JP3814716B2

JP3814716B2 - 汚染土壌の浄化方法及び浄化装置

Info

Publication number: JP3814716B2
Application number: JP2001253925A
Authority: JP
Inventors: 譲伊藤; 雅史嘉門
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2003062557A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塩類、重金属類、ＰＣＢ、ダイオキシン、油類等の汚染物質を含む土壌（汚染土壌）の浄化方法及び浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、工場等からの廃棄物により重金属やダイオキシン、有機塩素系溶剤等の化学物質による土壌と地下水の汚染が深刻化している。
【０００３】
汚染土壌に係わる恒久的対策は、一般に浄化と封じ込めとに分類される。このうち浄化は、掘削除去した汚染土から汚染物質を抽出する場合と、土壌を掘削除去せずに原位置で汚染物質を抽出する場合とに分けられる。
【０００４】
さらに、この種の浄化技術としては、従来、例えば、電気泳動、真空又は加圧による吸引、或いは給排水等を利用して洗浄する技術が一般的に知られている。斯かる浄化技術は、外部から圧力等の駆動力を作用させて土の粒子間にある汚染物質を強制的に移動させ、排出するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の浄化方法では、重金属イオン、ガスあるいはその他流体が通過しやすい部分のみを洗浄することになり、例えば粒径７５μｍ以下の微細な土粒子を多く含む土壌（即ち透水係数の小さい土壌）においては、土壌が密であるために上記流体等が通過し難いため、洗浄に長期間（数ヶ月〜数年）を要するにも拘わらず汚染物質が土壌に尚残存し、しばらくすると再び地下水に流れ出すなどの問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、土壌内の微細な間隙に閉じ込められている汚染物質をも放出させ、汚染土壌の洗浄効果を高める得る浄化方法及び浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
微細な粒子（７５μｍ以下）をある程度以上含む土壌（殆どの土壌）が凍結する際、適当な温度条件と水分条件が満たされると凍上が発生する。一旦、凍上が始まると、条件が満たされる限り凍結面に向かって非凍土壌から連続的な水分移動が継続する。この水分移動作用は、凍上の形成過程において所謂アイスレンズ（氷晶分離凍結）が形成される際に、未凍結土壌中の水分が凍結面に引き寄せられることによると考えられる。
【０００８】
本発明者等は、汚染された土壌に凍上を起こさせると、凍結面の進行に伴って未凍結土壌中の水分と共に汚染物質が凍結面への移動作用を受けるとともに、凍結による水の体積膨張により地盤構造が破壊され、一旦凍結した土壌を融解させれば、汚染物質が洗い流され易くなることを見出した。
【０００９】
而して本発明の上記目的は、汚染土壌に所定距離を隔てて一方から他方へ温度勾配を持たせて凍結させつつ、凍結中に前記一方の凍結土壌へ前記他方の未凍結土壌側より水分を補給し、しかる後、凍結土壌を融解させることにより得られた融解水を前記一方から排水し、その排水中に含まれる汚染物質を除去することを特徴とする汚染土壌の浄化方法によって達成される。
【００１０】
土壌を凍結させつつ未凍結土壌から凍結面に水分を補給するのは、土壌の凍上の際、凍結面近傍の非凍結土壌の水分が凍結面に吸引され含水率が低下することから、未凍結土壌中から凍結面に給水することで、凍上を継続して進行させるためである。
【００１１】
また、前記凍結土壌の融解時に、前記一方の温度を前記他方の温度より高温に維持するよう温度調節し、融解水をポンプアップして排水することが好ましい。
【００１２】
さらに、汚染物質を効率よく洗浄するため、凍結土壌を融解させ排水する際に、前記排水時に、前記他方の側から洗浄水を給水することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、汚染土壌から掘削除去した土を収容するためのタンクと、該タンクの一端側を凍結温度から融解温度に調節可能な第１温度調節装置と、前記タンクの一端側から融解液を排出するための排出手段と、前記タンクの他端側から該タンク内に給水するための給水手段と、を有することを特徴とする汚染土壌の浄化装置により達成される。
