유해폐기물 처리공학 2nd term paper

소각재의 발생 현황 및 재활용 기법 분석

(비산재 중심)

1. 서론

1.1. 연구배경

폐기물을 처리하는 방법으로 과거에는 주로 매립처분이 큰 비중을 차지하고 있었다. 그러나 우리 나라와 같이 국토 면적이 좁은 나라에서는 넓은 면적을 필요로 하는 매립장의 부지확보가 어려워지면서 소각처리방법이 하나의 대안으로 여겨지고 있다.

우리 나라의 쓰레기 소각은 1984년 12월 국내 최초로 50 ton/day 규모의 소각장이 의정부에 건설되었고(이철태, 1995) 이후 서울에서는 1987년 150 ton/day 규모의 양천 쓰레기 소각시설을 가동하면서부터 시작되었다고 할 수 있다.(김규종 등, 1996) 서울시의 경우 쓰레기를 소각으로 처리하려고 정책화하기 시작한 것은 대략 1985년부터라고 보여진다. 다시 일본국제협력기구(Japan International Cooperation Agency)에서 수행한 「서울 도시고형폐기물 관리시스템에 관한 마스터플랜과 타당성조사보고서」(Master plan and feasibility study on Seoul municipal solid waste management system-final report, 1985, 10)의 최종결론으로 서울시에 쓰레기 소각장을 건설할 것을 제안하고 있으며 그때부터 서울시의 소각정책의 본격적으로 입안, 추진되었다고 볼 수 있다(황순원, 1999).

소각은 소각 전 쓰레기 양의 10∼20%이기 때문에 매립지의 사용연한이 길어지게 되고 소각시 발생하는 폐열을 재활용할 수 있는 장점이 있으므로 정책담당자에게 있어서 소각이란 쓰레기 문제를 해결해주는 열쇠가 되었다. 소각에 대한 이러한 생각은 현재에도 변함이 없어 소각정책의 추진력이 되고 있다. 환경부에서는 소각처리율을 2001년까지 25%로 높이려는 계획을 수립하고 있으며, 서울시에서도 2001년까지 소각에 의한 생활폐기물의 처리가 5%에서 16%로 크게 증가할 것으로 전망하고 있다(별첨 A, B, C 참조). 정부나 지방자치단체에서 이처럼 소각에 의한 폐기물의 처리비율을 증가시키게 되면 결국 소각재의 발생량도 증가하게 된다.

이처럼 소각정책을 추진할 때는 단지 처리할 쓰레기 양이 감소하는 것에만 관심을 두었지만 이제는 다이옥신 배출의 문제나 소각재 처리의 문제 등이 새롭게 부각되고 이에 따라 추가적인 오염방지시설의 설치, 소각재 처리방법의 개발, 과중한 운영비의 증가 등이 주요 관심사로 떠오르게 되었다.

소각재 처리의 문제는 이미 1996년부터 환경단체들 사이에 문제 제기가 되어 왔었다. 소각 폐기물 중에 존재하는 중금속은 소각과정에서 제거되지 않고 소각재 중에 남게 되며 이들 바닥재와 비산재 중에 함유되어 있는 중금속은 매립처분 시 침출수 중에 용출되어 지하수 오염 및 토양오염 등의 2차 오염을 유발시킬 가능성이 있다. 이것에 대하여 많은 환경단체들이 소각 후에 남게되는 비산재와 바닥재에 대한 대책을 요구해 왔었다. 그런데도 지금까지 각 소각장에서는 발생되는 바닥재와 비산재의 분리도 시행하지 못하고 두 가지를 같은 벙커에 모았다가 김포 매립지에 일반폐기물과 함께 매립해 왔다. 그 동안 김포 매립지에 일반폐기물과 함께 매립한 소각재의 양은 약 16만 톤에 달하는 것으로 추정되고 있다. 노원, 목동, 일산, 평촌, 중동 등 수도권 5개 쓰레기 소각장은 쓰레기를 태운 뒤 나오는 소각재를 지난 98년 11월부터 수도권 매립장에 보내지 못한 채 13,000여 톤을 주차장 등 야외에 쌓아두고 있는 실정이다. 이는 지난해 11월에 일산소각장에서 반입된 소각재 성분 분석결과 납 성분이 기준치 3 □/□보다 높은 3.96 □/□가 검출되면서 매립지 주민대책위원회가 소각재 반입을 중단시켰기 때문이다. 매립지 주민 대책위원회는 □환경관리공단에서 해당 자치단체 등과 연대해 일본 등과 같은 방식으로 소각재 재활용공장을 만들겠다는 계획을 세우면, 허용기준치 이하의 소각재는 잠정적으로 반입을 허용하겠다□고 입장을 밝히고 있다(이수구, 1999). 이와 같이 소각재의 유해성에 의해서 소각재를 적절한 처리 없이 매립하는 방법도 문제가 발생하게 된다. 이에 1999년 3월 기준으로 목동, 노원, 일산 등 수도권의 소각장에서는 소각장 근처의 공터나 주차장에 소각재를 방치해두고 있는 실정이다. 이 또한 인근 주민들은 야적해 둔 소각재가 비산하여 먼지와 악취에 대한 공해를 호소하고 있다. 이제는 각 소각장에서 더 이상 소각재를 쌓아놓을 공간이 없는 상황이며, 소각재에서 나는 냄새와 쌓아놓은 소각재에서 발생하는 분진 등으로 작업환경이 매우 우려되는 상황이라고 보고되고 있다(이수구, 1999). 따라서 소각재를 안전하게 매립하기 위한 처리기법이나 도시쓰레기 소각재에 대한 재활용 방안을 마련하는 것이 매우 시급한 형편이다.

1.2. 연구목적 및 범위

우리 나라에서 최근 소각의 비율이 높아짐에 따라서 소각재의 발생량 또한 증가되고 있는 실정이다. 따라서 소각재의 적정처리 및 재활용에 관한 관심이 고조되고 있다. 최근 소각재의 적정 처리기법이나 재활용 방안에 대해서 많은 연구가 진행중이다. 그러나 이런 재활용 방안에 대한 연구사례들이 제대로 활용되기 위해서는 소각재를 재활용한 이후의 유해성과 재활용에 의해 생산된 제품의 성능면에서의 검증이 되어야 재활용에 의한 처리가 실질적으로 이루어질 수 있을 것이라고 보여진다. 이에 본 보고서에서는 최근 많은 연구가 진행되고 있는 소각재의 재활용에 관한 연구사례를 소개하고자 한다. 이에 있어 비산재의 경우 바닥재보다 유해성이 훨씬 큰 것으로 알려져 있는바 소각재가 재활용될 경우 비산재의 재활용에 의해 생산된 제품의 유해성이 문제될 소지가 다분히 많기 때문에 재활용 연구 사례 중에서 특히 비산재의 재활용 연구에 대한 내용을 중점적으로 다루도록 하겠다. 이를 위해 먼저 현재 국내의 소각재 발생현황과 처리동향을 간략하게 알아보고, 소각재의 여러 가지 처리방법 중에서 소각재의 재활용 측면에 초점을 맞추어 이에 대해 연구한 논문들을 정리하여 앞서 말한 재활용에 의해 생산된 제품의 유해성과 그 기능면에서의 효용성을 검증하고 이 과정에서 발생하는 문제점을 공학적 측면에서 살펴봄으로써 소각재 재활용에 대한 공학적 검증을 통해 재활용시 고려되어야 할 사항과 문제점에 대해 고찰하고자 한다.

