KR101352064B1

KR101352064B1 - 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101352064B1
Application number: KR1020130073513A
Authority: KR
Inventors: 유완석; 박한솔; 이강유; 장명순
Original assignee: 장명순; 주식회사 지이글로벌
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-01-24

Abstract

본 발명의 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법은, a) 함수율 90% 이상의 슬러지를 초음파처리하여 상기 슬러지의 내부수를 용출시키는 초음파파쇄공정과, b) 상기 초음파파쇄공정에서 배출된 상기 슬러지를 압축롤링으로 탈수하여 함수율 75~85%의 슬러지를 생산하는 고액탈수공정과, c) 상기 고액탈수공정에서 배출된 상기 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하여 상기 슬러지의 함수율을 50~60%로 낮추는 배합공정과, d) 상기 배합공정에서 처리된 상기 슬러지를 하이드로싸이클론에 주입하고 송풍기를 통해 주입되는 바람을 이용하여 함수율을 더 낮추는 풍화건조공정과, e) 상기 풍화건조공정에서 함수율 10% 이하로 건조된 슬러지를 패킹처리하여 대기중의 수분흡수를 차단하는 건조슬러지폐키징공정;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 슬러지 건조에 따르는 에너지투입량을 줄이고, 건조된 최종산물은 상기 건조최종산물에 무기화합물을 조합하여 바이오베이스플라스틱의 주원료로 활용할 수 있는 장점이 있다.

Description

자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법 및 그 장치{Wastewater sludge treating method and apparatus for Natural resources reuse}

본 발명은 상수 및 하폐수 처리공정에서 발생하는 유기성 폐슬러지를 건조하여 바이오 플라스틱 자원으로 재활용하기 위한 하폐수 슬러지 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.

생활 및 산업활동에서 발생되는 폐기물 처리는 사회적, 지구환경적 측면에서 매우 중요한 부분으로 부상되고 있으며, 2013년부터 런던협약에 의해 해양투기가 금지되는 상황이며, 이에 국토해양부는 2014년부터 육상폐기물의 해양투기를 전면 금지하기 위한 '육상폐기물 해양투기 제로화 추진계획'을 수립하였고, 이에 따른 '해양환경관리법 시행규칙'을 개정하고 있다.

일반적으로 상수 및 하폐수슬러지는 하수, 정수 및 폐수를 정화하는 과정에서 미생물과 각종 약품주입에 의해 발생되는 최종부산물이며, 최종적으로 배출되는 탈수케익의 함수율은 80~90% 정도이다.

슬러지가 포함하고 있는 다량의 유기물은 매우 불안정한 상태로 부패하기가 쉽고, 부패과정에서 악취는 물론 유해한 물질이 발생될 수 있어 즉각 처리하는 것이 바람직하다.

최근까지 하.폐수 처리시설은 신설 또는 증설 및 및 고도의 처리기술로 대체되는 상황으로 처리수의 수질은 향상되는 반면 그 처리공정에서 발생하는 슬러지는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 2007년 말 기준 전국 하수처리시설(500톤/일 이상)에서 발생되는 슬러지의 양은 약 7,500톤/일이며, 2011년 말 기준 9,500톤/일로 증가하였으며, 이들 슬러지중 약 68%는 해양배출, 재활용 15%, 소각 13%, 그리고 육상매립 등으로 처리되고 있다.

이러한 유기성폐슬러지에 대한 직. 매립 및 해양배출 금지 등 폐기물처리에 관한 규제가 강화되면서 유기성폐슬러지에 대한 처리방법 및 재활용기술에 대한 연구가 꾸준히 지속되고 있다. 특히 저탄소. 녹색성장의 패러다임으로 폐슬러지재활용기술 등이 많은 관심을 받고 있으며, 2015년부터 시행되는 탄소배출권거래제를 대응하기 위한 탄소발생 저감기술개발에 많은 투자가 이루어지고 있다.

