KR101644844B1 - 준설토 정화 및 고화 처리시스템 및 이 처리시스템을 탑재한 준설토 정화처리용 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양, 하천, 호소 등으로부터 준설된 준설토를 정화처리하고, 준설토로부터 분리된 미세토를 재활용하기 위한 준설토 정화 및 고화 처리시스템과, 이 처리시스템이 탑재되어 있는 정화용 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 정화 및 고화 처리시스템은 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 선별유닛과, 선별유닛에서 선별된 준설토 및 준설수 내에 포함된 자성 물질을 일차적으로 분리하기 위한 제1자력분리기와, 제1자력분리기에서 자석에 부착되지 않은 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 싸이클론장치와, 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수가 유입되어 제1자력분리기에서 분리되지 않은 자성 물질을 부착시켜 분리하는 제2자력분리기와, 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수 또는 제2자력분리기에서 자성이 없는 것으로 분리된 준설토가 유입되어 일시적으로 수용되어 무거운 입자들을 침전시키는 침강분리조와, 이 침강분리조에서 침강된 침강물을 공급받아 탈수하여 미세토를 배출하며 싸이클론기로 이루어지는 메인탈수기를 구비하는 정화처리시스템; 및 정화처리시스템으로부터 배출된 미세토에 고화제를 투입 및 혼합하여 산업용 또는 농업용 토양으로 개량하는 고화처리시스템;을 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

준설토 정화 및 고화 처리시스템 및 이 처리시스템을 탑재한 준설토 정화처리용 선박{Remediation and Solidification treatment system for stabilizing and reusing dredged soil in marine or river and Vessel equipped with the same}

본 발명은 해양이나 강의 하저에 오염된 토양을 처리하여 재이용하기 위한 환경 기술에 관한 것으로서, 특히 준설토로부터 미세토를 분리하여 매립폐기하지 않고 산업용 또는 토목용으로 재이용하기 위하여 중금속을 안정화시키고 성질을 개량하기 위한 준설토 복합처리 및 고화시스템에 관한 것이다.

국토해양부의 2004~2009년 발표 자료에 따르면 묵호항, 삼척항, 구룡포항, 부산남항, 울산항 등 국내의 주요 항구 15개 지역의 오염 수준은 심각한 것으로 나타났다.

해양 오염은 다양한 경로를 통해서 이루어진다. 특히, 물류의 이동 과정에서 중금속, 유류, 유기물 등 다양한 오염물들이 항만에 퇴적됨으로써 하상 퇴적토는 심각하게 오염되어 있는 것으로 알려져 있다. 또한 하천에서 유입되는 오폐수 및 해양 투기를 통해 다양한 오염물이 연안에 퇴적된다.

이러한 오염 퇴적물의 부패로 인하여 연안 지역에서는 악취가 발생되는 것은 물론, 어패류 내에 중금속이 축적되어 이를 소비하는 사람에게도 심각한 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 퇴적물의 부패로 인하여 어류 생태계가 교란되면서 개체수가 줄어드는 등 어업에도 많은 문제점을 발생시킨다.

한편, 항만에서는 오염토를 제거하기 위한 목적과 더불어 대형 선박의 접안을 위하여 주기적으로 해양 퇴적토를 준설하고 있으며, 준설토의 양은 연간 3000만 루베에 달하고 있다. 준설토는 상기한 바와 같이 중금속, 유기물 등으로 심각하게 오염되어 있어 재활용을 위해서는 정화처리가 필수적으로 수반되어야 한다.

그러나, 준설토 내 오염물질은 그 종류가 다양할 뿐만 아니라, 입자 크기(모래, 실트, 조개류, 철편류, 일반 폐기물, 중금속 등)도 다양하므로 기존의 토양세척법 등 단일 공정을 통하여 이를 정화처리하는데 많은 어려움이 있다. 기존의 토양 복원기술의 경우 중금속, 유류, 유기물 등 특정한 오염물질을 타겟으로 하여 개발되었으므로 물리적 처리, 화학적 처리, 생물학적 처리 중 단수의 방법을 채택하여 오염물을 처리하였으나, 해양 퇴적물과 같이 오염물질이 복합적으로 존재하는 경우 기존의 기술이나 처리시설을 직접적으로 사용할 수 없었다. 이에 따라 준설토를 폐기물 매립하는 경우, 준설토에 포함된 각종 오염물질을 근본적으로 제거하는 것이 아니라 단지 장소만을 이동시키는 것이므로, 타 장소에 환경오염을 유발시킬 뿐만 아니라, 고가의 운반비용을 발생시킨다. 더 나아가, 매립장의 매립용량 한계, 해양투기 금지에 따른 매립장 고갈, 재활용 가능한 골재의 매립으로 인한 경제적 손실 등의 문제점을 내포하고 있다.

이에 다양한 물질로 오염되어 있는 해양 퇴적토를 재활용이 가능한 수준으로 복원할 수 있는 복합 기술의 개발이 필요하다.

한편, 준설토를 현장에서 즉시 처리할 수 있는 시설의 개발이 요구되고 있다. 즉, 준설토를 정화하기 위해서는 정화처리시설이 있는 곳까지 준설토를 이송해야 하는데, 이송비용이 매우 높기 때문에 실질적으로 준설토를 정화처리하는 전체 비용에서 이송비용이 치지하는 비중이 상당하여 준설토의 처리에 더욱 곤란함을 겪고 있다. 즉, 항만 준설시 준설토와 해수가 함께 펌핑되는데, 전체 준설양에서 준설토는 10~20%에 불과하며 해수가 80~90%로 대다수를 차지하고 있다. 해수와 준설토를 모두 육상의 처리시설로 이송해야 하므로 이송비용이 커지며, 한정된 비용 내에서 처리를 수행해야 하는 정화업체에서는 실제 준설토 및 해수의 정화에 소홀하게 되는 문제가 나타난다.
[선행기술문헌명]
선행기술 1: 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0016708호
선행기술 2: 대한민국 등록특허공보 제10-1200280호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연안에서 퇴적토를 준설한 후 정화처리를 수행할 수 있으며, 중금속, 유기물, 유류 등 복합적으로 오염되어 있는 퇴적토를 복합적으로 정화처리하며, 특히 처리공정으로부터 분리되는 미세토를 고화처리하여 토목용 및 산업용으로 재활용할 수 있는 정화처리시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 현장에서 준설을 시행한 후, 준설토를 현장에서 직접 처리할 수 있도록 정화처리시스템이 선박에 탑재되어 있는 오염토 현정 처리용 정화선을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 해양, 하천, 호소 등으로부터 준설된 준설토를 정화처리하고, 준설토로부터 분리된 미세토를 재활용하기 위한 준설토 정화 및 고화 처리시스템과, 이 처리시스템이 탑재되어 있는 정화용 선박에 관한 것이다.

본 발명에 따른 정화 및 고화 처리시스템은 준설선과 연결되어 준설토 및 준설수가 유입되며, 상기 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 선별유닛과, 상기 선별유닛에서 선별된 어느 한 그룹의 준설토 및 준설수가 유입되며, 자석을 이용하여 상기 준설토 내에 포함된 자성 물질을 일차적으로 분리하기 위한 제1자력분리기와, 상기 제1자력분리기에서 상기 자석에 부착되지 않은 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 싸이클론장치와, 상기 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수가 유입되며, 상기 제1자력분리기에서 분리되지 않은 자성 물질을 부착시켜 분리하는 제2자력분리기와, 상기 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수 또는 상기 제2자력분리기에서 자성이 없는 것으로 분리된 준설토가 유입되어 일시적으로 수용되어 무거운 입자들을 침전시키는 침강분리조 및 상기 침강분리조에서 침강된 침강물을 공급받아 탈수하여 미세토를 배출하며 싸이클론기로 이루어지는 메인탈수기를 구비하는 정화처리시스템; 및상기 정화처리시스템으로부터 배출된 미세토에 고화제를 투입 및 혼합하여 산업용 또는 농업용 토양으로 개량하는 고화처리시스템;을 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에서 상기 고화제는 Ca계 고화제를 사용할 수 있으며, pH조절제, 이온 치환제, 유기물 보강제 및 삼투압 조절제 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 고화제는 석회석과 플라이애쉬와 고로슬래그가 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. 또한 상기 고화제에서 석회석은 5~15 중량%, 플라이애쉬 5~15 중량%, 고로슬래그 70~90 중량%의 범위로 배합하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 석회석 10 중량%, 플라이애쉬 10 중량%, 고로슬래그 80 중량%의 비율로 배합한다.

