KR20020015850A - 하수슬러지 및 석탄회를 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및그의 제조방법 - Google Patents

하수슬러지 및 석탄회를 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

쓰레기 매립재로서 사용에 적합한 입도, 다짐성, 투수성 및 일축압축강도를 갖고, 중금속 용출 억제, 병원균 사멸 등의 효과를 가진 매립지에서 사용할 수 있는 우수한 복토재를 제조하는 것이다.
본 발명에 따른 복도재는 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제로 석탄회 20 내지 80중량부, 보조고화제로 생석회 1 내지 10중량부를 첨가하고, 얻어진 혼합물을 상온에서 1 내지 14일간 양생하여 건조하여 제조한다.

Description

하수슬러지 및 석탄회를 이용한 쓰레기 매립장 복토재 및 그의 제조방법{The sanitary landfill cover use of seawage sludge and fly ash, and Prepared method thereof}
본 발명은 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지의 고화처리에 관한 것으로 상세하게는 하수슬러지에 석탄회 및 생석회를 혼합하여 위생 매립지의 복토재로 사용하기 위한 위생 매립지용 복토재 및 고화방법에 관한 것이다.
일반적으로 하수슬러지의 하수종말처리장에서 하수 정화 과정에서 발생되는 슬러지를 지칭한다. 이러한 하수슬러지의 대부분은 탈수 후 생활폐기물과 함께 매립 처분되고 있지만, 슬러지의 높은 함수율 및 유기물 함유량 등으로 인하여 작업차량의 진입이 어려워지는 등의 문제점과 생활수준의 변화 등에 따른 일반폐기물의성상변화 등으로 혼합매립이 더욱 어려워지고 있어 이에 대한 적절한 처리가 필요하였다.
이와 같은 하수슬러지의 처리방안으로는 소각, 퇴비화, 건설자재화, 지렁이 사료화 등으로 논의되고 있으며, 최근에는 하수슬러지를 쓰레기 매립장에 이용하는 방법이 연구되고 있다.
하수슬러지를 매립재로서 사용하기 위해서는 슬러지 케이크의 성상을 물리·화학적인 개선이 필요하다. 이러한 개선은 슬러지에 생석회 또는 시멘트 등의 고화제를 혼합시켜 일정한 기간동안 양생시켜 슬러지의 입자를 단입자화 시킴으로써 가능하다.
대한민국 공개특허공보 제2000-025028호는 상·하수슬러지에 특수 고하제로서 석고, 생석회, 시멘트 및 소각회, 카리명반을 혼합하고 500℃ 이하로 가열한 것을 매립토로 사용하는 것에 대하여 기술하였다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제1999-052626호는 함수율이 높은 유기성 폐기물을 폐목재와 혼합하고 고화제, 수분조절제를 혼합하여 호기성 미생물로 발효시킨 후 건조하여 쓰레기 매립장의 복토재로 사용하고자 하였다.
그러나 공개특허공보 제2000-025028호는 특수 첨가 고화제로서 고가의 석고, 생석회, 시멘트 및 소각회, 카리명반을 사용하고 있으며, 500℃ 이하의 고온에서 고화시켜야 하는 단점이 있다. 또한 대한민국 공개특허공보 제1999-052626호는 폐기물을 폐목재와 혼합하고 고화제, 수분조절제 및 미생물발효의 단계를 통하여 복토재로 제조하기 때문에 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 제조비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
따라서 하수슬러지에 첨가되는 고화제를 개량하여 저비용으로 쓰레기 매립재로서 사용할 수 있는 방법이 요구되었다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 하수슬러지를 주재료로 사용하여 쓰레기 매립재에서 사용하기에 적합한 입도, 다짐성, 투수성 및 일축압축강도를 갖는 복토재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하수슬러지 고화체 중의 중금속 용출 억제, 병원균 사멸 등의 효과도 병행하여 거둘 수 있는 매립지에서 사용할 수 있는 우수한 복토재를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하수슬러지, 석탄회 및 생석회를 혼합하여 고화반응시키는 반응원리를 나타낸 블록도이다.