국내에서 슬러지건조기술로는 간접가열건조방식과 직접가열건조방식으로 구분할 수 있으며, 직접건조방식이 구조적 단순화, 짧은 건조소요시간, 처리용량의 대형화 등에 이점이 있어 많이 활용되고 있으나, 고온의 열풍에 따른 가스발생, 고온 다습한 기류건조로 인한 기기의 내구성저하 등을 초래하고 있다.

상기의 대표적인 기술로 특허 10-0904065는 건조장치인 원통형장치내에 원반형 열전도판을 부착하고 슬러지를 하향으로 이동시키며, 톱니형상의 요철부를 두어 슬러지표면적을 넓혀 열매체와 유기슬러지를 간접가열방식으로 건조하는 기술이 개발되었으나, 열매체유인 정제유 또는 식용유가 투입되고 열매체유 분리를 위한 별도의 공정인 원심분기과정을 포함하고 있다.

상기 처리방법은 슬러지가 하향으로 이송되는 과정에서 슬러지 자체 결합력에 의해 부착되어 간극수 및 표면부착수 이탈에 저해가 되며, 열매체유 공급에 따른 분리공정이 추가되어 에너지소모량을 증가시키는 원인으로 작용하고 있다.

또한 응집제를 투입후 탈수된 슬러지를 건조하는 방식은 플록내부수인 간극수 및 표면부착수 이탈을 저해하여 건조시간 연장 및 건조열량이 다량 투입되는 구조적 문제점을 지니고 있다.

또 다른 국내 슬러지재활용기술로는 슬러지를 탄화처리 후 연료화하는 기술이 대표적으로 활용되고 있으나, 상기와 같은 종래의 연료화기술들은 다양한 첨가제 등을 추가고 있는 실정이고, 이로 인한 불연소화 및 VOCs, 환경공해물질 등이 다량발생하여 인체에 영향을 주고 있다. 또한 발열량 향상을 위하여 폐오일, 폐합성제 등을 첨가하게 되어 대기오염물질을 생성하는 등 다양한 환경오염 배출원이 되고 있다.

최근에는 건조과정에서 소모되는 에너지를 최소화하기 위한 방안으로 감압건조방식이 고안되었다. 상기와 같은 종래의 감압건조기술인 JP2005-007042는 감압챔버내에서 마이크로파를 조사하여 대상물의 온도를 상승시키고, 상기 챔버내에 질소기체를 공급하고 증발된 수분을 챔버외부로 방출하여 대상물을 건조함으로써 에너지소모량을 절감시키고자 하였으나 마이크로파 조사에 따른 높은 에너지소비량과 기체공급/배출에 따른 감압펌프의 연속적 가동이 필수적으로 요구되고 있어 탄소배출량 저감을 위한 연구가 지속적으로 요구되는 상황이다

