1. 서    론

1.1 연구의 목적

정수장 슬러지의 기본적인 성상과 특성을 분석하여, 미가공 상태에서

다량으로 자원의 대체 사용이 가능한 토공재료와 건축재료의 이용가능성을

검토하는 데에 그 목적이 있다.

2. 연구의 내용 및 방법

2.1 연구의 내용

폐기물의 재활용 가능성은 무기 및 유기화학적 측면에서 검토가 가능하여,

정수장 슬러지에 대하여는 무기화학적 측면에서 다음과 같이 3가지 재활

용 기술로 분류하였다.

① 무기화학 원료로서 용도개발

② 결량골재등 골재제조 원료로서 용도개발

③ 매립성토재, 요업재료등 고체재료로서 용도개발

본 연구에서는 우라 나라 정수처리 과정에서 주로 사용하는 수처리약품인

황산알루미늄이 다량 함유된 Alum슬러지를 대상으로하여 하천 원수와 저수

지 원수로 구분하여 상기 분류중 ③번째 항목인 해안 및 공공용지의 매

립성토재와 점토벽돌 재료로서 대체 이용의 가능성을 검토하기 위하여 다

음의 사항을 검토 분석하였다.

① 정수장 슬러지의 재이용에 대한 관련문헌 및 연구실적 조사

② 샘플 정수장의 선정 및 슬러지 발생형태 조사

③ 정수장 슬러지의 화학조성

④ 정수장 슬러지의 토질공학적 특성분석

⑤ 정수장 슬러지의 매립성토재 이용가능성 검토

⑥ 정수장 슬러지의 점토벽돌재료 혼합사용 가능성 검토

2.2 연구의 방법

2.2.1 연구실적에 대한 문헌조사

정수장 폐기물 발생 메카니즘에 대한 국내외 연구실적과 탈수처리된 슬

러지케이크의 토공재료 및 건축용 점토벽돌재료의 혼합사용에 대한 실

험실적을 문헌을 통하여 조사 검토하였다.

2.2.2 샘플 정수장의 선정 및 슬러지 발생형태 조사

취수원의 원수특성에 따른 차이점을 분석하기 위하여 한국수자원공사가

운영 관리하는 광역상수도 시설중 13개 정수장을 선정하여 폐기물발생

및 처분현황을 조사하고 이론적 분석방버을 이용하여 정수장 폐기물의

발생량을 예측 하였다.

2.2.3 슬러지의 화확조성

정수장 슬러지의 일반적인 특성을 파악하기 위하여 화학적 성분을 분

석하고, 점검을 위하여 시차열분석과 X-선회절분석을 실시하여 일반

점토와 비교 검토하였다.

ㅇ 슬러지케이크의 화학성분 분석항목

- 주요요소 : Sio2, Al2o3

- 미량요소 : K2o, Mgo, Na2o, Cao, Tio2, So3, P2o5,MnO

- 기    타 : Ig.Loss, T-C

ㅇ 점토광물 분석항목

- 시차열분석

- X-ray회절분석

2.2.4 슬저지케이크의 토질공학적 특성 분석

정수장 폐기물 처리 과정에서 최종적으로 발생되는 탈수케이크의 토

성 및 토질역학적 특성을 검토하기 위하여 다음과 같은 시험을 실시

하였다.

ㅇ 슬러지의 토성 및 물리적 특성시험

- 함수량

- 비중

- 입도특성

- 다짐특성

- 투수시험

ㅇ 슬러지의 역학적 특성시험

- 일축압축시험

- 압밀시험

ㅇ 유기물질 함유량시험

- 강열감량시험

2.2.5 매립성토재료로서의 이용가능성

수분함량 70~80%로 탈수처리된 슬러지를 아무런 조절없이 미가공상태인

자연 그래로 해안 및 공공용지의 매립성토재료로서 이용 가능성을 평가

하기 위하여 슬러지의 토질공학적 제 특성을 일반 토사 및 연약점토와

비교 검토하였다.

