KR20110120509A - 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하수처리공정 중에 발생되는 유기성 폐기물 슬러지에 초음파 처리하여 가용화율이 30%가 되도록 가용화한 다음, 이를 혐기 소화조에 최적 처리시간 동안 체류시킴으로써, 메탄 생산과 슬러지 감량에 효율적인 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법은 유기성 폐기물 슬러지의 가용화율이 30%가 되도록 초음파 처리하고, 이를 혐기 소화조에서 최적의 처리시간 동안 체류시킴으로써, 혐기소화 효율을 향상시키고, 더 많은 양의 메탄가스를 얻을 수 있으며, 운전시간을 감소를 가능하게 하여 최소의 에너지 비용으로 최대의 효과를 얻을 수 있다.

Description

유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법{Method Reducing for Organic Waste Slude}
본 발명은 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하수처리공정 중에 발생되는 유기성 폐기물 슬러지의 가용화율이 30% 되도록 유기성 폐기물 슬러지를 초음파 처리한 다음, 이를 혐기 소화조에 최적 처리시간 동안 체류시킴으로써, 메탄 생산과 슬러지 감량에 효율적인 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법에 관한 것이다.
하수 처리 과정에서 발생되는 고형물인 슬러지는 단순히 폐기물로 간주되지않고 재생 가능한 자원으로 인식되어 바이오 고형물(biosolids)라고 불리우고 있다. 국내 하수처리장은 2003년 말 기준 236개소에서 하루 20,776천 톤의 하수를 처리하고 있으며, 하루 6,199톤(건조중량 기준)의 하수 슬러지가 발생되고 있다.
현재 국내 하수처리장에서 슬러지를 처리하는 대표적인 예는, 도 1에 나타난 바와 같이, 최초 및 최종 침전지에서 발생된 생슬러지와 잉여슬러지를 농축조에서 분리 가능한 수분을 제거하여 부피를 감소시킨 후 혐기성 소화를 통해 장기간 안정화시킨 후 탈수과정을 거쳐 고액 분리하여 처리하고 있다. 이렇게 처리되어 최종 케이크 형태로 남은 슬러지는 해양투기나 매립, 소각 등의 방법으로 최종 처분되게 된다.
이와 같은 과정을 거친 최종 하수 슬러지는 함수율이 높고, 유기물질을 다량함유하고 있어 부패하기 쉬운 특성을 가지고 있으며, 처리과정에서 악취 및 해충발생으로 인한 환경피해가 발생할 우려가 있다. 한편 국내의 슬러지의 처분에 소요되는 비용은 2004년 기준 연간 1,760여 억 원에 이르고 있으며 처리 비용 등을 합하면 전체 하수처리 비용의 40～60%를 차지하고 있어 향후 하수처리장이 증, 개축으로 인해 급격히 증가할 것을 고려하면 막대한 예산이 소요될 전망이다.
국내 대부분의 하수처리장에 설치되어 있는 혐기성 소화조의 경우, 고형물 농도가 높은 고농도폐수 및 폐기물에 적용 가능하고, 부산물로 메탄가스를 얻을 수 있다는 장점에 반해, 율속 단계인 슬러지의 가수분해 속도가 낮아 긴 체류 시간에도 불구하고 소화효율이 낮고, 메탄가스의 유효 이용 정도도 낮아 실질적인 감량화 및 에너지 회수가 되지 않고 있으며, 탈수성 개선에도 기여하지 못하고 있다.
