KR101235251B1 - 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법 - Google Patents

정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 제조방법은 케이크 상태의 정수슬러지를 분쇄시키는 단계; 분쇄된 정수슬러지를 모래와 혼합하여 혼합재료를 만드는 단계; 상기 혼합재료를 건조시키는 단계; 상기 혼합재료를 냉각시키는 단계; 상기 혼합재료를 설정된 입도를 기준으로 분리하는 단계; 설정된 입도 이하로 분리된 혼합재료와, 생석회 또는 시멘트와, 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하고, 인공토양용 고화재는 전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5 ~ 10%를 포함한다. 본 발명에 따르면, 정수슬러지를 이용하여, 경제적으로 폐기물 슬러지를 고화시킬 뿐만 아니라 폐기물 슬러지 고화 후 재슬러리화되는 것을 방지하고, 또한 폐기물 슬러지 고화 후 중금속의 용출을 억제하고 악취 발생을 방지하게 된다.

Description

정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법{CEMENT USING WATERWORKS SLUDGE AND MATHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
하수 슬러지나 산업폐수처리에 의해 발생되는 슬러지(이하, 산업폐수처리 슬러지라 함)는 매년 증가하고 있으며, 하수 슬러지나 산업폐수처리 슬러지를 처리시 많은 양을 매립에 의존하고 있다. 특히, 하수 슬러지는 매년 350만톤 이상을 배출하고 있고, 대부분 매립하고 있다. 하수 슬러지나 산업폐수처리 슬러지(이하, 하수 슬러지와 산업폐수처리 슬러지를 통칭하여 폐기물 슬러지라 한다)를 매립하는 방법 중의 하나로 폐기물 슬러지를 기계적으로 탈수시킨 후 일반폐기물과 함께 매립하는 것이다. 그러나, 이와 같은 방법은 폐기물 슬러지에서 수분을 충분히 제거하지 못할 뿐만 아니라 수분을 충분히 제거하는데 한계성이 있어 매립층이 지지력이 약하여 작업 차량이 원활하게 움직이지 못하게 되는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 매립층에 슬러지케이크를 고화 처리하고 슬러지 매립층에 복토재를 적층하여 복토재층을 형성하는 방법을 사용하고 있으나, 빗물이나 침출수에 의해 슬러지 매립층과 복토재층이 다시 슬러리화될 뿐만 아니라 악취가 발생하게 되는 문제점이 있다.
폐기물 슬러지를 고화 처리하는 방법 중의 하나로, 특수 시멘트 계열인 알루미나시멘트를 사용한다. 이는 고화 성능이 우수하여 폐기물 슬러지를 포함한 슬러지 매립층을 견고하게 한다. 하지만, 특수 시멘트 계열의 고화재는 가격이 고가이어서 폐기물 슬러지를 처리하는데 비경제적이다.
대한민국 공개특허 제 10-1996-0022355호(선행기술 1)는 제강 슬래그, 소각재, 시멘트, 킬튼 먼지(분말) 등의 폐기물을 포함하는 고화재를 이용하여 폐기물 슬러지를 처리하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허 제10-0816999호(선행기술 2)는 시멘트와 생석회계 또는 고로 미분말과 석고 미분말을 주원료로 하고 첨가제로 화력발전소에서 발생되는 바닥재(Bottom Ash) 및 재활용 폐콘크리트 분말들을 혼합한 고화재를 이용하여 폐기물 슬러지를 처리하는 기술이 개시되어 있다.
위의 선행기술 1,2들은 폐기물을 이용하게 되므로 비용이 저렴하여 경제적이기는 하나, 선행기술 1,2들에 사용되는 고화재는 폐기물 슬러지와 단순 혼합 형태로 존재하게 되어 pH가 높은 침출수 또는 중금속 성분이 높은 침출수가 용출하게 될 뿐만 아니라 폐기물 슬러지에서 발생되는 악취를 충분히 제거하지 못하여 악취가 발생하게 된다.
