KR100709388B1 - 제철부산물을 이용한 복토 혹은 성토용 매립재 및 그제조방법 - Google Patents

제철부산물을 이용한 복토 혹은 성토용 매립재 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철부산물을 이용한 하수슬러지의 고화처리방법에 관한 것으로, 그 구성은
상,하수 슬러지와
상기 슬러지 100중량부를 기준으로 시멘트 및 비표면적이 3000m2/g이상인 고로슬래그 미분말로부터 선택된 1종의 고화제 15∼30중량부, 첨가하고자 하는 생석회 함량중 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그로 대체가능한 생석회 13∼25중량%로 혼합조성된 혼합고화제를 혼련 건조시킨 다음 분쇄하여 제조된 복토 혹은 성토용 매립재, 및
상,하수슬러지를 연속 정량투입하는 단계;
이에 상기 슬러지 100중량부를 기준으로 시멘트 및 고로슬래그 미분말로부터 선택된 1종의 고화제, 함량의 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그가 차지하는 생석회로 이루어진 혼합고화제를 일정량 혼합,혼련하는 단계; 및
상기 혼련물을 분쇄한 다음 자연양생하는 단계;로 이루어지는 복토 혹은 성토용 매립재를 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 고화체로서 제철소 부산물을 재활용하여 매립시키던 상,하수 슬러지를 효율적으로 재활용할 수 있다.
하수슬러지, 고로슬래그 미분말, 스테인레스 스틸 정련로 슬래그

Description

제철부산물을 이용한 복토 혹은 성토용 매립재 및 그 제조방법{A LANDFILL MATERIAL BY USING BY-PRODUCTS OF IRON AND STEEL INDUSTRY AND A METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 제철부산물을 이용한 복토 혹은 성토용 매립재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재활용이 가능한 복토 및 성토를 위한 매립재로 제조하기 위하여 고로슬래그 및/또는 스테인레스 정련로 슬래그에 의해 하수처리의 부산물로 발생되는 슬러지 케이크를 고화처리하여 복토 혹은 성토용 매립제를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적인 하수처리는 수처리 공정과 슬러지 처리공정으로 구성되며, 하수처리장에서의 슬러지 처리는 농축, 소화, 탈수공정을 거쳐 슬러지상태로 처분하는 것이 통상적인 형태이다. 하수처리장의 최종 산물로 발생되는 하수슬러지(일명 탈수 케이크이라고도 한다)의 양은 전국적으로 99년말 기준 약 5,000톤/일 정도이며, 이들의 처분은 대부분 매립에 의존하고 있다.
그러나 하수슬러지는 높은 유기물 함량과 고함수율로 인하여 매립작업의 어려움을 겪고 있으며 생활수준의 향상등에 따른 생활쓰레기의 성상변화로 혼합매립도 곤란해지는등 많은 어려움에 직면하고 있다.
또한 지속적인 하수관거의 정비 및 하수처리장 건설사업이 추진될 경우 하수슬러지의 발생량은 급격히 늘어날 것으로 예상되어져 적절한 처분대책이 시급한 실정이다.
하수슬러지 처리법의 일종인 소각처리는 슬러지의 감량화 및 위생처리 측면에서 장점을 갖지만 기본적으로 하수슬러지의 자원화방향이 아니라는 점과 특히 비용 및 경제적 측면에서, 나아가 소각장 입지선정에 따른 민원 발생의 소지가 많은 측면에서 다수의 단점을 갖고 있는 방법이다.
이에 하수슬러지의 재자원화 측면에서 슬러지를 고화한 다음 단독 매립 내지는 위생매립지에서 중간복토재로서의 활용하는 방안이 검토되고 있다. 이와같이 하수슬러지를 재활용하기 위하여 일반 제강전로 슬래그 사용에 의한 하수소화슬러지 고화처리기술이 대한민국 특허 공고97-8689호에 개시되고 있다.
그러나 이 방법은 재활용하려는 제강전로 슬래그가 일반적으로는 괴상으로 발생되기 때문에 이를 고화제로 사용되기 위하여 200메쉬 이하로 미분 분쇄하여야 하는 별도의 공정을 거쳐야 한다는 이유로 경제적이지 못하며, 또한 실질적으로 미분 분쇄후 사용한다고 하여도 제강 전로슬래그 자체의 잠재 수경성이 약하기 때문 에 실제 고화과정을 일으키기 어려워 현장 적용하기 어려운 단점이 있었다.
