KR20050013449A - 마이크로웨이브를 이용한 슬러지의 병원균과 유기물질을파괴하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

마이크로웨이브를 이용한 슬러지의 병원균과 유기물질을파괴하는 방법 및 그 장치

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KR20050013449A
KR20050013449A KR1020030052105A KR20030052105A KR20050013449A KR 20050013449 A KR20050013449 A KR 20050013449A KR 1020030052105 A KR1020030052105 A KR 1020030052105A KR 20030052105 A KR20030052105 A KR 20030052105A KR 20050013449 A KR20050013449 A KR 20050013449A
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홍승모
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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 슬러지의 병원균과 유기물질을 파괴하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 전가열설비(1), 유입관(2), 분배관(6), 마이크로웨이브 조사실(7), 수집관(10), 출구관(14)으로 이루어져서, 생활하수, 산업폐수 등을 처리하는 과정에서 발생하는 슬러지나 폐수를 마이크로웨이브로 0.12∼0.48watt·hr/g총고체의 에너지를 가하여 지속적으로 슬러지나 폐수에 함유된 병원균을 파괴하거나 복잡한 유기물질을 분해하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
슬러지를 마이크로웨이브로 주사한 경우 메탄가스 발생량이 증가하고, 슬러지 양도 감소하며 특히 미국 환경청에서 제정한 하수슬러지에 함유된 오염물질로부터 공중보건과 환경을 보존하기 위한 법규(40 CFR part 503)에 기술된 A급 슬러지를 생산할 수 있다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 슬러지의 병원균과 유기물질을 파괴하는 방법 및 그 장치{method and apparatus to destruct pathogens and organics in sludges and liquids using microwaves}
슬러지 처리 비용은 대체로 전체 하수처리 비용의 60％를 차지한다. 1999년 미국에서는 약 50％ 이상의 하수슬러지를 농토에 비료로 사용하였다. 농지 살포를 할 때 슬러지내의 병원균과 병충(병균을 전파하는 곤충) 유인이 가장 큰 문제이다.
1992년11월25일에 미국 환경청에서 하수슬러지에 함유된 오염물질로부터 공중보건과 환경을 보존하기 위한 법규(40 CFR part 503)를 재정하였다. 최종 법규는 1995년10월25일에 효력을 발생하였다. 이 법규에는 가장 안전한 슬러지(A등급)는 대장균이 1000MPN/g dry solids 미만이 되거나 살모넬라균이 3MPN/4g dry solids 미만이 되어야 한다고 명시하고 있다. A급 슬러지는 일반 관상용으로 아무 제한없이 사용할 수 있으나 B급은 농지나 일부 과수원에만 제한적으로 사용하도록 되어 있다.
미국 환경청이 A급 병원균 규제치를 맞출 수 있는 슬러지처리방법을 다음과 같이 명시하였다.
방법 1: 4가지의 시간, 온도 범위에서 열처리.
방법 2: 특정 pH, 온도 및 공기 건조 조건에서 알칼리성 고온에서 처리.
방법 3: 기존의 공정으로 병원균을 적정치까지 파괴시킬 때까지 엔테릭바이러스(enteric viruses)나 헬민스오바(helminth ova)를 철저히 검사하여 규제치에 맞게 처리.
방법 4: 알려지지 않은 방법으로 처리.
방법 5: 다음과 같은 병원균 추가 처리공정을 이용.
① 퇴비화: 용기 내 또는 공기주입식 퇴비화로 55℃이상 3일동안 처리하거나 55℃에서 20일이상 5번 섞는 고정식 퇴비화 처리.
② 열건조: 80℃이상에서 습기가 10％미만까지 함유된 슬러지를 만들기 위한 열건조 처리.
③ 열처리: 180℃이상에서 30분이상 액상슬러지를 가열.
④ 고온 호기성 소화: 55∼60℃에서 10일의 체류시간을 유지하면서 호기성 소화.
⑤ 베타선 조사: 20℃에서 최소 1메가레드로 가속기에서 발생된 베타선.
⑥ 감마선 조사: 20℃에서 특정 감마선.
⑦ 살균: 70℃이상에서 30분이상 처리.
방법 6: 허가기관에서 인정하고 모든 병원균 규제치에 맞는 새로운 방법으로 처리.
위의 대체 방법들은 초기 시설투자비용이 높고 유지관리비도 많이 소요된다.
본 발명과 비슷한 분야에 약 50여개의 특허가 있다. "슬러지, 마이크로웨이브, 살균, 생물학적 고형물(biosolids)과 병원균"을 주 단어로 선행기술을 조사하였다.
이 조사 결과 찾아낸 미국 특허를 특허번호, 특허일, 슬러지 처리방법, 매체, 병원균 살균, 유기물질 파괴를 특허권리범위에 따라 정리한 표가 다음과 같다.
