KR20140025865A - 폐활성슬러지 전처리 장치 및 이를 이용한 폐활성슬러지 전처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하수 및 폐수 처리장의 생물학적 처리조에서 발생되는 폐활성슬러지 전처리 장치 및 이를 이용하여 폐활성슬러지를 전처리하는 방법에 관한 것으로, 슬러지를 가용화하기 위한 전처리 장치에 있어서, 처리될 슬러지를 수용하는 제1 슬러지 저장조; 상기 제1 슬러지 저장조로부터의 슬러지를 7bar ~ 560bar의 압력으로 캐비테이션 챔버에 도입하기 위한 고압펌프; 상기 고압펌프로부터 배출되는 고압 슬러지가 통과하면서 캐비테이션이 발생될 수 있도록 오리피스를 구비한 캐비테이션 챔버; 상기 캐비테이션 챔버로부터 배출되는 슬러지에 오존을 주입하기 위한 오존주입부를 구비한 벤츄리부; 및 상기 벤츄리부의 하류에 설치되어 처리된 슬러지를 저장하는 제2 슬러지 저장조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐활성슬러지 전처리 장치 및 이를 이용한 폐활성슬러지 전처리 방법{APPARATUS FOR PRETREATMENT OF WASTE ACTIVATED SLUDGE AND WASTE ACTIVATED SLUDGE PRETREATMENT PROCESS BY USING SAME}
본 발명은 하수 및 폐수 처리장의 생물학적 처리조에서 발생되는 폐활성슬러지 전처리 장치 및 이를 이용하여 폐활성슬러지를 전처리하는 방법에 관한 것이다.
하수 및 폐수 처리장의 생물학적 처리조에서 지속적으로 발생되는 폐활성슬러지(waste activated sludge or excessive sludge)는 대표적인 유기성 폐기물(organic wastes)에 속한다. 지금까지 이러한 유기성 폐활성슬러지는 매립, 소각, 해역투기, 퇴비화, 보조연료화, 탄화 등 여러 가지 방법으로 처리되어 왔지만, 대부분의 하수 및 폐수 처리장에서는 비용적으로 가장 유리한 처리 방식을 채택해 왔다. 이러한 이유로, 전세계적으로 많은 양의 유기성 폐활성슬러지가 해역에 투기되거나 농지에 뿌려지거나 땅에 매립되어 왔다. 대한민국의 경우, 2003년에 유기성 폐슬러지의 직매립이 금지되면서 2006년말 70% 이상의 하수슬러지가 해역투기에 의해 처분되고 있는 실정이다. 하지만 국제환경협약인 런던협약에 가입하게 되면서 이러한 해역투기는 전면 금지되게 되었다. 따라서 향후 이러한 유기성 폐슬러지는 전량 육상에서 적절한 방법으로 처리되어야만 한다.
이러한 배경에서, 슬러지 발생량 자체를 원천적으로 감량하기 위한 방법, 퇴비나 복토재 또는 보조연료 등으로 재활용하는 방법, 그리고 혐기성 소화를 통해 메탄(CH4)과 같은 에너지원을 회수하는 방법 등이 미래의 해결 방안으로 떠오르고 있다. 이러한 방법들을 구현하기 위해서는 폐활성슬러지가 적절히 전처리 되어야 하는데, 현재 개발된 기술들은 효율 및 비용 측면에서 아직 미흡한 실정이다.
폐활성슬러지를 적절히 전처리하기 위해서는 무엇보다 활성슬러지 플록(floc)의 구조를 정확히 이해하는 것이 중요하다. 활성슬러지 플록은 미생물들이 서로 얼기설기 모인 덩어리로서 미생물 세포외부의 섬유상 구조(extracellular polymeric substances, EPS)를 통해 서로 연결되어 있다(대한민국 특허등록 제10-0948494호 도 1 참조).