이에 본 발명자들은 제철소 부산물을 사용하여 상,하수 슬러지를 재활용하는 방법을 제시함과 동시에 제조된 복토재의 강도, 및 현장 적용가능한 양생 조건에 대한 일정기준을 제시하고자 본 발명을 제안하게 되었다.
즉, 본 발명의 목적은 발생 장소에 따라 성분 성상이 다른 상,하수 슬러지에 토질 역학적인 복토재로서의 목적에 기준할 수 있는 특수 고화제로서 제철소 발생 부산물을 이용하여 환경오염 방지에도 기여할 뿐만 아니라 경제적인 방법으로 하수슬러지를 재활용한 복토재를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 차량과 장비의 작업성을 확보할 수 있는 토질 역학적 일축압축강도를 0.5kgf/cm2이상을 갖도록 하고, 유해 물질이 용출되지 않아 무해하도록 하수슬러지를 고화처리가능한 방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 일견지에 의하면,
상,하수 슬러지와
상기 슬러지 100중량부를 기준으로 시멘트 및 비표면적이 3000m2/g이상인 고로슬래그 미분말로부터 선택된 1종의 고화제 15∼30중량부, 첨가하고자 하는 생석회 함량중 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그로 대체가능한 생석회 13∼25중량부로 혼합조성된 혼합고화제를 혼련 건조시킨 다음 분쇄하여 제조된 복토 혹은 성토용 매립재가 제공된다.
본 발명의 제2견지에 의하면,
상,하수슬러지를 연속 정량투입하는 단계;
이에 상기 슬러지 100중량부를 기준으로 시멘트 및 고로슬래그 미분말로부터 선택된 1종의 고화제, 함량의 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그가 차지하는 생석회로 이루어진 혼합고화제를 일정량 혼합,혼련하는 단계; 및
상기 혼련물을 분쇄한 다음 자연양생하는 단계;로 이루어지는 복토 혹은 성토용 매립재를 제조하는 방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서는 편의상 상,하수 슬러지 100중량부를 기준으로 혼합고화제를 혼합하도록 한다.
이때 사용되는 상,하수 슬러지는 대부분 SiO2, Al2O3, Fe2O 3등 실리카의 복합 화합물(3Al2O3ㆍ2SiO2)로 형성되어 있다. 따라서 후술하는 혼화고화제중 석회내 칼슘이온이 슬러지내의 규산질과 결합되면서 더욱 단단해지게 되므로 슬러지의 함수비를 낮추고 토립자의 이동을 구속하여 수화반응을 쉽게 하게 된다.
또한 슬러지속에는 유기물의 분해에 의하여 발생된 탄산가스가 용해되어 있 는 경우가 많으며, 이들 탄산가스와 후술하는 석회사이에 탄산화 반응이 일어나 탄산칼슘을 형성하게 된다. 이같은 탄산칼슘은 입자간의 고결이나 충진제로서 작용할 뿐만 아니라 점토광물중의 알루미나 석회 수화물과 화합하여 더욱 안정된 결정 광물을 형성하게 된다.
이들 슬러지에 첨가되는 고화제의 조성 성분 및 비율은 슬러지의 유기물 함량, 함수율, 유해물질의 함량에 따라 적절하게 조절하도록 하고, 혼합고화제의 조성 비율은 시멘트 및 비표면적이 3000cm2/g이상인 고로슬래그 미분말로부터 선택된 1종의 고화제 15∼30중량부, 함량의 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그가 차지하는 생석회 13∼25중량부로 조절하도록 한다.
따라서, 본 발명의 제1단계에 있어서는 슬러지를 정량으로 건조기내에 투입함과 동시에, 상기 혼합고화제를 일정량의 비율로서 균일하게 정량 공급기 호퍼를 통하여 내부로 투입하여 준다.
이어서 제2공정으로서 슬러지와 혼합고화제를 혼합, 혼련을 한 다음 미분으로 분쇄하고 최대 7일간 자연양생시킴으로써 압축강도 0.5kgf/cm2이상인 복토재가 생산되어진다.
상기 혼합고화제에 대한 성상 및 이들에 대한 특성은 다음과 같다.
<시멘트 및 고로슬래그 미분말>
고화 안정화후 강도를 증진시키는 역할을 한다.
