JP2017198603A - 放射性物質汚染土壌の除染方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カリウム溶解菌を利用した簡便、低コストで、効率的な除染方法を提供する。【解決手段】処理槽中の放射性物質汚染土壌から水溶性カリウムを取り除く工程、処理槽中に、カリウムを除く栄養塩類を供給する工程、カリウム溶解菌により、前記放射性物質汚染土壌に含まれる雲母を溶解するとともに前記雲母に吸着しているセシウムを可溶化する工程、前記処理槽上方から洗浄水を加え、前記洗浄水に前記可溶化したセシウムを含む放射性排水を前記処理槽下方から排出する工程、を有する除染方法。【選択図】図３

Description

本発明は放射性セシウムに汚染された土壌の除染方法に関する。

東京電力福島第一原子力発電所での事故により、大量の放射性物質が環境中に放出された。特に、放射性セシウムは、半減期が比較的長く、長期に亘って土壌中に残留する。そのため、居住地や耕作地を中心に表層土壌や汚泥等を取り除く作業が行われ、莫大な量の放射性物質汚染土壌が回収されている。回収された放射性物質汚染土壌は、現在、自治体の仮置き場等に保管されているが、最終処分されるまで安全に保管するための中間貯蔵施設の建設が計画されている。中間貯蔵施設では、放射性物質汚染土壌の減容化処理が行われる予定である。

減容化処理方法として、放射性物質汚染土壌をアンモニウム系洗浄液で洗浄し、放射性金属イオンをアンモニウムイオンと交換して、放射性物質を土壌から液相に溶解抽出する洗浄法が知られている（特許文献１、２）。
ここで、福島の土壌は火山岩が風化した真砂土が多く、真砂土中には雲母が含まれる。図５に、雲母の結晶端面にセシウムが吸着している模式図を示す。
土壌鉱物の中でも、雲母はその結晶シートの層間にカリウムイオンをサンドイッチ状に吸着している。セシウムは、電子軌道がカリウムに類似しており、原発事故で放出された放射性セシウムは、雲母に吸着されているカリウムイオンを置換して雲母に吸着され、その大部分は雲母のフレイドエッジサイトに存在する。セシウムは、フレイドエッジサイトで立体配置的に吸着されており、フレイドエッジサイトに吸着されたセシウムは、アンモニウムイオンとは交換しない。そのため、特許文献１、２で提案されているアンモニウム系洗浄液で洗浄しても、洗浄により取り除かれるセシウム量は少なく、大部分はフレイドエッジサイトに吸着されたままである。

放射性物質汚染土壌を、塩酸、硝酸、フッ化水素酸等の強酸である無機酸で洗浄すると、セシウム以外の金属種も溶解してしまうため、セシウム濃縮物のセシウム濃度が低くなり、減容率が低くなる。また、無機酸は、処理施設の各種設備を腐食させて放射性セシウムが外部に漏出する可能性があり、毒性、危険性が高いという問題点もある。

また、放射性物質汚染土壌を研磨洗浄し、土壌粒子の表面ごと放射性物質を削り取る磨砕洗浄法も知られている（特許文献３、４）。放射性セシウムは、粒径２μｍ未満の粘土分に多く吸着されるが、粒径２μｍ未満の粘土分のみを回収することは難しく、粒径の大きな粒子も回収される。磨砕洗浄法は、放射性物質が吸着していない土壌粒子や、セシウム吸着量が少ない粒径の大きな粒子の表面も一様に削り取られてセシウム濃縮物として回収される。そのため、磨砕洗浄法は、洗浄前の放射性物質汚染土壌から、洗浄後のセシウム濃縮物への濃縮率が低く、汚染土壌の減容化が十分でないという問題がある。

非特許文献１には、カリウム溶解菌を放射性物質汚染土壌の表面に散布し、表土中のセシウムを可溶化させ、剥離して可溶化状態になったセシウムを含む雨水等の表面流の流路に吸着剤を設置し、吸着剤にセシウムを吸着させて回収するアイデアが提案されている。非特許文献１には、アイデアが記載されているのみであり、自然環境下でカリウム溶解菌による土壌の溶解機能が発現するか保証できない。また、自然環境中には、多種多様な微生物が存在するため、カリウム溶解菌の活性が他の微生物に抑制される場合がある。さらに、晴天が続くと可溶化したセシウムが雲母に再吸着する、相当量の降雨による表面流が発生しないとセシウムが回収できない、降雨量が少ないとセシウムは鉛直方向に浸透する、といった問題点が存在する。

