KR100557856B1 - 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조 방법 및 그 여과재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수슬러지를 이용한 여과재의 제조방법 및 그 여과재에 관한 것이다.

본 발명은 하수슬러지를 일정한 온도로 소정의 시간동안 건조시켜 하수슬러지 표면 및 내부에 존재하는 수분을 제거하는 제 1 단계; 수분이 제거된 상기 하수슬러지를 열분해하여 탄화시키는 제 2단계; 및 상기 하수슬러지의 탄화물에 일정한 유속의 물을 살수하여 탄화에 의해 형성된 탄화물의 미세기공내 부산물을 제거하는 단계; 를 포함하는 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조방법 및 그 여과재를 제공한다.

본 발명에 의하면 하수슬러지를 탄화시킴으로써 활성탄과 같은 흡착능을 갖도록 할 뿐만아니라 하수슬러지 처리를 용이하게 하고 동시에 처리비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

하수 슬러지, 여과재, 탄화, 수세조, 열분해장치

Description

하수 슬러지를 이용한 여과재 제조 방법 및 그 여과재 {Manufacturing Method for Filter from Sewage Sludge and The Filter}

도 1은 본 발명에 의한 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조방법의 공정도.

도 2는 본 발명의 탄화공정이 이루어지는 열분해장치의 개략도.

도 3은 본 발명에 의한 여과재 제품.

도 4는 본 발명에 의한 여과재와 활성탄의 여과 전 표면과 기공의 사진.

도 5는 본 발명에 의한 여과재와 활성탄의 여과 후 표면과 기공의 사진.

도 6은 본 발명에 의한 여과재를 이용한 폐수처리 여과실험장치의 개략도.

도 7은 시간에 따른 탁도 변화 그래프.

도 8은 시간에 따른 SS 변화 그래프.

도 9는 시간에 따른 COD 변화 그래프.

도 10은 본 발명에 의한 여과재를 KS M 1802의 규격에 근거하여 분석한 표.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10... 열분해장치 11... 열분해로

12... 연료저장조 13... 열풍버너

14... 연소실 15... 연소버너

16... 배출구 17... 배출공기량 조절용 팬

20... 여과실험장치 21... 유입수조

22... 정량펌프 23... 활성탄이 충전된 반응조

24... 탄화물이 충전된 반응조 25... 모래가 충전된 반응조

26... 유출수조

본 발명은 하수처리장의 슬러지를 이용하여 여과재를 제조하는 방법 및 그 여과재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경제적으로 환경을 개선할 수 있도록 하수 슬러지를 탄화시켜 여과재를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 여과재에 관한 것이다.

일반적으로 하수슬러지는 일상생활에서 발생되는 각종의 음식찌꺼기를 비롯한 생활배설물과 부폐된 하수를 처리하는 시설물인 생활하수처리장에서 발생되는 하수처리장의 슬러지로서 하수처리 부산물이다. 이러한 하수슬러지는 소각 또는 매립하는 등 비효율적으로 처리되고 있어 2차적인 환경 오염을 초래하며, 또한 이러한 처리에 비용이 과다하게 소요되어 경제적인 손실을 가져오고 있다. 따라서 하수 슬러지를 이용하여 환경친화적인 재활용 상품으로의 전환이 당해 기술분야에서 요구되어 왔다.

종래의 하수슬러지 이용한 예로서 하수슬러지를 이용한 하폐수의 고도처리용 탄소원 제조 기술이 제안된 바 있다.

하폐수의 질소 및 인을 제거하기 위한 고도처리공정에서는 폐수의 C/N비 및 C/P비가 중요하다. 유입 탄소원이 부족한 경우 외부탄소원으로서 메탄올을 권장하고 있으나 고가의 메탄올은 고도처리 공정의 운영비에 큰 부담을 주게된다. 따라서 이 기술에 따르면 하수슬러지의 산발효시켜 이를 외부탄소원으로 사용할 수 있다는 것이다.

즉, 혐기성 조건하에서 하수슬러지내의 입자성 유기물 성분은 용해성유기물로 가수분해되며, 용해성 유기물은 산발효균에 의해 유기산으로 전환되는 바 이때 생산된 유기산을 탈질 공정에서 외부탄소원으로 사용한다는 것이다.

그러나 이러한 기술은 하수 슬러지에 있는 탄소원을 영양물질로 사용하는 것에 관한 것으로 단지 하수슬러지를 이용한 예로서 제시된 것이며, 이하 설명될 본 발명과는 그 기술분야가 상이하다.

