KR101120058B1

KR101120058B1 - 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법

Info

Publication number: KR101120058B1
Application number: KR1020110033736A
Authority: KR
Inventors: 유종희; 이선재
Original assignee: 유종희
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-03-22

Abstract

본 발명은 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하?폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 대해, 중금속안정제 0.01~0.1 중량부, 비표면적이 2,000 cm²/g 이상인 제지슬러지소각재 15～30 중량부, 비표면적이 1,500 cm²/g 이상이며 포졸란 활성을 지닌 석탄회 10～20 중량부, 산화칼슘 2~5 중량부, 고화촉진제 0.2~1.5 중량부, 무기바인더 2~5 중량부, 무기산 1~5 중량부, 물(H₂O) 5~10 중량부, 탈취제 0.01~0.06 중량부를 포함하는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
상기의 방법으로 제조된 고화토는 매립시설 최종 복토재를 제외한 일일, 중간, 수시 복토재 및 자연상태의 양질의 토사와 혼합하여 매립시설 내 토지개량제 및 기반성토재로 바람직하게 사용할 수 있다.

Description

하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF SOIL CEMENT COMPOSITION FOR LANDFILL FACILITY COVER SOIL USING SLUDGE OF SEWAGE AND WASTE WATER}

본 발명은 매립시설 복토재 및 토지개량제 등으로 사용할 수 있는 유기성 폐기물인 하?폐수오니를 이용해 인위적으로 제조된 고화토 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하?폐수처리장에서 발생하는 오니에 중금속안정제, 제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘, 고화촉진제, 무기바인더, 무기산, 물(H₂O), 탈취제를 이용해 고화토를 제조하고 이를 이용해 매립시설 복토재 및 매립시설 경계 내에서 자연상태의 양질의 토사와 혼합사용할 수 있는 토지개량제 및 기반성토재로 사용하는 것을 특징으로 하는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

2006년 5월 환경부의 유기성오니 처리 종합대책 수립?추진 보도자료에 따르면 2005년 기준 전국 하?폐수오니 발생량은 18,353톤/day이며, 이중 하수오니가 7,052톤/day, 폐수오니가 11,301톤/day을 차지하였다.

또한, 환경부의 하수슬러지 대토론회(2010.7.23) 자료에 의하면 하수오니는 하수처리장의 신, 증설 등으로 2009년 전국 437개 하수처리장에서 1일 8,292톤의 하수오니가 발생하였고, 2011년 말이면 460개의 하수처리장에서 1일 10,130톤의 하수오니가 발생할 것으로 예상하고 있다.

폐수오니는 섬유, 피혁 등 고농도폐수 배출업종의 폐쇄 및 해외이전, 그리고 하수처리장으로의 병합처리 등으로 증가 추세가 둔화되고 있는 실정이나, 하수오니보다 훨씬 많은 발생량을 보이고 있으며, 2011년 말에는 1일 11,275톤이 발생할 것으로 예상하고 있다.

이러한 하수 및 폐수오니의 2005년 처리현황을 살펴보면, 해양투기가 9,693톤/day(53%)로 가장 많았고, 재활용 5,673톤/day(31%), 소각 2,452톤/day(13%), 매립 535톤/day(3%)을 차지하였다.

즉, 하?폐수처리장에서 발생하는 오니는 대부분 해양투기가 되고 있는 실정이었다. 이처럼 해양투기가 성행한 이유는 2003년 7월 유기성폐기물의 직매립 금지조치가 취해진 이후 지자체들이 발생량 대부분을 상대적으로 비용이 저렴한 해양투기 방식으로 처리하였기 때문이다.

그러나, 런던협약 '96의정서 발효(2006.3.23)로 정부의 해양배출 금지 정책과 국토해양부의 하수슬러지를 포함한 폐기물의 해양배출기준의 대폭강화(해양환경관리법 시행규칙 개정, 2006.2)에 따라, 제1기준은 2008년8월22일부터, 제2기준 초과는 2011년2월22일부터 해양배출을 금지키로 하였으며, 가축분뇨와 하?폐수오니의 해양배출은 2012년부터, 음식물 폐수는 2013년부터 해양 배출을 전면 금지키로 하였다.

우리나라는 2009년 런던의정서를 비준하였으며 비준한 39개국 가운데 바다에 폐기물을 버리는 나라는 우리나라가 유일한 실정이다.

따라서, 앞으로는 막대한 해양투기 물량을 전량 육상 처리해야만 한다. 정부에서는 그동안 해양배출금지에 대비하여 육상처리시설 확충의 일환으로 하수슬러지관리 기본계획(2006.7), 종합대책(2005.5) 및 수정종합대책(2008.5)을 수립하고 민간위탁처리 확대, 인접 지자체시설 활용, 하수슬러지 감량화정책 확대 및 처리시설 설치예산 확보 등의 노력을 강구하여 왔으나, 하수처리장 신?증설로 인한 신규시설의 수요가 증가하고, 적기에 충분한 예산이 확보되지 않아 사업추진이 지연되고 있으며, 폐기물재활용 및 자원화 시설을 악취발생 등 혐오시설로 인식하여 주민반대가 심하고, 처리공법 선정과정에서의 논란과 설치주체인 지자체의 전문성부족 등으로 많은 어려움을 겪어 왔다. 일반적으로 함수율이 높은 유기성오니는 처리과정에서 불쾌한 악취를 수반하고, 부패성이 강하며, 용존산소를 고갈시키고, 병원균을 증식시켜 토양을 오염시키는 등 나쁜 영향을 끼치므로 반드시 적절한 방법으로 처리해야 한다. 상기 하?폐수오니 재활용과 관련된 선행 기술 중 본 출원인이 선 발명하여 등록된 '등록특허 10-0919620'에 하?폐수 및 정수처리오니를 재활용하여 채석 종료지 인공토양으로 이용하는 방법을 제시한 바 있다.

