(57)【要約】【課題】透過性地下水浄化壁に用いる吸着剤の必要量を精度良く求めることができる透過性地下水浄化壁の設計方法を提供する。【解決手段】吸着剤を有した、汚染された地下水を浄化するための透過性地下水浄化壁に必要な吸着剤量を算出する透過性地下水浄化壁の設計方法において、回分式槽型反応器による平衡吸着試験により吸着等温式のパラメータを求め、このパラメータに基づいて必要吸着剤量を算出する。回分式吸着速度試験による総括物質移動容量係数を求め、この総括物質移動容量係数と前記パラメータとに基づいて必要吸着剤量を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤を有した、汚染された地下水を浄化するための透過性地下水浄化壁に必要な吸着剤量を算出する透過性地下水浄化壁の設計方法において、
回分式槽型反応器による平衡吸着試験により吸着等温式のパラメータを求め、このパラメータに基づいて必要吸着剤量を算出することを特徴とする透過性地下水浄化壁の設計方法。
【請求項２】
請求項１において、前記平衡吸着試験後の液のｐＨに基づいて前記パラメータを補正し、この補正されたパラメータに基づいて必要吸着剤量を算出することを特徴とする透過性地下水浄化壁の設計方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、回分式吸着速度試験による総括物質移動容量係数を求め、この総括物質移動容量係数と前記パラメータとに基づいて必要吸着剤量を算出することを特徴とする透過性地下水浄化壁の設計方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、連続式管型反応器を用いて総括物質移動容量係数を求め、この総括物質移動容量係数と前記パラメータとに基づいて必要吸着剤量を算出することを特徴とする透過性地下水浄化壁の設計方法。
【請求項５】
請求項４において、実地盤環境下での水理条件で連続式管型反応器に通水し、総括物質移動容量係数を求めることを特徴とする透過性地下水浄化壁の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は透過性地下水浄化壁の設計方法に係り、詳しくは、吸着剤を用いた透過性地下水浄化壁が、所定期間の吸着性能を維持するために必要十分な吸着剤の量を算出する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
汚染帯水層の地下水を低コストに浄化する方法として、地下水浄化壁を設け、現場にて地下水を浄化する方法が提案された。この方法は、有機塩素化合物汚染地下水に適用され（特許文献１）、その後、重金属汚染地下水にも適用されるようになった（特許文献２，３）。
【０００３】
揮発性有機化合物、有害物質９項目（Ａｓ、Ｆ、Ｐｂ、Ｈｇ、六価クロム、シアン、Ｂ、Ｃｄ、Ｓｅ）を含めた重金属などを含有する地下水を浄化するための透過性地下水浄化壁に用いる吸着剤の評価方法は、一般的に回分式槽型反応器（バッチ試験）と連続式管型反応器（カラム試験）で行われる。バッチ試験は、設置する透過性地下水浄化壁の置かれる実際の環境とは固液比などが著しく異なるため、実際は、実使用条件に近似したカラム試験で得られる吸着容量を基に設計する（特許文献４、非特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平５−５０１５２０号公報
【特許文献２】ＵＳＰ５，８３７，１４５
【特許文献３】特許第３２１６０１４号公報
【特許文献４】特開２００５−２７９４９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「零価鉄を用いた透過性地下水浄化壁の長期性能の評価」地下水学会誌  第５１巻第４号  ３３１〜３４７（２００９）
【非特許文献２】「マルチバリア技術による汚染地下水浄化対策」大成建設技術センター報  第３８号（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カラム試験は数十年分の地下水を加速して通水するため、実際に設置する条件とは異なる結果が得られることが想定される。また、通水には長期の日程を要する。なお、汚染物質を添加して高濃度として、試験期間を短縮する方法も考えられるが、原理的に平衡吸着量が過大評価されるため、カラム試験での汚染物質の添加は好ましくない。
【０００７】
本発明は、透過性地下水浄化壁に用いる吸着剤の必要量を精度良く求めることができる透過性地下水浄化壁の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の透過性地下水浄化壁の設計方法は、吸着剤を有した、汚染された地下水を浄化するための透過性地下水浄化壁に必要な吸着剤量を算出する透過性地下水浄化壁の設計方法において、回分式槽型反応器による平衡吸着試験により吸着等温式のパラメータを求め、このパラメータに基づいて必要吸着剤量を算出することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、前記平衡吸着試験後の液のｐＨに基づいて前記パラメータを補正し、この補正されたパラメータに基づいて必要吸着剤量を算出してもよい。
