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문제 정의
- 본 연구에서는 정수슬러지를 친환경적인 자원으로 재활용하기 위한 방안으로써 인체 유해성이 없고 점토 성상을 다량 함유하고 있는 정수슬러지와 점토, 황토 및 규사를 혼합하여 점토벽돌 및 보도블록의 제작에 정수슬러지의 활용 가능성을 검토하였다. 정수슬러지를 점토벽돌 원료로 대체할 수 있는지에 대한 연구를 수행함에 있어 각각의 원료의 성상을 분석하고 일축압축강도, 흡수율, 중량 및 용출특성을 검토하여 실질적인 점토벽돌 제작시 기초적인 자료를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 정수슬러지를 환경 친화적인 자원으로 재활용 할 수 있는 가능성을 모색하고, 정수슬러지를 점토 및 황토와 혼합하여 점토벽돌로 제작하여 정수슬러지를 점토와 황토로 대처하는데 있어 주입비율을 결정하고 점토벽돌 원료로 재활용 가능 여부를 연구하였다. 점토벽돌 제작시, 3가지 소성방법으로 실험을 수행하였으며, 각각의 소성방법으로 실험한 결과 시간대별 온도변화 및 최고 온도에서 실온까지 식히는 방법에 여러 변화를 준 3차 소성방법이 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 정수슬러지를 친환경적인 자원으로 재활용하기 위한 방안으로써 인체 유해성이 없고 점토 성상을 다량 함유하고 있는 정수슬러지와 점토, 황토 및 규사를 혼합하여 점토벽돌 및 보도블록의 제작에 정수슬러지의 활용 가능성을 검토하였다. 정수슬러지를 점토벽돌 원료로 대체할 수 있는지에 대한 연구를 수행함에 있어 각각의 원료의 성상을 분석하고 일축압축강도, 흡수율, 중량 및 용출특성을 검토하여 실질적인 점토벽돌 제작시 기초적인 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 2 kgf/cm2로 가장 높게 나타났다. 3가지 소성방법으로 실험한 결과에서 3차 소성방법이 점토벽돌 제작에 있어 적절한 소성방법임을 알 수 있었으며, 모든 실험은 3차 소성방법을 적용하여 실험하였다.
- 고형과 실험은 규사 주입비율 0%, 20% 및 30%의 3가지 조건으로 실험하였다. 그 결과 규사 주입비율 0%에 관한 실험은 전반적으로 가장 높은 강도를 보였지만 소성 후 점토벽돌에서 미세한 균열들을 볼 수 있었다.
- 규사 주입비율이 30%의 경우도 동일하게, 규사를 30%로 고정시키고 슬러지를 5∼50%까지 변화를 주어 실험하였다.
- 선행 실험에서 나타난 결과를 바탕으로 본 실험에서는 점토를 적용시켜 실험하였으며, 규사의 주입비율을 달리하여 실험한 결과 규사의 주입비율이 0%일 때 강도가 가장 높게 나타났지만 소성 후 성형물에 균열이 생겼다. 규사의 주입비율이 20%와 30%일 때 성형물에 균열이 없었고 품질 기준에 가장 적합한 결과를 나타내어 규사 주입비율을 20%와 30%로 정하여 실험을 수행하였다.
- 그 후, 20±5℃의 물속에 24시간 정치한 후 물속에서 꺼내어 신속히 젖은 헝겊으로 표면의 수분을 닦은 후 무게를 측정하고 흡수율을 계산하였다.
- 또한 슬러지를 점토벽돌 재료로 재활용함에 있어 그 가능성을 알아보기 위하여, 점토와 슬러지의 혼합에 규사의 혼합 비율을 20% 및 30%로 각각 달리하여 실험하였으며, 규사 주입비율이 20%인 경우, 규사를 20%로 고정시키고 슬러지의 주입 비율은 5∼50%까지 변화를 주었다.
- 믹싱한 고화제를 성형기에 넣고 고무망치로 충분히 두들긴 후, 실온에서 건조시키고 건조기(60∼70℃)에서 48시간 동안 완전건조 시켰으며, 완전히 건조시킨 성형물을 소성방법에 따라 소성하여 흡수율과 압축강도를 측정하였다.