본 발명은 하수슬러지를 이용하여 환경친화적인 재활용 상품으로의 전환을 위한 것으로, 하수슬러지를 탄화시켜 여과재로 이용함으로써 하수슬러지 처리를 용이하게 하고 동시에 처리비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 활성탄과 유사한 흡착능을 갖는, 하수슬러지를 이용한 여과재의 제조방법 및 그 여과재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 하수슬러지를 일정한 온도로 소정의 시간동안 건조시켜 하수슬러지 표면 및 내부에 존재하는 수분을 제거하는 제 1 단계; 수분이 제거된 상기 하수슬러지를 열분해하여 탄화시키는 제 2단계; 및 상기 하수슬러지의 탄화물에 일정한 유속의 물을 살수하여 탄화에 의해 형성된 탄화물의 미세기공내 부산물들을 제거하는 단계; 를 포함하는 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조방법을 제공한다.

상기 제 1 단계는 하수슬러지를 100 ~ 150℃에서 2시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계는 무산소 조건에서 열분해하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 2 단계에서 상기 하수슬러지는 500℃에서 탄화되는 것이 바람직하다.

상기 제 3단계는 탄화물 1kg당 1.5ℓ/min ~ 2.5 ℓ/min 유속으로 물을 살수하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 상기의 본 발명에 의해 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조 방법에 의해 제조되는 여과재를 제공한다.

상기 여과재는 그 표면에 다수의 굴곡이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조방법의 공정을 도시하고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하수슬러지를 일정한 온도로 소정의 시간동안 건조시켜 하수슬러지 표면 및 내부에 존재하는 수분을 제거한다(제 1단계).

하수 처리장에서 발생하는 하수 슬러지를 수집하여 건조시키는 단계이며, 수집된 하수 슬러지를 약 100~ 150 ℃ 에서 2시간동안 건조시켜 하수 슬러지 표면 및 내부에 있는 수분을 제거한다.

하수 슬러지 중에 포함되어 있는 수분을 형태별로 살펴보면, 큰 고형입자 간극에 존재하는 간극수, 슬러지 입자의 갈라진 틈을 모세관 현상에 의하여 채우고 있는 모관결합수, 슬러지의 입자표면에 부착되어 있는 표면부착수 및 슬러지의 입자를 형성하는 세포의 세포핵으로 존재하는 내부수로 구별된다. 상기 간극수와 모관결합수는 기계적인 탈수방법에 의해서 쉽게 제거가 되고, 상기 표면부착수는 응집제를 이용한 응집처리에 의해서 제거가 가능하나, 상기 내부수는 가열증발시켜 건조되어야 제거된다.

따라서 내부수까지 제거하기 위해서는 약 100℃ ~ 150℃의 온도범위에서 2시간정도 건조시키는 것이 바람직하다. 이는 2시간 이내로 건조한 경우는 충분한 건조가 이루어지지 않고, 2시간이상 건조한 경우는 건조특성에는 변화가 없으면서 연료와 시간이 과다하게 소모되어 비효율적이기 때문이다.

다음으로, 수분이 제거된 상기 하수슬러지를 열분해하여 탄화시킨다(제 2단계).

여기서, 열분해는 하수슬러지를 저산소상태 또는 산소가 없는 무산소상태에서 폐기물을 환원분해시키는 기술을 말하며, 탄화(carbonization)란 유기물을 적당한 조건하에서 가열하면 열분해되어 비결정성탄소가 생성되는 현상을 말한다. 대부분의 유기물은 300 ~ 400 ℃ 에서 탄화를 일으키는데, 그 분해과정은 물질에 따라 다르게 나타난다.

본 발명에서는 무산소 조건에서 열분해하며, 이는 과잉산소의 존재하에서 열분해가 진행되면 산화반응에 의하여 간접가열이 아닌 직접연소반응이 진행되어 하수슬러지의 열분해효율이 떨어지기 때문이다.

일반적인 배치(bacth)식 열분해장치를 이용하여 하수슬러지를 탄화시키며, 이와 같이 하수슬러지를 탄화시키는 이유는 대부분의 구성물질이 탄소질로 된 활성탄과 마찬가지로 흡착성이 강한 여과재로서 이용가능하도록 하기 위해서이다.

