A Study on the Production of Landfill-Cover Material Using the Physical Characteristics of Sludge and the Reduction of Odor

슬러지의 물리적 특성을 이용한 매립복토재 생산과 악취저감에 대한 연구

박정현

^a,b

^c†

A Study on the Production of Landfill-Cover Material Using the Physical Characteristics of Sludge and the Reduction of Odor

Jung Hyun Park ^a,b , Woon Ho Yeo ^c†

(Received: May 26, 2020 / Revised: Jun. 7, 2020 / Accepted: Jun. 7, 2020)

ABSTRACT: The aims of this study is to improve physical properties of the sewage sludge and the process sludge generated in the leachate treatment by mixing the dry fuel, to develop the neutral solidifing agents that reduce oder, and to recycle the sewage and the process sludges as landfill cover materials. The mixing ratio (W/W) of sludges and dry fuel was appropriate at about 1:1, and the mixed materials were shown to be homogeneous at that ratio. We could know that when the sludges were mixed with dry fuel, moisture contents and viscosities are reduced, and air passages are formed between particles and particles. The various mixing tests and odor tests showed that the neutral solidifing agent was effective for the odor reduction. The main ingredient of the solidifing agent is the ash of sewage sludge, enabling it competitive in waste recycling and production costs. The landfill cover, using developed neutral solidification agent, improved physical properties to satisfy the quality standards and to increase the compressive strength. It also proved to reduce the value of complex oder and the usage of solidification agent to 1/3 (3,000 to 1,000) and to 1/8 (50% to 6%), respectively, from the comparative study with alkaline solidified landfill cover. Further research is under way to prove that this can be mixed with general soil to be used as a soil improvement agent for plant cultivation.

Keywords: Sewage sludge, Dry fuel, Oder, Viscosity, Neutral Solidification agent, Mixing, Landfill cover material

초 록: 본 연구는 하수슬러지와 침출수 공정슬러지를 건조연료와 혼합하여 물리적 특성을 개선하고 악취를 저감하는 중성고화제를 개발하여 매립 복토재로 재활용하기 위한 연구이다. 슬러지와 건조연료의 배합비율(W/W)은 1:1이 적정하며 기계 혼합시험에서도 균질하게 혼합되었다. 슬러지는 건조연료와 혼합되면서 함수율과 점성은 저감되고, 입자와 입자사이에 공극이 생겨 통기성을 가지게 된 것을 알 수 있었다. 다양한 혼합시험과 악취시험 결과, 중성고화제 는 악취저감에 효과적인 것을 알 수 있었으며, 주 원료는 하수슬러지 소각재로 폐기물의 재활용과 생산비용에 있어 경쟁력이 있다. 중성고화제를 적용하여 고화복토재를 생산하면 압축강도 등 물리적인 특성이 향상되고 복토재 사용 품질기준도 만족하다. 또한, 알칼리성 고화복토제 대비 복합악취는 1/3 (3,000 → 1,000), 고화제 사용량은 1/8 (50% → 6%)로 낮춘다는 것이 입증되었다. 그리고 이것은 토사와 혼합하여 식물재배를 위한 토지개량제로 활용이 가능함을 입증하기 위해 추가 연구가 진행되고 있다.

주제어: 하수슬러지, 슬러지건조연료, 악취, 점성, 중성고화제, 혼합, 매립복토재

a

b

c

1. 서 론

경제성장과 더불어 산업화로 인해 도시에 인구가 집중되면서 도시지역 인구 일인당 물 사용량이 증 가하면서 하수의 발생량 또한 지속적으로 증가되고 있다. 생활하수를 처리시 발생하는 하수슬러지 배출 양도 물 사용량에 비례하여 늘어났으며 방류수질기 준의 강화로 슬러지 발생량 증가 속도는 더욱 빨라지 고 있는 실정이다. 국내 하수처리장에서 처리되는 하 수는 2018년도 기준 약 일 2천만 톤이 처리되고 있으 며, 하수슬러지 발생량도 하루 11,200톤이 발생하고 있다. 이 중 수도권 지역에서 발생하는 양이 약 50%

를 차지하고 있으며 수도권지역 총 발생량의 약 23%

는 수도권매립지 광역처리시설에서 처리되고 있다

. 하수슬러지의 처리방법으로 가장 큰 비중을 차지 하고 있는 것이 건조연료화 시설로 총 발생되는 하 수슬러지의 약 34%

를 처리하고 있으며 2018년도 전국 지자체가 관리하는 공공시설에서 약 21만톤의 건조연료가 생산되었다(2019)

건조연료의 대부분 은 화력발전소의 보조연료로 공급되고 있으나 최근 미세먼지 방지대책으로 화력발전소의 가동 일수가 줄었고 슬러지 건조연료가 미세먼지를 많이 발생한 다는 환경과학원의 연구가 있어 장기적으로는 노후 화된 화력발전소를 폐쇄한다는 것이 정부의 방침이 므로 건조연료의 수요는 지속적으로 줄어들 예정이 다. 금년에는 수요량 최대 28만톤 보다 공급량이 32 만톤으로 예측

되어 발전소 연료로 활용되지 못하 고 일부는 매립될 상황으로 새로운 활용방안 마련 이 시급한 실정이다. 따라서 건조연료는 낮은 함수 율로 슬러지의 물리적 성질을 개선을 위한 재료가 될 수 있을 것으로 판단하게 되었다. 수도권매립지 광역 슬러지 자원화시설은 2012년부터 하수슬러지 의 해양투기가 금지됨에 따라 육상처리 대책으로 설치되었다.

하수슬러지 자원화 1단계 시설은 슬 러지를 고화처리하여 매립복토재를 생산하는 시설 로 2009년부터 운영되었으나 최근에는 고화복토재 에서 발생하는 악취로 인한 잦은 민원 발생으로 복 토재 사용이 중단되어 전량 매립되고 있어 매립지 수명을 단축시키므로 조속히 악취가 저감되는 고화 제를 개발하여 매립복토재로 재활용 재개될 필요가

있다. 또한, 자원화 2단계 시설은 건조연료를 생산하 는 시설로 2012년부터 운영되고 있으나 화력발전소 보조연료 사용량이 감소되어 잉여 건조연료가 발생 하고 있어 저장 및 관리에 많은 어려움을 겪고 있다.

