KR20160073440A - 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템 - Google Patents

수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템 Download PDF

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hct
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명규남
이기석
강성완
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뉴엔텍(주)
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Abstract

본 발명은 슬러지 처리 시스템에 있어서, 슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성되는 벤츄리노즐; 및 상기 벤츄리노즐 내에 음이온 계면활성제를 주입하는 음이온계면활성제주입부;를 포함하도록 한 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 슬러지의 처리 효율이 뛰어나고, 펌프의 부하를 줄일 뿐만 아니라 펌프의 구동에 소요되는 에너지를 줄임으로써 에너지 소모 및 시설유지비를 줄일 수 있도록 하며, 이로 인해 경제성을 높일 수 있다.

Description

수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템{Sludge treatment system using hydrodynamic cavitation method and anionic surfactant}
본 발명은 슬러지 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슬러지 처리 효율이 뛰어나도록 구성된 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 축산분뇨를 포함한 분뇨오수, 생활하수 등의 하수에는 다량의 유기물질이 함유되어 있고, 이와 같은 유기물질로부터 영양을 섭취하는 미생물들이 다량으로 서식하면서 증식하고 있는데, 이러한 미생물들이 미분해 유기물질과 함께 뭉쳐서 고형물과 수분의 혼합체인 덩어리를 이루고 있는 것이 슬러지(Sludge)이다. 따라서 유기물질이 다량으로 함유된 하수를 처리할 때, 필연적으로 2차 생성물인 슬러지가 발생한다.
종래의 하수 처리장치는 하수 중의 고형물을 단시간 내에 부상 또는 침전시켜 제거하는 전처리조, 미생물을 이용하여 유기물질을 분해하는 생물반응조, 중력을 이용하여 슬러지를 포함한 고형물을 침전시키는 침전조, 침전조의 슬러지를 고농도로 농축하는 농축조, 농축된 슬러지를 주로 혐기성 미생물을 이용하여 분해하는 소화조, 그리고 소화된 슬러지를 탈수하는 탈수기 등을 구비하고 있다.
이러한 종래의 하수 처리 장치는 생물반응조에서 주로 호기성 미생물에 의해서 유기물이 분해되고, 이 유기물을 먹이로 하여 증식된 미생물 덩어리(Bio-Floc이라고도 함)는 침전조에서 물과 분리되는 고액분리과정을 거치며, 이 과정에서 상징수(Supernatant)는 외부로 유출되고, 침전된 슬러지는 농축, 소화, 그리고 탈수 공정을 거쳐 케이크(Cake)화 되어 처리된다. 침전슬러지의 TS(Total Solids, 총고형물 함량)는 약 0.5%정도이며, 농축조를 거치면서 TS는 3~4%로 농축되는데, 약 20시간이 소요된다. 그리고 소화조에서 유기물의 약 30%가 분해되어 연료로 사용될 수 있는 가연성 가스인 메탄가스와 이산화탄소가 발생하는데, 약 15~25일이 소요된다. 이러한 소화가 끝난 하수 슬러지는 탈수기에서 최종적으로 케이크 형태로 탈수되어 매립, 소각, 해양투기 등의 방법으로 처리되는데, 이 고형 슬러지 처리비용이 전체 하수처리비용의 40∼60% 정도를 차지한다.
이와 같이 하수 처리 과정에서 슬러지 처리에 많은 시간과 경비가 소요되고, 매립 및 해양투기 금지로 바뀌고 있는 환경 정책으로 인해, 슬러지의 처리가 더욱 어려워지고 있는 실정이다. 따라서 이를 해결하기 위한 다양한 슬러지 처리장치에 대한 기술이 제시되고 있다.
종래의 슬러지 처리와 관련되는 기술들로서, 한국특허출원 제10-2004-7007078호, 한국특허출원 제10-2000-0066965호, 한국특허출원 제10-2006-7003849호 등에서는 벤츄리관을 이용하여 수리 동력학적 방법으로 큰 덩어리의 슬러지를 파괴하여 분해가 잘 일어나도록 하는 하수처리 방법이 개시되어 있다. 이들은 가압펌프를 이용하여 슬러지를 고속으로 벤츄리관으로 통과시키면, 슬러지의 압력이 벤츄리관의 목에서 포화수증기압 이하로 강하한다. 이때 슬러지에 용해되어 있던 기체성분이 유리되어 기포(Cavity)가 형성되었다가 압력이 회복되는 지점에서 기포가 파괴되는 케비테이션(Cavitation)이 일어난다. 이와 같이 슬러지에 케비테이션이 일어나면, 기포가 파괴되는 과정에서 발생되는 전단력, 제트류(Jet Stream) 등의 에너지가 미생물 덩어리인 슬러지를 작은 덩어리로 파괴하여 소화되기 쉬운 상태로 만든다.
