KR20100111787A - Method for co-treating pretreated sludge and organic wastewater - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for emerging pre-treated sludge into organic wastewater is provided to reduce the amount of the sludge and purify the organic wastewater by increasing the generating amount of methane. CONSTITUTION: A heating process is processed with respect to 10L of sludge at 120 degrees Celsius for one hour in order to perform a pre-treatment for the sludge. The heating process is selected from an ultrasonic process, a thermo-chemical process, and a thermal treatment process. 20 to 200 weight by parts of organic wastewater is added into 100 weight by parts of the pre-treated sludge. A common anaerobic digestion process is performed at 30 to 40 degrees Celsius.

Description

전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법{Method for Co-treating Pretreated Sludge and Organic Wastewater}Method for Co-treating Pretreated Sludge and Organic Wastewater}

본 발명은 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하폐수 처리시설에서 발생하는 슬러지를 전처리시킨 후, 유기성 폐수를 병합하여 혐기 소화시킴으로써, 슬러지의 혐기 소화 효율을 증진시키는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수 병합 공동처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for co-treatment of a combination of pretreated sludge and organic wastewater. More specifically, after pretreatment of sludge generated in a sewage treatment plant, the organic wastewater is combined and anaerobic digested to improve anaerobic digestion efficiency of sludge. The present invention relates to a method for co-treatment of organic wastewater combined with pretreated sludge to enhance.

하수의 처리 과정에서 발생하는 슬러지는 고형물량의 40~90%가 유기물로 구성되어 있으며 함수율이 97~99%에 달해 부패하기 쉽다. 또한, 부패시, 심한 악취 및 인체와 생물에 유해한 물질이 발생되므로, 이를 처리시, 과다한 처리비용이 발생한다.Sludge generated during the treatment of sewage is composed of 40 ~ 90% of organic matter and organic matter, and its water content is 97 ~ 99%. In addition, when decay, severe odors and substances harmful to humans and organisms are generated, excessive treatment costs are generated when treating them.

이와 같은 문제를 해결하기 위해, 하수 슬러지 처리장의 수가 증가하고 있으며, 이와 더불어 발생되는 하수 슬러지의 양 또한 급격하게 증가하고 있는 실정이지만, 막대한 사회 경제적 비용의 투자에도 불구하고 현재까지 슬러지의 재활용, 재이용 및 감량화에 대한 뚜렷한 방법이나 대책이 마련되어 있지 않아 슬러지는 심각한 사회문제로 대두되고 있다. In order to solve this problem, the number of sewage sludge treatment plants is increasing, and the amount of sewage sludge generated is increasing rapidly, but the sludge is recycled and reused up to now despite the huge investment in socioeconomic costs. And sludge is a serious social problem because there is no clear method or countermeasure against the reduction.

최근에는 하수 슬러지의 재활용뿐만 아니라, 슬러지의 전처리에 의한 가용화 기술과 연계한 혐기 소화에 의한 슬러지 감량화 기술들이 꾸준히 개발되고 있다. Recently, sludge reduction technologies by anaerobic digestion in connection with solubilization technology by pretreatment of sludge as well as recycling of sewage sludge have been steadily developed.

혐기소화는 슬러지를 안정화시키고, 감량시키는 외에도 부산물로 메탄 가스를 생산하는 이점이 있다. 메탄은 슬러지의 가수분해(hydrolysis) 과정, 산 발효(acid fermentation)와 메탄발효(methane fermentation) 과정을 거쳐 생성된다. 이때 슬러지가 사용되면 슬러지에 포함된 질소와 황으로 인해 암모니아(NH3)와 황화수소(H2S)가 발생하게 된다. 암모니아와 황화수소는 독성이 강한 물질로서 이들의 농도가 높아지면 혐기 반응에 관여하는 산발효와 메탄발효균을 저해하여 원활한 혐기소화를 방해한다. 따라서 이들의 저해효과를 줄이기 위해서는 발생된 암모니아와 황화수소를 선택적으로 제거하거나 이들의 유입량을 낮추어 주어야 한다. 이러한 방법으로 질소와 황의 함량이 낮은 고농도의 유기성 폐수나 유기물 함량이 높은 1차 침전조에서 제거한 슬러지를 잉여슬러지나 농축슬러지와 혼합하여 혐기소화하는 방법이 고려되고 있다.In addition to stabilizing and reducing sludge, anaerobic digestion has the advantage of producing methane gas as a byproduct. Methane is produced through hydrolysis, acid fermentation and methane fermentation of sludge. At this time, when the sludge is used, ammonia (NH 3 ) and hydrogen sulfide (H 2 S) are generated due to nitrogen and sulfur contained in the sludge. Ammonia and hydrogen sulfide are highly toxic substances, and their concentration increases the inhibition of acid fermentation and methane fermentation bacteria involved in the anaerobic reaction, thereby preventing smooth anaerobic digestion. Therefore, in order to reduce their inhibitory effect, the generated ammonia and hydrogen sulfide should be selectively removed or their inflow should be lowered. In this way, the method of anaerobic digestion by mixing the sludge removed from the high concentration organic wastewater with low nitrogen and sulfur content or the primary sedimentation tank with high organic content with surplus sludge or concentrated sludge is considered.

한편 고농도의 유기성 폐수를 처리하는 방법으로 혐기성 처리기술이 많이 이용되며, 부산물로 메탄 가스를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 폐수처리 시 폐수와 활성 미생물이 충분히 접촉할 수 있도록 하여야 하며, 고농도 폐수에의 적응을 위하여 반응조 운전 스타트-업(start-up) 시간이 길어지는 문제가 있다. On the other hand, anaerobic treatment technology is widely used as a method of treating high concentration organic wastewater, and there is an advantage that methane gas can be obtained as a by-product. However, when the wastewater treatment, the wastewater and the active microorganism must be sufficiently in contact with each other, and there is a problem in that the start-up time of the reactor operation is long for adaptation to the high concentration wastewater.

하·폐수 처리시 발생되는 슬러지 안정화 및 감량화와 관련된 종래의 기술로 전처리조인 열분해조로 고온의 증기스팀을 유입시켜 첨가된 알카리제와 용합하면서 짧은 시간내에 유기물을 완전 분해하는 처리방법으로 유기물 분해에 소요되는 시간과 투입에너지를 절감시키고 필요한 시설부지를 축소시킬 수 있는 화학적 처리방법(한국등록특허 제10-393284호), “하·폐수 오니 소화시스템”(한국등록특허 제10-485639호) 및 “열적산화를 이용한 하수슬러지로부터의 연속식 유기산생성장치 및 방법”(한국등록특허 제10-507990호) 등이 있다. 이 밖에도 “유기 폐기물의 처리 장치 및 오니감량장치”(일본공개특허 제2005-144231호 및 일본공개특허 제2006-346556호) 및 “병렬로 설치된 가수분해 반응기를 엇갈리게 운전하여 슬러지를 분해하는 슬러지 열가수분해 방법 및 장치”(미국공개특허 제2005-6966985호) 등이 있다.Conventional technology related to sludge stabilization and weight reduction during sewage and wastewater treatment is a method to completely decompose organic matter in a short time while melting it with alkaline agent added by injecting high temperature steam steam into a pre-treatment pyrolysis tank. Chemical treatment method (Korea Patent No. 10-393284), “Sewage / Wastewater sludge extinguishing system” (Korea Patent No. 10-485639) and “ Continuous organic acid production apparatus and method from sewage sludge using thermal oxidation ”(Korean Patent No. 10-507990). In addition to this, "Soil treatment device and sludge reduction device" (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-144231 and Japanese Patent Laid-Open No. 2006-346556) and "Sludge heat decomposing sludge by operating the hydrolysis reactors installed in parallel are alternately operated. Hydrolysis methods and apparatus ”(US Patent Publication No. 2005-6966985).

그러나 기존의 하수처리장에 설치되어 있는 혐기성소화조의 경우, 고형물 농도가 높은 고농도 폐수 및 폐기물에만 적용이 가능하고, 부산물로 메탄가스를 얻을 수 있다는 장점에도 불구하고, 긴 체류시간으로 인한 저소화율, 메탄 가스의 유효 이용도 저조 등의 단점으로 인하여 실질적으로 감량화 및 에너지 회수에는 이용되지 못하고 있으며, 탈수성 개선에도 기여하지 못하고 있다. However, in the case of anaerobic digestion tanks installed in existing sewage treatment plants, they can be applied only to high concentrations of wastewater and wastes with high solids concentration, and methane gas can be obtained as a byproduct. Due to the disadvantages such as poor utilization of the gas is not practically used for reduction and energy recovery, and does not contribute to the improvement of dehydration.

