KR102320633B1 - 스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 생물학적 하수 처리 과정에서 발생되는 소화 슬러지를 탈수 처리하는 방법에 있어서, 상기 소화 슬러지에 대하여 염기성 황산 제2철을 1000~2,000mg/L 범위로 투입하는 스케일 생성 억제용 응집보조제 투입 단계; 상기 스케일 생성 억제용 응집보조제 투입 단계 이후에 양이온성 고분자 응집제를 230~380㎎/L 범위로 투입하는 고분자 응집제 투입단계; 및 상기 고분자 응집제 투입 단계를 거친 슬러지를 탈수 장치에 의하여 탈수하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리방법이 제공된다.

Description

스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템{System for treating sewage sludge using adjuvant flocculants for scale preventer}

본 발명은 스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리방법에 관한 것이다.

생물학적 하수 처리 공정에서는 하수를 폭기조에서 폭기 시킨 후, 폭기된 하수는 최종 침전지에서 적당한 시간을 체류하면서 활성오니를 침전시켜서 처리수를 다시 하천으로 방류하게 된다.

침전된 활성오니는 소화조로 보내져서 혐기성 소화 과정을 거친 후, 소화된 슬러지는 탈수장치로 보내져 탈수 공정에 이르게 된다.

탈수 공정에서는 원심분리기 또는 가압 프레스 탈수기와 같은 탈수장치를 이용하여 탈수 후에 발생되는 슬러지 케이크의 무게와 부피를 감소시킨다.

이때, 소화 슬러지 속에 함유된 고농도의 인산 이온, 마그네슘 이온, 암모니움 이온 물질들이 스트로바이트를 생성시켜서, 슬러지 이송배관 및 탈수장비에 부착되어 하수 처리 효율을 저감하는 요인이 된다.

화학적 폐수 처리 공정에서는 폐수 처리를 위해 주입하는 화공약품과 탈황 폐수가 반응하는 과정에서 다량의 스케일(Scale)이 발생되어 폐수 처리 설비 내부에 스케일(Scale)이 부착됨으로써, 처음으로 탈황 폐수의 화학적 처리가 이루어지는 1차 반응조, 1차 pH 조정조 및 일상 폐수 저장조에 다량의 스케일이 부착된다.

생물학적 하수 처리 공정에서 스케일의 생성은 표면적, 체적의 비율이 크게 영향을 미치기 때문에 1차 처리 과정이나, 소화조보다는 슬러지 배관이나 탈수 분리액 배관에서 스케일이 생성되기 쉽다.

특히 원심탈수기의 분리액 배관에서는 급격하게 탈탄산(脫炭酸)되기 때문에 pH가 상승되어 결정이 생성되기 쉽다.

이와 같은 스케일에 의한 장해는 탈수 공정 전반에 걸쳐 발생되며, 특히 배관이 좁아지는 부분 및 밸브 등의 후단부에 집중적으로 발생되고 있다.

이에 대하여 주기적으로 스케일 방지제를 첨가하여 이러한 결정으로 생성된 스트로바이트(struvite)를 제거하는 방법 등이 연구되고 있다.

또한, 스트로바이트(struvite) 발생시에는 배관청소나 황산첨가법으로 제거할 수 있으나, 배관청소 때마다 탈수기의 가동을 중지하여야 하며, 또 스케일 방지용도로 저류조에 희석된 황산을 첨가할 경우에는 탈수성의 악화가 우려된다는 점이나 약품 자체의 취급이 쉽지 않다는 점 등에서, 문제가 제기된다.

따라서, 생물학적 하수 처리 과정에서 발생되는 슬러지 처리하는데 있어서, 플록을 형성시키는 고분자 응집제와 상승반응을 가지는 스케일 생성 억제제를 첨가하여 슬러지 이송배관에서 발생하는 스트로바이트 생성을 억제할 수 있는 경제적인 하수 슬러지 처리방법이 요구된다.

본 발명에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-0573186(스케일 생성 방지제를 이용한 배연 탈황 폐수 처리 방법)에 게시된다.

대한민국 등록특허공보 10-0573186호에는 화학적 폐수 처리 과정에서 발생되는 스케일에 대하여 스케일 생성 방지제를 이용하여 스케일을 생성을 방지하는 방법을 제공한다.

