KR102173018B1 - 화력발전소 부산물을 이용한 슬러지 고화제 조성물 - Google Patents

화력발전소 부산물을 이용한 슬러지 고화제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은, CaO의 함량이 30중량% 이상이고 비표면적이 2,500cm2/g 이상인 제1 알칼리 성분 40~60중량%; SiO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 제2 알칼리 성분 10~30중량%; CaO의 함량이 70중량% 이상인 제3 알칼리 성분 5~20중량%; 및 화력발전소 플라이애시 10~30중량%;를 포함하는 슬러지 고화제 조성물을 제공한다.

Description

화력발전소 부산물을 이용한 슬러지 고화제 조성물{ALKALINE COMPOSITION FOR SOLIDIFYING SLUDGE USING BY-PRODUCT OF THERMAL POWER PLANT}
본 발명은 화력발전소 부산물을 이용한 슬러지 고화제 조성물에 관한 것이다.
국내 하수슬러지는 국민들의 생활 수준 및 제반 여건의 향상으로 그 발생량이 2007년 7,631톤/일에서 2011년에는 10,259톤/일로 급격히 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위해 정부는 각 시·도별로 하수슬러지 처리 시설을 설치하여처리 계획을 수립하고 있다.
하수슬러지는 복토재로 활용될 수 있으나, 일반적으로 스펀지형 구조를 이루고 있어 모세관력에 의한 수분 함유로 탈수가 매우 어렵다는 문제가 있고, 하수슬러지에 함유된 수분과 유기물이 병원균, 파리, 모기의 서식, 번식 환경을 제공하여 공중 보건 상 문제점이 유발될 가능성이 크고, 침출수에 의한 지하수 오염과 악취 등의 2차 오염 물질을 발생시킬 수 있다.
현재, 다수의 고화 처리 사업소에서 고화제를 사용하여 슬러지를 고화시킨 후 매립하고 있으나, 고화 처리물의 이송, 하차 시 고농도의 악취가 발생하고, 매립 후 시간이 경과할수록 고화 처리물이 슬러지화되어 2차 악취가 발생하는 문제가 있다. 또한, 종래의 고화제 조성물에 함유되는 pH 조절제로 황산 알루미늄과 같은 고가의 약품이 사용되기 때문에 경제성 측면에서도 불리하다.
특히, 한국등록특허 제10-1513647호는 제지 연소재 및 슬래그 파우더가 혼합된 1차 고화재와 생석회, 재생 제올라이트, 산성계 및 다공성 혼화재가 혼합된 2차 고화재를 병용하는 구성을 제공한다. 또한, 한국공개특허 제10-2015-0096362호는 제지 연소재, 목질계 바이오매스 연소 잔재물, 유동상 연소 잔재물을 포함하는 고화제를 제공한다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고화물의 함수율 및 암모니아계 악취를 현저히 저감시킬 수 있고, 환경 친화적이며 경제적으로 유리한 슬러지 고화제 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, CaO의 함량이 30중량% 이상이고 비표면적이 2,500cm2/g 이상인 제1 알칼리 성분 40~60중량%; SiO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 제2 알칼리 성분 10~30중량%; CaO의 함량이 70중량% 이상인 제3 알칼리 성분 5~20중량%; 및 화력발전소 플라이애시 10~30중량%;를 포함하는 슬러지 고화제 조성물을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 알칼리 성분은 소각로에서 발생하는 비산재를 집진한 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 알칼리 성분은 제지소각재, 열병합발전소 플라이애시, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 알칼리 성분은 무기성 오니 건조분, 활성탄, 규조토, 루미나이트, 실리카겔, 팽창 질석, 재생 제올라이트, 규사 분말 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 알칼리 성분은 생석회, 경소 돌로마이트, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 천연 광물질을 소성한 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 화력발전소 플라이애시 중 SiO2 및 Al2O3의 총 함량은 70중량% 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 화력발전소 플라이애시의 비표면적은 3,500cm2/g 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 화력발전소 플라이애시의 pH는 9~10일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제 조성물의 함수율은 0.10중량% 미만이고, CaO 함량은 33중량% 이하이고, 비표면적은 6000cm2/g 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제 조성물의 하기 식으로 계산되는 함수율 저감율이 -40% 이하일 수 있다.
<식>
함수율 저감율(%) = (고화물 함수율-슬러지 함수율)/(슬러지 함수율)*100.
