KR20210107223A - 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법 및 건조 장치 - Google Patents

건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법 및 건조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법에 관한 것으로, (1) 하수처리장의 수처리 공정에서 증식된 미생물을 모아 탈수기로 탈수하여 고체 형상의 미생물 슬러지로 배출하는 탈수단계; (2) 상기 미생물 슬러지를 구성하는 상기 미생물의 세포액을 세포막 내부에 가두어 형성되는 1차 건조저항의 원인인 삼투압을 제거하여 삼투압제거 슬러지를 형성하는 1차 건조저항 제거단계; (3) 상기 삼투압제거 슬러지가 가진 점성으로 뭉쳐서 증발면적을 감소시켜 발생하는 2차 건조저항을 방지하도록 혼합 슬러지를 형성하는 2차 건조저항 제거단계; (4) 상기 혼합 슬러지를 건조하여 건조슬러지를 형성하는 건조단계;를 포함한다.

Description

건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법 및 건조 장치 {Bio sludge drying method and apparatus eliminated drying resistance}
본 발명은 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법 및 건조장치에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 하수처리장의 수처리 공정에서 증식된 미생물을 모아 탈수기로 탈수하여 고체의 형상을 가진 미생물 슬러지로 배출하는 탈수단계와, 미생물 슬러지를 구성하는 미생물의 세포액을 세포막 내부에 가두어 형성되는 1차 건조저항의 원인인 삼투압을 제거하여 삼투압제거 슬러지를 만드는 1차 건조저항 제거단계와, 삼투압제거 슬러지가 점성으로 뭉쳐서 증발면적을 감소시켜 발생하는 2차 건조저항을 방지하는 혼합 슬러지를 만드는 2차 건조저항 제거단계와, 혼합 슬러지를 건조하여 상기 건조슬러지를 만드는 건조단계로 구성하여 미생물 슬러지를 자원으로 활용할 수 있는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법 및 건조장치에 관한 것이다.
건조단계에서 히트펌프를 이용하여 밀폐된 건조공간을 순환하는 내부공기의 수증기를 응축수로 제거하는 제습건조를 수행하면 증발수증기가 건조공간의 외부로 배출하지 않아서 악취 발생을 차단하는 동시에 건조에 필요한 에너지를 수증기에서 회수하여 다시 공급하는 에너지 재사용으로 건조에너지를 절감한다.
미생물 슬러지는 하수처리장에서 더러운 하수나 폐수의 오염물질인 유기물을 미생물이 먹고 제거하여 깨끗한 물로 정화하는 과정에서 유기물을 먹고 증식된 미생물을 필터나 원심력 등 기계적인 힘을 이용하는 탈수기로 물을 최대한 탈수하여 버리는 폐기물로, 이 미생물 슬러지는 미생물의 세포액이 그대로 남아서 함수율 80%를 유지하므로 미생물 슬러지 100kg에는 고형분은 20kg 뿐이고 물이 80kg이나 들어있어서 자원으로 활용하지 못하고 있다.
발전소의 연료로 활용하기 위하여 함수율 10% 이하로 건조하려면 80kg의 물에서 2.2kg만 남겨야 하므로 미생물 슬러지가 보유한 물의 97% 이상인 77.8kg을 추가로 제거하는 건조가 필요하다.
그런데 이 탈수된 미생물 슬러지 1 그램은 약 1억 개 이상으로 세포로 구성되어 이 미생물 세포는 삼투압으로 세포액을 세포막 내부에 가두어서 증발을 방해하는 1차 건조저항을 발생시켜서 일반적인 자연증발의 방법으로는 건조가 되지 않는다.
강력한 건조가 되도록 건조과정에서 열판이나 열풍 또는 전자기파로 에너지를 가하여 미생물 슬러지를 고온으로 가열하면 미생물의 삼투압이 사라지면서 미생물 세포액이 일시에 방출되어 유동성이 증가하고 점성이 생겨 건조과정에서 덩어리를 형성하여 증발면적을 대폭 감소시킬 뿐 아니라 건조기계에 달라붙어 건조를 방해하는 2차 건조저항이 발생한다.
또한 탈수된 미생물 슬러지는 배출 직후 산소가 공급되지 않는 혐기성 상태가 되어서 미생물 세포의 표면에 존재하는 다양한 단백질 효소에서 혐기성 미생물이 증식하여 이 단백질 효소를 다량의 악취물질로 분해하여 방출하는 1단계 부패가 시작된다.
이후에도 많은 시간이 지나면 혐기성 미생물이 세포막을 구성하는 단백질 출입구까지 분해하는 2단계 부패가 진행되면서 세포막이 손상되어 세포액까지 유출되면서 더욱 심한 악취가 발생할 뿐 아니라 고농도 폐수인 침출수가 발생하는 악성폐기물로 전환된다.
이러한 악성 폐기물인 미생물 슬러지를 자원으로 활용하기 위하여 효율적인 건조가 필요하며 이를 위하여 미생물 슬러지가 가진 1차 건조저항과 2차 건조저항을 효과적으로 해결함으로서 건조가 잘 이루어지고, 건조과정에서 악취가 발생하지 않고, 건조 비용도 저렴한 새로운 건조방법이 필요하다.
