KR20090115420A

KR20090115420A - 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 장치

Info

Publication number: KR20090115420A
Application number: KR1020080041276A
Authority: KR
Inventors: 문홍연; 이순화; 김민철; 이세한; 구정인; 민성재
Original assignee: 주식회사 로보터스
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05
Also published as: KR100928972B1

Abstract

본 발명은 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템에 관한 것으로, 침전조에서 발생한 잉여슬러지에 산을 주입하고 오존용해탱크를 이용하여 슬러지에 오존을 용해시키며, 슬러지 가용화조에서 미세기포화 된 오존을 슬러지와 반응시켜 슬러지를 감량시키는 슬러지 감량화 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템은 침전조에서 발생한 잉여슬러지가 산저장조에서 공급되는 산과 혼합되어 유입되는 슬러지 저장조; 상기 슬러지 저장조에서 배출된 슬러지와 오존발생기에서 공급된 오존이 슬러지 순환펌프에 의해 가압되어 유입되며 오존이 슬러지에 용해된 오존-슬러지 혼합액이 형성되는 오존용해탱크; 상기 오존용해탱크에서 배출된 오존-슬러지 혼합액이 유입되어 미세기포 발생장치를 통과하여 과포화된 오존이 미세기포화되어 느리게 부상하면서 슬러지의 가용화를 촉진시키는 슬러지 가용화조; 및 상기 슬러지 가용화조에서 가용화된 슬러지가 배출되어 저장되는 가용화 슬러지 저장조; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 본 발명의 슬러지 감량화 시스템은 잉여슬러지에 산을 주입하여 오존의 주입량을 감소시키고, 산의 주입에 의하여 슬러지 가용화조에 생성되는 거품을 감소시키는 효과가 있다.

또한 슬러지 순환펌프에 의해 2.5~3kgf/cm²으로 가압된 오존용해탱크로 유입되는 슬러지에 대한 오존의 용해효율을 대폭 향상시키는 효과가 있으며, 미세기포 발생장치를 이용하여 미반응 오존과 슬러지와 반응시켜 대기중으로 폐오존의 방출을 방지하고 슬러지를 감량화 효율을 높이는 효과가 있다.

슬러지, 오존, 미세기포, 가용화, 감량화

Description

고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템 {Sludge Reduce System Using High Efficiency Ozone Dissolving Tank and Microbubble Ozone}

대부분의 선진국에서는 90년대 초반부터 '런던협약 96의정서'의 발효에 대비하여 하수슬러지의 해양배출을 지양해 왔으며, 육상처리를 전제로 한 소각기술, 자원화기술을 개발하고 현장에 보급하여 현재는 거의 대부분 나라에서 해양배출을 하지 않고 있는 실정이다.

대부분의 지자체가 슬러지처리에 대한 대책이 부재된 상태에서 시설설치를 계획하여도 시설의 설계, 시공 및 정상적인 가동에는 적어도 3년 정도 소요되어 시기적으로 적용이 불가능한 상황에 직면하였다. 이러한 현실 속에서 2001년 1월 1일 부의 직매립금지는 현실적으로 많은 문제점을 안고 있어, 시행이 불가능해 잠정적으로 유예가 결정되었다. 유예를 할 경우에 타당한 논리가 있어야 함에도 정부 및 지자체의 노력에 의하여 슬러지 발생의 감량화, 지도감독 및 제도정비에 의하여 빠른 시일 내에 슬러지처리의 자원화체계를 구축한다는 전제하에서 2003년 6월말까지 유예하고, 7월부터 시행하는 것으로 하였다. 더욱이 해양수산부에는 해양수질 개선대책의 일환으로 육상폐기물의 해양투기를 2011년까지 50% 감축하고, 2012년부터 하수슬러지 및 축산폐수의 해양투기를 전면금지하는"육상폐기물 해양투기 종합대책"을 수립, 발표하는 등 해양배출에 대한 규제가 강화되어 가고 있어, 현시점에서 육상에서의 처리를 위한 대책수립이 필요하게 되었다.

