(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生分解性高分子及び還元剤を含む浄化壁を硝酸、又は硝酸及びリン酸により汚染された土壌層に埋設することを特徴とする土壌の浄化方法であって、生分解性高分子が、ポリ-3-ヒドロキシ酪酸、ポリ-3-ヒドロキシ吉草酸及びこれらの共重合物；ポリ-4-ヒドロキシ酪酸；ポリ-3-ヒドロキシ酪酸とポリ-4-ヒドロキシ酪酸との共重合物；並びに脂肪族ポリエステル樹脂（ポリビニルアルコールを除く）からなる群から選択される少なくとも一種であり、かつ還元剤が鉄粉である、浄化方法。
【請求項２】
土壌層がリン酸を含む場合、浄化壁が、リン酸イオンと反応して水不溶性のリン酸塩を形成し得る物質をさらに含むものである、請求項１記載の浄化方法。
【請求項３】
浄化壁が、前記生分解性高分子を含む層に、還元剤である鉄粉を含む層をさらに重層したものである請求項１又は２記載の浄化方法。
【請求項４】
生分解性高分子が、ポリ（3-ヒドロキシ酪酸-3-ヒドロキシ吉草酸）ランダム共重合体である請求項１〜３のいずれか１項記載の浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土壌の浄化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我が国において、有機・無機肥料や植物残渣などの農業系の影響、畜産廃棄物の農地還元や畜舎排水などの畜産系の影響、さらには生活排水や工場廃水などの生活系・工業系の影響によって、硝酸やリン酸が地下に浸透し、その結果、土壌汚染が顕在化している。特に、土壌中に含まれる硝酸は、人体内で亜硝酸に還元され、窒息症状であるメトヘモグロビン血症を引き起こす原因物質となるほか、発癌性の疑いがあるN-ニトロソ化合物を生成する物質となる。従って、これらの汚染物質を浄化することは社会的に極めて重要な課題である。
【０００３】
硝酸の代表的な物理化学的除去法としては、以下のものが挙げられる。
(1)イオン交換法
イオン交換法は、R-Cl型の強塩基性陰イオン交換樹脂を用いる方法である。しかし、この方法はイオン価数が高いほど、かつ原子番号が大きいほど選択性が増大するため、硝酸よりも選択性の高い硫酸イオンも樹脂に捕捉されることとなる。従って、イオン交換樹脂を再生するには、高塩素濃度の再生水による処理が必要となる。
【０００４】
(2) 逆浸透膜処理法
逆浸透膜処理法は、半透膜を用いて機械的な圧力をかけ再生水を得る方法である。しかし、この方法は、コストが高く硝酸以外のイオンも同時に除去されてしまい、硝酸のみを選択的に除去することが困難である。
【０００５】
(3) 電気透析法
電気透析法は、透析膜を用いて荷電条件下で硝酸を分離する方法である。しかし、この方法では、対象水の塩分濃度が高いと電力消費量が大きく、逆に塩分濃度が低いと電気抵抗が大きくなるため、最適な塩分範囲を設定することが困難である。さらに、逆浸透膜処理法と同様に硝酸のみを選択的に除去する目的には適さない。
以上の各方法は、消費エネルギーや処理コストが高いことが共通の問題点であると言える。
【０００６】
(4) 生物学的脱窒法
従来より、生物学的脱窒法により硝酸を除去する方法が提案されている。この方法は、例えばシュードモナス・デニトリフィカンス（Pseudomonas denitrificans）などの従属栄養性脱窒菌を利用した方法であり、脱窒には水素供与体となる有機炭素源が必要となる。この方法によれば、有機炭素源としてメタノール(CH3OH)が使用されており、以下のような反応で脱窒が進行する。
【０００７】
2CH3OH + 2NO3- → 2CO2 + 4H2O + N2↑
したがって、反応に十分な有機炭素源が存在すれば硝酸は容易に除去される。
しかしながら、メタノールは水溶性であるため、脱窒反応に利用されなかった余剰メタノールが流出し、二次汚染を引き起こす可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、土壌の浄化方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、生分解性高分子を含む浄化壁を構築し、これを土壌層中に埋設することにより土壌を浄化し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、生分解性高分子を含む浄化壁を硝酸及び/又はリン酸により汚染された土壌層に埋設することを特徴とする土壌の浄化方法である。浄化壁としては、リン酸イオンと反応して水不溶性のリン酸塩を形成し得る物質及び／又は還元剤をさらに含むものが挙げられ、これらの浄化壁に、還元剤（例えば鉄粉）を含む層をさらに重層したものも挙げられる。
