KR20080112652A

KR20080112652A - 하수슬러지 유래 중금속과 잔류성 유기오염물질의 제거하여 유기물자원을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20080112652A
Application number: KR1020070061321A
Authority: KR
Inventors: 조재영; 정연수; 이강수
Original assignee: 조재영; 정연수
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2008-12-26

Abstract

본 발명은 하수 슬러지로부터 유해중금속 및 병원성 미생물 및 잔류성 유기오염물질을 제거하여 별도의 퇴비화공정 없이도 토양 개량제 등의 유기물자원을 제조할 수 있는 유기물 자원의 제조방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 구연산을 이용한 pH 조절 및 과산화수소를 이용한 세포벽 파괴 , 중금속 세정제를 이용한 중금속 제거 및 전자빔 및 감마선 조사를 통하여 미생물 및 잔류성 유기오염물질을 제거하는 것으로 구성된 하수슬러지로부터 유기물 자원의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법은 최종적으로 하수슬러지를 양질의 유기물 자원으로 전환한 후 별도의 퇴비화 공정을 거치지 않고 즉시 초고속으로 토양개량제 등을 제조할 수 있어, 유기성 폐자원의 신속한 재처리 방법을 개발하는 효과를 갖는다.

하수슬러지, 전자빔, 감마선, 중금속, 방사선동위원소, 토양개량제, 부산물비료, 부숙토

Description

하수슬러지 유래 중금속과 잔류성 유기오염물질의 제거 하여 유기물자원을 제조하는 방법{Removal of heavy metals and persistent organic pollutants for sewage sludge and non-fermentation and quick soil conditioner manufacturing system}

도 1은 본 발명이 제조방법의 흐름도

도 2는 하수슬러지중 중금속과 잔류성 유기오염물질의 제거 및 이를 이용한 무발효 고속 토양개량제 제조 방법 전체 공정도

도 3은 하수슬러지중 유해성분 제거 및 이를 이용한 무발효 고속 토양개량제 제조시스템에서 발생하는 순환용수 처리 공정도

도 4는 본 발명에서 개발한 펠렛형 토양개량제

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1) 원료 저장조 (1a) 원료 이송펌프(원료저장조)

(1b) 콘트롤 밸브(Control valve) (1c) 유량계

(1d) 원료 피더(Feeder)

(2) 레벨트랜스미터(Level transmeter)

(2a) pH 미터(pH Meter) (2b) 농도계

(3) #1차 반응조 (3a) 원료이송펌프(#1 반응조)

(3b) #1차 교반기 (4) 구연산 탱크

(4a) 구연산 공급펌프 (5) 과산화수소 탱크

(5a) 과산화수소 공급펌프 (6) EDTA 탱크

(6a) EDTA 공급펌프 (7) 순환수 탱크

(7a) 순환수 공급펌프 (8) 전자빔 반응부(감마선 반응부)

(8a) 스크레퍼(Scraper)

(9) 전자빔 조사장치(감마선 조사장치)

(10) 누출원료 탱크 (10a) 누출원료 순환펌프

(11) #2차 반응조 (11a) 원료 이송펌프(#2차 반응조)

(11b)(11c)(11d) #2차 교반기 (12) 고분자 응집제 탱크

(12a) 고분자 응집제 공급펌프 (13) 고분자 응결제 탱크

(13a) 고분자 응결제 공급펌프 (14) 벤토나이트 탱크

(14a) 벤토나이트 공급펌프 (15) 고액분리기

(16) 탈수 케익 디스챠저(Discharger)

(16a) 탈수 케익 이송 스크류 콘베이어

(16b) 탈수 케익 피더(Feeder) (17) 고농도 믹서기

(17a) 고농도 믹서 구동감속기 (17b) 고정 바(Bar)

(17c) 회전 바(Bar) (17d) 스크류 피더(Screw Feeder)

(17e) 스크류 피더 구동감속기 (18) 석회 탱크

(18a) 로타리 밸브(Rotary Valve) (18b) 석회 공급 스크류 콘베이어

(18c) 석회 공급 스크류콘베이어 구동감속기

(19) 믹싱 케익 디스챠저(Discharger)

(19a) 믹싱 케익 이송 스크류 콘베이어

(19b) 믹싱 케익 피더(Feeder) (20) 건조기

(21) 건조 케익 디스챠저(Discharger)

(21a) 건조 케익 이송 스크류 콘베이어

(21b) 건조 케익 피더(Feeder) (22) 펠렛제조기

(22a) 당밀 저장탱크 (22b) 당밀 공급펌프

(23) 펠렛 건조기 (24) 펠렛 계량기

(25) 펠렛 포장기 (26) #3차 반응조

(26a) 탈수 여액 이송펌프 (26b) 탈수 여액 교반기

(27) 응집제 탱크(#3차 반응조) (27a) 응집제 공급펌프(#3차 반응조)

