舗装材料としての下水汚泥焼却灰の複合的利用技術の開発に関する研究

佐藤, 佳之

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舗装材料としての下水汚泥焼却灰の複合的利用技術の開発に関する研究

https://doi.org/10.15113/00010396

名前 / ファイル	ライセンス	アクション
本文 (8.3 MB)
要旨 (345.9 kB)

Item type

学位論文 / Thesis or Dissertation(1)

公開日

2014-11-11

タイトル

舗装材料としての下水汚泥焼却灰の複合的利用技術の開発に関する研究

著者

佐藤, 佳之

著者別名

姓名

SATO, Yoshiyuki

著者(機関)

値

岩手大学大学院工学研究科

アクセス権

open access

アクセス権URI

http://purl.org/coar/access_right/c_abf2

Abstract

内容記述タイプ

Other

内容記述

下水道の終末処理場で発生する下水汚泥焼却灰の発生量は増加の一途をたどっており、日本国内の発生量は平成22年度には約221，000トン、うち岩手県内の発生量は約1，000トンに達した。この焼却灰は、セメントの原料として使用される以外、ほとんどが埋立て処分されており、多量に利用が可能な新たな技術の開発が望まれてきた。路盤材およびアスファルト混合物などの舗装材料はその利用用途の一つである。下水汚泥焼却灰以外の溶融スラグ等の廃棄物は、同用途への利用実績が高いが、下水汚泥焼却灰の適用例はほとんどなく、検討の余地がある。本研究の目的は、舗装材料である路盤材およびアスファルト混合物に着目し、両用途に複合的に焼却灰を利用することで、多量に利用が可能な技術を開発することにある。現況の発生量を上回る利用可能量を確保する手法を開発するため、本研究では、両用途へ下水汚泥焼却灰を利用した場合の品質への影響原因を考察し、利用可能量の増加対策を提案することで、総合的な焼却灰の利用可能量を確保しようとした。本論文の構成を以下に示す。第1章「序論」では、本研究の目的および概要について述べた。第2章「下水汚泥焼却灰の利用技術に関する研究の動向」では、既往の下水汚泥焼却灰の利用に関連した研究について整理し、下水汚泥の焼却技術の動向、下水汚泥焼却灰の舗装材料としての利用の有効性と現状の課題について述べ、本研究の位置付けを明確にした。第3章「下水汚泥焼却灰の特性」では、下水汚泥の燃焼炉の形式として主流である流動床式焼却炉で燃焼された焼却灰を選定して、物性分析、化学分析、粒子分析、環境安全性について検討した。その結果、リンがP2O5換算で合計25wt％を超えて存在し、一部はリン酸マグネシウムとして、多孔質かつ大きな粒子として存在することを明らかとした。さらに、焼却灰は概ね300μm以下の微粒子であり、作業時の飛散が懸念されること、焼却灰からヒ素とセレンの溶出が見られ、その含有量が僅かであることから、そのまま利用するよりも他材料と混合して、溶出しにくい処理を行い、利用することが有利であると結論付けた。第4章「焼却灰の路盤材としての利用」では、第3章で検討した焼却灰を利用した路盤材の開発を行った。焼却灰を生コンクリートと混合してから硬化させ、破砕して、その混合破砕物を路盤材として使用する手法であり、生コンクリートに対する焼却灰の外割混合割合と混合破砕物の品質の関係を検討した。その結果、焼却灰の混合割合が15wt％であれば生コンクリート単体よりも支持力が高い路盤材として利用できることを明らかとした。さらに焼却灰の混合割合が30wt%を超えると、締固めエネルギーの増加によって支持力が低下するオーバーコンパクションが発生することを見出した。これは混合破砕物の締固め時に粒子が細粒化することで、粒子中に収着された水が自由水となることが原因と推定した。そこで混合破砕物の最適含水比の低下、強度の増加を指向して、焼却灰の粉砕処理または脱リン処理を行ってから混合したところ、両対策ともオーバーコンパクションの発生を抑制でき、焼却灰を多量に利用した場合でも混合破砕物の支持力を確保できることを確認した。