JP5303389B2

JP5303389B2 - 土壌または地下水の浄化剤および浄化方法

Info

Publication number: JP5303389B2
Application number: JP2009172193A
Authority: JP
Inventors: 哲哉渡辺
Original assignee: JFE Mineral Co Ltd
Current assignee: JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-07-23
Also published as: JP2011025137A

Description

本発明は、有機ハロゲン化合物に汚染された土壌または地下水を低コストで、作業性よく、浄化することができる浄化剤および浄化方法に関する。

有機ハロゲン化合物は優れた溶解力を持つ脱脂溶剤として、半導体製造業、金属加工業、クリーニング業などで広く使用されてきたが、使用後の有機ハロゲン化合物による土壌および地下水の汚染が深刻となっている。
工業化が進むにつれて地下水や土壌などが重金属や有機化合物などによって汚染されていることが問題となっている。中でも有機ハロゲン化合物での汚染が問題となり、トリクロロエチレン（ＴＣＥ）やテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）は毒性が指摘され、水質汚濁防止法等により有害物質として規制されている。
有機ハロゲン化合物を無害化する方法として、原位置から汚染土壌そのものを除去したり、原位置で土壌または有機塩素化合物が溶け込んだ地下水を処理して有機ハロゲン化合物を分解する方法、汚染土壌の周辺において、汚染土壌から流出する地下水を浄化する方法等が提案されている。
これらのうち、原位置で汚染土壌を還元反応を利用し分解浄化する方法には、鉄粉と水分を接触させ、鉄粉が酸化される際に発生する水素によって有機ハロゲン化合物を還元し分解する方法と、嫌気性微生物により分解する方法が知られている。

一方、嫌気性微生物の有機資材としてさまざまな有機炭素材料の利用が提案されている。
特許文献１では、クロストリジウム・ビフェルメンタンスＤＰＨ−１が存在する環境下に汚染物質を置く汚染物質の浄化方法が記載され、この菌株がイースト抽出物（廃糖蜜）の発酵に伴って発生する水素を電子供与体としてテトラクロロエチレン等の塩素化物を分解する方法が記載されている。
特許文献２では、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン等で汚染された水環境に廃糖蜜及び／又は乳酸ナトリウムを添加して浄化する方法が記載される。汚染物質の分解能力を有する微生物を水環境に投入することもできると記載され、投入できる微生物の例に、デハロココイデス菌が記載されている。

特許文献３では、デハロココイデス菌を単離して、浄化剤として地下水又は土壌に投入する土壌の浄化方法が記載されている。

特許文献４では、還元剤と栄養源とを、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレンで汚染された汚染物に添加する浄化方法が記載され、還元剤は、還元鉄、鋳鉄、鉄-シリコン合金又はこれらの水溶性化合物であり、栄養源として、糖類，有機酸もしくはその誘導体、低級アルコール、モラセス廃液、醸造廃液、これらの混合物が例示されている。

特許文献５では、塩素化エチレンに汚染された植種源を、1，２ジクロロエチレンを含有する液体培地で、1，２ジクロロエチレンが検出されなくなるまで培養し,得られた培養液を塩化ビニルを含有する液体培地に移植し、嫌気的条件下で培養を行うデハロココイデス菌等の培養方法が記載される。得られた培養液は地下水又は土壌の浄化方法に用いられる。また、培養液の植え継の回数は３〜１０であることが記載される。
特許文献６には、ハロゲン化有機化合物を含む処理対象に、酵母および酵母の増殖基質を供給してハロゲン化有機化合物を脱ハロゲン化する方法が記載され、酵母としてパン酵母等を終夜振とう培養してグルコース等の基質と共に加えるとテトラクロロエチレンが減少しジクロロエチレンが増加したことが記載されている。

特開２００５−５８８３８号公報特開２００６−３２０８４８号公報特開２００８−２７１７８６号公報特開平１１−２５３９２６号公報特開２００６−２９６３０３号公報特開２００４−２２３４８７号公報

