JP2017213528A - 凝集固化剤とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】汚濁水を凝集物と上澄み液に分離し、上澄み液は環境基準を満足する水質にし環境を汚染することなく自由水として排出でき、凝集物は材齢７日で固化強度を有する団粒状固化物に改質することで雨水等による再泥化が防止できる土木資材等として活用することで、汚濁水を浄化及び減容化、再資源化することを可能とする凝集固化剤の提供。【解決手段】草木灰に、炭酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ポリシリカ鉄）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤）及び吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される機能性材料を１以上加え処方製剤化した粉状無機系凝集固化剤を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、汚濁水を凝集物と上澄み液に分離し、上澄み液の水質は環境基準以下にし、環境を汚染することなく自由水として排出でき、凝集物は自由水放出後、材齢７日で固化強度を有する団粒状固化物に改質することで、雨水等による再泥化が防止でき、土木資材等に活用することで、汚濁水を浄化及び減容化、再資源化できる結果、生活環境の健全化と循環型経済活動に貢献できる凝集固化剤を提供する。

近年、河川、湖沼や港湾などにおいて、陸域からの生活系、畜産系、産業活動系、自然系から田畑を含む流入負荷量が自然生態系の浄化能力を超えた場合に汚濁水が発生し環境を汚染している。

これらの環境汚染汚濁水に対して、凝集固化剤を添加混合処理して発生する上澄み液の水質を環境基準値以下にして排出し、同時に発生する沈降性凝集物を分離回収し、強度を有する団粒状固化物に改質することで、汚濁水の浄化と減容化が達成して生活環境の健全化に貢献する。

例えば、特許文献１では、製紙スラッジ焼却灰及び／又は有機系焼却灰を主原料とし、これに、固化助剤としてのクリンカアッシュ及び無水石膏と、凝集剤としての無機系凝集剤、カチオン性高分子凝集剤粉末及びアニオン性高分子凝集剤粉末とを配合せしめた粉状組成物からなることを特徴とする汚濁水にも適応できる軟泥土壌用粉末固化剤を提案している。その中で、粉末固化剤の粒子径（ふるい分け法によって測定した粒子径）は、３００μｍ以下が好ましく、更に好ましいのは、１５０μｍ以下であった事が開示されている。

また、特許文献２は、第一の無機凝集剤、硫酸アルミニウム、粉末ポリ塩化アルミニウム、第二の無機凝集剤、及びモルデナイト系天然ゼオライトを含有する排水処理用凝集剤であって、第一の無機凝集剤は、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化第二鉄、酸化マンガン、二酸化珪素、酸化アルミニウム、三酸化硫黄、酸化チタン、及び強熱減量を含有し、第二の無機凝集剤は、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化第二鉄、酸化マンガン、二酸化珪素、酸化アルミニウム、三酸化硫黄、酸化チタン、強熱減量、及び水分を含有し、モルデナイト系天然ゼオライトは、リン酸、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化鉄、珪酸、酸化アルミニウム、及び水分を含有している。

しかしながら、特許文献１では、カチオン性高分子凝集剤粉末及びアニオン性高分子凝集剤粉末とを配合せしめることが必要であり、凝集固化剤の構成成分が多くなり、煩雑である。一方、特許文献２では、天然ゼオライトが凝集固化剤の構成成分になっているが、特許文献１、２とも、未利用バイオマスを利用した例は、全く見られない。

特開２００８−１０６０８８号公報 特許第５５０１５４４号公報

本発明は、かかる事情を背景に為されたものであって、その解決課題とするところは、従来の問題点を解決する新規な凝集固化剤を提供することにあり、開発された凝集固化剤は、安全が確保された凝集機能と固化機能を有する成分を配合処方製剤化されており、本凝集固化剤の１％水分散液は中性で、有害性重金属を含有しない環境配慮型凝集固化剤であり、未利用バイオマスの焼却灰を構成成分の一つとしている。

濁水中のＣＯＤ、ＢＯＤ、有害性重金属類は、本凝集固化剤に配合された多孔質成分や凝集機能成分により、沈降性凝集物と上澄み液に分離される。上澄み液は環境基準値以下で河川に排出でき、回収した凝集固化物は自由水を放出後に、配合した固化機能成分により団粒状に固化でき、材齢７日で固化強度が発現し、雨水等により再泥化せず、しかも有害物質の溶出がなく、自由水中は、有害物質を含まず、生活環境上の汚染等に問題を発生させない特徴を呈する。

