KR100541159B1 - 마이크로파와 가열을 이용한 하수슬러지 처리장치 및 방법 - Google Patents

마이크로파와 가열을 이용한 하수슬러지 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수처리공정에서 배출되는 하수슬러지를 마이크로파와 열풍 및 흡열재를 이용하여 감량화 처리하므로써, 하수슬러지 처리에 따른 에너지를 절감함과 동시에, 하수슬러지의 재이용 및 최종처분을 용이하고 경제적으로 수행할 수 있도록 하는 마이크로파와 가열을 이용한 하수슬러지 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지를 분해 가용화시키고 감량화하는 건조기(10)를 구비한 하수슬러지 처리장치로서, 상기 건조기(10)에는, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(11)와, 건조기(10)의 내부를 소정의 온도로 가열하는 열풍가열기(12)가 구비되어 있으며; 상기 건조기(10)로 투입된 하수슬러지는 마이크로파 발생기(11)로부터의 마이크로파의 조사와 열풍가열기(12)로부터의 가열의 병용에 의하여 분해 가용화 및 감량화되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치와, 이를 이용한 처리방법이 제공된다.
하수슬러지, 마이크로파, 건조, 감량, 재이용, 분해 가용화

Description

마이크로파와 가열을 이용한 하수슬러지 처리장치 및 방법{Method and apparatus for sludge volume reduction using micro-wave and hot air}
도 1은 도 1에는 본 발명에 따른 하수슬러지 처리장치의 구성과 그에 의한 처리 공정을 보여주는 개략적인 공정도이다.
도 2는 단순히 가열만을 하는 경우와, 가열에 더하여 마이크로파를 조사하였을 경우에 대한 하수슬러지의 함수율의 변화를 보여주는 그래프도이다.
도 3은 하수슬러지에 대한 가열, 가열과 마이크로파 조사, 그리고 감압상태에서의 가열과 마이크로파 조사에 따른 함수율 변화를 보여주는 그래프도이다.
본 발명은 마이크로파와 열풍 가열을 이용한 하수슬러지 처리장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 하수처리공정에서 배출되는 하수슬러지를 마이크로파와 열풍 가열을 동시에 이용하여 분해 및 감량 처리하고, 더 나아가 흡열재를 사용하므로써, 하수슬러지 처리에 따른 에너지를 절감함과 동시에, 하수슬러지의 재이용 및 처분 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 마이크로파와 가열을 이용한 하수 슬러지 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
하수슬러지를 처리하는 종래의 방법으로는 소각, 매립, 해양투기, 소석회를 사용한 안정화, 지렁이를 이용한 처리 등이 있다.
그러나, 위와 같은 종래의 처리 방법은 환경적인 규제에 의하여 제한을 받는 경우가 많다. 따라서, 위와 같은 규제를 받지 않을 수 있도록 환경오염을 최대한 억제할 수 있는 새로운 처리 방법의 개발이 시급한 실정이다.
특히, 하수슬러지를 처리함에 있어서는 건조 및 감량화가 중요한데, 종래에는 단순히 하수슬러지에 열을 가하여 수분을 제거시키는 단순 건조 방법에 의하여 감량화를 이루었다. 그러나, 이러한 종래의 감량화 방법에서는 단순히 열원에 의한 가열에 의해서만 하수슬러지의 수분을 제거하기 때문에, 이를 위해서는 상당한 에너지를 소모하였으므로, 하수슬러지 처리에 소요되는 에너지 비용에 과대하게 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은, 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지를 분해 가용화하고 감량화시킴에 있어서, 그에 소모되는 에너지를 절약할 수 있으며, 하수슬러지 내의 미생물에 대한 혐기성 소화 효율을 향상시키는 새로운 구성의 하수슬러지 처리장치 및 이를 이용한 하수슬러지 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 하수슬러지를 분해 가용화 및 감량화하는 건조기를 구비한 하수슬러지 처리장치로서, 상기 건조기에는, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 건조기의 내부를 소정의 온도로 가열하는 열풍가열기가 구비되어 있으며; 건조기로 투입된 하수슬러지는 마이크로파 발생기로부터의 마이크로파의 조사와 열풍가열기로부터의 가열의 병용에 의하여 분해 가용화 및 감량화되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치가 제공된다.
