JP5754819B2 - 最終処分場におけるカルシウムの溶出防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、都市ごみ、産業廃棄物、下水汚泥等の廃棄物焼却炉から排出される焼却飛灰に含有されるカルシウムの溶出防止方法に関する。特に、最終処分場浸出水処理施設におけるカルシウム化合物を主とする無機汚泥の発生量を低減して、汚泥脱水設備の稼働率や規模の縮減を可能とすると共に、焼却飛灰に含まれるカルシウムの溶出防止処理に係る炭酸ナトリウム等のアルカリ剤及び脱水助剤等の薬品使用量の低減並びにスケール除去等の維持管理作業を軽減する方法に関する。

都市ごみ、産業廃棄物、下水汚泥等の廃棄物焼却炉から排出される焼却飛灰は、重金属溶出防止のために法令で定められているセメント及び／又はキレート剤を添加して固化した後、最終処分場に埋め立て処理される。最終処分場では、雨水等により生じる浸出水中規制物質の濃度を測定し、規制物質の濃度が規制値以下になった後、浸出水を環境中に放出する。焼却飛灰中には、焼却炉の排気ガス中に含まれる塩化水素ガス等を除去するために使用されるカルシウム化合物（消石灰等）が塩化カルシウムとなって含まれている。該飛灰が最終処分場に埋め立て処分され、該飛灰に含まれる塩化カルシウムが雨水等に溶解することで、カルシウムイオンや塩化物イオンが高濃度に含まれる浸出水が発生する。

浸出水中にカルシウムイオンが溶出することを防止する方法としては、カルシウムイオンを含む有機性汚水を生物処理する前に、カルシウム除去剤をカルシウムイオンに対して当量以上添加して不溶性カルシウム塩を分離する方法が提案されている（特許文献１）。しかし、特許文献１に記載の方法では、カルシウム除去剤を当量以上添加することが必要であり、その上、不溶性カルシウム塩の沈降性が乏しいため凝集槽にて凝集剤を添加し、フロック形成槽にて高分子凝集剤を添加することが必要となり、結果的に多量の薬剤を必要とする。

実際の処理でも、最終処分場浸出水にアルカリ剤を添加して凝集沈殿処理することによりカルシウムイオンを除去するとともに、発生したカルシウム化合物を主とする無機汚泥を脱水処理後に、最終処分場へ埋め立て処分する方法が一般的である（図２）。

このアルカリ剤添加によるカルシウムイオンの除去は、下記反応式（１）によりカルシウムイオンをアルカリ領域で難溶性の炭酸カルシウム汚泥として析出させ、固液分離する方法である。

Ｃａ²⁺＋ＣＯ₃ ^2-→ＣａＣＯ₃ 式（１）
しかし、上記アルカリ剤による凝集沈澱処理では、炭酸カルシウムの不溶化物は凝集性が悪く、凝集剤を添加して凝集処理した後に固液分離を行っても、脱水効率が低く、高含水率の汚泥が得られる。しかも、高含水率の汚泥の発生量が多いために、汚泥の脱水設備として規模の大きなものが必要となる。また、炭酸ナトリウム等のアルカリ剤、脱水助剤等の薬品や脱水機等の電力に多大な維持管理費用が必要となる。

さらに、化学反応により発生したスケールの除去等の維持管理作業が負担となるなどの問題点があった。

特公平７−１００１５５号公報

本発明は、上記背景技術に鑑み、最終処分場浸出水処理施設におけるカルシウム化合物を主とする無機汚泥の発生量を低減して、汚泥脱水設備の稼働率や規模の縮減を可能とすると共に、焼却飛灰に含まれるカルシウムの処理に係る炭酸ナトリウム等のアルカリ剤及び凝集剤、凝集助剤、脱水助剤等の薬品使用量の低減並びにスケール除去等の維持管理作業を軽減することができる方法を提供することを課題とする。

本発明は、最終処分場において、アルカリ金属炭酸塩を加えて浸出水中の溶出カルシウムを処理する方法において、カルシウムを含有する焼却飛灰を最終処分場に埋め立て処分する前の段階で、水とアルカリ金属炭酸塩（炭酸ナトリウム又は炭酸カリウム）とを加えることにより、最終処分場におけるアルカリ金属炭酸塩の添加量を低減する方法を提供する。

