토질개선제로서 하수슬러지와 석탄재 혼합물의 적용가능성

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1 토질개선제로서 하수슬러지와 석탄재 혼합물의 적용가능성
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner 토질개선제로서 하수슬러지와 석탄재 혼합물의 적용가능성 2조 김 도 형 & 김 미 희

2 The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner
목차 서론 연구의 목적 하수슬러지의 특성 및 재활용 석탄재의 특성 및 재활용 본론 실험재료 실험방법 실험결과 및 고찰 결론

3 연구의 목적 하수슬러지의 특성 및 재활용 석탄재의 특성 및 재활용
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner 서 론 연구의 목적 하수슬러지의 특성 및 재활용 석탄재의 특성 및 재활용

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1. 연구의 목적 하수 처리장에서 발생하는 혐기성 소화 탈수 슬러지와 화력발전소에서 발생하는 석탄재의 재활용 방안. 석탄재를 안정화제로 첨가한 슬러지+석탄재 혼합물이 토질개선제로 사용가능?

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2.하수 슬러지의 특성 및 재활용

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1) 하수슬러지의 특성 일반적으로 더럽고 냄새가 남 인체에 유해한 물질을 포함 오염토양 개선에 탁월한 효과 중금속함유(식물 및 인체에 잠재적 위해성 내포)

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2) 하수슬러지의 재활용 실태 1997년 말 현재 하루 3,580톤 발생. 하수처리장의 증설로 발생량의 급격한 증가가 예상됨. 현재 우리나라에서는 95% 이상을 육상매립에 의존. 재활용은 4% 미만에 그침.

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3. 석탄재의 특성 및 재활용

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1) 석탄재의 특성 비중이 작은 실트 또는 세립사 크기의 입자로 구성. 규소와 알루미늄이 전체 성분의 약 80%. 약 10% 내외의 C성분과 Ca,Mg,K,Fe,등의 필수성분 함유. CaO,MgO가 풍부하여 PH상승으로 인한 슬러지내 중금속의 가용성 감소효과.

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2) 석탄재의 재활용 실태 1997년 한해 340만톤 이상이 발생(65% 이상이 매립처분). 주로 발전소 주변에 폐기물로 매립. 정부의 자원화 추진, 환경오염 방지를 위한 재활용 노력.

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본 론 실험재료 실험방법 실험결과 및 고찰

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1. 실험재료 토양 서울대학교 농업과학대학 실습용 밭 토양(표층 30cm이내)에서 채취, 이를 풍건 시킨후 2mm체에 통과 시켜서 실험에 이용. 슬러지 가양 하수처리장에서 발생한 혐기성소화 탈수슬러지를 이용(냉장보관) 석탄재 보령화력발전소에서 발생한 유연탄(호주산)재로서 한국 탄재개발㈜에서 정제 후 상품화 한것. 비중:1.95~2.10, 비표면적:2400이상, SiO2 함량:45%이상

13 <Table.1> 각 재료의 물리화학적 성상에 대한 분석결과
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner <Table.1> 각 재료의 물리화학적 성상에 대한 분석결과 Parmeter Marerial Texture pH Unit:% Unit: mg/kg Moisture content TOC TN TP Cu Zn Cd Fe Cr Mn Ni Pb As soil Sandy loan Sand95% Silt28% Clay8% 5.63 4.80 0.69 ND 0.03 17.2 (0.60) 81.3 (1.53) (100) 4.0 (0.95) 480.3 (2.08) 23.9 17.6 (0.21) Dewatered sewage sludg - 6.46 71.0 14.48 0.34 366.6 957.3 (6.81) (306) 75.7 (1.91) 847.7 (5.03) 54.6 (0.06) 35.8 (6.09) Coal fly ash (bituminous) 12.69 0.05 0.88 0.19 17.3 (0.28) 13.9 (0.07) (0) 22.1 (1.06) 245.0 (1.14) 23.4 (0.14) 11.6 1.7

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2. 실험 방법 재료의 혼합 오염물질 용출 실험 토양의 물리-화학적 특성 변화조사 토양의 중금속 흡착실험

