KR20080030415A - 하수슬러지 및 소각비산재를 이용한 매립장 복토재제조방법 및 그의 복토방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하수슬러지 및 소각비산재를 이용한 매립장 복토재 제조 및 그의 복토 방법에 관한 것으로, 하수슬러지와 소각비산재와 생석회를 혼합 교반한 후 숙성시켜서 1차 복토재로 제조하고, 하수슬러지와 200메시(mesh)이상 미세한 분말 유리가루와 킬레이트재를 혼합 교반한 후 숙성시켜서 2차 복토재로 제조하는 2종류의 복토재 제조 방법과 매립장에서 일일 복토시 2차 복토재를 복토층 하부에 일정 두께로 포설하여 제2 복토층을 형성시키고 1차 복토재를 제2 복토층 상부에 포설한 후 전체 다짐하여 제1 복토층을 형성시키는 2중 구조 단일 복토층을 형성시키는 복토 방법이며, 이러한 복토재 제조 방법 및 복토 방법으로하여 복토층 상부 쓰레기층의 하중에 의한 복토층의 함몰을 방지하고 침출수의 발생량을 저감시키며, 복토층에서의 중금속 용출이 억제되어 안정된 매립장의 운영이 가능하고, 하수슬러지 및 소각비산재를 복토재로 사용하게 되어 폐자원을 재활용할 수 있다.

하수슬러지, 소각비산재, 복토재, 생석회, 소석회, 유리가루, 킬레이트재, 금속염, 침출수, 침전물, 중금속

Description

하수슬러지 및 소각비산재를 이용한 매립장 복토재 제조방법 및 그의 복토방법{METHOD FOR MANUFACTURING SANITARY COVER USING SLUDGE AND INCINERATE FLY ASH AND SANITARY COVERING METHOD THEREROF}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 2중 구조의 단일 복토층의 단면도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 2중 구조의 단일 복토층 파손시 씰층이 형성되어 자가복원 기능을 수행함을 설명하는 개략 구성도.

본 발명은 폐기물 처리 및 자원 재활용방법에 관한 것으로, 특히 하수슬러지 및 소각비산재를 이용하여 매립장 복토재를 제조하는 방법과 그 복토재를 이용한 복토방법에 관한 것이다.

일반적으로 하수슬러지를 매립장용 복토재로 사용하는 방법은 칼슘화합물을 이용하여 하수슬러지내의 유기물을 안정화시키고 유기물 분해시 생성되는 산성물질을 중화시켜 침출수내의 COD, BOD농도와 중금속 함량을 감량시키는 방법이 많으며, 이러한 방법을 이용하는 기술의 일 예로는 대한민국 특허등록번호 제10-0279802호 "폐기물 매립용 복토재"가 있다.

이러한 공법은 하수슬러지에 칼슘이 혼합되어 하수슬러지가 서서히 고화되면서 매립장의 복토재로서 안정성이 점차 증가되고 시간이 갈수록 복토층이 굳어져서 복토층으로써 유용한 효과가 있다. 하지만 복토층 상부에 다시 쓰레기를 매립하면서 쓰레기를 펼치거나 다짐하는 과정에서 중장비의 중량이나 다짐 진동에 의하여 복토층이 파괴되는 단점이 있다. 또한 복토층의 파괴된 균열을 따라 복토층의 상부 쓰레기층에서 발생한 침출수가 여과 과정이 없어 그대로 복토층 하부로 흘러들어서 단기간에 침출수 처리량이 늘어나면서 침출수 처리장의 유입 부하가 갑자기 증가되어 침출수의 처리가 어려운 문제점도 있다.