활성슬러지 시스템에 있어서 잉여슬러지의 처리와 처분은 하수처리장 전체 운영비용의 25~60%를 차지해 엄청난 비용이 요구되며, 생활 폐수처리 시설의 경우 슬러지 처리와 처분에 운전비용의 절반 이상이 소요되고 있다. 활성슬러지(biomass)의 리사이클 프로세스가 결합된 활성슬러지 시스템에서 잉여슬러지의 무방류 시스템을 만든 혁신적인 개념은 복잡한 미생물의 성장과정을 파헤치면서 개발되어져 왔으며(Deleris et al., 2000; Huysmans et al., 2001; Yasui et al., 1996), 폐슬러지의 처리를 위해 압착파쇄(mill), 초음파, 가열, 알칼리처리 그리고 오존산화와 같은 방법 들이 개발되어지고 있다(Mㆌller et al., 1998; Scheminski et al., 2000; Weemaes et al., 2000; Yasui and Shibata, 1994).

잉여슬러지의 오존 처리는 가장 높은 슬러지의 파괴능력(Mㆌller, 2000; Park et al., 2003)을 가지는 것으로 경제적으로 유용한 기술의 하나로 알려져 오 고 있다. 더욱이 오존산화된 슬러지는 생물학적인 질소제거에 있어서 많은 비용을 절감할 수 있는 외부탄소원으로 이용할 수 있음이 알려져 있다. 오존에 의한 슬러지의 파괴는 플럭파괴, 입자성 물질의 용존성 물질로의 전환 그리고 무기화가 순차적으로 일어나며(Ahn et al., 2002a, b), 플록파괴와 용존성으로의 전환은 용존 유기물질과 많은 양의 미세 고형물이 생성됨으로써 미생물에 의한 분해가 쉽게 이루어지게 하는 효과가 있다. 오존산화된 슬러지의 생물분해성 개선은 많은 연구자들에 의해 확인되어졌다(Scheminski et al., 2000; Weemaes et al., 2000; Yeom et al., 2002).

오존처리가 결합된 활성슬러지 시스템의 가능성은 잉여슬러지의 배출이 없는 풀스케일(full scale)의 플랜트 운전을 통해 검증되어 왔다(Yasui and Shibata, 1994; Yasui et al., 1996). 잉여슬러지 발생의 최소화는 오존처리된 잉여슬러지를 생물반응조로 리사이클시킴으로써 이루어질 수 있다. 이러한 시스템을 운전하기 위한 많은 유용한 파라미터 들 중 슬러지의 오존처리비율이 현장에서 가장 중요한 인자이며, Yasui와 Shibata(1994)에 의하면, 잉여슬러지의 무배출을 위해서는 오존처리로 슬러지를 다시 순환 시키는 비율은 적어도 3번 정도인 것으로 알려져 있다.

한편 더욱 적은 양의 잉여슬러지의 발생을 위해 더 많은 오존을 주입하는 것이 사실이나, 오직 오존의 양만을 너무 많이 주입하는 것은 운전비용의 증가를 유도하고, 잔존하는 오존이 유기물을 분해하는 미생물에 악영향을 미치는 문제점이 발생하게 된다. 아울러 많은 양의 오존을 주입하는 경우 상대적으로 많은 양의 폐오존(미반응 오존)이 발생하게 되고, 오존처리에 있어서 부적절한 오존처리 파라미 터는 높은 운전비용의 증가와 함께 시스템 성능을 저해하는 요소로 작용한다.

종래의 오존을 이용한 슬러지 감량화 장치는 오존가스를 산기석을 이용하여 기포화시켜 오존가스를 슬러지와 접촉시키는 방식으로 접촉효율이 낮고, 폐오존(미반응 오존)이 발생하는 문제점을 갖고 있다. 고압펌프 등을 이용하여 오존가스를 미세화시켜 슬러지를 감량화하는 방법이 있으나, 이러한 방법은 고압, 고성능의 펌프가 필요하고 오존가스를 아무리 미세화시켜도 슬러지와 반응하지 않는 폐오존이 발생하는 문제점을 안고 있다. 아울러 오존가스를 미세화시켜 대기압하에서 반응시키는 방법은 충분한 체류시간이 필요하게 되며, 이러한 경우 장치가 아주 거대해 질 수 밖에 없으며, 이때에도 약간의 폐오존이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 오존용해탱크 및 미세기포 발생장치를 이용하여 오존과 슬러지의 접촉효율을 높여 슬러지를 감량화시키는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 제공함에 있다.

