(57)【要約】ポストコンシューマ及びポストインダストリアル廃棄物流を処理し、廃棄物流処理のための有効成分を生成し、水性廃棄物流を処理し、多目的の化学前駆物質を調製及び捕集し、水性廃棄物流からリン酸塩、硝酸塩、重金属、及び他の汚染物質を除去し、水性廃棄物流からポストコンシューマ及びポストインダストリアル生成物を捕集及び処理し、廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置し、システムのサブシステムに関して作業をスケジューリングするためのシステム及び方法。
2021505524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物を熱処理することによって生成される複合灰であって、前記複合灰は、メタカオリンと、鉱物酸化物及び鉱物炭酸塩から成る群の少なくとも１つとを含む、一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物であり、前記複合灰は約７．０よりも大きいｐＨで反応する、複合灰。
【請求項２】
前記複合灰は、約６０．０％の構成カルシウム成分及び約３０．０％のメタカオリン成分を有する二成分複合物である、請求項１に記載の複合灰。
【請求項３】
前記複合灰の構成カルシウム成分は、炭酸カルシウム及び酸化カルシウムから成る群の少なくとも１つを含む、請求項２に記載の複合灰。
【請求項４】
前記複合灰は、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、及び酸化鉄をさらに含む、請求項３に記載の複合灰。
【請求項５】
前記複合灰は、水性廃棄物流において捕捉プラットフォーム及び沈殿剤として使用される、請求項１に記載の複合灰。
【請求項６】
前記複合灰は、ポストコンシューマ又はポストインダストリアル生成物を生成するためのジオポリマー前駆体として使用される、請求項１に記載の複合灰。
【請求項７】
前記複合灰は、水性廃棄物流からポストコンシューマ又はポストインダストリアル生成物を生成するためのジオポリマー前駆体として使用され、前記ジオポリマー前駆体は、前記水性廃棄物流において捕捉プラットフォーム及び沈殿剤として使用される、請求項１に記載の複合灰。
【請求項８】
前記一般結晶及び非晶質非結晶組成物は、（１）発熱性処理廃棄物の組成変動、（２）熱処理の温度変化、及び（３）熱処理の圧力変化から成る群の少なくとも１つによって変更可能であり、これにより前記一般結晶及び非晶質非結晶組成物内の原子の空間的な配向が変更され、結果として結合長又は結合角又は組み合わせが変化し、前記複合灰の反応性がカスタマイズされる、請求項１に記載の複合灰。
【請求項９】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物を熱処理することによって生成される複合灰であって、前記複合灰は、メタカオリンと、酸化カルシウムと、部分的に変換された炭酸カルシウムとを含む、一般結晶及び非晶質非結晶組成物の鉱物生成物又は酸化物であり、前記複合灰は約７．０よりも大きいｐＨで反応する、複合灰。
【請求項１０】
前記複合灰は、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、及び酸化鉄から成る群の少なくとも１つをさらに含む、請求項９に記載の複合灰。
【請求項１１】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物から約７．０よりも大きいｐＨで反応する複合灰を生成する方法であって、
ａ）紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取るステップと、
ｂ）前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を約３０．０分から約１２．０時間にわたって約６００から約１０００℃の平均処理床温度で熱処理して有機物質を除去し、一般結晶及び非晶質非結晶組成物の鉱物生成物又は酸化物を、メタカオリンと、鉱物酸化物及び鉱物炭酸塩から成る群の少なくとも１つとを含む複合灰として生成するステップと、
ｃ）回収及び捕集のために前記複合灰を調整するステップと
を含む、複合灰の生成方法。
【請求項１２】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取ることは、前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を脱水すること、脱塊すること、及び粉砕することから成る群の少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１３】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、前記複合灰の中に存在する炭酸カルシウムを実質的に分解することなく有機物を除去することを含む、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１４】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、前記複合灰を生成するための触媒として鉱物生成物を前記発熱性処理廃棄物流に添加することを含み、
前記鉱物生成物は、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の以前に実行された熱処理から生成され、
前記鉱物生成物は前記複合灰と本質的に同じである、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１５】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、生成された任意の鉱物生成物又は酸化物と並流方向に燃焼ガスを流すことを含む、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１６】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、エネルギーを回収して前記複合灰の生成方法のどこかで使用するためにリサイクルすることを含む、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１７】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、約３０．０分から約２．０時間にわたって約６００から約８２５℃の範囲の平均処理床温度で熱処理することを含む、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１８】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、約３０．０分から約１．０時間にわたって約６００から約８００℃の範囲の平均処理床温度で熱処理することを含む、請求項１１に記載の複合灰の生成方法。
【請求項１９】
前記紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理することは、間接加熱ロータリーキルンによって約３０．０分間の滞留時間にわたって約７００℃の平均処理床温度で熱処理することを含む、請求項９に記載の複合灰の生成方法。
【請求項２０】
回収及び捕集のために前記複合灰を調製することは、前記複合灰の前記一般結晶及び非晶質非結晶組成物の形態を粉砕、微粉化、乾燥、及び他の方法で変更、破壊、又は減少するステップの群の少なくとも１つを含む、請求項９に記載の複合灰の生成方法。
【請求項２１】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物から生成された一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物を水性廃棄物流の処理のためにポストコンシューマ又はポストインダストリアル再生利用製品又は有効成分として使用する方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物を水性廃棄物流の処理のために使用する方法であって、前記無機鉱物生成物又は酸化物は、ポストコンシューマ又はポストインダストリアル捕集又は沈殿剤及び捕捉プラットフォームとして機能し、それにより前記無機鉱物生成物又は酸化物は、前記水性廃棄物流の中のリン酸塩及び硝酸塩並びに重金属を結合させ又は捕捉する、方法。
【請求項２３】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物から生成された一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物を、最終生成物を生成するためのポストコンシューマ又はポストインダストリアルジオポリマー前駆体として使用する方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物を、ポストコンシューマ又はポストインダストリアルのジオポリマー前駆体として使用する方法であって、前記無機鉱物生成物又は酸化物は、処理材、化学試薬、建築材料、及び充填材から成る群の少なくとも１つとして機能する、方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物を、ポストコンシューマ又はポストインダストリアルのジオポリマー前駆体として使用する方法であって、前記無機鉱物生成物又は酸化物は、水性廃棄物流のための捕集又は沈殿剤及び捕捉プラットフォームとしても機能し、それにより前記無機鉱物生成物又は酸化物は、前記水性廃棄物流の中のリン酸塩及び硝酸塩並びに重金属を結合させ又は捕捉し、それにより結果として生じる生成物は、ポストコンシューマ又はポストインダストリアルジオポリマー前駆体としてさらに有用である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として持続可能な廃棄物管理及びポストインダストリアル及びポストコンシューマ生成物管理のためのシステム及び方法を対象とする。本発明はまた、全体として水性廃棄物流のための持続可能な水管理を対象とする。これらの水性廃棄物流は、ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物流と関連していることができ、又は水性廃棄物流は、ポストインダストリアル又はポストコンシューマ廃棄物流から独立していることができ（すなわち、水性廃棄物流は、例えば、都市又は農業の水性廃棄物流であることができ）、これらの全てをまとめて本明細書では全体として廃棄物流と呼ぶ。本発明によって実現される持続可能な水管理はまた、限定されないが、湖、貯水池、海、川、池及び水路のための開放水処理及び処理システムを含むことができる。
【０００２】
本発明はまた、全体として廃棄物流処理に必要な投入物を生成又は低減するためのシステム及び方法を対象とする。これらの投入物は、例えば、（１）エネルギー、（２）真水、又は（３）適切な処理に必要な有効成分であり得る。本発明はまた、全体として、有用でないか又は潜在的に毒性のある廃棄物流処理による排出物を低減することを対象とする。これらの排出物は、ポストコンシューマ廃棄物残渣（捕捉するのが困難な未回収又は未再生資源が（鉱物も水も）多く含まれている）、及び有用でない、潜在的に毒性のある、不均一の酸化副産物などの無計画な処理灰（特定の化学構造を有するように又は特定の化学力を示すように意図的に作り出されたものでも設計されたものでもない）であり得る。水性排出物は、リン酸塩及び硝酸塩、並びに他の様々な有機及び無機溶質又は粒子で汚染されている可能性がある。
【０００３】
本発明はまた、全体として様々な有用で経済的に価値のあるポストコンシューマ又はポストインダストリアル生成物のための多目的の複合材料の化学的前駆体／プラットフォームを評価及び調製するためのシステム及び方法を対象とする。複合材料の化学的前駆体は、複合材料の個々の成分と比べて拡大されている化学結合力及び吸収（化学吸着）力を含む、独特の相乗的な分子引力を示す。化学的前駆体は、酸化カルシウム、部分的に変換された炭酸カルシウム、及び／又はメタカオリンから成る１つ以上の結晶性組成物であることができ、それらの一般的な非晶質の結晶構造を含む。化学的前駆体は、必要な投入、必要な方法、及び必要な設備及びシステムの制御によって、捕収剤又は捕集／沈殿剤の形態でユニークな形態学的捕捉プラットフォームとして又はジオポリマー前駆体として機能するように特別に設計及び調製され得る。前駆体から得られるポストコンシューマ生成物は、メタカオリン、ハロイサイト、ポゾラン、土壌添加剤、建築材料、顔料、及び充填材（フィラー）の形態をとることができ、前駆体自体の効率的かつ効果的な調製によって、採掘、浸出、及び／又は収穫するよりも生成する方が経済的に効率的であり得る。
【０００４】
本発明はまた、全体として水性廃棄物流からリン酸塩又は硝酸塩又は重金属又はそれらの組み合わせを再生利用及び回収するためのシステム及び方法を対象とする。さらに、本発明はまた、全体として水性廃棄物からこれらのリン基又は窒素基又は重金属を保持する有用かつ経済的に価値のあるポストコンシューマ生成物の評価及び調製のための方法を対象とする。ポストコンシューマ生成物は、農業用肥料の形態をとるか、又はメタカオリン、ポゾラン、土壌添加剤、建築材料、顔料及び充填材のような別の有用で持続可能なポストコンシューマ材料の形態をとることができる。
【０００５】
より具体的には、例示的な一実施形態では、本開示のシステム及び方法は、
ポストコンシューマ廃棄物流を処理することと、
例えば、ポストコンシューマ廃棄物の処理による排出廃棄物を削減することと、
ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物の処理からエネルギーを生成することと、
ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物から鉱物を回収することと、
ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物から多目的の回収プラットフォームを調製及び捕集することなどを含む廃棄物流処理のための有効成分を生成することと、
水性廃棄物流を処理することと、
ポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物の調製のために、ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物から多目的の化学前駆体を調製及び捕集することと、
例えば、水性廃棄物の処理からの排出廃棄物を削減することと、
水性廃棄物からリン酸塩、硝酸塩及びその他の汚染物質を除去することと、
廃棄物流処理などの得られた組成物からポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物を捕集及び処理することと、
廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置することと、
システムのサブシステムに関して作業をスケジューリングすることと
を含む技術分野を対象とする。
【背景技術】
【０００６】
全体として
【０００７】
本発明は、例えば、カーペット加工廃棄物、紙再生廃棄物、産業廃棄物、農業廃棄物、材料回収廃棄物、脱インク廃棄物、水性廃棄物、重金属廃棄物、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）廃棄物、スチレンブタジエンラテックス（ＳＢＬ）廃棄物、ポリウレタン廃棄物などの多種多様な廃棄物に適用可能である。これらのポストコンシューマ（ＰＣ）又はポストインダストリアル（ＰＩ）の廃棄物流は、様々な発生源から生じる可能性があり、例えば、分離、濾過、希釈、還元、相変化、及びエンタルピー変化を含む、予備的な機械的及び化学的処理などの様々な予備処理段階を有することができる。
【０００８】
非限定的な例として、ＰＣ又はＰＩ廃棄物流は、カーペットの第３の流れ、カーペットのカーカス、カーペット全体、及び／又は他のカーペット廃棄物で構成することができ、又はＰＣ又はＰＩ廃棄物流は、製紙工場スラッジ、脱インク残渣、及び／又は他の紙廃棄物処理及び紙リサイクル副産物で構成することができる。
【０００９】
カーペット廃棄物流に関して
【００１０】
使用済み及び廃棄されたカーペットは潜在的に貴重な資源である。典型的なカーペット全体の構造は、バックコーティングによって構造システムとして結合されている一次バッキングにタフトされている様々な繊維タイプを含む。一次及び二次バックコーティングは、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、炭酸カルシウム、粘土及びガラスなどの様々なポリマー及び充填材を含む。簡単に言えば、カーペットの表面は、バッキング布を通して織られ、「接着剤」によって適所に保持され、「接着剤」は、多くの場合、炭酸カルシウム及び／又は他の鉱物フィラー材が充填されているラテックス架橋ポリマー又はサーモレジンである。
【００１１】
「カーペットの第３の流れ」という用語は、ＰＣ及びＰＩ材料に関連して現場で頻繁に使用され、一般に、カーペット全体の再生利用及びエネルギーの回収から抽出される、最高濃度の充填材及び結合剤、及び任意選択で充填材湿潤剤を含む回収された材料の廃棄物流を指す。「カーカス」という用語は、一般に、繊維が実質的に削り取られたカーペットバッキング構造の残部を指す。例えば、特許文献１は、第１の流れが第２の流れと反応し、第３の流れが１つ又は複数の充填材又は充填材を含むという３つの流れの概念を教示している。
【００１２】
１つの非限定的な例において、カーペットの第３の流れは、潜在的に回収及び再利用することができる、石油及びバイオベースポリマー及び鉱物フィラーを含む。さらに、カーペットの第３の流れは、本質的に発熱を伴うものである。カーペットのポリマー繊維は、粉砕及び切削技術によってＰＣ及びＰＩカーペットの流れから選択的に回収されている。使用される他の予備的な回収技術は、ナイロン６を原料として用いたカプロラクタムモノマープロセスによるＰＣ及びＰＩカーペットの流れの処理を含む。「綿毛」として知られる回収された繊維及びカプロラクタムは、様々な用途において熱可塑性樹脂及び繊維資源材料として価値を有する。
【００１３】
特許文献２、特許文献３、及び特許文献４は、ＰＣ又はＰＩカーペットの流れ内のカーペットのサイズを充填材として通常使用される炭酸カルシウムのサイズに機械的に縮小すること、及びそのような断片をカーペットバッキングに組み込み、得られる充填材を鉱物フィラー及び残留カーペット繊維から構成することを教示している。先行技術におけるこの制限は、鉱物フィラーから繊維及び結合剤を機械的に分離及び遊離させるという課題によるものである。最終生成物は、回収された材料の物理的特性、組成、及び化学的性質のために、単独の生成物としての用途は限られている。
【００１４】
特許文献５は、廃棄カーペットから無機フィラーを再生する方法であって、無機フィラー成分及び有機成分を含む廃棄カーペット組成物を提供するステップと、廃棄カーペット組成物から有機成分の少なくとも一部を分離し、有機成分を少なくとも実質的に含まない再生無機フィラー組成物を提供するのに有効な条件下で、廃棄カーペット組成物を熱処理するステップとを含む方法を開示しているが、所望の特徴を有する鉱物生成物をもたらすように反応物を十分に処理することを意図していない。
【００１５】
特許文献６及び特許文献７は、それぞれ機械的な分離及び遊離を教示している。特許文献６は、機械的な分離の限界を認識し、より多くの繊維を分離することを試みる熱工程を導入する。特許文献６は、カーペット廃棄物から充填材を回収するための回収プロセスであって、カーペットを提供することと、カーペット廃棄物をポリマー繊維、フィラー材及び接着材を含む粒子状物質にサイズ縮小することと、粒子状物質を、実質的にポリマー繊維を含む第１の流れと、実質的にフィラー材及び接着材を含む第２の流れとに分離することと、第２の流れに残存するポリマー繊維の少なくとも一部を除去するのに十分な温度で第２の流れを加熱して、第２の流れにおけるフィラー材の含有量を高めることとを含む回収プロセスを開示している。
【００１６】
特許文献７は、繊維、充填材及び接着剤を含む材料供給物を提供することと、充填材及び接着剤を繊維から遊離させるために材料供給物を細断することと、細断された材料供給物をスクリーニングして、結果として得られる少なくとも２つの流れ（第１の流れは供給原料解重合に適した繊維を含み、第２の流れはポリマー樹脂の直接強化に適した充填材を含む）を生じることと、結果として得られる第１の流れを液体と混合してスラリーを形成することと、３０Ｇ以下のＧ力でスラリーを遠心分離することとを含む成分回収プロセスを開示している。
【００１７】
特許文献８は、カーペット片の供給を調製することと、カーペット片を６００℃から１０００℃の範囲の粒子床温度に加熱することによりカーペット中の鉱物成分から有機成分を熱的に分離し、ここで鉱物成分が酸化されて鉱物酸化物を形成することと、鉱物酸化物を水でスラリーにして約３０分から２４時間の期間内に１５％から３５％の固形物スラリーを生成し、それにより鉱物酸化物が鉱物水酸化物を形成することと、炭酸化によってスラリーのｐＨを６から１０の範囲で安定化し、鉱物炭酸塩を含むスラリーを生じることとにより、カーペットから鉱物生成物を回収する方法を教示している。このようにして、この文献は、鉱物フィラー及び有機物を含む廃棄物が熱分離を受け、有機物からのエネルギー回収を可能にするプロセスを提供している。鉱物フィラー部分は、機械的にサイズ調整され、スラリー化され、安定化される。安定化された生成物は、更なる二次安定化、続いて可溶性塩の除去、濾過、濃縮、乾燥、必要に応じて更なる粉砕及び微粉化を受けることができる。所望の特性が得られると、生成物は、カーペットバッキングにおけるポリマーコーティング及び他のポストコンシューマコーティング／充填材用途に利用することができる。
【００１８】
紙廃棄物及び紙リサイクル流に関して
【００１９】
多くのグレードの紙は、製造時に紙に組み込まれ又は製造後に紙に表面的に組み込まれた、機能性無機顔料、充填材、及び／又はカオリン粘土、炭酸カルシウム、ケイ酸チタン及び二酸化チタンなどの添加剤を含む。一般に、廃棄物の有機部分から無機顔料を分離して無機顔料を再利用することができる実用的な方法はなかった。
【００２０】
先行技術は一般に、製紙による廃棄物又は紙廃棄物の再生利用による廃棄物は最も良く焼却されること、及び焼却の残渣は最もよく埋め立て地に堆積され又は一般に建設用途に使用される骨材材料を生成するのに使用されることを教示している。
【００２１】
より具体的には、パルプ及びペーパースラッジ（一次パルプ化作業、再生利用の流れ、又は古紙パルプ化などの副産物）及びその焼却の生成物は、パルプ及び紙の製造業者及びリサイクル業者にとって環境問題と廃棄問題を表している。一般に、パルプ及びペーパースラッジは、製紙には適さないが、紙パルプ自体に存在する成分と同じ成分（リグニン、セルロース、ヘミセルロース、炭酸カルシウム、粘土、及び他の無機成分）を含む。
【００２２】
紙廃棄物の再生利用は、一般に、脱インクプラント及びその顧客の目的に適した任意の方法で行われ得る一連のステップによって、使用可能なパルプ繊維を鉱物フィラー、印刷インク、レーザトナー粒子、及び接着剤などの紙の他の成分から分離することを含む。特定の再生利用プロセスにかかわらず、２つの材料、（１）紙の製造の原料として再利用するために製紙業者に販売することができる「二次」繊維と呼ばれるパルプ繊維、及び（２）脱インクプロセスの一部として除去される成分の混合物を含む複合廃棄物が常に生成される。複合廃棄物は通常、脱インク残渣（ＤＩＲ）と呼ばれる。
【００２３】
生成されるＤＩＲの量は、入ってくる古紙の品質及び再生利用プロセスの種類によって異なる。通常、乾燥ベースで、ＤＩＲの割合は、脱インク前の元の紙廃棄物の１５重量％から４０重量％である。ＤＩＲは通常湿潤状態で生成されるため、廃棄物が脱インクプロセスから離れる前に、通常は取扱費及び輸送費を削減するために可能な限り多くの水が除去される。一般に、廃棄物は約５０％の固形物に圧縮される。このため、紙廃棄物を１００トン処理するごとに、その半分が水の、３０から８０トンの湿ったＤＩＲが生成される。
【００２４】
例えば、製紙工場の敷地内で稼働している脱インクプラントでは、ＤＩＲプラントが製紙工場と統合されている。ＤＩＲはしばしば、製紙工場の白液回収ボイラー内でその燃料分が原因で燃焼する。この残灰は通常、ＤＩＲの元の重量の約１５〜２０重量％を占める。しかしながら、その高い水分含有量のため、ＤＩＲは一般に低級で効率の悪い燃料と考えられている。例えば、一部の非統合型の脱インク工場では、残渣の最も一般的な運命は埋め立て地への配置である。埋め立ては、費用がかかり、環境に優しくないため、一般に望ましくない。したがって、残渣混合物中に存在する鉱物フィラー及び／又は他の成分を再利用することによって、脱インクプラントで発生する廃棄物の量を減らす必要があった。
【００２５】
本明細書で言及されているが、より具体的には、ペーパースラッジ又はＤＩＲは従来、埋め立て、堆肥化、セメント産業による利用、及び焼却によって処分されてきた。後者のオプションは、別の問題、すなわち、多くの場合スラッジ又はＤＩＲ自体の量の最大５０％（時には８０％以上）を占める、結果として生じる無用で潜在的に有毒な灰の処分を引き起こす。炭酸カルシウムは、沈降炭酸カルシウム（ＰＣＣ）又は重質炭酸カルシウム（ＧＣＣ）の形態で、通常、乾燥スラッジ分の２０％から７５％までを占める。簡単に言うと、炭酸カルシウムは、紙の機械的特性及び外観を改善するためにコーティング及び充填材として、通常は粘土と共に紙に入れられる天然炭酸塩である。
【００２６】
炭酸カルシウムは、充填材とコーティング材の両方として紙の製造に使用される主要な無機顔料である。炭酸カルシウムは、塗料、コーティング、プラスチック、シーラント及びインクなどの材料における機能性充填剤としても広く使用されている。紙のコーティングには、製造業者は通常、良好な光学特性（高い明度、不透明度、光沢）と良好な印刷適性を与える顔料を必要とする。顔料の形態（モルフォロジー）は、適切なレオロジー効果を与えるために重要である。生成物の純度及び大きな粒子の不存在は、非常に低い研磨性のために不可欠である。通常、平均粒度は、非常に狭い粒度分布で、０．３から１ミクロンの範囲でなければならない。紙の充填には、平均粒径が１．５から３．０ミクロンの炭酸カルシウムが通常使用される。非塗工紙の平均鉱物充填は一般に約２５重量％であり、一方、塗工紙グレードの場合は約４５重量％である。
【００２７】
紙の事業で使用する炭酸カルシウムは、本明細書で簡単に述べるように、天然に存在する炭酸カルシウムの粉砕によって得られる形態（いわゆるＧＣＣ）であり得る。代わりに、炭酸カルシウムは、ＰＣＣと呼ばれる炭酸カルシウムの沈殿をもたらす、二酸化炭素がカルシウムイオンの溶液に添加される「化学的経路」（例えば、ＤＩＲのような紙廃棄物流の処理のサブプロセス）によって生成されることもできる。このような「化学的経路」は、カルシウムイオンの溶液が廃石灰（CaO）又は水酸化石灰（Ca(OH)2）材料から生成することができ、そうでなければ処分のための問題及び／又は費用を生じさせるであろう廃棄物から工業的に価値のある炭酸カルシウムの生成を可能にするという点で魅力的である。
【００２８】
カルシウム塩は、天然に豊富にあるにもかかわらず、天然の鉱床からの精製が困難で費用がかかるため、一般に高価な生成物である。例えば、紙品質のＰＣＣは通常、工業窯炉での石灰石の（方解石石灰又はドロマイト石灰への）か焼、消和、スラリー化、炭酸化、及び複数の精製ステップを含む多くの段階を経て、天然の石灰石から生成される。
【００２９】
先行技術は一般に、ペーパースラッジ／ＤＩＲが焼却されるときにカルシウム由来化合物が化学変化を受けることを教示している。当技術分野における期待は、紙廃棄物流の有機成分が焼却中に完全に破壊されること、粘土の熱脱水が、一般式CanAlaSibOcの脱炭酸された炭酸カルシウム（すなわち、アルミノケイ酸カルシウム）と複雑な化合物を形成するか焼アルミノケイ酸塩をもたらすことである。さらに、当技術分野における期待は、シリカが（炭酸カルシウムの熱的脱炭酸から得られる）酸化カルシウムと反応してケイ酸カルシウム（CaSiO3）を形成し得ることである。マグネシウム、カリウム、チタンなどに基づくものなど、紙廃棄物スラッジ又はＤＩＲ（例えば、顔料、充填材、微量の凝固剤など）に存在する他の鉱物は、鉱物分の組成をさらに複雑にする。最後に、上記の期待される化学変化から形成される特定の種は、主にスラッジ又はＤＩＲの鉱物断片における粘土の相対的な量及び性質、炭酸カルシウムの量、及び熱処理の条件に依存する。
【００３０】
残念ながら、一部には当技術分野におけるこれらの期待が原因で、ペーパースラッジ、ＤＩＲ、及びスラッジ由来の灰の無機物分は一般に、大部分が又は完全に無駄になる。せいぜい、先行技術は、限られた市場価値の低価格で不純な生成物の生成のための焼却灰の利用しか説明していない。
【００３１】
さらに、別の簡単な説明として、紙及び板紙などを含む類似の製品を製造する過程で、得られる紙製品の品質を改善するために、繊維ウェブに多量の無機材料を組み込むことが一般的であり、よく知られている。二酸化チタンなどの多くの無機材料が、これらの目的に有効であることが長く知られている。例えば、二酸化チタンは、全ての市販の紙用顔料の最大の明度及び不透明度の発展をもたらすものとして認識されている。これらの材料は、アナターゼ又はルチルの形態で紙に組み込むことができる。
【００３２】
しかし、二酸化チタンは、この目的のために利用可能な最も高価な材料の１つである。そのため、近年、二酸化チタンの満足のいく代替品の開発にかなりの労力が注がれた。その優れた光学特性に基づいて、か焼カオリンは非常に効果的な二酸化チタン増量剤であることが証明されており、製紙業界、塗料業界、プラスチック業界で広く受け入れられている。このため、紙廃棄物、スラッジ、及びＤＩＲに関する全ての議論には、これらの成分に関する議論も含める必要がある。
【００３３】
紙用充填材としての受け入れが増加している材料の中には、実質的に無水のカオリン粘土がある。このタイプの材料は一般に、例えば、最終生成物の明度を向上させる目的などで、特定の不純物を除去するために事前の選鉱ステップにかけた可能性がある粗カオリン粘土を部分的又は完全にか焼することによって調製される。
【００３４】
本発明を理解するためには、カオリン加工の当業者がか焼カオリンと未か焼カオリンとを明確かつ根本的に区別することを認識することが重要である。用語に関しては、カオリン製品及び加工の分野に関する先行技術文献はしばしば、「含水」という用語を用いて、か焼されていない、具体的には約４５０℃を超える温度に加熱されていないカオリンを指すことに留意されたい。このような温度は、カオリンの基本的な結晶構造を変える働きをする。これらのいわゆる「含水」粘土は、例えば、フロス浮選、磁気分離、機械的層間剥離、摩砕、又は粉砕などの様々な選鉱作業が行われたが、結晶構造を損なうような加熱が行われていない、粗カオリンから生成することができる。
【００３５】
正確な技術的意味では、これらの材料の「含水」という記載は正しくない。より具体的には、カオリナイト構造に実際に存在する分子水はない。したがって、組成物は、以下の式１で任意に表すことができ、また多くの場合、以下の式１で任意に表される。
【数１】
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【００３６】
カオリナイトは、以下の式２で表されるおおよその組成の水酸化アルミニウムケイ酸塩であることが、現在よく知られている。
【数２】
2021505524.tif 000004
【００３７】
カオリンがか焼される（本開示の目的では、ヒドロキシル基を除去する期間４５０℃以上の加熱を受けることを意味する）と、カオリナイトの結晶構造が破壊される。本明細書で使用されているように、「か焼カオリン」という用語はこのようなカオリンを指すものとする。好ましくは、か焼カオリンは、本明細書においても使用されるように、単に「メタカオリン」とされるのではなく、９８０℃の発熱を超えて加熱され、したがって「十分にか焼」されている。
【００３８】
紙廃棄物の処理、特にＤＩＲの処理に戻ると、様々な管轄区域の一般的な廃棄物規制及び排出規制に適合する焼却又は燃焼プラントは、ペーパースラッジ灰（ＰＳＡ）を生成しながらエネルギーを抽出するように設計されている。ＰＳＡの組成は通常、古紙スラッジ中に存在する炭酸カルシウム及びカオリンから主に形成される無機材料の混合物から成る。
【００３９】
焼却プロセスが６００〜８００℃の範囲の温度で制御されている場合、灰は、少量の他の鉱物と共に、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、メタカオリンの混合物を含む。また、有機成分の燃焼によって一部の炭素が残っている場合がある。
【００４０】
焼却が８００℃を超える温度で行われる場合、又は焼却温度が制御されない場合、存在する炭酸カルシウムの大部分は、存在するカオリン及び他の少量の鉱物と反応してゲーレナイトのような硬いガラス状のケイ酸カルシウムアルミニウム鉱物を形成し得る、酸化カルシウムに分解する。
【００４１】
主な目的がエネルギーの回収である場合、流動床燃焼器は８００℃から１０００℃の高温で動作するように設計されているが、滞留時間は３分未満と非常に短い。これらの条件下では、炭酸カルシウムの不完全な分解があり、硬いガラス状のケイ酸塩鉱物が形成される可能性がある。この不完全な分解は、おそらく、大きな凝集体の中央への適切な熱伝達のための時間が不十分なためである。形成された酸化カルシウムの一部はすぐにカオリンと反応し、これにより灰に残っている遊離酸化カルシウムの量がさらに減少する。また、有機成分の燃焼によって一部の炭素がまだ残っている場合がある。
【００４２】
ＰＳＡのその後の用途には、セメント製造、軽量コンクリートブロック、土地散布、及び牛の寝床が含まれる。しかしながら、ＰＳＡはこれらの用途ではほとんど又は全く価値がない。残りのＰＳＡは従来埋め立て処分されてきたが、一部のＰＳＡの遊離石灰（CaO）分のせいで、このオプションは次第に推奨されなくなってきている。同様に、一部のＰＳＡは、大気中の二酸化炭素と反応してある期間にわたってコンクリートマトリックスを弱めてしまう遊離石灰分のせいで、混合構造コンクリートでの使用に適していない。
【００４３】
近年、ペーパースラッジ又はその焼却によって生成された灰から潜在的に有用な材料を生成及び／又は回収しようとする動機があった。あらゆる燃焼条件で生成された灰中の炭素及び／又は硬いケイ酸塩鉱物から純粋な充填材を分離することは極めて困難である。同様に、未反応の炭素又は硬いケイ酸塩鉱物の有害な影響をマスクするためのバージン材の添加も成功していない。先行技術には、再生充填材を製紙に又は他の産業での使用に適したものにするような方法でＤＩＲ又はＰＳＡの特性を変更するプロセスを記載する多くの特許明細書が存在する。
【００４４】
特許文献９は、炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解を最小限に抑えながら有機成分を除去することに関するものである。特許文献９のプロセスによれば、炭酸カルシウムの５０％以下（好ましくは約２５重量％以下）が酸化カルシウムに変換される。このようにして、ゲーレナイトのような硬い鉱物の形成も最小限に抑えられる。狭い温度ウィンドウが指定されるため、繊維及びインクが燃焼して、主に炭酸カルシウムとメタカオリンから成る白色無機分が残る。条件は、温度を８００℃未満に保つように設定されている。凝集した繊維が燃焼する際の局所的な発熱を克服するために、２段階の燃焼プロセスが提案されている。得られた灰は、消和されて炭酸化され、存在する酸化カルシウムを炭酸塩に変換する。これに続いて、強力な摩砕が行われ、鉱物粒子のサイズを製紙プロセスに必要なサイズに縮小する。この方法の生成物である炭酸カルシウムとメタカオリンの混合物は、７０〜７５％の範囲のＩＳＯ白色度を有し、これはバージン炭酸カルシウムとカオリンに比べて著しく劣り、ほとんどの用途には適していない。この方法の生成物は、３０〜７０ｍｇの範囲の比較的高いアインレーナーワイヤー摩耗性を有する。
【００４５】
この方法の変形例が、特許文献１０に引用されており、炭酸化に先立って灰にさらに水酸化カルシウムを添加し、明度及び摩耗性をわずかに改善する。この特許の一実施例は、生成物の質量の半分が、この新たな水酸化カルシウムの添加に由来することを示している。
【００４６】
特許文献１１は、炭酸カルシウムと反応して水に可溶なカルシウム塩を形成する希酸でＤＩＲを処理する方法を記載している。不溶性画分からカルシウム塩含有溶液を除去し、塩化ナトリウム又は水酸化ナトリウムの添加により炭酸カルシウムを沈殿させる。繊維と主にカオリンを含む不溶性画分を乾燥し、高温で焼却して有機成分を除去し、か焼カオリンを生成する。
【００４７】
特許文献１２は、特に低量の酸化カルシウムを含むＰＳＡの生成のための燃焼プロセスに関する。酸化カルシウムは、二酸化炭素と反応して体積が増加した炭酸カルシウムを形成するため、コンクリートの長期強度に悪影響を及ぼすことが知られている。酸化カルシウムの還元により、メタカオリン成分のポゾラン特性を、コンクリートの長期劣化なしにコンクリートに利用することができる。この低減は、燃焼温度を制御し、第２の燃焼室に水を導入して酸化カルシウムを水酸化物に変換することによって達成される。
【００４８】
特許文献１３は、ポゾラン成分を含む材料を処理してポゾラン活性を高めた生成物を生成する方法を開示している。処理される材料は、例えば、ポゾラン成分として約３０％のメタカオリンを含む紙灰であってもよい。灰自体は、特許文献１４（特許文献１２と同等）に記載されている手順に従ってペーパースラッジを熱処理することによって調製することが好ましい。ポゾラン材料（例えば、紙灰）を処理するための特許文献１３の方法は、ポゾラン材料からカルシウムを抽出し、カルシウム富化水溶液及びカルシウム除去固体残渣を生成するために、ｐＨが１２．５未満の水性液体でポゾラン材料を処理することを含み、カルシウム除去固体残渣はポゾラン効果を高めた生成物である。処理プロセスで使用される水性液体は、例えば、水であってもよいが、より好ましくは酸性水溶液（例えば、塩酸又は酢酸）であり、任意選択でＥＤＴＡなどのキレート化合物を含む。カルシウム富化溶液は、固体残渣から分離され、セメント又はコンクリートを調製するために乾燥して又は乾燥せずに使用され得る。カルシウム富化水溶液を二酸化炭素で処理して炭酸カルシウムを生成することができると開示されているが、生成物品質の詳細は示されていない。
【００４９】
