KR20010010876A

KR20010010876A - 토질개선능을 갖는 매립지용 복토재 조성물

Info

Publication number: KR20010010876A
Application number: KR1019990029991A
Authority: KR
Inventors: 예의평; 최종훈
Original assignee: 예정훈
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-15
Also published as: KR100378528B1

Abstract

본 발명은 토질개선능을 갖는 위생 매립지용 복토재 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 일반토사 40∼60중량%, 부생석회 20∼40중량%, 주물사 5∼15중량%, 제오라이트 6∼15중량% 및 폐석분 1∼10중량%를 포함하는 토질개선능과 지력강화효과를 갖는 매립지용 복토재 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조성물은 1) 악취저감, 2) pH 조절, 3) 침출수 처리문제, 4) 해충발생 억제, 5) 자원회수 및 재활용으로 원가절감, 6) 환경파괴 방지 및 폐기물 감량화에 기여, 7) 복토재 구매 예산 절약, 및 8) 양질의 토질 개선 및 지력향상 효과 등이 있다.

Description

토질개선능을 갖는 매립지용 복토재 조성물{Cover soil composition for reclaimed land modifing soil}

본 발명은 토질개선능을 갖는 매립지용 복토재 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 일반 토양과의 적절한 혼용으로 영양이 풍부한 양질의 토양을 공급할 수 있으며, 해충의 발생예방, 악취 냄새 등의 약화, 토질에 적합한 pH 유지로 침출수 처리문제가 용이한 등의 효과적인 토질개선능을 갖는 위생 매립지용 복토재 조성물에 관한 것이다.

우리나라 전국에서 발생되는 각종 생활 쓰레기는 하루 40,000여톤 정도이며, 이들의 약 60% 이상이 매립에 의존하여 처리되고 있는 실정이다. 통상적으로 쓰레기 매립은 매립대상지를 굴착하고 침출수의 차집 및 지하침투를 방지하기 위하여 점토 또는 합성수지 막을 사용하여 불투수층을 조성한다. 여기에 쓰레기를 약 4.5m 높이로 쌓고 압축한 후 50cm내외로 중간 복토를 한다. 이러한 매립작업을 반복하여 일정높이에 이르면 최종적으로 150cm정도의 최종 복토층를 조성하고 매립공정을 마감한다. 이때 발생되는 침출수는 수집하여 처리하고, 발생가스의 처리등 사후관리하며 안정화 기간동안 방치한다. 따라서, 현재 수도권 매립지를 비롯한 각 지방의 매립지들이 복토재(일일복토재, 중간복토재, 성토재) 확보에 매우 큰 어려움을 겪고있는 실정이다.

이렇게 매립된 고형폐기물(단백질, 탄수화물, 탄화수소, 지질등 분해성 고분자 화합물 및 금속, 합성수지등 비용해, 비분해성 유·무기화합물로 구성)은 시간이 경과함에 따라 용해, 질량감소의 변화를 받게되며, 이때 복토 및 토양 미생물이 중요한 역할을 담당한다. 매립기간이 경과함에 따라 매립층 내에서 진행되는 물질변화를 살펴보면 다음과 같다. 초기 짧은 기간동안 토양으로부터 공급되는 공기 및 매립시 혼입되는 산소를 이용하여 호기성 미생물에 의한 고분자 물질의 저분자화 및 물질대사가 진행된다. 이때 침출수가 생성되며 소량의 CO₂가 생성, 물에 용해 또는 최종 복토층을 통하여 배출된다. 이에 산소가 완전 소멸됨과 동시에 혐기성 미생물(발효미생물, 혐기성 산화미생물)들이 증식하게 되고, 이들 미생물들이 복합적으로 작용하여 분해성 유기물을 분해, 저분자화하며 흡수하여 활발한 물질대사 활동이 진행된다. 대사 산물로 CO₂, 소량의 CH₄, 각종 유기산, 알콜류, 저분자 유기물들이 생성되므로 많은 양의 침출수가 생성되며, pH가 급격히 감소하고 CO₂, CH₄, NH₃, H₂S 및 증발성 유기물(저분자 알콜, 유기산)들은 상승하여 대기중으로 배출되거나 최종 복토층에 흡착된다. 이때 상당량의 질량감소가 일어나며, pH가 낮아져 미생물 활동이 둔화됨으로 오랜 기간동안 진행되고 유기산, 탄산등의 작용으로 비분해성 유기물·무기물들의 부분적 용해현상도 일어난다. 따라서 CN, Cd, Cu, Hg, Fe, Zn, As 등의 유해금속 및 저분자 유해 유기물들이 침출수에 대량 함유된다.