- 고형물의 압축강도는 디지털 콘크리트 압축강도 시험기(Digital Motorized Compression Tester, HS-1471, 한신금풍, 한국)를 사용하였다. 본 압축강도 측정에 사용된 디지털 콘크리트 압축강도 시험기는 각종 수치를 바로 읽을 수 있는 디지털 전동식으로 구성되어 있으며 필요에 의해 기록 장치도 부착할 수 있고, 각종 가압판을 준비할 경우 벽돌, 블록, 휨강도 시험을 할 수 있으며, Oce Touch Load Value로 제작되었다.8,9)
- 본 연구에서는 점토, 황토, 규사 및 정수슬러지를 고화제로 사용하였으며, 고형화 실험은 고화제 종류, 주입비율 및 소성방법 등 실험조건을 달리하였으며, 선행 실험으로 황토와 규사, 점토와 규사를 혼합하여 규사의 주입비율을 정하였다. 소성방법은 3가지 방법으로 실험하였으며, 그중 최적의 조건을 선별하여 본 실험에 적용하였다.
- 본 연구에서는 점토, 황토, 규사 및 정수슬러지를 고화제로 사용하였으며, 고형화 실험은 고화제 종류, 주입비율 및 소성방법 등 실험조건을 달리하였으며, 선행 실험으로 황토와 규사, 점토와 규사를 혼합하여 규사의 주입비율을 정하였다. 소성방법은 3가지 방법으로 실험하였으며, 그중 최적의 조건을 선별하여 본 실험에 적용하였다.
- 45 µm PVDF (Millipore, MILLEX-HP33MM)로 여과한다. 이렇게 만들어진 여과액을 ICP-OES, Optima 2100 DV (Perkin Elmer Co, USA)를 사용하여 Pb, Cu, Cd, As, Cr 중금속의 농도를 측정하였다.11,12)
- 규사 주입비율이 30%의 경우도 동일하게, 규사를 30%로 고정시키고 슬러지를 5∼50%까지 변화를 주어 실험하였다. 점토벽돌의 제작은 정수슬러지와 고화제를 충분히 건조시킨 후 슬러지 및 고화제를 파쇄여 비율에 맞게 중량 측정하고 믹싱하였다. 믹싱한 고화제를 성형기에 넣고 고무망치로 충분히 두들긴 후, 실온에서 건조시키고 건조기(60∼70℃)에서 48시간 동안 완전건조 시켰으며, 완전히 건조시킨 성형물을 소성방법에 따라 소성하여 흡수율과 압축강도를 측정하였다.
- 점토와 규사, 황토와 규사를 각각의 비율로 혼합하여 공시체의 압축강도를 측정하였다.
- 점토와 정수슬러지를 각각의 비율로 혼합, 성형 및 건조 후 3가지 소성방법으로 실험하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 정수슬러지는 대구광역시에 있는 D정수장에서 채취하였으며, 탈수 처리한 슬러지를 사용하였다.
이론/모형
- 고형물의 압축강도는 디지털 콘크리트 압축강도 시험기(Digital Motorized Compression Tester, HS-1471, 한신금풍, 한국)를 사용하였다. 본 압축강도 측정에 사용된 디지털 콘크리트 압축강도 시험기는 각종 수치를 바로 읽을 수 있는 디지털 전동식으로 구성되어 있으며 필요에 의해 기록 장치도 부착할 수 있고, 각종 가압판을 준비할 경우 벽돌, 블록, 휨강도 시험을 할 수 있으며, Oce Touch Load Value로 제작되었다.
- 폐기물관리법에 명시되어 있는 폐기물공정시험법에 따라 KLT (Korea Leaching Test) 용출시험을 시행하였다. 먼저 압축강도 측정이 마무리된 공시체를 입경 5 mm 이하가 되도록 분쇄한 후 5 mm 체로 거른다.
성능/효과
- Fig. 6에 제시된 바와 같이 고형물의 흡수율은 일정한 상관관계를 보이지 않았으며, 슬러지의 주입비율이 40% 이상부터 흡수율이 급격히 증가하는 경향을 보였다. 고형물의 흡수율은 약 8.
- 고형물의 흡수율은 약 8.82∼24.57%로 나타났으며, 슬러지 최소 주입비율인 5%일 경우 흡수율은 10%로 나타났다.
- 규사 주입비율 20%에 관한 실험은 규사 주입비율 0%에 관한 실험보다 강도는 낮게 나왔지만 슬러지 주입비율 5∼10%까지 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 압축강도 210.1 kgf/cm2, 흡수율 10% 이하 기준에 적합한 결과를 보였다.
- 그리고 소성 후 점토벽돌에 균열도 없었다. 규사 주입비율 30%에 관한 실험 역시 점토벽돌 한국산업규격에 적합한 결과를 보였지만, 규사 주입비율 20%에 관한 실험의 결과가 전반적으로 안정적으로 나타났다. 정수슬러지 주입비율이 높아질수록 압축강도는 감소하는 경향을 보였으며, 흡수율은 주입비율이 높아질수록 증가하는 경향을 보였다.
