ウォータージェットを用いた難透水層のバイオレメ
ディエーション技術の開発
著者
上澤 進
学位授与機関
Tohoku University
学位授与番号
11301甲第19377号
URL
http://hdl.handle.net/10097/00129330
博士学位論文
ウォータージェットを用いた
難透水層のバイオレメディエーション技術の開発
東北大学大学院環境科学研究科
先進社会環境学専攻
上澤 進
B7GD1003
第1 章 序論 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 1 1.1 本研究の背景 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 1 1.1.1 土壌・地下水汚染の現状 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 1 1.1.2 土壌・地下水汚染対策の現状 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 1 1.1.3 VOCs による土壌・地下水汚染の特徴 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 4 1.1.4 既存の VOCs 原位置浄化技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 4 1.1.5 微生物による VOCs 分解技術の概要 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 6 1.1.6 ウォータージェットによる地盤切削技術の概要 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 10 1.2 本研究の目的と構成 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 14 [参考文献] ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 16 第2 章 既存の浄化技術と新規開発技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 17 2.1 ウォータージェットを用いた既存の浄化技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 17 2.1.1 既存浄化技術の概要 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 17 2.1.2 ウォータージェットで浄化剤を噴射攪拌する技術の開発 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 19 2.2 ウォータージェットを用いた新規の浄化技術 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 32 2.2.1 新規浄化技術の概要および従来方式との比較 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 32 2.2.2 従来技術との比較 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 34 [参考文献] ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 38 第3 章 ウォータージェットを用いたバイオレメディエーション技術に関する基礎研究 ꞏꞏꞏꞏꞏ 39 3.1 水素の分子拡散に関する研究 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 39 3.1.1 試験目的 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 39 3.1.2 試験の方式 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 39 3.1.3 試験材料と装置 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 41 3.1.4 試験方法とその結果 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 43 3.1.5 試験結果のまとめ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 46 3.2 水素を発生させる浄化促進剤の投入方式に関する研究 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 47 3.2.1 効率的な浄化剤投入方法の提案 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 47 3.2.2 水素拡散モデルとその理論解 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 48 3.2.3 シミュレーションによる比較検討 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 51 3.2.4 シミュレーション結果のまとめ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 58 [参考文献] ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 59
第4 章 ウォータージェットを用いたバイオレメディエーション技術の現場実証試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 60 4.1 浄化原理確認を目的とした高濃度汚染サイトでの試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 60 4.1.1 施工手順と実験条件 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 60 4.1.2 事前室内試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 63 4.1.3 現場実証試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 65 4.2 浄化効果および施工性確認を目的とした低濃度汚染サイトでの試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 75 4.2.1 施工手順と実験条件 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 75 4.2.2 事前室内試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 77 4.2.3 現場実証試験 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 80 4.3 実験結果のまとめと水素分子拡散についての考察 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 88 4.4 本技術の環境改善への貢献 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 89 [参考文献] ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 91 第5 章 結論 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 92 研究業績 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 95 謝辞 ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 97
