JP4408226B2 - 鉛を含む土壌の処理方法 - Google Patents
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土壌汚染対策法によると、有害物質を使用する特定施設を廃止するなどした場合、事業者または土地所有者は、指定調査機関に依頼して、特定施設の跡地の土壌を調査することが義務付けられている。この調査の結果、判定基準を満たさずに不合格となった場合、都道府県知事は、この跡地を「指定区域」として指定するとともに、人の健康に被害が生ずるおそれがある場合には、土地所有者に対して汚染の除去等の措置を命ずることとなっている。
このうち、指定区域内の土壌をその場で無害化するための方法としては、例えば、セメント、薬剤等を用いて有害物質を土壌中に封じ込めて不溶出化する方法等が挙げられる。
また、指定区域内の土壌を他の場所に搬出して処理する方法としては、例えば、管理型処分場で処分する方法や、浄化施設で浄化する方法や、セメント工場で処理する方法等が挙げられる。これらの方法によれば、短期間に大量かつ確実に指定区域内の汚染を除去することができる。
しかし、鉛等の重金属を含む土壌をセメント工場で処理した場合、処理後に得られる焼成物の中に重金属が残存し、この焼成物を原料として製造されるセメントが重金属を含むことになるという問題がある。
この問題を解消するには、例えば、処理対象の土壌に塩化カルシウム等の塩化物を加えて、加熱炉内で加熱し、重金属を塩化揮発させる方法が考えられる。しかし、この場合、焼成物中の塩素の含有量が大きくなり、セメントの品質を低下させるなどの不都合がある。
そのため、鉛を含む土壌を加熱処理して、セメント原料となる焼成物を得るに際して、鉛及び塩素を焼成物中に残存させない方法が求められている。
一例として、1,000〜1,100℃に予熱したロータリーキルンに汚染土壌を投入し、空気を通じながら加熱し、揮発しやすい重金属を揮発させ、汚染土壌から除去する方法が知られている(非特許文献1)。この方法において、揮発せずに残留する重金属は、加熱処理によって水に溶けにくい酸化物に変化する。
しかし、この方法は、汚染土壌中に鉛が含まれている場合、鉛の不溶化をなし得る反面、汚染土壌からの鉛の除去性能については土壌の性状によってバラツキがみられることから、セメント原料の調整法として必ずしも適当ではなかった。
しかし、この方法で得られる処理後の鉱物物質は、スラグ相中に鉛を含むものであり、埋め立て処分用としては問題ないが、セメント原料としては不適当である。
しかし、この方法で得られる焼成物は、塩素を含むことがあり、セメント原料として用いるには不適当である。また、熱処理に伴って発生する排ガス中に塩素ガスが含まれているため、塩素ガスを除去するための装置が必要となるなど、設備面での負担が大きい。
しかし、この方法は、粗い粒子からなる土壌に対しては有効であるが、日本の国内で広く見られる粘土分を多く含む土壌に対しては効果的でないという問題がある。
環境省環境管理局水環境部土壌環境課、"重金属の加熱処理技術"、[online]、[2003年10月14日検索]、インターネット<URL: http://nett21.gec.jp/SGC_DATA/JP/html/sgcj-052.html>
すなわち、本発明の鉛を含む土壌の処理方法は、(A)鉛を含む土壌に対し、1,100℃以上の温度下でも溶融が生じないように、石灰石、生石灰及び消石灰からなる群より選ばれる一種以上であるカルシウム源を加える工程と、(B)前記工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を、加熱炉内で、1,100℃以上の温度下で溶融させずに加熱処理して、鉛を揮発させる工程とを含み、かつ、前記工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質におけるCaO/(SiO 2 +Al 2 O 3 )のモル比が0.7以上となるように、前記工程(A)において、前記カルシウム源を添加することを特徴とする。
前記工程(B)における加熱炉の具体例としては、例えば、ロータリーキルンが挙げられる。この場合、前記鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質は、ロータリーキルンの窯尻側に直接投入することが好ましい。
本発明の方法は、必要に応じて、前記工程(B)の前に、前記鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質をペレット状の粒状物に形成する工程を含むこともできる。
前記工程(B)における加熱処理で得られた焼成物は、セメント原料として用いることができる。
また、鉛の揮発を促進させるための塩化物を添加する必要がないため、セメント原料として好適に用い得る、鉛及び塩素の含有率が小さい焼成物を得ることができる。
