(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水道汚泥と石灰質原料の混合物を焼成し、比表面積３０００ｃｍ2／ｃｍ3以上に粉砕することを特徴とする下水道汚泥の焼却灰。
【請求項２】
下水道汚泥の固形分と石灰質原料中のＣａＯ量を質量比で９０／１０〜４０／６０となるように配合した混合物を焼成することを特徴とする請求項１に記載の下水道汚泥の焼却灰。
【請求項３】
７００℃以上で、かつ、溶融しない温度で焼成することを特徴とする請求項１又は２に記載の下水道汚泥の焼却灰。
【請求項４】
セメント１００部に対して請求項１〜３のうちの１項に記載の下水道汚泥の焼却灰を１０〜５０部となるように配合することを特徴とする下水道汚泥の焼却灰の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水道汚泥の焼却灰に関し、セメントペースト、モルタル又はコンクリート（以下、単にコンクリートという）に使用可能な焼却灰、及びその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久的、かつ、大量に発生する下水道汚泥を熱処理しないで埋め立てると有害金属などの溶出による地下水汚染の課題があるために、８００〜８５０℃の温度で焼成して産業廃棄物として殆どが埋め立て処理されている。
この焼却灰を産業廃棄物として付加価値の低い状態で処理するよりも、セメント混和材として付加価値を高めて利用するために東京都下水道局ではコンクリート製品会社と共同研究が進められている（週間下水道情報第１１８１号、平成１２年１月２５日発行）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この焼却灰をそのままコンクリートに使用したのでは単位水量が著しく増加し、強度が低下するので実際はセメント１００部に対して５部前後の少量しか利用しておらず、これでは大量に発生する汚泥を資源として利用するという目的から遠ざかるという課題を有している。
一方、下水道汚泥の焼却方法は、最初に汚泥の中の固形分を沈殿させるために高分子凝集剤や無機凝集剤として硫酸アルミニウムなどの可溶性のアルミニウム塩や可溶性の鉄化合物、消石灰を添加して汚水と汚泥に分離させてから汚泥を脱水し、ウェットケーキとしてから８００〜８５０℃で焼成しているが、石灰を凝集剤として使用する場合は多量に添加する必要があり、その分、焼成されて排出されてくる焼成灰の量が多くなるので、最近は少量で効果のある高分子凝集剤を用いるのが主流となっている。
本発明との関連で、消石灰を凝集剤として使用する場合において、従来はコンクリートの混和材として利用されていなかったので、汚泥に対する消石灰の配合量などの規定はなく、かつ、汚泥の成分は地域によって異なることから、処理施設毎にその配合量は変動し、コンクリートの混和材として利用するには統一性がないという課題を有している。
さらに、この８００〜８５０℃で焼成された焼却灰の二次粒子形は、凝集剤の種類に関係なくバルク状（粒子の形を呈さない）となるので、コンクリートに多量に焼却灰を添加すると、著しく単位水量を増加させるために長期強度が低下するという課題が発生する。本発明のように、石灰質原料などを下水道汚泥に特定量を添加して焼成し、種々の条件を整備することで初期強度発現性を高めると共に、長期強度の低下を軽減する焼却灰、その製造方法及び使用方法は提案はされていない。
なお、凝集剤として高分子を使用する場合は、下水道汚泥はリン酸塩を多量に含むために焼成してもそのままリン酸塩が焼却灰に残存し、コンクリートに添加する量が多くなるほど初期及び長期強度の発現性を阻害するという根本的な課題を有する。
本発明者は、下水道焼却灰の抱える前記課題を解決し、焼却灰をコンクリートの混和材料として利用するために鋭意研究した結果、初期強度の発現性と長期強度の低下を軽減した焼成灰、その焼成方法及び使用方法を知見し、本発明を完成するに至った。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、下水道汚泥と石灰質原料の混合物を焼成し、比表面積３０００ｃｍ2／ｃｍ3以上に粉砕した下水道汚泥の焼却灰であり、下水道汚泥の固形分と石灰質原料中のＣａＯ量を質量比で９０／１０〜４０／６０となるように配合した混合物を焼成した該焼却灰であり、７００℃以上で、かつ、溶融しない温度で焼成する該焼却灰であり、セメント１００部に対して該焼却灰を１０〜５０部となるように配合する該焼却灰の使用方法である。
