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문제 정의
- 본 연구에서는 시멘트와 같은 자경성을 가진 폐석회, Fly ash등을 사용하여 고화제의 단가를 낮추어 경제성을 도모하고자 하였고, 전기정화법으로 석탄 광산 산성 배수를 처리 시 발생되는 슬러지를 인공복토 재로 사용 가능성을 파악하기 위하여 비료공장 등에서 부산물로 배출되는 폐석회와 Fly ash, 포틀랜드 시멘트 등을 적절하게 배합하여 액성 소성한계시험, 압축강도 시험, 투수시험을 통하여 복토재 기준에 적합 여부를 판단하여 슬러지의 재활용 가능성을 연구하였다.
- 본 연구에서는 일반폐기물로 분류되는 석탄광산 배수 처리 시 발생되는 슬러지의 복토재로의 재활용 가능성을 모색하기 위하여 슬러지를 고화재와 혼합한 후 다양한 실내시험을 실시하여 미국 환경청(US EPA)에서 규정한 쓰레기 매립장의 복토재 기준에 적합한 혼합토를 연구한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 함수비의 범위를 구하는 것이다. 본 실험에서는 KS F 2312의 규정에 의거하여 수도권 매립지에서 사용되는 A 다짐방식을 택하여 시험을 실시하였다.
- 압축강도 시험 압축강도시험용 시료는 다짐시험을 통해 구한 각 혼합비율에서 최적 함수비와 최대건조단 위중량 상태로 제조하였으며 압축형 시료성형 몰드 지 름 70 mm, 높이 150 mm의 KS F 2314를 이용하여 온도 25℃, 습도 95%가 유지되는 항온 항습기에 투입하여 일정기간 양생을 거친 뒤 Digital식 압축강도 시험기를 이용하여 공시체의 압축강도를 분석하였다.
- 투수시험은 Channeling 방지를 위해 Flexible Wall Membrane 타입의 삼축압축시험 방법을 택하여 투수시험을 수행하였다. 실험결과 모든 혼합비에서 매립지 복토재의 투수계수 권고치인 5X10-5 cm sec 1 이하를 만족하는 4.
- 혼합비율 산정 탄광슬러지와 고화재의 혼합비율에 따른 보강효과를 검토하기 위하여 슬러지와 고화재의 혼합비율을 중량비율로 1:1, 1:0.8, 1:0.6, 1:0.4 시료를 혼합하여 각각의 시료에 대하여 액성, 소성 한계시험, 다짐시험, 압축강도시험, 투수시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 고화재 본 연구에 사용된 고화재는 소다회 (NazCOa)제조공정에서 발생되는 폐석회 또는 복합비료 생산과정에서 발생되는 폐석고(CaSO4. 2H2O), 미분탄을 연료로 사용하는 화력발전소등의 연소 보일러에서 발생되는 비산회 또는 플라이 애쉬(Fly ash), 연약지반이나 팽창성 토사의 안정제로 많이 이용되고 있고 강도증진의 효율을 높이는 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 고화재는 폐석회:시멘트:비산회를 무게 비율로 (0.
- 2H2O), 미분탄을 연료로 사용하는 화력발전소등의 연소 보일러에서 발생되는 비산회 또는 플라이 애쉬(Fly ash), 연약지반이나 팽창성 토사의 안정제로 많이 이용되고 있고 강도증진의 효율을 높이는 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 고화재는 폐석회:시멘트:비산회를 무게 비율로 (0.3:0.3:0.4) 하여 사용하였다.
이론/모형
- 입자가 가는 세립토의 흙의 분류는 1948년 Casa grande 가제 안 한 LL-PI 관계를 6개의 영역으로 나타낸 소성 도표 (Plastic chart)가 주로 이용되고 있으며 이 결과와 통일 분류법 (USCS, Unified Soil Classification System)을 이용해 흙의 성질을 파악할 수 있다. 액성 소성 한계 실험은 KS F2303 방법과 KS F2304 방법을 이용하여 실시하였다.
