JP2004113885A - 水質浄化材料 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで製造でき、かつ栄養塩類、特にリンを吸着できて覆砂用途に適した水質浄化材料を得る。
【解決手段】石炭灰の造粒物からなる水質浄化材料。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電所から排出される産業廃棄物である石炭灰（フライアッシュ）を再利用した材料またはそれを用いた工法に関し、特に、河川や湖沼、海域などにおける水質を浄化することができる材料または工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
河川、湖沼、海域における水質汚染要因のひとつに、水底地盤からの有機物や窒素、リンなどの栄養塩類の溶出がある。これらの溶出に対する水質浄化の代表的な対策方法として覆砂工法がある。これは、有機底質の上に天然砂や粘性土壌等を用いて略均一厚さで層を形成するもので、多くの場合天然砂を用い、栄養塩類を多量に含む底泥の上部に厚さ３０ｃｍ〜１５０ｃｍ程度に撒き出して、栄養塩類が底泥から水中への溶出を防ぐようにする。覆砂工法によれば、浚渫により有機底質を除去したり、薬剤散布によりリンを不溶化したりする工法に比べ、低コストで溶出防止の効果を得ることができる。
【０００３】
覆砂による栄養塩類の溶出抑制効果のメカニズムについては様々な説があるが、代表すると以下の効果が複合的に発揮されていると言われている。
▲１▼　砂材の表面に栄養塩類が吸着されて、溶出が抑制される。
▲２▼　砂材で表面を覆うことで、表層の浮泥が水流によって巻き上げられて拡散することが防止され、水中への栄養塩類の溶出が減少する。
▲３▼　栄養塩類の溶出は嫌気状態で激増するが、良質で透水係数（水交換能）の高い砂層を表層に施工することで好気状態が保持されて、栄養塩類の溶出が抑制される。
【０００４】
しかし、▲１▼については従来の天然砂では栄養塩類の吸着能力はほとんど見込まれないのが実情で、そのため栄養塩類の溶出防止には覆砂厚を厚くする必要がある。その結果、▲３▼の好気状態の保持が難しくなると共にコスト高となる問題点があった。
【０００５】
ところで、施行した覆砂層は、様々な外因により影響を受ける。例えば、海底や河川底などに常に生じている水流が覆砂材を移動させて覆砂層を流出させる場合があるし、底質が軟弱であれば、覆砂材が底質内にめり込んでしまって効果を発揮しない場合もある。また、覆砂層が底生生物の育成を促進する目的で用いられる場合もある。これらの条件は、覆砂を行なう水域により異なり、最適な覆砂材の条件も異なる。しかし、従来の天然砂等を覆砂材として用いた場合は、コスト面から採取した状態のままで使用せざるを得ず、覆砂を行なう場所の条件に適した覆砂材を選択することは難しいのが実情である。
【０００６】
また、天然砂に代わりうる覆砂材料として、火力発電所から排出される石炭灰（フライアッシュ）を水熱化学処理して得られた人工ゼオライトをそのままか若しくは板状等に成形して用いる海域の浄化方法の発明が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
しかし、この材料では水熱化学処理等にかなりの製造コストがかかる。通常、水底地盤の上面に覆砂層を敷設するにあたっては大量の覆砂材料を必要とするから、覆砂工事にかかる費用も多大なものになってしまう。
【０００８】
一方、火力発電所のボイラーから回収された石炭灰をセメント等で固化、造粒した地盤改良材の発明が開示されている。この地盤改良材は、透水性能や強度が注目されてドレーン材、コンパクション材または排水用敷砂に使用される（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２９９５１号公報（００１０欄〜００１２欄）
【特許文献２】