본 발명에서는 상기한 하수슬러지 처리장치의 또다른 실시예로서, 상기 건조기에 하수슬러지가 투입되기 전에, 하수슬러지와 숯 및 분말활성탄이 투입되어 이를 교반하여 혼합하는 교반 장치가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치가 제공된다.
위와 같은 본 발명의 실시예에서는, 상기 건조기에 의하여 건조된 상태로 배출되는 하수슬러지의 일부는 반송장치에 의하여 다시 상기 교반 장치로 공급되어, 하수슬러지, 숯 및 분말활성탄과 혼합된 후 다시 건조기로 재투입되도록 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 건조기로부터 다시 반송되어 교반 장치(20)로 투입되는 건조된 하수슬러지와, 숯과, 분말활성탄의 양은 전체 하수슬러지에 대하여 1 내지 10중량%인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 외부탄소원으로 활용될 수 있는 응축수를 상기 건조기로부터 배출되는 가스로부터 추출하는 응축기가 더 구비될 수 있으며, 상기 건조기 로부터 배출되는 가스로부터 악취를 제거하는 바이오 필터가 추가로 더 구비될 수도 있다.
한편, 본 발명에서는 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지를 처리하는 방법으로서, 공급되는 하수슬러지에 마이크로파를 조사하고 열을 가함으로써 하수슬러지를 분해 가용화 및 감량화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법이 제공된다.
이러한 하부슬러지 처리방법의 구체적인 실시예로서, 본 발명에서는, 상기 하수슬러지의 분해 가용화 및 감량화 단계에 앞서서, 하수슬러지에 숯과 분말활성탄을 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법이 제공된다.
또한, 본 발명에서는 분해 가용화 및 감량화 단계에 의하여 생성된 건조된 하수슬러지의 일부가 반송되어, 상기 혼합 단계에서, 하수슬러지와, 숯 및 분말활성탄과 혼합된 후, 다시 분해 가용화 및 감량화 단계로 투입되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법이 제공된다.
이 경우, 상기 혼합 단계에서, 건조된 반송 하수슬러지와 함께 혼합되는 숯 및 분말활성탄의 양은 혼합되는 하수슬러지에 대하여 1 내지 10중량%로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 상기한 하수슬러지 처리방법들의 더 구체적인 실시예로서, 분해 가용화 및 감량화 단계에서 하수슬러지로부터 발생하는 가스를 응축하여 외부탄소원으로 활용될 수 있는 응축수를 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 하수슬러지 처리방법과, 분해 가용화 및 감량화 단계에서 하수슬러지로부터 발생하는 가스로부터 악취를 바이오 필터에 의하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법이 제공된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 하수슬러지 처리장치의 구성과 그에 의한 처리 공정을 설명하기 위한 개략도가 도시되어 있다. 본 발명에서는, 하수슬러지의 처리시에 건조 및 감량화를 위하여 마이크로파와 가열을 이용한다. 도 1에서 부재번호 10은 본 발명에 따른 하수슬러지 처리장치에 구비되는 건조기(10)인데, 상기 건조기(10)에는 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(11)와, 건조기(10)의 내부를 소정의 온도로 가열하는 열풍가열기(12)가 구비되어 있다. 여기서, 상기 열풍가열기(12)는 하수슬러지에 소정 온도의 열풍을 송풍할 수 있는 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 이 때, 건조기의 내부 온도는 100~120℃로 가열되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로파 발생기(11)에서는 약 300MHz 내지 300GHz의 주파수 범위를 가지는 마이크로파가 발생하게 된다. 이때, 상기 마이크로파의 파장은 약 1cm 내지 1m내에 있다. 상기 열풍가열기(12)는 고온의 열풍을 발생시켜 이를 하수슬러지로 송풍하게 된다.
하수슬러지는 상기 건조기(10)로 투입되기에 앞서, 원심농축기(30)에 의하여 소정 정도로 1차 탈수되는 것이 바람직한데, 이 때 1차 탈수된 하수슬러지는 약 75 내지 80%의 함수율을 갖는다. 투입된 하수슬러지는 컨베이어 벨트(13) 위에 놓여져 건조기(10) 내를 통과하게 되는데, 상기 건조기(10)의 마이크로파 발생기(11)에서는 마이크로파가 발생하여 하수슬러지에 조사된다. 하수슬러지에 마이크로파가 조사되면, 마이크로파의 에너지에 의하여 슬러지에 함유되어 있는 이온과 극성물질(예를 들어, 물, 색소, 지방 등)이 매우 빠른 속도로 배열변환을 반복하여 분자적 진동을 일으키게 되고, 그에 따라 박테리아와 같이 하수슬러지에 함유되어 있는 미생물의 세포막이 파괴된다. 따라서, 하수슬러지에 함유되어 있던 미생물들로부터 수용성 유기물(용질)이 용매로 흘러나오는 추출현상이 촉진되며, 결과적으로, 하수슬러지의 혐기성 소화 효율이 향상된다.