이들 물질 역시 미생물 독성물질로 작용하여 이들 산 생성단계, 초산 생성단계 반응속도를 저하시키는 한 요인이 된다. 유해 용존성 물질의 배출, 유기산의 물질대사에 의하여 환경조건이 다소 개선(유해물질 농도감소,PH의 증가)되어 CH₄생성기로 전환된다. 산 생성단계에서 생성된 CH₃COOH, H₂등을 이용하여 메탄 생성균을 위시한 혐기성 산화균이 복합적으로 작용, 대량의 메탄가스를 위시하여 CO₂, H₂S, N₂O, NH₃, 유기산, 머캅탄(Mercaptan) 등 많은 가스상 물질을 생성한다. 생성되는 물질은 복토층으로 상승 대기중으로 유출되거나 토양에 흡착되어 재 산화되고, 용해되어 침출수로 유출된다.

질량감소의 대부분은 이 과정에 의하여 형성되며, 이 과정이 종료되면 유기물은 전부 무기물로 전환되어 대기 및 침출수로 배출되거나 토양층에 억류되어 안정화된다. 이러한 전안정화 과정은 상당히 오랜기간 진행되어 일반적으로 20∼30년간에 걸쳐 종결된다.

매립층을 통하여 미생물 생존과 기능에 필요한 H₂O 및 영양물질(CN, P, Ca, Mg 외 미량 영양염류)들이 용출 공급되며, 매립층에서 생성되어 대기중으로 유출되는 N₂, NH₃, N₂O, H₂S, CH₄, 스케이톨(Skatol), 머캅탄, 유기산, 알콜, 탄화수소 등 가스상, 증발성 독성, 냄새물질을 흡착하여 대기중으로의 순간적 대량 유출을 방지하며, 자생하는 토양 미생물이 이들 물질을 산화하여(에너지원으로 사용) 용존성 무해물질로 변화시키는 반응이 일어나게 하는 장소가 된다. 따라서, 영양물질, 미생물 함량이 높으며 견고성과 투수성이 우수한 양질의 토양을 채취하여 복토재로 사용하여야 할 것이다.

그럼에도 불구하고, 종래의 복토재 또는 지금까지 사용하고 있는 일일복토재나 중간복토재 등은 일반객토를 그 자체로 층별복토나 성토재로 이용하여 왔다. 아울러, 한국 특허출원 제96-66123호에서는 자연현상, 인간활동 및 산업활동에 의하여 발생되는 하수슬러지, 상수슬러지, 제지슬러지, 도금슬러지, 제철슬러지, 제강슬러지, 광산슬러지, 준설슬러지 등 액체상, 반고체상 및 고체상으로 존재하는 모든 슬러지를 재활용하여 폐기물 매립장의 구성요소인 바닥차수재, 사면차수재, 일일복토재, 중간복토재, 최종복토재, 식생층으로 사용하여 폐기물 매립장을 조성하는 방법을 제시하고 있다. 상기 방법에 적용될 수 있는 슬러지의 형태는 순수슬러지 자체 또는 슬러지에 자연재료, 폐재료, 고화재 및 화학약제 등의 혼합재를 첨가한 혼합슬러지이고, 상기 혼합재료로는 자연토, 현지토, 산토, 모래, 점토, 아스팔트, 시멘트, 소석회, 생석회, 벤토나이트, 제오라이트 등의 자연재료, 폐석회, 폐주물사, 폐사, 광미, 광재, 분진, 화력발전소 및 소각로의 저회 또는 비산회 등의 폐재료, 고화재 및 화학약제중 하나 또는 그 이상 선택된다.

그러나, 이러한 복토재로 일반 산업폐기물이나 생활쓰레기(음식물, 전자제품, 가구 등의 오니)의 복토재로 사용하면, 시멘트, 소석회, 생석회 등의 자연재료는 그 구매로 인해 경제적으로 불리하고, 폐재료는 중금속 오염의 문제가 있으며, 그리고 이들이 부패할때 생기는 각종 유해가스 등으로 지독한 악취 냄새로 인한 대기오염은 물론 주변 민가의 민원을 유발하고 해충(파리, 모기, 노래기 등)의 피해와 악성 침출수 처리 문제, 및 복토재 확보방안으로 인위적인 토취장 개설로 인한 산림, 훼손 등의 환경 폐해까지 불러오는 결과를 가져오게 된다.