이렇게 새로운 방법으로 미생물 슬러지를 함수율 10% 이하로 건조하면 탄소배출권을 가진 에너지 자원으로 전환되어 발전소의 연료로 사용할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 미생물 슬러지에서 미생물의 삼투압으로 세포액을 구속하여 수분의 증발을 막고 열전달을 차단하여 건조를 방해하는 1차 건조저항을 제거하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 건조과정에서 미생물 세포액이 일시에 방출되어 건조 과정에서 덩어리를 형성하여 증발면적을 대폭 감소시키고 기계에 달라붙어 건조 과정에서 건조를 방해하는 2차 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 미생물 슬러지 건조과정에서 가장 큰 민원의 원인을 제공하는 악취를 감소시키는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 건조과정에서 발생하는 수증기의 잠열을 히트펌프로 회수하여 다시 건조에너지로 사용할 수 있는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법을 제공하는 것이다.
상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 하수처리장의 수처리 공정에서 증식된 미생물을 모아 탈수기로 탈수하여 고체 형상의 미생물 슬러지로 배출하는 탈수단계; (2) 미생물 슬러지를 구성하는 미생물의 세포액을 세포막 내부에 가두어 형성되는 1차 건조저항의 원인인 삼투압을 제거하여 삼투압제거 슬러지를 형성하는 1차 건조저항 제거단계; (3) 삼투압제거 슬러지가 가진 점성으로 뭉쳐서 증발면적을 감소시켜 발생하는 2차 건조저항을 방지하도록 혼합 슬러지를 형성하는 2차 건조저항 제거단계; (4) 혼합 슬러지를 건조하여 건조슬러지를 형성하는 건조단계; 를 포함한다.
또한 1차 건조저항 제거단계는 미생물 슬러지를 펌프로 가압하여 관으로 이송하는 가압단계; 관에 연결되는 가열유닛으로 이송되는 미생물을 가열하는 가열단계; 가열된 미생물을 가열유닛과 연결된 보온탱크에 저장하여 삼투압이 제거된 삼투압제거 슬러지를 만드는 보온저장단계; 로 이루어진다.
또한 가열유닛은 일단이 관과 연결되고 타단이 복수의 가열관과 연결되는 주입부; 일단이 가열관과 연결되고 타단이 보온탱크와 연결되는 배출부; 주입부와 배출부에 연결되고 가열관을 둘러싸는 구조로 이루어져 내부 공간에 수증기를 넣어서 가열관을 가열하는 가열용기;로 구성된다.
여기서, 2차 건조저항 제거단계는 삼투압제거 슬러지와 건조슬러지를 혼합하여 함수율 50% 이하의 혼합 슬러지를 만드는 혼합단계; 혼합 슬러지를 국수 모양으로 만드는 성형단계;로 이루어질 수 있다.
여기서, 혼합 슬러지를 건조하는 단계에서, 혼합 슬러지를 이동하는 벨트 위에서 건조하는 정적건조를 한 다음 회전하는 원통 내부에서 건조하는 동적건조를 할 수 있다.
여기서, 2차 건조저항 제거단계는 삼투압제거 슬러지에 코코피트 및 톱밥 중 적어도 이상을 혼합한 혼합 슬러지를 만들 수 있다.
여기서, 탈수단계와 1차 건조저항 제거단계 사이에 운반단계를 더 포함하며, 운반단계는 미생물 슬러지가 탈수기에서 운반용기로 배출되는 배출단계; 운반용기를 트럭으로 하수처리장의 탈수기와 떨어진 건조시설로 이동하는 트럭이동단계; 운반용기에 담긴 운반슬러지를 1차 건조저항 제거단계로 공급하여 삼투압제거 슬러지를 만들기 위하여 호스펌프를 이용하여 음압으로 흡입하는 흡입단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 건조단계는 건조슬러지의 함수율이 25%에서 35% 사이로 건조하는 제1건조단계; 제1건조단계 후에 형성된 건조슬러지를 함수율 10% 이하인 연료슬러지로 건조하는 제2건조단계; 로 이루질 수 있다.
여기서, 제1건조단계와 제2건조단계 사이에서 건조슬러지를 펠릿으로 성형하는 펠릿성형단계;가 추가될 수 있다.
본 발명에 의한 미생물 슬러지 건조 장치는 건조단계는 밀폐장치 내에서 수행되고, 장치 내부공기의 수증기 제습이 건조와 동시에 수행되며, 밀폐장치는 혼합 슬러지의 수분이 증발하여 내부공기에 편입되는 증발공간과 내부공기를 냉각하여 응축수로 제습하는 제습공간으로 구분되어 있으며, 증발공간의 내부공기를 가열하여 건조에너지를 공급하는 가열유닛; 및 제습공간으로 유입된 내부공기를 냉각시키는 냉각유닛을 포함하며, 가열유닛은 히트펌프 응축기로 구성되고, 냉각유닛은 히트펌프 증발기로 구성된다.