대한민국 등록특허공보 10-0573186(스케일 생성 방지제를 이용한 배연 탈황 폐수 처리 방법)

본 발명의 목적은 생물학적 하수 처리 과정에서 발생되는 슬러지를 처리하는데 있어서, 플록을 형성시키는 고분자 응집제와 상승반응을 가지는 스케일 생성 억제제를 더 첨가하여 슬러지 이송배관에서 발생하는 스트로바이트 생성을 억제할 수 있는 경제적인 하수 슬러지 처리방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 생물학적 하수 처리 과정에서 발생되는 소화 슬러지를 탈수 처리하는 방법에 있어서, 상기 소화 슬러지에 대하여 염기성 황산 제2철을 500~4,000mg/L 범위로 투입하는 스케일 생성 억제용 응집보조제 투입 단계; 상기 스케일 생성 억제용 응집보조제 투입 단계 이후에 양이온성 고분자 응집제를 100~ 400㎎/L 범위로 투입하는 고분자 응집제 투입단계; 및 상기 고분자 응집제 투입 단계를 거친 슬러지를 탈수 장치에 의하여 탈수하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리방법이 제공된다.

또한, 상기 응집보조제 투입 단계에서 상기 염기성 황산 제2철을 1,500mg/L로 투입하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 응집보조제는 소화조와 상기 탈수장치 사이에서 소화 슬러지가 잠시 저류될 수 있는 설치되는 저류조에 투입하여 상기 소화 슬러지와 믹싱되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 염기성 황산 제2철은 비중(20℃ 기준) 1.4~1.6, PH 2 이상, Total-Fe 10중량% 이상, 제1 철( Fe²⁺) 0.07중량% 이하의 특성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 염기성 황산 제2철은 다음 분자식으로 형성된 것을 특징으로 한다.

Fe₂(OH)_n(SO₄)_{3 -n/2} (0〈 n ≤ 2)

또한, 상기 염기성 황산 제2철은 황산 제2철의 SO₄ ^2-의 일부를 OH^-로 옮겨놓은 삼차원 배위 형태로서, OH기를 가교로서 중합되어 다핵착제를 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 염기성 황산 제2철은, 상기 탈수 장치에서 발생되는 탈수분리액 안의 용해성 마그네슘 농도를 10mg／L 이상이 되도록 하는 범위로 투입량을 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 염기성 황산 제2 철의 투입량은 상기 탈수 장치에서 발생되는 탈수분리액 안의 총 마그네슘 농도와 용해성 마그네슘 농도의 차인 불용성 마그네슘농도를 10㎎/L 이하가 되는 범위로 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 원심탈수기에 염기성 황산 제2철을 이용한 이액탈수법에 의하면, 염기성 황산 제2철의 첨가에 의해 분리액 속의 S-Mg농도가 상승되며, 현저한 스트로바이트(MAP) 억제가 가능한 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 원심탈수기에 고분자 응집제와 염기성 황산 제2철의 두 가지 약품을 이용하여 탈수하는 이액탈수법에 대하여 비교결과, 탈수케익 함수율은 고분자 응집제만 투여하였을 경우, 77.3%이던 것이 염기성 황산 제2철을 1,500㎎/L 첨가시에는 75.0%(2.3% 저하)로 감소되는 효과를 가진다.

또한, 황산 제2철의 첨가에 의해 약 9%의 탈수 케익이 감량되는 효과를 가진다.

도 1 은 일반적인 생활하수에 대한 생물학적 하수 처리 공정을 도시한 것이다.
도 2는 종래 소화 슬러지 이송관에 스케일이 형성된 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제제를 이용한 하수 슬러지 처리과정의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 함수율과 원심 탈수기 유압 특성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 탈수기에서 탈수 분리액 속의 총 마그네슘(T-Mg) 및 용해성 마그네슘(S-Mg)과의 관계를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 스케일 생성을 비교한 이미지를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 탈수기에서 탈수 분리액의 SS 농도 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 탈수기에서 탈수 분리액의 T-P 농도 변화를 나타낸 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.

또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.

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

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호가 사용된다.

도 1 은 일반적인 생활하수에 대한 생물학적 처리 공정을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 최초침전지(11)에 유기성 폐수나 도시 하수(31)가 유입되면 느린 유속으로 약 2시간 정도 체류시키면서 유입된 하수의 고형물을 침전시킨다(여기서 BOD(Biochemical Oxygen Demand) 와 SS(Suspended Solid)가 약 30% 정도 제거된다.)

다음 폭기조(12)에서는 적당한 체류 시간 동안 공기를 전체적으로 불어 넣어 폭기 과정을 실시한다. 폭기조(12)에서는 미생물이 유기물을 섭취하여 성장하고 번식하게 되며, 유기물을 미생물덩어리(활성오니)로 만든다.

폭기된 하수(32)는 최종 침전지(13)에서 적당한 시간(약 3시간)을 체류하면서 활성오니를 침전시킨다.

