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水中廃棄物の原位置キャッピング（ISC）は、汚染された堆積物の非除去修復技術であり、廃棄物をその場に残し、汚染物質のさらなる拡散を防ぐために汚染された廃棄物の上に土壌および/または材料の層を置くことによって環境から隔離することを伴う。原位置キャッピングは、汚染された領域を修復するための実行可能な方法を提供します。これは、ポンプと処理が高価になりすぎ、サイトの周囲が低エネルギーシステムである場合のオプションです。キャップの設計と周辺領域の特性評価は同等に重要であり、プロジェクト全体の実現可能性を推進します。多数の成功事例が存在し、技術が拡大してより一般的になるにつれて、将来的にはさらに多くの事例が存在するでしょう。[1] [2]原位置キャッピングでは、化学、生物学、土質工学、環境工学、環境土質工学で開発された技術が使用されます。
導入
堆積物中の汚染物質は、依然として環境と人間の健康にリスクをもたらします。汚染された堆積物に関連する可能性のある水生生物への直接的な影響には、「堆積物中の多環芳香族炭化水素にさらされた魚の癌性腫瘍の発生」が含まれます。 [1]これらの高リスクの堆積物は修復する必要があります。通常、修復には4つのオプションしかありません。
- 非除去技術[2]
- 現地封じ込め（現地キャッピング）
- 現場での治療
- 除去技術[2]
- 除去と封じ込め
- 除去と治療
キャップは、砂、砂利、ジオテキスタイル、およびこれらのオプションの複数の層を含むがこれらに限定されない、さまざまなものから構成されます。 [1]
堆積物内の汚染物質が環境に放出される方法は数多くあります。これらの方法には、移流、拡散、底生生物による汚染堆積物の上層の再混合や再処理、さまざまな水中力による堆積物の再浮遊などが含まれますが、これらに限定されるものではありません。[1]インサイチューキャッピング（ISC）は、3つの主な機能により、これらの悪影響をすべて修正できます。
- 汚染された堆積物を底生環境から隔離することで、汚染物質が食物連鎖を通じて拡散するのを防ぐことができます。[2]汚染物質を隔離することが、曝露リスクを軽減する上で最も重要な要素です。[3]
- 汚染物質の再浮遊と移動を防ぐことを堆積物の安定化と呼ぶ。[1] [2]
- 水柱への溶解汚染物質の流入を減らすこと。化学的分離とも呼ばれる。[2] [3]
4 つ目の機能は、必須ではないものの、現地設置型キャップの「生息地の価値を高める」ことです。これは、極端な状況を除いて、主な目的とすべきではありません。キャップの表面的な特徴を変更して「望ましい種を奨励し、望ましくない種を阻止する」ことで、これを達成できます。[3]
原位置キャッピングを使用する明らかな利点は、廃棄物が乱されず、除去による汚染物質の移動による周辺地域のさらなる汚染を防ぐことです。残念ながら、ISC は新興技術であるため、長期的な影響は研究されていません。[2]
現場での覆土は多くの場所で効果を上げています。例えば、日本国内のいくつかの場所では、「栄養分を多く含んだ堆積物を砂で覆う」という方法が、底質からの「栄養分（窒素とリン）の放出」と酸素の減少を減らすことで水質保全に非常に効果的でした。[4]
サイト評価
改善目標
ISC が適切な技術であるかどうかを判断するには、特定のプロジェクトの場所と目標を評価することが非常に重要です。まず、ISC がすべての望ましい修復目標を満たすかどうかを調べることが重要です。ISC が修復目標を満たすかどうかを判断するには、前述の ISC の 3 つの主な機能を検討することが重要です。最初の機能については、「ISC が堆積物汚染物質から水生生物を隔離する能力は、キャップ上に堆積する新しい堆積物汚染物質の堆積に依存する」ことを認識することが重要です。汚染された堆積物がキャップの上に再び堆積した場合、キャップは汚染された層を分離するために構築されます。したがって、「ISC は、汚染源管理が実施されている場合にのみ検討されるべきである」。汚染された堆積物の安定化は、修復の目的が他の遠隔地への汚染された堆積物の「再浮遊、輸送、再沈着」による環境への悪影響を防ぐことである場合、設計機能となり得る。さらに、修復目的が望ましい場合、ISC の目的は、汚染された土壌を周囲の環境から隔離し、汚染された土壌の環境を制御し、汚染物質の分解を引き起こすことである可能性がある。[1]
