KR200405757Y1 - 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지감량화 장치 - Google Patents

침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지감량화 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 하·폐수 슬러지를 감량화하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 농축된 하·폐수 슬러지에 알칼리제 등을 첨가하여 가수분해하고 초음파를 방사시켜 미생물에 의해 분해가 힘든 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시키고 이에 따라 슬러지를 감량화하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치에 관한 것이다.
본 고안에 따른 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치는, 하·폐수 슬러지를 농축조 등에 의해 농축한 농축슬러지와 알칼리제를 유입하여 교반장치를 이용해 교반하고 일측에 다수의 초음파 변환기(또는 진동소자)를 포함해 구성한 초음파 알칼리 가수분해조와, 상기 초음파 알칼리 가수분해조를 내부에 포함하고 가용화된 상징액은 외부로 이송하며 침강되는 농축슬러지 고형물을 반송하거나 외부로 배출하는 초음파 침강분리조로 이루어진다.
이와 같이 구성한 본 고안은, 상기 초음파 침강분리조 또는 슬러지 농축조 등을 이용하여 하·폐수 슬러지를 고액분리하고 농축슬러지는 초음파 변환기(또는 진동소자)와 알칼리제를 이용한 초음파 알칼리 가수분해 공정에 의해 슬러지에 포함된 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시켜 가용화시키고, 침강분리된 슬러지 고형물은 재차 반송하여 생분해가 우수한 상징액을 얻을 수 있으며, 가용화된 상징액은 1차 침전지, 포기조 또는 무산소조로 이송되어 탄소원으로 사용한다.
침강분리, 초음파 알칼리 가수분해, 슬러지 감량화.

Description

침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치{The decreasing equipment of sludge quantity by settling separation and ultrasonic-alkali hydrolysis [SUH]}
도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조가 일체형을 이루는 슬러지 감량화 장치를 보여주는 개략적인 장치도.
도 2는 본 고안의 제1 실시예에 따른 일체형의 슬러지 감량화 장치와 슬러지 농축조를 이용한 슬러지 감량화 공정을 보여주는 개략적인 장치도.
도 3은 본 고안의 제2 실시예에 따른 초음파 알칼리 가수분해조와 슬러지 농축조를 이용한 슬러지 감량화 공정을 보여주는 개략적인 장치도.
도 4는 본 고안의 제3 실시예에 따른 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조가 분리형을 이루는 슬러지 감량화 장치를 이용한 슬러지 감량화 공정을 보여주는 개략적인 장치도.
도 5는 본 고안에 따른 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조를 이용한 슬러지 감량화 공정의 흐름도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1 : 초음파 알칼리 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 장치
2 : 하·폐수 슬러지 유입관 3 : 교반장치
4 : pH메타 5 : 농축슬러지 유입관
10 : 초음파 알칼리 가수분해조 11 : 가수분해조 분리통
12 : 다공판 13 : 가수분해액 이송관
14 : 가수분해조 외벽 20 : 초음파 침강분리조
21, 21a : 슬러지 인출관 22, 22a : 상징액 유출관
23, 23a : 농축슬러지 이송관 24 : 침강분리조 외벽
25 : 침강분리조 분리통 26 : 농축슬러지 반송관
30 : 농축조 31 : 스크레퍼
32 : 농축조 외벽 33 : 유입정(또는 중앙벽)
40 : 초음파 변환기(또는 진동소자)
50 : 알칼리제 주입관 60 : 1차 침전지, 포기조, 무산소조
70 : 응집제 주입관 M : 구동모터
P : 순환펌프
본 고안은 하·폐수 슬러지를 감량화하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 농축된 하·폐수 슬러지에 알칼리제 등을 첨가하여 가수분해하고 초음파를 방사시켜 미생물에 의해 분해가 힘든 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시키고 이에 따라 슬러지를 감량화하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 하·폐수 슬러지는 하·폐수 중의 오염물질을 고형분으로 분리·제거하는 과정에서 필연적으로 발생하는 부산물이기 때문에 슬러지가 최종 처분되어야만 하·폐수 처리가 완벽하게 이루어졌다고 할 수 있다.
이러한 슬러지를 처리하는 시스템의 가장 기본적인 단위공정은 농축, 소화, 탈수, 건조, 소각, 처분으로 최종적으로 슬러지 케익의 처분은 탈수 후 주로 매립에 의존하여 처리해 왔으나, 최근에는 슬러지를 바로 매립할 수 없고, 소각 또는 퇴비화 처리 후 잔재물만 매립하도록 되어있으며 해양투기 역시 제한 될 것으로 예상됨에 따라 소각 및 슬러지의 재이용 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 슬러지 소각의 경우는 대기오염 등의 2차 오염원과 시설비 및 유지관리비의 경제적인 부담이 큰 것으로 지적되어 왔다. 또한, 슬러지의 재이용 방안으로 지렁이 사육, 녹생토 활용, 하·폐수처리장의 외부 탄소원 등이 산발적으로 이루어지고 있으나, 이들 방법 중 퇴비화 방안의 경우는 시비 장소의 한계 및 경제성 부족, 법제도 정비 미흡 등으로 제대로 이루어지지 않고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 감안하여 최근에는 발생하는 슬러지를 감량화하면서 음식물쓰레기와 하수 슬러지를 발효시킨 산발효액을 생물학적 영양염류 제거공정에서 필요로 하는 외부 탄소원으로 사용하는 방안에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 예로써, 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다. 대한민국 실용신안 등록번호 20-0303436 '음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발 효액의 제조장치'에서는 전처리 하여 분리된 음식물 쓰레기 슬러지와 하수 슬러지에 알칼리제 등을 첨가하여 가수분해시킨 다음, 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 이용하여 산발효시키고, 분해된 산발효액에 초음파를 방사시켜 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시키는 장치를 설명하고 있다.
