KR19990081756A

KR19990081756A - 내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 자원화방법

Info

Publication number: KR19990081756A
Application number: KR1019980039361A
Authority: KR
Inventors: 나춘기; 이무성
Original assignee: 나춘기; 이무성
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 1999-11-15
Also published as: KR100347997B1

Abstract

본 발명은 하수종말처리장에서 발생하는 슬러지를 적정 무기물에 내부발열제로서 혼합하고, 이 혼합체를 직접 소결처리하는 방식으로 하수슬러지를 안정화/고형화시킴과 동시에 그 산물 자체가 재활용될 수 있게 하는 하수슬러지의 처분 및 자원화 방법에 관한 것으로, 본 발명은 하수슬러지(건조중량기준) 30∼90중량%에 점결제로 점토, 점토질 폐기물, 벤토나이트 또는 이들과 유사한 성질을 갖는 무기물질 1종 이상을 10∼70중량%, 물성보강제로 석탄회 또는 이와 유사한 성질을 갖는 무기물질 중 선택된 1종 이상을 하수슬러지와 점결제의 합 100중량부에 대하여 50중량부 이내 혼합하고 성형한 후 800℃∼1180℃의 온도에서 10∼30분간 소성하는 것을 특징으로 한다.

Description

내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 자원화 방법

본 발명은 하수종말처리장에서 발생하는 슬러지를 적정 무기물에 내부발열체로서 혼합하고 이 혼합체를 직접 소결처리하는 방식으로 하수슬러지를 안정화/고형화시킴과 동시에 그 산물 자체가 재활용될 수 있게 하는 하수슬러지의 처분 및 자원화 방법에 관한 것이다.

하수슬러지는 하수를 처리하는 과정에서 하수에 포함되어 있는 입자상, 콜로이드상, 용존상의 오염물질을 제거할 때 발생되는 고형상의 2차 환경오염 물질로서 현재 전국 290여개 하수종말처리장에서 연간 120여만톤이 발생하고 있고, 수자원의 보호를 위해 하수관거 정비 및 하수처리시설의 추가 설치가 지속적으로 이루어지고 있어 그 발생량이 날로 증가되고 있는 추세로 이에 대한 효율적이고 경제적인 처분기술 및 자원화 기술의 개발은 수자원 보호는 물론 하수슬러지로 인한 2차 환경오염방지를 위해 무엇보다 시급한 현안과제가 되고 있다.

종래의 하수슬러지에 대한 재활용 기술은 하수슬러지를 직접 유기비료로서 사용하는 방법이 현재 거의 유일하지만 하수슬러지가 대부분 상당량의 유해성 물질을 함유하고 있기 때문에 그 사용량은 매우 한정적이며, 현재 국내에서 연간 발생되는 하수슬러지의 90% 이상이 단순매립 방식에 의해 처분되고있는 실정이다. 그러나 단순매립 방식은 매립지 확보의 어려움과 함께 2차 환경오염을 유발시킬 가능성이 높아 하수슬러지의 처분방법으로는 적절치 못하다는 지적에 따라 2001년 이후 전면 금지될 예정이다.

현재 매립처분의 대체기술로서는 유동층 소각처분 방식이 널리 검토되고 있으나 이 방법 역시 하수슬러지의 감량화, 안정화 등의 장점을 가진 반면 고가의 시설비 및 처리비가 소요되며 소각재를 재처분하여야 하는 등의 단점이 있다. 따라서 소각처분 방식 역시 하수슬러지의 안정화, 감량화를 위한 중간처리 방식으로서는 효율적이지만 소각로의 막대한 건설비용 및 처리비용의 증가 등의 경제적인 문제점을 안고 있을 뿐만 아니라, 2차 처리 대상물질인 소각재가 부산물로 발생한다는 점에서 경제적이면서도 완전처분이라는 폐기물 처리의 궁극적인 목적을 완전히 충족시키지 못한다.