여기서, 밀폐장치는 제습공간에서 제습이 잘 이루어지도록 증발공간에서 제습공간으로 이동하는 내부공기의 상대습도를 높이고, 증발공간에서 증발이 잘 이루어지도록 제습공간에서 증발공간으로 이동하는 내부공기의 상대습도를 낮출 수 있는 상대습도 변환유닛과; 내부공기가 상대습도 변환유닛을 통과할 수 있도록 하는 송풍유닛을 더 포함하고, 상대습도 변환유닛은, 평면 플레이트 형상의 라이너부재; 접혀서 골을 형성하면서 라이너부재의 일측면에 부착되어 내부공기의 통로를 형성하는 스페이서부재; 및 스페이서부재의 공기통로 방향이 계속 서로 엇갈리도록 라이너부재와 스페이서부재를 다단 적층한 복수개의 변환소자;로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법은 건조 전에 고온으로 가열하여 미생물의 삼투압을 먼저 제거하여 수분의 증발을 방해하는 미생물 슬러지의 1차 건조저항을 건조 이전에 미리 제거한 다음에 건조하여 건조과정에서 60℃ 이하의 저온에서도 증발이 쉽게 진행될 뿐 아니라 건조에너지와 건조시간도 줄일 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법은 점성이 있는 삼투압제거 슬러지가 건조 과정에서 덩어리를 형성하거나 기계에 달라붙어 증발면적이 감소하는 2차 건조저항이 발생하지 않도록 건조하기 전에 삼투압을 제거하여 유동성이 높아진 삼투압제거 슬러지에 건조슬러지나 코코피트 또는 톱밥 같은 바이오매스를 혼합한 혼합 슬러지로 만들어서 건조함으로서 건조 과정에서 증발면적을 그대로 유지하여 건조에너지와 건조시간을 줄이는 이점이 있다.
본 발명에 따른 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법은 악취를 발생하는 혐기성 미생물을 미리 제거하여 기존의 미생물 슬러지에서 발생하는 악취도 감소할 뿐 아니라 밀폐공간을 이용한 제습건조로 건조과정에서 발생하는 수증기를 외부로 전혀 유출하지 않아서 건조과정에서 악취물질이 외부로 배출되지 않는 이점이 있다.
본 발명에 따른 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법은 건조저항을 제거하면 건조과정에서 60℃ 이하의 온도에서도 증발이 쉽게 이루어지므로 COP 3 이상인 히트펌프로 제습 건조장치를 구성하여 밀폐공간을 순환하는 내부공기를 60℃의 열풍으로 만들어 건조에너지로 공급하고 동시에 슬러지에서 증발한 수증기를 응축하여 잠열을 회수함으로서 에너지 효율을 3배 이상 증가시켜 건조비용을 절감하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 작업 단계 흐름도이다.
도 2는 미생물 슬러지 건조에 따른 함수율 변화도이다
도 3은 제습 건조시설의 벨트 투시도이다
도 4는 제습 건조시설의 원통 단면도이다
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 작업 단계 흐름도이다.
도 6은 호스펌프 구성도이다.
도 7은 히트펌프를 이용한 제습 건조시설의 구성도이다
도 8은 제습건조시설의 상대습도 변환소자 투시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 건조저항을 제거한 슬러지 건조장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 건조저항을 제거한 슬러지 건조장치의 제1실시예 구성도로 본 발명에서는 (1) 하수처리장의 수처리 공정에서 증식된 미생물(A)을 모아 탈수기로 탈수하여 고체의 형상을 가진 미생물 슬러지(B)로 배출하는 탈수단계와 (2) 상기 미생물 슬러지(B)를 구성하는 미생물의 세포액을 세포막 내부에 가두어 형성되는 1차 건조저항의 원인인 삼투압을 제거하여 삼투압제거 슬러지(C)를 만드는 1차 건조저항 제거단계와 (3) 삼투압제거 슬러지(C)가 가진 점성으로 뭉쳐서 증발면적을 감소시켜 발생하는 2차 건조저항을 방지하도록 혼합 슬러지(D)를 만드는 2차 건조저항 제거단계와 (4) 혼합 슬러지(D)를 건조하여 건조슬러지(E)를 만드는 건조단계로 구성된다.
현재 대한민국의 하수처리장에서는 매일 11,000톤 이상의 미생물 슬러지가 발생하여 폐기물로 버려지고 있는데 이 미생물 슬러지를 함수율 10% 이하로 건조한다면 탄소배출권을 가진 연료로 발전소에 공급할 수 있다.
미생물 슬러지는 하수나 폐수의 오염물질인 유기물을 제거하는 수처리 과정에서 증식된 미생물을 모은 미생물 덩어리로 수처리 방법에 따라 미생물의 조성이 변하여 미생물 슬러지의 함수율은 70∼85% 사이로 변화하지만 여기서는 원리를 설명하기 위하여 함수율을 80%로 가정한다.
함수율 80%의 미생물 슬러지 100kg에는 고형분은 20kg 뿐이고 물이 80kg이나 들어있을 뿐 아니라 이 물이 1g에 1억개 이상의 미세한 세포들의 세포액을 존재하는데 세포막과 삼투압으로 세포액의 증발을 방해하기 때문에 미생물 세포에 의한 1차 건조저항이 발생한다.
기존의 건조방법에서는 이러한 1차 건조저항 때문에 100℃ 이상의 고온의 건조에너지를 사용하게 되는데 이렇게 건조과정에서 고온의 건조에너지를 사용하면 건조장치 내에서 미생물의 삼투압이 일시에 사라지면서 세포액이 한꺼번에 방출되어 액상으로 변하고 점성이 발생하여 덩어리로 뭉쳐서 증발면적이 급격하게 감소하여 증발이 급격하게 지연되는 2차 건조저항이 발생하며 2차 건조저항에서 점성으로 건조기계에 부착되어 건조되는 건조슬러지는 딱딱한 물성으로 부품을 마모시키고 기계의 작동을 중단시키는 원인이 된다.
