KR101102959B1 - 자동 제어방식의 초음파를 이용한 슬러지 감량화 및 반류수 성상 개량을 위한 하·폐수 처리 장치와 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하·폐수처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하·폐수처리과정에서 발생되는 슬러지 cake의 감량화 및 슬러지 처리과정에서 발생되는 반류수로 인한 수처리 공정의 영향을 개선하기 위한 장치 및 방법으로서, 슬러지 개량을 위한 목표 CST에 상응하는 점도를 자동 계측하거나 반류수의 성상 개선 목표에 연관된 pH, COD, 또는 점도를 자동 계측하여 측정값에 따라 가동시설인 초음파 조사를 인가함으로써 슬러지 cake의 함수량 및 반류수의 성상을 개선하여 처리장의 운영효율을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치에 대한 것이다.

Description

자동 제어방식의 초음파를 이용한 슬러지 감량화 및 반류수 성상 개량을 위한 하·폐수 처리 장치와 그 방법{An equipments for sewage and wastewater treatment using ultrasonics wave of auto-control type for reducing water content in sludge and improving properties of sidestream, and method of the same}

본 발명은 하·폐수처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하·폐수처리과정에서 발생되는 반류수로 인한 수처리 공정의 영향을 개선하기 위한 장치 및 방법으로서, 슬러지 개량을 위한 목표 CST에 상응하는 점도를 자동 계측하거나 반류수의 성상 개선 목표에 연관된 pH, COD 또는 점도를 자동 계측하여 측정값에 따라 가동시설인 초음파 조사를 인가함으로써 슬러지 cake의 함수량 및 반류수의 성상을 개선하여 처리장의 운영효율을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치에 대한 것이다.

국내 하·폐수처리장은 현재 표준 활성오니공정에서 다양한 방식의 고도처리공정으로 전환되고 있고 동시에 환경기초시설에 대한 주민의 인식을 고려해 시설의 지하화 등도 적극 추진되고 있다. 이러한 변화 외에도 하·폐수처리장에도 국제적인 환경협약에 따른 시설 개선이 요구되고 있는데, 예를 들면 런던협약 ‘96의정에 따른 슬러지해양투기 금지에 따른 슬러지 감량을 위한 시설개선 요구나 기후변화 협약에 따른 CO₂ 배출 저감을 고려한 에너지 사용 절감 및 재생에너지 생산을 고려한 혐기성소화 시설의 새로운 조명 등에 대한 것이다. 특히 하수슬러지의 경우 2000년 시설용량 10,000m³/d 이상의 하수처리장에서 발생되는 오니에 대한 직매립 금지 조치 이후 함수량 80%이하로 처리 후 매립장 반입이 허용되고는 있으나 탈수와 관련된 기술적인 문제와 비용문제로 인해 상대적으로 쉽고 저렴한 해양투기에 주로 의존하였다. 그러나 이러한 해양투기도 2012년 이후 금지가 예정됨에 따라 정부는 “유기성 오니종합처리대책(2006년)”을 수립하고 지자체의 슬러지 처리시설 확충 등을 추진하였으나 아직은 미흡한 실정이다.

시설용량 대비 슬러지 발생비는 2000년 이후 지속적으로 증가하고 있는데, 이는 관거정비 등으로 인한 하수처리장 유입수질의 상승과 함께 기존 활성슬러지 처리공정에서 고도처리공정으로 전환됨에 따른 영향으로 혐기호기나 A²/O 공정과 같은 고도처리공정은 하기 표 1에 나타난 바와 같이 슬러지 발생량이 상대적으로 높기 때문이다.

처리공법별 슬러지 발생량 비교(2002 년 하수도 통계, 환경부)

구 분	계	1차 처리	표준활성	혐기 호기	회전원판	산화구	SBR	장기 포기	A2/O	접촉산화	토양접촉	기 타
처리장수 (개소)	173	2	98	3	11	22	3	19	1	3	2	9
하수 유입량 (천톤/일)	16,124.37	425.8	14,379.81	127.30	53.28	86.76	2.62	25.38	417.51	3.23	0.57	602.11
슬러지 발생량 (톤/년)	1,901,447.6	17,330	1,693,358.5	23,710.9	3,274.1	11,905	267.8	2,843	72,819	42.1	-	75,897.2
1톤당 발생(%)	0.032	0.011	0.032	0.051	0.017	0.038	0.028	0.031	0.048	0.004	-	0.035

한편 국내 하수슬러지 처분방법은 해양투기가 70% 이상을 차지하고 있고 2000년 육상 직매립 금지 조치 이후 육상 매립은 지속적으로 감소해, 2005년 현재 1.7%의 점유율을 차지하고 있으나 해양투기 금지가 시행되면 급격한 변화가 예상된다.

특히, 슬러지처분 공정별 처분비용은 해양투기가 가장 저렴한 27,896원/톤으로서, 개보수를 포함한 전체 운영비의 15.5%이나, 향후 해양투기가 금지됨에 따라 슬러지 처분 비용의 비중은 더욱 증가될 것으로 예상된다. 이러한 슬러지 처분 대안으로 퇴비화 등을 포함한 재이용 공정이나 소각에 대한 검토가 추진되고 있으나 처리비용의 과다 문제, 이의 해소를 위한 규모의 경제를 이용한 광역처리 방안은 지역간의 협의 문제나 운송 등 기술적 문제 외에도 다양한 사회 경제적인 문제로 적용에는 상당한 어려움이 있는 실정이다.

현재 추진되고 있는 다양한 신규 슬러지 처리시설과는 별도로 슬러지 감량에 기여할 수 있는 혐기성소화조가 국내에는 60여 개소 처리장에서 운영되고 있는데, 소화조를 운영하지 않는 경우와 비교하면, 슬러지 cake의 함수율 감소를 포함해 처리비용을 약 35% 절감(환경부, 하수처리장 소화효율 개선사업 추진 계획, 2005)할 수 있으며, 최근의 온실가스 저감과 관련해 재생에너지 생산 기술 측면으로도 바람직하게 검토되고 있다. 그러나 이러한 혐기성 소화 시스템을 구비한 처리장은 국내 전체 하수처리장 294개소의 약 20%에 불과하므로, 중소규모의 경우 별도의 혐기성 소화공정을 신설하는 등의 대안이 고려되어야 하는 실정이다.

