JP2005052837A - 汚染地下水及び汚染地層の浄化方法並びにその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 汚染物質で汚染された地層及び地下水を、微生物により、例えば原位置バイオレメディエーション技術により効率良く浄化する方法及び装置を提供する。
【解決手段】 本方法は、地下水流への注入水に、汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガス（増殖ガス）を溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を注入井を介して地下水流に注入して、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化する方法である。本発明方法では、例えば、注入井１８の底部で地下水流から地下水を汲み取り（７２）、注入井の底部で酸素及び分解酵素の誘導基質の少なくとも一方を地下水に送入、溶解して注入水とし（７８、８０、８２）、その注入水を同じ注入井の底部で地下水流に注入する（７４）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、汚染地下水及び汚染地層の浄化方法並びにその方法の実施の際に使用する汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスの供給装置に関する。

トリクロロエチレン（Ｃ_２ＨＣｌ_３、以下、ＴＣＥと略記する）や、テトラクロロエチレン（Ｃｌ_２Ｃ＝ＣＣｌ_２）などの有機塩素化合物は、油脂等に対する溶解性が高いので、一般溶剤、脱脂用洗浄剤等として各種の工場及びクリーニング店等で広く使用されている。そのため、長年の間に、これらの有機塩素化合物のかなりの量が、使用中に誤って外部に流出したり、或いは廃棄されたりして、地層及び地下水を汚染している。

これらの有機塩素化合物は発ガン性物質である恐れがあるため、汚染された地層及び地下水の浄化が、近年、大きな社会的要望となっていて、そこで、汚染サイトで微生物を利用して有機塩素化合物を分解する原位置バイオレメディエーション（bioremediation）技術が注目されている。原位置バイオレメディエーション技術による地層及び地下水の浄化方法は、有機塩素化合物等の汚染物質に対する分解能を有する微生物を汚染サイトの地層中で増殖、活性化して、汚染物質を原位置、即ち地層中で分解して無害な物質に転化することにより、地層及び地下水を浄化する方法を言う。

有機塩素化合物により汚染地層及び汚染地下水を微生物学的に浄化する場合、有機塩素化合物を直接資化できる菌は、地層中に存在していないので、メタン、トルエン、フェノール、アンモニア等をそれぞれ資化する菌（以下、それぞれメタン資化菌、トルエン資化菌、フェノール資化菌、アンモニア資化菌と言う）の共酸化を利用した処理方法が提案されている。この方法は、メタン資化菌等の資化菌の増殖に必要な栄養塩及び酸素に加えて、メタン資化菌等の資化菌のそれぞれの基質として、環境的に比較的害の少ないメタン、トルエン、フェノール、アンモニアなどを汚染サイトに注入して資化菌を増殖し、有機塩素化合物を分解する分解酵素を資化菌により誘導する。そして、誘導された分解酵素により有機塩素化合物を分解し、無害な物質に転化する方法である（例えば、特許文献１参照）。

バイオレメディエーション技術で利用できる資化菌には、上述のように種々のものがあるが、実用的には、通常、メタン資化菌又はプロパン資化菌を利用した例が多い。例えば、メタン資化菌は、ＴＣＥを分解して増殖することはできないものの、基質とするメタンを酸化して増殖し、その際、ＴＣＥなどの有機塩素化合物を共酸化により分解するメタンモノオキシゲナーゼという分解酵素を誘導する。分解酵素により分解されるＴＣＥ量は、メタン資化菌の菌体増殖量により決定されるので、原位置バイオレメディエーション技術では、メタン資化菌の増殖を図るために、メタン、プロパン等の常温、常圧ではガス状の炭化水素をメタン資化菌等の資化菌の基質として汚染地下水及び汚染地層に供給している。

