KR101044921B1

KR101044921B1 - 탄화 왕겨를 활용한 하수슬러지 복토재 제조방법

Info

Publication number: KR101044921B1
Application number: KR1020110029216A
Authority: KR
Inventors: 현재혁
Original assignee: 주식회사대경피엔이
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-06-28

Abstract

본 발명은 하수슬러지 등 고함수분을 포함하는 슬러지의 고화처리를 실시하고 이를 이용하여 매립장의 복토재 등으로 재활용하는 기술에 관한 것으로, 고함수 하수슬러지를 고화 처리하기 위하여 탄화 왕겨 분말 10~20중량부를 제1첨가제로 혼합하고, 상기 혼합물에 인산석고 5~10중량부를 제2첨가제로 혼합하고, 제3첨가제로 생석회 5~10중량부를 혼합하고, 제4첨가제로 인산 7~10중량부를 혼합한 후 교반 및 양생하여 고화체를 제조하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화 처리방법을 제공하여, 하수슬러지를 고형화 처리하여 자원화를 하고자 할 경우, 하수슬러지 고화체의 양생 시 양생초기의 일축 압축강도를 향상시킬 수 있으며, 하수슬러지와 고화재의 혼합 및 양생과정에서 발생하는 암모니아성 악취를 저감시킬 수 있게 된다.

Description

탄화 왕겨를 활용한 하수슬러지 복토재 제조방법{The Manufacturing Process of Landfill Cover Soil from Wastewater Sludge utilizing Carbonized Rice Husks}

본 발명은 하수찌꺼기 등 고함수분을 포함하는 슬러지의 고화처리를 실시하고 이를 이용하여 매립장의 복토재 등으로 재활용하는 탄화 왕겨를 활용한 하수 슬러지 복토재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하수슬러지를 고형화 처리하여 자원화를 하고자 할 경우, 하수슬러지 고화체의 양생 시 양생초기의 일축 압축강도를 향상시킬 수 있으며, 하수슬러지와 고화재의 혼합 시 및 양생과정에서 발생하는 암모니아성 악취를 저감할 수 있도록 한 것이다.

국내의 하수슬러지 발생량은, 예를 들어 2009년의 경우 282만 톤에 달하며, 이중에서 해양투기에 의한 처리가 77%로서, 소각에 의한 처리 11.7%, 육상매립에 의한 처리 1.4% 및 기타 재활용에 의한 처리 9.9%에 비하면, 대부분의 국내 하수슬러지가 해양 투기되고 있어 환경문제가 심각하게 대두되고 있다. 따라서 하수슬러지의 해양투기에 대한 대안책으로 고형화, 소각, 건조, 부숙토 제조, 지렁이 사료 등 다양한 기술이 소개되고 있지만, 이러한 처리방법은 해양투기에 의한 처리방법과 비교 시 경제성이 결여되어 현재 국내에서 확산되지 못하고 있는 실정이다.

한편, 하수슬러지는 운반 시 편리함을 도모하고, 강도발현, 중금속 등의 용출방지, 악취 저감 및 개량 후 성토재 또는 복토재 등으로 유효하게 이용하기 위하여 고형화 처리를 실시하게 된다.

상기와 같은 하수슬러지 고형화 처리를 위해 사용되는 하수슬러지용 고화재에 관한 종래기술은 일본 공개특허공보 소64-11700호가 있으며, 이에 의하면, 시멘트(1종 포틀랜트시멘트), 이수석고, 미분의 제강슬래그 및 CaO 또는 Ca(OH)₂를 원료로 하여 하수슬러지를 고화시키는 기술 등이 공개되어 있다.

그러나 상기의 고화재 원료들은 대부분 알카리성 무기계의 바인더들로서, 이들 고화재를 하수슬러지와 혼합하여 하수슬러지 고화체를 제조하는 과정에서 고화체의 수소이온농도(pH)는 상승하게 되며, 이때 고화체의 수소이온농도(pH)가 9를 초과하게 되면 하수슬러지 고화체 내의 암모니아성 이온(NH₄ ⁺)이 암모니아성 가스(NH₃)화 되면서 악취를 발생시키게 되고, 또한 이러한 하수슬러지 고화체를 양생하는 과정에서도 장기간 암모니아성 악취를 발생시키게 된다.

따라서 종래의 하수슬러지 처리공정에서는 상기 하수슬러지와 고화재 혼합 시 및 하수슬러지 고화체 양생 시 발생되는 악취 제거를 위하여 소취제를 분무하거나 암모니아 가스를 흡수탑으로 흡착시켜 악취를 저감시키는 공정을 추가로 필요로 하게 되는 등의 문제점이 있다.