폐활성슬러지를 원천적으로 감량화하기 위해서는 반드시 이러한 슬러지 플록 구조를 깨뜨려야 하고 또한 세포벽을 깨뜨려서 미생물 구성물질이 외부로 방출되도록 해야 한다. 이렇게 처리된 슬러지는 다시 생물학적 처리조로 투입되거나 질소나 인을 제거하는 고도처리공정의 탄소원으로 이용됨으로써 하폐수처리장의 폐활성슬러지 배출량을 0(zero)으로 만들 수 있게 된다. 또한 퇴비화 등으로 재활용되기 위해서는 필히 탈수 후 함수율을 60% 미만까지 낮추어야 하는데, 이 경우 활성슬러지 주변의 물 중 간극수 및 일부 세포 내부수까지 제거해 주어야 한다. 흔히 사용되는 기계적 탈수 방식만으로는 자유수밖에 제거할 수 없어 한계가 있다. 따라서 다른 대안이 필요하며, 적절한 대안 방법은 이러한 활성슬러지 플록 구조를 파괴하고 세포벽을 깨뜨릴 수 있는 기술이어야 한다. 그리고, 혐기성 소화를 통한 슬러지 처리의 경우, 혐기성 소화효율이 높아지면 고형물이 바이오가스(biogas)로 전환되어 결과적으로 많은 양의 에너지원을 회수할 수 있고 또한 부수적으로 최종 처분할 슬러지의 양이 줄어드는 효과를 얻게 된다. 따라서 소화효율을 높일 수 있는 전처리 기술이 필요하며, 이를 위해서는 고형물로 존재하는 유기물의 양을 줄이고 용존성 유기물의 양을 늘릴 수 있어야 한다. 이것은 앞서 위 두 가지 방법에서 기술한 바와 같이 활성슬러지 플록 구조를 깨뜨리면서 동시에 미생물 세포벽을 파괴하여 세포내 물질을 외부로 방출시킬 수 있어야 가능해지는 것이다.
지금까지 폐활성슬러지 전처리 방법으로 초음파 처리, 고온 열처리, 오존 산화, 캐비테이션 처리, 알칼리처리, 효소처리, 기계적 처리, 산처리, 미생물처리, 습식산화공정, 진공처리 등의 방법들이 테스트되고 개발되어 왔다 (남궁규철, 2008 KOSEN Expert Review 에서 재인용).
하수 슬러지를 오존산화로 처리하면 오존과 반응한 슬러지의 세포벽이 파괴되면서 세포내부의 물질(COD 성분)이 방출되게 된다. 또한, 다당류, 단백질, 지질 등은 오존과 반응하여 저분자량 화합물로 전환된다. 오존 주입량이 충분히 높다면, 세포내 물질은 이산화탄소와 물로 전환, 무기물화 될 수 있다. 오존을 이용한 폐활성슬러지 처리는 슬러지 감량화를 위한 처리와 혐기성 소화의 전처리로 구분할 수 있다(대한민국 특허등록 제10-0928972호). 실규모 슬러지 감량화 처리에서는 0.05kgO3/kgTSS 의 오존 주입으로 19-35%의 슬러지 감량 효과를 얻었다고 보고되었다. 이를 혐기성 소화 전처리에 적용하였을 때, 10% 정도의 소화 슬러지 감량화 효과를 얻을 수 있었다. 그리고 오존 주입량을 0.03kgO3/kgTSS 에서 0.06 kgO3/kgTSS로 증가시켜 용해성 COD 물질의 배출을 11%에서 16%로 증가시킬 수 있었다. 하지만 혐기성 소화조를 거친 후 배출수의 COD가 증가하고, 슬러지 감소량에 비해 비용이 높아지는 단점이 있다고 보고되었다. 한 연구에서 오존 전처리에 대한 자금회수 기간은 약 6 년으로 추산되었다. 한편 이러한 문제점의 해결 방안의 하나로, 오존 전처리 후 중온 소화조에 클로즈드 루프 오존 산화 장치를 둔 경우가 오존 주입량에 비해 훨씬 우수한 가스생산, COD 감소 등을 얻을 수 있었다고 보고되었다(남궁규철, 2008 KOSEN Expert Review 에서 재인용).
수력학적 캐비테이션(Hydrodynamic cavitation; HC)은 초음파에 의한 공동현상과 원리에서 차이가 있지만 그 효과에서는 유사한 특징을 보인다. HC는 액체의 난류 흐름을 통해 생성되는 것으로, 흔히 액체의 흐름시 큰 압력차가 생길 때 발생한다. 예를 들어, 일정 단면적을 갖는 파이프 내에 고압으로 유체를 빠른 속도로 이동시키면서 작은 단면적을 갖는 오리피스(orifice)를 통과하도록 장치를 만들면, 오리피스의 토출부에서 큰 압력차가 존재하여 토출부 직후에서 공동현상이 발생한다. 다른 예로, 오리피스를 통과한 유체가 블레이드를 만나도록 하는 장치를 들 수 있다. 이 때 오리피스 모양은 구형이 아니고 타원형일 때 성능이 우수하다. 이 경우 블레이드가 진동을 하면서 공동현상이 매우 뚜렷하고 효과적으로 일어나도록 할 수 있다. 한편, 하나의 오리피스를 통해 공동현상을 일으키는 것과 달리 복수 개의 오리피스를 통해 유체를 통과시키면 공동현상 효과가 커질 수 있다. HC에 영향을 주는 변수들로는 압력, 유속, 캐비테이션쳄버(cavitation chamber) 설계 등과 함께 공동 현상 발생의 시간적 요인을 들 수 있다. 오리피스 입구에서의 압력과 오리피스 토출부에서의 복원 압력, 그리고 공동현상 발생을 위한 최소 압력 등이 중요하며 이와 관련 시간적 요인을 명확히 하는 것이 상업적 응용에 꼭 필요하다 (남궁규철, 대한토목학회지 제55권 제10호, pp 50-55, 2007 에서 재인용).
