KR100956593B1 - 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법 - Google Patents

유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하·폐수처리장치 및 정수처리장에서 발생하는 각종 유·무기성 슬러지와 함수율 70 중량% 미만의 각종 무기성 물질들을 혼합하고 이 혼합물에 고화제, 고화보조제 및 응결촉진제를 첨가하여 반응시킨 다음 항만 준설토 및 해안·호안·하수 준설토, 석분 그리고 건설 폐재류를 재혼합하여 물리적 특성을 개선시켜 인공토를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 재활용할 수 있는 유용한 자원인 산업 폐기물을 자원화함을 목적으로 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법에 관한 것이다.
즉, 매립시설 복토재로 제한적으로 사용될 수밖에 없는 유기성 슬러지에 무기성재료를 혼합·고화시켜 물리적 특성을 개선시킨 후, 매립시설 복토재 외에 건축 및 토목공사의 성토재, 보조 기층재, 뒤채움재, 공유수면 매립재, 습지 및 늪지 등의 저지대 매립재, 폐광산 복구용 성토재, 각종 도관 포설토, 식생옹벽 속 채움재, 조림지역 토양 개량제 등으로 재이용할 수 있도록 개발한 친환경적인 인공토 제조방법으로서, 폐자원을 경제적인 방법으로 재활용하여 환경보존에 기여할 수 있는 유용한 폐기물 자원화 방법이다.
슬러지, 시멘트, 무수망초, 고로 슬래그 분말, 인공토

Description

유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ARTIFICIAL SOIL BY SOLIDIFYING ORGANIC OR INORGANIC SLUDGE}
본 발명은 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법에 관한 것으로서 유·무기성 슬러지에 각종 무기성 물질들을 혼합하고, 이 혼합물을 고화제와 고화보조제, 그리고 응결촉진제로 고화하여 경화(硬化) 또는 고결(固結)시킨 후 항만준설토, 석분, 건설 폐재류와 같은 무기성 혼합물을 첨가하여 건축 및 토목공사의 성토재, 보조 기층재, 뒤채움재, 공유수면 매립재, 습지 및 늪지 등의 저지대 매립재, 매립시설 복토재, 폐광산 복구용 성토재, 각종 도관 포설토, 식생옹벽 속 채움재, 조림지역 토양 개량제 등으로 재이용할 수 있게 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법에 관한 것이다.
우리나라의 하수 슬러지는 2006년 말 기준 전국에 가동 중인 하수처리장 328개소에서 1일 평균 7,446톤의 하수 슬러지 발생하고 있다. 2011년에 이르면 하수종말처리시설 신·증설 등으로 473개소에서 1일 약 9,554톤의 하수 슬러지가 발생할 것으로 전망하고 있다. 1990년대 중반, 환경부 산하 수도권 매립지 관리공사에서 관장하는 김포매립지에서 유기성 폐기물의 직매립으로 인해 침출수 및 악취 발생, 매립작업 중 지반붕괴, 매립가스 발생 등으로 문제점이 발견되었고, 폐기물이 자원으로 재활용될 수 있다는 재평가가 내려짐에 따라 우리나라에서 발생되는 각종 유기성 폐기물의 직매립을 금지하는 내용을 폐기물 관리법 시행규칙에 명시하였으며, 음식물쓰레기는 2005년 1월부터, 각종 슬러지류는 2003년 7월부터 직매립이 금지되었다.
직매립을 금지한 이유는 슬러지의 부패, 악취, 침출수, 침하, 중금속 문제를 고려한 육상처리 및 자원화를 유도하기 위해서였으나 기술적, 경제적인 이유로 육상처리보다는 해양배출을 우선시하여 시행되어 왔다. 그로 인해 하수 슬러지의 해양배출이 꾸준히 증가하여 환경부에 따르면 2006년 말 우리나라의 하수 슬러지 처리현황은 해양투기 71%, 재활용 15%, 소각 13%, 매립 1%로 나타나, 대부분을 바다에 투기한 것으로 집계되어 있다.
그러나 최근에 해양오염이 전 세계적인 환경문제로 인식되면서 폐기물의 해양배출에 의한 오염을 방지하고자 채택하였던 '96 런던협약의정서가' 조만간 발효될 예정에 직면하면서 슬러지의 대책에 대한 구체성을 요구하게 되었다.
이에 따라 환경부에서는 하수 슬러지를 포함한 폐기물의 해양배출기준(해양오염방지법 시행규칙 개정 2006.2.21)이 대폭 강화됨에 따라 기준을 정하여 제1기준은 2008년 2월, 제2기준은 2011년 2월부터 해양배출을 금지하고 2011년까지 육상처리를 완비하겠다는 목표를 정하였다. 또한 수도권지역에서 발생되는 하수 슬러지 를 매립장 복토재로 재활용하기 위해 수도권매립지에 광역 하수 슬러지 자원화시설(1단계: 1,000톤/일)을 설치하여 현재 가동을 준비하고 있다.
대부분의 선진국에서는 90년대 초반부터 '96 런던협약의정서의' 발효에 대비하여 하수 슬러지의 해양배출을 지양해 왔으며, 육상처리를 전제로 한 소각기술, 자원화기술을 개발하고 현장에 보급하여 현재는 거의 대부분 나라에서 해양배출을 하지 않고 있는 실정이다.