【００１４】
前記浄化装置において、前記タンクの他端側を凍結温度から融解温度に調節可能な第２温度調節装置を更に有し、前記第１温度調節装置及び前記第２温度調節装置は、凍結時には前記一端側の温度を前記他端側の温度より低温に維持し、融解時には前記一端側の温度が前記他端側の温度より高温に維持するよう調節するように構成されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態について以下に図面を参照して説明する。なお、同様の構成部分には、同符号を付した。
【００１６】
図１は、本発明に係る汚染土壌の浄化方法の第一実施形態を説明するための説明図である。第１実施形態では、汚染土壌を原位置にて浄化する方法を例示している。
【００１７】
図１に示すように、汚染土壌Ｇに所定間隔を隔てて一方に排水管２が他方に給水管１が挿入してある。また、排水管２の近傍には第１温度調節装置３を構成する管３ａが排水管２に沿って土壌に挿入してあり、給水管１の近傍には第２温度調節装置４を構成する管４ａが給水管１に沿って土壌に挿入してある。給水管１と排水管２との距離は、短ければ短いほど効果的だが、コスト、工期、土質、含水比、汚染領域の深さ、地温等との兼ね合いにより決定され、日本国内の土壌では１ｍ〜数ｍが現実的と考えられる。
【００１８】
第１温度調節装置３及び第２温度調節装置４は、ブライン式、低温液化ガス方式、電子冷凍方式等の公知の地盤凍結方式を採用して土壌中に挿入した管３ａ、４ａ内に低温にした不凍液を循環させることにより土壌を凍結させることができ、管３ａ、４ａ内に高温にした不凍液を循環させる等により凍結土壌を融解させることができる。ブライン式の場合は不凍液の温度を−３０℃までとし、それ以外の場合は、液体窒素等とすることができる。
【００１９】
汚染土壌Ｇを凍結させる場合、第１温度調節装置３の管内に冷凍液を循環させ、所定領域の土壌を一定の温度降下速度で冷却し凍結させる。一方、第２温度調節装置４は、第１温度調節装置３より高温に維持して、第１温度調節装置３と第２温度調節装置４との間に温度勾配を持たせる。その温度勾配は、施工性、経済性、安全性を考慮すれば、例えば、１０（℃／ｍ）〜１００（℃／ｍ）が好ましい。
【００２０】
第１温度調節装置３により土壌の一方だけを冷却して他方（第２温度調節装置４）を放置すると、冷却された側の低温に引きずられ、凍結が急速に進む。そのため、給水するまもなく、単純に凍結してしまい、その結果、凍上が発生しにくく、水分移動が少なく、アイスレンズも多く発生しないため、洗浄効果が落ちるからである。
【００２１】
なお、第１温度調節装置３及び第２温度調節装置４による不凍液は、一定の温度降下速度で徐々に温度を下げていくことが好ましい。これは、温度が急激に下がると、即ち冷却速度が速ければ、土壌がすぐに凍ってしまい、未凍結土壌から凍結面への水分移動が起こらないからである。
【００２２】
また、温度降下時即ち凍結進行時には、給水管１から水分の補給を行う。土壌が凍結する際、凍結面に負圧が発生し、凍上作用により、未凍結土壌Ｇ１から凍結土壌Ｇ２への水分移動が生じるが、こうして脱水される凍結面近傍の未凍結土壌には給水管１より洗浄水を供給し続けることで、凍上の継続、即ち、洗浄の継続を促進することができる。従って、凍結進行時における未凍結土壌Ｇ１から凍結面Ｇ２ａへの水分の補給は、未凍結土壌から凍結土壌側に移動した水分を補うことを目的としており、ポンプ等の動力によって加圧注入する必要はなく、給水管１に水を流し込むだけで足りる。
【００２３】
凍結時には、低温側（排水管２の側）の温度降下により、凍結面が汚染土壌中を低温側から高温側（給水管１の側）まで移動する間、汚染物質Ｐｏは高温側から低温側へ吸い寄せられる。土壌の凍結が有る程度進行した後、例えば給水管１の近傍にまで達した後、第１温度調節装置３及び第２温度調節装置４に温水を流して凍土を融解させる。このとき、第１温度調節装置３の温水温度は、第２温度調節装置４の温水温度より高く保つ、即ち、排水側を給水側より高温に保つことが好ましい。
【００２４】
凍土が融解するにつれて排水管２内に融解水が溜まるが、これを図示しないポンプ等を介して汲み出し、これを処理することにより、汲み出した水から汚染物質を除去する。
【００２５】
凍結土壌を融解させ排出する際にも、未凍結土壌中から凍結土壌中に洗浄水を給水することが好ましい。洗浄水の給水は、給水管１から図外のポンプ等を用いて強制的に給水することができる。
【００２６】
洗浄効果を上げるためには、上記したような操作、即ち、土壌の凍結・融解を複数回（例えば４〜５回）繰り返すのが良い。
【００２７】
