KR101207232B1 - 풍쇄슬래그를 이용한 폐기물매립지 일일ㆍ중간ㆍ최종복토재 및 이를 이용한 매립지의 복토방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ‘아토마이징’이라는 특수가공 공정을 통해 생산되는 풍쇄슬래그를 폐기물매립지 일일 및 중간 복토층로 사용하는 것이다.

제시한 본 발명은 기존 파쇄/선별과정 없이 단지 특수가공공정을 통해 생산되는 풍쇄슬래그를 화강토와 혼합하거나 하수슬러지 및 고화제 등과 일정비율로 혼합하여 매립지내 일일복토층 및 중간복토층, 최종복토층으로 사용하는 것으로 기존의 토사만으로 매립장에 복토하는 경우보다 원가적인 면에서 크게 절감되며 토사보다 비중이 높아 매립폐기물을 보다 빠르게 안정화 시킬 수 있다. 더욱이 풍쇄슬래그는 폐기물공정시험방법에 의한 용출시험 결과 유해성이 없는 슬래그 재처리과정을 거쳐 생산되는 무해물질이므로 화학복토재로의 재활용이 법적으로도 가능하며 재료 특성상 풍쇄슬래그 자체가 침출수내 유기물 및 색도물질에 대하여 빠른 흡착 및 응집 반응을 보이고 있어 단순 복토 역할 뿐만 아니라 침출수 처리에도 효과가 있는 것으로 나타났다.

이와 같이 구성된 본 발명의 풍쇄슬래그는 압축강도 및 경도가 흙보다 강하며 칼슘성분이 다량 함유되어 있어 침출수내 중금속 및 휘발성 유기물질(VOC)에 대한 흡착성이 매우 높다. 복토면의 경화속도가 빠르기 때문에 강우시 빗물에 의한 우수배제 및 매립가스의 투과방지로 인한 가스포집에 효과적임을 확인할 수 있다. 특히 산업폐기물인 풍쇄슬래그를 친환경 소재로 전환하여 복토재료로 재활용할 수 있으므로 슬래그 처리비용 전액절감, 환경오염의 최소화, 매립지내 토사 확보의 어 려움 해소 등 다양한 이점도 있다.

일일복토층, 중간복토층, 최종복토층, 가스배제층, 배수층. 풍쇄슬래그, 폐기물매립지, 투수계수

Description

풍쇄슬래그를 이용한 폐기물매립지 일일ㆍ중간ㆍ최종 복토재 및 이를 이용한 매립지의 복토방법{Material and Emplacement method of Atomizing slag for use as a landfill cover}

제1도는 본 발명에 의한 풍쇄슬래그를 이용한 폐기물매립지 일일복토층의 구성을 나타내는 도면

제2도는 본 발명에 의한 풍쇄슬래그를 이용한 폐기물매립지 중간복토층의 구성을 나타내는 도면

제3도는 본 발명에 의한 풍쇄슬래그를 이용한 폐기물매립지 최종복토층의 구성을 나타내는 도면

제4도는 본 발명에 의한 풍쇄슬래그를 이용한 사면차수층 보호를 위한 폐타이어의 채움의 구성을 나타내는 도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 일일복토층 2 : 폐기물층

6 : 중간복토층 7 : 가스배제층

8 : 차단층 9 : 배수층

10 : 식생대층 12 : 폐타이어 채움재

본 발명은 기존에 재활용되지 않았던 제강슬래그를 '아토마이징(Atomizing)' 이라는 특수가공공정을 통해 생산되는 풍쇄슬래그를 일일복토층 및 중간복토층, 최종복토층으로 재활용하는 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면 현장 포설 후 복토층의 침출수 처리효과가 기존 토사복토보다 훨씬 효과가 우수하고, 복토면의 경화속도가 높아 강우시 빗물에 의한 우수배제 효과가 우수한 폐기물 매립지용 일일 또는 중간복토층에 관한 것이다.

일반적으로 제철과정에서 슬래그는 필수적으로 수반되는 부산물인데 고로슬래그가 거의 대부분이 재활용을 하고 있는데 반해 제강슬래그는 국내에서 연간 600만톤 이상이 발생하지만 단지 일부만을 6~12개월 숙성기간을 거친 후 활용하며 대부분 매립을 하고 있는 실정이다.

