JP5428986B2 - 地下水浄化構造及びその補修方法 - Google Patents
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Description
本発明は、透過性反応壁による汚染地下水の浄化技術に関する。
汚染地下水を浄化する場合、処理対象に応じた浄化材に必要に応じて砂利などの透水性材料と混合して汚染地下水の下流側の帯水層に埋設することにより汚染地下水を浄化材と接触させて浄化する、いわゆる透過性反応壁（ＰＲＢ；Permeable Reactive Barriers）が広く知られている（特許文献１〜４）。浄化材として、各種有機物を分解するためには鉄粉や活性炭を、フッ素を吸着・不溶化するには火山灰土壌や酸化マグネシウムを用いることが知られている。
第４図は、透過性反応壁による地下水浄化構造を示す模式図であって、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。第４図（ｂ）の通り、地表１から所定深さに不透水層３あるいは難透水層が存在し、その上側に帯水層２が存在する。４は地下水位である。地下水の流れＷ１、Ｗ２を横断するように透過性反応壁５を設けると共に、この透過性反応壁５の両端にグラウト６を介して連なるようにして遮水壁７，７を設け、上流側からの地下水が確実に透過性反応壁５を通過するようにする。
透過性反応壁５の施工手順は以下の通りである。地表１からボウリングし、このボウリング孔内を浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第１の浄化体４を作成する。次いでこの柱状の第１の浄化体４と部分的に重なるようにボウリングして同様に浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第２の浄化体４を作成する。以下、同様の作業を繰り返して柱状の浄化体４を並列して作成することにより、壁状の浄化体よりなる透過性反応壁５を作成する。この透過性反応壁５の両端に隣接するようにＨ型鋼と鉄矢板を打ち込んで遮水壁７を構築する。最後に透過性反応壁５と遮水壁７との間にボウリングしてグラウト材料（スラリー状）を透過性反応壁の上端（地表面）から下端（不透水層）まで圧入すると共にグラウト材料の注入箇所の近傍に硬化剤を同時注入する。これにより、土壌中に浸透させつつ固結させてグラウト６を壁状に形成して透過性反応壁５と遮水壁７との隙間を埋める。なお、透過性反応壁５と遮水壁７とが水密的に接続されるならば、グラウト６は省略されてもよい。
地中に構築した透過性反応壁の浄化性能が所定の性能に達しない場合があることがあった。調査した結果、柱状浄化体を構築する際にすべてのボウリングが確実に鉛直下向きに行われている訳ではなく、一部のボウリングは鉛直に対して若干傾いて穿孔され、このため第５図のように、柱状体４の一部に多少の角度のズレが生じているものがあることが分かった。そして、これにより、地表部では等間隔にボウリングされていても下部の不透水層の近辺では大きなズレとなって柱状浄化体４同士の間に隙間が生じ、そこから汚染地下水がリークしていることが分かった。
本発明は、上記従来の問題点を解決し、柱状浄化体よりなる透過性反応壁からの汚染地下水のリークが防止され、汚染地下水が十分に浄化される地下水浄化構造及びその補修方法を提供することを目的とする。
請求項１の地下水浄化構造は、地中に複数の柱状浄化体を並設することにより構築された透過性反応壁を有する地下水浄化構造において、該透過性反応壁は、ボウリング孔内を浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第１の浄化体を作成し、次いでこの柱状の第１の浄化体と部分的に重なるようにボウリングして同様に浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第２の浄化体を作成し、以下、同様の作業を繰り返して柱状の浄化体を並列して作成することにより施工されたものであり、該柱状浄化体同士の間からの地下水のリークを防止するためのグラウトが前記柱状浄化体同士の間に形成されていることを特徴とするものである。
請求項２の地下水浄化構造は、請求項１において、該グラウトは、透過性反応壁の反応阻害物質の不溶出性又は低溶出性を有していることを特徴とするものである。
請求項３の地下水浄化構造は、請求項２において、グラウトは、シリカ系グラウトであり、その硬化剤が重硫酸ナトリウム、蟻酸及び硫酸の少なくとも１種であることを特徴とするものである。