본 발명에서는 상기 열분해장치로 하수 슬러지를 충전한 후, 상기 열분해장 치에 장착된 자동온도조절 센서에 의해 설정된 온도조건과 시간조건에서 탄화과정이 진행되도록 한다. 이 때, 상기 하수슬러지는 500℃에서 1시간 동안 탄화되는 것이 바람직하다.

하수슬러지 감량화 실험결과에 따르면, 하수슬러지는 500℃이하에서는 계속적으로 감량화가 진행이 됨을 알 수 있는데 이는 탄화가 계속 진행중이기 때문이다. 500℃이상에서는 감량화가 더 이상 진행되지 않기 때문에 500℃ 온도조건에서 탄화시키는 것이 가장 바람직할 것이다.

마지막으로, 상기 하수슬러지의 탄화물을 일정한 유속의 물을 살수하여 탄화에 의해 형성된 탄화물의 미세기공내 부산물들을 제거한다(제 3단계).

이는 탄화에 의해 발생된 부유물질 또는 탁도유발물질들과 같은 부산물들로서, 이들을 제거함으로써 여과재의 더 큰 흡착능력을 확보하기 위해서이다.

본 발명에서는 살수식 수세조에 상기 탄화물을 넣고, 탄화물 1kg당 1.5ℓ/min ~ 2.5 ℓ/min 유속으로 1분 ~ 3분간 물을 살수하여 탄화에 의해 형성된 탄화물의 미세기공내 부산물들을 제거하는 것이 바람직하다. 이 때 탄화물 1kg당 2ℓ/min유속으로 1분간 물을 살수하여 탄화에 의해 형성된 탄화물의 미세기공내 부산물들을 제거하는 것이 가장 바람직하다. 이는 탄화물을 1kg당 2.5ℓ/min 이상의 유속으로 살수한 경우 탄화물의 형태가 파괴되어 수세시간이 흐를수록 탁도농도가 오히려 증가하고, 탄화물을 1kg당 1.5ℓ/min이하의 유속으로 살수한 경우 탄화물내 부산물이 효율적으로 제거되지 않았기 때문이다.

이 때 상기 살수식 수세조는 80rpm, 2메시(mesh, 체눈의 크기를 나타내는 단위)의 체거름망이 설치될 수 있다.

도 2는 하수슬러지를 탄화시키는데 이용되는 열분해장치를 개략적으로 도시하고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

일반적인 배치식 열분해장치를 이용하며, 다만 본 발명에 의한 최적조건하에서 하수 슬러지를 탄화시킨다. 상기 열분해장치는 철구조물로써 내부는 내화재로 마감되어 외부공기의 유입을 차단하여 기밀성이 유지된다.

열분해장치(10)는 열분해로(11), 연료저장조(12), 상기 열분해로에 열풍을 발생시키는 열풍버너(13), 상기 열분해로에서 발생되는 가스성분을 연소시키는 연소실(14)과 연소실에 부착된 연소버너(15), 연소된 가스를 배출시키는 배출구(16) 및 배출공기량 조절용 팬(17)으로 구성된다.

상기 열분해장치의 열분해로(11)내로 하수 슬러지를 충전한 후, 상기 열분해장치에 장착된 자동온도조절 센서에 의해 열풍버너(13)입구에 설치되어 있는 게이트바가 자동으로 상하작동을 하면서 설정된 온도조건과 시간조건에서 탄화과정이 진행(화살표로 도시)되도록 한다. 이 때, 상기 하수슬러지를 500℃에서 1시간 동안 탄화시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에 의한 제조방법으로 제조된 여과재는 도 3에서 보여지고, 도 4는 본 발명에 의한 여과재와 활성탄의 여과 전, 도 5는 본 발명에 의한 여 과재와 활성탄의 여과 후 표면과 기공의 모습을 비교하고 있다. 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의해 제조된 여과재와 활성탄의 표면과 기공을 여과전, 후에 결쳐 비교 해보기 위해, SEM(scanning electronic microscope)사진을 500배로 촬영하였으며, 이는 Jeol사의 장비를 사용하였다.

여과 전 활성탄과 본 발명에 의한 여과재 즉, 하수슬러지의 탄화물은 도 4에서 도시된 바와 같이 그 표면에 많은 굴곡이 형성되어 있으며, 기공의 분포는 약 10㎕로 다양하게 분포되어 있는 것이 관찰되었다. 활성탄의 표면에 굴곡과 미세 기공들은 오염물질들의 흡착을 좋게 하는 것으로, 본 발명에 의한 여과재도 탄화시킴으로서 활성탄과 마찬가지로 많은 굴곡과 기공이 형성됨을 알 수 있다.

