(57)【要約】【課題】実際の実験を行わずに汚染土への空気の供給条件を把握することを可能にする汚染土浄化シミュレーション方法を提供する。【解決手段】汚染土と汚染土中の汚染物質を分解する好気性の微生物とを混ぜた微生物含有汚染土中に、管の内外に貫通する貫通孔を備えた有孔管を挿入し、有孔管内の空気を吸引又は有孔管内に空気を供給することにより微生物含有汚染土中の微生物に空気を供給して汚染土を浄化する際の微生物に供給する空気の供給量を処理装置により最適化するための汚染土浄化シミュレーション方法であって、微生物含有汚染土及び有孔管をモデル化するモデル生成ステップと、モデル生成ステップによりモデル化された有孔管内及び微生物含有汚染土中における空気の流れを算出する空気流れ算出ステップと、空気流れ算出ステップで得られた空気の流れに基づいて微生物含有汚染土中における酸素濃度を算出する酸素濃度算出ステップとを備えるようにした。【選択図】図９
2016159214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染土と汚染土中の汚染物質を分解する好気性の微生物とを混ぜた微生物含有汚染土中に、管の内外に貫通する貫通孔を備えた有孔管を挿入し、有孔管内の空気を吸引又は有孔管内に空気を供給することにより前記微生物含有汚染土中の微生物に空気を供給して汚染土を浄化する際の前記微生物に供給する空気の供給量を処理装置により最適化するための汚染土浄化シミュレーション方法であって、
前記微生物含有汚染土及び前記有孔管をモデル化するモデル生成ステップと、
前記モデル生成ステップによりモデル化された前記有孔管内及び前記微生物含有汚染土中における空気の流れを算出する空気流れ算出ステップと、
前記空気流れ算出ステップで得られた空気の流れに基づいて前記微生物含有汚染土中における酸素濃度を算出する酸素濃度算出ステップとを備えることを特徴とする汚染土浄化シミュレーション方法。
【請求項２】
前記モデル生成ステップにより前記有孔管の管壁を１つの面としてモデル化したことを特徴とする請求項１に記載の汚染土浄化シミュレーション方法。
【請求項３】
前記有孔管の軸線に沿って所定長さの領域を分布させ、所定長さの領域を前記有孔管の前記貫通孔としてモデル化したことを特徴とする請求項２に記載の汚染土浄化シミュレーション方法。
【請求項４】
前記有孔管と前記微生物含有汚染土との間に砕石層を設け、
前記モデル生成ステップにおいて当該砕石層をモデル化するとともに、前記空気流れ算出ステップにおいて砕石層の空気の流れを算出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の汚染土浄化シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染土浄化シミュレーション方法に関し、特にバイオパイルにより汚染土を浄化するときのバイオパイルへの空気の供給量を最適化するための汚染土浄化シミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、汚染土と汚染土中の汚染物質を分解する好気性の微生物とを混ぜた微生物含有汚染土を作製して当該微生物含有汚染土を盛土し、この盛土した状態の微生物含有汚染土（バイオパイルと呼ばれる）中に管を挿入し、管に取り付けたポンプによって、管内に空気を供給、又は管内の空気を吸引することで、盛土した微生物含有汚染土中の微生物の活動を活性化させることにより汚染土を浄化する汚染土浄化装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５５６３３号公報
【特許文献２】特開２０１４−０３４０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、汚染土を効率的に浄化するには、汚染土に含まれる微生物に万遍なく空気を供給し、微生物の活動を活性化する必要がある。一方で、汚染土内に万遍なく空気を供給するためには、汚染土の盛土の態様、管の挿入位置、管に設けられる孔の位置や孔径及び孔数、ポンプの能力など多くの因子が関係するため最適な組み合わせを実際の実験により把握することは、多大な手間と時間を要するという問題がある。
そこで、本発明では、実際の実験を行うことなく、汚染土への空気の供給条件を見つけることを可能にする汚染土浄化シミュレーション装置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】
【０００５】
上記課題を解決するための汚染土浄化シミュレーション方法として、汚染土と汚染土中の汚染物質を分解する好気性の微生物とを混ぜた微生物含有汚染土中に、管の内外に貫通する貫通孔を備えた有孔管を挿入し、有孔管内の空気を吸引又は有孔管内に空気を供給することにより微生物含有汚染土中の微生物に空気を供給して汚染土を浄化する際の微生物に供給する空気の供給量を処理装置により最適化するための汚染土浄化シミュレーション方法であって、微生物含有汚染土及び有孔管をモデル化するモデル生成ステップと、モデル生成ステップによりモデル化された有孔管内及び微生物含有汚染土中における空気の流れを算出する空気流れ算出ステップと、空気流れ算出ステップで得られた空気の流れに基づいて微生物含有汚染土中における酸素濃度を算出する酸素濃度算出ステップとを備えるので、微生物含有汚染土に供給するための、有孔管の管径や貫通孔の大きさや位置等の条件や、有孔管内の空気を吸引又は有孔管内に空気を供給するときの空気の供給量等の条件を酸素の供給量に基づいて最適化することができる。