우리나라의 유기성 슬러지의 처리 및 직매립에 대한 금지규정은 폐기물 관리법 시행규칙에 '소각하거나 시멘트·합성고분자화합물의 이용 기타 이와 유사한 방법으로 고형화 또는 고화처리 하거나, 생물학적 처리방법으로 처리하여 퇴비로 사용하거나, 환경부장관이 정하여 고시하는 용도 및 방법에 따라 처리하여야 한다' 고 규정되어 있다.
이러한 처리기준에 따라 유기성 슬러지의 처리방법은 소각, 고형화, 고화처리, 퇴비화 등으로 명시되어 있으며, 무기성 슬러지의 처리방법은 매립, 소각 방법으로 명시되어 있다. 그러나 재이용할 수 있음에도 소각하는 것은 자원화 방법이 아니며, 퇴비화는 환경부와 농림수산식품부의 도시 하수 슬러지의 재이용에 대한 이견을 접근시켜 관련법률 재검토 및 대폭적인 완화가 선행되어야만 활성화될 수 있다. 고형화 및 고화처리는 처리기술이 복토재로 한정되어 활발한 연구개발이 미흡한 상태이다.
따라서 많은 처리방법 및 자원화기술을 유도하기 위해서는 이들 기술이 법률적으로 보호받으며, 현장에 적용하기 위해서는 기술개발과 더불어 구체적인 처리방 법을 명시하고, 별도의 기준을 만들어 시행해 갈 필요성이 절실하다.
본 발명은 종래 복토재로 한정된 고화처리기술을 더욱 발전시키기 위한 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 유·무기성 슬러지 각종 무기성 물질들을 혼합하여 고화제, 고화보조제, 그리고 응결촉진제로 고화시켜 악취 제거, 유해병원균 사멸, 중금속 용출억제, 재슬러지화를 방지하도록 경화(硬化) 또는 고결(固結)시키고 항만준설토, 석분, 건설 폐재류와 같은 무기성 재료를 첨가하여 입도, 밀도 및 강도를 증가시켜 물리적 특성을 개선시킨 후, 건축 및 토목공사의 성토재, 보조 기층재, 뒤채움재, 공유수면 매립재, 습지 및 늪지 등의 저지대 매립재, 매립시설 복토재, 폐광산 복구용 성토재, 각종 도관 포설토, 식생옹벽 속 채움재, 조림지역 토양 개량제 등으로 다양하게 재활용할 수 있게 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법은 제 1 및 제 2 원료 저장조에 반입된 정수 및 하·폐수슬러지 또는 이들의 혼합슬러지 100 중량부에 대해, 제 3 원료 저장조에 반입된 광재, 분진, 연탄재, 점토점결폐주물사, 폐토사, 폐석고, 폐석회 및, 수분함량 70 중량% 이하의 무기성 슬러지 또는 이들의 혼합물 20~40 중량부를 가변회전형 스크류 컨베이어와 벨트 컨베이어를 이용하여 제 1 혼합기로 이송한 후, 고르게 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 1차 혼합물을 벨트 컨베이어를 이용해 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기로 이송하는 1차 혼합물 100 중량부에 대해, 제 1 사이로의 비표면적 4,000~10,000cm2/g인 고로 슬래그 분말 10~15 중량부를 스크류 컨베이어로 이송하며; 제 2 사이로의 응결촉진제 1~5 중량부를 스크류 컨베이어로 이송하며; 제 3 사이로의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강 슬래그 분말, 석회분말 중에서 선택된 하나의 10~20 중량부를 스크류 컨베이어로 이송하며; 그리고 제 4 사이로의 제지애쉬 10~30 중량부를 스크류 컨베이어로 이송하여; 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기에서 2차 혼합물을 제조하며; 상기 응결촉진제는 무수망초 또는 Ⅱ형 무수석고이나, 되도록 이면, 무수망초이며; 상기 스크류 컨베이어는 모두 가변회전형 스크류 컨베이어인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 사이로의 고로 슬래그 분말을 생석회나 시멘트(OPC)로 대체할 경우, 제 4 저장조의 pH 2.7~3.0인 화학석고(티탄, 배연탈황 및 불화석고) 15~25 중량부를 벨트 컨베이어로 이송하거나; 또는 저장탱크의 pH 2.7~3.0인 액상의 황산, 인산, 초산, 염산 및, 질산화합물 15~25 중량부를 배관을 이용해 제 1 혼합기로 펌핑 분사하여 먼저 혼합한 1차 혼합물 100 중량부에 대해, 제 1 사이로의 생석회 7~13 중량부 또는 시멘트(OPC) 5~10 중량부; 제 2 사이로의 응결촉진제 1~5 중량부; 제 3 사이로의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강슬래그분말, 석회분말 중에서 선택된 하나의 10~20 중량부 및; 제 4 사이로의 제지애쉬 10~30 중량부를 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기에서 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 혼합물 100 중량부에 대해, 제 5 원료 저장조의 200번 체 통과율 25 중량% 이하의 조립토 구조인 항만 준설토 및 해안·호안·하수 준설토, 석분, 건설 폐재류 혹은 이들의 혼합물을 20~50 중량부로 혼합하기 위해 벨트웨잉피더(BWF)로 일정하게 이송하며; 상기 2차 혼합물과 제 3 혼합기에서 고르게 혼합하여 3차 혼합물을 제조하고 상온에서 6시간~1일 동안 풍건 방치한 후 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 