2. 소각재의 발생 및 처리현황

2.1. 소각재의 정의 및 성상

2.1.1. 소각재의 정의 및 분류

폐기물 소각장에서 폐기물은 연소과정을 거치면서 가연성 물질은 가스화되어 연소되나 불연성 물질은 연소실에 잔류하였다가 연소실 하부를 통하여 배출되게 되는데, 배출되는 소각재는 배출부위에 따라 소각로 바닥으로 배출되는 바닥재(Bottom ash)와 연소 가스 속에 함유된 분진을 포집 제거되는 비산재(fly ash)로 구분된다. 일반적으로 소각재를 바닥재와 비산재로 구분하지만 더욱 세분하면, 바닥재는 화격자 최종 하부로 배출되는 바닥재인 Grate ash와 화격자간 미세한 틈새로 낙하하는 바닥재인 Grate Shifting으로 구분되며, 비산재는 보일러재, 집진재와 산성가스 처리 잔재물로 나눌 수 있다. 이들에 대한 각각의 평균적인 배출량은 다음 표-1과 같다.

현행 폐기물 관리법에 의해 소각재를 일반폐기물 또는 지정폐기물로 분류하는 근거는 다음과 같다. 소각재는 폐기물 관리법 시행령 제 3 조의 별표 1의 11항에 의하여 시행규칙 2조의 별표 3에 의해 규정하고 있는 물질을 함유한 것에 한하여 지정폐기물로 분류되게 된다(표-2). 결국 폐기물공정시험방법에 의한 용출 실험에서 중금속 등의 물질이 기준치보다 높

게 나오면 지정폐기물이고 그렇지 않으면 일반폐기물이 된다. 환경부나 지방자치단체가 비산재를 지정폐기물로 인정하고 있는 것도 비산재가 지정폐기물이라는 명시적인 조항이 있기 때문이 아니라, 용출 시험에 의해 기준을 초과할 것이기 때문이다. 바닥재도 용출 시험에서 기준치보다 낮게 중금속이 용출되면 일반폐기물이 될 수 있다. 일반적으로 바닥재는 비산재에 비해 중금속 농도가 1/2∼1/100 정도로 낮은 것으로 알려져 있는 데다 바닥재가 지정폐기물로 고시되지 않았기 때문에 일부 소각장 운영자들은 일반폐기물로 이해하여 일반매립지로 바닥재를 반입하는 사례도 있다(김은경, 1999).

Table . Discharge amount of ash(US EPA, 1994)

소각재 종류		쓰레기 1톤당 배출량 (kg)
바닥재	Grate ash	300
	Grate sifting	5
비산재	보일러재	5
	집진재	20
	산성가스 처리잔재물	12
굴뚝배출재	먼지	약 0.05

Table . Legislation

폐기물관리법	제2조(정의) 이 법에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다. 4. □지정폐기물□이라 함은 사업장폐기물 중 폐유·폐산 등 주변환경을 오염시킬 수 있는 유해한 물질로서 대통령령이 정하는 폐기물을 말한다.
폐기물관리법 시행령	제 3 조 (지정폐기물의 종류) 법 제 2조 제 4호의 규정에 의한 지정폐기물은 별표 1과 같다. [별표1의 11항] 11. 소각잔재물(환경부령이 정하는 물질을 함유한 것에 한한다)-
폐기물관리법 시행규칙	[제 2 조의 별표3] 광재·분진·폐주물사·폐사·폐내화물·도자기편류·소각잔재물·안정화 또는 고형화처리물·폐촉매·폐흡착제·폐흡수제·오니에 함유된 유해물질(제2조 제3항관련) 1. 납 또는 그 화합물(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 3밀리그램 이상의 납을 함유한 경우에 한한다.) 2. 구리 또는 그 화합물(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 3밀리그램 이상의 구리를 함유한 경우에 한한다.) 3. 비소 또는 그 화합물(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 1.5밀리그램 이상의 비소를 함유한 경우에 한한다.) 4. 수은 또는 그 화합물(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 0.005밀리그램 이상의 수은을 함유한 경우에 한한다.) 5. 카드뮴 또는 그 화합물(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 0.3밀리그램 이상의 카드뮴을 함유한 경우에 한한다.) 6. 6가크롬화합물 (폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 1.5밀리그램 이상의 6가크롬을 함유한 경우에 한한다.) 7. 시안화합물(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 1밀리그램 이상의 시안화합물을 함유한 경우에 한한다.) 8. 유기인화합물 (폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 1밀리그램 이상의 유기인화합물을 함유한 경우에 한한다.) 9. 테트라클로로에틸렌(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 0.1밀리그램 이상의 테트라클로로에틸렌을 함유한 경우에 한한다.) 10. 트리클로에틸렌(폐기물공정시험방법에 의한 용출 시험결과 용출액 1리터당 0.3밀리그램 이상의 트리클로에틸렌을 함유한 경우에 한한다.) 11. 기타 환경부장관이 정하여 고시하는 물질

2.1.2. 소각재의 성상

도시쓰레기를 소각하면 발생되는 바닥재는 수분함유기준 소각되는 쓰레기량의 10∼15% 가 발생하고, 비산재는 수분함량기준 쓰레기량의 1∼1.5%가 발생한다. 비산재는 중금속 농도가 Pb, Zn은 0.3∼3%, Cd는 20∼40mg/kg, Cr은 200∼500mg/kg 정도 함유되어 있고, 바닥재에는 비산재의 1/2∼1/100 정도 포함되어 있다. 소각재는 불연물, 가연물 중 회분 및 소량의 미연물로 구성되어 있다. 이러한 소각재 내의 중금속량은 존재하는 형태에 따라 달라지게 된다. 다음의 표-3은 일반적으로 도시 생활폐기물 소각로에서 발생되는 소각재의 화학성분분포이다. 여기서 비산재와 바닥재의 주요 구성성분은 SiO2, CaO, Al2O3 등이다.

Table . Chemical composition of ash(이수구, 1999) [단위 : %]

구분	SiO2	CaO	Al2O3	Fe2O3	Na2O	K2O	Cl	S	ZnO	MgO
fly ash	26.93	17.86	11.3	1.72	3.67	2.92	-	-	1.57	8.79
bottom ash	34.40	14.46	8.03	3.95	4.8	1.45	-	-	0.92	2.60

2.2. 소각재 발생현황

우리 나라의 경우 1999년 기준으로 생활쓰레기 소각시설에서 발생하는 소각재는 소각량의 약 16% 정도가 소각재로 발생하며, 이중 약 8.8%가 비산재이고 91.2%가 바닥재이다. 표-4는 1999년 한해 동안의 생활폐기물 소각시설에서 발생되는 소각재량을 나타낸 것이다.

소각재의 발생량은 여러 가지 조건에 의해 변동되지만 일반적으로 바닥재 발생량은 소각대상 쓰레기의 조성이 중요하며, 비산재는 쓰레기의 물리화학적 성상과 함께 처리기술에 따라서도 변화된다. 현재 우리 나라에는 거의 사용되고 있지 않으나 스토커식보다는 유동상식의 비산재 발생량이 높으며, 대기오염방지시설에서의 유해가스 처리시 사용되는 소석회의 양에 의해서도 소각재의 발생량이 변화될 수 있다.

Table . Trend of ash Generation(1999년 기준, 환경부, 2000)

구분	소각량(톤)	소각재량(톤)			비고
		계	바닥재	비산재
계	1,083,854	177,870	162,124	15,747	14개 생활폐기물 소각장

2.3. 국내외의 소각재 처리 및 재활용 동향

2.3.1. 미국

미국의 경우 소각재 발생량이 1980년도에는 81.6만 톤이었던 것이 1990년대 들어서면서 730만 톤으로 증가하였다. 또한 이러한 소각재의 80∼99%는 미국 중금속 용출법인 TCLP법에 의한 용출 기준을 만족시키는 바닥재이다. 그리고 비산재는 Pb, Cd 등의 높은 중금속 함유에 의해 환경에 큰 영향을 준다고 한다. 미국 환경청은 발생된 소각재의 10% 정도만이 재활용되고 있다고 보고하고 있다. 발생된 소각재들은 최근에 고형화 처리를 하고 아스팔트 도로포장, 시멘트 안정화, 토양 개량제들로 재이용 등의 연구가 활발히 진행되고 상용화되고 있다(이수구, 1999).