また、汚染土浄化シミュレーション方法の他の形態として、有孔管の管壁を、１つの面としてモデル化したので、空気流れ算出ステップにおいて有孔管内及び微生物含有汚染土中の空気の流れを計算するときの境界条件の設定が容易になる。
また、汚染土浄化シミュレーション方法の他の形態として、有孔管の軸線に沿って所定長さの領域を分布させ、所定長さの領域を有孔管の貫通孔としてモデル化したので、有孔管に設けられた貫通孔を簡単に設定することができる。
また、汚染土浄化シミュレーション方法の他の形態として、有孔管と微生物含有汚染土との間に砕石層を設け、モデル生成ステップにおいて当該砕石層をモデル化するとともに、空気流れ算出ステップにおいて砕石層の空気の流れを算出するようにしたので、有孔管の貫通孔に微生物含有汚染土が詰まるなどの影響を受けない状態のシミュレーションを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】汚染土浄化シミュレーション装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】汚染土浄化シミュレーション装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図３】汚染土浄化装置を示す図である。
【図４】汚染土浄化装置及びバイオパイルをモデル化した図である。
【図５】図３における連結管の軸線に沿う切断面及び有孔管の軸線に沿う切断面を示す図である。
【図６】有孔管の吸入部として設定された境界部分における拡大図である。
【図７】有孔管と砕石層との境界における物理量の伝達を示す図である。
【図８】砕石層とバイオパイルとの境界における物理量の伝達を示す図である。
【図９】汚染土浄化シミュレーション装置の処理を示すフローチャートである。
【図１０】吸入部の設定の違いによるバイオパイル内の空気の流れの影響を調べた結果を示す図である。
【図１１】実際の実験により得られた酸素濃度の時間変化を示す図である。
【図１２】酸素消費速度係数λ＝０．５／ｄａｙに設定したときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】バイオパイルの中心部における酸素濃度の時間変化のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】ポンプによる吸引速度を変化させたときの酸素濃度のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１及び図２は、汚染土浄化シミュレーション装置１の構成を示すブロック図である。図３は、汚染土浄化シミュレーション装置１による解析対象となる汚染土浄化装置５０の概要を示す図である。
汚染土浄化シミュレーション装置１は、図３に示すような汚染土を浄化する際に用いられる汚染土浄化装置５０が適用される微生物含有汚染土（以下、バイオパイルという）５１への空気の供給において、最も効率良く汚染土を浄化するように、汚染土浄化装置５０の構成、例えば、バイオパイル５１の盛土量に対するポンプ５３の能力、有孔管５５の管径、有孔管５５の周壁に形成される貫通孔５８、及び貫通孔５８の数量及び位置についての最適な条件を容易に得るようにするものである。
【０００８】
汚染土浄化シミュレーション装置１は、いわゆるコンピュータにより構成される処理装置であって、ハードウェア資源として設けられた演算手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ，ＲＡＭ、通信手段としての入出力インターフェイス等を備える。ＣＰＵが、記憶手段に格納されたシミュレーションプログラムに従って後述の処理を実行する。汚染土浄化シミュレーション装置１には、キーボードやマウスや或いは、磁気，光学ドライブ等のなどの入力手段２、モニター等の出力手段３が接続されている。また、シミュレーションプログラムは、コンピュータとして構成された汚染土浄化シミュレーション装置１を後述の各手段として動作させる。
【０００９】
ここで、汚染土浄化シミュレーション装置１による解析対象となる汚染土浄化装置５０について説明する。図３に示すように、汚染土浄化装置５０は、バイオパイル５１を盛土する際に汚染物質の地面への流出を防ぐシート５２と、吸気手段としてのポンプ５３と、バイオパイル５１中に挿入され、管の内外に貫通する貫通孔を備えた有孔管５５と、ポンプ５３により吸引された空気を脱臭して外部に排出する脱臭装置５６と、盛土されたバイオパイル５１への雨水の進入を防ぐ図示しない防水シートとを備える。
【００１０】
バイオパイル５１は、汚染土と汚染土中の汚染物質を分解する好気性の微生物とが混合された微生物含有汚染土を所定形状に盛土して構成される。バイオパイル５１は、例えば燃料系油分 （ジェット燃料、ガソリン、軽油、重油等）や機械油（潤滑油等）で汚染された汚染土と、これらの油分を分解する分解菌（例えば石油分解菌）と栄養塩や堆肥等とが図外の土壌混練り装置で混練された微生物含有汚染土を所定形状で盛土したものである。
【００１１】
図３に示すように、有孔管５５は、直管６１と曲管６２とを組み合わせて環状に形成される。直管６１には、管壁全体に内周側から外周側に貫通する複数の貫通孔５８が形成され、バイオパイル５１に含まれる空気を吸入する吸入部６０を構成する。直管６１の一つには、連結管５４の一端側が貫通して接続される。連結管５４の他端側には、ポンプ５３が接続される。そしてポンプ５３を駆動することにより、連結管５４内及び有孔管５５内の空気が吸入可能に構成される。つまり、有孔管５５に設けられた貫通孔５８は、バイオパイル５１からの空気を吸入する吸入口として機能する。