또한, 일본 공개특허 공보 평 2-99199호 (1990.04.11공개)는 하·폐수 처리시설에서 발생되는 유기성오니의 혐기성 처리에 있어서 전처리 방법으로 초음파 처리를 할 경우 균체 세포벽의 파괴로 가용화가 증진되어 혐기성 분해 효율을 현저히 증진시키고 소화 슬러지 발생을 감소시키는 방법을 설명하고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술에서는 열처리에 의한 에너지 소모가 많으며 약품비가 과다하게 소요되어 실용성에 대한 문제점이 발생하였고, 음식물 쓰레기나 하수 슬러지 자체에 고농도로 존재하는 유기성 고형물 성분의 낮은 가용화로 인하여 산발효의 최종산물인 휘발산의 수율이 저조하게 되므로 슬러지를 감량화하고 생분해성을 높이기 위한 적절한 전처리를 행하는 것이 필요하다. 이러한 전처리로서는 알칼리 처리 등을 들 수 있는데 지금까지는 주로 폐슬러지의 생분해성을 높이기 위하여 적용되어 왔다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 농축된 하·폐수 슬러지에 알칼리제를 투여하여 가수분해하고 초음파를 방사시켜 가수분해와 가용화율을 증진시킬 수 있는 슬러지 감량화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 고안은 농축조 또는 초음파 침강분리조에서 미분해 된 물질을 초음 파 알칼리 가수분해조에서 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시킬 뿐만 아니라 생분해가 우수한 가수분해액의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더불어, 초음파 알칼리 가수분해조의 가용화된 상징액은 1차 침전지로 이송하거나 포기조 또는 무산소조의 탄소원으로 이용하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안은, 하·폐수 슬러지를 농축조 등에 의해 농축된 슬러지와 알칼리제를 조내로 유입하여 교반장치를 이용해 교반하고 일측에 다수의 초음파 변환기(또는 진동소자)를 포함해 구성한 초음파 알칼리 가수분해조와, 상기 초음파 알칼리 가수분해조를 내부에 포함하고 가수분해조에서 가용화된 상징액은 외부로 이송하며 침강되는 농축슬러지 고형물을 반송하거나 외부로 배출하고 일측에 다수의 초음파 변환기를 설치한 초음파 침강분리조로 이루어진다.
상기 초음파 알칼리 가수분해조는 농축슬러지 유입관과 알칼리제를 주입하는 알칼리제 주입관이 연통되고, 상기 유입된 슬러지와 알칼리제를 혼합하는 교반장치를 포함하는 원통형 혹은 사각의 분해조 분리통으로 구성된다.
또한, 상기 분해조 분리통 내 슬러지의 pH를 측정하는 pH메타를 설치하고, 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자)를 상기 분해조 분리통에 설치한다. 그리고, 상기 분해조 분리통의 하부에는 가용화된 가수분해액이 통과할 수 있도록 다수개의 구멍을 형성한 다공판이 일체로 포함되어 상기 분해조 분리통의 하부면을 형성한다.
그리고, 상기 초음파 침강분리조는 외형을 이루는 침강분리조 외벽 내에 상 기 초음파 알칼리 가수분해조를 포함하여 구성하는데, 하부에 농축슬러지 반송관을 설치해 상기 가수분해조를 통과하여 하부에 침전된 농축슬러지 고형물을 반송펌프의 펌프력을 이용하여 상기 초음파 알칼리 가수분해조로 반송한다. 또한, 가수분해액 중 상징액을 외부로 유출하는 상징액 유출관과 슬러지 고형물을 외부로 배출하는 슬러지 인출관을 구성하고, 상기 침강분리조 외벽에는 다수개의 초음파 변환기를 포함하여 구성한다.
본 고안의 제2 실시예로, 상기 슬러지 농축조 다음에 초음파 침강분리조를 제외하고 구성한 초음파 알칼리 가수분해조를 구성한다.
상기 초음파 알칼리 가수분해조는 초음파 침강분리조와 별도로 구성되며 상기 농축조의 농축슬러지 이송관과 연통되어 슬러지를 유입하는 농축슬러지 유입관과 알칼리제를 주입하는 알칼리제 주입관을 포함한다. 또한, 유입된 농축슬러지와 알칼리제가 혼합되도록 교반하는 교반장치를 포함할 수 있는 공간을 가지도록 가수분해조 외벽을 형성하고, 일측에 상기 슬러지의 pH를 측정하는 pH메타를 설치한다. 그리고, 상기 가수분해조 외벽에는 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자)를 구성한다.
또한, 상기 슬러지 감량화 장치로 농축된 슬러지를 제공하는 농축조에는 필요에 따라 철염, 알루미늄염 그리고 마그네슘염 등과 같은 응집제를 중앙에 형성된 응집제 주입관을 통해 주입하여 인을 제거함과 동시에 침강기능을 강화시킨다.
본 고안의 제3 실시예로, 상기 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조는 별도로 구성한다.
바람직하게 상기 초음파 침강분리조는 상부에 하·폐수 슬러지를 유입하는 슬러지 유입관 및 응집제를 주입하는 응집제 주입관과 슬러지를 혼합하는 교반장치를 구성하고, 상기 교반장치를 포함하고 유입된 슬러지가 침강하여 고액분리될 수 있는 크기의 공간을 가지는 분리조 외벽과, 침강한 농축슬러지 고형물을 펌프력을 이용해 외부로 이송하는 농축슬러지 이송관과, 상징액을 외부로 유출하는 상징액 유출관과, 하부에 슬러지 고형물을 외부로 배출하는 슬러지 인출관과, 상기 침강분리조 분리통과 분리조 외벽에 다수개의 초음파 변환기를 포함하여 구성한다. 이와 같이 구성한 초음파 침강분리조는 종래의 농축조를 대체한다.
