JP2002320952A - 汚染土壌の処理方法及び処理物 - Google Patents
汚染土壌の処理方法及び処理物Info
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Abstract
法より安価な重金属の溶出防止を図り得る汚染土壌の処
理方法を提供する。 【解決手段】 重金属を含有する汚染土壌にカルシウム
化合物を添加すると共に均一混合してカルシウム化合物
の混合土壌を得る混合工程と、前記混合土壌を水熱処理
する水熱処理工程とを含む。
Description
汚染土壌の処理方法及び処理物に関し、特に鉛、クロ
ム、カドミウムなどの重金属を含有する汚染土壌の処理
方法に関するものである。
重金属含有汚染土壌の重金属溶出防止方法としては、高
温で溶融したのち放冷固化する方法、キレート剤を用い
る方法、セメントを用いて固化する方法などが知られて
いる。
化する方法は、重金属の溶出防止には効果があるもの
の、高温での溶融に要するランニングコストが高く安価
な処理方法とは言えない。同様にキレート剤を用いる方
法もキレート剤の値段が高く処理費用が高くなるという
欠点を有している。またキレート剤を用いる方法は特定
の重金属には効果を発揮するものの、様々な重金属の溶
出を同時に防止することは困難である。
安価な方法ではあるが、溶出抑制の効果が発現するまで
長時間の養生を行う必要がある。また、セメント固化処
理後の汚染土壌はアルカリ性になるため、アルカリ条件
下で溶出しやすい重金属含有汚染土壌の場合にはこれら
の金属に対する溶出防止効果は期待できない。
したものであって、その目的は、重金属を含む土壌に対
し、効果的でかつ従来法より安価な重金属の溶出防止を
図り得る汚染土壌の処理方法及び処理物を提供するもの
である。
めに、本発明(請求項1)に係る汚染土壌の処理方法
は、重金属を含有する汚染土壌にカルシウム化合物を添
加すると共に均一混合してカルシウム化合物の混合土壌
を得る混合工程と、前記混合土壌を水熱処理する水熱処
理工程とを含むものである。
の溶出防止の作用機構は明らかにはなっていないが、均
一混合された混合土壌中において、土壌中のSiO2と
添加したCaO等のカルシウム化合物とが水熱処理によ
り反応してトバモライトなどのカルシウムシリケート
(珪酸カルシウム)を均一に生成し、その結果、土壌の
粒子同士が強固に固着し空隙率の小さい固化物が得られ
ることと相俟って、均一に生成されたトバモライト(5
CaO・6SiO2・5H2O)などの結晶に重金属が閉
じ込められて容易に溶出できない構造が得られ、重金属
の溶出防止がなされるものと推測される。
方法においては、水熱処理工程における水熱処理条件が
温度130〜300℃であることが好ましい(請求項
2)。この場合の処理圧力は、その温度での飽和水蒸気
圧が好適に採用される。このような水熱処理条件であれ
ば、カルシウムシリケートのうちでも強度の高いトバモ
ライトを多く生成させることができ、上記の作用効果を
より効果的に得ることができる。また、水熱処理温度1
30〜300℃はトバモライトの結晶成長がよく促進さ
れる温度範囲であり、この水熱処理温度が高いほど反応
速度は大きいので反応時間は短くてすむ。具体的な水熱
処理条件としては、処理温度(オートクレーブ養生温
度):130〜300℃、反応時間(養生時間):1〜
24時間が適切であるが、好ましい処理温度は150〜
200℃であり、好ましい反応時間は2〜8時間であ
る。代表的条件は温度180℃で5時間である。
法においては、混合工程におけるカルシウム化合物の添
加量を、混合土壌中の酸化カルシウム量換算で3〜30
質量%とし、更に混合土壌の充填供試体断面において各
未混合部分の円形相当時の直径が2mm以下であること
を満足するように均一混合を行うとよい(請求項3)。
るには、汚染土壌に添加混合するカルシウム化合物を少
なくすることが考えられるが、単に少なくするだけでは
十分な重金属の溶出抑制効果が得られない。そこで、本
発明者等はこの点について鋭意検討を重ねた結果、カル
シウム化合物の添加量を少なくする代わりに、汚染土壌
とカルシウム化合物を混合して得られる混合土壌中のカ
ルシウムを均一にすることで、カルシウム添加量を混合
土壌中の酸化カルシウム量換算で3〜30質量%と低く