2.3.2. 일본

일본의 경우 미국보다는 좀더 적극적인 연구가 진행되고 있는 것으로 알려져 소각재를 파인세라믹으로 재생하고, Eco-cement 개발 등의 연구가 진행되고 있는 것으로 알려져 있다. Eco-cement란 ecology와 cement의 합성으로서 도시 생활폐기물의 소각재나 하수슬러지 등을 원료로 하여 재자원화하고, 폐기물의 처리부하의 경감 및 이에 기인하는 환경파괴의 방지를 꾀하는 신종의 시멘트를 말한다. Eco-cement는 도시 생활폐기물 소각재 등에 함유된 다이옥신, 중금속, 염소 등의 문제를 해결한 환경에 친밀한 새로운 유형의 시멘트라고 할 수 있다.

기술적인 성과로 보면, Eco-cement의 주원료인 생활폐기물 소각재에는 염소가 5∼10% 함유되어 있고, 이는 통상의 시멘트 원료 중 염소함유량의 수 백 배에 해당하기 때문에 지금까지는 원료로서 이용이 곤란하였다. 이 염소를 염소함유 시멘트 광물로 고정 생성시킨 새로운 유형의 시멘트 제조 기술을 확립한 한 것이다.

또 다른 재활용으로서 용융로를 이용하여 소각재를 파인세라믹으로 재생하는 연구가 진행되고 있다. 일본 모회사에서 소각재를 1600℃의 고온으로 녹여 재생 이용시 장해가 되고 있는 금속성분을 제거하는 용융로를 개발하고, 노로부터 나오는 재를 냉각시켜 분말상으로 만든 후 압력으로 굳혀 재이용하였다. 이러한 이유는 소각재의 성분구성상 규소나 알루미늄이 많이 포함되어 있으나, 철이나 아연, 구리와 같은 불필요한 금속성분도 포함되어 있고, 금속성분을 제거하기 위해서는 고온으로 재를 녹여 환원반응을 일으켜야 하지만, 공기중의 산소가 환원반응을 방해한다는 문제점이 있다. 하지만 이러한 문제점을 극복한 용융로를 개발하여 소각재를 세라믹의 재료로서 이용하도록 한 것이다(이수구, 1999).

2.3.3. 유럽

유럽에서 fly ash는 소각 잔류물의 재사용 목적보다는 법규에 의한 매립의 전처리 공정으로 널리 이용되고 있다. 바닥재(Bottom ash)의 경우 건축자재로 직접 사용된 예를 보면 도로의 지반이나 확장공사, 제방이나 둑, 그리고 주차장과 인도의 지반에 널리 이용되고 있다. 대표적인 국가로는 프랑스, 덴마크, 독일, 네덜란드, 스위스 등을 들 수 있다.

프랑스의 예를 보면 수도권에서 발생되어진 바닥재의 90%가 재생이 되고 있으며 그 양은 매년 60만 톤에 이른다. 이중 40만 톤은 철분제거 공정과 체분리 공정을 거친 후 둑, 제방, 주차장 지반, 도로지반에 직접 사용되며 20만 톤은 시멘트와 고형화 시킨 후 기초공사의 기반재나 도로포장재로 사용한다(이수구, 1999).

2.3.4. 한국

국내에서는 소각재 및 유해폐기물을 이용하여 고형화시 법적으로 시멘트 혼합규정을 150kg/m3이상으로 정하고 있으나, 이는 다양한 폐기물 성상의 고형화/안정화를 위한 요구조건 또는 기술로서는 불충분하다. 하지만, 여러 가지 연구를 통해 비산재의 경우 소량의 시멘트를 첨가하여 100kgf/cm2이상의 강도를 나타내어 전량 폐기되고 있는 생활폐기물 소각장 소각재의 고형화와 재활용이 가능한 것으로 나타났다. 또한 이러한 소각재를 이용하여 다른 유해폐기물을 시멘트 고형화하는데 시멘트와 같은 Binder로 이용하거나, 고화 처리제로서 이용하려는 연구도 진행중이다.

용융기술의 장점은 감용 효과를 갖고, 소각재를 용융슬래그 형태로 유효 이용이 가능하고, 용융을 시킴으로서 무해한 슬래그 형태로 전환하므로 공해방지 효과도 있다고 한다. 하지만 단점은 용융 기술의 기술완성도 면에서 아직 미흡한 상태이고, 비용이 지나치게 높으므로 소규모 도시에서의 활용이 어려울 것이라는 것이다. 용융 슬래그화 기술은 현재로서는 상업성이 없는 것으로 간주되나 실제로 일본의 경우에 슬러지나 소각회의 용융 슬래그화 기술은 소규모로 가동되고 있는 실정이다. 또한 국내 용융 슬래그 공정의 가동실적 및 설비 실적이 제철소 이외에는 없는 실정이므로, 소각회의 용융 슬래그화 기술은 기술료를 지불하고 기술을 도입해야 하며, 용융 소각로를 포함한 연소기술은 대부분 일본이나 독일이 특허를 갖고 있기 때문에 기술을 도입해야 할 실정이다(이수구, 1999).

3. Cement의 첨가재로서의 비산재

다양한 분야에서 fly ash(비산재)의 재활용에 관한 연구가 되어왔다. 비산재는 Portland cement, 광물섬유와 벽돌 등의 제작이나 중금속제거, 폐기물의 안정화 및 폐수처리, 산성화된 토양의 개량 등에 이용되어왔다. 이 중 활발한 연구가 되어 왔으며 비산재의 이용에 가장 일반적인 방법은 cement의 첨가제로 쓰이는 것이다(Nhan, 1996).

3.1 비산재 시멘트(Fly ash cement)

포졸란(pozzolan)은 이탈리아 화산재의 산지인 Pozzoli에서 유래되어 이름이 붙여진 혼화재의 일종이다(문한영, 1990). 포졸란 물질은 실리카를 함유한 혹은 실리카와 알루미늄을 함유한 물질로서, 그 자체로는 시멘트와 같은 특성을 나타내지 않지만, 미세한 분말형태로 존재할 때 물과 만나면, 상온에서 calcium hydroxide와 화학반응을 일으켜 시멘트와 같은 성질을 지는 물질을 형성하는 물질을 말한다(Mehta 등, 1993). 양질의 포졸란 물질을 첨가한 cement는 장기 강도, 내구성, 불투수성 등이 향상되며 화학적 저항성이 커진다.

비산재 역시 포졸란 물질의 하나이다. 일반적으로 비산재를 첨가한 cement는 초기강도가 매우 작은 단점을 가지고 있으며, 비산재 첨가의 주된 목적은 수화열에 의한 온도상승을 억제하는 것에 있다. 따라서 댐이나 방파제와 같은 단면이 큰 구조물의 경우 내부온도 상승에 의한 균열 발생 등을 억제하는데 유효하게 이용된다(Mehta et al, 1993). 그러나 비산재는 폐기물의 성상, 연소 효율 등에 의해 다양한 성상을 가진다. 이에 따라 ASTM에서는 비산재의 종류를 다음과 같은 두 가지로 구분하고 있다. Class F는 언급한 바와 같이 수화열을 억제하기 위해 class C(high calcium fly ash)는 압축강도를 향상시키는데 목적이 있으며 자체적으로 cement의 특징을 가지기도 한다.

