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하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재로부터 인을 회수하는 방법 {METHOD FOR WITHDRAWING PHOSPHORUS FROM SEWAGE SLUDGE OR BURNED ASH THEREOF}
본 발명은 하수 찌꺼기 내지는 하수 찌꺼기의 소각재에서 인을 회수하는 방법에 관한 것이다. 하수 처리에 의해 발생되는 찌꺼기는 하수도의 보급에 따라 증가되고 있으나 주된 처리지였던 매립지가 감소됨에 따라 최근에는 이전에 비해 매립처분하기 어려워지고 있다. 이에, 찌꺼기의 처분량을 저감시키기 위해 하수 찌꺼기의 용량 및용적의 감소가 절실히 요구되고 있다. 또한, 용량 및 용적의 감소에 그치지 않고 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 유효하게 이용하기 위하여 자원화 기술의 확립이 요망되고 있으며, 자원화 기술의 하나로서 가령 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 고온으로 용융하여 콘크리트에 이용되는 골재로 제조하고 있다. 그러나, 하수 찌꺼기나 하수 찌꺼기의 소각재에는 인이 포함되어 있는데 종래의 자원화 기술로는 하수 찌꺼기의 소각재에서 인을 회수할 수 없어 자원을 충분히 활용할 수 없다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재에서 인을 회수하도록 하여 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 효과적으로 이용함으로써, 자원의 활용을 가능케 하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 장치의 일 예를 나타낸 개략적인 도면. *도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* 2 : 하수 찌꺼기의 소각재(하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재) 10 : 밀 스케일(철 또는 철 화합물) 15 : 전기 용융로 20 : 용융 금속
본 발명에 따른 인의 회수 방법은, 인이 포함된 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재와 철 혹은 철화합물을 전기 용융로내에서 용융하여 용융물을 생성하고, 이 용융물에 포함된 물질을 그 물질의 비중차에 따라 분리시켜 철에 인이 포함된 용융금속을 생성하는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 인의 회수방법은, 인이 포함된 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 전기 용융로에서 용융하여 용융물을 형성하고, 상기 용융물에 철 또는 철 화합물을 첨가하여 용융물에 포함된 물질을 비중차에 따라 분리시켜 철에 인이 포함된 용융금속을 생성하는 것이다. 본 발명에 따르면, 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재로부터, 광물 자원으로서 중요한 인을 인화철로서 회수할 수 있기 때문에, 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재의 유효한 활용을 기대할 수 있으며, 이로써 자원의 활용을 꾀할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 전기 용융로에서 인이 포함된 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 환원 분위기에서 용융시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 인이 포함된 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 환원 분위기에서 용융시키면, 용융물내의 철분이 금속철로 변환되도록 촉진되고, 인산이 인단량체로 환원되도록 촉진되므로 조업의 효율화를 꾀할 수 있다. 용융로 내부를 환원 분위기로 하려면, 원료로서 코크스를 이용하는 방법, 탄소 물질을 이용하는 방법, 로 내부로 공기가 유입되는 것을 극력히 억제하는 방법중 적어도 어느 한 방법을 취하는데, 이 때에도 상기한 바와 같이 조업의 효율화를 꾀할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시형태를 도시예와 함께 설명한다. 