KR20110098469A

KR20110098469A - 하수슬러지 고화재 및 이를 이용한 인공토양 제조방법

Info

Publication number: KR20110098469A
Application number: KR20100018112A
Authority: KR
Inventors: 박원춘; 이화영; 이난희; 문경주; 조상민
Original assignee: 주식회사 씨엠디기술단
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: KR101200278B1

Abstract

본 발명은 하수슬러지 고화재 및 인공토양 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수 및 발열작용을 이용하여 하수슬러지의 함수율을 저감시키고, 탈취 및 미생물이 멸균되는 하수슬러지 고화재 및 이를 이용한 인공토양 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 하수슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부를 포함한다.

Description

하수슬러지 고화재 및 이를 이용한 인공토양 제조방법{SEWAGE SLUDGE SOLIDIFIED AGENT AND MENUFACTURING METHOD OF ARTIFICIAL SOIL USIGN THE SAME}

본 발명은 하수슬러지 고화재 및 인공토양 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수 및 발열작용을 이용하여 하수슬러지의 함수율을 저감시키고, 탈취 및 미생물이 멸균되는 하수슬러지 고화재 및 이를 이용한 인공토양 제조방법에 관한 것이다.

함수율이 높은 하수슬러지는 대표적인 환경오염물질로서, 종래에는 해양투기, 매립 등의 방법으로 처리되어 왔으며, 현재 그 오염물질들에 의해 오염된 환경을 복원시키는 여러 가지 방안이 현재 마련되고 있는 실정이다.

일례로 하루 6,000t 이상 배출되고 있는 생활하수 슬러지는 2003년 7월부터 일반 쓰레기 매립장 처리가 금지되었고, 가장 처리하기가 용이했던 해양투기마저 런던 덤핑 조약으로 2011년까지만 제한적으로 허용되고 있다.

특히 국토가 좁은 우리나라는 주위환경의 오염을 방지시키고 슬러지에서 발생하는 침출수에 환경이 오염되지 않도록 효율적이고 안전한 처리방법이 시급히 모색되어야 한다.

현재 수도권 매립지를 비롯한 전국의 지자체에서는 고함수 슬러지를 고화처리하여 복토재, 성토재, 연약지반 개량재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로 사용할 수 있는 인공토양을 제조하는 처리시설을 준비하고 있으며, 이와 관련하여 수분이 많은 슬러지의 고화처리가 효율적으로 이루어지면서 생산성, 경제성의 측면에서 우수한 고화재의 개발이 긴요한 실정이다.

종래의 하수슬러지 고화재의 연구는 생석회, 시멘트 등의 강알칼리성 재료를 주로 사용함에 따라 냄새 및 재슬러리화 문제점을 야기하였을 뿐만 아니라 이를 보완하기 위해 고가의 황산 및 황산철 등의 산성재료를 추가 투입하여 암모니아 방출 저감을 꾀하였으나 투입되는 원재료의 가격이 높아 경제성이 부족하다. 또한, 상술한 재료의 특성에 의한 결함을 보완하기 위해 처리장치의 건조 및 양생을 통해 문제를 해결하려 시도하였으나 처리 자체가 고비용을 유발하는 구조를 가지고 있고 가열 양생 플랜트의 원활한 가동이 어려운 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수 및 발열작용을 이용하여 하수슬러지의 함수율을 저감시키고, 탈취 및 미생물이 멸균되는 하수슬러지 고화재 및 이를 이용한 인공토양 제조방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 하수슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부를 포함한다.

또한 상기 소각잔재는 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, 제지 슬러지 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000㎠/g인 것이 바람직하다.

또한 상기 플라이애시는 미연소 탄소 함유량이 8% 이상인 것이 바람직하다.

