KR101112719B1

KR101112719B1 - 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101112719B1
Application number: KR20110005782A
Authority: KR
Inventors: 이한재
Original assignee: 이한재
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-03-13

Abstract

본 발명은 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물을 제공하는 것에 있다. 상기 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물은, 슬러지 100중량부, pH조절제 0.025~10중량부, 중금속용출방지제 0.01~0.15중량부, 고화제 5~10중량부, 고화보조제 40~80중량부, 악취제거제 0.01~0.05중량부, 기능성점토 10~50중량부를 균일하게 혼합한 혼합물 100 중량부와 상기 혼합물에 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류 중 하나 또는 이들의 혼합물 10~50중량부, 무기바인더 5~35중량부, 토양경화제 5~15중량부가 더 추가된 물질로 제조된다.

Description

슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법{THE SOLIDIFICATION BLOCK COMPOSITION AND ITS MANUFACTURING METHOD THAT USING THE SLUDGE AND INORGANIC WASTE RESOURCES}

본 발명은 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로 특히, 하? 폐수처리장 및 정수처리장, 그리고 제조공정에서 발생하는 유? 무기성 슬러지에 각종 기능성 무기물질들을 혼합하고 이 혼합물에 강도증진 물질로 석탄화력발전소의 회처리장에 매립된 매립석탄회, 바텀애쉬(Bottom Ash), 석분, 그리고 무기성 폐재류를 재혼합하여 물리적 특성을 개선시켜 인공토를 제조하고 이 인공토에 무기바인더와 토양경화제를 더 첨가하여 생성시킨 고형화 블록 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

우리나라의 하수 슬러지는 환경부의 발표에 의하면, 2009년 말 기준 전국에 가동 중인 하수처리장 437개소에서 1일 평균 8,292톤의 하수슬러지를 발생하고 있다. 2011년에 이르면 하수종말처리시설의 신? 증설 등으로 460개소에서 1일 약 10,130톤의 하수슬러지가 발생할 것으로 전망하고 있다(하수슬러지 대토론회. 2010.7.23 환경부).

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 그리고 각종 슬러지류는 2003년 7월부터 직매립이 금지되었다.

직매립을 금지한 이유는 슬러지의 부패, 악취, 침출수, 침하, 중금속 문제를 고려한 육상처리 및 자원화를 유도하기 위해서였으나, 기술적 및 경제적인 이유로 발생량 대부분을 육상처리 하는 것보다는 비용이 저렴한 해양배출 방식으로 처분하여 왔다. 그로 인해 하수 슬러지의 해양배출이 꾸준히 증가하여 환경부에 따르면 2009년 말 기준 우리나라의 하수 슬러지 처리현황은 일일 총 발생량 8,292톤(100%) 중 해양배출 3,893톤(46.9%), 재활용 1,868톤(22.5%), 소각 1,182톤(14.3%), 매립 1,349톤(16.3%)로 나타나, 하수 슬러지의 절반에 가까운 양을 바다에 투기한 것으로 집계되어 있다.

그러나 최근에 해양오염이 전 세계적인 환경문제로 인식되면서 폐기물의 해양배출에 의한 오염을 방지하고자 채택하였던 런던협약'96의정서 발효(2006.3.24)에 따라 슬러지의 대책에 대한 구체성을 요구하게 되었다.

이에 따라 환경부에서는 하수 슬러지를 포함한 폐기물의 해양배출기준(해양환경관리법 시행규칙[개정2006.2])이 대폭 강화됨에 따라 국내기준을 정하였는데, 제1기준에 해당하는 폐기물은 2008년 8월 22일부터 그리고 제2기준에 해당하는 폐기물은 2011년 2월 22일부터 해양배출을 금지하고, 하수슬러지는 2011년 말까지 해양배출을 원천적으로 금지하겠다는 원칙을 세웠다. 그 결과 해양배출금지 대비 하수슬러지 육상처리시설 확충 추진 일환으로 하수슬러지관리 기본계획('06.7), 종합대책('07.5) 및 수정종합대책('08.5)등을 연속으로 발표하여 육상처리시설완비추진 계획을 세우고 수도권지역에서 발생되는 하수 슬러지를 매립장 복토재로 재활용하기 위해 수도권매립지에 광역 하수슬러지 자원화시설(1단계: 1,000톤/일)을 설치하여 현재 가동하고 있다.

대부분의 선진국에서는 90년대 초반부터 '96 런던협약의정서의' 발효에 대비하여 하수 슬러지의 해양배출을 지양해 왔으며, 육상처리를 전제로 한 소각기술, 자원화기술을 개발하고, 이 기술들을 현장에 보급하여 현재는 거의 대부분 나라에서 해양배출을 하지 않고 있는 실정이다. 우리나라의 경우는 폐기물 처리시설을 악취발생 등 혐오시설로 인식하여 주민민원이 발생하고 처리공법 선정 논란, 폐기물자원화정책 추진에 따른 처리시설 설치사업 지연, 예산 미확보, 하수처리장 신? 증설 및 슬러지 발생량 증가로 육상처리 추진상의 어려움을 겪고 있다. 현행 폐기물관리법에서 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 및 퇴비화 등으로 명시되어 있으며, 무기성 슬러지의 처리방법은 매립 및 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.

석탄회(石炭灰)는 석탄화력발전소에서 보통 0.7㎜ 이하의 작은 입자로 분쇄된 미분탄(微粉炭)을 연소한 후 부산물로 발생되는 회(灰)를 말하며 발생위치에 따라 플라이애쉬(Fly Ash)와 바텀애쉬(Bottom Ash)로 구분된다. 플라이애쉬는 전체 석탄회 발생량 중 75%~80%를 차지하고 레미콘 및 콘크리트혼화재료, 점토벽돌 원료 등으로 많은 양이 재활용되고 있으나 비수기에는 매립에 의존하고 있으며, 전체 석탄회 발생량의 15~20%를 차지하는 바텀애쉬는 일부만이 경량골재 대체재로 사용되어질 뿐 대부분 자체 매립장(회처리장)에 매립되고 있는 실정이다. 국내에서는 연간 600만 톤의 석탄회가 발생되고 있으나, 2003년을 기점으로 재활용률이 점차 감소하는 추세에 있으며, 현재 발생량의 약 30%가 회처리장에 단순 매립 처리되고 있다. 하지만 회처리장(Ash Pond)마저 포화상태에 이르러 증설 및 신규처리장 확보가 시급하지만 각종 민원 및 환경문제로 회처리장의 신설 및 증설이 점점 어려지고 있어 안정적으로 그리고 대규모로 매립회를 재활용할 수 있는 새로운 기술개발 및 보급이 시급한 문제로 대두되고 있다.

