WO2018216927A2 - 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법 - Google Patents

유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for treating sewage and wastewater containing organic sludge and a treatment method using the same, and more specifically, to separate organic sludge contained in sewage and wastewater from inorganic sludge using the physicochemical properties of the organic solvent.
  • the present invention relates to a chemical treatment apparatus for dewatering and separating organic sludge and a treatment method using the same, which maximize the efficiency and economic efficiency of sludge treatment by minimizing the water content of organic sludge.
  • organic sludge has an average water content of 40% to 90%, and an organic component of 5% to 50% is known.
  • the moisture content is about 95%, so that the organic membranes It is difficult to expect a high water content reduction effect unless it is destroyed or killed.
  • the mechanical dehydration method and heat-drying method using a polymer flocculant which is a conventional organic sludge treatment technology, are inefficient and inexpensive due to low dehydration efficiency or high energy consumption. This is causing secondary problems such as safety problems, low calorific value during dry sludge recycling, and difficulty in odor treatment of dry flue gas.
  • the odor causing substances were 97% to 99% of sulfur compounds, which could be treated with existing odor treatment techniques.However, the odor causing substances included in exhaust gas after drying were fatty acids (about 44%) and sulfur compounds. (About 25%), aldehydes (about 20%) in order to form a odor contribution is a situation that is difficult to deal with odor with existing technology.
  • Patent No. 10-0820188 a technique for dewatering and solid fueling sludge using waste oil under reduced pressure
  • Patent No. 10-1436428 a technique for extracting biofuel from sludge using physicochemical properties of a solvent Including Patent No. 10-1436428
  • the present invention separates the organic sludge from the inorganic sludge by using physicochemical characteristics such as specific gravity and boiling point of the organic solvent, water solubility, cell membrane destruction and death of the microorganisms contained in the organic sludge, and lowers the water content of the organic sludge.
  • physicochemical characteristics such as specific gravity and boiling point of the organic solvent, water solubility, cell membrane destruction and death of the microorganisms contained in the organic sludge, and lowers the water content of the organic sludge.
  • the method of adopting a heat drying method to reduce the moisture content of the sludge after mechanical dehydration using a polymer flocculant in treating organic sludge has costs incurred in using a high heat source and cost in terms of facilities and operation. And safety problems, as well as recyclability problems due to low calorific value of dry sludge, characteristics of odor-causing substances in the drying process and odor contributions, resulting in secondary problems such as difficulty in handling odors due to changes in higher substances and increase in complaints.
  • the organic sludge is easily separated from water and inorganic materials without using a heat source at room temperature by using physical properties such as specific gravity, water solubility, and boiling point of the organic solvent to secure overwhelming economy and safety compared to drying facilities.
  • the present invention uses the chemical properties of the organic solvent that destroys and kills the cell membranes of aquatic microorganisms with a 95% water content in the body to reduce the water content of the organic sludge to 10% or less, while having a calorific value of 4,000 kcal / kg or more.
  • Sludge powder can be obtained to reduce the cost of landfilling, incineration and disposal, or to be recycled as a single or auxiliary energy source for recycling.
  • the present invention also reduces the operational risk compared to the heat drying method because it does not use a heat source at room temperature, solves the economic problem by overcoming the cost problem in the facility and operation maintenance, and further improves the economics by recycling the used solvent.
  • Another object of the present invention is to focus on the chemical properties and odor contribution of the odor causing substances in the sludge drying process that causes more odor complaints than the existing sewage and wastewater treatment facilities through the apparatus and method, the source of difficulty of odor treatment By blocking, other cost problems such as overlapping investment in odor prevention facilities are overcome.
  • Chemical treatment apparatus for dehydration and separation of organic sludge is a pretreatment tank for controlling the concentration and temperature of sewage and wastewater containing organic sludge, a solvent reservoir for storing the organic solvent, and the injection of the organic solvent A device, a mixing device for mixing the sludge and the organic solvent transferred from the pretreatment tank to the rear stage separation tank, and the sludge mixed with the organic solvent is organic sludge and organic solvent, inorganic sludge and moisture by the specific gravity of the organic solvent.
  • a separation reaction tank for separating the layers a solvent and organic material storage tank for storing the organic sludge and organic solvent formed in the upper part of the separation reaction tank, an inorganic sludge formed in the lower part of the separation reaction tank and a water and inorganic separation tank for storing water, and the solvent and organic material
  • a liquid solvent separation tank for separating and extracting only a liquid solvent from a separation tank, and the separation reaction
  • a gaseous solvent condensation tank for capturing and condensing gaseous components of a solvent vaporized from a solvent and an organic material separation tank and a liquid solvent separation tank
  • a solvent recovery tank for recovering and storing the solvent in a liquid form in the liquid solvent separation tank and the gas phase solvent condensation tank.
  • the organic material collected in the solvent and the organic matter separation tank is centrifuged to form an organic material dust collecting tank to form a solid powder form.
  • the present invention utilizes physicochemical properties such as specific gravity and water solubility of organic solvents, boiling point, and death through cell membrane destruction of microorganisms contained in organic sludge, and separation of solvent and organic materials without using a heat source at room temperature.
  • physicochemical properties such as specific gravity and water solubility of organic solvents, boiling point, and death through cell membrane destruction of microorganisms contained in organic sludge, and separation of solvent and organic materials without using a heat source at room temperature.
  • the odor treatment according to the change of odor causing substances in the sludge drying process It is effective in providing a solution to the problems that may occur during the sludge treatment process by blocking phase difficulties.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a chemical treatment apparatus for dewatering and separating organic sludge of the present invention and a treatment method using the same.