1 第1 章 序論 1.1 本研究の背景 1.1.1 土壌・地下水汚染の現状 土壌や地下水は人間を含めて生物が生息していくうえでかけがえのないものであるにかかわ らず、大気や河川の汚染に比べて汚染が顕在化しにくく、その修復は比較的配慮されていなか った。しかしながら、環境への意識の高まりに伴い、日本においても2003 年に土壌汚染対策法 として法制化され様々な規制がなされるようになってきた。 土壌汚染対策の対象となる物質は、揮発性有機化合物（以下VOCs）、重金属等、農薬等に分 類され、VOCs と重金属等で汚染サイト数の 9 割以上を占めている。ここで、VOCs は第一種特 定、重金属等は第二種特定、農薬等は第三種特定の有害物質となっている。 なお、油分については法制化されていないものの油汚染ガイドラインが示されている。 また、土壌汚染対策法は改正や特定有害物質の追加等が度々なされ、最近では2019 年 4 月 1 日に大幅に変更がなされたものが施行されたところである。 本論文の研究対象である VOCs としては、テトラクロロエチレン（PCE）、トリクロロエチ レン（TCE）などのクロロエチレン類があげられるが、これらの物質は高比重、低粘性である ことから、地下に漏洩した場合、地下水の流れの影響を受け、広く、かつ大深度まで汚染が到 達することとなる。その結果、VOCs は大深度に存在する難透水層に到達し、ここにも浸透す ることとなり、汚染対策を講ずるうえで、これを難しくしている。 土壌汚染対策法における、現状の土壌に係る対象物質と汚染判断基準となる環境基準値を表 1.1 に示す1)。なお、地下水の基準については、土壌溶出量基準と同じとなっている。 1.1.2 土壌・地下水汚染対策の現状 環境省 水・大気環境局が実施した「平成 28 年度土壌汚染対策法の施行状況及び土壌汚染調 査・対策事例等に関する調査結果」2)によると、土壌・地下水汚染の調査事例結果は図 1.1 のよ うになっている。この調査は、法対象外の事例を含めたものであり、条例・要綱等に基づくも の、自主的に行われたものなど、都道府県・政令市が把握している土壌汚染調査・対策事例を 対象としている。 この調査で把握された土壌汚染事例の累計は、調査事例が26,506 件、基準不適合事例が 12,663 件となっており、また平成29 年度における単年度調査事例件数は 2,279 件、そのうち、基準不 適合事例件数は1,064 件となっており、約半数で汚染が検出されていることがわかる。 さらに、特定有害物質別基準不適合事例数として、平成29 年度の特定有害物質別の報告件数 を図 1.2 に示す。この表によれば、本論文で対象とする汚染物質である VOCs については、ト リクロロエチレン（TCE）、テトラクロロエチレン（PCE）、シス－1，2－ジクロロエチレン （cis-1,2-DCE）の順で基準不適合が多かった。 なお、本研究で浄化対象とするVOCs は、塩素化エチレン類のみを対象としている。
2 表 1.1 要措置区域の指定に係る基準（汚染状態に関する基準）及び第二溶出量基準1) また、法対象内の対策事例として、環境省 水・大気環境局が実施した同調査によれば、平成 29 年度末までに指定された要措置区域等における特定有害物質の種類別の対策実施内容は、表 1.2 のようになっている。 本研究における浄化対象物質であるVOCs の要措置区域等で行われた実施内容は、「掘削除 去」、「原位置浄化」、「地下水の水質の測定」の順となっている。 分類 特定有害物質の種類 土壌溶出量基準 (mg/L) 土壌含有量基準 (mg/kg) 第二溶出量基準 (mg/L) 第一 種特 定有害 物 質 クロロエレン 0.002 以下 － 0.02 以下 四塩化炭素 0.002 以下 － 0.02 以下 1, 2 -ジクロロエタン 0.004 以下 － 0.04 以下 1, 1 -ジクロロエチレン 0.1 以下 － 1 以下 1, 2 -クロロエチレン 0.04 以下 － 0.4 以下 1, 3 -ジクロロプロペン 0.002 以下 － 0.02 以下 ジクロロメタン 0.02 以下 － 0.2 以下 テトラクロロエチレン 0.01 以下 － 0.1 以下 1, 1, 1 -トリクロロエタン 1 以下 － 3 以下 1, 1, 2 -トリクロロエタン 0.006 以下 － 0.06 以下 トリクロロエチレン 0.03 以下 － 0.3 以下 ベンゼン 0.01 以下 － 0.1 以下 第二 種特 定 有 害物質 カドミウム及びその化合物 0.01 以下 150 以下 0.3 以下 六価クロム化合物 0.05 以下 250 以下 1.5 以下 シアン化合物 検出されないこと 50 以下 (遊離シアンとして) 1 以下 水銀及びその化合物 水銀が 0.0005 以下、か つ、アルキル水銀が検 出されないこと 15 以下 水銀が 0.005 以下、か つ、アルキル水銀が検 出されないこと セレン及びその化合物 0.01 以下 150 以下 0.3 以下 鉛及びその化合物 0.01 以下 150 以下 0.3 以下 砒素及びその化合物 0.01 以下 150 以下 0.3 以下 ふっ素及びその化合物 0.8 以下 4,000 以下 24 以下 ほう素及びその化合物 1 以下 4,000 以下 30 以下 第三種特 定有害 物 質 シマジン 0.003 以下 － 0.03 以下 チオベンカルプ 0.02 以下 － 0.2 以下 チウラム 0.006 以下 － 0.06 以下 ポリ塩化ビフェニル 検出されないこと － 0.003 以下 有機りん化合物 検出されないこと － 1 以下
3
図 1.1 年度別の土壌汚染調査事例 2)
図 1.2 特定有害物質別の基準不適合事例数（平成 29 年度）2)
4
1.1.3 VOCs による土壌・地下水汚染の特徴
図 1.3 VOCs 汚染状況の概念図
VOCs とは揮発性有機化合物( Volatile Organic Compounds)のことであり、常温で揮発する有機 化学物質の総称となる。 土壌汚染対策法で対象物質としているテトラクロロエチレン(PCE)、トリクロロエチレン (TCE)及び 1-1-1-トリクロロエタンをはじめとする有機塩素化合物は、油脂成分の洗浄能力が高 く、かつ揮発性が高く不燃性であるという優れた特性を持つことから、ドライクリーニングや 半導体の洗浄、溶剤等の様々な目的と分野で活用されてきた3)。 1989 年に水質汚濁防止法において PCE と TCE が特定有害物質に追加され、これらの地下浸 透も禁止されたが、それまでは有害物質使用特定施設からの排水の地下浸透処理もなされてい た。VOCs の内、PCE や TCE は地下に漏洩された場合、水よりも重たく、かつ粘性が低く、ま た難分解性であるため、図 1.3 に示すように、不飽和帯においてはほぼ鉛直に落下し、帯水層 に到達した時点で地下水の流動の影響を受けて下流側に広く拡散して土壌と地下水の汚染を引 き起こしている。さらに、帯水層の下部に難透水層が存在した場合、ここにVOCs は一旦滞留 して高濃度の汚染土壌を引き起こし、さらに長い期間を経て徐々に難透水層に浸透することと なる。帯水層のVOCs 浄化は、地下水揚水等により比較的容易であるものの、浄化がほぼ達成 したのちに、地下水汚染濃度が再度上昇するリバウンド現象が発生し、完全浄化が困難となっ ているケースがあるが、これは難透水層に浸透したVOCs が地下水中に再溶出することもその 一因として考えられる4)。 この難透水層の浄化が本研究の目的となっている。 地下水揚水後の難透水層の汚染残存については、他の研究者により報告されている事例があ り、これを一例として図 1.4 に示す。地表から約 14 m まで透水層が存在し、その下に難透水 層が存在する現場において、揚水によるPCE 浄化工前後の汚染濃度の比較であり、揚水により
5 帯水層の濃度が低下した後も、難透水層には汚染が残存していることを示している 4)。図中で CPC-01～CPC-15、B6 の記号は異なる地点のコア試料を示す。 また、後述する本論文第4 章で取り扱った低濃度汚染サイトも同様な汚染状態を示してい る。 (a) 揚水前 (b) 揚水後 図 1.4 揚水前と揚水後における PCE の鉛直分布 4) 1.1.4 既存の VOCs 原位置浄化技術 (1) 原位置浄化が VOCs 対策に占める割合 土壌環境センターの実施したアンケートによる調査結果によると、平成28 年度の集計結果 において、自主対策も含めてVOCs 汚染に対して選択された対策は、図 1.5 に示すとおりで あり、土壌汚染の除去を選択しているのは全体の約1/4 を占め、決して多くはないが、図 1.6 によると、土壌汚染の除去を選択した場合は、9 割で原位置浄化が選択されている5)。 図 1.5 選択された対策の内容(（VOCs ）5) 図 1.6 土壌汚染の除去内容の推移（VOCs）5)