한편, 도시의 발달 및 증가로 인하여 수도물의 사용량이 증가함에 따라 상수원에서 급수한 물을 여과(정수)할 때 발생되는 정수슬러지의 발생량도 증가하고 있다. 정수슬러지는 매립, 해양투기, 재활용 등의 방법으로 처리하고 있다. 정수슬러지를 매립하여 처리하는 것은 매립지의 확보가 어렵고, 정수슬러지를 해양에 투기하여 처리하는 것은 해양오염을 유발시키게 되어 2013년부터 금지된다. 따라서, 정수슬러지를 재활용하는 기술들이 절실하게 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 고려하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 정수슬러지를 이용하여, 경제적으로 폐기물 슬러지를 고화시킬 뿐만 아니라 폐기물 슬러지 고화 후 재슬러리화되는 것을 방지하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 정수슬러지를 이용하여 폐기물 슬러지를 고화시킬 뿐만 아니라 폐기물 슬러지 고화 후 중금속의 용출을 방지하고 악취 발생을 방지하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 케이크 상태의 정수슬러지를 분쇄시키는 단계; 분쇄된 정수슬러지를 모래와 혼합하여 혼합재료를 만드는 단계; 상기 혼합재료를 건조시키는 단계; 상기 혼합재료를 냉각시키는 단계; 상기 혼합재료를 설정된 입도를 기준으로 분리하는 단계; 설정된 입도 이하로 분리된 혼합재료와, 생석회 또는 시멘트와, 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법이 제공된다.
상기 혼합재료를 건조시키는 단계는 내부 온도가 25-250℃인 회전로에서 10 ~ 60분 열처리하는 것이 바람직하다.
상기 건조된 제1 혼합재료 중 정수슬러지는 함수율이 0.5~2%이고 입도는 150~300마이크로미터인 것이 바람직하다.
상기 설정된 입도는 2.5mm인 것이 바람직하다.
상기 첨가제는 실리카흄, 합성제올라이트, 폐석고미분말, 비산재, 규조토 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5-10%를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공토양용 고화재가 제공된다.
상기 인공토양용 고화재는 시멘트바인더 10 ~ 15 중량% 더 포함할 수 있다.
상기 인공토양용 고화재는 생석회 15 ~ 20 중량%, 비산재(fly ash) 5 ~ 10중량%을 더 포함할 수 있다.
상기 인공토양용 고화재는 시멘트 5 ~ 10 중량%, 생석회 10 ~ 16 중량%, 규조토 5 ~ 10중량%를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 인공토양용 고화재는 주성분으로 활성 정수슬러지를 포함하게 되므로 각종 하수슬러지 및 산업폐수처리에 의해 발생되는 슬러지에 혼합하게 되면 폐기물 슬러지에 함유된 수분을 충분하고 빠르게 증발시켜 함수율이 낮고 아울러 일정 강도를 갖는 폐기물 슬러지 고화체를 만들게 된다. 이로 인하여, 폐기물 슬러지를 운반하여 매립하는 작업 차량의 운행을 원활하게 할 수 있다. 또한 본 발명은 폐기물 슬러지를 응결 및 경화 시간을 조절하는 것이 가능하게 되어 폐기물 슬러지를 처리해야할 상황에 맞게 적절하게 적용하여 사용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 폐기물 슬러지에 혼합되면 수화반응 및 포즐란 반응이 발생되어 폐기물 슬러지를 고화시키면서 발생되는 악취 및 중금속을 흡취 흡착하게 되므로 악취가 발생되는 것을 방지할 뿐만 아니라 폐기물 슬러지가, 고화체가 된 상태에서, 빗물 등과 함께 중금속이 용출되는 것을 억제시키게 된다. 아울러 규사 성분으로 인하여 빗물 등에 의해 폐기물 슬러지 고화체가 재슬러리화되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 폐기물 슬러지를 처리함에 환경 오염을 최소화하게 된다.
또한, 본 발명은 구성 성분을 이루는 재료가 대부분 산업폐기물(정수장의 활성정수슬러지, 경소합금 부산물 실리카흄, 석고폐기물 폐석고미분말, 화력발전소의 비산재)을 사용하게 되므로 제조 원가를 절감시킬 뿐만 아니라 산업폐기물의 처리 비용을 절감시키고, 산업폐기물에 의한 환경오염을 줄 일수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법의 일실시예를 도시한 순서도.