폐석고는 화력발전소 및 각종 산업공정에서 황산화물(SOx)을 제거한 후 부산물로 발생되는 탈황석고, 비료공업에서 부산물로 발생되는 인산석고, 불산 제조시 부산물로 발생되는 불산석고, 그리고 티타늄 제조공정에서 부산물로 발생되는 티탄석고 등으로 분류될 수 있으며, 국내 수요량보다 생산량이 더 많아 대부분 야적되거나 무단 방치되어 있다. 특히 강산성 폐기물인 폐인산석고는 연간 수백만 톤씩 발생되어 막대한 양이 재활용되지 못하고 쌓여가고 있는데 오랫동안 방치로 말미암아 중금속과 침출수 문제로 사회문제를 야기하고 있는 실정이다.

폐석회는 소다회 제조공정 등에서 발생하는 부산석회로써, 대부분의 화학공장에서 발생되는 강알칼리성 물질로서 극히 일부가 재활용되는 것 외에 마땅한 재활용 방법이 없어 지금까지 지하에 매립하거나 단순 방치하여 왔다. 이로 인해 미관, 비산먼지, 중금속, 침출수 등 환경 및 토양에 악영향을 끼칠 우려가 있으므로 반드시 처리해야 할 대상으로 여겨지고 있다.

무기성슬러지 및 무기성 폐재류는 산업활동 과정에서 연간 수백만 톤이 발생되고 이들 중 많은 양이 재이용되고 있긴 하나 상대적으로 활용가치가 높음에도 단순 매립되거나 경제적인 이유로 야적하고 방치하여 미관을 해치며 주변 환경을 오염시키고 있는 실정이다. 따라서 용도에 따라 적절한 처리과정을 거쳐 재이용하면 유용한 자원이 될 수 있다.

제지애쉬와 석탄회(플라이애쉬)는 각각 제지슬러지를 소각하거나 석탄을 연소시킨 후 발생하는 부산물로써, 버리면 폐기물이 되지만 재이용하면 유용한 자원이 될 수 있는 아주 유익한 산업부산물이다. 특히 하수슬러지소각재는 하수슬러지를 현행 폐기물관리법에서 규정한 소각의 방법으로 처리 후 발생되는 부산물로써 재활용이 아직도 중요한 과제로 남아 있다. 하수슬러지 소각재는 이산화규소(SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화제이철(Fe₂O₃)이 전체 구성물질의 80% 이상을 차지하고 있으며, 특히 이산화규소(SiO₂)와 산화제이철(Fe₂O₃) 성분이 비교적 높은 비율을 차지하고 있는데, 이산화규소(SiO₂)는 하수종말처리장에 유입되는 빗물에 토사 등이 혼입되었기 때문으로 여겨지며, 산화제이철(Fe₂O₃)은 응집제 및 탈수보조제로 사용되는 염화철 혹은 황산철 등에 기인한 것으로 여겨진다. 하수슬러지 소각재는 일반 생활폐기물 소각재와는 달리 중금속 함유량이나 용출량이 높지 않고, 입도 분포 및 화학적 조성에 있어 비교적 균일한 특징을 가지고 있기 때문에, 일반 점토의 성분과 유사한 조성을 지니고 있는 석탄회와 같은 방법으로 재이용할 수 있다.

슬러지의 고형화 처리와 관련된 선행 기술을 살펴보면, '공개특허공보 2003-0017914'에 하수 및 폐수슬러지와 생석회를 10:3의 중량비로 혼합교반 하면서 열을 가하여 건조한 후 시멘트 및 응고촉진제, 물을 혼합한 후 압력을 가하여 성형하여 건축 자재를 제조하도록 하는 '하수 및 폐수슬러지의 고형화 처리 방법'이 기재되어 있다. 상기 기술은 다량의 생석회를 사용함으로서 자체 발열로 슬러지의 함수율을 저감시킬 수 있으나, 값비싼 생석회를 대량 사용한다는 점에서 비경제적이고, 처리과정에서 높은 pH로 인해 다량의 암모니아 가스가 발생하는 단점과 산성비와 외력에 의한 고형화 처리물의 파손 시 슬러지에 포함된 중금속이 재용출 될 우려가 있다.

또 다른 선행기술로는 '등록특허 10-0889393'에 물, 염화나트륨, 염화칼륨, 탄산나트륨, 리그닌, 황산마그네슘, 염화마그네슘, 소듐알루미네이트(Na₃AlO₃)가 포함된 수화첨가제 5 ~ 7 중량%와, 하수 또는 폐수 슬러지 24 ~27 중량%와, 시멘트 10 ~ 15 중량%와, 물 2 ~ 4 중량%와, 잔량의 흙 또는 모래를 혼합하여 전체 100 중량%가 되도록 조성하여 보도블록을 제조하도록 하는 '하수 또는 폐수 슬러지 재활용 조성물과 이를 이용한 보도블럭 및 그 제조방법'이 기재되어 있다. 상기 기술은 시멘트 외에 액상 고화제를 사용해 유기성슬러지의 강도를 보상하는 진일보된 슬러지 고형화 처리기술이나, 함수율 80% 이상의 높은 고함수 슬러지를 고형화 시킬 경우 습식 처리방식의 한계로 최종 제품의 건조 수축에 의한 치수안정성을 고려해야만 하며, 240kg/cm² 이상의 높은 압축강도를 필요로 하는 보강토옹벽블록과 같은 제품제조 시 다량의 시멘트 혹은 수화첨가제를 사용해야 하는 불리함이 있다. 또한 하? 폐수슬러지 외에 특별한 폐자원을 사용하지 않으므로 폐자원 재이용 율이 저조하여 친환경적이지 못하며 비경제적이다.

