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▶ Ｇ−８ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＴＲＡＤＩＮＧ 株式会社の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-19
(45)【発行日】2022-05-27
(54)【発明の名称】汚染土壌の処理方法
(51)【国際特許分類】
B09C 1/08 20060101AFI20220520BHJP
C02F 11/08 20060101ALI20220520BHJP
【ＦＩ】
B09C1/08 ZAB
C02F11/08
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021010215
(22)【出願日】2021-01-26
(62)【分割の表示】P 2014508992の分割
【原出願日】2012-04-04
(65)【公開番号】P2021073090
(43)【公開日】2021-05-13
【審査請求日】2021-02-24
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２３年１０月５日に第４回ＩＷＡアジア太平洋地域会議組織委員会の第４回ＩＷＡアジア太平洋地域会議にて発表
(73)【特許権者】
【識別番号】514252430
【氏名又は名称】Ｇ－８ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＴＲＡＤＩＮＧ 株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100074734
【弁理士】
【氏名又は名称】中里 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100086265
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 仁
(74)【代理人】
【識別番号】100076451
【弁理士】
【氏名又は名称】三嶋 景治
(72)【発明者】
【氏名】松井 三郎
【審査官】柴田 啓二
(56)【参考文献】
【文献】特開２００２－３２０９５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００６／１２６２７３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０８－１４３３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０００６８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３０８３２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０９Ｃ
Ｃ０２Ｆ １１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
開閉自在の排出口を有するとともに閉鎖空間を有する密閉容器の内部に、重金属類を含み、土粒子を含有する廃棄物から構成された汚染土壌、および前記汚染土壌処理中に少なくとも前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を収容させる工程と、前記汚染土壌中の固形物を撹拌手段により粉砕しながら、前記Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料と撹拌混合する工程と、
密閉容器内に収容され、前記撹拌手段により粉砕、混合されつつある前記固形物およびＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料に、高温高圧の水蒸気を噴射して処理し、前記重金属類が閉じ込められた５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造の層を前記汚染土壌中の土粒子上に形成するための高温高圧の水蒸気を噴出する工程と、
処理後に密閉容器内の蒸気を冷却して、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体とするための工程と、
を備えた汚染土壌の処理方法であって、
重金属類を含む汚染土壌中に予め含まれるＣａ成分の含有量（Ａ－１）およびＳｉＯ ２ 成分の含有量（Ａ－２）を分析して求め、かつ処理中に少なくとも前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ ２ ・５Ｈ ２ Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ ２ ・５Ｈ ２ Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分（Ｂ－１）およびＳｉＯ ２ 成分の量（Ｂ－２）を算出し、下記の式（１）および式（２）により、重金属類を含む汚染土壌に添加するＣａ成分原料の添加量（Ｃ－１）およびＳｉＯ ２ 成分原料の添加量（Ｃ－２）を求め、重金属類を含む汚染土壌にＣａ成分原料（Ｃ－１）およびＳｉＯ ２ 成分原料（Ｃ－２）を添加して前記処理を行うことを特徴とする汚染土壌の処理方法。
［（Ｂ－１）－（Ａ－１）］＝（Ｃ－１） ・・・式（１）
［（Ｂ－２）－（Ａ－２）］＝（Ｃ－２） ・・・式（２）
【請求項2】
前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された固形物とを分離回収する工程を更に備えた請求項１の汚染土壌の処理方法。
【請求項3】
前記重金属類が、クロム、鉛、カドミウム、砒素、水銀、亜鉛、銅、ニッケルから選択される少なくとも１つであり、前記重金属類が処理後の汚染土壌中の５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込められているので、処理後の汚染土壌は水環境基準、土壌環境基準、特殊肥料基準、食品安全基準から選択される少なくとも１つを満足させるものである請求項１または２の汚染土壌の処理方法。
【請求項4】
前記処理を、１２０－２５０℃、１．１－２．１ＭＰａで１－８時間行なう請求項１～３のいずれかの汚染土壌の処理方法。
【請求項5】
前記汚染土壌がＰＣＢを含んでいた場合、前記処理によりＰＣＢを分解処理する請求項１～４のいずれかの汚染土壌の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、下水汚泥、産業汚泥、医療系廃棄物、家庭廃棄物、産業廃棄物等の重金属類を含む廃棄物を高温高圧の蒸気を用いて処理し、処理後には、処理して固定化された重金属類を含む廃棄物と液体とを含む混合物を排出して両者を分離する、重金属類を含む廃棄物の処理装置およびそれを用いた重金属類を含む廃棄物の処理方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
有機系廃棄物の処理方法として、例えば、密閉された容器内で廃棄物に高温高圧の水蒸気中で処理する方法が知られている（例えば、特開２０００－３３３５５号公報参照）。従来の廃棄物を蒸気で処理する方法では、焼却処理する場合のように有害な窒素酸化物、硫黄酸化物等の発生がほとんどないとされており、環境汚染の問題がなく、安全な廃棄物処理を期待できるものであった。
しかしながら、処理後は容器内に処理された固体物と液体とが混在する状態になっており、処理済みの廃棄物を取出した後の運搬や保管等が不便で扱いにくいという問題があり、かつ処理した後に、分離機を用いて処理された固体物と液体を分離すると、処理工程が煩雑となり多くの労力が必要がある、処理に長時間がかかる、反応容器と分離機とを別々に設置するための用地を広く確保する必要がある、などの問題が生じていた。
そのため、一台の装置で、廃棄物を高温高圧の蒸気を用いて安全に処理できるとともに、この処理に連続して、処理された廃棄物と液体とを分離して回収できる処理装置が提案された（特許第４８６４８８４号公報参照）。しかしこの処理装置は、廃棄物を高温高圧の水蒸気中で処理するための密閉容器からなるリアクターと、分離した液体を回収するための、前記密閉容器からなるリアクターと連結された他の回収用密閉容器を必要とするので、設備費が高くなり、操作が複雑となるなどの問題があった。
一方、例えば、下水処理施設から排出される下水汚泥は、病原微生物や重金属を含むため、それらによる環境リスクの回避のため、濃縮、消化、脱水、コンポスト、焼却、溶融など様々な方法で処理・処分が行われてきた。しかしながら、これらのいずれの処理方法も、減量・廃棄するものであり、電力や熱エネルギーを多量に投入する消費型技術であり、かつ温室効果ガスの排出源となるなど環境への影響が大きい方法であり、資源の再生原理に沿った処理ではなく、高い維持費が投入されているため、地域経済を圧迫する原因となっている。