抑え得ることが分かった。また、その際の均一混合の程
度とは、混合土壌の充填供試体断面において各未混合部
分の円形相当時の直径が2mm以下であることを満足す
るように均一混合するものである。この混合土壌の充填
供試体断面における各未混合部分の円形相当時の直径は
以下のようにして測定する。
基準に基づくものであり、混合土壌をモールド内に充填
し、突き固め試験装置により突き固めて、直径50mm
×長さ100mmの円柱状に形成したものである。そし
て、この供試体を輪切りにし、その供試体断面を平面視
して円形状、島状などをなす各未混合部分それぞれにつ
いて、面積を測定し、その形状が円形であると仮定して
直径Diを計算することで、各未混合部分の円形相当時
の直径の測定が行われる。なお、供試体の突き固めのバ
ラツキによる影響を排除するため、未混合部分内に空隙
が存在している時の直径Diは、その空隙を除いた未混
合部分における円形相当時の直径の値である。
法において、汚染土壌に添加するカルシウム化合物とし
ては生石灰、消石灰、セメント、石膏、石炭灰、焼却灰
などが利用可能である(請求項4)。一方、汚染土壌中
にシリカ成分が少ない場合はシリカを含有する物質を添
加することが有効であり(請求項5)、そのシリカ含有
物質としては石英、セメント、石粉、石炭灰、焼却灰、
硝子粉、水ガラスなどが使用可能である(請求項6)。
これらカルシウム含有物質、シリカ含有物質の添加は、
水熱固化工程でトバモライトなどのカルシウムシリケー
ト(ケイ酸カルシウム)を生成させることに目的があ
る。
法が対象とする汚染土壌中の重金属は、特に限定するも
のではないが、後記実施例で述べるように鉛、クロム、
カドミウムについては効果が確認されている。
土壌の処理物は、重金属を含有する汚染土壌の処理物で
あって、この処理物の表面に結晶性のカルシウムシリケ
ート層が形成されているものである。このように汚染土
壌の処理物の表面に結晶性のカルシウムシリケート層が
形成されているので、重金属の溶出が防止できる。な
お、結晶性のカルシウムシリケートとは、シリカ(Si
O2)とライム(CaO)、水(H2O)からなる結晶で
あり、トバモライトやゾノトライト、ジャイロライトな
どの種類がある。これらの結晶はXRD(X線回折法)
により同定が可能である。また、層の厚みは特に限定す
るものではないが、重金属の溶出防止効果を十分に発揮
させるには、少なくとも1μmから20μm程度の厚み
を形成することが望ましい。
においては、結晶性のカルシウムシリケートがトバモラ
イト結晶であることが好ましい(請求項9)。その理由
は、重金属の溶出防止効果に加えて、トバモライトは水
熱処理温度が130〜300℃の比較的低温で生成する
ため、経済性の観点からも望ましいためである。
実施例、比較例と併せて説明する。
擬汚染土壌を作り汚染土壌の試料とした。まず、6号珪
砂4、4号珪砂3に対し粘土鉱物であるカオリナイトを
3の重量比で混合し模擬土壌を作成した。次に、鉛、カ
ドミウム、クロムをそれぞれ酸化鉛、硫化カドミウム、
重クロム酸カリウムを用いて、それぞれの金属濃度が2
000質量ppmになるように前記模擬土壌に添加し、
重金属の分散状態が均一になるように攪拌機で十分混合
し、重金属に汚染された模擬汚染土壌を調製した。
とカルシウム化合物としてセメント又は生石灰を添加し
たのち、攪拌機を用いて混合を行い混合土壌を製作し
た。このときの混合度は、未混合部分の円形相当時の直
径を変えるために攪拌時間を調整した。
行った。この重金属の溶出試験は、環境庁告示第46号
「土壌の汚染に係わる環境基準について」付表に準拠し
て行った。
を調べた結果を示す。
あって、カルシウム化合物を添加せず、かつ水熱処理も
行わない条件下のものである。その模擬汚染土壌を用い
て重金属の溶出量を測定した。その測定結果を表1に併
せて示す。
し、固化剤としてセメントと水を加えて未混合部分の円
形相当時の直径が0.5mm以下になるように十分に均
一混合し、その後大気中に放置してセメントによる固化
を行い、更に7日または28日間養生した。その養生後
の試料を用いて重金属の溶出量を測定した。その測定結
果を表1に併せて示す。
ム化合物としてセメントを添加し、適当な水分を加えた
後、攪拌機により未混合部分の円形相当時の直径が2.