초음파는 1980년대부터 주로 고도산화처리공정(AOP; Advanced Oxidation Process)에서 페놀과 같은 특정 난분해성물질의 산화(J. Berlan, F. Trabelsi, H. Delmas, A.M.Wilhelm and J.F. Petrignani, Sonochemistry. 1994, 1, 597-602)에 이용되기 시작하였고 슬러지처리에 대한 적용은 탈수를 위한 슬러지 conditioning에 실험적으로 이용되었다. 이후 1997년에는 초음파를 이용한 탈수성 개선효과는 대상 슬러지의 종류와 화학적 조성에 따라 변화(J. Bien and L. Wolny, Wat. Sci. Tech. 1997, 36, 11, 101-106)될 수 있다는 연구 이후 다양한 생물학적 공정, 화학적 공정 및 초음파를 비롯한 물리적 처리공정에 의한 슬러지로부터 기질 회수 효율에 대한 비교 평가(J. A. Muller, Pretreatment processes for the recycling and reuse of sewage sludge. Wat. Sci. Tech. 2000, 42, 9, 167-174) 등의 관련 후속 연구결과들이 발표되었다. 특히, 열과 초음파를 포함한 물리적, 화학적, 생물학적 슬러지 처리공정의 검토 결과 기계식(장치형)의 경우 초음파가 에너지 소모는 상대적으로 클 수 있으나 운전의 신뢰도나 처리장의 적용성 등 모든 면에서 가장 양호하며, 슬러지 처분과 관련된 감량화 측면에서는 초음파를 포함한 물리적 처리가 가장 우수(J. A. Mulla, Prospects and problems of sludge pre-treatment processes. Wat. Sci. Tech. 2001, 44, 10, 121-128)한 것으로 보고되고 있다. 한편, 국내에서도 관련 분야에 대한 많은 연구사례가 보고되고 있는데, 하수처리공정이 고도처리공정으로 전환에 따라 생물학적 영양소제거에 필요한 COD 요구량을 외부탄소원 대신 자체 슬러지를 이용하기 위해 잉여슬러지에 대해 초음파를 적용한 사례(특허 등록 10-0416364)나 소화조 유입슬러지와 유출슬러지에 2단의 초음파 조사부를 설치함으로서 소화효율 개선과 슬러지 발생량 저감(특허 등록, 10-0768516) 등이 있다. 전자의 경우 잉여슬러지에 주파수 20kHz로 약 5시간 이상 조사함으로서 발생슬러지의 약 20-50% 정도를 재활용 가능한 것으로 제시하고 있으나 막대한 에너지 투입비용을 고려하는 경우 외부탄소원을 구매 사용하는 경우에 비해 손실이 더 큰 것으로 판단할 수 있어 현실적인 적용성에는 어려움이 있을 것으로 판단된다. 후자의 경우 본 제안과 유사한 부분이 포함되어 있는데, 이 경우는 1슬러지 저감부에서 약 20-30분의 초음파 조사를 통해 슬러지를 전처리함으로써 소화 처리시간 단축 및 처리효율의 개선을 주목적으로 수행하고 2슬러지 저감부 처리를 통해 슬러지 cake 생산량의 약 10% 절감이 가능한 것으로 제안하고 있는데, 원론적으로는 분해 특성 개선과 탈수특성 개량은 기능적으로 상당하는 주파영역이나 조사시간이 서로 다름에도 구체적인 구분이 없고 목표효과 달성을 위한 운영함수로서 강도와 시간 등에 따른 제어방안에 대한 고려가 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 상기와 같은 국내·외의 슬러지 처리 상황을 고려해 대규모의 시설 요구 없이 기존처리설의 보완 및 개선을 통한 슬러지 발생량의 저감 및 하·폐수처리장의 운영 효율화에 기여할 수 있는 공정에 대한 연구를 수행하였다.

이에 따라 본 발명은 하·폐수처리장에서 슬러지 감량화 및 반류수 성상 개량을 위한 하·폐수 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 종래 하·폐수 처리장치에 적용 가능한 초음파 적용 장치를 제공하는 것 및 상기 초음파 적용장치를 구비한 하·폐수 처리장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 하·폐수 처리장치에 바람직하게 사용가능한 초음파 적용장치를 설계하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관련된 하·폐수 처리 방법은,

침사지로부터 유입되는 하수 또는 유기성 폐수의 1차 침전단계, 생물반응조 처리단계, 2차 침전단계, 농축단계, 탈수단계를 포함하는 하수 또는 유기성 폐수의 처리방법에 있어서, ⅰ) 상기 탈수단계 이전에 상기 농축된 슬러지의 함수율을 낮추도록, 상기 농축 슬러지의 점도에 따라 초음파 조사를 인가하는 슬러지 초음파 전처리 단계; ⅱ) 및 상기 농축단계에서 배출되는 농축반류수 및 상기 탈수단계에서 배출되는 탈리액을 포함하는 혼합반류수를 pH, COD, 및 점도 중 하나 이상의 운전지표에 따라 초음파 조사를 인가하는 반류수 초음파 처리단계; 를 더 포함하고 있다.

또한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 하수 처리 장치는,

침사지, 1차 침전지, 생물 반응조, 2차 침전지, 농축조, 탈수기, 및 혼합 반류수를 상기 침사지로 재이송시키기 위한 회송라인을 포함하는 하·폐수 처리 시설에 있어서, 상기 탈수기의 전단 및 상기 회송라인 상에 초음파 처리장치를 설치 및운영하고 처리물의 점도 또는 pH와 같은 운전지표를 자동 측정하여, 그 결과에 따라 초음파 조사를 제어하는 초음파 적용 장치를 구비한다.