基準
ISCが優れた修復技術であるかどうかを確認するための現地評価は、周囲の物理的環境、現在および長期的な水力学的条件、地質工学的および地質学的条件、水文地質学的条件、現地の堆積物の特性、および現在および長期的な水路の使用など、いくつかの基準に基づいています。[2]
キャップを設置する周囲の物理的特性の多くは重要です。キャップを建設する際に考慮すべき事項としては、「水路の大きさ、水深、潮汐パターン、氷の形成、水生植物、橋の交差点、陸地や海洋構造物の近さ」などがあります。[1]設置を容易にするために、ISC の周囲のエリアは平坦であることが最も望ましいです。
流体力学的条件
水力学的条件も同様に重要です。原位置での覆土プロジェクトは、港湾、低流量の河川、または河口などの低エネルギー水路で実施するのが最善です。[2]高エネルギーおよび高流量の環境は、覆土の長期安定性に影響を与え、時間の経過とともに侵食を引き起こす可能性があります。流れも重要です。流れは水柱に沿って変化し、変化する流れによって ISC の配置が悪影響を受ける可能性があります。潮流などの一時的なイベントが底流速度に及ぼす長期的な影響を考慮することが重要です。原位置での覆土の配置によって既存の水力学的条件が変化するかどうかを判断するには、モデリングを行う必要があります。[1]
地質工学および地質学的条件
キャップの下に沈下が生じる可能性があるため、キャップを設置する前に地質工学的および地質学的条件の調査を行う必要があります。沈下が著しいと予測される場合、沈下によってキャップの完全性が変化しないように、キャップの設計を当初の計画よりも厚くする必要があるかもしれません。[1]
設置前に水文地質学的条件を考慮することが重要です。地下水流路が上向きの成分を持つエリアである排出エリアを特定することが重要です。[5]この排出により、原位置キャップがずれたり、封じ込め物質が地表水に運ばれたりして、原位置キャップの有効性が低下する可能性があります。[1]
堆積物の特性評価
ISCの建設と設計を実施する前に、典型的な堆積物の特性評価が必要です。堆積物のこれらのテストには、「視覚的分類、天然水分含有量/固形物濃度、可塑性指数（アッターバーグ限界）、全有機炭素（TOC）含有量、粒度分布、比重、統一土壌分類システム（USCS）」が含まれます。[1]
水路の利用
現在の水路の用途がどのようなものか、そして原位置キャップの設置によってそれがどのような影響を受けるかを把握することが重要です。原位置キャップの建設によって影響を受ける可能性のある水路の用途には、「航行、洪水制御、レクリエーション、給水、雨水または排水の排出、ウォーターフロントの開発、公共施設の横断」が含まれますが、これらに限定されません。原位置キャップの建設は、長期間にわたってキャップの完全性を維持することが重要であるため、これらの活動の一部を制限する可能性があるため、キャップの移動を引き起こす可能性のある使用は制限する必要があります。さらに、原位置キャップの建設により水深が下がり、その地域を横断できる船舶のサイズが制限されます。水路に対するこれらの制限は、考慮しなければならない社会的および経済的影響も及ぼす可能性があります。[1]
規制基準
ISC を設置する予定の場所の規制基準をすべて把握することが重要です。すべての ISC は、資源保全回収法(RCRA) および毒性物質規制法(TSCA) の要件に準拠する必要がありますが、データ不足のため、現場でのキャッピングが長期的にこれらの基準を満たす能力については十分な調査と研究が行われていません。
キャップデザイン
キャップの設計は、コンポーネントの構成と寸法を含み、おそらく現場キャッピングの最も重要な側面です。キャップの設計は、「利用可能な建設および配置技術と互換性がある」必要があり、前述の 3 つの基準を満たす必要があります。キャップの設計は通常、汚染物質の量が少ない小さな領域に行われます。キャップは通常、粒状媒体、装甲石、およびジオテキスタイルの多くの層で構築されます。現在、キャップの設計は、関連するさまざまなプロセス (移流、拡散、生物撹乱、圧密、浸食) の実験室テストとモデル、限られた現場での経験、および監視データによって決定されます。データと現場での経験が限られているため、現場キャップの設計には保守的なアプローチが使用されます。このアプローチでは、さまざまなコンポーネントが加算され、実際にはコンポーネントが 2 つの機能を提供する可能性があるものの、キャップ コンポーネントが 2 つの機能を提供することはないという考え方を使用します。[1]