또한, 상기 초음파 침강분리조는 슬러지 유입관과 교반장치를 포함할 수 있는 공간을 형성하며 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자)를 설치하고 하부가 개구된 분리조 분리통을 포함하여 구성한다.
그리고, 상기 초음파 알칼리 가수분해조는 제2 실시예에 적용한 초음파 알칼리 가수분해조와 동일한 구성을 가지는 것으로 농축슬러지 유입관이 상기 초음파 침강분리조의 농축슬러지 이송관과 연통되어 있다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조가 일체형을 이루는 슬러지 감량화 장치를 보여주는 개략적인 장치도이고, 도 2는 본 고안의 제1 실시예에 따른 일체형의 슬러지 감량화 장치와 슬러지 농축조를 이용한 슬러지 감량화 공정을 보여주는 개략적인 장치도이며, 도 3은 본 고안 의 제2 실시예에 따른 초음파 알칼리 가수분해조와 슬러지 농축조를 이용한 슬러지 감량화 공정을 보여주는 개략적인 장치도이다.
또한, 도 4는 본 고안의 제3 실시예에 따른 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조가 분리형을 이루는 슬러지 감량화 장치를 이용한 슬러지 감량화 공정을 보여주는 개략적인 장치도이고, 도 5는 본 고안에 따른 초음파 침강분리조와 초음파 알칼리 가수분해조를 이용한 슬러지 감량화 공정의 흐름도이다.
도시한 바와 같이 본 고안에 따른 초음파 알칼리 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 장치(1)는 크게 초음파 침강분리조(20)와 초음파 알칼리 가수분해조(10)로 구성된다. 도 1을 참조하면, 상기 초음파 침강분리조(20)는 초음파 알칼리 가수분해(10)를 포함하여 일체형으로 구성한다.
상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)는 상기 초음파 침강분리조(20)의 내부에 포함되는 것으로 분해조 분리통(11)에 의해 침강분리조(20)와 구분되는데, 상기 분해조 분리통(11)은 상기 침강분리조(20)의 상부에 위치하며 상기 분해조 분리통(11)이 형성하는 내부공간으로 농축된 하·폐수 슬러지를 유입하는 농축슬러지 유입관(5)과 알칼리제를 주입하는 알칼리제 주입관(50)이 연통되게 형성되고, 중심부에는 유입된 슬러지와 알칼리제가 혼합되도록 교반하는 교반장치(3)를 형성한다. 상기 교반장치(3)는 상측 외부의 구동모터(M)의 힘으로 교반력을 가진다.
또한, 상기 분해조 분리통(11)에는 지그재그식으로 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자, 40)를 설치하고, 적절한 운전조건을 점검하기 위해 분해조 분리통 내의 슬러지의 pH를 측정하는 pH메타(4)를 포함하여 구성한다.
그리고, 상기 분해조 분리통(11)의 하부에는 다수개의 구멍을 형성한 다공판(12)이 일체로 형성되는데, 상기 다공판(12)은 분해조 분리통(11)의 하부면을 형성하고, 상기 교반장치(3)에 의해 교반된 슬러지는 초음파 변환기(40)와 알칼리제에 의해 가용화되며 상기 가용화된 가수분해액을 포함한 슬러지는 상기 다공판(12)의 구멍을 통과해 하부로 침강하여 초음파 침강분리조(20)내로 유입되게 된다.
이때, 상기 초음파 침강분리조(20)는 상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)를 포함할 수 있는 크기의 침강분리조 외벽(24)에 다수개의 초음파 변환기(40)를 지그재그식으로 설치하여 구성한 것으로, 상기 초음파 침강분리조(20)의 하부에는 침강되는 슬러지 고형물을 반송펌프(P)의 펌프력을 이용해 상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)로 재차 반송하는 농축슬러지 반송관(26)이 설치되고, 다수개의 초음파 변환기(40)에 의해 가용화된 후 시간의 흐름에 따라 침강 분리된 슬러지를 외부로 배출하는 슬러지 인출관(21)을 형성한다.
그리고, 초음파 침강분리조(20)의 상부에는 알칼리제에 의해 가수분해 되고 초음파에 의해 가용화된 슬러지 상징액을 1차 침전지 또는 포기조(60)로 이송하는 상징액 유출관(22)을 포함하여 구성한다.
따라서, 상기 초음파 침강분리조(20)는 상징액과 고형물을 분리하는 고액분리 기능 뿐 아니라 상기 초음파 가수분해조(10)에서 미분해된 미세 입자는 분리조 외벽(21)에 지그재그식으로 설치된 초음파 변환기(40)에 의해 용존성 물질로 전환되고, 침전된 슬러지 고형물은 반송관(26)을 이용하여 초음파 알칼리 가수분해조(10)로 이송되며, 일부는 슬러지 인출관(21)을 통해서 제거된다.
본 고안에 따른 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치(1)는 기본적으로 1차 또는 2차 처리를 거친 농축된 하·폐수 슬러지를 미생물이 분해가 용이하도록 용존성 물질과 분자구조로 변화시켜 전체 슬러지를 감량화 하는 것으로 도 2를 참조하여 슬러지 농축조를 이용한 슬러지 감량화 공정을 살펴보면 다음과 같다.
본 고안의 제1 실시예에 따른 일체형의 상기 초음파 알칼리 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 장치(1)는 종래의 하·폐수 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조(30) 다음에 위치한다.
상기 하·폐수 슬러지는 하·폐수 슬러지 유입관(2)을 통해 농축조(30)로 이송되어 유입되고, 하부에 농축조를 거친 슬러지 고형물은 일부가 농축슬러지 이송관(23)으로 이송되어 연통된 농축슬러지 유입관(5)을 통해 초음파 알칼리 가수분해조(10)로 유입되며, 일부는 하부의 슬러지 인출관(21a)을 통해 외부로 배출된다.