한편 ‘등록특허 10-1002547’에는 준설사토나 슬러지 중 어느 하나, 혹은 이들의 혼합물에 EDTA, 연소재, 소각재, 생석회, 탈취제, 폐석분, 스칼렛 파우다, 고로슬래그미분말 혹은 시멘트, 그리고 고성능 결합재를 더해 교반? 성형하는 공정을 거쳐 제조되는 ‘준설사토 및 슬러지를 재활용한 친환경 점토 벽돌 및 이의 제조방법’이 기재되어 있다. 상기 기술은 원료의 80% 이상이 폐자원으로 구성되어 매우 친환경적인 기술이나, 스칼렛 파우더를 사용할 경우 나트륨염으로 인해 건조 후 백화현상이 발생할 우려가 있고, 시멘트와 고로슬래그 미분말 만을 사용했을 경우 조기강도 저하로 양생시간이 늦어지는 단점이 있으며, 고성능결합재에 포함된 감수제인 폴리카르복실산과 계면활성 및 유연제로 사용되는 메셀로스는 그 자체가 직접적인 강도촉진에 기여하는 수경성 물질은 아니기 때문에 무기물에는 어느 정도 유효하나 하? 폐수슬러지와 같은 유기성슬러지에서는 강도와 내구성이 증진이 미흡하고, 유기물이 수화반응 저해요소로 작용하여 응결이 지연되는 등 문제점이 발견되었다. 특히 시스템 특성상 정밀계량이 없기 때문에 함수율과 원료배합의 균일화가 떨어지는 문제점이 있으며, 이로 인해 추가로 시멘트와 골재의 소요량이 증대되어 경제성을 악화시키고 슬러지 대비 기타 구성물질의 사용량이 과다하여 폐자원 자원화 비율이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 처리기술로는 미흡한 슬러지 고형화 처리기술을 더욱 발전시키기 위해 고안된 것으로서, 다양한 고형화 블록을 제조하여 일반 시멘트나 소성점토벽돌을 대체할 수 있는 건물 외장재, 바닥 마감재, 보차도 블럭, 하천 및 호안블럭, 경계석 블록, 보강토 옹벽블럭 및 건축? 토목재로 재활용할 수 있는 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물을 제공하는 것에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 고형화 블록 조성물을 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물은, 슬러지 100중량부, pH조절제 0.025~10중량부, 중금속용출방지제 0.01~0.15중량부, 고화제 5~10중량부, 고화보조제 40~80중량부, 악취제거제 0.01~0.05중량부, 기능성점토 10~50중량부를 균일하게 혼합한 혼합물 100 중량부와 상기 혼합물에 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류 중 하나 또는 이들의 혼합물 10~50중량부, 무기바인더 5~35중량부, 토양경화제 5~15중량부가 더 추가된 물질로 제조된다.

상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물의 제조방법은, 혼합물제조단계, 압축? 성형 및 표면처리단계 및 양생단계를 포함한다. 상기 혼합물제조단계는 슬러지, pH조절제, 중금속용출방지제, 고화제, 고화보조제, 악취제거제, 기능성점토, 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류, 무기바인더 및 토양경화제 전부 또는 일부를 혼합한 혼합물을 제조한다. 상기 압축? 성형 및 표면처리단계는 상기 혼합물제조단계를 거친 혼합물을 고압으로 압축? 성형한 블록조성물을 생성하고 생성된 블록조성물 표면처리한다. 상기 양생단계는 상기 압축? 성형 및 표면처리단계를 거친 블록조성물을 양생시킨다.

본 발명에 따른 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법은 정부의 2012년 하수슬러지 전량 육상처리 방침에 적극 부응하는 친환경 자원 순환형 발명이고 소각, 건조, 탄화에 소요되는 에너지 비용을 획기적으로 절감해 전량 수입에 의존하는 화석연료의 사용량을 감소시킬 수 있으며, 매립으로 인해 발생하는 대기오염, 수질오염 및 토양오염을 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따라 생성된 조성물은 비소성이므로 대기오염물질 및 지구 온난화 물질을 발생시키지 않으며, 강력한 무기바인더와 토양경화제를 이용해 고강도가 요구되는 제품들을 손쉽게 생산할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따라 제조되는 블록제품은 갈수록 고갈되는 기존 천연골재나 천연황토 및 점토를 대체하여 백화현상이 없는 건물 마감재, 바닥재, 보차도블록, 보강토옹벽블록, 하천 및 호안블록, 인터로킹블록, 경계석 블록 등으로 제조할 수 있어 원가절감을 통한 가격경쟁력을 확보할 수 있으며, 블록제품 외에도 매립장 복토재나 폐광산 복구용 재활용성토재, 황토포장길, 자전거도로, 산책로 등으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물의 제조방법을 보인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법에 따라 제조되는 고형화 블록제품의 예를 나타낸다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 명세서 전체에 걸쳐 언급하는 슬러지(Sludge, 汚泥)는 그 자체로 국한되지 않고 하? 폐수슬러지와 정수슬러지, 그리고 공정슬러지(공정오니)를 포함하며, '%'는 특별히 언급하지 않는 한, 중량%를 의미한다.

본 발명에 따른 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조를 위한 구성물로는 슬러지 외에 pH조절제, 중금속용출방지제, 악취제거제, 기능성점토, 고화제, 고화보조제, 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류, 무기바인더 및 토양경화제 전부 또는 일부가 사용된다.

조성물

이하 각 조성에 대해 더욱 상세히 설명한다.

이하에서 설명되어지는 각 조성의 함량 범위는 각 조성을 사용하는 경우 얻어지는 각각의 효과와, 다른 조성과 혼합하여 얻어지는 시너지 효과를 최대화하기 위한 최적의 범위로서, 이 범위를 벗어나는 경우 전술한 바의 효과를 얻지 못한다.

본 발명에 따른 고형화 블록 조성물은 슬러지를 주성분으로 하여 제조된다.

여기서 슬러지는 하? 폐수, 정수처리과정 및 생산 공정과정, 또는 각종 산업현장에서 발생하는 수분과 고형분이 섞인 침전물을 탈수한 것을 말하며 하? 폐수처리시설과 수도사업용 정수처리시설 혹은 제품의 생산 공정에서 발생하는 공정슬러지를 물리적처리 1차침전과 생물학적처리 2차침전, 그리고 혐기성소화 등의 과정에서 발생하는 고형물을 응집, 개량, 탈수하여 발생되는 케이크(Cake) 형태의 고형물로서 수분함량이 85% 이하인 것을 말한다.

pH조절제는 인산(H₃PO₄), 과인산(Ca(H₂PO₄)₂H₂O) 및 중과인산석회 (Ca(H₂PO₄)₂? H₂O), 황산제일철(FeSO₄ _?H₂0 & FeSO₄ _?7H₂0), 황산제이철(Fe₂SO₄)로 이루어진 고상 및 액상 군에서 선택된 1종이 가능하며, 슬러지 100 중량부에 0.025~10 중량부를 사용한다. 인산은 산소산의 일종으로 화학비료, 식품공업, 인산염제조, 반도체나 LCD(Liquid Crystal Display) 에칭용액 등 광범위하게 사용되는 무기산으로서 흡습 용해하는 조해성이 있으며, 과인산석회는 인산수소칼슘과 황산칼슘이 혼합된 회백색 분말이며 아래의 화학반응식과 같이 인광석 분말에 황산을 반응시켜 제조한다.

Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ + 5H₂O → Ca(H₂PO₄)₂? H₂O + 2(CaSO₄?2H₂O)

과인산석회는 과인산칼슘을 많이 포함하는 산성의 비료이며, 물에 잘 녹고 비료효과가 크다. 인산의 함량은 보통 20% 이상이며 나머지는 부산물인 석고 60%로 구성되어 있다. 중과인산석회는 가용성 인산이 40% 이상이며, 아래의 화학반응식과 같이 인광석을 인산으로 처리하여 수용성 인산염으로 변화시켜 만든 인산 비료이다.

3Ca₃(PO₄)₂?CaF2 + 14H₃PO₄ + 10H₂O → 10(Ca(H₂PO₄)₂?H₂O) + 2HF

인산류는 슬러지에 함유된 석회, 산화알루미늄(Al₂O₃)과 같은 알카리성 물질과 혼합되면 불용성의 인산염을 생성 참전시키며, 특히 중금속 중 구리와 납을 효과적으로 고정시키는 효과가 있다. 또한 흙의 인산 결핍현상을 일으키는 등 유해한 작용을 하는 활성 알루미늄 이온(Al³ ⁺)과 반응하여 불용화된다.

[알루미늄과의 반응 메카니즘]

Al₂O₃+2Ca(H₂PO₄)₂ = 2AlPO₄+2CaHPO₄+3H₂O

Al₂O₃+2H₂PO₄ = 2AlPO₄+3H₂O

황산제일철(FeSO₄)은, 녹반(綠礬)이라고도 하며 무수물 외에 1, 4, 5, 7수화물이 알려져 있다. 7수화물(FeSO₄7H₂O)은 가장 일반적이고 2가의 황산철 중에서 중요하다. 황산제이철(Fe₂(SO₄)₃)은 무수물 외에 3, 6, 7, 7.5, 9, 10, 12수화물이 알려져 있다. 백색 또는 담황색 분말로 비중 3.097이다. 조해성이 있고, 가열하면 약 480℃에서 분해하여 산화철이 된다. 물에는 약간 녹지만, 가수분해 결과 용액은 갈색을 띠며, 가열하면 금방 염기성 황산철 또는 수산화철의 적갈색 침전이 생긴다. 천연으로는 코큄바이트켄스테드타이트코넬라이트로서 산출된다. 수화물은 황산철 수용액을 산화하고 증발농축시켜 결정화한다. 결정화 조건에 따라 함유되는 물분자의 수가 달라진다. 복염(複鹽)을 만들기 쉽고 철백반의 제조나 매염제에 사용된다. 또 헥사시아노철산칼륨과 반응하여 프러시안블루를 만들기 때문에 그 원료가 된다.

상기 중금속용출방지제는 생태독성 문제에서 자유로운 Na₃T를 주성분으로 한 것으로서 상기 슬러지 100 중량부에 0.01~0.15중량부를 사용한다. Na₃T 수용액 내에서 중금속은 아래와 같은 반응을 거쳐 Metal-Na3T 화합물로 침전된다. 이런 화합물의 성분을 원소분석과 같은 방법으로 분석한 결과 Na₃T분자가 3당량의 중금속과 결합하는 것으로 나타났다.

[반응 메카니즘]

1가 금속 : 3Me⁺ + Na3T³ ^- → Me₃Na3T(Extremely low solubility)

2가 금속 : 3Me² ⁺ + 2Na3T³ ^- → Me₃ ₍Na3T)₂(Extremely low solubility)

여기서 Me⁺, Me² ⁺ = 중금속

Na3T³ ^- = C₃N₃S3³ ^-

트리머캅토 에스 트리아찌(Trimercapto-S-Triazi)의 말단의 티올(Thiol)기가 중금속과의 반응을 통해 키레이트 형성, 고분자 유기 금속 착화합물화하여 중금속을 안정화 시킨다. 기타 티올(Thiol)기를 가지고 있는 다이메틸다이싸이오카바메이트(Dimethyldithiocarbamate, LC50 값이20), 나트륨 트리티오카보네이트(Sodium trithiocarbonate, LC50값이 7.5) 등이 강한 생태 독성을 가지고 있는 환경 비친화적인 제품인 반면 Na₃T-15는 수생태 독성값은 4,000ppm 이상으로 거의 무독성에 가까운 특징을 가지고 있다. 또한 거대분자 효과를 내는 3차원 망상구조로 존재하여 재용출 등의 2차 오염 문제를 전혀 발생치 않으며, 3당량의 중금속과 반응하므로 중금속 제거효율이 뛰어나고 반응 후 황화수소(H₂S)가 분리되지 않으며 황화금속(Metallic Sulfides)이 아닌 금속-유기화합물(Metal-organic Compounds)로 존재한다.

고화제는 슬러지 100중량부 당 750~1,000℃에서 소성된 하소백운석 5~10중량부 혹은 하소백운석과 900~1,100℃에서 소성된 생석회를 2:1로 혼합한 혼합첨가물 5~10중량부를 사용한다. 하소백운석은 탄산염 광물인 백운석을 900~1,000℃로 소성(slaking)시킨 것으로 소성시킨 백운석의 전체 구성성분 중 산화마그네슘(MgO)이 32～35중량%, 산화칼슘(CaO)이 50～55중량% 포함되어 있어 값비싼 생석회의 유용한 대체제로 사용할 수 있고 포졸란 반응에 필요한 칼슘이온의 공급원으로 작용한다. 백운석을 가열하면 흡열반응을 일으켜 분해하는데 온도별로 나타나는 탄산마그네슘(MgCO₃)과 탄산칼슘(CaCO₃)의 분해는 다음과 같다.

[MgCO₃와 CaCO₃의 분해 메카니즘]

750~800℃ CaMg(CO₃)₂ = CaCO₃ + MgO + CO₂↑

900~1000℃ CaCO₃ + MgO = CaO + MgO + CO₂↑

본 발명에 사용되는 10mm 이하의 미세분말 하소백운석은 수분과 접촉 시 수화반응이 단 시간에 급격하게 진행되므로 슬러지의 함수율을 빠르게 낮추는데 도움을 준다. 생석회(生石灰)는 석회석 또는 탄산칼슘(CaCO₃)을 약 900℃ 이상으로 가열하면 생성되는 물질로 슬러지에 함유된 수분을 만나면 발열반응과 함께 수산화칼슘을 만든다.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 15.2kcal/kg

이때의 100℃ 이상의 발열반응으로 인해 주변의 수분이 수증기로 기화하면서 함수율이 낮아지며, 고함수 슬러지의 개질과 연약지반을 보강하는 데에도 사용된다. 경제적인 이유로 단독으로 사용하기 보단 하소백운석과 혼합사용하는 것이 바람직하다.

