KR101980012B1

KR101980012B1 - 슬러지 소화조 및 그 운전방법

Info

Publication number: KR101980012B1
Application number: KR1020170145909A
Authority: KR
Inventors: 이영행; 이수관; 정종수; 신유환
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-05-17
Also published as: KR20190050476A

Abstract

본 발명은 소화조 내의 모서리에 침적이 일어나더라도 상기 모서리 침적 부위에 슬러지 분해를 촉진 할 수 있으면서, 슬러지 전처리과정과 슬러지 분해과정이 통합된 슬러지 소화조 및 그 운전방법에 관한 것으로, 원형 또는 다각형의 소정의 형상으로 구성된 반응조(10) ; 상기 반응조(10)의 일측에 구성된 슬러지 유입구(20) 및 타측에 구성된 슬러지 배출구(30) ; 상기 반응조(10)를 가열하는 가열수단(40); 상기 반응조(10)에서 슬러지가 침강하여 슬러지가 축적되는 데드 볼륨 영역(50) ; 상기 반응조(10) 및 데드 볼륨 영역(50)에 열 또는 음파를 발산하는 에너지발생수단(60); 상기 가열수단(40) 및 에너지발생수단(60)에 전원을 공급하는 전원부(70)를 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

슬러지 소화조 및 그 운전방법 {Anaerobic digester and operating method of the same}

본 발명은 슬러지 소화조 및 그 운전 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 국부적으로 강한 에너지를 생성하여 슬러지를 용존화시키고 상기 에너지의 확산을 통해 소화조를 가열함으로써, 소화조 내의 모서리에 침적이 일어나더라도 상기 모서리 침적 부위에 슬러지 분해를 촉진 할 수 있는 슬러지 전처리과정과 슬러지 분해과정이 통합된 소화조에 대한 것이다.

슬러지는 하수처리장의 하수처리과정에서 발생하는 2차 생성물로, 생활하수, 음폐수, 축산 분뇨 및 오수 중에 존재하는 미생물 및 미분해 유기물이 고형물로 수분과 함께 존재하는 형태로 정의될 수 있다. 상기 슬러지는 농축 및 소화과정을 거쳐 탈수 후 케이크형태로 만든 뒤 하수처리장 밖으로 이송처리되며, 이 과정에서 슬러지의 분해는 슬러지 처리 효율 및 비용의 측면에서 상당히 중요한 인자로 자리잡고 있다. 슬러지의 분해는 농축된 슬러지의 소화과정 중 산소 분위기로 소화가 이루어지는 호기성 소화방식과 상대적으로 산소가 필요없는 혐기성 소화과정으로 구분될 수 있으며, 특히 폐활성 슬러지는 미생물세포와 세포외 고분자물질이 결합되어 플록구조를 이룸으로써 소화미생물에 의해 분해가 어려운 문제가 있었다. 구체적으로 살펴보면, 혐기성 소화과정에서 슬러지는 가수분해 및 산생성과정(acidogenesis), 초산생성과정(acetogenesis) 등을 통해 유기산, 알코올, 케톤, 이산화탄소, 수소, 황화수소와 같은 물질을 생성하고 메탄균에 의해 최종적으로 메탄이 생성(methanogenesis) 되는 여러 단계를 거치게 되는데, 슬러지의 구성성분이 미생물 대사 중에 나오는 세포의 고분자물질(extracellular polymeric substances, EPS)과 결합하여 견고한 구조의 플록을 만들어 슬러지의 탈수와 분해를 방해하기 때문이다. 또한, 미생물을 삼투압으로부터 보호하기 위해 단단한 층으로 구성된 미생물의 세포외벽 때문에 미생물이 많은 혐기성 소화조의 슬러지 특성상 가수분해가 어렵다. 이를 위해 반응조 내에서 20~30일이라는 장시간 머무르게 하거나 반응조의 크기를 늘려야하는 문제가 있기에, 혐기성 소화조의 장치는 비교적 손쉬운 소화과정인 호기성 소화에 비해 장치의 구성 및 비용이 더 발생한다. 따라서 혐기성 소화과정을 위해서 슬러지를 가용화(solubilization)하거나 감량화하여 반응을 촉진하는 것이 필요하며, 이와 관련하여, 슬러지의 가용화를 위해서는 미생물에 물리, 화학, 생물학적 처리를 가함으로써 세포벽을 파괴하여 가수분해를 용이하게 만들 수 있는 전처리과정(sludge pre-treatment)이 다양하게 개발되어왔다. 일례로, 슬러지의 전처리과정으로 고분자 형태의 슬러지를 소화단계에서 이용하기 쉬운 저분자 상태로 전환함으로써 소화조의 효율을 극대화하는 방법으로 대한민국 등록 특허 제10-1367765호에서는 액체내의 압력을 증기압 이하로 저하함에 따라 생성되는 캐비테이션현상을 이용하여 슬러지를 전처리하는 기술이 제안되었으나, 캐비테이션을 장치가 혐기성 소화조 전단에 분리되어 구성되므로 별도의 설치비가 필요한 문제점이 있다. 또 다른 방법으로는 대한민국 공개특허 제 10-2016-0117375호와 같이 열을 이용하여 유입되는 슬러리의 온도를 45℃ 또는 30℃로 올려 혐기성소화조에서 미생물의 번식이 원활하게 이루어져 바이오가스의 생산량이 증대되도록 슬러지를 전처리하는 방법이 알려져 있으나, 열교환장치를 추가구성으로 이용하여 이송되는 슬러지에 열을 전달하기 때문에 슬러지가 이송되는 시간이 지연되고 가열된 슬러지의 온도의 유지가 어려우며 별도의 설치 공간이 필요한 문제점이 있다. 또한 슬러지의 전처리 및 혐기성 소화조에서 침강되어 전처리되지 않는 슬러지 소화 효율을 높이기 위해서 대한민국 등록특허 제 10-1696689호에서는 소화조 탱크 자체에 회전 및 안내 날개를 설치하여 슬러지의 침강 및 침적으로 떨어지는 효율을 높이려 했으나 교반을 위한 회전축 구동장치가 별도로 설치되며 회전 및 안내 날개를 소화조 내부에 설치하였기에 같은 크기의 소화조에 적은 양의 슬러지가 유입되는 문제가 발생할 수 있다.