한편 제강 슬래그, 소각재, 전로 슬래그 등을 하수슬러지와 혼합시키고 고화제를 첨가하여 얻어진 혼합물을 성형 압축시켜 위생 매립지의 중간 복토재로 생산하는 방법도 있는데, 이러한 방법은 고열에서 발생한 슬러그나 재를 하수슬러지와 혼합시켜 슬러그나 재가 하수슬러지 내의 유기분과 결합하여 유기분의 분해를 저해하면서 슬러지의 수분율을 떨어뜨려 재 슬러리화를 방지하면서 첨가된 고화제에 의하여 고형화 하도록 한 것이다. 이러한 방법의 일 예로는 대한민국 특허등록번호 제10-0124872호 "제강전로 슬러그에 의한 하수 소화 슬러지의 고화처리 방법"이 있다.

이러한 처리방법은 제강슬래그와 하수슬러지를 고화시켜 매립하는 목적으로는 가능한 방법으로 생성된 고형화물은 슬래그나 하수슬러지에 다량 포함된 중금속 이 외부로 용출되지 않게 하는 장점이 있다. 하지만 이들을 복토재로 사용할 경우 매립된 쓰레기에서 발생되는 침출수에 다량 포함되어 있는 중금속이나 산성화된 PH를 중성화시키는 역할을 하지 못하는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 폐기물로 발생되는 하수슬러지와 소각비산재를 모재로 하면서도 복토재가 가져야 하는 필요 요구조건을 최대한 충족시켜주도록 하는 매립장 복토재 제조방법 및 그 복토재를 이용한 복토방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하수슬러지나 소각비산재와 같은 폐자원을 재활용하면서도 경제적이고 친환경적인 공법으로 매립장 복토가 이루어지게 하는 매립장 복토재 제조방법 및 그의 복토방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적에 따라, 본 발명은, 하수슬러지 및 소각 비산재를 이용한 매립장 복토재 제조 방법에 있어 하수슬러지 1톤wt에 소각비산재 3∼10wt%, 생석회 10∼30wt%를 혼합하여 4일 이상 숙성시켜 1차 복토재로 제조하고, 하수슬러지 1톤wt에 200메시 이상의 유리가루 분말 10∼30wt%, 킬레이트재 0.01∼1wt%를 혼합한 후 4일 이상 숙성시켜 2차 복토재로 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 매립장의 복토 방법에 있어 하수슬러지 1톤wt에 200메시 이상의 유리가루 분말 10∼30wt%, 킬레이트재 0.01∼1wt%를 혼합한 후 4일 이상 숙성시켜서 된 2차 복토재를 매립장의 쓰레기층 위에 일정 두께로 포설하여 제2 복토층을 형성시키고, 하수슬러지 1톤wt에 소각비산재 3∼10wt%, 생석회 10∼30wt%를 혼 합하여 4일 이상 숙성시켜서 된 1차 복토재를 상기 제2 복토층 상부에 일정 두께로 포설하여 제1 복토층을 형성되게 하여 2중 구조의 단일 복토층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 하수슬러지, 소각비산재를 주원료로 하여 생석회, 200메시 이상의 미세한 분말 유리가루, 킬레이트재를 부원료로 하여 2종류의 복토재(1차 복토재, 2차 복토재)를 제조하며, 제조된 2종류의 복토재를 사용하여 2층의 다른 구조와 작용원리를 가진 2중 구조 단일 복토층을 형성시키는 것이다.

즉, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 쓰레기 매립층(10)상에 2차 복토재로 된 제2 복토층(14)과 1차 복토재로 된 제1 복토층(12)를 차례로 적층 형성시키고, 그 위에 다시 쓰레기 매립층(18)이 형성되게 하는 것이다.

매립장은 매일 쓰레기 매립이 끝나면 약 15cm정도의 일일 복토를 시행하게 된다. 복토재로서의 중요한 역할은 매립된 쓰레기로부터 발산되는 악취의 확산방지, 유해 곤충의 서식 방해, 산성화된 침출수의 중화작용, 우수 등의 외부 유입수 차단으로 침출수 발생량 증가 방지, 침출수가 매립장 하부로 흐를 때에 침출수내의 중금속의 흡착, 상부 쓰레기 층의 하중에 의해 복토층 균열시 자가 복원능력 보유, 침출수 침투에 따른 복토층의 재 슬러리화 방지 등이 있다.