하수슬러지는 물리적 특성상 점성이 높고 악취가 많이 발생하므로 처리가 어려우나 폐수슬러지와는 달리 중금속 등 유해물질의 함량은 낮고 질소성분 이 비교적 많으며 pH는 중성에 가까우므로 무기질 토양의 흙과 혼합하게 되면 식물성장의 영양분으로 활용이 가능하다. 침출수의 처리과정에서 발생하는 공정슬러지는 철염성분이 많이 함유되어 있고 중금 속 등 유해물질은 거의 없으며 유기물함량과 점성 은 소화슬러지 보다 다소 낮고 함수율은 소화슬러 지와 비슷한 것이 특징이다. 현재 함수율을 저감하 여 매립처리 되고 있다

. 유럽 환경 선진국들과 미 국에서는 정책적으로 하수슬러지의 재활용을 지지 하고 있으며 매립지의 복토재 또는 산림조성부지 등에 토질개량제로 많이 사용되고 있다. 또한, 최근 환경부에서도 “유기성오니 등을 토지개량제 및 매 립시설 복토 용도로의 재활용 방법에 관한 규정”을 고시(제2020-71호) 내용을 개정하여 2020.4.3일부터 시행하고 있다.

과거에도 하수슬러지를 발효⋅고화시켜 매립지

복토재로 사용하는 기술개발과 제지슬러지소각재를

이용한 하수슬러지의 고화처리에 관한 연구(2013,

이광연)

, 황산철성분에 생석회 또는 산화마그네슘

을 혼합하여 시멘트와 연탄재를 부원료로 사용하여

중성계 고화제를 생산하는 연구(2007년, 안양대학

교)

등이 있었다. 그러나 대부분 고화처리시 발생하

는 악취에 대한 연구가 부족하고 물리적인 품질 등만

강조되고 있으나 본 연구에서는 기본적인 물리적 성

상을 확인 후 악취발생 저감을 최우선 과제로 설정하

였다. 이유는 현제 악취 문제로 인해 수도권매립지

이외 다른 매립지에서 현재 일부만이 매립복토재로

사용되고 있기 때문이다. 따라서, 본 연구의 목적은

하수슬러지 또는 침출수 공정슬러지를 건조연료와

혼합하여 물성을 변화 시키고 악취를 저감하는 고화

제를 개발하여 적용함으로써 매립복토재로 다시 사

용하며 더 나아가서는 토지개량제로 활용을 위한 목

적이다. 기존 알칼리성 고화복토재는 슬러지에서 발

① Digested sludge ② Landfill leachate sludge ③ Dried fuel ④ Sewage sludge ash

Fig. 1. Properties of test target samples.

Sample pH Moisture content

(%, wet)

Organic matter content (%)

Low heating value (kcal/kg)

① Digested sludge 6.7~8.6 76~84 45~65 -

② Landfill leachate sludge 6.5~8.2 75~83 35~50 -

③ Dried fuel 6.4~7.3 4~8 48~60 2,850~3,200

④ Sewage sludge ash 6.0~6.9 1~3 0 -

Table 1. Physical & Chemical Characteristics of the Test Target Samples 생하는 염기성 악취를 더욱 증폭시키고 고화제의

사용량이 하수슬러지의 50%정도로 많아 폐기물처 리분담금과 고화제 구입비가 많이 소요되는 문제가 있으므로 중성 고화제를 생산하기 위하여 약산성의 슬러지소각재를 고화제의 주원료로 활용하고자 하 였으며 생산된 중성고화복토재와 기존의 알칼리성 고화복토재의 품질시험 결과를 비교하였다.

2. 재료 및 실험방법

2.1. 실험 대상시료의 범위와 특성

본 연구대상 시료는 ① 지자체에서 수도권매립지 로 반입되는 소화공정을 거친 하수슬러지(이하 소 화슬러지라 함), ② 매립된 폐기물에서 발생한 침출 수의 처리과정에서 발생하는 생물공정에서 배출된 공정슬러지(이하 공정슬러지라 함), ③ 수도권매립 지 광역 자원화 2단계 시설인 건조연료화 시설에서 생산한 함수율이 10%이하로 건조된 슬러지건조물 (이하 건조연료라 함), ④ 서울 서남하수처리장에서 반입된 하수슬러지 소각재(이하 슬러지소각재라 함)

이상 4가지 물질이며 형상은 Fig. 1과 같다.

각 시료에 대해 특성을 미리 알아보기 위해 최근 2~3년 동안 수도권매립지로 반입되는 슬러지의 실 험결과 데이터 등을 모아 평균적인 시료의 물리적 특성을 Table 1과 같이 나타내었다.

각 시료별 악취특성은 ① 소화슬러지는 암모니아 와 트리메틸아민 등 염기성계 악취가 90% 이상이 다.

② 공정슬러지는 황화수소와 트리메틸아민이 주요 악취성분이며 염기성 악취가 60%이상으로 철 성분으로 인해 특유의 냄새가 난다. ③ 건조연료는 하수슬러지를 고온의 열로 건조한 물질로 주요 악 취물질은 다이메틸셜파이드(Dimethylsulfide), 아세 트알데히드, 뷰틸알데히드 등 중성계 악취가 60%

염기성계 악취가 30%로 조사되었다.

2.2. 최적 수분함량 도출을 위한 슬러지 적정 배합비율

2.2.1. 실험시료

소화슬러지(함수율 80.5%)와 공정슬러지(함수율

82.6%), 건조연료(함수율 8.0%)

Cylindrical rotary Mixer(250L)Multi-axial paddle Mixer

Fig. 2. Type of mixing apparatus.