이 방법은 매우 획기적이나 고화재료로 사용되는 무기재료의 양이 대량이고 적잖은 비용이 소모되어 매립시설 복토재로 사용하기에는 경제적인 측면에서 어려운 점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 소요되는 무기재료의 양과 첨가제의 양을 1/2 이하로 최소화하여 매우 경제적인 방법으로 하?폐수오니를 매립시설 복토재 및 매립시설 내 토지개량제, 그리고 매립시설 내 기반성토재 용도로만 재활용할 수 있는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 쓰레기를 매립한 후 관련 기준에 의거 복토를 실시해야만 하는 매립시설 복토재, 이 복토재와 자연상태의 양질의 토사를 혼합하여 매립시설 내 토지개량제 및 기반성토재로 사용하기 위해서 하?폐수처리장에서 발생되는 유기성 오니를 중금속안정제, 제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘, 고화촉진제, 무기바인더, 무기산, 물(H₂O), 그리고 탈취제를 이용해 고화 처리하여 물리?화학적으로 안정화 및 무해화시켜 부족한 일반 토사류를 대체하고 해양투기로 인한 해양환경파괴를 방지할 수 있는 매립시설 복토재 및 토지개량제로 사용할 수 있도록 고화토를 제조하는 방법을 제시하고, 이렇게 제조된 고화토를 이용해 매립시설 복토재 외에도 자연상태의 양질의 토사와 혼용하여 매립시설 내 제한된 지역의 토지개량제 및 기반성토재로도 재활용할 수 있도록 폐자원을 자원화할 수 있는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법은,

삭제

유기성 폐기물인 하수 및 폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물에 중금속안정제를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 1차 혼합단계; 제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘(CaO), 고화촉진제 및 무기바인더를 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 2차 혼합단계; 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 혼합하여 제3혼합물을 제조하는 3차 혼합단계; 상기 제3혼합물에 물(H₂O), 무기산 및 탈취제를 혼합하여 제4혼합물을 제조하는 4차 혼합단계; 및 상기 제4혼합물을 양생조로 이송시켜 양생하는 5차 양생단계를 거쳐 제조되는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법을 제공한다.

이상에서 상술한 본 발명에 따른 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법으로 매립시설용 고화토 조성물을 제조하면 하?폐수오니를 고화시킨 고화토는 매립시설 복토재로 사용할 수 있고, 자연상태의 양질의 토사와 혼합사용하여 매립지 경계 내 제한적 지역에서 토지개량제와 기반성토재로도 사용할 수 있으며, 기존 복토재 생산과정에서 발생하는 강한 산성 및 알칼리성 악취와 최종 고화처리물의 악취를 제거할 수 있어 대기환경오염을 방지하고 작업환경을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한, 별도의 에너지원을 사용하지 않고도 조성물 자체의 독특한 화학적 발열반응을 이용해 평균 80 중량%에 이르는 고함수 하?폐수오니의 함수율을 단시간 내에 50 중량% 이하로 낮춤으로서 중장비의 거동을 가능케 해 건조에 수반되는 에너지 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

그리고, 고화에 필요한 대부분의 조성물을 산업부산물로 대체하여 2차적인 폐기물을 발생치 않는 자원 순환형 공정을 구축해 친환경적이고, 해양배출 폐기물의 육상처리에 경제적인 방법으로 효과적으로 대응할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법을 보인 순서도,
도 2는 도 1의 세부도면,
도 3은 본 발명에 따른 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법에 따라 제조된 고화토 조성물의 실제사진.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

우선 본 명세서 전체에 걸쳐 언급하는 하?폐수오니는 그 자체로 국한되지 않고 정수오니 및 공정오니를 포함한다. 또한 본 명세서 전체에 걸쳐 언급하는 복토재는 특별히 언급하지 않는 한 매립시설 최종 복토재를 제외한 일일, 중간, 수시 복토재를 의미한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 '%'는 특별히 언급하지 않는 한, 중량%를 의미한다.

삭제

우선 본 발명에 의해 제조되는 매립시설용 고화토 조성물을 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ)조성물

하기 설명되어지는 조성물의 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 고화토 조성물은 유기성 폐기물인 하?폐수오니, 중금속안정제, 제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘, 고화촉진제, 무기바인더, 무기산, 물(H₂O), 그리고 탈취제를 이용해 제조된다.

상기 하수 및 폐수오니는 유기성오니로서 공업용수, 산업용폐수, 하수 및 분뇨의 수처리 과정에서 발생하는 최종산물로서 발생되며, 하수 및 폐수 속에 용존되어 있는 영양물질을 섭취하여 증식된 후 이화학적으로 부상 또는 침전시켜 분리된 미생물덩어리를 말한다.

따라서, 유기성오니는 많은 유기성물질을 함유하고 있으며 우리나라의 폐기물관리법에서는 수분을 제외한 고형물 중 유기성물질의 함량이 40 중량% 이상인 것으로 규정하고 있다. 과거에는 하?폐수오니를 폐기처분해야 할 폐기물로 여겼으나, 현재에는 자원으로 재활용 가능한 원료물질로 여기고 있다.

미국과 캐나다에서 오니를 biosolids(생물토양)이라고 부르고 적극적으로 재활용하고 있다. 이러한 유기성오니, 즉 하?폐수오니는 단독 혹은 서로 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 하?폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 대해 본 발명에서는, 중금속안정제 0.01~0.1 중량부, 비표면적이 2,000 cm²/g 이상인 제지슬러지소각재 15～30 중량부, 비표면적이 1,500 cm²/g 이상이며 포졸란 활성을 지닌 석탄회 10～20 중량부, 산화칼슘 2~5 중량부, 고화촉진제 0.2~1.5 중량부, 무기바인더 2~5 중량부, 무기산 1~5 중량부, 물(H₂O) 5~10 중량부, 탈취제 0.01~0.06중량부를 사용한다.

상기 중금속안정제로는 EDTA를 사용한다. EDTA의 화학식은 C₁₀H₁₆N₂O₈이며, 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylene diamine tetraacetic acid)이라 불린다. 4개의 카복실산염과 2개의 아민기를 매개로 하여 금속과 결합하는 무색의 결정성 가루로서 거의 모든 금속이온과 수용성 킬레이트를 만드는 특징을 가지고 있어 분석화학에 널리 응용되고 있다.

녹는점 240℃(분해)이고 물에 대한 용해도는 22℃에서 100mℓ의 물에 0.2g 녹는다. 에탄올?에테르 등에는 녹지 않는다.

거의 모든 금속이온과 안정한 수용성 킬레이트를 만든다. 예를 들면, 무색의 막대 모양 결정으로서 K₂[Ca edta]?4H₂O 등이 얻어지는데, 그 수용액은 알칼리성이며, 보통의 Ca²⁺처럼 옥살산암모늄을 가해도 침전하지 않는다.