  • FIG. 2 is a block diagram of a separation reaction tank which plays a key role in a chemical treatment apparatus for dewatering and separating organic sludge according to the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a chemical treatment apparatus for dewatering and separating organic sludge and a treatment method using the same when using a co-solvent according to another embodiment of the present invention.
  • a pretreatment tank for controlling the concentration and temperature of the sewage and wastewater containing organic sludge, a solvent storage tank for storing the organic solvent, an injection device for injecting the organic solvent, a sludge transferred from the pretreatment tank to a rearward separation tank,
  • a mixing apparatus for mixing an organic solvent, a separation reaction tank in which sludge mixed with the organic solvent separates the layers into organic sludge and organic solvent, inorganic sludge and water by the specific gravity of the organic solvent, organic sludge formed on the upper part of the separation reaction tank, and A solvent and organic material separation tank for storing an organic solvent, an inorganic sludge formed in the lower part of the separation reaction tank and a water and inorganic material separation tank for storing water, a liquid solvent separation tank for separating and extracting only a liquid solvent from the solvent and organic material separation tank, and the separation Groups of solvents vaporized from the reaction tank and solvent and organic material separation tank and liquid solvent separation tank
  • a gas phase solvent condensation tank for collecting and
  • FIG. 1 is a block diagram showing a chemical treatment apparatus for dewatering and separating organic sludge of the present invention and a treatment method using the same.
  • Chemical treatment apparatus for the dewatering and separation of organic sludge and treatment method using the same to adjust the concentration, temperature and pressure of the sewage and wastewater containing the organic sludge to be treated, and to control the process speed when the treatment capacity increases
  • the pretreatment tank 10 for inputting the co-solvent and the solvent storage tank 20 for storing the organic solvent to be mixed in the sludge, the sludge flow meter 11 for adjusting the amount of sludge introduced, and the amount of organic solvent to be injected
  • the sludge mixed with the organic solvent is introduced into the intermediate layer of the separation reaction tank 50 through the mixing device 40 which can be connected in series or in parallel according to the sludge throughput through the solvent flow meter 30 and the solvent injector 21.
  • Carcasses of organic matter and microorganisms float along the small specific gravity together with the solvent in the upper layer of the reaction tank 50, and the solvent and organic matter separation tank 60 connected to the pipes. Li and the solvent vaporized is collected in the solvent vapor condensing tank 70 through the vapor phase solvent recovery unit 52 provided with a vapor recovery device.
  • the mixed solvent, sludge, and water continue to flow along with the physicochemical properties of the solvent, thereby continuously separating the organic material from the water and the inorganic layer.
  • Water and inorganics having a specific gravity greater than that of the solvent are separated from the inner lower layer of the separation reaction tank 50 and collected in the water and inorganic separation storage tank 90 through the water discharge unit 51, and then the wastewater treatment unit 91 and the inorganic treatment unit 92. And some are transferred to the process water circulation section 93 for use as process water required to adjust the sludge concentration in the pretreatment tank 10.
  • the water transferred to the wastewater treatment unit 91 is treated separately so as to meet the sewage discharge standard through the purification device, and the inorganic treatment unit easily separates and treats the water and the inorganic material by using a conventional mechanical dehydration method.
  • the solvent and organic separation tank 60 is separated through the mesh network provided therein the liquid solvent to the liquid solvent separation tank 80 at the bottom of the mesh network, the organic material filtered through the mesh net blows compressed air combined with the organic material
  • the organic material filtered through the mesh net blows compressed air combined with the organic material
  • the filtered powder can be easily utilized in various ways such as landfill, incineration, renewable energy source, etc., with a calorific value of 4,000 kcal / kg or more at a moisture content of 10% or less.
  • the gaseous solvent formed in the space above the separation tank 60 is transferred to the gaseous solvent condensation tank 70 by using an oil vapor recovery device.
  • the solvents separated in the gaseous solvent condensation tank 70 and the liquid solvent separation tank 80 are collected in the solvent recovery tank 100 through an appropriate purification apparatus, and then subjected to a separate purification process and then pretreated according to the injection rate. Pipe connection to the solvent reservoir 20 for storing the solvent mixed with the coarse sludge is reused.
  • the pretreatment tank 10 may further include a control unit for adjusting the temperature, concentration, and pressure to create an environment in which the layer separation phenomenon occurs smoothly in the separation reaction tank 50.
  • FIG. 2 is a block diagram of a separation reaction tank which plays a key role in a chemical treatment apparatus for dewatering and separating organic sludge according to the present invention.
  • Separation reaction tank 50 that implements the core principle in the configuration according to the present invention is the sludge which has undergone the pre-treatment and mixing process with the solvent continues to flow into the intermediate layer through the solvent mixture sludge injection unit 53 and the upper upper solvent and Carcasses of organic matter and microorganisms are formed in the organic matter separator 57 according to a small specific gravity together with the solvent, and are separated into the solvent and the organic matter separator 60 through the solvent and sludge discharge part 54, and the vaporized solvent is vaporized.
  • the gaseous solvent condensation tank 70 is collected through the gaseous solvent recovery unit 52 provided with a recovery device.
  • the solvent and water separation reaction unit 56 formed in the intermediate layer includes a portion where the mixed solvent and sludge are continuously introduced, and physical properties such as specific gravity of the solvent and solubility in water, and destroys the cell membrane of the microorganism, and the interface of the organic material. Chemical properties that lower tension continue to act, causing organics to separate layers from water and inorganics.
