JPH09508573A - 汚染された土地の処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 金属種で汚染された土地又は土壌の処理法であって、該方法は、土地又は土壌を処理して金属種を金属硫酸塩に変換する段階、及びその後で土地又は土壌を生化学的プロセスにより処理して内部に含まれる金属硫酸塩を不溶性金属硫化物に変換する段階からなる。

Description

【発明の詳細な説明】汚染された土地の処理方法 本発明は汚染された土地の処理方法、特に土地又は土壌の汚染物質（特に重金 属汚染物質）を固定化するための生化学的方法に関する。 世界中の大半の土地は、工業、廃棄物処理及び他の活動の結果、有機物質や無 機物質の両方に汚染されている。このような汚染物質の例としては、毒性重金属 （例えば水銀、カドミウム、バリウム及び鉛）、放射性核種（例えばアクチノイ ド）、核分裂生成物、並びに有機汚染物質（例えばポリ塩素化ビフェニル（ＰＣ Ｂ）、ダイオキシン、コールタール及びトリクロロエチレン）が挙げられる。こ のような汚染物質によって地下水、従って飲料水の供給はかなりの脅威にさらさ れ、土地の再利用が制限される又は妨げられる場合も多い。更には、米国での最 近の法律制定及びＥＣや他の諸国での同様の法律制定によって、廃棄物産出業者 は自社の廃棄物に対して責任ある行動を取らなければ告発されて回収や洗浄の費 用を負担するというケースが増加している。従って、土地汚染の問題を解決し得 るテクノロジーの必要性が増している。 今日までに、汚染された土地を回復させるために幾つか の技術が開発された。例としては、土壌の安定化、エレクトロミグレーション（ ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）、ガラス化、揮発、焼却、土壌洗浄、ポン プ及び処理系、土地の農地化（ｌａｎｄ ｆａｒｍｉｎｇ）、スラリー相生物回 復（ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ）等が挙げられる。これらの公知の技術には 、以下に示す幾つかの欠点を有するものが多い： ａ）金属で汚染された土地の処理には適さないこと（例えば生物学的なポンプ及 び処理系の場合）； ｂ）制御や取扱いが困難であり及び／又は容量の多い二次廃棄物が生ずること（ 例えば土壌の安定化や焼却の場合）； ｃ）土地のｉｎ−ｓｉｔｕ処理には適さないこと（例えば多くの土壌洗浄及び安 定化系は現場での埋戻しの前に土壌の掘削や前処理を必要とする）； ｄ）様々な場所の処理には適さないこと（例えば、動電（ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎ ｅｔｉｃｓ）技術を用いた金属除去の効率は、沈殿した塩又は二次鉱物の存在に よって制限され得る；土壌安定化技術の効率は有機物の存在によって制限される ）； ｅ）コストが高いこと（例えば埋立ごみ処理、焼却、ガラ ス化及び動電法の場合）。 本発明の目的は、上述の制限を最少化した汚染された土地を処理する方法を提 供することである。 本発明では、土地又は土壌を処理して金属種を金属硫酸塩に変換し、その後土 地又は土壌を処理してそこに含まれる金属硫酸塩を生化学的に不溶性金属硫化物 に変換するステップからなる、金属種で汚染された土地又は土壌の処理方法を提 供する。土壌又は土地に含まれる他の金属塩も同様に還元され得る。 金属種から金属硫酸塩への変換は、土地又は土壌を硫酸又は金属硫酸塩溶液と 接触させる方法によって行われ得る。あるいは、例えば後述するように生化学的 経路で土壌中又は外部のバイオリアクター内の硫黄物質源から硫酸を生成させる ことによって土地又は土壌を生物浸出させることができる。