これらの従来技術の方法は工程が複雑であり、処理コストがかかり実際に応用するには問題がある。また、有機資材として廃糖蜜や酵母エキス等を混合する方法は、固体物質や粘度の高い物質を現場の地下水等に投入するには予め水に溶解させておかないと均質に投入することができず工程が複雑化する要因となる。また、糖蜜は粘性が高く溶解するのが困難である。
本発明はこのような従来技術の問題点を解決し、有機ハロゲン化物に汚染された土壌・地下水を、安価、かつ安全に浄化する材料および方法を提供しようとする。

本発明者は鋭意検討した結果、イースト発酵濃縮液を用いるとこれらの問題が解決でき、しかも地下水中のテトラクロロエチレン（ＰＣＥ），トリクロロエチレン（ＴＣＥ）の分解率が高く、特に、シス１，２−ジクロロエチレン（ｃｉｓＤＣＥ）の分解率が高いことを見出し本発明に至った。
本発明は以下の発明を提供する。
（１）有機ハロゲン化合物で汚染された土壌または地下水を浄化する方法に用いられる、イースト発酵濃縮液を含む、浄化剤。
（２）前記イースト発酵濃縮液が、糖蜜をイースト発酵させて得られる廃液である、（１）に記載の浄化剤。
（３）前記浄化剤にさらに土壌または地下水に混ぜる際にシアノコバラミンを添加してなる（１）または（２）に記載の浄化剤。
（４）有機ハロゲン化合物で汚染された土壌または地下水に、イースト発酵濃縮液を添加する土壌または地下水の浄化方法。
（５）有機ハロゲン化合物で汚染された土壌より地下水を採取して、イースト発酵濃縮液を添加して、添加後の地下水が、前記土壌に浸みこむように位置させる（４）に記載の浄化方法。
（６）有機ハロゲン化合物で汚染された可能性のある土壌または地下水から、地下水を採取し、デハロココイデス菌の存在を定性分析し、定性分析で該菌が検出されなかった場合に、前記採取された地下水に、（１）〜（３）のいずれかに記載の浄化剤を入れ、シス−１，２ジクロロエチレン濃度の経時変化を測定し、シス−１，２ジクロロエチレン濃度の有意な減少がみられる場合に、該地下水を採取した土壌または地下水の有機ハロゲン化合物の浄化処理を行う、浄化方法。
（７）前記イースト発酵濃縮液を土壌または地下水に混ぜる際にシアノコバラミンを添加する（４）〜（６）のいずれかに記載の浄化方法。
（８）前記イースト発酵濃縮液の添加量が地下水に対して０．００５〜０．１容量％である（４）〜（７）のいずれかに記載の浄化方法。
（９）前記シアノコバラミンを地下水に対して、０．０００００１〜０．０００１質量％添加する（７）または（８）に記載の浄化方法。

本発明の浄化剤および浄化方法によって、有機ハロゲン化物に汚染された土壌または地下水を、安価、かつ安全に浄化することができる。

図１は、浄化方法に用いる装置を説明する模式図である。図２は地下水中のテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）濃度の推移を示すグラフである。図３は地下水中のトリクロロエチレン（ＴＣＥ）濃度の推移を示すグラフである。図４は地下水中のシス１，２ジクロロエチレン（ｃｉｓ−ＤＣＥ）濃度の推移を示すグラフである。図５は地下水のｐＨの推移を示すグラフである。図６は地下水中のＣＯＤＭｎ（過マンガン酸カリウムによる化学的酸素要求量）の推移を示すグラフである。図７はシアノコバラミンの添加による地下水中のｃｉｓ−ＤＣＥ濃度の推移を示すグラフである。図８は６２日経過時のシアノコバラミン添加量とｃｉｓ−ＤＣＥ濃度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の具体的態様について説明する。
本発明の浄化剤はイースト発酵濃縮液を含む。
イースト発酵濃縮液は、糖蜜等の糖分をイースト発酵させる際に得られる廃液である。この廃液は水よりは若干粘度がある程度で全体がサラサラの液体である。
またその成分は、水分が４０〜６５質量％で、固形分のうち、たんぱく質、灰分、炭水化物の合計で、３５〜４６質量％、ショ糖はほとんどなく０．１質量％未満、直接還元糖、糖分はグルコース換算で、５〜８質量％である。その他少量の有機酸を含む。
炭素／窒素の比（Ｃ／Ｎ比）が１５以下、好ましくは１２〜１５である。