本凝集固化剤は、汚濁水に対し１，０００ ｐｐｍ程度の添加と３０秒程度の攪拌で、汚濁水の懸濁物を沈降性凝集物にし、この凝集物は自由水を放出後に固化強度が発現した団粒状固化物に改質でき、雨水による膨潤崩壊も防止でき、しかも有害物質の溶出が無く、さらに上澄み液の水質や固化物からの滲出水質も環境基準値以下で河川に排出できるので、汚濁水の浄化と減容化が可能になる。

本凝集固化剤は、上記のような添加濃度と撹拌時間で、汚濁水の懸濁物を沈降性凝集物にし、速やかに上澄み液と固形物に分離することができる。これは、従来の特許文献１に記載されている凝集固化剤と比較して、２倍程度沈降速度が向上している。また、回収した凝集固化物は自由水を放出後に、配合した固化機能成分により団粒状に固化でき、材齢７日で固化強度が発現し、その固化強度は、従来の特許文献１に記載されている凝集固化剤で作製した固化物と比較して、３倍程度大きい。

本凝集固化剤は、草木灰に、炭酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄からなる凝集剤）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤からなる粘結剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される１または２以上の材料を加えてなる、汚泥水処理用の凝集剤、若しくは凝集物を固化させる機能を強化した凝集固化剤である。
ここで前記草木灰が、粒径５０〜２０００ μｍであり、前記草木灰の含有量が、１０重量％〜７０重量％である凝集固化剤である。

また前記草木灰が、サトウキビの搾汁糟を焼却したものである凝集固化剤である。
さらに、前記凝集剤は軽焼ドロマイト、石膏粉末、水可溶性金属塩及び有機粘結成分から選択される１または２以上の固化材料を加え固化強度を上げるもの、あるいは、重金属イオンを還元する還元剤として硫化第一鉄を含み、上澄み水を環境適合させることができる凝集剤等に応用できる。

本凝集固化剤は、少量の添加で汚濁水中の懸濁物を上澄み液と凝集物に分離し、凝集物は自由水放出後に固化強度が発現し、雨水で膨潤崩壊・再泥化しない多孔性団粒状固化構造物になり、適切な通水性と保水性を有しているので植生が良好で、さらに既存土壌と親和性が高く、農業資材に適用できる。

凝集固化剤製法のフローチャート 用いた掘削泥土の写真 凝集固化剤を１．５％添加して混錬した後の、５０回の回転振動モルタルフロー試験

本凝集固化剤は、草木灰に、炭酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄からなる凝集剤）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤からなる粘結剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される１または２以上の材料を加えて汚泥水処理用の凝集固化剤とするものである。ここで前記草木灰が、粒径５０〜２０００ μｍであり、前記草木灰の含有量が、１０重量％〜７０重量％としている凝集固化剤である。

図１は、草木灰を主材料とした汚泥水などの凝集剤、固化剤を作製するステップである、Ｓ１でサトウキビの搾汁糟、あるいはサトウキビ、トウモロコシ、マコモダケ、稲類のわら、麦類のわら等の未利用バイオマスを中心に、広くは雑草、森林の間伐材などを必要に応じて乾燥、細断工程を経て、焼却するステップである。焼却炉で行っても良いし、周囲の環境が許すのであれば屋外野積み焼きでも構わないが、草木の炭素成分がほぼ完全に酸化した状態が好ましい。Ｓ２は草木灰の粒子径を分類、分別するステップでありフィルターを使用したり、一定の風量と飛翔量で大まかに分類したりする。ある種の草木灰、例えばサトウキビの搾り糟であるバガス焼却灰は搾り糟状態の時に既に概略一定粒径や長さに繊維が裁断されていることから、大きな粒子が含まれず、粒径分類するステップを省いても、良好な凝集、固化の結果を得られる。

同様に、トウモロコシやマコモダケなども搾汁器のような植物線維を裁断する作業を入れることで、粒状分類ステップは省略することができる。Ｓ２は草木灰の粒子径を分類、分別するステップにおいて粒径は、５０μｍ〜２０００μｍとしたが、好ましくは１００〜２００μｍに揃えることで、凝集時間など凝集固化剤としての性能が均一にできる。

さらに、前記凝集固化剤は軽焼ドロマイト、石膏粉末、水可溶性金属塩及び有機粘結成分から選択される１または２以上の固化材料を加え固化強度を上げるもの、あるいは、重金属イオンを還元する還元剤として硫化第一鉄を含み、上澄み水を環境適合させることができる凝集剤等に応用できる。主要配合成分のバガス焼却灰粒径は、上記の様に５０〜２０００μｍであり、好ましくは、１００〜２００ μｍであり、活性化シリカは懸濁物の凝結作用を有しているので濁水の清澄性に寄与し、さらに比重が高く、凝集物の沈降性促進作用を向上させる。

