KR101222250B1 - 열팽창과 병합 소화를 이용한 슬러지 감량화 방법 및 시스템 - Google Patents

열팽창과 병합 소화를 이용한 슬러지 감량화 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열팽창 반응기와 가용화 슬러지 병합 설비를 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 슬러지를 연속적인 고온 고압의 조건에서 가수분해 시킨 후 빠르게 압력을 제거하여줌과 동시에 물리적 파쇄를 추가한 열팽창 반응기와 이를 통해 생성된 가용화 슬러지를 일반 슬러지와 적절한 비율로 혼합시켜주는 병합 설비를 포함하는 슬러지 감량화 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 열팽창을 이용한 가수분해와 기계적 파쇄는 슬러지를 감량화하는데 효과가 있으며 이를 통해 감량화된 슬러지는 미생물이 섭취하여 대사하기 쉬운 단당류, 유기산 등으로 가용화되어 전처리 하지 않은 슬러지와 병합하여 혐기소화 시킴으로써 슬러지의 혐기 소화 효율을 증진시키며 소화조 내에서의 체류시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

열팽창과 병합 소화를 이용한 슬러지 감량화 방법 및 시스템{Advanced Sludge Reduction System and Method Using Thermal Expension and Merging Digestion}
본 발명은 열팽창과 병합소화를 이용한 슬러지 감량화 방법 및 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 슬러지를 연속적인 고온 고압의 조건에서 가수분해 시킨 후 빠르게 압력을 제거하여 줌과 동시에 물리적 파쇄를 추가한 열팽창 반응기와 이를 통해 생성된 가용화 슬러지를 일반 슬러지와 적절한 비율로 혼합시켜주는 병합 설비를 포함하는 슬러지 감량화 시스템 및 상기 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법에 관한 것이다.
하수 처리 과정에서 발생되는 고형물인 슬러지는 단순히 폐기물로 간주되지않고 재생 가능한 자원으로 인식되어 바이오 고형물(biosolids)라고 불리우고 있다. 국내 하수처리장은 2003년 말 기준 236개소에서 하루 20,776천 톤의 하수를 처리하고 있으며, 하루 6,199톤(건조중량 기준)의 하수 슬러지가 발생되고 있다.
현재 국내 하수처리장에서 슬러지를 처리하는 대표적인 예는, 최초 및 최종 침전지에서 발생된 생슬러지와 잉여슬러지를 농축조에서 분리 가능한 수분을 제거하여 부피를 감소시킨 후 혐기성 소화를 통해 장기간 안정화시킨 후 탈수과정을 거쳐 고액 분리하여 처리하고 있다. 이렇게 처리되어 최종 케이크 형태로 남은 슬러지는 해양투기나 매립, 소각 등의 방법으로 최종 처분되게 된다.
이와 같은 과정을 거친 최종 하수 슬러지는 함수율이 높고, 유기물질을 다량함유하고 있어 부패하기 쉬운 특성을 가지고 있으며, 처리과정에서 악취 및 해충발생으로 인한 환경피해가 발생할 우려가 있다. 한편 국내의 슬러지의 처분에 소요되는 비용은 2004년 기준 연간 1,760여 억 원에 이르고 있으며 처리 비용 등을 합하면 전체 하수처리 비용의 4060%를 차지하고 있어 향후 하수처리장이 증, 개축으로 인해 급격히 증가할 것을 고려하면 막대한 예산이 소요될 전망이다.
국내 대부분의 하수처리장에 설치되어 있는 혐기성 소화조의 경우, 고형물 농도가 높은 고농도폐수 및 폐기물에 적용 가능하고, 부산물로 메탄가스를 얻을 수 있다는 장점에 반해, 율속 단계인 슬러지의 가수분해 속도가 낮아 긴 체류 시간에도 불구하고 소화효율이 낮고, 메탄가스의 유효 이용 정도도 낮아 실질적인 감량화 및 에너지 회수가 되지 않고 있으며, 탈수성 개선에도 기여하지 못하고 있다.
