JP4978573B2 - 土壌又は地下水の油分濃度の予測方法 - Google Patents
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Description
該予測対象地域から土壌又は地下水のサンプルを採取して容器に収容し、該容器に所定期間空気を循環流通させると共に、循環空気中の酸素濃度が一定となるように該循環空気に酸素を補給手段から補給し、
この酸素補給量から該サンプルの酸素消費速度を算出し、
このサンプルの酸素消費速度から油分濃度の経時変化予測式のパラメータ値を決定し、
このパラメータ値を有した経時変化予測式に基づいて、該予測対象地域の地中に空気を供給した場合の油分濃度の経時変化を予測することを特徴とする土壌又は地下水の油分濃度の予測方法であって、
前記経時変化予測式は、
数式A:酸素の気相中と地下水との気液平衡の収支を表す数式
数式B:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う油分濃度の経時変化を表す数式
数式C:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う油分解菌総濃度の経時変化を表す数式
数式D:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う自己分解油分解菌濃度の経時変化を表す数式
数式E:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う地下水中分散油分濃度の経時変化を表す数式
数式F:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う菌体由来基質成分濃度の経時変化を表す数式
数式G:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う地下水中酸素濃度の経時変化を表す数式
の連立式であり、
各数式A〜Gを構成する各パラメータを任意のパラメータ値として複数回変化させて複数個の酸素消費速度の計算値を算出し、該複数個の計算値の中から前記サンプルの酸素消費速度に最も近似した数値を与えるパラメータ値を選出し、
この選出されたパラメータ値を有した経時変化予測式によって前記油分濃度の経時変化を予測することを特徴とするものである。
前記パラメータは、少なくとも、
水中への酸素の溶解速度、
基質飽和定数、
乳化速度定数、
土壌に付着した初期油分濃度、
土壌中の初期菌体濃度、
土壌中の水に分散した初期油分濃度
であることを特徴とするものである。
(1)土壌又は地下水のサンプルを採取し、土壌又は地下水中に含まれる微生物が油分を酸化分解するときの酸素消費速度を測定する。
(2)酸素溶解速度KLa、基質(有機物)飽和定数Ksha、および乳化速度定数KLsと、各変数(土壌に付着した油成分SO、菌体成分XBH、液中に分散した油分濃度SP)の初期値をパラメータとする。この初期値は任意の値であってもよい。
(3) パラメータ値を種々変化させるシミュレーション解析を行い、各々のパラメータ値の場合の酸素消費速度を算出する。
(4)(1)の実測値と最も一致する酸素消費速度が得られた時のパラメータ値を選定する。
(5)選定したパラメータ値を有した予測式に基づいてシミュレーション解析をおこない、油分濃度の経時変化を予測する。
予測対象地域の土壌を採取し、第1図に示す試験装置のカラム1に満杯に充填する。この土壌には、油分を好気的に分解する微生物が生息している。
・カラム内における空気流量、気相体積、液相体積、圧力の変化は無視しうる。
・水相は土壌に付着した状態にあり、カラムから液体および液中物質は流入出しないものとする。
第2図は、この物質収支のモデル図である。
カラム1内には、酸素濃度がCGin(mg/L)である空気が流量QG(L/day)にて流入する。
QGCGin−QGCGout−KLa(CW*−CW)VW=0 (1)
ここで、
QG :流入空気の流量 (L/d)
CGin :流入空気中のO2濃度 (mg/L)
CGout :流出空気中のO2濃度 (mg/L)
KLa :O2の溶解速度定数 (1/d)
CW :液中のO2濃度 (mg/L)
CW* :液中のO2飽和濃度 (mg/L)
V :カラム容積 (L)
W :カラム全体における液相体積比 (−)
平衡状態において、土壌内の水中のO2飽和濃度と、土壌に供給された空気中のO2分圧の間には次のHenryの法則が成立する。
pCO2=P×yO2=KHCW*/MO2 (2)
また、空気中のO2分圧は、次のように与えられる。
pO2=P×yO2=P×CGout/MO2/(1/Vm)=P×CGout×Vm/MO2 (3)
ここで、
pO2 :空気中のO2分圧 (atm)
yO2 :空気中のO2モル分率 (−)
P :セル内の全圧 (atm)
MO2 :O2の分子量 (g/mol)
KH :O2のHenry定数 (atm・L/mol)
Vm :空気中の O2モル分率 (L/mol)
KHCW*=P×CGout×Vm (4)
QGCGin−QGCGout−KLa(10×CGout/300−CW)VW=0 (5)
この(5)式が数式Aに相当する。
土壌内の水中ではO2溶解と、有機物の酸化分解によるO2消費が進行する。この実施の形態においては、土壌中における油分解に影響する因子として、微生物による油の乳化に着目する。一般に、土壌内の油分は、水中に分散して微生物分解を受け易くなっている油と、土壌粒子に付着して微生物による乳化が律速する状態にある油とが存在するので、第3図に示す物質収支が成立する。
1) 土壌に付着した油分相の油分が微生物から産出するエステル類等の作用により乳化して水相中に分散する。
2) この分散した油分が菌体によって酸化分解され、菌体が増殖する。
3) 菌体が自己分解することにより、菌体量が減少する。
4) 自己分解した菌体は菌体の加水分解作用によって分解され、菌体由来の基質を生成させる。
5) この基質は、菌体によって酸化分解され、菌体が増殖する。
土壌に付着した油分濃度SOは、菌体による乳化分散を受けて減少する。油分濃度SOの経時変化は次式(6)のように与えられる。