現状では、下水汚泥に含まれる前記重金属による蓄積問題や有害化学物質、病原微生物やウィルスなど感染汚染の問題があり、下水汚泥の有効利用は進んでいない。このような背景から、近年「下水汚泥の資源化」の政策について方向付けがなされるようになっている（非特許文献1参照）。
一方、無機系廃棄物を石灰添加などの調質をして亜臨界水条件で処理することにより、重金属の固化による土壌浄化法が提案されている（非特許文献２参照）。
しかしながら、具体的な資源の再生を目的とし、安全に処理して、かつ前記重金属類を固定化して溶出を抑制し、処理装置の構造を簡素化して、操作が簡単で、低コストであるような資源化技術の導入には至っていなかった。
しかしながら、処理後は容器内に処理された固体物と液体とが混在する状態になっており、処理済みの廃棄物を取出した後の運搬や保管等が不便で扱いにくいという問題があり、かつ処理した後に、分離機を用いて処理された固体物と液体を分離すると、処理工程が煩雑となり多くの労力が必要がある、処理に長時間がかかる、反応容器と分離機とを別々に設置するための用地を広く確保する必要がある、などの問題が生じていた。
そのため、一台の装置で、廃棄物を高温高圧の蒸気を用いて安全に処理できるとともに、この処理に連続して、処理された廃棄物と液体とを分離して回収できる処理装置が提案された（特許第４８６４８８４号公報参照）。しかしこの処理装置は、廃棄物を高温高圧の水蒸気中で処理するための密閉容器からなるリアクターと、分離した液体を回収するための、前記密閉容器からなるリアクターと連結された他の回収用密閉容器を必要とするので、設備費が高くなり、操作が複雑となるなどの問題があった。
一方、例えば、下水処理施設から排出される下水汚泥は、病原微生物や重金属を含むため、それらによる環境リスクの回避のため、濃縮、消化、脱水、コンポスト、焼却、溶融など様々な方法で処理・処分が行われてきた。しかしながら、これらのいずれの処理方法も、減量・廃棄するものであり、電力や熱エネルギーを多量に投入する消費型技術であり、かつ温室効果ガスの排出源となるなど環境への影響が大きい方法であり、資源の再生原理に沿った処理ではなく、高い維持費が投入されているため、地域経済を圧迫する原因となっている。
現状では、下水汚泥に含まれる前記重金属による蓄積問題や有害化学物質、病原微生物やウィルスなど感染汚染の問題があり、下水汚泥の有効利用は進んでいない。このような背景から、近年「下水汚泥の資源化」の政策について方向付けがなされるようになっている（非特許文献1参照）。
一方、無機系廃棄物を石灰添加などの調質をして亜臨界水条件で処理することにより、重金属の固化による土壌浄化法が提案されている（非特許文献２参照）。
しかしながら、具体的な資源の再生を目的とし、安全に処理して、かつ前記重金属類を固定化して溶出を抑制し、処理装置の構造を簡素化して、操作が簡単で、低コストであるような資源化技術の導入には至っていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2000-33355号公報
【文献】特許第4864884号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】「水熱処理による無機系廃棄物の資源化」平野高広、（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｒｅｆ．ｉｗａｔｅ．ｊｐ／～ｋｉｒｉ／ｉｎｆｏｒ／ｔｈｅｍｅ／２００４／ｐｄｆ／Ｈ１６－３２ｗａｔｅｒ．ｐｄｆ）
【文献】「資源のみちの実現に向けて」報告書（案）、２００７年３月資源のみち委員会資料２（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｌｉｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｃｒｄ／ｃｉｔｙ／ｓｅｗｅｒａｇｅ／ｇｙｏｓｅｉ／ｓｉｇｅｎ７ｔｈ／０２．ｐｄｆ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の第１の目的は、一台の装置だけで、重金属類を含む廃棄物で構成される汚染土壌を高温高圧の蒸気を用いて安全に処理して、前記重金属類を固定化して溶出を抑制し、処理後には、前記重金属類を固定化した廃棄物と液体とを含む混合物を排出して両者を簡単な操作で分離して回収できる、構造が簡単で、操作が簡単で、低コストである、重金属類を含む汚染土壌の処理装置を提供することにある。
さらに、本発明の第２の目的は、重金属類を含む廃棄物を高温高圧の蒸気を用いて簡便に処理して、前記重金属類を固定化して溶出を抑制した廃棄物と液体を含む混合物を排出して、両者を簡単な操作で分離して回収できる、重金属類を含む汚染土壌の処理方法を提供することにある。
さらに、本発明の第２の目的は、重金属類を含む廃棄物を高温高圧の蒸気を用いて簡便に処理して、前記重金属類を固定化して溶出を抑制した廃棄物と液体を含む混合物を排出して、両者を簡単な操作で分離して回収できる、重金属類を含む汚染土壌の処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題は、下記（１）～（５）の構成の本発明の汚染土壌の処理方法によって解決される。
（１）
開閉自在の排出口を有するとともに閉鎖空間を有する密閉容器の内部に、重金属類を含み、土粒子を含有する廃棄物から構成された汚染土壌、および前記汚染土壌処理中に少なくとも前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を収容させる工程と、
前記汚染土壌中の固形物を撹拌手段により粉砕しながら、前記Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料と撹拌混合する工程と、
密閉容器内に収容され、前記撹拌手段により粉砕、混合されつつある前記固形物およびＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料に、高温高圧の水蒸気を噴射して処理し、前記重金属類が閉じ込められた５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造の層を前記汚染土壌中の土粒子上に形成するための高温高圧の水蒸気を噴出する工程と、
処理後に密閉容器内の蒸気を冷却して、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体とするための工程と、
を備えた汚染土壌の処理方法であって、
重金属類を含む汚染土壌中に予め含まれるＣａ成分の含有量（Ａ－１）およびＳｉＯ ２ 成分の含有量（Ａ－２）を分析して求め、かつ処理中に少なくとも前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ ２ ・５Ｈ ２ Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ ２ ・５Ｈ ２ Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分（Ｂ－１）およびＳｉＯ ２ 成分の量（Ｂ－２）を算出し、下記の式（１）および式（２）により、重金属類を含む汚染土壌に添加するＣａ成分原料の添加量（Ｃ－１）およびＳｉＯ ２ 成分原料の添加量（Ｃ－２）を求め、重金属類を含む汚染土壌にＣａ成分原料（Ｃ－１）およびＳｉＯ ２ 成分原料（Ｃ－２）を添加して前記処理を行うことを特徴とする汚染土壌の処理方法。
［（Ｂ－１）－（Ａ－１）］＝（Ｃ－１） ・・・式（１）
［（Ｂ－２）－（Ａ－２）］＝（Ｃ－２） ・・・式（２）
（２）
前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された固形物とを分離回収する工程を更に備えた前記（１）の汚染土壌の処理方法。
（３）
前記重金属類が、クロム、鉛、カドミウム、砒素、水銀、亜鉛、銅、ニッケルから選択される少なくとも１つであり、前記重金属類が処理後の汚染土壌中の５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込められているので、処理後の汚染土壌は水環境基準、土壌環境基準、特殊肥料基準、食品安全基準から選択される少なくとも１つを満足させるものである前記（１）または（２）の汚染土壌の処理方法。
（４）
前記処理を、１２０－２５０℃、１．１－２．１ＭＰａで１－８時間行なう前記（１）～（３）のいずれかの汚染土壌の処理方法。
