非水相液体

非水相液体（NAPL）は、水と比較的混ざり合わないという特徴を持つ有機 液体 汚染物質です。NAPLの一般的な例としては、石油製品、コールタール、塩素系溶剤、農薬などがあります。地下環境からこれらを除去するための戦略は、20世紀後半から拡大してきました。^{[1] [2]}

NAPL は、不適切な化学物質の廃棄、地下貯蔵タンクの漏れ、浄化槽の排水、流出物や埋立地からの浸透など、さまざまな発生源から環境に放出される可能性があります。地下環境における NAPL の動きは複雑で、特徴づけるのが困難です。しかし、適切な修復戦略を決定するには、その動きを規定するさまざまなパラメータを理解することが重要です。これらの戦略では、NAPL の物理的、化学的、生物学的特性を利用して、地下における NAPL の存在を最小限に抑えます。

地下水は、公共水道システム、個人所有の井戸、農業システムにとって、何世代にもわたって歴史的に重要な水源となってきました。水は土壌を通過する際に、地下水貯蔵庫に入る前に不純物が除去されると一般に信じられていました。そのため、地下環境の汚染についてはあまり懸念されていませんでした。^[3]

1960 年代、石油炭化水素、コールタール誘導体、合成洗剤、農薬などの有機汚染物質が、地下水汚染に関する広範な文献調査で指摘され、地下に NAPL が存在することが初めて示されました。^[4] 1970 年代初頭までに、ガスクロマトグラフィーの技術開発により、人間の感覚では感知できない地下水汚染物質を検出する新しい方法が提供されました。この開発により、最も有害な NAPL の 1 つである塩素系溶剤が発見され、その後分析されました。^[2] NAPL は、地下から検出および除去するのが難しいことが理解されるようになりました。^[1] NAPL は生物学的分解連鎖に関与するため、人間の健康に特に深刻な危険をもたらす中間化学物質を生成します。^[2]

こうした健康への懸念は、1976年にナイアガラフォールズガゼット紙がラブ運河付近の土壌汚染を報じた後、世間の注目を集めるようになった。こうした汚染物質の大量発生、広範囲にわたる地理的広がり、そして危険な健康影響が明らかになったことにより、最終的には包括的環境対応・補償・賠償法（CERCLA）とスーパーファンド法が成立した。地下水汚染への関心が高まったことで研究資金が拡大し、その後の研究で米国における地下水汚染の広がりが明らかになった。その後、NAPLを含む有機汚染物質の移動メカニズムの理解と修復戦略の開発が進んだ。^[2]

初期の修復戦略は、地下水を汲み上げて処理するための井戸を建設して帯水層の水質を回復することに重点を置いていましたが（揚水処理戦略）、すぐに汲み上げて処理する水の量が不当に多く、実行不可能であることが明らかになりました。^[2]さらに、井戸の建設は地下環境に侵襲的であり、NAPLのより深い浸透を引き起こす可能性があり、逆効果です。^[3]地下環境からNAPLを完全に除去することは不可能であると主張する専門家がいる一方で、他の専門家は、この課題を修復技術の拡大と革新の機会と見ています。^[2]その結果、1980年代から2000年代半ばにかけて、NAPLを検出して軽減するためのさまざまな革新が開発され、揚水処理戦略の代替手段が提供されました。^[5]

地下における NAPL の挙動は、地下物質の組成と NAPL のさまざまな特性の両方によって決まります。地下は、2 つの主要なゾーンに分類できます。1 つは不飽和 (通気) ゾーンで、薄い水の膜に囲まれた小さな粒子または粒子が含まれます。もう 1 つは飽和 (浸透) ゾーンで、帯水層と呼ばれる重要な地下水貯蔵庫が含まれます。

NAPL は点源汚染物質であり、不適切な化学物質の廃棄、地下貯蔵タンクの漏出、浄化槽の排水、流出物や埋立地からの浸透など、さまざまな発生源から放出される可能性があります。降水量が多い場合、液体は不飽和帯に浸透します。液体の量が十分であれば、飽和帯に浸透します。地下環境の多孔性によって、飽和帯に入る量が決まります。^[3]

NAPLの微視的特性が、フィールドでの挙動を決定します。^[1] NAPLが飽和領域に入ると、水に対する密度によって挙動が決まります。その結果、NAPLは相対密度に基づいて、軽い非水相液体（LNAPL）と高密度の非水相液体（DNAPL）の2つの主要なタイプに分類されます。LNAPLは地下水面に浮く傾向があり、DNAPLは下方に沈む傾向があり、状況によっては底に溜まります。LNAPLと比較すると、DNAPLは毒性が高く、生分解性が低いです。^[3]

地下環境に特有のさまざまなパラメータがあり、NAPL挙動の定量的モデルで考慮することが重要です。これらのパラメータには、土壌の浸透性、水分、粒度分布、毛細管力、濡れ性、地下水流速などがあります。^{[1] [3]}このデータの収集は、本質的に不均一で複雑です。^[3]

