JP7226909B2 - 帯水層のマトリックス逆拡散の処理 - Google Patents

Description

本出願は、帯水層のマトリックス逆拡散の処理に関する。

人工の有毒化合物及び発がん性化合物による地表下の地下水汚染は、広く世界中に広がっている。この汚染物質のソースには、工業プロセス、炭化水素燃料、及びドライクリーニングの化学物質に使用されている溶剤が含まれる。多くの場合、これらの汚染物質は、管及び地下貯蔵タンクの漏れ、マテリアルハンドリングの未熟さ、及び災害的な流出により、環境中へ放出される。放出時、液体及び気体状の汚染物質は、不飽和土壌及び破砕岩盤を通じて下に移動し、最終的には地下水に影響を及ぼす。

地下水汚染物質の移動
抑制されていない地下水汚染のソースは、地下水系又は帯水層を通じて動く、混ざり合った又は相分離した汚染物質分子のプルームを生成する。不均一物質からなる（例えば、砂層及び粘土層からなる）帯水層において、汚染物質は、主として、より高透水性のゾーン（例えば、砂）を通じて流れる傾向にある。より高透水性のゾーンが輸送する汚染物質の濃度は高いので、拡散勾配が生じ、隣接する、より低透水性のゾーン（例えば、粘土）中に汚染物質が進められる。時間を通じて、これにより、隣接するより低透水性のゾーンが、混ざり合った相当な量の汚染物質を貯蔵することになる。

地下水浄化及び逆拡散
過去数十年を通じて、地下水浄化手法は、単純な地下水抽出技術から、例えば界面活性物質フラッシング剤と、酸化剤と、還元剤と、汚染物質の現場での生分解を刺激するための補助剤との注入を伴う原位置処理手法へ発達した。これらの手法は、主に帯水層系中の高透水性のゾーンに影響を及ぼすことが示された。

このように、旧来の浄化アプローチでは、より高透水のゾーンから混入物質の濃縮物が除去される一方で、より低透水性のゾーンはそれほど処理されない。これによって、混入物質拡散勾配において「逆拡散（ｂａｃｋ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）」と称される逆転が起きる。逆拡散では、より低透水性のゾーンに貯蔵されている混ざり合った混入物質の濃縮物が、混入物質が除去されていた、より高透水性の領域中へ拡散によって戻る。逆拡散は極めて長い期間にわたって生じ、帯水層浄化の試みの後に、持続性の低レベルの混入物質によって地下水井戸へ影響がもたらされることが示されている。

逆拡散による浄化プログラムの停滞
研究評議会からの最近の報告書（ＮＲＣ、２０１２及びその参照文献）では、合衆国において混入物質により汚染された３００，０００の土地の洗浄に対して、２０３３年までに２０００億ドル超が費やされるであろうことが推定された。これらの場所の洗浄に対する時間枠が引き伸ばされていることと、コストが増加していることとについての主要な理由の幾つかは、「極めて不均一な地下環境における問題の性質及び程度を特定することの難しさ、及びこれらの地質状況のうちの多くにおいて回復を達成できなかった浄化技術の使用」である。これに加えて、この文書では続けて、逆拡散（マトリックス逆拡散としても知られる）が、複雑な場所において地下水を洗浄する能力を制限する顕著なプロセスの１つであることを確認している。また、このＮＲＣ報告書では、「離脱／拡散が制限されている局所的な場所からの混入物質の除去を優先的に目標とし、且つ加速させることが証明されている浄化手法が存在しない」ことも示されている。この報告書に鑑みて、マトリックス逆拡散に関連する地下水混入に対処し、したがって混入物質により汚染された土地
のより迅速且つ低コストな洗浄を可能にする手法の必要が、明確に存在する。

従来技術
従来の吸着剤のうち、最も一般的なものは粒状活性炭（ＧＡＣ）であり、水から有機混入物質を除去するための地上（エクスサイチュ（ｅｘ－ｓｉｔｕ））処理システムにおいて広く使用されている。これに加えて、生物活性炭（ＢＡＣ又はＢｉｏ－ＧＡＣ）は、流動床処理システムにおいて水から混入物質を効果的に除去することが実証されている。しかしながら、これらのシステムはどちらも、混入物質のマトリックス逆拡散から生じる地下水混入の原位置処理に対して効果的に適用されることができない。粒径が大きいことによって（４０μｍから約１ｃｍまでの範囲）、注入時における帯水層の透水ゾーンを通じたこれらの物質の輸送が妨げられる。水圧破砕法を用いて大きな固体粒子の分散を増加させることができるが、しかしながら、これは、低圧注入よりコストがかかり、注入物質の分散に対してより低い制御をしか示さない。マトリックス逆拡散の界面まで、より高透水性のチャネルを辿るのではなく、透水性が異なる複数のゾーンを通じて孔隙が無作為に広がっている。