본 발명의 목적은 종래기술의 한계성 및 문제점을 해소하기 위하여 1단계의 간단한 공정과 과다하지 않은 시설 및 처리비용으로 하수슬러지를 물리·화학적으로 안정하게 처분함과 동시에 그 산물을 직접 부가가치성의 재료로서 재활용하는 것이다

도 1은 본 발명의 내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 자원화 공정을 설명하기 위한 공정도

본 발명은 하수슬러지와 점결제(점토, 벤토나이트 등) 건조중량비(이하, 동일함)로 각각 30∼90:10∼70의 비율로 혼합하는 것을 기본 혼합조성으로 하여, 이 혼합물을 직경 1㎝ 내외의 구형으로 성형하고 건조시킨후 800∼1180℃에서 10∼30분간 소성시킴으로써 경량건축자재용 다공질 소결체를 제조하는 것으로 구성된다. 압축강도 등과 같은 물성을 보강할 필요가 있을 경우에는 물성보강제를 상기 기본 조성 100중량부에 대하여 50중량부 이내 첨가할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 단순폐기를 목적으로 하거나 소각처분 후 소각재의 재처분이라는 2단계 과정을 거쳐야 비로소 완전처분이 가능한 기존 처분방법과는 달리 소성공정이라는 1단계 과정으로 하수슬러지를 환경적으로 무해화시킴과 동시에 고형화시켜 그 처분산물을 재처리 과정없이 직접 소재자원으로 재활용할 수 있게 함으로서 하수슬러지의 완전처분을 가능하게 하고, 동시에 그 처분과정에서 석탄회나 점토질 폐기물의 동반처분 및 재활용을 가능하게 한다.

또한 하수 슬러지 그 자체가 50% 이상 유기물로 이루어진 가연성 물질로 평균 2500 ㎉/㎏·DS 정도의 발열량을 낼 수 있기 때문에 소성시 열전달의 차이로 유발되는 내외부간의 온도차이를 상쇄시키는 효과를 가져올 뿐만 아니라 오히려 내부의 온도를 상승시켜 동일 온도조건에서 내부를 먼저 용융, 소결시킴과 동시에 다량의 가스를 발생시켜 용융에 따른 수축현상을 방지하고 발포를 조장하는 내부발열제-발포제 역할을 함으로써,

첫째는 완전 소결을 위한 소성온도를 낮추어주고 소성시간을 단축시키는 효과를 가져와 연료비를 절감시킬 수 있고, 둘째는 단순 고형화가 아닌 완전 소결로 인해 하수슬러지에 포함되어있는 중금속 등의 유해물질을 상전이된 광물격자내에 완전 고정화가 가능하게 되어 하수슬러지의 환경무해화를 이룩할 수 있다.

본 발명에서 사용 가능한 점결제의 예로는 점토, 고령토, 백토, 점토질 폐기물, 벤토나이트 등을 들 수 있으며, 일정 수준 이상의 점결력을 가짐으로써 성형성을 부여할 수 있는 재질의 무기물질이면 어느 것이든 사용 가능하다.

본 발명에서 사용 가능한 물성 보강제의 예로는 석탄회, 제지회, 고로슬래그, 폐주물사 등을 들 수 있으며, SiO₂를 40중량% 이상, Al₂O₃를 10중량% 이상 함유한 무기물질이면 어떤 것이든지 사용가능하다. 이 중 경량성과 사용 편의성 등을 고려하면 석탄회(비산재)의 사용이 가장 바람직하다.

도 1은 본 발명의 내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 고형화 및 자원화를 위한 공정도로서, 제조공정에서의 기본재료는 하수슬러지와 점결제로 하고, 여기에 선택적으로 압축강도 증진을 위한 물성보강제가 첨가된다. 각각의 혼합비율은 건조중량 기준으로 하수슬러지가 30∼90%, 점결제가 10∼70%이며, 물성보강제는 하수슬러지와 점결제의 합 100중량부에 대하여 50중량부까지 첨가될 수 있다.

이 혼합조성비 범위내에서 각 재료를 적정하게 취하여 토련기 또는 믹서기로 혼합한 다음, 직경 1㎝ 내외의 구형으로 성형한 후 이를 건조시킨다. 건조된 혼합물은 투입구 온도 800∼1100℃, 승온속도 10∼30℃/min, 소성온도 1100∼1180℃의 온도조건을 갖는 소성로에 투입하여 10∼30분(총 소요시간)간 소성시키는 방식으로 다공질 소결체를 제조한다. 최종 생산품의 비중은 혼합재료의 종류와 혼합조성 및 소성온도 조건에 따라 좌우되며, 이들의 조합조건에 따라 0.5에서 1.6까지 다양하다.