5mmになるように不十分な混合を行った後、50MP
aの圧力で加圧成形し、その成形体を180℃、約1.
0MPa(180℃での飽和水蒸気圧)の処理条件で4
時間の水熱処理を施した。その水熱処理後の試料を用い
て重金属の溶出量を測定した。その測定結果を表1に併
せて示す。
シウム化合物としてセメント(実施例1,2)もしくは
生石灰(実施例3,4)を添加し、適当な水分を加えた
後、攪拌機により未混合部分の円形相当時の直径が0.
5mm以下になるように十分に均一混合した後、上記比
較例6同様に、50MPaの圧力で加圧成形し、その成
形体を180℃、約1.0MPaの処理条件で4時間の
水熱処理を施した。その水熱処理後の試料を用いて重金
属の溶出量を測定した。その測定結果を表1に併せて示
す。
比較例2〜5に示す、重金属を含有する土壌にセメント
を添加し重金属をセメントで固定化しようとした場合、
養生時間に係わらず固定化効果は十分でなく、3種の重
金属のいずれについても溶出基準(鉛:0.01mg/
L以下、カドミウム:0.01mg/L以下、六価クロ
ム:0.05mg/L以下)を満足することはできな
い。なお、鉛の溶出量が比較例1よりも多くなったのは
セメントのアルカリ条件により溶出したもので、養生日
数の長い比較例3と5でも養生日数の短い比較例2と4
よりも同様に多くなっている。
して重金属の溶出が格段に少なくなるが、実施例1〜4
のものよりは大きく劣る。その理由は、重金属を含有す
る土壌にカルシウム分を添加し、水熱処理を施しても、
混合が不十分で混合土壌の未混合度が高ければ、重金属
の溶出抑制効果が不十分となるためである。
セメントあるいは生石灰のようなカルシウム化合物を添
加した後、攪拌機により未混合部分の円形相当時の直径
が2mm以下になるように十分に均一混合し、更にその
後に、水熱処理を施しているので、試料内にトバモライ
トなどの結晶性のカルシウムシリケートが均一に生成さ
れ、汚染土壌の表面を結晶性のカルシウムシリケートが
被覆し、結晶中に重金属が閉じ込められて容易に溶出で
きない構造が得られ、結果として、比較例2〜6に比べ
て、鉛、カドミウム、六価クロムともに溶出量の顕著な
減少が認められたものと考えられる。なお、水熱処理後
の土壌を調べた結果、図1に模式的に示すような断面形
状をしていることが判明した。すなわち、土壌粒子の外
側に重金属を含むトバモライト層、その外側に重金属を
含まないトバモライト層が存在し、重金属の溶出を抑制
していた。また、Cr濃度を測定した結果、図2に示す
ように結晶表面は0で内部に入るに伴い高くなってい
た。
する。以下の実施例においても上記の例で述べたと同じ
方法で作った重金属に汚染された模擬汚染土壌を汚染土
壌の試料として用いた。なお、以下の実施例において上
記溶出基準を上回る値を示す例があるが、これは重金属
の溶出測定でその有無を測定し易くするために、通常、
汚染土壌に含まれる重金属量よりも多い2000質量p
pmの量の重金属を前記模擬汚染土壌の調製の際に添加
したためである。
汚染土壌にカルシウム化合物としてセメントを土壌カル
シウム混合物中のCaO量が12質量%となるように添
加し、適当な水分を加えた後、攪拌機により未混合部分
の円形相当時の直径が0.5mm以下になるように十分
に均一混合した後、その混合物を、実施例5では造粒を
行い、実施例6では圧力5MPa、実施例7では圧力1
0MPa、実施例8では圧力50Mpaでそれぞれ加圧
成形し、これら造粒品及び成形体を180℃、約1.0
MPaの処理条件で4時間の水熱処理を施した。その水
熱処理後の試料を用いて重金属の溶出量を測定した。そ
の測定結果を表2に併せて示す。
実施例6では鉛溶出量が溶出基準を僅かに上回った例と
なったが、実施例5〜8は、模擬汚染土壌にセメント
(カルシウム化合物)を添加した後、攪拌機により十分
に均一混合して得た混合物であれば、その混合物を造粒
しても加圧力を変えて成形しても、その後に水熱処理を
施せば、試料内にトバモライトなどの結晶性のカルシウ
ムシリケートが均一に生成され、汚染土壌の表面を結晶
性のカルシウムシリケートが被覆し、結晶中に重金属が
閉じ込められて容易に溶出できない構造が得られ、重金
属の溶出が抑制される。
と共に有機物(本例ではフミン酸)や塩類(本例では塩
化ナトリウム)が含まれている場合の影響を調べたもの
で、重金属と共にフミン酸(実施例9〜11)、塩化ナ
トリウム(実施例12)を含有させて上記模擬汚染土壌
同様に調製した。その模擬汚染土壌にカルシウム化合物
としてセメントを土壌カルシウム混合物中のCaO量が
12質量%となるように添加し、適当な水分を加えた
後、攪拌機により未混合部分の円形相当時の直径が0.
