KR100775644B1 - 정수 슬러지의 농축탈수 방법 및 그 장치 - Google Patents

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이석헌
변석종
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홍종현
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Abstract

본 발명은 막농축여과조를 이용한 정수 슬러지의 농축탈수 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 구체적으로 슬러지의 유량을 조절하는 단계(a); 상기 단계(a)로부터 유입된 슬러지에 급속 회전 여과를 병행하며 유기 폴리머를 주입하여 교반하는 단계(b): 상기 단계(b)의 유기 폴리머가 주입된 슬러지를 막농축여과조에서 고형물과 여과액을 분리하는 단계(c); 및 상기 단계(c)를 거친 슬러지를 탈수시키는 단계(d)를 포함하고, 상기 단계(b)에서는 급속 회전 여과에 의하여 고형물과 급속 여과액을 분리하고 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값을 측정함으로써 상기 콜로이드 입자가 전기적 중화조건을 이루게 되는 양의 유기 폴리머를 반복적으로 주입하며, 이때 유동전위값의 측정은 채취한 상기 급속 여과액을 스트리밍포텐셜디텍터 내의 통로를 따라 이동시켰을 때 상기 통로의 양단에 발생하는 전압을 측정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지 농축탈수 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명의 상기 방법 및 장치를 이용하며, 정수 슬러지 처리면적을 감소시킬 수 있고, 유기 폴리머 사용량을 합리적으로 결정할 수 있으며, 배출수의 재이용을 가능하게 함과 동시에 탈수효율을 최적화할 수 있다.
정수 슬러지, 농축탈수, 막농축여과조, 폴리머 교반조, 폴리머 주입량 제어부, 유동전위값

Description

정수 슬러지의 농축탈수 방법 및 그 장치{The method for concentration and dewatering of waterworks sludge and apparatus thereof}
도 1은 종래 기술에 따른 벨트 프레스 탈수를 위한 정수 슬러지 농축시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 정수 슬러지의 농축탈수 장치의 공정도이며,
도 3은 본 발명에 따른 정수 슬러지의 농축탈수 장치의 폴리머 교반조(3)에서 급속 회전 여과방식에 의한 혼화 여과액 수집과 폴리머 주입량 제어부(4)의 폴리머 주입량을 자동 제어하는 과정을 보여주는 개략도이다.
도 4 내지 6은 각각 본 발명의 실시예 1과, 비교예 1 및 2의 슬러지 성상을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 멤브레인 여과시 스트리밍 포텐셜에 따른 여과부피의 증가속도를 측정한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2 내지 4를 대상으로 하여 유동전위값에 따른 여과막 여과플럭스 영향을 실험한 결과를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 조정조 2: 슬러지 이송펌프
3: 폴리머 교반조 4: 폴리머 주입량 제어부
5: 방해판 6: 막농축여과조
7: 여과막 8: 압력계
9: 압력펌프 10: 탈수장치
11: 여액 이송펌프
본 발명은 막농축여과조를 이용한 정수 슬러지의 농축탈수 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
정수장에서는 먹는물을 생산하는 과정동안 공정 부산물인 슬러지가 필연적으로 발생한다. 이와 같은 정수 슬러지는 단위공정(응집, 침전, 여과)에서 발생하는 플록(플럭)의 침전, 여과지 역세척수에서 발생하는 찌꺼기 등으로 구성된다. 정수장에서 발생되는 슬러지는 하수 및 유기슬러지와 비교하여 슬러지 밀도가 높고 무기물 함량이 높다. 또한, 정수 슬러지는 유기물 함량이 매우 낮아 슬러지 재활용보다는 부피감량화 연구가 우선시되고 있다.
정수장 단위공정을 통하여 발생된 슬러지는 부피 감량화를 위해서 기본적으로 농축(concentration)과정, 개량(conditioning) 및 탈수(dewatering)과정을 거친 다. 슬러지 주요 처리공정을 살펴보면, 정수장 운전환경이나 경험에 따라 다소 상이하지만, 보편적으로 침전 슬러지 → 분배조 → 조정조 (1차 농축조) → 농축조 (2차 농축조) → 저류조 → 탈수 → 처분 등의 단계를 거친다(도 1 참조). 이처럼 여러 단계의 슬러지 농축단계가 필요한 것은 국내 대부분의 정수장에서 벨트프레스 탈수방식을 도입하고 있기 때문이다. 벨트프레스를 사용하여 슬러지를 농축하기 위해서는 슬러지의 농축정도가 높을수록 유리하다.
