KR102323843B1 - 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법 - Google Patents

초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 슬러지에 포함되어 있는 수분 및 슬러지 내의 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분을 효과적으로 탈수할 수 있는 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치는 슬러지를 슬러지 탈수반응조에 공급하는 슬러지 공급장치; 슬러지의 탈수공정이 진행되는 공간을 제공하는 슬러지 탈수반응조; 기체 상태의 이산화탄소를 저장함과 함께 이산화탄소를 가압장치로 공급하는 이산화탄소 공급장치; 이산화탄소 공급장치로부터 공급되는 이산화탄소를 슬러지 탈수반응조에 주입함과 함께 슬러지 탈수반응조의 내부 공간에 압력을 선택적으로 인가하는 가압장치; 슬러지 탈수반응조의 내부 공간을 일정 온도로 유지시키는 항온장치; 슬러지 탈수공정이 완료된 후 슬러지 탈수반응조로부터 배출되는 기체와 액체의 혼합물을 이산화탄소 기체와 수분으로 분리하는 기액분리장치; 및 기액분리장치를 통해 분리되어 배출되는 수분을 대상으로 수분에 포함되어 있는 악취성분을 제거하는 탈취장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법{Apparatus and method for low temperature dehydrating and drying sludge using supercritical CO2}
본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초임계 이산화탄소를 이용하여 슬러지에 포함되어 있는 수분 및 슬러지 내의 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분을 효과적으로 탈수할 수 있는 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하수처리과정 및 음식물처리과정에서 발생하는 슬러지는 고형물량의 40∼90%가 유기물로 구성되어 있으며, 함수율이 97∼99%에 달해 부패하기 쉽고, 부패시에 심한 악취가 발생하며 인체와 생물에 유해한 물질이 발생하게 된다. 최근, 해양투기에 의존하던 것이 국제적 런던 덤핑조약에 의해 국가도 해양투기를 금지하는 조치를 내리고, 화석연료를 이용하여 건조 후 퇴비, 고화, 소각, 연료화 등 기술을 도입하여 처리하고 있으나 이러한 기술들은 매립지부족, 연료가치 하락, 퇴비가치 하락 등으로 2차적인 문제를 야기하고 있다. 따라서, 슬러지를 발생시키는 하폐수처리공정에서 원천적으로 감량할 필요성이 제기되고 있다.
슬러지 감량화 방법으로는 오존처리, 알칼리처리, 초음파처리, 기계적 파쇄처리, 효소처리, 열처리 등이 있으며, 이러한 방법을 병행하여 효율성을 증대하고 있다. 이러한 기술들은 잉여슬러지를 분해가능물질로 변환하여 재차 하폐수처리시설공정중 생물학적공정으로 반송하여 최종적으로 물과 이산화탄소로 변화시켜 슬러지 감량화 한다.
상술한 슬러지 감량화 방법을 통해 하폐수처리공정에서 발생되는 슬러지를 감량화할 수 있는데, 이러한 슬러지 감량화 방법을 적용하더라도 함수율이 97∼99%에 달하는 슬러지는 하폐수처리공정의 부산물로 일정량 필연적으로 생성된다.
슬러지를 최종적으로 폐기하기 위해서는 슬러지에 포함되어 있는 수분을 제거해야 한다. 슬러지의 탈수를 위해 통상, 열처리 방법을 이용되고 있다. 즉, 함수율 97∼99%의 슬러지에 열을 가하여 슬러지에 포함되어 있는 수분을 제거하는 방법을 적용하고 있다. 그러나, 이와 같은 열처리를 통한 슬러지의 탈수 방법은 화석연료를 사용해야 함에 따라 처리비용이 상승되는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제1254326호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 초임계 이산화탄소를 이용하여 슬러지에 포함되어 있는 수분 및 슬러지 내의 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분을 효과적으로 탈수할 수 있는 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치는 슬러지를 슬러지 탈수반응조에 공급하는 슬러지 공급장치; 슬러지의 탈수공정이 진행되는 공간을 제공하는 슬러지 탈수반응조; 기체 상태의 이산화탄소를 저장함과 함께 이산화탄소를 가압장치로 공급하는 이산화탄소 공급장치; 이산화탄소 공급장치로부터 공급되는 이산화탄소를 슬러지 탈수반응조에 주입함과 함께 슬러지 탈수반응조의 내부 공간에 압력을 선택적으로 인가하는 가압장치; 슬러지 탈수반응조의 내부 공간을 일정 온도로 유지시키는 항온장치; 슬러지 탈수공정이 완료된 후 슬러지 탈수반응조로부터 배출되는 기체와 액체의 혼합물을 이산화탄소 기체와 수분으로 분리하는 기액분리장치; 및 기액분리장치를 통해 분리되어 배출되는 수분을 대상으로 수분에 포함되어 있는 악취성분을 제거하는 탈취장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 슬러지 탈수반응조 내에서 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 순차적으로 진행된다.
