KR101063023B1 - 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법 - Google Patents

전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하폐수 처리시설에서 발생하는 슬러지를 전처리시킨 후, 유기성 폐수를 병합하여 혐기 소화시킴으로써, 슬러지의 혐기 소화 효율을 증진시키는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수 병합 공동처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 혐기 소화로 인하여, 혐기소화 과정에서 메탄 생성속도가 빨라져 혐기 소화 기간과 혐기 소화조에서 슬러지의 체류시간을 감소시킬 수 있고, 메탄 발생량이 증가되어 효율적으로 슬러지 감량화 및 유기성 폐수 정화처리를 수행할 수 있다.
슬러지, 전처리, 유기성 폐수, 공동처리, 병합처리

Description

전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법{Method for Co-treating Pretreated Sludge and Organic Wastewater}
본 발명은 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하폐수 처리시설에서 발생하는 슬러지를 전처리시킨 후, 유기성 폐수를 병합하여 혐기 소화시킴으로써, 슬러지의 혐기 소화 효율을 증진시키는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수 병합 공동처리 방법에 관한 것이다.
하수의 처리 과정에서 발생하는 슬러지는 고형물량의 40~90%가 유기물로 구성되어 있으며 함수율이 97~99%에 달해 부패하기 쉽다. 또한, 부패시, 심한 악취 및 인체와 생물에 유해한 물질이 발생되므로, 이를 처리시, 과다한 처리비용이 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 하수 슬러지 처리장의 수가 증가하고 있으며, 이와 더불어 발생되는 하수 슬러지의 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.
최근에는 하수 슬러지의 재활용뿐만 아니라, 슬러지의 전처리에 의한 가용화 기술과 연계한 혐기 소화에 의한 슬러지 감량화 기술들이 꾸준히 개발되고 있다.
혐기소화는 슬러지를 안정화시키고, 감량시키는 외에도 부산물로 메탄 가스를 생산하는 이점이 있다. 메탄은 슬러지의 가수분해(hydrolysis) 과정, 산 발효(acid fermentation)와 메탄발효(methane fermentation) 과정을 거쳐 생성된다. 이때 슬러지가 사용되면 슬러지에 포함된 질소와 황으로 인해 암모니아(NH3)와 황화수소(H2S)가 발생하게 된다. 암모니아와 황화수소는 독성이 강한 물질로서 이들의 농도가 높아지면 혐기 반응에 관여하는 산발효와 메탄발효균을 저해하여 원활한 혐기소화를 방해한다. 따라서 이들의 저해효과를 줄이기 위해서는 발생된 암모니아와 황화수소를 선택적으로 제거하거나 이들의 유입량을 낮추어 주어야 한다. 이러한 방법으로 질소와 황의 함량이 낮은 고농도의 유기성 폐수나 유기물 함량이 높은 1차 침전조에서 제거한 슬러지를 잉여슬러지나 농축슬러지와 혼합하여 혐기소화하는 방법이 고려되고 있다.
한편 고농도의 유기성 폐수를 처리하는 방법으로 혐기성 처리기술이 많이 이용되며, 부산물로 메탄 가스를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 폐수처리 시 폐수와 활성 미생물이 충분히 접촉할 수 있도록 하여야 하며, 고농도 폐수에의 적응을 위하여 반응조 운전 스타트-업(start-up) 시간이 길어지는 문제가 있다.
하·폐수 처리시 발생되는 슬러지 안정화 및 감량화와 관련된 종래의 기술로 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), “하·폐수 오니 소화시스템”(한국등록특허 제10-485639호) 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 제2005-6966985호) 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. 혐기성 분해는 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. 또한 앞에서 언급한 바와 같이 암모니아와 황화수소의 농도가 높아지면서 이들이 혐기소화를 저해하는 역할을 하게 된다.