6 (2) 既存の VOCs 原位置浄化技術の比較 VOCs 原位置浄化技術としては、様々な方式が考案されている。 実用化され多用されているものを挙げると以下のように分類される1)。 ・原位置抽出（土壌ガス吸引、地下水揚水、エアースパージング） ・原位置分解（化学処理、生物処理） これらの技術を比較して表 1.3 に示す 1)が、この比較は難透水層への適用性に着目して行っ た。 比較結果をまとめると、難透水層に適用可能なものは、地盤加温処理を併用した土壌ガス吸 引と撹拌方式の原位置分解法のみとなり、前者はコストや技術手法の確立が問題であり、また 後者はコストや施工性および地盤の泥濘化の問題がある。 このことから、現在のところ、難透水層の原位置VOCs 浄化対策技術は、いずれも解決すべ き課題を抱えており、新たな技術の導入が求められているといえる。 1.1.5 微生物による VOCs 分解技術の概要 (1) バイオレメディエーション技術 微生物によるVOCs 分解技術は、バイオレメディエーション技術とも呼ばれ、米国では汚染 地下水の対策技術についての詳細を説明した文書6)が公開されている。 また、国内では、「環境省 水・大気環境局 土壌環境課 土壌汚染対策法に基づく調査及び 措置に関するガイドライン 平成 31 年 3 月」1)において、土壌中に棲息する分解微生物等の生 物学的作用を利用して特定有害物質の分解を行うものとされており、この技術を纏めると表 1.4 のようになる。 なお、事前に適用可能性試験等により浄化効果を確認することが必要であるとされている。 さらに、シルトや粘土等の透水性が低い土壌の場合、井戸等からの注入では、酸素や栄養物 質等を措置実施範囲に効率的に広げることが難しく、一般的に浄化は困難である。 また、生物処理は特定有害物質の原液が存在するなど、濃度の高い汚染部に対しては、浄化 期間が長期化することがある。そのような場合にはほかの方法との併用を検討する必要がある とされている1)。
7 表 1.3 既往の VOCs 原位置浄化技術の難透水層への適用性の比較 1) 浄化原理の概要 具体的な 施工手法 技術説明 難透水層への 適用性（可否） 備考 原 位 置 抽 出 土 壌 ガ ス 吸 引 特定有害物質の揮発性 を利用して不飽和帯に 存在する物質を吸引除 去し、基準不適合土壌を 浄化する 真空吸引 地中に吸引井戸を設 置し、真空ポンプ・ブ ロアー等により、そ の 吸 引 井 戸 を 減 圧 し、気化したVOCs を 地上に導き、活性炭 等に吸着除去させて 回収する 不可 難透水層の透気 性は低いことか ら効果は期待で きない － 加温ガス 吸引 電熱ヒーター等によ り地盤を加温して上 記の手法と組み合わ せたもの 可 強 制 的 に VOCs をガス化させる ことから浄化可 能 コスト高い 日本では実 証試験レベ ル 地 下 水 揚 水 地下水を揚水し、地下水 中の特定有害物質を除 去、回収して基準不適合 土壌を浄化する 揚水井戸 地中に揚水井戸を設 置し、揚水ポンプや 真空ポンプにより汚 染地下水を揚水し、 地下水と同時に土壌 に吸着したVOCs を 地上に導き、活性炭 等に吸着除去させて 回収する 不可 難透水層におい て揚水井戸は機 能しないので効 果は期待できな い － エアースパ ー ジン グ 飽和帯に空気を注入し て地下水からのVOCsの 揮発を促進し、上部にお いてガス吸引法によっ て揮発ガスを捕集して 浄化する 送気 と ガス吸引 地中に送気すること により発生したエア バブルにVOCs を取 り込み、これをガス 吸引することにより VOCs を地上に導き、 活性炭等に吸着除去 させて回収する 不可 難透水層におい て送気するのは 困難なので効果 は期待できない － 原 位 置 分 解 化 学 処 理 土壌中に薬剤を添加し、 化学的に特定有害物質 の分解を行う方法 オゾン、過酸化水素、過 硫酸塩、過酸化水素を使 用するフェントン法等 による酸化分解、鉄粉を 添加して分解を行う還 元分解等がある 注入方式 地中に注入井戸を設 置し、自然圧もしく は低圧で酸化剤もし くは還元剤を注入し てVOCs を原位置で 分解する 不可 難透水層におい て均質に薬剤を 注入するのは困 難なので効果は 期待できない － 撹 拌 方 式 翼 撹拌 方式 地中に薬剤を添加し つつ撹拌翼で土壌と 混錬することにより VOCs を原位置で分 解する 可 地盤が泥濘 化する 大型施工機 使用 ｳｫｰﾀｰ ｼﾞｪｯﾄ 方式 地中にウォータージ ェットで薬剤を噴射 して土壌と混錬する ことによりVOCs を 原位置で分解する 可 地盤が泥濘 化する コスト高い 小型施工機 で可能 生 物 処 理 土壌中に棲息する分解 微生物等の生物学的作 用を利用してVOCsの分 解を行う 注入方式 施工法は化学処理と ほぼ同様となる 不可 難透水層におい て均質に薬剤を 注入するのは困 難なので効果は 期待できない － 撹拌方式 可 化学処理の 場合と同様
8 表 1.4 バイオレメディエーション技術の分類 1) 分類 基本概念 手法 補記 微生物 の種類 好気性微生物 好気環境を維持しな がら好気性微生物に よりベンゼン等を分 解する 空気や栄養物質等を 地中に供給する 栄 養 物 質 等 の 地 中 へ の供給方法としては、 井 戸 か ら の 注 入 が 一 般的であるが、場合に よ っ て は 攪 拌 混 合 機 械 を 用 い た 直 接 混 合 等 の 方 法 も 用 い ら れ る 嫌気性微生物 酸素が少ない嫌気環 境を維持しながら嫌 気性微生物を使って テトラクロロエチレ ン等を分解する 水素供与剤等の栄養 物質等を地中に供給 する 微生物 の活用 方法 バイオ スティミュレーション 原位置の土壌中に生 息する微生物を活用 する 汚染対象地盤中に空 気や栄養物質等を供 給することで土壌中 の微生物を活性化さ せ、特定有害物質の 分解浄化作用を促進 させる バイオ オーグメンテーション 外部で培養した微生 物を活用する 汚染対象物質の分解 に効果を発揮する微 生 物 を 外 部 で 培 養 し、土壌中に注入す るとともに、さらに 空気や栄養物質等を 与えることで微生物 を活性化し、浄化作 用を促進させる 当 該 汚 染 状 態 に あ る 土 地 の 土 着 微 生 物 で は な い 微 生 物 を 用 い ることから、生態系へ の配慮が必要であり、 微 生 物 に よ る バ イ オ レ メ デ ィ エ ー シ ョ ン 利用指針（平成17 年 3 月30 日、経済産業省・ 環境省告示第４号）等 を参照しながら検討・ 適用を行う必要あり (2) 嫌気性微生物による塩素化エチレン類の分解技術の課題 本研究はVOCs の内、塩素化エチレン類を浄化対象としており、そのうち代表的なものであ るPCE の微生物による分解経路は、過去の研究結果より図 1.7 に示すとおりとなっている。 図 1.7 PCE の嫌気的分解経路 7) 一部加筆 cis-1,2-DCE
9 PCE は水素を電子供与体として嫌気性微生物の還元的脱塩素化反応において電子受容体と して利用され、塩素が水素に置換されTCE となり、さらに DCE、VC となり、最終的には無 害な エチレン(ETH)へと分解される8)。 同図に示すような、PCE をエチレンまで分解する微生物はこれまでの研究で存在が確認さ れており7) 9)、実際の汚染現場においてもDehalococcoides 属細菌が検出された現場においては 分解が確認されていることから、VOCs の完全な無害化には Dehalococcoides 属細菌の存在が 非常に重要であると考えられる10)。
VOCs の汚染現場では、PCE や TCE が低濃度であるのに cis-DCE が高濃度で検出され、こ
れ以降の分解が進んでいない現場のケースが見受けられるが、これはcis-DCE を分解できる微 生物が少ないことが原因と考えられる11)。 なお、別途の報告12)によると、Dehalococcoides 属細菌が検出されなかった現場においても VOCs の分解が確認されているとの報告があり、今後の研究課題となっている。 (3) 難透水層における微生物の存在 難透水層は土質構成として、一般に空隙が狭いため、基本的には微生物活性が低く、地中の 空隙が0.2μm 以下の試料ではほとんど微生物活性はないが、それ以上の大きさの空隙が存在 する試料では少なからず微生物活性があるものと報告されている13)。 なお、0.2μm 以上の地中の空隙が沖積粘性土層で存在することが報告されており、図 1.8 に示す4)。 さらに、現場から採取された土壌を遺伝子解析した結果としてDehalococcoides 属が難透水 層においても存在することが報告されている4) 12)。 図 1.8 沖積層粘土質層の空隙サイズ分布 4)