또한 하수슬러지가 고화되어 생성된 고화물이 재슬러리화되는 것을 방지하기 위하여 강도발현제가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 강도발현제는 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 강도발현제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 5~50중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

또한 하수슬러지가 조속히 고화되도록 촉진하기 위하여 고화촉진제가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 고화촉진제는 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 고화촉진제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 0.1~10중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

또한 상기 고화재 또는 하수슬러지가 고화되어 생성된 고화물을 제조 또는 이송하는 과정에서 제조설비에 고착되는 것을 방지하기 위하여 고착방지제가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 고착방지제는 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말 및 화강석 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것인 것이 바람직하다.

또한 상기 고착방지제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 10~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 인공토양 제조방법은 1) 상술한 고화재를 제조하는 단계; 2) 하수슬러지 100중량부에 대하여, 상기 고화재 5~100중량부를 혼합하는 단계; 및 3) 상기 하수슬러지와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함한다.

또한 상기 3)단계는 상기 혼합물을 상온양생 또는 가열양생하여 수행되는 것이 바람직하다.

또한 상기 3)단계는 상기 혼합물의 함수율이 60%이하가 될 때까지 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 소각잔재에 다량 함유된 CaO를 이용하여 하수슬러지의 함수율을 저감시키는 효과가 있다.

특히, CaO의 발열 작용으로 수분이 증발하는 효과도 있다.

또한 다공성인 소각잔재와 플라이애시에 존재하는 미연소 탄소가 암모니아가스를 흡착하여 탈취하는 효과도 있다.

또한 초기에 pH 12 이상으로 유지시켜 하수슬러지에 포함되어 있는 미생물을 멸균하는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 인공토양을 압축하여 형성된 공시체의 사진이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 인공토양의 일축압축강도를 나타낸 것이다.
도 3a는 고화재를 혼합하기 전의 하수슬러지의 전자현미경사진이고, 도 3b는 실시예 3에 의해 제조된 인공토양의 전자현미경사진이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 인공토양의 투수계수를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 의한 하수슬러지 고화재 및 이를 이용한 인공토양의 제조방법을 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 하수슬러지 고화재의 구성성분 및 작용을 설명한다.

본 발명에 의한 하수슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재와, 산화칼슘 함량이 0.1~5%미만인 플라이애시를 포함한다.

소각잔재에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.

CaO+ H₂O->Ca(OH)₂+15.6㎉ mol^-1

통상 소각잔재는 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.

따라서 본 발명은 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능한 소각잔재들을 이용하는 것이다.

즉, 함수율이 높은 하수슬러지에 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재를 혼합하면, 위의 반응으로 수산화칼슘이 생성되면서 하수슬러지의 수분이 저감되는 것이다. 또한 역시 위의 반응으로 발생되는 열이 하수슬러지의 수분을 증발시키기 때문에 더욱더 하수슬러지의 함수율을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 산화칼슘이 20%이상 함유된 소각잔재는 석탄재, 제지슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재 및 RPF 소각잔재 등이다.

상기 소각잔재의 비표면적은 2,500~6,000㎠/g인 것이 바람직하다. 상기 소각잔재의 비표면적이 2,500㎠/g 미만일 경우 미립분이 부족하여 하수슬러지의 고화시 함수율 저감효과가 저하되고, 비표면적이 6,000㎠/g 초과일 경우 고화재의 이송시 겉보기 밀도가 낮아져 계량 및 이송 중에 비산되고 설비 가동성이 저하된다.

석탄재는 발전소에서 많이 생성되는데, 특히, 노내 탈황방식을 갖는 발전소에서 생성되는 석탄재가 산화칼슘의 함유량이 높다. 노내 탈황방식의 경우, 석탄과 석회석을 혼합연소하기 때문에 석탄재에 다량의 Free CaO가 함유되게 된다.

이와 달리 별도의 탈황설비를 갖는 발전소에서 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 5% 미만이다.

별도의 습식 탈황설비를 갖춘 발전소 석탄재와 노내 탈황방식에 의한 발전소 석탄재의 차이점을 표 1에 나타내었다.

