(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＪＩＳ  Ｍ  ８２２１：１９９７に規定された測定方法により求められるＣａＯ含有量が２１質量％以上であるペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水を混練して得られ、粒度分布曲線において少なくとも１つのピークを有し且つ最大ピークの半値幅が２．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下であり、平均粒子径が１．８ｍｍ以上６．０ｍｍ以下である灰造粒固化体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペーパースラッジ焼却灰を用いて得られる灰造粒固化体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全、循環型社会の構築などの観点から、産業廃棄物の削減、あるいはその再利用方法の確立が強く求められている。製紙業においては、パルプ製造工程、紙製造工程、古紙処理工程などから発生するペーパースラッジを焼却した際に発生するペーパースラッジ焼却灰の再利用方法の確立が課題の一つとなっている。
【０００３】
一般的に、ペーパースラッジ焼却灰は土壌汚染対策法施行規則（平成１４年環境省令第２９号）第五条第三項第四号の規定に基づき定められた土壌環境基準（環境省告示第１８号、改正環境省告示第４８号）に挙げられている有害成分の溶出量が基準値を超過することが多い。この有害成分のうち、有機物有害成分は焼却時に分解されるため、ペーパースラッジ焼却灰では問題となる場合が少ないが、フッ素、ホウ素、六価クロム、鉛をはじめとする無機物有害成分の溶出量は基準を超過することが多い。特にフッ素、六価クロムの溶出量が基準を超過することが多い。有害物質溶出量が土壌環境基準値を超過しているペーパースラッジ焼却灰は直接埋立処理ができず、埋立を行う場合は、管理型処分場といわれる遮水シート等で外部への浸透水流出を防止した処分場で埋立処分しなければならないように義務づけられている。もしくは埋立を行う場合は、有害物質の溶出を抑制するための中間処理が必要である。中間処理として薬剤（キレート）処理や溶融固化処理があるが、高価なキレート剤が処理すべき灰に対して数％程度必要であり、溶融固化処理では設備費及び多くのエネルギーが必要となり、これらの中間処理する方法は焼却灰処理費用を増大させる要因となる。また、埋立処分場を確保すること自体が、近年ますます困難になってきている。
【０００４】
従って、ペーパースラッジ焼却灰の再利用を進めることは、地球環境の保全、循環型社会の構築などの効果に加え、処理費用の抑制効果も伴い、非常に有益である。ペーパースラッジ焼却灰を土壌改良材や路盤材へ有効利用するために固化体の製造方法が公知である（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９２９５６号公報
【特許文献２】特開２００５−３１３０３２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１２５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、埋戻し材、盛土材、擁壁の裏込材、地質改良材、路盤材、凍上抑制材などの土質材料として使用した場合に、締め固め後の強度に優れ、有害成分の溶出が十分に抑制され、軽量である灰造粒固化体を提供することである。ここで「軽量」とは、灰造粒固化体を単位容積あたりの重さを表す見かけ密度が小さいことである。軽量な灰造粒固化体であると、含水率が高くて軟弱な地盤に対して路盤材として用いることが可能であり、降雨に対しても水捌けに優れる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記の課題は、ＪＩＳ  Ｍ  ８２２１：１９９７に規定された測定方法により求められるＣａＯ含有量が２１質量％以上であるペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水を混練して得られ、粒度分布曲線において少なくとも１つのピークを有し且つ最大ピークの半値幅が２．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下であり、平均粒子径が１．８ｍｍ以上６．０ｍｍ以下である灰造粒固化体によって解決される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、土質材料として使用した場合に、締め固め後の強度に優れ、有害成分の溶出が十分に抑制され、軽量である灰造粒固化体を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１０】