상기와 같이 하수슬러지의 혐기성소화공정이 큰 효율을 발휘하지 못하는 원인 중 하나는 슬러지를 구성하고 있는 미생물들의 두꺼운 세포벽에 의해 기질이 차단되어 생물학적인 가수분해가 용이하지 않기 때문이다. 혐기성 분해는 가수분해, 산 생성 및 메탄 생성의 단계를 거쳐 안정화를 이루는데 하수슬러지 소화의 경우, 생물학적 가수 분해가 속도제안 단계로써 더딘 가수분해로 인해 슬러지의 긴 체류시간과 막대한 용량의 소화 반응조가 요구된다. 또한 앞에서 언급한 바와 같이 암모니아와 황화수소의 농도가 높아지면서 이들이 혐기소화를 저해하는 역할을 하게 된다.As described above, one of the reasons why the anaerobic digestion process of sewage sludge does not exhibit great efficiency is because the substrate is blocked by the thick cell walls of the microorganisms constituting the sludge, which does not facilitate biological hydrolysis. Anaerobic digestion is stabilized through the stages of hydrolysis, acid production and methane production. In the case of sewage sludge digestion, biological hydrolysis is the rate suggesting step. Due to the slow hydrolysis, long residence time of sludge and huge capacity digestion reactor Required. In addition, as mentioned above, as the concentration of ammonia and hydrogen sulfide increases, they play a role in inhibiting anaerobic digestion.

이에 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 슬러지를 전처리한 후 혐기 소화시킬 때 유기성 폐수를 병합하여 혐기 소화시킨 결과, 메탄 생성 속도가 증진되어 혐기 소화 기간 및 혐기 소화조에서의 슬러지의 체류시간을 단축시킬 수 있고, 혐기 소화조에서의 메탄 생산량이 증진되어 혐기 소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have diligently tried to solve the problems of the prior art, and as a result of anaerobic digestion by combining organic wastewater when anaerobic digestion after pretreatment of sludge, the rate of methane production is increased, and the sludge in the anaerobic digestion period and anaerobic digester It was confirmed that the residence time can be shortened, and that the amount of methane produced in the anaerobic digester can be increased to increase the anaerobic digestion efficiency, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 하·폐수처리시설에서 발생하는 슬러지를 고농도의 유기성 폐수와 병합 처리하는 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for treating sludge generated in a sewage and wastewater treatment plant with a high concentration of organic wastewater.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 슬러지를 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 슬러지 100중량부에 유기성 폐수 20~200 중량부를 첨가시킨 후, 30~40℃의 온도에서 공동 혐기 소화시키는 단계를 포함하는, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법을 제공한다.The present invention to achieve the above object, (a) pretreatment of sludge; And (b) adding 20 to 200 parts by weight of organic wastewater to 100 parts by weight of the pretreated sludge, followed by co-anaerobic digestion at a temperature of 30 to 40 ° C. To provide.

본 발명에 따르면, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 혐기 소화로 인하여, 혐기소화 과정에서 메탄 생성속도가 빨라져 혐기 소화 기간과 혐기 소화조에서 슬러지의 체류시간을 감소시킬 수 있고, 메탄 발생량이 증가되어 효율적으로 슬러지 감량화 및 유기성 폐수 정화처리를 수행할 수 있다. According to the present invention, due to the combined anaerobic digestion of pretreated sludge and organic wastewater, the rate of methane production is increased during the anaerobic digestion process, which reduces the residence time of the sludge in the anaerobic digestion period and the anaerobic digester, and increases the amount of methane produced to efficiently Sludge reduction and organic wastewater purification can be carried out.

본 발명은 일 관점에서, (a) 슬러지를 전처리하는 단계; 및 (b) 상기 전처리된 슬러지 100중량부에 유기성 폐수 20~200 중량부를 첨가시킨 후, 30~40℃의 온도 에서 공동 혐기 소화시키는 단계를 포함하는, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법에 관한 것이다 (도 1의 (a)).The present invention in one aspect, (a) pre-treating the sludge; And (b) adding 20 to 200 parts by weight of organic wastewater to 100 parts by weight of the pretreated sludge, followed by co-anaerobic digestion at a temperature of 30 to 40 ° C. (A) of FIG. 1.

본 발명에서 사용된 용어 '공동 혐기 소화'는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 혐기 소화조에서 동시에 혐기 소화시키는 것을 의미한다.The term 'joint anaerobic digestion' as used herein means the simultaneous anaerobic digestion of pretreated sludge and organic wastewater in an anaerobic digester.

본 발명에서 사용된 용어 '병합 공동처리'란 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 동시에 혐기 소화시켜 정화시키는 것을 의미한다.As used herein, the term 'combined co-treatment' refers to the purification of the pretreated sludge and organic wastewater by anaerobic digestion at the same time.

본 발명에서 슬러지는 하·폐수 처리시설에서 발생하는 슬러지를 의미한다.In the present invention, sludge means sludge generated in sewage and wastewater treatment facilities.

본 발명에서 유기성 폐수는 축산, 분뇨, 침출수, 하·폐수처리장 방류수 및 각종 산업시설에서 발생되는 고농도의 유기성 폐수를 의미하며, 구체적으로는, 1,000~25,000mg BOD/L의 고농도 유기성 폐수인 것을 특징으로 할 수 있다. Organic wastewater in the present invention means a high concentration of organic wastewater generated from livestock, manure, leachate, sewage and wastewater treatment plant and various industrial facilities, specifically, it is characterized by high concentration organic wastewater of 1,000 ~ 25,000mg BOD / L You can do

슬러지와 유기성 폐수를 공동으로 혐기 소화시킬 때, 슬러지 100중량부에 대하여 유기성 폐수를 20중량부 미만으로 첨가시키면 메탄 발생량 증가나 혐기 소화 기간 단축 등의 효과가 나타나지 않고, 유기성 폐수를 200 중량부 초과하여 첨가시키면 첨가량 증가에 따른 이익이 없다. 또한, 바람직하게는 슬러지와 유기성 폐수는 동량(1:1 비율)을 공동으로 혐기 소화시킬 수도 있다.When anaerobic digestion of sludge and organic wastewater is carried out jointly, adding less than 20 parts by weight of organic wastewater to 100 parts by weight of sludge does not have an effect of increasing methane generation or shortening of anaerobic digestion, and exceeds 200 parts by weight of organic wastewater. There is no benefit from increasing the amount added. Further, preferably, the sludge and the organic wastewater can also anaerobicly digest the same amount (1: 1 ratio).

또한, 혐기소화시 온도가 30℃ 미만이면, 혐기 소화 효율이 저하되고, 40℃를 초과하면 에너지 소비가 커지는 문제점이 있다.In addition, if the temperature during anaerobic digestion is less than 30 ℃, the anaerobic digestion efficiency is lowered, if it exceeds 40 ℃ there is a problem that the energy consumption increases.

본 발명에 있어서, 상기 전처리는 열처리, 초음파 처리 및 열화학 처리로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the pretreatment may be selected from the group consisting of heat treatment, ultrasonic treatment and thermochemical treatment.