항 목	별도의 탈황설비를 갖춘 발전소 석탄재	노내 탈황방식을 하는 발전소 석탄재
연소 연료	석탄(수입 유연탄)	석탄, 석회석, 폐타이어(일부발전소)
연소 온도	약 1350℃ -연소효율이 높아 경제적 발전소 운전, 석탄재 발생비율 감소 및 고품질석탄재 배출	약 850℃ -탈탄산반응 온도범위이면서 질산화물 배출 감소
배기가스 탈황 설비	별도 습식탈황설비 구비	석회석 혼소로 탈황반응
배기가스 탈질 설비	별도 탈질설비 구비	낮은 연소온도 유지 및 보일러에 암모니아 및 기타 약품 분무
화학성분	SiO₂ _,Al₂O₃ _,Fe₂O₃	석회석 혼소로 인해 Free CaO 성분이 높다.
유리화정도	높다	낮다
주 재활용 용도	콘크리트혼화재로 성수기 발생전량 재활용	점토 대체용 시멘트원료, 장거리 운송을 통한 폐기물처리장 매립
콘크리트혼화재로 사용시 장점 및 문제점	- 포졸란활성으로 장기강도 증진 - 작업성개선 - 단위수량 감소(내구성, 강도 향상) - 수화열 감소(구조물 크랙 방지)	- Free CaO 발열반응 - 단위수량 증가(강도, 내구성 하락) - 수화열 증가(구조물 크랙발생) - 작업성 하락
기타	KS L 5405 적합제품 발생	가공을 해도 KS L 5405 화학성분, 물리성능을 만족하지 않음

즉, 노내 탈황방식으로 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 다량 함유되어 있으나, 별도의 탈황장치를 갖춘 설비에서 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 매우 적은 양이 함유되어 있다. 따라서 상술한 바와 같이, 별도의 탈황장치를 갖춘 설비에서 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 미량 함유되어 있어 콘크리트 혼화재료로서 재활용이 가능한 것이다.

다시 말하면, 본 발명의 고화재에 이용되는 소각잔재는 CaO함량이 많은 노내 탈황방식으로 생성되는 석탄재이다.

또한 상기 플라이애시는 산화칼슘 함량이 5%미만으로서, 수분을 흡수하는 성질이 소각잔재에 비해 상대적으로 작다.

한편 시멘트 혼화재료로 사용하기 위한 플라이애시의 KS규격이 미연소 탄소 함유량 5%이하이므로, 이에 적합하지 않아 시멘트 혼화재료로 사용이 불가능한 플라이애시, 즉, 발생당시 미연소 탄소 함유량 12%이상인 플라이애시 또는 정제 후 선별된 미연소 탄소 함유량 8% 이상인 조립분 플라이애시를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시에 함유된 미연소 탄소는 다공성이어서 하수슬러지의 고화시 발생되는 암모니아 가스 및 중금속을 흡착하는 성질을 갖는다.

따라서 본 발명의 고화재는 콘크리트 혼화재료로 재활용이 불가능한 소각잔재와 플라이애시를 주원료로 사용하는 것이다.

상기 소각잔재와 플라이애시의 혼합비율은 소각잔재 100중량부에 대하여 플라이애시 5~50중량부가 바람직한데, 플라이애시의 혼입량이 5중량부 미만이면 암모니아 및 중금속 흡착성능이 떨어지고, 50중량부 초과이면 하수슬러지의 함수율 저감효과가 저하된다.

또한 본 발명에 의한 고화재는 하수슬러지가 고화되어 생성된 고화물이 재슬러리화되는 것을 방지하기 위하여 강도발현제가 더 포함되는데, 상기 강도발현제는 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이고, 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 수화반응에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔은 에트링가이트를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도발현을 한다.

상기 강도발현제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 5~50중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 상기 강도발현제의 혼입량이 5중량부 미만이면 수화물 생성량이 부족하여 재슬러리화현상이 발생할 수 있고, 50중량부 초과이면 수화물이 과량 생성되어 강도는 크게 증가되나 너무 단단하여 흙 대체제인 인공 복토재로 사용할 수가 없다.

