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S5-16 地下タンクから漏えいした油の効果的な回収方法の検討

第20回地下水土壌汚染とその防止に関する研究集会(2014年)

○佐藤秀之1・横溝透修1
1株式会社ランドコンシェルジュ

1.背景

近年、地下貯蔵タンク等からの漏えいにともなう油汚染が顕在化し、法・条例に基づいた、または自主的な対策が進められている。産業活動に起因した鉱物油、特に、ガソリン、軽油、灯油、潤滑油、A重油などの油類は身近に存在するため、揮発性有機化合物や重金属類に比べて調査や対策の必要性は今後も多くあるものと思われる。ここで、米国におけるガソリンスタンドにおける地下貯蔵タンクに関する調査に目を向けると、漏えいの調査は日本のそれに近く、「法律」、「土地の売買」、「行政指導」、「資産評価」、「近隣からの苦情」が発端となっている。それに関わる連邦法や規制は、連邦規則集(CFR: Code of Federal Regulation)の40章『Protection of the Environment』(主にUSEPA米国環境保護庁による、人の健康と環境を守ることをテーマにした章)により定められている1)。州や連邦政府によって、地下貯蔵タンクに関する汚染問題の規模が明るみになって来たのは1980年代のことで、そのときの試験や調査から90%以上の地下貯蔵タンクから漏えいがあることが判明した。これが契機となり、連邦指令(40 CFR, 280.21a項)1)により、全ての地下貯蔵タンクは漏えい試験に合格するか、または新品のタンクに交換しなければならなくなった。これが米国における地下貯蔵タンクの調査の発端となった。更に、この調査と地下貯蔵タンクの交換作業は1998年12月22日までという期限が設けられ、これが石油関係の地下貯蔵タンクの所有者に対して強制力となり、漏えい試験→タンクの撤去→新品のタンクへの交換と言う一連の流れに至った経緯がある。タンク撤去の際には、所有者はタンクの検査、土壌・地下水の汚染の確認のための試料採取を行う必要があり、結果として土地の初期の特性評価(40 CFR, 280.63項)1)や、土壌・地下水の浄化のための調査(40 CFR, 280.65項)1)へと繋がった。また、連邦法では、最低限の基準を定めているに過ぎず、その代わりに、各州が個々に地下貯蔵タンクに対するプログラムを定めて、州における規制をつくる必要があった。その規制は、連邦法の定めるものより難しい要求を含んだ厳しい法律となっている。本稿では地下タンクからの漏えいした油に注目し、米国環境保護庁(USEPA)が作成した州の監督官向けのガイダンス2)をもとに、地下タンクから漏えいした油の効果的な回収方法の検討を行った。その中で、特にフリープロダクト(水より軽く地下水の上に浮いた油)の回収の可能性についての評価方法に焦点を絞り、評価の指標となる漏えいした油の量の推定方法や回収率の推定方法についてまとめた。

2.フリープロダクトの回収の可能性に関する評価方法

フリープロダクトの回収システムを選定する際の条件として、可能な限り、短期間に費用を掛けずに多くのフリープロダクトを回収することが上げられる。効果的で効率の良い回収システムの選定/検討にあたり、フリープロダクトの範囲、堆積量、回収可能な量、回収時間について情報を得ることが重要である。

また、フリープロダクトの回収システムの設置場所としてもっとも効果的な位置は、フリープロダクトがもっとも多く存在する場所であり、初期の課題として、その場所やプリュームの面積範囲を把握する必要がある。これらの情報は、掘削坑や土壌試料採取、観測井戸などから得ることが出来る。

サイトに存在するフリープロダクトの量を推定することは、回収作業を行う段階で進捗状況を評価するときにも役立つ。その計算方法の一つに、土壌中の油の濃度と、井戸内の油の層厚を用いる方法がある。また、フリープロダクトの量を推定する方法として、各井戸の油の層厚と油の量の相関関係を用いた方法(理論モデル)もある。ただし、通常求められる量の信頼性は低く、フリープロダクトの量を推定するには必ず二つ以上の方法を用いるべきである。

地表面下からフリープロダクトを回収出来る可能性は、分留の違いによる油の物理的・化学的な特性の違い、地層の違いによる移動特性、選定された回収システムの能力の違いなどいくつかの要因に依存する。また、油の物理的・化学的特性はフリープロダクトが地表面下にどのように存在するか(ガス化しているか、液体として存在するか、地下水に溶解しているか)、フリープロダクトの移動性、存在する場所(地下水面と関連して)に影響を与える。更に地層の特性は、フリープロダクトの移動する距離や方向に影響を与える。回収システムは漏えいした油の一部しか回収出来ないことを予め認識している必要がある。油の回収に理想的なサイトであったとしても、回収後、かなりの割合のフリープロダクトが地中に残存する。

