JP4739702B2

JP4739702B2 - 汚染地盤の浄化方法

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Publication number: JP4739702B2
Application number: JP2004206998A
Authority: JP
Inventors: 武志仲沢
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: JP2006026492A

Description

本発明は、汚染された地盤を浄化するための技術であって、特に、上層地盤が透水性の高い砂質土等からなり、下層地盤が透水性の低い粘性土等からなり、この下層地盤に存在する有機塩素化合物等、揮発性を有する汚染物質による汚染領域を浄化する方法に関する。

近年、溶剤等に使用されたトリクロロエチレン等による地盤の汚染が問題となっている。従来、このような物質により汚染された地盤の浄化方法としては、下記の特許文献１あるいは特許文献２に開示されたようなものがある。
特開平６−３２２７９６号公報特開平１０−３０９５６２号公報

図６は、上述の特許文献１に相当する従来の地下水汲み上げによる汚染浄化方法を示す説明図で、図６における地盤１００は、透水性の高い砂質土等からなる上層地盤１０１と、透水性の低い粘性土等からなる下層地盤１０２を有し、上層地盤１０１に、有機溶剤等による汚染領域１０３が存在しているものとする。ＧＷＬは地下水位である。そして、この浄化方法においては、汚染領域１０３の周囲を取り囲むように地盤１００に複数の揚水井戸１０４を削孔し、各揚水井戸１０４に設置した水中ポンプＰによって地下水ＧＷを汲み上げ、この汲み上げた地下水ＧＷを不図示の水処理プラントで問題ないように処理した後、放流あるいは必要に応じて削孔した注水井戸から原位置の地中に注入するものである。

このような地下水汲み上げによる汚染浄化方法は、汚染領域１０３が高濃度で汚染されている施工初期には浄化効率が高い。しかしながら、工事の進行により、汚染領域１０１中の汚染物質の濃度が低下して行くのに伴って、浄化効率も低下して行くので、ある程度汚染濃度が低くなった段階以後は、有効な手段とは言えない。また、地下水汲み上げによる汚染浄化方法は、透水性の高い砂質土等からなる地盤の汚染浄化には有効であるが、例えば下層地盤１０２のように、透水性の低い粘性土等からなる地盤では、この地盤からの地下水の汲み上げ量が著しく少ないため、効率良く浄化を進めることができない。

一方、特許文献２のような電気浸透工法は、地盤に直流電流を流すことによって、電気浸透現象により強制的に地下水流を起こして地中の汚染物質を地下水と共に揚水井戸に排出させるものであるため、透水性の低い地盤における汚染修復には有効であると考えられる。しかし、図６のように、透水性の高い砂質土等からなる上層地盤１０１と、透水性の低い粘性土等からなる下層地盤１０２を有する場合、殆どは地下水ＧＷで飽和した上層地盤１０１を流れて電力のロスとなってしまうため、この方法でも粘性土等の透水性を飛躍的に向上させて浄化効率を高めることは困難である。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、電流を流す手法を用いて透水性の低い汚染地盤を浄化する方法において、透水性の高い地盤に電流が流れることによる電力ロスを極力抑え、浄化効率を高めることのできる浄化方法を提供することにある。

上記従来の技術的課題を有効に解決するため、請求項１の発明に係る汚染地盤の浄化方法は、相対的に透水性の高い透水層及び相対的に透水性の低い不透水層からなる地盤において、透水層内の地下水を汲み上げることによってこの透水層を地下水の不飽和状態とし、その土粒子間隙に絶縁体である気体相を形成することによって電気を流れにくくした後、地下水で飽和している前記不透水層の内部へ達するように前記地盤に挿入した電極間に電圧を印加することにより、前記不透水層へ効率良く電流を流して前記不透水層における汚染領域を発熱させ、この汚染領域から気化して前記透水層内へ導入された汚染物質を真空吸引により回収するものである。