紙廃棄物の処理に戻ると、より一般的には、特許文献１５は、別々に回収される、主にセルロース系材料（木材及びセルロース繊維）から成る固形物の湿式脱水された捕集生成物と、主に再生利用の前に紙廃棄物から分離されたプラスチック片から成る残渣とを教示している。捕集生成物は、生成物の残留水分含有量が２５重量％以下になるまで乾燥され、連続的に積層されて連続的に前進する層を形成する。残渣の層を生成物層上に堆積させて連続的に前進する二層床を形成し、空気を含むガスで二層床を底吹きしながら燃焼させる。このプロセスで、生成物及び残渣を破壊し、燃焼ガスを生成し、スラグを回収する。プロセスで生成されるフライアッシュは、環境中への放出を防止するためにスラグに添加することができ、スラグは埋め立て地に堆積されるか、又は構造材料に使用される。燃焼ガスからの熱は、熱源として、特に蒸気発生のために使用することもできる。
【００５０】
特許文献１６は、紙、段ボール及び関連材料の製造において廃棄物として生成される紙パルプスラッジの再生利用の方法及び装置を開示している。紙パルプスラッジは、８００°Ｆから３５００°Ｆの温度でロータリーキルンに連続的に供給される。温度が２４００°Ｆを超えるように維持されると、焼却プロセスで形成されるダイオキシンなどの有害物質が破壊される。混合触媒、典型的にはカゼイン又は大豆タンパク質、及び木材パルプ繊維は、紙パルプスラッジと共に燃焼される。得られた焼却生成物は、本質的に炭酸塩粒子から成り、アスファルト、アスファルトコーティング及びシーラント、セラミック、コンクリート、セメントパイプ、粘土パイプ、構造ブロック、及びレンガの製造における鉱物フィラー結合剤として、又は流出油の吸収剤として使用することができる。特許文献１７では、紙パルプスラッジの焼却生成物の１５〜２５重量％を土粘土と混合して、埋め立て地を覆って密閉するために使用される耐水性材料を形成する。
【００５１】
特許文献１８は、紙廃棄物の細菌による消化とそれに続く焼却とを含む、廃棄物及び残渣からのエネルギー回収のための方法を開示しており、細菌による消化中に生成されたメタンガスは炉を加熱するために使用される。燃焼プロセスで放出された熱は、必要とされる工業プロセスで使用することができる。
【００５２】
特許文献１９は、製紙工場廃水に見られる物質などの粒状廃棄物の希釈水性懸濁液を処理するプロセスを開示している。代表的な廃棄物としてカオリン粘土が例示されている。プロセスは、粒子状物質の水性懸濁液中にアルカリ土類金属炭酸塩、例えば炭酸カルシウムを沈殿させて、プロセスの開始時に存在する粒子状物質がアルカリ土類金属炭酸塩沈殿物に同伴されるようにすることを含む。特許文献１９欧州特許出願第０６０４０９５号の図１は、沈降炭酸カルシウム粒子の凝集体に同伴された平坦な「板状」のカオリナイト粒子の走査電子顕微鏡写真を示す。炭酸カルシウムと同伴された粘土粒子との結果として生じる塊は、紙用充填材又は顔料として使用することができる。
【００５３】
水性廃棄物流に関して
【００５４】
水性廃棄物流に関して、本発明は、例えば、都市下水、工業廃水、及び汚染された開放水、流水、又は回収水などの多種多様な水性廃棄物流に適用可能である。これらの水性廃棄物流は、様々な発生源から生じる可能性があり、様々な予備処理段階を有する可能性がある。さらに、これらの水性廃棄物流は、ＰＣ又はＰＩ廃棄物流と関連する可能性があり、又は水性廃棄物流は、発生源、組成、場所などにおいて、ポストコンシューマの流れから独立している可能性がある。非限定的な例として、水性廃棄物流は、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の様々な有機及び無機溶質又は粒子で汚染された都市又は農業廃水であり得る。
【００５５】
都市の中心部及び市町村で人口増加が続き、新たな住宅団地が建設され、地方世帯が汚水処理タンク方式から公共下水道へ切り替えるにつれて、既存の集中型水道システム及び水処理施設のインフラストラクチャへの圧力は今後も高まり続けるだろう。廃水の除去及び処理は、公衆衛生を守るために重要である。廃水処理プロセスは、人間に害を及ぼし、川、湖、及び海を汚染する毒素を減らすことにより水質を改善する。廃水は、家庭、企業、工場から公共下水道管と全国の多くの場所で雨水排水管とを通って処理システムに入る。廃水処理は通常、処理水が環境に戻される前に水質基準が満たされていることを確認するコミュニティユーティリティ又は公共事業部によって監督される。
【００５６】
雨や雪解け水からの流出などの雨水も、回収及び処理インフラストラクチャが必要である。多くの場合、廃水と雨水は同じ水処理システムに流れ込む。これらの合流式下水道システムは、豪雨発生後に収容能力の問題が生じ、雨水だけでなく、未処理のし尿及び産業廃棄物、有毒物質、瓦礫、及びその他の汚染物質を含む越流を引き起こすことがある。合流式下水道越流（ＣＳＯ）と呼ばれるこれらの出来事は、水質を著しく損ない、公衆衛生及び野生生物に影響を与える可能性がある。農業排水や雨水などの非点源汚染の後、ＣＳＯは米国における水質汚染の主な原因である。コミュニティが、雨水システムに流入する流出量を増加させるコンクリートの歩道、道路、駐車場、伝統的な屋根などの大量の不浸透面を有する場合、問題はさらに悪化する。
【００５７】
流出及び汚染、例えば、廃棄物流としてのリン酸塩及び硝酸塩に関して
【００５８】
農業排水、雨水排水、廃水処理排水、及び他の発生源から環境中に排出されるリン酸塩及び硝酸塩の蓄積の増加は、地球が直面している最も重要な環境問題の１つである。都市及び工業廃水処理プラントから排出されるリン酸塩を制御することは、地表水の富栄養化を防ぐ上で重要な要素である。都市下水は５〜２０ｍｇ／Ｌの総リン酸塩を含む可能性があり、そのうちの１〜５ｍｇ／Ｌは有機物、残りは無機物の形態である。オルトリン酸塩は、さらなる分解なしに生体代謝に利用できる。ポリリン酸塩は、２つ以上のリン原子、酸素、場合によっては錯体分子において結合する水素原子を有する分子である。通常、ポリリン酸塩は加水分解され、オルトリン酸塩の形態に戻る。このプロセスは通常、かなり時間がかかる。
【００５９】
地表水中のリン酸塩濃度の上昇は富栄養化につながり、水生生物に有害である。富栄養化を抑制するために、ＥＰＡは、湖沼や貯水池に流入する地点の流れでは総リン酸塩が０．０５ｍｇ／Ｌを超えないように、また湖沼や貯水池に直接排出されない流れでは総リン酸塩が０．１ｍｇ／Ｌを超えないように勧めている。今日まで、リン酸塩除去は、塩化第二鉄、硫酸アルミニウム（ミョウバン）及び水酸化カルシウム（石灰）などの金属塩を用いる凝集／沈殿法で行われてきた。多くの場合、これらの方法は、沈殿及び最終的な固形物除去を促進するためにポリマーの使用を必要とする。
【００６０】
天然に存在しかつ合成された形態のゾノトライト及び／又はトバモライトを利用してリン酸塩を除去する様々な方法が詳細に詳述されている。これらの物質は、ｐＨの上昇により重炭酸イオンが炭酸イオンに変換され、除去効率が低下するため、溶液のｐＨによって制限される。リン酸塩除去の別の方法は、ストルバイト（リン酸アンモニウムマグネシウム六水和物）の化学的形成である。このプロセスは、マグネシウム源、通常は水酸化マグネシウムの導入を必要とし、アンモニウム源としての高いアンモニア濃度に依存する。さらに、リン酸塩除去の別の方法は、金属塩を添加して可溶性リン酸塩と反応させて固体沈殿物を形成し、これを清澄化及び濾過を含む固体分離プロセスによって除去することを含む、除去のための化学的処理を含む。使用される最も一般的な金属塩は、ミョウバン（硫酸アルミニウム又はアルミン酸ナトリウム）又はカルシウム（石灰）又は塩化第二鉄／硫酸第二鉄／塩化第一鉄である。
【００６１】
ミョウバンについては、ミョウバン又は水和硫酸アルミニウムが、リン酸塩及びリン酸アルミニウム（AlPO4）の沈殿に広く使用されている。基本的な反応は、以下の式３で表される。
【数３】
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【００６２】
必要とされる投与率は、必要とされるリン酸塩除去の関数である。凝集効率はリン酸塩濃度の低下とともに低下する。実際には、８０〜９０％の除去率が、５０〜２００ｍｇ／Ｌの凝固剤投与率で達成される。
【００６３】
石灰については、カルシウムが通常Ca(OH)2の形で添加される。それは廃水中の天然アルカリ度と反応し、主にＳＳ除去の促進に関与する炭酸カルシウムを生成する。廃水のｐＨ値が約１０を超えると、過剰なカルシウムイオンがリン酸塩と反応して、ヒドロキシアパタイトに沈着する。反応は石灰と廃水のアルカリ度との間で起こるため、必要な量は一般に、存在するリン酸塩の量とは無関係である。それは主に廃水のアルカリ度に依存する。必要な石灰の用量は、CaCO3の１．５倍のアルカリ度で概算することができる。後続の処理又は廃棄の前にｐＨを下げるために中和が必要とされる場合がある。二酸化炭素による再炭酸化が、ｐＨ値を下げるために用いられる。
【００６４】
鉄塩については、実際の反応は完全には解明されていないが、塩化第二鉄又は硫酸第二鉄及び硫酸第一鉄がリン酸塩除去に広く使用されている。基本的な反応は、以下の式４で表される。
【数４】
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【００６５】
第二鉄イオンが結合してリン酸第二鉄を形成する。それらは天然アルカリ度とゆっくりと反応するため、石灰などの凝集助剤を添加するとｐＨが上昇し、凝集が促進される。
【００６６】
一般に、廃水中のリン酸塩処理の場合、必要な化学物質量は液体リン酸塩濃度に関係する。２ｍｇ／Ｌを超える目標濃度（一次清澄器への化学物質添加に適している）の場合、リン酸塩１モルあたりアルミニウム又は鉄１．０モルの用量で十分である。０．３〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲の低リン酸塩濃度の場合、リン酸塩１モルあたりアルミニウム又は鉄が１．２〜４．０モルの範囲であることができる。沈殿物の溶解度はｐＨによって変化するため、ｐＨ値はミョウバン又は他の塩を使用してリン酸塩を効率的に除去するための重要な要素である。リン酸塩除去は、ミョウバンの場合は５〜７のｐＨ範囲が、第二鉄塩の場合は６．５〜７．５のｐＨ範囲が最も効率的である。
【００６７】
このため、化学物質量の決定に関して、化学的なリン酸塩除去のための制御戦略の最も重要な要素は、凝固剤投与量の計算である。アルミニウム塩又はイオン塩の投与率は、リン酸塩に対する利用可能な金属イオンのモル比に基づく。理論的には、１ｍｇ／Ｌのリン酸塩を除去するには、９．６ｍｇ／Ｌのミョウバン又は５．２ｍｇ／Ｌの塩化第二鉄が必要である。実際の環境では、必要量は０．５〜１５倍である。
【００６８】
さらに、リン酸塩除去を行う化学物質量の決定のために適切な制御を行うことは困難である。この困難にはいくつかの理由がある。流入するリン酸塩濃度は、産業の寄与により予測できない形で変化することがある。流入するリン酸塩濃度は、ほとんど流量に比例しない。凝固剤添加前のポリリン酸塩のオルトリン酸塩への変換は、凝集効率に影響を及ぼす。プロセス条件、特にｐＨ及び温度は、ポリリン酸塩の変換に大きく影響し得る。再生された生成物を凝固剤として使用する場合、利用可能な金属イオンの濃度も変動する。この結果、リン酸塩の凝固速度が非常に変動しやすくなり、オンライン監視がない場合には、オーバーフィードやアンダーフィードを回避するために頻繁な手動調整が必要となる。さらに、不十分な凝固剤の投与により過剰な濁度を有する流出物が生じ得るが、過剰な凝固剤の投与でも同様の結果が生じ得る。余剰の凝固剤はまた、酸化要求を働かせることによって消毒プロセスに悪影響を及ぼす可能性がある。
【００６９】
硝酸塩はまた、地表水と地下水の濃度上昇が飲料水供給の望ましくない濃度につながるため、重要である。現在の飲用水の硝酸塩の上限は、硝酸塩として１０ｍｇ／Ｌである。
【００７０】
タンパク質又はアミノ酸を含む廃水の貯蔵及び分解は、アンモニアの形成をもたらす。アンモニアは水路又は川に放出され、水生生物を脅かす可能性がある。また、貯水池や処理施設からアンモニアガスが大気中に放出され、環境や公衆衛生上の問題が生じる可能性もある。大気中のアンモニアは、重大な公衆衛生問題に関係している小さなエアロゾル粒子を形成する。
【００７１】
通常、アンモニアは硝化とそれに続く脱窒などの好気的プロセスによって水から除去される。硝化及び脱窒は、極めて高い割合のアンモニアを除去することができる。このようなプロセスにより、アンモニアは窒素ガスとして大気に戻される。しかし、硝化及び脱窒プロセスは、温室効果ガスである亜酸化窒素を生成する。
【００７２】
脱窒のプロセスにより、堆肥や肥料として利用できる窒素を回収する機会も失われる。通常、アンモニア肥料は、ハーバー法として知られる天然ガスと空気の燃焼によって作られる。この方法によるアンモニア肥料の生成は費用がかかり、二酸化炭素を生じる。二酸化炭素も温室効果ガスである。
【００７３】
硝酸塩除去は、ほとんどの場合、微生物による脱窒によって行われる。このプロセスは、低酸素環境において脱窒菌が利用できることを必要とする。脱窒菌は硝酸塩を代謝し、亜硝酸塩と最終的には窒素ガスに還元する。より具体的には、脱窒は、一連の中間ガス状窒素酸化物生成物を経て最終的に分子状窒素（N2）を生成し得る、微生物によって促進される硝酸塩還元プロセスである。この呼吸作用のプロセスは、有機物などの電子供与体の酸化に応じて窒素の酸化型を減少させる。好ましい窒素電子受容体は、熱力学的に最も好ましいものから順に、硝酸塩（NO3-）、亜硝酸塩（NO2-）、一酸化窒素（NO）、及び亜酸化窒素（N2O）を含む。全体的な窒素循環に関しては、脱窒はＮ２を大気に戻すことによって循環を完了する。このプロセスは、主に、パラコッカスデニトリフィカンスや様々なシュードモナスなどの従属栄養細菌によって行われるが、チオバチルスデニトリフィカンスなどの独立栄養性脱窒菌も確認されている。脱窒菌は、全ての主要な系統群で示される。一般に数種の細菌が硝酸塩の分子状窒素への完全な還元に関与しており、還元プロセスで複数の酵素経路が確認されている。
【００７４】
硝酸塩からアンモニウムへの直接還元は、アンモニウム又はＤＮＲＡへの異化型硝酸還元として知られるプロセスであり、ｎｒｆ遺伝子を持つ生物でも可能である。これは、硝酸塩還元の手段としてほとんどの生態系で脱窒ほど一般的ではない。脱窒する微生物として知られている他の遺伝子は、特にｎｉｒ（亜硝酸還元酵素）及びｎｏｓ（亜酸化窒素還元酵素）を含み、これらの遺伝子を持つと特定されている生物は、アルカリゲネスフェカリス、アルカリゲネスキシロスオキシダンス、シュードモナス属の多く、ブラディリゾビウムジャポニカム、及びブラストバクターデニトリフィカンスを含む。
【００７５】
脱窒は通常、陸上生態系と海洋生態系の両方で特別な条件下で行われる。一般に、よりエネルギー的に有利な電子受容体である酸素が枯渇し、細菌が代わりの最終電子受容体として硝酸塩を呼吸する場合に起こる。大気中の酸素濃度が高いため、脱窒は通常、一部の土壌や地下水、湿地帯、換気不良な海の端、海底堆積物など、酸素消費量が酸素供給速度を上回る環境で行われる。
【００７６】
脱窒は、一般に、以下の式５で表される以下の中間形態のいくつかの組み合わせによって進行する。
【数５】
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【００７７】
完全な脱窒プロセスは、以下の式６で表される酸化還元反応として表すことができる。
【数６】
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【００７８】
無酸素条件下での還元は、以下の式７で表される嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）と呼ばれるプロセスによっても起こり得る。
【数７】
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【００７９】
近年、脱窒を促進するために、脱窒菌の成長栄養素を継続的に供給する必要があると考えられていた。一部の廃水処理プラントでは、少量のメタノール、エタノール、酢酸塩、又はMicroCgやMicroCglycerinのような有標製品を廃水に添加して、脱窒細菌のための炭素源を提供した。メタノール（CH3OH）は、細菌性微生物の炭素源としても機能した。メタノールの添加によって加速され、嫌気性細菌は硝酸塩を窒素ガスに変換し、窒素ガスは大気中に放出される。
【００８０】
現在、米国各地の廃水処理プラントが、脱窒プロセスにメタノール、エタノール、酢酸塩などを使用している。例えば、メタノールの脱窒は、１日あたりの通常のトン数を、場合によっては当初の窒素排出量の半分まで削減するのに役立った。残念ながら、メタノール、エタノール、及び酢酸塩は高価である。例えば、いくつかの非限定的な例において、メタノールの脱窒は、除去される窒素１ポンドあたり約０．５０ドルから０．６０ドルのコストがかかる（それにはインフレ調整は含まれていない）。さらに、異なる観点から、飲料水供給も通常、少なくとも硝酸濃度を下げるために陰イオン交換プロセスで処理される。イオン交換プロセスのある時点で、陰イオン交換樹脂を再生剤で洗浄して再生する必要がある。これは通常、イオン交換プロセスの樹脂カラムに濃縮された塩水、すなわち、塩でほぼ飽和された水を１回通過させることで達成される。塩化ナトリウム（NaCl）塩水は、その低コストのために最もよく利用されている。
【００８１】
残念なことに、NaCl塩水を使用する利点は、硝酸イオン及び塩化物イオンを含む結果として生じる廃棄塩水の処分の高コストによって相殺される。塩化物イオンに対して硝酸イオンを除去する方法が見つかれば、廃棄塩水を再生剤として再利用できる。
【００８２】
廃棄塩水から硝酸イオンを除去する最も広く使用されている方法の１つである生物学的脱窒は、生物の使用に関連するいくつかの欠点を有する。これらの欠点は、微生物の高イオン強度の問題を回避するための望ましくない希釈、生存可能な細菌培養を維持することの難しさ、細菌培養を維持するための高い化学物質コスト、及び予測不可能な反応速度を含む。この方法はまた、比較的大きな設備を利用する。さらに、細菌培養の使用は飲料水の汚染を引き起こす可能性がある。
廃棄塩水から硝酸イオンを除去するもう一つの方法は、生物学的リサイクルである。生物学的脱窒と同様に、この方法もまた、生物を維持することに関連する欠点を有する。これらの欠点は、細菌培養を維持するための高い栄養コスト、飲料水への汚染の可能性、遅い及び／又は予測不可能な反応速度を含む。さらに、廃棄塩水は、微生物がそれを脱窒することができるように希釈されなければならないため、プロセスは、交換体を再生するために塩水を再濃縮する追加の時間のかかるステップを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８３】
【特許文献１】米国特許第５，９０８，７０１号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０４５，５９０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７８６，９８８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０２０９４３９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／０３３０２８８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／００４４４８０号明細書
【特許文献７】米国特許第７，６３５，０９９号明細書
【特許文献８】米国特許第８，５４４，７７２号明細書
【特許文献９】米国特許第５，８４６，３７８号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，０６３，２３７号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，３００，５３９号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，８６８，８２９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００５／０２２３９５０号明細書
【特許文献１４】国際特許出願第ＰＣＴ／ＮＬ１９９５／０００２８０号
【特許文献１５】米国特許第４，９３２，３３６号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，０１８，４５９号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，０５４，４０６号明細書
【特許文献１８】米国特許第４，７６９，１４９号明細書
【特許文献１９】欧州特許出願公開第０６０４０９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００８４】
上記に従って、本発明の目的と見なすことができるのは、上述の、及びそれに固有の、又は当業者に知られている先行技術の水準の欠点を克服し、その改善を提供することである。本発明のさらなる目的は、上述の特性の、上記の目的に従う、プロセス及びプロセスを行うためも必要な装置を提供することであり、上記の目的は、プロセスで及びプロセス内で、比較的簡単な設備で、比較的簡単な工学的要件で容易に行うことができる。さらに別の目的は、添付の図面及び特許請求の範囲と併せて、全体として以下の明細書を考慮することによって認識され、明らかになり得る。例示及び例として、本発明の実施形態が開示されている。
【００８５】
本明細書で使用されているように、本発明の目的へのいかなる言及も、本発明の概念及び実施化から生じる本発明の解決策及び利点を指すものと理解されるべきであり、先験的な概念又は先行技術の概念を指すものではない。
【００８６】
本発明の上記及び他の目的は実現され、先行技術の制限は、本発明において新規でかつ改良された方法、プロセス、及びシステムを提供することによって克服される。本発明の原理及び詳細のより良い理解は、添付の図面と併せて以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００８７】
本発明は、（１）持続可能な廃棄物管理、（２）ポストコンシューマ（ＰＣ）又はポストインダストリアル（ＰＩ）生成物管理、及び（３）水管理のシステム及び方法を対象とする。さらに、本発明は、（４）多目的の化学的前駆体、プラットフォーム、又は有効成分を持続的に生成するシステム及び方法、及び／又は（５）最終的なＰＣ又はＰＩ生成物の持続可能な生産及び／又は多種多様な廃棄物流からの価値のある残渣又は汚染物質の持続可能な回収のために、前駆体、プラットフォーム、又は有効成分を中間体として持続的に利用するシステム及び方法であって、それにより生産された化学的前駆体、プラットフォーム、及び／又はＰＣ又はＰＩ生成物は経済的に効率的であり、家庭、都市、農業、及び商業のユーザーにとって価値があるシステム及び方法を対象とする。さらに、本発明は、（６）湖、貯水池、海、川、池、及び水路のための開放水処理、並びに他の様々な開放水用途のシステム及び方法を対象とする。
【００８８】
より具体的には、本発明は、特定の実施形態では、（ａ）少なくとも約１５．０％〜２０％の無機物及び少なくとも約２０．０％の有機物（含水又は無水）を有し、少なくとも約２０００．０ＢＴＵ／ｌｂのエネルギー値要素によって定義される発熱性処理廃棄物流と、（ｂ）リン酸塩及び硝酸塩及び／又は重金属濃度を有するアルカリ性、酸性、又は中性の都市水性廃水とを含む、ＰＣ又はＰＩ廃棄物流及び／又は水性廃棄物流を持続的に利用するシステム及び方法を対象とする。
【００８９】
ＰＣ又はＰＩの発熱性処理廃棄物は、紙リサイクル処理源（（例えば、製紙工場スラッジ、脱インクスラッジ、ＤＩＲ）又はカーペット処理源（例えば、カーペットの第３の流れ）から生じ得る。さらに、ＰＣ又はＰＩの発熱性処理廃棄物は、本明細書に記載される発明概念の「投入物」になる前に、様々な予備処理段階を有することができる。
【００９０】
さらに、都市下水は、ＰＣ又はＰＩの発熱性処理廃棄物流から（発生源、場所などの点で）完全に独立していることができる。都市下水はまた、自治体の水処理源から生じ得る。さらに、都市下水は、本明細書に記載される発明概念の「投入物」になる前に、例えば、生物学的微粒子及び非生物学的破片を除去するために、様々な予備処理段階を有することができる。しかしながら、都市下水は、発明概念が意図したように動作するために、発明概念の「投入物」になる前に、又は「投入物」になった後に、ｐＨ調整を必要としない。
【００９１】
さらに、上記に関連して、本発明のシステム及び方法はまた、廃棄物流処理に必要な未使用の投入物を生成すること及び／又は低減することに関し、有用でないか又は潜在的に有毒な廃棄物流処理による排出物を低減することに関する。特定の例示的な実施形態では、例えば、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流及び都市下水を処理するものと同様に、本明細書に記載される発明概念は、先行技術で教示されたように再生利用又は他の方法で処理されても、（１）残渣、（２）新たな廃棄物又は汚染物質、及び／又は（３）二次廃棄物又は汚染物質の流れを現在生成している汚染物質の流れの持続可能な除去を達成する。
【００９２】
例示的な一実施形態では、本発明のシステム及び方法は、捕捉、濾過、及び／又は再利用もしくはリサイクルできない放出物、副産物、及び／又は残渣が限られた状態で、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の実質的な過半数を効率的かつ効果的に消費する。さらに、本発明のシステム及び方法はまた、例えば紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の消費により、様々な有用かつ経済的に価値のあるＰＣ又はＰＩ生成物の二次的な（場合によっては完全に独立した）生成のために、複合材料のイオン性化学的前駆体又はプラットフォームを効率的かつ効果的に生成する。前駆体から得られるポストコンシューマ生成物は、メタカオリン、ハロイサイト、ポゾラン、土壌添加剤、建築材料、顔料、及び充填材の形態をとることができ、前駆体自体の効率的かつ効果的な調製のおかげで、類似の生成物を採掘、浸出、又は採取するよりも生成する方が経済的に効率的であり得る。
【００９３】
本発明のシステム及びプロセスはまた、捕捉、濾過、及び／又は再利用もしくはリサイクルできない副産物及び／又は残渣が限られた状態で、及び限定された量の新しい又は未使用の廃棄物流処理材又は試薬を用いて、都市下水を効率的かつ効果的に処理及び汚染除去する。さらに、本発明のシステム及びプロセスは、二次的なｐＨ調整処理ステップを必要とせずに、都市下水を効率的かつ効果的に処理及び汚染除去し、代わりに、ｐＨを効率的な汚染物質の除去／沈殿に必要とされる約１０より上に上昇させる本来備わっている固有の特徴の恩恵を受ける。
【００９４】
実際、特定の例示的な実施形態では、前工程（例えば、紙又はカーペット廃棄物流処理を行う段階）の排出物は、発明概念の後工程（例えば、廃水の処理を行う段階）のためのＰＣリサイクル投入物又は有効成分として使用することができる。他の例示的な実施形態では、前工程の排出物は、発明概念自体（前工程及び／又は後工程のいずれであっても）のためのＰＣリサイクル投入物として使用することができる。さらに、前工程の排出物は、全く関係のない別のプロセス、さもなければ未使用の投入物又は比較的持続可能でない投入物を使用するプロセスのためのＰＣリサイクル投入物として使用でき、これは、記載されている多目的の化学的前駆体又はプラットフォームの生成から明らかであり、完全に独立した最終生成物の生成のための投入物又は仲介物としても有用であり得る。他の例示的な実施形態では、発明概念の後工程の排出物は、発明概念自体のためのＰＣリサイクル投入物として使用することができ、又は全く関係のない別のプロセスのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができる。この場合も先と同様に、プロセスは、さもなければ未使用の投入物又は比較的持続可能でない投入物を使用する。
【００９５】
別の言い方をすれば、非限定的な例として、発明概念自体の排出物は、（１）エネルギー、（２）真水又は汚染除去された水、（３）様々な種類の持続可能な廃棄物流処理のための有効成分（例えば、処理材、化学試薬、添加剤、捕捉材、捕収剤、沈殿剤、及び担体）、（４）様々な関連のないＰＣ又はＰＩ生成物の生成のための多目的の化学的前駆体又はプラットフォーム、及び／又は（５）様々な他の用途での使用のために発明概念自体から直接生成された持続可能に供給される組成物（例えば、化学肥料、土壌添加剤、建築材料、ポゾラン、顔料、充填材などの持続可能なポストコンシューマ生成物。ただし、これらのカテゴリーは、独立した第三者による化学的前駆体又はプラットフォームから得られるＰＣ又はＰＩ生成物を表す）であり得る。したがって、これらの例示的な実施形態については、本明細書に記載される発明概念は、リサイクル及び再利用の階層を備えており、発明概念は、それらの階層から先行技術よりも効率及び効果を引き出している。
【００９６】
より具体的には、紙又はカーペット廃棄物流処理及び廃水処理を行う例示的な一実施形態では、発明概念の実施形態のスラッジ処理部分の排出物は、（１）約７．０より大きいｐＨに反応する複合灰、ジオポリマー前駆体、又は捕捉プラットフォーム、及び（２）グリッドへの回収及び利用、又はスラッジ処理部分へのリサイクルのための自由エネルギーである。複合灰は、主に、鉱物酸化物、及び／又は鉱物炭酸塩（変換されているか部分的に変換されているかにかかわらず）、及びメタカオリンを含む結晶性組成の鉱物生成物又は酸化物である。複合灰は、酸化及び／又は燃焼によって触媒される。特定の結晶構造は、組成変動及び／又は温度及び／又は圧力変動によって変更され得る。分子内の原子の空間的な配向は、結合長及び／又は結合角の変化をもたらすように変更され得る。
【００９７】
複合灰はまた、約６０．０％のカルシウム成分及び約３０．０％のメタカオリン成分の両方を含有する二成分複合物と考えることもできる。複合灰は、複合灰の個々の成分と比較した場合に拡大された、化学結合力と吸着（化学吸着）力を含む独特で相乗的な分子引力を示し得る。複合灰は、様々な陽イオン及び陰イオンを効率的かつ効果的に吸着し、捕捉しかつ／又は結合させるやり方で、必要な投入物、必要な方法、及び必要な設備及びシステムの制御によって操作することができる。
【００９８】
このようにして、発明概念の廃水処理部分については、本明細書でさらに十分に説明するように、複合灰は、ポストコンシューマ生成物として又は発明概念自体の投入物として（前工程でのフィードバックにおいて及び／又は直接の投入物としてのいずれであっても）、及びより持続可能性の低い材料及び化学試薬の代わりとして使用することができる。さらに、複合灰は、別の全く関係のないシステム又はプロセスのための、ポストコンシューマ処理材、化学試薬、建築材料、充填材などとして使用することができる。
【００９９】
さらに、発明概念の実施形態の廃水処理部分の排出物は、（１）廃水に溶解したときに、リン酸塩、硝酸塩及び重金属を化学的に結合させ又は捕捉する沈殿した組成物、及び（２）グリッドへの回収及び利用のための、又は発明概念のスラッジ処理部分及び／又は廃水処理部分にリサイクルするための汚染除去された水流である。このようにして、捕捉されたリン酸塩及び硝酸塩を持続可能に運んで利用するために、以下でより十分に説明するように、沈殿した組成物は、ポストコンシューマ生成物として、及び持続可能性の低い同等の材料の代わりに使用することができる。
【０１００】
より具体的には、紙又はカーペット廃棄物流処理及び都市下水処理を行う例示的な一実施形態では、スラッジ処理部分の複合灰排出物は、水性廃水からのリン酸塩及び硝酸塩の捕集及び除去に理想的に適した捕集剤及び／又は沈殿剤として構成されている。複合灰は、かなりの炭酸カルシウム及びメタカオリン成分を有することがあり、任意選択で、廃棄物流源の種類によっては、酸化アルミニウム成分及び酸化鉄成分も有することがある。したがって、この複合灰の実施形態では、多価金属イオンは追加の沈殿剤として働く。
【０１０１】
さらに、メタカオリン成分は、メタカオリンの反応性及び表面積により水溶液中の特定のリン酸及び硝酸イオン種に対して二重層の表面引力が生じるため、多価金属イオンと共に、一次捕収剤として働くことができる。このようにして、本明細書でより詳細に説明するように、メタカオリンと金属イオン（特に特定の金属酸化物に限定されないが）との間の捕集及び沈殿の相乗作用は、発明概念の廃水処理の処理部分におけるリン酸塩及び硝酸塩の分離を促進することができる。
【０１０２】
特定の実施形態では、分離は８８％を超える効率に達し得る。例えば、２００ｍＬの量で５．０ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９８．４％除去し、２００ｍＬの量で２０．０ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９７．２５％除去し、３００ｍＬの量で１．４６ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９３．２％除去し、８０Ｌの量で１．２５ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９０．４％除去し、１Ｌの量で４．２ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約８８．０９％除去し、１Ｌの量で１４．０ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９３．６％除去するという結果が得られている。
【０１０３】
同様に、硝酸塩に関しては、分離は６５％を超える効率に達し得る。例えば、２００ｍＬの量で３．４ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約６７．６％除去し、２００ｍＬの量で３．４ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約７０．６％除去し、２００ｍＬの量で３．４ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約７３．５％除去し、２００ｍＬの量で２．４３ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約８９．７％除去し、２００ｍＬの量で２．４３ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約９５．１％除去し、２００ｍＬの量で２．４３ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約９３．０％除去するという結果が得られている。
【０１０４】
さらに、上記に関連して、本発明のシステム及び方法は、本明細書に記載の廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置することにも関連する。最も広いレベルでは、これは、本明細書でより詳細に説明するように、システムのサブシステムに関して作業をスケジューリングしかつ作業を戦略的に配置することを含むことができる。
【０１０５】
さらに、本発明による複合灰は、様々な実際の用途又はシステム及び／又は実際の実施に利用することができる。１つの単純な実施形態では、複合灰は、遠心力を用いて接触速度を速めるように設計された反応チャンバ内で、複合灰がリン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触するシステム内で利用される。関連する実施形態では、反応器は層流条件下で作動するテイラー渦システムを使用する。このように配置されたシステムでは、反応器の流体力学は、独特のボルテックス効果により、数層のドーナツ形の水の層が、ドーナツ穴を通って垂直に、反応器の周囲に沿って水平に回転するようなものである。遠心力により、結晶性組成物及びその他の溶質が反応器の内面に沿って集まり、接触暴露が増加し、反応時間が大幅に短縮し、吸着効率が向上する。別の実施形態では、複合灰を、例えば、廃水最終処理（自治体又は食品加工業者の下水処理場）などの最終処理流への乾燥供給又はスラリー混合によって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。別の実施形態では、組成物を、当技術分野で理解されているように高濃度の栄養塩除去及び濾過システムによって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。
【０１０６】
別の実施形態では、スラリー又は液体の形態の複合灰を、直接部分注入器によって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。例えば、本実施形態は、小便器又はトイレで又は汚染源に直接使用することができる。
【０１０７】
別の実施形態では、複合灰を、例えば、地面又は地表水域などでの乾燥又はスラリー散布又は空中散布によって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。結晶性組成物は、例えば、はしけによって湖及び池に広げて、栄養分を吸着しかつ結合させ、回収して生態学的に管理することができる沈殿物を生じさせることができる。結晶性組成物は土壌に直接混合することもできる。
【０１０８】
別の実施形態では、複合灰を、埋め込みバリアによって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。例示的なバリアは、動物農場又は公園の表面下に埋め込まれるか又は水槽内のリン酸塩を除去するために水槽濾液を捕捉するのに使用される、組成物を含むシートである。
【０１０９】
より具体的には、より複雑な実施形態の場合、発明概念を具体化するシステムは、特定の実施形態では、広大な運用ネットワーク上に広がっている多目的かつ特別な目的のマシン又はシステムを含むことができる。運用ネットワークは、本明細書で説明する本発明の方法又はプロセスの特定の部分を処理することを意図した様々なサブプロセスステーション又は場所をリンクすることができる。例えば、発明概念の前工程部分及び／又は発明概念の後工程部分、及び／又独立しているが関連するプロセスは、発明概念によって生成された多目的の化学的前駆体／プラットフォームを含む。各サブプロセスステーション又は場所は、あるタイプの廃棄物流処理を行い、別のサブプロセスステーション又は場所は、異なるタイプの廃棄物流処理を行うことができる。
【０１１０】
