JP2006043660A - 汚染土壌の浄化処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微粒子で構成された土壌であって、しかも揮発除去が困難な砒素と揮発除去が可能な鉛やカドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素などを共に含む汚染土壌を、ロータリーキルンなどの設備コストが低く、汎用されている加熱装置を適用して高温の酸化性雰囲気下で加熱処理することにより、効率的に浄化処理して再生土壌となす汚染土壌の浄化処理方法を提供することをその課題とする。

【解決手段】 微粒子で構成され且つヒ素と少なくとも鉛、カドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素のうち１つを含む汚染土壌を浄化処理する方法において、先ず前記汚染土壌Ａを洗浄処理して得られた脱水ケーキＢに生石灰２などのカルシウム化合物を添加して造粒し、次いでこれを高温の酸化性雰囲気下で加熱処理することを特徴とする汚染土壌の浄化処理方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、汚染土壌の浄化処理方法に関し、特に微粒子で構成され且つ砒素と鉛を含む汚染土壌に有効な浄化処理方法に関するものである。

近年、有害物質による土壌汚染事例の判明件数が増加し、特に人の健康に悪影響を及ぼす砒素や鉛などの重金属を含む土壌に対しては環境問題の改善と土地の再生利用の両面から対策確立への社会的要請が強まっており、平成１４年には「土壌汚染対策法」が施行されるなど法的規制も整いつつある。

このような状況の下、様々な土壌浄化技術が報告されている。代表的な土壌浄化技術として、洗浄法あるいは洗浄・加熱処理法がある。洗浄法は汚染土壌を水によって洗浄、分級を繰り返す方法であるが、最後に得られる脱水ケーキに重金属成分が濃縮されて残存するため十分な浄化法といえない問題があった。

また、この問題を解消すべく、上記脱水ケーキをさらにロータリーキルンなどの加熱装置により酸化雰囲気で高温に加熱して重金属などの有害物を揮発除去する方法が提案、実施されている。しかしながら、この方法は設備的にも安価で実用化に適しているものの、鉛やカドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素などに対しては比較的効果が高いが、砒素については十分に除去できない問題があると共に、脱水ケーキがの微粒子（７４μｍｍ以下が６０％以上）で構成されものを対象とするため排ガス中に飛散ロスする割合が３０％以上になるなど歩留が低いという不利を抱えていた。この飛散したダストについては後段の集塵機で回収されるが、集塵機で回収された飛散ダストは重金属の含有量が高いため、これを不溶化処理した上で管理型処分場にてその後の処分・管理を委託する必要あるなどランニングコストも増大する問題もあった。また、ダストの飛散を抑制しようとした場合、ロータリーキルン内の空気の流速を小さくする必要がある。その為、単位時間に処理できる土壌を少なくするか、ロータリーキルンを大型のものにする必要がある。

上記加熱処理に際して砒素を含めた重金属を揮発除去すべく、塩素含有物質を添加する方法（特許文献１など）も提案されているが、砒素などの除去に有効であるものの、相変わらず飛散ロスによる歩留低下や回収ダスト処理の問題を解決し得ない上に、さらに有害な塩素ガスが発生するため安全性に問題があると共に排ガス処理の負担が増える欠点もあり好ましい方法とはいえなかった。同様に砒素の揮発除去を目的として還元剤を添加して低酸素雰囲気で加熱処理する方法も（特許文献２など）もあるが、通常の酸化雰囲気下よりも除去率は向上するが依然として不十分であり、また上記低酸素雰囲気をロータリーキルンなどの汎用されている加熱装置によって高温に維持することは極めて困難であり、特別な装置構成を必要とし、コスト高となるため実用化に適さないものであった。