상기 고화보조제는 850~1,000℃에서 고온 소각된 제지애쉬와 화력발전소에서 미분탄을 약 1,400~1,500℃의 고온으로 연소시켰을 때 발생하는 석탄회(플라이애쉬), 그리고 하수슬러지소각재 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물을 슬러지 100중량부 당 40~80중량부를 사용한다. 제지애쉬는 활성 산화칼슘(CaO) 함유량이 40 중량% 이상인 포졸란 물질로 잠재수경성이 있으며 수분 흡수율이 뛰어나 슬러지의 함수율을 감소시키는데 도움을 주고, 고화물의 강도발현에 기여한다. 석탄회(플라이애쉬)는 화력발전소에서 석탄이 노(爐)내에서 고온으로 연소될 때 석탄 중의 회분이 용해되어 급격히 냉각된 미세입자를 말하며 자체로는 잠재수경성이 없으나 시멘트나 생석회의 수화반응시에 생성된 수산화칼슘의 칼슘이온과 자체에서 용출된 산화규소나 산화알루미늄이 반응하여 불용성의 수화물(에트링가이트)을 만들고 장기간에 걸쳐 고화되어 강도를 증진시키는 역할을 한다. 하수슬러지소각재는 석탄회와 광물 조성이 비슷하여 수화반응에 악영향을 주지 않으며 특히 실리카(SiO₂)의 성분이 많아 수화 반응 시 불용성의 규산염 화합물을 만드는데 도움을 준다.

악취제거제는 포타시엄 모노퍼설퍼(Potassium monopersulfate, KHSO₅) 35~50중량%, 포타시엄 하이드로젠설퍼(Potassium hydrogensulfate, KHSO₄) 15~30중량%, 포타시엄 설페이트(Potassium sulfate, K₂SO₄) 20~40중량%, 그리고 산(Acid, 酸)촉매 0.5~5중량%가 혼합되어 있는 것을 슬러지 100중량부 당 0.01~0.05중량부를 사용한다. 이러한 복수염은 특히 복합악취 제거에 매우 탁월한 성능을 발휘하며, 복수염에 포함된 성분들은 열 이외에 빛, 금속 등에 의해 강한 산화력을 가진 SO₄ ^- 라디칼을 생성할 수 있으므로, 복수염의 산화력에 의해 난분해성 유기물, 복합 악취 또는 소수성 용매로 오염된 물질을 분해할 수 있다.

기능성점토는 산화철이 함유된 알루미노실리케이트질 산업부산물에 칼슘실리케이트질 성분을 혼합하여 암석이 풍화, 분해된 후 규소, 알루미늄, 수분이 결합된 점토와 유사한 인위적인 점토광물(粘土鑛物, Clay mineral)을 제조한 것으로서 슬러지 100중량부 당 10~50중량부를 사용하며, 색감과 질감이 자연 상태의 흙을 연상케 하여 암회색 슬러지의 거부감을 줄여줌과 동시에 제품의 가치를 높여주는 기능을 한다.

상기 강도증진 물질은 상기 제4혼합물 100중량부 당 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 10~50중량부 더 혼합하여 사용한다.

매립석탄회는 석탄화력발전소에서 발생하는 플라이애쉬(비산재)와 바텀애쉬(바닥재)를 포함한 모든 석탄재가 재활용되지 못하고 일정크기로 분쇄되어 바닷물과 함께 자체 매립장(회처리장)에 매립되는 것을 말하며. 골재 대체재로서 가치가 매우 크다.

석분은 채석장에서 채취한 암석을 쇄석(깬자갈)으로 만들면서 발생한 부산물 로서 그 입자의 크기는 모래와 미립토분이 섞인 것으로 매립하거나 노반재 혹은 뒷채움재 등으로 사용되는 것을 말한다.

무기성 폐재류는 무기성건설폐기물(건설공사로 인하여 착공에서 준공 때까지 건설현장에서 발생되는 폐기물 중 금속류를 제외한 무기성 폐재를 말한다), 광재? 분진? 연탄재? 점토점결폐주물사? 폐내화물(사업장일반폐기물만 해당한다), 석재가공과정이나 벤토나이트(Bentonite)제조공정에서 발생하는 폐석재(폐석분 포함), 레미콘제조공정에서 발생하거나 건설현장에서 반품된 폐레미콘, 호소?하수슬러지 등을 소각?회화하거나 용융슬래그화 한 것을 말한다.

무기바인더는 시멘트 100중량부에 고로슬래그미분말 50~100중량부, 연소재(플라이애쉬) 10~50중량부, 천연무수석고 5~25중량부, 석회미분말 5~25중량부, 실리카흄 5~10중량부, CSA(calcium sulfur aluminate)계 팽창재 5~10중량부, 섬유보강재 0.05~0.1중량부를 균일하게 혼합한 것으로서, 섬유보강재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 폴리프로필렌계섬유, 나일론, 폴리에스테르로 구성되며, 상기 제4혼합물 100중량부 당 무기바인더 5~35중량부를 더 혼합하여 사용한다. 본 발명의 무기바인더는 일반 시멘트만을 사용했을 때보다 더욱 큰 조기강도와 압축강도 및 휨강도, 그리고 속경성을 가지고 있어 일반 시멘트만으로 응결 및 수치안정화가 어려운 슬러지를 효과적으로 응결시키고 고형화시키는데 도움을 준다.

상기 토양경화제는 순수한 물 100중량부 당 염화나트륨 5~15중량부, 염화칼륨 10~20중량부, 염화마그네슘 5~15중량부, 염화칼슘 10~20중량부, 염화암모늄 2~8중량부, 탄산나트륨 5~15중량부, 규불화마그네슘 1~6중량부, 알민산나트륨 2~8중량부, 규산나트륨 5~20중량부, 황산나트륨 5~15중량부, 알긴산나트륨 1~10중량부, 메틸셀룰로스 0.1~2중량부, 리그닌술폰산염과 나프탈렌술폰산염 혹은 폴리카르본산염 중 어느 하나 1~6중량부로 구성되며, 제4혼합물 100중량부 당 5~15중량부를 더 혼합하여 사용한다. 상기 토양경화제를 사용하면 무기바인더의 강도발현을 더욱 증진시켜 경화체인 블록제품의 탄성과 강도 및 밀도가 증대되고 내후성 및 내구성이 증대되는 효과가 있다.

제조방법

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법을 설명한다.

이하의 설명에서 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물은 pH조절제, 중금속용출방지제, 고화제, 고화보조제, 악취제거제, 기능성점토, 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류, 무기바인더 및 토양경화제 일부 또는 전부를 포함하는 것을 전제로 한다.

도 1은 본 발명의 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물의 제조방법을 나타내는 신호흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물의 제조방법(100)은, 혼합물제조단계(110), 압축? 성형? 표면처리단계(120), 양생단계(130) 및 시험? 포장단계(140)를 포함한다.