ペーパースラッジは、パルプ製造工程、紙製造工程、古紙処理工程などから発生する廃棄物であって、通常、製紙スラッジとも呼ばれる。ペーパースラッジには、一般的に製紙分野で使用される各種原材料が含まれ、顔料や填料として使用されるシリカ、炭酸カルシウム、タルク、カオリン、硅砂などの無機物質、パルプや製紙用薬品などの有機物質、および古紙に含まれるインク成分などを含有する。
【００１１】
ペーパースラッジ焼却灰は、前記ペーパースラッジを燃焼装置で焼却して得られる灰である。燃焼装置は特に限定されず、従来公知の装置を使用することができる。燃焼装置は、例えば、ロータリーキルン、サイクロン型、流動床型などの焼却炉を挙げることができる。また燃焼温度は特に限定されないが、５００℃以上であることが好ましい。焼却の時間は適宜選択することができる。
【００１２】
ペーパースラッジ焼却灰は、混練する前に、前処理を行うこともできる。前処理は、例えば、粉砕、破砕、解砕、分級、再燃焼、再乾燥、磁力選別などを挙げることができ、当業者に周知のあらゆる適切な装置を用いて行うことができる。勿論、そのまま混練に用いることもできる。消費エネルギー及びコストの観点から、これら前処理は行わない方が好ましい。
【００１３】
ペーパースラッジを焼却する際は、ペーパースラッジに他の材料を併せて混焼して構わない。他の材料は、例えば、廃タイヤ、ＲＤＦ（ごみ固形燃料）、ＲＰＦ（産業系廃プラスチック・古紙類固形燃料）、木屑、おがくず、綿、レーヨン、麻、新聞、雑誌、用水泥、排水汚泥、その他一般可燃物を挙げることができる。助燃用とする程度であれば、重油や石炭などの化石燃料をペーパースラッジと共に混焼して構わない。ただし、混焼に用いる他の材料や化石燃料は、ペーパースラッジ焼却灰の性状である多孔性を損なわない程度である。
【００１４】
本発明のペーパースラッジ焼却灰は、ＪＩＳ  Ｍ  ８２２１に規定された測定方法によって求められるＣａＯ含有量が２１質量％以上である。ペーパースラッジ焼却灰は、製紙分野で使用される各種原材料中のカルシウム化合物に由来して生石灰（ＣａＯ）を含有する。ペーパースラッジ焼却灰は、ペーパースラッジの内容によってＣａＯ含有量が変化する。本発明は、最終的にＣａＯ含有量が２１質量％以上になるペーパースラッジ焼却灰を用いることである。
【００１５】
石炭灰は、通常、フライアッシュとも呼ばれ、アルミン酸カルシウム（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３）やシリカ（ＳｉＯ２）を多く含有するものである。
【００１６】
本発明の灰造粒固化体は、ＪＩＳ  Ｍ  ８２２１：１９９７に規定された測定方法により求められるＣａＯ含有量が２１質量％以上であるペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水を混練して得られる。ペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水は一度に供給して混錬しても構わない。また、１種あるいは複数種を順次に供給しながら混練して構わない。
【００１７】
有害成分の溶出が十分に抑制でき且つ軽量になるという本発明の効果は、ＣａＯ含有量が２１質量％以上であるペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水を混練という系の相乗効果によって得ることができる。すなわち以下と考えられる。
【００１８】
ペーパースラッジ焼却灰中の生石灰と、石炭灰、硫酸塩および水とが化学反応し、針状結晶であるエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ）を生成する。エトリンガイトがフッ素や六価クロムをはじめとするそれぞれの有害成分を結晶構造の中に取り込むことによって、得られる灰造粒固化体から有害成分の溶出が抑制される。さらに、エトリンガイトが針状結晶となって灰造粒固化体内部の空隙が増し、結果として灰造粒固化体が軽量になる。
さらに石炭灰が、アルミン酸カルシウムを多く含有することで、エトリンガイトが効果的に生成することができる。また石炭灰が、シリカ（ＳｉＯ２）を多く含有することで、ペーパースラッジ焼却灰中の生石灰とシリカとの反応によって、ケイ酸カルシウム結晶（トバモライト、５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ）が効率的に生成することができる。ケイ酸カルシウム結晶は、フッ素との反応でカスピダイン（３ＣａＯ・２ＳｉＯ２・ＣａＦ２）を生成することができ、フッ素の溶出を抑制することができる。
硫酸第一鉄は、還元剤であって、エトリンガイトが取り込みできなかった六価クロムを三価クロムへ還元することができる。三価クロムは無害である。ＣａＯ含有量が２１質量％以上であるペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水を混練という系において、塩化第一鉄など他の還元剤ではこのような還元作用が得られ難い。
ポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種は、凝集剤であって、硫酸第一鉄によって生成した三価クロムを凝集させて固体として分離されることができる。これにより、酸化されて再び六価クロムに戻ることを抑制することができる。ＣａＯ含有量が２１質量％以上であるペーパースラッジ焼却灰、石炭灰、還元剤として硫酸第一鉄、凝集剤としてポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種、並びに水を混練という系において、他の凝集剤ではこのような凝集作用が得られ難い。また、ポリ硫酸第二鉄および硫酸アルミニウムから選択される少なくとも１種は、エトリンガイトの生成を妨げない。
【００１９】
水は、生石灰との反応およびエトリンガイトの生成に必要である。灰造粒固化体は、水の添加量、混練の時間によって大きさ、形状を制御することが可能である。
【００２０】
本発明の灰造粒固化体は、粒度分布曲線において少なくとも１つのピークを有し且つ最大ピークの半値幅が２．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下であり、平均粒子径が１．８ｍｍ以上６．０ｍｍ以下である。本発明において、平均粒子径は、灰造粒固化体単粒子の平均粒子径である。灰造粒固化体が二次凝集体および多次凝集体を形成する場合は、凝集体を構成する単粒子の平均粒子径である。灰造粒固化体の粒度分布曲線における最大ピークの半値幅および平均粒子径は、光学顕微鏡を用いて灰造粒固化体を撮影し、撮影された単粒子を面積が近似する球形と見なして粒子径を計算し、撮影画像内に存在する灰造粒固化体２００個を対象に測定することによって算出する。縦軸が頻度（％）で横軸が粒子径（ｍｍ）である粒度分布曲線は、測定された粒子径データから粒子画像解析ソフトウェアなどを用いて得ることができる。得られた粒度分布曲線から、半値幅は、最大ピークのピーク高の１／２高さにおける幅として求めることができる。最大ピークとは、粒度分布曲線において最も高いピークを意味する。最大ピークの半値幅が小さいと、粒度分布曲線は、明確な最大ピークを有することになる。
【００２１】
半値幅が６．０ｍｍ超であると、灰造粒固化体が軽量にならない。半値幅が２．０ｍｍ未満であると、締め固め後の強度を得ることができない。この理由は、灰造粒固化体間の適度な空隙形成に因ると考えられる。
平均粒子径が１．８ｍｍ未満であると、灰造粒固化体は軽量にならない。平均粒子径が６．０ｍｍ超であると、灰造粒固化体は締め固め後の強度を得ることができない。
【００２２】
本発明の粒度分布曲線、平均粒子径に該当する灰造粒固化体は、水の添加量、混練の時間を調整することで得ることができる。また、必要に応じて分級作業を行うことによって得ることができる。
【００２３】
混練は、従来公知の装置であって特に限定されない。例えば、混練ロールや混練羽根を備えた装置が好ましく、転動混練機がさらに好ましい。このような装置としては、株式会社北川鉄工所製ペレガイア、日本アイリッヒ株式会社製アイリッヒインテンシブミキサー、株式会社クリハラ製エルバＥＭＳタイプミキサーなどを挙げることができる。
【００２４】
灰造粒固化体は、混練後に養生することが好ましい。養生を行うことにより灰造粒固化体の強度が向上し、土質材料として使用した場合に締め固め後の強度に優れる。養生の方法は自然養生と強制養生に大別することができる。養生は、自然養生と強制養生のいずれで構わない。自然養生は、特に手を加えることなく時間をかけて静置する方法であり、５日以上放置することが好ましい。強制養生は、高温状態に短期間で養生をする方法である。養生は４０℃未満で実施されることが好ましい。この理由は、土質材料として使用した場合に、締め固め後の強度により優れ、また有害成分の溶出がより十分に抑制されるからである。
【００２５】
灰造粒固化体は土質材料に好適である。例えば、埋戻し材、盛土材、擁壁の裏込材、地質改良材、路盤材、凍上抑制材などに用いる土質材料に好適である。灰造粒固化体は、各用途について単独で使用しても構わない。また他の土質材料と混合して使用しても構わない。
【００２６】
灰造粒固化体は、硬化促進剤、分散剤、増強剤など従来公知の添加剤を本発明の所望の効果を損なわない範囲で適宜含有することができる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はその主旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。また、実施例において示す質量％および質量部は、乾燥固形分あるいは実質成分の値を示す。
【００２８】
（締め固め後の強度の評価）