特開２０００−１５４５２６号公報（０００５欄）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低コストで製造でき、かつ栄養塩類、特にリンを確実に吸着させ得る水質浄化材料を提供することを課題とする。また、覆砂される場所の底質の条件に適するように製造することができる水質浄化材料を提供することを課題とする。さらに、汚染底質上の覆砂工法において、低コストで良好な覆砂性能を得ることができる覆砂工法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、石炭灰の造粒物からなる水質浄化材料である。これにより、栄養塩類、特にリンを確実に吸着させ得る水質浄化材料を得ることができる。好ましくは、前記造粒物が、石炭灰、固化材、保水材を含有する水質浄化材料である。これにより、水質浄化材料を比較的低コストで製造でき、かつリン等の栄養塩類の吸着性能が高い水質浄化材料を得ることができる。
【００１２】
発明の第２は、前記の水質浄化材料を、水底地盤の覆砂材として用いる覆砂工法である。これにより、比較的少ない量の覆砂材で良好な覆砂性能を得ることができる。覆砂材としてさらに天然砂を含めることができる。これにより、水質浄化材料から水層にアルカリ成分が滲み出ることがあっても、その影響を最小限に抑えることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を以下具体的に説明する。
本発明に係わる水質浄化材料は、火力発電所から産業廃棄物として廃棄される石炭灰を使用する。さらに石炭灰の中でも、火力発電所からの排気前に電気集塵機で捕集されるフライアッシュを用いることが、被処理水に含まれる栄養塩類の吸着除去性能の観点から望ましい。
【００１４】
水質浄化材料は、この石炭灰好ましくはフライアッシュを造粒して得る。造粒にあたってはセメント等の固化材および水と混合するが、石炭灰、特にフライアッシュは保水性が悪く、造粒にあたっては、固化材と水に保水材も加えるようにするのが望ましい。これらをミキサに投入して室温付近で攪拌・混合して造粒する。
【００１５】
造粒するにあたっては、石炭灰に事前に何らかの化学的処理を加えることなく電気集塵機から回収したままを用いて造粒することが望ましい。造粒物の製造コストを低く抑えることが可能となる。
【００１６】
使用できる固化材としてはセメントまたはセメントと二水石膏が、保水材としてはベントナイトや海水性若しくは淡水性の浚渫粘土または笠岡粘土などの粘性土が、それぞれ安定して造粒物を製造する観点から望ましい。保水材として特に好ましいのはベントナイトである。
【００１７】
ここで、各成分の配合割合としては、石炭灰が８０重量部以上９７重量部以下であることが望ましい。８０重量部以上で造粒時に用いるミキサの出口における造粒物の付着が生じにくくなって取扱いが容易となり、９７重量部以下で覆砂材料として十分な強度が得られる。より望ましくは、８５重量部以上９５重量部以下であり、さらに望ましくは、８７重量部以上９３重量部以下である。
【００１８】
固化材は、２重量部以上１５重量部以下であることが望ましい。２重量部以上で材料に必要とされる強度を得ることができ、１５重量部以下で造粒時に用いるミキサの出口で造粒物が付着するトラブルが発生しにくくなり、造粒物の取扱いが容易となる。より望ましくは７重量部以上１３重量部以下であり、さらに望ましくは９重量部以上１１重量部以下である。
【００１９】
固化材に二水石膏を含む場合は、二水石膏が７重量部以上１０重量部以下となるように配合することが望ましい。７重量部以上で他の固化材量の使用量を減少せしめて製造コストを抑制でき、１０重量部以下で造粒が安定に行える。
【００２０】
保水材は５重量部以下で加えることが望ましい。５重量部以下で造粒時の付着トラブルが生じにくくなり取扱いが容易となる。より望ましくは４重量部以下である。また、保水材を用いないで造粒することも可能であるが、加えたほうが造粒がより安定となりやすい。そのためさらに望ましくは２重量部以上３重量部以下である。
【００２１】
水は、造粒が安定となり、粒子の強度が必要な範囲に入るように加えればよいが、例えば１５重量部以上２５重量部以下で加えることができる。１５重量部以上で造粒物の形状が安定化しやすく、２５重量部以下で必要な強度の造粒物を得やすくなる。より望ましくは１８重量部以上２５重量部以下である。
【００２２】