- 고형과 실험은 규사 주입비율 0%, 20% 및 30%의 3가지 조건으로 실험하였다. 그 결과 규사 주입비율 0%에 관한 실험은 전반적으로 가장 높은 강도를 보였지만 소성 후 점토벽돌에서 미세한 균열들을 볼 수 있었다. 규사 주입비율 20%에 관한 실험은 규사 주입비율 0%에 관한 실험보다 강도는 낮게 나왔지만 슬러지 주입비율 5∼10%까지 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 압축강도 210.
- 3 kgf/cm2로 가장 높게 나타났다. 그리고 슬러지 주입비율 30% 이상에서 압축강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 슬러지 주입비율 15% 이하에서 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 압축강도 210.
- 57%로 나타났으며, 슬러지 최소 주입비율인 5%일 경우 흡수율은 10%로 나타났다. 그리고 슬러지 주입비율이 5%, 10% 및 20%에서 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 흡수율 10% 이하 기준에 만족하였으며, 슬러지 주입비율 15%, 25% 및 30%에서 품질 2종 흡수율 13% 이하 기준에 만족하였다. 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하였다.
- 따라서, 정수슬러지를 고화제로써 사용하여 점토벽돌을 제작할 경우, 점토벽돌 품질 기준에 가장 적합한 주입 비율은 규사의 주입비율 20%, 정수슬러지의 주입비율 5∼10%가 가장 적합하다고 판단된다. 향후 기공제를 첨가하여 경량점토벽돌에 관한 연구도 수행할 예정이다.
- 또한, 3차 소성방법에서 측정된 압축강도의 범위는 약 42.8∼297.2 kgf/cm2로 나타났으며, 슬러지 최소 주입비율이 5%일 때 압축강도가 297.2 kgf/cm2로 가장 높게 나타났다.
- 본 연구에서 사용된 정수슬러지의 중금속 등의 용출 분석 결과 모든 항목의 용출 농도가 법적 유해물질 용출기준치 이하로 나타났다. 모든 고형화 실험에 있어서 고형화물의 중금속 등 용출 농도는 대부분 검출되지 않았으며, 검출된 항목 역시 법적 유해물질 용출기준치 이하였다. 슬러지 주입비율 및 압축강도에 따른 중금속 용출 농도는 일정한 상관관계는 나타나지 않았다.
- 본 연구에서 사용된 정수슬러지의 중금속 등의 용출 분석 결과 모든 항목의 용출 농도가 법적 유해물질 용출기준치 이하로 나타났다. 모든 고형화 실험에 있어서 고형화물의 중금속 등 용출 농도는 대부분 검출되지 않았으며, 검출된 항목 역시 법적 유해물질 용출기준치 이하였다.
- 이는 기존의 소성 온도인 최대 1150℃보다 고온에서 소성해야 만족하는 강도를 얻을 수 있기 때문이다. 선행 실험에서 나타난 결과를 바탕으로 본 실험에서는 점토를 적용시켜 실험하였으며, 규사의 주입비율을 달리하여 실험한 결과 규사의 주입비율이 0%일 때 강도가 가장 높게 나타났지만 소성 후 성형물에 균열이 생겼다. 규사의 주입비율이 20%와 30%일 때 성형물에 균열이 없었고 품질 기준에 가장 적합한 결과를 나타내어 규사 주입비율을 20%와 30%로 정하여 실험을 수행하였다.
- 그리고 슬러지 주입비율 30% 이상에서 압축강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 슬러지 주입비율 15% 이하에서 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 압축강도 210.1 kgf/cm2 기준에 만족하였으며, 슬러지 주입비율 20% 및 25%의 경우 품질 2종 압축강도 160.1 kgf/cm2, 슬러지 주입비율 30%에서는 품질 3종 압축강도 110 kgf/cm2 기준에 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 규사 주입비율을 20%로 고정하였을 때 정수슬러지의 주입비율은 5∼10%가 가장 적당한 것으로 판단된다.
- 그리고 슬러지 주입비율 25%부터 흡수율이 급격히 증가하였다. 슬러지 주입비율 20%이하에서 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 흡수율 10%이하 기준에 만족하였으며, 슬러지 주입비율 25%에서 품질 2종 흡수율 13% 이하, 슬러지 주입비율 30%에서 품질 3종 흡수율 15% 이하 기준에 만족하였다. 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하였으며, 점토벽돌로 제작한 고형물의 중량은 정수슬러지의 주입비율이 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 그리고 슬러지 주입비율 30% 이상에서 압축강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 슬러지 주입비율 5% 및 10%의 경우 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 압축강도 210.1 kgf/cm2 기준에 만족하였으며, 슬러지 주입비율 15%, 20% 및 25%에서 품질 2종 압축강도 160.1 kgf/cm2, 슬러지 주입비율 30%에서 품질 3종 압축강도 110 kgf/cm2 기준에 만족하였다. 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 규사 주입비율을 30%로 고정하였을 경우 정수슬러지 주입비율은 5∼10%가 가장 적당하다고 판단된다.
