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非水相液体、またはNAPLは、水との混和性が低い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に用いられる戦略は、20世紀後半から拡大しています。[ 1 ] [ 2 ]
NAPL（非水溶性液相）は、不適切な化学物質の廃棄、地下貯蔵タンクからの漏出、浄化槽からの排水、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中に放出される可能性があります。地下環境におけるNAPLの移動は複雑で、その特性を把握することは困難です。しかしながら、適切な修復戦略を決定するためには、NAPLの移動を左右する様々な要因を理解することが重要です。これらの戦略は、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の存在量を最小限に抑えることを目的としています。
地下水は、何世代にもわたって公共水道システム、私有井戸、農業システムにとって歴史的に重要な水源でした。水が土壌を通過する際に不純物が除去されてから地下水貯留層に入ると一般的に信じられていたため、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、地下水汚染に関する広範な文献調査で、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指摘され、地下におけるNAPLの存在が初めて示唆された。[ 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開発された。この開発により、NAPLの中でも最も有害な形態の一つである塩素化溶剤が発見され、その後分析されるようになった。[ 2 ] NAPLは検出も地下からの除去も困難であることが理解されるようになった。[ 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する。[ 2 ]
1976年にナイアガラフォールズガゼット紙がラブキャナル付近の土壌汚染を報じた後、これらの健康問題は世間の注目を集めるようになった。これらの汚染物質が大量に発見され、その地理的範囲が広く、健康に危険な影響を及ぼしていることが明らかになったことで、最終的に包括的環境対策・補償・責任法（CERCLA）とスーパーファンドが制定された。地下水汚染への関心の高まりにより研究資金が拡大し、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。その結果、NAPLを含む有機汚染物質の輸送メカニズムの理解と修復戦略の開発が進展した。[ 2 ]
初期の修復戦略は、井戸を建設して地下水を汲み上げて処理する（揚水処理戦略）ことで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、汲み上げて処理する水の量が不合理に多く、実現不可能であることがすぐに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食し、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 ]一部の専門家は、地下環境からNAPLを完全に除去することは不可能だと提案していますが、他の専門家は、この課題を修復技術を拡大し革新する機会と捉えています。[ 2 ]その結果、1980年代から2000年代半ばにかけて、NAPLの検出と軽減の両方を行うためのさまざまな革新が開発され、揚水処理戦略に代わる選択肢が提供されました。[ 5 ]
地下におけるNAPLの挙動は、地下物質の組成とNAPLの様々な特性の両方によって左右されます。地下は大きく2つのゾーンに分類できます。1つは、薄い水の膜に囲まれた小さな粒子や粒を含む不飽和帯（バドース帯）で、もう1つは、帯水層と呼ばれる重要な地下水貯留層を含む飽和帯（フリース帯）です。
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洩、浄化槽の排水、流出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。飽和帯に流入する量は、地下環境の多孔性によって決まります。 [ 3 ]
NAPLの微視的な特性が、現場での挙動を決定します。[ 1 ]飽和帯に入ると、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、軽質非水相液体（LNAPL）と高密度非水相液体（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ますが、DNAPLは沈下し、場合によっては底に溜まります。LNAPLと比較して、DNAPLは毒性が高く、生分解性が低いです。[ 3 ]
NAPL挙動の定量モデルでは、地下環境に特有のさまざまなパラメータを考慮することが重要です。これらのパラメータには、土壌の透水性、水分、粒度分布、毛細管力、濡れ性、地下水流速などが含まれます。[ 1 ] [ 3 ]このデータの収集は、性質上、不均一で複雑です。[ 3 ]
LNAPLとDNAPLは、地下環境に入ると複数の異なる相で同時に存在することができます。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記述されます。NAPLの可能な相には、気体、固体、水、および混和しない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境界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。とはいえ、NAPLに含まれる一部の化学物質は水に溶解する能力があり、NAPLの2つの液相（混和しない炭化水素と水溶性溶質）が同時に存在できることを意味します。NAPLの気相も地下水や土壌の汚染の原因となるため、汚染の程度を評価し、適切な修復戦略を決定するためには、NAPLのさまざまな相間の分布を定量化することが重要です。[ 1 ]
不飽和帯は、小さな粒子からなる多孔質媒体で構成されており、その周囲には膜として機能する薄い水の膜が存在する。これらの粒子間の残りの空間は空気で構成されている。したがって、NAPLは混ざり合わない炭化水素として残るか、水に溶解するか、固体多孔質材料に吸着するか、気体状に蒸発するかのいずれかである。[ 3 ]
この4相モデルは非常に変動しやすく、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、移動性と利用可能な修復技術の点で異なります。NAPLの中で最も移動しやすい相は揮発/気相と溶解/水相であり、NAPLの中で最も移動しにくい相は吸着/固相と混ざり合わない液相です。[ 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の流れの測定は困難です。[ 3 ]
