーシング（囲い）が１０ ｍ以上の長さである汚染場所を取り扱ったとき、はとんどの場合に、上昇気泡は ＴＣＥ蒸気で化学的に飽和していると考えることができる。

蒸気飽和が急速に達成されない場合には、泡の上昇を人工的に遅くしてもよい。

これは、エダクタ−管の中に一連の障害物を生成することによって行うことがで きる。井戸とエダクタ−設備を傾斜させることもあり得る。

以下余白 表１．パイプ内の泡流れおよびスラッグ流れのパターンに対するＴＣＥ質量移動 の計算 １、図３ａに対応。

２、スラッグ流れは２つの泡のタイプからなり、図３ｂに対応している：液体体 スラッグ内の小泡と液体スラッグ間の弾丸形の大量。

この現場蒸気ストリッピング方法の効率を決定するためには、地下水の中の個々 のｖＯＣに対して、最高許容濃度（ＭＰＣ）に達するのに必要な時間を計算する 必要がある。まず、液−蒸気移動は井戸の内部だけで起こると仮定して、水中の ｖＯＣ濃度をＭＰＣにまで減らすために循環しなければならない気孔容積の数を 決定しようつ 改善処理の１工程は、「影響ゾーン」内の１つの飽和気孔容積中の全部の水がそ の井戸に入るのに要する時間として定義される。この影響ゾーンは簡単に井戸か ら半径方向に２０ｍ広がることができる。この間、汚染水は井戸内の気泡と釣り 合っている。まず、汚染物質が収着されないと仮定した（この仮定は後で緩めら れることになる）。安定した流れの条件の下では、井戸内部での水と空気の体積 比は一定である。ｎ番目の工程における水と空気間のＶＯＣの質量バランスは、 である。ここで、Ｃは濃度、Ｕは井戸の容積である。

井戸に注入された空気にはいつもｖＯｃがない、つまり、ｃ−Ｉ＝Ｑ、とすれば 、そして、一定の空気／水の体積比をＧ＝Ｕ、、、／ｌＪＬ、。、とすれば、Ｃ 二、、、、＝ｃ＝、、−ｃｃ：、、　（９）化学平衡があるとすれば、ヘンリー の法則、Ｃｍ　ｌ　Ｔ　＝　ＨＣｗ　ａ　ｌ　ｅ　ｒ　、を用いることができる 。このとき、 ｐ番目の工程の終わりでの地下水中の■ＯＣ濃度は、循環級数に基づいて、地下 水中の初期ＶＯＣ濃度の関数として定義できる。

ここで、ｐは循環開始後の工程の数である。

初期濃度を所望の濃度にまで減らすのに必要な工程の数は、式（１１）の両辺の ｌｏｇを取って並べ変えることによって導き出すことができる。つまり、次の例 は本発明の現場蒸気ストリッピング方法の有効性を説明している。地下水の温度 が２０℃で、ＴＣＥ　（Ｈ＝０．４）とＰＣＥ（１−１＝１９）の濃度を１ｅｃ ｐｐｍからｉｐｐｍ（Ｒ＝０．０１）に減らさなければならない場合を考えてみ る。ここで、ＶＯＣ濃度は井戸の内部だけで減るものと仮定する。図７．８はこ の結果をまとめたものである。

井戸内の空気／水体積比Ｇが２．０であるときの、地下水に溶解したＴＣＥとＰ ＣＥの濃度を減らすのに必要な循環工程数が図７に示されている。これは、浄化 速度を表している。この比は、「泡流れのパターン」　（図４ａおよび表１）を 表している。最も重要な結果は、濃度の大きさが２桁減少すること（Ｒ＝０．０ １）が、ＴＣＥに対しては約１０回の流れサイクルで、ＰＣＢに対しては５回の 流れサイクルで生じることである。図８は井戸内の種々の空気／水体積比のもと てこれらの化合物の濃度を２桁減らす（Ｒ＝０．０１）のに必要な循環工程数を 示している。平衡状態の下では、大きいＧの値はど、小さいＧの値よりも、多量 のｖＯＣの除去に対応している。この事実が、大きいＧの値に対応した少ない循 環工程数を説明している。非常に低い空気注入速度（Ｇ＝１）に対してさえ、循 環工程数はＴＣＥに対しては１５未満、ＰＣＥに対しては１０未満であることが わかる。