본 발명의 일 측면에 따른 슬러지 고화제 조성물은 폐기물의 일종인 화력발전소 플라이애시를 포함하여 고화물의 암모니아계 악취를 현저히 저감시킬 수 있고, 환경 친화적이며 경제적으로 유리한 효과를 가진다.
또한, 상기 슬러지 고화제 조성물에 추가로 포함된 복수의 알칼리 성분은 수화 반응에 의한 발열 및 수분 흡수 작용으로 슬러지의 수분을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 슬러지 고화제 조성물로 처리, 고화된 슬러지를 매립장 복토재로 재활용할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 슬러지 고화제 조성물로 슬러지를 처리하여 매립장 복토재로 재활용하는 과정을 도식화한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면은, CaO의 함량이 30중량% 이상이고 비표면적이 2,500cm2/g 이상인 제1 알칼리 성분 40~60중량%; SiO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 제2 알칼리 성분 10~30중량%; CaO의 함량이 70중량% 이상인 제3 알칼리 성분 5~20중량%; 및 화력발전소 플라이애시 10~30중량%;를 포함하는 슬러지 고화제 조성물을 제공한다.
상기 제1 알칼리 성분은 소각로에서 발생하는 비산재를 집진한 것일 수 있고, 예를 들어, 제지소각재, 열병합발전소 플라이애시, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 슬러지 고화제 조성물 중 상기 제1 알칼리 성분의 함량은 40~60중량%, 바람직하게는, 55~60중량%일 수 있다. 상기 제1 알칼리 성분의 함량이 55중량% 미만이면 고화제 조성물의 함수율이 상대적으로 높아져 슬러지의 함수율 저감 성능이 저하될 수 있고, 상기 슬러지 고화제 조성물 중 CaO의 함량이 33중량%를 초과하여 암모니아 발생량이 증가하여 악취가 발생하거나 고화 처리물이 양생시설에 장기 체류 시 굳을 수 있어 생산성이 저하될 수 있다.
상기 제2 알칼리 성분은 무기성 오니 건조분, 활성탄, 규조토, 루미나이트, 실리카겔, 팽창 질석, 재생 제올라이트, 규사 분말 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 재생 제올라이트 및 규사 분말의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 슬러지 고화제 조성물 중 상기 제2 알칼리 성분의 함량은 10~30중량%, 바람직하게는, 20~30중량%, 더 바람직하게는, 24~30중량%일 수 있다. 상기 제2 알칼리 성분의 함량이 24중량% 미만이면 중금속 성분뿐만 아니라 중성계 가스 및 용제류의 냄새를 효과적으로 흡착할 수 없다.
상기 제3 알칼리 성분은 생석회, 경소 돌로마이트, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 천연 광물질, 바람직하게는, 생석회일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 화력발전소 플라이애시 중 SiO2 및 Al2O3의 총 함량은 70중량% 이상, 바람직하게는, 77중량% 이상일 수 있다. 상기 화력발전소 플라이애시는 화력발전소에서 부산물로 생산되는 것으로서, SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, 미연탄소분을 포함할 수 있다. 상기 화력발전소 플라이애쉬의 성분과 비표면적은 포졸란 반응에 대한 활성을 지배하는 중요인자이다. 구체적으로, 상기 화력발전소 플라이애시는 SiO2 45~60중량%, 바람직하게는, 56~60중량% 및 Al2O3 15~25중량%, 바람직하게는, 21~25중량%를 포함할 수 있고, 비표면적은 3,500cm2/g 이상, 바람직하게는, 4,000cm2/g 이상, 더 바람직하게는 4,500cm2/g 이상일 수 있으며, pH는 9~10일 수 있다. 예를 들어, 상기 화력발전소 플라이애시는 하기 표 1에 기재된 조성 및 물성을 가질 수 있다.
상기 슬러지 고화제 조성물 중 상기 화력발전소 플라이애시의 함량은 10~30중량%, 바람직하게는, 10~15중량%일 수 있다. 상기 화력발전소 플라이애시의 함량이 15중량% 초과이면 슬러지 고화제 조성물의 비표면적이 6,000cm2/g 미만으로 낮아져 함수율 및 악취 저감 성능이 저하될 수 있고, 고화제 조성물의 함수율이 0.1중량% 이상으로 높아져 슬러지의 함수율 저감 성능이 저하될 수 있다.