2.2.6 슬러지 혼합비율에 따른 점토벽돌의 특성

건축용 점토벽돌 재료에 10%,15%, 20%의 비율로 슬러지를 혼합하여

실험실 시험 및 벽돌공장 Full scale 시험을 실시하여 건조 및 소성

특성등을 기성벽돌 재품과 비교 분석하여 슬러지의 가능 혼합비율을

검토하였다.

ㅇ 벽돌제작의 최적함수율 및 가능 혼합비율

- 건조밀도에 따른 최적함수율

- 10%, 15%, 20%의 슬러지 혼하비율

ㅇ KS규격에 의한 제품시험

- 압축강도

- 흡수율

3. 정수장 슬러지의 특성

3.1 슬러지의 물리□화학적특성

정수장 페기물의 물리적 특성을 결정하는 데에는 Knocke에 의한면 슬러지

의 특성을 거시적 특성과 미시적 특성으로 구분하였는데 거시적 특성은

비저항, 침강속도, 고형물 농도등의 Parameter이고, 미시적 특성은 입자

의 입경분류와 밀도등이다. 화확적 성분의 구성요소를 분석하는 목적이

라□아아아를 위한 탈수효율을 평가하는데 있다면, 탈수된 슬러지케이크의

화학적 성분을 분석하는 목적은 슬러지를 취급, 처분 및 재이용하는 측면

에서 찾아볼 수 있다.

슬러지의 화학적 조성은 원수자체의 성분과 응집제 및 탈수제의 성분으로

구성되면 주로 실리카분, 알루미나분, 강열감량분 등으로 분류된다.

여기서 강열감량은 유기물, 탄소, 화학적 결합수 등으로 이루어져 있으며

200~400℃ 사이에서 급격한 감량을 나타내고 500℃정도에서 90% 이상,

600~800℃에서 거의 전량이 감량된다고 보고된 바 있다.  이 감량변화는

미세점토 및 Al2(Oh)3의 감량 변화에도 영향을 미치는 데 원수중의 미세

점토 및 응집제에 기인한는 Al2(Oh)3□3H2O의 탈수에 의한 영향을 받고

있다.

① 슬러지의 배출형태가 달라지면 함수비가 크게 변화하고 함수비가 증가

됨에따라 지지력등 강도가 급격히 저하된다.

② 유기분의 함유량이 많다.

③ 슬러지의 처리과정에서 응집제, 탈수제등이 첨가되므로 토질과는 다른

화학성분을 갖는다.

3.2 슬러지의 화학조성

본 연구에서 정수장 슬러지의 화학적 조성분석은 동력자원연구소에서 시행

하였는데 그 결과는 다음 표 3-1과 같다. 대부분의 하천을 취수원으로 하고

있는 정수장의 슬러지는 취수언으로 하고 있는 대쳥댐 계통인 청주 정수장

슬러지의 실리카분은 15% 수준으로 아주 적다.  알루미나분(Al2O3)은 하천

원수의 경우 22~31%정도이나 대청댐을 취수원으로 하고 있는 청주 정수장

의 저수지 원수의 경우에는 저탁도원수에 상대적으로 많은 응집제가 소용되

므로 알루미나분이 비교적 많은 36%를 차지하고 있다.

철분은 산화제2철로서 대부분의 하천 원수에서 5%내외의 범위에 속한느 반

면 저수지 원수의 경우는 2%미만이다. 그빡에 미량금속이 산화물로서 검출

되었으나 그 총량은 6~&%에 머물고 있다.

3.3 슬러지의 점토광물 분석

슬러지의 토질공학적 특성이 유기물질을 다랑으로 함유한 점토와 유사 할

것이 예상되므로 점토광물에 대한 특성을 검토할 필요가 있다.

점토광물의 판별은 주로 X-선 회절접, 시차열 분석법, 전자현미경 관찰 및

적외선 분석등의 결과로부터 종합적으로 고려하여야 하는데 본 연구에서는

시차열 분석법과 X-선 회절법을 이용하여 검토 분석하였다.