（５）
前記汚染土壌がＰＣＢを含んでいた場合、前記処理によりＰＣＢを分解処理する前記（１）～（４）のいずれかの汚染土壌の処理方法。
（１）
開閉自在の排出口を有するとともに閉鎖空間を有する密閉容器の内部に、重金属類を含み、土粒子を含有する廃棄物から構成された汚染土壌、および前記汚染土壌処理中に少なくとも前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を収容させる工程と、
前記汚染土壌中の固形物を撹拌手段により粉砕しながら、前記Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料と撹拌混合する工程と、
密閉容器内に収容され、前記撹拌手段により粉砕、混合されつつある前記固形物およびＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料に、高温高圧の水蒸気を噴射して処理し、前記重金属類が閉じ込められた５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造の層を前記汚染土壌中の土粒子上に形成するための高温高圧の水蒸気を噴出する工程と、
処理後に密閉容器内の蒸気を冷却して、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体とするための工程と、
を備えた汚染土壌の処理方法であって、
重金属類を含む汚染土壌中に予め含まれるＣａ成分の含有量（Ａ－１）およびＳｉＯ ２ 成分の含有量（Ａ－２）を分析して求め、かつ処理中に少なくとも前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ ２ ・５Ｈ ２ Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ ２ ・５Ｈ ２ Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分（Ｂ－１）およびＳｉＯ ２ 成分の量（Ｂ－２）を算出し、下記の式（１）および式（２）により、重金属類を含む汚染土壌に添加するＣａ成分原料の添加量（Ｃ－１）およびＳｉＯ ２ 成分原料の添加量（Ｃ－２）を求め、重金属類を含む汚染土壌にＣａ成分原料（Ｃ－１）およびＳｉＯ ２ 成分原料（Ｃ－２）を添加して前記処理を行うことを特徴とする汚染土壌の処理方法。
［（Ｂ－１）－（Ａ－１）］＝（Ｃ－１） ・・・式（１）
［（Ｂ－２）－（Ａ－２）］＝（Ｃ－２） ・・・式（２）
（２）
前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された固形物とを分離回収する工程を更に備えた前記（１）の汚染土壌の処理方法。
（３）
前記重金属類が、クロム、鉛、カドミウム、砒素、水銀、亜鉛、銅、ニッケルから選択される少なくとも１つであり、前記重金属類が処理後の汚染土壌中の５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込められているので、処理後の汚染土壌は水環境基準、土壌環境基準、特殊肥料基準、食品安全基準から選択される少なくとも１つを満足させるものである前記（１）または（２）の汚染土壌の処理方法。
（４）
前記処理を、１２０－２５０℃、１．１－２．１ＭＰａで１－８時間行なう前記（１）～（３）のいずれかの汚染土壌の処理方法。
（５）
前記汚染土壌がＰＣＢを含んでいた場合、前記処理によりＰＣＢを分解処理する前記（１）～（４）のいずれかの汚染土壌の処理方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明の汚染土壌の処理装置によれば、汚染土壌と、トバモライトが形成されるのに十分な量のＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を撹拌し、混合、粉砕しつつ、高温高圧の水蒸気で処理（亜臨界水による水熱反応により処理）するので、重金属類が未処理状態で残留することある土粒子の表面上に、トバモライト層が密に形成される。このトバモライト層の形成により、たとえ、土粒子上あるいは内部に未処理重金属類が残留していたとしても、前記トバモライト層が壁となって、経年によっても土粒子内部からの重金属類の流失の防止が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を用いて本発明の重金属類を含む汚染土壌の処理装置および重金属類を含む廃棄物の処理方法の例を説明する。
図１は、後述するように本発明の実施形態に係る重金属類を含む廃棄物の処理装置の一例の断面説明図である。
図１は、後述するように本発明の実施形態に係る重金属類を含む廃棄物の処理装置の一例の断面説明図である。
【0010】
図１に示す開閉自在の排出口１６を有するとともに閉鎖空間Ｓ１を有する密閉容器１２内に重金属類を含む廃棄物および前記重金属類を５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）構造中に封じ込めるための５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）が形成されるのに十分な量のＣａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料（以下、重金属類を含む廃棄物および前記Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を含む廃棄物を、略して廃棄物と称すことがある）を供給して高温高圧の蒸気を噴出しながら処理（１２０～２５０℃、１．１～２．１ＭＰａで１～８時間）（以下、亜臨界水反応あるいは水熱反応と称すことがある）すると、飽和水蒸気圧下で処理中に、下記式（３）により廃棄物に予め含まれるＣａ成分や新たに添加したＣａ成分と廃棄物に予め含まれるＳｉＯ２成分や新たに添加したＳｉＯ２成分が水熱反応して、安定なケイ酸カルシウム（トバモライト：５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ）と称される鉱物の結晶が形成される。
【0011】
６ＳＯ２＋５ＣａＯ＋５Ｈ２Ｏ→５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ ・・・式（３）
トバモライトの結晶は図４に模式的に示すようにＳｉ－Ｏ四面体層、Ｃａ－Ｏ八面体層、Ｓｉ－Ｏ四面体層が繰り返され、Ｓｉ－Ｏ四面体層とＳｉ－Ｏ四面体層の間にカルシウムイオンがインターカレートされた層状に成長する構造になっている。
トバモライトの結晶は図４に模式的に示すようにＳｉ－Ｏ四面体層、Ｃａ－Ｏ八面体層、Ｓｉ－Ｏ四面体層が繰り返され、Ｓｉ－Ｏ四面体層とＳｉ－Ｏ四面体層の間にカルシウムイオンがインターカレートされた層状に成長する構造になっている。
【0012】
そしてこの層状結晶構造形成過程で、重金属類は前記カルシウムイオンとイオン交換反応によりカルシウムイオンを置換して層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる。重金属類はトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められ、そのために溶出が抑制される。
【0013】
前記亜臨界水反応条件（温度、圧力、時間）は重要である。廃棄物を処理してトバモラ
イトの層状結晶構造が形成されるとともに、層状結晶構造形成過程で重金属類がカルシウムイオンとイオン交換反応によりカルシウムイオンを置換してトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められるような亜臨界水反応条件を使用することが重要である。
イトの層状結晶構造が形成されるとともに、層状結晶構造形成過程で重金属類がカルシウムイオンとイオン交換反応によりカルシウムイオンを置換してトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められるような亜臨界水反応条件を使用することが重要である。
【0014】
図５は、重金属類としてクロムおよび鉛を含む汚染土壌を、この汚染土壌に予め含まれるＳｉＯ２成分を利用し、前記式（３）を満足するように新たにＳｉＯ２成分および新たにＣａ成分としてＣａＯを添加して、前記のようにして高温高圧の蒸気を噴出しながら水熱反応処理を行うと、クロムおよび鉛がトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる状態を説明する説明図である。
【0015】