【００１１】
また、上記生分解性高分子としては、脂肪族又は芳香族ポリエステル樹脂、生分解性高分子合成能を有する微生物により生産される高分子、デンプン系高分子及びタンパク質系高分子からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の浄化方法は、生分解性高分子を含むように構築した浄化壁を土壌層に埋設することを特徴としており（図１）、該高分子を微生物により分解させ、得られた分解産物（炭素源としての有機物質）を脱窒菌に供給し、土壌中に含まれる汚染物質（例えば硝酸など）を分解させることを可能とするものである（図２）。
【００１３】
１．生分解性高分子
本発明において、生分解性高分子とは、加水分解により、又はアルカリゲネス・ファエカリス(Alcaligenes faecalis)若しくはシュードモナス・レモイグネイ(Pseudomonas lemoignei)などの微生物により分解される高分子を意味し、生分解性を有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、生分解性を有する脂肪族ポリエステル系樹脂、微生物により生産される高分子、又はデンプン系の高分子若しくはタンパク質系の高分子を例示することができる。
【００１４】
ここで、脂肪族ポリエステルとしては、例えば発酵ポリアミノ酸、合成ポリアミノ酸、酢酸セルロース、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコリド、ポリ（3-ヒドロキシ酪酸）、ポリビニルアルコール、ポリラクチド、ポリプロピオラクトン、ポリグリコール酸などが挙げられる。
【００１５】
また、生分解性高分子を合成することができる微生物（例えばラルストニア・ユートロファ(Ralstonia eutropha）、アルカリゲネス・ラタス（Alcaligenes latus)等）により製造される高分子としては、例えばポリ-3-ヒドロキシ酪酸、ポリ-3-ヒドロキシ吉草酸若しくはこれらの共重合物、ポリ-4-ヒドロキシ酪酸、又はポリ-4-ヒドロキシ酪酸とポリ-3-ヒドロキシ酪酸との共重合物などが挙げられる。
【００１６】
さらに、デンプン、多糖類系の高分子としては、例えばカードラン、プルラン（水溶性多糖類）、セルロース、デンプン、アミロース、キチン、キトサン等が挙げられ、タンパク質系の高分子としては、例えばグルテン、ゼラチン、コラーゲン等が挙げられる。
【００１７】
本発明に用いる生分解性高分子は、上記の生分解性を有するものであれば特に限定されるものではない。また、上記生分解性高分子から任意に1種又は2種以上のものを適宜組み合わせて選択することができる。これらの生分解性高分子は、対象となる土壌の硝酸濃度、生育微生物種によって最適なものが選択される。但し、成形加工性に優れている点、生分解しやすい性質を有する点、分解生成物が生物代謝に利用されやすい点などを考慮すると、微生物産生のポリエステル、例えばポリ（3-ヒドロキシ酪酸-3-ヒドロキシヘキサノエート）ランダム共重合体（P(3HB-co-3HH））、ポリ（3-ヒドロキシ酪酸-3-ヒドロキシ吉草酸）ランダム共重合体(P(3HB-co-3HV)）又はこれらの混合物が好ましい。
なお、上記脂肪族系ポリエステル樹脂は、市販品（例えばモンサント社の「バイオポール」）を用いることもできる。
【００１８】
２．浄化壁の構築
本発明において、浄化壁とは、上記生分解性高分子を含有する透水性固形物を意味する。そして、浄化壁に含まれる生分解性高分子が分解することにより、従属栄養脱窒菌が硝酸を窒素ガスに分解するための炭素源としての役割を有するものである。浄化壁を構成する基材（担体）には、砂、礫、砂利などの土壌、活性炭などの植物材料、多孔質コンクリートなどの人工構造物等が使用されるが、粉末状の高分子を均等に混合し得る点、及び透水性に優れている点で砂又は砂利を担体とすることが好ましい（図5A又はB)。