또한 본 발명에 의한 고화재는 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트 등의 고화촉진제가 더 혼입될 수 있다. 상기 고화촉진제가 더 혼입되면 하수슬러지가 조속히 고화되어 고화물의 강도를 단시간내에 발휘하여 복토재로 활용이 가능해진다.

또한 본 발명에 의한 고화재에는 고착방지제로서 석회석, 장석, 규석, 화강석 미분말 등을 더 혼합할 수 있다. 이는 고화재 또는 하수슬러지가 고화되어 생성된 고화물을 제조 또는 이송하는 과정에서 제조설비에 고착되는 것을 방지하여 생산성을 높이기 위한 것이다.

상기 고착방지제의 혼입량은 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 10~100중량부를 혼입한다. 만약, 고착방지제의 혼입량이 소각잔재 100중량부에 대하여 10중량부 미만이면 고착방지효과가 없고, 100중량부를 초과하면 함수율 저감효과가 저하된다.

이하에서는 본 발명에 의한 인공토양 제조방법을 설명한다.

먼저, 상술한 고화재를 제조한 다음, 하수슬러지 100중량부에 대하여 고화재 5~100중량부를 균일하게 혼합한다. 고화재를 5중량부 미만으로 혼합하면 함수율이 충분히 저감되지 않아 복토재로서 사용이 불가능하고, 100중량부를 초과하여 혼합하면 함수율이 너무 낮아져 고화물이 비산되고 복토작업이 곤란해진다.

마지막으로 상기 하수슬러지와 고화재의 혼합물을 함수율이 60%이하가 될 때까지 상온양생 또는 가열양생한다.

실시예 1

먼저, 노내 탈황방식으로 산화칼슘 함량이 42%인 석탄재 100중량부에 대하여, 미연소 탄소 함유량이 11%이고 산화칼슘 함량이 0.6인 플라이애쉬 20중량부와, 강도발현제로서 고로슬래그 미분말 60중량%와 황산칼슘 40중량%로 이루어진 혼합물 20중량부와, 고화촉진제로서 칼슘알루미네이트 시멘트 3중량부와, 고착방지제로서 석회석 20중량부를 균일하게 혼합하여 고화재를 제조하였다.

다음으로 함수율이 80%인 하수슬러지 100중량부에 대하여, 위와 같이 제조된 고화재 30중량부를 혼합하여 상온양생하여 인공토양을 제조하였다. 도 1은 실시예 1에 의해 제조된 인공토양으로 공시체를 제작한 것을 나타낸 것이다.

실시예 2

함수율이 80%인 하수슬러지 100중량부에 대하여, 상기 실시예1과 동일한 고화재를 40중량부를 혼합하여 상온양생하여 인공토양을 제조하였다.

실시예 3

함수율이 80%인 하수슬러지 100중량부에 대하여, 상기 실시예1과 동일한 고화재를 50중량부를 혼합하여 상온양생하여 인공토양을 제조하였다.

인공토양의 성능시험방법 및 결과

아래 표 2에 나타낸 바와 같이 함수량 측정은 KS F 2306 방법에 의해 실시하고 압축강도와 투수시험은 KS F 2343, KS F 2322 방법에 의해 실시하였다.

실험	방법	비고
함수량	KS F 2306	흙의 함수량 측정방법
압축강도	KS F 2343	일축압축강도법
투수계수	KS F 2322	변수위 투수시험법

(1) 함수량 변화

시간경과에 따라 상기 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 인공토양의 함수율을 아래 표 3에 나타내었다. 표 3에서 확인되는 바와 같이, 고화재 혼합 전 하수슬러지의 함수율이 80%였으나, 시간이 지남에 따라 함수비가 급격히 저감된다는 것을 알 수 있다. 함수율이 큰 폭으로 저감되는 것은 상술한 바와 같이, 고화재가 하수슬러지와 혼합되는 즉시 발열반응이 일어나고 수화반응이 동시에 진행되기 때문이다. 또한 시간이 경과함에 따라 수화물 생성 및 자연건조에 의해 서서히 함수율은 줄어드는 결과를 보여주고 있다. 자연 양생 3일 이후에 복토재로 활용시 취급이 용이할 뿐 아니라 압축강도 증가에도 기여할 것으로 기대된다.

