KR101736247B1 - 슬러지 저감 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업폐수에서 발생하는 슬러지를 생물학적 분해를 거쳐 액화시킴으로써 저감하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
탈수케이크 발생량을 최소화하여 별도의 탈수장치를 필요로 하지 않고서도, 하나의 처리조 내에서 생슬러지 뿐만 아니라 잉여슬러지도 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

슬러지 저감 방법 {omitted}
본 발명은 산업폐수 또는 도축폐수에서 발생하는 슬러지를 생물학적 분해를 거쳐 액화시킴으로써 저감하는 방법에 관한 것이다.
일반적인 생물학적 폐수처리시설은 필연적으로 슬러지가 발생하는데, 폐수의 처리과정에서 발생한 슬러지는 일부 생물반응조로 반송하여 하수 유기물의 흡착 및 산화에 유효한 미생물원으로 공급하고, 호기성 미생물에 의한 분해 후 남은 찌꺼기나 죽은 미생물이 포함된 잉여슬러지는 탈수장치를 거쳐 탈수케이크 형태로 외부로 반출하여 해양투기, 퇴비화, 소각, 매립과 같은 방법으로 처리하게 된다.
그러나, 이렇게 탈수케이크를 처리하는 것에도 1톤당 수~수십만원 정도의 별도 비용이 들어가므로, 잉여슬러지에 의해 매일 발생하는 수십톤의 탈수케이크를 처리하기에는 경제적인 부담이 발생하게 된다.
등록특허 제10-1340059호 (2013.12.09)
본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.
탈수케이크 발생량을 최소화하여 별도의 탈수장치를 필요로 하지 않고서도, 하나의 처리조 내에서 생슬러지 뿐만 아니라 잉여슬러지도 저감시킬 수 있는 구조를 제시하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
1차발효액을 제조하는 1차발효단계(s1); s1단계의 1차발효액을 이용하여 2차발효액을 제조하는 2차발효단계(s2); s2단계의 2차발효액을 이용하여 슬러지를 액화시키는 슬러지액화단계(s3)를 포함하고, 상기 s1 단계는 1톤 용량의 1차발효부(210)에서 효소제 10kg, 배양액 60~80kg, 물 잔부중량을 혼합하는 단계(s1-1), s1-1 단계 혼합물의 pH농도가 4가 될 때까지 폭기를 실시하는 단계(s1-2)를 포함하며, 상기 s2 단계는 5톤 용량의 2차발효부(220) 두 개에 각각 1차발효액 180~220kg, 배양액 60~80kg, 물 잔부중량을 혼합하는 단계(s2-1), s2-1 단계 혼합물의 pH농도가 4가 될 때까지 폭기를 실시하는 단계(s2-2)를 포함하고, 상기 s3 단계는 슬러지액화탱크(100)에 슬러지와 함꼐 10톤의 2차발효액을 투입하여 교반 및 폭기를 실시하는 단계(s3-1), 1일 슬러지 발생 중량의 2%에 해당하는 2차발효액을 매시간마다 슬러지액화탱크(100)에 투여하는 단계(s3-2), s3-2 단계를 거쳐 액화된 슬러지는 새로 발생한 슬러지가 투입됨에 따라 슬러지액화탱크(100)의 상부에서 넘쳐 흘러 제거되는 단계(s3-3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지 저감 방법을 제시한다.
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본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
탈수케이크 발생량을 최소화하여 별도의 탈수장치를 필요로 하지 않고서도, 하나의 처리조 내에서 생슬러지 뿐만 아니라 잉여슬러지도 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 슬러지 저감 장치의 구성을 도식화 하여 나타낸 도면.
도 2는 슬러지 저감 장치의 일 실시예에 대한 도면.
도 3는 슬러지 저감 장치의 다른 실시예에 대한 도면.
도 4는 슬러지 액화 탱크 내에서 슬러지가 교반되는 흐름을 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위 기재에 의하여 파악되어야 한다. 또한 본 발명의 요지를 모호하게 하는 공지기술의 설명은 생략한다.
본 발명의 슬러지 저감 장치는 슬러지액화탱크(100)와 효소탱크(200)를 포함하여 구성된다.
슬러지액화탱크(100)는 슬러지를 액화시키기 위한 구성으로, 상부에 형성되는 호기성조(110)와 하부에 형성되는 무산소조(120)로 나뉜다.