이에 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 슬러지를 전처리한 후 혐기 소화시킬 때 유기성 폐수를 병합하여 혐기 소화시킨 결과, 메탄 생성 속도가 증진되어 혐기 소화 기간 및 혐기 소화조에서의 슬러지의 체류시간을 단축시킬 수 있고, 혐기 소화조에서의 메탄 생산량이 증진되어 혐기 소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 하·폐수처리시설에서 발생하는 슬러지를 고농도의 유기성 폐수와 병합 처리하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 슬러지를 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 슬러지 100중량부에 유기성 폐수 20~200 중량부를 첨가시킨 후, 30~40℃의 온도에서 공동 혐기 소화시키는 단계를 포함하는, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 혐기 소화로 인하여, 혐기소화 과정에서 메탄 생성속도가 빨라져 혐기 소화 기간과 혐기 소화조에서 슬러지의 체류시간을 감소시킬 수 있고, 메탄 발생량이 증가되어 효율적으로 슬러지 감량화 및 유기성 폐수 정화처리를 수행할 수 있다.
본 발명은 일 관점에서, (a) 슬러지를 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 슬러지 100중량부에 유기성 폐수 20~200 중량부를 첨가시킨 후, 30~40℃의 온도 에서 공동 혐기 소화시키는 단계를 포함하는, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법에 관한 것이다 (도 1의 (a)).
본 발명에서 사용된 용어 '공동 혐기 소화'는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 혐기 소화조에서 동시에 혐기 소화시키는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용된 용어 '병합 공동처리'란 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 동시에 혐기 소화시켜 정화시키는 것을 의미한다.
본 발명에서 슬러지는 하·폐수 처리시설에서 발생하는 슬러지를 의미한다.
본 발명에서 유기성 폐수는 축산, 분뇨, 침출수, 하·폐수처리장 방류수 및 각종 산업시설에서 발생되는 고농도의 유기성 폐수를 의미하며, 구체적으로는, 1,000~25,000mg BOD/L의 고농도 유기성 폐수인 것을 특징으로 할 수 있다.
슬러지와 유기성 폐수를 공동으로 혐기 소화시킬 때, 슬러지 100중량부에 대하여 유기성 폐수를 20중량부 미만으로 첨가시키면 메탄 발생량 증가나 혐기 소화 기간 단축 등의 효과가 나타나지 않고, 유기성 폐수를 200 중량부 초과하여 첨가시키면 첨가량 증가에 따른 이익이 없다. 또한, 바람직하게는 슬러지와 유기성 폐수는 동량(1:1 비율)을 공동으로 혐기 소화시킬 수도 있다.
또한, 혐기소화시 온도가 30℃ 미만이면, 혐기 소화 효율이 저하되고, 40℃를 초과하면 에너지 소비가 커지는 문제점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전처리는 열처리, 초음파 처리 및 열화학 처리로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 슬러지의 전처리는 유기성 폐수에 비해 혐기 소화 속도가 느린 슬러지의 특성으로 인하여, 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화 효과가 떨어지는 단점을 보완하기 위해서 수행된다. 유기성 폐수를 비롯한 폐수 내에는 대부분의 유기물이 용존물질로 존재하는데 비해 슬러지는 대부분 고형물로 이루어지고 있어, 이러한 고형물이 혐기 소화에 의해 메탄으로 전환되기 위해서는 혐기 소화의 율속단계로 알려져 있는 가용화(hydrolysis) 과정을 거쳐야만 하므로 슬러지의 혐기 소화 속도가 느린 것이다. 따라서, 본 발명에서는 슬러지를 물리화학적으로 전처리하여 가용화 비율을 높임으로써, 유기서 폐수와의 공동 혐기소화를 통해 혐기 소화조에서 신속하게 짧은 체류시간 동안 메탄을 생산하고 슬러지를 안정화시킨다.