구분	개량직후	3시간	1일	3일	5일	7일
실시예1	59.2%	56.8%	52.6%	48.2%	39.8%	34.2%
실시예2	54.9%	50.2%	46.5%	39.1%	31.2%	26.1%
실시예3	51.3%	47.3%	40.1%	34.1%	24.2%	13.2%

(2) 일축압축강도의 변화

첨부된 도 2a 내지 도 2c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 인공토양의 일축압축강도의 변화를 나타낸 것이다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 양생 7일에, 실시예 1은 3.74kgf/cm², 실시예 2는 7.02kgf/cm², 실시예 3은 8.91kgf/cm²로 증가하는 결과를 보였다. 이는 복토재 및 성토재의 강도 기준인 0.5kgf/cm²및 1.0kgf/cm²를 크게 상회하는 값이며, 연약지반 개량재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로도 활용할 수 있는 강도 발현을 보였다. 이것은 고화재와 혼합시 흡수발열반응에 의해 수분절감 및 하수슬러지의 표면 개질이 일어나 입자의 단결화를 이루어 압밀 촉진 효과를 얻을 수 있고 CaO와 SiO₂ 성분에 의해 칼슘실리케이트 반응이 유도되어 압축강도를 확보할 수 있는 고화반응이 일어나 강도를 증진시키기 때문이다. 이에 더하여 고화재의 흡수성에 의해 하수슬러지의 함수율이 상대적으로 낮아지며 고화재의 흡수성 및 이온교환, 포졸란 및 탄산화 반응에 의해 미립자인 점토, 콜로이드 성분이 단립화되고 이에 따라 입도분포가 변화하여 양질토로 개량되어 일축압축강도가 증가된다.

도 3a는 고화재와 혼합되기 전 하수슬러지의 미세구조를 나타낸 것이고, 도 3b는 실시예 3에 의해 제조된 인공토양의 미세구조를 나타낸 것이다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 고화 전 하수슬러지는 입자모양이 명확하게 관찰되지 않고 함유된 수분배출이 어려운 스펀지형 구조로 되어 있는데 반해 본 발명에 의해 제조된 인공토양은 침상결정의 에트린가이트와 벌집형 C-S-H gel의 반응생성물이 다수 관찰되고 있다.

(3) 침수 전후의 일축압축강도의 변화

본 발명에 의해 제조된 인공토양을 매립지의 일일복토재로 사용할 경우, 소요의 강도를 가져야 함과 동시에 우리나라의 기후 특성인 폭우, 폭설 등의 침수에 의한 재슬러리화 현상과 강도감소 현상이 발생하지 않아야 할 것이다. 따라서 본 실험에서는 7일간 양생한 인공토양에 대해서 1일 침수 전후의 일축압축강도 변화를 조사하였다.

침수 전 후의 일축압축강도의 변화를 아래 표 4에 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 인공토양은 -0.26kg/kg/cm², 실시예 2에 의해 제조된 인공토양은 -0.41kg/cm², 실시예 3에 의해 제조된 인공토양은 -0.93kg/cm² 강도 변화율이 나타났다.

이상의 결과에서 알 수 있듯이 고화재의 혼합비별 인공토양의 침수 전후의 일축압축강도 변화가 비교적 적은 감소율을 보였는데 이것은 하수슬러지가 고화처리에 의해 수화물을 생성하면서 치밀한 결정구조로 바뀌어 침수가 되어도 뚜렷한 수분의 흡수현상이 발생하지 않는 것으로 판단된다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 인공토양을 매립지에 사용할 경우, 적설에 의한 침수에 재슬러리화나 강도저하 현상은 미미하여 매립지의 복토재로 활용하여도 우천 시 차량 및 장비의 작업에 큰 지장을 주지 않을 것으로 예상된다.