현재 제강슬래그 처리방법은 약 1200~1500oC인 용융슬래그를 대기중에 방냉한 후 응고된 슬래그 덩어리는 대형의 장비에 의해 분쇄한 후 지금을 회수하고 크기별로 분리하여 재활용하거나 매립을 하고 있다. 하지만 이를 위해서는 분쇄기, 마그네틱 콘베이어, 선별기 등의 고가 장비와 회수비용이 소요되고, 또한 선별되어 사용되거나 매립된 슬래그도 CaO성분에 기인하여 물과 반응하여 팽창, 지반침하, 중금속용출 등의 많은 문제점을 가지고 있어 보다 간단하고 효율적인 슬래그 재활용기술이 필요하다.

매립작업 및 매립지에 의해 생길 수 있는 침출수에 의한 문제를 해결하기 위해서는 적절한 차수층의 설치와 침출수의 효과적인 채집 및 처리가 필요하며, 분진 및 가스에 의한 환경문제는 매립지와 매립작업의 적절한 관리 운영 및 매립작업후의 복토 그리고 매립가스의 효율적인 포집과 안전한 처리 등이 필요하다.

한편, 매립작업후의 복토는 일일복토, 중간복토, 최종복토, 등으로 구분되는데 일일복토는 매립이 진행됨에 따라 작업중인 셀(cell)중에서도 최소한의 면적만이 노출하되, 가능하다면 자주하는 것이 좋으므로 보통은 하루의 매립작업이 끝날 때 복토를 실시한다. 일일 복토의 주요 기능으로는 ① 병원균 매개체(새, 설치류, 파리, 모기 등)와 쓰레기의 접촉 제어, ② 바람에 의한 쓰레기의 비산 방지, ③ 분진, 악취 발생 물질 및 기타 매립지 가스의 방출 제어, ④ 화재의 발생 예방과 발생시 화재 확산의 방지, ⑤ 매립지내의 침투를 최소화시켜 침출수의 발생량을 감소시키기 위한 강우의 배제, ⑥ 심미적인 불쾌감 개선 등이 있다.

기존 매립장 복토방법은 대부분 토사를 주로 사용하였는데, 이것은 일반 쓰레기와 토사의 부피비가 5:1 정도로 매립된 것으로서 실제 쓰레기 매립장 용적의 약 20% 정도를 쓰레기가 아닌 토사로 채우고 있다. 뿐만 아니라 많은 매립장이 복토층으로 사용할 흙의 확보에 어려움을 겪고 있으며 최근에는 토사의 확보, 구입, 운반 등에 따르는 문제와 일일복토층을 두껍게 실시함으로써 생기는 매립용적의 감소문제를 해결하기 위하여 흙 이외의 다른 물질의 사용이 활발하게 검토되고 있다. 국내의 쓰레기 매립장에서도 토사가 일일복토층으로 주로 사용되고 있으며 이에 따른 문제점들도 역시 겪고 있는 것이 사실이다.

특히 좁은 국토와 많은 인구 등으로 인해 매립지 확보에 어려움을 겪고 있으며, 경우에 따라서 일일 복토를 위한 흙의 안정적인 확보에 어려움이 예상되는 현실을 감안한다면 일일복토층의 기능을 발휘하면서도 흙을 대체할 대용복토층의 개발 및 실용화는 이미 가지고 있는 매립지의 수염 연장과 경제적인 측면에서 중요한 의미를 가진다.

이에, 본 발명은 '아토마이징(Atomizing)' 이라는 특수가공공정을 통해 생산되는 풍쇄슬래그를 가공하여 일일복토층 및 중간복토층, 최종복토층으로 적극 재활용하는 것으로서 과다 토사이용으로 인한 토사 부존량을 해소할 뿐만 아니라 기존 복토층의 기능 이외에 발생 침출수의 유기물 및 SS 처리 및 색도 제거 등의 수질적인 문제점을 크게 완화시키는데 목적이 있고 차수보호용 폐타이어의 채움재로 활용하여 토사 및 모래 이용률을 크게 줄이는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 주로 사용되는 풍쇄슬래그는 작은 물입자가 혼입된 공기를 일정한 송풍압력으로 분무하여 분무지역을 형성하고 상기의 분무지역에 용융상태의 제강슬래그를 직접 통과시키는 ‘아토마이징 공정’[한국 특허: 등록 098062호]을 통해 스피넬구조를 갖는 강도와 경도가 매우 높은 구형의 결정체로서 이를 매립지내에서 다양하게 여러 복토층으로 사용하고자 한다.