상기 산저장조는 잉여슬러지에 0.010 ~ 0.050 N의 비율로 황산을 투입하는 것을 특징으로 한다.

상기 오존용해탱크는 슬러지가 유동하는 공급로가 오존용해탱크 내부에서 지면을 향하여 수직으로 절곡되며, 그 끝에 상기 공급로의 길이방향과 수직으로 충돌 판이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 슬러지 가용화조는 하부에 무기슬러지를 수집, 배출시키는 무기슬러지 수집장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 슬러지 가용화조는 수면에 발생하는 거품을 감소시키기 위하여 슬러지 가용화조 내의 오존-슬러지 혼합액을 상기 슬러지 가용화조 상부에 분사시키는 가용화조 재순환장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 가용화조 재순환장치는 오존-슬러지 혼합액을 순환시키는 재순환펌프와 상기 슬러지 가용화조의 상부에 구비되어 상기 재순환펌프에 의해 순환되는 오존-슬러지 혼합액을 분사시키는 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 미세기포 발생장치는 상기 오존용해탱크로부터 공급된 오존-슬러지 혼합액이 벤트리관을 통과하며 전단력에 의해 미세기포를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한 슬러지 순환펌프에 의해 2.5~3kgf/cm²으로 가압된 오존용해탱크로 유입되는 슬러지에 대한 오존의 용해효율을 대폭 향상시키는 효과가 있으며, 미세기포 발생장치를 이용하여 대기압하에서 미반응된 오존과 슬러지의 접촉효율을 증가시켜 대기중으로 폐오존의 방출을 방지하고 슬러지를 감량화시키는 효과가 있다.

이하 상기와 같은 본 발명의 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 오존용해탱크를 나타낸 단면도 및 사시도이며, 도 3은 본 발명의 슬러지 가용화조를 나타낸 단면도 및 사시도이고, 도 4는 본 발명의 미세기포 발생장치를 나타낸 단면도 및 사시도이며, 도 5는 미세기포 발생장치와 산기석의 용존 산소 농도 변화를 나타낸 표이고, 도 6은 미세기포 발생장치와 산기석의 오존 흡수효율 변화를 나타낸 표이며, 도 7은 오존 접촉 시간에 따른 COD_Mn의 농도 변화를 나타낸 표이고, 도 8은 오존 주입량에 따른 MLSS의 농도 변화를 나타낸 표이며, 도 9는 슬러지에 산 투입 후 오존처리에 따른 MLSS의 농도 변화를 나타낸 표이고, 도 10은 오존주입농도에 따른 폐오존 발생량 변화를 나타낸 표이며, 도 11은 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 적용하여 BOD₅ 제거효율의 변화를 나타낸 표이고, 도 12는 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 적용하여 질소 제거효율의 변화를 나타낸 표이다.

본 발명은 도 1 내지 도 4와 같이, 침전조(미도시)에서 발생한 잉여슬러지가 산저장조(20)에서 공급되는 산과 혼합되어 유입되는 슬러지 저장조(10); 상기 슬러지 저장조(10)에서 배출된 슬러지와 오존발생기(40)에서 공급된 오존이 슬러지 순 환펌프(30)에 의해 가압되어 유입되며 오존이 슬러지에 용해된 오존-슬러지 혼합액이 형성되는 오존용해탱크(50); 상기 오존용해탱크(50)에서 배출된 오존-슬러지 혼합액이 유입되어 미세기포 발생장치(70)를 통과하여 과포화된 오존이 미세기포화되어 느리게 부상하면서 슬러지의 가용화를 촉진시키는 슬러지 가용화조(60); 및 상기 슬러지 가용화조(60)에서 가용화된 슬러지가 배출되어 저장되는 가용화 슬러지 저장조(100); 를 포함하여 이루어진다.