여과 후 활성탄과 하수슬러지의 탄화물은 도 5에서 도시된 바와 같이 표면과 기공에 부유물질과 유기물질들이 흡착되어 있는 것이 관찰되었다.

즉, 활성탄과 마찬가지로 본 발명에 의한 여과재 표면에 형성된 상기 굴곡과 기공을 통해서 오염물질들이 흡착됨을 알 수 있었다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 여과재를 이용하여 폐수처리 여과실험을 해보았으며, 그 과정 및 결과는 다음과 같다.

본 발명에 의한 여과재의 흡착능을 모래 및 활성탄의 흡착능과 비교하기 위한 여과 실험장치(20)는 도 6에서 도시된 바와 같이 교반기(211)가 설치된 유입수조(21), 활성탄이 충전된 반응조(23), 본 발명에 의한 하수슬러지 탄화물이 충전된 반응조(24), 모래가 충전된 반응조(25), 각각의 반응조로 일정량의 폐수를 유입시키기 위한 정량 펌프(22) 및 유출수조(26)를 구비한다.

먼저 각각의 반응조에 활성탄, 모래, 본 발명에 의한 여과재 즉 하수슬러지 탄화물을 충전시켰다. 여기서 활성탄은 8 × 30 mesh 의 규격을 갖는 야자활성탄소가 사용되었고, 모래는 여과사리(2 ~ 10 mm 이상), 여과사(2mm이하)를 사용하였다.

본 발명에 의한 여과재는 하수종말처리장의 탈수케익으로서 수분함유율 약 75%, 유기물함유율 약 16%, 무기물함유율 약 9%의 특성을 갖는 하수슬러지를 수거하여, 100 ~ 150℃에서 2시간 동안 건조시켰다. 그리고나서 무산소 조건에서 열분해 장치를 이용하여 500℃에서 1시간 탄화시키고, 탄화물 1kg당 2ℓ/min유속으로 1분간 물을 살수하여 탄화물의 미세기공내 부산물을 제거하고 난 후의 탄화물을 사용하였다.

상기 각각의 충전물은 반응조의 부피비를 기준으로 전체 용량의 65%만큼 반응조(23, 24, 25)에 충전하였으며, 모래의 경우는 반응조 하단에 전체 충전량의 30%를 여과사리로 충전하고 나머지 부분은 여과사로 충전하였다.

다음으로 유입수조(21)의 원수를 각각의 반응조(23, 24, 25)로 정량 펌프(22)를 통해 30 ㎖/min의 유량으로 유입시켰다. 이 때 원수로는 한국생산기숭연구원내 하수처리장의 제 4 폭기조에서 침전조로 월류되는 처리수를 사용하였다. 상기 원수는 탁도 7.5 NTU(Nephelometric Turbidity Unit), 부유물질(suspended solids, 이하 'SS'라 한다) 12 mg/ℓ로 분석되었다.

각각의 반응조에서 5일 동안 흡착, 여과되도록 하였다. 그 후, 일정한 간격 을 두고 각각의 반응조로부터 유출조(26)로 배출된 유출수를 각각 수집하여 시간에 따른 탁도, SS 및 산소 요구량(chemical oxygen demand, 이하'COD'라 한다)을 분석하였다.

그 결과는 도 7 내지 도 9에서 도시되고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

첫번째로, 각각의 반응조로부터 유출된 유출수의 탁도를 분석해 보았다.

탁도란 물의 탁한 정도를 나타내는 것으로 그 단위는 NTU를 사용한다. 본 발명에 의한 하수슬러지 탄화물의 탁도에 대한 분석결과, 도 7에서 도시된 바와 같이 초기 7.5 NTU에 비해 5일 후 약 2 NTU가 되는 것으로 나타났다. 이는 활성탄과 모래 반응조로부터의 유출수와 비교하여 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있었다.

두번째로, 각각의 반응조로부터 유출된 유출수의 SS를 분석해 보았다.