  • the water and inorganic precipitate part 55 formed in the lower layer of the separation reaction tank 50 is a separate layer because the specific gravity of the water and the inorganic material is larger than the organic material and the solvent. Is discharged to 90)
  • the delamination is possible because the specific gravity of the water-insoluble hydrocarbon-based material is less than that of water. Considering that it has a common chemical reaction in order to reduce the water content of the entire organic material by destroying and killing, there are numerous substances.
  • the organic solvent has a very low solubility in water of sewage and wastewater, and can guarantee the safety according to the pressure at room temperature with a vapor pressure of 40kpa to 80kpa at room temperature and low specific gravity of about 05 to 077 to separate organic matter from water and layers.
  • Boiling point is 9 °C to 50 °C level without using a separate heat source at room temperature, easy to separate the solvent in the liquid or gas phase physical properties and chemical properties that destroy and decompose the cell membrane of microorganisms contained in the organic material It is preferable to set it as pentane (C5H12) which has simultaneously and its isomer.
  • Figure 3 shows the configuration of a chemical treatment apparatus for dewatering and separation of organic sludge according to another embodiment of the present invention, when the sludge treatment capacity is increased or the process speed in the practice of the present invention according to Figure 1 It is about the case of co-solvent injection, assuming the situation to coexist with the odor treatment.
  • the chlorine dioxide injected under the above conditions to the odor prevention facility 14 through a separate pipe may be used for the purpose of treating the odor at the end.
  • the odor generated in the sewage and wastewater sludge treatment preliminary processes can be linked to the preliminary process stages, thereby significantly reducing the odor generation.
  • the mixture is further mixed with the main organic solvent in the rear stage to further separate the layer in the separation tank 50.
  • the treatment capacity is increased and the odor preventing oxidant combined with the co-solvent is simultaneously considered.
  • Cosolvent unlike the main organic solvent according to the present invention, as shown in Table 2, the boiling point is high, but considering the physical properties such as specific specific gravity, water solubility, but a disadvantage that it takes a little heat source when separating the solvent, This is taken into consideration.
  • odor preventing oxidant that combines co-solvent As shown in Table 3, it is determined depending on the excess content in addition to reducing the moisture content of organic sludge by destroying the biofilm of microbial organisms in organic matter with strong oxidizing power. (10) When connected to the sludge storage tank (12, 13) or odor prevention facility 14, the odor generated from the sludge itself and the heat drying method can be effective in blocking the odor treatment in advance.
  • Chemical treatment apparatus for the dewatering and separation of organic sludge and treatment method using the same according to the present invention without using a heat source at room temperature, specific gravity and water solubility of the organic solvent, boiling point, killing through cell membrane destruction of microorganisms contained in organic sludge Separation of organic and inorganic sludges and separation of solvents and organics using physical and chemical properties, etc., reducing moisture content of organics, securing a certain amount of heat, and reusing solvents, economical, safe, easy, and recyclable It is an invention that is highly applicable to the industry because it has the effect of providing solutions to problems that may occur during the sludge treatment process by preventing the odor treatment in advance due to the change of the odor causing substances occurring in the sludge drying process. .

Abstract

본 발명은 유기용매의 물리화학적 특성을 이용해 하수 및 폐수에 포함된 유기성 슬러지를 무기성 슬러지와 분리하고, 유기성 슬러지의 함수율을 최소화함으로써 슬러지 처리의 효율성 및 경제성을 극대화하기 위한 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 종래 고분자 응집제 처리 후 기계식 탈수와 가열 건조방식의 효율성, 경제성, 안전성, 후처리의 수월성 등에 부가하여 슬러지 시설에서 필연적으로 발생하는 악취처리에 대한 방법도 부가 설명하고 있다.

Description

유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법
본 발명은 유기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수의 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 유기용매의 물리화학적 특성을 이용해 하수 및 폐수에 포함된 유기성 슬러지를 무기성 슬러지와 분리하고, 유기성 슬러지의 함수율을 최소화함으로써 슬러지 처리의 효율성 및 경제성을 극대화하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유기성 슬러지는 함수율이 평균 40% 내지 90%이며 이 가운데 유기물 성분이 5% 내지 50% 수준으로 알려져 있다 특히, 유기물 속에 포함된 수중 미생물 생체의 경우 함수율이 95% 정도여서 이들 미생물의 세포막을 파괴하거나 또는 사멸시키지 않는다면 높은 함수율 저감효과를 기대하기는 어렵다.
종래의 유기성 슬러지 처리기술인 고분자 응집제를 이용한 기계적 탈수 방식 및 가열 건조 방식은 탈수효율이 낮거나 에너지 소모량이 많아 비효율적이고, 비경제적이다 특히, 가열 건조 방식의 경우 시설비 및 운영유지비, 높은 열원을 사용하는데 따르는 안전성 문제와 건조 슬러지 재활용시 저급열량에 따른 문제, 그리고 건조배가스의 악취처리상 난해성 등 2차 문제를 야기하고 있다.
우리나라에서는 런던협약에 따라 2014년 이후 슬러지를 포함하는 폐기물의 해양투기가 금지된 가운데 육상에서 슬러지를 처리하기 위해 매립, 건조, 소각, 재활용 등의 방법에 대한 효율성을 제고하기 위한 다양한 연구개발 노력이 진행되어 왔다.