상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정은, 슬러지가 슬러지 탈수반응조에 공급됨과 함께 슬러지 탈수반응조의 압력 및 온도 조건이 초임계 조건에 부합되는 상태에서 슬러지 탈수반응조에 이산화탄소가 공급되면 이산화탄소는 초임계 이산화탄소로 변환되며, 초임계 이산화탄소의 침투 및 용해 반응에 의해 슬러지가 고형물과 수분으로 분리되는 과정이다.
상기 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정은, 슬러지 탈수반응조 내의 압력이 감압되어 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환되며, 상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정에서 미생물 또는 섬유질의 내부에 침투한 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환됨과 함께 팽창되어 미생물 또는 섬유질이 파괴되며, 미생물 또는 섬유질의 파괴에 의해 미생물 또는 섬유질에 함유되어 있는 수분이 미생물 또는 섬유질 외부로 배출되는 과정이다.
제어장치가 더 구비되며, 상기 제어장치는 슬러지 탈수율과 목표탈수율을 대비하고, 슬러지 탈수율이 목표탈수율보다 작으면 상기 슬러지 탈수반응조에 의한 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 재차 실시되도록 상기 슬러지 공급장치, 슬러지 탈수반응조, 이산화탄소 공급장치, 가압장치, 기액분리장치, 탈취장치를 제어하며, 상기 슬러지 탈수율은 슬러지 탈수반응조에 공급된 슬러지 공급량 대비 상기 탈취장치를 통해 최종 배출되는 수분의 양이다.
슬러지 공급장치와 슬러지 탈수반응조 사이에는 슬러지 공급을 위한 슬러지 공급밸브가 구비되며, 슬러지 탈수반응조의 일측에는 탈리액 벤트밸브가 구비되며, 슬러지의 공급시 발생되는 탈리액은 탈리액 벤트밸브를 통해 배출되며, 탈리액의 배출을 위해 슬러지 탈수반응조의 일측에는 여과필터가 구비될 수 있다.
기액분리장치의 압력은 압력해제된 가압장치보다 높으며, 기액분리장치로부터 분리된 이산화탄소 기체는 가압장치를 거쳐 이산화탄소 공급장치로 회수될 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 슬러지 탈수방법은 슬러지 탈수반응조에 슬러지를 공급하는 단계; 슬러지 탈수반응조에 이산화탄소를 공급함과 함께 가압하여 기체 상태의 이산화탄소를 초임계 이산화탄소로 변환시키는 단계; 초임계 이산화탄소의 침투 및 용해 반응에 의해 슬러지가 고형물과 수분으로 분리되는, 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정이 진행되는 단계; 슬러지 탈수반응조 내의 압력이 감압되어 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환되며, 상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정에서 미생물 또는 섬유질의 내부에 침투한 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환됨과 함께 팽창되어 미생물 또는 섬유질에 함유되어 있는 수분이 미생물 또는 섬유질 외부로 배출되는, 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 진행되는 단계; 및 상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 완료된 상태에서, 슬러지 탈수반응조의 일측을 통해 기체 상태의 이산화탄소와 수분의 혼합물이 기액분리장치로 배출되는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
기액분리장치로 배출된 기체 상태의 이산화탄소와 수분의 혼합물을 이산화탄소 기체와 수분으로 분리되며, 분리된 수분은 탈취장치로 전달되어 악취성분이 제거된다.
슬러지 탈수반응조에 공급된 슬러지 공급량 대비 상기 탈취장치를 통해 최종 배출되는 수분의 양인 슬러지 탈수율과 미리 설정된 목표탈수율을 대비하는 단계;를 더 포함하여 이루어지며, 슬러지 탈수율이 목표탈수율보다 작으면 상기 슬러지 탈수반응조에 의한 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 재차 실시된다.