Ｓ３−１、Ｓ３−２、Ｓ３−３は、それぞれ大きさの異なる草木灰が集められた集合の扱いを示す。本発明に関わるのは、Ｓ３−２であり、粒径５０〜２０００μｍの草木灰に、酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄からなる凝集剤）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤からなる粘結剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される１または２以上の材料を加えて凝集剤若しくは凝集固化剤とすることができる。草木灰を重量比で１０〜６０％および上記無機凝集剤、粘結剤、硬化剤を所定の混合比量で事前にほぼ 均一になるように混合配合する。あるいは、汚泥水に凝集剤を投入する際に、事前に準備しておいたそれぞれの配合抗生剤を、素早く投入し攪拌してもよい。また凝集途中で粘結剤、硬化剤を適時足して投入することも可能であるが、実際の環境対策現場での作業を効率よく行うためには、草木灰の例としてバガス焼却灰１０〜７０％好ましくは４０〜６０％（重量比 ）、炭酸カルシウム１０〜１５％、硫酸アルミニウム１０〜２０％、高分子粘結剤１〜５％、石膏５〜１０％、軽焼ドロマイト１〜５％のような配合で、袋詰め等の一定量単位包装して、対象汚泥水の量に応じて５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍを予め投入しやすくしておく方が作業性としては良好である。Ｓ３−２に集められる草木灰粒子は、５０〜２０００μｍとしたが、より均一な凝集時間等の凝集性能を実現するには凝集時の核が均一になり安定するという点で、粒径も揃っている方が良く、１００〜２００μｍの粒径が好ましい。粒径を揃える為に、製法上はフィルターの選択によって実現するが、取り出すバガス灰の量が減ったり、粒径を揃えるのに時間を要したりするため、やや製造コストに影響する。

Ｓ３−１には５０μｍ以下、Ｓ３−３には２０００μｍ以上の粒径の草木灰が集められるが、良好な土壌ｐＨ改良材としてそのまま使用しても良いし、清澄時間、凝集時間等にこだわらず、それらのＳ３−１、Ｓ３−３に集められた草木灰も併せて凝集後に土壌改良材として用いる場合、埋め立て等の土木資材として使用する場合は、凝集剤の原料に混合しても良いし、凝集性能の均一性をそれほど求めない場合は、Ｓ２の粒径分類を省略することも可能である。

本凝集固化剤は、バガス焼却灰、炭酸カルシウム、軽焼ドロマイト、無機凝集剤（硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ポリシリカ鉄）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)からから選択される上記機能性材料の1種類又は数種を処方配合製剤化した中性の粉状の無機系凝集固化剤の製造方法を提供する。中性とは、１重量％の水分散液のｐＨが６〜８であることを意味する。

バガス焼却灰を主成分とする粉状の本凝集固化剤を、高流動性の産業廃棄物泥土に添加すると、含有成分のポリカルシウム・マグネシウムシリケート(-Ｃａ(Ｍｇ)-Ｏ-Ｓｉ-０-Ｃａ(Ｍｇ)-の網目状結合体とバガス焼却灰が自重の２〜５倍の高吸水性機能により高流動性泥土中の水分を吸収し移送可能な団粒状固化物に改質して、非産業産業廃棄物にできる。

本凝集固化剤は、高流動性泥土の土粒子を含胞しながら迅速に結合して、泥土が団粒状固化する。バガス焼却灰は多孔質で、その孔表面に汚泥中の有機質、重金属、臭気などを含胞した凝集組成物に取り込むので、上澄み液は有機質、重金属含有せず、その水質は環境基準値以下なり、河川に排出でき、さらに悪臭低減させて作業環境を改善する事ができる。

本凝集固化剤の主成分のバガス焼却灰は、製糖工業において排出されるサトウキビの圧搾滓した焼却物で、凝集固化機能付与する成分の炭酸カルシウム、軽焼ドロマイトや、無機凝集剤（硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ポリシリカ鉄）や、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤）と、さらに吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)を配合し、その配合量は、主成分のバガス焼却灰１００重量部に対して５〜５０重量部程度で、単独で、または２種以上を組み合せて処方製剤化する。

