JP3814716B2 - 汚染土壌の浄化方法及び浄化装置 - Google Patents
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Description
【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 (5)
- 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。
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