이러한 역할을 담당하는 복토재의 여러가지 요구기능을 만족케 하는 일반적인 토양 재질로는 약간의 점토질이 혼합된 마사토가 가장 적합하지만, 현실적으로는 이러한 재질의 양질토를 무한정 조달하기란 쉽지 않다.

본 발명의 실시 예에서는 이러한 조건을 충족시키기 위하여 폐기물로 발생되는 하수슬러지와 소각비산재를 모재로 하여서 1차 복토재와 2차 복토재를 제조하는 것이다.

구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시 예에 따른 1차 복토재는 폐기물로 발생되는 하수슬러지와 소각비산재를 모재로 하여 하수슬러지 1톤wt에 소각 비산재 3∼10wt%, 생석회 10∼30wt%를 혼합 교반한 후 4~7일간 숙성시킴으로써 제조 완성되어진다.

상기한 본 발명의 1차 복토재는 하기와 같은 작용원리를 갖는다.

즉, 1차 복토재의 하수슬러지 내의 수분과 생석회가 결합되면 생석회가 수화 반응 하면서 소석회화 되고, 이때 발생하는 수화 반응열은 하수슬러지내의 수분을 증발시키고 하수슬러지 내에 유기물인 오니의 세포막을 파괴시켜 세포막내의 내수부가 증발되어 하수슬러지 전체의 수분율이 30% 이하로 감소되게 해준다. 그러므로 복토재로 사용할 경우 우수나 침출수에 노출되어도 재 슬러리화가 되지 않으면서 소각 비산재에 포함된 황(S) 성분이 소석회의 주성분인 칼슘 성분과 결합하여 석고화가 진행되면서 에트린자이트화하여 시간이 경과함에 따라 점차 굳어지는 성향을 나타내며 굳는 과정에서 하수슬러지의 입자와 소석회 입자 사이의 공극을 미세한 소각비산재 입자가 메우면서 상부로부터 유입되는 침출수나 우수의 하 방향 흐름을 억제하여 최종적으로 발생하는 침출수의 발생량을 적게 해준다. 아울러 1차 복토재의 소각 비산재에 포함된 염소성분이 철, 납, 구리, 카드뮴, 크롬 등의 입자상 중금속과 결합하여 금속염을 형성 시키게 된다. 이렇게 형성된 금속염은 염소성분이 칼슘성분과의 강한 결합 성향으로 1차 복토재로 된 제1 복토층(12)에 흡착되므로 결과적으로 침출수 속의 중금속은 복토층에 흡착되고 침출수 내의 중금속 농도는 저하하게 된다.

이러한 일련의 과정 상의 화학적 반응을 정리하면 하기의 단계 1 내지 단계 3과 같이 표현된다.

*단계 1 : 하수슬러지 + 생석회가 반응하여 소석회 생성

ㆍ CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 15.2kcal

ㆍ CaO + CO₂ +H₂O → CaCO₃ + H₂O

ㆍ Ca(OH)₂ + CO₂ → Ca(HCO)₃ + CaCO₃ +H₂O

*단계 2 : 소석회가 소각비산재내의 황, 알루미늄 성분과 반응하여 에트린자이트(Ettringite) 생성

ㆍ CaCO₃ + SO₂ +H₂O → CaSO₄ + H₂ + CO₂

ㆍ 3Ca, Al₂O₃ + Ca(OH)₂ 12H₂O → 4Ca, Al₂O₃, 13H₂O

ㆍ 2(3CaOAl₂O₃) + 3CaO, Al₂O₃, 3CaSO₄, 32H₂O +4H₂O

→ 3(CaO, Al₂O₃, CaSO₄, 12H₂O) - 에트린자이트

*단계 3 : 염소가 중금속 이온과 결합하여 금속염으로 소석회에 흡착

ㆍ 2H₂O + Cl₂ → 2HCl + O₂

ㆍ 2HCl + 2H + CaCO₃ + FeO → Ca Cl₂ FeO₂ +CO₂ +2H₂

본 발명의 제2 복토층(14)을 구성하는 성분인 2차 복토재는 하수슬러지 1톤wt에 200메시(mesh)이상의 미세한 유리가루 분말을 10∼30wt% 킬레이트재를 0.01∼1wt%를 혼합 교반한 후 4∼5일간 숙성시킴으로써 제조완성된다.