본 발명에서 상기 고화제는 미세토의 중량 대비 25~35%의 비율로 혼합하며, 보다 구체적으로 미세토 중량 대비 30%의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 미세토는 함수율 60~80%의 범위, 보다 바람직하게는 70%의 함수율로 형성한다.

상기 미세토의 입도는 0.075mm 이하, 보다 구체적으로 0.03~0.075mm 범위의 입도를 가진 것을 사용한다.

본 발명에서는 상기한 구성의 정화 및 고화 처리시스템을 선박에 탑재하여, 해양 현장에서 직접 준설토를 정화처리하며, 정화처리가 완료된 준설수는 현장에서 다시 원위치로 복원시킬 수 있다.

본 발명에 따른 준설토 정화 및 고화 처리시스템은 다양한 물질로 복합적으로 오염되어 있는 해양 또는 하천의 토양을 준설하여 정화처리함과 동시에 정화처리를 통해 분리된 미세토를 고화처리하여 산업용, 농업용 또는 토목용으로 재활용할 수 있다는 이점이 있다.

특히, 본 발명에 따른 준설토 정화처리용 선박은 상기한 정화처리시스템을 탑재하여 해양이나 하천에서 오염토를 준설하여 즉시 정화처리하고, 처리수는 다시 현장에서 원위치로 복원할 수 있어 물류의 부담이 발생하지 않으므로 경제적이라는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염토 현장 처리용 정화선의 실제 사진이다.
도 2는 도 1에 개시된 오염토 현장 처리용 정화선의 개략적 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 오염토 현장 처리용 정화선에 탑재된 정화처리시스템에서 수행하는 정화처리의 개략적 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 선별유닛(드럼 스크린)의 실제 사진이다.
도 5는 도 2에 도시된 제1자력분리기의 실제 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 싸이클론 장치의 실제 사진 및 구성도이다.
도 7은 도 2에 도시된 제2자력분리기의 실제 사진이다.
도 8은 도 2에 도시된 침강분리조의 실제 사진이다.
도 9는 도 2에 도시된 메인탈수기(다단 싸이클론기)의 실제 사진이다.
도 10은 도 2에 도시된 부상분리조의 실제 사진이다.
도 11은 도 2에 도시된 원심분리탈수기의 실제 사진이다.
도 12는 도 2에 도시된 샌드필터의 개략적 도면이다.
도 13은 준설토의 시간에 따른 함수율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 고화제 선정을 위한 실험에서 각 시료들과 미세토를 혼합한 후의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 15a 내지 도 15g는 고화제 주입량과 미세토의 함수비 최적화를 위한 실험의 결과로서, 도 15a는 고화제 주입량 10%에 함수비 0.6 미세토를 혼합한 경우의 압축강도, 도 15b는 주입량 20%, 함수비 0.6, 도 15c는 주입량 30%, 함수비 0.6, 도 15d는 주입량 10%, 함수비 0.7, 도 15e는 주입량 10%, 함수비 0.7, 도 15f는 주입량 20%, 함수비 0.7, 도 15g는 주입량 30%, 함수비 0.7인 경우의 압축강도가 나타나 있다.
도 16a 내지 도 16e는 본 발명에 따라 고화제와 미세토를 혼합 및 양생하면서 TLCP를 이용하여 시간에 따른 중금속 용출량을 나타낸 그래프로서, 도 16a 내지 도 16e는 차례로 Cd, Cu, Ni, Zn, Pb의 용출 농도이다.
도 17은 고화제 혼합 미세토의 28일 양생 후 생성물질을 XRD를 이용한 분석 결과 그래프이다.
도 18은 고화제의 원재료인 lime, fly ash, 고로슬래그를 각각 SEM을 통해 촬영한 것이다.
도 19는 lime-FA-BFS_1 고화제와 미세토를 혼합한 시료의 SEM 사진이다.
도 20은 lime-FA-BFS_2 고화제와 미세토를 혼합한 시료의 SEM 사진이다.
도 21 내지 도 23은 본 발명에서 사용하는 교반장치의 실제 사진이다.

본 발명은 연안, 호소, 하천에 쌓여 있는 퇴적토를 준설하여 정화처리한 후, 기존에 폐기물로 처리되었던 미세토를 재활용하기 위한 시스템이다. 준설토는 산업현장에서 나오는 오폐수와 같이 특정 오염원이 지배적인 형태가 아니라, 매우 다양한 물질에 의하여 오염되어 있다. 철재류를 포함하여 부피가 큰 쓰레기, 입도가 매우 작은 중금속, 그리고 유류 등 다양한 물질이 준설토에 포함되어 있다. 이렇게 다양한 오염원이 존재하는 준설토는 복합적인 처리 공정을 통해 입도별, 성상별 분리와 특화된 정화처리가 요구된다. 이러한 분리 및 정화처리공정을 거친 후에 입도가 70μm 이하의 사이즈로 분류된 미세토들은 더 이상의 정화처리가 곤란한 바, 기존에는 이 미세토를 매립하여 폐기하였다. 그러나 본 발명에서는 준설토에 대한 정화처리를 수행한 후, 최종적으로 남게 되는 미세토에 대하여 토목용 또는 산업용으로 재활용을 시도한다. 미세토에 고화제를 혼합하여 미세토 내 중금속을 안정화시키고(이동성을 억제), 강도를 증가시켜 토양으로 재활용한다. 즉, 본 발명은 준설토를 입도별, 성상별로 분류하여 각 그룹에 대한 정화처리를 수행하는 것과 함께, 최종적으로 발생되는 미세토에 대해서는 고화제를 혼합하여 토사로 사용한다.

특히, 본 발명에 따른 정화 및 고화처리 시스템은 준설토를 육상으로 이동하여 처리하는 것을 배제하지는 않지만, 본 출원인에 의하여 개발된 정화처리용 선박에서 본 발명에 따른 시스템을 설치하여 현장에서 퇴적토를 준설하는 즉시 모든 처리를 일괄적으로 수행할 수 있게 한다.

본 출원인은 해양수산부 산하 한국해양과학기술진흥원의 '미래해양산업기술개발사업'의 일환으로 해양이나 하천에 퇴적되어 있는 오염토를 준설한 즉시 현장에서 정화처리한 후, 모래는 골재로 재활용하고 준설시 함께 펌핑된 물(이하, '준설수'라 함)은 다시 원위치로 복원시키기 위한 오염토 현장 처리용 정화선을 개발하여 실제로 제작하였다. 도 1에는 '대성 15호'로 명명된 오염토 현장 처리용 정화선의 실제 사진이 나타나 있다. '대성 15호'는 길이 63m에 1,100톤 규모로 시간당 500톤(해수 400~450ton, 준설토 50~100ton)을 처리할 수 있도록 제작되었으며, 본 발명에 따른 정화 및 고화처리 시스템을 탑재하고 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 정화 및 고화처리 시스템이 정화처리용 선박(이하 '정화선'이라 함)에 설치된 것을 예로 들어 본 발명에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 도 1에 개시된 정화선의 개략적 구성도로서, (a)는 정화선의 개략적 평면도이며, (b)는 정화선의 개략적 측면도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 오염토 현장 처리용 정화선에 탑재된 정화처리시스템에서 수행하는 정화처리의 개략적 흐름도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정화선(900)은 선박(800)과 정화시스템(700)을 구비한다. 선박(800)은, 상기한 바와 같이, 대략 62m의 길이를 가지며 1,100ton 규모이다. 이 선박(800)에는 정화처리 완료된 준설수를 다시 해양이나 하천으로 원위치시키기 위한 배출구(미도시)가 형성된다. 또한 선박(800)의 중앙부에는 준설토와 준설수를 함께 수용하기 위한 수용조(후술할 침강분리조로 사용됨)가 형성된다. 수용조는 선박(800) 갑판을 오목하게 개조하여 형성하였다.

