KR100848944B1 - 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장복토재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수처리장에서 발생되는 탈수 슬러지(수분함량 80 내지 85%)를 활용한 쓰레기 매립장의 복토재에 관한 것으로, 특히 하수슬러지에 산업 폐기물을 혼합하여 위생 매립지의 복토재로 사용하기 위한 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및 그 제조방법을 개시한다.

본 발명에 따른 복토재는 하수슬러지 100중량부에 대해 폐인산석고 40내지 60중량부, 표면개질 제강슬래그 10내지 20중량부, 생석회 5내지 30중량부를 정량 혼합하여 얻어지며, 중요한 것은 하수슬러지에 폐인산석고를 우선적으로 정량 혼합한 후 혼합된 하수슬러지에 표면개질 제강슬래그, 생석회순으로 폐기물을 정량 혼합하여야 본 발명에 따른 복토재가 얻어진다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 하수슬러지에 토질역학적인 복토재로서의 목적에 부합되는 것과 동시에 복토재 생성시 발생되는 악취를 최소할 수 있으며, pH 12 정도를 유지함으로서 병원성미생물의 사멸을 유도하여 작업자에게 위생적인 작업환경을 제공할 수 있다.

하수슬러지, 폐인산석고, 표면개질 제강슬래그, 생석회, 복토재

Description

하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및 그 제조방법{The sanitary landfill cover use of seawage sludge and Function waste, and Prepared method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 혼합하여 복토재를 제조하는 과정을 일괄적으로 나타낸 블록도.

본 발명은 하수처리장에서 발생되는 탈수 슬러지(수분함량 80 내지 85%)를 활용한 쓰레기 매립장의 복토재에 관한 것으로, 특히 하수슬러지에 산업 폐기물을 혼합하여 위생 매립지의 복토재로 사용하기 위한 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

우리나라에서 발생되는 하수슬러지의 양은 약 6,645 ton/day로, 발생된 하수슬러지의 대부분은 매립과 해양투기에 의존하고 있는 실정이다. 매립의 경우 매립지의 확보가 어렵고 슬러지의 매립작업 시 작업성이 나쁘고 슬러지에 함유되어 있는 각종 유해 중금속이 토양에 잔류하게 되어 지하수 및 지표수를 오염시키며 침출수량의 증가를 초래하게 된다.

이러한 이유로 최근에는 하수슬러지의 재활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 슬러지의 재활용 방법으로는 크게 유기물을 이용하는 기술과 무기물을 이용하는 기술로 구분할 수 있다. 이 중 유기물의 이용 기술로는 열분해, 액화, 고체 연료화, 퇴비화 등이 있으며, 무기물의 재활용 기술로는 경량골재, 벽돌, 용융슬래그, 복토재 활용 등으로 재활용이 가능하다.

특히, 상기와 같은 유용한 처리방법 중 하나인 복토재 활용은 좁은 국토로 매립지 확보 및 복토를 위한 흙의 안정적인 확보에 어려움이 예상되는 국내 현실을 감안한다면 흙을 대체할 대용 복토재의 개발 및 실용화는 기존 매립지의 수명 연장 및 환경오염 방지측면과 경제적인 측면에서 매우 중요한 의미를 지닌다. 또한 이상적인 슬러지의 재활용을 위해서는 인체 및 환경에 영향을 미치지 않아야한다는 전제조건이 충족된다면 경제적 측면과 환경적인 측면에서 슬러지의 재활용은 매우 중요한 과제라 할 수 있다.

이와 같은 요구로 최근에는 하수처리장에서 발생된 하수슬러지에 각종 고화제를 첨가하여 고형화 시킴으로써 하수슬러지를 복토재로서 재활용할 수 있도록 한 기술이 제안된 바 있다.

그 중, 대한민국 공개특허공보 제2000-25028호는 하수슬러지에 특수 고화제로서 석고, 생석회, 시멘트 등를 혼합하고 500℃ 이하로 가열한 후 대기중에서 냉각시킨 것을 매립토로 사용하는 기술에 대해 개시하고 있다.

그러나, 이러한 종래 기술에 따르면 고화제로서 시멘트, 생석회를 사용하는 기존 방식의 경우 슬러지와 첨가제 혼합·양생과정에서 발열반응이 일어나며 PH 상 승으로 인한 암모늄이온이 암모니아 가스로 전환되어 심한 악취가 발생되는 문제가 있으며, 또한 고화처리를 위한 부지확보 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 하수슬러지에 토질역학적인 복토재로서의 목적에 부합되는 것과 동시에 복토재 생성시 발생되는 악취를 최소화할 수 있으며, pH 12 정도를 유지함으로서 병원성미생물의 사멸을 유도하여 작업자에게 위생적인 작업환경을 제공할 수 있는 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은, 슬러지의 함수율을 낮출 수 있으면서 동시에 암모니아 악취 발생을 최소화할 수 있고, 유해물질이 용출되지 않아 인체에 무해하고, 수일 동안 풍건 방치할 필요 없이 바로 현장투입이 가능하여 복토재로서의 활용성을 높일 수 있는 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및 그 제조방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 하수슬러지 100중량부에 대해 폐인산석고 40내지 60중량부, 표면개질 제강슬래그 10내지 20중량부, 생석회 5내지 30중량부를 정량 혼합시켜 구성한 것을 특징으로 하는 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재를 제공한다.

