JP2020131070A - 建設泥水の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤掘削や地盤改良などで発生する建設泥水を短時間で固液分離することができる新規な処理方法および処理装置を提供する。【解決手段】建設泥水に２０Ｖ以上の直流電圧を印加して、凝集粒子を形成することを特徴とする、建設泥水処理方法を採用する。また、建設泥水を収容する収容部と、前記収容部に設けられた少なくとも一対の電極と、前記電極のそれぞれに電気的に接続され、対になる電極間に２０Ｖ以上の直流電圧を印加する直流電源と、を備えることを特徴とする、建設泥水処理装置を採用する。【選択図】図１

Description

本発明は、地盤掘削又は地盤改良工事等で発生する建設泥水の処理方法及び処理装置に関する。

地盤掘削又は地盤改良工事等において発生する建設泥水を適切に処理することは、自然環境の保全および建設残土の有効利用において重要である。特に日本では、シールドトンネルの掘削や地盤改良などの工事が数多く行われることにより、泥水の発生機会が多く、また泥水の発生量も多いため、建設泥水の適切な処理の重要性は極めて高い。

建設泥水は、水中に土の微粒子が分散した懸濁液であり、その処理にあたっては、固液分離を行うことが通常である。
建設泥水の固液分離技術として、特許文献１〜３には、泥水に高分子凝集剤を添加してフロックを形成した後、濾過等により固液分離する方法が開示されている。

また、特許文献４、５には、フィルタープレスやスクリュープレスにより泥水を脱水する方法が開示されている。

さらに、特許文献６〜８には、泥水に電極を浸漬して電圧を印加し、電解ないし電気泳動現象を利用して懸濁粒子を寄せ集める技術が開示されている。

特開２０１７−１１９２７２号公報 特開２００７−７５３５号公報 特開２００３−２３６３０８号公報 特開２０１８−３４１３５号公報 特開２０１０−１２４９５号公報 特開平５−３３７４９９号公報 特開平６−７１２９９号公報 特開平６−１５４７６２号公報

高分子凝集剤を用いた固液分離方法では、凝集剤のコストがかかるため、処理全体のコストが高くなってしまう。また、高分子凝集剤が化学物質であることから、分離された水を放流する際や分離された固形分（ケーキ）を再利用ないし処分する際に、該凝集剤が環境に与える影響が懸念され、今後使用が規制される虞もある。

フィルタープレスないしスクリュープレスでは、脱水に時間がかかると共に、脱水効果、すなわち脱水ケーキの低含水率化にも限界がある。また、フィルタープレスについては、目詰まりが発生しやすく、これを解消するための逆洗も困難であるという問題もある。

電解ないし電気泳動現象を利用した固液分離方法では、土粒子をある程度寄せ集めることはできるものの、固液分離が完全にできず、凝集剤などによる処理を併用する必要があるという問題がある。

そこで本発明は、これらの問題点を解消し、地盤掘削や地盤改良などで発生する建設泥水を短時間で固液分離することができる新規な処理方法および処理装置を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決するために種々の検討を行ったところ、建設泥水に高い直流電圧を印加して凝集粒子を形成することにより、建設泥水を短時間で固液分離できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、前記課題を解決するための本発明の第１の実施態様は、建設泥水に２０Ｖ以上の直流電圧を印加して、凝集粒子を形成することを特徴とする、建設泥水処理方法、である。

また、本発明の第２の実施態様は、建設泥水を収容する収容部と、前記収容部に設けられた少なくとも一対の電極と、前記電極のそれぞれに電気的に接続され、対になる電極間に２０Ｖ以上の直流電圧を印加する直流電源と、を備えることを特徴とする、建設泥水処理装置である。

本発明によれば、建設泥水を短時間で固液分離することができる。

本発明の第２の実施態様に係る建設泥水処理装置を示す模式図 本発明の第２の実施態様に係る建設泥水処理装置において、貯留槽に剛性フィルターを設ける場合の配置例を示す模式図 本発明の第２の実施態様に係る建設泥水処理装置において使用可能な真空脱水機の構造を示す模式図 本発明の実施態様を現場（オンサイト）での建設泥水の処理に適用した例を示す模式図