정화처리시스템(700)은 선별유닛(10, 드럼 스크린)을 구비한다. 선별유닛(10)은 준설선으로부터 펌핑된 준설토 및 준설수를 공급받아 준설토로부터 이물질을 선별한다. 본 발명에서 선별유닛(10)은 준설토를 입도별로 분리함으로써 이물질을 제거하는데, 구체적으로는 3상 드럼 스크린(10)을 이용하며, 시간당 500ton을 처리할 수 있다. 3상 드럼 스크린(10)은, 도 4의 드럼 스크린 사진에 도시된 바와 같이, 원통형의 메쉬망으로 이루어진 2개의 스크린이 구비된다. 중앙부에 배치된 제1스크린(11)은 13mm 이하의 입도를 가진 입자만이 통과할 수 있다. 제1스크린(11)을 감싸며 배치되는 제2스크린(12)은 4mm 이하의 입자만이 통과할 수 있다. 드럼 스크린(10)이 회전하면 원심력에 의하여 준설토 및 준설수가 스크린의 내벽 쪽으로 밀리고, 제1스크린(11)에서 쓰레기 등의 13mm 이상의 이물질이 걸러지며, 제1스크린(11)을 통과한 준설토는 제2스크린(12)에서 자갈, 조개 등 4mm 이상의 이물질이 걸러진다. 나머지, 모래와 준설수는 제2스크린(12)을 통과하여 하부로 배출된다. 4mm 이상의 물질은 컨베이어 벨트(미도시)에 의해 수집된 후 육상으로 운반된다.

드럼 스크린(10)에서 이물질이 걸러진 준설토와 준설수는 자연낙하하여 드럼 스크린(10)의 하부에 배치된 제1자력분리기(20)로 유입된다. 본 발명은 정화시스템(700)이 선박(800) 위에 탑재된 형태이므로 동력 사용을 최소한으로 할 수 있도록 각 장치들을 배치하였으며, 그 일환으로 제1자력분리기(20)를 드럼 스크린(10)의 하부에 배치하여 준설수와 준설토가 자연 낙하하게 함으로써 동력 사용을 최소화한다.

제1자력분리기(20)의 사진이 도 5에 도시되어 있다. 본 발명에서 사용하는 습식 자력분리기(20)는 공지의 장치로서 원통형의 자석(21)에 벨트가 감겨 있는 형태로서 자석이 자전하면서 벨트가 순환되는데, 벨트 위에 놓인 준설토 중 자성을 띠는 물질은 자석에 부착된 상태로 이송되다가 벨트가 자력의 영향에서 벗어난 곳으로 이동되면 벨트로부터 분리된다. 자성을 띠지 않는 물질은 자석에 부착되지 않으므로 벨트가 회전시 자석의 단부에서 낙하하여 분리된다. 자성 물질이 벨트로부터 분리되는 것을 용이하게 하기 위하여 탈자기(demagnetizer)를 사용할 수도 있다. 본 실시예에서 자석(21)은 3,000~4,000 gauss 정도의 자력을 가지며, 2.2kw급 자석이 2개 배치되어 시간당 500ton을 처리할 수 있다. 다만, 제1자력분리기(20)에서 모든 자성물질이 분리되는 것은 아니며, 주로 철편류, 철제류가 분리되며, 중금속 등 자성이 약한 물질은 후술할 제2자력분리기에서 분리된다. 제1자력분리기(20)에서 분리된 철편류 등의 자성물질은 컨베이어 벨트(미도시)에 의하여 수집되며 육상으로 운반되며, 자석(21)에 부착되지 않은 물질은 후술할 다단 하이드로 싸이클론 장치로 이송된다.

본 실시예에서 채용한 다단 하이드로 싸이클론 장치(30)의 실제 사진 및 구성도가 도 6a 및 도 6b에 나타나 있다.

싸이클론 장치(30)는 제1자력분리기(20)에서 배출된 준설토를 공급받아 입도별로 분리하기 위한 것이다. 본 싸이클론 장치(30)는 복수의 싸이클론기(31)와 진동스크린(32) 및 회송파이프(33)를 구비한다.

싸이클론기(31)는 5개가 하나의 유닛을 구성하며, 준설토는 5개의 싸이클론기(31)를 순차적으로 통과하면서 입도 분리된다. 싸이클론기(31)의 상부는 원통형으로, 하부는 원추형으로 형성되며, 원통형부에 형성된 입구를 통해 고속으로 추진된 준설토와 준설수가 유입되면 준설토와 준설수는 싸이클론기(31)의 내벽을 따리 회전하면서 하강하는데, 원추부에서 가벼운 물질은 상승류를 타고 싸이클론기(31)의 상부를 통해 배출되며, 무거운 물질은 싸이클론기(31)의 하부로 배출되는 구성이다. 본 실시예에서 싸이클론기는 대략 0.8~1.2kg/Cm²의 운전압력으로 운행된다.

첫 번째 배치된 싸이클론기에서 상부로 배출된 물질은 두 번째 배치된 싸이클론기로 유입되고 5개의 싸이클론기를 순차적으로 거치면서 최종 배치된 싸이클론기에서는 대략 0.075mm 이하의 입도를 지닌 입자가 상부로 배출된다. 보다 구체적으로, 5개의 싸이클론기(31)에서는 순차적으로 0.1mm 초과의 입자, 0.095mm 초과의 입자, 0.09mm 초과의 입자, 0.08mm 초과의 입자, 0.075mm 초과의 입자가 싸이클론기의 하부로 배출된다. 입도 0.075mm 이하의 입자들은 싸이클론기의 상부로 배출된 후 후술할 보조처리조(40)로 이송된다.

상기한 바와 같이, 복수의 싸이클론기(31)의 하부를 통해 분리된 0.075mm 초과하는 입자들은 주로 재활용 가능한 모래 성분이며, 싸이클론기(31) 상부를 통해 배출된 0.075mm 이하의 입자들은 점토질, 실트질이거나, 유기물, 유류, 중금속 등의 오염물질(이하, 설명의 편의상 0.075mm 이하의 점토, 오염물질 등을 '미세토'라고 통칭 한다)이다.

그리고 0.075mm 이상의 입도를 지니며, 싸이클론기(31)의 하부로 배출된 입자들은 싸이클론기(31)의 하측에 설치된 진동스크린(32)으로 이송된다. 진동스크린(32)은 메쉬망으로 이루어지며 모래는 메쉬망(입경 0.074mm 이하의 입자는 통과) 위에 놓인 상태에서 진동되면서 탈수된 후, 육상으로 이동되어 골재로서 재활용한다. 또는 후술하겠지만 이 모래는 0.075mm 이하의 미세토가 고화처리되면, 모래와 미세토를 혼합하여 토목용 또는 농업용으로 재이용될 수 있다.

모래 중에 입도가 0.075mm 이하의 미세토가 잔존할 수 있으며, 이들은 진동스크린(32)의 메쉬망을 통과하여 진동스크린(32)의 하부에 수집된 후, 회송파이프(33)를 통해 다시 복수의 싸이클론기(31)로 유입시켜 재차 입도 분리를 수행함으로써, 입도가 0.075mm 이하의 미세토를 최대한 분리한다.

상기한 바와 같이 미세토는 오염물질 자체이거나, 표면적이 넓은 점토나 실트질의 미세 토양입자인데, 미세 토양입자에는 오염물이 많이 부착되어 있을 뿐만 아니라, 오염물을 미세입자로부터 분리하기도 용이하지 않다. 본 발명에서는 0.075mm 이하의 미세토를 오염물로 규정하여 후술할 보조처리조, 부상분리조 등에서 처리한다.

싸이클론 장치(30)를 거친 0.075mm 이하의 미세토와 준설수는 보조처리조(40)로 유입된다. 그리고 싸이클론 장치(30)는 보조처리조(40)의 상부에 배치되므로 준설수는 별도의 동력에 의존하지 않고, 싸이클론기(31)로부터 보조처리조(40)로 유입된다.

그리고 미세토가 중금속으로 오염된 경우 미세토와 준설수는 싸이클론기(31)로부터 바이패스라인을 통해 후술할 제2자력분리기(50)를 통해 재차 자력분리된 후 보조처리조(40)로 유입된다. 중금속 오염이 없는 경우라면, 미세 토양입자와 준설수는 함께 보조처리조(40)로 유입된다.

먼저 중금속으로 오염된 경우에 대하여 설명한다.

광물입자나, 산화철 등을 포함하여 미세토 내에는 다양한 중금속이 포함되어 있다. 제2자력분리기(50)에서는 제1자력분리기(20)에서 분리되지 않은 중금속을 분리한다. 본 실시예에서 채용된 제2자력분리기의 실제 사진이 도 7에 나타나 있다. 제2자력분리기(50)는 고구배자력분리기(HGMC,High Gradient Magnetic Separation)로서 공지의 장치이며, 본 실시예에서는 6,000~7,000 gauss의 높은 자력을 가진 영구자석이 사용함으로써 중금속을 높은 수준에서 선별한다. 제2자력분리기(50)도 제1자력분리기(20)와 마찬가지로 벨트에 의하여 이송되는 미세토가 자력이 미치는 영역에 도달하면, 자성체는 자석에 부착되고 비자성체는 그대로 이송되는 원리를 이용한다.