凝集付与成分は、硫酸アルミニウム、塩化第二鉄、ポリ塩化アルミニウムなどの無機系凝集剤、および水溶性アニリン樹脂塩酸塩、ポリエチレンイミン、ポリアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、キトサンおよびヘキサメチレンジアミン-エピクロロヒドリン重縮合物などの分子量数千-数万の重合体、ポリビニルイミダゾリン、ポリアルキルアミノアクリレート、ポリアルキルアミノメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル系（共重合物を含む）およびポリアクリルアミドならびにそれらのマンニッヒ変性物および部分加水分解物などで、その配合量は、主成分のバガス焼却灰１００重量部に対して０．１〜３０重量部程度である。

吸水性硬化剤の石膏は、無水石膏、半水石膏、２水石膏などで、その配合量は、主成分のバガス焼却灰の１００重量部に対して３〜２０重量部程度である。

本凝集固化剤は、汚泥中の有機物の吸着・吸水量を増加させる多孔性補助剤としては、珪藻土、ベントナイト、活性炭、多孔性シリカなどを添加し、保水性、通気性の向上には、砂、腐葉土、鹿沼土、赤玉土、バーミキュライト、パーライトなどを加えてもよい。

本凝集固化剤には、この発明の効果を損なわない範囲で、有機粘結性バインダーのメチルセルロース、カルボキシメチルセルロールなどのセルロース誘導体やリン酸化でんぷんなどの澱粉誘導体や寒天、カラギーナン、アルギン酸ソーダなどの海藻類やニカワ、カゼイン、ゼラチンなどの動物性タンパク、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコールなどの合成高分子などを添加してもよい。また、必要に応じて公知の消泡剤、ｐＨ調整剤、酸化防止剤などを添加してもよい。

本凝集固化剤で河川等の底泥を凝集固化し、フィルタープレス、スクリュープレスなどの機械的圧搾方法によりで濃縮減容化に適用でき、さらに、架橋ポリアクリル酸塩系樹脂、ポリアミノメチルアクリルアミド等の公知の高分子吸水剤、高分子凝集剤、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウムなどの無機系凝集剤を本凝集固化剤と併用して凝集固化機能を向上させることもできる。

本凝集固化剤は、数種の粉末状の無機質成分と少量の有機粘結剤により処方製剤化されており、各種の汚濁水中の懸濁物に対して、配合成分の相乗効果により凝集物の巨大化（５００ μｍ以上）と上澄み液の清澄化を促進させ、凝集物からの自由水を放出後材齢７日で団粒状固化物に改質できる。

凝集機能や固化機能の詳細な機序については明確には分かっていないが、主要成分のバガス焼却灰は特異的に高い吸水量２〜５ｍＬ／１ｇを保有し、さらに軽焼ドロマイト吸水量も１〜３ ｍＬ／１ｇを保有しており、これらは水との親和性が高く、含有成分のアルミニウム・カルシウム・マグネシウムイオンが、バガス活性化珪素によるポリシリケートの架橋剤として働き無機系高分子構造体が生成する。この高分子構造体は濁水の懸濁粒子を取込み凝集物に成長させ、上澄み液の清澄作用を向上させる。また、この凝集物は自由水を放出後に、土壌粒子を団粒状に固化させる。含有する有機粘結成分や無機系ポリシリケート架橋高分子や含有酸化カルシウム・水酸化カルシウム・酸化マグネシウム・水酸化マグネシウムが炭酸化する事で複合的な構造体により材齢３〜７日で固化強度が発現し、再泥化防止機能を有するものと推察する。

バガス焼却灰含有炭酸カルシウムと軽焼ドロマイト及び硫酸カルシウムは比重が大きいため、凝集固化剤での凝集物の重力沈降促進剤として作用するので上澄み液の清澄時間を短縮できる。浮遊する懸濁物は負に帯電しておりその電荷を本凝集固化剤に含有する二価カルシウムイオ・マグネシウムイオン及び三価アルミニウムイオンが電荷を中和して、懸濁物の凝結核をつくり、この凝結核に対して本凝集固化剤に配合した有機系粘結物が凝集物を巨大化させる。この有機系粘結物は、二価カルシウムイオン、三価アルミニウムイオンにより架橋され水不溶性にゲル物になり、耐水性を確保してくるので団粒状固化物の再泥化が防止できる。