浄化壁は、表土を剥がし、直接砂又は砂利と混合した高分子を敷き詰め、再び表土を埋め戻すことで構築することもできる。
【００１９】
さらに、浄化壁は、生分解性高分子を含むフィラメント又はシートとして得ることもできる。フィラメントは、溶融紡糸法、乾式紡糸法、湿式紡糸法などにより得ることができる。そして、フィラメントにおいては編み物の編み方（平編み、ゴム編み等）又は織物の織り方（平織り、綾織り等）に準じて網目状にしてもよく(図5C）、不織布の製法に準じて不織布状としたものでもよい（図5D)。さらに、シートは、蜂の巣状の構造等に成形することにより透水性を付与することもできる（図5E)。
【００２０】
生分解性高分子の種類及び配合量は、土壌の有機物濃度、硝酸などの汚染物質の濃度、生分解性高分子の分解速度等に基づいて任意に設定することができる。この場合において、種類及び配合量は、分解微生物により又は加水分解により得られる分解生成物の生成速度と、該分解生成物及び硝酸を用いて従属栄養性脱窒菌により脱窒される脱窒速度とが同じになるように設定することが好ましい。従って、浄化壁の担体を天然の土壌又は砂を用いた場合は、元来その土壌中に脱窒菌が含まれているため、脱窒菌の添加は不要であるか又は少量で済む。一方、浄化壁を人工的に作製する場合は、脱窒菌が全く含まれない場合もあるため、生分解性高分子の分解菌及び脱窒菌を添加することにより生分解性高分子の分解速度と脱窒速度とのバランスを図る。
ここで、浄化の対象となる化学物質としては、限定されるものではないが、硝酸、リン酸、硫化物等を挙げることができる。
【００２１】
一般に、土壌中には、硝酸のみならずリン酸も含まれている場合がある。本発明においては、土壌中にリン酸が含まれていても、硝酸などの化学物質とともにリン酸を除去することが可能である。リン酸を除去するための浄化壁は、上記浄化壁に、リン酸イオンと反応して水不溶性のリン酸塩を形成し得る物質を混合したものが使用される。「リン酸イオンと反応して水不溶性のリン酸塩を形成し得る物質」（以下「リン酸塩形成物質」ともいう）としては、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属を含むもの、例えば消石灰(Ca(OH)2)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)などが挙げられる。
【００２２】
また、一般に脱窒菌は嫌気環境下において脱窒活動を行うため、土壌は好気的環境よりも嫌気的環境であることが好ましい。そこで、本発明においては、上記浄化壁に還元剤を混合するか、あるいは浄化壁に還元剤を含む層を隣接させる（重層する）ことにより、脱窒菌が嫌気状態で硝酸呼吸を行うことを容易にすることができる。土壌に浸入した雨水は土壌の下に向かって流れること、脱窒菌により硝酸呼吸が行われる時期は生分解性高分子が分解された後であることを考慮すると、還元剤を含む層（還元層）は、固形有機物層の下側に隣接させて二層構造を採用することが好ましい（図３及び４）。これにより、脱窒菌が脱窒活動を行うために必要な脱窒の基質の供給と、還元状態を作り出すことができる。
本発明に用いる還元剤としては、鉄粉(Fe2+)、銅、亜鉛、イオウ化合物などが挙げられるが、安価及び安全である点で鉄粉が好ましい。
以上のことより、本発明における浄化壁は、以下の組成のものが挙げられる。
【００２３】
▲１▼ 担体＋生分解性高分子
▲２▼ 担体＋生分解性高分子＋リン酸塩形成物質
▲３▼ 担体＋生分解性高分子＋リン酸塩形成物質＋還元剤
▲４▼ 担体＋生分解性高分子＋還元剤
▲５▼ 上記▲１▼〜▲４▼のいずれかの浄化壁に、さらに還元剤を含む壁を重層したもの（二層構造）
【００２４】
担体に混合する生分解性高分子、リン酸塩形成物質及び還元剤の混合割合は、土壌中に含まれるリン酸及び硝酸の濃度又は組成比、土壌の流速等により適宜設定することができる。例えば、上記▲１▼の組成の浄化壁の場合は、担体として砂100ｇに対して高分子（例えば脂肪族ポリエステル）を0.1〜50ｇ配合することができる。
【００２５】
配合後は、浄化壁を埋設するための形態に成形する。浄化壁は、完成品として板状の構造に成形してもよく(図5A〜E）、完成品の一部として柱状杭（円柱状、角柱状）又は板状となるように成形してもよい。浄化すべき土壌層が広範囲（広面積）にわたる場合は初めから完成品を作製することは困難であるので、完成品の一単位として、図5に示す各形態の部品であって適当な大きさのもの（ピース）に成形することが好ましい。なお、部品は板状のものでも柱状のものでもよく、その大きさは土壌層の大きさに応じて任意に設定することができる。