결국, 본 발명에서는 슬러지의 전처리를 통하여 슬러지의 가용화율을 높임으로써, 혐기소화 시간의 단축과 혐기소화조에서의 체류시간 단축이라는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열처리는 100~180℃의 고온하에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
열을 이용한 슬러지의 전처리는 고온에 의해 슬러지를 구성하는 고형물이 가수분해되어 혐기소화가 신속히 진행될 수 있는 형태로 변화하도록 한다. 이때, 상기 열처리 온도가 100℃ 미만이면 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 180℃를 초과하면 슬러지의 카라멜화(caramelization) 현상이 일어나거나, 에너지 소모량이 많아져 적절하게 혐기 소화가 진행되지 않는 문제점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 초음파 처리는 300~1,000 kj/L의 초음파를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
초음파 처리에 의한 슬러지의 전처리는 슬러지에 초음파를 조사하여 슬러지를 구성하는 고형물 입자를 기계적으로 파쇄 및 분해하여 혐기소화가 신속히 진행될 수 있는 형태로 변화하도록 한다.
이때, 상기 초음파가 300kj/L 미만이면, 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 1,000 kj/L를 초과하면 초음파 처리를 위한 에너지 비용이 과도하게 증가하는 문제점이 있다.
또한, 초음파 처리 시간은 30분~2시간 30분인 것을 특징으로 할 수 있으며, 초음파 처리 시간이 30분 미만이면 초음파 처리 효율이 떨어지고, 2시간 30분을 초과하면 초음파 처리에 따른 에너지 소모 비용이 과도해지는 문제점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열화학 처리는 상기 슬러지를 40~160℃의 온도로 가열하면서 1~5g/L의 알카리제를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
열화학 처리에 의한 슬러지의 전처리에 있어서, 열과 알카리제는 슬러지를 구성하는 고형물이 가수분해되어 혐기소화가 신속히 진행될 수 있는 형태로 변화하도록 한다.
상기 알카리제는 NaOH, CaO, Ca(OH)2 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
이때, 열화학 처리에 의한 전처리시 가해진 열의 온도가 40℃미만이면 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 160℃를 초과하면 과도하게 가수분해가 진행되어 혐기 소화가 정상적으로 진행되지 않는 문제점이 있다. 상기 알카리제의 농 도가 1g/L미만이면 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 5g/L를 초과하면 알카리제 농도 증가에 따른 이익이 없다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계에서 전체 슬러지 중 10~90%를 전처리하고, 나머지는 전처리하지 않고 혐기 소화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 슬러지를 100% 전처리하지 않고 일부인 10~90%만 전처리시켜 혐기 소화 단계로 도입시키고, 나머지는 전처리시키지 않은 채 혐기소화 단계로 도입시켜 유기성 폐수와 공동 혐기소화시키는 것도 가능한다 (도 1의 (b)). 슬러지의 일부만 전처리시켜 슬러지를 공동 혐기소화 단계로 투입시킬 경우에는 전처리 비용을 절감시킬 수 있다.
결국, 전처리에 의해 가용화율이 향상된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기 소화시키면 메탄 생성속도가 빨라져 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킬 때보다 혐기 소화 기간을 단축시킬 수 있고, 혐기 소화조에서의 체류시간을 단축시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 메탄 발생량 또한 증가되어 전체적인 혐기 소화 효율을 증진시킬 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명 할 것이다.
실시예 1: 전처리 방법에 따른 슬러지 가용화율
슬러지를 전처리하는 방법을 달리하여 전처리 방법에 따른 슬러지 가용화율을 비교하였다. 실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었다. 실험에 사용한 전처리조로서 용량이 10L인 반응조를 사용하였다. 실험에서 사용한 전처리 방법은 열처리, 초음파처리 및 열과 알카리제를 이용한 열화학 처리 방법을 사용하였다.
열처리 방법으로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 120℃의 온도의 열을 1시간 동안 가하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.
초음파 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 87.5W/L의 동력으로 주파수가 28kHz인 초음파를 1~2시간 동안 조사하여(400~800 kj/L의 초음파 조사), 잉여 슬러지를 전처리하였다.
열과 알카리제를 이용한 열화학 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 1시간 동안 120℃의 온도의 열을 가하는 동시에 알카리제로서 1.6g/L의 NaOH를 주입하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.