슬러지액화탱크(100)의 용량은 1일 슬러지 발생량(액상으로 산정함, 약 30~40톤)의 5~10배를 저장할 수 있을 정도로 설계함이 바람직하다. 슬러지는 잉여슬러지와 생슬러지를 모두 포함한다. 도 2와 같은 슬러지 저감 장치를 지중에 콘크리트 타설하여 매설함이 원칙이나, 도 3과 같은 구조물을 외부에 장착하여 지상에 설치할 수도 있다. 다만, 도 3과 같이 지상에 설치할 경우에는 슬러지액화탱크(100) 외부에 별도의 단열장치를 구비해야 동절기에도 기대한 효과를 발휘할 수 있다. 슬러지액화탱크(100)의 실제 설계 사양은 가로 및 세로(L) 5m, 높이(Ht) 5m로 최대용량이 125톤(ton)에 달한다. 이 때, 내부에 저장되는 슬러지의 유효 수심(Hw)은 4~4.5m 정도가 바람직하다. 4.5m를 초과하게 되면 호기성조(110)의 두께가 두꺼워지게 되어 호기성 분해 효율이 떨어지게 되고, 4m 미만인 경우에는 무산소조(120)의 두께가 얇아져 혐기성 분해 효율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.
종래에는 호기성 미생물에 의한 분해 후 남은 찌꺼기나 죽은 미생물이 포함된 잉여슬러지는 탈수장치를 거쳐 탈수케이크 형태로 외부로 반출하여 해양투기, 퇴비화, 소각, 매립과 같은 방법으로 처리하게 되는데, 이렇게 처리하는 것에도 1톤당 수~수십만원 정도의 별도 비용이 들어가므로, 매일 발생하는 수십톤의 잉여슬러지를 처리하기에는 경제적인 부담이 발생하게 된다.
본 발명에서는 슬러지액화탱크(100)의 호기성조(110)에서 발생한 잉여슬러지가 하부에 쌓이되, 무산소조(120)에 의해 이를 한번 더 저감하게 되므로, 별도의 탈수장치를 필요로 하지 않게 되고, 탈수케이크 역시 처리할 필요가 없다. 즉, 본 발명은 생슬러지 뿐만 아니라 잉여슬러지도 상당량 저감시킬 수 있는 구조를 제시하는 것이다.
상기 슬러지액화탱크(100)는 탱크 상부의 호기성조(110)와 탱크 하부의 무산소조(120)로 구성된다.
호기성조(110)는 상부에서 투입되는 슬러지를 호기성 세균에 의해 분해하는 부분으로, 기포발생기(111), 부유구조체(112), 가온장치(113)를 포함한다.
부유구조체(112)는 수면에 부유하는 재질의 부유체(112a)와 결합프레임(112b)으로 형성된 것이며, 기포발생기(111)는 결합프레임(112b)에 고정된 모터(111a)에 의해 구동되는 노즐(111b)이 호기성조(110)에서 기포를 발생시키는 것이다. 즉, 노즐(111b)이 모터(111a)에 의해 구동되면서 호기성조(110)에 산소를 공급함과 동시에 도 4와 같이 슬러지를 교반하는 역할을 한다. 이러한 교반작용이 활발히 이루어 지도록 기포발생기 노즐(111b)의 위치는 5m 높이의 슬러지액화탱크(100)에 4.5m까지 슬러지가 저장된 경우, 슬러지 수면에서부터 1.5~2m의 깊이에 위치함이 바람직하다. 다시 말해, 호기성조(110)가 유효수심의 30~40%를 유지하도록 한다. 앞서 언급했듯이, 호기성조(110)의 수심이 40%를 넘어갈 경우 무산소조(120)에서 처리 효율이 떨어지고, 30% 미만일 경우 호기성조(110)에서의 처리 효율이 떨어지게 되기 때문이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 노즐(111b)에 의한 교반 형태는 노즐(111b)의 하부에서 슬러지를 흡입(F1방향)하여 노즐(111b)의 측부에서 기포(5)와 함께 슬러지를 빠른속도로 배출(F2방향)하게 된다. 이 때 무산소조(120)의 교반기(121)에 의한 상승 슬러지(F4방향)와 함께 노즐(111b)의 측부에서 배출된 기포가 부력에 의해 위로 떠오르면서(F2방향) 호기성조(110)의 슬러지가 노즐(111b)의 상부로 이동하는 과정을 거치면서 호기성조(110)를 자연히 순환하게 된다.
또한 처리가 완료된, 즉 액화된 슬러지는 슬러지액화탱크(100)의 최상부에 위치하게 되고, 새로 처리할 슬러지를 투입함에 따라 최상부의 액화 슬러지가 넘쳐흘러(overflow) 다시 폐수처리장으로 유입된다. 이 때 슬러지액화탱크(100)의 유효수심(4.5m)에 해당하는 높이 부분에는 넘치는 액화 슬러지가 배출될 수 있는 구멍(미도시) 등이 구비될 수 있을 것이다.