上記の各配合物をミキサに投入し、室温で攪拌混合して造粒する。攪拌混合処理に使用するミキサは、処理が行なえればよく特に制限されるものではないが、例えば、円筒ドラムが横置きされ、ドラム中心に設けられた回転する主軸に攪拌羽根が設けられ、また、ドラムの側面内部に設けられた独立駆動チョッパーを有する高速回転ミキサを用いることが望ましい。このミキサを用いた場合の運転条件は、攪拌羽根を５０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ付近で回転し、同時にチョッパーを１０００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍ付近で高速回転させて３分〜１０分間程度運転する。これにより、平均粒径が２ｍｍ〜１０ｍｍ付近の均一な造粒物が短時間で得られる。このようなミキサの例は、例えば特開２０００−１５４５２６号公報に記載されている。
【００２３】
その他の望ましいミキサとしては、底面と、底面中心部に設けられた排出口に向かって下降するロート状に傾斜した側面とを有する縦置きの混合層を有し、この混合槽内の中心部鉛直方向下向きに、混合槽中心部で回転する螺旋状の内側混練羽根を取り付けた高速回転軸と、外側混練羽根が混合層の側面内側に近接して回転するように外側混練羽根をアームを介して取り付けた低速回転軸とを同心的に配設し、これらの高速回転軸と低速回転軸の回転方向を逆方向とするように駆動装置を設けたミキサが例示される。
【００２４】
これらのミキサを用いて、覆砂を行なう水域の底質条件や水流条件に最も適した粒度分布を用いた覆砂材を製造することができる。具体的には、目的とする粒度分布が得られるようにミキサの運転条件を調節して造粒処理した後、造粒物をミキサから取り出し、室温付近で一定の期間、乾燥して目的とする固化造粒物を得る。乾燥温度は５℃以上で行うのが望ましく、１０℃以上４０℃以下で行なうのがより望ましい。最も望ましくは２０℃付近で行なうことである。乾燥期間は、およそ１日から１ヶ月の間で、使用する固化材や温度の条件に応じて適宜選択すればよい。
【００２５】
固化造粒物の平均粒径は、０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが望ましく、より望ましくは、０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。さらに望ましくは０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。この範囲で、覆砂材料として良好な性能が得られるが、覆砂を行なう場所および目的により覆砂材の平均粒径または粒度分布を選択すべきなのは言うまでもない。
【００２６】
このようにして得られた固化造粒物の圧潰強度は、２８日間の乾燥後において平均して約２ＭＰａ以上を保っているうえ、天然砂と比較して同程度のコストで得ることができ、施工上も天然砂と同じように取り扱うことができる。また、この固化造粒物は、アンモニア性窒素などの栄養塩類の吸着能に優れ、特にリンの吸着能に優れている。従って、栄養塩類で汚染された水質の浄化材料として有用である。
【００２７】
次に、この造粒物を用いて行なう覆砂工法について説明する。
上記で得られた造粒物は、原則として天然砂を用いる場合と同様にして覆砂することができ、特に制限されるものではない。
【００２８】
ところで、上で得られた固化造粒物では、製造段階で平均粒径や粒度分布を適宜調整することが可能である。そのため、覆砂を行なう場所の条件、及び有機塩類の溶出防止に加えた覆砂の目的に応じて、固化造粒物の製造条件を調整した物を用いる。例えば、覆砂の目的が水質浄化だけであれば、細粒分が含まれていてもよい。また、施工性を重視するのであれば、中砂から細粒砂あたりの平均粒径で粒径分布ができるだけ狭いものが良い。また、底生生物の育成も目的とするならば、幾分のシルト分を含んだほうが良い。さらには、水底水流による覆砂材の流出防止や軟弱底質への覆砂材のめり込み防止が重要であれば、粗い平均粒径のものを用いることが望ましい。
【００２９】
固化造粒物を覆砂のために輸送するにあたっては、乾燥した固化造粒物をそのまま輸送するドライ工法で行っても良いし、スラリー状態で水力輸送するウェット工法を用いてもよい。
【００３０】
この固化造粒物を用いた覆砂を行なうにあたっては、天然砂より栄養塩類の溶出防止効果が大きいことから、天然砂より少ない厚みで覆砂することができ、底質条件や水底の流れ条件等によって異なるものの、天然砂のみを用いる場合に比しておよそ１／３〜４／５の厚みで天然砂と同様の栄養塩類、特にリンの溶出防止効果を得ることができる。