従来の汚濁水処理は、汚濁水の種類、濁水の固形分濃度等に対応して、無機凝集剤の硫酸アルミウムと高分子凝集剤種とを組み合せ処理する。無機系凝集剤の硫酸アルミニウムは、強酸性であるためにｐＨが４〜５程度に低下する。通常高分子凝集剤は酸性域で凝集効果が効果的に発揮できないのでアルカリ剤でｐＨが７〜８に調整することが必要になってくる。そこで、中和槽を設置し濁水を中和処理後に高分子凝集剤を０．２％希釈する溶解槽を設置して、その希釈液を濁水に添加・混合する。０．２％に希釈した高分子凝集剤は高速撹拌反応槽で懸濁物と微細な凝結物を形成にし、次いで緩速撹拌槽を設置して大きな凝集物に成長させて上澄み液に分離する。この様に、中和槽や各混合槽毎の攪拌速度応じた多段の処理槽や混合槽が必要になってくるが、本無機系凝集固化剤は、一段の混合撹拌槽で沈降性凝集物と上澄み液に分離することができる。

濁水の固形分濃度が２００〜１００，０００ ｐｐｍと低い濁水の場合は、凝集機能強化した本凝集固化剤を５０〜５，０００ ｐｐｍの添加量で濁水を上澄み液として清澄し、沈降した凝集物は固液分離後に自由水放出して団粒状に固化物になり、材齢３〜７日で固化強度が発現する。

固形分濃度が１００，０００〜５００，０００ ｐｐｍの高流動性泥土は、産業廃棄物の処理が必要で固化機能強化した本凝集固化剤を５，０００〜２０，０００ ｐｐｍの添加量で非産業廃棄性の固化物になり、１日後には自由水を放出し、ダンプトラック搬送が可能で、材齢３〜７日間で団粒状固化し、固化強度が発現する。

泥土用の無機系凝集凝集固化剤では、主要成分のバガス焼却灰は自重の２〜５倍の特異的に高い吸水量を有し、軽焼ドロマイトも自重の１〜３倍に吸水量を保有しており、泥土中の水分を吸収した非流動性の砂質土の改質し、含有するカルシウムイオン、マグネシウムイオンやアルミニウムイオンと二酸化珪素のポリシリケートの架橋した無機系巨大高分子構造物が土粒子取込み固化物にし、材齢３〜７日後に自由水を排出して固化強度が発現してくる。バガス焼却灰中の含有酸化カルシウム及び水酸化カルシウムや軽焼ドロマイトの酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムが炭酸ガスを吸収して炭酸化に変化して（漆喰の固化機能）して固化強度が発現する。
さらに、処方配合した有機粘結成分とポリシリケート及びアルミニウム・マグネシウム・カルシウムイオンによるゲル化反応により耐水性高分子構造体により再泥化防止機能と自由水放出際に生じる空隙により適度な通水性と保水性により植生が良好なり、土木資材に活用できる。

本凝集固化剤は、凝集機能と固化機能の両機能を発揮出来る様に処方製剤化しているが市販の高分子凝集剤は濁水懸濁物を凝集させるが、凝集物が含胞する高分子凝集剤の特有保水作用で材齢７日では固化強度が発現しないので、この保水性凝集物に対して石灰系の石膏等の固化剤を併用して固化させることが必要になる。

主要配合成分のバガス焼却灰粒径は、５０〜５００μｍであり、特に好ましくは、１００〜２００ μｍであり、活性化シリカ（活性化二酸化ケイ素？）は懸濁物の凝結作用を有しているので濁水の清澄性に寄与し、さらに比重が高く、凝集物の沈降性促進作用を向上させる。

配合成分の石膏は、ポリシリケートの金属塩の無機系高分子で濁水懸濁物の凝集物に対して、石膏の水硬化作用により固化が強度促進される。

処方配合した無機物より溶出される正に帯電した水溶性金属塩のカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄イオンは汚濁水中の懸濁物質に帯電している負電荷粒子を中和させ凝結核から凝集物へと成長させる。

本凝集固化剤の処方成分は、バガス焼却灰、軽焼ドロマイト、石膏粉末、水溶性金属塩及び有機粘結成分を組み合わせで凝集機能と固化機能の両機能を発揮出来る様に混合して製剤化する。汚濁水の懸濁性コロイドの粒子径は、１〜１００ μｍと微細で、沈降速度が非常に緩慢で、懸濁粒子のゼーター電位により粒子間の静電気反発力で、分散状態が維持される。
この分散粒子に対し水溶性金属塩は、粒子間の静電気反発力電位を中和し、粒子間反発力を低下させ懸濁粒子を凝結し、さらに凝結物中の有機粘結成分が水溶性金属塩の金属イオンにより架橋されて物理的な強度のある凝集物に成長し、含胞している高比重の軽焼ドロマイトや石膏が凝集物の沈降性を促進し、凝集物と上澄み液に分離させ、汚濁水が浄化され減容化する。

