JP2010227910A - 重金属汚染土壌の浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重金属汚染土壌を原位置で洗浄する際の薬剤水溶液の浸透を抑制しつつ、重金属汚染土壌から重金属を効率的に除去する方法を提供すること。
【解決手段】重金属汚染土壌を原位置で洗浄する方法であって、注水及び撹拌により土壌表面より所定深さすなわちスラリー化深さまでの重金属汚染土壌をスラリー化した後、静置し、さらに薬剤又は薬剤水溶液と水を土壌に注入し、所定深さすなわちスラリー化深さより浅い薬剤洗浄深さまでの土壌と薬剤水溶液を撹拌及び混合して重金属を抽出することを特徴とする重金属汚染土壌の浄化方法
【選択図】なし

Description

本発明は、重金属汚染土壌を効率よく浄化する方法に関する。

重金属で汚染された土壌の浄化法の一つとして、薬剤洗浄（例えば特許文献１）が知られている。この方法は重金属汚染土壌に薬剤水溶液を投入し、混合および／または撹拌によって重金属を溶出せしめ、上澄み水中の重金属を除去するものであり、重金属を根本的に除去するという意味で優れた方法である。しかしながら、洗浄対象となる重金属汚染土壌の下方に位置する土壌層の透水係数が大きい場合、重金属を含有した薬剤水溶液が土壌の下方向に浸透する恐れがあった。薬剤水溶液が浸透により失われると、薬剤による土壌洗浄の効率が落ちてしまうという問題が生じる。

一方、水田での下方向への水の浸透を抑制する方法のひとつとして代かきが良く知られている（例えば非特許文献１）。代かきは、浸透抑制の他、砕土、圃場の均平化、雑草防除なども目的とし、代かき後に稲苗の移植が行われるという特徴を有するものである。しかして、重金属汚染土壌を薬剤洗浄する場合も、水田土壌に水を加えて撹拌する処理は、代かきと同様である。しかしながら、薬剤洗浄に用いる水（水溶液）の量（湛水深で20cm以上）は、通常の代かきに用いる水の量（湛水深で10cm以下）よりも極めて多く、また、通常の水稲栽培では、用水に薬剤を入れて代かきを行うことはない。このように、薬剤洗浄は、通常の代かきとは、まったく異なるものである。

更に、薬剤洗浄で用いられる水は量で多く、土壌層には高い水圧がかかるため、薬剤洗浄時には通常の水稲栽培の湛水時よりも、土壌層の透水係数が低いことが必要とされる。また、薬剤洗浄は土壌の撹拌を伴う操作であるため、たとえ、薬剤洗浄の前に代かきを行ったとしても、代かきによって形成された透水係数の低い土壌層の構造の大部分が破壊されて、代かきによる漏水防止効果のかなりの部分が失われてしまうという問題があった。

特開２００５−１６９３８１

足立一日出、代かきによる浸透抑制の研究、農工報、32、pp.1-62、1993

従って、本発明の目的は、重金属汚染土壌を原位置で洗浄する際の薬剤水溶液の浸透を抑制し、重金属汚染土壌から重金属を効率的に除去する方法を提供することにある。

本発明者らは、斯かる現状に鑑み、種々検討した結果、土壌洗浄を行う際のスラリー化深さと薬剤洗浄深さの差に着目し、薬剤洗浄深さをより浅くすれば、薬剤水溶液の浸透が抑制されることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、重金属汚染土壌を原位置で洗浄する方法であって、注水及び撹拌により土壌表面より所定深さまでの重金属汚染土壌をスラリー化した後、静置し、さらに薬剤又は薬剤水溶液と水を土壌に注入し、所定深さすなわちスラリー化深さより浅い薬剤洗浄深さまでの土壌と薬剤水溶液を撹拌及び混合して重金属を抽出することを特徴とする重金属汚染土壌の浄化方法を提供するものである。

本発明によれば、重金属汚染土壌を原位置で洗浄する際、薬剤水溶液が土壌の下方向へ浸透するのを抑制し、重金属汚染土壌を効率良く浄化することができる。

本発明で浄化対象となる重金属汚染土壌としては、市街地、山林、工場跡地、農用地、沼地、更には排土等で、鉛、カドミウム、ヒ素等の重金属元素の単体、化合物又はイオンを含有する土壌が挙げられる。例えば平成３年環境庁告示第４６号に定める方法によって測定される重金属類の溶出量が土壌環境基準を超える土壌や、土壌１kg当たり鉛重量で４００mg以上の鉛を含有する鉛含有土壌、土壌１kg当たりカドミウム重量で２mg以上のカドミウムを含有するカドミウム含有土壌、土壌１kg当たりヒ素重量で３０mg以上のヒ素を含有するヒ素含有土壌等の土壌に好適に適用することができる。特に、カドミウム含有水田土壌および水田転換畑土壌、更に、カドミウム濃度が０．１〜５ppmの水田土壌および水田転換畑土壌の浄化に好適である。