特開２０１４−３２１１０号公報 特開２０１５−１０２３４５号公報 特開２０１３−６４６９０号公報 特開２０１４−１５１３１２号公報

末継 淳、森 也寸志、「真砂に含まれる雲母様粒子に収着するセシウム分布のＳＥＭ−ＥＤＸによる観察」、第５５回土壌物理学会大会要旨、2013.10.26

本発明は、カリウム溶解菌を利用した簡便、低コストで、効率的な除染方法を提供することを課題とする。

１．処理槽中の放射性物質汚染土壌から水溶性カリウムを取り除く工程、
処理槽中に、カリウムを除く栄養塩類を供給する工程、
カリウム溶解菌により、前記放射性物質汚染土壌に含まれる雲母を溶解するとともに前記雲母に吸着しているセシウムを可溶化する工程、
前記処理槽上方から洗浄水を加え、前記洗浄水に前記可溶化したセシウムを含む放射性排水を前記処理槽下方から排出する工程、
を有することを特徴とする除染方法。
２．前記洗浄水のカリウム濃度が、０．０１ｇ／Ｌ以下であることを特徴とする１．に記載の除染方法。
３．前記放射性排水を、前記処理槽の下方に設置されたドレインパイプ内に吸引して排出することを特徴とする１．または２．に記載の除染方法。
４．前記放射性排水に含まれるセシウムを除去した再生水を、前記洗浄水として再利用することを特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の除染方法。
５．前記処理槽内部に設置された温度調整装置により、前記放射性物質汚染土壌の温度を前記カリウム溶解菌の活動に好適な温度に調整することを特徴とする１．〜４．のいずれかに記載の除染方法。

放射性物質汚染土壌中には、カリウム溶解菌の他に多様な微生物が生息している。本発明の除染方法は、予め水溶性カリウムを取り除くことにより、土壌中の雲母からカリウムを取り出すことのできるカリウム溶解菌のみを選択的に活性化して、効率的に除染を行うことができる。本発明の除染方法は、処理槽内でカリウム溶解菌を使用するため、カリウム溶解菌の増殖、代謝に好適な環境を構築し、有機酸の分泌を促進して除染を促進することができる。
カリウム溶解菌が分泌する有機酸は、弱酸であり、土壌中の無機物の多くは溶解しない。そのため、排水から除去したセシウム濃縮物中のセシウム濃度を高くすることができ、放射性物質の体積を大幅に減容することができる。
洗浄水のカリウム濃度を低くすることにより、土壌中に生息するカリウム溶解菌以外の微生物の活動を抑制することができ、カリウム溶解菌を優先的に活動させ続けることができる。
放射性排水を、吸引して排出することにより、処理槽中の土壌に空気を引き込むことができる。カリウム溶解菌は好気性細菌であるため、土壌に空気を供給することにより、活性化することができる。
放射性排水からセシウムを除去した再生水を、洗浄水として再利用することで、必要な水量を減らすことができ、低コストであり、また、放射性物質を取り除いた後であっても排水量を少なくすることができ、安心感が高い。

本発明の除染方法の一実施態様を説明する図。 本発明の除染方法の一実施態様を説明する図。 本発明の除染方法の一実施態様を説明する図。 本発明の除染方法の他の実施態様を説明する図。 雲母のフレイドエッジサイトにセシウムが吸着している模式図。

本発明の除染方法は、処理槽中の放射性物質汚染土壌から水溶性カリウムを取り除く工程、
処理槽中に、カリウムを除く栄養塩類を供給する工程、
カリウム溶解菌により、前記放射性物質汚染土壌に含まれる雲母を溶解するとともに前記雲母が吸着しているセシウムを可溶化する工程、
前記処理槽上方から洗浄水を加え、前記洗浄水に前記セシウムが溶解した排水を前記処理槽下方から排出する工程、
を有することを特徴とする。

以下、本発明の除染方法の一実施態様を図１〜３に基づいて説明する。
処理槽１０は、外部へ漏水しないように遮水壁で形成されている。処理槽１０は、底面に水抜き用のドレインパイプ１１を備える。
まず、処理槽１０の内部に放射性物質汚染土壌１２（以下、「汚染土壌」という）を入れ、汚染土壌１２を初期洗浄水２１で洗浄して、水溶性カリウムを一般排水２２に溶解させて取り除く（図１）。
洗浄によりカリウム以外の水溶性の無機塩類等も取り除かれるが、放射性セシウムは、雲母のフレイドエッジサイトに強固に吸着しているため、取り除くことはできない。