凝集機能の強化を目的として、バガス焼却灰が４０〜７０重量部で、軽焼ドロマイトが５〜１２重量部、石膏が５〜１５重量部、硫酸アルミニウムが３〜２０重量部、有機粘結剤０．５〜３重量部を混合することにより、凝集固化剤を製造し、凝集固化機能を有することを確認することができた。バガス焼却灰の化学組成は表１に示す。主要な成分として一酸化カルシウム（ＣａＯ：２９．１％）、二酸化ケイ素、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２：４１．４％）、三酸化リン（Ｐ_２Ｏ_３：８．８％）、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ：７．８％）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３：６％）、三酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３：３．１％）等から構成される。ここで二酸化ケイ素（４１．４％）を豊富に含有することにより、水和反応によるポリシリケートにより固化強度発現する。また、植生に有用なカリウム（７．８％）と酸化リン（８．８％を含有している。また、凝集固化が発現した凝集固化剤の混合割合の一例を表２に示す。表２の配合割合では、粉末は灰白色であり、嵩比重は１．０６ ｇ／ｃｍ^３であり、１％の水分散液のｐＨは７．６であった。また、表２に示された混合割合で調製された凝集固化剤の化学成分を表３に示す。カルシウム成分は、酸化カルシウムとして４０〜６０重量％含まれることが好ましい。バックグラウンドとして、表３に示す混合割合で化学薬品を混合調製したものを使用したが、化学薬品の粒径がバガス焼却灰と異なるため、液状のままで固化凝集機能は発現しなかった。このことから、バガス焼却灰のような５０〜２０００μｍ（好ましくは１００〜２００μｍ）の粒状の中に一定量の二酸化ケイ素等が含まれる事が、凝結、凝集作用を加速する核となり重要である。

表２に示された混合割合で調製された凝集固化剤を用いて、活性汚泥有機系汚濁水を処理した。活性汚泥処理工程の有機系汚濁水の固形分濃度１，０００〜７，０００ ｐｐｍに対して、表２に示された混合割合で調製された凝集固化剤を５００〜２，０００ ｐｐｍ添加し、６０ｒｐｍで６０秒間攪拌し、６０秒間静置させて、凝集物と上澄み液に分離し、上澄み液中の懸濁物濃度が１０ ｐｐｍ以下になった。浄化試験方法は、活性汚泥工程汚濁水の固形分濃度ＳＳを調整し、表２に示された混合割合で調製された凝集固化剤を、各種固形分濃度に調整した汚濁水を添加し、スプーンで1回転/秒で３０回撹拌後、６０秒静置後に上澄み液を採取し、含水度計でＳＳ分を測定した。得られた結果を、表４に示す。一般的な活性汚泥汚濁水の浮遊物質（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｓｏｌｉｄｓ）であるＳＳ濃度は、３，０００〜７，０００ ｐｐｍである。本凝集固化剤で浄化した上澄み液は透明であり、ＳＳ濃度は検出限界である５ ｐｐｍ以下であったため、本凝集固化剤の有用性を確認することができた。

河川浚渫工事で発生する汚濁水中の懸濁物固形分濃度が３，０００〜７０，０００ ｐｐｍの泥水に対して、表２に示された混合割合で調製された凝集固化剤を、３００〜３，０００ ｐｐｍを添加し、６０ ｒｐｍで６０秒間攪拌してから６０秒間静置し、凝集物と上澄み液に分離した。その結果、上澄み液中の懸濁物濃度は、５ ｐｐｍ以下であった。浄化試験方法は、表２に示された混合割合で調製された凝集固化剤を、各種固形分濃度に調整した河川浚渫汚濁水に添加し、スプーンで1回転/秒で３０回撹拌した後、６０秒静置後に上澄み液を採取し、含水度計でＳＳ成分を測定した。得られた結果を、表５に示す。通常の活性汚泥汚濁水のＳＳ濃度は、５，０００〜３５,０００ ｐｐｍである。本凝集固化剤で浄化した上澄み液は透明であり、ＳＳ濃度は検出限界である５ ｐｐｍ以下であったため、本凝集固化剤の有用性を確認することができた。

重金属不溶化機能の強化を目的として、バガス焼却灰が４０〜７０重量部で、硝酸カルシウムが１０〜２５重量部、石膏が５〜２０重量部、硫酸アルミニウムが３〜８重量部、硫酸第１鉄が５〜７重量部、有機粘結剤が０．０５〜３重量部を混合することにより、凝集固化剤を製造し、凝集固化機能を有することを確認することができた。凝集固化が発現した凝集固化剤の混合割合の一例を表６に示す。また、表６に示された混合割合で調製された凝集固化剤の化学成分を表７に示す。