초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정의 압력은 75∼150bar이고, 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정의 압력은 0∼70bar이다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
초임계 이산화탄소의 우수한 용해특성 및 침투특성을 통해 슬러지에 포함되어 있는 수분을 용이하게 탈수할 수 있다. 또한, 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정의 반복 실시를 통해 슬러지에 혼합된 수분뿐만 아니라 미생물 또는 섬유질이 함유한 수분에 대해서도 고액분리할 수 있어 슬러지의 탈수효율을 향상시킬 수 있다.
이와 함께, 종래 기술에 따른 슬러지 탈수건조 기술의 경우, 슬러지의 탈수 및 건조를 위해 80℃ 이상의 고온이 요구되고 그에 따라 악취가 발생되는 문제가 있음에 반해, 본 발명의 경우 35∼60℃의 저온에서 슬러지의 탈수 및 건조가 진행됨에 따라 악취 발생이 저감된다.
아울러, 종래 기술에 따른 슬러지 탈수건조 기술의 경우, 슬러지의 탈수를 위해 응집제 적용이 필수적인 반면, 본 발명은 슬러지의 탈수 및 건조시 응집제 등의 약품이 요구되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 실험결과.
본 발명은 초임계 이산화탄소의 용해 및 투과 특성을 이용하여 슬러지에 포함되어 있는 수분을 효과적으로 탈수할 수 있는 기술을 제시한다.
초임계 이산화탄소는 초임계 유체(supercritical fluid) 중 하나로서, 초임계 유체는 임계온도 및 임계압력 이상에서 존재하는 물질의 상태로 기체와 액체의 특성을 갖는 유체를 일컫는다. 초임계 유체는 용매와 용질 분자 사이의 상호작용에 관여하는 측면에서 액체의 특성을 나타내며, 기질 투과성이 우수하다는 점에서는 기체의 특성을 갖는다.
이산화탄소는 다른 물질에 비해 초임계 상태로 만들기 위한 임계온도 및 임계압력이 낮고, 환경친화적이란 점과 비용 측면에서 저렴한 장점으로 인해 다양한 분야에서 초임계 유체로 널리 사용되고 있다. 일 예로, 커피에서의 카페인 추출, 반도체 기판의 세정, 식물로부터의 에탄올 추출 등에 초임계 이산화탄소가 적용되고 있다.
본 발명은 상술한 분야 이외에 슬러지 탈수공정에 초임계 이산화탄소를 적용하는 기술을 제시한다. 앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 하폐수처리공정에서 발생되는 슬러지는 처리대상 원수의 종류에 무관하게 상당량의 수분을 포함하고 있다. 이와 같이, 슬러지의 성상에 무관하게 슬러지의 함수율은 일정 수준 이상인 바, 초임계 이산화탄소의 용해 특성 및 투과 특성을 적용함으로써 슬러지의 높은 탈수효율을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 슬러지를 탈수함에 있어서, 슬러지에 대한 가압과 감압을 반복 실시함으로써 슬러지에 포함되어 있는 미생물 또는 섬유질을 파괴하고 이를 통해 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분까지 효과적으로 탈수할 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치는 슬러지 공급장치(110), 슬러지 탈수반응조(120), 이산화탄소 공급장치(130), 가압장치(140), 항온장치(150), 기액분리장치(160), 탈취장치(170) 및 제어장치(180)를 포함하여 이루어진다.
상기 슬러지 공급장치(110)는 탈수공정의 대상물인 슬러지를 슬러지 탈수반응조(120)에 공급하는 역할을 하며, 상기 슬러지 탈수반응조(120)는 슬러지의 탈수공정이 진행되는 공간을 제공한다. 본 발명에서 '슬러지'는 수처리공정에서 발생되는 슬러지 또는 음식물처리공정에서 발생되는 슬러지를 포함한다.
상기 슬러지 탈수반응조(120) 내에서 진행되는 슬러지 탈수공정의 기작은 크게 2가지로 구분된다. 첫 번째는 초임계 이산화탄소의 용해 및 투과 특성에 의한 탈수이며, 두 번째는 슬러지에 대한 가압과 감압을 반복 실시함으로써 슬러지에 존재하는 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분을 탈수하는 것이다. 이와 같은 슬러지 탈수공정의 기작에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 이산화탄소 공급장치(130)는 기체 상태의 이산화탄소를 저장함과 함께 이산화탄소를 가압장치(140)로 공급하는 역할을 한다. 상기 가압장치(140)는 이산화탄소 공급장치(130)로부터 공급되는 이산화탄소를 슬러지 탈수반응조(120)에 주입함과 함께 슬러지 탈수반응조(120)의 내부 공간에 압력을 선택적으로 인가하는 역할을 한다. 상기 가압장치(140)에 의한 가압 조건에 따라 슬러지 탈수반응조(120)의 내부는 초임계 압력 이상으로 설정되거나 초임계 압력 상태에서 감압될 수 있다.