キャップデザインの6つのステップ
パレルモらが示したインサイチュキャップ設計の6つの一般的なステップは以下のとおりです。[1]
- 候補となる覆土材料と、現場の汚染された堆積物との適合性を特定します。
- 在来底生物の生物撹乱の可能性を評価し、底生環境から堆積物汚染物質を物理的に隔離するためのキャップコンポーネントを設計します。
- 流れ、波、プロペラの洗浄によるキャッピング サイトでの潜在的な侵食を評価し、汚染された堆積物やその他のキャップ コンポーネントを安定させるためのキャップ コンポーネントを設計します。
- 堆積物汚染物質の潜在的なフラックスを評価し、溶解汚染物質の水柱へのフラックスを減らすキャップコンポーネントを設計します。
- 圧縮性材料の統合を含む、キャップコンポーネント間の潜在的な相互作用と互換性を評価します。
- 運用上の考慮事項を評価し、キャップの整合性を保証するために必要な制限または追加の保護対策を決定します。
材料の選択
材料の特定は、プロジェクトの開始時に評価する必要があります。通常、材料はプロジェクトで最も大きなコストを占めるためです。したがって、必要な材料のコストが高すぎると、プロジェクトがまったく実行不可能になる可能性があります。[1] ほとんどの場合、粒状材料が使用されます。これらには、「採石場の砂、天然の堆積物、土壌材料」が含まれますが、これらに限定されません。[1]研究では、細粒材料と砂質材料が現場キャップの構築に効果的であることが示されています。[6]さらに、細粒材料は、サンドキャップよりも優れた化学的バリアとして機能することが示されています。[7]したがって、細粒材料は、工場で洗浄された砂よりも優れたキャップコンポーネントです。底生生物は、有機物を含む未固結の細粒堆積物内に穴を掘ることに興味を示しているため、キャップ内の有機物の量を制御することが重要です。[1]砂内の有機物レベルが増加すると、キャップを通過する疎水性有機汚染物質の遅延が増加し、汚染物質の分解が促進されることが示されています。[3]したがって、有機物の慎重なバランスが必要です。
ジオメンブレン
ジオメンブレンは、キャップの設計において、生物撹乱バリアを提供し、キャップを安定させ、汚染物質の流入を減らし、キャップ材料と下層の堆積物の混合を防ぎ、均一な固化を促進し、キャッピング材料の浸食を減らすなど、さまざまな目的に使用できます。[1]ジオメンブレンは、シェボイガン川とノルウェーのエイトルハイム湾に建設された ISC の 2 つのプロジェクトで、粒状媒体とともに安定化に使用されています。[8]ジオメンブレンには大きな利点があるように見えますが、隆起とバルーニングの問題が発生しており、ジオメンブレンが表面から持ち上がる原因を評価する研究はあまり行われていません。[9]化学物質の隔離に対するジオシンセティックスの全体的な有効性を判断するには、さらなる研究が必要です。[1]
キャップ装甲
防護石とは、その場にあるキャップの残りの部分を「保護」するために使用される石のことで、侵食に対する抵抗力として使用される可能性があり、キャップの設計時に考慮する必要があります。[1] [3]キャップの長期的な性能は、主に外力、主に水力に耐える能力に依存します。[3]キャップの長期的な安定性を実現するために使用できる基本的なアプローチは3つあります。
- キャップ層は、さまざまな油圧に耐えられるように十分に装甲されている必要がある。[3]
- 一般的に水圧は深さとともに減少するため、より深い層でキャップします。[3]
- 防波堤、ダム、航行制御などにより水力を制御し、そのキャップ層への影響を制限するようにしてください。[3]
バイオターベーション
生物撹乱は、底生生物による堆積物の撹乱と混合として定義されます。多くの水生生物は底質の上または中に生息しており、「堆積物粒子の直接的な移動による堆積物汚染物質の移動、水柱に露出する堆積物の表面積の増加、および底質を食べる表層底生生物または浮遊生物の餌としての堆積物汚染物質の移動」を大幅に増加させる可能性があります。海洋環境での生物撹乱の深さは、淡水環境よりも深いです。キャップへの生物撹乱の影響を防ぎ、軽減するために、キャップは、通常わずか数センチメートルの厚さ (5～10 cm) の犠牲層で設計する必要があります。この層は環境と完全に混合されると想定され、底生生物が現場キャップにさらに下降するのを防ぎます。犠牲層の厚さは、キャップ建設エリアの近くの周囲の堆積物における地元の生物とその行動の研究に基づいて決定する必要があります。底生生物の中には、1 m 以上の深さに潜ることが知られているものもあるためです。装甲の存在石は、深く穴を掘る底生生物の定着を制限することが知られています。底生生物がキャップの設計の完全性を破壊するのを防ぐもう 1 つの方法は、地元の底生生物が魅力を感じず、その表面に容易に定着することが知られていない粒状の媒体を選択することです。これにより、底生生物がキャップ上で成長するチャンスが制限されます。