또한, 본 실시예에서는 미세토가 제2자력분리기(50)에 유입되기 전에 분산제와 자화제를 혼합시킴으로써 분리효율을 향상시킬 수 있다. 분산제는 입단을 형성한 미세토를 분산시키기 위한 것이다. 즉, 미세토에 포함되어 있는 산화철, 산화망간 등은 일반 토양 환경에서 양전하를 띠게 되는데, pH를 조절하여 토양 환경을 PZC(point of zero charge) 이하로 만들거나 인산염같이 흡착력이 강한 음이온을 흡착시키면, 산화철에 부차되어 있는 미세토가 반발작용으로 분리되면서 분산된다.

또한 자화제 탱크(51)로부터 자화제를 공급받아 미세토를 자화시킬 수 있다. 자화제의 투입은 중금속 함유 광물입자에 대한 자력 분리의 효율을 높이기 위하여, 토양입자의 자화력(magneticsusceptibility)을 증가시키는 것이다.

토양입자의 자화력과 중금속 함량은 높은 상관관계를 나타낸다. 자화력이 높은 광물은 낮은 광물에 비해 많은 양의 중금속을 함유함을 의미한다. 또한, 산화철 및 산화망간, 잔류성 형태의 중금속이 규산염 광물(silicates 또는 silicate mineral)에 비해 자화력이 상대적으로 높으므로, 추후 자기장을 이용하여 이들을 제거하여 미세토를 정화할 수 있다.

자화제는 토양입자 내의 비자기성 입자(주로 광물)를 자기성으로 변환할 수 있으며, 자화력이 약한 광물의 자화력을 증가시키는 역할을 한다. 자화제로서, 강자기성 광물인 자철석(Fe₃O₄)을 투입하면, 자철석이 미세 토양입자들 사이에서 가교 역할을 하여 미세 토양입자 전체적으로는 자성을 띄게 한다. 여기서, 자철석 자체가 가교 역할을 하는 것 이외에도, 자철석에 함유된 철(Fe) 성분이 용해되어 미세 토양입자들 사이에 가교 역할을 하여 자성을 띄게 하는 것도 가능하다.

또한, 자화제로서 1,2가철염(FeCl₂, FeCl₃, FeSO₄ 등)을 용매에 용해시켜 알칼리 pH 상태로 조절한 다음 공기를 투입하고 승온시킨 후, 미세토에 투입하여 토양입자를 자화시키는 방법이다. 여기서, 또한 Fe 성분이 토양입자들 사이에 가교 역할을 하여 자성을 띠게 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 분산제 및/또는 자화제를 투입함으로써 제2자력분리기(50)에서 중금속을 포함하는 미세 토양입자들을 최대한 제거할 수 있다.

제2자력분리기(50)에서 분리된 중금속이나 중금속을 포함하는 미세토는 컨베이어 벨트를 통해 수집된 후 육상으로 운반되며, 나머지 미세토는 준설수와 함께 보조처리조(40)로 유입된다. 제2자력분리기(50)는 보조처리조(40)의 상부에 배치되므로 미세토 및 준설수는 동력에 의하지 않고 자연적으로 보조처리조(40)로 유입된다.

상기한 바와 같이, 싸이클론기에서 분리된 미세토가 중금속으로 오염된 경우에는 제2자력분리기(50)를 거치지만, 중금속 오염이 없는 경우라면 미세토는 싸이클론 장치(30)로부터 보조처리조(40)로 직접 유입된다.

보조처리조(40)는 미세토와 준설수를 수용하여 복합적인 정화처리를 수행할 수 있다. 즉, 보조처리조(40)는 제2기포발생기(41), 응집제 탱크(42)와 연결되어 필요에 따라 미세기포 및 응집제를 공급받을 수 있다. 그리고 보조처리조(40) 내에는 응집제와 미세토를 상호 교반할 수 있도록 교반기(43)가 설치된다.

미세토는 오염 성상에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있다. 즉, 중금속으로 오염된 미세토, 유류로 오염된 미세토, 중금속 및 유류로 복합 오염된 미세토 및 일반 미세토로 분류할 수 있다.

본 발명에 채용된 정화처리시스템(700)에서는 위 4가지의 오염 성상에 따라 정화처리공정을 다르게 할 수 있는데, 상기한 바와 같이, 중금속이 포함된 2가지 형태의 미세토는 제2자력분리기(50)를 거치게 한다. 그리고 유류 및/또는 중금속이 포함된 미세토의 경우 일반 미세토와 마찬가지로 응집제를 통해 미세 입자들을 응집시킬 필요가 있는데, 일반 미세토의 경우 보조처리조(40)에서 응집 공정을 수행하지만, 중금속 및/또는 유류로 오염된 미세토의 경우 응집 공정이 보조처리조(40)가 아닌 후술할 메인처리조(90)에서 실시한다.

따라서 유류나 중금속 오염이 허용 기준 내에 있는 일반 미세토의 경우는 보조처리조(40)에서 응집제를 투입하여 응집 공정을 수행하지만, 유류로 오염된 미세토의 경우 보조처리조(40)에서 미세기포를 이용하여 유분탈리를 시도한다. 그리고 중금속만으로 오염된 미세토의 경우 보조처리조(40)에서는 별도의 공정을 수행하지 않고 후술할 침강분리조(60)로 이송되거나 바이패스라인(미도시)을 통해 보조처리조(40)를 거치지 않고 직접 침강분리조(60)로 이송시킬 수도 있다.

결국, 보조처리조(40)는 일반 미세토의 경우에는 응집제를 투입하여 미세 입자를 응집시키는 응집조로서 작용하며, 유류 오염 미세토의 경우에는 미세 기포를 투입하여 유분을 탈리시키는 유분탈리조로서 작용한다. 중금속 오염 미세토의 경우에는 특별한 공정이 수행되지 않는다. 예컨대, 중금속 및 유류로 복합 오염되어 있다면 보조처리조(40)는 유분탈리조로 작용하는 것이다.

보조처리조(40)로 투입되는 응집제는 칼슘, 마그네슘 등의 멀티 전하를 가지는 양이온성 응집제가 사용된다. 응집제를 투입하고 교반기(43)로 미세토와 응집제를 교반하면 미세입자들은 뭉치게 된다. 미세입자는 표면적이 넓어 오염물질이 많이 흡착되어 있으며, 입도분리나 비중분리에 의해 쉽게 선별되지 않는 특성이 있으므로 응집제를 통해 준설수 내에 미세입자를 응집시켜 추후 침강분리조(60)에서 분리할 수 있다.

보조처리조(40)가 유분탈리조로 활용되는 경우 보조처리조(40)에 초미세기포(마이크로 버블)를 공급한다. 제2기포발생기(41)에서는 3~10μm 사이즈의 초미세기포를 발생시켜 보조처리조(40)에 공급한다. 초미세기포는 미세 토양입자와 오염물(특히 유분, 유기물) 사이로 침투하여 오염물을 미세 토양입자로부터 탈리시킨다. 즉, 미세 토양입자와 오염물 사이에 침투한 초미세기포는 자기압괴현상에 의하여 소멸하면서 충격파를 발생시키는데, 이 충격파에 의하여 오염물이 미세 토양입자로부터 탈리된다.

상기한 바와 같이, 유류 및/또는 유기물로 오염된 미세토는 보조처리조(40)에서 오염물이 탈리된 상태로 후술할 침강분리조(60)로 이송되며, 일반 미세토의 경우 응집제에 의해 미세 토양입자들이 상호 응집된 상태로 침강분리조(60)로 이송된다.

침강분리조(60)의 실제 사진이 도 8에 나타나 있다. 선박(800)의 갑판을 오목하게 개조하여 만든 수용조가 침강분리조(60)로 사용되는데, 대략 20m 이상으로 길게 형성되어, 준설수 내의 무거운 입자들이 침강되도록 충분한 수리학적 체류시간을 제공한다. 일반 미세토의 경우 보조처리조(40)에서 미세 입자들이 응집되었으므로, 응집된 미세토는 침강분리조(60)에서 하부로 침강한다. 그러나, 유류 오염 미세토의 경우 응집제를 아직 투입하지 않았으므로 탈리된 유분/유기물은 침강되지 않고 준설수 내에서 부유하는 상태를 유지한다.

