地下水浄化

地下水浄化は、汚染物質を除去したり、無害な物質に変換したりすることで、汚染された地下水を処理するプロセスです。地下水は地表下にある水で、地表下の空隙を飽和させます。世界的に、世界の飲料水の25～40%はボーリング井戸や掘り抜き井戸から汲み上げられています。^{[1]地下水は、農家が作物を}灌漑したり、産業が日用品を生産したりするためにも使用されています。ほとんどの地下水はきれいですが、人間の活動や自然条件の結果として、 地下水が汚染されることがあります。

人間の多種多様な活動により、無数の廃棄物や副産物が生み出されます。歴史的に、こうした廃棄物の処分は、あまり規制されていませんでした。その結果、廃棄物は地表に処分または保管されることが多く、その下にある地下水に浸透します。その結果、汚染された地下水は使用に適さなくなります。

肥料や農薬の過剰使用、工場からの流出、都市流出水の浸入、埋立地からの漏出など、現在の慣行は依然として地下水に影響を与える可能性があります。汚染された地下水を使用すると、中毒や病気の蔓延により公衆衛生に危険が及ぶため、これらの問題に対処するために地下水浄化の慣行が開発されました。地下水中の汚染物質は、物理的、無機化学的、有機化学的、細菌学的、放射性パラメータの広い範囲にわたります。さまざまな技術を適用することで地下水から汚染物質や汚染物質を除去でき、それによって水をさまざまな用途に見合った基準にすることができます。

地下水浄化技術には、生物学的、化学的、および物理的処理技術が含まれます。ほとんどの地下水処理技術は、これらの技術を組み合わせて利用します。生物学的処理技術には、バイオオーグメンテーション、バイオベンティング、バイオスパージング、バイオスラーピング、ファイトレメディエーションなどがあります。化学的処理技術には、オゾンおよび酸素ガス注入、化学沈殿、膜分離、イオン交換、炭素吸収、水性化学酸化、界面活性剤強化回収などがあります。一部の化学的技術は、ナノ材料を使用して実装される場合があります。物理的処理技術には、ポンプおよび処理、空気スパージング、および二相抽出が含まれますが、これらに限定されません。^[要出典]

処理可能性調査で地下水に含まれる汚染物質の分解が見られない場合（または有意な分解が達成されるまでに実験室での期間が長くなる場合）、汚染物質を分解できることが知られている菌株の接種が役立つ場合があります。このプロセスにより、バイオレメディエーションシステム内の反応酵素濃度が上昇し、その後、少なくとも接種後の初期段階では、汚染物質の分解速度が非増強速度よりも速くなる可能性があります。^[2]

バイオベンティングは、地下水系内の有機成分を微生物で分解するオンサイト修復技術です。バイオベンティングは、土着の細菌や古細菌の活動を高め、不飽和帯に空気や酸素の流れを誘導し、必要に応じて栄養素を追加することで、炭化水素の自然な現場分解を促します。 ^{[3]バイオベンティング中は、土壌の残留汚染物質に直接空気を注入して酸素を供給することができます。バイオベンティングは主に吸着された燃料残留物の分解に役立ちますが、蒸気が生物学的に活性な土壌をゆっくりと移動するため、}揮発性有機化合物(VOC)の分解にも役立ちます。^[4]

バイオスパージングは​​、土着微生物を利用して飽和帯の有機成分を生分解する現場修復技術です。バイオスパージングでは、空気（または酸素）と栄養素（必要な場合）を飽和帯に注入して、土着微生物の生物学的活性を高めます。バイオスパージングは​​、地下水に溶解し、地下水面下の土壌に吸着し、毛細管フリンジ内にある石油成分の濃度を下げるために使用できます。^[要出典]