すなわち、本発明によれば、カルシウムを含有する焼却飛灰を最終処分場に埋め立て処分する方法において、
焼却飛灰が最終処分場に持ち込まれる前にカルシウムの溶出を抑制する前工程と、
最終処分場に持ち込まれた後に浸出水中のカルシウムをアルカリ金属炭酸塩の添加によって分離除去する後工程と、を有し、
前工程は、焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する式（１）：
Ｃａ²⁺＋ＣＯ₃ ^2-→ＣａＣＯ₃ 式（１）
の炭酸イオンの理論当量の0.10〜0.75倍に相当するアルカリ金属炭酸塩、水及びセメントを加えて焼却飛灰と混練する工程を含み、
前工程と後工程のアルカリ金属炭酸塩使用量の合計が、焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する式（１）の理論当量以下であることを特徴とする、最終処分場におけるカルシウムの溶出防止方法が提供される。

焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する炭酸イオンの理論当量の0.2〜0.6倍に相当するアルカリ金属炭酸塩を前記前工程で添加することが好ましい。

最終処分場へ埋め立て処分する前の段階で添加したアルカリ金属炭酸塩の当量以上に飛灰から溶出するカルシウムイオン量が低減されるため、埋め立て処分の前の段階でアルカリ金属炭酸塩を添加しない場合に最終処分場浸出水のカルシウムイオン処理に要するアルカリ金属炭酸塩使用量に比べて、埋め立て処分の前の段階で添加するアルカリ金属炭酸塩使用量と最終処分場浸出水のカルシウムイオン処理に要するアルカリ金属炭酸塩使用量との合計量が少なくなる。即ち、薬剤総使用量が削減できる。また、最終処分場に持ち込まれる飛灰から溶出するカルシウムイオン量が低減されるため、浸出水のカルシウムイオン処理に伴い生成する汚泥処理に要する脱水助剤等についても薬品使用量を低減することができる。

さらに、最終処分場浸出水処理施設におけるカルシウム化合物を主とする無機汚泥の発生量が低減することにより、汚泥脱水設備の稼働率や規模の縮減を可能とすると共に、スケール除去等の維持管理作業を軽減することができる。

上述のように、焼却飛灰に含まれるカルシウムを効率的に処理することができるため、薬剤費、電力費等の処理コストを低減することができる。

本発明の処理方法を示すフロー図である。 従来の処理方法を示すフロー図である。 実施例１のカルシウム溶出試験の結果を示すグラフである。 実施例２のカルシウム溶出試験の結果を示すグラフである。 実施例３の実機プラントにおける飛灰処理の概要を示すフロー図である。 実施例３のカルシウム溶出試験の結果を示すグラフである。 炭酸ナトリウムの添加量と利用率との関係を示すグラフである。 飛灰処理段階と最終処分場浸出水中のカルシウムイオン処理に要する炭酸ナトリウム使用量との合計量を示すグラフである。

図１に本発明の処理フローの一実施形態を示す。

焼却施設においてカルシウム化合物を用いた排ガス処理により生成した塩化カルシウム等を含む飛灰に、セメント及び／又はキレート剤と水とアルカリ金属炭酸塩（炭酸ナトリウム又は炭酸カリウム）を添加して混練して固化する。固化された飛灰は、最終処分場に搬送され埋め立て処分される。最終処分場では、浸出水中の重金属などの規制物質を処理しながら安定化が行われる。浸出水には、反応槽にて炭酸ナトリウム等のアルカリ金属炭酸塩を添加し、混和槽にて凝集剤を添加し、凝集槽にて凝集助剤を添加して、浸出水中のカルシウムイオンを炭酸カルシウムとして沈降させる。次いで、凝集沈殿槽にて、沈降した炭酸カルシウムを固液分離する。固液分離された炭酸カルシウムを含む汚泥に脱水助剤を添加して、汚泥脱水機にて脱水処理する。脱水した汚泥は、最終処分場へ戻される。炭酸カルシウムを除去した浸出水は、硫酸を添加して中和し、砂ろ過後、下水道へ放出する。