한편, 본 발명에서는 위와 같이 하수슬러지에 마이크로파를 조사하는 것에 더하여 열풍가열기(12)에 의하여 하수슬러지를 가열하게 된다. 상기 열풍가열기(12)는 열원으로서 기능하여 하수슬러지에 고온의 열풍을 보내게 된다. 즉, 마이크로파가 조사된 하수슬러지에 열풍 등과 같이 열풍가열기(12)로부터 발생하는 열을 가하게 되는 것이다. 따라서, 이러한 가열에 의하여 하수슬러지로부터 수분이 증발되고, 결국 하수슬러지는 건조되어 케익 형태로 만들어져 건조기(10)로부터 배출된다.
본 발명에서와 같이, 하수슬러지를 가열하는 것과 병용하여 마이크로파를 조사하게 되면, 하수슬러지의 감량효과가 더욱 배가되는데, 도 2에는 단순히 가열만을 하는 경우(점선으로 도시된 것)와, 가열에 더하여 마이크로파를 조사하였을 경우(실선으로 도시된 것)에 대한 하수슬러지의 함수율의 변화를 보여주는 그래프도 가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가열과 마이크로파 조사를 병용하였을 때, 하수슬러지의 함수율이 급격히 감소하게 되는 바, 가열과 마이크로파 조사의 병용에 의하여 우수한 분해 가용화 및 감량 효과가 발휘하게 됨을 확인할 수 있다.
한편, 상기 건조기(10) 내에서, 하수슬러지를 가열하고 마이크로파를 조사할 때, 건조기(10) 내부의 압력을 소정 압력으로 감압하는 것이 바람직하다. 도 3에는 열풍가열기(11)의 열풍만을 이용하여 하수슬러지를 45℃로 가열하였을 때 하수슬러지의 함수율과 시간의 관계에 대한 그래프(그래프 1)와, 동일한 조건에서 마이크로파 발생기(11)를 이용하여 마이크로파 조사와 가열을 병용하였을 때의 그래프(그래프 2), 그리고 가열 및 마이크로파 조사를 병용함과 동시에 건조기(10) 내의 압력을 70 torr로 감압하였을 때의 그래프(그래프 3)가 각각 도시되어 있다. 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명처럼, 건조기(10) 내를 소정의 압력으로 감압하게 되면 하수슬러지의 감량화가 더욱 촉진될 수 있다. 이와 같이, 건조기(10) 내의 압력을 감압하는 경우, 바람직한 건조기(10) 내의 압력 범위는 50∼70 torr이다.
이와 같이, 건조기(10)로 투입된 하수슬러지는 마이크로파 발생기(11)와 열풍가열기(12)에 의하여 건조되어 감량화되므로써 케익 형태로 만들어져 배출된다. 본 발명에서는 이렇게 케익 형태로 만들어져 배출된 슬러지의 일부는 다시 건조기(10)로 재투입된다. 이에 대해서는 후술한다.
본 발명에서는 위와 같은 공정에 더하여 다음과 같은 공정과 구성을 더 구비할 수 있다.
본 발명에서는, 원심농축기(30)에 의하여 1차 탈수되어 수분이 소정 정도 제거된 하수슬러지를 건조기(10)에서 투입하기에 앞서, 숯과 분말활성탄을 하수슬러지에 첨가하게 된다. 즉, 도 1에서 부재번호 20은 교반 탱크(20)인데, 원심농축기(30)로부터 공급되는 하수슬러지를 교반 탱크(20)에서 숯 및 분말활성탄과 교반하여 혼합한 후에 이를 건조기(10)로 투입하게 되는 것이다. 여기서, 숯과 분말활성탄은, 함께 혼합되는 하수슬러지량 대비 1 내지 10 중량%로 투입하는 것이 바람직하다. 숯과 분말활성탄의 투입량이 1 중량% 미만이면 그 효과가 미미하며, 10 중량%인 경우, 하수슬러지에 비하여 보조재가 더 많아지는 결과가 되어 경제성이 저하된다.