최종 침전지(13)에서 침전된 활성오니는 다시 폭기조(12)로 보내져 활동하도록 유지시키며, 나머지 활성오니는 소화조(14)로 보내진다.

소화조(14)에서는 혐기성 상태에서 소화되어 유기물의 50% 가량이 분해되며 가연 물질로 사용될 수 있는 메탄가스를 발생시킨다.

소화조(14)에서 소화된 슬러지는 탈수장치(15)로 보내져 탈수 공정에 이르게 된다.

탈수 공정에서는 원심분리기 또는 가압 프레스 탈수기와 같은 탈수장치(15)를 이용하여 탈수 후에 발생되는 슬러지 케이크(21)의, 무게와 부피를 감소시킨다.

슬러지 케이크(21)의 탈수 효율을 높여서 함수율을 저감시키기 위하여 소화 슬러지는 탈수 직전에 약품 투입기(16)를 통하여 응집용 약품인 고분자 응집제와 혼합하여 탈수 장치(21)로 탈수하게 된다.

이와 같은 응집용 약품을 투입하여 탈수한 슬러지 케이크는 약 76~80% 정도의 함수율을 가지게 된다.

소화 슬러지나 탈수 분리액 속에는 고농도의 인산 이온, 마그네슘 이온, 암모니움 이온이 존재하기 쉬우며, pH가 7~8 정도일 경우 스트로바이트(MAP: MgNH4PO4·6H2O, 인산암모니움마그네슘, 이하 '스트로바이트(또는 MAP)라 한다.)로 불리는 백색 결정이 생성된다. 이것이 결국 스케일이 되어 슬러지 배관이나 탈수 분리액 배관을 폐색시킨다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 실험에 의하면, 소화 슬러지 이송관에서 발생되는 스케일(스트로바이트, MAP)의 용해도는 산성에서 증가하며, 알칼리성에서는 저하되는 경향을 나타내며, pH 8에서는 거의 용해되지 않는다. 또한, 20℃ 이상의 온도영역에서는 온도가 상승함에 따라 용해도는 감소한다.

특히 원심탈수기의 분리액 배관에서는 급격하게 탈탄산(脫炭酸)되기 때문에 pH가 상승되어 결정이 생성되기 쉽다.

도 2는 종래 소화 슬러지 이송관에 스케일이 형성된 예를 도시한 것이다.

도 2의 (a)는 탈수기 인입배관부에 스트로바이트(MAP)의 스케일이 형성된 것을 나타내며, 도 2의 (b)는 슬러지 이송관의 밸브류 후단부에 스트로바이트(MAP)의 스케일이 형성된 것을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제제를 이용한 하수 슬러지 처리과정의 예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 소화조(14)에서 소화된 소화 슬러지는 소화 슬러지 이송관(42)을 통하여 저류조(25)로 이송된다. 저류조(25)의 입구단 또는 저류조(25)에서 주응집제인 고분자 응집제를 투입하기 이전에 본 발명의 일 실시 예에 따른 응집보조제 탱크(51)로부터 스케일 생성 억제용 응집보조제가 투입된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 주응집제는 폴리아미노메틸아크릴아미드, 폴리에틸렌 아민 등을 포함하는 양이온계 고분자 응집제가 사용된다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제용 응집보조제는 염기성 황산 제2철이 사용된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제용 응집보조제는 다양한 실험 결과, 스케일 생성을 억제할 뿐 아니라 주응집제와의 상승작용에 의하여 탈수 효율도 높일 수 있는 재료로 황산 제2 철의 SO₄ ^2-의 일부를 OH-로 옮겨놓은 삼차원 배위를 하고 있고 OH기를 가교로서 중합되어 다핵착제를 형성한 것을 특징으로 하는 염기성 황산 제2철이 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 생물학적 처리 과정에서 발생된 소화 슬러지를 저류조(25)에 일시 체류하는 동안에 스케일 생성 억제용 응집보조제인 염기성 황산 제2철을 소화 슬러지에 대하여 500~4,000㎎/L 투입하고, 응집보조제 투입 단계 이후에 양이온성 고분자 응집제를 소화 슬러지 이송량의 100~ 400㎎/L 투입하는 단계가 수행된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 응집보조제는 고분자 응집제가 첨가되기 전 단계에 소화슬러지에 투입되며, 소화슬러지와 응집보조제인 염기성 황산 제2 철의 혼합액에 고분자응집제를 투입하는 것이 탈수 및 스크로바이트 생성 억제에 효과적이다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이액탈수 방식은, 고분자 응집제가 첨가되기 전 단계에 응집보조제인 염기성 황산 제2철을 소화슬러지에 투입되어 혼합된 후, 다음 단계에서 고분자 응집제가 투입된다.