バイオスラーピングは、バイオベンティングと、水より軽い遊離生成物（軽質非水相液体またはLNAPL）の真空ポンプの要素を組み合わせて、地下水と土壌から遊離生成物を回収し、土壌をバイオレメディエーションする。バイオスラーパーシステムは、遊離生成物層に伸びる「スラープ」チューブを使用する。グラスのストローが液体を吸い上げるのと同じように、ポンプは液体（遊離生成物を含む）と土壌ガスを同じプロセスストリームでチューブから吸い上げる。ポンプは、油などのLNAPLを地下水面上部と毛細管縁（つまり、水が毛細管力によって所定の位置に保持されている飽和帯のすぐ上の領域）から持ち上げる。LNAPLは表面に運ばれ、そこで水と空気から分離される。「バイオスラーピング」という用語の生物学的プロセスは、空気が不飽和帯の汚染土壌に導入されたときに炭化水素が好気性生物分解されることを指す。^[5]

ファイトレメディエーションのプロセスでは、特定の植物や樹木を植え、その根が時間をかけて地下水から汚染物質を吸収します。このプロセスは、根が地下水を汲み上げることができる地域で実行できます。このプロセスで使用される植物の例をいくつか挙げると、チャイニーズラダーシダ（Pteris vittata）はブレーキシダとしても知られ、ヒ素を非常に効率的に蓄積します。遺伝子組み換えハコヤナギは水銀をよく吸収し、トランスジェニックのインドカラシナはセレンをよく吸収します。^[6]

特定の種類の透過性反応性バリアは、地下水を浄化するために生物を利用します。^{[引用が必要]}

化学的沈殿は、廃水処理において硬度や重金属を除去するために一般的に使用されています。一般的に、このプロセスでは、攪拌反応容器内の水性廃水流に、バッチ式または定常流で薬剤を追加します。ほとんどの金属は、薬剤と溶解した金属イオンとの化学反応によって不溶性化合物に変換できます。不溶性化合物（沈殿物）は、沈降および/または濾過によって除去されます。^[要出典]

地下水浄化のためのイオン交換は、ほとんどの場合、水を固定床の粒状媒体（陽イオン交換媒体または陰イオン交換媒体）または球状ビーズに圧力をかけて下方に流すことによって行われます。陽イオンは溶液中の特定の陽イオンによって置換され、イオンは溶液中の特定の陰イオンによって置換されます。浄化に最もよく使用されるイオン交換媒体は、ゼオライト（天然および合成）と合成樹脂です。^[2]

修復に使用される最も一般的な活性炭は、瀝青炭から作られています。活性炭は地下水から揮発性有機化合物を吸着し、その化合物は活性炭のグラファイトのような表面に付着します。^[要出典]

このプロセスは、原位置化学酸化または ISCO と呼ばれ、化学酸化剤が地下に注入され、有機分子を破壊 (水と二酸化炭素または無毒物質に変換) します。酸化剤は液体または気体として導入されます。酸化剤には、空気または酸素、オゾン、および過酸化水素、過マンガン酸塩、過硫酸塩などの特定の液体化学物質が含まれます。 オゾンと酸素ガスは、空気と電気から現場で生成でき、土壌や地下水の汚染物質に直接注入できます。このプロセスは、自然に発生する好気性分解を酸化および/または促進する可能性があります。化学酸化は、高密度の非水相液体または DNAPL が存在する場合に効果的な手法であることが証明されています。^{[引用が必要]}

界面活性剤強化回収法は、飽和土壌マトリックスに吸収された汚染物質、または高密度の非水相液体として存在する汚染物質の移動性と溶解性を高めます。界面活性剤強化回収法では、界面活性剤（石鹸や洗剤の主成分である界面活性剤）を汚染された地下水に注入します。一般的なシステムでは、抽出ポンプを使用して、注入ポイントの下流の地下水を除去します。抽出された地下水は地上で処理され、注入された界面活性剤が汚染物質と地下水から分離されます。地下水から分離された界面活性剤は再利用されます。使用される界面活性剤は、無毒、食品グレード、生分解性です。界面活性剤強化回収法は、地下水が高密度の非水相液体（DNAPL）で汚染されている場合に最もよく使用されます。トリクロロエチレン（TCE）などのこれらの高密度化合物は、水よりも密度が高いため、地下水に沈みます。その後、帯水層内で数マイルにわたって広がる可能性のある汚染物質プルームの継続的な発生源として機能します。これらの化合物は非常にゆっくりと生分解する可能性があり、毛細管力によって捕捉された元の流出または漏出の近くでよく見られます。^[7]

