KR100849671B1 - 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법 - Google Patents

열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 슬러지를 가수분해하여 가용화하는 고온 · 고압의 열팽창 가용화 장치와 슬러지에 함유되어 있는 미생물을 파쇄하여 분해하는 플러쉬 탱크를 포함하는 슬러지 감량화 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 가수분해에 의하여 슬러지가 감량화되고, 기계적 파쇄에 의해 슬러지 내의 미생물이 분해됨으로 인하여 미생물이 섭취하여 대사하기 쉬운 슬러지 내의 유기성 고분자 물질과 지질을 단당류, 유기산 등으로 변환시켜 이들을외부 탄소원을 대체할 에너지원으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
하 · 폐수, 슬러지, 오니, 고온, 고압, 열팽창, 미생물, 혐기성, 유기산, 메탄

Description

열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법{Advanced Sludge Decreasing System and Method Using Thermal Expension}
본 발명은 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 슬러지를 가수분해하여 가용화하는 고온 · 고압의 열팽창 가용화 장치와 슬러지에 함유되어 있는 미생물을 파쇄하여 분해하는 플러쉬 탱크를 포함하는 슬러지 감량화 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법에 관한 것이다.
하수의 처리 과정에서 발생하는 슬러지는 고형물량의 40~90%가 유기물로 구성되어 있으며 함수율이 97~99%에 달해 부패하기 쉽고 부패시, 심한 악취가 발생하며 인체와 생물에 유해한 물질이 발생하고 처리시, 과다한 처리비용이 발생한다. 최근 처리장의 수가 증가하고 있으며, 이와 더불어 발생되는 하수슬러지의 양 또한 급격하게 증가하고 있는 실정이지만, 막대한 사회 · 경제적 비용의 투자에도 불구하고 현재까지 슬러지의 재활용, 재이용 및 감량화에 대한 뚜렷한 방법이나 대책이 마련되어 있지 않아 슬러지는 심각한 사회문제로 대두되고 있다.
이러한 슬러지는 런던 덤핑협약(London Dumping Convention)에 따른 슬러지의 해양투기금지 및 도시 하수슬러지의 직매립 금지조치에 따라 향후에는 소각이나 고화 · 용융 후, 건설 자재화, 슬러지의 유용한 성분을 재활용하는 방향으로 처리방식이 전환될 것으로 예상된다. 그러나 소각의 경우, 기술적 안정성은 확보되어 있는 반면, 대기오염유발에 따른 민원발생 및 2차 오염의 소지가 있으며, 처리비용이 고가이다. 비료화의 경우, 농림부의 비료관리법에 의해 그 사용이 원천 금지된 상태이고, 퇴비화의 경우는 기존 축산폐수 및 음식물 쓰레기와 함께 수행되는 방안이 꾸준히 검토되고 있으나, 농지 살포시, 병원균 오염, 토양의 스폰지화 및 계절적 제약 등의 문제로 현재까지 상용화되지 못하고 있다.
최근에는 하수슬러지의 재활용뿐만 아니라, 슬러지의 가용화 기술과 수처리를 연계한 슬러지 감량화 기술들이 꾸준히 개발되고 있다. 슬러지 감량화 기술은 하수 슬러지를 가용화할 수 있는 다양한 전처리 기술을 도입하고, 가용화된 슬러지 내 유기물을 수처리 공정으로 반송한 다음, 반송된 유기물을 생물반응조에서 분해하여 발생 슬러지의 양을 원천적으로 저감하는 기술이다.
생물학적 처리공법의 대부분은 활성슬러지 공법으로 이루어져 있어 유기물의 농도가 높고, 고농도의 질소를 함유한 폐수의 경우, 특히, 그 처리에 어려움이 있다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 물리화학적 및 생물학적 처리방법이 현재 연구 개발 및 사용 중에 있으며, 하기와 같은 방법이 해당된다.
물리화학적 처리방법으로는 고농도의 질소를 함유한 폐수를 처리하기 위해 산화 또는 환원 같은 화학적 방법을 통해 질소를 감소시키거나 유기물을 저감시키는 방향으로 연구가 진행되고 있으며, 활성탄 흡착 등과 같은 물리적 방법을 통해 제거하는 방법 이외에도 최근에는 고도산화처리법(AOT:Advanced Oxidation Technology)인 H2O2/UV, H2O2/ozone, H2O2/ozone/UV 등의 방법이 사용되고 있다. 그러나 상기와 같은 방법들은 UV 램프나 오존 발생기와 같은 부속장치를 필요로 하기 때문에 초기 투자비가 많이 들고 운전비도 상대적으로 높다는 단점을 가지고 있어 단독사용보다는 생물학적 처리방법과 병행하여 사용하는 것이 효율적이다.