また、これらとは別の方法として汚染土壌に常温でセメントや生石灰などのアルカリ化合物を添加し、ブロック状あるいは大径の造粒体などの固化物として、あるいはさらにこの固化物を蒸気養生して重金属を不溶化する方法（特許文献３，４など）も提案されているが、この方法は揮発除去が可能な鉛やカドミウム、水銀、セレンなどの重金属についても固化物に閉じ込めた状態とするため、再生土壌においてｐＨの大きな変化に対して再溶出の懸念もあり、また、固化物の強度が高いために一般の土壌として再利用することは困難であり、土木・建築作業に支障を来たす問題を備えている。
特開２００３−２００１４９号公報 特開２００３−６２５５６号公報 特開昭６０−７８６８４号公報 特開２０００−２７４６４５号公報

本発明は上記した従来の技術的背景や事情に鑑み、これら従来技術の問題点を一挙に解決することを意図し、微粒子で構成された土壌であって、しかも揮発除去が困難な砒素と揮発除去が可能な鉛やカドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素などを共に含む汚染土壌を、ロータリーキルンなどの設備コストが低く、汎用されている加熱装置を適用して高温の酸化性雰囲気下で加熱処理することにより、効率的に浄化処理して再生土壌となす汚染土壌の浄化処理方法を提供することをその課題とする。

本発明はこのような課題の解決のために完成されたものであって、その要旨とする特徴は以下の通りである。

（１）微粒子で構成され且つヒ素と少なくとも鉛、カドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素のうち１つを含む汚染土壌を浄化処理する方法において、先ず前記汚染土壌にカルシウム化合物を添加して造粒し、次いでこれを高温の酸化性雰囲気下で加熱処理することを特徴とする汚染土壌の浄化処理方法。

（２）カルシウム化合物が生石灰である上記（１）に記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（３）生石灰の添加量が１〜７％である上記（２）に記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（４）汚染土壌が２０％以上の水分を含むものである上記（１）〜（３）のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（５）汚染土壌が７４μｍの粒子を６０％以上含むものである上記（１）〜（４）のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（６）汚染土壌が洗浄処理後に得られる脱水ケーキである上記（４）又は（５）に記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（７）生石灰の添加量が前記汚染土壌の水分含有量に応じて調整されるものである上記（１）〜（６）のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（８）汚染土壌の造粒後の平均粒径が１〜５ｍｍである上記（１）〜（７）のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（９）加熱処理の温度が８００〜１２００℃である上記（１）〜（８）のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。

（１０）前記加熱処理の装置としてロータリーキルンを用いる上記（１）〜（９）のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。

本発明によればロータリーキルンなどの設備コストが低く、汎用されている加熱装置を適用して、揮発性の鉛やカドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素などの有害物と難揮発性の砒素などの有害物の双方を含む土壌についても容易に且つ効率的に浄化処理し、無害化することができる。

また、本発明によれば微粒子で構成された土壌を対象とした場合も加熱処理時の排ガス中への飛散ロスが極めて少なく、高歩留で処理することができると共に、これに伴ってダストの不溶化処理や管理処分場への委託などの負担を軽減することが可能となる。

さらに、ブロック状などの固化物として不溶化するものでないため、一般の再生土壌としてそのまま支障なく活用できる。

本発明者らはロータリーキルンなどの汎用型の装置を用いた高温の酸化性雰囲気下で行う従来の基本的な加熱処理プロセスの採用を前提としてこれを改良、発展させることで、前記脱水ケーキなど微粒子で構成された汚染土壌から効率良く砒素と鉛などの揮発特性の大きく異なる重金属を同時に無害化する浄化技術の開発を目指して種々の検討、研究を重ねた。

その結果、従来のように揮発による浄化技術と不溶化による浄化技術を二者択一的に捕らえるのではなく、両者の技術を融合させたプロセスの適用によって前述の課題を達成できるのではないかと考えた。即ち、鉛などの揮発性の有害元素については揮発除去を、且つ砒素などの難揮発性の有害元素については不溶化を同一の加熱プロセスにより実現しようとするものである。