혼합기, 제 2-1 및 제 2-2 혼합기 및 제3 혼합기는 모두 양축 혼합기이며, 제 1 및 제 2 원료 저장조, 벨트 컨베이어, 제 1 혼합기 및, 제 2-1 및 제 2-2 혼합기에 배관을 이용해 탈취제를 펌핑 분사하거나 직접 살포하여 사용할 수 있으며; 상기 슬러지의 이동 및 저장과정에서 발생하는 악취를 방지하기 위해 탈취제가 사용되며; 연결배관을 이용해 제 1 사이로, 제 2 사이로, 제 3 사이로, 제 4 사이로 및 제 2 혼합기에 연결하여 비산하여 확산하는 분진, 가스와 같은 오염물질을 포집하기 위해 포집기가 사용되며; 상기 포집기는 여과포를 이용한 분진 및 가스 포집기인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법에 따르면 함수율이 높은 하·폐수슬러지 및 기타 산업부산물을 안정화 무해화시켜 일반토사류를 대체할 수 있는 양질의 인공토를 제조할 수 있으며, 고화처리 과정에서 악취발생이 거의 없으므로 작업환경 및 주변환경을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한 산업부산물을 무분별하게 매립하거나 해양투기하는 일이 없이 자원으로 재활용 알 수 있어 대기오염, 하천오염, 토양오염, 해양오염 등 환경오염을 방지할 수 있고, 처리비용을 대폭 절감하는 등 경제적인 측면, 환경적인 측면에서 매우 유용한 폐기물 자원화방법이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토를 제조하는 장치의 개략적 블럭구성도이며, 도 2는 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법의 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고 화시켜 얻어진 인공토 제조방법 중 고화제로 고로 슬래그 분말을 이용한 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법의 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법 중 고화제로 생석회 및 시멘트를 이용한 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법의 흐름도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법을 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법은 정수슬러지 및 하·폐수슬러지와 같은 유·무기성 슬러지에 광재, 분진, 연탄재, 점토점결폐주물사, 폐토사, 폐석고, 폐석회 및 수분함량 70 중량% 이하의 무기성 슬러지를 혼합시킨 다음 고로 슬래그 분말, 생석회, 시멘트(OPC) 군중 선택된 하나의 고화제와 응결촉진제, 그리고 석탄 화력발전소에서 발생되는 함수율 1% 미만의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강 슬래그 분말, 석회분말 중에서 선택된 하나와 제지애쉬로 구성된 고화보조제를 교반·반응 시켜 혼합물을 만들고, 이 혼합물에 200번 체 통과율 25 중량% 이하의 조립토 구조인 항만 준설토 및 해안·호안·하수 준설토, 석분, 건설 폐재류를 재혼합하여 달성할 수 있다.
또한 유·무기성 슬러지의 운반·보관·이송·교환 및 반응 과정에서 발생하는 악취를 저감시키기 위해 탈취제를 사용할 수 있으며, 알칼리 분위기에서 발생는 암모니아가스(NH3)를 억제시키고 특히 pH에 민감한 Cr6 +, Cu와 Pb의 용출을 방지하기 위한 pH 조절, 중금속억제 및 강도증진제로 화학석고(티탄, 배연탈황 및 불화석 고) 혹은 액상의 황산, 인산, 초산, 염산, 질산화합물을 사용할 수 있다.
상기와 같은 본 발명을 단계별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 전체에 걸쳐 언급하는 슬러지는 별도로 한정하지 않는 한, 정수처리오니 및 하, 폐수처리오니를 포함한다.
삭제
1단계 : 1차 혼합물 제조단계(S100)
본 발명은 제 1 및 제 2 원료 저장조(10)(11)에 반입된 정수 및 하·폐수 슬러지 단독 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 제 3 원료 저장조(12)에 반입된 광재, 분진, 연탄재, 점토점결폐주물사, 폐토사, 폐석고, 폐석회 및 수분함량 70 중량% 이하의 무기성 슬러지 단독 혹은 혼합물 20~40 중량부를 가변회전형 스크류 컨베이어(16)와 벨트 컨베이어(31)를 이용하여 제 1 혼합기(30)로 이송한 다음 균일하게 혼합하여 1차 혼합물을 만든다.
상기의 광재, 분진, 연탄재, 점토점결폐주물사, 폐토사, 폐석고, 폐석회 및 수분함량 70 중량% 이하의 무기성 슬러지를 혼합하는 이유는 유기성 슬러지만 처리하는 것보다 혼합처리하는 것이 별도의 분산제를 투입하지 않고도 고분자응집제의 과다 투여로 점성이 강하고, 0.1 마이크로미터 이상의 입자들로 플록(Floc)을 형성하여 수분과 강하게 결속된 유기성 슬러지의 분산성과 통기성을 좋게 하여 미립자상태의 고화물질과의 반응을 용이하게 하기 때문이다. 이렇게 하면 수화반응 중 발 열로 인해 수분의 증발이 가속화되고, 슬러지에 용해된 Ca(OH)2가 증발하면서 수분 혹은 공기 중의 CO2와 접촉하여 탄산화반응을 촉진시켜 고결(固結)해진다.
