JPH09206789A

JPH09206789A - 有機塩素化合物で汚染された地層および地下水の浄化方法

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Publication number: JPH09206789A
Application number: JP8045338A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Eguchi; 正浩江口
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 1996-02-07
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 1997-08-12
Anticipated expiration: 2016-02-07
Also published as: JP3848393B2

Abstract

(57)【要約】【課題】原位置バイオレメディエーション技術により
有機塩素化合物で汚染された地層および地下水を効率良
く浄化する方法を提供する。【解決手段】本発明方法は、例えば、メタンを基質と
し、基質の酸化に伴って誘導した分解酵素より有機塩素
化合物を分解するメタン資化菌を利用して、汚染地層お
よび汚染地下水の有機塩素化合物濃度を低下させ、汚染
地層および汚染地下水を浄化する方法である。本方法
は、資化菌増殖工程と、有機塩素化合物分解工程とから
なる。増殖工程では、メタン資化菌の増殖に必要な酸
素、栄養塩及びメタンを汚染地層に連続的に供給して、
汚染地層で資化菌を単位容積当たり所定菌数に増殖させ
る。分解工程では、酸素及び栄養塩の供給を停止するこ
となく、地下水の溶存メタン濃度が、資化菌増殖工程の
溶存メタン濃度より低くなるように調整してメタンを汚
染地層に供給しつつ、メタン資化菌により誘導された分
解酵素により有機塩素化合物を分解する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トリクロロエチレ
ン等の有機塩素化合物で汚染された地層およびこの地層
中の地下水を微生物学的に浄化する方法に関し、更に詳
細には、原位置バイオレメディエーション技術により有
機塩素化合物汚染地層を速やかに、かつ経済的に浄化す
る方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トリクロロエチレン（C₂HCl₃、以下、Ｔ
ＣＥと略記する) や、テトラクロロエチレン（Cl₂C=CCl
₂)などの有機塩素化合物は、油脂等に対する溶解性が高
いので、一般溶剤、脱脂用洗浄剤等として各種の工場及
びクリーニング店等で広く使用されている。そのため、
長年の間に、これらの有機塩素化合物のかなりの量が、
使用中に誤って外部に流出したり、或いは廃棄されたり
して、地層及び地下水を汚染している。ところで、これ
らの有機塩素化合物は発ガン性物質であると言う恐れが
あるため、汚染された地層及び地下水の浄化が、近年、
大きな社会的要望となっている。そこで、汚染地層及び
地下水を浄化するための対策が、従来から、種々の方法
により施されて来た。

【０００３】これまでに施されて来た浄化方法は、主と
して、有機塩素化合物を一定の領域に封じ込める封じ込
め法、汚染土壌を掘削して非汚染土壌で埋め戻す取り替
え法、地下水を揚水し、次いで曝気して有機塩素化合物
を大気中に放散する曝気法、真空抽気と活性炭吸着など
の組み合わせによるポンプ＆トリート法等の物理化学的
方法である。しかし、これらの物理化学的方法は、高濃
度の有機塩素化合物汚染には有効であるものの、設備費
及び運転費が嵩むために広範囲の低濃度汚染の浄化には
経済性に乏しく、また有機塩素化合物を分解し、無害化
する技術ではないために、汚染地層から回収した有機塩
素化合物による二次汚染の問題があった。

【０００４】そこで、微生物を利用して有機塩素化合物
を分解する処理方法、特に汚染サイトで実施する原位置
バイオレメディエーション技術の開発が進んでいる。原
位置バイオレメディエーション（bioremediation）によ
る地層および地下水の浄化方法は、有機塩素化合物等の
汚染物質に対する分解能を有する微生物を汚染サイトの
地層中で増殖、活性化して、汚染物質を原位置、即ち地
層中で分解して無害な物質に転化することにより、地層
および地下水を浄化する方法を言う。

