都市ごみ焼却主灰の最終処分方法
【課題】本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、埋め立てが終了した最終処分場を早期に廃止可能とする都市ごみ焼却主灰の最終処分方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、焼却炉の焼却残渣である都市ごみ焼却主灰の処分方法であって、酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥と、カルシウムアルミネート成分を含む前記都市ごみ焼却主灰とを、攪拌混合して最終処分場に埋め立てることを特徴とする汚泥の最終処分方法、を提供する。
【解決手段】本発明は、焼却炉の焼却残渣である都市ごみ焼却主灰の処分方法であって、酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥と、カルシウムアルミネート成分を含む前記都市ごみ焼却主灰とを、攪拌混合して最終処分場に埋め立てることを特徴とする汚泥の最終処分方法、を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみの焼却処理により発生する主灰を廃棄物最終処分場へ最終処分する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ごみ焼却灰は、主にストーカ式焼却炉あるいは流動床式焼却炉において焼却され、焼却炉の焼却残渣（主灰）は焼却灰として一般廃棄物最終処分場または産業廃棄物の管理型最終処分場に、搬入車両から直接ダンピングされ重機などで成形しながら埋立処分される。その際、混合や分級等の前処理が施されることなく、埋め立てられるのが通常である。管理型最終処分場は、埋立地に遮水工事を施すとともに、自然降雨等による埋立地内の保有水を集水する設備を有する。集水された保有水は適切な水質にまで浄化した後に自然環境へ放流される。
【０００３】
最終処分場は早いもので５年、通常１５年〜２０年で満杯となるが、埋立てが終了した時点でその処分場を廃止できるわけではなく、最終処分場を廃止するためには、以下の廃止要件を満たす必要がある。
１ 保有水等の水質が２年以上にわたって排水基準を満足すること。
２ 埋立地ガスの発生がほとんど認められず、そのガスの発生量の増加が２年以上にわたって認められないこと。
３ 埋立て地の内部温度が周辺の地中温度に比して異常な高温となっていないこと。
【０００４】
最終処分場の埋め立てが終了した時点から、上記廃止要件をみたすようになるまでの水処理の期間が短ければ、それだけ最終処分場を早期に廃止できることとなり、最終処分場の維持管理期間の短縮が計れて好適である。しかし、一般に埋め立て終了時点から廃止までの期間は、２０年程度と長く、この期間を短縮する決定的な手段がなく、十分な技術と更なる改善が求められていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０２０３７号公報
【０００６】
特許文献１には、家庭用ゴミなどの一般廃棄物をはじめ、建設廃材、下水汚泥などさまざまな産業廃棄物を対象として、焼却炉内の損傷やダイオキシンの発生を防止しつつ廃棄物の発生量を低減するために、所定の廃棄物を消石灰が投入された状態にて焼却炉内で焼却して焼却灰を生成し、次に、焼却炉内に炭酸ガスを吹き込むとともに、所定量の水を投入する方法が開示されているが、大量の消石灰を使用するもので、利便性に欠ける面があり、最終処分場の安定化に寄与できる面が少なかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、埋め立てが終了した最終処分場を早期に廃止可能とする都市ごみ焼却主灰の最終処分方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
都市ごみの焼却によって発生する焼却主灰（以下「主灰」）には、少ないもので約３重量％程度、多いもので約１２重量％程度の有機物が未燃焼の状態で残っている。この有機物が、最終処分場内の埋め立て地におけるガスの発生や浸出水の汚濁の原因物質となる。
【０００９】
しかし、埋め立て後の最終処分場の地中に適度な水分および十分な空気（酸素）の浸透がなされるのであれば、微生物活動による有機物の分解が好気的に進行するので、埋め立て後の時間の経過に伴って比較的短期間で発生ガス量が減少し、浸出水中の汚濁物質の量も減少し、最終処分場を早期に廃止することができる。
【００１０】
ところが、最終処分場に埋め立てられた都市ごみの主灰は、ゲーレナイト、アノーサイト、石英、カルシウムシリケートおよびカルシウムアルミネート等であるが、カルシウムシリケートおよびカルシウムアルミネートは、水和反応により固化し、上からの埋め立て廃棄物の重量による加圧でさらに密実に固化する。更に、ストーカ炉から排出された際に冷却のために、水没されて、すでに、水和物が生成している場合は、埋立後に水和物が炭酸化することによっても固化が進行する。埋め立てられた廃棄物中の固化物は、低透水層、低通気層を形成することとなる。このような層が形成されると、水は層上の一部に偏在して、周辺に行渡ることもなく、降水の均一な浸透が妨げられると同時に空気の流通も阻害されて、有機物への到達が妨げられる結果となる。
【００１１】
そこで、本発明は、焼却炉の焼却残渣である都市ごみ焼却主灰の処分方法であって、酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥と、カルシウムアルミネート成分を含む前記都市ごみ焼却主灰とを、攪拌混合して最終処分場に埋め立てることを特徴とする汚泥の最終処分方法、を提供する。
【００１２】
