(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛を含む焼却灰に紫外線を一定期間照射することにより、前記焼却灰中に存在する酸化チタンと同等のバンドギャップエネルギーを必要とする重金属に前記紫外線による光触媒作用を起こさせ、前記鉛とヒドロキシラジカルとの結合を促進させて、前記鉛の溶出量を低下させることにより焼却灰中の鉛を安定化させることを特徴とする焼却灰安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、焼却灰安定化方法に関し、更に詳細には、光エネルギーを用いた一般廃棄物焼却灰の重金属類の安定化技術ならびに塩分濃度の低下による安定化技術に関連する焼却灰安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、日本国全体で年間合計約８００万トン超の焼却残渣等の最終処分量が排出されている（非特許文献１）。焼却灰の有効利用は、法律による規制もあり未だ進んでおらず、埋立処分が中心である。しかし、埋立処分場にも限りがあり、今後焼却灰の有効利用が不可欠となってくるものと考えられる。焼却灰中には、重金属類が含有されているとともに、塩分濃度も高いことから、有効利用時にはその安定化と塩分濃度の低下が必要不可欠の課題となってくる。
【０００３】
現在のところ、焼却灰中の重金属類を安定化する技術としては、例えば、薬剤による安定化法（非特許文献２）、炭酸ガスによる安定化法（非特許文献３）、水洗いによる安定化法（非特許文献４）などが挙げられる。
【０００４】
一方、欧米では、焼却灰を一旦ストックヤードに３ヶ月程度仮置し、雨、風などの天候ならびに大気中の二酸化炭素を利用して安定化させるいわゆるウェザリングによる方法が主流になっている。しかしながら、このウエザリング法は、焼却灰を完全に安定化させることはできない。またこのウエザリング法には、雨水等による浸出水等の処理を必要とする問題点がある。
【０００５】
炭酸法ならびにウェザリング法では、焼却灰中に含まれる重金属のうち、特に両性金属であるPbの溶出量は、時間の経過に伴って減少している。つまり、炭酸法ならびにウェザリング法では、Pbの特性通り、Pbは、中性ではその溶出量が抑制され、酸性ならびにアルカリ性では溶出している。図１に示すように、pHの増減(土壌のアルカリ化や酸性化)により、Pbの溶出量が増加してしまうことが分かる。
したがつて、このPbの溶出量の低下は、炭酸法ではpHの中性化による安定化と考えられ、またウェザリング法ではpHの中性化、およびCl-との結合により PbCl2、CrCl2、BCl3が生成する（非特許文献５）などして安定化すると考えられる。このようにウェザリング法と炭酸法は効果的な安定化技術であるといえるが、焼却灰は高い緩衝能を示し、中性化した焼却灰がその後アルカリ化することも懸念されるため、pHの変化に伴う溶出抑制だけでは安定化技術としては不安定である。さらに、ウェザリング法は、浸出水の処理が必要となる。
【０００６】
また、焼却灰からの浸出水等には、重金属類や塩分が含まれているので、浸出水をそのまま排水することはできない。かかる浸出水を排水するためには、重金属類や塩分を除去したり、低減させる必要がある。浸出水中の重金属類や塩分を除去・低減させる方法としては、例えば、沈殿ならびに吸着処理方法（特許文献１）、水散布方法（特許文献２）、中和処理方法（特許文献３）などが使用できる。
【０００７】
また、焼却灰を紫外線で処理する方法も知られていて、例えば、飛灰等に含まれる難分解清物質を紫外線で処理して酸化分解する方法（特許文献４、５）、焼却灰などの含む汚染水をオゾンを放出して紫外線で処理する方法（特許文献６）廃液中の有機塩素化合物を紫外線で分解する方法（特許文献７）などが使用できる。
【０００８】
上記したように、焼却灰の安定化には、光の持つエネルギーも影響を及ぼすものと考えられ、あらゆる光の中でも紫外線の波長が光触媒作用に有効であることが分かっている。光触媒で多く用いられている酸化チタンでは、電子を励起させるためのバンドギャップエネルギーが３．２ｅＶ必要で、紫外線の波長から換算されるエネルギーがこのバンドギャップエネルギーに当てはまる。焼却灰中には、酸化チタンと同等のバンドギャップエネルギーを必要とする重金属が含まれているところから、紫外線を用いた光触媒反応が焼却灰でも起こると考えられる。これらの影響から、紫外線及び太陽光に含まれる赤外線に着目し、光の波動エネルギーを用いた重金属類の安定化技術の有効性を検討する。