Table . Chemical requirement for fly ash (Mehta et al, 1993)

	Class F	Class C
Free moisture, max. ）	3.0	3.0
Loss on ignition, max. ）	6.0+	6.0
(SiO2+Al2O3+Fe2O3), max.）	70	5.0
CaO, max. ）	-	-
SO3, max. ）	50	5.0

3.2. Fly ash cement의 특징

앞에서 언급한 바와 같이 fly ash(비산재)는 pozzolan 물질의 하나로서 cement의 성질을 개량하는 혼화제로 쓰인다. 비산재의 성상에 따라 차이는 있으나, 일반적으로 비산재를 첨가한 cement는 다른 pozzolan cement와 비교할 때 다음과 같은 특징을 가진다.

1) 초기의 압축강도는 낮으나 습윤 양생 시 장기압축강도는 증가한다.

2) 비산재를 사용함으로써 cement의 수화열에 의한 온도상승을 감소시킨다.

3) cement의 투수계수를 낮추어 수밀성을 향상한다.

4) 온도 등에 따른 체적변화율이 적어 건조, 습윤 및 동결융해에 대한 저항성을 향상	시킨다.

3.2.1 Compressive strength

일반적으로 초기 압축강도에 영향을 주는 것은 high-calcium fly ashes이다. 많은 문헌들에 따르면 high-calcium fly ashes 역시 양생초기에는 압축강도에 영향을 주지 않으나 충분한 시간이 지나면 압축강도를 상승시킨다고 한다(Mehta et al, 1993). Yuan과 Cook등은 high-calcium fly ashes(CaO = 30%)를 첨가한 cement와 첨가하지 않은 cement의 압축강도 실험을 하였다(Yuan, 1983).

그림-1에서 보는 바와 같이 비산재를 첨가한 cement의 압축강도는 초기에는 비산재를 첨가하지 않은 cement와 큰 차이를 보이지 않으나 장기양생 시에 압축강도를 상승시킨다. 그러나 ASTM규정의 F-fly는 압축강도를 약화시키는 경향이 있다. Lamond 등에 따르면 F-fly ash를 cement에 첨가하는 경우 압축강도를 떨어뜨리며, 장기양생의 경우에도 압축강도가 상승하는 경향은 보이지 않았다(Lamond, 1983).

Fig . Compressive strength development of cements containing	high fly ash (Yuan, 1983)

3.2.2 Temperature of curing

비산재 첨가의 주요목적은 수화열에 의한 온도상승을 억제하는 것에 있다. Compton 등은 Canadian fly ash를 30%(by mass) 혼합한 cement와 혼합하지 않은 cement의 양생에 따른 온도를 측정하였다. 그 결과는 그림-2와 같으며 비산재는 온도상승을 억제하는 효과가 있다는 결론을 내렸다.

Fig . Temperature rise curves for fly ash(Compton, 1952)

그러나, 비산재의 첨가가 온도상승을 억제하는 효과를 가지는 현상은 low-calcium fly ash인 경우에는 일반적이나 high-calcium fly ash의 경우에는 오히려 온도를 상승시키는 경우도 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 high-calcium fly ash는 온도상승을 억제하기 위해 이용되지 않으며 CaO 성분이나, alkali sulfates 등이 많이 포함된 경우 이런 성분들이 물과 빠르게 반응하여 온도를 상승시킨다(Crow, 1981).

3.2.3 Permeability

많은 연구자들에 의해 cement에 첨가된 비산재가 cement의 투수성에 미치는 영향이 연구되어 왔다. Davis(1954)는 비산재의 첨가비가 30%, 60% (by weight)인 시료의 투수성을 시험하였다. 사용된 column의 크기는 150×150-mm이며 각각 28일, 6달의 양생기간을 가지는 시료에 대해 실험하였다.

Table . Relative permeability of cemects with and without fly ash

(Davis, 1954)

Fly ash		W/(C+F) by weight	Relative permeability
Type	% by weight		28 days	6 month
None	-	0.75	100	26
Chicago	30	0.7	220	5
	60	0.65	1410	2
Cleveland	30	0.7	320	5
	60	0.69	1880	7

표-6에서 보는 바와 같이 28일 양생후의 투수계수는 비산재를 첨가하지 않은 cement가 더 낮았으며 비산재의 첨가율에 비례하여 차수성이 감소한다. 그러나 6개월이 장기양생 후에는 비산재의 첨가가 차수성을 향상시키는 결과를 보이는데, 이런 현상은 양생초기에 pozzolan 반응이 충분히 이루어지지 않았고 6개월 후에는 충분한 반응이 이루어졌기 때문이라고 여겨진다.

4. 매립지 차수재의 대체물질로서의 비산재

Fly ash(비산재)를 매립지 차수층의 재료로 이용하고자 하는 시도가 꾸준히 이루어져 왔다. 이는 cement의 포졸란 반응을 이용하는 것으로, cement에서의 반응과 비슷한 반응이 fly ash/lime/bentonite와 물이 공존할 때 나타난다는 것에 의해 착안되었다.

앞으로의 글에서는 두 개의 논문을 살펴봄으로써 fly ash 혼합물질의 차수재로의 이용가능성에 대해 살피고자 한다.

4.1. Utilizing coal fly ash as a landfill barrier material

4.1.1. Introduction

매립지의 차수시설로 coal fly ash(class F fly ash), lime dust, bentonite를 혼합한 화학적 차수재의 적용가능성에 대한 연구가 이루어져 왔다. 여기서는 Ontario주의 소각로에서 발생하는 소각재를 이용하여 투수실험을 시행했으며 중금속과 같은 오염물질의 저감능력을 측정하였다. 이 글의 목적은 다음의 두 가지이다.

1) 인공 침출수가 coal fly ash를 이용한 차수층의 차수능력에 미치는 영향

2) 침출수에 존재하는 중금속에  대한 저감능력 조사

4.1.2 Experimental

실험에 이용되는 차수재는 언급한 바와 같이 coal fly ash, lime dust, bentonite를 혼합한 물질(fly ash liners)이며 각 재료의 성상은 표-7과 같다.

Table . Chemical composition of the lineras

	Coal fly ash(%)	Lime dust(%)	Calcium bentonie(%)
SiO2	42.3	0.8	59.5
Al2O3	23.2	0.1	16.7
Fe2O3	14.7	2.0	3.8
CaO	2.8	38	1.4
Na2O	0.7		0.6
K2O	2.1		0.9
MgO	1.0	25	4.0
TiO2	1.0		0.5
P2O5	0.5		0.2
SO3	0.9	2.0
LOI	7.9	32	21.7

강성벽체 투수기를 이용하여 투수실험을 시행하였으며 fly ash liners는 coal fly ash, lime dust, bentonite의 혼합비를 7:2:1의 비율로 섞은 혼합재료이며 함수비를 33%, 다짐건조 밀도는 1.27g/□이다. 투수실험은 7일의 양생기간을 거친 후 시행하였으며 양생기간 동안에는 다짐시료를 증류수로 포화시켰다.

투수실험은 인공 침출수를 이용하여 시행했으며, 인공 침출수는 glacial acetic acid를 이용하여 pH를, FeCl2。4H2O, Zn(CH3COO)2。2H2O, Pb(CH3COO)2。3H2O를 이용하여 중금속의 농도를 맞추었다. 인공 침출수의 성상은 다음과 같다.

Table . Composition of the synthetic leachate

Constituents	Leachate
CH3COOH	2.24×10-2 mol/L
FeCl2	100mg/L
Zn(CH3COO)2	100mg/L
Pb(CH3COO)2	100mg/L
pH	3.98

4.1.3 Result and Discussion

(가) Hydraulic barrier properties

Darcy의 법칙을 이용하여 실험에서 이용된 차수재의 투수계수를 측정하였다. 다짐토양의 투수계수는 토양의 특성, 함수율, 시료의 균질성, 다짐 등에 영향을 받는다고 알려져 있다. 열거한 인자들에 의해 투수실험은 오차가 생기기 쉬우며 앞선 연구에 따르면 coal fly ash의 투수계수는 10-9∼10-6m/s의 넓은 범위에 있다고 한다. Hydraulic gradient를 41m/m로 하여 실험한 결과, 30개의 시료에서 투수계수의 평균은 4.3±1.6 ×10-8 m/s이다. 이 값은 매립지 기준인 10-9 m/s보다 높은 값이다.

