KR20040078720A - 전해 슬러지 개량 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해 슬러지 개량 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 슬러지 농축조(10)와 슬러지 전해반응조(30), 전해처리부(40)(41), 전원공급장치부(50), 그리고 슬러지 탈수장치(60)를 포함하여 구성한다. 슬러지 전해반응조(30) 내부의 흐름을 상향류식으로 하여 슬러지가 전해반응조(30) 내부에 머무르는 체류시간을 10∼60분으로 하고, 전해처리부(40)(41)는 양극판의 재질을 티타늄에 2∼3μm 두께의 이산화이리듐, 백금, 이산화루테늄과 이산화이리듐, 그리고 이산화납으로 전착된 불용성 전극으로 하고 양극판과 음극판의 전극 간격을 1∼5cm으로 하여, 제 1 차 전해처리부(40)와 제 2 차 전해처리부(41)의 2단 또는 1단, 그리고 설계조건에 따라서 다단으로 설치하며, 전원공급장치부(50)에서는 직류 전류를 5∼7A/dm2의 전류밀도 량으로 일정하게 전해처리부(40)(41)에 공급하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 슬러지 전해반응조(30)에서 농축 슬러지 입자가 띠고 있는 음(－)전하는 전해처리부(40)(41)에서 발생되는 양(＋)전하와 결합하여 전기적 중화가 일어나고, 슬러지 내에 있는 수분의 물리적 특성이 변함에 따라 제타전위와 부착수 함량이 감소되어 슬러지 개량이 효율적으로 일어난다. 또한 전해처리부(40)(41)의 전극 재질을 불용성 전극으로 사용함으로서 전극을 주기적으로 교체해 주어야 하는 가용성 전극 재질의 불편함을 없애 주고, 화학약품을 사용하지 않음으로서 슬러지 개량에 소요되는 약품비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Description

전해 슬러지 개량 장치 및 방법{The electrolytic sludge conditioning system and method}
본 발명은 정수, 하수 및 폐수 슬러지를 개량하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 불용성 전극을 이용한 전해 슬러지 개량 장치 및 방법으로 슬러지 중의 제타전위와 부착수 함량을 감소시켜 슬러지 탈수속도를 향상시키고 케이크의 함수율을 낮출수 있도록 한 슬러지의 개량 장치 및 방법에 관한 것이다.
슬러지 개량은 슬러지를 탈수하기 전에 슬러지의 탈수성을 좋게 하기 위하여 실시하는 전처리이다. 슬러지의 탈수성은 슬러지 내에 있는 수분의 물리적 성질에 따라 영향을 받는다.
슬러지 내에 있는 수분은 슬러지 입자에 부착되어 있지 않는 자유수(free water)와 슬러지 플록 사이에 모세관 힘에 의해서 부착되어 있는 간극수와 세포내 수분과 고착력에 의해서 부착되어 있는 표면수의 합으로 나타내는 부착수(bound water)로 구성되어 있다. 자유수는 원심력과 같은 기계적인 슬러지 탈수방법에 의하여 분리되어 질 수 있으나, 부착수는 슬러지 탈수공정 후에도 슬러지 케이크 내에 그대로 남아있는 특성을 가지고 있다.
또한 슬러지 플록 입자들 사이에 존재하는 제타전위(zeta potential)는 입자들 사이의 정전기적인 반발력을 나타내는 지표로서, 제타전위가 높은 경우에는 슬러지의 탈수성이 불량해지고 반대로 제타전위가 낮은 경우에는 슬러지의 탈수성이 양호해 진다.
따라서 슬러지 개량에서는 슬러지의 탈수성을 좋게 하기 위하여 슬러지 내에 있는 제타전위를 낮추고 부착수의 함량을 줄이는 것은 중요하다.
종래에는 슬러지를 개량하기 위하여 무기응집제, 고분자응집제 등을 사용하는 화학약품 처리방법, 동결 또는 가열하는 열처리방법, 그리고 세척방법 등이 널리 사용되고 있으며, 최근에는 가용성 전극을 이용하는 전기응집 처리방법, 그리고 마이크로파를 이용하는 방법 등이 개발되어 있다.
도 1에는 종래 기술에 의한 슬러지 처리방법이 도시되어 있다. 이에 도시된 바에 따르면, 발생된 슬러지는 먼저 슬러지 농축(2) 과정에 의해서 고형물이 농축되고, 농축된 슬러지에 화학약품을 주입하는 슬러지 개량(3) 과정을 거치게 된다. 이렇게 개량된 슬러지는 슬러지 탈수(4) 과정에서 탈수 케이크 상태로 만들어지고, 이는 육상매립, 해양투기 또는 퇴비화 등의 방법에 의하여 최종처분(5) 된다.