한 연구에서는 캐비테이션 전처리를 거친 슬러지를 중온 혐기성 소화할 때 전처리 하지 않은 경우에 비해 체류 시간을 13일에서 6일로 대폭 줄일 수 있었다고 보고하였다. 그리고 슬러지 감량화 효과, 가스 생산량 등에서 캐비테이션 처리에 앞서 알칼리처리를 추가함으로써 처리 효율이 상당히 좋아지는 것으로 보고되었다(대한민국 공개특허 제2001-0072106호). 이 공정은 MicroSludgeTM(캐나다)이라는 공정으로 상용화되어, 최근 실규모 플랜트에 적용되고 있다. 이 공정은 회전 드럼농축기를 이용해서 농축된 슬러지를 pH 8.5-10의 조건으로 1 시간 정도 알칼리 처리한 후, 12,000 psi의 고압 조건에서 캐비테이션 처리를 한다. 그 결과, 최고 80%까지 슬러지 가용화가 가능했다고 한다. 이 때, 가용화된 슬러지의 pH는 6.8-7.4로 변화한다. 이렇게 처리된 슬러지의 중온 소화 결과 18-78%까지 휘발성 고형물을 감소시킬 수 있는 것으로 보고되었다. 한편, 상용화된 캐비테이션 공정의 다른 예로 Biogest Crown Disintegration System(영국)이 있다. 이 공정은 매우 빠른 유속을 이용하며, 슬러지를 혐기성 소화조에 투입하기에 앞서 캐비테이션 처리를 3회 수행한다. 또 다른 상용화 공정의 예로는 RND (Rapid Non-equilibrium Decompression)가 있다. 이 공정은 고압 하에서 과포화로 용존된 CO2가 압력강하에 따라 급격히 팽창하는 현상을 이용하여 세포벽을 파괴한다. 이 공정의 장점은 CO2를 재이용할 수 있으며 에너지 비용이 적게 소요되어 초기투자비의 회수 기간이 2년 미만이라는 점이다.
하수 슬러지 처리의 전체 효율을 높이기 위해서는, 앞서 기술한 바와 같이 슬러지 플록의 구조를 효과적으로 해체하면서 또한 미생물의 세포벽을 공격하여 파괴함으로써 세포내 물질과 내부수가 외부로 방출되도록 할 수 있는 공정 및 장치가 필요하다. 캐비테이션과 오존산화 기술은 이러한 목적을 달성하는 효과적인 수단을 제공하며 함께 사용함으로써 우수한 시너지 효과를 얻게 해준다. 따라서 이 기술들을 효과적으로 통합하여 폐활성슬러지를 전처리함으로써, 슬러지 감량화, 슬러지 탈수효율 향상, 소화 효율 향상을 종합적으로 가능하게 하는 공정 및 장치가 소개되었다(대한민국 특허등록 제10-0948494호). 그러나 보다 간단한 공정으로 슬러지 감량, 탈수능 향상 및 혐기성 소화 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 슬러지 전처리 공정은 여전히 요구되고 있다.
특히 기존의 캐비테이션-오존 공정에서는 오존을 별도의 접촉조에 두고 처리하였기 때문에 오존을 투입하기 위한 펌프용량이 커야 했으며, 또한 대용량의 유기성 슬러지를 처리함에 있어서 오존접촉조는 유기성 슬러지를 균일하게 가용화하는데 한계가 있다.
대한민국 특허등록 제10-0948494호 대한민국 특허등록 제10-0928972호 대한민국 공개특허 제2001-0072106호
남궁규철, 대한토목학회지 제55권 제10호, pp 50-55, 2007.