なお、本発明で使用する配合割合、添加量を示す部、％は、特に断りが無い限り質量単位である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
【０００６】
本発明は、下水道汚泥と石灰質原料の混合物を焼成した後、比表面積を３０００ｃｍ2／ｃｍ3以上に粉砕して得られる下水道汚泥の焼却灰である。
【０００７】
本発明の石灰質原料は、生石灰、消石灰、炭酸カルシウム、ドロマイトなどであるが、生石灰は汚泥に配合した時点で水和して消石灰となるので実質的には消石灰である。
【０００８】
本発明の焼却灰は、粉砕を行ってその比表面積を３０００ｃｍ2／ｃｍ3以上とするが、焼却灰の比表面積の単位（ｃｍ2／ｃｍ3）は、粒度分布測定装置で粒度分布を測定する際に、その粒度分布から粒子を球として計算される比表面積を示している。
比表面積を粒度分布測定装置の粒度分布から計算された値を用いるのは、焼却灰は埃の立つほど細かくて嵩密度も小さく観えるが、セメント業界で使用する空気透過式のブレーン比表面積測定装置（ＪＩＳ  Ｒ  ５２０１）では、空気の透過速度が速すぎて測定できないためである。粒度分布測定装置は、０．０２ミクロン以上の粒子が測定できる装置で測定された粒度分布から自動的に比表面積を計算できる装置を用いることが好ましい。
【０００９】
本発明の焼却灰は、そのままコンクリートに添加すると単位水量の増加量が多くなるが、これを粉砕して比表面積を大きくするほど単位水量の増加量が少なくなるという従来の常識とは正反対の性質を示すようになるものであり、加えて粉砕して微粉化するほど焼却灰のポゾラン活性も高くなり長期強度の低下を軽減するものである。
焼却灰の比表面積が３０００ｃｍ2／ｃｍ3未満では、単位水量は低下しないし、ポゾラン活性も低く、長期強度の低下を軽減する効果が小さいので好ましくなく、４０００ｃｍ2／ｃｍ3以上が好ましく、６０００〜１００００ｃｍ2／ｃｍ3がより好ましい。そして、１００００ｃｍ2／ｃｍ3を超えても単位水量の増加を抑制する効果やポゾラン活性も飽和に達するのでこれ以上の粉砕は不経済となる。
【００１０】
本発明では、下水道汚泥の固形分（以下、単に固形分という）と石灰質原料中のＣａＯ量（以下、単にＣａＯ量という）を質量比で９０／１０〜４０／６０となるように配合した下水道汚泥の焼却灰が好ましい。そして、焼却灰中に残存するＣａＯはセメントの初期強度の発現を促進し、ポゾラン活性をより高めて長期強度の低下を軽減する作用を有する。
固形分が９０部を超えＣａＯ量が１０部未満では凝結硬化を促進する作用が小さく、かつ、長期強度の低下を軽減する効果も小さい。また、固形分が４０部未満でＣａＯ量が６０部を超えると多量に発生する汚泥を利用するという目的から遠ざかることと、ＣａＯ量の質量比を高くし過ぎるとセメントに対する添加量を多くした場合に初期及び長期強度が低下してくるという逆転現象が生ずるので好ましくない。好ましい固形分／ＣａＯ量は質量比で８０／２０〜５０／５０であり、より好ましくは７０／３０〜６０／４０である。
【００１１】
本発明の焼却灰は、７００℃以上で、かつ、溶融しない温度で焼成するものであり、７００℃未満では異臭が残る場合があるので好ましくなく、溶融する温度ではガラス化するためにポゾラン活性が全く期待できなくなることと、焼成温度が高いと焼却炉の建設費や維持費が高くなるので好ましくない。焼成温度は、異臭を発生させないことや消石灰の脱水だけでなく、炭酸カルシウムやドロマイトの脱炭酸を考慮すると、より好ましくは８００〜１２００℃である。
【００１２】
本発明の焼却灰の焼成方法は、特に限定されないが、例えば、汚泥のスラリーに凝集剤として高分子系を使用して、本発明の固形分とＣａＯ量の比率を前記した範囲内で配合し、あるいは無機凝集剤として消石灰を使用する場合は本発明の固形分とＣａＯ量の質量比を前記した範囲内で配合し、それでも凝集作用が弱い場合は高分子系を併用するのが好ましい。
