JP6872101B2 - 重金属類を含む廃棄物の処理装置およびそれを用いた重金属類を含む廃棄物の処理方法 - Google Patents
重金属類を含む廃棄物の処理装置およびそれを用いた重金属類を含む廃棄物の処理方法 Download PDFInfo
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Description
[(B−2)−(A−2)]=(C−2) ・・・式(2)
また、装置全体が大型化せず、低コストで製造できる。また、液体と分離して回収した廃棄物は水分の少ない状態であり、取り扱いや搬送、管理等に便利であり、例えば、炭化された廃棄物を短期間で燃料や土壌改良材等に加工し得る。
密閉容器12の形状は、例えば、矩形箱形、立体多角筒形、円筒形、樽型、ドラム型等その他任意形状でよいが、下面側に設けられている排出口16から重力を利用して排出されるような形状が好ましい。密閉容器12の下面が排出口16へ向けて下り傾斜に設けられていると好適である。
図2は、図1の重金属類を含む廃棄物の処理装置の排出口周辺の拡大一部断面説明図である。
図3(a)は、図1に示した分離回収手段の一部を説明する説明図であり、図3(b)は、図1に示した分離回収手段の他の例を説明する説明図であり、図3(c)は、混合物をベルトコンベア装置に供給して移動中に廃棄物と液体を分離する分離回収手段の例を説明する説明図であり、図3(d)は、図3(c)に示した分離回収手段の他の例を説明する説明図である。
図4は、形成されたトバモライトの層状結晶構造を模式的に説明する説明図である。
図5は、クロム、鉛イオンがトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる状態を説明する説明図である。
図6は、亜臨界水反応を行なう際の反応領域を説明する説明図である。
図7は、重金属類の種類と亜臨界水処理による固化率(原料下水脱水汚泥中の重金属濃度に対する処理汚泥の濃度減少分の比率)の平均値及び標準偏差の関係を示す説明図である。
そしてこの層状結晶構造形成過程で、重金属類は前記カルシウムイオンとイオン交換反応によりカルシウムイオンを置換して層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる。重金属類はトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められ、そのために溶出が抑制される。
しかし前記水熱反応を行うとSiO2成分の一部が水に溶解して珪酸イオンとなり、このSiO2成分がトバモライト層状結晶形成に寄与しない場合が発生する。そこで、前記式(3)を満足するSiO2成分に、その分だけ予め多く配合することが好ましい。
投入部20は、本実施形態では、密閉容器12に上側に投入口42が開口されており、投入口42には上方へ突設された投入筒43が取り付けられ、投入筒43内を開閉するように例えばボールバルブ等の開閉機構24が設けられている。
分離回収手段18の1例は、前記のように、図1および図3(a)に示されている。図3(a)は、図1に示した分離回収手段の一部を説明する説明図である。
図3(b)に示すように、排出口16付近で処理された前記廃棄物と前記液体の混合物は一旦回収容器50−2に回収する。そして、回収容器50−2の側壁に設置した回転軸54を中心として図示しない制御された駆動装置により駆動して回収容器50−2を回転させて傾けて、前記液体を他の回収容器50−4に回収する。前記液体を分離された前記廃棄物は回収容器50−2内に残留している。
図3(c)に示すように排出口16付近で処理された前記廃棄物と前記液体の混合物は、前記廃棄物は通過させないが前記液体を通過させるステンレス製メッシュ56により形成されたベルトを備えたベルトコンベア装置80−1のベルトの一端部上に供給される。するとステンレス製メッシュ56により、前記液体は分離されてベルトコンベア装置80−1の下部に配置された他の回収容器50−5内に回収される。
前記廃棄物はベルトコンベア装置80−1のベルトの進行方向の末端部において重力により分離されて下方に落下し、回収容器50−6に回収する。