그러나 이와 같은 종래 기술들은 슬러지가 벤츄리관을 고속으로 통과하기 위하여, 고용량의 펌프 사용을 필요로 하여, 설비를 구성하는데 많은 비용이 소요되고, 고용량 펌프 구동에 많은 에너지가 소모되는 문제점을 가진다.
또한 종래의 슬러지 처리와 관련되는 다른 기술들로서, 한국특허출원 제10-2002-0047747호, 한국특허출원 제10-2004-0072211호, 한국특허출원 제10-2003-0088976호, 한국특허출원 제10-1998-0055680 등에서는 하수처리에 초음파를 이용하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 이러한 종래 기술들은 종래의 물리, 화학적 처리방법과 병행하여 초음파를 이용하거나, 실험실 수준에서 초음파를 단독으로 이용하는 방법에 대하여 개시되어 있을 뿐, 구체적인 폐수 처리 장치를 제시하고 있지 못하고 있다. 그리고 통상적으로 초음파 발생장치는 에너지 소모가 많고, 시설유지비가 많이 소요되는 문제점을 가진다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 슬러지의 처리 효율이 뛰어나고, 펌프의 부하를 줄일 뿐만 아니라 펌프의 구동에 소요되는 에너지를 줄임으로써 에너지 소모 및 시설유지비를 줄일 수 있도록 하며, 이로 인해 경제성을 높이는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 슬러지 처리 시스템에 있어서, 슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성되는 벤츄리노즐; 및 상기 벤츄리노즐 내에 음이온 계면활성제를 주입하는 음이온계면활성제주입부;를 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 슬러지 처리 시스템에 있어서, 농축조로부터 농축된 슬러지가 공급되는 HCT 저류조; 상기 HCT 저류조 내의 슬러지를 상기 HCT 저류조에 순환 공급시키는 제 1 순환라인; 상기 제 1 순환라인에 슬러지의 순환에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되는 HCT 순환펌프; 상기 제 1 순환라인에 슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성되는 벤츄리노즐; 및 상기 벤츄리노즐의 내측 또는 상기 HCT 저류조의 내측에 음이온 계면활성제를 주입하는 음이온계면활성제주입부;를 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템이 제공된다.
상기 음이온계면활성제주입부는, 음이온 계면활성제로서 SDS를 0.001~0.02g/g SS의 농도로 주입할 수 있다.
상기 HCT 저류조에 SS 농도를 측정하도록 설치되는 MLSS 농도측정기; 상기 제 1 순환라인에 유량을 측정하도록 설치되는 유량측정기; 및 상기 MLSS 농도측정기 및 상기 유량측정기에 의해 각각 측정되는 SS 농도와 유량으로부터 상기 제 1 순환라인을 따라 순환되는 SS의 양을 산출하고, 산출된 SS의 양에 따라 설정된 비율로 음이온 계면활성제가 주입되도록 상기 음이온계면활성제주입부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 벤츄리노즐이 나란하도록 다수로 설치되고, 상기 벤츄리노즐 각각의 입구를 배관에 연결시키는 전단헤더와 상기 벤츄리노즐 각각의 출구를 배관에 연결시키는 후단헤더를 가지는 HCT 복합헤더를 더 포함할 수 있다.
상기 HCT 저류조로부터 제 2 공급라인을 통해서 공급되는 슬러지를 미생물을 이용하여 분해하는 소화조; 상기 제 2 공급라인에 설치되는 정량펌프; 상기 소화조 내의 슬러지를 상기 소화조에 순환 공급시키는 제 2 순환라인; 상기 제 2 순환라인에 슬러지의 순환에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되는 UCT 순환펌프; 상기 슬러지에 열을 제공하도록 설치되는 열교환기; 및 상기 제 2 순환라인에 슬러지에 초음파를 조사하여 플록을 해체하도록 설치되는 UCT 반응기;를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 순환라인에 상기 UCT 반응기를 바이패스하도록 연결되는 바이패스라인; 및 상기 소화조 내의 슬러지가 상기 UCT 반응기에 공급되도록 하거나, 상기 바이패스라인에 의해 상기 UCT 반응기를 바이패스하도록 슬러지의 경로를 전환시키는 밸브부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템에 의하면, 슬러지의 처리 효율이 뛰어나고, 펌프의 부하를 줄일 뿐만 아니라 펌프의 구동에 소요되는 에너지를 줄임으로써 에너지 소모 및 시설유지비를 줄일 수 있도록 하며, 이로 인해 경제성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 SDS를 사용하지 않고 순환횟수(20회,40회)만 달리하여 실험한 산소소비속도 결과값을 나타낸 그래프이다.