- 시료의 함수율은 0.30∼32.39%, 강열감량은 0.45∼21.22%, 고형물은 43.54∼99.70%, 유기물함량은 0.19∼0.59%, 비중은 1∼2.5로 나타났으며, 중금속 용출은 Pb, Cu, As, Cd, Cr6+에서 미량 검출되었지만 기준치에 비해 매우 낮게 나타났다.
- 2 kgf/cm2로 가장 높은 강도를 보였다. 점토 주입비율이 70% (219.9 kgf/cm2), 80% (279.2 kgf/cm2), 100% (357.2 kgf/cm2)에서 점토벽돌의 한국산업기준 품질 1종강도 210.1 kgf/cm2에 적합한 결과를 나타내었다. 황토와 규사의 혼합은 점토와 유사한 경향을 보였지만 전체적으로 압축강도가 15∼50.
- 본 연구에서는 정수슬러지를 환경 친화적인 자원으로 재활용 할 수 있는 가능성을 모색하고, 정수슬러지를 점토 및 황토와 혼합하여 점토벽돌로 제작하여 정수슬러지를 점토와 황토로 대처하는데 있어 주입비율을 결정하고 점토벽돌 원료로 재활용 가능 여부를 연구하였다. 점토벽돌 제작시, 3가지 소성방법으로 실험을 수행하였으며, 각각의 소성방법으로 실험한 결과 시간대별 온도변화 및 최고 온도에서 실온까지 식히는 방법에 여러 변화를 준 3차 소성방법이 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 2에 나타난 바와 같이 황토와 규사를 혼합한 경우 압축강도는 상당히 낮게 나타났으나, 점토와 규사를 혼합한 경우에는 압축강도가 황토+규사보다 높게 나타났다. 점토와 규사를 혼합한 경우 점토의 주입비율이 증가할수록 일정하게 상승하였고 점토의 주입비율 100%에서 357.2 kgf/cm2로 가장 높은 강도를 보였다. 점토 주입비율이 70% (219.
- 규사 주입비율 30%에 관한 실험 역시 점토벽돌 한국산업규격에 적합한 결과를 보였지만, 규사 주입비율 20%에 관한 실험의 결과가 전반적으로 안정적으로 나타났다. 정수슬러지 주입비율이 높아질수록 압축강도는 감소하는 경향을 보였으며, 흡수율은 주입비율이 높아질수록 증가하는 경향을 보였다.
- 점토, 정수슬러지 및 규사 20%에 대한 중금속 용출을 측정한 결과를 Table 2에 나타내었다. 측정결과 비소에서 소량의 농도가 검출되었으나, 용출기준치보다 많이 낮게 측정되었다. 그리고 모든 고형화 실험에 있어서 고형화물의 중금속 등 용출 농도는 대부분 검출되지 않았으며, 검출된 항목 역시 법적 유해물질 용출기준치 이하로 측정되었다.
- 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 규사 주입비율을 20%로 고정하였을 때 정수슬러지의 주입비율은 5∼10%가 가장 적당한 것으로 판단된다.
- 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하는 것으로 나타나, 규사 주입비율을 30%로 고정하였을 경우 정수슬러지 주입비율은 5∼10%가 가장 적당하다고 판단된다.
- 슬러지 주입비율 20%이하에서 점토벽돌 한국산업규격 품질 1종 흡수율 10%이하 기준에 만족하였으며, 슬러지 주입비율 25%에서 품질 2종 흡수율 13% 이하, 슬러지 주입비율 30%에서 품질 3종 흡수율 15% 이하 기준에 만족하였다. 하지만 슬러지 주입비율 40%와 50%에서는 한국산업규격 품질 조건에 만족하지 못하였으며, 점토벽돌로 제작한 고형물의 중량은 정수슬러지의 주입비율이 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서, 정수슬러지를 고화제로써 사용하여 점토벽돌을 제작할 경우, 점토벽돌 품질 기준에 가장 적합한 주입 비율은 규사의 주입비율 20%, 정수슬러지의 주입비율 5∼10%가 가장 적합하다고 판단된다. 향후 기공제를 첨가하여 경량점토벽돌에 관한 연구도 수행할 예정이다.
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