그리고, 상기 슬러지 농축조(30)는 종래에 알려진 기술로서 농축조 외벽(32)내에 하부가 개구된 유입정(또는 중앙벽, 33)과 교반장치(3)로 구성하고, 상부에는 상징액을 유출하는 상징액 유출관(22a)과 하부에는 슬러지를 모으는 슬러지 스크래퍼(31)를 포함하여 구성한다.
따라서, 종래의 슬러지 농축조(30) 다음에 초음파 알칼리 가수분해조(10)를 추가로 설치하여 슬러지 감량화를 목적으로 한다.
도 3을 참조하면, 본 고안의 제2 실시예에 따른 초음파 알칼리 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 장치(1)는 종래의 하·폐수 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조(30) 다음에 초음파 알칼리 가수분해조(10)를 구성하여 이루어진다.
상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)는 분해조 분리통(11) 대신 가수분해조 외벽(14)에 의해 본체가 형성되고, 상기 본체의 측면부 뿐만 아니라 하부에도 다수개의 초음파 변환기(40)를 포함하여 구성한다.
또한, 일측에 내부의 pH를 측정하는 pH메타(4)를 구성하고, 하부에 알칼리제와 초음파에 의해 가용화된 가수분해액을 이송하는 가수분해액 이송관(13)을 형성하여 1차 침전지 또는 포기조(60)로 가수분해액을 이송한다.
도 4는 본 고안의 제3 실시예로, 일체형의 슬러지 감량화 장치에서 상기 초음파 침강분리조(20)와 초음파 알칼리 가수분해조(10)가 분리형으로 구성된 것이다. 도시한 바와 같이, 상기 초음파 침강분리조(20)는 상부에 슬러지를 유입하는 하·폐수 슬러지 유입관(2)을 형성하고 본체를 이루는 침강분리조 외벽(24)에 다수개의 초음파 변환기(40)를 포함해 구성한다.
또한, 필요에 따라 상기 침강분리조 외벽(24)내에 하부가 개구된 분리조 분리통(25)을 설치하는데 상기 분리조 분리통(25)이 형성하는 공간내에 상기 슬러지 유입관(2)과 슬러지를 혼합하는 교반장치(3)를 구성하고, 상기 분리조 분리통(25)에는 다수개의 초음파 변환기(40)를 포함하여 형성한다.
그리고, 하부에 고액분리된 농축슬러지 고형물을 펌프력을 이용해 상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)의 농축슬러지 유입관(5)으로 이송하는 농축슬러지 이송관(23a)과 상부에 상징액을 외부로 유출하는 상징액 유출관(22)을 포함하여 구성하고, 하부에 슬러지 고형물의 일부를 외부로 배출하는 슬러지 인출관(21a)을 포함하 여 구성한다.
상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)는 도 3의 제2 실시예에 설치한 것과 동일한 구조를 가지는 것으로 초음파 침강분리조(20)의 농축슬러지 이송관(23a)과 농축슬러지 유입관(5)이 연통되어 있다.
그리고, 상기 제1, 2 실시예에 따라 상기 슬러지 감량화 장치(1)로 농축된 슬러지를 제공하는 슬러지 농축조(30)와 제 3실시예에 따라 별도로 구성되어 슬러지를 침강하는 초음파 침강분리조(20)에는 필요에 따라 중앙에 형성된 응집제 주입관(70)을 통해 철염, 알루미늄염 그리고 마그네슘염 등과 같은 금속염 응집제를 주입하여 슬러지에 다량 함유된 인과 반응케 해 난용성 염을 생산하거나 히드록시아파타이트[Ca10(PO4)6(OH)2]의 생성으로 인을 제거함과 동시에 침강기능을 강화시킨다.
이하에서는 도 5의 개략적인 공정도를 참고하여 본 고안에 따른 초음파 알칼리 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 장치(1)의 감량화 방법에 대해 상세히 설명한다.
상기와 같이 구성한 슬러지 감량화 장치(1)의 공정에 따라, 하·폐수 슬러지는 초음파 침강분리조(20)와 슬러지 농축조(30) 공정에서 고액분리가 이루어지고 이때 발생하는 상징액은 1차 침전지 또는 포기조(60)로 이송된다. 그리고, 농축된 슬러지 고형물은 초음파 알칼리 가수분해조(10)로 이송되고 초음파 알칼리 가수분해 공정에 따라 투여되는 알칼리제에 의해 가수분해됨과 동시에 초음파 변환기(40) 에서 방사하는 초음파에 의해 유입되는 슬러지의 가용화율을 증진시킨다.
따라서, 이송되는 가용화된 상징액 등의 가수분해액은 생분해성 향상과 용해성 유기물량이 증가된 양질의 탄소원으로 이용되고, 유입되는 하·폐수 슬러지는 미생물에 의한 미분해 물질이 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화되어 전체 슬러지는 감량화된다.
<제 1단계 : 초음파 침강분리조 또는 슬러지 농축조>
1차 처리된 하·페수 슬러지는 하·폐수 슬러지 유입관(2)을 통해 도 2와 도 3의 슬러지 농축조(30)내로 유입되거나, 별도로 구성된 도 4의 초음파 침강분리조(20)내로 유입되어 고액분리된다.
상기 농축조(30)내로 유입된 하·폐수 슬러지는 중력에 의해 침강되어 상부의 상징액과 침강되는 농축슬러지로 고액분리된다. 그리고, 상기 상징액은 상징액 유출관(22a)을 통해 1차 침전지 또는 포기조(60)로 이송되고, 침강된 농축슬러지는 농축슬러지 이송관(23)을 따라 연통된 농축슬러지 유입관(5)을 통해 본 고안에 따른 초음파 알칼리 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 장치(1)를 구성하는 일체형의 감량화 장치나 별도로 구성된 초음파 알칼리 가수분해조 내로 유입된다.
