KR101369930B1 - 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 하수 슬러지를 고온(160~220℃) 및 고압(15~25bar)의 열가수분해 장치에서 반응시킨 후 충돌판이 설치된 대기압 상태의 플래쉬 탱크로 빠르게 분사하여 급격한 온도 및 압력차와 기계적 파쇄에 의해 가용화시킴으로써 하수 슬러지를 미생물들이 섭취 및 대사하기 쉬운 단당류, 유기산 등으로 변환시키는 슬러지 가용화 장치 및 그 방법을 제공하는 것이며, 특히 본 발명에 따른 가용화 장치는 가용화된 슬러지에서 열에너지를 대부분 회수하여 가용화전 슬러지 예열 장치를 다시 예열함으로써 에너지 손실을 최소화시킬 수 있도록 구성된 것이다.
이와 같이 가용화된 하수 슬러지는 혐기성 소화공정에서 메탄화 반응을 촉진시켜 혐기성 소화조의 체류시간 및 반응조의 용량을 획기적으로 줄일 수 있고, 기존 혐기성 소화조에 비해 높은 함량의 메탄(CH₄) 가스를 추가로 얻을 수 있으며, 높은 감량화율을 달성할 수 있는 것이다.

Description

에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치 및 방법{Energy-saving sewage sludge solubilization device and method}

본 발명은 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 하수 슬러지를 고온, 고압의 열가수 분해장치에서 반응시킨 후 충돌판이 설치된 대기압 상태의 플래쉬탱크로 빠르게 분사하여 급격한 온도 및 압력차와 기계적 파쇄에 의해 가용화 시킴에 따라 하수 슬러지를 미생물들이 섭취 및 대사하기 쉬운 단당류, 유기산 등으로 변화시키는 가용화 장치에 관한 것이며, 이때 발생되는 열에너지를 회수하여 가용화 전 예열장치에서 슬러지를 다시 예열할 수 있도록 구성함으로써, 에너지 손실을 최소화하고, 저비용으로 높은 가용화율을 달성할 수 있도록 한 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하수 슬러지란 하수를 처리하는 과정에서 남은 잔재물을 뜻하며, 오니(汚泥)라고도 한다.

이러한 하수 슬러지는 하수처리 수준의 향상 및 산업의 발전 등으로 인해 불가피하게 하수 슬러지의 양도 증가하게 되어 그 처리에 대한 관심이 높아지고 있다.

한편, 2003년 7월부터 도시 하수 슬러지의 육상 직,매립이 금지됨에 따라 그 동안 대부분 처리비용이 저렴한 해양투기방식으로 슬러지를 처리해 왔으나, '런던협약 의정서(1996)' 발효와 함께 폐기물의 해양배출기준이 대폭 강화되면서 2012년부터는 하수 슬러지 등 유기성 오니의 해양방출이 전면 금지된 상태이다.

이에 따라 발생한 하수 슬러지의 안정적이고 경제적인 감량화와 최종처리 및 자원화 등에 관한 방안 모색이 시급한 실정이고, 이와 같은 하수 슬러지의 감량화 방법들은 대부분 수분 감량을 목적으로 하며, 수분 외에 유기물의 감량화를 달성하는 방법으로 혐기성 소화 방법이 유일하다.

우리나라는 대부분 하수 처리장에 혐기성 소화조가 설치되어 있으나, 이들 혐기성 소화조는 소화효율이 낮고, 메탄가스의 유효이용 정도도 낮아 실질적인 감량화 및 에너지 회수가 효과적으로 이루어지지 않고 있다.

이와 같이 하수 처리과정에서 발생되는 하수 슬러지의 감량화는 침전조에서 인발된 하수 슬러지가 농축조에서 농축된 후 혐기성 소화조에서 안정화되거나 물리적인 개량 후 탈수되는 과정을 통해 이루어지고 있다.

그러나 2차 침전조에서 발생하는 잉여 슬러지를 혐기성 소화시키면 호기성 미생물 세포벽의 분해가 어려워 혐기성 소화효율 및 탈수성이 낮아지는 문제를 유발하게 되므로, 잉여 슬러지를 전처리하여 혐기성 소화를 쉽게 하는 가용화 기술을 통해 소화효율 및 슬러지 감량률을 증진시킬 수 있도록 하고 있다.

이와 같은 가용화를 이용한 하수 슬러지의 감량화 기술은 생물학적 감량화 방법, 화학적 감량화 방법, 물리적 감량화 방법, 복합 감량화 방법 등이 있으며, 하수 슬러지의 전처리 방법으로는 농축, 감량화, 안정화, 개량, 탈수 등의 공정을 거치고 있고, 이 중 감량화 공정에서는 혐기성 소화효율을 증가시키고, 소화공정의 안정화를 도모하기 위해 초음파, 가압파쇄, 알카리, 오존산화, 촉매산화, 호기성 호열세균, 열가수분해 등의 가용화 및 감량화 방법을 이용하고 있다.