따라서, 본 발명에서는 전술한 문제점을 경감시킬수 있는 방법을 개발할 목적으로 다양한 실험과 연구를 거듭한 결과, 철강공장 또는 주물공장 등에서 발생되는 주물사와 소다회 비료공장 등에서 배출되는 부생석회, 및 일정한 물리적, 화학적 성분들을 추가로 혼합시키면 보다 효과적이고도 효율적인 복토재 조성물을 제조할수 있다는데 착안하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 상당한 부분의 산림훼손이나 토지 형질변경등의 환경파괴를 예방하고, 생산공장의 부산물로 배출되는 폐기물을 재활용하는 것으로 자원회수와 재활용 측면에서 매우 기대되며, 또한 일반 토양과의 적절한 혼용으로 토질개선 및 영양이 풍부한 양질의 토양을 공급할 수 있으며, 지력보강, 지반강화, 해충의 발생예방, 악취 냄새 등의 약화, 토질에 적합한 pH유지로 침출수 처리문제가 용이한 점 등의 효과적인 복토재 조성물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조성물은 일반토사 40∼60중량%, 부생석회 20∼40중량%, 폐주물사 5∼15중량%, 제오라이트 6∼15중량% 및 폐석분 1∼10중량%를 포함한다.

또한, 본 발명의 조성물은 상기 성분에 부가하여 소디움 메타 실리케이트 또는 올소 실리케이트 수용액을 선택적으로 더욱 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복토재 조성물을 이용하여 쓰레기 매립장을 복토시키는 개략적인 공정을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 조성물은 일반토사, 부생석회, 주물사, 제오라이트 및 폐석분을 포함한다.

상기 부생석회는 비료, 소다회 공장과 같은 석회석을 사용하는 대형공장에서 부산물로 생성되나 폐기물로 처리되고 있다. 일반적으로, 부생석회는 최초 함수율이 70∼80% 전후의 침전퇴적물 슬러지 상태이며, 압축여과 과정을 거쳐 수분 50%이내로 케이크(Cake)화시켜 사용한다. 본 발명에서는 상기 부생석회를 20∼40중량%로 사용하며, 20중량% 미만이면 pH가 6.0 이하로 떨어지고, 40중량%를 초과하면 pH가 8.0 이상으로 토양의 중성화 개선에 미흡하다.

한편, 연안해안매립은 대부분 준설토 또는 산토, 잡석을 사용하여 시행하고 있으나, 준설시행시의 막대한 비용과 산 절토시의 부지매입가와 공사비, 자연의 파괴 등으로 많은 어려움이 상존해 있는 상황이다. 아울러, 매립지역의 염해차단과 지반강화를 위하여 미국, 일본, 유럽 등에서 석회를 사용하고 있다. 부생석회는 자연의 석회석을 무기공업에 활용하고 남은 잔재로서 이를 해안매립재 또는 위생매립지 차수재, 기타의 방안으로 재활용 가능성이 높다. 따라서, 본 발명에서는 국가적 차원에서 가치창출과 더불어 환경보호의 가치가 있으며 자연환경을 훼손시키지 않고 자원을 재활용함으로서 부생석회의 처리비용을 절감하고 기업의 경쟁력 확보와 매립시에 중간복토재의 토사대용으로 사용함으로서 매립비용을 절감하여 국토를 효율적으로 이용하여 쾌적한 환경을 보전할 수 있었다.

부생석회의 경우, 인천 동양화학에 300여만톤의 재고가 쌓여 있으며, 여천공단의 남해화학에는 1000만톤 이상이나 산적해 있는 실정이다. 부생석회의 비중은 1.1이며, 투수계수는 10^-7㎝/sec이다. 성분분석은 하기 표 1과 같고, KIST에 분석 의뢰한 중금속 함량은 하기 표 2와 같이 허용기준치 이내로 나타났다.