도 3을 참조하면, 저류조(25)에서 스케일 생성 억제용 응집보조제인 염기성 황산 제2철(51)을 투입하여 혼합이 된 후, 저류조(25)의 후단에 응집보조제가 혼합된 슬러지에 고분자 응집제(52)를 혼합한다. 응집보조제 및 고분자응집제에 의하여 플록이 강화된 약품 혼합 슬러지는 이송펌프에 의해 탈수장치(15)로 이송되어 탈수된다.

한편, 저류조가 없는 설비에서는 슬러지 이송관에 직접 염기성 황산 제2철을 직접 투입할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제용 응집보조제로 사용되는 염기성 황산 제2철의 분자식은 다음과 같다.

Fe₂(OH)_n(SO₄)_{3 -n/2} (0〈 n ≤ 2)

본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2 철은 구조적으로 황산 제2 철의 SO₄ ^2-의 일부를 OH^-로 옮겨놓은 삼차원 배위를 하고 있고 OH기를 가교로서 중합되어 다핵착제를 형성한 것을 특징으로 한다.

이 때문에 응집 능력이 높고 염기도를 가지고 있기 때문에 알칼리도의 소비가 적고 부식성이 적다는 특징을 가진다.

종래 사용되던 철계 응집제는 일반적으로 부식성이 높은 단점이 있으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철은 염화 제2철에 비하여 부식성이 적으며 또한 SUS에서는 완전한 내식성을 가진다.

[표 1]은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철은 다음과 같은 성상을 가진다.

비중(20℃)	1.4~1.6
pH	2 이상
Total Fe	10% 이상
제1철 Fe2 +	0.07% 이하

염기성 황산 제2철은 인 제거제로서 수처리 시설 등에 많이 사용되는 염기성 염화알루미늄(PAC)과 마찬가지로 염기도를 가지고 있기 때문에 응집력이 높고, 부식성이 작다는 특징이 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 생물학적 1차 처리를 거쳐서 소화조에서 혐기성 소화를 거친 소화 슬러지는 (-)의 표면 전하를 가진 미세입자이기 때문에 양이온계 (+)고분자를 첨가하여 표면 전하의 중화와 흡착 가교를 동시에 진행시켜 플록을 조대화시킨 후에 탈수를 하게 된다.

고분자 응집제만 소화 슬러지에 투입한 경우에는 슬러지 미세입자의 하전중화가 부족한 상태에서 진행되기 때문에 플록의 강도가 불충분하여 함수율 및 점성이 높은 탈수케익이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제용 응집보조제와 양이온성 고분자 응집제를 이용한 탈수과정에서는, 고분자 응집제보다 앞서 첨가된 염기성 황산 제2철의 Fe^{3 +}이온이 소화 슬러지 입자에 흡착되어 하전 중화가 진행되고, 후에 첨가된 양이온계 고분자에 의해 미반응된 (-)전하가 반응하여 소화 슬러지 입자에 흡착된다.

이로 인해 본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제용 응집보조제와 양이온성 고분자 응집제를 이용한 탈수과정에서는 고분자쇄를 통해 슬러지 입자의 가교가 일거에 진행되어 보다 단단하고 강한 플록이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스케일 생성 억제용 응집보조제와 양이온성 고분자 응집제를 이용한 탈수과정에서는 고분자 응집제만을 사용한 탈수 과정과 비교하여 분리액의 인 제거 및 스트로바이트(MAP) 억제에 대한 효과가 탁월하게 된다.

철염이나 알루미늄 염을 첨가하여 인을 제거하는 기술은 일반적으로 널리 알려져 있다. 슬러지의 용해성 인산이온(PO₄ ^3-)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철의 3가철 이온(Fe^{3 +})과 반응하여 인산철의 형태의 난용성염을 생성하기 때문에 불용화되어 탈수 케익 안에서 고정된다.

따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철을 이용한 슬러지 처리수 공정은 인 제거 효과가 크다.

PO₄ ^3- + Fe^{3 +} → FePO₄↓

염기성 황산 제2철을 소화 슬러지에 첨가하면 슬러지 속의 인이 불용성의 인산철이 되어 용해성 인의 농도가 저하되기 때문에 스트로바이트(MAP)의 생성을 억제한다. 또한, 이미 생성된 스트로바이트(MAP)도 pH 저하에 의해 용해도가 상승되어 분해될 수 있다.

