JP2004216266A

JP2004216266A - 廃棄物の安定化処理方法

Info

Publication number: JP2004216266A
Application number: JP2003006425A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Choji; 哲治丁子; Masamoto Tafu; 昌幹袋布
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】廃棄物からの重金属等の有害物質の溶出を防止するための新規な安定化処理方法を提供する。
【解決手段】活性汚泥法による排水処理で生じた余剰汚泥を乾留処理により炭化して得た炭化汚泥を、廃棄物の安定化材として埋立処分場における覆土材に混合して施用する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は炭化汚泥を用いて行う廃棄物の安定化のための処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
今日、一般廃棄物の約５倍の量に相当する産業廃棄物はますます増加傾向にあり、循環型社会の構築に向けて廃棄物の分別，減量化，有用資源としての再資源化や再利用が不可欠となっている。
しかし、何れにせよ産業廃棄物はこのような減量化，分別等の段階を経ても最終的には埋立処分されることになる。
【０００３】
最終処分場は安定型処分場，管理型処分場及び遮断型処理場の３つに分類されており、産業廃棄物の種類，分解性，有害性及び安全性について留意されなければならない。
【０００４】
埋立処分場に廃棄物が大量且つ集中的に堆積され、また質的にも多様な化学物質を含む化学製品が投入されている。
このような埋立処分場に、化石燃料の燃焼により発生する酸性ガスが原因と考えられている酸性降水が降った場合に、重金属等を含有する廃棄物から重金属が浸出し、処理場付近の土壌，公共の水域及び地下水を汚染することが懸念されている。
【０００５】
管理型処分場では、このような問題に対して浸出水の遮水を行い、更に埋立地廃止までは浸出水の処理を行うことによって対応している。
しかしながら、この期間が長いほど管理に要する費用がかかることになり、周りの地下水や公共の水域を汚染する恐れが長く続くことになる。
このことから、埋立地浸出水の水質が短期間で環境基準以下になることが望ましい。即ち、埋立終了後なるべく速やかに安定化することが必要である。
【０００６】
そこで酸性降水の影響を受けて重金属等が廃棄物から溶出しても、埋立処分場内で十分に固定化され、浸出水に含有しないなどの対策が施されていれば安定化までの期間が短縮されるものと考えられる。
【０００７】
一方、有機物を含む排水は一般的に活性汚泥法によって処理されている。
この活性汚泥法では排水処理に伴って余剰汚泥が発生するが、排水処理量の増加とともに余剰汚泥の発生量も年々増加し、その処理処分が大きな問題になっている。
【０００８】
余剰汚泥を処分するに際し、その余剰汚泥には９９％程度の水が含まれていてそのままでは処分できず、そこで減量化のために濃縮及び脱水処理したり、或いは更に焼却したり溶融したりするなど様々な処理が現在施されている。
しかしながら汚泥を焼却或いは溶融処理すると多量のエネルギーを消費し、処理コストが高いものとなる。
そこでエネルギー消費の少ない余剰汚泥の減量化処理の１つの方法として、汚泥を乾留処分により炭化することが検討されている（例えば下記特許文献１）。
【０００９】
この炭化処理は、汚泥が基質中に炭素分を４５重量％程度含んでいることから、焼却，溶融処理のように汚泥中の炭素分を消費してしまうのではなく、汚泥を無酸素或いは低酸素状態で熱分解（炭化）することにより炭素分を残留させ、「炭素＋無機質」という新しい組成を持つ炭化汚泥として生成させるものである。
【００１０】
図７はその炭化処理のプロセスの一例を示している。
図中２００の汚泥ケーキは、汚泥を脱水した後の含水率６５〜８０％程度の脱水ケーキで、受入ホッパ２０２，定量供給装置２０４を経て乾燥機２０６へと投入され、そこで乾燥処理が行われる。
尚２０８は熱風炉であって、この熱風炉２０８から熱風が乾燥機２０６に供給される。
【００１１】
２１０は炭化炉であって、炉体２１２の内部に回転ドラム２１４が設けられている。
前段で乾燥処理された汚泥はこの回転ドラム２１４内に投入され、先ず炉体２１２内部に配設された助燃バーナ２１６による雰囲気加熱によって加熱される。