なお、未凍結土壌からの給水には汚染物質の中和剤を混合することも出来る。中和剤は、低濃度であっても凍結面で水分のみが凍結して残りは濃縮されるため中和剤の効果は増大すると考えられる。また、排水するには、上記のような排水管に代えて、例えば土壌中に打設したボードレーン（不図示）から排水することもできる。
【００２８】
次に、汚染土壌を掘削除去し、これを浄化する装置に関する本発明第２実施形態について、以下に図２を参照して説明する。
【００２９】
浄化装置１０は、汚染土壌から掘削除去した土を収容するためのタンク１１と、タンク１１の一端（下端）側を凍結温度から融解温度に調節可能な第１温度調節装置３と、タンク１１の他端（上端）側を凍結温度から融解温度に調節可能な第２温度調節装置４と、を備えている。
【００３０】
タンク１１の上端と下端には、中空流路を有する上部プレート４ｂと下部プレート３ｂとが取り付けられている。下部プレート３ｂには、第１温度調節装置本体３ｃが第１循環パイプ３ｄを介して接続され、上部プレート４ｂには、第２温度調節装置本体４ｃが第２循環パイプ４ｄを介して接続されている。
【００３１】
また、排水槽１２に接続された排水管１２ａが下部プレート３ｂを貫通してタンク１１の下部に開口し、給水槽１３に接続された給水管１３ａが上部プレート４ｂを貫通してタンク１１の上部に開口している。
【００３２】
タンク１１内に収容した土を凍結するには、第１循環パイプ３ｄを介して第１温度調節装置本体３ｃと下部プレート３ｂとの間に低温流体を循環させるとともに、第２循環パイプ４ｄを介して第２温度調節装置本体４ｃと上部プレート４ｂとの間に低温流体を循環させる。また、凍結時には、給水槽１３からタンク１１の上部に水分を補給し、凍上を促進させる。
【００３３】
上部プレート４ｂに循環させる低温流体は、下部プレート３ｂに循環させる低温流体より高温に温度調整しなければならない。これは、上記第１実施形態で説明したのと同様、下部プレート３ｂだけを冷却して上部プレート４ｂを温度制御しないと、凍結が急速に進みすぎて、給水する間もなく単純に凍結し、凍上が発生しにくく、水分移動が少なく、アイスレンズも多く発生しないため、洗浄効果が落ちるからである。
【００３４】
また、第１循環パイプ３ｄ及び第２循環パイプ４ｄを流れる低温流体は、一定の温度降下速度で徐々に温度を下げていくことが好ましい。これは、上記第１実施形態の場合と同様、温度が急激に下がると、即ち冷却速度が速ければ、タンク１１内の土がすぐに凍ってしまい、未凍結土壌から凍結面への水分移動が起こらないからである。
【００３５】
タンク１１内の凍結した土を融解させるには、第１温度調節装置３及び第２温度調節装置４から第１循環パイプ３ｄ及び第２循環パイプ４ｄを介して下部プレート３ｂ及び上部プレート４ｂに循環する流体の温度を上げる。このとき、下部プレート３ｂを循環する流体を上部プレート４ｂを循環する流体よりも高温に保つことが好ましい。これは、排水は下部プレート３ｂの側から行うため、下部プレート３ｂの側から融解した方が排水しやすいからである。
【００３６】
また、融解時には給水槽１３より連続的に給水を行うことが好ましい。この給水により洗浄水が隈無く土中を通過して、汚染物質を含んだ水を排水することができるからである。
【００３７】
【実施例】
実験室内の試験装置を用いて行った従来方法との比較試験について以下に説明する。試験装置は、図３に示すように、供試体を収容するセル１１’の上下に上部プレート４ｂ’及び下部プレート３ｂ’を配し、それらを断熱材１５で覆い、下部プレート３ｂに第１温度調節装置本体３ｃ’を配管接続し、上部プレート４ｂ’に第２温度調節装置本体４ｃ’を配管接続している。セル１１’内の供試体の高さは、約８ｃｍである。
【００３８】
第１温度調節装置本体３ｃ’、第２温度調節装置本体４ｃ’から、それぞれ所定温度の不凍液が下部プレート３ｂ’及び上部プレート４ｂ’に流れるようになっている。上部プレート４ｂ’には、錘１６を垂下させたＨ型直接荷重枠１７により荷重を掛けることができるようになっている。
【００３９】
給排水量は、セル１１’に接続されている給水管１３ａ’及び排水管１２ａ’よりフラスコ１８、１９に集められ、電子天秤２０、２１で測定している。
【００４０】
セル１１’に収容する試料土は、下記の表に示す４２５μｍフルイ通過の藤の森粘土を使用した。
【００４１】
【表】

【００４２】
試料土には、２重量％のＮａＣｌ水溶液（蒸留水１００ｇに対しＮａＣｌを２ｇ）を混合した。試料土の液性限界の約１．５倍のＮａＣｌ水溶液を加え、１２時間放置した後、ミキサーで４時間攪拌した。その後脱気を行い１００ｋＰａまで予圧密した後、直径１００ｍｍ×高さ８０ｍｍに形成した。