상기 항온장치(150)는 슬러지 탈수반응조(120)의 내부 공간을 일정 온도로 유지시키기 위한 역할을 하는 것으로서, 항온장치(150)의 온도 설정에 따라 슬러지 탈수반응조(120)의 내부 공간은 초임계 조건에 부합되거나 초임계 조건으로부터 해제될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 초임계 유체는 임계온도 및 임계압력 이상에서 존재하는 물질의 상태인 바, 기체 상태의 이산화탄소를 초임계 이산화탄소로 변환시키기 위해서는 온도 조절이 가능한 항온장치(150)가 필수적으로 요구된다.
상기 기액분리장치(160)는 슬러지 탈수공정이 완료된 후 슬러지 탈수반응조(120)로부터 배출되는 기체와 액체의 혼합물 즉, 이산화탄소 기체와 수분의 혼합물을 이산화탄소 기체와 수분으로 분리하는 역할을 한다. 분리된 수분은 후술하는 탈취장치(170)로 배출되며, 분리된 이산화탄소 기체는 상기 이산화탄소 공급장치(130)로 회수된다. 이 때, 기액분리장치(160)는 슬러지 탈수반응조(120)로부터 일정 압력을 갖는 이산화탄소 기체와 수분의 혼합물을 받음에 따라 기액분리장치(160)의 압력이 압력해제된 가압장치(140)보다 높은 점을 이용하여 기액분리장치(160)로부터 분리된 이산화탄소 기체의 일부는 가압장치(140)를 거쳐 이산화탄소 공급장치(130)로 회수될 수 있다.
상기 탈취장치(170)는 상기 기액분리장치(160)를 통해 분리되어 배출되는 수분을 대상으로 수분에 포함되어 있는 악취성분을 제거하는 역할을 한다. 상기 탈취장치(170)는 탈취제가 적용되는 스크러버(scrubber) 형태로 구성하거나, 수분의 악취성분을 제거하는 자외선소독장치 형태로 구성할 수 있다.
이와 같은 구성 하에 슬러지 탈수반응조(120) 내에서 슬러지 탈수공정이 진행되는데, 슬러지 탈수공정의 기작은 상술한 바와 같이 2가지 기작으로 구분된다. 첫 번째 기작은 초임계 이산화탄소의 용해 및 투과 특성에 의한 탈수이며, 두 번째 기작은 슬러지에 대한 가압과 감압을 반복 실시함으로써 슬러지에 존재하는 미생물 또는 섬유질을 파괴하여 이들이 함유하고 있는 수분을 탈수하는 것이다.
먼저, 첫 번째 기작에 대해 설명하면 다음과 같다.
슬러지가 슬러지 탈수반응조(120)에 공급됨과 함께 슬러지 탈수반응조(120)의 압력 및 온도 조건이 초임계 조건에 부합되는 상태에서 슬러지 탈수반응조(120)에 이산화탄소가 공급되면 이산화탄소는 초임계 이산화탄소로 변환된다.
초임계 이산화탄소는 전술한 바와 같이 액체로서의 용해 특성 및 기체로서의 투과 특성을 갖고 있다. 초임계 이산화탄소가 우수한 투과 특성을 갖고 있기 때문에 초임계 이산화탄소가 슬러지 내부로 침투하게 되며, 이와 함께 초임계 이산화탄소의 우수한 용해력에 의해 슬러지에 포함되어 있는 수분이 초임계 이산화탄소에 용해된다. 이와 같이, 초임계 이산화탄소의 침투 및 용해 반응에 의해 슬러지가 고형물과 수분으로 분리된다.
두 번째 기작은 다음과 같이 진행된다.
두 번째 기작은 슬러지에 대한 가압과 감압을 교번하여 반복 인가함으로써
슬러지에 존재하는 미생물 또는 섬유질을 파괴하고 이를 통해 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분을 미생물 또는 섬유질 배출하는 것이다. 가압 조건은 초임계 조건에 부합되는 것이며, 감압 조건은 초임계 조건이 해제되는 압력 상태에 해당된다.