본 발명에서 슬러지의 전처리는 유기성 폐수에 비해 혐기 소화 속도가 느린 슬러지의 특성으로 인하여, 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화 효과가 떨어지는 단점을 보완하기 위해서 수행된다. 유기성 폐수를 비롯한 폐수 내에는 대부분의 유기물이 용존물질로 존재하는데 비해 슬러지는 대부분 고형물로 이루어지고 있어, 이러한 고형물이 혐기 소화에 의해 메탄으로 전환되기 위해서는 혐기 소화의 율속단계로 알려져 있는 가용화(hydrolysis) 과정을 거쳐야만 하므로 슬러지의 혐기 소화 속도가 느린 것이다. 따라서, 본 발명에서는 슬러지를 물리화학적으로 전처리하여 가용화 비율을 높임으로써, 유기서 폐수와의 공동 혐기소화를 통해 혐기 소화조에서 신속하게 짧은 체류시간 동안 메탄을 생산하고 슬러지를 안정화시킨다.In the present invention, the pretreatment of the sludge is performed to compensate for the disadvantage that the anaerobic digestion effect of the sludge and the organic wastewater is poor due to the characteristics of the sludge which is slower than the organic wastewater. Sludge is composed mostly of solids, whereas most organics are dissolved in wastewater, including organic wastewater. Solubilization is known as the rate-limiting step of anaerobic digestion in order to convert these solids into methane by anaerobic digestion. The sludge anaerobic digestion rate is slow because it has to go through the process. Therefore, in the present invention, the sludge is physically and chemically pretreated to increase the solubilization rate, thereby rapidly producing methane and stabilizing sludge in the anaerobic digestion tank through joint anaerobic digestion with organic wastewater.

결국, 본 발명에서는 슬러지의 전처리를 통하여 슬러지의 가용화율을 높임으로써, 혐기소화 시간의 단축과 혐기소화조에서의 체류시간 단축이라는 효과를 기대할 수 있다.As a result, in the present invention, by increasing the solubilization rate of the sludge through the pretreatment of the sludge, it can be expected to reduce the anaerobic digestion time and the residence time in the anaerobic digestion tank.

본 발명에 있어서, 상기 열처리는 100~180℃의 고온하에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the heat treatment may be carried out at a high temperature of 100 ~ 180 ℃.

열을 이용한 슬러지의 전처리는 고온에 의해 슬러지를 구성하는 고형물이 가수분해되어 혐기소화가 신속히 진행될 수 있는 형태로 변화하도록 한다. 이때, 상기 열처리 온도가 100℃ 미만이면 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 180℃를 초과하면 슬러지의 카라멜화(caramelization) 현상이 일어나거나, 에너지 소모량이 많아져 적절하게 혐기 소화가 진행되지 않는 문제점이 있다.The pretreatment of the sludge using heat causes the solids constituting the sludge to be hydrolyzed by the high temperature so that the anaerobic digestion can be rapidly changed. At this time, if the heat treatment temperature is less than 100 ℃ hydrolysis of the sludge does not occur sufficiently, if the temperature exceeds 180 ℃ caramelization (sludge) of the sludge occurs, or the energy consumption is high, the anaerobic digestion does not proceed properly There is this.

본 발명에 있어서, 상기 초음파 처리는 300~1,000 kj/L의 초음파를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.  In the present invention, the ultrasonic treatment may be performed using an ultrasonic wave of 300 ~ 1,000 kj / L.

초음파 처리에 의한 슬러지의 전처리는 슬러지에 초음파를 조사하여 슬러지를 구성하는 고형물 입자를 기계적으로 파쇄 및 분해하여 혐기소화가 신속히 진행될 수 있는 형태로 변화하도록 한다.The pretreatment of the sludge by the ultrasonic treatment is to irradiate the sludge with ultrasonic waves so that the solid particles constituting the sludge are mechanically broken and decomposed so that the anaerobic digestion can be rapidly changed.

이때, 상기 초음파가 300kj/L 미만이면, 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 1,000 kj/L를 초과하면 초음파 처리를 위한 에너지 비용이 과도하게 증가하는 문제점이 있다.At this time, if the ultrasonic wave is less than 300kj / L, the hydrolysis of the sludge does not occur sufficiently, if the ultrasonic wave exceeds 1,000 kj / L there is a problem that the energy cost for the ultrasonic treatment is excessively increased.

또한, 초음파 처리 시간은 30분~2시간 30분인 것을 특징으로 할 수 있으며, 초음파 처리 시간이 30분 미만이면 초음파 처리 효율이 떨어지고, 2시간 30분을 초과하면 초음파 처리에 따른 에너지 소모 비용이 과도해지는 문제점이 있다.In addition, the ultrasonic treatment time may be characterized in that the 30 minutes to 2 hours 30 minutes, the ultrasonic treatment time is less than 30 minutes, the ultrasonic treatment efficiency is lowered, if the time exceeds 2 hours 30 minutes, the energy consumption cost of the ultrasonic treatment is excessive There is a problem.

본 발명에 있어서, 상기 열화학 처리는 상기 슬러지를 40~160℃의 온도로 가열하면서 1~5g/L의 알카리제를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the thermochemical treatment may be performed by adding an alkali agent of 1 ~ 5g / L while heating the sludge to a temperature of 40 ~ 160 ℃.

열화학 처리에 의한 슬러지의 전처리에 있어서, 열과 알카리제는 슬러지를 구성하는 고형물이 가수분해되어 혐기소화가 신속히 진행될 수 있는 형태로 변화하도록 한다.In pretreatment of sludge by thermochemical treatment, heat and alkaline agents cause the solids constituting the sludge to change into a form in which anaerobic digestion can proceed rapidly.

상기 알카리제는 NaOH, CaO, Ca(OH)2 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. The alkaline agent may be selected from the group consisting of NaOH, CaO, Ca (OH) 2 and mixtures thereof, but is not limited thereto.

이때, 열화학 처리에 의한 전처리시 가해진 열의 온도가 40℃미만이면 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 160℃를 초과하면 과도하게 가수분해가 진행되어 혐기 소화가 정상적으로 진행되지 않는 문제점이 있다. 상기 알카리제의 농 도가 1g/L미만이면 슬러지의 가수분해가 충분히 일어나지 않고, 5g/L를 초과하면 알카리제 농도 증가에 따른 이익이 없다.At this time, if the temperature of the heat applied during the pretreatment by the thermochemical treatment is less than 40 ℃ hydrolysis of the sludge does not occur sufficiently, if the temperature exceeds 160 ℃ excessive hydrolysis proceeds there is a problem that does not proceed anaerobic digestion normally. If the concentration of the alkaline agent is less than 1g / L does not sufficiently hydrolyze the sludge, if the concentration exceeds 5g / L there is no benefit from the increase in the concentration of the alkaline agent.

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계에서 전체 슬러지 중 10~90%를 전처리하고, 나머지는 전처리하지 않고 혐기 소화시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, in the step (a), 10 to 90% of the total sludge may be pretreated, and the rest may be characterized by anaerobic digestion without pretreatment.

즉, 본 발명에서는 슬러지를 100% 전처리하지 않고 일부인 10~90%만 전처리시켜 혐기 소화 단계로 도입시키고, 나머지는 전처리시키지 않은 채 혐기소화 단계로 도입시켜 유기성 폐수와 공동 혐기소화시키는 것도 가능한다 (도 1의 (b)). 슬러지의 일부만 전처리시켜 슬러지를 공동 혐기소화 단계로 투입시킬 경우에는 전처리 비용을 절감시킬 수 있다.In other words, in the present invention, sludge is not 100% pretreated, but only 10 to 90% of the sludge is pretreated and introduced into the anaerobic digestion stage, and the rest is introduced into the anaerobic digestion stage without pretreatment, thereby co-anaerobic digestion with organic wastewater ( (B) of FIG. 1). Pre-treatment costs can be reduced if only a portion of the sludge is pretreated and the sludge is introduced into the co-anaerobic digestion stage.

결국, 전처리에 의해 가용화율이 향상된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기 소화시키면 메탄 생성속도가 빨라져 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킬 때보다 혐기 소화 기간을 단축시킬 수 있고, 혐기 소화조에서의 체류시간을 단축시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 메탄 발생량 또한 증가되어 전체적인 혐기 소화 효율을 증진시킬 수 있다.As a result, joint anaerobic digestion of sludge and organic wastewater with improved solubilization rate by pretreatment increases the rate of methane production, which can shorten the anaerobic digestion period and shorten residence time in the anaerobic digester. You can expect the effect. In addition, the amount of methane produced can also be increased to enhance the overall anaerobic digestion efficiency.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. These examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1: 전처리 방법에 따른 슬러지 가용화율Example 1 Sludge Solubilization Rate According to Pretreatment Method

슬러지를 전처리하는 방법을 달리하여 전처리 방법에 따른 슬러지 가용화율을 비교하였다. 실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었다. 실험에 사용한 전처리조로서 용량이 10L인 반응조를 사용하였다. 실험에서 사용한 전처리 방법은 열처리, 초음파처리 및 열과 알카리제를 이용한 열화학 처리 방법을 사용하였다. The sludge solubilization rate according to the pretreatment method was compared by different methods of pretreatment. The sludge used in the experiment was surplus sludge from the sewage treatment plant in Chuncheon. The COD was 20,690 mg / L. As the pretreatment tank used for the experiment, a reaction tank having a capacity of 10 L was used. The pretreatment method used in the experiments was heat treatment, sonication and thermochemical treatment using heat and alkali.

