平成28年9月28日 和歌山大学

第27回廃棄物資源循環学会研究発表会特別セッション2
海面最終処分場の課題と役割― フェニックス事業を題材として―最終処分場における物質変換と安定化について
北海道大学大学院 東條安匡

１．物質循環における最終処分場の役割を考える
２．有機物、有機化学物質
３．無機物、重金属類

必要な物質変換・安定化

海面処分場を対象に
1

物質の循環と最終処分場
利用
廃棄INPUTOUTPUT

製造・加工・成形

蓄積
資源の採取

廃棄物処理

人類圏の物質循環

無秩序な、管理されない放出埋立地

物質の自然への還元

2

物質を自然に返還することは不可欠
廃棄物処理が自然への物質の返還過程であるとすれば、
 何を、
 何処に、
 どのような方法で、どの位の時間をかけて還して行くか
Brunner: 物質には長期間安定に存在し続ける最も適切な場所が存在、それをSafe final sinkとする概念

引用元：Paul H. Brunner: Clean Cycles and Safe Final Sinks, 20113Final Sink へ至る物質の流れ
有機物、有害有機化合物

廃棄物

気圏

熱処理
排ガス

人間活動循環 焼却残渣
物質の採掘等

蓄積

塩類等
水圏

浸出水
沈着
処分場

廃棄物

蓄積
金属類

Temporary sinks

土圏浸出水

Safe (final) sinks

U. Kral and P. H. Brunner: The incorporation of the “final sinks” concept into a metric for sustainable resource management, ICFS 2013.

廃棄物処理施設は各Sinkへと物質を振り向ける中継施設

4

海面処分場を前提に・・有機物Sinkか？

海面処分場は有機物のSinkか？
あるいは、Safe final sinkへ有機物の構成元素（炭素、窒素、水素、酸素等）を振り向ける適切な施設か？
有機物の分解過程を元に考えてみる。

Safe final sink5

埋立地内での有機物の分解過程（嫌気性）
難分解性有機物

易分解性有機物

セルロース・リグニンなど

炭水化物，脂肪，蛋白質など

加水分解

硫酸イオン

溶存態有機物

硫酸塩還元*3

硫化水素酸発酵

浸出水中のBOD*1

揮発性有機酸・アルコールなど
*3

酢酸生成
CO2H2

酢酸

*1

*1

浸出水中のBODの系外放出がなければ、有機物がガス化していく反応（産物：CO2, H2, CH4, N2, NH3, H2S等）
気圏へ構成元素を返還する過程

メタン生成
CH46

数値計算による分解過程の再現
I. 好気相II. 酸発酵相
III. メタン発酵相 III. メタン発酵相
V. 安定化相100

易分解性有機物酸発酵菌

メタン菌

難分解性有機物

最終収支
固相残存：1%
ガス放出：83%
流出：16%

嫌気性菌

0.01

メタン菌Ⅱ
0.0001

全NH3×20、硝酸×200

酢酸[mol/L]

pH1

ガス組成[%]

有機物、菌体[kg/m3]

pH

15105CH480

N2CO260402000.80.6
0.40.200.0001

O2H2

嫌気性条件下では、有機物の分解は極め
Total NH3 て長期間を有する。

CH3COOH

Nitrate ion

0.001

0.010.1

110 年

1001000

7

嫌気性埋立地（封じ込め埋立地）の安定化に要する期間の予測
Parameter

COD
TKN
ClCE
排水基準
[mg/L]

C0
初期濃度[mg/L]

CE-Germany = 200 mg/l
Average
CE-Germany = 70 mg/l
Average
CE-Germany = 100 mg/l
Average

500 – 12,700
3,000
200 – 2,100
900
340 – 2,950
1,200

T1/2
TE
Half-Life CEに達す
半減期る時間[year][year]
10 - 40
80 - 360
2814015 - 57 120 - 450
4322015 - 43
90 - 25033140(K. U. Heyer, K. Hupe and R. Stegmann, Proceedings Sardinia 2005.)

 極めて長期間（300年程度）の管理を要するEUは埋立指令(1999)で生物分解性有機物の埋立量削減を目標化。管理の長期化は次世代の負担
 プラスチック等、生物非分解性有機物は、紫外線、酸化等が主要な分解機構
埋立地内では、半永久的に残存する。（Safe Final Sinkに戻せない）
海面処分場は嫌気的雰囲気に曝されることが不可避有機物の埋め立ては回避されるべきである。

8

海面処分場を前提に・・無機物
金属含有量＝

各金属埋立量（ｔ/年）＝

Σ（各搬入物金属濃度×各搬入物量）

全埋立量（ｔ/年）
1000000

1000000

各金属埋立量/全埋立量 [g/t]全埋立量（ｔ/年）

一廃処分場

100000

産廃処分場
100000

10000

10000

1000

1000

100

100

1010

Landfill-A
Landfill-B
Landfill-C
Clarke number

10.10.01

CaAlFeMg Zn Cu Cr Cd Se
Na K Mn Pb Sb As

土壌とは異質FSに戻す必要

Type-2
1Type-10.10.01

Clarke numberCaAlFeMg Zn Cu Cr Cd Se
Na K Mn Pb Sb As

地殻の主要構成元素：Ca, Al, Fe等 処分場の濃度も同レベル
これらの金属元素は、処分場自体がSafe final sinkと見なせる。

9埋立地から重金属は出てくるのか？
埋立地の物質収支の検討例
ガスとして放出
有機炭素

塩素

銅
鉛

22.2%
12.0%
15.3%
0.5%
0.0%
－0.0%
－－－－

1)Baccini et al. (1987)
2)Huber et al. (2004)
3)Micales et al. (1997)4)Øygard et al. (2005)

