JP3785417B1 - 酸性硫酸塩土壌の土壌改良材及び土壌改良方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸性硫酸塩土壌の土壌改良において、その酸化の進行に伴って土壌の酸性を改善するとともに、植物の発芽や生育を阻害しないようにする。
【解決手段】焼却灰を水酸化ナトリウム水溶液と水熱反応させることにより人工ゼオライトを生成する。この人工ゼオライトを、所定の陽イオンとイオン交換して、ナトリウムイオンの含有量が６重量％以下、好ましくは２重量％として土壌改良材とする。この土壌改良材に水を加えてスラリー状にし、このスラリーを酸性硫酸塩土壌の表面に散布して、酸性硫酸塩土壌を改良する。また、この土壌改良材を生育基盤材に混合し、この生育基盤材を酸性硫酸塩土壌の表面に散布して、酸性硫酸塩土壌を改良する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸性硫酸塩土壌の土壌改良材及び土壌改良方法に関する。

従来、道路、造成工事等において地山を切削もしくはその地山を用いて盛土を行った際に、還元状態であったその地山内に硫黄を含む黄鉄鉱もしくは白鉄鉱を含む土壌が、空気に触れると酸化状態となり、硫酸を含む強酸性を呈する土壌となることが分かっている。このような土壌は、酸性硫酸塩土壌と呼ばれている。この酸性硫酸塩土壌は、酸化する前は弱アルカリ性または中性で、問題とされない場合が多い。しかし、急激に酸化が進み植生が生育できない土壌となって、植物が衰退することで問題が露見する。特に、のり面保護の目的で植生が行われている場合には、その本来の目的を果たすことができなくなる。

ところで、酸性土壌には、酸性状態を改善するために石灰系資材を用いて土壌改良が行われてきた。また、石炭灰にアルカリ水溶液を添加して熱水処理にて改質し、脱液、水洗、脱水の精製処理を施した改質石炭灰を含有してなる土壌改良剤に水を加えてスラリー化し、このスラリーを酸性土壌表面に散布して、改質石炭灰が有する陽イオン交換機能を利用して、土壌表層部の酸性改善に活用することがなされている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２６２６１号公報

しかし、石灰系資材を用いる方法は、アルカリ性または中性から酸化が進んで酸性に変化する酸性硫酸塩土壌に対しては、逆にアルカリ性土壌となるか、酸化の進行に対応できず酸性土壌となってしまうケースが多い。また、改質石炭灰を用いる方法は、アルカリ処理を行うのに水酸化ナトリウムを使用するため、そのナトリウムがイオンとして改質石炭灰のイオン交換サイトの負電荷に担持される。従来の改質石炭灰では、単にナトリウムイオンとカルシウムイオンとをイオン交換しても、依然としてナトリウム量が多く、土壌中の硫酸もしくは硫酸第二鉄に由来する水素イオンは、カルシウムイオンよりもイオンポテンシャルの関係からナトリウムイオンと先にイオン交換してナトリウムイオンを放出してしまう。これにより、生育基盤のアルカリ化、植物の発芽率の低下、生育不良などの問題が併発した。

本発明の課題は、酸性硫酸塩土壌の土壌改良において、その酸化の進行に伴って土壌の酸性を改善するとともに、植物の発芽や生育を阻害しないようにすることである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、酸性硫酸塩土壌を改良するための土壌改良材であって、前記土壌改良材は、焼却灰を水酸化ナトリウム水溶液と水熱反応させることにより生成される人工ゼオライトからなり、この人工ゼオライトが有するナトリウムイオンが、カルシウムイオン単体、又は鉄イオン、水素イオン、マグネシウムイオン、カリウムイオンのうち少なくとも一つとカルシウムイオンの陽イオンとイオン交換され、前記ナトリウムイオンと前記カルシウムイオンとのイオン交換は、前記人工ゼオライトにカルシウム含有水溶液を向流式に接触させて行われて、前記ナトリウムイオンの含有量が６重量％以下であることを特徴とする。