このようにして生成 された硫酸は、金属種の汚染物質を溶解させる。 土地又は土壌中には数種の金属種が存在し得、これらは種々の金属硫酸塩に変 換され得る。本明細書で使用する「金属種」という用語は、金属、合金、金属塩 、メタロイド、並びに金属含有化合物及び錯体を包含する。 従って、本発明では、汚染された土地内で金属（特に重金属）含有不溶性硫化 物をｉｎ−ｓｉｔｕで鉱化する方法を提供することが有益である。この方法は、 有機汚染物質の分解及び金属で汚染された土地の処理のための既存の生化学的方 法、例えば本出願人らによる同時係属中の英国特許第９４１４４２６．８号及び 英国特許第９４１４４２５．０号に記載されている循環式回復（ｃｙｃｌｉｃ ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ）法（共に同日付けで出願された同時係属中のＰＣＴ出 願の主題である）に適合する。本方法は、以下の場合に特に適用され得る： １．不溶性であるため、生物浸出又は硫酸洗浄を行って金属（例えば鉛及びバリ ウム）を除去することができない金属含有硫酸塩。 ２．金属汚染が実質的に表面下で発生したため、ｅｘ−ｓｉｔｕ技術で容易に処 理できない場合、例えば地下貯蔵タンクからの汚染。 ３．英国特許第９４１４４２６．８号及び英国特許第９４１４４２５．０号に記 載の循環式生物回復法でのｉｎ−ｓｉｔｕ生物浸出後の作業停止（ｃｌｏｓｅ− ｄｏｗｎ）手順として。これにより残留金属が回復後に地下水に入り込 むことはなくなる。 ４．汚染が嫌気的区域、又は嫌気的に維持され得るために浸出による処理には付 されない区域に存在する場合。 ５．処理によって帯水層に入る金属の濃度が許容限界まで低下する場合。 ６．処理によって汚染物質を土地のより深いところまで移動させて、危険を少な くすることができる場合。 本発明は、汚染区域内の天然又は付加された硫酸塩還元細菌を刺激して、水性 金属硫酸塩を直接又は硫化水素の作用により不溶性金属硫化物に変換する硫酸塩 から硫化物への変換ステップを含む。このような転換を可能とする微生物には、 Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ、Ｄｅｓｕｌｆｏｍｏｎａｓ及びＤｅｓｕｌｆｏｔ ｏｍａｅｕｌｕｍ種が含まれる。これらの生物は乳酸塩やエタノールのような単 純な有機化合物を酸化させると同時に、硫酸塩を硫化物に還元して、増殖に必要 なエネルギーを得る。しかしながら、場合によっては、より複雑な炭素源、例え ばフェノール化合物、又は土壌の有機物質を使用することができる。 硫酸塩還元細菌（ＳＲＢ）は増殖のために嫌気的環境、即ち−１００ｍＶ未満 の酸化還元電位を必要とし、嫌気的 土壌環境で自然に発生するので、硫酸塩変換ステップでの使用に完全に適してい る。更には、酸素を供給する必要がないので、既存の多数のｉｎ−ｓｉｔｕ生物 回復法の重大な欠点の一つが克服される。 有機電子供与体を必要とする他に、１種以上の種々の栄養素添加物の源をＳＲ Ｂに加えて、増殖や活性を促進することが望ましい。このような添加物には、硫 酸塩、リン酸塩、アンモニウム、及び場合によっては硫酸マグネシウム又は塩化 カルシウムのうちの１種以上が含まれ、これは特定の場所によって決定される。 既存の方法を用いて、これらの成分の１種以上を汚染された区域に注入すること ができる。 栄養素又は可溶化金属が地下水に放出されないようにするために、本方法は更 に浸出液回収系を含み得る。従って、浸出液を土壌から排出、収集及び分離する ことができる。不溶性硫化物は付近の上水道を汚染する危険が少ないので、土壌 中に残留させてもよい。 本発明の方法によって処理すべき土地の金属種汚染物質は、土地の粒状物質の 表面上に含まれ得るか又は粒子内部で結合し得る。 