次いで、カリウムを除く無機塩類を含む液体培地２３と、必要に応じて炭素源とを汚染土壌１２に供給する（図２）。洗浄後の汚染土壌中にカリウム溶解菌１が少ない、または、生息しない場合は、カリウム溶解菌１も投入する。
先の工程により、汚染土壌１２中からは水溶性カリウムが取り除かれているため、汚染土壌１２中に生息する微生物の多くは、必須元素であるカリウムが不足して活動が低下している。そして、カリウムを含まない液体培地２３が供給されても、汚染土壌中に生息する微生物の多くは活動を再開することができない。それに対し、カリウム溶解菌１は、雲母のフレイドエッジサイトを溶解してカリウムを取り出して利用することができるため、活動を再開することができる。

「カリウム溶解菌」
カリウム溶解菌１は、有機酸を分泌して土壌粒子の構成物質を溶解し、土壌粒子に吸着しているカリウムを可溶化することができる微生物の総称である。カリウム溶解菌は、特別な微生物ではなく、雲母を含む土壌中に普遍的に生息している。カリウム溶解菌の存在は、ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ａｌｅｋｓａｎｄｒｏｖ培地（Journal of Microbiology Research, 3(1); 25-31, 2013.)（グルコース：５．０ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ：０．５ｇ／Ｌ、ＣａＣＯ_３：０．１ｇ／Ｌ、ＦｅＣｌ_３：０．００６ｇ／Ｌ、Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２：２．０ｇ／Ｌ、黒雲母粉末：３．０ｇ／Ｌ、寒天：２０．０ｇ／Ｌ）で培養を行うことにより、有機酸を分泌する菌が存在するとコロニーの周りに透明なハローが形成されることから、容易に判定することができる。

本発明で使用するカリウム溶解菌は特に制限されず、従来公知のＡｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ属、Ｂａｃｉｌｌｕｓ属、Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａ属、Ｃｌａｄｏｓｐｏｒｉｕｍ属、Ｃｌａｄｏｓｐｏｒｉｏｉｄｅｓ属、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属、Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ属、Ｆｌｅｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ属、Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ属、Ｍｉｃｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ｍｙｒｏｉｄｅｓ属、Ｐａｎｔｏｅａ属、Ｐａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓ属、Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ属、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属、Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ属等に属するカリウム溶解菌を利用することができる。具体的には、Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｍｅｇａｔｅｒｉｕｍを挙げることができる。

カリウム溶解菌１は、不足している無機塩であるカリウムを取り込むために、積極的に有機酸を分泌して、周囲の雲母を溶解する。そして、雲母が溶解すると、雲母のフレイドエッジサイトに吸着していたセシウムは、雲母から放出されて可溶化状態となる。
カリウム溶解菌１の分泌する酸は、酒石酸、クエン酸、シュウ酸、フマル酸等の有機酸であり酸性が弱く、無機酸と比較すると、雲母を溶解しにくい。そのため、雲母の結晶構造が保たれている部分は、カリウム溶解菌１が分泌する有機酸にほとんど溶解せず、結晶構造が乱れている結晶層端面のフレイドエッジサイトがカリウム分解菌の分泌する有機酸により溶解し、フレイドエッジサイトに吸着されているカリウム、セシウムが可溶化する。

処理槽１上方から洗浄水２４を加え、洗浄水２４に可溶化したセシウムを溶解させ、セシウムを含む放射性排水２５として処理槽下方のドレインパイプ１１から排出する（図３）。洗浄水２４は、カリウム溶解菌が流出しないように、少量ずつ加えることが好ましい。また、洗浄水２４として雨水を用いることもできる。雨水は、空気中の二酸化炭素が溶けこんで弱酸性を示すため、雲母の溶解を促進することができる。

洗浄水２４は、カリウム溶解菌増殖のために必要な栄養塩類、炭素源のいずれか、または両方を含ませることができる。カリウム溶解菌をカリウム不足の状態として有機酸の分泌を促進するために、洗浄水のカリウム濃度は、０．０１ｇ／Ｌ以下が好ましく、０．００５ｇ／Ｌ以下がより好ましく、カリウムを含まないことがさらに好ましい。また、カリウムを供給しないことにより、土壌中で活性が低下している微生物の活性を低く保つことができ、栄養塩類、炭素源をカリウム溶解菌が優先的に利用して、増殖することができる。

排出された放射性排水２５は、吸着法、沈殿法などの、公知の方法でセシウムを除去した後、通常処分が可能な一般下水として処理、または洗浄水として再利用する。
ここで、カリウム溶解菌により、雲母のフレイドエッジサイトは溶解するが、雲母の結晶構造を保っている部分は、ほとんど溶解しない。放射性排水２５中の、雲母由来のアルミニウム、マグネシウム、ケイ素等の無機成分の濃度は低いため、放射性排水２５からセシウム等の無機物を回収したセシウム濃縮物に含まれるセシウム濃度は高い。除染前の膨大な汚染土壌を、高濃度でセシウムを含むセシウム濃縮物に減容することができ、放射性汚染物質の保管に必要なスペースを大幅に減らすことができる。