또한, 상기 초음파 침강분리조(20)내로 유입된 하·폐수 슬러지는 스텐레스 스틸로 만들어진 분리통(25)과 외벽(24)에 지그재그식으로 설치된 초음파 변환기(또는 진동소자, 40)에서 방사되는 연속파 또는 멀티펄스형 초음파에 의해 미분해 물질의 분자구조로 바뀌어 (예, 고분자구조에서 단분자 구조로) 분해가 용이한 용존성 물질로 변화되거나 침강분리된다.
분리된 상징액은 상부의 상징액 유출관(22)으로 유출되어 1차 침전지 또는 포기조(60)로 이송되고, 침전된 농축슬러지 고형물 중 일부는 농축슬러지 이송관( 23a)을 통해 초음파 알칼리 가수분해조(10)로 이송되어 용존성물질로 분해된다.
<제 2단계 : 초음파 알칼리 가수분해 공정>
하·폐수 슬러지는 초음파 침강분리조(20) 또는 농축조(30)로 유입되어 초음파 알칼리 가수분해조(10)에 유입된다. 이때, 제1 실시예와 제2 실시예에 따라 농축조(30)를 거친 농축슬러지는 상기 초음파 알칼리 가수분해조(10)와 초음파 침강분리조(20)가 일체형으로 구성되는 슬러지 감량화 장치(도 1, 1)내로 이송되어 일체형에서의 초음파 알칼리 가수분해조(도 2, 10) 또는 별도로 구성된 초음파 알칼리 가수분해조(도 3, 10)에 유입되며, 제3 실시예에 따라 별도로 구성한 초음파 침강분리조(20)를 거친 농축슬러지는 농축슬러지 이송관(23a)을 통해 초음파 알칼리 가수분해조(도 4, 10)내로 유입된다.
농축슬러지 이송관(23, 23a)과 연통된 농축슬러지 유입관(5)을 통해 가수분해조 내로 유입되어 알칼리제(가성소다, 수산화칼륨, 석회) 중 NaOH 기준 0.025∼0.15 g NaOH/g TS을 알칼리제 주입관(50)을 통해 조 내로 투여 한다. 투여된 농축슬러지와 알칼리제는 교반장치(3)에 의한 혼합과 분리통(11) 또는 외벽(14, 24)에 지그재그식으로 설치된 초음파 변환기(40)에 의해 1∼12시간 동안 가용화와 동시에 초음파 분해 한 후 일체형일 경우에는 다공판(12)의 구멍을 통해 자연스럽게 초음파 침강분리조(20)로 이동되고, 분리형일 경우에는 가수분해액 이송관(13)을 통해 1차 침전지 또는 포기조(60)로 이송된다.
이하에서는 초음파 가수분해와 침강분리를 이용한 슬러지 감량화 방법을 단계별로 상세히 설명한다.
<실시예 1 : 가용화>
하수슬러지의 성상에 대해 조사분석한 결과는 <표1>과 같다.
< 표1 > 하수슬러지의 성상 ( 단위 : mg/l)
항목 1차 슬러지 2차 슬러지
K하수처리시설 S하수처리시설 K하수처리시설 S하수처리시설
pH 6.3 6.0 6.1 6.4
BOD SBOD 9,420 1,020 9,120 1,530 8,240 987 8,080 854
COD SCOD 24,430 2,050 22,900 2,450 21,880 1,650 18,225 1,220
TS VS 24,120 13,650 23,900 13,060 26,540 16,840 17,560 13,010
TSS VSS 16,540 9,880 15,430 9,260 16,950 13,560 12,980 9,540
T-N NH4 +-N 184 133 217 143 177 124 151 137
T-P PO4-P 79 56 81 53 102 42 101 35
Cl- Alkalinity VFAs 341 523 130 348 623 123 439 390 67 234 357 18
<표1>에서 보듯이 항목별 수질특성을 살펴보면 pH는 6.0∼6.4 범위이다. 각 처리시설에 따라 슬러지의 성상이 다소 차이는 있으나, 대략적으로 1차 슬러지의 BOD, COD, TS, TSS의 평균농도는 각각 9,270 mg/L, 23,670 mg/L, 24,010 mg/L, 15,990 mg/L이었고, SBOD/BOD, SCOD/COD, VS/TS, VSS/TSS 비는 각각 0.14, 0.095, 0.56, 060으로 용존성 유기물이 거의 없고 대부분이 입자성 유기물이다.
영양염류의 경우 T-N, NH4 +-N, T-P의 평균농도는 각각 200 mg/L, 136 mg/L, 80 mg/L이었고, T-N중 NH4 +-N가 차지하는 비율이 0.69이 었다.
유기물과 영양염류의 관계를 살펴보면, BOD/T-N 및 COD/T-N는 46과 118 이었으며, BOD/T-P 및 COD/T-P는 116과 296 이었다. 한편, 2차 슬러지의 경우는 1차 슬러지에 비해 용존성 유기물이 다소 적으며 인의 함량이 높은 편이다.
하수처리장의 1차 슬러지의 평균농도가 각각 TCOD 24,430 mg/L, TS 24,120 mg/L 인 시료에 NaOH를 0, 0.025, 0.05, 0.1, 0.15 g NaOH/g TS 씩 5단계로 투여 하였다. 조제한 시료를 Shaking incubator에 넣어 온도 35∼37℃, 교반강도 120rpm인 실험조건에서 48시간 동안 가용화 실험을 진행하였다.