金属種汚染物質の金属には、 ｉ）アクチノイド又はその放射性壊変生成物又はその化合物； ii）核分裂生成物； iii）重金属又はその化合物 が含まれ得る。 アクチノイドは原子番号８９〜１０４の元素である。 本明細書で使用する「核分裂生成物」という用語は、核燃料の核分裂で直接産 物として生成された元素（又はいわゆる「核分裂片」）及びβ壊変又は内部遷移 （ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）によって上記直接産物から生じた生成物を指す。核 分裂生成物には、周期表のセレンからセリウムまでの元素、例えば₅₆Ｂａ、₄₀Ｚ ｒ、₅₂Ｔｅ、₅₅Ｃｓ及び₅₈Ｃｅのような元素が含まれる。 本発明の方法によって処理すべき土地の汚染物質であり得る非放射性重金属に は、ニッケル、鉛、カドミウム、バリウム及び水銀のような毒性金属が含まれ、 これらは通常、上記元素を含む化学物質を使用した工業プラント付近の土中汚染 物質として又は水中沈降物で、また廃棄物処理場で検出されている。 本発明の方法によって固定化される金属種汚染物質には、放射性金属種汚染物 質と非放射性金属種汚染物質との混合物が含まれ得る。 本発明の方法の実施態様では、水溶液と硫酸に生物変換し得る硫黄物質源との 適切な混合物を処理すべき土壌又は土地に注入するか又はこれと混合して、金属 硫酸塩に変換させることができる。窒素含量の多い又はリン含量の多い物質や空 気のような他の成分を任意に添加してもよい。硫酸塩への生物変換は土地に存在 する微生物によって公知の方法で実施され得る。これらの微生物は天然に存在し てもよいし、土地に加えてもよい。硫黄物質には硫黄元素又は他の還元形態の硫 黄が含まれ、水性媒体中に注入することが好ましい。 代替法としては、上記例の各々の硫酸を別個のバイオリアクター内で化学的又 は生化学的に生成して、生成後に土地又は土壌物質に加えることができる。 他の金属硫酸塩（例えば硫酸ナトリウム）を添加して汚染金属と反応させるこ とによって、金属硫酸塩を生成することもできる。 天然の硫黄を酸化させる生物（例えばＴｈｉｏｂａｃｉ ｌｌｕｓ ｆｅｒｏｏｘｉｄａｎｓ及びＴｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｔｈｉｏｏ ｘｉｄａｎｓ）の公知の作用によって、処理すべき土壌で生物変換を起こして硫 酸塩イオンを生成してもよい。これらの生物は、還元形態の硫黄を酸化させて金 属硫酸塩や硫酸を生成するか又は第一鉄を第二鉄に酸化させることによって増殖 に必要なエネルギーを得る。金属放出は、上記の酸浸出の他に、以下の機構： ａ）金属硫化物の直接の攻撃； ｂ）適切な電解質（例えば硫酸）中に浸漬した２種の異質な金属種間の接触によ って生ずる電気化学プロセス（直流電気（Ｇａｌｖａｎｉｃ）変換）；又は ｃ）硫酸第二鉄の酸化作用 の一つ以上によって生じ得る。 土壌中での金属硫酸塩の生成に使用される酸は、天然の硫黄を酸化させる生物 （例えばＴｈｉｏｂａｃｉｌｌｉ）の共同体（ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）の増殖に よって生成され得る。土壌中に適切な微生物が不足している場合、上記微生物を 同様の土壌環境から得た混合共同体として加えることができる。 本発明の特定例では、本出願人らの第９４１４４２６． ８号又は第９４１４４２５．０号に記載の汚染された土地の循環法処理の後に、 硫酸塩から硫化物へのｉｎ−ｓｉｔｕ変換（還元）を実施することができる。い ずれの場合も、汚染された土地の金属種を硫酸塩として生物浸出し、この硫酸塩 を別個のバイオリアクター内で硫化物に還元し、Ｈ₂Ｓ及び可溶性硫化物を不溶 性硫化物と分離して、生物浸出ステップで再利用するための再利用可能な形態の 硫黄物質に変換する。