CaO + H2O -> Ca(OH)2 H298=-15.58(kcal/mol) (발열)
G298=-13.21(kcal/mol)
Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O (탄산칼슘 형성)
CaCO3 + H2O + CO2 -> Ca(HCO3)2 (탄산수소칼슘 형성)
2단계 : 2차 혼합물 제조단계(S200)
상기 1차 혼합물을 다시 벨트 컨베이어(41)를 이용해 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40)로 이송한 한 다음, 상기 1차 혼합물 100 중량부에 대하여 고화제로 제 1 사이로(20)에 저장된 고로 슬래그 분말 10~15 중량부와, 제 2 사이로(21)에 저장된 응결촉진제 1~5 중량부를 각각 스크류 컨베이어(24, 25)로 이송하고, 고화보조제로 제 3 사이로(22)의 석탄 화력발전소에서 발생되는 함수율 1% 미만의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강 슬래그 분말, 석회분말 중에서 선택된 하나의 10~20 중량부와, 제 4 사이로(23)의 제지애쉬 10~30 중량부를 각각 스크류 컨베이어(26, 27)로 이송한 후, 혼합하여 2차 혼합물을 제조한다. 상기 스크류 컨베이어(24, 25, 26, 27)는 모두 회전수(RPM)을 조정하여 원하는 양을 일정하게 이송시킬 수 있도록 인버터 모터가 장착된 가변회전형 스크류 컨베이어이다.
상기 고로 슬래그 분말은 제철소에서 선철을 제조할 때 용융하여 부유된 철 광석 불순물이 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소(SiO2)가 화합하여 발생되는 부산물을 밀(Mill)로 분쇄하여 제조한 것으로서 그 자체로 사용할 경우 응결 후 소정의 강도발현까지 상당한 시간을 요하거나, 응결이 지연되는 문제를 가지고 있다. 따라서 본 발명은 응결촉진제를 사용하여 칼슘과 황산이온(SO4 2 -)을 지속적으로 방출시켜 고로 슬래그 분말에서 유리된 칼슘, 실리카, 알루미나와 지속적으로 반응하여 불용성황산염 수화물인 에트린가이트(Ettringite)(C3A·CaSO4 ·2H2O)와 칼슘실리케이트수화물(C-S-H) 그리고 칼슘알루미노실리케이트수화물(C-A-S-H)를 생성시켜 강도를 증진시키게 하였다. 고화제로 고로 슬래그 분말을 사용하면 시멘트나 석회계 고화제에서 문제점으로 제기되는 장기적인 산성물질(산성비)의 침식에 안정적이며, 특히 중성에 가까운 고로 슬래그 분말의 특성상 암모니아 가스의 발생을 획기적으로 감소시켜 주변환경 및 작업환경을 효과적으로 개선시킬 수 있다. 본 발명에 사용되는 고로 슬래그 분말의 비표면적은 4,000~10,000cm2/g인 것을 사용한다.
본 발명에서 응결촉진제로는 무수망초 및 Ⅱ형 무수석고를 사용해도 되나 강도발현에 가장 기여가 큰 무수망초를 사용함이 바람직하다. 무수망초는 또한 산업부산물로 발생된 것으로서 지속적인 황산염의 공급원으로 작용, 고로 슬래그 분말의 잠재 수경성을 촉진시켜 시멘트와 같은 강도 발현 특성이 나타나도록 도움을 준다.
본 단계에서 수화반응의 방해요소로 작용할 것으로 예상되는 슬러지 중의 유기물과 중금속을 효과적으로 고정시키기 위해 고화제와 더불어 고화보조제를 사용한다. 고화보조제인 함수율 1% 미만의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강슬래그분말, 석회석분말, 석고분말 그리고 제지애쉬는 우리나라의 산업현장에서 가장 많이 발생하는 일반폐기물인 산업부산물로서 고화제의 수화반응 및 포졸란 반응에 기여하여 유기물과 중금속의 일부를 고화체(固化體) 내에 장기적으로 안전하게 고정시키는데 도움을 준다. 여기서 상기 제지애쉬에 중금속을 기준 이하로 제거한 하수 슬러지소각재를 20~30 중량부로 혼합하여 사용해도 좋다.
본 단계에서는 또한 고로 슬래그 분말 대신 생석회나 시멘트(OPC:Ordinary Portland Cement)를 제 1 사이로(20)에 저장하여 고화제로 사용할 경우 강알칼리 분위기에서 발생되는 암모니아가스(NH3)를 억제시키고 pH에 민감한 Cr6+, Cu, Pb와 같은 중금속의 용출을 방지하기 위해 pH 조절, 중금속억제 및 강도증진제로 저장조4(13)의 화학석고(티탄, 배연탈황 및 불화석고) 혹은 액상의 황산, 인산, 초산, 염산, 질산화합물을 저장탱크(14)에서 제 1 혼합기(30)로 펌핑 분사하여 1차 혼합물의 pH를 조정한 후 사용한다. 되도록 이면, 상기 1차 혼합물 100 중량부에 대하여 pH 2.7~3.0 수준으로 조절된 상기 산성계물질 15~25 중량부를 먼저 고르게 혼합한 후 사용한다. 그런 다음 pH가 조절된 상기 1차 혼합물에 대하여 생석회 7~13 중량부 혹은 시멘트(OPC) 5~10 중량부와 응결촉진제 1~5 중량부를 혼합한 혼합물에 석탄화력발전소에서 발생되는 함수율 1% 미만의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강 슬래그 분말, 석회분말 중에서 선택된 하나의 10~20 중량부와 제지애쉬 10~30 중량부를 고화보조제로 하여 교반·반응시켜 2차 혼합물을 만든다.