따라서, 본 발명은 캐비테이션을 이용하는 물리적 처리와 오존을 이용하는 화학적 처리를 결합하여 슬러지를 가용화하는 전처리에 있어서, 운전비용이 보다 저렴하고 에너지 효율이 높고 간단하면서도 슬러지 가용화 효율을 극대화한 장치, 즉 감량화, 슬러지 탈수효율 향상 및 혐기성 소화 효율이 높은 슬러지 전처리 장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 상기 장치를 이용하여 슬러지를 전처리하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 폐활성슬러지를 가용화하기 위한 전처리 장치에 있어서,
처리될 슬러지를 수용하는 제1 슬러지 저장조;
상기 제1 슬러지 저장조로부터의 슬러지를 7bar ~ 560bar의 압력으로 캐비테이션 챔버에 도입하기 위한 고압펌프;
상기 고압펌프로부터 배출되는 고압 슬러지가 통과하면서 캐비테이션이 발생될 수 있도록 오리피스를 구비한 캐비테이션 챔버;
상기 캐비테이션 챔버로부터 배출되는 슬러지에 오존을 주입하기 위한 오존주입부를 구비한 벤츄리부; 및
상기 벤츄리부의 하류에 설치되어 처리된 슬러지를 저장하는 제2 슬러지 저장조를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현 예에 의하면, 상기 벤츄리부는 1개 내지 10개의 벤츄리관이 직렬 연결되어 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 벤츄리관에 연결된 오존주입부는 벤츄리관의 단면적이 가장 좁은 목 부분에 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 제1 슬러지 저장조로부터 캐비테이션 챔버에 도입되는 슬러지의 압력이 7bar ~ 560bar인 것이 더욱 바람직하고, 가장 바람직하게는 10bar ~ 420bar 이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 본 발명의 장치는 상기 벤츄리부의 하류와 상기 제2 슬러지 저장조 사이에 벤츄리부로부터 배출되는 슬러지를 오존 처리하기 위한 오존접촉조를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 제1 슬러지 저장조의 전단 또는 후단에, 처리될 슬러지로부터 소정 크기 이상의 이물질을 걸러내기 위한 여과조를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 장치를 이용하여, 처리하고자하는 슬러지를 고압 캐비테이션 챔버 및 오존주입부를 구비한 벤츄리관을 통과하도록 함으로써 캐비테이션 발생과 함께 오존처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 폐활성슬러지는 벤츄리부로 도입되기 전에 알칼리, 과산화수소, 또는 알칼리 및 과산화수소로 처리된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 고압 캐비테이션 장치를 이용하여 슬러지를 가용화함에 있어서 고압부 후단에 오리피스에 의한 캐비테이션 챔버를 두어 캐비테이션 효과를 최대화한 후, 벤츄리부를 두어 오존을 분산 도입함으로써 오존을 주입하는데 들어가는 에너지 비용을 절감하고 또한 좋은 교반효과를 얻을 수 있다. 따라서, 벤츄리부를 이용하여 오존만 혼합처리만 한 경우 또는 저압 캐비테이션만 실시한 경우에 비해 슬러지 감량화, 슬러지 탈수효율 향상 및 혐기성 소화 효율의 향상 등의 효과를 가진다. 또한 오존접촉탱크를 추가로 이용하는 경우에도 펌프 및 탱크의 크기를 작은 규모로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 폐활성슬러지 전처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 폐활성슬러지 전처리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 폐활성슬러지 전처리 장치의 개략도이다.
도 4는 오리피스의 다양한 형태를 보여주는 개략도이다.
도 5는 벤츄리관의 가용화 효과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 전처리 장치의 개략도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 폐활성슬러지 전처리 장치는 제1 슬러지 저장조(1), 고압펌프(HPP, 2), 오리피스(3)를 구비한 캐비테이션 챔버(4), 오존주입부(6)을 구비한 벤츄리관(5) 및 제2 슬러지 저장조(7)를 포함한다. 즉, 처리할 슬러지는 제1 저장조(1)로부터 고압펌프(2)에 의해 고압 캐비테이션 장치(high pressure cavitation unit, 4)를 거치면서 수력학적 캐비테이션에 의해 처리되고, 이어서 벤츄리관(5)에 유입되는데, 이 때 벤츄리관(5)의 오존주입부(6)에 오존이 주입되고 벤츄리관(5)을 거치면서 비교적 약한 수력학적 캐비테이션에 의해 오존과 슬러지가 효과적으로 혼합되고 추가적으로 처리된다.