(28) 마이크로 필터(Mircro filter) (28a) 황화합물 믹서기

(29) 황화합물 탱크 (29a) 황화합물 공급펌프

(30) 중금속 침전조 (30a) 중금속 침전물 이송펌프

(30b) 상등수 순환펌프 (31) 처리수 탱크

(31a) 처리수 순환펌프 (32) 폐기물 탱크

(32a) 폐기물 이송펌프 (33) 폐기물 운반 차량

본 발명은 하수 슬러지로부터 유해 중금속 및 병원성 미생물 및 잔류성 유기오염물질을 제거하여 별도의 퇴비화공정 없이도 토양 개량제 등의 유기물자원을 제조할 수 있는 유기물 자원의 제조방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 산을 이용한 pH 조절 및 과산화수소를 이용한 세포벽 파괴, 중금속세정제를 이용한 중금속제거 및 전자빔 및 감마선 조사를 통하여 미생물 및 잔류성 유기오염물질을 제거하는 것으로 구성된 하수슬러지 유래의 중금속과 잔류성 오염물질을 제거하여 유기물 자원을 제조하는 방법에 관한 것이다.

하수슬러지의 처리방향에 대한 사회구성원들의 관심이 증대되고 있다. 2011년부터 런던덤핑협약(London Dumping Convention)에 의해 하수슬러지의 해양투기가 전면 금지되고 해양배출에 대한 규제가 점차 강화될 예정으로 있기 때문이다. 유럽이나 미국에서는 이미 오래전부터 하수슬러지와 같이 이용가치가 있는 유기성 폐자원을 비영리 측면에서 퇴비화 하여 농업적으로 활발히 이용하고 있는 반면, 국내에서는 증가일로에 있는 하수슬러지의 발생추세에 비추어 장기적인 관리대책 및 처리방안이 불분명하고 특히 농업적 이용에 대한 적용은 매우 소극적인 입장을 보여 온 것이 사실이다. 따라서 지금까지의 하수슬러지 처리정책을 재검토하고 경제적이고 효율적인 하수슬러지 처리를 위한 중장기 정책방향을 수립해야 할 상황에 직면해 있다.

우리나라 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지 양은 2002년 기준으로 일발생량 5,689톤으로 해양투기 4,083톤 (72%), 매립 530톤 (9%), 소각 559톤 (10%), 재활용 517톤 (9%)으로 조사되고 있다. 최근 들어 선진 외국에서는 하수슬러지의 자원화 사업과 연계하여 농경지로의 재투입과 관련된 기술 및 정책이 꾸준히 개발되어 미국과 일본의 경우 농경지 재이용율이 30% 수준을 상회하고 있고, EU 국가에서는 35 내지 50% 이상을 토양개량제 또는 부산물비료로 개발하여 농경지에 재이용하고 있으나, 우리나라에서는 하수슬러지의 농경지 재투입에 상당히 많은 규제가 뒤따르고 있어 농경지로의 재이용이 1 내지 2% 수준에 머물고 있다.

하수슬러지에는 식물생장에 필요한 질소, 인산, 칼리와 같은 필수원소와 유기물이 다량 함유되어 있어 궁극적으로 토양의 이화학적 특성 개량 및 토양비옥도 증진에 매우 유용한 자원이 될 수 있다. 그러나 한편으로 하수슬러지에는 상당량의 박테리아, 원생동물, 바이러스와 같은 병원성 미생물, Pb, Cu, Cd, Hg과 같은 유해 중금속, polychlorinated biphenyls (PCBs)의 전구물질인 노말헥산추출물질, polyaromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated dibenzo-p-dioxins/furans (PCDD/PCDF), trihalomethanes (THMs)과 같은 유기독성물질이 다량 함유되어 있어 농경지 투입시 토양환경의 질적 하락과 생물농축을 통한 식품안전성이 파괴될 수 있는 유해성이 존재하여 범용적인 재활용이 어려운 실정이다.

위에서 언급한 하수슬러지가 갖는 여러 가지 문제점 즉, 크롬, 비소, 카드뮴, 납, 수은, 구리, 아연과 같은 유해 중금속 그리고 환경호르몬으로 알려져 있는 PCB, PCDD, PAHs와 같은 잔류성 유기오염물질에 대한 완전 제거 및 분해가 이루어져야만 하수슬러지가 유기성 자원으로 재이용이 가능할 것이다. 그러나 지금까지 국내외에서 하수슬러지와 관련되어 이루어진 선행 발명은 대부분이 하수슬러지의 탈수효율 개선에 초점이 맞추어져 왔다.