인공 침출수를 이용한 투수실험 결과 그림-3과 같은 결과를 얻었다. 침출수를 통과시켜준 초기에는 투수계수가 일정하게 유지되다가 침출수의 유량이 0.5L(about 116 pore volumes)이상이 되면서부터 일정하게 상승하는 경향을 보였다. 이런 현상은 점토 차수층에서도 발견되는 현상이며 침출수에 포함된 오염물질이 토양의 구조에 영향을 끼치기 때문이라고 알려져 있다.

Fig .	Change of hydraulic conductivity in the leaching test at 41m/m

gradient using the synthetic leachate.

(나) Chemical barrier properties

인공 침출수에 포함된 Fe, Pb, Zn의 유출농도를 측정하였다. 침출수의 유출량에 따른 각 중금속의 농도와 유출수의 pH는 다음 그림-4와 같다. 그림-4에서와 같이 유출수의 초기 pH는 10이상이며 중성이나 염기성 상태에서 중금속은 제거율이 높다고 알려져 있다. 매립지 침출수의 pH를 6, hydraulic gradient를 12m/m라고 가정할 때 실험결과를 반영하여 중금속의 거동을 분석하면 15년 동안 해당 중금속의 이동은 0.1m이하로 예측되었다.

중금속의 거동에 있어서 가장 크게 영향을 미치는 것이 pH라는 것은 널리 알려진 사실이다. 그림-4에서 나타나듯이 Fe와 Zn은 유출수의 유량이 0.3L인 곳에서부터 파과가 일어나기 시작하는데 이것은 pH가 처음 변화하는 구간과 일치한다. 즉, Fe와 Zn의 제거는 금속들이 수산화기와 결합하여 침전하는 현상에 의해 발생하는 것이다. 반면, Pb는 0.9L 정도에서 파과가 일어나며, 이 영역에서 납이 탄산기와 결합하여 침전된다고 여겨진다. Zn과 Pb의 농도가 일시적으로 주입농도보다 커지는 현상은 축적된 중금속이 pH의 변화에 의해 용해됐기 때문이다.

Fig 4. Result of leaching test at 41m/m gradient using synthetic leachate.

4.2 플라이애쉬 혼합차수재의 투수특성과 미세구조 분석

4.2.1 서론

차수층 건설재료로 적합한 점토의 확보가 지역적, 경제적인 이유로 어려운 경우 상기 차수재와 동등한 차수효과를 지닌 대체재료의 사용이 가능하다. 폐기물 매립장 차수재 건설 재료로서 비산재의 사용가능성은 이미 밝혀진바 있다(Usmen et al, 1988). 비산재는 작은 입자가 비교적 균등한 실트질 재료로 다짐을 가하면 10-7m/s 수준의 투수성을 가지나(이용수 등, 1997), 매립지 차수재의 충족조건을 만족시키기 위해선 혼합재의 첨가가 필요하다.

본 글에서는 폐기물 매립장 차수층 건설재료로서 비산재의 재활용 방안을 제시하고자 한다. 실내 실험을 통해 혼합 차수재의 적정 혼합비 및 투수계수 영향인자, 산화칼슘이 차수층의 불투수층에 미치는 영향을 다루고자 하였다.

4.2.2 실험재료

보령과 서천 화력발전소에 발생한 두 종류의 비산재를 실험에 사용하였으며 벤토나이트와 석회는 각각 (주)IBM의 나트륨계 벤토나이트, (주)논산석회의 생석회를 이용하였다. 각각의 화학조성비는 다음과 같다.

Table . Chemical components of each materials

	보령 비산재(%)	서천 비산재(%)	석회(%)
SiO2	46.47	44.76	0.82
Al2O3	30.09	28.47	0.36
Fe2O3	5.07	4.10	0.10
TiO2	1.71	1.59	0.01
MnO	0.03	0.04	-
CaO	5.26	0.89	74.27
MgO	0.87	0.86	1.18
K2O	0.71	3.98	0.02
Na2O	0.38	0.20	0.17
P2O5	1.15	0.26	0.03
LOI	7.54	13.89	22.51

4.2.3 투수실험 결과

비산재-벤토나이트 혼합 차수재의 벤토나이트 혼합비와 양생기간에 따른 투수실험 결과는 그림-5과 같다(그림-5의 숫자는 시료내의 벤토나이트 중량 함유비를 나타낸다). 벤토나이트의 혼합량이 늘어날수록, 양생기간이 길어질수록 혼합 차수재의 투수계수는 감소하며, 혼합비가 20% 이상인 경우에는 매립장 차수재 기준인 10-9m/s를 만족한다.

혼합차수재의 시간에 따른 투수계수의 감소는 벤토나이트의 팽창과 차수재의 구성성분간 화학반응의 결과에 따른 것이라 추측된다.

Fig 5. Hydraulic conductivity of fly ash liners with curing time

(B : Boryung, S : Suchun)

비산재-벤토나이트 혼합 차수재의 특성의 원인 규명을 위해 X선 회절분석과 전자주사현미경분석(SEM)을 실시하였다. 보령 비산재에 벤토나이트를 각각 10%와 40%를 혼합하고 다짐 후 7일이 지난 시료의 SEM사진이 그림-6과 같다.

(a) 10% bentonite admixtures

(b) 40% bentonite admixtures

Fig 6. SEM pictures of fly ash liners

X선 회절분석 결과 포졸란 반응의 결과물인 포졸란 반응 생성물(CHS)이 확인되었으나 cement에서처럼 뚜렷하게 나타나진 않았다. 또, 그림-6에서 나타나듯이 벤토나이트가 무게비로 40% 함유된 시료의 경우 10%함유된 시료에 비해 비산재 구성입자의 표면이 벤토나이트로 고루 덮혀 있고 입자 사이의 간극도 미세하다. 따라서 실험에 이용된 시료의 투수계수 저감은 각 구성성분간의 화학반응의 영향보다 주로 벤토나이트의 팽창에 의한 것으로 보인다.

4.2.4 석회의 첨가시 혼합차수재의 영향

포졸란 반응은 산화칼슘(CaO)과 산화규소(SiO2)가 반응하여 수산화물(CaO·SiO2·nH2O)을 만드는 반응을 말한다. 그러나 표-9에서 보듯이 비산재의 CaO성분은 매우 작았고 포졸란 반응에 의한 CHS의 생성도 크지 않았다. 따라서 석회를 혼합 차수재에 첨가하여 투수실험과 전자주사현미경분석을 하였다.

석회 첨가량을 5∼15%로 조절하여 제작한 시료를 1, 3, 7, 14, 28일 동안 양생한 후 투수실험을 하였으며 서천 비산재의 투수실험 결과를 그림-7에 나타내었다. 결과에 따르면 석회의 첨가량이 증가할수록 혼합시료의 투수계수가 감소하였으며 석회를 15% 첨가한 시료는 양생 7일 이후 규정투수계수인 10-9m/s에 근접하였다.

Fig 7. Hydraulic conductivity of fly ash liners with CaO content

보령 비산재에 석회의 양을 각각 5%와 15%를 혼합한 경우의 양생기간이 28일인 시료의 SEM 사진을 그림-8에 나타내었다.

(a) 5% CaO admixtures

(b) 15% CaO admixtures

Fig 8. SEM of fly ash liners

그림-8의 경우 석회를 첨가하지 않은 혼합 차수재와 특별한 차이를 보이지 않았다. 그림-8(a)과 비교하여 석회를 15% 혼합한 경우 다각형 모양의 칼슘화합물이 생성되었으며 포졸란 반응을 하지 못한 석회가 수산화칼슘 등의 수화물을 만들어서 판상의 물질로 존재하는 모습이 확인되었다.