前記のようにして高温高圧の蒸気により処理（１２０～２５０℃、１．１～２．１ＭＰａで１～８時間）すると、クロムおよび鉛はクロムイオンおよび鉛イオンとなって、新たに添加したＣａＯはカルシウムイオンとなって、そして汚染土壌に予め含まれるＳｉＯ２成分および新たに添加したＳｉＯ２成分はシリカイオンとなって土粒子８０の表面反応層８１に移行して水熱反応が行われ、土粒子８０の表面にトバモライト層状結晶層８２が形成される。この層状結晶構造形成過程でクロムイオンおよび鉛イオンはカルシウムイオンとイオン交換反応によりカルシウムイオンを置換してトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる。
【0016】
このように土壌中のシリカ（ＳｉＯ２）および新たに添加したＳｉＯ２成分と添加剤中の石灰分（ＣａＯ）を比較的低温（１２０～２５０℃）で化学反応（１．１～２．１ＭＰａで１～８時間）させることにより、トバモライトを合成し、化学的に安定した強度の高い結晶に成長させ、重金属類をこの層状結晶中に閉じ込めることにより、溶出を抑えることができる。
【0017】
図５に示した場合は、汚染土壌に予め含まれるＳｉＯ２成分を利用し、前記式（３）を満足するように新たにＳｉＯ２成分およびＣａ成分として新たにＣａＯを添加して、水熱反応を行った例を示した。
【0018】
前記式（３）に従えば、Ｃａ／Ｓｉのモル比（理論値）は約０．８である。
しかし前記水熱反応を行うとＳｉＯ２成分の一部が水に溶解して珪酸イオンとなり、このＳｉＯ２成分がトバモライト層状結晶形成に寄与しない場合が発生する。そこで、前記式（３）を満足するＳｉＯ２成分に、その分だけ予め多く配合することが好ましい。
しかし前記水熱反応を行うとＳｉＯ２成分の一部が水に溶解して珪酸イオンとなり、このＳｉＯ２成分がトバモライト層状結晶形成に寄与しない場合が発生する。そこで、前記式（３）を満足するＳｉＯ２成分に、その分だけ予め多く配合することが好ましい。
【0019】
しかしあまり多量に配合すると、珪酸イオン濃度が高くなって後述するように重金属類がトバモライト層状結晶中に閉じ込められなくなる。
【0020】
発明者は、Ｃａ／Ｓｉのモル比が０．６～０．８の範囲となるように、ＳｉＯ２成分を多くして、ＳｉＯ２成分およびＣａ成分を配合すると、トバモライト層状結晶中への重金属類の閉じ込め率を高く維持することができることを見出した。
【0021】
このように、強固なトバモライト結晶に重金属類を閉じ込めることができるため、従来は処理困難であったクロム、鉛、カドミウム、砒素、水銀、亜鉛、銅、ニッケルなどの重金属類の溶出抑制が可能となる。
【0022】
例えば、鉛および砒素汚染の土壌で比較した場合、従来法のセメント固化では処理土が高アルカリ性になるため、原料の土壌よりも鉛の溶出量が増えてしまうが、亜臨界水処理した場合には、鉛、砒素ともに効果的に溶出が抑制され、環境庁（旧）告示４６号に規定される溶出基準をクリアすることができる。
【0023】
廃棄物を前記のようにして高温高圧の蒸気を噴出しながら処理すると、大部分の重金属類は前記のようにトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められるが、例えば、前記廃棄物中に陰イオンとして塩素イオン、珪酸イオン、炭酸イオン、硫酸イオン、燐酸イオンなどが存在している場合には、水蒸気に溶け込んだり、水に溶解することがある。
【0024】
そのために本発明は、密閉容器１２内で廃棄物を高温高圧の蒸気を噴出しながら処理を行った後に、密閉容器１２を冷却手段７０により冷却して、閉鎖空間Ｓ１内の水蒸気を液化し、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体とし、この液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された廃棄物とを分離回収する構成としている。
【0025】
密閉容器１２を冷却するための冷却手段７０は、図１に示したように、密閉容器１２の外部表面の大部分を一体的に覆って固定して設置した中空の金属製チャンバーであって、図示しない冷却媒体源から供給される、必要に応じて温度調節された水や油や、空気や窒素などの気体などの冷却媒体が金属製チャンバーの内部を流れて密閉容器１２と熱交換して冷却するように構成されている。
【0026】
一体的に覆う金属製チャンバーの例を示したが、この例に限定されることはなく、密閉容器１２の外部表面の大部分を複数の金属製チャンバーで覆って固定して設置した冷却装置や、密閉容器１２の外部表面に固定して設置した中空の金属製パイプであって、図示しない冷却媒体源から供給される、必要に応じて温度調節された水や油や空気や窒素などの気体などの冷却媒体が金属製パイプの内部を流れて密閉容器１２と熱交換して冷却するような冷却装置や、密閉容器１２の内部表面に固定して設置した中空の金属製パイプであって、図示しない冷却媒体源から供給される、必要に応じて温度調節された水や油や空気や窒素などの気体などの冷却媒体が金属製パイプの内部を流れて密閉容器１２と熱交換して冷却するような冷却装置などを挙げることができる。これらは２つ以上組み合わせて使用することもできる。
【0027】
本発明の重金属類を含む廃棄物の処理装置は、例えば、合成樹脂製の注射器、血液の付着したガーゼ、紙おむつ、手術した内臓等の医療関係機関等から廃棄された医療系廃棄物、生ごみ、プラスチック等の合成樹脂製容器等の一般家庭から廃棄された家庭系廃棄物、食品加工廃棄物、農水産廃棄物、各種工業製品廃棄物、下水汚泥等の産業廃棄物、およびこれらを埋め立てることによって構成された土壌等を高温高圧の蒸気を介して処理する装置である。さらに、処理して得られた重金属類が封じ込められたトバモライトを含む土壌と前記のようにして液化した液体とを簡単な操作で有効に分離して、前記廃棄物と液体とを別々に回収できる装置である。
【0028】
図１，図２には、本発明の重金属類を含む汚染土壌の処理装置（以下、単に「処理装置」ともいう）の実施の形態を示している。図１に示すように、本実施形態に係る処理装置１０は、内部に汚染土壌を収容する密閉容器１２と、密閉容器１２内に高温高圧の蒸気を噴出する蒸気噴出手段１４と、密閉容器１２の底側に設けられた排出口１６と、処理された汚染土壌と液体とを分離回収する分離回収手段１８と、を備えている。
【0029】
図１に示すように、密閉容器１２は、内部に処理する廃棄物を収容する閉鎖空間Ｓ１を有する閉鎖容器であって、前記閉鎖空間Ｓ１内において高温高圧下で汚染土壌を処理する容器である。
【0030】
本実施形態では、密閉容器１２は、支持脚１３で地面からある程度の高さに配置されるように支持されている。密閉容器１２は、その径が左右方向中央部から左右両端側の端壁１２ａ側に向けて次第に縮径された横倒し樽型形状に形成されている。密閉容器１２は、例えば、耐熱耐圧性を有するように金属板を加工して形成され、汚染土壌を約２ｍ３収容できる程度の大きさで設けられている。密閉容器１２には、中央部の上方に投入部２０が、中央部の底側に排出部２２がそれぞれ設けられており、それぞれ開閉機構２４，２６により開閉されるように設けられている。
【0031】
本実施形態では、密閉容器１２の閉鎖空間Ｓ１内には、蒸気噴出手段１４を構成している蒸気噴出管２８と、汚染土壌を撹拌する撹拌手段３０と、が配置されている。なお、密閉容器１２には、内部圧力が設定値よりも高くなると内部蒸気を開放させる、例えば設定圧を調整可能な安全弁３２が設けられている。また、安全弁３２に接続された排気用管の途中には、消音・消臭・重金属類回収装置３４が設けられており、安全弁３２を介して排気される蒸気は消音消臭され、重金属類や重金属類化合物が回収されて、外気側に排出される。
【0032】
本実施形態では、排出口１６は、図１，図２に示すように、密閉容器１２の左右中央部の底面側に開口されており、処理された汚染土壌の排出方向を下方にして設けられている。本実施形態では、排出口１６の径は、例えば、３００ｍｍ程度に設けられている。
本実施形態では、排出口１６には、下方に突設された排出筒３６が接続されて処理された汚染土壌の排出経路Ｒ１を形成しているとともに、前記排出経路Ｒ１の途中に設けられて排出口１６を開閉する開閉機構２６が設けられている。
本実施形態では、排出口１６には、下方に突設された排出筒３６が接続されて処理された汚染土壌の排出経路Ｒ１を形成しているとともに、前記排出経路Ｒ１の途中に設けられて排出口１６を開閉する開閉機構２６が設けられている。
【0033】
すなわち、本実施形態では、排出部２２は、排出口１６と、排出筒３６と、開閉機構２６と、を含む構成となっている。本実施形態では、開閉機構２６は、例えば、中心に排出経路Ｒ１に連通する貫通孔３７が設けられたボール状の弁体３８を排出経路に対して直交方向に設けられた回転軸４０の回りに回転させることにより前記排出経路Ｒ１を開閉するボールバルブ等の開閉弁からなる。