イースト発酵濃縮液は以下のような利点を有している。
１）低粘性であり、浄化処理の現場での希釈や施工が容易である。
例えば、他の物質との常温で粘度の比較をすると以下の表１が得られる。

表１の結果から、イースト発酵濃縮液と廃糖蜜の粘度差は２０００倍以上である。

２）窒素および・またはカリウムが予め含まれているので菌の増殖が速い。浄化処理する菌に対して用いるとＶＯＣ（揮発性有機化合物濃度）の低下が早い。
３）ｐＨが６〜８の中性で安定しておりｐＨ調整の必要が少ない。
４）廃糖蜜に比較して供給が安定している。単位容量当たりのカロリーが低いのでエネルギー源としての価値が低く、価格が安価で浄化方法に適している。

特徴的なイースト発酵濃縮液と廃糖蜜の例の分析結果を表２に示す。

表２を水分補正した結果を表３に示す。

水分補正後のイースト発酵濃縮液と廃糖蜜の成分を比較すると、イースト発酵濃縮液は炭水化物が少ない。また、イースト発酵濃縮液はショ糖が消費されつくしている。
イースト発酵濃縮液は微生物の生殖に必要な、アミノ酸（たんぱく質）、窒素、カリウム等（灰分）、脂肪酸（炭水化物）をバランスよく配合している。

本発明の浄化剤を土壌または地下水に混ぜる際にシアノコバラミン（ビタミンＢ１２）を添加してもよい。

次に本発明の浄化方法を説明する。
本発明の浄化方法は、有機ハロゲン化合物で汚染された土壌または地下水に、イースト発酵濃縮液を添加する土壌または地下水の浄化方法である。
前記イースト発酵濃縮液の添加量は限定されないが、地下水に対して０．００５〜０．１容量％であるのが好ましい。
具体的には、有機ハロゲン化合物で汚染された土壌より地下水を採取して、イースト発酵濃縮液を添加して、添加後の地下水が、前記土壌に浸みこむように位置させる浄化方法が好ましい。

テトラクロロエチレン、トリクロロエチレンは、土壌、地下水中の常在菌により脱塩素化しジクロロエチレンが生成する。これはデハロココイデス菌など限られた微生物によってのみ嫌気的に脱塩素化しエチレンまで分解する。デハロココイデス菌はマイナーな菌であるためジクロロエチレンを効果的に分解するには増殖させる必要がある。増殖させる有機資材として安価なイースト発酵液が有効であり、またシアノコバラミン（ビタミンＢ１２）を少量添加することでデハロココイデス菌を活性化させることが可能である。
シアノコバラミンを添加する場合は、地下水に対して、０．０００００１〜０．０００１質量％添加するのが好ましい。

本発明の浄化方法は定性分析でデハロココイデス菌の存在が確認された場合に行うことが好ましい。土壌や地下水によっては定性分析でデハロココイデス菌が陰性を示す場合がある。従来このような有機ハロゲン化物で汚染された土壌や地下水は微生物処理ができなかった。
ここで、デハロココイデス菌の定性分析は、nested ＰＣＲ法で行う方法が例示できる。
本発明の方法は、定性分析でデハロココイデス菌が陰性を示す場合でも以下のように予備処理または菌の存在確認方法としても用いることができる。