이하, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 및 그 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
아래의 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 및 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략할 것이다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로서 당업자의 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 그 정의는 본 명세서 전체에 걸친 내용을 토대로 내려져야 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법의 일실시예를 도시한 순서도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법은, 먼저 케이크(cake) 상태의 정수슬러지를 분쇄시키는 단계가 진행된다. 정수슬러지는 지역과 계절에 차이가 있지만, 국내에서 가장 많은 정수슬러지를 발생하는 서울시의 6개 정수장의 슬러지의 성분은 SiO2 43.6~49.0%, Al2O3 36.8~43.5%, Fe2O3 2.9~8.0%, 기타무기질 1~4%, pH 6.7~7.2, 감열감량 4.2~9.8, 함수율 75~90% 로 구성된 실리카(silica), 알루미나(alumina) 계의 무기질 성분이다. 정수슬러지는 매립 또는 재활용을 위하여 기계적 탈수를 하게 되며, 탈수과정에서 압착되어 뭉쳐진 슬러지 케이크들이 된다. 이와 같이 탈수된 정수슬러지 케이크들을 자연 건조하게 된다. 그리고 정수슬러지 케이크들을 1차 또는 2차 분쇄하게 된다. 자연건조와 1차 분쇄는 동시에 진행되는 과정으로 에너지 사용을 최소화하고 기계적 탈수과정에서 압착되어 뭉쳐진 슬러지 케이크들을 수분이 존재하는 상태에서 3~6mm 로 분쇄하는 공정이다.
분쇄된 정수슬러지와 모래를 혼합한다. 상기 모래는 강에서 채취되는 강 모래인 것이 바람직하다. 모래는 주성분이 규사이다. 상기 정수슬러지와 모래의 배합은 최종 결과물(정수슬러지/모래)에서 3 ~ 10 배의 중량%인 것이 바람직하다. 정수슬러지와 모래가 혼합된 혼합물을 제1 혼합재료라 한다.
상기 제1 혼합재료를 건조시킨다. 상기 제1 혼합재료는 내부 온도가 25 ~ 250℃인 회전로에서 10 ~ 60분 열처리하는 것이 바람직하다. 상기 회전로는 회전하면서 제1 혼합재료를 건조시킨다. 상기 회전로의 최적 내부 온도는 150℃이다. 이와 같은 건조 과정이 진행되면 함수율 0.5-2% 상태가 되어 분말 이탈 현상에 의한 150-300μm의 입도를 갖는 활성 정수슬러지 미분말을 얻게 된다. 상기 정수슬러지를 건조(열처리)하기 위해 회전로가 회전함에 따라 정수슬러지가 함께 회전하면서 슬러지 간 물리적 충돌현상을 일으키게 되며, 이때 다공질의 슬러지 입자가 구형 형태가 된다. 이는 정수슬러지를 활성화시키는 것으로, 슬러지 입자 표면의 강도를 떨어뜨리고 비표면적을 넓히게 되어 흡착, 흡수, 흡취 효과를 극대화시키게 된다. 또한, 정수슬러지를 150℃에서 건조하는 과정에서 정수슬러지에 포함된 유기물이 소거된다.
상기 건조된 제1 혼합재료를 냉각시키고, 상기 제1 혼합재료를 설정된 입도를 기준으로 분리하는 단계가 진행된다. 상기 설정된 입도는 2.5mm인 것이 바람직하다.
상기 설정된 입도 이하로 분리된 제1 혼합재료와, 생석회 또는/그리고 시멘트와, 첨가제를 혼합하는 단계가 진행된다. 상기 설정된 입도 보다 큰 제1 혼합재료는 분쇄한다. 상기 분쇄된 제1 혼합재료를 설정된 입도 이하로 분리하고 그 분리된 제1 혼합재료는 상기 제1 혼합재료, 생석회 또는/그리고 시멘트와, 첨가제의 혼합물에 혼합시킨다. 상기 첨가제는 실리카흄, 합성제올라이트, 폐석고미분말, 비산재, 규조토 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재의 제1 실시예는, 전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5 ~ 10 중량%, 시멘트바인더 10 ~ 15 중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재의 제2 실시예는, 전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5 ~ 10 중량%, 생석회 15 ~ 20 중량%, 비산재(fly ash) 5 ~ 10 중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재의 제3 실시예는, 전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5 ~ 10 중량%, 시멘트 5 ~ 10 중량%, 생석회 10 ~ 16 중량%, 규조토 5 ~ 10중량%를 포함한다.