도 3은 SDS 사용량에 따른 산소소비속도 결과값(순환횟수 20회)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 SDS 0.01g/g SS사용시 순환횟수(20회,40회)에 따른 산소소비속도 결과값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 SCOD 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템(100)은 HCT 저류조(110), 제 1 순환라인(120), HCT 순환펌프(130), 벤츄리노즐(140) 및 음이온계면활성제주입부(150)를 포함할 수 있다. 여기서, HCT는 "Hydrodynamic Cavitation Treatment"의 약자로서, 수리동역학적 캐비테이션 처리를 의미한다.
한편 본 발명의 다른 실시례에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템은 슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성되는 벤츄리노즐(141)과, 벤츄리노즐(141) 내에 음이온 계면활성제를 주입하는 음이온계면활성제주입부(150)를 포함할 수도 있는데, 이러한 벤츄리노즐(141)과 음이온계면활성제주입부(150)에 대해서는 본 발명의 일 실시례에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템(100)에서 함께 설명하기로 한다.
HCT 저류조(110)는 농축조로부터 농축된 슬러지가 제 1 공급라인(111)을 통해서 공급된다. 여기서 농축조는 하수 처리 시설에서 슬러지를 포함한 고형물을 중력을 이용하여 침전시키는 침전조에서 침전된 슬러지를 고농도로 농축시키게 된다.
제 1 순환라인(120)은 HCT 저류조(110) 내의 슬러지를 HCT 저류조(110)에 순환 공급시키도록 연결되어 슬러지의 순환 공급 경로를 제공한다.
HCT 순환펌프(130)는 제 1 순환라인(120)에 슬러지의 순환에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되는데, 벤츄리노즐(141)의 목부 직경, 슬러지 유량 등을 고려하여, 예컨대 고압펌프가 사용될 수 있다.
벤츄리노즐(141)은 제 1 순환라인(120)에 슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성된다. 따라서, HCT 순환펌프(130)의 펌핑에 의하여 벤츄리노즐(141)로 슬러지를 포함한 유체가 고속으로 유입구로 유입되면, 벤츄리노즐(141)에서 유입구와 토출구 사이에 형성된 목부에서 유속이 더욱 빨라짐과 아울러 유체의 압력이 낮아지는데, 이때 슬러지 내부에 용해되어 있던 기체가 기포형태로 유리되어 나오면서 동공(Cavity)을 형성하여 캐비테이션(Cavitation)이 발생된다. 벤츄리노즐(141)의 목부에서 형성된 동공은 목부를 통과하면서 유속이 다시 낮아짐으로써 압력이 다시 회복되어 벤츄리노즐(141)의 토출구 측에서 파열되는데, 동공이 파열되면서 순간적으로 주변에 고압이 형성된다. 동공의 파열에 의해 형성된 고압은 슬러지에 전단력(Shear Force)를 가하여 슬러지를 파쇄한다. 이와 같은 벤츄리노즐(141)에서 캐비테이션이 발생하는 것을 수리동역학적 캐비테이션이라고 하며, 이러한 처리 방식을 앞서 설명한 HCT(Hydrodynamic Cavitation Treatment)라고 한다.
벤츄리노즐(141)은 HCT 복합헤더(140)에 다수로 설치될 수 있는데, HCT 복합헤더(140)는 벤츄리노즐(141)이 나란하게 다수로 설치될 수 있고, 벤츄리노즐(141) 각각의 유입구를 배관, 예컨대 제 1 순환라인(120)에 연결시키는 전단헤더(142)와 벤츄리노즐(141) 각각의 토출구를 배관, 예컨대 제 1 순환라인(120)에 연결시키는 후단헤더(143)를 가질 수 있다. 여기서 벤츄리노즐(141)이 나란하게 다수로 설치되는 것은 벤츄리노즐(141)이 평면적으로 나란하게 설치됨은 물론 입체적으로, 예컨대 다발로 설치되는 것도 포함하는 의미이다.
