JP5985477B2 - 鉱物放出性コンポストおよびそれを用いた土壌浄化のための方法 - Google Patents
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Description
土壌の重金属汚染は、人の健康および生態系にとって大きな脅威となっている。重金属は、鉱業場および製造場の土壌に含まれているだけでない。それらは、ある種の農薬を用いて処された農業土壌にも含まれている。更に、重金属は、汚染活動場および汚染行動の当初サイト内にのみ含まれているだけでない。重金属は、“流出”によって地下水へとリークしたり他のサイトへと移動することがあり、広範な汚染を引き起こす。
(a)1またはそれよりも多い土壌結合リン形態を含む土壌を供すること、
(b)土壌に対して鉄含有コンポストを加えることであって、鉄含有コンポストが、(i)プレバイオティック材料、(ii)プロバイオティック材料、および(iii)グルコン酸第一鉄をコンポスト化することによって調製され、鉄含有コンポストによって土壌pHが5未満の酸性pHへともたらされ、それによって、土壌結合リンの少なくとも一部が可溶性を有すること、
(c)可溶性リンを溶液相中へと抽出し、廃水を供すること、ならびに
(d)アルカリ材料層および活性炭層を通して廃水をろ過すること
を含んで成る、方法が提供される。
コンポスト化は、有機材料を劣化させる自然のプロセスまたは制御されたプロセスである。有機材料が十分に劣化(分解)するにつれ、成熟されたコンポスト(安定性を有し、腐植土に富んだ材料)が形成される。かかる成熟されたコンポストは土壌浄化剤として多くの利点がもたらされる。この点、土壌浄化剤としてのコンポストは、土壌構造および栄養保持能を改善したり、圧密および地殻を減じたり、水透過性や干ばつ耐性などを向上させたりする。
本明細書で用いられる「プレバイオティック材料」は植物に起因したセルロース材料のことを指している。セルロース(複雑な炭化水素)の高い含有量に起因して、プレバイオティック材料は、単純な有機物(例えば食料廃棄物)ほど速くは分解しない。プレバイオティック材料は最終的には完全に分解してしまうものの、分解速度は遅く、プロバイオティック材料の成長のアンカーまたは足場として供され得る。
本明細書で用いられている「鉱物グルコン酸塩」は、金属イオンおよびグルコン酸イオン(C6H11O7)のことを指している。グルコン酸イオンは、グルコン酸の残渣アニオン形態(以下にて示す)を有しており、グルコースの酸化物である。
本明細書で用いられる「プロバイオティック材料」は、プレバイオティック材料を分解し、鉱物グルコン酸塩を消化する1又はそれよりも多い微生物のことを指している。
グループI:偏性ホモ発酵性(L. acidophilus, L. delbrueckii, L. helveticus, L. salivariusを含む)
グループII:通性ヘテロ発酵性(L. casei, L. curvatus, L. plantarum, L. sakeiを含む)
グループIII:偏性ヘテロ発酵性(L. brevis, L. buchneri, L. fermentum, L. reuteriを含む)
コンポスト化プロセスは、本明細書で規定されているように、コンポスト混合物が肥やしコンポストになるまで劣化するプロセスである。コンポスト化プロセスは、数百もの種々の生体(「微生物」および「マクロ生物」の双方を含む)によって、複雑な給餌パターンを伴う。細菌、菌類、放線菌などの微生物は、コンポスト混合物中の有機物を化学的に分解することによる大部分の分解の主要因となっている。マクロ生物は、昆虫、ワーム、ムカデ、クモなどを含むより大きい生物体である。コンポスト化プロセス中におけるマクロ生物の活動(掘ったり、噛んだり、混ぜたりする活動)は、有機材料を物理的に分解する。