例えば、円柱状の杭を重ね合わせて板状のものにすると、浄化壁は図5Bの形態のものとなり、これが完成品又は部品として利用される。
【００２６】
本発明において用いられる浄化壁は、透水性を有する限り、浄化対象の土壌の汚染度、微生物の分解速度、脱窒菌の分解速度等に応じて適宜選択することができる。例えば、汚染度が比較的低く、外界への影響が少ない場合は、図5の各形態において浄化壁の一枚の厚さを薄くし、又は図５Bの形態において柱状杭を重ねたときの厚さを薄くする。一方、汚染度が比較的高く、外界への影響が大きいと思われる場合は、各浄化壁の厚さを厚くし、あるいは一本の柱状杭の円周を小さくする。その結果、土壌と接触する浄化壁の表面積が大きくなり、脱窒菌に必要な炭素を迅速かつ十分に供給することができる。
【００２７】
３．浄化壁の埋設
化学物質で汚染されている土壌層あるいは土壌層の下層に、上記の通り構築した浄化壁を埋設する（図1又は３）。浄化壁が予め完成品として板状又は層状に成形された場合は、地面を掘削後、浄化壁を掘削孔に直接埋め込むことにより埋設を行う。浄化壁を埋設する土壌層の位置は、畑地などの表層部（地表から50〜100cm、図３A）、ローム層（図３C）、又は表層とローム層との境界（図３B）のいずれでもよい。
【００２８】
浄化壁の一部が部品として成形された場合は、以下の通り埋設を行う。すなわち、部品として柱状杭を用いたときは、地面を掘り起こした後それぞれの柱状杭を掘削孔に横向きに寝かせながら埋設し、全体として層状又は板状構造となるように形成させる。また、部品として図5に示す各形態の板状のものを用いたときは、部品を掘削領域に寝かせながら埋設し、全体として層状又は板状構造となるように形成させる。
【００２９】
また、以下の方法で浄化壁を直接土壌層に構築することができる。表土を目的深度まで剥がし、そこにあらかじめ砂利等と混合しておいた生分解性高分子を目的とする厚みに敷き詰め、再び表土を埋め戻す。また、間隙率が高いなど埋設する土壌の条件によっては粉末状の生分解性高分子を土壌層の間隙に注入することで構築することが可能である。
【００３０】
４．浄化過程
以上のように土壌層に浄化壁を埋設すると、浄化壁内では、微生物が分泌する分解酵素(リパーゼ、ポリヒドロキシアルカン酸デポリメラーゼなど)によって、充填した生分解性高分子が徐々に分解され、結果として水溶性のモノマーやオリゴマーが分解生成物として放出される。
【００３１】
浄化壁内に生息する従属栄養性の脱窒菌は、溶出した分解生成物を有機炭素源として利用し、水中の硝酸を窒素ガスまで還元し除去する(図2)。例えば、微生物が合成する生分解性高分子、ポリ-[R]-3-ヒドロキシ酪酸を担体として用いた場合、生分解によって生成するモノマー（[R]-3-ヒドロキシ酪酸：C4H8O3)は以下のように、生物学的脱窒に利用される。
【００３２】
C4H8O3  +  3NO3 →  4CO2  +  4H2O
なお、高分子を分解することができる微生物としては、例えばアルカリゲネス・ファエカリス(Alcaligenes faecalis)、シュードモナス・スツッツェリ(Pseudomonas stutzeri)などが挙げられる。また、従属栄養性の脱窒菌としては、例えばアルカリゲネス・デニトリフィカンス(Alcaligenes denitrificans)、シュードモナス・デニトリフィカンス(Pseudomonas denitrificans)などが挙げられる。
【００３３】
さらに、土壌中のリン酸を除去することを目的として消石灰を生分解性高分子に混合したときの脱窒過程を図６に示す。すなわち、土壌中のリン酸イオン(PO4-)は、生分解性高分子内の消石灰と反応し、リン酸カルシウム(CaPO4)の化合物となり土壌中から除去される。また、この反応によって発生したOH-は、生分解性高分子を加水分解し、水溶性のモノマーやオリゴマーが土壌中に生成する。さらに、生分解性高分子は酵素によっても分解される。そして、アルカリ及び酵素による分解で生じた水溶性の生成物は、硝酸還元の水素供与体として利用される。なお、土壌のpHは、脱窒によって生成した炭酸によって中和される。以上のような機構によって、土壌中の硝酸とリン酸が同時に除去される。
