JP2006298730A

JP2006298730A - 焼却灰の焼成方法と該方法で得られる焼結物

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Publication number: JP2006298730A
Application number: JP2005126415A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Habaguchi; 裕光幅口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は膨張性頁岩を焼結して経済的な発泡性の軽量骨材を得て、これら焼却灰又は膨張性頁岩の細粒材の新たな用途への適用の可能性などを高めること。
【解決手段】（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰、径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１５０℃の範囲で焼成する焼却灰の焼成方法と該焼成方法で得られる焼結物である。
この方法で、高価な硼酸又は硼酸を含む混合物の使用量を著しく少なくしても、下水汚泥の焼却灰及び／又は用途の無かった２．５ｍｍの篩を通過する細粒材からなる膨張性頁岩から強度が高い、発泡性の軽量骨材が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、下水脱水汚泥から得られる焼却灰、微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記微粉砕膨張性頁岩の混合物の焼成焼結方法と該方法で得られる焼結物に関する。

下水処理場で得られた汚泥は炭水化物、タンパク質、油脂類、粗繊維類などの有機物および砂などの無機物からなり、無機凝集剤又は高分子凝集剤を脱水助剤として脱水した後、一部は埋立処分され、残りは焼却される。

また、前記下水汚泥を脱水（含水率７５〜８０％程度）した汚泥を焼却設備で燃焼させると焼却灰が得られる。前記焼却設備は硅砂を流動媒体とし、ＬＮＧを燃料とする流動層焼成炉を備えた設備であり、温度７００〜８００℃に保持された流動層内に汚泥を吹き込むことで汚泥を完全燃焼させて、生じた灰分を排ガス中に同伴させてサイクロンで焼却灰を回収する設備である。

焼却灰の成分及び組成割合は下水の質により変化していつも一定ではないが、表１に示すように酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム及び酸化第二鉄を主成分とし、その粒度分布は表２に示す通りであり、３０〜１５０μｍの径を中心とする粉体である。

前記汚泥を焼却設備で燃焼させて焼却灰を再資源化する試みはなされている。例えば、１３００〜１５００℃で溶融してガラス質にした後、再加熱して結晶化ガラスを得る発明がある（特開平４−３１７４３６号公報、特開平８−２６７７３号公報）。これらの方法は高品質の結晶化物を得るものであり、価格も高くなる。

また、前記焼却灰を造粒物として、この内部を細かい独立気泡を多数含有する軽量細粒材化することが行われている（藤木英一：軽量骨材、コンクリート工学、Vol.34、No.7、1996.7、pp.26-28、藤木英一、梶原啓一、山下時夫：超軽量人工骨材とその性能、セメント・コンクリート、No.596、1996.10）。

なお、下水脱水汚泥又は都市ゴミから得られる焼却灰はそれのみを器に入れて無加圧で振動により圧密させて焼成すると焼結物は得られるが、その焼結物は軽石程度の強度しかないため、用途が限られてしまう。
特開平４−３１７４３６号公報特開平８−２６７７３号公報藤木英一：軽量骨材、コンクリート工学、Vol.34、No.7、1996.7、pp.26-28 藤木英一、梶原啓一、山下時夫：超軽量人工骨材とその性能、セメント・コンクリート、No.596、1996.10

上記したように従来技術では、下水脱水汚泥から得られる焼却灰を原料とする前記軽量細粒材は軽量コンクリート材料または濾過材料として用いられることができるが、その物性の割には高価であるので、その生産量に比べて各種用途への使用量が少ないという問題点がある。
そこで低コストで、軽量細粒材の用途を拡大するための試みがなされているが、その一つに焼却灰又は焼却灰から得られる前記軽量細粒材を焼結成形することが考えられる。しかし、軽量細粒材のみを焼成炉で焼成しても焼結は困難である。

このように下水脱水汚泥から得られる焼却灰および該焼却灰を原料とする前記軽量細粒材の用途開発が十分になされていないので、大量の焼却灰が資源化されずに廃棄物として埋立処分され、また軽量細粒材は、汚泥処理施設の空き地に野積しているのが現状である。