井戸やトレンチからのフリープロダクトの回収率は、形状や本数、回収に使用する機器の種類、浄化システムや分離装置の仕様を決めるときの指標となる。回収率は揚水試験の結果、初期段階の回収率からの予測、理論モデルなどから推定することが出来る。回収が進んで油の層厚と土壌中の油の飽和度(量)が低下すると、回収率に影響を与える。更に、変動する地下水面の位置も回収率に影響を与える。結果として、長期間回収を行う場合、回収率が高いという評価は不確実なものである。

2.1 フリープロダクトの範囲と鉛直方向の広がりの確認

フリープロダクトの回収システムを選定する前に、フリープロダクトの範囲と鉛直方向の広がりについて輪郭を描いておくべきである。観測点における油の層厚を測定することによってフリープロダクトの広がりを確認し、そのデータをもとに、等層厚線(層厚のコンター)の地図を作成する。ここで、地表面下のフリープロダクトの位置と層厚を確認する一般的な方法と特徴を表-1に示す。

表-1 フリープロダクトの範囲を確認するための手法と特徴

2.2 漏えいした油の量の推定

地表面下に存在する油の量を知ることは、フリープロダクトの回収システムを使って、どれだけの量を、どのくらいの時間で汲むことが出来るかを評価するのに有効である。漏えいした油の量が分からない場合、地表面下に存在する油の量を計算することで、その量を推定出来る可能性がある。

油の量を推定する方法をいくつか紹介する。
○ 漏えい事故の履歴情報と在庫記録の収集
○ 土壌採取とTPH(全石油系炭化水素)濃度の分析
○ 井戸で測定された油の層厚とフリープロダクトの総量との相関
○ フリープロダクトの回収データの評価と予測

最初の2つの方法は、地表面下に存在する土壌に吸着して残存する油と、フリープロダクトの総量を推定するための方法である。残りの2つは、観測井戸で測定された層厚や回収記録をもとにフリープロダクトの量を推定する方法に用いられる。上記4つの方法は、多くの場合、限界があり、不確実性を伴うため決して完全なものではない。それなりのデータ量があり、いくつかの計算方法を用いたとしても、推定された地表面下に存在する油の量は最良な値でもマイナス50%~プラス100%の不確実性がある。

フリープロダクトや土に吸着した形で比較的まとまって存在する油の量は、地下水に溶解したものや、土壌にガス化して存在するものより比較的多い。土壌に吸着した油に対するフリープロダクトの割合は、時間とともにプリュームの移動や、地下水面の上下などにより土壌中に捕獲されることにより減少する傾向がある。相対的に地層の透水性や油の移動性が増すと、フリープロダクトが回収され易く、土壌中の油の飽和度(量)が減少する。また、土壌中の油の飽和度(量)が地層の残留飽和度(量)に近づくと、フリープロダクトは観測/回収井戸への流れをすぐに止めてしまう。少量の油が井戸に少しずつ流れ続ける可能性はあるが、システムで回収し続けるほど十分な量ではない。

2.3 漏えいの履歴をもとにした量の推定

過去に漏えいが起きた履歴と、在庫記録から、これまでに失った油の総量を推定することが可能である。ただし、正確な在庫記録や漏えいした記録が残されていたとしても、漏えい後の揮発や生物分解の影響で、地表面下に存在する油の総量は減少している可能性がある。また、履歴データの信頼性には幅があり、特に古い記録は信頼性が低い傾向がある。

漏えいの履歴と在庫記録をもとに推定された量の信頼性に限界があるとしても、履歴の記録は他の手法を用いて算出された量と比較することにより、その妥当性の評価に利用出来る。また、漏えいが始まった時期の情報は、フリープロダクトが移動した範囲を推定し、サイトの状況を把握するための試料採取地点や井戸の設置場所を設置する手助けとなりえる。

2.4 採取した土壌試料をもとにした量の推定

採取した土壌試料のデータをもとに地表面下のフリープロダクトの量を推定するためには、土壌試料を採取し、油の含有量を分析する必要がある。通常、現場評価に使用されるTPH濃度の分析は、溶媒抽出に基づいて行われる。TPH濃度のデータが十分にあるサイトでは、不飽和帯と飽和帯それぞれの油の量が推定出来る。

TPH濃度のデータから油の量を推定する方法には2つの計算方法がある。手順①:TPH濃度の値をポイントごとの油の土壌中の飽和度(量)に変換する。手順(2):油の量は、油が存在する地表面下の全範囲に渡って、ポイントごとの飽和度(量)データを総和することで推定される。手順(1)の換算方法を資料-1に示す。TPH濃度の総和(手順(2))は、標準的な計算手法で導き出すことが可能である。分かりやすい例として、サイトの地図上のそれぞれが採取された地点ごとにTPHの濃度を記録し、同じ濃度の等高線を地図に記載する。それぞれの等高線のレベルで表される面積と量を計算する。それらをすべて足して油の量を算出する。現在、コンピューターソフトを用いた方法など、多くのより洗練された手法があるが、実際に手を使って計算することも重要なことである。