かかる着想を基に、さらにアイデアを詰め、実験を重ねた結果、上記汚染土壌に生石灰などのカルシウム化合物を適量添加して、混合攪拌を行ない、適正粒度に造粒した後に高温で加熱処理を施すことにより、上記特性の異なる鉛と砒素の双方を確実に浄化処理できることが判明し、本発明の完成に至った。

カルシウム化合物は造粒物の高温雰囲気での加熱、焼結によって汚染土壌中の砒素と反応し、砒酸カルシウム（Ｃａ₃（Ａ_SＯ₄）₂）及びその複合化合物を生成し、安定した不溶化物となる。また、このカルシウム化合物は不溶化の対象となる造粒物の形成ための粘詰剤としても作用する。

当初においては、揮発除去と不溶化を同時に組み合わせたプロセスでは、それぞれの適正条件が相違することから単独プロセスとしてはむしろ浄化効果が低下するのではないかとの懸念もあったが、後述する実施例の結果からも明かなように鉛も砒素も同様に問題の無いレベルまで浄化処理できるもので、その意味で本発明は有機的な組み合わせによる優れた融合プロセスといえる。

しかも、この本発明プロセスではカルシウム化合物の添加により、微粒子で構成された汚染土壌を造粒して、この造粒物を加熱処理するため、従来のように排ガス中に飛散ロスすることが殆どなく、高歩留で浄化処理することができ、回収ダストを別途不溶化処理して、管理処分場へ委託する必要もなくなる。

また、加熱処理した後の生成物については、造粒処理により均一な粒子が得られ、ヒ素や鉛、水銀、カドミウム、セレン、フッ素、ホウ素などの溶出も抑制できていることから、有価物として回収できる。特に、造粒により微粉土壌が少ないため、粉塵やダストが立ちにくくハンドリングしやすいものとなる。これらの回収物は埋め戻し材として使用できる。

以下に、本発明の浄化方法について図１を参照しながら、その実施形態を中心にプロセス条件なども含めてより具体的に説明する。図１は本発明（プロセス）に係る浄化法を説明する処理フロー図である。

ここにおいて、通常の汚染土壌Ａは洗浄処理Ｐにより、大部分が浄化されて処理土となるが、同時に前記重金属が濃縮し、しかも７４μｍの粒子を６０％以上、あるいは８０％以上の微粒子で構成された脱水ケーキＢが発生する。この脱水ケーキは２０％以上、多くは３０％以上の水分を含有している。

本発明ではこのような洗浄処理後の脱水ケーキＢの如く、微粒度で高水分の特殊な汚染土壌をもっぱら処理対象とするものである。先ず、この脱水ケーキＢは貯蔵ホッパ１ーに順次貯蔵された後、回転円筒式の造粒ドラム３に搬送され、ここでカルシウム化合物である生石灰２が１〜７質量％（以下、単に％と記載）添加され、脱水ケーキＢと生石灰２が混合攪拌され、この過程で微粒の脱水ケーキは平均１〜５ｍｍの粒度に造粒される。生石灰２の添加量が１％未満では砒素の不溶化や造粒が不十分となる恐れがあり、一方７％を越えた添加では生石灰を無駄に消費し、コストが高くなるだけでなく、得られる回収物のアルカリが強くなり、再生品として利用する場合に、不具合が起こる虞がある。これらのことから生石灰の添加量としては３〜５％が更に好ましい。

本実施形態において造粒装置としては特に限定されないが、回転ドラム式造粒装置や、パドル翼を内部に備えたパドルミキサー等を使用することができる。

生石灰２の添加量は脱水ケーキＢの水分含有量に応じて上記範囲内で調整することが好ましい。つまり、生石灰の脱水作用を利用し、水分量の高いケーキに対しては多めに、水分量の低いケーキには少なめに変化させることでケーキの水分量を一定範囲即ち１５〜４０％に維持することにより造粒作用を安定化させ、しかも後の加熱処理における熱エネルギを低減や急激な水蒸気発生に伴うバースティング現象の防止を図ることができる。