다음은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 특성을 실험한 예이다.

본 발명의 일 실시 예에 다른 실험 예에서는 고분자 응집제만 투입하였을 때와 염기성 황산 제2철을 첨가하였을 때의 특성을 대비하기 위하여 염기성 황산 제2철의 주입은 무첨가부터 2,500㎎/L까지 500㎎/L씩 단계적으로 변화를 주어 각 주입율에 대한 유압의 최대치에서 샘플링하여 함수율을 측정하였다.

고분자 응집제는 현행의 약품(액상, 양이온계, 조약농도 0.6(w/v%)를 사용하고, 2.1㎥/hr(1.2 ~1.7%/DS)로 일정하게 주입하였다. 표 2에는 평상시의 원심탈수기의 운전조건을 나타내었으며, 실험은 동일한 조건하에서 기간별로 총 3회 실시하였다.

형식	유압구동방식
처리량	20㎥/hr
회전수	2,500rpm
차속	4~5rpm
탈수 농도	1.8~2.5%

본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 함수율 측정은 원심탈수기의 탈수케익 채취구에서 10~30분 간격으로 채취하고, 적외선 수분계를 사용하여 반복적으로 측정하였다.

고분자 응집제는 염기성 황산 제2철의 첨가 유무와 관계없이 평소대로 소화 슬러지 슬러지 케익의 고형분(DS) 1.4% 기준으로 투입되었으며, 15m³/h ~ 20m³/h의 소화 슬러지에 대하여 0.2%의 고분자 응집제 용액 1.75m³/h,~ 2.8m³/h가 투입되었다.

탈수 분리액은 원심탈수기의 분리액 채취구에서 탈수케익과 동시에 채취하고, pH, T-P, T-Mg, S-Mg 등을 분석하였다. 또 악취측정은 케익이송 컨베이어 상부 점검구에서, 황화수소, 메틸메르캅탄, 암모니아 농도를 가스 검지관을 통하여 측정된 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 함수율과 원심 탈수기 유압 특성을 도시한 것이다.

표 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2 철의 투입에 따른 함수율과 원심 탈수기 유압의 측정 결과를 나타낸 것이다.

구분	염기성 황산 제2 철 첨가율(mg/L)
	0	1,000	1,500	2,000	2,500
평균 유압(bar)	87	94	133	108	104
평균 함수율(%)	76.2	75.5	73.9	74.8	74.9

도 4 및 표 3을 참조하면, 염기성 황산 제2 철을 첨가하지 않고 고분자응집제만을 투입하였을 경우, 유압은 72~87bar의 범위로 변동하였고, 함수율은 76.1~77.5%로 나타낸다.

한편, 염기성 황산 제2철을 첨가한 후에는 첨가율의 증가에 따라 유압은 완만하게 상승하고, 함수율은 저하되었다.

도 4와 같이 유압과 함수율 사이에는 선형적인 관계를 보이고 있으며, 유압이 10bar 상승할 때마다 함수율이 약 0.6% 저하되는 결과로 나타났다.

이러한 결과는 유압식 원심탈수기에 있어서 염기성 황산 제2철의 탈수 메커니즘은 염기성 황산 제2철의 첨가가 직접적으로 함수율 저하와 결부되는 것이 아니라 염기성 황산 제2철의 첨가에 의해 양호한 플록이 형성되면서 고액분리성이 향상됨에 따라 보울 내에서의 고형물 체류시간이 증가하여, 그 결과 유압이 상승되어 함수율의 저하로 이어지기 때문으로 분석된다.

[표 3]을 참조하면, 염기성 황산 제2철을 1,500㎎/L 첨가 시에 가장 유압이 상승하였으며, 함수율은 무첨가 시와 비교하였을 때 2.3% 감소된 것으로 나타난다.

한편, 2,000~ 4000㎎/L이상 첨가하였을 경우에는 반대로 유압이 저하되는 현상이 나타났는데 이것은 염기성 황산 제2철의 과잉첨가로 슬러지의 계면전하가 (+)로 기울어져 양이온성 (+)고분자의 응집효과가 오히려 감소된 것으로 분석된다.

또한, 500㎎/L이하에서는 염기성 황산 제2철을 첨가하지 않을 경우와 별 다른 효과를 나타내지 않은 것으로 분석된다.