여기서 상기 1단계(S100) 1차 혼합물에 첨가할 산성계물질의 pH를 특정한 이유는 특히 고화제로 생석회와 시멘트(OPC), 고화보조제로 제철분진, 제지애쉬를 혼합사용할 경우 슬러지 중의 수분과 접촉되면 수산화이온(OH-)이 해리되면서 2차 혼합물이 pH 12.0 이상의 강한 알칼리성을 띄면서 암모늄이온(NH4 +)이 암모니아가스(NH3)로 변환되기 때문이다.
NH3 + H2O NH4 + + OH-
본 발명에 의하면 암모니아가스(NH3)는 pH 7.5 이상에서 발생하기 시작하고 황화수소(H2S)는 pH 9.0 이하에서 발생하기 시작한다. 그러므로 최종생성물(인공토)의 pH를 7.5~9.0 상태로 유지하기 위해 상기 1단계(S100)에서 생성된 1차 혼합물에 상기 물질들의 구성 및 혼합비를 특정하게 한정하여 2차 혼합물을 제조하여 본 발명의 목적에 부합되도록 한 것이다.
3단계 : 3차 혼합물 제조단계(S300)
상기 2단계(S200)에서 제조된 2차 혼합물은 다시 벨트 컨베이어(42)를 통해 제 3 혼합기(S50)로 이송된다. 여기서 2차 혼합물 100 중량부에 대해 제 5 원료 저장조(15)에 저장된 200번 체 통과율 25 중량% 이하의 조립토 구조인 항만 준설토 및 해안·호안·하수 준설토, 석분, 건설 폐재류 혹은 이들의 혼합물을 20~50 중량부로 혼합하기 위해 벨트웨잉피더(BWF)(17)를 통해 일정하게 제 3 혼합기(50)로 이송한 후, 상기 2차 혼합물과 혼합하여 3차 혼합물을 제조한다. 이 단계(S300)에서 상기 원료들을 혼합하는 이유는 국토해양부 순환골재 품질기준 중 도로공사용 흙쌓기를 제외한 일반적인 토공사의 성토용 흙쌓기 기준에 적합하게 하기 위함이다. 건설공사의 성토라 함은 일반적으로 흙쌓기 공사와 더불어 그 작업을 실시한 후 소요의 강도와 품질을 얻기 위하여 다짐을 실시하는 흙쌓기를 포함하는 것으로서 해당공사에 따라 기 기준이나 위치가 다를 수 있다. 일반적인 성토공사(흙쌓기 등)에 대하여는 국토해양부(구 건설교통부) 제정 [도로공사 표준시방서] 등에서 규정하고 있으므로, 본 발명에서 일반 토공사의 성토용 흙쌓기 용도로 사용하는 경우에도 도로공사에 준하는 품질을 확보하도록 기준을 정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 2단계(S200) 2차 혼합물은 국토해양부제정 [성토용 흙쌓기 품질 및 품질관리기준(2005. 8)] 중 0.08mm체 통과율 25 중량% 이내와 다짐 후 건조밀도1.5t/m3 이상을 제외하고는 최대치수(mm) 100 이하, 수정 CBR(시방다짐) 2.5 및 10 이상, 5.0mm체 통과율(%) 25~100, 소성지수 10 이하, 이물질 함유량(%)(유기이물질) 1.0 이하(용적)을 훌륭히 만족시킨다. 상기 2차 혼합물이 0.08mm체 통과율과 다짐 후 건조밀도를 충족시키기 못한 이유는 슬러지와 분진을 주원료로 하는 세립토 구조의 특성상 밀도와 입도가 낮기 때문이다. 따라서 부족한 품질 기준을 충족시키고자 실험한 끝에 바다에 버려지거나 단순 매립되고 있는 조립토 구조인 항만 준설토 및 해안·호안·하수 준설토와 석분, 그리고 건설 폐재류 혹은 이들의 혼합물을 30~50 중량부로 혼합하면 상기의 기준을 훌륭히 만족시킴을 알고 본 발명을 구성하게 되었다.
4단계 : 양생단계(S400)
상기 단계(S300)에서 제조된 3차 혼합물은 다시 벨트 컨베이어(51)을 통해 양생조(60)로 이송된다. 이 단계(S400)의 혼합물은 반응이 여전히 진행되는 중이므로 반응이 완료될 때까지 일정한 시간을 요한다. 최소 양생시간은 상온에서 약 6시간 정도이나, 상온에서 1일을 풍건 방치한 후 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제 1 혼합기(30), 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40), 제 3 혼합기(50)은 모두 양축 혼합기이고 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40)는 동일용량 동일크기의 고속혼합기로서, 정비를 용이하게 하기 위해 2열로 배치한 것이다.
상기 탈취제(80)는 슬러지의 이동 및 저장과정에서 발생하는 악취를 방지하기 위해 사용하는 것으로서, 정수슬러지 및 하·폐수슬러지 저장조(10)(11), 벨트 컨베이어(31), 제 1 혼합기(30) 및, 제 2 혼합기(40)에 배관(81)을 이용해 펌핑 분사하거나 직접 살포하여 사용할 수 있다.
포집기(70)은 연결배관(71)을 이용해 제 1 사이로(20), 제 2 사이로(21), 제 3 사이로(22), 제 4 사이로(23)에 연결하여 분진을 포집하고, 분진 및 가스가 발생하는 제 2 혼합기(40)에 연결하여 비산하여 확산하는 오염물질을 포집하기 위해 사용하는 것으로서 여과포를 이용한 분진 및 가스 포집기이다.