金属硫酸塩（又は他の可溶性塩）として溶解することので きる金属の生物浸出の後に、即ち循環法の終了後に、硫酸塩をｉｎ−ｓｉｔｕ還 元してもよい。生物浸出で処理された土地を、適切なバイオマスの培養物を添加 してｉｎ−ｓｉｔｕな硫化物の生成に必要なＳＲＢを提供することによって処理 してもよい。バイオマスは、プロセスの循環段階のバイオリアクター内で使用さ れたものと同一であってもよい。実際、土地に適用されるバイオマスは、循環段 階中に硫化物を生成するためにバイオリアクター内でそれまでに使用されていた ものであってもよい。 添付図面を参照し、実施例により本発明の実施態様を説明する。 図１は、本発明を具体化する方法によりｉｎ−ｓｉｔｕ で処理される土地の領域と、該方法に用いられる装置との断面図である。 図１に示されているように、土地の領域を、最初に循環汚染除去プロセス、次 いでｉｎ−ｓｉｔｕ鉱化段階により処理して回復を完了する。該領域は、レベル ２の下の地下水層３の上に重なる土壌層１を含む。層１は、その表面に備えられ た排水だめ５からの汚染物質の移行により生じた金属汚染領域４を含む。領域４ は水層３に及んでいる。監視井戸６が領域４を通って下方に突出し、測定すべき 領域４の汚染度を測定し得る。汚染領域４の深度及び寸法は適切な公知分析技術 を用いて前もって測定しておく。地表面は数字１８で示されている。 適当なキャリアー液例えば炭酸水で運ばれ得る栄養素源２２からの栄養素及び 酸を空の排水だめ５の底に加える。この添加は噴霧機７により行う。該液体は、 汚染領域に該物質を浸透させて土壌の酸性化を促進するように、適正配置された 注入井戸８及び集水埋キヨ９を介しても加えられる。排水だめ５の底のような浅 い汚染領域に硫黄元素を加えて混合し、上記のようにｉｎ−ｓｉｔｕでの生物浸 出を促進してもよい。 汚染領域４内での好気条件を生起・維持し得るように、一連の通気井戸１０（ その中の１つを示す）に接続された送風機２１により空気を送り込み、層１の汚 染領域４中に空気を取り込むか若しくは水層３の地下水に空気を注入するか又は その両方を行う。さらに、栄養素の添加速度は、汚染領域４内に嫌気条件が生起 しないように変化させ得る。栄養素及び酸を供給した層１及び水層３のプルーム 又は領域は参照番号２０で示されている。このプルームは層１及び水層３の汚染 領域を取り囲んでいる。 この処理により、上記のように領域４に酸性金属浸出が生ずる。これは、とき おり汚染領域４内の土壌を適当な分析法で測定して汚染金属が実質的になくなる まで数週間又は数ケ月間にわたり継続し得る。 Ｘ方向に自然発生又は人工的に形成される金属浸出処理産物を水層３の一部分 内で収集し、適切なポンプ（図示せず）を用い、一連の回収井戸１１（１つを示 す）を介して層１上の表面で受容し、該表面に戻す。水層３のレベル２は、水が Ｘ方向に流れやすくなるように集水埋キヨ２４を介して水を加えて調整し得る。 次いで、収集した液体を以下の場所： （ａ）汚染領域に再添加する前の通気及び適切な栄養素添加用緩衝タンク１２（ これは本方法の初期操作における主要経路である）； （ｂ）生物沈殿反応器１３； （ｃ）生物沈殿からのガス状流出物から硫化水素を除去する気液接触器１４ から選択されたところに送る。 液体は、反応器１３の底に入り、反応器１３を通って上方に流れる。従って、 反応器１３中に存在する硫酸塩還元微生物は、上記のように、流入する硫酸塩を 硫化物に変換する。 反応器１３において生物沈殿中に生成されたガス状流出物は反応器１３に接続 された気液接触器１４を通過する。接触器１４により硫化水素が回収できる。