벨트프레스에 의한 탈수 후, 슬러지 케이크와 탈수여액으로 분리되며, 케이크는 매립 또는 해양투기 등의 최종처리를 거친다. 탈수여액은 분배조 또는 조정조 등으로 이송되어 재농축된다.
슬러지 농축단계에 앞서 슬러지 침강성 향상 및 부피감량화를 위해서는 폴리머 등을 첨가하여 개량하는 공정이 필요하다. 개량공정에서 사용되는 폴리머는 양이온계, 비이온계, 음이온계 등 다양한 종류가 사용되고 있으며, 이밖에 석회와 같은 첨가제를 사용하거나, 이중 폴리머(dual polymer) 개량과 같은 방식도 개량효과 증진을 위해서 도입되고 있다.
한편, 정수장에서 폴리머 주입방식은 과거로부터 지속되어온 관행이나 경험적으로 결정된 값을 이용하여 폴리머 주입량을 결정하는 것이 일반적인데, 그 이유는 폴리머의 최적주입량에 대한 근거가 명확하지 않기 때문이다. 일부 실험적으로 폴리머 최적주입량 결정에 사용되는 인자로 여과시간(time to filter; TTF), 여과비저항 계수(specific resistance to filtration; SRF), 모세관 흡입 시간(capillary suction time; CST), 제타 전위(zeta potential; ζ) 등 여러 가지가 있지만, 실험실과 현장조건의 탈수조건 차이, 농축슬러지의 성상변화에 따른 적용성 문제, 연속측정의 어려움 등으로 실제 이용되고 있지 못하는 한계가 있다. 또한 연속제어 방법으로는 슬러지 탈수시 탈수장치를 통하여 분리되는 슬러지 여액의 점도, 전위차 등을 이용하여 폴리머 주입량을 결정하는 연구결과(Abu-Orf et al., Advances in Environmental Research, 7, pp687-694, 2003; Steven K. Dentel et al., Chemical Engineering Journal, 80, pp65-72, 2000)가 보고되어 있지만, 연속운전 및 변화하는 슬러지 성상에 대한 대처 문제점 등 해결해야할 과제가 많이 있다.
이와 같이 정수장 슬러지 처리에 있어서 제기되는 문제점은 다음과 같다.
첫째, 벨트프레스 방식은 넓은 부지면적을 필요로 한다. 벨트프레스 방식은 고농도로 농축될수록 유리하기 때문에 여러 농축단계가 필요하다. 슬러지 농축 단계가 많아지면, 농축조 운영에 어려움이 있으며, 현재로는 슬러지 농도계, 계면계 등의 고장, 겨울철 잦은 농축조 결빙, 폴리머의 부적절한 주입 또는 수온에 의한 슬러지 부상 등 여러 가지 운영의 어려움이 있다. 또한 슬러지 농도가 낮을 경우 간헐적으로 운전되며, 계절별 슬러지 고형물 농도 편차가 클 경우(특히 겨울철 농축조 슬러지 부상) 슬러지 농축이 어렵다.
둘째, 벨트프레스 탈수방식은 여과포 막힘방지 등을 위해 과량의 세척수가 낭비된다. 이는 여과포에 묻어있는 슬러지와 폴리머 등으로 여과포가 막히지 않도록 세정하는 과정에서 많은 양의 세척수가 사용되기 때문이다. 세정수는 탈수여액과 함께 농축조로 재이송되지만, 세정수가 포함되어 있는 배출수에 잔류 유기성 폴 리머가 포함될 가능성이 높기 때문에 재사용되지 못한다.