상기한 숯과 분말활성탄은 마이크로파의 흡수원이 되어 승온 보조재로서 기능하게 되므로, 본 발명에서와 같이 건조기(10)에 하수슬러지를 투입하기에 앞서, 숯과 분말활성탄을 하수슬러지에 혼합하게 되면 건조기(10) 내에서 하수슬러지에 마이크로파가 조사될 때, 하수슬러지가 짧은 시간 내에 고온(최대 약 90℃)에 이를 수 있게 된다. 따라서, 그 만큼 본 발명에서는 하수슬러지를 건조시키고 감량화하는데 소요되는 에너지와 시간을 줄일 수 있게 된다.
특히, 건조기(10)에 의하여 건조되어 감량화된 하수슬러지는 건조된 케익 형태로 만들어지는데, 이 건조된 하수슬러지 케익의 일부는 반송장치(도시되지 아니함)에 의하여 다시 상기 교반 탱크(20)로 반송되어 전단계로부터 공급되는 하수슬러지, 그리고, 숯 및 분말활성탄과 함께 혼합되도록 하는 것이 바람직하다. 요컨대, 도면에 도시된 실시예에서는 건조되어 반송된 하수슬러지 케익의 일부가 숯 및 분말활성탄과 함께 교반 탱크(20)로 투입되어, 1차 탈수된 하수슬러지와 함께 혼합된 후 건조기(10)로 공급되는 것이다.
건조기(10)에 의하여 건조되고 감량화된 하수슬러지는 약 30 내지 50%의 함수율을 가지는 케익 형태로 만들어지는데, 이와 같이, 건조된 하수슬러지를 소정 수분이 함유된 하수슬러지와 함께 혼합한 후 건조기(10)에 재투입하여 순환시키게 되면, 건조기(10)로 투입되는 하수슬러지의 함수율이 이미 조금 더 낮아진 상태가 되므로, 건조기(10)에서 하수슬러지를 분해 가용화 및 감량시킬 때 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
도 1에서, 부재번호 40은 응축기(40)로서, 본 발명에서는 상기 건조기(10)내에서의 슬러지 건조과정에서 증발된 수분을 상기 응축기(40)에 의하여 응축시키므로써, 이 응축수를 외부탄소원으로서 활용한다. 구체적으로, 건조기(10)로부터 배출되는 수분은 상기 응축기(40)내로 공급되어 응축되므로써 응축수로 만들어진다. 응축수는, 유기산 성분을 함유하고 있으므로, 하수처리장내에서 혐기/무산소 생물반응조에 투입하여 탈질 및 인 방출을 위한 메탄올을 대용할 수 있는 외부탄소원으로 사용하게 된다. 유기산은 생물반응조에서 쉽게 미생물에 의해 분해가 가능한 유기물인데, 현재 국내 하수성상이 생물학적 질소, 인 제거 공정에 필요한 유기물량이 절대적으로 부족하므로 이러한 유기산이 함유한 응축수는 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 하수슬러지의 분해 가용화 및 감량화 과정에서 발생하는 가스로부터 악취를 제거하기 위한 장치로서, 바이오 필터(50)를 구비한다. 상 기 건조기(10)로부터 발생하는 가스는 상기 응축기(40)를 거쳐 바이오 필터(50)로 공급된다. 상기 바이오 필터(50)에는 미생물의 유,무기물을 분해하는 세균(수도모나스속Pseudomonas sp., 티오바실러스속 Thiobacillus sp., 니트로소모나스속 Nitrosomonas sp., 바실러스속 Bacillus sp 등)이 포함되어 있다. 따라서, 바이오 필터(50)로 공급된 가스에 포함되어 있는 악취는 바이오 필터(50)에 의하여 제거되어, 가스는 악취가 없는 상태로 외부로 배출된다. 따라서, 하수슬러지 처리에 따른 악취 발생도 방지할 수 있게 된다. 도면에서 부재번호 51은 가스의 송풍을 위한 팬(51)이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 하수슬러지 처리장치 및 처리방법에서는, 마이크로파와 가열을 동시에 병용하여 하수슬러지를 처리하여 분해 가용화 및 감량화시킨다. 따라서, 마이크로파와 열풍 가열의 병용에 따른 상승작용에 의하여 하수슬러지의 감량 효율을 높일 수 있게 되고, 그에 소요되는 에너지 소모를 줄일 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 마이크로파를 이용하여 하수슬러지에 포함된 미생물의 세포를 파괴하므로, 혐기성 소화 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 하수슬러지에 숯과 분말활성탄을 혼합한 후에 이를 마이크로파의 조사와 가열에 의하여 분해 가용화 및 감량화 하게 되는데, 하수슬러지에 혼합된 숯과 분말활성탄은 마이크로파의 흡수원으로서 기능하게 되므로, 마이크 로파가 조사된 하수슬러지는 짧은 시간 내에 고온에 이를 수 있게 된다. 따라서, 하수슬러지의 분해 가용화와 감량화를 위하여 소요되는 에너지와 시간을 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는, 건조기에서 생성된 건조된 하수슬러지 케익을 숯 및 분말활성탄과 함께 처리될 하수슬러지에 혼합한 후에, 다시 건조기(10)에 재투입하여 순환시키므로써, 하수슬러지의 분해 가용화 및 감량화를 위하여 건조기(10)에서 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