슬러지는 고형물과 수분의 혼합물이고, 고형물에는 미생물, 섬유질과 같은 유기성 물질이 포함되어 있다. 초임계 이산화탄소의 투과 특성에 의해 초임계 이산화탄소는 미생물 또는 섬유질 내부로도 침투하는데, 이와 같은 상태에서 슬러지 탈수반응조(120)의 압력이 감압되면 초임계 이산화탄소는 기체 상태의 이산화탄소로 변환된다. 감압으로 인해 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환되면 기체의 팽창에 의해 미생물 및 섬유질이 파괴되며, 미생물 또는 섬유질이 함유한 수분은 외부로 배출된다. 여기서, 미생물은 박테리아 등을 의미하며, 섬유질은 음식물폐기물에 포함되어 있는 채소성 물질을 의미한다.
이와 같이, 높은 압력의 초임계 이산화탄소를 미생물 또는 섬유질 내부로 침투시키고, 이어 감압 조건을 통해 초임계 이산화탄소를 기체 상태의 이산화탄소로 변환, 팽창시킴으로써 미생물 및 섬유질을 파괴하고, 미생물 및 섬유질이 함유하고 있는 수분을 미생물 또는 섬유질 외부로 배출시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 첫 번째 기작을 통해 슬러지에 혼합되어 있는 수분을 분리할 수 있으며, 두 번째 기작을 통해 슬러지에 존재하는 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분을 분리할 수 있다. 슬러지에 혼합되어 있는 수분 이외에 슬러지 내의 미생물 또는 섬유질이 함유하고 있는 수분까지 분리할 수 있음에 따라, 슬러지 탈수효율이 배가된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치에서 상기 제어장치(180)는 슬러지 탈수공정의 탈수율을 제어하기 위한 것이다.
구체적으로, 상기 제어장치(180)는 슬러지 탈수공정을 위해 슬러지 탈수반응조(120)에 공급되는 슬러지의 양에 대비하여 상기 탈취장치를 통해 최종 배출되는 수분의 양을 측정하여 탈수율을 산출하고 해당 탈수율이 미리 설정된 목표탈수율에 부합되는지 여부를 판단하고, 슬러지 탈수공정의 탈수율이 목표탈수율보다 작으면 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지 탈수공정 및 가압과 감압을 반복 실시하는 슬러지 탈수공정이 재차 진행되도록 가압장치(140), 슬러지 탈수반응조(120) 등 제반장치를 제어한다. 여기서, 슬러지 공급량은 제 1 유량계(11)에 의해 측정되고, 탈취장치에서 배출되는 수분의 양은 제 2 유량계(12)에 의해 측정된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면 먼저, 슬러지 탈수반응조(120)에 슬러지가 공급된다(S201). 상기 슬러지는 수처리공정에서 발생되는 슬러지 또는 음식물처리공정에서 발생되는 슬러지이다.
슬러지 공급장치(110)와 슬러지 탈수반응조(120) 사이에는 슬러지 공급을 위한 슬러지 공급밸브(111)가 구비되며, 슬러지 탈수반응조(120)의 일측에는 탈리액 벤트밸브(121)가 구비된다. 슬러지의 공급시 발생되는 탈리액은 탈리액 벤트밸브(121)를 통해 배출되며, 탈리액의 배출을 위해 슬러지 탈수반응조(120)의 일측에는 여과필터가 구비된다.
슬러지 공급밸브(111) 및 탈리액 벤트밸브(121)가 개방된 상태에서 슬러지 공급장치(110)의 슬러지가 슬러지 탈수반응조(120)로 공급되며, 슬러지는 3bar 이상으로 공급된다. 슬러지의 공급압력은 제 1 압력계(21)에 의해 체크된다.
슬러지 탈수반응조(120)로의 슬러지 공급이 완료되면 항온장치(150)를 이용하여 슬러지 탈수반응조(120)의 내부온도가 35∼60℃로 유지되도록 한다. 항온장치(150)를 이용하여 슬러지 탈수반응조(120)의 내부온도가 35∼60℃로 유지하는 이유는 초임계 이산화탄소의 생성을 위한 온도조건을 만족시키기 위함이다.