그러나 현재 국내 상당수가 채택하고 있는 건조방식은 초기시설비 및 운영유지비 등 비용 문제와 처리 과정에서 발생하는 악취가 난해성 물질로 변화함에 따라 또 다른 난제를 야기하고 있다 특히, 슬러지가 포함된 하수 및 폐수에서 발생하는 악취의 원인물질은 황화합물류 계열이 97% 내지 99% 수준이어서 기존 악취처리기술로 일정 정도 처리가 가능했지만, 건조 후 배가스에 포함된 악취원인물질은 지방산류(약 44%)와 황화합물류(약 25%), 알데하이드류(약 20%) 등의 순으로 악취기여도가 형성되어 기존 기술로 악취처리에 큰 어려움을 겪는 상황이다.
이에 따라 슬러지 건조시설 주변에서는 악취 민원이 지속적으로 증가하고 악취방지시설의 중복 또는 추가 투자에 따른 경영상 문제가 크게 대두되고 있는 실정이다.
상기 문제들을 극복하기 위한 구체적 노력으로 압력을 감소시킨 상태에서 폐오일을 이용해 슬러지 탈수 및 고체 연료화하는 기술(특허 제 10-0820188호)과 용매의 물리화학적 특성을 이용해 슬러지로부터 바이오연료를 추출하는 기술(특허 제 10-1436428호)을 포함해 유기용매를 이용해 열원을 사용하지 않고 슬러지를 처리하려는 시도(공개특허 제 1020150056429) 등이 있다.
외국에서도 일찍부터 효율성, 경제성, 2차 오염방지 등을 목적으로 하는 많은 연구개발이 슬러지의 탈수공정을 중심으로 집중됐다 용매가 물에 용해되는 온도 특성을 이용한 기술(미국특허 제3,899,419호(1974))과 트라이메틸아민이 온도에 따라 높아지면서 물과 층 분리를 이루는 현상을 이용한 기술(미국특허 제3,925,201(1973), 미국특허 제 4,056,466호(1973))이 바로 그것이다 특히, 기계적 탈수과정을 거친 슬러지를 알콜류, 케톤류, 유기산류, 글리콜 등 용매와 혼합하여 탈수 처리함으로써 슬러지의 함수율을 80% 수준에서 67~75%까지 저감하는 것이 가능하다고 하기도 한다 (미국특허 제 4,339,882호(1982), 미국특허 4,906,388호(1990)) 이러한 외국에서의 노력들도 트라이메틸아민이 발생하는 악취 문제와 높은 함수율로 인한 2차 오염 및 추가 비용발생 문제 등을 극복하는데는 한계가 있었다.
이에 본 발명은 유기용매의 비중과 끓는 점, 수용성, 유기성 슬러지에 포함된 미생물의 세포막 파괴 및 사멸 등 물리화학적 특성을 이용하여 유기성 슬러지를 무기성 슬러지와 분리시키고, 유기성 슬러지의 함수율을 낮춤으로써 종래 가열 건조 방식의 비경제성을 극복하고, 악취처리의 난해성, 처리 및 폐기, 재활용 측면에서의 문제점을 적극적으로 개선하고자 하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 유기성 슬러지를 처리하는데 있어 고분자 응집제를 이용한 기계적 탈수 후 슬러지의 함수율 저감을 위해 2차적으로 가열건조 방식을 채택하는 기술이 시설 및 운영유지상 비용문제와 높은 열원을 사용하는데서 비롯되는 비용 및 안전상의 문제, 그리고 건조 슬러지의 낮은 열량에 따른 재활용성 문제와 건조 과정에서의 악취원인물질의 특성 및 악취기여도 상위 물질 변화에 따른 악취처리의 난해성, 그리고 이에 따른 민원 증가 등 2차적 문제를 야기하는 상황을 감안하여 유기용매의 비중과 수용성, 끓는 점 등 물리적 특성을 이용해 상온에서 열원의 사용 없이 유기성 슬러지를 수분 및 무기물과 용이하게 분리함으로써 건조시설 대비 압도적 경제성 및 안전성을 확보한다.
본 발명은 이를 위해 체내 함수율이 95% 수준인 수중 미생물의 세포막을 파괴하고 사멸시키는 유기용매의 화학적 특성을 이용해 처리 후 유기성 슬러지의 함수율을 10% 이하로 저감하는 한편 4,000kcal/kg 이상의 발열량을 가진 슬러지 분말을 얻어내 매립, 소각, 폐기시 비용을 절감하거나 재활용시 단독 또는 보조 에너지원으로 재활용 가능토록 한다.
본 발명은 또한 상온에서 열원을 사용하지 않기 때문에 그만큼 가열 건조방식 대비 운영상 위험성을 감소시키고, 시설 및 운영유지상의 비용 문제를 극복함으로써 경제성 문제를 해결하며 사용된 용매를 재활용하여 경제성을 더욱 증진시킨다
본 발명의 다른 목적은 상기 장치 및 방법을 통해 기존 하수 및 폐수 처리시설보다 많은 악취 민원을 야기하는 슬러지 건조 과정에서 악취원인물질의 화학적 특성 및 악취기여도 상위 물질변화에 주목해 악취처리의 난해성을 원천 차단함으로써 악취방지시설의 중복투자 등 또 다른 비용 문제를 극복하는데 있다.