不飽和帯の汚染は、帯水層を含む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、このゾーンでは気相を除外した NAPL 相分布の 3 相モデルが使用されます。[ 3 ]飽和帯で NAPL が地下水面に達すると、LNAPL は浮上し、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プルームを形成する可能性があります。このため、飽和帯で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枯渇するか、低透水性の層によって経路が遮断されるまで、飽和帯を垂直下方へ移動し続け、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は池のような貯水池を形成する可能性があります。[ 1 ]対照的に、残留飽和および吸着したDNAPL相はどちらも比較的移動しにくく、除去がより困難です。飽和帯におけるDNAPLの移動は、未密閉のボーリング孔や不適切に密閉されたサンプリング孔および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でも有毒な地下水状態を引き起こす可能性があり、NAPLは地下に留まり、数十年、あるいは数世紀にわたって地下水を汚染し続ける可能性があります。[ 3 ] [ 6 ]さらに、NAPLは多相挙動を示すため、検出が困難です。そのため、環境からNAPLを除去する取り組みにおいては、修復戦略に加えて検出戦略が重要となります。この意味で、NAPLがどこに存在し、どこへ向かう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 ]
土壌材料や地下水位などのサイト固有の特性を決定するために、掘削屑やコアを使用できます。土壌ガス調査は、揮発性成分による汚染の程度を判断するための予備的な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などがあります。とはいえ、この分野ではさらなる研究が必要です。[ 3 ] [ 5 ]
LNAPLの緩和は比較的複雑ではなく、よりシンプルな工学的戦略で済む傾向がある。一方、DNAPLは地下の母材の亀裂に浸透する可能性があり、その移動と緩和に必要な技術の両方を複雑にする。 [ 3 ]最良のシナリオでは、DNAPLは連続しており、不透水層の上に貯留層として蓄積されている。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る。DNAPLの修復に関しては、除去が早ければ早いほど良い。[ 6 ]
井戸掘削の目的には、個人使用、水頭測定、帯水層試験、さまざまな汚染物質の浄化などがあります。 「ポンプ・アンド・トリート」は、地下水位より上に浮遊する LNAPL を除去するのに特に効果的です。[ 3 ]井戸掘削中は、DNAPL が地下にさらに浸透する原因となるような擾乱を最小限に抑えるよう努力する必要があります。DNAPL プールを意図せず掘削してしまうと、プールが帯水層にさらに深く流れ込んでしまう可能性があります。[ 3 ] [ 5 ]
井戸掘削によって地下水の流れの方向や動きを調査す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NAPLの動きを決定するのに必ずしも効果的ではありません。[ 1 ] NAPLの水平方向および垂直方向の広がりを決定するための関連戦略には、NAPLの相対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するものがあります。[ 5 ]
ポンプアンドトリート戦略では、非現実的に大量の地下水を汲み上げる必要があるため、全体的な考え方は「全量回収」から封じ込め戦略へと移行し、水相プルームの移動を制御するために物理構造物を使用するようになりました。[ 6 ] NAPLの腐食性が非常に高いため、これらの物理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低下させることで、NAPLのさまざまな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、水相に移行させることで、抽出および処理を可能にします。移動化剤はNAPLの残留飽和成分を標的とし、連続的な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、事例研究では元のDNAPLの94%を回収していますが、高価でコストがかかりすぎる上に、地下環境のpHに悪影響を与える可能性もあります。[ 1 ]
この修復方法は、不飽和帯におけるNAPLの除去に最も広く受け入れられている現場技術である。土壌真空抽出（SVE）は、空気の流れを誘発する真空を使用することでNAPLの揮発性を高める。このプロセスによりNAPLは気相に変化し、その後、これらの気体成分が地中から剥ぎ取られ、抽出および処理が可能になる。揮発性の低い化合物は、加熱によって揮発性を高め、その後SVEを行うことができる。多相抽出では、18～26インチの水銀真空を使用して、NAPLの気相、水相、および混ざり合わない相を同時に抽出することができる。[ 6 ]さらに、SVEはNAPLの好気性分解を促進し、必要な地上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る。[ 1 ]
化学的修復戦略は一般的に酸化還元反応を伴い、最も一般的なものとしては直接化学酸化、直接化学還元、二次酸化還元、金属強化脱塩素化などがある。適切な処理方法は主に特定の汚染物質によって異なる。化学的戦略は、最も一般的なNAPLの一種である塩素化溶剤を修復するための最も直接的で迅速な方法である。[ 6 ]
化学的戦略における課題の一つは、処理効果を制限する競合反応の存在である。もう一つの課題は、標的汚染物質の拡散につながる可能性のある副生成物の存在である。[ 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などがあります。最終的に、化学処理アプローチの実現可能性を決定する最も重要な要素は、地下条件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、自然な好気性、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った。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る。この有機炭素は、乳酸、アルコール、チーズホエイなどの可溶性有機炭素源の注入、および植物油や大豆油エマルジョンなどの徐放性電子供与体の配置によって供給することができる。[ 6 ]
好気性生物分解には十分な溶存酸素が必要であり、これはエアースパージングやSVEなどの手法で供給できます。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を左右する制限要因です。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となりますが、これらはそれ自体が汚染物質であり、地下環境に本質的に有害です。[ 6 ]
さらに別の課題は、在来細菌やその他の外部圧力との競合に直面して、十分な数の細菌/微生物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反発もあります。さらに、NAPLは容易に生物学的利用可能ではない可能性があり、生分解戦略の有効性を制限します。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間違いなく可能です。[ 6 ]