여기에서 상기 복토재는, 또한 본 발명은, 하수슬러지에 폐인산석고를 우선 적으로 정량 혼합하는 폐인산석고 혼합단계와, 상기 혼합된 하수슬러지에 표면개질 제강슬래그, 생석회 순으로 폐기물을 정량 혼합하는 폐기물 혼합단계를 거쳐 제조되어질 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 적용된 쓰레기 매립장 복토재는 하수슬러지에 폐인산석고, 표면개질된 제강슬래그, 생석회를 적정 비율 혼합하여 얻어진다. 구체적으로, 하수슬러지 100중량부에 대하여 폐인산석고 40내지 60중량부, 표면개질된 제강슬래그 10내지 20중량부, 생석회 5내지 30중량부를 정량 투입한 후 혼합함으로써 얻어진다. 여기서, 상기 표면개질 제강슬래그라 함은 1N 염산용액 500mL에 제강슬래그 300g을 반응조에 투입하여 온도 60℃를 유지하면서 2내지 3시간정도를 200rpm으로 충분히 교반한 후 하층의 침전된 개질 슬래그를 2내지3회 증류수를 이용하여 세척하고 건조한 것을 지칭한다.

본 발명에서 상기와 같이 하수슬러지 100중량부에 대해 폐인산석고를 40내지 60중량부로 첨가하는 이유로는, 40미만으로 첨가 시 함수율이 높아져 장비 기동에 문제가 생기게 되고 60초과 시에는 혼합재의 점성력이 떨어져 크랙으로 인한 압축강도 발현과 투수계수에 문제를 야기시키기 때문이다.

또한, 상기 표면개질 제강슬래그의 첨가는 폐인산석고 첨가 후 피막층이 형성되어 악취 발생을 억제 및 지연 시키고 슬러지 내에 여분의 암모니아 이온을 이온교환 시킬 수 있도록 하기 위한 것으로, 이러한 표면개질 제강슬래그는 하수슬러지 100중량부에 10내지 20을 첨가함으로써 암모니아 가스 전환으로 인한 악취발생 을 최대로 억제하는 최소의 중량부로 첨가하기 위함이다.

더하여, 생석회를 첨가하면 고열 및 발열반응이 일어나 하수슬러지를 건조시키고 고화반응으로 인한 강도와 투수계수를 증진시킬 수 있다. 이 때, 중량부 5 내지 30으로 생석회를 첨가하는데 이는 적절한 함수 제어를 위한 최적 다짐비라 할 수 있으며, 함수 조절, 강도 발현을 목적으로 한다.

또한 이에 부가하여, 석회의 용해에 의하여 고알칼리성을 띠게 되는 간극수에는 점토광물중의 실리카 혹은 알루미나 성분이 이온화되어 간극수중의 칼슘과의 사이에 화학반응을 일으켜 규산석회 산화물이나 알루민산 석회수화물 등의 켈상의 수화물을 생성한다. 이러한 생성 화합물이 결합제가 되어 슬러지가 고결된다. 이러한 초기 포졸란 반응에 의해 수화물은 또한층 칼슘 이온을 제공받아 장기적으로 결정광물을 생성하여 고결의 진행에 따라 장기적으로 강도가 증가한다.

상기와 같이 첨가되는 폐인산석고, 표면개질 제강슬래그, 생석회의 조성성분 및 비율은 하수슬러지의 유기물함량, 수분함량에 따라 적절하게 조절함이 바람직하다.

따라서, 하수슬러지에 상기와 같은 무기물을 혼합하면 수분함량이 조절되어 최종적으로 함수율 30내지 40±5 %, 압축강도 1.0 내지 5.0㎏/㎠의 복토재가 생산 되어진다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시예>

하수슬러지 100중량부에 대하여 폐인산석고 40내지 60중량부, 표면개질된 제 강슬래그 10내지 20중량부, 생석회 5내지 30중량부를 정량 투입한 후 혼합한다.