例えば、特定の例示的な実施形態では、あるサブプロセスステーション又は場所がカーペット又は脱インクスラッジ廃棄物処理を行い、別のサブプロセスステーション又は場所が廃水処理を行い、別のサブプロセスステーション又は場所が化学的前駆体又はプラットフォームからの独立したＰＣ又はＰＩ生成物の生成を行うことができる。サブプロセスステーション又は場所は、複合灰の生成に関与するサブシステム及び設備が高濃度ＤＩＲ処理センターに近接して（すなわち、例えば５０マイル以内に）、かつ独立した廃水処理センターに同様に近接して配置され得るという意味で、地域型であり得る。地域センターは、グリーンフィールドであるか、戦略的なＤＩＲ処理パートナーによって運営される場合があり、これにより後に近くの独立したＤＩＲ処理業者への二次サービスが容易になる。複合灰の生成に関与するサブシステム及び設備が、高濃度ＤＩＲ処理センターの作業及びインフラストラクチャに完全に統合され得るという意味で、サブプロセスステーション又は場所は統合することもできる。統合モデルは、さらなる統合を容易にすることによって、さらに一歩先を行くことができ、複合灰及び化学的前駆体の作業が統合された高濃度ＤＩＲ処理センターもまた、都市下水処理作業と完全に統合されている。これは、協調的で調整された作業管理、及び物理的な空間、土地、設備、技術者、及び／又は管理の共有を意味する。
【０１１１】
また、いくつかのサブプロセスステーション又は場所は、場所及び作業の点で全く関係がないことができるが、他のサブプロセスステーション又は場所は、必要に応じて又は要求に応じて、別のサブプロセスステーション／場所と同じ場所及び作業インフラストラクチャを（少なくとも部分的に）有するように適応可能かつ移動可能であり得ることが想定される。最も一般的な意味では、ネットワークリンクは、サプライチェーン及び連続的又は相互依存的なプロセス、例えば、廃棄物流処理の様々な段階を通して相互接続し、そうすることによって、先行技術と比較して効率的かつ効果的な実施方法を生み出すことができる。
【０１１２】
最後に、より具体的には、紙又はカーペット廃棄物流処理及び廃水処理を行う例示的な一実施形態では、本開示のシステム及び方法は、
紙又はカーペットの発熱性廃棄物流を処理することと、
例えば、
処理によりエネルギーを生成することと、
廃棄物から鉱物を回収することと、
酸化カルシウム、部分的に変換された炭酸カルシウム、及びメタカオリンを含む複合灰を、それらの一般的な非晶質の結晶構造を含めて、形態学的及び／又は化学的捕捉プラットフォームなどとして調製及び捕集することを含む、廃棄物流処理のための有効成分を生成することと
により、処理による排出廃棄物を削減することと、
排水を処理し、浄化及び精製された水排出物を生成することと、
ポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物の生成のために、ポストコンシューマ廃棄物から、ジオポリマー前駆体として過剰な複合灰を調製及び捕集することと、
例えば、
廃水からリン酸塩及び硝酸塩及び／又は重金属及び他の汚染物質を除去することと、
沈殿したリン酸塩に富む化合物、硝酸塩に富む化合物、及び／又は結果として生じる複合灰の最終生成物を、ポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物などとして、リン酸塩、硝酸塩、及び／又は重金属を捕捉又は結合した後に捕集及び処理することと
により、廃水の処理による排出廃棄物を削減することと、
例えば、
紙又はカーペットの発熱性廃棄物流処理による排出廃棄物の削減に関連するシステム、サブシステム、及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
本発明のシステム全体にエネルギーをループバックすることを含む、生成されたエネルギーの導入のためのグリッドを設置及び維持することと、
廃棄物流処理のための有効成分又は複合灰の生成に関連するシステム、サブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
廃水の処理及び／又は浄水排出物の生成に関連するシステム、サブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
本発明のシステム全体に浄水をループバックすることを含む、生成された浄水排出物の導入のためのグリッドを設置及び維持することと、
過剰な複合灰又はジオポリマー前駆体の捕集、及び／又は過剰な複合灰の最終的なＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物を形成するための利用に関連するシステム、サブシステム、及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
廃水からのリン酸塩、硝酸塩、及び／又は重金属、及び他の汚染物質の削減、捕集、又は捕捉、及び／又は沈殿したリン酸塩に富む化合物又は硝酸塩に富む化合物の捕集及び処理に関連するシステム、サブシステム、及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと
により、廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置することと、
本明細書で説明する発明概念の様々なコンポーネントの間で、効率性を促進にする目的で、プロセスが同時に行われるようにシステム全体のサブシステムに関して作業をスケジューリングすることと
を対象とする。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
図面において、同様の符号は、別段の指示がない限り様々な図全体にわたって同様の部分を指す。「１０２Ａ」又は「１０２Ｂ」などの文字指定を有する符号については、文字指定は、同じ図に存在する２つの類似部分又は要素を区別することができる。符号が全ての図において同じ符号を有する全ての部分を含むことが意図される場合、符号の文字指定は省略されてもよい。
【０１１４】
【図１】本発明の例示的な実施形態のステップを示す概略フローチャートである。ステップの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではない。
【０１１５】
【図２】図１の概略フローチャートに適用可能なキルンの例示的な実施形態のシステム、サブシステム、及び設備を示す概略図である。
【０１１６】
【図３】図１の概略フローチャートに適用可能であり、インフラストラクチャを図２のキルンと結び付けて共同使用することができる、か焼炉の例示的な実施形態のシステム、サブシステム、及び設備を示す概略図である。
【０１１７】
【図４】図１の概略フローチャートに適用可能であり、インフラストラクチャを図３のか焼炉と結び付けて共同使用することができる、か焼中間体処理装置の例示的な実施形態のシステム、サブシステム、及び設備を示す概略図である。
【０１１８】
【図５】図１の概略フローチャートに適用可能であり、インフラストラクチャを図２〜４のキルン及び／又はか焼炉と結び付けて共同使用することができる、最終複合灰取扱装置の例示的な実施形態のシステム、サブシステム、及び設備を示す概略図である。
【０１１９】
【図６】本発明を実際に実施することができるシステムの地域版の例示的な実施形態を示す概略図である。
【０１２０】
【図７】本発明を実際に実施することができるシステムの統合版の例示的な実施形態を示す概略図である。
【０１２１】
【図８】自治体で本発明を実際に実施する図７の統合システムの例示的な実施形態を示す概略図である。
【０１２２】
【図９】図８の統合システムのためのキルンレイアウトの例示的な実施形態を示す概略図である。
【０１２３】
【図１０】図８の統合システムのためのキルンサブシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。
【０１２４】
【図１１】プロセスの後工程グループの例示的な実施形態のステップを示す概略フローチャートである。ステップの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではない。
【０１２５】
図面は、本明細書の一部を構成し、様々な形態で具現化され得る本発明の例示的な実施形態を含む。本発明の理解を容易にするために、いくつかの例では本発明の様々な態様が誇張され、縮小され、拡大され、又は他の方法で歪められて示されている場合があることを理解されたい。図面において、明確化のために便利又は役立つ場合、同様の要素には同一又は類似の符号が与えられている。これらの要素への同一又は類似の言及が本明細書の本文においてなされるが、本発明をさらに説明するために他の名称及び用語を使用してもよい。
【発明を実施するための形態】
【０１２６】
本発明の本質、機能、及び目的の更なる理解のために、ここで添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照されたい。好ましい実施形態の詳細な説明は、本発明を実行及び使用する最良の形態と同様に本明細書で提供されているが、本発明は様々な形態で実施され得ることを理解されたい。従って、本明細書に開示される特定の詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、特許請求の範囲の根拠として、及び本発明を使用することを実質的に適切に詳述したシステム、構造、又は方法で当業者に教示するための代表的な根拠として解釈されるべきである。本発明の実施は、本発明によって教示されるプロセス及び本発明に従って得られる結果の両方を例示すると考えられる、含まれる実施例によって例示される。
【０１２７】
本発明の例示的な実施形態は、（１）持続可能な廃棄物管理、（２）ＰＣ及びＰＩ生成物管理、（３）水管理、（４）化学的前駆体、プラットフォーム、又は有効成分の持続可能な生成、（５）少なくとも生成された化学的前駆体、プラットフォーム、又は有効成分による発熱性処理廃棄物流及び都市水性廃水流からのＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物の持続可能な生成、及び（６）湖、貯水池、海、川、池、及び水路のための開放水処理、並びに様々な他の開放水用途のシステム及び方法を提供する。例示的な発熱性処理廃棄物流は、少なくとも約１５．０％の無機物及び少なくとも約２０．０％の有機物（含水及び／又は無水）を有する。例示的な発熱性処理廃棄物流はまた、少なくとも約２０００．０ＢＴＵ／ｌｂのエネルギー値要素によって定義される。さらに、例示的な発熱性処理廃棄物流は、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ（ＤＩＲ）及び／又はカーペットの第３の流れから生じる。
【０１２８】
より具体的には、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流は、一般に、表１に示される以下の情報によって特徴付けられ得る。
【表１】
2021505524.tif 000010
【０１２９】
表１の情報は、この例示的な実施形態が関係し得る、発熱性廃棄物流又はその混合物のそれぞれの部分、セグメント又は流れの化学組成及び物理的特性を示す。
【０１３０】
これとは別に、この例示的な実施形態に関連する都市水性廃水流は、主にリン酸塩及び硝酸塩による汚染を有し、自治体の水処理源から生じる。例えば、自治体の水処理源からの、又は将来の処理のために先取り的に廃水を処理又は準備することがある仲介事業体、システム、又はプロセスからの都市下水流はまた、前述の製紙工場スラッジ／脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流から発生源、場所などの点で独立している。実際、発明概念が先行技術よりも効率的かつ効果的に実施されることが、本発明の特徴であり、先行技術における問題に対する解決策である。
【０１３１】
当業者は、本実施形態が、発生源又は種類にかかわらず、類似又は同等の定義特性、又は類似の化学組成、化学的相互作用、及び／又は化学的プロセスを有する限り、多種多様なＰＣ又はＰＩ廃棄物流及び水性廃棄物流及び廃水（例えば、農業排水、貯留池、動物農場排水、動物公園排水、水路、湖、運河、貯水池、住宅及び商業用の雨水排水、廃水処理プラントの排水、食品加工排水、工業廃水排出、住宅廃水排出、食肉加工残渣、トイレの水、及び水族館の水）に適用可能であることを理解する。当業者はまた、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流が様々な予備処理段階（例えば、含水廃棄物流の空気乾燥、物理的破砕、脱塊）を有し得ること、及び都市水性廃水流が、この例示的な実施形態の「投入物」になる前に、（例えば、生物学的微粒子や非生物学的破片を除去するために）様々な予備処理段階を有し得ることを理解する。さらに、当業者は、カーペットの第３の流れの処理廃棄物流、又は他の同様の又は同等の廃棄物流の場合、乾燥又は脱水が必要ないことを理解する。さらに、当業者は、当技術分野における最近の発展（より詳細な説明については先行技術の部分を参照）により、関連する廃棄物流又は廃水の予想される組成がある程度変わり（すなわち、例えば、色と質感のために予想される慣用の鉱物添加剤のいくつかが変わり）、これにより関連する廃棄物流／廃水に一見一般的なプロセス及び方法を適用することにより予想される結果が変わる可能性もあることを理解する。
【０１３２】
一般に、この例示的な実施形態に戻り、プロセス及び関連するシステムの前工程グループを参照すると、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流は、熱反応器、すなわち、ロータリーキルン、垂直キルン、か焼炉、フラッシュか焼炉などの内部の制御された熱反応の関数として、その潜在エネルギーが放出、分離及び／又は回収され、その鉱物が再生処理及び再利用される。この例示的な実施形態の前工程は、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れが、その構成成分である有機物及び鉱物分と共に、有機物からのエネルギー回収を可能にする熱分離を受けるプロセスを提供する。
【０１３３】
次に、プロセス及び関連するシステムの後工程グループを参照すると、この例示的な実施形態はまた、全体として都市下水流からリン酸塩又は硝酸塩を再生処理及び回収するためのシステム及び方法を対象とする。製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ、又はカーペットの第３の流れの廃棄物流と比較した場合、都市下水は独立しており、離れて配置され、供給され、都市下水は、それが発生源を出て本明細書に記載される発明概念に入るとき、アルカリ性、酸性、又は中性であり得る。簡単に上述したように、そして本明細書でより詳細に説明するように、この例示的な実施形態はまた、スラリー中又はスラリー外のいずれかで水性廃棄物からこれらのリン又は窒素基を担持する有用かつ経済的に価値のあるＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物の評価及び調製の方法を開示する。しかしながら、水性廃棄物は、発明概念が意図したように動作するために、プロセスの後工程グループのための「投入物」になる前に、又は「投入物」になった後に、ｐＨ調整を必要としない。沈殿したＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物の排出物は、家庭用、商業用、及び農業用の穏やかで持続可能なプラットフォームとして、又は穏やかな土壌添加剤又は土壌調整剤として働く。
【０１３４】
当業者は、本実施形態が、多種多様なＰＣ又はＰＩ「リサイクル」生成物の生成に、それらが類似又は同等の定義特性、又は類似の化学組成及び／又は化学的相互作用を有する限り、それらの最終状態又はそれらがどのように市場に出され又は名付けられるかにかかわらず、適用可能であることを理解する。また、当業者は、前工程から生成された複合灰が、例えば、本発明の生成された化学肥料とは別個で異なる、様々な有用かつ経済的に価値のあるＰＣ又はＰＩ生成物の二次的かつ場合によっては完全に独立した生成のために、イオン性化学的前駆体又はプラットフォームとして利用され得ることを理解する。当業者は、化学的前駆体又はプラットフォームとしてのこの使用を中間捕捉材としての使用とは異なると考えることができ、その違いは主に、複合灰がプロセスの関連する後工程グループに直ちに取り込まれるか否か、又は複合灰が独立した外部事業体にそれら自身の独立した生成作業で使用するために捕集され、販売され、及び市場に出されるか否かである。当業者はまた、プロセスの統合された後工程グループから生成されるＰＣ又はＰＩ農業用肥料が、例えば、この例示的な実施形態の「排出物」（本明細書でより詳細に説明する）になる前に、様々な予備処理段階を有し得ることを理解する。
【０１３５】
一般に、この例示的な実施形態に戻り、プロセス及び関連するシステムの後工程グループを参照すると、前工程の複合灰及びエネルギー排出物は、後工程処理グループのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用され、作業を容易にするために前工程処理グループに入れることもできる。複合灰は、酸化／燃焼によって触媒され、複合灰は、例えば、廃水処理を含む様々な種類の持続可能な廃棄物流処理のための有効成分の非限定的な例である。複合灰は主に、酸化カルシウム、部分的に変換された炭酸カルシウム、及びメタカオリンを含み、約６０．０％のカルシウム成分及び約３０．０％のメタカオリン成分を含む鉱物結晶性多成分生成物である。複合灰は、化学結合力及び化学吸着力を含む、独特で相乗的な分子引力を示す。従って、複合灰は、都市下水からのリン酸塩及び硝酸塩の捕集及び除去に理想的に適した捕集剤又は沈殿剤として働くために必要な構造及び引力及び親和性を有する。
【０１３６】
当業者は、前工程の排出物と同様に、この例示的な実施形態の後工程の排出物（例えば、真水又は汚染除去された水及びポストコンシューマ農業用肥料）も、前工程及び／又は後工程のいずれであっても、発明概念自体のためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができ、又は全く関係のない別のプロセスのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができることを理解する。
【０１３７】
ここで図１を参照すると、本発明による例示的なプロセスの概略フローチャートが示されている。このフローチャートは、それらの全てがあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で提供される他の例示的な実施形態との類似性を有し得る、ステップを開示している。図１の例示的な実施形態は、以下のステップを含む方法１０である。
【０１３８】
前工程グループにおいて、
紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取って予備処理するステップ（１０２）、
紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理するステップ（１０４）、
紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の熱処理からエネルギーを生成して回収するステップ（１０６）、及び
廃棄物から鉱物を回収してＰＣ又はＰＩ捕集又は沈殿剤として複合灰を生成するステップ（１０８）。
【０１３９】
後工程グループにおいて、
廃水を処理するステップ（１１０）、
廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去し、流出スラリー又は結果として生じる水排出物をｐＨ調整するステップ（１１２）、及び
廃水を用いて灰スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理するステップ（１１４）。
【０１４０】
いくつかの例示的な実施形態では、方法１０は、捕捉、濾過、又は再利用及び／又はリサイクルできない放出物、副産物、及び残渣が限られた状態で、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の実質的な過半数を効率的かつ効果的に消費する。
【０１４１】
方法１０の受け取り及び予備処理ステップ１０２は、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流（ＥＷＳ）に関する。ＥＷＳは、含水状態（水／水分＞気乾材）又は無水状態（気乾又は絶乾）であり得る。それらが含水状態にある場合、熱処理ステップ１０４の前に乾燥を行う。製紙工場スラッジの例では、材料は含水状態にあり、熱処理ステップ１０４の前に、予備処理として、脱水及び物理的破砕及び／又は脱塊を必要とする場合がある。カーペットの場合、カーペットが無水状態である場合、一般に熱処理ステップ１０４の前に脱水又は乾燥を必要としない。代わりに、予備処理は、カーペットを破砕、細断、摩砕、シェービング、切断、引き裂き、及び／又は剪断して、より小さなサイズのピースを生じるなど、カーペットを粉々に粉砕することを含む。
【０１４２】
次に、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流に対する方法１０の熱分離ステップ１０４が、約６００℃から約１０００℃の範囲の平均処理床温度で行われる。ＥＷＳは、キルン、ロータリーキルン、火格子炉、移動式火格子炉、流動床、垂直又は水平か焼炉などを含む様々な熱分離器（反応器）が使用される、熱分離ステージ１０４に送られる。この制御された熱分離ステップ１０４は、ＥＷＳ材料から有機物を除去するために行われる。一般に、存在する炭酸カルシウムを分解することなく鉱物から有機物を除去することが望ましい。しかしながら、炭酸カルシウムの少なくとも一時的な分解を可能にすることにより、他の特別な生成物を生成することができる。例えば、炭酸カルシウム中の二酸化炭素は８００℃を超えると、より具体的には約８２５℃で引火し、有機物は７００℃未満で分解し、炭酸カルシウムは９００℃の前に分解する。これらの事実は、熱分離ステップ１０４の生成物を調整するのに使用することができる。
【０１４３】
熱分離プロセス１０４の例示的な温度範囲は、３０分から１２時間にわたって６００℃から１０００℃の平均床処理温度、好ましくは３０分から２時間にわたって６００℃から８２５℃の平均床処理温度、より好ましくは３０分から１時間にわたって６００℃から８００℃の平均床処理温度である。本発明の別の例示的な実施形態では、熱分離は、適切な燃焼を確実にするために間接加熱ロータリーキルンにおいて約７００℃の平均床処理温度で約３０分間の滞留時間にわたって適切な空気流で行うことができる。熱分離ステップ１０４で使用される反応器又は反応パラメータなどの熱分離ステップ１０４の効率に応じて、又は特定の最終生成物が所望される場合に、２つ以上の熱分離ステップ１０４を含むことができる。例示的な別の実施形態では、熱分離ステップ１０４は、６００℃から８００℃、８００℃から１０００℃、及び８２５℃から１０００℃の範囲の平均床処理温度で行われる。
【０１４４】
任意選択で、本発明のいくつかの例示的な実施形態では、複合灰の少なくとも一部（ステップ１０８における生成された捕集又は沈殿剤）は、熱分離ステップ１０４に再生利用される。供給ステップ１０２へのＥＷＳ供給物は高分子系である可能性があり、熱分離ステップをそのまま受けると、効率的に酸化（燃焼）しないことがある。好ましくは以前に熱分離ステップ１０４にかけられた鉱物生成物である複合灰の一部をＥＷＳ供給物に添加すると、熱分離ステップの効率及び結果として生じる鉱物生成物の品質が向上することが分かっっている。また、複合灰の一部をＥＷＳ供給物に添加することは、熱分離ステップ１０４の前に適切な乾燥度又は含水率を得るのに役立つことも分かっている。
【０１４５】
ＥＷＳの熱処理ステップ１０４は、方法１０における最も重要なステップである。制御される処理パラメータは、燃焼、温度、時間、燃焼雰囲気などを含む。プロセスの熱力学は、ＥＷＳ、及び使用される熱処理システムの操作及び設計要素、及び所望のエネルギー及び鉱物又は材料生成物の所望の品質又は材料特性に依存する。熱処理ステップ１０４の主な目的は、燃焼によって無機物から有機物を分離及び除去し、無菌で光輝性の反応性の高い酸化鉱物材料を生成することである。製紙工場スラッジの熱処理のための重要な処理パラメータ（ＣＰＰ）は以下の通りである。
【０１４６】
キルン又はか焼炉の材料床温度は７００℃〜１０００℃の範囲にわたり、厳密には７５０℃〜９００℃の範囲である。
【０１４７】
反応器内のエネルギー及び鉱物又は材料要素の燃焼、遊離、分離、及び回収のための滞留又は保持時間は、３０分から４時間の範囲、厳密には３０分から２時間の範囲である。実際の時間パラメータは、所望の特定の生成物の品質を含むシステムの化学及び熱力学の関数である。
【０１４８】
燃焼雰囲気は、酸化からわずかに酸化である。
【０１４９】
いくつかのタイプの熱反応器を、方法１０の熱処理ステップ１０４に使用することができる。これらのリアクタは、以下を含むが、これらに限定されない。
直接及び間接加熱ロータリーキルン
直接及び間接加熱回転か焼炉
垂直多段か焼炉及びキルン
フラッシュか焼炉
流動床か焼炉及びキルン
【０１５０】
図２及び図３を簡単に参照すると、本発明による例示的なキルンシステムの概略図が示され（図２）、本発明による例示的なか焼炉システムの概略図が示されている（図３）。例示的なキルンは、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０４からステップ１０８に適用可能であり、例示的なキルンの図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、キルンのサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。同様に、例示的なか焼炉は、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０４からステップ１０８に適用可能であり、インフラストラクチャを図２のキルンと結び付けて共同使用することができる（図に示したシステム間の可能なクロスリンクについては、図２及び図３の余白部分を参照）。さらに、例示的なか焼炉の図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、か焼炉のサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。
【０１５１】
より具体的には、図２の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含むキルンシステム２である。同様に、図３の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含むか焼炉システム４である。
【０１５２】
図１に戻ると、例示的な一実施形態では、熱処理ステップ１０４の間、熱反応器、キルン、又はか焼炉の設計は、燃焼ガスが分離された鉱物又は材料生成物と並流方向に流れることを可能にするべきである。これは、燃焼ガスが分離された鉱物及び材料生成物と反対方向に流れる向流設計と比べて、逆の場合である。並流システムは、ＥＷＳを処理する際によりエネルギー効率が高く、より安全である。
【０１５３】
熱分離ステップ１０４では、ＥＷＳの燃焼又は酸化によるエネルギーが、エネルギー回収ステップ１０６で回収される。熱処理ステップ１０４の間、エネルギーは熱の形で放出される。再生可能エネルギーは、燃焼プロセスにより生成され、エネルギー回収熱交換器（廃熱回収ボイラー）で回収される。エネルギー回収は、貴重な再生可能エネルギー生成物として蒸気及び／又は電力の両方に変換される。当業者は、それぞれのＥＷＳが様々なエネルギー値を含み、エネルギー効率の良いシステムが最大のエネルギー回収のために設計されていることを理解する。回収したエネルギーをそのまま利用するか、熱をそのまま利用してもよい。高圧及び低圧蒸気も生成することができ、これらは電気又は他の目的に使用することができる。
【０１５４】
次に、方法１０の複合灰を回収及び生成するステップ１０８は、熱処理ステップ１０４に直接関連している。灰生成物の化学組成と物理的特性は、処理されたＥＷＳ資源の機能である。これらの生成物は、エネルギー＋（例えば、消費の２０倍から４０倍のエネルギーを生成）、ポストコンシューマ、リサイクル、再生可能などと見なされ、ライフサイクルを基盤とする企業に需要がある。ＥＷＳ及び化学組成を制御することにより、ユニークで価値のある物理的及び化学的生成物が、廃水処理などの様々な用途向けに、及び他の生成物の構成要素又は前駆体として生成される。
【０１５５】
例えば、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジが、注意深く制御されたＣＰＰ及び適切に設計された反応器（例えば、図２のキルン２及び／又は図３のか焼炉４）の下でステップ１０４のように熱処理される場合、結果として生じる複合灰はｐＨ＞７．０で反応性である。製紙工場のＥＷＳは、主にCaO（酸化カルシウム）、部分的に変換された炭酸カルシウム及びメタカオリンから成る灰に変換される。複合灰材料は、廃水からの栄養分（リン酸塩及び硝酸塩）の除去に理想的に適した「捕収剤」又は「捕集／沈殿剤」（ＣＡ）に設計される。ステップ１１０〜１１４は、特に、都市下水処理に統合されている場合の処理方法を具体的に説明している。
【０１５６】
このようにして、後工程の廃水処理部分（ステップ１１０〜１１４を参照）に関して、複合灰は、前工程でのフィードバックにおいて及び／又は直接投入物としてのいずれであっても、方法１０自体のためのポストコンシューマ有効成分又は投入物として、及び持続可能性の低い材料及び化学試薬の代わりとして使用される。さらに、複合灰は、全く関係のない別のシステム又はプロセスのために、ポストコンシューマ処理材、化学試薬、建築材料、充填材などとして使用することができる。
【０１５７】
さらに、前工程の複合灰（ステップ１０２〜１０８を参照）は、湖、海、川などの開放水用途に加えて、地方自治体又は工業用の水路を含むがこれらに限定されない廃水流における栄養塩除去捕収剤、捕集又は沈殿剤として特別に設計される。得られた灰は、本明細書に記載されるように、かなりのCaO成分を有する。メタカオリン成分は、メタカオリンの反応性及び表面積により水溶液中の特定のリン酸及び硝酸イオン種に対して二重層の表面引力が生じるため、構成成分として存在する可能性がある任意の多価金属イオンと共に、一次捕収剤として働くことができる。このようにして、本明細書でより詳細に説明するように、メタカオリンと金属イオン（特に特定の金属酸化物に限定されないが）との間の捕集及び沈殿の相乗作用は、発明概念の廃水処理の処理部分におけるリン酸塩及び硝酸塩の分離を促進することができる。さらに、このようにして、本明細書でより詳細に説明するように、かなりのCaO成分及び生成された水酸化物化学中間体を含む得られた灰は、当技術分野で理解されるように、二次的なｐＨ調整処理ステップを必要とせずに、効果的な汚染物質の除去又は沈殿のために通常必要とされるように、処理された都市下水中のｐＨを（酸性、アルカリ性、又は中性のいずれであっても）本質的に約１０より上に上昇させる。
【０１５８】
このように、前工程の複合灰排出物は、エネルギー排出物と同様に、後工程のポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用される。したがって、方法１０は、製紙工場スラッジ、脱インクスラッジ、又はカーペットの第３の流れの廃棄物流処理に必要であり、かつ有用でないか又は潜在的に有毒な廃棄物流処理による排出物の低減にも関連する「新鮮な」投入物（すなわち、ステップ１１０〜１１４で説明したように、水などのような未使用の又は現在汚染されていない投入物）を生成又は低減する。この例示的な実施形態のシステム及び方法は、先行技術で教示されたようにリサイクル／処理された場合でも、（１）残渣、（２）新たな廃棄物又は汚染物質、及び／又は（３）二次廃棄物又は汚染物質流を生成する汚染物質流の持続可能な除去を達成する。方法１０は、実験結果を含む以下の実施例に示され、開示されるように、先行技術と比べてこれらの問題を解決する。
【０１５９】
一般に、方法１０の複合灰を回収及び生成するステップ１０８に戻ると、このステップは、所望により及び／又は特定の用途のための所望の最終生成物を生成するために必要な場合、生成された生成物を、例えば、粉砕処理又は複合灰の構造体を減らすための別のプロセスにかけることを含む。
【０１６０】
本発明によって鉱物生成物灰が得られると、所望によりそれをさらに処理して他の価値ある生成物を生成することができる。例えば、熱分離ステップ１０４で生成された複合灰は、ハンマーミル粉砕機、ボールミルなどの様々な既知の好適な乾式粉砕技術を用いて粉砕及び微粉化することができる。この微粉化、粉砕又は摩砕は、プロセスの以下のステップ及び段階における反応のために可能な限り多くの異なる粒子表面を露出させるために使用される。乾燥した鉱物生成物材料は、均一性及びより良好な分散を確実にし、必要に応じて所望の吸油特性を与えるために、他のサブステップでさらに粉砕又は微粉化することができる。吸油量が４０を超える場合又はより低い吸油量が望ましい場合、ボールミル粉砕を用いることができる。
【０１６１】
本発明の鉱物生成物を粉砕すると、鉱物生成物の形態（モルフォロジー）又は結晶構造が、例えば、所望の最終用途のための所望の吸油量及び密度を得るべく所望の程度の構造を提供するために構造を作成又は破壊又は減少することによって変化する。
【０１６２】
図４及び図５を簡単に参照すると、本発明による例示的なか焼中間処理システムの概略図が示され（図４）、本発明による例示的な最終複合灰取扱システムの概略図が示されている（図５）。例示的なか焼中間処理システムは、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０６からステップ１０８に適用可能であり、インフラストラクチャを図３のか焼炉と結び付けて共同使用することができる（図に示したシステム間の可能なクロスリンクについては、図３及び図４の余白部分を参照）。さらに、例示的なか焼中間処理システムの図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、相補的及び補足的な処理、精製、又は取扱のサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。同様に、例示的な最終複合灰取扱システムは、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０８に適用可能であり、インフラストラクチャを図２〜４のキルン及び／又はか焼炉システムと結び付けて共同使用することができる（図に示したシステム間の可能なクロスリンクについては、図２〜４の余白部分を参照）。さらに、例示的な最終複合灰取扱システムの図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、相補的及び補足的な取扱、品質管理、又は貯蔵のサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。
【０１６３】
より具体的には、図４の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含むか焼中間処理システム６である。同様に、図５の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含む複合灰取扱システム８である。
【０１６４】
図１に戻り、方法１０のプロセスの後工程グループ関して、方法１０の廃水ステップ１１０の処理は、複合灰を回収及び生成するステップ１０８に直接関連している。前工程のステップ１０２〜１０８で生成された複合灰は、都市下水と混合され、消和プロセスによって部分石灰Ca(OH)2スラリーを形成する。それはほとんどの場合、廃水と反応し、一般に以下の式８で特徴付けられるように、リン酸塩及び硝酸塩の除去の促進に関与する炭酸カルシウムを生成する。
【数８】
2021505524.tif 000011
【０１６５】
廃水のｐＨ値が約１０を超えて増加すると、一般に以下の式９で特徴付けられるように、過剰なカルシウムイオンがリン酸塩と反応してヒドロキシアパタイトを沈殿させる。
【数９】
2021505524.tif 000012
【０１６６】
メタカオリンは、プロセスにおいて一次Caとして作用する。メタカオリンの反応性及び表面積は、特定のリン及び硝酸イオン種に対する二重層の表面引力を生み出す。メタカオリンと金属イオンとの間の捕集及び沈殿の相乗作用は、特にCaOに限定されないが、リン及び硝酸塩の分離プロセスを促進する。反応は石灰と廃水のアルカリ度との反応であるため（得られた灰を処理される都市下水と共に導入後）、必要な量は一般に存在するリン酸塩の量とは無関係であることが当業者に理解される。その代わり、それは主に廃水のアルカリ度に依存するだろう。必要な石灰の用量は、CaCO3の１〜２倍のアルカリ度で概算することができる。
【０１６７】
混合プロセスは通常、より良好な混合のために、廃水流出物と混合する前に、複合灰を消和することを必要とする。ただし、乾式での使用も想定される。混合が完了して完全になった時点で、反応時間は０．２５〜２時間の範囲である。混合は、インラインミキサ、撹拌槽などで完了する。回収された複合灰生成物に加えて、他の金属化合物及び凝固剤をスラリーに添加して、分離をさらに促進し、プロセスの分離速度を改善することができる。ZnO及びＨＭＷ分離ポリマーは、分離促進剤の２つの例である。
【０１６８】
次に、方法１０の廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２、及び関連する流出スラリー又は結果として生じる浄水排出物をｐＨ調整するステップは、廃水を処理するステップ１１０に直接関連している。場合によっては、必須ではないが、分離ステップ１１４の前にｐＨを調整して、回収される固形物内に付加的な価値のある濃縮された化合物を生成することができる（すなわち、回収される固形物に価値のある成分を添加又は増強するためのリン酸、硫酸、及び／又はステアリン酸を用いたｐＨ調整）。このようにして、前工程のステップ１０２〜１０８の排出物は、全く関係のない別のプロセス、さもなければ未使用の投入物又は比較的持続可能でない投入物を使用するであろうプロセスのため、又は後工程のステップ１１０〜１１４のためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができる。
【０１６９】
次に、方法１０の灰流出スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理するステップ１１４は、廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２に直接関連している。ステップ１１２の反応が完了すると、沈殿して捕集されたリン酸塩及び／又は硝酸塩化合物は、清澄器、遠心分離機、フィルターなどを含むがこれらに限定されない様々な分離技術を用いて流出スラリーから分離される。当然ながら、厳密な分離技術の代わりに、凝集、凝塊形成などを含むがこれらに限定されない、所望の生成物を標的とし、捕集するための他の既知の技術を実施し得ることも想定される。
【０１７０】