検討したように、概念上の流れ循環システムは浸透用ギヤラリ−に取り囲まれた 中央井戸１０を備えている。このギヤラリ−は、排水浸透装置２５（図１〜３） と呼ばれ、上記井戸から出ている一連の埋め込みパイプ３２からなる。各パイプ の端で、水は狭い浸透ゾーンを通って地下水面に浸透することができる。この空 気上昇・再浸透システムが作り出す地下水循環パターンを推定するために、幾つ かの簡単なシミュレーションと粒子移動時間分析を行った。上記浸透用ギヤラリ −は井戸の回りのドーナツ形のリングとして近似をとった。すなわち、浸透用ギ ヤラリ−は、穴のあいた環状のリングに注ぎ込む埋め込みパイプからなる。場合 によっては、井戸から出ているパイプを埋め込む必要がないかもしれない。水は 井戸を上昇して、埋め込みパイプの中を流れていき、それから、井戸を取り囲ん でいる１ｍ幅のリング内に再浸透する（図１〜３参照）。中央井戸から浸透ゾー ンの開始までの距離は、あるシミュレーションでは４．９ｍに、また、別のシミ ュレーションでは１４．９ｍに固定して、浸透場所が流れの循環パターンに及ぼ す影響がわかるようにした。等方性同質帯水層に対する半径方向の流れの条件を 仮定してシミュレーションを行った。このシステムのシミュレーションは、定常 状態という条件に対する半径方向の流れの方程式に基づいている。

ｈは、水頭（ｂｙｄｒａｕｌｊｃ　ｈｅａｄ）ｈ　（ｒ、ｚ）、（ｍ）；には、 液圧伝導度、（ｍ／５ｅｃ）； ｒは、井戸からの半径方向の距離、（ｍ）；２は、縦座標、（ｍ）； Ｑ４＋＋−ｔはポンプ速度（ｍ／５ｅｅ）；πは３．１４１６である。

有限差のモデルＭＯＤＦＬＯＷを用いて式（１３）を解き、そして、トラッキン グルーチンを用いて粒子速度を決定した。シミュレーションモデルのための関連 あるパラメータは、液圧伝導度が１０″５ｍ／ｓｅｅ、有効間隙率が０．２、ポ ンプ速度が０．３７５リットル／ｓｅｃ、井戸半径が０．１ｍである。井戸から ２つの異なった距離のところで再浸透を与えられるラジアル流れシステムのため の断面におけろ水頭分布を図９に示す。各再浸透システムに対応する流路も示さ れている。両方の場合に、流れの殆どが井戸から２０ｍ以内のところで再循環す る。

定常状態の下では、不飽和帯２４を通っての運搬時間は、この不飽和帯の厚さと 、井戸から来る水束とに直接関連している。上記排水浸透システム下方の１０ｍ 厚さの不飽和帯と０．３７５リツトル／　ｓ　ｅ　ｃのポンプ速度とを仮定する と、井戸からの浸透距離が５ｍおよび１５ｍの場合にそれぞれ水が地下水面に浸 透するのに約１０．５日および３０．０日を要するであろう。

地下水面下方０．２５ｍで解放されかつ井戸からの距離４．９〜５．９ｍ（図９ ａ）と１４．９〜１５．９ｍ　（図９ｂ）（Ｄと：：ろで解放された１ｅｃ個の 粒子について移動時間を計算した。この移動時間は、１個の粒子が移流のみを通 じて井戸に戻るのにかかる時間として定義されている。上記２つの解放距離に対 する移動時間のプロットを図１０に示す。いずれの浸透距離についても粒子の９ ５％が７日以内に井戸に戻り、殆どの粒子は１あるいは２日の移動時間を有する 。流れの１循環は、中央井戸の回りに４０メートルの直径を有するリングを清掃 する。

水流路を収容している、井戸の回りの筒状空間は、改善プロセスの間、井戸の「 影響ゾーン」として定義される。

上述の計算は収着（ソープション）の効果を無視している。しかし、この効果は 、平衡液−固分配を仮定することにより近似させることができる。ハロゲン化炭 化水素は一般に、多孔質媒体や特定の化合物の組成に応じて２〜９の範囲にある 係数によって遅延させられる。もし我々がＰＣＥの遅延係数として３の値を取る ならば、図１０に示した個々の粒子の移動時間に３を乗じなければならない。

そのような場合、流れが１回循環するのに飽和帯において約２１日かかるであろ う。

浸透システムは種々の形状、寸法に形成することができる。例えば、再浸透ゾー ンは、井戸の一側だけに置（ことができる。さらに、ここで分析した１個の井戸 システムは、複合再浸透網に接続された多くの井戸からなるもつ七大きいシステ ムの中の１構成部分とすることができる。