10 1.1.6 ウォータージェットによる地盤切削技術の概要 ウォ－タージェットによる地盤切削技術の概要を、「最新ウォータージェット工法（八尋暉 夫 編者、鹿島出版会、1996）」14) を主要参考図書として以下に述べる。 (1) ウォータージェットの概要 ウォ－タージェットによる地盤切削技術の概要を表 1.5 の一覧表に示す14)。 なお、本論文で取り扱うウォータージェットは地盤改良技術として用いるものと同様なもの となる。地盤改良としては、水力モニタ一（ノズルを取付ける装置）からセメントミルク、も しくは水と空気とセメントミルクなどを噴射して、原位置で土とセメントなどの固結材を攪拌 して柱状固結体等を築造する技術として用いられている。 表 1.5 ウォータ一ジェット技術の概要 14) 内 容 応用分野 鉱山、建設、食品、医療等 使用形態 洗浄、表面処理、切断、加工等 機能 ・高性能の切削性や破砕性、複合材料を選択的に切断可能 ・水噴流の直進性の利用で掘削精度がよい ・水噴流の半径方向のべクトルが零であり切削部周辺材料を傷めるこ とが極めて少ない 建設分野での活用方法 ・地盤改良 ・コンクリートの切断、表面はつり ・各種杭の打込み、引抜き ・トンネルの掘削 噴射仕様 建設分野 全般 ・ノズル径：直径0.1mm～5 mm 程度 ・吐出圧力：30MPa～500MPa 地盤改良 ・ノズル径：直径2mm から 5 mm 程度 ・流量：30L/ 分～300L/ 分 ・吐出圧力：20MPa～40MPa (2) ウォータージェットの基礎知識 建築分野における、ウォータージェットの基礎、応用研究および実用化技術のフローは、図 1.9 のように示されている14)。 地盤切削に伴うウォータージェットの基礎事項は、①水噴流の流体力学的性質、②各種材料 の穿孔・切削および破砕、③水噴流の発生装置および関連機器となり、これらの内容を表 1.6 に示す14)。 なお、地盤改良の場合、地中でウォータージェットを噴射することから、土粒子の混ざった 水噴流となりこれの軸上圧力は急速に低下する。この軸上の圧力の低下を極力小さくするた め、空気噴流と同時に噴射する方法が考案されており、この場合の水噴流は図 1.10 に示すよ うに気中噴射に近似することが明らかにされている。
11 基礎研究 応用研究 実用化技術 超高圧 発生装置 ・超高圧ポンプ ・圧力調整バルブ ・スイベル ・モニター ・ノズル 原子炉の解体 （噴射注入工法） 地盤改良 トンネルの掘削 場所打ち杭造成のための掘削工法 磯焼け漁場の回復 既設杭・鋼板セルの 打込み及び引き抜き工法 流体力学 的性質 ・空中、水中 ・清水圧 ・固体粒子 懸濁液中 汚染土壌の洗浄 コンクリート構造物の 改修、補強、解体工法 骨材の再利用 （コンクリートの 粉砕） 剥離および洗浄工法 土、岩石およびコンクリート などの穿孔、切削および破砕 牡蠣殻粉砕工法 図 1.9 ウォータージェットの基礎、応用研究および実用化技術14) 表 1.6 地盤切削に伴うウォータージェットの基礎事項 項目 内 容 水噴流 の 流体力学的性質 （ノズルの性能や 水噴流による 土、岩石の破砕性能 などを予測） 噴流の構造：ノズル出口からの距離を基準にして初期区、主要区および 終末区に区分される。 ウォータージェットの構造概念図 15）一部加筆 ・特性を支配する因子： 吐出圧力、流量、噴流の粘性および噴射環境 ・噴射環境： 空中、水中および固体粒子懸濁液中などが挙げられ、水 中および固体粒子懸濁液中の場合、その静水圧の大小によってその流体 力学的性質を異にする 各種材料の穿孔、 切削および破砕 （ウォータージェット による土や岩石の穿 孔に影響をおよぼす 因子） ・ウォータ一ジェットの吐出圧力、流量、一軸圧縮強度、ノズル出口と対 象面までの距離および対象地盤にかかる静水圧 ・ノズルの移動速度、切削回数 ※： 穿孔速度や切削速度はウォータ一ジェットの吐出圧力、流量に比例 し、ノズル移動速度、対象物の一軸圧縮強さ、切削回数、およびノズル出 口にかかる静水圧に反比例する 水噴流の発生装置 および関連機器 ・高圧水を発生させるためのポンプ ・高圧水を送るホース ・高圧パイプ ・圧力を調整するためのバルブ ・高圧水を有効に利用するための装置であるスイベル(回転接手)および ノズル 噴流の流速分布
12 図 1.10 ノズル出口からの距離と圧力の関係14)一部加筆 また、地盤改良としての施工方法としては、図 1.11 示すように水力モニタ一からセメント ミルク、もしくは水と空気とセメントミルクなどを噴射にして、原位置で土とセメントなどの 固結材を攪拌して柱状固結体を築造する技術となる16)。 ① 据付け ② 削 孔 ③ 噴射テスト工 ④ ジェット噴射工 ⑤ ロッド引抜 き洗浄 図 1.11 地盤改良工法としての施工順序図16)一部加筆 ① 空気中噴射 ② 水中噴射（エアー併用） ③ 水中噴射 施工機 二重管 ロッド ラフタークレーン 二重管スイベル 超高圧硬化剤材 圧縮空気 水力モニター 改 良 範 囲
13 さらに、別途の施工方法として、図 1.12 と図 1.13 に示すように、一定の方向に超高圧水を 噴射し、一定の距離に設置されたもう一つの孔（到達孔と呼ぶ）にジェットを到達させ、それ を引き揚げることにより薄い層状の難透水層をつくる遮水壁工法も実用化されている15)。 本論文で述べる研究技術は、この鉛直方向に形成する薄層状の盤を、水平方向に形成する方 式として応用したものである。 図 1.12 ウォータージェットを利用して築造した壁状固結体16)一部加筆 図 1.13 壁状固結体の施工手順15) 1.0m 砂層における板状改良体（遮水壁） ：壁厚3～5cm 泥岩層における板状改良体：壁厚 1 cm 程度
14 1.2 本研究の目的と構成 VOCs により汚染された地下水や土壌を浄化する技術に関しては、透水層が対象である場合 は実用化され、浄化実績も多数あるものの、難透水層が対象となった場合はコストや地盤泥濘 化の問題を抱えており、課題となっている。 本研究では、この課題を解決する手法として、ウォータージェットで水素徐放剤を地中に薄 層状に投入する方式でのバイオレメディエーション技術を新たに提案し、理論的な基礎研究と 現場実証試験を通じてその実証を行うものである。 論文の構成は以下のとおりである。 第１章 序論 VOCs 汚染に関する原位置浄化の需要と既存の浄化技術の課題を述べ、新規技術の研究開発 ニーズを述べる。加えて、研究の基本となる嫌気性微生物による塩素化エチレン類に関する分 解のメカニズム、またウォータージェット技術の基礎について述べる。さらに、本研究の目的 と論文の構成を示す。 第2 章 既存の浄化技術と新規開発技術 ウォータージェットは、既に汚染土壌浄化技術に応用され実用化もされており、従来技術に ない様々な利点があるものの様々な問題点も抱えている。ウォータージェットを用いた既存浄 化技術としては、VOCs 分解に還元剤を用いた噴射攪拌方式での施工法が一般的となっている。 この技術は浄化剤とウォータージェット技術を組み合わせた手法であり、本研究の施工技術の 基礎となるものであることから、開発時に実施した実験の成果について述べる。 さらに、開発技術の理論的な核となる水素の分子拡散による浄化メカニズムを述べ、この開 発技術と従来型ウォータージェット撹拌噴射方式との差異を説明し、両者を比較して開発技術 の優位性を述べる。また、開発技術と類似技術とを比較してその差異と独自性を説明する。 第3 章 ウォータージェットを用いたバイオレメディエーション技術に関する基礎研究 水素の分子拡散係数を求めるために開発した実験装置の概要とその研究成果を説明する。 さらに、難透水層を対象として、この実験装置から求められた水素の分子拡散係数を用いた シミュレーションを平面的拡散と中空円筒形拡散および中空球状拡散の3 種類のモデルで実施 し、これらを比較する。加えて、水素の到達期間と各モデルを実際現場に適用した場合のコス ト試算を行う。これらの試算結果より、平面的拡散モデルである一定の離隔で水素徐放剤をウ ォータージェットで薄層状スリットに投入する浄化手法の優位性を理論的に述べる。 第4 章 ウォータージェットを用いたバイオレメディエーション技術の現場実証試験 実際汚染現場で試験施工を行い、第3 章で理論的研究を行ったバイオレメディエーション技 術を実証する。高濃度汚染サイトにおいては浄化原理確認を目的とした試験を行い、さらに、 低濃度汚染サイトにては、浄化効果確認と施工手法見直しによる改善効果の確認を目的とした 試験を行う。これらの現場試験の結果より、ウォータージェットによる浄化促進剤の投入と水
15 素の平面的拡散を併用したバイオレメディエーション技術の有効性を実証する。 さらに、これらの現場実験効果と第3 章で示した水素の分子拡散係数についての考察を行う。 第5 章 結論 VOCs により汚染された難透水層を浄化する新規開発技術の開発に関する研究成果および環 境改善のあり方をまとめて述べる。
16 [ 参考文献 ] 1) 環境省 水・大気環境局：土壌汚染対策法に基づく調査及び措置に関するガイドライン（改 訂第3 版）, pp.13-555, 2019. 2) 環境省 水・大気環境局：平成 29 年度土壌汚染対策法の施行状況及び土壌汚染調査・対策 事例等に関する調査結果, pp.46-62, 2019. 3) 張銘, 駒井武, 竹内美緒, 吉川美穂：VOCs 汚染と浄化対策技術 その 1, 第 16 回地下水・土 壌研究集会(CD-ROM) S6-23, pp.665-670, 2010. 4) 竹内美緒：地下圏微生物活動に対する難透水層の役割, 地学雑誌 116(6), pp.915-921, 2007. 5) 山下 巧, 河内幸夫, 門間聖子, 中島広志, 加洲教雄 実態集計分科会：土壌・地下水汚染の 措置・対策時の技術適用に関するアンケートの集計結果について（平成28 年度実態調査） 第24 回 地下水・土壌汚染とその防止対策に関する研究集会(CD-ROM) S3-09, pp.266-271, 2018.