현재 가장 주목받는 것은 슬러지의 유기물 성분을 활용하는 것으로 생물학적 발효를 통하여 유기산이나, 메탄, 수소와 같은 물질을 생산하여 원료로 이용하는 것이다. 더구나 최근 에너지 가격이 급격히 상승하면서 대체에너지원으로서도 많은 관심을 모으고 있다. 그러므로 국내 실정에 적합한 슬러지 이용 기술은 전처리를 통한 기존 슬러지 처리공정의 효율을 향상시키면서, 이용 가능한 에너지 추출을 극대화하는 방향으로 진행되는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
슬러지 감량화 기술은 슬러지를 가용화할 수 있는 다양한 전처리 기술을 도입하고 가용화된 슬러지 내 유기물을 수처리 공정으로 반송하여 생물반응조에서 분해되도록 하여 슬러지 발생량을 원천 저감하는 기술이다. 주요 방법으로는 오존, 가압파쇄, 수열반응에 의한 슬러지의 감량화 등이 있다. 국내에서는 일본의 슬러지 감량화 및 무배출을 표방한 다양한 기술들이 개발 중에 있다. 대표적으로 오존을 이용한 슬러지 가용화 기술을 A/O 공정에 적용하여 방류수질의 악화 없이 슬러지를 감량할 수 있는 기술, 수산화나트륨 및 초음파를 이용한 슬러지 감량화 기술, 유효 미생물을 이용한 전처리 기술, 이중 주파수를 이용한 전처리 기술 등 경제적이고 효과적으로 슬러지를 가용화 할 수 있는 기술들이 연구개발 중에 있다. 또한 알칼리 전처리를 이용한 슬러지 감량형 MBR(membrane bioreactor) 하수처리 기술이 현재 사업화를 진행 중이다.
그러나, 이러한 슬러지를 가용화하여 감량할 수 있는 기술이 다양하게 개발되어 있음에도 불구하고 슬러지의 가용화율이 높다고 해서 메탄 생성율이나 고형물 감소가 비례하여 늘어나지 않는 것으로 알려져 있고, 슬러지를 전처리하지 않은 메탄 혐기 소화에서 최적의 유기물 제거효율을 나타내는 체류시간은 대략 28일 정도로 보고되고 있으나, 가용화를 위해 전처리된 슬러지의 혐기 소화조에서의 최적 처리시간 등에 대해서도 확실히 알려져 있지 않아 국내 하수처리 실정에 맞는 고도처리 공정과 연계한 저비용, 고효율의 슬러지 가용화 기술 개발이 지속적으로 필요하다.
이에 본 발명자들은 생물학적 하수처리공정 및 하수처리공정 중에 발생하는 유기 폐기물 슬러지를 보다 효율적으로 감량화할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 하수처리공정 중에 발생되는 유기성 폐기물 슬러지에 초음파 처리하여 유기성 폐기물 슬러지의 가용화율이 30%되도록 처리한 다음, 이를 혐기 소화조에서 14일 ~ 21일 동안 체류시킬 경우, 메탄 생산과 슬러지 감량에 효율적인 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 초음파를 이용하여 최적의 유기성 폐기물 슬러지 가용율 및 혐기 소화조의 체류시간을 도출하여 유기성 폐기물 슬러지의 메탄 생산과 슬러지 감량에 효율적인 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 하수처리공정에서 발생하는 유기성 폐기물 슬러지에 진동수가 10~30kHZ이고, 에너지 밀도가 0.05~0.4W/ml/hr인 초음파를 처리하여 가용화율이 30%인 유기성 폐기물 슬러지를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 가용화율이 30%인 유기성 폐기물 슬러지를 혐기 소화조에서 14 ~ 21일 동안 체류시키는 단계를 포함하는 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법은 유기성 폐기물 슬러지의 가용화율이 30%가 되도록 초음파 처리하고, 이를 혐기 소화조에서 최적의 처리시간 동안 체류시킴으로써, 혐기소화 효율을 향상시키고, 더 많은 양의 메탄가스를 얻을 수 있으며, 운전시간을 감소를 가능하게 하여 최소의 에너지 비용으로 최대의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 국내 하수처리장의 대표적인 하수 및 슬러지 처리 계통도를 나타낸 것이다.
도 2는 초음파 처리에 의해 발생하는 공동화 현상에 의해 촉진되는 슬러지 내의 반응을 나타낸 것으로, 균일 액상에서 발생되는 공동화 기포와 초음파 압력과의 관계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 사용된 반 연속 혐기 반응기의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 유기성 폐기물 슬러지의 초음파 처리에 따른 혐기 소화조에서의 메탄 생성 측정 그래프이다.
도 5는 유기성 폐기물 슬러지의 초음파 처리에 따른 혐기 소화조에서의 COD 변화를 측정한 그래프이다.