본 출원인은 '방사선조사기술을 이용한 축산분뇨에 함유된 항생물질, 악취유발성물질과 병원성미생물의 저감 및 이를 이용한 부산물비료 제조방법(특허출원 10-2005-0127400)'에 대한 특허를 출원한 바 있고, 대한민국 특허(10-0506400-0000)에는 방사선과 불가사리 분말을 이용한 하수슬러지 탈수방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0541159-0000)에는 마이크로파와 가열을 이용한 하수슬러지 처리장치 및 방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0568336-0000)에는 하수슬러지 탈수케이크를 이용한 복합비료 제조방법 및 이로부터 제조된 복합비료에 대해 상세히 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0676312-0000)에는 이중주파수 초음파를 이용한 하수슬러지 전처리 방법에 예시되어 있다. 또한 대한민국 특허(10-0347997-0000)에는 내부발열소결법에 의한 하수슬러지 자원화방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-2002-0051951)에는 하수슬러지를 이용한 유기질 비료의 제조장치 및 방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0555383-0000)에는 하수슬러지와 게껍질, 제올라이트, 미강을 혼합한 하수슬러지를 이용한 비료의 제조방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0492297-0000)에는 고전압 펄스를 이용한 슬러지 처리 방법 및 장치가 예시되어 있다. 대한민국 특허(10-2006-0064141)에는 열분해법에 의한 하수슬러지의 처리 장치 및 처리방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0222637- 0000)에는 하수 슬러지오니와 FLY ASH를 이용한 비료 및 그 제조 방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0316589-0000)에는 하수 슬러지를 이용한 규산칼륨비료의 제조방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허(10-0271246- 0000)에는 지렁이 배설물을 이용한 유기성 폐기물의 원예용상토및 그 제조방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0463726-0000)에는 고전압 펄스파워를 이용한 대용량 물질처리를 위한 물속 방전 반응기장치가 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-0642604-0000)에는 오수슬러지와 제철부산물을 주원료로 한 퇴비 제조 방법이 예시되어 있고, 유사하게 대한민국 특허(10-0329964-0000)에는 하수슬러지와 가축분뇨를 혼합한 유기질 비료의 제조방법이 예시되어 있다.

본 발명에서 목적하는 하수슬러지 중에 함유되어 있는 잔류성 유기오염물질에 대한 선행 발명은 찾아볼 수가 없고, 유해 중금속 성분의 경우 대한민국 특허(10-0336868-0000)에서 전기장을 이용한 유기성 폐자원중 이온의 연속식 제거방법을 예시하고 있는데, 이 발명은 전극을 이용하여 유기성 폐자원 내의 전해질에 직류 전류를 흘려주어 유기성 폐자원 내에 포함되어 있는 이온중에서 직류전극의 (＋)극에는 음이온, 직류전극의 (-)극에는 양이온이 모이도록 하고 있으나, 하수슬러지 중에 분포하는 중금속은 세포벽과의 강한 흡착 및 내포로 인하여 쉽게 수용액중으로 용출되어 나오기 어렵기 때문에 유해 중금속을 제거하는데 많은 한계를 지니고 있다.

슬러지중에 분포하는 중금속을 형태별로 조사한 결과에 의하면, 거의 90% 이상이 슬러지중 미생물의 세포에 잔류성 형태로 존재하거나 불용성 상태로 존재하여 쉽게 수용액 상태로 용출되기 어려운 것으로 알려져 있으나, 선행 발명은 하수슬러지 중에 수용성으로 존재하는 중금속만을 선택적으로 제거할 수 있는 한계를 지니고 있다.

방사선 조사란 아주 다량의 방사선을 물질에 조사함으로써 화학반응을 일으키게 하거나 생물의 세포를 파괴하거나 또는 세균을 사멸시키는 효과를 이용하는 방법의 총칭이다. 현재 미국, 일본, 러시아, 캐나다 등을 중심으로 감마선과 전자빔 조사설비를 구축하여 식품 및 의료기구 살균, 식품 용기류, 위생용품, 수입곡물, 산업폐수 및 오염된 토양의 유기성 독성물질 제거 등에 활용하고 있다.

폐기물에 대한 전자빔 처리의 초기 연구는 1950년대부터 시작되었고, 1960년대에는 수중 오염물질을 정화하는데 이용되었다. 현재 연구되고 있거나 상용화되고 있는 분야로는 지표수 및 지하수 처리, 폐수의 정화, 하수슬러지 및 배연가스 처리 그리고 병원폐기물 및 오염토양의 처리 등을 들 수 있다. 전자가속기를 이용한 세계 최초의 폐수처리시설은 러시아 Voronezh 합성고무공장 폐수처리시설이며, 난분해성 유기물을 다량 함유하고 있는 제지폐수 처리시설에도 응용되고 있다. 지하수 및 지표수 처리에 관한 연구로는 방향족 화합물의 분해를 비롯한 유기염소계화합물의 처리에 집중되었으며, 페놀화합물 및 염료, 폴리비닐알콜 처리 등에도 적용되고 있다(신경숙, 2002)

대한민국 특허(10-0601113)에는 방사선 조사를 통하여 항균제를 분해하는 방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허(10-1997-0000087)에는 폐기물 소각로 등에서 발생하는 연소 배기가스에 전자선을 조사하여 SO_X, NO_X, HCl 및 다이옥신 등의 유해화합물을 제거하는 배기가스중의 유해화합물 제거방법 및 장치에 관하여 예시되어 있다. 대한민국 특허(20-1998-0020805)에는 전자선을 이용하여 폐수처리에 유용한 방법을 예시하고 있으며, 대한민국 특허(10-1996- 0076923)에는 전자선을 조사하여 폐수중의 Cr과 Hg를 제거하는 방법에 관하여 예시되어 있다. 대한민국 특허(10-1996-0057191)에는, 발전소 배기가스에 전자선을 조사하여 유해성분을 제거하는 방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허(10-1996-0022983)에는 전자선을 조사하여 폐수내의 납 및 카드뮴을 제거하는 방법 및 그 장치를 소개하고 있다.