なお、ここでいう不透水層とは、上述のように、相対的に透水性の低い地盤のことであり、例えばシルト等の粘性土層をいう。また、透水層とは、不透水層よりも相対的に透水性の高い地盤であって、例えば砂質層や礫質層からなるものである。

上記方法において、電圧を印加する目的は、地盤に電流が流れるときのジュール熱の発生によって、不透水層の地盤における汚染領域中の汚染物質を気化させることにある。すなわち、この点で、電気浸透現象により強制的に地盤中に水流を起こして、汚染物質を水と共に排出させる従来の電圧印加による方法と相違するものである。

また、上記方法において、透水層内の地下水を汲み上げる目的は、透水層を地下水の不飽和状態として、その土粒子間隙に気体相を形成することにある。すなわち、透水層の土粒子間隙に気体相を形成することで、透水層内での電流を流れにくくして電力ロスを極力抑え、不透水層へ効率良く電流を流すと共に、帯水による圧力が減少することにより汚染物質の揮発性を高め、ジュール熱による汚染物質の気化を促すことができると共に、気化した汚染物質のガスを透水層の土粒子間隙に導入することができる。

請求項２の発明に係る汚染地盤の浄化方法は、請求項１の記載において、汚染物質が、有機塩素系化合物や有機溶剤等の揮発性物質である。

すなわち、請求項１に記載の方法は、電圧の印加により不透水層を発熱させて不透水層中の汚染物質を気化させるものであるため、揮発性の強い汚染物質ほど有効である。このような揮発性物質としては、典型的にはトリクロロエチレン等の有機塩素系化合物であり、その他の有機溶剤や、揮発油類などが挙げられる。

請求項３の発明に係る汚染地盤の浄化方法は、請求項１に記載の構成において、印加する電圧が交流電圧であることを特徴とするものである。

電圧の印加は、電流により不透水層を発熱させてその温度を上昇させるためであるので、基本的に直流であっても交流であっても良いが、直流は、長期間通電した場合に、電極付近で水の電気分解が活性化し過ぎ、電極で酸素や水素、あるいは塩素等の気体が極度に発生してその気泡が付着し、電流効率が低下するおそれがあるので、交流が望ましい。

請求項４の発明に係る汚染地盤の浄化方法は、請求項１に記載の構成において、透水層の表層を、通気を遮断する材質で覆うものである。

表層の通気性が高い場合は、透水層内の汚染物質のガスを真空吸引によって回収する際に、表層からの空気の侵入によって汚染物質の回収効率が低くなるので、表層を覆って通気を遮断することが、回収効率の向上に有効である。

請求項１の発明に係る汚染地盤の浄化方法によれば、まず地下水を汲み上げて透水層を地下水の不飽和状態とすることによって、透水層に電流が流れることによる電力ロスを極力抑えて、不透水層へ効率良く電流を流し、しかもジュール発熱により不透水層から気化した汚染物質ガスを透水層の土粒子間隙の気体相中に導入させることができる。このため、透水層の真空吸引により、透水層内へ導入された汚染物質ガスを回収することができ、従来困難であった不透水層の汚染の浄化を、効率良く行うことができる。

請求項２の発明に係る汚染地盤の浄化方法によれば、有機塩素化合物や有機溶剤等の揮発性物質で汚染された地盤を、効率良く浄化することができる。

請求項３の発明に係る汚染地盤の浄化方法によれば、不透水層に交流電圧を印加することによって、分極による電流の阻害を生じることがないので、不透水層の汚染物質の気化を効率良く行うことができる。

請求項４の発明に係る汚染地盤の浄化方法によれば、表層から透水層の土粒子間隙への空気の流入によって汚染物質の吸引回収効率が低下するのを防止することができる。

以下、本発明に係る汚染地盤の浄化方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず図１は、汚染地盤の一例を示す地層の鉛直断面図である。