도 8의 사진을 참고하면, 보조처리조(40)와 연결된 2개의 파이프라인(61)을 통해 준설수 및 미세토가 침강분리조(60)의 중앙공급타워(64)로 이송된다. 침강분리조(60)의 상측에는 상단부가 톱니 형상으로 이루어진 수로 구조물(62)이 설치된다. 수로 구조물(62)은 일정한 높이에 배치되어 침강분리조(60)의 수위가 이 높이에 다다르면 준설수가 수로 구조물(62)을 통해 후술할 메인처리조(90)로 이송된다. 수로 구조물(62)의 상단의 톱니부(63)는 부유물을 걸러주기 위한 것이다.

또한, 침강분리조(60)의 하단에는 대차(65)가 설치된다. 대차(65)는 침강분리조(60)의 바닥 폭과 대응되는 길이의 막대 형상으로 이루어져 침강분리조(60)의 바닥에서 왕복이동 가능하다. 대차(65)는 침강분리조(60)의 바닥에 침전된 침강물을 침강분리조(60) 하부의 토출구(미도시)로 밀어서 파이프라인(미도시)을 통해 후술할 메인탈수기(80)로 이송시킨다. 침강분리조(60)에서 침전된 침강물은 점토, 실트, 오염물이 주를 이루며, 메인탈수기(80)에서 탈수 및 입도분리된다.

메인탈수기(80)는 침강분리조(60)에서 침전된 침강물을 탈수하는 작용과 함께 다시 입도분리를 수행한다. 메인탈수기(80)의 실제 사진이 도 9에 도시되어 있다. 메인탈수기(80)는 다단 싸이클론기로 이루어지는 점에서 상기한 싸이클론 장치(30)와 동일하다. 그러나, 메인탈수기(80)에서는 3개의 싸이클론기를 하나의 유닛으로 구성하여 상기한 싸이클론 장치(30)에 비하여 보다 세밀하게 토양 입자를 분리한다. 첫 번째 배치된 제1싸이클론기(81)에서는 입도 0.074mm 이하의 입자들을 분리하며, 두 번째 배치된 제2싸이클론기(82)에서는 제1싸이클론기(81)로부터 이송된 입자들 중 입도 0.03mm 이하의 입자들을 분리하고, 마지막으로 배치된 제3싸이클론기(83)에서는 0.01mm 이하의 입자들을 분리한다.

메인탈수기(80)의 각 싸이클론기 하부에는 스크린(미도시)이 배치되는데, 이 스크린은 0.01mm 이하의 입자는 통과시키는 메쉬망으로 이루어지며, 스크린을 통과한 토양입자들은 회송파이프를 통해 다시 싸이클론기에서 입도분리된다.

상기한 바와 같이 메인탈수기에서는 미세토를 0.01mm이하, 0.03mm 이하, 그리고 0.03~0.075mm의 3 그룹으로 입도분리한다. 그리고 미세토는 후술할 고화처리 시스템(600)을 통해 고화제와 혼합하여 농업용 또는 토목용 토양으로 재활용할 수 있다. 다만, 재활용하고자 하는 용도에 따라 입도별로 분리된 그룹에서 특정 그룹만을 재활용하거나, 이들을 모두 혼합하여 사용할 수도 있다.

본 발명은 입도별로 분리된 미세토들을 고화처리하는 것을 기본 구성으로 하므로, 상기한 바와 같이 메인탈수기를 거친 후에는 고화처리 시스템(600)에서 토양으로서 개질시킨다. 고화처리 시스템(600)은 정화처리 시스템(700)에 대한 설명을 완료한 후 다시 설명하기로 한다.

메인탈수기에서 입도 0.01mm 이하로 분류된 미세토는 그 자체로서 오염원일 가능성이 많으며, 토양 입자에 매우 미세한 사이즈의 오염물질이 부착되어 있는 경우로 간주할 수 있다. 이에 본 발명에서는 0.01mm 이하의 미세토로 분류된 그룹에 대해서는 폐기처분할 수 있도록 별도의 구성을 구비하고 있다. 지금부터 설명하는 메인처리조 이하의 구성은 본 발명에서 0.01mm 이하의 미세토를 오염원으로 간주한 경우의 부가적인 처리를 위한 것이다.

메인처리조(90)에는 준설수(상등수)와 침전되지 않은 미세토가 침강분리조(60)로부터 유입되며, 0.01mm 이하의 입도로 분류된 미세토가 메인탈수기(80)로부터 유입된다. 메인처리조(90)는 응집제 탱크(42)로부터 응집제를 공급받아 준설수 내에서 부유하는 미세 토양입자, 유기물, 유류 등의 오염물을 응집시키는 응집조로 작용한다.

다만, 상기한 바와 같이, 중금속이나 유류, 유기물로 오염되지 않은 일반 미세토의 경우 보조처리조(40)에서 응집 공정을 수행하였으므로, 메인처리조(90)에서 응집 공정을 수행하지 않을 수도 있으며, 반복적으로 실시할 수도 있다. 그러나 유류나 중금속으로 오염된 미세토의 경우는 보조처리조(40)에서 응집 공정을 수행하지 않았으므로, 메인처리조(90)에서 수행한다.

메인처리조(90)에는 보조처리조(40)와 마찬가지로 교반기(91)가 설치되어 미세토와 응집제가 골고루 교반될 수 있도록 회전한다. 응집제에 의해 미세 토양입자와 오염물질들은 응집된다. 그러나, 메인처리조(90)에서는 계속 교반기가 작동되며, 오랜 시간을 체류하지 않으므로 응집된 입자들이 침전되지 않고 후술할 부상분리조(100)로 이송된다.

부상분리조(100, 도 10 참조)는 메인처리조(90)에서 응집된 미세입자들(주로 유기물이나 유류 오염물)을 기포를 이용하여 부상시킨 후 제거하기 위한 것이다. 이를 위하여 부상분리조(100)에는 제1기포발생기(101)가 연결된다. 제1기포발생기(101)는 상술한 제2기포발생기(41)와 마찬가지로 0.0003~0.001mm의 마이크로 기포를 발생시켜 부상분리조(100)로 공급한다.

마이크로 기포는 응집된 미세입자들에 부착되어 이들을 수면으로 부상시키는 역할(이른바 '기포연행작용')을 수행한다. 또한, 상기한 바와 같이, 자기압괴현상을 이용하여 미세토에서 오염물질을 분리하는 역할도 수행한다.

마이크로 기포에 의하여 부상분리조(100)의 수면으로 부상한 오염물 및 미세입자를 제거하기 위하여 부상분리조(100)의 상측에는 스키머(102)가 설치된다. 스키머(102)는 부상분리조(100)의 폭방향을 따라 길게 바 형상으로 이루어지며, 부상분리조(100)의 수면 부근에 배치되어 왕복이동 가능하다. 스키머(102)는 왕복이동을 통해 부상분리조(100)의 수면으로 부상한 오염물질을 슬러지 호퍼(미도시)로 밀어 넣어 제거한다.

슬러지 호퍼는 원심분리탈수기(70)와 연결된다. 원심분리탈수기(70)는 회전하면서 원심력을 이용하여 오염물질을 탈수한다. 탈수된 오염물질은 30~40%의 함수율을 지니며 슬러지 케익으로 형성되어 육상으로 운반되어 폐기된다.

부상분리조(100)에서 배출된 준설수는 필터유닛(110, 도 12)를 통해 최종적으로 여과되며, 선박(800)에 마련된 배출구(미도시)를 통해 바다나 하천으로 원위치된다. 본 발명에서 필터유닛으로는 복수의 샌드필터가 사용된다. 샌드필터(110)는 하우징 내부에 모래 등 여과물질이 충전되어 있으며, 준설수는 가압되어 샌드필터 내의 모래를 통과하면서 필터링된다.

최종 배출되는 준설수에는 중금속, 유류 및 유기물이 대부분 제거된 상태이므로 환경법규에서 요구하는 수질 수준을 만족한다.

한편, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이, 물리적, 화학적 정화처리를 통해 중금속, 유기물, 유류를 제거하지만, 정화처리를 보다 완벽하게 수행하기 위하여 생물학적 처리 공정을 추가할 수 있다.