一方、膨張性頁岩の破砕物のうち、粗骨材は軽量骨材として需要は満たされているが、細骨材（径が２．５ｍｍ以下）は生産過剰となっている。

本発明者は下水脱水汚泥から得られる焼却灰の焼結用のフラックス剤として硼酸又は硼砂が適していることを見出し、先に特許出願をした（特開２００４−１６１６０９号公報）。また、前記焼却灰と硼酸の混合物から得られる焼結体は発泡性がないので、発泡剤として、例えば炭化珪素を加えて焼成することで、発泡性のある軽量骨材を得ることにも成功して、特許出願をした（特願２００３−３６３６７９号）。その際に前記焼却灰１００重量部に対して硼酸を３〜５重量部、発泡剤を４〜８重量部混合して焼結させた。
しかし、硼酸は比較的高価であるので、焼却灰１００重量部に対して３〜５重量部も添加することにより、製造コストが高くなる欠点があった。

そこで本発明の課題は、下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は膨張性頁岩を焼結して経済的な発泡性の軽量骨材を得て、これら焼却灰又は膨張性頁岩の細粒材の新たな用途への適用の可能性などを高めることである。

本発明の上記課題は次の構成（１）、（２）により解決される。
（１）（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰、径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１５０℃の範囲で焼成する焼却灰の焼成方法。

（２）（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰、径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１５０℃の範囲で焼成して得られる焼結物。

下水脱水汚泥から得られる焼却灰、径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物の焼結のためには、該焼却灰１００重量部に対して前記硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物は１．０重量部程度、発泡剤は１０重量部程度を混合した後、１０２０〜１１５０℃程度で焼成する。焼却灰１００重量部に対して発泡剤の含有量を２〜１５重量部とした場合、前記硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物の含有量が２重量部を超えると焼却灰が溶融するので好ましくなく、前記硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物の含有量が０．１重量部未満では下水汚泥焼却灰のみの場合は発泡物が得られないものの径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物の場合は、スーパーメサライト程度の発泡物が得られる。同様に前記硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物の含有量を３重量部とした場合、発泡剤の含有量が４重量部を超えると焼却灰が溶融するので好ましくない。
前記硼酸を含む混合物としては硼砂以外の硼酸を含む金属酸化物の混合物である。また、前記発泡剤は炭化珪素の他にアルミドロス（アルミニウムのリサイクルの過程で発生する残灰）などを使用することができる。

本発明によれば、比較的少ない前記硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物の添加量で下水脱水汚泥から得られる焼却灰の焼成を行うことができ、軽量で、圧縮強度の高い発泡性の軽量細粒材及び軽量粗骨材を比較的安価に得ることができた。これにより、各種用途に利用可能な軽量骨材製品を得ることができる。
例えば、構造用人工軽量骨材として盛土材、庭園などの景観材、屋上緑化材、重油などの地下タンク・配管設備の保護充填材、土木・建築コンクリート用骨材などの用途に利用できる。

本発明の実施の形態について説明する。
下水脱水汚泥から得られる焼却灰にフラックス剤として硼酸を加え、発泡剤として炭化珪素を加えた混合物を陶芸用電気炉（商品名：窯わん、小糸工業（株）製）で焼成した。

また、表３の配合表に示すように下水脱水汚泥の焼却灰２０ｇ又は膨張性の頁岩２０ｇに対して硼酸を０．１０ｇ、無鉛フリット０．１０ｇ、発泡剤である炭化珪素２．００ｇ、バインダー４．００ｇ及び水１５ｇを加えて得られる混合物を直径１３ｍｍ程度に造粒し、乾燥後に前記電気炉で焼成した。

なお、頁岩は膨張性頁岩を焼成した構造用人工軽量骨材「メサライト」（日本メサライト工業（株）の商品名）の細骨材を更に粉砕して４５μｍの篩いを通過する粒度のものを使用した。上記構造用人工軽量骨材「メサライト」は、建物、構造物の強度を保ったまま、軽量化ができる骨材として、それぞれ粗骨材（粒径５〜２０ｍｍ）、細骨材（粒径２．５ｍｍ以下）、中骨材（粒径２．５〜５ｍｍ）などの各種粒径範囲毎に市販されている天然資源である良質の膨張性頁岩を原料とする骨材である。盛土材、庭園などの景観材、屋上緑化材、重油などの地下タンク・配管設備の保護充填材、土木・建築コンクリート用骨材などの用途に応じて前記各種粒径範囲の中から適切な粒度を有するメサライトを選択して、使用されている商品である。

