ジオスチーム法によるＰＣＢ汚染土壌の浄化
Decontamination of PCB Contaminated Soil by GEO-STEAM Technology
中島 卓夫*1

田村 和広*1

吉岡 由郎*1

轟木 朋浩*2

Takuo Nakashima

Kazuhiro Tamura

Yoshirou Yoshioka Tomohiro Todoroki

佐藤 岳史*2

馬目 栄二*3

高柳 周二*3

Takeshi Sato

Eiji Manome

Syuji Takayanagi

要旨
本報告は、株式会社東芝、株式会社テルムと共同で実用化を図っているジオスチーム法について、その概要および特徴を述べるとともに、実用規模の装置を用いて実施したポリ塩化ビフェニール（以下、PCB と記す）汚染土壌の浄化処理の実証試験結果について報告するものである。ジオスチーム法は間接熱脱着と水蒸気分解技術を組み合わせた汚染土
壌の浄化工法であり、土壌からの汚染物質の分離および脱着した汚染物質の分解までを一連のプロセスの中で行なうことが出来ること、処理に当って特殊な薬剤を必要としないこと、幅広い土質・汚染濃度に対応可能であること、有機物の影響を受けにくいこと、などの特徴があり、今後幅広い適用が期待できる技術である。

キーワード：汚染土壌 間接熱脱着 水蒸気分解 土壌浄化

１．はじめに種規制基準に適合した浄化が可能なことを確認するとともに、PCB の除去性能や分解性能などを確認したので、そのPCB やダイオキシン類をはじめとする残留性有機汚染物結果について述べる。

質(POPs)については、その毒性とともに残留性や長距離移一方、このような熱を用いる装置では、スケールアップ動性が問題となっており、適正な処理が求められている。に伴い、熱効率などが変化し、処理の性能が低下する場合著者らはこれらの物質に汚染された土壌や底質・汚泥等がある。このため、本工法の開発に当たっては、室内規模（以下、汚染土壌と記す）について、汚染物質を分離しての装置から実用規模の設備まで、順次装置をスケールアッ浄化することを目標として、間接熱脱着法を用いた各種試プして実証試験を実施している。

験を実施し、実用化している

1)2)

。

本報告では、それら各試験における装置スケールと処理間接熱脱着法は土壌の種類や有機物の影響を比較的受け性能との関係についても合わせて報告する。

にくく、高い浄化性能が確保できる半面、脱着した汚染物を濃縮汚染物として回収し、別途処分する必要があった。

２．ジオスチーム法の概要

一方、ガス化した汚染物質は水蒸気分解技術で分解・無害化することが可能である 3)ことから、両者を組み合わせ

ジオスチーム法は、汚染土壌を間接加熱処理して汚染物た「間接熱脱着＋水蒸気分解による汚染土壌の浄化工法」

質を土壌等から揮発させて分離し、浄化した土壌を回収す（以下、ジオスチーム法と記す）の開発を行ない

4)5)、各種汚染土壌や底質での実験によりその有効性を確認した。
本報告では、ジオスチーム法の概要および実用規模の設るとともに、揮発した汚染物質や水分を含むガス体を1,100 ℃程度まで加熱し、ガス中の有機汚染物質を無害な物質に分解するものである。

備による PCB 実汚染土壌を用いた浄化実証試験を行い、各

*1

大阪本店

土木技術部

*2

㈱東芝

社会システム社*3㈱テルムジオスチーム法の原理を図 1 に、処理プロセスの主な内2.3

容を以下に示す。

排ガス処理プロセス

排ガス処理プロセスでは水蒸気分解後のガス中に含まれる微量の汚染物質を除去するとともに、低分子の可燃性ガ

2.1

間接熱脱着プロセススを処理する。

間接熱脱着プロセスでは土壌を間接加熱して、土壌中の水蒸気分解プロセスを通過したガスには一酸化炭素やメ汚染物質をガス化して分離する。

タン・水素などの可燃性ガスが含まれる。これらのガスは、汚染土壌は、気密性を保持できる投入口より間接熱脱着

排ガス処理の最初の段階で、温度を約 1,100℃に保ったま装置のチャンバー内に投入される。チャンバー内ではスクま空気を添加することで酸化処理し、水蒸気および二酸化リューオーガーにより投入部から中央部を経て排出口側に炭素とする。

搬送される。チャンバー外面はバーナーにより加熱されて酸化処理後のガスはクエンチャー内で冷却水を噴霧しており、チャンバー内部の汚染土壌はチャンバー壁面から伝急速冷却し、ガス中の水蒸気を水として回収する。また、達される熱により温度が上昇する。土壌温度の上昇に伴い、ガス中に含まれる塩化水素などの酸性ガスも冷却水中に捕

