KR101192499B1 - 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 하폐수 슬러지를 점토원료에 혼합하여 점토벽돌을 제조하는 공정에 있어서 함수율이 높은 슬러지가 서로 엉키지 않고 점토원료에 원활하게 혼합되도록 함으로써 공정이 용이하고 양질의 벽돌을 제조할 수 있으며 건조공정 시 불필요한 에너지 소모를 저감시키도록 하여 궁극적으로는 폐기물의 재활용을 촉진함과 아울러 환경오염을 최소화하도록 하는 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명에 따른 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법은, 산지에서 채취된 점토를 분쇄하고 이물질을 제거한 후 강도증진과 발색을 위해 첨가제를 혼합하되, 분쇄 및 혼합을 반복적으로 행하여 점토원료를 얻는 제토공정과, 상기 점토원료를 벽돌 형상으로 압출하는 성형공정과, 상기 성형된 벽돌을 완전히 건조시키는 건조공정 및 상기 건조된 벽돌을 굽는 소성공정으로 이루어진 점토벽돌의 제조방법에 있어서, 상기 점토원료로 벽돌을 성형하는 공정에 앞서, 함수율 60~90%의 반고체 상태의 하폐수 슬러지를 연속 압출기에 투입하여 노즐을 통해 길고 가느다란 형태로 압출하고, 건조된 점토를 고속회전분쇄기에 투입하여 분말화하여 점토분말을 얻은 후, 상기 압출된 하폐수 슬러지를 혼합기 내로 자유 낙하시킴과 아울러 상기 점토분말을 고속회전분쇄기의 회전풍에 의해 상기 압출된 하폐수 슬러지의 표면에 부착시켜 수분을 흡수한 후 자유 낙하에 의한 충격과 회전풍에 의해 분리하여 과립형 혼합분말을 얻은 다음, 상기 과립형 혼합분말을 상기 제토공정에서 얻어지는 점토원료에 혼합함을 특징으로 한다.

하폐수 슬러지, 점토벽돌, 점토분말, 압출기, 고속회전분쇄기

Description

점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법 {Method of mixing clay powder with waste and sewage sludge used for manufacturing process for clay brick}

본 발명은 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 하폐수 슬러지를 점토원료에 혼합하여 점토벽돌을 제조하는 공정에 있어서 함수율이 높은 슬러지가 서로 엉키지 않고 점토원료에 원활하게 혼합되도록 함으로써 공정이 용이하고 양질의 벽돌을 제조할 수 있으며 건조공정 시 불필요한 에너지 소모를 저감시키도록 하여 궁극적으로는 폐기물의 재활용 을 촉진함과 아울러 환경오염을 최소화하도록 하는 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 슬러지(sludge)는 하폐수처리 및 정수처리 공정의 물리화학적 처리과정에서 발생되는 폐기물로 함수율이 통상 96~99.5%로 매우 높은데다가 슬러지의 수분은 입자와의 결합력이 크기 때문에 처리하기가 매우 어려워 기계적인 탈수방법을 통해 함수율을 60~90% 정도로 낮추어 반고체 상태의 고형물(탈수케이크)로 만든 후에 처리하게 된다.

슬러지를 처리하는 방법으로는 종래에는 법규에서 정한 특별한 오염물질을 함유하고 있지 않은 한 해양배출을 통해 처리하여 왔으나, 해양오염방지법 시행규칙 개정에 의해 해양배출 규제가 대폭 강화됨에 따라 2012년부터는 슬러지의 해양배출이 전면 금지되어 그 대안으로 고형화 처리 또는 소각 처리가 제시되고 있다.

고형화 처리(Solidification)는 고화제와 같은 약품에 의해 슬러지의 물리화학적 결합을 유도함으로써 슬러지 내의 유해성분이 유출되지 않도록 한 후 이를 매립장의 복토재 등으로 사용하게 되는데, 이러한 처리방법은 환경오염의 가능성은 적어지는 대신 고형화 처리된 폐기물의 부피가 증가한다는 단점이 있다.