일반적인 폐수처리과정(혐기조, 무산소조 및 포기조 등)을 거쳐 침전조에서 생성된 잉여슬러지는 산저장조(20)에서 공급되는 황산(H₂SO₄)과 혼합되어 슬러지 저장조(10)로 유입된다. 이때 황산은 0.010 ~ 0.050 N의 비율로 투입되며, 황산의 주입량은 잉여슬러지의 농도에 따라 변할 수 있으므로, 슬러지 저장조에 pH-meter(미도시)를 구비하여 산의 주입량을 조정하는 것이 좋다. 상기와 같이 잉여슬러지에 산을 투입하게 되면 자기분해되어 소모되는 오존의 양이 감소되고, 슬러지 가용화조(60)에 생성되는 거품을 감소시키는 효과가 있다.

상기 슬러지 저장조(10)에 저장된 슬러지는 슬러지 순환펌프(30)에 의해 오존용해탱크(50)로 유입되며 이때 슬러지 순환펌프(30) 전단의 공급로(32)와 연결된 오존발생기(40)에서 발생한 오존이 압력차에 의하여 자연스럽게 오존용해탱크(50)로 유입되게 된다. 상기와 같이 오존발생기(50)에 발생한 오존이 압력차에 의해 오존용해탱크(50)로 유입되므로 별도의 압력수단이 필요치 않게 되는 효과가 있다. 상기 오존용해탱크(50)는 도 2와 같이, 슬러지 순환펌프(30)에 의해 공급로(32)를 따라 오존용해탱크(50) 내부로 유입되는 슬러지와 오존의 용해효율을 높이기 위해 공급로(32)의 끝부분이 오존용해탱크(50) 내부에서 지면을 향하여 절곡되며, 공급로(32)의 끝단에서 일정거리에 공급로(32)의 길이방향과 수직으로 충돌판(52)이 형성된다. 상기 충돌판(52)은 공급로(32)의 끝단에서 분사되는 슬러지와 오존의 분사면적에 부합되게 형성하는 것이 좋으며 공급로(32) 끝단과의 거리는 분사압력에 따라 달리하는 것이 바람직하다. 상기 슬러지 순환펌프(30)에 의해 공급로(32) 끝단에서 분사되는 슬러지와 오존이 충돌판(52)에 부딪치며 오존과 슬러지와의 접촉효율이 증가하게 되고, 또한 오존용해탱크(50) 내부의 압력이 슬러지 순환펌프(30)에 의해 약 2.5∼3.0 kgf/cm²로 가압되므로 오존의 용해 효율을 더욱 높일 수 있게 된다. 상기와 같은 구조의 오존용해탱크(50)로 인해 오존이 슬러지에 전량 용해된 형태로 존재하게 되고, 따라서 처리된 오존-슬러지 혼합액은 완전한 액상형태(오존이 과포화 된 상태)로 슬러지 가용화조(60)로 공급되게 된다.