생물학적 처리방법으로는 기존 활성슬러지법에 비해 충격부하에 강하고 유지 관리가 용이한 혐기, 호기 공법, 생물막 공법과 반응조 내에 높은 농도의 미생물량을 확보할 수 있는 MBR 공법 및 SBR 공법 등에 대한 관심이 고조되고 있으며, 대학이나 연구소, 기업에 의한 연구가 진행되고 있다. 구체적으로, 수량, 수질 변동에 강하고, 고액분리가 용이하며, 슬러지 발생량이 적고, 다양한 미생물종을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있는 생물막 공법의 사례로써, 전통적인 방식에 의한 생물막 공법 외에 섬모상 필터에 의한 처리, SBR 공법 등이 개발되어 사용되고 있다.
질소처리방법으로는 활성슬러지공법의 경우, 처리효율이 미약하여 고도질소 처리공정이 수반되어야 하므로 현재 국내에서는 물리화학적 처리방법보다 생물학적 질산화/탈질 기작을 이용한 공법이 일반적으로 적용되고 있으며, 이에 대한 연구와 기술개발도 매우 활발히 진행되고 있다. 그러나 대부분의 연구와 개발공법은 선진국의 기술을 도입하여 반송율을 높이거나 추가로 반응조를 설치하거나 담체를 반응 조에 투여하여 질산화 효율을 높이는 정도의 기술개발이 이루어지고 있는 실정이고, 적용 폐수가 대부분 하수처리에 국한되었기 때문에 고농도 폐수의 처리시, 질소처리에 대한 연구는 미약한 상태이다.
하 · 폐수 처리시 발생되는 슬러지 안정화 및 감량화와 관련된 종래의 기술로, “유기 폐기물의 효율적 처리 방법”(한국공개특허 제2004-0105933호), 전처리조인 열분해조로 고온의 증기스팀을 유입시켜 첨가된 알카리제와 용합하면서 짧은 시간내에 유기물을 완전 분해하는 처리방법으로 유기물 분해에 소요되는 시간과 투입에너지를 절감시키고 필요한 시설부지를 축소시킬 수 있는 화학적 처리방법(한국등록특허 제10-393284호), “하수슬러지로부터 생산된 유기산을 이용한 고도하수처리시스템 및 고도하수 처리방법”(한국등록특허 제10-473639호), “고도하수 처리를 위한 유기산생성장치와 그를 이용한 고도하수처리장치 및 방법”(한국등록특허 제10-474375호), “하, 폐수 오니 소화시스템”(한국등록특허 제10-485639호), 유기물을 함유한 폐액을 산화시키기 위한 고온의 조건을 구비하기 위하여 열병합발전에서 발생되는 폐열을 활용하는 동시에, 초임계의 조건을 충족하기 위하여 폐액을 가열할 때 사용되는 저온부의 열을 난방등에 사용하는 “다목적 열교환 시스템”(한국등록특허 제10-506817호) 및 “열적산화를 이용한 하수슬러지로부터의 연속식 유기산생성장치 및 방법”(한국등록특허 제10-507990호) 등이 있다. 이 밖에도 “유기 폐기물의 처리 장치 및 오니감량장치”(일본공개특허 제2005-144231호 및 일본공개특허 제2006-346556호) 및 “병렬로 설치된 가수분해 반응기를 엇갈리게 운전하여 슬러지를 분해하는 슬러지 열가수분해 방법 및 장치”(미국공개특허 제 2005-6966985호) 등이 있다.
그러나 기존의 하수처리장에 설치되어 있는 혐기성소화조의 경우, 고형물 농도가 높은 고농도 폐수 및 폐기물에만 적용이 가능하고, 부산물로 메탄가스를 얻을 수 있다는 장점에도 불구하고, 긴 체류시간으로 인한 저소화율, 메탄 가스의 유효 이용도 저조 등의 단점으로 인하여 실질적으로 감량화 및 에너지 회수에는 이용되지 못하고 있으며, 탈수성 개선에도 기여하지 못하고 있다.