그 뿐만 아니라, 본 발명에서는 응축기(40)를 더 구비하여, 하수슬러지의 분해 가용화 및 감량화 과정에서 발생하는 가스로부터, 외부탄소원으로 유용하게 활용할 수 있는 응축수를 추출하게 되며, 더 나아가 바이오 필터를 설치하여 가스내의 악취를 제거하여 배출하므로써, 주변 환경에 악영향을 주지 않고도 하수슬러지를 처리할 수 있게 된다.

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  1. 삭제
  2. 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지를 건조시켜 감량하는 건조기(10)를 구비한 하수슬러지 처리장치로서,
    상기 건조기(10)에 하수슬러지가 투입되기 전에 하수슬러지와 숯 및 활성탄이 투입되어 이를 교반하여 혼합할 수 있도록 교반 장치(20)가 구비되어 있고,
    상기 건조기(10)에는, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(11)와, 건조기(10)의 내부를 소정의 온도로 가열하는 열풍가열기(12)가 구비되어 있으며;
    상기 건조기(10)로 투입된 하수슬러지는 마이크로파 발생기(11)로부터의 마이크로파의 조사와 열풍가열기(12)로부터의 가열의 병용에 의하여 분해 가용화 및 감량화되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 건조기(10)에 의하여 건조된 상태로 배출되는 하수슬러지의 일부는 반송장치에 의하여 다시 상기 교반 장치(20)로 공급되어, 하수슬러지, 숯 및 활성탄과 혼합된 후 다시 건조기(10)로 재투입되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 건조기(10)로부터 다시 반송되어 교반 장치(20)로 투입되는 건조된 하수슬러지와, 숯과, 활성탄의 양은 투입 슬러지에 대하여 1 내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부탄소원으로 활용될 수 있는 응축수를 상기 건조기(10)로부터 배출되는 가스로부터 추출하는 응축기(40)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조기(10)로부터 배출되는 가스로부터 악취를 제거하는 바이오 필터(50)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리장치.
  7. 삭제
  8. 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지를 처리하는 방법으로서,
    공급되는 하수슬러지에 숯과 활성탄을 혼합하는 단계; 및
    상기 숯과 활성탄이 혼합된 하수슬러지에 마이크로파를 조사하고 열을 가함으로써 하수슬러지를 분해 가용화 및 감량화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    분해 가용화 및 감량화 단계에 의하여 생성된 건조된 하수슬러지의 일부가 반송되어, 상기 혼합 단계에서 하수슬러지가 숯 및 활성탄과 혼합된 후, 다시 분해 가용화 및 감량화 단계로 투입되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 혼합 단계에서, 건조된 반송 하수슬러지와 함께 혼합되는 숯 및 분말활성탄의 양은, 혼합되는 하수슬러지에 대하여 1 내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    분해 가용화 및 감량화 단계에서 하수슬러지로부터 발생하는 가스를 응축하여 외부탄소원으로 활용될 수 있는 응축수를 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    분해 가용화 및 감량화 단계에서 하수슬러지로부터 발생하는 가스로부터 악취를 바이오 필터(50)에 의하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법.
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