【００１０】
本発明では、回分式吸着速度試験による総括物質移動容量係数を求め、この総括物質移動容量係数と前記パラメータとに基づいて必要吸着剤量を算出してもよい。
【００１１】
本発明では、連続式管型反応器を用いて総括物質移動容量係数を求め、この総括物質移動容量係数と前記パラメータとに基づいて必要吸着剤量を算出してもよい。この場合、実地盤環境下での水理条件で連続式管型反応器に通水し、総括物質移動容量係数を求めてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、汚染物質を添加したカラム試験を行うことなく、透過性地下水浄化壁に用いる吸着剤の必要量を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】透過性地下水浄化壁を地盤に設置した状態を示す縦断面図である。
【図２】カラム通水試験結果を示すグラフである。
【図３】吸着シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図４】バッチ吸着試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１５】
図１は地下水浄化壁を設置した地盤の模式的な断面図である。
【００１６】
図１，２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。汚染領域の地下水流向Ｗの下流側に地下水浄化壁５が設けられている。
【００１７】
汚染地下水浄化壁５は、地中に多数のボーリング穿孔を連続列状に施して、凹部を形成し、この凹部に、或いは地中に形成した穴（トレンチ）に、地下水浄化のための処理薬剤、即ち、地下水中の有害物質を吸着し得る吸着剤又はこの吸着剤と透水性材料との混合物を投入することにより透水性の層を設けて形成することができる。
【００１８】
浄化壁５を形成する吸着剤としては、地下水の汚染状況に応じて適宜選択されるが、例えば、鉄粉、活性炭、ハイドロタルサイト、希土類化合物、酸化マグネシウム、アルミナ、アロフェン、イオン交換樹脂、キレート樹脂、及び粘土鉱物よりなる群から選ばれる１種又は２種以上を用いることができる。
【００１９】
これらの吸着剤と併用し得る透水性材料としては、比較的粒径の大きな砂、砕石等を用いることができる。透水性材料を用いる場合、浄化薬剤と透水性材料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。
【００２０】
浄化壁５に必要な吸着剤量を算出する方法の具体例について以下に説明する。
【００２１】
［（ｉ）  回分式槽型反応器による平衡吸着試験により必要吸着剤量を算出する方法］
まず、現地から採取した汚染物質を含む地下水の汚染物質濃度を測定する。次いで、この汚染地下水を複数の容器に採り、各容器に異なる吸着剤濃度となるように吸着剤をそれぞれ添加する。上記のように吸着剤濃度の異なる液を容器毎に調製する場合、液量を同一とし、吸着剤量を変えてもよく、吸着剤量を同一とし、液量を変えてもよい。また、地下水に汚染物質を添加して汚染物質の濃度を変化させてもよい。
【００２２】
次いで、汚染物質濃度が平衡になるまで（例えば２日間）振盪した後、フィルターで濾過し、濾液中の汚染物質濃度（平衡濃度）を測定し、初期濃度と振盪後の液中の汚染物質の濃度との差から単位吸着剤重量または単位吸着剤容積当たりの汚染物質吸着量（平衡吸着量）を求める。
【００２３】
次いで、実験で得られた平衡濃度と平衡吸着量の関係から、ＦｒｅｕｎｄｌｉｃｈまたはＬａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式（次式）の定数又は飽和吸着量を求める。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
求めた定数又は飽和吸着量（以下、吸着パラメータということがある。）を用いて、透過性地下水浄化壁に流入する地下水中の汚染物質濃度をＣｅとして平衡吸着量を求めて透過性地下水浄化壁の吸着剤の最低必要量を求める。
【００２６】
［（ii）  上記（ｉ）の解析結果をｐＨで補正して必要吸着剤量を算出する方法］
吸着剤にイオン交換体を用いる場合、汚染物質は水素イオンや水酸化物イオンと交換反応するため、水溶液のｐＨが変化する。また、バッチ試験とカラム試験は固液比等が異なるため、吸着剤の種類によっては、試験中のｐＨに大きな差異が生じる。イオン交換体の吸着においてはｐＨが異なると吸着容量が大きく変化するため、実際に使用するｐＨでの補正が必要となる。
【００２７】