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로, 정수, 하수 및 폐수처리장에서 발생되는 유기성폐슬러지를 대기온도조건에서 건조시켜 수분함량을 최소화시킴으로써 건조에 따르는 에너지투입량을 줄이고, 건조된 최종산물은 상기 건조최종산물에 무기화합물을 조합하여 바이오베이스플라스틱의 주원료로 활용하여 폐자원의 에너지화, 신.재생에너지로 대체함으로써 저탄소 녹색성장의 성장동력을 마련하기 위한 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법은, a) 함수율 90% 이상의 슬러지를 초음파처리하여 상기 슬러지의 내부수를 용출시키는 초음파파쇄공정과, b) 상기 초음파파쇄공정에서 배출된 상기 슬러지를 압축롤링으로 탈수하여 함수율 75~85%의 슬러지를 생산하는 고액탈수공정과, c) 상기 고액탈수공정에서 배출된 상기 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하여 상기 슬러지의 함수율을 50~60%로 낮추는 배합공정과, d) 상기 배합공정에서 처리된 상기 슬러지를 하이드로싸이클론에 주입하고 송풍기를 통해 주입되는 바람을 이용하여 함수율을 더 낮추는 풍화건조공정과, e) 상기 풍화건조공정에서 함수율 10% 이하로 건조된 슬러지를 패킹처리하여 대기중의 수분흡수를 차단하는 건조슬러지폐키징공정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파파쇄공정은, 미생물 체내 응집수 용출을 위해 상기 슬러지를 초음파처리하여 미생물의 세포벽을 파괴함으로써 간극수와 표면수의 이탈이 용이하도록 하고, 다중초음파를 이용하여 초음파는 케비테이션을 극대화하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은, 저면에 초음파소자를 포함한 초음파 진동부를 구비하고, 액상슬러지를 유입하여 초음파를 이용하여 상기 액상슬러지의 내부수를 용출시키는 액상슬러지탱크를 포함하는 초음파파쇄공정유닛; 상기 초음파파쇄공정유닛의 후단에 설치되며, 상기 초음파파쇄공정유닛으로부터 배출되는 침전슬러지를 압축롤링으로 탈수시키는 압축롤링부재를 포함하는 고액탈수공정유닛; 상기 고액탈수공정유닛의 후단에 설치되며, 상기 고액탈수공정유닛으로부터 배출된 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하는 배합부재를 포함하는 배합공정유닛; 상기 배합공정유닛의 후단에 설치되며, 상기 배합공정유닛으로부터 배출된 슬러지를 회전시켜 함수율을 낮추는 송풍기 및 하이드로 사이클론과, 상기 하이드로 사이클론 내부공기를 냉각시키는 냉각부를 포함하는 풍화건조공정유닛; 및, 상기 풍화건조공정의 후단에 설치되며, 상기 풍화건조공정으로부터 배출되는 건조슬러지를 패킹하는 패킹장치가 구비된 건조슬러지패킹유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치에 의해서도 달성된다.

상기 송풍기의 공기토출압력은, 0.4kgf/㎠내지 1.0kgf/㎠이며, 하이드로싸이클론에서 상기 슬러지의 회전수(RPM)는 600 내지 1,200인 것이 바람직하다.

또한, 상기 하이드로싸이클론의 직경 및 높이는 1:4 내지 1:9이며, 원통형부높이 및 깔대기형부 높이는 1:1 내지 1:3인 것이 바람직하다.

상기 초음파소자는 서로 다른 초음파를 생성하는 동시다중파조사이며, 두 개의 BLT(Bolt Clamped Langevintype Transducer)구조를 갖으며, 초음파 주파수는 케비테이션(Cavitation) 강도가 강한 20kHz ~ 500kHz인 것이 바람직하고,침투력이 강하여 세포벽을 파괴가 용이한 1.0MHz 이상의 초고주파를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치와 그 방법은, 정수, 하수 및 폐수처리장에서 발생되는 유기성폐슬러지를 대기온도조건에서 건조시켜 수분함량을 최소화시킴으로써 건조에 따르는 에너지투입량을 줄이고, 건조된 최종산물은 상기 건조최종산물에 무기화합물을 조합하여 바이오베이스플라스틱의 주원료로 활용할 수 있는 장점이 있으며, 신재생에너지 의무할당제(RPS, Renewable Portfolio Standards)에 대응하고, 석탄연료사용량 및 CO2발생량 감소 등 자원순환형 생태시스템구축에 이바지 할 것이다.

또한, 수분함량을 최소화하고 낮은 온도조건에서 건조시킴으로써 에너지투입을 줄이고, 건조최종산물은 고형연료화, 시멘트소성로 보조연료, 또는 바이오베이스플라스틱의 주원료로 활용 등 폐자원의 에너지화, 신재생에너지로 대체하여 저탄소 녹색성장의 기반이 될 것이다.

또한 초음파처리과정에서 발생되는 유기성물질은 탈질화에 필요한 유기탄소원으로 재활용됨으로써, 국내 하수특성인 유입수질의 낮은 C/N비(유기물/질소 비율), C/P비(유기물/인 비율)에 대응하여 유기탄소원을 경제적이며 안정적으로 운영할 수 있는 대안이라 할 수 있다.