상기와 같이 제조된 인공토(S500)는 반응 초기 산·알카리 중화반응과 발열반응으로 인해 pH가 상승하면서 미생물 활동이 둔화되어 악취발생이 줄어들고, 연 속적으로 진행되는 수화반응, 포졸란반응, 탄산화반응, 이온교환반응으로 최종혼합물(S500) 전체가 물에 대해 소수성을 띄게 된다. 따라서 중금속 용출이 억제되고, 재슬러지화가 방지된다. 아래 표 1은 상기와 같은 방법으로 제조된 인공토(S500)의 폐기물공정시험방법에 의한 용출시험 결과표이다.
표 1. 중금속용출 시험결과표
시험항목 단위 지정폐기물 기준 결과 시험방법
Pb mg/l 3 불검출 폐기물공정시험방법
Cu mg/l 3 1.654 〃
As mg/l 1.5 불검출 〃
Hg mg/l 0.005 불검출 〃
Cd mg/l 0.3 불검출 〃
Cr6 + mg/l 1.5 불검출 〃
CN- mg/l 1 0.01 〃
기름성분 mg/l 5% 0.1 〃
유기인 mg/l 1 불검출 〃
테트라클로로에틸렌 mg/l 0.1 불검출 〃
트리클로로에틸렌 mg/l 0.3 불검출 〃
결과 지정폐기물 기준 이하
이상과 같은 단계를 거쳐 완성된 인공토(S500)는 건축 및 토목공사의 성토재, 보조 기층재, 뒤채움재, 공유수면 매립재, 습지 및 늪지 등의 저지대 매립재, 매립시설 복토재, 폐광산 복구용 성토재, 각종도관 포설토, 식생옹벽 속 채움재, 조림지역 토양 개량제 등으로 다양하게 재활용할 수 있는 친환경적인 인공토가 된다.
다음은 이상에서 살펴본 바와 같은 과정을 거쳐 제작된 시료를 사용하여 본 발명의 특정한 실시 예를 설명 및 도시하였다.
본 발명의 구체적인 실시 예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 시료를 구성하는 구성물질로는 슬러지(하수 슬러지, 폐수슬러지), 무기성 슬러지(석분 슬러지), 고화제(고로 슬래그 분말), 고화보조제(석탄재, 제지애쉬), 응결촉진제(무수망초), 항만준설도가 사용되었으며, 이를 일정비율로 혼합한 후 밀도, 입도, 다짐시험, 실내 노상토 지지력비(CBR), 액성·소성한계 및 이물질 함량을 평가하여 본 실험을 수행하였다.
실시예 1
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지40%, 석분슬러지15%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재17.5%, 제지애쉬17.5%
실시예 2
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지45%, 석분슬러지15%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재15%, 제지애쉬15%
실시예 3
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지50%, 석분슬러지15%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재12.5%, 제지애쉬12.5%
실시예 4
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지55%, 석분슬러지15%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재10%, 제지애쉬10%
실시예 5
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지40%, 석분슬러지15%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재10%, 제지애쉬10%, 항만준설토20%
실시예 6
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지25%, 석분슬러지10%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재10%, 제지애쉬10%, 항만준설토25%
실시예 7
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지40%, 석분슬러지10%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재5%, 제지애쉬5%, 항만준설토30%
실시예 8
구성물질 및 혼합비율(중량 %)는 다음과 같다.
하·폐수슬러지35%, 석분슬러지10%, 고로 슬래그 분말8%, 무수망초2%, 석탄재5%, 제지애쉬5%, 항만준설토35%
이상의 실시 예1 내지 실시예 8에 대한 구성물질 및 혼합비율(중량 %)를 표로 정리하면 하기의 표 2와 같다.
표 2. 구성물 및 혼합비율
구분 구성물질 및 혼합비율(중량 %)
실 시예1 S1-하·폐수슬러지40, 석분슬러지15, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재17.5, 제지애쉬17.5
실 시예2 S2-하·폐수슬러지45, 석분슬러지15, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재15, 제지애쉬15
실 시예3 S3-하·폐수슬러지50, 석분슬러지15, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재12.5, 제지애쉬12.5
실 시예4 S4-하·폐수슬러지55, 석분슬러지15, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재10, 제지애쉬10
실 시예5 S5-하·폐수슬러지40, 석분슬러지10, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재10, 제지애쉬10, 항만준설토20
실 시예6 S6-하·폐수슬러지35, 석분슬러지10, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재10, 제지애쉬10, 항만준설토25
실 시예7 S7-하·폐수슬러지40, 석분슬러지10, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재5, 제지애쉬5, 항만준설토30
실 시예8 S8-하·폐수슬러지35, 석분슬러지10, 고로 슬래그 분말8, 무수망초2, 석탄재5, 제지애쉬5, 항만준설토35
상기 표 2의 하·폐수슬러지는 국내 J사와 S사에서 발생한 것을 균등하게 혼합하여 사용하였고, 석분 슬러지는 석재 가공공장에서 석재를 절단할 때 냉각수 와 함께 침강된 무기성 슬러지이며, 고로 슬래그 분말은 국내 S사, 무수망초는 국내 P사, 석탄재는 국내 K사, 제지애쉬는 국내 J사, 항만 준설토는 국내 K시의 인근해역 9개 지점에서 해양저질 현황을 파악하기 위해 채취한 것을 사용하였다.
상기 실시예에서 도출된 인공토 조성물의 물성을 시험하고, 시험 결과를 하기의 표 4에 나타내었다.