현재 가장 주목받는 것은 슬러지의 유기물 성분을 활용하는 것으로 생물학적 발효를 통하여 유기산이나, 메탄, 수소와 같은 물질을 생산하여 원료로 이용하는 것이다. 더구나 최근 에너지 가격이 급격히 상승하면서 대체에너지원으로서도 많은 관심을 모으고 있다. 그러므로 국내 실정에 적합한 슬러지 이용 기술은 전처리를 통한 기존 슬러지 처리공정의 효율을 향상시키면서, 이용 가능한 에너지 추출을 극대화하는 방향으로 진행되는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
슬러지 감량화 기술은 슬러지를 가용화할 수 있는 다양한 전처리 기술을 도입하고 가용화된 슬러지 내 유기물을 수처리 공정으로 반송하여 생물반응조에서 분해되도록 하여 슬러지 발생량을 원천 저감하는 기술이다. 주요 방법으로는 오존, 가압파쇄, 수열반응에 의한 슬러지의 감량화 등이 있다. 국내에서는 일본의 슬러지 감량화 및 무배출을 표방한 다양한 기술들이 개발 중에 있다. 대표적으로 오존을 이용한 슬러지 가용화 기술을 A/O 공정에 적용하여 방류수질의 악화 없이 슬러지를 감량할 수 있는 기술, 수산화나트륨 및 초음파를 이용한 슬러지 감량화 기술, 유효 미생물을 이용한 전처리 기술, 이중 주파수를 이용한 전처리 기술 등 경제적이고 효과적으로 슬러지를 가용화 할 수 있는 기술들이 연구개발 중에 있다. 또한 알칼리 전처리를 이용한 슬러지 감량형 MBR(membrane bioreactor) 하수처리 기술이 현재 사업화를 진행 중이다.
그러나, 이러한 슬러지를 가용화하여 감량할 수 있는 기술이 다양하게 개발되어 있음에도 불구하고 슬러지의 가용화율이 높다고 해서 메탄 생성율이나 고형물 감소가 비례하여 늘어나지 않는 것으로 알려져 있고, 슬러지를 전처리하지 않은 메탄 혐기 소화에서 최적의 유기물 제거효율을 나타내는 체류시간은 대략 28일 정도로 보고되고 있으나, 가용화를 위해 전처리된 슬러지의 혐기 소화조에서의 최적 처리시간 등에 대해서도 확실히 알려져 있지 않아 국내 하수처리 실정에 맞는 고도처리 공정과 연계한 저비용, 고효율의 슬러지 가용화 기술 개발이 지속적으로 필요하다.
이에 본 발명자들은 생물학적 하수처리공정 및 하수처리공정 중에 발생하는 유기 폐기물 슬러지를 보다 효율적으로 감량화할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 연속적인 고온 고압 하에서 열팽창을 이용하여 슬러지를 가수분해시켜 감량화 할 수 있고 병합소화를 통한 혐기성 소화조 내에서 메탄 생산과 슬러지 감량에 효율적인 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 열팽창과 병합소화를 이용한 슬러지 감량화 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 열팽창과 병합소화를 이용한 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 슬러지 감량화 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 유입된 슬러지를 예열시키는 슬러지 예열 전처리 장치(10); 상기 슬러지 예열 전처리장치(10)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치에 약품을 공급하는 약품공급 장치(11); (b) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(10) 후단에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치(10)로부터 유입된 슬러지를 열팽창 가용화 장치(30)와 슬러지 병합탱크(40)로 적정량 분배해주는 슬러지 분배장치(20); (c) 슬러지 분배장치와 연결되어 유입된 슬러지를 가수분해 시키는 열팽창 가용화 장치(30); 열팽창 가용화 장치(30) 전단에 설치되어 장치 내 압력을 공급하는 압력 펌프(31) 및 열팽창 가용화 장치 내 설치되어 온도를 조절하는 가열장치(32); 열팽창 가용화 장치(30) 내 설치되어 일정 압력을 유지해주기 위한 압력 컨트롤러(33); 유입된 슬러지를 가수분해 시키기 위한 슬러지 분사 노즐(34) 및 슬러지의 물리적 파쇄를 위한 충돌판(35); (d) 열팽창 가용화 장치(30) 후단에 연결되어 열팽창 가용화 장치와 슬러지 분배장치에서 나오는 슬러지를 병합시켜주는 슬러지 병합탱크(40); (e) 슬러지 병합탱크에 연결되어 병합된 슬러지를 혐기 소화 시키는 혐기성 소화조(50)를 포함하는 슬러지 감량화 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 슬러지 예열 전처리 장치(10)에 유입된 슬러지를 일정 온도 이상 예열시키는 단계; (b) 상기 예열된 슬러지를 슬러지 분배장치(20)를 통해 열팽창 가용화 장치(30)와 슬러지 병합탱크(40)로 적정량 분배해주는 단계; (c) 상기 분배된 슬러지를 압력펌프(31)와 가열장치(32)를 통해 지속적인 고온 고압 상태로 만들어, 