따라서, 현재까지 하수슬러지에 함유되어 있는 중금속의 완전 제거 및 전자빔 및 감마선을 조사하여 잔류성 유기오염물질을 완전히 분해할 수 있는 기술에 대한 요구가 있는 상황이다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서,

본 발명은 하수슬러지의 pH 조절 및 세포벽 파괴를 통하여 세포내 강하게 결합되어 있는 중금속을 용출시키고, 이러한 중금속과 킬레이트 형성이 가능한 EDTA 등을 처리하여 중금속을 제거하고, 전자빔 및 방사선동위원소로부터 방출되는 감마선을 이용하여 잔류성 유기오염물질 분해를 하여 별도의 퇴비화 공정을 거치지 않고도 곧바로 토양개량제 등으로 활용할 수 있는 유기물자원의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 하기 단계를 포함하는 하수슬러지로부터 유기물자원의 제조방법에 관한 것이다.

하수 슬러지에 함유되어 있는 크롬, 비소, 카드뮴, 납, 수은, 구리, 아연과 같은 중금속을 제거하기 위해, 산을 처리하여 PH를 1-7로 조절하는 단계;

하수 슬러지의 미생물 세포벽을 세포벽 파괴하기 위하여 과산화수소 또는 질산을 0.1 내지 50v/v%로 처리하는 단계;

상기 단계를 통하여 금속을 용출시킨 후, 중금속 세정제를 첨가하여, 용출된 중금속을 제거하는 공정 및 ,

전자빔 및 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 0.1 내지 100kGy로 조사하여, 잔류성 유기오염물질을 제거하는 공정으로 구성된다.

상기 공정에서, pH 조절은 구연산, 염산, 황산, 질산을 단독 또는 혼합하여 0.1 내지 50v/v% 처리하여 pH를 1 내지 7로 조정하며, 이중, 구연산이 가장 바람직하다.

세포벽을 파괴하기 위해서는 과산화수소 또는 질산을 단독 또는 혼합하여 0.1 내지 50v/v% 처리하나, 과산화수소 단독으로 사용하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 용출된 금속을 제거하기 위해서는 과초산(peracetic acid), 구연산(citric acid), NTA(nitrilotriacetic acid), Ca-EDTA 및 Na-EDTA를 0.1 내지 50v/v% 처리할 수 있으나, Na-EDTA가 가장 바람직하다.

상기 동위원소로부터 방출되는 감마선은 코발트(Co, 원자번호: 60), 크립 톤(Kr, 원자번호: 85), 스트론튬(Sr, 원자번호: 90), 또는 세슘(Cs, 원자번호: 137)으로 부터 방출되는 감마선을 0.1 내지 100kGy를 조사할 수 있으며, 코발트(Co, 원자번호: 60) 방사선 동위원소로부터 방출되는 감마선을 5kGy로 조사하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에서 제조된 유기물자원은 토양개량제 뿐만 아니라, 부숙토, 육묘상토 및 부산물비료 등으로도 제품을 개발할 수 있다. 육묘상토 또는 부산물 비료를 조제할 경우에는 탄질율(C/N ratio)과 여러 식물영양물질의 함량에 대한 사전 조사가 이루어져야 할 필요가 있다.

도 1을 참조하여, 본 발명을 공정별로 좀 더 상세히 설명하면,

제 1 공정은 하수슬러지 탈수케익을 반응조로 이송시킨 후 반응조내에서 슬러지 탈수케익을 적정 농도로 조절하고 구연산을 이용한 pH 조절, 그리고 과산화수소를 이용하여 미생물 세포벽을 파괴하여 세포내에 강하게 결합되어 있는 중금속의 용출을 용이하게 한 후 중금속 세정제 EDTA를 이용하여 유해 중금속을 세정하는 단계

제 2 공정은 하수슬러지의 응집분리공정으로 양이온 유기고분자응결제를 넣어서 미세플록을 형성한 다음 양이온 유기고분자응집제를 넣어 거대플록을 형성하는 공정,

제 3 공정은 전자빔 가속장치로부터 가속되는 전자선 조사공정 또는 코발트-60 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선 조사공정으로 구성된다.

그 후 하기와 같은 공정이 추가로 진행될 수 있다.