汚染土壌中の水分及び汚染物質はガス化して分離され、土捉する。

壌は浄化される。浄化された土壌は、気密性を保ちながら冷却後のガスは、フィルターろ過および活性炭吸着処理排出され、水処理プロセスの処理水を加え湿潤状態の浄化を行なった後、大気放出する。

土壌となる。

これらの処理は、ガス処理フローの最上流である間接熱

間接熱脱着は汚染物質の種類や土質により処理温度や装脱着プロセスのチャンバー内が負圧に保たれるように排ガ置内の滞留時間を調整することで浄化性能を変えることがス処理装置の終末に設置したブロアによりガスを吸引しなでき、浄化目標に応じた効率的・経済的な処理が可能であがら行なわれる。このため、処理経路全域が負圧となってる。

おり、処理の途中でガスが外部漏洩することはない。

2.2

水蒸気分解プロセス2.4

水蒸気分解プロセスでは、間接熱脱着プロセスで分離し水処理プロセス

間接熱脱着プロセスで土壌から蒸発・分離した水分は排たガス状の汚染物質を分解する。

ガス処理プロセスのクエンチャーで冷却され冷却水の一部

間接熱脱着プロセスで土壌から分離した汚染物質や水分として回収され、余剰水として排出される。この余剰水には、ガス体のまま水蒸気分解プロセスに導入される。このは、間接熱脱着プロセスで発生した土壌由来の SS（懸濁性ガスは、水蒸気分解装置内に設置された間接加熱式ヒータ浮遊物質）分が含まれ、また、汚染土壌等に水銀などの揮ーにより約 1,100℃まで加熱される。この温度域では、水発性の重金属が含まれている場合にはそれらも水中に存在蒸気と有機物が反応し、PCB やダイオキシン類、POPs 農する。

薬などの有機塩素化合物は一酸化炭素、二酸化炭素、メタ

このため、水処理プロセスでは、水中の SS や水銀などのン、水素、塩化水素などに分解される。

有害物質などを除去する。浄化方式はろ過、凝集沈殿処理、活性炭吸着処理などの技術が適用できる。これらは水中に汚染土壌揮発した有害物を水蒸気 PCB+有機物+H2O →と反応させ分解する。
CO+H2+CH4+CO2+HCl排ガス処理プロセス

水蒸気分解プロセス
熱脱着ガス

分解後のガスは活性炭等を通して大気放出する。

クエンチャー
間接熱脱着プロセス
湿潤水
汚染土壌を間接加熱して有害物を揮発・抽出する。

水処理プロセス
浄化土壌

図1

反応に使われなかった水分は浄化土壌に戻す。

ジオスチーム法の原理

に存在する有害物質の種類や濃度に応じて単独あるいは適

これらの設備の主な諸元を表 2 に、パイロットスケール設備及びコマーシャルスケール設備の写真を写真 1,2 に示切に組み合わせて用いる。
浄化後の処理水は浄化土壌の加湿水として再利用できる。

す。

３．対象汚染物質と適用範囲

表2

ジオスチーム法は汚染土壌から間接熱脱着処理により汚染物質を分離して水蒸気で分解する技術であるため、間接熱脱着工法と同様な汚染物が浄化対象である。ジオスチー
ム法で浄化可能な適用対象物質を表 1 に示す。
表1

浄化性能確認済みの適用対象物質

対象物質
ダイオキシン類
ポリ塩化ジベンゾフラン
ポリ塩化ジベンゾジオキシン
コプラナPCB
ポリ塩化ビフェニール
POPｓ農薬アルドリン
ディルドリンエンドリン
ジクロルジフェニルトリクロルエタン

略号
DXNs
PCDF
PCDD
Co-PCB
PCBs

処理能力
間接熱脱着装置
本体寸法(幅×長×高）熱源
水蒸気分解装置
本体寸法(幅×長×高）
熱源
水処理装置
本体寸法
(幅×長×高）各実証試験設備

ラボ
スケール
1kg/hrベンチ
スケール
12kg/hr

0.2m×0.2m
×0.5m
電気ヒータ

0.3m×0.3m
×1.5m
電気ヒータ

1.7m×5.1m 2.2m×9.4m
×3.5m
×2.6m
LPGバーナー LPGバーナー

0.2m×0.2m
×2.6m
電気ヒータ

0.6m×1.2m
×1.8m
電気ヒータ

0.7m×1.6m
×1.3m
電気ヒータ

-

処理方式

-

1.0m×2.0m
×2.0m
ろ過+活性炭吸着処理（バッチ式）

パイロット
スケール
50kg/hr

同左
同左

コマーシャルスケール300kg/hr

1.5m×6.6m
×1.5m
電気ヒータ
2.0m×4.0m
×1.0m
ろ過+活性炭
吸着処理
（連続式）

DDT

ベンゼンヘキサクロリド
BHC,HCH
その他DXNs含有農薬
ペンタクロロフェノール
PCP
ペンタクロロニトロベンゼン
PCNB※一部、間接熱脱着技術での実績を含む