단계적으로 구분지어 보면, 오리피스(3)를 구비한 고압 캐비테이션 장치(4)에서 슬러지는 주로 그 플록(floc) 구조가 해체되고 세포외부의 섬유상 물질들에 의해 형성된 결합이 끊어지면서 개별적인 세포들로 나누어지게 되고, 벤츄리부(5)에서 오존이 주입되어 슬러지와 섞임과 동시에 약한 캐비테이션 현상을 거치면서 기액혼합이 효과적으로 이루어지고 오존은 개별화된 세포들의 세포벽과 세포외부 조직을 산화반응을 통해 파괴하여 슬러지를 가용화(solubilization)하게 된다.
고압펌프(2)의 압력은 7bar~560bar가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10bar~420bar이다. 압력이 너무 낮으면 벤츄리부에서의 압력 강하 손실 때문에 공정이 제대로 진행될 수 없고, 압력이 지나치게 높으면 고가의 장비를 사용하여 비용이 증가하게 되는 문제점이 있을 수 있다. 필요에 따라, 고압펌프(2) 전단에 펌프를 더 사용하여 고압펌프의 작동을 원활히 할 수도 있다.
본 명세서에서, 캐비테이션 챔버란 오리피스로부터 벤츄리부 전단까지 영역으로 고압 캐비테이션이 형성되는 영역을 지칭한다. 캐비테이션 챔버(4)의 오리피스(3)는 도 4에 도시한 바와 같이, 개구부가 1개 또는 여러 개 일 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 고압펌프(2)에 의해 오리피스(3)로 흡입된 슬러지는 확장부를 지나면서 발생된 기포가 급격히 붕괴되면서 충격파가 발생하는 등 캐비테이션 현상이 형성된다.
오존주입부(6)는 벤츄리관(5)의 단면적이 급격하게 감소하는 벤츄리관(5)의 목 부분에 형성되는데, 이 부분을 유체가 통과할 때, 유체의 속도는 급격히 증가하며 그에 따라 유체의 압력은 크게 감소하게 된다. 즉 음압이 발생하기 때문에 오존은 자연스럽게 흡입되므로 오존 주입을 위해 별도의 펌프를 가동할 필요가 없다. 또한, 유체 속의 용존 상태의 기체가 유체로부터 이탈하거나 물의 상변화가 일어나 공동(cavities)이 형성되어 캐비테이션 현상이 생성된다.
이러한 수리동력학적 캐비테이션 현상은 다른 기술 분야에서도 사용되어 왔으나, 고압 캐비테이션 장치와 벤츄리관을 이용한 오존주입을 병행함으로써 오존접촉조의 필요성을 아예 없애거나 그 규모를 대폭 줄일 수 있고, 낮은 펌프 압력으로도 빠른 기액혼합을 달성할 수 있다. 이에 따라 에너지 효율이 현저히 향상되고 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 전처리 장치에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 오존주입부(6)를 구비한 벤츄리관(5)이 하나만 직렬로 연결된 경우를 도시하였으나, 둘 이상 직렬로 연결되어 벤츄리부를 형성하도록 구성될 수 있으며, 이 경우 슬러지는 각각의 벤츄리관을 거치면서 가용화 효율은 더욱 향상될 수 있다. 특히, 각각의 벤츄리관은 착탈 가능하게 연결되어 필요에 따라 벤츄리관의 수를 용이하게 조절할 수 있도록 구성될 수도 있다. 또한 각각의 벤츄리관에 모두 오존을 주입할 수도 있지만, 경우에 따라서는 일부에만 주입할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태이다. 도시된 바와 같이 제1 슬러지 저장조(1), 고압펌프(2), 오리피스(3)를 구비한 캐비테이션 챔버(4), 벤츄리관을 포함하는 벤츄리부(5) 및 제2 슬러지 저장조(7) 외에, 처리하고자 하는 슬러지가 큰 고형물을 함유하는 경우 이를 여과하기 위한 여과조(10)를 더 포함할 수 있다. 도 2에서는 여과조(10)가 제1 슬러지 저장조(1)의 전단에 설치된 경우를 도시하나, 후단에 설치하는 것도 가능하다. 또한 도시되지는 않았지만 슬러지의 가용화를 촉진하기 위한 약제, 즉 알칼리 또는 과산화수소 등울 벤츄리부(5)에 도입하기 전에 첨가하기 위한 수단을 구비할 수도 있다.