本発明におけるスラリー化においては、まず土壌に水を注入する。このときの注入水量は、水面の高さの平均と施工前の土壌表面の高さの平均との差が０〜１０ｃｍ、好ましくは１〜５ｃｍとなるような水量とする。次に水と土壌表面から所定深さすなわちスラリー化深さまでの土壌とを、ロータリーなどの攪拌機構を有する牽引型土壌撹拌装置などを用いて均一になるように撹拌し、スラリー化を行なう。その後、該スラリーを静置することにより土壌粒子を沈降させて、所定深さすなわちスラリー化深さ周辺の土壌中に透水係数の小さい層を形成させる。透水係数の小さい層により、薬剤水溶液の浸透が抑制される。スラリー化後の静置時間は、６〜２４時間が好ましく、８〜１６時間がより好ましい。また、微粒子を透水係数の小さい土壌層に詰めて浸透抑制効果を高めるために、スラリー化後の重金属汚染土壌の中の土塊の5ｍｍ篩上残分が、40％以下、特に30％以下になるまで撹拌することが好ましい。なお、本発明において透水係数とは、水面に対して垂直に浸透する水の一日あたりの量を示し、具体的には、静置開始時から静置終了時までの水面の高さの変化（ｍｍ）から、水の蒸発量（ｍｍ）を引き、降雨量（ｍｍ）を加えた値を、静置時間（日）で割った値で求められる。

薬剤洗浄は、洗浄対照区に所定濃度かつ所定量の水溶液を注入し、ロータリー等の攪拌機構を有する牽引型土壌撹拌装置などを用いて重金属汚染土壌と水溶液とを良く撹拌し、静置した後に、上澄み水を排水する工程である。薬剤水溶液により重金属を水溶液中に抽出させ、排水として重金属を回収するために行われる。

薬剤洗浄を行う場合の薬剤洗浄深さをスラリー化深さより浅くすることによって、スラリー化によって形成した透水係数の小さい層を壊すことなく薬剤洗浄を行うことができるため、薬剤水溶液の重金属汚染土壌の下方向への薬剤水溶液の浸透を抑制することができる。スラリー化深さと薬剤洗浄深さの差が大きいほど、薬剤水溶液の浸透は抑制される。一方、この差が大きいほど、洗浄対象となる重金属汚染土壌の量が少なくなり、重金属の洗浄効率を下げてしまう。したがって、浄化前の土壌表面の高さを基準とした重金属汚染土壌の薬剤洗浄深さと浄化前の土壌表面の高さを基準としたスラリー化深さとの差は２ｃｍ以下が好ましく、１ｃｍ以下がより好ましい。

洗浄に用いる薬剤としては、洗浄対象土壌との混合により加水分解され、水酸化物イオンを配位するものが好ましい。pHが低いほどカドミウムの除去効率が高くなるため、カドミウムを除去する場合は、浄化対象土壌との混合によってpHが４以下になるものが好ましい。かかる金属塩化合物としては、例えば塩化第一鉄、塩化第二鉄、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄、硝酸第一鉄、硝酸第二鉄、ポリ硫酸鉄等の鉄塩；硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等のアルミニウム塩；塩化マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン等のマンガン塩；塩化コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルト等のコバルト塩；塩化銅、硝酸銅、硫酸銅等の銅塩などが挙げられる。

これらの金属塩化物を重金属汚染土壌に直接散布することもできるが、取り扱いが容易かつ濃度の調整が容易なこれらの金属塩の水溶液を重金属汚染土壌に注入することが好ましい。原位置で、水溶液を用いて土壌洗浄する場合には、例えば、タンクを用いて金属塩化合物を水に溶解し、所定の濃度になるよう混合した後施用できるほか、所定濃度より高濃度の溶液を調製して施用した後、所定濃度になるように水を加えてもよい。また、導水時に連続的に金属塩化合物を投入できる装置により施用しても良い。水溶液の濃度は、１〜２００ｍＭ、特に３〜１００ｍＭであるのが、重金属の除去効果が大きいとともに、土壌への残留が少ないので好ましい。また、抽出洗浄に用いる水溶液の量は浄化対象土壌の１〜５重量倍、特に１〜２．５重量倍であるのが、重金属を効率的に抽出できるので好ましい。