흔히 6자리 리간드, 5자리 리간드로서 배위한다. EDTA는 제2차 세계대전 전부터 Ca^2+?Mg²⁺ 등과 안정한 킬레이트화합물을 만든다는 것이 알려져 있었는데, 1930년 독일의 이게파르벤에서 트릴론이라는 이름으로 판매되어, 센물의 연화(軟化) 및 가죽의 무두질 등에 사용되었다.

1945년 이후 각종 금속이온과의 킬레이트가 종합적으로 연구되어, 분석화학에의 응용이 널리 개발되었다. 사염기산이며, 순수한 산인 경우에는 EDTA, H₄Y, edta H₄ 등으로 줄여 쓰고, 금속이온에 배위하거나 염이 되어 있을 때는 H를 잃는 방법에 따라 edta 기호를 사용하였다.

금속이온의 분석?분리?제거, 미량 금속이온의 계기 등 분석화학에 이용될 뿐 아니라 센물 연화, 희토류원소의 분리, 신장결석의 제거, 비타민 C의 산화방지, 식품의 금속에 의한 변질방지, 세척제, 중금속 이온의 침전방지제 등 그 용도가 매우 넓다.

본 발명에서는 하?폐수슬러지에 EDTA를 투입하여 안정된 킬레이트 결합을 형성하여 1차적으로 중금속을 제거하고 이후 통상의 중금속이온 제거방법인 수산화기를 이용하여 금속수산화침전물을 형성케 함으로서 잔류 중금속이온을 효과적으로 제거할 수 있다.

상기 제지슬러지소각재는 제지공장에서 발생되는 슬러지와 박피(나무껍질)을 소각하는 공정에서 발생되는 부산물이다. 본 발명에서는 제지산업에서 발생되는 산업 부산물인 제지슬러지소각재를 하?폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 대해 15～30중량부를 사용한다.

제지슬러지소각재에는 활성산화칼슘(free CaO)이 다량 함유되어 있어 하?폐수오니에 포함된 수분과 반응하여 흡수발열반응(吸水發熱反應)을 일으키면서 수분을 감소시키며, Ca(OH)₂와 반응하여 불용성 수산화물을 생성시키는 포졸란 반응의 공급물질로 이용할 수 있으며, 또한, 공기와 접촉하면 CO₂를 흡수하여 안정된 탄산칼슘(CaCO₃)을 생성한다.

이에 대한 대략적인 반응식은 하기와 같다.

CaO+H₂O = Ca(OH)₂ + 15.58 kcal/mol

Ca(OH)₂+CO₂ = CaCO₃ + H₂O(↑), CaO +CO₂+ H₂O = CaCO₃+ H₂O(↑)

아래 [표 1]은 제지슬러지소각재의 대략적인 성분구성표이다

국내 J회사의 제지슬러지소각재 성분구성표

성분	단위	함유량	시험방법
SiO₂	%	24.9	KS L 5120 : 2004
Al₂O₃	%	10.8	KS L 5120 : 2004(ICP)
Fe₂O₃	%	0.89	KS L 5120 : 2004(ICP)
CaO	%	40.6	KS L 5120 : 2004
Cl^-	%	0.57	ASTM 0 2361 : 2002

상기 석탄회는 석탄화력발전소 및 열병합발전소에서 미분탄(微粉炭)을 약 1,400℃~1,500℃의 고온으로 연소시켰을 때 발생되는 저회(Bottom ash)와 비회(Fly ash)를 말하며, 전기집진기에 포집되지 아니하고 보일러 연소실이나 절탄기 및 공기예열기 하부에서 포집된 조분의 바닥재를 저회, 전기집진기에 포집되는 매우 미세한 분말 상태의 회(灰)를 비회라 한다.

상기 비회는, 비중은 1.9~2.3이고, 평균 입도가 30～50 ㎛이며, 강열감량(loss of ignition ; LOI) 3～20%, 수분함량 1% 미만인 비산회(飛散灰)이다. 탄종에 따라 무연탄 석탄회와 유연탄 석탄회로 구분되며, 무연탄 석탄회는 입경이 크고, 입자 표면이 매끄러운 반면, 유연탄 석탄회는 무연탄 석탄회보다 미세하지만, 상대적으로 입자 표면에 요철이 많고 거칠다. 비회의 주성분으로서는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화제2철(Fe₂O₃) 등으로 구성되어 있으며 미량의 칼륨, 인, 붕소, 코발트, 마그네슘 등이 함유되어 있다. 석탄회는 산지 혹은 수입국가에 따라 구성성분에 약간씩 차이가 있으며, 국내에서 사용 중인 석탄회의 주요 성분을 아래 [표 2]와 같다.

석탄회의 주요 성분(산업자원부)

성분 종류	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃	TiO₂	기타
국내무연탄	50.0~56.5	30.7~34.8	4.3~5.9	0.5~1.2	0.6~1.6	0.4~0.8	3.5~5.1	0.1~0.8	1.2~1.4	1.3~1.7
수입유연탄	46.7~69.3	18.7~24.8	3.6~9.5	1.0~16.0	0.5~2.2	0.1~0.7	0.4~1.3	0.8~3.2	0.6~1.3	0.5~1.5

석탄회에서 포졸란 물질(pozzolanic materials)이란, 활성이 큰 부정형의 실리카를 가지는 미세한 분말을 지칭하며, 그 자체로는 수경성이 없으나 수분 존재 하에 Ca(OH)₂와 반응하여 칼슘 규산염 수화물(Calcium Silicate Hydrate) 결합을 형성할 수 있는 물질을 말하며, C-S-H(Calcium Silicate Hydrate)로 표기된다.

포졸란 물질은 무기 바인더 등과 결합할 경우 수화반응시 생성된 Ca(OH)₂와 반응하여 Ca(OH)₂를 소모하면서 C-S-H의 비율을 증가시키게 되고, 포졸란 활성을 가진 물질로는 화산재나 응회암 등의 자연산과 비회(Fly Ash)와 같은 인공적인 것이 있는데, 분말도가 좋고 형태가 구형인 비회(Fly Ash)가 주로 쓰이는 포졸란 물질이며, 자연산의 포졸란 물질로는 규조토(Diatomite)가 있다.