이와 같은 본 발명의 목적은 하수슬러지에 고화제로서 화력발전소에서 발생하는 폐기물인 석탄회를 혼합하고, 보조고화제로서 생석회를 첨가하여 달성할 수 있다.
바람직하게는 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제인 석탄회 20 내지 80중량부, 보조고화제인 생석회 1 내지 10중량부를 첨가하는 제 1 단계, 위에서 얻어진 혼합물을 상온에서 1 내지 14일간 양생하는 제 2단계로 이루어진다.
본 발명에 사용되는 석탄회는 화력발전소에서 폐기물로 발생되는 것으로 98년도 기준으로 발생되는 석탄회 가운데 약 32% 정도만이 재활용되고 있으며, 나머지는 대부분 발전소 인근의 회처리장에 매립 처분되고 있다.
석탄회의 일반적인 화학적 성분은 표 1과 같다.
성분 CaO SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO SO3 Na2O K2O
구성비(%) 0.1-1 40-65 3-10 20-30 0.1-2 0.1-5 0.2-1 0.2-1
본 발명의 하수슬러지, 석탄회 및 생석회를 혼합하여 고화시키는 반응의 원리는 도 1에서 도시한 바와 같이 흡수발열반응, 이온교환반응, 포졸란 반응, 탄산화 반응이 주로 관여하며, 수화반응이 일부 작용한다.
(1) 흡수발열반응
하수슬러지에 생석회를 주성분으로 한 고화제를 혼합시키면 수학식 1과 같은 반응을 통하여 슬러지에 포함된 수분을 화합수(化合水)의 형태로 거둬드리고, 석회자체의 수화반응으로 발생하는 열에 의해 수분을 증발시켜 슬러지 중의 수분을 감소시키고 압밀을 촉진한다
CaO + H20 → Ca(OH)2+ 15.6 Kcal/mole
(2) 이온교환반응
이온교환반응은 석회의 칼슘이온이 물에 분산되어 있는 토립자에 가해지면 토립자의 표면에 흡착해 있던 Na+, K+, H+, Mg2+등이 Ca2+에 의해 치환되는 반응이다. 토립자에는 전기적인 인력에 기인하여 보통 Na+, K+, Mg2+등이 흡착된다. 이 전기적인 인력을 친화력이라 한다. Ca2+의 친화력이 다른 Na+, K+, Mg2+등의 친화력보다 클 때 이온이 서로 교환되는데, 이온교환능력은 다음과 같은 순위이다.
Li+〈 Na+〈 H+〈 K+〈 NH+《 Mg2+〈 Ca2+《 Al3+
Ca(OH)2가 이온교환용량 이상을 가해지면 OH-이 증가하여 물은 알칼리성이 되며, Ca2+는 더욱 다량 흡착된다. 서로 반발하고 있던 토립자가 접근할 수 있게 되고, 작은 미립자가 결합되어 커다란 덩어리가 되는데 이를 단결화라 한다. 이와 같은 이온교환반응은 하수슬러지 내에 함유되어 있던 점토입자에 작용할 것으로 기대된다.
이 현상에 의해 생기는 일반적인 흙의 특성변화를 공학적으로 표현하면 컨시스텐시의 변화이며, 액성한계가 거의 감소하고 소성한계는 매우 높아지게 되므로 결국 소성지수는 낮아지게 된다. 그 결과 사질토의 성상을 나타내게 된다.
(3) 포졸란 반응
포졸란(pozzolan)은 Ca(OH)2와 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 화합물을 만드는 SiO2를 주성분으로 하는 물질을 말한다. 포졸란은 활성이 큰 부정형의 실리카(silica)를 가지고 있는데, 이것은 Ca(OH)2와 결합하여 C-S-H(calcium-silicate-hydrate)를 형성하게 된다. 포졸란은 포틀랜드 시멘트와 결합할 경우 수화반응시 생성된 Ca(OH)2와 반응하게 되어 수화된 시멘트 고화체에 있어서 C-S-H의 비율을 증가시키게 된다. 포졸란을 시멘트와 섞어서 사용하게 되면 워커빌리티가 증가하고, 수화열의 발생이 낮아지며, 초기강도는 떨어지나 장기 재령의 경우는 강도를 증진킨다.