ここで、図４を参照して、汚染地層に存在するメタン資化菌を利用した原位置バイオレメディエーション法を適用した場合の従来の設備を説明する。図４は、従来の原位置バイオレメディエーション法による地層浄化設備（以下、簡単に地層浄化設備と言う）の構成の一例を示す概念図である。従来の地層浄化設備１０は、主要設備が汚染サイト上の地上に設置されていて、メタン資化菌の繁殖に必要な酸素とメタン、さらには栄養塩を地上で注入水に溶解し、その注入水を注入井を介して地下水流に注入し、有機塩素化合物により汚染された地層を浄化する。

地層浄化設備１０は、汚染地層中の地下水を汲み上げる揚水井１２と、揚水井１２で揚水した地下水を曝気する曝気塔１４と、曝気した地下水を昇圧して注入水とするポンプ１６と、ポンプ１６から注入井１８の底部まで延在し、先端に流出口を有する注入水管２０と、注入水管２０に設けられ、酸素ボンベ２１Ａ及びメタンボンベ２１Ｂ（図４では２１として１個のボンベのみ図示）から供給された酸素及びメタンを水に送入、溶解させるガス送入ノズル２２Ａ、Ｂ（図４では２２として１個のノズルのみ図示）と、ガス送入ノズル２２の下流に設けられ、送入した酸素及びメタンと水とを混合して溶解を促進するインラインミキサ２４とを備えている。

さらに、地層浄化設備１０は、地下水中の酸素濃度、メタン濃度、栄養塩濃度、メタン資化菌の菌数、汚染物質濃度等を測定するための観測井２６を備えている。なお、図示しないが、栄養塩は、別途、注入水に供給されている。図４中、２８は、曝気塔１４に空気を送入するブロアである。曝気塔１４で曝気された地下水は、注入水としてポンプ１６により昇圧され、酸素、メタン及び必要な栄養塩が送入された後、注入水管２０を介し、注入井１８から地下水流に注入される。

また、簡単な設備として、図５に示すように、ボンベ２１から注入井１８の底部まで酸素及びメタンの供給管２９を敷設し、注入井１８の底部から地下水流に直接酸素及びメタンを供給する方法も実施されている。この場合には、曝気塔１４からの水は、河川等に放流されている。

特開平９−２０６７８９号公報

しかし、前述した従来の地層浄化設備により、メタン資化菌又はプロパン資化菌を利用した原位置バイオレメディエーション方法を実施する際には、酸素及び基質を溶解した注入水を汚染サイトの上流に注入しているので、注入水の注入により有機塩素化合物濃度が希釈されたり、また有機塩素化合物が拡散して汚染区域が拡大したりして、浄化効率の向上を制約する一因になっていた。

そこで、本発明の目的は、汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスを供給し、分解微生物により汚染地下水及び汚染地層を浄化するに当たり、汚染地下水及び汚染地層中の注入水の注入による有機塩素化合物濃度の希釈及び有機塩素化合物の拡散を防止し、浄化効率を一層向上させることができる方法及び装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明に係る汚染地下水及び汚染地層の浄化方法は、地下水流への注入水に、汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガス（増殖ガス）を溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を地下水流に注入して、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化する方法において、注入井内で地下水流から地下水を汲み取り、前記注入井内で増殖ガスを地下水に溶解して注入水とし、その注入水を前記注入井内で地下水流に注入することを特徴としている。

本発明方法を実施する際、水中ポンプを使って注入井内の地下水流中で地下水を汲み取っても、また水中ポンプではない通常のポンプを使って注入井内の地下水流から地下水をその水面上に汲み上げても良い。

本発明方法では、注入水を汲み取った注入井と同じ注入井に注入水を返しているので、従来生じていたような、汚染地下水及び汚染地層中の有機塩素化合物濃度の注入水の注入による希釈及び有機塩素化合物の拡散を防止し、浄化効率を一層向上させることができる。

本発明で、汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化するとは、汚染地下水及び汚染地層の双方を浄化すること、又は汚染地下水及び汚染地層のいずれかを浄化することを意味する。また、汚染物質とは、有機塩素化合物に限らず、地下水及び地層を汚染するあらゆる物質、例えば石油等の炭化水素化合物をも意味する広い概念である。分解微生物とは、汚染物質を分解する分解微生物であって、例えば汚染物質が有機塩素化合物である場合には、メタン資化菌、トルエン資化菌、フェノール資化菌、アンモニア資化菌等の資化菌を意味し、汚染物質が石油のような場合には、石油を分解、資化する石油分解菌を意味する。

汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガス（以下、増殖ガスと言う）とは、ガスの種類に制約はなく、広く、汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスを意味し、また１種類のみのガスとは限らず複数種類のガスがある場合も多い。増殖ガスは、例えば分解微生物がメタン資化菌の場合には、メタンガス、酸素ガス、空気等を意味し、分解微生物が石油分解菌の場合には、酸素ガス、空気等を意味する。さらには、本明細書では、資化菌が基質として資化するガスを基質ガスと言い、例えばメタン資化菌が基質として資化するメタンガスを基質ガスと言う。本発明方法では、増殖ガスのうち、例えば酸素ガスだけを地下水に溶解しても良く、基質ガスだけを溶解しても良く、また酸素ガス及び基質ガスの双方を溶解しても良い。

また、本発明では、複数種類の増殖ガスの混合ガス、例えば酸素ガスと基質ガスとの混合ガスを注入水に送入しても良く、酸素ガスと基質ガスとを別々に同じ注入水に送入しても良く、またガスの種類を切り換えて酸素ガスと基質ガスとを交互に同じ注入水に送入しても良く、各注入井に注入する注入水毎にガスの種類を代えても良い。

本発明に係る汚染地下水及び汚染地層の浄化方法を実施する際には、望ましくは、本発明に係る汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスの供給装置（以下、ガス供給装置と言う）を使用する。本発明に係るガス供給装置は、地下水流への注入水に増殖ガスを溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を注入井を介して地下水流に注入して、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化する際に、増殖ガスを注入水に溶解して汚染地下水及び／又は汚染地層に供給する装置であって、注入井内に設置されて地下水を注入水として汲み取り昇圧する注入水ポンプと、注入水ポンプから注入井内の注入水注入位置まで延在し、注入水を地下水流中に流出させる注入水管と、注入水管に設けられ、増殖ガスを注入水に送入、溶解させる送入・溶解手段と、送入・溶解手段の下流の注入水管に設けられ、注入水管の流路を絞って注入水管内の注入水の圧力を保持し、かつ注入水を地下水流に流出させる流出手段とを備えることを特徴としている。

本発明で使用する注入水ポンプは、既知の水中ポンプであって、地下水を汲み出し昇圧できる限り、型式は自由である。

本発明で使用する送入・溶解手段は、ガス状の酸素及び基質を注入水に送入、溶解できる限り制約はなく、例えば滞留させた注入水上に前記昇圧された増殖ガスを導入し、加圧下で注入水に溶解させるように、注入水管に設けられた溶解タンク、又は注入水管に設けられたガス送入ノズル及びガス送入ノズルの下流に設けられたインラインミキサからなる。

溶解タンクは、加圧状態下で増殖ガスをタンク内に滞留する注入水に溶解させるタンクで、注入水の滞留時間は溶解させるガスの種類及びガス圧力により異なるので、実ガスの溶解実験により決定する。ガス送入ノズルは、既知の構成のノズルで、例えば注入水管内にノズルを挿入した形式のノズルを言う。インラインミキサは、パイプ内で注入水とガスとの混合、溶解を促進するものであれば良く、例えばコイル状に巻いた帯状体をパイプ内に挿入し、注入水を帯状体に沿って流動させ、それにより注入水とガスとの混合、溶解を促進させる形式のインラインミキサでも良く、また、ドーナツ状に孔を開けたドーナツ板とディスクとをパイプ内に交互に設け、そこに注入水を流してガスと注入水との混合、溶解を促進するタイプのものでも良い。