本処分方法に適している都市ごみ焼却主灰は、シリカ、アルミナ、カルシアの三酸化物成分の含有率を測定して、その合計量を１００％として、ダイヤグラムにプロットしてその組成範囲を表示すると、カルシア含有率が３０％以上、アルミナ含有率が、１０％以上である。本組成領域で、水和活性のあるカルシウムアルミネートが生成している。好ましくはカルシア含有率３５％以上、アルミナ含有率２０％以上である。より好ましくはカルシア含有率４０％以上であり、アルミナ含有率が、３０％以上となるものである。図１に、適切な試料組成を黒丸でプロットした。好ましい範囲、より好ましい範囲では、より多くの水和活性のあるカルシウムアルミネートが生成しているとおもわれる。白丸でプロットされた組成物は、主灰表面が炭酸化されていたが、内部に水和活性のあるカルシウムアルミネートが残存しており、汚泥との混合時に活性化されてエトリンガイトが生成し、突起状の造粒物が生成した。
【００１３】
さらに、前記酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥が塩酸廃液、硫酸廃液、硝酸廃液のいずれかの一つ以上の中和処理に伴って発生する汚泥であり、中和によって生成する石膏の含有率（汚泥の風乾ベース）が、ニ水石膏換算で、３質量%以上含有することを特徴とする段落００１２の最終処分方法、を提供する。ニ水石膏量が、3質量％に満たないと、主灰と混合しても適度なエトリンガイトの生成が得られず、造粒物が得られない。汚泥の風乾ベースとは、電気炉に１０５℃で恒量となるまで静置して得られる乾燥ベースで、吸着水が完全に除去できるベースである。必要に応じて、焼却主灰に、カルシウムアルミネート成分含有物質を添加しても良い。汚泥中の石膏と主灰中のカルシウムアルミネートを、混合し、適当量の水分とともに、エトリンガイト等の水和物を生成し、適度の混合条件で、汚泥と主灰が生成した針状のエトリンガイトを生成、成長させながら、造粒する。この造粒物は、エトリンガイトが結合材として作用し、その他の無機粒子等の残存粒子を造粒物の表面に突起状として残す。図２に、本発明の造粒物の構造を模式的に示す
【００１４】
突起のある造粒物は、粒自体に適度な強度が付与されると、これを埋め立てたとき、適度な空隙率と連通孔を保持して、パッキングされ、埋立後の主灰の固化を防止することで、処分場内の廃棄物層の通気および透水状態を良好な状態に維持して、有機物の分解を好気的に進行させ、より早期に浸出水の水質の回復を図ることを目的として見出されたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る最終処分方法によれば、都市ごみの主灰と、石膏を含む汚泥を混合して、エトリンガイトを結合材としてその他無機粒子を造粒物の表面に突起状として残した造粒物となり、これを埋め立てるので、適度な空隙率と連通孔を保持して、最終処分場にパッキングされ、埋立後の主灰の固化を防止することで、低透水層、低通気層の形成を阻止できる。従って、堆積物中の埋め立てられた廃棄物の全域に亘り、有機物の分解が促進され、最終処分場を早期に廃止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
主灰を構成する主要な鉱物は炭酸カルシウム、石英、長石、ゲーレナイト等であるが、これらのほかに水との接触により水和するカルシウムシリケートおよびカルシウムアルミネートなどを含んでいる。水和活性を有さない主要鉱物及び不燃性の混入物、都市ゴミ由来の残存物は、前記その他の無機粒子等の残存粒子と成り得る。
【００１７】
主灰中の水和活性のあるカルシウムアルミネートを汚泥と混合してエトリンガイトを生成させるのは、焼却炉から主灰が排出される直後から最終処分場で埋め立てられるまでの任意の時期でよい。しかし、エトリンガイト等が生成し、これが成長してからでは、造粒が困難となることもあることから、焼却炉を出て、望ましくは、焼却炉から水没工程を経ずに、乾燥灰として、或いは、湿分が５％以下の状態で、入手し、汚泥と混合することが望ましい。
【００１８】
ストーカ式焼却方式を採用する都市ごみ焼却施設では、炉から排出される主灰は消火および冷却を目的として、炉排出直後に水没処理がなされるのが通常である。この水没過程において、カルシウムアルミネート、カルシウムシリケートおよびフリーライム等は水和して水和物を生成する。このような既に水和物が生成しているような湿潤した主灰であっても、表面での水和物生成にとどまることがあり、石膏を含有する汚泥と混合造粒を行うことができる。但し、乾燥した主灰を用いて水和反応と造粒をおこなう場合よりも、造粒に要する時間が長くなる。混合造粒を行う場所は、湿潤した主灰を発生する焼却処理施設と異なる場所であっても構わない。
【００１９】
特別管理産業廃棄物となっている汚泥は、処分するための処理（中間処理）を行い、判定基準（特別管理産業廃棄物の収集、運搬、処分等の基準）に適合すれば管理型処分場に処分し，不適であればしゃ断型処分場に処分することになる。特別管理産業廃棄物となっていない、産業廃棄物の汚泥も中間処理を行い判定基準（産業廃棄物の収集、運搬、処分等の基準）にかなっているか判定を行う。汚泥は、通常、脱水処理された後、天蓋付車両等により産業廃棄物管理型最終処分場まで運搬されて、そのまま直接、埋め立てられ、最終処分がなされている。
【００２０】
最終処分の対象が硫酸混合廃液中和汚泥であると、生石灰又は消石灰による中和で生じた二水石膏を含有するため、主灰中のカルシウムアルミネートと反応して針状のエトリンガイトが生成可能である。亜硫酸イオウまたは、硫化物イオウを含む産業廃棄物でも後に酸化処理によって硫酸イオンに変換できる廃棄物は、本発明に使用することが出来る。
【００２１】