셋째, 폴리머 주입량 결정방식이 비합리적이다. 슬러지 개량을 위해서는 기존의 폴리머 주입방식은 경험에 의한 방식이나 육안에 의해 슬러지 고형물 농도에 의존하여 관행적으로 주입량을 결정한다. 이러한 방식은 합리적으로 폴리머 주입량을 결정할 수 없기 때문에 폴리머가 과도하게 사용될 수 있으며, 후속되는 탈수공정에서 탈수효율에 부정적인 효율을 미치는 것 등의 문제를 야기시킨다. 또한 현재의 농축탈수 시스템에서는 폴리머 주입량을 제어하기 어렵기 때문에 배출수의 재활용이 어려운 측면이 있다. 즉, 탈수여액에는 탈수과정동안에 사용되었던 유기폴리머가 잔류하고 있기 때문에 재이용되지 못하고 하천으로 방류되는 것이 일반적이다. 잔류폴리머는 하천수계에서 침적될 수 있으며, 수계에서 생물학적으로 분해되어야 하지만, 분해가 어려울 경우 생태계에 악영향을 미칠 우려가 있다. 또한 슬러지 농축과정에서 폴리머를 투입하는 경우, 탈수공정에서 최적 폴리머 주입량 결정시 폴리머 주입위치가 분산되므로, 정확한 폴리머 주입농도를 결정하기가 어렵고, 폴리머의 과다주입의 한 원인이 될 수 있으며, 그 경우 거품 생성 등 부정적인 영향을 미친다.
따라서 슬러지를 개량하기 위하여 폴리머를 정량적으로 최적 주입할 수 있는 기술이 요구된다.
넷째, 탈수효율이 높지 않다. 탈수효율이 최적화되기 위해서는 탈수장치의 최적화와 더불어 폴리머 주입량이 최적화되어야 하는데, 폴리머 주입량 결정에 대한 정확한 가이드라인이 없기 때문에 탈수상태가 양호한 탈수케이크를 생산하는 데 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 정수장에서 슬러지를 처리하는 공정에서 농축막여과장치를 사용하고 폴리머 주입량을 최적으로 반복적으로 제어함으로써 슬러지의 농축 및 탈수효율을 향상시킴과 동시에 폴리머가 배제된 여과액를 생산하여 배출수를 재활용할 수 있는 정수 슬러지 농축탈수 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 정수장에서 발생된 슬러지의 농축탈수를 위하여, 슬러지의 유량을 조절하는 단계(a); 상기 단계(a)로부터 유입된 슬러지에 급속 회전 여과를 병행하며 유기 폴리머를 주입하여 교반하는 단계(b); 상기 단계(b)의 유기 폴리머가 주입된 슬러지를 막농축여과조에서 고형물과 여과액을 분리하는 단계(c) 및 상기 단계(c)를 거친 슬러지를 탈수시키는 단계(d)를 포함하고, 상기 단계(b)에서는 급속 회전 여과에 의하여 고형물과 급속 여과액을 분리하고 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값을 측정함으로써 상기 콜로이드 입자가 전기적 중화조건을 이루게 되는 양의 유기 폴리머를 반복적으로 주입하며, 이때 유동전위값의 측정은 채취한 상기 급속 여과액을 스트리밍포텐셜디텍터 내의 통로를 따라 이동시켰을 때 상기 통로의 양단에 발생하는 전압을 측정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 정수 슬러지의 농축탈수 방법은, 상기 단계(b) 내지 단계(d) 중 하나 이상의 단계로부터 분리된 여과액을 상기 단계(a)로 반송시켜 재이용하는 단계(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 정수 슬러지의 농축탈수 장치는, 정수장에서 발생된 슬러지의 농축탈수를 위한 장치로서, 슬러지의 유량을 조절하는 조정조(1), 조정조에서 이송된 슬러지에 유기 폴리머를 주입하고 급속 교반시키며, 회전 여과막이 설치되어 상기 슬러지로부터 고형물이 분리된 급속 여과액을 제조하는 폴리머 교반조(3), 상기 폴리머 교반조(3)와 연계되어 상기 급속 여과액을 채취하고, 채취된 상기 급속 여과액을 양 끝에 전압 측정 수단을 갖춘 통로를 따라 이동시켜 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값을 측정하고 이를 바탕으로 상기 유기 폴리머의 주입량을 반복적으로 제어하는 폴리머 주입량 제어부(4), 상기 폴리머 교반조에서 유입된 슬러지와 유기 폴리머를 완속 교반하면서 고형물과 여과액을 분리하도록 한 여과막(7)이 장착된 막농축여과조(6), 및 막농축여과조(6)에서 인발된 슬러지를 탈수하는 탈수장치(10)를 포함하여 구성되고, 상기 유기 폴리머 주입량은 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값이 전기적 중화조건에 이르도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 정수 슬러지의 농축탈수 장치는, 폴리머 교반조(3), 막농축여과조(6), 및 탈수장치(10)의 하나 이상으로부터 분리된 여과액을 조정조(1)로 반송시켜 재이용하도록 한 반송장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 반송장치는 반송관을 포함하고 필요에 따라 반송용 펌프를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 권리범위가 하기 도면으로 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 정수 슬러지의 농축탈수 장치의 공정도이다.