粉末又は粒状活性炭は、浸透壁又はトレンチの形態により原位置（ｉｎ－ｓｉｔｕ）で適用されることがある。このアプローチは極めてコストがかかり、帯水層においてそのトレンチに関連する部分と、トレンチを通じて流れる水とを処理するのみである。マトリックス逆拡散が生じる混入の局所領域に対処することはできない。

低透水性の帯水層ゾーンと高透水性の帯水層ゾーンとの界面における混入物質のマトリックス逆拡散の問題に対処する浄化アプローチの必要がある。この問題に対する解決法は、理想的には、逆拡散の速度を加速させ、混入物質の処理の速度を高めるものである。

浄化化学物質を帯水層地表下中へ導入するために、コロイド状バイオマトリックスが、本技術において知られる様々な手法の何れかによって帯水層の透水ゾーン中へ配置され、続いて混入物質を減少させる、原位置地下水浄化についての方法と組成を開示する。ここで、コロイド状バイオマトリックスには、地下水に導入されると地下水における混入物質を除くように働くことが可能な、水溶液中に分散されている吸着剤粒子が含まれる。ここで、このような粒子は、このコロイド状バイオマトリックスが与えられる土壌の種類と、注入されるこのような物質の量とに応じて、少なくとも５ｃｍから、約５メートルまでの範囲において輸送される。都合のよいことに、本発明の吸着剤粒子が混入物質を収集する際に、この粒子は、このような混入物質を生分解可能な細菌のコロニーを形成させるように働くこともできる。

都合のよいことに、本発明の方法は、任意の有機混入物質と共に塩素化及びフッ素化混入物質の処理に利用されることができる。本発明の組成及び方法は、さらに、マトリックス逆拡散プロセスに関連する困難を克服する、混入物質により汚染された地下水の迅速な浄化を提供するように働くことが可能である。

後述される詳細な説明は、本発明の現在好適な実施形態の説明として意図されるものであり、本発明が実装又は実行され得る唯一の形態を表すことは意図されていない。本説明では、本発明を実施するための工程の機能及びシーケンスが示される。しかしながら、同一又は均等の機能及びシーケンスが様々な実施形態によって達成され得ることと、それらは本発明の範囲内に含まれることも意図されていることとが、理解されるだろう。

本発明によって、マトリックス逆拡散に関連する残留混入についての広がる問題に対処する、原位置地下水浄化の効率的な手段が提供される。この方法には、低圧注入による帯
水層の透水ゾーン中へのコロイド状バイオマトリックスの配置、重力供給、又は浄化化学物質を地表下へ導入する他の一般的な手段が含まれる。

コロイド状バイオマトリックスは、注入の際に土壌及び地下水を通じて効果的に輸送されるように水溶液中に分散されている吸着剤粒子から構成されている。このコロイドは、次いで、地表下における分散の後に土壌に堆積する。これらの粒子の輸送は、この土壌の種類と注入量とに応じて、少なくとも５センチメートルから、約５メートルまでの範囲に及ぶ。

帯水層の透水ゾーンにおける堆積の後に、このゾーンにおける地下水の混入物質濃度は減少し、したがってより低透水のゾーンの外への混入物質の拡散の速度は増加する。本発明の吸着剤粒子が混入物質を収集する際、この吸着剤粒子には混入物質を生分解可能な細菌がコロニーを形成する。前述のように、自然の生分解プロセス（自然浄化）を強化するために本発明を使用することや、混入物質の生分解を強化する試薬と共にバイオマトリックスを添加することができる。

要約すると、バイオマトリックスは、細菌の増殖と地下水からの混入物質の吸収をサポートする吸着剤粒子の集合として定義される。本発明において、これらの粒子は、混入物質により汚染されている帯水層のより高透水性のゾーン全体に効果的に分散されることができる。これらの特徴により、本発明が以下の工程によって混入物質により汚染されている土地において地下水を浄化することが可能となる。