한편, 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재는 전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5 ~ 10 중량% 만을 포함할 수도 있다.
상기 시멘트(또는/그리고 생석회)와 포즐란(pozzolan) 반응성이 좋은 활성 정수슬러지, 실리카흄, 합성제올라이트, 규조토, 화력발전소에서 발생하는 비산재(또는 규조토)를 폐기물 슬러지에 투입하여 폐기물 슬러지의 함수율을 떨어뜨려 고화시키며, 투입되는 양에 따라 고화 정도를 조절하게 된다.
일반적으로 폐기물 슬러지는 기계적인 탈수처리 후에도 함수율이 75~95% 정도로 높으며 유기물이 3~7% 각종 무기물이 2~6% 함유되어 있다.
시멘트는 4가지의 화합물질로( C₃S + C₂S + C₄AF + C₃A )구성되어 있으며 물과 결합하는 수화반응을 통해 수화열을 발생하게 되는데, 함수율 높은 폐기물 슬러지에 시멘트를 교반하면 시멘트와 폐기물 슬러지에 함유된 수분이 반응하여 수화반응을 일으키게 되므로 폐기물 슬러지에 포함된 수분의 일부를 증발시켜 폐기물 슬러지를 고화시킨다.
한편, 시멘트의 화합물질(또는 생석회)과 물이 결합되는 수화반응시 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 생성되는데, 수산화칼슘과 포즐란(pozzolan) 반응성이 좋은 활성 정수슬러지, 실리카흄, 규조토, 합성제올라이트, 비산재(fly ash) 중 하나 또는 두 개 이상과 혼합되면 불용성 화합물질(규산칼슘, 알루민산칼슘)을 생성하여 포즐란 반응에 의한 고화가 이루어지게 된다. 포즐란 반응에 의한 고화에서도 폐기물 슬러지에 함유된 수분과 반응하게 되며 이때 사용되는 수분의 양은 포즐란 물질의 분말도에 따라 시멘트와의 수화반응 때의 수분의 양보다 50%이상 더 많은 수분을 사용하게 되어 폐기물 슬러지의 함수율을 더 저감시키게 될 뿐만 아니라 조절 가능하게 된다. 시멘트와 포즐란 반응성이 좋은 활성 정수슬러지, 실리카흄, 규조토, 합성제올라이트, 비산재(fly ash)들 중 하나 또는 두 개 이상을 폐기물 슬러지에 투입하여 발생되는 함수율을 저감(조절)하는 과정(반응)들을 정리하면 다음과 같다.
1) 폐기물 슬러지와 혼합된 시멘트의 수화반응: 시멘트의 화합물〔(C₃S)+(C₂S)+(C₄AF)+(C₃A)] + 폐기물 슬러지 수분(H₂O) ⇒ 수화열발생(1차 수분저감).
상기와 같이 시멘트와 의한 수화반응시 pH농도가 12 정도 발생하게 되는데 충분한 수분이 공급되어 시멘트의 반응이 모두 끝난 후 에는 용출되지 않는다. 간혹, 폐콘크리트를 처리하는 과정에서 발생되는 알칼리에 의한 오염은 완전히 반응되지 않은 시멘트에 의한 것으로 통상적으로 콘크리트 타설시 물이 유출되거나 작업성을 위해 물의 양을 충분히 사용하지 않은 원인이 있다. 시멘트가 충분히 반응하기 위한 물의 양은 시멘트 중량의 40%이상으로 본 발명에서 사용되는 폐기물 슬러지는 함수율이 높아 시멘트가 충분히 반응하여 알칼리성 침출수 용출이 없게 된다.
2) 포즐란에 의한 고화반응: 포즐란 물질이란 비결정(amorphous)의 실리카(silica), 알루미나(alumina)를 가지고 있는 물질이며, 그 자체로는 고화성이 없으나 수분존재 하의 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 고화하는 물질이다. 본 발명에 이용되는 포즐란 물질은 정수장에서 수돗물를 정수하는 과정에 발생하는 정수슬러지와, 화력발전소에서 발생하는 비산재(fly ash), 경소합금 제조 부산물인 실리카흄, 석고폐기물인 폐석고미분말 등으로, 산업 활동에서 부수적으로 발생되는 물질이다. 이는 본 발명의 재료비를 저감시킨다.