상기와 같이 하수슬러지의 혐기성소화공정이 큰 효율을 발휘하지 못하는 원인 중 하나는 슬러지를 구성하고 있는 미생물들의 두꺼운 세포벽에 의해 기질이 차단되어 생물학적인 가수분해가 용이하지 않기 때문이다. 혐기성분해는 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성의 단계를 거쳐 안정화를 이루는데 하수슬러지 소화의 경우, 생물학적 가수 분해가 속도제안 단계로써 더딘 가수분해로 인해 슬러지의 긴 체류시간과 막대한 용량의 소화 반응조가 요구된다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래 기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 고온 · 고압 하에서 열팽창을 이용하여 슬러지를 가수분해시켜 감량화할 수 있고, 기계적 파쇄를 이용하여 상기 슬러지 내부의 미생물을 분해시킨 뒤, 슬러지를 혐기성 소화조로 유입시키면, 혐기성 소화조 내에서 슬러지의 체류시간을 감소시킬 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 슬러지 감량화 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 슬러지 저장조(10); (b) 상기 슬러지 저장조(10)에 연결되어, 슬러지 저장조(10)로부터 유입된 슬러지를 예열시키는 슬러지 예열 전처리 장치(20); (c) 상기 슬러지 예열 전처리장치(20)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치에 약품을 공급하는 약품공급 장치(70); (d) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(20)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치(20)로부터 유입된 슬러지를 가수분해시키는 열팽창 가용화 장치(30); (e) 상기 열팽창 가용화 장치(30)의 하단에 연결되어, 열팽창 가용화 장치(30)의 온도 및 압력을 조절하는 가열 장치(40); (f) 상기 열팽창 가용화 장치(30)에 연결되어, 열팽창 가용화 장치(30)로부터 유입된 슬러지 내의 미생물을 가수분해시키며, 내부에 슬러지 분사 노즐(51) 및 충돌판(52)이 구비된 플래쉬 탱크(50); (g) 상기 플래쉬 탱크(50)에 연결되어, 플래쉬 탱크(50)로부터 유입된 슬러지를 냉각시키는 냉각기(60); 및 (h) 상기 냉각기(60)에 연결된 혐기성 소화조(80) 또는 유기산 회수용 저류조(90)를 포 함하는 슬러지 감량화 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 슬러지 저장조(10)에서 슬러지를 교반하여 균질화하는단계; (b) 상기 균질화된 슬러지를 슬러지 예열 전처리 장치(20)에서 예열시키는 단계; (c) 상기 예열된 슬러지를 열팽창 가용화 장치(30)에서 가수분해시키는 단계; (d) 상기 열팽창 가용화 장치(30)에서 가수분해된 슬러지를 플래쉬 탱크(50)로 유입시킨 다음, 플래쉬 탱크(50) 내에 구비된 슬러지 분사 노즐(51)을 이용하여 상기 슬러지를 분사시켜 충돌판(52)에 충돌시킴으로써, 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물을 가수분해시키는 단계; (e) 상기 가수분해된 슬러지를 냉각기(60)에서 냉각시키는 단계; 및 (f) 상기 냉각된 슬러지를 혐기성 소화조(80)에 유입시켜 혐기성 소화시키는 단계를 포함하는, 상기 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 가수분해에 의하여 슬러지가 감량화되고, 기계적 파쇄에 의해 슬러지 내의 미생물이 분해됨으로 인하여 미생물이 섭취하여 대사하기 쉬운 슬러지 내의 유기성 고분자 물질과 지질을 단당류, 유기산 등으로 변환시켜 이들을외부 탄소원을 대체할 에너지원으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 일 관점에서, (a) 슬러지 저장조(10); (b) 상기 슬러지 저장조(10)에 연결되어, 슬러지 저장조(10)로부터 유입된 슬러지를 예열시키는 슬러지 예열 전처리 장치(20); (c) 상기 슬러지 예열 전처리장치(20)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치에 