열처리 방법으로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 120℃의 온도의 열을 1시간 동안 가하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.As a heat treatment method, 10 L of the excess sludge was introduced into a pretreatment tank, and heat at 120 ° C. was applied for 1 hour to pretreat the excess sludge.

초음파 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 87.5W/L의 동력으로 주파수가 28kHz인 초음파를 1~2시간 동안 조사하여(400~800 kj/L의 초음파 조사), 잉여 슬러지를 전처리하였다.As an ultrasonic treatment, 10L of the excess sludge was introduced into a pretreatment tank, and then irradiated with ultrasonic waves having a frequency of 28 kHz for 1 to 2 hours at a power of 87.5 W / L (ultraviolet irradiation of 400 to 800 kj / L) to produce excess sludge. Pretreatment.

열과 알카리제를 이용한 열화학 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 1시간 동안 120℃의 온도의 열을 가하는 동시에 알카리제로서 1.6g/L의 NaOH를 주입하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.As a thermochemical treatment using heat and an alkaline agent, 10 L of the excess sludge was introduced into a pretreatment tank, followed by applying heat at a temperature of 120 ° C. for 1 hour and injecting 1.6 g / L of NaOH as an alkaline agent to pretreat the excess sludge. .

상기 각 전처리 방법에 의한 전처리 후 잉여 슬러지의 가용화율을 조사하였다. 가용화율은 슬러지 내의 용존 COD을 기준으로 하기 가용화율 계산식 (I)을 이용하여 계산하였다.The solubilization rate of excess sludge after pretreatment by each pretreatment method was investigated. The solubilization rate was calculated using the following solubilization rate formula (I) based on the dissolved COD in the sludge.

가용화율(%) = (SCOD - SCODo)/(TCODo- SCODo)×100 ------------ (I) Solubilization rate (%) = (SCOD-SCODo) / (TCODo- SCODo) × 100 ------------ (I)

SCOD = 초음파 처리 후 용존 COD (mg/L) SCOD = dissolved COD after sonication (mg / L)

SCODo = 초음파 처리 이전 용존 COD (mg/L) SCODo = dissolved COD before sonication (mg / L)

TCODo = 초음파 처리 이전 총 COD (mg/L)TCODo = total COD before sonication (mg / L)

그 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 전처리 방법에 따른 잉여 슬러지의 가용화율은 열처리에서 29%, 초음파 처리에서 41%, 그리고 열과 알카리제를 이용한 열화학 처리에서 64%인 것으로 나타났다. As a result, as shown in Figure 2, the solubilization rate of the excess sludge according to the pretreatment method was 29% in the heat treatment, 41% in the ultrasonic treatment, and 64% in the thermochemical treatment using heat and alkaline agents.

결국, 전처리에 의해서 슬러지의 가용화율이 향상됨을 알 수 있었고, 특히, 열처리의 경우, 열처리와 동시에 알카리 주입에 의한 가용화 효과가 높아짐을 확인할 수 있었다.As a result, it was found that the solubilization rate of the sludge was improved by the pretreatment. In particular, in the case of heat treatment, the solubilization effect by alkali injection was increased at the same time as the heat treatment.

실시예 2: 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화에 의한 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율 측정 실험Example 2 Measurement of Methane Generation and Sludge Reduction Efficiency by Joint Anaerobic Digestion of Sludge and Organic Wastewater

슬러지의 단독 혐기 소화 및 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화 실험을 실시하여, 혐기 소화 방법에 따른 메탄 발생량 및 슬러지 감량 효율를 비교하였다. 실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었고, 유기성 폐수는 식품제조 공장에서 배출된 것으로 COD는 6,600 mg/L이었다. 실험에 사용한 혐기 소화조로서 용량이 10L인 혐기 생물 반응기를 사용하였으며, 교반기(magnetic stirrer)와 가스 수집조(gas collector)가 장착되어 있어 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 비롯한 가스가 가스 수집조로 이송되어 정량할 수 있도록 되어 있고, 온도는 35℃를 유지하도록 하였다 (도 5).Anaerobic digestion of sludge and joint anaerobic digestion of sludge and organic wastewater were conducted to compare the methane production and sludge reduction efficiency according to the anaerobic digestion method. The sludge used in the experiment was excess sludge from Chuncheon sewage treatment plant. The COD was 20,690 mg / L, and the organic wastewater was discharged from the food manufacturing plant. The COD was 6,600 mg / L. The anaerobic bioreactor with a capacity of 10L was used as the anaerobic digester used for the experiment. A magnetic stirrer and a gas collector were mounted, so that gas including methane gas generated in the anaerobic digester was transferred to the gas collection tank. It was made to quantify and the temperature was kept at 35 ° C (Fig. 5).

동일한 종류의 2개의 혐기 소화조에 각각 상기 잉여 슬러지 10L 및 상기 잉여 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 투입하여, 잉여 슬러지의 단독 혐기 소화 및 잉여 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기 소화 실험을 실시하였다. 10L of the excess sludge, 5L of the excess sludge, and 5L of the organic wastewater were added to two anaerobic digesters of the same type, and the single anaerobic digestion of the excess sludge and the joint anaerobic digestion experiment of the excess sludge and the organic wastewater were conducted.

혐기 소화 실험 시작 후 21일이 지난 다음, 단독 혐기 소화 및 공동 혐기 소화의 결과로서 생산된 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율을 측정하였다. 메탄 발생량은 가스 발생부피와 gas chromatography를 이용하여 측정 및 계산하였고, 슬러지 감량 효율은 오븐에서 슬러지를 건조한 뒤 저울을 이용하여 혐기 소화 전후의 슬러지의 총 부유고형물 (total suspended solids)을 측정하여 계산하였다.After 21 days from the start of the anaerobic digestion experiment, the methane production and sludge reduction efficiency produced as a result of single anaerobic digestion and joint anaerobic digestion were measured. Methane emissions were measured and calculated using gas generation volume and gas chromatography, and the sludge reduction efficiency was calculated by measuring the total suspended solids of sludge before and after anaerobic digestion using a scale after drying the sludge in an oven. .

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우, 혐기 소화에 의한 메탄 발생량이 약 29.4g CH4/kg VSS인 반면, 잉여 슬러지와 유기성 폐수를 공동으로 혐기 소화시킨 경우, 혐기 소화에 의한 메탄 발생량이 약35.0g CH4/kg VSS으로 나타나 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우에 비하여 20% 정도 메탄 생산량이 증가한 것을 알 수 있었다.As a result, when anaerobic digestion of excess sludge alone as shown in Figure 3, while the amount of methane generated by anaerobic digestion is about 29.4g CH 4 / kg VSS, when the excess sludge and organic wastewater jointly anaerobic digestion, The amount of methane produced by anaerobic digestion was about 35.0g CH 4 / kg VSS, indicating that methane production was increased by 20% compared to the case of anaerobic digestion of excess sludge alone.

또한, 도 4에 나타난 바와 같이 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우 51%의 슬러지가 감량된 반면, 잉여 슬러지와 유기성 폐수를 공동으로 혐기 소화시킨 경우 58%의 슬러지가 감량된 것으로 나타나 잉여 슬러지를 단독으로 혐기 소화시킨 경우에 비하여 14% 정도의 슬러지 감량 효율이 있음을 확인하였다.In addition, as shown in FIG. 4, when anaerobic digestion of excess sludge alone reduced 51% of sludge, 58% of sludge was reduced when anaerobic digestion of excess sludge and organic wastewater was performed. It was confirmed that the sludge reduction efficiency of about 14% compared to the case of anaerobic digestion alone.

결국, 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기 소화시키면 슬러지를 단독으로 혐기 소화시키는 경우에 비해 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율이 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.As a result, co-anaerobic digestion of sludge and organic wastewater increased the methane generation and sludge reduction efficiency compared to the case of anaerobic digestion of sludge alone.

