【投稿論文再掲】※本論文は日本コンクリート工学協会の許可を得てコンクリート工学年次論文集,Vol.28,No.1,pp107-112,2006 から転載しました

論文

岩手・青森県境不法投棄物を溶融したスラグの骨材としての特性
秀幸*1・藤原佐々木菅原龍江*4・白藤忠司*2・小山田裕久*4・八重樫

哲也*3・平野高広*4

貴宗*4

要旨：岩手・青森県境の不法投棄物の一部は，溶融処理でスラグ化されるが，不法投棄物の溶融例は少なく，得られたスラグの骨材としての特性を検討した例はほとんどない。本研究では，不法投棄物を３つの方式で溶融し，スラグの有害性と物性を明らかにした。その結果，スラグへの金属アルミニウムの残存，フッ素の溶出，密度の低い成分の含有等，通常の骨材では見られない問題が確認された。しかし，これらは適切な後処理や溶融条件の見直し等で改善でき，不法投棄物の溶融スラグを骨材として利用できる可能性は高いと考えられた。
キーワード：不法投棄物，溶融，スラグ，骨材，有害性，密度，モルタル膨張
溶融方式によって，骨材としてのスラグの品質

1. はじめに2

青森県田子町と岩手県二戸市に跨る 27 万m のが異なると推察される。本研究では，岩手県側土地に，87.6 万ｍ3と推定される産業廃棄物が不の不法投棄物を３つの溶融方式で処理し，得ら法投棄された。この不法投棄物を減容化およびれたスラグの骨材としての品質を比較検討する

無害化する方法として溶融処理が検討され，一ことで，スラグの有効利用に向けた基礎資料を部実施されている。溶融すればスラグが発生し，得ようとした。

その有効活用が，今後の重要な課題となる。
一般廃棄物を溶融したスラグの場合，コンク

2. 実験概要
2.1 対象とする不法投棄物

リート用骨材として利用できるとの報告が多く，その品質は，溶融方式によって異なることも明

ボーリング調査のコア等を用い，62 地点の廃1)

らかにされている 。一方，下水汚泥以外の産業棄物試料の，焼却および溶融の観点から必要な廃棄物に関しては，スラグを骨材として適用し諸特性を調べた。それらは，廃棄物の水分，焼ている例が少なく，不法投棄物ともなれば，香却時の低位発熱量と焼却によって発生する灰分2)

川県豊島の例があるに過ぎない 。

および溶融時の溶流点などである。得られた分

豊島のスラグの場合，土壌に含まれる花崗岩析結果から，平均的な特性を示す地点を選定し，がアルカリ骨材反応を引き起こしたり3) ，有害金そこの廃棄物を溶融試験試料とした。

属が基準を超過して溶出する可能性があると報2.2 溶融処理

告されている4)。岩手・青森県境不法投棄物につ焼却・溶融処理には，実機を用いることとし，いても，有害物が含まれ，隠蔽のため土が被せ方式の異なる３つの廃棄物処理施設を選定した。

られていることもあり，豊島と同様の問題が発表－１に，各施設が有する溶融炉の概要と溶融生する恐れを否定できない。さらには，本例特試験に供した不法投棄物の量を示す。

有の問題が発生する可能性もあり，スラグを骨Ａ社は，ストーカー式併用ロータリーキルン材として利用するには，十分な吟味を要する。

で焼却する。この際，質量で溶融試験試料の 1.5

一般廃棄物と同様に，不法投棄物の場合も，倍の廃プラスチックを助燃剤とし，燃焼温度は*1 岩手県環境保健研究センター

企画情報部

（正会員）

*2 岩手大学

工学部建設環境工学科教授

工博*3 岩手大学

工学部建設環境工学科助教

博士（工学）*4 岩手県工業技術センター

環境技術部

（正会員）
（正会員）

2.3 安全性評価

850℃以上を保持した。焼却によって発生する焼却灰（主灰）と，排ガス処理過程で得られる飛溶融試験試料とその焼却灰および溶融スラグ灰を混合して，回転式表面溶融炉で溶融した。