道路用コンクリートカッター工事発生の汚濁水中の懸濁物固形分濃度が、７，０００〜３０，０００ｐｐｍの泥水に対して、表６に示された混合割合で調製された凝集固化剤を、各種適正濃度添加し、６０ ｒｐｍで６０秒間攪拌してから６０秒間静置し、凝集物と上澄み液に分離した。その結果、上澄み液中の懸濁物濃度が１０ ｐｐｍ以下になった。このコンクリートカッター懸濁濁水には、有害重金属イオンの六価クロムイオンが０．６ ｐｐｍ含有しており、環境基準値の０．０５ ｐｐｍの１２倍量含有されていた。

この６価クロムイオンに対して含有硫酸第１鉄の二価鉄イオンＦｅ^２＋が三価Ｆｅ^３＋になり、還元剤として作用し、コンクリートカッター中の六価Ｃｒ^６＋を安全性の高い三価Ｃｒ^３＋に還元し、凝集沈降物中に捕捉して、六価クロムイオンＣｒ^６＋０．６ｐｐｍを、環境基準値以下の０．０５ｐｐｍ以下に処理することができた。これらの結果を、表８に纏めた。

固化機能の強化を目的として、バガス焼却灰が３０〜６０重量部で、炭酸カルシウムが１０〜２０重量部、軽焼ドロマイト５〜１５、半水石膏１０〜２０重量部、硫酸バンド１〜５重量部、有機粘結剤０．０５〜１重量部を混合することにより、凝集固化剤を製造し、凝集固化機能を有することを確認することができた。凝集固化が発現した凝集固化剤の混合割合の一例を表９に示す。

掘削工事から排出される固形分濃度２５〜６０％の高流動性泥土（フロー値３００ｍｍ以上）に対し、表９に示された混合割合で調製された凝集固化剤を１〜３％添加し、大型スプーンにより６０回混合撹拌すると、非流動性泥土（フロー値１３５ｍｍ以下）に改質され、２４時間後１５〜２８％の滲出水を放出し、その滲出水は透明で、ＳＳは１０ ｐｐｍ以下となった。結果として、水質基準値以下であるため、河川への放流が可能である。滲出水を放出した後、泥土をプラスチックの容器に３回分注して加え、各分注ごとに１０回の突き固めし、５日後に脱型した後、２日間室温で養生した。その結果、１軸圧縮強度試験機で強度を測定し、表１０に纏めた。１軸圧縮強度として、６００〜９００ ＫＮ/ｍ^２の強度が発現した。用いた掘削泥土の写真を図２に示し、含水比の分析結果を表１１に示す。図３は、凝集固化剤を１．５％添加して混錬した後、５０回の回転振動モルタルフロー試験を示す。泥土のフロー値試験の結果を表１２に纏めた。

上記してきたように本凝集固化剤は、バガス焼却灰等の草木灰中に含有される活性化二酸化ケイ素のポリシリケートの網目構造物を架橋すると、活性アルカリ成分のカルシウムにより巨大分子構造物や処方配合成分の無機系凝集剤成分及び有機系粘結剤が相乗効果により濁水中の懸濁物を補足して巨大な凝集物（５００ μｍ以上）に成長させ、濁水を沈降性凝集物と上澄み液に分離して濁水を浄化する。分離した沈降性凝集物は、自由水を放出後に強度が発現した団粒状固化物になり雨水等により膨潤崩壊せず、有害物質も溶出せず、また上澄み液や固化物からの自由水は環境基準値を達成できる。

本凝集固化剤は、バガス焼却灰、炭酸カルシウム、軽焼ドロマイト、無機凝集剤（硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ポリシリカ鉄）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される上記の機能性材料からなる粉状の凝集固化組成物で、上記課題を解決する。

本凝集固化剤の処方配合成分の３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３が濁水中で水和反応によりアルミン酸硫酸カルシウム(３Ｃａ０・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ)の構造物とポリカルシウム・マグネシウムシリケート(-Ｃａ(Ｍｇ)-Ｏ-Ｓｉ-０-Ｃａ(Ｍｇ)-の網目状結合体の相乗効果により濁水中の有害物質を含胞した沈降性凝集物と上澄み液に分離して汚濁水を浄化でき、その上澄み液中には有害物質を含有せず水質基準値以下にでき、分離回収した凝集物は自由水を徐々に放出し、団粒状固化物になり７日材齢後に固化強度が発現する。