5mm以下になるように十分に均一混合した後、その混
合物を圧力50Mpaで加圧成形し、その成形体を18
0℃、約1.0MPaの処理条件で4時間の水熱処理を
施した。その水熱処理後の試料を用いて重金属の溶出量
を測定した。その測定結果を表3に併せて示す。
汚染土壌に有機物や塩類などの狭雑物が含まれていて
も、模擬汚染土壌にセメント(カルシウム化合物)を添
加した後、攪拌機により十分に均一混合して得た混合物
を、更にその後に水熱処理を施せば、試料内にトバモラ
イトなどの結晶性のカルシウムシリケートが均一に生成
され、汚染土壌の表面を結晶性のカルシウムシリケート
が被覆し、結晶中に重金属が閉じ込められて容易に溶出
できない構造が得られ、重金属の溶出が抑制される。
模擬汚染土壌にカルシウム化合物としてセメントを土壌
カルシウム混合物中のCaO量が12質量%となるよう
に添加し、適当な水分を加えた後、攪拌機により未混合
部分の円形相当時の直径が0.5mm以下になるように
十分に均一混合した後、その混合物を圧力50Mpaで
加圧成形し、その成形体を約1.0MPaの処理条件で
4時間の水熱処理を施す際、水熱処理温度を158〜1
80℃の間で変えて行った。その水熱処理後の試料を用
いて重金属の溶出量を測定した。その測定結果を表4に
併せて示す。
模擬汚染土壌にセメント(カルシウム化合物)を添加し
た後、攪拌機により十分に均一混合して得た混合物を、
更にその後に水熱処理を、水熱処理温度を変えて施して
も、試料内にトバモライトなどの結晶性のカルシウムシ
リケートが均一に生成され、汚染土壌の表面を結晶性の
カルシウムシリケートが被覆し、結晶中に重金属が閉じ
込められて容易に溶出できない構造が得られ、重金属の
溶出が抑制される。
土壌の原料として4号珪砂と粒度の細かい珪砂(以下S
珪砂という。粒径0.05mm以下を92%含有)を用
い、土壌の粒度が変化した場合の影響を調べたもので、
前記4号珪砂とS珪砂の混合割合を種々変えて調製した
模擬汚染土壌にカルシウム化合物としてセメントを土壌
カルシウム混合物中のCaO量が12質量%となるよう
に添加し、適当な水分を加えた後、攪拌機により未混合
部分の円形相当時の直径が0.5mm以下になるように
十分に均一混合した後、その混合物を圧力50Mpaで
加圧成形し、その成形体を180℃、約1.0MPaの
処理条件で4時間の水熱処理を施した。その水熱処理後
の試料を用いて重金属の溶出量を測定した。その測定結
果を表5に併せて示す。
汚染土壌の土壌粒度が変わっても、模擬汚染土壌にセメ
ント(カルシウム化合物)を添加した後、攪拌機により
十分に均一混合して得た混合物を、更にその後に水熱処
理を施せば、試料内にトバモライトなどの結晶性のカル
シウムシリケートが均一に生成され、汚染土壌の表面を
結晶性のカルシウムシリケートが被覆し、結晶中に重金
属が閉じ込められて容易に溶出できない構造が得られ、
重金属の溶出が抑制される。
土壌の原料として砕石場で発生する砕石濁水ケーキを使
用した。この模擬土壌に重金属として、酸化鉛、硫化カ
ドミウム、重クロム酸カリウムに加えて硫化水銀を、そ
れぞれの金属濃度が2000質量ppmになるように添
加して上記模擬汚染土壌同様に調製した。また、実施例
25、26では、更に重金属と共に有機物(本例ではフ
ミン酸)や塩類(本例では塩化ナトリウム)を含ませて