본 발명에 의한 정수 슬러지의 농축탈수 장치는 크게 조정조(1), 폴리머 교반조(3), 폴리머 주입량 제어부(4), 막농축여과조(6) 및 탈수장치(10)로 구성된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 조정조(1)는 폴리머 교반조(3) 및 막농축여과조(6)로 슬러지가 유입되기 직전에 0.5% 정도의 고형물을 포함하는 침전슬러지의 유량을 조절하는 역할을 한다. 그 후 슬러지 이송펌프(2)에 의해 슬러지가 폴리머 교반조(3)로 공급되고, 폴리머 주입량 제어부(4)에 의해 적정 함량으로 조절되어 첨가되는 유기 폴리머와 함께 급속 교반된다. 여기서, 폴리머 주입량 제어부(4)는 전하가 중화된 조건을 유지하도록 하는 함량으로 유기 폴리머의 주입량을 조절한다. 유기 폴리머가 첨가된 후 급속 교반된 슬러지가 폴리머 교반조(3)로부터 막농축여과조(6)로 이송되는데, 막농축여과조(6)에서 대략 G = 10 ~ 30 s-1의 범위내에서 완속 교반을 시키게 된다. 막농축여과조(6)에서는 이러한 완속 교반에 의해 슬러지를 플럭으로 성장시킴과 동시에, 플럭으로 성장된 슬러지를 침강시켜 농축한다. 최적 완속 교반은 탈수효율에 중요한 역할을 하는 데, 슬러지의 전하가 충분히 중화된 조건이라 하더라도, 교반 속도가 너무 크거나, 너무 작을 경우, 슬러지의 플럭 형성과 파괴가 진행되면서, 슬러지의 전하가 변화될 수 있기 때문이다. 또한, 슬러지의 전하가 중화된 조건에서 슬러지의 플럭 크기가 탈수효율에 중요한 인자인데, 완속 교반 속도에 의하여 이를 조절할 수 있다.
막농축여과조(6)에서는 여과막(7)을 사용하여 배출수를 재이용할 수 있도록 하여 유기 폴리머를 배제시키는 역할을 하는데, 이 때, 여과막(7)으로서는 공극크기 0.1 ~ 0.6㎛ 정도의 정밀여과막(Microfiltration membrane; MF)을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 여과막은 상기의 예시된 것에 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 목적 및 효과를 달성할 수 있는 것이라면 어느 것이라도 사용가능하다. 탈수장치(10)에서는 막농축여과조(6)에서 인발된 고형물 농도가 1-3%의 슬러지를 탈수시킨다. 이때 탈수장치(10)는 고농도 농축슬러지가 아니더라도 탈수가 가능한 스크류프레스 탈수장치를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서폴리머 주입량 제어부(4)는, 유기 폴리머의 최적 주입량을 결정하고 반복적으로 자동 제어한다. 도 3은 본 발명에 따른 정수 슬러지의 농축탈수 장치에 있어서, 폴리머 주입량 제어부(4)의 폴리머 주입량 자동제어 거동을 도시한 것으로서, 폴리머 교반조(3)에서 회전 여과방식에 의해 수집된 여과액의 콜로이드 입자의 유동전위값을 측정하고, 이에 근거하여 콜로이드 입자가 전기적 중화조건이 되도록 폴리머 교반조(3)에서의 유기 폴리머 주입량을 결정하고, 반복적으로 제어하는 과정을 나타내고 있다.
