KR100568336B1 - 하수슬러지 탈수케이크를 이용한 복합비료 제조방법 및이로부터 제조된 복합비료 - Google Patents

하수슬러지 탈수케이크를 이용한 복합비료 제조방법 및이로부터 제조된 복합비료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수슬러지 탈수케이크를 이용한 복합비료 제조방법 및 이로부터 제조된 복합비료에 관한 것으로, 하수슬러지 탈수케이크 100중량부에 생석회 28-50중량부를 혼합하고 3-5일동안 기건양생하여 상기 하수슬러지 탈수케이크를 함수율이 3-10%가 되도록 건조시키는 단계; 및
건조된 하수슬러지 100중량부에 스테인레스강 슬래그 40-60중량부 및 칼륨성분 첨가제 5-15중량부를 혼합하는 단계;
를 포함하는 복합비료 제조방법이 제공된다. 또한, 상기 방법으로 부터 제조된 복합비료가 제공된다.
본 발명에 의해 하수슬러지 및 산업폐기물인 스테인레스강 슬래그를 비료제조에 동시에 재활용할 수 있어 환경오염 방지에 기여할 수 있다.
하수슬러지, 생석회, 스테인레스강 슬래그, 칼륨성분 첨가제, 복합비료

Description

하수슬러지 탈수케이크를 이용한 복합비료 제조방법 및 이로부터 제조된 복합비료{A PREPARING METHOD OF COMPOUND FERTILIZER BY USING SEWAGE SLUDGE DEHYDRATED CAKE AND THE COMPOUND FERTILIZER THEREBY}
도 1은 본 발명의 하수슬러지를 이용한 복합비료 제조공정도를 나타낸다.
본 발명은 하수슬러지 탈수케이크를 이용한 복합비료 제조방법 및 이로부터 제조된 복합비료에 관한 것이며, 보다 상세하게는 하수슬러지 탈수케이크와 철강산업 부산물을 이용한 복합비료 제조방법 및 이로부터 제조된 복합비료에 관한 것이다.
하수종말처리장에서 발생되는 하수슬러지는 경제발전과 인구증가 및 하수도 보급률이 점차 높아지면서 그 발생량은 연간 약 130만톤이상이 되며, 거의 대부분 매립과 해양투기에 의존하여 처리되고 있는 실정이다. 그러나, 높은 유기물 함량과 고 함수율로 인하여 매립작업의 수행에 어려움을 겪고 있으며 신규 매립지 확보난과 슬러지의 매립 작업시 침출수 발생 및 연약지반 형성 등으로 인하여 많은 문제를 유발시키고 있으며 생활수준의 향상 등에 따른 생활쓰레기의 성상변화로 혼합매 립도 곤란해지고 있다. 또한 향후 지속적인 하수관거 정비 및 하수처리장 건설 사업이 추진될 경우 하수슬러지의 발생량은 급격히 늘어날 것으로 예상되며 이에 대한 적절한 처분대책이 시급한 실정이다.
최근 이러한 하수슬러지의 처분방안으로 소각, 퇴비화, 간접열처리 방법, 건설자재화, 지렁이 사료화 등의 여러 방안이 검토되고 있으며, 특히 폐기물 관리법 시행규칙의 개정에 따라 앞으로는 하수종말 처리시설로부터 발생되는 유기성 슬러지의 직접 매립이 금지되는 것이 입법예고 되어있다.
현재 하수슬러지 건조방법으로는 특허 제 0293832, "정수장 슬러지의 재활용을 위한 부피경감방법"; 특허출원 제 10-1997-008883, "정수장 슬러지의 재활용을 위한 부피경감방법"; 특허출원 제 10-2000-050386, "상.하수 슬러지의 건조 및 소성장치" 및 롤러 드라이빙 장치를 사용한 간접건조방법이 있으나 건조 효과에 반하여 열원공급으로 인한 낮은 경제성과 건조로에서 배출되는 배가스 등으로 인하여 대기가 오염될 우려가 있다.