도 1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 장치의 일례를 나타내며, 도면 부호 1은 하수 찌꺼기를 도시가 생략된 소각로에 의해 소각함으로써 생성된 하수 찌꺼기의 소각재(2)를 수납하기 위한 하수 찌꺼기 소각재 호퍼, 3, 4, 5, 6은 부원료 호퍼, 7은 원료공급 컨베이어이다. 그리고 가령, 부원료 호퍼(3)에는 백운석(MgO＋CaO ; 8)을, 부원료 호퍼(4)에는 생석회(CaO ; 9)를, 부원료 호퍼(5)에는 밀스케일(FeO ; 10)을, 부원료 호퍼(6)에는 코크스(C ; 11)를 각각 부원료로서 수납할 수 있도록 되어 있다. 도면부호 12는 하수 찌꺼기 소각재 호퍼(1) 및 부원료 호퍼(3, 4, 5, 6)로부터 배출되어 원료 공급 컨케이어(7)로부터 반송되어 온 하수 찌꺼기의 소각재(2), 백운석(8), 생석회(9), 밀스케일(10), 코크스(11)를 각각 원료(13)로서 반송하는 원료 공급 컨케이어이고, 도면부호 14는 원료공급 컨베이어(12)의 상부 수평부 하방에 배치된 복수의 원료 공급 장치, 15는 원료 공급 장치(14)에서 투입된 원료(13)를 용융하기 위한 전기 용융로이다. 전기 용융로(15)는 직류식 전기 저항로로서, 로 내부의 중심부에는 음극이 되는 탄소제의 전극(16)이 설치되고, 로 바닥부의 벽돌 내부에 양극이 되는 철판제의 전극(17)이 매립되며, 전극(16, 17)간에 전류를 통과시켜 줄열을 발생시킴으로써 하수 찌꺼기의 소각재(2)등의 원료(13)를 용융할 수 있도록 되어 있다. 또한, 도면부호 18은 하수 찌꺼기 소각재(2)등이 전기 용융로(15)내부에서 용융됨으로써 생성된 용융물에 포함되며, 전기 용융로(15)의 바닥부보다 상방에 위치하도록 설치된 배출구(19)로부터 배출되는 용융 슬래그이고, 20은 상기 용융물에 포함되며 일정 시간 간격으로 전기 용융로(15)의 바닥부에서 용기(21)로 배출되는 용융금속이며, 22는 전기 용융로(15) 상부에 설치된 상부 배출구(23)로부터 전기 용융로(15)의 외부로 배출되는 가스이다. 다음으로 상기 도시예의 동작에 관하여 설명한다. 하수 찌꺼기 소각재 호퍼(1)로부터 배출된 하수 찌꺼기의 소각재(2), 각 부원료 호퍼(3, 4, 5, 6)로부터 배출된 백운석(8), 생석회(9), 밀스케일(10), 코크스(11)는, 원료(13)로서 원료공급 컨베이어(7)를 통해 반송되어 원료공급 컨베이어(12)로 공급되고, 원료공급 컨베이어(12)를 통해 상부로 반송되어 상부 수평부에서 하방의 원료 공급 장치(14)로 공급되며, 원료 공급장치(14)로부터 전기 용융로(15)내부로 투입된다. 백운석(8), 생석회(9), 밀스케일(10), 코크스(11)는 전기 용융로(15)내부에서 하수 찌꺼기의 소각재(2)가 용융되기 시작한 후 전기 용융로(15)에 첨가되도록 하여도 되고, 혹은 하수 찌꺼기의 소각재(2)와 함께 전기 용융로(15)에 투입되도록 하여도 된다. 전기 용융로(15)내부로 투입된 하수 찌꺼기의 소각재(2)등의 원료(13)는, 환원분위기하에서 줄열에 의해 1300℃∼1600℃정도로 가열되어 용융된다. 이와 같이 원료(13)가 용융되어 생성된 전기 용융로(15)내부의 용융물에 포함된 물질은, 비중차에 따라 분리되어 돌이 주성분인 비교적 비중이 가벼운 산화 칼슘, 이산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘은 용융물의 상층으로 이행하고, 비중이 높은 철 등의 중금속은 융융물의 하층으로 침강한다. 또, 비점이 낮은 물질은 기화되어 가스(22)로서 상부 배출구(23)를 통해 전기 용융로(15) 외부로 배출된다. 인은 전기 용융로(15)내부에서 환원되어 단량체가 되며, 이어서 철과 화합하여 인화철이 되어 용융액의 하층으로 침강하기 때문에, 부원료로서 밀스케일(10)과 같은 철분을 첨가하면 인을 하층으로 용이하게 분리시킬 수 있게 된다. 용융물중 비중이 가벼운 상층의 용융물은, 용융 슬래그(18)로서 배출구(19)를 통해 연속적으로 배출되며, 후공정에서 소정의 처리에 의해 고체화되어 천연석과 동일한 정도의 돌이 형성된다. 하층으로 이행한 비중이 높은 용융물은, 전기 용융로(15)의 바닥에 형성된 구멍에 충전되어 있는 내화물을 제거함으로써, 전기 용융로(15)로부터 용융금속(20)으로서 일정시간 간격으로 추출되어 용기(21)에 저류되는 등의 처리에 의해 후공정에서 냉각되고 고체화되어 인화철이 형성된다. 전기 용융로(15)에서 하수 찌꺼기의 소각재(2)등의 각종 원료(13)가 용융되어 인화철이 형성될 때에는 전기 용융로(15)내에서는 가령, [화학식 1], [화학식 2], [화학식 3], [화학식 4], [화학식 5]와 같은 반응이 이루어진다.