有孔管５５の周囲には、貫通孔５８をバイオパイル５１が塞がないようにするための砕石層５９が設けられる。なお、砕石層５９は、必須ではないが、砕石層５９を設けない場合には、貫通孔５８がバイオパイル５１よって塞がれ、ポンプ５３による吸気効率を低下させる虞がある。そこで、砕石層５９を有孔管５５の周囲に設けることにより、貫通孔５８の目詰まりを防止するだけでなく、バイオパイル５１の内側からの空気の均等な吸引を可能とする。ポンプ５３は、吸入口側を連結管５４に連結して有孔管５５内の空気を吸引することによってバイオパイル表面５１ａからバイオパイル５１内に空気を供給するように構成される。
【００１２】
図１に戻り汚染土浄化シミュレーション装置１の構成について説明する。なお、本実施形態では、汚染土浄化装置５０を３次元として扱うが、説明の便宜上、以下の説明における各式（１）乃至（５）における流速Ｕｇ、圧力Ｐｇ及び酸素濃度Ｃｏ２についての各次元を用いた表示及び説明は省略する。
汚染土浄化シミュレーション装置１は、前処理手段１０と、演算処理手段２０と、後処理手段３０とを備える。前処理手段１０は、バイオパイル５１中における空気の流れ及び酸素の供給状態をシミュレーションするための計算に用いる種々のデータを設定する。図２（ａ）に示すように、前処理手段１０は、データ読込部１１と、モデル生成部１２と、格子生成部１３と、境界条件設定部１４とを備え、解析対象の形状、メッシュ分割（要素分割）、材料定義、境界条件定義などのデータを生成する。
【００１３】
データ読込部１１は、入力手段２を介して入力された種々の計算データを読み込む。
計算データには、例えば、物性値データ、要素分割データ、初期条件データ、境界条件データ、が含まれる。物性値データは、解析対象となるバイオパイル５１や砕石層５９の物性値を示す透気係数比Ｋｒｇや固有透過度Ｋ、空気の密度ρｇや粘性係数μｇ、ガス飽和度Ｓｇ、土の間隙率φ、基質濃度Ｓ、体積気相率θｇ、実行拡散係数Ｄｅ、酸素消費速度係数λ、重力加速度ｇ等の物性値に関する情報が纏めて記録されたデータである。要素分割データは、モデル生成部１２によりモデル化された形状を格子生成部１３により複数の小要素に分割するときの分割方法を定義するための情報が記録されたデータである。初期条件データは、バイオパイル５１及び有孔管５５内における初期条件としての流速や圧力を設定するための情報が記録されたデータである。具体的には、有孔管５５内、バイオパイル５１内及び砕石層５９内における空気の初期状態、流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇを設定するデータ、及びバイオパイル５１内における空気の酸素濃度Ｃｏ２の分布を設定するデータである。境界条件データは、境界条件設定部１４において内部境界条件及び外部境界条件を設定するための情報が記録されたデータである。詳細については後述する。
【００１４】
モデル生成部１２は、ＣＡＤ等の作図ソフトウェアによりコンピュータ上で作成された解析対象の形状データに基づいて解析対象をモデル化する。上記汚染土浄化装置５０の形状データは、３次元で作成され、モデル生成部１２により３次元の所定の座標系上にモデル化される。
図４は、図３に示す汚染土浄化装置５０及びバイオパイル５１をモデル生成部１２によりモデル化した図である。同図に示すように、汚染土浄化装置５０及びバイオパイル５１は、バイオパイル５１、砕石層５９、連結管５４を含む有孔管５５の形状が、個別にモデルデータとしてモデル化される。なお、本実施形態のモデル化では、シート５２及び脱臭装置５６を省略している。また、バイオパイル５１と有孔管５５内との境界となる管壁５５Ａは、内周面と外周面とを区別しない１つの面として表される。したがって、図５（ａ），（ｂ）に示すように、有孔管５５の管壁５５Ａは、断面視において直線状に近似されることになる。実際の有孔管５５には、複数の貫通孔５８が設けられているが、複数の貫通孔５８を直接的にはモデル化せずに後述の境界条件により貫通孔５８の穴径、孔の数量及び孔の位置を表現する。
【００１５】
格子生成部１３は、モデル生成部１２によりモデル化された全てのモデルデータを読み込み、モデルデータ内を所定形状の複数の小要素に分割するための格子を生成する。本実施形態では、解析対象を３次元として扱うため、バイオパイル５１、砕石層５９、連結管５４を含む有孔管５５内等の各モデルデータを例えば４面体の小要素に分割する。なお、小要素の形状は、４面体に限らず６面体等他の立体形状であっても良い。
【００１６】
境界条件設定部１４は、詳細には、外部境界条件設定部１５と、内部境界条件設定部１６とを有し、格子生成部１３によって生成されたモデルデータの格子点に外部境界条件と内部境界条件とを設定する。
外部境界条件設定部１５は、図４及び図５に示すバイオパイル設置面のシート５２、バイオパイル表面５１ａ、バイオパイル５１から露出する連結管５４及び連結管５４のポンプ５３が取り付けられる開放端面５４Ａに境界条件を設定する。なお、開放端面５４Ａとは、実際の連結管５４における内周側空間への入り口を意味する。
シート５２には、流れなし（流速ゼロ）を設定する。バイオパイル表面５１ａには、大気圧を設定する。連結管５４の開放端面５４Ａには、ポンプ５３の駆動力を設定する。なお、図４及び図５（ａ）に示すように、連結管５４は、一部がバイオパイル５１から外部に露出し、残りがバイオパイル５１の内部にあるため、バイオパイル５１の内部にある残余部分については、内部境界条件設定部１６により境界条件を設定する。
【００１７】
図５（ａ）は、図４における連結管５４の軸線に沿う切断面Ａを示し、図５（ｂ）は、図４における有孔管５５の軸線に沿う切断面Ｂを示す。