열팽창 가용화 장치(30)를 통과시켜 가수분해 시킨 후 고온 고압에서 가수분해 시킨 슬러지를 분사노즐(34)을 통해 지속적으로 분사시켜 충돌판(35)에 충돌시킴으로써, 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물을 가수분해 시키는 단계; (d) 상기 열팽창 가용화 장치(30)를 통해 가수분해 된 슬러지가 슬러지 분배장치(20)를 통해 분배된 가수분해 되지 않은 슬러지와 섞여 슬러지 병합탱크(40) 내에서 병합되는 단계; (e) 상기 병합된 슬러지가 혐기성 소화조(50)에 유입되어 혐기성 소화시키는 단계를 포함하는, 상기 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 열팽창을 이용한 가수분해와 기계적 파쇄는 슬러지를 감량화하는데 효과가 있으며 이를 통해 감량화된 슬러지는 미생물이 섭취하여 대사하기 쉬운 단당류, 유기산 등으로 가용화되어 전처리 하지 않은 슬러지와 병합하여 혐기소화 시킴으로써 슬러지의 혐기 소화 효율을 증진시키며 소화조 내에서의 체류시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열팽창과 병합 소화를 이용한 슬러지 감량화 시스템의 전체적인 개략도이다.
도 2는 본 별명에 따른 열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 내부의 분사 노즐 및 충돌판을 타나낸 도로써, 도 1의 30부분을 확대한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 열팽창과 병합 소화를 이용한 슬러지 감량화 시스템을 이용한 열팽창 가수분해 단계를 거친 슬러지와 거치지 않은 슬러지의 병합 비율에 따른 메탄가스 발생 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 일 관점에서 (a) 유입된 슬러지를 예열시키는 슬러지 예열 전처리 장치(10); 상기 슬러지 예열 전처리장치(10)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치에 약품을 공급하는 약품공급 장치(11); (b) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(10) 후단에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치(10)로부터 유입된 슬러지를 열팽창 가용화 장치(30)와 슬러지 병합탱크(40)로 적정량 분배해주는 슬러지 분배장치(20); (c) 슬러지 분배장치와 연결되어 유입된 슬러지를 가수분해 시키는 열팽창 가용화 장치(30); 열팽창 가용화 장치(30) 전단에 설치되어 장치 내 압력을 공급하는 압력 펌프(31) 및 열팽창 가용화 장치 내 설치되어 온도를 조절하는 가열장치(32); 열팽창 가용화 장치(30) 내 설치되어 일정 압력을 유지해주기 위한 압력 컨트롤러(33); 유입된 슬러지를 가수분해 시키기 위한 슬러지 분사 노즐(34) 및 슬러지의 물리적 파쇄를 위한 충돌판(35); (d) 열팽창 가용화 장치(30) 후단에 연결되어 열팽창 가용화 장치와 슬러지 분배장치에서 나오는 슬러지를 병합시켜주는 슬러지 병합탱크(40); (e) 슬러지 병합탱크에 연결되어 병합된 슬러지를 혐기 소화 시키는 혐기성 소화조(50)를 포함하는 슬러지 감량화 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 슬러지 예열 전처리 장치(10)에 유입된 슬러지를 일정 온도 이상 예열시키는 단계; (b) 상기 예열된 슬러지를 슬러지 분배장치(20)를 통해 열팽창 가용화 장치(30)와 슬러지 병합탱크(40)로 적정량 분배해주는 단계; (c) 상기 분배된 슬러지를 압력펌프(31)와 가열장치(32)를 통해 지속적인 고온 고압 상태로 만들어, 열팽창 가용화 장치(30)를 통과시켜 가수분해 시킨 후 고온 고압에서 가수분해 시킨 슬러지를 분사노즐(34)을 통해 지속적으로 분사시켜 충돌판(35)에 충돌시킴으로써, 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물을 가수분해 시키는 단계; (d) 상기 열팽창 가용화 장치(30)를 통해 가수분해 된 슬러지가 슬러지 분배장치(20)를 통해 분배된 가수분해 되지 않은 슬러지와 섞여 슬러지 병합탱크(40) 내에서 병합되는 단계; (e) 상기 병합된 슬러지가 혐기성 소화조(50)에 유입되어 혐기성 소화시키는 단계를 포함하는, 상기 슬러지 감량화 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용된 용어 ‘열팽창’은 고온, 고압의 상태에서 빠른 속도로 압력을 제거해 주어 미생물을 이루고 있는 세포벽 내지 막을 파괴하는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용된 용어 ‘병합 소화’는 열팽창 가용화 장치를 통해 가용화된 슬러지와 일반 슬러지를 일정 비율로 병합하여 혐기 소화시키는 것을 의미한다.