이러한 감량화 방법에 있어 초음파에 의한 하수 슬러지 감량화 방법은 잉여 슬러지를 초음파와 알카리 처리를 하는 방법으로 가용화시킨 후 생물학적 반응조로 보내 탄산가스와 물로 분해하는 원리로서, 하수 슬러지의 파괴 에너지를 초음파에서 얻기 때문에, 다른 종류의 기술에 비하여 설비가 간단하고, 초기투자비가 저렴한 장점은 있으나, 장치를 대형화시키는데 한계가 있고, 초음파 차체로는 비교적 낮은 가용화율과 알카리를 넣었을 때 높은 처리비용 및 pH를 다시 조절해야 하는 등의 단점 등이 지적되고 있다.

그리고 가압파쇄시스템에 의한 하수 슬러지 감량화 방법은 잉여 슬러지에 포함되는 미분화된 유기물을 인출한 후 압력을 가하여 파쇄(가용화)하고, 이것을 원래의 처리조에 반송하여 재차 분해 처리하는 것으로, 종래의 처리 방법으로 분해할 수 없었던 잉여 슬러지까지도 분해하는 방법이며, 특수한 미생물이나 약제, 오존 발생기 등이 필요없고, 시스템이 컴팩트하여 현장의 설비작업이 용이하지만 단일 공정으로는 낮은 가용화율이 문제가 되고 있다.

또한 오존에 의한 하수 슬러지 감량화 방법은 최종 침전지로부터 인출된 잉여 슬러지를 오존처리 설비로 오존과 접촉시킨 후 포기조로 순환 반송하여 미생물에 의하여 계속 분해되도록 함으로써 하수 슬러지를 감량화하는 원리로 잉여 슬러지를 오존의 강력한 산화작용에 의하여 미생물이 먹기 쉬운 형태, 이른바 생물 분해 가능한 유기물로 변화시키는 것이다.

그리고 가용화 미생물을 이용한 하수 슬러지 감량화 방법은 호열균으로 활성화되어 있는 반응조에 최종침전지에서 인출된 잉여슬러지를 보내 처리한 후에 다시 생물학적 처리 반응조로 순환 반송하여 유기물을 분해한 후 슬러지의 탈수 등으로 감량화 하는 방법으로 호열균 처리된 잉여 슬러지는 폐수처리 반응조에서 미생물에 의해 탄산가스, 물로 분해되고 소멸화되어 용적이 축소되는 특징이 있다.

이처럼 다양한 방법의 하수 슬러지 가용화 기술들이 개발되어 사용화되고 있으나, 현재 가장 효과적인 방법으로 분류되고 있는 기술중 하나가 열가수분해(Thermal hydrolysis)방식이며, 이러한 열가수분해 방식은 고온 및 고압의 반응에서 하수 슬러지를 가수분해시키는 방법으로 가수분해 과정에서 유기물의 일부는 산화되어 저감되고, 단백질, 지방, 셀룰로오스 등의 유기화합물은 소화되기 용이한 단순한 물질로 분해된다.

그러나 열가수분해 방식의 경우 높고, 안정된 가용화 효율 및 하수 슬러지의 탈수성 향상 등 많은 장점에도 불구하고 장치가 고가이며, 에너지 손실이 많은 것이 단점으로 지적되고 있다.

한편, 이러한 열가수분해 방식으로 하수 슬러지를 가용화 시키는 선행기술로서 국내등록특허 10-0849671호 "열팽창을 이용한 슬러지 감량화 시스템 및 방법" 이 이미 제안된 바 있으나, 이러한 종래의 기술 또한 에너지 손실이 많은 문제점을 가지고 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 하수 슬러지 가용화 과정에서 발생 되는 가용화 슬러지의 열에너지 및 스팀의 열에너지를 각각 회수하여 하수 슬러지를 예열함으로써 에너지 손실을 최대한 줄일 수 있도록 한 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치 및 방법과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면,

슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치로부터 유입되는 하수 슬러지를 예열시키며, 내부에는 가용화 슬러지 열교환 장치가 구비되고, 일측에는 스팀 투입장치가 구비된 슬러지 예열 장치;와

상기 슬러지 예열 장치와 연결되며, 내부에는 구동모터에 의해 구동되는 교반기와, 가열장치가 구비되며, 한쪽에는 내부의 압력을 제어하는 컴프레샤가 연결되고, 다른 한쪽에는 내부의 압력을 설정압력 이상이 될 때 자동으로 스팀을 방출하여 압력을 조절해줄 수 있도록 압력 안전장치를 설치하되 상기 압력 안전장치는 슬러지 예열 장치의 스팀 투입장치와 연결되도록 구성된 열팽창 가용화 장치; 및

상기 열팽창 가용화 장치와 연결되며, 내부에는 상기 열팽창 가용화 장치로부터 유입되는 슬러지가 분사될 수 있도록 슬러지 분사노즐이 설치되고, 상기 슬러지 분사노즐의 전방에는 충돌판이 설치되며, 한쪽은 슬러지 예열 장치의 스팀 투입장치와 연결되어 내부에서 발생되는 스팀이 슬러지 예열 장치 내부로 이동될 수 있도록 하고, 다른 한쪽은 슬러지 예열 장치의 내부에 연결되어 내부에서 만들어지는 가용화된 슬러지가 슬러지 예열 장치 내부로 유입될 수 있도록 구성된 플래쉬 탱크;에 관련된 것이다.