内部境界条件設定部１６は、有孔管５５と砕石層５９との境界面５５０、砕石層５９とバイオパイル５１との境界面５５１、及び、バイオパイル５１内に位置する連結管５４に境界条件を設定する。有孔管５５と砕石層５９の境界となる有孔管５５の管壁５５Ａは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、モデル生成部１２により管壁５５Ａの厚さを無視した１つの境界面５５０としてモデル化されており、この境界面５５０を介してポンプ５３の駆動により有孔管５５内に発生した負圧の影響が砕石層５９内に伝達される。境界面５５０は、有孔管５５内の空気の流れを計算する空間と、砕石層５９内の空気の流れを計算する空間との共通部分である。実際の有孔管５５には複数の貫通孔５８が形成されており、この貫通孔５８を介して砕石層５９内の空気が有孔管５５内に吸入されることになるが、有孔管５５をモデル化した境界面５５０には、有孔管５５の管壁５５Ａに設けられる貫通孔５８の大きさや位置及び数量についての情報が表現されていない。そこで、有孔管５５の貫通孔５８の大きさや位置及び数量による影響を表現するため、以下で説明するように、境界条件を設定する。
【００１８】
例えば、複数の貫通孔５８を有孔管５５に設ける場合に、基準とする所定の孔径で有孔管５５の軸線方向及び管壁５５Ａの円周方向に均等な間隔で分布させる方法が考えられるが、本実施形態では、円周方向の貫通孔５８の分布状態を考慮せずに、有孔管５５の軸線方向にのみ分布するものとして近似して、貫通孔５８の有無を境界条件として設定する。具体的には、図５（ｂ）に示すように、有孔管５５の直管６１を軸線に沿って所定長さの複数の環状領域に分割し、例えば、図中のクロスハッチで示すように複数の環状領域を選択して吸入部６０として分布させる。つまり、吸入部６０全体が貫通孔５８としてモデル化される。したがって、格子生成部１３により生成された格子点において、吸入部６０上に位置する格子点を貫通孔５８として扱う。
すなわち、図５（ｂ），図６に示すように、有孔管５５の直管６１の軸線方向に沿って所定長さの範囲を貫通孔５８が設けられた吸入部６０として分布させ、残りの部分を貫通孔５８のない壁部６４として分布させる。これにより、有孔管５５においてポンプ５３による吸引力は、吸入部６０を介して砕石層５９側に伝達される。また、壁部６４は、ポンプ５３による吸引力が砕石層５９側に伝達されない壁として流れなし（流速ゼロ）の境界条件が設定される。
したがって、上述の吸入部６０の分布及び範囲を変更することにより、有孔管５５における貫通孔５８の大きさや位置及び数量による影響を表現することができる。
【００１９】
図６は、有孔管５５の吸入部６０として設定された境界部分における拡大図である。同図において、破線が境界面５５０を示し、黒丸Ａ１，Ａ２及び黒丸Ａ５，Ａ６が壁部６４として設定された格子点、白丸Ａ３，Ａ４及び白丸Ａ７乃至Ａ９が吸入部６０として設定された格子点を示している。
白丸Ａ３，Ａ４及び白丸Ａ７乃至Ａ９は、吸入部６０として設定された格子点であるため、有孔管５５内の流れの計算において計算される格子点であるとともに、砕石層５９内の流れの計算において計算される格子点でもある。そのため、白丸Ａ３，Ａ４及び白丸Ａ７乃至Ａ９のそれぞれの格子点には、有孔管５５内の流れの計算により得られる流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇと、砕石層５９内の流れの計算により得られる流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇの両方が設定される。
【００２０】
図７は、有孔管５５と砕石層５９との境界における物理量の伝達を示す図である。同図の三角点は、有孔管５５内の流れを計算する際の流速Ｕｇや圧力Ｐｇ等の物理量が設定される格子点を示し、四角点は、砕石層５９内の流れを計算する際の流速Ｕｇや圧力Ｐｇ等の物理量が設定される格子点を示している。そして、内部境界条件設定手段では、後述の演算処理手段２０により有孔管５５内の流れを計算する際には、図７（ａ）の破線で囲むように、図６に示した白丸Ａ３，Ａ４及び白丸Ａ７乃至Ａ９の位置に、図７（ａ）に示すように砕石層５９内の流れの計算により得られた流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇを設定する。また、砕石層５９内の流れを計算する際には、図６に示した白丸Ａ３，Ａ４及び白丸Ａ７乃至Ａ９の位置に、図７（ｂ）の破線で示すように、有孔管５５内の流れの計算により得られた流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇを用いるように境界条件を設定する。このように有孔管５５と砕石層５９との境界における流れの界面を内部境界条件として与えることで、後述の演算処理手段２０により有孔管５５内の流れと砕石層５９内の流れとを直接関連付けて一度に計算することができる。
【００２１】
また、有孔管５５に設けられた複数の貫通孔５８を吸入部６０として分布させて境界条件を設定することにより、バイオパイル５１への酸素の供給を最適化するにあたり、貫通孔５８の孔径や軸線方向における分布の変更をモデル生成部１２による再度のモデル化を行うことなくシミュレーションできるので、バイオパイル５１への酸素の供給を最適化する際の汚染土浄化装置５０の設定に係る種々の条件を得るまでの時間を短縮することができる。
【００２２】