ここで、焼却灰としては、石炭をエネルギー源とする発電設備などにおいて発生する石炭灰（フライアッシュ）や製紙スラッジ焼却灰などが挙げられる。焼却灰の主成分として、ＳｉＯ_２の含有量が３５〜６８重量％、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１５〜３５重量％であるものが好ましい。

また、生成される人工ゼオライトの種類としては、ＧＩＳ群のＰ１型もしくはＭＡＰ（Ｍａｘｉｍｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｚｅｏｌｉｔｅ ＮａＰ）のものが好ましい。前記陽イオンとイオン交換した人工ゼオライトにおけるナトリウムイオンの含有量は、好ましくは２重量％以下である。

このように、焼却灰をゼオライト化した人工ゼオライトにより、酸性硫酸塩土壌の酸化で生成する硫酸および硫酸第二鉄の水素イオンを、従来の石灰系資材による酸にアルカリを加えるという直接的な反応によってではなく、人工ゼオライトのイオン交換機能によって、人工ゼオライトのイオン交換サイトで担持し、土壌の酸性化を改善することができる。さらに、このイオン交換で放出されたカルシウムイオンなどを硫酸イオンと結合し固定することができる。そして、人工ゼオライトは、そのナトリウムイオンの含有量が全重量の６％以下、好ましくは２％以下に低減されていることにより、植物の発芽や生育を良好にすることができる。

なお、酸性硫酸塩土壌としては、過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）により土壌を強制酸化させたｐＨ測定法であるｐＨ（Ｈ_２Ｏ_２）が４．５以下であるものに好適である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸性硫酸塩土壌の土壌改良材において、前記陽イオンとイオン交換された後の前記人工ゼオライトが有するカルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びマグネシウムイオンの交換性陽イオンの総量の、陽イオン交換容量に対する比が０．７以上であることを特徴とする。

このように、人工ゼオライトの交換性陽イオンであるカルシウム、ナトリウム、カリウムおよびマグネシウムの総量の陽イオン交換容量に対する比を、０．７以上とすることにより、酸性硫酸塩土壌を効果的に中和することができる。

請求項３に記載の発明の酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法は、例えば図１に示すように、請求項１または２に記載の土壌改良材に水を加えてスラリー状にし、このスラリー４を酸性硫酸塩土壌の表面（のり面２）に散布して、酸性硫酸塩土壌を改良することを特徴とする。

請求項４に記載の発明の酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法は、例えば図２に示すように、請求項１または２に記載の土壌改良材を生育基盤材に混合し、この生育基盤材６を酸性硫酸塩土壌の表面（のり面２）に散布して、酸性硫酸塩土壌を改良することを特徴とする。

このように、前記土壌改良材のスラリー、又は生育基盤材が、酸性硫酸塩土壌の表面に散布されることにより、酸性硫酸塩土壌内に浸透し、酸性硫酸塩土壌における生育基盤の酸性を中和することができるとともに、生育基盤において植物の発芽や生育を良好にすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法において、前記スラリーまたは生育基盤材に繊維質安定剤、増粘剤、化学肥料を加えることを特徴とする。

このように、繊維質安定剤、増粘剤、化学肥料を加えることにより、酸性硫酸塩土壌における生育基盤をより植物の発芽や生育に適したものとすることができる。

本発明によれば、焼却灰をゼオライト化しそのナトリウムイオンの含有量が全重量の６％以下、好ましくは２％以下に低減されている人工ゼオライトにより、酸性硫酸塩土壌のの酸化の進行に伴って土壌の酸性を改善するとともに、植物の発芽や生育を阻害しないようにすることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
まず、本実施形態における酸性硫酸塩土壌の土壌改良材について説明する。この土壌改良材は、焼却灰を水酸化ナトリウム水溶液と水熱反応させることにより生成される人工ゼオライトを用いている。原料とする焼却灰は、石炭をエネルギー源とする発電設備などにおいて発生する石炭灰（フライアッシュ）である。その主成分として、ＳｉＯ_２の含有量を３５〜６８重量％、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１５〜３５重量％含むものを採取している。