現場キャップの固化は、キャップに選択された材料が「細粒度の粒状材料」である場合に考慮されなければならない。「固化中にキャップ内への間隙水の上方移流」による基礎材料の固化を考慮する必要がある。[1]
侵食の影響
侵食については慎重に検討する必要がある。侵食に対する保護レベルを決定するには、「極端な事象（100年に一度の事象など）におけるキャップ侵食に関連する環境影響の潜在的な深刻度と堆積物汚染物質の潜在的な拡散」を考慮することが重要である。設計不足の原位置キャップは侵食によって損なわれ、汚染物質の放出につながる可能性がある。設計過剰のキャップは、極めて高いコストをもたらす。[1] [3]
工事
キャップの建設は、現場でのキャップの性能に直接影響するため、慎重に計画することが重要です。「汚染された堆積物サイトの多くは、非常に柔らかい堆積物で、簡単に乱れ、不均一な配置によって位置がずれたり不安定になったりする可能性があり、キャップ材料の一部を支えるのに十分な耐荷重能力がない可能性がある」ことに注意することが重要です。[3]
インサイチュキャップを構築する基本的な方法は 2 つあります。
- 陸上設置: 海岸近くの設備を使用するか、狭い水路で作業する。キャップは「バックホー、クラムシェル、トラックからの投棄、ブルドーザーによる散布」などの標準的な建設設備を使用して構築されます。この方法の主な制限は、設備の到達範囲です。[2]
- パイプラインまたはバージによる設置：バージまたはパイプラインを使用して、キャップを現場に設置します。さまざまな種類の機器を使用して、キャップのコンポーネントを海底または湖底に配置します。これは通常、深海または沖合で作業する場合に望ましい方法です。[2]
監視
監視プログラムの5つのステップ
Fredetteらは、ISCプロジェクトのための物理的/生物学的モニタリングプログラムの開発のための5つのステップを概説している。[10]
- サイト固有の監視目標の指定
- 監視計画の要素の特定
- 反応を予測し、検証可能な仮説を立てる
- サンプリング設計と方法の指定
- 管理オプションの指定
したがって、建設開始時に監視プログラムを導入することが重要です。建設中および建設直後の現場キャップを監視するために、短期監視プログラムを使用する必要があります。この監視プログラムには頻繁なテストが含まれ、リアルタイムのデータが提供され、キャップ全体の設計を迅速に調整できます。キャップ設計の全体的な有効性に関するデータを提供し、キャップが必要な規制をすべて満たしていること、キャップが過度に侵食されていないことを確認するために、長期監視プログラムを確立する必要があります。この長期監視は、問題が発見されない限り、1 年から 2 年に 1 回評価するだけで済みます。問題が発見された場合は、より頻繁なテストが必要になります。[1]
監視中は、定期的なメンテナンスをスケジュールすることが重要です。これには、侵食によって除去されると予測される物質の量に相当する物質を配置することが含まれます。[1]
ケーススタディ
ISC は比較的新しい修復手順ですが、いくつかのグループがこれを使用しており、大きな成功を収めています。
ゼネラルモーターズ スーパーファンドサイト
ニューヨーク州マセナのゼネラルモーターズ スーパーファンドサイトでは、PCB汚染土壌が繰り返し浚渫されたが、一部の地域では依然として高濃度の汚染物質（10ppm以上）が残っていた。これらの地域は、約75,000平方フィート（7,000 m 2）の面積で、6インチの砂、6インチの砂利、6インチの被覆石からなる3層のISCで覆われた。[1]
ミシガン州マニスティーク川
ミシガン州マニスティーク川では、 PCBに汚染された堆積物が、最大15フィートの深さまで20,000平方フィート（1,900 m 2 ）の面積にわたって40mmの厚さのプラスチックライナーで覆われました。 [1]