이와 같은 상태에서, 이산화탄소 공급장치(130) 및 가압장치(140)를 이용하여 기체 상태의 이산화탄소를 슬러지 탈수반응조(120)에 공급한다. 이산화탄소 공급장치(130)는 기체 상태의 이산화탄소를 가압장치(140)로 공급하며, 가압장치(140)는 기체 상태의 이산화탄소를 가압하여 슬러지 탈수반응조(120)로 공급한다. 가압장치(140)에 의해 슬러지 탈수반응조(120)에 공급되는 기체 상태의 이산화탄소는 초임계 압력 조건에 부합되는 압력으로 가압된다. 일 실시예로, 기체 상태의 이산화탄소는 75∼150bar의 압력으로 슬러지 탈수반응조(120)에 공급될 수 있다. 슬러지 탈수반응조(120)의 내부 압력은 제 2 압력계(22)에 의해 체크된다.
초임계 압력 조건에 부합하는 75∼150bar의 압력으로 기체 상태의 이산화탄소가 슬러지 탈수반응조(120)에 공급됨에 따라, 슬러지 탈수반응조(120) 내에서 기체 상태의 이산화탄소는 초임계 이산화탄소로 변환되며(S202), 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지 고액과정이 진행된다(S203). 구체적으로, 초임계 이산화탄소의 투과 특성에 의해 초임계 이산화탄소가 슬러지 내부로 침투함과 함께 초임계 이산화탄소의 용해력에 의해 슬러지에 포함되어 있는 수분이 초임계 이산화탄소에 용해된다. 즉, 초임계 이산화탄소의 침투 및 용해 반응에 의해 슬러지가 고형물과 수분으로 분리된다.
이와 같이, 초임계 이산화탄소에 의해 슬러지가 고액분리되는데, 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정에서 초임계 이산화탄소는 슬러지에 포함되어 있는 미생물 및 섬유질의 내부로도 침투한다. 여기서, 미생물이라 함은 앞서 언급한 바와 같이 박테리아 등을 의미하며, 섬유질은 채소성 물질을 의미한다.
초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정이 완료되면, 슬러지 탈수반응조(120)에 대해 감압을 실시한다(S204). 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정를 위해 슬러지 탈수반응조(120)에 75∼150bar의 압력이 인가되었는데, 슬러지 탈수반응조(120)에 인가되는 압력을 초임계 압력 이하로 감압시킨다. 슬러지 탈수반응조(120)에 인가되는 압력이 초임계 압력 이하로 감압됨에 따라, 슬러지 탈수반응조(120) 내의 초임계 이산화탄소는 기체 상태의 이산화탄소로 변환된다.
상술한 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정에서 초임계 이산화탄소가 슬러지에 포함되어 있는 미생물 및 섬유질의 내부로도 침투되는 바, 감압으로 인해 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환되면 기체의 팽창에 의해 미생물 및 섬유질이 파괴된다. 이러한 과정으로 미생물 및 섬유질이 팽창됨으로 인해 미생물 및 섬유질에 함유되어 있는 미생물 또는 섬유질 외부로 배출된다.
초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정(S203) 이후 슬러지 탈수반응조(120)에 대한 감압과정(S204) 실시를 통해 미생물 및 섬유질에 함유되어 있는 수분을 추가적으로 고액분리할 수 있게 된다.
상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조(120)에 대한 감압과정은 1회 이상 예를 들어, 1∼60회 반복 실시할 수 있으며, 이를 통해 슬러지의 탈수율을 높일 수 있다.
초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정의 압력은 상술한 바와 같이 75∼150bar이고, 슬러지 탈수반응조(120)에 대한 감압과정의 압력은 0∼70bar가 인가될 수 있다. 또한, 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정의 공정시간은 5∼60분, 슬러지 탈수반응조(120)에 대한 감압과정의 공정시간은 1∼10분으로 설정할 수 있다.
상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조(120)에 대한 감압과정이 완료되면, 슬러지 탈수반응조(120)의 일측에 구비된 기액배출밸브를 통해 기체 상태의 이산화탄소와 수분의 혼합물이 기액분리장치(160)로 배출된다(S205). 이 때, 슬러지 탈수반응조(120)의 압력 조건이 초임계 압력 조건에서 감압된 상태임에 따라, 기체 상태의 이산화탄소 및 수분은 압력차에 의해 기액분리장치(160)로 용이하게 배출된다.