生成される人工ゼオライトの種類としては、ＧＩＳ群のＰ１型もしくはＭＡＰ（Ｍａｘｉｍｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｚｅｏｌｉｔｅ ＮａＰ）のものを用いている（Ｘ線回折による）。そして、この人工ゼオライトが有するナトリウムイオンを、所定の陽イオンとイオン交換し、ナトリウムイオンの含有量が６重量％以下、好ましくは２重量％以下としたものである。

所定の陽イオンとしては、例えば、カルシウムイオン単体、又は鉄イオン、水素イオン、マグネシウムイオン、カリウムイオンのうち少なくとも一つとカルシウムイオン、などが挙げられる。また、人工ゼオライトにおける上述した陽イオンとイオン交換された後の人工ゼオライトが有するカルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びマグネシウムイオンの交換性陽イオンの総量の、陽イオン交換容量に対する比が０．７以上となるようにする。

このような人工ゼオライトは、具体的には、例えば次のような方法で製造される（特願２００４−２５６１２８号）。まず、石炭灰と水酸化ナトリウム水溶液を混合し、スラリーとする。それから、このスラリーを９０℃の温度条件下で予備反応を行わせる。なお、この予備反応工程では、石炭灰の表面が水酸化アルカリにより溶解し、その後のゼオライト化反応が効率よく行われることになる。

予備反応を行わせたスラリーを、０．８ｋｇ／ｃｍ^２Ｇの加圧下で約１２０℃に加熱してスラリー中の石炭灰と水酸化ナトリウムを反応せしめ、石炭灰をゼオライト化する。この反応では、予備反応後のスラリーが、上流側の加圧反応槽に供給され、次に、下流側の加圧反応槽に供給されることにより、スラリーのショートパスが抑制され、各加圧反応槽においてゼオライト化反応が確実に進行することになる。それから、反応が終了したスラリーを冷却する。次いで、冷却されたスラリーを濾過する。そして、分離されたゼオライト（ケーキ）の洗浄を行う。このとき、ゼオライト乾量に対して４〜１５倍量の水を用いて、向流式にゼオライト（ケーキ）の洗浄を行う。

次に、ゼオライト（洗浄後のゼオライトケーキ）に、鉄分含有水溶液（最終洗浄の洗浄液（カルシウム分を含む）を用いて塩化第２鉄（ＦｅＣｌ_３）を溶解した鉄分含有水溶液）を供給して、ゼオライトに鉄分を含有させる。次に、ゼオライトにカルシウム分含有水溶液を供給してゼオライトにカルシウム分を含有させる。このとき、向流式にカルシウム分含有水溶液を接触させてゼオライトにカルシウム分を含有させる。その後、鉄分およびカルシウム分を含有させたゼオライトを最終洗浄として水洗する。それから、水洗されたゼオライトを、乾燥させる。以上により、人工ゼオライトが製造される。

次に、人工ゼオライトからなる土壌改良材による酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法について説明する。本実施形態は、植生を行ってのり面を保護することを目的として、ｐＨ（Ｈ_２Ｏ_２）が４．５以下である酸性硫酸塩土壌であるのり面へ適用したものである。ここで、ｐＨ（Ｈ_２Ｏ_２）とは、過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）により土壌を強制酸化させてｐＨを測定したものである。