여기서 사용하는 고로슬래그 미분말은 잠재 수경성이 뛰어나 알칼리 성분이 존재하는 분위기에서 시멘트와 유사한 수화 특성을 가지고 있고 시멘트 대비 경제성이 또한 우수하므로 매우 바람직한 재료라 할 수 있다. 상기 고로슬래그 미분말의 비표면적은 3000cm2/g이상인 것을 사용하는 것이 좋은데, 그 이하에서는 활성에 있어 저하를 초래하기 때문에 바람직하지 않다.
<생석회 및 그 함량의 최대 75%를 대체가능한 스테인레스 스틸 정련로 슬래그>
생석회는 공기중에서 습기와 CO2를 흡수하여 Ca(OH)2 및 CaCO3를 생성하며 물과 반응하여 다량의 열을 발생하면서 Ca(OH)2를 생성한다. 즉, CaCO3 침전물이 생성되게 되면 결정상 구조로서 단단하게 굳어지는 현상을 일으키게 되며, Ca(OH)2를 생성시에는 15.2kcal의 발열 반응과 함께 공기 및 물중의 CO2와 만나면 Ca(HCO3)2 및 CaCO3의 과정을 거쳐 알칼리성에 고화 안정화 역할을 수행하게 된다. 이를 반응식으로 정리하면 다음과 같다:
CaO + CO2 + H2O →CaCO3 + H2O
CaO + H2O →Ca(OH)2 + 15.2kcal
Ca(OH)2 + CO2 →Ca(HCO3)2 + CaCO3 + H2O
상기 반응중 생성된 소석회(Ca(OH)2)는 흙속의 간극수중에서 Ca+2와 OH-로 이온화된다. 통상 토립자 표면은 전기적으로 음극으로 대전되어 있고 표면에 Na+,H+,K+등의 양이온이 흡착되어 있으므로 새롭게 이온화된 Ca+2 와 OH-와 상기 양이온들간에 이온교환반응이 일어나 토립자 표면은 부전하가 약해지므로 토립자 상호간 인력작용에 의하여 단립화되게 되며, 결과적으로 흙의 소성이 저하되고 물리적 성상도 개선되며, 이같은 이온교환작용으로 인해 유해 물질(예를 들어, 중금속등)이 불용출되게 되는 잇점을 갖게 된다.
또한 이에 부가하여, 석회의 용해에 의하여 고알칼리성을 띠게 되는 간극수에는 점토광물중의 실리카 혹은 알루미나 성분이 이온화되어 간극수중의 칼슘과의 사이에 화학반응을 일으켜 규산석회 산화물이나 알루민산 석회수화물등의 겔상의 수화물을 생성한다. 이러한생성 화합물이 결합제가 되어 슬러지가 고결된다. 이러한 초기 포졸란(possolanic) 반응에 의해 수화물은 또한층 칼슘 이온의 보급을 받아 장기적으로는 결정 광물을 생성하여 고결의 진행에 따라 장기적으로 강도가 증 가한다.
한편, 이를 대체할 수 있는 스테인레스 스틸 정련로 슬래그는 일반 전로 슬래그와는 달리 냉각과정에서 스스로 붕괴하여 평균 입도가 45㎛정도인 특징을 갖고 있으므로 별도의 분쇄 과정을 필요로 하지 않는 잇점이 있다.
본 발명의 방법에서 양생하기 위해 선택한 방법인 자연양생법을 이용하면 본 발명에 의해 제조된 고화체는 최대 7일정도, 바람직하게는 3일정도 자연양생시키면 충분하다.
상기와 같이 제철소 공정 발생 부산물들을 이용하여 상,하수 슬러지의 고화체를 제조함으로 인하여 보다 경제적으로 하수 소화슬러지를 고화시킬 수 있으며, 제조된 고화체를 이용하여 위생 매립지등의 복토 및 성토용 매립재등으로 활용할 수 있다.
한편 본 발명에 의하여 제조된 복토재 혹은 매립재는 고화처리된 하수 소화슬러지의 복토작업시 차량과 장비의 작업성을 확보할 수 있는 토질역학적 일축압축강도치이며 이와 동시에 대한민국 하수도 시설기준중 매립작업을 원활히 하기위한 최소 일축압축강도인 0.5kgf/cm2이상을 만족하는 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하며, 이는 본 발명을 예시하고자 하는 것으로, 본 발명을 이에 한정하려는 것은 아니다.
<실시예 1>
상,하수슬러지의 고화처리에 시멘트와 생석회를 이용한 경우
본 실시예에서는 상,하수슬러지를 고화하기 위하여 포틀란트 시멘트와 생석회를 이용하여 고화처리시 그 적정 첨가량을 도출하는 실험을 수행하였다.