상기 폴리머 주입량 제어부(4)는 유기 폴리머의 최적 주입량을 결정하기 위해서 유동전위측정장치 (streaming potential detector)를 이용하여 슬러지의 유동전위값을 측정한다. 하기 수학식 (1)에서처럼 유동전위값은 모세관의 동전기학적인 전위 등의 함수로 표현된다.
E = ζD/4πηk
(상기 식에서,
E = 헬름홀츠-스몰루호프스키(Helmhotz-Smoluchowski)식을 이용한 유동전위값, D = 전해액의 비유전율(relative permittivity), ζ = 모세관 시스템의 일렉트 로-키네틱 전위값, η = 점성도(coefficient of viscosity), k = 용액의 도전율(conductivity of solution)이다.)
물 속의 유동전위값은 -2.5~2.5 (단위없음)까지 변화가 가능하며, 유기 폴리머가 주입되지 않은 슬러지의 경우에는 -2.5~0 값을 나타내며 폴리머가 주입되면 양의 값으로 이동하여 폴리머 주입과 밀접한 관계를 나타낸다. 유동전위값은 통상 절대값과 상대값으로 구분되며 통상적으로 상대값을 이용하기도 하나, 본 발명에서는 절대값을 폴리머 주입량 제어기초인자로 활용하는 것이 바람직하다.
폴리머 주입량 제어로직은 유동전위값을 측정하고 여액의 전위값과 참고값의 범위를 측정하여 유기 폴리머 주입량을 결정함과 동시에 유동전위값이 절대값 0, 0.2, 0.5 범위에서 운전되며, 계절별 슬러지 성상변화에 따라서 최적값은 변화될 수 있다. 이 경우 스트리밍 포텐셜의 유지범위는 톨러런스 (Tolerance)를 줌으로써 ± 0.01 - 0.5 범위에서 항상 유지되도록 폴리머 주입용 펌프의 회전수를 조절한다.
슬러지의 경우 여액뿐만 아니라 고농도의 고형물을 포함하기 때문에 유동전위검출기에 고형물이 유입되는 현상이 발생하여 유동전위검출기 내의 피스톤에 침적하여 유동전위값이 오염될 소지를 남긴다. 따라서 본 발명에서는 슬러지와 폴리머가 교반되는 시점에서 고형물을 분리할 수 있도록, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 폴리머 교반조(3) 내에 회전 여과막을 장착하여 고형물과 여과액을 분리시킨다.
폴리머 교반조 (3)에서 폴리머와 슬러지의 교반동안 필터에 축적된 케이크는 회전 여과막의 필터 회전에 의해서 배제된다. 즉, 필터를 이용하여 폴리머 교반조(3) 내에서 여과액을 수집하고, 수집된 여과액의 입자전하특성인 스트리밍 포텐셜(streaming potential)을 이용하여 폴리머 최적주입량 결정에 반영하도록 한다.
상기에서 언급한 스트리밍 포텐셜은 전기삼투의 역현상이며 유동 전위라고도 한다. 예를 들면, 유리의 모세관 안에 물을 넣으면 유리와 물의 접촉면에 일종의 전기 2중층이 생겨, 유리는 음으로, 물은 양으로 하전하는데, 여기에 수압을 가하여 물을 밀어내면, 유리에 밀착해 있는 부분의 물은 움직이지 않더라도 내부의 물은 움직이므로 양전하를 운반하게 된다. 이 때 발생하는 에너지의 차이를 스트리밍 포텐셜이라고 한다. 이들은 섬유 (fiber)나 침전물 (precipitates)로 이루어진 두가지 상 (two phases)의 시스템, 모세관, 멤브레인, 격막에서 동전기학인 전위를 측정하기위하여 사용될 수 있는데, 즉, 전해질이 모세관을 ΔP의 압력으로 흐를때, 모세관의 양쪽끝에는 전위차가 생기며 이때 전위차는 상기 헬름홀츠(Helmholtz) 식(1)에 따르는 값을 나타낸다.