井戸で起こる質量移動に加えて、ｖＯＣも不飽和帯を通って再浸透する間に解放 され、この間に、吸い上げられた水が地下水面に戻る。そこで解放されたＶＯＣ は、土壌をガス抜きすることによって除去できる。井戸内質量移動と通気帯のガ ス抜きとを組み合わせることによって、この方式を用いたｖＯＣの総除去率が与 えられる。

要約すると、地下水に溶は込んでいるｖＯＣを除去することを目的とした方法を 開示した。思想は、現場ガス・ストリッピングの形態を組み合わせた気体上昇吸 い上げ（ガス・リフト・ポンピング）を用いて井戸にガスを注入することにより 、ｖＯＣを溶解相から気相にすることである。持ち上げられた水は、ｖＯＣの部 分がなく、通気帯を通って地下水面に入り込む。水が現場処理装置内を循環する につれて、ｖＯＣ濃度は徐々に低くなる。井戸と通気帯とにおいて気相内に解放 されたＶＯＣは、井戸の最上部で、強制換気を通じて除去することができる。

この技術は非常に単純で、ポンプ・アンド・トリート式の回復を回避できるであ ろう。それは、地上での処理を減らすであろう。この方式を用いれば、汚染され た水を地面にもって来る必要は無い。

この方法の実施可能性は質量移動の計算と流れのシミュレーションを通じて示さ れた。質量移動の計算は平衡効果と非平衡効果とを考慮した。計算値は、気泡が 井戸のてっぺんに達したときにこれらの気泡内で蒸気飽和が生じるらしいことを 示している。流れのシミュレーションは、水源や水溜（たとえば、それぞれ、閉 じ込められたＮＡＰＬガングリオンや不均衡な土壌吸着）のない均質で等方性の 媒体を仮定している。フィールドの場合には、もっと複雑な要因を考慮する必要 がある。

提案方式の修正はその効率を向上できる。たとえば、酸化や化学的沈殿や生物残 渣といった問題は、ＶＯＣが除去された後にガスを再循環させることによって克 服できる。さらに、この現場蒸気ストリッピング方法は、溶解したＶＯＣを除去 するとき、あるいは、有機液体が分離相で浮遊物質もしくは液内物質として生じ たときに用いることができる。

普通、汚染された帯水層は１つの井戸の影響ゾーンよりも邊かに大きい。実際上 は、幾つかの井戸が必要であろう。井戸場の最適デザインとその最適動作条件は 、いかなる改善場についても、その特性にしたがって別々に決定する必要がある 。そのようなデザインのために関係あるパラメータは、帯水層の特性（飽和帯と 不飽和帯の厚さ、地域的な流れのレジーム、および水平方向と垂直方向の透過度 ）、改善の要件（最終許容ｖＯＣ濃度、および浄化のための必要時間枠）、なら びに井戸の特性（スクリーン間隔、および空気注入速度）であろう。

本発明の詳細な説明してきたが、本発明はそのような実施例に限定されるもので はなく、むしろ添付の請求の範囲によって限定されるものである。

ＦＩＧ、ｌ 全ポンプ４ＩＩ％我（―） ≠タル（Ｒ） ＦＩＧ、？ ｉし伏満４Ｌ比（ＧＪ ＦＩＧ、８゜ 距離　（ｎ） Ｆｌに、９゜ ＦＩＧ、ｔｏ。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年１１月５−