本発明の鉛を含む土壌の処理方法は、(A)鉛を含む土壌に対し、1,100℃以上の温度下でも溶融が生じないように、石灰石、生石灰及び消石灰からなる群より選ばれる一種以上であるカルシウム源を加える工程と、(B)工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を、加熱炉内で、1,100℃以上の温度下で溶融させずに加熱処理して、鉛を揮発させる工程とを含み、かつ、工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質におけるCaO/(SiO 2 +Al 2 O 3 )のモル比が0.7以上となるように、工程(A)において、前記カルシウム源を添加することを特徴とするものである。
また、本発明において、必要に応じて、工程(A)と工程(B)の間に、鉛を含む物質をペレット状の粒状物に形成する工程を設けることもできる。
本工程は、鉛を含む土壌に対し、1,100℃以上、好ましくは1,150℃以上の温度下でも溶融が生じないように、石灰石、生石灰及び消石灰からなる群より選ばれる一種以上であるカルシウム源を加える工程である。
鉛を含む土壌としては、鉛を含む汚染物が水を介して土中に拡散して生じる汚染土壌の他、飛灰やスラグ等の鉛を含む物質が外部から加えられて生じる汚染土壌等が挙げられる。
カルシウム源の添加量の上限は、特に制約を受けるものではない。ただし、CaO/(SiO2+Al2O3)のモル比が1.5を超えても、鉛の除去性能が大きく向上することはない。逆に、この場合は、処理対象物である鉛を含む土壌について、単位体積当たりのカルシウムの添加量が過大となり、処理の効率や処理に要するコストが増大するので、好ましくない。
なお、一般的な土壌の成分組成は、SiO2:30〜65質量%、Al2O3:5〜30質量%、Fe2O3:3〜20質量%、CaO:5質量%以下、MgO:1質量%以下、Na2O:1質量%以下である。つまり、一般的な土壌において、CaO/(SiO2+Al2O3)のモル比は、0.2以下である。
工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質は、工程(B)で加熱処理する前にペレット状の粒状物に形成しておくことが好ましい。ペレット状であれば、工程(B)において、加熱炉からの排ガス中のダスト量を減少させることができる。
すなわち、図1に示す装置(後で詳述する)を使用する場合、キルン1内では、鉛等の揮発性重金属が揮発すると同時に、飛散ダストが発生する。そして、飛散ダストの粗粒分がサイクロン6で回収されて再度焼成工程に戻される一方、鉛等の重金属が凝集した微粒分は、バグフィルター9で回収されて系外に排出される。この飛散ダストの発生量が多いと、揮発した重金属の一部が飛散ダストに凝集し、この重金属を含む飛散ダストの相当量が、サイクロン6によって捕集され再度キルン1に戻される。そのため、鉛の除去率を向上させるには、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質2からの飛散ダストの発生量を減らすことが効果的である。一方、飛散ダストの発生量は、キルン1に供給される鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質2の性状に大きく依存する。この観点から、飛散ダストの発生量を減らすには、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質2をペレット化しておくことが好ましいのである。
鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質2をペレット化した場合、このペレット状の粒状物の粒度は、好ましくは1〜20mm、より好ましくは2〜15mmである。該粒度が1mm未満では、飛散ダストの発生量が大きくなり、該粒度が20mmを超えると、該粒状物に対する熱の伝達が不十分となり、鉛の揮発を阻害するおそれがある。
ペレット状に形成する方法としては、例えば、所定の形状の空洞部分を有する型の中に鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を充填した後、所定の圧力(例えば、100〜150MPa)でプレス成形し、次いで、脱型して得られる鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質からなる成形体を砕いて、所定の大きさの粒度を有する粒状物を得る方法や、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質と、水を適当な割合で混合し、パン型のペレタイザー等で成型する方法等が挙げられる。
本工程は、工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を、加熱炉内で、1,100℃以上、好ましくは1,150℃以上の温度下で溶融させずに加熱処理して、鉛を揮発させる工程である。