この図１において、参照符号１０は地盤で、ローム等、火山灰質の粘性土や腐葉土等からなる表層１１と、その下層に存在し、透水性の高い砂質土や礫等からなる透水層１２と、更にその下層にあって透水性の低い粘性土等からなる不透水層１３とを有し、ＧＷＬは地下水位である。

すなわち、砂質土等からなる透水層１２の土粒子間隙は地下水で飽和しており、有機溶剤等、揮発性を有する物質による汚染領域１４が、不透水層１３から透水層１２及び表層１１にかけて分布している。図１に示される地盤１０の地層構成は、簡略化した仮想的なモデルであるが、人口密度の比較的高い都市部あるいはその近郊の典型的な地盤の状態を考えたものである。

図２は、図１のような地盤１０に、本発明に係る汚染地盤の浄化方法を適用した好ましい実施の形態において、地下水の汲み上げによる透水層１２の浄化工程を示す鉛直断面図である。すなわちこの形態では、まず図２に示されるように、地盤１０に、汚染領域１４の周囲を取り囲む複数本の揚水井戸１を削孔し、汚染領域１４へ向けて注水井戸２を削孔し、揚水井戸１の外側を取り囲むように、矢板や地中連続壁等による止水壁３を構築する。揚水井戸１及び止水壁３は、不透水層１３まで達する深さとし、各揚水井戸１には水中ポンプＰを設置する。また、各水中ポンプＰの吐出ポートには、地上へ延びる揚水管４が接続される。

地下水の汲み上げによる浄化工程においては、注水井戸２に水Ｗを注入しながら、各揚水井戸１の水中ポンプＰを駆動させて地下水ＧＷを汲み上げる。注水井戸２の周囲では、水Ｗの注入により地下水位ＧＷＬが相対的に高く、揚水井戸１の周囲では、地下水ＧＷの汲み上げにより地下水位ＧＷＬが低下する。そしてこのような地下水位ＧＷＬの勾配によって、透水層１２には、注水井戸２から揚水井戸１へ向かう地下水流が発生する。また、揚水井戸１の外側は、止水壁３によって外部からの地下水の流入が遮断されているため、注水井戸２から汚染領域１４を経由して揚水井戸１へ向かう地下水流を効率良く生じさせることができる。

このため、汚染領域１４のうち、透水層１２に分布する汚染領域１４ａ内の汚染物質は、地下水流に引きつられて、揚水井戸１へ向かって徐々に移動し、この揚水井戸１から、水中ポンプＰによって、揚水管４を介して地下水ＧＷと共に地上へ汲み上げられ、回収される。回収された汚染物質を含む地下水ＧＷは、不図示の水処理プラントで問題ないように処理された後、放流されるか、又は注水井戸２への水Ｗとして透水層１２へ復水される。

図３は、このような地下水汲み上げによる透水層１２の浄化が完了した状態を示す地層の鉛直断面図である。先に説明したように、透水性の低い粘性土等からなる不透水層１３では、揚水井戸１から地下水ＧＷを汲み上げても、これにより発生する地下水流は極めて緩慢であり、不透水層１３に分布する汚染領域１４ｂ内の汚染物質の回収効率はかなり低い。したがって、図３に示される状態では、透水層１２の汚染物質の濃度は環境基準以下まで低下しているものの、不透水層１３には高濃度の汚染領域１４ｂが残存している。

また、透水層１２の浄化工程完了に際しては、注水井戸２への注水を行わずに、揚水井戸１から地下水ＧＷを汲み上げることによって、地下水位ＧＷＬを可及的に不透水層１３のレベルまで低下させ、透水層１２を地下水の不飽和状態とする。すなわち、透水層１２における土粒子間隙に、気体（空気）による気体相を形成する。一方、この状態では、不透水層１３の土粒子間隙は地下水で飽和している。