상기 오존용해탱크(60)에서 형성된 오존-슬러지 혼합액이 공급로(54)를 통해 슬러지 가용화조(60)로 유입되고, 공급로(54) 끝단의 미세기포 발생장치(70)를 통과하여 슬러지 중에 과포화되어 있는 오존가스가 미세기포화되어 슬러지 가용화조(60) 내부로 분출된다. 미세기포 발생장치(70)를 통과하여 미세기포화된 오존은 수면으로의 부상이 최대한 지연되어 미반응 오존이 슬러지와 반응하게 된다. 상기 미세기포 발생장치(70)는 중앙부가 좁은 단면적을 갖는 벤트리관(72)으로 형성되어 상기 오존용해탱크로(50)부터 공급된 오존-슬러지 혼합액이 벤트리관(72)을 통과하 며 전단력에 의해 미세기포를 발생시키게 된다. 상기 오존용해탱크(50)에서 공급된 오존-슬러지 혼합액은 미세기포 발생장치(70)를 통과하며 벤트리관(72)으로 인해 순간적으로 통로가 좁아져 유속이 빨라지고, 다시 개구부(72a)에서 유속이 느려지면서 도 4와 같이 빠르게 진행하는 오존-슬러지 혼합액(74)의 전단에 부압류(76)가 형성되고 이러한 결과로 전단력이 발생하여 오존-슬러지 혼합액 중에 과포화된 기체(오존)가 액체(슬러지)와 분리되면서 미세기포가 형성된다. 상기와 같이 벤트리관(72)을 이용한 미세기포 발생장치(70)를 적용하는 경우, 벤트리관(72)의 최소 직경을 크게 하여도 충분한 미세기포가 발생하므로, 이물질에 의한 막힘 현상을 감소시키는 효과가 있다. 미세기포 발생장치(70)에 의해 오존-슬러지 혼합액이 미세기포화 되면서 미반응된 오존의 접촉면적을 넓혀 대기중으로 폐오존의 방출을 방지하게 되고, 오존-슬러지 혼합액이 미세기포화될 때 미반응 오존과 함께 슬러지내에 포함된 기타 불필요한 기체가 탈기되는 효과를 얻게 된다. 이렇게 탈기된 슬러지에 기체를 용해시킬 경우, 기체의 용해도가 증가되므로 슬러지에 오존가스를 쉽게 용해시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 미세기포 발생장치(70)는 슬러지 가용화조(60) 내부의 하부에 내벽면과 대략 평행하게 구비하여 상기 미세기포 발생장치(70)에서 분출되는 미세기포 혼합액이 도 3과 같이, 슬러지 가용화조의 내벽면을 따라 선회하며 수면으로 부상하도록 하여 부상시간을 최대한으로 지연시켜 미반응 오존이 슬러지와 반응하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 미세기포 발생장치(70)에서 분출된 미세기포 혼합액은 슬러지 가용화조(60)의 내벽면을 따라 선회하며 부상하므로 중앙부에는 기 류가 형성되지 않아 슬러지에 포함된 무거운 무기물이 하부로 이동하여 무기슬러지 수집장치(90)에 의해 외부로 배출되게 된다.

아울러 상기 슬러지 가용화조(60)는 수면에 발생하는 거품을 제거하기 위한 가용화조 재순환장치(80)가 구비된다. 가용화조 재순환장치(80)는 슬러지 가용화조(60) 내의 오존-슬러지 혼합액을 순환시키는 재순환펌프(82)와 상기 슬러지 가용화조(60)의 상부에 구비되어 상기 재순환펌프(82)에 의해 공급되는 오존-슬러지 혼합액을 방사상으로 분사시키는 노즐(84)로 이루어진다. 상기 노즐(84)을 통해서 오존-슬러지 혼합액을 수면에 발생한 거품을 향하여 방사상으로 분사시키므로 거품이 형성되는 것을 방지하게 된다.

상기의 과정을 거쳐 가용화된 슬러지는 슬러지 가용화조(60)에서 배출되어 가용화 슬러지 저장조(100)로 유입이 이루어지며 사이클이 완료된다.

상기와 같이 슬러지 감량화 시스템에 오존을 이용할 경우 수중의 유기물에 의해 반응되는 오존과 오존의 자체분해에 의한 정확한 용해효율을 확인할 수 없게 된다. 따라서 다음과 같이 산소를 이용한 용해효율 실험 결과에 대해 기술한다. 도 5는 산기석(AS: air stone)과 미세기포 발생장치(MB: microbubble moudle)를 이용하여 수중에 일정량의 공기를 공급할 경우 DO(용존산소량) 농도의 경시 변화를 나타낸 것이다. 산기석의 경우, 공기유량 10 mL/min에서 최초 10분간 약 0.73 mg/L의 DO가 증가하였다. 이에 비해 미세기포 발생장치의 경우, 공기유량 10 mL/min에서 최초 10분간 1.97 mg/L의 DO가 증가하여 산기석에 비해 2.7배 정도 높은 DO 증가량 을 나타내었다. 공기유량을 100 mL/min으로 증가시켰을 경우에는 산기석에서 1.95 mg/L, 미세기포 발생장치에서 7.29 mg/L로 DO 증가량이 3.7배로 더욱 크게 나타남을 알 수 있다.