또 다른 실시형태로는 도 2에 도시된 바와 같이, 벤츄리부에서 유출되는 슬러지를 추가로 오존처리하기 위한 오존접촉조(20)를 둘 수 있고, 추가의 오존접촉조(20)를 구비하는 경우에도 반응기의 크기나 펌프 용량은 본 발명에 따른 장치를 사용하지 않는 경우에 비해 훨씬 소형이어도 되므로 설비가 컴팩트하게 될 수 있다.
오존접촉조(20)에서 슬러지와 오존을 접촉시키는 방법은 두 가지 방식이 있을 수 있다. 하나는 기액혼합펌프를 이용하는 방법, 다른 하나는 인젝터/벤추리를 이용하는 방법이다. 전자의 경우 기액혼합펌프(30)로 접촉조(20)내 슬러지를 빼내고 여기에 오존이 주입되면서 기액혼합펌프(30)를 거쳐 슬러지와 오존을 혼합시켜 다시 오존접촉조(20)로 넣어주는 방법이고(도 2 참조), 후자는 액체이송 펌프(40)를 이용하여 오존접촉조(20)의 슬러지를 빼내고 이 슬러지가 인젝터/벤추리(50)를 지나가게 하면서 목부분에 오존을 주입하여 섞은 후 다시 오존접촉조(20)로 넣어주는 방법이다(도 3 참조). 어느 방법이든 효과적으로 사용될 수 있다. 이하 본 발명의 실시예를 들어 구체적으로 설명한다. 그러나 이러한 설명이 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 명세서 및 청구항에 기재되어진 바에 의하여 당업자가 용이하게 치환할 수 있고, 이와 같은 치환이 자명한 균등범위는 본 발명의 권리 범위에 속한다.
실시예 1
하수처리장에 설치된 생물막반응기(MBR) 파일럿 설비(처리용량: 300톤/일, 평균 TSS: 10,000mg/L)에서 하수 슬러지 시료를 채취하여 사용하였다. 도 1에 도시된 바와 같은 장치(벤츄리관 1개 직렬연결)를 이용하였으며, 구체적인 사양은 다음과 같다.
제1 슬러지 저장조 용량: 1.5m3
고압펌프 유량: 17L/min
고압펌프 압력: 150bar
오리피스 단면적: 0.785mm2
벤츄리관 단면적: 7.065mm2
오존주입량: 120mg/L
여과조 사양: 1.0mm mesh를 갖는 스테인레스 스틸 스크린 장착 (스크린면적: 0.196m2)
오존접촉조 및 펌프 사양: 상단에 거품파괴기를 설치한 1.2m3 크기 원통형 접촉조, 2HP 380V 기액혼합펌프((주)신풍내산펌프)
오존발생장치는 수냉식 장치이며((주)세왕씨이텍의 SW-50), 오존 발생용량은 최대 50g-O3/hr이다. 원료 산소는 고압용기에 저장된 순산소(99.99%)를 사용하였다.
처리된 슬러지는 다음과 같은 방법으로 분석하였다.
① pH - 각 시료를 pH meter를 이용하여 pH를 측정하였다.
② 온도 - 각 시료를 온도계를 이용하여 온도를 측정하였다.
③ 부유물질(SS; suspended solids) - 유리섬유 여지(GF/C)를 미리 정제수로 씻은 다음 시계접시위에 놓고 105-110℃의 건조기 안에서 2시간 건조시켜 황산 데시케이터에 넣어 방냉하고 항량으로 하여 무게를 정밀히 달고 여과기에 부착시켰다. 시료 적당량을 여과기에 주입하면서 흡인여과한 후 여과기의 기벽과 여지상의 잔류물을 물로 수회 씻어주고 유리섬유 여지를 핀센트로 주의하면서 여과기에서 끄집어 내여 시계 접시위에 놓고 105-110℃의 건조기 안에서 2시간 건조시켜 황산 데시케이터에 넣어 방냉한 다음 항량으로 하여 무게를 정밀히 측정하였다. 여과 전후의 유리섬유 여지 무게의 차를 계산하여 부유물질의 양으로 하였다.
④ SCODcr - 시료를 유리섬유 여지(GF/C)로 여과한 후 여과된 액을 수 CODcr분석키트에 2mL 주입후 150℃에서 반응시킨 후 HS-2300Plus 수질분석기(Humas, Korea)를 이용하여 SCODcr을 분석하였다.
비교예 1-고압 캐비테이션만 실시하는 경우
오존 처리없이 고압 캐비테이션(200bar)만 실시하는 경우는 대한민국특허등록 제10-0948494호에 기재된 실험예를 참조할 수 있다. 결과는 다음과 같다.
