KR100369956B1 - 자연적 탈수 및 분해력을 이용한 슬러지 처리 장치 및 이장치를 사용한 슬러지 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저장조가 구비되어 있고, 이 저장조의 상부에 우천시 비를 막기 위하여 개폐식 비막이가 설치되어 있으며, 저장조 내에는 슬러지의 생분해와 건조를 촉진시키기 위하여 식물이 식재되어 있고, 저장조 바닥에는 슬러지와 함께 유입된 물이 하향 배출시 정화되게 하기 위하여 설치된 토양 여과층과 공기 공급관이 설치되어 있으며, 이 여과층을 통과한 물이 배출되는 배출구와 이를 순환시키기 위한 순환 펌프가 설치되어 있는 슬러지 처리 장치, 및 이 장치를 사용하여 오하수 처리 공정의 부산물이나 페수 처리 공정의 부산물로 발생하는 부패성 슬러지를 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 슬러지 처리장치는 슬러지를 탈수할 필요가 없이 농축된 슬러지를 그대로 처리할 수 있고, 처리를 위해서는 슬러지를 저장조로 이송하는 동작만이 필요하므로 조작이 단순할 뿐 아니라 처리 비용이 매우 낮으며 처리된 슬러지는 화학적, 생물학적으로 안정화되어 토양개량제로 사용될 수 있다.

Description

자연적 탈수 및 분해력을 이용한 슬러지 처리 장치 및 이 장치를 사용한 슬러지 처리 방법 {Equipment for Treating Sludge by Natural Dewatering and Biodegradation and Method for Treating Sludge Using the Same}

본 발명은 오하수 처리 공정 또는 폐수 처리 공정의 부산물로 발생하는 부패성 슬러지(이하 '슬러지'라 함)를 처리하기 위한 슬러지 처리 장치 및 이 장치를 사용한 슬러지의 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 자연적 탈수 및 분해력을 이용한 환경친화적인 슬러지 처리 장치 및 이 장치를 사용한 슬러지의 처리 방법에 관한 것이다.

슬러지를 처리하기 위하여 가장 많이 사용되는 방법으로는 슬러지를 바다에 버리는 해양 투기법 또는 매립장으로 운반하여 버리는 매립 처리법이 있다. 그러나 이러한 방법은 해양의 오염과 매립장의 침출수 오염문제 및 매립지 지반침하와 가스 발생 등의 문제점으로 인하여 국내외적으로 금지될 예정이어서 해양 투기법과 매립 처리법을 대체할 수 있는 방법들이 요구되고 있다.

이러한 요구에 부응하고자 개발된 기술로는, 슬러지와 생석회를 섞어 안정화를 꾀하는 석회법 [Cecil Lue-Hing, 'Municipal sewage sludge management' vol.4, water quality management library; Farrell et al., 1974, 'Lime stabilization of primary sludges', Journal Water Pollution Control Federation, 46:113 등], 슬러지를 생물 반응조에 투입한 후 단열된 상태에서 반응기에 공기를 불어 넣어 줌으로써 슬러지의 안정화 속도를 증진시키는 고온 호기성 발효법 [Haug, R.T., 1980, 'Compst Engineering-Principles and Practice', Lancaster, PA: Technomic Publishing Co., Inc. 등], 산소가 차단된 반응기에 슬러지를 투입하여 혐기성 미생물에 의하여 슬러지가 안정화되도록 하는 생물학적 처리방법[United States Environmental Protection Agency, 1979, 'Process Design Manual, Sludge Treatment and Disposal', EPA Report No. 625/1-79-001, Municipal Environmental Research Laboratory, Cincinati, Ohio, U.S.A.], 또는 열을 이용하여 건조시키거나 소각하는 방법 [Lee, K.C., 1998, 'Research Areas for Improved Incineration System Performance', JAPCA, 38 (12) 1542-1550] 등이 있다.

