KR102372282B1 - 혐기소화 유기성 슬러지를 재활용한 인공경량골재의 제조방법 - Google Patents

혐기소화 유기성 슬러지를 재활용한 인공경량골재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기소화 유기성 슬러지를 대량으로 재활용하는 인공경량골재 제조방법에 관한 것으로, 혐기소화 유기성 슬러지, 점토광물 및 혐기소화 탈수슬러지를 습식 혼합하여 수분함량을 50중량% 이하로 조절하고, 이를 성형, 건조 및 소성시켜, 유기물 함량이 낮아 연료로의 재활용이 제한되는 혐기소화 하수슬러지를 재활용하고, 내부의 발열로 경량골재를 소결시켜 열효율을 높이고, 소성온도를 낮춘 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

혐기소화 유기성 슬러지를 재활용한 인공경량골재의 제조방법{Method of Preparing Artificial Lightweight Aggregate by Recycling Anaerobic Digested Organic Sludge}
본 발명은 혐기소화 유기성 슬러지를 활용한 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혐기소화 유기성 슬러지, 점토광물 및 혐기소화 탈수슬러지를 습식 혼합하여 수분함량을 50중량% 이하로 조절하고, 이를 성형, 건조 및 소성하여 인공경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
폐수슬러지, 하수슬러지, 음식물 찌꺼기 등 다양한 종류의 유기성 슬러지가 발생하고 있으며 그 중 하수슬러지는 하수처리의 각 공정에서 집수된 슬러지로서 유기물 함량이 70~80%에 달하고, 생성된 슬러지의 함수율이 80%에 달하는 슬러지를 말한다. 우리나라는 2020년 기준 전국 4111개소의 하수처리장이 가동되고 있으며 탈수슬러지 기준으로 약 400만톤의 슬러지가 발생되고 있다.
주요 유기성 슬러지의 처리 방법으로는 매립, 소각, 고화, 탄화 등이 있고, 재활용 방법으로는 연료화, 퇴비화, 시멘트 원료 등의 방법으로 처리되고 있다. 현재 런던협약 발효와 매립지 부족 문제로 인하여 하수슬러지의 매립 가격이 급격하게 상승하는 추세이며 이로 인한 슬러지 감량화와 재활용의 필요성이 더욱 강화되고 있다. 대표적인 슬러지의 감량화 방법인 혐기성 소화 방법은 하수슬러지 내부에 존재하는 복잡한 유기물을 혐기성 미생물에 의해 분해시키는 방법으로. 대한민국 등록특허 제10-0599554호에는 고온 호기소화조와 중온 혐기소화조 및 전기분해조를 이용한 활성슬러지의 감량화 방법 및 그 장치가 개시되어 있다. 이 방법에 따라 부산물로 메탄과 이산화탄소들이 배출되어 슬러지의 유기물 함량이 감소되고, 전체적인 배출량이 줄어들게 된다.
그러나 유기물 함량이 감소된 혐기소화 하수슬러지의 경우 발전소의 연료나 시멘트의 원료로 재활용하기에 매우 낮은 열량을 가지고 있으며, 재활용을 위해서는 다량의 톱밥을 혼합하여 사용하여야 하기 때문에 낮은 경제성을 갖는다. 상기 기술은 대한민국 등록특허 제10-1753283호에 개시되어 있다.
혐기소화 유기성 슬러지의 퇴비화는 공정 체류시간이 60~120일가량 소요되기 때문에 넓은 부지면적, 악취, 수요처의 불안정성 등의 문제로 활성화되지 않고 있다. 때문에 혐기소화 하수슬러지는 건조 후 매립되고 있는 실정이다. 상기 기술은 대한민국 등록특허 제10-0924071호에 개시되어 있다.
