KR101375277B1

KR101375277B1 - 슬러지 처리 방법

Info

Publication number: KR101375277B1
Application number: KR1020130058233A
Authority: KR
Inventors: 고광범; 김희중
Original assignee: 한수테크니칼서비스(주)
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-03-17

Abstract

본 발명은, 미생물 슬러지에 마그네슘 및 염기성 화합물을 첨가한 후, 열가수분해 공정을 수행하여 상기 미생물을 분해함과 동시에 상기 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아와 인산염을 상기 마그네슘과 반응시켜 결정화함으로써, 미생물 슬러지의 배출량을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 침전조에서 잉여 슬러지로 배출되는 미생물 슬러지에서도 재활용할 수 있는 탄소원을 분리할 수 있다.

Description

슬러지 처리 방법{METHOD OF TREATING SLUDGE}

본 발명은 슬러지 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배출되는 슬러지의 양을 저감시킬 수 있는 슬러지 처리 방법에 관한 것이다.

하수 또는 오, 폐수중의 오염물질은 생물화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD)로 표시되는 유기물과 영양염류인 질소와 인으로 크게 구별된다.

지금까지 하수처리설비에서는 유기물을 주된 처리대상으로 하였으며, 영양염류인 질소와 인의 상당부분은 제거되지 못하고 그대로 하천과 호수(lake), 또는 해양 등의 수계로 방류되는 실정이다.

그러나, 만일 하수 중에 질소와 인이 다량 방류되면, 하천과 호수 등의 수계에 부영양화 현상을 초래하고, 해양에 유입될 경우 적조 발생의 원인이 된다. 뿐만 아니라, 이러한 부영양화가 심해지면 악취가 심하게 나고 수질오염이 가중되며, 식수와 용수로의 사용도 제한을 받게 된다.

따라서, 이러한 수계의 부영화를 방지하기 위해서 하수처리장에서 영양염류인 질소화합물이나 인산염을 가급적 충분히 제거시켜야 한다.

한편, 이와 같은 하수 처리를 위한 지금까지의 활성오니(슬러지)방식은, 도 1에 도시된 바와 같이, 혐기조(100), 무산소조(200), 호기조(300) 및 침전조(400)를 이용하여 하수를 생물학적 반응단계들을 거쳐 처리한다. 앞에서 설명한 영양염류인 질소 화합물이나 인산염을 제거시키기 위해서

혐기조(100)에서는 탈인반응이 일어나고, 무산소조(200)에서는 탈질반응이 일어나며, 호기조(300)에서는 혐기조(100)에서 탈인된 인의 과잉섭취 및 질산화과정이 일어나는데, 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

혐기조(100)는 산소가 아예 없는 조로서 용존산소는 물론 산소가 결합된 형태의 이온을 띄고 있는 성분도 없는 조이다. 혐기조(100)는 인 방출을 위해 마련된다. 따라서 혐기조(100)는 인 방출조라 불리기도 한다. 즉 산소가 없는 상태 에서는 미생물이 자가 합성하여 인이 방출되어 나온다.

혐기조(100) 다음의 무산소조(200)는 기체 산소 즉 O₂가 없는 상태의 조이다. 이러한 무산소조(100)에는 호기조(300)로부터 반송된 슬러지로부터 NO₃ ^-, NO₂ ^- 등이 반송되어 들어온다. 미생물은 기체 산소가 없기 때문에 NO₃ ^-, NO₂ ^- 등으로부터 산소이온을 호흡에 사용하게 되므로 질소가스(N₂)가 공기 중으로 방출될 수 있다. 이에 따라 무산소조(200)에서는 탈질반응이 일어나게 된다.

무산소조(200) 다음의 호기조(300)는 미생물이 산소가 존재하는 호기성 상태에서 하폐수를 분해하도록 환경이 조성되는 조이다.

호기조(300)에서 미생물이 혐기조(100)에 발생된 인을 과잉섭취하게 되어 인의 제거가 이루어질 수 있으며, 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환하는 질산화반응이 일어나게 된다.

마지막으로 침전조(400)를 거치면서 약품 등을 이용하여 추가적으로 인이나 질소를 더 제거할 수 있으며, 잉여 슬러지는 배출되고 일부는 또 외부 반송라인을 통해 유입수로 반송된다.