【0034】
密閉容器１２が横倒し樽型形状に形成されているから、重力により内部の汚染土壌は排出口１６が設けられている中央部に向けて集まりやすく、開閉機構２６を開くだけで、簡便に処理された汚染土壌を排出口１６から排出させることができる。
【0035】
投入部２０は、本実施形態では、密閉容器１２に上側に投入口４２が開口されており、投入口４２には上方へ突設された投入筒４３が取り付けられ、投入筒４３内を開閉するように例えばボールバルブ等の開閉機構２４が設けられている。
【0036】
開閉機構２４を介して、投入口を開いて重金属を含む汚染土壌および前記Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を密閉容器１２内に投入でき、処理時には閉鎖して密閉容器１２内の閉鎖空間Ｓ１の閉鎖状態を維持する。
【0037】
本実施形態において、蒸気噴出手段１４は、密閉容器１２内に高温高圧の蒸気を噴出するとともに、前記密閉容器１２内を高温高圧状態とし、汚染土壌を蒸気を介して処理させる。
【0038】
本実施形態では、図１に示すように、蒸気噴出手段１４は、密閉容器１２内に配置され周面側に多数の蒸気噴出孔４４が形成された中空管からなる蒸気噴出管２８と、ボイラー等の蒸気発生装置４６と、蒸気発生装置４６から蒸気噴出管２８内に蒸気を供給する蒸気送管４７と、を含む。
【0039】
蒸気噴出手段１４から密閉容器１２内に噴出される蒸気は、前記密閉容器１２内での処理中に５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）を効率良く生成させ、しかもその結晶構造中に前記重金属類を封じ込めることができる程度の高温高圧に設定される。本実施形態では、例えば、蒸気噴出管２８から噴出される蒸気は、温度が１２０～２５０℃、圧力が１．１～２．１ＭＰａである。そして、密閉容器１２内を、温度１２０～２５０℃、圧力１．１～２ＭＰａ程度にするようになっており、１～８時間処理を行う。
【0040】
温度が下限値未満であると、トバモライト結晶が形成されない恐れがあり、上限値を越えると、トバモライト結晶ではない他の結晶になる恐れがある。
圧力が下限値未満であると、トバモライト結晶が形成されない恐れがあり、上限値を越えると、トバモライト結晶ではない他の結晶になる恐れがある。
処理時間が下限値未満であると、トバモライト結晶が形成されない恐れがあり、上限値はないが処理時間があまり長いと不経済となる。
圧力が下限値未満であると、トバモライト結晶が形成されない恐れがあり、上限値を越えると、トバモライト結晶ではない他の結晶になる恐れがある。
処理時間が下限値未満であると、トバモライト結晶が形成されない恐れがあり、上限値はないが処理時間があまり長いと不経済となる。
【0041】
前記範囲内で処理すると、５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）を効率良く生成させ、しかもその結晶構造中に前記重金属類を封じ込めることができる。
【0042】
本実施形態では、蒸気噴出管２８は、密閉容器１２の上下方向略中央位置で横方向に長く配置され、密閉容器１２の両端壁１２ａに設けられた軸受４５を介して回転自在に軸支されている。すなわち、蒸気噴出管２８は、横軸周りに回転しながら放射状に蒸気を噴出しつつ蒸気を汚染土壌に直接に当てるようになっている。
【0043】
なお、蒸気噴出管２８は、モータ等の回転駆動装置５１からチェーン等を介して回転駆動力を得て回転するようになっている。さらに、本実施形態では、蒸気噴出管２８には、撹拌羽根４８が取り付けられており、蒸気噴出管２８が撹拌手段の回転軸４９を兼用している。すなわち、本実施形態では、蒸気噴出手段１４は、撹拌手段３０の回転軸４９を中空管とし、前記中空管の周面に複数個の蒸気噴出孔４４を形成して構成された回転軸兼蒸気噴出管２８を含む。
【0044】
なお、蒸気噴出手段１４は、本実施形態の構成に限らず、例えば、密閉容器１２内に差し込んだ管の先端から蒸気を噴出する構成、複数の蒸気噴出管を配置させた構成等、その他任意の構成でもよい。
【0045】
撹拌手段３０は、密閉容器１２内で処理される汚染土壌を撹拌する手段であり、汚染土壌をむらなく、早期に処理できる。本実施形態では、撹拌手段３０は、上記の蒸気噴出管２８からなる回転軸４９と、前記回転軸４９に取り付けられ同回転軸の周方向に広がる部位を有する撹拌羽根４８と、を含む。本実施形態では、撹拌羽根４８は、回転軸４９の軸方向略中央位置で互いに逆巻きに設けられた、右巻き螺旋羽根４８ａと、左巻き螺旋羽根４８ｂと、で形成されている。
【0046】
撹拌羽根４８は、回転軸４９から羽根先端までの長さが左右中央部から両端側に向けて次第に縮径されるように設けられている。これにより密閉容器１２の横倒し樽型形状に対応して汚染土壌を確実に撹拌できる。さらに、羽根先端と密閉容器１２の内壁との間にある程度の隙間Ｈを形成するように設けられている。
【0047】
本実施形態では、螺旋羽根４８ａ、４８ｂは、汚染土壌を中央部から両端壁側に向けて搬送しつつ、固形状の汚染土壌を破砕しながら汚染土壌を撹拌する。なお、本実施形態では、撹拌手段３０により、汚染土壌は最終的に、例えば、０．３～０．８ｍｍ程度に破砕されるように設けられている。
【0048】
撹拌羽根４８により両端壁１２ａ側に搬送された汚染土壌は、前記端壁１２ａ側で後から搬送されてくる汚染土壌によって押送され、密閉容器１２の内壁に沿いつつ隙間Ｈを介してから中央に戻るように搬送されるようになっている。
【0049】
なお、撹拌手段３０は、本実施形態のものに限らず、例えば、回転軸４９に取り付けられた複数の板状や翼状の撹拌羽根体やロッド体で撹拌する構成、蒸気等の圧力流体で撹拌する構成等その他任意の構成でもよい。また、破砕された汚染土壌の大きさは、任意に設定してもよい。
【0050】
本実施形態では、上記のように密閉容器１２内で高温高圧下で撹拌しながら、所要時間、例えば１～８時間程度処理することにより、５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ結晶（トバモライト）を効率良く生成させ、しかもその結晶構造中に前記重金属類を封じ込めることができる。
【0051】
なお、上記のような処理では、例えば汚染土壌中に含まれるＰＣＢの分解も期待できる。例えば、トランス油が混じった汚染土壌等を処理した場合、ＰＣＢ濃度が処理前には８０ｐｐｍあったものが処理後には０．００５ｐｐｍ程度に減少したことが確認されている。
【0052】
密閉容器１２内で汚染土壌を高温高圧の蒸気を噴出しながら処理を行った後に、密閉容器１２を冷却手段７０により冷却して、閉鎖空間Ｓ１内の水蒸気を液化すると、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体が溜まり、この液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された汚染土壌とが混在した状態となる。
【0053】
次に、分離回収手段１８について説明する。
分離回収手段１８の１例は、前記のように、図１および図３（ａ）に示されている。図３（ａ）は、図１に示した分離回収手段の一部を説明する説明図である。
排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は一旦回収容器５０－１に回収する。回収容器５０－１の底部を形成する前記汚染土壌は通過させないが前記液体を通過させるステンレス製メッシュ５６により、前記液体が分離されて回収容器５０－１の下部に配置された他の回収容器５０－３内に回収される。
分離回収手段１８の１例は、前記のように、図１および図３（ａ）に示されている。図３（ａ）は、図１に示した分離回収手段の一部を説明する説明図である。
排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は一旦回収容器５０－１に回収する。回収容器５０－１の底部を形成する前記汚染土壌は通過させないが前記液体を通過させるステンレス製メッシュ５６により、前記液体が分離されて回収容器５０－１の下部に配置された他の回収容器５０－３内に回収される。
【0054】
前記汚染土壌は回収容器５０－１のステンレス製メッシュ５６上に前記液体が分離されて残留するので、取り出す際には回転軸５２を中心として図示しない制御された駆動装置により駆動してステンレス製メッシュ５６を矢印方向に回転させ、係止部５３を開放して、重力により下方に落下させ、図示しない回収容器に前記汚染土壌を回収する。シンプルな構成であるとともに、簡単操作、低コスト構造で、処理された汚染土壌と液体とを良好に分離回収できる。
【0055】
図３（ｂ）は、図１に示した分離回収手段の他の例を説明する説明図である。