대표적인 포졸란의 화학성분은 SiO2, Al2O3, CaO, FeO3순으로 조성되어 있으며 포졸란 활성에 기여하는 성분은 주로 SiO2와 Al2O3이다.
(4) 탄산화 반응
장기적으로 석회가 공기중의 탄산가스와 반응해서 탄산칼슘(CaCO3)을 형성하는 반응이다. 이 반응은 포졸란 반응 등과 같이 중요시되지는 않지만, 알루민산칼슘과 탄산칼슘이 반응해서 흙을 고결시키는 작용이 있다. 석회는 이산화탄소를 석회석으로 고정하는 성질이 있으며 탄산칼슘화가 진행됨에 따라 고결화가 촉진되어 슬러지가 안정 개질된다.
이와 같은 석회의 탄산화반응의 기구는 수학식 2와 같이 발생하며 발생된 수증기는 외부로 방출된다. 생성된 비정질의 미세한 결정의 CaCO3이 생성되고 이를 계기로 공극이 넓어지게 된다.
Ca(OH)2+ CO2→ CaCO3+ H2O
이상에서 살펴본 바와 같은 과정을 거쳐 제작된 시료를 사용하여 다음과 같은 시험방법을 통하여 시료의 특성을 관찰하였다.
(a) 기본물성시험
시료의 기본물성에 해당하는 비중, 함수비, 입도분포시험, 액성한계시험, 소성한계시험을 KS F 2308, 2306, 2302, 2303, 2304 규정에 준하여 실시하였으며 3회씩 측정하여 그 평균치를 취하였다.
(b) 다짐시험
시료의 혼합비에 따른 다짐특성을 확인하기 위하여 KS F 2312 규정에 준한 건조 반복법에 따른 A방법으로 실시하였다.
(c) 변수위 투수시험
최적 다짐 상태 하에서 실험재료의 혼합비에 따른 투수성을 확인하기 위하여 KS F2322 규정에 준하여 투수계수가 비교적 작은 세립토에 적용하는 변수위 투수시험을 적용하였다. 시험은 최적 다짐 상태의 시료를 투수 시험기에 장착하고 진공펌프를 이용하여 시료 내 입자사이에 잔류하고 있는 공기를 제거한 후 완전 포화시켜 실시하였다.
(d) 일축압축강도시험
일축압축강도시험은 점착력이 있는 시료를 원추형 공시체(φ5cm ×10cm)로 성형하여 측압을 받지 않는 상태에서 축하중을 가하여 전단강도를 결정하는 방법으로 KS F 2314 규정의 변형제어형 일축압축시험기(LK100/MARITO)를 이용하여 응력게이지와 변형량을 측정하여 수학식 3으로 산출하였다. 특히 일축압축강도 시험은 각각의 혼합비별 양생기간에 따른 재령강도를 측정하였다.
여기서, P는 압축변형이일 때 공시체에 가해진 하중(kgf)이고,
Davg는 고화체의 평균 직경(cm)이고,
L은 고화체의 길이(cm)이며,
은 고화제의 최대하중시의 변위(cm)이다(단, 최대하중을 나타내지 않을 경우 1.1cm로 함).
(e) pH
혼합한 고화제는 일종의 화학물로서 그 종류 및 혼합비에 따라 2차 오염을 유발시킬 수 있는 소지가 있고 매립지에서 슬러지를 안정화시키는 미생물의 분해활동에 관여되므로, pH를 측정함으로서 이를 직·간접적으로 판단할 수 있다. 각각의 혼합비로 제작된 각 고화체의 양생기간에 따른 재령강도 측정 시에 함께 측정하였으며, 환경오염 공정시험방법에 의한 방법으로 시료 10g를 50ml의 비이커에 취하여 증류수 25ml에 넣어 10분간 교반하고 30분간 방치한 다음 상징수를 검액으로 이용하였으며, pH meter(HGC-10/DDK)로 측정하였다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하지만, 본 발명은 실시예에 의해 한정되지 않는다.