4.2.5 토론

비산재-벤토나이트-석회의 혼합 차수재의 투수특성에 관한 실험 결과, 혼합재의 저투수성은 벤토나이트의 습윤 팽창과 혼합재 구성물질간의 화학반응으로 인한 반응결과물의 간극 채움과 결정구조의 변화에 원인이 있다. 혼합재의 저투수성에 미치는 영향은 본 실험의 조건하에서는 벤토나이트의 습윤 팽창이 지배적인 것으로 판단된다.

석회를 인위적으로 첨가한 경우 여러 분석결과 기대했던 포졸란 반응은 활발하지 않았으며, 따라서 포졸란 반응이 투수계수에 미치는 영향은 크지 않았다고 여겨진다. 또, 석회의 인위적인 첨가 시에도 포졸란 반응이 활발히 이루어지지 않았던 것은 비산재에 반응을 위한 구성물질의 양과 활성도가 떨어지기 때문인 것으로 판단된다. 실험에 사용된 비산재의 산화규소 성분을 상세히 검토하면, 이 산화규소는 이미 자체적으로 결정화가 진행되어 다른 물질과 반응성이 매우 적은 □low quarts'로 구분된다. 따라서 활성도가 좋은 비산재를 벤토나이트나 석회 등과 혼합하여 차수재로 이용하는 경우 혼합 차수재의 저투수성이 개선될 수 있을 것이라고 여겨진다.

5. 비소성 인공골재로서의 소각재

소각재를 이용한 골재제조 가능성에 대해서 fly ash를 이용한 인공경량골재가 많이 연구되어져 왔다(노재성 등, 1998). 소각재를 이용한 인공경량골재의 제조 방법에는 벽돌용 점토를 주원료로 하고, 제지 슬러지 소각재를 부원료로 하여 이들을 혼합 및 성형하고, 고온(약 1200℃ 내지 1300℃)에서 소성하여 발포 팽창시키는 방법과 제지 슬러지를 주재료로 이용한 인공경량골재의 제조방법이 있는데 제지 공장의 폐슬러지를 주재료로 하고 황토 및 fly ash를 혼합한 후, 물을 첨가하여 혼합시킨 다음, 압출 성형하고 절단한 것을 회전 건조기를 통과시키면서 건조 및 구상체로 만든 후, 1200℃에서 연속 회전 소성로에서 3시간에서 5시간 소성한 다음 냉각시키는 방법이 있다(소양섭 등, 1998; 상공자원부, 1994). 하지만 이러한 방법들은 고온(1200℃ 이상)에서 소성해야 하는, 즉 고에너지를 투입해야하는 경제적인 문제로 유효사용량이 미미하다. 따라서 다음의 글에서는 이러한 고에너지를 이용하지 않아도 되는 상온경화형 골재제조로서 소각재를 재활용하는 방안을 살펴보고자 한다.

5.1 상온경화형 인공골재

상온경화형 인공골재는 제지 슬러지 소각재를 이용한 인공골재로서 결합제로 시멘트를 사용하여 상온경화가공을 통한 저비용 고부가가치 창출을 꾀할 수 있으며 고온양생을 실시하지 않아도 콘크리트나 콘크리트 2차 제품으로서 적용이 가능한 상온 경화형 인공 골재이다(문경주, 1999; 소양섭 등, 1998).

5.1.1 실험개요 및 방법

상온경화형 인공골재의 사용재료는 소각재, 시멘트, 팽창제, 물 등이 있다. 골재의 제조를 위한 기본 배합비는 시멘트 ; 소각재의 비율이 중량비로 1:1을 기준으로 하고 소각재의 재활용을 높이기 위하여 점차 소각재 양을 증가시켰다. 다음의 표10에서는 실험에 사용된 재료의 기본 배합비를 나타내고 있다.

Table 10. Mix portion of artificial aggregate(문경주, 1999)

골재구분	재료배합(시멘트량에 대한 상대적 wt%)
	시멘트	소각재	팽창제	물/고형분비(%)
A1	100	100	-	33
A2	100	100	0.05	33
A3	100	100	0.1	33
A4	100	150	-	37
A5	100	200	-	41

그림-9는 상온경화형 인공골재의 제조 공정을 나타내고 있으며, 선페이스트법을 이용하고 있다. 선페이스트법은 미리 시멘트와 소각재, 물을 혼합하여, 어느 정도 점성이 있는 페이스트를 제조하여 믹서에 투입한 후 시멘트와 소각재를 건비빔한 분말을 회전하는 믹서에 계속 투입시키면 큰 반죽 덩어리가 작은 골재로 분리되면서 구형의 골재가 형성되는 원리이다. 마지막으로 시멘트만 투입하여 골재의 외관을 코팅시켜 소각재 입자를 완전히 감싸고자 하였으며 이러한 방법으로 형성된 골재는 믹서 안에서 계속되는 굴림 동작에 의해 더욱 더 구상화되고 치밀화된 후 배출된다.

Fig 9. Manufactured progress of artificial aggregate in the normal temperature

(문경주 등, 1998)

5.1.2 실험결과 및 고찰

Fig. 10. Section of Aggregate               Fig. 11. Appearance of Aggregate

(문경주, 1999)                              (문경주, 1999)

인공골재의 외관은 구형(그림-10)에 가까웠고 제조된 골재의 최대 크기는 20mm 정도이고 최소크기는 5mm 정도였다(일반적인 건축 공사에 사용되는 굵은 골재의 최대 크기는 25mm 이하이다). 또한 제조된 골재의 결합제와 소각재의 부착 상태를 평가하기 위해 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과(그림-11), 결합제로 사용한 시멘트 경화체에 소각회의 입자가 여려 곳에 불규칙적으로 부착이 되어 있는 상태를 관찰되어 걸합제로서 시멘트의 역할이 적절한 것을 알 수 있었고 더구나 골재의 단면 그림에서와 같이 외관을 시멘트가 보호막처럼 다시 한번 더 감싸고 있어서 소각재의 입자는 골재 내에 완전히 갇히게 된다.

따라서 소각재를 상온 인공골재로서 재활용하는 방안은 제지 슬러지 소각재 뿐만 아니라 각종 소각재 및 슬러지 등의 종류에 따라 다양하게 적용할 수 있는 범용성을 갖추고 있고 결합제로서 시멘트를 사용하기 때문에 상온에서도 강도를 발현할 수 있었다. 또한 제조된 골재의 형성 특성을 관찰한 결과 배합조건에 크게 영향을 받지 않았고 골재 형성율이 매우 우수하였으며 단면 및 미세구조, 외관 등도 모두 양호하였다.

5.1.3 생산된 인공 골재의 품질 특성

생산된 골재의 품질을 종합적으로 평가한 결과 일반 골재의 특성과는 다소 차이가 있는 것으로 나타나고 있으나, 인공경량 골재의 특성과 부합되는 것으로 나타났다. 소각재와 팽창제의 혼입량이 증가할수록 골재의 품질은 현저히 저하함을 알 수 있었으나 적절한 혼화제 등을 통한 성능 개선이 가능하며 경제성과 비중의 감소 등을 고려할 때 고부가가치 상품인 인공경량골재로서의 개발 가치가 있다.