또한, 고화재로서 시멘트를 주로 사용할 경우에는 악취뿐만 아니라 하수슬러지 고화체의 경시 강도가 증가되지 않고 떨어지는 점도 문제점으로 지적되고 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 기존의 시멘트 등의 고화재를 대체하기 위한 목적으로, 기존 하수슬러지 고화재가 갖고 있는 초기 및 장기 함수분 저감효과가 떨어지는 문제점을 해결할 수 있고, 하수슬러지와 고화재 혼합시 및 하수슬러지 고화체 양생 시 발생하는 암모니아성 악취를 효과적이면서 경제적으로 저감할 수 있는 하수슬러지 고화재의 제조가 가능한 하수슬러지 고화 처리방법을 제공함에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고함수용 하수슬러지를 고화 처리하기 위한 바인더를 제조하고 고화 처리하는 방법에 있어서, 하수슬러지 100중량부에 대하여 탄화 왕겨 분말 10~20중량부를 제1첨가제로서 혼합하고, 상기 혼합물에 인산석고 5~10중량부를 제2첨가제로 혼합하고, 제3첨가제로 생석회 5~10중량부를 혼합하고, 제4첨가제로 인산 7~10중량부를 혼합한 후 교반 및 양생하여 고화체를 제조하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화 처리방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제1첨가제는, 쌀 도정 시 발생되는 왕겨를 350℃~450℃에서 2시간~4시간 탄화시킨 후 냉각기에서 스프레이 분사를 통해 급랭하고, 분쇄하여 입경이 20㎛ ~ 100㎛ 범위의 탄화왕겨를 사용하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화 처리방법을 제공한다.

이상의 본 발명에 의하면, 부산물인 탄화 왕겨와 인산석고 그리고 생석회와 인산을 하수슬러지 활용 고화재의 주원료로 사용함으로써 고화재의 단가를 저감시킬 수 있는 이점이 있으며, 또한, 본 발명에 의한 고화재를 사용함으로써 하수슬러지 및 고화재 혼합물의 초기 및 장기 함수분 저감효과가 우수할 뿐만 아니라 하수슬러지 고화체의 장기 강도발현이 우수한 장점이 있으며, 혼합초기 및 고화체의 양생과정에서의 악취 발생을 최소화 하는 가운데 하수슬러지 고화체를 제조할 수 있게 되는 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 하수 슬러지 고화체를 제조하는 공정을 나타낸 블록도이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해서 설명한다.

본 발명은 도 1에 나타내는 바와 같이, 쌀 도정 시 발생되는 왕겨를 350℃~450℃에서 2시간~4시간 탄화시킨 후 냉각기에서 스프레이 분사를 통해 급랭하고, 분쇄하여 입경이 20㎛ ~ 100㎛ 범위의 탄화왕겨를 하수슬러지 고화용 첨가제 원료 중의 하나로 사용하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 탄화 왕겨의 평균입경이 100㎛보다 클 경우에는 하수슬러지의 고형화 효과가 떨어지는 문제점이 있으며, 20㎛보다 작을 경우에는 제조비용 상승이 문제가 된다.

또한, 하수슬러지의 고형화를 위하여 제3첨가제와 제4첨가제로 생석회와 인산석고를 사용하는 것을 특징으로 한다. 이때의 인산석고는 비료의 제조 시 발생하는 부산물을 사용해도 좋다.

또한, 하수슬러지와 첨가제의 혼합 및 하수슬러지 고화체의 양생처리 시 발생하는 암모니아성 악취를 저감시키기 위하여 인산을 제4첨가제로 사용하는 것을 특징으로 한다. 이때의 인산은 85% 순도의 것으로 재생품을 사용해도 좋다.

상기의 첨가제의 첨가량에 있어서, 하수슬러지 100중량부에 대하여 제1첨가제로서 탄화 왕겨분말을 10중량부에서 20중량부 첨가하는 것을 특징으로 하고, 제2첨가제로서 인산석고를 5중량부에서 10중량부를 첨가하고, 제3첨가제로서 생석회를 5중량부에서 10중량부 첨가하며, 제4첨가제로 인산을 7중량부에서 10중량부 첨가하는 것으로 하여 하수슬러지용 고화재로 사용하는 것을 본 발명의 특징으로 한다.

본 발명에서 사용한 탄화 왕겨의 주요 화학성분 및 결정상의 구성은 아래의 [표 1](본 발명에서 사용한 탄화 왕겨의 화학성분, 단위: 중량부) 및 [표 2](본 발명에서 사용한 탄화 왕겨의 물리적 성질)에 각각 나타내었다.

SiO₂	K₂O	Na₂O	CaO	MgO	Fe₂O₃	P₂O₅	Al₂O₃	MnO	TiO₂
64.65	18.89	0.08	4.53	0.69	0.51	7.79	2.31	0.52	0.02

(단위 : mg/L)

용출
시험

Cd

As

Pb

Hg

Cr⁶ ⁺

Cu

CN

유기인

TCE

PCE

0.004

0.045

0.007

N.D.