따라서 소화 슬러지에 대한 염기성 황산 제2철의 바람직한 투입 범위는 500~2,000㎎/L의 범위에서 함수율 저하에 효과를 가지는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2철의 투입에 따른 탈수기에서 탈수 분리액 속의 총 마그네슘(T-Mg) 및 용해성 마그네슘(S-Mg)과의 관계를 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 염기성 황산 제2철의 첨가율이 증가함에 따라 S-Mg이 상승하였다는 것을 알 수 있다. 이는 종래 방법에서 스트로바이트(MAP)로 형성되었을 인이 철 이온과 반응하여 인산철을 형성하기 때문에 스트로바이트(MAP)의 구성요소 중의 하나인 Mg이 반응되지 못한 채 용액 속에서 Mg^{2 +}으로 잔류하기 때문이라고 분석된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철 1,500㎎/L 첨가 시에서는 S-Mg(용해성 마그네슘)이 21㎎/L가 되어 소화슬러지의 S-Mg농도인 17㎎/L를 상회하는 것으로 나타내는데, 이것은 이미 소화 슬러지 속에 생성되어 있는 스트로바이트(MAP)가 용해되었다는 것으로 분석된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 실험에서는 탈수분리액 안의 용해성 마그네슘 농도를 10mg／L이상, 또한, 총 마그네슘 농도와 용해성 마그네슘 농도의 차인 불용성 마그네슘농도를 10㎎/L이하가 되도록 하면 스케일 발생이 억제되는 것으로 분석되었다.

T-Mg과 S-Mg의 차인 불용해성 Mg을 스트로바이트(MAP)의 량으로 가정할 경우, 분리액 속의 스트로바이트(MAP) 생성량은 1,500㎎/L 첨가 시에 약 90% 이상 억제되는 것으로 분석되었다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스트로바이트(MAP) 생성량 억제 관점에서 염기성 황산 제2철의 첨가율은 소화슬러지에 대하여 1,000~2,000㎎／L가 바람직하다.

또한, 상기 염기성 황산 제2철의 첨가율은, 첨가에 따른 탈수분리액 안의 용해성 마그네슘 농도를 10mg／L 이상, 또한, 총 마그네슘 농도와 용해성 마그네슘 농도의 차인 불용성 마그네슘농도를 10㎎/L 이하가 되도록 조정함으로써, 소화슬러지 배관 및 탈수 분리액 배관 안의 스케일 억제를 보다 경제적이고 효율적으로 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2철의 투입에 따른 스케일 생성을 비교한 이미지를 도시한 것이다.

도 6(a)는 관 정비 후 염기성 황산 제2철을 투입하기 않은 원심 탈수기의 슬러지 공급용 배관에서 스케일이 생성된 이미지 단면과, 염기성 황산 제2철을 첨가하고 50일 후에 동일한 원심 탈수기의 공급용 배관 이미지 단면을 도시한 것이며, 도 6(b)는 관 정비 후 염기성 황산 제2철을 투입하지 않은 연압 탈수기의 슬러지 공급용 배관에서 스케일이 생성된 이미지 단면과 염기성 황산 제2철을 첨가하고 50일 후에 동일한 연압 탈수기의 공급용 배관 이미지 단면을 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 염기성 황산 제2철을 첨가하기 전의 소화 슬러지 이송 배관은 탈수기에 따라 스케일의 부착 량에 차이는 있었으나 전체적으로 20~60mm정도의 스트로바이트(MAP) 스케일이 부착되어 있었다. 하지만, 염기성 황산 제2철을 첨가 후로부터 50일 후에 배관을 개봉하여 확인한 결과, 대부분의 배관에서의 스케일 부착은 발견되지 않았다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2철의 투입에 따른 탈수기에서 탈수 분리액의 SS 농도 변화를 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, 탈수 분리액 SS 농도는 염기성 황산 제2철을 첨가하지 않았을 경우 210㎎/L 정도였으나, 염기성 황산 제2철을 2,000㎎/L 첨가한 경우에는 130㎎/L까지 저하되었다(약 40%제거).

일반적으로 보울 내의 탈수케익 층이 두꺼워지고 탈수 케익의 압밀도가 높아지면, 분리액 SS농도는 상승하는 경향이 있으나, 염기성 황산 제2철 첨가 시에는 유압이 상승하여도 SS농도에 악영향을 주지 않았으며, 반대로 분리액의 청정도는 향상되는 것으로 분석된다.

또한, 염기성 황산 제2철을 2,500㎎/L 첨가 시에는 SS농도가 오히려 상승하는 현상이 나타났는데 이것은 함수율과 마찬가지로 과잉첨가에 의한 영향으로 고분자의 응집효과가 저하된 것에 기인한다고 분석된다.