한국등록특허 제10-1367765호 한국공개특허 제10-2016-0117375호 한국등록특허 제 10-1696689호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 슬러지 전처리와 슬러지 분해가 별도의 공정으로 존재하지 않고, 하나의 통합된 공정으로 구성되는 슬러지 소화조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 소화조내 2면 이상의 면이 교차하는 모서리에 슬러지의 침적이 일어나더라도 상기 모서리 침적 부위에 슬러지 분해를 촉진할 수 있는 혐기성 소화조를 제공하는 것에 목적을 두고 있다.

또한, 열분해 중심으로 이루어져 왔던 슬러지 처리기술에서 탈피하여, 열분해 기술 대비 에너지 소모율이 상대적으로 낮은 소화조를 제공하는 것에 목적을 두고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 슬러지 소화조는 원형 또는 다각형의 소정의 형상으로 구성된 반응조 ; 상기 반응조의 일측에 구성된 슬러지 유입구 및 타측에 구성된 슬러지 배출구 ; 상기 반응조를 가열하는 가열수단 ; 상기 반응조에서 슬러지가 침강하여 슬러지가 축적되는 데드 볼륨 영역 ; 상기 데드 볼륨 영역에 열, 플라즈마, 충격파 또는 초음파를 발산하는 에너지 발생수단 ; 상기 가열수단 및 에너지 발생수단에 전원을 공급하는 전원을 포함하여 구성된다.

여기에서, 상기 데드 볼륨 영역은 2면 이상의 면이 교차하는 모서리로부터 상기 반응조 직경의 50% 이하로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 슬러지 소화조에서 상기 에너지 발생수단은 전기저항 코일에 의한 발열체, 면상발열체, 열전소자, 플라즈마 발생기, 초음파 발생장치 중 1개 이상인 것이 바람직하다