또한 상기 발명에 의한 건조슬러지는 탄화공정을 거치지 않아 막대한 양의 에너지투입량을 절감할 수 있으며, 함수율이 낮아 별도의 가공과정 없이 바이오플라스틱의 주원료로 활용이 가능하여 폐자원의 효율적 재활용방안이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법을 순서적으로 도시한 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치를 도시한 도면이고.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법을 순서적으로 도시한 블록도이고,
도 4는, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법을 순서적으로 도시한 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

종래 슬러지농축, 탈수, 건조기술은 에너지소비가 매우 높은 경향이 있는 바, 에너지효율을 높일 수 있는 슬러지 자원화방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 따른 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법 및 그 장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법을 순서적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치(10)를 도시한 도면으로서, 슬러지 처리장치에서 각 공정들을 점선 박스로 구획하여 표시하였다.

도 1을 참조하면, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법은, 함수율 90% 이상의 생슬러지를 초음파처리하여 슬러지내부수를 용출시키는 초음파파쇄공정(S1)과, 고액분리후 침전슬러지를 배슬하부에서 배출시키고 압축롤링으로 탈수하여 함수율 75~85%의 슬러지를 생산하는 고액탈수공정(S2)과, 상기 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하여 50~60%로 함수율을 낮추는 배합공정(S3)과, 상기 배합공정에서 처리된 슬러지를 하이드로싸이클론에 주입하고 송풍기를 통해 주입되는 바람을 이용하여 함수율을 낮추는 풍화건조공정(S4)과, 상기 풍화건조공정까지를 거치면서 함수율 10% 이하로 건조된 슬러지를 패킹처리하여 대기중의 수분흡수를 차단하는 건조슬러지폐키징공정(S5)을 포함한다.

본 발명의 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법을 수행하기 위한 하폐수 슬러지 처리장치(10)는, 도 2를 참조하면, 초음파파쇄공정유닛(20), 고액탈수공정유닛(50), 배합공정유닛(70), 풍화건조공정유닛(90) 및 건조슬러지 패키지공정유닛(120)으로 구성된다.

초음파파쇄공정유닛(20)은, 액상슬러지 탱크(26), 액상슬러지탱크(26)의 일 측에 연결된 액상슬러지 유입관(21), 액상슬러지 탱크(26)의 바닥에 설치되며 초음파소자(22)를 구비한 초음파진동부(23), 액상슬러지 탱크(26)로부터 오버플로우되는 여액을 하폐수 처리장의 무산소조(미도시)로 배출시키는 여액배출부(24)를 구비한다.

액상슬러지 탱크(26)는 상부가 격벽(28)에 의해 분리된 구조이며, 액상슬러지유입관(21)을 통해 하폐수처리장에서 발생되는 함수율이 90% 이상인 생슬러지(27)를 유입하여 일시 저장하면서, 하부에 설치된 초음파진동부(23)에서 침전되는 슬러지를 파쇄한다.

본 발명의 초음파파쇄공정유닛(20)은, 하폐수 처리장의 최종 침전조로부터 인발되는 잉여슬러지를 악취발생을 최소화하면서 유입시키기 위해 인라인(IN-LINE) 처리방식을 원칙으로 한다. 즉 액상슬러지유입관(21)을 통해 액상슬러지탱크(26)로 액상슬러지(27)가 유입되기 때문에 악취발생을 최소화할 수 있다.

생슬러지(27)가 포함된 수분은 슬러지 외부에 포함되어 있는 자유수, 플록내 미생물 사이에 포함하고 있는 간극수, 간극모관수, 세포외벽의 표면부착수 및 결합수, 세포내 내부수로 구분되나, 물리학적 탈수방식으로 부착수나 결합수, 세포내부수를 탈수하는 데에는 한계가 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 본 발명은, 슬러지내부 즉 미생물 체내 응집수 용출을 위해 슬러지를 초음파처리하여 미생물 세포벽을 파괴함으로써 간극수와 표면수의 이탈을 용이하게 한다. 또한, 슬러지에 조사되는 초음파는 케비테이션을 극대화하기 위하여 다중초음파를 사용하는 것이 바람직하다.