2.2.2. 배합비율 실험방법

적정 배합비율을 찾는 이유는 첫 번째로 점성이 높은 구간인 글루존(함수율 42~60%)을 피하기 위함 이며 두 번째는 건조연료를 많이 배합하게 되면 잉 여 건조연료가 적어 상대적으로 슬러지 처리량이 적어지므로 최소의 혼합량으로 최대의 처리효과를 보기 위함이다.

소화슬러지와 건조연료의 실험 혼합비(W/W)는 1:0.9, 1:1, 1:1.1, 1:1.2로, 공정슬러지와 건조연료는 1:0.7, 1:0.9, 1:1, 1:1.1 비율로 실내실험을 다음과 같이 하 였다. 1 L(18cm × 21cm)의 LDPE 소재의 지퍼백에 슬러지와 건조연료를 넣고 밀봉한 후 수작업으로 적정하게 혼합한 후 혼합상태를 확인하고 혼합시료 20g을 채취하여 폐기물공정 시험기준에 따라 각각 의 함수율을 분석하였다.

2.2.3. 기계적 혼합기기의 형식선정

수작업으로 확인된 적정비율을 기계적으로 균질 한 혼합이 가능한지를 확인하고 보다 잘 혼합되는 혼합기기를 선정하고자 하는 실험이다.

공정슬러지 15 kg(함수율 83.3%)와 건조연료(함수 율 5.8%) 15 kg을 1 : 1 배합비율로 Fig. 2와 같이 원 통형회전식 혼합기와 다축패들식 혼합기로 각각 1 분 동안 혼합하였다. 시료의 함수율이 수작업 시와 다른 이유는 실험날짜가 다르며 당일 시료를 채취 하여 실험을 하기 때문이다.

혼합된 시료가 복토재 개발의 기본 원료가 되므 로 기본적인 물리적 특성을 확인하기 위해 pH, 투수

계수, 일축압축강도를 측정하였다

2.3. 고화제 원료로 악취저감을 위한 보조제에 대한 악취특성

2.3.1. 실험시료

① 공정슬러지(함수율 80.3%)와 소화슬러지(함수율 81.6%)에 건조연료(함수율 5.8%)를 각각 1 : 1 배합비율로 혼합(W/W)한 2가지 시료

② 앞의 2가지 슬러지혼합물에 기존 알칼리성 고 화제를 1 : 0.5 로 혼합한 혼합물

③ 악취저감 보조제 : NS-U(유칼립투스 식물 추출 물과 광물질의 혼합물)와 NS-J(제올라이트 성분) 2가지 악취저감 보조제는 흰색 가루형태로 고화 제 원료로 혼합이 가능하며 슬러지 처리시설과 축 사 등에 사용한 결과 악취저감 효과가 있다고 하여 선정하게 되었다. 2가지 슬러지와 건조연료의 함수 율이 실험할 때 마다 다른 이유는 생산 또는 반입시, 채취된 시료마다 차이가 발생할 수 있으며 오래 보 관시 부패가 일으날 수 있어 가능한 당일 시료를 채 취하여 실험을 하기 때문이다.

2.3.2. 악취특성 실험1 방법

A는 비교를 위한 시료이며 B는 2가지 슬러지 혼합

물 자체이며 C~E는 악취저감 보조제를 Table 2와 같

이 혼합하여 악취공정 시험기준으로 복합악취를 측

정하여 비교하였다. 악취저감 보조제 투입량은 얼마

가 적합한지 알 수 없어 10%를 기준으로 배합하였다.

Sample Alkaline solidification agent Mixture

Dried sludge Mixture (1 : 1)

Odor reducing agent

NS-U NS-J

A L-Sludge 300

- - -

D-Sludge 300

B L-Sludge

-

300 - -

D-Sludge 300

C L-Sludge 300 30 (10%)

D-Sludge 300 30 (10%) -

D L-Sludge 300

- 30 (10%)

D-Sludge 300 30 (10%)

E L-Sludge 300 15 (5%) 15 (5%)

D-Sludge 300 15 (5%) 15 (5%)

★ L-Sludge : Landfill leachate Sludge D-Sludge : Digested Sludge

Table 2. Mixing Ratio Table of Odor Reduction Agent

(Unit : g)

2.3.3. 악취특성 실험2 방법

두번째 실험으로는 확인되지 않은 의문이 생겨 공정슬러지 혼합물을 대상으로 악취공기를 한번 더 채취하여 주요 악취물질을 GC 분석기로 주요 악취 물질을 분석하여 악취저감 효과를 수치로 확인하여 저감효과가 좋은 악취저감 보조제를 선정하였다.

2.3.4. 악취저감 보조제의 배합비율과 시간경 과에 따른 악취특성 시험

앞의 실험결과로 선정된 악취저감 보조제의 혼합 량을 대폭 줄여 공정슬러지(함수율 82.5%) : 건조연 료(함수율 6.2%) = 1 : 1 로 혼합시료에 슬러지 혼합 물 중량대비 악취저감 보조제를 0.25%, 0.5%, 1.0%

각각 첨가하여 혼합하고 혼합 직후와 혼합 후 1일과 3일이 경과된 후 악취공기를 채취하여 복합악취를 측정하므로써 시간경과에 따른 악취농도의 변화를 확인하는 실험을 하였다. 혼합된 시료를 1일 경과, 3 일 경과 후 악취공기의 채취는 혼합물 시료가 담긴 비닐백을 10여 차례 흔들어 30분 후 주사기로 200mℓ 의 공기를 채취하여 500mℓ 용량의 가스백에 담아 악 취공정 시험기준에 따라 공기희석관능법으로 복합 악취를 측정하였다.