또한 상기 에너지 발생수단은 플라즈마 발생기이며, 코로나 플라즈마, 아크 플라즈마, 유전체장벽 플라즈마 발생기 중 선택될 수 있고, 비에너지 (specific energy) 3400 kJ/kgTS 이상, 온도 35 ^oC 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 반응조는 폴리우레탄폼, 발포폴리스티렌, 페놀폼, 락울 중에서 선택될 수 있는 단열수단을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조의 운전방법은 반응조로 슬러지가 유입되는 1단계 ; 초기 온도 15도에서 35도까지 가열하면서 상기 반응조내 데드볼륨 영역에 위치한 에너지 발생수단을 35도가 될 때까지 운전하는 2단계 ; 반응조내 에너지 발생수단외 가열수단은 오프하는 3단계 ; 에너지 발생수단의 온도를 35도로 유지하는 4단계 ; 반응조내 슬러지 유출하는 5단계를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 에너지 발생수단은 전기저항 코일에 의한 발열체, 면상발열체, 열전소자, 플라즈마 발생기, 초음파 발생장치 중 1개 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 에너지 발생수단은 플라즈마 발생기이며, 코로나 플라즈마, 아크 플라즈마, 유전체장벽 플라즈마 발생기 중 선택될 수 있고, 비에너지 (specific energy) 3400 kJ/kgTS 이상, 온도 35 ^oC 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조 및 운전방법은 슬러지 전처리와 슬러지 분해가 별도의 공정으로 존재하지 않고, 하나의 통합된 공정으로 구성되어 공간사용과 비용면에서 경제적인 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 슬러지 소화조는 소화조내 2면 이상의 면이 교차하는 모서리에 슬러지의 침적이 일어나더라도 상기 모서리 침적 부위의 슬러지 분해를 촉진할 수 있어 슬러지 분해 효율이 증가하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 슬러지 소화조는 기존의 열분해 대비 에너지 소모율이 상대적으로 낮은 슬러지 분해 기술을 제공하여 단위 에너지당 처리 가능한 슬러지 양이 증대 될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 슬러지 소화조를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 슬러지 소화조의 운전방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 플라즈마 방전 시의 전압과 전류의 변화를 나타낸다.
도 4는 플라즈마 방전에 의한 슬러지 가열의 열효율을 나타낸다.
도 5는 플라즈마에 의한 저농도 슬러지의 용존화를 나타낸다.
도 6은 플라즈마의 의한 고농도 슬러지의 용존화를 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 슬러지 소화조와 그 운전방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1에 나타난 본 발명에 따른 슬러지 소화조는 원형 또는 다각형의 소정의 형상으로 구성된 반응조(10)와 상기 반응조(10)의 일측에 구성된 슬러지 유입구(20) 및 타측에 구성된 슬러지 배출구(30), 상기 반응조(10)를 가열하는 가열수단(40)을 포함하며 상기 반응조(10)에서 슬러지가 침강하여 슬러지가 축적되는 데드 볼륨 영역(50)으로 구성되고 상기 반응조(10) 및 데드 볼륨 영역(50)에 열, 플라즈마, 충격파 또는 초음파를 발산하는 에너지발생수단(60), 상기 가열수단(40) 및 에너지발생수단(60)에 전원을 공급하는 전원부(70)를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따른 슬러지 소화조에서 반응조(10)는 슬러지의 소화를 위해 외부로부터 유입되는 슬러지를 저장하고 소화반응을 하는 공간으로서, 상기에서와 같이 가열수단(40), 에너지발생수단(60)을 모두 포함하고 있다. 본 발명에 따른 슬러지 소화조에서 유입구(20)는 외부로부터 반응조(10)로 슬러지가 유입되는 통로로서, 반응조(10)의 측면에서 유입된 슬러지가 소화중인 슬러지와 혼합되어 소화가 잘 진행되는 곳이 위치해야 한다. 일반적으로 슬러지를 조의 중심 부근 수면상에 유입시키거나 소규모 소화조는 단일 유입관을 사용하지만 대규모 소화조는 2개 또는 그 이상의 유입관을 배치시켜 슬러지가 균등히 혼합되도록 한다. 또한 유입관이 슬러지의 부유물에 의하여 폐쇄되는 것을 방지하기 위하여 내경이 150mm 이상인 관을 사용하는 것이 바람직하며, 펌프로 상징수를 압송하여 유입관을 역세척시킬 수 있는 것이 더 바람직하다. 유입구(20)를 통해서 슬러지가 반응조(10)로 유입될 때 슬러지의 양은 1,600㎥/day 이며, TS(고형물)는 3%이상 함수율은 95%정도 이다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조에서 가열수단(40)은 유입구(20)를 통해 외부에서 유입된 슬러지와 반응조(10)를 가열하는 수단으로서 슬러지의 가용화 및 혐기성 소화조의 경우, 메탄균의 활동을 위해 설정된 온도까지 가열이 이루어지게 된다. 상기의 가열과정은 가열을 통해 온도가 낮아지지 않게 하여 혐기성 반응에서 온도에 영향을 많이 받는 메탄균의 활동이 저하되지 않도록 함으로써 메탄 발생이 줄어들지 않게 하는 역할을 한다. 