상기 각 전처리 방법에 의한 전처리 후 잉여 슬러지의 가용화율을 조사하였다. 가용화율은 슬러지 내의 용존 COD을 기준으로 하기 가용화율 계산식 (I)을 이용하여 계산하였다.
가용화율(%) = (SCOD - SCODo)/(TCODo- SCODo)×100 ------------ (I)
SCOD = 초음파 처리 후 용존 COD (mg/L)
SCODo = 초음파 처리 이전 용존 COD (mg/L)
TCODo = 초음파 처리 이전 총 COD (mg/L)
그 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 전처리 방법에 따른 잉여 슬러지의 가용화율은 열처리에서 29%, 초음파 처리에서 41%, 그리고 열과 알카리제를 이용한 열화학 처리에서 64%인 것으로 나타났다.
결국, 전처리에 의해서 슬러지의 가용화율이 향상됨을 알 수 있었고, 특히, 열처리의 경우, 열처리와 동시에 알카리 주입에 의한 가용화 효과가 높아짐을 확인할 수 있었다.
실시예 2: 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화에 의한 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율 측정 실험
슬러지의 단독 혐기 소화 및 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화 실험을 실시하여, 혐기 소화 방법에 따른 메탄 발생량 및 슬러지 감량 효율를 비교하였다. 실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었고, 유기성 폐수는 식품제조 공장에서 배출된 것으로 COD는 6,600 mg/L이었다. 실험에 사용한 혐기 소화조로서 용량이 10L인 혐기 생물 반응기를 사용하였으며, 교반기(magnetic stirrer)와 가스 수집조(gas collector)가 장착되어 있어 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 비롯한 가스가 가스 수집조로 이송되어 정량할 수 있도록 되어 있고, 온도는 35℃를 유지하도록 하였다 (도 5).
동일한 종류의 2개의 혐기 소화조에 각각 상기 잉여 슬러지 10L 및 상기 잉여 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 투입하여, 잉여 슬러지의 단독 혐기 소화 및 잉여 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화 실험을 실시하였다.
혐기 소화 실험 시작 후 21일이 지난 다음, 단독 혐기 소화 및 공동 혐기 소화의 결과로서 생산된 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율을 측정하였다. 메탄 발생량은 가스 발생부피와 gas chromatography를 이용하여 측정 및 계산하였고, 슬러지 감량 효율은 오븐에서 슬러지를 건조한 뒤 저울을 이용하여 혐기 소화 전후의 슬러지의 총 부유고형물 (total suspended solids)을 측정하여 계산하였다.
그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우, 혐기 소화에 의한 메탄 발생량이 약 29.4g CH4/kg VSS인 반면, 잉여 슬러지와 유기성 폐수를 공동으로 혐기 소화시킨 경우, 혐기 소화에 의한 메탄 발생량이 약35.0g CH4/kg VSS으로 나타나 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우에 비하여 20% 정도 메탄 생산량이 증가한 것을 알 수 있었다.
또한, 도 4에 나타난 바와 같이 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우 51%의 슬러지가 감량된 반면, 잉여 슬러지와 유기성 폐수를 공동으로 혐기 소화시킨 경우 58%의 슬러지가 감량된 것으로 나타나 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우에 비하여 14% 정도의 슬러지 감량 효율이 있음을 확인하였다.
결국, 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기 소화시키면 슬러지를 단독으로 혐기 소화시키는 경우에 비해 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율이 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3: 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 메탄 생성 속도 및 메탄 발생량 실험
전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기 소화시키는 실험을 하여 메탄 생성 속도 및 메탄 발생량을 측정하였으며, 특히, 유기성 폐수와 공동 혐기 소화시키는 슬러지의 전처리 비율에 따른 메탄 생성 속도 및 메탄 발생량을 비교하였다.
