(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性廃棄物の焼却灰のセメント固化処理方法であって、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部（５〜２０重量部）と水分を一時に投入して、撹拌処理して、前記廃棄物焼却灰中の両性金属の少なくとも一部をイオン化し、又は両性金属水酸化物とした後、一部のセメントと同一種の残余のセメント（９５〜８０重量部）を投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法。
【請求項２】
請求項１において、可燃性廃棄物が、放射性物質を含むことを特徴とするセメント固化処理方法。
【請求項３】
請求項１、又は、請求項２において、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部に、更に、水酸化カルシウム及び／又は生石灰を添加して、水分とともに撹拌処理した後、一部のセメントと同一種の残余のセメントを投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部に、更に、水酸化ナトリウム若しくは水酸化カリウムを添加して、水分とともに撹拌処理した後、一部のセメントと同一種の残余のセメントを投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法。
【請求項５】
前記撹拌処理が、２０℃〜８０℃で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかのセメント固化処理方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかのセメント固化処理方法で処理したセメント固化処理体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は瓦礫、都市ゴミ等の可燃性廃棄物を焼却する際に発生する可燃性廃棄物焼却灰
の固化処理方法及びその固化処理体に関する。
【背景技術】
【０００２】
瓦礫、都市ゴミ等可燃性廃棄物は、専用の焼却炉で焼却することにより減容でき、セメントでこの焼却灰を固めてセメント固化して安定化する技術が検討されている。
【０００３】
一方、瓦礫や都市ゴミ焼却灰中には、アルミニウム等の両性金属が存在する。セメントの水和反応で生ずる高ｐＨ域では、両性金属は、水素ガスを発生することが知られている。特に、アルミニウムが、瓦礫焼却灰や都市ゴミ焼却灰中に、例えば０．５重量％程度以上混在すると、混練り後１日材齢までに、水素ガスの気泡により、例えば、型枠の非拘束部分で、発泡カラメル状態に盛り上がり、その後の緻密化が困難である。また、その後も、比較的長期に亘って、水素ガスが発生し、緻密な固化体の形成を妨げて、固化体強度を減少させ、重金属等の溶出抑制効果を低減させる。また、この水素ガスにより、可燃性廃棄物の焼却灰を封入固化した密閉廃棄体容器を中間貯蔵施設で長期間保管し、或いは埋設処分場で処分した場合、容器内の圧力上昇を引き起こすことも想定される。
【０００４】
そこで、特許文献１に示されるように、「都市ゴミ焼却炉にて発生した焼却灰に、湿式粉砕処理と脱塩処理とを施してセメント原料として有利に用いられる無機質材料を得る方法であって、該湿式粉砕処理の前に金属アルミニウム材料を除去する方法」が開示されるが、金属アルミニウムを処理した廃液は、系外に排出するので、放射性物質を系内にとどめた処理が必須の放射性廃棄物には、適用できなかった。
【０００５】
また、特許文献２に、「両性金属を含有する放射性廃棄物を水と混合して混濁液とし、この混濁液にオゾンを注入し、混濁液中の放射性廃棄物が含有する両性金属を安定な形態に化学変化させ、このオゾン処理された混濁液をセメントと混練して混練物とし、この混練物を成形し固化して固化処理物を得る方法」が開示されるが、オゾン供給装置等の付加設備が必要で、処理工程が簡単でなく、大量処理に不向きであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０８０１０６号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、上記に鑑み、本発明は、廃棄物を含む瓦礫、都市ゴミ等の一般廃棄物の焼却灰の固化処理にも適用可能で、かつ焼却灰処理時の水素ガスの発生を防ぎ、固化体中のセシウム等の放射性物質、重金属の溶出をも抑制し、更に、固化体強度を確保することができる放射性廃棄物焼却灰にも適用可能な簡便なセメント固化処理方法を提供することを目的とする。