골재의 입도 분포는 A1-A5 모두 최대 크기는 19mm이고 입도 분포는 5-19mm로 콘크리트 표준시방서 규정을 만족하였으며 또한 무근, 철근, 포장 콘크리트에 사용되는 굵은 골재의 표준이 되는 67번 골재의 입도 분포와 유사한 분포특성을 보이고 있었다. 비중은 고온에서 소성한 인공경량골재의 비중보다는 다소 크게 나타났으나 소각재나 팽창제의 혼입량의 증가로서 경량화시킬 수 있었고, 흡수율이 비중에 비하여 상당히 크게 나타났으나 이 문제는 표면을 PAE 수지나 발수제로서 표면을 피복하면 흡수율을 크게 개선시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

마모율은 37-51%로 A1, A2의 골재는 일반 쇄석에 요구되는 40% 이하로서 만족하였으냐 A3, A4, A5는 40%를 상회하고 있어 마모율 향상 방안을 강구해야하는 단점이 발견되었다. 전체적으로 쇄석의 마모율보다는 크게 나타나지만 인공 경량 골재의 마모율보다는 비슷하거나 약간 우수하였다. 파쇄 시험은 골재 자체의 강도를 나타내는 한 방법으로서 용기 속에 채워 넣은 골재에 40t의 하중을 가했을 때 파쇄율(%) 또는 파쇄율이 10%로 될 때의 하중값으로 표시하는 것이다. 본 실험결과 소각재와 팽창제의 혼입량이 많아질수록 파쇄율은 높아졌으며 쇄석의 파쇄율보다는 크게 나타났지만 인공경량 골재의 파쇄율인 33-45%보다는 거의 비슷하거나 약간 우수하였다. 다음 표-11은 소각재를 재활용한 상온인공골재의 파쇄율을 나타내고 있다.

Table 11. Test Result of Crushing(문경주, 1999)

Type	A1	A2	A3	A4	A5
40t 파쇄치(%)	28.2	28.8	30.3	33.7	41.1
10% 파쇄치(t)	17.8	17.9	16.3	13.9	11.8

실적율은 골재의 형상이 구형이기 때문에 매우 우수하였다. 실적율이 큰 골재를 사용하면 시멘트 페이스트량을 줄일 수 있어 경제적인 동시에 건조수축, 수화열을 줄일 수 있고 콘크리트의 유동성 증가 및 물시멘트비 저감 효과를 가져오므로 소각재 골재를 이용한 콘크리트의 여러 특성을 향상시켜 주는 효과가 있을 것으로 판단되었다. 소각재 골재의 종합적인 품질평가를 쇄석과 비교□분석하여 도식화하면  그림-12와 같이 표현할 수 있다.

Fig. 12. Comparison Figure with Crushed Stone

(문경주, 1998)

이와 같이 본 연구의 결과에서는 산업폐기물인 소각재를 이용하여 고온소성을 하지 않은 상온경화형 인공골재의 품질은 천연골재나 쇄석에 비하면 현저히 좋지 않았으나 일반적인 인공경량 골재와 비교하면 상온 경화형 골재의 품질은 양호하였다.

5.1.4 콘크리트 적용 가능성

소각재 골재를 이용한 콘크리트에서 골재의 입형이 구형이기 때문에 workability를 좋게 하여 슬럼프를 증진시켜 물시멘트비의 저감효과를 가져오므로 소각재 골재를 이용한 콘크리트의 여려 특성을 향상시켜주며 단위용적중량을 감소시켜 보통 콘크리트에 비해 1m당 약 300kg 이상의 자중감소 효과를 얻을 수 있었다.

소각재 골재를 쇄석과 혼합하여 사용하면 골재의 응력집중 및 골재의 몰림현상 등이 발생하여 소각재 골재를 단독 활용하는 것이 유리하고 쇄석을 이용한 일반 콘크리트와 압축, 인장, 휨강도에서 비슷한 강도를 얻을 수 있다. 그리고 소각재 골재의 배합비에 따른 콘크리트의 강도는 팽창제 및 소각재 혼입율이 많은 골재를 사용하여도 파괴강도가 250kg/□이하의 콘크리트에서는 강도상에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

콘크리트에 소각재 골재를 이용할 시 입형, 비중, 흡수율이 현저하게 다른 쇄석과의 혼합사용보다는 소각재 골재의 단독 활용방안이 콘크리트 내부 조직의 균질성을 확보하여 강도상으로나 동결융해 저항성에 유리할 것이다.

6. 결론

우리 나라에서 소각이 차지하는 비중을 점차 높여가고 있는 실정이므로 소각재의 발생량 또한 증가할 것은 자명한 일이다. 이에 아직까지 적절한 처리방법이 정립되지 않고 그 처리의 안전성 또한 의문시되고 있다. 따라서 처리 방법의 하나로 최근 많은 관심속에 연구가 진행중인 자원의 재활용 측면에서의 소각재 재활용 가능성을 알아보았다. 소각재의 재활용은 친환경적일 뿐만 아니라 경제적인 이득 또한 얻어낼 수 있다. 그러나 소각재의 재활용 공법은 일반적으로 적용되지 못한다. 소각재의 성상의 원탄의 종류, 연소조건, 연소로의 집진 및 처리방식, 야적방법 및 기간 등에 따라 다르기 때문이다.

우리는 소각재의 재활용 이용에 있어서 두 가지의 문제점을 제시함으로써 결론을 대신하고자한다.

1) 소각재는 그 자체로 오염물질이다. 소각 폐기물 중에 존재하는 중금속은 매립처분 시 침출수에 의해 용해되어 주위의 지하수나 토양오염 등을 일으킬 수 있다. 소각재를 재활용하는 경우에도 같은 문제점이 발생할 것이라고 여겨진다. 즉, 소각재에 의한 2차오염이 발생할 수 있으므로 장기 용출 시험을 통해 이에 대한 안전성을 확보해야한다.

2) 소각재의 재활용에 있어서 가장 문제가 되는 것은 소각재의 성상이 일정하게 유지되지 않는 것이다. 구성성분의 화학조성이 일정하게 유지된다고 하더라도 소각재의 주성분인 산화규소 등의 결정화 진행정도에 따라 다른 화학물질과의 반응성이 결정된다. 따라서, 재활용 공법을 적용하는 경우에는 세심한 주의가 필요하며 소각재의 성상과 활성도에 대한 조사가 충분히 이루어져야한다.

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9. 월간세라믹스(3). (1999).

10. 월간세라믹스(9). (1994).

11. 이수구, 도시폐기물 소각재 처리 현황 및 관리방안, 소각재 적정처리 대책 마련을 위한 공청회, 1999. 9.

12. 이용수, 정문경, 정하익, 우제윤(1997), □매립지 차수재로서 플라이애쉬 재활용을 위한 기본연구□, 대한토목학회 학술발표회 논문집, Vol. 3, pp.513~516

13. 이우근, 소각재의 위해성 및 적정관리방안, 소각재의 처리실태와 대책 정책 토론회, 1999. 3.

14. 이철태, 안문수, 배성렬, 국내 쓰레기 소각장의 실태조사 연구 (Ⅰ) -국내 쓰레기 소각장의 건설 및 시설 실태-, 한국폐기물학회지, 제 12권, 제 3호, 1995

15. 전북대학교. (1994). 제지 폐수 처리 슬러지 소각재를 이용한 건설자재 개발에 관한 연구, 상공자원부 최종보고서.

16. 환경부, □99생활폐기물 소각시설 운영현황, 2000. 3.

17. 황순원, 소각재의 적정처리와 소각정책의 재검토, 환경과 공해, 제 34 호, 1999. 9.

18. ACI Special Publication SP-79, pp. 307-319, 1983. Editor: V. M. Malhotra.

19. Compton, F. R., and MacInnis, C. "Field of fly ash concrete"; Ontario Hydro Research News, 18-21, Jan-Mar 1952.

20. Crow, R. D., and Dunstan, E. R. "Properties of fly ash concrete"; Proceedings, Symposium on Fly Ash Incorporation in Hydrated Cement Systems; Materials	Research Society, Boston, pp.214-225, 1981. Editor: Sidney Diamond.

21. Davis, R. E. "Pozzolanic materials-with special reference to their use in concrete pipe"; Technical Memo, American Concrete Pipe Association, 1954.