図８（ａ），（ｂ）は、砕石層５９とバイオパイル５１との境界における物理量の伝達を示す図である。同図の四角点は、砕石層５９内の流れを計算する際の流速Ｕｇや圧力Ｐｇ等の物理量が設定される格子点を示し、逆三角点は、バイオパイル５１内の流れを計算する際の流速Ｕｇや圧力Ｐｇ等の物理量が設定される格子点を示している。また、図中の格子点Ｂ１乃至Ｂ９は、砕石層５９とバイオパイル５１との境界面５５１上の格子点を示している。同図に示すように、内部境界条件設定部１６では、有孔管５５と砕石層５９との間の内部境界条件の設定と同様に、砕石層５９とバイオパイル５１との間にも内部境界条件を設定する。すなわち、砕石層５９とバイオパイル５１との境界面５５１上の格子点Ｂ１乃至Ｂ９に、砕石層５９内の流れの計算により得られる流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇと、バイオパイル５１内の流れの計算により得られる圧力Ｐｇ及び当該圧力Ｐｇに基づいて算出した流速Ｕｇと、の両方を設定する。そして、後述の演算処理手段２０の砕石層内流れ算出部２２により砕石層５９内の流れを計算する際には、図８（ａ）の破線に示すように、バイオパイル５１内の流れの計算により得られた境界面５５１上の圧力Ｐｇを用い、バイオパイル５１内の流れを計算する際には、図８（ｂ）の破線に示すように、砕石層５９内の流れの計算により得られた境界面５５１上の流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇを用いるように設定する。
なお、上述のバイオパイル５１内の流れの計算により得られた圧力Ｐｇに基づいて算出される流速Ｕｇは、格子点Ｂ１乃至Ｂ９に設定された圧力Ｐｇを、格子点Ｂ１乃至Ｂ９と当該格子点Ｂ１乃至Ｂ９にバイオパイル５１側で隣接する格子点との距離で微分し、バイオパイル５１における透気係数を乗じることで得られる。このように砕石層５９とバイオパイル５１との境界における流れを内部境界条件として与えることで、砕石層５９内の流れとバイオパイル５１内の流れとを直接関連付けて一度に計算することができる。
【００２３】
上述したように、有孔管５５と砕石層５９、砕石層５９とバイオパイル５１との間に内部境界条件を設定しておくことで、シミュレーションに用いることを目的として従来のように実際に実験を行い、有孔管５５と砕石層５９との間、及び砕石層５９とバイオパイル５１との間の境界条件に設定するための具体的な数値を得る必要を無くすことができる。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、演算処理手段２０は、有孔管内流れ算出部２１と、砕石層内流れ算出部２２と、バイオパイル内流れ算出部２３と、酸素濃度算出部２４とを有し、前処理手段１０により処理されたデータに基づいてポンプ５３の吸引によるバイオパイル５１内、砕石層５９内、有孔管５５内の空気の流れ、及びバイオパイル５１内の酸素濃度Ｃｏ２の変化を計算する。
以下、演算処理手段２０による空気の流れの計算、及びバイオパイル５１内における酸素濃度Ｃｏ２の計算について説明する。
【００２５】
有孔管内流れ計算部２１は、下記の式（１）に示すナビエストークス方程式に基づいて有孔管５５内の空気の流れを計算する。
【数１】
2016159214.tif 000003
【００２６】
砕石層内流れ算出部２２は、下記式（２）に示すブリンクマン方程式に基づいて砕石層５９内の空気の流れを計算する。
【数２】
2016159214.tif 000004
上記式（１）及び式（２）の体積力Ｆは、鉛直方向にのみ作用する力であって以下の式（Ａ）で表わされる。
2016159214.tif 000005
【００２７】
バイオパイル内流れ算出部２３は、下記の式（３）に示すダルシーの方程式に基づいてバイオパイル５１内の空気の流れを計算する。下記に示すダルシーの方程式は、ダルシー則と呼ばれる。
【数３】
2016159214.tif 000006
【００２８】
なお、上記式（１）及び式（２）は、下記の式（４）に示す連続の式と合わせて計算される。
【数４】
2016159214.tif 000007
【００２９】
なお、上記式（１）による有孔管５５内の空気の流れの計算では、砕石層５９との境界において上述の内部境界条件の設定により、式（２）のブリンクマン方程式により求められる吸入部６０における空気の流速Ｕｇが、式（１）における吸入部６０の空気の流速Ｕｇとして設定される。
また、上記式（２）による砕石層５９内の空気の流れの計算では、有孔管５５側の境界において上述の内部境界条件の設定により、式（１）のナビエストークス方程式により求められる吸入部６０の空気の流速Ｕｇが、式（２）における吸入部６０の空気の流速Ｕｇとして設定される。
さらに、バイオパイル５１側の境界において上述の内部境界条件の設定により、式（３）のダルシーの方程式により求められる境界面５５１における空気の流速Ｕｇが、式（２）におけるバイオパイル５１との境界面５５１における空気の流速Ｕｇとして設定される。
また、上記式（３）によるバイオパイル５１内の空気の流れの計算では、上述の内部境界条件の設定により、式（２）のブリンクマン方程式により求められる境界面５５１における空気の流速Ｕｇが、式（３）におけるバイオパイル５１との境界面５５１における空気の流速Ｕｇとして設定される。
【００３０】
酸素濃度算出部２４は、有孔管内流れ算出部２１、砕石層内流れ算出部２２及びバイオパイル内流れ算出部２３により計算された空気の流れの分布に基づいて、下記の式（５）で示す移流拡散方程式を解くことによりバイオパイル５１内における酸素濃度Ｃｏ２の変化を時系列的に計算する。
【数５】
2016159214.tif 000008
式（５）において、左辺は空気の流れにともなう酸素濃度Ｃｏ２の変化を示し、右辺は、バイオパイル５１に含まれる微生物による酸素消費量を示している。
【００３１】