薬剤水溶液と土壌の混合は、ロータリーなどの縦方向に撹拌することのできる機構を有する牽引型土壌撹拌装置などを用いて行うことができる。撹拌効率を上げるためには、撹拌装置の縦方向の回転半径が水面の高さと薬剤洗浄深さの和より大きいことが好ましい。

以上のような処理を行なうことにより、土壌中の重金属は水溶液中に抽出される。このような洗浄は、土壌の重金属含有量のうち、洗浄水溶液に溶出しない重金属含有量が土壌汚染対策法（平１４・５・２９法律第５３号）に定める含有量基準値以下になるまで繰り返すのが好ましく、さらに、洗浄処理後の土壌から溶出する重金属濃度が「土壌の汚染に係る環境基準について」（平３・８・２３環告４０号）に定める溶出基準値以下になるまで洗浄するのが好ましい。薬剤水溶液による洗浄は、少なくとも１回、好ましくは１〜３回行われる。

薬剤水溶液による洗浄により、土壌中の重金属を水溶液中に抽出した後、原位置にて土壌を沈降させて上澄み廃液を集めることが好ましい。薬剤洗浄の上澄み廃液は、一時的にピットに貯留しその後ポンプで廃水処理設備に入れても良いし、そのままポンプで洗浄区域から排水しても良い。

本発明においては、水洗浄を行うことができる。抽出した重金属を効率的に回収するために、薬剤水溶液を排水した後の洗浄区域に注水し、水と土壌とをロータリーなどの縦方向に撹拌することのできる機構を有する牽引型土壌撹拌装置などを用いて混合した後、原位置にて土壌を沈降させて上澄み廃液を集めることが好ましい。水洗浄時の撹拌効率を上げるためには、撹拌装置の回転部の縦方向の回転半径が水面の高さと水洗浄深さの和より大きいことが好ましい。水洗浄の上澄み廃液は、一時的にピットに貯留しその後ポンプで廃水処理設備に入れても良いし、そのままポンプで洗浄区域から排水しても良い。

この水洗浄を繰り返すことにより、重金属の回収量を増加させることができる。したがって、水洗浄は１回以上行うのが好ましい。さらに、洗浄後の重金属汚染土壌を農用地土壌として用いる場合は、土壌中の塩素濃度が７００ppm以下、電気伝導度が２mS／cm以下、特に１mS／cm以下になるまで、水による洗浄を繰り返し行うのが好ましい。一方、水洗浄にはコストと時間を要する。また、洗浄回数が増加すると、水洗浄の効果は低減する。したがって、水洗浄は５回以下が好ましい。

洗浄後の土壌は酸性になっており、また、重金属が水溶液として残留するので、植物の栽培に適した土壌とし、土壌に溶存する重金属を不溶化させるため、土壌にアルカリ資材を施用して中和処理を行うのが好ましい。アルカリ資材としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、消石灰、生石灰、炭酸カルシウム、苦土炭カル等を用いることができ、特に炭酸カルシウム及び/又は苦土炭カルが、植物の生育に有用な成分を供給するので、好ましい。中和処理は、土壌のｐＨを５〜８、特にｐＨ５．５〜６．５程度に調整するのが好ましい。このようなpHの範囲では、植物の生育が健全となり、ほとんどの重金属が不溶化する。中和のためのアルカリ資材の施用量は、単位土壌あたりに対して施用する量のアルカリ資材を振り、緩衝曲線を求め、目的のｐＨになる量を施用すればよい。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらになんら制限されるものではない。