이 때, 상기 사용되는 조성물 중 하수슬러지는 60% 내지 70%가 유기물이며, 무기물중에서는 SiO₂가 17.78%로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며 다음으로 Al₂O₃ 7.42%, P₂O₅ 3.81% 순으로 포함되어 있다. 그리고, 상기 생석회는 CaO가 68.84%로 가장 높게 나타났고, SiO₂가 7.20%를 차지하고 있다. 폐인산석고의 경우 CaO가 37.17%, SiO₂가 2.59%로서 이 두 화학조성물이 전체 약 39.76%를 차지하고 있으며, 전체 함량의 약 53%는 황산염(Sulfate, SO₄)이 차지하고 있다.

본 발명의 하수슬러지, 폐인산석고, 표면개질 제강슬래그, 생석회를 혼합하여 고화시키는 반응의 원리는 아래와 같이 수화 및 고화반응이 주로 관여한다.

1) 수화반응

Cao + H₂O -> Ca(OH)₂ + 278kcal/kg Cao

(생석회) (소석회)

상기와 같은 수화 반응에 의하여 생석회 1㎏당 약 320g의 물을 흡수하고 약 280㎉의 열을 방출하여 수분 450g의 수분을 증발시켜 고열과 고압이 발생하게 되며, 이때 발생되는 고열과 고압은 함께 반응하는 하수슬러지 내부로 쉽게 침투하여 단 시간내에 하수슬러지를 건조시키며, 하수슬러지 내의 미생물 살균과 유기물을 안정시키는 역할을 수행한다.

2) 고화반응에서 나타나는 주요 화합물은 Alite(3CaO·SiO₂)나 Belite(2CaO·SiO₂)로 불리우는 규산 칼슘 화합물과 하수슬러지내의 Al₂O₃와 결합하여 Tobermorite 혹은 Aluminate로 불리우는 간극질을 형성하게 되고, 이수석고(CaSO₄·2H₂O)를 형성한다. 또 Alite(3CaO·SiO₂)나 Belite(2CaO·SiO₂)로부터 생성되는 규산 칼슘 수화물(C-S-H)과 수산화 칼슘, 간극상 물질과 석고가 반응하여 Ettringite와 Mono sulfate 수산화물이 생성되고 여분의 황산이온과 암모니아이온의 결합으로 황산암모늄을 형성하여 인공 복토재의 불투수성 증대, 악취 발생억제 및 압축강도(지내력)를 향상시키는 역할을 한다.

① 규산칼슘 화합물의 수화

3CaO·SiO₂ + (3 - m+n) H₂O -> mCaO·SiO₂·nH₂O+(3-m)Ca(OH)₂

2CaO·SiO₂ + (2 - m+n) H₂O -> mCaO·SiO₂·nH₂O+(2-m)Ca(OH)₂

m : 1.6 ~ 1.7

n : 2.0 ~ 2.6

② 간극상 물질의 수화

- Ettringite

3CaO·Al₂O₃ + 3(CaSO₄·2H₂O) + 26~28H₂O -> 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·30~32H₂O

- Mono sulfate

2(3CaO·Al₂O₃) + 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·30~>32H₂O + H₂O_(ℓ) ->

2(3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·11~12H₂O)

3) 악취제거

하수 슬러지는 80% 내지 85%의 높은 함수율을 가지고 있는데 함수율 1% 미만의 폐인산석고와 혼합과정에서 폐인산석고가 슬러지 공극사이로 침투하여 슬러지의 함수율을 줄여준다. 또한 수분을 포함한 인산석고는 팽창하면서 공극을 막게 되며, 이때 혼합물의 자연함수량이 변화하고 하수슬러지 표면에 CaSO₄(무수석고), Fluoroapatite〔Ca₁₀(PO₄)₆F₂〕, Hydroxyapatite〔Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂〕등 불용성칼슘의 형성과 고화과정에서 Ettringite와 Mono sulfate 수산화물의 형성으로 혼합물의 공극을 막아주며, 슬러지 표면층에 피막을 형성하고 여분의 SO₄ ^2- (황산이온) 슬러지에 존재하는 NH₄ ⁺(암모늄이온)와 결합하여 황산암모늄〔(NH₄)₂SO₄〕을 형성하면서 암모니아 이온과 결합되어 석회 투입 시 pH가 높게 상승하더라도 암모니아 가스로 의 전환을 저해하는 역할을 하게 되어 악취가 저감된다.

본 발명의 효과는 다음의 시험결과를 통해 더욱 명확히 뒷받침 될 수 있다.

<실험예>

대전의 한 하수종말 처리장에서 발생하는 하수슬러지 100중량부에 대하여 폐인산석고 40내지 60중량부, 표면개질된 제강슬래그 10내지 20중량부, 생석회 5내지 30중량부를 정량 투입한 후 혼합하였다. 이 때, 하수슬러지에 폐인산석고를 우선적으로 정량 혼합한 후, 상기 혼합된 하수슬러지에 표면개질 제강슬래그, 생석회순으로 폐기물을 정량 혼합하였다.