なお、上記式（１）乃至式（５）における流体の密度、流体の粘性係数は変化しないものとし、上述のデータ読込部１１によって読み込まれた物性値データの値が入力される。上記各式（１）乃至（５）における透気係数比Ｋｒｇや固有透過度Ｋ、空気の密度ρｇや粘性係数μｇ、ガス飽和度Ｓｇ、土の間隙率φ、基質濃度Ｓ、体積気相率θｇ、実行拡散係数Ｄｅ、酸素消費速度係数λ、重力加速度ｇに具体的な数値が設定される。具体的には、空気の密度ρｇには、１．０ｋｇ/ｍ３、空気の粘性係数μｇには、１×１０-５Ｐａ・ｓ等が入力される。また、透気係数比Ｋｒｇや固有透過度Ｋ、空気の密度ρｇや粘性係数μｇ、ガス飽和度Ｓｇ、土の間隙率φ、基質濃度Ｓ、体積気相率θｇ、実行拡散係数Ｄｅ、酸素消費速度係数λについても同様に具体的な数値が設定される。
【００３２】
後処理手段３０は、演算処理手段２０の計算により得られた有孔管５５内、砕石層５９内及びバイオパイル５１内の流れ状態、及びバイオパイル５１内の酸素濃度Ｃｏ２の分布状態を、出力手段３としてのモニターに表示なデータに処理する。例えば、モデル化された有孔管５５、砕石層５９及びバイオパイル５１の形状データ上に、図１０に示すように、空気の流れを示す流線や、図１２に示すような、酸素濃度Ｃｏ２の濃度の濃淡を示すコンター図、図１３，図１４に示すようなグラフ等をモニター上に表示可能に処理するとともに、その処理結果をモニターに出力する。
【００３３】
図９（ａ），（ｂ）は、汚染土浄化シミュレーション装置１による処理を示すフローチャートである。以下、同図を用いてシミュレーションの処理動作について説明する。
Ｓ１０１：計算データの読込を実行する。具体的には、バイオパイル５１の盛土形状データ及び汚染土浄化装置５０の形状データや、境界条件を読込み設定する。
Ｓ１０２：計算条件を設定する。Ｓ１０２による処理は、Ｓ２０１乃至Ｓ２０３に示すように実行される。
Ｓ２０１：バイオパイル５１及び汚染土浄化装置５０の形状データに基づいてモデルデータを生成する。
Ｓ２０２：生成されたモデルデータを複数の小要素に分割して計算格子を生成する。
Ｓ２０３：入力された計算データに基づき、内部境界条件及び外部境界条件を設定する。
Ｓ１０３：式（１）乃至式（４）により、バイオパイル５１内、砕石層５９内及び有孔管５５内の空気の流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇを計算する。
Ｓ１０４：バイオパイル５１内、砕石層５９内及び有孔管５５内の空気の流速Ｕｇ分布及び圧力Ｐｇ分布を出力する。
Ｓ１０５：酸素濃度計算条件を設定する。具体的には、Ｓ１０４により出力されたバイオパイル５１内、砕石層５９内及び有孔管５５内の空気の流速Ｕｇ分布及び圧力Ｐｇ分布及び酸素消費量及び濃度境界条件を設定する。
Ｓ１０６：バイオパイル５１内、砕石層５９内及び有孔管５５内の酸素濃度Ｃｏ２を所定の時間ステップで計算して、バイオパイル５１内、砕石層５９内及び有孔管５５内の酸素濃度Ｃｏ２の時間変化を計算する。
Ｓ１０７：酸素濃度Ｃｏ２の計算結果を出力する。
Ｓ１０８：酸素濃度Ｃｏ２の分布状態を判定する。具体的には、バイオパイル５１内における酸素濃度Ｃｏ２の供給が十分であるかや供給過多であるかを判定する。例えば、判定方法には、後処理手段３０の処理によりモニターに表示された酸素濃度Ｃｏ２の分布や時間変化を作業者の視認により判定する。判定により、最適条件が得られた場合にはＳ１０９に移行してシミュレーションを終了し、最適条件が得られない場合には、Ｓ１１０に移行する。
Ｓ１１０：シミュレーションの計算条件の変更を入力する。具体的には、内部境界条件設定部１６による内部境界条件の設定の定義を変更、または、外部境界条件設定部１５による外部境界条件の設定の定義を変更する。例えば、バイオパイル５１の規模、ポンプ５３の吸引能力、有孔管５５及び連結管５４の管径、有孔管５５における吸入部６０の分布を変更する。このＳ１１０での入力により、Ｓ１０２で設定された同じデータが上書される。そして、Ｓ１１０で入力された条件により新たにシミュレーションが実行される。シミュレーション条件の入力後Ｓ１０２乃至Ｓ１０８を繰り返し、最適条件が得られた場合にＳ１０９に移行してシミュレーションを終了する。
【００３４】
［実施例］
物性値データには、バイオパイル５１内の土壌の物性値として、図１１の表１及び表２に示す実測値を設定した。なお、実際の実験により得たポンプ５３の吸気速度、図１１の表１及び表２に示したバイオパイル５１の物性値は、シミュレーションに使用する境界条件を得ることを目的に行われた実験ではなく、実際の実験と同じ条件でシミュレーションするために採用した値である。初期条件データには、バイオパイル５１内、砕石層５９内及び有孔管５５内における空気の圧力を大気圧、流れなし（流速ゼロ）、酸素濃度Ｃｏ２を２１％に設定した。境界条件データとして、外部境界条件には、バイオパイル表面５１ａに空気の圧力を大気圧、酸素濃度２１％に設定した。また、ポンプ５３が設置される位置の連結管５４の開放端面５４Ａに実際の実験に使用したポンプ５３の吸気速度を設定した。具体的には、ポンプ５３の吸引力として２２０Ｌ／ｍｉｎを外部境界条件に設定した。
内部境界条件として、有孔管５５と砕石層５９との境界には、有孔管５５の空気の流れを計算したときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇが、砕石層５９の空気の流れを計算するときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇとなるように設定する。また、砕石層５９の空気の流れを計算したときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇが、有孔管５５の空気の流れを計算するときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇとなるように設定する。