특허번호 특허일 슬러지 처리방법 매체 병원균 살균 유기물질 파괴
5833922 1998/11/10 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5380419 1998/11/03 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5709842 1998/01/20 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5508004 1996/04/16 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5476634 1995/12/19 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5106594 1992/04/21 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5429799 1995/07/04 마이크로웨이브 병원폐기물 Yes No
5393500 1995/02/28 마이크로웨이브와 열풍 병원폐기물 Yes No
5213759 1993/05/25 마이크로웨이브 병원폐기물 Yes No
5728310 1998/03/17 마이크로웨이브 폐기물 No No
5641423 1997/06/24 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5543111 1996/08/06 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5523052 1996/06/04 RF 조사 병원폐기물 Yes No
5487873 1996/01/30 RF 조사 위험폐기물 Yes Yes
5322603 1994/06/21 마이크로웨이브와 열풍 병원폐기물 Yes Yes
5618442 1997/04/08 알칼리제 하수슬러지 Yes No
5143481 1992/09/01 소각로재 하수슬러지 Yes No
4279516 1981/07/21 용기 하수슬러지 Yes Yes
5003143 1991/03/26 마이크로웨이브와 건조 슬러지 Yes Yes
6098306 2000/08/08 전기자장 건조 흡착물질 No No
5954970 1999/09/21 마이크로웨이브 페인트슬러지 No No
5449889 1995/09/12 마이크로웨이브 유전체가열매체 No No
4940865 1990/07/10 마이크로웨이브 가열및융해물질 No No
마이크로웨이브는 병원폐기물을 살균하는데 사용되었다(미국 특허 제5833922호, 제5380419호, 제5709842호, 제5508004호, 제5476634호, 제5106594호, 제5429799호, 제5393500호, 제5213759호, 제5728310호, 제5641423호, 제5543111호, 제5523052호, 제5487873호, 제5322603호 등). 슬러지 처리방법으로 알칼리제 투입(미국특허 제5618422호), 소각로재(미국특허 제5143481호) 또는 특별용기(미국특허제4279516호) 등으로 특허가 되어 있다. 그러나 마이크로웨이브를 이용한 슬러지의 병원균 및 유기물질 처리방법은 전세계적으로 특허가 없다. 미국특허 제5003143호는 슬러지 건조를 하기 위하여 회분성 마이크로웨이브를 사용하였다.
마이크로웨이브는 0.01∼1m 웨이브 또는 30∼0.3GHz 영역의 전기자장대에 속해 있다. 산업용, 과학용, 의료용으로 연방통신위원회(Federal Communications Commission: FCC) 및 국제라디오규제법규하에서 가열에 사용할 수 있도록 허용한 마이크로웨이브의 주파수는 915±13, 2,450±50, 5,800±75 및 24,125±125MHz이다.
감마파 및 전자파 주사방법은 2000년7월에 미국 환경청에서 슬러지 살균법으로 연구되었었다. 아직까지 연구가 미비한 살균은 마이크로웨이브 주사방법이다. 상업용 하수처리 주사방법으로 병원균을 처리하는 공정이 10여년 동안 독일에서 운영되고 있다. Gs-137 주사로 슬러지를 건조하는 방법이 산디아국립실험소(Sandia National Laboratory)에서 개발되었으며 멕시코주의 알바커키(Albuquerque)에 상업용 설비를 건설할 계획이 있다. 일본의 원자력연구소에서는 주사에 의한 슬러지 퇴비화 향상을 도모하는 방법을 연구하고 있다. 캐나다에서는 바이러스가 포함된 하수처리장 방류수를 살균하기 위하여 감마파 주사공장을 세우기 위한 계획 단계에 있다.
마이크로웨이브는 미생물의 살균 방법이 전자파와 감마파와는 다르다. 감마파와 전자파는 미생물 분자를 직접 공략하거나 라디칼(radicals)을 발생시켜 미생물을 파괴시킨다. 마이크로웨이브의 경우에는 초당 109번씩 극성을 변경함으로써 분자 사이에 마찰을 야기시켜 온도가 상승하여 미생물을 죽게 한다. 4가지 타입의 바이러스, 즉 폴리오바이러스(Polio virus 1), 에코바이러스(Echo virus 7), 콕사치바이러스 B1(Coxsachie virus B1), 콕사치바이러스 B5(Coxsachie virus B5)를 마이크로웨이브에 노출시켰을 때 어떤 매체에서 보다도 슬러지에서 바이러스가 더 빨리 죽었다(Vasl 외,1983). 수분함유량이 적은 매체에 바이러스가 있을 경우 치사율이 더 높았다. 이는 마이크로웨이브에 의한 바이러스 살균 과정이 매우 다르다는 것을 알 수 있다. 매체에 수분량이 적을 경우, 고형물질이 보온작용을 하기 때문일 수도 있다.