2.4. 고화제 원료 후보물질의 배합비율에 따른 악취특성

2.4.1. 실험시료

① 공정슬러지(함수율 80.3%)와 건조연료(함수율 5.8%)를 1:1 혼합물에 악취저감 보조제 NS-U 는 0.25% 첨가한 혼합물 (2-3 결과 참조)

② 원료물질 : Slag, Diammonium Phosphate(DAP), Ca계 벤토나이트, 시멘트, CaO

고화제 후보물질은 기존 고화제의 원료로 사용되 고 있는 것과 참고 연구논문에서 가장 많이 언급된 재료를 기준으로 함수율이 낮고 수분을 잘 흡수하 거나 물과 반응하는 물질, 복토재의 압축강도를 향 상시킬 수 있는 물질들로 이중 5가지를 선정하였다.

2.4.2. 배합비율 실험방법

배합비는 우선 알칼리도가 높은 CaO는 악취를 증

가시키므로 배합비율을 축소하였고 시멘트는 강도

향상에는 좋으나 혼합량이 많을 경우 화학적 응집으

로 혼합이 불량해 질 수 있어 소량만 첨가하는 것으

로 다른 원료는 기존 고화제를 혼합비율을 참고하여

Table 3과 같이 혼합비율 혼합하여 악취공정 시험기

준에 따라 복합악취를 분석하였다.

Sample L-Sludge Dried-fuel NS-U Slag DAP Bentonite CaO Cement Mixed mass (g)

A 100 100 -

B

200 200 1

-

2

0.02

C 20 -

0.22

D - 20 -

E - 20

F 20 20 -

G - 20 20 0.42

H 20 20 20 0.62

★ L-Sludge : Landfill leachate Sludge, NS-U : Odor reducing agent

Table 3. Mixing Ratio Table of Solidification Candidate Materials

Sample L-Sludge Dried fuel NS-U Complex solidification agent Sewage sludge ash Mixed mass (g)

A

200 200 1

2 (0.25%) 20 (5%)

B 40 (10%)

C 4 (0.5%) 20 (5%)

D 40 (10%)

E 8 (1.0%) 20 (5%)

Table 4. Mixing Ratio Table (Complex Solidification Agent & Sewage Sludge Ash)

2.5. 중성고화제 개발을 위한 pH 조절용 원료 적용시 악취특성

2.5.1. 실험시료

① 공정슬러지 혼합물(공정슬러지 : 건조연료 = 1: 1)

② 악취저감 보조제 NS-U, 복합고화제(CaO, 벤토 나이트, 시멘트 등 혼합물)

③ 경기도 부천시 하수처리장에서 반입된 하수슬 러지 소각재

고화제 원료로 하수슬러지 소각재를 선정한 사유 는 슬러지소각재가 매립대상 페기물이나 중금속함 유량이 낮고 pH가 6.0~6.9로 약산성이므로 pH 조절 용으로 적합하다고 판단하였다.

2.5.2. 배합비율 실험방법

배합비율은 공정슬러지 혼합물에 악취저감 보조 제 NS-U 0.25%를 첨가한 베이스에 2.3 결과를 참고 하여 원료물질을 혼합한 복합고화제와 슬러지소각 재를 Table 4와 같은 다양한 배합비율로 혼합하여

악취공기를 채취 후 복합악취를 측정하였다.

2.6. 중성 고화제 혼합에 따른 악취 및 품질특성 2.6.1. 실험시료

① 공정슬러지 혼합물과 소화슬러지 혼합물(소화/

공정슬러지 : 건조연료 = 1: 1)

② 중성 고화제 : 악취저감 보조제와 슬러지 고화 물질, pH 조절제를 혼합한 물질

2.6.2. 중성 고화복토재 생산과 악취 및 품질 실험방법

두 종류의 슬러지 혼합물에 중성 고화제 6%(중량)

를 혼합하여 중성 고화복토재를 생산하고 악취공기

를 채취하여 공기희석관능법으로 악취를 측정하고

pH, 압축강도, 투수계수, 토양오염공정시험법에 의

한 유해물질함량 등을 Table 5와 같은 시험기준으로

법적인 품질시험을 실시하여 사용 가능성을 평가하

였다.

Analysis item Testing method pH, Moisture content Waste process test standards Coefficient of pitcher KS F 2322(Soil pitcher test method) Uniaxial compressive strength KS F 2314 (Soil Uniaxial compression test method)

Hazardous substance content Test standards for soil pollution process

Table 5. Test Method for Each Item of Quality Analysis of Solidification Landfill-Cover

Mixing ratio (sludge : Dried) 1 : 0.7 1 : 0.9 1 : 1 1 : 1.1 1 : 1.2

LD-M Moistur content(%) 51.4 45.5 44.5 38.2

DD-M Moistur content(%) 43.7 41.4 39.2 37.5

※ LD-M : Landfill leachate sludge + Dried fuel, DD-M : Digested sludge + Dried fuel

Table 6. Sludge & Dried Sludge Fuel Mixing Ratio and Moistur Conten

3. 결과 및 고찰

3.1. 최적 수분함량 도출을 위한 적정 배합비율과 혼합기 선정

슬러지를 매립복토재로 활용하기 위해서는 슬러 지의 물리적 특성인 고점성과 악취를 저감하는 것 이 반드시 필요하므로 건조연료의 혼합으로 글루존 을 피할 수 있는 최소범위로 함수율을 낮추고 기계 적인 자동화 운전 가능성을 확인하기 위하여 혼합 기 형식과 혼합상태를 확인하는 실험을 실시한 결 과는 다음과 같다.

3.1.1. 적정 배합비율

적정 배합비율 판정기준은 혼합물의 함수율이 45%를 기준으로 하였으며 혼합상태의 균질성을 육 안으로 먼저 보고 손으로 들거나 비벼 점성 정도를 확인하였다. 함수율 판정기준을 45%로 한 이유는 경험에 따른 글루존의 함수율 60~42%를 만족하지 는 않으나 45% 미만에서는 점성이 급격히 떨어지는 경향이 있고 2차로 고화제의 혼합으로 글루존을 완 전히 피할 수 있다고 판단하였다.

