（様式３）新潟大学災害・復興科学研究所
共同研究報告書

廃棄物を活用した酸性渓流水の中和処理とその中和生成物の安定性評価
研究代表者氏名
研究分担者氏名

斎藤 健志 1）
渡部 直喜 2）

1）埼玉大学大学院理工学研究科 2）新潟大学災害・復興科学研究所
研究要旨
本研究では、炭酸カルシウムなど天然の中和剤の代替として、廃棄物を中心とした低コスト資材（リサイクルコンクリート、鉄鋼スラグ、軽量気泡コンクリート、草木灰、牡蠣殻石灰）を活用し、酸性渓流水の中和処理性能と有害な重金属類（ヒ素と鉛）の除去性能を評価することを目的とした。特に、中和後の pH を各資材において、固液比を調整することで同程度にした。加えて、中和後の中和生成物について、逐次抽出法に基づくヒ素と鉛の安定性を予備的に評価した。その結果、中和処理性能、ヒ素と鉛の除去性能、そして、中和後の中和生成物におけるヒ素と鉛の安定性の観点からは、特に、鉄鋼スラグとリサイクルコンクリートに代替性が高いことが明らかになった。今後は、各資材を使用して中和した際のライフサイクルコストの評価などにも取り組む予定である。

Ａ．研究目的例も認められる。

日本列島には、酸性の温泉廃水や鉱山廃水など

この酸性渓流における中和処理では、天然資源が流入して形成される酸性渓流が、しばしば認めである炭酸カルシウムが使用されることが多く、られる。この酸性渓流水は、基本的には pH が低い

24 時間 365 日の中和処理が必要となるため、莫大傾向を示し、ヒ素や鉛をはじめとする有害な重金なコストと膨大な量の天然資源を要する。炭酸カ属類などが高濃度に検出されることも多く、周辺ルシウムなどの天然資源の代替として、アルカリ環境や、生態系および人間生活などへの影響が懸性を呈する廃棄物を中心とした低コスト資材を念されている。

活用できる可能性があり、昨年度（2019 年度）よ

その一例としては、砂防施設を含むコンクリーり、その研究に取り組んでいる。昨年度は、リサト構造物への影響である。砂防堰堤に代表されるイクルコンクリート、鉄鋼スラグ、軽量気泡コン

砂防施設は、流域における土砂災害の防止・軽減

クリート、石炭灰などを活用し、群馬県の草津温策として必要不可欠であるが、酸性渓流では、そ泉から採取した酸性の温泉廃水に対して、室内バの低い pH による劣化が想定され、実際に、劣化事

ッチ中和実験を行った。同時に、中和処理に伴う、例も認められている。砂防施設は、設置後 50 年以

ヒ素と鉛の除去性能についても評価した。その結上を経過しているものも多く、近年、その経年劣果、炭酸カルシウムと比較し、リサイクルコンク化が問題となっているが、酸性渓流では、劣化速リートと鉄鋼スラグについては、固液比（資材と度もより大きいことが考えられる。酸性渓流にお廃水の比率）が 1：100 の条件下で実験を行った場

けるその劣化防止策としては、例えば、塗布剤や合に、中和後の pH に差異は認められたが、ヒ素とシート、石材パネルなどによるコーティング、そ鉛の除去率に大きな違いはなく、いずれもほぼして、混和剤や固化剤などの添加がある。また、100%を示した（詳細は、2019 年度の共同研究報告

一方で、有害な重金属類を除去する目的も兼ねて書を参照）。しかしながら、例えば、炭酸カルシウ

はいるが、流域内で中和処理が実施されている事ム、リサイクルコンクリートと鉄鋼スラグ、それぞれの固液比 1：100 における pH には大きな違いた。振とう時間には、現場での中和反応時間を考が認められることから、固液比を固定せずに調整慮し、10 分間を適用した。振とう後の上澄み液にし、pH を同程度にした際の中和性能と重金属類の対しては、遠心分離後、pH と EC を測定し、0.20除去性能を検討することが、実現場における廃棄m のフィルターで濾過した。その後、特に、草津物に基づく代替中和剤の適用に向けては極めて温泉の廃水に高濃度に含まれていることが分か重要となる。っているヒ素と鉛を対象に、ICP-MS（誘導結合プ

本研究では、炭酸カルシウムなど天然の中和剤ラズマ質量分析計）により定量を行った。なお、の代替とし、廃棄物を中心とした低コスト資材を廃棄物資材の粒度は、草津温泉の中和処理工場で活用して、酸性渓流水の中和処理性能と有害な重使用されている炭酸カルシウム微粉末（75 m）と金属類の除去性能を評価することを目的とした。