약품을 공급하는 약품공급 장치(70); (d) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(20)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치(20)로부터 유입된 슬러지를 가수분해시키는 열팽창 가용화 장치(30); (e) 상기 열팽창 가용화 장치(30)의 하단에 연결되어, 열팽창 가용화 장치(30)의 온도 및 압력을 조절하는 가열 장치(40); (f) 상기 열팽창 가용화 장치(30)에 연결되어, 열팽창 가용화 장치(30)로부터 유입된 슬러지 내의 미생물을 가수분해시키며, 내부에 슬러지 분사 노즐(51) 및 충돌판(52)이 구비된 플래쉬 탱크(50); (g) 상기 플래쉬 탱크(50)에 연결되어, 플래쉬 탱크(50)로부터 유입된 슬러지를 냉각시키는 냉각기(60); 및 (h) 상기 냉각기(60)에 연결된 혐기성 소화조(80) 또는 유기산 회수용 저류조(90)를 포함하는 슬러지 감량화 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 슬러지 저장조(10)에서 슬러지를 교반하여 균질화하는단계; (b) 상기 균질화된 슬러지를 슬러지 예열 전처리 장치(20)에서 예열시키는 단계; (c) 상기 예열된 슬러지를 열팽창 가용화 장치(30)에서 가수분해시키는 단계; (d) 상기 열팽창 가용화 장치(30)에서 가수분해된 슬러지를 플래쉬 탱크(50)로 유입시킨 다음, 플래쉬 탱크(50) 내에 구비된 슬러지 분사 노즐(51)을 이용하여 상기 슬러지를 분사시켜 충돌판(52)에 충돌시킴으로써, 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물을 가수분해시키는 단계; (e) 상기 가수분해된 슬러지를 냉각기(60)에서 냉각시키는 단계; 및 (f) 상기 냉각된 슬러지를 혐기성 소화조(80)에 유입시켜 혐기성 소화시키는 단계를 포함하는, 상기 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는, 유기물(CODcr) 및 고형물(suspended solids, SS)의 제거효율, SCOD/TCOD(soluble COD/total COD) 비와 혐기성 소화율를 확인하였으며, 그 실험결과, 본 발명에 따른 슬러지 감량화 시스템 및 방법을 이용할 경우, 슬러지 처리효율이 뛰어나고, 기존 활성 슬러지 공정에 비해 슬러지량이 현저히 저감되는 것을 확인하였다.
본 발명의 슬러지 감량화 시스템 및 방법에 이용가능한 생분해성 유기 폐기물로는 그 자체 또는 분쇄 또는 이물질 제거와 같은 전처리 후에 고온 · 고압 스팀용해기에 의한 고온 · 고압 스팀용해와 미생물에 의한 혐기성 발효가 가능한 물질로서, 예컨대, 음식물 쓰레기, 하수, 오수 또는 페수 처리용 슬러지, 농수산 폐기물, 임산 폐기물 및 분뇨 등을 모두 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 균질화 단계는 저장조 저면에 슬러지의 침전을 방지하도록 하는 과정으로써, 냉각 과정을 거친 슬러지는 슬러지 예열 전처리 장치(20)로 유입된다.
교반기(11)를 이용하여 슬러지를 슬러지 저장조(10) 상부에서 하부 방향으로 이송하여 하강 이송된 슬러지가 슬러지 저장조(10) 중심에서 저장조 외벽쪽으로 이동되도록 교반한다.
이때, 슬러지는 전체 하 · 폐수 처리과정에서 발생한 1차 및 잉여 슬러지로농축과정을 거친 슬러지가 바람직하다.
상기 균질화 과정에서 교반기에 이물질이 걸렸을 때, 역회전시킬 수 있는 역회전 스위치로 구동모터(M)를 제어하는 것이 바람직하며, 저장조는 가스 누출을 방지할 수 있는 마노메터(manometer) 씰 등을 장치하는 것이 바람직하다.
상기 균질화 과정에서 오수, 분뇨, 축산 폐수 및 기타 슬러지 등의 유기 폐기물을 원생 동물(protozoa), 조류(algae) 및 박테리아 등의 수중 미생물이 영양원으로 섭취하여 소화시키게 되는데, 이를 위해서는 유기 폐기물을 저장조에 일정기간 동안 체류시키는 것이 바람직하다.
상기 균질화 과정 전에 유기 폐기물의 분쇄 공정이나 이물질 제거공정을 추가로 수행할 수도 있다. 상기 유기 폐기물은 본 기술 분야에서 공지된 통상적인 수단을 이용해 절단될 수 있는데, 바람직하게는 1~5 mm의 크기로 절단 또는 분쇄된다. 이물질의 제거는 선별, 중력, 자력 또는 수동 분리 등에 의해서 수행될 수 있다.