本発明において使用される石膏含有汚泥は上記のものならば特に限定はないが、具体的には、例えば、硫酸を含む廃酸の中和処理に伴い発生する汚泥のことである。また、例えば、石膏含有しない汚泥にあっては、廃脱石膏のような石膏を添加して用いることもできる。
【００２２】
主灰に石膏含有汚泥を配合させる時期、段階、場所は特に限定はなく、特に、汚泥の処理施設がある敷地内で行なってもよいし、最終処分場の敷地内で行なってもよく、また、その他の場所で行なってもよい。石膏量は、汚泥に対して、２質量％以上含有される形態とする。２質量％にみたないと、十分なエトリンガイトの生成が認められない。
【００２３】
配合方法は、例えば、主灰、汚泥、を各タンクに収納した後、計量フィーダーで引き出し、バッチ式リボンミキサー（水平回転軸に付けたリボン状の羽根で、粉は横断面から見て、横８の字状に動かされ混合されるもの）、リボンパドルミキサー（連続式・水平回転軸に取りつけたリボン状の羽根とパドル（角度の調整できる攪拌板）で、原料粉体は上下運動を行いながら搬送され連続的に排出するもの。パドルの角度調整をする事により滞留時間を変化させ、混合精度を上げることができる）で混合することができる。
【００２４】
主灰に対する石膏含有汚泥の配合の割合は主灰中のカルシウムアルミネートによって変化するので、特に限定はないが、３％程度のＣ３Ａを有する主灰を基準として、主灰の乾燥重量に対して二水石膏を３０％程度含有する汚泥を、５質量％以上４０質量％以下、添加することが好ましい。５質量％未満では、エトリンガイトの生成が不十分であり、４０質量％より多いときは、石膏が過剰で、透水性の良い混合物が得られない。より好ましくは１０質量％から３０質量％の範囲である。この範囲でより効果の高い混合物が得られる。
【００２５】
主灰のカルシウムアルミネートに対する石膏含有汚泥中の石膏の比率が、エトリンガイトのＣ３Ａ・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏの式量から想定される１：３のモル比に相当する量以上の石膏量であると、エトリンガイト針状物の生成が容易である。この配合割合が石膏過少であると、突起を有する粒状物の生成量が減少し、本発明の効果が低減する。
【００２６】
実積率とは、容器の中に入った物の粒子が占めるその物の実際の容積の割合をいい、粒形状の判定のための実積率を、ＪＩＳ Ａ １１１０（粗骨材の比重および吸水率試験方法）に規定する方法により、比重および吸水率を求め、 ＪＩＳ Ａ １１０４（骨材の単位容積重量および実積率試験方法）に規定する方法により単位容積質量を求めて、算出することができる。
【００２７】
突起を有する造粒物の生成量が少なすぎると、実績率が大きくなり、汚泥中の粒の細かい無機質の粘土質粒子が固結層を形成し、汚泥の固結を防止できず、埋め立てられた廃棄物中に、低透水層、低通気層を形成することとなる。このような層が形成されると、水は層上の一部に偏在して、周辺に行渡ることもなく、浸透が妨げられる。空気の拡散も阻害されて、有機物への到達が妨げられる結果となる。
【００２８】
一方、石膏を含有する汚泥の配合割合が４０質量％以上となり、主灰中に含まれるカルシウムアルミネートに対して相対的に、多すぎると、主灰中に含まれるカルシウムアルミネートとの反応に寄与しない石膏が残ることに加えて、低透水の原因となる微粒子分が増加するため埋立後の混合物層の透水性が悪化する。
【００２９】
造粒物は、１ｍ〜２ｍの高さに積み上げて、湿度を適度に保って養生し、粒の強度を高める。その養生期間は、好ましくは１日以上、より好ましくは３日以上、さらに好ましくは１週間以上である。１ｍ以下では、広い処理スペースが必要となる、適度な湿分が保持できないとの不利があり、２ｍ以上では、湿分管理は容易であるが養生中に突起がつぶれ、粒自体が付着する不利がある。その後、最終処分場へ処分する。
【００３０】
以下、本発明の効果について更に詳しく説明する。ただし、そこには一部、本発明の作用・原理が記載されているが、本発明はその作用・原理の範囲に限定されるものではない。
【００３１】
石膏含有汚泥が配合された主灰は、最終処分場に埋め立てられるが、埋め立て後に、降水等による水と接触しても、突起を有する粒状物のパッキングで粘土質粒子が比較的大きな固化層を形成することなく、堆積物の固結を防止できる。前記空隙は、中空連通管を形成し、長期にわたり埋め立て初期の良好な通気・透水状態が、維持されることになる。その結果、微生物活動による有機物分解が好気的に進行するので、短期間で水質の回復が図られる。
【００３２】
また、汚泥と主灰の混合対象物を真球で考えた場合、混合対象物の最密充填の実積率は、７４％であるので、真球状の混合対象物では、本願発明等の条件を満たさないことになり、実積率を小さくするような、球状からの変形が必要になる。本願発明では、突起状を有する粒状物のため、実積率が６０％程度以下となる。通常、砕石が、実積率が６０％程度で良品と不良品とに区別されるが、本願では、実積率が６０％程度以下の所謂不良品相当の粒状物となることが、好ましい。
【００３３】
更に、又、数値上は、同じ実積率であっても、混合物空隙サイズが大きすぎるとほぐれた汚泥中の無機質粒子が、空隙中で介在する水がバインダーとなって再結合して固結する恐れがある。しかし、粒状物の径を５ｍｍ以上限定すれば、前記造粒物の再結合による固結は軽減される。
【００３４】
適切な水分及び酸素の供給がなされるのであれば、埋め立てられた廃棄物中の有機物の分解は好気的な微生物活動により進行するので、埋め立て後の時間の経過に伴って、比較的短期間で発生ガス量が減少すると共に浸出水中の汚濁物質の量も減少していく。
【００３５】
ところが、埋め立て後に地中で主灰の固結が起こり、大気や降水の供給が阻害されたり、不均一となったりすると、微生物活動による有機物の分解は、分解速度が極めて遅い嫌気的条件で進行するようになるため、いつまでたっても埋め立て地からのガスの放出は継続するとともに、浸出水中の汚濁物質の量も減少しないことになる。