규조토는 규조(Diatom)의 껍질로 바다 또는 호수 밑바닥에 침적하여 이루어지며 연질의 암석 또는 흙덩이로서 약 95% 이상이 실리카(Silica)로 구성되어 있고 아주 작은 빈 구멍 등이 대단히 많기 때문에 흡수력이 뛰어나 무게의 약 4배 정도의 액체를 흡수한다. 석탄회에 포함된 다공질의 미연소된 탄소(Unburned Carbon)는 비표면적이 매우 커 흡착성이 강하며 우수한 탈취효과를 발휘한다. 이러한 효과는 유연탄 석탄회에 비해 무연탄 석탄회가 뛰어나다.

석탄회의 pH는 대략 8~12 정도이며 물과 혼합된 현탁액은 초기 중성을 띄다 점차 알칼리성을 띄게 되며 대략 1일이 지난 후 pH가 안정화된다.

상기 산화칼슘(Calcium Oxide)은 등축정계(等軸晶系)의 백색 결정으로 수분과 이산화탄소를 흡수하여 수산화칼슘(소석회)과 탄산칼슘으로 분해한다. 물을 작용시키면 흡수발열(吸水發熱)하여 수산화칼슘이 된다.

또한, 상기 산화칼슘은 하?폐수오니에 함유되어 있는 수분과 반응하여 발열하면서 하?폐수오니에 존재할 수 있는 병원균을 사멸시키며, 함수율을 낮춰주고, 하?폐수오니를 팽창 분산시켜 CO₂와의 접촉을 용이하게 하여 고결화(固結化) 하는 등 오니의 물리적 성질을 개선시키는 효과가 있다.

본 발명에서는 상기 제지슬러지소각재에 부족한 수산화칼슘의 주 공급원으로 작용하여 무기 바인더와 연소재의 강도발현에 주요한 역할을 하는 에트링가이트(Ettringite: 3CaO?Al₂O₃ _?3CaSO₄ _?32H₂O)생성에도 기여한다.

상기 산화칼슘을 투입하여 pH가 12 이상으로 일정시간 유지되면 고열과 강한 알칼리로 인해 오니 류에 함유된 유해 병원균을 사멸시키는 효과가 있으나 과도한 pH 상승으로 암모니아 가스가 다량 발생되어 작업환경에 악영향을 주므로 pH를 7~10 수준으로 조절하는 것이 필요하다.

이와 같은 반응식은 하기에 기재된 것과 같다.

NH₄ ⁺+ OH^- = NH₃(↑)

상기 고화촉진제는 황산나트륨(Na₂SO₄) 혹은 황산칼슘(CaSO₄)을 사용하며, 하?폐수오니 100 중량부에 0.2～1.5 중량부를 사용한다.

일반적으로 하?폐수오니에는 고유기질(高有機質) 뿐만 아니라 휴믹산(Humic Acid) 등의 부식물이 결합되어 있어 무기 바인더의 수화반응을 저해하는 요소로 작용한다.

따라서, 단순히 시멘트만으로는 고화능력이 떨어질 수밖에 없다. 본 발명의 고화촉진제는 무기 바인더의 산화칼슘(CaO) 및 석고(CaSO₄ _?2H₂O)의 용해도를 증가시켜 무기 바인더의 반응성을 증가시킨다.

즉, 상기 고화촉진제는 무기 바인더의 고화에 필요한 지속적인 SO₃의 공급원으로 작용하여 침상의 에트링가이트(Ettringite)가 고화체내의 조직을 치밀하게 해줄 뿐만 아니라 고화체내의 수축압을 에트링가이트 수화에 의한 팽창압을 보상해주는 효과로 고화체가 더욱 치밀하게 되어 압축강도 상승효과를 가져다준다.

아울러 상기 고화촉진제의 양이 0.2 중량부 미만이면 효과가 미흡하고, 1.5 중량부를 넘어가게 되면 미 반응 고화촉진제로 인해 고화체가 분산되어 압축강도를 저하시킬 우려가 있기 때문에 본 발명에서 사용하는 고화촉진제의 양을 0.2~1.5 중량부로 정하였다.

또한, 본 발명에 따른 흙 조성물에는 무기 바인더가 사용되며, 이러한 무기 바인더로는 1종 포틀랜드시멘트와 고로슬래그 미분말, 그리고 무수석고의 혼합물을 사용한다. 상기 1종 포틀랜드시멘트와 고로슬래그 미분말, 그리고 무수석고 혼합물의 혼합비율은 5:4.7:0.3이다. 무기 바인더의 역할은 각각의 구성 혼합물 간의 결합력을 공고히 하고 중금속 용출을 억제시키며, 일축 압축강도를 증진시키는 역할을 한다.

하기 [표 3]은 고로슬래그 미분말과 포틀랜드시멘트의 성분 분석표이며, 무기 바인더의 주요 기능은 아래와 같다.

고로슬래그 미분말과 포틀랜드시멘트의 성분 분석표

	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	TiO₂	Ig.loss	비중	비표면적 (브레인:m²/kg)
슬래그미분말 (국내 B사)	33.6	14.5	43.5	0.31	5.2	1.4	0.36	0.23	0.77	0.3	2.91	530
포틀랜드시멘트 (국내 S사)	20.6	6.1	62.4	3.0	2.3	2.0	0.47	0.14	0.35	0.6	3.10	320

상기 고로슬래그 미분말은 제철공업에서 부산물로 발생되는 폐기물로서 시멘트 및 레미콘 혼합재 등으로 유용하게 사용되는 자원이다. 비중이 2.85 ~ 2.95로서 장기 강도 증대, 수밀성 증가, 수화열 감소, 화학적 내구성 증진 등 여러 가지 장점을 가지고 있으며, 시멘트를 일정량 대체할 수 있어 장차 온실가스(CO₂) 감소에 주요한 역할을 담당할 것으로 예상되며, 또한, 상기 고로슬래그 미분말의 분말도를 증가시켜 비표면적을 크게 하면 반응성이 촉진된다.

또한, 잠재수경성이 있어 오니의 수분과 접한 직후 Ca² ⁺가 용출되고 표면에 불투과성의 산화피막이 형성되어 수화반응이 중단되지만, Ca(OH)₂, CaCO₃, CaSO₄, Na₂SiO₃, Na₂CO₃, NaOH, Na₂SO₄와 같은 자극성 물질들을 첨가하여 산화피막을 파괴시키면, 수화반응이 다시 진행되어 C-S-H계의 수화물을 형성하는 특징을 가지고 있다.