【０００８】
又、都市ゴミが、通常のゴミ焼却施設で処理されると、都市ゴミの減容によって、不燃物質が、濃縮する。都市ゴミ等が放射性物質を含むときは、単位重量あたりの放射能レベルが上昇するが、都市ゴミ焼却灰中の放射性物質を封じ込め、固化体にひび割れ、膨張の起きない健全性と適切な圧縮強度を保持でき、放射性廃棄物処理灰にも適用可能な固化体の大量処理技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
可燃性廃棄物の焼却灰のセメント固化処理方法であって、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部を水分とともに撹拌処理して、前記廃棄物焼却灰中の両性金属の少なくとも一部をイオン化し、又は両性金属水酸化物とした後、残余のセメントを投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法、を提供する。
【００１０】
更に、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部に水酸化カルシウム及び／又は、生石灰を添加して、水分とともに撹拌処理した後、残余のセメントを投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法、を提供する。
【００１１】
更に、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部に水酸化ナトリウム若しくは水酸化カリウムを添加して、水分とともに撹拌処理した後、残余のセメントを投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法、を提供する。
【００１２】
更に、前記可燃性廃棄物が、放射性物質を含むことをと特徴とするセメント固化処理法、を提供する。
【００１３】
可燃性廃棄物を焼却した焼却灰中には、アルミニウムなどの両性金属が含まれている。両性金属はアルミニウムや亜鉛などで代表される金属であって、高ｐＨ領域でもイオン化する。
【００１４】
一方、セメント中のカルシウム成分を有するクリンカー鉱物は、その水和過程でアルカリ成分である水酸化カルシウムを生ずる。従って、セメントによる固化処理の際、両性金属が存在すると、水和反応により生成する水酸化カルシウムと可燃性廃棄物の焼却灰中の前記両性金属が反応する。このとき、水素ガスが発生する。
【００１５】
特に、焼却灰に金属アルミニウムが存在し、これをそのままセメント固化すると、一日材齢までに、水素ガスの気泡により、例えば、気泡コンクリートを製造するように、型枠等の非拘束部分に発泡体部分が盛り上がって形成され、その後の緻密化と、放射性元素や重金属の封入が困難となる。さらに、水素ガスが、固化体外部へ放出しつくされないときは、固化体内部に止まり蓄積されて、固化体には膨張やひび割れあるいは連続空隙などが発生し、封じ込め効果を減殺することとなる。
【００１６】
また、焼却灰中に亜鉛や鉛の両性金属酸化物が混入していると、セメント鉱物からの水酸化カルシウムと水酸化物や複塩を形成して、セメント鉱物又はセメント水和物の表面を被覆する等して、セメントの水和が阻害され、セメントの凝結時間が著しく遅延され、混入量が多くなると硬化不良をひき起こすことも考えられる。さらに、アルカリ液と接触して溶解度の小さい水酸化物を生成する鉄、マグネシウム等の金属イオンが含まれていると、セメントの凝結時間が遅延し、満足すべき固化体が得られない。
【００１７】
また、水酸化アルカリ液で、焼却灰を前処理する場合、残存するカウンターイオンであるナトリウム、カリウムのセメント水和への影響を、このままでは、排除できないという難点がある。
【００１８】