이러한 1차 건조저항과 2차 건조저항으로 이루어진 두 가지 건조저항으로 미생물 슬러지는 건조하는 과정에서 건조시간이 오래 걸리기 때문에 이론적인 증발에너지의 3배 이상의 막대한 건조에너지를 사용해야 하므로 건조비용이 과다하게 발생할 뿐 아니라 저장이나 운반 그리고 건조과정에서 극심한 악취를 배출하여 미생물 슬러지의 건조시설이 혐오시설로 인식되고 많은 민원을 유발할 수 있다.
본 발명에서는 서로 상이한 두 가지의 건조저항을 분리하여 건조에 앞서서 전처리 과정으로 각각의 건조저항 특성에 맞도록 해결하는 것이며, 이를 단계적으로 해결하기 위하여 먼저 미생물 슬러지(B)를 구성하는 미생물의 삼투압을 90℃ 온도로 제거하여, 60℃ 이하의 온도에서도 건조가 잘 이루어지는 삼투압제거 슬러지(C)를 만드는 1차 건조저항 제거단계와, 삼투압이 제거되면 세포액이 유출되면서 점성과 액상화로 발생하는 삼투압제거 슬러지(C)의 2차 건조저항을 제거하도록 함수율 80%의 삼투압제거 슬러지를 건조반송슬러지(E1)와 혼합하여 함수율 50% 정도의 혼합 슬러지(D)를 만들어 점성과 액상화가 발생하지 않도록 하는 2차 건조저항 제거단계를 수행하도록 구성한 것이다.
본 발명을 통하여 건조 전에 건조저항을 미리 제거하고 제습건조를 수행하면 건조공간 외부로 공기가 전혀 유출되지 않기 때문에 악취의 유출을 원천적으로 차단하여 미생물 슬러지 건조에서 최고의 어려움을 일으키는 민원 발생을 방지할 수 있다. 또한 제습건조를 통하여 히트펌프의 에너지 효율을 보여주는 투입에너지와 생산 열량의 비율인 COP(Coefficient of Performance)를 3.0 이상으로 구성하기 용이하여 건조에너지를 크게 절감할 수 있게 된다.
1차 건조저항 제거단계는 미생물 슬러지를 펌프로 가압하여 관으로 이송하는 가압단계, 관에 연결되는 가열유닛으로 이송되는 미생물을 가열하는 가열단계, 가열된 미생물을 가열유닛과 연결된 보온탱크에 저장하여 삼투압이 제거된 삼투압제거 슬러지를 만드는 보온저장단계로 이루어질 수 있다.
여기에서 사용하는 가열유닛의 일단은 관과 연결되고 타단은 복수의 가열 관과 연결되는 주입부, 가열 관과 연결되고 일단은 보온탱크와 연결되는 배출부, 주입부와 배출부와 연결되고 가열관을 둘러싸는 구조로 이루어져 내부 공간에 수증기를 넣어서 가열관을 가열하는 가열용기로 구성될 수 있다.
이러한 가열유닛의 구조는 수증기를 이용한 열교환기에서 널리 사용되는 방식이고 당업자에게 잘 알려져 있어서 그 구조에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이 가열유닛을 통하여 미생물 슬러지는 90℃이상으로 가열되고 연결된 보온탱크에서 90℃ 이상의 온도로 보온 저장하여 삼투압을 확실하게 제거한다.
또한 보온탱크는 1차 건조저항 제거 단계와 이후 건조시설의 처리속도 차이를 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 보통 건조시설은 일정한 속도로 증발이 이루어지며 24시간 자동으로 연속운전을 하지만 1차 건조저항 제거 시설은 슬러지가 운반되면 일시에 대량으로 처리하므로 적절한 크기와 수량으로 구성된 보온탱크에 일시에 처리된 물량을 보관하면서 건조시설에 24시간 꾸준히 공급하여 두 시설의 속도 차이를 효율적으로 해결할 수 있다.
2차 건조저항 제거단계는 상기 삼투압제거 슬러지(C)와 건조반송슬러지(E1)를 혼합하여 함수율 50% 이하의 혼합 슬러지(D)를 만드는 혼합단계와, 혼합 슬러지(D)를 국수 모양으로 만드는 성형단계로 이루어지고, 건조단계에서 혼합 슬러지(D)를 이동하는 벨트(425) 위에서 건조하는 정적건조를 한 다음 회전하는 원통(426) 내부에서 건조하는 동적건조를 하여 건조슬러지(E)를 형성할 수 있다.
도 2에서 보여주는 미생물 슬러지의 건조에 따른 함수율 변화도에 의하여 계산하면 함수율 30%의 건조반송슬러지(E1)와 함수율 80%의 삼투압제거 슬러지(C)를 1.5:1.0의 비율로 혼합하면 함수율 50%의 혼합 슬러지(D)가 만들어지고 이렇게 만든 혼합 슬러지(D) 100kg은 함수율 80%의 삼투압제거 슬러지(C) 250kg이 가진 물 200kg 에서 150kg을 건조하고 50kg만 남아있는 것과 동일한 상태가 된다.