마이크로웨이브 에너지는 양전자성 물질을 쉽게 통과할 수 있으며, 미생물의 살균에 열은 물론 다른 작용이 있는 것으로 추측된다.
일반 열처리에 비하여 마이크로웨이브 열처리는 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
▷급속·균등가열 : 열이 급속히 균등하게 물체에 가해져 국부가열에 의한 열손실을 최소화 할 수 있다.
▷순간조절 : 마이크로웨이브에 의한 열가열은 순간적으로 조절할 수 있으며 파워를 정확하게 조절할 수 있다.
▷선별가열 : 라디오파 가열과 같이 가장 큰 양전기 손실계수를 가진 물질에 선별적으로 파워를 집중시킬 수 있다.
본 발명은 마이크로웨이브를 사용하여 생활하수 및 산업폐수 처리 중 발생되는 슬러지나 폐수에 있는 병원균과 복잡한 유기물질을 파괴시키고, 슬러지의 병충유인을 감소시키며, 차후 슬러지 처리공정의 효율을 높이기 위한 전처리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 슬러지 안정화 공정의 효율을 높여 슬러지 양을 최소화하고 메탄과 같은 에너지 회수율을 높이는데 마이크로웨이브 기술을 사용하는 것으로 슬러지 안정화 공정의 규모를 축소시켜 경비절감까지 이루는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 병원균 수를 줄이거나 A급 슬러지를 만들기 위하여 슬러지 안정화 공정에서의 전 또는 후 살균, 살균 및 온도 조절을 위하여 혐기성 소화조의 재순환관에 설치, 슬러지 안정화 공정의 성능 향상 및 슬러지 양 감량화를 목적으로 사용될 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 평면도,
도 3은 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치에 따른 마이크로웨이브 조사실의 혼화장치를 보여주는 도 1의 A-A선을 따라 절개한 측단면도,
도 4는 도 1의 B-B선을 따라 절개한 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 측단면도,
도 5A는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 분배관과 마이크로웨이브 조사실을 연결시키는 연결장치를 보여주는 사시도이며,
도 5B는 상기 마이크로웨이브 조사실과 연결장치를 보여주는 사시도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 전가열설비 2 : 유입관
3 : 유입밸브 4 : 역세척수출구관
5 : 역세척수출구밸브 6 : 분배관
7 : 마이크로웨이브 조사실 8 : 마이크로웨이브 발생기
9 : 마이크로웨이브 차단벽 10 : 수집관
11 : 방출밸브 12 : 역세척수 유입관
13 : 역세척수 유입밸브 14 : 출구관
15,16,17,18 : 플랜지형 조인트 19 : 쐐기식 교반장치
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법은 슬러지나 폐수에 0.12∼0.48watts·hr/g 총고체의 마이크로웨이브를 주사하여 병원균을 파괴시키고 복잡한 유기물질을 분해시키는 것이다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법에서는 상기 마이크로웨이브 주파수가 915±13, 2450±50, 5800±75 및 24125±125MHz로 단독 사용되거나, 2450MHz만 사용, 2450과 915MHz 순으로 사용 또는 915와 2450MHz 순으로된 조합으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법은 제지공장 슬러지, 가죽폐기물, 페인트 슬러지 또는 다른 산업폐기물의 추가 처리를 용이하게 하기 위한 전처리 공정으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법은 상·하수처리에서 발생되는 부유물(scum)을 추후 처리하는 공정에서의 용이한 취급 및 성능향상을 위하여 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리는 유입되는 미처리 슬러지나 폐수를 마이크로웨이브 조사실(7)을 통과한 고온의 슬러지로 가열된 열교환기에 통과시켜 온도를 높이는 전가열설비(1)와, 상기 전가열설비(1)로부터 이동되는 슬러지나 폐수가 통과하는 유입관(2)과, 상기 유입관(2)을 통하여 들어오는 슬러지나 폐수를 균등하게 분배시키는 분배관(6)과, 상기 분배관(6)과 연결되며, 내부에 쐐기식 교반장치(19)가 장착되고, 상부에 마이크로웨이브 발생기(8)가 평행하게 설치되며, 외측면에 마이크로웨이브 차단벽(9)이 구비되는 마이크로웨이브 조사실(7)와, 상기 마이크로웨이브 조사실(7)을 통과한 슬러지나 폐수를 수집하는 수집관(10)과, 상기 수집된 슬러지나 폐수를 방출시키는 출구관(14)으로 이루어진다.
또, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치는 상기 마이크로웨이브 조사실(7)의 압력 및 조사 시간을 조절하기 위하여 상기 유입관(2)과 출구관(14)에 유입밸브(3)와 방출밸브(11)가 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치는 상기유입관(2)에 역세척수 출구밸브(5)를 구비하는 역세척수 출구관(4)이 설치되고, 상기 출구관(14)에 역세척수 유입밸브(13)를 구비하는 역세척수 유입관(12)이 설치되어 청소를 위한 역세척 설비가 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 1959년 제네바 국제라디오규제에서 채택한 가열을 위한 주파수 및 연방통신위원회에서 산업용, 과학용, 의학용으로 허용된 주파수에서 마이크로웨이브를 주사하여 슬러지에 있는 병원균을 파괴시키고 병충을 유인하는 인자를 감소시키는 것이다.
효과적인 주사량이란 병원균 파괴나 병충 유인을 현저히 감소시키는데 충분한 주사를 말한다. 예를 들면, 소화조의 슬러지에 소요되는 주사량은 6.25∼0.5watt·hr/g총부피이다. 본 발명에서 마이크로웨이브에 주사되는 매체는 일반 생활하수 및 산업폐수처리 중 발생되는 슬러지 및 폐수이다. 매체의 예로서는 최초 침전지에서 발생하는 슬러지, 잉여슬러지, 소화슬러지, 제지공장슬러지, 유기물질에 오염된 슬러지 등이다.
본 발명의 첫 번째 적용은 최초 침전지에서 발생하는 슬러지를 마이크로웨이브로 처리하는 것이다. 이는 처분 전 또는 슬러지 안정화공정 전에 살균하는 것이다.
본 발명의 두 번째 적용은 생물학적 하수처리 중 발생되는 잉여슬러지를 마이크로웨이브로 주사하는 것이다. 이는 처분 전 또는 슬러지 안정화공정 전에 살균하는 것이다.
본 발명의 세 번째 적용은 슬러지 안정화공정 내의 순환슬러지를 마이크로웨이브로 주사하는 것이다. 이는 최종 처분 전에 미생물을 열처리로 파괴시키는 것이다.
위의 세 가지 적용 중, 병원균 파괴와 병충유인 감소 이외에 휘발성물질 제거율 증가로 인한 슬러지 처분량을 감소시킨다. 혐기성 소화조를 슬러지 안정화 공정으로 사용할 경우 메탄의 발생량도 증가된다.
본 발명의 네 번째 적용은 안정화된 슬러지를 탈수 또는 탈수 전 마이크로웨이브로 조사하는 것이다. 이는 최종 처분 전 병원균을 파괴시키는 것이다.
본 발명의 다섯 번째 적용은 하수처리공정에서 발생되는 소량의 폐수를 마이크로웨이브로 주사시키는 것이다. 이는 폐수를 주처리공정에 재처리하기 위하여 회수할 때 병원균을 파괴시키는 것이다.
마이크로웨이브는 주파수에 따라 가열이 다르게 된다. 예를 들면, 915MHz에서는 온도가 중심부부터 증가하는 반면 2450MHz에서는 온도가 가장자리부터 증가한다. 따라서 균등한 가열을 하기 위해서는 파장이 다른 마이크로웨이브를 교대로 주사하는 것이 효율적이다. 파장의 조합예로서 (1)2450MHz, (2)2450MHz와 915MHz를 혼합, (3)915MHz가 있다.
본 발명의 마지막 적용은 산업폐기물이나 폐수를 마이크로웨이브로 주사하는 것이다. 이는 후단처리공정의 효율을 높이기 위한 것이다.
마이크로웨이브를 이용하여 병원균과 복잡한 유기물질 파괴시 다음과 같은 장점이 있다.
(1)운전의 용이성 : 일반적인 열처리와는 달리 마이크로웨이브에 의한 열처리는 스위치로 쉽게 켜고 끌 수 있어 자동화가 용이하다.
(2)설비의 단순성 : 마이크로웨이브 슬러지 처리 설비는 일반적인 열처리 설비, 알칼리성약품 주입설비 또는 미국 환경청에서 A급 슬러지를 형성할 수 있는 설비보다 간단하고 규모도 작다.
(3)효율성 : 마이크로웨이브는 열효과 이외의 다른 효과가 있기 때문에 일반 열처리보다 병원균 파괴 효율이 훨씬 우수하다.
(4)저렴한 가격 : 마이크로웨이브 설비는 일반 열처리 설비보다 낮은 농도에서 더 효율적이기 때문에 가격이 약50∼75％ 더 저렴하다.
(5)안전하고 깨끗한 설비 : 마이크로웨이브 슬러지·폐수처리 설비는 고온이나 고압이 필요하지 않고 슬러지의 점도가 떨어져 설비에 슬러지가 붙지 않는다. 또한 설비가 완전히 밀폐되어 있기 때문에 청소를 할 필요가 없다.