상기한 본 발명 2차 복토재는 하기와 같은 작용원리를 갖는다.

2차 복토재는 하수슬러지 내의 수분이 마른 유리가루 분말에 흡수되어 복토재 전체의 수분율이 40% 이하로 저하되게 하며, 유리가루가 작은 모래알갱이 역할을 하여 우수나 침출수에 노출되어도 재 슬러리화가 되지 않게 해준다. 도 1에서와 같이, 제2 복토층(14)을 포설한 후 그 위에 제1 복토층(12)을 포설하고 다짐을 하게 되면, 제1 복토층(12)에 존재하는 칼슘분과 제2 복토층(14)의 유리가루에 흡수된 수분과 유리가루가 결합되어 실리케이트화된 씰(seal)층(16)이 제1 및 제2 복토층(12)(14) 사이에 생성되어 차단막 역할을 하게 된다.

제1 복토층(12) 파손시 파손 부위를 통하여 침출수가 하부의 제2 복토층(14)으로 유입되어지면 제1 복토층(12)에서 흘러나오는 칼슘분과 유리가루와 침출수가 연속 반응하여 도 2에서와 같이, 계속적으로 씰층(16a)들이 형성되게 하므로 침출수의 흐름을 차단하게 되는 복토층의 자가 복원 능력을 보유하게 된다. 동시에 제2 복토층(14)에 함유된 킬레이트재가 침출수내의 중금속과 결합하여 침전물을 만들 고, 이 침전물은 제1 복토층(12)에서 배출되는 칼슘성분과 결합하여 복토층에 흡착됨에 따라 침출수에 포함된 중금속의 용출량이 억제되게 한다.

이러한 일련의 과정상 화학적 반응을 정리하면 하기 단계 4 및 단계 5와 같이 표현된다.

*단계 4 : 유리가루가 칼슘, 침출수와 반응하여 실리케이트(Silicate)생성

ㆍ 2(3CaSiO₂) + 3CaO, 2SiO₂, 3H₂O(C-S-H) + 3Ca(OH)₂

ㆍ 2(2Ca +SiO₂) +4H₂O → 3CaO, 2SiO₂, 3H₂O(C-S-H)+ Ca(OH)₂

ㆍ CaO +SiO₂ + H₂O → C-S-H(Calcium Silica Hydrate)

단계 5 : 킬레이트재의 중금속 흡착(예: 카드뮴)

상기의 작용원리로 구성된 본 발명은 하수슬러지나 소각비산재 자체가 단순한 폐기물이지만 이를 경제적으로 재활용할 수 있음을 보여주고 있으며, 더욱이 매립장의 복토층 구조를 2중 구조로 하고 상부의 제1 복토층(12)은 복토층 조성후 시간이 경과 할수록 점점 굳어져서 강도를 가지게 함으로써 복토층 상부에 매립되는 쓰레기층 하중을 견디도록 하여 매립장 운영시 쓰레기층의 함몰이 없도록 하여 운영의 안정성을 기여하게 된다. 또한 하부의 제2 복토층(14)은 제1 복토층(12)이 붕괴하거나 균열이 발생시 균열된 틈에 씰(Seal)층(16)이 형성되도록 하여 붕괴된 복 토층을 자가 복원토록 한다. 더불어 제1 복토층(12)은 칼슘의 작용으로 산성화된 침출수를 중화시키고 침출수에 용존하는 중금속 일부를 흡착하게 되며, 제2 복토층(14)에서는 킬레이트재가 중금속을 완전히 흡착 침전시켜 복토층 외부로 중금속 용출이 없도록 하는 기능을 가지게 된다.