第5章「焼却灰のアスファルト混合物用フィラーとしての利用」では、下水汚泥焼却灰をアスファルト混合物用フィラーとして使用する手法を検討した。通常使用される石灰石微粉末（石粉）に対して焼却灰を置換して用いたところ、置換率45wt％まで、アスファルト混合物の目標品質を満足することを明らかとした。しかし、置換量の増加に伴ってマーシャル安定度が低下し、配合すべきバインダー量（最適アスファルト量）が増加する。この点について、150μm以上の粗粒分を除去または粉砕した試料を用いることにより、粗粒分がマーシャル安定度と最適アスファルト量の増加に大きく影響していることを明らかとした。第3章で明らかにしたとおり、この分級した粗粒分にはリン酸マグネシウムの多孔質粒子が多く含まれることから、焼却灰の多孔質な性状がマーシャル安定度の低下と最適アスファルト量の低下原因と断定した。この結果を受け、焼却灰を分級せずに全量粉砕してから用いたところ、石粉と全量置換して用いた場合でもマーシャル安定度、最適アスファルト量は焼却灰を用いない基準配合と遜色ない結果が得られた。これと同時に、粉砕した焼却灰の置換量によっては基準配合よりも最適アスファルト量が低くなることを見出した。この知見は、焼却灰が石粉の単なる代替材料にとどまらず、石粉より優位な材料として利用できる可能性を示している。なお、粉砕した焼却灰を石粉と全量置換して用いると、残留安定度が規格値を下まわる。この点については、粉体の表面電荷量に着目して検討し、粉砕時に粉体の表面電荷量が負に移行したことが剥離を引き起こした一因であることを示した。なお、残留安定度は消石灰などの剥離防止材の添加によって改善でき、この対策を加えることにより、下水汚泥焼却灰の利用可能量を向上できることを述べた。第6章「焼却灰利用可能量の評価および利用コスト試算」では舗装材料への焼却灰の利用可能量を評価した。前章までの検討結果と標準的な舗装構成の仮定および舗装材料の出荷実績から、下水汚泥焼却灰を舗装材料として複合的に利用した場合の利用可能量を試算した。その結果、製品当たりの利用可能量および舗装面積あたりの利用可能量は、路盤材としての利用が有利となった。過去の製品出荷実績から試算した利用可能量はアスファルト混合物用フィラーとしての利用が有利となり、試算の結果、各々の利用手法の優位性が認められた。なお、本検討で提案した焼却灰の粉砕処理は、利用可能量を倍程度高めることができる。路盤材、アスファルト混合物用フィラーのどちらの用途でも、試算した下水汚泥焼却灰の利用可能量は発生量よりも十分に大きく、今回開発した手法は利用可能量の確保に資する有効な技術であると結論付けた。さらに一定の仮定の下で焼却灰の利用コストを試算したところ、開発した舗装材料としての利用技術が、既存の処理技術であるセメント原料化および埋立て処理よりもコスト上も有利な手法と成り得ることを確認した。第7章「結論」では、これまでの6章の検討による結論を導いた。

出版者

岩手大学

登録日

日付

2014-11-11

言語

jpn

資源タイプ

資源タイプ識別子

http://purl.org/coar/resource_type/c_db06

資源タイプ

doctoral thesis

著者版フラグ

出版タイプ

VoR

出版タイプResource

http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85

ID登録

10.15113/00010396

ID登録タイプ

JaLC

書誌情報

p. 1-152, 発行日 2013

学位の区分

値

博士

学位授与番号

甲第238号

学位の分野

値

工学

学位名

博士 (工学)

学位授与年月日

2013-09-25

学位授与機関

学位授与機関識別子Scheme

kakenhi

学位授与機関識別子

11201

学位授与機関名

岩手大学

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