について，環境庁告示第 46 号に基づいた溶出試溶融助剤として石灰石（CaCO3）を混合しており，験および第 19 号に基づいた含有試験を行い，土混合比は焼却灰:飛灰:石灰石=65:25:10 とした。

壌環境基準および土壌含有基準と比較して，安Ｂ社は，廃棄物を直接ガス化して溶融するシ全性を評価した。また，ダイオキシン類の含有ャフト式ガス化溶融方式である。一般廃棄物に量については，ダイオキシン類に係る土壌調査

質量で 10％の溶融試験試料を混合して溶融した。

測定マニュアル（環境省平成 12 年）に基づいて溶融助剤として石灰石を加えており，混合比は測定を行い評価した。

焼却対象物:石灰石=96:4 である。

2.4 骨材の物性

Ｃ社では，Ａ社の焼却施設で発生した主灰を，一般のコンクリート用骨材と同様の物性試験

抵抗式電気溶融炉で溶融した。溶融助剤としてを行い，溶融スラグの骨材としての品質を確認

ホタテ貝殻（CaCO3）とドロマイト（CaMg(CO3)2）した。現状では，産業廃棄物を溶融処理したスを添加した。混合比は焼却灰:ホタテ貝殻:ドロマ

ラグのコンクリート用骨材としての規格はない。

イト=76:13:11 とした。

そこで，コンクリート用砕砂の日本工業規格（JISＡ社およびＢ社では，溶融物を水冷するため，A 5005）および「一般廃棄物，下水汚泥等の溶熱衝撃によってスラグが粉砕され，砂状のスラ融固化物を用いたコンクリート用細骨材の標準グとなる。Ａ社の場合，これを磨砕して，細骨情報(TR A 0016)」等と比較し，品質を判断した。

材としての利用を検討する。Ｂ社では，磨砕の加工を施していない。Ｃ社では，保温性の鋳型

3. 実験結果に流し込んで徐冷させるため，塊状のスラグが3.1 不法投棄物の分析得られる。破砕およびふるい分けによって，寸岩手県側 62 地点の不法投棄物および溶融試験

法上は粗骨材にも細骨材にもなる。

試料の分析結果を表－２に示す。項目は，すべて焼却あるいは溶融特性に関わる。

なお，ここでは詳述しないが，焼却および溶融時の排ガス測定を行っており，いずれの施設

各項目とも，最大値と最小値は，平均値からでも，規制値を超える有害ガスは発生せず，安大きくかけ離れ，場所によって，焼却・溶融特全に焼却・溶融処理できることを確認している。

性が著しく異なった。総体的に，水分が多く，

表－１
社名

溶融方式

処理能力

熱源

Ａ社

表面溶融18t/日

重油

Ｂ社

シャフト式
直接ガス化溶融

Ｃ社

電気抵抗

試料

溶融炉の概要

溶融温度
対象物(℃)
主灰
1300～1400
飛灰

助剤

細骨材

磨砕

19.5

石灰石

水冷

細骨材

なし

4.4

ホタテ貝殻
ドロマイト

徐冷

粗骨材
破砕
細骨材 ふるい分け

電気表－２

不法投棄物および溶融試験試料の分析結果

水分 灰分 可燃分 低位発熱量 溶流点（％) （％) （％) (kJ/kg) ※1 (℃) ※2
46.0
80.9
13.7
34.6

13.9
38.1
0.0
16.0

1315
14142
-1349
799

1299
>1700
11581302

溶融試験用
廃棄物量(t)

