슬러지의 재활용, 벽돌재와 슬래그

전 세계적으로 대부분의 슬러지 재활용은 농업과 관련되지만 일본에서는 산업슬러지의 재활용이 총 슬러지 재활용의 46%에 이른다. 따라서 일본과 같은 국가들에서는 재활용 물질 생산이 슬러지 관리에 중대한 영향을 미친다. 하수슬러지의 재이용은 즉시 활용이 가능한 기술이다.

벽돌재

세계 최초의 실규모 하수 블릭 공장은 1991년 동경에서 운영되었다, 그 공장은 1일 15000kg의 소각슬러지 재로부터 5500개의 블릭 생산능력을 갖추고 있다. 중요한 점은 pH 3 이하의 조건에서도 벽돌로부터 중금속 침출이 없었다

1. 생산공정

몰딩과정은 첨가물 없이 100% 애쉬로부터 블릭의 제작 성공에 주요 열쇠이다. 애쉬를 형판에 담고 타입기를 이용해 상하로 압력이 가해진다. 평판 내의 애쉬 비중은 압력이 100 MPa에 이르기까지 증가하며 타입기의 압력증가에 비례하여 증가한다. 압력이 100 MPa에 다다른 후에 타입기의 압력이 증가하더라도 애쉬 비중의 증가는 미미하다. 결과적으로 형틀에 가해지는 최적 압력은 100 MPa이다. 타입속도가 1mm/s를 초과하게 되면 몰딩 되는 애쉬 내에 잔존하는 공기로 인하여 블록 내에 층이 형성된다. 반면 26 kPa의 진공이 프레싱기간 동안 형판 내부에 가해지면 공기가 방출되고 타입기는 7mm/s의 속도로 애쉬를 누르게 되어 프레싱 기간을 줄이게 된다. 아울러 주조된 애쉬가 손쉽게 형판으로부터 탈락되도록 오일이 형판의 표면 내에 살포된다.

Firing Process의 주요 부분은 천연가스 연소실을 갖춘 로울로 건조로로 구성된다. 온도는 직접적으로 최종 품질에 영향을 주므로 주의 깊게 조절되어야 한다. 로울로 건조로는 정확히 온도 조절을 하는 가증 훌륭한 방법이다. 주조된 에쉬는 건조로 컨베이어에 의하여 건조로 입구로부터 출구까지 이동된다. 원재료들이 수분이나 기타 첨가제를 함유하지 않고 있으므로 온도증가율은 재래식 블릭 제조 공정에서보다 더 크다. 다음은 냉각 과정이 수반된다. 열적변형으로부터 파괴를 방지하기 위해 냉각속도는 낮게 유지해야 한다. 온도가 상승할수록 수축률은 점차 감소한다. 일정 온도 이상에서는 휨강도와 수축강도가 급격히 감소한다. 반면 마멸손실과 수분흡수율은 온도가 증가함에 따라 점차 감소한다. 연료 필수조건은 직접 최대온도에 비례하며 최대온도가 낮을수록 더 많은 에너지가 절약된다.

2. 품질

하수블릭은 압축강도, 수분흡수율, 마모강도, 휨강도를 포함한 모든 면에서 재래식 블릭보다 우수하다. 하수블릭이 도입된 후 3년 동안 보도블록에 널리 사용되었다. 그러나 이끼 성장, 얼음, 백화현상이 출현하기도 했다.

녹색이끼는 기저 토양으로부터 발생하는 모세관현상 때문에 채광이 불충분하고 다습한 지역에서 하수블릭으로 포장된 보도표면에 나타난다. 추운 겨울아침에 얇은 얼음막이 블릭 표면에 생성되어 초등학생들이 미끄러지는 사고가 발생했다. 블릭에 나타나는 액상 CaCO3의 재결정화로 인하여 백화현상이 대부분의 포장면에 자주 나타났다. 콘크리트와 모르타르에도 발생되는 백화현상과는 달리 하수블릭의 표면은 백색에서 흑색 또는 추한 색으로 변색되는 특징이 있다. 이 같은 세 가지 문제점은 습기흡수율을 5% 이하로 조절하면 해결될 수 있다. 블릭의 수분흡수율은 소각 시 최대온도와 관계된다. 최적 온도는 기후적 환경에 따라 변화한다.

3. 비용

총 제조비용은 처리장에서 하루 10000kg의 에쉬를 처리하여 개당 $2.5가 소요된다. 블릭의 판매가격은 재래식 블릭과 경쟁력이 있으며 제조가의 약 50% 정도이다. 1개 블릭은 하수 50 세제곱미터에 해당하며 사용자는 $60를 지불하면 된다. 결과적으로 블릭 제조공정은 사용자 부담액이 4% 증가할 경우 경제적으로 적당하다 볼 수 있다.

슬래그

중금속의 부피감축과 비유동성이 최우선의 목적일 때 슬래그는 가능한 해결방안이다. 슬러지 케이크가 슬래그로 전환될 때 케이크의 부피는 원래 부피의 4%로 축소된다. 결과적으로 슬래그는 현재 널리 사용되고 있는 열고형화 공정이다.

1. 운영

초기 공기가 소각로의 상단으로부터 유입되어 원재료를 소각로 안으로 전달한다. 반면 2차 공기는 벽면에서 공급되어 선회류를 발생시킨다. 애쉬는 상부로부터 하부로 와류형으로 이동하여 가열되고 마지막으로 하부 출구로 배출된다. 상부의 온도가 높을수록, 바닥의 온도가 낮을수록 슬래그의 품질은 향상된다. 최적의 1차와 2차 공기비는 15:1이다. 실리카 모래를 첨가하면 애쉬의 액화 온도가 감소될 수 있다. 따라서 이 방법은 공정 운영을 안정화하고 에너지를 절약할 수 있다.

2. 슬래그 특성

분쇄된 슬래그는 물과 1:9로 혼합되고 6시간 동안 섞인다. 그다음 여과액은 화학분석이 행해지는데 중금속 침출이 없어야 슬래그가 안전하게 재이용 가능하다.

이 공장에서는 수-냉각 슬래그와 공기-냉각 슬래그가 생산된다. 주조된 슬래그는 급속하게 수-냉각되어 최종 수-냉각 슬래그가 완성된다. 실온으로 점차 냉각될 때 최종 생산물이 공기-냉각 슬래그이다. 두 가지 슬래그는 콘크리트에 사용되는 자갈의 기준을 만족시키지만 압축강도는 자연상태의 자갈보다 약하다.

3. 재이용

공기-냉각 슬래그는 콘크리트 혼합재, 뒤채움재, 레미콘 혼합재, 노상재료, 투수성포장, 인터로킹타일 및 2차 콘크리트 생산품을 포함한 자연산의 굵은 혼합재의 대체물로 사용된다.

슬래그가 실제 사용하기에 깨지기 쉬울 경우 담금질이 granulated slag의 성질을 향상하는데 필요하다. 슬래그를 30분간 재가열하고 서서히 공기-냉각시키면 결정이 생성된다. 따라서 최종산물은 인공 대리석과 같은 반 크리스털 구조를 가진 대리석 유사 물질이 된다. 그 물질은 강도가 세고 강산저항이 센 특성이 있고 보석과 비석 제조에 사용되어 왔다.