또한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 초음파 적용 장치는 슬러지 또는 혼합 반류수와 같은 처리물에 초음파를 조사하는 초음파 접촉부; 초음파 조사된 상기 처리물에서 점도 등의 운전 지표를 자동 측정하는 계측부; 및 측정된 운전지표에 따라 초음파 조사 및 제어밸브를 조절하기 위한 제어부를 구비한다.

또한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 초음파 적용 장치의 설계방법은 (a) 처리물에 대한 초음파 강도함수 결정단계, 여기서 P는 동력(kW 또는 W), t는 조사 시간(min 또는 sec), Vol은 시료량(L)이며, n은 0.1 ∼1.0의 값을 가짐; (b) 상기 결정된 초음파 강도함수(

)에 따라 처리물에 초음파를 조사하는 단계; (c) 상기 초음파가 조사된 처리물의 목적 성상에 상응하는 운전 지표를 측정하는 단계; 및 (d) 상기 운전 지표의 기준값에 도달하지 않은 경우 상기 초음파 강도함수를 보정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 따르면, 슬러지의 탈수처리시 실제 적용할 수 있는 적절한 사용범위의 초음파 강도를 포함한 초음파 전처리시스템을 산정 설계하고 초음파 전처리과정의 점성변화를 모니터링하고 제어시스템에 연결함으로써, 전처리 불량이나 에너지의 과잉공급을 예방하여 비용 효율적으로 슬러지의 탈수성을 향상시킬 수 있도록 하는 한편, 하·폐수처리장 운영 부하의 상당 부분을 차지하고 있는 반류수에 대해 초음파 처리를 수행함으로서 반류수의 성상을 개선해 직접적으로 하수 처리효율을 개선하거나 혐기성 소화조로 반송함으로서 분해처리 효율 증대 및 가스생산량 증가시킴으로써 하수처리장의 총괄 운영효율을 개선할 수 있다.

도 1은 기존 하수처리장의 단위공정 구성 및 흐름도이다.
도 2는 하수처리장의 오염물 물질수지도이다.
도 3은 슬러지의 종류와 농도에 따른 CST와 점성의 변화 관계도이다.
도 4a 내지 4c는 하·폐수슬러지의 초음파 처리강도와 탈수특성함수 CST의 변화 관계도이다.
도 5a 및 5b는 초음파 강도함수에 따른 슬러지의 CST와 점성의 변화 관계도이다.
도 6a 및 6b는 슬러지 및 반류수의 초음파 처리에 따른 상등액의 pH와 SCOD 변화 관계도이다.
도 7은 하수처리장의 초음파를 이용한 처리 공정 구성도이다.
도 8은 제어 시스템이 부착된 슬러지 초음파 전처리 장치 구조도이다.
도 9는 제어시스템이 부착된 반류수 초음파 처리 장치 구조도이다.
도 10은 Isu와 탈수특성 함수 CST의 상관관계를 이용하여 적정 n값을 도출하기 위한 관계도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
6. 소화조 7. 탈수기
13. 농축조 반류수 14. 소화조 반류수
15. 탈리액 17, 18 초음파 처리 반류수 반송 라인
20. 슬러지 초음파 전처리장치 21. 반류수 초음파 처리장치
24, 32. 초음파 반응조 24, 32. 초음파 진동자
28, 점도 자동 측정기 29, 34. 밸브
30, 34. 제어기 35. 점도, pH, 또는 COD 측정기

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 수처리와 슬러지처리시설로 구성된 기존의 하수처리장의 전형적인 구조를 보여 주고 있다. 상기 도면에 개시된 바와 같이, 하(下)·폐수(廢水) 처리 시스템은 1차 침전지(2), 생물반응조(3) 및 2차 침전지(4)로 이루어진 수처리부와, 상기 수처리부에서 발생된 슬러지를 처리하는 슬러지 농축조(5)와 소화조(6)및 탈수조(7)로 된 슬러지 처리부(16)를 포함하고 있다.

이에 대하여, 도 7은 본 발명에 따른 하수처리장의 슬러지 처리공정의 특징부를 개략적으로 도시한 것으로서, 상기 도 1과 비교하여 탈수에 앞서 슬러지 전처리장치(20)가 부설되고, 혼합반류수를 침사지로 재이송 시키기 전에 구비된 반류수 처리장치(21)에서 슬러지 및 반류수가 처리되도록 한 것이 특징이다. 이때 혐기성 소화조(6)가 없는 하·폐수처리시설은 슬러지 전처리장치(20)의 설치만으로도 슬러지 감량과 반류수 성상 개선효과를 구할 수 있으나 혐기성소화조(6)가 운영되고 있는 경우 두 장치의 병합운영이 효과적이다. 이에 대한 슬러지 전처리장치(20)와 반류수처리장치(21)의 구체적 구성은 도 8 및 도 9에 개시되어 있다.

따라서 본 발명에 따른 하·폐수 처리 방법은, 도 1에 예시된 기존 수처리공정과 농축조(5)에서 배출되는 농축 슬러지 또는 혐기성소화조(6)에서 배출되는 소화슬러지에 대해 점도변화를 운전지표로 초음파 조사를 인가하는 슬러지 초음파 전처리 단계; 상기 전처리된 슬러지를 탈수하여 탈리액과 슬러지 케이크로 분리시키는 탈수단계; 및 상기 농축반류수와 탈리액을 포함하는 혼합 반류수(16)에 대해 pH, COD, 또는 점도를 운전지표로 초음파 조사를 인가하는 반류수 초음파 처리단계를 포함한다. 여기서 상기 방법은 상기 초음파 처리된 반류수를 상기 침사지로 재이송시키는 반류수 회송 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 혼합반류수는 상기 소화조에서의 소화반응단계로부터 배출된 소화반류수를 더 포함할 수 있다.