また、砕石層５９とバイオパイル５１との境界には、砕石層５９の空気の流れを計算したときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇが、バイオパイル５１の空気の流れを計算するときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇとなるように設定する。また、バイオパイル５１の空気の流れを計算したときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇが、砕石層５９の空気の流れを計算するときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇとなるように設定する。
そして、実際の実験で得られた結果と、上述の方法によりシミュレーションで得られた結果とを比較することにより、本実施形態に係るシミュレーション方法の妥当性を評価した。
【００３５】
まず、吸入部６０の設定による影響を調べるために、吸入部６０を連結管５４及び有孔管５５に設定した場合と、有孔管５５にのみ設定した場合とのバイオパイル５１内への空気の流れをシミュレーションした。その結果を図１０（ａ），（ｂ）に示す。なお、図１０（ａ），（ｂ）では、有孔管５５が連結管５４を挟んで対称形状であることから、連結管５４の軸線に沿った片断面により結果を示してある。また、同図に示す破線は、それぞれ流線を示している。連結管５４及び有孔管５５に吸入部６０を設定した場合、図１０（ａ）の流線が示すように、バイオパイル表面５１ａと連結管５４との境界で空気の流れが短絡し、ポンプ５３によって連結管５４に発生した負圧が消散して、バイオパイル５１内に延長する有孔管５５の奥方向に伝わらず、連結管５４側から遠い位置から空気が取り込めていないことが分かる。
一方、有孔管５５にのみ吸入部６０を設定した場合、図１０（ｂ）の流線が示すように、バイオパイル表面５１ａから進入した空気は、バイオパイル５１内を移動し、砕石層５９内に埋設された有孔管５５を通って連結管５４の開放端面５４Ａまで誘導される。このように、吸入部６０の設定を変更するだけで、バイオパイル５１内に通気させる空気の流れを制御できることが分かった。したがって、本実施形態に係る方法によれば、有孔管５５に対する境界条件を変更するだけで、種々の空気の流れをシミュレーションすることができる。
【００３６】
次に、バイオパイル５１における酸素消費速度による最適な吸引量に対する影響について調べた。バイオパイル５１に含まれる微生物による油汚染土の浄化は、酸化反応とみなすことができる。微生物による油の分解速度を維持するためには、バイオパイル５１内に適度な酸素を供給する必要がある。図１１（ａ）は、実際の実験により得られた酸素濃度Ｃｏ２の時間変化を示す図である。同図に示すように、実験開始から４０日までは油の微生物分解にともないバイオパイル５１中の酸素消費が認められる。４０日以降では微生物にとっての基質の油が少なくなったこと、活性の高い微生物が少なくなったこと等の理由により、酸素消費が少なくなり酸素濃度が上昇したものと考えられる。
【００３７】
そこで、実際の実験開始から４０日までの酸素濃度プロファイルから酸素消費速度λを逆解析し、バイオパイル５１内における酸素消費速度を上回るような最適な大気吸引速度を評価するようにした。具体的には、図１１（ａ）に示す酸素濃度プロファイルから計算される酸素消費速度係数λを未知数として、数値シミュレーションから計算される酸素濃度が、図１１（ａ）の実験値に合うような酸素消費速度係数λを同定した。具体的には、実験結果（図１１（ａ））の酸素濃度プロファイルから酸素消費速度を求めるために、式（４）中の酸素消費速度係数λを未知数として、シミュレーションによって計算される酸素濃度Ｃｏ２が、図１１（ａ）に示す実験結果と一致するように酸素消費係数λを同定した。なお、このとき式（４）中の基質濃度Ｓについては、図１１（ｂ）の表１に示すバイオパイル５１内の油分濃度を用いた。
【００３８】
図１２は、酸素消費速度係数λ＝０．５／ｄａｙ（日）に設定したときのシミュレーション結果を示す。図１２（ａ）は、実験開始直後、図１２（ｂ）は、３日目、図１２（ｃ）は、１４日目の酸素濃度Ｃｏ２の変化を示している。
図１２（ａ）に示すように、実験開始直後では、バイオパイル５１内の酸素濃度Ｃｏ２は大気中と同じ２１％であるが、実験開始直後から３日目には、微生物による油の分解が進むにつれてバイオパイル５１内の酸素が消費されて、図１２（ｂ）に示すように、バイオパイル５１の中心部の酸素濃度Ｃｏ２が５％程度まで低下している。その後、油の分解が進むにつれて、基質濃度Ｓ（油濃度）の低下に伴い微生物による油の分解の活性が低下している。これにより、酸素消費量が少なくなるため、結果としてバイオパイル表面５１ａから供給される空気により、バイオパイル５１内への酸素供給量が上回り、図１２（ｃ）に示すように、バイオパイル５１内の酸素濃度Ｃｏ２を上昇させている。
【００３９】
図１３は、シミュレーションにおけるバイオパイル５１の中心部における酸素濃度Ｃｏ２の時間変化を示す。同図に示す破線は、実際の実験結果における酸素濃度Ｃｏ２のモニタリング結果である。また、実線は、シミュレーションによる結果である。図１３に示すように、シミュレーションによる酸素濃度Ｃｏ２の時間変化は、実際の実験により得られた酸素濃度Ｃｏ２の変化に即した予測計算ができている。なお、微生物の油の分解にともなう酸素消費のモデルとして式（４）を用いた場合、そのモデルパラメータである酸素消費速度係数λ＝０．５／ｄａｙのときに実験結果に最も近い計算結果となった。