본 발명의 목적은 유기성 및 무기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수에서 1차적으로 유기물과 무기물을 분리하고, 2차적으로 상온에서 별도 열원을 사용하지 않고 유기물의 함수율을 10% 이하로 저감함으로써 종래의 가열 건조방식의 비용 및 안전상 문제들을 감소시키며, 3차적으로 유기물과 용매를 분리한 뒤 용매를 재사용함으로써 경제성을 극대화하고, 4차적으로 종래 가열 건조 방식에 따라 변화하는 악취원인물질 변화에 따른 악취처리의 난해성을 사전 차단하기 위한 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법을 통해 달성된다.
본 발명에 의한 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치는 유기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수의 농도 및 온도를 조절하는 전처리조와, 유기용매를 저장하는 용매 저장조와, 상기 유기용매를 주입하는 주입장치와, 상기 전처리조에서 후단의 분리반응조로 이송되는 슬러지와 유기용매를 혼합하는 혼합장치와, 유기용매와 혼합된 슬러지가 유기용매의 비중에 의해 유기성 슬러지 및 유기용매와 무기성 슬러지 및 수분으로 층을 분리하는 분리반응조와, 분리반응조 상층부에 형성된 유기성 슬러지 및 유기용매를 저장하는 용매 및 유기물 분리조와, 분리반응조 하층부에 형성된 무기성 슬러지 및 수분을 저장하는 수분 및 무기물 분리조와, 상기 용매 및 유기물 분리조에서 액상 용매만 분리 추출하는 액상 용매 분리조와, 상기 분리반응조 및 용매 및 유기물 분리조, 액상 용매 분리조로부터 기화되는 용매의 기체 성분을 포집하여 응축하는 기상 용매 응축조와, 상기 액상 용매 분리조와 기상 용매 응축조에서 액상 형태로 용매를 회수하여 저장하는 용매 회수조와, 상기 용매 및 유기물 분리조에서 걸러진 유기물을 원심분리하여 고형분 분말 형태로 만드는 유기물 분말 집진조로 구성된다.
본 발명은 상온에서 열원을 사용하지 않고 유기용매의 비중과 수용성, 끓는 점, 유기성 슬러지에 포함된 미생물의 세포막 파괴를 통한 사멸 등 물리화학적 특성을 이용하여 유기 및 무기성 슬러지 분리 및 용매와 유기물 분리하고, 유기물의 함수율 저감하는 한편 일정 열량 확보하며 용매를 재사용토록 하여 종래의 가열 건조 방식 대비 경제성, 안전성, 수월성, 재활용성을 제고하고, 동시에 슬러지 건조 과정에서 발생하는 악취원인물질 변화에 따른 악취처리상 난해성을 사전 차단함으로써 슬러지 처리 과정에서 발생 가능한 문제들의 해결 방안을 제공하는 효과를 갖고 있다.
도 1은 본 발명의 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법을 나타내기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 가운데 핵심 역할이 되는 분리반응조의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조용매 사용할 때 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법을 나타내기 위한 구성도이다.
도면의 주요부호 설명
10 슬러지 전처리조 11 슬러지 유량계
12 제 1 슬러지 저장조 13 제 2 슬러지 저장조
14 악취방지시설 15 보조용매 주입부
16 슬러지 주입부 20 용매 저장조
21 용매 주입부 30 용매 유량계
40 용매 혼합장치 50 분리반응조
51 수분 배출부 52 기상 용매 회수부
53 용매 혼합 슬러지 주입부 54 용매 및 슬러지 배출부
55 수분 및 무기물 침전부 56 용매 및 수분 분리반응부
57 용매 및 유기물 분리부 60 용매 및 유기물 분리조
70 기상 용매 응축조 80 액상 용매 분리조
90 수분 및 무기물 분리저장조 91 폐수 처리부
92 무기물 처리부 93 공정수 순환부
100 용매 회수조 110 유기물 분말 집진조
유기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수의 농도 및 온도를 조절하는 전처리조와, 유기용매를 저장하는 용매 저장조와, 상기 유기용매를 주입하는 주입장치와, 상기 전처리조에서 후단의 분리반응조로 이송되는 슬러지와 유기용매를 혼합하는 혼합장치와, 유기용매와 혼합된 슬러지가 유기용매의 비중에 의해 유기성 슬러지 및 유기용매와 무기성 슬러지 및 수분으로 층을 분리하는 분리반응조와, 분리반응조 상층부에 형성된 유기성 슬러지 및 유기용매를 저장하는 용매 및 유기물 분리조와, 분리반응조 하층부에 형성된 무기성 슬러지 및 수분을 저장하는 수분 및 무기물 분리조와, 상기 용매 및 유기물 분리조에서 액상 용매만 분리 추출하는 액상 용매 분리조와, 상기 분리반응조 및 용매 및 유기물 분리조, 액상 용매 분리조로부터 기화되는 용매의 기체 성분을 포집하여 응축하는 기상 용매 응축조와, 상기 액상 용매 분리조와 기상 용매 응축조에서 액상 형태로 용매를 회수하여 저장하는 용매 회수조와, 상기 용매 및 유기물 분리조에서 걸러진 유기물을 원심분리하여 고형분 분말 형태로 만드는 유기물 분말 집진조를 구비하고, 상기 전처리조는, 후단의 분리반응조에서 층 분리 현상이 원활하게 일어나는 환경을 만들기 위해 온도 및 농도, 압력을 조절하기 위한 제어부와, 유기물 및 미생물의 세포막을 파괴하는 유기용매의 기능을 더욱 촉진하기 위해 보조용매를 사전 투입할 수 있도록 보조용매 주입부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선을 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있으며 이 또한 특허의 범주에 포함됨을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법을 나타내기 위한 구성도이다.