상기 슬러지 개량(3) 과정에는 슬러지를 일반적으로 수 배의 물로 희석, 교반, 침전시켜서 알칼리도를 낮추는 수세방법, 무기응집제, 또는 고분자응집제를 사용하여 슬러지 플록을 크게 형성시킴으로서 가압여과나 감압여과 등을 실시할 때 슬러지의 탈수성을 좋게하는 화학약품 처리방법, 슬러지를 140℃까지 가열한 후 냉각하든가 또는 -20℃까지 동결시킨 후 다시 녹임으로서 슬러지의 탈수성을 좋게하는 열처리 방법, 그리고 철 또는 알루미늄의 가용성 전극을 전해반응기 내에 설치하고 전원공급장치를 통하여 전류를 공급함으로서 전기적으로 슬러지를 응집시키는 전기응집 방법 등을 사용한다.
하지만, 종래 기술에서 화학약품에 의한 개량방법은 고가의 응집제 사용으로 인하여 처리비용이 많이 들고 약품 사용으로 인한 슬러지 발생량이 증가하며, 열처리에 의한 개량방법은 고온 또는 저온의 온도조절을 위한 비용이 많이 든다. 그리고, 전기응집에 의한 개량방법은 가용성 전극이 소모됨에 따라 계속적으로 교체해 주어야 하는 불편함이 있어 운전상에 어려움이 많이 발생한다.
또한, 종래 기술에서는 슬러지 탈수성에 영향을 미치는 중요한 인자로서 부착수 함량과 제타전위에 큰 변화를 주지 못하여 탈수 케이크의 수분이 감소되지 않음으로서 슬러지 탈수효율이 크게 개선되지 않는 문제점도 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 슬러지 내의 부착수 함량을 줄이고 제타전위를 낮추어서 슬러지의 탈수성을 양호하게 하는 슬러지 개량을 효율적으로 수행하도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 화학약품을 사용하지 않음으로서 슬러지 개량에 소요되는 비용을 줄이고, 불용성 전극을 이용하는 전해처리장치를 사용함으로서 전극을 주기적으로 교체해 주어야 하는 운전상의 불편함을 없앰으로서 효율적이고 안정적인 슬러지 개량이 가능하도록 하는 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 슬러지 처리 방법의 구성을 보인 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 전해 슬러지 개량 장치 및 방법의 일 실시 예의 구성을 보인 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 슬러지 농축조 20 : 슬러지 이송펌프
30 : 슬러지 전해반응조 31 : 유입구
32 : 유출구 33 : 가스 배출구
40 : 제 1 차 전해처리부 41 : 제 2 차 전해처리부
50 : 전원공급장치부 60 : 슬러지 탈수장치
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 발생된 슬러지를 농축시키는 슬러지 농축조와, 상기 슬러지 농축조에서 농축된 슬러지를 이송하는 슬러지 이송펌프와, 상기 슬러지 이송펌프에서 이송된 슬러지를 전기적으로 슬러지를 개량시키는 슬러지 전해반응조와, 상기 슬러지 전해반응조에서 개량된 슬러지를 탈수시키는 슬러지 탈수장치를 포함하여 구성된다.
상기 슬러지 농축조는 발생된 슬러지를 중력 침강시켜 고농도의 고형물을 만들어 슬러지를 효율적으로 제거하도록 한다.
상기 슬러지 이송펌프는 농축된 슬러지를 정량적으로 슬러지 전해반응조로 이송시키기 위하여 정량펌프를 사용한다.
상기 슬러지 전해반응조에는 슬러지의 전해처리를 위한 전해처리부와 전해처리부에 직류 전류를 일정하게 공급하는 전원공급장치부로 구성된다.
상기 전해처리부는 제 1 차 전해처리부와 제 2 차 전해처리부의 2단으로 구성되고, 각 단에는 다수의 양극(＋)과 음극(－)의 전극판이 교대로 설치된다. 여기에서 양극판은 티타늄에 이산화이리듐이 전착된 Ti/IrO2전극, 티타늄에 백금이 전착된 Ti/Pt 전극, 티타늄에 이산화루테늄과 이산화이리듐이 전착된 Ti/RuO2-IrO2전극(DSA 전극), 티타늄에 이산화납이 전착된 Ti/PbO2전극 등 불용성 전극 재질을 사용하고, 음극판은 스테인리스 스틸(stainless steel) 전극 재질을 사용한다.