상기와 같은 유기 폐기물의 분쇄 공정이나 이물질 제거공정은 선택적인 전처리 단계로써, 분쇄 및 이물질 제거가 완료된 유기 폐기물은 슬러지 저장조(10)로 주입되어 혐기성 처리에 앞서 균질화된다.
상기 균질화 과정 후에 유기 폐기물의 탈수 공정을 추가로 수행할 수 있다. 유기 폐기물의 탈수 공정은 본 기술 분야에서 공지된 통상적인 방법으로 수행가능하며, 데칸타, 스크류 프레스 또는 원심 분리기 등에 의해서 수행될 수 있 다.
이때, 탈수에 사용되는 설비의 선택은 유기 폐기물의 특성과 냄새 제거 정도에 따라 좌우된다.
본 발명에 있어서, 상기 슬러지 감량화 시스템은 열팽창 가용화 장치(30) 또는 플래쉬 탱크(50)에서 발생된 열에너지를 회수하여 슬러지 예열 전처리 장치(20)로 공급하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 가수분해 단계는 상기 (b) 예열 단계에서 예열된 슬러지를 고온 · 고압을 이용하여 가수분해하는 과정으로써, 가수분해 과정을 거친 슬러지는 플래쉬 탱크(50)로 유입된다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계의 가수분해는 150~180℃, 5~20bar 하에서 10~60분 동안 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
예열된 슬러지가 열팽창 가용화 장치(30)로 일정량 유입되면 연속회분식 운전방식에 의해 레벨 스위치가 작동하여 자동으로 슬러지의 유입이 중단되고, 유입 밸브가 잠기게 된다. 유입이 완료되면 가열 장치(40)를 통해 최적의 온도(150~180℃) 및 압력(5~20bar)에 도달될 때까지 증기 유입 밸브(31)를 통해 스팀이 공급된다. 유입에서 상기 (d) 슬러지 파쇄 단계의 플래쉬 탱크(50)로 슬러지가 자동 배출될 때까지는 약 30분이 소요된다. 슬러지의 빠른 가수분해가 일어나는 과정으로, 가수 분해 반응이 종료되면 열팽창 가용화 장치(30) 상부의 증기 유입 밸브(31)가자동으로 열리며 스팀이 방출된다.
이때, 방출되는 고압 · 고온의 스팀은 상기 (b) 예열 단계의 슬러지 예열 전처리 장치(20)로 공급됨으로써 서서히 열팽창 가용화 장치(30) 내 압력이 하강하게 된다.
상기 가수분해 과정에서 이러한 반응을 촉진하는 산 또는 염기와 같은 화학 물질의 첨가가 선택적으로 포함될 수 있다.
이때, 산 또는 염기는 약품 공급 장치(70)를 통하여 상기 (c) 가수분해 단계 또는 상기 (b) 예열 단계에서 첨가하는 것이 바람직하다. 산 또는 염기의 첨가는 유기 폐기물의 가용화 속도 및 정도를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이들 산 또는 염기의 첨가는 가수분해 후, 회수되는 잔여 고형물의 탈수성에 영향을 줄 수도 있다.
첨가되는 염기의 예로는, NaOH, KOH, Ca(OH)2 및 Mg(OH)2 등으로 이루어진 군에서 선택된 염기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
첨가되는 산의 예로는, HCl, HNO3, 아황산염, 중아황산염 및 황산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 산일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
용해된 유기물이 혐기성 처리공정 중에 실질적으로 분해되는 적절한 pH 환경을 유지하고, 알칼리도를 제공한다는 점에서 산보다는 알칼리가 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 (d) 슬러지 파쇄 단계는 상기 (c) 가수분해 단계에서 가수분해된 고온 · 고압의 슬러지가 슬러지 분사 노즐(51)에 의해 충돌판(52)이 설치된 플래쉬 탱크(50)로 빠르게 유입되면서 충돌판에 충돌하여 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 미생물의 플록, 세포벽 등을 가수분해하는 과정으로써, 파쇄 과 정을 거친 슬러지는 냉각기(60)로 유입된다.
본 발명에 있어서, 상기 (d) 단계의 슬러지 유입속도는 1~4m/sec이고, 슬러지 분사속도는 30~100m/sec인 것을 특징으로 할 수 있다.
플래쉬 탱크(50)로 유입된 슬러지는 고온 · 고압 상태에서 잔류하는 스팀을 방출하면서 대기압까지 압력이 떨어지고, 105℃까지 온도가 낮아져 안정화된다.