바람직하게는, 상기 슬러지 예열 장치 내부로 알카리제가 투입될 수 있도록 슬러지 예열 장치의 일측에 약품탱크를 연결시켜 구성한 것과 관련된 것이다.

바람직하게는, 상기 열팽창 가용화 장치의 내부에 설치된 슬러지 분사 노즐은 그 관경을 4~7.5mm 로 형성하고, 상기 슬러지 분사 노즐의 전방에 위치하는 충돌판은 상기 슬러지 분사 노즐의 전방 0.3~1.0m 에 위치되도록 구성한 것과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면,

열가수분해 방식으로 하수 슬러지를 가용화 시키는 방법에 있어서,

슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치 등으로부터 유입된 슬러지를 슬러지 예열 장치로 이동시켜 예열시키는 단계;와

슬러지 예열 장치에 의해 예열된 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치로 유입된 후 컴프레샤에 가압되고, 교반 및 가열되면서 가수분해되며, 이때 발생되는 스팀은 슬러지 예열 장치로 이동되는 단계;와

열팽창 가용화 장치에 의해 가수분해된 하수 슬러지가 플래쉬 탱크로 유입된 후 슬러지 분사 노즐에 의해 분사되어 충돌판에 충돌되면서 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물이 가수분해되는 단계; 및

플래쉬 탱크에 의해 가수분해되면서 액상의 가용화된 슬러지와 스팀으로 분리되면서 가용화된 슬러지는 슬러지 예열 장치의 가용화 슬러지 열교환기를 통과한 후 혐기성 소화조로 이동되며, 스팀 또한 슬러지 예열 장치의 스팀 투입장치를 통해 슬러지 예열 장치의 내부로 유입되어 혼합 및 예열 되는 단계;와 관련된 것이다.

바람직하게는, 상기 슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치 등으로부터 슬러지가 슬러지 예열 장치로 유입될 때 알카리제가 함께 유입되는 단계; 가 더 포함되는 것과 관련된 것이다.

바람직하게는, 상기 슬러지 예열 장치에 의해 예열된 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치로 유입될 때 컴프레샤에 의해 내부 압력이 5기압이 되도록 가압시킨 후 가열장치를 통해 온도가 160~220℃ 에 도달될 때까지 슬러지를 교반 및 가열하는 것과 관련된 것이다.

본 발명은 열가수분해 방식의 하수 슬러지 가용화 장치가 높은 가용화율을 가지는데 반해 에너지가 많이 소모되고, 열손실 또한 많아 사용에 제한되고 있으나, 열가수분해 및 플래쉬탱크에 설치된 충돌판의 기게적 파쇄 등에 의해 가용화율을 높이고, 하수 슬러지가 가용화되는 단계에서 액상의 가용화 슬러지 및 스팀에 포함되어 있는 열에너지를 각각의 특성에 맞게 분리하여 하수 슬러지를 예열하거나 회수함으로써 에너지의 절감효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치의 개략 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 따라 초기압력에 따른 에너지 소비 및 가용화율을 비교한 그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

우선, 본 발명에 따른 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치는 도 1 에 예시한 바와 같이 크게 슬러지 예열 장치(10)와, 열팽창 가용화 장치(20)와, 플래쉬 탱크(30)로 구분할 수 있으며, 이하 각 구성에 대해 상세히 살펴보면 다음과 같다.

슬러지 예열 장치(10)는,

도면에 도시되지 않은 슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치로부터 유입되는 하수 슬러지를 예열시키는 장치로서, 내부에는 스크류 타입의 가용화 슬러지 열교환기(11)가 내재되고, 일측에는 스팀 투입장치(12)가 구비된 것이다.

열팽창 가용화 장치(20)는,

슬러지 예열 장치(10)와 연결되어 슬러지 예열 장치(10)로부터 유입되는 하수 슬러지는 열가수분해시키는 장치로서, 내부에는 유입된 하수 슬러지를 상하좌우 등으로 균질하게 혼합하여 교반해줄 수 있도록 구동모터에 의해 구동되는 교반기(21)와, 하수 슬러지의 온도를 올려줄 수 있는 가열장치(22)가 구비되며, 일측에는 내부의 초기압력을 높여줄 수 있는 컴프레샤(50)가 연결되어 있고, 상측에는 내부가 설정 이상의 압력이 되었을 때 자동으로 스팀을 방출하여 압력을 낮춰줄 수 있는 압력 안전장치(23)가 구비되며, 그 압력 안전장치(23)는 슬러지 예열 장치(10)의 스팀 투입장치(12)와 연결되도록 구성한 것이다.