【０００５】有機塩素化合物による汚染を微生物学的に
浄化する場合、有機塩素化合物を直接資化できる菌は、
地層中に存在していないので、メタン、トルエン、フェ
ノール、アンモニア等をそれぞれ資化する菌（以下、そ
れぞれメタン資化菌、トルエン資化菌、フェノール資化
菌、アンモニア資化菌と言う）の共酸化を利用した処理
方法が検討されている。この方法は、メタン資化菌等の
資化菌の増殖に必要な栄養塩及び酸素に加えて、メタン
資化菌等の資化菌のそれぞれの基質として、環境的に比
較的害の少ないメタン、トルエン、フェノール、アンモ
ニアなどを処理リアクター又は汚染サイトに注入して資
化菌を増殖し、有機塩素化合物を基質として分解する分
解酵素を資化菌により誘導する。そして、誘導された分
解酵素により有機塩素化合物を分解し、無害な物質に転
化する方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
資化菌の共酸化を利用した原位置バイオレメディエーシ
ョン方法を実施する際、メタンなどの基質が汚染サイト
に高濃度で有機塩素化合物と共存した場合、基質の競争
阻害が生じ、汚染物質の分解速度が極端に低下する。

【０００７】以下に、メタン資化菌を例にして更に説明
する。メタン資化菌は、メタンの酸化の過程で、ＴＣＥ
等の有機塩素化合物を分解する可溶性メタンモノオキシ
ゲナーゼ（以下、ｓＭＭＯと略記する）と、有機塩素化
合物の分解に寄与しない膜結合性メタンモノオキシゲナ
ーゼ（以下、ｐＭＭＯと略記する）との２種類のメタン
モノオキシゲナーゼを誘導することが知られている。メ
タン資化菌によるメタンの酸化反応は、図６に示す４段
階の酵素反応で進行し、メタン資化菌より誘導されたｓ
ＭＭＯは、メタンを酸化してメタノールを生成する第１
段階の反応を触媒する。図６に示すメタン酸化反応の第
１段階において、基質がメタンからＴＣＥに代わると、
図７に示すような共酸化によるＴＣＥ分解反応が起き
る。このＴＣＥ分解反応は、図６のメタンの酸化反応の
第２段階以降では起こらず、また、還元剤であるＮＡＤ
Ｈは再生されないので、ＴＣＥの分解反応が進行するに
つれて、ＮＡＤＨが不足することになる。

【０００８】ｓＭＭＯが触媒するＴＣＥ分解反応では、
本来の基質であるメタンと共酸化反応の基質であるＴＣ
Ｅとは互いに競争的な阻害剤として作用するので、ＴＣ
Ｅの分解反応は、高濃度のメタンにより競争的に阻害さ
れると言う問題がある。即ち、メタンが高濃度で共存し
た場合には、ＴＣＥはほとんど分解されず、逆に、メタ
ンが不足する場合には、メタン資化菌が増殖せず、また
ｓＭＭＯも誘導されることもない。また、ｓＭＭＯによ
るＴＣＥの分解反応が進行すると、ＴＣＥの分解反応の
反応中間体であるトリクロロエチレンエポキシドが蓄積
し、それによりｓＭＭＯの活性が失活すると言う問題が
ある。

【０００９】そこで、従来、共酸化を利用した有機塩素
化合物汚染地層の浄化方法を実施する際、栄養塩、酸素
及びメタン等の基質を注入して、専ら資化菌を増殖させ
る増殖フェーズと、次いで、栄養塩、酸素及び基質の注
入を停止し、資化菌により誘導された分解酵素により専
ら有機塩素化合物を分解する分解フェーズとに分けてい
た。更には、分解フェーズを長期間にわたり実施する
と、有機塩素化合物の分解反応で生成した反応中間体が
分解酵素を失活させ、有機塩素化合物の分解が実質的に
停止するので、分解フェーズの実施期間を分解酵素の活
性が存続する短い期間に限る必要があった。そこで、従
来法では、数ケ月間にわたって増殖フェーズを実施し、
次に実施する分解フェーズを短期間で終了し、二つのフ
ェーズを交互に繰り返すことにより、浄化を行って来
た。この結果、フェーズの切替えに毎に、異なるモード
で原位置バイオレメディエーション装置を制御する必要
から、制御システムが複雑になって、装置の費用が嵩む
と言う問題、また、フェーズ切り替えの判断が難しいと
言う問題、更には分解フェーズが短期間であるために、
有機塩素化合物分解の効率が悪いと言う問題があった。