도 6은 유기성 폐기물 슬러지의 초음파 처리에 따른 혐기 소화조에서의 용존 COD 변화를 측정한 그래프이다.
도 7은 유기성 폐기물 슬러지의 초음파 처리에 따른 혼합액 부유고형물 변화를 측정한 그래프이다.
도 8은 유기성 폐기물 슬러지의 초음파 처리에 따른 혼합액 휘발성 부유고형물 변화를 측정한 그래프이다.
도 9는 유기성 폐기물 슬러지의 초음파 처리에 따른 pH 변화를 측정한 그래프이다.
본 발명은 본 발명은 (a) 하수처리공정에서 발생하는 유기성 폐기물 슬러지에 진동수가 10~30kHZ이고, 에너지 밀도가 0.05~0.4W/ml/hr인 초음파를 처리하여 가용화율이 30%인 유기성 폐기물 슬러지를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 가용화율이 30%인 유기성 폐기물 슬러지를 혐기 소화조에서 14 ~ 21일 동안 체류시키는 단계를 포함하는 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 일반적인 하수처리공정 중에 발생하는 유기성 폐기물 슬러지를 초음파로 가용화하고, 상기 가용화된 유기성 폐기물 슬러지를 혐기 소화조에서 특정시간으로 체류시켜 유기성 폐기물 슬러지의 가용화 및 감량화 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 유기성 폐기물 슬러지는 일반적인 하수처리공정 중에서 반송되거나, 농축조를 거쳐 발생된 농축 생 슬러지 및 농축 잉여 슬러지인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 유기성 폐기물 슬러지에 초음파 처리하는 단계는 초음파에 의해 발생하는 공동화(cavitation) 현상을 이용하므로 공동화 현상이 발생할 수 있는 최적의 초음파로서 진동수가 10~30kHz이고, 에너지 밀도가 0.05~0.4W/ml/hr인 초음파를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 진동수가 20kHZ이고, 에너지 밀도가 0.1W/ml/hr인 초음파를 사용한다.
실제 하수처리시스템에 본 발명에 따른 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법을 실행할 장치는 슬러지 처리 반응기에 통상적으로 사용되는 초음파 발생장치를 설치함으로써 용이하게 구현할 수 있다.
이하, 초음파에 의한 슬러지의 가용화를 설명한다.
초음파는 일반적으로 인간의 가청 영역인 16kHz 이상의 주파수 영역을 지칭하는 것으로, 대상 매질의 상태, 즉 기체, 액체 및 고체에 따라서 다양한 현상을 나타낸다.
초음파가 매질, 특히 액체를 통과할 때, acoustic pressure에 의해 기포가 발생하는데 이 현상을 공동화(cavitation)라고 하고, 이때 발생하는 기포를 공동화 기포(cavitation bubble)이라 한다.
따라서, 초음파를 액상에 조사하면 공동화 기포의 생성과 파괴의 과정이 반복되어, 고압 및 고온으로 인한 OH radical의 생성 및 운동 에너지 공급으로 인하여 화학반응 속도가 상승된다.
일반적으로 수중에 초음파를 주사하면 H2와 H2O2의 고 반응성 물질들이 생성되며 HO2 (superoxide), H·(atomic hydrogen), OH·(hydroyl) 등이 생성된다. 광범위한 산화와 환원이 수중 초음파 화학에서 자주 일어나며 이는 높은 에너지에 따른 중간생성물의 2차 반응 때문으로 생각된다.
H2O -> OH· + H· -> H2O2 +H2 (1)
초음파 조사에 의해 화학 반응이 일어나는 부분은 공동의 내부와 외부에서 일어나며 크게 공동 내부의 고온 고압 상태에서의 반응, 공동 외부에서 수용액상에 발생되는 반응으로 구분된다.
공동 내부에서 일어나는 상기의 반응식 (1)과 같이 고온 고압 상태의 공동 내부에서 물 분자가 OH radical로 분해된다. 이때 공동 내부에서 유기물 등은 열분해되며 이들 물질들은 공동 내부에서 OH radical과 반응을 하게 된다. 공동 외부에서는 액상에 존재하는 유기, 무기물과 공동 내부에서 발생된 radical들이 하기의 반응식(2)와 같은 반응이 발생한다.