下水道汚泥は、通常、汚水と汚泥に分離し、さらに、汚泥を遠心分離法や加圧脱水法などで脱水してウェットケーキ状として焼却炉に入れ、流動床や多段式、上記温度に調整された炉の中に吹き込んで瞬間的に焼成するフラッシュ法などにより焼成される。
【００１３】
本発明の焼却灰の使用方法では、セメント１００部に対して焼却灰を１０〜５０部となるように配合することが好ましい。焼却灰の配合量が１０部未満では多量に発生する汚泥を有効利用するという目的を達成できず、５０部を超えると単位水量が多くなりすぎてポゾラン活性を加味しても長期強度の低下が大きくなるので好ましくない。焼却灰の配合量は、好ましくは多くても４０部である。
【００１４】
本発明の焼却灰をコンクリートに添加して練混ぜるに際し、特別な方法は必要なく、通常のミキサを使用し、通常の方法で行ってよく、土木建築構造物の建設やコンクリート二次製品の製造に使用される。
この際、使用するセメントの種類は特に限定されなく、各種ポルトランドセメント、混合セメント、エトリンガイトの生成による急硬性セメントなどが使用される。
また、リグニンスルホン酸塩系やポリオール系、オキシカルボン酸塩系などの一般的な減水剤や高性能減水剤及び高性能ＡＥ減水剤も使用されるが、特に好ましいのは減水率が大きく遅延性の小さいポリアルキルアリルスルホン酸塩系やメラミン樹脂スルホン酸塩系などの高性能減水剤である。
【００１５】
本発明において、コンクリートの強度低下を防止したり、より高強度化するために石膏を主成分とする高強度混和材やシリカフュームやメタカオリン及び２０ミクロン以下に分級したフライアッシュなどの活性シリカを主成分とする高強度混和材を併用することが出来、コンクリートの乾燥収縮の低減やケミカルプレストレストコンクリートを製造するために、市販の膨張材も併用することが出来る。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例にて詳細に説明するが、これらに限られるものではない。
【００１７】
実施例１
東京都下水道局新河岸焼却場の汚泥（固形分中の五酸化リン５．５％含有）を用いて、高分子凝集剤としてポリアクリルアミドの少量と石灰質原料として生石灰粉末、石灰石粉末、ドロマイト粉末を使用し、固形分と石灰質原料中のＣａＯ量との配合割合を変えて攪拌した後、沈降分離させ、沈殿物を遠心分離器で脱水した後、生石灰（試薬）を添加したものは、比較例として６００℃で３０分間、実施例では７００℃で３０分間焼成した。
さらに、炭酸カルシウム（試薬）を添加したものは、１０００℃で３０分間焼成し、ドロマイト（天然産、純度９７％）を添加したものは、１２００℃で３０分間焼成した。これら焼成物を冷却後粉砕して比表面積を任意に変え、種々の焼却灰を得た。比表面積は、粒度分布測定装置（堀場製作所、ＬＡ−９２０）で測定した。
【００１８】
これら焼却灰を用いて、普通ポルトランドセメント８００ｇ、新潟県姫川産川砂１２００ｇ、水２１０ｇ、市販の高性能減水剤（ポリアルキルアリルスルホン酸塩系）１０ｇ、フロー値１８０〜１９０ｍｍのモルタルに、セメント１００部に対して焼却灰の種類と添加量を表１、表２示すように変えて外割添加（砂と置き換えて）して練混ぜた。本焼却灰の添加によりフローが低下する分は、練混ぜ水の加水によってフロー値が１８０〜１９０ｍｍに入るように調節して練混ぜ、４×４×１６ｃｍの３連型枠に成型し、標準養生した時の材齢１日（１本）と２８日（２本）強度を測定した。
本焼成灰の添加量による水量の変動と、標準養生した時の強度測定結果を表１に示す。
なお、モルタルの練混ぜとフロー値の測定、供試体の成型、圧縮強度の測定方法はＪＩＳ  Ｒ  ５２０１によるセメントの物理試験方法によった。また、石灰質原料などのＣａＯ量は、ＪＩＳ  Ｒ  ５２０２によって分析した。
【００１９】
「焼却灰の種類」
Ａ．６００℃焼成（生石灰添加）
Ａ-１：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積８６９０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ．７００℃焼成（生石灰添加）
Ｂ-１ａ：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝１００／０、比表面積２３００ｃｍ2／ｃｍ3（未粉砕）