단위: wt%
수분	CaCO₃	CaO	CaSO₄	MgO	NaCl	CaCl₂	Fe₂O₃	산불용분	기타
36.8	28.4	13.5	3.8	7.8	1.2	2.9	0.5	3.9	1.2

단위: ㎎/ℓ이하
항목	Cd	CN^-	P(유기인)	Pb	Cr⁶⁺	As	Hg	Cu
기준치	0.3	1	1	3	1.5	1.5	0.005	3
결과치	0.1	1	1	1	0.5	0.5	0.005	0.5

본 발명에 사용된 폐주물사는 보통 철강재공장 특히, 자동차 공장에서 다량 배출되며 극히 일부가 주물단지 공장에서 나오는 것으로 골재류 대용품으로도 사용되고 있다. 상기 폐주물사는 5∼15중량%로 사용되며 보통 사토의 역할을 하는데, 5중량% 미만이면 지력의 보강력이 약화되고, 15중량%를 초과하면 토양의 투수계수에 영향을 주게된다. 주물사는 실리카가 약 90%, 알루미나가 약 3%, 산화철이 약 2%, 산화칼륨이 약 1% 및 마그네시아가 약 1%를 포함하며, 주철의 주형의 용도로 사용했을때 점토 점결사의 배합재료는 규사가 약 93%, 벤토나이트가 5%, 석탄분이 2%, 함유수분이 5%의 배합비율로 구성되어 있다.

본 발명에서는 토질의 개선과 영양화 증대를 위해 제오라이트 6∼15중량%를 사용하는데, 6중량% 미만이면 첨가효과가 미약하고, 15중량%를 초과하면 경제적으로 불리한 단점이 있다. 상기 제오라이트는 천연의 분말로서 10∼80mesh 정도가 미량의 중금속 등의 제거 및 흡착능과 경제적인 면에서 바람직하다. 제오라이트는 실리카 60∼70%, 알루미나 11∼16%, 산화철 1∼3%, 산화칼륨 1∼3, 마그네시아 1∼2% 및 연료손실분 8∼11%를 포함한다. 또한, 토질개량능과 강력한 흡착성을 이용해 보습제, 공해방지용으로 사용되고 있으며, 제오라이트를 식물 토양에 사용하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1) 토양 서식의 병원균 세균, 곰팡이에 대하여 우수한 항균성을 가지고 있으므로 항균이 잘된다.

2) 토양의 수분을 활성화시켜 식물의 발아, 발근이 촉진되고 생육이 빠르다.

3) 내수성, 내약품성, 내구성, 경도 등이 우수하며, 효과는 장기간 지속된다.

4) 유해한 잔류 농약을 산화, 분해하고 무해화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 폐석분을 무기질의 영양공급을 위하여 1∼10중량%로 사용하는데, 1중량% 미만이면 부족한 무기물질 공급을 기대하기 어렵고, 10중량%를 초과하면 타물질과 성분 배합의 불균형을 초래한다.

본 발명에서는 40∼60중량%의 일반토사를 사용하며, 일반토사가 40중량% 미만이면 토양의 지력회복이 늦어지고, 60중량%를 초과하면 pH 조절 및 미량의 중금속 흡착기능이 저감된다. 우리나라에서 채취되는 일반토사는 통상적으로 산성인데, 상기 일반토사에 상술한 성분들을 혼합시킴으로써 최종 복토재의 pH를 중성화로 조절하는데 매우 적합하다.

부가적으로, 본 발명에서는 소디움 메타 실리케이트 또는 올소 실리케이트(무수염)는 수용액을 상기 성분에 5∼10중량%의 범위로 사용하여 친화, 세정, 배합 효과를 얻을 수 있다. 수용액의 농도는 1∼5% 정도가 가장 바람직하다. 상기 메타 또는 올소 실리케이트는 주물사 또는 부생석회와 먼저 혼합하여 사용한다.

이상의 성분들이 각기 어떠한 메카니즘에 의하여 본 발명에서 얻급된 효과를 나타낼 수 있는가에 대해서는 현 단계에서 구체적인 설명을 하기 어렵지만, 개개의 성분들이 본 발명에서 주장하는 바와 같이 부생석회, 폐주물사, 폐석분 및 제오라이트, 그리고 소디움 메타 실리케이트 또는 올소 실리케이트 및 약간의 물이 혼합기에서 섞여질때 배합비에 따라 화학적, 물리적 관계와 결합에 의하여 적절한 효과를 야기시키는 것으로 사료된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1∼4 및 비교예 1

하기 표 3에 기재된 양으로 일반토사(pH 5.0∼6.0)와 천연의 제오라이트 분말 (30∼100mesh), 부생석회(함수비 20∼30%), 폐주물사 및 폐석분을 준비한 후 이들을 나선형 혼합기에서 고르게 혼합한 후, 다시 이동 건조기에서 함수비 20%이내로 건조시켰다. 한편, 실시예 4의 경우, 소디움 메타 실리케이트 5kg이 함유된 수용액 10kg을 고르게 배합한 후 자연 건조시켰다. 이렇게 건조된 본 발명의 복토재 조성물을 이용하여 하기와 같이 실험실에서 실험을 실시하였다.