M + OH· -> Product (2)
한편, 공동화 현상이 일어날 때 발생하는 공동화 기포는 핵의 생성, 기포의 성장 및 내파의 세 단계를 거치게 된다.
공동화 기포가 파괴 또는 압축될 때 응축열이 발생하게 되며, 상기 응축열은 짧은 시간 동안 일어나는 공동화 현상 때문에 외부로 전달되지 못하고 국부적인 온도 상승효과를 나타내며, 이때 온도는 수천 도까지 상승한다고 알려져 있으며, 이로 인하여 근접한 반응물의 입자에 높은 에너지를 가지게 되어 분자들의 운동이 활발해져 화학반응 속도를 빠르게 한다.
한편, 공동화 현상은 부식현상을 초래하기도 하는데, 구체적으로 공동화 현상에 의한 부식현상이란, 액체 중에 초음파가 조사되면 음원의 표면 또는 이것에 대항하고 있는 재료의 표면이 공동화 기포에 의해 부식되어 작은 구멍이 많이 뚫리는 것을 의미한다.
상술한 바와 같이, 초음파 조사에 의해 발생하는 공동화 현상은 화학반응 속도를 촉진하는 기능 및 부식현상을 초래하는 기능을 나타낸다.
따라서, 본 발명에서는 이와 같은 초음파 조사에 의해 발생하는 공동화 현상의 기능을 슬러지의 가용화 및 감량화에 적용한다.
구체적으로는, 도 2에 나타난 바와 같이, 공동화 현상에 의해 화학반응 속도가 촉진되므로, 슬러지 내의 화학반응 및 탈수반응이 활발하게 이루어짐으로 인하여, 슬러지의 가용화 및 감량화가 촉진된다. 또한, 공동화 현상에 의해 부식현상이 초래되므로, 슬러지 내에 존재하는 미생물의 세포막 및 세포벽이 파괴되어 유해성 미생물들을 사멸시킬 수 있다.
한편, 공동화 현상에 영향을 미치는 인자들에는 기체의 포화도, 공동화 현상 중독, 펄스의 지속시간, 주파수, 주변 압력, 온도, 용존 가스의 종류, 액체의 종류, 함유된 고형물, 초음파 강도 등이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 초음파 처리에 의해 가용화된 유기성 폐수 슬러지는 최대 메탄생산율과 최대 슬러지 감량화를 수행하기 위하여 가용화율이 16% ~ 50% 인 경우가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 가용화율이 30%이다.
본 발명에 있어서, 유기성 폐기물 슬러지에 함유된 유기성분의 가용화(solubilization) 정도를 정량화하기 위하여 하기의 반응식 (3)을 이용하였다.
Solubilization (%) = (SCODU- SCODO)/(TCODO- SCODO)×100 (3)
여기서, SCODU는 초음파 처리된 슬러지의 용존 COD (mg/L)이고, SCODO는 초기 용존 COD (mg/L)이며, TCODO는 초기 총 COD (mg/L)이다.
전술된 바와 같이 초음파 처리에 의해 가용화된 유기성 폐수 슬러지는 혐기 소화조로 이송되고, 14일 ~ 21일간 체류시켜 배출되는 것을 특징으로 한다. 이는 14일 미만 혐기 소화조에서 초음파 처리된 유기성 폐수 슬러지를 체류시킬 경우 화학적 산소 요구량이 증가하는 문제점이 있고, 21일을 초과하여 혐기 소화조에서 초음파 처리된 유기성 폐수 슬러지를 체류시킬 경우에는 혐기 미생물이 이용가능한 유기물량이 감소하여 메탄 생성량이 감소하는 문제가 발생됨에 따라, 초음파 처리에 의해 가용화된 유기성 폐수 슬러지는 혐기 소화조로 이송되고, 14일 ~ 21일간 체류시킨다.
따라서, 본 발명에 따라 하수처리공정 중에 발생되는 유기성 폐기물 슬러지에 초음파 처리하여 가용화율이 30%가 되도록 가용화한 다음, 이를 혐기 소화조에 최적 처리시간 동안 체류시킴으로써 슬러지의 가용화 및 감량화 효율을 보다 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전체 슬러지 처리 공정상에 필요한 에너지 소모도 감소시킬 수 있어 경제적인 효과까지 기대할 수 있다.