공정슬러지와 소화슬러지 두 가지 슬러지에 각각 건조연료를 혼합한 결과는 Table 6과 같으며 두 슬 러지 혼합물 모두 1 : 1(W/W)에서 함수율이 45 % 미만과 혼합상태가 양호하여 이를 적정 배합비율로 선정하였다. 소화슬러지의 경우 0.9로 혼합하더라도

함수율 45%를 만족하나 혼합된 상태가 점성이 있어 보였다. 반입시 함수율이 80.5%로 공정슬러지 보다 낮았음에도 불구하고 유기물 함량이 높은 것이 그 이유로 예측된다.

3.1.2. 혼합기 선정

적정 배합비율로 기계적 혼합을 원통형회전식 혼 합기와 다축패들식 혼합기로 각각 1분간 혼합한 혼 합물의 상태는 Fig. 3과 같으며 육안으로 검토한 결과 다축패들식 혼합기가 슬러지덩어리가 거의 관찰되지 않았으며 균질하게 혼합된 것을 관찰할 수 있다.

혼합된 슬러지의 성상을 살펴보면 혼합이 불량할 경우 각 시료들이 분리되고 슬러지는 뭉쳐져 덩어 리 상태로 남아있는 현상을 발견할 수 있으며 충분 히 혼합된 시료는 건조연료의 입자 표면을 점성이 있는 공정슬러지가 감싸는 형태가 되며 슬러지 점 액성분이 건조연료 알갱이의 표면에 붙어 입자의 크기를 증가시키고 얇게 도포되어 있는 것을 볼 수 있었다.

상기 혼합된 시료가 복토재 개발을 위한 실험의

기본 베이스가 되므로 공정슬러지 혼합물을 대상으

로 기본적인 물리적 특성을 검토하였다. 매립복토재

품질기준 항목 중 일축압축강도는 0.174 MPa, 투수

계수는 7.89 E-06, pH는 7.8 로 기준을 충족함을 확

인하였다.

① Cylindrical rotary Mixed state ② Multi-axial paddle Mixed state

Fig. 3. Mixing condition according to mechanical mixer type.

A : Alkaline solidification landfill cover / B : Dried fuel-Mixture C : Dried fuel-Mixture + NS-U 10%, / D : Dried fuel-Mixture + NS-J 10%,

E : Dried fuel-Mixture + NS-U 5%, + NS-J 5%

Fig. 4. Odor test of landfill leachate sludge/digested sludge & NS-U / NS-J mixture.

3.2. 고화제 원료로 악취저감 보조제의 악취특성 3.2.1. 악취특성 실험1 결과

슬러지를 고화복토재로 활용 시 가장 문제가 되는 것이 악취이다. 기존 알칼리성 고화제가 슬러지의 수분과 반응하면서 슬러지내 암모니아와 같은 염기 성계 악취를 증폭시켜 슬러지 단독으로 발생시키는 악취보다 더 많은 악취를 발생시키는 것이 문제가 되고 있다. 따라서, 고화제의 원료물질로 함수율이 나 점성에 영향을 주지 않으면서 악취를 저감할 수 있는 물질에 대해 혼합방안을 검토하게 되었다.

유기성 슬러지 악취제거에 효과가 있다고 알려진 분말 형태의 NS-U(유칼립투스 식물 추출물과 광물 질의 혼합물)와 NS-J(제올라이트 성분의 혼합물)의

악취저감 보조제에 대해 악취저감 효과를 실험한 결과는 Fig. 4와 같다.

기존 알칼리성 고화복토재의 복합악취가 4,481

배수이며, 슬러지를 건조연료와 혼합하여 함수율만

낮추더라도 악취가 68% 저감되었다. 그러나, 단순

슬러지 혼합시료와 NS-U와 NS-J의 악취저감 보조

제 10%(W/W)를 각각 적용하였을 때 모두 악취가

1,442 배수로 동일한 결과를 나왔으며 NS-U 5% +

NS-J 5%를 소화슬러지에 적용할 때 악취가 1,000배

수로 가장 낮았다. 또한 공정슬러지 혼합물에서는

NS-J를 혼합시 악취가 증가되어 악취저감 효과가

없는 것으로 판단되며 각각 5%를 함께 혼합한 경우

가 악취도가 가장 낮았다는 것은 보조제 혼합량 문

제가 아닌지 의심스러웠다.

Sample Complex odor (dilution ratio)

Concentration by odor substance(ppb)

H2S C3H9N DMS DMDS

Dried-F + Digested-S(DD-Mixture) 1,442 38.9 71.5 524.8 32.6

DD-Mixture + NS-J(10%) 2,080 33.5 42.9 233.2 80.7

DD-Mixture + + NS-U(10%) 1,442 3.3 N.D. 197.2 40.5

DD-Mixture + NS-U(5%)+NS-J(5%) 1,000 19.8 16.5 147.4 68.6

1) Odor substance : DMS (dimethylsulfide, C2H6S), DMDS (dimethyl disulfide), C

H

N(trimethylamine) 2) DD-Mixture : Dried-fuel + Digested-Sludge Mixing ratio 1 : 1

Table 7. Performance Effect of Odor Reducing Agent

결과로 보면 악취저감 보조제의 악취저감 효과가 의심스러워 보이나 실제 NS-U를 10%를 혼합한 시 료에서는 냄새 성분이 확연히 바뀌었으며 악취가 아닌 유칼립투스 향이 나고 불쾌하다는 느낌이 거 의 없었다. 여러 사람들이 냄새를 맡아 본 소감도 그러했다.

단순 슬러지 혼합물과 복합악취에서 차이가 발생 하지 않은 것에 대한 의문이 생겨서 이유를 살펴보 기 위해 악취시료를 다시 채취하여 악취물질의 성 분을 GC로 분석하는 2번째 실험을 하였다.

