생석회와 轉爐슬래그를 이용한 未消化슬러지의 安定化 및 固化特性에 관한 硏究 = Stabilization and solidification characteristics of raw sludge cake using quicklime and converter slag

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 점점 증가하고 있는 미소화슬러지 탈수케��이하 미소화슬러지)의 처리·처분 대안으로 미소화슬러지를 안정화 처리한 후 고화처리하는 방법을 이용하여 위생매립지 복토재로 활용 가능성 여부를 판단하기 위해 수행되었다.
본 논문에서는 안정화제로 생석회룰 혼합·첨가한 경우의 안정화 처리 효과와 안정화 처리 후 고화제로 제강전로슬��이하 전로슬�瀏�칭함)를 혼합·첨가한 경우의 고화처리 효과를 조사하였다. 미소화슬러지의 안정화 여부를 검토하기 위해 pH 변화와 대장균군수 변화를 측정하였고, 고화처리 후 위생매립지 복토재로써의 활용 가능성을 검토하기 위해 일축압축강도변화, pH 변화, 중금속 용출시험, 침수시험 등을 수행하였다. 또한 고화체의 미세구조를 관찰·분석하여 고화효과를 입증하고자 하였다.
미소화슬러지의 안정화 시험결과는 생석회 혼합비를 5~20%으로 변화 시켰을 경우 혼합 2시간 후에도 pH 12이상을 유지하고 있었고, 생석회 혼합 전 미소화슬러지 자체 대장균군수가 120,000 MPN/g이었던 것이 혼합 후 1,000-3500MPN/g으로 크게 감소하였다. 이 두 가지 결과는 안정화 처리기준으로 제시한 미국 EPA의 Class B 기준을 만족하는 것으로 생석회를 이용한 미소화슬러지의 안정화처리가 가능하다는 것을 증명할 수 있었다.
안정화 처리된 시료에 전로슬�琉�첨가하여 고화처리하는 경우, 양생 일수에 따라 일축압축강도의 증가를 볼 수 있었다. 혼합비에 따라 양생일 수별 일축압축강도의 변화를 보면 양생 5일 경과 후 목표기준강도인 0.5kg /cm2를 상회하여 양생 28일에는 7.90~12.77kg/cm2의 강도를 나타냈다. 특히 기건양생으로 조기 강도가 발현되어 큰 강도 증진을 볼 수 있었고, 생석회 혼합비 증가에 따라 일축압축강도가 증가하는 경향을 보아 생석회가 안정화 효과뿐만 아니라 고화효과에도 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있었다. 그리고 pH 변화는 각 혼합비에 대해서 지정폐기물 판정기준인 12.5에 못 미��있었으므로 pH로 인한 문제는 없을 것으로 판단된다.
고화처리된 시료에 대한 중금속 용출시험을 수행한 결과, Cu는 비교적 높은 농도를 나타내었지만 지정폐기물 판정기준 이하였고, Pb, Cd, Cr^6+ 모두 기준 이하의 낮은 농도를 나타내었다. 따라서 고화처리된 미소화슬러지를 위생매립지 복토재로 이용할 경우 중금속 용출로 인한 2차 오염의 우려는 적을 것으로 판단된다.
7일간 양생시킨 고화체를 대상으로 1일간 침수시킨 후 중량 및 강도변화를 측정한 결과, 고화체 내부로 수분 흡수로 인한 강도 저하나 중량감소는 비교적 적게 나타났다. 이 결과 위생매립지에서 강우·적설로 인한 침수로 고화체의 재슬러지화나 강도저하는 없을 것으로 판단할 수 있다.
고화체에 대한 SEM분석 결과, 고화가 진행됨에 따라 침상결정을 다수 관찰할 수 있었고 이 결정에 대한 EDS분석 결과, 주성분은 Ca, Si 등인 것으로 확인되었다. 또한 XRD분석을 통해 고화반응의 주된 생성물은 CSH, CAH, Ca(OH)2와 같은 수화반응물임을 확인할 수 있었다.
이상의 결론에서 미소화슬러지에 생석회의 적절한 혼합을 통해 안정화 시킬수 있고, 여기에 전로슬�琉�고화제로 이용하여 고화처리하는 경우 기존의 하수슬러지 고화처리에 못지 않은 고화효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 따라서 생석회의 안정화처리와 전로슬�戮�고화처리를 거친 미소화슬러지는 위생매립지의 복토재로서의 활용이 가능하며, 이것은 미소화 슬러지 처리·처분의 적절한 대안으로 평가될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The applicability of raw sludge as a daily or intermediate landfill cover is investigated. In this study the raw sludge is stabilized using quicklime as a stabilizing agent and is solidified using the converter slag as a solidifying agent.
To confirm the effect of stabilization, the variation of pH and the coliform group numbers are investigated. To confirm the effect of solidification, the uniaxial compressive strength, pH, leaching of heavy metal, and submerged effect are investigated. The microstructure analysis SEM, EDS and XRD are carried out.