また、無鉛フリットは、（株）陶和製のＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＣａＯ、ＰｂＯの各金属酸化物の中でＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃を含めて３種類以上の金属酸化物を含む混合物である。

さらにバインダーは、成形品の乾燥時と移動時の崩れを防ぐためであり、また水は糊の成形品作製時の均一混合を行うために添加するが、ヤマト糊（ヤマト（株）製の澱粉と防腐剤からなる糊）又はヤマト糊と同一成分からなり、他の成分との均一混合がし易いニシキ糊（ニシキ（株）製）のいずれかを使用する。

前記電気炉を用いて図１に示すように、焼成過程が第１昇温帯、第２昇温帯、高温処理帯及び冷却帯からなる条件で前記配合品を焼成した。図１の横軸の時間１〜４、縦軸の温度１〜４は次の通りである。

時間１：一段階目の温度に達するまでの第１昇温時間
温度１：一段階目の温度
時間２：二段階目の温度に達するまでの第２昇温時間
温度２：二段階目の温度
時間３：二段階目の温度を保持する高温処理時間
時間４：冷却温度に達するまでの冷却時間
温度４：冷却温度

また、資料１と資料２の図１の各焼成過程ので時間と温度は次の表４の通りである。

前記焼成により得られた資料１と資料２の焼成品の写真をそれぞれ図２、図３に示す。また資料２の焼成品を水に浮かべた様子を示す写真を図４に示す。

また、上記本実施例で得られた焼成品の比重と強度が前記メサライト（商品名：スーパーメサライト）と比べて、どの程度違いがあるかを確認する骨材比重試験と骨材圧壊試験を行って、それぞれ表５と表６に示す結果を得た。

なお、スーパーメサライトの比重はその商品カタログによると「０．９３」である。
前記比重試験方法はＪＩＳＡ１１３５に準拠して焼成品を１０５℃の高温槽で一定重量になるまで乾燥し、乾燥重量を測定した後、水中重量を測定し、比重を求めた。

また圧壊強度はＪＳＣＥ−Ｃ５０５に準拠して、試験に先立って１００〜１１０℃で定質量となるまで乾燥し、室温まで冷却した後、加圧盤面のほぼ中央に試料を静置し、０．０２〜０．０５ｋＮ／秒の範囲の載荷速度で試料に圧縮荷重を載荷して、試料を圧壊させたときの最大荷重を求め、その測定した値の平均値を圧壊強度とした。

これらの表５、表６から本実施例品の比重はスーパーメサライトと同等であり、本実施例品の圧壊強度はスーパーメサライト以上であることが分かる。

また、本出願人の先の特許出願（特願２００３−３６３６７９号）では焼却灰１００重量部に対して硼酸を３〜５重量部添加しが、本実施例では、焼却灰１００重量部に対して硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物を１．０重量部添加するだけで発泡性の焼結品が得られた。
なお、焼結最高温度は本出願人の先の特許出願（特願２００３−３６３６７９号）では１０２０℃であったか、本実施例では１０８０℃、１１２０℃で多少高くなっている。

こうして、高価な硼酸の使用量を前記先の出願発明の約１／３〜１／５以下に下げても、下水汚泥の焼却灰及び／又は用途の無かった２．５ｍｍの篩を通過する細粒材からなる膨張性頁岩から強度が高い、発泡性の軽量骨材が得られることが分かった。

本発明の下水脱水汚泥から得られる焼却灰及び／又は細粒材からなる膨張性頁岩の焼成により得られる軽量骨材は圧壊強度が高く、比重が小さいので構造用人工軽量骨材として盛土材、庭園などの景観材、屋上緑化材、重油などの地下タンク・配管設備の保護充填材、土木・建築コンクリート用骨材などの用途に利用できる。

本発明の実施例の焼成品を得るための焼成炉内温度と焼成時間の関係を示す図である。本発明の実施例の下水脱水汚泥から得られる焼却灰を原料とする発泡性の焼成品の写真である。本発明の実施例の細粒材からなる膨張性頁岩から得られる焼却灰を原料とする発泡性の焼成品の写真である。図２の発泡性の焼成品を水に浮かべた状態を示す写真である。

Claims

（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰、径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１５０℃の範囲で焼成する焼却灰の焼成方法。
（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰、径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩又は前記焼却灰と前記径が２．５ｍｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸及び硼砂以外の硼酸を含む混合物及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１５０℃の範囲で焼成して得られる焼結物。