Figure pat00001
비교예 2- 벤츄리관을 사용하지 않고 오존접촉펌프로 오존처리만 하는 경우
고압 캐비테이션 없이 오존접촉펌프에 의해 오존만 처리하는 경우의 실험결과도 대한민국특허등록 제10-0948494호를 참조할 수 있다. 오존 투입량에 따른 실험결과는 다음과 같다.
(2-1) 오존 투입량 30g/hr
Figure pat00002
(2-2) 오존 투입량 50g/hr
Figure pat00003
30g/hr 에서 50g/hr 으로 투입 오존량을 증가시킬 경우 슬러지의 파괴가 증가하게 되고 이는 SCOD의 증가 및 SCOD/SS의 증가로 나타났다.
비교예 3- 벤츄리관을 이용하지 않은 캐비테이션 및 오존처리
캐비테이션과 오존접촉펌프에 의한 오존처리를 실시한 경우의 실험결과도 대한민국특허등록 제10-0948494호를 참조할 수 있다. 오존 투입량에 따른 실험결과는 다음과 같다.
(3-1) 오존 투입량 30g/hr
Figure pat00004
(3-2) 오존 투입량 50g/hr
Figure pat00005
단위 오존 투입량에 따른 처리 성능 비교
오존 투입을 실시한 실시예 1, 비교예 2 및 3의 장치를 이용한 경우 단위 오존 투입량당 SCODcr 증가비율을 비교하면 다음과 같다.
구분 오존투입농도 SCODcr 증가량 단위 오존투입량당 SCODcr 증가비율 비고
(처리량, 오존발생량, 오존투입시간)
실시예 1 120mg/L 1200mg/L 10 1m3, 50g/hr, 2.4hr
비교예2 1 250mg/L 520mg/L 2.08 20L, 30g/hr, 10min
2 417mg/L 870mg/L 2.09 20L, 50g/hr, 10min
비교예3 1 250mg/L 1,028mg/L 4.11 20L, 30g/hr, 10min
2 417mg/L 1,204mg/L 2.89 20L, 50g/hr, 10min
상기 표 6으로부터, 벤츄리관을 사용하지 않고 오존접촉펌프를 이용하여 실시한 경우(비교예 2) 또는 캐비테이션과 오존접촉펌프를 이용하여 실시한 경우(비교예 3)의 경우와 비교하여 본원발명과 같이 고압 캐비테이션 후 벤츄리관을 이용하는 경우 동일 오존투입량 대비 훨씬 우수한 SCODcr 증가, 즉 슬러지 가용화 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
비교예 4- 벤츄리관을 이용한 저압 캐비테이션만 실시
삼창기업의 대한민국특허등록 제10-0866620호의 도 3은 벤츄리관의 수가 슬러지 가용화 효율에 미치는 영향을 그래프로 나타내고 있다(도 5 참조).
도 5에 의하면, 벤츄리관 1 개로 20시간 처리 후에는 1,600 ㎎/L의 SCOD 값을 보였다. 반면, 벤츄리관 2 개를 직렬로 연결한 경우에는 운전시작과 동시에 SCOD가 증가하여 14시간 처리 후에 SCOD 농도가 2,700 ㎎/L에 도달하였으며, 그 이후부터는 SCOD 증가량이 미미하였다. 20시간 처리 후의 SCOD 증가량은 벤츄리관 두 개를 직렬로 연결한 경우가 벤츄리관이 하나일 때보다 약 2배였다. 이는 벤츄리관 두 개를 직렬로 연결함으로써 캐비테이션 발생 영역이 2배로 확장되는 효과가 있음을 보여준다.
본원발명과 대비하면 비교예 4는 매우 느린 처리 성능을 보인다. 비교예 4는 벤츄리관 1개로 20시간의 처리를 해야 SCOD값이 1,600mg/L이고 2개로 10시간의 처리를 해야 이 정도의 SCOD 증가를 얻을 수 있었다. 이에 비해 본원발명에서는 고압캐비테이션 후 저압캐비테이션을 2단 거쳐서 SCOD값이 1,550mg/L에 달하며, 이 때 처리 시간은 1분 이내 ~ 3분까지 소요된다. 이러한 시간 단축은 처리설비를 위한 공간, 면적이 작게 되고 컴팩트한 설비 구현을 가능하게 하여 시설투자비 및 운영관리비용을 줄이는 효과로 귀결된다.