<표2> NaOH 투여량에 따른 1차 슬러지의 액성 변화
항목 시간(hr) g NaOH/g TS 0 3 6 12 24 48
pH Blank 0.025 0.05 0.1 0.15 6.8 6.6 6.2 6.2 6.1 6.0 7.2 7.1 6.9 6.8 6.6 6.4 8.5 8.3 8.1 7.6 7.1 6.8 9.8 9.3 9.6 9.6 9.2 8.0 12.2 11.7 11.5 11.2 11.0 10.1
SCOD/TCOD (%) Blank 0.025 0.05 0.1 0.15 3 3 4 4 4 6 6 7 7 8 8 10 11 11 10 11 19 22 20 24 28 30 40 45 26 32 34 36 57 60
Ps(%) Blank 0.025 0.05 0.1 0.15 0 1 4 4 5 8 0 2 5 5 6 11 0 2 5 5 14 19 0 8 15 18 31 38 0 11 16 18 45 52
주) Ps(%) = (초기 ICOD - t시간후 ICOD)/초기 ICOD ×100
NaOH 투여량에 따른 pH의 변화는 초기에 6.8∼12.2로 NaOH 투여량에 따라 증가하였으나 시간이 경과됨에 따라 가수분해 및 산발효로 감소하는 경향을 보였다. NaOH 투여량에 따라 SCOD 농도의 증가로 SCOD/TCOD 비율은 반응시간이 경과됨에 따라 3%에서 60%까지 증가하였다.
한편, 1차 슬러지의 TCOD 중 ICOD가 SCOD로 전환되는 가용화 효과(Ps)를 살펴보면 NaOH 투여량이 증가할수록 반응시간이 경과됨에 따라 증가하였으며, 특히 반응시간이 48hr이고 알칼리 투여량이 0.15 g NaOH/g TS인 조건에서 최대 52%의 가용화 효과를 얻을 수 있었다.
<실시예 2 : 초음파분해>
하수처리장의 1차 슬러지에 0.05 g NaOH/g TS를 투여하여 초음파 항온조의 온도 20℃에서 6hr 동안 35KHz로 처리한 후 알칼리 가용화와 초음파분해 효과에 대해 분석한 결과는 <표3>과 같다.
<표3> 초음파 처리에 따른 1차 슬러지의 액성 변화 (Ⅰ)
시간(hr) 항목 0 0.5 1 2 3 4 6
pH 9.7 9.5 9.4 9.2 9.0 8.8 8.5
SCOD/TCOD(%) 13 30 32 38 41 47 53
Ps(%) 0 19 22 28 32 39 46
SCOD/TCOD와 Ps의 변화는 13∼53%, 0∼46%로 반응시간이 경과함에 따라 입상 COD의 가용화 효과는 증가 하였다. 특히 반응시간 1hr 이내에서 가장 높은 효율을 보였다.
한편, 하수처리장의 1차 슬러지에 0.025 g NaOH/g TS의 농도로 가수분해 및 산발효한 전처리 시료와 추가로 60분간 초음파 처리한 시료의 액성변화는 <표4>와 같다.
<표4> 초음파 처리에 따른 1차 슬러지의 액성 변화(Ⅱ)
시료 SBOD/BOD SCOD/COD
산발효 0.12 0.11
산발효후 초음파처리 0.25 0.23
<표4>에서 보듯이 초음파 처리 유무에 따라 BOD와 COD중 SBOD와 SCOD의 비율이 2배 차이를 보였다. 이는 입자상 물질이 초음파에 의해 용해성 물질로 전환되었기 때문이다.
<실시예 3 : 가수분해와 초음파 가수분해(Ⅰ)>
하수처리장의 2차 슬러지의 TCOD(SCOD)와 TS(TSS)농도가 각각 22,100 (1,050)mg/L와 23,800(20,250)mg/L 인 시료에 NaOH를 0, 0.025, 0.05, 0.1, 0.15 g NaOH/g TS 씩 5단계로 투여 하였다. 조제한 시료를 온도 25∼28℃, 교반강도 120rpm인 알칼리 가용화 (가수분해) 실험과 35kHz의 초음파 처리를 병행한 가수 분해 실험을 진행 하였다.
NaOH 투여량에 따른 pH의 변화는 초기에 6.8∼12.5로 NaOH 투여량에 따라 증가 하였으나 시간이 경과함에 따라 가용화로 감소하는 경향을 보였다.
<표5> 가수분해와 초음파 가수분해의 2차 슬러지의 액성 비교(Ⅰ)
항 목 g NaOH/g TS Time(hr)
0 0.5 1 1.5 2 3 4 5
SCOD/TCOD(%) 0 가수분해 초음파가수분해 4.6 4.8 4.7 4.9 4.8 5 4.9 5.5 5.6 5.9 5.7 6.4 5.9 8.2 6 9.6
0.025 가수분해 초음파가수분해 5.6 6.4 6 6.9 6.1 8.2 6.5 9.5 7.5 10.6 8.5 12.4 10.1 15.6 11.5 23.4
0.05 가수분해 초음파가수분해 8.8 9.1 9.8 12.1 13.9 15.4 15.4 18.4 16.2 21.2 15.9 21.9 16.9 25.6 20.6 40.4
0.1 가수분해 초음파가수분해 10.3 17.1 13.3 21.6 15.2 25.6 21.1 27.9 25.1 30.2 27.4 33.4 28.5 42.4 31.7 47.9
0.15 가수분해 초음파가수분해 13.3 22.1 18.1 26.5 21.3 28.2 25.4 31.6 29 34.5 31.8 36 35.2 44.8 36.1 49.4
TSS감소율(%) 0 가수분해 초음파가수분해 0 0 0.2 4.7 0.7 5.7 1.7 9.5 2.5 12.2 3.2 14.8 3.3 16.1 3.8 18.1
0.025 가수분해 초음파가수분해 2.2 4.7 3 6.2 4 9.5 4.7 13.3 5.7 16.7 7.2 19 8.6 21 10.4 22.8
0.05 가수분해 초음파가수분해 5.2 10.1 6.2 11.1 8.1 12.9 9.6 16 11.6 19.3 12.8 20.5 13.8 21.7 14.4 26.8
0.1 가수분해 초음파가수분해 11.1 18 14.6 19.5 16 21.5 17 22.5 21.9 27.6 23.3 29.6 24.6 33.9 26.9 37.4
0.15 가수분해 초음파가수분해 19 25.4 24.9 27.9 25.7 28.9 26.4 32.9 34.2 42.4 35.8 44 37.4 49 39.1 49.2
<표5> 가수분해와 초음파 가수분해의 액성비교에서 보듯이, NaOH 투여량에 따라 SCOD/TCOD 비율은 가수분해와 초음파를 병행한 가수분해에서 각각 4.6∼ 36.1%, 4.8∼49.4% 이었고, TSS 감소율은 NaOH 주입량 0.15 g NaOH/g TS와 반응시간 5hr에서 최대 39.1%, 49.2%로 가수분해한 경우보다는 초음파 가수분해 한 경우가 약 10% 이상 용해성물질의 비율을 높였다.