主成分のバガス焼却灰は、有機成分が燃える際に多孔質状の灰になり、その多孔性構造に悪臭物質や有害物質を取り込み有害物質の溶出が防止できる。さらにバガス含有成分の珪酸が８００℃で焼却される際の活性化二酸化珪素が濁水中で水和反応により、ポリシリケートを形成し、処方した炭酸カルシウムや、軽焼ドロマイトのカルシウムイオンやマグネシウムイオンが架橋された巨大な無機系高分子状物質を形成する。

活性化二酸化珪素とカルシウム・マグネシウムと結合複合網目状構造体は自由水を放出後の固化強度が発現した団粒状固化物になり雨水による再泥化せず、自由水は、透明で有害物質含有せず、ｐＨは中性で、さらに団粒状固化物は適度な保水性と、透水性を有しているので植生が良好で、既存土壌との混合性が良好で、バガス焼却灰微量含有カリウムは植物の成長を促進し、路床材・埋め戻材料等の土木資材として活用できる。

バガス焼却灰を産業廃棄物ではなく有用な未利用資源のとして捉え、本発明の無機系凝集固化剤の主成分として処方し、製糖工場から排出されて廃棄されていた活性汚泥の腐植性有機汚泥を本凝集固化剤で固化することで、有用な農業資材に活用できるので静脈工程で産出される汚泥を適切に処理することで、動脈工程の生産性を向上することで、経済の活性化と地域の環境健全化に貢献できる。

固形分濃度が５００〜１００，０００ ｐｐｍの汚濁水に対して本凝集固化剤を１００〜２，０００ ｐｐｍ添加し、３０秒の混合撹拌後、１分間静置すると沈降性凝集物と上澄み液に分離できる本凝集固化剤の処方を提供することができる。

各種汚濁水処理に対して本凝集固化剤の幅広い適応可能性がある。本無機系凝集固化剤は、各種の汚濁水に対して、市販の無機系凝集剤と市販の高分子凝集剤を組合せた多段混合撹拌槽を設置した処理方法と比較して、１段の混合槽で凝集物と上澄み液に分離できるために、処理工程が簡素化できる。また移送ポンプや攪拌機の設置が無いために経済的な汚濁水処理と、省エネルギーが達成でき、運転管理も容易なことから省人化できる。さらに、本凝集固化剤と固液分離装置を併用して、汚濁水の処理水質向上と、凝集物の減容化が達成できるため、水処理業界への技術適用が可能である。また、産業廃棄物の高流動性泥土を非流動性泥土に改質できるため、建設汚泥排出業界において循環型社会への貢献が期待できる。

Ｓ１：植物の焼却ステップ
Ｓ２：草木灰粒子径を分類、分別するステップ
Ｓ３−２：粒子径５０μｍ〜２０００μｍに酸カルシウム、無機凝集剤等を加えるステップ

Claims (10)

1. 草木灰に、炭酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄からなる凝集剤）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤からなる粘結剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される１または２以上の材料を加えてなる、汚泥水処理用の凝集固化剤
2. 前記草木灰が、粒径５０〜２０００ μｍであることを特徴とする請求項１の凝集固化剤。
3. 前記草木灰の含有量が、１０重量％〜７０重量％であることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の凝集固化剤。
4. 前記草木灰が、サトウキビの搾汁糟を焼却したものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の凝集固化剤。
5. 軽焼ドロマイト、石膏粉末、水可溶性金属塩及び有機粘結成分から選択される１または２以上の固化材料を加えることを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の凝集固化剤。
6. 重金属イオンを還元する還元剤を含んでいることを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の凝集固化剤。
7. 硫酸第一鉄を含んでいることを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の凝集固化剤。
8. 伐採した植物を焼却して草木灰にする工程と、
   草木灰を粒子の大きさによって分別する工程と、
   ５０〜２０００μｍの粒径として分別された草木灰に炭酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄からなる凝集剤）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤からなる粘結剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される１または２以上の材料を加える工程よりなる凝集固化剤の製造方法。
9. 前記植物が、サトウキビ、トウモロコシ、マコモダケ、イネ類、麦類であることを特徴とする請求項８に記載の凝集固化剤の製造方法。
10. サトウキビの搾汁糟を焼却して草木灰にする工程と、
    前記草木灰に炭酸カルシウム、無機凝集剤（軽焼ドロマイト、硫酸アルミニウム、硫酸鉄からなる凝集剤）、有機粘結剤（アルギン酸、多糖類、高分子凝集剤からなる粘結剤）、吸水性硬化剤(硫酸カルシウム)から選択される１または２以上の材料を加える工程よりなる凝集固化剤の製造方法。