매립지를 굴착하고 침출수의 차집 및 지하침투를 방지하기 위하여 합성수지 막을 사용하여 불투수층 2㎝을 조성한 다음, 여기에 상기 조성물 1㎝, 쓰레기를 약 4.5m 높이로 쌓고 압축한 후, 상기 조성물 0.5㎝, 쓰레기 4.5㎝, 상기 조성물 0.5㎝, 쓰레기 4.5㎝, 및 상기 조성물 0.5㎝로 중간 복토를 한다. 이러한 매립작업을 반복하여 일정높이에 이르면 최종적으로 1.5cm정도의 최종 복토층를 조성하고 매립공정을 마감한다. 이때 발생되는 침출수는 수집하여 처리하고, 발생가스의 처리등 사후관리하며 안정화 기간동안 방치하였다.

구분	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
객토	100	40	50	55	60
제오라이트		10	10	10	6
부생석회		40	30	25	24
폐주물사		7	5	5	5
폐석분		3	5	5	4
소디움 메타 실리케이트(5%)		-	-	-	1
계(중량%)	100	100	100	100	100

상기 조성물을 이용하여 침출수의 pH, 침출수량, 침출수의 오염도, 침하현상, 해충현상, 악취 등을 실험하여, 그 결과를 침출수의 pH는 하기 표 4에, 침출수량은 하기 표 5에, 침하현상은 하기 표 6에, 침출수의 오염도는 하기 표 7에, 해충현상, 부패정도 및 악취는 하기 표 8에 각각 기재하였다.

구분	침출수(pH)	법적기준(pH)	비고(pH)
비교예 1	6.5	5.8∼8.5	객토: 5.7
실시예 1	8.3		제오라이트: 7.2
실시예 2	7.7		부생석회: 10.9
실시예 3	7.3		주물사: 8.2
실시예 4	6.9		폐석분: 7.1

구분	10일(cc)	20일(cc)	30일(cc)	40일(cc)	50일(cc)
비교예 1	58	105	168	195	205
실시예 1	42	83	140	165	173
실시예 2	44	86	145	171	181
실시예 3	45	88	148	175	186
실시예 4	47	92	154	183	196

구분	10일(mm)	20일(mm)	30일(mm)	40일(mm)	50일(mm)
비교예 1	20	38	51	60	68
실시예 1	13	32	43	51	57
실시예 2	14	33	45	53	58
실시예 3	16	35	46	54	59
실시예 4	17	37	48	56	60

구분	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
BOD(ppm)	2850	2240	2258	2264	2345
COD(ppm)	1150	975	982	988	992
SS(ppm)	56	36	38	39	42
T-N(ppm)	2015	1845	1880	1914	1946

구분	해충발생율¹⁾	부패정도²⁾	악취³⁾
비교예 1	80%	빠름	4도
실시예 1	3%	보통	1도
실시예 2	5%	보통	1도
실시예 3	6%	보통	1도
실시예 4	6%	보통	1도

1) 해충의 발생빈도를 육안으로 관찰

2) 부패상태를 육안으로 검사하여 측정

3) 환경오염 공해 공정시험법의 관능법으로 측정

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 1) 악취제거, 2) pH 조절, 3) 침출수 처리문제, 4) 해충발생 억제, 5) 자원회수 및 재활용으로 원가절감, 6) 환경파괴 방지 및 폐기물 감량화에 기여, 7) 복토재 구매 예산 절약, 및 8) 양질의 토질 개선 및 지력향상 효과 등 다양한 효과를 나타낸다.

Claims

일반토사 40∼60중량%, 부생석회 20∼40중량%, 주물사 5∼15중량%, 제오라이트 6∼15중량% 및 폐석분 1∼10중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 토질개선능을 갖는 매립지용 복토재 조성물.
제1항에 있어서, 상기 조성물이 1∼5%의 소디움 메타 실리케이트 또는 올소 실리케이트 수용액을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 토질개선능을 갖는 매립지용 복토재 조성물.
제1항에 있어서, 상기 제오라이트는 천연의 분말로서 10∼80mesh임을 특징으로 하는 토질개선능을 갖는 매립지용 복토재 조성물.