【００４３】
試験後の試料土内と排水中のＮａＣｌ量は、藤の森粘土と蒸留水を用いた電気伝導度の校正試験をもとに求めた。
【００４４】
本発明実施例の温度条件は、図４に示すグラフの通りである。図４のグラフにおいて、温度は、上部プレート４ｂ及び下部プレート３ｂの供試体に接する側の温度を測定したものである。実線が上部プレート４ｂの温度を示し、破線が下部プレート３ｂの温度を示す。
【００４５】
比較例としては、実施例と同じ試料土を用い、従来法の加圧試験を図３の試験装置を用いて行った。比較試験は、セル１１’の上部から給水し、下部から排水して、JIS A-1218の変水位透水試験（一定の断面と長さをもつ供試体の中を、ある水位差を初期状態として浸透する時の水位の降下量と、その経過時間を測定する試験）に準じて行い、動水勾配を５とし、６日間の試験をした。
【００４６】
なお、実施例及び比較例において、上載圧力を２０ｋＰａで行ったが、この荷重は融解時に排水を促進して試験時間を短縮するものである。試験では、凍結時にも荷重をかけているが、実際の処理では、凍結時には荷重をかけない方が大量の水が凍土内に入り、洗浄効果を増大させるため好ましい。
【００４７】
上記実施例及び比較例による試験後の試料土（供試体）中のＮａＣｌ残留率変化を図５のグラフに示す。図５のグラフにおいて、折れ線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図４の温度条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に対応し、折れ線（ｄ）は比較例のＮａＣｌ残留率変化を示している。
【００４８】
図５のグラフから、凍結融解の繰り返しにより、供試体中のＮａＣｌが上部より下部へ除去されていることが分かる。また、図４（ｃ）の温度条件では、供試体の上部より３ｃｍ付近まで完全に洗浄され、全体的には約８０％洗浄できた結果となった。なお、加圧試験（比較例）では、図４（ｂ）の温度条件、即ち３サイクル後の凍結融解試験の結果にも及ばない結果となっている。
【００４９】
また、図５のグラフから分かるように、凍結・融解の操作を行った場合の方が従来方法に比べてＮａＣｌの残留率が低くなっており、また、凍結・融解の回数を増やすほどＮａＣｌの残留率が低くなっていることが分かる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る汚染土壌の浄化方法及び浄化装置によれば、汚染土壌を凍結・融解させることにより、凍結作用を通じて汚染物質が凍結面に吸引されるとともに、地盤構造を破壊することによって、浄化効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る汚染土壌の浄化方法の一実施形態を説明する説明図である。
【図２】本発明に係る汚染土壌の浄化装置の一実施形態を示すシステム図である。
【図３】本発明の試験装置を一部断面で示す側面図である。
【図４】図３の試験装置を用いた本発明実施例の温度条件を示すグラフである。
【図５】試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１給水管
２排水管
３第１温度調節装置
４第２温度調節装置
１１セル
１２排水槽
１３給水槽

Claims

汚染土壌に所定距離を隔てて一方から他方へ温度勾配を持たせて凍結させつつ、凍結中に前記一方の凍結土壌へ前記他方の未凍結土壌側より水分を補給し、しかる後、凍結土壌を融解させることにより得られた融解水を前記一方から排水し、その排水中に含まれる汚染物質を除去することを特徴とする汚染土壌の浄化方法。
前記凍結土壌の融解時に、前記一方の温度を前記他方の温度より高温に維持するよう温度調節することを特徴とする請求項１記載の汚染土壌の浄化方法。
前記排水時に、前記他方側から洗浄水を給水することを特徴とする請求項１又は２に記載の汚染土壌の浄化方法。
汚染土壌から掘削除去した土を収容するためのタンクと、該タンクの一端側を凍結温度から融解温度に調節可能な第１温度調節装置と、前記タンクの一端側から融解液を排出するための排出手段と、前記タンクの他端側から該タンク内に給水するための給水手段と、を有することを特徴とする汚染土壌の浄化装置。
前記タンクの他端側を凍結温度から融解温度に調節可能な第２温度調節装置を更に有し、前記第１温度調節装置及び前記第２温度調節装置は、凍結時には前記一端側の温度を前記他端側の温度より低温に維持し、融解時には前記一端側の温度が前記他端側の温度より高温に維持するよう調節するように構成されていることを特徴とする請求項４記載の浄化装置。