기포발생기(111)는 50~80톤 당 1개를 설치하여 용존산소량(DO)이 3ppm 이상을 유지하도록 한다. 또한 산기관을 사용할 수도 있으나 효율이 저조하므로 더 미세한 입자의 버블을 발생시키는 마이크로버블기 등이 바람직하다.
부유체(112a)의 수는 기포발생기(111)의 수에 대응된다. 도 2,3에서는 3개의 기포발생기(111)가 구성됨으로써 이에 비례하여 3개의 부유체(112a)가 구비된 것을 제시하였다. 즉, 3개의 부유체(112a)가 소정의 간격으로 이격되어 위치하며, 이들은 결합프레임(112b)에 의해 간격을 유지한 채 수면에 부유하게 된다. 결합프레임(112b)은 역시 부유체(112a)에 결합되어 수면 위에 떠 있는 형태로서, 일측에 기포발생기(111)의 모터(111a)를 고정하여 수면위에서 구동되도록 한다. 결합프레임(112b)에는 작업자용 발판이 마련될 수 있다(도 2,3 하단의 위에서 본 그림 참고).
가온장치(113)는 호기성조(110)에 형성되어 슬러지를 가온시키기 위한 구성이며, 외부에서 공급되는 온수가 온수공급부(113a)를 통해 공급되어 온수배관(113b)을 거쳐 온수배출부(113c)로 배출된다. 온수의 열원은 태양열이 될수도 있고, 축분발효기에서 발생되는 열을 이용할 수도 있다. 가온장치(113)에 의해 호기성조(110)의 온도가 35℃ 이상의 중온으로 일정하게 유지되어 호기성 세균에 의한 슬러지 분해를 촉진시킨다.
5m 높이의 슬러지액화탱크(100)에 4.5m까지 슬러지가 저장된 경우, 슬러지 수면에서부터 1.5~2.5m의 깊이까지 가온장치(113)가 형성된다. 바람직하게는, 도 1~3과 같이 온수가 지나는 온수배관(113b)이 호기성조(110)의 내측벽을 따라(벽에 접할수도 있고, 이격되어 내부에 위치할 수도 있음) 둘러싸게 된다. 이러한 온수배관(113b)이 슬러지액화탱크(100)의 높이 방향으로 다수 적층되어, 일단은 온수공급부(113a)와 연결되어 온수를 공급받고, 온수배관(113b)을 거쳐 호기성조(110)의 슬러지와 열교환한 뒤, 온수배관(113b)의 타단에 연결된 온수배출부(113c)로 배출된다. 이러한 구조는 별도의 가열장치(가열을 위해 전력 등의 별도 에너지를 공급해 주어야 하는 장치)를 구비하지 않고, 태양열에 노출되어 자연적으로 데워진 온수를 사용하거나 축분발효기의 잉여 에너지를 이용하는 것이므로, 친환경적이며 에너지절감 측면에서도 장점이 있다.
무산소조(120)는 상부에서 분해되어 하부로 침전되는 암모니아(NH3)와 NO3, NO2, NO와 같은 질소산화물 등이 포함된 슬러지를 교반하여 무산소상태로 탈질화함과 동시에 혐기성 세균에 의해 분해(혐기소화)하는 부분으로, 교반기(121)를 포함한다. 상기 교반기(121)는 하향식 교반기로서, 도 4와 같이 교반기(121) 상부의 슬러지를 흡입(F3방향)하여 하향으로 배출(F4방향)하는 방식으로 교반하여 슬러지 침강을 방지한다. 또한 교반기(121)에 의한 교반으로 무산소조(120)에서 탈질반응이 활발히 이루어지도록 한다.
효소탱크(200)는 효소를 배양하여 슬러지액화탱크(100)에 투입할 발효액을 제조하기 위한 구성으로, 1차발효부(210)와 2차발효부(220)로 나뉠 수 있다. 바람직하게는 1톤 용량의 1차발효부(210) 하나와, 5톤 용량의 2차발효부(220)를 다수개로 구성한다. 2차발효부(220)의 수는 2개가 적당하나, 필요에 따라 3개 이상이 될 수도 있다.
상술한 슬러지 저감 장치를 이용하여 슬러지를 저감하는 방법은 크게 1차발효액을 제조하는 1차발효단계(s1), s1단계의 1차발효액을 이용하여 2차발효액을 제조하는 2차발효단계(s2), s2단계의 2차발효액을 이용하여 슬러지를 액화시키는 슬러지액화단계(s3)로 구성된다.