好適には、増殖ガスが送入された注入水を滞留させ、増殖ガスの注入水への溶解を促進する溶解促進タンク、又は加圧接触パイプを、送入・溶解手段と流出手段との間の注入水管に設ける。溶解促進タンクは、増殖ガスの送入された注入水を滞留させ、増殖ガスと注入水との接触時間を確保して増殖ガスを注入水に完全に溶解させる機能を有する。また、加圧接触パイプは、パイプを大きく蛇行させたり、コイル状に巻回したりして注入水の滞留時間を長くするようにしたパイプ体であって、増殖ガスと注入水との接触時間を確保して増殖ガスを注入水に完全に溶解させる機能を有する。

流出手段は、注入水管の流路を絞って注入水管内の注入水の圧力を保持し、かつ注入水を地下水流に流出させることができる限り、種類及び形式に制約はなく、例えば、流出手段として、弁及びオリフィスのいずれか一方を備えた流出口、又は注入水を駆動水流とし、駆動水流により地下水流から地下水を導入して注入水と地下水とを混合し、流出させるエダクタを使用する。流路を絞る弁又はオリフィスは、できるだけ注入水管の長い距離にわたって、増殖ガスと注入水との溶解状態を維持するために、注入水管の流出口近傍に設けるのが好ましい。エダクタは、注入水を地下水に混合する機能に加えて、注入水管の流路を絞って注入水管内の圧力を高い圧力に維持する機能を有する。

ところで、酸素ガス及びメタン、プロパン等の基質ガスの水への溶解度は非常に低い。そのため、前述した従来の地層浄化設備により、メタン資化菌又はプロパン資化菌を利用した原位置バイオレメディエーション方法を実施する際、浄化を促進するのに充分な量の酸素ガス及び基質ガスを供給することができないので、有機塩素化合物を分解できる菌の増殖が抑制され、浄化効率の向上が難しいという問題があった。逆に、充分な量の酸素ガス及び基質ガスを供給しようとすると、大量の注入水が必要となり、注入設備が大型になって、設備費及び運転費が嵩むことになる。

したがって、メタン資化菌又はプロパン資化菌を利用した原位置バイオレメディエーション方法を実用化するには、必要な量の酸素ガス及び基質ガスを供給して効率良く汚染地下水及び汚染地層を浄化できる方法及び装置が求められている。

そこで、本発明では、分解微生物により効率良く汚染地下水及び汚染地層を浄化するために、注入水の注入位置での地下水流の水圧より所定圧力だけ高いガス圧力下で増殖ガスを注入水に溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を地下水流に注入することができる。この場合、上記所定圧力とは、０．５ｋｇ／ｃｍ^２以上を言い、所定圧力を大きくする方が好ましいが、好適には地下水流の水圧より１ｋｇ／ｃｍ^２以上高い圧力下で増殖ガスを溶解するのが好ましい。

本発明者は、上記の点に関し、以下のようなカラム実験を多数回行い、酸素及びメタンの供給量が増加するにつれて、バイオレメディエーション技術によるＴＣＥ除去率が向上することを確認した。
［実験例］
次のようにして、加圧下でメタンガス及び酸素ガスを地下水に溶解した実験試料溶液、大気圧下でメタンガス及び酸素ガスを地下水に溶解したコントロールテスト溶液並びに地下水をそのまま使用したブランクテスト溶液を調製し、それぞれについてＴＣＥ除去率を測定するカラムテストを実施した。

先ず、ＴＣＥで汚染された汚染サイトから採取した土を充填高さ約４０ｃｍに充填したカラムを用意した。ＴＣＥで汚染された汚染サイトから地下水を採取し、その地下水に栄養塩として無機塩培地（ＮＭＳ培地）を地下水の１０％濃度になるように添加し、さらに１ｋｇ／ｃｍ^２ｇの加圧下でメタンガスと酸素ガスとを地下水に溶解し、メタン濃度が１０ｍｇ／ｌ、及び酸素濃度が４０ｍｇ／ｌの実験試料溶液を調製した。次いで、試料溶液と充填層との接触時間が約２４時間になるような通水速度で、試料溶液をカラムに連続的に通水した。そして、カラムの入口及び出口で経時的にヘッドスペース法によるガスクロマトグラフ分析（ＰＩＤ）によって試料溶液中のＴＣＥ濃度を定量してＴＣＥ除去率を算出し、ＴＣＥの分解活性を調べた。その結果は、図３のグラフに示す通りである。