【００１０】以上のように、フェーズ毎の制御の問題、
分解フェーズを長期間持続できない問題等のために、原
位置バイオレメディエーション技術による有機塩素化合
物汚染の従来の地層および地下水の浄化方法は、実用化
するには浄化効率が低く、経済性に欠けていた。よっ
て、本発明の目的は、原位置バイオレメディエーション
技術により有機塩素化合物で汚染された地層および地下
水を効率良く浄化する方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために、先ず、以下のような実験を多数回行っ
た結果、メタン資化菌のＴＣＥ分解活性の強さ及び持続
時間が、分解フェーズにおけるメタン濃度により異なる
ことを見い出した。

【００１２】実験例１無機塩培地としてＮＭＳ（Nitrate Mineral Salts ) 培
地を使用し、ＴＣＥで汚染された汚染サイトから採取し
た地下水（以下、実験例１及び２では単に地下水と言
う）とＮＭＳ培地とメタンガスとをバイアルビンに注入
し、密閉した後、温度を３０度に維持しつつ、振とう培
養することにより、メタン資化菌の集積培養を行った。
得られたメタン資化菌の集積培養体を遠心分離して集菌
し、ＮＭＳ培地で洗浄した後、再び地下水を混入させた
別のＮＭＳ培地に懸濁させて菌体懸濁液を調製した。懸
濁に際しては、菌体懸濁液の菌体懸濁濃度が、波長６０
０ｎｍでのＯＤ（Optical Density 光学濃度）が約２と
なるようにしてバイアルビンに封入した。

【００１３】次いで、溶存メタン濃度が１０mg/lになる
ようにメタンを菌体懸濁液に注入し、更に、ＴＣＥ濃度
が３mg/lになるようにＴＣＥを注入して、実験試料１を
調製した。続いて、ヘッドスペース法によるガスクロマ
トグラフ分析（ＰＩＤ）によって実験試料１のＴＣＥ濃
度を経時的に定量し、図１のグラフに示すような結果を
得た。同様にして、溶存メタン濃度が２．０mg/lになる
ようにメタンを注入したことを除いて上述と同様の実験
試料２及びメタンを注入しなかったこと除いて上述の同
様の実験試料３をそれぞれ調製し、各々について実験試
料１と同様にＴＣＥ濃度を経時的に定量して、同じく図
１のグラフに示すような結果を得た。

【００１４】また、ブランク試験例及びコントロール試
験例を実施し、同様に図１にその結果を示した。ブラン
ク試験例は、菌体無添加試験例であって、先ず、ＴＣＥ
濃度が３mg/lになるようにＴＣＥを溶解した純水を試料
としてバイアルビンに収容した後、温度を３０℃に維持
しつつ、実験試料１と同様にして試料のＴＣＥ濃度を経
時的に定量した試験例である。コントロール試験例は、
滅菌菌体添加試験例であって、滅菌した菌体懸濁液によ
り試料を調製したことを除いて、実験試料１〜３と同様
に試料を調製し、次いで試料のＴＣＥ濃度を経時的に定
量した試験例である。

【００１５】図１に示す結果から、メタン資化菌による
ＴＣＥ分解系において、メタン資化菌のＴＣＥ分解特性
は、確かに、溶存メタン濃度が高い時は競争的阻害要因
のために速やかに低下するが、溶存メタン濃度が０の状
態よりは、寧ろ、２．０mg/l程度の低溶存メタン濃度で
のメタンとＴＣＥとの共存下で最大のＴＣＥ分解活性が
得られることが判った。よって、分解フェーズでも、低
濃度のメタンとＴＣＥとが共存している方が、メタン資
化菌のＴＣＥ分解特性が高いと結論できる。