下記の方程式を用いて、採取した土壌試料から分析されたTPH濃度の結果から、油の飽和度を求める:

So = TPH x (1-φ)ρgr x 10-6 (kg/mg) /φρo
So : 油の飽和度(量)の総量(無次元)
TPH : 全石油炭化水素の濃度(mg/kg)
ρgr : 粒子密度(通常 2.65 g/cm3)
φ : 間隙率(無次元)
ρo : 炭化水素の密度(g/cm3)
※この方程式は飽和帯、不飽和帯の両方に適用される。

存在するフリープロダクトの総量は、土壌への吸着により残存する油の飽和度から算出することが出来る。通常、残存する油の飽和度は測定されないが、いくつかの文献の数値を用いて算出することが出来る3)。フリープロダクトの飽和度は下記の式から求める。

Sof = So - Sr
Sof :フリープロダクトの油の飽和度(量)
Sr : 土壌への吸着により残存する油の飽和度(量)

資料-1 土壌試料のTPH濃度から土壌中の油の飽和度(量)を算出する方法

2.5 井戸内の油の層厚をもとにした量の推定

隣接した土壌中のフリープロダクトの層厚すべてを、一つの代表したものから推定すること(例えば、観測井戸から周辺の状態を推定)は限界がある。地表面下の油の総量が殆ど変化しない状況でも、井戸における油の層厚の観測結果が大きく変化することがある。通常、油の層厚の増加は、地下水面の低下とともに観測される。油の層厚の増加は、不飽和帯に存在する油が染み出してくる結果であると考えられる4)。図-1は地下水面の上下と井戸内の油の層厚の変化を関連付けて説明された模式図である5)

図-1 井戸内で観測される油の層厚に与える地下水面の上下による影響

少量の移動性のある油が、井戸内で観測される油の層厚をどのように大きく変化させているかを確認するためにさまざまな研究が行われた6), 7)。その中で、井戸内で観測される油の層厚と、土壌中のフリープロダクトの量の関係を導く方法には限界があるとの報告がある8)。理由は下記の通りである。

○ 井戸内の油の層厚は、地下水面の変動にともない時間とともに変化することが観測出来る。実際のフリープロダクトの量が変化しなくても、層厚の測定結果の変化により、帯水層内のフリープロダクトの推定量の違いをもたらす可能性がある。
○ 吸着、またはトラップに留まった油の一部が、地下水面の変動によりフリープロダクトに戻る量を推定する方法がない。
○ 毛管帯の圧に対する地下水中の油の飽和度(量)の関係など、土壌と液体の特性を現場で正確に把握することは困難である。さらに、実験室で得た測定結果では、現場条件を正確に表すことは出来ない。
○ フリープロダクトの移動は帯水層の不均質性に大きく依存し、平均化によって適切に表すことは難しい

2.6 井戸内の油の層厚をもとにした量の推定

フリープロダクトを回収する方法を検討するにあたり、ポンプやオイルスキマーによって集めることの出来る油の回収率を知ることは重要である。回収率は、回収システムの構造、タイプ、地表面下のフリープロダクトの分布、水文地質の状態に影響を受ける。また、回収したフリープロダクトを溜めるタンクや油水分離装置、浄化装置の大きさを選定する指標にも使われる。ここで、初期の回収率の推定だけが重要ではなく、回収を始めた後に時間とともに回収率がどれだけ変化するかを予測することも重要である。回収率は、揚水試験などの現地試験から推定することが出来る。一般的にフリープロダクトの回収率は回収が進むに連れて減少して行く。

2.6.1 ベイルダウンテストと揚水試験

ベイルダウンテスト(Bail Down Test)は、ベイラーやポンプ等の採水器で井戸から油を回収し、回復したのちに油の層厚と深度を計測する試験方法である。ベイルダウンテストは、油の層厚を評価する方法として使用されている9), 10), 11)。これらのテストは、スキマータイプの油回収装置にも適用可能である(資料-2、方法1参照)。ただし、ベイルダウンテストの結果が適用出来る範囲は、油の回収率が地下水の回復率より遅くなければいけない。油が数分以内に回復する場所では、正確な回収率の測定は難しい。また、フリープロダクトが地下水と油を同時に揚水するシステムで回収された場合、揚水試験は回収初期の油の回収率を計算するのに利用出来る(資料-2、方法2参照)。

