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문제 정의
- 본 실험에서는 이와 같은 국내 하수슬러지 소각재의 화학조성 및 입도, 중금속 용출량 등의 기본 물성을 측정하고 이를 원료로 사용하여 다공성 경량재료로의 재활용을 목적으로 한 기초실험을 실시함으로써 향후 발생량이 급증할 것으로 예상되는 하수슬러지 소각재의 환경친화적인 재활용 방안을 조사하고자 하였다.
- 본 실험에서는 하수슬러지 소각재를 원료로 사용하여 다공성 경량재료를 제조하였을 때의 비중과 압축강도를 측정함으로써 이의 재활용을 위한 기초 자료를 제시하고자 하였다. Table 5 및 Table 6은 각각 경량충진제 GP-1 과 SMF-100에 대하여 비산재, 경량충진제 및 bentonite를 각각 50%, 40%, 10%의 비율로 혼합하여 제조한 경량재료의 소성온도에 따른 비중 및 압축강도 변화를 나타낸 것이다.
제안 방법
- 발생하는 하수슬러지 소각재 바닥재와 비산재를 채취하여 사용하였다. A 소각장의 소각방식은 유동상 방식 (fluidized bed type)의 소각로이었으며, 소각용량은 90톤/일 규모로써 소각로 내부의 열량조절을 위하여 건조슬러지와 생슬러지를 대략 반반씩 혼합하여 소각로로 투입하였다. A 소각장에서 하수슬러지 소각재로 발생하는 바닥재와 비산재의 발생비율은 5:95로 일반생활폐기물의 경우와는 다른 것이 특징이었으며, 특히 산성 배기가스 중화를 위해 일반적으로 사용하는 slack lime 대신 가성소다와 활성탄을 사용하고 있었다.
- 04~2, 000 #에서 입도분포를 측정하였으며, 바닥재는 표준 망체 (sieve)를 사용하여 입도분석을 실시하였다. 각 시료의 pH는 10% 고체농도로 증류수에 분산시킨 다음 pH meter(Fisher Scientific Accumet® Model 20)를사용하여 측정하였다. 소각재 시료의 중금속 용출시험은 공정시험법(2)에 의거하여 As, Cd, Cr, Pb, Cu의 다섯 종류 원소에 대하여 AAS(Varian, SpectrAA 800) 및 ICP(Thermojarrell Ash, Polyscan 61E)를 이용하여 각각의 원소 용출량을 분석하였다.
- 본 실험에서 사용한 경량충진제는 국내 S사에서 공급받은 Perlite계 (상품명: GP-1)와 Silica Sphe(상품명: SNF-100)의 두 가지 원료를 사용하였으며, bentonite는 미국 MM)ining산 Na-bentonite를 사용하였다. 직경 30 mm, 길이 20~25 mm의 pellet으로 성형한 경량재료는 105℃에서 건조한 다음 1,000℃까지의 온도범위에서 고온 소성처리하였다.
- 하수슬러지 소각재 시료의 입도분석은 비산재는 입도 분석기(Beckman Coulter LS-100)를 사용하여 입도범위 0.04~2, 000 #에서 입도분포를 측정하였으며, 바닥재는 표준 망체 (sieve)를 사용하여 입도분석을 실시하였다. 각 시료의 pH는 10% 고체농도로 증류수에 분산시킨 다음 pH meter(Fisher Scientific Accumet® Model 20)를사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 용액으로 반죽 및 성형하였다. 본 실험에서 사용한 경량충진제는 국내 S사에서 공급받은 Perlite계 (상품명: GP-1)와 Silica Sphe(상품명: SNF-100)의 두 가지 원료를 사용하였으며, bentonite는 미국 MM)ining산 Na-bentonite를 사용하였다. 직경 30 mm, 길이 20~25 mm의 pellet으로 성형한 경량재료는 105℃에서 건조한 다음 1,000℃까지의 온도범위에서 고온 소성처리하였다.
- 본 실험에서는 대상 시료로써 국내 A 하수슬러지 소각장에서 발생하는 하수슬러지 소각재 바닥재와 비산재를 채취하여 사용하였다. A 소각장의 소각방식은 유동상 방식 (fluidized bed type)의 소각로이었으며, 소각용량은 90톤/일 규모로써 소각로 내부의 열량조절을 위하여 건조슬러지와 생슬러지를 대략 반반씩 혼합하여 소각로로 투입하였다.
- 하수슬러지 소각재를 원료로 사용한 경량재료 제조실험은 주원료에 경량충진제 (#)와 무기 바인더인 bentonite를 혼합하고 3% CMC(carboxymethyl- ceUulose) 용액으로 반죽 및 성형하였다. 본 실험에서 사용한 경량충진제는 국내 S사에서 공급받은 Perlite계 (상품명: GP-1)와 Silica Sphe(상품명: SNF-100)의 두 가지 원료를 사용하였으며, bentonite는 미국 MM)ining산 Na-bentonite를 사용하였다.