본 발명에서 투입되는 폴리머의 양은 랩뷰 (LabView) 프로그램으로 작성된 로직에 의해서 그 양이 결정된다. 폴리머 주입량의 결정방식은 유동전위값이 절대값 "0"에 근접하도록 폴리머를 주입하는 방식이다. 또한 로직에 의하면, 톨러런스(Tolerance) 값을 첨가하여 0, 0.2, 0.5 ± α(0.01, 0.1, 0.2, 0.5 등) 범위에 오도록 하는 것이다. 유동전위값의 범위가 최적범위를 벗어나면, 즉, 유동전위값이 양의 값을 나타내면 폴리머의 과량주입을 의미하며, 음의 값을 나타내면, 폴리머 과소주입을 의미한다.
본 발명에서 정수슬러지 탈수를 위해서 사용된 폴리머는 양이온 (cation)계 가 바람직하며, 하기의 실시예에서는 C-610E를 사용하였다.
정수슬러지 처리에서는 폴리머 교반조(3)는 통상적으로 1단 교반 장치를 사용하고 있으나, 유기 폴리머의 분산효과와 응집효과를 높이기 위해서 유기 폴리머 주입단계를 급속 교반하는 폴리머 교반조(3)과 완속 교반하는 막농축여과조(6)로 나눔과 동시에 막농축여과조(6)에서 교반과 함께 플럭이 성장을 유도하여 침전하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 막농축여과조(6)는 원형 또는 장방형으로 그 유입부에 방해판(5)이 설치되어 있어 교반에 위한 와류를 방지하고 고액분리가 용이한 플럭의 침강을 유도한다. 상기 방해판(5)은 폴리머와 급속 교반된 슬러지가 막농축조에 유입될 시 막농축여과조(6)의 흐름을 방해하는 것을 억제하기 위한 것이다.
유기 폴리머에 의해 개량된 슬러지는 폴리머 교반조(3) 내의 급속 교반에 의해 슬러지와 응집제가 완전혼화되고 막농축여과조(6)에서 플럭이 성장하게 되고, 하수슬러지에 비해 정수 슬러지가 갖는 높은 비중특성을 이용하여 중력에 의해 침강시킨다. 침강된 슬러지는 반응조 하단의 배출라인을 통해 배출되는데, 솔레노이드 밸브와 연결된 컴퓨터 프로그램에 의해 설정된 타이머 간격으로 개폐를 제어하는 방식으로 작동된다.
막농축여과조(6) 내부의 상등수는 후단의 압력펌프(9)를 이용하여 막을 통과한 투과수를 정유량방식으로 생산하며, 이때 막 후단에서의 압력을 컴퓨터 프로그램에 연결하여 막차압(TMP, trans-membrane pressure)을 감시한다. 만일 차압이 설 정한 한계압에 도달하였을 때는 분리막에 의한 생산을 중단하고 물리적인 역세정을 실시하여 플럭스(flux)를 회복한다. 역세정시에는 하단의 블로어(blower)(도시하지 않음)를 이용하여 분리막 외부의 공기세정을 병행하여 실시한다.
탈수장치(10)에서는 막농축여과조(6)에서 인발된 고형물 농도가 0.5-3%의 슬러지를 탈수시킨다. 탈수기로서는 종래부터 사용되고 있는 탈수기, 예컨대 벨트 프레스 탈수기, 필터 프레스 탈수기, 원심 탈수기, 스크류 프레스 등을 모두 사용할 수 있지만, 농축조를 없애기 위해 저농도 탈수에서도 유리한 스크류 프레스방식에 탈수기를 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1: 유동전위값에 따른 탈수 향상(탈수성 인자) 영향>
본 실시예에서는 슬러지에 유기 폴리머를 첨가한 후, 응집 교반과 동시에 슬러지여액의 유동전위값과 응집된 슬러지를 이용하여 탈수성 인자 즉, TTF 및 SRF와 슬러지 상태 등을 파악하였다. 즉, 본 실시예는 유동전위값이 절대값 "0"근처에서 최적 폴리머 주입지점이 되는 지 여부를 알아보기 위한 실험으로서, 유동전위값의 절대값이 0.1 미만인 것을 실시예 1로 하고, 유동전위값이 1을 넘는 시료 2개를 비교예로서 함께 관측하였다. 유동전위값에 따른 탈수성 인자에 대한 영향여부를 측정한 결과는 하기 표 1에 정리하였다. 아울러, 실시예 1과, 비교예 1 및 2의 슬러지의 성상은 각각 도 4 내지 6에 도시하였다.