상기 전원공급장치부는 전해처리부 각 단의 양극판과 음극판에 직류 전류를 정전류 방식으로 공급한다.
상기 슬러지 전해반응조에서 슬러지의 흐름은 반응조 하부에서 상부로 흐르는 상향류식 흐름을 유지하도록 하부에 유입구를, 그리고 상부에 유출구를 설치한다. 또한 슬러지 전해반응과정에서 발생되는 가스가 자연적으로 배출되도록 슬러지 전해반응조 상부에 가스배출구를 설치한다.
상기 슬러지 탈수장치는 슬러지 전해반응조에서 개량된 슬러지를 탈수시켜 케이크 상태로 만드는 장치로서, 통상적으로 널리 사용되고 있는 슬러지 탈수장치인 필터프레스(filter press), 벨트프레스(belt press), 원심력 탈수기 등을 사용한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 슬러지 전해반응조에서 슬러지 내부에 있는 수분의 물리적 특성을 변화시킴으로서 제타전위를 감소시키고 부착수 함량을 줄여서 슬러지의 탈수성을 양호하게 하므로 보다 효율적으로 슬러지 개량이 이루어지는 이점이 있다. 그리고 전해처리부의 전극 재질을 불용성 전극으로 사용함으로 전극 교체의 불편함을 없애고 약품비용을 줄일 수 있게 된다.
이하 본 발명에 의한 전해 슬러지 개량 장치 및 방법의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 전해 슬러지 개량 장치 및 방법의 바람직한 실시 예가 도시되어 있다. 이에 도시 된 바에 따르면, 본 발명의 장치는 슬러지 농축조(10), 슬러지 이송펌프(20), 슬러지 전해반응조(30), 전해처리부(40)(41), 전원공급장치부(50), 슬러지 탈수장치(60)를 포함하여 구성된다.
상기 슬러지 농축조(10)는 발생된 슬러지를 저장시켜서 농축시키는 곳이다. 슬러지 농축조(10)에서는 슬러지의 고형물 농도를 높여 줌으로서 슬러지 입자를 효율적으로 제거하도록 한다.
상기 슬러지 이송펌프(20)는 농축된 슬러지를 슬러지 전해반응조(30)로 이송시키는 역할을 한다. 슬러지 이송펌프(20)는 슬러지가 정량적으로 슬러지 전해반응조(30) 내부로 유입되도록 정량펌프를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 슬러지 전해반응조(30)는 불용성 전극을 이용한 전해처리부(40)(41)에 의해 슬러지가 개량되도록 하는 공간을 제공한다. 슬러지 전해반응조(30)는 하부에 유입구(31)를 설치하고, 상부에 유출구(32)를 설치함으로서 슬러지 이송펌프(20)를 통하여 이송된 슬러지가 상향류식 흐름이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 슬러지 전해반응조(30)에 슬러지가 유입되어 전해 슬러지 개량이 일어나도록 머무르는 체류시간을 10∼60분으로 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 슬러지 전해반응조(30) 상부에는 가스 배출구(33)를 설치하여 슬러지 전해반응 과정에서 발생되는 가스가 자연적으로 배출되도록 한다.
상기 슬러지 전해반응조(30)는 전해처리부(40)(41)와 전원공급장치부(50)로 구성되어 있다. 전해처리부(40)(41)는 제 1 차 전해처리부(40)와 제 2 차 전해처리부(41)의 2단으로 구성되어 있다. 슬러지 전해반응조(30)로 유입된 슬러지는 상향류식 흐름을 하면서 제 1 차 전해처리부(40)에서 먼저 슬러지 개량이 일어나고, 제 2 차 전해처리부(41)에서 다시 슬러지 개량이 일어난다.
상기 전해처리부(40)(41)는 다수의 양극판과 음극판이 일정한 간격을 두고 교대로 설치된다. 이때, 양극판과 음극판의 극간 간격은 1∼5cm로 하는 것이 바람직하다.
상기 전해처리부(40)(41)에서 양극판의 재질은 불용성 전극으로서 티타늄에 이산화이리듐이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/IrO2전극, 티타늄에 백금이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/Pt 전극, 티타늄에 이산화루테늄과 이산화이리듐이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/RuO2-IrO2전극(DSA 전극), 티타늄에 이산화납이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/PbO2전극 등을 사용하고, 음극판의 재질은 스테인리스 스틸을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시 예에서는 전해처리부(40)(41)의 양극판 전극 재질로서 불용성 전극인 티타늄에 이산화이리듐이 2μm 두께로 전착된 Ti/IrO2전극을 사용하였지만, 본 발명의 전해처리부(40)(41)에서 사용하는 양극판의 전극 재질로는 전해처리에 사용하는 통상적인 불용성 전극을 모두 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시예에서는 슬러지 전해반응조(30) 내부에 구성되는 전해처리부(40)(41)를 2단으로 두고 있다. 즉, 제 1 차 전해처리부(40)와 제 2 차 전해처리부(41)이다. 그러나 설계조건에 따라서 이들의 단을 더 많이 둘 수도 있고, 1단 만을 둘 수도 있다. 상기 제 1 차 전해처리부(40)와 제 2 차 전해처리부(41)는 같은 기능을 하게 된다.