図３（ｂ）に示すように、排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は一旦回収容器５０－２に回収する。そして、回収容器５０－２の側壁に設置した回転軸５４を中心として図示しない制御された駆動装置により駆動して回収容器５０－２を回転させて傾けて、前記液体を他の回収容器５０－４に回収する。前記液体を分離された前記汚染土壌は回収容器５０－２内に残留している。
図３（ｂ）に示すように、排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は一旦回収容器５０－２に回収する。そして、回収容器５０－２の側壁に設置した回転軸５４を中心として図示しない制御された駆動装置により駆動して回収容器５０－２を回転させて傾けて、前記液体を他の回収容器５０－４に回収する。前記液体を分離された前記汚染土壌は回収容器５０－２内に残留している。
【0056】
図３（ｃ）は、混合物をベルトコンベア装置に供給して移動中に汚染土壌と液体を分離する分離回収手段の例を説明する説明図である。
図３（ｃ）に示すように排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は、前記汚染土壌は通過させないが前記液体を通過させるステンレス製メッシュ５６により形成されたベルトを備えたベルトコンベア装置８０－１のベルトの一端部上に供給される。するとステンレス製メッシュ５６により、前記液体は分離されてベルトコンベア装置８０－１の下部に配置された他の回収容器５０－５内に回収される。
図３（ｃ）に示すように排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は、前記汚染土壌は通過させないが前記液体を通過させるステンレス製メッシュ５６により形成されたベルトを備えたベルトコンベア装置８０－１のベルトの一端部上に供給される。するとステンレス製メッシュ５６により、前記液体は分離されてベルトコンベア装置８０－１の下部に配置された他の回収容器５０－５内に回収される。
【0057】
前記汚染土壌はベルトコンベア装置８０－１のベルトの進行方向の末端部において重力により分離されて下方に落下し、回収容器５０－６に回収する。
図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示した分離回収手段の他の例を説明する説明図である。
図３（ｄ）に示すように排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は、水平方向に対して角度θだけ傾斜させて配置した合成ゴムなどで作成されたベルトを備えたベルトコンベア装置８０－２のベルトの一端部上に供給される。
図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示した分離回収手段の他の例を説明する説明図である。
図３（ｄ）に示すように排出口１６付近で処理された前記汚染土壌と前記液体の混合物は、水平方向に対して角度θだけ傾斜させて配置した合成ゴムなどで作成されたベルトを備えたベルトコンベア装置８０－２のベルトの一端部上に供給される。
【0058】
すると、前記のように角度θだけ傾斜させてあるので前記混合物から前記液体が重力により分離されて、ベルト上を進行方向の末端に向かって矢印で示したように前記汚染土壌より速く流下して回収容器５０－７内に回収される。
【0059】
前記角度θは前記混合物、前記汚染土壌、前記液体の物性や、ベルトの材質やベルトの移動速度などに依存するので、前記混合物から前記液体が重力により分離されて、ベルト上を進行方向の末端に向かって矢印で示したように前記汚染土壌より速く流下するような角度θを予めテストして決めることが好ましい。
【0060】
５５は掻き取り手段であり、ベルトとは前記液体が通過する図示しない間隙をおいてベルト上方に配置されている。そして、ベルト上の前記液体が分離された前記汚染土壌が掻き取り手段５５により矢印で示したように掻き取られて、回収容器５０－８内に回収される。
【0061】
これにより、汚染土壌と同時にこの汚染土壌中に含まれる細菌や悪臭成分等を含んだ状態の液体は、高温高圧の蒸気で処理させることができる。そして、処理後に分離回収される液体は、重金属類の水溶性化合物を含むが、悪臭・有害成分は分解等された状態で回収することができるので、分離回収した液体を二次処理する必要がなくなり、労力がかからず、時間短縮を図ることができる。
【0062】
しかし、重金属類の水溶性化合物を液体から分離する必要がある場合は二次処理する必要がある。
【0063】
次に、本実施形態に係る重金属類を含む汚染土壌の処理装置の作用について、実施形態に係る液体回収方法とともに説明する。本実施形態では、処理対象の重金属類を含む廃棄物としては、例えば、病院、大学、その他の研究所等の医療関係機関から排出される血液、手術後の内臓、脱脂綿、紙おむつ、血液供給用チューブ、点滴容器、樹脂製注射器等の医療系廃棄物とする。
【0064】
なお、注射針等の金属類やガラス製のものは予め分別して取り除かれる。排出口１６の開閉機構２６を閉じた状態で、密閉容器１２の投入口４２の開閉機構２４を開いて、例えば、２ｍ３程度の重金属を含む汚染土壌および前記Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を投入する。投入口４２の開閉機構２４を閉じて密閉容器１２を閉鎖した状態で、前記密閉容器内に蒸気噴出手段１４の蒸気噴出管２８から、例えば、２５０℃、２５ａｔｍ程度に設定された高温高圧の蒸気を噴出する。
【0065】
噴出された蒸気により、密閉容器１２内は例えば、２５０℃、２．１ＭＰａ程度の高温高圧状態となる。
密閉容器１２内で高温高圧の条件下で、回転する撹拌羽根４８により汚染土壌を撹拌、破砕させながら汚染土壌を処理する。
密閉容器１２内で高温高圧の条件下で、回転する撹拌羽根４８により汚染土壌を撹拌、破砕させながら汚染土壌を処理する。
【0066】
処理すると、汚染土壌に予め含まれるＣａ成分や新たに添加したＣａ成分と汚染土壌に予め含まれるＳｉＯ２成分や新たに添加したＳｉＯ２成分が水熱反応して、安定なケイ酸カルシウム（５ＣａＯ・６ＳＯ２・５Ｈ２Ｏトバモライト）と称される鉱物の層状構造を有する結晶が形成され、この層状結晶構造形成過程で、重金属類は層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められる。
【0067】
大部分の重金属類は前記のようにトバモライトの層状結晶構造中に取り込まれて封じ込められるが、前記汚染土壌中に陰イオンが存在している場合には、水蒸気に溶け込んだり、水に溶解する。
【0068】
また、汚染土壌に含まれる（あるいは付着している）病原体等は十分に滅菌されるとともに、悪臭成分等を分解しながら処理される。
【0069】
また、処理中では、汚染土壌と同時に汚染土壌に含まれる水分も高温高圧の蒸気で処理される。このような処理を所要時間、例えば、約４０分間行なうと、汚染土壌中の有機物は、例えば、０．３～０．８ｍｍ程度の粒状に破砕された炭状態に処理される。
【0070】
上記のように汚染土壌を処理した後には、密閉容器１２を冷却手段７０により冷却して、閉鎖空間Ｓ１内の水蒸気を液化すると、前記重金属類の水溶性化合物を含む処理された液体が溜まり、この液体と前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む処理された汚染土壌とが混在した状態となっているので、分離回収手段１８により、たとえば図１および図３（ａ）に示したように、前記混合物を一旦回収容器５０－１に回収すると、回収容器５０－１の底部を形成する前記汚染土壌は通過させないが前記液体を通過させるステンレス製メッシュ５６により、前記液体が分離されて回収容器５０－１の下部に配置された他の回収容器５０－３内に回収される。前記汚染土壌は回収容器５０－１のステンレス製メッシュ５６上に前記液体が分離されて残留するので、取り出す際には回転軸５２を中心として図示しない制御された駆動装置により駆動してステンレス製メッシュ５６を矢印方向に回転させ、係止部５３を開放して、重力により下方に落下させ、図示しない回収容器に前記汚染土壌を回収する。
【0071】
処理された汚染土壌は、例えば、液体が分離されており、有機物は炭となっており、重金属類が封じ込められたトバモライトおよび処理された土粒子などとなっており、運搬、管理等の際にも扱いやすい状態で回収することができる。
【0072】
