KR100256021B1 - 하수오니 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수오니를 시멘트 원료 및 시멘트 제조공정상의 열원으로 사용함으로써 처리하는 방법에 관한 것으로서, 하수오니를 하수처리장내에서 수증기 건조방식에 의해 수분함량 15 내지 35 중량%로 건조한 후 시멘트를 구성하는 총원료의 0.5 내지 10 중량% 범위에서 시멘트 제조용 원료들과 배합하거나, 또는 상기 건조된 오니를 시멘트 제조공정에서 보조연료로서 사용함으로써, 사업장 최대폐기물인 오니를 운송 경비를 절감하면서 시멘트 공장으로 이송하여 별도의 추가 설비없이 시멘트 공장의 기존설비를 활용하여 경제적이고 안정적으로 전량 유효하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 매립에 의한 침출수의 유출이나, 소각시 가스 또는 소각회와 같은 2차 환경오염원의 발생을 방지하고 매립장의 매립연한을 연장시킬 수 있다.

Description

하수오니 처리방법

본 발명은 하수처리장에서 수처리후 발생되는 폐기물인 오니를 시멘트 원료 및 시멘트 제조공정상의 열원으로 사용함으로써 처리하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 하수오니를 하수처리장내에서 직접 건조후 시멘트 공장으로 운송하여 시멘트의 원료 또는 시멘트 제조공정상의 열원으로 사용함으로써 적은 운송비로 폐기물을 안정적이고 경제적으로 재활용하고 2차 환경오염원의 발생을 방지하는 방법에 관한 것이다.

경제발전에 따른 생활 수준의 향상은 생활하수의 증가를 가져왔고, 이에 따라 하천과 강의 오염을 방지하기 위해 하수처리장은 필연적으로 증가하였다. 이러한 처리장의 증가와 함께 수처리 과정에서 발생되는 오니의 양도 계속 증가하여 이를 효과적으로 처리하는 것이 주요 환경정책 과제중의 하나로 대두되고 있다.

오니란 수질오염 방지를 위해 하수에 포함되어 있는 입자상, 콜로이드상 및 용존상의 오염물질을 제거한 후 고형상으로 발생되는 폐기물로서, 우리나라의 경우 발생된 지정폐기물중 오니가 차지하는 비율이 48.9%에 이르며, 일본의 경우에도 폐기물 발생량중 가장 높은 비율을 차지하고 있어 이의 효과적인 처리가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

기존의 오니 처리 방법은 방법이 간단하고 비용이 가장 저렴한 육상매립에 주로 의존해 왔으며, 기타 방법으로는 공해상 투기 또는 퇴비화 등의 활용에 의한 처리가 일반적이다. 최근에는 소각에 의한 감량화 처리가 시도되고 있다.

하지만, 매립이나 해양투기는 2차 오염 발생의 소지가 있어 장기적인 처분방안이 못되고, 소각 역시 설비투자 및 운영비용의 과다 지출이 예상되며 소각시 발생되는 가스와 소각회에 의한 환경오염 재발생 소지가 문제시된다. 퇴비화 방법은 재활용 측면에서는 좋은 방법일 수 있으나 사용량의 한계가 있어 근본적인 해결책이 되지 못한다.

시멘트 공정에 의한 오니의 처분도 있으나, 실제로는 경제성이 없어 현실적 활용이 불가능하다. 이는 하수오니와 같이 수분함량이 많은 원료를 시멘트 공정에 사용하기 위해서는, 운송 및 시멘트 제조공정상의 경제성과 운영상 편의를 위하여, 수분함량의 조절이 필수적이기 때문이다.

즉, 기계적인 탈수로는 50 내지 80 중량%까지 수분함량을 줄일 수 있으나, 그 이하로 조절하기 위해서는 추가적인 처리가 필요하다. 그러나, 산화칼슘이나 석회계 고화제를 이용한 탈수공정(미국특허 제 4,295,972 호 및 제 5,217,624 호 참조)의 경우 탈수보조제로 사용되는 탈수제의 원료비용과 혼합처리후 중량증가에 따른 운송비 등을 고려할 때 이 공정은 현실성이 없다. 또한, 시멘트 공정내 폐열 등을 이용하여 건조한 후 시멘트 공장에 직접 활용한 경우(미국특허 제 5,614,016 호 및 제 5,586,510 호 참조)도 있으나, 제거대상인 수분이 80 중량% 이상 함유된 오니를 시멘트 공장까지 운송한다는 것은 물류비용에 큰 부담이 될 수 밖에 없다. 게다가 시멘트공장내 건조용 압착기(dry crusher) 및 스크류 컨베이어(screw conveyer) 등과 같은 건조설비가 추가로 필요하고 건조시 발생되는 가스의 처리를 위해 공정내 복잡한 추가라인을 도입해야 하는 등 공정 운영 및 경제적 관점에서 여러 가지 어려움이 발생된다.