제 4 공정은 초고속원심분리법 또는 필터 프레스를 이용한 고체/액체 분리 탈수공정,

제 5 공정은 고농도 mixing 반응조내에서 하수슬러지 탈수케익과 생석회, 조개패각 또는 Cement kiln dust를 이용한 안정화 반응,

제 6 공정은 Disk dryer 또는 Paddle mixing dryer를 이용한 건조공정,

제 7 공정은 수분함량이 약 60-70%로 건조된 하수슬러지에 당밀을 첨가하여 펠렛성형한 토양개량제 제조공정, 본 발명에서 제조된 유기물자원은 토양개량제 뿐만 아니라, 부숙토, 육묘상토 및 부산물비료 등으로도 제품을 개발할 수 있다. 육묘상토 또는 부산물 비료를 조제할 경우에는 탄질율(C/N ratio)과 여러 식물영양물질의 함량에 대한 사전 조사가 이루어져야 할 필요가 있다.

제 8 공정은 펠렛 성형 토양개량제를 건조후 제품포장 공정으로 구성되어 있다.

마지막으로 제 9 공정은 제 4 공정에서 분리된 하수슬러지 탈수여액을 다시 2차 응집(중금속 제거 용도로 중금속의 + 하전과 반대인 음이온 고분자유기응집제를 첨가)후 마이크로필터를 통해 고체와 액체를 분리하여 액체는 제 1 공정의 탈수케익 농도조정용으로 재이용하고, 고형물(거의 대부분의 중금속)은 소각처리한다.

이하, 도 2와 3을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

원료 저장조(1)내로 유입된 원료를 원료 피더(1d)를 작동시켜 원료 이송펌프(1a) 방향으로 밀어 주면서 원료 이송펌프(1a)를 이용하여 #1차 반응조(3)로 유입시킨다. 구연산, 과산화수소 그리고 EDTA를 순차적으로 구연산 공급펌프(4a), 과 산화수소 공급펌프(5a), 그리도 EDTA 공급펌프(6a)로 순차적으로 공급하여 반응시킨 후 중금속을 세척기법에 의해 세정한다.

이때 pH 미터(2a)와 농도계(2b)에 의해 농도와 pH를 자동으로 조정한 후 #1차 교반기(3b)로 교반하면서 중금속 세정의 최적조건을 설정한다.

중금속 세정이 완료된 원료는 원료 이송펌프(3a)을 통하여 전자선 반응부 또는 감마선 반응부(8)로 이송되어져 전자빔 조사장치 또는 감마선 조사장치(9)로 조사를 실시한 후 스크레퍼(8a)로 걷어 낸 원료는 #2차 반응조(11)로 공급 되어진다. #2차 반응조(11)에서는 양이온 고분자 응결제 공급펌프(13a)와 벤토나이트 공급펌프(14a)에 의해 고분자 응결제와 벤토나이트를 공급하면서 #2차 교반기(11b)(11c)로 교반하여 미세 입자를 먼저 응집한 후 양이온 고분자 응집제 공급펌프(12a)로 고분자 응집제를 공급하면서 #2차 교반기(11d)로 교반하여 큰 플록(Flock)을 형성시켜 최종 응집을 마친 후 고액분리기(15)로 보내져 탈수가 이루어진다.

고액분리기(15)에서 탈수된 슬러지 탈수 케익은 탈수 케익 디스챠저(16)에 저장한 후 일정량씩 탈수 케익 피더(16b)로 밀어 주면서 탈수 케익 이송 스크류 콘베이어(16a)로 스크류 피더(17d)로 이송시킨다. 스크류 피더(17d)는 고농도 믹서기(17)로 탈수 케익을 밀어 넣으면서 칼슘 공급 스크류 콘베이어(18b)로 칼슘자원을 공급하여 고농도 믹서기(17)로 잘 혼합한다. 고농도 믹서기(17)에서 혼합 되어져 나온 원료는 믹싱 케익 디스챠저(19)로 보내져 일정 시간을 주어 잘 반응 될 수 있도록 한다.

믹싱 케익 디스챠저(19)에서 반응이 끝난 원료는 일정량씩 믹싱 케익 피 더(19b)로 밀어 주면서 믹싱 케익 이송 스크류 콘베이어(19a)를 이용하여 건조기(20)로 이송시켜 펠렛 성형에 적합한 상태로 건조되어켜 건조 케익 디스챠저(21)로 저장하게 된다. 건조 케익 디스챠저(21)에 저장된 건조 케익은 믹싱 케익 피더(21b)로 밀어 주면서 믹싱 케익 이송 스크류 콘베이어(21a)로 일정량씩 펠렛 성형 토양개량제 제조기(22)로 보내져 펠렛 형태의 토양개량제가 가공되어진다.

펠렛 제조기에 펠렛 형성을 용이하게 하고, 성형강도를 보강하기 위해 당밀 저장탱크(22a)에서 당밀 공급펌프(22b)를 통해 당밀을 공급한다.

펠렛 형태로 가공되어진 펠렛형 토양개량제는 펠렛 건조기(23)에 들어가 건조시킴으로써 펠렛 형태가 견고히 성형되어진다. 성형 되어진 펠렛형 토양개량제는 펠렛 계량기(24)을 통해 일정 중량으로 계량된 후 펠렛 포장기(25)로 포장하여 제품으로 완성한다.