【００３６】
本発明は、主灰に石膏を含む汚泥を配合することによって、埋め立て後の主灰の固化を防止・抑制させることで、最終処分場内の廃棄物層の通気状態や透水状態を良好な状態に維持させ、有機物の分解を好気的に進行させ、より早期に浸出水の水質の回復を図ることができる。また、その他の前記廃止要件も早期に満たすようにでき、その結果、最終処分場を早期に廃止させることができる。
【００３７】
以下に、実験例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。
【００３８】
硫酸排水処理施設において生石灰投入により発生した二水石膏を含む汚泥は民間の廃棄物中間処理会社から入手した。この汚泥をフィルタープレスによる脱水処理をした後、水分量を５０％に調整し、焼却主灰を配合した。その後、２ヶ月、５ヶ月、９ヶ月の期間ごとに、固化の状況をハンドリングと目視により判定し、汚泥との配合効果を評価した。また、期間ごとに、透水係数を測定した。具体的操作は以下の通りである。
【００３９】
前記汚泥は、水分量が、７９．５質量％、有機物を含む灼熱減量は２２質量％であった。フィルタープレス後の汚泥の水分量は、５０％であり、二水石膏の含有率は３０質量％、シリカ成分の含有率は２質量％程度であった。
【００４０】
本発明における都市ごみ焼却主灰は、地方自治体が管理運営する都市ごみ焼却処理施設から入手した。実績率は、ＪＩＳ Ａ １１１０（粗骨材の比重および吸水率試験方法）に規定する方法により、比重および吸水率を求め、 ＪＩＳ Ａ １１０４（骨材の単位容積重量および実積率試験方法）に規定する方法により単位容積の質量を求めて、算出し、４５％の値を得た。
【００４１】
前記汚泥と都市ごみ焼却主灰の配合割合は、元の都市ごみ焼却主灰全体に対して、フィルタープレス後の汚泥を、１０質量％、２０質量％、３０質量％及び４０質量％とした。この配合の結果、混合物中、主灰のカルシウムアルミネートが約３．３質量％程度であったので、前記汚泥由来の石膏の比率が、エトリンガイトのＣ３Ａ・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏの式量から計算されるＣ３Ａ：ＣａＳＯ４＝１：３のモル比に対して、１：１．４〜１：５．２のＣ３Ａ量対石膏量比となる。一部のＣ３Ａがフリーデル氏塩を形成し、すべてがエトリンガイトとならないので、理論値と異なる範囲で最適な配合が決定されると考えられる。
【００４２】
受け入れた前期汚泥と都市ごみ焼却主灰を貯蔵タンクに収納し、各廃棄物を計量フィーダーで引き出し、連続式リボンパドルミキサーに投入した。パドルの角度調整をする事により滞留時間を変化させて混合した。各々の配合による混合試料を均一に混合し、北川鉄工所社製ペレガイヤにより造粒物を作製した。この造粒物を内径２００ｍｍ、高さ４００ｍｍの塩化ビニル製の円筒形モールドに、２０Ｎ／ｃｍ２の圧力で充填し、所定の材齢まで常温で保存し室内実験試料とした。一方、実際の処分場への堆積は、ミキサーによる混合物を処分場へコンベアを介して行った。
【００４３】
所定の材齢に到達した室内実験試料は、透水係数の測定を行なった。
【００４４】
１０質量％、２０質量％、３０質量％、及び４０質量％において、９ヶ月材齢の試験体の透水係数は、０．１〜０．００４ｃｍ／ｓの範囲であり、１０質量％、２０質量％及び３０質量％のとき、視覚により、固結の抑制効果が確認され、０．０５ｃｍ／ｓ以上の透水係数となった。
【００４５】
一方、前記室内実験例の攪拌混合処理をおこない、造粒した後、養生最終処分場に実際の堆積をおこなった最終処分場での実験では、堆積の後、１年経過して堆積層の固結の度合いを目視と、スコップで実際に堆積物をハンドリングして、固結の状況を点検した。得た結果を前記透水係数の結果とともに、表１に示す。
【００４６】
混合率が４０％を下回る混合物については、１年経過後の処分場堆積物に粒子同士の固着が認められたが高い空隙率を維持した。
【００４７】
表１の通り、主灰のみおよび汚泥のみの室内実験試料の透水係数は、それぞれ０．０００８ｃｍ／ｓおよび０．００００１５ｃｍ／ｓ程度であった。汚泥混合率が１０から３０％の室内実験試料は、９ヶ月後も透水係数が、ほぼ、０．０７ｃｍ／ｓ以上となり、高い透水性が維持できることが示された。また、この場合の試験体に相当する混合物は、処分場への堆積１年後の堆積層においても高い透水性を維持した。
【００４８】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４９】
無処理汚泥が処分場の廃止条件を満たすまでには通常３０年程度要するが、汚泥の混合割合が乾燥重量で３０％以下の混合物については、透水係数が大であり、堆積１年後も高い透水性が維持されるので、短期間で処分場の廃止条件が満たされることとなり、監視期間の短縮が計れる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の処分に適した主灰の組成範囲を示す図である。
【図２】本発明の造粒物の構造を模式的に示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみの焼却処理により発生する主灰を廃棄物最終処分場へ最終処分する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ごみ焼却灰は、主にストーカ式焼却炉あるいは流動床式焼却炉において焼却され、焼却炉の焼却残渣（主灰）は焼却灰として一般廃棄物最終処分場または産業廃棄物の管理型最終処分場に、搬入車両から直接ダンピングされ重機などで成形しながら埋立処分される。その際、混合や分級等の前処理が施されることなく、埋め立てられるのが通常である。管理型最終処分場は、埋立地に遮水工事を施すとともに、自然降雨等による埋立地内の保有水を集水する設備を有する。集水された保有水は適切な水質にまで浄化した後に自然環境へ放流される。