본 발명에 따라 처리된 가용화 및 감량화된 유기성 폐수 슬러지는 부피가 감소되며, 일반적인 하수처리공정의 혐기 소화조에서의 가수분해 및 메탄생성을 촉진시켜 메탄 또는 유용한 가스를 회수할 수 있으며, 탈질화 반응에 필요한 고가의 외부 탄소원을 대체할 에너지원으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기성 폐수 슬러지의 가용화 및 감량화 방법은 일반적인 하수처리공정이라면 장치 및 공정의 종류에 제한되지 않고 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 본 발명에 따른 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법
1-1: 초음파를 이용한 유기성 폐기물 슬러지의 가용화 단계
유기성 폐기물 슬러지는 춘전시 하수종말처리장에서 얻어진 잉여슬러지 500ml를 대상으로 수행하였고, 초음파 처리기는 sonics & material VCX 750이며, 프로브 형태의 발진기를 사용하였다. 초음파 처리조건은 0.05W/mL/hr, 0.1W/mL/hr 및 0.4W/mL/hr의 초음파 밀도로 진동수 20kHZ로 처리하여 가용화율이 각각 16%, 30% 및 50%인 전처리된 슬러지를 수득하였다.
1-2: 초음파 처리된 유기성 폐기물 슬러지의 혐기소화 단계
반연속 혐기소화 실험장치는 도 3에 나타난 바와 같은 총용적 10L, 실용적 7L인 아크릴 반응조이고, 상기 반응기에 종오니와 각각의 기질을 혼합한 다음, 해드스페이스를 질소로 치환하여 표 1과 같은 혐기조건을 유지시켰다. 상기 반응기에 실시예 1-1에서 수득된 전처리된 잉여슬러지를 유입시켰다. pH는 별도로 제어하지 않았으며, 일정한 온도를 유지하기 위해 히터를 사용하여 35±1 ℃로 고정시킨 다음 배양하여 잉여 슬러지를 혐기 소화시켰다.
구분 대조군 잉여슬러지 초음파 처리된 잉여슬러지
가용화(%) 없음 16, 30, 50
혼합 완전혼합 완전혼합
pH 제어 없음 없음
온도 제어 35±1℃ 35±1℃
체류시간(day) 28 7,14,21,28
실험예 1: 초음파 처리된 유기성 폐기물 슬러지 성상측정
초음파 처리에 따른 슬러지 내의 고형물 함량 변화를 확인하기 위하여 초음파 조사 전/후, 각 슬러지의 성상을 비교하였다.
모든 시료의 분석 및 시료 보관은 전처리된 시료의 변질을 방지하기 위해 처리후 4℃로 냉장보관하였고, Standard Methods와 환경오염공정시험법에 의거하여 수행하였으며, 유기물 분석을 살펴보기 위해 CODCr, 단백질(protein), 탄수화물(carbohydrate)을 분석하였다. CODCr은 Standard Methods법으로 수행하였고, 단백질은 lowry method를 이용하였으며, 탄수화물은 Anthron-황상법으로 분석하였고, 가스분석은 열전도도 검출기(TCD)인 GC(GC-14A, Shimadzu)로 분석하였으며, VFA는 불꽃이온화 검출기(FID)인 GC(GC-8A, Shimadzu)로 분석하였다. 또한, pH는 720 pH meter, isteck, korea를 사용하여 측정하였다.