有機ハロゲン化合物で汚染された可能性のある土壌または地下水から、地下水を採取し、デハロココイデス菌の存在を定性分析し、定性分析で該菌が検出されなかった場合に、前記採取された地下水に、上記のいずれかに記載の本発明の浄化剤を入れ、シス−１，２ジクロロエチレン濃度の経時変化を測定する（予備処理）。２０日〜６０日ぐらいの間にシス−１，２ジクロロエチレン濃度の有意な減少がみられる場合には、本浄化剤添加前には定性分析で存在を確認できなかったデハロココイデス菌が（検出されることがある）ので該地下水を採取した土壌または地下水の有機ハロゲン化合物の浄化処理（本処理）を行うことができる。べつに、上記の定性分析を行わずに上記予備処理を行ってもよい。
本処理は本発明の浄化方法を用いることが好ましいが、特に限定されるものではなく、デハロココイデス菌などの嫌気性微生物を用いる有機ハロゲン化合物の浄化方法であればいずれの方法を用いてもよい。

地下水を採取して研究室規模で予備処理する場合は、硫化鉄を添加したり、窒素ガスまたはアルゴンガスなどの不活性ガスを反応系に用いることが嫌気性の環境を保持できるので好ましい。

以下、実施例によって本発明をより詳しく説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

〔実施例１〕
各種の電子供与体を用い、電子供与体の添加による有機ハロゲン化合物の分解・修復効果を確認するための実験を行った。実験は実汚染地下水を用い、嫌気性環境が維持できる装置を使用し実験室で行った。
実験方法は、実際の汚染サイトより地下水をできるだけ空気に触れないように注意し、窒素置換しながら１３０℃滅菌ガラス製バイアル瓶（２．５Ｌ）にほぼ満水になるまで採取した。還元雰囲気を維持するため、硫化ナトリウム水溶液を地下水に対しＮａ２Ｓとして５mg/Lを添加し、微生物の活性化のため、シアノコバラミン水溶液を地下水に対しシアノコバラミンとして０．０４ｍｇ/Ｌ添加した。電子供与体としてイースト発酵濃縮液、比較用に市販品２種と製糖過程で副生する廃糖蜜を添加し、対照として電子供与対無添加の計５水準で実験を行った。電子供与体の添加量は市販品は使用書に書かれた標準添加量、イースト発酵濃縮液は溶液として１g/L、廃糖蜜は０．５g/Lとした。詳細を表４に示す。
図１に装置仕様を模式図で示す。地下水を入れたガラス製バイアル瓶１の口はテフロン（登録商標）栓６で密封し、テフロン（登録商標）栓６には、サンプリング・薬液注入用の経路１０を挿入し、経路１０は一方はガラス製バイアル瓶中に配置され、他方は二方コックを介して試料のサンプリングや薬液を注入するための開口１２まで連続している。一方テフロン（登録商標）栓６にはサンプリングなどにより内圧が変化しないように３００ｍｌの窒素ガスを充填したテドラーバック１４を装着した。また、地下を再現するため、バイアル瓶は全体をアルミホイルで覆い遮光した。また、バイアル瓶１中には回転子２を配置し、バイアル瓶１が採置されたスターラー４を用いて、1分/日の頻度でバイアル瓶内の地下水を攪拌した。電子供与体を添加後、空隙は窒素ガスで置換しテフロン（登録商標）栓で密栓した。なお、実験は２０℃の恒温室内で行った。

用いた電子供与体の種類と添加量を表４に示す。

所定時間経過した後、サンプリング口より地下水を採取し、ＧＣ−ＭＳヘッドスペース法（JIS K0125に記載）により地下水中の有機ハロゲン化合物の濃度を測定した。その他、ｐＨ、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）の測定も行った。結果を以下の表５〜８と図２〜８に示した。