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．地下水から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去するシステムであって、飽和 帯内へと延びている井戸にガスを注入して、地下水の流れを上記井戸の方へ向か わせ、ＶＯＣを上記地下水から上記井戸内の上昇気泡へと移動させるようにする 手段と、 上記井戸の最上部にあって、上記気泡内の汚染されたＶＯＣ蒸気を収集する手段 とを備えたことを特徴とするシステム。
2. ２．上記収集手段は、上お気泡を上記地下水から分離する分離手段と、上記ＶＯ Ｃ蒸気を除去する蒸気抽出手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のシ ステム。
3. ３．地下水から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去する現場システムであって、 井戸にガスを注入して、地下水を上記井戸の方へそして井戸の上方へと流れさせ ると共に、ＶＯＣを上記地下水から上記井戸内の上昇気泡へと移動させるように する手段と、 上記井戸の最上部にあって、ＶＯＣ蒸気を含む上記気泡を上記井戸内を上昇する 上記地下水から分離する手段と、 上記井戸の最上部にあって、上記地下水からの分離の後、上記ＶＯＣ蒸気を収集 する抽出手段と、 上記井戸の最上部から通気帯へと上記地下水を浸透させる排水手段とを備えたこ とを特徴とするシステム。
4. ４．さらに、上記井戸の部分に沿って設けられ、上記井戸内への地下水の流れを 許す井戸スクリーンを備えたことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. ５．井戸スクリーンが上記通気帯で上記井戸の上記部分に沿って延びていること を特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. ６．さらに、上記通気帯からＶＯＣを抽出する手段を備えたことを特徴とする請 求項３または５に記載のシステム。
7. ７．上記抽出手段は、上記分離手段上の場所から延びる蒸気抽出ラインと、上記 蒸気抽出ラインを横切って接続されて、上記井戸の最上部からＶＯＣ蒸気を引き 抜く手段とを有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
8. ８．さらに、上記ＶＯＣ蒸気を処理あるいは破壊する手段を備えたことを特徴と する請求項７に記載のシステム。
9. ９．上記ガス注入手段は、上記井戸内へと延びるガスラインと、ガスを上記ガス ラインを通して上記井戸内へ注入するコンプレッサー手段とを有することを特徴 とする請求項３または７に記載のシステム。
10. １０．上記排水手段は上記分離手段から出ている複数のパイプを有することを特 徴とする請求項３に記載のシステム。
11. １１．上記パイプは上記井戸の回りのリングに入り込んで浸透用ギャラリーを形 成していることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. １２．さらに、上記注入ガスが飽和帯に入ることを防止する手段を備えたことを 特徴とする請求項３に記載のシステム。
13. １３．上記防止手段は、上記井戸の中に入り込んで上記分離手段から上記飽和帯 まで延びるエダクター管を有しており、このエダクター管と上記井戸の壁との間 に環状空間が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. １４．上記エダクター管は、注入ガスが上記環状空間に入らないようにするため に、端部に、上記飽和帯内へ延びるスロット／バフル手段を有することを特徴と する請求項１３に記載のシステム。
15. １５．上記エダクター管は地下水と気泡を上記分離手段へと向かわせることを特 徴とする請求項１３に記載のシステム。
16. １６．さらに、上記通気帯と飽和帯において上記井戸の一部に沿って井戸スクリ ーン手段を備えたことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
17. １７．さらに、上記井戸スクリーン手段を通して上記通気帯からＶＯＣ蒸気を抜 く手段を備えたことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. １８．地下水から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去する方法であって、飽和帯 内へと延びている井戸にガスを注入して、地下水の流れを上記井戸の方へ向かわ せると共にＶＯＣを上記地下水から上記井戸内の上昇気泡へと移動させ、上記井 戸の最上部付近で、上記気泡内に入っているＶＯＣを収集することを特徴とする 方法。
19. １９．さらに、水を通気帯に戻すことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
20. ２０．地下水から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去する方法であって、（ａ） 井戸にガスを注入して、地下水の流れを上記井戸の方へ向かわせると共にＶＯＣ を上記地下水から上記井戸内の上昇気泡へと移動させ、（ｂ）上記井戸の最上部 付近で、ＶＯＣ蒸気を含む上記気泡を上記井戸内を上昇する上記地下水から分離 し、 （ｃ）上記地下水からの分離の後、上記ＶＯＣ蒸気を収集して上記井戸から抽出 することを特徴とする方法。
21. ２１．さらに、（ｄ）上記収集および抽出の後、上記地下水を通気帯内に向かわ せることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. ２２．さらに、上記工程（ａ）〜（ｄ）を繰り返して循環サイクルを確立し、上 記地下水の中のＶＯＣの濃度を減らすことを特徴とする請求項２１に記載の方法 。
23. ２３．さらに、上記通気帯からＶＯＣ蒸気を抜くことを特徴とする請求項２１に 記載の方法。
24. ２４．さらに、上記注入ガスが飽和帯に入らないようにすることを特徴とする請 求項２０または２１または２２に記載の方法。
25. ２５．地下水から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を除去する方法であって、（ａ） 井戸にガスを注入して、地下水を上記井戸の方へと流れさせると共にＶＯＣを上 記地下水から上記井戸内の上昇気泡へと移動させ、（ｂ）上記井戸の最上部付近 で、ＶＯＣ蒸気を含む上記気泡を上記井戸内を上昇する上記地下水から分離し、 （ｃ）上記地下水からの分離の後、上記ＶＯＣ蒸気を収集し、（ｄ）上記ＶＯＣ 蒸気を処理あるいは破壊し、（ｅ）上記収集の後、上記地下水を通気帯内へと向 かわせることを特徴とする方法。