본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법은 처리해야할 유기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수의 농도와 온도, 압력을 맞추고, 처리용량이 늘어날 경우 공정속도 조절을 위해 보조용매를 투입하기 위한 전처리조(10)와 슬러지에 혼합해야 할 유기용매를 저장하는 용매저장조(20)와 투입되는 슬러지 양을 조절하는 슬러지 유량계(11), 주입해야 할 유기용매의 양을 조절하는 용매 유량계(30)와 용매 주입부(21)을 통해 슬러지 처리량에 따라 직렬 또는 병렬 연결될 수 있는 혼합장치(40)를 거쳐 분리반응조(50)의 중간층에 유입된다 유기용매와 혼합된 슬러지는 분리반응조(50) 내부 상층에 유기물 및 미생물의 사체 등이 용매와 함께 작은 비중에 따라 떠있게 되고, 배관 연결된 용매 및 유기물 분리조(60)에 분리되며 기화된 용매는 유증기 회수장치가 구비된 기상 용매 회수부(52)를 통해 기상 용매 응축조(70)에 포집된다.
그리고 분리반응조(50)의 중간층에는 혼합된 용매와 슬러지, 그리고 수분이 계속 유입되는 과정과 함께 용매의 물리화학적 특성이 계속 작용하여 유기물을 수분 및 무기물과의 층 분리 반응이 지속적으로 일어난다. 그리고 분리반응조(50) 내부 하층에는 비중이 용매보다 큰 수분과 무기물이 분리되어 수분 배출부(51)를 통해 수분 및 무기물 분리저장조(90)에 집결한 뒤 폐수 처리부(91)와 무기물 처리부(92)로 각각 보내고 일부는 전처리조(10)에서 슬러지 농도를 조절하는데 필요한 공정수로 사용하기 위한 공정수 순환부(93)로 이송된다. 이때 폐수 처리부(91)로 이송된 수분은 정화장치를 통해 하수 방류기준에 부합하도록 별도 처리를 하고, 무기물 처리부는 기존의 기계식 탈수 방식을 이용해 수분과 무기물을 용이하게 분리하여 처리하게 된다.
용매 및 유기물 분리조(60)는 내부에 구비한 메쉬망을 통해 액상 용매는 메쉬망 하단의 액상 용매 분리조(80)로 분리하고, 메쉬망에 걸러진 유기물은 압축공기를 불어넣어 유기물과 결합된 용매의 기화를 촉진하고, 에너지를 활성화시킨 상태로 후단에 구비된 여과 또는 원심분리장치 형태의 유기물 분말 집진조(110)에 분말 형태의 고형분으로 집진된다. 이를 통해 걸러진 분말은 함수율 10% 이하에 발열량 4,000kcal/kg 이상의 상태로써 매립, 소각, 재생에너지원 등으로 다양한 방법으로 활용하는 것이 용이하게 된다. 그리고, 분리조(60) 상부의 공간에 형성된 기상 용매는 유증기 회수장치를 이용해 기상 용매 응축조(70)로 이송된다. 다음 단계로 기상 용매응축조(70)와 액상 용매 분리조(80)에 1차 분리된 용매는 적절한 정화 장치를 통해 용매 회수조(100)에 모은 뒤 별도 정화 과정을 거쳐 주입율에 따라 전처리 과정을 거친 슬러지와 혼합되는 용매를 저장하는 용매 저장조(20)로 배관 연결하여 재사용한다.
상기 전처리조(10)는 분리반응조(50)에서 층 분리 현상이 원활하게 일어나는 환경을 만들기 위해 온도 및 농도, 압력을 조절하기 위한 제어부를 더 구비할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 가운데 핵심 역할이 되는 분리반응조의 구성도이다.
본 발명에 따른 상기 구성도에서 핵심원리를 이행하는 분리반응조(50)는 전처리 및 용매와 혼합 과정을 거친 슬러지가 용매 혼합 슬러지 주입부(53)을 통해 중간층으로 계속 유입되는 가운데 내부 상층의 용매 및 유기물 분리부(57)에 유기물 및 미생물의 사체 등이 용매와 함께 작은 비중에 따라 형성되고, 용매 및 슬러지 배출부(54)를 통해 용매 및 유기물 분리조(60)에 분리되며 기화된 용매는 유증기 회수장치가 구비된 기상 용매 회수부(52)를 통해 기상 용매 응축조(70)에 포집된다. 그리고 중간층에 형성되는 용매 및 수분 분리반응부(56)에는 혼합된 용매와 슬러지가 계속 유입되는 부위가 구비되며 용매의 비중과 물에 대한 용해도 등 물리적 특성 및 미생물의 세포막을 파괴하고, 유기물의 계면장력을 낮추는 화학적 특성이 계속 작용하여 유기물이 수분 및 무기물과의 층 분리 반응이 일어난다. 그리고 분리반응조(50) 내부 하층에 형성되는 수분 및 무기물 침전부(55)는 수분과 무기물의 비중이 유기물 및 용매보다 크기 때문에 분리된 층으로 수분 배출부(51)를 통해 수분 및 무기물 분리저장조(90)로 배출된다
유기성 슬러지와 유기용매가 혼합되었을 때 상기 층 분리 현상이 일어나는 [0026] 것은 비수용성을 가진 탄화수소 계열의 물질이 물보다 비중이 작기 때문에 가능한 것이다 탄화수소가 유기물에 포함된 미생물 생체와 접촉 반응하여 세포막을 파괴하고, 사멸시킴으로써 유기물 전체의 함수율을 저감하는 화학적 반응상 공통점을 갖고 있음을 고려하면 여기에 해당되는 물질은 수없이 많다.