<실시예 1 ~ 7> 기본물성, 다짐성, 투수성 시험
서울J하수종말 처리장에서 발생하는 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제로서 하수슬러지 100중량부에 대하여 석탄회 0중량부, 20중량부 및 40중량부를 혼합하고, 하수슬러지 100중량부에 대하여 보조고화제인 생석회 0중량부, 5중량부 및 10중량부를 변화하여 손비빔에 의해 균일하게 혼합하였다. 균일하게 혼합된 혼합물을 20℃ 항온조건으로 7일간 기밀양생(氣密養生)후 건조시켜 KS F 2301 규정에 따라 조제한 시료를 대상으로 기본물성시험, 다짐시험 및 변수위 투수시험을 하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었으며, 표 3의 매립지 복토재에 요구되는 특성과 비교하였다.
재료 혼합비 비중 균등계수(Cu) 곡율계수(Cc) 액성한계(LL) 소성지수(PI) 투수계수(cm/sec)
슬러지 :석탄회 :생석회 100 : 0 : 0 1.56 3.18 0.37 99.30 49.05 1.1 ×10-6
100 : 0 : 5 1.68 6.19 1.55 - - 7.9 ×10-5
100 : 0 : 10 1.89 6.30 1.89 54.15 9.34 8.2 ×10-5
100 : 20 : 0 2.15 5.16 20.2 - - 8.4 ×10-6
100 : 40 : 0 2.21 10.5 2.45 38.80 3.21 6.5 ×10-6
100 : 20 : 10 2.07 9.58 2.65 39.50 6.55 8.9 ×10-5
100 : 40 : 10 2.04 7.05 2.04 38.95 5.22 5.7 ×10-5
매립지 복토재에 요구되는 특성
구 분 세부항목 기 준
1. 물리적 ·고형물 함량·투수성·화재 가능성 ·양생 후 50% 이상·1 ×10-3∼1 ×10-6cm/sec·비인화성, 비발화성
2. 화학적 ·중금속 용출·pH ·EP-TOX test에 의한 유해농도 기준 이하·pH 12 이상으로 최소 72시간 유지
3. 생물학적 ·농지적용에 대한 EPA의 분류 ·PFRP(Process to Further Reduces Pathogens)
표 2의 시험결과에 나타난 바와 같이 하수슬러지의 비중은 1.56으로 일반 토양에 비해 낮은 값을 보였으나 석탄회가 혼합된 시료에서는 2.0 이상으로 높는 것을 알 수 있고, 균등계수 및 곡률계수가 하수슬러지에서는 불량하였으나, 고화처리에 의해 입도분포가 양호하게 개선된 것을 알 수 있다. 또한 고화처리를 한 시료에서는 최적 함수비가 낮아지고, 최대건조밀도가 증가하는 경향을 나타내어 석탄회와 생석회를 적정비율로 혼합시킴에 따라 다짐효과가 개선됨을 알 수 있다. 투수성을 살펴보면 하수슬러지의 투수계수는 1.1 ×10-6cm/sec로 불량하였으나 석탄회와 생석회를 혼합한 시료에서는 5.7 ~ 8.9 ×10-5cm/sec로 개선되어 중간 복토재로서의 활용에 적합한 것을 알 수 있다.