실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었고, 유기성 폐수는 식품제조 공장에서 배출된 것으로 COD는 6,600 mg/L이었다. 실험에서 사용한 전처리 방법은 열처리, 초음파처리 및 열과 알카리제 처리 방법을 사용하였다. 실험에 사용한 전처리조로서 용량이 10L인 반응조를 사용하였다. 혐기 소화조로서 용량이 용량이 10L인 혐기 생물 반응기를 사용하였으며, 교반기(magnetic stirrer)와 가스 수집조(gas collector)가 장착되어 있어 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 비롯한 가스가 가스 수집조로 이송되어 정량할 수 있도록 되어 있고, 온도는 35℃를 유지하도록 하였다
메탄 발생량은 가스 발생부피와 gas chromatography를 이용하여 측정 및 계산하였고, 슬러지 감량 효율은 오븐에서 슬러지를 건조한 뒤 저울을 이용하여 혐기 소화 전후의 슬러지의 총 부유고형물 (total suspended solids)를 측정하여 계산하 였다.
3-1. 열처리 방법으로 전처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화
슬러지의 전처리를 위하여, 슬러지 10L를 120℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하였다. 상기 열처리된 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 혐기 소화조에 유입시켜 공동 혐기 소화시켰다. 이때, 혐기 소화조로 유입시킨 슬러지 중 열처리 방법으로 전처리한 슬러지의 비율을 전체 슬러지 100% 중 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%로 하여 실험을 실시하였다. 즉, 혐기 소화시킬 전체 슬러지 5L 중에 전처리된 슬러지가 0L, 1L, 2L, 3L, 4L 및 5L일 경우의 실험을 각각 실시하였다.
상기 열처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화를 실시한 결과, 도 6의 (a) 에 나타난 바와 같이, 유기성 폐수는 혐기소화 시작 후 초기 7일 동안에 혐기 소화되어 안정화되었고, 슬러지는 혐기소화 시작 후 21일 이후에 안정화 되었다. 혐기 처리되는 유기 폐수의 안정화는 폐수중의 COD 잔류량과 누적 메탄가스 발생량의 변화로부터 확인하였다. 표 1에도 나타난 바와 같이 상기 초기 7일 동안의 메탄 발생량은 전체 메탄 발생량인 2/3 이상에 해당하였다. 또한, 메탄 생성속도에 있어서도 혐기소화 기간의 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 상기 14일 동안의 메탄 생성속도의 6배 이상인 것으로 나타났다. 또한, 열처리에 의한 슬러지의 전처리 비율이 높아질수록 혐기소화 효율이 향상되는 것으로 나타났다.
열처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 후의 메탄발생량 및 메탄생성속도
전처리(열처리)된
슬러지 비율		 메탄 발생량
g CH4/kg VSS		 메탄생성속도
g CH4/L·day
초기 7일 초기 7일 후 14일 초기 7일 초기 7일 후 14일
0% 20 11 0.20 0.05
20% 44 12 0.46 0.06
40% 71 15 0.74 0.09
60% 88 18 0.92 0.10
80% 113 25 1.19 0.14
100% 122 39 1.27 0.22
전처리하지 않은 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화와의 비교 실험은 위 표의 전처리된 슬러지 비율이 0%인 것으로 다른 전처리 비율값과 비교할 수 있다. 결국, 혐기소화 초기에 메탄 발생량과 메탄 생성속도가 큰 것으로 미루어 보아, 열처리 방법에 의해 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 경우 혐기소화 기간을 단축시킬 수 있고, 전처리된 슬러지의 비율이 높을수록 혐기소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 한편 유기성 폐수만을 혐기 소화할 경우 메탄 발생량은 유기성 폐수의 낮은 COD로 인하여 전처리 슬러지의 1/3에 불과하였다.
3-2. 초음파 처리 방법으로 전처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화
슬러지의 전처리를 위하여, 전처리조에 슬러지 10L를 유입시킨 후, 87.5W/L의 동력으로 주파수가 28kHz인 초음파를 1~2시간 동안 조사하여(400~800 kj/L의 초음파 조사)하여, 초음파처리 하였다. 상기 초음파 처리된 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 혐기 소화조에 유입시켜 공동 혐기 소화시켰다. 이때, 혐기 소화조로 유입시킨 슬러지 중 초음파 처리 방법으로 전처리한 슬러지의 비율을 전체 슬러지 100% 중 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%로 하여 실험을 실시하였다. 즉, 혐기 소화시킬 전체 슬러지 5L 중에 전처리된 슬러지가 0L, 1L, 2L, 3L, 4L 및 5L일 경우의 실험을 각각 실시하였다.