請求項４の地下水浄化構造の補修方法は、地中に複数の柱状浄化体を並設することにより構築された透過性反応壁を有する地下水浄化構造を補修する方法であって、ボウリング孔内を浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第１の浄化体を作成し、次いでこの柱状の第１の浄化体と部分的に重なるようにボウリングして同様に浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第２の浄化体を作成し、以下、同様の作業を繰り返して柱状の浄化体を並列して作成することにより、該透過性反応壁を施工し、該柱状浄化体同士の間からの地下水のリークを防止するためのグラウトを前記柱状浄化体同士の間に形成することを特徴とするものである。
なお、本発明において、「防止」とは「抑制」を包含するものである。
本発明の地下水浄化構造及び本発明の補修方法によって補修された地下水浄化構造にあっては、柱状浄化体同士の間からの汚染地下水のリークが防止されるため、地下水が十分に浄化される。
このグラウトが透過性反応壁の反応阻害物質の不溶出性又は低溶出性を有していると、透過性反応壁の浄化作用が長期にわたって発揮されるようになる。即ち、従来よりグラウトの硬化剤として使用されているリン酸は、透過性反応壁の浄化材として広く用いられている鉄粉の表面に下式のようにして難溶性塩ＦｅＨＰＯ４等を生成させ、鉄粉を不活性化する。
Ｆｅ２＋＋Ｈ３ＰＯ４→ＦｅＨＰＯ４
Ｆｅ３＋＋Ｈ３ＰＯ４→ＦｅＰＯ４
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また、ＣａやＭｇといった硬度成分も、鉄粉表面近傍のアルカリ性の影響で地下水中の炭酸イオンと反応してスケール（ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３）を生成して鉄粉表面に付着し、阻害物質として作用する。
火山灰土壌は、リン酸が存在すると、フッ素よりも優先的に、反応活性部位がリン酸と反応してしまい、フッ素の除去能力が低下してしまう。
また、ＣａやＭｇといった硬度成分が多量に存在すると、下式のように、フッ素の反応部位と反応して、同様にフッ素の吸着を阻害する。
Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｈ２ ＋＋Ｃａ２＋→Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｃａ＋
Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｈ２ ＋＋Ｃａ２＋→Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｃａ＋
酸化マグネシウムは、リン酸が存在すると、フッ素よりも優先的に、酸化マグネシウム表面にて、難溶性の塩（ＭｇＰＯ４）を生成して、フッ素の除去を阻害する。なお、酸化マグネシウムについては、ＣａやＭｇ等の硬度成分による阻害はない。
活性炭周囲に、リン酸が存在する場合、活性炭粒子内のアルカリ性の影響で、地下水中のカルシウムやマグネシウムとリン酸が不溶性のＣａ３（ＰＯ４）２やＭｇ３（ＰＯ４）２を活性炭内部で生成して、揮発性有機化合物の吸着サイトを消費してしまう。
また、ＣａやＭｇといった硬度成分のみでもその活性炭粒子内のアルカリ性の影響で、スケール（ＣａＣＯ３やＭｇＣＯ３）を生成し、揮発性有機化合物の吸着サイトを消費してしまう。
上記請求項２のように、グラウトからＰ、Ｃａ、Ｍｇなどの浄化材の反応阻害物質を不溶出又は低溶出とすることにより、透過性反応壁の浄化性能を維持することができる。
このグラウトとして、シリカ系グラウトである場合、その硬化剤として重硫酸ナトリウム、蟻酸及び硫酸の少なくとも１種を用いることにより、グラウトからの反応阻害物質の溶出を無くしたり又は減少させることができる。
以下に図面を参照して本発明の実施の形態に係る透過性反応壁による地下水浄化構造を詳細に説明する。
第１図は、本発明の透過性反応壁による地下水浄化構造の一例を示す模式図、第２図は透過性反応壁及び遮水壁の斜視図である。前記第４図の場合と同様に、地表１から所定深さに不透水層３あるいは難透水層が存在し、その上側に帯水層２が存在する。地下水の流れＷ１、Ｗ２を横断するように透過性反応壁５を設けると共に、その両端にグラウト６を介して連なるようにして遮水壁７，７を設ける。
透過性反応壁５の施工手順は以下の通りである。口径２０〜３００ｃｍ特に８０〜２００ｃｍ程度にボウリングする。このボウリング孔内を浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第１の浄化体４を作成する。次いでこの柱状の第１の浄化体４と部分的に重なるようにボウリングして同様に浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第２の浄化体４を作成する。以下、同様の作業を繰り返して柱状の浄化体を並列して作成することにより、壁状の浄化体よりなる透過性反応壁５を作成する。