그러나 상기한 종래의 방법들은 각각 여러가지 문제점을 가지고 있는 바, 먼저 석회법은 생석회를 지속적으로 투입하여야 하므로 부가적으로 약품비가 소요되고, 슬러지가 안정화된 후에는 투입된 생석회만큼 중량이 증가하므로 대량처리가 어려운 문제점이 있으며, 생물학적 방법은 처리 후에도 탈수 및 소각 등 후속공정이 필요하여 본 발명의 슬러지 처리 방법의 전처리 공정으로 사용될 수는 있으나 최종 처리법은 되지 못하고, 특히 고온 호기성 발효는 산소를 투입하는 데 많은 동력비가 소요될 뿐 아니라 고온으로 인하여 증가한 슬러지액의 계면활성도 때문에거품이 발생하는 문제가 있어 공정의 제어가 어렵다. 또한 건조와 소각은 슬러지에 함유된 수분을 대폭 저감시키는 데 많은 양의 에너지가 소요되며, 건조 또는 소각 장치들은 건조와 소각에 필연적으로 동반되는 수분에 의한 부식성 분위기로 인해 수명이 매우 짧아 고비용이라는 큰 단점과 함께 발생하는 악취 및 대기오염 물질에 의한 이차오염의 단점이 있다. 따라서 이러한 슬러지 처리 방법들을 대체할 수 있는 경제적이고 효율적인 방법이 강하게 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 고비용과 함께 후처리 문제가 재차 동반되는 종래의 고기능성 장치 위주의 문제점을 해소하며 적정한 크기의 처리용 부지만 확보되면 매우 경제적이고 효율적으로 슬러지를 처리할 수 있는, 오하수 처리 공정 또는 폐수 처리 공정의 부산물로 발생하는 부패성 슬러지를 처리하기 위한 슬러지 처리 장치, 및 이 장치를 사용한 슬러지의 처리 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬러지 처리 장치의 개략적인 구성도.

도 2는 저장조에 분배 시스템과 집수관만 설치된 상태의 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

9: 식물

10: 저장조

11: 토양 여과층

14: 집수관

15: 수직관

16: 공기 공급관

17: 통기관

18: 순환 펌프

19: 배출구

20: 분배 시스템

21: 완충조

22: 분배관

23: 개폐 밸브

50: 차수막 또는 차수층

90: 개폐식 비막이

본 발명의 목적은 슬러지를 적재할 수 있는 저장조 및 이 저장조의 전면적에 슬러지를 고르게 분산투입하기 위한 분배 시스템이 구비되어 있고, 이 저장조의 하부에는 슬러지에 함유된 물의 배출을 용이하게 하며 배출되는 물을 정화시키는 토양 여과층이 설치되어 있으며, 토양 여과층에는 식물이 식재되어 있고, 이 여과층을 통과한 물이 바닥면을 통하여 배출되지 않도록 차수층이 설치되어 있으며, 차수층 상부에 고인 물이 배출되게 하는 배출구가 설치되어 있고, 토양 여과층 하부와 차수층 사이에 물의 배출을 촉진하기 위하여 수평 방향으로 집수관이 설치되어 있는, 슬러지의 감량과 안정화를 촉진시키는 슬러지 처리 장치와, 이 장치를 사용하여 슬러지를 감량하고 안정화시키는 슬러지 처리방법에 의해 달성된다.

본 발명의 방법은 슬러지에 식종된 식물의 유기물 분해능과 산소 공급 능력 및 배수능과 함께 식물의 뿌리에서 공급되는 산소와 영양 성분으로 자생하는 미생물의 유기물 분해능력을 이용하여 슬러지를 안정화함으로써 토양 개량제가 되도록하며, 슬러지와 혼합되어 있는 간극수는 중력에 의하여 아래로 배출되는 과정에서 정화되도록 하고, 슬러지 내에 함유되어 있는 수분은 자연상태에 노출되어 건조되도록 하는 것을 포함한다.

본 발명의 슬러지 처리 장치에서는 주로 유기물로 구성되어 있는 슬러지가 자연적으로 분해되는 것을 촉진시키기 위하여 슬러지가 투입된 저장조에 식물이 식재되어 있으며, 이를 위하여 형성되어 있는 하부의 토양층은, 저장된 슬러지에 혼합된 상태로 존재하는 간극수의 배출을 용이하게 하는 배수층 역할을 함과 동시에, 이 물이 배출되는 과정에서 함유되어 있는 오염물질을 흡착하여 정화하는 역할도 한다. 이 정화 과정에서 토양에 흡착된 오염물질은 식물에 의하여 흡수분해되기도 하고 토양층에 존재하는 미생물에 의하여 분해되기도 하며, 이러한 정화작용이 지속적으로 유지되게 하기 위하여 본 발명의 슬러지 처리 장치에는 미생물과 식물의 뿌리에 산소를 공급하는 공기 공급 장치가 설치되어 있다.