한편, 하수슬러지를 활용하여 인공경량골재를 제조하는 기술은 다양한 특허가 출원되어 있고, 대한민국 등록특허 제10-0874887호에서는 유기성 슬러지를 점토와 혼합하여 표면에 탄화특성을 갖는 골재를 제조하는데, 이 때 원료 슬러지를 전량 건조시켜서 사용하기 때문에 높은 에너지 소비가 발생하는 문제점이 있다. 또한 대한민국 등록특허 제10-0769954호에서는 낮은 흡수율을 갖는 경량골재를 제조하기 위하여 슬러지를 사용하기 때문에 낮은 슬러지 재활용량을 갖고 1200~1350℃의 높은 소성온도를 갖는 특성 때문에 경제적으로 적합하지 않다는 문제점이 있다. 또한, 혐기소화 유기성 슬러지에는 인산칼슘이 높은 함량으로 포함되어 있기 때문에 시멘트원료로 사용시 제한되는 또 다른 이유가 된다. 그리고 인산칼슘 광물이 점토 등의 실리카와 반응 시 1050℃ 이상의 온도에서 액상화되어 경량골재 발포공정 중에 융착현상을 촉진시키기 때문에 높은 함량의 슬러지를 함유하는 인공경량골재는 1050℃ 이상의 온도에서는 융착현상이 발생하여 경량골재의 생산이 어렵다. 대한민국 등록특허 제10-0583763호에서는 하수슬러지를 탈수슬러지 상태로 재활용하지만 건조상태 기준으로는 30중량% 이내의 함량으로 제한되고, 대한민국 등록특허 제10-2264721호에서는 유기성 슬러지와 석재 슬러지를 혼합하여 인공경량골재를 제조하는데, 제조하는 과정에서 고가의 유기성 바인더를 첨가하여야 하기 때문에 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다.
그리고 이제까지 혐기소화된 하수슬러지를 활용하여 경량골재를 제조한 기술은 없는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 혐기소화 유기성 슬러지, 점토광물 및 혐기소화 탈수슬러지를 습식 혼합하여 수분함량을 50중량% 이하로 조절하고, 이를 성형, 건조 및 소성할 경우 유기물 함량이 낮아 연료로의 재활용이 제한되어 매립되고 있는 혐기소화 유기성 슬러지를 대량으로 재활용함과 동시에 인공경량골재의 제조 시 요구되는 높은 에너지 비용을 절약하고, 내부의 발열로 경량골재를 소결시켜 열효율을 높이고, 소성온도를 낮출 수 있으며, KS F 2527 경량골재의 표준에 적합한 인공경량골재를 제조할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 매립되고 있는 혐기소화 유기성 슬러지를 대량으로 재활용하고, 인공경량골재의 제조 시 발생하는 높은 에너지 비용을 절약하고, KS F 2527 경량골재의 표준에 적합한 인공경량골재를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 혐기소화 유기성 건조 슬러지 100중량부, 점토광물 43~900중량부, 혐기소화 탈수슬러지 88~800중량부를 습식 혼합하여 수분함량이 50중량% 이하로 조절된 혼합물을 수득하는 단계; (b) 상기 혼합물을 성형하고 건조하여 성형체를 수득하는 단계; 및 (c) 상기 성형체를 소성시키는 단계를 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 인공경량골재의 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
(1) 혐기소화 유기성 슬러지는 일반 폐활성화 슬러지보다 낮은 함량의 유기물을 갖고 있으며, 그렇기 때문에 경량골재로 제조 시 비교적 대량으로 재활용이 가능하다. 유기물 함량이 낮아 연료로의 재활용이 제한되는 혐기소화 하수슬러지를 재활용할 수 있다.
(2) 건조슬러지와 혐기소화 탈수슬러지를 혼합하여 사용함으로써 슬러지의 건조비용을 약 25% 절감시킨다.
(3) 골재 제조 공정에서 혐기소화 탈수슬러지의 사용으로 인하여 성형공정에 사용되는 공정수를 전량 대체할 수 있다.
(4) 내부의 발열로 경량골재를 소결시켜 열효율을 높이고 혐기소화 하수슬러지에 포함된 유기물에 의하여 소성온도를 100~150℃ 낮출 수 있어, 골재 소성 시 사용되는 연료비를 절감시킬 수 있다.