以下、本発明の実施態様の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。なお、数値範囲の記載（２つの数値を「〜」でつないだ記載）については、下限及び上限として記載された数値をも含む意味である。

本発明の実施態様（本発明の第１の実施態様及び第２の実施態様を含み、以下「本実施態様」と総称する。）において処理の対象となる建設泥水は、地盤掘削や地盤改良工事で発生する、土砂を含む水である。土の微粒子が安定して分散した懸濁液であるため、環境中にそのまま放流することはできず、また固液分離も容易でないため、その処理は困難である。

［建設泥水の処理方法］
まず、本発明の第１の実施態様（以下、「第１実施態様」と記載する。）に係る建設泥水の処理方法について説明する。
この処理方法では、建設泥水に２０Ｖ以上の直流電圧を印加する。
前記直流電圧の印加により、建設泥水に含まれる土等の微粒子が集合して凝集粒子を形成する。
２０Ｖ以上の直流電圧を印加することで、凝集粒子を安定して形成することができる。また、前記直流電圧は、電極間の電流密度が０．００３Ａ／ｃｍ^２以上となる値とすることが好ましい。印加する直流電圧の上限値に制限はないが、装置設計上の制約が小さい点で８０Ｖ以下とすることが好ましい。

この凝集粒子形成のメカニズムは、以下のように考えられる。建設泥水に２０Ｖ以上の高い電圧が印加されると、水が効率よく電気分解し、陽極では水素イオンが生じて酸性になり、陰極では水酸化物イオンが生じてアルカリ性になる。このとき、陽極では、土の微粒子中に存在する鉄、アルミニウム及びカルシウム等の金属イオンが水素イオンとの交換により溶出し、陰極側へ移動する。この金属イオンが陰極で水酸化物イオンと結合し、沈殿性の水酸化物を形成する。この沈殿性の水酸化物が核となって土粒子凝集体（凝集粒子）の形成が開始される。凝集粒子が大きくなるにつれて周辺の微粒子に作用する引力が大きくなり、該微粒子を取り込むことで凝集粒子が成長する。また、電気場および電気熱で発生する対流場において、凝集粒子同士の衝突も発生するため、凝集粒子のサイズが大きくなるだけでなく、重さも大きくなり、崩れにくい凝集粒子になる。
他方、印加電圧が低い場合には、前述した水の電気分解は殆ど起こらないため、土の微粒子は電気泳動によって正極側に移動し、電極に付着するに留まる。このため、微粒子が凝集し、大きく崩れにくい粒子を形成することはない。

建設泥水に直流電圧を印加する時間は限定されないが、十分に粒径が大きく崩れにくい凝集粒子を得る点で、２０分以上が好ましく、３０分以上がより好ましい。他方、ある一定時間を超えて直流電圧を印加しても、凝集粒子の成長速度が漸減するため、短時間で処理を終える点からは、直流電圧を印加する時間は、２時間以下が好ましく、６０分以下がより好ましい。

第１実施態様では、建設泥水の濃度に応じて、直流電圧の印加前に希釈を行ってもよい。建設泥水を希釈することによって、その粘度が低下して流動性がよくなるため、微粒子の凝集が容易になる。建設泥水を希釈する際には、ファンネル粘度計で計測した粘性が２６秒以下となるように調整することが好ましい。

第１実施態様では、直流電圧の印加により凝集粒子を形成した建設泥水を、自重により固液分離してもよい。固液分離処理により、含水比の少ない固形分と固形分量の少ない水とが得られるため、その後の固形分及び水の更なる処理が容易になる。また、固液分離を自重により、すなわち積極的に加圧ないし減圧を行うことなく実施することで、使用するフィルターの目詰まりが生じにくくなる上に、分離された固形分の密度上昇が抑えられ、その後の脱水等の更なる処理が容易となる。