상기 초음파 처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화를 실시한 결과, 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이, 유기성 폐수는 혐기소화 시작 후 초기 7일 동안에 혐기 소화되어 안정화되었고, 슬러지는 혐기소화 시작 후 18일 이후에 안정화되었다. 또한, 표 2에도 나타난 바와 같이 상기 초기 7일 동안의 메탄 발생량은 전체 메탄 발생량의 2/3 이상에 해당하였다. 혐기 처리되는 유기 폐수의 안정화는 폐수중의 COD 잔류량과 누적 메탄가스 발생량의 변화로부터 확인하였다. 또한, 메탄 생성속도에 있어서도 혐기소화 기간의 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 초기 7일 이후의 14일 동안의 메탄 생성속도의 6배 이상인 것을 나타났다. 또한, 초음파 처리에 의한 슬러지의 전처리 비율이 높아질수록 혐기소화 효율이 향상되는 것으로 나타났다.
초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 후의 메탄발생량 및 메탄생성속도
전처리(초음파처리)된
슬러지 비율		 메탄 발생량
g CH4/kg VSS		 메탄생성속도
g CH4/L·day
초기 7일 초기 7일 후 14일 초기 7일 초기 7일 후 14일
0% 20 11 0.20 0.05
20% 44 14 0.24 0.07
40% 68 17 0.46 0.09
60% 88 18 0.72 0.11
80% 128 27 0.92 0.16
100% 133 40 1.34 0.22
결국, 혐기소화 초기에 메탄 발생량과 메탄 생성속도가 큰 것으로 미루어 보아, 초음파 처리에 의해 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 경우 혐기소화 기간을 단축시킬 수 있고, 전처리된 슬러지의 비율이 높을수록 혐기소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
3-3. 열 및 알카리제를 이용한 열화학 처리 방법으로 전처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화
슬러지의 전처리를 위하여, 전처리조에 슬러지 10L를 유입시킨 후, 100~160℃의 온도에서 1시간 동안 열을 가하는 동시에 동시에 알카리제로서 1.6g/L의 NaOH를 주입하여, 열 및 알카리제 처리를 하였다. 상기 열 및 알카리제 처리된 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 혐기 소화조에 유입시켜 공동 혐기 소화시켰다. 이때, 혐기 소화조로 유입시킨 슬러지 중 열 및 알카리제 처리 방법으로 전처리한 슬러지의 비율을 전체 슬러지 100% 중 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%로 하여 실험을 실시하였다. 즉, 혐기 소화시킬 전체 슬러지 5L 중에 전처리된 슬러지가 0L, 1L, 2L, 3L, 4L 및 5L일 경우의 실험을 각각 실시하였다.
상기 열 및 알카리제 처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화를 실시한 결과, 도 6의 (c) 및 표 3에 나타난 바와 같이, 혐기소화 시작 후 초기 7일 동안의 메탄 생성속도는 상기 7일 이후의 14일 동안의 메탄 생성속도의 2배에 불과한 것으로 나타났다. 상기 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 14일 동안의 생성속도의 2배에 불과한 것은 알카리제 처리에 의해 슬러지의 pH를 미생물이 생육하기 좋은 알카리로 보정했음에도 불구하고 미생물이 적응하는데 시간이 필요한 때문인 것으로 판단된다. 메탄 생산량에 있어서, 혐기소화 후반부에도 메탄 생산량이 꾸준이 증가하는 것으로 나타나 혐기 소화가 계속 진행되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 열 및 알카리제 처리에 의한 슬러지의 전처리 비율이 높아질수록 혐기소화 효율이 향상되는 것으로 나타났다.