【０００９】
紫外線照射による焼却灰処理方法の他に、赤外線で焼却灰を処理する方法も知られていて、例えば、焼却灰を赤外線で処理してダイオキシン等の有害物質を分解する方法（特許文献８、９）などが提案されている。しかし、赤外線照射により、焼却灰の塩分濃度を低減することができるとの報告はない。
【００１０】
上記したような焼却灰や排水等を紫外線または赤外線で処理する先行技術はいずれも、この発明とは異なり、重金属等や塩分を除去したり、低減させる目的で紫外線または赤外線を照射して焼却灰や排水等を処理しているものではない。
【非特許文献１】環境省ホームページ http://www.env.go.jp/recycle/waste_tech/ippan/h16/index.html
【非特許文献２】山本ら：第１１回廃棄物学会研究発表会講演論文集、pp. 892-894, 2000
【非特許文献３】清野ら：第１０回廃棄物学会研究発表会講演論文集、pp. 497-499, 1999
【非特許文献４】上田ら：第１５回廃棄物学会研究発表会講演論文集、pp. 1078-1080, 2004
【非特許文献５】中原ら：第１１回廃棄物学会研究発表会講演論文集、pp. 895-897, 2000
【特許文献１】特開２００２−２８２８７５号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４５０７号公報
【特許文献３】特開平１１−１５６３７０号公報
【特許文献４】特開２００３−１９０９０８号公報
【特許文献５】特開２００３−１８３５１４号公報
【特許文献６】特開２００３−１３６０７８号公報
【特許文献７】特開２００２−２８２８７５号公報
【特許文献８】特開平１１−３１４０７３号公報
【特許文献９】特開２００５−５８９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
光の波動エネルギーを用いた重金属類の安定化技術の有効性を検討した結果、本発明者らは、光エネルギーのうち紫外線焼却灰に一定期間照射することにより焼却灰中に存在する重金属類濃度を低下させること、ならびに赤外線を一定期間照射することにより焼却灰の塩分濃度を低下させて、焼却灰を安定化することができることを見出して、この発明を完成するに至った。
【００１２】
そこで、この発明は、紫外線を焼却灰に一定期間照射して焼却灰中に存在する重金属類の低下により焼却灰を安定化させることからなる焼却灰安定化方法を提供することを目的としている。
【００１３】
また、この発明の別の目的は、赤外線を焼却灰に一定期間照射することにより、焼却灰中の塩分濃度を低下させることにより焼却灰を安定化させることからなる焼却灰安定化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、この発明は、紫外線を焼却灰に一定期間照射することにより、焼却灰中に存在する重金属類の濃度を低下させることにより焼却灰を安定化させることからなる焼却灰安定化方法を提供する。
【００１５】
この発明のより好ましい態様においては、紫外線を焼却灰に一定期間照射することにより、焼却灰中に存在する重金属類、特に鉛（Ｐｂ）、クロムならびにカドミウムを安定化させることからなる焼却灰安定化方法が提供される。
【００１６】
また、この発明は、赤外線を一定期間照射することにより焼却灰中の塩分濃度を低下させて焼却灰を安定化させることからなる焼却灰安定化方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の紫外線照射法は、養生に伴う副産物等の発生もなく、pHに関係なく特に鉛の溶出量を低下させるという効果を有している。また、この発明は、鉛だけでなくその他の重金属、例えばクロムやカドミウムなども安定化できることを示している。