소각 처리는 고온의 열처리에 의해 슬러지 내의 유기물을 완전히 소각하고 중금속 성분을 용융 결합함으로써 자연으로 용출되지 않도록 하는 것인데, 이러한 처리방법은 부피가 대폭 감소하여 매립양을 줄일 수는 있으나 슬러지의 함수율이 높아 소각 온도가 저하함에 따라 경유나 천연가스 등의 보조연료를 추가적으로 사 용해야만 하였다.

이에 따라 많은 비용을 들이지 않고 슬러지를 안정적으로 처리하기 위한 여러 가지 방법이 연구된 결과, 슬러지를 적절하게 처리한 후에 비료로 사용하거나 또는 점토벽돌이나 경량골재, 타일 등의 건축자재로 재활용하는 등 하폐수 슬러지를 자원화하는 방법이 제시되었다.

특히, 점토벽돌의 제조공정에 있어서 벽돌의 소성온도가 1,100℃~1,200℃ 정도의 고온이고 슬러지 내에 무기질의 함량이 높다는 점에서 슬러지를 점토벽돌의 부원료로 사용하고자 하는 다양한 연구와 기술개발이 시도되고 있다.

그 예로서 "정수슬러지를 이용한 점토벽돌 제조 시 특성변화에 관한 연구, 한국건설기술연구원 최재일 외(한국폐기물학회 추계학술연구회 발표논문 2003)", "도금슬러지를 첨가하여 제작한 벽돌의 재활용 가능성 평가, 영남이공대학 권기홍 외(환경관리학회지 2004)", "점토벽돌 재료로 하수회의 활용, 충북대학교 윤석현(충북대학교 석사논문 2002)" 등의 연구가 있으며, 또한 특허 제587624호의 "요업제품 생산공정을 이용한 유기성 탈수 슬러지의 처리, 처분 및 재활용 방법" 및 특허 제678367호의 "정수슬러지를 활용한 경량 점토벽돌 및 점토바닥벽돌과 그 제조방법" 등을 들 수 있다.

그러나 상기 선행기술은 주로 슬러지와 점토를 혼합하여 벽돌을 제조하는 이론적 전개에 불과하거나 또는 벽돌 제품의 중금속 용출 안정성에 대한 것에 한정되어 있을 뿐 종래의 벽돌 제조공정에서 하폐수 슬러지를 혼합 시 발생되는 문제를 근본적으로 해결하지 못한다는 단점이 있었다.

예컨대, 실제로 점토벽돌을 제조하는 공정에서는 각 원료의 균질한 혼합 및 건조 소성 시의 에너지 소모량을 줄이기 위하여 성형에 필요한 최소 함수율인 22% 정도를 유지하는데 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 주원료인 점토는 채취 시의 함수율이 약 15~25% 정도로서 제토공정 중 비산먼지를 방지하고 자연 건조되는 수분을 보충하기 위해 미세 분무노즐을 사용하여 점토에 수분을 뿌리는 방식으로 함수율을 조정해왔다.

이러한 측면에서 점토벽돌을 제조하는 과정에서 슬러지를 혼합 시 탈수 전의 함수율이 높은 액상 슬러지를 점토에 직접 분무하는 방법이 있으나 노즐이 막힐 우려가 있고 슬러지의 양이 많아져 운반 등의 취급이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

반면에 기계적 탈수처리를 한 함수율 60~90% 정도의 슬러지를 사용하게 되면 슬러지가 서로 엉키게 되어 벽돌의 주원료인 점토와의 균질한 혼합이 불가능하다는 어려움이 있었다.

