JP2008046083A

JP2008046083A - 地下圏モデル試験装置

Info

Publication number: JP2008046083A
Application number: JP2006224385A
Authority: JP
Inventors: Sakae Fukunaga; 栄福永; Iku Miyasaka; 郁宮坂; Kosuke Ishii; 浩介石井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】地層を構成する粒子を充填した反応器の途中で水や微生物試料を自由にサンプリングでき、しかもサンプリングする部分が周囲と異なる環境にならないこと、また反応器をグローブボックスなどに入れなくても雰囲気制御できる地下圏モデル試験装置を提供する。
【解決手段】反応器１０内に地層を構成する粒子１２を充填すると共にその反応器１０の一方から他方へ地下水ｗを流し、その反応器１０内の地下水ｗをサンプリングするための地下圏モデル試験装置において、反応器１０に側管１３を付設し、その側管１３に、外気と遮断して側管１３内に気相１１を形成する栓１４を設け、その栓１４を貫通する挿入管１８を有すると共にその挿入管１８を通して側管１３内に浸み出した地下水ｗをサンプリングするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物の埋め立て処分、放射性廃棄物の地層処分などによる地下圏の汚染可能性を模擬的な条件で試験するための地下圏モデル試験に関するものである。

廃棄物の埋め立て処分、放射性廃棄物の地層処分などにより地下圏で、汚染物質が漏洩した場合、地下水と共に汚染物質が拡散して行くが、土壌中には種々の微生物が存在し、特定の微生物が漏洩した汚染物質を分解するため、汚染の拡散を防ぐことができる。

そこで地下圏での汚染の広がりを予め予測するには、その地下圏の汚染土壌を採取し、土壌中に地下水を流して汚染物質の分解速度などを模擬的な条件で試験することがなされている（特許文献１，２）。

従来、このような試験のためにはいろいろな装置が用いられてきた。

図５は、縦型の試験装置４０で、嫌気性雰囲気４１内にコレクションベッセル４２を設け、そのコレクションベッセル４２内に採取した砂４３を充填し、ポンプ４４から地下水をコレクションベッセル４２の上部から流し、これを縦型のカラム４５に流して流出水を集めて分析したり（非特許文献１）、あるいは図６に示す試験装置５０のように、グローブボックス５１内に、地層を構成する粒子等を充填した複数の反応器５２に流体リザーバ５３、ポンプ５４にて水を流し、これをコレクションベッセル５５に集めて分析する方法（非特許文献２）が行われている。

この試験装置４０，５０は、水質等を測定できるのは流入水と流出水のみで、砂等を充填した反応器内を流れる途中の水や微生物のサンプリングは困難である。

それを可能にするため、図７に示す試験装置６０が提案された（非特許文献３）。

この試験装置６０は、嫌気性グローボックス６１内に、砂層（反応器）６２を設け、その砂層６２の出入口に水槽６３，６５を設けると共に中間にも水槽６４を設け、地下水貯槽６６から入口側水槽６３に地下水を供給して砂槽６２と中間水槽６４、出口側水槽６５を介して流出水貯槽６７に流し、その各水槽６３，６４，６５内をモニタ機器６８にてモニタすることで、砂層６２の入口と中間位置と出口の水や微生物をモニタするようにしている。

特開２００５−２４５３４４号公報特開２００６−１１６５０９号公報 Vandergraaf, T.T., Drew, D.J., Ticknor, K.V., Hamon, C,J. & Seddon, W.A. (2003) Radionuclide migration experiments in tuff blocks under unsaturated and saturated conditions at a scale of up to 1 metre. WM ’03 Conference, Tucson, AZ, USA, pp.23-27.(February, 23-27, 2003 at Tucson, AZ) Hama, K., Bateman, K., Coombs, P., Hards, V.L., Milodowski, A.E., West, J.M., Wetton, P.D., Yoshida, H. & Aoki, K. (2001) Influence of bacteria on rock-water interaction and clay mineral formation in subsurface granitic environments. Clay Minerals, Vol.36, pp.599-613.（主催：The Mineralogical Society）福永栄、石井浩介、宮坂郁、栃木善克、難波謙二（２００６）帯水層モデルによる微生物挙動予測のための数値取得，日本原子力学会２００６年春の年会要旨集：Ｂ３７．（２００６年３月２５日、ａｔ大洗、茨城県、日本、主催：日本原子力学会）