沈殿物又は固形物が分離されると、材料は、様々な生成物の用途に応じて濾過及び／又は乾燥されて乾燥生成物となるか又は液体中に残される。さらに、リン酸塩と硝酸塩の分離が完了すると、ｐＨ調整／汚染除去された水は、川、海、湖などを経て流域に排出されるか、又は自治体のシステムに戻される。この時点で、任意選択で、精製された流出物は、リン酸、硫酸、塩酸及びステアリン酸を含むがこれらに限定されない弱酸及び／又は強酸を用いてｐＨ調整され得る。この場合も先と同様に、二次的なｐＨ調整は、分離プロセスの前又は後の任意選択のものである。
【０１７１】
廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２によって生成される最終生成物は、貴重で独特な形態の化学物質及び鉱物を含む。廃水処理プロセスは、貴重なリン酸塩及び硝酸塩化合物を１％〜３０％増加させた。カルシウム、カオリン、リン酸塩、硝酸塩及び硫酸塩を含む化学化合物は、肥料、土壌改質剤、土壌改良剤、土壌向上剤などの農業用途の優れたプラットフォームである。廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２から回収されたユニークな材料及び生成物は、貴重な鉱物及び化合物を含む。材料及び生成物はまた、一部の生成物用途においてユニークで価値のある、反応性の高い化学複合体を本質的に保持する。
【０１７２】
これらの用途は、以下の業界における用途向けに設計及び回収された生成物を含む。
肥料を含む農業、
ポゾランを含む建築及び建設業、
顔料及び充填材を含む製紙業、
廃水処理を含む自治体。
【０１７３】
このようにして、ステップ１０８〜１１４の後工程処理グループの排出物は、発明概念自体のためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができ、又は全く関係のない別のプロセスのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができる。ステップ１０８〜１１４の後工程処理グループの排出物は、様々な異なる放出方法においても有用であり得る。例示的な一実施形態では、複合灰は、ばらまき放出又は非点源散布、例えば、空中散布、はしけ及びボート拡散システム（ばらまき又は表面下注入も）、及び全地球測位指向システムを示すことができる。別の例示的な実施形態では、複合灰は、点源散布を示すことができる。これは、過剰な栄養分を含んだ廃水が直接１つの発生源に起因する、食肉加工の顧客層に特に有用であろう。当業者は、点源処理プラントが多段階処理槽及び混合タンクを有する高度に設計された設備であり、タンクが処理順序に配置され、例えば、複合灰生成物の注意深く調整された量の直接注入によく適していることを理解する。
実施例１〜６
【０１７４】
以下は、本発明のプロセスを実験条件下で適用した場合の６つの例示的な実施例である。
実施例１
制御実験１
【０１７５】
リン酸塩標準液を１０００ｍｇ／Ｌのリン酸標準液と蒸留水から５ｍｇ／Ｌの濃度に調製した。０．２ｍｇの捕集材サンプルを、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で５ｍｇ／Ｌのリン酸塩標準液２００ｍＬと混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてオルトリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９８．４％のリン酸塩の除去を示す０．０８ｍｇ／Ｌであった。
実施例２
制御実験２
【０１７６】
リン酸塩標準液を１０００ｍｇ／Ｌのリン酸塩標準液と蒸留水から２０ｍｇ／Ｌの濃度に調製した。０．１ｍｇの捕集材サンプルを、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で２０ｍｇ／Ｌのリン酸塩標準液２００ｍＬと混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてオルトリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９７．２５％のリン酸塩の除去を示す０．５５ｍｇ／Ｌであった。
実施例３
都市下水１
【０１７７】
２ｇの捕集材サンプルを、１．４６ｍｇ／Ｌの当初リン酸塩濃度を有する米国ジョージア州サンダーズビルの廃水処理施設から得られた流出物３００ｍＬと混合した。サンプルと流出物を、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９３．２％のリン酸塩の除去を示す０．１ｍｇ／Ｌであった。
実施例４
都市下水２
【０１７８】
４０ｇの捕集材サンプルを、１．２５ｍｇ／Ｌのリン酸塩濃度を有する米国ジョージア州ミリッジビルの廃水処理施設から得られた流出物８０リットルと混合した。サンプルと流出物を、プラスチック製バレル内でバレルミキサーを用いて混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９０．４％のリン酸塩の除去を示す０．１２ｍｇ／Ｌであった。
実施例５
産業廃棄物流１
【０１７９】
１ｇの捕集材サンプルを、４．２ｍｇ／Ｌの当初リン酸塩濃度を有するＸＹＺ社から得られた工業廃水１Ｌと混合した。サンプルと流出物を、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペット内に捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、８８．０９％のリン酸塩の除去を示す０．５１ｍｇ／Ｌであった。
実施例６
産業廃棄物流２
【０１８０】
２ｇの捕集材サンプルを、１４ｍｇ／Ｌの当初リン酸塩濃度を有するＸＹＺ社から得られた工業廃水１Ｌと混合した。サンプルと流出物を、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９３．６％のリン酸塩の除去を示す０．８９ｍｇ／Ｌであった。
実施例７〜１４
【０１８１】
以下は、特に様々な条件に適用するために発明概念を最適化及び改良する目的で行われた、本発明のプロセスの７つの例示的な実施例である。
実施例７
【０１８２】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］に対するか焼温度と凝結時間の影響（もしあれば）を評価するために行った。遠心分離試験（下記の実施例８を参照）と比較すると、遠心分離の方が良い結果が得られ、沈殿のみの技術は必ずしも追求する価値がないと判断された。得られた実験結果のいくつかを、表２で提供される以下の情報で示す。
【表２】
2021505524.tif 000013
【０１８３】
表２の情報は、複合灰及び他の様々な先行技術の生成物の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼」、「Ｒ  か焼  粉砕」、「ＲＲ＃＃＃」を用いて明確に表示されており、「＃＃＃」の部分は、その試験の複合灰の生成に適用されたか焼温度を示している。
実施例８
【０１８４】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］に対する遠心分離時間の影響を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表３で提供される以下の情報で示す。
【表３】
2021505524.tif 000014
【０１８５】
表３の情報は、複合灰及び他の様々な先行技術の生成物の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」及び「Ｒ  か焼」を用いて明確に表示されている。
実施例９
【０１８６】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］に対する総混合時間／保持時間の影響を評価するために行った。生成又は下水処理場の観点から、混合時間／保持時間は短い方が好ましい。得られた実験結果のいくつかを、表４で提供される以下の情報で示す。
【表４】
2021505524.tif 000015
【０１８７】
表４の情報は、複合灰の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１０
【０１８８】
本実験は、汚染水への使用後の最終的な［PO4］に対する添加した複合灰／捕捉材の様々な相対量／材料投与量の影響を評価するために行った。コストの観点から、比較的少ない量を使用することが好ましい。得られた実験結果のいくつかを、表５及び表６で提供される以下の情報で示す。
【表５】
2021505524.tif 000016
【表６】
2021505524.tif 000017
【０１８９】
表５及び表６の情報は、複合灰の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」及び「Ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１１
【０１９０】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［NO3］に対する、実施例７〜１０に示した結果により最適化及び改良された本発明のプロセスの効果を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表７で提供される以下の情報で示す。
【表７】
2021505524.tif 000018
【０１９１】
表７の情報は、複合灰の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１２
【０１９２】
この実験は、工業廃水を示す高い当初［PO4］及び／又は高い当初［PO4］への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］及び／又は最終的な［NO3］に対する、実施例７〜１１に示した結果により最適化及び改良された本発明のプロセスの効果を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表８及び表９で提供される以下の情報で示す。
【表８】
2021505524.tif 000019
【表９】
2021505524.tif 000020
【０１９３】
表８及び表９の情報は、複合灰及び他の様々な先行技術の生成物の使用に基づく個々の試行（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」及び「ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１３
【０１９４】
この実験は、汚染水への使用後の最終的な［NO3］に対する特定の先行技術の生成物／物質の影響を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表１０で提供される以下の情報で示す。
【表１０】
2021505524.tif 000021
実施例１４
【０１９５】
この実験は、複合灰／捕捉剤の組成とか焼生成物の反応性に対するか焼温度の影響を示すために行った。得られた実験結果のいくつかを、表１１及び表１２で提供される以下の情報で示す。
【表１１】
2021505524.tif 000022
【表１２】
2021505524.tif 000023
【０１９６】
表１１及び表１２の情報は個々の試験を示しており、「＃＃＃」の部分は、その試験の複合灰の生成に適用されたか焼温度を示している。
実施例１５
【０１９７】
この実験は、［PO4］の用量曲線を作成するために行った。得られた実験結果のいくつかを、グラフ１〜４に示される以下の情報で示す。
【表１２−１】
2021505524.tif 000024
【表１２−２】
2021505524.tif 000025
【表１２−３】
2021505524.tif 000026
【表１２−４】
2021505524.tif 000027
実施例１６〜１９
【０１９８】
以下は、特に廃水処理に対してスラリー投与の効果が乾式投与の効果と比較してどうであるかを判定するために行われた、本発明のプロセスの４つの例示的な実施例である。スラリー化された形態は、大量生産の利点を有することが期待された。これらの実験はまた、固有の混合の問題がない状態で良好な結果をもたらす最高の％の固形物質を決定することも試みた。また、導電率を監視して、処理後に水中に残存する塩分をある程度示した。
実施例１６
５％のスラリー
【０１９９】
得られた実験結果のいくつかを、表１３〜１７で提供される以下の情報で示す。
【表１３】
2021505524.tif 000028
【表１４】
2021505524.tif 000029
【表１５】
2021505524.tif 000030
【表１６】
2021505524.tif 000031
【表１７】
2021505524.tif 000032
実施例１７
１０％のスラリー
【０２００】
得られた実験結果のいくつかを、表１８〜２２で提供される以下の情報で示す。
【表１８】
2021505524.tif 000033
【表１９】
2021505524.tif 000034
【表２０】
2021505524.tif 000035
【表２１】
2021505524.tif 000036
【表２２】
2021505524.tif 000037
実施例１８
１５％のスラリー
【０２０１】
得られた実験結果のいくつかを、表２３〜２７で提供される以下の情報で示す。
【表２３】
2021505524.tif 000038
【表２４】
2021505524.tif 000039
【表２５】
2021505524.tif 000040
【表２６】
2021505524.tif 000041
【表２７】
2021505524.tif 000042
実施例１９
２０％のスラリー
【０２０２】
得られた実験結果のいくつかを、表２８〜３２で提供される以下の情報で示す。
【表２８】
2021505524.tif 000043
【表２９】
2021505524.tif 000044
【表３０】
2021505524.tif 000045
【表３１】
2021505524.tif 000046
【表３２】
2021505524.tif 000047
実施例２０〜２１
【０２０３】
以下は、本発明のプロセスの２つの例示的な実施例であり、特に３つの目的、（１）どの特定の酸が中和に最も効果的であるかを判定するため、（２）複合灰／捕捉材の投与と酸中和を同一ステップ（遠心分離前）に組み合わせることにより最終的な［PO4］にどのような影響があるかを判定するため、（３）ｐＨ８よりもｐＨ７で大幅に改善された低減が見られるかどうかを判断するために行われた。
実施例２０
２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２０４】
得られた実験結果のいくつかを、表３３〜３６で提供される以下の情報で示す。
【表３３】
2021505524.tif 000048
【表３４】
2021505524.tif 000049
【表３５】
2021505524.tif 000050
【表３６】
2021505524.tif 000051
実施例２１
２０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２０５】
得られた実験結果のいくつかを、表３７〜４２で提供される以下の情報で示す。
【表３７】
2021505524.tif 000052
【表３８】
2021505524.tif 000053
【表３９】
2021505524.tif 000054
【表４０】
2021505524.tif 000055
【表４１】
2021505524.tif 000056
【表４２】
2021505524.tif 000057
【０２０６】
図１に戻ると、本発明の方法の他の例示的な実施形態はまた、回収可能な鉱物、充填材又は顔料を含む廃棄物又は副産物の流れの発生源からの材料の生成及びリサイクルの最適化、それらの材料の回収、及びそれらの材料の発生源又は他のエンドユーザへのリサイクルを含むことができ、以下の非限定的なステップを含む。
ａ）回収可能な鉱物、充填材、及び／又は顔料を含む廃棄物又は副産物の流れの発生源の特定し、識別するステップと、
ｂ）廃棄物、副産物の流れの発生源又は他のエンドユーザに販売又はリサイクルするための生成物を生成する処理に対する前記流れの感受性を決定するステップと、
ｃ）前記廃棄物又は副産物の発生源の敷地の又は発生源に隣接したエネルギー及び鉱物回収施設の建設及び稼働に関連する様々な情報源及び専門家から情報を収集し、検索及び使用のために前記情報を記憶するステップと、
ｄ）ステップｂ）の決定によって生成されたデータ及びステップｃ）によって生成されたデータを分析するステップと、
ｅ）生態学的バランス、マテリアルバランス、エネルギーバランス、金融／経済バランスについて、ステップｄ）の分析によって生成されたデータの費用便益分析を行うステップと、
ｆ）ステップｅ）の分析を統合及び最適化して、前記発生源の所有者と、本発明のプロセスの所有者及びオペレータとの相互利益のために提案された一連の行動を統合、最適化及び生成するステップであって、一連の行動には、地域的、地理的又は領域的に最適化されたクラスタベースでの様々な個々のプラントの独立した作業又は様々なユニット作業段階、オプション及びプロセスの統合が含まれるステップと、
ｇ）前記廃棄物又は副産物の発生源と、前記発生源の敷地の又は前記発生源に隣接するエネルギー及び鉱物回収施設の建設及び稼働に関して、及び様々なプラント及び作業の統合について交渉するステップと、
ｈ）材料供給業者と交渉して、前記エネルギー及び鉱物回収施設に材料を供給するステップと、
ｉ）前記発生源の敷地にあるか又は前記発生源に隣接するか又は１以上の発生源に関して地域的、地理的又は領域的に最適化されたクラスタの場所にあるプラントを含む、地域的、地理的又は領域的に最適化されたクラスタベースでの様々な独立した又は統合された作業を構築及び実施するステップと、
ｊ）前記発生源から廃棄物を受け取るステップと、
ｋ）前記エネルギー及び鉱物回収施設において前記発生源からの前記廃棄物を処理するステップと、
ｌ）前記廃棄物の一部を、前記発生源が行うプロセスでの使用に好適又は適合可能な形態の物質／鉱物／充填材／顔料を含む材料の形で発生源に戻すステップ。
【０２０７】
したがって、方法１０のシステム及び方法は、ＥＷＳ及び都市下水の廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスの管理及び配置にも関連する。
【０２０８】
図６及び図７を参照すると、本発明による例示的な地域システムの概略図が示され（図６）、本発明による例示的な統合システムの概略図が示されている（図７）。例示的な地域システムは、図２〜５の様々なサブシステム及び／又は設備、例えば、例示的なキルン、か焼炉、か焼中間処理装置、及び／又は最終複合灰取扱装置を組み込むことができ、例示的な地域システムの図は、それらの全てが必ずしもありとあらゆる状況で使用されるわけではない、例示的なサブシステム、設備、相対位置、及び／又は相互接続を例示することができる。同様に、例示的な統合システムは、図２〜５の様々なサブシステム及び／又は装置、例えば、例示的なキルン、か焼炉、か焼中間処理装置、及び／又は最終的な複合灰取扱装置を組み込むことができ、例示的な統合システムの図は、それらの全てが必ずしもありとあらゆる状況で使用されるわけではない、例示的なサブシステム、設備、相対位置、及び／又は相互接続を例示することができる。
【０２０９】
より具体的には、図６の例示的な実施形態は、例えば、本発明の方法１０を適用するために、概略図を解釈する当業者に容易に理解される戦略的な相対位置を示す、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含む地域システム２０である。システム２０は、複合灰の生成に関与するサブシステム及び設備が高濃度ＤＩＲ処理センターに近接して（すなわち、例えば５０マイル以内に）、かつ独立した第三者又は遠隔の廃水処理センターに同様に近接して配置され得るという意味で地域的である。地域センターは、グリーンフィールドであるか、戦略的なＤＩＲ処理パートナーによって運営され、これにより後に近くの独立したＤＩＲ処理業者への二次サービスが容易になる。
【０２１０】
より具体的には、地域システム２０及びそのサブシステム及び設備などは、広大な運用ネットワーク上に広がっている。運用ネットワークは、方法１０の特定の部分を処理することを意図した様々なサブプロセスステーション及び場所をリンクすることができる。例えば、方法１０の前工程グループ（紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取って予備処理すること１０２、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理すること１０４、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の熱処理からエネルギーを生成して回収すること１０６、及び廃棄物から鉱物を回収してＰＣ又はＰＩ捕集／沈殿剤として複合灰を生成すること１０８）は、主に高濃度ＤＩＲ処理センターで行うことができ、二次的な作業は、高濃度ＤＩＲ処理センターに近接する地域センターで行うことができる。当業者は、これにより、１つの地域又は自治体において複数の冗長な作業を実施することなく、効率及び効果により地域の廃棄物管理が円滑に進み得ることを理解する。同様に、当業者は、発明概念の効率性により、このタイプの地域のセットアップが冗長性を回避することができることを理解する。
【０２１１】
このため、地域システム２０のいくつかのサブプロセスステーション及び場所は、場所及び作業並びに人員及び設備の点で全く関連がないことができるが、他のものは、必要に応じて又は要求に応じて、別のサブプロセスステーション又は場所と同じ場所及び作業インフラストラクチャを（少なくとも部分的に）有するように適応可能かつ移動可能であり得ることが想定される。最も一般的な意味では、ネットワークリンクは、サプライチェーン及び連続的／相互依存的プロセス、例えば、廃棄物流処理の様々な段階を通して相互接続することができる。
【０２１２】
次に、図７の例示的な実施形態は、例えば、本発明の方法１０を適用するために、概略図を解釈する当業者に容易に理解される戦略的な相対位置を示す、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含む統合システム４０である。システム４０は、複合灰の生成に関与するサブシステム及び装置が、高濃度ＤＩＲ処理センター（地域や地理的に離れた場所での活動は必要ない）の作業及びインフラストラクチャに完全に統合され得るという意味で、統合的である。システム４０はさらに、システム２０のような統合された複合灰／化学的前駆体の作業を有するシステム４０が、例えば、近くの自治体の下水処理場の作業とも完全に統合されているので、総合的な地域／自治体廃棄物流処理の意味で、統合されたものとして特徴付けられる。このため、システム４０は本質的に、本発明の効率及び効果を促進するために、協調的で調整された作業管理、及び物理的空間、土地、設備、技術者及び／又は管理の共有を含む。
【０２１３】
より具体的には、統合システム４０及びそのサブシステム及び設備などは、図６の地域システム２０とは異なり、広大な運用ネットワーク上に広がっていない。しかし、これは、システム４０が、方法１０の特定の部分を処理することを意図した様々なサブプロセスステーション／場所をリンクする運用ネットワークを含まないことを意味するものではない。代わりに、これは、統合システム４０のサブシステムと設備との間の距離が最小化されて、可能な限り多くの効率を絞り取り、システム４０とのポジティブフィードバックにおいて可能な限り多くのリサイクル排出物を生み出すことを意味する。例えば、方法１０の前工程グループ（紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取って予備処理すること１０２、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理すること１０４、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の熱処理からエネルギーを生成して回収すること１０６、及び廃棄物から鉱物を回収してＰＣ又はＰＩ捕集又は沈殿剤として複合灰を生成すること１０８）を統合システム４０の１つの特定の場所で行い、一方、機能的にリンクされた別の近くの場所が、方法１０の後工程グループ（廃水を処理することと１１０、廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去し、流出スラリー又は結果として生じる水排出物をｐＨ調整すること１１２、及び廃水を用いて灰スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理すること１１４）を行うことができる。
【０２１４】
当業者は、これにより、他の統合システム４０及び／又は地域システム２０の欠点で他の場所又は自治体を汚染し又は他の場所又は自治体に負担をかけることなく、効率及び効果により統合的な多目的の廃棄物管理が全て１カ所で円滑に進み得ることを理解する。同様に、当業者は、発明概念の効率性により、統合されたセットアップが都市下水処理用の有効成分及びジオポリマー前駆体の生成を、例えば、「社内で」、「好みの注文で」、及び「特定のニーズと量に対して」無駄又は非効率性なしに行うことができることを理解する。このため、統合システム４０のいくつかのサブプロセスステーション又は場所は、様々な別個の廃棄物流処理作業に関連する資産及びプロセスを全て１カ所で管理しかつ１カ所に配置することを容易にすることが想定される。これは、紙又はカーペットの発熱性廃棄物流処理からの排出廃棄物の削減に関連するサブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、近くの又は敷地のサブシステムのいずれかで使用するために、エネルギーを全体的な統合システム４０にループバックさせることを含めて、生成されたエネルギーの導入（蒸気駆動又は直接熱反応器駆動）のためのグリッドを設置及び維持することを含み得る。さらにそれは、廃棄物流処理のための有効成分又は複合灰の生成に関連するサブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、統合システム４０全体で利用可能な排出された浄水を使用するために、廃水処理に関連するサブシステム及び設備を戦略的に配置及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、浄水を全体的な統合システム４０にループバックさせることを含めて、生成された浄水の排出物を導入するためのグリッドを設置及び維持することを含み得る。さらにそれは、最終的なＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物を形成するために、又は前駆体を捕集し、市場に出し、又は独立した第三者のＰＣ又はＰＩ生産者に販売するために、過剰な複合灰又はジオポリマー前駆体の捕集及び／又は過剰な複合灰の任意の利用に関連するサブシステム及び装置を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、廃水からのリン酸塩、硝酸塩、及び重金属、及び他の汚染物質の還元、捕集、及び／又は捕捉、及び／又は沈殿したリン酸塩又は硝酸塩に富む化合物の捕集及び処理に関連するサブシステム及び装置を戦略的に配置及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、本明細書に記載される発明概念の様々な構成要素の間で効率を促進する目的でプロセスが連動して行われるように、全体的な統合システム４０のサブシステムのための作業をスケジューリングすることを含み得る。
【０２１５】
図８〜１０を参照すると、ジョージア州ドールトンの自治体で本発明を実際に実施する図７の例示的な統合システムの概略図が示され（図８）、図８のドールトンの統合システムのためのキルンレイアウトの例示的な実施形態の概略図が示され（図９）、図８のドールトンの統合システムのための例示的なキルンサブシステムの概略図が示されている（図１０）。
【０２１６】
図８において、例示的な統合システム６０は、ジョージア州ドールトンの自治体において本発明を実際に実施している。統合システム６０は、既存の地域ＤＩＲ処理プラントに隣接した空き地及び利用可能な土地にあるドールトンのシステムの基本施設の可能な建設計画を表す。ドールトンのシステムのＤＩＲ処理工場は、ＰＣカーペットとＰＣカーペットの廃棄物に関して１５０，０００ポンド／年と特徴付けられる流入ＤＩＲ廃棄物フローを有する。ＤＩＲ処理プラントは、具体的には、カーペット全体の処理、ＰＣカーペット廃棄物、綿毛及びカーカスの処理、エバーグリーンタイプのカーペットの処理を含む。統合システム６０は、推定で４から６ＭＷｅのエネルギーに加えて、２０ｐｓｉｇ及び３４０°Ｆで１１０，０００から１２０，０００ポンド／時の使用済み蒸気を回収すると予想される。統合システム６０はまた、１００ｐｓｉｇ及び３４０°Ｆで推定１３０，０００から１５０，０００ポンド／時のエネルギーを回収すると予想される。統合システム６０はまた、推定５５，０００，０００〜７０，０００，０００ポンド／年の複合灰生成物／前駆体／捕捉材を回収すると予想される。ドールトンのシステムにおける統合システム６０の建設期間は、約２２，０００，０００ドルから２６，０００，０００ドルの資本コスト（＋／−３０％の推定誤差）で１５〜１８ヶ月かかると予想される。
【０２１７】
ここで図１１を参照すると、本発明による例示的なサブプロセスの概略フローチャートが示されている。このフローチャートは、廃水処理プロセスを対象とするサブプロセスのためのステップを開示しており、これらのステップの全てがあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で提供される他の例示的な実施形態との類似性を有し得る。図１１の例示的な実施形態は、
廃水を供給するステップ（１０１０）と、
廃水を本明細書に記載される化学的に反応する量／濃度の本発明の複合灰と練り合わせ、遊離、混合、及び／又は接触させるステップ（１０１２）と、
結果として得られる生成物が溶液から沈殿し、リン酸塩及び硝酸塩の化学吸着のための構造を提供するように、複合灰が廃水中のリン酸塩及び硝酸塩と反応しかつ／又はリン酸塩及び硝酸塩を捕集するための時間及び／又は条件を提供するステップ（１０１４）と、
結果として得られる栄養豊富な沈殿生成物を精製水から分離して脱水するステップ（１０１６）と、
結果として得られる分離して脱水された栄養豊富な沈殿生成物を乾燥、凝集、粉砕、及び／又は造粒するステップ（１０１８）と
含む方法１０００である。
【０２１８】
いくつかの例示的な実施形態では、方法１０００は、捕捉、濾過、又は再利用及び／又はリサイクルできない放出物、副産物、及び残渣が限られた状態で、廃水中のリン酸塩及び硝酸塩の実質的な過半数を効率的かつ効果的に消費する。さらに、方法１０００は、図１の方法１０のプロセスの後工程グループ、具体的には、
廃水を処理すること（１１０）、
廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去し、流出スラリー又は結果として生じる水排出物をｐＨ調整すること（１１２）、及び
廃水を用いて灰スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理すること（１１４）
と同様であり得る。
【０２１９】
図１の方法１０と同様に、本明細書に記載される（例えば、図１の前工程のステップ１０２〜１０８から生成される）本発明の複合灰の実施形態は、廃水と混合されて消和プロセスによって部分石灰Ca(OH)2スラリーを形成する。
【０２２０】
廃水を本明細書に記載される化学的に反応する量／濃度の本発明の複合灰と練り合わせ、遊離、混合、及び／又は接触させるステップ（１０１２）は通常、廃水と混合する前に複合灰を消和することを必要とする。ただし、乾式での使用も想定される。複合灰は、本明細書に示され記載されるように、栄養塩濃度の関数としての特定の比率で、乾燥又は湿潤で添加することができる。混合は、インラインミキサ、撹拌槽などで完了する。高から中程度のせん断混合は、反応性、表面積接触、したがって捕集性能を高める可能性がある。
【０２２１】
次に、結果として得られる生成物が溶液から沈殿し、リン酸塩及び硝酸塩の化学吸着のための構造を提供するように、廃水中のリン酸塩及び硝酸塩と反応しかつ／又はリン酸塩及び硝酸塩を捕集するステップ（１０１４）は、図１の方法１０の、廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２、及び関連する流出スラリー又は結果として生じる浄水排出物をｐＨ調整するステップ、及び灰流出スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理するステップ１１４と同様であり得る。しかし、必ずしもそうである必要はなく、実際にはより単純化することができる。
【０２２２】
場合によっては、必須ではないが、反応及び／又は捕集ステップ（１０１４）中にｐＨを調整して、回収される固形物内に付加的な価値のある濃縮された化合物を生成することができる（すなわち、回収される固形物に価値のある成分を添加又は増強するためのリン酸、硫酸、及び／又はステアリン酸を用いたｐＨ調整）。さらに、例示的な実施形態は、約３０．０分から約２．０時間までの反応時間で静的システム又は動的システムのいずれかで生じる反応及び捕集ステップ（１０１４）を想定している。
【０２２３】
プロセスの次は、沈殿生成物／結果として得られる生成物を分離して脱水するステップ（１０１６）である。廃水中のリン酸塩及び硝酸塩と反応しかつ／又はリン酸塩及び硝酸塩を捕集するステップ（１０１４）が完了すると、結果として得られる生成物は、清澄器、遠心分離機、フィルター、回転真空濾過、ベルトフィルターなどを含むがこれらに限定されない様々な分離技術を用いて流出スラリーから分離される。当然ながら、厳密な分離技術の代わりに、凝集、凝塊形成などを含むがこれらに限定されない、所望の生成物を標的とし、捕集するための他の既知の技術を実施し得ることも想定される。
【０２２４】
分離して脱水するステップ（１０１６）が完了すると、材料は、分離して脱水された沈殿生成物を乾燥、凝集、粉砕、及び／又は造粒するステップ（１０１８）を受ける。他の例示的な実施形態では、結果として得られる栄養豊富な生成物は、意図される生成物の用途に応じて液体中に残すことができる。結果として得られる最終生成物は、従来の乾燥機、すなわち、回転式乾燥機、スプレー乾燥機、ケージミルなどを用いて乾燥され得ることが理解される。
実施例２２〜２４
【０２２５】
例示的な実施例に戻ると、以下は、本発明のプロセスの３つの例示的な実施例である。実施例２２は特に、２つの目的のため、（１）複合灰／捕捉材を再使用することでPO4の除去を継続できるかどうかを判定するため、（２）おおよその最大容量を求めることができるかどうかを判定するために行われている。リサイクル複合灰／捕捉材を、PO4捕集後に、本開示で詳細に説明されているものと同様の投与試験により捕集した。その後、リサイクル複合灰／捕捉材を乾燥させた。結果は、リサイクル複合灰／捕捉材の使用がPO4を除去し続けることを示した。次に、結果が１ｍｇ／Ｌ［PO4］を満たさなくなるまで、再使用のサイクルを調べた（実施例２３及び２４参照）。
実施例２２
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２２６】
得られた実験結果のいくつかを、表４３〜４５で提供される以下の情報で示す。
【表４３】
2021505524.tif 000058
【表４４】
2021505524.tif 000059
【表４５】
2021505524.tif 000060
実施例２３
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２２７】
実施例２３は特に、実施例２２を繰り返し、おおよその終点を求めることができるかどうかを判定するために行われている。リサイクル複合灰／捕捉材を、PO4捕集後に、本開示で詳細に説明されているものと同様の投与試験により捕集した。その後、リサイクル複合灰／捕捉材を乾燥させた。結果は、リサイクル複合灰／捕捉材の使用がPO4を１ｍｇ／Ｌ［PO4］未満まで除去し続けることを示した。得られた実験結果のいくつかを、表４６〜４８で提供される以下の情報で示す。
【表４６】
2021505524.tif 000061
【表４７】
2021505524.tif 000062
【表４８】
2021505524.tif 000063
実施例２４
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２２８】
実施例２４は特に、実施例２３を繰り返し、おおよその終点がより適切に求め、より良い方法を行うことができるかどうかを判定するために行われている。リサイクル複合灰／捕捉材を、PO4捕集後に、本開示で詳細に説明されているものと同様の投与試験により捕集した。その後、リサイクル複合灰／捕捉材を乾燥させた。結果は、リサイクル複合灰／捕捉材の使用がPO4を１ｍｇ／Ｌ［PO4］未満まで除去し続けることを示した。得られた実験結果のいくつかを、表４９で提供される以下の情報で示す。
【表４９】
2021505524.tif 000064
実施例２５
【０２２９】
以下は、本発明のプロセスの例示的な実施例である。実施例２５は特に、PO4除去のためのフライアッシュの使用とPO4除去のための複合灰／捕捉材の使用とを比較してどうであるかを判定するために行われている。フライアッシュを、様々な発生源（例えば、Boral classアッシュ−石炭燃焼による／石炭由来、Dublid/Butchアッシュ−木材燃焼による／木材由来）からテストし、本開示において詳細に説明されているものと同様の投与試験で使用した。使用済みの固形物を乾燥させ、サンプルの一部を１０００℃でか焼し、シャペル試験を行った。か焼サンプルの一部について、蛍光Ｘ線Ａｓｉｓ化学分析を行った。得られた分析結果のいくつかを、表５０〜５７で提供される以下の情報で示す。
【表５０】
2021505524.tif 000065
【表５１】
2021505524.tif 000066
【表５２】
2021505524.tif 000067
【表５３】
2021505524.tif 000068
【表５４】
2021505524.tif 000069
【表５５】
2021505524.tif 000070
【表５６】
2021505524.tif 000071
【表５７】
2021505524.tif 000072
実施例２５
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２０．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２３０】