혼합물제조단계(110)는 슬러지, pH조절제, 중금속용출방지제, 고화제, 고화보조제, 악취제거제, 기능성점토, 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류, 무기바인더 및 토양경화제 전부 또는 일부를 혼합한 혼합물을 제조하며, 이하에 설명되는 제1혼합물제조단계(111) 내지 제5혼합물제조단계(115) 및 재혼합단계(116)의 총 6개의 단계 중 적어도 하나의 단계를 포함한다.

제1혼합물제조단계(111)는 하? 폐수슬러지, 정수슬러지 및 공정슬러지 중 하나 혹은 이들의 혼합물 100중량부에 pH조절제 0.025~10중량부가 포함된 산성물질인 제1혼합물을 제조한다. 여기서 pH조절제는 슬러지의 pH를 4.0~5.5로 유지시켜 함유되어 있는 중금속이 용출되게 한 다음 인산염이나 황산염의 상태로 안전한 화합물을 형성시키기 위함이다. pH조절제로는 인산(H₃PO₄), 과인산(Ca(H₂PO₄)₂H₂O) 및 중과인산석회 (Ca(H₂PO₄)₂?H₂O), 황산제일철(FeSO₄ _?H₂0 & FeSO₄ _?7H₂0), 황산제2철(Fe₂SO₄)로 이루어진 고상 및 액상 군에서 선택된 한 종을 사용한다.

제2혼합물제조단계(112)는, 제1혼합물제조단계(111)에서 용출된 잔류 중금속이 중금속용출방지제와 즉시 반응하여 추후 고형화 피막이 외력에 의해 파손되어도 재용출 되지 않는 단단한 유기금속착화합물 구조를 형성하게 하는 것이 목적이며, 이를 위해 제1혼합물제조단계(111)에서 제조된 제1혼합물에 생태독성문제가 거의 없는 친환경 중금속용출방지제 0.01~0.15중량부를 더 포함하여 중금속을 유기금속착화합물화시킨 제2혼합물을 제조한다.

제3혼합물제조단계(113)는 슬러지 100중량부에 해당하는 고화제 5~10중량부와 고화보조제 40~80중량부를 별도로 정밀계량 및 혼합하여 제3혼합물을 제조한다. 고화제 및 고화보조제로 사용되는 하소백운석 혹은 하소백운석과 CaO 혼합물과 제지애쉬, 하수슬러지소각재, 석탄회 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물과의 혼합물인 제3혼합물은 발열반응을 통해 슬러지에 포함된 수분을 증발시키고 슬러지에 포함된 토립자 표면에 흡착되어 있는 Na+, K+, H+, Mg2+ 이온이 Ca+ 이온과 치환되는 이온교환반응을 일으키며, 동시에 포졸란 반응과 탄산화반응을 수반한다.

제4혼합물제조단계(114)는 제2혼합물제조단계(112)에서 제조된 제2혼합물과 제3혼합물제조단계(113)에서 제조된 제3혼합물을 균일하게 혼합하면서 강력한 복합악취 산화제인 악취제거제 0.01~0.05중량부와 기능성점토 10~50중량부를 더 첨가하여 제4혼합물을 제조한다. 여기서 악취제거제는 철 성분을 부식시키므로 모든 배관자제 및 노즐은 내부식 자재를 사용한다.

제5혼합물제조단계(115)는 제4혼합물제조단계(114)에서 제조된 제4혼합물 100중량부 당 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 건설폐재류 중 하나 혹은 이들의 혼합물 10~50중량부, 무기바인더 5~35중량부, 그리고 토양경화제 5~15량부를 더 혼합하여 제5혼합물을 제조한다. 토양경화제는 제4혼합물과의 접촉 및 반응성을 좋게 하기위해 액상을 사용하며, 균일하게 혼합되도록 골고루 분사한다.

재혼합단계(116)는 제5혼합물제조단계(115)에서 제조된 제5혼합물을 균일한 크기로 재혼합하며, 이는 파쇄, 분산, 압축 및 혼합이 동시에 이뤄지는 교반기에서 65 RPM으로 혼합하는 것이 바람직하다.

압축? 성형? 표면처리단계(120)는 재혼합단계(116)에서 재혼합된 제5혼합물을 블록성형기를 이용해 고압으로 압축? 성형하여 블록제품을 제조하고 제조된 블록제품을 표면 처리한다.

양생단계(130)는 압축? 성형? 표면처리단계(120)를 거친 블록제품을 습윤 양생장치(Humidity Curing Apparatus)를 이용해 양생하며, 양생온도는 상온~60℃ 그리고 양생습도는 85~99%에서 1일 이상 양생한다. 습윤 양생장치를 이용하면 상온에서 자연 양생시키는 것보다 7일 및 14일 강도의 발현을 빠르게 단축시킬 수 있다. 또한 양생단계(130)를 거친 블록 제품은 중금속을 유기금속착화합물과 고형화 피막으로 2중 차단을 함으로서 어떠한 기후 조건에서도 안정된 고형물로 존재하게 한다.

용도

도 2는 본 발명의 슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물 및 이의 제조방법에 따라 제조되는 고형화 블록제품의 예를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물은 일반 시멘트나 소성점토벽돌을 대체할 수 있는 건물 외장재, 바닥 마감재, 보차도 블럭, 하천 및 호안블럭, 경계석 블록, 보강토 옹벽블럭 및 건축? 토목재로 재활용할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고형화 블록 조성물의 제조방법(100)에 의해 제조된 고형화 블록은 일반 시멘트나 소성점토벽돌을 대체할 수 있는 건물 외장재, 바닥 마감재, 보차도 블럭, 하천 및 호안블럭, 경계석 블록, 보강토 옹벽블럭 및 블록제품 외에도 매립장 복토재나 폐광산 복구용 재활용성토재, 황토포장길, 자전거도로, 산책로 등 건축?토목재로 바람직하게 사용할 수 있다.

아래의 표 1은 본 발명에서 제안하는 제조방법에 따라 제조된 고형화 블록의 중금속용출시험 및 기타 시험 결과이다.