이에 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 운송 경비를 절감하면서도 추후 공정에 사용하기에 적합한 수준까지 하수오니를 하수처리장내에서 직접 건조한 후 시멘트 공장으로 운송하여 효율적으로 사용함으로써 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 하수오니를 안정적이고 경제적으로 재활용하고 2차 환경오염원의 발생을 방지하기 위해, 시멘트의 원료 또는 시멘트 제조공정상의 열원으로 사용함으로써 하수오니를 처리하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 하수처리장내에서 하수오니를 건조한 후 건조된 하수오니를 시멘트의 원료로서 사용하여 배합, 분쇄 및 소성공정을 거쳐 클링커(clinker)를 생산하기까지의 공정을 도식화한 도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 하수오니를 하수처리장내에서 수증기 건조방식에 의해 수분함량 15 내지 35 중량%로 건조한 후 시멘트를 구성하는 총원료의 0.5 내지 10 중량% 범위에서 시멘트 제조용 원료들과 배합하거나, 또는 상기 건조된 오니를 시멘트 제조공정에서 보조연료로서 사용함으로써 하수오니를 처리하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

하수처리장내 침사, 침전, 폭기등과 같은 수처리공정을 모두 거치며 수집된 하수오니는 최종 탈수과정을 통해 배출시 75 내지 80 중량%의 수분을 함유하고 있으며, 수분이외에는 오염물질로서의 유기성분과 소각시 재로 남은 무기물로 구성되어 있다. 본 발명에 따르면, 상기 구성의 하수오니의 유기물은 그자체가 갖는 발열량에 기인하여 시멘트 제조공정상의 연료로서, 무기물은 시멘트의 원료로서 사용된다.

특정자원을 시멘트 원료화하기 위해서는 사용시 시멘트 품질에 영향을 미치지 않고 재활용시 2차 오염발생이 없어야 한다. 또한, 안정된 공급이 지속적으로 이루어져야 하고 경제성이 있으며 공장내에서 다루기 용이해야 한다. 따라서, 본 발명은 폐기물인 하수오니와 일반적인 시멘트 원료와의 성분상 유사성에 기초를 둔 것으로, 하기 표 1은 시멘트, 시멘트용 원료로서의 점토 및 하수오니의 소각회 성분 분석결과를 나타낸다.

성분(ppm)	시멘트	점 토	하수오니
SiO2	22.0	61.30	28.24
Al2O3	5.2	17.80	11.84
Fe2O3	3.2	8.70	4.19
CaO	65.1	0.90	4.03
MgO	0.5	1.70	1.24
Na2O	0.36	0.17	0.83
K2O	0.58	3.04	0.91
P2O5	0.11	-	5.08
Cl	40	18	323
소각시 손실량	0.5	6.30	43.13

도 1은 하수처리장내에서 하수오니를 건조한 후 건조된 하수오니를 시멘트의 원료로서 사용하여 배합, 분쇄 및 소성공정을 거쳐 클링커를 생산하기까지의 공정을 도식화한 도이다.

본 발명에 따르면, 하수처리장에서 최종배출되는 하수오니(a)는 하수처리장내에서 수증기 건조방식에 의해 건조된다. 이 수증기 건조방식에 의해, 오니(a)는 7 내지 10kg/cm²의 증기압 및 200 내지 350℃의 온도가 유지되는 건조기(1)내에서 10 내지 30분의 체류시간동안 5 내지 30톤/hr의 속도로 건조되어 75 내지 80 중량%의 수분함량으로부터 15 내지 35 중량%의 수분함량을 가지게 된다.

15 내지 35 중량%의 수분을 함유하도록 건조된 오니는 운송시 날리지 않으면서 시멘트 공장내 원료분쇄기(raw mill)에 직접 투입가능할 뿐만 아니라, 상기 건조공정에 따른 70% 이상의 중량감소로 시멘트 공장으로의 오니의 톤당 운송비용을 1/4 이하로 감소시켜 막대한 물류비의 절감을 가져올 수 있다. 또한, 상기 건조를 비교적 낮은 온도조건하에서 수행함으로써 유독성 가스의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 건조기(1)내에는 중심을 축으로 하는 교반날개가 설치되어 있어 건조오니를 연속적으로 순환시켜 건조기내 균일한 흐름을 만들고 분쇄효과 또한 부여하고 있다. 또한, 수증기 생성에 소요되는 보조열원으로서 하수처리장내 소화조에서 발생되는 무상의 메탄가스를 사용함으로써 소요되는 연료비를 크게 절감할 수 있으며, 건조기내에서 발생하는 가스는 냉각을 통해 하수처리장내 토양탈취설비로 유도시켜 악취 발생의 소지를 사전예방할 수 있다.