실시예 3: 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 메탄 생성 속도 및 메탄 발생량 실험Example 3: Methane Formation Rate and Methane Production by Co-anaerobic Digestion of Pretreated Sludge and Organic Wastewater

전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기 소화시키는 실험을 하여 메탄 생성 속도 및 메탄 발생량을 측정하였으며, 특히, 유기성 폐수와 공동 혐기 소화시키는 슬러지의 전처리 비율에 따른 메탄 생성 속도 및 메탄 발생량을 비교하였다. Methane production rate and methane generation rate were measured by co-anaerobic digestion of pretreated sludge and organic wastewater. In particular, methane production rate and methane generation rate were compared according to the pretreatment ratio of organic wastewater and sludge co-anaerobic digestion.

실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었고, 유기성 폐수는 식품제조 공장에서 배출된 것으로 COD는 6,600 mg/L이었다. 실험에서 사용한 전처리 방법은 열처리, 초음파처리 및 열과 알카리제 처리 방법을 사용하였다. 실험에 사용한 전처리조로서 용량이 10L인 반응조를 사용하였다. 혐기 소화조로서 용량이 용량이 10L인 혐기 생물 반응기를 사용하였으며, 교반기(magnetic stirrer)와 가스 수집조(gas collector)가 장착되어 있어 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 비롯한 가스가 가스 수집조로 이송되어 정량할 수 있도록 되어 있고, 온도는 35℃를 유지하도록 하였다The sludge used in the experiment was excess sludge from Chuncheon sewage treatment plant. The COD was 20,690 mg / L, and the organic wastewater was discharged from the food manufacturing plant. The COD was 6,600 mg / L. Pretreatment methods used in the experiments were heat treatment, sonication and heat and alkaline treatment. As the pretreatment tank used for the experiment, a reaction tank having a capacity of 10 L was used. As anaerobic digester, an anaerobic bioreactor with a capacity of 10L was used, and a magnetic stirrer and a gas collector were installed so that gas, including methane gas, generated in the anaerobic digester was transferred to the gas collection tank. The temperature was kept at 35 ° C.

메탄 발생량은 가스 발생부피와 gas chromatography를 이용하여 측정 및 계산하였고, 슬러지 감량 효율은 오븐에서 슬러지를 건조한 뒤 저울을 이용하여 혐기 소화 전후의 슬러지의 총 부유고형물 (total suspended solids)를 측정하여 계산하 였다.Methane generation was measured and calculated using gas generation volume and gas chromatography, and sludge reduction efficiency was calculated by measuring the total suspended solids of sludge before and after anaerobic digestion using a scale after drying the sludge in an oven. It was.

3-1. 열처리 방법으로 전처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화3-1. Joint Anaerobic Digestion of Sludge and Organic Wastewater Pretreated by Heat Treatment

슬러지의 전처리를 위하여, 슬러지 10L를 120℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하였다. 상기 열처리된 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 혐기 소화조에 유입시켜 공동 혐기 소화시켰다. 이때, 혐기 소화조로 유입시킨 슬러지 중 열처리 방법으로 전처리한 슬러지의 비율을 전체 슬러지 100% 중 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%로 하여 실험을 실시하였다. 즉, 혐기 소화시킬 전체 슬러지 5L 중에 전처리된 슬러지가 0L, 1L, 2L, 3L, 4L 및 5L일 경우의 실험을 각각 실시하였다.For pretreatment of the sludge, 10L of sludge was heat-treated for 1 hour at a temperature of 120 ° C. 5 L of the heat treated sludge and 5 L of organic wastewater were introduced into an anaerobic digester for co-anaerobic digestion. At this time, the ratio of the sludge pretreated by the heat treatment method of the sludge introduced into the anaerobic digester was 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100% of the total sludge was carried out. That is, experiments were performed when the sludges pretreated in 5L of total sludge to be anaerobic digested were 0L, 1L, 2L, 3L, 4L, and 5L.

상기 열처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화를 실시한 결과, 도 6의 (a) 에 나타난 바와 같이, 유기성 폐수는 혐기소화 시작 후 초기 7일 동안에 혐기 소화되어 안정화되었고, 슬러지는 혐기소화 시작 후 21일 이후에 안정화 되었다. 혐기 처리되는 유기 폐수의 안정화는 폐수중의 COD 잔류량과 누적 메탄가스 발생량의 변화로부터 확인하였다. 표 1에도 나타난 바와 같이 상기 초기 7일 동안의 메탄 발생량은 전체 메탄 발생량인 2/3 이상에 해당하였다. 또한, 메탄 생성속도에 있어서도 혐기소화 기간의 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 상기 14일 동안의 메탄 생성속도의 6배 이상인 것으로 나타났다. 또한, 열처리에 의한 슬러지의 전처리 비율이 높아질수록 혐기소화 효율이 향상되는 것으로 나타났다. As a result of the anaerobic digestion of the heat treated sludge and the organic wastewater, as shown in FIG. 6A, the organic wastewater was stabilized by anaerobic digestion for the first 7 days after the start of anaerobic digestion, and the sludge was 21 days after the start of anaerobic digestion. Afterwards it stabilized. Stabilization of anaerobic organic wastewater was confirmed by changes in the amount of COD remaining and the amount of cumulative methane gas generated in the wastewater. As shown in Table 1, the amount of methane generated during the first 7 days corresponds to 2/3 or more of the total methane generated. In addition, the methane production rate during the initial 7 days of the anaerobic digestion period was also six times more than the methane production rate during the 14 days in the methane production rate. In addition, the higher the pretreatment ratio of the sludge by heat treatment was shown to improve the anaerobic digestion efficiency.

열처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 후의 메탄발생량 및 메탄생성속도Methane Formation and Methane Formation Rate after Joint Anaerobic Digestion of Heat Treated Sludge and Organic Wastewater 전처리(열처리)된
슬러지 비율
Pre-treated (heat-treated)
Sludge ratio
메탄 발생량
g CH4/kg VSS
Methane generation
g CH 4 / kg VSS
메탄생성속도
g CH4/L·day
Methane production rate
g CH 4 / Lday
초기 7일Initial 7 days 초기 7일 후 14일14 days after initial 7 days 초기 7일Initial 7 days 초기 7일 후 14일14 days after initial 7 days 0%0% 2020 1111 0.200.20 0.050.05 20%20% 4444 1212 0.460.46 0.060.06 40%40% 7171 1515 0.740.74 0.090.09 60%60% 8888 1818 0.920.92 0.100.10 80%80% 113113 2525 1.191.19 0.140.14 100%100% 122122 3939 1.271.27 0.220.22

전처리하지 않은 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화와의 비교 실험은 위 표의 전처리된 슬러지 비율이 0%인 것으로 다른 전처리 비율값과 비교할 수 있다. 결국, 혐기소화 초기에 메탄 발생량과 메탄 생성속도가 큰 것으로 미루어 보아, 열처리 방법에 의해 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 경우 혐기소화 기간을 단축시킬 수 있고, 전처리된 슬러지의 비율이 높을수록 혐기소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 한편 유기성 폐수만을 혐기 소화할 경우 메탄 발생량은 유기성 폐수의 낮은 COD로 인하여 전처리 슬러지의 1/3에 불과하였다. The comparison of the co-anaerobic digestion of untreated sludge with organic wastewater shows that the pretreated sludge ratio in the table above is 0% and can be compared with other pretreatment ratio values. In conclusion, considering that methane generation rate and methane production rate are high in the early stage of anaerobic digestion, co-anaerobic digestion of pretreated sludge and organic wastewater by the heat treatment method can shorten the duration of anaerobic digestion, and the ratio of pretreated sludge will be high. It was confirmed that the higher the anaerobic digestion efficiency can be increased. On the other hand, when only organic wastewater was anaerobic digested, methane was only 1/3 of the pretreated sludge due to the low COD of organic wastewater.