보통 온도에 따른 반응방식을 10~15℃인 저온(친냉성) 소화, 31~38℃인 중온(친화성) 소화, 그리고 50~56℃인 고온(친열성) 소화로 분류한다. 슬러지의 전처리 속도는 고온으로 갈수록 증가하나 우리나라와 같이 겨울철이 있는 온대지방에서는 고온반응이 비경제적이므로 주로 중온반응이 이용된다. 본 발명에 따른 슬러지 소화조의 중요한 특징은 상기의 가열수단(40)을 통해 소화과정을 진행하면서, 슬러지의 소화를 효율적으로 진행할 수 있는 에너지발생수단(60)을 함께 구비하고 있다는 점이다. 상기에 기재된 바와 같이, 슬러지는 대부분 미생물로 구성되어, 미생물을 삼투압으로부터 보호하는 단단한 층 역할을 하는 글라이칸(glycan) 구조물로 구성되어 있으며, 이에 더하여, 대사 중에 나오는 세포의 고분자물질(extracellular polymeric substances, EPS)과 결합하여 미생물 군집체인 플록을 형성함으로써 분해효소로부터 방어를 하는 기작을 통해 슬러지의 분해를 방해하기 때문에 소화과정에 상당한 시간이 소요되고, 분해 효율이 낮아지게 된다. 또한, 세포외 고분자물질에 포함된 다량의 결합수로 인해 슬러지의 탈수를 어렵게 만든다. 본 발명에 따른 슬러지 소화조는 상기와 같은 글라이칸 구조물의 분해 및 세포외 구분자물질로 미생물이 플록을 이룸으로써 발생하는 분해 저하를 최소화하기 위하여 열, 플라즈마, 충격파 또는 초음파를 발산하는 에너지발생수단(60)을 구성하고 있으며, 상기 에너지발생수단(60)의 에너지원 및 출력은 미생물의 글라이칸 구조물 및 플록 구조를 분해할 수 있는 정도이면 충분하다. 본 발명에 따른 슬러지 소화조의 에너지발생수단(60)은 전기저항 코일에 의한 발열체, 면상발열체, 열전소자, 플라즈마 발생기, 초음파 발생장치 중 1개 이상인 것을 바람직하며, 이중 플라즈마 발생기인 것이 더 바람직하다. 이 경우, 상기 플라즈마 발생기는 코로나 플라즈마, 아크 플라즈마, 유전체장벽 플라즈마 발생기 중 선택될 수 있고, 비에너지 (specific energy) 3400 kJ/kgTS 이상, 온도 35℃ 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 에너지발생수단(60)은 에너지발생수단(60)에서 발생하는 국부적인 높은 에너지 존에서 슬러지를 전처리하는 효과를 가질 뿐 아니라 국부적으로 발생한 높은 에너지의 확산을 통해 소화조의 목표운전온도를 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조에서 또 한가지 중요한 특징은 상기의 에너지발생수단(60)이 소화조내 유동 순환이 적게 일어나, 슬러지 등 고형성분의 침강축적이 일어나는 데드 볼륨 영역(50)에 설치된다는 점이다. 즉, 원형 또는 다각형과 같이 소정의 형상을 가지는 소화조내 일정 수준의 유동순환을 발생시킨다고 해도, 상기 유동순환은 소화조 전체에서 지속 일어나기에는 한계가 있으며, 모서리 등 특정영역에서는 슬러지와 같은 고형성분의 축적이 이루어질 수 밖에 없는 상황이 발생하게 된다. 본 발명에 따른 슬러지 소화조에서는 상기의 데드 볼륨 영역(50)은 소화조내 유동 순환이 적게 일어나 슬러지의 침강축적이 일어나는 영역이 될 수 있으며, 바람직하게는 소화조내 2면 이상의 면이 교차하는 모서리로부터 상기 반응조(10) 직경의 50% 이하로 구성될 수 있다. 종래의 에너지발생수단(60)을 데드 볼륨 영역(50)에 구비하지 않은 슬러지 소화조의 경우, 데드 볼륨 영역(50)에서, 침강되어 침적된 슬러지들로 인해 슬러지에 전달되어야하는 열이 정상적으로 전달되지 않아, 상기 열이 전달되지 않은 슬러지의 미생물은 외벽의 가용화가 어려워지고 이로 인해 슬러지의 분해율이 가열된 다른부분에 비해 상대적으로 낮게 이루어진다. 이에 따라, 본 발명에 따른 슬러지 소화조의 에너지발생수단(60)은 데드 볼륨 영역(50)에 열 또는 음파를 발산하여 데드 볼륨 영역(50)에 침적되어 있던 슬러지 분해를 촉진하고 슬러지의 소화를 촉진시키게 된다. 특히, 혐기성 슬러지의 경우, 메탄균의 메탄가스 발생을 촉진시키게 된다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조의 데드 볼륨 영역(50)에서 에너지발생수단(60)은 상기에 기재된 바와 같이, 데드 볼륨 영역(50)에 국부적으로 적용이 가능하면서 혐기성 슬러지까지도 분해가 가능한 정도의 출력을 보유해야 하며, 더 나아가 소화조 전체의 온도를 상승시킬 수 있는 여력이 있어야하기 때문에 플라즈마인 것이 유리하다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 슬러지 소화조는 에너지발생수단(60)으로 플라즈마 발생기를 이용하는 것이 바람직하며, 코로나 플라즈마, 아크 플라즈마, 유전체장벽 플라즈마 발생기 중 선택될 수 있고, 비에너지 (specific energy) 3400 kJ/kgTS 이상, 온도 35℃ 이상인 것이 바람직하다. 상기 플라즈마 발생기를 통해 고압의 전압이 인가되면 두 전극 사이에 방전이 일어나 전기장을 형성하고, 이때 강한 음파와 함께 충격파(shockwave)가 발생한다. 상기 충격파는 미생물 세포에 충격을 가하여 단단한 세포벽을 파괴하게 되며, 이때 세포내 물질, 즉 용해된 유기물질이 용출되어 데드 볼륨 영역(50)의 슬러지 분해 효율을 증가 시킨다. 또한 플라즈마 방전에서 발생하는 전자로 인해 물이 식 1과 식 2와 같은 반응을 통해 여러 가지 라디칼이 생성된다. 이러한 라디칼은 세포벽 및 세포외 고분자물질을 분해함으로써 슬러지의 분해 효율을 증가시킨다.