한편, 토양층 상부에 투입된 슬러지는 슬러지층에 존재하는 미생물과 식물에 의하여 분해·흡수되어 안정화됨과 동시에 감량된다. 식재된 식물은 슬러지 내부에 뿌리를 내림으로써 슬러지층 내에 공기를 공급함과 아울러 슬러지 내에 서식하는 미생물에게 영양 성분을 공급하므로써 미생물의 활성을 증진시켜 주며, 슬러지 내에서 식물의 줄기와 뿌리 사이에 형성되는 간극은 슬러지와 혼합되어 있던 간극수가 배출되는 유로 역할을 함으로써 간극수의 배출을 용이하게 한다. 또한 식물은 자체 증식을 위한 영양 성분을 슬러지에서 섭취하여 슬러지의 안정화를 촉진시키기도 한다. 슬러지의 안정화를 보다 촉진시킬 목적으로 슬러지층에 지렁이 등의 토양 서식 생물을 투입할 수도 있다.

슬러지의 감량은 자연건조에 의하여 부가된다. 그러므로 이를 위하여 저장조의 상부는 개방된 구조로 되어 있으며 그와 동시에 우천시에 저장조로 빗물이 유입되는 것을 방지하기 위하여 빗물막이가 설치된 구조로 되어 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 슬러지 처리 장치는 도 1 및 도 2에 예시되어 있는 바와 같이 슬러지를 저장하여 처리하는 저장조 (10)과 이 저장조의 전면적에 슬러지를 고르게 분산 투입하기 위한 분배 시스템 (20)의 두 부분으로 이루어져 있다.

여기에서 본 발명에 따른 슬러지 처리 장치의 제1 부분인 저장조(10)은 슬러지를 적재할 수 있는 용기 형태로서 식물과 토양 미생물에 의한 분해와 배수 및 건조에 의하여 슬러지를 직접 처리해 주는 기능을 한다. 저장조 (10)은 현장 조건에 따라 여러가지 형태로 제작하여 사용할 수 있으나 바람직한 실시 형태로는 위생 매립지의 형태와 같이 차수막 또는 차수층(50)이 설치된 구덩이 형태로 조성하여 사용하며, 처리할 슬러지의 양에 따라 그 크기는 자유로이 선택할 수 있다.

본 발명에 따른 슬러지 처리 장치의 제 2부분인 분배 시스템 (20)은 저장조 유입 부위까지 운반되어 온 슬러지를 저장조에 고르게 분산시키기 위한 것으로서, 통상 완충조 (21)과 완충조로부터 저장조 위로 뻗어 나가면서 여러 곳에서 분기되는 분배관 (22), 그리고 분배관이 분기되는 지점에 설치된 개폐 밸브 (23)으로 구성되어 있다.

즉, 상기 분배 시스템 (20)의 완충조 (21)에 투입된 슬러지는 이곳으로부터 연속적으로 분배관 (22)를 통하여 저장조 (10)으로 투입되며, 저장조에 형성되는 슬러지층의 구배 여부에 따라 분배관 (22)가 분기되는 지점에 설치된 개폐 밸브 (23)의 개폐 여부를 각각 독립적으로 적절히 조절함으로써 저장조 (10)의 전면적이 고르게 사용되도록 한다. 경우에 따라서는, 본 발명의 슬러지 처리 장치에서 완충조 (21)를 배제할 수도 있다. 공장 등의 작업 라인에 슬러지 처리 장치가 직접 연결되는 경우가 그 한 예이다.

저장조 (10)에 투입된 슬러지는 토양 여과층 (11)을 통한 탈수와 슬러지 상부 표층에서 진행되는 자연건조에 의하여 물리적으로 일차 감량되며 이를 통하여 슬러지 층의 상부에는 가뭄시 갈라진 논바닥과 유사한 형태의 균열이 발생하고, 이러한 균열을 통해 슬러지의 생물학적 분해에 필요한 산소가 슬러지층 속으로 전달된다. 이 과정에서 토양층 (11)의 배수활동은 토양층에 분포되어 있는 식물의 뿌리가 형성하는 미세유로와 토양층 하부에 수평 방향으로 설치된 집수관 (14)에 의하여 촉진된다. 한편 집수관 (14)의 상부에는 개폐 밸브가 달리고 끝부분이 슬러지층의 상부 공기층까지 뻗은 여러 개의 수직관 (15)들이 수직 방향으로 연결되어있어 집수관에 물이 가득차 있지 않을 때에는 공기 공급 장치 역할을 하도록 되어 있다. 집수관 (14)에는 또한 공기 공급관 (16)이 별도로 연결되어 있어 필요에 따라 송풍기를 연결하여 강제로 공기를 공급할 수 있게 되어 있다. 이 경우 수직관 (15)들은 폐쇄 조작되며 집수관 (14)로 공급된 공기는 모래층 위에서부터 수직 방향으로 설치된 여러개의 통기관 (17)을 통하여 상부로 흘러나감으로써 저장조 내의 산소분포를 고르게 하여 준다.