P 2 O 5 ＋ 5C → 2P ＋ 5CO
Fe 2 O 3 ＋ 3C → 2Fe ＋ 3CO
FeO ＋ C → Fe ＋ CO
Fe ＋ P → FeP
2Fe ＋ P → Fe 2 P 본 발명의 실시형태예에 따르면, 하수 찌꺼기의 소각재(2)로부터 광물 자원으로서 중요한 인을 산화철로서 회수할 수 있기 때문에, 하수 찌꺼기의 소각재(2)를 유효하게 이용할 수 있게 되어 자원의 충분한 활용을 도모할 수 있다. 본원의 발명자들은 인의 회수와, 인, 철, 중금속류의 분리상황을 확인하기 위하여 기초실험을 실시하였다. 즉, 직류식 전기 저항로에 하수 찌꺼기의 소각재, 백운석, 생석회, 밀스케일, 코크스를 투입하고 환원 분위기하에서 용융하여 추출된 용융 금속들의 성분을 조사하였다. 인과 철을 확실히 결합하기 위하여, 직류식 전기 저항로에 첨가되는 철분의 양을 화학적으로 필요한 양의 약 2배로 늘렸다. 그 결과, 용융 금속내의 회수가능한 인은 약 92%, 용융 슬래그내의 돌의 성분으로서 남은 인은 약 5%, 배기가스로서 로의 외부로 배출된 인은 약 3%로서 매우 양호한 결과가 얻어졌다. 용융금속의 성분은 철이 약 78%, 인이 약 15%였다. 실험에는 [표 1]에 도시된 성분 및 함유량의 하수 찌꺼기의 소각재를 사용하고, 하수 찌꺼기의 소각재에 대한 백운석, 생석회, 밀스케일, 코크스의 비율은 [표 2]에 나타낸 바와 같다. 또한, 용융물에서 생성된 생성물의 양은 [표 3]과 같고, 인화철 성분의 함유량은 [표 4]에 나타낸 바와 같다.
| 성분 | 함유량(wt%) | | 이산화 규소(SiO 2 ) | 33.2 | | 산화 칼슘(CaO) | 10.6 | | 산화 알루미늄(Al 2 O 3 ) | 16.5 | | 산화 마그네슘(MgO) | 3.01 | | 철(Fe) | 9.48 | | 인(P) | 8.61 | | 기타 | 18.6 |
| 성분 | 비율(kg/kg-재(灰)) | | 하수 찌꺼기의 소각재 | 1.0 | | 백운석(MgO＋CaO) | 0.05 | | 생석회(CaO) | 0.08 | | 밀스케일(FeO) | 0.35 | | 코크스(C) | 0.26 |
| 성분 | 생성량(kg/kg-재(灰)) | | 소각재 펠릿 | 1.73 | | 용융 슬래그 | 0.69 | | 용융 금속 | 0.40 | | 용융회 | 0.035 |
| 성분 | 함유량(wt%) | | 철(Fe) | 78.1 | | 인(P) | 15.2 | | 기타 | 6.7 |
하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 용융시킨 용융물에서 추출된 인철을 제품으로서 판매하려면, 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재의 인의 함유량이 20wt%이상인 것이 바람직하나, 설사 인의 함유량이 적은 경우에도 철의 첨가량 등을 적절히 조정함으로서 실현가능할 것이라 생각된다. 본 발명의 실시형태에서는 주원료로서 하수 찌꺼기의 소각재를 사용하는 경우에 대하여 설명하였으나, 소각되지 않은 하수 찌꺼기 자체를 사용할 수도 있고 전기 용융로 내부를 환원성 분위기로 하려면, 본 발명의 실시형태예와 같이, 부원료로 코크스를 이용하거나 탄소물질을 이용하거나 로 내부에 공기가 유입되는 것을 극력히 억제하도록 하여도 실시 가능하다는 점, 전극으로서 탄소성 전극을 이용하면 전극의 내구성을 향상시킬 수 있다는 점, 로의 내면을 탄소재로 피복하면 전기 용융로의 내구성을 향상시킬 수 있다는 점, 그밖에 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에서 각종 변경을 추가할 수 있음은 물론이다.
이상, 설명된 바와 같이 본 발명의 청구범위 제 1 항 및 제 2 항에 기재된 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재로부터 인을 회수하는 방법에 따르면, 광물 자원으로서 중요한 인을 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재로부터 인화철로서 회수할 수 있기 때문에, 하수 찌꺼기 또는 하수 찌꺼기의 소각재를 유효하게 이용할 수 있고, 이로써 자원의 활용을 도모할 수 있게 되며, 청구범위 제 3 항 및 제 4 항의 경우에는, 용융물의 철분이 금속철로 변환되도록 촉진되고, 더욱이 인산이 인 단량체로 환원되도록 촉진되므로, 조업의 효율화를 도모할 수 있는 등, 각종 우수한 효과를 거둘 수 있다. |