플래쉬 탱크(30)는,

열팽창 가용화 장치(20)와 연결되어 열팽창 가용화 장치(20)로부터 유입되는 하수 슬러지 내의 미생물을 가수분해시키는 장치로서, 내부에는 열팽창 가용화 장치(20)로부터 유입되는 하수 슬러지가 분사될 수 있는 슬러지 분사 노즐(31)과, 그 슬러지 분사 노즐(31)의 전방에 위치하여 슬러지 분사 노즐(31)로부터 분사되는 하수 슬러지가 충돌하면서 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 미생물의 플록, 세포벽 등을 2차적으로 가수분해하는 충돌판(32)이 형성되며, 가수분해된 하수슬러지는 슬러지 예열 장치(10)의 내부로 다시 유입되도록 한 것이다.

이때 플래쉬 탱크(30)의 내부에서 발생 되는 고온의 스팀 또한 슬러지 예열 장치(10)의 스팀 투입장치(12)를 통해 슬러지 예열 장치(10)의 내부로 이동될 수 있도록 한 것이다.

도면중 미설명 부호(40)은 슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치로부터 하수 슬러지를 슬러지 예열 장치(10)로의 이동 및 슬러지 예열 장치(10) 내부의 하수 슬러지를 열팽창 가용화 장치(20)로 이동시키기 위한 슬러지 이송 펌프이며, (60)은 슬러지 예열 장치(10)에 알카리제를 투입할 수 있는 약품탱크이고, (70)은 슬러지 예열 장치(10)를 통해 최적으로 가용화된 하수 슬러지가 이동되는 혐기성 소화조이다.

이와 같은 구성에 따른 하수 슬러지 가용화 장치에 의한 가용화 방법을 살펴보면 다음과 같다.

슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치 등으로부터 유입된 슬러지를 슬러지 예열 장치(10)로 이동시켜 예열시키는 단계;와

슬러지 예열 장치(10)에 의해 예열된 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치(20)로 유입된 후 교반 및 가열되면서 가수분해되고, 이때 발생 되는 스팀이 슬러지 예열 장치(10)로 이동되는 단계;와

열팽창 가용화 장치(20)에 의해 가수분해된 하수 슬러지가 플래쉬 탱크(30)로 유입된 후 슬러지 분사 노즐(31)에 의해 분사되어 충돌판(32)에 충돌되면서 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물이 가수분해되는 단계;와

플래쉬 탱크(30)에 의해 가수분해되어 액상의 하수 슬러지와 스팀으로 분리되면서 액상의 하수 슬러지는 슬러지 예열 장치(10)의 가용화 슬러지 열교환기(11)를 통과한 후 혐기성 소화조(70)로 이동되며, 스팀 또한 슬러지 예열 장치(10)의 스팀 투입장치(12)를 통해 슬러지 예열 장치(10)의 내부로 유입되어 혼합 및 예열 되는 단계; 를 통해 이루어지도록 한 것이다.

아울러 슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치 등으로부터 슬러지가 슬러지 예열 장치(10)로 유입될 때 알카리제가 함께 유입되는 단계; 가 더 포함될 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명은 가용화 슬러지에 포함된 에너지를 회수함에 따른 전력량 및 유기물(COD), 고형물(suspended solids, SS)의 제거효율, 용존 유기물(SCOD) 증가율, 슬러지 가용화율을 확인하였으며, 그 실험결과 본 발명에 따른 슬러지 가용화 방법을 이용할 경우 슬러지 처리효율이 뛰어나고, 기존의 열을 회수하지 않고 가수분해하는 열팽창 가용화 장치에 비해 에너지가 더욱 절약될 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치에 이용 가능한 생분해성 유기 폐기물로는 하수 슬러지를 포함하며, 그 자체 또는 분쇄 또는 이물질 제거와 같은 전 처리 후에 미생물에 의한 혐기성 발효과 가능한 물질로서, 이 물질이 제거된 음식물 쓰레기, 고액분리가 수행된 축산, 분뇨, 농수산 폐기물, 유기성 산업 폐기물 등을 모두 포함하나, 이에 한정될 필요는 없는 것이다.

이와 같은 본 발명에 의한 가용화 장치를 통해 하수 슬러지가 가용화되는 과정을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

즉, 슬러지 조장조, 농축조, 탈수장치 등으로부터 하수 슬러지가 슬러지 예열 장치(10)로 유입되면 슬러지 예열 장치(10)에 의해 예열 되는 것인데, 이때 하수 슬러지는 전체 하,폐수 처리과정에서 발생한 1차 잉여 슬러지로 농축과정을 거친 슬러지 혹은 별도의 탈수과정을 거친 슬러지가 바람직한 것이다.

그리고 슬러지 예열 장치(10)에 의해 예열된 일정량의 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치(20)로 유입되면 연속회분식 운전방식에 의해 레벨 스위치(도면중 미도시)가 작동되면서 자동으로 하수 슬러지의 유입이 차단되며, 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치(20)의 내부로 유입되는 것을 제어하는 유입밸브(도면중 미도시)가 닫히게 되는 것이다.