結果は、様々な種類及び発生源のフライアッシュが栄養塩除去に優れた結果を示していることを示している。ただし、重金属の浸出が起こり得る。結果はまた、木材燃焼による、すなわち木材由来のフライアッシュがPO4除去においてより効率的であることを示しており、これはおそらく、石炭燃焼プロセスよりも木材プロセスによる炭素含有量が高いためである。結果はまた、木材燃焼による、すなわち木材由来のフライアッシュが石炭燃焼による、すなわち石炭由来のフライアッシュよりも浸出が少ないことを示した。得られた実験結果のいくつかを、表５８〜５９で提供される以下の情報で示す。表５９は浸出の結果を示している。
【表５８】
2021505524.tif 000073
【表５９】
2021505524.tif 000074
【０２３１】
様々な実施形態は例として提供されており、本開示の範囲を限定することを目的としていない。記載された実施形態は様々な特徴を含み、それらの全てが本開示の全ての実施形態で必要とされるわけではない。本開示のいくつかの実施形態は、特徴又は特徴の可能な組み合わせの一部のみを利用する。記載された本開示の実施形態の変形、及び記載された実施形態で述べたのとは異なる特徴の組み合わせを含む本開示の実施形態が、当業者には思い浮かぶであろう。本明細書において上記で特に示されかつ説明されたものによって本開示が限定されないことが、当業者には理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図１】
2021505524.tif 000075
【図２】
2021505524.tif 000076
【図３】
2021505524.tif 000077
【図４】
2021505524.tif 000078
【図５】
2021505524.tif 000079
【図６】
2021505524.tif 000080
【図７】
2021505524.tif 000081
【図８】
2021505524.tif 000082
【図９】
2021505524.tif 000083
【図１０】
2021505524.tif 000084
【図１１】
2021505524.tif 000085
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月4日(2020.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として持続可能な廃棄物管理及びポストインダストリアル及びポストコンシューマ生成物管理のためのシステム及び方法を対象とする。本発明はまた、全体として水性廃棄物流のための持続可能な水管理を対象とする。これらの水性廃棄物流は、ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物流と関連していることができ、又は水性廃棄物流は、ポストインダストリアル又はポストコンシューマ廃棄物流から独立していることができ（すなわち、水性廃棄物流は、例えば、都市又は農業の水性廃棄物流であることができ）、これらの全てをまとめて本明細書では全体として廃棄物流と呼ぶ。本発明によって実現される持続可能な水管理はまた、限定されないが、湖、貯水池、海、川、池及び水路のための開放水処理及び処理システムを含むことができる。
【０００２】
本発明はまた、全体として廃棄物流処理に必要な投入物を生成又は低減するためのシステム及び方法を対象とする。これらの投入物は、例えば、（１）エネルギー、（２）真水、又は（３）適切な処理に必要な有効成分であり得る。本発明はまた、全体として、有用でないか又は潜在的に毒性のある廃棄物流処理による排出物を低減することを対象とする。これらの排出物は、ポストコンシューマ廃棄物残渣（捕捉するのが困難な未回収又は未再生資源が（鉱物も水も）多く含まれている）、及び有用でない、潜在的に毒性のある、不均一の酸化副産物などの無計画な処理灰（特定の化学構造を有するように又は特定の化学力を示すように意図的に作り出されたものでも設計されたものでもない）であり得る。水性排出物は、リン酸塩及び硝酸塩、並びに他の様々な有機及び無機溶質又は粒子で汚染されている可能性がある。
【０００３】
本発明はまた、全体として様々な有用で経済的に価値のあるポストコンシューマ又はポストインダストリアル生成物のための多目的の複合材料の化学的前駆体／プラットフォームを評価及び調製するためのシステム及び方法を対象とする。複合材料の化学的前駆体は、複合材料の個々の成分と比べて拡大されている化学結合力及び吸収（化学吸着）力を含む、独特の相乗的な分子引力を示す。化学的前駆体は、酸化カルシウム、部分的に変換された炭酸カルシウム、及び／又はメタカオリンから成る１つ以上の結晶性組成物であることができ、それらの一般的な非晶質の結晶構造を含む。化学的前駆体は、必要な投入、必要な方法、及び必要な設備及びシステムの制御によって、捕収剤又は捕集／沈殿剤の形態でユニークな形態学的捕捉プラットフォームとして又はジオポリマー前駆体として機能するように特別に設計及び調製され得る。前駆体から得られるポストコンシューマ生成物は、メタカオリン、ハロイサイト、ポゾラン、土壌添加剤、建築材料、顔料、及び充填材（フィラー）の形態をとることができ、前駆体自体の効率的かつ効果的な調製によって、採掘、浸出、及び／又は収穫するよりも生成する方が経済的に効率的であり得る。
【０００４】
本発明はまた、全体として水性廃棄物流からリン酸塩又は硝酸塩又は重金属又はそれらの組み合わせを再生利用及び回収するためのシステム及び方法を対象とする。さらに、本発明はまた、全体として水性廃棄物からこれらのリン基又は窒素基又は重金属を保持する有用かつ経済的に価値のあるポストコンシューマ生成物の評価及び調製のための方法を対象とする。ポストコンシューマ生成物は、農業用肥料の形態をとるか、又はメタカオリン、ポゾラン、土壌添加剤、建築材料、顔料及び充填材のような別の有用で持続可能なポストコンシューマ材料の形態をとることができる。
【０００５】
より具体的には、例示的な一実施形態では、本開示のシステム及び方法は、
ポストコンシューマ廃棄物流を処理することと、
例えば、ポストコンシューマ廃棄物の処理による排出廃棄物を削減することと、
ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物の処理からエネルギーを生成することと、
ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物から鉱物を回収することと、
ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物から多目的の回収プラットフォームを調製及び捕集することなどを含む廃棄物流処理のための有効成分を生成することと、
水性廃棄物流を処理することと、
ポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物の調製のために、ポストインダストリアル及びポストコンシューマ廃棄物から多目的の化学前駆体を調製及び捕集することと、
例えば、水性廃棄物の処理からの排出廃棄物を削減することと、
水性廃棄物からリン酸塩、硝酸塩及びその他の汚染物質を除去することと、
廃棄物流処理などの得られた組成物からポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物を捕集及び処理することと、
廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置することと、
システムのサブシステムに関して作業をスケジューリングすることと
を含む技術分野を対象とする。
【背景技術】
【０００６】
全体として
【０００７】
本発明は、例えば、カーペット加工廃棄物、紙再生廃棄物、産業廃棄物、農業廃棄物、材料回収廃棄物、脱インク廃棄物、水性廃棄物、重金属廃棄物、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）廃棄物、スチレンブタジエンラテックス（ＳＢＬ）廃棄物、ポリウレタン廃棄物などの多種多様な廃棄物に適用可能である。これらのポストコンシューマ（ＰＣ）又はポストインダストリアル（ＰＩ）の廃棄物流は、様々な発生源から生じる可能性があり、例えば、分離、濾過、希釈、還元、相変化、及びエンタルピー変化を含む、予備的な機械的及び化学的処理などの様々な予備処理段階を有することができる。
【０００８】
非限定的な例として、ＰＣ又はＰＩ廃棄物流は、カーペットの第３の流れ、カーペットのカーカス、カーペット全体、及び／又は他のカーペット廃棄物で構成することができ、又はＰＣ又はＰＩ廃棄物流は、製紙工場スラッジ、脱インク残渣、及び／又は他の紙廃棄物処理及び紙リサイクル副産物で構成することができる。
【０００９】
カーペット廃棄物流に関して
【００１０】
使用済み及び廃棄されたカーペットは潜在的に貴重な資源である。典型的なカーペット全体の構造は、バックコーティングによって構造システムとして結合されている一次バッキングにタフトされている様々な繊維タイプを含む。一次及び二次バックコーティングは、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、炭酸カルシウム、粘土及びガラスなどの様々なポリマー及び充填材を含む。簡単に言えば、カーペットの表面は、バッキング布を通して織られ、「接着剤」によって適所に保持され、「接着剤」は、多くの場合、炭酸カルシウム及び／又は他の鉱物フィラー材が充填されているラテックス架橋ポリマー又はサーモレジンである。
【００１１】
「カーペットの第３の流れ」という用語は、ＰＣ及びＰＩ材料に関連して現場で頻繁に使用され、一般に、カーペット全体の再生利用及びエネルギーの回収から抽出される、最高濃度の充填材及び結合剤、及び任意選択で充填材湿潤剤を含む回収された材料の廃棄物流を指す。「カーカス」という用語は、一般に、繊維が実質的に削り取られたカーペットバッキング構造の残部を指す。例えば、特許文献１は、第１の流れが第２の流れと反応し、第３の流れが１つ又は複数の充填材又は充填材を含むという３つの流れの概念を教示している。
【００１２】
１つの非限定的な例において、カーペットの第３の流れは、潜在的に回収及び再利用することができる、石油及びバイオベースポリマー及び鉱物フィラーを含む。さらに、カーペットの第３の流れは、本質的に発熱を伴うものである。カーペットのポリマー繊維は、粉砕及び切削技術によってＰＣ及びＰＩカーペットの流れから選択的に回収されている。使用される他の予備的な回収技術は、ナイロン６を原料として用いたカプロラクタムモノマープロセスによるＰＣ及びＰＩカーペットの流れの処理を含む。「綿毛」として知られる回収された繊維及びカプロラクタムは、様々な用途において熱可塑性樹脂及び繊維資源材料として価値を有する。
【００１３】
特許文献２、特許文献３、及び特許文献４は、ＰＣ又はＰＩカーペットの流れ内のカーペットのサイズを充填材として通常使用される炭酸カルシウムのサイズに機械的に縮小すること、及びそのような断片をカーペットバッキングに組み込み、得られる充填材を鉱物フィラー及び残留カーペット繊維から構成することを教示している。先行技術におけるこの制限は、鉱物フィラーから繊維及び結合剤を機械的に分離及び遊離させるという課題によるものである。最終生成物は、回収された材料の物理的特性、組成、及び化学的性質のために、単独の生成物としての用途は限られている。
【００１４】
特許文献５は、廃棄カーペットから無機フィラーを再生する方法であって、無機フィラー成分及び有機成分を含む廃棄カーペット組成物を提供するステップと、廃棄カーペット組成物から有機成分の少なくとも一部を分離し、有機成分を少なくとも実質的に含まない再生無機フィラー組成物を提供するのに有効な条件下で、廃棄カーペット組成物を熱処理するステップとを含む方法を開示しているが、所望の特徴を有する鉱物生成物をもたらすように反応物を十分に処理することを意図していない。
【００１５】
特許文献６及び特許文献７は、それぞれ機械的な分離及び遊離を教示している。特許文献６は、機械的な分離の限界を認識し、より多くの繊維を分離することを試みる熱工程を導入する。特許文献６は、カーペット廃棄物から充填材を回収するための回収プロセスであって、カーペットを提供することと、カーペット廃棄物をポリマー繊維、フィラー材及び接着材を含む粒子状物質にサイズ縮小することと、粒子状物質を、実質的にポリマー繊維を含む第１の流れと、実質的にフィラー材及び接着材を含む第２の流れとに分離することと、第２の流れに残存するポリマー繊維の少なくとも一部を除去するのに十分な温度で第２の流れを加熱して、第２の流れにおけるフィラー材の含有量を高めることとを含む回収プロセスを開示している。
【００１６】
特許文献７は、繊維、充填材及び接着剤を含む材料供給物を提供することと、充填材及び接着剤を繊維から遊離させるために材料供給物を細断することと、細断された材料供給物をスクリーニングして、結果として得られる少なくとも２つの流れ（第１の流れは供給原料解重合に適した繊維を含み、第２の流れはポリマー樹脂の直接強化に適した充填材を含む）を生じることと、結果として得られる第１の流れを液体と混合してスラリーを形成することと、３０Ｇ以下のＧ力でスラリーを遠心分離することとを含む成分回収プロセスを開示している。
【００１７】
特許文献８は、カーペット片の供給を調製することと、カーペット片を６００℃から１０００℃の範囲の粒子床温度に加熱することによりカーペット中の鉱物成分から有機成分を熱的に分離し、ここで鉱物成分が酸化されて鉱物酸化物を形成することと、鉱物酸化物を水でスラリーにして約３０分から２４時間の期間内に１５％から３５％の固形物スラリーを生成し、それにより鉱物酸化物が鉱物水酸化物を形成することと、炭酸化によってスラリーのｐＨを６から１０の範囲で安定化し、鉱物炭酸塩を含むスラリーを生じることとにより、カーペットから鉱物生成物を回収する方法を教示している。このようにして、この文献は、鉱物フィラー及び有機物を含む廃棄物が熱分離を受け、有機物からのエネルギー回収を可能にするプロセスを提供している。鉱物フィラー部分は、機械的にサイズ調整され、スラリー化され、安定化される。安定化された生成物は、更なる二次安定化、続いて可溶性塩の除去、濾過、濃縮、乾燥、必要に応じて更なる粉砕及び微粉化を受けることができる。所望の特性が得られると、生成物は、カーペットバッキングにおけるポリマーコーティング及び他のポストコンシューマコーティング／充填材用途に利用することができる。
【００１８】
紙廃棄物及び紙リサイクル流に関して
【００１９】
多くのグレードの紙は、製造時に紙に組み込まれ又は製造後に紙に表面的に組み込まれた、機能性無機顔料、充填材、及び／又はカオリン粘土、炭酸カルシウム、ケイ酸チタン及び二酸化チタンなどの添加剤を含む。一般に、廃棄物の有機部分から無機顔料を分離して無機顔料を再利用することができる実用的な方法はなかった。
【００２０】
先行技術は一般に、製紙による廃棄物又は紙廃棄物の再生利用による廃棄物は最も良く焼却されること、及び焼却の残渣は最もよく埋め立て地に堆積され又は一般に建設用途に使用される骨材材料を生成するのに使用されることを教示している。
【００２１】
より具体的には、パルプ及びペーパースラッジ（一次パルプ化作業、再生利用の流れ、又は古紙パルプ化などの副産物）及びその焼却の生成物は、パルプ及び紙の製造業者及びリサイクル業者にとって環境問題と廃棄問題を表している。一般に、パルプ及びペーパースラッジは、製紙には適さないが、紙パルプ自体に存在する成分と同じ成分（リグニン、セルロース、ヘミセルロース、炭酸カルシウム、粘土、及び他の無機成分）を含む。
【００２２】
紙廃棄物の再生利用は、一般に、脱インクプラント及びその顧客の目的に適した任意の方法で行われ得る一連のステップによって、使用可能なパルプ繊維を鉱物フィラー、印刷インク、レーザトナー粒子、及び接着剤などの紙の他の成分から分離することを含む。特定の再生利用プロセスにかかわらず、２つの材料、（１）紙の製造の原料として再利用するために製紙業者に販売することができる「二次」繊維と呼ばれるパルプ繊維、及び（２）脱インクプロセスの一部として除去される成分の混合物を含む複合廃棄物が常に生成される。複合廃棄物は通常、脱インク残渣（ＤＩＲ）と呼ばれる。
【００２３】
生成されるＤＩＲの量は、入ってくる古紙の品質及び再生利用プロセスの種類によって異なる。通常、乾燥ベースで、ＤＩＲの割合は、脱インク前の元の紙廃棄物の１５重量％から４０重量％である。ＤＩＲは通常湿潤状態で生成されるため、廃棄物が脱インクプロセスから離れる前に、通常は取扱費及び輸送費を削減するために可能な限り多くの水が除去される。一般に、廃棄物は約５０％の固形物に圧縮される。このため、紙廃棄物を１００トン処理するごとに、その半分が水の、３０から８０トンの湿ったＤＩＲが生成される。
【００２４】
例えば、製紙工場の敷地内で稼働している脱インクプラントでは、ＤＩＲプラントが製紙工場と統合されている。ＤＩＲはしばしば、製紙工場の白液回収ボイラー内でその燃料分が原因で燃焼する。この残灰は通常、ＤＩＲの元の重量の約１５〜２０重量％を占める。しかしながら、その高い水分含有量のため、ＤＩＲは一般に低級で効率の悪い燃料と考えられている。例えば、一部の非統合型の脱インク工場では、残渣の最も一般的な運命は埋め立て地への配置である。埋め立ては、費用がかかり、環境に優しくないため、一般に望ましくない。したがって、残渣混合物中に存在する鉱物フィラー及び／又は他の成分を再利用することによって、脱インクプラントで発生する廃棄物の量を減らす必要があった。
【００２５】
本明細書で言及されているが、より具体的には、ペーパースラッジ又はＤＩＲは従来、埋め立て、堆肥化、セメント産業による利用、及び焼却によって処分されてきた。後者のオプションは、別の問題、すなわち、多くの場合スラッジ又はＤＩＲ自体の量の最大５０％（時には８０％以上）を占める、結果として生じる無用で潜在的に有毒な灰の処分を引き起こす。炭酸カルシウムは、沈降炭酸カルシウム（ＰＣＣ）又は重質炭酸カルシウム（ＧＣＣ）の形態で、通常、乾燥スラッジ分の２０％から７５％までを占める。簡単に言うと、炭酸カルシウムは、紙の機械的特性及び外観を改善するためにコーティング及び充填材として、通常は粘土と共に紙に入れられる天然炭酸塩である。
【００２６】
炭酸カルシウムは、充填材とコーティング材の両方として紙の製造に使用される主要な無機顔料である。炭酸カルシウムは、塗料、コーティング、プラスチック、シーラント及びインクなどの材料における機能性充填剤としても広く使用されている。紙のコーティングには、製造業者は通常、良好な光学特性（高い明度、不透明度、光沢）と良好な印刷適性を与える顔料を必要とする。顔料の形態（モルフォロジー）は、適切なレオロジー効果を与えるために重要である。生成物の純度及び大きな粒子の不存在は、非常に低い研磨性のために不可欠である。通常、平均粒度は、非常に狭い粒度分布で、０．３から１ミクロンの範囲でなければならない。紙の充填には、平均粒径が１．５から３．０ミクロンの炭酸カルシウムが通常使用される。非塗工紙の平均鉱物充填は一般に約２５重量％であり、一方、塗工紙グレードの場合は約４５重量％である。
【００２７】
紙の事業で使用する炭酸カルシウムは、本明細書で簡単に述べるように、天然に存在する炭酸カルシウムの粉砕によって得られる形態（いわゆるＧＣＣ）であり得る。代わりに、炭酸カルシウムは、ＰＣＣと呼ばれる炭酸カルシウムの沈殿をもたらす、二酸化炭素がカルシウムイオンの溶液に添加される「化学的経路」（例えば、ＤＩＲのような紙廃棄物流の処理のサブプロセス）によって生成されることもできる。このような「化学的経路」は、カルシウムイオンの溶液が廃石灰（CaO）又は水酸化石灰（Ca(OH)2）材料から生成することができ、そうでなければ処分のための問題及び／又は費用を生じさせるであろう廃棄物から工業的に価値のある炭酸カルシウムの生成を可能にするという点で魅力的である。
【００２８】
カルシウム塩は、天然に豊富にあるにもかかわらず、天然の鉱床からの精製が困難で費用がかかるため、一般に高価な生成物である。例えば、紙品質のＰＣＣは通常、工業窯炉での石灰石の（方解石石灰又はドロマイト石灰への）か焼、消和、スラリー化、炭酸化、及び複数の精製ステップを含む多くの段階を経て、天然の石灰石から生成される。
【００２９】
先行技術は一般に、ペーパースラッジ／ＤＩＲが焼却されるときにカルシウム由来化合物が化学変化を受けることを教示している。当技術分野における期待は、紙廃棄物流の有機成分が焼却中に完全に破壊されること、粘土の熱脱水が、一般式CanAlaSibOcの脱炭酸された炭酸カルシウム（すなわち、アルミノケイ酸カルシウム）と複雑な化合物を形成するか焼アルミノケイ酸塩をもたらすことである。さらに、当技術分野における期待は、シリカが（炭酸カルシウムの熱的脱炭酸から得られる）酸化カルシウムと反応してケイ酸カルシウム（CaSiO3）を形成し得ることである。マグネシウム、カリウム、チタンなどに基づくものなど、紙廃棄物スラッジ又はＤＩＲ（例えば、顔料、充填材、微量の凝固剤など）に存在する他の鉱物は、鉱物分の組成をさらに複雑にする。最後に、上記の期待される化学変化から形成される特定の種は、主にスラッジ又はＤＩＲの鉱物断片における粘土の相対的な量及び性質、炭酸カルシウムの量、及び熱処理の条件に依存する。
【００３０】
残念ながら、一部には当技術分野におけるこれらの期待が原因で、ペーパースラッジ、ＤＩＲ、及びスラッジ由来の灰の無機物分は一般に、大部分が又は完全に無駄になる。せいぜい、先行技術は、限られた市場価値の低価格で不純な生成物の生成のための焼却灰の利用しか説明していない。
【００３１】
さらに、別の簡単な説明として、紙及び板紙などを含む類似の製品を製造する過程で、得られる紙製品の品質を改善するために、繊維ウェブに多量の無機材料を組み込むことが一般的であり、よく知られている。二酸化チタンなどの多くの無機材料が、これらの目的に有効であることが長く知られている。例えば、二酸化チタンは、全ての市販の紙用顔料の最大の明度及び不透明度の発展をもたらすものとして認識されている。これらの材料は、アナターゼ又はルチルの形態で紙に組み込むことができる。
【００３２】
しかし、二酸化チタンは、この目的のために利用可能な最も高価な材料の１つである。そのため、近年、二酸化チタンの満足のいく代替品の開発にかなりの労力が注がれた。その優れた光学特性に基づいて、か焼カオリンは非常に効果的な二酸化チタン増量剤であることが証明されており、製紙業界、塗料業界、プラスチック業界で広く受け入れられている。このため、紙廃棄物、スラッジ、及びＤＩＲに関する全ての議論には、これらの成分に関する議論も含める必要がある。
【００３３】
紙用充填材としての受け入れが増加している材料の中には、実質的に無水のカオリン粘土がある。このタイプの材料は一般に、例えば、最終生成物の明度を向上させる目的などで、特定の不純物を除去するために事前の選鉱ステップにかけた可能性がある粗カオリン粘土を部分的又は完全にか焼することによって調製される。
【００３４】
本発明を理解するためには、カオリン加工の当業者がか焼カオリンと未か焼カオリンとを明確かつ根本的に区別することを認識することが重要である。用語に関しては、カオリン製品及び加工の分野に関する先行技術文献はしばしば、「含水」という用語を用いて、か焼されていない、具体的には約４５０℃を超える温度に加熱されていないカオリンを指すことに留意されたい。このような温度は、カオリンの基本的な結晶構造を変える働きをする。これらのいわゆる「含水」粘土は、例えば、フロス浮選、磁気分離、機械的層間剥離、摩砕、又は粉砕などの様々な選鉱作業が行われたが、結晶構造を損なうような加熱が行われていない、粗カオリンから生成することができる。
【００３５】
正確な技術的意味では、これらの材料の「含水」という記載は正しくない。より具体的には、カオリナイト構造に実際に存在する分子水はない。したがって、組成物は、以下の式１で任意に表すことができ、また多くの場合、以下の式１で任意に表される。
【数１】
2021505524.tif 000086
【００３６】
カオリナイトは、以下の式２で表されるおおよその組成の水酸化アルミニウムケイ酸塩であることが、現在よく知られている。
【数２】
2021505524.tif 000087
【００３７】
カオリンがか焼される（本開示の目的では、ヒドロキシル基を除去する期間４５０℃以上の加熱を受けることを意味する）と、カオリナイトの結晶構造が破壊される。本明細書で使用されているように、「か焼カオリン」という用語はこのようなカオリンを指すものとする。好ましくは、か焼カオリンは、本明細書においても使用されるように、単に「メタカオリン」とされるのではなく、９８０℃の発熱を超えて加熱され、したがって「十分にか焼」されている。
【００３８】
紙廃棄物の処理、特にＤＩＲの処理に戻ると、様々な管轄区域の一般的な廃棄物規制及び排出規制に適合する焼却又は燃焼プラントは、ペーパースラッジ灰（ＰＳＡ）を生成しながらエネルギーを抽出するように設計されている。ＰＳＡの組成は通常、古紙スラッジ中に存在する炭酸カルシウム及びカオリンから主に形成される無機材料の混合物から成る。
【００３９】
焼却プロセスが６００〜８００℃の範囲の温度で制御されている場合、灰は、少量の他の鉱物と共に、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、メタカオリンの混合物を含む。また、有機成分の燃焼によって一部の炭素が残っている場合がある。
【００４０】
焼却が８００℃を超える温度で行われる場合、又は焼却温度が制御されない場合、存在する炭酸カルシウムの大部分は、存在するカオリン及び他の少量の鉱物と反応してゲーレナイトのような硬いガラス状のケイ酸カルシウムアルミニウム鉱物を形成し得る、酸化カルシウムに分解する。
【００４１】
主な目的がエネルギーの回収である場合、流動床燃焼器は８００℃から１０００℃の高温で動作するように設計されているが、滞留時間は３分未満と非常に短い。これらの条件下では、炭酸カルシウムの不完全な分解があり、硬いガラス状のケイ酸塩鉱物が形成される可能性がある。この不完全な分解は、おそらく、大きな凝集体の中央への適切な熱伝達のための時間が不十分なためである。形成された酸化カルシウムの一部はすぐにカオリンと反応し、これにより灰に残っている遊離酸化カルシウムの量がさらに減少する。また、有機成分の燃焼によって一部の炭素がまだ残っている場合がある。
【００４２】
ＰＳＡのその後の用途には、セメント製造、軽量コンクリートブロック、土地散布、及び牛の寝床が含まれる。しかしながら、ＰＳＡはこれらの用途ではほとんど又は全く価値がない。残りのＰＳＡは従来埋め立て処分されてきたが、一部のＰＳＡの遊離石灰（CaO）分のせいで、このオプションは次第に推奨されなくなってきている。同様に、一部のＰＳＡは、大気中の二酸化炭素と反応してある期間にわたってコンクリートマトリックスを弱めてしまう遊離石灰分のせいで、混合構造コンクリートでの使用に適していない。
【００４３】
近年、ペーパースラッジ又はその焼却によって生成された灰から潜在的に有用な材料を生成及び／又は回収しようとする動機があった。あらゆる燃焼条件で生成された灰中の炭素及び／又は硬いケイ酸塩鉱物から純粋な充填材を分離することは極めて困難である。同様に、未反応の炭素又は硬いケイ酸塩鉱物の有害な影響をマスクするためのバージン材の添加も成功していない。先行技術には、再生充填材を製紙に又は他の産業での使用に適したものにするような方法でＤＩＲ又はＰＳＡの特性を変更するプロセスを記載する多くの特許明細書が存在する。
【００４４】
特許文献９は、炭酸カルシウムの酸化カルシウムへの分解を最小限に抑えながら有機成分を除去することに関するものである。特許文献９のプロセスによれば、炭酸カルシウムの５０％以下（好ましくは約２５重量％以下）が酸化カルシウムに変換される。このようにして、ゲーレナイトのような硬い鉱物の形成も最小限に抑えられる。狭い温度ウィンドウが指定されるため、繊維及びインクが燃焼して、主に炭酸カルシウムとメタカオリンから成る白色無機分が残る。条件は、温度を８００℃未満に保つように設定されている。凝集した繊維が燃焼する際の局所的な発熱を克服するために、２段階の燃焼プロセスが提案されている。得られた灰は、消和されて炭酸化され、存在する酸化カルシウムを炭酸塩に変換する。これに続いて、強力な摩砕が行われ、鉱物粒子のサイズを製紙プロセスに必要なサイズに縮小する。この方法の生成物である炭酸カルシウムとメタカオリンの混合物は、７０〜７５％の範囲のＩＳＯ白色度を有し、これはバージン炭酸カルシウムとカオリンに比べて著しく劣り、ほとんどの用途には適していない。この方法の生成物は、３０〜７０ｍｇの範囲の比較的高いアインレーナーワイヤー摩耗性を有する。
【００４５】
この方法の変形例が、特許文献１０に引用されており、炭酸化に先立って灰にさらに水酸化カルシウムを添加し、明度及び摩耗性をわずかに改善する。この特許の一実施例は、生成物の質量の半分が、この新たな水酸化カルシウムの添加に由来することを示している。
【００４６】
特許文献１１は、炭酸カルシウムと反応して水に可溶なカルシウム塩を形成する希酸でＤＩＲを処理する方法を記載している。不溶性画分からカルシウム塩含有溶液を除去し、塩化ナトリウム又は水酸化ナトリウムの添加により炭酸カルシウムを沈殿させる。繊維と主にカオリンを含む不溶性画分を乾燥し、高温で焼却して有機成分を除去し、か焼カオリンを生成する。
【００４７】
特許文献１２は、特に低量の酸化カルシウムを含むＰＳＡの生成のための燃焼プロセスに関する。酸化カルシウムは、二酸化炭素と反応して体積が増加した炭酸カルシウムを形成するため、コンクリートの長期強度に悪影響を及ぼすことが知られている。酸化カルシウムの還元により、メタカオリン成分のポゾラン特性を、コンクリートの長期劣化なしにコンクリートに利用することができる。この低減は、燃焼温度を制御し、第２の燃焼室に水を導入して酸化カルシウムを水酸化物に変換することによって達成される。
【００４８】
特許文献１３は、ポゾラン成分を含む材料を処理してポゾラン活性を高めた生成物を生成する方法を開示している。処理される材料は、例えば、ポゾラン成分として約３０％のメタカオリンを含む紙灰であってもよい。灰自体は、特許文献１４（特許文献１２と同等）に記載されている手順に従ってペーパースラッジを熱処理することによって調製することが好ましい。ポゾラン材料（例えば、紙灰）を処理するための特許文献１３の方法は、ポゾラン材料からカルシウムを抽出し、カルシウム富化水溶液及びカルシウム除去固体残渣を生成するために、ｐＨが１２．５未満の水性液体でポゾラン材料を処理することを含み、カルシウム除去固体残渣はポゾラン効果を高めた生成物である。処理プロセスで使用される水性液体は、例えば、水であってもよいが、より好ましくは酸性水溶液（例えば、塩酸又は酢酸）であり、任意選択でＥＤＴＡなどのキレート化合物を含む。カルシウム富化溶液は、固体残渣から分離され、セメント又はコンクリートを調製するために乾燥して又は乾燥せずに使用され得る。カルシウム富化水溶液を二酸化炭素で処理して炭酸カルシウムを生成することができると開示されているが、生成物品質の詳細は示されていない。
【００４９】
紙廃棄物の処理に戻ると、より一般的には、特許文献１５は、別々に回収される、主にセルロース系材料（木材及びセルロース繊維）から成る固形物の湿式脱水された捕集生成物と、主に再生利用の前に紙廃棄物から分離されたプラスチック片から成る残渣とを教示している。捕集生成物は、生成物の残留水分含有量が２５重量％以下になるまで乾燥され、連続的に積層されて連続的に前進する層を形成する。残渣の層を生成物層上に堆積させて連続的に前進する二層床を形成し、空気を含むガスで二層床を底吹きしながら燃焼させる。このプロセスで、生成物及び残渣を破壊し、燃焼ガスを生成し、スラグを回収する。プロセスで生成されるフライアッシュは、環境中への放出を防止するためにスラグに添加することができ、スラグは埋め立て地に堆積されるか、又は構造材料に使用される。燃焼ガスからの熱は、熱源として、特に蒸気発生のために使用することもできる。
【００５０】
特許文献１６は、紙、段ボール及び関連材料の製造において廃棄物として生成される紙パルプスラッジの再生利用の方法及び装置を開示している。紙パルプスラッジは、８００°Ｆから３５００°Ｆの温度でロータリーキルンに連続的に供給される。温度が２４００°Ｆを超えるように維持されると、焼却プロセスで形成されるダイオキシンなどの有害物質が破壊される。混合触媒、典型的にはカゼイン又は大豆タンパク質、及び木材パルプ繊維は、紙パルプスラッジと共に燃焼される。得られた焼却生成物は、本質的に炭酸塩粒子から成り、アスファルト、アスファルトコーティング及びシーラント、セラミック、コンクリート、セメントパイプ、粘土パイプ、構造ブロック、及びレンガの製造における鉱物フィラー結合剤として、又は流出油の吸収剤として使用することができる。特許文献１７では、紙パルプスラッジの焼却生成物の１５〜２５重量％を土粘土と混合して、埋め立て地を覆って密閉するために使用される耐水性材料を形成する。
【００５１】
特許文献１８は、紙廃棄物の細菌による消化とそれに続く焼却とを含む、廃棄物及び残渣からのエネルギー回収のための方法を開示しており、細菌による消化中に生成されたメタンガスは炉を加熱するために使用される。燃焼プロセスで放出された熱は、必要とされる工業プロセスで使用することができる。
【００５２】
特許文献１９は、製紙工場廃水に見られる物質などの粒状廃棄物の希釈水性懸濁液を処理するプロセスを開示している。代表的な廃棄物としてカオリン粘土が例示されている。プロセスは、粒子状物質の水性懸濁液中にアルカリ土類金属炭酸塩、例えば炭酸カルシウムを沈殿させて、プロセスの開始時に存在する粒子状物質がアルカリ土類金属炭酸塩沈殿物に同伴されるようにすることを含む。特許文献１９欧州特許出願第０６０４０９５号の図１は、沈降炭酸カルシウム粒子の凝集体に同伴された平坦な「板状」のカオリナイト粒子の走査電子顕微鏡写真を示す。炭酸カルシウムと同伴された粘土粒子との結果として生じる塊は、紙用充填材又は顔料として使用することができる。
【００５３】
水性廃棄物流に関して
【００５４】
水性廃棄物流に関して、本発明は、例えば、都市下水、工業廃水、及び汚染された開放水、流水、又は回収水などの多種多様な水性廃棄物流に適用可能である。これらの水性廃棄物流は、様々な発生源から生じる可能性があり、様々な予備処理段階を有する可能性がある。さらに、これらの水性廃棄物流は、ＰＣ又はＰＩ廃棄物流と関連する可能性があり、又は水性廃棄物流は、発生源、組成、場所などにおいて、ポストコンシューマの流れから独立している可能性がある。非限定的な例として、水性廃棄物流は、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の様々な有機及び無機溶質又は粒子で汚染された都市又は農業廃水であり得る。
【００５５】
都市の中心部及び市町村で人口増加が続き、新たな住宅団地が建設され、地方世帯が汚水処理タンク方式から公共下水道へ切り替えるにつれて、既存の集中型水道システム及び水処理施設のインフラストラクチャへの圧力は今後も高まり続けるだろう。廃水の除去及び処理は、公衆衛生を守るために重要である。廃水処理プロセスは、人間に害を及ぼし、川、湖、及び海を汚染する毒素を減らすことにより水質を改善する。廃水は、家庭、企業、工場から公共下水道管と全国の多くの場所で雨水排水管とを通って処理システムに入る。廃水処理は通常、処理水が環境に戻される前に水質基準が満たされていることを確認するコミュニティユーティリティ又は公共事業部によって監督される。
【００５６】
雨や雪解け水からの流出などの雨水も、回収及び処理インフラストラクチャが必要である。多くの場合、廃水と雨水は同じ水処理システムに流れ込む。これらの合流式下水道システムは、豪雨発生後に収容能力の問題が生じ、雨水だけでなく、未処理のし尿及び産業廃棄物、有毒物質、瓦礫、及びその他の汚染物質を含む越流を引き起こすことがある。合流式下水道越流（ＣＳＯ）と呼ばれるこれらの出来事は、水質を著しく損ない、公衆衛生及び野生生物に影響を与える可能性がある。農業排水や雨水などの非点源汚染の後、ＣＳＯは米国における水質汚染の主な原因である。コミュニティが、雨水システムに流入する流出量を増加させるコンクリートの歩道、道路、駐車場、伝統的な屋根などの大量の不浸透面を有する場合、問題はさらに悪化する。
【００５７】
流出及び汚染、例えば、廃棄物流としてのリン酸塩及び硝酸塩に関して
【００５８】
農業排水、雨水排水、廃水処理排水、及び他の発生源から環境中に排出されるリン酸塩及び硝酸塩の蓄積の増加は、地球が直面している最も重要な環境問題の１つである。都市及び工業廃水処理プラントから排出されるリン酸塩を制御することは、地表水の富栄養化を防ぐ上で重要な要素である。都市下水は５〜２０ｍｇ／Ｌの総リン酸塩を含む可能性があり、そのうちの１〜５ｍｇ／Ｌは有機物、残りは無機物の形態である。オルトリン酸塩は、さらなる分解なしに生体代謝に利用できる。ポリリン酸塩は、２つ以上のリン原子、酸素、場合によっては錯体分子において結合する水素原子を有する分子である。通常、ポリリン酸塩は加水分解され、オルトリン酸塩の形態に戻る。このプロセスは通常、かなり時間がかかる。
【００５９】
地表水中のリン酸塩濃度の上昇は富栄養化につながり、水生生物に有害である。富栄養化を抑制するために、ＥＰＡは、湖沼や貯水池に流入する地点の流れでは総リン酸塩が０．０５ｍｇ／Ｌを超えないように、また湖沼や貯水池に直接排出されない流れでは総リン酸塩が０．１ｍｇ／Ｌを超えないように勧めている。今日まで、リン酸塩除去は、塩化第二鉄、硫酸アルミニウム（ミョウバン）及び水酸化カルシウム（石灰）などの金属塩を用いる凝集／沈殿法で行われてきた。多くの場合、これらの方法は、沈殿及び最終的な固形物除去を促進するためにポリマーの使用を必要とする。
【００６０】
天然に存在しかつ合成された形態のゾノトライト及び／又はトバモライトを利用してリン酸塩を除去する様々な方法が詳細に詳述されている。これらの物質は、ｐＨの上昇により重炭酸イオンが炭酸イオンに変換され、除去効率が低下するため、溶液のｐＨによって制限される。リン酸塩除去の別の方法は、ストルバイト（リン酸アンモニウムマグネシウム六水和物）の化学的形成である。このプロセスは、マグネシウム源、通常は水酸化マグネシウムの導入を必要とし、アンモニウム源としての高いアンモニア濃度に依存する。さらに、リン酸塩除去の別の方法は、金属塩を添加して可溶性リン酸塩と反応させて固体沈殿物を形成し、これを清澄化及び濾過を含む固体分離プロセスによって除去することを含む、除去のための化学的処理を含む。使用される最も一般的な金属塩は、ミョウバン（硫酸アルミニウム又はアルミン酸ナトリウム）又はカルシウム（石灰）又は塩化第二鉄／硫酸第二鉄／塩化第一鉄である。
【００６１】
ミョウバンについては、ミョウバン又は水和硫酸アルミニウムが、リン酸塩及びリン酸アルミニウム（AlPO4）の沈殿に広く使用されている。基本的な反応は、以下の式３で表される。
【数３】
2021505524.tif 000088
【００６２】
必要とされる投与率は、必要とされるリン酸塩除去の関数である。凝集効率はリン酸塩濃度の低下とともに低下する。実際には、８０〜９０％の除去率が、５０〜２００ｍｇ／Ｌの凝固剤投与率で達成される。
【００６３】