すると汚泥中に含まれている可燃ガスが、回転ドラム２１４に設けたパイプ２１８から雰囲気中に抜け出し、そしてその可燃ガスが着火して以後は汚泥から抜け出した可燃ガスの燃焼によって回転ドラム２１４内部の汚泥の加熱が行われる。尚この段階では助燃バーナ２１６は燃焼停止される。
【００１２】
回転ドラム２１４内部の汚泥は、図中左端の投入口から回転ドラム２１４の回転とともに漸次右方向に移って行き（回転ドラム２１４には若干の勾配が設けてある）、そして最終的に乾留残渣（炭化汚泥）２２０が回転ドラム２１４の右端の排出口、つまり炭化炉２１０から排出される。
【００１３】
この炭化処理にて生成した炭化汚泥は物性的には木炭に近い性状を有するものであり、現在一部の用途として園芸用土壌，融雪剤に利用されているが、その他特別に有用な用途というものが見出されていないのが実状である。
この炭化汚泥は各種の処理を経て生成するものであり、その際に処理コストがかかることから、単に減量化のための手段としてに留まらず有用な用途に供することができれば望ましい。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１１−３７６４４号公報
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の廃棄物の安定化処理方法は、このような事情の下に案出されたものである。
而して請求項１は、活性汚泥法による排水処理で生じた余剰汚泥を乾留処理により炭化して得た炭化汚泥を廃棄物の安定化材として施用することを特徴とする。
【００１６】
請求項２のものは、請求項１において、前記炭化汚泥を埋立処分場における覆土材に混合して施用することを特徴とする。
【００１７】
【作用及び発明の効果】
本発明者等は、余剰汚泥の減量化の副産物としての炭化汚泥について研究する中で、この炭化汚泥は以下の３つの有用な作用を有すること、そしてそれらの作用により、廃棄物中の重金属等の有害物質の溶出を抑制する効果を有する知見を得、本発明を完成させた。
【００１８】
（１）緩衝作用
酸性液に炭化汚泥を加えるとｐＨを中性域に変化させる。
これにより酸性降下物の処理場内において酸性土壌水を中和し、廃棄物からの重金属等の有害物質の溶出を抑制する。
（２）吸着作用
炭化汚泥は吸着作用を有し、その吸着作用により廃棄物中の重金属等の有害物質が浸出水として漏出するのを防止できる。
（３）りん酸溶出による不溶化作用
炭化汚泥にはりん酸が含まれており、そのりん酸が廃棄物中の重金属等の有害物質と不溶性の化合物を作ることによって、その重金属等の有害物質が浸出水として漏出するのを防止する。
【００１９】
尚、本発明においては廃棄物からの有害物質の漏出防止用として様々な方法で炭化汚泥を施用することができるが、特に埋立処分場における覆土材に混合した形で用いることが望ましい（請求項２）。
埋立処分場では、廃棄物の飛散防止のためにこれを覆うように覆土材と廃棄物とをサンドイッチ状に次々と積層させて行くが、その際覆土材中に炭化汚泥を混合しておき、その炭化汚泥によって廃棄物からの有害物質の漏出を防止するようになすことができる。
【００２０】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
本発明者等は、炭化汚泥による埋立処分場における重金属等の固定化の有効利用の検討として、埋立処分場に炭化汚泥を施用した場合の土壌水中に溶出した重金属の化学的挙動について、亜鉛水溶液をモデル浸出水として種々検討した。
【００２１】
１．試料
炭化汚泥として、図７に示す炭化炉２１０により下水汚泥を炭化温度７００℃以上にて炭化したものを用いた。尚試料としては、この炭化汚泥を乳鉢を用いて粉砕したものを用いた。
また和光純薬製の粉末活性炭を比較のために用いた。
模擬浸出水としての亜鉛水溶液は、硝酸亜鉛を溶解させ２０ｍｇ／ｄｍ^３に調整したものを用いた。
【００２２】
２．試験方法
１００ｃｍ^３密閉円筒型ポリ容器中の種々のｐＨに調整した酸溶液５０ｃｍ^３に炭化汚泥５．０ｇを加え、２５℃の恒温槽中で６時間振とう混合した。
反応後の溶液は、ポアサイズ０．４５μｍのメンブレンフィルターで吸引ろ過し、ろ液について亜鉛，りん，マグネシウム，カリウム，カルシウム及びナトリウムの濃度を測定した。
尚、ｐＨの調整には０．１ｍｏｌ／ｄｍ^３硝酸水溶液を用いた。
【００２３】
亜鉛，りん，マグネシウム，カリウム，カルシウム及びナトリウムの濃度は、シーケンシャル形プラズマ発光分析装置（島津製作所製，ＩＣＰＳ−１０００型）によって測定した。
溶液のｐＨ測定には、ｐＨメータ（堀場製作所製，ｐＨ／ＩＯＮＭＥＴＥＲＦ−２３型）を用いた。
【００２４】
３．結果
３−１りんの溶出