삼투압제거 슬러지(C)는 미생물 슬러지(B)에 비하여 유동성이 크게 향상되어 쉽게 건조반송슬러지(E1)와 혼합을 할 수 있으며 함수율 80%의 삼투압제거 슬러지(C) 100kg을 함수율 30%의 건조반송슬러지(E1) 150kg과 혼합하여 함수율 50%의 혼합 슬러지(D) 250kg을 만들어서 함수율 30% 까지 건조하면 건조슬러지 178.6kg을 만들게 되며 이 중 150kg을 건조반송슬러지(E1)로 구분하여 다시 2차 건조저항 제거단계로 보내고 함수율 30%의 건조슬러지(E) 28.6kg을 배출한다.
함수율 80%의 미생물 슬러지(B) 100kg을 그냥 건조하면 함수율 30%의 건조슬러지(E) 28.6kg이 동일하게 확보되지만 1차건조저항과 2차건조저항을 제거하여 건조하면 건조에너지와 건조시간을 크게 감소하게 되며 악취 발생도 최소화한다.
2차 건조저항을 제거한 혼합 슬러지(D)는 증발면적을 그대로 유지하므로 수분의 증발이 매우 용이하게 진행되기 때문에 증발에 필요한 건조에너지의 공급과 수증기의 응축을 통한 잠열의 회수를 히트펌프로 동시에 구성할 수 있게 되어 밀폐된 내부공간을 순환하는 내부공기와 히트펌프를 이용하는 제습건조를 용이하게 수행할 수 있다.
도3은 건조시설의 벨트(425) 투시도이며 도5는 건조시설의 원통(426) 단면도이다.
증발면적을 최대한 확보하여 증발이 잘 이루어지도록 혼합 슬러지(D)를 국수모양으로 만들고 벨트(425) 위에서 초기에 서로의 표면이 달라붙지 않도록 정적건조를 하여 먼저 표면부터 건조시킬 수 있다. 이때, 벨트(425)는 상하방향으로 적층 배열되며, 양단이 서로 엇갈리도록 돌출 형성됨으로써 상측에서 하측을 따라 안정적으로 이동시키면서 정적건조 시간을 증가된다. 이를 통해 후술하는 동적건조 전에 충분한 건조상태를 유발시켜 그 건조상태의 효과를 증대시킬 수 있게 된다. 그런 다음 회전하는 원통(426) 내부를 통과시키면서 원통(426) 내부에서 자유낙하를 하면서 건조에너지 전달과 증발이 빠르게 이루어지도록 건조한다.
또한 2차 건조저항 제거단계는 삼투압제거 슬러지와 코코피트 또는 톱밥 같은 바이오매스를 혼합한 혼합 슬러지(D)를 만드는 방법으로도 구성할 수 있다.
2차 건조저항 제거는 건조과정에서 증발면적이 감소하여 건조가 지연되는 현상을 방지하기 위하여 액상화나 점성 문제가 없도록 함수율을 50% 이하로 낮추는 과정이며 이를 위하여 삼투압제거 슬러지(C)에 건조반송슬러지(E1)를 혼합하거나 바이오매스를 혼합한다.
미생물 슬러지를 건조하여 발전소의 연료로 사용하기 위하여 혼합할 수 있는 재료는 코코피트나 톱밥 같은 바이오매스이므로 이 재료를 혼합하여 함수율을 50% 이하로 낮춘 혼합 슬러지를 만들어서 2차 건조저항을 제거한다.
다음은 도6을 이용한 본 발명의 제2실시예로 하수처리장과 건조시설이 분리되어 미생물 슬러지를 운반용기에 운반슬러지(210)로 담아서 트럭으로 건조시설까지 운반하는 운반단계가 추가되고 건조단계를 제1건조단계와 제2건조단계로 구분하고 펠릿성형단계를 추가하여 건조슬러지(E)를 펠릿슬러지(F)로 만들어 발전소의 연료슬러지(G)로 공급하는 방법이다.
제2실시예에서 2차 건조저항까지 제거한 혼합 슬러지(D)를 만드는 과정은 제1실시예와 동일하며, 건조단계는 혼합 슬러지(D)를 건조장치에 투입하여 건조슬러지(E)의 함수율이 25%에서 35% 사이로 건조하는 제1건조단계와, 건조슬러지를 펠릿슬러지(F)로 성형하는 펠릿성형단계와, 펠릿슬러지(F)를 함수율 10% 이하인 연료슬러지(G)로 건조하는 제2건조단계로 이루어지도록 구성한다.
기존의 하루처리장에서 발생하는 미생물 슬러지가 탈수기에서 배출되면 운반용기에 담아서 트럭을 이용하여 처리장까지 운반슬러지(210)로 운반된다. 이러한 기존의 하수처리장에서 발생하는 미생물 슬러지에 사용하기 위하여 탈수단계와 1차 건조저항 제거단계 사이에 운반단계가 추가되고, 운반단계는 미생물 슬러지(B)가 탈수기에서 운반용기로 배출되는 배출단계와, 운반용기를 트럭으로 하수처리장의 탈수기와 떨어진 건조시설로 이동하는 트럭이동단계와, 운반용기에 담긴 운반슬러지(210)를 건조시설에 공급하기 위하여 호스펌프(250)를 이용하여 음압으로 흡입하는 흡입단계로 이루어지도록 구성한다.