시차열 분석과 X-선 회절분석은 동력자원연구소에서 시행하였으며 DTA분석

결과는 표 3-2와 같다. DTA 분석결과 정수장 슬러지는 87~120℃ 범위에서

1차 흡열반응을 보이고 있는데 이것은 슬러지 입자 사이의 간극수가 증발

제거되는 것으로 판단되고, 청주 정수장의 슬러지를 제외한 모든 하천 원수

를 사용한 정수장의 슬러지는 495~497℃ 정도에서 2차 흡열반응을 보이고

있는데 이것은 슬러지 입자에 화학적으로 구속되어 있는 화학적 결합수가

제거되는 것으로 추측된다. 발열반응 온도는 321~333℃ 정도에서 나타나는

데 이것은 슬러지내의 유기물질 및 탄소가 열과 반응하여 연소되는 것으로

판단된다.  이상의 결과에서 슬러지는 물에 대하여 강한 친화성이 있는

표면을 가지고 있으며, 대체적으로 친수성이 강한 겔의 점토인 것으로 판단

된다.

4. 슬러지의 실험결과 및 분석

4.1 슬러지의 토질공학적 특성

탈수된 슬러지 케이크를 매립장에 매립처분할 경우와 미립성토잴료로 이용

하고자할 경우에는 슬러지 케이크의 토질공학적 분석이 필요하다. 이런 토

질공학적 분석 항목에는 흙의 유기물 함량, 비중, 건조밀도, 입도분포, 함

수량, 투수계수, 전단 및 압축강도, 압밀특성 시험등이 해당된다. 특히 슬

러지의 매립작업에서 일축압축강도는 슬러지 운반차량의 주행에 견디는 정

도를 판단하기 위하여 매우 유용하게 쓰인다.

4.1.1 슬러지의 토성 및 물리적 특성

A) 유기물 함량 분석

슬러지의 유기물 함량은 슬러지의 탈수와 취급성에 영향을 미칠 뿐 만 아

니라 재이용 가능성분야를 검토하는데 있어 매우 중요한 평가지표가 된다.

예를 들어 유기물 함량이 많으면 유기질 비료나 옹업용 토양개량제로서의

이용가능성이 높으며,유기물 함량이 적으면 매립성토재료 또는 점토벽돌등

요업재료로서의 이용가능성이 높다. 따라서 유기물 함량은 슬러지의 취급

과 재이용 가능성을 평가하는데 있어 중요한 parmeter이다.

유기물의 분석은 강열감량에 의한 간접적인 방법이 많이 이용된다.

강열감량법은 600~800℃에서 유기물의 분해, 시료내의 화학적 결정수의

분해 및 방출이 이루어지며 유기물은 모두 산화 연소되어 물과 탄산가스등

이 되어 없어진다.

B) 슬러지의 비중

슬러지의 비중은 슬러지의 처리형태 및 슬러지 처리 과정에서 이용된 각종

화학약품의 종류에 따라 달라 지나 기본적으로 슬러지에 함유된 고형물중

함량에 좌우되는 것으로 판단된다.

C) 입도분석

정수장 슬러지의 입도분석 결과는 그림 4-3에서 보는 바와 같이 #200체 통

과율이 95% 정도로서 매우 작은 미립자로 구성되어 있음을 알수 있다. 슬

러지의 입도분포를 벽돌재료용 점토와 비교한 결과는 그림 4-4와 같다.

D) 슬러지의 함수비

일반적으로 탈수된 슬러지케이크의 수분 함량은 Belt-Perss를 사용한 기

계식 탈수장치의 경우에는 75~80%이다. 조사된 슬러지케이크의 함수비는

대체적으로 400~600%의 범위에 있으며 일반 흙의 자연함수비와 비교하여

매우 높은 값이다.