포즐란 반응 과정은 다음과 같다.
시멘트의 화합물 + 폐기물 슬러지의 수분 ⇒ 수산화칼슘(Ca(OH)2) 생성.
수산화칼슘(Ca(OH)2) + 포즐란 물질(활성 정수슬러지, 비산재, 규조토, 실리카흄, 합성제올라이트, 폐석고미분말) ⇒ 불용성 화합물질 겔 생성(규산칼슘 수화물, 일루민산칼슘 수화물) ⇒ 결합 현상(미립자 인력작용, 물에 의한 수소결합, 전하불균형에 의한 화학결합)(2차 수분저감), 응집, 교차에 의한 망상구조 형성, 수화물 겔 성장 및 경화, 상호결합에 의한 강도발현.
상기와 같이 포즐란 반응에 의한 고화는 시멘트 및 석회계 사용을 최소화하여, pH의 농도를 낮추고 포즐란 물질을 통한 감수 효과를 이용해 폐기물 슬러지의 함수율을 대폭 저감시키게 된다.
본 발명에 사용되는 포즐란 물질인 활성 정수슬러지, 실리카흄, 합성제올라이트, 비산재(fly ash), 규조토는 다공성 세공구조(porous)가 뛰어나 중금속의 흡착 및 악취에 대한 흡취성 매우 우수하게 되며, 이로 인하여, 폐기물 슬러지의 고화시 중금속이 용출되는 것을 방지하게 될 뿐만 아니라 악취를 제거하게 된다. 특히, 주성분인 활성 정수슬러지는 수돗물 정수 과정 중 응집, 침전 공정에서 발생되는 것으로, 탁도 물질 제거를 위해 알루미나(alumina) 침전제를 사용하기 때문에 자연계의 점토, 황토의 성분보다 알루미나 성분이 30~40% 이상 많아 Al2O3 와 SiO2의 양이온 교환능력(CEC) 의한 중금속 및 악취를 흡착하는 기능이 매우 뛰어나다. 또한, 활성 정수슬러지에는 수돗물 여과 과정 중 투입되는 활성탄의 성분도 포함되어 있는데 활성탄은 흡착 및 흡취 기능을 가지고 있어 활성 정수슬러지의 흡착 및 흡취 성능을 한층 더 높여주게 된다.
한편, 흡착은, 일반적으로, 발열 현상(exothermic phenomena)을 동반하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 고화제를 폐기물 슬러지와 교반하게 되면, 활성 정수슬러지, 실리카흄, 합성제올라이트, 비산재, 규조토가 중금속 및 악취를 흡착하는 과정에서 발열 현상이 발생되어 폐기물 슬러지에 함유된 수분을 증발(3차 수분저감)시키게 된다. 이로 인하여, 폐기물 슬러지의 함수율 저감시키게 되므로 폐기물 슬러지의 고화 효과를 한층 더 높여주게 된다.
상기 규사는 본 발명에 따른 인공토양용 고화재를 폐기물 슬러지에 적용하여 복토재층, 성토재층이 형성된 상태에서 복토재층, 성토재층에 투수성 및 통기성을 높여주게 된다. 이로 인하여, 빗물 및 유기물 침출수 생성에 의하여 고화된 폐기물 슬러지가 재슬러리화 되는 것을 방지하게 된다.
상기 실리카흄은 경소합금 제조시 부산물로 발생하는 실리카 미분말 성분이 대부분이며 우수한 감수 및 중금속 흡착성질을 갖는다. 이로 인하여 폐기물 슬러지에 포함된 수분 및 중금속을 흡수 흡착하게 된다.