본 발명에서 슬러지는 하 폐수 처리시설에서 발생하는 슬러지를 의미한다.
본 발명에서는, 유기물(CODcr) 및 고형물(suspended solids, SS)의 제거효율, SCOD/TCOD(soluble COD/total COD) 비와 혐기성 소화율을 확인하였으며, 그 실험결과, 본 발명에 따른 슬러지 감량화 시스템 및 방법을 이용할 경우, 슬러지 처리율이 뛰어나고, 기존 활성 슬러지 공정에 비해 슬러지량이 현저히 저감되는 것을 확인하였다.
본 발명의 열팽창과 병합소화를 이용한 슬러지 감량화 방법 및 시스템에 이용 가능한 생분해성 유기 폐기물로는 그 자체 또는 분쇄 또는 이물질 제거와 같은 전처리 후에 고온 고압 스팀용해기에 의한 고온고압 스팀용해와 미생물에 의한 혐기성 발효가 가능한 물질로서, 예컨대, 음식물 쓰레기, 하수, 오수 또는 폐수 처리용 슬러지, 농수산 폐기물, 임산 폐기물 및 분뇨 등을 모두 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어, 상기 (a) 유입 슬러지 예열 단계는 열팽창 가용화 장치에서 목표 온도까지 가열하는데 걸리는 시간을 단축하기 위한 예비 과정으로써, 예열 단계를 거친 슬러지는 슬러지 분배장치로 유입된다.
상기 (a)슬러지 예열 단계 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 0.1~1.0mm의 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 예열 전처리장치(10)로 주입되어 열팽창 가용화 처리에 앞서 균질화 된다.
본 발명에 있어서, 상기 슬러지 예열 전처리 장치(10)의 외벽은 이중 자켓으로 이루어져 열팽창 가용화 장치(30)에서 발생된 고온의 스팀을 이중 자켓 내부로 통과시켜 필요한 열 에너지를 공급받는 수단으로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 슬러지 분배 단계는 상기 (e) 슬러지 병합 소화 시 가수분해 단계를 거치는 슬러지와 가수분해 단계를 거치지 않는 슬러지와의 비율을 결정하는 단계로써, 분배된 슬러지는 슬러지 가용화 장치(30)와 슬러지 병합 탱크(40)로 각각 주입된다.
본 발명에 있어서, (b) 슬러지 분배 단계를 통해 전체 슬러지 중 일부만을 (c) 가수분해 단계를 거쳐 혐기 소화 단계로 도입시키고, 나머지는 가수분해 시키지 않은 상태로 혐기소화 단계로 도입시켜 병합소화를 일으키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 가수분해 단계는 상기 (b) 슬러지 분배 단계를 거친 슬러지가 고온ㆍ고압을 이용하여 가수분해하는 과정으로써, 가수분해 과정을 거친 슬러지는 슬러지 병합 탱크(40)으로 유입된다.
본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계의 가수분해는 150~180°C, 5~20bar 하에서 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
분배된 슬러지 일정량이 열팽창 가용화 장치(30)로 유입되면 압력펌프(31)에 의해 5~20bar을 유지하게 되고 동시에 내부에 설치된 가열장치(32)에 의해 슬러지의 온도를 150~180°C 로 승온하게 된다. 상기의 조건에 도달된 슬러지는 분사노즐에 의해 빠른 속도로 대기압 상태의 충돌판으로 분사되며 빠르게 제거된 압력에 의한 1차 충격과 충돌판과의 충돌에 의한 2차 충격에 의한 파쇄가 동시에 이루어지며 슬러지 내 함유된 미생물의 가수분해가 이루어지게 된다.