또한 발명에 따른 슬러지 초음파 전처리장치를 가동하는 경우 상기 탈리액의 전부 또는 일부를 상기 소화반응 단계로 재이송시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 초음파 처리된 반류수 또한 일부를 상기 소화반응 단계로 재이송시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 슬러지 전처리장치(20) 및 반류수 처리장치(21)는 초음파를 이용한다. 초음파를 액체 중에 발사하면 액 중에 수축과 팽창이 교대로 일어나며 파동이 액 중으로 전파되어 간다. 초음파 에너지가 더욱 증가되면 액의 분자 간에 응집력이 파괴되고 수천 만개 이상의 미세한 공동이 발생된다. 이것이 "캐비테이션(cavitation)"이라 불리는 현상인데 이 공동이 폭발하면서 강력한 에너지를 방출한다. 결국 초음파로 인해서 발생하는 에너지를 슬러지의 입자의 파괴에 이용하여 슬러지 입자가 미세하게 분쇄되고 이 과정에서 슬러지 표면에 흡착되어있는 결합수까지 분리 방출하게 유도(Timothy J. Mason, John P. Lorimer, Applied Sonochemistry - The use of power ultrasound in chemistry and processing, WILEY-VCH, 2001)할 수 있는 것에 착안하여 관련 연구를 시작하였다. 이와 같은 입자의 분쇄와 결합수의 방출을 통해 슬러지 함수량 감소 및 처리장의 슬러지 cake 배출량을 감소시킬 수 있으며, 파쇄된 입자의 용해와 단계까지 적용하는 경우 슬러지 감량과 함께 파쇄된 고형물에서 발생된 유용한 유기성 기질의 확보가 가능하게 된다.

일반적인 초음파 장치의 주파수는 9kHz∼50kHz 정도이며 이 범위의 주파수는 강력한 펄스가 발생되어 목적하는 효과 및 특성을 얻기가 용이하나, 관리대상 입자가 미세(0.1μm 이하)한 경우에는 1MHz 이상의 스프레이 초음파를 이용하는 것이 보다 효율적일 수도 있다. 본 발명과 관련된 연구에서는 기본적으로 제어 시스템이 부착된 슬러지의 탈수성 개선 및 하·폐수처리장의 처리 효율증대를 위한 초음파 적용을 목적으로 하였으며 주파수는 오염물질의 제거에 일반적으로 사용되는 20kHz를 사용하였다.

초음파를 이용한 슬러지 감량화나 유기물 재이용 등은 적용의 용이성이나 효율성에서 상당히 유효한 기술이나 높은 에너지 요구의 문제로 인해 사용이 기피되고 있는 실정이므로 유입슬러지의 농도변화에 대응해 적정 수준의 cake 함수율을 달성하는데 요구되는 에너지의 투입을 제어할 수 있는 경우 초음파 조사기술의 현장 활용성은 확대 가능한 것으로 판단된다.

하·폐수처리장에서 발생되는 슬러지는 공정의 유형이나 운영방법에 따라 다양한 농도로 배출되는데, 생물학적 공정에서 발생되는 잉여슬러지는 약 5,000-8,000mg/L(0.5-0.8%), 생슬러지는 약 15,000-40,000mg/L(1.5-4.0%), 소화슬러지는 약 20,000-50,000mg/L(2.0-5.0%) 정도가 일반적이나 최근에는 잉여오니를 기계 농축함으로서 2-3%의 농도로 배출하는 경우도 있다.

한편 초음파 이용 기술의 가장 큰 단점요소인 에너지 투입량에 대한 관리를 위해 다양한 연구가 수행되었는데, 나승민(The study of the use of ultrasound for the treatment of sewage sludge, Korea Univ., 2006.12)은 동력과 조사시간 및 시료량을 고려한 특성함수 Ev(=

)를 도출하고 Ev 3,600kJ/L 조사하는 경우 슬러지 용적을 약 30%까지 줄일 수 있고 미처리시 슬러지 cake의 함수율 86%에서 71%까지 개량할 수 있는 것으로 제시하고 있다. 본 개발기술과 관련한 연구과정에서도 다양한 슬러지에 대한 초음파 전처리실험이 수행되었는데, 초음파 처리에 의해 탈수특성 함수인 CST가 단축되어 탈수성이 개선되는 것으로 나타났고, 특히 중요한 점은 초음파 강도와 처리시간 중에서 초음파 강도가 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한, 초음파 강도, 처리시간 및 CST 사이의 관계가 유사한 경향을 갖는 하나의 그래프로 통일될 수 있다는 결론을 얻을 수 있었는데 이는 슬러지의 종류나 농도에 따라 다소 차이는 있으나 초음파 강도와 처리시간에 따른 슬러지의 탈수성과의 관계를 아래의 관계식으로 일반화시킬 수 있음을 의미한다.

Isu(Intensity of Sonication Utilities) =

본 발명에서 초음파 처리장치의 설계함수로 도입하고 있는 매개변수 Isu(Intensity of Sonication Utilities)는 초음파 장치에 요구되는 동력과 초음파 조사 시간 및 처리할 슬러지량에 연관된 일종의 초음파 설계 강도 함수로 개발된 것으로, 도 4에 예시된 바와 같이 Isu가 증가할수록 슬러지의 탈수특성함수인 CST가 감소 즉, 탈수속도가 개선되는 것을 알 수 있어 매개변수 Isu와 탈수특성의 개선이 상당히 긴밀한 상관성이 있음을 알 수 있다. 매개변수 Isu에서 P는 초음파 장치에 공급될 동력량을 kW 단위로 표현한 것이고, t는 초음파 조사시간을 분 단위로, vol은 처리대상 슬러지 부피를 ℓ단위로 나타낸 것이고 n은 슬러지의 종류와 농도에 따른 무차원의 특성함수를 의미한다. 이들 함수요소의 경우 초기 설계단계에서는 슬러지의 종류와 농도 및 처리량에 따라 P와 n 요소가 중요하게 되며 시설이 설치된 후 처리량이나 슬러지특성의 변동에 대응하기 위해서는 동력시설의 증설 등의 변동은 극히 어려우므로 시간함수가 지배적인 설계요소가 된다.