상기 합성제올라이트(zeolite)는 흡착 및 흡취 성질을 갖는다. 상기 합성제올라이트는 합성, 조립, 소성 과정을 거치며, 알칼리 금속수산화물과 실리카와 알루미나를 저온 합성하여 A, X, Y형 제올라이트를 제조하게 된다. 제올라이트를 흡착 및 흡취재로 사용하기 위해 탈수과정을 거쳐야 하며, 탈수 과정은 25 ~ 250℃ 로 10 ~ 60분간 열처리하며, 입도는 400~600 마이크로미터이며, 입자형태는 회전로 안에서 입자간 물리적 충돌을 유발하여 구형입자로 형태이며, 함수율이 1~3% 이다.
산업부산물의 폐기물인 시멘트바인더(또는 생석회), 폐석고미분말, 화력발전소에서 발생되는 비산재는 응결경화제이다. 상기 응결경화제는, 수화 반응 및 포즐란 반응에 의해, 폐기물 슬러지와 중금속 흡착 및 흡취제로 사용된 포즐란 물질인 활성 정수슬러지, 규조토, 규사, 실리카흄, 합성제올라이트를 포함하는 군중 선택된 하나 이상의 물질들과 입자간의 상호 결합력을 증가시켜 고화체의 일축 압축 강도 및 건조 성능 등의 물성을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 상기 폐석고미분말 및 시멘트바인더는 고화체인 각종 하수 슬러지 및 산업폐수처리에 의해 발생된 슬러지(폐기물 슬러지)의 응결 및 경화시간을 조절 가능하게 한다. 고화체의 발생지인 하수종말처리장, 산업폐수종말처리장에서 직접 고화재을 투입하는 경우 또는 특정의 처리장이나 매립지에서 투입하는 경우에 따라서 응결 및 경화에 대한 시간조절이 필요하게 된다.
상기 시멘트바인더 응결반응 및 폐석고미분말의 완결 작용은 다음과 같다.
시멘트의 수화반응은 [C₃S + C₂S + C₄AF + C₃A] + H20 ⇒ 수화물 생성 (+) 시간 변화에 따른 응결변화이다.
폐석고미분말의 완결작용 메카니즘은 다음과 같다.
[C₃S + C₂S] + H20 ⇒ ( C - S - H ) + (Ca(OH)2) 시멘트의 포괄적 수화반응식.
[C₃A] + H20 ⇒ C₃A + 6H20 ⇒ (C₃A + 6H20) + (3CaSO4 + 2H20); (석고가 에트링가이트 피막형성을 형성하여 C₃A의 급결을 방지한다) ⇒ 물(H20) 추가 ⇒ (C₃A + 6H20) + [3CaSO4 + (31-32)H20]; (석고의 완결 작용). 따라서, 폐석고미분말 및 시멘트바인더의 양에 따라 폐기물 슬러지의 응결 및 경화시간을 조절할 수 있게 된다.
화력발전소에서 발생된 비산재와 규조토 또한 응결 경화재로 사용된다. 상기 비산재 또는 규조토는 25~250℃의 조건에서 10~60분간 열처리하고 분말도는 2,500㎠/g 이상으로 함수율이 0.5~1.5% 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재는, 처리 대상인 폐기물 슬러지의 고화체 100 중량부에 30~50 중량부의 비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 인공토양용 고화재와 폐기물 슬러지의 혼합 조성비는 폐기물 슬러지의 종류 및 폐기물 슬러지의 함수율등 고화체의 특성에 따라 달라질 수 있고, 또한 각 조성이 순서대로 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 제1,2,3 실시예에서, 시멘트 또는/그리고 생석회, 폐석고미분말은 폐기물 슬러지와 수화반응을 일으켜 포즐란 반응을 위한 수산화칼슘을 발생시키고 고화된 폐기물 슬러지의 설정된 강도를 위하여 5 ~ 10 중량%인 것이 바람직하다. 5 ~ 10 중량% 이상일 경우 폐기물 슬러지 고화체의 강도가 지나치게 크게 되고, 이하일 경우 포즐란 반응을 위한 수산화칼슘의 발생이 적게 된다. 또한, 활성 정수슬러지는 폐기물 슬러지의 수분 제거, 흡착, 흡취, 흡착열 발생을 위하여 35 ~ 50 중량%인 것이 바람직하다. 