도 3을 참고로 탈수 여액 처리에 대해서 설명하면 다음과 같다

탈수기(15)에서 나온 여액을 #3차 반응조(26)로 모아 응집제 공급펌프(27a)로 응집제를 공급 하면서 탈수 여액 교반기(26b)로 교반 시키면서 응집한 후 탈수 여액 이송펌프(26a)에 의해 마이크로 필터(28)로 보내져 처리수와 중금속 침전물로 분리한다.

처리수는 처리수 탱크(31)로 이송해 처리수 순환펌프(31a)로 통해 순환수 탱크(5)로 이송하여 재이용한다. 마이크로 필터(28)에서 나온 중금속 침전물은 중금속 침전물 이송펌프(30a)에 의해 폐기물 탱크(32)에 저장하였다가 폐기물 운반 차량(33)으로 폐기물 처리한다.

중금속 침전조(30)의 상등수는 상등수 순환펌프(30b)에 의해 처리수 탱크(31)로 보내 재이용한다.

이하, 본 발명을 실시 예에 의하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예들은 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명의 내용이 실시 예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시 예 1>

전라북도 전주시 하수종말처리장에서 하수슬러지 탈수케익을 수거하였다. 하수슬러지 탈수케익 2kg을 소형 반응조에 넣은 후 농도를 10%로 조정하였다. 소형 사이로에 구연산(60w/v%)을 넣어 pH를 3으로 조정하여 20분 동안 교반시킨 후 과산화수소(hydrogen peroxide, 2v/v%)를 20mL 첨가하여 20분 동안 교반시킨 후 미생물 세포벽을 파괴하여 세포내에 강하게 결합되어 있는 중금속의 용출을 용이하게 하였다. 최종적으로 중금속 세정제 EDTA-Na₂를 10g 첨가하여 20분 동안 교반시켜 유해 중금속이 용액중으로 용출되도록 하였다. 본 실시 예에서는 하수슬러지 탈수케익의 농도를 10%로 조정하였지만 공정의 최적화를 위해 5 내지 20%의 범위내에서 조정할 수도 있다.

<실시 예 2>

실시 예 1에서 중금속이 용출된 하수슬러지 탈수케익을 응집분리 하기 위해 먼저, 하수슬러지가 지닌 음(-) 하전에 보다 많은 음(-) 하전을 형성해 주기 위해 벤토나이트(4w/v%)를 100mL 첨가해서 20분 동안 교반(120회/분)시켰다. 일반적으로 폐수처리공정에서는 알루미늄이나 철염을 많이 사용하고 있는데 이들은 토양생태계에 축적되어 중금속 오염을 유발할 수 있으므로 본 발명에서는 마이너스 하전능이 우수한 몬모리오나이트(montmorilonite) 계열인 벤토나이트를 사용하였다. 그 후 미세플록을 형성하기 위해 양이온 고분자 응결제(0.2v/v%) 50mL를 넣고 동일하게 교반시켰다. 마지막으로 미세플록을 거대플록으로 형성하기 위해 양이온 고분자 응집제(0.5v/v%) 50mL를 넣고 20분 동안 반응시켰다. 여기에서도 본 발명에서 최종적으로 만들어지는 토양개량제의 농경지 투입을 고려하여 가능한 알루미늄이나 철 화합물 형태인 무기응집제나 무기응결제의 사용을 지양하고 토양에 처리되었을 때 토양입단 형성이나 토양물리성 개량에 효과가 높은 고분자(polymer) 양이온 응집/응결제를 사용하였다.

<실시 예 3>

실시 예 2에서 준비된 하수슬러지 케익 시료를 전라북도 정읍 소재 첨단방사선연구소에서 전자빔과 감마선(코발트-60)을 각각 5kGy 수준으로 조사하였다. 전자빔이나 감마선 조사는 하수슬러지내에 존재하는 미생물 세포를 파괴하는 추가적인 효과도 나타날 수 있을 것으로 예상된다. 전자빔과 감마선 조사가 완료된 시료를 고속원심분리기(2,000rpm/min)에서 원심분리를 수행하여 하수슬러지 탈수케익과 탈수여액으로 분리하였다. 하수슬러지 탈수케익에 생석회(CaO)를 10w/w% 첨가한 후 고농도 Mixing 반응조의 역할을 하는 진탕기에서 600rpm/min 의 속도로 3분 동안 진탕시켰다. 그 후 탈수케익을 반응탱크에 넣고 30분 동안 반응이 안정화되도록 방치하였다.

<실시 예 4>

실시 예 3에서 준비된 탈수케익(함수율 70%)을 드라이오븐에서 건조시켜 함수율 35%로 조정하였다. 건조된 탈수케익에 당밀(糖蜜, 담황색의 투명하고 점조(粘稠)한 당액)을 25mL 첨가한 후 잘 교반시켰다. 교반된 시료를 펠렛가공기에 넣어 원형 펠렛 토양개량제를 조제함으로서 발명을 완성하게 되었다(도 3 참조).