一部の浸透性反応性バリアは、地下水浄化を達成するために化学プロセスを利用している。^[要出典]

揚水処理は、最も広く使用されている地下水浄化技術の 1 つです。このプロセスでは、地下水を地表に汲み上げ、生物学的または化学的処理を組み合わせて不純物を除去します。^[要出典]

エアスパージングは​​、地下水に直接空気を吹き込むプロセスです。泡が上昇するにつれて、汚染物質は空気との物理的接触（ストリッピング）によって地下水から除去され、不飽和帯（土壌）に運ばれます。汚染物質が土壌に移動すると、通常、土壌蒸気抽出システムを使用して蒸気を除去します。^[8]

二相真空抽出（DPVE）は多相抽出とも呼ばれ、高真空システムを使用して汚染された地下水と土壌蒸気の両方を除去する技術です。DPVEシステムでは、高真空抽出井戸のスクリーン部分が汚染された土壌と地下水のゾーンに設置されます。流体/蒸気抽出システムにより地下水位が下がり、水が抽出井戸に速く流れます。DPVEは地下水位の上下から汚染物質を取り除きます。井戸周辺の地下水位が汲み上げによって下がると、不飽和土壌が露出します。毛細管フリンジと呼ばれるこの領域は、溶解していない化学物質、水より軽い化学物質、下の溶解した地下水から逃げ出した蒸気が含まれているため、高度に汚染されていることがよくあります。新たに露出したゾーンの汚染物質は、蒸気抽出によって除去できます。地上に上がると、抽出された蒸気と液相の有機物および地下水が分離され、処理されます。これらの技術と二相真空抽出法を組み合わせることで、毛細管周辺が最も汚染されていることが多いため、現場での浄化時間を短縮することができます。^[9]

モニタリング井戸は、分析用の地下水サンプルを採取するために掘削されることが多い。通常、直径が 6 インチ以下のこれらの井戸は、ベルト式オイル スキマーを使用して、地下水帯水層内の汚染物質プルームから炭化水素を除去するためにも使用できる。ベルト式オイル スキマーは設計がシンプルで、工業用水システムから油やその他の浮遊炭化水素汚染物質を除去するためによく使用される。^{[引用が必要]}

監視井戸用オイルスキマーは、ガソリン、軽質ディーゼル、灯油などの軽質燃料油から、No. 6 オイル、クレオソート、コールタールなどの重質製品まで、さまざまなオイルを浄化します。この装置は、電気モーターで駆動するプーリー システムで動く連続移動ベルトで構成されています。ベルトの素材は、炭化水素液体と強い親和性があり、水をはじきます。ベルトは垂直に 100 フィート以上も落下する可能性があり、LNAPL/水界面を越えて監視井戸に降ろされます。ベルトがこの界面を通過すると、液体炭化水素汚染物質が拾われ、ベルトがワイパー機構を通過するときに除去され、地上レベルで収集されます。DNAPL炭化水素が監視井戸の底に沈降し、ベルト スキマーの下側のプーリーがそれらに到達すると、これらの汚染物質も監視井戸用オイルスキマーで除去できます。^{[引用が必要]}

通常、ベルトスキマーは汚染物質とともに水をほとんど除去しないため、残った炭化水素液体を収集するために単純な堰型分離器を使用することができ、これにより水は帯水層に戻すのに適した状態になることが多い。小型電気モーターは電力をほとんど消費しないため、ソーラーパネルや風力タービンから電力を供給でき、システムを自給自足にすることができ、遠隔地への電気配線コストを削減できる。^[10]

• 有害物質による不法行為
• ブラウンフィールド
• セルクラ
• 地下水汚染
• プルーム（流体力学）
• ナノテクノロジーの地下水浄化への応用

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• EPA 地下貯蔵タンクサイト向け代替浄化技術