특히, 풍쇄슬래그는 입경이 0.001~5.0mm까지 다양한 크기로 생성되는데 각 치수범위별 입도분포와 입도의 균일함을 나타내는 균등계수를 [표 1]에 나타낸다. 입도분포는 0.1~2.5mm범위의 시료가 90%를 점유하고 있는 것으로 나타났고 특히 균등계수의 경우 ‘1’ 에 가까울수록 입도가 균일함을 의미하는데 투사재로 사용되는 규사가 일반적으로 1.78 정도인 것을 비교하면 본 풍쇄슬래그는 매우 균일함을 확인할 수 있다.

납, 구리, 비소, 수은, 카드뮴, 크롬, 시안 등 유해한 중금속의 용출실험을 실시하였다. [표 2]에 나타낸 바와 같이 어떠한 것도 검출되지 않은 안전하고 무해한 청정재료임이 입증되었으며 특히 견고하게 유리화된 표면특성상 어떠한 중금속 용출이나 자체팽창이 전혀 나타나지 않으므로 환경부에서 폐기물이 아닌 무공해 청정재료라는 인증을 받았다.

표 1. 특수가공공정을 통해 생산된 풍쇄슬래그 입도분포 및 균등계수

체의 호칭 치수 (mm)	체를 통과하는 무게 입도 백분율 (%)	균등계수(U)
>5 2.5-5.0 1.2-2.5 0.6-1.2 0.3-0.6 0.1-0.3 0.01-0.1 <0.01	0% 5% 15% 28% 35% 12% 3% 2%	1.22 ※균등계수(U)=P60/P10

※ P60:시료 60%를 통과시킨 체눈의 크기, P10:시료 10%를 통과시킨 체눈의 크기

표 2. 특수가공된 풍쇄슬래그의 용출시험

규제물질	Pb	Cu	As	Hg	Cd	Cr	CN
허용기준치 (ppm)	3.0이하	3.0이하	1.5이하	0.005이하	0.3이하	1.5이하	1.0이하
풍쇄슬래그 (ppm)	ND	ND	ND	ND	ND	ND	ND

※ ND : Not Detected(불검출)

본 발명으로 생산되는 풍쇄슬래그와 기존 파쇄슬래그의 주요 화학적성분이 FeO, Fe2O3, SiO2, CaO, MgO로 동일하지만 그 비율이 다른데 특히 부식을 유발하는 FeO성분이 파쇄슬래그에는 많지만 풍쇄슬래그에서는 현저히 감소함을 알 수 있다.

이는 상대적으로 급속산화반응을 통해 대부분의 FeO성분이 Fe2O3성분으로 변환되었기 때문이며 이로 인해 풍쇄슬래그는 녹이 슬지 않는 안정한 재료화가 되었다고 할 수 있는데 전체 화학성분과 분율은 [표 3]에 나타낸다.

물리적 특성으로는 풍쇄슬래그가 파쇄 슬래그보다 조금 무겁고 단단한 정도를 나타내는 경도가 약 2배 가량 높아 풍쇄슬래그의 복토가 파쇄슬래그보다는 더욱 압밀한 복토가 가능하며 균일하고 형상이 구형에 가까워 훨씬 치밀한 매립층 형성이 가능하다. 또한 흡수율이 1/10이상 낮아 침출수의 누출이나 오염문제를 발생치 않을 것이라 사료된다. 이와 같은 다양한 특성을 [표 4]에 나타낸다.

표 3. 특수가공된 풍쇄슬래그와 기존 파쇄슬래그의 화학적 성분비교

조성(wt%)	T-Fe	FeO	Fe2O3	SiO2	CaO	MgO
풍쇄슬래그	20.8	2.35	28.5	12.7	39	7.9
파쇄슬래그	28.4	24.7	9.5	5.7	38.2	7.2

표 4. 특수가공된 풍쇄슬래그와 기존 파쇄슬래그의 물리적 특성

항목	진비중	경도(HVC)	경도(HRC)	균등계수	형상계수	흡수율(%)
풍쇄슬래그	3.54	600	45	1.22	0.95	0.4
파쇄슬래그	3.07	320	20	1.88	0.65	5.5

본 발명의 매립장의 일일복토 및 중간복토의 대용재료로는 풍쇄슬래그 : 화강토를 전체 혼합물에 대한 중량비로 6 : 4~4 : 6으로 혼합하여 이루어진 것 또는 풍쇄슬래그 : 하수슬러지 : 고화제 의 혼합비율을 중량비 100 : 100 : 1로 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이는 매립장 복토시 지반의 지지력 및 차량접근의 용이성, 복토장비의 주행성 등을 고려하여 혼합한 것이다.