ここで、「溶融させず」とは、半溶融のような部分的な溶融をも生じさせないことをいう。
また、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質は、少なくとも鉛の揮発が完了するまで溶融しない状態を保つことができれば十分であり、鉛の揮発の完了後に加熱炉内で溶融しても差し支えない。
加熱処理の温度が1,100℃未満では、酸化鉛の蒸気圧が小さいため、鉛を十分に揮発させることができず、焼成物中の鉛の含有率が大きくなる。
本工程において、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を加熱処理して生成する酸化鉛は、1,200℃で100hPa(0.1atm)程度の蒸気圧を生じるものであり、十分な通風及び揮発のための時間が確保されれば、揮発して炉内のガス中に蒸散する。
加熱炉の具体例としては、例えば、ロータリーキルンが挙げられる。ロータリーキルンは、本体である胴部が回転し、かつ炉内に空気等の酸素含有ガスが所定の速度で流通する焼成炉である。鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質は、ロータリーキルン内を転動しながら一方向に徐々に移動していく過程で、炉内を一方向に流通する酸素含有ガスと満遍なく接触し、鉛を酸化鉛等の揮発成分に変えて放出する。なお、鉛の揮発成分には、酸化鉛以外に硫化鉛、塩化鉛等が含まれることがある。
ロータリーキルン等の加熱炉内を流れる酸素含有ガスの流速は、好ましくは1m/秒以上であり、より好ましくは2m/秒以上である。該流速が1m/秒未満では、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質中の鉛を酸化鉛として十分に揮発させることができなくなる。なお、内熱式のロータリーキルンを用いる場合、酸素含有ガスの流速は、ロータリーキルンの窯尻で測定される値として定められる。
鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質と、酸素含有ガスの移動方向が同じ(並流)である場合には、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質は、バーナが設けられた窯前側に投入されるので、投入と同時に、最も高温の雰囲気下に置かれることになる。この場合、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質において、水分の除去(乾燥)と、鉛の揮発と、焼結(クリンカリング)が一時に進行するため、鉛の揮発が十分に行なわれないうちに焼結が完了し、キルンから排出される焼成物中の鉛の含有率が大きくなるおそれがある。
鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質の溶融性は、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質中のSiO2等の各成分の含有割合や、これら各成分の偏在性や、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を構成する粒状物の粒度等によって変動する。そのため、鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を溶融しない状態に保持し得る最高限界温度は、処理対象となる鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質の種類によって異なる。
図1中、ロータリーキルン1の窯尻側から投入された鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質2は、ロータリーキルン1内を転動しながらバーナ3のある窯前側に向かって徐々に移動していき、その過程で乾燥(水分の除去)、鉛の揮発、焼結が順次行なわれる。焼結して生じる焼成物4は、ロータリーキルン1の窯前側から排出され、クーラ(図示せず)内で冷却された後、セメント原料として用いられる。
なお、本発明において、セメントクリンカ製造装置のようにロータリーキルンの窯尻側の上部に配設した仮焼炉に焼成原料(鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質)を投入した場合には、ロータリーキルンからの排ガスに含まれる酸化鉛を主成分とする鉛含有物質が、仮焼炉内の焼成原料(鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質)に付着して再度キルン内に戻されてしまうので、好ましくない。鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質は、ロータリーキルン1の窯尻側から直接キルン内に投入することが好ましい。