埋戻し施工を実施する場所の原地盤を掘削した。山砂を用いて前記掘削部表面を整地した。最終的に２ｍ×２ｍ且つ原地盤表面からの深さ０．２ｍの直方体の空間を作製した。この空間に、各実施例および各比較例の灰造粒固化体を均一に敷設し、その表面を転圧ローラーによって転圧処理して、埋戻し施工を実施した。埋戻し施工実施の３日後、コーン指数を測定した。ここで「コーン指数」とは、締固めた地盤への一種の貫入抵抗力であり、ＪＩＳ  Ａ  １２２８：２００９「締固めた土のコーン指数試験方法」に基づいて測定を行った。任意５箇所のコーン指数を測定し、その平均値を下記の３段階に区分した。本発明において、灰造粒固化体は、評価２以上であれば土質材料として使用した場合に、締め固め後の強度に優れるものとする。
３：１２００ｋＮ／ｍ２以上。
２：９００ｋＮ／ｍ２以上１２００ｋＮ／ｍ２未満。
１：９００ｋＮ／ｍ２未満。
【００２９】
（有害成分の溶出の抑制評価）
有害成分の溶出の抑制評価は、灰造粒固化体からの有害成分の溶出量から判断した。
灰造粒固化体からの有害成分の溶出量は、平成１５年環境省告示第１８号に準じて測定した。灰造粒固化体を乳鉢で破砕し、非金属製である目開き２ｍｍの篩を通過させた。得られた灰造粒固化体５０ｇと水（純水、ｐＨ５．８〜６．３）５００ｍＬとを混合し、常温常圧下、振とう機で６時間連続振とうした（振とう幅４〜５ｃｍ、振動数２００回／分）。得られた懸濁液を３０分間静置後、毎分約３０００回転で２０分間遠心分離処理し、上澄み液を孔径０．４５μｍのメンブランフィルターで濾過して濾液を採取し、定量に必要な量を正確に計り取り、これを検液とした。溶出量基準は、フッ素０．８ｍｇ／Ｌ以下、ホウ素１ｍｇ／Ｌ以下、六価クロム０．０５ｍｇ／Ｌ以下、鉛０．０１ｍｇ／Ｌ以下である。各実施例および各比較例の灰造粒固化体からのホウ素、鉛の溶出量はいずれも溶出量基準値以下であった。フッ素と六価クロムの溶出量について以下の３段階に区分した。本発明において、灰造粒固化体は、評価○であれば有害成分の溶出が十分に抑制されているものとする。
○：フッ素、六価クロム共に溶出量基準値以下。
△：フッ素、六価クロムのいずれかが溶出量基準値を上回る。
×：フッ素、六価クロム共に溶出量基準値を上回る。
【００３０】
（軽量さの評価）
灰造粒固化体の軽量さに関する評価は、単位体積当たりの見かけ密度を測定することによって判断した。
灰造粒固化体を、ビーカーを用いて１０００ｍＬ測り採り、その時の質量から単位体積当たりの見かけ密度を測定した。測定を下記の３段階に区分した。本発明において、灰造粒固化体は、評価２以上であれば軽量であるものとする。
３：１．１５ｇ／ｃｍ３未満
２：１．１５ｇ／ｃｍ３以上１．３０ｇ／ｃｍ３未満
１：１．３０ｇ／ｃｍ３以上
【００３１】
（ペーパースラッジ焼却灰の調製）
製紙工場から排出されたペーパースラッジ、廃タイヤ、木屑を、配合量を適宜調整し、焼却炉を用いて約９００℃の条件で焼却し、ペーパースラッジ焼却灰ＡおよびＢを得た。ペーパースラッジ焼却灰ＡおよびＢそれぞれの化学組成を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0006289407.tif 000002
【００３３】
（灰造粒固化体の調製）
各実施例および各比較例の灰造粒固化体を以下の手順によって調製した。
ペーパースラッジ焼却灰と石炭灰とを表２に記載の質量％で、ペーパースラッジ焼却灰と石炭灰との合計質量が２５ｋｇになるように混練機（株式会社北川鉄工所製、商品名ペレガイア）に投入した。さらにペーパースラッジ焼却灰と石炭灰との合計質量１００質量部に対して、それぞれ濃度１５質量％水溶液の還元剤および凝集剤を、表２に記載の質量部をそれぞれ投入した。さらに水を５Ｌ投入し、混練機によって混練を行った。粒度分布曲線における最大ピークの半値幅および平均粒子径が表２に記載の値となるように、追加で投入する水の量と混練時間とを調整して、各実施例および各比較例の灰造粒固化体を得た。各実施例および各比較例の灰造粒固化体は混練工程後、７日間自然養生した後で用いた。
【００３４】
表２における還元剤および凝集剤は以下の通りである。
硫酸第一鉄：昭和化学株式会社製、硫酸第一鉄七水和物市販品
亜硫酸ナトリウム：大東化学株式会社製、市販品
硫酸アルミニウム：浅田化学工業株式会社製、市販品
ポリ硫酸第二鉄：タイキ薬品工業株式会社製、市販品
ポリ塩化アルミニウム：大明化学工業株式会社製、市販品
【００３５】
各実施例および各比較例について、各評価結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
0006289407.tif 000003
【００３７】
表２から、本発明に該当する灰造粒固化体である各実施例では、土質材料として使用した場合に、締め固め後の強度に優れ、有害成分の溶出が十分に抑制され、軽量であることが分かる。一方、本発明に該当しない灰造粒固化体である各比較例では、本発明の効果を得ることができないことが分かる。