이때, 방출되는 고압 · 고온의 스팀은 상기 (b) 예열 단계의 슬러지 예열 전처리 장치(20)로 공급됨으로써 서서히 압력 및 온도가 낮아지게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 (e) 냉각 단계는 상기 (d) 슬러지 파쇄 단계에서 파쇄된 슬러지를 냉각기(60)를 이용하여 혐기성 소화에 적정한 온도로 냉각하는 과정으로써, 냉각 과정을 거친 슬러지는 혐기성 소화조(80)로 유입된다.
이때, 냉각수는 수돗물 등의 청수(fresh water)를 사용할 수도 있으나, 하 · 폐수 처리과정에서 발생하는 처리수를 이용할 수도 있다.
상기 가수분해 및 슬러지 파쇄 과정에서 수득한 유기산을 회수하기 위해서는, 냉각 과정까지 거친 파쇄 상태의 슬러지를 상기 혐기성 소화 과정의 혐기성 소화조(80)에 유입시키기 전, 별도의 유기산 회수용 저류조(90)에 유입시켜 잔여 슬러지와 유기산을 분리하는 분리 공정을 추가로 수행할 수 있다.
잔여 슬러지로부터 염분 또는 기타 수용성 오염 물질을 제거해야하는 경우는 세척 및 희석 단계를 추가로 포함시킬 수 있다.
이때, 상기 유기산 회수용 저류조(90)에 잔여 슬러지는 침전되고, 용존된 유기산은 전량 회수된다.
본 발명에 있어서, 상기 (f) 혐기성 소화 단계는 상기 (e) 냉각 단계에서 냉각된 슬러지를 혐기성 소화시키는 과정으로써, 이러한 과정을 통하여 메탄화 반응을 촉진시킬 수 있다.
혐기성 발효는 본 기술 분야에서 공지된 통상적인 혐기성 발효 방법을 이용할 수 있다. 중온 범위에서의 혐기성 처리 공정은 고온 처리보다 높은 수준의 메탄화 및 처리의 안정성을 달성할 수 있다. 혐기성 접촉, 혐기성 필터, 혐기성 유동상 및 상향식 혐기성 슬러지 블랭킷(UASB) 등을 포함하는 몇몇 알려진 혐기성 처리 공정과 이러한 혐기성 처리의 혼합공정이 가수분해액의 처리를 위하여 함께 사용될 수 있다. 이들 중, UASB는 15~25㎏ COD/m3 범위의 유기물 부하 용량에서 가동할 수 있는 초고속 반응기가 기능적으로나 비용면에서나 가장 효율적이다.
이때, 혐기성 소화조(80) 내의 pH, 온도, 압력 및 체류시간은 유기 폐기물의 용해 정도를 달성하는 데 필요한 수준으로 유지한다.
본 발명에 따른 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 이용할 경우, 유기폐기물을 가수분해하여 미생물들이 섭취 및 대사하기 쉬운 단당류, 유기산 등으로 변환시킴으로써, 변환된 유기산을 기존의 고가 외부 탄소원을 대체할 에너지원으로 사용할 수 있으며, 상기 가수분해된 유기 폐기물을 혐기성 소화시켜서 메탄화 반응을 촉진시킬 수 있으므로 혐기성 소화조의 체류시간 및 반응조 용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템은 별도의 공정 변경 없이 기존 하수슬러지 처리 공정에 열팽창 가수분해장치만 추가하는 것으로 이용가능하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 열팽창 가수분해에 의한 슬러지 안정화 및 감량화
슬러지의 안정화 및 감량화를 확인하기 위하여 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 아크릴 및 스테인레스(STS 304) 재질로 제작하여 실험하였다 (도 1 및 도 2 참조). 열팽창 가용화 장치(30)는 유효용량은 10L, 회분식(batch)으로 운전할 수 있도록 제작하였다.
상기 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 통해 슬러지를 처리함으로써 유기물(CODcr) 및 고형물(suspended solids, SS)의 제거효율, SCOD/TCOD(soluble COD/total COD) 비를 확인하였다.
춘천시 소재의 하수처리장 농축조 슬러지를 채취하여 슬러지 저장조(10)에서 120rpm으로 교반한 뒤, 교반된 슬러지를 슬러지 예열 전처리 장치(20)로 이송하여 100℃로 예열 후, 예열된 슬러지를 고압펌프에 의해 열팽창 가용화 장치(30)로 이 송하였다.