도 4에는 TS(Total Solid) 2.2%(22,000mg/L) 농도의 소화슬러지, TS 6500 mg/L 농도의 잉여슬러지와 TS 2.98%(29,800mg/L) 농도의 축산폐수 슬러지에 대한 초음파 강도함수 Isu의 변화에 따른 탈수특성 함수인 CST의 변화를 보여 주고 있는데, 소화슬러지의 경우 Isu(

) 약 200 내외, 잉여슬러지의 경우 Isu(

) 300 내외, 축산폐수 슬러지의 경우 Isu(

)약 100 내외에서 Isu의 증가에도 불구하고 CST의 개선효과가 급감하는 것을 알 수 있다. 한편, 도 4에 예시된 바와 같이 매개변수 Isu와 CST의 관계는 동일한 초음파처리장치를 사용하더라도 슬러지의 종류와 농도 등 슬러지 특성에 따라 변화되므로 이를 반영하는 함수가 특성함수 n이다.

처리대상 슬러지에 대해 초음파 처리를 수행하고 처리물의 CST변화를 매개변수 Isu 관계식에서 n을 0.1∼3.0의 범위에서 적용하면 도 10에 개시된 그림과 같이 매개변수 Isu와 탈수특성 함수 CST의 상관관계가 가장 높게 산정되는 n값을 결정할 수 있게 되어 매개변수 Isu를 완성하게 된다. 특성함수 n값은 농도가 높을수록 또는 탈수특성이 좋지 않을수록 낮아지는데, 이는 n값이 낮을수록 강도함수인 매개변수 Isu값이 더 크게 요구된다는 것을 의미한다. 일반적으로 하·폐수처리장의 농축슬러지가 1∼3%, 소화슬러지가 1∼4%인 점을 고려하면 본 발명에 따른 연구결과 n값은 약 0.1 ∼1.0이 바람직하며, 0.2∼1.0의 범위가 보다 바람직하다. 본 발명의 공동발명자가 기존에 제시한 매개변수식(공개번호 2003-0097289)에서 사용된 n값 2.5는 실제 처리장에서 발생되는 슬러지농도가 아닌 시험을 위해 슬러지 농도를 2배 이상 희석한 시료를 대상으로 수행한 것으로 초음파 처리장치의 직접적인 설계함수로 사용하기에는 부적합한 값이다.

이와 같이 매개변수 Isu와 특성함수 n의 정의를 통해 초음파 처리장치를 설계하는 경우 슬러지의 종류와 농도에 따라 탈수 특성함수인 CST(Capillary Suction Time)에서 최적 효율점이 존재하며 본 제안공정에서 제시된 강도함수를 토대로 초음파 처리시설의 제원에 대한 설계가 가능하다는 것을 입증하고 있다.

이러한 초음파 강도함수와 CST는 밀접한 상관성을 나타내고는 있지만 CST 시험은 자동화되기 어려운 시험이므로 슬러지의 농도변화에 따른 초음파 처리과정의 제어함수로 직접 활용하기에는 어려움이 있다. 이에 본 발명에서는 관련 연구를 통해 초음파 처리에 따른 슬러지의 점성 변화와 CST의 상관관계를 검토하고 제어함수로 활용가능성을 평가하였다. 도 3과 5는 이러한 연구결과를 보여 주고 있는데, 도 3의 예시에 나타난 바와 같이 슬러지의 농도에 따라 CST와 점성이 밀접한 연관성을 가지고 비례 증가하고 있고 도 5에서는 초음파 강도함수 Isu에 따른 CST의 변화와 거의 유사하게 점성이 변화되는 것을 알 수 있다. 즉, 도 5(a)에 예시된 소화슬러지의 경우 CST의 변화를 고려하는 경우 적정 Isu는 약 150∼200이며 이 경우 점성은 약 250∼300cP의 영역이 적정한 것으로 나타났고 이후에는 Isu가 증가해도 CST와 유사하게 점성의 변화는 거의 나타나고 있지 않다. 도 5(b)는 TS 2.1%의 잉여오니에 대한 연구결과로서 CST를 고려한 적정 Isu는 약 200∼250정도이며 이때의 점성은 145∼160cP 정도로 나타났고 이후 Isu의 증가에도 CST와 유사하게 점성의 변화는 크지 않았다. 따라서 이러한 점성의 변화와 CST의 특성 상관관계를 하·폐수처리장의 운영상태에 따른 슬러지의 농도나 슬러지의 종류에 대한 적용 시험을 통해 적정 운영인자를 확보함으로서 안정적인 탈수효율의 개선과 비용효율적인 초음파 처리공정의 운영을 지원할 수 있게 된다.

한편 도 2는 기존 하수처리장의 운영자료를 통해 도출된 물질수지의 예를 보여 주고 있다. 상기 도 2에 예시로 나타낸 바와 같이 하수처리장의 경우 슬러지 처리공정에서 발생되는 반류수로 인해 상당량의 내부 순환 부하가 발생(질소 기준 유입 하수 대비 약 34.3%)되고 있는데, 발생특성 또한 불연속적이어서 수처리 계통에 상당한 충격부하를 유발하게 되어 처리수질의 안정성을 위협하고 있다. 특히 탈리액의 경우 도 2에 제시된 바와 같이 BOD/N비가 0.4 수준으로 질소,인 처리를 위한 생물학적 고도처리공정의 운영에 상당한 악영향을 주게 되는데, 탈수슬러지에 대한 초음파 전처리는 도 6(b)에 나타난 바와 같이 슬러지 처리공정을 통해 반송될 상등액의 SCOD 함량을 개선할 수 있게 되어 유입하수와 혼합될 반류수의 BOD/N의 개량을 통해 하·폐수처리장의 질소 제거 효율을 개선하는데 기여할 수 있다.