상기와 같은 종래의 슬러지 방식에 의해 처리된 후 배출되는 잉여 슬러지는 대부분이 미생물인 미생물 슬러지로서 지하 매립 또는 해양 투기 방식으로 최종 처리가 된다. 그런데, 상기 지하 매립 또는 해양 투기 방식은 미생물 슬러지에 의한 토양이나 해양의 오염의 원인이 될 수 있는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 미생물 슬러지를 열가수분해하여 그 배출량을 감소시키는 기술이 제안된 바 있다. 한국공개특허 제2011-3515호는 미생물 슬러지를 연속해서 열가수분해를 하는 방법 및 장치를 제안한 바 있다. 하지만 한국공개특허 제2011-3515호는 열가수분해 공정 조건만 개선하여 발생되는 미생물 슬러지의 저감에 한계가 있다.

특허문헌 1: 한국공개특허 제2011-3515호

본 발명은 미생물 슬러지의 발생량을 저감할 수 있는 슬러지의 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 미생물 슬러지 중에서 인과 질소 성분을 탄소원과 분리할 수 있는 슬러지의 처리 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 미생물 슬러지의 발생량의 저감과 탄소원의 분리를 동시에 수행할 수 있는 슬러지의 처리 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 미생물 슬러지에 포함된 탄소원을 재활용할 수 있는 슬러지의 처리 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

1. 미생물 슬러지에 마그네슘 및 염기성 화합물을 첨가한 후, 열가수분해 공정을 수행하여 상기 미생물을 분해함과 동시에 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아와 인산염을 상기 마그네슘과 반응시켜 결정화하는 슬러지의 처리 방법.

2. 위 1에 있어서, 상기 염기성 화합물은 상기 미생물의 분해를 촉진시키는, 슬러지의 처리 방법.

3. 위 2에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화나트륨인, 슬러지의 처리 방법.

4. 위 1에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화마그네슘인, 슬러지의 처리 방법.

5. 위 1에 있어서, 상기 염기성 화합물로 수산화마그네슘을 첨가하고 별도의 마그네슘은 첨가하지 않는, 슬러지의 처리 방법.

6. 위 1에 있어서, 160 내지 200℃의 온도와 16 내지 20 기압에서 수행되는, 슬러지의 처리 방법.

7. 위 1에 있어서, pH 8.5 내지 12에서 수행되는, 슬러지의 처리 방법.

8. 위 1에 있어서, 상기 미생물 슬러지는 탈수 처리된 것인, 슬러지의 처리 방법.

9. 위 1에 있어서, 상기 미생물 슬러지는 폐수 처리 공정 또는 하수 처리 공정을 거쳐 생성되는 것인, 슬러지의 처리 방법.

10. 위 1에 있어서, 상기 분해된 미생물에서 유래하는 탄소 성분은 인 방출 공정의 탄소원으로 사용되는, 슬러지의 처리 방법.

11. 위 1에 있어서, 상기 분해된 미생물에서 유래하는 탄소 성분은 탈질 공정의 탄소원으로 사용되는, 슬러지의 처리 방법.

12. 위 1에 있어서, 상기 분해된 미생물에서 유래하는 탄소 성분은 혐기성 소화의 탄소원으로 사용되는, 슬러지의 처리 방법.

13. 위 1에 있어서, 상기 열가수분해 공정 및 결정화 단계를 거친 슬러지는 함수율이 30 내지 50중량%인, 슬러지의 처리 방법.

본 발명의 슬러지 처리 방법은 미생물 슬러지를 열가수분해 처리하여 미생물을 분해하여 미생물 체내에 존재하는 수분을 제거할 수 있게 함으로써 미생물 슬러지의 배출량을 현저하게 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 슬러지 처리 방법은 열가수분해 처리되어 분해되는 미생물에서 유래하는 성분 중 암모니아와 인 성분을 결정화하는 공정을 열가수분해와 동시에 수행함으로써, 질소나 인의 농도가 낮고 탄소원을 상대적으로 높은 농도로 포함하는 처리 결과물을 얻을 수 있다.