また、この発明の別の態様である赤外線照射法は、焼却灰の塩分濃度を低下させるという効果も有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明に係る紫外線照射法では、両性金属であるPbの溶出量は、炭酸法やウェザリング法と同様に、時間の経過に伴って減少している。pHならびに塩分濃度の下がっていない紫外線照射法でPb溶出量が減少しているのは、光エネルギーにより光触媒作用などの何らかの影響が起こり、またPbのイオン化エネルギーが小さいためにヒドロキシラジカルとの結合が促進されたためと考えられる。しかし、紫外線照射法では養生に伴う副産物等の発生もなく、pHに関係なく溶出量を低下させることが分かった。
【００１９】
図２で示すように、紫外線を照射した場合、pH12でもPbの溶出が抑制されていることが分かる。図示するように、Pbは酸性側では溶出されているが、焼却灰はアルカリ分を多く含んでいるところから、また焼却灰は高い緩衝能を有していることから、pHが酸性になることは考えにくい。そのため、アルカリ側で溶出抑制効果が認められたことにより、紫外線には焼却灰を安定化させる効果があると言える。Pbだけでなくその他の重金属、例えばクロムやカドミウムなどに関しても同様の安定化効果があることが認められた。
【００２０】
この発明に使用することができる紫外線は、波長が352 nm (UVA) 程度であって、エネルギーが3.52 eV 程度であればよい。また、赤外線は、波長が600〜780 nmで、エネルギーが1.59〜2.07 eV 程度であればよい。いずれにしても、紫外線は、その波長とエネルギーが焼却灰中の重金属類の溶出を抑制する程度であるならば特に限定されるものではなく、また赤外線にしても、その波長とエネルギーが焼却灰中の塩分濃度を低下することができるのであれば特に限定されるものではない。
【００２１】
以下に、この発明を実施例により更に詳細に説明するが、この発明は下記実施例で一切限定されるものではなく、また下記実施例はこの発明を一切限定する意図で記載されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
試料採取時の重金属類の溶出量について下記のようにして調べた。
（紫外線・赤外線照射装置）
図１は本実施例１で用いた紫外線・赤外線照射装置を示す概略図です。この装置で使用した紫外線は波長が352 nm (UVA)、赤外線は波長が600〜780 nm で、エネルギーは紫外線が3.52 eV、赤外線が1.59〜2.07 eV であった。焼却灰はA市焼却処理施設より発生した一般廃棄物を使用した。本実施例では。紫外線・赤外線による養生は、紫外線・赤外線を密閉暗室状態において焼却灰の一方向から照射距離2 cm と10 cm の2パターンで照射し、養生期間56日で行った。
いずれの養生においても、所定の時間経過後に、装置から一定量のサンプリングを行い、前処理を行った後、ICP発光分析装置を用いて重金属類の溶出量の計測を行った。溶出試験方法は環境告示46号法を用いた。その結果を表１に示す。
【００２３】
（参考例１：ウェザリング装置）
比較のため屋外に焼却灰を放置するウェザリング法による養生を行った。図２は、ヨーロッパで行われている養生に使用されている模擬したウェザリング装置である。ウェザリング法では装置を野外に５６日間静置して、重金属類の溶出量などについて計測した。この養生においても、所定の時間経過後に各装置から一定量のサンプリングをそれぞれ行い、前処理を行った後、ICP発光分析装置を用いて重金属類の溶出量の計測を行った。溶出試験方法は上記と同様に環境告示46号法を用いた。
【００２４】
（参考例２：炭酸養生装置）
図３は、炭酸化による安定化に使用する炭酸養生装置を模擬したものである。一定期間炭酸ガスを透過させる炭酸法による養生を行った。
この炭酸法は、装置を換気の行える所で図に示した養生箱内に炭酸ガスを最初の4分間は20 ml/min、その後は4 ml/minで通して養生期間24時間で行った。いずれの養生においても所定の時間経過後に各装置から一定量のサンプリングをそれぞれ行い、前処理を行った後、ICP発光分析装置を用いて重金属類の溶出量の計測を行った。溶出試験方法は同様に環境告示46号法を用いた。
【００２５】
表１には、採取時の含有量及び溶出量の他に、ウェザリング法による養生時の浸出水に溶出した重金属の浸出量をも示す。
【００２６】
【表１】
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【実施例２】
【００２７】