- 투수 시험 투수시험용 시료는 압축강도시험을 통해 구한 각 혼합비율에서 최적 변형율과 최대압축 강도 상태로 제조하였으며 실험방법은 ASTM D 5084를 이용하여 삼축압축 투수계수 실험방법을 선택하였다.
성능/효과
- 1. 탄광슬러지의 입도를 분석한 결과 1.061-2.356 m 로 미국 농무성 (USDA)분류법에 의해 점토로 판명되었다.
- 2. 다짐시험결과 탄광슬러지와 고화재의 혼합비율이 1:0.6 이상에서 최적 함수율은 33.5% 이하 이고, 압축강도의 경우 모든 혼합비율에서 건설기계의 주행이 가능한 강도인 0.5 kg cm-2를 만족하는 값을 보여 매립 중장비의 주행성 및 지지력이 향상될 것으로 판단된다.
- 3. 투수계수의 경우 복토재의 조건인 5X10-5 cm sec1를 만족하는 4.2X10-7~1.7X10-6 cm sec1의 값을 보였다. 이는 생석회의 고화반응, 비산회의 포졸란 반응, 시멘트의 수화반응에 의해 공시체 내부 공극이 치밀해져 강도 증가와 투수계수 감소가 일어나는 것으로 판단된다.
- 4. 슬러지와 고화재의 혼합비율을 중량비로 1:0.6 이상, 다짐방식은 A 다짐, 함수율은 33.5% 이하로 하면슬러지를 중간 복토재로 재활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 5 kg cm-2 이상의 강도를 보여 매립지 복토재로의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 모든 양생기간에서 혼합비율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 고화 재중 생석회(CaO), 비산회, 시멘트 등의 포졸란 및 탄산화 반응에 의해 미립자인 점토, 콜로이드 성분이 단립화하고 이에 따라 입도분포가 변화하여 양질 토로 개량되어 일축압축강도가 증가한 것으로 매립 중장비의 주행성 및 지지력이 향상될 것으로 기대된다.
- 4일 때 각각의 액성한계 (LL), 소성한계 (PL), 소성지수 (PI)는 Table 4에 나타냈다. 또한 소성지수는 각 혼합비율에서 높게 나타나 US EPA 기준치 10% 이상과 이탈리아 기준치 10% 이상을 만족 할 수 있었다. 또한 미국 위스콘신주 기준치 15% 이상도 만족하였다.
- 또한 미국 위스콘신주 기준치 15% 이상도 만족하였다. 미국 농무성 분류법을 이용한 흙의 분류방법에서는 점토 계열로 분류되었고, 소성지수가 혼합비율 1:0.6이상에서 19.4%이하로 적합성이 좋은 것으로 나타났다.
- 356 m이었다. 본 연구를 위해 시료가 채취된 12-1월에 슬러지의 pH 8.3, 강열감량은 18.5%, 수분함량 24.5%이었다. XRD(X-ray diffract meter/X' pert PRO/PHILLIPS)정성분석 결과 석영 (Quartz),
- 수행하였다. 실험결과 모든 혼합비에서 매립지 복토재의 투수계수 권고치인 5X10-5 cm sec 1 이하를 만족하는 4.2X10-7~1.7X10-6의 값을 보였으며, 압축강도가 증가할수록 투수계수는 감소하였다.
- 56 wt % 으로 검출되었다. 유해성 용출 특성을 분석하기 위하여, Table 1에서 한국폐기물 공정시험법(KSLP: Korea standard leaching procedure)과 US EPA에서 사용되고 있는 TCLP(Toxicity characteristic leaching procedure, EPA method 1311)방법으로 분석한 결과 Table 1과같이 모든 수치가 기준치 이하로 검출되어 재활용 가능할 것으로 판단된다.