LNAPLとDNAPLは、地下環境に入ると、同時に複数の異なる相で存在する可能性があります。NAPLの組成は、通常、粘度、溶解度、揮発性など、さまざまな複雑で相互に関連するパラメータに依存する多相モデルを使用して説明されます。NAPLの可能な相には、気体、固体、水性、および非混和性炭化水素が含まれます。^{[1] [3]}

NAPL の液相は、水の液相と物理的に分離する表面によって特徴付けられ、NAPL の有機構造により混和しないことを示しています。ただし、NAPL 内の一部の化合物は水に溶解できるため、NAPL の 2 つの液相 (混和しない炭化水素と水性溶質) が同時に存在できます。NAPL の気相も地下水と土壌の汚染の原因となるため、汚染の範囲を評価し、適切な修復戦略を決定するには、さまざまな相間の NAPL の分布を定量化することが重要です。^[1]

不飽和帯には、小さな粒子からなる多孔質媒体があり、その周囲には膜として機能する薄い水の膜があります。これらの粒子間の残りの空間は空気で構成されています。したがって、NAPLは混ざらない炭化水素として残るか、水に溶解するか、固体の多孔質材料に吸着するか、気体として蒸発します。 ^[3]

この 4 相モデルは非常に可変性が高く、サイト修復のさまざまな段階で特定のサイト内でも変化する可能性があります。そのため、ケースバイケースで相分布を継続的に監視することが重要です。これらの各相は、その移動性と利用可能な修復技術の点で異なります。NAPL の移動性が最も高い相は、揮発性/気相と可溶性/水性相であり、NAPL の移動性が最も低い相は、吸着/固体相と非混和性液相です。^[1]これらの複雑さのため、飽和ゾーンよりも不飽和ゾーンで流量を測定することが困難です。^[3]

不飽和帯の汚染は、帯水層がある飽和帯に浸透する可能性があり、生態系に害を及ぼす可能性があるため危険です。^[3] NAPLが飽和帯に到達するかどうかは、残留飽和と呼ばれるパラメータによって決まります。残留飽和は毛細管現象によって引き起こされ、NAPLを固定し、飽和帯への浸透を制限します。^[1]

飽和帯では、粒子間の空間は水で満たされています。そのため、この帯では、気相を除いた NAPL 相分布の 3 相モデルが使用されています。^[3] NAPL が飽和帯の地下水面に達すると、LNAPL は浮き、DNAPL は沈みます。LNAPL と DNAPL はどちらも地下水面に長期間留まり、ゆっくりと溶解して有害な化学物質の煙を形成します。このため、飽和帯の修復は科学者にとって特に重要です。^{[3] [5]}

DNAPL の液相は、残留飽和によって体積がなくなるか、低透水性層によって経路が遮断されるまで、飽和帯を通って垂直下方に移動し続けます。その時点で DNAPL は水平方向に移動し始めます。低透水性境界がボウル型の場合、DNAPL は池のような貯留層を形成する可能性があります。^{[1]対照的に、残留飽和した DNAPL 相と吸着された DNAPL 相はどちらも比較的動かず、除去がより困難です。飽和帯における DNAPL の動きは、密閉されていない}ボーリング孔や適切に密閉されていないサンプリング孔やモニタリング井戸などの人為的活動によっても影響を受ける可能性があります。^[3]

比較的少量のNAPLでも地下水に有毒な状態を作り出す可能性があり、NAPLは地下に留まり、数十年、あるいは数世紀にわたって継続的に地下水を汚染する可能性があります。^{[3] [6]}さらに、NAPLは多相挙動のため、特に検出が困難です。その結果、環境からNAPLを除去する取り組みでは、修復戦略に加えて検出戦略が重要になります。この意味で、NAPLがどこにあったか、そしてどこに行く可能性があるかに加えて、NAPLの地理的分布と相分布を定量化することが重要です。^[3]

土壌物質や地下水位パラメータなどのサイト固有の特性を決定するために、掘削カッティングやコアを使用することができます。土壌ガス調査は、揮発性成分による汚染の範囲を決定するための予備スクリーニング手順として使用できます。NAPLの存在を検出および分析するための現在の戦略には、ガスクロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー、および時間領域反射率測定法が含まれます。とはいえ、この分野ではさらなる研究が必要です。^{[3] [5]}

LNAPL の緩和はそれほど複雑ではなく、より単純な工学戦略を必要とする傾向があります。逆に、DNAPL は地下の母材の亀裂に浸透する可能性があり、その動きと緩和に必要な技術の両方が複雑になります。 ^[3]最良のシナリオでは、DNAPL は連続しており、不浸透層の上に貯留層として集まっています。このシナリオでは、回収井を掘削して設置することができます。DNAPL の修復に関しては、除去が早ければ早いほど良いです。^[6]