도 6은 산기석과 미세기포 발생장치 이용 시 오존용해정도를 확인하기 위해 반응기에 수돗물을 이용하여 오존을 주입시킨 후 발생되는 폐오존량을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 주입 기체상오존농도를 161g O₃/m³로 하여 산기석, 미세기포 발생장치(70) 그리고 미세기포 발생장치(70)와 오존용해탱크(50)를 이용한 실험 결과를 비교하였다. 산기석을 이용한 경우 폐오존의 발생은 오존주입 시작 후 2분에서 15.4 mg/L가 발생하였고 그 이후에 급격히 증가하여 주입 11분 후에는 55.7 mg/L가 되었다. 미세기포 발생장치(70)를 이용한 경우 폐오존 발생량은 오존 주입 2분 후 1.7 mg/L가 발생하였으며, 11분 후에는 43.2 mg/L로 폐오존의 농도가 증가하였다. 미세기포 발생장치와 오존용해탱크를 동시에 이용한 경우에는 오존 주입 2분 후 1.5 mg/L의 농도로 폐오존이 발생되었고 실험시작 6분 후부터 폐오존 발생량이 급격히 증가하는 것을 확인하였다. 이와 같이 미세기포 발생장치를 이용할 경우 폐오존의 발생량을 급격히 감소시킬 수 있어 주입 오존의 대부분을 유기물 산화에 이용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 수중에 유기물의 농도가 높을 경우 일반적인 산기석을 이용하는 경우보다 미세기포 발생장치를 이용하는 것이 오존의 흡수효율을 높일 수 있는 방법이 됨을 알 수 있다.

도 7은 기체상 오존 주입 농도 150g O₃/m³에 대해 오존 접촉 시간에 따른 TCOD_Mn 및 SCOD_Mn의 변화를 나타낸 것이다. 오존의 주입량 증가에 따라 TCOD(총 COD)의 감소와 함께 SCOD(용해성 COD)의 증가가 이루어짐을 알 수 있다. 일반적으로 용해성 COD의 증가량은 오존 주입량에 따라 달라질 수 있으며, 총 COD의 제거량 중 20~30% 수준까지 SCOD가 증가하나 본 발명에서 반응시간 1시간을 기준으로 볼 때, SCOD_Mn 약 60%까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 본 발명이 앞에서 언급한 바와 같이 오존에 의한 화학적 반응과 함께 미세기포에 의한 물리적 분해가 동시에 일어나기 때문인 것으로 여겨진다. 이렇게 증가한 SCOD는 생물반응조로 유입될 경우 대부분 미생물에 의해 제거되므로 생물처리를 결합한 오존처리 시스템을 구성할 경우 그 효과가 더욱 커질 것으로 예측할 수 있다.

도 8은 오존 주입율에 따른 SS(Suspended Solids)의 농도 변화를 나타낸 것이다. 단위 MLSS(mixed liquor suspended solid)에 대한 오존 주입량이 동일하고 주입 오존의 전량이 슬러지 산화에 소모되었다고 가정하면, 오존 주입율 0.1 g O₃/g MLSS에서 초기 MLSS 농도 6,447 mg/L의 경우 4,658 mg/L로 감소하여 1,789 mg/L의 농도 감소가 일어난 반면, 초기 MLSS의 농도가 3,180 mg/L의 경우 2,075 mg/L로 감소하여 1,105 mg/L의 농도 감소가 일어났다. 초기 농도가 더욱 낮을 경우인 515 mg/L의 경우에는 오존 주입율 0.1 g O₃/g MLSS에서 약 371 mg/L로 예상되며 그 차이는 144 mg/L의 감소밖에는 일어나지 않음을 알 수 있다. 이상의 결과에서, MLSS의 초기 농도가 증가할수록 농도 변화 폭은 훨씬 증가하는 것을 알 수 있게 된다.