또한 플라즈마 방전 채널에는 국부적으로 온도가 매우 높은 고온영역이 발생하게 된다. 소화조 내에서 국부적인 고온 영역에서는 세포 및 세포외 고분자물질들이 열분해가 되고, 분해된 물질들이 확산됨에 따라 소화조 내의 혐기미생물에 즉각 이용이 가능하기 때문에 국부적인 고온영역이 없는 통상적인 가열방법을 가지는 소화조에 비해 높은 분해 효율을 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조에서 단열수단은 온도변화에 민감한 미생물의 특성상 가열수단(40)과 에너지발생수단(60)을 통해 가열된 슬러지의 온도를 안정적이고 지속적으로 유지하기 위해서 상기 반응조(10)를 폴리우레탄폼, 발포폴리스티렌, 페놀폼, 락울 중에서 선택될 수 있는 재료를 이용하여 단열하는 것이 바람직하다. 이렇게 온도를 안정적으로 유지되는 것만으로 슬러지의 가수분해 정도가 개선되어 가용화가 증대되고 그에 따라 산 생성, 및 메탄생성량이 증가하고 발효균, 아세트산 및 수소생성균, 그리고 메탄 생성균의 반응이 활발해져 메탄가스 생성률과 슬러지 분해율을 개선할 수 있다.