그 결과, 표 2 나타난 바와 같이 초음파 조사 후 각 슬러지의 성상은 초음파 처리 가용화율에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
concentraion(mg/L), solubility(%)
구분 잉여 슬러지 가용화율이 16%로 처리된 잉여슬러지 가용화율이 30%로 처리된 잉여슬러지 가용화율이 50%로 처리된 잉여슬러지
COD
 total 17000~21000 17000~20900 17500~19800 18200~22000
soluble 200~1500 2700~3500 6500~7000 10126~10256
Protein
 total 5000~7000 5000~7000 5200~7300 5100~6800
soluble 130~600 900~1100 1160~4200 2165~5200
carbohydrate
 total 600~1200 680~1150 720~1100 650~1170
soluble 50~100 150~250 350~500 450~760
NH3-N 30~70 30~70 40~85 45~75
TS 10100~14000 10100~13800 9900~12400 9600~12600
VS 9900~10600 8100~8900 8500~9800 7900~9200
pH 6.5~7.0 6.5~6.8 6.1~6.3 6.0~6.3
실험에 2: 유기성 폐기물 슬러지의 메탄발생량 및 COD 측정
실시예 1에서 가용화율이 16%, 30% 및 50%로 처리된 잉여슬러지 및 초음파 처리되지 않은 대조군인 잉여슬러지를 반연속 혐기소화 실험장치에 유입시킨 다음, 메탄양 및 COD를 측정하였다. 실시예 2의 반연속 혐기반응기에서 발생된 가스의 성상을 분석하기 위해 2 ㎛ 주사기를 사용하여 샘플을 채취하여 가스크로마토 그래프(GC-14A)로 가스성상을 분석하였다.
그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이 메탄 생성량은 가용화율이 16%인 잉여슬러지가 72 ~ 216 mL/L/day, 가용화율이 30%인 잉여슬러지가 110 ~ 350 mL/L/day, 가용화율이 50% 잉여슬러지가 102 ~ 321 mL/L/day인 것으로 나타나 가용화율 30%인 잉여슬러지가 가장 많은 메탄을 생성하는 것을 알 수 있었다. 또한, 혐기 소화조에서 슬러지 체류시간이 짧아질수록 메탄 생성율이 높게 나타났다.
또한, 초음파로 전처리하여 가용화한 잉여 슬러지를 사용한 경우 더 많은 메탄가스가 생성되며, 특히 전처리로 30% 가용화한 잉여 슬러지는 소화조 체류시간 28일인 경우 대조군의 메탄가스 생성량이 하루 80 mL/L에 비해 120 mL/L로 1.5배 높게 나타나서 초음파 전처리를 할 경우 메탄 생산이 증대되는 것을 알 수 있었다.
50% 가용화 조건에서 체류시간 7일의 경우에는 하루 메탄가스 생성량 104 mL/L로 전처리하지 않은 것에 비해 높게 나타났지만, 30% 가용화율 조건에 비해서는 낮게 나타났다. 한편, 체류시간이 짧아질수록 가스생성이 증가하기까지의 시간 즉 혐기 소화조의 활성화에 걸리는 시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 초음파로 슬러지 전처리를 하였을 경우 체류시간이 짧을수록 더 높은 메탄 생성량을 나타내었는데 이는 긴 체류시간에 비해보다 많은 양의 잉여 슬러지가 소화조에 유입되어 혐기 미생물이 이용 가능한 유기물량이 증가하기 때문에 메탄 생성량이 증가되었다고 판단되었다.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이 혐기 소화조 유출액의 총 COD가 가장 높은 것이 초음파 처리하지 않은 잉여 슬러지로, 전처리한 잉여 슬러지는 미세하게 체류시간이 증가할수록 유출액의 COD가 감소함을 확인할 수 있어, 혐기 소화조에서의 체류시간이 증가할수록 잉여 슬러지의 안정화도는 증가하는 것으로 나타났고, 도 6에 나타난 바와 같이 용존 COD 역시 동일한 결과로 나타났다. 이는 잉여 슬러지 가용화율이 증가할수록 유입 잉여 슬러지의 용존 COD는 증가하였지만 유출 용존 COD는 미세하게 체류시간이 증가할수록 낮아졌고, 전처리하지 않은 슬러지의 유출 용존 COD도 다른 전처리한 잉여 슬러지와 크게 다르지 않는데 이는 용존 COD 자체가 원래 낮기 때문으로 판단된다.
표 3 내지 5는 각 가용화와 체류시간 조건에서 잉여 슬러지를 혐기 소화했을 때 정상상태에 도달했을 때의 반응조의 상태를 나타내었다. 체류시간이 길어질수록 유기물 분해가 높게 나타나고 체류시간이 짧을수록 유기물 부하량이 높아지면서 COD 분해도가 낮아져 메탄 생산량은 증가하지만 유기물 감소는 낮게 나타났다.