これにより、一台の装置だけで、汚染土壌の処理とともに、汚染土壌と液体とを分離して回収することができる。また、液体と混ざった状態の扱いにくい汚染土壌を外部に出す必要がなく、処理に引き続き連続して、密閉容器から直接に簡単な操作で分離回収できる。また、分離回収の構成も簡単であり、低コストで製造できる。なお、各開閉機構は、手動操作で開閉する構成でもよく、或いは電気等を用いた機械的な操作で開閉させる構成でもよい。
【0073】
以上説明した亜臨界水反応は高圧水蒸気のみを反応の原動力として使うため、薬品等の人工資材を一切使わず最も安全な処理技術といえる。亜臨界水反応（温度１００～３７４℃前後、圧力０．１～２２．１Ｍｐａ）は水蒸気の温度と圧力条件により図６に示したように様々な反応領域がある。
【0074】
例えば、下水汚泥の再資源化で利用する亜臨界水処理条件は、温度２００℃前後、圧力１．２～１．６Ｍｐａの「加水分解反応」を主反応とする領域で、人を含む動物や発酵微生物等が行う分解反応と同じ反応原理の領域を活用する。下水汚泥は加水分解によって低分子化し繊維質をグルコースやオリゴ糖類に、蛋白質はアミノ酸やペプチドへ、脂質類は有機酸類にそれぞれ加水分解が進む。このため処理汚泥の直接的マテリアル利用やメタン発酵の効率化等、多目的な資源再生システムに導入することが可能となる。
【0075】
また病原微生物やウィルス等の滅菌・破壊を行え、農薬等の有害化学物質の分解及び重金属類の固化による溶出抑制等ができるなど様々な環境安全性を確保できる特徴がある。
【0076】
下水汚泥に関しては、下記のように多様な再生資源としての利用ができる。
（１）農耕地土壌改良材：下水汚泥の亜臨界水処理は安定した加水分解処理が行え、顆粒化された状態で生成できるため、利便性の高い緑農地土壌改良材とすることができる。
（２）汚泥有機肥料：下水汚泥は乾燥化や発酵させ、肥効成分や重金属の農用基準等の安全性を確認できれば「普通肥料」の一種として利用できる。
（３）メタン発酵の前処理機能
高分子の有機物が加水分解されているため微生物分解、すなわち一次発酵の速度が速くなると同時に、ガス収率が高くなる。たとえばメタン発酵の場合は約１．５～２．８倍にメタンガス収率が増強され、マテリアルやエネルギー回収率の増強が可能となる。
（１）農耕地土壌改良材：下水汚泥の亜臨界水処理は安定した加水分解処理が行え、顆粒化された状態で生成できるため、利便性の高い緑農地土壌改良材とすることができる。
（２）汚泥有機肥料：下水汚泥は乾燥化や発酵させ、肥効成分や重金属の農用基準等の安全性を確認できれば「普通肥料」の一種として利用できる。
（３）メタン発酵の前処理機能
高分子の有機物が加水分解されているため微生物分解、すなわち一次発酵の速度が速くなると同時に、ガス収率が高くなる。たとえばメタン発酵の場合は約１．５～２．８倍にメタンガス収率が増強され、マテリアルやエネルギー回収率の増強が可能となる。
【0077】
また生活系生ごみや食品汚染土壌等との混合処理も可能で、下水処理場で合同処理した場合、メタン発酵発電により電力と熱源自給システムも可能となる。
以上のように様々な利用性があるが、いずれにしても重金属類の安全性確保は重要な課題となる。
以上のように様々な利用性があるが、いずれにしても重金属類の安全性確保は重要な課題となる。
【0078】
重金属類を含む下水脱水汚泥の亜臨界水処理による重金属固化特性について試験した。
（１）試験装置：図１に示した亜臨界水処理装置は実用タイプのものとし、反応容積２ｍ３のバッチ処理タイプである。ボイラー能力５００ｋｇ／ｈのものを用いた。
（２）試験条件：有機物の加水分解が主反応となる亜臨界水領域は温度２００°Ｃ前後、圧力は当該温度の飽和蒸気圧で１．２～１．６ＭＰａである。温度・圧力条件がこれより高いと過分解となり養分の損失が生じる領域となる。したがって温度は１８０～２００°Ｃの範囲とした。
（３）試験操作：Ｃａ成分およびＳｉＯ２成分が予め少ないことが判っている下水脱水汚泥（含水率約７８質量％）を前記亜臨界水処理装置内での処理中に少なくとも下水脱水汚泥３００Ｋｇに含まれる重金属類をトバモライト結晶構造中に封じ込めるためのトバモライトが形成されるのに十分な量のＣａ成分原料［ＣａＯ）］１０ＫｇおよびＳｉＯ２成分原料［シリカ（ＳｉＯ２）］１３Ｋｇを添加し、Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を下水脱水汚泥とよく混和して添加混合後の原料を投入後、亜臨界水反応条件になるまで蒸気を圧入し、この所定条件を保ちながら必要時間の亜臨界水処理を行った。この反応時間は３０ｍｉｎから１時間の範囲である。反応終了後は常温まで冷却し、脱気し常圧に戻したあと液化した成分を含む液体１０Ｋｇを分離し、次いで前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥約３００Ｋｇ強（飽和蒸気の水和反応が起こり重量がやや増加）、を分離し取り出した。
（１）試験装置：図１に示した亜臨界水処理装置は実用タイプのものとし、反応容積２ｍ３のバッチ処理タイプである。ボイラー能力５００ｋｇ／ｈのものを用いた。
（２）試験条件：有機物の加水分解が主反応となる亜臨界水領域は温度２００°Ｃ前後、圧力は当該温度の飽和蒸気圧で１．２～１．６ＭＰａである。温度・圧力条件がこれより高いと過分解となり養分の損失が生じる領域となる。したがって温度は１８０～２００°Ｃの範囲とした。
（３）試験操作：Ｃａ成分およびＳｉＯ２成分が予め少ないことが判っている下水脱水汚泥（含水率約７８質量％）を前記亜臨界水処理装置内での処理中に少なくとも下水脱水汚泥３００Ｋｇに含まれる重金属類をトバモライト結晶構造中に封じ込めるためのトバモライトが形成されるのに十分な量のＣａ成分原料［ＣａＯ）］１０ＫｇおよびＳｉＯ２成分原料［シリカ（ＳｉＯ２）］１３Ｋｇを添加し、Ｃａ成分原料およびＳｉＯ２成分原料を下水脱水汚泥とよく混和して添加混合後の原料を投入後、亜臨界水反応条件になるまで蒸気を圧入し、この所定条件を保ちながら必要時間の亜臨界水処理を行った。この反応時間は３０ｍｉｎから１時間の範囲である。反応終了後は常温まで冷却し、脱気し常圧に戻したあと液化した成分を含む液体１０Ｋｇを分離し、次いで前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥約３００Ｋｇ強（飽和蒸気の水和反応が起こり重量がやや増加）、を分離し取り出した。
【0079】
計３０検体についての原料下水脱水汚泥および液化した成分を含む液体および前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥について、下記の分析方法で、肥料成分を含む一般有機成分と重金属類および微量化学物質の理化学分析を行った。
【0080】
処理汚泥について、その結果を、まとめて、亜臨界水処理による固化率（原料下水脱水汚泥中の重金属濃度に対する処理汚泥の濃度減少分の比率）を算出し、その平均値及び標準偏差の範囲を図７に示した。
ＭＰａ分析方法：
昭和４８年総理府令第５号に基づく重金属の溶出試験法に準拠した。
前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥の分析結果の内の２つの例を表１および表２に示す。
ＭＰａ分析方法：
昭和４８年総理府令第５号に基づく重金属の溶出試験法に準拠した。
前記重金属類が封じ込められたトバモライトを含む汚泥の分析結果の内の２つの例を表１および表２に示す。
【表1】
【表2】
【0081】
一方、表３に、国土交通省土木研究所が行った調査結果（「土壌の汚染に係る環境基準」環境庁告示第４６号、平成３年８月）に基づいて作成した日本の下水汚泥の重金属濃度を示す。
【0082】
下水汚泥の全国調査結果から、表３中に記載の土壌環境基準の最大値を亜臨界水処理によってクリアできれば、下水汚泥重金属に関する安全化を全国的に安心して図れることになる。
【表3】
【0083】
表３から、Ｃｒは最大値が約６５０ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＣｒの固化率平均４５％を適用すると、亜臨界水処理を行った後には約３６０ｍｇ・ｋｇ－１となるので、表１～表３に示した肥料基準を満足する。
【0084】
表３から、Ｐｂは最大値が約１８０ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＰｂの固化率平均４５％を適用すると、亜臨界水処理を行った後に約９９ｍｇ・ｋｇ－１となり、１００ｍｇ・ｋｇ－１を僅かであるが下回り表１～表３に示した肥料基準値以下となる。
【0085】
表３から、Ｃｄは最大値が７．４ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＣｄの固化率平均約５８％を適用すると、亜臨界水処理を行った後に約３．１ｍｇ・ｋｇ－１となり表１～表３に示した肥料基準値を下回る。
【0086】