Ｂ-１ｂ：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝１００／０、比表面積８８００ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ-２：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝９０／１０、比表面積８５００ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ-３：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝８０／２０、比表面積８４５０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ-４：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積８６２０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ-５：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝６０／４０、比表面積８６３０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ-６：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝５０／５０、比表面積８５００ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｂ-７：焼却灰の固形分／生石灰中のＣａＯ量の質量比＝４０／６０、比表面積８６６０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｃ．８００℃焼成（炭酸カルシウム添加）
Ｃ-１：焼却灰の固形分／炭酸カルシウム中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積２４９０ｃｍ2／ｃｍ3（未粉砕）
Ｃ-２：焼却灰の固形分／炭酸カルシウム中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積３０００ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｃ-３：焼却灰の固形分／炭酸カルシウム中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積４０５０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｃ-４：焼却灰の固形分／炭酸カルシウム中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積６０３０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｃ-５：焼却灰の固形分／炭酸カルシウム中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積１００００ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｃ-６：焼却灰の固形分／炭酸カルシウム中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積１２０５０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
Ｄ．１２００℃焼成（ドロマイト添加）
Ｄ-１：焼却灰の固形分／ドロマイト中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積２５９０ｃｍ2／ｃｍ3（未粉砕）
Ｄ-２：焼却灰の固形分／ドロマイト中のＣａＯ量の質量比＝７０／３０、比表面積８６４０ｃｍ2／ｃｍ3（粉砕）
【００２０】
【表１】
0003979864.tif 000002
【００２１】
【表２】
0003979864.tif 000003
【００２２】
表１に示されるように、汚泥固形分に石灰質原料を配合しないで焼成した焼却灰は、粉砕して微粉末としても初期強度発現性は阻害され、添加量が多くなるほど単位水量の増加も加わって長期強度も順次低下する(実験No.1-4〜1-8)。