가용화율 30%와 50%를 비교하였을 때 가용화 비율에 따른 혐기소화의 효율은 비례하지 않았다. 슬러지를 초음파로 전처리하였을 때 초음파 처리 비율에 따라 혐기소화 효율이 비례하지 않고 처리 비율에 비해 혐기소화 효율이 좀 더 높은 구간이 있음을 보여주고 있으며, 이는 슬러지의 최적 초음파 가용화 효율이 있음을 말하는 것이다. 본 실험예에서는 30%의 가용화율에서 높은 메탄 생산 효율이 나타났다.
정상 상태에서 혐기소화조이 운전성능(16% 슬러지 가용화)
i: 유입, o: 유출, (a): 초음파 전처리 잉여 슬러지, (b) 대조군
체류기간 TCODi
(g/L)		 TCODo
(g/L)		 TCOD
decomposition(%)		 SCODi
(g/L)		 SCODo
(g/L)		 SCOD
decomposition(%)		 Biogas
(L/L/day)		 CH4
(L/L/day)
28day(b) 18.5 12.4 33 0.4 0.2 51 0.074 0.033
28day(a) 20.2 10.9 56 3.4 0.1 98 0.124 0.68
21day(a) 20.2 9.2 54 3.4 0.1 97 0.151 0.088
14day(a) 20.2 8.9 53 3.4 0.1 97 0.203 0.122
7day(a) 20.2 10.7 46 3.4 0.1 76 0.326 0.19
정상 상태에서 혐기소화조이 운전성능(30% 슬러지 가용화)
i: 유입, o: 유출, (a): 초음파 전처리 잉여 슬러지, (b) 대조군
체류기간 TCODi
(g/L)		 TCODo
(g/L)		 TCOD
decomposition(%)		 SCODi
(g/L)		 SCODo
(g/L)		 SCOD
decomposition(%)		 Biogas
(L/L/day)		 CH4
(L/L/day)
28day(b) 18.8 11.9 35% 1.0 0.3 67 0.150 0.077
28day(a) 20.1 9.1 55% 6.8 0.6 91 0.220 0.110
21day(a) 20.1 9.7 52% 6.8 0.8 89 0.280 0.141
14day(a) 20.1 10.2 49% 6.8 1.0 85 0.309 0.200
7day(a) 20.1 10.5 47% 6.8 1.2 82 0.670 0.355
정상 상태에서 혐기소화조이 운전성능(50% 슬러지 가용화)
i: 유입, o: 유출, (a): 초음파 전처리 잉여 슬러지, (b) 대조군
체류기간 TCODi
(g/L)		 TCODo
(g/L)		 TCOD
decomposition(%)		 SCODi
(g/L)		 SCODo
(g/L)		 SCOD
decomposition(%)		 Biogas
(L/L/day)		 CH4
(L/L/day)
28day(b) 18.7 11.6 39 0.8 0.2 78 0.101 0.054
28day(a) 20.0 7.5 63 10.1 0.3 98 0.183 0.102
21day(a) 20.0 7.9 61 10.1 0.4 97 0.234 0.128
14day(a) 20.0 8.2 60 10.1 0.5 96 0.323 0.176
7day(a) 20.0 8.9 56 10.1 0.6 95 0.551 0.316
한편, 혐기성 소화에 있어서 발효 산물의 물질전환을 파악하기 위해서 유기물의 존재 형태에 관해 휘발성 고형물(VSS), 용해성(SVS) 및 메탄(CH4) 가스의 3부분으로 나누어 분류하고, 상기 용해성 물질은 용해성 단백질, 탄수화물, 지질, 그리고 휘발성 지방산(VFA) 및 기타로 구분하여 유입 COD를 100으로 간주하고 유출 COD의 회수율을 측정하였다.