ウィスコンシン州シボイガン川
ウィスコンシン州シェボイガン川では、PCBに汚染された堆積物が砂層と装甲石層で覆われました。これは直接設置が可能な浅い地域で行われました。[11]
マラソンバッテリー修復プロジェクト
ニューヨーク州コールドスプリングのハドソン川では、電池製造工場からの堆積物がカドミウムとニッケルで汚染されていました。汚染された地域の上にジオシンセティック粘土ライナー（GCL）と12インチの砂質ロームの覆いが植えられました。[2]
ギャラクシー/スペクトロン スーパーファンド サイト
メリーランド州エルクトンでは 、過剰な量の揮発性有機化合物と高密度の非水相液体を含む汚染された堆積物が発見され、深刻な排出を引き起こしました。汚染された廃棄物の上に構築されたキャップシステムには、ジオテキスタイル作業マット、GCL、スクリム強化ポリプロピレンライナー、ジオテキスタイルクッション、およびガビオンマットが含まれていました。[2]
今後の研究
現在評価が必要な 4 つの主要な研究分野があります。
- 「現在のキャップ評価アプローチで想定されている単純な方法では動作しない特定の汚染物質（例：水銀）の運命と輸送挙動に関する研究」[3]
- 「キャップ内の物理的、化学的、生物学的勾配に関連する運命プロセスの研究」[3]
- 「非水相液体（ NAPL ）またはガスの移動によって促進される輸送プロセスの影響に関する研究」[3]
- 「隔離や分解運命のプロセスを促進する可能性のあるキャップ改正に関する研究」[3]
参照
参考文献
- ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz Palermo, M.、Maynord, S.、Miller, J.、およびReible, D. 1998.「汚染された堆積物の原位置水中キャッピングに関するガイダンス」、EPA 905-B96-004、Great Lakes National Program Office、シカゴ、イリノイ州。
- ^ abcdefghijklm Sharma, H.、Reddy, K. 2004.地質環境工学、敷地修復、廃棄物封じ込め、および新興廃棄物管理技術、pp 938–958。
- ^ abcdefghijklmno Reible, D. 2003.「キャッピングによる原位置修復：現状と研究の必要性」、テキサス大学土木工学部、テキサス州オースティン。
- ^ Zeman, AJ, Sills, S., Graham, JE, および Klein, KA 1992. 汚染された堆積物の水中キャッピング: 注釈付き参考文献、NWRI 寄稿番号 92-65、国立水研究所、バーリントン、オンタリオ州。
- ^ フリーズ、RAおよびチェリー、JA 1979;地下水
- ^ Brannon, JM, Hoeppel, RE, Sturgis, TC, Smith, I.、および Gunnison, D. 1985.「汚染された浚渫土を生物相および上層水から隔離するためのキャッピングの有効性」技術報告書、D-85-10、米国陸軍工兵水路実験ステーション、ミシシッピ州ビックスバーグ。
- ^ Suszkowski, DJ 1983. 「ニューヨーク地区工兵隊による汚染浚渫土の覆土に関する研究」第 7 回日米専門家会議議事録、134～145 ページ。米国陸軍工兵水路実験ステーション: ミシシッピ州ビックスバーグ。
- ^ Instanes. D. 1994.「ジオテキスタイルを使用したノルウェーのフィヨルドの汚染制御」、第5回ジオテキスタイル、ジオメンブレン、および関連製品に関する国際会議、シンガポール、1994年9月5～9日。
- ^ Cooke et al 1993.湖沼と貯水池の修復と管理、第2版、Lewis Publishers、東京。
- ^ Fredette, TJ, Nelson, DA, Clausner, JE、および Anders, FJ 1990.「水中浚渫土砂処分場の物理的および生物学的モニタリングに関するガイドライン」、技術レポート D-90-12、米国陸軍工兵水路実験ステーション、ミシシッピ州ビックスバーグ。
- ^ Eleder, B. 1992. シェボイガン川の覆土/装甲実証プロジェクト、汚染された堆積物の覆土に関するワークショップで発表、1992 年 5 月 27 ～ 28 日、イリノイ州シカゴ。