상기 포틀랜드 시멘트는 슬러지 중의 수분과 만나 유동성을 잃고 굳어지면서 응결되고 경화되어 강도를 발현하는 물질이다. 상기 포틀랜드 시멘트의 주성분은 석회 CaO, 실리카 SiO₂, 알루미나 Al₂O₃ 및 산화철 Fe₂O₃을 포함하며, 이들 성분으로 인해 수화 시 수화열(水和熱)을 발생한다.

상기 수화열은 알루민산 삼석회가 가장 크며, 규산삼석회가 그 다음이다. 그리고 시멘트의 구성화합물 중 규산 삼석회는 수화(水和)가 빠르며, 강도 발현도 좋아 조기강도에 기여한다. 또한 규산 이석회는 수화속도가 늦고, 장기에 걸쳐 강도를 증진시킨다.

그리고, 알루민산 삼석회는 다른 구성화합물보다 수화속도가 빨라, 물과 급격히 반응하여 굳으며, 이때 수화반응은 아래와 같은 과정으로 진행되는 것으로 알려져 있으며, 수화반응식은 하기와 같다.

3CaOㅇ3Al₂O₃ _ㅇCaSO₄+8CaSO₄+6Ca(OH)₂+90H₂O = 3(CaOㅇAl₂O₃ _ㅇCaSO₄32H₂O)₂

Ettringite

3Ca(OH)₂ + 2SiO₂ = 3CaO?2SiO₂ _?3H₂O(C-S-H계 수화물)

상기 무기바인더와 제지슬러지 소각재에 함유된 석회성분은 하?폐수오니 중의 점토입자와 콜로이드를 형성하고 있는 Al₂O₃, SiO₂와 화학적으로 반응하여 불용성 칼슘?알루미늄?실리카 수화물 형태의 겔레나이트수화물(Gehlenite hydrate, 2CaO?Al₂O₃ _?SiO₂ _?nH₂O)을 생성시킨다.

상기 수화반응이 진행되면서 최종 고화물의 강도를 증진시키며 이러한 무기 바인더는 하?폐수오니 100 중량부에 2~5 중량부로 사용한다.

만약, 무기 바인더의 양이 상기 범위 미만이면 입자간 결합력이 약화되기 때문에 충분치 못하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 처리비용 상승 대비 고화성능비가 낮으며, 또한 최종 혼합물의 수소이온농도가 높아져 용해된 암모늄 이온에서 암모니아가스가 해리되어 유해가스를 발생시킬 소지가 충분하기 때문에 제한하였다.

상기 무기산은 염산(HCl), 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄) 및 인산(H₃PO₄) 중 적어도 어느 하나로 이루어진 액상 군에서 선택된 1종을 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 황산과 인산을 사용한다.

황산과 인산의 화합물형태로는 황산칼슘(CaSO₄), 황산칼륨(K₂SO₄), 황산나트륨(Na₂SO₄), 황산제일철(FeSO₄), 황산제이철(Fe₂(SO₄)₃), 과인산석회(CaH₄(PO₄)_2?H₂O), 중과인산석회(CaH₄(PO₄)₂), 제1인산칼륨(KH₂PO₄), 제2인산칼륨(K₂HPO₄), 제3인산칼륨(K₃PO₄), 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄)을 사용할 수 있다.

상기 물(H₂O)은 혼합물의 반응과정에서 하?폐수오니에 포함된 수분이 75% 이하인 경우에 수화반응에 필요한 결정수(結晶水)의 부족으로 반응이 미흡하고, 비산먼지가 발생되므로 하?폐수오니 100 중량부에 대해 물(H₂O) 5~10 중량부를 첨가한다.

상표명이 "eNK-clean air"인 상기 탈취제는 고분자 유기화합물로 폴리부타디엔(Polybutadiene) 유도체와 식품첨가 방향족화합물(Aromatic compounds), 식품첨가 유화제(Emulsifying agent) 등을 주성분으로 하여 제조되며, 본 발명의 탈취제는 다음과 같은 탈취기능을 가지고 있다.

① 방향성 화합물에 대한 탈취반응

상기 방향성 화합물은 분자량이 큰 화합물이 많이 있어 이와 같은 고분자 방향성 화합물을 RM으로 표기하며, 상기 RM에 대하여 본 탈취제는 다음과 같은 반응으로 상기 RM을 포함한 발취기를 포화시켜 무력화시키며, 이 반응의 예는 하기의 [표 4]와 같다.

(M-R)
｜
R₁R₂?N(CH₂-CH=CH-CH₂)n?SO₃?Na + 2n(RM) → R₁R₂?N(CH₂-CH=CH-CH₂)n?SO₃?Na
｜
(R-M)

② 악취에 대한 탈취반응

상기 악취의 대부분은 생물의 배수 오수, 생체의 부패, 먼지 등으로부터 발생하는 것이 대표적 발생원으로 이들 발생원을 화학적으로 구분하면 유황계와 질소계 2분류로 구분할 수 있으며, 상기 유황계의 악취성분으로는 황산화물 SO₂, H₂S, CH₃SH, (CH₃)₂S 등이 있고, 질소계로는 NH₃, NO₂ 등이 유기물의 분해과정에서 발생한다.

본 발명의 탈취제는 화학식으로 알 수 있는바와 같이 상극성이 있으며 화학식 좌측의 R₁R₂?N는 유황계 악취와 상호 반응하여 탈취효과를 나타내고 우측의 SO₃?Na는 암모니아 등 질소계 악취와 역으로 반응하여 탈취효과를 나타낸다.

즉, 황, 질소, 메탄 등 어느 계통의 악취원에 대해서도 그 발취원과 상호 반응하여 명확한 탈취효과를 나타내며, 이에 대한 반응의 예는 하기의 [표 5]와 같다.

a. R₁R₂ㅇN(CH₂-CH=CH-CH₂)nㅇX + nH₂S → R₁R₂ㅇN(CH₂-CH=CH-CH₂)nH₂SㅇX

b. R₁R₂ㅇN(CH₂-CH=CH-CH₂)nㅇSO₃ㅇNa + n(NH₃) → (NH₃)nㅇR₁R₂ㅇN(CH₂-CH=CH-CH₂)nㅇSO₃ㅇNa

③ 자극취에 대한 탈취반응

상기 자극취의 대표적인 것으로는 할로겐(Halogen) 알데히드류가 있다.