이어, 상기와 같이 건조된 건조오니(b)는 하수처리장내 사일로(silo)(2)에 저장되었다가 시멘트 공장으로 운송되어 호퍼(hopper)(3)에 담겨지고, 시멘트 제조시 총원료의 0.5 내지 10 중량%의 범위로 원료분쇄기(4)에 투입된다. 일반적으로, 포틀랜트 시멘트는 석회석을 주원료로 하여 점토, 규석 및 산화철 등을 분쇄, 배합 및 소성시켜 만드는데, 시멘트 공장내 품질 규격치에 따라 여러 원료물질을 일정량 원료분쇄기에 투입하여 분쇄하면서 배합을 수행한다. 본 발명의 건조오니(b)는 공장내 설비의 추가없이 원료분쇄기(4)로 직접 투입할 수 있으며, 분쇄기(4) 내의 혼합에 따른 발열효과에 기인한 추가 건조효과도 예상된다.

본 발명에 따른 건조오니(b)가 투입되고 분쇄된 원료혼합물(c)은 사일로(5)에 담겨졌다가 예열기(6), 칼시너(calciner)(7) 및 킬른(8)을 거쳐 소성된다. 여러 단계의 예열기(6)에 의해 300 내지 350℃, 500℃, 750℃ 및 500 내지 850℃로 순차적으로 예열된 혼합물(c)은 800 내지 900℃의 온도범위를 갖는 칼시너(7)를 지나 킬른(8)이라는 경사진 연속식 소결로에서 1500℃ 조건하에 소성되어 클링커로 제조되는데, 이때 사용된 소결온도에서는 다이옥신이 분해되어 제 2의 환경오염원의 발생이 없는 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따르면, 상기 킬른(8)은 일정량(배합비 4%) 이상의 오니처리를 위해서 반드시 바이패스 라인을 필요로 한다. 바이패스 라인은 킬른내 코팅을 발생시키거나 축적될 수 있는 염소 또는 알칼리의 외부방출을 유도해 시멘트 제품의 품질과 장비의 안정성을 확보해줄 수 있는 장치로서, P₂O₅, Cl, Mg, Na, K 등과 같이 시멘트 품질에 영향을 줄 수 있는 원료내 성분을 제거하기 때문에 하수오니와 함께 투입되는 여러 폐기물을 대량으로 처리할 수 있다.

이어, 상기 킬른(8)에 의해 소성된 원료혼합물을 냉각기(9)를 통과시켜 200 내지 250℃로 냉각시킨 후 시멘트 분쇄기에서 석고 및 슬라그와 혼합 및 분쇄함으로써 시멘트를 제조할 수 있으며, 제조된 시멘트는 제품 사일로에 저장되었다가 적당한 시기에 출하되어 사용된다.

본 발명에 따르면, 하수처리장내에서 수증기 건조방식에 의해 건조된 오니(b)는 1,500kcal/kg 이상의 열량을 보유한다. 따라서, 본 발명에 따라 건조된 오니는 시멘트 제조공정상의 소결로인 킬른(8)에서 보조연료로서 사용할 수도 있다.

본 발명에 따른 하수오니의 처리는, 사업장 최대 발생폐기물인 오니를 하수처리장내에서 운송 경비 절감 및 추후 공정에 사용하기에 적합한 수준으로 건조시킴으로써 별도의 추가 설비없이 시멘트 공장의 기존설비를 활용하여 경제적이고 안정적으로 전량 유효하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 매립에 의한 침출수의 유출이나, 소각시 가스 또는 소각회와 같은 2차 환경오염원의 발생을 방지하고 매립장의 매립연한을 연장시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 만으로 제한되는 것은 아니다.

실시예

K 소재 처리장의 하수오니를 채취하여 8kg/cm²의 증기압 및 300℃의 온도하에서 체류시간 20분을 유지시키며 시간당 5톤을 건조처리하였다. 오니의 수분함량은 78 내지 80%에서 29 내지 31%로 감소되었으며, 하기 표 2의 배합비율에 따라 건조된 오니를 석회석, 백운규석 및 전로슬래그와 배합하였다. 배합이후의 광물조성 및 순환물질의 함량을 하기 표 3에 나타내었다.