도 2의 호스펌프 구성도에 도시된 호스펌프(250)는 진공압에도 원형으로 복원되는 재질의 호스를 이용하여 점성이 큰 물질을 진공으로 흡입하여 10기압 정도의 고압으로 이송하는 장치로 도시된 바와 같이, 전원의 공급에 의해 구동되는 구동모터의 회전축(255)에 결합되어 연동되는 회전체(254)와, 상기 회전체(254)의 외측에 형성되어 호스(257)에 압착력을 주는 압축슈(253)와, 상기 압축슈(253) 및 회전체(254) 등의 외측에 마련되는 케이싱(256)으로 이루어지고, 상기 호스(257)의 흡입구(251)과 토출구(252)의 양측 단부는 플랜지로 마감되어 관련 배관들과 연결되는 구조를 갖는다.
이 호스펌프(250)를 이용하면 진공의 흡입력으로 운반용기에 담긴 운반 슬러지(B1)를 쉽게 흡입하여 1차건조저항을 제거하는 가열유닛에 공급하여 삼투압제거슬러ㅣ(300)을 만들 수 있어서 별도의 값비싼 호퍼시설이 필요없고 악취방지 시설의 설치도 최소화하여 경제성과 부지 공간의 활용도를 높일 수 있다.
또한 운반용기와 트럭을 이용하여 건조과정에서 발생하는 응축수를 다시 하수처리장으로 운반하여 수처리를 하도록 구성하면 건조시설에서 폐수처리를 하지 않게 되므로 폐수처리 시설이 필요 없어서 경제적으로나 환경적으로 우수한 건조시설을 구성할 수 있다.
함수율 30%로 건조된 건조슬러지(E)는 함수율 80%의 미생물 슬러지(200)를 28.6%로 감량하므로 배출량이 감소하여 매립으로 폐기물 처리 비용을 크게 절감할 수 있지만 이 건조슬러지를 펠릿으로 만들고 추가로 건조하여 함수율 10% 이하로 만들어 발전소 연료로 공급하면 탄소배출권을 가진 에너지로 활용할 수 있는 이점이 있다.
특히 함수율 30%까지 건조는 증발이 잘 이루어져 건조가 비교적 용이하지만 함수율 10% 이하의 건조는 증발이 느리게 이루어지고 분진도 많이 발생하여 건조가 어렵기 때문에 건조단계를 함수율이 25%에서 35% 사이로 건조하는 제1건조단계와 함수율 10% 이하로 건조하는 제2건조단계로 구성하여 각 단계별로 건조 특성에 맞도록 장치를 구성하는 것이 효율적이다.
또한 펠릿을 만드는 과정에서 고압으로 압축하는 과정에서 펠릿이 고온으로 가열되면서 수분증발이 상당히 이루어져 함수율 30%의 건조슬러지(E)는 함수율 15% 내외의 펠릿슬러지(F)로 만들어지고 이 펠릿슬러지(F)는 공극이 많고 분진 발생도 최소화할 수 있어서 저장용 사이로에서 제2건조 단계를 쉽게 수행할 수 있다.
펠릿슬러지(F)을 추가로 건조하는 제2건조단계 과정을 설명하면 펠릿슬러지(F)을 보관하는 저장 사이로를 건조공간으로 활용하여 제2 히트펌프를 이용하여 제습건조를 수행하며, 펠릿슬러지(F)의 건조과정에서 발생하는 수증기의 잠열을 제2 히트펌프로 회수하여 공기를 가열하여 건조에너지로 공급하는 구성으로, 이렇게 펠릿슬러지(F)을 추가로 건조하여 함수율을 10% 이하로 낮추면 저위발열량이 크게 증가하고 악취는 감소하여 높은 품질의 연료슬러지(G)를 만들 수 있다.
본 발명에서 혼합 슬러지(D)를 건조하는 건조단계는 밀폐장치(400) 내에서 수행되고, 장치 내부공기의 수증기 제습이 건조와 동시에 수행되는 것이다.
이를 위하여 도7의 히트펌프를 이용한 제습건조시설의 구성도를 이용하여 제습건조 과정을 설명한다.
제습건조시설은 건조단계의 밀폐장치(400)로 혼합 슬러지(D)의 수분이 수증기가 되어 내부공기(411) 속으로 편입되는 증발공간(420), 내부공기(411)를 냉각하여 응축수로 제습하는 제습공간(430)으로 구분되어 있으며, 증발공간(420)의 내부공기(411)를 가열하여 건조에너지를 공급하는 가열유닛(422), 증발공간(420)에서 가열된 내부공기로 혼합 슬러지(D)의 수분이 수증기로 증발하는 증발유닛(421), 제습공간(430)으로 유입된 내부공기(411)를 냉각하는 냉각유닛(431)을 포함하고 있으며, 가열유닛(422)은 히트펌프 응축기(444)로 구성되고 냉각유닛(431)은 히트펌프 증발기(442)로 구성된다.
밀폐된 건조공간(410)을 증발공간(420)과 제습공간(430)으로 구분하고 증발공간(420)에서 내부공기(411)를 가열하여 상대습도를 낮추어 혼합 슬러지(D)의 수분을 수증기로 증발시키고 제습공간(430)에서 상대습도가 포화상태 이하로 내부공기를 냉각하여 수증기가 응축수로 제습되어 혼합 슬러지(D)의 수분을 제거한다.