얻어진 제품에 경량성을 부여하기 위해서는 제품투입구와 소성구간 사이의 온도차이가 400℃ 이내, 바람직하게는 200℃ 이내로 하는 것이 좋다. 일반적인 대량 생산용 회전소성로의 경우 제품투입구의 온도는 소성온도 보다 약 500∼600℃정도 낮아, 이러한 통상적인 회전소성로를 이용하여 본 발명의 방법을 적용할 경우 제품의 소결이 불완전하게 이루어져 흡수율이 증가하고 강도가 약해지거나 또는 수축 소결되어 비중이 1.7 이상으로 증가되는 등 본 발명의 목적을 효율적으로 달성하기 어렵지만, 제품투입구 온도를 소성온도 보다 400℃ 이상 낮아지지 않게 상향 조정하는 경우에는 내부발포가 효과적으로 유도되어 제품의 비중이 낮아지게 된다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

<실시예 1>

춘천시의 하수슬러지(발열량 2500∼3100 ㎉/㎏·DS, 강열감량 40∼47중량%) 90중량%(건조물 기준, 이하 동일)에 점결제로 무안지역에서 산출되는 점토를 10중량%를 혼합하고, 이 혼합물을 직경 1㎝ 내외의 구형으로 성형하고, 수분함량 10중량% 이하로 충분히 건조시킨 다음, 투입구 온도 800℃의 소성로에 투입하여 20℃/min의 승온율로 1,140℃까지 상승시키고 1,140℃에서 10분간 소성시켰다. 얻어진 소성체의 물성은 표 1과 같다(이하 동일).

<실시예 2>

실시예 1의 건조성형체를 투입구 온도 1,000℃의 소성로에 투입하여 20℃/min의 승온율로 1,140℃까지 상승시키고 1,140℃에서 10분간 소성시켰다.

<실시예 3>

실시예 1의 혼합체 100중량부에 대하여 3중량부의 벤토나이트를 점결 보강제로 첨가한 것을 실시예 1과 동일한 방법으로 성형, 건조, 소성시켰다.

<비교예 1>

실시예 1의 건조성형체를 투입구 온도 700℃의 소성로에 투입하여 20℃/min의 승온율로 1,140℃까지 상승시키고 1,140℃에서 10분간 소성시켰다.

구 분	겉보기 비중 (g/㎤)	24시간 흡수율 (중량%)	일축압축강도¹⁾(㎏f/㎠)
실시예 1	1.27±0.04	5±2	109±14
실시예 2	0.49±0.03	1±1	52±17
실시예 3	1.25±0.03	3±1	170±20
비교예 1	1.67±0.12	8±3	106±27

1)구형의 소결체를 직접 이용하여 측정한 비정형 일축압축강도를 나타냄

*일축압축강도=σ/0.19, σ=파괴하중/(체적^⅔)

표 1에서 알 수 있듯이, 투입구 온도가 800℃ 이상인 경우에 내부발포가 효과적으로 일어났으나, 700℃ 이하인 경우 소성온도는 동일하지만 총 소성시간이 길어졌기 때문에 결과적으로 가해진 에너지(총열량)의 양이 많았음에도 불구하고 소결이 불완전하거나 수축소결되는 등 본 발명이 추구하는 바를 효과적으로 실행하기 어려웠다. 이는 내부발열량이 집중적으로 작용되지 못하였기 때문이다.

<실시예 4>

안양시의 하수슬러지(발열량 2800∼3300㎉/㎏·DS, 강열감량 34∼37wt.%) 50중량%(건조물 기준, 이하 동일)에 점결제로 군산지역에서 산출되는 점토(이하 동일)를 10중량%, 강도보강용 물성 보강제로 호남화력발전소에서 배출되는 석탄회(비산재, 이하 동일)를 40중량%를 실시예 1과 같은 방법으로 혼합, 성형, 건조시킨 다음, 그 건조 성형체를 투입구 온도 1,000℃의 소성로에 투입하여 20℃/min의 승온율로 1,140℃까지 상승시키고 1,140℃에서 10분간 소성시켰다. 얻어진 소결체의 물성은 표 2와 같다(이하 동일).