음이온계면활성제주입부(150)는 벤츄리노즐(141)의 내측 또는 HCT 저류조(110)의 내측에 음이온 계면활성제를 주입하도록 하는데, 본 실시례에서는 벤츄리노즐(141)의 목부에 음이온 계면활성제를 주입하는 예를 나타내나, 이를 대신하거나, 이와 함께 HCT 저류조(110)에 음이온 계면활성제를 주입할 수도 있다.
음이온계면활성제주입부(150)는 음이온 계면활성제가 공급되는 탱크나 호퍼로 이루어지는 저장부로부터 주입라인(151)을 통해서 벤츄리노즐(141)의 목부나 HCT 저류조(110)에 음이온 계면활성제가 주입되도록 할 수 있다. 여기서 음이온 계면활성제는 SDS(sodium dodecyl sulfate), SDDBS(sodium dodecylbenzene sulfonate), LAS(linear alkyl benzene sulfonate) 등이 사용될 수 있다. 여기서 SDS는 곧은 사슬모양인 도데실알코올의 황산반에스테르의 나트륨염인 [CH3(CH2)11OSO3-Na+]이고, 야자기름에서 얻는 고급 알코올혼합물을 분류(分溜)하여 얻은 도데실알코올을 황산화하여 제조할 수 있으며, 단백질에 대해 강력한 고친화성이 있어 동일 중량 이상의 도데실황산나트륨이 결합하여 단백질을 변성시키며, 물에 난용성인물질, 특히 생체막단백질을 물에 가용화하도록 한다.
그러므로 슬러지 처리시, EPS(Extracellular Polymeric Substance)-효소(Enzyme) 형성으로 인한 EPS와 효소 사이에 정전기 상화 작용이 발생하여 전처리 효율을 감소시키는데, 음이온 계면활성제는 가용화특성으로 인해 이러한 EPS를 제거함으로써 이들 고분자 유기물이 가용화되어 수상에서 액상화되도록 한다. 즉, EPS의 주요 구성 성분은 단백질과 다당류인데, 생체막 단백질을 가용화하는 SDS, SDDBS, LAS 등과 같은 음이온 계면활성제를 이용하여 연결고리를 파괴하여 EPS에 흡착 및 갇혀있던 기질 및 효소들이 자유롭도록 하고, 이로 인해 후속공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
음이온계면활성제주입부(150)는 주입라인(151)에 주입되는 음이온 계면활성제의 주입량을 조절하기 위한 유량조절밸브(152)가 설치될 수 있는데, 유량조절밸브(152)는 후술하게 될 제어부(163)의 제어신호 또는 사용자가 조작할 수 있도록 마련되는 조작부의 조작신호에 따라 동작이 제어될 수 있다. 음이온계면활성제주입부(150)에 의한 SDS와 같은 음이온 계면활성제의 주입량은 예컨대 0.001~0.02g/g SS일 수 있는데, 음이온 계면활성제의 최소 및 최대 주입량은 상황에 따라 사용량을 변화시킬 수 있으며, 사용자의 경제성 평가 등을 거쳐서 정해질 수 있다.
음이온계면활성제(150)에 의한 음이온 계면활성제의 주입량을 결정하기 위하여, 예컨대 HCT 저류조(110)에 SS(Suspended Solid) 농도를 측정하도록 설치되는 MLSS(Mixed Liquer Suspended Solid) 농도측정기(161)와, 제 1 순환라인(120)에 유량을 측정하도록 설치되는 유량측정기(162)와, MLSS 농도측정기(161) 및 유량측정기(162)에 의해 각각 측정되는 SS 농도와 유량으로부터 제 1 순환라인(120)을 따라 순환되는 SS의 양을 산출하고, 산출된 SS의 양에 따라 설정된 비율로 음이온 계면활성제가 주입되도록 음이온계면활성제주입부(150), 예컨대 유량조절밸브(152)를 제어하는 제어부(163)를 더 포함할 수 있다.