また、造粒物の粒度が１ｍｍ未満では、飛散ロスの発生が増加し、歩留低下の原因となると共に、砒素の不溶化にも悪影響を伴い、逆に同粒度が５ｍｍを超える大径になると鉛などの揮発性の重金属の分離効率が低下する可能性がでてくるし、キルンでの回転、落下衝撃により粉化ロスの危惧もあり、好ましくない。

次に、造粒ドラム３で造粒を終えた脱水ケーキＢはその排出側より排出された後、ロータリーキルン４に送られ、その入り側より連続的に装入される。このキルン４は対抗流式の円筒型回転キルンでその内部に攪拌用レーキ(羽)が設けられており、重油、石炭などの燃料を出口側に配置したバーナーにより空気で燃焼し、この高温の燃焼ガスを入り口側に向けてキルン内を通過させ、この燃焼ガスの熱により、入り口側から出口側に向かってキルンの回転とレーキによって攪拌されながら流動する造粒された脱水ケーキＢに順次、余熱、加熱を施すものである。

なお、５はキルン４の入り口側上部の排ガス流出部に設けられは二次燃焼室であり、ここにブロアー６によって空気が送り込まれ、キルンから排出された未燃ガスを後燃焼し、熱効率を上げるようになっている。

この汎用型のキルン４により高温の酸化性雰囲気下で脱水ケーキＢを加熱処理すると、同ケーキＢに含まれる鉛やカドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素などは揮発して、排ガス中に分離、除去される。

この加熱処理による温度は８００〜１２００℃とすることが好ましい。８００℃未満の低温では鉛などの揮発性の物質の分離が不十分となる。また、カルシウムによる焼結作用が弱くなり、処理された再生品の強度が低く、粒子が壊れやすくなる虞がある。これによって、再生品が不均一な粒子となり利用価値が下がることから好ましくない。また１２００℃を超える温度では揮発効果もそれ以上は望めず、熱エネルギーの消費が大きくなり、加熱装置に対する熱負荷がいたずらに増え、その耐久性を損なうことになる。また、土壌中のＳｉ等が溶解することにより土壌が溶融してしまう虞がある。この場合、装置内で溶融してしまい、取り出すことが困難となり、ハンドリングも困難となることから好ましくない。

上記の理由により９００〜１１００℃の範囲で加熱処理するのが更に好ましい。

さて、キルン４から排出され、前記二次燃焼室５を経た排ガスは、は第一次冷却塔７に送られ、ここで一次冷却された後、空気予熱器８を介して熱交換がなされ、さらに第二次冷却塔に送られて常温にされ、バッグフィルター１０にてダストが分離され、排ガス成分によっては必要な排ガス処理が施され、最終的に煙突１１によって大気に放散される。また、バッグフィルター１０で分離、回収されたダストはダスト安定化処理１２を行って処分場に搬送される。

一方、加熱処理を終え、キルン４の出口側より排出された脱水ケーキは土壌冷却装置１３によって、常温に冷却され、処理土Ｃとして再生利用される。

以上の実施形態では処理対象となる汚染土壌として洗浄処理後の脱水ケーキについて述べたがこれに限られず、微粒子で構成され且つ重金属を含むものであればどのような土壌（又は廃棄物）でもまた一旦浄化処理（一次処理）を経た土壌を対象としてもかまわない。

また、同実施形態では、汚染土壌に添加されるカルシウム化合物として生石灰（ＣａＯ）を挙げたが、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）などの他のカルシウム化合物でも良く、さらにカルシウム化合物を多く含むものであれば、工場、製鉄所から発生する副産物であるスラッジ、スラグ及びダストなどを利用しても良いものである。