상기의 감량 과정과 함께 슬러지는 토양층 (11) 상부에 형성된 슬러지층에 식생하는 식물 (9)에 의하여 분해·흡수되며 상부의 공기층으로부터 슬러지층으로 전달된 산소의 도움으로 미생물에 의하여 호기성 분해되어 이차적으로 더욱 감량될 뿐 아니라, 보편적으로 수년에 걸쳐 장기적으로 사용되는 본 처리 장치의 특징으로 인하여 슬러지에 함유되어 있는 난분해성 유해 화학물질도 분해되어 화학적으로 안정화되며 토양과 유사한 형태로 전환되므로 최종적으로는 토양개량제로도 사용할 수 있게 된다. 본 발명의 슬러지 처리 장치를 사용한 슬러지 처리에 의해 발생하는 토양개량제의 수확시기는 저장조 (10)이 완전히 충전되어 더 이상 슬러지를 담지할 수 없는 때이며, 토양개량제를 수확한 후에 저장조는 다시 처음과 같은 순서에 의하여 재사용이 가능하여 추가적인 시설부담이 필요없게 된다.

슬러지층의 상부 표층이 건조에 의하여 균열되는 현상은 우천시 빗물의 유입으로 저해받을 수 있다. 그러므로 이를 방지하기 위하여 저장조 (10)의 상부에는 필요에 따라 비막이 역할을 할 수 있는 개폐식 비막이 (90)이 설치되어 있다. 그러나 식물의 생육과 슬러지의 생분해를 유지하기 위하여 수분공급이 필요한 경우에는 순환펌프 (18)을 이용하여 배출수를 슬러지 상부층으로 재차 이송할 수도 있다.

이하, 실시예로 본 발명을 더욱 상세하게 설명하겠지만 본 발명은 어떤 방식으로든 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

<실시예 1>

지름이 2.2 m, 높이 1 m로 총 부피가 3 m³인 슬러지 처리 장치를 제조하고 본 발명의 슬러지 처리 방법을 실행하였다. 이 슬러지 처리 장치 내에는 10 cm의 자갈층과 90 cm의 모래층으로 토양 여과층을 조성하고, 집수 및 공기 공급을 위해 반응기 하부에 다공관을 설치하였다. 모래층에는 화본과 식물인 갈대 (Phragmites communis Trin.)를 식재하였다. 이 장치를 이용하여 1년간 하수 처리장 소화 슬러지를 5 m³처리하였다.

그 결과 물에 함유된 물질의 제거율은 CODcr: 36%, NH₄-N: 87%, PO₄-P: 98%로 나타났으며, 슬러지의 부피 감소율은 90%, 슬러지내 VS 감소율은 25%, 중금속은 기준치 (EPA Part 503, 1994) 이하로 미량 검출되었다.

<비교예 1>

육상 매립이나 해양 투기를 통한 슬러지 처리법의 경우, 기계를 이용하여 탈수를 행하고 있다. 이 때 탈수를 위해서는 1-10 Kw/m³(슬러지)의 동력비가 사용된다.

기계적 탈수는 슬러지 수분을 제거하여 슬러지의 부피 감소만을 목적으로 하는 것으로 탈수율은 60-80%이다. 이 때 발생하는 탈리액은 높은 유기물 부하와 질소 및 인 농도로 인하여 처리장 내 오염 부하를 증가시킨다.

<비교예 2>

갈대층 없이 토양 여과층만을 이용한 외국의 슬러지 처리 사례('Gravity dewatering mechanism-application to high speed sludge drying bed', Doboku Gakkai Bombun Hokokushu, no. 497, pt 2-2, pp. 119-126, 1994; 'A study of activated sludge dewatering in experimental reed-planted or unplanted sludge drying beds', A. Lienard, vol. 32, No. 3, pp. 251-261, 1995)를 비교한다.