透過性反応壁５の各柱状浄化体４は、好ましくは浄化材と充填材とで構成される。浄化材としては、鉄粉、火山灰土壌、酸化マグネシウム、活性炭などを用いることができる。
鉄粉としては、炭素を０．２９重量％〜５重量％含有し、平均粒径０．１ｍｍ以上（例えば０．１〜２ｍｍ）かつ比表面積０．５ｍ２／ｇ以上（例えば０．５〜２ｍ２／ｇ）である鉄粉を用いるのが好ましい。この鉄粉は、トリクロロエチレン（ＴＣＥ）などの有機塩素化合物を分解する機能を有する。鉄粉によるＴＣＥの分解反応は次式で示される。
３Ｆｅ＋Ｃ２ＨＣｌ３＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ４＋３Ｆｅ３＋＋３Ｃｌ−＋３ＯＨ−
３Ｆｅ＋Ｃ２ＨＣｌ３＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ４＋３Ｆｅ３＋＋３Ｃｌ−＋３ＯＨ−
火山灰土壌としては、噴出源より遠く離れた非火山地域をも広く覆い、細粒の火山灰が褐色に風化したいわゆるローム層を母材とするアンドソルが特に好ましい。火山灰土壌はフッ素の吸着・不溶化作用を有する。このフッ素の吸着・不溶化は、次式のように火山灰粒子表面の反応活性部位で起こる。
Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｈ２ ＋＋Ｆ−→Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｈ２Ｆ
Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ２ ＋＋Ｆ−→Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ２Ｆ（Ｒ：火山灰を構成する鉱物成分（例えばアルミノシリケート）の基本骨格）
酸化マグネシウムはフッ素の吸着・不溶化作用を有する。このフッ素の吸着・不溶化反応は、次式で示される。
ＭｇＯ＋Ｆ＋Ｈ２Ｏ→Ｍｇ(Ｆ)(ＯＨ)＋ＯＨ−
Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｈ２ ＋＋Ｆ−→Ｒ−Ｆｅ−Ｏ−Ｈ２Ｆ
Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ２ ＋＋Ｆ−→Ｒ−Ａｌ−Ｏ−Ｈ２Ｆ（Ｒ：火山灰を構成する鉱物成分（例えばアルミノシリケート）の基本骨格）
酸化マグネシウムはフッ素の吸着・不溶化作用を有する。このフッ素の吸着・不溶化反応は、次式で示される。
ＭｇＯ＋Ｆ＋Ｈ２Ｏ→Ｍｇ(Ｆ)(ＯＨ)＋ＯＨ−
活性炭は、地下水に溶解したＴＣＥなどの揮発性有機化合物を物理的にその表面に吸着して、地下水中から除去する吸着材である。
鉄粉以外の浄化材の粒度は０．０１〜４ｍｍ、特に０．１〜２ｍｍ程度であることが好ましい。なお、細かい粉体状物質を適当な粒子径に造粒して使用することもできる。
浄化材と併用する充填材としては、比較的粒径の大きな砂、砕石等を用いることができる。なお、この充填材は用いなくてもよい。充填材を用いる場合、浄化材と充填材との使用割合又は混合比は、地下水の流速等を考慮して、適宜決定される。
本発明では、各柱状浄化体４同士の間からの汚染地下水のリークを防止するために、柱状浄化体４同士の継目部分の上流側及び下流側（地下水流れ方向の上流側及び下流側）の少なくとも一方にグラウトを形成する。この実施の形態では、柱状浄化体４は隣接するもの同士を前後に互い違いとなるように配列している。（なお、この前段の「前」とは、地下水流れ方向の上流側を意味し、「後」とは、地下水流れ方向の下流側を意味する。）そのため、柱状浄化体４の列方向の端から奇数番目の柱状浄化体４，４同士の間及び偶数番目の柱状浄化体４，４同士の間において、透過性反応壁５に沿って上下方向に延在する凹条部ａが形成されている。
第３図のように、この実施の形態では、透過性反応壁５の下流側において柱状浄化体４，４同士の間の凹条部のそれぞれにグラウト９を形成している。
グラウト９を形成するには、ボウリングにより地中に注入孔を形成し、この注入孔内にグラウト材料を硬化剤と共に注入するのが好ましい。このグラウト９は、不透水層３から透過性反応壁５の上端にまで達するように設けるのが好ましいが、柱状浄化体４同士の間に隙間が生じやすい透過性反応壁５の下部にのみ設けてもよい。
なお、第３図では、透過性反応壁５の下流側にのみグラウト９を形成しているが、前述の通り、上流側の凹条部ａにグラウトを形成してもよく、上流側及び下流側の双方の凹条部ａにグラウト９を設けてもよい。また、透過性反応壁５の地下水の透過を阻害しないようにするために、グラウト９は透過性反応壁５の前面又は後面の全面を覆わないように設けられるのが好ましく、同様の理由から下流側の凹条部のみにグラウトを形成するのがより好ましい。