상기 전원공급장치(50)는 상기 제 1 차 전해처리부(40)와 재 2 차 전해처리부(41)에 직류 전류를 일정하게 공급하는 역할을 한다. 전해처리부(40)(41)의 불용성 전극에는 양(＋)의 전류를, 그리고 스테인리스 스틸 전극에는 음(－)의 전류를 공급함으로서 슬러지 전해반응이 일어나도록 한다. 이때, 전원공급장치(50)에서 전해처리부(40)(41)로 공급하는 전류의 량을 전류밀도로서 5∼7A/dm2으로 하는 것이 바람직하다.
상기 슬러지 탈수장치(60)는 슬러지 전해반응조(30)에서 개량된 슬러지를 탈수시켜 함수율이 낮은 슬러지 케이크로 만드는 장치이다. 여기에서 사용되는 슬러지 탈수장치(60)로는 필터프레스, 벨트프레스, 원심력 탈수기 등이 있다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명 실시 예의 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명 실시 예에서 슬러지는 슬러지 농축조(10)로 유입된다. 상기 슬러지 농축조(10)에서 고형물의 농도는 높아지게 된다.
상기 슬러지 농축조(10)에서 농축된 슬러지는 슬러지 이송펌프(20)를 통하여 슬러지 전해반응조(30) 내부로 유입되는데, 이때 슬러지 전해반응조(30) 내부에 슬러지가 머무르는 체류시간은 10∼60분이다. 그리고 슬러지 전해반응조(30) 내부에 있는 전해처리부(40)(41)는 티타늄에 이산화이리듐이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/IrO2양극판과 스테인리스 스틸 음극판이 1∼5cm 간격으로 설치되고, 전원공급장치부(50)로부터 전류밀도 5∼7A/dm2의 량으로 일정한 직류 전류가 공급됨으로서 슬러지가 개량된다.
농축된 슬러지 입자는 일반적으로 음(－)의 전하를 띠고 있는 것이 많다. 따라서 이러한 음전하는 전해처리부(40)(41)에서 발생되는 양(＋)전하와 결합하여 전기적 중화가 일어나서 제타전위를 낮추고, 이에 따라 입자들 사이의 전기적인 반발력은 줄어들고 슬러지 입자들간의 응집력은 강화되어 부착수 함량이 줄어들게 된다.
참고로 본 실시 예의 전해 슬러지 개량 장치 및 방법을 이용하여 부착수 함량과 제타전위를 측정하는 실험을 수행한 예를 표 1을 참고로 하여 설명한다. 실험대상 슬러지는 정수슬러지이고, 전해처리부(40)(41)에서 양극판의 재질은 불용성 전극으로서 티타늄에 이산화이리듐이 2μm 두께로 전착된 Ti/IrO2, 음극판의 재질은 스테인리스 스틸이었다. 이때 전원공급장치부(50)로부터 전해처리부(40)(41)에 공급하는 전류밀도는 6.4A/dm2이었다.
비교 예로서, 정수슬러지와 종래 기술에 의한 화학약품 처리방법으로서 양이온 고분자응집제를 0.7g/kgSS의 량으로 주입하여 슬러지를 개량하였다.
구분 정수슬러지 본 발명의 방법에 의한 개량 슬러지 종래 기술의 방법에 의한 개량 슬러지
제타전위(mV) -19.9 -14.4 -19.6
부착수 함량(g/gDS) 1.798 0.346 1.551
표 1에 나타난 바와 같이, 본 실시 예의 전해 슬러지 개량 장치 및 방법은 종래 기술에 의한 슬러지 개량 방법보다 제타전위가 감소되고 부착수 함량이 낮아지는 것으로 조사되어 슬러지 탈수성이 양호한 것으로 분석되었다. 정수슬러지의 제타전위는 -19.9mV, 부착수 함량은 1.798g/gDS 이었으며, 본 발명의 전해 슬러지 개량 방법으로 개량한 슬러지의 제타전위는 -14.4mV, 부착수 함량은 0.346g/gDS 이었다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에서는 슬러지 전해반응조에서의 흐름을 상향류식으로 하고, 전해처리부를 2단으로 구성하며, 전해처리부의 양극판 전극의 재질을 불용성 전극으로 하였다. 이렇게 함으로서 농축 슬러지 입자는 전기적으로 중화되어 제타전위가 낮아지고 부착수 함량이 감소되어 양호한 슬러지 개량이 일어나는 효과가 있다.