이후 컴프레샤(50)에 의해 열팽창 가용화 장치(20)의 내부 압력이 대략 5기압 정도가 되도록 압축공기를 가하게 되고, 열팽창 가용화 장치(20)의 내부 압력이 대략 5기압 정도에 도달하게 되면 열팽창 가용화 장치(20)의 내부에 구비된 가열장치(22)에 의해 내부 온도가 160℃~220℃ 에 도달될 때까지 하수 슬러지가 교반기(21)에 의해 교반되면서 가열되는 것이다.

이때 하수 슬러지가 가열됨에 따라 밀폐된 열팽창 가용화 장치(20)의 내부 압력은 온도의 상승에 따라 점차적으로 증가하게 되는데, 초기 5기압 정도의 압력을 가했을 경우 220℃ 까지 포화증기가 발생하지 않은 운전 범위가 된다.

여기서 포화증기압이란 액체 표면에서 끊임없이 기체가 증발될 때, 밀폐된 용기의 경우 어느 한도가 되면 증발이 일어나지 않고 안에 있는 용액은 그 이상 줄어들지 않는데, 그 이유는 같은 시간 동안 증발하는 분자의 수와 액체속으로 들어오는 기체분자의 수가 같아져서 증발도 액화도 일어나지 않는 평형 상태가 되기 때문이다.

이러한 상태가 될 때 기체를 그 액체의 포화증기라 하고, 그 압력을 포화증기압이라고 하며, 물의 20기압에서의 포화온도인 213.9℃로써 200℃에서 20기압으로 유지하면 포화증기가 발생하지 않는 범위인데, 이는 포화증기가 발생하면서 손실되는 증발잠열을 막을 수 있어 에너지 효율의 측면에서 유리한 것이다.

따라서 슬러지 예열 장치(10)에서 예열된 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치(20)에서 200℃, 20기압 정도에 도달되어 반응을 종료하기까지 걸리는 시간은 약 30~35분이 소모되며, 플래쉬 탱크(30)로 하수 슬러지가 자동배출될 때까지는 총 40분 정도가 소요되는 것이다.

한편, 이와 같은 가수분해 과정에서 반응을 촉진하는 염기와 같은 화학 물질의 첨가가 선택적으로 이루어질 수 있는 것인데, 이때 염기는 약품탱크(60)를 통하여 슬러지 예열 장치(10)로 유입되도록 할 수 있으며, 염기의 첨가는 유기 폐기물의 가용화 속도 및 정도를 증가시킬 수 있고, 가수분해 후 회수되는 잔여 고형물의 탈수성에도 좋은 영향을 줄 수도 있다.

이와 같은 염기의 예로는 NAOH, KOH, Ca(OH)₂ 및 Mg(OH)₂ 등으로 이루어진 군에서 선택된 염기일 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

그리고 열팽창 가용화 장치(20)를 통해 가수분해된 고온 고압의 하수 슬러지는 플래쉬 탱크(30)로 이동되면서 플래쉬 탱크(30)의 내부에 구비된 슬러지 분사 노즐(31)을 통해 분사된 후 충돌판(32)에 충돌하여 압력차 및 기계적 파쇄에 따라 미생물의 플록, 세포벽 등이 2차적으로 가수분해되는 것이다.

여기서 열팽창 가용화 장치(20)에서 대기압의 플래쉬 탱크(30)로 가용화된 하수 슬러지가 분사될 때 열팽창 가용화 장치(20)의 압력은 가용화된 하수 슬러지의 포화증기압까지 순간적으로 떨어지게 되고, 이후 포화증기압을 유지하면서 일정한 속도로 분사되는 것인데, 분사되는 하수 슬러지중 일부는 급격한 압력의 떨어짐으로 인해 잠열을 소비하면서 수증기로 변하게 되며, 이러한 수증기는 많은 열에너지를 함유하게 되는 것이다.

따라서 가용화된 하수 슬러지는 관을 거쳐 슬러지 예열 장치(10)로 유입시켜 슬러지 예열 장치(10)의 내부에 구비된 가용화 슬러지 열교환기(11)에 의해 에너지가 교환되도록 하므로서, 별도의 냉각단계를 거치지 않더라도 혐기성 소화조(70)에 유입시키는 온도까지 낮출 수 있어 초기 투자비 면에서도 효율적인 것이다.

아울러 열팽창 가용화 장치(20) 및 플래쉬 탱크(30)에서 발생되는 수증기 또한 슬러지 예열 장치(10)의 스팀 투입장치(12)를 통해 슬러지 예열 장치(10) 내부로 투입시켜 가용화 슬러지 열교환기(11)의 열교환시 수증기의 잠열을 이용하여 높은 열 회수와 함께 스팀을 통해 슬러지 예열 장치(10) 내부의 하수 슬러지 교반을 보다 효과적으로 할 수 있는 것이다.