이때 미생물 체내에서 용출되는 고농도 유기성물질을 포함한 탈리여액을 무산소조로 유입시켜 탈질에 필요한 유기탄소원으로 재활용할 수 있다. 이는 국내 현실의 유입수질의 낮은 C/N비(유기물/질소 비율), C/P비(유기물/인 비율)에 대응하여 유기탄소원을 경제적이며 안정적으로 운영할 수 있는 대안이라 할 수 있다.

상기 초음파파쇄공정(S1)은 결합수뿐만 아니라 세포내부수까지 용출시켜 물리적 탈수능력을 높일 수 있고, 후단의 탈수슬러지 건조과정인 풍화건조공정(S4)에서 증발산량의 감소를 유발하여 건조에 필요한 에너지투입량을 대폭 줄일 수 있다.

이때 초음파파쇄공정유닛(20)에 구비된 초음파소자(22)는 서로 다른 초음파를 생성하는 동시다중파조사로서, 두 개의 BLT(Bolt Clamped Langevintype Transducer)구조를 갖고 여러 대역의 다양한 주파수를 생성한다. 또한 초음파 주파수는 케비테이션(Cavitation) 강도가 강한 20kHz ~ 500kHz 내외인 것이 좋고, 침투력이 강하여 세포벽을 파괴가 용이한 1.0MHz 이상의 초고주파를 병행하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 수온상승은 케비테이션(Cavitation) 강도를 감소시키는 인자로 작용하므로, 본 발명에 의한 초음파파쇄공정(S1)은 생슬러지(27)를 연속으로 주입하여 수온상승을 방지함으로써 열에 의한 케비테이션(Cavitation) 강도의 감소를 최소화하는 것이 바람직하다.

여기서 초음파처리된 슬러지는 물성 특성상 응집과정이 요구되는 경우 응집제인 유기성폴리머가 주입될 수도 있다.

고액탈수공정유닛(50)은, 도 2를 참조하면, 압축롤링부재(51), 이를 구동하는 구동모터(57)와 구동축(58)을 포함하는 구동부(55), 압축롤링부재(51)의 하부에 설치된 여액배출부(52), 여액이 배출된 최종 슬러지케익이 배합공정유닛(70)으로 반출되는 슬러지반출부(53)를 구비한다.

초음파파쇄공정유닛(20)에서 초음파로 파쇄된 침전슬러지는 파쇄슬러지배출부(25)를 통해 압축롤링부재(51)로 유입된다. 압축롤링부재(51)는 본 실시 예에서는 스크류부재로 구성되었으며 구동부(55)에 의해 회전구동되면서, 유입된 침전슬러지를 압축 및 회전시키면서 침전슬러지에 남아있는 여액을 물리적으로 쥐어짜서 분리시킨다. 분리된 여액은 자유낙하하여 하부 여액배출부(52)로 배출된다. 고액탈수공정(S2)을 통해 슬러지는 물리적으로 함수율을 낮추게 되며, 함수율 75 -85%의 슬러지가 생산되며, 이 슬러지는 슬러지반출부(53)를 통해 배합공정유닛(70)으로 이동된다.

배합공정유닛(70)은, 고액탈수공정유닛(50)으로부터 배출된 함수율 75 -85%의 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하는 유닛으로서, 배합부재(71)를 포함한다. 배합부재(71)는 도 2를 참조하면, 상술한 압축롤링부재(51)와 동일한 스크류부재로 구성되며 이를 구동하는 구동부(73)도 고액탈수공정유닛(50)의 구동부(55)의 구성과 동일하다. 다만 폭과 길이가 압축롤링부재(51) 및 구동부(55) 보다는 작다. 배합부재(71)는 상술한 슬러지들을 배합하고 배합된 슬러지를 풍화전조공정유닛(90)으로 이송시킨다. 함수율 10% 이하의 건조슬러지는 후술되는 풍화건조공정유닛(90)으로부터 반송되는 것으로 풍화건조공정유닛(90)에서 10% 이하로 건조된 슬러지의 일부를 배합공정유닛(70)으로 반송하여 고액탈수공정유닛(50)으로부터 반출되는 슬러지와 배합한다.