(5) 기존 기술로 제조된 경량골재는 발포를 위해서는 고가의 첨가재가 다량 필요하지만 본 발명에 의한 방법에는 첨가재가 필요 없으며 매우 단순한 배합으로 경량골재를 제조할 수 있기 때문에 매우 경제적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공경량골재의 제조과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 혐기소화 탈수슬러지를 사용하여 성형할 때 건조공정에서 건조되는 공정수의 양을 비교한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 슬러지와 일반 슬러지의 함량에 따른 골재의 단면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 혐기소화 하수슬러지로 제조된 5~15 ㎜ 직경의 골재의 사진이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에서는 혐기소화 유기성 슬러지, 점토광물 및 혐기소화 탈수슬러지를 습식 혼합하여 수분함량을 50중량% 이하로 조절하고, 이를 성형, 건조 및 소성할 경우 매립되고 있는 혐기소화 유기성 슬러지를 대량으로 재활용함과 동시에 인공경량골재의 제조 시 요구되는 높은 에너지 비용을 절약하고, KS F 2527 경량골재의 표준에 적합한 인공경량골재를 제조할 수 있는 것을 확인하였다
따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 혐기소화 유기성 슬러지 100중량부, 점토광물 43~900중량부, 혐기소화 탈수슬러지 88~800중량부를 습식 혼합하여 수분함량이 50중량% 이하로 조절된 혼합물을 수득하는 단계; (b) 상기 혼합물을 성형하고 건조하여 성형체를 수득하는 단계; 및 (c) 상기 성형체를 소성시키는 단계를 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 기술한다.
본 발명에 사용되는 용어, "폐수슬러지"는 산업폐수의 정화 및 집수과정에서 발생한 슬러지를 의미한다.
본 발명에 사용되는 용어, "하수슬러지"는 하수처리 과정에서 집수된 슬러지를 의미한다.
본 발명에 사용되는 용어, "유기성 슬러지"는 폐수슬러지와 하수슬러지, 음식물 쓰레기 등의 유기성분을 포함하고 있는 슬러지를 의미한다.
본 발명에 사용되는 용어, "폐활성화 슬러지"는 하수처리장에서 혐기소화 공정을 거치지 않고 배출된 슬러지를 의미한다.
본 발명에 사용되는 용어, "혐기소화 하수슬러지"는 하수처리장에서 혐기소화 공정을 거쳐서 배출된 슬러지를 의미한다.
본 발명에 사용되는 용어, "탈수슬러지"는 탈수과정을 마친 슬러지를 의미한다.
본 발명에 따른 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법은 (a) 혐기소화 유기성 슬러지 건조분말 100중량부, 점토광물 43~900중량부, 혐기소화 탈수슬러지 88~800중량부를 습식 혼합하여 수분함량이 50중량% 이하로 조절된 혼합물을 수득하는 단계; (b) 상기 혼합물을 성형하고 건조하여 성형체를 수득하는 단계; 및 (c) 상기 성형체를 소성시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 혐기소화 하수슬러지와 적점토를 이용한 경량골재 제조방법은 건조슬러지와 점토의 혼합, 분쇄 및 탈수슬러지를 혼합하는 원료혼합단계; 준비된 습식원료를 토련기를 통하여 실린더 형태로 성형하는 성형단계; 성형체를 100~600℃로 건조하는 건조단계; 건조체를 950~1050℃로 소성하여 무게감량에 의한 경량화에 도달하게 하는 소성단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계 후에 상기 성형체를 0.3~0.5 mm 직경의 모래로 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 점토광물은 벤토나이트, 제올라이트, 적점토, 백토 및 산성백토로 구성된 군에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계의 건조는 600℃ 이하의 온도, 바람직하게는 100~600℃의 온도에서 수행될 수 있다. 100℃ 미만의 온도에서 건조할 경우 건조속도가 느리기 때문에 공정시간이 현저하게 증가하는 문제점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계의 소성은 950~1050℃의 온도에서 수행될 수 있다. 950℃ 미만의 온도에서 소성하면 반응이 충분히 일어나지 않아 골재의 강도가 현저하게 낮아지는 문제점이 있고, 1050℃ 초과의 온도에서 소성하면 표면의 액상화로 인한 융착 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계 이후에 분쇄 공정을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계의 성형은 토련기를 이용하여 실린더 형태로 성형할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 혐기소화 유기성 슬러지 건조분말 100중량부, 점토광물 (벤토나이트 제올라이트, 적점토, 백토, 산성백토 등) 43~900중량부, 이를 혼합하기 위하여 수분을 첨가하는 대신 수분 80중량부의 혐기소화 탈수슬러지를 88~800중량부를 첨가하여 혼합물의 수분함량을 50중량% 이하로 조절된 혼합물을 제조하는 제1 단계; 상기 혼합물을 토련기에 투입하여 실린더형으로 성형하는 제2 단계; 성형체의 구형화 및 소성 중 융착 방지를 위하여 0.3~0.5㎜의 모래를 코팅하는 제3 단계; 성형체를 소성하기 전 고온에서 건조시키는 제4 단계; 골재의 강도 향상 및 경량화를 위하여 소성하는 제5 단계를 포함하는 혐기소화 유기성 슬러지를 다량 함유한 인공경량골재의 제조방법을 제공한다.