１）現在の混入を吸収するために、帯水層の透水ゾーンを通じてコロイド状吸着剤バイオマトリックス粒子を輸送する工程、
２）コロイド状バイオマトリックス粒子を土壌に堆積させて、低透水性のゾーンの界面を含め帯水層の透水チャネル中に存在させる工程、
３）細菌と混入物質との両方が存在するためのマトリックスを提供し、それによって混入物質を破壊する生分解の効率を上げる工程、
４）低透水性のゾーンと高透水性のゾーンとの界面において、地下水中の混入物質濃度を減少させ、それによって低透水性のゾーンの外への混入物質の拡散の速度を増加させる工程。

全体として、このアプローチは、混入物質の吸着及び生分解によって混入物質により汚染された地下水の迅速な浄化を提供し、マトリックス逆拡散プロセスに関連する困難を克服する。

本発明のコロイド状吸着剤は、ゼオライト、オルガノクレイ、及び活性炭を含む、水から混入物質を効果的に吸着する任意の物質であることができる。コロイド状吸着剤は、オルガノクレイ（Ｏｒｇａｎｏｃｌａｙ）（登録商標）、セントクラウド（Ｓｔ． Ｃｌｏｕｄ）（商標）ゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）、又はダルコ（Ｄａｒｃｏ）（登録商標）活性炭などの幾つかの市販の吸着物質から作成されることができる。好適な実施形態では、吸着物質として活性炭が用いられる。

コロイド状吸着剤の粒径は、０．１～１０マイクロメートル、好適には１～５マイクロメートルである。
本発明によって処理される地下水混入物質は、活性炭及び水浄化において使用される他の吸着剤に対して吸着する任意の有機混入物質である。これには、全ての石油系炭化水素（例えば、ガソリン、ディーゼル燃料、モーターオイル、及び他の成分）、塩素系溶剤（トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ジクロロエチレン、塩化ビニル、塩化エタン、塩化ベンゼンを含む）、及びフッ化化合物（ペルフルオロオクタンスルホン酸塩及び
ペルフルオロオクタン酸を含む）が含まれる。これらの地下水混入物質は、例として挙げられており、本発明の範囲を限定することを意図しない。

上述の説明は、例として与えられたものであり、限定事項ではない。当業者であれば、上述の開示を考慮して、マトリックス逆拡散に関連する残留混入に対処するように混入物質により汚染された地下水を浄化する様々な方法を含む、本明細書に開示の本発明の範囲及び精神に包含される変形形態を考案することが可能である。さらに、本明細書に開示されている実施形態の様々な特徴は、単独で又は互いに異なる組み合わせにおいて使用されることが可能であり、本明細書に記載の特定の組合せに限定されることを意図するものではない。したがって、特許請求の範囲は、例示の実施形態により限定されるものではない。本発明の追加の変更と改良も、当業者にとって明白であり得る。したがって、本明細書で記載及び説明された要素及び工程の特定の組み合わせは、本発明の所定の実施形態のみを表すことを意図しており、本発明の精神及び範囲の中における代替的な装置及び方法の限定となることを意図しない。

Claims (3)

1. 高透水性のゾーンと、低透水性のゾーンと、それらのゾーン間の界面とを有する帯水層系において低透水性のゾーンから外へ拡散する有機汚染物質を処理する方法であって、
   ａ）前記高透水性のゾーンと前記低透水性のゾーンとの間の前記界面を特定し、前記高透水性のゾーンにコロイド状吸着剤を堆積させる工程であって、前記コロイド状吸着剤は、０．１～１０マイクロメートルの範囲の粒径を有する活性炭からなる吸着剤粒子であり、前記コロイド状吸着剤の前記吸着剤粒子の一部は、前記高透水性のゾーンを通じて５センチメートル～５メートルの距離を輸送され、前記吸着剤粒子の少なくとも一部は、前記高透水性のゾーンに存在させるとともに、前記吸着剤粒子の少なくとも一部は、前記界面まで輸送されて該界面に堆積される、工程と、
   ｂ）工程ａにおいて前記高透水性のゾーンに存在させた前記吸着剤粒子の表面に、前記高透水性のゾーンに位置する有機汚染物質を吸着する工程と、
   ｃ）工程ａにおいて前記界面に堆積された前記吸着剤粒子の前記表面に、前記低透水性のゾーンから拡散する有機汚染物質を吸着する工程と、を備える、方法。
2. 前記コロイド状吸着剤は、１～５マイクロメートルの範囲の粒径を有する活性炭からなる吸着剤粒子である、請求項１に記載の方法。
3. 前記コロイド状吸着剤は、工程ｂおよび工程ｃにおいて吸着された有機汚染物質を生分解可能な細菌のコロニーを形成させる、請求項１に記載の方法。