0.010

N.D.

pH

10.27

비중

0.37

비표면적

26.86×10³m²/kg

본 발명에서 사용한 인산석고의 주요 화학성분 및 결정상의 구성은 아래의 [표 3](본 발명에서 사용한 인산석고의 화학성분, 단위: 중량부) 및 [표 4](본 발명에서 사용한 인산석고의 물리적 성질)에 각각 나타내었다.

SiO₂	K₂O	Na₂O	CaO	MgO	Fe₂O₃	P₂O₅	Al₂O₃	MnO	TiO₂
5.92	0.96	0.10	75.97	0.07	0.26	15.37	1.08	0.13	0.13

(단위 : mg/L)

용출 시험	Cd	As	Pb	Hg	Cr⁶ ⁺	Cu	CN	유기인	TCE	PCE
용출 시험	0.022	0.006	0.022	N.D.	N.D.	0.013	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
pH	3.49					비중	2.28

본 발명에서 사용한 생석회의 주요 화학성분 및 결정상의 구성은 아래의 [표 5](본 발명에서 사용한 생석회의 화학성분, 단위: 중량부) 및 [표 6](본 발명에서 사용한 생석회의 물리적 성질)에 각각 나타내었다.

SiO₂	K₂O	Na₂O	CaO	MgO	Fe₂O₃	P₂O₅	Al₂O₃	MnO	TiO₂
0.99	1.51	0.28	95.31	0.09	0.34	1.24	0.24	0.01	0.00

(단위 : mg/L)

용출 시험	Cd	As	Pb	Hg	Cr⁶ ⁺	Cu	CN	유기인	TCE	PCE
용출 시험	N.D.	N.D.	0.003	N.D.	0.013	0.025	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
pH	11.38					비중	3.28

상기 탄화 왕겨분말과 인산석고, 생석회의 수화기구 및 양이온과 음이온 고정화 반응은 아래와 같다.

본 발명의 하수슬러지, 폐인산석고, 생석회를 혼합하여 고화시키는 반응의 원리는 아래와 같이 수화 및 고화반응이 주로 관여한다.

1) 수화반응

CaO + H₂O -> Ca(OH)₂ + 278kcal/kg CaCO₃

(생석회) (소석회)

상기와 같은 수화 반응에 의하여 생석회 1kg당 약 320g의 물을 흡수하고 약 280kcal의 열을 방출하여 수분 450g의 수분을 증발시켜 고열과 고압이 발생하게 되며, 이때 발생되는 고열과 고압은 함께 반응하는 하수슬러지 내부로 쉽게 침투하여 단시간 내에 하수슬러지를 건조시키며, 하수슬러지 내의 미생물 살균과 유기물을 안정시키는 역할을 수행한다.

2) 고화반응에서 나타나는 주요 화합물은 Alite(3CaO·SiO₂)나 Belite(2CaO·SiO₂)로 불리우는 규산칼슘 화합물과 하수슬러지 내의 Al₂O₃와 결합하여 Tobermorite 혹은 Aluminate로 불리우는 간극질을 형성하게 되고, 이수석고(CaSO₄·2H₂O)를 형성한다. 또 Alite(3CaO·SiO₂)나 Belite(2CaO·SiO₂)로부터 생성되는 규산칼슘 수화물(C-S-H)과 수산화칼슘, 간극상 물질과 석고가 반응하여 Ettringite와 Mono sulfate 수산화물이 생성되고 여분의 황산이온과 암모니아이온의 결합으로 황산암모늄을 형성하여 인공 복토재의 불투수성 증대, 악취 발생억제 및 압축강도(지내력)를 향상시키는 역할을 한다.

① 규산칼슘 화합물의 수화 < 생석회와 탄화왕겨 내 실리카의 반응 >

3CaO·SiO₂ + (3 - m+n) H₂O -> mCaO·SiO₂·nH₂O+(3-m)Ca(OH)₂

2CaO·SiO₂ + (2 - m+n) H₂O -> mCaO·SiO₂·nH₂O+(2-m)Ca(OH)₂

m : 1.6 ~ 1.7, n : 2.0 ~ 2.6

② 간극상 물질의 수화

- Ettringite

3CaO·Al₂O₃ + 3(CaSO₄·2H₂O) + 26~28H₂O -> 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·30~32H₂O

- Mono sulfate

2(3CaO·Al₂O₃) + 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·30~32H₂O + H₂O_(ℓ)

-> 3(3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·11~12H₂O)

3) 악취제거

제 4첨가제인 인산의 경우 하수슬러지 및 생석회와 반응하여 고화체의 수소이온농도를(pH)를 저감시키는 역할을 한다. 따라서 하수슬러지와 바인더의 혼합 시 및 하수슬러지 고화체 양생 과정에서의 암모니아성 가스 발생량을 최소화시킬 수 있다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 효과는 다음의 실험 결과를 통해서 더욱 명확히 뒷받침될 수 있다.