또한, 생물학적 처리를 도입하는 경우 큰 장점은 육상으로 운반하여 매립할 폐기물의 양을 줄일 수 있다는 점이다. 생물학적 처리에서는 미생물이 유기물을 에너지원으로 소화하기 때문에 폐기물 양을 줄일 수 있다.

본 실시예에서 생물학적 처리는 보조처리조(40) 또는 메인처리조(90)에서 수행할 수 있다. 즉, 미생물이 포함되어 있는 처리액을 보조처리조(40) 또는 메인처리조(90)에 공급함으로써 유기물을 제거할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 미생물 처리액 탱크(미도시)를 별도로 설치하지 않고, 선박(800)의 밸라스트 탱크를 이용할 수 있다. 즉, 밸라스트 탱크에 담겨져 있는 해수에 미생물 처리액을 혼합하여 공급할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 부가적 공정을 거침으로써 준설토에 대한 정화처리는 종료된다.

이제 본 발명의 중요한 특징 중 하나로서 미세토를 재활용하기 위한 고화처리 시스템(600)에 대하여 설명한다. 고화처리 시스템(600)은 메인탈수기(80)의 후단에 배치되어 메인탈수기(80)로부터 배출된 미세토(입도 0.03~0.075mm, 또는 입도 0.01~0.075mm)에 고화제를 혼합하여 미세토 내 잔존하는 중금속을 고정화시키고 미세토의 강도를 증진시킨다.

본 발명에서 고화제는 2가지 기능을 충족해야 한다. 첫 째, 중금속을 안정화시키는 것이다. 즉, 준설토에 대하여 정화처리를 수행했다고 하여도, 미세토에는 입자 사이즈가 매우 작은 중금속이 포함되어 있을 가능성을 배제할 수 없으므로, 중금속을 안정화시켜야 한다. 여기서 안정화라는 것은 중금속 자체를 제거한다는 의미는 아니며, 미세토를 농업용 토목용 등으로 사용하였을 때 우수나 지하수와 만나 용출되어 이동되는 것을 방지한다는 측면이다. 이를 위해서는 고화된 미세토의 pH가 높아야 하며, 토양이 고결화되어야 한다. 두 번째 기능은 토양의 강도가 용도에 따라 일정 수준 이상으로 높게 발현되어야 한다는 점이다. 특히 도로의 기층제나 성토용으로 사용되는 경우 토양의 밀도와 강도는 중요한 요소이다.

이러한 기능을 충족하는 고화제는 다양할 수 있다. 예컨대, Ca계 고화제에 pH조절제를 포함하여 사용할 수 있으며, 이온치환제와 유기물 보강제 및 삼투압 조절제를 더 포함할 수도 있다. pH조절제는 고화제와 미세토가 혼합된 개량 토양의 용도에 따라 pH를 조절하기 위한 것이다. 고화제의 성분들은 일반적으로 알카리성을 띠므로 산성을 내는 물질을 추가적으로 공급할 수 있다. 유기물 보강제는 특히 개량 토양이 농업용으로 사용될 때 유용하다. 또는 유기물이 개량 토양에 포함되어 있으면 미생물이나 박테리아가 서식할 수 있는 조건을 부여하는데, 황산염을 환원시키는 미생물 이나 오염원을 고정화시킬 수 있는 미생물이 서식할 수 있는 조건을 제공할 수 있다. 이온치환제는 고화제의 성분들 사이에서 이온이 상호 교환되면서 pH를 조절하거나 결합력을 상승시키는데 활용될 수 있다.

본 발명에서는 다양한 고화제에 대한 연구 및 실험결과를 토대로, 기능과 경제성을 고려하여 석회석과 플라이애쉬 및 고로슬래그를 혼합한 고화제를 사용하기로 결정하였다. 배합비율은 고화제 전체에서 석회석 5~15 중량%, 플라이애쉬 5~15 중량%, 고로슬래그 70~90 중량% 범위이다. 그리고 미세토의 중량 대비 고화제는 25~35%의 비율로 혼합하며, 미세토는 함수율 60~80%의 범위로 사용한다. 가장 바람직하게는 석회석 및 플라이애쉬 각 10%, 고로슬래그 80%의 중량비율로 혼합한 후, 함수율 70%의 미세토에 혼합하되, 고화제는 미세토 중량 대비 30%의 비율을 유지하는 것이다.

이하에서는 본 발명에서 상기한 조성과 배합비율을 가지는 고화제를 선택하게 된 배경에 대하여 설명하기로 한다.

- 실험 1 : 고화제의 선정

본 발명에서는 아래의 표와 같이 고화제로서 7가지 시료에 대하여 각각 실험1을 수행하였다.

[표 1]

위 표 1에서 PC는 포틀랜드 시멘트, Lime은 석회석, Fly ash는 플라이애쉬, BFS는 고로슬래그를 의미한다.

실험은 각 시료를 미세토 대비 30중량%로 혼합한 후, 7일, 14일 및 28일 재령에서의 압축강도를 측정하였다. 그리고 미세토의 함수율은 0.9와 0.47 2가지로 조정하였다. 도 13의 그래프에 나타난 바와 같이, 준설 후 미세토의 함수율은 90%를 상회하고, 건조를 시키는 경우에도 표면 부분을 제외하고는 함수율이 47% 이하로 낮아지지 않는다. 이에 실제 준설 조건을 고려하여 두 가지 함수율에 대하여 실험을 수행하였다. 결과는 도 14의 그래프에 나타나 있다.

PC만 단독으로 사용한 경우가 가장 우수한 성능을 보였고, 7일 강도는 1,672 kN/m², 14일 강도는 2,884 kN/m², 28일 강도는 3,312 kN/m²으로 나타났다. BFS-PC 고화제의 경우 PC와 유사한 강도를 보였으며, 7일 강도는 1,827 kN/m², 14일 강도는 2,778 kN/m², 3,102 kN/m²로 나타났다.

FA-BFS-PC 고화제의 경우도 비교적 우수한 성능을 보였다. 7일 강도는 1,238 kN/m², 14일 강도는 2,218 kN/m², 28일 강도는 2,751 kN/m²으로 나타났다. FA-PC 고화제의 경우 PC 대비 50% 정도의 성능을 보이는 것으로 나타났고 7일 강도는 881 kN/m², 14일 강도는 1,218 kN/m², 28일 강도는 1,520 kN/m²을 보였다. 경제성을 고려하여 lime, fly ash, 고로슬래그를 혼합하여 제조한 고화제의 경우 상대적으로 낮은 강도를 보였으나 매립지 복토재 기준인 500 kN/m²은 초과하는 것으로 나타났다. 우선 lime-FA-BFS_1 고화제의 경우 7일 강도가 780 kN/m², 14일 강도가 930 kN/m², 28일 강도가 1,201 kN/m²으로 나타났다. Lime-FA-BFS_2 고화제의 경우도 비슷한 강도를 보였다. Lime-PC 고화제의 PC와 혼합한 고화제 중 가장 낮은 강도를 보였으며, 이는 lime과 PC가 한정된 물을 서로 공유하기 때문에 PC가 충분한 수화반응을 할 수 없는 조건이 형성되었기 때문으로 판단된다. 측정결과는 7일 강도가 510 kN/m², 14일 강도가 881 kN/m², 28일 강도가 1,101 kN/m²으로 나타났다.

전반적으로 매립지 복토용으로 활용할 수 있는 기준을 초과하는 성능을 보였으며, 기존의 대표적인 고화제인 PC와 산업부산물인 fly ash, 고로슬래그를 혼합한 경우 상대적으로 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 산업부산물의 재이용과 경제성을 고려한다면 lime, fly ash, 고로슬래그를 혼합한 고화제의 성능도 우수한 성능을 보이기 때문에 lime-FA-BFS_1 고화제와 lime-FA-BFS_2 고화제를 우수 고화제로 선정하여 고화기술을 최적화 하는 실험을 추가적으로 수행하였다.

- 실험 2 : 함수비와 고화제 주입량의 최적화

두 번째 실험에서는 미세토 함수비의 최적화를 위한 것이다. 미세토 500g을 대상으로 고화제의 주입량과 미세토의 함수율을 변화시켜 실험하였다. 고화제 주입량은 미세토 중량 대비 10, 20, 30%의 비율로 변화시켜 보았으며, 미세토의 함수율은 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9로 변화시켰다. 그리고 7일, 14일, 28일 재령에서의 압축강도를 측정하였다.