열과 알카리제를 이용하여 열화학 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 후의 메탄발생량 및 메탄생성속도
전처리(열과 알카리제처리)된
슬러지 비율		 메탄 발생량
g CH4/kg VSS		 메탄생성속도
g CH4/L·day
초기 7일 초기 7일 후 14일 초기 7일 초기 7일 후 14일
0% 20 11 0.20 0.05
20% 51 15 0.53 0.11
40% 85 16 0.88 0.12
60% 106 15 1.11 0.23
80% 108 71 1.14 0.43
100% 109 102 1.15 0.64
결국, 혐기소화 초기에 메탄 발생량과 메탄 생성속도가 큰 것으로 미루어 보아, 열과 알카리제 처리 방법에 의해 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 경우 혐기소화 기간을 단축시킬 수 있고, 전처리된 슬러지의 비율이 높을수록 혐기소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
그러나, 혐기 소화 시작 후 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 상기 7일 이후의 메탄 생성속도의 2배에 불과할 뿐만 아니라, 혐기 소화 후반부에도 메탄 생산량이 꾸준히 증가하는 것으로 보아, 열 및 알카리 처리에 의한 슬러지 전처리 방법이 최종 메탄 생산량 증대에는 기여할 수 있으나, 열처리, 초음파 처리 등과 같은 전처리 방법에 비해 메탄 생성속도 향상에는 다소 비효율적인 것으로 판단된다.
실시예 4: 전처리 방법에 따른 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 효율
슬러지를 전처리하는 방법을 달리하여 전처리 방법에 따른 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화 효율을 비교 실험하였다. 혐기소화 효율은 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율 측정에 의하여 비교하였다.
실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었고, 유기성 폐수는 식품제조 공장에서 배출된 것으로 COD는 6,600 mg/L이었다. 실험에 사용된 전처리조는 10L 용량의 반응조를 사용하였고, 혐기 소화조로서 용량이 10L인 혐기 생물 반응기를 사용하였으며, 교반기(magnetic stirrer)와 가스 수집조(gas collector)가 장착되어 있어 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 비롯한 가스가 가스 수집조로 이송되어 정량할 수 있도록 되어 있고, 온도는 35℃를 유지하도록 하였다. 실험에서 사용한 전처리 방법은 열처리, 초음파처리 및 열과 알카리제 처리 방법을 사용하였다.
열처리 방법으로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 120℃의 온도의 열을 1시간 동안 가하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.
초음파 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 87.5W/L의 동력으로 주파수가 28kHz인 초음파를 1~2시간 동안 조사하여(400~800 kj/L의 초음파 조사), 잉여 슬러지를 전처리하였다.
열과 알카리제 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 1시간 동안 120℃의 온도의 열을 가하는 동시에 알카리제로서 1.6g/L의 NaOH를 주입하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.
혐기 소화는 전처리하지 않은 슬러지, 유기성 폐수, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수, 초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수 및 열과 알카리제 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 5가지 경우를 대상으로 하였다.
4-1. 전처리 방법에 따른 메탄 발생량
21일간 혐기 소화를 실시한 후, 상기 5가지 각 경우의 메탄 발생량을 가스 발생 부피와 gas chromatography를 이용하여 계산하였다.
그 결과, 도 7의 (a)에 나타난 바와 같이, 전처리하지 않은 슬러지만 혐기소화시켰을 경우 메탄 발생량은 34.54 g/kg VSS였고, 폐수만을 혐기소화시켰을 경우 메탄 발생량은 118 g/kg VSS 였으며, 폐수만을 혐기소화시켰을 경우는 미생물이 이용하기 쉬운 형태이므로 혐기소화 시작 후 7일 이내에 안정화되었다. 또한, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시켰을 경우 메탄 발생량은 164 g/kg VSS로서 슬러지만 혐기소화시켰을 때보다 4.7배 정도 높은 값을 나타내었고, 초음파 처리한 경우는 175 g/kg VSS로서 5.1배 정도 높은 값을 나타내었으며, 열과 알카리제를 처리한 경우는 231 g/kg VSS로서 6.7배 정도 높은 값을 나타내었다. 즉, 전처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화 했을 경우에는 전처리하지 않은 슬러지만을 단독으로 혐기 소화시켰을 때보다 메탄 발생량이 높게 나타났는데, 이러한 결과는 분해가 쉬운 유기성 폐수의 영향인 것임을 알 수 있었다.