ある態様では、鉱物放出性コンポストが調製される。鉱物放出性コンポストは、コンポスト混合物中で鉱物グルコン酸塩の消化された生成物として、制御可能な量の鉱物(例えば、鉄)を供する。特に、熟成したコンポスト中の鉱物量は、コンポスト混合物中の鉱物グルコン酸塩の初期量によって決定される。更に、鉱物が放出される環境に応じて、放出速度もまた制御することができる。種々の態様において、鉱物含量はコンポストの約1〜5%である。好適な態様としては、鉱物含量はコンポストの約2〜3%である。
土壌は重金属汚染の主なリザーバーである。重金属は種々の形態で存在し得、種々の外力により土壌粒子に結合している。典型的には、ある土壌に結合した重金属としては、2つの主な重金属分布が考えられる。1つは、水溶性、交換可能な吸着される金属部分であり、植物に容易に利用さる。もう1つは、土壌に強く結合した金属部分であり、典型的にはフミン酸およびフルボ酸などの土壌成分と化学的な結合を通じて土壌に強く結合した金属部分である。重金属バイオアベイラビリティは、生体系(例えば、植物摂取を通じた生体系)への全体的な生理的効果および毒性効果を決定付ける。よって、重金属バイオアベイラビリティは、土壌中のトータルの金属濃度よりも土壌毒性の指標として重要である。土壌粒子に結合した重金属は、一般的に平衡を成しており、変動を受けやすいので、強く結合した重金属であってもリークし得る。
土壌中のリンは、種々の形態を有し得る。例えば、土壌中のリンは、有機(例えば、動物の糞尿)可溶性形態、無機(例えば、肥料中植物利用可能なリン)可溶性形態、および無機非可溶性形態(例えば、土壌鉱物に結合したリン酸塩)。特に規定されない限り、「リン」は、これらの利用可能ないずれの形態のリンのことを指している。土壌中のリンは、あまり可動性を有しているものではないが、可溶性形態のリンは、一時的な雨水などの表面水へと移動し、または、地下水へと滲出し得る。湖へと移動した可溶性リンは、湖を養分的に高めて藻および雑草を成長させる(富栄養化と呼ばれるプロセスである)。かかるプロセスは、湖から酸素を奪い、水生生物に悪影響を及ぼす。
(a)1またはそれよりも多い「土壌に結合したリン形態」を含んだ土壌を供すること、
(b)土壌に対して鉄含有コンポストを加えること、
(c)可溶性リンを溶液相に抽出して廃水を得ること、
(d)アルカリ材料層および活性炭層を通過するように廃水を濾過すること、
を含んで成り、
上記(b)の鉄含有コンポストが、(i)プレバイオティック材料、(ii)プロバイオティック材料、および(iii)グルコン酸第一鉄をコンポスト化することによって調製され、鉄含有コンポストによって土壌pHが5未満の酸性pHへともたらされ、それによって、土壌に結合したリンの少なくとも一部が可溶化する。
本明細書で説明されているコンポストは、単独で又は常套のコンポストと組み合わせて用いられると、制御可能な量の鉱物イオンを放出することによって土壌浄化剤を更に強化する。鉱物富化は、天然土壌に典型的に不足している鉱物を注入することによって特に有益なものと成り得る。特に、カルシウム、マグネシウムおよびカリウムは、天然の土壌で典型的に不足しているが、それらは、ある作物の成長には欠かせないことが分かっている。例えば、十分なカルシウムレベルは、トマトが育つに不可欠であり、しかも、現在では、天然の土壌にカルシウムを供するのに効率的で有機的なアプローチは存在しない。
鉱物含有コンポストの調製
以下のコンポスト試料が以下の如く調製された。ウッド屑および馬糞の等量部のコンポスト・ベースを含む通気されたコンポスト系が全ての試料で使い回しせずに用いた。コンポスト化プロセスは終了に約4週間要し、その間、温度は約110F°〜約160F°に維持し、湿度(含水率)は、約50%〜約60%に維持した。温度が約105°Fを下回わるとコンポスト化の終了と見なした。
重金属汚染土壌のコンポスト処理
鉛およびヒ素で汚染された土壌を、ウェナチー・バレー大学の土地から採取された。表2は、土壌結合重金属の放出についての鉄含有コンポストの効果を示している。全ての単位は、mg/kg(乾燥土壌)であるか(百万分率(ppm)に等しい)、あるいは、飽和抽出についてはmg/Lである。