水冷

50t/日

ボーリング 平均値 40.2
コア
最大値 57.9(試料数62) 最小値 16.949.4
溶融試験試料加工方法

石灰石

50t/日 コークス 1700～1800 廃棄物
1400～1500 主灰冷却方式 用途

SiO240.27
60.45
0.1440.05

CaO8.7242.22
0.1210.27

灰分中の成分（％)
Al2O3 Fe2O3 P2O5
18.41 10.99
1.36
72.80 32.26 20.77
1.83
0.21
0.00
17.63 13.32
1.79

57.2

Na2O MgO
0.34
2.17
2.35 14.07
0.00
0.29
0.942.42※1 焼却における熱効率計算に使われる発熱量で、熱量計で測定される発熱量から，水蒸気分の蒸発熱を引いた発熱量※2 ISO 540に定められた灰の溶融特性を表す温度で灰が溶けて流動する温度をいう

低位発熱量は低いため，焼却しにくく，多くのかであると考えられる。これに対し，蒸発温度場合，焼却には補助燃料が必要になると考えらの高いフッ素とホウ素は，スラグ中に比較的多れる。また，灰分が多く，両県の不法投棄物のく含まれる6)。

全てを溶融すると仮定すると，40 万トンものススラグの場合，基準値を超えるのは，溶出試ラグが発生すると推定される。溶流点はおしな

験におけるＣ社のフッ素のみであり，これを除べて高く，溶融にも助剤が必要となる。

けば，スラグとすることにより，無害化を図れ

溶融試験試料は，全試料の平均値に比べて，水分が若干多く，灰分が少なくなっているが，溶融処理で重要な溶流点は平均値にほぼ等しく，るといえる。Ｃ社のスラグについてはフッ素の溶出を抑制する何らかの対応を要する。
ダイオキシン類の含有量を表－４に示す。溶

化学成分も平均値に近い。

融試験試料およびその焼却灰には，600pg-TEQ/g

3.2 安全性評価

ほどのダイオキシン類が含まれているが，スラ溶融試験試料とその焼却灰および溶融スラググ中にはほとんど存在せず，溶融処理がダイオの溶出試験と含有試験の結果を表－３に示す。

キシンの分解に有効であることが確認された。

以降，基準を超過した項目は網掛け表示とした。

3.3 骨材の物性溶出試験では，溶融試験試料から，基準を超骨材試験結果を表－５に，細骨材の粒度曲線過するフッ素やホウ素の溶出が認められ，焼却を図－１に示す。粒度分布に関しては，急冷ス灰でも同様な結果となった。含有試験の場合，ラグであるＡ社とＢ社の細骨材が粗めとなって溶融試験試料では，鉛とフッ素が，焼却灰では，いる。コンクリート用細骨材として用いる場合，フッ素が基準値を超えた。溶融試験試料は有害他の細骨材との混合使用が想定され，その際に物と判定され，これを焼却しても，安全性にはは，細かめの細骨材と組み合わせる必要がある。

問題が残る。

Ｃ社の細骨材には，中間粒度が少なく，組み合溶融スラグに着目すれば，カドミウム，ヒ素わせの際の留意点となる。

および鉛などの溶出量や含有量は，溶融試験試

JIS 規格および TR 標準情報で基準が設けられ料や焼却灰に比べ，おしなべて小さな値となっている密度や吸水率などの項目に関しては，ほた。これらは，溶融温度以下で蒸発し5)，飛灰へとんど問題が見られないが，中には，基準を外と移行するため，スラグ中に残留する量はわず
表－３試料
溶融試験試料
焼却灰
溶出試験 Ａ社スラグ(mg/l)
Ｂ社スラグ
Ｃ社スラグ
環境基準値
溶融試験試料
焼却灰
含有試験 Ａ社スラグ(mg/kg)
Ｂ社スラグ
Ｃ社スラグ
含有基準値

溶融試験試料，焼却灰およびスラグの溶出・含有試験結果
Cd
0.005<0.005<0.005<0.005<0.005
≦0.01
3.3
<0.1
<0.1
<0.1
0.16
≦150