도 6에 제시된 일부가(반류수처리결과가 함께 예시되어 있음) 농축오니와 농축잉여오니에 대한 초음파 전처리 슬러지 상등액의 pH와 SCOD(용해성 COD)변화가 슬러지 전처리의 부산물이라면, 도 1에 표시된 혼합 반류수(16)에 대한 초음파 조사결과도 도 6에 제시된 바와 같이 유사하게 pH와 SCOD의 증가되는 것으로 나타나 슬러지 전처리와 무관하게 반류수의 초음파처리에 의한 하수처리장의 운전효율에 기여할 수 있는 것을 보여 주고 있다. 반류수의 초음파 처리시 강도함수 Isu 150이상에서 SCOD를 2배 이상 증가시킬 수 있으며, 슬러지 전처리와 유사하게 점도를 모니터링하거나, 도 6에 나타난 바와 같이 반류수 특성의 개선 목표에 따라 pH나 SCOD 의 변화를 모니터링함으로써 적정 초음파 처리 시간을 제어할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 제어시스템을 적용한 초음파 처리에 의한 하·폐수처리장의 슬러지 감량화 및 효율 개선을 위한 방법 및 장치에 대해 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명에 따른 하수 처리 방법 및 장치는, 도 1에 나타난 바와 같이 수처리계통(1,2,3,4)과 수처리 과정에서 발생되는 슬러지를 처리하는 공정(5,6,7)으로 구성되어 있는 일반적인 하·폐수처리장에 있어서, 전국 290여 개소의 처리장에서 소화조를 운영하는 처리장은 60여 개소라는 점을 고려하여, 이들 공정에서 소화조가 없는 경우 농축조(5)에서 탈수기(7) 사이, 소화조(6) 있는 경우 소화조(6)와 탈수기(7) 사이에서 슬러지를 초음파로 전처리함으로써, 또한 슬러지 처리 과정에서 발생되는 혼합반류수(16)에 대해 초음파를 적용함으로써 슬러지 발생량 저감과 처리효율을 개선하는데 기여할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 또 다른 측면으로는 반류수(16)에 대해 초음파를 적용함으로써 반류수의 COD/N 비 개선 및 알칼리도 함량 증대 등의 반류수 성상을 개선함으로써 하수처리장의 총괄 수질 및 운영 효율의 개선을 달성할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

즉, 본 발명에 따른 초음파 적용장치는 도 8에 제시된 슬러지 전처리장치(20)의 상세도에 나타난 바와 같이 슬러지 전처리장치(20)를 초음파 접촉부(24∼26), 점도 계측부(28) 및 제어부(27∼31)를 포함하도록 구성하고, 상기 장치의 설계는 먼저 (a) 슬러지와 같은 처리물에 대하여 초음파 강도함수(Isu)를 결정하는 단계로서, 처리대상 슬러지에 대해 초음파 장치의 동력량(P)과 조사시간(t)을 변화시키면서 처리 슬러지의 CST변화를 측정하고 상관관계 분석을 통해 슬러지 농도 등의 특성에 따른 함수 n을 결정함으로써 본 발명자에 의하여 제시된 강도함수 매개변수 Isu(

)를 도출하고, CST 기준의 최적효율점의 Isu를 결정함으로서 대상시료의 탈수성 개량을 위한 가장 효율적인 단위 시간당 슬러지 유입량(Vol)에 대한 접촉시간과 반응조 용량의 설계가 이루어지게 된다. 또한 (b) 상기 결정된 초음파 강도함수에 따라 상기 처리물에 초음파를 조사하고, (c) 상기 초음파가 조사된 처리물의 CST나 SCOD와 같은 목적성상에 상응하는, 점도와 같은 초음파 조사의 운전지표를 측정하는 단계를 거치는데, 앞서 설명된 바와 같이 강도함수 매개변수 Isu에 따라 CST의 감소와 유사하게 슬러지의 점성이 변화되는 것을 활용해 초음파 조사에 따른 슬러지 탈수성의 변화를 자동 점도계(28)에서 계측하게 된다. (d) 상기 점도계의 측정값이 운전 지표의 기준값에 도달하지 않은 경우 상기 초음파 강도함수를 보정하는 과정에 의해 적절한 강도함수로 조사되는 초음파 적용장치를 설계할 수 있다. 여기서 보정되는 것은 초음파 전처리 장치의 유입량과 동력이 일정할 때, 처리물을 초음파 조사 장치로 반송함으로써 조사 시간(t)을 조절하는 것으로 최적 강도함수를 산출할 수 있게 된다. 실제 운용에 있어서는, 측정된 슬러지의 점성이 목표 CST에 상당하는 점성값에 미달하는 경우 제어부(30)에서 제어밸브(29)를 작동시켜 슬러지가 탈수기(7)로 유입되는 것을 차단하고 접촉부(24)로 반송해 추가 초음파 처리를 가능하도록 제어한다. 그리고 유입되는 슬러지 특성의 변화가 상당하므로 측정된 점성이 적정 수준을 달성하는 경우 제어부(30)에서 동력부(31) 제어신호를 보내 초음파 조사를 중지함으로써 과다 에너지 유입을 예방하고 초음파 이용 공정의 가장 문제 요소인 에너지 투입을 효율적으로 제어할 수 있도록 지원한다.

이러한 일련의 과정을 통해 처리공정의 운영에 따른 농도를 포함한 슬러지 특성의 변화에도 불구하고 슬러지를 탈수기 유입 전에 점성 변화 계측을 통한 제어형 초음파 전처리를 수행함으로서 함수량을 기존 80% 내외에서 70% 내외로 감소시키고 최종 슬러지 cake 발생량도 기존 발생량의 약 50% 수준까지 달성할 수 있다는 것이다.