3-2. 초음파 처리 방법으로 전처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화3-2. Joint Anaerobic Digestion of Sludge and Organic Wastewater Pretreated by Ultrasonic Treatment

슬러지의 전처리를 위하여, 전처리조에 슬러지 10L를 유입시킨 후, 87.5W/L의 동력으로 주파수가 28kHz인 초음파를 1~2시간 동안 조사하여(400~800 kj/L의 초음파 조사)하여, 초음파처리 하였다. 상기 초음파 처리된 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 혐기 소화조에 유입시켜 공동 혐기 소화시켰다. 이때, 혐기 소화조로 유입시킨 슬러지 중 초음파 처리 방법으로 전처리한 슬러지의 비율을 전체 슬러지 100% 중 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%로 하여 실험을 실시하였다. 즉, 혐기 소화시킬 전체 슬러지 5L 중에 전처리된 슬러지가 0L, 1L, 2L, 3L, 4L 및 5L일 경우의 실험을 각각 실시하였다.For the pretreatment of the sludge, 10L of sludge was introduced into the pretreatment tank, and then ultrasonic waves with a frequency of 28 kHz were irradiated for 1 to 2 hours (with 400 to 800 kj / L ultrasonic waves) at a power of 87.5 W / L. It was. 5 L of the sonicated sludge and 5 L of organic wastewater were introduced into an anaerobic digester for co-anaerobic digestion. At this time, the ratio of the sludge pretreated by the ultrasonic treatment method of the sludge introduced into the anaerobic digester was 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100% of the total sludge was carried out. That is, experiments were performed when the sludges pretreated in 5L of total sludge to be anaerobic digested were 0L, 1L, 2L, 3L, 4L, and 5L.

상기 초음파 처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화를 실시한 결과, 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이, 유기성 폐수는 혐기소화 시작 후 초기 7일 동안에 혐기 소화되어 안정화되었고, 슬러지는 혐기소화 시작 후 18일 이후에 안정화되었다. 또한, 표 2에도 나타난 바와 같이 상기 초기 7일 동안의 메탄 발생량은 전체 메탄 발생량의 2/3 이상에 해당하였다. 혐기 처리되는 유기 폐수의 안정화는 폐수중의 COD 잔류량과 누적 메탄가스 발생량의 변화로부터 확인하였다. 또한, 메탄 생성속도에 있어서도 혐기소화 기간의 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 초기 7일 이후의 14일 동안의 메탄 생성속도의 6배 이상인 것을 나타났다. 또한, 초음파 처리에 의한 슬러지의 전처리 비율이 높아질수록 혐기소화 효율이 향상되는 것으로 나타났다. As a result of the anaerobic digestion of the ultrasonically treated sludge and the organic wastewater, as shown in FIG. 6 (b), the organic wastewater was stabilized by anaerobic digestion for the first 7 days after the start of anaerobic digestion, and the sludge was 18 after the start of anaerobic digestion. After days stabilized. In addition, as shown in Table 2, the amount of methane generated during the initial seven days corresponded to two-thirds or more of the total methane generated. Stabilization of anaerobic organic wastewater was confirmed by changes in the amount of COD remaining and the amount of cumulative methane gas generated in the wastewater. Also, in the methane production rate, the methane production rate during the initial 7 days of the anaerobic digestion period was 6 times or more than the methane production rate during the 14 days after the initial 7 days. In addition, the anaerobic digestion efficiency was improved as the pretreatment ratio of the sludge by the ultrasonic treatment is increased.

초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 후의 메탄발생량 및 메탄생성속도Methane Formation and Methane Formation Rate after Joint Anaerobic Digestion of Ultrasonicated Sludge and Organic Wastewater 전처리(초음파처리)된
슬러지 비율
Pretreated (ultrasound)
Sludge ratio
메탄 발생량
g CH4/kg VSS
Methane generation
g CH 4 / kg VSS
메탄생성속도
g CH4/L·day
Methane production rate
g CH 4 / Lday
초기 7일Initial 7 days 초기 7일 후 14일14 days after initial 7 days 초기 7일Initial 7 days 초기 7일 후 14일14 days after initial 7 days 0%0% 2020 1111 0.200.20 0.050.05 20%20% 4444 1414 0.240.24 0.070.07 40%40% 6868 1717 0.460.46 0.090.09 60%60% 8888 1818 0.720.72 0.110.11 80%80% 128128 2727 0.920.92 0.160.16 100%100% 133133 4040 1.341.34 0.220.22

결국, 혐기소화 초기에 메탄 발생량과 메탄 생성속도가 큰 것으로 미루어 보아, 초음파 처리에 의해 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 경우 혐기소화 기간을 단축시킬 수 있고, 전처리된 슬러지의 비율이 높을수록 혐기소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다.In conclusion, considering that methane generation rate and methane production rate are high in the early stage of anaerobic digestion, the joint anaerobic digestion of pretreated sludge and organic wastewater by ultrasonic treatment can shorten the duration of anaerobic digestion, and the ratio of pretreated sludge will be high. It was confirmed that the higher the anaerobic digestion efficiency can be increased.

3-3. 열 및 알카리제를 이용한 열화학 처리 방법으로 전처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화3-3. Joint Anaerobic Digestion of Pretreated Sludge and Organic Wastewater by Thermochemical Treatment Using Heat and Alkaline

슬러지의 전처리를 위하여, 전처리조에 슬러지 10L를 유입시킨 후, 100~160℃의 온도에서 1시간 동안 열을 가하는 동시에 동시에 알카리제로서 1.6g/L의 NaOH를 주입하여, 열 및 알카리제 처리를 하였다. 상기 열 및 알카리제 처리된 슬러지 5L와 유기성 폐수 5L를 혐기 소화조에 유입시켜 공동 혐기 소화시켰다. 이때, 혐기 소화조로 유입시킨 슬러지 중 열 및 알카리제 처리 방법으로 전처리한 슬러지의 비율을 전체 슬러지 100% 중 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%로 하여 실험을 실시하였다. 즉, 혐기 소화시킬 전체 슬러지 5L 중에 전처리된 슬러지가 0L, 1L, 2L, 3L, 4L 및 5L일 경우의 실험을 각각 실시하였다.For the pretreatment of sludge, 10L of sludge was introduced into the pretreatment tank, and then heat was applied at a temperature of 100 to 160 ° C. for 1 hour, and 1.6 g / L of NaOH was injected as an alkaline agent, followed by heat and alkali treatment. . The heat and alkaline treated sludge 5L and 5L of organic wastewater were introduced into the anaerobic digester to co-anaerobic digestion. At this time, the ratio of the sludge pretreated by heat and alkaline treatment method in the sludge introduced into the anaerobic digester was 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100% of the total sludge was carried out. . That is, experiments were performed when the sludges pretreated in 5L of total sludge to be anaerobic digested were 0L, 1L, 2L, 3L, 4L, and 5L.

상기 열 및 알카리제 처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화를 실시한 결과, 도 6의 (c) 및 표 3에 나타난 바와 같이, 혐기소화 시작 후 초기 7일 동안의 메탄 생성속도는 상기 7일 이후의 14일 동안의 메탄 생성속도의 2배에 불과한 것으로 나타났다. 상기 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 14일 동안의 생성속도의 2배에 불과한 것은 알카리제 처리에 의해 슬러지의 pH를 미생물이 생육하기 좋은 알카리로 보정했음에도 불구하고 미생물이 적응하는데 시간이 필요한 때문인 것으로 판단된다. 메탄 생산량에 있어서, 혐기소화 후반부에도 메탄 생산량이 꾸준이 증가하는 것으로 나타나 혐기 소화가 계속 진행되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 열 및 알카리제 처리에 의한 슬러지의 전처리 비율이 높아질수록 혐기소화 효율이 향상되는 것으로 나타났다. As a result of the anaerobic digestion of the heat and alkaline treated sludge and the organic wastewater, as shown in FIG. 6 (c) and Table 3, the rate of methane production for the first 7 days after the start of anaerobic digestion was Only 14 times the methane production rate for 14 days. The rate of methane production during the initial 7 days was only twice that of 14 days because the pH of the sludge was corrected by alkali treatment so that the microorganisms needed time for the microorganisms to adapt. It seems to be. In the methane production, methane production continued to increase in the latter part of anaerobic digestion, indicating that anaerobic digestion continued. In addition, the higher the pretreatment ratio of the sludge by heat and alkaline treatments, the higher the anaerobic digestion efficiency was.