<실시예 8 ~ 9> 일축압축강도 및 pH 측정시험
서울J하수종말 처리장에서 발생하는 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제로서 하수슬러지 100중량부에 대하여 석탄회 0중량부, 20중량부, 40중량부, 60중량부 및 80중량부를 혼합하고, 하수슬러지 100중량부에 대하여 보조고화제인 생석회0중량부, 5중량부 및 10중량부를 변화하여 손비빔에 의해 균일하게 혼합하였다. 균일하게 혼합된 혼합물을 20℃ 항온조건으로 1 내지 14일간 기밀양생(氣密養生)후 건조시켜 KS F 2301 규정에 따라 조제한 시료를 대상으로 일축압축강도 및 pH를 실험하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.
혼합비 양생기간 석탄회0% 혼합 석탄회20% 혼합 석탄회40% 혼합 석탄회60% 혼합 석탄회80% 혼합
압축강도 pH 압축강도 pH 압축강도 pH 압축강도 pH 압축강도 pH
0% 1 0.04 7.9 0.07 8.4 0.13 8.6 0.14 8.6 0.14 8.6
3 0.04 8.0 0.07 8.3 0.13 8.6 0.16 8.7 0.15 8.5
5 0.04 7.6 0.08 8.5 0.14 8.7 0.17 8.4 0.17 8.4
7 0.04 7.6 0.08 8.2 0.16 8.5 0.18 8.6 0.17 8.7
14 0.04 7.9 0.08 8.3 0.15 8.4 0.15 8.6 0.16 8.6
생석회5% 1 0.09 12.1 0.24 10.6 0.31 10.0 0.37 9.7 0.48 9.4
3 0.10 11.8 0.29 10.0 0.38 9.7 0.53 9.5 0.59 9.6
5 0.14 12.0 0.35 10.2 0.48 9.8 0.57 9.5 0.65 9.5
7 0.15 12.2 0.38 10.6 0.54 10.2 0.64 9.6 0.71 9.7
14 0.19 12.4 0.42 10.7 0.61 10.3 0.69 9.5 0.85 9.4
생석회10% 1 0.18 12.2 0.31 10.3 0.39 10.3 0.51 9.9 - -
3 0.21 12.0 0.44 9.7 0.57 9.9 0.64 9.6 - -
5 0.22 12.2 0.51 11.0 0.68 10.5 0.77 9.5 - -
7 0.24 12.6 0.55 10.7 0.75 10.8 0.84 9.6 - -
14 0.28 12.4 0.62 11.3 0.87 10.7 0.91 9.8 - -
표 4의 실험결과에 나타난 것과 같이 양생기간에 따른 강도의 변화는 석탄회나 생석회를 단독으로 혼합한 경우 강도의 발현이 매립지 복토재에 요구되는 0.5kg/cm2에 미치지 못하였으나, 석탄회와 생석회를 혼합하여 함께 사용한 것은 강도가 크게 발현되어 양생기간이 7일 내외에서 지속적으로 강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 고화제로 석탄회를 이용하고 보조고화제로 생석회를 이용하여 하수슬러지를 매립지 복토재로 사용할 수 있다는 것을 명확하게 알 수 있다.
또한 양생기간에 따른 pH의 변화는 석탄회를 단독으로 혼합한 경우에는 pH 9 이하의 수치를 나타내었으나, 생석회를 보조고화제로 혼합한 경우에는 양생 3, 5일 경에서 pH가 약간 낮아지다가 양생기간이 오래되면서 다시 처음과 같은 pH 10내외를 나타낸다. 따라서 현재 국내 폐기물의 유해성 판단기준 중 pH 항목은 pH 12.5 이상으로 규정되어 있으므로 폐기물의 pH에 대한 기준에 적합하다.