6) Environmental Security Technology Certification Program (ESTCP), Air Force Center for Environmental Excellence (AFCEE), Naval Facilities Engineering Service Center, United States Army Corps of Engineers.: TECHNICALREPORT Principles and Practices of Enhanced Anaerobic Bioremediation of Chlorinated Solvents , 2004, 462p.
7) 竹内美穂, 張銘, 吉川美穂, 駒井武：VOCs 汚染と浄化対策技術 その 2, 第 16 回地下水・土 壌研究集会(CD-ROM) S6-24, pp.671-676, 2010.
8) Holliger,C.: The Anaerobic Microbiology and Biotreatment of Chlorinated Ethenes,Current Opinion in Biotechnology, Vol. 6, pp.347-351, 1995.
9) Löffler, F.E., Sanford, R.A. and Ritalahti, K.M.: Enrichment, cultivation, and detection of resuctively dechlorinating bacteria, Methods in Enzymol. Vol. 397: pp.77-111, 2005.
10) Maymo-Gatell, X.,Chien,Y.,Gossett,J.M.and Zinder, S.H.: Isolation of a bacterium that reductively dechlorinates tetrachloroethene to ethene, Science Vol. 274: pp.1568-1571, 1997.
11) Lu, X., Wilson, J.T., Kampbell, D.H.: Relationship between Dehalococcoides DNA in ground water and rates of reductive dechlorination at field scale. Watres. Vol. 40: pp.3131-3140, 2006.
12) Yoshikawa, M., Takeuchi, M. and Zhang, M.: Distribution of Dehalococcoides 16SrRNA and Dehalogenase Genes in Contaminated Sites, Environment and Natural Resources Research, Vol. 7, No.2, pp.37-46, 2017.
13) Fredrickson, J.K., McKinley, J.P., Bjornstad, B.N.,Long, P.E., Ringelberg, D.B., White, D.C., Krumholz, L.R., Suflita, J.M., Colwell, F.S., Lehman, R.M.,Phelps, T.J. and Onstott, T.C. : Pore-size constraints on the activity and survival of subsurface bacteria in a Late Cretaceous shale-sandstone sequence, Northwestern New Mexico. Geomicrobiol , pp.183-202, 1997.
14) 八尋暉夫 編：最新ウォータージェット工法, 鹿島出版会, 1996, 230p.
15) 柴崎光弘, 太田想三, 久保弘明: わかりやすい土木技術 ジェットグラウト工法, 鹿島出版 会, pp.9-10, 1983.
16) 八尋暉夫, 吉田宏, 西謙治: わかりやすい建築技術 ウォータージェットを利用した地下工 法, 鹿島出版会, pp.4-20, 1983.
17 第2 章 既存の浄化技術と新規開発技術 2.1 ウォータージェットを用いた既存の浄化技術 2.1.1 既存浄化技術の概要 ウォータージェットを用いた既存の従来型浄化技術は、噴射攪拌方式となる。 この噴射攪拌方式とは、地盤改良工法においては、セメントミルク等の固化材スラリーをウ ォータージェットで地中に超高圧で噴射して地盤を切削しながら土砂を混合処理して固化体を 造成する方式である。また、土壌浄化技術においては、スラリー状にした酸化剤あるいは還元 鉄粉（以下、鉄粉と称す）などの還元剤を地中で噴射し、これを地盤中の汚染土壌と混合させ る方式となる。 この技術の開発経緯と現場適用事例については、既に複数の報告を行っている1) 2) 3) 4)。浄化 のメカニズムとしては、主に化学的分解となり、汚染物質の濃度に大きくは依存せず、また浄 化期間が短い等の利点がある。なお、重金属汚染への対応として、不溶化剤を噴射することに より、固化不溶化処理を行うことも可能である。 別途の方式として、ウォータージェットで攪拌され泥土状になった汚染地盤に対して、高比 重の無害な材料を下部に充填して完全置換する方式 5)もあるが、地盤をウォータージェットで 切削する基本的なメカニズムは同様である。この方式は、超高濃度VOCs 汚染や重金属等の分 解ができない物質の汚染除去に対しては有効であるが、コスト的な問題があり実績はあるもの の多用はされてはいない。 噴射攪拌方式の施工概念図を図 2.1 に、また施工機からの噴射状況を図 2.2 に示す。加えて、 ノズルからウォータージェットを水平方向に噴射する状況を図 2.3 に、また交差噴流方式で噴 射する状況を図 2.4 に示す。 図 2.1 ウォータージェットを用いた 図 2.2 施工機からのウォータージェット噴射状況 原位置浄化技術の概念
18 図 2.3 ノズルからの噴射状況（水平噴射） 図 2.4 ノズルからの噴射状況（交差噴射） 噴射攪拌方式の場合、図 2.5 に示すように、薬液を液体で噴射しつつ全対策区域を攪拌・混 合するため、粘土やシルト層などの粘性土地盤においては切削域が泥濘化する等の問題がある。 図 2.5 ウォータージェットによる地盤の泥濘化 本方式は、攪拌翼を用いる機械式混合処理工法に比べて施工コストは割高ではあるものの、 施工機が小型であることから、施工環境が狭隘で大型重機が利用不可能であったり、地中障害 物が存在して翼攪拌が困難であったりした場合、また、一定深度のみの浄化が必要とされるサ イトにおいて活用されている。 この技術は浄化剤とウォータージェットを組み合わせた手法であり、ここで得られた技術的 知識が本研究の施工技術の基礎となるものであることから、開発時に実施した実験の成果につ いて次節で述べる。 なお、この実験は、地盤切削間隔を従来の地盤改良に比べて広げる等して、3 倍程度の高速 施工の噴射仕様としたが、この場合でも浄化剤が地中で半径方向に所定量添加されていること を確認しており、今回のスリット噴射方式での開発技術の基礎となっている。 ～5.0ｍ 浄化剤と地盤の完全混合 （地盤の泥濘化）