상기 할로겐(Halogen)원소는 탈취제가 갖는 이중결합에 직접작용 결합하여 제거한다. 가스의 반응은 그것에 적당한 촉매의 존재가 중요한 반응기능을 담당하지만 본 탈취제의 반응은 Gas & Gas reaction을 개발한 것으로 탈취제와 악취가스가 직접 대기 중에서 결합하여 탈취효과를 나타내며, 이 반응의 예는 하기의 [표 6]과 같다.

Br
|
R₁R₂ㅇN-(CH₂-CH=CH-CH₂)nㅇSO₃ㅇNa + 2Br → R₁R₂ㅇN-(CH₂-CH????CH-CH₂)ㅇSO₃ㅇNa
|
Br

아울러, 상기 탈취제(eNK-clean air)는, 오니류 처리시 필연적으로 발생되는 아민류, 황화수소, 메르캅탄류, 암모니아 등의 악취제거 능력이 우수하고, 광범위한 면적에서 팬에 의한 포집이 불가능한 장소에서 물과 희석하여 분무하여 사용할 수도 있게끔 제조된 제품으로 부패성 유기물로 인한 악취 제거에 탁월한 성능을 발휘한다.

이상으로 본 발명의 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물을 설명하였고, 본 발명에 따른 고화토 조성물의 제조방법은 하기에 기술한 바와 같다.

Ⅱ)제조방법

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 고화토 조성물의 제조방법을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법을 보인 순서도이고, 도 2는 도 1의 세부도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법에 따라 제조된 고화토 조성물의 실제사진을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 하?폐수오니와 제지슬러지 소각재, 석탄회, 산화칼슘, 산화칼슘, 고화촉진제, 무기바인더, 무기산, 물, 탈취제 등을 사용하여 제조되는 고화토는, 하수 및 폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 중금속안정제 0.01~0.1 중량부를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 1차 혼합단계;(S1)

비표면적이 2,000 cm²/g 이상인 알루미노-실리케이트(Alumino-silicate)계의 제지슬러지소각재 15～30 중량부와 포졸란 활성(Pozzolanic reaction)을 지닌 석탄회 10～20 중량부, 그리고 산화칼슘(CaO) 2~5 중량부와 고화촉진제 0.2~1.5 중량부와 무기바인더 2~5 중량부를 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 2차 혼합단계;(S2)

상기 제1혼합물과 제2혼합물을 혼합하여 제3혼합물을 제조하는 3차 혼합단계;(S3)

상기 제3혼합물에 물(H₂O) 5~10 중량부, 무기산 1~5 중량부, 그리고 탈취제 0.01~0.06중량부를 혼합하여 제4혼합물을 제조하는 4차 혼합단계;(S4) 및

상기 제4혼합물을 양생조로 이송시켜 양생하는 5차 양생단계;(S5)를 거쳐 제조된다.

먼저, (S1)단계에서는 하수 및 폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 중금속안정제 0.01~0.1 중량부를 고정밀 이송펌프로 정확히 공급하여 자체 고안된 스크류 혼합기로 정밀 혼합, 제1혼합물을 제조하는 1차 혼합단계를 수행한다.

다음으로, (S2)단계에서는 미분의 제지슬러지소각재 15～30 중량부와 석탄을 연료로 하여 연소 후 발생된 석탄회 10～20 중량부, 그리고 산화칼슘(CaO) 2~5 중량부와 고화촉진제 0.2~1.5 중량부와 무기바인더 2~5 중량부를 밀폐형 스크류컨베이어로 공급해 연속식 혼합기에서 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 2차 혼합단계를 수행한다.

다음으로, (S3)단계에서는 상기 제1혼합물과 제2혼합물을 미리 혼합하여 제3혼합물을 제조하는 3차 혼합단계를 수행한다.

다음으로, (S4)단계에서는 상기 제3혼합물을 강력한 연속식 혼합기로 연속 혼합하면서 물(H₂O) 5~10 중량부를 공급하고, 이어서 무기산 1~5 중량부와 탈취제 0.01~0.06 중량부를 각각 노즐시스템으로 분사 및 혼합하여 제4혼합물을 제조하는 4차 혼합단계를 수행한다.

상기 (S1) 내지 (S2)의 혼합에서 사용되는 혼합기는 연속식 단축 밀폐형 혼합기로서 혼합과 이송이 동시에 이뤄지도록 고안된 스크류 혼합기이며, (S3), (S4)의 혼합에서 사용되는 혼합기는 연속식 2축 밀폐형 패들믹서(Paddle Mixer)를 사용한다.

다음으로, (S5) 단계에서는 상기 제4혼합물을 벨트 컨베이어(belt conveyor)를 이용해 양생 및 저장시설로 이송하여 양생하는 양생단계를 거쳐 복토재 및 토지개량제로 사용되는 고화토를 제조하는 단계를 수행한다.

상기 (S1 ~ S5)의 공정을 거친 제4혼합물은 흡수발열반응과 pH 상승에 의해 미생물의 활동이 억제되어 유기물의 부패가 방지되고, 유리된 Ca(OH)₂에 의해 알칼리성을 띄어 중금속이 불용성 수산화물의 안정화 등의 작용에 의해 용출이 억제되며, 미생물의 활동이 줄어들어 슬러지 내의 유기물 분해도 따라서 중지되어 악취가 감소하고, 고화된 혼합물 전체가 물에 대한 용해도가 낮은 소수성(疏水性)을 띄게 되어 재슬러리화가 방지되며, 대기 중의 CO₂를 흡수하여 온실가스 감소효과도 있다.

또한, 상기 제4혼합물은 다음과 같은 반응을 통해 고화된다.

흡수발열반응 : 슬러지중의 수분을 화합수의 형태로 변화시키고 수화반응시에 발생하는 열에 의해 수분을 증발시켜 슬러지 중의 수분을 감소시키고 압밀을 촉진시키며, 이에 대한 반응식은 하기와 같다.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 15.58 kcal/mol

포졸란반응 : Silica와 Ca(OH)₂와 반응하여 규산칼슘수화물(C-S-H) 형성하여 강도를 증가시킨다.