기액분리장치(160)로 배출된 기체 상태의 이산화탄소와 수분의 혼합물은 이산화탄소 기체와 수분으로 분리되며(S206), 분리된 수분은 탈취장치(170)로 전달된다. 또한, 기액분리장치(160)에 의해 분리된 이산화탄소 기체는 이산화탄소 공급장치(130)로 회수된다. 여기서, 기액분리장치(160)에 의해 분리된 이산화탄소 기체는 이산화탄소 공급장치(130)로 곧바로 회수되거나 가압장치(140)를 거쳐 회수될 수 있다. 가압장치(140)를 이용하는 이유는 이산화탄소 공급장치(130)로의 이산화탄소 기체 회수시 이산화탄소 기체를 가압하기 위함이다.
기액분리장치(160)로부터 탈취장치(170)로 공급된 수분은 탈취장치(170)에서의 탈취공정을 거쳐 최종 배출됨으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 방법은 완료된다. 상기 탈취장치(170)는 자외선소독장치 또는 탈취제를 이용한 스크러버 형태로 구성할 수 있다.
한편, 상기 탈취장치(170)의 배출단에는 탈취장치(170)를 통해 최종 배출되는 수분의 유량을 측정하기 위한 제 2 유량계(12)가 구비된다. 또한, 상기 슬러지 공급장치(110)의 일측에는 슬러지 탈수반응조(120)로 공급된 슬러지의 공급량을 체크하기 위한 제 1 유량계(11)가 구비된다.
이와 같은 상태에서, 제어장치(180)는 슬러지 공급량 대비 탈취장치로부터 배출된 수분의 유량을 산출하여 즉, 슬러지의 탈수율을 산출하여 해당 탈수율이 미리 설정된 목표탈수율에 부합하는지 여부를 판단한다(S207). 이어, 해당 탈수율이 목표탈수율에 부합된다면 상술한 일련의 슬러지 탈수공정은 완료된다. 반면, 해당 탈수율이 목표탈수율보다 작으면 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조(120)에 대한 감압과정으로 이루어지는 슬러지 탈수공정 그리고 후속의 기액분리과정, 탈수과정이 재차 실시되어 탈수율이 목표탈수율에 부합되는지 여부를 다시 판단된다(S208).
한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 방법에 있어서, 슬러지의 탈수 및 건조 과정은 35∼60℃의 저온에서 실시됨과 함께 응집제가 요구되지 않음을 알 수 있다. 종래 기술의 경우 80℃ 이상의 고온에서 슬러지의 탈수 및 건조가 진행됨으로 인해 악취 발생 등의 문제가 뒤따르나 본 발명은 35∼60℃의 저온에서 슬러지의 탈수 및 건조가 진행됨에 따라 악취 발생을 저감시킬 수 있다. 이와 함께, 본 발명은 슬러지의 탈수 및 건조시 응집제가 투입되지 않아 응집제 투입에 따른 부산물 발생 등을 미연에 방지할 수 있으며, 응집제 투입에 따른 비용을 줄일 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 저온 슬러지 탈수건조 장치 및 방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정을 10회 반복 실시하였고, 각 회마다 슬러지의 탈수율을 측정하였다. 실험결과, 도 3에 도시한 바와 같이 반복 실시 횟수가 증가할수록 슬러지의 탈수효율이 증가됨을 알 수 있다.