한편, 플래쉬 탱크(30)의 내부에 구비되는 슬러지 분사 노즐(31)의 관경은 4~7.5mm 이고, 이때 분사속도는 15~100m/sec 이며, 충돌판(32)의 위치는 슬러지 분사 노즐(31)로부터 03.~1.0m 에 위치되도록 한 것이다.

이때 슬러지 분사 노즐(31)의 관경이 작으면 하수 슬러지의 분사 속도가 증가하여 가용화율이 증가하지만 4mm 이하에서는 입자 슬러지 등에 의해 막힘 현상 등이 발생하고, 7.5mm 이상에서는 분사속도가 낮아 슬러지의 2차 파쇄 등의 효율이 떨어지게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 가용화 장치를 통해 하수 슬러지를 고온, 고압 상태에서 가용화시킬 때 온도와 압력 그리고 반응시간이 유기물의 가용화 및 고형물의 감량화에 어느 정도 영향을 끼치는지 실험을 하였으며, 슬러지 가용화 장치 등은 통상적으로 하수처리장에서 슬러지 처리 계통중 농축조를 거쳐 소화조에 이송되기 직전의 농축 슬러지의 가용화를 목적으로 하기 때문에 대상 시료는 농축조를 거친 농축 잉여 슬러지를 대상으로 이루어진 것이다.

여기서 대상 시료, 즉 대상 슬러지의 농축 정도는 4~20% 가 바람직하며, 이를 위해 농축방식은 침전을 이용한 중력식 및 원심분리를 이용한 기계식을 이용하여 농축시킬 수 있으며, 이러한 농축방식은 중력식 및 기계식으로 한정될 필요없이 다양한 방식으로 농축시켜 이용할 수 있는 것이다.

또한 가용화 장치의 유효부피는 100L 규모의 파일롯 장치를 이용하였으며, 온도조건은 100℃, 120℃, 140℃, 160℃, 180℃, 200℃ 로 각각 조정하였고, 압력조건은 5kgf/㎠, 10kgf/㎠, 15kgf/㎠, 20kgf/㎠ 으로 각각 반응시킨 것이며, 반응시간은 해당온도에 도달할 때까지의 시간으로 진행하였고, 이때 180℃ 의 5기압 및 200℃의 5기압, 10기압은 포화수증기 이하의 범위로써 운전이 불가능한 것이며, 이러한 실험 결과는 아래 <표 1>과 같다.

온도에 따른 슬러지 가용화율

구분		TCOD		SCOD		TSS		VSS		TSS 제거율 (%)	VSS 제거율 (%)	TCOD 제거율 (%)	가용화율 (%)
		유입	유출	유입	유출	유입	유출	유입	유출
100℃	평균	13570	13243	109	1943	10700	8340	9580	7420	22	23	2	14
	최소	11524	11325	89	1856	10000	7900	9300	7000	21	20	2	12
	최대	14674	14245	135	1990	10900	8600	9700	7700	23	25	3	15
120℃	평균	13570	13162	109	2850	10700	8060	9580	6960	25	27	3	20
	최소	11524	11245	89	2524	10000	7600	9300	6800	22	25	2	19
	최대	14674	14254	135	3032	10900	8500	9700	7100	27	29	4	21
140℃	평균	13570	13111	109	3262	10700	7720	9580	6700	28	30	3	23
	최소	11524	11105	89	2874	10000	7100	9300	6500	27	29	2	22
	최대	14674	14102	135	3491	10900	8000	9700	6900	29	31	4	25
160℃	평균	8426	8218	86	2867	8290	4652	7140	3850	44	46	2	33
	최소	7020	6767	78	2368	7500	4000	6500	3500	41	43	1	31
	최대	12542	12045	101	4201	11000	6500	8800	5000	47	49	4	37
180℃	평균	8426	7725	86	3276	8290	3930	7140	3110	53	57	8	38
	최소	7020	6261	78	2780	7500	3500	6500	2800	50	55	6	38
	최대	12542	11425	101	4856	11000	5500	8800	4000	54	59	11	39
200℃	평균	8151	7175	88	3962	8690	3320	7100	1890	62	74	12	49
	최소	6863	6125	63	3554	7000	2400	6200	1500	59	71	11	45
	최대	11204	9981	134	5113	13500	5200	9800	2800	66	77	14	56

또한 가용화 후 배출되는 슬러지의 폐열을 재활용하여 슬러지 예열 실험을 진행하였으며, 슬러지 예열 장치(10)에 설치된 가용화 슬러지 열교환기(11)는 스크류 타입으로 사관식 열교환기의 일종이며, 탱크 내부 가열용으로 구조가 간단하고, 부식성이 강한 유체에 유리하며, 재질은 SUS304, 관경은 40A, 길이는 10m 이며, 슬러지의 가용화 조건은 200℃, 20kg_f/cm², 가용화 슬러지와 전처리 슬러지 양은 각각 100L이다.