이온교환반응 : 석회의 칼슘이온과 슬러지 표면의 Na+, K+, H+, Mg+와 치환(양이온 교환)되어 단립화한다.

탄산화반응 : Ca(OH)₂와 공기 중의 탄산가스(CO₂)가 반응하여 탄산칼슘을 형성하면서 고결화가 촉진되어 슬러지가 개질되고 안정화되고 이와 같은 반응식은 하기에 기술된 바와 같다.

Ca(OH)₂+CO₂ = CaCO₃ + H₂O

상기와 같이 조성된 고화토는 양생 및 저장시설에서 잔여수분을 증발시키면서 경화가 더욱 진행되며, 보통 3시간 이상의 양생과정을 거친 후 매립시설 복토재 및 매립시설 내 토지개량제와 기반성토재로 사용할 수 있다.

Ⅲ)용도

전술한 바의 단계를 거쳐 제조된 고화토는 폐기물관리법에서 규정한 지정폐기물 기준치 이하이고, 함수율이 40~50%, 유기물 함량이 25~37%(폐기물공정시험법), 일축압축강도 0.12~0.25 Mpa이며, 투수계수 1.0×10^-4~1.0×10^-7이다.

따라서, 상기 고화토는 매립시설 복토재로 사용하기 위한 일축압축강도 0.1 Mpa을 상회함은 물론 자연상태의 양질의 토사와 혼합하여 매립시설 내 토지개량제 및 기반성토재로 적용이 가능하다.

상기 단계로 완성된 고화토는 기존 매립시설의 복토재로 사용되는 일반토사류를 대체할 수 있으며, 최종 복토재를 제외한 일일복토재, 토지개량제, 기반성토용 외에도 원예용 상토, 절개지 녹생토, 수분 조절재 등으로도 바람직하게 사용할 수 있다.

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

실시예

상기 하수 및 폐수오니 2:1혼합물 100 중량부에 중금속안정제 0.025중량부를 혼합하여 제1혼합물을 제조하고, 별도의 혼합기에 제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘, 황산나트륨, 그리고 무기바인더의 혼합비율을 조정한 후 혼합하여 제2혼합물을 제조하였다.

또한, 고속혼합기에 상기 제1혼합물과 제2혼합물, 그리고 황산제일철을 혼합한 혼합물에 물(H₂O)을 줄여가면서 첨가하여 제3혼합물을 얻은 다음, 탈취제(eNK-clean air)를 더 첨가한 후, 교반속도 60~70RPM으로 다시 균일하게 혼합하여 고화토 조성물을 제조하였다. 이때 사용된 조성은 아래 [표 7]와 같다.

조성(중량부)		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
제1혼합물	하수오니	67	67	67	67	67
	폐수오니	33	33	33	33	33
	중금속안정제	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05
	제2혼합물	제지슬러지소각재	30	27	23	19	15
		석탄회	20	18	15	13	10
		산화칼슘	3	3	2	2	2
		황산나트륨	1	1	1	0.5	0.5
		무기바인더	5	4	3	2	2
		제3혼합물	황산제일철	2	2	2	2	2
			물(H₂O)	10	9	8	7	5
제4혼합물			탈취제(eNK-clean air)	0.025	0.025	0.025	0.025	0.025

상기 실시예1~5에서 제조된 고화토 조성물의 물성을 측정하고, 얻어진 결과를 하기 [표 8]와[표 9] 및 [표 10]에 나타내었다. [표 8]의 비교예 1은 매립시설 복토재의 품질기준이다.

pH 시험

KS F 2103 흙의 pH값 측정방법에 따라 pH meter의 지시 값이 안정된 후에 3개의 pH값을 평균하여 시료의 pH값을 정하였다.

함수율(수분)시험

폐기물공정시험기준에 의거 습윤상태의 최종혼합물 시료를 105~110℃로 건조시켜 건조 전후의 무게차이로 함수율을 측정하였다.

유기물함량 시험

폐기물공정시험기준에 의거 1차 건조된 시료 20g에 25% 질산암모늄용액을 넣어 시료를 적시고 천천히 가열하여 탄화시킨 다음 600±25℃의 전기로 안에서 3시간 강열하고 황산데시케이터 안에서 방냉하여 그 무게(W3)를 정밀히 측정하여 계산하였다.

일축압축강도 시험

KSF 2314 흙의 일축 압축시험 방법에 따라 시료를 원통형 공시체로 제작하여 측압을 받지 않은 상태에서 압축강도시험기로 축하중(1%/min)을 가하여 시험하였다.

암모니아가스( NH ₃ ) 시험

검지관식 기체측정기(GASTEC)를 이용하여 시료의 표면 바로 위에서 3회 측정하여 평균값을 구하였다.

투수계수 시험

KS F 2322 흙의 투수시험방법에 따라 물이 포화상태에 있는 흙 속의 층류(層流)상태로 침투할 때 투수계수를 구해 3회 측정 평균값을 구해 투수계수를 정하였다.

중금속 용출시험

'환경분야 시험ㅇ검사 등에 관한 법률' 제6조에 따른 '폐기물공정시험기준(방법)(환경부고시 제2010-106호, 2010.8.19)'에 따라 중금속 용출시험을 하고 '폐기물관리법 시행규칙' 제2조①항 별표1 '지정폐기물에 함유된 유해물질 기준'을 적용하였다.

토양오염 우려기준

'환경분야 시험?검사 등에 관한 법률' 제6조 및 같은 법 시행령 제9조에 따라 토양오염공정시험기준(환경부고시 제2009-180호, 2009.8.25)에 의거 함유량시험을 하고 '토양환경보전법 시행규칙' 제1조의5 별표3에 따른 '토양오염우려기준' 2지역 기준을 적용하였다.