본 발명에 있어서, (c) 가수분해 단계가 이루어지는 열팽창 가용화 장치(30)의 고온ㆍ고압 부는 가늘고 긴 관의 복수체로 이루어져 있어 슬러지가 압력펌프에 의해 유입되어 분사노즐을 통해 배출되는 시간동안 반응 적정온도인 150~180°C까지 승온 시킬 수 있는 구조로 되어 있음을 특징으로 할 수 있다. 또한 5~20bar의 목표 압력에 도달된 후 압력펌프(31)에 의한 유입량과 분사노즐(34)에서의 유출량은 동일하게 조절되어야 하며, 슬러지의 유입과 유출은 동시에 이루어진다. 상기 분사노즐(34)는 구경을 조절하여 슬러지 유출 유량 및 유속을 조절할 수 있는 형태로 할 수 있으며 막힘 현상 발생 시를 대비해 역세척이 가능한 형태를 선택적으로 적용할 수 있다.
상기 (c) 단계의 가수분해 반응 중 5~10bar, 150~180°C 의 조건 이하로 내려갈 경우 압력 컨트롤러(33)에 의한 분사노즐(34)의 폐쇄가 자동으로 이루어지며 5~10bar, 150~180°C 까지 가압 및 가열 과정이 동반됨을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
가압 가열 과정에서 발생하는 고온ㆍ고압의 스팀은 상기 (a) 예열 단계의 슬러지 예열 전처리 장치(10)의 이중 자켓 내로 공급되어 필요한 열에너지 공급원으로 사용 될 수 있다.
상기 가수분해 과정에서 이러한 반응을 촉진하는 산 또는 염기와 같은 화학 물질의 첨가가 선택적으로 포함될 수 있다.
이때, 산 또는 염기는 약품 공급 장치(11)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 염기가 바람직하다.
본 발명에 있어서, (d) 슬러지 병합 단계는 상기 (c) 가수분해 단계를 거친 슬러지와 상기 (b) 슬러지 분배 장치에 의해 가수분해 단계를 거치치 않은 슬러지가 병합되는 단계로써, 교반기(41)를 이용하여 슬러지의 고른 병합을 유도할 수 있음을 그 특징으로 하며, 병합된 슬러지는 (e) 혐기성 소화조(50)로 유입된다.
가수분해 단계를 거친 고온의 슬러지는 슬러지 병합 탱크(40)내로 유입되면서 가수분해 단계를 거치치 않은 상온의 슬러지와 병합되는 비율에 따라 일정 온도 이하로 떨어지게 되나 혐기성 소화 시 적정 수준으로 낮추기 위해 냉각장치를 선택적으로 설치할 수 있다. 이때, 냉각수는 수돗물 등의 청수를 사용할 수도 있으나, 하ㆍ폐수 처리과정에서 발생하는 처리수를 이용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, (e) 혐기성 소화 단계는 상기 (d) 병합 단계를 거친 슬러지를 혐기성 소화시키는 과정으로써, 이러한 과정을 통하여 메탄화 반응을 촉진시킬 수 있다.
결국, 가용화율이 향상된 슬러지와 일반 슬러지를 병합 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.
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. 이때, 혐기성 소화조(50) 내의 pH, 온도, 압력 및 체류시간은 유기 폐기물의 용해 정도를 달성하는데 필요한 수준으로 유지한다.
본 발명에 따른 열팽창과 병합소화를 이용한 슬러지 감량화 시스템은 별도의 공정 변경없이 기존 하수슬러지 처리 공정에 적용이 가능하다.
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 자명할 것이다.
실시예 1: 고온 고압 상태의 열팽창 가수분해에 의한 슬러지 감량화
슬러지의 감량화를 확인하기 위하여 열팽창과 병합 소화를 이용한 슬러지 감량화 시스템을 아크릴 및 스테인레스(STS304) 재질로 제작하여 실험하였다 (도 1 및 도 2 참조). 열팽창 가용화 장치(30)는 유효용량 2L로 운전할 수 있도록 제작하였다.
실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 농축 슬러지로 성상은 표 1과 같다.
채취한 농축 슬러지를 슬러지 예열 전처리 장치(10)로 이송하여 100°C로 예열 한 후, 예열된 슬러지를 별도의 슬러지 분배 없이 열팽창 가용화 장치(30)로 이송하여 180°C, 5bar 의 조건에서 가수분해 시켰다.
분사 노즐(34)을 통해 배출된 슬러지는 충돌판(35)에 의한 물리적 파쇄단계를 거쳐 가수분해 시켰으며, 예열단계부터 충돌판(35)에 의한 물리적 파쇄단계까지의 소요시간은 80분이었다.