なお、図示の形態では、外部からの地下水の流入を遮断するために、揚水井戸１の外側に矢板等による止水壁３を構築しているが、外部からの地下水の流入が殆どない場合や、透水層１２の透水係数によっては、必ずしも止水壁３を設けなくても、地下水の汲み上げにより透水層１２を浄化し、かつ地下水の不飽和状態とすることが可能である。

次に図４は、不透水層１３を通電により発熱させて、その汚染領域１４ｂから気化して透水層１２内へ導入された汚染物質を真空吸引により回収する工程を示す地層の鉛直断面図である。すなわち、この工程では、上述のように透水層１２を地下水の不飽和状態とした後、地盤１０に、不透水層１３の内部に達する複数の電極５，５を挿入し、この電極５，５間を、交流電源ＡＣを介して接続する。電極５，５は、例えば金属製のフラットバーからなるものであって、不透水層１３の残留汚染領域１４ｂを挟む（又は取り囲む）位置へ挿入する。また、透水層１２には、不透水層１３の残留汚染領域１４ｂの上方に位置して、多孔管からなるケーシング６ａでライニングした所要数のガス吸引孔６を削孔すると共に、このガス吸引孔６（ケーシング６ａ）を真空ポンプＶＰの吸気ポートに接続する。

ここで、交流電源ＡＣをＯＮにすることによって、電極５，５に交流電圧を印加すると、この電極５，５間で、透水層１２及び不透水層１３に電気浸透現象による電流が流れる。ところが、透水層１２は地下水の不飽和状態にあり、その土粒子間隙に絶縁体である気体相が形成されているので、透水層１２が水で飽和している場合に比較して透水層１２の電気抵抗値が高くなる。このため、透水層１２を流れる電流値が大幅に低下して、消費電力のロスが抑えられる。

不透水層１３の土粒子間隙は、透水層１２の土粒子間隙に比較して著しく小さいが、地下水で飽和しているため、電圧が印加された電極５，５間で、不透水層１３には電流が流れる。このため、残留汚染領域１４ｂを含む不透水層１３の温度がジュール発熱により上昇する。そして、その上層の透水層１２は帯水していないので、残留汚染領域１４ｂ内の有機溶剤等の汚染物質に外側から作用する圧力（飽和蒸気圧）が小さくなり、その結果、汚染物質の揮発性が顕著になる。このため、電極５，５間で不透水層１３の温度が上昇すると、そこに存在する残留汚染領域１４ｂ内の有機溶剤等の汚染物質は、気化してガスＧとなるので、体積が著しく膨張し、透水層１２へ浮上してその土粒子間隙の気体相へ導入される。

一方、透水層１２では、真空ポンプＶＰの駆動によってガス吸引孔６が負圧となっているので、透水層１２の土粒子間隙の気体相には、ガス吸引孔６へ向けて低圧となる圧力勾配を生じる。このため、透水層１２の土粒子間隙へ浮上した汚染物質の気化ガスＧは、この透水層１２内を前記圧力勾配によってガス吸引孔６へ向けて移動し、ガス吸引孔６から、真空ポンプＶＰによって、不図示の回収手段（例えばガス吸着手段）に回収される。

なお、電気浸透あるいは電気泳動による土中水の移動（電子の流れ）は、水の電気分解により起こる現象であるため、直流電圧では、長期間の印加によって分極が起こり、酸素や水素、場合によっては塩素等の気泡が電極５，５の表面に付着して、電流効率が低下する。したがって、図示の形態においては交流電圧を用いているが、分極が起こらないか、もしくは分極が起こってもその程度が小さい場合は、直流電圧を印加しても良い。

電極５，５間に電圧値は、高すぎると、やはり電極５，５で酸素や水素、あるいは塩素等の気泡が発生し、電流効率が低下することになり、印加電圧値が低すぎると電流が流れず、汚染物質の揮発に必要な発熱が得られない。発明者等の実験によれば、例えば電極５，５間の距離が数ｍのオーダーでは、１ｃｍあたり１Ｖの電圧の印加を目安とするのが好ましいものと思われる。