한편, 현재 하수 슬러지의 높은 유기물 함량을 이용해 하수슬러지가 일부 퇴비로 이용되고 있으나 그 이용은 처리장에서 어느 정도 탈수시켜서 얻은 하수 슬러지를 직접 토양에 붓고있는 정도이다. 그러므로 균질하지 못한 하수슬러지는 물론 75%이상의 함수율을 그대로 지니고 있기때문에 작업에 상당한 어려움이 있고 활용이 거의 불가능한 실정이다.
이에 본 발명의 목적은 하수슬러지 탈수케이크와 제철발생 부산물을 이용한 복합비료 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 복합비료를 제공하는 것이다.
본 발명의 일견지에 의하면,
하수슬러지 탈수케이크 100중량부에 생석회 28-50중량부를 혼합하고 3-5일동안 기건양생하여 상기 하수슬러지 탈수케이크를 함수율이 3-10%가 되도록 건조시키는 단계; 및
건조된 하수슬러지 100중량부에 스테인레스강 슬래그 40-60중량부 및 칼륨성분 첨가제 5-15중량부를 혼합하는 단계;
를 포함하는 복합비료 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
본 발명의 방법에 의해 제조된 복합비료가 제공된다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
현재 우리나라에서 발생하는 하수슬러지는 그 발생경로, 장소 및 시간 등에 따라 그 물성의 변화가 매우 다양하다. 그러나 하수처리장에서 탈수 케이크로 나온 하수슬러지는 표 1에 나타낸 바와 같이 함수율과 유기물 함량이 거의 일정하며 본 발명자들은 이러한 하수슬러지의 일정한 함수율 및 유기물함량에 착안하여 이를 이용하여 복합비료를 제조하기에 이르렀다.
하수슬러지 탈수케이크의 함수율 및 유기물 함량
시료 함수율(%) 유기물 함량
1 91.5 54.3
2 79.2 53.7
3 78.8 54.5
4 66.9 55.9
5 79.2 57.0
6 78.1 56.0
7 79.4 55.2
8 79.6 54.0
9 79.3 54.0
10 78.7 56.6
11 79.7 52.4
12 79.3 53.7
표 1에 나타낸 것과 같이 시료 1 및 4를 제외한 모든 시료가 약 78-79%의 일정한 함수율을 가지며, 또한 식물의 성장에 유리한 유기물을 평균 55%정도 포함한다.
하수슬러지를 건조하여 복합비료로 사용함으로써, 하수슬러지는 유기성분에 의한 작물의 높은 성장효과를 기대할 수 있다. 스테인레스강 슬래그(STS 슬래그)는 석회질 및 규산질 비료의 효과를 나타내며 그리고 복합비료로서 부족한 칼륨성분은 칼륨성분 첨가제를 첨가하여 보충한다. 이때 칼륨성분 첨가제가 하수슬러지중의 수분과 반응하지 않고 혼합되도록 하기 위해서는 하수슬러지의 수분함량을 10%이하로 감소시키는 것이 중요하다. 하수슬러지의 수분함량은 가능한한 적을 수록 좋다. 그러나, 실제로 하수슬러지의 수분함량을 3%이하로 감소시키기가 어려우므로 하수슬러지의 수분함량을 3-10%로 감소시키는 것이 적절하다.
본 발명에서는 하수슬러지 탈수케이크에 생석회를 적정량 혼합하고 기건양생하여 하수슬러지의 수분함량을 감소시킨다. 하수슬러지 탈수케이크란 일반적으로 하수종말 처리장에서 탈수기를 거친 함수율 80%이하의 하수슬러지를 의미한다.
하수슬러지 탈수케이크와 생석회를 혼합하면, 하수슬러지와 생석회가 반응하여 하수슬러지내 수분은 Ca(OH)2의 화합수 형태로 회수되며 이때 수화반응에 의해 발생되는 열로 수분이 증발된다. 생석회와 수분의 반응을 하기 반응식 1에 나타내었다.