이에 따라 슬러지를 완전히 건조시켜 분말 상태로 혼합하거나 또는 함수율을 30% 이상으로 높여 반죽한 후 재건조하는 방법도 적용할 수 있겠으나, 이러한 경우에도 건조공정 시 많은 에너지 비용이 소요되므로 실용적이지 못하다는 점에서 실 공정에 적용하기에는 적합하지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하폐수 처리과정 에서 발생되는 슬러지를 이용하여 점토벽돌을 제조하는 과정에서 슬러지가 서로 엉키지 않고 주원료인 점토에 균질하게 혼합되도록 하는 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 에너지 소모를 최소화한 상태에서 슬러지와 점토원료를 균질하게 혼합하여 양질의 점토벽돌을 제조하도록 함과 아울러 폐기물의 재활용 및 환경오염을 저감할 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법은, 하폐수 슬러지를 점토원료와 혼합하여 점토벽돌을 제조하는 과정에 있어서, 함수율이 60~90%인 하폐수 슬러지를 압출기의 노즐을 통해 연속으로 압출함과 아울러 고속회전분쇄기로 분쇄된 건조 점토분말을 상기 압출된 슬러지의 표면에 부착시킴에 따라 상기 점토분말이 하폐수 슬러지 표면의 수분을 흡수함으로써 슬러지의 재엉킴을 방지하는 과립형 혼합분말로 제조한 후 이를 주원료인 점토에 소량씩 혼합하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법에 따르면, 점토벽돌의 제조공정에 있어서, 함수율이 60~90%인 반고체 상태의 슬러지를 주원료인 점토에 균질하게 혼합할 수 있도록 가공함으로써 양질의 점토벽돌을 제조할 수 있고, 점토벽돌의 제조 시 건조공정에서 소모되는 에너지를 대폭 감축시킬 수 있으며, 폐기물을 자원으로 재활용할 수 있음과 아울러 환경오염 을 최소화할 수 있다는 장점을 가진 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명에 따른 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도면 중 도1은 본 발명에 따른 하폐수 슬러지의 압출에 사용되는 연속 압출기를 도시한 사진이고, 도2는 도1의 압출기의 노즐을 도시한 단면도이며, 도3은 점토 분쇄에 사용되는 고속회전분쇄기를 도시한 사진이고, 도4는 본 발명에 따른 하폐수 슬러지와 점토분말이 혼합기 내에서 혼합되는 과정을 개략적으로 도시한 입면도이며, 도5는 점토벽돌의 제조공정에 있어서 본 발명에 따른 하폐수 슬러지와 완전히 건조된 미세 점토분말을 혼합하는 공정도이다.

참고로, 도5에서 전체적인 벽돌의 제조공정은 점선으로 표기하고, 본 발명에 따른 슬러지와 건조 점토분말의 혼합공정은 실선으로 표기하였다.

아울러, 본 발명에 따른 하폐수 슬러지를 점토벽돌의 주원료인 점토와 혼합하는 방법에 대한 설명을 돕기 위하여 먼저 점토벽돌을 제조하는 공정에 대하여 간략하게 설명하기로 한다.

점토벽돌(clay brick)은 건축물의 내, 외장 공사에 주로 사용되는 것으로서, 이러한 점토벽돌은 점토를 주성분으로 하고 제품의 강도 증진 및 발색을 위해 규사, 마그네슘 등의 첨가제가 사용된다.

점토벽돌을 제조하기 위해서는 원료 분쇄 → 체거름(screening) → 혼합을 반복하는 제토공정과, 벽돌을 성형, 건조 및 소성하는 공정으로 이루어진다.

제토공정에서는 원료를 산지에서 채취한 후 원료 중 불순물을 제거하고 저장소(사일로)에서 일정 기간동안 보관하면서 원료의 상태를 관리하며, 강도 증대와 균열 방지 및 발색을 위해 첨가되는 부재료와의 충분한 혼합을 위해 분쇄 및 혼합하는 과정을 반복적으로 실시하여 점토원료를 제조한다.

성형공정에서는 점토원료의 함수율을 대략 22% 정도로 유지한 상태에서 고압의 압출기를 통해 적정한 크기 및 형상으로 압출 성형하여 벽돌을 만든다.

건조공정에서는 성형된 벽돌을 건조기에 넣고 가열된 공기를 이용하여 건조하는데 주로 소성로의 여열을 이용하며, 이때 벽돌을 완전히 건조하지 않으면 그 내부에 포함된 수분의 팽창으로 균열이 발생하게 되므로 벽돌에 함유된 수분이 0%가 되도록 건조한다.

소성공정에서는 건조한 벽돌을 소성로에 넣은 후 1,100℃~1,200℃의 고온에서 소성하되, 제품의 종류에 따라 산화, 환원, 후레싱 방식에 의해 소성하며, 이러한 소성공정에서 재료의 열적 결합에 의해 강도가 발현되는 것이다.