그리고, 최종복토층의 가스배제층에는 풍쇄슬래그의 입자크기가 15~20mm 정도인 것을 사용하는 것으로 하며 최종복토층의 배수층 및 사면부의 폐타이어 내부의 채움재로는 풍쇄슬래그 2.5mm 이하만을 사용하는 것으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 폐기물매립지 일일복토층의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 일반적으로 폐기물층(2)은 침출수 집?배수관(5)을 보호하기 위한 부직포(3)가 덮어 진 침출수 배수층(4) 위에 매립을 하도록 되어 있다. 보통 매립은 하루를 단위로 매립하게 되며 매립된 폐기물의 노출을 방지하여 폐기물의 비산 및 악취저감, 해충류의 서식방지 등을 위하여 일일 폐기물의 매립작업이 종료가 된 후 폐기물 관리법에 따라 15cm 이상의 두께로 다져 일일복토층(1)을 만들도록 한다. 이때 일일복토층으로 풍쇄슬래그 : 화강토를 전체 혼합물에 대한 중량비로 6 : 4~4 : 6으로 혼합하여 이루어진 것 또는 풍쇄슬래그 : 하수슬러지 : 고화제의 혼합비율을 중량비 100 : 100 : 1로 혼합하여 이루어진 것을 포설하도록 한다.

제2도는 폐기물매립지 중간복토층의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 중간복토층(6)은 매립된 폐기물의 노출을 지속적으로 방지하여 쓰레기의 비산 및 악취저감을 유도하고 노출된 우수를 신속히 배제하여 침출수량을 최소화할 목적으로 작업하는데, 매립작업이 7일 이상 중단되는 경우에 폐기물의 안정을 위해 30cm 이상의 두께로 다져 구배가 2퍼센트 이상이 되도록 포설하도록 되어 있다. 이때 중간복토층으로 풍쇄슬래그 : 화강토를 전체 혼합물에 대한 중량비로 6 : 4~4 : 6으로 혼합하여 이루어진 것 또는 풍쇄슬래그 : 하수슬러지 : 고화제의 혼합비율을 중량비 100 : 100 : 1로 혼합하여 이루어진 것을 포설하도록 한다.

제3도는 폐기물매립지 최종복토층의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 폐기물 관리법에 의하여 매립시설의 사용이 종료된 때에는 최종복토층을 구배가 2퍼센트 이상이 되도록 설치하여야 하는데, 최종폐기물 매립으로부터 가스배제층(7), 차단층(8), 배수층(9) 및 식생대층(10)을 차례대로 설치하여야 한다. 가스배제층(7)은 폐기물에서 배출되는 가스를 외부로 배출하며 매립가스 포집시설의 부합 확보 및 대기의 누출방지를 위한 것으로 흔히 자갈 또는 쇄석을 사용하여 30cm 이상 포설하는데, 이때 비교적 입자 크기가 약 15~20mm 정도의 풍쇄슬래그를 사용하여 가스를 쉽게 배출하도록 한다. 지상에서 스며드는 빗물 및 지표수가 매립장 내부로 침투되는 것을 차단하는 차수층(8)은 투수계수가 1×10-6cm/sec을 만족하도록 설치한다. 지상에서 스며드는 빗물 및 지표수를 외부로 배출하거나 상부식재 및 매립완료직후 시행되는 상부중간 복토기능역할을 감당하는 배수층(9)은 보통 배수가 쉬운 모래 등을 약 30cm 이상 포설하는데, 이때 고가의 모래대용으로 2.5mm 이하의 풍쇄슬래그를 이용하여 사용하도록 한다. 이후, 강수의 침식에 대한 저항력이 크고 투수성이 작으며 식생에 적합한 토양을 사용하여 식생대층(10)을 60cm 이상 포설하도록 한다.