이상의 실험 결과에서 함수율과 SS회수율을 고려하였을 때 염기성 황산 제2철의 적정 첨가율은 1,500~2,000㎎/L 범위로 분석된다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서 염기성 황산 제2철의 투입에 따른 탈수기에서 탈수 분리액의 T-P 농도 변화를 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, 탈수 분리액의 총 인 농도(T-P 농도)는 염기성 황산 제2철을 첨가하지 않았을 경우에는 탈수 분리액의 T-P농도가 102~121㎎/L로 고농도였으나, 염기성 황산 제2 철의 첨가율이 증가됨에 따라 단계적으로 감소되어 1,500㎎/ℓ 첨가 시에는 56~73㎎/L까지 감소되었다(약 45%제거).

이렇게 감소된 상태에서 반류수로서 침전지에 반류되는 T-P부하량은 약 220kg/일로서, 이것을 일 평균 방류수량 60만m3로 환산하면 약 0.36ppm에 상당한다. 염기성 황산 제2철 첨가에 의해 분리액의 T-P부하가 저감된다면, 방류수질의 개선, 고도처리시설 및 총인 처리시설에서 사용하는 인 제거제의 삭감에도 기여할 수 있음을 알 수 있다.

하수 슬러지의 처리 현장에서는 황화수소나 메틸메르캅탄 등의 유황 화합물계 악취가 많이 발생하게 된다. 또한, 황화수소에 의한 콘크리트설비의 부식도 또 다른 문제점으로 대두될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철의 Fe^{3 +} 및 Fe^{2 +} 이온은 황화물과 반응하기 쉽기 때문에 소취제로서의 효과를 가지는 것이 특징이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2 철과 황화물과의 반응은 다음과 같다.

H₂S + 2Fe^{3 +} → S₀↓ + 2Fe^{2 +} + 2H⁺

H₂S + Fe^{2 +} → FeS↓ + 2H⁺

또한, 소화처리에 의해 pH가 상승하면 암모니아가 소화 슬러지에서 방산되기 쉬운 상태가 되지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철이 첨가되면, 산성분의 영향으로 pH가 저하되어 암모니아 가스가 방산되는 것을 억제시킬 수 있다.

NH₃ + H⁺ → NH₄ ⁺

[표 4]는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이액 탈수처리 공정 실험에 따른 탈수케익 이송 컨베이어 위에서 악취를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

구분	염기성 황산 제2 철 첨가율(mg/L)
	0	1,000	1,500	2,000	2,500
암모니아(ppm)	40	16(60)	12(70)	10(75)	3(93)
황화수소(ppm)	0.2	ND	ND	ND	ND
메틸메르캅탄(ppm)	ND	ND	ND	ND	ND

★ N.D : 검출한계 이하, ( ) : 제거율을 나타냄표 4를 참조하면, 염기성 황산 제2철을 첨가하지 않았을 경우에는 암모니아 농도가 40ppm였던 것에 대하여, 염기성 황산 제2철 첨가 시에는 3~16ppm으로 저하되었다(제거율 60~93%). 이것은 염기성 황산 제2철의 첨가에 의한 슬러지의 pH 저하에 따른 영향이라고 분석된다.

황화수소에 대해서는 염기성 황산 제2 철을 첨가하지 않았을 경우에 0.2ppm정도가 검출되었으나 첨가 시에는 검출한계 이하로 떨어졌다. 메틸메르캅탄은 무첨가 시에도 검출되지 않았다.

한편, 표 5 ~ 8은 지역적으로 또 다른 환경의 하수 처리장에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 염기성 황산 제2철을 1,500㎎/L 첨가시에 나타난 특성을 나타낸다.

표 5는 서남 환경 하수처리장에서의 염기성 황산 제2 철 첨가 전, 후의 탈수 분리액의 마그네슘 농도를 나타낸다.

	원심1호기		원심2호기		연합1호기
	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후
총 마그네슘농도①	21.9	17.0	14.7	21.9	13.5	12.7
용해성 마그네슘 농도②	3.3	11.4	4.4	15.0	7.9	10.3
불용성 마그네슘농도①－②+	18.6	5.6	19.3	6.9	5.6	2.4

(mg/L)

표 6은 서남 환경 하수처리장에서의 염기성 황산 제2철 첨가 전, 후의 슬러지 공급배관과 탈수분리액 배관 내벽에 생성된 스케일 두께(mm)특성을 나타낸다.

	원심1호기		원심2호기		연합1호기
	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후
슬러지 공급 배관	18	0	20	0	22	0
탈수 분리액 배관	20	5	15	5	38	0

표 7은 서남 환경 하수처리장에서의 염기성 황산 제2철 첨가 전, 후의 슬러지 공급배관과 탈수분리액 배관에 생성된 스케일 특성을 나타낸다.