또한 규사는 폐기물 슬러지 고화체의 통기성 및 투수성을 위하여 5 ~ 10 중량%인 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재는 주성분으로 활성 정수슬러지를 포함하게 되므로 각종 하수 슬러지 및 산업폐수처리에 의해 발생되는 슬러지에 혼합하게 되면 폐기물 슬러지에 함유된 수분을 충분하고 빠르게 증발시켜 함수율이 낮고 아울러 일정 강도를 갖는 폐기물 슬러지 고화체를 만들게 된다. 즉, 수화반응과정과 포즐란 반응과정과 흡수열, 다공성 흡수 과정에서 폐기물 슬러지에 함유된 수분을 효과적으로 감소시키게 된다. 이로 인하여, 폐기물 슬러지를 운반하여 매립하는 작업 차량의 운행을 원활하게 할 수 있다. 또한 본 발명은 폐기물 슬러지를 응결 및 경화 시간을 조절하는 것이 가능하게 되어 폐기물 슬러지를 처리해야할 상황에 맞게 적절하게 적용하여 사용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 폐기물 슬러지에 혼합되면 수화반응 및 포즐란 반응이 발생되어 폐기물 슬러지를 고화시키면서 발생되는 악취 및 중금속을 흡취 흡착하게 되므로 악취가 발생되는 것을 방지할 뿐만 아니라 폐기물 슬러지가 고화체가 된 상태에서 빗물 등과 함께 중금속이 용출되는 것을 억제시키게 된다. 특히, 활성 정수슬러지 입자의 다공성으로 인하여 중금속과 악취가 활성 정수슬러지에 효과적으로 흡착되며, 활성 정수슬러지에 흡착된 중금속은 빗물 등에 의해 쉽에 분리되지 않는다. 아울러 규사 성분으로 인하여 통기성 및 투수성이 좋아져 빗물 등에 의해 폐기물 슬러지 고화체가 재슬러리화되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 폐기물 슬러지를 처리함에 환경 오염을 최소화하게 된다.
또한, 본 발명은 구성 성분을 이루는 재료가 대부분 산업폐기물(정수장의 활성정수슬러지, 경소합금 부산물 실리카흄, 석고폐기물 폐석고미분말, 화력발전소의 비산재)을 사용하게 되므로 제조 원가를 절감시킬 뿐만 아니라 산업폐기물의 처리 비용을 절감시키고, 산업폐기물에 의한 환경오염을 줄 일수 있다.
아래의 표 1은 본 발명에 따른 고화재와 물을 혼합한 세 가지의 고화체에 대하여 2, 7, 28, 91일 후 압축강도를 측정하여 나타낸 것이고, 표 2는 고화재의 토양용출시험(중금속 측정)의 실시예를 나타낸 것이다.
활성정수슬러지 실리카흄 합성제올라이트 시멘트 생석회 비산재 폐석고미분말 규조토 규사 물 압축강도(kgf/)
2일 7일 28일 91일
실시예1 500 150 100 100 50 100 300 23 31 39 42
실시예2 400 150 100 150 50 50 100 300 20 24 35 45
실시예3 400 150 100 50 50 50 100 100 300 19 23 34 44
카드뮴 전시인 유기인 납 육가크롬 비소 수은 트리클로로에틸렌 티크로로메탄 시염화탄소 벤젠 폴리염화비닐 셀렌
실시예1 0.001미만 불
검출		 불
검출		 0.001 0.01미만 0.001미만 0.0005미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.001미만
실시예2 0.001미만 불
검출		 불
검출		 0.001 0.01미만 0.001미만 0.0005미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.001미만
실시예3 0.001미만 불
검출		 불
검출		 0.001 0.01미만 0.001미만 0.0005미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.002미만 0.001미만
JIS기준 0.01 검출안될것 검출안될것 0.01 0.05 0.01 0.005 0.01 0.02 0.002 0.01 0.03 0.01
표 1은 본 발명에서 사용된 각각의 재료을 이용한 고화재의 실시예 1, 2, 3 의 강도는 유사하게 나오는 것을 볼 수 있다. 표 2는 본 발명에서 사용된 각각의 재료를 이용한 고화재의 중금속용출의 시험결과로서 검사기준이 까다로운 일본의 기준치에도 인정될 수 있는 고화재임을 볼 수 있다.