이론/모형
- 각 시료의 pH는 10% 고체농도로 증류수에 분산시킨 다음 pH meter(Fisher Scientific Accumet® Model 20)를사용하여 측정하였다. 소각재 시료의 중금속 용출시험은 공정시험법(2)에 의거하여 As, Cd, Cr, Pb, Cu의 다섯 종류 원소에 대하여 AAS(Varian, SpectrAA 800) 및 ICP(Thermojarrell Ash, Polyscan 61E)를 이용하여 각각의 원소 용출량을 분석하였다.
성능/효과
- (1) 비산재 pH의 경우 배기가스 중화를 위한 알칼리첨가로 인하여 알칼리성인 pH 8.69로 나타났으나 바닥재는 중성인 pH 6.48이었으며, 재활용을 위한 중요 인자 중의 하나인 수용성 물질의 경우 바닥재는 0.3%를비산재는 2.7%를 각각 함유한 것으로 나타났다. 입도 분포의 경우 바닥재와 비산재 모두 매우 균일한 입도를 보였으며, 바닥재의 평균입도는 20/50 mesh 범위로 또한 비산재의 평균입도는 51.
- (2) 폐기물 공정시험법에 근거하여 하수슬러지 바닥재와 비산재에 대한 중금속 용출실험 결과, Cd, Cu, Pb, As, Cr의 5개 원소 모두에 대하여 용출량이 검출한계치 이하로 나타나 별도의 중금속 제거과정이나 선별공정을 거치지 않고도 골재로의 재활용이 가능한 것으로 판단되었다.
- (3) 경량충진제로써 Perlite계인 GP-1 을 사용하여 제조한 경량재료의 경우 900℃ 이상의 고온 소성시 시편의 부피가 m게 수축하면서 비중은 증가하게 되나 압축강도는 급격히 증가하여 l, 000℃ 소성후에는 370.5 kg/ cmM 달하는 것으로 나타났다. 반면, Silica Sphere 계인 SMF-100을 경량충진제로 사용하는 경우에는 소성 전후의 비중차이가 크지 않았으며, 1,000 소성시 70.
- (4) 동일한 혼합비율의 경우 비산재를 사용한 경량재료 시편의 압축강도가 바닥재에 비해 높게 나타나 비산재를 원료로 사용하는 것이 보다 효과적임을 알 수 있었다. 이것은 바닥재의 입도가 비산재에 비해 크고 입자 간의 응집력이 약하기 때문인 것으로 생각된다.
- Table 5에서 보는 것처럼 경량층진제로써 Perlite계인 GP-1 을 사용하여 하수슬러지 비산재 50%, 경량충진제 40% 및 bentonite 10%의 비율로 혼합하여 제조한 경량재료의 소성온도별 비중과 압축강도 변화를 살펴보면 소성 온도 800℃ 이하에서는 소성후의 시편비중이 소성 전에 비해 약간 낮은 것으로 측정되었다. 그러나, 소성 온도 900℃ 이상에서는 소성후의 비중이 급격히 증가하여 l, 000℃ 소성시에는 소성전 0.
- 바닥재의 수분함량이 높은 이유는 소각로에서 배출시 수조를 거쳐 바닥재를 포집하였기 때문으로 사료된다. pH는 비산재의 경우 알칼리(가성소다) 첨가로 인하여 다소 높은 pH 8.69로 측정되었으며, 바닥재는 중성인 pH 6.48로 나타났다. 한편, 10% 고체농도로 하여 증류수로 3회 세척한 다음 무게 감량을 측정한 결과 바닥재는 0.
- 3은 bentonite 첨가량을 10%로 고정한 상태에서하수슬러지 바닥재와 경량충진제 SMF-100의 혼합비율을 변화시키면서 제조한 경량재료의 소성온도에 따른 비중 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 것처럼 SMF-100을 경량충진제로 사용한 경우 비산재와 마찬가지로 소성온도에 따른 시편의 비중 변화는 크게 나타나지 않았으며, 다만 바닥재 혼합비율이 증가할수록 SMF-100 비율은 감소하기 때문에 시편 비중이 상대적으로 높아지는 경향을 보였다. 또한, 50%의 동일한 혼합비율일 때 바닥재와 비산재를 비교하여 보면 l, 000℃ 소성시 바닥재는 0.
- Table 3에서 보는 것처럼 5개 중금속 원소 모두에 대하여 용출량이 검출 한계치 이내로 나타났으며, 환경 기준치 수치보다도 훨씬 낮음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 실험에서 사용한 하수슬러지소각재의 경우 별도의 중금속 제거과정을 거치지 않고도 도로 노반재 혹은 골재로의 재활용이 가능한 것으로 판단되었다.