しかしながら、この試験装置６０は、砂層６２に水槽６３，６４，６５を設けるため、水槽部分が砂層６２と異なる環境となり、砂層６２を完全に模擬していないという懸念も残した。

また地層を構成する粒子等を充填した反応器の雰囲気をコントロールするため装置全体を雰囲気制御グローブボックス６１に入れなければならない問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、地層を構成する粒子を充填した反応器の途中で水や微生物試料を自由にサンプリングでき、しかもサンプリングする部分が周囲と異なる環境にならないこと、また反応器をグローブボックスなどに入れなくても雰囲気制御できる地下圏モデル試験装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、堆積物層などの地層中で起きている化学反応、微生物反応などの現象を模擬すべく、反応器内に地層を構成する粒子を充填すると共にその反応器の一方から他方へ地下水を流し、その反応器内の地下水をサンプリングするための地下圏モデル試験装置において、反応器に側管を付設し、その側管に、外気と遮断して側管内に気相を形成する栓を設け、その栓を貫通して使用できる挿入管を有すると共にその挿入管を通して側管内に浸み出した地下水をサンプリングするサンプリング装置を設けたことを特徴とする地下圏モデル試験装置である。

請求項２の発明は、側管が反応器に沿って多数設けられる請求項１記載の地下圏モデル試験装置である。

請求項３の発明は、反応器が横長の管からなり、側管が、その管の上部で上方に向くように設けられ、反応器内には砂、土、岩石等の粒子が充填され、反応器の両端は立ち上げて内部に水を貯留させ、立ち上げた部分の一方に地下水を供給することによって、水の流れる帯水層を模擬するようにした請求項１又は２記載の地下圏モデル試験装置である。

請求項４の発明は、サンプリング装置は、栓を貫通する挿入管と、挿入管を通して側管内の気相を負圧にして地下水を浸み出させて地下水をサンプリングするシリンダ・ピストンとを有する請求項１〜３いずれかに記載の地下圏モデル試験装置である。

請求項５の発明は、反応器が縦型の管からなり、側管が、その管の側面から水平に設けられ、その側管に反応器内の粒子が側管内に入り込むのを防止するスクリーンが設けられる請求項１又は２記載の地下圏モデル試験装置である。

請求項６の発明は、縦型の管の下方から上方に向けて地下水が流される請求項５記載の地下圏モデル試験装置である。

請求項７の発明は、側管内の気相を、側管の栓を貫通する２本の挿入管の１本から組成既知のガスを導入し、もう１本から気相内ガスを抜き出すことによって、置換し、気相の組成を制御するようにした請求項１〜６いずれかに記載の地下圏モデル試験装置である。

堆積物層などの地層中で起きている化学反応、微生物反応などの現象を実験室規模で模擬するため、地層を構成する粒子等を充填した反応器から成る試験装置において、従来、流入水と流出水の分析しか出来ない、あるいは途中に水槽を作るなど環境の異なる部分を作らなければ反応器の途中からの水サンプリングができなかったものが、本発明により可能となった。また、雰囲気制御グローブボックスなどに反応器全体を収納することなく、反応器の雰囲気制御も可能となった。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明の第一の実施の形態を図１に示す。

反応器１０は、横型の管１０ａからなり、その管１０ａに、地層を構成する砂、土、岩石等の粒子１２が充填され、図示の矢印のように地下水ｗが供給されて帯水層が模擬される。

反応器１０の側壁には上方に向けて側管１３が付設され、その側管１３にブチルゴムなどの栓１４が設けられると共にその側管１３に栓１４を固定する開口１６を有するキャップ１５が設けられる。