【００１６】実験例２実験例２では、ＴＣＥ濃度が低下した時点でＴＣＥの再
添加を繰り返して、更に、溶存メタンとＴＣＥとの共存
下におけるメタン資化菌のＴＣＥ分解活性の持続性につ
いて検討した。先ず、実験例１と同様にして、メタン濃
度がそれぞれ０．０、２．０及び１０mg/lになるように
３種類の実験試料を調製し、実験例１と同様にして、実
験試料のＴＣＥ濃度を経時的に定量した。ＴＣＥ濃度
が、検出限界以下、例えば１μg/l になった時点で、Ｔ
ＣＥ濃度が再び３mg/lになるように、２．０mg/lのメタ
ン濃度の実験試料に２回、また０及び１０mg/lのメタン
濃度の試料に各１回のＴＣＥの再添加を繰り返して、実
験例１より長い期間にわたりＴＣＥ濃度の経時的な変化
を調べた。その結果は、図２に示される通りである。ま
た、実験例１と同様に、ブランク試験例及びコントロー
ル試験例についてもＴＣＥ濃度を経時的に測定した。

【００１７】この結果、メタンが共存しない系では５時
間で約５０μｇのＴＣＥを分解した後に活性が消失した
のに対し、微量メタン共存系では７時間にわたり高いＴ
ＣＥ分解活性が持続され、約１１０μｇのＴＣＥを分解
することができた。これにより、メタンが共存しない状
態に比べて、低濃度のメタンとＴＣＥとが共存している
状態の方が、メタン資化菌のＴＣＥ分解特性が長時間持
続し、ＴＣＥの分解量が多いと結論できる。

【００１８】上述した実験例１及び２から、分解フェー
ズにおいても低濃度のメタンとＴＣＥとを共存させるこ
とにより、メタン資化菌の高いＴＣＥ分解活性を長時間
持続できることが明らかになった。よって、以上の実験
に基づき、本発明者は、原位置バイオレメディエーショ
ンによる従来の有機塩素化合物汚染地層の浄化方法とは
異なり、分解フェーズでも資化菌に対して少量の基質を
供給して、増殖フェーズよりは低いが競争的阻害要因に
ならない程度の溶存基質濃度に維持することにより、Ｔ
ＣＥ分解速度を速め、ＴＣＥ分解活性をより長く持続で
きることを見い出し、本発明を完成するに到った。

【００１９】上記目的を達成するために、以上の知見に
基づいて、本発明に係る有機塩素化合物で汚染された地
層および地下水の浄化方法は、それぞれ、メタン、トル
エン、フェノール及びアンモニアを基質とし、基質の酸
化に伴って誘導した分解酵素により有機塩素化合物を分
解するメタン資化菌、トルエン資化菌、フェノール資化
菌及びアンモニア資化菌からなる群から選定したいずれ
かの資化菌を利用して、有機塩素化合物による汚染地層
の有機塩素化合物濃度を低下させ、汚染地層を浄化する
方法であって、資化菌の増殖に必要な酸素、栄養塩及び
基質を汚染地層に連続的に供給して、汚染地層中で資化
菌を単位容積当たり所定菌数にまで増殖させる資化菌増
殖工程と、酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、
地下水の溶存基質濃度が資化菌増殖工程の溶存基質濃度
より低くなるように調整して、汚染地層に基質を供給し
つつ、資化菌により誘導された分解酵素により有機塩素
化合物を分解する有機塩素化合物分解工程とを備えてい
ることを特徴としている。

【００２０】本発明方法において、資化菌増殖工程の終
了の基準となる所定菌数は、地層及び地下水の性質等に
よって異なり、予め実験等により定められる値である。
また、有機塩素化合物分解工程での溶存基質濃度は、基
質と有機塩素化合物との共存により競争的阻害要因にな
らない程度の基質の濃度であって、有機塩素化合物の種
類、地層及び地下水の性質等によって異なり、予め実験
等により定められる値である。栄養塩は、酸素、基質以
外に資化菌の増殖に必要な物質であって、例えば鉄、コ
バルト等の重金属を言う。