제어부(163)는 SS 농도와 유량을 계산하여, 설정해 놓은 음이온 계면활성제 주입률만큼 주입되도록 유량조절밸브(152)를 제어하게 되는데, 예컨대 유량이 100L/hr, MLSS이고, 농도가 5,000mg/L 인 경우, 1시간 가동이라면, 계산된 음이온 계면활성제 주입률은 0.02g/g SS이고, 총 SS 양은 100L/hr × 5,000mg/L에 의해 5,000mg/hr = 5g/hr이 된다. 따라서 계면활성제 주입량은 0.02g/g SS × 5g에 의해 0.1g이 된다.
제 1 공급라인(111)에는 슬러지의 공급 유량을 측정하기 위한 유량측정기(164)가 설치될 수 있고, HCT 저류조(110)에는 수위 조절을 위한 수위측정기(165)가 설치될 수 있으며, 제 1 순환라인(120)에서 HCT 복합헤더(140) 전단과 주입라인(151)에는 압력측정기(166,167)가 각각 설치될 수 있는데, 이들 측정기들은 제어부(163)에 측정값을 신호로 전달함으로써 제어부(163)가 시스템(100)을 제어하기 위해 이용할 수 있다.
한편 제 1 순환라인(120), 제 2 공급라인(172) 등에는 일방향 흐름을 위한 체크밸브(121,172a)가 설치될 수 있고, 각각의 라인에는 유체의 흐름을 개폐시키기 위한 밸브가 설치될 수 있으며, 특히 제 1 순환라인(120)의 경우 관경을 달리하는 HCT 복합헤더(140)의 연결을 위하여 리듀서(reducer; 122)가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템(100)은 HCT 저류조(110)로부터 제 2 공급라인(172)을 통해서 공급되는 슬러지를 미생물을 이용하여 분해하는 소화조(171)와, 제 2 공급라인(172)에 설치되는 정량펌프(173)와, 소화조(171) 내의 슬러지를 소화조(171)에 순환 공급시키는 제 2 순환라인(174)과, 제 2 순환라인(174)에 슬러지의 순환에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되는 UCT 순환펌프(175)와, 슬러지에 열을 제공하도록 설치되는 열교환기(176)와, 제 2 순환라인(175)에 슬러지에 초음파를 조사하여 플록을 해체하도록 설치되는 UCT 반응기(177)를 더 포함할 수 있다.
소화조(171)에서는 소화가 활발히 일어나게 하기 위하여, 온도를 35℃ 가량으로 유지해야 하는데, 열교환기(176)로 소화조(171)의 슬러지를 직접 가온하거나, 본 실시례에서처럼 제 2 순환라인(174)에 설치되는 열교환기(176)로 소화조(171)로 유입되는 슬러지를 가온하는 방식을 취하고 있다. 소화조(171)는 예컨대 혐기성 미생물을 이용하여 슬러지에 대한 분해가 일어나도록 하고, 발생되는 메탄(CH4)을 주성분으로 하는 가연성 바이오가스를 배출라인(171a)을 통해서 가스홀더에 공급되도록 할 수 있다.
정량펌프(173)는 일례로 고점성의 유체를 일정한 유량으로 공급하는 모노펌프(Mono pump)가 사용될 수 있고, 다른 예로서, 공급 유량의 오차를 허용할 경우 스프르트 펌프(Spurt pump)가 사용될 수 있으며, 현장에서 요구하는 상황에 따라 다양한 방식의 펌프가 사용될 수 있다.
UCT 반응기(177)는 초음파의 조사에 의해 슬러지를 분해하는 초음파 캐비테이션 처리(Ultrasound Cavitation Treatment; UCT)를 이용하는데, 초음파의 조사에 의해 슬러지를 더욱 더 잘게 파쇄하고, 난분해성 고분자 유기물질을 분해가 용이한 저분자 유기물질로 분해하여 소화를 촉진하도록 하며, 슬러지의 량을 획기적으로 줄이고, 이와 함께 메탄(CH4)을 주성분으로 하는 다량의 가연성 바이오가스를 발생시켜 연료로 활용할 수 있도록 한다.
제 2 순환라인(174)에 UCT 반응기(177)를 바이패스하도록 바이패스라인(181)이 연결될 수 있고, 소화조(171) 내의 슬러지가 UCT 반응기(177)에 공급되도록 하거나, 바이패스라인(181)에 의해 UCT 반응기(177)를 바이패스하도록 슬러지의 경로를 전환시키는 밸브부(182,183,184)가 설치될 수 있다. 밸브부(182,183,184)는 본 실시례에서처럼 바이패스라인(181)과 UCT 반응기(177)의 전단과 후단에 각각 설치되는 다수의 밸브로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템(100)에 대해서, 효율 및 경제성 평가를 위한 최적 운전조건을 도출하기 위하여, 다음과 같이 시험하였다.