시험항목	단 위	시료구분	결과치	시험방법
납	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
구리	mg/l		0.048	폐기물공정시험기준:2008
비소	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
수은	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
카드뮴	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
6가크롬	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
시안	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
유기인	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
테트라클로로에틸렌	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
트리클로로에틸렌	mg/l		검출안됨	폐기물공정시험기준:2008
기름성분	%		0.069	폐기물공정시험기준:2008
유기물함량	%		22.2	폐기물공정시험기준:2008
Cl^-	%		0.00	ASTM D2361(2002)

상기 시험은 폐기물관리법시행규칙[별표1] 지정폐기물에 함유된 유해물질, Pb 3, Cu 3, As 1.5, Hg 0.005, Cd 0.3, Cr(Ⅵ)1.5, 시안 1, 유기인 1, TCE 0.3, PCE 0.1mg/L, 기름성분 5% 이상 함유한 유해물질에 대하여 수행된 것이다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시 예에 설명 및 도시하였지만 본 발명은 당업자에 의하여 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것이 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같이 변형된 실시예들은 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

<실시예>

먼저 하수슬러지 50중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부, 토양경화제 5중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 하기 표2에 나타내었다.

조성(중량%)		실시예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	실시예 7	실시예 8	실시예 9
제4 혼합물	하수슬러지	50	50	25	25	20	20	15	15	10	10
	폐수슬러지	0	0	25	25	20	20	15	15	10	10
	정수슬러지	0	0	0	0	10	10	20	20	30	30
	pH조절제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
	중금속용출방지제	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03
	하소백운석	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725
	CaO	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725	1.725
	제지애쉬	17	17	17	17	17	17	17	17	17	17
	석탄회	14	14	14	14	14	14	14	14	14	14
	하수슬러지소각재	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
	악취제거제	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02
	기능성점토	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
	합계	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100
조성( 중량부 )
고형화 블록	제4혼합물	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100
	바텀애쉬	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15
	무기바인더	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
	토양경화제	5	0	5	0	5	0	5	0	5	0

<실시예 1>

하수슬러지 50중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 1에 나타내었다.

<실시예 2>

하수슬러지 25중량%, 폐수슬러지 25중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부, 토양경화제 5중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 2에 나타내었다.

<실시예 3>

하수슬러지 25중량%, 폐수슬러지 25중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 3에 나타내었다.

<실시예 4>

하수슬러지 20중량%, 폐수슬러지 20중량%, 정수슬러지 10중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부, 토양경화제 5중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 4에 나타내었다.

<실시예 5>

하수슬러지 20중량%, 폐수슬러지 20중량%, 정수슬러지 10중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 5에 나타내었다.

<실시예 6>

하수슬러지 15중량%, 폐수슬러지 15중량%, 정수슬러지 20중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부, 토양경화제 5중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 6에 나타내었다.

<실시예 7>

하수슬러지 15중량%, 폐수슬러지 15중량%, 정수슬러지 20중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 7에 나타내었다.

<실시예 8>

하수슬러지 10중량%, 폐수슬러지 10중량%, 정수슬러지 30중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부, 토양경화제 5중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 8에 나타내었다.

<실시예 9>

하수슬러지 10중량%, 폐수슬러지 10중량%, 정수슬러지 30중량%, pH조절제로 황산제일철 0.5중량%를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.03중량%를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다. 별도로 하소백운석과 CaO 1:1혼합물 3.45중량%와 제지애쉬 17중량%, 석탄회 14중량%, 하수슬러지소각재 5중량%를 혼합하여 제3혼합물을 제조하였다. 그런 다음 다른 혼합기로 제2혼합물과 제3혼합물을 혼합하면서 악취제거제 0.02중량%와 기능성 점토 10중량%를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하였다. 상기 제4혼합물 100 중량부에 바텀애쉬 15중량부, 무기바인더 10중량부를 더 첨가하여 혼합한 다음 블록성형기로 압축 및 성형하여 2일 동안 습윤양생시킨 후, 벽돌 형태의 고형화 블록을 제조하였다. 이때 사용된 각 조성을 상기 표2의 실시예 9에 나타내었다.

상기 실시예 및 실시예 1~9의 방법에 의해 제조된 고형화 블록 시료를 각각 취하여 압축강도 및 흡수율을 측정하여 하기 표3에 나타내었고, 비교예 1로 KS규격(KS F 4004:2008) A종벽돌, 비교예 2로 KS규격(KS F 4004:2008) B종벽돌, 비교예 3으로 KS규격(KS F 4004:2008) C종벽돌 1급, 비교예 4로 KS규격(KS F 4004:2008) C종벽돌 2급의 콘크리트 벽돌 품질규격을 나타내었다.

또한 A종벽돌과 B종벽돌은 경량골재를 사용한 경량벽돌이고, 보통골재만을 사용한 벽돌은 C종벽돌에 적합하여야 한다.

구분	압축강도(N/mm²)	흡수율(%)	시험방법	비 고
실시예	16.33	7	KS F 2405
실시예1	13.25	8	KS F 2405
실시예2	16.19	6	KS F 2405
실시예3	13.01	7	KS F 2405
실시예4	18.54	7	KS F 2405
실시예5	13.92	7	KS F 2405
실시예6	19.17	6	KS F 2405
실시예7	13.65	7	KS F 2405
실시예8	20.11	6	KS F 2405
실시예9	14.09	6	KS F 2405
비교예1 A종벽돌	8 이상	-	KS F 2405	KS F 4004
비교예2 B종벽돌	12 이상	-	KS F 2405	KS F 4004
비교예3 (C종벽돌 1급)	16 이상	7 이하	KS F 2405	KS F 4004
비교예4 (C종벽돌 2급)	8 이상	10 이하	KS F 2405	KS F 4004

상기 표3을 통해 알 수 있는 바와 같이 토양경화제를 사용한 실시예 및 실시예 2,4,6,8의 방법에 의해 제조된 고형화 블록은 비교예 3의 KS F 4004에서 제시한 C종벽돌 1급의 압축강도 및 흡수율을 모두 만족시킨다.

또한 하? 폐수슬러지보다는 정수슬러지가 강도 발현이 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 정수슬러지의 유기물 함량이 하? 폐수슬러지에 비해 상대적으로 적다는 것에 기인한 것으로 판단된다.

토양경화제를 첨가하지 않은 실시예 1,3,5,7,9도 이종벽돌인 비교예 4의 KS F 4004에서 제시한 C종벽돌 2급의 압축강도 및 흡수율을 모두 만족시키기 때문에 본 발명에 의해 고형화 처리된 블록은 일반 시멘트벽돌이나 소성점토벽돌을 대체할 수 있는 양호한 건축 및 토목재임이 확인되었다.