- 이는 현장에서 임의의 함수비로 흙을 다질 때 예상되는 단위 중량을 결정하기 위하여 실시하며 슬러지와 고화재의 혼합비율이 1:1, 1:0.8, 1:0.6, 1:0.4 일 때 최대건조밀도와 최적함수비는 각각 1.296 g cm-3, 27.5%; 1.275 g cm-3, 32%; 1.240 g cm-3, 33.5%; 1.196 g cm-3, 36.5%로 고화재의 혼합비율이 증가할수록 최대건조단위 중량 값은 증가하고 최적함수비는 떨어지는 경향을 볼 수 있었다.
- 입도 분석 결과 전기정화법으로 석탄광산 배수를 처리한 후 탈수된 슬러지의 입도를 레이저 회절법 (Model: Seishin LMS-300)으로 분석한 결과 평균 입경은 Fig.1에서 볼 수 있듯이 입자의 크기는 1.061 2.356 m로 전체적으로 입도의 분포가 고르게 분포되어 미국 농무성 (USDA)분류법에 의해 점토로 판명되었고, 투수계수 시험결과 8.5X10-5 cm sec-1로 국내 복토 재 규정의 투수계수 1X10-5 cm sec-1 이하를 약간 상회하는 수준으로 다소의 보강만 이루지면 복토재로서의 성능을 충분히 발휘할 수 있다고 판단된다.
- 침철석(Goethite/FeOOH), 자철석(Magnetite/FeaOi) 이 검출되었고, ICP-AES (Inductively coupled plasma atomic emission spectrometer/OPTIMA 5300 DV/Perkin Elmer)전 함량 분석결과 주요성분인 Fe2O3 64.7 68.7 wt %, CaO 8.6 10.5 wt %, Al2O3 0.52 0.79 wt %, MgO 0.32 0.56 wt % 으로 검출되었다. 유해성 용출 특성을 분석하기 위하여, Table 1에서 한국폐기물 공정시험법(KSLP: Korea standard leaching procedure)과 US EPA에서 사용되고 있는 TCLP(Toxicity characteristic leaching procedure, EPA method 1311)방법으로 분석한 결과 Table 1과같이 모든 수치가 기준치 이하로 검출되어 재활용 가능할 것으로 판단된다.
- 5 kg cm-2 이상을 기준으로 사용하였다. 혼합비별로 혼합 후 1, 3, 7일 양생된 모든 혼합비에서 압축강도는 8.2 26.4 kg cm-2로 매립지 복토 재 강도 권고치인 0.5 kg cm-2 이상의 강도를 보여 매립지 복토재로의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 모든 양생기간에서 혼합비율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 5. 실험을 통해 생성된 인공 복토재는 단순한 혼합에 의해 단 시간 내에 복토재를 생산할 수 있으며, 시료의 전처리가 없다는 장점과 폐부산물의 재활용이라는 측면에서 인공복토재로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 유용한 처리방법 중 하나인 고화 처리 방법은 좁은 국토로 인하여 매립지 확보 및 복토를 위한 토사의 안정적인 확보에 어려움이 예상되는 국내 현실을 감안한다면 토사를 대체할 대용 복토 재의개발 및 실용화는 기존 매립지의 수명 연장과 경제적인 측면에서 중요한 의미를 가진다. 또한 처리시설의 건설 및 운전에 큰 비용이 들지 않는 기술로 실제 적용이 쉽고 경제적이며 대량 처리가 가능한 환경 친화적인 슬러지 처리기술로서 유기성 슬러지의 직 매립금지조치에 대한 하나의 적극저인 대응방안이 될 수 있을 것으로 전망된다.
- 또한 모든 양생기간에서 혼합비율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 고화 재중 생석회(CaO), 비산회, 시멘트 등의 포졸란 및 탄산화 반응에 의해 미립자인 점토, 콜로이드 성분이 단립화하고 이에 따라 입도분포가 변화하여 양질 토로 개량되어 일축압축강도가 증가한 것으로 매립 중장비의 주행성 및 지지력이 향상될 것으로 기대된다.
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