Cr6+
<0.02
<0.02
<0.02
<0.02<0.02
≦0.05
<0.7
<0.7
<0.7<0.7<0.7≦250As
0.007<0.005<0.005<0.005<0.005
≦0.01
1.4
1.2
<0.1
<0.1
<0.1
≦150

T-Hg
<0.0005<0.0005<0.0005<0.0005<0.0005≦0.0005
<0.1
<0.2
<0.2
<0.2
<0.2
≦15

Se
<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002
≦0.01
0.10
<0.1
<0.1
<0.1
0.11
≦150

Pb
<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005
≦0.01
460
1.5
6.9
<51.5
≦150

F
5.6
1.5
0.04
0.15
1.1
≦0.8
13000
7000
1400
430
1100
≦4000

表－４ 溶融試験試料，焼却灰およびスラグのダイオキシン類含有量
溶融試験試料 焼却灰 Ａ社スラグ Ｂ社スラグ Ｃ社スラグ 含有基準値(pg-TEQ/g)
590
640
620.4522
≦1000

B
3.8
1.6
0.15
<0.1<0.1≦112083350
350770≦4000

表－５

溶融スラグの骨材試験結果

C社スラグJISA社
B社
スラグ
スラグ 細骨材 粗骨材 A5005等
2.76
2.77
2.94
2.92
表乾密度 (g/cm3)
32.75
2.70
2.68
2.89
≧2.5
絶乾密度 (g/cm )
粗粒率
3.22
3.12
3.28
7.48
吸水率 (％)
0.20
2.47
1.08
1.21
≦3.0
安定性 (％)
1.1
1.4
0.3
0.5
≦10
微粒分量 (％)
1.2
1.1
4.60.13≦7
単位容積質量（kg/l）
1.47
1.50
1.64
1.68
実積率 (％)
53566158
すりへり減量(％)
26≦4065
Rc (mmol/l)
7652
アルカリRc>Sc
シリカ反応
10
Sc (mmol/l)
25
330.0
1.80.0
密度1.95(g/cm )の液体に浮く粒子(％)
酸化カルシウム(CaOとして）(％)
28.61
28.20
30.92
全硫黄（Sとして）(％)
0.20
0.30
0.20
三酸化硫黄(SO3として）(％)
0.30
検出せず 検出せず
金属鉄(Feとして）(％)
0.53
0.32
0.32
塩化物量(NaClとして）(％)
0.29
検出せず 検出せず
モルタルの膨張率 (％)
4.4-1.6-1.0-れるものがあった。
ひとつは，Ｃ社の塩化物量である。Ａ社とＢ社の場合は，水砕処理工程で水に接するため塩化物は除去されるが，Ｃ社は徐冷方式であるため，水と接する工程がなく，飛灰に移行し切れなかった塩化物が残存していると推察される。
破砕したスラグを水洗処理すれば，塩化物をふるい通過質量（％）

試験項目低減できる可能性があると考え，簡単な処理を施してみたところ，塩化物量は 0.01％となり，基準の倍程度の膨張率を示す。この問題を解決しない限り，Ａ社のスラグは使用不可能となる。
基準はないものの，Ｂ社のスラグでは，密度1.95g/cm3の液体に浮く粒子の割合の大きいことが，懸念される。実用に供するためには，この