열과 알카리제를 이용하여 열화학 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 후의 메탄발생량 및 메탄생성속도Methane Generation and Methane Production Rate after Co-anaerobic Digestion of Sludge and Organic Wastewater Treated with Thermochemical Alkaline using Heat and Alkaline 전처리(열과 알카리제처리)된
슬러지 비율
Pretreated (heat and alkaline)
Sludge ratio
메탄 발생량
g CH4/kg VSS
Methane generation
g CH 4 / kg VSS
메탄생성속도
g CH4/L·day
Methane production rate
g CH 4 / Lday
초기 7일Initial 7 days 초기 7일 후 14일14 days after initial 7 days 초기 7일Initial 7 days 초기 7일 후 14일14 days after initial 7 days 0%0% 2020 1111 0.200.20 0.050.05 20%20% 5151 1515 0.530.53 0.110.11 40%40% 8585 1616 0.880.88 0.120.12 60%60% 106106 1515 1.111.11 0.230.23 80%80% 108108 7171 1.141.14 0.430.43 100%100% 109109 102102 1.151.15 0.640.64

결국, 혐기소화 초기에 메탄 발생량과 메탄 생성속도가 큰 것으로 미루어 보아, 열과 알카리제 처리 방법에 의해 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 경우 혐기소화 기간을 단축시킬 수 있고, 전처리된 슬러지의 비율이 높을수록 혐기소화 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 확인하였다.In conclusion, considering the large amount of methane produced and the rate of methane production in the early stage of anaerobic digestion, joint anaerobic digestion of sludge and organic wastewater pretreated by heat and alkaline treatment methods can shorten the anaerobic digestion period, and It was confirmed that the higher the ratio can increase the anaerobic digestion efficiency.

그러나, 혐기 소화 시작 후 초기 7일 동안의 메탄 생성속도가 상기 7일 이후의 메탄 생성속도의 2배에 불과할 뿐만 아니라, 혐기 소화 후반부에도 메탄 생산량이 꾸준히 증가하는 것으로 보아, 열 및 알카리 처리에 의한 슬러지 전처리 방법이 최종 메탄 생산량 증대에는 기여할 수 있으나, 열처리, 초음파 처리 등과 같은 전처리 방법에 비해 메탄 생성속도 향상에는 다소 비효율적인 것으로 판단된다.However, the methane production rate during the first 7 days after the start of anaerobic digestion was only twice that of the methane after 7 days, and the methane production was steadily increased in the latter part of the anaerobic digestion. Sludge pretreatment may contribute to the increase in final methane production, but it is considered to be somewhat inefficient in improving methane production rate compared to pretreatment such as heat treatment and sonication.

실시예 4: 전처리 방법에 따른 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화 효율Example 4 Joint Anaerobic Digestion Efficiency of Pretreated Sludge and Organic Wastewater According to Pretreatment Method

슬러지를 전처리하는 방법을 달리하여 전처리 방법에 따른 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기소화 효율을 비교 실험하였다. 혐기소화 효율은 메탄 발생량과 슬러지 감량 효율 측정에 의하여 비교하였다.By comparing the sludge pretreatment method, the anaerobic digestion efficiency of the pretreated sludge and organic wastewater was compared. Anaerobic digestion efficiency was compared by measuring methane generation and sludge reduction efficiency.

실험에 사용된 슬러지는 춘천 지역 하수 처리장에서 채취한 잉여 슬러지로 COD는 20,690 mg/L이었고, 유기성 폐수는 식품제조 공장에서 배출된 것으로 COD는 6,600 mg/L이었다. 실험에 사용된 전처리조는 10L 용량의 반응조를 사용하였고, 혐기 소화조로서 용량이 10L인 혐기 생물 반응기를 사용하였으며, 교반기(magnetic stirrer)와 가스 수집조(gas collector)가 장착되어 있어 혐기 소화조에서 발생하는 메탄가스를 비롯한 가스가 가스 수집조로 이송되어 정량할 수 있도록 되어 있고, 온도는 35℃를 유지하도록 하였다. 실험에서 사용한 전처리 방법은 열처리, 초음파처리 및 열과 알카리제 처리 방법을 사용하였다.The sludge used in the experiment was excess sludge from Chuncheon sewage treatment plant. The COD was 20,690 mg / L, and the organic wastewater was discharged from the food manufacturing plant. The COD was 6,600 mg / L. The pretreatment tank used in the experiment was a 10L reactor, an anaerobic bioreactor with a capacity of 10L, and was equipped with a magnetic stirrer and a gas collector. Gases, including methane gas, were transferred to the gas collection tank for quantification and the temperature was maintained at 35 ° C. Pretreatment methods used in the experiments were heat treatment, sonication and heat and alkaline treatment.

열처리 방법으로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 120℃의 온도의 열을 1시간 동안 가하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.As a heat treatment method, 10 L of the excess sludge was introduced into a pretreatment tank, and heat at 120 ° C. was applied for 1 hour to pretreat the excess sludge.

초음파 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 87.5W/L의 동력으로 주파수가 28kHz인 초음파를 1~2시간 동안 조사하여(400~800 kj/L의 초음파 조사), 잉여 슬러지를 전처리하였다.As an ultrasonic treatment, 10L of the excess sludge was introduced into a pretreatment tank, and then irradiated with ultrasonic waves having a frequency of 28 kHz for 1 to 2 hours at a power of 87.5 W / L (ultraviolet irradiation of 400 to 800 kj / L) to produce excess sludge. Pretreatment.

열과 알카리제 처리로서, 전처리조에 상기 잉여 슬러지 10L를 유입시킨 후, 1시간 동안 120℃의 온도의 열을 가하는 동시에 알카리제로서 1.6g/L의 NaOH를 주입하여, 잉여 슬러지를 전처리하였다.As heat and alkaline agent treatment, 10 L of the excess sludge was introduced into a pretreatment tank, and then heat was applied at a temperature of 120 ° C. for 1 hour, and 1.6 g / L of NaOH was injected as an alkali agent to pretreat the excess sludge.

혐기 소화는 전처리하지 않은 슬러지, 유기성 폐수, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수, 초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수 및 열과 알카리제 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 5가지 경우를 대상으로 하였다.Anaerobic digestion was performed in five cases: untreated sludge, organic wastewater, heat treated sludge and organic wastewater, ultrasonically treated sludge and organic wastewater, heat and alkaline treated sludge, and organic wastewater.

4-1. 전처리 방법에 따른 메탄 발생량4-1. Methane Generation by Pretreatment Method

21일간 혐기 소화를 실시한 후, 상기 5가지 각 경우의 메탄 발생량을 가스 발생 부피와 gas chromatography를 이용하여 계산하였다.After performing anaerobic digestion for 21 days, methane generation in each of the five cases was calculated using gas generation volume and gas chromatography.

그 결과, 도 7의 (a)에 나타난 바와 같이, 전처리하지 않은 슬러지만 혐기소화시켰을 경우 메탄 발생량은 34.54 g/kg VSS였고, 폐수만을 혐기소화시켰을 경우 메탄 발생량은 118 g/kg VSS 였으며, 폐수만을 혐기소화시켰을 경우는 미생물이 이용하기 쉬운 형태이므로 혐기소화 시작 후 7일 이내에 안정화되었다. 또한, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시켰을 경우 메탄 발생량은 164 g/kg VSS로서 슬러지만 혐기소화시켰을 때보다 4.7배 정도 높은 값을 나타내었고, 초음파 처리한 경우는 175 g/kg VSS로서 5.1배 정도 높은 값을 나타내었으며, 열과 알카리제를 처리한 경우는 231 g/kg VSS로서 6.7배 정도 높은 값을 나타내었다. 즉, 전처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화 했을 경우에는 전처리하지 않은 슬러지만을 단독으로 혐기 소화시켰을 때보다 메탄 발생량이 높게 나타났는데, 이러한 결과는 분해가 쉬운 유기성 폐수의 영향인 것임을 알 수 있었다. As a result, as shown in (a) of FIG. 7, methane generation amount was 34.54 g / kg VSS when the sludge was not pretreated but was anaerobic digested, and methane was 118 g / kg VSS when the wastewater was anaerobic digested. The anaerobic digestion of the bay stabilized within 7 days after the start of anaerobic digestion because it was easy to use microorganisms. In the case of co-anaerobic digestion of heat-treated sludge and organic wastewater, the amount of methane produced was 164 g / kg VSS, which was 4.7 times higher than that of sludge but anaerobic digestion, and 175 g / kg VSS when sonicated. It was 5.1 times higher, and heat and alkaline treatments were 231 g / kg VSS, which was 6.7 times higher. In other words, when co-anaerobic digestion of pretreated sludge and organic wastewater showed higher methane generation than anaerobic digestion of only untreated sludge alone, these results indicate that organic wastewater is easy to decompose.