【０００３】
最終処分場は早いもので５年、通常１５年〜２０年で満杯となるが、埋立てが終了した時点でその処分場を廃止できるわけではなく、最終処分場を廃止するためには、以下の廃止要件を満たす必要がある。
１ 保有水等の水質が２年以上にわたって排水基準を満足すること。
２ 埋立地ガスの発生がほとんど認められず、そのガスの発生量の増加が２年以上にわたって認められないこと。
３ 埋立て地の内部温度が周辺の地中温度に比して異常な高温となっていないこと。
【０００４】
最終処分場の埋め立てが終了した時点から、上記廃止要件をみたすようになるまでの水処理の期間が短ければ、それだけ最終処分場を早期に廃止できることとなり、最終処分場の維持管理期間の短縮が計れて好適である。しかし、一般に埋め立て終了時点から廃止までの期間は、２０年程度と長く、この期間を短縮する決定的な手段がなく、十分な技術と更なる改善が求められていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０２０３７号公報
【０００６】
特許文献１には、家庭用ゴミなどの一般廃棄物をはじめ、建設廃材、下水汚泥などさまざまな産業廃棄物を対象として、焼却炉内の損傷やダイオキシンの発生を防止しつつ廃棄物の発生量を低減するために、所定の廃棄物を消石灰が投入された状態にて焼却炉内で焼却して焼却灰を生成し、次に、焼却炉内に炭酸ガスを吹き込むとともに、所定量の水を投入する方法が開示されているが、大量の消石灰を使用するもので、利便性に欠ける面があり、最終処分場の安定化に寄与できる面が少なかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、埋め立てが終了した最終処分場を早期に廃止可能とする都市ごみ焼却主灰の最終処分方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
都市ごみの焼却によって発生する焼却主灰（以下「主灰」）には、少ないもので約３重量％程度、多いもので約１２重量％程度の有機物が未燃焼の状態で残っている。この有機物が、最終処分場内の埋め立て地におけるガスの発生や浸出水の汚濁の原因物質となる。
【０００９】
しかし、埋め立て後の最終処分場の地中に適度な水分および十分な空気（酸素）の浸透がなされるのであれば、微生物活動による有機物の分解が好気的に進行するので、埋め立て後の時間の経過に伴って比較的短期間で発生ガス量が減少し、浸出水中の汚濁物質の量も減少し、最終処分場を早期に廃止することができる。
【００１０】
ところが、最終処分場に埋め立てられた都市ごみの主灰は、ゲーレナイト、アノーサイト、石英、カルシウムシリケートおよびカルシウムアルミネート等であるが、カルシウムシリケートおよびカルシウムアルミネートは、水和反応により固化し、上からの埋め立て廃棄物の重量による加圧でさらに密実に固化する。更に、ストーカ炉から排出された際に冷却のために、水没されて、すでに、水和物が生成している場合は、埋立後に水和物が炭酸化することによっても固化が進行する。埋め立てられた廃棄物中の固化物は、低透水層、低通気層を形成することとなる。このような層が形成されると、水は層上の一部に偏在して、周辺に行渡ることもなく、降水の均一な浸透が妨げられると同時に空気の流通も阻害されて、有機物への到達が妨げられる結果となる。
【００１１】
そこで、本発明は、焼却炉の焼却残渣である都市ごみ焼却主灰の処分方法であって、酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥と、カルシウムアルミネート成分を含む前記都市ごみ焼却主灰とを、攪拌混合して最終処分場に埋め立てることを特徴とする汚泥の最終処分方法、を提供する。
【００１２】
本処分方法に適している都市ごみ焼却主灰は、シリカ、アルミナ、カルシアの三酸化物成分の含有率を測定して、その合計量を１００％として、ダイヤグラムにプロットしてその組成範囲を表示すると、カルシア含有率が３０％以上、アルミナ含有率が、１０％以上である。本組成領域で、水和活性のあるカルシウムアルミネートが生成している。好ましくはカルシア含有率３５％以上、アルミナ含有率２０％以上である。より好ましくはカルシア含有率４０％以上であり、アルミナ含有率が、３０％以上となるものである。図１に、適切な試料組成を黒丸でプロットした。好ましい範囲、より好ましい範囲では、より多くの水和活性のあるカルシウムアルミネートが生成しているとおもわれる。白丸でプロットされた組成物は、主灰表面が炭酸化されていたが、内部に水和活性のあるカルシウムアルミネートが残存しており、汚泥との混合時に活性化されてエトリンガイトが生成し、突起状の造粒物が生成した。
【００１３】
さらに、前記酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥が塩酸廃液、硫酸廃液、硝酸廃液のいずれかの一つ以上の中和処理に伴って発生する汚泥であり、中和によって生成する石膏の含有率（汚泥の風乾ベース）が、ニ水石膏換算で、３質量%以上含有することを特徴とする段落００１２の最終処分方法、を提供する。ニ水石膏量が、3質量％に満たないと、主灰と混合しても適度なエトリンガイトの生成が得られず、造粒物が得られない。汚泥の風乾ベースとは、電気炉に１０５℃で恒量となるまで静置して得られる乾燥ベースで、吸着水が完全に除去できるベースである。必要に応じて、焼却主灰に、カルシウムアルミネート成分含有物質を添加しても良い。汚泥中の石膏と主灰中のカルシウムアルミネートを、混合し、適当量の水分とともに、エトリンガイト等の水和物を生成し、適度の混合条件で、汚泥と主灰が生成した針状のエトリンガイトを生成、成長させながら、造粒する。この造粒物は、エトリンガイトが結合材として作用し、その他の無機粒子等の残存粒子を造粒物の表面に突起状として残す。図２に、本発明の造粒物の構造を模式的に示す