상기 제1 단계에서는 혐기소화 유기성 슬러지는 하수슬러지, 폐수슬러지, 음식물 찌꺼기 등의 혐기소화 슬러지를 포함하고, 점토는 점결재로서 작용하고, 일례로 적점토, 벤토나이트, 제올라이트 등을 포함한다.
상기 제2 단계에서는 건조혼합물에 혐기소화 탈수슬러지의 혼합비율은 혼합물의 수분함량 50중량% 이하를 갖도록 설계한다. 또한, 제2 단계에서 성형될 수 있는 골재의 직경은 5~15 ㎜의 범위를 갖는다.
상기 제3 단계에서 코팅을 위한 모래의 입도는 0.3~0.5㎜로 하고, 코팅을 위한 모래는 규석, 석회석, 백운석 등을 포함할 수 있다.
상기 제4 단계에서 건조온도는 600℃ 이하의 온도에서 30분 내지 60분 동안에, 수분 15중량% 이하로 건조시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제5 단계에서 소성온도는 950~1050℃로 소성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조방법을 통하여 얻어진 인공경량골재는 KS F 2527을 만족시키며, 제조된 골재는 0.88㎏/L 이하의 단위용적당 질량을 가진다.
본 발명에서는 하수슬러지를 혐기소화 과정을 통하여 에너지화하고 남은 혐기소화 하수슬러지를 재활용함과 동시에 고부가가치의 건축자재인 인공경량골재를 생산하는 방법을 제시하고 있다.
또한 본 발명에서 제시하고 있는 방법은 건조슬러지와 탈수슬러지를 병용함으로써 성형공정에서 투입되는 공정수를 절약할 수 있고, 공정 중 사용되는 혐기소화 탈수슬러지는 성형공정 중 투입되는 공정수를 전량 대체할 수 있으며, 혐기소화 유기성 슬러지는 기존의 경량골재 생산 온도보다 골재의 소성온도를 100℃ 이상 낮춰주어 투입에너지를 절감시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 제조된 경량골재는 조경, 경량 콘크리트 및 경량 판넬 등에 다양하게 활용될 수 있으며, 2019년 기준 연간 2억톤가량 사용되는 쇄석골재를 대체할 수 있기 때문에 환경적으로도 바람직하다고 할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예]
실시예 1
실시예에 사용된 혐기소화 하수슬러지는 양산 하수처리장에서 발생된 것으로, 그 혐기소화 하수슬러지와 적점토의 화학조성(단위: 중량%)을 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)로 분석하여 표 1에 나타내었다.
일반적으로 하수슬러지의 유기물 함량은 70~80중량%로 알려져 있으며, 혐기소화 공정을 통하여 유기물 함량이 53중량%로 낮아진 것을 알 수 있다. 대한민국 등록특허 제10-0874887호에는 유기성 슬러지의 특징으로 유기물 함량이 90중량%에 달하는데, 이러한 특징 때문에 대량으로 첨가 시 무기물 함량이 너무 적어져서 첨가량에 제한이 있다고 기재되어 있다. 반면 혐기소화 유기성 슬러지 건조분말은 유기물 함량이 53중량% 정도로 작기 때문에 이러한 제한에서 비교적 자유롭다.