<실시예 5>

실시예 4의 건조성형체를 투입구 온도 1080℃의 소성로에 투입하여 15℃/min의 승온율로 1,180℃까지 상승시키고 1,180℃에서 10분간 소성시켰다.

<비교예 2>

실시예 4의 건조성형체를 투입구 온도가 600℃인 소성로에 투입하고 20℃/min의 승온율로 1,140℃까지 상승시키고 1,140℃에서 10분간 소성시켰다.

<비교예 3>

실시예 4의 건조성형체를 투입구 온도가 600℃인 소성로에 투입하고 15℃/min의 승온율로 1,180℃까지 상승시키고 1,180℃에서 10분간 소성시켰다.

구 분	겉보기 비중 (g/㎤)	24시간 흡수율 (중량%)	일축압축강도¹⁾(㎏f/㎠)
실시예 4	1.50±0.05	8±1	368±20
실시예 5	0.98±0.08	5±1	270±21
비교예 2	1.95±0.07	31±3	159±14
비교예 3	2.00±0.08	13±3	937±96

실시예 4는 최적 발포온도조건인 실시예 2와 동일한 조건에서 소성시켰음에도 불구하고 혼합체의 내부가 완전 용융 발포되지 않고 단지 혼재된 하수슬러지 성분이 융체화되어 그 주변 입자들을 융결시킴으로서 고강도의 소결체가 얻어졌다. 이는 하수슬러지에 비해 상대적으로 융점이 높은 보조제의 함유량 증가로 인해 혼합체의 전체 융점 증가 및 하수슬러지 혼입비율이 상대적으로 감소함에 따라 내부발열량에 의한 혼합체 내부 온도상승률의 저하 등에 그 원인이 있다. 따라서 이를 극복하고 완전한 내부용융발포체를 얻기 위해서는 실시예 5와 같이 소성온도조건을 전체적으로 상향 조정함으로서 혼합체의 내부가 완전 용융 발포된 형태로 비록 압축강도는 실시예 4에 비해 낮아지지만 비중 1 이하인 초경량 소결체를 유도할 수 있었다.

또한 표 2의 결과는 실시예 5의 압축강도가 동일한 내부구조 및 비중을 보이는 실시예 1∼3의 결과산물에 비해 2배 이상 증가되어있음을 보여 강도보강용 보조제로서 석탄회의 역할이 매우 효과적임을 입증하고 있다. 한편 비교예 2와 3은 단지 투입구 온도만 낮추었을 뿐으로 실시예 4, 5와 승온율 및 최종 소성온도가 같았고 훨씬 긴 시간동안 소성시켰음에도 불구하고 소결이 불완전하여 높은 흡수율을 보이거나 수축 소결되어 비중이 높아지는 등 본 발명의 목적을 달성하기 어려웠다.

<실시예 6>

안양시의 하수슬러지 50중량%에 점결제로 점토를 20중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 30중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<실시예 7>

안양시의 하수슬러지 50중량%에 점결제로 점토를 30중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 20중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<실시예 8>

안양시의 하수슬러지 40중량%에 점결제로 점토를 30중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 30중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<실시예 9>

안양시의 하수슬러지 40중량%에 점결제로 점토를 20중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 40중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<실시예 10>

안양시의 하수슬러지 30중량%에 점결제로 점토를 40중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 30중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<실시예 11>

안양시의 하수슬러지 30중량%에 점결제로 점토를 30중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 40중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<실시예 12>

안양시의 하수슬러지 30중량%에 점결제로 점토를 20중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 50중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<비교예 4>

안양시의 하수슬러지 10중량%에 점결제로 점토를 20중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 70중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

<비교예 5>

안양시의 하수슬러지 20중량%에 점결제로 점토를 20중량%, 강도보강용 물성 보강제로 석탄회를 60중량% 혼합한 것을 실시예 4와 동일한 방법으로 소성시켰다.

실시예 6에서 실시예 12까지 그리고 비교예 5와 비교예 6에서 얻어진 결과산물의 물성을 측정해본 결과, 표 3에 나타낸 바와 같았다.