この発明による紫外線・赤外線法と、従来法であるウェザリング法および炭酸法による安定化技術の違いによる含水比、塩分濃度、pHについて分析した。
表２〜６は、各養生法における試料サンプリング時に計測された含水比、塩分濃度およびpHの結果を示す。
このうち、pHに関しては、紫外線・赤外線法ではpH12付近で変化はなく高アルカリのままである。これに対して、ウェザリング法および炭酸法では、日数の増加に伴い徐々に減少し中性化されている。また、塩分濃度に関しては、赤外線照射法ではわずかではあるが、減少傾向にあることが分かる。これらに対して、ウェザリング法は、降雨により減っているが、炭酸法および紫外線照射法ではほとんど減少効果は見られなかった。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
【表３】
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【００３０】
【表４】
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【００３１】
【表５】
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【００３２】
【表６】
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【実施例３】
【００３３】
この発明の紫外線／赤外線照射法、ウェザリング法ならびに炭酸化法によって、土壌環境基準の定められている重金属類である、例えば、クロム (Cr)、ホウ素 (B) および鉛 (Pb) の溶出量について調べた。その結果を図４に示す。図４(a)にはクロム (Cr)、図４(b)にはホウ素 (B) ならびに図４(c)には鉛 (Pb) の溶出量を示している。なお、Cdは、いずれの安定化技術についても溶出量が定量下限値以下だったため記載していない。
これらの結果、図４に示すように、両性金属であるPb溶出量については、紫外線法を始め、炭酸化法ならびにウェザリング法でも、時間の経過に伴って減少していることが分かった。このPb溶出量の低下は、炭酸法ではpHの中性化による安定化と考えられ、またウェザリング法ではpHの中性化ならびにCl-との結合により PbCl2、CrCl2ならびにBCl3が生成するなどして安定化すると考えられる。
これらの結果から、紫外線照射法では、pHや塩分濃度の低下は認められなかったが、Pb溶出量が低下しているのは、光エネルギーにより光触媒作用などの何らかの影響が起こり、またPbのイオン化エネルギーが小さいためにヒドロキシラジカルとの結合が促進されたためと考えられる。
【実施例４】
【００３４】
pH依存性試験における影響
焼却灰を各養生法によってpH 4、pH 7および pH 12で56日間養生してpH依存性試験を行った。その結果を図５〜７に各養生のpH依存性試験結果を示す。
その結果、特に両性金属であるPbに着目してみると、ウェザリング法および炭酸法では、Pbの特性通り中性ではその溶出量は抑制され、酸性およびアルカリ性では溶出していることが分かった。つまり、ウェザリングおよび炭酸法でのPbの溶出抑制は、pHの中性化によるものと考えられる。そのため、図に示すようにpHの増減（つまり、土壌のアルカリ化や酸性化）により、Pbの溶出量が増加することが分かった。焼却灰は、高い緩衝能を示し、一旦中性化した焼却灰でもその後アルカリ化することも懸念されるため、pHの変化に伴う溶出抑制だけでは安定化技術として不安定であるといえる。しかしながら、紫外線法では、pH12でもPb溶出が抑制されていることが分かった。なお、酸性側ではPbが溶出されているが、焼却灰はアルカリ分を多く含んでおり、また焼却灰の高い緩衝能により酸性になることは考えにくいから、アルカリ側でPb溶出抑制効果がみられたことにより、紫外線には焼却灰を安定化させる効果があると言える。Pbだけでなく、その他の重金属に関しても同様のことが見て取れる。
【実施例５】
【００３５】