이하, 상기 혼합비율로 혼합된 구성물질에 대한 밀도, 입도, 다짐시험, 실내 CBR, 액성·소성한계 및 이물질 함량을 시험하였고, 그 결과는 하기와 같다.
밀도시험
각 실시 예에 따른 혼합비율 S1~S8의 밀도시험은 KS F 2308 <흙의 밀도 시험방법>에 의거하여 실시하였으며 산출 식은 아래와 같다.
흙 입자의 밀도 = s = ms/{ms+(ma-mb)}w(T)
여기에서 s : 흙 입자의 밀도(g/)
ms : 노 건조 시료의 질량(g)
ma : 온도 T에서 증류수를 채운 피크노미터의 질량(g)
mb : 온도 T의 증류수와 시료를 채운 피크노미터의 질량(g)
T : mb를 측정하였을 때 피크노미터의 내용물의 온도(℃)
입도시험
입도시험은 KS F 2302 <흙의 입도 시험방법>에 의거하여 체 분석과 침강 분 석 방법으로 실시하였다.
1)체 분석: 체 분석은 흙 입자 현탁액의 밀도 측정에 의한 입도 시험으로 75 체에 잔류한 흙 입자에 대해 적용한다.
2)침강 분석: 침강 분석은 흙 입자 현탁액의 밀도 측정에 의한 입도 시험으로 75 체를 통과한 흙 입자에 대하여 적용한다.
다짐시험
흙의 다짐시험은 KS F 2312 <흙의 다짐시험 방법>에 의거하여 실시하였으며, A,B,C,D,E의 다짐방법 호칭명 중 본 시험에서는 D 다짐법을 사용하였다.
실내 노상토 지지력비 ( CBR ) 시험
흙의 노상토 지지력비 시험은 KS F 2320 <노상토 지지력비(CBR) 시험방법>에 의거하여 실시하였다. CBR(California Bearing Ratio)이란 관입시험 시 어떤 관입량에서의 표준하중 강도에 대한 시험하중 강도의 백분율로서 통상 관입량 2.5mm에서의 값을 말한다. 수정 CBR은 기층 및 보조기층 재료나 성토재료의 품질기준을 나타내는 지표로서 규정된 다짐도에 상응하는 CBR을 말한다.
여기서, 관입량과 표준 하중강도 및 표준하중에 대한 관계를 표로 정리하면, 하기의 표 3과 같다.
표 3. 관입량과 표준 하중강도 및 표준 하중의 값
관입량(mm) 표준하중강도(MN/m2) 표준하중(KN)
2.5 6.9 13.4
5.0 10.3 19.9
CBR은 일반적으로 2.5mm에서의 값을 취한다. 또한 관입량 5.0mm에서 CBR이 관입량 2.5mm의 것보다 큰 경우에는 새로운 공시체로 재시험한다. 그러나 다시 동일한 결과를 얻었을 때에는 관입량 5.0일 때의 CBR을 취한다.
액성 ·소성 한계시험
흙의 액성한계, 소성한계 시험은 KS F 2303 <흙의 액성한계, 소성한계 시험방법>에 의거하여 실시하였다.
1)액성한계: 액성한계 시험에 의해 구해지는 흙이 소성 상태에서 액체 상태로 바뀔 때의 함수비
2)소성한계: 소성한계 시험에 의해 구해지는 흙이 소성 상태에서 반고체 상태로 바뀔 때의 함수비
3)소성지수: 액성 한계와 소성 한계의 차이
이물질 함유량 시험
이물질 함유량 시험은 KS F 2576 <순환골재의 이물질 함유량 시험방법>에 의거하여 실시하였다.
표 4. 인공토 시험결과
구분 밀도 (g/㎠) 입도 (공학적분류) 최대건조밀도 (g/㎠) 수정CBR (%) 액성·소성한계 이물질함유량
S1 2.499 SM 1.507 32 N.P -
S2 2.503 SM 1.521 24 N.P -
S3 2.518 SM 1.533 37 N.P -
S4 2.525 SM 1.647 39 N.P -
S5 2.544 SW-SC 1.706 38 N.P -
S6 2.553 SW-SC 1.738 41 N.P -
S7 2.594 SW-SC 1.755 44 N.P -
S8 2.621 SW-SC 1.779 43 N.P -
원재료의 밀도는 무수망초가 1.589g/㎠로 가장 낮았으며, 제지애쉬가 1.618g/㎠, 석탄재가 2.091g/㎠, 하·폐수 슬러지가 2.111~2.204g/㎠, 석분 슬러지 2.599g/㎠이고 항만 준설토가 가장 높은 2.601g/㎠을 나타냈다. 혼합비율에서 보여주듯 항만 준설토의 사용비율을 높일수록 밀도 값이 상승함을 알 수 있다.
입도는 KS F 2302에 의거하여 시험하였으며, SM은 실트질 모래나, 실트 섞인 모래로서 세립분을 함유한 모래를 의미하고, SW-SC는 75 체 통과율이 5~12%인 복합기호로서 SW는 입도분포 양호한 모래 또는 자갈 섞인 모래이며, SC는 점토질 모래나 점토 섞인 모래를 의미한다.
실내 노상토 지지력비 시험은 성토에 필요한 중장비의 주행성을 결정하는 주요 판단 기준이며, 포장을 지지하는 노상토의 강도, 압축성, 팽창성, 수축성 등을 결정하는 시험으로 미국 캘리포니아 도로국에서 개발하여 전 세계적으로 널리 쓰이는 시험방법이다. 상기 표 4의 최대 건조밀도와 수정 CBR값은 다짐시험과 실내 CBR시험 결과로 나타난 값이다.