구분 단위 기준 플라이애시 1 플라이애시 2
SiO2 중량% 45 이상 55.5 56.3
CaO 중량% - 4.32 5.65
MgO 중량% - 1.76 1.98
Al2O3 중량% - 20.9 21.9
강열감량 % 5 이하 7.8 2.1
밀도 g/cm3 1.95 이상 2.03 2.15
수분 중량% 1 이하 0.15 0.06
비표면적(분말도) cm2/g 3,000 이상 3,860 4,500
상기 표 1을 참고하면, SiO2 56~60중량% 및 Al2O3 21~25중량%를 포함하고, 비표면적이 4,500cm2/g 이상인 플라이애시 2는 플라이애시 1에 비해 강열감량이 5% 이하이고, 수분 함량 또한 0.1중량% 이하로 나타나, 강열감량 및 슬러지 함수율 저감의 측면에서 유리한 효과를 가진다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예
제1 내지 제3 알칼리 성분 및 화력발전소 플라이애시를 하기 표 2의 비율로 혼합하여 슬러지 고화제 조성물을 제조하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3
제지소각재, 열병합발전소 플라이애시 52 52 55
재생 제올라이트, 규사 분말 17 22 24
생석회 6 6 6
화력발전소 플라이애시 25 20 15
(단위: 중량%)
실험예 1: 고화제 조성물의 특성
실시예 1~3에서 제조된 슬러지 고화제 조성물의 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 단위 실시예 1 실시예 2 실시예 3
함수율 중량% 0.10 0.04 0.09
CaO 중량% 35.2 33.3 31.75
비표면적(분말도) cm2/g 5,880 4,510 6,030
밀도 g/cm3 2.61 2.19 2.76
강열감량 % 6.69 6.44 7.25
실험예 2
하수슬러지 100중량부에 대해 실시예 1~3에서 제조된 슬러지 고화제 조성물 20중량부를 혼합한 후 제조된 고화물의 함수율 및 암모니아 농도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 또한, 함수율 저감율을 하기 식에 따라 계산하였다.
-함수율 저감율(%) = (고화물 함수율-슬러지 함수율)/(슬러지 함수율)*100
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3
슬러지 함수율(중량%) 80.27 80.13 79.8
고화물 함수율(중량%) 50.23 50.37 47.7
함수율 저감율(%) -37.42 -37.14 -40.23
암모니아 농도(ppm) 448 465 427
실험예 3
실시예 3에서 제조된 슬러지 고화제 조성물로 처리한 슬러지 고화물의 함수율, pH 등을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구분 단위 기준 실시예 3
함수율 중량% 50 이하 47.7
pH - 2.1~12.4 10.7
투수계수 cm/sec 10-3~10-7 8.27*10-7
일축압축강도 MPa 0.1 이상 0.114
실험예 4
실시예 3에서 제조된 슬러지 고화제 조성물로 처리한 슬러지 고화물의 폐기물 용출량을 분석하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
구분 단위 기준 실시예 3
Pb mg/L 3이하 불검출
Cu mg/L 3이하 1.924
Hg mg/L 0.005이하 불검출
As mg/L 1.5이하 불검출
Cd mg/L 0.3이하 불검출
Cr6+ mg/L 1.5이하 불검출
CN- mg/L 1이하 불검출
기름성분 % 5이하 불검출
실험예 5
실시예 3에서 제조된 슬러지 고화제 조성물로 처리한 슬러지 고화물의 토양 오염도를 분석하였고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
구분 단위 기준 실시예 3
Cd mg/kg 10 1.185
Cu mg/kg 500 164.5
As mg/kg 50 20.1
Hg mg/kg 10 0.545
Pb mg/kg 400 91.35
Cr6+ mg/kg 15 불검출
Zn mg/kg 600 264
Ni mg/kg 200 24.25
F- mg/kg 400 290
CN mg/kg 2 불검출
유기인화합물 mg/kg 10 불검출
PCBs mg/kg 4 불검출
페놀 mg/kg 4 불검출
벤젠 mg/kg 1 불검출
톨루엔 mg/kg 20 불검출
에틸벤젠 mg/kg 50 0.3
크실렌 mg/kg 15 1.3
TPH mg/kg 800 590
TCE mg/kg 8 불검출
PCE mg/kg 4 불검출
비교예 1
서남 하수슬러지 소각재 45중량%, 초본계 바이오매스와 유연탄이 함께 연소되어 발생한 바이오매스 연소재 20중량%, 건설 폐기물의 토사 세척시설에서 발생한 폐콘크리트 오니 건조물 34중량%, 및 시멘트 1중량%를 혼합하여 슬러지 고화제 조성물을 제조하였다.