	원심1호기		원심2호기		연합1호기
	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후
탈수분리액 T-P	245	97.3	196	98.8	198	114

표 8은 서남 환경 하수처리장에서의 원심탈수기 전단계에서 염기성 황산 제2철 첨가하고, 첨가 전, 후의 악취 특성을 나타낸다(단위:ppm)

	원심1호기		원심2호기		연합1호기
	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후	첨가전	첨가후
NH3	13	6.5	11.3	10	12.6	8.4

본 발명의 일 실시 예에 따른 원심탈수기에 염기성 황산 제2철을 이용한 이액탈수법에 의하면, 스트로바이트(MAP)에 대해서는 염기성 황산 제2철의 첨가에 의해 분리액 속의 S-Mg농도가 상승되며, 현저한 스트로바이트 억제가 가능한 효과를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원심탈수기에 염기성 황산 제2철을 이용한 이액탈수법에 대하여 비교결과, 탈수케익 함수율은 고분자 응집제만 투여하였을 경우, 77.3%이던 것이 염기성 황산 제2철을 1,500㎎/L 첨가시에는 75.0%(2.3% 저하)로 감소되는 효과를 가진다.

이는 염기성 황산 제2철의 첨가에 의해 약 9%의 탈수 케익이 감량되기 때문에 탈수케익 처분비의 절감을 포함하여 하수처리에 소요되는 경비를 절감할 수 있는 효과를 가진다.

11; 최초침전지
12: 폭기조
13: 2차 침전지
14: 소화조
15: 탈수 장치
16, 52: 응집용 약품 투입기
25: 소화 슬러지 저류조
26: 믹싱기
42: 소화 슬러지 이송관
51: 염기성 황산 제2철 투입기

Claims (12)

1. 생물학적 하수 처리 과정에서 발생되는 소화 슬러지를 탈수 처리하는 시스템에 있어서,
   상기 시스템이 소화조, 소화 슬러지 이송관, 및 탈수장치를 포함하고,
   상기 소화조와 상기 탈수장치 사이에 배열된, 소화 슬러지가 일시적으로 저류될 수 있는 저류조;
   상기 저류조에 스케일 생성 억제용 응집보조제를 투입할 수 있는 제 1 투입부;
   상기 저류조에 플록 형성용 응집제를 투입할 수 있는 제 2 투입부;
   를 더 포함하며,
   상기 시스템은,
   상기 저류조 내에 저류된 소화 슬러지에 대하여 상기 제 1 투입부가 스케일 생성 억제용 응집보조제로서 염기성 황산 제2철을 500 ~ 1,500mg/L 범위로 투입하고,
   후속하여 상기 제 2 투입부가 상기 저류조 내로 양이온성 고분자 응집제를 100 ~ 200㎎/L 범위로 투입하고,
   이후 상기 소화 슬러지가 상기 탈수 장치에 의해 탈수되도록 이루어지되,
   상기 염기성 황산 제2철의 투입량은 상기 탈수 장치에서 발생되는 탈수분리액 안의 총 마그네슘 농도와 용해성 마그네슘 농도의 차인 불용성 마그네슘 농도를 10㎎/L 이하가 되는 범위가 되도록 조정하여 소화슬러지 배관 및 탈수 분리액 배관 안의 스케일 발생을 억제하고,
   상기 염기성 황산 제2철은, 상기 탈수 장치에서 발생되는 탈수분리액 안의 용해성 마그네슘 농도를 10mg／L 이상이 되도록 하는 범위로 투입량을 설정하는 것을 특징으로 하는
   스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 투입부가 상기 염기성 황산 제2철을 1,500mg/L로 투입하는 것을 특징으로 하는
   스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 염기성 황산 제2철은,
   비중(20℃ 기준) 1.4 ~ 1.6, pH 2 이상, Total-Fe 10중량% 이상, 제1철 Fe²⁺ 0.07중량% 이하의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는
   스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 염기성 황산 제2철은 다음 분자식
   Fe₂(OH)_n(SO₄)_3-n/2 (0〈 n ≤ 2)
   으로 형성된 것을 특징으로 하는
   스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 염기성 황산 제2철은,
   황산 제2철의 SO₄ ^2-의 일부를 OH^-로 옮겨놓은 삼차원 배위 형태로서, OH기를 가교로서 중합되어 다핵착제를 형성한 것을 특징으로 하는
   스케일 생성 억제용 응집보조제를 이용한 하수 슬러지 처리 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

Images