≦45
≦2.0
≦0.5
≦1.0
≦0.04
≦2.080
60
粒度範囲
Ａ社
Ｂ社
Ｃ社

40
20

00.15 0.3 0.6 1.2 2.55
ふるいの呼び寸法（ｍｍ）
図－１

フッ素の溶出率（％）

ふたつめは，Ａ社のモルタル膨張率であり，-100基準を満たした。実用上，この問題は，無理なく解決できるといえる。

TRA0016≧2.5≦3.0≦10≦7-

スラグ細骨材の粒度曲線

1.2

Ｃ社ｽﾗｸﾞ

1.00.80.60.410

溶融試験
試料
Ｂ社ｽﾗｸﾞ
焼却灰

0.2

Ａ社ｽﾗｸﾞ

0.0

図－２

フッ素の溶出率問題の解決も必要となる。
なお，アルカリシリカ反応はどのスラグも無3)害と判定されており，豊島のような懸念 はない。

超過するフッ素の溶出が認められた。水への溶け易さを比較するために，溶出量／含有量を水へのフッ素の溶出率とし，図－２に示した。溶

4. 問題点の解決方法

出率は，Ｃ社のスラグのみが，溶融試験試料を4.1 フッ素の溶出（Ｃ社）上回る高い値になっている。このことから，Ｃ

Ｃ社のスラグの溶出試験で，土壌環境基準を社のスラグは，フッ素が溶出しやすい形態であ1.2

これが溶出率の高さに関連している可能性があ1.0

る。そこで，電気炉を用いてＣ社のスラグを1400℃で再溶融し，冷却速度を変えて徐令する実験を行い，スラグのフッ素の溶出量を求める

121080.860.640.4とともに，結晶化度をＸ線回折装置で測定した。

0.2

結果を図－３に示す。

0.0200

溶出量は，冷却速度 3℃/min 付近を境に急激に減少している。3℃/min 以上の速度で冷却したス

4Ｂ社と異なり，徐冷方式のため結晶化している。

●溶出量▲総積分強度

総積分強度(Counts×10 )1.4溶出量(mg/l)

ると考えられる。Ｃ社のスラグは，Ａ社および

2

図－３

ラグのフッ素溶出量は，水冷スラグとほとんど

46810冷却速度（℃/min）

水冷
12スラグ冷却速度とフッ素溶出量および総積分強度の関係変わらず，3℃/min 以上の速度で冷却することで，フッ素の溶出を抑えることが可能となる。
5℃/min までの冷却では総積分強度は一定で，結晶化度は変わらない。10℃/min で冷却すると若干総積分強度が小さくなり，水冷スラグではガラス質となり，回折線は観測されない。
この実験結果により，Ｃ社のスラグの場合，フッ素の溶出を抑えて，かつ結晶が十分に成長

アルミ残存率(%)

結晶化度を，X 線回折の総積分強度で表した。

1008060402000

図－４246
溶融時間(hr)810

溶融時間とアルミニウム残存率

する最適な冷却条件は 3℃～5℃/min であると考えられ，実際の冷却でも，この点に留意すれば，フッ素溶出の問題は解決できると期待される。
1mm

4.2 モルタルの膨張（Ａ社）
TR A 0016 に基づいてモルタルの膨張試験を行ったところ，Ａ社のスラグが基準を超える膨張率を示した。

写真－１

金属アルミニウムによる発泡る。そこで，膨張しないスラグに対して 10wt%

写真－１は，試験後のモルタルである。表面の粒状金属アルミニウム 2g を加えて，電気炉中に発泡によると思われる孔が見受けられ，こので 1400℃まで加熱し，溶流点以上に保持された内部には，白色の物質が存在していた。分析の時間を溶融時間として，金属アルミニウムの残結果，その物質は，金属アルミニウムで，泡は存率の関係を調べた。結果を図－４に示す。

モルタル中の水酸化カルシウムと反応して発生した水素ガスによることが判明した。

溶融時間が長くなるほど，残存する金属アルミニウムが減少する。Ａ社の場合，溶融した試

溶融試験試料には，0.2％程の金属アルミニウ料が，自然落下して水砕処理されるため，溶融ムが含まれている。Ａ社のスラグにも，同じく時間が比較的短い。そのため，金属アルミニウ0.2％程の金属アルミニウムが含まれており，こムが残存することになる。他の溶融方式は，溶の溶融処理では，金属アルミニウムが十分に酸融時間を長くすることが可能であるが，Ａ社は化されず，そのまま残存する割合が高いと推察構造的に困難である。発泡は，金属アルミニウされた。酸化されていれば，発泡の恐れはない。