22. Mehta, P. K., and P. Monteiro, Concrete: Structure, properties, and methods, 2nd ed., Prentice-Hall, Inc. (1993)

23. Raba, F. Jr., Smith, S. L., and Mearing, M. "Subbituminous fly ash utilization in concrete"; Proceedings, Symposium on Fly Ash Incorporation in Hydrated	Cement Systems, Materials Research Society, Boston, pp. 296-306, 1981.	Editor: Sidney Diamond

24. Usmen M. A., Bowders, J. J., and Gidley, J. S.(1988), "Low Permeability Liners Incorporating Fly Ash", Proc. of ASCE National Convention, Nashville, TN,	USA, pp.50~65.

25. Yuan, R. L., and Cook, J. E. "Study of a class C fly ash concrete"; Proceedings, First International Conference on the Use of Fly Ash, Silica Fume, Slag and	Other Mineral By-Products in Concrete; Montebello, Canada, July 31-August 5.

〈 별첨 〉

별첨 1.

도시폐기물 소각장에서 발생되는 소각재의 특성(이수구, 1999)

구분	발 생 량	중금속 농도	용출 특성	발생기구 및 성상
바닥재 (소각잔사)	수분 함유 쓰레기량의 10∼15%	비산재의 1/2∼1/100 농도	분별수집 또는 연소가 분출분한 경우 Pb, Cr6+ 등의 용출 발생	Cd, Hg 등의 저융점 금속은 거의 배가스화되어 배가스와 같이 이동함. 다른 중금속, 알칼리 성분의 일부도 기화되어 배가스의 냉각과 함께 응축됨
보일러 Dust	비산재와 동일	바닥재와 비산재의 중간 정도	Pb, Zn, Cd 등의 휘발성 금속의 함유량이 높기 때문에 pH가 높을때(건식 배가스처리)에는 Pb의 용출이 일어나고 중성일때에는(습식세연처리) Cd의 용출이 높아짐.	보일러실의 fly ash는 비교적 입자가 큼. 보일러실에서의 중력 또는 관성력에 의해 집진됨.
비산재	수분함유 쓰레기량의 1∼1.5%	Pb, Zn : 0.3∼3%, Cd : 20∼40mg/kg, Cr :200∼500mg/kg		전기집진기, multicyclone 등에서 포집되므로 Na, K 등의 알칼리성분의 염화물 및 황산염이 많고 중금속농도도 높음.

별첨 2.

소각재의 처리 방법 및 원리

소각재의 처리방법에는 시멘트에 의한 시멘트 고화법, 소성에 의한 용융고화법, 그리고 화학재 투입에 의하여 처리하는 약제처리법, 산 및 기타 용매에 의한 산추출법 등 크게 4가지가 있다. 소각재의 처리를 처리 방법과 처리 원리는 다음의 표와 같다.

소각재의 처리방법 및 원리(이수구, 1999)

구분	시멘트고화법	용융고화법	약제처리법	산추출법
방 법	시멘트 고화설비를 이용하여 중금속 용출이 방지되므로 화학적으로 안정한 상태가 되기 때문에 충분한 양의 시멘트와 균일하게 혼합하여 적절히 양생하는 방법	용융설비를 이용하여 충분히 용융, 고화시킴.	약제처리설비를 이용하여 충분히 약제와 균질하게 혼련하므로서 중금속 용출이 방지되는 화학적으로 안정화시키는 방법	산 및 기타 용매에 중금속을 충분히 용출시킨 다음 탈수처리를 하는 것과 함께 이때 용출액중의 중금속을 화학적으로 안전한 상태로 하는 방법
원 리	시멘트중의 CaO, SiO2 등의 조성광물이 물과 결합하여 수화물 결정하면서 유해물질이 흡착이나 고정화과정을 거쳐 처리됨.	ash를 고온가열함에 따라 용융안정화 처리된 스래그와 ash로 분리시킴. 중금속류는 스래그의 망상구조내에서 안정화되어 유리질로 됨. 다만 저융점 금속은 가스로 휘발되므로 이에 대한 대책이 필요함.	유화소다계나 유기킬레이트수지와 같은 약품으로 ash중의 중금속류를 안정화시킴. 유기킬레이트제는 중금속류와 반응하여 견고한 킬레이트결합을 하므로 서 불용성 중금속킬레이트화합물로 됨.	ash를 산성용액 또는 물에 현탁시키므로서 ash중의 중금속류를 용액쪽으로 용출시키고 가성소다를 가하여 금속수산화물을 만들어 불용화하든지 중금속고정제를 사용하여 금속 킬레이트화합물을 만듬.

지정폐기물을 고형화하는 방법으로는 시멘트 고형화, 아스팔트 고형화, 플라스틱 고형화, 석회 고형화, 물유리 고형화 및 소결법 등이 있으나, 이는 고형화 목적에 따라 사용방법이 달라질 수 있다. 즉, 고형화 후 최종 처분되는 방법인가 또는 건축 자재 등으로의 재활용인지에 따라 달라진다. 국내에서도 여러 가지 고형화 처리방법이 연구되어져 왔으나, 활용면에서 볼 때 대부분 단지 복토 매립 정도에만 실질적으로 적용되고 있는 정도이어서 재활용 및 재이용의 폭을 넓혀야 할 것이다. 현재 우리 나라의 지정폐기물 처리업소인 환경관리공단의 온산사업소(화성사업소)의 경우에도 지정폐기물을 고형화 후 매립처분에 이용하고 있다.

가장 널리 활용되고 있는 시멘트 고화법에서 수경성 시멘트를 결합제로 사용하는 방법은 상온에서 경화시킴과 동시에 함수상태의 폐기물도 처리할 수 있다. 또한 여러 가지 고형화  조제 등이 개발 보급되어 있다. 그러나 소각재를 포틀랜드 시멘트로 고형화하면 경화가 진행되면서 균열이 생겨 붕괴, 분화되는 경우가 많은데, 이것은 재에 다량 함유되어 있는 염류가 시멘트 광물과 반응하여 부피가 큰 물질을 생성하기 때문으로 미처리 물질의 성상을 사전에 조사하여 적절한 시멘트를 선택하고, 실험적으로 고형화 처리를 시행하여 확인하는 것이 바람직하다.

별첨 3.

A. 우리 나라의 폐기물 처분 현황 (1997년 기준, 환경통계연감, 1998) (단위 : ton/day )

	처분구분
	매립	소각	재활용
생활폐기물	30,579 (63.8)	3,409 (7.1)	13,907 (29.1)
사업장 일반폐기물	43,480 (30.7)	6,884 (4.9)	90,941 (64.4)
지정폐기물	216,452 (12.4)	391,448 (22.5)	1,134,540 (65.1)
계	290,511 (15.0)	401,741 (20.8)	1,239,388 (64.2)

B. 서울시의 생활폐기물 발생량 및 처리량 현황 (단위 : ton)

구분	1995	1996	1997	1998
생활폐기물 발생량	5,147,123 (100.0)	4,995,203 (100.0)	4,621,579 (100.0)	3,929,121 (100.0)
매립처리	3,610,850 ( 70.2)	3,403,749 ( 68.1)	2,861,402 ( 61.9)	2,230,073 ( 56.7)
소각처리	26,306 ( 0.5)	116,705 ( 2.3)	212,572 ( 4.6)	199,799 ( 5.1)
재활용	1,509,967 ( 29.3)	1,474,749 ( 29.6)	1,547,605 ( 33.5)	1,499,249 ( 38.2)

자료 : 서울시 내부자료.

주 : ( )는 전체 발생 량에 대한 비율임.

C. 서울시의 생활폐기물 처리량 전망 (단위 : ton/day)

	2000	2001
발생량	10,680 (100)	10,650 (100)
매립	4,200 (39)	3,770 (35)
소각	1,680 (16)	1,680 (16)
재활용	4,800 (45)	5,200 (49)

자료 : 서울시 내부자료.

주 : ( )는 전체 발생량에 대한 비율임.