이하, 실험 예를 통하여 본 발명의 실시 예의 구성 및 작용을 더욱 구체적으로 설명한다. 하기 실험에서의 실험한 성분 구성비나 실험결과는 본 발명의 이해를 도모하기 위한 것이지 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아님을 이해하여야 한다.

<실험 예1> 물질 조성

본 발명의 실시 예에 따른 1차 복토재와 2차 복토재의 물질적 구성은 하기 표 1의 일 예와 같다.

상기 표 1의 비율로 각각의 물질을 잘 혼합한 결과, 1차 복토재는 혼합 10분 경과 후부터 생석회의 수화 작용에 의한 발열 반응이 일어나기 시작하였으며 10시간 경과 후는 서서히 반응열이 떨어지면서 하수슬러지가 안정화되었다. 2차 복토재는 특별한 발열 반응은 없었지만 단순 혼합 후 3시간 정도가 경과하면서 하수슬러지가 서서히 건조해지기 시작하였다.

1차 복토재 및 2차 복토재를 4일간 건풍 숙성한 결과 일반 토사와 같이 푸석한 흙 상태로 변화하면서 하수 슬러지의 검은 색상이 사라지고 회백색의 색깔로 변하였다.

중앙대학교 건설산업기술 연구소에서 표 1과 같은 물질 조성으로 28일 경과한 시점에서 1차 복토재 및 2차 복토내를 분리하여 일축 압축 강도를 시험을 한 결과 1차 복토재의 강도는 2.2kgf/㎠, 2차 복토재는 1.2kgf/㎠로 복토층에 요구되는 충분한 강도를 가지고 있는 것으로 확인되었다.

<실험 예 2> 투수시험

중앙대학교 건설산업기술 연구소에서 표 1과 같은 물질 조성으로 1차 복토재와 2차 복토재가 결합된 2중 단일 구조 복토층을 형성 시킨 후 28일 경과 후에 시료의 투수계수를 측정하였다. 투수 계수는 1.02×10cm/sec의 값을 나타내어 적정한 물의 침투를 허용하는 것으로 하방향으로 침출수가 흐를수 있는 것으로 나타났다.

<실험 예 3> 균열 시험 및 자가 복원 시험

투수시험용과 동일한 방법으로 공시체를 제조하여 28일 경과 후에 진동체를 이용하여 균열을 유도한 후 투수시험을 하였다. 그 결과 복토층의 투수계수는 1.86×10cm/sec로 기존의 1.02×10cm/sec보다 현저히 증가하는 계수를 나타내었고, 96시간(4일)이 경과 한 후에는 투수 계수가 6.92×10⁴cm/sec로 투수계수가 초기의 투수 계수에 가깝게 떨어지는 경향을 나타내어 자가 복원 능력이 증대됨을 확인할 수 있었다.

<실험 예 4> 중금속 흡착시험

중금속 흡착시험의 시험 재료로 24시간 풍건시킨 1차 복토재와 2차 복토재를 각각 2g씩 취하였고, 1차 복토재와 2차 복토재를 인위적으로 혼합하여 생성된 실층을 분리하여 건조시킨 후 가루로 만들어 2g을 취하였다.

이렇게 제조한 시료의 중금속 흡착 능력을 시험하기 위하여 침출수 중에 가장 많이 포함된 것으로 알려진 납을 0.1NHNO₂에 1000ppm 녹아 있는 저장액(stock solution)으로 50, 100, 300ppm의 용액을 만들어 20ml 취한 후 각각의 시료와 25ml 바이얼에 섞어 24시간 이상 교반기(shaking incubator)를 이용하여 20℃의 온도에서 150rpm으로 교반하였다.

반응 후 용액을 종이 필터로 거른 후 ICP를 이용하여 분석한 결과는 표 2와 같다.

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 복토층(12)에서의 납의 흡착 능력은 크지 않지만 제2 복토층(14)에서의 납의 흡착 능력은 95%를 상회하는 것으로 나타나 중금속의 흡착 능력이 매우 우수함을 알 수 있었다.