表３から、Ａｓは最大値が１０１ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＡｓの固化率平均約５７％とすると、亜臨界水処理を行った後に約４４ｍｇ・ｋｇ－１となるので、表１～表３に示した肥料基準を満足する。
【0087】
同様にして表３から、Ｈｇは最大値が７．３ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＨｇの固化率平均約７８％とすると、亜臨界水処理を行った後に約１．６ｍｇ・ｋｇ－１となるので、表１～表３に示した肥料基準を満足する。
【0088】
表３から、Ｚｎは最大値が３０２０ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＺｎの固化率平均約７５％をすると、亜臨界水処理を行った後に約７５５ｍｇ・ｋｇ－１となるが、亜鉛、銅については肥料基準ではなく土壌濃度基準にしており、下水汚泥を肥料として施用後の土壌と混合した時に、１２０ｍｇ・ｋｇ－１となることが求められている。注意深い施用によって、表１～３に示した土壌環境基準を守ることが出来る。
【0089】
表３から、Ｎｉは最大値が４１７ｍｇ・ｋｇ－１であり、図７に示したＮｉの固化率平均約６０％とすると、亜臨界水処理を行った後に約１６７ｍｇ・ｋｇ－１となるので、表１～表３に示した肥料基準を満足する。
【0090】
以上から、亜臨界水処理によって、全国的に下水汚泥の重金属の固化による農用地基準値（肥料基準）を満足できる汚泥資源化製品を製造することが可能であると考えられる。
【0091】
なお、亜鉛については土壌汚染の未然防止を目的に、監視上有効な物質であることから農用地土壌の自然賦存量から亜鉛濃度１２０ｐｐｍの管理基準が定められている（「農用地における土壌中の重金属などの蓄積防止に係る管理基準について」、昭和５９年１１月環境庁水質保全局長通達）。これは亜鉛を指標にすることにより、カドミウムやヒ素など有害物質の蓄積を最小限に抑えることを目的として設定されている。この１２０ｐｐｍという値は、あくまで農地に散布した後の土壌に関する管理濃度であることに留意する必要がある。
【0092】
表３に記載した溶出基準（前記土壌環境基準）は重金属の地下水汚染防止を目的として設定されているものである。これは重金属を含む地下水を生涯飲み続けても安全である基準として設定されており、一定の溶出操作をして溶出液の濃度を測定して判定される。
【0093】
前記のように、どの重金属類も亜臨界水処理後は溶出基準値以下であることが確認された。
全ての試料について、亜臨界水処理をすることにより、土壌環境基準はもとより、農用基準を下回り重金属に対し安全な有機肥料（堆肥を含む）とすることができることが判った。
「亜臨界水処理技術」を下水汚泥に適用することにより、重金属を無害化レベルまで固化し溶出抑制が可能であることを示した。すなわち、農用の重金属含有基準を既往の最大濃度の下水汚泥でも満足させることができ、また短時間で安全な汚泥肥料化が直接行えることを実証的に示した。
全ての試料について、亜臨界水処理をすることにより、土壌環境基準はもとより、農用基準を下回り重金属に対し安全な有機肥料（堆肥を含む）とすることができることが判った。
「亜臨界水処理技術」を下水汚泥に適用することにより、重金属を無害化レベルまで固化し溶出抑制が可能であることを示した。すなわち、農用の重金属含有基準を既往の最大濃度の下水汚泥でも満足させることができ、また短時間で安全な汚泥肥料化が直接行えることを実証的に示した。
【0094】
分離した前記液体についても、前記の分析方法で、肥料成分を含む一般有機成分と重金属類および微量化学物質の理化学分析を行った一例を次に示す。
前記液体中の９２．７質量％はｐＨ４．８の水であった。前記液体中の固形分中の有機炭素は３．６質量％であった。
前記液体中の肥料分および重金属の含有量を次に示す。
全窒素 ６．７００ｍｇ／Ｌ
全燐酸（Ｐ２Ｏ５）２．１００ｍｇ／Ｌ
重金属：
Ｃｒ ０．３ｍｇ／Ｌ
Ｐｂ ０．０１ｍｇ／Ｌ
Ｃｄ ０．０１ｍｇ／Ｌ未満
Ａｓ ０．２７ｍｇ／Ｌ
Ｈｇ ０．０００５ｍｇ／Ｌ未満
Ｚｎ ４３．０５ｍｇ／Ｌ未満
Ｃｕ ２．１ｍｇ／Ｌ
Ｎｉ ０．６ｍｇ／Ｌ
分離した前記液体は、重金属に関する水の環境基準と排水基準に従って、また重金属以外の水質汚染物質も含まれているので、排水基準に従って、しかるべき水処理を行って、排水する。また下水処理場では水処理系統に返送して処理してから公共水域に排水する。
前記液体中の９２．７質量％はｐＨ４．８の水であった。前記液体中の固形分中の有機炭素は３．６質量％であった。
前記液体中の肥料分および重金属の含有量を次に示す。
全窒素 ６．７００ｍｇ／Ｌ
全燐酸（Ｐ２Ｏ５）２．１００ｍｇ／Ｌ
重金属：
Ｃｒ ０．３ｍｇ／Ｌ
Ｐｂ ０．０１ｍｇ／Ｌ
Ｃｄ ０．０１ｍｇ／Ｌ未満
Ａｓ ０．２７ｍｇ／Ｌ
Ｈｇ ０．０００５ｍｇ／Ｌ未満
Ｚｎ ４３．０５ｍｇ／Ｌ未満
Ｃｕ ２．１ｍｇ／Ｌ
Ｎｉ ０．６ｍｇ／Ｌ
分離した前記液体は、重金属に関する水の環境基準と排水基準に従って、また重金属以外の水質汚染物質も含まれているので、排水基準に従って、しかるべき水処理を行って、排水する。また下水処理場では水処理系統に返送して処理してから公共水域に排水する。
【0095】
次に、亜臨界水処理設備の経済性について記載する。
亜臨界水処理設備の構成は、図１にも示したように、（１）高圧蒸気ボイラー、（２）圧力タンク（撹拌機付）、（３）温度圧力制御盤、（４）原料及び処理性製品の投入・移送・貯留設備の４つである。
亜臨界水処理設備の構成は、図１にも示したように、（１）高圧蒸気ボイラー、（２）圧力タンク（撹拌機付）、（３）温度圧力制御盤、（４）原料及び処理性製品の投入・移送・貯留設備の４つである。
【0096】
主な投入資源はボイラー用燃料（Ａ重油等）と駆動モーター及び水である。これらのエネルギー消費量は処理量当たり、水約２０Ｌ／ｔ、電力消費量は２５ｋｗｈ／ｔ程度である。
【0097】
従来の炭化設備の場合と対比すると、エネルギー投入では１／３程度また建設費では１／３～１／４程度となり経済性の高い方法である。
【0098】
以上のように、亜臨界水処理により、下水汚泥を安全な有機質資源にできることを示した。我が国では農業経済の衰退傾向から農業従事者の減少とともに遊休農地が拡大している。農業生産は生活を支える基盤産業として重要であり、地域生産の向上策は重要である。このためには農耕地土壌を活性化させ再生生産能力のある土壌づくりは重要である。
【0099】
加えて、機能性の高い堆肥製造が可能なため農産品の品質向上と相まって農業経済の効率化が達成可能である。また我が国の耕作放棄地などの農耕地土壌の修復には有機質による改質改善が重要であり、亜臨界水処理による安全化された下水処理汚泥の積極的有効利用の促進が費用対効果の面から強く望まれるところである。
【0100】
以上説明した本発明の重金属を含む汚染土壌の処理装置及び重金属類を含む汚染土壌の処理方法は、上記した実施形態のみの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の本質を逸脱しない範囲において、任意の改変を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0101】
本発明の重金属類を含む汚染土壌の処理装置は、一台の装置だけで、重金属類を含む汚染土壌を高温高圧の蒸気を用いて安全に処理して、前記重金属類を固定化して溶出を抑制し、処理後には、連続して処理された前記重金属類を固定化した汚染土壌と液体とを簡単な操作で分離して回収できる、構造が簡単で、低コストであり、特に、液体と混ざった状態の扱いにくい汚染土壌を外部に出す必要がなく、処理した第１の密閉容器から直接に分離回収でき、作業を簡便に、スムーズに行うことができ、装置全体が大型化せず、低コストであり、また、液体と分離して回収した汚染土壌は水分の少ない状態であり、取り扱いや搬送、管理等に便利であり、例えば、炭化された汚染土壌を短期間で燃料や土壌改良材等に加工し得るという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
【符号の説明】
【0102】
１０ 重金属類を含む汚染土壌の処理装置
１２ 密閉容器
１４ 蒸気噴出手段
１６ 排出口
１８ 分離回収手段
１８－１，１８－２ ベルトコンベア装置
２６ 開閉機構
３０ 撹拌手段
５０－１～５０－８ 回収容器
７０ 冷却手段
１２ 密閉容器
１４ 蒸気噴出手段
１６ 排出口
１８ 分離回収手段
１８－１，１８－２ ベルトコンベア装置
２６ 開閉機構
３０ 撹拌手段
５０－１～５０－８ 回収容器
７０ 冷却手段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】