反応器１０に充填された地層を構成する粒子１２は重力により、側管１３には入り込まず、側管１３には空間すなわち気相１１ができる。

側管１３には、側管１３内に浸み出した地下水ｗをサンプリングするサンプリング装置１７が設けられる。

サンプリング装置１７は、注射器などからなり、キャップ１５の開口１６を通して栓１４を貫通する注射針など挿入管１８と、挿入管１８を通して側管１３内に浸み出した地下水をサンプリングするシリンダ・ピストン１９とからなる。

このサンプリング装置１７は、栓１４に挿入管１８を貫通させ、シリンダ・ピストン１９にて、側管１３内の気相１１を負圧にすることによって、粒子１２の層から地下水を浸み出させ、その浸み出した地下水ｗを吸引サンプリングできるようになっている。このサンプリング装置１７は、２本用いて、一方で気相１１を負圧にし、他方で地下水ｗをサンプリングするようにしてもよい。

栓１４は、サンプリング装置１７の挿入管１８が挿入でき、その挿入管１８で内外の空間を流通できるが、挿入管１８を外せば再び密閉状態にできるブチルゴムなどからなる。

この反応器１０には地下水ｗが通水され、地層を構成する粒子１２の隙間に満たされるが、側管１３の気相１１内にはガスを満たしておくので、側管１３には地下水ｗは入り込まず水溜りは通常できない。

一方、サンプリング時には側管１３の気相１１内のガスを、サンプリング装置１７によって抜き出して側管１３内の気相１１を負圧にすることによって、地層を構成する粒子１２の層から地下水（微生物も含まれる）ｗを浸み出させ、この水ｗを注射器などのサンプリング装置１７によって外部に抜き出すことによってサンプリングできる。

サンプリング後、残った地下水ｗはサンプリング装置１７によって完全に吸い出し、同じくサンプリング装置１７によって側管１３の気相１１内にガスを充填して圧力を維持することにより、水溜まりの形成を防止する。

側管１３の気相１１内に充填するガスは、微生物に対し不活性のアルゴン、ヘリウムなど組成を制御したものを用いる。このガスは、側管１３の栓１４にサンプリング装置１７の挿入管１８を２本刺し、その片方から供給し、もう一方から抜き出すことによって側管１３内の気相１１を置換できる。これによりサンプリングする部分が周囲と異なる環境にならない。

次にこのサンプリング装置を組み込んだ試験装置全体を図２に示す。

反応器１０を構成する管１０ａは、フランジ２０により複数本接続し、その両端を上向きに上げて、流入口２１および流出口２２としている。また側管１３は、反応器１０に沿って適宜箇所に設けておく。

反応器１０は恒温水槽２３に浸漬され、側管１３の栓１４、流入口２１および流出口２２は水面上に出るものとする。

この試験装置への地下水の供給方法は、地下水貯槽２５から流入ポンプ２６で流入口２１に送り、流出口２２より排水ポンプ２４を介して排水して行う。また反応器１０の上流側の側管１３の一つを介して基質貯槽２７から基質供給ポンプ２８から微生物の餌となる糖や酢酸を供給する。また、地下水貯槽２５から地下水を供給する代わりに基質貯槽２７に地下水を混ぜて送ることもできる。

側管１３からは地下水ｗをサンプリングするが、反応器１０で発生したガスのサンプリングもできる。また、側管１３内に若干の水を浸み出させておいてｐＨ電極などを浸漬し、計器でモニタリングすることもできる。

また、図２には恒温水槽２３の付属品としての温水ポンプ３０とウォーターバス２９にて恒温水槽２３の温度を一定に保つようにする。

以上において、反応器１０の途中には、適宜箇所側管１３が設けられ、その側管１３に設けた栓１４に、サンプリング装置１７の挿入管１８を挿入して微生物を含む地下水ｗをサンプリングすることができる。

また反応器１０を構成する管１０ａは、フランジ２０にて適宜の長さにすることができるため、地層を模擬した種々の実験が行えると共に管１０ａ毎に充填する粒子１２も種々のものを選ぶことができる。