측정항목 단위 초기 농축슬러지
성상		 열팽창 가수분해 후
슬러지 성상		 비고
pH 6.12 6.10 약간 감소
TCODcr mg/L 15,230 13,130 13.8% 제거
SCODcr mg/L 823 6,715 약 8.2배 증가
TSS mg/L 14,247 5,260 약 63% 감소
VSS mg/L 9,520 3,460 약 64% 감소
TKN mg/L 2,606 2,711 약간 증가
T-P mg/L 261 273 약간 증가
그 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, TCODcr의 경우, 초기 농축슬러지의 농도가 15,230mg/L에서 열팽창 가수분해 후 13,130mg/L로 약 13.8%의 제거율을 보였으며 SCODcr의 경우, 초기 농축슬러지의 농도 823mg/L에서 열팽창 가수분해 후 6,715mg/L로 약 8배 증가하였다.
또한, 총 고형물(total suspended solids, TSS)은 14,247mg/L에서 5,260mg/L로 약 63%의 제거율을 보였으며, 휘발성용존고형물(volatile suspended solids, VSS)은 9,520mg/L에서 3,460mg/L로 64%의 제거율을 나타내었다.
반면, TKN(Total Kjeldahl Nitrogen) 및 T-P(Total Phophorous)는 큰 변화를 보이지 않았고, 오히려 세포막 내부에 있던 질소 및 인 성분이 용출되어 농도가 약간 상승된 것을 확인할 수 있었다.
Figure 112011054538652-pat00001
상기 수학식 1에 따라 가용화 정도를 계산한 결과, 열팽창 가수분해 전, 5.4%에서 열팽창 가수분해 후, 51.1%로 크게 늘었다.
실시예 2 : 열팽창과 병합 소화를 통한 혐기성 소화 효율
열팽창 가수분해 단계를 거친 슬러지와 거치지 않은 슬러지의 병합 비율에 따른 혐기성 소화를 수행하였다.
실시예 1과 같은 농축 슬러지를 사용하였으며 예열 전처리 장치(10)로 이송하여 100°C로 예열 한 후, 예열된 슬러지를 슬러지 분배 장치를 통해 열팽창 가용화 장치(30)로 투입되는 슬러지와 슬러지 병합탱크(40)로 바로 이송되는 슬러지의 비율을 0:10, 2:8, 4:6, 6:8, 10:0로 조정하며 실험을 진행하였다. 열팽창 가용화 장치(30)로 이송된 슬러지는 180°C, 5bar 의 조건에서 가수분해 시켰다. 분사 노즐(34)을 통해 배출된 슬러지는 충돌판(35)에 의한 물리적 파쇄단계를 거쳐 가수분해 시켰으며, 슬러지 병합 탱크(40)에서 병합된 후 혐기소화조(50)로 이송하여 혐기소화에 따른 메탄 발생량을 측정하였다.
Methane production(g CH4/g VSS)
　 0% 20% 40% 60% 80% 100%
Heat+Pressure (theoretical) 0.00 2.79 5.58 8.37 11.16 13.95
Heat+Pressure (actual) 0.00 2.83 5.49 9.42 12.09 13.95
혐기소화시 발생하는 메탄 생성량을 측정하기 위해 다음과 같은 식을 사용하였다.