아래의 표 3은 하수 슬러지의 성분표이며, 표 4는 표 3의 하수 슬러지 1,000kg에 인공토양용 고화제 500kg을 혼합하여 복토재로 재조된 인공토의 함수율, pH, 압축강도, 투수계수, 중금속용출의 실시예이다.
함수율
(%)		 pH 암모니아농도(ppm) 중금속 용출(mg/L)
1일후 7일후 Cu Pb Cd Cr6+
실시 하수슬러지 90 7.2 170 50 0.377 0.12 불검출 0.098
수도권매립지 기준 50%이하 12.5이하 - - 3이하 3이하 0.3이하 1.5이하
함수율
(1일%)		 pH 투수계수
(cm/s)		 압축강도
(kgf/)		 암모니아농도
(ppm)		 중금속 용출(mg/L)
1일 7일 1일후 7일후 Cu Pb Cd Cr6+
실시예 1 37 8.3 2.4x10-1 0.7 3 20 2 0.11 0.03 불
검출		 불
검출
실시예 2 38 8.3 2.4x10-1 0.6 2.8 20 2 0.11 0.04 불
검출		 불
검출
실시예 3 38 8.2 2.4x10-1 0.5 2,7 20 2 0.10 0.03 불
검출		 불
검출
매립지기준 40
이하		 12.5이하 1x10-3-10-6 이하 0.5 이상 기준 無 3
이하		 3
이하		 0.3
이하		 1.5
이하
표 4에서, 본 발명의 고화재를 이용한 하수 슬러지의 복토재 재활용에 대한 실시예를 보면 함수율 및 중금속용출, 암모니아농도의 개선을 확인할 수 있었으며 재슬러리화 방지를 위한 강도가 발현됨을 볼 수 있다.
본 발명은 여러 형태로 변형될 수 있고 다양한 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 케이크 상태의 정수슬러지를 분쇄시키는 단계;
    분쇄된 정수슬러지를 모래와 혼합하여 혼합재료를 만드는 단계;
    상기 혼합재료를 내부 온도가 25 ~ 250℃인 회전로에서 회전시키면서 10 ~ 60분 열처리하여 상기 정수슬러지의 함수율이 0.5 ~ 2%인 상태가 되도록 상기 혼합재료를 건조시키는 단계;
    상기 혼합재료를 냉각시키는 단계;
    상기 혼합재료를 입도 2.5mm를 기준으로 분리하는 단계;
    입도 2.5mm이하로 분리된 혼합재료와, 생석회 또는 시멘트와, 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 건조된 혼합재료 중 정수슬러지의 입도는 150 ~ 300마이크로미터인 것을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가제는 실리카흄, 합성제올라이트, 폐석고미분말, 비산재, 규조토 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재 제조방법.
  6. 케이크 상태의 정수슬러지를 분쇄시키는 단계; 분쇄된 정수슬러지를 모래와 혼합하여 혼합재료를 만드는 단계; 상기 혼합재료를 내부 온도가 25 ~ 250℃인 회전로에서 회전시키면서 10 ~ 60분 열처리하여 상기 정수슬러지의 함수율이 0.5 ~ 2%인 상태가 되도록 상기 혼합재료를 건조시키는 단계; 상기 혼합재료를 냉각시키는 단계; 상기 혼합재료를 입도 2.5mm를 기준으로 분리하는 단계; 입도 2.5mm이하로 분리된 혼합재료와, 생석회 또는 시멘트와, 첨가제를 혼합하는 단계를 포함하여 진행된 결과물이,
    전체 100 중량%에 대하여, 활성 정수슬러지 35 ~ 50 중량%, 실리카흄 10 ~ 15 중량%, 합성제올라이트 10 ~ 15 중량%, 폐석고미분말 5 ~ 10% 중량%, 규사 5 ~ 10%를 포함하며, 상기 활성 정수슬러지의 입도는 150 ~ 300마이크로미터인 것을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재.
  7. 제 6 항에 있어서, 시멘트바인더 10~15 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재.
  8. 제 6 항에 있어서, 생석회 15~20 중량%, 비산재(fly ash) 5~10중량%을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재.
  9. 제 6 항에 있어서, 시멘트 5~10 중량%, 생석회 10~16 중량%, 규조토 5~10중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 인공토양용 고화재.


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