배출구(30)는 슬러지 소화가 종료된 슬러지가 배출되는 통로로서, 일반적으로 반응조(10)의 하단에 위치하여 소화된 슬러지가 소화조 바닥에 침전되어 농축되어 있는 것을 배출하는 것이 바람직하다. 배출구(30) 통해서 슬러지가 반응조(10)에서 배출될 때 고형물의 양은 600㎥/day 이며, TS(고형물)는 12% 이하이고 유입슬러지 대비 30%의 휘발성고형물(volatile solids, VS)이 미분해되어 잔존하게 된다.

본 발명에 따른 슬러지 소화조 운전방법을 살펴보면, 반응조(10)로 슬러지가 유입되는 1단계, 초기 온도 15℃에서 35℃까지 가열하면서 상기 반응조(10) 및 데드 볼륨 영역(50)에 위치한 에너지발생수단(60)을 35℃가 될 때까지 운전하는 2단계, 반응조(10)내 에너지발생수단(60)외 가열수단(40)은 오프하는 3단계, 에너지발생수단(60)을 이용하여 반응조(10)의 온도를 35℃로 유지하는 4단계, 반응조(10)내 슬러지 유출하는 5단계를 포함하여 구성된다.

실시예 1. (플라즈마 발생장치)

수중 플라즈마 방전을 위하여 12상 AC 전력공급장치, 텅스텐과 세라믹으로 이루어진 모세관 형태의 양극, 백금으로 이루어진 음극으로 구성된 60 Hz의 방전 주기를 가지는 플라즈마 발생장치를 사용하였다. 도 3에 보인바와 같이 장치에 의하여 대략 1200 ~ 1400 V 의 방전 전압, 1.7 ~ 2.0 A 의 방전 전류를 가지는 플라즈마 방전이 슬러지 내에서 일어나는 것을 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.

상기 장치는 슬러지 내 전하의 이동으로 줄(Joule) 가열의 효과도 가지며 도 4에 보인바와 같이 이론적인 에너지 필요량 대비 70%의 에너지효율을 보여 이는 통상적인 가열방법에 비해 매우 높은 효율성이다. 일례로 가열효율이 좋은 것으로 알려진 마이크로파의 경우 대략 45%의 에너지효율을 가진 것으로 알려져 있다.

실시예 2. (플라즈마에 의한 슬러지 용존화)

실시예 1의 플라즈마 발생장치를 이용하여 고형분 농도 1.6%, 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD) 17,000 mg/L 의 슬러지를 플라즈마 처리를 하였다. 용존성화학적산소요구량 (soluble COD, SCOD)를 측정하여 투입 에너지 대비 용존화율을 측정하였으며 도 5에 실험결과를 나타내었다.

고형분 1.6%의 15℃의 슬러지를 중온소화온도인 35℃로 가열하는데 필요한 이론적 에너지는 대략 5200 kJ/kgTS이다. 본 실험에 쓰인 플라즈마 발생기의 열효율 70%을 고려하면 7500 kJ/kgTS의 에너지 투입이 필요하다. 실험결과 상기 에너지 투입 시 슬러지가 COD 기준 10% 이상이 용존화 되는 것을 확인하였다.

또한 슬러지의 소화조 내부의 수리학적 체류시간(15~30일)에 비해 매우 짧은 시간(<30분)동안 슬러지의 10% 이상이 용존화 되어 플라즈마에 의한 가수분해 속도 상수는 5.6 d^-1에 달하는 것을 확인하였다. 이는 생물학적인 가수분해 속도인 0.5 d^-1에 비해 10배 이상 빠른 것이다. 플라즈마를 이용하여 슬러지의 혐기소화에서 율속반응인 가수분해를 촉진함으로써 슬러지의 혐기소화 효율을 상당부분 개선할 수 있다.

실시예 3. (데드 볼륨 영역(50)에 대한 슬러지 용존화율)

실시예 1의 플라즈마 발생장치를 이용하여 COD 41,200 mg/L, 고형분 농도 5%의 슬러지를 플라즈마 처리를 하였다. 슬러지의 교반이 원활히 일어나지 않는 높은 고형분 농도의 슬러지를 통해 소화조 내의 데드 볼륨 영역(50)을 모사하였다.

도 6에 교반이 원활하지 않은 고농도 슬러지에서도 플라즈마에 의한 용존화율은 실험예 1과 마찬가지로 10% 이상의 슬러지가 용존화 되는 것으로 나타났다. 따라서 플라즈마 방전에 의해 소화조 내부의 데드볼륨에서 슬러지의 용존화를 촉진할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

10: 반응조 50: 데드 볼륨 영역
20: 유입구 60: 에너지발생수단
30: 배출구 70: 전원부
40: 가열수단 80: 단열재

Claims

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반응조(10)로 슬러지가 유입되는 1단계 ;
초기 온도 15℃에서 35℃도까지 가열하면서, 2면 이상의 면이 교차하는 모서리로부터 상기 반응조(10) 직경의 50% 이하로 구성되는 데드 볼륨 영역(50)에 위치한 코로나 플라즈마, 아크 플라즈마, 유전체장벽 플라즈마 발생기 중 선택되고, 비에너지 (specific energy) 3400 kJ/kgTS 이상, 온도 35 ℃ 이상인 플라즈마를 발생시키는 에너지 발생수단(60)을 이용하여 반응조(10)가 35℃도가 될 때까지 운전하는 2단계 ;
반응조(10)내 상기 에너지발생수단(60)외 가열수단(40)은 오프하는 3단계 ;
상기 에너지발생수단(60)을 이용하여 반응조(10)의 온도를 35℃도로 유지하는 4단계 ;
반응조(10)내 슬러지를 유출하는 5단계를 포함하여 구성되는 슬러지 소화조 운전방법
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