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1) 재료의 혼합 (1) 슬러지와 석탄재를 건조 중량비로(1:0,1:0.2,1:0.4,1:0.6,1:0.8,1:1,0:1)의 비율로 섞음. (2) 혼합물과 토양을 건조중량비 1:3의 비율로 혼합. (3) 각각의 슬러지+석탄재 및 토양혼합물마다 9개의 반복구(replicate)준비, 7개의 실험조를 1조~7조로 명명. (5) 실험조의 수분함량을 20% 내외,온도 25oc 내외의 실내에서 21일간 안정화 반응. (6) 안정화 기간동안 7일 간격으로 실험 반복구의 직경 12cm,높이 11cm 의 플라스틱 pot 이용

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2) 오염물질 용출 실험 회분식 용출실험을 7일 간격으로 실시. 측정항목- 중금속(Pb,Cd,Cu,Cr)및 질산성 질소.

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3) 토양의 물리-화학적 특성 변화조사 7일 간격으로 각 실험 조의 PH 측정. 안정화 반응 전후(0일,21일)의 가용성 성분의 농도 및 양이온 치환 능(CEC)측정.

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4) 토양의 중금속 흡착실험 약산성 조건하의 중금속 폐수에 대한 각 실험조의 흡착능을 알기위해 회분식 등온흡착실험 실시. 결과를 Freundlich 등온 흡착식에 적용.

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3. 실험결과 및 고찰 각 실험 조의 화학적 특성 슬러지+석탄재 혼합물의 안정화에 따른 오염물질의 용출 양상 슬러지+석탄재 혼합물의 안정화에 따른 토양의 물리-화학적 특성변화 슬러지+석탄재 혼합물을 첨가한 토양의 중금속 흡착 능

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1) 각 실험 조의 화학적 특성 실험에 사용된 토양은 사질 양토로써 유기물질이 매우 부족한 빈 영양토임. Cu,Pb의 오염도 심각. Fe의 경우 슬러지나 석탄재에 비해 높음. 석탄재에 비해-Zn(6배),Mn(2배)높음. Cu 및 Ni 농도 석탄재와 비슷. Pb농도 석탄재보다 약간 높게 검출 모든 실험재료에서 Cd는 검출되지 않음.

21 <Table.2> 각 실험 조의 화학적 특성
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner <Table.2> 각 실험 조의 화학적 특성 Treatment *TOC *TN *TP Cu Zn Fe Cr Mn Ni Pb 1 5.13 0.58 0.16 106.9 (2.0) 297.7 (2.1) (251.7) 22.5 (7.1) 524.7 (8.1) 30.8 (0.3) 37.4 (0.1) 2 4.63 0.35 0.14 78.1 (1.8) 229.7 (5.0) (115.5) 15.5 (3.5) 50.3.3 (7.4) 27.9 (0.2) 30.0 (0.5) 3 4.36 0.24 0.12 76.1 220.7 (4.6) (57.7) 14.1 (2.8) 479.0 (7.8) 25.9 (3.3) 27.5 (2.5) 4 3.3 0.17 0.10 65.0 (1.6) 192.0 (5.3) 9.2 (0.7) 468.7 (5.7) 26.8 26.9 (0.9) 5 3.61 52.3 162.7 (173.4) 9.7 462.7 (5.9) 26.1 24.9 (0.4) 6 3.27 54.3 164.3 (264.6) 7.8 455.3 (8.3) 25.6 (0.6) 23.9 7 0.72 0.01 17.0 54.1 (1.0) (513.2) 4.6 378.0 (16.4) 22.2 14.3 Units:mg/l

22 2) 슬러지+석탄재 혼합물의 안정화에 따른 오염물질의 용출양상
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner 2) 슬러지+석탄재 혼합물의 안정화에 따른 오염물질의 용출양상 중금속의 용출 양상 질산성 질소의 용출 양상

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(1)중금속의 용출양상 Pb,Cd,As,Cr의 농도(7조 Cr제외)는 검출한계이하. Cu의 농도: 0.04~0.62mg/l 침출수기준(3.0mg/l)을 크게 밑도는 수치를 나타냄. 총 중금속양에 비하여 용출액상의 중금속 농도가 낮음.