グラウトとしては、シリカ系グラウト、及び微粒子スラグ系グラウトがあるが、透過性反応壁に適用する場合はシリカ系グラウトが好適である。
シリカ系グラウトとしては、水ガラスそのものを主成分としたグラウト、酸性シリカゾルを主成分としたグラウト、コロイダルシリカを主成分としたグラウト、水ガラスを陽イオン交換樹脂またはイオン交換膜で処理して得られる活性珪酸を主成分とした中性シリカゾル系グラウト、活性珪酸とコロイダルシリカの混合物を中性乃至酸性に調整されたグラウト等が知られている。
本発明では、これらの各種のグラウトのうち、長期的に化学的安定を維持できるグラウトを形成できるものであれば問題なく使用することができるが、中でも、水ガラス希釈液をイオン交換樹脂に通して脱アルカリした後、これを加熱等により分子量数万あるいはそれ以上に縮合安定化し、次いでＳｉＯ２含量２０〜３０％に濃縮した、直径１０μｍ程度の超微粒のコロイダルシリカの水溶液をグラウト材料として用いる中性シリカゾル系グラウトが好適である。
一般的にＰ、Ｃａ、Ｍｇを溶出するようなグラウト材料は透過性反応壁には使用しないのでグラウト材料についてはＰ、Ｃａ、Ｍｇの溶出について考慮しなくてよい。
一般的にＰ、Ｃａ、Ｍｇを溶出するようなグラウト材料は透過性反応壁には使用しないのでグラウト材料についてはＰ、Ｃａ、Ｍｇの溶出について考慮しなくてよい。
いずれのグラウト材料を用いる場合でも、グラウト材料の硬化剤としてＰ、Ｃａ、Ｍｇ等の反応阻害物質を全く又は殆ど溶出しないものを用いることが好ましい。シリカ系グラウト材料を固結する硬化剤であってＰ、Ｃａ、Ｍｇを溶出しないものとしては重硫酸ナトリウム、蟻酸、又は硫酸が挙げられる。
重硫酸ナトリウムから溶出する硫酸イオンや、蟻酸は、鉄粉表面に難溶性塩を生成しないため、浄化材の消費により活性が低下するといった浄化の阻害を起こさない。これは鉄粉に限らず、火山灰土壌、活性炭、酸化マグネシウムについても同様である。
本発明では、グラウト６を省略し、透過性反応壁５と遮水壁７とが直接的に連続する構成としてもよい。グラウト６を用いて両者間の水密性を高める場合、グラウト６としては上記グラウト９の構成材料と同様の材料を用いて形成するのが好ましい。
本発明では、既存の透過性反応壁の柱状浄化体同士の間にグラウトを形成して柱状浄化体同士の間からの地下水のリークを防止するように透過性反応壁の補修を行ってもよい。新設又は既設の透過性反応壁の下流側に、透過性反応壁の延伸方向と略平行となるように複数箇所モニタリング井戸を設けて地下水中の浄化対象物の濃度をモニタリングし、浄化対象物の濃度が所定値より高いときに汚染地下水がリークしていると判定して全部又は一部の柱状浄化体同士の間にグラウトを形成するようにしてもよい。
４ 柱状浄化体
５ 透過性反応壁
６，９ グラウト
７ 遮水壁
５ 透過性反応壁
６，９ グラウト
７ 遮水壁
Claims (4)
- 地中に複数の柱状浄化体を並設することにより構築された透過性反応壁を有する地下水浄化構造において、
該透過性反応壁は、ボウリング孔内を浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第１の浄化体を作成し、次いでこの柱状の第１の浄化体と部分的に重なるようにボウリングして同様に浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第２の浄化体を作成し、以下、同様の作業を繰り返して柱状の浄化体を並列して作成することにより施工されたものであり、
該柱状浄化体同士の間からの地下水のリークを防止するためのグラウトが前記柱状浄化体同士の間に形成されていることを特徴とする地下水浄化構造。 - 請求項１において、該グラウトは、透過性反応壁の反応阻害物質の不溶出性又は低溶出性を有していることを特徴とする透過性反応壁による地下水浄化構造。
- 請求項２において、グラウトは、シリカ系グラウトであり、その硬化剤が重硫酸ナトリウム、蟻酸及び硫酸の少なくとも１種であることを特徴とする透過性反応壁による地下水浄化構造。
- 地中に複数の柱状浄化体を並設することにより構築された透過性反応壁を有する地下水浄化構造を補修する方法であって、
ボウリング孔内を浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第１の浄化体を作成し、次いでこの柱状の第１の浄化体と部分的に重なるようにボウリングして同様に浄化材を含む充填材で埋め戻すことにより柱状の第２の浄化体を作成し、以下、同様の作業を繰り返して柱状の浄化体を並列して作成することにより、該透過性反応壁を施工し、
該柱状浄化体同士の間からの地下水のリークを防止するためのグラウトを前記柱状浄化体同士の間に形成することを特徴とする地下水浄化構造の補修方法。
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