<실시예 9> 중금속의 용출시험
서울J하수종말 처리장에서 발생하는 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제로서 석탄회 0중량부 20중량부 및 40중량부를 혼합하고, 보조고화제인 생석회 0중량부, 5중량부 및 10중량부를 변화하여 손비빔에 의해 균일하게 혼합하였다. 균일하게 혼합된 혼합물을 20℃ 항온조건으로 3일간 및 7일간 기밀양생(氣密養生)후 건조시켜 KS F 2301 규정에 따라 조제한 시료를 대상으로 폐기물공정시험법에 의해 용출시험을 실시하여 그 결과를 표 5에 나타내었다.(참고로, 1997년 국내 폐기물 관리법의 중금속 용출농도 기준은 Cu : 3.0mg/L, Cd : 0.3mg/L, Cr6+: 1.5mg/L, Pb : 3.0mg/L이다)
재 료 혼합비 Cd Cu Cr6+ Pb
3일 7일 3일 7일 3일 7일 3일 7일
슬러지:석탄회:생석회 100 : 0 : 5 N.D N.D 0.722 0.811 0.111 0.098 0.044 0.040
100 : 0 :10 N.D N.D 1.040 1.224 0.102 0.139 0.046 0.054
100 :20 : 0 N.D N.D 0.174 0.208 0.050 0.040 0.058 0.048
100 :40 : 0 N.D N.D 0.355 0.296 0.038 0.046 0.050 0.074
100 :40 : 5 N.D N.D 0.788 0.891 0.134 0.120 0.066 0.057
100 :40 :10 N.D N.D 0.600 0.750 0.116 0.135 0.050 0.076
표 5에서 나타난 바와 같이 하수슬러지와 석탄회 및 생석회를 단독 또는 복합적으로 혼합한 시료의 중금속 용출 농도는 모두 기준치 이하인 양호한 수치를 나타내고 있다.
이상의 실험결과로 볼 때 하수슬러지의 고화제인 석탄회는 소량의 생석회를 보조고화제로 혼합하는 경우 우수한 고화 효과를 나타내고, 혼합물은 일반 복토재에 준하는 토질특성 및 매립특성을 나타내며, 유해성도 문제시되지 않아 대용 복토재로 적합하게 사용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예로서 하수슬러지 및 석탄회를 이용한 쓰레기 매립장 복토재에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에 따라 하수슬러지, 석탄회 및 생석회로서 제조된 고화체를쓰레기 매립지의 복토재로 사용하는 것은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 중금속 용출 억제
고화처리된 하수슬러지는 유리된 Ca(OH)2에 의해 알칼리성을 나타내기 때문에 이 상태에서 중금속류는 불용성 수산화물의 안정화 등의 작용에 의해 용출이 억제된다.
둘째, 냄새의 억제
하수슬러지에서는 유기물의 분해로 인한 냄새가 주로 발생하는데 석회주입으로 인하여 pH가 상승하게 되면 미생물의 활동이 줄어들어 슬러지 내의 유기물 분해도 중지되고 이로 인한 냄새도 줄어들게 된다.
셋째, 재슬러지화 방지
고화제 중의 생석회가 슬러지 중의 수분과 반응하여 소석회로 변화하면 물에 대한 용해도는 0.3%로 낮아지므로 고화한 슬러지 전체가 소수성을 띠며 재슬러지화를 방지한다.
넷째, 토질공학적 개량
고화제의 흡수성에 의해 슬러지 케익의 함수율이 상대적으로 낮아지고, 이온교환, 포졸란반응에 의해 미립자인 점토, 콜로이드 성분이 단립화하고, 이에 따라 입도분포가 변화하여 양질토로 개량된다. 또한 슬러지 케익 중에 존재하는 유기물질이 매체로 하여 혼합물 상호간에 결합이 생겨 고결도가 높아진다.

Claims (3)

  1. 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제로 석탄회 20 내지 80중량부, 보조고화제로 생석회 1 내지 10중량부를 첨가한 것을 특징으로 하는 쓰레기 매립장용 복토재.
  2. 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화제로 석탄회 20 내지 80중량부, 보조고화제로 생석회 1 내지 10중량부를 첨가하여 혼합하는 제 1단계;
    상기 혼합물을 0 내지 100℃의 온도에서 1 내지 14일 동안 양생하는 제 2단계로 이루어진 쓰레기 매립장용 복토재 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 온도가 상온인 것을 특징으로 하는 쓰레기 매립장용 복토재 제조방법.
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