第１実施態様では、前記自重による固液分離の後、得られた固形分を更に真空脱水し、含水比４０％以下の建設発生土としてもよい。含水比４０％以下の建設発生土は、工作物及び建築物の埋戻し、土木構造物の裏込め、道路、鉄道及び空港の盛土、河川築堤、土地造成並びに水面埋立等に利用することができるため、真空脱水処理は、システムの簡便さと廃棄物減量の点で好ましい。

［建設泥水処理装置］
次に、本発明の第２の実施態様（以下、「第２実施態様」と記載する。）に係る建設泥水処理装置について、図面を参照しながら説明する。
第２実施態様に係る建設泥水処理装置１は、図１に示すように、建設泥水を貯留する貯留槽２、該貯留槽２内に設けられた、陽極３１及び陰極３２からなる少なくとも１対の電極３、並びに前記電極３に電気的に接続され、前記陽極３１及び前記陰極３２の間に２０Ｖ以上の直流電圧を印加する直流電源４を備える。

貯留槽２は、処理対象となる建設泥水を貯留できるものであれば、材質及び形状等は限定されない。貯留槽２の材質としては、例えば塩化ビニルやポリエチレン樹脂などが挙げられる。また、該貯留槽２は、１つの材質で形成されてもよく、複数の材質を組み合わせて形成されてもよい。貯留槽２の形状としては、例えば円筒状、四角形を始めとする多角形の底面を有する筒状、中空の球ないし半球状等が挙げられるが、応力集中を避け、耐水圧性能のよい円筒状もしくは半球状が好ましい。また、図１中では、貯留槽２の構造としてバッチ処理用のものを示しているが、フロー処理用の構造を有するものとしてもよい。

貯留槽２は、図２に示すように、建設泥水を固液分離する剛性フィルター５と、剛性フィルター５で分離された液体成分を槽外に排出する排出口６とを更に備えてもよい。貯留槽２に剛性フィルター５と排出口６とを配置することで、直流電圧の印加によって土微粒子が凝集・沈降した建設泥水を、輸送等のハンドリングを行うことなくそのまま濾過することができるため、ハンドリングに伴う凝集粒子の破壊と微粒子の発生、及び該微粒子によるフィルターの目詰まりが抑制され、固液分離をスムーズに行うことができる。

剛性フィルター５は、剛性を有する、すなわち付着した固形分を除去すべく通常の条件で逆洗した際に、変形ないし破損を生じないものであれば、材質及び形状は限定されない。また、剛性フィルター５の開口の大きさは、固液分離後の液体成分に求められる清澄度に応じて適宜決定すればよい。剛性フィルター５の例としては、積層焼結金網、プラスチック焼結多孔質体、セラミック焼結多孔質体及びなどポーラスメタルなどが挙げられる。

剛性フィルター５は、図２（ａ）に示すように、貯留槽２の下方に、底面と略平行に配置してもよいが、図２（ｂ）に示すように、貯留槽２の側壁に沿って配置することが、貯留槽２内に沈降した凝集粒子によって排水が阻害されにくく、また透過面積も広い点で好ましい。

建設泥水処理装置１における電極３は、陽極３１及び陰極３２からなる。なお、「陽極」及び「陰極」はそれぞれ、「正極」及び「負極」と呼ばれることもあるが、本実施態様では、上述したとおり水の電気分解が起こって電流が流れるため、「陽極」及び「陰極」の語を用いる。また、図１中には一対の電極３のみが図示されているが、複数対の電極３を備える装置も第２実施態様に含まれる。
電極３は、貯留槽２内の建設泥水に所期の直流電圧を印加できるものであれば、材質及び形状等は限定されない。また、陽極３１と陰極３２とを同じ材質で、同一形状に形成してもよく、両者を異なる材質で、又は異なる形状に、それぞれ形成してもよい。電極３の材質としては、例えばステンレス、チタン、アルミニウム、炭素及び白金などが挙げられる。また、電極３を構成する陽極３１及び陰極３２はそれぞれ、１つの材質で形成されてもよく、コーティング等により複数の材質を組み合わせて形成されてもよい。陽極３１は腐食されやすいため、不溶性の酸化イリジウムで被覆した金属電極、又は消耗性ではあるが安価な炭素電極等を用いることが好ましい。電極３の形状としては、例えば平板状、曲板状、筒状、棒状及び網状等が挙げられる。