SS는 입자 지름이 2mm 이하로 물에 용해되지 않는 물질을 말하며, 오염된 물의 수질을 표시하는 지표로서, 현탁고형물이라고도 한다. 이는 물의 탁도를 높이고 외관을 더럽히며, 그 중 생물분해 가능한 유기물질이 용존산소를 감소시키는 등 자연수질을 오염시킨다. SS 측정법은 그것을 포함한 시료를 여과시켜서 고형물을 포집하고 건조시킨 후, 그 전후의 무게차에 의해서 고형물의 농도를 구하고 mg/ℓ 또는 ppm으로 나타낸다.

본 발명에 의한 여과재의 SS에 대한 분석결과, 도 8에서 도시된 바와 같이 원수의 초기 농도 12 mg/ℓ에 비해 본 발명에 의한 하수슬러지 탄화물에 여과된 후는 약 2 mg/ℓ정도로 나타났다. 또한, 모래 및 활성탄에 비하여 그 변동폭이 크지 않았으며, 처리 효율은 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있었다.

세번째로, 각각의 반응조로부터 유출된 유출수의 COD를 분석해 보았다.

COD는 오염된 물의 수질을 나타내는 한 지표로서, 하천, 호소, 해역 등의 자연수역에 도시폐수나 공장폐수가 방류되면 그 속에 산화되기 쉬운 유기물질이 있어서 자연수질이 오염된다. 이렇게 유기물질을 함유한 물에 과망간산칼륨(KMnO₄) ·중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 등의 수용액을 산화제로서 투입하면 유기물질이 산화된다. 이때 소비된 산화제의 양에 상당하는 산소의 양을 mg/ℓ 또는 ppm으로 나타낸 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, COD의 분석결과 COD가 시간이 지날 수록 증가하였다. 즉 활성탄의 경우는 유기물 제거효율이 약 75%에서 71%정도로 감소하였으나, 모래의 경우는 약 62%에서 32%로 급격히 감소되었다. 이에 반해 본 발명에 의한 여과재의 경우는 약 73%에서 62%로 감소됨을 알 수 있었다.

즉, 본 발명에 의한 여과재의 경우 유기물제거효율이 활성탄과 큰 차이를 보이지 않을 뿐만 아니라 모래에 비해서는 현저하게 높다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 이상의 실험에서 본 발명은 하수슬러지 처리를 용이하게 하고 동시에 하수 슬러지 처리비용을 줄이며, 환경오염을 방지할 뿐만 아니라 그 흡착능이 일반적으로 사용되는 활성탄과 모래와 큰 차이가 없으며, 특히 기타 여과재에 비해 유기물제거효율은 훨씬 뛰어남을 알 수 있었다.

도 10은 본 발명에 의한 여과재를 KS M 1802의 규격에 근거하여 분석한 표이며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 여과재와 활성탄의 공업규격결과값을 KS 규격과 함께 표로 나타낸 것이다. 본 발명에 의한 여과재의 흡착능력은 활성탄에 비해 상대적으로 떨어지나, 여과재로 쓰이는 제품들의 일반적인 요오드 흡착능력이 180 ~ 210 정도인 점을 감안하면 경제성 및 하수슬러지의 이용성 측면에서 장점이 큰 본 발명에 의한 여과재가 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

이상은 본 발명에 대하여 실시예를 통하여 상세히 설명한 것으로, 이는 예시이며 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 의한 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조 방법은, 하수슬러지 처리를 용이하게 하고 동시에 하수 슬러지 처리비용을 줄이며, 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따라 하수 슬러지를 이용하여 제조된 여과재는 흡착능이 우수하며, 특히 기타 여과재에 비해 유기물제거효율이 뛰어난 효과가 있다.

Claims (7)

1. 하수슬러지를 100-150℃ 온도에서 2시간 동안 건조시켜 하수슬러지 표면 및 내부에 존재하는 수분을 제거하는 제 1 단계;

   수분이 제거된 상기 하수슬러지를 500℃에서 열분해하여 탄화시키는 제 2단계; 및

   상기 하수슬러지의 탄화물에 상기 탄화물 1㎏당 1.5-2.5ℓ/min의 유속으로 물을 살수하여 탄화에 의해 형성된 탄화물의 미세기공 내 부산물들을 제거하는 제 3단계;

   를 포함하는 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 단계는 무산소 조건에서 열분해하는 것을 특징으로 하는 여과재 제조 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항의 제조 방법에 의해 제조되는 여과재.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 여과재는 그 표면에 다수의 굴곡이 형성된 것을 특징으로 하는 여과재.

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