Figure 112011054538652-pat00002
여기서, GCA는 GC actual methane area
GCS는 GC standard gas methane area
Figure 112011054538652-pat00003
여기서 메탄가스의 양은 충분히 소화하여 더 이상 바이오가스가 발생하지 않은 시점까지의 누적된 양이며 이론적인 효율계산은 전처리하지 않은 잉여슬러지의 메탄생산량을 0으로 하고 가용화한 슬러지 100%에서 나온 메탄 가스량을 100으로 했을 때 각 비율에 따른 값을 계산한 결과이며 도 3 에 그래프로 표기하였다. Barber에 따르면 가용화된 슬러지의 처리 비율에 따라 혐기소화 효율이 비례하지 않고 처리비율에 비해 혐기소화 효율이 좀 더 높은 구간이 있다고 하였는데, 본 실험에서는 가용화 슬러지 60%와 80%에서는 기울기가 약간 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이 같은 현상을 이용하여 슬러지를 전처리하는데 있어 슬러지 전부를 전처리하는 것보다 일부만 전처리하여 혐기소화조에 보내 소화슬러지 혹은 잉여슬러지와 혼합할 시 투입되는 에너지 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
10: 슬러지 예열 전처리 장치 11:약품공급장치
20: 슬러지 분배 설비 30: 열팽창 가용화 장치
31: 압력 펌프 32: 가열장치
33: 압력 컨트롤러 34: 분사노즐
35: 충돌판 40: 슬러지 병합 탱크
50: 혐기성 소화조

Claims (6)

  1. 다음의 구성성분을 포함하는 슬러지 감량화 및 병합소화 시스템
    (a) 유입된 슬러지를 예열시키는 슬러지 예열 전처리 장치(10)와 상기 슬러지 예열 전처리장치(10)에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치에 약품을 공급하는 약품공급 장치(11);
    (b) 상기 슬러지 예열 전처리 장치(10) 후단에 연결되어, 슬러지 예열 전처리 장치(10)로부터 유입된 슬러지를 열팽창 가용화 장치(30)와 슬러지 병합탱크(40)로 적정량 분배해주는 슬러지 분배장치(20);
    (c) 슬러지 분배장치와 연결되어 유입된 슬러지를 가수분해 시키는 열팽창 가용화 장치(30); 열팽창 가용화 장치(30) 전단에 설치되어 장치 내 압력을 공급하는 압력 펌프(31) 및 열팽창 가용화 장치 내 설치되어 온도를 조절하는 가열장치(32); 열팽창 가용화 장치(30) 내 설치되어 일정 압력을 유지해주기 위한 압력 컨트롤러(33); 유입된 슬러지를 가수분해 시키기 위한 슬러지 분사 노즐(34) 및 슬러지의 물리적 파쇄를 위한 충돌판(35);
    (d) 열팽창 가용화 장치(30) 후단에 연결되어 열팽창 가용화 장치와 슬러지 분배장치에서 나오는 슬러지를 병합시켜주는 슬러지 병합탱크(40);
    (e) 슬러지 병합탱크에 연결되어 병합된 슬러지를 혐기 소화 시키는 혐기성 소화조(50).
  2. 다음 단계를 포함하며, 제1항의 슬러지 감량화 및 병합소화 시스템을 이용하는 슬러지 감량화 방법
    (a) 슬러지 예열 전처리 장치(10)에 유입된 슬러지를 일정 온도 이상 예열시키는 단계;
    (b) 상기 예열된 슬러지를 슬러지 분배장치(20)를 통해 열팽창 가용화 장치(30)와 슬러지 병합탱크(40)로 적정량 분배해주는 단계;
    (c) 상기 분배된 슬러지를 압력펌프(31)와 가열장치(32)를 통해 지속적인 고온 고압 상태로 만들어, 열팽창 가용화 장치(30)를 통과시켜 가수분해 시킨 후 고온 고압에서 가수분해 시킨 슬러지를 분사노즐(34)을 통해 지속적으로 분사시켜 충돌판(35)에 충돌시킴으로써, 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물을 가수분해 시키는 단계;
    (d) 상기 열팽창 가용화 장치(30)를 통해 가수분해 된 슬러지가 슬러지 분배장치(20)를 통해 분배된 가수분해 되지 않은 슬러지와 섞여 슬러지 병합탱크(40) 내에서 병합되는 단계;
    (e) 상기 병합된 슬러지가 혐기성 소화조(50)에 유입되어 혐기성 소화시키는 단계
  3. 제2항에 있어서, 상기 슬러지 예열 전처리 장치(10)의 외벽은 이중 자켓으로 이루어져 열팽창 가용화 장치(30)에서 발생된 고온의 스팀을 이중 자켓 내부로 통과시켜 필요한 열 에너지를 공급받는 수단으로 구비되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, (b) 슬러지 분배 단계를 통해 전체 슬러지 중 일부만을 (c) 가수분해 단계를 거쳐 혐기 소화 단계로 도입시키고, 나머지는 가수분해 시키지 않은 상태로 혐기소화 단계로 도입시켜 병합소화를 일으키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계의 가수분해는 150~180°C, 5~20bar 하에서 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계의 가수분해 반응 중 5~10bar, 150~180°C 의 조건 이하로 내려갈 경우 압력 컨트롤러(33)에 의한 분사노즐(34)의 폐쇄가 자동으로 이루어지며 5~10bar, 150~180°C 까지 가압 및 가열 과정이 동반됨을 특징으로 하는 방법.
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