항목 실시예 1 비교예 1 비교예 2
유동전위값 -0.07 1.68 1.67
TTF 30초 4분 60초
SRF[m/kg] 2.41×1011 1.83×1013 2.98×1011
Rm[1/m] 1.14×1011 7.72×1012 1.22×1012
여과막 여과후점도[cP] 1.01 1.02 1.02
*사용 여과막 : 폴리에테르 설폰(MF) 멤브레인(AKZO NOBEL Inc.), 친수성(hydrophilic), 공극 크기 = 0.6 ㎛
** 온도 : 21.3℃
상기 표 1 및 도 4 내지 6에서 보면, 슬러지 성상과 유동전위값에 따라서 TTF나 SRF 등이 값이 변화하는 것으로 나타났는데, 특히 실시예 1의 경우, 유동전위값이 "0"점 근처이고 플럭이 어느 정도 성장되는 조건에서 탈수성 인자인 TTF와 SRF 값이 가장 낮아 탈수성이 가장 좋은 것을 알 수 있다.
또한, 도 6에서와 같이, 플럭 크기가 큰 경우(비교예 2)일지라도 유동전위값이 "0"에서 떨어진 값(1.67, 표 1 참조)을 나타내는 경우에는 폴리머가 과량 주입된 조건임을 나타내며, 특히 이 경우 잔류 폴리머에 의한 여과액의 저항(Rm) 또는 점도가 커져서 플럭의 크기가 클지라도 최적주입량이 아님을 나타낸다. 즉, 정수장 현장에서 수행되는 육안관찰에 의한 폴리머 주입방식은 합리적인 폴리머 주입방식이 아닐 수 있음을 의미한다. 따라서 유기 폴리머 최적주입량에 대한 의미는 플럭의 크기로는 판단할 수 없으며, 전하가 중화가 되는 조건이면서, 플럭의 상태가 비교적 큰 지점임을 알 수 있다.
도 7은 상기 표 1에 정리된 실시예 및 비교예들을 대상으로 하여 멤브레인 여과시 유동전위값에 따른 여과부피의 증가속도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 7에서 보는 바와 같이 전하가 중화되는 조건 즉, 유동전위값(SP)이 0에 근접한 수치인 -0.07인 경우(실시예 1), 여과액의 증가속도가 가장 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있다.
요컨대, 본 발명자는 실험 결과 전하가 중화되는 조건이면서, 플럭크기가 큰 조건에서 여과가 가장 잘 되는 것을 확인하였으며, 이에 본 명세서에서 스트리밍 포텐셜을 사용하여 유기 폴리머 주입량을 정하고, 막여과 농축조에서 완속 교반을 통하여 플럭이 성장하는 조건을 제시하였다.
<실시예 2 내지 4: 유동전위값에 따른 여과막 여과플럭스 영향>
본 실시예에서는 본 발명의 농축탈수 장치를 이용하여, 약 TS = 3,000 mg/L정도의 슬러지에 유기 폴리머를 주입하고 1시간 가량 슬러지를 침전시킨 후, 상등수의 유동전위값을 측정하고, 그에 따라서 UF(Ultra Filtration) 멤브레인 여과실험을 수행하였다. 이 때, 실시예 2 내지 4는 각각 유동전위값이 -0.192, 0.462, 0.698인 경우이다. 실험에 사용된 여과막은 재생 셀룰로오스 UF 멤브레인(100,000달턴)으로 친수성이다.
유동전위값에 따른 여과막 여과플럭스 영향을 실험한 결과는 도 8에 나타내었다. 도 8에서 보는 바와 같이, 유동전위값의 변화에 따라서 즉, 폴리머 주입량에 따라서 멤브레인 여과특성은 분명한 차이를 나타냈고, 유동전위값이 절대값 "0"점 근처에 있는 실시예 2의 경우 멤브레인 여과가 가장 잘되는 것을 알 수 있다.
