海底および汽水湖底からの浚渫汚泥の除塩における基礎実験
地域戦略研究所 安井裕彦、藤本栄之助
はじめに
近年の環境に対する意識の高まりは、浚渫汚泥にも及び、環境に優しい処理方法や汚泥を再資源として利用するリサイクルなどに関心が寄せられている。浚渫汚泥は、海底・湖沼・河川の浚渫によって機械的に回収・除去された土砂・ヘドロ等の底質であり、新たに土材として再利用する工法を我々は提案している。しかし、再利用において底質は水分を多く含んでおり、そのままでは扱いが困難である。また、海底や汽水湖からの浚渫汚泥
は多量の塩分を含み、埋め立て土材として利用するには、塩害の危険性も考慮する必要がある。したがって、再利用するためには、以上の問題を解決する「処理」が必要となる。
(株) 藤井基礎設計事務所では、このような浚渫汚泥に対して石膏を主成分とする中性固化処理と水によるリーチング（洗滌）処理を検討している。中性固化とは産業廃棄物である汚泥を再資源として再利用することを可能とした土質改良材であり、底土質をはじめとし、軟弱地盤、建設汚泥等を短時間で安定処理することが出来る上に、脱臭効果に優れ (脱臭効果がない場合もある)、処理土の pH を中性域に置いて処理できる。また、リーチングとは大量の水をかけて塩分を洗い流す作業であり、塩類土壌の対策法として一般的に使われている。しかし、リーチングだけでは、効果がない土壌もある。中国では、そのような土壌に対して「石膏」を用いている。
中国・遼寧省、吉林省および内蒙古自治区の一部では、塩害の原因である塩化ナトリ
ウム（NaCl）が多量に蓄積されているアルカリ土壌が近年拡大している。その面積は中国・東北部だけでも 10 万 km2 を下らないとされ、既に内蒙古自治区の草原地帯をも侵食し始めている。アルカリ土壌が最近とくに注目されるようになってきたのは、その土壌改良がき
わめて困難であることに加えて、通常の塩類土壌よりもはるかに土壌が荒廃しており、植物の生育が困難と思われるほど植生の退化が著しいことにある。アルカリ土壌の化学的特徴を示すと、他のイオンに比べて極端に Na 飽和度が高いために、ナトリック層が形成される。このナトリック層は極めて緻密な土層をとり、透水性を著しく低下させ、従来のリー
チング（洗滌）による除塩効果をなくす。しかも、土壌反応が強いアルカリ性を示すこと
から、植物はまったく生育できない状態となる。
松本らは、このアルカリ土壌の改善方法として石膏（主成分は硫酸カルシウム：CaSO4）を用いて改善に取り組んでいる（松本聡 1997）。石膏はオランダですでに 1945 年に海水が氾濫した土壌の改良に石膏を用いている (Zurr 1952)。この方法は破壊された団粒構造を徐々に回復すると同時に、作物にも害を与えず、土壌 pH を低下させることにある。また、石膏の主成分である CaSO4 と塩化ナトリウムを混ぜると以下の反応が起きる。
2NaCl＋CaSO4→CaCl2＋Na2SO4↓・・・・①
この反応は塩害の原因である NaCl を減少させる。また、生成物である硫酸ナトリウム（2塩水）は溶解度が低いので、Na との置換を着実に行うという利点もある。したがって石膏
は塩害の土壌改善材の 1 つとして期待が持てる。

今回の実験では、石膏が NaCl をどの程度除去できるかを確認するため、海水と同じ濃度 3.5 %の NaCl 溶液に石膏を添加し、どの程度、どのくらいの時間で反応が起きるかを確かめる。また、参考として(株)山建プラントが行ったリーチングの実験の結果と浚渫汚泥を中性固化し透水性を改善した実験結果も示し、塩害に対する有効手段を検討する。
材料と方法
本実験では、NaCl と石膏の主成分である CaSO4 の反応をさせ、時間にともなう変化を観察する。反応式 ①に合わせたモル濃度溶液を作成し、各試料の陽イオンと陰イオンを測定した。海水と同じ NaCl 濃度 (0.63 mol/L) に対して反応分の CaSO4 濃度 (0.39 mol/L ) 溶
液をつくるために、NaCl (17.5 g) と CaSO4 (23.03 g) を蒸留水で 500 ml に合わせ、密閉型のポリカーボネイト容器に入れ、攪拌させた。攪拌はスターラーで 9 時～17 時の間で行った。
試料採取は、約 2 ml の試料溶液を容器からシリンジで採取し、溶け残った粒子を取り除くためのシリンジフィルター（pore size 0.2 μｍ）を装着させ、濾過し保存した。試料採取時間は 50 min, 140 min, 4 days, 8 days, 11 days で、計 5 個の試料を採取した。
最後にイオンクロマトグラフィー測定するために、濾液 100 μL 分に対して蒸留水
99900 μL を添加し、1000 倍希釈し調整し、測定した。
本実験では、反応の進み具合を見るための収率は以下の計算式で示した。
収率（％）＝(生成物：CaCl2 由来の Ca2＋)×2 / (反応物：反応前の塩化ナトリウムの Na＋) × 100