상,하수 슬러지 100중량부에 대하여 하기표 1에 도시한 비율로 시멘트와 생석회를 혼합하였다. 이때 균일한 혼합을 위하여 시멘트와 생석회를 먼저 투입한 다음에 상,하수 슬러지를 혼합하였다.
이와같이 혼합된 혼합물을 햄머크래셔 분쇄기를 사용하여 흙형태로 분쇄한 다음 자연양생을 통하여 복토재를 제조하였다. 자연양생 3일후 제조된 복토재의 일축압축강도를 측정하고 그 결과를 하기표 1에 함께 나타내었다.
구분 포틀랜트 시멘트 사용량(중량부) 생석회 사용량(중량부) 일축압축강도값 (kgf/cm2)
비교예 1 10 7 0.3426
비교예 2 13 10 0.4127
발명예 1 15 13 0.5808
발명예 2 18 15 0.7000
발명예 3 30 25 1.2573
비교예 3 40 35 1.5071
상기표에서 보듯이, 포틀란트 시멘트를 하수슬러지 100중량부를 기준으로 15중량부 미만인 경우에는(비교예 1 및 비교예 2) 제조된 고화체의 일축압축강도가 0.5kgf/cm2 이하의 값을 나타내고 있어 복토재로서의 압축강도가 현저히 떨어지며, 또한 생석회가 13중량부 미만인 경우에는 생석회의 수화반응에 의한 발열온도의 상승이 미미하여 하수슬러지의 멸균 작용에 크게 기여할 수 없는 문제점이 있음을 확인할 수 있었다.
한편 포틀란트 시멘트가 하수슬러지 100중량부에 대하여 30중량부를 초과하는 경우와 생석회의 량이 25중량부를 초과할 경우에는 필요이상의 고화제 투입으로 인하여 고화체 량이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.
따라서 상기 발명예 1 내지 3에서와 같이 하수 슬러지 100중량부에 대하여 포틀란트 시멘트는 15∼30중량부, 생석회는 13∼25중량부 범위내로 투입하고 혼합함으로써 고화처리하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예에서는 실시예 1에서 사용한 시멘트 대신 고로슬래그 미분말을 사용한 효과에 대하여 실험하였다.
시멘트 대신 하기표 2에 도시한 비율로 고로수쇄슬래그 미분말(비표면적 3000cm2/g)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 실험을 반복하고, 그 결과를 하기표 2에 함께 나타내었다.
구분 고로 슬래그 미분말 사용량(중량부) 생석회 사용량(중량부) 일축압축강도 (kgf/cm2)
비교예 4 10 7 0.32
비교예 5 13 10 0.40
발명예 4 15 13 0.58
발명예 5 18 15 0.69
발명예 6 30 25 1.24
상기표에서 보듯이, 하수슬러지 고화시 사용가능한 시멘트를 고로 수쇄슬래그 미분말로 대체할 경우에 3일 자연양생후 일축압축강도값은 시멘트 사용범위와 동일한 범위내에서 유사한 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명에서는 시멘트 혹은 고로 수쇄슬래그중 1종을 고화제로서 사용할 수 있음을 확인할 수 있다.
<실시예 3>
본 실시예에서는 실시예 2의 고로슬래그 미분말을 사용할 경우에 그 적정 비표면적값을 결정하는 실험을 수행하였다. 비표면적을 하기표 3에 나타낸 값으로 바꾼 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법을 반복하고, 그 일축압축강도값을 하기표 3에 함께 나타내었다.
구분 고로슬래그 미분말 사용량(중량부) 생석회 사용량 (중량부) 일축압축강도(kgf/cm2) 비표면적 (cm2/g)
비교예 6 10 7 0.32 500
비교예 7 13 10 0.40 700
비교예 8 15 13 0.58 1000
비교예 9 18 15 0.69 2000
발명예 7 30 25 1.24 3500
상기표에서 보듯이, 고로슬래그를 사용할 경우 그 비표면적은 3000m2/g이상일 경우에만 본 발명에 적용하기에 효과적인 일축압축강도값을 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 4>
본 실시예에서는 실시예 1의 방법에 의해 하수슬러지를 시멘트와 생석회를 이용하여 고화체를 제조하는데 있어서, 생석회의 대체재로서 스테인레스 스틸 제조시 발생하는 정련로 슬래그를 이용하는 경우에 그 대체량이 일축압축강도에 미치는 영향을 알아보기 위한 것이다.