이렇게 얻은 미생물 유래 탄소원은 별다른 처리 없이 재활용 공정에 투입될 수 있다. 얻어진 탄소원은 인 방출 공정 또는 탈질 공정의 탄소원으로 사용되거나, 혐기성 소화의 탄소원(바이오 매스)으로 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 슬러지 방식의 수처리 방법의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 미생물 슬러지 처리 방법의 일 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 미생물 슬러지 처리 방법의 다른 일 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 미생물 슬러지 처리 방법의 또 다른 일 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명은, 미생물 슬러지에 마그네슘 및 염기성 화합물을 첨가한 후, 열가수분해 공정을 수행하여 미생물을 분해함과 동시에 상기 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아와 인산염을 상기 마그네슘과 반응시켜 결정화함으로써, 미생물 슬러지의 배출량을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 침전조에서 잉여 슬러지로 배출되는 미생물 슬러지에서도 재활용할 수 있는 탄소원을 분리할 수 있다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 2에는 본 발명의 슬러지 처리 방법이 구현되는 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.

생물학적 처리의 대상(하수, 오수, 폐수 등)은 통상적인 처리 공정, 예를 들면 생물학적 처리, 구체적으로는, 혐기조(100), 무산소조(200), 호기조(300), 침전조(400)를 거쳐 생물학적 처리 공정을 거치게 되며, 이후 침전조(400)에서 배출되는 잉여 슬러지는 필요에 따라 탈수 처리한 후에 본 발명에 따른 슬러지 분해조(500)에 투입된다.

슬러지 분해조(500)에서는 침전조(400)에서 탈수처리를 거쳐 이송된 미생물 슬러지에 마그네슘 및 염기성 화합물을 첨가한 후, 열가수분해 공정을 수행하여 상기 미생물을 분해함과 동시에 상기 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아와 질소를 상기 마그네슘과 반응시켜 결정화하는 공정이 수행된다.

침전조(400)로부터 슬러지 분해조(500)에 유입되는 미생물 슬러지는 미생물이 대부분인데, 미생물의 구성 성분 중 대부분이 세포액을 형성하는 수분이다. 그러므로 미생물 슬러지의 양을 저감하기 위해서는 미생물 내부의 세포액을 세포 밖으로 배출시켜야만 한다.

그런데, 미생물은 단단한 세포벽으로 둘러싸여 있을 뿐만 아니라 삼투압이 작용하므로, 기계적 탈수 공정으로는 미생물의 세포벽을 파괴하거나 세포벽 내부의 세포액을 외부로 배출시킬 수 없다. 통상적으로, 미생물 슬러지는 탈수 공정을 거친다고 해도 함수율이 약 70 내지 85중량%에까지 이르게 되어, 탈수 공정을 거치더라도 미생물 슬러지의 총 량은 크게 저감되지 않는다.

이에, 본 발명의 슬러지 처리 방법은 미생물의 세포벽을 파괴하여 미생물을 분해할 수 있는 열가수분해 공정을 포함한다.

본 발명에 따른 열가수분해 공정은 미생물의 세포벽을 구성하는 단백질이 분해될 수 있는 온도 및 압력 범위에서 수행된다. 예를 들면, 160 내지 200℃의 온도 및 16 내지 20 기압의 조건에서 수행될 수 있다. 상기 범위에서 물의 수소 이온과 수산화 이온의 농도가 세포벽을 형성하는 단백질의 가수분해에 필요한 수준에 도달하게 된다. 실제 공정에서 채택되는 온도와 압력은 상기 범위 내에서 구체적인 처리 환경에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 상기 온도 범위에서 물을 액상으로 유지하기 위해서는 해당 온도에 대응하는 물의 증기압 곡선 상의 압력보다 높은 압력을 유지하도록 한다.

가수분해가 진행되면, 단백질을 형성하는 원소 간의 공유결합이 깨어지고, 단백질은 저분자의 유기물로 분해되면서 물에 용해된다. 그에 따라 세포막은 분해되고 삼투압은 소멸되어, 미생물은 고형분과 수용액 형태로 분해된다.

이와 같이 열가수분해 공정을 통해 미생물 슬러지의 분해가 이루어지면, 미생물 슬러지의 함수율은 30 내지 50중량%까지 저하된다. 이와 같이 미생물 슬러지의 함수율이 현저하게 낮출 수 있게 되므로 배출되는 슬러지의 양을 현저하게 감소시킬 수 있다.