본 발명은 또한 탈수 전처리공정과 반류수(13, 14, 15, 16)에 대해 초음파를 조사함으로서 반류수의 성상 개선에 따른 하·폐수 처리장 효율적 운영 및 수질 개선을 이룰 수 있는 특징을 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이 슬러지의 초음파 전처리에 의해 배출되는 슬러지 cake이 감소되며 감소된 고형물은 초음파 조사 정도에 따라 고형물에서 미세입자 및 완전 용해성 물질로 변화되면서 SCOD/TCOD의 비가 증가되고 pH와 VFA(Volatile Fatty Acid) 함량이 증가된다. 이러한 반류수의 성상 변화는 현재 추진되고 있는 하·폐수 고도처리공정의 운영에 상당한 개선효과를 줄 수 있는데, 이는 생물학적 고도처리공정의 가장 중요한 운영 인자들의 하나가 인 제거를 위한 혐기성공정의 VFA 공급량, 탈질을 위한 무산소 공정에서 탈질에 이용 가능한 RBDCOD (Readily Bio Degradable COD) 요구량 및 호기성 공정에서 완전 질산화를 위한 알칼리도 부족 문제와 연관된 부분이다. 즉, 슬러지에 대한 초음파 전처리 과정에서 배출되는 반류수의 pH 증가는 알칼리도의 증가를 의미하므로 호기성 반응조의 질산화에 필요한 알칼리도 요구량을 지원할 수 있고, 초음파 전처리에 의한 SCOD/TCOD비의 개선 및 VFA 함량의 증가는 각각 혐기조와 무산소조에 필요한 기질 요구량을 지원할 수 있게 된다.

초음파 강도가 클수록 유용한 기질의 생산효과는 높아지며 탈수슬러지 전처리 공정의 경우 탈수효과 개선을 중심으로 운영되는 Isu 100∼200의 운전영역에서는 소화슬러지의 경우 상등액의 SCOD가 약 10-20%, 잉여슬러지는 약 5∼10배까지 증가되었다. 이러한 기능에 대해서는 탈수 슬러지 전처리공정의 부가적인 효과와는 별개로 도 4에 제시된 바와 같이 혼합반류수(16)에 대해 초음파 처리를 수행하는 경우 Isu 200 내외에서 SCOD를 약 2∼5배까지 증가시킬 수 있어 생물학적 고도처리공정에 필요한 유효 기질의 보충이 가능하게 된다. 특히, 반류수의 경우 슬러지 처리공정의 구성과 가동 여부에 따라 농도를 포함한 특성이 급격하게 변화되므로 기존의 일정한 초음파 강도에 대한 시간제어 방식으로는 수질 개선 목표를 유지하기 어려울 뿐 아니라 에너지 손실을 제어하기는 불가능하다. 따라서 반류수의 초음파 처리의 경우에도 앞서 슬러지 전처리시의 초음파 적용 장치의 설계 및 구동과정에 준하되, 점도, pH, 및 COD로부터 선택된 하나 이상을 초음파 조사의 운전지표로 하여 모니터링함으로써 상기 슬러지 전처리와 동일하게 제어부(34, 35, 36)에 의한 초음파 조사의 차단과 반송을 통해 초음파 처리공정을 최적화 운영하는 것을 지원하게 된다(도 9 참조).

이러한 초음파 공정을 이용한 슬러지 전처리 및 반류수 처리공정은 하·폐수처리장의 처리공정에 따라 적용상의 변화가 필수적인데, 혐기성소화조가 있는 경우는 도 7에 나타난 바와 같이 가스발생량 증대를 위해 반류수를 소화조에 재투입(17)함으로써 가스발생량을 증가시킬 수 있고 소화조가 없는 경우 기존 혼합반류수 라인(16)을 통해 침사지로 유입하거나 직접 생물반응조로 유입시켜 생물학적 고도처리공정의 효율 개선을 위한 유기물 공급원으로 활용 가능하다.

또한, 별도의 반류수에 대한 초음파 처리 없이도 슬러지 초음파 전처리과정의 부산물인 상등액의 증가된 SCOD를 이용할 수 있도록 혐기성 소화조로 반송(18)하거나 고도처리공정에 이용을 위해 혼합반류수(16) 형태로 활용이 가능하다.

본 제안 기술의 또 다른 특징은 반류수(16)의 발생특성이 불연속적인 점을 고려해 도 7에 나타난 바와 같이 초음파 처리장치(21)와 일정 시간 이상의 반류수 저류조(22)를 연계함으로서 반류수의 간헐적 배출 특성을 조정해 생물학적 처리조에서 반류수로 인한 불연속적인 충격부하의 발생을 예방함으로서 하·폐수처리장 운전효율의 안정성을 향상시킬 수 있다는 것이다.

설계 예

본 제안에 따른 실질 처리효율을 평가하기 위해 일반적으로 탈수처리가 가장 어렵다고 알려진 축산분뇨 슬러지에 대해 1 ton의 슬러지를 처리할 수 있는 대형 초음파장치와 최대회전속도 2,500 rpm으로 탈수처리 할 수 있는 원심탈수처리장치를 적용해 탈수특성을 조사하였다. 초음파 장치는 주파수 28kHz, 초음파 강도 최대 1200W(5개 단자), 최대 소비 전력 6000W의 초음파 장치와 직경 1m높이 1m 규모의 반응조로 구성하였다. 설계를 위한 조사강도는 축산분뇨 슬러지를 대상으로 본 발명에 관련된 소규모 초음파 처리장치에 의해 전처리시험을 수행하고 CST와 앞서 본 발명에 의한 매개변수 Isu(=

) 분석을 통해 n값을 1.0으로 매개변수 Isu 관계식을 도출하고, CST와 Isu 관계에서 나타난 축산분뇨 슬러지에 대한 최적 Isu 20∼40을 기준으로 적용하였으며, 이때의 점성은 240∼280cP 로 나타났다. 즉, 매개변수 Isu 30을 기준으로 하는 경우 축산분뇨 슬러지 1m³(1000L)를 처리하기 위해 6000W(6.0kW)의 최대 동력을 적용하면 초음파 가동시간은 약 1.4시간이 요구된다. 상기의 설계 조건에 따라 축산분뇨 슬러지에 대해 초음파 처리시설을 운전하면서 가동시간에 따른 슬러지의 CST와 점성을 측정한 결과 설계한 가동시간 1.4 시간 보다 빠른 1.0시간에 점성은 280cP가 되었고 CST는 90sec에 도달하였다.