同程度の 106m 以下とした。

ここでは、特に、中和後の pH を各資材で固液比を中和後の中和生成物については、特に除去され調整することで同程度にし、中和処理および重金たヒ素と鉛などが高濃度に含まれると考えられ属類除去の性能を評価した。加えて、中和後の中るため、その安定性を予備的に評価する目的で和生成物には、除去された重金属類が高濃度に含BCR 逐次抽出法を適用した。この逐次抽出法とは、まれると考えられるため、その安定性評価を予備

重金属類の化学形態をある程度、選択的に分画で的に実施した。

きる手法であり、段階的に抽出試薬を強力にしていくことで、連続的に異なる化学形態の重金属類Ｂ．研究方法を抽出できる。本研究で採用した BCR 逐次抽出法

廃棄物に基づく代替の中和剤として、リサイク

では、抽出試薬にそれぞれ、蒸留水、0.11M 酢酸、ルコンクリート、鉄鋼スラグ、軽量気泡コンクリ

0.5M 塩化ヒドロキシルアンモニウム、8.8M 過酸ート、草木灰、牡蠣殻石灰を選定し、コントロー化水素および 1M 酢酸アンモニウムを用い、水溶ルとしては、炭酸カルシウムを用いた。また、酸性画分、酸可溶性画分、還元性画分、酸化性画分性渓流水には、昨年度に引き続き、群馬県の草津と、それぞれ抽出を試みている（詳細は、例えば、温泉から採取した温泉廃水を使用した。この温泉

貫上ほか（2008）：土木学会論文集 G、64（4）、304

廃水は、pH が 2.11 と低く、EC（電気伝導度）が～313 を参照）。以上、本研究で実施した全ての実

5980 S/cm を示すものである。なお、草津温泉で験は、少なくとも 3 反復にて、繰り返しで行っては、過去 50 年以上に亘って、炭酸カルシウム微粉いる。

末（75m）を用いた中和処理が常時行われており、1 日のその使用量は約 55 トンであり、年間に換算すると、およそ 2 万トンにものぼる。

Ｃ．研究結果図 1 に、一例として、10 分間の振とう時間（中室内バッチ中和実験では、代替の中和剤となる和反応時間）における炭酸カルシウム、リサイク

廃棄物と温泉廃水を 1：10～1：4000 の固液比でルコンクリートと鉄鋼スラグの固液比と、pH の関50 mL の遠沈管に取り、それらを振とう器にかけ係性を示す。炭酸カルシウムは、その添加量が多

図 1 炭酸カルシウム、鉄鋼スラグ、リサイクルコンクリートの固液比と pH の関係

い領域においても、pH は 7 程度の中性域を呈し、材は、鉄鋼スラグ（ヒ素：0.29 g、鉛：0.29 g）添加量を少なくしていった場合にも、粘り強く中とリサイクルコンクリート（ヒ素：2.4 g、鉛：和が可能であることが分かった。一方、リサイク不検出）であった。

ルコンクリートと鉄鋼スラグについては、いずれも添加量が多いケースでは、アルカリ性を示した。

Ｄ．考察

特に、鉄鋼スラグのアルカリ性が強く、固液比が炭酸カルシウムなど天然の中和剤の代替とし1：300 になるまでは、中性域を示さなかった。いて、どの資材がより適するのかを考察すると、中ずれの資材も、添加量を少なくしていくと、炭酸和処理性能、有害な重金属類であるヒ素と鉛の除カルシウムに比較して、急激に pH が低下した。す去性能、そして、中和後の中和生成物におけるヒなわち、中和能力が弱くなっていく傾向が確認さ

素と鉛の安定性の観点からは、鉄鋼スラグとリサれている。なお、本研究で使用した軽量気泡コンイクルコンクリートに代替性があると考えられクリート、草木灰、牡蠣殻石灰については、リサる。ただし、炭酸カルシウムに比較して、これらイクルコンクリートと鉄鋼スラグに比べ、中和能の資材は、同程度の各種性能を示すには、2～4 倍力は劣ることが明らかになった。

程度の投入量が必要となる。資材自体のコスト、いずれの資材においても、草津温泉における中そして、その輸送費、さらには、草津温泉の中和和後の pH に収まる範囲で、固液比を調整したと処理事業において、中和生成物が堆積する品木ダ

ころ、10 分間の中和反応時間では、固液比が炭酸ムの浚渫費など、トータルでのコスト面の検討がカルシウムで 1：925、鉄鋼スラグで 1：375、リサ今後、重要となってくる。そのため、今後は、各イクルコンクリートで 1：250、軽量気泡コンクリ資材を使用して中和した際のライフサイクルコートで 1：100、草木灰で 1：55 となった。牡蠣殻ストの評価などにも取り組む予定である。