【００２１】本発明では、有機塩素化合物分解工程で
も、メタンなどの基質を微量に注入しながら、長時間に
わたり有機塩素化合物を分解することが特徴となってい
る。すなわち、競争的阻害要因にならない程度の低濃度
の基質と有機塩素化合物とを共存させることにより、基
質、有機塩素化合物、有機塩素化合物の反応中間体が相
互に競合するので、酵素失活作用が抑制され、高いＴＣ
Ｅ分解特性を長時間にわたり維持できると思われる。ま
た、基質が存在することにより、ＮＡＤＨなどの還元剤
が再生される効果、及び、基質が存在することにより、
資化菌が継続的に増殖する効果などが生じて、長い時間
にわたり多量の有機塩素化合物を分解することが可能に
なると思われる。

【００２２】本発明方法は、資化菌増殖工程と、有機塩
素化合物分解工程とを繰り返して実施することもでき
る。資化菌増殖工程と有機塩素化合物分解工程の切替え
は、定期的でも、または不定期でも良い。

【００２３】本発明方法の好適な実施態様は、資化菌と
してメタン資化菌を選定し、資化菌増殖工程では、地層
中の地下水に溶存するメタンの濃度が５．０〜１０mg/l
の範囲になるようにメタンを供給し、有機塩素化合物分
解工程では、地層中の地下水に溶存するメタンの濃度が
０．１〜６．０mg/lの範囲になるようにメタンを供給す
ることを特徴としている。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、本発
明方法の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。図３
は、本発明方法を適用する原位置バイオレメディエーシ
ョン設備（以下、簡単に地層浄化設備と言う）の一例の
構成を示す概念図である。地層浄化設備１０は、汚染地
層に存在するメタン資化菌を利用して、本発明方法によ
り有機塩素化合物汚染地層を浄化する設備であって、汚
染地層の上に設置されている。地層浄化設備１０は、図
３に示すように、酸素、メタン及び必要な栄養塩を水に
溶解する溶解・注入装置１２と、酸素、メタン及び必要
な栄養塩を溶解した水を汚染地層に注水する注入井１４
と、地下水中の酸素濃度、メタン濃度、栄養塩濃度、メ
タン資化菌の菌数、汚染物質濃度等を測定するための観
測井１６と、汚染地層中の地下水を汲み上げる揚水井１
８と、揚水井１８で揚水した地下水を曝気する曝気塔２
０とを備えている。

【００２５】曝気塔２０で曝気された地下水は、ポンプ
２２により溶解・注入装置１２に送水される。送水され
た地下水は、そこで、酸素、メタン及び必要な栄養塩を
溶解するための水として使用され、再び地層中に返され
る。曝気塔２０は、ラシヒリング等の通常の充填材で形
成された充填層と、ブロア２４から送入される空気を噴
出するように充填層の下に設けたノズルとを備え、揚水
した地下水を塔上部から流下させつつ、充填層の下から
空気を噴出させて、地下水を充填層中で曝気する。尚、
曝気塔２０は、本発明方法の実施には必ずしも必要では
ない。

【００２６】以下に、本地層浄化設備１０を使用して、
本発明方法を実施する例を説明する。資化菌増殖工程で
は、溶解・注入装置１２でメタン資化菌の増殖に必要な
酸素、栄養塩及びメタンを溶解させ、次いで注入井１４
から汚染地層に連続的に注入する。尚、注入井１４を複
数とし、例えば酸素と栄養塩とを溶解した水流及びメタ
ンと栄養塩とを溶解した水流の２種類の水流あるいはそ
の他の組合せとしてそれ以上の水流で注入しても良い。
メタンを注入する際、地層中の地下水に溶存しているメ
タン濃度が５．０〜１０mg/lの範囲になるようにメタン
供給量を調整する。メタン濃度の測定は、観測井１６を
介して連続的又は断続的に行う。

【００２７】地層の地下水中のメタン資化菌の菌数が、
所定菌数、例えば１０⁴〜１０⁶ＭＰＮ/ml の範囲の菌
数に到達した時点で、資化菌増殖工程を終了し、次の有
機塩素化合物分解工程に移行する。有機塩素化合物分解
工程では、酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、
さらに地層中の地下水に溶存しているメタン濃度が０．
１〜６．０mg/lの範囲になるように少量のメタンを供給
する。