E) 건조밀도 및 투수계수

공공용지 또는 해안매립재로 이용할 경우 압밀에 영향을 미치는 압밀계수

를 결정하는 중요한 인자가 되는 슬러지의 건조밀도는 시험결과 함수비가

작아지면 커지는 것을 알수 있으며 일반 토사 1.8 ~ 1.9 g/□, 점토 1.6

~ 1.8 g/□에 비하여 0.3~0.6 g/□dml 범위이다.

4.2 슬러지의 점토벽돌 제작실험

4.2.1 소결성 및 뭐성특성 실험

탈수된 자연 슬러지의 소결성과 뭐성특성은 탈수처리에만 의존한 자연

슬러지 자체만을 이용하는데 초점을 맞추기 보다는 혼합사용 가능성을

평가하기 이전의 기초적인 자요로서 필요하다. 한편 수축변형 및 균열

발생, 비중 및 흡수유율등은 한국수자원공사 수자원연구소 토질시험실에

서 시행하였으며 이 분석에서 슬러지의 중량감소율(강열감량), 수축율,

흡수율은 일반점토벽돌재료와 비교하여 상당히 큰 값으로 나타났다.

4.4.2 벽돌공장 Full scale을 이용한 벽돌제작 실험

슬러지를 벽돌공장의 혼합공정에 직접 투입하여 실제 벽돌 제조공정을

이용한 Full scale실험은 전북 익산군 왕궁면에 소재한 벽돌공자의 전

프로세스에 적용하였다. 이 벽돌공장에서 혼합, 성형된 생소지는 소성로

의 폐열을 이용한 인공 건조로에서 건조한후 Tunnel Kiln형 소성로에서

1,190~1,200℃의 온도로 소성되었다. 혼합비율은 자연점토 80%, 세사

20%로 혼합된 벽돌재료에 10%의 슬러지를 혼합하였으며 그 결과는 다음

표 4-14와 같다.

Full scale 실험과정에서 나타난 문제점은 표 4-13의 결과와 같이 압축

강도와 흡수율에서 보다는 흑화현성과 부풀음 현상이 비록 적은 량 이지

만 발생되었다는 것이다. 그러나 이것은 혼합공정에서의 부정확한 혼합

비율 및 불균질한 혼합상태에 기안하는 것을 판단된다.

4.2.3 실험실과 벽돌광장 제조공정을 조합한 벽돌제작실험

과거의 연구결과에 의하면 콜로이등성을 갖는 점토의 성형은 혼합되는

수분의 비율과 성형압력에 따라 건조 및 소성강도에 현저한 변화를

나타내는 것이 명백하다. 더욱 일반적으로 성형이 곤란하게 되는 점토는

성형조건에서 좁은 범위의 수분함유 조건으로 제한된다. 그러나 슬러지

가 하중성은 어느정도 기대되지만 침수성이 강하기 때문에 최적 성형 조

건은 비교적 좁은 범위에 있을 것으로 추측된다. 한편 액성한계 및 서성

한계 분석에서 보는바와 같이 벽돌 및 도자기등에 사용된느 Kaolin계 점

토의 액성한계가 50이상 A선 가까이 PLOT되는 것에 비하면 슬러지는 액

성한계(WL)가 115~484%정도 이므로 취급에 상당한 곤란이 뒤 따른다.

5. 슬러지의 활용에 관한 고찰

5.1. 매립성토재로서의 이용가능성

탈수된 슬러지를 아무런 조절없이 자연상태 그대로 해안 및 공공용지의

매립성토재료로서 이용가능성을 평가하는 데에는 토질공학적 특성분석을

하면 개략적인 판단이 가능하다. 특히 강도가 약하고 압축성이 큰 연약지

반과 비교하여 검토해 볼 필요가 있다. 토질공학에서 연약지반은 일반적

으로 점토, 실트, 유기질토 및 느슨한 사질토 등의 지반으로 정의하고

있으며 Terzaghi와 Peck에 의하면 점성토에서 연약의 정도를 컨시스텐시

개념으로 표현하여 표준관입시험에 의한 N차가 2~4이하이고 일축압축강도

가 2.5~5t/□ 이하인 경우를 연약하다고 표현하고 있다.