고화재 투입에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 강도발현제가 다량의 에트린가이트를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트린가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도발현을 한다. 따라서 고화물의 용도에 따라 강도발현제의 함량을 높인다면 복토재뿐 아니라 성토재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로도 활용할 수 있는 강도를 발현할 수 있다.

	침수 전(kg/㎠)	침수 후(kg/㎠)	강도변화
실시예1	3.74	3.48	▽0.26
실시예2	7.02	6.61	▽0.41
실시예3	8.91	7.98	▽0.93

실시예4

먼저, 노내 탈황방식으로 산화칼슘 함량이 42%인 석탄재 100중량부에 대하여, 미연소 탄소 함유량이 11%이고 산화칼슘 함량이 0.6인 플라이애쉬 20중량부와, 고화촉진제로서 칼슘알루미네이트 시멘트 3중량부와, 고착방지제로서 석회석 20중량부를 균일하게 혼합하여 고화재를 제조하였다.

다음으로 함수율이 80%인 하수슬러지 100중량부에 대하여, 위와 같이 제조된 고화재 30중량부를 혼합하여 상온양생하여 인공토양을 제조하였다.

즉, 상기 실시예 1과 비교하였을 때, 강도발현제를 혼입하지 않았다는 차이점이 있다.

상기 실시예 4의 7일 재령에서 압축강도는 1.87kgf/cm²로 복토재 및 성토재의 강도 기준인 0.5kgf/cm² 및 1.0kgf/cm²를 상회하나 강도발현제가 혼입된 실시예 1 내지 실시예 3에 비해 강도는 다소 저하되는 값을 보였다.

(4) 투수특성

도 4a 내지 도 4c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 인공토양의 투수계수를 나타낸 것이다. 하수슬러지에 대하여 고화재의 혼입율을 30%(실시예1), 40%(실시예2), 50%(실시예3)로 상승시킬 때 압축강도의 증가 현상을 보듯이 투수계수 역시 같은 조건에서 재령 7일에서 실시예1은 1.62× 10^-6, 실시예2는 2.12 ×10^-8, 실시예3은 1.01×10^-8로 각각 점차 낮아지는 결과를 보였다. 복토재의 투수성에 관한 국내 기준을 살펴보면 폐기물 관리법에서는 복토재에 대해서 포설 두께만을 규정하고 있을 뿐 특별한 기준은 제시하고 있지 않으나 미국의 뉴저지주 Middlesex country의 경우는 매립자 복토재의 투수계수를 1×10^-3cm/sec ~ 1×10^-7cm/sec로 제시하고 있는 것을 비춰볼 때 본 발명에 의해 제조된 인공토양은 매립지 일일 및 중간 복토재로서의 투수기능을 충분히 가질 것으로 판단된다.

(5) pH 변화

하수슬러지와 고화재의 혼합물의 자연 양생일에 따른 pH변화를 표 5에 나타내었다. 실험결과 강알칼리에서 하수슬러지의 물리적 변화가 끝난 시점인 4~5일부터 pH8.9~9.1정도로 약알칼리성으로의 변화를 보여 pH로 인한 주변 환경오염을 최소화할 수 있을 것으로 판단되고 특정 중금속 구리 용출의 억제인자로 작용할 것으로 사료된다.

본 발명에 의한 고화재는 초기에는 CaO가 물과 반응해 Ca(OH)₂로 전이되면서 고화물이 강알칼리 상태를 나타내지만 양생공정이 진행되면서 Ca(OH)₂가 플라이애시 및 슬래그 미분말의 수화반응에 점차 소비되어 pH가 저하되면서 약알칼리 상태로 변화되는 것으로 사료된다.