【００３１】
固化造粒物を天然砂やその他の公知の覆砂材と混合して覆砂に用いることもできる。特に、固化材からアルカリ成分が水中に滲出するおそれがある場合に、そのようなおそれがない天然砂等その他の公知の覆砂材を混合して防止する。天然砂またはその他の覆砂材の配合比率は、対象土の汚染濃度に対応して適宜決定すればよいが、通常、固化造粒物に対して２０倍重量程度まで用いることができる。この範囲で栄養塩類の吸着効果が得られる。好ましくは５倍重量以下、さらに好ましくは２倍重量以下である。
【００３２】
したがって、覆砂工法は従来知られている工法が使用でき特に制限されるものではないが、できるだけ薄層でかつ均一に覆砂できる工法がより適している。例えば、台船に装備したブラインド式落下装置に砂を投入し、砂天端均し装置で所定の厚さに均した後、ブラインドを同時に開き、砂を均したままの状態で面状に海底に落下させるいわゆるブラインド方式覆砂工法、単船またはフローティングコンベヤシステムと組み合わせ、台船上のコンベヤで覆砂材を搬送して先端のスプレッダ船で連続的に覆砂材を搬出するいわゆるフローティングコンベヤ＋スプレッダ（ＦＣＳ）式覆砂工法などを用いることが望ましい。
【００３３】
以下、実施例を用いて、本発明を具体的に説明する。
なお、実施例で用いたリンの定量方法は、ＪＩＳ　Ｋ　０１０２　４６．３．１に記載されたペルオキソ２硫酸カリウム分解法であり、アンモニア性窒素の定量方法は、ＪＩＳ　Ｋ　０１０２　４２　２　のインドフェノール青　吸光光度法である。また、圧潰強度は、ＪＩＳ　Ｚ８８４１−１９９３に従って固化造粒物１０点について測定し、それらの単純平均をとることにより求めた。
【００３４】
（実施例１）　火力発電所の電気集塵機から回収された石炭灰（フライアッシュ）を用い、石炭灰９０重量部、普通ポルトランドセメント１０重量部、ベントナイト３重量部、水２１重量部を前述のドラム横置型ミキサに投入し、攪拌羽根を８３ｒｐｍで、チョッパーを１５００ｒｐｍで５分間運転してほぼ球状で平均粒径が約５ｍｍの造粒物を形成した。次に、この造粒物をミキサから取り出し、２０℃で２８日間乾燥して目的とする固化造粒物を得た。この固化造粒物の圧潰強度は約２．１ＭＰａであった。
【００３５】
次に、ビーカーを用いて塩化アンモニウム５０ｍｇ、燐酸水素２カリウム１４６ｍｇ、燐酸２水素カリウム１１ｍｇを水に溶解して１リットルにした塩溶液を作成し、上記で得た固化造粒物１００ｇをこの塩溶液に投入、約１分間攪拌した後、２０℃で７２時間静置し、その後上澄み液を採取した。この塩溶液及び上澄み液の塩類濃度を測定し、固化造粒物の単位重量あたりの吸着量および塩溶液からの塩類の除去率を求めた。実験結果を表１に示す。リンの除去およびアンモニア性窒素の除去のいずれにも優れた数値を得た。また、固化造粒物を塩溶液に投入するに際しては、特に問題もなく固化造粒物の取扱い性は良好であった。
【００３６】
（比較例１）　実施例１の固化造粒物１００ｇに代えて、天然砂１００ｇを用いた以外は実施例１と同様にして、天然砂の単位重量あたりの吸着量及び塩類の除去率を求めた。実験結果を表１に示す。天然砂にも若干の塩類の吸着能があるものの、その能力は固化造粒物に比してかなり低いことがわかる。
【００３７】
（比較例２）　実施例１の固化造粒物１００ｇに代えて、石炭灰１００ｇをそのまま用いた以外は実施例１と同様にして、石炭灰の単位重量あたりの吸着量及び塩類の除去率を求めた。実験結果を表１に示す。なお、石炭灰を投入する際には、石炭灰が水をはじいて空中に容易に飛散してしまい作業環境が悪化した。石炭灰のリン除去率は、固化造粒物と同程度であったが、アンモニア性窒素の除去率は劣る結果となった。
【００３８】
【表１】

【発明の効果】
低コストで製造でき、かつ栄養塩類、特にリンを吸着させ得る水質浄化材料を得ることができる。また、覆砂される場所の底質の条件に適するように製造できる水質浄化材料が得られる。また、低コストで良好な覆砂性能を得る水質浄化材料を得ることができる。

Claims (4)

1. 石炭灰の造粒物からなる水質浄化材料。
2. 造粒物が、石炭灰、固化材、保水材を含有する請求項１に記載の水質浄化材料。
3. 請求項１または２に記載の水質浄化材料を、水底地盤の覆砂材として用いる覆砂工法。
4. 覆砂材として、さらに天然砂を含む請求項３に記載の覆砂工法。