11 : 제 1 유량계 12 : 제 2 유량계
21 : 제 1 압력계 22 : 제 2 압력계
110 : 슬러지 공급장치 111 : 슬러지 공급밸브
120 : 슬러지 탈수반응조 121 : 탈리액 벤트밸브
130 : 이산화탄소 공급장치 140 : 가압장치
150 : 항온장치 160 : 기액분리장치
170 : 탈취장치 180 : 제어장치

Claims (11)

  1. 슬러지를 슬러지 탈수반응조에 공급하는 슬러지 공급장치;
    슬러지의 탈수공정이 진행되는 공간을 제공하는 슬러지 탈수반응조;
    기체 상태의 이산화탄소를 저장함과 함께 이산화탄소를 가압장치로 공급하는 이산화탄소 공급장치;
    이산화탄소 공급장치로부터 공급되는 이산화탄소를 슬러지 탈수반응조에 주입함과 함께 슬러지 탈수반응조의 내부 공간에 압력을 선택적으로 인가하는 가압장치;
    슬러지 탈수반응조의 내부 공간을 일정 온도로 유지시키는 항온장치;
    슬러지 탈수공정이 완료된 후 슬러지 탈수반응조로부터 배출되는 기체와 액체의 혼합물을 이산화탄소 기체와 수분으로 분리하는 기액분리장치;
    기액분리장치를 통해 분리되어 배출되는 수분을 대상으로 수분에 포함되어 있는 악취성분을 제거하는 탈취장치; 및
    제어장치;를 포함하며,
    상기 제어장치는 슬러지 탈수율과 목표탈수율을 대비하고, 슬러지 탈수율이 목표탈수율보다 작으면 상기 슬러지 탈수반응조에 의한 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 재차 실시되도록 상기 슬러지 공급장치, 슬러지 탈수반응조, 이산화탄소 공급장치, 가압장치, 기액분리장치, 탈취장치를 제어하며,
    상기 슬러지 탈수율은 슬러지 탈수반응조에 공급된 슬러지 공급량 대비 상기 탈취장치를 통해 최종 배출되는 수분의 양이며,
    상기 슬러지 탈수반응조 내에서 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 순차적으로 진행되며,
    상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정은, 슬러지가 슬러지 탈수반응조에 공급됨과 함께 슬러지 탈수반응조의 압력 및 온도 조건이 초임계 조건에 부합되는 상태에서 슬러지 탈수반응조에 이산화탄소가 공급되면 이산화탄소는 초임계 이산화탄소로 변환되며, 초임계 이산화탄소의 침투 및 용해 반응에 의해 슬러지가 고형물과 수분으로 분리되는 과정이며,
    상기 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정은, 슬러지 탈수반응조 내의 압력이 감압되어 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환되며, 상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정에서 미생물 또는 섬유질의 내부에 침투한 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환됨과 함께 팽창되어 미생물 또는 섬유질이 파괴되며, 미생물 또는 섬유질의 파괴에 의해 미생물 또는 섬유질에 함유되어 있는 수분이 미생물 또는 섬유질 외부로 배출되는 과정이며,
    슬러지 공급장치와 슬러지 탈수반응조 사이에는 슬러지 공급을 위한 슬러지 공급밸브가 구비되며, 슬러지 탈수반응조의 일측에는 탈리액 벤트밸브가 구비되며, 슬러지의 공급시 발생되는 탈리액은 탈리액 벤트밸브를 통해 배출되며, 탈리액의 배출을 위해 슬러지 탈수반응조의 일측에는 여과필터가 구비되며,
    기액분리장치의 압력은 압력해제된 가압장치보다 높으며, 기액분리장치로부터 분리된 이산화탄소 기체는 가압장치를 거쳐 이산화탄소 공급장치로 회수되며,
    슬러지 탈수반응조에 슬러지를 공급하는 단계;
    슬러지 탈수반응조에 이산화탄소를 공급함과 함께 가압하여 기체 상태의 이산화탄소를 초임계 이산화탄소로 변환시키는 단계;
    초임계 이산화탄소의 침투 및 용해 반응에 의해 슬러지가 고형물과 수분으로 분리되는, 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정이 진행되는 단계;
    슬러지 탈수반응조 내의 압력이 감압되어 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환되며, 상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정에서 미생물 또는 섬유질의 내부에 침투한 초임계 이산화탄소가 기체 상태의 이산화탄소로 변환됨과 함께 팽창되어 미생물 또는 섬유질에 함유되어 있는 수분이 미생물 또는 섬유질 외부로 배출되는, 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 진행되는 단계; 및
    상기 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 완료된 상태에서, 슬러지 탈수반응조의 일측을 통해 기체 상태의 이산화탄소와 수분의 혼합물이 기액분리장치로 배출되는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    슬러지 탈수반응조에 공급된 슬러지 공급량 대비 상기 탈취장치를 통해 최종 배출되는 수분의 양인 슬러지 탈수율과 미리 설정된 목표탈수율을 대비하는 단계;를 더 포함하여 이루어지며,
    슬러지 탈수율이 목표탈수율보다 작으면 상기 슬러지 탈수반응조에 의한 초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정이 재차 실시되며,
    초임계 이산화탄소에 의한 슬러지의 고액분리과정 및 슬러지 탈수반응조에 대한 감압과정은 10회 반복 실시되며, 슬러지의 함수율은 11.24% 이하인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소를 이용한 슬러지 탈수건조 방법.
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