そこで、上記の平衡吸着試験において、振盪後の吸着剤含有液又はその濾液のｐＨを測定し、水素イオン濃度で補正したＬａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式（次式（３））で吸着パラメータ（吸着平衡定数および飽和吸着量）を求める。次式（３）は陰イオン交換吸着剤でのｐＨを考慮した平衡式である。
【００２８】
【数２】
2014226640.tif 000004
【００２９】
このようにして求めた吸着等温式の吸着パラメータ（吸着平衡定数および飽和吸着量）の値を用いて、透過性地下水浄化壁に流入する地下水中の汚染物質濃度をＣｅとして平衡吸着量を求めて透過性地下水浄化壁の吸着剤の最低必要量を求めることができる。
【００３０】
［（iii）  上記（ｉ）又は（ii）の解析結果と回分式吸着速度試験による解析結果を考慮して必要吸着剤量を算出する方法］
次の回分式吸着速度試験により、総括物質移動容量係数（Ｋｆａｖ）を求める。
【００３１】
現地から採取した汚染物質を含む地下水を複数個の試料容器に採り、それぞれ同一の吸着剤濃度となるように吸着剤を添加する。各容器を振盪機等で撹拌し、所定時間経過毎に容器を開封し、内容物をフィルターで濾過し、濾液中の汚染物質濃度を測定し、吸着剤と混合する前の汚染物質濃度（初期濃度）から、汚染物質濃度の経時変化を求める。なお、１個の大容量の試料容器に試料地下水を入れ、所定濃度となるように吸着剤を添加した後、振盪し、この大型容器内から所定時間毎に少量の試料水を取り出すことにより、汚染物質濃度の経時変化を測定してもよい。
【００３２】
地下水中の汚染物質濃度と時間変化の関係から、下記液側物質収支式（４）および固相側物質収支式（５）と、前記試験で求めた吸着パラメータとを用い、実験値と計算値を近似するようにし、総括物質移動容量係数（Ｋｆａｖ）を求める。
【００３３】
【数３】
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【００３４】
得られた総括物質移動容量係数と下記の透過性地下水浄化壁内の吸着帯長さを示す式（６）及び地下水基準超過期間予測式（７）により、任意の透過性地下水浄化壁の厚みにおける地下水基準超過期間（破過時間）を求め、必要厚み（吸着剤量）を求める
【００３５】
【数４】
2014226640.tif 000006
【００３６】
地下水の流れに平行方向の透過性地下水浄化壁の厚みＺＴの透過性地下水浄化壁において、処理水の破過濃度をＣＢとした場合の破過時間（地下水基準超過期間）は次式（７）で求められる。
【００３７】
【数５】
2014226640.tif 000007
【００３８】
なお、上記の式は吸着帯の長さを表す式の一例であり、より厳密には、下式（８），（９）を計算機を用いて解くことで求められる。
【００３９】
【数６】
2014226640.tif 000008
【００４０】
［（iv）  連続式管型反応器を用いて総括物質移動容量係数を求める方法］
上記回分吸着速度試験で得られる総括物質移動容量係数よりも高い解析精度の総括物質移動容量係数を求める場合には、連続式管型反応器（カラム試験）による評価を行う。
【００４１】
このカラム試験は、可能な限り実際の地下水流速に近い流速（例えば地下水流速の０．８〜１．２倍）で行う。前記（ｉ）又は（ii）で求めた吸着パラメータを用い、（６）式の「透過性地下水浄化壁の吸着帯長さ」Ｚａおよび（７）式の「地下水基準超過期間」ＴＢの式を用いた実験値と計算値が近似するようにして総括物質移動容量係数を求める。上記（ｉ）又は（ii）の解析結果と、この（iv）の総括物質移動容量係数とから、式（６），（７）に基づいて必要吸着剤量を求めることができる。
【００４２】
［（ｖ）  実地盤環境下での水理条件の総括物質移動容量係数を迅速に求め、必要吸着剤量を求める方法］
上記の連続式管型反応器を用いる（iv）の方法において、実際の地下水流速に対して、複数倍の流速による通水試験を実施して、各流速における総括物質移動容量係数を（iv）に記載の方法で求めて、流速と総括物質移動容量係数の関係から、実際の地下水流速における総括物質移動容量係数を求めることができる。
【００４３】
上記（ｉ）又は（ii）の解析結果と、この総括物質移動容量係数から、式（６），（７）に基づいて、実地盤環境下での必要吸着剤量を求めることができる。
【００４４】
なお、（iii），（iv），（ｖ）で求められる総括物質移動容量係数は、汚染物質の種類と地下水の流速により決まる数値であるため、一旦総括物質移動容量係数の流速依存性を求めておけば、汚染物質が同一であれば、汚染濃度が異なる地下水であっても、改めて、異なる地下水毎に評価を行う必要はない。
【００４５】
汚染物質が異なる地下水では、（ｉ）又は（ii）に記載の回分吸着平衡試験を実施し、吸着パラメータを求め、（６），（７）式に基づいて、所定期間の性能を維持するに要する最低必要吸着剤を算出することができる。
【実施例】
【００４６】
［比較例１］