k=kMax*(C/(Ks+C)) (2)
(b)式は微生物濃度Xbh、油濃度Soのときの、油の乳化速度を表す式である。
菌体(濃度XBH)は、液中に分散した油分(濃度Sp)および菌体由来の基質(濃度Ss)を酸化分解することにより増殖する。また、菌体は、菌体自身が自己分解することにより減少する。このことから、菌体濃度XBHの経時変化は次式(7)のように与えられる。
Henze M.,Gujer W.,Mino T.and Loosdrecht M.(2000).Activated Sludge Models ASM1,ASM2,
ASM2D,ASM3.IWA Scientific and Technical report No.9,IWA,ISBN:1 900222 24 8
自己分解した菌体(濃度XS)は、菌体の一部が自己分解反応を受けて生成する。また、自己分解した菌体は、分解作用を受けて減少する。従って、自己分解した菌体濃度XSの経時変化は次式(8)のように与えられる。
水中に分散した油分(濃度SP)は、土壌に付着した油分(濃度SO)の乳化反応により生成する。また、この乳化油分は、菌体による酸化分解を受けて減少する。油分の酸化分解における菌体収率をYと置くと、液中に分散した油分濃度SPの経時変化は次式のように与えられる。
dSP/dt=A1−(1/Y)A2 (13)
菌体由来の基質(濃度SS)は、自己分解した菌体(濃度Xs)の加水分解反応により生成する。また、この基質は、菌体による酸化分解を受けて減少する。従って、この基質の経時変化は、上記の菌体収率Yを用いて、以下の式(14)で表される。
dSS/dt=A4−(1/Y)A3 (14)
水中のO2濃度CWは、気相からのO2移動による供給によって増加し、油分の酸化分解に伴う消費により減少するので、以下の式(15)で表される。
dCW/dt=KLa(CW*−CW)−(1−Y)/Y(A2+A3) (15)
この式(15)は、式(5)と同様に次式(16)に変形される。
dCW/dt=KLa(10×CGout/300−CW)−(1−Y)/Y(A2+A3) (16)
A重油汚染土壌として、平均粒径0.2mmの砂に、初期濃度約800mg/kgとなるよう市販のA重油を混合した後、新鮮な合成培地にA重油を基質として培養した微生物源を1%混合した培養液を、含水率6%となるように添加したものを使用した。水分添加量を低く設定したのは、カラム内部の土壌中含水率をできるだけ均一に保つためである。
0日目 800mg/kg
15日目 600mg/kg
40日目 420mg/kg
であった。この実測値と第5図とを対比すると、第5図のシミュレーション結果と実測値とは良く合致しており、表1で選定したパラメータ値を採用したシミュレーションにより、精度よくA重油濃度の経時変化を予測することが可能であることが分った。
従来のように微生物濃度が一定であると仮定し、パラメーターを表2の通り単純なものにしてシミュレーションを行ったときの酸素消費速度の計算結果を第6図に、土壌中TPH濃度変化を第5図に示す。
微生物濃度を一定とした場合にも、表2の条件において第5図のようにOURについては一定の相関が見られる。しかしTPH濃度変化については、第6図のように実測データとは大きく異なる。これは油分解速度が油濃度のみの関数となっているためである。このように比較例1のシミュレーションでは浄化期間を短く見積もることとなってしまう。
3 CO2吸収装置
6 酸素ボンベ
7 酸素消費速度計測器
Claims (2)
- 予測対象地域の地中に空気を供給した場合の該予測対象地域における土壌又は地下水の油分濃度の経時変化を経時変化予測式に基づいて予測する方法において、
該予測対象地域から土壌又は地下水のサンプルを採取して容器に収容し、該容器に所定期間空気を循環流通させると共に、循環空気中の酸素濃度が一定となるように該循環空気に酸素を補給手段から補給し、
この酸素補給量から該サンプルの酸素消費速度を算出し、
このサンプルの酸素消費速度から油分濃度の経時変化予測式のパラメータ値を決定し、
このパラメータ値を有した経時変化予測式に基づいて、該予測対象地域の地中に空気を供給した場合の油分濃度の経時変化を予測することを特徴とする土壌又は地下水の油分濃度の予測方法であって、
前記経時変化予測式は、
数式A:酸素の気相中と地下水との気液平衡の収支を表す数式
数式B:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う油分濃度の経時変化を表す数式
数式C:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う油分解菌総濃度の経時変化を表す数式
数式D:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う自己分解油分解菌濃度の経時変化を表す数式
数式E:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う地下水中分散油分濃度の経時変化を表す数式
数式F:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う菌体由来基質成分濃度の経時変化を表す数式
数式G:土壌又は地下水中の油分の生物酸化分解に伴う地下水中酸素濃度の経時変化を表す数式
の連立式であり、
各数式A〜Gを構成する各パラメータを任意のパラメータ値として複数回変化させて複数個の酸素消費速度の計算値を算出し、該複数個の計算値の中から前記サンプルの酸素消費速度に最も近似した数値を与えるパラメータ値を選出し、
この選出されたパラメータ値を有した経時変化予測式によって前記油分濃度の経時変化を予測することを特徴とする土壌又は地下水の油分濃度の予測方法。 - 請求項1において、土壌中の油分濃度の経時変化を予測する方法であって、
前記パラメータは、少なくとも、
水中への酸素の溶解速度、
基質飽和定数、
乳化速度定数、
土壌に付着した初期油分濃度、
土壌中の初期菌体濃度、
土壌中の水に分散した初期油分濃度
であることを特徴とする土壌又は地下水の油分濃度の予測方法。
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