通常の間接熱脱着工法では分離した汚染物質をクエンチ
ャーにより回収するが、高濃度の汚染物を処理した場合や、草木根、廃棄物などを多く含む場合、クエンチャーだけでは熱脱着ガスからの汚染物質の除去が不十分になる可能性があり、クエンチャー後段のガス処理設備（フィルターおよび活性炭）に負荷がかかる。一方、ジオスチーム法では汚染物質や有機物を水蒸気分解プロセスで分解・無害化す

写真 1

パイロットスケール(50 kg/hr)

るため、ガス処理プロセスへの負荷が小さく、より高濃度の汚染および有機物含有量の高い汚染土壌への対応が可能である。

４．実証試験設備
ジオスチーム法の設備としては、ラボスケール設備(1kg/hr)、ベンチスケール設備(12 kg/hr)、パイロットスケー
ル 設 備 (50 kg/hr) お よ び コ マ ー シ ャ ル ス ケ ー ル 設 備 (300kg/hr)があり、技術の実用化にあたっては、これらの設備を用いた各種汚染土壌の浄化実証試験を行い、処理量や温度、滞留時間などの処理条件の浄化性能に与える影響等を確認するとともに 4）、設備のスケールアップに伴う機械的なトラブルの有無や浄化性能への影響などを確認した。

写真 2

コマーシャルスケール（300 kg/hr）

５．実証試験5.2

試験結果

ダイオキシン類・PCB の分析結果を表 4 に示す。
著者らは、ジオスチーム法のコマーシャルスケール設備を用い、各種汚染土壌の浄化実証試験を実施し、実用規模での浄化性能を確認するとともに、土質や処理速度などの5.2.1

間接熱脱着プロセスの性能

間接熱脱着プロセスでの PCB の除去率を表 5 に示す。ここで、除去率は次式に従って計算した。

影響について確認した。

処理前濃度 - 処理後濃度

ここでは PCB 汚染土壌を用いた試験の状況及び主な結除去率(%)

＝×100
処理前濃度

果について示す。

試験の結果、すべてのケースにおいて 99.8 %以上の除去5.1率が確保されている。特に、PCB 濃度が高い RUN2,RUN3 で試験条件

は PCB 除去率で 99.999 %以上の高い除去性能が確保でき実証調査の試験条件を表 3 に示す。

た。
表3

試験条件

試験No

RUN1

RUN2

RUN3

砂質土

砂質土

粘性土

PCB濃度
(mg/kg)9.3

11,0003,200

ダイオキシン類濃度(pg-TEQ/g)

820

試料土壌
土質

350,000

99,000運転条件～300 kg/hr
各RUN約8時間
約24時間

処理速度
処理時間
間接熱脱着処理条件

装置内滞留時間：約60分
チャンバー外壁温度：約700度

水蒸気分解条件

滞留時間：約5秒
ガス温度：約1,100℃

各 RUN においてシステム内の PCB およびダイオキシン類の挙動を把握するため、汚染土壌・処理後土壌・システム
内ガス等について分析を実施した。分析試料のサンプリン
グポイントを図 2 に示す。

RUN1RUN2RUN3基準<0.01-<0.0005<0.0005※141000※13,900-0.0010-0.00035

0.15※30.0014

0.1※4<0.0005<0.0005※50.030

1※5※1.土壌環境基準※2.ガス濃度は0℃、101.325 kPaの値である。
※3.PCB排出許容限界（平均値）：S47環境庁大気保全局長通知 環大企第141※4.ダイオキシン類特別措置法で規定された排出基準のうちもっとも厳しい値※5.水質環境基準
ガスクーラー