4-2. 전처리 방법에 따른 슬러지 감량 효율
21일간 혐기 소화를 실시한 후, 전처리하지 않은 슬러지, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수, 초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수 및 열과 알카리제 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 4가지 경우를 대상으로 하여, 각 경우의 슬러지 감량 효율을 측정하였다. 슬러지의 감량효과는 실험 실시 전 슬러지의 VSS를 측정하고, 실험이 끝난 후의 VSS를 측정하여 그 차이값을 이용하여 계산하였다. 정량적인 비교를 위하여 슬러지가 비교적 안정화되었다고 판단되는 21일을 기준으로 슬러지의 감량 효과를 계산하였다.
그 결과, 도 7의 (b)에 나타난 바와 같이, 전처리하지 않은 슬러지만을 혐기소화시킨 경우는 55%의 슬러지 감량효과를 나타내었고, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킨 경우는 61%의 슬러지 감량효과를 나타내었으며, 초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킨 경우는 62%의 슬러지 감량효과를 나타내었고, 열과 알카리제 처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킨 경우는 65%의 슬러지 감량효과를 나타내었다.
결국, 슬러지만을 단독으로 혐기 소화시키는 것보다는 슬러지를 전처리한 후 유기성 폐수와 공동으로 혐기소화시킬 때 메탄 발생량 및 슬러지 감량 효율이 증대되는 것으로 나타나, 혐기 소화효율이 커짐을 알 수 있었다. 또한, 전처리 방법 중에서도 열과 알카리제 처리로 슬러지를 처리할 경우, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기 소화효율이 높게 나타나는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 병합하여 공동 혐기소화시키는 공정의 개략도이다 (a: 슬러지를 100% 전처리한 후, 유기성 폐수와 병합하여 공동 혐기소화시키는 공정, b: 슬러지의 일부는 전처리하고 일부는 전처리하지 않은 채 유기성 폐수와 병합하여 공동 혐기소화시키는 공정).
도 2는 전처리 방법에 따른 슬러지의 가용화 효율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 슬러지의 단독 혐기소화 및 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 메탄 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 슬러지의 단독 혐기소화 및 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 슬러지 감량효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에서 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 때 사용된 혐기 소화조의 모식도를 나타낸 것이다.
도 6는 전처리 방법에 따른 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 메탄 생산량을 나타낸 그래프이다 (a: 열처리 방법으로 슬러지를 전처리한 경우, b: 초음파 처리 방법으로 슬러지를 전처리한 경우, c: 열과 알카리제로 슬러지를 전처리한 경우).
도 7은 전처리 방법에 따른 혐기소화 효율을 나타낸 그래프이다 (a: 전처리 방법에 따른 혐기소화 후의 메탄생산량 비교, b: 전처리 방법에 따른 슬러지 감량 효율 비교).

Claims (8)

  1. 다음의 단계를 포함하는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법:
    (a) 슬러지를 100~180℃로 가열하는 열 처리방법, 슬러지에 300~1,000 kj/L의 초음파를 조사하는 초음파 처리방법 및 40~160℃에서 슬러지에 알카리제 1~5g/L를 첨가하는 열화학 처리방법으로 구성된 군에서 선택되는 처리방법으로 슬러지를 전처리하는 단계; 및
    (b) 상기 전처리된 슬러지 100중량부에 유기성 폐수 20~200 중량부를 첨가시킨 후, 30~40℃의 온도에서 공동 혐기 소화시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기성 폐수는 1,000~25,000mg BOD/L의 고농도 유기성 폐수인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 알카리제는 NaOH, CaO, Ca(OH)2 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 전체 슬러지 중 10~90%를 전처리하고, 나머지는 전처리하지 않고 혐기 소화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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