19 2.1.2 ウォータージェットで浄化剤を噴射撹拌する技術の開発 (1) 浄化剤を鉄粉とした場合の技術的課題 浄化用鉄粉を地中に噴射した場合のVOCs 浄化効果については、既に発表した論文等1) 2) 3)で 報告しており良好な結果を得られており、現在では一般的に用いられている技術となっている。 本節においては、施工上の観点から初期実験で確認した以下の項目について述べる。 ① 高比重の鉄粉を超高圧ポンプで噴射するために使用する増粘剤の選定試験 ② 高比重の鉄粉を大量に均質に混錬する技術の開発 ③ 浄化剤が地中で半径方向に所定量添加されていることの確認 鉄粉を超高圧ポンプで噴射するためには、鉄粉を液体と混錬してスラリー状にする必要があ る。ここで、浄化用鉄粉の粒径の例を、メーカーの示すメッシュデータをもとに示すと、図 2.6 のようになる。 図 2.6 鉄粉の粒度分布 ウォータージェットの高圧噴射でよく用いられる普通ポルトランドセメントの粒径は、レー ザー回折式粒度分布測定装置による湿式測定にて水とエタノールを溶媒として用いた結果 6)に よると図 2.7 に示すとおりである。 図 2.7 セメント粒子の粒度分布 6)
20 セメント粒径の最大値が100μm であることに対して、鉄粉粒径は平均で 60μm 程度である こと、また、鉄粉粒径は、最大で250μm (0.25 mm)となりジェット噴射で用いる噴射ノズルの 径がφ20 mm 以上であることを考慮すると超高圧ポンプによる噴射は粒径的には問題ないもの と判断した。しかしながら、比重についてはセメントが3.1 であるのに対し、鉄粉は 8 近くと 大きく異なり、また、セメント粒子は水によく分散するのに対して、鉄粉は水には分散せず、 混練後に一瞬で沈降してしまう。 このような性状を示す鉄粉をスラリー状にして、混錬濃度を一定にしたまま噴射する必要が あることから、水に増粘剤を添加することにより、鉄粉を分散させることとした。 この増粘剤の試験による適正配合量の決定、また、現場で求められる毎分 400Ｌという大流 量噴射にも対応できる混練方法を考案して鉄粉のスラリー噴射を実用化した。 さらに、地中に高速施工で高圧噴射された鉄粉の地中における混合性についても、浄化効果 に大きく関わることから、現場試験を実施して確認した。 (2) 鉄粉のスラリー化に関する試験 鉄粉と水と増粘剤を混錬し、超高圧ポンプでの噴射が可能となる経済的な増粘剤添加量の確 認を行った。 増粘剤としては、まずメチルセルロースを用いて試験を行った。水溶液は、メチルセルロー ス(MC)の溶解性を考慮して pH＝9.5 に調整した。このアルカリ水溶液(100 mL)に、鉄粉 50g を 混合して攪拌し、鉄粉の分散状況を観察した（配合：500 kg/m3）。 なお、想定したウォータージェット噴射量（0.4 m3/分）に対する対象土量および鉄粉配合の 関係は打設長を1 m（噴射時間 4 分/m）とした場合、以下のとおりである。 ・ 浄化土量（造成体直径 3.0m の場合） ： 3.0 m×3.0 m×π/4×1.0 m=7.1 m3 ・ 噴射鉄粉スラリー量（打設長 1m 当り） ： 0.4 m3/分×4 分×500 kg/m3=800 kg ・ 地中鉄粉残存量 ： 800 ㎏/ 2=400 ㎏ （噴射量の半分が地表面にリークすると仮定） ・ 地盤中の鉄粉添加量（m3当り） : 400 ㎏/ 7.1 m3＝56 ㎏/m3 ・ 地盤中の鉄粉添加量（重量比：土壌比重 1.8 とした場合）： 56 ㎏/ 1800 ㎏×100＝3 (%) すなわち、原位置で鉄粉量と土壌との重量比が3％に相当する鉄粉添加量を想定した。 配合試験はファンネル粘土計を用いたロ一ト試験（試験液体量：100 mL）となり、この結果 は、表 2.1 に示すとおりとなった。 フローとしては、メチルセルロース添加量が0.1％以上（⑤・⑥）となると噴流として扱うに は粘性が高くなりすぎることが確認された。また、鉄粉の溶液内の分散状況は、メチルセルロ ース添加量が0.07％以上のケース（④・⑤・⑥）において良好であつた。 実験結果としては、メチルセルロース添加量を0.07％とした場合が最適と判断され、増粘剤 の適正添加により鉄粉のスラリー混練が可能なことを確認できた。
21 表 2.1 増粘剤添加量とフロー ケース 配 合 フロー値 ケース① アルカリ溶液のみ 5 秒 ケース② アルカリ溶液 ＋ 鉄粉 12 秒 ケース③ アルカリ溶液 ＋ MC(0.05％) ＋鉄粉 12 秒 ケース④ アルカリ溶液 ＋ MC(0.07％) ＋鉄粉 16 秒 ケース⑤ アルカリ溶液 ＋ MC(0.1 ％) ＋鉄粉 55 秒 ケース⑥ アルカリ溶液 ＋ MC(0.2 ％) ＋鉄粉 13 分 15 秒 さらに、実現場への適用としては、浄化地盤を透過壁として用いるニーズもあり、透水性を 確保することが望ましいとの条件が追加された。すなわち、増粘剤に求められる性能としては、 地上での攪拌段階では鉄粉が混ざるように増粘し、地盤内注入後には、粘性が低下して浄化体 が原地盤と同レベルの透水性を確保できる性質を持つことが望ましい。このため、生分解性が 高く粘性が速く低下する材料に着目した。 グアーガムはこの条件に非常に適しているため、メチルセルロースとの比較を行った。 また、鉄粉の反応性がアルカリ域であると低下することを重要視して、メチルセルロースも 中性領域での配合試験とし、メチルセルロースは先に試験を行った際の添加量より1 オーダー 高く設定した。 表 2.2 にグアーガムとメチルセルロースの各濃度でのファンネル粘度計による測定結果と、 2L メスシリンダーにおいて鉄粉を 40％添加したものを攪拌して目視観察した結果、さらに生 分解性によるグアーガム水溶液の粘性低下に要した日数を示す。なお、表中の「－」は未実施 を示す。 表 2.2 増粘材検討結果 増粘材の種類 濃度 （％） 温度 (℃) ファンネル 粘度計 （s） 2L メスシリンダー 鉄粉攪拌後の鉄粉沈降 目視観察 生分解による 粘性低下に要する 日数 （日） グアーガム 0.3 23 25 20 秒程度で沈降 － 0.4 15 － － 7 0.5 15 35 － 10 0.5 23 33 2 分程度で沈降 － メチルセルロース 0.6 23 35 1 分程度で沈降 － 0.7 23 41 2 分程度で沈降 － グアーガムでは0.5％、メチルセルロースでは 0.7％でそれぞれ妥当な粘性を発揮することが 鉄粉沈降目視観察からわかった。また、グアーガム水溶液を地下水温度（15℃）の状態を保持 してビーカーにふたをして放置すると、0.4％では 7 日後に、0.5％では 10 日後に純水と同レベ ルまで粘性が低下し、グアーガムの生分解性も確認した。