한편, 미생물 슬러지의 열가수분해 공정을 거친 후 얻어지는 수용액에는 미생물에서 유래한 다양한 성분들이 용해되어 있다. 그 중에서 미생물에서 유래된 탄소 성분은 재활용이 가능하다. 예를 들면, 혐기조(100) 또는 무산소조(200)에 투입되어 인 방출 공정 또는 탈질 공정의 탄소원으로 사용될 수 있다. 도 2에는 일 실시예로서, 분해된 미생물 유래의 탄소원이 혐기조(100)에 투입되어 인 방출 공정의 탄소원으로 사용되는 공정이 개략적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 다른 일 실시예로서, 분해된 미생물 유래의 탄소원이 무산소조(200)에 투입되어 탈질 공정의 탄소원으로 사용되는 공정이 개략적으로 도시되어 있다.

한편, 미생물 세포는 질소 성분(암모니아)이나 인 성분(인산염)도 포함하고 있으므로, 분해된 미생물의 수용액에는 상기 질소 성분이나 인 성분도 높은 농도로 탄소 성분과 함께 물에 용해된 상태로 존재하게 된다.

그런데, 분해된 미생물 수용액에 존재하는 높은 농도의 질소 성분이나 인 성분이 그대로 탄소 성분과 함께 무산소조(200)에 투입되게 되면, 무산소조(200)의 탈질 공정을 저해하는 원인이 된다.

이에, 본 발명은 미생물 슬러지의 열가수분해 공정에서 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아와 인산염의 분리 공정이 동시에 수행되는 슬러지 처리 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 암모니아와 인산염은 결정화시켜 분리한다. 이를 위해 열가수분해 공정을 수행하기 전에 미생물 슬러지에 마그네슘을 첨가한다. 첨가된 마그네슘은 열가수분해 공정을 통해 미생물이 분해되어 배출되는 암모니아 및 인산염과 반응하여 마그네슘-암모늄-인산염 결정(struvite)을 형성하게 된다. 결정이 성장함에 따라 분해된 미생물 수용액 중의 암모니아 및 인산염의 농도는 감소되고 상대적으로 순수한 탄소원을 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 슬러지 처리 방법은, 열가수분해 공정 전에 미생물 슬러지에 미리 마그네슘을 첨가하기 때문에, 미생물의 열가수분해 공정과 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아 및 인산염의 제거(결정화 공정)가 하나의 조(슬러지 분해조(500))에서 실질적으로 동시에 이루어진다. 따라서, 상기 결정화 공정도 열가수분해 공정 조건, 예를 들면 온도와 압력 조건에서 수행된다. 그러므로, 결정화 공정을 위한 별도의 설비가 필요하지 않다. 그 결과, 미생물이 분해됨과 동시에 상대적으로 순수한 탄소원의 수득이 가능하다.

첨가되는 마그네슘은 마그네슘 단독으로 첨가될 수도 있고, 마그네슘염 형태로 추가될 수도 있다. 균일한 혼합을 위해서는 수용성의 마그네슘염 형태로 투입하는 것이 바람직하다.

마그네슘-암모늄-인산염 결정(struvite)은 마그네슘, 질소, 인이 몰비로 1:1:1로 반응하여 형성된다. 따라서, 마그네슘의 첨가량은 존재하는 미생물의 양을 고려하여 첨가할 수 있다. 암모니아와 인산염은 제거될수록 바람직하므로 마그네슘을 다소 과량으로 첨가하여도 무방하다.

또한, 마그네슘-암모늄-인산염 결정(struvite) 생성 반응은 염기 조건에서 수행되므로, 반응계(슬러지 분해조(500))는 염기 분위기를 유지한다. 따라서, 유입되는 미생물 슬러지에 염기성 화합물을 첨가하고, 실질적으로 동시에 수행되는 열가수분해 공정도 염기 분위기에서 수행되도록 한다. 이러한 측면에서, pH는 8.5 내지 12로 유지하는 것이 바람직하다.