	혼합직후	혼합후 3시간	1일	3일	5일	7일	9일	11일	13일
실시예1	12.1	11.6	11.6	11.5	10.5	9.3	9.2	9.1	8.9
실시예2	12.1	11.7	11.7	11.4	10.5	9.5	9.3	9.2	9.1
실시예3	12.2	11.8	11.7	11.5	10.6	9.3	9.4	9.3	9.2

(5) 악취(암모니아) 제어

하수슬러지에서는 유기물의 분해로 인한 냄새가 주로 발생하는데 pH가 상승하게 되면 미생물의 활동이 줄어들고 슬러지내의 유기물 분해도 중지되어 이로 인한 하수슬러지 고유의 냄새는 줄어들게 된다. 하지만 생석회와 하수슬러지가 혼합될 때에는 심한 악취가 발생하게 되는데, 이는 특히 pH가 상승함에 따라 급속히 방출되는 암모니아 가스로 석회 안정화 공정에서 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다.

이는 중성영역에서 용해성 암모늄 이온 상태로 존재하는 암모니아가 pH의 상승과 더불어 비이온성 암모니아 가스로 방출되기 때문이다.

본 발명에 의한 고화재의 악취제어 능력을 평가하기 위해 실시예 3에 의해 제조되는 인공토양과, 종래의 일반적인 인공토양 제조방법인 아래의 비교예1에 의해 제조되는 인공토양을 시험한 결과를 아래 표 6에 나타냈다.

비교예1

함수율이 80%인 하수슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애시 20중량부, 생석회 10중량부, 시멘트 20중량부를 혼합하여 상온양생하여 인공토양을 제조하였다.

실시예 3에 의해 하수슬러지와 고화재의 혼합 직후 표면 평균 180ppm, 내부 평균 220ppm 정도의 암모니아 악취가 감지되었으며 시간이 지날수록 점차적으로 감소하는 경향을 보여 6시간 후에는 표면은 평균 10ppm, 내부 평균 30ppm 이하 내외로 감소하였다.

비교예1에서는 초기에는 표면 및 내부에서 검지관 측정범위인 1,000ppm에 가까운 결과를 나타내었고, 그 이후 점차적으로 감소하여 72시간 후에 표면은 80ppm, 내부는 120ppm으로 나타나 본 발명에 의한 인공토양의 악취저하 성능을 확인할 수 있었다. 이것은 본 발명에 의한 고화재에 포함되는 미연소 탄소 등 미세 다공성 입자에 기인한 물리적인 흡착기작을 통해 제어되는 것으로 사료된다.

(6) 중금속 용출

아래 표 7은 실시예 1에 의해 제조되는 인공토양의 중금속 용출실험 결과를 나타낸 것이다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이 대부분의 중금속이 용출되지 않았으며 우리나라의 폐기물용출시험법에 적용시 납과 수은, 비소는 미량 검출되었지만 환경 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. 이는 수화반응에서 생성되는 수화물에 의해 고착되어 결정구조 내로 중금속이 치환 또는 고정되기 때문이다. 따라서 이 모든 실험에서의 용출농도는 판정기준치보다 훨씬 낮은 수치를 나타내거나 불검출되어 하수슬러지를 고화 처리하여 매립지의 일일복토재로 사용하여도 중금속 용출로 인한 2차 오염은 우려되지 않을 것으로 판단된다.

(7) 매립시 복토재의 안정성 평가를 위한 소형 모형시험 평가

소형 모형실험은 실제 매립시 복토재의 성능발휘를 알아보기 위한 실험으로 지름10cm, 높이15cm의 원통을 제작하여 하부 4cm 부분에 밸브를 설치 상부 11cm의 공간에 고화 하수슬러지를 넣은 후 해수를 10, 20, 25, 30, 35, 40, 45%의 비율로 조절하여 혼합한 뒤 28일 후에 압축시험기로 축하중을 가하여 강도를 산정하고 축하중 재하 시 아래로 흘러나오는 유출수의 COD, pH, 중금속함유량시험 및 유기물 함량을 측정하였다.