또한 이 과정에서 내부공기(411) 가열과 냉각을 동시에 수행하는 히트펌프(440)를 사용하면 에너지를 절감하는 효율적인 장치를 구성할 수 있는데 히트펌프(440)는 냉매를 압축기(441)로 압축하여 고온고압상태의 기체를 만들어 가열유닛(422)의 응축기(444)에서 액체로 전환하면서 고온의 에너지를 방출하여 내부공기(411)에 가열팬(423)으로 건조에너지를 공급하고 밸브(443)를 지나 저온저압상태의 액체로 만들어 냉각유닛(431)의 증발기(442)에서 기체로 전환하면서 저온에서 에너지를 흡수하여 수증기를 제습하고 응축수는 배수구(432)를 통하여 배출한다.
증발유닛(421)으로 도4의 벨트(425)와 도5의 원통(426)을 사용할 수 있다.
이러한 제습건조시설의 밀폐장치는 제습공간(430)에서 제습이 잘 이루어지도록 증발공간(420)에서 제습공간(430)으로 이동하는 내부공기(411)의 상대습도를 높이고, 증발공간(420)에서 증발이 잘 이루어지도록 제습공간(430)에서 증발공간(420)으로 이동하는 내부공기(411)의 상대습도를 낮추는 상대습도 변환유닛(450)과 내부공기가 상대습도 변환유닛(450)을 통과할 수 있도록 하는 송풍유닛(460)을 추가로 포함하고, 상대습도 변환유닛(450)에는 변환소자(451)가 복수로 설치되는데 변환소자(451)는 평면 플레이트 형상의 라이너부재(452)와, 접혀서 골을 형성하면서 라이너부재(452)의 일측면에 부착되어 내부공기(411)의 통로를 형성하는 스페이서부재(453)와, 스페이서부재(453)의 공기통로 방향이 계속 서로 엇갈리도록 라이너부재(452)와 스페이서부재(453)를 다단 적층하여 구성한다.
도8은 상대습도 변환유닛의 변환소자 투시도이며 도7에서는 변환소자(451)를 2개만 도시하였는데 필요에 따라 더 많은 변환소자를 연결하여 구성할 수 있다.
이때, 변환소자는 일방향을 따라 복수의 유로를 형성하는 복수의 판넬이 적층되면서 서로 엇갈린 방향으로 유로를 형성하도록 상하로 배치된다. 따라서, 하나의 적층구조를 통하여 유입로(A)와 유출(B) 구조를 한번에 구현시킬 수 있어, 그 구조를 보다 콤팩트하게 할 수 있으며, 안정적으로 유도시킬 수 있는 특징이 있다.
변환소자(451)를 복수로 구성하면 증발공간(420)과 제습공간(430)의 온도차이가 크더라도 상대습도 변환유닛(450)을 이용하여 에너지 손실을 줄이고 제습량을 늘릴 수 있는데 예를 들어 증발공간(420)의 내부공기 온도는 60℃ 이상에서 상대습도가 10% 이하인 상황에서도 제습공간(430)을 쉽게 0℃ 이하로 유지하여 제습을 효과적으로 수행할 수 있으며 건조에너지도 수분 제거량 1kg 당 1kwh 이하의 적은 에너지를 사용하여 건조할 수 있는 탁월한 에너지 절감 효과를 만들게 된다.
일반적으로 미생물 슬러지 건조에 필요한 에너지를 비교하면 함수율 80%의 미생물 슬러지(B) 1톤인 1000kg에는 유기물이 200kg 이고 물이 800kg 들어있는데 물 1kg을 증발시키는데 540 kcal의 기화에너지가 필요하므로 함수율 10% 이하인 연료슬러지(G)를 만들기 위하여 780kg을 증발시키려면 이론적으로 총 42만 1200 kcal 의 열에너지가 필요하다. 하지만 실제 건조 과정에서는 건조저항으로 이 에너지의 2배가 넘는 100만 kcal 이상의 건조에너지를 사용하고 있으며 심한 경우에는 200만 kcal 이상의 에너지를 사용하는 건조장치도 있다.