즉, 초음파파쇄공정(S1)에서 배출된 침전슬러지는 물리적 고액탈수과정인 고액탈수공정(S2)을 거치면서 75-85%의 함수율을 가진 슬러지케익으로 변한 후, 함수율 10% 이하의 건조슬러지와 배합되는 배합공정(S3)을 거친 후 배합유닛(71)을 통해 함수율 50-60%로 낮춰진 후 풍화건조공정(S4)으로 이송된다.

풍화건조공정유닛(90)은, 송풍기(91), 원통형부(98)와 깔대기형부(99)를 포함하는 하이드로싸이클론(92), 수냉각부(94)를 포함한다. 송풍기(91)는 이송배관(71)을 통해 배합공정유닛(70)으로부터 유입되는 함수율 50-60%의 슬러지에 공기를 불어 넣어 슬러지를 하이드로싸이클론(92)으로 유입시킨다. 하이드로싸이클론(92)은 원통형상의 사이클론관으로서, 중심에 설치된 기류배출관(93)을 중심으로 슬러지를 회전시키면서 슬러지를 건조시킨다. 하이드로싸이클론(92)에서 원심력에 의해 슬러지는 함수율이 10% 이하로 낮아지고 중력에 의해 낙하되어 일부는 반송배관(96)을 통해 반송되고, 나머지는 이송배관(97)을 통해 건조슬러지패키지공정유닛(120)으로 이송된다. 하이드로싸이클론(92)의 내부 공기는 슬러지에서 제거된 수분과 송풍기(91)에서 불어오는 건조공기로 인해서 온도 및 수분이 상승되고, 이 내부공기는 기류배출관(93)을 통해 수냉각부(94)로 유입되어 물에 의해 냉각되면서 수분을 배출시킨 후 다시 건조한 공기가 되어 송풍기(91)로 유입된다. 즉, 하이드로싸이클론(92) 내부의 높은 습도를 함유하게 되는 기류는 수냉각부(94)를 거치는 과정에서 열에너지를 상실하고 저온건조상태로 변하여 하이드로싸이클론(92)으로 재투입된다. 수냉각부(94)는 일측에 공기의 온도가 내려가면서 응결되는 수분을 포집하는 냉각수액탱크(95)가 구비되고, 이 냉각수액을 사용처로 이송하기 위한 펌프(100)가 구비된다.

공기공급을 위해 구비되는 송풍기(91)는 0.4kgf/㎠내지 1.0kgf/㎠인 바람직하다. 또한 하이드로싸이클론(92) 내부 회전수(RPM)는 600내지 1,200이 바람직하다.

상기 하이드로싸이클론(92)의 직경 : 높이는 1:4 내지 1:9가 바람직하며, 원통형부(98) 높이 : 깔대기형부(99) 높이는 1:1 내지 1:3이 바람직하다.

상기 풍화건조공정(S4)에서는 유입되는 슬러지농도(MLSS)가 높을수록, 슬러지입경(particle size)가 클수록 유리하므로 상기 풍화건조공정(S4)을 통해 처리된 슬러지의 일부는 배합공정(S3)에 재투입된다.

도 1 및 도 2에 도시된 슬러지처리 방법 및 장치에 대한 본 실시 예에서는 재투입되는 건조슬러지가 배합공정의 전단계로만 투입되는 것으로 도시하였으나, 도 3의 블록도와 같이 풍화건조공정(S4)에서 건조된 함수율 10% 이하의 건조슬러지가 고액탈수공정(S2)에 투입되도록 구성할 수도 있다. 고액탈수공정(S2)에 투입될 경우 압축롤링부재(51)에서 건조슬러지와 침전슬러지가 배합되면서 물리적으로 여액을 제거시킨다.