井戸掘削の目的には、個人使用、水頭測定、帯水層試験、各種汚染物質の浄化などがある。^{[説明が必要]} 「揚水処理」は、地下水面上に浮遊する LNAPL の除去に特に効果的である。^[3]井戸掘削中は、DNAPL がさらに地下に浸透する原因となるような撹乱を最小限に抑える努力をしなければならない。知らないうちに DNAPL プールを掘削してしまい、プールがさらに帯水層に流れ込むことはよくある。^{[3] [5]}

井戸を掘ることで地下水の流れの方向と動きを調べることは可能ですが、NAPLはさまざまな方向に流れる可能性があるため、この方法は必ずしもNAPLの動きを決定するのに効果的ではありません。^[1] NAPLの存在の水平方向と垂直方向の範囲を決定するためのいくつかの関連戦略では、 NAPLの相対的な電気誘電率を使用する時間領域反射率測定法など、 NAPLの化学的特性を使用します。^[5]

揚水処理戦略では非現実的な量の地下水を汲み上げることになるため、全体的な考え方は「完全捕捉」から、物理的構造物を使用して水相プルームの動きを制御する封じ込め戦略へと移行しました。^[6] NAPL の腐食性が高いため、これらの物理的構造物に関連するメンテナンスの問題が増加する可能性があります。^[1]これらの構造物の例としては、スラリーバリア、振動ビームバリア、ジェットグラウト壁、ジオメンブレンライナーなどがあります。^[6]

界面活性剤の目的は、NAPL の粘度と界面張力を下げて、さまざまな NAPL 成分を移動させることです。可溶化剤は NAPL の溶解度を高め、それを水相に移して抽出および処理できるようにします。移動剤は NAPL の残留飽和成分をターゲットにし、連続浸水によって置換できるようにします。^[6]界面活性剤は非常に効果的で、ケーススタディでは元の DNAPL の 94% を回収できましたが、高価で費用がかかり、地下環境の pH に悪影響を与える可能性もあります。^[1]

この形態の修復は、おそらく不飽和帯の NAPL を除去するための最も広く受け入れられている現場技術です。土壌真空抽出 (SVE) は、空気の流れを誘発する真空を使用して NAPL の揮発性を高めます。このプロセスにより、NAPL は気相に変換され、その後、それらの気体成分が地中から除去され、抽出および処理が可能になります。揮発性の低い化合物は、加熱して揮発性を高めることができ、その後 SVE が続きます。多相抽出には、18～26 インチ水銀真空が含まれ、NAPL の気相、水相、および非混和相を同時に抽出できます。^[6]さらに、SVE は NAPL の好気性分解を促進し、地上での処理量を減らすことでコスト効率を向上させると考えられています。^[1]

化学的修復戦略には、通常、酸化還元反応が関与し、最も一般的なものには、直接化学酸化、直接化学還元、二次酸化還元、および金属強化脱塩素化が含まれます。適切な処理は、特定の汚染物質によって大きく異なります。化学的戦略は、最も一般的なNAPLの1つである塩素化溶媒を修復するための最も直接的で迅速な方法です。^[6]

化学戦略における課題の1つは、処理効果を制限する競合反応の存在です。もう1つの課題は、標的の汚染物質の拡散につながる可能性のある副産物の存在です。^[6]

適用技術には、井戸からの注入や固体処理マトリックスの配置が含まれます。最終的に、化学処理アプローチの実行可能性を決定する最も重要な要素は、地下の状態が効果的な適用を可能にするかどうかです。^[6]

地下環境におけるNAPLの存在を最小限に抑えるために、自然の好気性、嫌気性、および連続的な好気性および/または嫌気性の生物学的プロセスを加速することが可能になりました。ほとんどのバイオレメディエーション戦略は、特定の細菌/微生物集団の存在と、生分解を促進するための有機炭素の添加に依存しています。この有機炭素は、乳酸、アルコール、チーズホエーなどの可溶性有機炭素源を注入したり、植物油や大豆油エマルジョンなどの徐放性電子供与体を置いたりすることで供給できます。^[6]

好気性生物分解には十分な溶存酸素が必要であり、これは空気散布やSVEなどの戦略を通じて供給できます。とはいえ、十分な酸素を供給できるかどうかは、この種の修復戦略の成功に影響を与える制限要因です。また、多くの場合、メタン、プロパン、アンモニア、トルエンなどの誘導物質の存在が必要ですが、これらはそれ自体が地下環境に本質的に有害な汚染物質です。^[6]

さらにもう1つの課題は、在来細菌との競争やその他の外的圧力に直面しながら、細菌/微生物の十分な個体数を維持することです。遺伝子組み換え細菌の使用に対する規制上の抵抗もあります。さらに、NAPLは容易に生物学的に利用可能ではない可能性があり、生分解戦略の有効性が制限されます。この意味で、生分解は単独の解決策としては適切ではないかもしれませんが、他の戦略と組み合わせて使用​​​​することは確かに可能です。^[6]