初期の有機ハロゲン化合物の濃度、地下水のｐＨ、酸化還元電位（ＯＲＰ）、デハロココイデス菌の定性結果を表５に示す。
＜デハロココイデス菌の定性試験法＞
Nested ＰＣＲ法で測定した。
試料からＤＮＡを抽出し、プライマー対を用いてデハロココイデス属特異的部分の増幅をおこない、アガロース電気泳動により、目的バンドの検出を行った。

図２に地下水中のテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）濃度の推移を示す。図２より電子供与体がＡ：イースト発酵濃縮液の場合は２０日、Ｃ：高級脂肪酸、Ｄ：廃糖蜜の場合は４０日で地下水中のテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）濃度は検出限界以下になった。対照（無添加）の場合は初期には減少するがその後は頭打ちとなり減少がみられない。Ｂ：ポリ乳酸エステルは減少するが検出限界までは下がらなかった。

図３に地下水中のトリクロロエチレン（ＴＣＥ）濃度の推移を示す。図３より各電子供与体の効果はテトラクロロエチレンと同様であることがわかる。

図４に地下水中のシス１，２ジクロロエチレン（ｃｉｓ−ＤＣＥ）濃度の推移を示す。図４より電子供与体がＡ：イースト発酵濃縮液の場合は約３０日、Ｄ：廃糖蜜の場合は４０日で０．０１mg/ｌ以下までの低減が見られた。一方、Ｃ：高級脂肪酸の場合は減少傾向にあるものの４０日では０．３mg/ｌまでしか下がらず、Ｂ：ポリ乳酸エステルは対照地下水同様ほとんど減少が見られない。

ＰＣＥ、ＴＣＥは普遍的に存在する地下水中の微生物により分解することが確認されており、実施例１の結果もこれを裏付けるものとなった。但し、電子供与体の種類により分解速度は大きく異なりイースト発酵濃縮液が最も効果が高いことが明らかとなった。
一方、ｃｉｓ−ＤＣＥはデハロココイデス菌など限られた嫌気性微生物のみが分解可能である物質と考えられており、実験によりイースト発酵濃縮液はｃｉｓ−ＤＣＥも短期間で分解可能な電子供与体であることがわかった。

表６に1６ＳｒＤＮＡのDehalococoides ethenogenes特異的領域を正方向のプライマーと逆方向のプライマーで６６ｂｐのＤＮＡ断片を増幅し、その中間に位置するＤＮＡ断片をTaqmanプローブとして結合させて、テンプレートにハイブリダイズしたTaqManプローブが分解され、クエンチャ―による抑制が解除されることで（リアルタイムＰＣＲ法）発する蛍光をＤＮＡサイクラーで検出し、検量線との比較により定量した。４０日経過時の実施例１の地下水中のデハロココイデス菌の定量分析結果を示す。リアルタイムＰＣＲ法はＰＣＲ増幅産物をリアルタイムでモニタリングするため、指数関数的増幅域で正確な定量を行うことができる。

表よりＡ、Ｃ、Ｄの地下水でデハロココイデス菌の増殖が確認され、特にＡ：イースト発酵濃縮液添加の菌数は他より多いことがわかった。また、デハロココイデス菌量とｃｉｓ−ＤＣＥの低減の関係を見ると菌数が多いほど低減が早く、イースト発酵濃縮液はデハロココイデス菌の増幅に極めて適した材料であることがわかる。

図５にバイアル瓶中の地下水のｐＨの推移を示す。図５よりＡ：イースト発酵濃縮液添加地下水はｐＨ変化が他の電子供与体添加の場合より少ないことがわかる。嫌気性菌は環境の変化に弱いことが知られており、また、中性領域から外れると増殖に支障をきたすといわれている。Ｂ：ポリ乳酸エステル添加は２０日以降ｐＨが６を下回っておりデハロココイデス菌の増殖に不利なｐＨ環境となったため菌の増殖が見られず、またｃｉｓ−ＤＣＥも分解しなかったものと考えられる。その点、イースト発酵濃縮液は原料のｐＨが７±０．５で中性であり、地下水に添加した後もｐＨの変化が少なく、デハロココイデス菌の増殖には好適な材料と言える。