실험은 가용화 완료 후 슬러지를 배출할 때,

슬러지를 가용화 슬러지 열교환기에 통과시켜 예열하는 경우,

발생되는 스팀을 직접 전처리 슬러지에 투입하여 예열하는 경우,

상기 두 가지의 경우를 병행하여 예열하는 경우,

와 같이 세가지의 경우로 구분하여 실험하였으며, 그 차이는 아래 <표 2> 및 <표 3> 과 같다.

예열 후 각각의 온도 상승폭에 따라 공급열량을 계산한 비교표

	예열 전	예열 후
		슬러지	스팀	슬러지+스팀
슬러지 온도변화	30℃	60℃ (30℃ 상승)	78℃ (48℃ 상승)	95℃ (65℃ 상승)
공급열량	-	3000kcal	4800kcal	6500kcal

공급열량 = mㆍcㆍ△T

= 슬러지 양(kg)×비열(1kcal/kgㆍ℃)×온도변화(℃)

여기서 슬러지의 비열은 1로 가정하였으며, 슬러지만으로 예열하였을 경우 공급에너지는 3000kcal로 가장 적었으며, 스팀으로 예열하였을 경우 4800kcal 이었고, 슬러지와 스팀을 병행하였을 경우 6500kcal로 슬러지만으로 예열하였을 경우에 비해 2.2배 더 많은 열량을 공급할 수 있었다.

예열 후 슬러지 가용화를 실시하여 예열을 하지 않은 슬러지와 가용화 시간 및 소비열량을 비교한 비교표

	예열없음	예열
		가용화 슬러지	스팀	가용화 슬러지+스팀
초기온도	30℃	60℃	78℃	95℃
200℃승온 소비시간	51분 28초	40분 55초	36분 18초	31분 26초
200℃ 승온 소비전력	25.3kWh	21.3kWh	18.9kWh	16.7kWh
200℃ 승온 소비열량	21758kcal	18318kcal	16254kcal	14362kcal

<표 3>에서와 같이 슬러지를 예열하지 않고 가용화 하였을 경우 설정온도까지 도달 시간은 51분 28초가 소요되었으며, 소비 열량은 21758kcal 가 소비되었고, 슬러지만으로 예열하였을 경우 시간은 10분 33초 단축되었으며, 소비 열량은 15.8% 감소되었고, 스팀으로 예열하였을 경우 시간은 15분 10초 단축되었으며, 25.3%의 소비 열량이 감소 되었으며, 슬러지와 스팀을 병행하였을 경우 시간은 20분 2초 단축되었고, 소비 열량은 34.0% 절감되었다.

아울러 초기 압력에 따른 에너지 소비의 차이에 대하여,

슬러지를 가용화할 때 설정압력으로의 빠른 도달을 위해 운전 초기에 컴프레샤(50)를 이용해 압력을 상승시켜 주는데, 이때 공급되는 압력의 차이에 따라 설정압력까지의 소비 시간 및 소비 에너지 양이 달라지며, 이와 같이 초기압력의 차이에 따른 소비 시간 및 에너지효율을 비교한 실험을 <표 4 >와 같이 하였으며,

이때 실험조건은,

초기압력을 넣지 않은 경우,

초기에 5kg_f/㎠ 올려 반응을 시작하는 경우,

초기에 15kg_f/㎠ 로 올려 가용화를 시작하는 경우,

와 같은 세가지 조건을 비교하였으며, 슬러지 가용화 조건으로 200℃, 20kg_f/㎠ 로 유입되는 슬러지의 양은 100L 이다.

초기 압력에 따른 에너지 소비의 차이를 나타낸 표

	초기압력 설정없음	초기압력 5kgf/㎠	초기압력 15kgf/㎠
20kgf/㎠ 도달 시간	도달하지 못함 (최종압력 15.6)	35분 10초	13분 07초
200℃ 도달 소비시간(분:초)	-	37분:32초	45분:00초
소비전력(kWh)	-	21.7	26.5
가용화율(%)	-	40.0	39.3
VSS 감소율(%)	-	68.6	66.2

<표 4>에서와 같이,

초기압력을 넣지 않았을 경우 설정온도 도달 시까지 설정압력에 도달하지 않았으며, 초기압력을 5kg_f/㎠ 로 시작했을 경우 20kg_f/㎠ 까지 도달시간은 35분 10초가 걸렸고, 설정온도 200℃ 까지의 최종 도달시간은 37분 32초였다.

그리고 초기압력을 15kg_f/㎠ 로 하였을 경우 압력을 보충해준 만큼 설정 압력인 20kg_f/㎠ 까지 도달시간은 13분 07초로 초기압력 5kg_f/㎠ 보다 22분 03초 단축되었다.

하지만 200℃ 까지 도달시간은 45분 00초로 7분 28초가량 더 소비되는 것을 확인하였으며, 소비전력 또한 26.5kWh 로 18.1% 더 소비되었음을 알 수 있다.