제4도는 폐기물매립지 사면부 사면차수층 보호를 위한 폐타이어의 채움의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 사면부의 차수층에 설치되는 고밀도폴리에틸렌라이너의 보호를 위하여 부직포를 덮고 매립폐기물의 하중에 의한 차수라이너의 찢김 및 미끄럼 등을 방지하기 위하여 폐기물층(2) 및 차수라이너간의 접촉 마찰력을 최소화시킬 수 있는 폐타이어(11)를 사면 전체에 서로 연결하여 묶고 폐타이어의 안정화를 위한 폐타이어채움재(12)로서 기존의 모래 대신 2.5mm 이하의 풍쇄슬래그를 사용하도록 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 종래 토사 및 모래등의 적용 비율을 현저하게 낮은 비율로 감소시키기 위하여 기존 버려지던 슬래그를 풍쇄슬래그로 가공하여 화강토와 일정비율로 혼합하거나 하수슬러지 및 고화제와 일정비율로 혼합하여 매립지내 일일복토층 및 중간복토층으로 사용하거나, 최종복토층의 가스배제층 및 배수층으로 일정 크기의 풍쇄슬래그만을 사용하여 기존의 토사만으로 매립장에 복토하는 경우보다 단가 비용면에서 크게 절감시킬 수 있다. 더욱이 풍쇄슬래그는 화학복토층로의 사용이 법적으로도 가능하며 재료 특성상 풍쇄슬래그 자체 물질의 침출수내 유기물 및 색도물질에 대하여 빠른 흡착 및 응집 반응을 보이고 있어 단순 복토 역할 뿐만 아니라 침출수 처리 효과도 충분히 가지고 있어 토사 복토보다 매립폐기물을 빠르게 안정화 시킬 수 있다. 또한, 현장 포설 후 단시간 내에 완전 경화되어 강우시 빗물에 의한 우수배제 효과가 우수하며 복토층 자체의 악취발생이 없고, 인체에 유해한 2차 독성물질(메탄, 이산화탄소, 황화수소, 암모니아가스 등)을 발생하지 않는 장점이 있다. 특히 이렇게 생산된 풍쇄슬래그는 기존 파쇄슬래그에 비해 팽창성이 없어 안전하고 강도가 훨씬 높아 파손의 염려가 없으며 더 무거운 하중으로 압밀성이 우수하고 구형의 형상으로 투수성이 좋다는 많은 장점을 가진다.

그 밖의 사면부 차수라이너 보호를 위한 폐타이어 채움재로서 조립의 풍쇄슬래그를 토사 및 모래대용으로 사용하도록 한다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 폐기물매립지의 일일복토층, 중간복토층 및 최종복토층의 일일ㆍ 중간ㆍ최종 복토재를 형성함에 있어서

   일일ㆍ 중간 복토재는 풍쇄슬래그 : 하수슬러지 : 고화제의 혼합비율이 중량비로 각각 100 : 100 : 1로 혼합된 것을 사용하고, 최종 복토재는 풍쇄슬래그 : 화강토를 전체 혼합물에 대한 중량비로 6 : 4 ~ 4 : 6으로 혼합하여 사용함을 특징으로 하는 풍쇄 슬래그를 이용한 폐기물매립지 일일ㆍ 중간ㆍ최종 복토재
3. 최종폐기물 매립으로부터 가스배제층, 차단층, 배수층 및 식생대층의 순서로 폐기물 매립지의 최종복토층의 복토와, 그리고 폐기물 매립지의 사면부의 차수라이너 보호용 폐타이어를 채움하는 방법에 있어서

   폐기물에서 배출되는 가스를 외부로 배출하며 매립가스 포집시설의 부지확보 및 대기의 누출방지를 위한 폐기물매립지 최종복토층의 가스배제층은 중량비로 풍쇄슬래그 : 화강토 = 6 : 4 ~ 4 : 6로 혼합된 최종복토재를 형성하되 풍쇄슬래그의 입자 크기가 15~20mm가 되게 하고,

   지상에서 스며드는 빗물 및 지표수를 외부로 배출하거나 상부식재 및 매립완료직후 시행되는 상부중간 복토기능역할을 감당하기 위한 폐기물매립지 최종복토층의 배수층은 중량비로 풍쇄슬래그 : 화강토 = 6 : 4 ~ 4 : 6로 혼합된 최종복토재를 형성하되 풍쇄슬래그의 입자 크기가 0.1 ~2.5mm가 되게 하며,

   한편, 매립폐기물의 하중에 의해 차수라이너의 찢김 및 미끄럼 현상을 방지하기 위한 폐기물매립지 사면부는 차수라이너 보호용 폐타이어에 채움재로 입자 크기가 0.1 ~ 2.5mm인 풍쇄 슬래그를 사용하는 것을 특징으로 하는 풍쇄 슬래그를 이용한 폐기물매립지의 복토방법
4. 삭제
5. 삭제

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