そこで、固化に使用するセメントの大部分の混練に先立って、一部分の量であって、これら、両性金属及び両性金属酸化物による水酸化物形成や複塩形成に供するセメント（以下、一部セメント）、或いは必要に応じて水酸化カルシウム及び／又は生石灰を併用して、反応速度を高め、良好な結果が得られることが判明した。また、生石灰を用いるときは、生石灰の水和による発熱で、処理中の懸濁物の水温が常温である２０℃から８０℃程度まで上昇して、反応を促進することができる。生石灰を用いなくとも、加温して反応を促進することができる。
【００１９】
そのメカニズムの詳細は、明瞭ではないが、後で追加する残余のセメントの水和過程では、生成する水酸化物や複塩がセメント粒子の表面をおおうことがなくなるので、水和阻害が防止できる、即ち、溶解度の小さい水酸化物生成が、先の一部のセメントに集中して、沈着して、水和を妨げることがなくなるものと考えられる。そこで、この種の水酸化物を生成する可能性のある金属塩化合物が焼却灰中に含まれていても、あらかじめ本願発明の処理をして、両性金属水酸化物を、一部のセメントへ沈着させると、大半のセメントの水和過程でセメント粒子表面への水酸化物の沈着がなくなり、水和反応阻害を防ぐことができたものと考える。
【００２０】
更に、一部セメントから生成する水酸化カルシウムは、金属アルミニウムと反応して、水酸化物を形成し、そこにセメント水和物、セメント粉末があると、その表面への形成がより容易で、高速で可能となると考える。それでも、処理すべきアルミニウム金属が多いときは、反応に時間がかかるので、加温したり、水酸化カルシウム及び／又は生石灰を、さらに添加したりすることが有効となる。更に、金属アルミニウム量が一部のセメントから発生する水酸化カルシウムの当量よりおおいとき、更に、時間短縮をはかるには、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムを併用することもできる。
【００２１】
一部セメントには、焼却灰のアルミニウムと反応する水酸化カルシウムを供給する役割と、両性金属水酸化物の生成の場を与えて、安定化させる役割が含まれるものと考えられる。
【００２２】
水酸化カルシウム及び／又は生石灰は、両性金属との反応を加速するためにも添加する。生石灰を添加すると、生石灰の水和による発熱が利用でき、処理時間がさらに短縮できる効果がある。このとき、生石灰からの水酸化カルシウムは、アルミニウムと反応して更に発熱する。
【００２３】
水酸化ナトリウム、水酸化カリウムは、焼却灰中の金属アルミニウム量の当量をこえるとき添加すると効果的である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、金属アルミニウムの含有率の高い焼却灰であって、放射性廃棄物を含む一般廃棄物又は産業廃棄物焼却灰であっても、その固化処理にも適用可能で、一日材齢までの水素ガスによる発泡現象を完全に抑止し、かつ重金属の溶出、及び／又は、焼却灰中のセシウム等の放射性物質溶出をも抑制し、更に、その後の水素ガス発生を抑止して、固化体強度を確保することができる可燃性廃棄物焼却灰の簡便なセメント固化処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】可燃性廃棄物焼却灰を処理するフローを示す図の模式図である。
【図２】可燃性廃棄物焼却処理灰を、普通ポルトランドセメントを用いて固化した例の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
［実施の形態］
セメントは、通常の普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、また、高炉スラグセメント、エコセメント、ジェットセメント等のセメントを用いることができる。早期に金属アルミニウムと反応するセメントとして、普通ポルトランドセメントが、好ましい。また、高炉スラグセメントを用いると焼却灰中の6価クロムを3価クロムに還元して初期水和物であるエトリンガイト中のアルミニウムに置換固溶して、固定する効果が増大することもあって、好ましい。
【００２７】