미세토에서 200번체를 통과한 silt, clay 부분만 체질을 통해 분리하여 실험에 사용하였다. 고화제를 이용한 강도향상에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 고화제 주입량과 함수비이다.

함수비를 0.3과 0.4로 조절하여 개발한 고화제를 미세토 무게대비 10%, 20%, 30% 주입한 결과 수분이 너무 부족하여 수화반응이 발생하지 않는 현상을 보였다. 함수비가 0.5인 경우에는 초기에 수화반응이 발생할 정도의 수분은 있었으나 충분한 수화반응을 하기에는 무리가 있을 것으로 판단되었다.

함수비가 0.6과 0.7인 경우에는 수화반응이 충분이 발생할 수 있는 형상학적 조건을 가지고 있었다. 이 경우에는 강도 측정을 위해 성형을 한다고 해도 우수한 공시체가 만들어 질 수 있을 것으로 판단되어 최적의 강도를 발휘할 수 있을 것으로 판단되었다.

함수비가 0.8, 0.9로 높은 경우에는 고화제 주입량이 10%와 20%인 경우 높은 함수비로 인해 공시체 제작을 위한 성형이 불가능하였고, 주입량이 30%인 경우에는 성형은 가능하나 초기 강도가 상당히 낮을 것으로 판단되었다.

혼합실험에서 우수한 것으로 평가된 함수비 0.6과 0.7인 경우 중 추가적으로 성형실험을 수행하였다. 혼합실험에서 우수한 것으로 평가된 함수비 0.6과 0.7인 경우 중 최적의 강도 발현 조건을 도출하기 위해 7일, 14일, 28일 강도를 측정하여 도 15a 내지 도 15g에 나타냈다. 결과 그래프를 참고하면, 함수비를 0.6으로 조정하고 미세토 무게 대비 고화제를 10% 첨가하여 처리한 결과이다. 3일 강도는 대조군으로 사용한 PC가 월등히 높은 강도를 보였으며, lime-FA-BFS_1와 lime-FA-BFS_2 고화제는 7일 이후 강도가 향상되지 않는 현상을 보였다. 28일 강도만 비교해볼 경우 PC는 1,430 kN/m² 이었고 lime-FA-BFS_1 고화제는 294 kN/m², lime-FA-BFS_2 고화제는 196 kN/m²로 나타났다. 주입량을 20%로 증가 시킨 그림 37 의 경우 lime-FA-BFS_1, lime-FA-BFS_2 고화제는 2배 이상 높은 강도를 보였고 28일 동안 지속적으로 강도가 증가하는 경향을 보였다. 28일 강도만 비교해 볼 경우 PC는 1,821 kN/m², lime-FA-BFS_1은 1,059 kN/m², lime-FA-BFS_2는 812 kN/m²으로 나타났다. 고화제를 30% 주입한 그림 31 의 경우 PC와 큰 강도 차이를 보이지 않았다. 28일 강도를 비교할 경우 PC는 2,010 kN/m², lime-FA-BFS_1은 1,652 kN/m², lime-FA-BFS_2는 1,584 kN/m²로 나타났다. 전반적으로 lime-FA-BFS_1 고화제가 lime-FA-BFS_2 고화제 보다 우수한 성능을 보였다.

함수비를 0.7로 조정하고 미세토를 무게대비 10%, 20%, 30% 첨가하여 처리한 그림 35~37의 경우 함수비를 0.6으로 조절한 경우보다 lime-FA-BFS_1과 lime-FA-BFS_2 고화제의 압축강도가 다소 향상되는 결과를 보였다. 반면 대조군으로 사용한 PC의 경우 강도가 감소한 것으로 나타났다.

결과적으로 함수비 0.6인 조건보다는 0.7이 최적의 강도를 나타내는 조건으로 판단된다. 보다 상세히 살펴보면 그림 35의 경우 lime-FA-BFS_1, lime-FA-BFS_2 고화제의 경우 함수비 0.6으로 실험한 조건과 거의 유사한 경향을 보였고, 양생 14일 이후 강도가 향상되지 않는 현상을 보였다. 28일 강도를 비교해볼 경우 PC는 1,067 kN/m², lime-FA-BFS_1은 486 kN/m², lime-FA-BFS_2는 225 kN/m²로 나타났다. 고화제 주입량을 20%로 증가시킨 경우 지속적으로 강도가 향상되는 결과를 보였으며, 28일 강도를 비교해보면 PC는 1,657 kN/m², lime-FA-BFS_1은 1,235 kN/m², lime-FA-BFS_2는 987 kN/m²로 나타났다. 고화제를 30% 주입한 경우 28일 강도가 PC와 거의 동일한 강도를 보였다. PC의 28일 강도는 1,673 kN/m², lime-FA-BFS_1은 1,860 kN/m², lime-FA-BFS_2는 1,741 kN/m²로 나타났다. 전반적으로 미세토만 선별하여 고화실험을 수행한 결과 PC의 강도보다 감소하는 것으로 나타났고, lime-FA-BFS_1과 lime-FA-BFS_2 고화제는 오히려 강도가 증가하는 현상을 보였다.

이러한 원인은 미세토만 사용한 경우 공극이 작아지기 때문에 PC의 경우 공극 사이에서 반응할 수 있는 공간이 상대적으로 작아져 강도가 감소된 것으로 판단되며, lime-FA-BFS 고화제의 경우 미세토만 사용하였기 때문에 이전 보다 성형특성이 향상되었고 고화제와 미세토 사이가 상대적으로 가까워져 결합력 약한 단점이 보완되었기 때문에 강도가 향상된 것으로 판단된다. 결과적으로 고화를 위한 최적의 조건은 미세토에 lime-FA-BFS_1 고화제 30% 주입하고 함수비를 0.7로 한 경우인 것으로 판단된다.

- 실험 3 : 중금속 용출 실험

상기한 바와 같이, 토양의 압축강도 및 고결화 정도에 대한 실험을 토대로 고화제의 조성과 미세토의 함수율 및 고화제의 주입량을 결정하였는 바, 고화제의 또 다른 중요한 요소인 중금속 안정화 성능에 대한 실험을 PC를 대조군으로 하여 진행하였다.

lime-FA-BFS_1 고화제를 이용하여 중금속(Zn, Ni, Cd, Cu, Pb) 농도가 2,000 mg/kg이 되도록 조정한 미세토 처리하여 28일 동안 양생시킨 후 TCLP를 이용하여 용출되는 중금속 농도를 도 16a 내지 도 16e의 그래프에 나타내었다. TCLP결과를 비교할 경우 통상적으로 mg/L의 단위를 많이 사용하나 본 연구에서는 용출농도의 비교를 위해 mg/kg으로 단위를 변환하여 나타내었다. TCLP를 이용하여 용출된 중금속은 시료의 pH가 10이상으로 높기 때문에 pH 2.88인 fluid를 이용하였다.

용출된 농도를 항목별로 살펴보면 도 16a의 그래프에 나타난 Cd의 경우 lime-FA-BFS_1 고화제의 용출 저감능은 약 83.9%로 PC의 85.5% 보다 다소 낮은 것으로 나타났으며, 28일 후 추출된 농도는 322.5 mg/kg과 290.2 mg/kg으로 각각 나타났다. 도 16b에 표시된 Cu의 경우 용출 저감능은 lime-FA-BFS_1 고화제는 85.6%, PC는 84.0%로 나타났고 28일 후 추출된 농도는 287.4 mg/kg, 320.3 mg/kg으로 각각 나타났다. 도 16c 그래프에 나타난 Ni의 경우 용출저감능은 lime-FA-BFS_1가 82.3%로 PC의 80.3%보다 다소 높았다. 28일 후 용출된 농도는 lime-FA-BFS_1가 354.1 mg/kg 이었으며, PC는 394.2 mg/kg 이었다. Zn의 용출 저감능은 도 16d와 같으며, lime-FA-BFS_1는 87.7%, PC는 88.5%의 저감능을 보였다. 28일 후 용출된 농도는 245.5 mg/kg과 230.3 mg/kg으로 각각 나타났다. Pb는 도 16e의 그래프와 같다. PC의 저감능이 80.0%로 lime-FA-BFS_1 75.3%보다 높았고 28일 후 추출된 농도는 PC가 421.5 mg/kg, lime-FA-BFS_1는 494.2 mg/kg으로 나타났다.