- 주목할 점은 바닥재 첨가 비율이 증가할수록 전반적으로 압축강도가 저하되는 것을 알 수 있는데, 이것은 바닥재 평균 입도가 Table 4에서 보는 것처럼 크고 입자간의 응집력이 약하기 때문인 것으로 풀이되고 있다. 실제로 50% 혼합비율의 동일한 조건에서 바닥재와 비산재 (Table 6참조)를 사용하여 제조한 경량재료 시편의 압축강도를 비교하여 보면 비산 재의 경우가 바닥재에 비해 압축강도가 높게 나타나고 있어 비산재를 원료로 사용하는 것이 보다 효과적임을 알 수 있었다,
- 77 gr/cm3^ 값을 보이고 있는데 , 실제로 소성 후 시편 칫수를 측정해 보면 소성전에 비해 거의 차이가 나지 않는 것으로 관찰되었다. 압축강도에 있어서는 GP-1의 경우와 마찬가지로 소성온도가 증가할수록 무기바인더인 bentonite의 소성효과로 인하여 압축강도가 향상되었으나 l, 000℃ 소성시 87.0 kg/cm2 정도로써 GP-1에 비해서는 매우 낮은 수치를 보였다. 따라서, 하수슬러지 소각재를 원료로 하여 경량재료를 제조하는 경우 경량충진제의 종류에 따라 제품물성이 좌우됨을 알 수 있으며, 이와 같은 현상은 첨가되는 경량충진제의 특성에 기인하는 것으로 사료된다.
- 7%를 각각 함유한 것으로 나타났다. 입도 분포의 경우 바닥재와 비산재 모두 매우 균일한 입도를 보였으며, 바닥재의 평균입도는 20/50 mesh 범위로 또한 비산재의 평균입도는 51.3 pm로 나타났다.
- 즉, l, 000℃ 소성후에도 소성전의 비중 0.74 gr/cm3ofl 비해거의 비슷한 0.77 gr/cm3^ 값을 보이고 있는데 , 실제로 소성 후 시편 칫수를 측정해 보면 소성전에 비해 거의 차이가 나지 않는 것으로 관찰되었다. 압축강도에 있어서는 GP-1의 경우와 마찬가지로 소성온도가 증가할수록 무기바인더인 bentonite의 소성효과로 인하여 압축강도가 향상되었으나 l, 000℃ 소성시 87.
- 48로 나타났다. 한편, 10% 고체농도로 하여 증류수로 3회 세척한 다음 무게 감량을 측정한 결과 바닥재는 0.3%, 비산재는 2.7% 의무게 감소를 보여 하수슬러지 소각재에 함유된 수용성 물질함량은 매우 낮음을 알 수 있었다. 소각로 배 가스의 중화를 위해 slack lime을 사용하는 경우 비산재에는 calcium 아iloride 등의 수용성 염을 함유하는 것이 일반적이나, 본 실험에서 사용한 하수슬러지 소각재는 가성소다에 의한 배가스 처리방식을 이용하였기 때문에 수용성 물질함량이 낮은 것으로 풀이된다'
- 한편, 경량충진제로써 Silica Sphere계인 SMF-100을사용하는 경우에 있어서는 Table 6에서 보는 것처럼 소성 전후의 비중차이가 크지 않은 것으로 나타났다. 즉, l, 000℃ 소성후에도 소성전의 비중 0.
- 바닥재의 이와 같은 균일한 입도분포와 성상은 재활용하기에 상당히 유리한 조건을 제공하는 것으로써, 생활폐기물 바닥재의 경우 성상이 불규칙하고 입도 분포가 크기 때문에 파쇄, 입도분급 및 선별 등의 과정을 거쳐 재활용되고 있음에 비해 하수슬러지 바닥재는 상대적으로 매우 유리한 재활용 조건을 가지고 있는 것으로 생각된다. 한편, 비산재에 있어서는 미립질 입자가 차지하는 비중이 매우 높아 입도분석기(particle size analyzer)를 사용하여 시료에 대한 입도를 측정하였으며, 측정결과 하수슬러지 소각 비산재의 입도범위는 Fig. 1 에 나타난 것처럼 1.6 mm이었으며 , 평균입도는 51.3 pun로 나타나 비교적 미립질 입자로 구성된 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서, 향후 우리나라 하수슬러지의 처리 방식은 불가피하게 소각 혹은 재활용하는 방향으로 나아가야 하나 국내 실정상 하수슬러지를 직접 재활용하는 것은 한계가 있기 때문에 궁극적으로는 소각처리를 확대하여야 할 것으로 판단된다. 현재, 국내에서 하수슬러지 소각에 사용하는 보편적인 방식은 스토커 방식과 유동층 소각방식 등이 있으며 소각후에는 일반 생활폐기물과 마찬가지로 소각재가 발생하게 된다.
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