<실시예 4 : 가수분해와 초음파 가수분해(Ⅱ)>
하수처리장의 2차 슬러지의 TCOD(SCOD)와 TS(TSS)농도가 각각 12,100 (104)mg/L와 16,570(13,950)mg/L 인 시료에 NaOH를 0.1g NaOH/g TS을 투여 한 후, 조제한 시료를 온도 20∼22℃, 교반강도 150rpm인 가용화 (가수분해) 실험과 35kHz의 초음파 처리를 병행한 가수 분해 실험을 진행하였다.
<표6> 가수분해와 초음파 가수분해의 2차 슬러지 액성 변화 비교(Ⅱ)
시간(hr) 항목 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
SCOD/TCOD(%) 가수분해 26.0 27.4 27.8 28.4 28.6 29.9 30.6 30.8 31.6 32.1 33.6
초음파 가수분해 27.3 28.8 29.1 30.5 32.0 33.2 34.9 35.2 36.2 37.8 38.9
TSS감감소율(%) 가수분해 14.0 20.4 21.1 23.3 28.3 32.8 34.1 38.4 41.2 44.8 46.2
초음파 가수분해 24.0 29.0 33.3 34.1 39.8 40.5 41.2 44.8 48.4 52.7 56.3
<표6> 가수분해와 초음파 가수분해의 액성비교에서 보듯이, SCOD/TCOD 비율은 가수분해와 초음파를 병행한 가수분해에서 각각 26.0∼33.6%, 27.3∼38.9% 이었고, TSS 감소율은 14.0∼46.2%, 24.0∼56.3%로 8∼10시간 범위에서 약 53±3% 감소하였으며, 가수분해한 경우보다는 초음파 가수분해 한 경우가 약 8∼10% 차이를 보였다.
<실시 예 5 : 침강분리>
하수처리장의 1차 슬러지에 0.25 g NaOH/g TS의 NaOH를 투여하여 가수분해 및 산발효한 시료의 초기 pH는 6.5이고 TCOD와 SCOD가 각각 24,600 mg/L 및 2,510 mg/L 인시료를 단순침전과 35KHz로 초음파처리한 상징액을 10분 간격으로 90분동안 측정하여 SCOD/TCOD 변화 및 가용화 효과에 대해 분석한 결과는 <표7>와 같다.
<표7> 단순침전과 초음파 침강처리의 비교
구분 시간(분) 항목 0 10 20 30 40 50 60 90
단순침전 SCOD/TCOD(%) 10.2 10.3 10.5 10.8 11.2 11.4 11.7 12.1
초음파처리 10.2 14.3 16.3 18.4 20.2 22.6 24.0 27.3
단순침전 Ps(%) 0.0 0.9 2.8 4.9 5.0 5.2 5.7 6.3
초음파처리 0.0 6.1 6.7 10.2 11.9 15.6 17.4 21.9
단순침전 TSS 감소율(%) 0.0 1.4 1.9 3.1 3.6 4.6 5.0 7.5
초음파처리 0.0 2.1 3.0 5.0 6.3 7.7 8.1 11.2
<표7>에서 보듯이, SCOD/TCOD의 변화는 90분에서 단순침전과 초음파 침강처리에서 각각 12.1%, 27.3%로 약 2.3배 차이를 보였으며, 입상 COD의 가용화 효과 (Ps) 역시 3.5배의 차이를 보였다. 이러한 현상은 TSS 감소율도 동일한 경향을 보였는데, 이는 입상 COD 물질 중 초음파에 의해 분해 되고 일부 고형물은 고액 분리되어 하부에 침강되었기 때문이다. 따라서 가수분해 등 전처리한 슬러지는 60∼90분간 초음파로 분해할 경우 용해성 물질의 비율을 높이는데 효과적이다.
<실시예 6 : 생분해>
하수처리장의 1차 슬러지를 TS g당 0.15 g NaOH를 투여한 가용화액과 0.025 g NaOH를 투여한 산발효액 그리고 산발효액을 35KHz로 60분간 초음파처리한 3종류의 시료를 사용하였다. 수온이 20℃이고 MLSS 농도가 약 3,000 mg/L인 호기성 조건에서 생분해한 결과를 토대로 기질제거 속도 상수와 비기질 소모율을 산출한 결과는 <표8>와 같다.