排ガス8は、バグフィルター9に導かれ、細粒分(鉛含有ダスト)10と、細粒分が除去された排ガス11とに分離される。なお、バグフィルター9に代えて、湿式集塵機等の他の細粒分捕集手段を用いてもよい。
排ガス11は、酸性ガス除去装置12にて酸性ガスを除去される。浄化された排ガス13は、ファン14によって煙突15に導かれ、大気中に排出される。
なお、排ガス中にダイオキシンを生成し得る物質が含まれている場合には、サイクロン6の前に二次燃焼バーナ及び冷却塔を設けて、ダイオキシンの生成を防止することが望ましい。
[実施例1]
乾燥処理した土壌100質量部に対し、酸化鉛0.3質量部を添加して混合し、試験用土壌とした。なお、乾燥処理した土壌の成分組成は、SiO2:60.0質量%、Al2O3:16.5質量%、Fe2O3:7.9質量%、CaO:5.5質量%、MgO:2.2質量%、Na2O:1.6質量%であった。
この試験用土壌100質量部に対し、石灰石粉末を100質量部添加して混合し、焼成用原料(本発明の鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質;試料)とした。この焼成用原料におけるCaO/(SiO2+Al2O3)のモル比は、0.8であった。
得られた粉状の試料(鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質)を図1に示す設備を用いて、次の手順で処理した。まず、試料をロータリーキルン1の窯尻側から投入した。ロータリーキルン1は、胴部の内径が270mm、胴部の長さが4,500mm、胴部の傾斜が0度、胴部の回転速度が40回/時、焼点温度(バーナ付近の最高温度)が1,240℃、窯尻ガス温度が845℃、被処理物(試料)の滞留時間が40分、窯尻における炉内ガスの流速が4m/秒、胴部の空洞部分の全体積に占める被処理物(試料)の体積の割合(充填率)が1.7%であった。
ロータリーキルンから排出された焼成物中の鉛の含有率は、0.024質量%であった。鉛を含む土壌中の鉛の除去率は、93.3%と算出された。
実施例1と同様な配合で得られた粉体試料100質量部に対し、水15質量部を加え、パン型のペレタイザーを用いて成型し、ペレット状の粒状物(粒度:3〜10mm)を得た。
このペレット状の粒状物を実施例1と同様の条件で処理した。
ロータリーキルンから排出された焼成物中の鉛の含有率は、0.001質量%であった。鉛を含む土壌中の鉛の除去率は、99.5%と算出された。
[比較例1]
石灰石粉末の添加量を50質量部とし、焼成用原料におけるCaO/(SiO2+Al2O3)のモル比を0.4とした以外は実施例1と同様にして実験した。
その結果、焼成物中の鉛の含有率は、0.2質量%であった。鉛を含む土壌中の鉛の除去率は、10.1%と算出された。
2 鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質
3 バーナ
4 焼成物(セメント原料)
5,8,11,13 排ガス
6 サイクロン
7 粗粒分
9 バグフィルター
10 細粒分(鉛含有ダスト)
12 酸性ガス除去装置
14 ファン
15 煙突
Claims (6)
- (A)鉛を含む土壌に対し、1,100℃以上の温度下でも溶融が生じないように、石灰石、生石灰及び消石灰からなる群より選ばれる一種以上であるカルシウム源を加える工程と、
(B)前記工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質を、加熱炉内で1,100℃以上の温度下で溶融させずに加熱処理して、鉛を揮発させる工程と、
を含み、かつ、
前記工程(A)で得られた鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質におけるCaO/(SiO 2 +Al 2 O 3 )のモル比が0.7以上となるように、前記工程(A)において、前記カルシウム源を添加することを特徴とする鉛を含む土壌の処理方法。 - 前記のCaO/(SiO 2 +Al 2 O 3 )のモル比が1.5以下である請求項1に記載の鉛を含む土壌の処理方法。
- 前記工程(B)における加熱炉がロータリーキルンである請求項1又は2に記載の鉛を含む土壌の処理方法。
- 前記ロータリーキルンの窯尻側に前記鉛を含む物質を直接投入する請求項3に記載の鉛を含む土壌の処理方法。
- 前記工程(B)の前に、前記鉛を含む土壌とカルシウム源とからなる物質をペレット状の粒状物に形成する工程を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の鉛を含む土壌の処理方法。
- 前記工程(B)における加熱処理で得られた焼成物を、セメント原料として用いる請求項1〜5のいずれか1項に記載の鉛を含む土壌の処理方法。
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