열팽창 가용화 장치(30)로 이송된 슬러지는 170℃, 6bar에서 30분간 가수분해시킨 뒤, 가수분해된 슬러지를 플래쉬 탱크(50)로 이송하여 대기압이 될 때까지 감압시키고, 105℃가 될 때까지 냉각시켜 슬러지를 안정화하였다.
최종적으로 냉각기(60)를 통해 열교환까지 소요된 시간은 110분이었다. pH는 pH 조절기를 이용하여 일정 범위로 유지하였다.
구성 열팽창 가수분해 전 슬러지 열팽창 가수분해 후 슬러지 비고
TCODcr(mg/L) 41,070 36,500 11.1% 제거
SCODcr(mg/L) 3,450 27,600 약 8배 증가
TSS(mg/L) 31,000 8,310 약 73.2% 감소
VSS(mg/L) 22,630 1,120 약 95.1% 감소
TKN(mg/L) 480 495 약간 증가
T-P(mg/L) 128 135 약간 증가
pH 6.8 6.1 약간 감소
그 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, TCODcr의 경우, 열팽창 가수분해 전 농도는 41,070mg/L에서 열팽창 가수분해를 거친 후, 농도는 36,500mg/L로 11.1%의 제거율을 나타냈고, SCODcr의 경우, 3,450mg/L에서 27,600mg/L로 약 8배 증가하였다.
또한, 총 고형물(total suspended solids, TSS)은 31,000mg/L에서 8,310mg/L로 73.2%의 제거율을 나타내었으며, 휘발성용존고형물(volatile suspended solids, VSS)은 22,630mg/L에서 1,120mg/L로 95.1%의 제거율을 나타냈다.
반면, TKN(Total Kjeldahl Nitrogen) 및 T-P(total phophorous)는 큰 차이를 보이지 않았고, 오히려 세포막 내부에 있던 질소 및 인 성분이 용출되어 농도가 약간 상승된 것을 확인할 수 있었다.
COD 가용화(COD solubilization) = 100 × (SCOD / TCOD) (%)
상기 수학식 1에 따라 가용화 정도를 계산한 결과, 열팽창 가수분해 전, 8.4%에서 열팽창 가수분해 후, 75.6%로 크게 증가하였다.
실시예 2: 열팽창 가수분해에 의한 혐기성 소화 효율
열팽창 가수분해에 의해 처리된 슬러지의 혐기성 소화 효율을 비교하기 위해 열팽창 가수분해 전, 후의 슬러지를 대상으로 혐기성 소화를 수행하였다.
열팽창 가수분해 전의 시료는 춘천시 소재의 하수처리장 농축조에서 채취한슬러지를 이용하였고, 열팽창 가수분해 후의 시료는 상기 실시예 1의 열팽창 가수분해 과정을 거친 슬러지를 이용하였다.
혐기성 소화조는 아크릴 재질을 사용하여 전체 반응조 용량 25L, 유효 용량 20L, 유입과 유출이 1일 1회 1L씩 이루어지도록 회분식(batch) 완전혼합형 반응조로 제작하여 실험하였다 (도 1 참조). 35± 2℃로 온도를 고정하여 운전하였다.
고형물체류시간(solids retention time, SRT)은 20일로, 발생 가스는 pH 1 이하로 조정된 NaCl 용액이 담긴 가스 포집조에서 포집하였다.
최초 혐기성 미생물 접종을 위하여 춘천시 소재의 하수 처리장내 혐기성 소화조의 슬러지를 5w/w%로 시험용 소화조에 접종하였고, 혐기성 소화조에서 발생하 는 가스 중 메탄 가스의 함량은 열전도도 감지기가 장착된 가스크로마토그래프를 이용하여 측정하였다.
하기 도 3에 각 혐기성 소화조에서 발생하는 메탄 가스 발생량을 나타냈다. 그 결과, 열팽창 가수분해 전의 슬러지를 이용하여 혐기성 소화시킨 경우 메탄 가스 발생량은 약 3,000㎖/day, 열팽창 가수분해 후의 슬러지를 이용하여 혐기성 소화시킨 경우, 메탄 가스 발생량은 약 4,000㎖/day로서, 메탄 가스 생성량 증가율은 약 30.8%를 나타냈다.