실험 조건은 아래의 표 1과 같으며, 음이온 계면활성제로는 SDS를 사용하였다.
SDS 주입량 Blank
 0.02g/g SS
 0.01g/g SS
순환 횟수 20회 40회 20회 40회 20회 40회
농축슬러지농도
(TS 농도)		 3.15% 3.16% 3.16%
여기서 Blank는 SDS를 넣지 않은 농축 슬러지이다. 농축 슬러지는 매 실험마다 채취하여 사용하였다.
도 2에서와 같이, SDS는 사용하지 않고, HCT 하에서 순환횟수만(20회, 40회) 달리하여 실험한 결과, 산소소비속도는 Using no SDS, HCT(20회)가 Using no SDS, HCT(40회)에 비하여 크며, 그에 따른 가용화를 확인할 수 있었다.
도 3에서와 같이, SDS 사용량에 따른 실험 결과 순환횟수를 20회로 한 경우, SDS를 투입하지 않은 Blank가 SDS를 투입한 실험군에 비해 산소소비속도가 큼을 확인할 수 있었다. 이때, SDS 주입률의 차이에 의한 산소소비속도의 차이는 크지 않음을 확인할 수 있었다.
도 4에서와 같이, SDS 0.01g/g SS 사용시 순환횟수에 따른 실험 결과, SDS 주입률이 같을 경우 순환횟수(20회, 40회)에 의한 차이는 크지 않음을 확인할 수 있었다.
도 5에서와 같이, SCOD 실험 결과, Blank vs SDS 0.01g/g SS에서는, 순환 횟수 20회일 경우 SDS 0.01g/g SS가 Blank보다 SCOD 증가율이 약 1.7배 크며, 순환 횟수 40회일 경우 SDS 0.01g/g SS가 Blank보다 SCOD 증가율이 약 1.9배 크며, Blank 20회의 SCOD 농도는 SDS 0.01g/g SS를 10회 순환시켰을 때의 농도와 같음을 확인할 수 있었다. 또한 Blank vs SDS 0.02g/g SS에서, 순환 횟수 20회일 경우 SDS 0.02g/g SS가 Blank보다 SCOD 증가율이 약 2.9배 크며, 순환 횟수 40회일 경우 SDS 0.02g/g SS가 Blank보다 SCOD 증가율이 약 2.6배 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 SDS 0.01g/g SS vs SDS 0.02g/g SS의 경우, 순환 횟수 20회일 경우 SDS 0.02g/g SS가 0.01g/g SS보다 SCOD 증가율이 약 1.8배 크며, 순환 횟수 40회일 경우 SDS 0.02g/g SS가 0.01g/g SS보다 SCOD 증가율이 약 1.4배 큰 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템(100)의 운영을 종래와 비교한 경제성 평가는 아래의 표 2와 같다.
종래(동력비)
 본 발명(SDS 사용비+ 동력비)
동력비


 55kW×24hr×80원=105,600원/day


 동력비 28kW×24hr×80원=53,760원/day
SDS 사용비 종래 동력비-본 발명 동력비=51,840원
≒5,100원
SDS 사용량
계산
 - 슬러지 유입량 : 250m3/day
- 농축농도 :4%
- 하루 처리량 :10,000kg/day
- SDS kg당 단가 :10,000원
- 사용비가 51,000원이 나와야하므로 사용량은 5.1kg
- 따라서 SDS투입비는 0.00051
- 0.51mg/g ss
또한 0.02g/g SS of SDS 초과 범위에서는 SDS의 사용량이 증가하여도 EPS의 제거는 이루어지지 않으며, 높은 농도의 SDS의 사용은 오히려 슬러지 효소의 활성과 가수분해 프로세스를 억제하고, 0.02g/g SS of SDS의 경우 거품에 의한 부정적 영향이 나타나지 않으며, 슬러지로부터 EPS 제거 후에 축적되지 않으므로 이러한 사용량이 환경적으로 문제되지 않고 안전하다. 또한 0.001g/g SS of SDS 미만 범위에서는 EPS의 제거 효율이 저하된다. 이는 다른 음이온 계면활성제에서도 마찬가지로 적용될 수 있다.