図６に地下水中のＣＯＤＭｎ（過マンガン酸カリウムによる化学的酸素要求量）の濃度推移を示す。図６の結果より対照を除き経時によるＣＯＤの低減が見られる。これは水素供与体が微生物により分解したためであるがＡ：イースト発酵濃縮液添加地下水が最も減少しており微生物の活動が活発であることが伺える。

〔実施例２〕
実施例１と同様の試験装置でシアノコバラミンの添加効果の確認試験を行った。
電子供与体はイースト発酵濃縮液を用い、シアノコバラミンの添加量以外は実施例１と同様の条件とした。
地下水の初期値を表７に示す

図７にシアノコバラミンの添加量が０、０．０２、０．０４、０．０８mg/ｌでの地下水中のｃｉｓ−ＤＣＥ濃度の推移を示す。
図８に６２日経過時のシアノコバラミン添加量とｃｉｓ−ＤＣＥ濃度の関係を示す。
図７、８よりシアノコバラミンの添加によりｃｉｓ−ＤＣＥ濃度の低減期間は短くなることがわかる。一方シアノコバラミン濃度０．０４mg/ｌ以上ではｃｉｓ−ＤＣＥ濃度はほとんど変わらないことがわかる。

表８に実施例２で、４８日経過時の地下水中の実施例１と同様に測定したデハロココイデス菌の定量結果を示す。

表８よりシアノコバラミンの添加がデハロココイデス菌増殖に寄与していることがわかる。また、添加量は０．０４mg/ｌ以上添加しても効果は変わらない。

１バイアル瓶２回転子４スターラー６テフロン（登録商標）栓
８二方コック１０経路１２開口１４テドラーバック

Claims

有機ハロゲン化合物で汚染された土壌または地下水を嫌気性微生物を用いて浄化するために用いられる、糖蜜をイースト発酵させて得られる廃液である水分４０〜６５質量％でｐＨ６〜８のイースト発酵濃縮液からなる浄化剤。
前記浄化剤にさらに土壌または地下水に混ぜる際にシアノコバラミンを添加してなる請求項１に記載の浄化剤。
有機ハロゲン化合物で汚染された土壌または地下水に、前記浄化剤を添加する土壌または地下水の浄化方法に用いられる請求項１または２に記載の浄化剤。
有機ハロゲン化合物で汚染された土壌より地下水を採取して、前記請求項１〜３のいずれかに記載の浄化剤を添加して、添加後の地下水が、前記土壌に浸みこむように位置させる土壌または地下水の浄化方法。
有機ハロゲン化合物で汚染された可能性のある土壌または地下水から、地下水を採取し、デハロココイデス菌の存在を定性分析し、定性分析で該菌が検出されなかった場合に、前記採取された地下水に、糖蜜をイースト発酵させて得られる廃液である水分４０〜６５質量％でｐＨ６〜８のイースト発酵濃縮液からなる浄化剤を加え、前記土壌または地下水のシス−1，２ジクロロエチレン濃度の経時変化を測定し、シス−１，２ジクロロエチレン濃度の有意な減少がみられる場合に、該地下水を採取した土壌または地下水に前記浄化剤を添加して有機ハロゲン化合物の浄化処理を行う、土壌または地下水の浄化方法。
前記浄化方法が、前記浄化剤の添加量が地下水に対して０．００５〜０．１容量％である請求項５に記載の土壌または地下水の浄化方法。
前記浄化方法が、さらに、シアノコバラミンを地下水に対して、０．０００００１〜０．０００１質量％添加する請求項６に記載の土壌または地下水の浄化方法。