상기의 결과를 토대로 볼 때, 본 발명의 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 기존 하수 처리장의 혐기성 소화조에서 안정화시킬 경우, 미생물들의 가수 분해를 빠른 시간 내에 촉진시킬 수 있고, 기본 처리장에 비해 높은 부하에서 빠른 소화 속도를 나타내며, 고효율의 메탄 가스를 생산할 뿐만 아니라, 최종적으로 슬러지의 50% 이상 감량화를 가능하게 할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술 하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템의 전체적인 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 내부의 분사노즐 및 충돌판을 나타낸 도로써, 도 1의 50 부분을 확대한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 이용한 열팽창 가수분해 전, 후 슬러지의 혐기성 소화효율을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 슬러지 저장조 11: 교반기
20: 슬러지 예열 전처리 장치 30: 열팽창 가용화 장치
31: 증기 유입 밸브 40: 가열 장치(히터)
50: 플래쉬 탱크 51: 슬러지 분사 노즐
52: 충돌판 60: 냉각기
70: 약품 공급 장치 80: 혐기성 소화조
90: 유기산 회수용 저류조

Claims (6)

  1. 다음의 구성성분을 포함하는 슬러지 감량화 시스템:
    (a) 슬러지 저장조(10);
    (b) 상기 슬러지 저장조(10)에 연결되어, 슬러지 저장조(10)로부터 유입된 슬러지를 예열시키는 슬러지 예열 전처리 장치(20);
    (c) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(20)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치에 약품을 공급하는 약품공급 장치(70);
    (d) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(20)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치(20)로부터 유입된 슬러지를 고온·고압 상태로 만들어 열적 가수분해시키는 열팽창 가용화 장치(30);
    (e) 상기 열팽창 가용화 장치(30)의 하단에 연결되어, 열팽창 가용화 장치(30)의 온도 및 압력을 조절하는 가열 장치(40);
    (f) 상기 열팽창 가용화 장치(30)에 연결되어, 열팽창 가용화 장치(30)로부터 유입된 고온·고압 상태의 슬러지를 급감압에 따른 압력차로 인한 부피팽창을 이용하여 가수분해시키는 동시에, 상기 슬러지 내의 미생물을 충돌에 의한 기계적 파쇄를 이용하여 가수분해시키며, 내부에 슬러지 분사 노즐(51) 및 충돌판(52)이 구비된 플래쉬 탱크(50);
    (g) 상기 플래쉬 탱크(50)에 연결되어, 플래쉬 탱크(50)로부터 유입된 슬러지를 냉각시키는 냉각기(60); 및
    (h) 상기 냉각기(60)에 연결된 혐기성 소화조(80) 또는 유기산 회수용 저류조(90).
  2. 제1항에 있어서, 상기 열팽창 가용화 장치(30) 또는 플래쉬 탱크(50)에서 발생된 열에너지를 회수하여 슬러지 예열 전처리 장치(20)로 공급하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 다음의 단계를 포함하며, 제1항 또는 제2항의 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법:
    (a) 슬러지 저장조(10)에서 슬러지를 교반하여 균질화하는단계;
    (b) 상기 균질화된 슬러지를 슬러지 예열 전처리 장치(20)에서 예열시키는 단계;
    (c) 상기 예열된 슬러지를 열팽창 가용화 장치(30)에서 고온·고압 상태로 만들어 열적 가수분해시키는 단계;
    (d) 상기 열팽창 가용화 장치(30)에서 열적 가수분해된 고온·고압 상태의 슬러지를 플래쉬 탱크(50)로 유입시킨 다음, 상기 고온·고압 상태의 슬러지를 급감압시켜 압력차로 인한 부피팽창을 이용하여 가수분해시키는 동시에 플래쉬 탱크(50) 내에 구비된 슬러지 분사 노즐(51)을 통하여 상기 슬러지를 분사시켜 충돌판(52)에 충돌시킴으로써, 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물을 가수분해시키는 단계;
    (e) 상기 가수분해된 슬러지를 냉각기(60)에서 냉각시키는 단계; 및
    (f) 상기 냉각된 슬러지를 혐기성 소화조(80)에 유입시켜 혐기성 소화시키는단계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (c) 단계의 가수분해는 150~180℃, 5~20bar 하에서 10~60분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 (d) 단계의 슬러지 유입속도는 1~4m/sec인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 (d) 단계의 슬러지 분사속도는 30~100m/sec인 것을 특징으로 하는 방법.
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