비교예

하수오니없이 하기 표 2의 배합비율에 따라 배합한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 반응을 수행하여 배합이후의 광물조성과 순환물질의 함량을 하기 표 3에 나타내었다.

	원료 배합비(%)
	석회석	만종점토	오니	백운규석	전로슬래그
비교예	89.12	6.56	-	0.06	2.56
실시예	88.72	-	4.18	2.26	3.14

	광물조성(%)	순환물질 함량(%)
	C3S	C2S	C3A	C4AF	K2O	Na2O	Cl(ppm)
비교예	51.48	25.54	8.97	10.39	1.51	0.14	57.29
실시예	51.60	25.60	8.99	10.42	1.33	0.16	73.98
S: SiO2, A: Al2O3, C: CaO, F: Fe2O3

상기 표 2 및 3으로부터 알 수 있듯이 오니는 점토의 주요 대체물이 될 수 있으며, 배합이후의 광물조성에 있어서 비교예 및 실시예가 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 이는 제품으로 사용하는 원래의 원료에 비해 하수오니의 성분이 다량의 불순물들로 이루어졌음을 고려할 때, 상대적으로 우수한 특성이라고 판단할 수 있으며, 순환물질의 함량변화는 시멘트 제조공정상에 문제가 될 수 있으나, 상기 변화정도는 공정규제범위에 미치지 못해 그 영향이 미미하였다.

클링커의 압축강도 실험결과

상기 실시예 및 비교예로부터 얻은 배합물로부터 통상적인 방법으로 제조된 클링커와 표준사(KSL5100(시멘트 강도 시험용))를 1:2.45의 중량비로 혼합하고 물을 첨가하여 시험체를 제조하였다. 제조된 실험체를 20 내지 24시간동안 습기함 또는 습기실에 보관하였다가 꺼내어 유압형 또는 스크류형의 시험기에 넣고 하중을 가하여 시험체를 파괴하였다. 이때 시험기가 나타낸 최대 총 하중을 측정하고 그 압축강도를 계산하여, 압축강도 실험(테스트 규격: KSL5105)결과를 하기 표 4에 나타내었다.

구 분	흐름(%)	압축강도(kgf/cm2)
		1일	3일	7일	28일
비교예	85.3	56	245	336	378
실시예	90.7	36	249	340	385
참고예	-	153	255	316	388
* 참고예: 석회계 탈수제를 첨가하여 오니의 건조를 수행* 흐름: 퍼짐정도, 시험체 제조시 첨가하는 물의 정도

상기 표 4로부터 알 수 있듯이, 실시예 및 비교예로부터 제조된 클링커의 압축강도 실험결과는 유사하였으며, 석회계 탈수제를 사용하여 오니의 건조를 수행한 참고예의 경우도 비슷한 결과를 얻었다.

본 발명에 따른 하수오니의 처리방법에 의하면, 사업장 최대 발생폐기물인 오니를 하수처리장내에서 직접 건조시킴으로써 운송 경비를 절감하면서 별도의 추가 설비없이 시멘트 공장의 기존설비를 활용하여 경제적이고 안정적으로 전량 유효하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 매립에 의한 침출수의 유출이나, 소각시 가스 또는 소각회와 같은 2차 환경오염원의 발생을 방지하고 매립장의 매립연한을 연장시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 하수오니를 하수처리장내에서 수증기 건조방식에 의해 수분함량 15 내지 35 중량%로 건조한 후, 건조오니를 시멘트를 구성하는 총원료의 0.5 내지 10 중량% 범위에서 시멘트 제조용 원료들과 배합하거나, 또는 상기 건조오니를 시멘트 제조공정에서 보조연료로서 사용함으로써 하수오니를 처리하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   하수오니 건조시 하수처리장내 소화조에서 발생되는 메탄가스를 보조열원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 하수오니의 처리방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   하수오니 건조를, 7 내지 10kg/cm²의 증기압 및 200 내지 350℃의 온도가 유지되는 건조기내에서 10 내지 30분의 체류시간동안 5 내지 30톤/hr의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 하수오니의 처리방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 건조오니가 1,500kcal/kg 이상의 열량을 보유하는 것을 특징으로 하는 하수오니의 처리방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   건조오니를 별도의 추가 공정없이 원료분쇄기(raw mill)에 바로 투입하여 시멘트 원료들과 배합하는 것을 특징으로 하는 하수오니의 처리방법.