浸出水として放出
0.3%1.0%
－
4.9%
3.6%
80.0%
0.0%
－
1.7%
－
0.1%

層内残存

文献

77.5%
87.0%
84.7%
94.6%
96.4%
20.0%
100.0%
99.0%
98.3%
99.0%
99.0%

1)
2)
3)
1)
2)
4)
1)
2)
5)
2)
4)

：Data obtained by four real landfill, mass balance after 10 years：Mass balance of experimental landfill; 15 years.
：Estimated from the amount of carbon convertible to gas
contained in wood and paper of waste.
：Calculated from original content in waste and concentration inleachate during 2 years of investigation.

重金属類は99%が層内に残存するという結果埋立地内で重金属類の移動性は低下している（難溶性態化）

10埋立地内での重金属類の難溶性態化
重金属金属固体
表面硫化

可溶性塩
水酸化物沈殿

難溶性塩
灰からのアルカリ分溶出

炭酸塩沈殿
pH低下
硫酸塩還元（SRB）

溶解硫化物沈殿

溶解度 小田中信寿：環境安全な廃棄物埋立処分場の建設と管理、技報堂出版、(2000).

嫌気性条件下（還元雰囲気下）では、硫化物沈殿を形成して難溶性態化
11海面処分場でのCdの挙動（土手ら）
ある時期を境に急激な濃度減少

焼却灰

Cd, Cl, IC, Sを考慮した系によりこの減少がCdSの形成によるものと説明

海水

土手裕，田中信寿，神山桂一：模擬埋立実験による廃棄物埋立層内におけるカドミウムの化学的挙動に関する研究，衛生工学研究論文集, 第25巻, pp.21-27, (1989).

12重金属類の難溶性態化（風化）
灰の変質（風化）が重金属の挙動に与える影響
Meima, J.A., Comans, R.N.J., 1997. Geochemical modeling of weathering reactions in municipal solid waste
incinerator bottom ash. Environmental Science and Technology, 31, 1997, 1269–1276.

風化（Weathering）は，焼却灰からの有害重金属の溶出に大きな影響を及ぼす．
一般に，風化によりPb，Zn，Moの溶出は低下する．この低下は，(a)pHの中性化，そして(b)新たに生成する安定な鉱物への収着によるものである．
A. Saffarzadeh, T. Shimaoka, Y. Wei, K. H. Gardner, C. N. Musselman: Impacts of natural weathering on thetransformation/neoformation processes in landfilled MSWI bottom ash: a geoenvironmental perspective, Wastemanagement, 31(12), 2440-2454, (2011).

The newly-formed amorphous products (particularly Fe- and Al-hydrates) provide
adequate sites to facilitate the sorption of heavy metals of environmental
significance such as Pb, Cu, Ni, Zn, and Cr onto their surfaces.
新たに形成される非晶質相（特に、Fe-もしくはAl-水酸化物）は、重金属（Pb, Cu,Ni, Zn, Cr)を収着する多量のサイトを提供している
T. Sabbas, A. Polettini, R. Pomi, T. Astrup, O. Hjelmar, P. Mostbauer, G. Cappai, G. Magel, S. Salhofer, C. Speiser, S. Heuss-Assbichler,R. Klein, P. Lechner, Management of municipal solid waste incineration residues, Waste Management, 23, (2003), 61–88.

Weathering ； 加水分解、水和、溶解・沈殿、炭酸塩化、有機・無機錯体、表面錯体、表面共沈殿、収着、physical changes；空隙のセメンテーション、粒径や空隙径分布の変化

海面処分場内での風化変質の研究は無い：今後の重要な研究課題

13海面処分場：物質の自然への返還？
有機物の埋立
廃棄物の多くは水面下：嫌気的雰囲気（還元雰囲気）
自然への返還は可能、但し分解は長期化：維持管理期間の長期化
有機物の自然への変換手段として適正でない
無機物の埋立地殻に豊富に存在する元素：埋立地自体がSafe final sink
有害重金属類：
廃棄物の多くは水面下：嫌気的雰囲気（還元雰囲気）→硫化物として難溶性態化する可能性大、風化変質は知見少ない
永久的に水面下（嫌気的雰囲気）を維持＝長期間な安定を期待
Final sinkの概念に基づけば、重金属類の最終的な到達地点は地圏”Final Sink may consist of an underground salt mine, an ocean sedimentor a place on the globe where sedimentation processes prevail erosionprocesses.” (P. H. Brunner and U. Kral, 2010)
海面処分場に極めて近い条件の底泥がSafe final sink

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御清聴ありがとうございました。

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