(6)악취 무방출 : 일반 열처리의 경우 악취가 발생하나 마이크로웨이브 처리시에는 악취가 발생하지 않는다. 또한 밀폐되어 있기 때문에 악취가 외부로 방출되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 평면도이고, 도 3은 도 1의 A-A선을 따라 절개한 측단면도로서 마이크로웨이브 조사실(7)의 쐐기식 교반장치(19)와 마이크로웨이브 차단벽(9)을 보여주고, 도 4는 도 1의 B-B선을 따라 절개한 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 측단면도이고, 도 5A는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 분배관(6)과 마이크로웨이브 조사실이 연결되게 하는 연결장치(15,16)를 보여주는 사시도이며, 도 5B는 상기 마이크로웨이브 조사실(7)과 연결장치(16,17)를 보여주는 사시도이다.
본 발명의 마이크로웨이브 슬러지 처리장치는 전가열설비(1), 유입관(2), 유입밸브(3), 역세척수출구관(4), 역세척수출구밸브(5), 분배관(6), 마이크로웨이브 조사실(7), 마이크로웨이브 발생기(8), 마이크로웨이브 차단벽(9), 수집관(10), 방출밸브(11), 역세척수 유입관(12), 역세척수 유입밸브(13), 출구관(14)으로 구성되어 있다.
상기 전가열설비(1)는 산업체에서 일반적으로 사용되는 열교환기로, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치의 마이크로웨이브 조사실(7)을 통과하고 출구관(14)으로 나오는 슬러지의 폐열을 회수하여 유입 슬러지나 폐수의 온도를 올린다.
상기 전가열설비(1)를 통과하면서 가열된 슬러지나 폐수는 유입관(2)을 통하여 분배관(6)으로 이동된다. 상기 유입관(2)에는 유입밸브(3)가 설치되어 출구관(14)에 설치된 방출밸브(11)와 함께 마이크로웨이브 조사실(7)의 압력과 조사 시간을 조절하고 본 발명의 슬러지 처리장치를 유지, 보수, 청소할 때 다른 설비로부터 분리할 수 있다.
상기 유입관은 플랜지형조인트(15)로 분배관(6)과 연결된다. 상기 분배관(6)은 투명 플라스틱이나 금속으로 만들어지는 것이 바람직하며 슬러지나 폐수를 유입관(2)에서 마이크로웨이브 조사실(7)로 균등하게 분배하는 역할을 한다.
상기 분배관(6)은 플랜지형조인트(16)로 마이크로웨이브 조사실(7)과 연결되며, 분배관(6)에 의하여 균등하게 분배된 슬러지나 폐수는 마이크로웨이브 조사실(7)로 유입된다.
마이크로웨이브 조사실(7)은 마이크로웨이브가 통과하는 투명 플라스틱으로 만들어지는 것이 바람직하다. 마이크로웨이브 조사실(7)의 내부에는 쐐기식 교반장치(19)가 설치된다. 상기 쐐기식 교반장치(19)의 크기나 분포도는 마이크로웨이브 조사실(7)의 크기에 따라 조절한다.
상기 마이크로웨이브 조사실(7)의 상부에는 마이크로웨이브 발생기(8)가 설치되는데, 마이크로웨이브 발생기(8)로서 마그네트론(magnetron)을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 마이크로웨이브 조사실(7)과 마이크로웨이브 발생기(8) 주위에는 안전장치로서 마이크로웨이브 차단벽(9)이 설치된다.
상기 마이크로웨이브 조사실(7) 내에 유입된 슬러지나 폐수는 쐐기식 교반장치(19)에 의해 교반되면서 마이크로웨이브에 조사되어 슬러지나 폐수에 있는 병원균이 파괴되고 유기물질은 분해된다.
상기 마이크로웨이브 조사실(7) 내의 적절한 내부 압력과 체류시간은 유입밸브(3)와 방출밸브(11)에 의해 조절된다.
만일 마이크로웨이브 조사실(7) 내에서 슬러지나 폐수의 체류시간이 더 필요한 경우에는 마이크로웨이브 발생기(8)를 추가로 설치하거나 마이크로웨이브 조사실(7) 길이를 연장시키거나, 유입율을 감소시키거나, 추가설비를 설치하거나, 마이크로웨이브 용량을 증대시키는 방법을 사용할 수 있다.
상기 마이크로웨이브 조사실(7)을 통과한 슬러지나 폐수는 수집관(10)으로 이동되어 출구관을 통하여 배출된다. 상기 수집관(10)은 플랜지형조인트(17)로 마이크로웨이브 조사실(7)과 연결되고, 플랜지형조인트(18)로 출구관(14)과 연결된다.