電極３は、建設泥水を流通可能な開口部を有する形状としてもよい。電極３をこのような形状とすることにより、建設泥水の流動及び泥水中の土粒子の移動を妨げることなく効率よく凝集させることができる。このような形状を得るためには、パンチングメタル、エキスパンドメタル又は金属網などで電極３を形成すればよい。

電極３を構成する陽極３１と陰極３２との距離は、処理対象となる建設泥水の性質、貯留槽２の大きさ及び使用する直流電源４の性能等に応じて適宜設定すればよい。一例として、４０〜２００ｍｍが挙げられる。
陽極３１及び陰極３２の貯留槽２内での配置も限定されず、図１に示されるような陽極３１と陰極３２とが対向する配置の他、貯留槽２の中央部に配置された一方の電極を他方の電極が取り囲む配置としてもよい。貯留槽２内に剛性フィルター５を設ける場合には、上述したように凝集粒子の沈降が陰極３２側に生じることを考慮して、剛性フィルター５に近い側に陰極３２を配置することが、固液分離をスムーズに行う点で好ましい。

直流電源４は、電極３に電気的に接続され、対になる電極、すなわち陽極３１と陰極３２との間に２０Ｖ以上の直流電圧を印加できるものであればよい。処理対象となる建設泥水の性質に応じて印加する電圧を調節する点からは、電源電圧を変更可能なものが好ましい。

建設泥水処理装置１は、図１に示すように、貯留槽２の後段に、固液分離後の剛性フィルター５に付着した固形分を脱水する真空脱水機７を備えてもよい。真空脱水機７で固形分の脱水処理を行うことで、含水比４０％以下の建設発生土が得られ、上述した種々の用途に利用できる。真空脱水機７は、減圧ないし吸引により固形分から水分を除去するものであれば、構造等は限定されず、一例として図３に示す構造のものが使用できる。
図３に示される真空脱水機７は、湿潤状態の土粒子凝集体を収容する上部容器７１、及び真空吸引と分離水の貯留とを行う下部容器７２を備える。上部容器７１と下部容器７２との間には、ゴムパッキン（図示せず）が挟まれており、止水構造となっている。上部容器７１の下部には、波状剛性フィルター７３が設置されている。波状剛性フィルター７３の材質及び形状は、脱水時に生じる圧力差に耐えられるものであれば限定されない。波状のフィルターを使用することで、有効濾過面積が大きくなり、濾過と脱水の効率が高くなる。真空吸引は下部容器７２に接続された真空ポンプ（図示せず）によって行い、分離した水は下部容器７２に収容される。他方、土粒子凝集体は、真空脱気によって水分が除去され、含水比の低い建設発生土として上部容器７１から排出される。

建設泥水処理装置１は、図１に示すように、貯留槽２の前段に、貯留槽２に供給する建設泥水を希釈する希釈槽８を備えてもよい。希釈槽８を設けることで、建設泥水の粘度を微粒子が凝集しやすいものに調整できるため、処理槽２における処理を効率的に行うことができる。
なお、建設泥水処理装置１は、排出口６及び／又は真空脱水器７からの排水を希釈槽８に供給する流路（図１中には図示せず）を更に備えてもよい。

［現場（オンサイト）での建設泥水の処理例］
以下、本実施態様を地盤掘削や地盤改良工事が行われている現場（オンサイト）での建設泥水の処理に適用した例について、図面に基づいて具体的に説明する。

