JP7423334B2 - 土壌浄化の解析方法 - Google Patents
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Description
図2(A)及び(B)には、解析システム10による土壌浄化の評価の対象とされる汚染土壌浄化システム30が示されている。汚染土壌浄化システム30とは、地盤としての地下土壌32内に含まれる浄化対象物質としての汚染物質を分解し、浄化するためのシステムである。汚染土壌浄化システム30は、地下土壌32に配設された揚水井戸34及び注水井戸36と、注水井戸36から注水する水を加温する図示しない加温装置を含んで構成されている。なお、以下の説明では、注水井戸36から注水される水は加温されているとして説明するが、これに限らず、加温されていない水が注水井戸から注水されてもよい。
地下土壌32は、地表面GSよりも下方側の土壌であり、砂を含んで形成されると共に地下水WGが流れる帯水層32Aと、帯水層32Aの下方側(地下側)を形成し、地下水WGが流れない粘土層(不透水層)32Bと、帯水層32Aの上方側(地上側)を形成する地層32Cと、を含んで構成されている。地下土壌32のうち、汚染物質が基準値(例えば、汚染物質の種類毎に規定された値)以上含まれている部分を、汚染土壌Eと称する。ここで、「汚染物質」とは、例えば、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、1,2-ジクロロエチレン、クロロエチレン、塩化ビニルモノマー、ベンゼン等の有機物、シアン等の無機化合物、及びガソリンや軽油等の鉱油類を含む概念である。
汚染土壌Eの外側の地下土壌32には、汚染土壌Eを囲むように下端が粘土層32Bまで根入れされたソイルセメント製の遮水壁38が配置されている。このため、汚染土壌Eは遮水壁38と粘土層32Bに囲まれることとなり、汚染物質が遮水壁38の外側の地下土壌32へ流出することを抑制することができる。具体的には、遮水壁38の外側の地下土壌32における地下水WGの流れと汚染土壌Eの内部における地下水WGの流れWFとを遮断し、地下土壌32における地下水WGが汚染土壌Eの外側の地下土壌32に影響を及ぼさないように構成されている。
汚染土壌Eと遮水壁38との間に、地下土壌32から地下水WGを揚水する1本又は複数本の揚水井戸34が配置されている(図2中には1本図示されている)。また、揚水井戸34は、例えば、塩化ビニール管や鋼管等により構成され、帯水層32Aに配置する部位に地下水WGを取水するための孔またはスリットによって形成されたスクリーン(図示省略)を備えており、スクリーンは、浄化対象の帯水層32Aに対して設置されている。このため、帯水層32Aの地下水WGを揚水井戸34内に流入させることができる。ここで、揚水井戸34による揚水の具体的な方法や揚水井戸34の形状、サイズ等については公知であるため、詳細な説明を省略する。
汚染土壌Eと揚水井戸34から離れた側の遮水壁38との間に、ポンプ40を用いて揚水された地下水WG又は水道水、蒸留水、汚染物質の水溶液(以下、水等WTと称する)を地下土壌32に注水する1本又は複数本の注水井戸36(図2中には1本図示されている)が配置されている。注水井戸36は、浄化対象の帯水層32Aに到達するように地下土壌32に埋設されている。また、注水井戸36は、例えば、塩化ビニール管や鋼管等により構成され、帯水層32Aに配置する部位に水等WTを流出させるための孔またはスリットによって形成されたスクリーン(図示省略)を備えている。また、水等WTは、ヒーター等を備えた加温装置により加温された温水HWとして地下土壌32に注水される。このため、注水井戸36から帯水層32Aへ加温された水等WT(温水HW)を流出させることができる。これにより、地下土壌32内を加温し、汚染物質を生物分解する分解微生物MCの増殖を促進すると共に分解微生物MCの活性を向上することができる。ここで、注水井戸36の形状、サイズ等については公知であるため、詳細な説明を省略する。なお、加温装置により加温された水等WTには、加温された上で微生物活性剤が添加されてもよい。さらに、水等WTには、栄養剤や蛍光センサーが混合されてもよい。
解析システム10は、例えば、汚染土壌浄化システム30に基づき設定された初期条件や境界条件(例えば、井戸の配置、注水量及び揚水量等)について移流分散方程式を演算することにより地下土壌32の内部における汚染物質の地下水WGに対する濃度の時間変化を求める(算出する)。これにより、地下土壌32の浄化の効果を評価することができる。地下水WG(溶媒)に溶解している汚染物質(溶質)の挙動は、主に(1)移流、(2)分散、(3)拡散、(4)吸着(遅延)、(5)分解(減衰反応)の組み合わせで表現することができる。