図５は、上述した図４の工程を実施する場合の他の形態を示す地層の鉛直断面図である。この図５において、参照符号７は被覆材であり、例えばアスファルト等のような、通気性のない材料からなり、止水壁３に包囲された領域における表層１１を覆っているものである。

すなわち、真空ポンプＶＰの駆動によってガス吸引孔６を負圧にした場合に、表層１１が比較的通気性の低いものであれば、図４に示される構成で汚染物質の気化ガスＧを吸引回収することができるが、表層１１の通気性が高いと、地上の空気の侵入によって、透水層１２の土粒子間隙の気体相に、ガス吸引孔６へ向けて低圧となる顕著な圧力勾配を生じにくく、汚染物質の気化ガスＧの回収効率が悪くなる。したがって、このような場合は、図５のように、表層１１を被覆材７で覆うことにより、通気を遮断することが有効である。

また、図４の形態では、金属フラットバーからなる電極５，５を用いたが、例えば図２及び図３に示される地下水の汲み上げ工程において、各揚水井戸１のケーシング１ａ（及び注水井戸２のケーシング２ａ）を金属導体からなるものとし、図５に示されるように、これらのケーシングを電極として、交流電源ＡＣを介して接続し、交流電圧を印加することもできる。このようにすれば、新たに金属フラットバー等からなる電極を地中に挿入する工程を省略することができる。

なお、上述の形態においては、粘性土等の不透水層１３と、その上の砂質土や礫等の透水層１２からなる地盤１０に汚染領域１４が存在する場合について説明したが、不透水層１３と透水層１２が交互に存在する互層地盤に汚染領域が分布しているような場合にも実施することができる。

汚染地盤の一例を示す地層の鉛直断面図である。図１の地盤に、本発明に係る汚染地盤の浄化方法を適用した実施の形態において、地下水の汲み上げによる透水層の浄化工程を示す鉛直断面図である。図２に示される地下水の汲み上げによる透水層の浄化が完了した状態を示す地層の鉛直断面図である。不透水層を通電により発熱させ、気化により透水層内へ導入された汚染物質を真空吸引により回収する工程を示す地層の鉛直断面図である。図４の工程を実施する場合の他の形態を示す地層の鉛直断面図である。従来の地下水汲み上げによる汚染地盤の浄化方法を示す説明図である。

符号の説明

１揚水井戸
１ａ，６ａケーシング
２注水井戸
３止水壁
４揚水管
５電極
６ガス吸引孔
８被覆材
１０地盤
１１表層
１２透水層
１３不透水層
１４，１４ａ汚染領域
１４ｂ残留汚染領域
ＡＣ交流電源
Ｇ汚染物質のガス
ＧＷ地下水
ＧＷＬ地下水位
Ｐ水中ポンプ
ＶＰ真空ポンプ
Ｗ水

Claims

相対的に透水性の高い透水層及び相対的に透水性の低い不透水層からなる地盤において、透水層内の地下水を汲み上げることによってこの透水層を地下水の不飽和状態とし、その土粒子間隙に絶縁体である気体相を形成することによって電気を流れにくくした後、地下水で飽和している前記不透水層の内部へ達するように前記地盤に挿入した電極間に電圧を印加することにより、前記不透水層へ効率良く電流を流して前記不透水層における汚染領域を発熱させ、この汚染領域から気化して前記透水層内へ導入された汚染物質を真空吸引により回収することを特徴とする汚染地盤の浄化方法。
汚染物質が、有機塩素系化合物や有機溶剤等の揮発性物質であることを特徴とする請求項１に記載の汚染地盤の浄化方法。
印加する電圧が交流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の汚染地盤の浄化方法。
透水層の表層を、通気を遮断する材質で覆うことを特徴とする請求項１に記載の汚染地盤の浄化方法。