本発明の他の実施態様を図４に示す。図４において、図１〜３と同一部材には同一符号を付す。
カリウム溶解菌１は、一般に好気性細菌であり、酸素存在下で活発に活動する。ドレインパイプ１１の先端部に接続した吸引ポンプ１３により、処理槽下方のドレインパイプから空気を吸引することにより、処理槽１０内を陰圧とし、放射性物質汚染土壌１２に空気を供給して、カリウム溶解菌１の生息に好適な環境とすることができる。また、ドレインパイプ１１内も陰圧となり、放射性排水２５の排出を促進することができる。

吸引ポンプ１３が放射性排水２５を直接吸い込むことを防ぐために、貯留槽１４ａ、１４ｂを設ける。貯留槽１４ａ、ｂは、放射性排水２５中に含まれる懸濁物質を沈殿させる役割も有する。なお、貯留槽は、１槽のみ設置してもよい。貯留槽１４ａ、ｂで放射性排水２５中のセシウムを除去すれば、吸引ポンプ１３に放射性物質が到達することを防止することができ、吸引ポンプ１３の排気や封水への放射性物質の混入を防ぐことができる。
図４に示す実施態様では、上流の貯留槽１４ａに吸着剤１５を配置している。貯留槽１４ａに配置された吸着剤１５にセシウムは吸着され、貯留槽１４ｂにはセシウムが除去された再生水２６が流入する。この再生水２６を、ポンプで移送して洗浄水２４として再利用すれば、放出される一般下水の量を減らすことができ、低コストとなる。また、放射性物質の除去後ではあるが、放出される一般下水の量を減らすことができ、下流域の住人や漁業関係者の理解を得ることも容易となる。なお、上流の貯留槽１４ａで行うセシウム除去方法は、吸着法に限定されず、沈殿法でもよい。

処理槽１０から最上流の貯留槽１４ａまでの間で採取した放射性排水２５中のセシウム濃度（Ｃ_１）を測定し、セシウム濃度が所定位置以下となれば、汚染土壌１２が除染されたと判断することができる。また、再生水２６中のセシウム濃度（Ｃ_２）を測定し、Ｃ_１＞Ｃ_２であれば放射性排水２５中のセシウムが除去され、Ｃ_１≒Ｃ_２であれば放射性排水２５中のセシウムが除去されていないことが分かる。また、Ｃ_１≒Ｃ_２であれば、吸着剤１５が飽和してセシウム吸着能を有しておらず、吸着剤１５の交換時期であると判断することができる。

セシウムの除染が完了した土壌は、保管する必要がなく、一般処分や再利用が可能である。セシウムの除染が完了した土壌は処理槽１０から取り出され、新たな汚染土壌１２が処理槽１０内に搬入され、本発明の除染方法によるセシウムの除染が開始される。

本発明の除染方法は、上記したものに限定されない。例えば、処理槽１０内部に温度調整装置を設置し、汚染土壌１２の温度をカリウム溶解菌１の活動に好適な温度に調整してもよく、処理槽１０内部に撹拌装置を設置して、撹拌により酸素を供給してもよい。

１ カリウム溶解菌

１０ 処理槽
１１ ドレインパイプ
１２ 放射性物質汚染土壌
１３ 吸引ポンプ
１４ａ、ｂ 貯留槽
１５ 吸着剤

２１ 初期洗浄水
２２ 一般排水
２３ 液体培地
２４ 洗浄水
２５ 放射性排水
２６ 再生水

Claims (5)

1. 処理槽中の放射性物質汚染土壌から水溶性カリウムを取り除く工程、
   処理槽中に、カリウムを除く栄養塩類を供給する工程、
   カリウム溶解菌により、前記放射性物質汚染土壌に含まれる雲母を溶解するとともに前記雲母に吸着しているセシウムを可溶化する工程、
   前記処理槽上方から洗浄水を加え、前記洗浄水に前記可溶化したセシウムを含む放射性排水を前記処理槽下方から排出する工程、
   を有することを特徴とする除染方法。
2. 前記洗浄水のカリウム濃度が、０．０１ｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１に記載の除染方法。
3. 前記放射性排水を、前記処理槽の下方に設置されたドレインパイプ内に吸引して排出することを特徴とする請求項１または２に記載の除染方法。
4. 前記放射性排水に含まれるセシウムを除去した再生水を、前記洗浄水として再利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の除染方法。
5. 前記処理槽内部に設置された温度調整装置により、前記放射性物質汚染土壌の温度を前記カリウム溶解菌の活動に好適な温度に調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の除染方法。