비교예 2
구리 하수슬러지 소각재 25중량%, 규사 분말 10중량%, 제지 연소재 40중량%, 생석회 10중량%, 및 재생 제올라이트 15중량%를 혼합하여 슬러지 고화제 조성물을 제조하였다.
비교예 3
CaO 함량이 58%인 제지연소재 50중량%, CaO 함량이 8.1%인 바이오매스 연소재 20중량%, CaO 함량이 66%, SO3 27%인 탈황석고 10중량%, 및 화력발전소 플라이애시 20중량%를 혼합하여 슬러지 고화제 조성물을 제조하였다.
비교예 4
CaO 함량이 52%인 제지슬러지 소각재 40중량%, CaO 함량이 13%인 바이오매스 연소재 20중량%, CaO 함량이 33%인 유동상 연소재 20중량%, 화력발전소 플라이애시 20중량%를 혼합하여 고화제를 제조하였다.
실험예 6
하수슬러지 100중량부에 대해 실시예 3 및 비교예 1~4에서 제조된 슬러지 고화제 조성물 20중량부를 혼합한 후 제조된 고화물의 함수율을 측정하였고, 이로부터 하기 식을 이용하여 함수율 저감율을 계산하여 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
-함수율 저감율(%) = (고화물 함수율-슬러지 함수율)/(슬러지 함수율)*100
구분 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
함수율 저감율(%) -40.23 -25.66 -33.96 -33.42 -35.09
상기 표 8을 참고하면, 비교예 1~4의 고화제 조성물로 처리된 슬러지 고화물에서의 함수율 저감율은 약 -25%~-35%에 불과한 반면에, 실시예 3의 고화제 조성물로 처리된 슬러지 고화물에서의 함수율 저감율은 -40% 이하로 나타나, 실시예 3의 슬러지 고화제 조성물의 함수율 저감율이 효과가 약 5~15% 이상 향상되었고, 이를 통해, 실시예 3의 고화제 조성물이 높은 함량의 수분을 포함하는, 예를 들어, 함수율이 80% 이상인 하수슬러지의 고화 처리에 효과적으로 적용될 수 있음을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. CaO의 함량이 30중량% 이상이고 비표면적이 2,500cm2/g 이상인 제1 알칼리 성분 40~60중량%;
    SiO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 제2 알칼리 성분 10~30중량%;
    CaO의 함량이 70중량% 이상인 제3 알칼리 성분 5~20중량%; 및
    화력발전소 플라이애시 10~15중량%;를 포함하고,
    상기 화력발전소 플라이애시 중 SiO2 55.5~60중량% 및 Al2O3 20.9~25중량%를 포함하는, 슬러지 고화제 조성물이고,
    상기 슬러지 고화제 조성물의 함수율은 0.10중량% 미만이고, CaO 함량은 33중량% 이하이고, 비표면적은 6000cm2/g 이상인, 슬러지 고화제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 알칼리 성분은 소각로에서 발생하는 비산재를 집진한 것인, 슬러지 고화제 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 알칼리 성분은 제지소각재, 열병합발전소 플라이애시, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 슬러지 고화제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 알칼리 성분은 무기성 오니 건조분, 활성탄, 규조토, 루미나이트, 실리카겔, 팽창 질석, 재생 제올라이트, 규사 분말 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 슬러지 고화제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 알칼리 성분은 생석회, 경소 돌로마이트, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 천연 광물질을 소성한 것인, 슬러지 고화제 조성물.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화력발전소 플라이애시의 비표면적은 3,500cm2/g 이상인, 슬러지 고화제 조성물.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 슬러지 고화제 조성물의 하기 식으로 계산되는 함수율 저감율이 -40% 이하인, 슬러지 고화제 조성물:
    <식>
    함수율 저감율(%) = (고화물 함수율-슬러지 함수율)/(슬러지 함수율)*100.
KR1020180150613A 2017-12-29 2018-11-29 화력발전소 부산물을 이용한 슬러지 고화제 조성물 KR102173018B1 (ko)

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