まず、図１、２に示すように、金網３をのり面２に沿って張り、ピン（図示せず）などを地山１に打ち付けて固定しておく。そして、図１に示すように、前述した土壌改良材に水を加えてスラリー状にする。このスラリー４に、必要に応じて適宜、繊維質安定剤、増粘剤、化学肥料を加えてもよい。次に、スラリー４をのり面２に所定の厚さとなるように吹き付けて散布する。その後、吹き付けられたスラリー４の上に厚層基材５を所定の厚さとなるように吹き付けて散布する。これにより、酸性硫酸塩土壌ののり面２に生育基盤を形成する。また、図２に示すように、生育基盤材６となる厚層基材に前述した土壌改良材を混合し、この厚層基材をのり面２に所定の厚さとなるように吹き付けて散布してもよい。

本実施形態によれば、土壌改良材が地山に浸透し、酸性硫酸塩土壌の酸化で生成する硫酸および硫酸第二鉄の水素イオンを、石炭灰をゼオライト化した人工ゼオライトのイオン交換機能によってそのイオン交換サイトで担持し、土壌の酸性を中和することができる。さらに、このイオン交換で放出されたカルシウムイオンなどを硫酸イオンと結合し固定することができる。そして、人工ゼオライトは、そのナトリウムイオンの含有量が全重量の６％以下、好ましくは２％以下に低減されているので、植物の発芽や生育を阻害することがない。

ここで、本発明者は、実験研究を行って上記したような土壌改良材の効果を確認している。以下において、従来例は、特許文献１に記載された製造方法による、カルシウムイオンとイオン交換してなる人工ゼオライトを用いた土壌改良材である。実施例１、２は、前述した製造方法による人工ゼオライトを用いた本願の土壌改良材である。実施例１、２におけるイオン交換は、それぞれカルシウムイオン単体、鉄イオンとカルシウムイオン、で行われている。

イオン交換の結果、人工ゼオライトのナトリウムイオン含有量は、従来例では、およそ６重量％であり、実施例１、２では、それぞれ２．３重量％、１．５重量％である。また、人工ゼオライトの交換性陽イオン量を測定すると、従来例では、カルシウムでイオン交換されているにもかかわらず、陽イオン交換容量（ＣＥＣ）が１７３ｃｍｏｌ（＋）／ｋｇに対して、交換性カルシウムが１２５ｃｍｏｌ（＋）／ｋｇ、交換性ナトリウムが１６８ｃｍｏｌ（＋）／ｋｇ、交換性カリウムが２０ｃｍｏｌ（＋）／ｋｇであった。つまり従来例の人工ゼオライトのナトリウム飽和度は、０．９７と非常に高いものであった。一方、実施例２の人工ゼオライトのナトリウム飽和度は、０．２７と非常に少ないものであった。

次に、人工ゼオライトのナトリウムイオン含有量が植物の生育に与える影響を調べるために、上述した従来例および実施例１，２の人工ゼオライトを厚層基材に混合しのり面に吹き付けて、それぞれの厚層基材の経時変化を測定する試験を行った。ここで、酸性硫酸塩土壌は、初期には中性もしくは弱アルカリ性を示すものである。そのため、試験を行う地山は、その土壌が中性に近く、かつその地山土壌内のｐＨや陽イオンの影響を受けにくい場所として、花崗岩主体の強風化岩の地質で、ｐＨ（Ｈ_２Ｏ）６．２、ｐＨ（Ｈ_２Ｏ_２）５．５、ＥＣ１０μＳ／ｃｍを示すものを選定した。

植物の生育差が分かりやすいように、厚層基材に人工ゼオライトを１ｍ^３当たり１０ｋｇ（１ｍ^２当たり０．３ｋｇ）混合し吹き付けて、土壌の水素イオン濃度（ｐＨ）と電気伝導度（ＥＣ）の経時変化を測定した。測定結果を下表に示す。なお、無処理とは、土壌改良材を用いずに、地山をそのままの状態に放置したものである。従来例のように、人工ゼオライトのナトリウム飽和度が高いほど、土壌がアルカリ性となった。