3.2.2. 악취특성 실험2 결과

악취물질 분석 실험결과는 Table 7과 같으며 NS-U 를 10% 혼합시 DMDS은 약간 증가되었으나 다른 악취물질들은 현저히 저감되었음 알 수 있다. 따라 서 NS-U의 성분으로 식물추출물인 유칼립투스의 향이 복합악취에서는 악취로 나타났기 때문인 것으 로 판단된다. 공정 슬러지혼합물의 주요 악취물질은 염기성 악취인 트리메탈아민과 건조연료의 DMS인 것으로 나타났으며 NS-U가 염기성계 악취인 트리 메탈아민 저감효과가 큰 것으로 조사되었다.

실험결과로 판단할 때 악취저감 보조제 NS-U는 NS-J 보다 악취저감 효과가 크며 혼합비율을 조절하 여 유칼립투스 향을 저감할 필요가 있는 것으로 검토 되었다.

3.2.3. NS-U의 배합비율과 시간경과에 따른 악취특성 결과

악취저감 보조제로 NS-U 혼합량을 대폭 축소하 여 공정슬러지 혼합물 중량 대비 0.25%, 0.5%, 1.0%

를 각각 혼합하고 1일후와 3일후 시간 경과에 따른 악취도의 변화를 검토하는 실험으로 결과는 Fig. 5 와 같으며 놀랍게도 NS-U를 0.25% 혼합하는 경우가 악취농도가 가장 낮았으며 악취저감 보조제를 0.5%

를 혼합한 시료가 혼합 직후에는 1,442 배수에서 1 일후 10,000배로 3일후에는 646배수로 가장 큰 변화 를 보였다. 결과로 보면 악취저감 보조제를 첨가하 지 않은 것 보다 소량을 첨가하였을 때 악취는 저감 되며 모든 시료에서 시간경과에 따른 악취도의 변 화는 1일 경과 후(대기노출 기준)에는 악취가 증가 하였다가 3일 후에는 다시 저감되는 패턴을 보였다.

시간경과에 따른 악취변화는 공정슬러지의 수분이 건조연료에 흡수되면서 수분 등에 녹아있던 악취 성분들이 한꺼번에 배출되면서 시간이 지나면서 악 취가 증가하다가 3일 후에는 안정화되는 것으로 예 측된다.

시간경과에 따른 복합악취 분석을 1일과 3일로 한 것은 기존의 알칼리성 고화복토재는 통상 혼합 후 1일정도 양생하여 매립복토재 사용하며 날씨 문 제로 3일간 저장하는 경우가 많기 때문이다.

3.3. 고화제 원료 후보물질의 배합비율에 따른 악취특성

법적으로 매립지에서 고화복토재는 양질의 토사

와 혼합하여 토지개량제로 사용이 가능하나(환경부

고시 제2020-71호)

기존의 고화제(pH 11이상)는 알

칼리도가 높아 식물성장 저해요인이 되어 활용에

문제가 되었다. 따라서, 본 실험에서는 중성고화제

원료물질로 다양한 무기질의 고화제 원료를 슬러지

혼합물에 적용해 악취저감 효과를 분석함으로써 중

A : LD-Mixture / B : LD-Mixture + NS-U 0.25%

C : LD-Mixture + NS-U 0.5% / D : LD-Mixture + NS-U 1.0%

※ LD-M :

Landfill leachate sludge + Dried fuel = 1 : 1

Fig. 5. LD-mixture & NS-U mixing / 1 day and 3 days after odor test.

A : LD-M (Base) / B : Base + NS-U 0.25% + CaO 0.5% + Cement 0.05% (2-Base) C : Slag 5% / D : DAP 5% / E : Bentonite 5% / F : Slag 5% + DAP 5%

G : DAP 5% + Bentonite 5% / H : Slag 5% + DAP 5% + Bentonite 5%

Fig. 6. Results of odor test according to the ratio of candidate materials for solidification.

성고화제 원료를 선정하고자 하였다.

5가지의 고화제 후보물질을 적용하여 복합악취를 분석한 결과는 Fig. 6과 같으며 결과를 분석하면 악 취 저감효과는 B, E, F, H가 가장 낮은 1,000 배수의 복합악취가 측정되었다. 물질로는 저감효과 기준으 로 벤토나이트 > Slag > DAP 순으로 나타났다.

슬러지 건조혼합물에 악취저감제 NS-U 0.25% + CaO 0.5% + Cement 0.05% 혼합시도 악취가 많이 저 감되었다. 이는 CaO과 시멘트는 수화반응과 중금속

과이온 결합하므로 고화반응에 있어 중요한 물질이 나 알칼리도가 높아 pH를 증가시키므로 고화제 원 료 사용은 제한적이며 혼합비율을 최소화 하여 적 용할 때 pH와 악취에 거의 영향을 주지 않으면서 압축강도에는 도움이 될 것으로 판단된다.

3.4. 중성고화제 개발을 위한 pH 조절용 원료 적용시 악취특성

3.3의 악취실험 결과를 바탕으로 고화제의 원료

A : 복합 0.25%+소각재 5% / B : 복합 0.25%+소각재 10% / C : 복합 0.5%+소각재 5%

D : 복합 0.5%+소각재 10% / E : 복합 1%+소각재 5%

Fig. 7. Results of odor test according to the mixing ratio of complex solidification & sewage sludge ash.

로 벤토나이트와 시멘트, 산화칼슘 등을 추가로 선 정하여 이들을 혼합한 고화제를 복합고화제로 하여 후속 실험을 실시하였다. 중성고화제 생산을 위한 pH 조절용으로 슬러지 소각재를 선정하였으며 복합 고화제와 혼합비율은 pH가 약산성인 하수슬러지 소 각재 비중을 높여 흡수성과 점성을 조절하고 중성 의 고화제로 만들기 위한 배합비율을 조정하면서 실험을 실시하였다.

중성고화제 생산의 조건은 다음과 같다.

① 고화제를 혼합 후 함수율은 더 낮아져야 한 다.(42 %이하 목표 함수율)

② 쉽게 구할 수 있으며 저렴하게 공급할 수 있어 야 한다.

② 생산된 고화복토재는 pH가 8.5 미만이어야 하 며 악취는 최소화하여야 한다.