図3(d)に示すように排出口16付近で処理された前記廃棄物と前記液体の混合物は、水平方向に対して角度θだけ傾斜させて配置した合成ゴムなどで作成されたベルトを備えたベルトコンベア装置80−2のベルトの一端部上に供給される。
しかし、重金属類の水溶性化合物を液体から分離する必要がある場合は二次処理する必要がある。
処理すると、廃棄物に予め含まれるCa成分や新たに添加したCa成分と廃棄物に予め含まれるSiO2成分や新たに添加したSiO2成分が水熱反応して、安定なケイ酸カルシウム(5CaO・6SO2・5H2Oトバモライト)と称される鉱物の層状構造を有する結晶が形成され、この層状結晶構造形成過程で、重金属類は層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる。
また、廃棄物に含まれる(あるいは付着している)病原体等は十分に滅菌されるとともに、悪臭成分等を分解しながら処理される。
また、処理中では、廃棄物と同時に廃棄物に含まれる水分も高温高圧の蒸気で処理される。このような処理を所要時間、例えば、約40分間行なうと、廃棄物中の有機物は、例えば、0.3〜0.8mm程度の粒状に破砕された炭状態に処理される。
また病原微生物やウィルス等の滅菌・破壊を行え、農薬等の有害化学物質の分解及び重金属類の固化による溶出抑制等ができるなど様々な環境安全性を確保できる特徴がある。
(1)農耕地土壌改良材:下水汚泥の亜臨界水処理は安定した加水分解処理が行え、顆粒化された状態で生成できるため、利便性の高い緑農地土壌改良材とすることができる。
(2)汚泥有機肥料:下水汚泥は乾燥化や発酵させ、肥効成分や重金属の農用基準等の安全性を確認できれば「普通肥料」の一種として利用できる。
高分子の有機物が加水分解されているため微生物分解、すなわち一次発酵の速度が速くなると同時に、ガス収率が高くなる。たとえばメタン発酵の場合は約1.5〜2.8倍にメタンガス収率が増強され、マテリアルやエネルギー回収率の増強が可能となる。
また生活系生ごみや食品廃棄物等との混合処理も可能で、下水処理場で合同処理した場合、メタン発酵発電により電力と熱源自給システムも可能となる。
以上のように様々な利用性があるが、いずれにしても重金属類の安全性確保は重要な課題となる。
(1)試験装置:図1に示した亜臨界水処理装置は実用タイプのものとし、反応容積2m3のバッチ処理タイプである。ボイラー能力500kg/hのものを用いた。
(2)試験条件:有機物の加水分解が主反応となる亜臨界水領域は温度200°C前後、圧力は当該温度の飽和蒸気圧で1.2〜1.6MPaである。温度・圧力条件がこれより高いと過分解となり養分の損失が生じる領域となる。したがって温度は180〜200°Cの範囲とした。
(3)試験操作:Ca成分およびSiO2成分が予め少ないことが判っている下水脱水汚泥(含水率約78質量%)を前記亜臨界水処理装置内での処理中に少なくとも下水脱水汚泥300Kgに含まれる重金属類をトバモライト結晶構造中に封じ込めるためのトバモライトが形成されるのに十分な量のCa成分原料[CaO)]10KgおよびSiO2成分原料[シリカ(SiO2)]13Kgを添加し、Ca成分原料およびSiO2成分原料を下水脱水汚泥とよく混和して添加混合後の原料を投入後、亜臨界水反応条件になるまで蒸気を圧入し、この所定条件を保ちながら必要時間の亜臨界水処理を行った。この反応時間は30minから1時間の範囲である。反応終了後は常温まで冷却し、脱気し常圧に戻したあと液化した成分を含む液体10Kgを分離し、次いで前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥約300Kg強(飽和蒸気の水和反応が起こり重量がやや増加)、を分離し取り出した。
昭和48年総理府令第5号に基づく重金属の溶出試験法に準拠した。
前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥の分析結果の内の2つの例を表1および表2に示す。
下水汚泥の全国調査結果から、表3中に記載の土壌環境基準の最大値を亜臨界水処理によってクリアできれば、下水汚泥重金属に関する安全化を全国的に安心して図れることになる。