上記模擬汚染土壌同様に調製した。このように調製した
模擬汚染土壌にカルシウム化合物としてセメントを土壌
カルシウム混合物中のCaO量が12質量%となるよう
に添加し、適当な水分を加えた後、攪拌機により未混合
部分の円形相当時の直径が0.5mm以下になるように
十分に均一混合した後、その混合物を圧力50Mpaで
加圧成形し、その成形体を180℃、約1.0MPaの
処理条件で4時間の水熱処理を施した。その水熱処理後
の試料を用いて重金属の溶出量を測定した。その測定結
果を表6に併せて示す。
汚染土壌が破砕濁水ケーキであっても、また更にその土
壌土壌に有機物や塩類などの狭雑物が含まれていても、
その模擬汚染土壌にセメント(カルシウム化合物)を添
加した後、攪拌機により十分に均一混合して得た混合物
を、更にその後に水熱処理を施せば、試料内にトバモラ
イトなどの結晶性のカルシウムシリケートが均一に生成
され、汚染土壌の表面を結晶性のカルシウムシリケート
が被覆し、結晶中に重金属が閉じ込められて容易に溶出
できない構造が得られ、重金属の溶出が抑制される。
土壌の処理方法によれば、重金属を含有する汚染土壌に
カルシウム化合物を添加すると共に均一混合し、更にそ
の混合土壌に対して水熱処理を施すことにより、トバモ
ライトなどの結晶性のカルシウムシリケートを均一に生
成させることができ、これにより汚染土壌からの重金属
の溶出を防止することができる。
ある。
のCrの深さ方向分布を示すグラフ図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 重金属を含有する汚染土壌にカルシウム
化合物を添加すると共に均一混合してカルシウム化合物
の混合土壌を得る混合工程と、前記混合土壌を水熱処理
する水熱処理工程とを含むことを特徴とする汚染土壌の
処理方法。 - 【請求項2】 水熱処理工程における水熱処理条件が温
度130〜300℃である請求項1に記載の汚染土壌の
処理方法。 - 【請求項3】 混合工程におけるカルシウム化合物の添
加量を、混合土壌中の酸化カルシウム量換算で3〜30
質量%とし、更に混合土壌の充填供試体断面において各
未混合部分の円形相当時の直径が2mm以下であること
を満足するように均一混合を行う請求項1又は2に記載
の汚染土壌の処理方法。 - 【請求項4】 カルシウム化合物が生石灰、消石灰、セ
メント、石膏、石炭灰、焼却灰から選ばれる1つ以上の
物質である請求項3に記載の汚染土壌の処理方法。 - 【請求項5】 重金属を含有する汚染土壌にシリカ含有
物質を添加した上で水熱処理を行う請求項1乃至4のい
ずれかに記載の汚染土壌の処理方法。 - 【請求項6】 シリカ含有物質が石英、セメント、石
粉、石炭灰、焼却灰、硝子粉、水ガラスから選ばれる1
つ以上の物質である請求項5に記載の汚染土壌の処理方
法。 - 【請求項7】 重金属が鉛、クロム、カドミウムのうち
1つ以上である請求項1乃至6のいずれかに記載の汚染
土壌の処理方法。 - 【請求項8】 重金属を含有する汚染土壌の処理物であ
って、この処理物の表面に結晶性のカルシウムシリケー
ト層が形成されていることを特徴とする汚染土壌の処理
物。 - 【請求項9】 結晶性のカルシウムシリケートがトバモ
ライト結晶である請求項8に記載の汚染土壌の処理物。
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