図４は、本実施態様による建設泥水処理装置及びこれを用いた建設泥水の処理フローを模式的に示すものである。本例ではまず、地盤掘削または地盤改良などで発生する泥水を原液泥水として一時貯留槽に収容する。この一時貯留槽は、剛性の容器やタンク、又は遮水シートを敷設したトレンチでもよく、泥水の発生量が少ない場合は設けなくてもよい。

次に、この一時貯留槽の原液泥水を希釈槽８に移送して、原液泥水の粘性や比重に応じて２〜５倍程度に希釈する。希釈槽８は、一時貯留槽同様に、剛性の容器やタンク、又は遮水シートを敷設したトレンチでもよい。また、泥水を希釈する必要がない場合は設けなくてもよい。

続いて、前記希釈した泥水を貯留槽２に移送する。貯留槽には、陽極３１と陰極３２とからなる電極３が設置されており、槽内の泥水に２０Ｖ以上の直流電圧を印加して電気化学的処理を行う。電気化学的処理した泥水は水と土壌粒子凝集体の混合物となり、この混合物を予め貯留槽２に設置した剛性フィルター５を用いて一次分離を実施する。一次分離により固形分と分離された水は、貯留槽２の下部に設置した排水口６から排水される。本例では、一時分離を自重によって行っているが、貯留槽２の上部に気密性の蓋を設置し、貯留槽２内に空気圧を加えることにより、分離を加速させることも可能である。固液分離は基本的に泥水の自重によって為されるため、剛性フィルター５の目詰まりは殆ど発生しない。また、仮に目詰まりが発生した場合でも、フィルターの剛性が高いため、堆積した土壌粒子凝集体を排出した後に、高圧水による逆洗浄によって容易に除去可能である。
排水口６から排水された水は、別途浄化処理をして清澄水とした後、自然環境に放流してもよく、流路９１を通じて希釈槽８へと供給し、原液泥水の希釈に循環利用してもよい。また、剛性フィルター５として開口の十分小さなものを採用した場合には、排水口６から排水される水が清澄水となるため、そのまま自然環境に放流することもできる。
なお、泥水の性質及び発生量によっては、一次分離を省略してもよい。

続いて、一次分離により分離された湿潤状態の固形分を貯留槽２から排出し、真空脱水機７に供給して二次分離を行い、含水比４０％以下の建設発生土と水とを得る。得られた水は、別途浄化処理をして清澄水とした後、自然環境に放流してもよく、流路９２を通じて希釈槽８へと供給し、原液泥水の希釈に循環利用してもよい。

以下、実施例に基づいて本実施態様をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

［実施例１］
シールドトンネル掘削工事現場から排出された泥水（比重：１．１６）６００ｍＬを希釈槽に供給し、水を加えて撹拌して２４００ｍＬに希釈した。希釈後の泥水の比重は、１．０４であった。
希釈後の泥水を、直径３０×高さ２２０ｍｍの酸化イリジウム被覆のチタン製網状陽極と直径１２０×高さ２２０ｍｍのステンレス製パンチング板陰極とが４５ｍｍ隔てて配置された貯留槽に供給して両電極を泥水中に浸漬し、３０Ｖの直流電圧を３０分間印加した。通電中の電流値は平均で３．２Ａであり、電流密度は０．００１６Ａ／ｃｍ^２であった。
通電後の泥水を、貯留槽の内部に側壁に沿って立設された積層焼結金網製の剛性フィルター（孔径：０．４５μｍ）で自重により濾過して一次分離したところ、１３分で全量の濾過が完了した。このとき、除去された水量は８４８．５ｇであった。
一次分離後に剛性フィルター上に残存した湿潤状態の固形分を、波状剛性フィルター（孔径：０．４５μｍ）を備える真空脱水機に供給し、波状剛性フィルター上に残存した固形分の表面が乾燥状態になり、亀裂が発生してからさらに５分間の吸引による二次分離を行った。このとき、除去された水量は１４８７．８ｇであった。
二次分離後に波状剛性フィルター上に残存した固形分を採集して質量（湿潤質量）を測定した後、該固形分を１０５℃で２４時間乾燥した試料の質量（乾燥質量）を測定し、両質量の差「（湿潤質量）−（乾燥質量）」により含水比を算出したところ、３９．８％であった。