도 5A 및 도 5B에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로웨이브 슬러지 처리장치의 주요 부분인 유입관(2), 분배관(6), 마이크로웨이브 조사실(7), 수집관(10) 및 출구관(14)은 플랜지형 조인트(15,16,17,18)로 각각 연결되어, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치를 유지, 보수, 청소할 때 필요에 따라 다른 설비로부터 분리될 수 있다.
농지살포와 같은 자연친화적인 슬러지 처분시 병원균과 병충유인을 줄이기 위한 설비를 발명하였다. 또한 이 발명이 슬러지 안정화 공정의 효율을 높인다는 것을 발견하였다.
슬러지나 폐수에 적정 주사량을 가하였을 때 병원균이 현저하게 파괴되었고 슬러지 안정화 공정의 효율도 향상되었다. 이로 인하여 유기물질 및 부피 감소를 가져왔다. 본 발명을 이용하면 안정화 공정에서의 체류시간을 줄일 수 있어 규모가 작아지기 때문에 경제적이다.
1959년 제네바에서 채택된 국제라디오규제법에 따른 마이크로웨이브 열처리 주파수는 915, 2450, 5800 및 22125MHz이다. 또한 독일, 스위스, 오스트리아, 포르투갈 등에서는 43392 및 17850에서 18150MHz도 허용되고 있다. 본 발명은 2450MHz에서의 결과만 제시하였으나 발명의 근본 취지는 변하지 않고, 마이크로웨이브의 효율성도 비슷할 것으로 사료된다. 마이크로웨이브의 침투 깊이가 다르기 때문에 본 발명에서는 2450MHz와 915MHz의 두 주파수를 사용한다.
본 발명의 첫 번째 적용은 하수처리장의 최초침전지에서 발생하는 슬러지를 마이크로웨이브로 주사하는 것이다. 최초침전지의 슬러지에는 가장 많은 대장균이 검출된다. 또한 최초침전지의 슬러지는 슬러지 안정화시 유기물질의 분해가 용이하지 않다. 최초침전지의 슬러지를 마이크로웨이브로 주사할 경우 전살균(병원균 파괴) 및 유기물질을 쉽게 생분해할 수 있도록 파괴시키기 위한 것이다.
이 과정만으로도 충분히 A급슬러지의 병원균 규제치를 맞출 수 있다. 또한 슬러지 안정화 공정에서의 체류시간을 현저하게 줄일 수 있다. 마이크로웨이브를 주사하는 슬러지의 양을 줄이기 위하여 최초침전지의 슬러지를 농축하는 것이 유리하다. 마이크로웨이브 조사는 유입 슬러지의 온도를 65℃로 증가시켜, 혐기성 소화조를 슬러지 안정화 공정으로 사용할 경우 35℃를 유지하기 위한 추가 열설비가 필요치 않다. 실험결과가 다음 표에 정리되어 있다.
처리 총고체mg/L 총 대장균CFU1/g TS 일반 대장균CFU/g TS
무처리 61910 7.35E＋06 7.75E＋05
MW2-0.06watts·hr/g TS 60840 7.40E＋06 1.97E＋04
MW2-0.12watts·hr/g TS 61420 6.84E＋06 1.99E＋05
MW2-0.24watts·hr/g TS 62060 5.11E＋04 0
MW2-0.36watts·hr/g TS 64810 0 0
MW2-0.48watts·hr/g TS 70000 0 0
45℃까지 가열 49360 6.81E＋06 4.17E＋05
65℃까지 가열 64600 1.70E＋04 7.28E＋03
99℃까지 가열 71670 0 0
MW2-0.12watts·hr/g TS-폐쇄 64330 6.06E＋06 6.19E＋05
MW2-0.24watts·hr/g TS-폐쇄 66170 1.96E＋04 1.51E＋03
MW2-0.48watts·hr/g TS-폐쇄 69780 0 0
1Colony forming unit2MW : 마이크로웨이브
최초침전지의 슬러지는 한 도시 하수처리장에서 채취하였다. 슬러지에 주사한 마이크로웨이브 에너지는 0, 0.06, 0.12, 0.24, 0.36 및 0.48watts·hr/g 총고체(TS) 이었다. 마이크로웨이브를 0.12, 0.24 및 0.48watts·hr/g TS로 주사하였을 때 온도가 각각 45, 65 및 99℃로 증가하였다. 일반 열처리와 성능비교를 위하여 같은 양의 슬러지를 마이크로웨이브 주사시 도달한 온도에서 중탕으로 가열한 뒤 총대장균과 일반대장균 수를 측정하였다.