또한 가용화의 경우 초기압력 5kg_f/㎠ 일 때 40%로 초기압력 15kg_f/㎠ 일때의 39.3% 와 큰 차이가 없었으며, VSS 감소율의 경우 68.6%로 초기압력 15kg_f/㎠ 의 66.2% 보다 더 높은 감량을 보였다.

그리고 실험 결과 초기에 압력을 대기압으로 할 경우 설정압력까지 도달하지 않았으며, 높은 압력에서 시작할 경우 설정압력까지의 도달시간은 빠르지만 소비되는 에너지의 양이 많아 적정 압력에서의 가용화가 에너지효율 및 가용화율에 효과적임을 확인하였으며, 이러한 초기 압력에 따른 에너지소비의 차이는 도 2 를 통해나타내었다.

이와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관한 방법을 설명을 하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 슬러지 예열 장치 11 : 가용화 슬러지 예열 장치
12 : 스팀 투입장치 20 : 열팽창 가용화 장치
21 : 교반기 22 : 가열장치
23 : 압력 안전장치 30 : 플래쉬 탱크
31 : 슬러지 분사 노즐 32 : 충돌판
40 : 슬러지 이송 펌프 50 : 컴프레샤
60 : 약품탱크 70 : 혐기성 소화조

Claims (6)

1. 슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치로부터 유입되는 하수 슬러지를 예열시키며, 내부에는 가용화 슬러지 열교환 장치가 구비되고, 일측에는 스팀 투입장치가 구비된 슬러지 예열 장치;
   상기 슬러지 예열 장치와 연결되며, 내부에는 구동모터에 의해 구동되는 교반기와, 가열장치가 구비되며, 한쪽에는 내부의 압력을 제어하는 컴프레샤가 연결되고, 다른 한쪽에는 내부의 압력을 설정압력 이상이 될 때 자동으로 스팀을 방출하여 압력을 조절해줄 수 있도록 압력 안전장치를 설치하되 상기 압력 안전장치는 슬러지 예열 장치의 스팀 투입장치와 연결되도록 구성된 열팽창 가용화 장치; 및
   상기 열팽창 가용화 장치와 연결되며, 내부에는 상기 열팽창 가용화 장치로부터 유입되는 슬러지가 분사될 수 있도록 슬러지 분사노즐이 설치되고, 상기 슬러지 분사노즐의 전방에는 충돌판이 설치되며, 한쪽은 슬러지 예열 장치의 스팀 투입장치와 연결되어 내부에서 발생되는 스팀이 슬러지 예열 장치 내부로 이동될 수 있도록 하고, 다른 한쪽은 슬러지 예열 장치의 내부에 연결되어 내부에서 만들어지는 가용화된 슬러지가 슬러지 예열 장치 내부로 유입될 수 있도록 구성된 플래쉬 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬러지 예열 장치 내부로 알카리제가 투입될 수 있도록 슬러지 예열 장치의 일측에 약품탱크를 연결시켜 구성한 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 열팽창 가용화 장치의 내부에 설치된 슬러지 분사 노즐은 그 관경을 4~7.5mm 로 형성하고, 상기 슬러지 분사 노즐의 전방에 위치하는 충돌판은 상기 슬러지 분사 노즐의 전방 0.3~1.0m 에 위치되도록 구성한 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 장치.
   
4. 열가수분해 방식으로 하수 슬러지를 가용화 시키는 방법에 있어서,
   슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치로부터 유입된 슬러지를 슬러지 예열 장치로 이동시켜 예열시키는 단계;
   슬러지 예열 장치에 의해 예열된 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치로 유입된 후 컴프레샤에 가압되고, 교반 및 가열되면서 가수분해되며, 이때 발생되는 스팀은 슬러지 예열 장치로 이동되는 단계;
   열팽창 가용화 장치에 의해 가수분해된 하수 슬러지가 플래쉬 탱크로 유입된 후 슬러지 분사 노즐에 의해 분사되어 충돌판에 충돌되면서 압력차 및 기계적 파쇄에 의해 슬러지에 함유된 미생물이 가수분해되는 단계; 및
   플래쉬 탱크에 의해 가수분해되면서 액상의 가용화된 슬러지와 스팀으로 분리되면서 가용화된 슬러지는 슬러지 예열 장치의 가용화 슬러지 열교환기를 통과한 후 혐기성 소화조로 이동되며, 스팀 또한 슬러지 예열 장치의 스팀 투입장치를 통해 슬러지 예열 장치의 내부로 유입되어 혼합 및 예열 되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 슬러지 저장조, 농축조, 탈수장치로부터 슬러지가 슬러지 예열 장치로 유입될 때 알카리제가 함께 유입되는 단계; 가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 방법.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 슬러지 예열 장치에 의해 예열된 하수 슬러지가 열팽창 가용화 장치로 유입될 때 컴프레샤에 의해 내부 압력이 5기압이 되도록 가압시킨 후 가열장치를 통해 온도가 160~220℃ 에 도달될 때까지 슬러지를 교반 및 가열하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 하수 슬러지 가용화 방법.
   

Images