次に、本発明の優れた効果を明確にするため実施例を挙げて実証することにする。

（実施例）
原料土壌として７４μｍ以下の粒子で構成され、鉛：７５ｍｇ／ｋｇと砒素：０.０１７ｇ／ｋｇ及び水銀：１０ｍｇ／ｋｇを含む脱水ケーキ（水分含有量：３０％）を用意し、これに生石灰５％を添加して造粒機で造粒し、これを図２に示す試験装置（回転速度：２ｒｐｍ 内径：２０ｍｍ 長さ：１５０ｍｍ）、を用いて、処理温度：９００℃、滞留時間：３０分、バッチ量５００ｇ（湿ベース）、使用ガス：空気、ガス流量：１０Ｌ／ｍｉｎで加熱処理を行った。

表１にこの試験結果に基づく脱水ケーキの加熱処理前後における前記重金属の含有量と溶出量を示す。また、表２に造粒した脱水ケーキの加熱処理前後の粒度分布を示す。

表１より、熱処理後の揮発性の鉛、水銀は共にその含有量が激減しており、実質的に全てが揮発除去されていることが分る。従って、このため、鉛の溶出量も処理前と比べて非常に安全なレベルに低減している。水銀については処理前でも溶出量が極めて低く、これは分析の限界にあって両者の差を見い出し難いが、含有量の比較から本処理によって著しく安全性が高まっている事実は容易に理解される。さらに難揮発性の砒素については、予想に違わず処理前後の変化がなく揮発分離に効果はないが、その溶出量が大幅に減少し、鉛と同様に非常に安全なレベルに至っており、本処理によって不溶化が確実になされていることが判明する。

また、本発明による排ガス中への飛散ロスの防止効果について、造粒を行って加熱処理した本試験結果と、造粒を行わずに加熱処理を実施した結果を比較して測定したところ、造粒をしなかった場合の飛散ロス量が８.０％であったのに対して、造粒を行った本試験の場合飛散ロス量は０.９％と著しく減少し、歩留が大きく向上することが確認できた。

本発明の実施形態に浄化処理方法を説明する処理フロー図。 本発明の実施例において使用した加熱試験装置の概要図である。

符号の説明

Ａ：汚染土壌 Ｐ：洗浄処理 Ｂ：脱水ケーキ Ｃ：処理土
１：貯蔵ホッパー ２：生石灰 ３：造粒ドラム
４：ロータリーキルン ５：二次燃焼室 ６：ブロアー
７：第一次冷却塔 ８：空気予熱器 ９：第二次冷却塔
１０：バッグフィルター １１：煙突 １２：安定化処理
１３土壌冷却装置

Claims (10)

1. 微粒子で構成され且つヒ素と少なくとも鉛、カドミウム、水銀、セレン、フッ素、ホウ素のうち１つを含む汚染土壌を浄化処理する方法において、先ず前記汚染土壌にカルシウム化合物を添加して造粒し、次いでこれを高温の酸化性雰囲気下で加熱処理することを特徴とする汚染土壌の浄化処理方法。
2. 前記カルシウム化合物が生石灰である請求項１に記載の汚染土壌の浄化処理方法。
3. 前記生石灰の添加量が１〜７％である請求項２に記載の汚染土壌の浄化処理方法。
4. 前記汚染土壌が２０％以上の水分を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。
5. 前記汚染土壌が７４μｍの粒子を６０％以上含むものである請求項１〜４のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。
6. 前記汚染土壌が洗浄処理後に得られる脱水ケーキである前記請求項４又は５に記載の汚染土壌の浄化処理方法。
7. 前記生石灰の添加量が前記汚染土壌の水分含有量に応じて調整されるものである請求項１〜６のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。
8. 前記汚染土壌の造粒後の平均粒径が１〜５ｍｍである請求項１〜７のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。
9. 前記加熱処理の温度が８００〜１２００℃である請求項１〜８のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。
10. 前記加熱処理の装置としてロータリーキルンを用いる請求項１〜９のいずれかに記載の汚染土壌の浄化処理方法。
    
    

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