구 분	겉보기 비중 (g/㎤)	24시간 흡수율 (중량%)	일축압축강도¹⁾(㎏f/㎠)
실시예 6	1.22±0.04	3±2	156±24
실시예 7	1.12±0.02	2±1	146±16
실시예 8	1.32±0.07	7±3	220±20
실시예 9	1.43±0.05	12±4	217±16
실시예 10	1.33±0.07	8±5	276±30
실시예 11	1.29±0.03	4±2	300±33
실시예 12	1.53±0.05	15±1	272±31
비교예 4	1.79±0.03	19±5	297±53
비교예 5	1.71±0.03	20±3	238±26

표 3에서 알 수 있듯이, 하수슬러지의 혼입량이 30중량% 미만일 경우 비중 및 흡수율이 증가되어 경량골재로서 그 품질이 저하되어 본 발명의 목적을 효율적으로 달성하기 어려웠다. 특히 비교예 5와 6의 경우 타 실시예와는 달리 실시예 5의 소성조건에서조차 내부용융발포가 이루어지지 않았으며 단지 비중 1.65의 견고한 소결체를 얻을 수 있을 뿐으로, 전체 혼합체의 용융점에 가까운 1240℃ 이상이 되어야만 비로소 내부용융발포가 가능하였다. 그러나 이 경우 대부분 산품의 표층부가 파열되거나 또는 표면이 심각하게 용융되는 관계로 소결체가 로벽에 융착되거나 소결체끼리 상호 융결되는 현상이 빈발하는 등 생산공정면에서나 제품면에서 실효적이지 못하였다.

본 발명은 하수슬러지를 고온에서 연소시킨다는 점에서는 소각로나 용융로 방식과 그 기본원리가 동일하지만 하수슬러지에 점결제 또는 점결제 및 물성 보강제를 혼합하고 성형한 후 그 성형체를 고온(융점 이하)에 투입하여 하수슬러지를 연소시킴과 동시에 그 발열량을 성형체 내부에 집중시킴으로서 내부를 용융, 소결시켜, 그 처리산물이 소각재나 불규칙한 형태의 괴상 슬래그가 아닌 재활용 목적에 따라 의도적으로 정형화된 소결체로 산출할 수 있으며, 동시에 동일 혼합조성이라 할지라도 투입온도 조건만을 변화시킴으로서, 또한 동일소성온도 조건이라 할지라도 강도보강용 보조제(물성 보강제)의 혼합비율을 변화시킴으로서, 최종산물의 비중 및 압축강도를 자유롭게 조절할 수 있는 효과를 가진다.

또한 이상의 실시예와 비교예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다공질 소결체는 구조용 및 비구조용 경량 건축자재(경량골재, 경량벽돌, 방음 및 단열의 경량판넬, 기층재, 로반재 등)로서 폭넓게 이용될 수 있어 폐기물인 하수슬러지와 석탄회의 처분 및 재활용을 다변화, 다량화, 부가가치화하는데 유용할 뿐만 아니라 하수슬러지를 내부발열제로 이용하여 타 무기폐기물(각종 회분 및 점토질 폐기물 등)을 동반처분할 수 있슴은 물론, 하수슬러지와 같이 유기질을 다량 함유하고 있는 타 폐기물의 안정화/고형화를 위한 처분방법 및 부가가치 창출을 위한 자원화 기술로서도 응용되어질 수 있다.

Claims

하수슬러지의 처리방법으로서, 하수슬러지(건조중량기준) 30∼90중량%에 점결제로 점토, 점토질 폐기물, 벤토나이트 중 선택된 1종 이상을 10∼70중량% 혼합하고 성형한 후, 800∼1180℃의 온도에서 10∼30분간 소성하는 것을 특징으로 하는 내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 자원화 방법.
제 1항에 있어서, 물성 보강제로서 SiO₂를 40중량% 이상, Al₂O₃10중량% 이상 함유한 무기물질을 하수슬러지와 점결제의 합 100중량부에 대하여 50중량부 이내 첨가하는 것을 특징으로 하는 내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 자원화 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제품투입구와 소성구간의 온도차이가 400℃ 이내이면서, 투입구에서 소성구간까지 도달하는 시간을 5분 이상 20분 이내인 것을 특징으로하는 내부발열소결법에 의한 하수슬러지의 자원화 방법.