本実施例では、酸性雨で埋立処分場が曝されたことを想定し、種々のｐＨの酸溶液に炭化汚泥を混合させたときのりん成分の溶出量について検討した。
【００２５】
図１は種々のｐＨの溶液中に炭化汚泥から溶出したりん量の結果を示す。
りんの溶出量はｐＨが低下するほど多くなった。即ちｐＨ３付近では中性付近の１０倍程度の溶出量が得られた。
炭化汚泥中に存在するりんの化学形態の特定は、加熱されていることなどのプロセスを考えると簡単ではない。実際、炭化汚泥中でのりんの化学的存在形態の特定についてＸ線回折法等によって試みたが、明確な結論を得るには至らなかった。
また溶出して来たりんについても同様であろうと考え、ここではＩＣＰによる全りんの元素量を測定するに留めた。
【００２６】
溶出した水溶液中の種々の成分との関係からもりん成分の化学形態を推測する手がかりを得るために、同時にアルカリ金属類，アルカリ土類金属類等も計測した。
その結果、カルシウムがりんの溶出量と比例的に溶出することが分った。
【００２７】
カルシウムの溶出量については、溶出したりんの量に対する関係として図２に示した。
図中の直線は、カルシウムとりんが等モルの場合の関係を示すもの（図にはマグネシウム，カリウム，ナトリウムについても示してある）であるが、同図より測定値はこの直線と比較的よく一致している。
【００２８】
このことから、カルシウムとりんとが等モルの関係の化合物である可能性が高いと言える。但しこの関係から直ちにりん成分の全てがカルシウム塩を構成しているとは、他の金属成分も溶出液中に検出されたことからすると断定することはできない。
また、りん酸カルシウム塩も多種類あり、その中の１つの塩に特定する実験的根拠も十分に得られてはいない。
しかしながらここでは、後述する結果とも勘案して炭化汚泥中にＣａＨＰＯ_４・２Ｈ_２Ｏとしての存在の可能性が示唆される。
【００２９】
３−２緩衝作用
炭化汚泥０．５ｇを種々のｐＨの酸性溶液１００ｃｍ^３に添加した場合の溶液ｐＨを測定した結果を図３に示す。
酸性溶液に炭化汚泥を加えると大きくｐＨの変化が起り、しかもｐＨ３〜８の範囲の溶液では何れもほぼｐＨ７．５程度に変化した。
この結果から、炭化汚泥は極めて強力な緩衝作用を持つことが分った。
【００３０】
この緩衝能をもたらす原因について検討を行った。
先ず、炭化汚泥と見かけが類似する活性炭については緩衝能を殆ど持たないことを実験的に確認した。
実験結果と同様の緩衝能を示す場合として、炭化汚泥中に含まれるりん酸カルシウム（ＣａＨＰＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）によることが考えられる。
【００３１】
図３中の実線は、任意のｐＨの水溶液にりん酸カルシウム（ＣａＨＰＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）を添加したときのｐＨ変化を計算により求めて図中に書き込んだもので、同図に示しているように計算により求めたりん酸カルシウム（ＣａＨＰＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）によるｐＨ変化の値と、実際の測定値とはよく一致していることが分る。
このことから、炭化汚泥の緩衝作用は炭化汚泥中に含まれると考えられるりん酸カルシウムの溶解によるものであると考えられる。
【００３２】
何れにしてもこの結果は、埋立処分場において炭化汚泥を施用することによって水溶液ｐＨを中性域に変化させ或いは維持できることを表している。
【００３３】
３−３炭化汚泥と亜鉛との反応
廃棄物を原料とした炭化汚泥は特別な賦活を目的とした操作を経て製造されていないために、その吸着能は一般に高くないと考えられている。
本実施例で使用した試料についても、その製造工程から考えて、吸着能については期待されないものと考えられたが、市販の活性炭との比較を行った。
【００３４】
図４は、亜鉛を２０ｍｇ／ｄｍ^３含有する種々のｐＨの酸溶液中に炭化汚泥或いは市販の活性炭を混合させたときの溶解性亜鉛濃度を示す。
同図では、炭化汚泥０．５ｇ及び活性炭０．５ｇをそれぞれ使用したときの比較を行った。
【００３５】
亜鉛水溶液中に活性炭を添加すると、中性付近では亜鉛イオンが活性炭に吸着され、殆ど検出されないほどに濃度が低下した。
しかしながら、ｐＨ＝５以下から徐々にｐＨの低下に伴って、亜鉛イオン濃度が上昇し、ｐＨ＝３付近ではほとんど吸着されない結果を示した。
尚、２０ｍｇ／ｄｍ^３の亜鉛水溶液中の亜鉛イオンが排水基準値（５ｍｇ／ｄｍ^３）以下にまで濃度が低下したのは、ｐＨ５以上であった。
【００３６】
炭化汚泥でも活性炭と殆ど同じ挙動を示し、炭化汚泥の亜鉛イオンに対する吸着能は市販活性炭と同等であることが分った。