【００２８】以上の工程を実施することにより、図４に
模式的に示すように、資化菌増殖工程では汚染地層中の
メタン資化菌の単位容積当たりの菌数は増加して行く。
所定の菌数に達した段階で、資化菌増殖工程が終了す
る。次いで、有機塩素化合物分解工程では有機塩素化合
物の分解に伴いメタン資化菌の単位容積当たりの菌数は
徐々に減少し、工程の終わりでは元の水準に戻る。ま
た、図５に模式的に示すように、資化菌増殖工程ではＴ
ＣＥ濃度が徐々に低下し、或るＴＣＥ濃度で平衡に達す
る。有機塩素化合物分解工程ではメタン資化菌の菌数の
減少に伴い、ＴＣＥ濃度が徐々に増大し、工程の終了段
階では、元の水準に達する。図４及び図５中、破線のグ
ラフは従来方法による有機塩素化合物分解工程でのメタ
ン資化菌の菌数の減少及びＴＣＥ濃度の上昇を示してい
る。本発明方法による場合の実線のグラフと比較するこ
とにより、本発明方法の有利性が顕著であることが判
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明方法によれば、有機塩素化合物分
解工程において、酸素及び栄養塩の供給を停止すること
なく、地下水の溶存基質濃度が、資化菌増殖工程の溶存
基質濃度より低くなるように調整して基質を汚染地層に
供給しつつ、資化菌により誘導された分解酵素により有
機塩素化合物を分解することにより、従来の方法に比べ
て、資化菌の有機塩素化合物分解特性を高いレベルで長
時間持続させることができる。本発明方法を適用するこ
とにより、従来法よりも、制御が容易で、かつ浄化期間
の短いバイオレメディエーションによる有機塩素化合物
汚染の地層浄化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験例１の実験結果を示すグラフである。

【図２】実験例２の実験結果を示すグラフである。

【図３】本発明方法を実施する地層浄化装置の一例の構
成を示す概念図である。

【図４】メタン資化菌の菌数の増減を示す模式的グラフ
である。

【図５】ＴＣＥ濃度の増減を示す模式的グラフである。

【図６】メタンの酸化反応の進行を示す式である。

【図７】ＴＣＥの分解反応の進行を示す式である。

【符号の説明】

１０地層浄化設備１２溶解・注入装置１４注入井１６観測井１８揚水井２０曝気塔２２ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ、メタン、トルエン、フェノー
ル及びアンモニアを基質とし、基質の酸化に伴って誘導
した分解酵素により有機塩素化合物を分解するメタン資
化菌、トルエン資化菌、フェノール資化菌及びアンモニ
ア資化菌からなる群から選定したいずれかの資化菌を利
用して、有機塩素化合物による汚染地層および地下水の
有機塩素化合物濃度を低下させ、汚染地層および地下水
を浄化する方法であって、資化菌の増殖に必要な酸素、栄養塩及び基質を汚染地層
に連続的に供給して、汚染地層中で資化菌を単位容積当
たり所定菌数にまで増殖させる資化菌増殖工程と、酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、地下水の溶
存基質濃度が資化菌増殖工程の溶存基質濃度より低くな
るように調整して、汚染地層に基質を供給しつつ、資化
菌により誘導された分解酵素により有機塩素化合物を分
解する有機塩素化合物分解工程とを備えていることを特
徴とする有機塩素化合物で汚染された地層および地下水
の浄化方法。
【請求項２】資化菌増殖工程と、有機塩素化合物分解
工程とを繰り返して実施することを特徴とする請求項１
に記載の有機塩素化合物で汚染された地層および地下水
の浄化方法。
【請求項３】資化菌としてメタン資化菌を選定し、資
化菌増殖工程では、汚染地層中の地下水に溶存するメタ
ンの濃度が５．０〜１０mg/lの範囲になるようにメタン
を供給し、有機塩素化合物分解工程では、汚染地層中の
地下水に溶存するメタンの濃度が０．１〜６．０mg/lの
範囲になるようにメタンを供給することを特徴とする請
求項１又は２に記載の有機塩素化合物で汚染された地層
および地下水の浄化方法。