表3から、Pbは最大値が約180mg・kg−1であり、図7に示したPbの固化率平均45%を適用すると、亜臨界水処理を行った後に約99mg・kg−1となり、100mg・kg−1を僅かであるが下回り表1〜表3に示した肥料基準値以下となる。
表3から、Cdは最大値が7.4mg・kg−1であり、図7に示したCdの固化率平均約58%を適用すると、亜臨界水処理を行った後に約3.1mg・kg−1となり表1〜表3に示した肥料基準値を下回る。
表3から、Asは最大値が101mg・kg−1であり、図7に示したAsの固化率平均約57%とすると、亜臨界水処理を行った後に約44mg・kg−1となるので、表1〜表3に示した肥料基準を満足する。
同様にして表3から、Hgは最大値が7.3mg・kg−1であり、図7に示したHgの固化率平均約78%とすると、亜臨界水処理を行った後に約1.6mg・kg−1となるので、表1〜表3に示した肥料基準を満足する。
表3から、Znは最大値が3020mg・kg−1であり、図7に示したZnの固化率平均約75%をすると、亜臨界水処理を行った後に約755mg・kg−1となるが、亜鉛、銅については肥料基準ではなく土壌濃度基準にしており、下水汚泥を肥料として施用後の土壌と混合した時に、120mg・kg−1となることが求められている。注意深い施用によって、表1〜3に示した土壌環境基準を守ることが出来る。
表3から、Niは最大値が417mg・kg−1であり、図7に示したNiの固化率平均約60%とすると、亜臨界水処理を行った後に約167mg・kg−1となるので、表1〜表3に示した肥料基準を満足する。
前記のように、どの重金属類も亜臨界水処理後は溶出基準値以下であることが確認された。
分離した前記液体についても、前記の分析方法で、肥料成分を含む一般有機成分と重金属類および微量化学物質の理化学分析を行った一例を次に示す。
前記液体中の92.7質量%はpH4.8の水であった。前記液体中の固形分中の有機炭素は3.6質量%であった。
全窒素 6.700mg/L
全燐酸(P2O5) 2.100mg/L
重金属:
Cr 0.3mg/L
Pb 0.01mg/L
Cd 0.01mg/L未満
As 0.27mg/L
Hg 0.0005mg/L未満
Zn 43.05mg/L未満
Cu 2.1mg/L
Ni 0.6mg/L
亜臨界水処理設備の構成は、図1にも示したように、(1)高圧蒸気ボイラー、(2)圧力タンク(撹拌機付)、(3)温度圧力制御盤、(4)原料及び処理性製品の投入・移送・貯留設備の4つである。
主な投入資源はボイラー用燃料(A重油等)と駆動モーター及び水である。これらのエネルギー消費量は処理量当たり、水約20L/t、電力消費量は25kwh/t程度である。
以上のように、亜臨界水処理により、下水汚泥を安全な有機質資源にできることを示した。我が国では農業経済の衰退傾向から農業従事者の減少とともに遊休農地が拡大している。農業生産は生活を支える基盤産業として重要であり、地域生産の向上策は重要である。このためには農耕地土壌を活性化させ再生生産能力のある土壌づくりは重要である。
12 密閉容器
14 蒸気噴出手段
16 排出口
18 分離回収手段
18−1,18−2 ベルトコンベア装置
26 開閉機構
30 撹拌手段
50−1〜50−8 回収容器
70 冷却手段
Claims (5)
- 重金属類を含み、土粒子を含有する下水汚泥、および前記下水汚泥中の有機廃棄物の炭化処理中に少なくとも前記重金属類を5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)構造中に封じ込めるための5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)が形成されるのに十分な量のCa成分原料およびSiO2成分原料を収容する閉鎖空間を有する密閉容器と、
前記下水汚泥中の固形物を粉砕しながら、前記Ca成分原料およびSiO2成分原料と撹拌混合する撹拌手段と、
密閉容器内に収容され、前記撹拌手段により粉砕、混合されつつある前記下水汚泥およびCa成分原料およびSiO2成分原料に、高温高圧の水蒸気を噴射して処理し、前記重金属類が閉じ込められた5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)構造の層を前記下水汚泥中の土粒子上に形成するための高温高圧の水蒸気を噴出する蒸気噴出手段と、