重金属除去および固定化
多くの土壌およびコンポスト混合物を調製し、重金属汚染土壌を本発明のコンポストを用いて処理することによって土壌浄化の再現性を調べた。土壌試料は、以前は鉛−ヒ素系農薬が使用され今は放置された果樹園サイトから採取した。
長期中性化の効果
実施例3の土壌−コンポストAの混合物(混合4〜6)について、2週間後に再度テストを行い、その間で、土壌PHが上昇し続け、中性化が進行した。土壌pHは、pH7に近くで安定化したようであった(表8)
鉄放出性コンポスト
土壌から重金属を効率的に除去するのに必要なコンポストの相対的な量を調べるべく、付加的な鉄放出性コンポストを調製した。
リン除去
未処理土壌は実施例5と同様に採取された。リン、ヒ素、鉛の各レベルを調べ、それを表10に示す。1000gの未処理土壌は、100gのコンポストBと十分に混ぜられた。240mLの水が、土壌/コンポスト混合物を洗浄するのに使用された。洗浄された水は(または廃水)は、流出と同様なものであった。リン、ヒ素および鉛の各レベルは、rで処理された。洗浄された水は、その後、石灰層と活性炭層を連続的に通過させた。廃水中のリン・レベルは、重金属レベルの減少につれ、劇的に減少した。
Claims (9)
- コンポスト化の方法であって、
プレバイオティック材料、プロバイオティック材料および1またはそれよりも多い鉱物グルコン酸塩を組み合わせて、コンポスト混合物を形成すること、
コンポスト混合物をコンポスト・ベースに組み込むこと、
堆肥化条件を制御し、コンポスト混合物を分解させること、ならびに
コンポスト混合物を十分に安定化および成熟させること
を含んで成り、
鉱物グルコン酸塩がグルコン酸第一鉄である、コンポスト化方法。 - 重金属を含んだ土壌を処理する方法であって、
(a)1またはそれよりも多い土壌結合重金属を含んだ土壌を供すること、および
(b)土壌に対して鉄含有コンポストを加えること
を含んで成り、
加えられる鉄含有コンポストが、(i)プレバイオティック材料、(ii)プロバイオティック材料、および、(iii)グルコン酸第一鉄をコンポスト化することによって調製され、鉄含有コンポストによって土壌pHが5未満の酸性pHへともたらされ、それによって、土壌結合重金属の少なくとも一部が生物学的に利用可能となる、処理方法。 - 土壌を洗浄し、生物学的に利用可能な重金属の少なくとも一部を液相へと抽出することを更に含んで成る、請求項2に記載の処理方法。
- 酸性pHを5よりも高いpHへと中性化すべくアルカリ添加剤を加え、それによって、生物学的に利用可能な重金属の少なくとも一部を鉄(III)、鉄(II)またはそれらの組合せへと結合させる、請求項3に記載の処理方法。
- アルカリ添加剤が、ドロマイト、水酸化ナトリウムまたは石灰である、請求項4に記載の処理方法。
- 1またはそれよりも多い重金属が、鉛、ヒ素またはそれらの組合せである、請求項2〜5のいずれかに記載の処理方法。
- プロバイオティック材料が乳酸菌を含んで成り、プレバイオティック材料が肥やしを含んで成る、請求項2〜6のいずれかに記載の処理方法。
- 土壌および廃水からリンを除去する方法であって、
(a)1またはそれよりも多い土壌結合リン形態を含む土壌を供すること、
(b)土壌に対して鉄含有コンポストを加えることであって、鉄含有コンポストが、(i)プレバイオティック材料、(ii)プロバイオティック材料、および(iii)グルコン酸第一鉄をコンポスト化することによって調製され、鉄含有コンポストによって土壌pHが5未満の酸性pHへともたらされ、それによって、土壌結合リンの少なくとも一部が可溶性を有するようになること、
(c)可溶性リンを溶液相中へと抽出して廃水を得ること、ならびに
(d)アルカリ材料層および活性炭層を通して廃水をろ過すること
を含んで成る、方法。 - アルカリ材料層が、ドロマイト、水酸化ナトリウム、石灰またはそれらの組合せを含む、請求項8に記載の方法。
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