이상과 같이 복토층을 2중 구조로 형성시킴에 따라 제1 복토층(12)은 시간이 갈수록 단단해지는 강도를 가지고, 제2 복토층(14)은 제1 복토층(12)의 파손으로 균열이 발생할 시에 균열을 자가 복원하는 씰층(16)의 형성 능력 및 침출수 속의 중금속을 흡착 할 수 있는 기능을 가지는 복토층을 형성케 해준다.

그러므로 하수슬러지 및 소각비산재를 이용한 복토재 제조 방법 및 그의 복토 방법은 폐자원을 재활용하고 침출수내의 중금속을 흡착하여 매립장 침출수 처리 설비에 부담을 경감시켜 주는 효과가 있다.

상술한 본 발명의 설명에서는 1차 복토재와 2차 복토재로 2층 구조의 복토층을 형성하는 것으로 바람직한 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 1차 복토재이나 2차 복토재만을 사용하여 복토층을 형성할 수 있고, 제2복토층은 일반 복토재를 사용하고 제1 복토층은 본 발명의 1차 복토재를 사용하도록 구현할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 복토층이 2중 구조층으로서 제1 복토층은 복토층 조성 후 시간이 갈수록 강도가 강해지면서 매립장의 함몰을 방지하여 안정된 매립장 운영이 가능하도록 함과 동시에 침출수의 산성화를 중화시키고 중금속을 일부 흡착 하는 한편 제2 복토층은 제1 복토층이 파손되어 균열이 발생하면 균열을 메워 주는 씰층이 형성되어 복토층의 파손을 자가 복원하고 균열을 통하여 흐르는 침출수 내의 중금속을 높은 효율로 흡착함으로써 복토재가 가져야 하는 필요 요구조건을 전부 충족시켜주면서 하수슬러지 및 소각비산재를 복토재의 모재로 사용하게 되어 폐자원을 재활용한다는 차원에서 경제적이고 친환경적인 공법이 되는 것이다.

Claims (4)

1. 하수슬러지 1톤wt에 소각비산재 3∼10wt%, 생석회 10∼30wt%를 혼합하여 4일 이상 숙성시켜 1차 복토재로 제조하고, 하수슬러지 1톤wt에 200메시 이상의 유리가루 분말 10∼30wt%, 킬레이트재 0.01∼1wt%를 혼합한 후 4일 이상 숙성시켜 2차 복토재로 제조하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 및 소각 비산재를 이용한 매립장 복토재 제조 방법.
2. 하수슬러지 1톤wt에 200메시 이상의 유리가루 분말 10∼30wt%, 킬레이트재 0.01∼1wt%를 혼합한 후 4일 이상 숙성시켜서 된 2차 복토재를 매립장의 쓰레기층 위에 일정 두께로 포설하여 제2 복토층을 형성시키고, 하수슬러지 1톤wt에 소각비산재 3∼10wt%, 생석회 10∼30wt%를 혼합하여 4일 이상 숙성시켜서 된 1차 복토재를 상기 제2 복토층 상부에 일정 두께로 포설하여 제1 복토층을 형성되게 하여 2중 구조의 단일 복토층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 매립장의 복토 방법.
3. 매립장의 쓰레기 매립층상에 일정한 두께의 복토층을 형성하되, 상기 복토층의 복토재가 하수슬러지 1톤wt에 200메시 이상의 유리가루 분말 10∼30wt%, 킬레이트재 0.01∼1wt%를 혼합한 후 4일 이상 숙성시켜서 됨을 특징으로 하는 매립장의 복토방법.
4. 매립장의 쓰레기 매립층상에 형성된 제2 복토층상에 제1 복토층을 형성하되, 상기 제1 복토층의 복토재가 하수슬러지 1톤wt에 소각비산재 3∼10wt%, 생석회 10∼30wt%를 혼합하여 4일 이상 숙성시켜서 됨을 특징으로 매립장의 복토방법.

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