<표8> 생분해도 산출결과
구분 g NaOH/g TS 기질제거 속도상수 (k, hr-1) 비기질 소모 속도상수 (a, hr-1)
Methanol 0 0.05 (1.0) 0.16 (1.0)
가용화액 0.15 0.34 (0.76) 0.13 (0.81)
산발효액 0.025 0.33 (0.73) 0.12 (0.75)
산발효후 초음파 처리 0.025 0.35 (0.78) 0.15 (0.88)
주) C=Co-e-kt, U=(So-S)/tX, U = Uo·E-at
<표8>에서 보듯이 메탄올을 기준하여 가용화액과 산발효액에 대한 기질제거 속도상수와 비기질 소모 속도상수를 비교한 결과 0.75∼0.76, 0.75∼0.81,로 메탄올에 비해 생분해도가 다소 저조한 편이다. 그러나, 초음파처리를 할 경우 기질제거 속도상수와 비기질 소모 속도상수가 증가하였는데, 이는 앞서 언급한바와 같이 초음파를 방사시킬 경우 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분리구조로 변화시켰기 때문이다.
이상에서 설명한 본 고안은, 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가 진 자에 있어 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 본 고안에 의하면, 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치를 이용하여 농축된 슬러지를 알칼리제 등을 첨가하여 가수분해하고 초음파를 이용하여 분해가 용이한 용존성 물질로 변화시키므로 근원적인 슬러지 처리로 기존의 많은 문제점을 동시에 해소할 수 있다. 아울러 본 공정에서 생산된 상징액은 생분해성 향상과 용해성 유기물량이 증가된 양질의 탄소원으로 재활용함으로써 처리비용의 절감과 폐자원의 재활용으로 환경친화적인 측면에서도 더욱더 효과가 크다.

Claims (7)

1차 처리된 하·폐수 슬러지를 농축조 등을 이용하여 농축하고 슬러지를 감량화하는 장치에 있어서,
상기 농축된 슬러지를 유입하는 농축슬러지 유입관과, 알칼리제를 주입하는 알칼리제 주입관과, 상기 유입된 슬러지와 알칼리제를 혼합하는 교반장치와, 상기 농축슬러지 유입관 및 알칼리제 주입관과 연통되고 상기 교반장치를 포함할 수 있는 공간을 형성하는 분해조 분리통과, 상기 분해조 분리통 내 슬러지의 pH를 측정하는 pH메타와, 상기 분해조 분리통에 설치된 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자)와, 상기 분해조 분리통의 하부에 다수개의 구멍을 형성한 다공판을 일체로 포함하여 구성한 초음파 알칼리 가수분해조와;
상기 초음파 알칼리 가수분해조를 내부에 포함할 수 있는 공간을 형성한 침강분리조 외벽과, 상기 다공판을 통과하여 하부에 침강한 농축슬러지 고형물을 반송펌프의 펌프력을 이용해 상기 초음파 알칼리 가수분해조로 반송하는 농축슬러지 반송관과, 상징액을 외부로 유출하는 상징액 유출관과, 슬러지 고형물을 외부로 배출하는 슬러지 인출관과, 상기 침강분리조 외벽에 설치된 다수개의 초음파 변환기를 포함하여 구성한 초음파 침강분리조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
1차 처리된 하·폐수 슬러지를 감량화하는 장치에 있어서,
상기 하·폐수 슬러지를 유입하는 슬러지 유입관과, 상기 유입된 슬러지를 혼합하는 교반장치와, 상기 교반장치를 포함하고 슬러지가 침강하여 고액분리될 수 있는 크기의 공간을 가지는 분리조 외벽과, 침강한 농축슬러지 고형물을 펌프력을 이용해 외부로 이송하는 농축슬러지 이송관과, 상징액을 외부로 유출하는 상징액 유출관과, 슬러지 고형물을 외부로 배출하는 슬러지 인출관과, 상기 분리조 외벽에 설치된 다수개의 초음파 변환기를 포함하여 구성한 초음파 침강분리조와;
상기 초음파 침강분리조의 농축슬러지 이송관과 연통되어 슬러지를 유입하는 농축슬러지 유입관과, 알칼리제를 주입하는 알칼리제 주입관과, 유입된 농축슬러지와 알칼리제가 혼합되도록 교반하는 교반장치와, 상기 슬러지의 pH를 측정하는 pH메타와, 상기 교반장치를 포함할 수 있는 공간을 형성하는 가수분해조 외벽과, 상기 가수분해조 외벽에 설치된 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자)와, 하부에 가수분해액을 외부로 이송하는 가수분해액 이송관을 포함하여 구성한 초음파 알칼리 가수분해조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
제 2항에 있어서,
상기 초음파 알칼리 가수분해조는 농축슬러지 유입관이 슬러지 농축조의 농축슬러지 이송관과 연통하여 상기 슬러지 농축조의 다음 공정에 위치하는 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
제 2항에 있어서,
상기 초음파 침강분리조는 슬러지 유입관과 교반장치를 포함하는 공간을 형성하고 다수개의 초음파 변환기(또는 진동소자)를 설치한 하부가 개구된 분리조 분리통을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 초음파 변환기(또는 진동소자)는 지그재그식으로 설치되어 미분해 물질의 분해효율을 높이는 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상징액 유출관과 가수분해액 이송관은 1차 침전지, 포기조 또는 무산소조와 연통되고, 이송되는 상징액과 가수분해액은 생분해성 향상과 용해성 유기물량이 증가된 양질의 탄소원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
제 1항, 제 2항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬러지 농축조와 초음파 침강분리조의 일측에 응집제 주입관을 설치하고, 철염, 알루미늄염, 마그네슘염 등의 응집제를 상기 응집제 주입관을 통해 주입 하여 슬러지에 다량 함유된 인과 반응시켜 난용성 염을 생산하거나 히드록시아파타이트[Ca10(PO4)6(OH)2]의 생성으로 인을 제거함과 동시에 침강기능을 강화한 것을 특징으로 하는 침강분리와 초음파 알칼리 가수분해를 이용한 슬러지 감량화 장치.
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