<비교예 1>

하수슬러지 100중량부에 폐실리카 50중량부, 생석회 30중량부로 정량 혼합하여 비교실험을 실시하였다.

<비교예 2>

하수슬러지 100중량부에 폐인산석고 60중량부, 생석회 20중량부로 정량 혼합하여 비교실험을 실시하였다.

상기와 같이 다양한 배합비로 균일하게 혼합된 혼합물을 일반 상온에서의 시간경과에 따른 물성치의 변화량을 측정한 후 이들 결과를 비교하여 보았다.

1) 일축압축강도

본 발명에서 제안된 배합비에 기초한 복토재의 일축압축강도, 함수율, pH 시험결과는 아래 <표 1>과 같다.

구 분	비교예 1	비교예 2	실험예
1 일
강도(㎏/㎠)	1.35	1.13	1.30
함수율(%)	29.02	28.21	27.45
pH	12.35	12.42	11.49
3 일
강도(㎏/㎠)	3.12	2.60	2.70
함수율(%)	24.09	23.33	20.96
pH	12.78	12.82	11.95
7 일
강도(㎏/㎠)	3.12	3.12	4.94
함수율(%)	13.40	13.36	13.55
pH	12.55	12.56	12.10

상기 표 1의 실험결과에 나타난 바와 같이 일축압축강도 시험결과 1일부터 7일 강도까지 1.30 내지 4.94㎏/㎠로 강도권고치인 0.5㎏/㎠ 이상을 만족하는 값을 나타내었다.

2) 투수계수

본 발명에서 제안된 배합비에 기초한 복토재의 투수계수 시험결과는 아래 <표 2>와 같다.

구 분	비교예 1	비교예 2	실험예
초기	7.93×10-6	1.74×10-6	3.15×10-7
7일	8.67×10-6	5.72×10-6	3.18×10-7

투수계수의 경우 국내의 하수슬러지를 재활용한 복토재의 투수계수에 대한 특별한 규정사항은 없으나, 국내 수도권 매립지 기반시설 조성사업의 복토층에 대한 투수계수의 설계적용조건을 5×10^-5㎝/s로 제시하였다. 투수계수 시험결과 본 발명기술의 배합비에서 3.18×10^-7로 매립장 복토재로서의 조건을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.

3) 악취측정 결과

하수슬러지에 폐인산석고, 표면개질 제강슬래그, 생석회를 상기한 배합비로 혼합한 후 시간경과에 따른 악취발생정도를 비교해 보았다. 그 결과는 아래 <표 3>과 같다.

배합비 시간	비교예 1		비교예 2		실험예
	표면(ppm)	온도(℃)	표면(ppm)	온도(℃)	포면(ppm)	온도(℃)
초기	190	25	110	25	50	25
1h	180	28	100	28	40	30
3h	150	22	70	20	20	22
6h	150	16	50	14	30	16
24h	150	12	30	12	20	12

위의 표 3에서 보이는 바와 같이 본 발명에 의한 첨가제 배합의 경우, 암모니아 농도가 표면에서 20내지 50ppm정도로 현저히 낮고 투수계수 및 일축압축강도도 상당히 뛰어난 것으로 나타났다.

이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 하수슬러지에 토질역학적인 복토재로서 의 목적에 부합되는 것과 동시에 복토재 생성시 발생되는 악취를 최소할 수 있으며, pH 12 정도를 유지함으로서 병원성미생물의 사멸을 유도하여 작업자에게 위생적인 작업환경을 제공할 수 있다.

또한, 함수량이 30내지 40±5%정도로서 일축압축강도 1.0내지 5.0㎏/㎠을 지녀 차량과 장비의 작업성을 확보할 수 있고, 유해물질이 용출되지 않아 인체에 무해하고, 수일 동안 풍건 방치할 필요 없이 바로 현장투입이 가능하여 복토재로서의 활용성을 높일 수 있다. 결과적으로, 자원을 절약하고 환경을 보호할 수 있는 대안으로서 충분한 가치를 지니고 있다 할 것이다.

Claims (2)

1. 하수슬러지 100중량부에 대해 폐인산석고 40내지 60중량부, 표면개질 제강슬래그 10내지 20중량부, 생석회 5내지 30중량부를 정량 혼합시켜 구성한 것을 특징으로 하는 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재.
2. 하수슬러지에 폐인산석고를 우선적으로 정량 혼합하는 폐인산석고 혼합단계;

   상기 혼합된 하수슬러지에 표면개질 제강슬래그, 생석회순으로 폐기물을 정량 혼합하는 폐기물 혼합단계;를 포함하는 하수슬러지 및 기능성 폐기물을 이용한 쓰레기 매립장 복토재 제조방법.

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