このように活性炭及び炭化汚泥の亜鉛イオンに対する吸着能は、浸出水の酸性度が強くなると非常に弱くなることが分った。
しかしながら炭化汚泥には極めて強力なｐＨ７．５程度にまで緩衝する作用があり、このことを加味して考えると、炭化汚泥は市販活性炭より極めて効果的に亜鉛イオンを吸着する能力があると言える。
【００３７】
３−４炭化汚泥からの溶出物と亜鉛との反応
亜鉛イオン含有水溶液に炭化汚泥を添加し、ｐＨ４程度に水溶液を調整した後、炭化汚泥をろ過分離し、ろ液のｐＨを４以上の値に調整したときの溶解性亜鉛濃度について測定した。
その結果をｐＨ値に対する関係として図５に示す。
【００３８】
図６にはまた、比較のために市販活性炭を用いて同様の実験を行ったときの結果についても示した。
図６に示しているように市販の活性炭を用いた場合には、ｐＨ７付近以上から亜鉛イオン濃度が低下し始めた。
この関係は、不溶性の水酸化亜鉛の生成の範囲とほぼ一致する。即ち、図６中の実線は水酸化亜鉛の溶解度を示すが、この計算結果と測定値とはほぼ一致していることから確認できる。
【００３９】
一方、炭化汚泥を用いた場合では、より酸性領域側で沈殿物を生成し始める結果となった。
この測定値は、図５の実線で示すりん酸亜鉛（Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２）の溶解度の関係にほぼ一致する。
【００４０】
以上の結果から、炭化汚泥を用いた場合にはりん酸亜鉛の溶解度にほぼ相当し、活性炭の場合には水酸化亜鉛の溶解度曲線に一致した。
これら何れの反応に対しても、廃棄物が一旦強酸性の浸出水に触れて重金属を溶出したとしても、炭化汚泥から溶出したりん酸を含む浸出水が中和されていることが必要で、ここでも炭化汚泥の強い緩衝能の威力が発揮されることになる。
【００４１】
以上のことから、亜鉛水溶液中にりん酸が共存することで溶解性の亜鉛イオンは、より酸性側のｐＨ領域でりん酸イオンと反応し、不溶性の化合物を作ることが考えられ、亜鉛を含有する埋立処分場にりん酸が存在すれば、ｐＨ＜５．６の酸性降水の影響によって亜鉛が一旦溶出しても埋立処分場内で留まっていることが期待される。
尚、本実施例では代表的に亜鉛水溶液を用いているが、溶解度平衡から考える限り、他の有害重金属類にも本結論は適用でき、殆どの有害重金属類に対しても効果があるものと考えられる。
【００４２】
４．まとめ
下水の余剰汚泥の減量化の一方法としての副産物である炭化汚泥は次の３つの作用を持ち、炭化汚泥を埋立処分場内に施用することで、好ましくはサンドイッチ状に埋設することで、廃棄物層中の重金属等の有害物質をより安定に埋立処分場内に留めることが可能である。
【００４３】
（１）緩衝作用
酸性降下物の処分場内への浸透により廃棄物からの溶出が懸念されるが、この酸性降下物を溶解した土壌水が廃棄物層に達するまでに中和されればその恐れはない。
炭化汚泥は、このような酸性土壌水を十分に中和し、廃棄物から重金属等の有害物質の溶出を抑制する効果がある。
（２）吸着作用
炭化汚泥の持つ吸着作用は、市販の活性炭とほぼ同等程度であり、強酸性状態でない限り十分な吸着量が見込める。
このことから、一旦廃棄物層から重金属類等の有害物質が溶出しても、炭化汚泥層でこれを吸着し得て、それ以上の拡散を防止することが可能である。
（３）りん酸溶出による不溶化作用
炭化汚泥にはりん酸が含まれており、このりん酸の溶出により、一旦廃棄物層から重金属類が溶出しても、重金属類がこのりん酸と不溶性の化合物を作ることにより、浸出水として漏出することなく埋立処分場内に留めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸性溶液のｐＨと炭化汚泥から溶出したりん濃度との関係を表す図である。
【図２】炭化汚泥から溶出したりん濃度とカルシウム等濃度との関係を表す図である。
【図３】炭化汚泥の添加前と添加後の酸性溶液のｐＨの関係を表す図である。
【図４】炭化汚泥，活性炭の添加による酸性溶液のｐＨと亜鉛濃度との関係を表す図である。
【図５】炭化汚泥を加えてろ過した後のろ液の溶解性亜鉛濃度をｐＨ変化との関係において表す図である。
【図６】市販の活性炭を加えてろ過した後のろ液の溶解性亜鉛濃度をｐＨ変化との関係において表す図である。
【図７】余剰汚泥を炭化処理するプロセスの一例を示す図である。

Claims

活性汚泥法による排水処理で生じた余剰汚泥を乾留処理により炭化して得た炭化汚泥を廃棄物の安定化材として施用することを特徴とする廃棄物の安定化処理方法。
請求項１において、前記炭化汚泥を埋立処分場における覆土材に混合して施用することを特徴とする廃棄物の安定化処理方法。