첨가되는 염기성 화합물은 염기 분위기를 유지하고 열가수분해 공정 및 결정화 공정을 저해하지 않는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 마그네슘, 수산화칼슘 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 측면에서, 염기성 화합물로 수산화나트륨을 사용할 수 있다. 수산화나트륨은 반응계를 염기 분위기로 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미생물 세포벽의 분해를 촉진시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 슬러치 처리를 보다 신속하게 수행할 수 있도록 할 수 있고, 보다 많은 슬러지를 처리할 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 측면에서, 염기성 화합물로 수산화마그네슘을 사용할 수 있다. 수산화마그네슘은 반응계를 염기 분위기로 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 마그네슘-암모늄-인산염 결정(struvite) 생성 반응의 마그네슘원이 될 수 있다. 따라서, 염기성 화합물로 수산화마그네슘을 사용하는 경우에는 별도의 마그네슘을 첨가하지 않은 점에서 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 분해된 미생물에서 유래하는 탄소 성분을 혐기성 소화의 탄소원으로 사용할 수 있다. 도 4에서는 분해된 미생물에서 유래하는 탄소원을 혐기성 소화조(600)로 이송하는 슬러지 처리 방법이 구현되는 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.

혐기성 소화는 유기물(바이오매스)을 혐기성 상태 하에서 별도의 미생물을 사용하여 메탄가스나 탄산가스와 같은 에너지원으로 변환시키는 공정이다. 따라서, 본 발명에 따르면 분해된 미생물(바이오매스)을 에너지원으로 재활용할 수 있다. 혐기성 소화는 호기성 처리에 비해 슬러지의 발생량이 적으며, 슬러지의 건조나 탈수가 쉬운 장점도 있다.

한편, 혐기성 소화에 있어서도, 암모늄이나 인(P)은 과잉인 경우 독성 물질로 작용하게 된다. 따라서, 혐기성 소화조(600)는 전술한 바와 같이, 열가수분해 및 결정화 공정을 통해 미생물 슬러지에서 미생물을 분해하고 미생물 유래의 암모니아와 인산염을 제거하는, 본 발명에 따른 슬러지의 처리 방법에 매우 유용하게 도입될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 열가수분해 공정 및 결정화 단계를 거친 슬러지는 함수율이 30 내지 50중량%로 감소되고 탈수 공정, 여과 공정 등을 더 거치게 되면 배출되는 슬러지의 양을 현저하게 저감시킬 수 있다. 또한, 분해된 미생물에서 유래하는 영양물질인 암모늄 및 인산염을 미생물 분해와 동시에 결정화시켜 수용액 상의 농도를 현저히 저감시키는 것이 가능하므로, 분해된 미생물에서 유래하는 탄소원의 효과적인 활용에 바람직하다.

100: 혐기조 200: 무산소조
300: 호기조 400: 침전조
500: 슬러지 분해조 600: 혐기성 소화조

Claims

미생물 슬러지에 마그네슘 및 염기성 화합물을 첨가한 후, 열가수분해 공정을 수행하여 상기 미생물을 분해함과 동시에 분해된 미생물에서 유래하는 암모니아와 인산염을 상기 마그네슘과 반응시켜 결정화한 후, 상기 분해된 미생물에서 유래하는 탄소원을 혐기성 소화 공정의 탄소원으로 사용하는, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 염기성 화합물은 상기 미생물의 분해를 촉진시키는, 슬러지의 처리 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화나트륨인, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화마그네슘인, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 염기성 화합물로 수산화마그네슘을 첨가하고 별도의 마그네슘은 첨가하지 않는, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 160 내지 200℃의 온도와 16 내지 20 기압에서 수행되는, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, pH 8.5 내지 12에서 수행되는, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 미생물 슬러지는 탈수 처리된 것인, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 미생물 슬러지는 폐수 처리 공정 또는 하수 처리 공정을 거쳐 생성되는 것인, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 분해된 미생물에서 유래하는 탄소 성분은 인 방출 공정의 탄소원으로 사용되는, 슬러지의 처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 분해된 미생물에서 유래하는 탄소 성분은 탈질 공정의 탄소원으로 사용되는, 슬러지의 처리 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 열가수분해 공정 및 결정화 단계를 거친 슬러지는 함수율이 30 내지 50중량%인, 슬러지의 처리 방법.