【００１４】
突起のある造粒物は、粒自体に適度な強度が付与されると、これを埋め立てたとき、適度な空隙率と連通孔を保持して、パッキングされ、埋立後の主灰の固化を防止することで、処分場内の廃棄物層の通気および透水状態を良好な状態に維持して、有機物の分解を好気的に進行させ、より早期に浸出水の水質の回復を図ることを目的として見出されたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る最終処分方法によれば、都市ごみの主灰と、石膏を含む汚泥を混合して、エトリンガイトを結合材としてその他無機粒子を造粒物の表面に突起状として残した造粒物となり、これを埋め立てるので、適度な空隙率と連通孔を保持して、最終処分場にパッキングされ、埋立後の主灰の固化を防止することで、低透水層、低通気層の形成を阻止できる。従って、堆積物中の埋め立てられた廃棄物の全域に亘り、有機物の分解が促進され、最終処分場を早期に廃止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
主灰を構成する主要な鉱物は炭酸カルシウム、石英、長石、ゲーレナイト等であるが、これらのほかに水との接触により水和するカルシウムシリケートおよびカルシウムアルミネートなどを含んでいる。水和活性を有さない主要鉱物及び不燃性の混入物、都市ゴミ由来の残存物は、前記その他の無機粒子等の残存粒子と成り得る。
【００１７】
主灰中の水和活性のあるカルシウムアルミネートを汚泥と混合してエトリンガイトを生成させるのは、焼却炉から主灰が排出される直後から最終処分場で埋め立てられるまでの任意の時期でよい。しかし、エトリンガイト等が生成し、これが成長してからでは、造粒が困難となることもあることから、焼却炉を出て、望ましくは、焼却炉から水没工程を経ずに、乾燥灰として、或いは、湿分が５％以下の状態で、入手し、汚泥と混合することが望ましい。
【００１８】
ストーカ式焼却方式を採用する都市ごみ焼却施設では、炉から排出される主灰は消火および冷却を目的として、炉排出直後に水没処理がなされるのが通常である。この水没過程において、カルシウムアルミネート、カルシウムシリケートおよびフリーライム等は水和して水和物を生成する。このような既に水和物が生成しているような湿潤した主灰であっても、表面での水和物生成にとどまることがあり、石膏を含有する汚泥と混合造粒を行うことができる。但し、乾燥した主灰を用いて水和反応と造粒をおこなう場合よりも、造粒に要する時間が長くなる。混合造粒を行う場所は、湿潤した主灰を発生する焼却処理施設と異なる場所であっても構わない。
【００１９】
特別管理産業廃棄物となっている汚泥は、処分するための処理（中間処理）を行い、判定基準（特別管理産業廃棄物の収集、運搬、処分等の基準）に適合すれば管理型処分場に処分し，不適であればしゃ断型処分場に処分することになる。特別管理産業廃棄物となっていない、産業廃棄物の汚泥も中間処理を行い判定基準（産業廃棄物の収集、運搬、処分等の基準）にかなっているか判定を行う。汚泥は、通常、脱水処理された後、天蓋付車両等により産業廃棄物管理型最終処分場まで運搬されて、そのまま直接、埋め立てられ、最終処分がなされている。
【００２０】
最終処分の対象が硫酸混合廃液中和汚泥であると、生石灰又は消石灰による中和で生じた二水石膏を含有するため、主灰中のカルシウムアルミネートと反応して針状のエトリンガイトが生成可能である。亜硫酸イオウまたは、硫化物イオウを含む産業廃棄物でも後に酸化処理によって硫酸イオンに変換できる廃棄物は、本発明に使用することが出来る。
【００２１】
本発明において使用される石膏含有汚泥は上記のものならば特に限定はないが、具体的には、例えば、硫酸を含む廃酸の中和処理に伴い発生する汚泥のことである。また、例えば、石膏含有しない汚泥にあっては、廃脱石膏のような石膏を添加して用いることもできる。
【００２２】
主灰に石膏含有汚泥を配合させる時期、段階、場所は特に限定はなく、特に、汚泥の処理施設がある敷地内で行なってもよいし、最終処分場の敷地内で行なってもよく、また、その他の場所で行なってもよい。石膏量は、汚泥に対して、２質量％以上含有される形態とする。２質量％にみたないと、十分なエトリンガイトの生成が認められない。
【００２３】
配合方法は、例えば、主灰、汚泥、を各タンクに収納した後、計量フィーダーで引き出し、バッチ式リボンミキサー（水平回転軸に付けたリボン状の羽根で、粉は横断面から見て、横８の字状に動かされ混合されるもの）、リボンパドルミキサー（連続式・水平回転軸に取りつけたリボン状の羽根とパドル（角度の調整できる攪拌板）で、原料粉体は上下運動を行いながら搬送され連続的に排出するもの。パドルの角度調整をする事により滞留時間を変化させ、混合精度を上げることができる）で混合することができる。
【００２４】
主灰に対する石膏含有汚泥の配合の割合は主灰中のカルシウムアルミネートによって変化するので、特に限定はないが、３％程度のＣ３Ａを有する主灰を基準として、主灰の乾燥重量に対して二水石膏を３０％程度含有する汚泥を、５質量％以上４０質量％以下、添加することが好ましい。５質量％未満では、エトリンガイトの生成が不十分であり、４０質量％より多いときは、石膏が過剰で、透水性の良い混合物が得られない。より好ましくは１０質量％から３０質量％の範囲である。この範囲でより効果の高い混合物が得られる。