また、石灰質原料(生石灰)を配合しても焼成温度が７００℃未満の場合は臭気が残り、単位水量も増加傾向となり初期及び長期強度を改善する効果は小さくなる傾向を示す(実験No.1-2とNo.2-3の比較)。
【００２３】
本発明において、汚泥固形分にＣａＯの配合量を多くして行くと、初期及び長期強度の改善効果は大きくなり、固形分／ＣａＯ量の質量比が９０／１０から改善効果が認められるが(実験No.1-4〜1-8と実験No.1-9〜1-13の比較)、８０／２０からより顕著となる。さらに、７０／３０と６０／４０でさらに顕著となるが、５０／５０及び４０／６０とＣａＯの質量比が大きくなるとセメントに対する添加量が多い場合、特に、長期強度の低下を軽減する効果が低下する傾向を示す(実験No.2-1〜2-25)。
したがって、固形分とＣａＯ量の質量比は９０／１０〜４０／６０であり、８０／２０〜５０／５０がより好ましく、７０／３０〜６０／４０がさらに好ましいことが判る。
しかしながら、セメント１００部に対する添加量を４０部から５０部に増加させると単位水量の増加も急に多くなり、固形分とＣａＯ量の質量比が適正であっても長期強度の低下を軽減する作用は小さくなることが判る(例えば、実験No.2-9とNo.2-10の比較、No.2-14とNo.2-15の比較)。
【００２４】
本発明の焼却灰の粉末度を高くするほど単位水量は低下し、粉末度を高くするほど初期及び長期強度も高くなるが、３０００ｃｍ2／ｃｍ3以上より顕著となり、好ましくは４０００ｃｍ2／ｃｍ3以上、より好ましくは６０００ｃｍ2／ｃｍ3〜１００００ｃｍ2／ｃｍ3であることが判る。
そして、１００００ｃｍ2／ｃｍ3以上に粉砕しても単位水量の低下と強度の伸びは頭打ちとなり、１００００ｃｍ2／ｃｍ3を超える粉末度に粉砕することは不経済であることが判る(実験No.2-26〜2-31)。
【００２５】
実施例２
実施例１の実験No.1-1に対して、No.2-6〜2-10のモルタルに実施例１用いた減水剤を増量して水量を少なくして、実施例１と同様の試験を行った結果を表３に示す。
【００２６】
【表３】
0003979864.tif 000004
【００２７】
表３に示されるように、減水剤量を増加させて水量を下げることにより、焼却灰のポゾラン効果が鮮明となり、材齢２８日強度は焼却灰を添加しない基本配合の実験No.3-1よりも高くなるが、焼却灰の添加量がセメント１００部に対して４０部から５０部に掛けて減水剤の減水効果は発揮し難くなり、減水剤量を５倍に増加させても水セメント比は１０％も増加し、初期強度も長期強度も低下傾向にあり、焼却灰の添加量は多くても４０％がより好ましいことが判る。
【００２８】
実施例３
実施例２の実験No.3-1〜3-6のモルタルの空気量を２％（体積）とし、１ｍ3となるように粗骨材（最大寸法２５ｍｍの砂利）を配合したコンクリートを練混ぜて供試体を作製し、標準養生における材齢１日と２８日強度を測定した結果を表４に示した。
なお、スランプは８ｃｍ±２ｃｍの範囲であり、供試体の作製方法と強度測定方法はＪＩＳ  Ａ  １１３２とＪＩＳ  Ａ  １１０８に準じた。
【００２９】
【表４】
0003979864.tif 000005
【００３０】
表４に示されるように、標準養生した場合はコンクリートもモルタルと同様の傾向の初期及び長期強度発現性を示すことが判る。
【００３１】
実施例４
実施例３のコンクリートを横型のキャップレス型枠に成形して、２０℃で８時間前養生してから３時間で８５℃まで上げ、そのまま５時間保持してから放置冷却し、翌日の脱型強度と標準養生した材齢２８日強度を測定した結果を表５に示した。
【００３２】
【表５】
0003979864.tif 000006
【００３３】
表５に示されるように、蒸気養生した場合は、実施例３の材齢２８日強度と同様の傾向を示すことが判る。
【００３４】
【本発明の効果】
本発明の焼却灰は、
▲１▼低温焼成であるので焼却炉の建設費や維持費が安価となり経済的である。
▲２▼従来の焼却灰の課題であった、初期強度の発現性が阻害されることと長期強度が低下することが解決できる。
▲３▼焼却灰をコンクリートの一構成材料として資源化することが出来るので、グリーン調達にも役立つ。
などの効果を奏する。