2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K06562
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| Research Institution | Fukushima National College of Technology |
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Principal Investigator |
車田 研一 福島工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (80273473)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | landfill site / leachate / drainage pipe / scale clogging / MICP process / calcium immobilization / biofilm / in-soil inoculation bed |
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| Outline of Annual Research Achievements |
浸出水中のカルシウムイオンの濃度の低減が課題であることが明らかになった。埋立土層の年間降水量と排水管のサイズから，土層中での雨水の滞留時間を概算したところ，一週間以上雨水は埋立土層にトラップされながら流下し，底部に設置された排水管から排出されるという描像がえがけた。このことから，一週間ていどの時間スケール内に，生物学的炭酸塩沈澱法（MICP : microbially induced carbonate precipitation）により溶解カルシウムイオンを不溶塩化することが求められる。MICPを加速するうえでの問題は，土中の貧栄養性とシリカ質の土砂粒子表面の生物学的親和性の不足である。2016年度には上記の二点のうち，主に後者の課題にとりくんだ。バチルス類などの遍在土中バクテリアは，表面の電荷による静電相互作用により固体表面に集合的に附着し，そこにバイオフィルムを形成する。いったんバイオフィルムが形成されれば，そこへ積層的にバクテリアが世代交代しながら増殖していくことは，栄養の確保さえされれば容易である。シリカサンド，ガラス，スラグなどの無機化合物系の固体を処分場で採取した浸出水中へ浸漬し，その表面へのバイオフィルムの形成の経過をトレースした。その結果，土中に遍在するケイ酸塩系の固体の表面はバクテリアの高密度繁殖には適さず，バイオフィルムなどの被覆的な形成は不可能なことがわかった。そこで，十年ほどまえに研究代表者がとりくんだポリアクリル酸表面へのカルシウムイオンの吸着傾向をヒントにし，同様の化学的構造を有し，さらに一般廃棄物として大量に産出される樹脂製廃棄物に着目した。この樹脂性廃棄物を炭素源・窒素源を含む有機物質とともに浸出水と共存させると，樹脂性廃棄物の表面に24時間以内にバイオフィルムが形成され，MICPを劇的に加速することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1)生物学的炭酸塩沈澱誘引（MICP）により，環境水中のカルシウムを不溶塩として沈澱させ，カルシウム濃度を有意に低減させることが技術的に可能になった。 2)適切な温度条件を選択することにより，埋立処分場浸出水などにみられる極端に高い溶解カルシウムイオンの濃度（例：1000グラム毎立方メートル～2000グラム毎立方メートル）を一週間ていどの時間スケールのうちに通常の地下水のカルシウムイオン濃度のレベル（数十グラム毎立方メートル）まで低減させることが可能になった。 3)適切な「微生物棲息用足場材料」をみいだすことにより，土中もしくは水中での微生物（バチルス類）の繁殖密度を向上させ，MICPの速度を劇的に向上させることができるようになった。 4)上記の足場材として，どのような物質が適当であるかが把握できた。表面にカルシウムイオンを（よわく）ひきつけるとともに，微生物を健全に繁殖させることができる素材を択ぶことが重要である。 5)さらに，本研究の最終目的上，上記の足場材はきわめて安価に且つ大量に入手可能なものである必要がある。研究代表者の既往の研究をヒントに，大量に排出され，さらに埋立処分場の処分土中にも混合しうるような樹脂製の廃棄物を選定した。この樹脂製廃棄物を微生物と共存させることにより，MICPの発生速度をおおむね二倍まで増加させることができるようになった。この廃樹脂製足場材の添加はとくに微生物の発生初期段階で効果があることが明らかになった。 6)顆粒上の足場材の埋設にはプロセス工学的にみて解決すべき問題があることがわかった。それは水流による流下である。これを防ぐために，適切な条件での廃樹脂製足場材のバルク成型が必要である。乾式成型の有効性を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は実際にいわき市内に所在する最終廃棄物埋立処分場を具体的な対象としてすすめられている。そのため，研究の「出口」として，単数もしくは複数の処分場において実用や実用へ繋がる有用な知見を提供することが肝要である。今後の研究の進展を見据えると，主に以下のような課題が明確化してくる。 1)実際土中でのMICP過程の進行の確認 2)足場材への有機物栄養素のコンポジット化およびその安定化 3)足場材の安定成型条件の確定 4)足場材の適切な形状への成型加工の技術の確立 5)成型された足場材-有機物栄養物質コンポジットの水中での固形性の耐久試験 6)パイロットプラントエリアでの実地使用試験，効果検証実験 7)学術的研究結果の創出のための，微生物種関連スペシフィヶーションおよびカルシウムの動態の解明 ●成型加工条件の最適化に関しては2017年早春より実験的な試みを継続しており，増粘材の若干の添加により劇的に成型が容易になることがみいだされている。また，加熱処理を廃樹脂の軟化温度の近傍に設定することにより，廃樹脂粒子間のブリッジングを形成し，足場材-有機物栄養物質コンポジットの水中での固形性の保持期間が劇的にのびることが示唆されている。 ●さらに，本手法のコンセプトを地盤強化へと応用する可能性もさぐっている。これは近年，液状化しやすい軟弱地盤の力学的強度の増大などへの応用が期待されるバイオコンソリデーション技術を簡便な埋設手法により処分場などの軟弱傾向の地盤の強化へ応用するものである。 ●なお，MICPの際に副生成物・途中生成物として発生するカルボン酸等により土壌が酸性化するばあいがある。これによりカルシウムの溶解度が上昇するので，MICPが阻害される可能性がある場合がみいだされている。この対策としてMICP過程中でpH値を上げる塩基性種が発生するような添加剤の見い出しが研究進捗上の大きな課題である。
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| Causes of Carryover |
消耗品支出が当初見積もりに比して若干小さかったこと。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
2017年度は事業最終年度にあたり，総括実験や研究発表での支出が増加する見込みである。次年度使用額については，それらの研究実験および対外発表にかかる経費に充当する計画である。
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