【００２５】
主灰のカルシウムアルミネートに対する石膏含有汚泥中の石膏の比率が、エトリンガイトのＣ３Ａ・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏの式量から想定される１：３のモル比に相当する量以上の石膏量であると、エトリンガイト針状物の生成が容易である。この配合割合が石膏過少であると、突起を有する粒状物の生成量が減少し、本発明の効果が低減する。
【００２６】
実積率とは、容器の中に入った物の粒子が占めるその物の実際の容積の割合をいい、粒形状の判定のための実積率を、ＪＩＳ Ａ １１１０（粗骨材の比重および吸水率試験方法）に規定する方法により、比重および吸水率を求め、 ＪＩＳ Ａ １１０４（骨材の単位容積重量および実積率試験方法）に規定する方法により単位容積質量を求めて、算出することができる。
【００２７】
突起を有する造粒物の生成量が少なすぎると、実績率が大きくなり、汚泥中の粒の細かい無機質の粘土質粒子が固結層を形成し、汚泥の固結を防止できず、埋め立てられた廃棄物中に、低透水層、低通気層を形成することとなる。このような層が形成されると、水は層上の一部に偏在して、周辺に行渡ることもなく、浸透が妨げられる。空気の拡散も阻害されて、有機物への到達が妨げられる結果となる。
【００２８】
一方、石膏を含有する汚泥の配合割合が４０質量％以上となり、主灰中に含まれるカルシウムアルミネートに対して相対的に、多すぎると、主灰中に含まれるカルシウムアルミネートとの反応に寄与しない石膏が残ることに加えて、低透水の原因となる微粒子分が増加するため埋立後の混合物層の透水性が悪化する。
【００２９】
造粒物は、１ｍ〜２ｍの高さに積み上げて、湿度を適度に保って養生し、粒の強度を高める。その養生期間は、好ましくは１日以上、より好ましくは３日以上、さらに好ましくは１週間以上である。１ｍ以下では、広い処理スペースが必要となる、適度な湿分が保持できないとの不利があり、２ｍ以上では、湿分管理は容易であるが養生中に突起がつぶれ、粒自体が付着する不利がある。その後、最終処分場へ処分する。
【００３０】
以下、本発明の効果について更に詳しく説明する。ただし、そこには一部、本発明の作用・原理が記載されているが、本発明はその作用・原理の範囲に限定されるものではない。
【００３１】
石膏含有汚泥が配合された主灰は、最終処分場に埋め立てられるが、埋め立て後に、降水等による水と接触しても、突起を有する粒状物のパッキングで粘土質粒子が比較的大きな固化層を形成することなく、堆積物の固結を防止できる。前記空隙は、中空連通管を形成し、長期にわたり埋め立て初期の良好な通気・透水状態が、維持されることになる。その結果、微生物活動による有機物分解が好気的に進行するので、短期間で水質の回復が図られる。
【００３２】
また、汚泥と主灰の混合対象物を真球で考えた場合、混合対象物の最密充填の実積率は、７４％であるので、真球状の混合対象物では、本願発明等の条件を満たさないことになり、実積率を小さくするような、球状からの変形が必要になる。本願発明では、突起状を有する粒状物のため、実積率が６０％程度以下となる。通常、砕石が、実積率が６０％程度で良品と不良品とに区別されるが、本願では、実積率が６０％程度以下の所謂不良品相当の粒状物となることが、好ましい。
【００３３】
更に、又、数値上は、同じ実積率であっても、混合物空隙サイズが大きすぎるとほぐれた汚泥中の無機質粒子が、空隙中で介在する水がバインダーとなって再結合して固結する恐れがある。しかし、粒状物の径を５ｍｍ以上限定すれば、前記造粒物の再結合による固結は軽減される。
【００３４】
適切な水分及び酸素の供給がなされるのであれば、埋め立てられた廃棄物中の有機物の分解は好気的な微生物活動により進行するので、埋め立て後の時間の経過に伴って、比較的短期間で発生ガス量が減少すると共に浸出水中の汚濁物質の量も減少していく。
【００３５】
ところが、埋め立て後に地中で主灰の固結が起こり、大気や降水の供給が阻害されたり、不均一となったりすると、微生物活動による有機物の分解は、分解速度が極めて遅い嫌気的条件で進行するようになるため、いつまでたっても埋め立て地からのガスの放出は継続するとともに、浸出水中の汚濁物質の量も減少しないことになる。
【００３６】
本発明は、主灰に石膏を含む汚泥を配合することによって、埋め立て後の主灰の固化を防止・抑制させることで、最終処分場内の廃棄物層の通気状態や透水状態を良好な状態に維持させ、有機物の分解を好気的に進行させ、より早期に浸出水の水質の回復を図ることができる。また、その他の前記廃止要件も早期に満たすようにでき、その結果、最終処分場を早期に廃止させることができる。
【００３７】
以下に、実験例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。
【００３８】
硫酸排水処理施設において生石灰投入により発生した二水石膏を含む汚泥は民間の廃棄物中間処理会社から入手した。この汚泥をフィルタープレスによる脱水処理をした後、水分量を５０％に調整し、焼却主灰を配合した。その後、２ヶ月、５ヶ月、９ヶ月の期間ごとに、固化の状況をハンドリングと目視により判定し、汚泥との配合効果を評価した。また、期間ごとに、透水係数を測定した。具体的操作は以下の通りである。
【００３９】
前記汚泥は、水分量が、７９．５質量％、有機物を含む灼熱減量は２２質量％であった。フィルタープレス後の汚泥の水分量は、５０％であり、二水石膏の含有率は３０質量％、シリカ成分の含有率は２質量％程度であった。
【００４０】
本発明における都市ごみ焼却主灰は、地方自治体が管理運営する都市ごみ焼却処理施設から入手した。実績率は、ＪＩＳ Ａ １１１０（粗骨材の比重および吸水率試験方法）に規定する方法により、比重および吸水率を求め、 ＪＩＳ Ａ １１０４（骨材の単位容積重量および実積率試験方法）に規定する方法により単位容積の質量を求めて、算出し、４５％の値を得た。