［実施例２］
水道水に関東ローム土を分散して調製した模擬泥水（比重：１．２０）１２００ｍＬを希釈槽に供給し、水を加えて撹拌して２４００ｍＬに希釈した。希釈後の泥水の比重は、１．１０であった。
希釈後の泥水を、実施例１と同様の貯留槽に供給し、２０Ｖの直流電圧を３０分間印加した。通電中の電流値は平均で２．８Ａであり、電流密度は０．００１４Ａ／ｃｍ^２であった。
通電後の泥水を、実施例１と同様に一次分離したところ、８分で全量の濾過が完了した。このとき、除去された水量は１０７５．８ｇであった。
一次分離後に剛性フィルター上に残存した湿潤状態の固形分を、実施例１と同様に二次分離を行った。このとき、除去された水量は１２３８．７ｇであった。
二次分離後に波状剛性フィルター上に残存した固形分の含水比を実施例１と同様に算出したところ、２６．３％であった。

本発明に係る建設泥水処理方法によれば、地盤掘削又は地盤改良工事等において発生する建設泥水を短時間で固液分離することができる。また、本発明に係る建設泥水処理装置は、構成が単純であるため、地盤掘削や地盤改良工事が行われている現場（オンサイト）で建設泥水を処理することができる。さらに、本発明によれば、建設泥水から含水比が４０％以下の建設発生土と清澄水とを直接得ることも可能である。含水比が４０％以下の建設発生土は、工作物及び建築物の埋戻し、土木構造物の裏込め、道路、鉄道及び空港の盛土、河川築堤、土地造成並びに水面埋立等の各種用途に利用できる。また、清澄水は、環境中にそのまま放流することができる上、コンクリートの混練水等としての再利用も可能である。このため、本発明は、従来は処理が困難であった建設泥水の処理及び再資源化を可能とする点で有用である。

１ 建設泥水処理装置
２ 貯留槽
３ 電極
３１ 陽極
３２ 陰極
４ 直流電源
５ 剛性フィルター
６ 排出口
７ 真空脱水機
７１ 上部容器
７２ 下部容器
７３ 波状剛性フィルター
８ 希釈槽
９１，９２ 流路

Claims (9)

1. 建設泥水に２０Ｖ以上の直流電圧を印加して、凝集粒子を形成することを特徴とする、建設泥水処理方法。
2. 凝集粒子が形成された前記建設泥水を、自重により固液分離する、請求項１に記載の建設泥水処理方法。
3. 前記固液分離後の固形分を真空脱水し、含水比４０％以下の建設発生土とする、請求項２に記載の建設泥水処理方法。
4. 建設泥水を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽内に設けられた少なくとも一対の電極と、
   前記電極のそれぞれに電気的に接続され、対になる電極間に２０Ｖ以上の直流電圧を印加する直流電源と、
   を備えることを特徴とする、建設泥水処理装置。
5. 前記電極が、建設泥水を流通可能な開口部を有する、請求項４に記載の建設泥水処理装置。
6. 前記貯留槽が、建設泥水を固液分離する剛性フィルターと、該剛性フィルターで分離された液体成分を槽外に排出する排出口とを更に備える、請求項４又は５に記載の建設泥水処理装置。
7. 前記剛性フィルターが、前記貯留槽の側壁に沿って設けられた、請求項６に記載の建設泥水処理装置。
8. 前記剛性フィルターで分離された固形分を脱水する真空脱水機を更に備える、請求項６又は７に記載の建設泥水処理装置。
9. 前記貯留槽の前段に設けられ、該貯留槽に供給する建設泥水を希釈する希釈槽、並びに前記排出口及び／又は前記真空脱水器からの排水を前記希釈槽に供給する流路を更に備える、請求項６〜８のいずれか１項に記載の建設泥水処理装置。