다음으로, 본 발명에 따른 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 점토원료에 혼합하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

[1] 하폐수 슬러지 압출

하폐수 슬러지를 도1에 도시된 바와 같은 공지의 연속 압출기(1)에 투입하여 직경 1~1.5㎜ 정도의 노즐(11)을 통해 길고 가느다란 형태로 압출한다.

본 발명에서 사용되는 하폐수 슬러지는 생산 공장의 폐수처리장이나 공공 하수처리장 등에서 배출되는 것으로서 함수율 60~90% 정도의 반고체 상태인 것을 사 용할 수 있다.

[2] 점토분말 제조

도3에 도시된 바와 같은 고속회전분쇄기(2)에 완전히 건조한 점토를 투입하여 미세한 점토분말을 제조한다.

여기에서, 상기 고속회전분쇄기는 다수의 돌기가 부착된 원형 블레이드가 설치되어 있어 회전로터가 회전 시 돌기의 타격에 의해 원료가 분쇄되도록 하는 것으로서 주로 식품이나 약품 제조 공정에서 원료를 미분쇄할 때 사용되는 것이다.

본 발명에서는 상기와 같은 고속회전분쇄기(2)를 이용하여 점토를 분말화하는데, 즉, 고속회전분쇄기의 원형 블레이드를 10,000RPM 이상의 고속으로 회전시켜 점토를 분쇄한다.

이때 블레이드에 의하여 회전풍이 다량 발생되는데, 이는 후공정에서 점토분말이 압출된 슬러지에 원활하게 부착되도록 하는 역할을 하게 된다.

[3] 슬러지와 점토분말의 혼합

상기 [1]단계에서 얻어진 압출된 슬러지와 상기 [2]단계에서 얻어진 건조 미세 점토분말을 고속회전분쇄기 측면에 부착된 혼합기(3) 내에서 혼합한다.

즉, 도4에 도시된 바와 같이, 압출기의 노즐(11)을 통해 길고 가느다란 형태로 압출된 슬러지(100)는 원통형 혼합기(3)의 상부를 통해 투입되어 아래로 자유 낙하하고, 이와 동시에 고속회전분쇄기(2)에서 배출되는 미세 점토분말(200)과 공기(300)가 혼합기 하단 부근에 형성된 주입구(31)를 통해 혼합기 내부로 주입되며, 상기 점토분말(200)은 공기 즉, 회전풍과 함께 날려 슬러지(100) 표면에 부착되면 서 상기 슬러지 표면의 수분을 흡수하게 된다.

이때, 고속회전분쇄기에서 발생된 회전풍(열풍)으로 인해 압출된 슬러지(100)의 표면에 미세 점토분말(200)이 더욱 원활하게 부착됨과 아울러 상기 미세 점토분말이 부착된 슬러지는 자유 낙하에 의한 충격과 회전풍 및 혼합기 내부 하단의 진동스크린(32)에 의하여 자연스럽게 파쇄됨에 따라 과립형 형태를 이루게 된다.

상기와 같이 만들어진 과립형 슬러지(400)(과립형 혼합분말)는 다시 엉키지 않게 되며, 혼합기 하단의 배출구(33)를 통해 외부로 배출된 후 컨베이어 벨트(미도시) 등을 통해 이송된다.

또한, 상기 점토분말과 함께 혼합기 내부로 주입된 공기(회전풍)는 공기방출구(34)를 통해 외부로 방출된다.

아울러, 상기 미세 점토분말(200)을 압출된 슬러지(100)에 부착 시, 상기 점토분말의 양이 너무 많을 경우에는 슬러지 표면에 다 부착되지 못하고 혼합기 바닥면에 남아 있게 되므로 효율적이지 못하는 반면, 상기 점토분말의 양이 너무 적을 경우에는 슬러지 표면의 수분을 제대로 흡수하지 못하여 슬러지가 엉키는 현상이 다소 발생하게 되므로 상기 점토분말을 상기 압출된 슬러지에 대하여 중량 기준으로 3~5% 사용함이 바람직하다.