【００４０】
図１４は、酸素消費係数λ＝０．５／ｄａｙを設定し、ポンプ５３による吸引速度を１１０Ｌ/ｍｉｎ、２２０Ｌ/ｍｉｎ、４４０Ｌ/ｍｉｎ及び８８０Ｌ/ｍｉｎの４通りに変えたときのシミュレーション結果を示す。同図に示すように、ポンプ５３の吸引速度、すなわち、ポンプ５３の運転能力を変化させることで、バイオパイル５１内における酸素濃度Ｃｏ２に違いが出ることが確認できた。すなわち、バイオパイル５１内の酸素濃度Ｃｏ２は、バイオパイル表面５１ａからの空気の吸入量に左右されるものの、単に高い吸引量を設定するよりも、バイオパイル５１中における微生物の油の分解に伴なう酸素消費量を補うように、必要最低限の吸引量となるように設計する方がポンプ５３等の吸引装置や動力、それらの電気代等の省エネルギー化を進める上で好ましい。本実施形態によるシミュレーション方法は、それを解決する１つの手法として有効であることが確認された。
【００４１】
なお、上記実施形態では、砕石層５９内の流れの計算に式（２）に示すブリンクマン方程式を適用するとして説明したが、式（２）で示すブリンクマン方程式は、式（３）で示すダルシーの方程式が適用される流れ場と、式（１）で示すナビエストークス方程式が適用される流れ場との中間の流れ場に適用される方程式であるが、式（３）で示すダルシーの方程式を用いても良い。すなわち、砕石層５９内における空気の流れも多孔層内の空気の流れとみなすことができるため、バイオパイル５１内の流れと同様に式（３）で示すダルシーの方程式を適用することもできる。この場合、当然のことながらバイオパイル５１内の流れを計算するときに設定した透気係数比ｋ、固有透過度Ｋの値を、砕石層５９内の物性値に適合するように変化させた値を設定すれば良い。
【００４２】
また、上記実施形態では、汚染土浄化装置５０の有孔管５５を環状として説明したが、これに限定されず他の形状であっても、形状に応じた形状データをデータ読込部１１から読み込ませることで、シミュレーションを実行することができる。また、有孔管５５をモデル化する際に、有孔管５５の管壁５５Ａに厚さがない境界面５５０としてモデル化したが、読み込んだ有孔管５５の管壁５５Ａの形状データをそのまま用いても良い。
【００４３】
また、上記実施形態では、汚染土浄化装置５０は、ポンプ５３によりバイオパイル５１内の空気を吸引するものとして説明したが、吸引型のポンプ５３に代えて、吐出型のポンプを連結管５４に接続して加圧した空気をバイオパイル５１に供給する汚染土浄化装置のシミュレーションにも適用できる。この場合、汚染土浄化シミュレーション装置１に入力する計算データの外部境界条件を設定する定義において、連結管５４の開放端面５４Ａに連結管５４内に向けて流れが生じるように設定するだけで良い。この場合、有孔管５５の貫通孔５８は、ポンプから供給された空気をバイオパイル５１に向けて排出する排出口として機能する。
【００４４】
また、本実施形態では、汚染土浄化装置５０について有孔管５５の周りを覆うように砕石層５９を設けてこれらを覆うようにバイオパイル５１を形成する形態により説明したが、砕石層５９を設けずに、有孔管５５を直接覆うようにバイオパイル５１を形成した場合には、有孔管５５とバイオパイル５１との境界において、有孔管５５の空気の流れを計算するときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇと、バイオパイル５１の空気の流れを計算するときの流速Ｕｇ及び圧力Ｐｇとが互いに同じになるように内部境界条件を設定するとともに、所定の外部境界条件を設定して上述の式（１）及び式（３）により有孔管５５内及びバイオパイル５１内の空気の流れを計算し、得られた空気の流れに基づいて、バイオパイル５１内における酸素濃度を計算すれば良い。
【００４５】
なお、本実施形態では、有限要素法を採用したが、これに限定されず、他の数値解析手法、例えば、差分法、有限体積法等であっても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１  汚染土浄化シミュレーション装置、
１０  前処理手段、１１  データ読込部、１２  モデル生成部、１３  格子生成部、
１４  境界条件設定部、１５  外部境界条件設定部、１６  内部境界条件設定部、
２０  演算処理手段、２１  有孔管内流れ計算部、２２  砕石層内流れ計算部、
２３  バイオパイル内流れ計算部、２４  酸素濃度計算部、３０  後処理手段、
５０  汚染土浄化装置、５１  バイオパイル、５２  シート、５３  ポンプ、
５４  連結管、５５  有孔管、５８  貫通孔、５９  砕石層、６０  吸入部、
５５０：５５１  境界面。
【図１】
2016159214.tif 000009
【図２】
2016159214.tif 000010
【図３】
2016159214.tif 000011
【図４】
2016159214.tif 000012
【図５】
2016159214.tif 000013
【図６】
2016159214.tif 000014
【図７】
2016159214.tif 000015
【図８】
2016159214.tif 000016
【図９】
2016159214.tif 000017
【図１０】
2016159214.tif 000018
【図１１】
2016159214.tif 000019
【図１３】
2016159214.tif 000020
【図１４】
2016159214.tif 000021
【図１２】
2016159214.tif 000022