마이크로웨이브를 사용할 경우 규제 항목인 일반 대장균 수가 일반열처리보다 적었다. 또한 처리시간도 약 10배가량 짧았다. 놀랍게도 시료를 폐쇄된 용기에 놓고 마이크로웨이브로 주사했을 때 병원균 파괴효율이 감소하였다. 이는 혼화정도에 의한 차이라고 할 수 있다.
본 발명의 두 번째 적용은 최종침전지나 포기조에서 품어낸 잉여슬러지를 마이크로웨이브로 조사하는 것이다.
잉여슬러지를 마이크로웨이브로 조사하여 병원균을 파괴하고 미생물의 수분해를 촉진시킨다. 이는 슬러지 안정화공정 이전의 전살균을 하기 위함이다. 미생물의 수분해 또는 작은 분자량의 유기체로 파괴하기 때문에 슬러지 안정화 공정의 체류시간이 감소된다. 마이크로웨이브로 주사하는 슬러지양을 감소시키기 위하여 잉여슬러지를 농축시키는 것이 좋다. 농축된 잉여슬러지를 농축전 최초침전지 슬러지와 혼화하여 마이크로웨이브를 주사시킬 수 있다. 이 경우, 하나의 마이크로웨이브 설비로 두 곳에서 발생하는 슬러지를 동시에 처리하는 장점이 있다. 실험결과가 다음 표에 정리되어 있다.
처리 총고체mg/L 총 대장균CFU/g TS 일반 대장균CFU/g TS
무처리 39440 7.10E＋06 1.27E＋06
MW-0.06watts·hr/g TS 37760 3.18E＋06 2.97E＋05
MW-0.12watts·hr/g TS 38420 7.65E＋06 2.08E＋04
MW-0.24watts·hr/g TS 37270 1.93E＋05 5.37E＋03
MW-0.36watts·hr/g TS 39050 0 0
MW-0.48watts·hr/g TS 42340 0 0
45℃까지 가열 37530 2.24E＋06 2.40E＋04
65℃까지 가열 38490 2.60E＋04 0
99℃까지 가열 40590 4.93E＋03 0
MW-0.12watts·hr/g TS-폐쇄 38320 6.94E＋06 4.38E＋06
MW-0.24watts·hr/g TS-폐쇄 37520 2.93E＋04 5.33E＋02
MW-0.48watts·hr/g TS-폐쇄 39160 1.02E＋04 0
마이크로웨이브보다 일반 열처리로 65℃까지 가열했을 때 병원균 파괴효과가 조금 나았다. 일반 열처리의 경우 65℃까지 도달하는데 10분이 걸렸으나 마이크로웨이브는 1분이 소요되었다. 오랜 시간 처리하는 것이 효율적일 수도 있으나, 더 큰 원인은 잉여슬러지가 점도가 높아 마이크로웨이브 주사시 혼화가 잘 일어나지 않기 때문이라고 사료된다. 본 발명에서는 슬러지의 혼화가 잘 되도록 하기 때문에최초침전지 슬러지의 효율과 비슷한 결과를 갖을 것으로 예상된다.
본 발명의 세 번째 적용은 슬러지 안정화 공정에서 내부 순환 슬러지를 마이크로웨이브로 주사하는 것이다. 이는 병원균 파괴와 가열을 동시에 이룩하는 것이다. 일당 최적 부피는 슬러지 안정화공정의 전체 부피를 설계수리학적 체류시간으로 나눈 것이다. 또 다른 방법은 단지 35℃를 유지하기 위한 방법으로 마이크로웨이브를 이용하는 것이다. 이 경우 조사하는 슬러지 부피가 감소할 것이다. 실험결과가 다음 표에 정리되어 있다.
처리 총고체mg/L 총 대장균CFU/g TS 일반 대장균CFU/g TS
무처리 29810 3.79E＋06 1.78E＋05
MW-0.06watts·hr/g TS 29460 1.28E＋06 1.56E＋05
MW-0.12watts·hr/g TS 29840 4.94E＋05 1.01E＋04
MW-0.24watts·hr/g TS 29510 1.82E＋05 0
MW-0.36watts·hr/g TS 31210 9.61E＋03 0
MW-0.48watts·hr/g TS 34760 0 0
45℃까지 가열 30680 5.54E＋05 5.87E＋04
65℃까지 가열 29670 1.82E＋05 0
99℃까지 가열 29960 0 0
MW-0.12watts·hr/g TS-폐쇄 30000 3.73E＋05 3.33E＋03
MW-0.24watts·hr/g TS-폐쇄 29700 2.36E＋04 0
MW-0.48watts·hr/g TS-폐쇄 31000 0 0
일반 열처리나 마이크로웨이브로 65℃까지 가열한 경우 모두 병원균 파괴 효율이 비슷하였다.