3. おわりに

井戸内で測定される油の層厚は、通常周辺の土壌に存在する油の層厚とは異なることが立証されている。そのため、井戸の中で観測される油の層厚の結果だけに基づいて土壌中の油の総量を推定することは誤りである。それでも、土壌中の油の量を井戸内の層厚と関連付けて導き出す方法が多く存在するが、例え結果として相関が取れた値を示す手法があったとしても、すべてのサイトにおいて常に信頼出来る結果を導き出す可能性は低い。また、同じサイトであったも、異なる手法を用いて算出すると、まったく違う値を導き出す可能性がある。そのため、このような手法を用いて推定を行う場合の条件として、常に一つの手法だけを信頼しないことが重要である。また、井戸内の油の層厚の時間的な変化についても考慮に入れる必要がある。常にいくつかの評価手法を比較することによって、合理的な範囲の推定値を提供してくれる可能性がある。

回収システムを用いて地表面下から回収出来る可能性がある油の量は、一般的に漏えいした油の総量の内の20~50%である。回収率に影響を与える要因としては、地下水面の変動、地下水面までの距離(深さ)と土質の特性の違い(不均質性、間隙率、層序など)がある。回収を始めた初期の油の回収率の推定方法の中でもっとも良い方法は、ベイルダウンテストと揚水試験である。推定される回収率の情報は、浄化を行うための機器やシステムを選定するときに重要である。

地下タンクから漏えいした油の効果的な回収方法の検討にあたり、本稿では漏えいした油の量の推定方法と回収率の推定方法についてまとめた。今後は、油の特性による土壌中の挙動の違いや、回収システムの評価など広く情報を集め、効果的な回収方法の検討を行って行きたい。

【参考文献】

1)

Title 40 Code of Federal Regulations (40 CFR), Protection of Environment, Parts 260 to 299 (1994): Part 280 Technical Standards and Corrective Action Requirements for Owners and Operators of Underground Storage Tanks (UST): pp.882~943.

2)

How to Effectively Recover Free Product at Leaking Underground Storage Tank Sites (1996): A Guide for State Regulators, EPA 510-R-96-001.

3)

Mercer, James W., and Robert M. Cohen (1990) : A Review of Immiscible Fluids in the Subsurface: Properties, Models, Characterization and Remediation, Journal of Contaminant Hydrology, 6 pp.107~163.

4)

API (1989) : A Guide to the Assessment and Remediation of Underground Petroleum Releases, Second Edition, API Publication 1628, Washington, D.C.

5)

Kemblowski, M.W. and C.Y. Chiang (1990) : Hydrocarbon Thickness Fluctuations in Monitoring Wells, Ground Water, 28(1) : pp.57~67.

6)

Hampton, D.R. and P.D.G. Miller (1988) : Laboratory Investigation of the Relationship Between actual and Apparent Product Thickness in Sands, Proceedings Conference on Petroleum Hydrocarbons and Organic Chemicals in Ground Water 窶錀 Prevention, Detection, and Restoration, National Ground Water Association, Dublin, OH: pp.157~181.

7)

Ballestero, T.P., F.R. Fiedler and N.E. Kinner (1994) : An Investigation of the Relationship Between Actual and Apparent Gasoline Thickness in a Uniform Sand Aquifer, Ground Water, 32(5): pp.708~718.

8)

Durnford, D., J. Brookman, J. Billica, and J. Milligan (1991) : LNAPL Distribution in a Cohesionless Soil: Field Investigation and Cryogenic Sampler, Ground Water Monitoring Review, 11(3): pp.115~122.

9)

Hughes, J.P., C.R. Sullivan, and R.E. Zinner (1988) : Two Techniques for Determining the True Hydrocarbon Thickness in an Unconfined Sandy Aquifer, in Proc. Conf. on Petroleum Hydrocarbons and Organic Chemicals in Ground Water: Prevention, Detection, and Restoration, Natl. Ground Water Assoc., Dublin, OH: pp.291~314.

10)

Wagner, R.B., D.R. Hampton, and J.A. Howell (1989) : A New Tool to Determine the Actual Thickness of Free Product in a Shallow Aquifer, in Proc. Conf. on Petroleum Hydrocarbons and Organic Chemicals in Ground Water: Prevention, Detection, and Restoration, Natl. Ground Water Assoc., Dublin, OH: pp.45~59.

11)

Gruszczenski, T.S. (1987) : Determination of a Realistic Estimate of the Actual Formation Product Thickness Using Monitor Wells: A Field Bailout Test, in Proc. Conf. on Petroleum Hydrocarbons and Organic Chemicals in Ground Water: Prevention, Detection, and Restoration, Natl. Ground Water Assoc., Dublin, OH: pp.235~253.

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