また、土壌中の交換性陽イオンの量を測定した。測定結果を下表に示す。

上表から交換性ナトリウム率（交換性ナトリウムを交換性カルシウム、交換性マグネシウム、交換性ナトリウム、交換性カリウムの総量で割ったもの）を算出すると、下表のようになる。無処理において、１４４日目に３１％を示しているが、サンプリング方法もしくは、現地の生育動物などによる影響だと考えられる。従来例の交換性ナトリウム率は、高い値を示している。

ここで、種子の発芽および成長を見るために、コドラート法による被植率を確認した。従来例では、施工後４９日目で３０％、施工後１４４日目で５０％の被植率を示し、初期の生育不良および生育阻害が見られる。これに対し、実施例１では、施工後４９日目で６０％、施工後１４４日目で９０％の被植率を示し、実施例２では、施工後４９日目で７０％、施工後１４４日目で１００％の被植率を示し、初期の生育不良および生育阻害が見受けられない。

次に、実際の施工例として、ｐＨ（Ｈ_２Ｏ）３．７７、ｐＨ（Ｈ_２Ｏ_２）２．５９を示す酸性硫酸塩土壌に対して、本願に係る人工ゼオライト、ファイバー、増粘剤、高度化成肥料を混合したスラリーを吹き付けた後に、生育基盤を吹き付けた。この施工例では、被植率１００％であるのは勿論、スラリー層のｐＨ（Ｈ_２Ｏ）は７．０１、生育基盤も７．０７となり、酸性硫酸塩土壌でも良好な生育を確認できた。

なお、図３は、酸性硫酸塩土壌に対し飽和度を変えた人工ゼオライトを添加し求めた緩衝曲線である。このことから、交換性陽イオンの飽和度が０．７未満では、既に水素イオンを多く担持しており、酸緩衝能力を発揮できないことが確認できた。

なお、以上の実施の形態においては、石炭灰を原料として用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、製紙スラッジ焼却灰などを用いてもよい。また、土壌改良材の散布方法等も任意であり、適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した一実施の形態の酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法を説明するための断面図である。 他の実施例を説明するための断面図である。 人工ゼオライトのナトリウム飽和度と酸緩衝能力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 地山
２ のり面
３ 金網
４ 土壌改良材のスラリー
５ 厚層基材
６ 土壌改良材を混合した生育基盤材

Claims (5)

1. 酸性硫酸塩土壌を改良するための土壌改良材であって、
   前記土壌改良材は、焼却灰を水酸化ナトリウム水溶液と水熱反応させることにより生成される人工ゼオライトからなり、
   この人工ゼオライトの有するナトリウムイオンが、カルシウムイオン単体、又は鉄イオン、水素イオン、マグネシウムイオン、カリウムイオンのうち少なくとも一つとカルシウムイオンの陽イオンとイオン交換され、
   前記ナトリウムイオンと前記カルシウムイオンとのイオン交換は、前記人工ゼオライトにカルシウム含有水溶液を向流式に接触させて行われて、
   前記ナトリウムイオンの含有量が６重量％以下であることを特徴とする酸性硫酸塩土壌の土壌改良材。
2. 前記陽イオンとイオン交換された後の前記人工ゼオライトが有するカルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びマグネシウムイオンの交換性陽イオンの総量の、陽イオン交換容量に対する比が０．７以上であることを特徴とする請求項１に記載の酸性硫酸塩土壌の土壌改良材。
3. 請求項１または２に記載の土壌改良材に水を加えてスラリー状にし、このスラリーを酸性硫酸塩土壌の表面に散布して、酸性硫酸塩土壌を改良することを特徴とする酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法。
4. 請求項１または２に記載の土壌改良材を生育基盤材に混合し、この生育基盤材を酸性硫酸塩土壌の表面に散布して、酸性硫酸塩土壌を改良することを特徴とする酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法。
5. 前記スラリーまたは生育基盤材に繊維質安定剤、増粘剤、化学肥料を加えることを特徴とする請求項３または４に記載の酸性硫酸塩土壌の土壌改良方法。

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