또한, 도 4와 같이, 풍화건조공정(S4)에서 건조된 함수율 10% 이하의 건조슬러지가 고액탈수공정(S2) 및 배합공정(S3)에 분산되어 투입되도록 구성할 수도 있다.

또한 상기 풍화건조공정유닛(90)내 배치되는 하이드로싸이클론(92)은 동일한 슬러지농도(고형물농도)조건에서 압력이 높을수록 고액분리효율을 향상시킬 수 있으므로 하이드로싸이클론(92) 유출구 직경은 송풍기압을 고려하여 산정하는 것이 바람직하다.

또한, 하이드로싸이클론(92)의 체적부하는 50㎥/㎡/day~200㎥/㎡/day가 바람직하나 시설별 슬러지성상 및 특성을 고려하여 산정하는 것이 더욱 바람직하다.

자연상태의 공기가 포함하는 수분은 일반적으로 습도 20~85%로 유지됨을 감안하여 건조효율 향상을 위해 가급적 풍화건조공정(S4)으로 자연상태의 공기가 유입되는 것을 억제시키는 것이 바람직하다. 즉 풍화건조공정(S4) 실현을 위해 구비되는 하이드로싸이클론(92) 내부로 상기 자연상태 공기유입을 최대한 차단하여 냉각처리 대상기체의 양을 낮춤으로써 에너지투입량을 극소화하는 것이 바람직하다.

풍화건조공정(S4)에서 배출되는 고온다습한 기류는 송풍기(91)가 공급하는 풍력에 의해 수냉각부(94)로 이송되고 수냉각부에서 액화과정을 거치면서 전이된 열에너지는 펌프(100)를 통해 난방용수 또는 생물반응조 수온상승에너지로 활용할 수 있다.

상기 풍화건조공정유닛(90)은 1단 또는 다단으로 설치될 수 있으며 처리대상 슬러지성상에 따라 가변적으로 대응할 수 있다.

풍화건조공정(S4) 실현을 위해 구비되는 하이드로싸이클론(92)에 의한 강한 고속기류에 의해 파쇄되는 과정은, 압축, 마찰, 팽창, 폭발 등 다양한 유체공학적 원리에 의해 물분자 즉 수분이 분리된다. 이러한 상기 과정을 수회 내지 수십회 거치며 슬러지함수율은 10% 미만까지 낮아지게 된다.

일반적으로 슬러지를 처리하는 과정에서 악취물질이 발생하게 되는데 고온건조시스템에서는 이러한 악취물질이 다량발생하게 되나, 본 발명은 풍력을 이용하여 수분을 분리하게 되므로 고온에 의한 악취발생이 없어 친환경적 건조방식이다.

본 발명에서 슬러지는 하이드로싸이클론(92)에 주입되되, 반송율 즉 재투입율이 50~95%인 것이 바람직하다.

상기 생산된 건조슬러지는 건조슬러지패키지공정유닛(120)에서 수분이 높은 자연상태의 건조공기가 침투되지 못하도록 밀폐 패킹된다. 건조슬러지패키지공정유닛(120)은 패킹장치(121)를 포함하며, 이러한 패킹장치(121)는 공지기술이므로 설명을 생략한다.

이렇게 생산된 건조슬러지는 바이오플라스틱 원료로 활용될 수 있으며, 바이오플라스틱 조성물로는, 합성수지 65~98중량% 및 건조슬러지 2~35중량%로 조합된 조성물에 선택적으로 무기질필러 5~10중량% 또는 산화규소화합물 2중량%~32중량%, 나노점토 5~35중량%, 전이금속으로 이루어진 중합체 1중량%~33중량%, 혹은 광분해차단제 0.1~10중량%, 생분해촉진제 0.05~2.0중량%를 조합하여 생산된다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 슬러지 처리장치
20:초음파파쇄공정유닛
21:액상슬러지 유입관
22:초음파소자
23:초음파진동부
24:여액배출부
25:파쇄슬러지배출부
26:액상슬러지탱크
27:액상슬러지
50:고액탈수공정유닛
51:압축롤링부재
52:여액배출부
53:슬러지반출부
55:구동부
57:구동모터
58:구동축
70:배합공정유닛
71;배합부재
73:구동부
90:풍화건조공정유닛
91:송풍기
92:하이드로싸이클론
93:기류배출관
94:수냉각부
95:냉각수액탱크
120:건조슬러지패키지공정
121:패킹장치