CaO + H2O →Ca(OH)2 △ H298 = -15.60(kcal/mol)
△ G298 = -13.21(kcal/mol)
상기 반응식에 나타낸 바와 같이 생석회는 물과 발열반응한다. 상기 반응시 발생하는 열에 의해 하수슬러지내에 함유되어 있는 평균 80중량부 내외의 수분함량이 감소된다. 이후 3-5일간의 기건양생하면 하수슬러지 탈수케이크는 비료의 원료로 사용가능한 함수율 10%이하의 건조 슬러지로 개질된다. 이와 같은 기건양생을 통해 슬러지내의 수분과 생석회의 반응이 시간의 경과에 따라 계속적으로 반응이 일어나 원하는 10%이하의 함수율을 갖는 건조슬러지가 형성될 수 있다. 이때 상기 기건양생 조건은 바람직하게 23-28℃의 온도 및 30-60%의 습도이며 기간은 바람직하게 3일이다.
하수슬러지 케이크를 함수율 10%이하의 건조 슬러지로 개질하기위한 적절한 생석회의 혼합비는 하수 슬러지 탈수케이크 100중량부에 대하여 생석회 28-50중량 부이다. 생석회를 상기 범위미만으로 혼합하는 경우에는 건조된 하수슬러지의 함수율이 10%를 넘기때문에 바람직하지 않으며 또한 너무 많이 혼합되는 경우 효과는 동일하나 비용이 많이들어 비경제적이다. 또한 일반적으로 탈수기를 거친 하수슬러지 탈수케이크는 함수율이 대부분 75-80%이나, 반드시 이러한 범위의 함수율을 갖는 하수슬러지 탈수케이크를 사용하여야만 하는 것은 아니며 본 발명에 사용되는 하수슬러지의 탈수케이크의 함수율은 특별히 한정하지 않으나 함수율이 낮을 수록 바람직하다.
이와 같이 함수율 10%이하로 건조된 하수슬러지에 스테인레스강 슬래그 및 칼륨성분 첨가제를 혼합한다.
본 발명에 포함되는 스테인레스강 슬래그는 연간 13만톤이 발생하며 그 주요성분은 하기 표 3과 같다.
스테인레스강 슬래그의 주요성분
성분 SiO2 CaO Al2O3 MgO T-Cr
함유량(중량%) 20-25 50-55 3-5 5-10 3-5
상기 표 3에 나타낸 바와 같이 스테인레스강 슬래그는 식물의 규화세포를 형성하여 도열병 등의 병해나 해충에 대한 저항성을 증대시키는 성분인 규산의 함량이 20-25중량%이며, 우리나라 토양의 가장 큰 문제점인 산성토양을 개량시킬 수 있는 알칼리(석회)를 50-55중량% 함유한다. 또한 식물의 광합성 작용을 하는 엽록소를 형성하는 구성성분인 마그네슘이 5-10중량% 함유되어 있어 비료로서 활용하기에 매우 적합한 재료이다. 따라서 상기 건조된 하수슬러지 100중량부에 스테인레스강 슬래그가 40-60중량부로 혼합된다. 만일 스테인레스강 슬래그가 40중량부 이하인 경우, 원하는 비료의 효과를 나타낼 수 없으며 60중량부 이상인 경우 비료의 성분이 과잉 공급될 우려가 있고 운반비 등의 경제성이 저하된다.
나아가, 식물의 생육에 필요한 각종 효소의 활성을 돕고 병해충 피해 및 한발에 견딜 수 있는 힘을 길러주는 칼륨성분을 필요로한다. 따라서 상기 칼륨성분 첨가제를 건조된 상기 하수슬러지 100중량부에 5-15중량부로 별도로 혼합한다. 상기 칼륨성분이 5중량부 이하로 혼합되는 경우 식물의 성장에 큰 영향을 주지 못한다. 또한 우리나라 토양은 화학비료와 함께 가축분뇨를 많이 사용하여 작물을 재배하므로 적정치보다 칼륨성분이 많은 토양이 늘어나는 경향이 있어 15중량부 이상 혼합되는 것은 적절하지 않다. 칼륨성분 첨가제로는 염화칼륨 및 황산칼륨과 같은 산화칼륨을 그 예로 들 수 있다. 본 발명의 복합비료 제조방법을 도 1에 정리하여 나타내었다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예 1
도 1에 나타낸 바와 같은 본 발명의 방법에 따라 하수슬러지 탈수케이크를 이용하여 복합비료를 제조하였다.