평균적인 중금속 용출 저감능은 lime-FA-BFS_1가 82.9% 였고, PC는 83.4%로 상당히 유사한 성능을 보였다. 비록 Pb과 Cd의 TCLP경우 기준농도는 5 mg/L (100 mg/kg)과 1 mg/L (20 mg/kg)을 초과하긴 했지만 일반적인 오염 해양 준설토의 중금속 농도를 고려한다면 본 발명에서 이용하는 고화제를 이용하여 기준치 이하로 중금속을 충분히 안정화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

한편, 본 발명에서 사용하는 lime-FA-BFS 고화제가 우수한 성능을 발휘한 원인을 파악하기 위해 XRD를 이용하여 미세토 처리 28일 후 생성물질 분석을 실시하였고 결과를 도 17의 그래프에 나타냈다.

Lime-FA-BFS_1 고화제는 PC에서 발견되는 수화반응의 부산물인 CSH, CASH, gympsum과 같은 물질이 발견되었다. 이러한 물질은 lime-FA-BFS_1 고화제에 포함되어 있는 CaO, SiO₂, Al₂O₃와 같은 물질들이 미세토에 포함되어 있는 SiO₂나 Al₂O₃와 아래 식(1)~(3)과 같은 포졸란 반응을 일으켜 생성된 것으로 판단되며, 이로 인해 일정 수준의 강도가 발현된 것으로 판단된다.

Ca(OH)₂ Ca²⁺ + 2OH^- 식(1)

Ca²⁺ + 2OH^- + SiO₂ CSH 식(2)

Ca²⁺ + 2OH^- + Al₂O₃+ SiO₂ CSAH 식(3)

Lime-FA-BFS_2 고화제의 경우 lime-FA-BFS_1의 경우 보다 생성된 부산물이 상대적으로 적었으며, CSH와 CSAH와 같이 강도를 발현할 수 있는 부산물의 intensity도 낮은 것으로 나타나 생성물질도 적은 것으로 판단되었다. 이러한 원인으로 인하여 lime-FA-BFS_2 고화제가 lime-FA-BFS_1 고화제 보다 다소 낮은 강도를 보이는 것으로 판단되었다.

또한 미세토와 고화제를 혼합, 양생한 후 SEM 분석을 실시하였다. 도 18의 사진은 원재료인 lime, fly ash, 고로슬래그를 SEM을 통해 촬영한 것이며, 도 19는 lime-FA-BFS_1 고화제와 미세토를 혼합한 시료의 SEM 사진이다. 각 재료의 형상학적 특성을 파악한 후 기 보고된 자료들과 비교하면서 해석하여 도 19의 사진에 나타냈다.

도 19의 SEM 사진에서도 XRD 분석에서도 파악되었던 것과 마찬가지로 CSH를 발견할 수 있었고 추가적으로 ettringite, portlandite, calcite로 추정되는 물질도 발견할 수 있었다. 도 20의 SEM 사진은 lime-FA-BFS_2 고화제를 이용하여 미세토를 처리한 결과이다. CSH와 같이 강도를 향상시킬 수 있는 부산물은 발견하기가 어려웠으며, lime의 수화반응물인 portlandite는 확인할 수 있었다. 그리고 아직 반응에 완전히 참여하지 못하고 분해 중인 fly ash가 발견되어 lime-FA-BFS_1 고화제 보다 강도가 다소 낮았던 원인으로 해석되었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 라임과 플라이애쉬 및 고로슬래그로 이루어진 고화제를 함수율 70%의 미세토의 중량 대비 70%의 비율로 혼합하였을 때, 토양의 강도 및 중금속 용출 저하능이 우수함을 확인하였다.

이에 해양, 하천 및 호소에서 준설한 토양을 본 발명에 따른 정화시스템을 이용하여 정화처리한 후, 고화제를 혼합하는 경우 토목용 또는 농업용으로 토양을 재활용할 수 있을 것이다.

본 발명에서 고화처리 시스템은 본 연구진에 의하여 고안된 교반장치(도 21의 사진, 특허공개 제10-2014-0000553호)를 사용할 수 있다. 고화처리 시스템에서 중요한 사항은 고화제와 미세토가 고르게 혼합되어야 한다는 점이다. 본 발명에서 사용하는 교반장치는 미세토를 투입하는 호퍼와, 투입된 미세토를 이송시키는 스크류를 포함한다. 무엇보다도 도 22에 도시된 사진에 나타난 바와 같이 뭉쳐 있는 미세토를 타격하여 미세토가 서로 분리될 수 있도록 하는 분쇄유닛을 구비한다. 분쇄유닛을 통해 서로 분리된 미세토는 도 23의 사진에 도시된 바와 같은 교반유닛에서 고화제와 함께 교반 및 혼합된다. 교반유닛은 복수의 날개가 서로 다른 각도로 설치되어 미세토와 고화제가 충분히 혼합될 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선박에 정화처리시스템을 탑재하여 해양이나 하천에서 오염토를 준설하여 즉시 정화처리할 수 있으며, 기존에 폐기대상이었던 미세토를 고화처리하여 토목용 또는 농업용 토양으로 재활용할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 선박에 탑재되어 현장에서 직접 수행되므로 준설수는 다시 원위치로 복원할 수 있어 물류의 부담이 발생하지 않으므로 경제적이라는 장점이 있다.

또한 해양이나 하천의 퇴적 오염물은 중금속, 유기물, 유류 등에 의하여 복합적으로 오염되어 있지만, 본 정화처리시스템에서는 다양한 오염원을 모두 처리할 수 있다는 이점이 있다.

10 ... 3상 드럼 스크린 20 ... 제1자력분리기
30 ...(다단)싸이클론 장치 40 ... 보조처리조
50 ... 제2자력분리기 60 ... 침강분리조
70 ... 원심분리 탈수기 80 ... 메인탈수기(다단 싸이클론기)
90 ... 메인처리조 100 ... 부상분리조
110 ... 샌드필터 800 ... 선박
700 ... 정화처리시스템 900... 오염토 현장 처리용 정화선

Claims (10)

1. 준설선과 연결되어 준설토 및 준설수가 유입되며, 상기 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 선별유닛과,
   상기 선별유닛에서 선별된 어느 한 그룹의 준설토 및 준설수가 유입되며, 자석을 이용하여 상기 준설토 내에 포함된 자성 물질을 일차적으로 분리하기 위한 제1자력분리기와,
   상기 제1자력분리기에서 상기 자석에 부착되지 않은 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 싸이클론장치와,
   상기 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수가 유입되며, 상기 제1자력분리기에서 분리되지 않은 자성 물질을 부착시켜 분리하는 제2자력분리기와,
   상기 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수 또는 상기 제2자력분리기에서 자성이 없는 것으로 분리된 준설토가 유입되어 일시적으로 수용되어 무거운 입자들을 침전시키는 침강분리조 및
   상기 침강분리조에서 침강된 침강물을 공급받아 탈수하여 미세토를 배출하는 메인탈수기를 구비하는 정화처리시스템; 및
   상기 정화처리시스템으로부터 배출된 미세토에 고화제를 투입 및 혼합하여 산업용 또는 농업용 토양으로 개량하는 고화처리시스템;을 구비하며,
   상기 미세토는 함수율 60~80%의 범위이며,
   상기 고화제는 미세토의 중량 대비 25~35%의 비율로 혼합하고,
   상기 고화제에서 석회석은 5~15 중량%, 플라이애쉬 5~15 중량%, 고로슬래그 70~90 중량%의 범위로 배합하며,
   상기 고화제는 pH조절제, 이온 치환제, 유기물 보강제 및 삼투압 조절제 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 준설토 정화 및 고화 처리시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 미세토의 입도는 0.075mm 이하인 것을 특징으로 하는 준설토 정화 및 고화 처리시스템.
10. 바다(연안) 또는 하천(호소,저수지)에서 준설시 준설토와 함께 흡입된 준설수를 수용하도록 갑판 상에 수용조가 형성되며, 상기 준설수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 선박;
    상기 준설토 및 준설수를 정화처리하고, 처리된 준설수를 상기 선박의 배출구로 배출시키기 위하여 정화처리시스템; 및
    상기 정화처리시스템으로부터 분리된 미세토를 고화처리하기 위한 고화처리시스템:을 구비하며,
    상기 정화처리시스템 및 고화처리시스템은 청구항 1 또는 청구항 9에 기재된 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 준설토 정화 및 고화 처리시스템을 탑재한 정화용 선박.

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