When the mixing ratios of quicklime are 5- 20% after 2 hours, and pH contents are maintained above 12, the coliform group numbers decrease from 120,000 MPN/g to 1,000-3,500 MPN/g. These results satisfy the EPA, Class B criteria.
The uniaxial compressive strength of each specimen mixed with the raw sludge, the converter slag, and the quicklime with mixing ratios of 100:20:10, 100:30:15, 100:40:15 are 9.37kg/cm^2, 10.22kg/cm^2 and 12.19kg/cm^2 respectively, As much as the quantity of quicklime the uniaxial compressive strength are larger, so the quicklime have not only the function of stabilization but solidification. pH contents are tested under the Korean toxic waste criteria , 12.5 in all conditions.
The leaching test shows the content below the Korean toxic waste criteria for four ions, Cu, Pb, Cd, and Cr^6+. The result shows the secondary contaminants may not affect using for landfill cover.
When finishing moist curing of specimen for one day, the differences of their weight and uniaxial compressive strength between before and after moist curing are measured. The result of this measurement shows that the differences of them are considerably little that moist curing does not affect the weight and uniaxial compressive strength of specimen.
The microstructure analysis by SEM shows that needle1ike crystals appear as the solidification proceed. The analysis of these crystals by EDS confirms that these main components are Ca, Si etc. Also, XRD 3naIysis shows that the main solidification products are CSH, in addition, Ca(OH)_2, CAH are observed.
From the above results, if the quicklime is used as a stabilization agent, the raw sludge could be stabilized. And if the converter slag is used as a solidification agent, more improved solidifying effects are obtained, 80 the solidified raw sludge may be appropriately used as a daily or intermediate landfill cover.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문요약 = i
• 차례 = iii
• 표차례 = vi
• 그림차례 = vii
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구연혁 = 2
• 1.3 연구목적 = 3
• 1.4 연구방법 = 4
• 제2장 이론적 고찰 = 6
• 2.1 하수슬러지의 발생 및 처분현황 = 6
• 2.2 제강전로슬래그의 발생 및 처분현황 = 7
• 2.2.1 철강슬래그의 종류 = 7
• (1) 고로슬래그 = 7
• (2) 제강슬래그 = 7
• 2.2.2 철강슬래그의 발생 및 처분현황 = 8
• 2.3 미소화슬러지의 안정화처리 = 9
• 2.3.1 안정화처리의 개념 = 9
• 2.3.2 화학적 안정화 = 10
• (1) 화학반응 = 11
• (2) 안정화에 영향을 주는 인자 = 12
• (3) 생석회안정화 = 13
• 2.3.3 안정화처리의 효과 = 14
• 2.3.4 안정화처리의 기준 및 방법 설정 = 16
• 2.4 미소화슬러지의 고화처리 = 17
• 2.4.1 고화처리의 개념 = 17
• 2.4.2 고화반응의 원리 = 18
• (1) 흡수발열반응 = 19
• (2) 이온교환반응 = 20
• (3) 포졸란반응 = 20
• (4) 탄산화반응 = 21
• (5) 수화반응 = 21
• 2.4.3 고화처리 효과 = 22
• (1) 유해 병원균 사멸 및 부패방지 = 23
• (2) 중금속 용출 억제 = 23
• (3) 냄새의 억제 = 23
• (4) 재슬러지화 방지 = 23
• 2.4 고화체의 목표강도 기준설정 = 24
• 제3장 안정화 및 고화실험 = 26
• 3.1 실험장치 및 실험기구 = 26
• 3.2 실험재료 = 27
• 3.3 실험방법 = 28
• 3.3.1 안정화처리 = 28
• (1) pH 측정 = 28
• (2) 대장균군수 측정 = 29
• 3.3.2 고화처리 = 29
• (1) 일축압축강도 측정 = 30
• (2) PH 측정 = 30
• (3) 중금속 용출시험 = 31
• (4) 1일 침수 전후의 중량 및 일축압축강도 변화실험 = 31
• (5) X-선 회절분석(XRD) = 32
• (6) 전자주사현미경(SEM)관찰 및 EDS분석 = 32
• 제4장 실험결과 및 고찰 = 33
• 4.1 미소화슬러지의 안정화처리 특성 = 34
• 4.1.1 pH 변화 = 34
• 4.1.2 대장균군수 변화 = 35
• 4.2 미소화슬러지의 고화처리 특성 = 37
• 4.2.1 일축압축강도 변화 = 37
• 4.2.2 pH 변화 = 38
• 4.2.3 중금속 용출특성 = 41
• 4.2.4 1일 침수 전후의 중량 변화 및 일축압축강도변화 = 44
• 4.3 미세구조 분석 = 46
• 4.3.1 X-선 회절분석(XRD) = 46
• 4.3.2 전자주사현미경(SEM)관찰 및 EDS분석 = 50
• 제5장 결론 = 53
• 참고문헌 = 56
• ABSTRACT = 60