그 결과, 표 6에 나타난 바와 같이, 초음파 처리한 체류시간 28일에서 가장 높은 회수율을 보여주었고, 체류시간이 짧아지면서 회수율이 약간 낮아짐을 보여주었다. 체류시간이 짧은 혐기 소화조의 VFAs의 농도가 다른 조건보다는 많이 잔존해 있고 이는 반응조 내 용존 COD(SCOD)로 나타났다. 이는 메탄의 생성은 어느 정도 체류시간이 요하기 때문에 체류시간이 짧을수록 메탄으로 전환하는 것보다 반응조 내부에 남아 있는 유기산의 농도가 높아짐으로 인해 회수율이 낮게 나타난 것으로 판단되었다.
혐기 소화조의 COD 기준 물질수지(30% 슬러지 가용화)
체류기간 CODinf VSS VFAS CH4 SVSa ) othersb ) recovery
(%)
7day(a) 100 45.4 16.9 25.5 5.2 3.8 96.9
14day 100 47.5 14.1 27.7 2.3 2.4 94.1
21day 100 48.2 12.2 28.1 2.5 3.5 94.4
28day 100 52.2 19.7 28.9 1.8 0.2 102.9
28day 100 62.3 18.0 18.6 1.1 1.0 101.0
(a) 초음파 전처리 슬러지; (b) 대조군
a) SVS= soluble protein + soluble carbohydrate + soluble lipid
b) others=soluble COD-VFA-SVS
실험에 3: 유기성 폐기물 슬러지의 슬러지 감량측정
초음파로 전처리한 슬러지와 대조군인 전처리 하지 않은 슬러지를 유입기질로 하여 혐기소화조에서 반연속식으로 운전하였다. 전처리한 슬러지의 가용화율과 혐기 소화조에서의 체류시간의 변화에 따른 슬러지 감량 효과를 알아보기 위하여 슬러지를 각각 16, 30 및 50%로 가용화한 다음, 소화조 체류시간 7일, 14일, 21일 및 28일로 각각 운전하였다. 초음파 전처리한 슬러지와 비교하기 위한 대조군인 전처리 하지 않은 슬러지는 체류시간 28일로 운전하였다. 혐기 소화조는 초기 37일간은 16% 가용화된 슬러지로, 그 후 38~80일은 30%, 81~100일은 초음파에 의해 50% 가용화된 슬러지를 주입하여 유기성 폐기물 슬러지의 감량을 측정하였다.
그 결과, 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, MLSS(혼합액 부유고형물)와 MLVSS(혼합액 휘발성 부유고형물)의 변화로 보아 초음파로 가용화한 슬러지의 고형물이 가용화하지 않은 슬러지에 비해 낮음을 알 수 있다. 또한, 전처리한 슬러지의 경우 체류시간에 따라서는 큰 차이가 없어 체류시간 7일에서도 비교적 빨리 고형물이 안정화됨을 알 수 있었다. 도 9는 각 슬러지의 혐기 소화 가스의 CH4와 CO2의 함량을 나타내었다. 체류시간이 짧아질수록 좀 더 빠른 시간내에 메탄 함량의 증가가 이루어짐을 확인할 수 있었고, 각각의 소화조의 메탄함량은 55~58%의 범위로 가용화율이 증가하였음에도 불구하고 메탄함량은 크게 변화하지 않았으며, 혐기성 소화의 일반적 범위의 값을 보였다. 이는 슬러지 가용화가 메탄 혐기 소화 속도를 진작시키는 것이지 화학평형이나 화학양론을 변화시키는 것이 아님을 알 수 있었다.

Claims (3)

  1. 다음 단계를 포함하는 유기성 폐기물 슬러지의 감량화 방법:
    (a) 하수처리공정에서 발생하는 유기성 폐기물 슬러지에 진동수가 10~30kHZ이고, 에너지 밀도가 0.05~0.4W/ml/hr인 초음파를 처리하여 가용화율이 30%인 유기성 폐기물 슬러지를 수득하는 단계; 및
    (b) 상기 가용화율이 30%인 유기성 폐기물 슬러지를 혐기 소화조에서 14 ~ 21일 동안 체류시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계의 초음파 처리는 30~37℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기성 폐기물 슬러지는 하수처리공정 중에 반송되는 반송슬러지이거나 또는 농축조를 거쳐 발생되는 농축 슬러지인 것을 특징으로 하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108101329A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 中国石油化工股份有限公司 一种剩余污泥厌氧干化处理工艺

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