Claims

a) 함수율 90% 이상의 슬러지를 초음파처리하여 상기 슬러지의 내부수를 용출시키는 초음파파쇄공정과,
b) 상기 초음파파쇄공정에서 배출된 상기 슬러지를 압축롤링으로 탈수하여 함수율 75~85%의 슬러지를 생산하는 고액탈수공정과,
c) 상기 고액탈수공정에서 배출된 상기 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하여 상기 슬러지의 함수율을 50~60%로 낮추는 배합공정과,
d) 상기 배합공정에서 처리된 상기 슬러지를 하이드로싸이클론에 주입하고 송풍기를 통해 주입되는 바람을 이용하여 함수율을 더 낮추는 풍화건조공정과,
e) 상기 풍화건조공정에서 함수율 10% 이하로 건조된 슬러지를 패킹처리하여 대기중의 수분흡수를 차단하는 건조슬러지폐키징공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법.
제 1 항에 있어서, 상기 초음파파쇄공정은,
미생물 체내 응집수 용출을 위해 상기 슬러지를 초음파처리하여 미생물의 세포벽을 파괴함으로써 간극수와 표면수의 이탈이 용이하도록 하고, 다중초음파를 이용하여 초음파는 케비테이션을 극대화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리방법.
저면에 초음파소자를 포함한 초음파 진동부를 구비하고, 액상슬러지를 유입하여 초음파를 이용하여 상기 액상슬러지의 내부수를 용출시키는 액상슬러지탱크를 포함한 초음파파쇄공정유닛;
상기 초음파파쇄공정유닛의 후단에 설치되며, 상기 초음파파쇄공정유닛으로부터 배출되는 침전슬러지를 압축롤링으로 탈수시키는 압축롤링부재를 포함하는 고액탈수공정유닛;
상기 고액탈수공정유닛의 후단에 설치되며, 상기 고액탈수공정유닛으로부터 배출된 슬러지에 함수율 10% 이하의 건조슬러지를 배합하는 배합부재를 포함하는 배합공정유닛;
상기 배합공정유닛의 후단에 설치되며, 상기 배합공정유닛으로부터 배출된 슬러지를 회전시켜 함수율을 낮추는 송풍기 및 하이드로싸이클론과, 상기 하이드로싸이클론 내부공기를 냉각시키는 냉각부를 포함하는 풍화건조공정유닛; 및,
상기 풍화건조공정의 후단에 설치되며, 상기 풍화건조공정으로부터 배출되는 건조슬러지를 패킹하는 패킹장치가 구비된 건조슬러지패킹유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치.
제 3 항에 있어서,
상기 송풍기의 공기토출압력은, 0.4kgf/㎠내지 1.0kgf/㎠이며, 하이드로싸이클론에서 상기 슬러지의 회전수(RPM)는 600 내지 1,200인 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치.
제 3 항에 있어서,
상기 하이드로싸이클론의 직경 및 높이는 1:4 내지 1:9이며, 원통형부높이 및 깔대기형부 높이는 1:1 내지 1:3인 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치.
제 3 항에 있어서,
상기 초음파소자는 서로 다른 초음파를 생성하는 동시다중파조사이며, 두 개의 BLT(Bolt Clamped Langevintype Transducer)구조를 갖으며, 초음파 주파수는 케비테이션(Cavitation) 강도가 강한 20kHz ~ 500kHz인 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치.
제 6 항에 있어서,
상기 초음파소자는 침투력이 강하여 세포벽을 파괴가 용이한 1.0MHz 이상의 초고주파를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 재활용을 위한 하폐수 슬러지 처리장치.