실험결과는 Fig. 7과 같으며 악취저감 효과가 가 장 낮은 것이 B로 복합고화제를 0.25%, 슬러지소각 재를 10% 혼합시 악취농도가 가장 적었다.

실험결과를 분석하면 슬러지 소각재와 복합고화 제의 혼합비율을 높이면 악취가 증가하므로 소각재 는 10%, 복합고화제는 0.25%로 조절할 필요가 있다.

이를 토대로 다양한 고화제 후보물질을 조합하여 중성고화제를 만들 수 있었다. 고화제의 원료로는 악취저감 보조제(NS-U)와 빠르게 수분을 흡수하여 팽창한 상태로 굳어버리는 벤토나이트, 산화칼슘, 슬러지소각재가 주재료이며 그밖에 약간의 부재료

가 혼합된 물질이다. 개발된 중성고화재의 pH는 7.6~8.2으로 나타났다.

3.5. 중성 고화복토재의 물리적 성상과 품질특성 3.5.1. 중성 고화재를 적용한 고화복토재의 복

합악취 결과

① 공정슬러지 혼합물에 중성 고화재 6%를 혼합 한 시료 → 1,000 배수

② 소화슬러지 혼합물 에 중성 고화재 6%를 혼합 한 시료 → 1,000 배수

③ 기존의 알칼리성 고화복토재 → 3,000 ~ 4,481 배수

따라서 기존 알칼리성 고화복토재 보다 복합악취 는 1/3 (3,000배수 → 1,000배수) 이하로 저감이 가능 하며 최종 함수율은 45%에서 42%로 저감되었으며 고화제의 혼합 사용량은 1/8 (50% → 6%)로 줄었다.

공정슬러지가 혼합된 중성 고화복토재의 경우에는 대기에 노출된 상태로 3일이 경과된 이후에는 악취 가 646 배수로 저감이 확인되었다.

Fig. 8에서 보듯이 소화슬러지와 공정슬러지가 슬

러지 건조연료와 1:1로 혼합되었을 때 물리적 성상

은 입자형태로 변하였으나 수분감이 남아 있고 중

성 고화재 6 %를 혼합하게 되면 두 시료 모두 황토

색으로 변하고 점성 및 함수율이 감소하여 입자상

이 더욱 선명해졌음을 육안으로도 판별할 수 있다.

 

Landfill leachate sludge LD-Mixture(1:1)

L-sludge + Dried fuel Landfill-Cover LD-M + solidification

 

Digested sludge DD-Mixture(1:1)

D-sludge + Dried fuel Landfill-Cover DD-M + solidification

Fig. 8. Variation in physical characteristics(sludge / sludge mixture / neutral solidification landfill-cover).

Fig. 9. Middle-cover section and characteristics of oder after construction

.

3.5.2. 고화복토재의 품질실험 결과

중성 고화복토재가 복토재 사용기준에 적합한지 를 검토하기 위해 품질실험을 한 결과는 Table 8과 같으며 검사한 항목 모두에서 기준치를 만족하여 복토재로 사용 가능성이 확인되었다. 그러나 구리와 아연은 토양오염우려기준 2지역 기준에 근접하고 있어 특별관리가 필요한 것으로 판단된다.

매립지내에서 고화복토재를 토지개량제로 활용 하기 위해서는 토지개량제의 기준도 함께 충족하여

야 하므로 토지개량제의 중금속함량 기준을 검토한 결과 만족하였으며 유기물함량은 42.7%, pH는 8.0 인 것으로 조사되었다.

추가로 C/N비, 염분함량, 부숙도(실험 수행 시 실온 보다 20℃이상 재 발열이 없을 것.) 기준의 충족 여부 는 부숙공정을 거쳐 실험을 통해서 정확하게 평가될 수 있어 차기 실험과제로 입증하는 것으로 하였다.

중간복토재로 사용은 Fig. 9와 같이 고화복토재 20cm,

토사 30cm를 포설하게 되면 악취문제와 우수에 의한

Category(Unit) solidification Landfill-Cover (legal standard)

alkaline solidification Landfill-Cover

LD-Mixture A¹⁾

Neutral solidification Landfill-Cover B²⁾

Moisture content(%) 50 ≧ 45.2 43.8 41.9

Density(g/cm³) - 2.009 2.074 2,048

pH 12.4 ≧ 10.6 7.4 8.0

Coefficient of pitcher (cm/sec) 10^-7~10^-3 8.64 E-07 7.89 E-06 6.04 E-06

Uniaxial compressive strength (MPa) 0.1 ≦ 0.115 0.174 0.172

Heavy metal content ( mg/kg )

카드뮴(Cd) 10 ≧ 2.57 4.79. 4.70

구 리 (Cu) 500 ≧ 329.1 516.9 489.7

비 소 (As) 50 ≧ 5.0 6.97 9.61

수 은 (Hg) 10 ≧ N.D. 0.59. 0.60

납 (Pb) 400 ≧ 61.3 31.0 32..0

6가크롬(Cr⁶) 15 ≧ N.D. N.D. N.D.

아 연 (Zn) 600 ≧ 289.1 720.0 572.3

니 켈 (Ni) 200 ≧ 21.7 79.7 78.0

불 소 (F) 400 ≧ 244.0 356.0 350

시 안 (CN) 2 ≧ N.D. 1.26 1.36.

Organic phosphorus 10 ≧ N.D. N.D. N.D.

Polychlorinated biphenyl 4 ≧ N.D. N.D. N.D.

Phenol 4 ≧ N.D. N.D. N.D.

Benzene 1 ≧ N.D. N.D. N.D.

Toluene 20 ≧ N.D. N.D. N.D.

Ethelbenzene 50 ≧ N.D. 1.5 1.6

Xylene 15 ≧ N.D. 2.9 3.2

Trichloroethylene(TCE) 8 ≧ N.D. N.D. N.D.

Tetrachloroethylene(PCE) 4 ≧ N.D. N.D. N.D.