<실시 예 5>

실시 예 3에서 분리된 탈수여액에(COD_Mn 기준 80mg/L 수준)는 실시 예 1에서의 중금속 세정공정에 의해 상당량의 중금속과 이온성 물질이 용출되어 있을 것으로 예상된다. 이에 플러스(+)로 하전되어 있는 중금속을 효과적으로 응집제거하기 위해 고분자 음이온 응결제(0.2v/v%) 50mL를 넣고 20분 동안 교반(120회/분)시켰다. 중금속이 응결된 미세플록을 거대플록으로 형성하기 위해 음이온 고분자 응집제(0.5v/v%) 50mL를 넣고 20분 동안 반응 시켰다. 플록이 형성된 탈수여액을 마이크로필터(micro filter system)로 통과시켰을 때 걸러지는 잔류물은 수거해서 폐기처분토록 하고, 액체는 실시 예 1의 원료 순환공정으로 재이용시켰다.

<실시 예 6>

실시 예 4에서 완성된 펠렛형 토양개량제와 전주시 하수종말처리장에서 채취한 하수슬러지 탈수케익을 대상으로 감마선 및 전자빔 조사에 의한 병원성 미생물과 잔류성 유기오염물질의 분해, 저감효과와 중금속 세정에 의한 중금속 저감 효과에 대해 조사하였다. 대조구로 전주시 하수종말처리장에서 채취한 탈수케익에 대해 서도 동일한 실시 예를 거쳐 토양개량제를 제조한 다음 성분분석을 수행하였다.

조사항목은 유기물, 총질소, 염분, 수분, 총중금속 함량, 병원성 미생물의 지표인 대장균군, 비교적 하수슬러지에 많은 양이 함유되어 있는 것으로 알려져 있는 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)의 지표물질인 Benzo(a)pyrene을 잔류성 유기오염물질로 설정하여 조사를 수행하였다. 각 시험방법은 환경부의 폐기물공정시험법, 농림부의 비료공정시험방법 및 EPA method 3540(미국 환경처, 다환방향족탄화수소 분석법)에 의해 준하였다.

전라북도 전주시 하수종말처리장에서 직접 채취한 하수슬러지 탈수케익 원료 대비 본 발명의 실시 예에 따른 중금속 세척 및 대장균군과 다환방향족탄화수소[benzo(a)pyrene]의 저감효과를 조사한 결과는 다음과 같다.

하수슬러지 탈수케익 원료와 비교시 유기물 함량은 대조구에서 약 17.87%, 감마선 조사시 약 21.13%, 전자빔 조사시 약 16.55%가 감소하였다. 총질소는 하수슬러지 탈수케익 원료 대비 대조구 4.18%, 감마선 조사 46.95%, 전자빔 조사 55.31%가 감소한 것으로 나타났다. 이는 하수슬러지 탈수케익 원료에 비해 본 발명의 실시 예에서 중금속 세정을 위해 첨가하였던 구연산, 과산화수소에 의해 일부 유기물 분해가 이루어져 미세입자로 용출된 것으로 판단되며, 또 다른 이유로는 감마선/전자선에 의해 하수슬러지 세포벽 파괴 및 질소의 성분변화에 따른 것으로 판단된다. 여기에서 감소된 유기물과 질소성분은 발명 공정의 예에서 보는 바와 같이 밖으로 유출되지 않고 다시 재순환되어 공정에 이용되기 때문에 별다른 문제는 없을 것으로 판단된다.

하수슬러지 탈수케익 원료와 비교시 염분의 저감율이 본 발명의 실시 예에 의해 그 효과가 두드러지게 나타났는데 이 역시 중금속 세정과정에 첨가하였던 세척제와 농도희석에 따른 효과로 판단된다.

하수슬러지에 다량 함유되어 있는 것으로 알려져 있는 유해 중금속을 대상으로 하수슬러지 탈수케익 원료 대비 저감효과를 조사한 결과, 납의 경우 대조구 6.90%, 감마선 조사 86.30%, 전자빔 조사 85.49%로 나타났으며, 카드뮴의 경우 대조구 12.63%, 감마선 조사 82.57%, 전자빔 조사 81.96%로 나타났으며, 크롬의 경우 대조구 4.61%, 감마선 조사 88.61%, 전자빔 조사 89.19%로 나타났으며, 아연의 경우 대조구 6.17%, 감마선 조사 66.35%, 전자빔 조사 67.29%로 나타났으며, 구리의 경우 대조구 2.13%, 감마선 조사 79.95%, 전자빔 조사 81.23%로 나타나, 본 발명에 적용하였던 구연산을 이용한 pH 조절, 과산화수소와 전자빔/감마선을 이용한 슬러지 세포벽 파괴, 그리고 EDTA를 이용한 중금속 세정기법이 하수슬러지에 함유되어 있는 유해 중금속을 제거하는데 매우 효율적인 방법인 것으로 나타났다.