イオンクロマトグラフィーはイオンしか測定できないので、イオンから収率を求めた。反
応生成物を CaCl2 由来の Ca2+とし、反応物を NaCl の Na+として計算した。ただし測定した
Ca2+は CaSO4 と CaCl2 から由来している。CaSO4 は溶解度が非常に低くいので、測定したCa2+から CaSO4 の溶解度分の 0.022 mol/L を差し引き、CaCl2 由来の Ca2+を求めた。
結果と考察
一般に塩害の対策は、根圏の塩，特に NaCl が高くなって作物の生育が阻害される現象であるので、植物の毛根域から塩分を取り除くことが本質となってくる。塩害は、一般に栽培植物の場合は土壌の飽和抽出液中約 0.3 %の塩含量（電気伝導度 4mΩ-1cm-1）以上で出現する（福岡 1978）。また、リーチングの効果がないアルカリ土壌は電気伝導度が約 0.3 %の塩分量（4 mΩ-1cm-1）以上、Na 飽和度が 15 以上であると定義されている。つまり、最低でも塩害を防ぐには、土壌中の塩濃度を 0.3 %以下、Na 飽和度を 15 以下にまで下げる必要がある。
本実験では、石膏の除塩効果実験の反応収率は 25～38.4 %の範囲を示した (Fig.1)。また、反応収率は時間の経過とともに減少した。これは、溶液中の NaCl の約 2 割～4 割に減少させることができる。しかしながら、この収率では土壌塩濃度を海水と同じ 3.5%と仮定した場合に、目標の塩濃度以下にすることができない。この収率の低さは、CaSO4 の低い溶解度が起因している。この実験法では溶液中で反応させているため、溶けたイオン分、また溶けきれない石膏の表面部分しか反応していない。また、収率の時間に伴う減少は少しながら Na2SO4 と CaCl2 が反応していることが考えられる。これらの課題を解決するには、これらの反応条件を変える必要がある（例えば、混ぜ方など）。また、反応生成物である CaCl2と Na2SO4 の植物や土壌の影響も考慮しなければならない。特に植物にとって NaCl ほどではないが、CaCl2 も有害な可溶な塩類である (福岡 1979)。しかしながら、CaCl2 は NaCl よ
りも溶解度が高く、リーチングなどと組み合わせた場合、安易に洗い流せる。実際の海水は、NaCl だけでなく、様々な塩が溶けているので、それらの植物への影響も考慮する必要があるだろう。
石膏の土壌改良の役割は、NaCl を反応によって減少させるだけでなく、土質の透水性を改善させる役割が大きい。アルカリ土壌は他のイオンに比べて極端に Na 飽和度が高いために形成されるナトリック層が透水性を著しく低下させているが、石膏はこのナトリック
層を壊変させる。この原理は、石膏中の Ca イオンが土壌コロイドに吸着している Na イオ
ンと置換することによって、ナトリック層を改変させるものである。この方法は段階的に土壌中で保水性や排水性、通気性、易耕性がよくなる団粒構造を形成する粘土コロイドを安定させる効果がある上に、破壊された団粒構造を徐々に回復し、土壌 pH を低下させる。
このように石膏は塩類土壌の改善に非常に良い有効手段である。
本実験対象の浚渫汚泥は、シルト状、ヘドロ状である場合が多く、透水性が非常に悪いため、通常の脱塩処理であるリーチングの処理時間が非常にかかる。(株)山建プラントの実験結果でも明らかである。1.2 kg の浚渫汚泥をリーチングした実験では、NaCl 由来の Cl
イオンを 280 mg/L を 1.2 mg/L に減少させるものの、洗滌時間が 150 min の時間を要した(Table 1) 。これは、1000 kg の浚渫汚泥をリーチングするのに 1000 kg の水と約 1 ヶ月半の期間を要する。このように、リーチングによる脱塩は、処理時間を改善する必要がある。
これには、浚渫汚泥の透水性を改善することで解決できる。
透水性の悪い浚渫汚泥を中性固化処理し、透水性を改善した実験結果を示す。浚渫汚泥 50 g に対して、50 ml の水を濾過させた。結果は固化前の浚渫汚泥は濾過時間が 15 分であったのに対して、処理後では 1 分以下であった (Table 2)。中性固化材には、凝集沈殿剤、石膏が含まれており、これらの効果により汚泥の水分を短時間でとりこみ、固化することができる（Fig.3）。このように、この中性固化剤は透水性を高める。さらにリーチングと組み合わせることで処理時間も短くすることができる。また、我々が実施している中性固化
材は河下港浚渫汚泥に対して、付着した海水中の NaCl を中和するのに必要な石膏の化学当量に対して 4 倍当量の石膏が固化材として使われており、石膏による脱塩効果も確認できる。このように我々の中性固化剤は、本実験から塩害の土壌改良材としても効果的である。
本実験から塩害の土壌改良において中性固化材は非常に有効であることが確認できた。
しかし、本実験により解決すべき課題も見えた。即ち、石膏の溶解度が低いために、NaClを減少させる反応が 25～38.4 %ほどにとどまり、完結しないことがある。しかし、松本らの研究が示しているように石膏の透水性の向上効果、および中性固化材に含まれている凝集沈殿剤の透水性の向上効果はリーチング効果を改善することで、農作物への塩害を抑制していることが判明している。このことをさらに実証するために、植物への影響を調べる必要がある。したがって、浚渫汚泥を中性固化材で固化した泥土で植物などを培養し、植物への影響などを検討できるような実験を予定している。
参考文献
Zurr, A.J Soil Science. 75, 74 (1952)
Scheffer, F. and Schachtschabel, P. 訳 佐々木清一, 長谷川寿喜“土壌学”, 博友社 pp.333(1979)
松本聡“環境科学”26, 25 (1997)
福岡正巳 “土質工学における化学の基礎と応用工学学会 pp.144 (1978)

土質基礎工学ライブラリー15”, 土質