혐기소화 하수슬러지의 화학조성
SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 P 2 O 5 Cr 2 O 3 MnO LOI
혐기소화 하수슬러지 15.99 5.18 13.38 3.10 1.04 0.50 0.70 0.69 8.63 0.12 0.12 53.08
적점토 62.34 18.35 5.38 0.66 1.05 0.41 1.74 0.98 0 0 0 9.04
혐기소화 하수슬러지를 건조한 건조분말 45 ~ 50㎏과 적점토 30㎏ 혐기소화 탈수슬러지 100 ~ 125㎏를 혼합하여 반죽한 혼합물에서 총 280~285㎏의 수분을 건조시켰다. 상기 혐기소화 하수슬러지를 건조하여 함량 70중량%로 적점토와 혼합하여 직경 10 ㎜로 성형하였고, 1050℃에서 급속소결하여 단위용적당 중량이 0.65 ㎏/L 인 골재를 제조하였으며, 상기 골재는 KS F 2527을 만족한다.
비교예
실시예 1에서 혐기소화 유기성 슬러지 건조분말 70㎏와 적점토 30㎏을 물 114 ~ 142㎏로 혼합한 혼합물에서 360 ~ 380㎏의 수분을 건조시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 골재를 제조하였다.
실시예 1의 경우 슬러지를 전량 건조시키는 비교예에 비하여 건조되는 수분의 양을 22~25% 감량하는 것이 가능하였다(도 2).
실시예 2: 슬러지의 함량별 골재 물성의 비교
폐활성화 슬러지와 혐기소화 슬러지의 함량별 골재의 단위 용적당 중량을 비교하여 표 2에 나타내었다.
혐기소화 슬러지와 비교했을 때 일반 폐활성화 슬러지는 동일 첨가량에서 더 낮은 단위용적당 중량을 나타내었다. 그러나 70중량% 첨가시 폐활성화 슬러지를 사용한 경우에는 골재가 파괴되었다(도 3).
혐기소화 슬러지와 일반 폐활성화 슬러지의 함량에 따른 골재의 단위용적당 중량 변화
슬러지 함량 30 50 70
혐기소화 슬러지 0.87㎏/L 0.745㎏/L 0.65㎏/L
폐활성화 슬러지 0.825㎏/L 0.72㎏/L 파괴
실시예 3
상기 혐기소화 하수슬러지를 활용하여 직경 5~15 ㎜의 골재를 제조하였다. 배합비는 혐기소화 하수슬러지 건조분말 50㎏, 적점토 50㎏의 혼합 분말에 혐기소화 탈수슬러지 100㎏를 혼합하여 습식 혼합물의 수분함량을 약 40~45중량%로 조절하고, 토련기로 성형한 다음 로타리 킬른에서 970~980℃의 온도에서 소성하였다. 제조된 골재는 단위용적당 질량 0.72 ㎏/L으로 KS F 2527을 만족하였으며, 제조된 골재는 도 4에 나타내었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 다음 단계를 포함하는 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법:
    (a) 혐기소화 유기성 건조 슬러지 100 중량부, 점토광물 43~900중량부, 혐기소화 탈수슬러지 88~800중량부를 습식 혼합하여 수분함량이 50중량% 이하로 조절된 혼합물을 수득하는 단계;
    (b) 상기 혼합물을 성형하고 건조하여 성형체를 수득하는 단계;
    (c) 상기 성형체를 0.3~0.5 mm 직경의 모래로 코팅하는 단계; 및
    (d) 코팅된 성형체를 950~1050℃의 온도에서 소성시키는 단계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 점토광물은 벤토나이트, 제올라이트, 적점토, 백토 및 산성백토로 구성된 군에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 건조는 600℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계 이후에 분쇄 공정을 추가로 포함하는 하는 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 성형은 토련기를 이용하여 실린더 형태로 성형하는 것을 특징으로 하는 혐기소화 유기성 슬러지를 이용한 인공경량골재의 제조방법.
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