본 발명의 네 번째 적용은 안정화된 슬러지를 탈수하거나 하지 않은 상태에서 마이크로웨이브를 주사하는 것이다. 이는 슬러지 처리 부피가 다른 경우보다 가장 작다. 단점으로는 마이크로웨이브 주사로 인한 슬러지 안정화 효율 증대를 할 수 없다는 것이다. 슬러지 탈수 후 마이크로웨이브의 건조작용에 의해 탈수가 더될 수 있다.
이 적용 방법은 모든 슬러지를 마이크로웨이브로 주사함으로써 A급 슬러지를 생성해 낼 수 있다. 만일 탈수 후 고체 농도가 25％이상일 경우 병원균 파괴를 위한 에너지 소모가 위의 네 가지 경우 중 가장 적다.
본 발명의 마지막 적용은 최초침전지 슬러지 농축조, 잉여슬러지 농축설비, 탈수설비 등에서 발생하는 폐수를 마이크로웨이브로 주사하는 것이다. 이는 폐수를 하수처리 설비에 회수하기 전 병원균이나 난분해성 유기물질을 파쇄하기 위한 것이다.
본 발명은 하수 슬러지 뿐만 아니라 전술된 목적을 위하여 산업폐기물이나 폐수에도 적용이 가능하다.
또 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법은 제지공장 슬러지, 가죽폐기물, 페인트 슬러지 또는 다른 산업폐기물의 추가 처리를 용이하게 하기 위한 전처리 공정으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치는 상·하수처리에서 발생하는 부유물(scum)을 추후 처리하는 공정에서의 용이한 취급 및 성능향상을 위하여 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법 및 그 장치는 스위치로 쉽게 켜고 끌 수 있어 자동화가 용이하고, 일반적인 열처리설비, 알칼리성약품 주입설비 또는 미국 환경청에서 A급 슬러지를 형성할 수있는 설비보다 간단하고 규모도 작으며, 마이크로웨이브의 열효과 이외에 다른 효과가 있기 때문에 일반 열처리보다 병원균 파괴 효율이 훨씬 우수한 장점이 있다.
본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치는 일반 열처리 설비보다 낮은 농도에서 더 효율적이기 때문에 가격이 약50∼75％ 더 저렴하여 경제성이 있으며, 고온이나 고압이 필요하지 않아 안전하고 슬러지의 점도가 떨어져 설비에 슬러지가 붙는 일이 없으며 설비가 완전히 밀폐되어 있기 때문에 악취가 발생되지 않고 깨끗하다.

Claims (10)

  1. 슬러지나 폐수에 0.12∼0.48watts·hr/g 총고체의 마이크로웨이브를 주사하여 병원균을 파괴시키고 복잡한 유기물질을 분해시키는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 주파수가 915±13, 2450±50, 5800±75 또는 24125±125MHz로 단독 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 주파수가 2450MHz만 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 주파수가 2450과 915MHz 순으로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 주파수가 915와 2450MHz 순으로 된 조합으로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  6. 제 1항 내지 제5항에 있어서, 제지공장 슬러지, 가죽폐기물, 페인트 슬러지또는 다른 산업폐기물의 추가 처리를 용이하게 하기 위한 전처리 공정으로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  7. 제 1항 내지 제5항에 있어서, 상·하수처리에서 발생되는 부유물(scum)을 추후 처리하는 공정에서의 용이한 취급 및 성능향상을 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리방법.
  8. 유입되는 미처리 슬러지나 폐수를 마이크로웨이브 조사실(7)을 통과한 고온의 슬러지로 가열된 열교환기에 통과시켜 온도를 높이는 전가열설비(1);
    상기 전가열설비(1)로부터 이동되는 슬러지나 폐수가 통과하는 유입관(2);
    상기 유입관(2)을 통하여 들어오는 슬러지나 폐수를 균등하게 분배시키는 분배관(6);
    상기 분배관(6)과 연결되며, 내부에 쐐기식 교반장치(19)가 장착되고, 상부에 마이크로웨이브 발생기(8)가 평행하게 설치되며, 외측면에 마이크로웨이브 차단벽(9)이 구비되는 마이크로웨이브 조사실(7);
    상기 마이크로웨이브 조사실(7)을 통과한 슬러지나 폐수를 수집하는 수집관(10);
    상기 수집된 슬러지나 폐수를 방출시키는 출구관(14)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 조사실(7)의 압력 및 조사시간을 조절하기 위하여 상기 유입관(2)과 출구관(14)에 유입밸브(3)와 방출밸브(11)가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 유입관(2)에 역세척수 출구밸브(5)를 구비하는 역세척수 출구관(4)이 설치되고, 상기 출구관(14)에 역세척수 유입밸브(13)를 구비하는 역세척수 유입관(12)이 설치되어 청소를 위한 역세척 설비가 장착되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 슬러지 처리장치.
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