次に、汚染サイトから採取した地下水に栄養塩として無機塩培地（ＮＭＳ培地）を地下水の１０％濃度になるように添加し、さらに大気圧下でメタンガスと酸素ガスとを地下水に溶解し、メタン濃度が５ｍｇ／ｌ、及び酸素濃度が２０ｍｇ／ｌのコントロールテスト溶液を調製した。次いで、試料溶液と同じ通水条件でコントロールテスト溶液のカラムテストを行い、同様にＴＣＥ濃度を測定してＴＣＥ除去率を求め、その結果を図３のグラフに示した。

さらに、汚染サイトから採取したそのままの地下水をブランクテスト溶液として使用し、試料溶液と同じ通水条件でブランクテスト溶液のカラムテストを行い、同様にＴＣＥ濃度を測定してＴＣＥ除去率を求め、その結果を図３のグラフに示した。

図３から判る通り、カラム通水経過日数が１０日以降では、メタンガス及び酸素ガスを加圧状態で地下水に溶解した実験試料溶液によるＴＣＥ除去率は、約４０％に達している。一方、コントロールテスト溶液及びブランクテスト溶液によるＴＣＥ除去率は、それぞれ約２０％及び約５％であった。これは、メタンガス及び酸素ガスを加圧下で溶解した、ガス濃度の高い注入水を地下水に注入することにより、バイオレメディエーション技術による浄化効率を向上させることができることを示している。すなわち、注入水の注入位置での地下水流の水圧より所定圧力だけ高いガス圧力下で増殖ガスを注入水に溶解することにより、従来に比べて高い浄化効率で、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化することができる。

以上説明した本発明方法及び本発明装置は、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化する全ての浄化方法並びにその実施の際の装置として適用でき、例えば有機塩素化合物による汚染に限らず、石油等の汚染物質により汚染された地下水及び／又は地層を微生物により浄化する場合に適用できる。

本発明によれば、注入井内で地下水流から地下水を汲み出し、注入井内で増殖ガスを地下水に注入して注入水とし、その注入水を同じ注入井内で地下水流に注入することにより、注入水を汲み出した注入井と同じ注入井に注入水を返し、従来生じていたような、汚染地下水及び汚染地層中の注入水の注入による有機塩素化合物濃度の希釈及び有機塩素化合物の拡散を防止し、浄化効率を一層向上させることができる。また、本発明に係るガス供給装置は、本発明方法の実施を容易にして、従来に比べて高い浄化効率で、微生物により、例えば原位置バイオレメディエーション技術により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化することができる。

以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。図１は本実施形態例の構成を示すフローシートである。

本実施形態例のガス供給装置７０は、酸素ガス又は基質ガスを供給して、本発明を実施する装置であって、注入井１８の底部に設置され、地下水を注入水として汲み出し、注入水の注入位置での地下水流の水圧より高い圧力に昇圧する注入水ポンプ７２と、注入水ポンプ７２から注入井１８の底部の所定注入位置にまで延在し、先端にエダクタ７４を有する注入水管７６と、注入水管７６に順次に設けられた、酸素ガス又は基質ガスを注入水管７６に送入するガス送入ノズル７８と、注入されたガスと注入水とを混合して溶解するインラインミキサ８０と、及び注入水を滞留させ、さらにガスと注入水との溶解を完全にする加圧接触パイプ８２とを備えている。

エダクタ７４は、例えば図２に示すような構造を備え、注入水を駆動水流として地下水流から地下水を導入して注入水と地下水とを混合し、流出させると共に、注入水管７６の流路を絞って注入水管７６内の圧力を高い圧力に維持する。ガス送入ノズル７８には、ガスボンベ８４から加圧状態の酸素又は基質を圧入するガス流入管８６が逆止弁８８を介して接続されている。