D시의 하수종말처리장에서 발생된 하수슬러지 100중량부에 대하여 탄화 왕겨 분말 10~20중량부, 인산석고 5~10중량부, 생석회 5~10중량부, 인산 7~10중량부를 정량 투입한 후 혼합하였다.

<실험예 1>

하수슬러지 100중량부에 탄화 왕겨분말 10중량부, 인산석고 5중량부, 생석회 5중량부, 인산 10중량부로 정량 혼합하여 실험을 실시하였다.

<실험예 2>

하수슬러지 100중량부에 탄화 왕겨분말 10중량부, 인산석고 5중량부, 생석회 10중량부, 인산 10중량부로 정량 혼합하여 실험을 실시하였다.

<실험예 3>

하수슬러지 100중량부에 탄화 왕겨분말 10중량부, 인산석고 10중량부, 생석회 5중량부, 인산 7중량부로 정량 혼합하여 실험을 실시하였다.

<실험예 4>

하수슬러지 100중량부에 탄화 왕겨분말 10중량부, 인산석고 10중량부, 생석회 5중량부, 인산 10중량부로 정량 혼합하여 실험을 실시하였다.

<실험예 5>

하수슬러지 100중량부에 탄화 왕겨분말 10중량부, 인산석고 10중량부, 생석회 10중량부, 인산 10중량부로 정량 혼합하여 실험을 실시하였다.

1) 악취 측정 결과

본 발명에서 제안된 배합비에 기초한 복토재의 악취 측정 결과는 아래 [표 7]과 같다.

구분	실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
NH₃(ppm)	5	2.5	2.5	< 2.5	5

상기 [표 7]과 같이 NH₃ 발생농도 측정 결과 최대 5ppm으로 현저히 낮은 것으로 나타났다.

2) 일축압축강도 측정 결과

본 발명에서 제안된 배합비에 기초한 복토재의 일축압축강도 측정 결과는 아래 [표 8]과 같다.

구분		실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
강도 (kg/cm²)	1일	1.47	1.47	1.30	0.95	1.21
	3일	1.91	1.99	1.82	1.82	1.99
	7일	2.17	2.25	2.25	2.25	2.17

상기 [표 8]의 실험 결과에 나타난 바와 같이 일축압축강도 실험 결과 1일부터 7일까지의 강도가 0.95~2.25kg/cm²으로 강도권고치인 0.5kg/cm² 이상을 만족하는 것으로 나타났다.

3) 삼축압축투수계수 측정 결과

본 발명에서 제안된 배합비에 기초한 복토재의 삼축압축투수계수 측정 결과는 아래 [표 9]와 같다.

구분		실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
투수계수 (cm/sec)	1일	1.37×10^-06	1.14×10^-06	1.38×10^-06	1.92×10^-06	1.38×10^-06
	3일	4.82×10^-07	4.85×10^-07	6.14×10^-07	4.83×10^-07	3.15×10^-07
	7일	5.06×10^-07	4.02×10^-07	4.42×10^-07	3.53×10^-07	4.14×10^-07

투수계수의 경우 국내의 하수슬러지를 재활용한 복토재의 투수계수에 대한 특별한 규정사항은 없으나, 국내 수도권 매립지 기반시설 조성사업의 복토층에 대한 투수계수의 설계 적용 조건을 5.0×10^-06cm/sec로 제시하였다. 본 발명에서 제안된 배합비를 기초로 한 복토재의 투수계수 측정 결과는 상기 [표 9]에 나타난 바와 같이, 모두 매립장 복토재로서의 조건을 만족하는 것으로 나타났다.

Claims

고함수용 하수슬러지를 고화 처리하기 위한 바인더를 제조하고 고화 처리하는 방법에 있어서,
상기 하수슬러지 100중량부에 대하여 탄화 왕겨 분말 10~20중량부를 제1첨가제로서 혼합하고, 상기 혼합물에 인산석고 5~10중량부를 제2첨가제로 혼합하고, 제3첨가제로 생석회 5~10중량부를 혼합하고, 제4첨가제로 인산 7~10중량부를 혼합한 후 교반 및 양생하여 고화체를 제조하는 것을 특징으로 하는 탄화 왕겨를 활용한 하수슬러지 복토재 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1첨가제는, 쌀 도정 시 발생되는 왕겨를 350℃~450℃에서 2시간~4시간 탄화시킨 후 냉각기에서 스프레이 분사를 통해 급랭하고, 분쇄하여 입경이 20㎛ ~ 100㎛ 범위의 탄화왕겨를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화 왕겨를 활용한 하수슬러지 복토재 제조방법.