実施例１
実内でミニカラムを用いて工法のシミュレーションを行った。
重金属汚染土壌をJIS金属製篩でふるって、土塊の粒径が2mm以下となるようにした。この土壌を室内で乾燥(風乾)することにより、土壌の含水率を10%以下にした風乾土を得た。
土を保持しかつ水を通すように底部を加工した直径10cmのミニカラムに、突き固めながら土壌を厚さ5cmになるように詰めた。その上に金網を設置した。金網の上に、厚さが16cmになるように、風乾土を乗せた。
ミニカラムに水道水を加え重金属汚染土壌をスラリー化した後、スラリーを１晩静置した。土壌と水の混合は、プロペラをモーターで回転させながら金網と水面の間を２分間上下させることにより、行った。金網から水面までの高さを17cmとした。従って、施工前の重金属汚染土壌表面を基準としたスラリー化深さは16cmである。（スラリー化）
スラリーにFeCl₃水溶液と水道水を加え薬剤洗浄を行った後、１晩静置し、更に、上澄み水を排水した。静置時の透水係数を測定した。薬剤水溶液と土壌スラリーの混合は、プロペラをモーターで回転させながら金網から1cm上方と水面の間を上下させることにより、２分間行った。洗浄時のFeCl₃濃度を15mM、金網から水面までの高さを45cmとした。従って、施工前の重金属汚染土壌表面を基準とした薬剤洗浄深さは15cmであり、スラリー化深さと薬剤洗浄深さの差は1cmである。（薬剤洗浄）
さらに、ミニカラムに水道水を加え水洗浄を行った後、１晩静置し、更に、上澄み水を排水した。水と土壌の混合は、プロペラをモーターで回転させながら金網から1cm上方と水面の間を上下させることにより、２分間行った。金網から水面までの高さを45cmとした。従って、施工前の重金属汚染土壌表面を基準とした水洗浄深さは15cmである。(水洗浄)
なお、排水したすべての廃液は適切な方法で処理した。

比較例１
実施例１と同様の操作を行った。スラリー化深さ、薬剤洗浄深さ、及び、水洗浄深さを同一の16cmとしたことのみ異なる。実施例１と同様に、薬剤洗浄時の透水係数を求め、表１に示した。

表１の薬剤洗浄時の下方向への透水係数を、実施例１と比較例１とで比較すると、薬剤洗浄深さをスラリー化深さより浅くしたことにより、薬剤水溶液の浸透を抑制したことが分かる。

実施例２
Ａ圃場においてカラム試験を行った。
Ａ圃場に直径30cmの円筒（カラム）を打ち込み、ハンドスコップで荒起しした。洗浄する土壌の厚さは17cmとした。（荒起し）
カラムに河川水を加えスラリー化した後、１晩静置した。土壌と河川水の混合は、小型モーターとプロペラで行った。スラリー化深さは17cmとした。また、水深とスラリー化深さの合計は20cmとした。（スラリー化）
薬剤水溶液を加え薬剤洗浄を行った後、１晩静置し、更に、排水した。静置時の透水係数を測定した。薬剤水溶液と土壌スラリーの混合は、小型モーターとプロペラで行った。薬剤洗浄時のFeCl₃濃度を15mM、薬剤洗浄深さは16cmとした。薬剤洗浄時の水深と洗浄深さの合計は44cmとした。スラリー化深さと薬剤洗浄深さの差は1cmである。（薬剤洗浄）
河川水をカラムに加え水洗浄を行った後、静置し、更に、排水した。水と土壌の混合は、小型モーターとプロペラで行った。水洗浄深さは16cm、水深と水洗浄深さの合計は44cmとした。（水洗浄）
更に、洗浄前の土壌及び洗浄後の土壌のCd含有量を分析し、Cd除去率を求めた。また、洗浄後の土壌の５ｍｍ篩上残分を求めた。
なお、排水したすべての廃液は適切な方法で処理した。

比較例２
薬剤洗浄深さを17cm、水深と薬剤洗浄深さの和を45cm、水洗浄深さを17cm、水深と水洗浄深さの和を45cmとしたこと以外は実施例２と同様の操作を行った。

表２の薬剤洗浄時の下方向への透水係数を、実施例２と比較例２とで比較すると、薬剤洗浄深さをスラリー化深さより浅くしたことにより、薬剤水溶液の浸透を抑制したことが分かる。

Claims (3)

1. 重金属汚染土壌を原位置で洗浄する方法であって、注水及び撹拌により土壌表面より所定深さまでの重金属汚染土壌をスラリー化した後、静置し、さらに薬剤又は薬剤水溶液と水を土壌に注入し、所定深さすなわちスラリー化深さより浅い薬剤洗浄深さまでの土壌と薬剤水溶液を撹拌及び混合して重金属を抽出することを特徴とする重金属汚染土壌の浄化方法
2. 浄化前の土壌表面の高さを基準とした重金属汚染土壌の薬剤洗浄深さと浄化前の土壌表面の高さを基準としたスラリー化深さとの差が2cm以下であることを特徴とする請求項１記載の重金属汚染土壌の浄化方法。
3. 重金属汚染土壌が、カドミウム含有水田土壌又は水田転換畑土壌であることを特徴とする請求項１又は２記載の重金属汚染土壌の浄化方法。