このように本発明は、反応器１０の途中で水や微生物試料をサンプリングできる。またサンプリング時には側管１３内のガスを、サンプリング装置１７によって抜き出して側管１３内の気相１１を負圧にすることによって、地層を構成する粒子等の層から水（微生物も含まれる）を浸み出させ、この水を挿入管１８から抜き出すことによってサンプリングできるため、粒子１２の層の雰囲気を、そのままに保った状態に維持できる。

また、側管１３の栓に注射針を２本刺し、片方からアルゴン、ヘリウムなど微生物に対し不活性のガスを供給し、もう一方から抜き出すことによって側管１３内の気相１１を、組成制御されたガスで置換することによって、反応器１０内の雰囲気を制御できるため、反応器１０をグローブボックスなどに入れなくても雰囲気制御できる。

図３は本発明の他の実施の形態を示したものである。

本実施の形態では、反応器１０が縦型の管１０ｂから構成され、その反応器１０の下方から上方に向けて地下水ｗが流れるようにしたものであり、横型では流れが不均一になる恐れのある場合に用いる。

原理は、ほぼ同じであるが、図１の横型では反応器１０に充填された地層を構成する粒子１２は重力により側管１３には入り込まず、側管１３には空間すなわち気相１１ができるが、縦型ではそうならない。

そこで、側管１３内に、地層を構成する粒子１２と側管１３の気相１１を仕切るスクリーン３２を設置し、地層を構成する粒子１２が側管１３の気相１１に入らないようにしている。

本実施の形態では、地下水ｗが下方から上方に流れるようにされるため、反応器１０内に、より均一な流れを作ることができる。

また、この形態では、反応器１０が縦型の他に、図４に示すように反応器１０を横型の管１０ａとし、側管１３を上面でなく側面に設置するときもそのまま利用できる。

本発明の一実施の形態を示す断面図である。図１の全体図を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である本発明の更に他の実施の形態を示す図である。縦型の地層を模擬した従来例を示す図である。横型の地層を模擬した従来例を示す図である。横型の地層を模擬し、途中でサンプリングできる従来例を示す図である。

符号の説明

１０反応管
１１気相
１２粒子
１３側管
１４栓
１７サンプリング装置
１８挿入管
ｗ地下水

Claims

堆積物層などの地層中で起きている化学反応、微生物反応などの現象を模擬すべく、反応器内に地層を構成する粒子を充填すると共にその反応器の一方から他方へ地下水を流し、その反応器内の地下水をサンプリングするための地下圏モデル試験装置において、反応器に側管を付設し、その側管に、外気と遮断して側管内に気相を形成する栓を設け、その栓を貫通して使用できる挿入管を有すると共にその挿入管を通して側管内に浸み出した地下水をサンプリングするサンプリング装置を設けたことを特徴とする地下圏モデル試験装置。
側管が反応器に沿って多数設けられる請求項１記載の地下圏モデル試験装置。
反応器が横長の管からなり、側管が、その管の上部で上方に向くように設けられ、反応器内には砂、土、岩石等の粒子が充填され、反応器の両端は立ち上げて内部に水を貯留させ、立ち上げた部分の一方に地下水を供給することによって、水の流れる帯水層を模擬するようにした請求項１又は２記載の地下圏モデル試験装置。
サンプリング装置は、栓を貫通する挿入管と、挿入管を通して側管内の気相を負圧にして地下水を浸み出させて地下水をサンプリングするシリンダ・ピストンとを有する請求項１〜３いずれかに記載の地下圏モデル試験装置。
反応器が縦型或いは横型の管からなり、側管が、その管の側面から水平に設けられ、その側管に反応器内の粒子が側管内に入り込むのを防止するスクリーンが設けられる請求項１又は２記載の地下圏モデル試験装置。
縦型の管の下方から上方に向けて地下水が流される請求項５記載の地下圏モデル試験装置。
側管内の気相を、側管の栓を貫通する２本の挿入管の１本から組成既知のガスを導入し、もう１本から気相内ガスを抜き出すことによって、置換し、気相の組成を制御するようにした請求項１〜６いずれかに記載の地下圏モデル試験装置。