또한, 전해처리부에서 사용되는 불용성 전극 재질은 전극을 주기적으로 교체해 주어야 하는 가용성 전극 재질의 운전상 불편함을 없애 주고, 화학약품을 사용하지 않음으로 슬러지 개량에 소요되는 약품비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 슬러지 고형물의 농도를 높이는 슬러지 농축조와,
    상기 슬러지 농축조에서 유입되어 온 슬러지를 전기적으로 개량하는 공간에 슬러지가 머무르는 체류시간을 10∼60분으로 한 슬러지 전해반응조와,
    상기 슬러지 전해반응조의 내부에 슬러지 전해반응을 수행하는 불용성 양극판과 음극판이 1∼5cm 간격으로 교대로 설치되어 있는 전해처리부와,
    상기 전해처리부에 직류 전류를 5∼7A/dm2의 전류밀도 량으로 일정하게 공급하는 전원공급장치부와,
    상기 슬러지 전해반응조에서 전해 개량된 슬러지를 탈수하는 슬러지 탈수장치를 포함하여 구성되고,
    상기 전해처리부는 제 1 차 전해처리부와 제 2 차 전해처리부의 2단으로 설치됨을 특징으로 하는 전해 슬러지 개량 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러지 전해반응조는 내부에 전해처리부를 제 1 차 전해처리부와 제 2 차 전해처리부의 2단으로 구성하고, 상기 슬러지 전해반응조 내부의 흐름을 하부에서 유입시켜 상부로 유출시키는 상향류식 흐름이 되게 하기 위하여 하부에 유입구를, 그리고 상부에 유출구를 설치하며, 슬러지 전해반응과정에서 발생되는 가스가 배출되도록 슬러지 전해반응조 상부에 가스 배출구를 설치함을 특징으로 하는 전해 슬러지 개량 장치.
  3. 제 1 항 내지 제 2 항에 있어서, 상기 슬러지 전해반응을 수행하는 양극판과 음극판이 교대로 설치되어 있는 전해처리부를 2단 또는 1단, 그리고 설계조건에 따라서 다단으로 구성하고, 상기 전해처리부에 전원공급장치부로부터 일정한 직류 전류를 공급함을 특징으로 하는 전해 슬러지 개량 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 상기 전해처리부는 2단 또는 1단, 그리고 다단으로 구성하고, 상기 전해처리부에서 양극판의 전극 재질을 불용성 전극으로 사용함에 있어서, 티타늄에 이산화이리듐이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/IrO2, 티타늄에 백금이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/Pt, 티타늄에 이산화루테늄과 이산화이리듐이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/RuO2-IrO2(DSA), 티타늄에 이산화납이 2∼3μm 두께로 전착된 Ti/PbO2등을 사용하는 것을 특징으로 하는 전해 슬러지 개량 장치.
  5. 슬러지의 전해 개량을 위한 공간에 슬러지가 머무르는 체류시간을 10∼60분으로 한 슬러지 전해반응조와,
    상기 슬러지 전해반응조 내부의 흐름을 상향류식 흐름이 되도록 하는 것과,
    상기 슬러지 전해반응조의 내부에 슬러지 전해반응을 수행하는 전해처리부가 2단 또는 1단, 그리고 다단으로 설치되는 것과,
    상기 전해처리부에서 불용성 양극판과 음극판이 1∼5cm 간격으로 교대로 설치되는 것과,
    상기 전해처리부에서 양극판 전극의 재질을 티타늄에 2∼3μm 두께의 이산화이리듐, 백금, 이산화루테늄과 이산화이리듐, 그리고 이산화납으로 전착된 불용성 전극으로 하는 것과,
    상기 전해처리부에 5∼7A/dm2의 전류밀도 량으로 직류 전류를 일정하게 공급하는 전원공급장치부와,
    상기 슬러지 전해반응조에서 전해 개량된 슬러지를 탈수하는 슬러지 탈수장치를 포함하여 구성함으로서, 슬러지의 제타전위와 부착수 함량을 감소시켜 슬러지 탈수속도를 향상시키고 탈수 케이크의 함수율을 감소시키는 것을 특징으로 하는 전해 슬러지 개량 방법.
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