水蒸気分解

熱脱着ガス

分析結果

処理後土壌
PCB濃度
0.010.03(mg/kg)
PCB溶出量<0.0005<0.0005(mg/L)
ダイオキシン類濃度
0.00021190(pg-TEQ/g)
熱脱着ガス
PCB濃度
50024,000(mg/m3)※2
水蒸気分解ガス
PCB濃度0.000054
0.0021(mg/m3)※2
大気放出ガス
PCB濃度0.00004
0.00017(mg/m3)※2
ダイオキシン類濃度
0.000020 0.0000078(ng-TEQ/m3)※2
クエンチ水処理水
PCB濃度<0.0005<0.0005(mg/L)
ダイオキシン類濃度
0.00580.026(pg-TEQ/L)

クエンチャー

水蒸気分解ガス

試験No

表4

HEPA
ブロア
活性炭

大気放出ガス
デミスター

処理前土壌
投入ホッパー
水処理装置

間接熱脱着
凡 例
分析試料採取箇所

回収容器

クエンチ水処理水

処理後土壌

図2

処理水槽

ジオスチーム法のサンプリングポイント

表5

試験No
PCB 除去率(%)
DXNs 除去率(%)
5.2.2

PCB の分解率、除去率はすべてのケースで 99.9999 %以

間接熱脱着での除去率

RUN199.89
99.99997

RUN299.999799.95上であり、PCB 廃棄物処理技術に匹敵する浄化性能を有し

RUN3>99.999799.996ている。これらの点より、水蒸気分解プロセスの高い浄化性能および安全性が確認できたと考えている。
表6

水蒸気分解プロセスの性能

熱脱着ガスには汚染土壌から分離した PCB が含まれる。
本実証試験でも熱脱着ガス中の PCB 濃度は 500～24,000
mg/m3 と非常に高濃度であった。しかしながら、これらのガス状 PCB は水蒸気分解プロセスを通過した段階で、既にPCB 焼却施設暫定排出許容限界（0.15 mg/m3）未満まで分解・処理されており、排ガス処理プロセスにおいて浄化処理を行った後の大気放出ガスでは、環境大気中 PCB 濃度許容値（0.0005 mg/m3、S47.12.22 環境庁大気保全局長通知
環大企第 141 号の留意事項）を下回った。

水蒸気分解での分解率・除去率

試験No
熱脱着ガス

RUN1

RUN2

RUN3

PCB濃度(mg/m )水蒸気分解ガス3500

24,0003,900

PCB濃度(mg/m3)
大気放出ガス

0.00010.00210.0010PCB濃度(mg/m3)
PCB分解率(%)

0.00004

0.000170.00035

99.999989

99.999991

99.99997

PCB除去率(%)
99.999992 99.9999993※.ガス濃度は0 ℃、101.325 kPaの値である。

99.999991

大気放出ガス中のダイオキシン類濃度も、最大で 0.0014
ng-TEQ/m3 と 焼 却 施 設 の も っ と も 厳 し い 排 出 基 準 (0.1６．設備規模の浄化性能に与える影響

3ng-TEQ/m ,ダイオキシン類対策特別措置法施行規則)を大
各種のプラントではスケールアップに伴い想定外の影響幅に下回っていた。
水蒸気分解プロセスにおける PCB の分解率および排ガが現れる場合がある。本工法も熱を用いる設備であり、スス処理装置を含めた PCB の除去率を表 6 に示す。ここで、ケールアップに伴い、土壌や脱着ガスの熱効率の変化に伴分解率・除去率は次式に従って計算した。

う処理性能の低下や、装置の熱膨張に伴うひずみによる不具合、粉塵の堆積による不具合などが発生することが有る。
このため、本工法では処理設備の実用化に当たって、1

熱脱着ガス濃度-水蒸気分解後ガス濃度
分解率(%)＝

×100
熱脱着ガス濃度kg/hr のラボスケール設備から 300 kg/hr のコマーシャルスケール設備まで順次スケールアップを行い、各設備において PCB 汚染土壌等を対象とした浄化試験を実施し、スケー

熱脱着ガス濃度-大気放出ガス濃度除去率(%)＝×100

ルアップに伴う影響を検討した。

熱脱着ガス濃度

各設備を用いた試験結果の一部を表 7 に示す。

表7各種設備における主な試験結果（抜粋）ラボ
ベンチスケール スケール
112400400
1121000
1100～1100

項目
装置規模
間接熱脱着処理条件
水蒸気分解処理条件

処理能力
処理温度
処理速度kg/hr℃
kg/hr

処理温度℃

試料の条件

含水率
処理前
PCB含有量
処理後
PCB含有量
除去率
熱脱着ガス中PCB濃度
水蒸気分解処理後
PCB濃度
大気放出ガス中PCB濃度
PCB分解率PCB除去率