도 9는 산으로 전처리로 하지 않은 경우와 황산을 주입하여 황산농도 0.010 N, 0.025 N 및 0.050 N로 전처리한 후 오존처리를 실시하였을 경우의 MLSS 농도 변화를 나타낸 것이다. 산으로 전처리를 한 경우와 처리하지 않은 경우를 비교하면, 산으로 전처리한 경우 MLSS의 처리 효율이 확연히 높은 것을 확인할 수 있으며, 황산의 주입농도가 0.010 N인 것보다 0.025 N 및 0.050 N의 경우가 약간 제거율 높은 것을 알 수 있고, 0.025 N과 0.050 N의 경우는 거의 차이가 없거나 오히려 0.025 N의 경우가 처리효율이 높음을 알 수 있다. 따라서 황산의 주입농도는 0.025 N 이상에서는 주입되는 산의 농도에 비해 MLSS의 제거율 개선에는 크게 효과를 나타내지 않는 것으로 판단되어 본 발명에서는 황산의 주입농도를 0.025 N 으로 결정하였다.

다음은 폐오존 발생량에 관한 실험결과로서 도 10은 MLSS 농도가 약 5,000 mg/L인 슬러지를 대상으로 오존주입농도에 따른 폐오존 발생량 변화를 조사한 결과이다. 이 실험에서도 폐오존은 거의 발생되지 않았으며 실험 종료 시 일부 발생 되었으나 그 양은 주입 오존량의 0.1% 미만이었다. 이와 같이 오존산화 시 미세기포를 이용하여 오존을 주입할 경우 폐오존 발생량을 최소화 하면서 오존 접촉효율을 극대화 할 수 있음을 알 수 있다.

다음은 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 생물처리공정과 결합시킨 실증플랜트 운전결과를 나타낸 것이다. 생물처리공정(미도시)은 15 m³/day 규모로 혐기조- 무산소조-호기조 순으로 구성하였으며, 슬러지 감량화 시스템은 상기에서 기술한 본 발명의 슬러지 감량화 시스템으로 구성하였다. 생물처리공정은 내부순환 150%, 외부순환 50%로 하였으며, 슬러지의 인발량, 즉 잉여슬러지의 가용화는 실제 발생량의 약 3배에 해당하는 양을 가용화하였고, 가용화된 슬러지는 무산소조로 재순환시켰다. 가용화된 슬러지의 재순환으로 인한 생물처리공정의 효과를 검토하기 위해 운전시작 4개월간은 생물처리공정 단독으로 운전을 하였고, 이후 생물처리공정이 안정되고 난 후 가용화된 슬러지를 투입하였다. 생물처리공정 단독 운전은 2007년 5월 1일부터 8월 31일까지 운전하였으며, 이후 2007년 9월 1일부터 잉여슬러지를 미세기포화 오존을 이용하여 감량 및 가용화하여 무산소조로 투입 재순환시킴으로서 잉여슬러지의 인발이 이루어지지 않는 잉여슬러지 무방류 시스템으로 운전을 하였다.

도 11은 BOD5의 제거효율 변화를 나타낸 것으로, 유입수의 평균 BOD₅ 농도가 97.6 mg/L인 것에 대해 유출수의 경우 2.4∼14.9 mg/L, 평균 7.2 mg/L로 평균 92.5%의 제거율을 나타내었다. 2007년 5월부터 8월까지 4개월간 생물처리공정 단독으로 운전한 경우에도 유입수의 큰 변동에 비해 안정적인 처리가 이루어졌으며, 잉여슬러지를 오존처리하여 슬러지를 무방류하기 시작한 9월부터 12월까지의 운전 결과에서도 처리수의 BOD₅ 농도는 안정적인 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 오존에 의한 잉여슬러지의 가용화를 통해 슬러지의 배출 없는 장기 운전에서도 생물처리공정에 있어서 BOD₅는 안정적인 처리가 가능한 것으로 판단된다.

도 12는 T-N의 제거효율 변화를 나타낸 것으로, 유입수의 T-N 평균 농도가 31.4 mg/L인 것에 대해 처리수의 T-N 농도는 최대 12.6 mg/L, 최소 5.4 mg/L로 평균 8.6 mg/L을 나타내었으며, 제거율은 평균 71.7%를 나타내었다. T-N의 경우에는 생물처리공정 단독에서는 T-N 평균 제거율이 69.2%였으나, 오존처리에 의해 잉여슬러지를 가용화하여 탈질공정의 탄소원으로 이용한 이후부터 T-N의 제거율이 증가하여 75.1%를 나타냄을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 나타낸 개념도.