유기물 함량은 일반 점토가 5% 미만인 데 비하여 정수장 슬러지는 표 2-4

에서와 같이 6~30% 정도이다. 유기물 함량이 많아 상대적으로 비중이 저

하되고 또 흙의 구조가 달라져 이에 따른 흙의 공학적 성질도 큰 변화가

예측된다. 즉, 자연 함수비가 높고 간극비가 커 강도가 저하되는 등 일반

적으로 토질공학적인 제 성질이 좋지 못한 영향을 받게 될 것으로 예측된

다. 이에 대하여 자연함수비와 간극비와의 관계는 유기물 함량과 일축압

축강도와의 관계에서 보면 정수장에서 최종 처리되는 탈수 직후의 함수비

400%를 슬러지의 자연함수비로 본다면 간극비는 8정도로 예상되고 유기물

의 영향을 받는 연약토라고 할 수 있다. 본 연구의 시험결과 함수비 230%

에서 일축압축강도는 0.5Kg/□ 정도이고 적어도 함수비 150%는 되어야

2.0Kg/□ 정도가 얻어지는 등, 함수비가 지배적인 요소로 된다. 실제로

정수장에서 탈수 직후의 슬러지의 함수비가 400~600% 정도인 것을 감안

한다면 인위적으로 슬러지의 함수비를 저하시키지 않는 한 자체만으로의

강도는 거의 기대하기가 어렵다. 따라서 정수장 슬러지를 공공용지 및 해

안의 매립송토재로 사용할 경우 탈수처리에만 의존된 슬러지는 지지력이

거의 기대되지 않는다. 일반적으 액성한계가 커질수록 간극비(e)와 압축

지수(Co)도 증가하는 경향이 있으며 정수장 슬러지의 자연함수비는 400

~600%, 액성한계는 115~484% 정도로서 압축지수 또한 대단히 높아 4이상

이 될 것으로 예상되므로 슬러지 위에 상재압이 가해지면 압축침하가 매

우 클 것으로 판단된다.

또, 액성한계 WL와 소성지수 Ip가 크므로 2u이하의점토 함유량에 대한

소성지수의비인 활성도는 8이상이 되므로 팽창수축이 심하여 도로의

성토나 되메움재로서 좋지 않으며 작은 충격이나 진동등에도 유동성이 커

지고, 흡수에 의한 강도의 저하가 클 것으로 예상된다. 투수계순느 10-7

cm/sec 정도로서 불투수성이며 인위적인 탈수공법 또는 침하공법을 시행

하더라도 압밀침하에 많은 시간이 소요되고, 또 약액주입공법등을 이용하

더라도 그 효과는 기대하기가 어렵다.

이상과 같이 슬러지의 토질공학적 특성으로 보아서 탈수에만 의존하는 자

연 슬러지를 매립성토재로 직접 이용하기에는 아직 기술적으로 문제점이

많은 것으로 판단된다. 따라서 슬러지를 매립성토재로 이용할 경우에는

탈수 이외에 추가적인 건조 또는 연소공정에 으한 함수율의 저하가 필요

하고, 자연슬러지에 시멘트, 서석회, 석고, 화학제등의 고결제를 혼합하

여 강도를 증진시키는 방안을 강구하여야 할 것이다.

5.2 점토벽돌재료 이용가능성

슬서지의 특성분석에서 언급한 대로 정수장 슬러지는 근본적으로 점토에

가까운 성분으로 구성되어 있으므로 이런 점토성분을 이용하여 요업제품에

응용할 수 있는 가능성이 매우 높은 것을 판단된다. 그러나 단순히 탈수

처리에 만 의존된 미가공 슬러지는 불필요한 구성성분이나 불안정한 결정

성 때문에 슬러지 자체만 직접 이용한느 데에는 몇 가지 문제점이 있다.