土質

間接熱脱着処理結果

水蒸気分解処理結果

パイロットスケール

コマーシャルスケール

661
19.3

50
665
39.2

652
9.6

695
150

300
697
200

681
300

1096

1095

1095

1098

1098

1098

砂質土

砂質土

砂質土

砂質土

砂質土

砂質土

砂質土

粘性土

％

21.3

5.0

11.4

7.3

9.3

7.1

4.6

14.6

mg/kg

100

60

1200

6300

11000

9.3

11000

3200

mg/kg

1.1

0.18

0.006

0.002

0.00260.01

0.03<0.01％

98.9

99.7

99.9995

99.99997

99.99998

99.89

99.9997>99.9997

mg/m3

19165

79

330

3000

500

24000

3900

mg/m3

0.000110.00110.00160.0051

0.002

0.000054

0.00210.0010

mg/m％
％

3-

0.00040.000180.00074

0.00210.00004

0.000170.00035

99.9994-99.999399.9998

99.99899.9998

99.99899.9998

99.99993
99.99993

99.99999
99.999992

99.999991
99.9999993

99.99997
99.999991

6.1
6.1.1

装置規模による処理効率

７．まとめ

間接熱脱着プロセスの浄化効率

土壌からの PCB の除去率は、ラボスケールの設備を除き今回の実用規模の設備での浄化性能の実証やこれまでの99 ％以上であり、処理温度を高く設定したパイロットスケ

各種汚染土壌を用いた実証試験結果より、本技術は汚染土ール設備およびコマーシャルスケール設備での試験では、壌中のダイオキシン類や PCB を確実に除去・分解すること処理前 PCB 濃度にかかわらず、処理後の PCB 濃度が 0.1が可能であり、実用上非常に有効な技術であることが確認

mg/kg 以下に抑えられており、高い浄化能力を確認した。

できた。

6.1.2

水蒸気分解プロセスの分解率

PCB やダイオキシン類の分解性能は、水蒸気分解部の温度の均一性と滞留時間の確保が重要な要因である。そこで、また、設備のスケールアップに伴う技術的な支障は認められず、処理の規模に応じて適切な設備の設計・製作が可能であることを確認した。

スケールアップの各段階で熱流動解析を行い、それらの要以上の結果より、抽出から分解まで閉じられた系内で処因の影響について検討し、温度と滞留時間の均一性が確保理できる本技術が、ダイオキシン類や PCB に汚染された土できるよう装置設計に反映した。この結果、コマーシャル壌の浄化技術として有効であることを確認した。

スケール装置の PCB の分解率は、99.9999 %（シックスナイン）以上とそれまでの設備以上の性能を発揮することができた。このことは、装置規模を大きくしても、適切なシ参考文献ミュレーション等に基づいて設計することで、所定の能力

1) 中島卓夫，大山将，松生隆司，田野龍海，本浩一郎，直を有する水蒸気分解装置を製作することが可能なことを示

井彰秀：間接加熱式熱脱着工法による汚染土壌の浄化，していると考えている。

土壌環境センター技術ニュース，No.7，pp.22-27，2003.9
2）鴻池組・宇部興産共同企業体：平成 15 年度環境省請負

6.2

熱膨張の影響装置規模が大きくなるに伴い、加熱部分の熱膨張量は増

業務

平成 15 年度ダイオキシン類汚染土壌浄化技術実証調査報告書，2004.3

加した。特に、熱脱着装置のチャンバーの伸びは顕著であ

3) 平成 10 年度 新エネルギー・産業技術総合開発機構委託

り、コマーシャルスケールの設備では約 7cm の伸びを生じ

先進的家電リサイクル技術開発成果報告書、第５編た。装置の製作にあたっては、これらの伸びを許容できるpp.24-43，平成 12 年 3 月

支承構造や配管のフレキシブルジョイントなどが必要とな

4）轟木朋浩，佐藤岳史，馬目栄二，五反田武志，吉川智子：ったが、これらの部分の運転時の挙動は設計時の想定どお

間接熱脱着＋水蒸気分解法によるダイオキシン類汚染土りであり、不具合は生じていない。

壌浄化技術，土壌環境センター技術ニュース，No.9，

これらの点より、より大規模な設備についても、技術的には支障は無く対応可能であり、処理規模に応じた設備の製作が可能と考えている。

pp.24-29,2004.11
5）株式会社テルム：平成 16 年度環境省請負業務

平成 16年度ダイオキシン類汚染土壌浄化技術等確立調査

間接熱脱着＋水蒸気分解法（ジオスチーム法）実証調査報告
書，2005.3