[표 1] 본 발명의 실시 예에 따른 하수슬러지 탈수케익중 식물영양물질의 변화 및 유해성분의 저감효과

^*본 발명에 사용된 하수슬러지 탈수케익 원료는 전라북도 전주시 하수종말처리장에서 직접 채취한 원료

^** 대조구는 감마선 또는 전자빔을 조사하지 않고, 중금속 제거공정을 거치지 않으면서 실시 예 공정과 동일한 과정을 거쳐 제조된 펠렛 토양개량제

하수슬러지 탈수케익에 함유되어 있는 대장균군의 경우 약 19,200MPN/mL로 다량 함유되어 있었으나, 일반적인 토양개량제 제조공정(대조구)에 의해서도 약 99.45%가 저감되었고, 감마선과 전자빔 조사에 의해 완전 100% 멸균된 것으로 나타났다. 대조구에서 높은 대장균 사멸율을 보인 것은 석회를 처리한 안정화 공법에서 자체 발열(약 100 내지 125도)에 의해 사멸된 것으로 판단되며, 감마선과 전자빔 조사에 의해 완전 멸균된 것으로 나타나 가축분뇨 유래 병원성 미생물의 제어에 감마선과 전자빔 조사가 효율적인 수단이 될 수 있는 것으로 나타났다.

하수슬러지에 다량 함유되어 있는 것으로 알려져 있는 다환방향족탄화수소 화합물의 지표물질인 벤조피렌[benzo(a)pyrene]을 대상으로 대조구, 감마선과 전자빔 조사에 따른 저감효과를 조사한 결과, 일반적인 토양개량제 제조공정(대조구)에 의해서는 벤조피렌이 겨우 2.84% 정도 저감되는데 그쳤으나, 감마선과 전자빔 처리에 의해서 각각 87.44%와 84.28%가 저감된 것으로 나타나 하수슬러지에 존재하는 잔류성 유기오염물질의 분해를 위해서는 반드시 전자빔이나 감마선을 조사하는 것이 필요한 것으로 나타났다.

본 발명의 유기물 자원 제조방법에 따르면, 하수 슬러지를 적정 농도로 조절하고 구연산을 이용한 pH 조절, 그리고 과산화수소를 이용하여 미생물 세포벽을 파괴하여 세포내에 강하게 결합되어 있는 중금속의 용출을 용이하게 한 후 중금속 세정제 EDTA를 사용하여 하수슬러지 유래 크롬, 카드뮴, 납, 구리, 아연과 같은 중금속을 66.35 내지 89.19% 제거할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 중금속이 제거된 슬러지에 전자빔 가속기에서 가속되는 전자빔 또는 코발트 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 각각 5kGy 정도 수준으로 조사하였을 때 병원성 미생물의 완전 멸균과 잔류성 유기오염물질을 거의 85% 정도 저감시킬 수 있는 효과를 갖는다.

따라서, 본 발명의 제조방법에 의하면, 하수 슬러지로부터, 별도의 퇴비화 공정을 거치지 않고, 빠른 시일 내에 토양개량제를 제조할 수 있는 바, 재이용이 가능한 유기성 폐자원(슬러지, 축산분뇨)의 효율적인 재이용과 합리적인 처리방안이 모색될 수 있다.

Claims

하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지로부터 유기물자원의 제조방법.

하수슬러지의 pH를 1 내지 7 수준으로 맞추기 위하여 하수슬러지에 산을 처리하는 단계;

하수슬러지의 미생물 세포벽을 파괴하기 위하여 과산화수소 또는 질산을 0.1 내지 50v/v%로 처리하는 단계;

용출된 중금속을 제거하는 단계; 및

전자빔 및 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 0.1 내지 100kGy로 조사하는 단계
청구항 1에 있어서, 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지로부터 유기물자원의 제조방법.

하수슬러지 농도를 0.1 내지 20w/v%로 준비하는 단계;

상기 하수슬러지에 구연산, 염산, 황산, 질산을 단독 또는 혼합하여 0.1 내지 50v/v% 처리하여 pH를 1 내지 7로 조정하는 단계;

하수슬러지의 미생물 세포벽을 파괴하기 위해 과산화수소 또는 질산을 단독 또는 혼합하여 0.1 내지 50 부피비로 처리하는 단계;

상기 하수슬러지에 중금속을 세정하기 위해 과초산(peracetic acid), 구연 산(citric acid), NTA(nitrilotriacetic acid), Ca-EDTA 및 Na-EDTA로 구성된 군에서 선택된 하나를 0.1 내지 50v/v% 로 처리하는 단계; 및

상기 시료에 전자빔 가속장치에서 가속되는 전자빔 또는 방사선 동위원소 코발트(Co, 원자번호: 60), 크립톤(Kr, 원자번호: 85), 스트론튬(Sr, 원자번호: 90) 및 세슘(Cs, 원자번호: 137) 으로 구성된 군에서 선택된 감마선을 0.1 내지 100kGy를 조사하는 단계.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 유기물자원은 토양개량제, 부숙토, 육묘상토 또는 부산물비료의원료인 것을 특징으로 하는 하수슬러지로부터 유기물 자원의 제조방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 중금속을 세정한 후 고액분리공정을 수행하기 위하여 벤토나이트를 첨가후 교반하여 고액분리를 실행한 후 양이온 고분자 응결제를 넣어 교반하여 거대풀록을 형성하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지로부터 유기물자원의 제조방법.