【００４１】
前記汚泥と都市ごみ焼却主灰の配合割合は、元の都市ごみ焼却主灰全体に対して、フィルタープレス後の汚泥を、１０質量％、２０質量％、３０質量％及び４０質量％とした。この配合の結果、混合物中、主灰のカルシウムアルミネートが約３．３質量％程度であったので、前記汚泥由来の石膏の比率が、エトリンガイトのＣ３Ａ・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏの式量から計算されるＣ３Ａ：ＣａＳＯ４＝１：３のモル比に対して、１：１．４〜１：５．２のＣ３Ａ量対石膏量比となる。一部のＣ３Ａがフリーデル氏塩を形成し、すべてがエトリンガイトとならないので、理論値と異なる範囲で最適な配合が決定されると考えられる。
【００４２】
受け入れた前期汚泥と都市ごみ焼却主灰を貯蔵タンクに収納し、各廃棄物を計量フィーダーで引き出し、連続式リボンパドルミキサーに投入した。パドルの角度調整をする事により滞留時間を変化させて混合した。各々の配合による混合試料を均一に混合し、北川鉄工所社製ペレガイヤにより造粒物を作製した。この造粒物を内径２００ｍｍ、高さ４００ｍｍの塩化ビニル製の円筒形モールドに、２０Ｎ／ｃｍ２の圧力で充填し、所定の材齢まで常温で保存し室内実験試料とした。一方、実際の処分場への堆積は、ミキサーによる混合物を処分場へコンベアを介して行った。
【００４３】
所定の材齢に到達した室内実験試料は、透水係数の測定を行なった。
【００４４】
１０質量％、２０質量％、３０質量％、及び４０質量％において、９ヶ月材齢の試験体の透水係数は、０．１〜０．００４ｃｍ／ｓの範囲であり、１０質量％、２０質量％及び３０質量％のとき、視覚により、固結の抑制効果が確認され、０．０５ｃｍ／ｓ以上の透水係数となった。
【００４５】
一方、前記室内実験例の攪拌混合処理をおこない、造粒した後、養生最終処分場に実際の堆積をおこなった最終処分場での実験では、堆積の後、１年経過して堆積層の固結の度合いを目視と、スコップで実際に堆積物をハンドリングして、固結の状況を点検した。得た結果を前記透水係数の結果とともに、表１に示す。
【００４６】
混合率が４０％を下回る混合物については、１年経過後の処分場堆積物に粒子同士の固着が認められたが高い空隙率を維持した。
【００４７】
表１の通り、主灰のみおよび汚泥のみの室内実験試料の透水係数は、それぞれ０．０００８ｃｍ／ｓおよび０．００００１５ｃｍ／ｓ程度であった。汚泥混合率が１０から３０％の室内実験試料は、９ヶ月後も透水係数が、ほぼ、０．０７ｃｍ／ｓ以上となり、高い透水性が維持できることが示された。また、この場合の試験体に相当する混合物は、処分場への堆積１年後の堆積層においても高い透水性を維持した。
【００４８】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００４９】
無処理汚泥が処分場の廃止条件を満たすまでには通常３０年程度要するが、汚泥の混合割合が乾燥重量で３０％以下の混合物については、透水係数が大であり、堆積１年後も高い透水性が維持されるので、短期間で処分場の廃止条件が満たされることとなり、監視期間の短縮が計れる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の処分に適した主灰の組成範囲を示す図である。
【図２】本発明の造粒物の構造を模式的に示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却炉の焼却残渣である都市ごみ焼却主灰の処分方法であって、
酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥と、
カルシウムアルミネート成分を含む前記都市ごみ焼却主灰とを、
攪拌混合して、最終処分場に埋め立てることを特徴とする都市ごみ焼却主灰の最終処分方法。
【請求項２】
前記酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥が塩酸廃液、硫酸廃液、硝酸廃液のいずれかの一つ以上の中和処理に伴って発生する汚泥であり、中和によって生成する石膏の含有率（汚泥の風乾ベース）が、ニ水石膏換算で、３質量%以上であることを特徴とする請求項１に記載の最終処分方法。
【請求項１】
焼却炉の焼却残渣である都市ごみ焼却主灰の処分方法であって、
酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥と、
カルシウムアルミネート成分を含む前記都市ごみ焼却主灰とを、
攪拌混合して、最終処分場に埋め立てることを特徴とする都市ごみ焼却主灰の最終処分方法。
【請求項２】
前記酸性の廃液又は汚泥を生石灰又は消石灰で中和して得られる、石膏を含む汚泥が塩酸廃液、硫酸廃液、硝酸廃液のいずれかの一つ以上の中和処理に伴って発生する汚泥であり、中和によって生成する石膏の含有率（汚泥の風乾ベース）が、ニ水石膏換算で、３質量%以上であることを特徴とする請求項１に記載の最終処分方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−１３６８０２（Ｐ２００９−１３６８０２Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１７００７（Ｐ２００７−３１７００７）
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月７日（２００７．１２．７）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]