一般廃棄物焼却灰は発生時によって含まれるものが変わるため、焼却灰の採取時期によって含まれるPb濃度が異なると考えられる。したがって、17年度採取焼却灰と18年度採取焼却灰の採取時期の異なる焼却灰に対して紫外線養生によるPb溶出量の影響について検討を行った。その結果、図８ならびに表２および表３から分かるように、焼却灰の有する緩衝能によりpHは高アルカリを維持しているにもかかわらず、Pb溶出量は平成17年度ならびに平成18年度共に減少傾向を示している。養生開始のPb溶出量と、養生終了時のPb溶出量とは両年でほとんど差もなく同様に減少しているため、実験結果より光エネルギーは焼却灰の発生時期及び採取時期によらず、重金属の安定化に有効であることを示していると考えられる。
【実施例６】
【００３６】
本実施例では、紫外線の照射距離によるPb溶出量の影響について調べた。紫外線の照射距離を2 cmならびに10 cmの2パターンで実験を行いPbの溶出量を測定したが、図９、１０に示すように、その実験結果より照射距離によらず、Pb溶出量は低下していることが分かった。Pb溶出抑制の時間は異なったものの、減少傾向は同様に示し、光触媒反応では照射距離は関係がないことが分かった。なお、使用した紫外線はエネルギーが3.52eVでZnOのバンドギャップエネルギーに近いため、光触媒反応などの光エネルギーによる何らかの影響が起こったものと考えられる。
【実施例７】
【００３７】
本実施例では、照射条件の違いによるPb溶出量に対する影響について調べた。照射する光を紫外線と赤外線の２つの波長(エネルギー)で条件を変えて実験を行った。その結果を図１１に示す。
照射条件は、総養生56日間で行い、56日間紫外線・赤外線をそれぞれ当て続けたものと、28日養生後に紫外線から赤外線に、また反対に赤外線から紫外線にエネルギーを変えたものの４つの実験パターンで実験を行った。図１１からも分かるように、紫外線を照射した日からPb溶出抑制効果が表れている。
他方、赤外線を照射している焼却灰では、Pb溶出抑制ができておらず、28日間紫外線を照射した後、赤外線の照射を始めたところ、その時点でPb溶出抑制効果が止まっている。このことより、紫外線によって光エネルギーによる何らかの影響は起こっているが、赤外線では紫外線と同様の影響は起こらず、紫外線を照射した焼却灰でのみ溶出抑制効果が得られていることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明によれば、各養生において、全クロム（T-Cr）とホウ素（B）では、土壌環境基準値以下の溶出量を示しているものが多いが、鉛（Pb）は土壌環境基準値を大きく上回っていることが明らかになった。光エネルギーを用いた紫外線照射法による安定化方法では、（１）焼却灰の採取時期・照射距離の違いに左右されない。（２）pHの中性化による溶出抑制ではない。（３）照射条件としては紫外線のみで安定化する。以上より紫外線照射によって、副次的な作業を必要とせず、Pbの溶出量を低下させ安定化を促進できると考えられる。
一方、ウェザリング法と炭酸法は効果的な安定化技術であるが、焼却灰の有する緩衝能により土壌のpHが変化した場合の溶出が懸念されるとともに、さらにウェザリング法は浸出水の処理が必要となる。このように状況の変化に伴い、溶出量の増減が起こることが分かった。しかし、この発明に係る紫外線照射法は養生に伴う副産物等の発生もなく、またpHに関係なく特にPbの溶出量を低下させることが分かった。さらに、赤外線の照射によって、焼却灰中の塩分濃度を低下させる効果も分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】紫外線・赤外線照射装置を示す概略図（実施例１）。
【図２】ウェザリング装置を示す概略図（参考例１）。
【図３】炭酸養生装置を示す概略図（参考例２）。
【図４】（ａ）全クロム (T-Cr) の溶出量、（ｂ）ホウ素 (B) の溶出量６および（ｃ）鉛 (Pb) の溶出量をそれぞれ示すグラフ。
【図５】紫外線照射56日pH依存性試験結果を示すグラフ。
【図６】ウェザリング56日間pH依存性試験結果を示すグラフ。
【図７】炭酸化pH依存性試験結果を示すグラフ。
【図８】採取時期の違いによる影響を示すグラフ。
【図９】照射距離の違いによる影響を示すグラフ。
【図１０】照射距離の違いによる影響（28日以降拡大）を示すグラフ。
【図１１】照射条件の違いによる影響を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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