생석회의 적정 혼합비를 조사하기위해 함수율 80%의 하수슬러지에 생석회 투입량을 하기 표 4와 같이 각각 달리하여 혼합한 후 3 25℃의 온도 및 40%의 습도하 에서 3일동안 기건양생한 다음 함수율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
시료 하수슬러지 탈수케이크 (중량부) 생석회 투입량 (중량부) 3일후 함수율(%)
1 100 5 61
2 10 45
3 15 37
4 20 29
5 25 20
6 26 17
7 27 12
8 28 9
9 29 9
10 30 9
상기 표 4에서 알수 있듯이, 하수슬러지 100중량부에 대하여 생석회가 28중량부 이상 혼합된 경우 함수율이 10%미만으로 감소됨을 알 수 있다.
실시예 2
함수율 80%의 하수슬러지 탈수케이크에 생석회 28%를 혼합하여 함수율이 10% 이하가 되도록 25℃의 온도 및 40%의 습도하에서 3일동안 기건양생한 후, 스테인레스강 슬래그를 건조 하수슬러지 100중량부에 대해 30, 40, 50, 60 및 70중량부. 그리고 염화칼륨을 3, 5, 7, 10 및 15중량부로 각각 다르게 혼합하여 복합비료를 제조하였다. 제조된 복합비료를 사용하여 고추(종자명-녹광)묘를 유리온실에서 128공 배양판을 사용하여 70일간 배양시킨후 초장(땅표면에서 신장되어있는 줄기의 끝부분까지의 길이)과 엽수(그때의 잎의 개수)를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
스테인레그강 슬래그 염화칼륨
비교예 1 30중량부 7중량부 5.8cm 1.30개
비교예 2 30중량부 10중량부 5.9cm 1.33개
비교예 3 70중량부 3중량부 6.2cm 1.36개
비교예 4 70중량부 10중량부 6.2cm 1.44개
비교예 4 70중량부 15중량부 6.5cm 1.93개
발명예 1 40중량부 5중량부 7.2cm 2.47개
발명예 2 60중량부 10중량부 7.2cm 2.33개
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위내로 스테인레스강 슬래그 및 염화칼륨을 혼합한 경우, 초장의 길이와 엽수에 있어 우수한 성장을 나타내었음을 알 수 있다.
본 발명의 복합비료는 식물성장에 유리한 유기함량이 높고 병충해에 대한 저항성을 높이는 규산성분(SiO2), 산성토양을 개량시킬 수 있는 알칼리성분(Al2O3 ) 및 칼륨성분을 포함하는 복합비료로서 유용함을 알 수 있으며, 또한 폐기처분되는 하수슬러지를 재활용할 수 있어 환경오염방지에도 효과가 있음을 알 수 있다.
본 발명은 하수슬러지 및 산업폐기물인 스테인레스강 슬래그를 비료제조에 동시에 재활용할 수 있어 환경오염 방지에 기여할 수 있다.

Claims (3)

  1. 하수슬러지 탈수케이크 100중량부에 생석회 28-50중량부를 혼합하고 3-5일동안 기건양생하여 상기 하수슬러지 탈수케이크를 함수율이 3-10%가 되도록 건조시키는 단계; 및
    건조된 하수슬러지 100중량부에 스테인레스강 슬래그 40-60중량부 및 칼륨성분 첨가제 5-15중량부를 혼합하는 단계;
    를 포함하는 복합비료 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기건양생은 23-28℃의 온도 및 30-60%의 습도 조건하에서 이루어짐을 특징으로하는 방법.
  3. 제 1항 또는 2항의 방법으로 제조된 복합비료.
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