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(2) 질산성 질소의 용출양상 질산성 질소는 지하수 오염 및 하천에 부영양화 초래. 질산성 질소에 대한 지하수 수질기준(우리나라) 생활용수: 20mg/l 먹는 물 : 10mg/l

25 <Table.3> 질산성 질소의 안정화 기간(21일)중 측정결과
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner <Table.3> 질산성 질소의 안정화 기간(21일)중 측정결과 Treatment Day0 Day7 Day14 Day21 1 20.24 (0.19) 19.87 (0.14) 15.69 (0.28) 1.17 (0.02) 2 21.59 (0.05) 20.49 (0.07) 16.78 (0.15) 3.33 (0.11) 3 21.02 (0.18) 19.80 17.27 (0.03) 5.52 (0.13) 4 17.35 (0.09) 15.79 (0.21) 13.52 (0.22) 3.16 (0.17) 5 19.06 17.60 15.10 2.24 (0.76) 6 17.68 15.59 13.59 1.27 7 0.82 0.58 0.35 0.12 (0.003) Control 0.76 0.60 0.56 0.17 Units:mg/l

26 3)슬러지+석탄재 안정화에 따른 토양의 물리-화학적 특성변화
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner 3)슬러지+석탄재 안정화에 따른 토양의 물리-화학적 특성변화 PH의 변화 가용성 성분의 변화 양이온 치환 능(CEC)의 변화

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(1)PH의 변화 <Table.4> PH변화를 안정화 기간(21일)중 측정결과 Treatment Day0 Day7 Day14 Day21 1 6.66 5.68 5.31 5.32 2 6.71 5.82 5.47 5.29 3 6.83 5.87 5.73 5.46 4 7.11 6.33 6.14 5.99 5 7.13 6.59 6.34 6.25 6 7.55 6.84 6.69 6.78 7 9.01 8.78 8.82 8.01 Control 5.63 5.45 5.06

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(2) 가용성 성분의 변화 <염류농도의 변화> <중금속 농도의 변화>

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~염류농도~ The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner <Table.5>식물에 의해 흡수 가능한 형태의 염류농도를 안정화반응 전후에 측정한 결과 Paraments Treatment K Mg Ca PO4-P Day0 Day21 1 92.2 (1.80) 100.0 (1.79) 32.1 (0.87) 40.8 2240 (95.4) 2323 (66.6) 236.1 (8.8) 212.2 (8.0) 2 73.1 (2.57) 94.6 (1.61) 35.0 (1.07) 48.4 (0.56) 2210 (70.0) 2583 (120.6) 148.0 (12.7) 171.1 (5.1) 3 79.6 (3.47) 89.5 (1.10) 43.3 (0.85) 52.4 (0.51) 2563 (40.4) 2800 (20.0) 146.4 (0.0) 169.7 (10.1) 4 72.5 (2.84) 88.1 (2.45) 48.7 (1.36) 54.5 (0.70) 2783 (5.8) 2917 (105.0) 154.8 (6.2) 204.8 (13.0) 5 71.8 (2.66) 83.5 (3.76) 38.6 (1.03) 44.8 (1.29) 2233 (50.3) 2403 118.8 (6.8) 113.1 (2.2) 6 67.1 (1.78) 84.3 (3.19) (0.68) 54.7 (2.14) 273.3 2977 (170.4) 151.3 (4.4) 175.0 7 55.5 (1.88) 51.0 (2.35) 64.7 (1.77) 70.3 (0.97) 3490 (105.4) 3750 ND Control 69.8 (2.87) 74.5 (0.49) 14.3 (0.50) 15.4 (0.44) 804 (24.1) 842 (24.2) Units:mg/kg