그 결과, pH, 유기물, 중금속 용출, BOD 및 COD와 같은 환경공학적 실험결과 pH는 7.7로서 약알칼리성을 나타내었고, 중금속 용출량은 (Cd, Cu, Pb, Cr, Zn)은 0.00102~0.3427 사이로 폐기물관리법 시행규칙 「침출수배출허용기준」을 만족하였다. 도한 BOD 및 COD의 경우에도 폐기물관리법 시행규칙에 규정된 150mg/L 및 70mg/L값을 모두 만족하는 값을 보였다.

(8) 매립시 복토재의 침하량 평가를 위한 토조시험

토조시험은 높이 105cm, 폭 42cm, 길이 78cm인 토조를 이용하여 실제 매립시 복토재의 침하량을 분석하였다. 최대 500kg까지 재하하여 시간에 따른 하중과 침하량 관찰하였다. 토조시험 결과 값은 80시간 이내에 거의 모든 침하가 이루어진다는 것을 알 수 있었다. 이것은 다시 말해 본 발명에 의해 제조된 인공토양은 침하가 길지 않아 매립 복토재로 사용하기에 적합하다는 것이다.

모든 실험결과 본 발명에 의해 제조되는 인공토양은 복토재 및 해양매립재로 활용가능성이 크다고 할 수 있다. 이의 결과치를 아래의 표 8에 요약하여 나타내었다.

구분	본 개발제품 성능치
혼합물 외관	천연 황토색
재슬러리화 현상	없음(재령 7일 경과 후)
암모니아 냄새	30ppm 이하 (양생후 3시간, 혼합물 표면 10cm)
pH	배출 후 ～ 3일 : pH 11.5 ～ 12 3일 이후 : pH 9 ～ 10.5
함수율	47 56 %(혼합 후 3시간)
일축압축강도	적합(약 3 9kgf/cm², 재령 7일)
중금속 용출	적합(재령 7일, 기준치 1/10 이하 수준)
소형모형실험(BOD, COD)	BOD 10 이하(기준치 150 mg/L) COD 40 이하(기준치 70 mg/L)
토조실험	80시간 이내에 거의 모든 침하가 이루어짐

Claims

산화칼슘(CaO) 함량이 20~70%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제1항에 있어서,
상기 소각잔재는 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, 제지 슬러지 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제2항에 있어서,
상기 소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제1항에 있어서,
상기 플라이애시는 미연소 탄소 함유량이 8% 이상인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제1항에 있어서,
하수슬러지가 고화되어 생성된 고화물이 재슬러리화되는 것을 방지하기 위하여 강도발현제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제5항에 있어서,
상기 강도발현제는 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제6항에 있어서,
상기 슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제6항에 있어서,
상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제6항에 있어서,
상기 강도발현제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 5~50중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제1항에 있어서,
하수슬러지가 조속히 고화되도록 촉진하기 위하여 고화촉진제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제10항에 있어서,
상기 고화촉진제는 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제11항에 있어서,
상기 고화촉진제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 0.1~10중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제1항에 있어서,
상기 고화재 또는 하수슬러지가 고화되어 생성된 고화물을 제조 또는 이송하는 과정에서 제조설비에 고착되는 것을 방지하기 위하여 고착방지제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제13항에 있어서,
상기 고착방지제는 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말 및 화강석 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
제14항에 있어서,
상기 고착방지제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 10~100중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 고화재.
1) 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 고화재를 제조하는 단계;
2) 하수슬러지 100중량부에 대하여, 상기 고화재 5~100중량부를 혼합하는 단계; 및
3) 상기 하수슬러지와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공토양 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 3)단계는 상기 혼합물을 상온양생 또는 가열양생하여 수행되는 것을 특징으로 하는 인공토양 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 3)단계는 상기 혼합물의 함수율이 60%이하가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 인공토양 제조방법.