注入水ポンプ７２により昇圧された注入水は、ガス送入ノズル７８により加圧状態の酸素ガス又は基質ガスを送入された後、インラインミキサ８０及び加圧接触パイプ８２によりガスを溶解し、続いて注入水管７６及びエダクタ７４を経て、言わば過飽和溶解状態で酸素ガス又は基質ガスを溶存させつつ注入井１８の底部で地下水流と混合する。

上述した実施形態例では、簡単にするために、酸素ガス及び基質ガスのいずれか一方を注入水に送入する場合を例にして説明しているが、実施形態例で説明したガス送入・溶解機構と同じものを２個以上備えて、酸素ガス及び基質ガスをそれぞれ注入水に送入、溶解するようにしても良い。

実施形態例のガス供給装置の構成を示す概念図である。 エダクタの構造を示す模式図である。 実験例の結果を示すグラフである。 従来の原位置バイオレメディエーション設備の一例の構成を示す概念図である。 従来の原位置バイオレメディエーション設備の別の例の構成を示す概念図である。

符号の説明

１０ 従来の原位置バイオレメディエーション設備
１２ 揚水井
１４ 曝気塔
１６ ポンプ
１８ 注入井
２０ 注入水管
２１ ガスボンベ
２２ 送入ノズル
２４ インラインミキサ
２６ 観測井
２８ ブロア
２９ 供給管
７０ 実施形態例のガス供給装置
７２ 注入水ポンプ
７４ エダクタ
７６ 注入水管
７８ ガス送入ノズル
８０ インラインミキサ
８２ 加圧接触パイプ
８４ ガスボンベ
８６ ガス流入管
８８ 逆止弁

Claims (6)

1. 地下水流への注入水に、汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガス（増殖ガス）を溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を地下水流に注入して、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化する方法において、
   注入井内で地下水流から地下水を汲み取り、前記注入井内で増殖ガスを地下水に溶解して注入水とし、その注入水を前記注入井内で地下水流に注入することを特徴とする汚染地下水及び汚染地層の浄化方法。
2. 注入水の注入位置での地下水流の水圧より所定圧力だけ高いガス圧力下で増殖ガスを注入水に溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を注入井を介して地下水流に注入することを特徴とする請求項１に記載の汚染地下水及び汚染地層の浄化方法。
3. 地下水流への注入水に、汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガス（増殖ガス）を溶解し、増殖ガスを溶解した注入水を注入井を介して地下水流に注入して、微生物により汚染地下水及び／又は汚染地層を浄化する際に、増殖ガスを注入水に溶解して汚染地下水及び／又は汚染地層に供給する装置であって、
   注入井内に設置されて地下水を注入水として汲み取り昇圧する注入水ポンプと、
   注入水ポンプから注入井内の注入水注入位置まで延在し、注入水を地下水流中に流出させる注入水管と、
   注入水管に設けられ、増殖ガスを注入水に送入、溶解させる送入・溶解手段と、
   送入・溶解手段の下流の注入水管に設けられ、注入水管の流路を絞って注入水管内の注入水の圧力を保持し、かつ注入水を地下水流に流出させる流出手段と
   を備えることを特徴とする汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスの供給装置。
4. 送入・溶解手段が、滞留させた注入水上に前記昇圧された増殖ガスを導入し、加圧下で注入水に溶解させるように、注入水管に設けられた溶解タンク、又は注入水管に設けられたガス送入ノズル及びガス送入ノズルの下流に設けられたインラインミキサからなることを特徴とする請求項３に記載の汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスの供給装置。
5. 増殖ガスが送入された注入水を滞留させ、増殖ガスの注入水への溶解を促進する溶解促進タンク、又は加圧接触パイプが、送入・溶解手段と流出手段との間の注入水管に設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスの供給装置。
6. 流出手段が、弁及びオリフィスのいずれか一方を備えた流出口、又は注入水を駆動水流とし、駆動水流により地下水流から地下水を導入して注入水と地下水とを混合し、流出させるエダクタであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の汚染物質の分解微生物の増殖に必要なガスの供給装置。
   

Images