(1)移流:地下水WGの移動により、地下水WGに溶けた汚染物質(化学物質)も一緒に移動する現象である。
(2)分散:地下水WGに溶解した汚染物質が地下土壌32の内部を移動する際に、地下土壌32の内部の間隙のミクロな分岐によって地下水WGの流速が不均質になる。このため、例えば、地下水WGが地盤内の異なる地点に到達したり、同じ地点に早く又は遅く到達したりする。これにより、物質の移動速度が地盤内で一律(一様)ではなくなると共に水に溶けた化学物質の濃度も一律でなくなるため地盤内で分布を生じる現象である。
(3)拡散:化学物質の分子のブラウン運動により拡散していくことにより水に溶けている化学物質の濃度が地盤内で分布を生じる現象である。
(4)吸着(遅延):水に溶けた化学物質の分子が地盤内において土壌の表面あるいは土粒子内部間隙に取り込まれる(吸着する)現象をいう。一旦吸着された化学物質の分子が、再び地下水中に放出される現象は脱離という。化学物質が地下水の流れにのって地盤中を移動する場合、吸着作用があれば、吸着が無い場合よりも化学物質の下流への到達時間は遅くなる。このため、吸着は遅延の効果として現れる。
(5)分解:地盤中において地下水に溶解している化学物質が、例えば、分解微生物MCにより別の物質へ分解されることにより水に溶けた化学物質の濃度が変化する現象(減衰現象)である。
移流、分散、拡散、吸着(遅延)及び分解(減衰反応)の組み合わせにより表現される移流分散方程式は、一般的には次式のように表すことができる。
図4には、浄化対象区域における汚染されていない(汚染物質を含まない)の地下土壌32に汚染物質を含有するガスGGを通気させるための通気試験装置42が示されている。第1係数としての分配係数Kdは、一定温度に保たれた実験室内(恒温室内)における通気試験に基づいて算出することができる。通気試験では浄化対象区域における汚染されていない(汚染物質を含まない)の地下土壌32が充填された複数のカラム44に汚染物質を気化したガスGGを数日以上通気する。これにより、汚染土壌Eを模擬し、当該汚染土壌Eの吸着係数R(分配係数Kd)を算出することができる。また、複数の温度条件下で通気試験を行うことにより温度変化が分配係数Kdに及ぼす影響(温度依存性)も評価することができる。
図5には、物質移動係数βk2と飽和分配係数Kd2 k2の算出するために汚染物質を含む地下土壌32に水等WTを所定の期間通水するための通水試験装置56が示されている。通水試験装置56は、一定温度に保たれた実験室内(恒温室内)に設置されている。通水試験ではカラム58に充填された地下土壌32に汚染物質を吸着した上で、カラム58に汚染物質を含まない水等WTを連続して通水し、カラム58を通過した水等WTに対する汚染物質の濃度の時間変化から、物質移動係数βk2と飽和分配係数Kd2 k2を算出する。
次に、本実施形態に係る土壌浄化の解析方法を適用した解析システム10の作用並びに効果について説明する。
32 地下土壌(地盤)
GP 間隙
k 溶質(浄化対象物質)
Kd 分配係数(第1係数)
Kd2 k2 飽和分配係数(第2係数)
SF 表面
SP 土粒子
WG 地下水
βk2 物質移動係数(第2係数)
Claims (1)
- 地盤の内部へ注水すると共に前記地盤の内部から揚水することにより前記地盤の内部の地下水に対する浄化対象物質の濃度を低下させる土壌浄化を評価するにあたり、
前記地盤の土壌間隙率をφ、前記地盤の土壌の土粒子の間隙の体積に対する浄化対象物質の水溶液の体積の割合をS w 、地下水の密度(比重)をρ w 、地下水に溶解している浄化対象物質の濃度をX w k 、地下土壌の密度(比重)をρ R 、前記土粒子の表面への吸着の効果を表す浄化対象物質についての分配係数K d をK d k 、地下水の流速をu w 、分散と拡散の効果を表す分散拡散係数をD、地下水中において浄化対象物質が前記土粒子の間隙へ移行する効果を表す物質移動係数をβ k2 、前記土粒子の間隙へ移行する浄化対象物質の質量の限界質量を表す飽和分配係数をK d2 k2 、前記土粒子内に吸着している浄化対象物質が前記土粒子の間隙に全て溶出した場合の浄化対象物質の地下水に対する濃度をX w k2 、時間を表す変数をt、空間を表す変数をxとしたときに、前記分配係数K d k 、物質移動係数β k2 および飽和分配係数をK d2 k2 を室内試験によって求め、
前記土粒子の表面と地下水との間の浄化対象物質の質量保存則を表す次の(1)式と、
…(1)
前記土粒子の間隙と地下水との間における質量保存則を表す次の(2)式と、
…(2)
移流分散方程式と、の連立方程式を演算することで、前記地下水における前記浄化対象物質の濃度と浄化時間の関係を演算する土壌浄化の解析方法。
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