Claims

슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물에 있어서,
슬러지 100중량부, pH조절제 0.025~10중량부, 중금속용출방지제 0.01~0.15중량부, 고화제 5~10중량부, 고화보조제 40~80중량부, 악취제거제 0.01~0.05중량부, 기능성점토 10~50중량부를 균일하게 혼합한 혼합물 100 중량부와 상기 혼합물에 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류 중 하나 또는 이들의 혼합물 10~50중량부, 무기바인더 5~35중량부, 토양경화제 5~15중량부가 더 추가된 물질로 제조된 고형화 블록 조성물.
제1항에 있어서,
상기 슬러지는 하수, 폐수, 정수 및 공정슬러지 중 하나이고,
상기 pH조절제는 인산(H₃PO₄), 과인산(Ca(H₂PO₄)₂H₂O) 및 중과인산석회 (Ca(H₂PO₄)₂?H₂O), 황산제일철(FeSO_4?H₂0 & FeSO_4?7H₂0), 황산제2철(Fe₂SO₄)로 이루어진 고상 및 액상 군에서 선택된 1종이고,
상기 중금속용출방지제는 상기 슬러지 100중량부 당 0.01~0.15 중량부의 Na₃T로 구성된 것으로서 Na3T 수용액 내에서 중금속과 반응을 거쳐 유기금속착화합물인 Metal-Na₃T 화합물을 이루는 물질이고,
상기 고화제는 750~1,000℃에서 소성된 하소백운석 혹은 하소백운석과 900~1,100℃에서 소성된 생석회를 2:1로 혼합한 혼합물이고,
상기 고화보조제는 850~1,000℃에서 고온 소각된 제지애쉬와 화력발전소에서 미분탄을 1,400~1,500℃의 고온으로 연소시켰을 때 발생하는 석탄회(플라이애쉬) 및 하수슬러지소각재 중 하나 혹은 이들의 혼합물이고,
상기 악취제거제는 KHSO₅(Potassium monopersulfate) 35~50중량%, KHSO₄(Potassium hydrogensulfate)15~30중량%, K₂SO₄(Potassium sulfate) 20~40중량%, 그리고 산(Acid)촉매 0.5~5중량%가 혼합되어 있는 물질이며,
상기 기능성점토는 산화철이 함유된 알루미노실리케이트질 산업부산물에 칼슘실리케이트질 성분을 혼합한 것이고,
상기 매립석탄회는 석탄화력발전소에서 발생하는 플라이애쉬(비산재) 및 바텀애쉬(바닥재)가 매립된 상태의 것이고,
상기 바텀애쉬는 비산되어 전기집진기에 포집되지 아니하고 보일러 하부에 바닥에 떨어지는 것이며,
상기 석분은 채석장에서 채취한 암석을 쇄석으로 만들면서 발생한 부산물로서 모래와 미립토분이 섞인 것이고,
상기 무기성 폐재류는 건설공사로 인하여 착공에서 준공 때까지 건설현장에서 발생되는 폐기물 중 금속류를 제외한 무기성건설폐기물, 광재? 분진? 연탄재? 점토점결폐주물사? 폐내화물, 석재가공과정이나 벤토나이트(Bentonite)제조공정에서 발생하는 폐석재, 레미콘제조공정에서 발생하거나 건설현장에서 반품된 폐레미콘, 호소? 하수슬러지 중 하나를 소각? 회화하거나 용융슬래그화 한 것이고,
상기 무기바인더는 시멘트 100중량부에 고로슬래그미분말 50~100중량부, 연소재(플라이애쉬) 10~50중량부, 천연무수석고 5~25중량부, 석회미분말 5~25중량부, 실리카흄 5~10중량부, CSA(calcium sulfur aluminate)계 팽창재 5~10중량부, 섬유보강재 0.05~0.1중량부를 균일하게 혼합한 것이며,
상기 토양경화제는 순수한 물 100중량부 당 염화나트륨 5~15중량부, 염화칼륨 10~20중량부, 염화마그네슘 5~15중량부, 염화칼슘 10~20중량부, 염화암모늄 2~8중량부, 탄산나트륨 5~15중량부, 규불화마그네슘 1~6중량부, 알민산나트륨 2~8중량부, 규산나트륨 5~20중량부, 황산나트륨 5~15중량부, 알긴산나트륨 1~10중량부, 메틸셀룰로스 0.1~2중량부, 리그닌술폰산염과 나프탈렌술폰산염 혹은 폴리카르본산염 중 어느 하나 1~6중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 고형화 블록 조성물.
제2항에 있어서,
상기 폐내화물은 사업장일반폐기물이고 상기 폐석재는 패석분을 포함하는 것을 특징으로 하는 고형화 블록 조성물.
제2항에 있어서, 상기 섬유보강재는,
유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 폴리프로필렌계섬유, 나일론, 폴리에스테르로 구성되는 것을 특징으로 하는 고형화 블록 조성물.
슬러지와 무기성 폐자원을 이용한 고형화 블록 조성물의 제조방법에 있어서,
슬러지, pH조절제, 중금속용출방지제, 고화제, 고화보조제, 악취제거제, 기능성점토, 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 무기성폐재류, 무기바인더 및 토양경화제 전부 또는 일부를 혼합한 혼합물을 제조하는 혼합물제조단계;
상기 혼합물제조단계를 거친 혼합물을 압축? 성형한 블록조성물을 생성하고 생성된 블록조성물 표면처리하는 압축? 성형 및 표면처리단계; 및
상기 압축? 성형 및 표면처리단계를 거친 블록조성물을 양생시키는 양생단계를 포함하는 고형화 블록 조성물의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 혼합물제조단계는,
상기 슬러지 100중량부에 pH조절제 0.025~10중량부를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 제1혼합물제조단계;
상기 제1혼합물에 중금속용출방지제 0.01~0.15중량부를 더 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 제2혼합물제조단계;
슬러지 100중량부에 해당하는 고화제 5~10중량부와 고화보조제 40~80중량부를 혼합하여 제3혼합물을 제조하는 제3혼합물제조단계;
상기 제2혼합물 및 상기 제3혼합물을 균일하게 혼합하면서 악취제거제 0.01~0.05중량부와 기능성점토 10~50중량부를 더 첨가하여 제4혼합물을 제조하는 제4혼합물제조단계; 및
상기 제4혼합물 100중량부 당 매립석탄회, 바텀애쉬, 석분, 건설폐재류 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물 10~50중량부, 무기바인더 5~35중량부 및 토양경화제 5~15중량부를 더 혼합하여 제5혼합물을 제조하는 제5혼합물제조단계 중 적어도 하나를 포함하는 고형화 블록 조성물의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 혼합물제조단계는,
상기 제5혼합물을 파쇄, 분산, 압축 및 재혼합하는 재혼합단계를 더 포함하는 고형화 블록 조성물의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 양생단계는,
습윤 양생장치(Humidity Curing Apparatus)를 이용해 양생온도가 상온~60℃, 양생습도가 85~99% 인 분위기에서 1일 이상 양생시키는 것을 특징으로 하는 고형화 블록 조성물의 제조방법.
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