石灰については、カルシウムが通常Ca(OH)2の形で添加される。それは廃水中の天然アルカリ度と反応し、主にＳＳ除去の促進に関与する炭酸カルシウムを生成する。廃水のｐＨ値が約１０を超えると、過剰なカルシウムイオンがリン酸塩と反応して、ヒドロキシアパタイトに沈着する。反応は石灰と廃水のアルカリ度との間で起こるため、必要な量は一般に、存在するリン酸塩の量とは無関係である。それは主に廃水のアルカリ度に依存する。必要な石灰の用量は、CaCO3の１．５倍のアルカリ度で概算することができる。後続の処理又は廃棄の前にｐＨを下げるために中和が必要とされる場合がある。二酸化炭素による再炭酸化が、ｐＨ値を下げるために用いられる。
【００６４】
鉄塩については、実際の反応は完全には解明されていないが、塩化第二鉄又は硫酸第二鉄及び硫酸第一鉄がリン酸塩除去に広く使用されている。基本的な反応は、以下の式４で表される。
【数４】
2021505524.tif 000089
【００６５】
第二鉄イオンが結合してリン酸第二鉄を形成する。それらは天然アルカリ度とゆっくりと反応するため、石灰などの凝集助剤を添加するとｐＨが上昇し、凝集が促進される。
【００６６】
一般に、廃水中のリン酸塩処理の場合、必要な化学物質量は液体リン酸塩濃度に関係する。２ｍｇ／Ｌを超える目標濃度（一次清澄器への化学物質添加に適している）の場合、リン酸塩１モルあたりアルミニウム又は鉄１．０モルの用量で十分である。０．３〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲の低リン酸塩濃度の場合、リン酸塩１モルあたりアルミニウム又は鉄が１．２〜４．０モルの範囲であることができる。沈殿物の溶解度はｐＨによって変化するため、ｐＨ値はミョウバン又は他の塩を使用してリン酸塩を効率的に除去するための重要な要素である。リン酸塩除去は、ミョウバンの場合は５〜７のｐＨ範囲が、第二鉄塩の場合は６．５〜７．５のｐＨ範囲が最も効率的である。
【００６７】
このため、化学物質量の決定に関して、化学的なリン酸塩除去のための制御戦略の最も重要な要素は、凝固剤投与量の計算である。アルミニウム塩又はイオン塩の投与率は、リン酸塩に対する利用可能な金属イオンのモル比に基づく。理論的には、１ｍｇ／Ｌのリン酸塩を除去するには、９．６ｍｇ／Ｌのミョウバン又は５．２ｍｇ／Ｌの塩化第二鉄が必要である。実際の環境では、必要量は０．５〜１５倍である。
【００６８】
さらに、リン酸塩除去を行う化学物質量の決定のために適切な制御を行うことは困難である。この困難にはいくつかの理由がある。流入するリン酸塩濃度は、産業の寄与により予測できない形で変化することがある。流入するリン酸塩濃度は、ほとんど流量に比例しない。凝固剤添加前のポリリン酸塩のオルトリン酸塩への変換は、凝集効率に影響を及ぼす。プロセス条件、特にｐＨ及び温度は、ポリリン酸塩の変換に大きく影響し得る。再生された生成物を凝固剤として使用する場合、利用可能な金属イオンの濃度も変動する。この結果、リン酸塩の凝固速度が非常に変動しやすくなり、オンライン監視がない場合には、オーバーフィードやアンダーフィードを回避するために頻繁な手動調整が必要となる。さらに、不十分な凝固剤の投与により過剰な濁度を有する流出物が生じ得るが、過剰な凝固剤の投与でも同様の結果が生じ得る。余剰の凝固剤はまた、酸化要求を働かせることによって消毒プロセスに悪影響を及ぼす可能性がある。
【００６９】
硝酸塩はまた、地表水と地下水の濃度上昇が飲料水供給の望ましくない濃度につながるため、重要である。現在の飲用水の硝酸塩の上限は、硝酸塩として１０ｍｇ／Ｌである。
【００７０】
タンパク質又はアミノ酸を含む廃水の貯蔵及び分解は、アンモニアの形成をもたらす。アンモニアは水路又は川に放出され、水生生物を脅かす可能性がある。また、貯水池や処理施設からアンモニアガスが大気中に放出され、環境や公衆衛生上の問題が生じる可能性もある。大気中のアンモニアは、重大な公衆衛生問題に関係している小さなエアロゾル粒子を形成する。
【００７１】
通常、アンモニアは硝化とそれに続く脱窒などの好気的プロセスによって水から除去される。硝化及び脱窒は、極めて高い割合のアンモニアを除去することができる。このようなプロセスにより、アンモニアは窒素ガスとして大気に戻される。しかし、硝化及び脱窒プロセスは、温室効果ガスである亜酸化窒素を生成する。
【００７２】
脱窒のプロセスにより、堆肥や肥料として利用できる窒素を回収する機会も失われる。通常、アンモニア肥料は、ハーバー法として知られる天然ガスと空気の燃焼によって作られる。この方法によるアンモニア肥料の生成は費用がかかり、二酸化炭素を生じる。二酸化炭素も温室効果ガスである。
【００７３】
硝酸塩除去は、ほとんどの場合、微生物による脱窒によって行われる。このプロセスは、低酸素環境において脱窒菌が利用できることを必要とする。脱窒菌は硝酸塩を代謝し、亜硝酸塩と最終的には窒素ガスに還元する。より具体的には、脱窒は、一連の中間ガス状窒素酸化物生成物を経て最終的に分子状窒素（N2）を生成し得る、微生物によって促進される硝酸塩還元プロセスである。この呼吸作用のプロセスは、有機物などの電子供与体の酸化に応じて窒素の酸化型を減少させる。好ましい窒素電子受容体は、熱力学的に最も好ましいものから順に、硝酸塩（NO3-）、亜硝酸塩（NO2-）、一酸化窒素（NO）、及び亜酸化窒素（N2O）を含む。全体的な窒素循環に関しては、脱窒はＮ２を大気に戻すことによって循環を完了する。このプロセスは、主に、パラコッカスデニトリフィカンスや様々なシュードモナスなどの従属栄養細菌によって行われるが、チオバチルスデニトリフィカンスなどの独立栄養性脱窒菌も確認されている。脱窒菌は、全ての主要な系統群で示される。一般に数種の細菌が硝酸塩の分子状窒素への完全な還元に関与しており、還元プロセスで複数の酵素経路が確認されている。
【００７４】
硝酸塩からアンモニウムへの直接還元は、アンモニウム又はＤＮＲＡへの異化型硝酸還元として知られるプロセスであり、ｎｒｆ遺伝子を持つ生物でも可能である。これは、硝酸塩還元の手段としてほとんどの生態系で脱窒ほど一般的ではない。脱窒する微生物として知られている他の遺伝子は、特にｎｉｒ（亜硝酸還元酵素）及びｎｏｓ（亜酸化窒素還元酵素）を含み、これらの遺伝子を持つと特定されている生物は、アルカリゲネスフェカリス、アルカリゲネスキシロスオキシダンス、シュードモナス属の多く、ブラディリゾビウムジャポニカム、及びブラストバクターデニトリフィカンスを含む。
【００７５】
脱窒は通常、陸上生態系と海洋生態系の両方で特別な条件下で行われる。一般に、よりエネルギー的に有利な電子受容体である酸素が枯渇し、細菌が代わりの最終電子受容体として硝酸塩を呼吸する場合に起こる。大気中の酸素濃度が高いため、脱窒は通常、一部の土壌や地下水、湿地帯、換気不良な海の端、海底堆積物など、酸素消費量が酸素供給速度を上回る環境で行われる。
【００７６】
脱窒は、一般に、以下の式５で表される以下の中間形態のいくつかの組み合わせによって進行する。
【数５】
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【００７７】
完全な脱窒プロセスは、以下の式６で表される酸化還元反応として表すことができる。
【数６】
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【００７８】
無酸素条件下での還元は、以下の式７で表される嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）と呼ばれるプロセスによっても起こり得る。
【数７】
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【００７９】
近年、脱窒を促進するために、脱窒菌の成長栄養素を継続的に供給する必要があると考えられていた。一部の廃水処理プラントでは、少量のメタノール、エタノール、酢酸塩、又はMicroCgやMicroCglycerinのような有標製品を廃水に添加して、脱窒細菌のための炭素源を提供した。メタノール（CH3OH）は、細菌性微生物の炭素源としても機能した。メタノールの添加によって加速され、嫌気性細菌は硝酸塩を窒素ガスに変換し、窒素ガスは大気中に放出される。
【００８０】
現在、米国各地の廃水処理プラントが、脱窒プロセスにメタノール、エタノール、酢酸塩などを使用している。例えば、メタノールの脱窒は、１日あたりの通常のトン数を、場合によっては当初の窒素排出量の半分まで削減するのに役立った。残念ながら、メタノール、エタノール、及び酢酸塩は高価である。例えば、いくつかの非限定的な例において、メタノールの脱窒は、除去される窒素１ポンドあたり約０．５０ドルから０．６０ドルのコストがかかる（それにはインフレ調整は含まれていない）。さらに、異なる観点から、飲料水供給も通常、少なくとも硝酸濃度を下げるために陰イオン交換プロセスで処理される。イオン交換プロセスのある時点で、陰イオン交換樹脂を再生剤で洗浄して再生する必要がある。これは通常、イオン交換プロセスの樹脂カラムに濃縮された塩水、すなわち、塩でほぼ飽和された水を１回通過させることで達成される。塩化ナトリウム（NaCl）塩水は、その低コストのために最もよく利用されている。
【００８１】
残念なことに、NaCl塩水を使用する利点は、硝酸イオン及び塩化物イオンを含む結果として生じる廃棄塩水の処分の高コストによって相殺される。塩化物イオンに対して硝酸イオンを除去する方法が見つかれば、廃棄塩水を再生剤として再利用できる。
【００８２】
廃棄塩水から硝酸イオンを除去する最も広く使用されている方法の１つである生物学的脱窒は、生物の使用に関連するいくつかの欠点を有する。これらの欠点は、微生物の高イオン強度の問題を回避するための望ましくない希釈、生存可能な細菌培養を維持することの難しさ、細菌培養を維持するための高い化学物質コスト、及び予測不可能な反応速度を含む。この方法はまた、比較的大きな設備を利用する。さらに、細菌培養の使用は飲料水の汚染を引き起こす可能性がある。
廃棄塩水から硝酸イオンを除去するもう一つの方法は、生物学的リサイクルである。生物学的脱窒と同様に、この方法もまた、生物を維持することに関連する欠点を有する。これらの欠点は、細菌培養を維持するための高い栄養コスト、飲料水への汚染の可能性、遅い及び／又は予測不可能な反応速度を含む。さらに、廃棄塩水は、微生物がそれを脱窒することができるように希釈されなければならないため、プロセスは、交換体を再生するために塩水を再濃縮する追加の時間のかかるステップを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８３】
【特許文献１】米国特許第５，９０８，７０１号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０４５，５９０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７８６，９８８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０２０９４３９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／０３３０２８８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／００４４４８０号明細書
【特許文献７】米国特許第７，６３５，０９９号明細書
【特許文献８】米国特許第８，５４４，７７２号明細書
【特許文献９】米国特許第５，８４６，３７８号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，０６３，２３７号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，３００，５３９号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，８６８，８２９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００５／０２２３９５０号明細書
【特許文献１４】国際特許出願第ＰＣＴ／ＮＬ１９９５／０００２８０号
【特許文献１５】米国特許第４，９３２，３３６号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，０１８，４５９号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，０５４，４０６号明細書
【特許文献１８】米国特許第４，７６９，１４９号明細書
【特許文献１９】欧州特許出願公開第０６０４０９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００８４】
上記に従って、本発明の目的と見なすことができるのは、上述の、及びそれに固有の、又は当業者に知られている先行技術の水準の欠点を克服し、その改善を提供することである。本発明のさらなる目的は、上述の特性の、上記の目的に従う、プロセス及びプロセスを行うためも必要な装置を提供することであり、上記の目的は、プロセスで及びプロセス内で、比較的簡単な設備で、比較的簡単な工学的要件で容易に行うことができる。さらに別の目的は、添付の図面及び特許請求の範囲と併せて、全体として以下の明細書を考慮することによって認識され、明らかになり得る。例示及び例として、本発明の実施形態が開示されている。
【００８５】
本明細書で使用されているように、本発明の目的へのいかなる言及も、本発明の概念及び実施化から生じる本発明の解決策及び利点を指すものと理解されるべきであり、先験的な概念又は先行技術の概念を指すものではない。
【００８６】
本発明の上記及び他の目的は実現され、先行技術の制限は、本発明において新規でかつ改良された方法、プロセス、及びシステムを提供することによって克服される。本発明の原理及び詳細のより良い理解は、添付の図面と併せて以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００８７】
本発明は、（１）持続可能な廃棄物管理、（２）ポストコンシューマ（ＰＣ）又はポストインダストリアル（ＰＩ）生成物管理、及び（３）水管理のシステム及び方法を対象とする。さらに、本発明は、（４）多目的の化学的前駆体、プラットフォーム、又は有効成分を持続的に生成するシステム及び方法、及び／又は（５）最終的なＰＣ又はＰＩ生成物の持続可能な生産及び／又は多種多様な廃棄物流からの価値のある残渣又は汚染物質の持続可能な回収のために、前駆体、プラットフォーム、又は有効成分を中間体として持続的に利用するシステム及び方法であって、それにより生産された化学的前駆体、プラットフォーム、及び／又はＰＣ又はＰＩ生成物は経済的に効率的であり、家庭、都市、農業、及び商業のユーザーにとって価値があるシステム及び方法を対象とする。さらに、本発明は、（６）湖、貯水池、海、川、池、及び水路のための開放水処理、並びに他の様々な開放水用途のシステム及び方法を対象とする。
【００８８】
より具体的には、本発明は、特定の実施形態では、（ａ）少なくとも約１５．０％〜２０％の無機物及び少なくとも約２０．０％の有機物（含水又は無水）を有し、少なくとも約２０００．０ＢＴＵ／ｌｂのエネルギー値要素によって定義される発熱性処理廃棄物流と、（ｂ）リン酸塩及び硝酸塩及び／又は重金属濃度を有するアルカリ性、酸性、又は中性の都市水性廃水とを含む、ＰＣ又はＰＩ廃棄物流及び／又は水性廃棄物流を持続的に利用するシステム及び方法を対象とする。
【００８９】
ＰＣ又はＰＩの発熱性処理廃棄物は、紙リサイクル処理源（（例えば、製紙工場スラッジ、脱インクスラッジ、ＤＩＲ）又はカーペット処理源（例えば、カーペットの第３の流れ）から生じ得る。さらに、ＰＣ又はＰＩの発熱性処理廃棄物は、本明細書に記載される発明概念の「投入物」になる前に、様々な予備処理段階を有することができる。
【００９０】
さらに、都市下水は、ＰＣ又はＰＩの発熱性処理廃棄物流から（発生源、場所などの点で）完全に独立していることができる。都市下水はまた、自治体の水処理源から生じ得る。さらに、都市下水は、本明細書に記載される発明概念の「投入物」になる前に、例えば、生物学的微粒子及び非生物学的破片を除去するために、様々な予備処理段階を有することができる。しかしながら、都市下水は、発明概念が意図したように動作するために、発明概念の「投入物」になる前に、又は「投入物」になった後に、ｐＨ調整を必要としない。
【００９１】
さらに、上記に関連して、本発明のシステム及び方法はまた、廃棄物流処理に必要な未使用の投入物を生成すること及び／又は低減することに関し、有用でないか又は潜在的に有毒な廃棄物流処理による排出物を低減することに関する。特定の例示的な実施形態では、例えば、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流及び都市下水を処理するものと同様に、本明細書に記載される発明概念は、先行技術で教示されたように再生利用又は他の方法で処理されても、（１）残渣、（２）新たな廃棄物又は汚染物質、及び／又は（３）二次廃棄物又は汚染物質の流れを現在生成している汚染物質の流れの持続可能な除去を達成する。
【００９２】
例示的な一実施形態では、本発明のシステム及び方法は、捕捉、濾過、及び／又は再利用もしくはリサイクルできない放出物、副産物、及び／又は残渣が限られた状態で、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の実質的な過半数を効率的かつ効果的に消費する。さらに、本発明のシステム及び方法はまた、例えば紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の消費により、様々な有用かつ経済的に価値のあるＰＣ又はＰＩ生成物の二次的な（場合によっては完全に独立した）生成のために、複合材料のイオン性化学的前駆体又はプラットフォームを効率的かつ効果的に生成する。前駆体から得られるポストコンシューマ生成物は、メタカオリン、ハロイサイト、ポゾラン、土壌添加剤、建築材料、顔料、及び充填材の形態をとることができ、前駆体自体の効率的かつ効果的な調製のおかげで、類似の生成物を採掘、浸出、又は採取するよりも生成する方が経済的に効率的であり得る。
【００９３】
本発明のシステム及びプロセスはまた、捕捉、濾過、及び／又は再利用もしくはリサイクルできない副産物及び／又は残渣が限られた状態で、及び限定された量の新しい又は未使用の廃棄物流処理材又は試薬を用いて、都市下水を効率的かつ効果的に処理及び汚染除去する。さらに、本発明のシステム及びプロセスは、二次的なｐＨ調整処理ステップを必要とせずに、都市下水を効率的かつ効果的に処理及び汚染除去し、代わりに、ｐＨを効率的な汚染物質の除去／沈殿に必要とされる約１０より上に上昇させる本来備わっている固有の特徴の恩恵を受ける。
【００９４】
実際、特定の例示的な実施形態では、前工程（例えば、紙又はカーペット廃棄物流処理を行う段階）の排出物は、発明概念の後工程（例えば、廃水の処理を行う段階）のためのＰＣリサイクル投入物又は有効成分として使用することができる。他の例示的な実施形態では、前工程の排出物は、発明概念自体（前工程及び／又は後工程のいずれであっても）のためのＰＣリサイクル投入物として使用することができる。さらに、前工程の排出物は、全く関係のない別のプロセス、さもなければ未使用の投入物又は比較的持続可能でない投入物を使用するプロセスのためのＰＣリサイクル投入物として使用でき、これは、記載されている多目的の化学的前駆体又はプラットフォームの生成から明らかであり、完全に独立した最終生成物の生成のための投入物又は仲介物としても有用であり得る。他の例示的な実施形態では、発明概念の後工程の排出物は、発明概念自体のためのＰＣリサイクル投入物として使用することができ、又は全く関係のない別のプロセスのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができる。この場合も先と同様に、プロセスは、さもなければ未使用の投入物又は比較的持続可能でない投入物を使用する。
【００９５】
別の言い方をすれば、非限定的な例として、発明概念自体の排出物は、（１）エネルギー、（２）真水又は汚染除去された水、（３）様々な種類の持続可能な廃棄物流処理のための有効成分（例えば、処理材、化学試薬、添加剤、捕捉材、捕収剤、沈殿剤、及び担体）、（４）様々な関連のないＰＣ又はＰＩ生成物の生成のための多目的の化学的前駆体又はプラットフォーム、及び／又は（５）様々な他の用途での使用のために発明概念自体から直接生成された持続可能に供給される組成物（例えば、化学肥料、土壌添加剤、建築材料、ポゾラン、顔料、充填材などの持続可能なポストコンシューマ生成物。ただし、これらのカテゴリーは、独立した第三者による化学的前駆体又はプラットフォームから得られるＰＣ又はＰＩ生成物を表す）であり得る。したがって、これらの例示的な実施形態については、本明細書に記載される発明概念は、リサイクル及び再利用の階層を備えており、発明概念は、それらの階層から先行技術よりも効率及び効果を引き出している。
【００９６】
より具体的には、紙又はカーペット廃棄物流処理及び廃水処理を行う例示的な一実施形態では、発明概念の実施形態のスラッジ処理部分の排出物は、（１）約７．０より大きいｐＨに反応する複合灰、ジオポリマー前駆体、又は捕捉プラットフォーム、及び（２）グリッドへの回収及び利用、又はスラッジ処理部分へのリサイクルのための自由エネルギーである。複合灰は、主に、鉱物酸化物、及び／又は鉱物炭酸塩（変換されているか部分的に変換されているかにかかわらず）、及びメタカオリンを含む結晶性組成の鉱物生成物又は酸化物である。複合灰は、酸化及び／又は燃焼によって触媒される。特定の結晶構造は、組成変動及び／又は温度及び／又は圧力変動によって変更され得る。分子内の原子の空間的な配向は、結合長及び／又は結合角の変化をもたらすように変更され得る。
【００９７】
複合灰はまた、約６０．０％のカルシウム成分及び約３０．０％のメタカオリン成分の両方を含有する二成分複合物と考えることもできる。複合灰は、複合灰の個々の成分と比較した場合に拡大された、化学結合力と吸着（化学吸着）力を含む独特で相乗的な分子引力を示し得る。複合灰は、様々な陽イオン及び陰イオンを効率的かつ効果的に吸着し、捕捉しかつ／又は結合させるやり方で、必要な投入物、必要な方法、及び必要な設備及びシステムの制御によって操作することができる。
【００９８】
このようにして、発明概念の廃水処理部分については、本明細書でさらに十分に説明するように、複合灰は、ポストコンシューマ生成物として又は発明概念自体の投入物として（前工程でのフィードバックにおいて及び／又は直接の投入物としてのいずれであっても）、及びより持続可能性の低い材料及び化学試薬の代わりとして使用することができる。さらに、複合灰は、別の全く関係のないシステム又はプロセスのための、ポストコンシューマ処理材、化学試薬、建築材料、充填材などとして使用することができる。
【００９９】
さらに、発明概念の実施形態の廃水処理部分の排出物は、（１）廃水に溶解したときに、リン酸塩、硝酸塩及び重金属を化学的に結合させ又は捕捉する沈殿した組成物、及び（２）グリッドへの回収及び利用のための、又は発明概念のスラッジ処理部分及び／又は廃水処理部分にリサイクルするための汚染除去された水流である。このようにして、捕捉されたリン酸塩及び硝酸塩を持続可能に運んで利用するために、以下でより十分に説明するように、沈殿した組成物は、ポストコンシューマ生成物として、及び持続可能性の低い同等の材料の代わりに使用することができる。
【０１００】
より具体的には、紙又はカーペット廃棄物流処理及び都市下水処理を行う例示的な一実施形態では、スラッジ処理部分の複合灰排出物は、水性廃水からのリン酸塩及び硝酸塩の捕集及び除去に理想的に適した捕集剤及び／又は沈殿剤として構成されている。複合灰は、かなりの炭酸カルシウム及びメタカオリン成分を有することがあり、任意選択で、廃棄物流源の種類によっては、酸化アルミニウム成分及び酸化鉄成分も有することがある。したがって、この複合灰の実施形態では、多価金属イオンは追加の沈殿剤として働く。
【０１０１】
さらに、メタカオリン成分は、メタカオリンの反応性及び表面積により水溶液中の特定のリン酸及び硝酸イオン種に対して二重層の表面引力が生じるため、多価金属イオンと共に、一次捕収剤として働くことができる。このようにして、本明細書でより詳細に説明するように、メタカオリンと金属イオン（特に特定の金属酸化物に限定されないが）との間の捕集及び沈殿の相乗作用は、発明概念の廃水処理の処理部分におけるリン酸塩及び硝酸塩の分離を促進することができる。
【０１０２】
特定の実施形態では、分離は８８％を超える効率に達し得る。例えば、２００ｍＬの量で５．０ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９８．４％除去し、２００ｍＬの量で２０．０ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９７．２５％除去し、３００ｍＬの量で１．４６ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９３．２％除去し、８０Ｌの量で１．２５ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９０．４％除去し、１Ｌの量で４．２ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約８８．０９％除去し、１Ｌの量で１４．０ｍｇ／Ｌの濃度の溶液からリン酸塩を約９３．６％除去するという結果が得られている。
【０１０３】
同様に、硝酸塩に関しては、分離は６５％を超える効率に達し得る。例えば、２００ｍＬの量で３．４ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約６７．６％除去し、２００ｍＬの量で３．４ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約７０．６％除去し、２００ｍＬの量で３．４ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約７３．５％除去し、２００ｍＬの量で２．４３ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約８９．７％除去し、２００ｍＬの量で２．４３ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約９５．１％除去し、２００ｍＬの量で２．４３ｍｇ／Ｌの濃度の溶液から硝酸塩を約９３．０％除去するという結果が得られている。
【０１０４】
さらに、上記に関連して、本発明のシステム及び方法は、本明細書に記載の廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置することにも関連する。最も広いレベルでは、これは、本明細書でより詳細に説明するように、システムのサブシステムに関して作業をスケジューリングしかつ作業を戦略的に配置することを含むことができる。
【０１０５】
さらに、本発明による複合灰は、様々な実際の用途又はシステム及び／又は実際の実施に利用することができる。１つの単純な実施形態では、複合灰は、遠心力を用いて接触速度を速めるように設計された反応チャンバ内で、複合灰がリン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触するシステム内で利用される。関連する実施形態では、反応器は層流条件下で作動するテイラー渦システムを使用する。このように配置されたシステムでは、反応器の流体力学は、独特のボルテックス効果により、数層のドーナツ形の水の層が、ドーナツ穴を通って垂直に、反応器の周囲に沿って水平に回転するようなものである。遠心力により、結晶性組成物及びその他の溶質が反応器の内面に沿って集まり、接触暴露が増加し、反応時間が大幅に短縮し、吸着効率が向上する。別の実施形態では、複合灰を、例えば、廃水最終処理（自治体又は食品加工業者の下水処理場）などの最終処理流への乾燥供給又はスラリー混合によって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。別の実施形態では、組成物を、当技術分野で理解されているように高濃度の栄養塩除去及び濾過システムによって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。
【０１０６】
別の実施形態では、スラリー又は液体の形態の複合灰を、直接部分注入器によって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。例えば、本実施形態は、小便器又はトイレで又は汚染源に直接使用することができる。
【０１０７】
別の実施形態では、複合灰を、例えば、地面又は地表水域などでの乾燥又はスラリー散布又は空中散布によって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。結晶性組成物は、例えば、はしけによって湖及び池に広げて、栄養分を吸着しかつ結合させ、回収して生態学的に管理することができる沈殿物を生じさせることができる。結晶性組成物は土壌に直接混合することもできる。
【０１０８】
別の実施形態では、複合灰を、埋め込みバリアによって、リン酸塩、硝酸塩、重金属、及び／又は他の汚染物質を含む水溶液と接触させる。例示的なバリアは、動物農場又は公園の表面下に埋め込まれるか又は水槽内のリン酸塩を除去するために水槽濾液を捕捉するのに使用される、組成物を含むシートである。
【０１０９】
より具体的には、より複雑な実施形態の場合、発明概念を具体化するシステムは、特定の実施形態では、広大な運用ネットワーク上に広がっている多目的かつ特別な目的のマシン又はシステムを含むことができる。運用ネットワークは、本明細書で説明する本発明の方法又はプロセスの特定の部分を処理することを意図した様々なサブプロセスステーション又は場所をリンクすることができる。例えば、発明概念の前工程部分及び／又は発明概念の後工程部分、及び／又独立しているが関連するプロセスは、発明概念によって生成された多目的の化学的前駆体／プラットフォームを含む。各サブプロセスステーション又は場所は、あるタイプの廃棄物流処理を行い、別のサブプロセスステーション又は場所は、異なるタイプの廃棄物流処理を行うことができる。
【０１１０】
例えば、特定の例示的な実施形態では、あるサブプロセスステーション又は場所がカーペット又は脱インクスラッジ廃棄物処理を行い、別のサブプロセスステーション又は場所が廃水処理を行い、別のサブプロセスステーション又は場所が化学的前駆体又はプラットフォームからの独立したＰＣ又はＰＩ生成物の生成を行うことができる。サブプロセスステーション又は場所は、複合灰の生成に関与するサブシステム及び設備が高濃度ＤＩＲ処理センターに近接して（すなわち、例えば５０マイル以内に）、かつ独立した廃水処理センターに同様に近接して配置され得るという意味で、地域型であり得る。地域センターは、グリーンフィールドであるか、戦略的なＤＩＲ処理パートナーによって運営される場合があり、これにより後に近くの独立したＤＩＲ処理業者への二次サービスが容易になる。複合灰の生成に関与するサブシステム及び設備が、高濃度ＤＩＲ処理センターの作業及びインフラストラクチャに完全に統合され得るという意味で、サブプロセスステーション又は場所は統合することもできる。統合モデルは、さらなる統合を容易にすることによって、さらに一歩先を行くことができ、複合灰及び化学的前駆体の作業が統合された高濃度ＤＩＲ処理センターもまた、都市下水処理作業と完全に統合されている。これは、協調的で調整された作業管理、及び物理的な空間、土地、設備、技術者、及び／又は管理の共有を意味する。
【０１１１】
また、いくつかのサブプロセスステーション又は場所は、場所及び作業の点で全く関係がないことができるが、他のサブプロセスステーション又は場所は、必要に応じて又は要求に応じて、別のサブプロセスステーション／場所と同じ場所及び作業インフラストラクチャを（少なくとも部分的に）有するように適応可能かつ移動可能であり得ることが想定される。最も一般的な意味では、ネットワークリンクは、サプライチェーン及び連続的又は相互依存的なプロセス、例えば、廃棄物流処理の様々な段階を通して相互接続し、そうすることによって、先行技術と比較して効率的かつ効果的な実施方法を生み出すことができる。
【０１１２】
最後に、より具体的には、紙又はカーペット廃棄物流処理及び廃水処理を行う例示的な一実施形態では、本開示のシステム及び方法は、
紙又はカーペットの発熱性廃棄物流を処理することと、
例えば、
処理によりエネルギーを生成することと、
廃棄物から鉱物を回収することと、
酸化カルシウム、部分的に変換された炭酸カルシウム、及びメタカオリンを含む複合灰を、それらの一般的な非晶質の結晶構造を含めて、形態学的及び／又は化学的捕捉プラットフォームなどとして調製及び捕集することを含む、廃棄物流処理のための有効成分を生成することと
により、処理による排出廃棄物を削減することと、
排水を処理し、浄化及び精製された水排出物を生成することと、
ポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物の生成のために、ポストコンシューマ廃棄物から、ジオポリマー前駆体として過剰な複合灰を調製及び捕集することと、
例えば、
廃水からリン酸塩及び硝酸塩及び／又は重金属及び他の汚染物質を除去することと、
沈殿したリン酸塩に富む化合物、硝酸塩に富む化合物、及び／又は結果として生じる複合灰の最終生成物を、ポストインダストリアル又はポストコンシューマ生成物などとして、リン酸塩、硝酸塩、及び／又は重金属を捕捉又は結合した後に捕集及び処理することと
により、廃水の処理による排出廃棄物を削減することと、
例えば、
紙又はカーペットの発熱性廃棄物流処理による排出廃棄物の削減に関連するシステム、サブシステム、及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
本発明のシステム全体にエネルギーをループバックすることを含む、生成されたエネルギーの導入のためのグリッドを設置及び維持することと、
廃棄物流処理のための有効成分又は複合灰の生成に関連するシステム、サブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
廃水の処理及び／又は浄水排出物の生成に関連するシステム、サブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
本発明のシステム全体に浄水をループバックすることを含む、生成された浄水排出物の導入のためのグリッドを設置及び維持することと、
過剰な複合灰又はジオポリマー前駆体の捕集、及び／又は過剰な複合灰の最終的なＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物を形成するための利用に関連するシステム、サブシステム、及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと、
廃水からのリン酸塩、硝酸塩、及び／又は重金属、及び他の汚染物質の削減、捕集、又は捕捉、及び／又は沈殿したリン酸塩に富む化合物又は硝酸塩に富む化合物の捕集及び処理に関連するシステム、サブシステム、及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することと
により、廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスを管理及び配置することと、
本明細書で説明する発明概念の様々なコンポーネントの間で、効率性を促進にする目的で、プロセスが同時に行われるようにシステム全体のサブシステムに関して作業をスケジューリングすることと
を対象とする。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
図面において、同様の符号は、別段の指示がない限り様々な図全体にわたって同様の部分を指す。「１０２Ａ」又は「１０２Ｂ」などの文字指定を有する符号については、文字指定は、同じ図に存在する２つの類似部分又は要素を区別することができる。符号が全ての図において同じ符号を有する全ての部分を含むことが意図される場合、符号の文字指定は省略されてもよい。
【０１１４】
【図１】本発明の例示的な実施形態のステップを示す概略フローチャートである。ステップの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではない。
【０１１５】
【図２】図１の概略フローチャートに適用可能なキルン、図１の概略フローチャートに適用可能でありかつインフラストラクチャをキルンと結び付けて共同使用することができるか焼炉、図１の概略フローチャートに適用可能でありかつインフラストラクチャをか焼炉と結び付けて共同使用することができるか焼中間体処理装置、図１の概略フローチャートに適用可能でありかつインフラストラクチャをキルン及び／又はか焼炉と結び付けて共同使用することができる最終複合灰取扱装置、本発明を実際に実施することができるシステムの地域版、及び本発明を実際に実施することができるシステムの統合版の自治体での使用を含む、本発明の例示的な実施形態のステップを示すフローチャートである。ステップの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではない。
【０１１６】
【図３】実施例１５の実験結果として、２．５ｍｇ／Ｌの［PO4］について作成された用量曲線を示す。
【０１１７】
【図４】実施例１５について図３の用量曲線に対する［PO4］平均削減率を示す。
【０１１８】
【図５】実施例１５の実験結果として、２０．０ｍｇ／Ｌの［PO4］について作成された用量曲線を示す。
【０１１９】
【図６】実施例１５について図５の用量曲線に対する［PO4］平均削減率を示す。
【０１２０】
【図７】プロセスの後工程グループの例示的な実施形態のステップを示す概略フローチャートである。ステップの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではない。
【０１２１】
【図８】実施例２２の実験結果として、生成物を２ラウンドまで使用した試験のラウンドに対する最終［PO4］及び除去された総［PO4］を示す。
【０１２２】
【図９】実施例２３の実験結果として、生成物を３ラウンドまで使用した試験のラウンドに対する最終［PO4］及び除去された総［PO4］を示す。
【０１２３】
【図１０】実施例２４の実験結果として、生成物を４ラウンドまで使用した試験のラウンドに対する最終［PO4］及び除去された総［PO4］を示す。
【０１２４】
【図１１】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１２】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１３】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１４】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１５】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１６】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１７】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図１８】実施例２５について得られた分析結果のいくつかをチャート形式で示す。