ムとセメント中のアルカリ成分の反応による。

酸化の程度には，溶融時間が関わると思われこの反応を，骨材としての使用前に済ませてお社のプラントに消石灰の水溶液をスラグに噴霧するシャワーを設け，アルカリ処理することにした。処理したスラグを用いたモルタルの膨張率は-0.33％になったため，アルカリで事前処理を行うことの有効性が確認された。

浮く粒子(％)

けば，発泡の懸念は消える。この考えのもと，A

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
04.3 低密度の粒子（Ｂ社）
Ｂ社のスラグには，密度 1.95 g/cm3の液体に浮図－５

く粒子が比較的多く含まれている。低減方法と

250
500
750
回転数(rpm)1000

クラッシャー回転数と密度 1.95(g/cm3)の液体に浮く粒子の関係して，ハンマークラッシャーによる破砕処理の効果を検討した。

生成されるスラグでも，骨材としての適用の可結果を図－５に示すが，回転数が高いほど，能性が高いと考えられる。ただし，実用化にあ衝撃による破砕効率が高いため，軽い粒子の割たっては，スラグを用いたコンクリートの特性合が減少しており，一定の効果が認められる。

把握が必要となる。不法投棄物の焼却・溶融特

軽い粒子が多かった原因としては，溶融処理の性は，場所によって大きく異なり，生成される際，溶融温度低下を懸念して通常よりコークススラグの品質も変動すると予想されることから，量を 30%多くしたことが考えられ，スラグ温度これへの対処も，今後の課題である。

が高くなって，窒素などの雰囲気ガスの一部がスラグ中へ巻き込まれたためと思われる。

参考文献
1) 北辻政文，藤居宏一：ごみ溶融スラグを細骨

5. まとめ岩手・青森県境の不法投棄物を３つの溶融炉でスラグ化し，骨材としての特性を明らかにし材として用いたいコンクリートの性質のコ，
農業土 木学会論文集，No.200，pp.59-67，
1999.4たところ，いずれの溶融方式にも，それぞれに

2) 香川県豊島廃棄物等処理技術検討委員会：豊特有の問題点が見受けられたため，その解決策

島廃棄物に対する処理技術の検討，廃棄物学を検討した。具体的には，以下のとおりである。

会誌，Vol. 12，No.2，pp.117-124，2001.3(1) 徐冷方式によってスラグを結晶化させる場

3) 阿部清一ほか：豊島廃棄物等の溶融特性～回合，フッ素の溶出量が基準を上回る。この問

転式表面溶融炉の処理特性～，第 15 回廃棄

題は，スラグの冷却速度を 3～5℃/min 程度

物学会研究発表会講演論文集，pp.1516-1518，に早めることで解決できる。

2004.11(2) 直接ガス化溶融炉の場合，コークス量によっ

4) 阿部清一ほか：豊島廃棄物等の溶融特性～副ては，スラグ中に吸水率が高く，密度の低い生物の再資源化～，第 15 回廃棄物学会研究粒子が混在するが，破砕処理によって低減は発表会講演論文集，pp.1522-1524，2004.11可能である。

5) Yu-Ming Kuo，Ta-Chang lin，Pergy-jy Tsai：(3) 滞留時間が短い溶融方式では，スラグ中に金Metal behavior during vitrification of incinerator

属アルミニウムが残存し，モルタルの膨張をash in a coke bed fournace，Journal of Hazardous

引き起こす恐れがある。この問題は，骨材使

Materials，B109，pp79-84，Feb.2004

用前に，アルカリ処理することで解決できる。
これらの問題が解決されれば，他の特性に問題はみられず，対象としたいずれの溶融方式で6) 内山武ほか：2 段羽口式溶融還元炉による難処理金属スラッジの資源化技術の開発，鉄と鋼，Vol.89，No.5，pp56-62，2003.5