22 グアーガムの添加量は、練り混ぜ水に対して 0.5％でファンネル粘土計でのロ一ト試験結果 (100 mL で試験)が 33 秒となり、鉄粉の分散と流動性を確保できた。 また、コスト的にも、グアーガム単価がメチルセルロースの 1/3 程度であり有利であったこ とから、グアーガム添加量は0.5％程度が妥当と判断された。 表 2.3 に実際に現場実験で用いた鉄粉スラリー配合の例を示す。ここで、グアーガム添加重 量は、混練水に対して0.4％、また、鉄粉添加重量は全体混練量に対して 17％となっている。 なお、超高圧で鉄粉スラリーを噴射することによる超高圧ポンプおよびジェット噴射装置（ノ ズル）への悪影響については、鉄粉スラリーを実際に噴射して、機器内部を目視確認、さらに、 噴射ノズル内面を顕微鏡で確認し、損耗性について特に問題がないことを確認した。 表 2.3 鉄粉水配合例 ( 1m3：練上り) 品名 比重 配合例 増粘剤：グアーガム 1.40 5 kg 還元鉄粉 7.80 200 kg 清 水 1.00 970 kg 計 1.17 1,000 L 1,175 Kg (3) 鉄粉スラリーを大量ミキシングする方法の開発 鉄粉スラリーは、増粘剤を添加して水中に分散させても、数分間静置すると沈降を始めるこ ととなる。この場合、噴射材配合のスペックを満足しないものとなってしまう。このため造成 した鉄粉スラリーの混錬・貯留に際しては、再沈降を防止しつつ鉄粉濃度を均質な状態に保ち 続けることが可能な装置が必要となった。 少量の噴射量、例えば100L/ 分程度の噴射量であれば、既存の高速ミキサーで沈降を抑えな がら超高圧ポンプに連続的に供給が可能であるが、噴射量として400 L/ 分という大流量に対応 が可能な既存のミキシング装置がなかったことから、これを新たに考案し実装した。 この技術は、特許（特許第4592016 号 登録日 2010.09.24）として権利化されている。 基本となる装置は、図 2.8 と図 2.9 に示すように下部がすり鉢状となったタンクである。 これの内部には、サンドポンプが3 台設置され、タンク内の鉄粉スラリーを水平方向、下方、 上方に噴射でき、タンク内での鉄粉の沈降を防止できる構造となっている。 具体的なミキシング手順は以下のとおりであり、この鉄粉スラリー作製のフローを図 2.10 に示す。 ① 水槽にて清水とグアーガムを混合してグアーガム水を作製して貯留 ② グアーガム水を鉄粉混錬用タンクに所定量移送して3 台のサンドポンプにて常時撹拌 ③ フレコン詰めの鉄粉を開放し、撹拌状態にあるグアーガム水中に投入 ④ 鉄粉混錬用タンク内の上中下の深度から鉄粉スラリーをサンプリングして濃度にムラのな いことを確認（比重管理） ⑤ タンク下端に設けた開口部に接続した外付けサンドポンプで超高圧ポンプに鉄粉水を圧送
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図 2.8 鉄粉混錬用タンク構造図 図 2.9 鉄粉混錬用タンク設置状況
図 2.10 鉄粉スラリー作製のフロー
24 (4) 鉄粉の地中における混合性の確認 ウォータージェットで地中に鉄粉等の浄化剤を添加する方式としては、以下の2 種類の方式 がある。いずれの方式の場合も、地盤切削効率向上のために噴射時にエアーを併用している。 ① 噴射充填方式： ウォータージェットを清水で噴射して地盤を切削しつつ、鉄粉スラリーを 低圧で地中に注入する方式（三重管使用：水・エアー噴射、スラリー注入方式） ② 直接噴射方式： 鉄粉スラリーをウォータージェットで直接を地中に高圧噴射する方式 （二重管使用：スラリー・エアー噴射方式） 現在では浄化材として鉄粉を用いた場合、直接噴射方式を一般的には用いているが、開発当 初は鉄粉による高圧ポンプとノズルの摩耗性の観点から充填噴射方式を採用した。 なお、現在、噴射充填方式は三重管を用いることから、2 種類の薬剤を地中混合させる場合 や汚染土壌の完全置換を行う方式で活用されている。 鉄粉スラリー噴射時の懸念事項として、鉄粉が高比重なため切削域の端部にこれが偏在して しまう可能性、また、直接噴射方式の場合は従来の地盤改良より地盤切削間隔を広げたことに よる噴射域への浄化剤混合性の不良が挙げられた。 このことから、鉄粉スラリーを地中で噴射して鉄粉の混合性確認を3 サイトで行った。 直接噴射方式での確認結果を本節の1) と 2)(b) において、また、充填噴射方式での確認結果 を本節の2) (a) において述べる。 1) 模擬地盤での鉄粉スラリー噴射試験 本実験は、模擬地盤における直接噴射方式となり、鉄粉スラリーをウォータージェットで直 接地盤中に噴射して切削と鉄粉添加を行った。 (a) 鉄粉スラリー噴射方法 噴射仕様と地盤条件は、表 2.4 に示すとおりである。 表 2.4 施工仕様一覧表 項 目 内 容 噴射 超高圧 30 MPa （200 L /分×2 向） エアー 0.7 MPa （10 m3/分） 仕様 引上げ速度 25 cm /分 引上げ間隔（ｽﾃｯﾌﾟ） 5 cm 回転数 5 rpm （切削 2 回／ｽﾃｯﾌﾟ） 鉄粉配合 200 kg /m3（グアーガム：0.5％添加溶液） 打設深度 GL-3.0～-5.0 m 打設最下端部の定位置噴射 3 分間 （GL-5.0 m） 対象地盤と地下水位 N 値 10 程度の緩い埋砂（細砂） 地下水位 GL-4.5 m
25 表 2.4 において、引上げ間隔を 5 cm としているが、地盤改良の場合はこれが 2.5cm 程度であ り、また、回転数は5 rpm としているが、地盤改良の場合は 3 rpm 程度としていることから、 結果として、地盤改良の場合の3 倍近い高速施工の仕様となっている。 なお、施工は図 2.11 に示すように盤下げして実施した。 また、噴射した鉄粉スラリーの貯留タンク内における混練状況を図 2.12 に示す。 (b) 地中への鉄粉混合性の評価 地中で鉄粉スラリーを高圧噴射した後、バックホーにて土被り分（GL-3.0 ｍ）の土砂をすき とり、試料をブロックサンプリングして鉄粉残存量を確認した。 この採取した試料中の鉄粉量を分析して造成体内の混合性を比較した。 なお、当初計画では鉄粉を磁石により回収し、その量を確認する予定であったが、対象地盤 中に砂鉄が多量に含まれていたため、これが困難となった。 別途の方策として、土壌中のニッケル量を化学分析してこの量から換算して間接的に鉄粉量 を求めた。これは、実験に用いた浄化鉄粉中には反応を促進させるためにニッケルが重量比で 鉄粉の1.8％定量で添加されていたためである。 図 2.11 施工状況 図 2.12 噴射スラリーの混練状況 ブロックサンプリングした土壌から検出されたニッケル量とここから換算した鉄粉量を表 2.5 に示す。また、図 2.13 にサンプリング位置と鉄粉量の関係を示した。 これによると、打設中心から半径2 m 程度の距離までは鉄粉が有意な値で検出されていたが、 これより外側では微量な数値でのみ検出された。 なお、サンプリングは、GL-3.6 m と GL-4.6 m の 2 深度で実施し、GL-3.6 m の深度は水平方 向で半径2.5 m の位置まで実施したが、GL-4.6 m の深度においては、湧水によりサンプリング が困難となったことから、半径1.5 m までの位置で調査を終了した。 打設中心から水平方向で0.5 m～2.0 m の位置で採取した土壌中の鉄粉量は数字としては不均 一性が見られるものの、全体評価として、中心付近や周辺部への偏りが発生しておらず、危惧 された外周部のみへの鉄粉の遍在はないことが判明した。 なお、本実験においては、先に述べた鉄粉混練水作成ミキサーは使用しておらず、図2.11 に