【０１２５】
【図１９】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２０】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２１】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２２】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２３】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２４】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２５】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２６】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２７】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２８】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図２９】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【図３０】実施例２５について得られた実験結果のいくつかをチャート形式で示す。
【０１２６】
図面は、本明細書の一部を構成し、様々な形態で具現化され得る本発明の例示的な実施形態を含む。本発明の理解を容易にするために、いくつかの例では本発明の様々な態様が誇張され、縮小され、拡大され、又は他の方法で歪められて示されている場合があることを理解されたい。図面において、明確化のために便利又は役立つ場合、同様の要素には同一又は類似の符号が与えられている。これらの要素への同一又は類似の言及が本明細書の本文においてなされるが、本発明をさらに説明するために他の名称及び用語を使用してもよい。
【発明を実施するための形態】
【０１２７】
本発明の本質、機能、及び目的の更なる理解のために、ここで添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照されたい。好ましい実施形態の詳細な説明は、本発明を実行及び使用する最良の形態と同様に本明細書で提供されているが、本発明は様々な形態で実施され得ることを理解されたい。従って、本明細書に開示される特定の詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、特許請求の範囲の根拠として、及び本発明を使用することを実質的に適切に詳述したシステム、構造、又は方法で当業者に教示するための代表的な根拠として解釈されるべきである。本発明の実施は、本発明によって教示されるプロセス及び本発明に従って得られる結果の両方を例示すると考えられる、含まれる実施例によって例示される。
【０１２８】
本発明の例示的な実施形態は、（１）持続可能な廃棄物管理、（２）ＰＣ及びＰＩ生成物管理、（３）水管理、（４）化学的前駆体、プラットフォーム、又は有効成分の持続可能な生成、（５）少なくとも生成された化学的前駆体、プラットフォーム、又は有効成分による発熱性処理廃棄物流及び都市水性廃水流からのＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物の持続可能な生成、及び（６）湖、貯水池、海、川、池、及び水路のための開放水処理、並びに様々な他の開放水用途のシステム及び方法を提供する。例示的な発熱性処理廃棄物流は、少なくとも約１５．０％の無機物及び少なくとも約２０．０％の有機物（含水及び／又は無水）を有する。例示的な発熱性処理廃棄物流はまた、少なくとも約２０００．０ＢＴＵ／ｌｂのエネルギー値要素によって定義される。さらに、例示的な発熱性処理廃棄物流は、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ（ＤＩＲ）及び／又はカーペットの第３の流れから生じる。
【０１２９】
より具体的には、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流は、一般に、表１に示される以下の情報によって特徴付けられ得る。
【表１】
2021505524.tif 000093
【０１３０】
表１の情報は、この例示的な実施形態が関係し得る、発熱性廃棄物流又はその混合物のそれぞれの部分、セグメント又は流れの化学組成及び物理的特性を示す。
【０１３１】
これとは別に、この例示的な実施形態に関連する都市水性廃水流は、主にリン酸塩及び硝酸塩による汚染を有し、自治体の水処理源から生じる。例えば、自治体の水処理源からの、又は将来の処理のために先取り的に廃水を処理又は準備することがある仲介事業体、システム、又はプロセスからの都市下水流はまた、前述の製紙工場スラッジ／脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流から発生源、場所などの点で独立している。実際、発明概念が先行技術よりも効率的かつ効果的に実施されることが、本発明の特徴であり、先行技術における問題に対する解決策である。
【０１３２】
当業者は、本実施形態が、発生源又は種類にかかわらず、類似又は同等の定義特性、又は類似の化学組成、化学的相互作用、及び／又は化学的プロセスを有する限り、多種多様なＰＣ又はＰＩ廃棄物流及び水性廃棄物流及び廃水（例えば、農業排水、貯留池、動物農場排水、動物公園排水、水路、湖、運河、貯水池、住宅及び商業用の雨水排水、廃水処理プラントの排水、食品加工排水、工業廃水排出、住宅廃水排出、食肉加工残渣、トイレの水、及び水族館の水）に適用可能であることを理解する。当業者はまた、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流が様々な予備処理段階（例えば、含水廃棄物流の空気乾燥、物理的破砕、脱塊）を有し得ること、及び都市水性廃水流が、この例示的な実施形態の「投入物」になる前に、（例えば、生物学的微粒子や非生物学的破片を除去するために）様々な予備処理段階を有し得ることを理解する。さらに、当業者は、カーペットの第３の流れの処理廃棄物流、又は他の同様の又は同等の廃棄物流の場合、乾燥又は脱水が必要ないことを理解する。さらに、当業者は、当技術分野における最近の発展（より詳細な説明については先行技術の部分を参照）により、関連する廃棄物流又は廃水の予想される組成がある程度変わり（すなわち、例えば、色と質感のために予想される慣用の鉱物添加剤のいくつかが変わり）、これにより関連する廃棄物流／廃水に一見一般的なプロセス及び方法を適用することにより予想される結果が変わる可能性もあることを理解する。
【０１３３】
一般に、この例示的な実施形態に戻り、プロセス及び関連するシステムの前工程グループを参照すると、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れの処理廃棄物流は、熱反応器、すなわち、ロータリーキルン、垂直キルン、か焼炉、フラッシュか焼炉などの内部の制御された熱反応の関数として、その潜在エネルギーが放出、分離及び／又は回収され、その鉱物が再生処理及び再利用される。この例示的な実施形態の前工程は、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ又はカーペットの第３の流れが、その構成成分である有機物及び鉱物分と共に、有機物からのエネルギー回収を可能にする熱分離を受けるプロセスを提供する。
【０１３４】
次に、プロセス及び関連するシステムの後工程グループを参照すると、この例示的な実施形態はまた、全体として都市下水流からリン酸塩又は硝酸塩を再生処理及び回収するためのシステム及び方法を対象とする。製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジ、又はカーペットの第３の流れの廃棄物流と比較した場合、都市下水は独立しており、離れて配置され、供給され、都市下水は、それが発生源を出て本明細書に記載される発明概念に入るとき、アルカリ性、酸性、又は中性であり得る。簡単に上述したように、そして本明細書でより詳細に説明するように、この例示的な実施形態はまた、スラリー中又はスラリー外のいずれかで水性廃棄物からこれらのリン又は窒素基を担持する有用かつ経済的に価値のあるＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物の評価及び調製の方法を開示する。しかしながら、水性廃棄物は、発明概念が意図したように動作するために、プロセスの後工程グループのための「投入物」になる前に、又は「投入物」になった後に、ｐＨ調整を必要としない。沈殿したＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物の排出物は、家庭用、商業用、及び農業用の穏やかで持続可能なプラットフォームとして、又は穏やかな土壌添加剤又は土壌調整剤として働く。
【０１３５】
当業者は、本実施形態が、多種多様なＰＣ又はＰＩ「リサイクル」生成物の生成に、それらが類似又は同等の定義特性、又は類似の化学組成及び／又は化学的相互作用を有する限り、それらの最終状態又はそれらがどのように市場に出され又は名付けられるかにかかわらず、適用可能であることを理解する。また、当業者は、前工程から生成された複合灰が、例えば、本発明の生成された化学肥料とは別個で異なる、様々な有用かつ経済的に価値のあるＰＣ又はＰＩ生成物の二次的かつ場合によっては完全に独立した生成のために、イオン性化学的前駆体又はプラットフォームとして利用され得ることを理解する。当業者は、化学的前駆体又はプラットフォームとしてのこの使用を中間捕捉材としての使用とは異なると考えることができ、その違いは主に、複合灰がプロセスの関連する後工程グループに直ちに取り込まれるか否か、又は複合灰が独立した外部事業体にそれら自身の独立した生成作業で使用するために捕集され、販売され、及び市場に出されるか否かである。当業者はまた、プロセスの統合された後工程グループから生成されるＰＣ又はＰＩ農業用肥料が、例えば、この例示的な実施形態の「排出物」（本明細書でより詳細に説明する）になる前に、様々な予備処理段階を有し得ることを理解する。
【０１３６】
一般に、この例示的な実施形態に戻り、プロセス及び関連するシステムの後工程グループを参照すると、前工程の複合灰及びエネルギー排出物は、後工程処理グループのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用され、作業を容易にするために前工程処理グループに入れることもできる。複合灰は、酸化／燃焼によって触媒され、複合灰は、例えば、廃水処理を含む様々な種類の持続可能な廃棄物流処理のための有効成分の非限定的な例である。複合灰は主に、酸化カルシウム、部分的に変換された炭酸カルシウム、及びメタカオリンを含み、約６０．０％のカルシウム成分及び約３０．０％のメタカオリン成分を含む鉱物結晶性多成分生成物である。複合灰は、化学結合力及び化学吸着力を含む、独特で相乗的な分子引力を示す。従って、複合灰は、都市下水からのリン酸塩及び硝酸塩の捕集及び除去に理想的に適した捕集剤又は沈殿剤として働くために必要な構造及び引力及び親和性を有する。
【０１３７】
当業者は、前工程の排出物と同様に、この例示的な実施形態の後工程の排出物（例えば、真水又は汚染除去された水及びポストコンシューマ農業用肥料）も、前工程及び／又は後工程のいずれであっても、発明概念自体のためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができ、又は全く関係のない別のプロセスのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができることを理解する。
【０１３８】
ここで図１を参照すると、本発明による例示的なプロセスの概略フローチャートが示されている。このフローチャートは、それらの全てがあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で提供される他の例示的な実施形態との類似性を有し得る、ステップを開示している。図１の例示的な実施形態は、以下のステップを含む方法１０である。
【０１３９】
前工程グループにおいて、
紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取って予備処理するステップ（１０２）、
紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理するステップ（１０４）、
紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の熱処理からエネルギーを生成して回収するステップ（１０６）、及び
廃棄物から鉱物を回収してＰＣ又はＰＩ捕集又は沈殿剤として複合灰を生成するステップ（１０８）。
【０１４０】
後工程グループにおいて、
廃水を処理するステップ（１１０）、
廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去し、流出スラリー又は結果として生じる水排出物をｐＨ調整するステップ（１１２）、及び
廃水を用いて灰スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理するステップ（１１４）。
【０１４１】
いくつかの例示的な実施形態では、方法１０は、捕捉、濾過、又は再利用及び／又はリサイクルできない放出物、副産物、及び残渣が限られた状態で、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の実質的な過半数を効率的かつ効果的に消費する。
【０１４２】
方法１０の受け取り及び予備処理ステップ１０２は、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流（ＥＷＳ）に関する。ＥＷＳは、含水状態（水／水分＞気乾材）又は無水状態（気乾又は絶乾）であり得る。それらが含水状態にある場合、熱処理ステップ１０４の前に乾燥を行う。製紙工場スラッジの例では、材料は含水状態にあり、熱処理ステップ１０４の前に、予備処理として、脱水及び物理的破砕及び／又は脱塊を必要とする場合がある。カーペットの場合、カーペットが無水状態である場合、一般に熱処理ステップ１０４の前に脱水又は乾燥を必要としない。代わりに、予備処理は、カーペットを破砕、細断、摩砕、シェービング、切断、引き裂き、及び／又は剪断して、より小さなサイズのピースを生じるなど、カーペットを粉々に粉砕することを含む。
【０１４３】
次に、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流に対する方法１０の熱分離ステップ１０４が、約６００℃から約１０００℃の範囲の平均処理床温度で行われる。ＥＷＳは、キルン、ロータリーキルン、火格子炉、移動式火格子炉、流動床、垂直又は水平か焼炉などを含む様々な熱分離器（反応器）が使用される、熱分離ステージ１０４に送られる。この制御された熱分離ステップ１０４は、ＥＷＳ材料から有機物を除去するために行われる。一般に、存在する炭酸カルシウムを分解することなく鉱物から有機物を除去することが望ましい。しかしながら、炭酸カルシウムの少なくとも一時的な分解を可能にすることにより、他の特別な生成物を生成することができる。例えば、炭酸カルシウム中の二酸化炭素は８００℃を超えると、より具体的には約８２５℃で引火し、有機物は７００℃未満で分解し、炭酸カルシウムは９００℃の前に分解する。これらの事実は、熱分離ステップ１０４の生成物を調整するのに使用することができる。
【０１４４】
熱分離プロセス１０４の例示的な温度範囲は、３０分から１２時間にわたって６００℃から１０００℃の平均床処理温度、好ましくは３０分から２時間にわたって６００℃から８２５℃の平均床処理温度、より好ましくは３０分から１時間にわたって６００℃から８００℃の平均床処理温度である。本発明の別の例示的な実施形態では、熱分離は、適切な燃焼を確実にするために間接加熱ロータリーキルンにおいて約７００℃の平均床処理温度で約３０分間の滞留時間にわたって適切な空気流で行うことができる。熱分離ステップ１０４で使用される反応器又は反応パラメータなどの熱分離ステップ１０４の効率に応じて、又は特定の最終生成物が所望される場合に、２つ以上の熱分離ステップ１０４を含むことができる。例示的な別の実施形態では、熱分離ステップ１０４は、６００℃から８００℃、８００℃から１０００℃、及び８２５℃から１０００℃の範囲の平均床処理温度で行われる。
【０１４５】
任意選択で、本発明のいくつかの例示的な実施形態では、複合灰の少なくとも一部（ステップ１０８における生成された捕集又は沈殿剤）は、熱分離ステップ１０４に再生利用される。供給ステップ１０２へのＥＷＳ供給物は高分子系である可能性があり、熱分離ステップをそのまま受けると、効率的に酸化（燃焼）しないことがある。好ましくは以前に熱分離ステップ１０４にかけられた鉱物生成物である複合灰の一部をＥＷＳ供給物に添加すると、熱分離ステップの効率及び結果として生じる鉱物生成物の品質が向上することが分かっっている。また、複合灰の一部をＥＷＳ供給物に添加することは、熱分離ステップ１０４の前に適切な乾燥度又は含水率を得るのに役立つことも分かっている。
【０１４６】
ＥＷＳの熱処理ステップ１０４は、方法１０における最も重要なステップである。制御される処理パラメータは、燃焼、温度、時間、燃焼雰囲気などを含む。プロセスの熱力学は、ＥＷＳ、及び使用される熱処理システムの操作及び設計要素、及び所望のエネルギー及び鉱物又は材料生成物の所望の品質又は材料特性に依存する。熱処理ステップ１０４の主な目的は、燃焼によって無機物から有機物を分離及び除去し、無菌で光輝性の反応性の高い酸化鉱物材料を生成することである。製紙工場スラッジの熱処理のための重要な処理パラメータ（ＣＰＰ）は以下の通りである。
【０１４７】
キルン又はか焼炉の材料床温度は７００℃〜１０００℃の範囲にわたり、厳密には７５０℃〜９００℃の範囲である。
【０１４８】
反応器内のエネルギー及び鉱物又は材料要素の燃焼、遊離、分離、及び回収のための滞留又は保持時間は、３０分から４時間の範囲、厳密には３０分から２時間の範囲である。実際の時間パラメータは、所望の特定の生成物の品質を含むシステムの化学及び熱力学の関数である。
【０１４９】
燃焼雰囲気は、酸化からわずかに酸化である。
【０１５０】
いくつかのタイプの熱反応器を、方法１０の熱処理ステップ１０４に使用することができる。これらのリアクタは、以下を含むが、これらに限定されない。
直接及び間接加熱ロータリーキルン
直接及び間接加熱回転か焼炉
垂直多段か焼炉及びキルン
フラッシュか焼炉
流動床か焼炉及びキルン
【０１５１】
図２を簡単に参照すると、図２は、図１の概略フローチャートに適用可能なキルン、図１の概略フローチャートに適用可能でありかつインフラストラクチャをキルンと結び付けて共同使用することができるか焼炉、図１の概略フローチャートに適用可能でありかつインフラストラクチャをか焼炉と結び付けて共同使用することができるか焼中間体処理装置、図１の概略フローチャートに適用可能でありかつインフラストラクチャをキルン及び／又はか焼炉と結び付けて共同使用することができる最終複合灰取扱装置、本発明を実際に実施することができるシステムの地域版、及び本発明を実際に実施することができるシステムの統合版の自治体での使用を含む、本発明の例示的な実施形態のステップを示すフローチャートである。例示的なキルンを、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０４からステップ１０８に適用可能であり、例示的なキルンの図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、キルンのサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。同様に、例示的なか焼炉を、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０４からステップ１０８に適用可能であり、インフラストラクチャを図２のキルンと結び付けて共同使用することができる。さらに、例示的なか焼炉の図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、か焼炉のサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。
【０１５２】
より具体的には、図２の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含むキルンシステム２である。同様に、図２の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含むか焼炉システム４である。
【０１５３】
図１に戻ると、例示的な一実施形態では、熱処理ステップ１０４の間、熱反応器、キルン、又はか焼炉の設計は、燃焼ガスが分離された鉱物又は材料生成物と並流方向に流れることを可能にするべきである。これは、燃焼ガスが分離された鉱物及び材料生成物と反対方向に流れる向流設計と比べて、逆の場合である。並流システムは、ＥＷＳを処理する際によりエネルギー効率が高く、より安全である。
【０１５４】
熱分離ステップ１０４では、ＥＷＳの燃焼又は酸化によるエネルギーが、エネルギー回収ステップ１０６で回収される。熱処理ステップ１０４の間、エネルギーは熱の形で放出される。再生可能エネルギーは、燃焼プロセスにより生成され、エネルギー回収熱交換器（廃熱回収ボイラー）で回収される。エネルギー回収は、貴重な再生可能エネルギー生成物として蒸気及び／又は電力の両方に変換される。当業者は、それぞれのＥＷＳが様々なエネルギー値を含み、エネルギー効率の良いシステムが最大のエネルギー回収のために設計されていることを理解する。回収したエネルギーをそのまま利用するか、熱をそのまま利用してもよい。高圧及び低圧蒸気も生成することができ、これらは電気又は他の目的に使用することができる。
【０１５５】
次に、方法１０の複合灰を回収及び生成するステップ１０８は、熱処理ステップ１０４に直接関連している。灰生成物の化学組成と物理的特性は、処理されたＥＷＳ資源の機能である。これらの生成物は、エネルギー＋（例えば、消費の２０倍から４０倍のエネルギーを生成）、ポストコンシューマ、リサイクル、再生可能などと見なされ、ライフサイクルを基盤とする企業に需要がある。ＥＷＳ及び化学組成を制御することにより、ユニークで価値のある物理的及び化学的生成物が、廃水処理などの様々な用途向けに、及び他の生成物の構成要素又は前駆体として生成される。
【０１５６】
例えば、製紙工場スラッジ又は脱インクスラッジが、注意深く制御されたＣＰＰ及び適切に設計された反応器（例えば、図２のキルン２及び／又はか焼炉４）の下でステップ１０４のように熱処理される場合、結果として生じる複合灰はｐＨ＞７．０で反応性である。製紙工場のＥＷＳは、主にCaO（酸化カルシウム）、部分的に変換された炭酸カルシウム及びメタカオリンから成る灰に変換される。複合灰材料は、廃水からの栄養分（リン酸塩及び硝酸塩）の除去に理想的に適した「捕収剤」又は「捕集／沈殿剤」（ＣＡ）に設計される。ステップ１１０〜１１４は、特に、都市下水処理に統合されている場合の処理方法を具体的に説明している。
【０１５７】
このようにして、後工程の廃水処理部分（ステップ１１０〜１１４を参照）に関して、複合灰は、前工程でのフィードバックにおいて及び／又は直接投入物としてのいずれであっても、方法１０自体のためのポストコンシューマ有効成分又は投入物として、及び持続可能性の低い材料及び化学試薬の代わりとして使用される。さらに、複合灰は、全く関係のない別のシステム又はプロセスのために、ポストコンシューマ処理材、化学試薬、建築材料、充填材などとして使用することができる。
【０１５８】
さらに、前工程の複合灰（ステップ１０２〜１０８を参照）は、湖、海、川などの開放水用途に加えて、地方自治体又は工業用の水路を含むがこれらに限定されない廃水流における栄養塩除去捕収剤、捕集又は沈殿剤として特別に設計される。得られた灰は、本明細書に記載されるように、かなりのCaO成分を有する。メタカオリン成分は、メタカオリンの反応性及び表面積により水溶液中の特定のリン酸及び硝酸イオン種に対して二重層の表面引力が生じるため、構成成分として存在する可能性がある任意の多価金属イオンと共に、一次捕収剤として働くことができる。このようにして、本明細書でより詳細に説明するように、メタカオリンと金属イオン（特に特定の金属酸化物に限定されないが）との間の捕集及び沈殿の相乗作用は、発明概念の廃水処理の処理部分におけるリン酸塩及び硝酸塩の分離を促進することができる。さらに、このようにして、本明細書でより詳細に説明するように、かなりのCaO成分及び生成された水酸化物化学中間体を含む得られた灰は、当技術分野で理解されるように、二次的なｐＨ調整処理ステップを必要とせずに、効果的な汚染物質の除去又は沈殿のために通常必要とされるように、処理された都市下水中のｐＨを（酸性、アルカリ性、又は中性のいずれであっても）本質的に約１０より上に上昇させる。
【０１５９】
このように、前工程の複合灰排出物は、エネルギー排出物と同様に、後工程のポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用される。したがって、方法１０は、製紙工場スラッジ、脱インクスラッジ、又はカーペットの第３の流れの廃棄物流処理に必要であり、かつ有用でないか又は潜在的に有毒な廃棄物流処理による排出物の低減にも関連する「新鮮な」投入物（すなわち、ステップ１１０〜１１４で説明したように、水などのような未使用の又は現在汚染されていない投入物）を生成又は低減する。この例示的な実施形態のシステム及び方法は、先行技術で教示されたようにリサイクル／処理された場合でも、（１）残渣、（２）新たな廃棄物又は汚染物質、及び／又は（３）二次廃棄物又は汚染物質流を生成する汚染物質流の持続可能な除去を達成する。方法１０は、実験結果を含む以下の実施例に示され、開示されるように、先行技術と比べてこれらの問題を解決する。
【０１６０】
一般に、方法１０の複合灰を回収及び生成するステップ１０８に戻ると、このステップは、所望により及び／又は特定の用途のための所望の最終生成物を生成するために必要な場合、生成された生成物を、例えば、粉砕処理又は複合灰の構造体を減らすための別のプロセスにかけることを含む。
【０１６１】
本発明によって鉱物生成物灰が得られると、所望によりそれをさらに処理して他の価値ある生成物を生成することができる。例えば、熱分離ステップ１０４で生成された複合灰は、ハンマーミル粉砕機、ボールミルなどの様々な既知の好適な乾式粉砕技術を用いて粉砕及び微粉化することができる。この微粉化、粉砕又は摩砕は、プロセスの以下のステップ及び段階における反応のために可能な限り多くの異なる粒子表面を露出させるために使用される。乾燥した鉱物生成物材料は、均一性及びより良好な分散を確実にし、必要に応じて所望の吸油特性を与えるために、他のサブステップでさらに粉砕又は微粉化することができる。吸油量が４０を超える場合又はより低い吸油量が望ましい場合、ボールミル粉砕を用いることができる。
【０１６２】
本発明の鉱物生成物を粉砕すると、鉱物生成物の形態（モルフォロジー）又は結晶構造が、例えば、所望の最終用途のための所望の吸油量及び密度を得るべく所望の程度の構造を提供するために構造を作成又は破壊又は減少することによって変化する。
【０１６３】
再び図２を簡単に参照すると、例示的なか焼中間処理システムを、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０６からステップ１０８に適用可能であり、インフラストラクチャを図２のか焼炉と結び付けて共同使用することができる。さらに、例示的なか焼中間処理システムの図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、相補的及び補足的な処理、精製、又は取扱のサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。同様に、例示的な最終複合灰取扱システムは、図１の概略フローチャート、例えば、方法１０のステップ１０８に適用可能であり、インフラストラクチャを図２のキルン及び／又はか焼炉システムと結び付けて共同使用することができる。さらに、例示的な最終複合灰取扱システムの図は、それらの全てがありとあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で参照される他の例示的な実施形態と類似性を有し得る、相補的及び補足的な取扱、品質管理、又は貯蔵のサブシステム及び／又は設備の実施形態を例示することができる。
【０１６４】
より具体的には、図２の例示的な実施形態は、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含むか焼中間処理システム６である。同様に、図２の例示的な実施形態はまた、概略図を解釈する当業者に容易に理解される、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含む複合灰取扱システム８である。
【０１６５】
図１に戻り、方法１０のプロセスの後工程グループ関して、方法１０の廃水ステップ１１０の処理は、複合灰を回収及び生成するステップ１０８に直接関連している。前工程のステップ１０２〜１０８で生成された複合灰は、都市下水と混合され、消和プロセスによって部分石灰Ca(OH)2スラリーを形成する。それはほとんどの場合、廃水と反応し、一般に以下の式８で特徴付けられるように、リン酸塩及び硝酸塩の除去の促進に関与する炭酸カルシウムを生成する。
【数８】
2021505524.tif 000094
【０１６６】
廃水のｐＨ値が約１０を超えて増加すると、一般に以下の式９で特徴付けられるように、過剰なカルシウムイオンがリン酸塩と反応してヒドロキシアパタイトを沈殿させる。
【数９】
2021505524.tif 000095
【０１６７】
メタカオリンは、プロセスにおいて一次Caとして作用する。メタカオリンの反応性及び表面積は、特定のリン及び硝酸イオン種に対する二重層の表面引力を生み出す。メタカオリンと金属イオンとの間の捕集及び沈殿の相乗作用は、特にCaOに限定されないが、リン及び硝酸塩の分離プロセスを促進する。反応は石灰と廃水のアルカリ度との反応であるため（得られた灰を処理される都市下水と共に導入後）、必要な量は一般に存在するリン酸塩の量とは無関係であることが当業者に理解される。その代わり、それは主に廃水のアルカリ度に依存するだろう。必要な石灰の用量は、CaCO3の１〜２倍のアルカリ度で概算することができる。
【０１６８】
混合プロセスは通常、より良好な混合のために、廃水流出物と混合する前に、複合灰を消和することを必要とする。ただし、乾式での使用も想定される。混合が完了して完全になった時点で、反応時間は０．２５〜２時間の範囲である。混合は、インラインミキサ、撹拌槽などで完了する。回収された複合灰生成物に加えて、他の金属化合物及び凝固剤をスラリーに添加して、分離をさらに促進し、プロセスの分離速度を改善することができる。ZnO及びＨＭＷ分離ポリマーは、分離促進剤の２つの例である。
【０１６９】
次に、方法１０の廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２、及び関連する流出スラリー又は結果として生じる浄水排出物をｐＨ調整するステップは、廃水を処理するステップ１１０に直接関連している。場合によっては、必須ではないが、分離ステップ１１４の前にｐＨを調整して、回収される固形物内に付加的な価値のある濃縮された化合物を生成することができる（すなわち、回収される固形物に価値のある成分を添加又は増強するためのリン酸、硫酸、及び／又はステアリン酸を用いたｐＨ調整）。このようにして、前工程のステップ１０２〜１０８の排出物は、全く関係のない別のプロセス、さもなければ未使用の投入物又は比較的持続可能でない投入物を使用するであろうプロセスのため、又は後工程のステップ１１０〜１１４のためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができる。
【０１７０】
次に、方法１０の灰流出スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理するステップ１１４は、廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２に直接関連している。ステップ１１２の反応が完了すると、沈殿して捕集されたリン酸塩及び／又は硝酸塩化合物は、清澄器、遠心分離機、フィルターなどを含むがこれらに限定されない様々な分離技術を用いて流出スラリーから分離される。当然ながら、厳密な分離技術の代わりに、凝集、凝塊形成などを含むがこれらに限定されない、所望の生成物を標的とし、捕集するための他の既知の技術を実施し得ることも想定される。
【０１７１】
沈殿物又は固形物が分離されると、材料は、様々な生成物の用途に応じて濾過及び／又は乾燥されて乾燥生成物となるか又は液体中に残される。さらに、リン酸塩と硝酸塩の分離が完了すると、ｐＨ調整／汚染除去された水は、川、海、湖などを経て流域に排出されるか、又は自治体のシステムに戻される。この時点で、任意選択で、精製された流出物は、リン酸、硫酸、塩酸及びステアリン酸を含むがこれらに限定されない弱酸及び／又は強酸を用いてｐＨ調整され得る。この場合も先と同様に、二次的なｐＨ調整は、分離プロセスの前又は後の任意選択のものである。
【０１７２】
廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２によって生成される最終生成物は、貴重で独特な形態の化学物質及び鉱物を含む。廃水処理プロセスは、貴重なリン酸塩及び硝酸塩化合物を１％〜３０％増加させた。カルシウム、カオリン、リン酸塩、硝酸塩及び硫酸塩を含む化学化合物は、肥料、土壌改質剤、土壌改良剤、土壌向上剤などの農業用途の優れたプラットフォームである。廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２から回収されたユニークな材料及び生成物は、貴重な鉱物及び化合物を含む。材料及び生成物はまた、一部の生成物用途においてユニークで価値のある、反応性の高い化学複合体を本質的に保持する。
【０１７３】
これらの用途は、以下の業界における用途向けに設計及び回収された生成物を含む。
肥料を含む農業、
ポゾランを含む建築及び建設業、
顔料及び充填材を含む製紙業、
廃水処理を含む自治体。
【０１７４】
このようにして、ステップ１０８〜１１４の後工程処理グループの排出物は、発明概念自体のためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができ、又は全く関係のない別のプロセスのためのポストコンシューマ又はリサイクル投入物として使用することができる。ステップ１０８〜１１４の後工程処理グループの排出物は、様々な異なる放出方法においても有用であり得る。例示的な一実施形態では、複合灰は、ばらまき放出又は非点源散布、例えば、空中散布、はしけ及びボート拡散システム（ばらまき又は表面下注入も）、及び全地球測位指向システムを示すことができる。別の例示的な実施形態では、複合灰は、点源散布を示すことができる。これは、過剰な栄養分を含んだ廃水が直接１つの発生源に起因する、食肉加工の顧客層に特に有用であろう。当業者は、点源処理プラントが多段階処理槽及び混合タンクを有する高度に設計された設備であり、タンクが処理順序に配置され、例えば、複合灰生成物の注意深く調整された量の直接注入によく適していることを理解する。
実施例１〜６
【０１７５】
以下は、本発明のプロセスを実験条件下で適用した場合の６つの例示的な実施例である。
実施例１
制御実験１
【０１７６】
リン酸塩標準液を１０００ｍｇ／Ｌのリン酸標準液と蒸留水から５ｍｇ／Ｌの濃度に調製した。０．２ｍｇの捕集材サンプルを、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で５ｍｇ／Ｌのリン酸塩標準液２００ｍＬと混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてオルトリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９８．４％のリン酸塩の除去を示す０．０８ｍｇ／Ｌであった。
実施例２
制御実験２
【０１７７】
リン酸塩標準液を１０００ｍｇ／Ｌのリン酸塩標準液と蒸留水から２０ｍｇ／Ｌの濃度に調製した。０．１ｍｇの捕集材サンプルを、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で２０ｍｇ／Ｌのリン酸塩標準液２００ｍＬと混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてオルトリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９７．２５％のリン酸塩の除去を示す０．５５ｍｇ／Ｌであった。
実施例３
都市下水１
【０１７８】
２ｇの捕集材サンプルを、１．４６ｍｇ／Ｌの当初リン酸塩濃度を有する米国ジョージア州サンダーズビルの廃水処理施設から得られた流出物３００ｍＬと混合した。サンプルと流出物を、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９３．２％のリン酸塩の除去を示す０．１ｍｇ／Ｌであった。
実施例４
都市下水２
【０１７９】
４０ｇの捕集材サンプルを、１．２５ｍｇ／Ｌのリン酸塩濃度を有する米国ジョージア州ミリッジビルの廃水処理施設から得られた流出物８０リットルと混合した。サンプルと流出物を、プラスチック製バレル内でバレルミキサーを用いて混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９０．４％のリン酸塩の除去を示す０．１２ｍｇ／Ｌであった。
実施例５
産業廃棄物流１
【０１８０】
１ｇの捕集材サンプルを、４．２ｍｇ／Ｌの当初リン酸塩濃度を有するＸＹＺ社から得られた工業廃水１Ｌと混合した。サンプルと流出物を、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペット内に捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、８８．０９％のリン酸塩の除去を示す０．５１ｍｇ／Ｌであった。