接 触器１４から流出する気流は二次スクラバーユニット１９を通って大気中に排出 される。 不溶性硫化物を含む生物沈殿スラッジを反応器１３の底で収集し、パイプライ ン１５を介して分離の処理プロセス、例えば、生物学的に促進される金属固定に 移すか、脱水・収集して別の金属回収場所に送る。スラッジを脱水して得 た液体は、再利用するために生物浸出プロセスに戻すか、さらに処理して排出し 得る。 生物沈殿から生ずる溶解硫化物を含む流出液を抽出し、気液接触器１４から生 ずる水性硫化物流と合わせる。次いで、合わせた水性硫化物流を気液接触器１６ を介して硫化物酸化反応器１７にポンプ輸送する。接触器１６により、反応器１ ７中の酸によって放出されたガス状硫化水素のアルカリ流入液による再溶解が確 実に行われる。 酸化反応器１７内で、硫化物含有液を適当な微生物と均質混合し、上記のよう に酸化して硫酸塩とする。次いで、生成された酸性液を緩衝タンク又はバイオリ アクター１２に移し、そこで、必要なら硫黄源２３からの硫黄元素をさらに加え て、上記のように（井戸８及び埋キヨ９及び噴霧機７を介して）土壌１中の汚染 物質に再添加する前に、反応器１７から運ばれた微生物により硫酸に酸化させ得 る。 従って、該金属除去処理プロセスは循環的であり、土壌層１の部分３中の金属 汚染物質は、金属除去プロセスの種々のサイクルの間に生化学的に形成された硫 酸を含む浸出溶液により徐々に浸出し、生物沈殿反応器１３中で形成された不溶 性硫化物として回収される。硫黄の一部は、酸 化反応器１７中で硫化物の酸化により回収され、金属汚染物質の土壌酸浸出に再 利用される。 該プロセスの循環段階の後で、井戸８、埋キヨ９及び噴霧機７を介して、バイ オリアクター１３に用いられたバイオマスを水性形態で土壌１に加える。それに よって、該プロセスの循環段階の間に生物浸出により除去されなかった土壌１中 の残留金属が徐々に不溶性硫化物に変換され、土壌中に固定されて、その後の長 期にわたる緩慢な浸出に起因する問題が排除される。さらに、バイオマス、水及 び公知還元段階の促進に適した他の栄養素をときどき添加してもよい。土壌試料 の組成は、不溶性硫化物への適当なｉｎーｓｉｔｕ生物変換が達成されるまで適 当な間隔を置いて分析し得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｃ２２Ｂ 3/18 7356−4Ｋ Ｃ２２Ｂ 3/00 Ｆ 7/00 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属種で汚染された土地又は土壌の処理法であって、土地又は土壌を処理し て金属種を金属硫酸塩に変換する段階、及びその後で生化学的プロセスにより土 地又は土壌を処理して内部に含まれる金属硫酸塩を不溶性金属硫化物に変換する 段階からなる前記方法。 ２．土地又は土壌を硫酸洗浄液と接触させる浸出プロセスにより金属硫酸塩への 変換を行う、請求項１に記載の方法。 ３．生化学的経路により土壌中の硫黄物質源から硫酸を形成させ、そのようにし て形成された硫酸が金属汚染物質を溶解することにより土地又は土壌を生物浸出 する、請求項１に記載の方法。 ４．生物浸出した硫酸塩を別個のバイオリアクター中で水素と金属硫化物に還元 し、硫化水素を不溶性硫化物から分離・酸化して、再利用し得る硫黄源を形成す る循環処理プロセスの一部として生物浸出を実施する、請求項３に記載の方法。 ５．循環処理プロセスの生物浸出の後で、土地又は土壌を処理してｉｎ−ｓｉｔ ｕで硫酸塩から硫化物に変換する、 請求項４に記載の方法。 ６．前記バイオリアクターにおける還元に用いたものと実質的に同一のバイオマ スを土地又は土壌に加え、ｉｎ−ｓｉｔｕでの土地又は土壌の硫酸塩還元を促進 する、請求項５に記載の方法。