石灰については、中和能力が相対的に低かったた
め、固液比の詳細な検討からは除外している。ちＥ．結論

なみに、草津温泉における中和後の pH は、2017

本研究では、炭酸カルシウムなど天然の中和剤年度からの現地調査の結果、4.5～5.5 程度となっの代替とし、廃棄物を中心とした低コスト資材をている。以上の固液比において、ヒ素と鉛の除去活用して、酸性渓流水の中和処理性能、ヒ素や鉛性能を評価したところ、特に鉄鋼スラグやリサイの除去性能を評価することを目的とした。特に、クルコンクリート、草木灰においては、炭酸カル中和後の pH を各資材において、固液比を調整すシウム（ヒ素：96%、鉛：87%）と同程度以上の性ることで同程度にしている。加えて、中和後の中能、すなわち、いずれも 98%以上と、ほぼ 100%近和生成物について、逐次抽出法に基づくヒ素と鉛くヒ素と鉛を除去できることが分かった。一方、の安定性を予備的に評価した。

軽量気泡コンクリートについては、鉛は 98%の高草津温泉の現場における中和後の pH である 4.5い除去率を示したが、ヒ素の除去率が 60%程度と、～5.5 程度の範囲に収まるよう固液比を調整した相対的に低い値が得られた。

ところ、炭酸カルシウムは 1：925、鉄鋼スラグはこの中和後における中和生成物について、BCR1：375、リサイクルコンクリートは 1：250、軽量逐次抽出法を適用し、ヒ素と鉛の安定性を予備的気泡コンクリートは 1：100、草木灰は 1：55 となに評価した。ここでも、基本的には、実務で広くった。この固液比において、ヒ素と鉛の除去性能使用されている炭酸カルシウムを用いて中和しを評価したところ、特に鉄鋼スラグやリサイクルた際の結果と比較することで、相対的な安定性のコンクリート、草木灰では、炭酸カルシウム（ヒ評価を行っている。なお、草津温泉周辺の酸性環

素：96%、鉛：87%）と同程度以上の性能、すなわ境下では、特に問題となりそうな化学形態は、水ち、いずれも 98%以上と、ほぼ 100%近くヒ素と鉛溶性画分と酸可溶性画分であることが考えられを除去できることが分かった。また、中和生成物

る。炭酸カルシウムについて、両画分を足し合わの安定性評価の結果、炭酸カルシウムの水溶性画せた量は、ヒ素：0.52 g ならびに鉛：0.14 g で分と酸可溶性画分を足し合わせた量は、ヒ素：あった。これに対し、特に同程度の値を示した資0.52 g ならびに鉛：0.14 g であった。これに対して、特に同程度の値を示した資材は、鉄鋼スラ

Spatial variations of water quality inグ（ヒ素：0.29 g、鉛：0.29 g）とリサイクルコ

acidic river basins of Northeast Japan.

ンクリート（ヒ素：2.4 g、鉛：不検出）であっ

6th International Conference on Science,た。

Engineering & Environment (SEE), Kyoto,

以上のことから、中和処理性能、有害な重金属Japan（オンライン開催）, (November 2020).

類であるヒ素と鉛の除去性能、そして、中和後の中和生成物におけるヒ素と鉛の安定性の観点か

Ｇ．知的財産権の出願・登録状況（予定を含む）

らは、鉄鋼スラグとリサイクルコンクリートに代

1.特許取得替性が高いことが示唆された。今後は、各資材をなし使用して中和した際のライフサイクルコストの評価などにも取り組む必要がある。

2.実用新案登録なし
3.その他

Ｆ．研究発表1.論文発表（1）Saito, T. and Watanabe, N. (2020):
Spatial variations of water quality inacidic river basins of Northeast Japan.
Proceedings of the 6th International
Conference on Science, Engineering &Environment (SEE), 287-291（査読付きプロ
シーディングス論文）.
2.学会発表（1）Ujiie, A., Bandara, A.B.P., Saito, T.,
Matsuno, A., and Kawamoto, K. (2020):
Development

ofremoving

heavy

filtermaterials

metalsforutilizing

industrial by-products. JpGU-AGU Joint
Meeting 2020, Chiba, Japan（オンライン開催）, (July 2020).
（2）Nagasinghe, I.U., Saito, T., Matsuno,A., Kato, A., and Kawamoto, K. (2020):
Utilizationofconstruction

anddemolition waste (CDW) and industrial byproducts (IBPs) as low-cost liming agentsfor neutralization of soil acidity. JpGUAGU Joint Meeting 2020, Chiba, Japan（オンライン開催）, (July 2020).
（3）Saito, T. and Watanabe, N.（2020）：Neutralization of acid discharged waterfrom the Kusatsu hot spring area of Japanutilizing industrial by-products. JpGUAGU Joint Meeting 2020, Chiba, Japan（オンライン開催）, (July 2020).
（4）Saito, T. and Watanabe, N. (2020):

なし