비교예 5- 오존주입후 PFR 반응기를 사용한 실시
Praxair Technology, Inc의 US Patent 7,695,622(April 13, 2010)은 슬러지 감량화를 위하여 슬러지를 오존으로 처리함에 있어 오존을 주입하는 양을 다른 이전 문헌들에 비해 줄일 수 있는 기술을 제시하고 있다. 이러한 방법으로 오존을 단일 또는 다중(multiple) 주입점에서 주입한 후 플러그 플로우(plug flow) 반응기에 연계되어 처리되도록 하고 있다. 그러나 슬러지의 가용화 정도를 나타내는 SCOD값을 제시하고 있지 않아 직접 비교는 어렵다.
다만 캐비테이션을 거쳐 오존처리하는 본 발명에서는 오존을 100mg/L~150mg/L 정도로 투입한다. TSS 10,000mg/L 인 슬러지를 연속혼합반응기(CSTR)에 두고 1개의 벤츄리관을 사용하여 오존처리하는 경우 오존주입률 120mg/L에서 SCOD 증가율이 400mg/L에서 1200mg/L로 증가하였는데, 앞에 고압 캐비테이션이 포함된 경우에는 1600mg/L로 증가하였다. 본 발명의 경우 이 조건에서 슬러지 감량율이 40%로, 이를 비교예 5에 제시된 0.05kg O3 consumed/kg Sludge reduced와 비교하면 0.025kg O3 consumed/kg Sludge reduced로 오존처리 효율이 2배 정도 되는 것을 알 수 있다. 결과적으로 동일한 오존 투입에 대해 본 발명에서는 2배 정도 슬러지 감량 효과가 있음을 알 수 있다.
이상 실시예 및 비교예에서 살펴본 바와 같이, 오존처리없이 캐비테이션만 실시한 비교예 1 및 비교예 4의 경우는 오존처리를 실시한 경우에 비하여 슬러지 가용화율이 현저히 낮게 된다. 또한 비교예 2 및 비교예 5의 경우처럼 벤츄리관을 사용하지 않고 오존접촉펌프를 이용하여 실시한 경우 또는 벤츄리관을 통한 오존주입 후 PFR 반응기를 이용하는 경우에도 본원발명에 경우보다 처리율이 낮다. 또한 고압캐비테이션 후에 벤츄리관을 사용하지 않고 일반 오존 접촉 펌프를 이용하는 경우보다 본원발명과 같이 고압 캐비테이션 후 벤츄리관을 이용하는 경우 동일 오존투입량 대비 훨씬 우수한 SCODcr 증가, 즉 슬러지 가용화 효과를 얻을 수 있다.
1 제1 슬러지 저장조
2 고압펌프(HPP)
3 오리피스
4 캐비테이션 챔버
5 벤츄리부
6 오존주입부
7 제2 슬러지 저장조
10 여과조
20 오존접촉조
30 기액혼합펌프
40 액체이송펌프
50 인젝터/벤추리

Claims (7)

  1. 폐활성슬러지를 가용화하기 위한 전처리 장치에 있어서,
    처리될 폐활성슬러지를 수용하는 제1 슬러지 저장조;
    상기 제1 슬러지 저장조로부터의 슬러지를 7bar ~ 560bar의 압력으로 캐비테이션 챔버에 도입하기 위한 고압펌프;
    상기 고압펌프로부터 배출되는 고압 슬러지가 통과하면서 캐비테이션이 발생될 수 있도록 오리피스를 구비한 캐비테이션 챔버;
    상기 캐비테이션 챔버로부터 배출되는 슬러지에 오존을 주입하기 위한 오존주입부를 구비한 벤츄리부; 및
    상기 벤츄리부의 하류에 설치되어 처리된 슬러지를 저장하는 제2 슬러지 저장조를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤츄리부는 1개 내지 10개의 벤츄리관이 직렬 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤츄리관에 연결된 오존주입부는 벤츄리관의 단면적이 가장 좁은 목 부분에 연결된 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 벤츄리부의 하류와 상기 제2 슬러지 저장조 사이에. 벤츄리부로부터 배출되는 슬러지를 오존 처리하기 위한 오존접촉조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 슬러지 저장조의 전단 혹은 후단에, 처리될 슬러지로부터 소정 크기 이상의 이물질을 걸러내기 위한 여과조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐활성슬러지 전처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 장치를 이용하여 폐활성슬러지를 전처리하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폐활성슬러지는 벤츄리부로 도입되기 전에 알칼리, 과산화수소, 또는 알칼리 및 과산화수소로 처리된 것을 특징으로 하는 방법.
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