内径３ｃｍのカラムに吸着剤としてイオン交換体（株式会社クレアテラ「Ｐ−Ｃａｔｃｈ」）を充填層高１２ｃｍにて充填した。このカラムに原水としてフッ素４ｍｇ／Ｌを含む地下水を線速度１８ｃｍ／ｄで通水した。実際に設置する透過性地下水浄化壁を透過する地下水のダルシー流速は、５〜２０ｃｍ／ｄであることより、本試験条件は実際の地下水流水条件と近似の条件であると言える。
【００４７】
原水及びカラム流出水のフッ素濃度と、除去されたフッ素の積算量とを図２に示す。
【００４８】
図２の通り、地下水通水開始後、約２００日でカラム出口で、フッ素が地下水基準（０．８ｍｇ／Ｌ）を超過した。このときのフッ素の積算除去（吸着）量は、約１．６ｇ−Ｆ／ｋｇ−吸着剤であった。実際の透過性地下水浄化壁はこの値を最低吸着剤必要量として、所定の安全率を考慮して設計する。
【００４９】
［実施例１］
容量２５０ｍＬの８個の容器に比較例１と同一の地下水を１００ｍＬ採取し、比較例１と同一のイオン交換樹脂を６０ｍｇ、１００ｍｇ、３００ｍｇ、５１０ｍｇ、７１０ｍｇ、９８０ｍｇ、１５２０ｍｇ、又は２０００ｍｇ添加した後、１５℃にて４８時間振盪した。各容器内の液を濾別し、ｐＨ、フッ素濃度及びイオン交換樹脂のフッ素吸着量を測定・算出した。結果を表１及び図４に示す。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
液中平衡濃度と吸着量の実験データより、Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式の吸着パラメータを算出した結果、ｋ＝０．３８Ｌ／ｇ、ｑｍ＝４．９ｇ／ｋｇであった。
【００５２】
この試験では、吸着剤としてイオン交換体を用いたので、振盪後の地下水ｐＨに差異が見られた。また、上記カラム試験でカラム出口の地下水ｐＨは８．２であった。
【００５３】
そこで、前記（３）式のｐＨを考慮したＬａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式により、吸着パラメータの算出を行った。
【００５４】
その結果、ｋ＝２．１×１０−３、ｑｍ＝０．５ｍｏｌ／ｋｇが得られた。
【００５５】
Ｌａｎｇｍｕｉｒ及びｐＨ考慮Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式、それぞれの吸着パラメータ及び前記式（６），（７）を用いて、入口フッ素濃度４ｍｇ／Ｌに対する総括物質移動容量係数（Ｋｆａｖ）、透過性地下水浄化壁内の吸着帯長さＺａ及び地下水基準超過期間予測式による任意の透過性地下水浄化壁の厚みにおける地下水基準超過期間（破過時間）ＴＢを求め、フッ素の積算除去（吸着）量を求めた。その結果、Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式からの吸着パラメータを用いた場合のフッ素の積算除去量は２．９ｇ−Ｆ／ｋｇであった。また、ｐＨ考慮Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸着等温式からの吸着パラメータを用いた場合のフッ素の積算除去量は１．８ｇ−Ｆ／ｋｇであった。
【００５６】
［実施例２］
比較例１の地下水を容量２５０ｍＬの容器１０個に１００ｍＬずつ採取し、各々に比較例１と同一のイオン交換樹脂３００ｍｇを添加し、振盪した。所定時間になる毎に容器１個を取り出し、内容液を濾別し、濾液のｐＨ及びフッ素濃度を測定した。この試験結果よりＫｆａｖを求めた結果、９０（１／ｄ）であった。
【００５７】
得られた数値および実施例１のｐＨ考慮吸着パラメータを用いて、比較例１と同一条件にて、すなわち内径３ｃｍのカラムに前記イオン交換樹脂を層高１２ｃｍにて充填したカラムに前記地下水を線速度１８ｃｍ／ｄで通水したときのカラム流出水のフッ素濃度の経時変化をシミュレーションした。その結果を図３に示す。図３には、比較例１で得たカラム流出水のフッ素濃度の実測値（前記図２と同一）に併せて記入した。
【００５８】
図３の通り、Ｋｆａｖを用いたシミュレーション結果は、実際の透過性地下水浄化壁設置条件下で実施の実験データと比較的良い一致を示した。なお、シミュレーションによるフッ素の積算除去（吸着）量は、１．６ｇ−Ｆ／ｋｇ−吸着剤であり、実施例１の解析結果よりも従来の長期間のカラム試験から求めたフッ素の積算除去（吸着）量に近い値を得ることができる。
【００５９】
以上の実施例より、本発明によると、長期の期間を要するカラム試験を実施することなく、所定期間性能を維持するに必要な透過性地下水浄化壁の吸着剤量を算出できることが認められた。
【符号の説明】
【００６０】
２  帯水層
３  不透水層
５  透過性地下水浄化壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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