また、これら各種セメントを組み合わせて用いても良く、別途、水酸化カルシウム及び／又は生石灰を更に添加し、或いは水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウム（以下、複材。）を必要に応じて、更に添加した。
【００２８】
（初期添加量）
まず、混練りする水分の全部と、両性金属を含んだ焼却灰の全部を混合する。これに一部のセメントを、追加混合する。一部のセメント量、又は複材を添加したとき（以下、一部のセメント等）は、その合計量は、最終的に固化に用いるセメント１００重量部に対して、５〜２０重量部とするのが好ましい。５重量部以下では、両性金属等の阻害効果を十分に抑制することができず、２０重量部以上では、一体として固化したセメントの強度が十分でなくなる虞がある。一部のセメントと、残余のセメントを別の種類とすることもできる。
【００２９】
（アルミニウムとの反応量）
セメント２０重量部が、一部セメントの使用量の上限であるので、ＣａＯ成分（セメントの６０ｗｔ％）の２割がＣａ（ＯＨ）２を潜在的に提供可能な重量部と概算して、１５．６重量部（セメント１００重量部で水和物が１３０重量部生成し、その０．６＊０．２倍で１５．６重量部）となるので、潜在的に反応可能な金属アルミニウムは、１５．６×２７／１０１（当量比）となり、金属アルミニウム４．１７重量部が潜在的処理可能量の上限となる。これを超過する金属アルミニウム含有量の焼却灰を処理するときは、水酸化カルシウム及び／又は生石灰を使用することが好ましく、更には、水酸化ナトリウム及び／又は水酸化カリウムを添加して、反応速度を高めることが好ましい。
【００３０】
使用する焼却灰は、特に前処理は必要としないが、通常の乾式粉砕をされ、振動ぶるい等で、粗粒分を取り除いたものが好ましい。大粒径の金属アルミニウム等が混入していると、比較的大量の一部のセメント等を必要とするからである。また、粉砕処理後の焼却灰を、直ちに、一部セメントとの混合工程に移すと、金属の粉砕による新鮮面が一部セメントとの反応を促進することとなる。
【００３１】
（初期混合の方法）
通常の混練容器（ミキサー）に、水分の全部、焼却灰、一部のセメント等を投入して、十分に撹拌する。このとき、撹拌効果を得るために、撹拌機付容器を用いることが好ましい。撹拌温度は、室温（２０℃程度）、外気温度で良いが、２０〜８０℃であると、反応の完結を早めることができる。
【００３２】
（初期混合の一部セメント量の決定と反応の終点）
一部セメント量を、２０重量部とすると、４.２重量部の金属アルミニウムを処理できるので、焼却灰中の金属アルミニウム量含有量を予め測定して、一部セメント量を設定しておくことが好ましい。焼却灰に含まれる金属アルミニウム量が４．２重量部を越えたり、反応を早めるときは、複材を追加した。前記撹拌時間は、１２〜２４時間を目安とした。一部セメントによる反応完結は、具体的には、処理する焼却灰の由来やロット間の変動を勘案して、金属アルミニウム量を予め把握して経験的に定めることができる。
【００３３】
次いで、固化に用いる残余のセメントを投入して、混練した。投入は、撹拌機を駆動しながら行うのが好ましい。
【００３４】
表１に示す模擬焼却灰の化学組成を示した。模擬焼却灰は、粘土鉱物のカオリン、滑石、ロウ石を所定割合で混合して、約１０００℃で焼成し、ボールミルで１ｍｍアンダーに粉砕した。粉末金属アルミニウムは試薬（純度９７％：大和金属粉工業株式会社）を用いた。未燃カーボンの代替として、黒鉛粉末４重量部を用いた。安定同位体のセシウムは、塩化セシウムの形態で、１．２４/１０００重量部だけくわえた。（40万Ｂｑ／ｋｇのセシウム１３７で汚染した瓦礫の焼却灰は、１０００倍に濃縮されるので、焼却灰１ｋｇ処理すると仮定すると、セシウムの半減期からセシウム量は０．１２４ｍｇと計算される。そこで、安定同位体の塩化セシウム試薬で、高濃度の汚染物を処理する場合を想定して、１００倍、即ち、４０万Ｂｑ／ｋｇ相当の１２．４ｍｇ／ｋｇ焼却灰のセシウムで試験を実施した（４０００万Ｂｑ相当））。
【００３５】
【表１】
0005190975.tif 000002
【００３６】
実験例A１
先ず、ブランク試験として、この模擬焼却灰１００重量部、普通ポルトランドセメント１１０重量部、水１１０重量部を加え、室温２０℃にて、モルタルミキサーを用いて、混練り後、混練り物を型枠に注入して、充填し、２０℃、湿空養生した。