생석회중 일부를 하기표 4에 나타낸 비율 및 성분으로 대체하고, 그 함량만큼만 생석회를 덜 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 방법을 반복하고, 그 결과를 하기표 4에 함께 나타내었다.
구분 시멘트 사용량(중량부) 생석회 사용량(중량부) 스테인레스 정련로 슬래그 사용량(중량%) (생석회 대체율%) 일축압축강도값(kgf/cm2)
발명예 8 18 15 - 0.7000
발명예 9 18 11.3 3.7(25) 0.6872
발명예 10 18 7.5 7.5(50) 0.6854
발명예 11 18 3.7 11.3(75) 0.6721
비교예 10 18 - 15(100) 0.6618
상기표에서 보듯이, 포틀랜트 시멘트를 하수슬러지 100중량부에 대하여 18중량부 사용하고 생석회를 15중량부 사용한 경우(발명예 8)는 물론 생석회를 스테인레스 정련로 슬래그로 75% 대체한 경우(발명예 11)의 경우에서 확인되는 바와 같이 일축압축강도값이 기준으로 하는 0.5kgf/cm2을 훨씬 초과하였다.
그러나 생석회를 스테인레스 정련로 슬래그로 100% 대체한 경우(비교예 10)에서는 그 값은 기준치인 0.5kgf/cm2을 훨씬 초과하였지만 하수슬러지 고화시 발열로 인하여 멸균 작용 효과가 미미하므로 바람직하지 않았다.
따라서 본 발명에서 생석회의 스테인레스 정련로 슬래그로의 대체량은 최대 75%인 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
<실시예 5>
본 실시예는 상기 실시예들에서 제조한 복토재에서의 중금속 용출 여부를 판단하기 위한 것이다.
본 실시예에서는 폐기물 공정시험법을 기준으로 유해성이 있는 Cd, Cr+6, Pb, Cu등의 중금속 원소에 대한 원자흡광도를 측정하고 그 결과를 하기표 5에 나타내었다.
구분 Cd(mg/ℓ) [0.3mg/ℓ] Cr+6(mg/ℓ) [1.5mg/ℓ] Pb(mg/ℓ) [3.0mg/ℓ] Cu(mg/ℓ) [3.0mg/ℓ]
하수슬러지 없음 0.005 0.008 0.086
스테인레스 정련로슬래그 흔적량 없음 흔적량 흔적량
고로미분말 흔적량 없음 흔적량 흔적량
시멘트 흔적량 없음 흔적량 흔적량
생석회 흔적량 없음 흔적량 흔적량
S(100):OPC(18):C(15) 흔적량 없음 흔적량 흔적량
S(100):BFS(18):C(15) 흔적량 없음 흔적량 흔적량
S(100):OPC(18):C(7.5):SS(7.5) 흔적량 없음 흔적량 흔적량
[]:지정폐기물 판정기준
S:하수슬러지, OPC:시멘트, C:생석회, SS:스테인레스 슬래그,
BFS:고로수쇄슬래그 미분말
상기표에서 보듯이, 본 발명에 의한 조성으로 제조된 복토재에서 중금속 용출에 의한 2차 오염은 발생하지 않는 것으로 나타났다.
상기한 바에 따르면, 본 발명에서는 고화체로서 제철소 부산물을 재활용하여 매립시키던 상,하수 슬러지를 효율적으로 재활용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 상,하수 슬러지와
    상기 슬러지 100중량부를 기준으로 비표면적이 3000m2/g이상인 고로수쇄슬래그 미분말 15∼30중량부와 첨가하고자 하는 생석회 함량중 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그로 대체가능한 생석회 13∼25중량부로 혼합조성된 혼합고화제를 혼련 건조시킨 다음 분쇄하여 제조된 복토 혹은 성토용 매립재
  2. 삭제
  3. 상,하수슬러지를 연속 정량투입하는 단계;
    이에 상기 슬러지 100중량부를 기준으로 비표면적이 3000m2/g이상인 고로수쇄슬래그 미분말 15∼30중량부와 첨가하고자 하는 생석회 함량중 최대 75중량%를 스테인레스 정련로 슬래그로 대체가능한 생석회 13∼25중량부로 혼합조성된 혼합고화제를 혼합,혼련하는 단계; 및
    상기 혼련물을 분쇄한 다음 자연양생하는 단계;로 이루어지는 복토 혹은 성토용 매립재 제조방법
  4. 삭제
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