그러나 계절별 외기온도의 차이가 뚜렷한 우리나라 기후 특성과 상온에서 별도의 열원 없이 사용하거나 또는 열원을 사용하더라도 약간의 열만 요구되는 점까지 고려하면 용매의 끓는 점은 유기성 슬러지를 포함하는 하수 및 폐수의 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법에 있어서 매우 중요한 용매 선정의 요인이 된다. 다음의 표 1은 탄화수소 계열 물질의 물리적 특성을 비교정리한 것이다.
Figure PCTKR2018005234-appb-T000001
상기 유기용매는 하수 및 폐수의 수분에 대한 용해도가 지극히 낮고, 상온에서 40kpa 내지 80kpa의 증기압으로 상온에서 압력에 따른 안전성을 담보할 수 있으며 비중이 05 내지 077 정도로 낮아 유기물을 수분과 층을 분리시킬 수 있고, 끓는 점이 9℃ 내지 50℃ 수준이어서 상온에서 별도의 열원을 사용하지 않고, 액상 또는 기상으로 용매 분리하는데 용이한 물리적 특성과 유기물에 포함된 미생물 생체의 세포막을 파괴, 분해하는 화학적 특성을 동시에 가진 펜탄(C5H12) 및 그 이성질체로 하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치의 구성을 나타낸 것으로서, 도 1에 따른 본 발명의 실시에 있어 슬러지 처리용량이 증가하거나 공정 속도를 촉진할 경우와 악취처리를 병행할 상황을 가정해 보조용매를 주입하는 경우에 대한 것이다.
슬러지 저장조(12, 13)의 슬러지 주입부(16)를 통해 전처리조(10)에 주입되어 도 1의 구성대로 분리반응조(50)로 연결되는 것과 별도로 슬러지 처리용량의 증가 및 이에 따른 공정속도 촉진과 악취처리 측면을 고려할 경우 보조용매 주입부(15)를 통해 헥산, 헵탄 또는 그 이성질체 등의 보조용매를 투입할 수 있다. 또한 보조용매로서 강력한 살균소독 및 탈취효력을 가진 액상 또는 기상의 이산화염소를 사용할 때 압축공기와 함께 투입되는 만큼 기화 또는 전처리조(10) 내부의 압력증가에 따라 배출되는 과량의 이산화염소를 슬러지 저장조(12, 13)에 배관 연결하여 저장조 단계부터 유기물 산화 및 세포막 파괴의 효과를 거둘 수도 있다. 또한 상기 조건으로 주입되는 이산화염소를 별도 배관을 통해 악취방지시설(14)로 연결하여 최후단에서 악취를 처리하는 용도로 사용할 수도 있다. 이 경우는 하수 및 폐수 슬러지 처리 전공정에서 발생하는 악취를 전 공정단계에 연계시킴으로써 악취발생을 대폭 저감하는 효과도 거둘 수 있게 된다.
더 상세하게는 전처리조(10) 단계에서 보조용매를 주입하여 유기물에 포함된 미생물 생체 내 체내수를 분리시킴으로써 후단의 주 유기용매와 추가 혼합 반응하여 분리반응조(50)에서의 층 분리 현상이 더욱 가속화됨으로써 기술적 효율성을 제고하고, 처리용량이 증가될 경우 및 보조용매를 겸한 악취방지용 산화제를 병행할 경우를 동시에 고려한 것이다.
보조용매는 표 2에서 확인하듯 본 발명에 따른 주 유기용매와 달리 끓는 점이 높지만 유사한 비중, 수용성 등의 물리적 특성을 감안하면 용매 분리시 약간의 열원이 소요되는 단점은 있지만 많은 처리용량을 증가시 효율적인 점을 고려한 것이다.
Figure PCTKR2018005234-appb-T000002
보조용매를 겸한 악취방지용 산화제의 경우 표 3에서 확인할 수 있듯이 강한 산화력으로 유기물 내 미생물 생체의 세포막(Bio film)을 파괴하여 유기성 슬러지의 함수율을 저감하는 역할에 부가하여 과량분에 따라 결정되겠지만 전처리조(10)와 슬러지 저장조(12, 13) 또는 악취방지시설(14)에 배관 연결할 경우 슬러지 자체에서 발생하는 악취와 가열 건조방식을 채택했을 당시 악취처리상의 난해성을 사전 차단하는 효과를 거둘 수 있다.
Figure PCTKR2018005234-appb-T000003
본 발명에 따른 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치 및 이를 이용한 처리 방법은 상온에서 열원을 사용하지 않고 유기용매의 비중과 수용성, 끓는 점, 유기성 슬러지에 포함된 미생물의 세포막 파괴를 통한 사멸 등 물리화학적 특성을 이용하여 유기 및 무기성 슬러지 분리 및 용매와 유기물 분리하고, 유기물의 함수율 저감하는 한편 일정 열량 확보하며 용매를 재사용토록 하여 종래의 가열 건조 방식 대비 경제성, 안전성, 수월성, 재활용성을 제고하고, 동시에 슬러지 건조 과정에서 발생하는 악취원인물질 변화에 따른 악취처리상 난해성을 사전 차단함으로써 슬러지 처리 과정에서 발생 가능한 문제들의 해결 방안을 제공하는 효과를 갖고 있어 산업상 이용가능성이 매우 높은 발명인 것이다.