本発明の処理方法は、焼却炉から発生する飛灰を最終処分場に搬送する前に、飛灰にアルカリ金属炭酸塩を添加して、飛灰中のカルシウムイオンを溶出しにくい形態に変えて最終処分場に搬送し、最終処分場における浸出水中に溶出するカルシウムイオンの量を削減することを特徴とする。飛灰へのアルカリ金属炭酸塩の添加量は、飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する炭酸イオンの理論当量の0.10〜0.75倍、好ましくは0.2〜0.6倍に相当する量である。アルカリ金属炭酸塩の添加量が上記範囲外では、添加量に対するカルシウムイオンの不溶化効率が低いため、飛灰処理段階と最終処分場浸出水中のカルシウムイオン処理に要するアルカリ金属炭酸塩使用量の合計量は、飛灰処理段階でアルカリ金属炭酸塩を添加しない従来方法と比較してアルカリ薬剤使用量を削減することができない。

アルカリ金属炭酸塩は固体あるいは水に溶解させた状態で飛灰に添加することができる。飛灰へのアルカリ金属炭酸塩添加に加えて、セメントを添加して飛灰を固化する。セメントに加えて、さらにキレート剤を添加してもよい。あるいは、飛灰へのアルカリ金属炭酸塩添加に加えて、キレート剤を添加して飛灰を固化する。

飛灰へのアルカリ金属炭酸塩の添加位置は、飛灰と混練する前であればよく、特に制限されない。

本発明においては、最終処分場への搬入に先立ち、焼却施設において飛灰にアルカリ金属炭酸塩を添加し、カルシウムイオンを炭酸カルシウムとして不溶化する場合に、添加するアルカリ金属炭酸塩の炭酸イオンの理論当量以上にカルシウムイオンが不溶化されるため、飛灰処理段階と最終処分場浸出水中のカルシウムイオン処理に要するアルカリ金属炭酸塩使用量の合計量は、飛灰処理段階でアルカリ金属炭酸塩を添加しない場合のアルカリ金属炭酸塩使用量より削減することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

［実施例１］
Ａプラント（流動床式焼却施設）の燃焼排ガス処理設備のバグフィルタで捕集した飛灰（以下「Ａプラントから発生した飛灰」という。）に、表１に示す量の炭酸ナトリウム（キシダ化学（株）製試薬特級無水Na₂CO₃）とセメント（東洋セメント（株）製普通ポルトランドセメント）と水とを添加して混練した後、底に目開き1mmの金網を敷いた直径114mmのアクリル円筒容器に厚さ25mmまで充填し、密閉状態で1日間養生した。次いで、水250mlをアクリル円筒容器上部から添加して、アクリル円筒容器下部から浸出する水を回収する操作を６回繰り返し、各回で回収した浸出水の量及び浸出水中のカルシウムイオン濃度を測定した。カルシウムイオン濃度の測定は、JIS K 0101の49.2 フレーム原子吸光法に従った。結果を表２及び図３に示す。なお、炭酸ナトリウム添加当量比は、炭酸ナトリウム無添加時の溶出カルシウムイオンに対する式（１）の反応の理論当量を1.0とした場合の比率である。

図３から明らかなように、炭酸ナトリウムを添加しなかった「A」では、積算通水量が250mlでカルシウムイオンが5100mg/lも溶出するのに対して、炭酸ナトリウムを添加した「B」〜「E」ではカルシウムイオンの溶出量を500mg/l以下程度に抑制することができた。特に、炭酸ナトリウムを理論当量の0.5及び0.75倍で添加した「B」及び「C」では、積算通水量が250mlでのカルシウムイオンの溶出量が300mg/l以下、積算通水量1500mlでのカルシウムイオンの溶出量が200mg/l未満となり、カルシウムイオンの溶出を抑制できることが確認できた。

［実施例２］
Ｂプラント（ストーカ式焼却施設）の燃焼排ガス処理設備のバグフィルタで捕集した飛灰（以下「Ｂプラントから発生した飛灰」という。）に、表３に示す条件で炭酸ナトリウムを添加し、実施例１と同様の手順で処理した。結果を表４及び図４に示す。

図４から明らかなように、炭酸ナトリウムを添加しなかった「F」と、炭酸ナトリウムを添加した「G」とを比較すると、「G」におけるカルシウムイオンの溶出量は、「F」の約１／２に抑制できた。

［実施例３］
Ｂプラントから発生した飛灰について、実プラントでセメント（太平洋セメント（株）製普通ポルトランドセメント）と水とキレート剤（ラサ晃栄（株）製コウエイキレート110）と炭酸ナトリウム（セントラル硝子（株）製ソーダ灰UPC-0202）を添加した後、溶出試験を実施し、飛灰からのカルシウムイオン溶出抑制効果を確認した。