【００３７】
実験例B1
この模擬焼却灰１００重量部、普通ポルトランドセメント１０重量部、水１１０重量部を加え、室温４０℃にて、モルタルミキサーを用いて懸濁させ、緩やかに撹拌しながら２４時間、反応させた。
その後、これに、さらに普通ポルトランドセメント１００重量部を加えて、同一のモルタルミキサーに投入して、混練り後、混練り物を型枠に注入して、充填し、２０℃で、湿空養生した。
【００３８】
実験例C1, 実験例C2
この模擬焼却灰１００重量部、普通ポルトランドセメント１０重量部、水酸化カルシウム固形分１０重量％懸濁させたスラリー液の１０重量部と、水１００重量部を加えた。室温４０℃にて、モルタルミキサーを用いて懸濁させ、緩やかに撹拌しながら１２時間（C1）、及び２４時間（C2）、反応させ、２種の混合物を得た。
その後、これらに、それぞれ、普通ポルトランドセメント１００重量部を、モルタルミキサーに追加投入して、混練り後、混練り物を型枠に注入して、充填し、湿空養生した。
【００３９】
実験例D1, 実験例D2, 実験例D3
この模擬焼却灰１００重量部、普通ポルトランドセメント１０重量部、水酸化カルシウム固形分１０重量％懸濁させた懸濁液の１０重量部と、水酸化ナトリウム１００重量部を水１００重量部に溶解した溶液１重量部と、水９９重量部加えた。室温４０℃にて、モルタルミキサーを用いて懸濁させ、緩やかに撹拌しながら１２時間（D1）、２４時間（D2）、及び４８時間（D3）、反応させ、３水準の混合物を得た。
その後、これらに、それぞれ、普通ポルトランドセメント１００重量部をモルタルミキサーに追加投入して、混練り後、混練り物を型枠に注入して、充填し、２０℃、湿空養生した。
【００４０】
実験例E1
実験例D1（12時間撹拌）で、水酸化カルシウム固形分１０重量％懸濁させたスラリー液の１０重量部の代替として、生石灰粉末を、７．５７重量部を用いた他は、同様の実験を行った。
【００４１】
実験例F1
実験例D1（12時間撹拌）で、普通ポルトランドセメントに替えて、B種高炉スラグセメントの同一重量部（一部セメントも残余セメントも実験例D1と同一重量部）を用い、水酸化カルシウム固形分１０重量％懸濁させたスラリー液の１０重量部の代替として、生石灰粉末を、７．５７重量部を用いた他は、同様の実験を行った。
【００４２】
【表２】
0005190975.tif 000003
【００４３】
表２は、試験体の状態観察結果と、その一軸圧縮強度試験結果（試験方法は、JISR5201に準じた）を示した。
【００４４】
実験例Ｂ1〜Ｅ１の６月材齢の試験体につき、金属溶出試験（環境庁告示46号に準拠した、タンクリーチング試験）、とICPによる元素分析を行ったが、固化体から亜鉛イオン、セシウムイオンの検出はされなかった。また、図２は、可燃性廃棄物を焼却処理した灰を普通ポルトランドセメントで固化した一日材齢の様子である。左はセメント１００重量部を一度に用いて固化したものであり、右は、本実験例B1（一部セメントを１０重量部投入、撹拌後に、９０重量部を投入した）における一日材齢の様子である。右は膨張がなく、緻密な硬化が進行している。
【要約】
【課題】
本発明は、放射性廃棄物を含む瓦礫、都市ゴミ等の一般廃棄物の焼却灰の固化処理にも適用可能で、かつ焼却灰処理時の水素ガスの発生を防ぎ、固化体中のセシウム等の放射性物質、重金属の溶出をも抑制し、更に、固化体強度を確保することができる可燃性廃棄物焼却灰の簡便なセメント固化処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
可燃性廃棄物の焼却灰のセメント固化処理方法であって、前記焼却灰と固化に使用するセメントの一部を水分とともに撹拌処理して、前記廃棄物中の両性金属をイオン化し、又は両性金属水酸化物とした後、残余のセメントを投入して混練りして、成形して固化させることを特徴とするセメント固化処理方法を提供する。
【選択図】  図１【図１】
0005190975.tif 000004
【図２】
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