도 2는 본 발명의 오존용해탱크를 나타낸 단면도 및 사시도.

도 3은 본 발명의 슬러지 가용화조를 나타낸 단면도 및 사시도.

도 4는 본 발명의 미세기포 발생장치를 나타낸 단면도 및 사시도.

도 5는 미세기포 발생장치와 산기석의 용존 산소 농도 변화를 나타낸 표.

도 6은 미세기포 발생장치와 산기석의 오존 흡수효율 변화를 나타낸 표.

도 7은 오존 접촉 시간에 따른 CODmn의 변화를 나타낸 표.

도 8은 오존 주입량에 따른 MLSS의 농도 변화를 나타낸 표.

도 9는 슬러지에 황산 투입 후 오존처리에 따른 MLSS의 농도 변화를 나타낸 표.

도 10은 오존주입농도에 따른 폐오존 발생량 변화를 나타낸 표.

도 11은 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 적용하여 BOD5 제거효율의 변화를 나타낸 표.

도 12는 본 발명의 슬러지 감량화 시스템을 적용하여 질소 제거효율의 변화를 나타낸 표.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10: 슬러지 저장조 20: 산저장조

30: 슬러지 순환펌프 40: 오존발생기

50: 오존용해탱크 52: 충돌판

60: 슬러지 가용화조 70: 미세기포 발생장치

80: 가용화조 재순환장치 82: 재순환펌프

84: 노즐 90: 무기슬러지 수집장치

100: 가용화 슬러지 저장조

Claims

침전조에서 발생한 잉여슬러지가 산저장조(20)에서 공급되는 산과 혼합되어 유입되는 슬러지 저장조(10);

상기 슬러지 저장조(10)에서 배출된 슬러지와 오존발생기(40)에서 공급된 오존이 슬러지 순환펌프(30)에 의해 가압되어 유입되며 오존이 슬러지에 용해된 오존-슬러지 혼합액이 형성되는 오존용해탱크(50);

상기 오존용해탱크(50)에서 배출된 오존-슬러지 혼합액이 유입되어 미세기포 발생장치(70)를 통과하여 과포화된 오존이 미세기포화되어 느리게 부상하면서 슬러지의 가용화를 촉진시키는 슬러지 가용화조(60); 및

상기 슬러지 가용화조(60)에서 가용화된 슬러지가 배출되어 저장되는 가용화 슬러지 저장조(100);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 산저장조(20)는 잉여슬러지에 0.010 ~ 0.050 N의 비율로 황산을 투입하는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 오존용해탱크(50)는 슬러지가 유동하는 공급로(35)가 오존용해탱크(50) 내부에서 지면을 향하여 수직으로 절곡되며, 그 끝에 상기 공급로(35)의 길이방향과 수직으로 충돌판(52)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 슬러지 가용화조(60)는 하부에 무기슬러지를 수집, 배출시키는 무기슬러지 수집장치(90)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 슬러지 가용화조(60)는 수면에 발생하는 거품을 감소시키기 위하여 슬러지 가용화조(60) 내의 오존-슬러지 혼합액을 상기 슬러지 가용화조(60) 상부에 분사시키는 가용화조 재순환장치(80)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 가용화조 재순환장치(80)는 오존-슬러지 혼합액을 순환시키는 재순환펌프(82)와 상기 슬러지 가용화조(60)의 상부에 구비되어 상기 재순환펌프(82)에 의해 순환되는 오존-슬러지 혼합액을 분사시키는 노즐(84)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 미세기포 발생장치(70)는 상기 오존용해탱크(50)로부터 공급된 오존-슬러지 혼합액이 벤트리관(72)을 통과하며 전단력에 의해 미세기포를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고효율 오존용해장치 및 미세기포 오존을 이용한 슬러지 감량화 시스템.