図５に示すように、まず、飛灰貯留槽からの飛灰1.3t／日と、セメント130kg／日とを混合機にて混合した。飛灰とセメントとの混合物に、条件Ｆ（炭酸ナトリウム無添加）の溶出カルシウムに基づいて算出した当量比の0.13倍相当の炭酸ナトリウムと、キレート剤30kg／日と水390l／日を添加して混練して、飛灰試料を調整した。飛灰試料を実施例１で用いた円筒容器に厚さ25mmまで充填し、密閉状態で1日間養生した後、実施例１と同様に溶出試験を行った。結果を表５及び図６の「Ｈ」及び「Ｉ」に示す。

図６から明らかなように、実機においても炭酸ナトリウムを添加する本発明のカルシウム溶出抑制効果が確認できた。

実施例１〜３の結果に基づいて、下記式（２）より求めた炭酸ナトリウムの添加量と利用率との関係を表６及び図７に示す。

図７から明らかなように、飛灰処理段階で添加した炭酸ナトリウムの添加量が理論当量よりも少ないほど利用率が高く（反応効率が高い）、添加した炭酸ナトリウムが理論当量の0.75倍以下で利用率は100%以上となり、炭酸ナトリウムとカルシウムイオンとの反応の理論当量以上にカルシウムイオンの溶出量が削減できていることが確認された。また、実施例３により、飛灰処理段階で飛灰に炭酸ナトリウムおよびセメントを加え、さらにキレート剤を添加しても、キレート剤が添加されていない実施例１および実施例２と同様の炭酸ナトリウム利用率が確認された。

図８に、飛灰処理段階で炭酸ナトリウムを添加せずに最終処分場浸出水に炭酸ナトリウムを添加した場合にカルシウムイオンの溶出を防止するために必要な添加量を基準（総必要当量比＝1.0）として、本発明の方法による飛灰処理段階で添加した炭酸ナトリウムの添加量及び最終処分場浸出水に添加した炭酸ナトリウムの添加量の合計量を総必要当量に対する比で示した。図８から明らかなように、飛灰処理段階で焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する炭酸イオンの理論当量の0.10〜0.75倍に相当する炭酸ナトリウムを添加することにより、炭酸ナトリウムの総必要量を、飛灰処理段階で炭酸ナトリウムを添加しない場合の最終処分場浸出水のカルシウムイオンの総必要当量比1.0以下に削減できる。飛灰処理段階で溶出カルシウムに対して理論当量の0.2〜0.6倍に相当する炭酸ナトリウムを添加すると炭酸ナトリウムの総必要量を最も削減できる。

焼却施設における飛灰処理段階で添加する炭酸ナトリウムが当量以上のカルシウムイオンの溶出抑制効果を示す理由は、飛灰中でゼオライト等への鉱物化反応が進行し、鉱物中にカルシウムが取り込まれて、カルシウムイオンが溶出しにくくなるためと考えられる。

Claims (3)

1. カルシウムを含有する焼却飛灰を最終処分場に埋め立て処分する方法において、
   焼却飛灰が最終処分場に持ち込まれる前にカルシウムの溶出を抑制する前工程と、
   最終処分場に持ち込まれた後に浸出水中のカルシウムをアルカリ金属炭酸塩の添加によって分離除去する後工程と、を有し、
   前工程は、焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する式（１）：
   Ｃａ²⁺＋ＣＯ₃ ^2-→ＣａＣＯ₃ 式（１）
   の炭酸イオンの理論当量の0.10〜0.75倍に相当するアルカリ金属炭酸塩、水及びセメントを加えて焼却飛灰と混練する工程を含み、
   前工程と後工程のアルカリ金属炭酸塩使用量の合計が、焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する式（１）の理論当量以下であることを特徴とする、最終処分場におけるカルシウムの溶出防止方法。
2. 焼却飛灰からの溶出カルシウムイオンに対する炭酸イオンの理論当量の0.2〜0.6倍に相当するアルカリ金属炭酸塩を前記前工程で添加することを特徴とする請求項１に記載の最終処分場におけるカルシウムの溶出防止方法。
3. 前記前工程において、キレート剤をさらに添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の最終処分場におけるカルシウムの溶出防止方法。