본 발명의 건조저항을 제거한 슬러지 건조장치에서는 건조저항 제거유닛에서 778kg의 물을 건조유닛 등에서 건조저항 없이 증발하므로 성능계수 3의 히트펌프로 건조에너지를 재활용하고 1kwh 당 830 kcal 를 적용하면 히트펌프는 253 kwh의 전기가 필요하고 건조저항 제거에 필요한 전기를 합하여 모든 전기를 포함하여도 400 kwh 이하로 모든 건조를 수행하여 미생물 슬러지(B)를 연료슬러지(G)로 건조한다. 이 400kwh를 열량으로 환산하면 332,000kcal 로 기존의 건조장치 에너지 사용량 100만 kcal 대비 1/3의 적은 에너지로 슬러지를 건조할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
A : 미생물 B : 미생물 슬러지
B1 : 이동슬러지 250 : 호스펌프
C : 삼투압제거 슬러지 D : 혼합 슬러지
410 : 건조공간 425 : 벨트
426 : 원통 451 : 변환소자
E : 건조슬러지 E1 : 건조반송슬러지
F : 펠릿슬러지 G : 연료슬러지

Claims (11)

  1. (1) 하수처리장의 수처리 공정에서 증식된 미생물을 모아 탈수기로 탈수하여 고체 형상의 미생물 슬러지로 배출하는 탈수단계;
    (2) 상기 미생물 슬러지를 구성하는 상기 미생물의 세포액을 세포막 내부에 가두어 형성되는 1차 건조저항의 원인인 삼투압을 제거하여 삼투압제거 슬러지를 형성하는 1차 건조저항 제거단계;
    (3) 상기 삼투압제거 슬러지가 가진 점성으로 뭉쳐서 증발면적을 감소시켜 발생하는 2차 건조저항을 방지하도록 혼합 슬러지를 형성하는 2차 건조저항 제거단계;
    (4) 상기 혼합 슬러지를 건조하여 건조슬러지를 형성하는 건조단계; 를 포함하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 건조저항 제거단계는,
    상기 미생물 슬러지를 펌프로 가압하여 관으로 이송하는 가압단계;
    상기 관에 연결되는 가열유닛으로 이송되는 상기 미생물을 가열하는 가열단계;
    가열된 상기 미생물을 상기 가열유닛과 연결된 보온탱크에 저장하여 상기 삼투압이 제거된 상기 삼투압제거 슬러지를 만드는 보온저장단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열유닛은,
    일단이 상기 관과 연결되고 타단이 복수의 가열관과 연결되는 주입부;
    일단이 상기 가열관과 연결되고 타단이 상기 보온탱크와 연결되는 배출부;
    상기 주입부와 상기 배출부에 연결되고 상기 가열관을 둘러싸는 구조로 이루어져 내부 공간에 수증기를 넣어서 상기 가열관을 가열하는 가열용기; 로 구성되는 것을 특징으로 하는, 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 건조저항 제거단계는
    상기 삼투압제거 슬러지와 상기 건조슬러지를 혼합하여 함수율 50% 이하의 혼합 슬러지를 만드는 혼합단계;
    상기 혼합 슬러지를 국수 모양으로 만드는 성형단계; 로 이루어지는 것을 징으로 하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 슬러지를 건조하는 단계에서,
    상기 혼합 슬러지를 이동하는 벨트 위에서 건조하는 정적건조를 한 다음 회전하는 원통 내부에서 건조하는 동적건조를 하는 것을 특징으로 하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2차 건조저항 제거단계는,
    상기 삼투압제거 슬러지에 코코피트 및 톱밥 중 적어도 이상을 혼합한 혼합 슬러지를 만드는 것을 특징으로 하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탈수단계와 상기 1차 건조저항 제거단계 사이에 운반단계를 더 포함하며,
    상기 운반단계는,
    상기 미생물 슬러지가 상기 탈수기에서 운반용기로 배출되는 배출단계;
    상기 운반용기를 트럭으로 상기 하수처리장의 상기 탈수기와 떨어진 건조시설로 이동하는 트럭이동단계;
    상기 운반용기에 담긴 운반슬러지를 상기 1차 건조저항 제거단계로 공급하여 상기 삼투압제거 슬러지를 만들기 위하여 호스펌프를 이용하여 음압으로 흡입하는 흡입단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 건조단계는,
    상기 건조슬러지의 함수율이 25%에서 35% 사이로 건조하는 제1건조단계;
    상기 제1건조단계 후에 형성된 상기 건조슬러지를 함수율 10% 이하인 연료슬러지로 건조하는 제2건조단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1건조단계와 제2건조단계 사이에서 상기 건조슬러지를 펠릿으로 성형하는 펠릿성형단계; 가 추가되는 것을 특징으로 하는, 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 적어도 한 항에 적용하여 건조저항을 제거한 미생물 슬러지를 건조하는 미생물 슬러지 건조 장치에 있어서,
    상기 건조단계는 밀폐장치 내에서 수행되고, 장치 내부공기의 수증기 제습이 건조와 동시에 수행되며,
    상기 밀폐장치는 상기 혼합 슬러지의 수분이 증발하여 내부공기에 편입되는 증발공간과 상기 내부공기를 냉각하여 응축수로 제습하는 제습공간으로 구분되어 있으며,
    상기 증발공간의 내부공기를 가열하여 건조에너지를 공급하는 가열유닛; 및 상기 제습공간으로 유입된 내부공기를 냉각시키는 냉각유닛을 포함하며,
    상기 가열유닛은 히트펌프 응축기로 구성되고
    상기 냉각유닛은 히트펌프 증발기로 구성된 것을 특징으로 하는 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 밀폐장치는 제습공간에서 제습이 잘 이루어지도록 상기 증발공간에서 상기 제습공간으로 이동하는 상기 내부공기의 상대습도를 높이고, 상기 증발공간에서 증발이 잘 이루어지도록 상기 제습공간에서 상기 증발공간으로 이동하는 상기 내부공기의 상대습도를 낮출 수 있는 상대습도 변환유닛과;
    상기 내부공기가 상대습도 변환유닛을 통과할 수 있도록 하는 송풍유닛을 더 포함하고,
    상기 상대습도 변환유닛은,
    평면 플레이트 형상의 라이너부재;
    접혀서 골을 형성하면서 상기 라이너부재의 일측면에 부착되어 내부공기의 통로를 형성하는 스페이서부재; 및
    상기 스페이서부재의 공기통로 방향이 계속 서로 엇갈리도록 상기 라이너부재와 상기 스페이서부재를 다단 적층한 복수개의 변환소자;로 구성된 것을 특징으로 하는, 건조저항을 제거한 미생물 슬러지 건조 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113945087A (zh) * 2021-10-15 2022-01-18 青岛海尔空调电子有限公司 用于除湿的方法及装置、电子设备、存储介质

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