実施例６
産業廃棄物流２
【０１８１】
２ｇの捕集材サンプルを、１４ｍｇ／Ｌの当初リン酸塩濃度を有するＸＹＺ社から得られた工業廃水１Ｌと混合した。サンプルと流出物を、４００ｒｐｍに設定したベンチトップミキサーを用いてプラスチックビーカー内で混合した。３０分間の混合後、溶液を遠心分離容器に移し、７分間遠心分離した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。処理後サンプルを、処理後溶液の上部半インチからピペットで捕集した。遠心分離後の溶液を、Ｈａｃｈ比色計を用いてリン酸塩濃度について分析した。処理後のリン酸塩濃度は、９３．６％のリン酸塩の除去を示す０．８９ｍｇ／Ｌであった。
実施例７〜１４
【０１８２】
以下は、特に様々な条件に適用するために発明概念を最適化及び改良する目的で行われた、本発明のプロセスの７つの例示的な実施例である。
実施例７
【０１８３】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］に対するか焼温度と凝結時間の影響（もしあれば）を評価するために行った。遠心分離試験（下記の実施例８を参照）と比較すると、遠心分離の方が良い結果が得られ、沈殿のみの技術は必ずしも追求する価値がないと判断された。得られた実験結果のいくつかを、表２Ａ及び２Ｂで提供される以下の情報で示す。
【表２Ａ】
2021505524.tif 000096
【表２Ｂ】
2021505524.tif 000097
【０１８４】
表２Ａ及び２Ｂの情報は、複合灰及び他の様々な先行技術の生成物の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼」、「Ｒ  か焼  粉砕」、「ＲＲ＃＃＃」を用いて明確に表示されており、「＃＃＃」の部分は、その試験の複合灰の生成に適用されたか焼温度を示している。
実施例８
【０１８５】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］に対する遠心分離時間の影響を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表３Ａ及び３Ｂで提供される以下の情報で示す。
【表３Ａ】
2021505524.tif 000098
【表３Ｂ】
2021505524.tif 000099
【０１８６】
表３Ａ及び３Ｂの情報は、複合灰及び他の様々な先行技術の生成物の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」及び「Ｒ  か焼」を用いて明確に表示されている。
実施例９
【０１８７】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］に対する総混合時間／保持時間の影響を評価するために行った。生成又は下水処理場の観点から、混合時間／保持時間は短い方が好ましい。得られた実験結果のいくつかを、表４で提供される以下の情報で示す。
【表４】
2021505524.tif 000100
【０１８８】
表４の情報は、複合灰の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１０
【０１８９】
本実験は、汚染水への使用後の最終的な［PO4］に対する添加した複合灰／捕捉材の様々な相対量／材料投与量の影響を評価するために行った。コストの観点から、比較的少ない量を使用することが好ましい。得られた実験結果のいくつかを、表５及び表６で提供される以下の情報で示す。
【表５】
2021505524.tif 000101
【表６】
2021505524.tif 000102
【０１９０】
表５及び表６の情報は、複合灰の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」及び「Ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１１
【０１９１】
この実験は、汚染水への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［NO3］に対する、実施例７〜１０に示した結果により最適化及び改良された本発明のプロセスの効果を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表７で提供される以下の情報で示す。
【表７】
2021505524.tif 000103
【０１９２】
表７の情報は、複合灰の使用に基づく個々の試験（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１２
【０１９３】
この実験は、工業廃水を示す高い当初［PO4］及び／又は高い当初［PO4］への複合灰／捕捉材使用後の最終的な［PO4］及び／又は最終的な［NO3］に対する、実施例７〜１１に示した結果により最適化及び改良された本発明のプロセスの効果を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表８Ａ及び８Ｂ及び表９Ａ及び９Ｂで提供される以下の情報で示す。
【表８Ａ】
2021505524.tif 000104
【表８Ｂ】
2021505524.tif 000105
【表９Ａ】
2021505524.tif 000106
【表９Ｂ】
2021505524.tif 000107
【０１９４】
表８Ａ及び８Ｂ及び表９Ａ及び９Ｂの情報は、複合灰及び他の様々な先行技術の生成物の使用に基づく個々の試行（テストＩＤ）及びそれらの結果を示している。複合灰の試験は、「Ｒ  か焼  粉砕」及び「ｒ  か焼  粉砕」を用いて明確に表示されている。
実施例１３
【０１９５】
この実験は、汚染水への使用後の最終的な［NO3］に対する特定の先行技術の生成物／物質の影響を評価するために行った。得られた実験結果のいくつかを、表１０で提供される以下の情報で示す。
【表１０】
2021505524.tif 000108
実施例１４
【０１９６】
この実験は、複合灰／捕捉剤の組成とか焼生成物の反応性に対するか焼温度の影響を示すために行った。得られた実験結果のいくつかを、表１１及び表１２で提供される以下の情報で示す。
【表１１】
2021505524.tif 000109
【表１２】
2021505524.tif 000110
【０１９７】
表１１及び表１２の情報は個々の試験を示しており、「＃＃＃」の部分は、その試験の複合灰の生成に適用されたか焼温度を示している。
実施例１５
【０１９８】
この実験は、［PO4］の用量曲線を作成するために行った。得られた実験結果のいくつかを、図３〜６に示される以下の情報で示す。図３は、２．５ｍｇ／Ｌの［PO4］について作成された用量曲線を示す。図４は、図３の用量曲線に対する［PO4］平均削減率を示す。図５は、２０．０ｍｇ／Ｌの［PO4］について作成された用量曲線を示す。図６は、図５の用量曲線に対する［PO4］平均削減率を示す。
実施例１６〜１９
【０１９９】
以下は、特に廃水処理に対してスラリー投与の効果が乾式投与の効果と比較してどうであるかを判定するために行われた、本発明のプロセスの４つの例示的な実施例である。スラリー化された形態は、大量生産の利点を有することが期待された。これらの実験はまた、固有の混合の問題がない状態で良好な結果をもたらす最高の％の固形物質を決定することも試みた。また、導電率を監視して、処理後に水中に残存する塩分をある程度示した。
実施例１６
５％のスラリー
【０２００】
得られた実験結果のいくつかを、表１３〜１７で提供される以下の情報で示す。
【表１３】
2021505524.tif 000111
【表１４】
2021505524.tif 000112
【表１５】
2021505524.tif 000113
【表１６】
2021505524.tif 000114
【表１７】
2021505524.tif 000115
実施例１７
１０％のスラリー
【０２０１】
得られた実験結果のいくつかを、表１８〜２２で提供される以下の情報で示す。
【表１８】
2021505524.tif 000116
【表１９】
2021505524.tif 000117
【表２０】
2021505524.tif 000118
【表２１】
2021505524.tif 000119
【表２２】
2021505524.tif 000120
実施例１８
１５％のスラリー
【０２０２】
得られた実験結果のいくつかを、表２３〜２７で提供される以下の情報で示す。
【表２３】
2021505524.tif 000121
【表２４】
2021505524.tif 000122
【表２５】
2021505524.tif 000123
【表２６】
2021505524.tif 000124
【表２７】
2021505524.tif 000125
実施例１９
２０％のスラリー
【０２０３】
得られた実験結果のいくつかを、表２８〜３２で提供される以下の情報で示す。
【表２８】
2021505524.tif 000126
【表２９】
2021505524.tif 000127
【表３０】
2021505524.tif 000128
【表３１】
2021505524.tif 000129
【表３２】
2021505524.tif 000130
実施例２０〜２１
【０２０４】
以下は、本発明のプロセスの２つの例示的な実施例であり、特に３つの目的、（１）どの特定の酸が中和に最も効果的であるかを判定するため、（２）複合灰／捕捉材の投与と酸中和を同一ステップ（遠心分離前）に組み合わせることにより最終的な［PO4］にどのような影響があるかを判定するため、（３）ｐＨ８よりもｐＨ７で大幅に改善された低減が見られるかどうかを判断するために行われた。
実施例２０
２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２０５】
得られた実験結果のいくつかを、表３３〜３６で提供される以下の情報で示す。
【表３３】
2021505524.tif 000131
【表３４】
2021505524.tif 000132
【表３５】
2021505524.tif 000133
【表３６】
2021505524.tif 000134
実施例２１
２０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２０６】
得られた実験結果のいくつかを、表３７〜４２で提供される以下の情報で示す。
【表３７】
2021505524.tif 000135
【表３８】
2021505524.tif 000136
【表３９】
2021505524.tif 000137
【表４０】
2021505524.tif 000138
【表４１】
2021505524.tif 000139
【表４２】
2021505524.tif 000140
【０２０７】
図１に戻ると、本発明の方法の他の例示的な実施形態はまた、回収可能な鉱物、充填材又は顔料を含む廃棄物又は副産物の流れの発生源からの材料の生成及びリサイクルの最適化、それらの材料の回収、及びそれらの材料の発生源又は他のエンドユーザへのリサイクルを含むことができ、以下の非限定的なステップを含む。
ａ）回収可能な鉱物、充填材、及び／又は顔料を含む廃棄物又は副産物の流れの発生源の特定し、識別するステップと、
ｂ）廃棄物、副産物の流れの発生源又は他のエンドユーザに販売又はリサイクルするための生成物を生成する処理に対する前記流れの感受性を決定するステップと、
ｃ）前記廃棄物又は副産物の発生源の敷地の又は発生源に隣接したエネルギー及び鉱物回収施設の建設及び稼働に関連する様々な情報源及び専門家から情報を収集し、検索及び使用のために前記情報を記憶するステップと、
ｄ）ステップｂ）の決定によって生成されたデータ及びステップｃ）によって生成されたデータを分析するステップと、
ｅ）生態学的バランス、マテリアルバランス、エネルギーバランス、金融／経済バランスについて、ステップｄ）の分析によって生成されたデータの費用便益分析を行うステップと、
ｆ）ステップｅ）の分析を統合及び最適化して、前記発生源の所有者と、本発明のプロセスの所有者及びオペレータとの相互利益のために提案された一連の行動を統合、最適化及び生成するステップであって、一連の行動には、地域的、地理的又は領域的に最適化されたクラスタベースでの様々な個々のプラントの独立した作業又は様々なユニット作業段階、オプション及びプロセスの統合が含まれるステップと、
ｇ）前記廃棄物又は副産物の発生源と、前記発生源の敷地の又は前記発生源に隣接するエネルギー及び鉱物回収施設の建設及び稼働に関して、及び様々なプラント及び作業の統合について交渉するステップと、
ｈ）材料供給業者と交渉して、前記エネルギー及び鉱物回収施設に材料を供給するステップと、
ｉ）前記発生源の敷地にあるか又は前記発生源に隣接するか又は１以上の発生源に関して地域的、地理的又は領域的に最適化されたクラスタの場所にあるプラントを含む、地域的、地理的又は領域的に最適化されたクラスタベースでの様々な独立した又は統合された作業を構築及び実施するステップと、
ｊ）前記発生源から廃棄物を受け取るステップと、
ｋ）前記エネルギー及び鉱物回収施設において前記発生源からの前記廃棄物を処理するステップと、
ｌ）前記廃棄物の一部を、前記発生源が行うプロセスでの使用に好適又は適合可能な形態の物質／鉱物／充填材／顔料を含む材料の形で発生源に戻すステップ。
【０２０８】
したがって、方法１０のシステム及び方法は、ＥＷＳ及び都市下水の廃棄物流処理に関連する資源及びプロセスの管理及び配置にも関連する。
【０２０９】
再び図２を参照すると、例示的な地域システムを、図２の様々なサブシステム及び／又は設備、例えば、例示的なキルン、か焼炉、か焼中間処理装置、及び／又は最終複合灰取扱装置を組み込むことができ、例示的な地域システムの図は、それらの全てが必ずしもありとあらゆる状況で使用されるわけではない、例示的なサブシステム、設備、相対位置、及び／又は相互接続を例示することができる。同様に、例示的な統合システムは、図２の様々なサブシステム及び／又は装置、例えば、例示的なキルン、か焼炉、か焼中間処理装置、及び／又は最終的な複合灰取扱装置を組み込むことができ、例示的な統合システムの図は、それらの全てが必ずしもありとあらゆる状況で使用されるわけではない、例示的なサブシステム、設備、相対位置、及び／又は相互接続を例示することができる。
【０２１０】
より具体的には、図２の例示的な実施形態は、例えば、本発明の方法１０を適用するために、概略図を解釈する当業者に容易に理解される戦略的な相対位置を示す、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含む地域システム２０である。システム２０は、複合灰の生成に関与するサブシステム及び設備が高濃度ＤＩＲ処理センターに近接して（すなわち、例えば５０マイル以内に）、かつ独立した第三者又は遠隔の廃水処理センターに同様に近接して配置され得るという意味で地域的である。地域センターは、グリーンフィールドであるか、戦略的なＤＩＲ処理パートナーによって運営され、これにより後に近くの独立したＤＩＲ処理業者への二次サービスが容易になる。
【０２１１】
より具体的には、地域システム２０及びそのサブシステム及び設備などは、広大な運用ネットワーク上に広がっている。運用ネットワークは、方法１０の特定の部分を処理することを意図した様々なサブプロセスステーション及び場所をリンクすることができる。例えば、方法１０の前工程グループ（紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取って予備処理すること１０２、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理すること１０４、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の熱処理からエネルギーを生成して回収すること１０６、及び廃棄物から鉱物を回収してＰＣ又はＰＩ捕集／沈殿剤として複合灰を生成すること１０８）は、主に高濃度ＤＩＲ処理センターで行うことができ、二次的な作業は、高濃度ＤＩＲ処理センターに近接する地域センターで行うことができる。当業者は、これにより、１つの地域又は自治体において複数の冗長な作業を実施することなく、効率及び効果により地域の廃棄物管理が円滑に進み得ることを理解する。同様に、当業者は、発明概念の効率性により、このタイプの地域のセットアップが冗長性を回避することができることを理解する。
【０２１２】
このため、地域システム２０のいくつかのサブプロセスステーション及び場所は、場所及び作業並びに人員及び設備の点で全く関連がないことができるが、他のものは、必要に応じて又は要求に応じて、別のサブプロセスステーション又は場所と同じ場所及び作業インフラストラクチャを（少なくとも部分的に）有するように適応可能かつ移動可能であり得ることが想定される。最も一般的な意味では、ネットワークリンクは、サプライチェーン及び連続的／相互依存的プロセス、例えば、廃棄物流処理の様々な段階を通して相互接続することができる。
【０２１３】
次に、図の例示的な実施形態はまた、例えば、本発明の方法１０を適用するために、概略図を解釈する当業者に容易に理解される戦略的な相対位置を示す、様々なサブシステム、設備、通信手段、導管などを含む統合システム４０である。システム４０は、複合灰の生成に関与するサブシステム及び装置が、高濃度ＤＩＲ処理センター（地域や地理的に離れた場所での活動は必要ない）の作業及びインフラストラクチャに完全に統合され得るという意味で、統合的である。システム４０はさらに、システム２０のような統合された複合灰／化学的前駆体の作業を有するシステム４０が、例えば、近くの自治体の下水処理場の作業とも完全に統合されているので、総合的な地域／自治体廃棄物流処理の意味で、統合されたものとして特徴付けられる。このため、システム４０は本質的に、本発明の効率及び効果を促進するために、協調的で調整された作業管理、及び物理的空間、土地、設備、技術者及び／又は管理の共有を含む。
【０２１４】
より具体的には、統合システム４０及びそのサブシステム及び設備などは、図２の地域システム２０とは異なり、広大な運用ネットワーク上に広がっていない。しかし、これは、システム４０が、方法１０の特定の部分を処理することを意図した様々なサブプロセスステーション／場所をリンクする運用ネットワークを含まないことを意味するものではない。代わりに、これは、統合システム４０のサブシステムと設備との間の距離が最小化されて、可能な限り多くの効率を絞り取り、システム４０とのポジティブフィードバックにおいて可能な限り多くのリサイクル排出物を生み出すことを意味する。例えば、方法１０の前工程グループ（紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を受け取って予備処理すること１０２、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流を熱処理すること１０４、紙又はカーペットの発熱性処理廃棄物流の熱処理からエネルギーを生成して回収すること１０６、及び廃棄物から鉱物を回収してＰＣ又はＰＩ捕集又は沈殿剤として複合灰を生成すること１０８）を統合システム４０の１つの特定の場所で行い、一方、機能的にリンクされた別の近くの場所が、方法１０の後工程グループ（廃水を処理することと１１０、廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去し、流出スラリー又は結果として生じる水排出物をｐＨ調整すること１１２、及び廃水を用いて灰スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理すること１１４）を行うことができる。
【０２１５】
当業者は、これにより、他の統合システム４０及び／又は地域システム２０の欠点で他の場所又は自治体を汚染し又は他の場所又は自治体に負担をかけることなく、効率及び効果により統合的な多目的の廃棄物管理が全て１カ所で円滑に進み得ることを理解する。同様に、当業者は、発明概念の効率性により、統合されたセットアップが都市下水処理用の有効成分及びジオポリマー前駆体の生成を、例えば、「社内で」、「好みの注文で」、及び「特定のニーズと量に対して」無駄又は非効率性なしに行うことができることを理解する。このため、統合システム４０のいくつかのサブプロセスステーション又は場所は、様々な別個の廃棄物流処理作業に関連する資産及びプロセスを全て１カ所で管理しかつ１カ所に配置することを容易にすることが想定される。これは、紙又はカーペットの発熱性廃棄物流処理からの排出廃棄物の削減に関連するサブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、近くの又は敷地のサブシステムのいずれかで使用するために、エネルギーを全体的な統合システム４０にループバックさせることを含めて、生成されたエネルギーの導入（蒸気駆動又は直接熱反応器駆動）のためのグリッドを設置及び維持することを含み得る。さらにそれは、廃棄物流処理のための有効成分又は複合灰の生成に関連するサブシステム及び設備を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、統合システム４０全体で利用可能な排出された浄水を使用するために、廃水処理に関連するサブシステム及び設備を戦略的に配置及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、浄水を全体的な統合システム４０にループバックさせることを含めて、生成された浄水の排出物を導入するためのグリッドを設置及び維持することを含み得る。さらにそれは、最終的なＰＣ又はＰＩ農業用肥料生成物を形成するために、又は前駆体を捕集し、市場に出し、又は独立した第三者のＰＣ又はＰＩ生産者に販売するために、過剰な複合灰又はジオポリマー前駆体の捕集及び／又は過剰な複合灰の任意の利用に関連するサブシステム及び装置を戦略的に位置決め及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、廃水からのリン酸塩、硝酸塩、及び重金属、及び他の汚染物質の還元、捕集、及び／又は捕捉、及び／又は沈殿したリン酸塩又は硝酸塩に富む化合物の捕集及び処理に関連するサブシステム及び装置を戦略的に配置及び配置することを含めて調整することを含み得る。さらにそれは、本明細書に記載される発明概念の様々な構成要素の間で効率を促進する目的でプロセスが連動して行われるように、全体的な統合システム４０のサブシステムのための作業をスケジューリングすることを含み得る。
【０２１６】
再び図２を参照すると、図２は、ジョージア州ドールトンの自治体で本発明を実際に実施する例示的な統合システムであって、ドールトンの統合システムのためのキルンレイアウト及びドールトンの統合システムのためのキルンサブシステムを含む例示的な統合システムの概略図でもあり得る。
【０２１７】
例示的な統合システム６０は、ジョージア州ドールトンの自治体において本発明を実際に実施している。統合システム６０は、既存の地域ＤＩＲ処理プラントに隣接した空き地及び利用可能な土地にあるドールトンのシステムの基本施設の可能な建設計画を表す。ドールトンのシステムのＤＩＲ処理工場は、ＰＣカーペットとＰＣカーペットの廃棄物に関して１５０，０００ポンド／年と特徴付けられる流入ＤＩＲ廃棄物フローを有する。ＤＩＲ処理プラントは、具体的には、カーペット全体の処理、ＰＣカーペット廃棄物、綿毛及びカーカスの処理、エバーグリーンタイプのカーペットの処理を含む。統合システム６０は、推定で４から６ＭＷｅのエネルギーに加えて、２０ｐｓｉｇ及び３４０°Ｆで１１０，０００から１２０，０００ポンド／時の使用済み蒸気を回収すると予想される。統合システム６０はまた、１００ｐｓｉｇ及び３４０°Ｆで推定１３０，０００から１５０，０００ポンド／時のエネルギーを回収すると予想される。統合システム６０はまた、推定５５，０００，０００〜７０，０００，０００ポンド／年の複合灰生成物／前駆体／捕捉材を回収すると予想される。ドールトンのシステムにおける統合システム６０の建設期間は、約２２，０００，０００ドルから２６，０００，０００ドルの資本コスト（＋／−３０％の推定誤差）で１５〜１８ヶ月かかると予想される。
【０２１８】
ここで図７を参照すると、本発明による例示的なサブプロセスの概略フローチャートが示されている。このフローチャートは、廃水処理プロセスを対象とするサブプロセスのためのステップを開示しており、これらのステップの全てがあらゆる状況で必ずしも使用されるわけではないが、本明細書で提供される他の例示的な実施形態との類似性を有し得る。図７の例示的な実施形態は、
廃水を供給するステップ（１０１０）と、
廃水を本明細書に記載される化学的に反応する量／濃度の本発明の複合灰と練り合わせ、遊離、混合、及び／又は接触させるステップ（１０１２）と、
結果として得られる生成物が溶液から沈殿し、リン酸塩及び硝酸塩の化学吸着のための構造を提供するように、複合灰が廃水中のリン酸塩及び硝酸塩と反応しかつ／又はリン酸塩及び硝酸塩を捕集するための時間及び／又は条件を提供するステップ（１０１４）と、
結果として得られる栄養豊富な沈殿生成物を精製水から分離して脱水するステップ（１０１６）と、
結果として得られる分離して脱水された栄養豊富な沈殿生成物を乾燥、凝集、粉砕、及び／又は造粒するステップ（１０１８）と
含む方法１０００である。
【０２１９】
いくつかの例示的な実施形態では、方法１０００は、捕捉、濾過、又は再利用及び／又はリサイクルできない放出物、副産物、及び残渣が限られた状態で、廃水中のリン酸塩及び硝酸塩の実質的な過半数を効率的かつ効果的に消費する。さらに、方法１０００は、図１の方法１０のプロセスの後工程グループ、具体的には、
廃水を処理すること（１１０）、
廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去し、流出スラリー又は結果として生じる水排出物をｐＨ調整すること（１１２）、及び
廃水を用いて灰スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理すること（１１４）
と同様であり得る。
【０２２０】
図１の方法１０と同様に、本明細書に記載される（例えば、図１の前工程のステップ１０２〜１０８から生成される）本発明の複合灰の実施形態は、廃水と混合されて消和プロセスによって部分石灰Ca(OH)2スラリーを形成する。
【０２２１】
廃水を本明細書に記載される化学的に反応する量／濃度の本発明の複合灰と練り合わせ、遊離、混合、及び／又は接触させるステップ（１０１２）は通常、廃水と混合する前に複合灰を消和することを必要とする。ただし、乾式での使用も想定される。複合灰は、本明細書に示され記載されるように、栄養塩濃度の関数としての特定の比率で、乾燥又は湿潤で添加することができる。混合は、インラインミキサ、撹拌槽などで完了する。高から中程度のせん断混合は、反応性、表面積接触、したがって捕集性能を高める可能性がある。
【０２２２】
次に、結果として得られる生成物が溶液から沈殿し、リン酸塩及び硝酸塩の化学吸着のための構造を提供するように、廃水中のリン酸塩及び硝酸塩と反応しかつ／又はリン酸塩及び硝酸塩を捕集するステップ（１０１４）は、図１の方法１０の、廃水からリン酸塩及び硝酸塩を除去するステップ１１２、及び関連する流出スラリー又は結果として生じる浄水排出物をｐＨ調整するステップ、及び灰流出スラリーからポストコンシューマ生成物を沈殿させ、捕集し、処理するステップ１１４と同様であり得る。しかし、必ずしもそうである必要はなく、実際にはより単純化することができる。
【０２２３】
場合によっては、必須ではないが、反応及び／又は捕集ステップ（１０１４）中にｐＨを調整して、回収される固形物内に付加的な価値のある濃縮された化合物を生成することができる（すなわち、回収される固形物に価値のある成分を添加又は増強するためのリン酸、硫酸、及び／又はステアリン酸を用いたｐＨ調整）。さらに、例示的な実施形態は、約３０．０分から約２．０時間までの反応時間で静的システム又は動的システムのいずれかで生じる反応及び捕集ステップ（１０１４）を想定している。
【０２２４】
プロセスの次は、沈殿生成物／結果として得られる生成物を分離して脱水するステップ（１０１６）である。廃水中のリン酸塩及び硝酸塩と反応しかつ／又はリン酸塩及び硝酸塩を捕集するステップ（１０１４）が完了すると、結果として得られる生成物は、清澄器、遠心分離機、フィルター、回転真空濾過、ベルトフィルターなどを含むがこれらに限定されない様々な分離技術を用いて流出スラリーから分離される。当然ながら、厳密な分離技術の代わりに、凝集、凝塊形成などを含むがこれらに限定されない、所望の生成物を標的とし、捕集するための他の既知の技術を実施し得ることも想定される。
【０２２５】
分離して脱水するステップ（１０１６）が完了すると、材料は、分離して脱水された沈殿生成物を乾燥、凝集、粉砕、及び／又は造粒するステップ（１０１８）を受ける。他の例示的な実施形態では、結果として得られる栄養豊富な生成物は、意図される生成物の用途に応じて液体中に残すことができる。結果として得られる最終生成物は、従来の乾燥機、すなわち、回転式乾燥機、スプレー乾燥機、ケージミルなどを用いて乾燥され得ることが理解される。
実施例２２〜２４
【０２２６】
例示的な実施例に戻ると、以下は、本発明のプロセスの３つの例示的な実施例である。実施例２２は特に、２つの目的のため、（１）複合灰／捕捉材を再使用することでPO4の除去を継続できるかどうかを判定するため、（２）おおよその最大容量を求めることができるかどうかを判定するために行われている。リサイクル複合灰／捕捉材を、PO4捕集後に、本開示で詳細に説明されているものと同様の投与試験により捕集した。その後、リサイクル複合灰／捕捉材を乾燥させた。結果は、リサイクル複合灰／捕捉材の使用がPO4を除去し続けることを示した。次に、結果が１ｍｇ／Ｌ［PO4］を満たさなくなるまで、再使用のサイクルを調べた（実施例２３及び２４参照）。
実施例２２
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２２７】
得られた実験結果のいくつかを、表４３で提供されかつ図８に示される以下の情報で示す。図８は、生成物を２ラウンドまで使用した試験のラウンドに対する最終［PO4］及び除去された総［PO4］を示す。
【表４３】
2021505524.tif 000141
実施例２３
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２２８】
実施例２３は特に、実施例２２を繰り返し、おおよその終点を求めることができるかどうかを判定するために行われている。リサイクル複合灰／捕捉材を、PO4捕集後に、本開示で詳細に説明されているものと同様の投与試験により捕集した。その後、リサイクル複合灰／捕捉材を乾燥させた。結果は、リサイクル複合灰／捕捉材の使用がPO4を１ｍｇ／Ｌ［PO4］未満まで除去し続けることを示した。得られた実験結果のいくつかを、表４４で提供されかつ図９に示される以下の情報で示す。図９は、生成物を３ラウンドまで使用した試験のラウンドに対する最終［PO4］及び除去された総［PO4］を示す。
【表４４】
2021505524.tif 000142
実施例２４
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２２９】
実施例２４は特に、実施例２３を繰り返し、おおよその終点がより適切に求め、より良い方法を行うことができるかどうかを判定するために行われている。リサイクル複合灰／捕捉材を、PO4捕集後に、本開示で詳細に説明されているものと同様の投与試験により捕集した。その後、リサイクル複合灰／捕捉材を乾燥させた。結果は、リサイクル複合灰／捕捉材の使用がPO4を１ｍｇ／Ｌ［PO4］未満まで除去し続けることを示した。得られた実験結果のいくつかを、表４５で提供されかつ図１０に示される以下の情報で示す。図１０は、生成物を４ラウンドまで使用した試験のラウンドに対する最終［PO4］及び除去された総［PO4］を示す。
【表４５】
2021505524.tif 000143
実施例２５
【０２３０】
以下は、本発明のプロセスの例示的な実施例である。実施例２５は特に、PO4除去のためのフライアッシュの使用とPO4除去のための複合灰／捕捉材の使用とを比較してどうであるかを判定するために行われている。フライアッシュを、様々な発生源（例えば、Boral classアッシュ−石炭燃焼による／石炭由来、Dublid/Butchアッシュ−木材燃焼による／木材由来）からテストし、本開示において詳細に説明されているものと同様の投与試験で使用した。使用済みの固形物を乾燥させ、サンプルの一部を１０００℃でか焼し、シャペル試験を行った。か焼サンプルの一部について、蛍光Ｘ線Ａｓｉｓ化学分析を行った。得られた分析結果のいくつかを、図１１〜１８で提供される情報で示す。
実施例２５
最初のサイクルで２．５ｍｇ／Ｌの当初［PO4］及び２０．０ｍｇ／Ｌの当初［PO4］
【０２３１】
結果は、様々な種類及び発生源のフライアッシュが栄養塩除去に優れた結果を示していることを示している。ただし、重金属の浸出が起こり得る。結果はまた、木材燃焼による、すなわち木材由来のフライアッシュがPO4除去においてより効率的であることを示しており、これはおそらく、石炭燃焼プロセスよりも木材プロセスによる炭素含有量が高いためである。結果はまた、木材燃焼による、すなわち木材由来のフライアッシュが石炭燃焼による、すなわち石炭由来のフライアッシュよりも浸出が少ないことを示した。得られた実験結果のいくつかを、図１９〜３０で提供される情報で示す。図２０〜３０は浸出の結果を示している。
【０２３２】
様々な実施形態は例として提供されており、本開示の範囲を限定することを目的としていない。記載された実施形態は様々な特徴を含み、それらの全てが本開示の全ての実施形態で必要とされるわけではない。本開示のいくつかの実施形態は、特徴又は特徴の可能な組み合わせの一部のみを利用する。記載された本開示の実施形態の変形、及び記載された実施形態で述べたのとは異なる特徴の組み合わせを含む本開示の実施形態が、当業者には思い浮かぶであろう。本明細書において上記で特に示されかつ説明されたものによって本開示が限定されないことが、当業者には理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物を熱処理することによって生成される複合灰であって、前記複合灰は、メタカオリンと、鉱物酸化物及び鉱物炭酸塩から成る群の少なくとも１つとを含む、一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物であり、前記複合灰は約７．０よりも大きいｐＨで反応する、複合灰。
【請求項２】
前記複合灰は、約６０．０％の構成カルシウム成分及び約３０．０％のメタカオリン成分を有する二成分複合物である、請求項１に記載の複合灰。
【請求項３】
前記複合灰の構成カルシウム成分は、炭酸カルシウム及び酸化カルシウムから成る群の少なくとも１つを含む、請求項２に記載の複合灰。
【請求項４】
前記複合灰は、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、及び酸化鉄をさらに含む、請求項３に記載の複合灰。
【請求項５】
前記複合灰は、水性廃棄物流において捕捉プラットフォーム及び沈殿剤として使用される、請求項１に記載の複合灰。
【請求項６】
前記複合灰は、ポストコンシューマ又はポストインダストリアル生成物を生成するためのジオポリマー前駆体として使用される、請求項１に記載の複合灰。
【請求項７】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物を熱処理することによって生成される複合灰であって、前記複合灰は、メタカオリンと、鉱物酸化物及び鉱物炭酸塩から成る群の少なくとも１つとを含む、一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物であり、前記複合灰は約７．０よりも大きいｐＨで反応し、前記複合灰は、水性廃棄物流からポストコンシューマ又はポストインダストリアル生成物を生成するためのジオポリマー前駆体として使用され、前記ジオポリマー前駆体は、前記水性廃棄物流において捕捉プラットフォーム及び沈殿剤として使用される、複合灰。
【請求項８】
紙及び／又はカーペットの発熱性処理廃棄物を熱処理することによって生成される複合灰であって、前記複合灰は、メタカオリンと、鉱物酸化物及び鉱物炭酸塩から成る群の少なくとも１つとを含む、一般結晶及び非晶質非結晶組成物の無機鉱物生成物又は酸化物であり、前記複合灰は約７．０よりも大きいｐＨで反応し、前記一般結晶及び非晶質非結晶組成物は、（１）発熱性処理廃棄物の組成変動、（２）熱処理の温度変化、及び（３）熱処理の圧力変化から成る群の少なくとも１つによって変更可能であり、これにより前記一般結晶及び非晶質非結晶組成物内の原子の空間的な配向が変更され、結果として結合長又は結合角又は組み合わせが変化し、前記複合灰の反応性がカスタマイズされる、複合灰。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2021505524.tif 000144
【図２】
2021505524.tif 000145
【図３】
2021505524.tif 000146
【図４】
2021505524.tif 000147
【図５】
2021505524.tif 000148
【図６】
2021505524.tif 000149
【図７】
2021505524.tif 000150
【図８】
2021505524.tif 000151
【図９】
2021505524.tif 000152
【図１０】
2021505524.tif 000153
【図１１】
2021505524.tif 000154
【図１２】
2021505524.tif 000155
【図１３】
2021505524.tif 000156
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2021505524.tif 000160
【図１８】
2021505524.tif 000161
【図１９】
2021505524.tif 000162
【図２０】
2021505524.tif 000163
【図２１】
2021505524.tif 000164
【図２２】
2021505524.tif 000165
【図２３】
2021505524.tif 000166
【図２４】
2021505524.tif 000167
【図２５】
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【図２６】
2021505524.tif 000169
【図２７】
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【図２８】
2021505524.tif 000171
【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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