더구나 건조와 소성수축의 원인이 되는 유기물질을 다량으로 함유하고 있

어 미가공 슬러지를 오엽재료로 이용 할 수 있는 가능한 분야는 현재로서

는 점토벽돌의 혼합재료로서 이용하는 정도가 고려될수 있을 것으로 본다.

6. 결    론

정수처리 과정에서 발생되는 폐기물인 슬러지를 해안 및 공공용지의 매립성

토 재료와 점토벽돌 혼합재료등 대체자원으로서의 이용가능성을 검토하기

위하여 슬러지의 화학조성 및 점토광물 분석을 실시하고, 슬러지의 토질공

학적 실험과 벽돌 제작실험을 실시한 결과 요약 정리하염 다음과 같다.

1) 정주장 슬러지의 화학조성은 하천 원수의 경우 실리카분42%, 알루미나분27%

, 강열감량분 19%인 것에 비하여, 저수지 원수의 경우는 실리카분 15%, 알

루미나분 36%, 강열감량 42% 수준으로 상당한 차이를 나타내고 있다.

2) 정수장 슬러지는 시차열분석결과 물에 대하여 강한 친수성을 가지고 있으며

87~120℃에서 슬러지 입자 사이의 간극수가 제거되고, 321~333℃에서 유기

물질 및 탄소가 연소되고, 495~892℃에서 화학적 결합수가 제거되는 것을

알 수 있다.

3) 정수장 슬러지의 토질공학적 특성은 대체로 유기질이 많이 함유된 점토광물

의 특성치와 유사하며 원수에 따라 많은 차이가 있으나, 입경에 의한 흙의

삼각분류에서 실트질 점토와 실트의 범위에 있으며, 통일분류에서는 □OH'로

분류된다.

4) 슬러지의 비중은 2.0~2.4의 범위에 있으며 강열감량이 많을수록 작아진다.

5) 지지력면에서 탈수 처리된 직후의슬러지의 함수비 400%에서는 지지력을 기

대하기 어렵고, 일축압축강도는 대체적으로 함수비가 저하됨에 따라 증가

하며 함수비가 지배적인 요소이다. 매립등의 취급조건에서 필요한 소요지지

력을 얻기 위해서는 함수비를 150%까지 저하시키거나 시멘트, 소석회, 석고

또는 화학약품 등의 고결제를 혼합 사용하여 강도를 증진시키는 방안을 검토

하여야 한다.

6) 슬러지의 취급조건과 매립성토후 부지의 안정에 영향을 미치는 주요

Parameter는 유기물 함량과 수분 함량으로서 탈수에만 의존한는 고함수비의

슬러질르 매립성토재료로 이용하기 위해서는 슬러지의 토질공학적 특성에 관

한 보다 깊은 연구가 필요하다.

7) 점토벽돌 재료와 혼합 사용하는 경우, 저수지 원수의 슬러지는 유기물 함량

이 많기 때문에 합축강도와 흡수율이 규정치에 미치지 못 하였으나, 하천

원수의 슬러지는 강열감량이 20%이하인 경우 벽돌공장의 full process에

적용하면 혼합비율 20%까지 압축강도와 흡수율 등에서 현행 KS규격에 들

것으로 예측된다.

이상과 같은 검토결과 탈수처리에 만 의존된 미가공 상태의 슬러지를 실제로

매립성토재료 또는 벽돌공장에 혼합재료로 적용할 경우에는 계절별 유기물

함량의 변화가 심하여 품질관리가 어려운점 등이 있어 실요화 하기에는 아직

지술적으로 많은 제한을 받게 될 것으로 예상되나, 환경면에서 폐기물을

자원으로 재이용한다는 관점에서 슬러지를 제품화하기 위하여는 앞으로 지속

적인 연구검토가 이루어져야  할 것이다.

REPORT

(정수장 슬러지의 건설재료로서의

이용가능성에 관한 연구)

학    번 : 98006236

성    명 : 김 형 곤

담당교수 : 장정국 교수님

제출일자 : 00.11. 07