Benzo(a)pyrene 2 ≧ N.D. N.D. N.D.

1,2-Dichloroethane 7 ≧ N.D. N.D. N.D.

1) LD-Mixture(A) = Landfill leachate sludge(Moisture 83.3%) : Dried fuel(Moisture 5.8%) = 1 : 1 2) Neutral solidification Landfill-Cover(B) : LD-Mixture(A) + solidification agent 6

Table 8. Quality Standard Analysis Results of Solidification Landfill-Cover

(Unit : mg/kg)

유기물의 용출에 대한 우려를 모두 해결할 수 있다.

4. 결 론

본 연구를 통해 슬러지 건조연료의 낮은 함수율, 입자화된 성상, 비교적 높은 압축강도 등 물리적인 특성을 이용하여 소화슬러지와 침출수 공정슬러지 의 물리적인 성질을 1단계로 개선하고, 기존 알칼리

성 고화제의 고농도 악취발생과 높은 pH 등의 단점

을 보완하기 위해 중성고화제의 개발을 통해 악취

저감과 압축강도 향상 등 2단계로 개선된 고화복토

재가 매립지 복토재로 활용이 가능한지를 확인하는

연구이다. 슬러지 처리시 고질적인 문제로 높은 점

성은 건조연료와 단순한 혼합만으로도 글루존을 피

할 수 있었고, 악취발생은 다양한 고화제 원료의 혼

합을 통해 저감될 수 있었다. 이렇게 생산한 중성

고화복토재를 매립지 복토재로 사용할 뿐 아니라

속성수 재배을 위한 토지개량제로 활용에 대한 가

능성도 검토하였으며 연구과정에서 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.

1. 슬러지 건조연료는 슬러지의 점성문제를 해결 할 수 있는 중요한 재료이며 매립지 복토재 주 원료로 활용시 일축압축강도를 가지도록 하며 혼합물 입자가 알갱이화 되는 것을 도와 통기 성을 확보할 수 있게 되므로 건조가 용이하고 호기성 부숙공정이 가능한 상태가 되었다.

2. 중성고화제를 개발하는데 하수슬러지 소각재 가 중요한 재료가 되며 다양한 고화제 원료물 질과 혼합되어 슬러지내 수분을 빠르게 흡수 하고 함께 첨가되는 다른 고화제 물질이 적은 양으로도 고화특성을 발휘할 수 있도록 보조 제 역할을 하며 pH가 약산성으로 슬러지 혼합 물 및 다른 고화제 원료의 pH를 조절하고 고 화제 생산단가를 낮추는데 크게 기여할 것으 로 예상된다.

3. 중성고화제를 적용하여 매립복토재를 생산한 결과 악취는 기존 고화복토재 대비 최소 1/3 (3,000 배수 → 1,000배수)로, 고화제의 사용량 은 1/8 (50% → 6%)로 감소하였고, 일축압축강 도는 약 50%가 증가되는 등 물리적 특성이 개 선되었다.

4. 고화복토재의 pH는 중성에 가까워 부숙을 통 해 부숙토를 일반토사와 적정량으로 혼합하여 토지개량제로 활용한다면 하수슬러지의 높은 질소함량은 일반토양의 부족한 영양성분 보충 재로 활용할 수 있으며 식물성장에 적합한 pH 조건이 되므로 활용성이 높을 것으로 판단된다.

건조연료의 새로운 활용방안이 마련되고 악취문 제를 해소하여 매립지 복토재로 다시 활용될 수 있 는 방안을 제시하는 데 의미가 있으며 실험결과가 실증화 되기를 기대한다. 하수슬러지를 처리하고 동 시에 건조연료와 슬러지소각재 등 매립대상 물질을 매립복토재 등으로 재활용하게 되면 매립지 수명이 연장되고 매립처리에 따른 폐기물 처리부담금(1.5만 원/톤)을 줄일 수 있어 경제성이 높아지며 환경적 측면에서도 유기물이 식물 영양분으로 활용되면 온 실가스 저감효과도 있을 것으로 예상된다.

References

1. National Sewerage Information System Statistics, (2019).

2. SUDOKWON Landfill Site Management Corp.,

“Analysis on the Supply and Demand of Sewage Sludge Dried Fuel in Korea”, (2019).

3. SUDOKWON Landfill Site Management Corp.,

“Feasibility Study and Basic Planning Report for Dehydration Sludge Reduction Project produced by leachate treatment planting Report for Dehydration Sludge Reduction Project in Leakage Treatment Plant”, (2019).

4. Lee, G. Y., “Evaluation of Paper Mill Sludge as an Alternative Landfill Cover Soil.”, Chungnam National University Master's thesis. (2013).

5. Anyang University Industrial-Academic Cooperation Group., “Development of osolidification technology using neutral solidifying chemical agent to reduce the odor from sewage sludge”, Ministry of Environment Research Report. (2006).

6. SUDOKWON Landfill Site Management Corp., “A Basic Study on the Survey of the Areas and Stinking Facilities around the SUDOKWON Landfill Site”, (2019).

7. Ministry of Environment, “Regulations on the Recycling of Organic sludge, etc. for Soil Improvement and Recycling of Recycling for Landfill Cover”, Ministry of Environment Notice No 2020-71. (2020).

8. SUDOKWON Landfill Site Management Corp., “A Basic and Implementation Design Report on the Installation of Existing Solidification Treatment Facilities (Stage 3) in Sewage Sludge in the SUDOKWON Landfill Site”, (2017).

9. Waste Management Law, Enforcement Rules Annex 5.3 Soil Environment Conservation law, Enforcement Rules Annex 3.

10. Kim, J. S., “A Study on the Use of Solidification

Sludge as the Intermediate Landfill cover”, Inha

University Master's thesis. (2012).

11. Kim, M. G., “Solidification of Sewage Sludge with Waterworks Sludge and Application as Landfill Cover”, Korean Geo-Environmental Society,

Geoenvironmental engineering, 8(2), pp. 67~67.

(2007).