処理後に密閉容器内の蒸気を冷却して液化するための冷却手段と、
密閉容器内の底側に設けられ開閉機構を有する排出口と、
排出口から処理された前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む固形物と液化した成分を含む液体との混合物を排出し、排出した前記混合物から前記固形物と前記液体を分離する分離回収手段とを備えた重金属類を含み、土粒子を含有する下水汚泥の処理装置であって、
前記分離回収手段は、前記混合物を一旦回収容器に回収してから前記廃棄物と前記液体を分離する分離回収手段および/または前記混合物をベルトコンベア装置に供給して移動中に前記廃棄物と前記液体を分離する分離回収手段であることを特徴とする重金属類を含み、土粒子を含有する下水汚泥の処理装置。 - 開閉自在の排出口を有するとともに閉鎖空間を有する密閉容器の内部に、重金属類を含み、土粒子を含有する下水汚泥、および前記下水汚泥中の有機廃棄物の炭化処理中に少なくとも前記重金属類を5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)構造中に封じ込めるための5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)が形成されるのに十分な量のCa成分原料およびSiO2成分原料を収容させる工程と、
前記下水汚泥中の固形物を粉砕しながら、前記Ca成分原料およびSiO2成分原料と撹拌混合する工程と、
密閉容器内に収容され、前記撹拌手段により粉砕、混合されつつある前記固形物およびCa成分原料およびSiO2成分原料に、高温高圧の水蒸気を噴射して処理し、前記重金属類が閉じ込められた5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)構造の層を前記下水汚泥中の固形物上に形成するための高温高圧の水蒸気を噴出する工程と、
処理後に密閉容器内の蒸気を冷却して、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体とするための工程と、
前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された下水汚泥中の固形物とを分離回収する工程と
を備えたことを特徴とする重金属類を含む廃棄物の処理方法。 - 重金属類を含む下水汚泥中に予め含まれるCa成分の含有量(A−1)およびSiO2成分の含有量(A−2)を分析して求め、かつ処理中に少なくとも前記重金属類を5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)構造中に封じ込めるための5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)が形成されるのに十分な量のCa成分(B−1)およびSiO2成分の量(B−2)を算出し、下記の式(1)および式(2)により、重金属類を含む下水汚泥に添加するCa成分原料の添加量(C−1)およびSiO2成分原料の添加量(C−2)を求め、重金属類を含む下水汚泥にCa成分原料(C−1)およびSiO2成分原料(C−2)を添加して前記処理を行うことを特徴とする請求項2記載の処理方法。
[(B−1)−(A−1)]=(C−1) ・・・式(1)
[(B−2)−(A−2)]=(C−2) ・・・式(2) - 前記重金属類が、クロム、鉛、カドミウム、砒素、水銀、亜鉛、銅、ニッケルから選択される少なくとも1つであり、前記重金属類が処理後の下水汚泥中の5CaO・6SiO2・5H2O結晶(トバモライト)構造中に封じ込められているので、処理後の下水汚泥は水環境基準、土壌環境基準、特殊肥料基準、食品安全基準から選択される少なくとも1つを満足させるものであることを特徴とする請求項2あるいは請求項3記載の処理方法。
- 前記処理を、120−250℃、1.1−2.1MPaで1−8時間行なうことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の処理方法。
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