4-2. 전처리 방법에 따른 슬러지 감량 효율4-2. Sludge Reduction Efficiency According to Pretreatment Method

21일간 혐기 소화를 실시한 후, 전처리하지 않은 슬러지, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수, 초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수 및 열과 알카리제 처리한 슬러지와 유기성 폐수의 4가지 경우를 대상으로 하여, 각 경우의 슬러지 감량 효율을 측정하였다. 슬러지의 감량효과는 실험 실시 전 슬러지의 VSS를 측정하고, 실험이 끝난 후의 VSS를 측정하여 그 차이값을 이용하여 계산하였다. 정량적인 비교를 위하여 슬러지가 비교적 안정화되었다고 판단되는 21일을 기준으로 슬러지의 감량 효과를 계산하였다.After 21 days of anaerobic digestion, four cases of untreated sludge, heat treated sludge and organic wastewater, ultrasonically treated sludge and organic wastewater, heat and alkaline treated sludge, and organic wastewater were treated. The weight loss efficiency was measured. The sludge reduction effect was calculated by measuring the VSS of the sludge before the experiment and measuring the VSS after the experiment. For quantitative comparison, the reduction effect of sludge was calculated on the basis of 21 days when sludge was relatively stabilized.

그 결과, 도 7의 (b)에 나타난 바와 같이, 전처리하지 않은 슬러지만을 혐기소화시킨 경우는 55%의 슬러지 감량효과를 나타내었고, 열처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킨 경우는 61%의 슬러지 감량효과를 나타내었으며, 초음파 처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킨 경우는 62%의 슬러지 감량효과를 나타내었고, 열과 알카리제 처리한 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킨 경우는 65%의 슬러지 감량효과를 나타내었다. As a result, as shown in (b) of FIG. 7, anaerobic digestion of only untreated sludge showed 55% of sludge reduction effect, and 61% of co-anaerobic digestion of heat treated sludge and organic wastewater. The sludge reduction effect was shown, and the co-anaerobic digestion of sonicated sludge and organic wastewater showed 62% sludge reduction effect. The sludge reduction effect was shown.

결국, 슬러지만을 단독으로 혐기 소화시키는 것보다는 슬러지를 전처리한 후 유기성 폐수와 공동으로 혐기소화시킬 때 메탄 발생량 및 슬러지 감량 효율이 증대되는 것으로 나타나, 혐기 소화효율이 커짐을 알 수 있었다. 또한, 전처리 방법 중에서도 열과 알카리제 처리로 슬러지를 처리할 경우, 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 혐기 소화효율이 높게 나타나는 것을 확인하였다.As a result, methane generation and sludge reduction efficiency increased when pretreatment of sludge with organic wastewater rather than anaerobic digestion of sludge alone showed an increase in anaerobic digestion efficiency. In addition, in the pretreatment method, when the sludge was treated by heat and alkaline treatment, it was confirmed that the anaerobic digestion efficiency of the pretreated sludge and organic wastewater was high.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

도 1은 전처리된 슬러지와 유기성 폐수를 병합하여 공동 혐기소화시키는 공정의 개략도이다 (a: 슬러지를 100% 전처리한 후, 유기성 폐수와 병합하여 공동 혐기소화시키는 공정, b: 슬러지의 일부는 전처리하고 일부는 전처리하지 않은 채 유기성 폐수와 병합하여 공동 혐기소화시키는 공정).1 is a schematic diagram of a process for co-anaerobic digestion by combining pretreated sludge and organic wastewater (a: 100% pretreatment of sludge and then co-anaerobic digestion by combining with organic wastewater, b: pretreatment of a portion of sludge Co-anaerobic digestion by incorporation into organic wastewater without some pretreatment).

도 2는 전처리 방법에 따른 슬러지의 가용화 효율을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the solubilization efficiency of the sludge according to the pretreatment method.

도 3은 슬러지의 단독 혐기소화 및 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 메탄 발생량을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the amount of methane generated by the sole anaerobic digestion of sludge and the co-anaerobic digestion of sludge and organic wastewater.

도 4는 슬러지의 단독 혐기소화 및 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 슬러지 감량효율을 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the sludge reduction efficiency by the sole anaerobic digestion of sludge and joint anaerobic digestion of sludge and organic wastewater.

도 5는 본 발명에서 슬러지와 유기성 폐수를 공동 혐기소화시킬 때 사용된 혐기 소화조의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 5 shows a schematic diagram of the anaerobic digester used when co-anaerobic digestion of sludge and organic wastewater in the present invention.

도 6는 전처리 방법에 따른 슬러지와 유기성 폐수의 공동 혐기소화에 의한 메탄 생산량을 나타낸 그래프이다 (a: 열처리 방법으로 슬러지를 전처리한 경우, b: 초음파 처리 방법으로 슬러지를 전처리한 경우, c: 열과 알카리제로 슬러지를 전처리한 경우).6 is a graph showing methane production by co-anaerobic digestion of sludge and organic wastewater according to the pretreatment method (a: when the sludge was pretreated by the heat treatment method, b: when the sludge was pretreated by the ultrasonic treatment method, c: heat and Pretreated sludge with alkaline).

도 7은 전처리 방법에 따른 혐기소화 효율을 나타낸 그래프이다 (a: 전처리 방법에 따른 혐기소화 후의 메탄생산량 비교, b: 전처리 방법에 따른 슬러지 감량 효율 비교). 7 is a graph showing the anaerobic digestion efficiency according to the pretreatment method (a: comparison of methane production after anaerobic digestion according to the pretreatment method, b: comparison of sludge reduction efficiency according to the pretreatment method).

Claims (8)

다음의 단계를 포함하는 전처리된 슬러지와 유기성 폐수의 병합 공동처리 방법:Combined co-treatment of pretreated sludge with organic wastewater comprising the following steps: (a) 슬러지를 전처리하는 단계; 및(a) pretreating the sludge; And (b) 상기 전처리된 슬러지 100중량부에 유기성 폐수 20~200 중량부를 첨가시킨 후, 30~40℃의 온도에서 공동 혐기 소화시키는 단계.(b) adding 20 to 200 parts by weight of organic wastewater to 100 parts by weight of the pretreated sludge, followed by co-anaerobic digestion at a temperature of 30 to 40 ° C. 제1항에 있어서, 상기 유기성 폐수는 1,000~25,000mg BOD/L의 고농도 유기성 폐수인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the organic wastewater is a high concentration organic wastewater of 1,000 ~ 25,000mg BOD / L. 제1항에 있어서, 상기 전처리는 열처리, 초음파 처리 및 열화학 처리로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the pretreatment is selected from the group consisting of heat treatment, sonication and thermochemical treatment. 제3항에 있어서, 상기 열처리는 상기 슬러지를 100~180℃의 고온으로 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 3, wherein the heat treatment is characterized in that for heating the sludge at a high temperature of 100 ~ 180 ℃. 제3항에 있어서, 상기 초음파 처리는 상기 슬러지에 300~1,000 kj/L의 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 3, wherein the ultrasonic treatment irradiates the sludge with an ultrasonic wave of 300 to 1,000 kj / L. 제3항에 있어서, 상기 열화학 처리는 40~160℃의 온도하에서 1~5g/L의 알카리제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 3, wherein the thermochemical treatment adds 1-5 g / L of alkaline agent at a temperature of 40-160 ° C. 5. 제6항에 있어서, 상기 알카리제는 NaOH, CaO, Ca(OH)2 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.7. The method of claim 6, wherein the alkali agent is selected from the group consisting of NaOH, CaO, Ca (OH) 2 and mixtures thereof. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 전체 슬러지 중 10~90%를 전처리하고, 나머지는 전처리하지 않고 혐기 소화시키는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein in step (a), 10 to 90% of the total sludge is pretreated, and the remainder is anaerobic digested without pretreatment.
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