이 방법은 단지 중력에 의한 탈수 효과만을 이용한 것이므로 슬러지 안정화에 걸리는 기간이 길며, 슬러지의 부피 감소율도 작다.

상기 실시예 및 비교예를 요약하면 하기 표 1과 같다.

	탈수 효과	탈리액
실시예 1	80-90%	후속공정 불필요
비교예 1	60-80%	탈리액 재순환시 문제
비교예 2	슬러지 안정화 기간 길고 부피 감소율 작음	처리수내 오염물 부하 높음

상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 슬러지 처리 장치를 사용했을 대 슬러지의 탈수 효과가 종래의 방법보다 20-30% 더 높았으며, 종래 방법에서는 탈수 여과액의 처리가 문제로 남는 반면 본 발명의 슬러지 처리 방법에서는 문제가 되지 않는다. 또한, 식물을 식재한 본 발명의 슬러지 처리 장치는 식물을 식재하지 않은 경우에 비해 슬러지의 안정화와 건조를 촉진시킨다는 것을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 슬러지 처리 장치로 슬러지를 처리하면 식물과 미생물의 자연분해능에 의해 자연상태에서 탈수·건조되는 것이 더욱 촉진되며, 슬러지를 탈수할 필요가 없이 농축된 슬러지를 그대로 처리할 수 있다. 또한, 발생한 슬러지를 본 발명의 방법이 실시되는 처리장소로 운반·투입하는 과정만이 필요하므로 조작이 매우 단순하고 가동비가 거의 발생하지 않으며, 처리 후에는 토양개량제로 사용할 수 있는 부산물이 부가적으로 획득되고, 처리장소는 지속적으로 재사용할 수 있어 매우 경제적이며 환경친화적인 슬러지 처리가 가능해진다.

Claims (9)

1. 슬러지를 적재할 수 있는 저장조 및 이 저장조의 전면적에 슬러지를 고르게 분산투입하기 위한 분배 시스템이 구비되어 있고, 이 저장조의 바닥에는 슬러지에 함유된 물의 배출을 용이하게 하며 배출되는 물을 정화시키는 토양 여과층이 설치되어 있으며, 토양 여과층에는 식물이 식재되어 있고, 이 여과층을 통과한 물이 바닥면을 통하여 배출되지 않도록 차수층이 설치되어 있으며, 차수층 상부에 고인 물이 배출되는 배출구가 설치되어 있고, 토양 여과층 하부와 차수층 사이에 물의 배출을 촉진하기 위하여 수평 방향으로 서로 연결된 다수의 집수관이 설치되어 있고, 상기 집수관을 통하여 토양 여과층으로 공기의 공급을 원활하게 하기 위해 공기 공급관을 통해 집수관에 연결된 강제 송풍 장치가 설치되어 있으며, 강제 송풍시 저장조 내에 산소 공급이 균일하게 이루어지도록 토양 여과층에 박힌 여러 개의 통기관이 슬러지층 표면보다 높게 수직 방향으로 설치되어 있고, 집수관에 연결된 송풍 장치의 가동시에 자동폐쇄될 수 있는, 자연적인 공기의 공급을 위해 슬러지층 상부보다 높은 높이로 집수관에 수직 방향으로 다수의 수직관이 설치되고, 저장조 상부에 우천시 저장조로 유입되는 빗물을 막아주는 개폐식 비막이가 설치된, 슬러지의 감량과 안정화를 촉진시키는 슬러지 처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 분배 시스템이 저장조 위로 뻗어 나가면서 여러 곳에서 분기되는 분배관과 이 분배관이 분기되는 지점에 설치된 개폐 밸브로 구성되는 슬러지 처리장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 저장조에서 하부로 배출된 배출수를 슬러지층 상부로 재차 뿌려주는 배출수 순환펌프가 배출구에 연결되어 있는 슬러지 처리 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 슬러지 처리 장치를 사용하여 슬러지를 감량하고 안정화시키는 슬러지 처리 방법.
9. 제8항에 있어서, 저장조에 슬러지 투입 전 또는 슬러지 투입 후 지렁이 등 토양 생물을 투입하는 슬러지 처리 방법.