【００３４】
さらに、生分解性高分子を含む浄化壁に、さらに還元剤を含む壁（還元層）を重層した場合（図3）は、生分解性高分子は分解微生物により分解され、この分解物が硝酸呼吸の炭素源（水素供与体）として使用される。従って、脱窒菌は嫌気状態で硝酸呼吸を行い、硝酸は窒素並びに水及び炭酸ガスに分解される（図4）。
【００３５】
本発明の浄化方法によれば、農薬等による硝酸汚染源土壌（例えば畑地）の直下に浄化壁を設けることにより、汚染物質が地下に浸透することを防ぐことができる。また、浄化壁設置後は電力などの動力、エネルギーを必要とすることなく、原位置で処理することが可能である。また、広範囲な面源汚染に対応することができる。
さらに、脱窒菌の脱窒活動に必要な水素供与体を分解性のものにすることで、水素供与体が徐々に地下に放出されるため、効果の持続時間が長く、また二次汚染を引き起こすこともない。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれら実施例にその技術的範囲が限定されるものではない。
〔実施例1〕硝酸汚染土壌の脱窒モデル試験
図７に示す透過性浄化壁を模したカラムを作製し、合成硝酸汚染水をカラム内に通水させ、浄化壁を透過させることで連続的な硝酸除去が可能であるか否か検討を行った。アクリル製の各カラム（C-1〜C-3）内に、4号珪砂、鉄粉、微生物合成生分解性高分子であるP(3HB-co-3HV)を表に示す条件で混合したものを充填剤として充填した。また、実際に地下水が硝酸性窒素で汚染されている地域の畑地土壌を100倍重量の蒸留水に懸濁した土壌抽出液を作製し、土壌抽出液の上澄み液を200mlずつC-2及びC-3カラムの充填物に脱窒菌源として含浸させた。
0004331378.tif 000002
【００３７】
通水には低流量のマイクロチューブポンプを使用し、試料溶液として硝酸態窒素濃度50ppmに調整した模擬硝酸態窒素汚染地下水を用い、上昇流でカラム内に通水させた。カラム通過前後（入口と出口）及び各サンプリング孔から経時的に採水し、NO3-N及びTOC（全有機炭素）濃度を測定した。
模擬汚染水を28日間通水させたときの各カラム内におけるNO3-N及びTOCの変化を図8に示す。
【００３８】
図8において、ポリマーを添加したカラム（C-2:-●-、C-3:-▲-)では、汚染水中のNO3-Nはカラム内を通過するに従って減少し、ポリマーを添加しないカラム(C-1:-■-）ではカラム通過時にNO3-N濃度変化はほとんど観測されなかった。試料液中のTOCについても、ポリマーを添加したカラムではポリマーから溶出した分解生成物と考えられる増加が観測された。これらの現象より、カラム内で生分解性ポリマーの分解と、分解により生じる水溶性有機物を使った微生物脱窒が起きていたことが分かる。また、鉄粉の添加量が少ない方が脱窒に要するカラム内の距離が少なく、TOC濃度も高かった。従って、このカラム内で起きていたポリマー分解は、鉄粉の存在によりポリマーの分解が阻害される態様の微生物分解であることが分かる。
以上の結果から、微生物分解性のポリマーを加えた浄化層に硝酸態窒素汚染水を通水することで、連続的に硝酸態窒素の除去が可能であることが判明した。
【００３９】
【発明の効果】
本発明により、土壌の浄化方法が提供される。本発明の浄化方法によれば、安価かつ簡易に有機炭素源を安定して供給できるほか、硝酸やリン酸などの効率的な除去を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浄化方法の概要を示す模式図である。
【図２】生分解性高分子の分解過程及び脱窒菌による硝酸の分解過程を示す図である。
【図３】本発明の浄化方法の概要を示す模式図である。
【図４】本発明の浄化方法における浄化機構を示す図である。
【図５】本発明の方法に使用される、生分解性高分子含有浄化壁の形態を示す図である。
【図６】本発明の浄化方法における浄化機構を示す図である。
【図７】透過性浄化壁を模したカラムを示す図である。
【図８】硝酸汚染土壌の脱窒モデル試験結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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