액성한계·소성한계는 시험결과 N.P(Non-Plastic)으로 나타났으며, 이물질시 험 결과에서도 유기 이물질 및 무기 이물질이 검출되지 않았다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조장치의 개략적 블럭 구성도.
도 2는 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법의 흐름도.
도 3은 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법 중 고화제로 고로 슬래그 분말을 이용한 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법의 흐름도.
도 4는 본 발명의 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법 중 고화제로 생석회 및 시멘트를 이용한 유·무기성 슬러지를 고화시켜 얻어진 인공토 제조방법의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
S100 : 1단계(1차 혼합물 제조단계) S200 : 2단계(2차 혼합물 제조단계)
S300 : 3단계(3차 혼합물 제조단계) S400 : 4단계(양생단계)
S500 : 인공토

Claims (5)

  1. 제 1 및 제 2 원료 저장조(10)(11)에 반입된 정수 및 하·폐수슬러지 또는 이들의 혼합슬러지 100 중량부에 대해,
    제 3 원료 저장조(12)에 반입된 광재, 분진, 연탄재, 점토점결폐주물사, 폐토사, 폐석고, 폐석회 및, 수분함량 70 중량% 이하의 무기성 슬러지 또는 이들의 혼합물 20~40 중량부를 가변회전형 스크류 컨베이어(16)와 벨트 컨베이어(31)를 이용하여 제 1 혼합기(30)로 이송한 후, 고르게 혼합하여 1차 혼합물을 제조(S100)하는 것을 특징으로 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 획득된 인공토 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 혼합물을 벨트 컨베이어(41)를 이용해 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40)로 이송하는 1차 혼합물 100 중량부에 대해,
    제 1 사이로(20)의 비표면적 4,000~10,000cm2/g인 고로 슬래그 분말 10~15 중량부를 스크류 컨베이어(24)로 이송하며; 제 2 사이로(21)의 응결촉진제 1~5 중량부를 스크류 컨베이어(25)로 이송하며; 제 3 사이로(22)의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강 슬래그 분말, 석회분말 중에서 선택된 하나의 10~20 중량부를 스크류 컨베이어(26)로 이송하며; 그리고 제 4 사이로(23)의 제지애쉬 10~30 중량부를 스크류 컨베이어(27)로 이송하여; 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40)에서 2차 혼합물을 제조(S200)하며;
    상기 응결촉진제는 무수망초 또는 Ⅱ형 무수석고이며;
    상기 스크류 컨베이어는 모두 가변회전형 스크류 컨베이어인 것을 특징으로 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 획득된 인공토 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1 사이로(20)의 고로 슬래그 분말을 생석회나 시멘트(OPC)로 대체할 경우, 제 4 저장조(13)의 pH 2.7~3.0인 화학석고(티탄, 배연탈황 및 불화석고) 15~25 중량부를 벨트 컨베이어로 이송하거나, 또는 저장탱크(14)의 pH 2.7~3.0인 액상의 황산, 인산, 초산, 염산 및, 질산화합물 15~25 중량부를 배관을 이용해 제 1 혼합기(30)로 펌핑 분사하여 먼저 혼합한 1차 혼합물 100 중량부에 대해, 제 1 사이로(20)의 생석회 7~13 중량부 또는 시멘트(OPC) 5~10 중량부; 제 2 사이로(21)의 응결촉진제 1~5 중량부; 제 3 사이로(22)의 석탄재, 제철분진, 제강분진 및 제강슬래그분말, 석회분말 중에서 선택된 하나의 10~20 중량부; 및 제 4 사이로(23)의 제지애쉬 10~30 중량부를 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40) 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 획득된 인공토 제조방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 2차 혼합물 100 중량부에 대해, 제 5 원료 저장조(15)의 200번 체 통과율 25 중량% 이하의 조립토 구조인 항만 준설토 및 해안·호안·하수 준설토, 석분, 건설 폐재류 혹은 이들의 혼합물을 20~50 중량부로 혼합하기 위해 벨트웨잉피더(BWF)(17)로 일정하게 이송하며, 상기 2차 혼합물과 제 3 혼합기(50)에서 고르게 혼합하여 3차 혼합물을 제조(S300)하고 상온에서 6시간~1일 동안 풍건 방치한 후 사용하는 것을 특징으로 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 획득된 인공토 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1 혼합기1(30), 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40), 제 3 혼합기(50)는 모두 양축 혼합기이며, 제 1 및 제 2 원료 저장조(10)(11), 벨트 컨베이어(31), 제 1 혼합기(30) 및, 제 2-1 및 제 2-2 고속혼합기(40)에 배관(81)을 이용해 탈취제(80)를 펌핑 분사하거나 직접 살포하여 사용할 수 있으며;
    상기 슬러지의 이동 및 저장과정에서 발생하는 악취를 방지하기 위해 탈취제(80)가 사용되며;
    연결배관(71)을 이용해 제 1 사이로(20), 제 2 사이로(21), 제 3 사이로(22), 제 4 사이로(23) 및 제 2 혼합기(40)에 연결하여 비산하여 확산하는 분진, 가스와 같은 오염물질을 포집하기 위해 포집기(70)가 사용되며;
    상기 포집기(70)는 여과포를 이용한 분진 및 가스 포집기인 것을 특징으로 하는 유·무기성 슬러지를 고화시켜 획득된 인공토 제조방법.
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