고화토의 품질시험 결과

구 분	pH	함수율 (%)	유기물함량 (%)	일축압축강도 (Mpa)	NH₃ (ppm)	투수계수 (cm/sec)
실시예 1	10.68	42	27.8	0.24	42	2.01×10^-5
실시예 2	10.51	43	29.9	0.21	35	4.33×10^-5
실시예 3	10.27	45	31.3	0.19	27	6.49×10^-6
실시예 4	10.01	45	32.0	0.16	18	4.18×10^-6
실시예 5	9.89	48	36.2	0.12	11	3.17×10^-6
비교예 1	12.4이하	50이하	-	0.1 이상	-	1.0×10^-3~1.0×10^-7

고화토의 중금속용출시험 결과(실시예1)

시험항목	단 위	지정폐기물기준	결 과	시험방법
Pb	mg/l	3 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
Cd	mg/l	0.3 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
Cr⁶ ⁺	mg/l	1.5 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
Hg	mg/l	0.005 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
As	mg/l	1.5 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
Cu	mg/l	3 이상	0.003	폐기물공정시험법
기름성분	mg/l	5% 이하	검출안됨	폐기물공정시험법
CN^-	mg/l	1 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
트리클로로에틸렌	mg/l	0.3 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
테트라클로로에틸렌	mg/l	0.1 이상	검출안됨	폐기물공정시험법
유기인	mg/l	1 이상	검출안됨	폐기물공정시험법

고화토의 토양오염우려기준 시험결과(실시예1)

시험항목	단 위	2지역	결 과	시험방법
Cd(카드뮴)	mg/kg	10	검출안됨	토양오염공정시험기준
Cu(구리)	mg/kg	500	32.01	토양오염공정시험기준
As(비소)	mg/kg	50	검출안됨	토양오염공정시험기준
Hg(수은)	mg/kg	10	0.1339	토양오염공정시험기준
Pb(납)	mg/kg	400	1.21	토양오염공정시험기준
Cr⁶ ⁺(6가크롬)	mg/kg	15	검출안됨	토양오염공정시험기준
Zn(아연)	mg/kg	600	403	토양오염공정시험기준
Ni(니켈)	mg/kg	200	19.9	토양오염공정시험기준
F(불소)	mg/kg	400	검출안됨	토양오염공정시험기준
유기인화합물	mg/kg	10	검출안됨	토양오염공정시험기준
PCBs(폴리클로리네이티드비페닐)	mg/kg	4	검출안됨	토양오염공정시험기준
CN(시안)	mg/kg	2	검출안됨	토양오염공정시험기준
페놀	mg/kg	4	검출안됨	토양오염공정시험기준
벤젠	mg/kg	1	검출안됨	토양오염공정시험기준
톨루엔	mg/kg	20	검출안됨	토양오염공정시험기준
에틸벤젠	mg/kg	50	검출안됨	토양오염공정시험기준
크실렌	mg/kg	15	검출안됨	토양오염공정시험기준
석유계총탄화수소(TPH)	mg/kg	800	52	토양오염공정시험기준
트리클로로에틸렌(TCE)	mg/kg	8	검출안됨	토양오염공정시험기준
테트라클로로에틸렌(PCE)	mg/kg	4	검출안됨	토양오염공정시험기준
벤조(a)피렌	mg/kg	2	검출안됨	토양오염공정시험기준

상기 [표 8]을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 고화토 조성물의 경우 알칼리성 물질인 제지슬러지소각재와 산화칼슘 그리고 무기바인더의 양이 감소할수록 pH와 일축압축강도, 암모니아 가스(NH₃) 발생과 와 투수계수는 감소하고, 반대로 함수율과 유기물 함량은 증가함을 알 수 있으며, 실시예1~5 모두 매립시설 복토재의 품질기준 비교예1을 만족시킴을 알 수 있다.

즉, 제1혼합물 대비 제2, 제3, 제4혼합물총량을 1/2 수준까지 줄여도 매립시설 복토재의 품질기준 비교예1을 훌륭히 만족시킴을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 고화토는 [표 9] 및 [표 10]에서 알 수 있는 바와 같이 제1혼합물, 제2혼합물, 제5혼합물, 제4혼합물 총량이 제일 많은 실시예1을 기준으로 시험한 중금속용출시험과 토양오염우려기준시험 결과 모두 기준치 이하임을 알 수 있다.

따라서, 상기의 방법으로 제조된 고화토는 매립시설 복토재로 바람직하게 사용할 수 있으며, 그 외에도 자연상태의 양질의 토사와 혼용하여 매립시설 내 제한된 지역의 토지개량제 및 기반성토재로도 활용할 수 있는 유용한 발명이다.

S1 : 1차 혼합단계 S2 : 2차 혼합단계
S3 : 3차 혼합단계 S4 : 4차 혼합단계
S5 : 5차 양생단계

Claims

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유기성 폐기물인 하수 및 폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물에 중금속안정제를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 1차 혼합단계;
제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘(CaO), 고화촉진제 및 무기바인더를 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 2차 혼합단계;
상기 제1혼합물과 제2혼합물을 혼합하여 제3혼합물을 제조하는 3차 혼합단계;
상기 제3혼합물에 물(H₂O), 무기산 및 탈취제를 혼합하여 제4혼합물을 제조하는 4차 혼합단계; 및
상기 제4혼합물을 양생조로 이송시켜 양생하는 5차 양생단계를 거쳐 제조되는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 1차 혼합단계는,
하수 및 폐수오니 중 어느 하나 혹은 이들의 혼합물 100 중량부에 중금속안정제 0.01~0.1 중량부를 혼합하여 제1혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 2차 혼합단계는,
비표면적이 2,000 cm²/g 이상인 알루미노-실리케이트(Alumino-silicate)계의 제지슬러지소각재 15～30 중량부, 포졸란 활성(Pozzolanic reaction)을 지닌 석탄회 10～20 중량부, 산화칼슘(CaO) 2~5 중량부, 고화촉진제 0.2~1.5 중량부 및 무기바인더 2~5 중량부를 혼합하여 제2혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 4차 혼합단계는,
상기 제3혼합물에 물(H₂O) 5~10 중량부, 무기산 1~5 중량부 및 탈취제 0.01~0.06중량부를 더 혼합하여 제4혼합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중금속안정제의 공급은 이송펌프로 정량 공급하여 혼합하고,
제지슬러지소각재, 석탄회, 산화칼슘, 고화촉진제 및 무기바인더는 밀폐형 스크류컨베이어로 공급하며,
물(H₂O), 무기산 및 탈취제는 노즐시스템을 이용해 분사하고,
혼합에 사용되는 혼합기는 연속식 단축 밀폐형 스크류혼합기와 연속식 2축 밀폐형 패들믹서(paddle mixer) 타입 혼합기를 사용하는 것을 특징으로 하는 하?폐수오니를 이용한 매립시설용 고화토 조성물의 제조방법.