26 示した平タンクにての鉄粉スラリー作製であったことから撹拌効果が不足してしまい鉄粉の沈 降現象が発生し、タンク内に約半分の鉄粉が残存してしまった。 以下、噴射された鉄粉量を計画の半分とし、さらに排泥中に半分の鉄粉が地表面にリークす るものと仮定して、土壌中の残置鉄粉量を試算した。 また、鉄粉の噴射域は直径4.0 m とし、対象土の比重は 1.8 とした。 ・ 浄化土量（直径 4.0 m と推定） ： 4.0 m×4.0 m×π/4×1.0 m= 12.6 m3 ・ 噴射鉄粉スラリー量（打設長 1m 当り） ： (0.4 m3/分×4 分×200 kg/m3) / 2= 160 kg （鉄粉配合を計画量の半分とした） ・ 地中鉄粉残存量（打設長 1m 当り） ： 160 kg/ 2= 80 kg （噴射量の半分が地表面にリークすると仮定） ・ 地盤への実際添加量（m3当り） ： 80 kg/ 12.6 m3= 6.3 kg/m3 ・ 地盤への実際添加量（kg 当り） ： 6.3 kg/ 1,800 kg (対象土) = 3,500 mg/kg 表 2. 5 によると、半径 2 m までのサンプリング資料の鉄粉量は、2,300～14,400 mg/㎏、また 平均は5,500 mg/㎏となっており、算出上の仮定やサンプリングによる不均一性を考慮すると、 推定計算値である 3,500 mg/kg との大きな乖離はなく、また、噴射した鉄粉が端部のみや中心 部のみに遍在することもないことが確認された。 表 2.5 採取土壌中のニッケル量と換算鉄粉量 中心からの 距離 (m) 0.50 1.00 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 GL-3.6 m (GL-3.5～-3.75m) ニッケル含有量 (mg/kg) 141 132 49 53 47 7 6 鉄粉量 (mg/kg) 7,900 7,400 2,700 3,000 2,600 400 300 GL-4.6 m (GL-4.5～-4.75m) ニッケル含有量 (mg/kg) 67 41 257 － － － － 鉄粉量 (mg/kg） 3,800 2,300 14,400 － － － － 平均 鉄粉量 (mg/kg) 5,850 4,850 8,550 － － － － 図 2.13 サンプリング位置と鉄粉量の関係 1 10 100 1,000 10,000 100,000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 GL‐3.6m GL‐4.6m 平均 鉄粉 濃度（ mg /K g ） 中心からの距離 （m）
27 2) 実汚染現場での鉄粉スラリー噴射試験 (a) 噴射充填方式の場合1) 本実験は先に述べた噴射充填方式であり実際の汚染現場において実施したものである。 ウォータージェットを清水で噴射して地盤を切削しつつ、同時に鉄粉スラリーを中圧で地中 に添加する方式とした。 a) 原地盤の状況と鉄粉スラリー噴射方法 現地地盤は GL -7.0 m~ -l l.5 m の帯水層で地下水が PCE と TCE で汚染されており、この層に 対して鉄粉を注入し鉄粉混合地盤を造成した。 清水を用いてウォータージェットを超高圧で交差噴流して地盤を切削すると同時に、鉄粉混 じり増粘水を中圧でポンプ注入することで、原地盤の砂と鉄粉との円柱状混合地盤を造成した。 鉄粉混合地盤の造成概念を図2.14 に示す。 さらに、造成体の平面図とモニタリング位置を図 2.15 に示す。 図 2.14 鉄粉混合地盤の造成概念 図 2.15 造成体平面図と モニタリング位置 b) 噴射仕様 施工仕様は表 2.6 に示すとおりとした。
28 表 2.6 施工仕様一覧表 項 目 内 容 噴射 超高圧水 30 MPa （90 L /分×２方向） エアー 0.7 MPa （6 m3 /分） 鉄粉スラリー 3 MPa （180 L /分） 仕様 引上げ速度 8.3 cm /分 引上げ間隔（ｽﾃｯﾌﾟ） 2.5 cm 回転数 3.3 rpm（切削 2 回／ｽﾃｯﾌﾟ） 鉄粉配合 600 kg /m3（グアーガム：0.5％配合） 打設深度 GL-7.0～-11.5 m 定位置噴射 2 分間 （GL-5.0 m） 対象地盤と地下水位 Ｎ値15 程度の細砂 地下水位 GL-5.0 m c) 地中への鉄粉混合性の評価 ボーリングサンプル体積とサンプル中の鉄粉質量を測定し、鉄粉浄化体の単位体積あたりの 鉄粉量を求めた。 この結果を図2.16 に示す。 平面的にも深度方向にも、ほぼ設計値以上の鉄粉量が均質に混合できていることを確認した。 図 2.16 鉄粉浄化体中の鉄粉量分布 10 100 1000 -11 -10.5 -10 -9.5 -9 鉄粉混合地盤の鉄粉量 (kg/m3) 深度 (m ) B1 B2 B3 B4 B5 設計値 施工前 原地盤の 鉄粉含有量 設計値 (kg/m3)
29 (b) 直接噴射方式の場合3) 本実験は実際の汚染現場において実施した浄化効果確認試験であり、鉄粉スラリーをウォー タージェットで直接噴射して地盤を切削しつつ地中に鉄粉添加する直接噴射方式である。先に 述べた模擬地盤での試験結果を参考にして実施したものであり、鉄粉の地盤中の混合性につい ては採取した土壌サンプルを用いたVOCs 分解試験により確認した。 a) 原地盤の状況と鉄粉スラリー噴射方法 施工の概念図は図 2.17 に示すとおりである。また、地盤条件は、図 2.18 に示すとおりであ り、実験はGL-7.0～-10.0 m の N 値 50 以上の帯水砂層で行った。 図 2.17 施工概念説明図 図 2.18 地盤条件 b) 噴射仕様 施工仕様は表2.7 に示すとおりであった。 この仕様も、表2.6 で述べたのと同様、地盤改良の場合の 3 倍近い高速施工としている。 φ 浄 化 対 象 層 浄 化 対 象 層
30 表 2.7 施工仕様一覧表 項 目 内 容 噴射 仕様 超高圧 30 MPa （200 L /分×2 方向） エアー 0.7 MPa （10 m3 /分） 引上げ速度 25 cm /分 引上げ間隔（ｽﾃｯﾌﾟ） 5 cm 回転数 5 rpm （切削 2 回/ ｽﾃｯﾌﾟ） 鉄粉配合 200 kg /m3（グアーガム：0.5％配合） 打設深度 GL-7.0～-10.0 m 定位置噴射 3 分間 （GL-10.0 m） 対象地盤と地下水位 N 値約 50 程度の砂層 地下水位 GL-7.0 m c) 地中への鉄粉混合性の評価 鉄粉浄化体は、図 2.19 に示すように、平面的に約 30%の改良率となる施工間隔で No.2 ～6 として配置し，No.1 と No.2 についてはラップさせた場合の鉄粉混合状況及び浄化効果を確認 するため実施した。鉄粉は20 Kg/m3 以上を確保するように施工スペックを決定した。また、浄 化体の想定径は直径3 m とした。 なお、現地の地下水の汚染濃度として、鉄粉混合体下流側における地下水濃度の経時変化を 図 2.20 に示す。 図 2.19 鉄粉浄化体とモニタリング位置 図 2.20 地下水モニタリング結果 90