하기의 표 2는 1시간의 초음파 전처리 전,후 시료를 대상으로 양이온 폴리머를 주입 고형물 기준 0.3% 혼입시켜 원심탈수기에 의해 탈수한 결과를 요약한 것으로 미처리시 약 81.8%의 함수량을 갖는 슬러지를 초음파 처리하는 경우 70.4%까지 수분함량을 줄일 수 있고, 탈수기에 유입되는 슬러지의 TS(Total Solid)도 미처리시 평균 3.2%에서 초음파 처리 한 경우 평균 2.0%로 약 35.7%가 감소되는 것으로 나타났다. 이는 1m³의 슬러지를 초음파 없이 탈수하면 함수량 81.8%의 cake이 약 0.18m³이 발생되고 초음파 처리를 하는 경우 함수량 70.4%의 cake이 약 0.07m³이 발생되어 슬러지 cake의 생산량이 약 40%로 줄어드는 것을 의미한다.

슬러지의 초음파 전처리 유무에 따른 탈수 특성 시험 결과 요약

구분 (시료수: 13)	미처리		초음파 처리
	함수량(%)	유입 TS(%)	함수량(%)	유입TS(%)
평균	81.8	3.2	70.4	2.0
최대	85.0	4.3	72.0	2.7
최소	78.0	2.5	68.0	1.2

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
6. 소화조 7. 탈수기
13. 농축조 반류수 14. 소화조 반류수
15. 탈리액 17, 18 초음파 처리 반류수 반송 라인
20. 슬러지 초음파 전처리장치 21. 반류수 초음파 처리장치
24, 32. 초음파 반응조 24, 32. 초음파 진동자
28, 점도 자동 측정기 29, 34. 밸브
30, 34. 제어기 35. 점도, pH, 또는 COD 측정기

Claims (10)

1. 침사지로부터 유입되는 하수 또는 유기성 폐수의 1차 침전단계, 생물반응조 처리단계, 2차 침전단계, 농축단계, 탈수단계를 포함하는 하수 또는 유기성 폐수의 처리방법에 있어서, 상기 방법은ⅰ) 상기 탈수단계로부터 배출된 슬러지 케이크의 함수율을 저감하기 위해, 상기 탈수단계 이전에 슬러지에 대하여 초음파를 조사하고, 상기 초음파 조사된 슬러지의 점도를 기준으로, 초음파 조사의 중지 또는 초음파 재조사를 위한 재순환 여부를 결정하는 슬러지 초음파 전처리 단계; 및 ⅱ) 상기 농축단계에서 배출되는 농축반류수, 및 상기 탈수단계에서 배출되는 탈리액을 포함하는 혼합반류수에 대하여 초음파를 조사하고, 상기 초음파 조사된 혼합반류수의 pH, COD, 및 점도 중 하나 이상의 운전지표를 기준으로, 초음파 조사의 중지 또는 초음파 재조사를 위한 재순환 여부를 결정하는 반류수 초음파 처리단계; 를 더 포함하며, 상기 초음파는 강도함수 Isu=

   

   (여기서 P는 초음파의 동력(kW 또는 W), t는 조사 시간(min 또는 sec), Vol은 초음파 처리 대상인 상기 슬러지 또는 상기 혼합 반류수의 시료량(L)이며, 상기 n은 0.1 ∼1.0의 범위임)를 기준으로 조사하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은 ⅲ) 상기 초음파 처리된 반류수를 상기 침사지로 재이송시키는 반류수 회송 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 슬러지 초음파 전처리 단계 이전에, 혐기성 미생물을 이용하여 상기 농축 슬러지를 분해하면서 안정화시키는 소화반응단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 혼합 반류수는 상기 소화반응단계에서 배출된 소화반류수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 초음파 처리된 반류수의 일부를 상기 소화반응 단계로 재이송시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 방법.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 탈리액의 전부 또는 일부를 상기 소화반응 단계로 재이송시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 방법.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 슬러지 초음파 전처리 단계는, (a) 유입된 슬러지에 대하여 상기 강도함수를 기준으로 초음파를 조사하는 단계; (b) 초음파 조사된 슬러지의 점도를 측정하는 단계; 및 (c) 초음파 전처리 슬러지가 기준 점도 이하 이면 초음파 조사의 중지 및 후속의 탈수단계로 이송시키고, 기준 점도 이상의 슬러지는 상기 초음파 조사단계로 재반송시키는, 이송 및 재반송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
8. 청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반류수 초음파 처리 단계는, (a) 혼합 반류수를 공급하는 단계; (b)상기 혼합 반류수에 대하여 상기 강도함수를 기준으로 초음파를 조사하는 단계; (c) 초음파 조사된 혼합 반류수 처리수의 점도, pH, 및 COD 중 하나 이상을 측정하는 단계; 및 (d) 측정값이 기준에 도달하는 혼합 반류수 처리수는 상기 반류수 회송단계로 이송시키고, 기준에 미달되는 혼합 반류수 처리수는 상기 초음파 조사단계로 재반송시키는, 이송 및 재반송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
9. (a) 슬러지 및 혼합반류수로부터 선택되는 처리물에 대하여 초음파 강도함수

   

   를 결정하는 단계, 여기서 P는 초음파의 동력(kW 또는 W), t는 조사 시간(min 또는 sec), Vol은 초음파 처리 대상인 상기 슬러지 또는 상기 혼합반류수의 시료량(L)이며, n은 0.1 ∼1.0의 값을 가짐;
   (b) 상기 결정된 초음파 강도함수에 따라 상기 처리물에 초음파를 조사하는 단계;
   (c) 상기 초음파가 조사된 처리물의 목적성상에 상응하는 운전지표를 측정하는 단계; 및
   (d) 상기 운전 지표의 기준값에 도달하지 않은 경우 상기 초음파 강도함수를 보정하는 단계를 포함하며, 상기 운전지표는 상기 처리물이 슬러지인 경우 점도이며, 상기 처리물이 혼합반류수인 경우는 점도, pH 및 COD 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리용 초음파 적용 장치의 설계방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 보정은 상기 조사시간(t)에 대하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리용 초음파 적용 장치의 설계방법.

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