비록 상기에서 본 발명은 도시된 도면 및 실시예를 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허등록청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 막농축여과조를 이용한 정수 슬러지의 농축탈수 방법 및 그 장치는, 기존 농축탈수 시스템에서 활용된 부지면적을 크게 줄일 수 있는데, 이는 고농도 슬러지가 필요치 않기 때문에 조정조와 막농축여과조 만으로 슬러지 분배조, 조정조, 농축조, 저류조를 대신할 수 있기 때문이다. 또한, 본 발명의 폴리머 주입량 제어기술은 합리적인 근거에 의해서 폴리머 사용량을 줄일 수 있다. 막농축여과조에서는 이미 폴리머 주입량 제어시스템에 의해 최적으로 개량된, 즉, 폴리머에 의해 전기적으로 중화된 슬러지가 유입되기 때문에 막여과 플럭스(flux)를 향상시킴으로써, 배출수의 재이용을 가능케 함과 동시에 최적으로 탈수효율을 향상시키며, 개량된 슬러지는 안정된 케이크를 생산할 수 조건을 제공하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 정수장에서 발생된 슬러지의 농축탈수를 위한 방법으로서,
    슬러지의 유량을 조절하는 단계(a);
    상기 단계(a)로부터 유입된 슬러지에 급속 회전 여과를 병행하며 유기 폴리머를 주입하여 교반하는 단계(b);
    상기 단계(b)의 유기 폴리머가 주입된 슬러지를 막농축여과조에서 고형물과 여과액을 분리하는 단계(c); 및
    상기 단계(c)를 거친 슬러지를 탈수시키는 단계(d)를 포함하고,
    상기 단계(b)에서는 급속 회전 여과에 의하여 고형물과 급속 여과액을 분리하고 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값을 측정함으로써 상기 콜로이드 입자가 전기적 중화조건을 이루게 되는 양의 유기 폴리머를 반복적으로 주입하며,
    이때 유동전위값의 측정은 채취한 상기 급속 여과액을 스트리밍포텐셜디텍터 내의 통로를 따라 이동시켰을 때 상기 통로의 양단에 발생하는 전압을 측정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지의 농축탈수 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계(b) 내지 단계(d) 중 하나 이상의 단계로부터 분리된 여과액을 상기 단계(a)로 반송시켜 재이용하는 단계(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지의 농축탈수 방법.
  3. 정수장에서 발생된 슬러지의 농축탈수를 위한 장치로서,
    슬러지의 유량을 조절하는 조정조(1),
    조정조에서 이송된 슬러지에 유기 폴리머를 주입하고 급속 교반시키며, 회전 여과막이 설치되어 상기 슬러지로부터 고형물이 분리된 급속 여과액을 제조하는 폴리머 교반조(3),
    상기 폴리머 교반조(3)와 연계되어 상기 급속 여과액을 채취하고, 채취된 상기 급속 여과액을 양 끝에 전압 측정 수단을 갖춘 통로를 따라 이동시켜 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값을 측정하고 이를 바탕으로 상기 유기 폴리머의 주입량을 반복적으로 제어하는 폴리머 주입량 제어부(4),
    상기 폴리머 교반조에서 유입된 슬러지와 유기 폴리머를 완속 교반하면서 고형물과 여과액을 분리하도록 한 여과막(7)이 장착된 막농축여과조(6), 및 막농축여과조(6)에서 인발된 슬러지를 탈수하는 탈수장치(10)를 포함하여 구성되고,
    상기 유기 폴리머 주입량은 상기 급속 여과액 속 콜로이드 입자의 유동전위값이 전기적 중화조건에 이르도록 조절되는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지의 농축탈수 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폴리머 교반조(3), 막농축여과조(6), 및 탈수장치(10)의 하나 이상으로부터 분리된 여과액을 조정조(1)로 반송시켜 재이용하도록 한 반송장치 또는 탈수장치(10)로부터 분리된 여과액을 조정조(1)로 반송시켜 재이용하도록 한 반송장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지의 농축탈수 장치.
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