또한 슬러지 가용화의 높은 성취를 위하여, 박테리아 전처리의 효율을 위한 최적 pH는 6.5 부근이며, 0.02g/g SS of SDS 초과 사용시, pH는 8이상으로 상승하고, 이것은 후속 전처리에 큰 영향을 미치므로 0.02g/g SS of SDS의 사용이 EPS를 제거하는데 최적의 사용량이다. 다만, 현장의 여건, 예컨대 유량이나 농도, 경제성을 고려하여, 상기한 주입 농도를 가변시킬 수 있음은 물론이다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : HCT 저류조 111 : 제 1 공급라인
120 : 제 1 순환라인 121 : 체크밸브
122 : 리듀서 130 : HCT 순환펌프
140 : HCT 복합헤더 141 : 벤츄리노즐
142 : 전단헤더 143 : 후단헤더
150 : 음이온계면활성제주입부 151 : 주입라인
152 : 유량조절밸브 161 : MLSS 농도측정기
162,164 : 유량측정기 163 : 제어부
165 : 수위측정기 166,167 : 압력측정기
171 : 소화조 171a : 배출라인
172 : 제 2 공급라인 172a : 체크밸브
173 : 정량펌프 174 : 제 2 순환라인
175 : UCT 순환펌프 176 : 열교환기
177 : UCT 반응기 181 : 바이패스라인
182,183,184 : 밸브부

Claims (7)

  1. 슬러지 처리 시스템에 있어서,
    슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성되는 벤츄리노즐; 및
    상기 벤츄리노즐 내에 음이온 계면활성제를 주입하는 음이온계면활성제주입부;
    를 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
  2. 슬러지 처리 시스템에 있어서,
    농축조로부터 농축된 슬러지가 공급되는 HCT 저류조;
    상기 HCT 저류조 내의 슬러지를 상기 HCT 저류조에 순환 공급시키는 제 1 순환라인;
    상기 제 1 순환라인에 슬러지의 순환에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되는 HCT 순환펌프;
    상기 제 1 순환라인에 슬러지가 통과하도록 설치되고, 유입구와 토출구의 직경에 비하여 작은 직경을 가지는 목부가 형성되는 벤츄리노즐; 및
    상기 벤츄리노즐의 내측 또는 상기 HCT 저류조의 내측에 음이온 계면활성제를 주입하는 음이온계면활성제주입부;
    를 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 음이온계면활성제주입부는,
    음이온 계면활성제로서 SDS를 0.001~0.02g/g SS의 농도로 주입하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 HCT 저류조에 SS 농도를 측정하도록 설치되는 MLSS 농도측정기;
    상기 제 1 순환라인에 유량을 측정하도록 설치되는 유량측정기; 및
    상기 MLSS 농도측정기 및 상기 유량측정기에 의해 각각 측정되는 SS 농도와 유량으로부터 상기 제 1 순환라인을 따라 순환되는 SS의 양을 산출하고, 산출된 SS의 양에 따라 설정된 비율로 음이온 계면활성제가 주입되도록 상기 음이온계면활성제주입부를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 벤츄리노즐이 나란하도록 다수로 설치되고, 상기 벤츄리노즐 각각의 입구를 배관에 연결시키는 전단헤더와 상기 벤츄리노즐 각각의 출구를 배관에 연결시키는 후단헤더를 가지는 HCT 복합헤더를 더 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
  6. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 HCT 저류조로부터 제 2 공급라인을 통해서 공급되는 슬러지를 미생물을 이용하여 분해하는 소화조;
    상기 제 2 공급라인에 설치되는 정량펌프;
    상기 소화조 내의 슬러지를 상기 소화조에 순환 공급시키는 제 2 순환라인;
    상기 제 2 순환라인에 슬러지의 순환에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되는 UCT 순환펌프;
    상기 슬러지에 열을 제공하도록 설치되는 열교환기; 및
    상기 제 2 순환라인에 슬러지에 초음파를 조사하여 플록을 해체하도록 설치되는 UCT 반응기;
    를 더 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 2 순환라인에 상기 UCT 반응기를 바이패스하도록 연결되는 바이패스라인; 및
    상기 소화조 내의 슬러지가 상기 UCT 반응기에 공급되도록 하거나, 상기 바이패스라인에 의해 상기 UCT 반응기를 바이패스하도록 슬러지의 경로를 전환시키는 밸브부;
    를 더 포함하는, 수리동역학적 캐비테이션 방식과 음이온 계면활성제를 이용한 슬러지 처리 시스템.
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