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~중금속농도~ <Table.6> AB-DTPA 추출액에 의한 가용성 미량원소의 분석결과 Paraments Treatment B Cu Zn Mn Ni Pb Cd Day0 Day 21 1 0.27 (0.01) 0.63 (0.16) 12.57 (1.00) 12.05 (0.43) 57.15 (3.18) 53.70 (1.15) 8.07 (1.32) 67.65 (1.24) 1.41 (0.23) 2.15 (0.03) 3.50 (0.72) 2.54 (0.11) 0.29 (0.020) 0.31 (0.010) 2 0.71 (0.04) 1.35 (0.10) 10.86 (0.91) 10.07 (0.22) 36.60 (2.70) 47.25 (0.98) 1.57 (0.18) 68.10 (0.94) 0.80 (0.06) 1.92 2.90 (0.21) 2.45 (0.02) 0.26 (0.004) 0.30 (0.003) 3 1.42 (0.08) 1.84 (0.15) 8.15 (1.34) 9.11 (0.34) 36.08 (5.20) 42.00 (1.01) 2.87 (0.60) 53.48 (1.60) 0.75 1.66 (0.44) 2.50 4 4.04 (0.62) 2.68 (0.14) 12.03 7.87 (0.45) 46.35 (1.25) 37.43 7.31 (0.51) 25.35 (1.11) 1.06 1.11 3.35 (0.07) (0.001) 0.28 5 1.47 (0.12) 1.62 5.66 6.08 (0.26) 24.38 (0.69) 28.28 2.08 (0.28) 33.68 (1.50) 0.54 1.02 2.22 2.24 0.24 (0.002) 6 4.31 (0.32) 2.82 (0.24) 10.65 (1.04) 5.91 (0.17) 33.98 (3.03) 29.18 1.86 7.15 (0.25) 0.79 0.67 0.25 (0.005) 7 7.79 6.18 2.04 (0.09) 5.18 2.33 12.71 3.37 (0.13) 0.50 0.39 1.81 (0.00) 0.22 0.21 Control 0.66 0.70 (0.05) 0.58 1.63 22.92 (0.82) 18.22 (0.68) (0.59) 1.43 1.24 0.20 Units:mg/kg

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(3) 양이온 치환 능의 변화 CEC-토양의 오염물질 흡착 정도를 결정하는 한 요인. <Table.7> Treastment 1 2 3 4 5 6 7 Control Day0 13.20 12.98 12.10 11.44 12.76 15.18 4.40 Day21 10.12 9.46 9.68 9.90 11.01 16.50 4.84 Units:me/100g

32 4) 슬러지+석탄재 혼합물을 첨가한 토양의 중금속 흡착 능
The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner 4) 슬러지+석탄재 혼합물을 첨가한 토양의 중금속 흡착 능 <Fig.1>.Cd,Cu,Zn등 세가지 중금속의 농도별 흡착실험의 중요인자인 흡착평형 도달시간.

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<Table.8> 중금속 농도별 흡착실험을 통하여 얻어진 자료를 Freundlich 등온 흡착식에 적용한 결과 Treastment Cu Zn Cd 1/n KF r2 1 0.4122 0.2312 0.9980 0.5176 0.0354 0.9125 0.3631 0.1003 0.9424 2 0.4061 0.2171 0.9947 0.6236 0.0215 0.9652 0.3714 0.0844 0.9534 3 0.3906 0.2449 0.9917 0.5266 0.0378 0.9572 0.3630 0.0924 0.9531 4 0.3728 0.2795 0.9914 0.4632 0.0554 0.9412 0.3397 0.0972 0.9095 5 0.1431 0.3171 0.9822 0.3558 0.1109 0.9383 0.2886 0.1547 0.9624 6 0.3428 0.4473 0.9873 0.2965 0.1812 0.9513 0.2341 0.2042 0.9675 7 2.1244 0.8461 0.0472 0.9514 0.9883 0.0747 0.5135 0.9381 Control 0.4024 0.1237 0.9666 0.5893 0.0304 0.9596 0.5078 0.0330 0.9269 토양의 중금속 흡착능력 변화에 혼합물이 직접적인 영향임을 확인.

34 The Utility of Sewage Sludge and Coal Fly Ash a Soil Conditioner
결 론

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결론 적정 슬러지+석탄재의 혼합비율은 1:0.8(건조중량비) 실험기간과 건조중량비(25%)등의 제한점을 가지고 있음. 다양한 비율의 슬러지+석탄재 혼합물 토지적용 실험 수행할 필요성 제기