[4] 과립형 혼합분말과 주원료인 점토의 혼합

상기 [3]단계에서 얻어진 과립형 혼합분말과 제토공정에서 얻어지는 점토원료(미도시)를 혼합하는데, 제토공정에서 얻어지는 점토원료는 대부분 과립형으로 이루어져 있어 상기 과립형 혼합분말(400)과 원활하게 혼합할 수 있게 된다.

이때, 상기 과립형 혼합분말과 점토원료를 혼합할 때에는 후공정인 점토벽돌의 압출성형에 적합하도록 함수율을 22% 정도로 유지하기 위하여 상기 과립형 혼합분말과 점토원료는 15~20:80~85의 중량비로 혼합함이 바람직하다.

또한 상기 과립형 혼합분말(400)은 점토벽돌의 전체적인 제토공정에 걸쳐 소량씩 나누어 투입할 수도 있고 또는 한번에 투입할 수도 있으며, 이러한 과립형 혼합분말과 점토원료의 혼합물을 이용하여 도5와 같은 제조공정에 따라 점토벽돌을 제조할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 하폐수 슬러지의 압출에 사용되는 연속 압출기를 도시한 사진

도2는 도1의 압출기의 노즐을 도시한 단면도

도3은 점토 분쇄에 사용되는 고속회전분쇄기를 도시한 사진

도4는 본 발명에 따른 하폐수 슬러지와 점토분말이 혼합기 내에서 혼합되는 과정을 개략적으로 도시한 입면도

도5는 점토벽돌의 제조공정에 있어서 본 발명에 따른 하폐수 슬러지와 완전히 건조된 미세 점토분말을 혼합하는 공정도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호설명＞

1 : 압출기 11 : 노즐

2 : 고속회전분쇄기 3 : 혼합기

31 : 주입구 32 : 진동스크린

33 : 배출구 34 : 공기방출구

100 : 슬러지 200 : 건조 미세 점토분말

300 : 공기 400 : 과립형 혼합분말

Claims (3)

1. 점토를 분쇄하고 이물질을 제거한 후, 강도증진과 발색을 위한 첨가제로서 규사, 마그네슘을 혼합하되, 분쇄 및 혼합을 반복적으로 행하여 점토원료를 얻는 제토공정과, 상기 점토원료를 벽돌 형상으로 압출하는 성형공정과, 상기 성형된 벽돌을 완전히 건조시키는 건조공정 및 상기 건조된 벽돌을 굽는 소성공정으로 이루어진 점토벽돌의 제조방법에 있어서,

   상기 점토원료로 벽돌을 성형하는 공정에 앞서, 함수율 60~90%의 반고체 상태의 하폐수 슬러지를 연속 압출기에 투입하여 노즐을 통해 길고 가느다란 형태로 압출하고,

   건조된 점토를 10,000RPM 이상의 고속회전분쇄기에 투입하여 분말화하여 점토분말을 얻은 후,

   상기 압출된 하폐수 슬러지를 혼합기 내로 자유 낙하시킴과 아울러 상기 점토분말을 고속회전분쇄기의 회전풍에 의해 상기 압출된 하폐수 슬러지의 표면에 부착시켜 수분을 흡수한 후 자유 낙하에 의한 충격과 회전풍에 의해 분리하여 과립형 혼합분말을 얻은 다음,

   상기 과립형 혼합분말을 상기 제토공정에서 얻어지는 점토원료에 혼합함을 특징으로 하는 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 점토분말을 상기 압출된 하폐수 슬러지의 표면에 부착시키는 과정에서, 상기 점토분말은 상기 압출된 하폐수 슬러지의 중량 기준 3~5%를 사용함을 특징으로 하는 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 과립형 혼합분말을 상기 점토원료에 혼합하는 과정에서, 상기 과립형 혼합분말을 제토공정에 걸쳐 일시에 투입하거나 나누어 투입하되, 상기 과립형 혼합분말과 점토원료를 15~20:80~85의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 점토벽돌 제조공정에서의 하폐수 슬러지를 혼합하는 방법.

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