1차발효단계(s1)
s1-1: 1톤 용량의 1차발효부(210)에서 효소제 10kg, 배양액 60~80kg, 물 잔부 중량(대략 1톤)을 혼합한다. 효소제는 효소분말 또는 농축효소를 포함하며, 예시로 고초균(바실러스균), 광합성균 등이 있다.
배양액은 유기배양액을 의미하며, 당밀을 포함하는 배양액이 바람직하다.
s1-2: s1-1 단계 혼합물의 pH농도가 4가 될 때까지 폭기를 실시함으로써 1차발효액이 제조된다. 본 단계는 통상 7일동안 실시되며, 과하게 폭기될 경우 pH가 다시 올라가게 되므로 바람직하지 않다. 가장 적합한 pH농도는 3정도이나, pH농도가 4일 때 폭기를 중단하게 되면 발효하는 과정에서 산이 발생하여 pH농도가 자연적으로 3에 맞춰지므로, 폭기의 중단 시기는 pH농도 4일 때가 적합하다.
2차발효단계(s2)
s2-1: 5톤 용량의 2차발효부(220) 두 개에 각각 1차발효액 180~220kg, 배양액 60~80kg, 물 잔부중량을 혼합한다. 배양액은 마찬가지로 당밀을 포함하는 유기배양액일 수 있다. 다만 상기 2차발효부(220)의 개수는 세 개 이상도 가능하나, 1일 사용량 기준으로는 두 개의 2차발효부(220)만으로도 충분한 2차발효액을 얻을 수 있다.
s2-2: s2-1 단계 혼합물의 pH농도가 4가 될 때까지 폭기를 실시함으로써 2차발효액이 제조된다.
슬러지액화단계(s3)
s3-1: 슬러지액화탱크(100)에 10톤의 2차발효액을 투입하여 교반 및 폭기를 실시한다.
s3-2: 1일 슬러지 발생 중량의 2%에 해당하는 2차발효액을 매시간마다 슬러지액화탱크(100)에 투여하는 작업을 지속적으로 매일 수행한다. 본 단계는 통상 열흘간 수행된다.
s3-3: s3-2 단계를 거쳐 액화된 슬러지는 새로 발생한 슬러지가 투입됨에 따라 슬러지액화탱크(100)의 상부에서 넘쳐 흘러 제거된다. 즉, 슬러지액화탱크(100)로 처리할 슬러지를 새로 투입하게 되면 액화된 슬러지는 슬러지액화탱크(100)의 수면에서 넘쳐흘러(overflow) 다시 폐수처리장(의 1차폭기조 등)으로 유입되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 슬러지액화탱크
110 : 호기성조
111 : 기포발생기
111a : 모터
111b : 노즐
112 : 부유구조체
112a : 부유체
112b : 결합프레임
113 : 가온장치
113a : 온수공급부
113b : 온수배관
113c : 온수배출부
120 : 무산소조
121 : 교반기
200 : 효소탱크
210 : 1차발효부
220 : 2차발효부

Claims (3)

1차발효액을 제조하는 1차발효단계(s1);
s1단계의 1차발효액을 이용하여 2차발효액을 제조하는 2차발효단계(s2);
s2단계의 2차발효액을 이용하여 슬러지를 액화시키는 슬러지액화단계(s3)를 포함하고,

상기 s1 단계는
1톤 용량의 1차발효부(210)에서 효소제 10kg, 배양액 60~80kg, 물 잔부중량을 혼합하는 단계(s1-1),
s1-1 단계 혼합물의 pH농도가 4가 될 때까지 폭기를 실시하는 단계(s1-2)를 포함하며,

상기 s2 단계는
5톤 용량의 2차발효부(220) 두 개에 각각 1차발효액 180~220kg, 배양액 60~80kg, 물 잔부중량을 혼합하는 단계(s2-1),
s2-1 단계 혼합물의 pH농도가 4가 될 때까지 폭기를 실시하는 단계(s2-2)를 포함하고,

상기 s3 단계는
슬러지액화탱크(100)에 슬러지와 함께 10톤의 2차발효액을 투입하여 교반 및 폭기를 실시하는 단계(s3-1),
1일 슬러지 발생 중량의 2%에 해당하는 2차발효액을 매시간마다 슬러지액화탱크(100)에 투여하는 단계(s3-2),
s3-2 단계를 거쳐 액화된 슬러지는 새로 발생한 슬러지가 투입됨에 따라 슬러지액화탱크(100)의 상부에서 넘쳐 흘러 제거되는 단계(s3-3)를 포함하는 것을 특징으로 하는
슬러지 저감 방법.
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