Claims (8)

  1. 유기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수의 농도 및 온도를 조절하는 전처리조와,
    유기용매를 저장하는 용매 저장조와,
    상기 유기용매를 주입하는 주입장치와,
    상기 전처리조에서 후단의 분리반응조로 이송되는 슬러지와 유기용매를 혼합하는 혼합장치와,
    유기용매와 혼합된 슬러지가 유기용매의 비중에 의해 유기성 슬러지 및 유기용매와 무기성 슬러지 및 수분으로 층을 분리하는 분리반응조와,
    분리반응조 상층부에 형성된 유기성 슬러지 및 유기용매를 저장하는 용매 및 유기물 분리조와,
    분리반응조 하층부에 형성된 무기성 슬러지 및 수분을 저장하는 수분 및 무기물 분리조와,
    상기 용매 및 유기물 분리조에서 액상 용매만 분리 추출하는 액상 용매 분리조와,
    상기 분리반응조 및 용매 및 유기물 분리조, 액상 용매 분리조로부터 기화되는 용매의 기체 성분을 포집하여 응축하는 기상 용매 응축조와,
    상기 액상 용매 분리조와 기상 용매 응축조에서 액상 형태로 용매를 회수하여 저장하는 용매 회수조와,
    상기 용매 및 유기물 분리조에서 걸러진 유기물을 원심분리하여 고형분 분말 형태로 만드는 유기물 분말 집진조를 구비하고,
    상기 전처리조는,
    후단의 분리반응조에서 층 분리 현상이 원활하게 일어나는 환경을 만들기 위해 온도 및 농도, 압력을 조절하기 위한 제어부와,
    유기물 및 미생물의 세포막을 파괴하는 유기용매의 기능을 더욱 촉진하기 위해 보조용매를 사전 투입할 수 있도록 보조용매 주입부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유기용매는,
    하수 및 폐수의 수분에 대한 용해도가 지극히 낮고, 상온에서 40kpa 내지 80kpa의 증기압으로 상온에서 압력에 따른 안전성을 담보할 수 있으며 비중이 05 내지 077 정도로 낮아 유기물을 수분과 층을 분리시킬 수 있고, 끓는 점이 9℃ 내지 50℃ 수준이어서 상온에서 별도의 열원을 사용하지 않고, 액상 또는 기상으로 용매 분리하는데 용이한 물리적 특성과 유기물에 포함된 미생물 생체의 세포막을 파괴, 분해하는 화학적 특성을 동시에 가진 펜탄(C5H12) 및 그 이성질체에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용매 회수조에 저장된 용매는 용매 저장조에 순환시켜 재사용토록 함으로써 효율성과 경제성을 높인 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 용매 및 유기물 분리조에서 걸러진 유기물은 여과 또는 원심분리 장치를 이용해 분말 형태의 고형분으로 만드는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전처리조에 투입하는 보조용매는 처리용량이 증가하는 상황을 고려한 것으로 끓는 점은 다르지만 펜탄의 비중, 비수용성 및 세포막 파괴와 유사한 물리화학적 특성을 갖는 헥산(C6H14) 및 헵탄(C7H16), 그 이성질체들에 서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전처리조에 투입하는 보조용매는 처리용량 증가 및 악취저감장치를 병행하기 위해 유기 미생물 생체의 세포막 파괴 특성과 탈취효력을 갖고 있는 기상 또는 액상의 이산화염소로 하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전처리조에 보조용매로 사용한 이산화염소 과량분은 전처리조 전단의 저장조 또는 별도 설비된 악취방지시설에 배관 연결하여 유기물 산화 및 악취저감용으로 재사용하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리장치.
  8. 전처리조에서 유기성 슬러지가 포함된 하수 및 폐수의 농도 및 온도를 조절하는 단계와,
    유기용매를 용매 저장조에 저장하는 단계와,
    주입장치가 상기 유기용매를 주입하는 단계와,
    상기 전처리조에서 후단의 분리반응조로 이송되는 슬러지와 유기용매를 혼합장치에서 혼합하는 단계와,
    분리반응조에서 유기용매와 혼합된 슬러지가 유기용매의 비중에 의해 유기성 슬러지 및 유기용매와 무기성 슬러지 및 수분으로 층을 분리하는 단계와,
    용매 및 유기물 분리조가 분리반응조 상층부에 형성된 유기성 슬러지 및 유기용매를 저장하는 단계와,
    수분 및 무기물 분리조가 분리반응조 하층부에 형성된 무기성 슬러지 및 수분을 저장하는 단계와,
    액상 용매 분리조가 상기 용매 및 유기물 분리조에서 액상 용매만 분리 추출하는 단계와,
    기상 용매 응축조가 상기 분리반응조 및 용매 및 유기물 분리조, 액상 용매 분리조로부터 기화되는 용매의 기체성분을 포집하여 응축하는 단계와,
    용매 회수조가 상기 액상 용매 분리조와 기상 용매 응축조에서 액상 형태로 용매를 회수하여 저장하는 단계와,
    유기물 분말 집진조가 상기 용매 및 유기물 분리조에서 걸러진 유기물을 원심분리하여 고형분 분말 형태로 만드는 단계를 포함하고,
    제어부가 후단의 분리반응조에서 층 분리 현상이 원활하게 일어나는 환경을 만들기 위해 전처리조의 온도 및 농도, 압력을 조절하는 단계와,
    보조용매 주입부가 유기물 및 미생물의 세포막을 파괴하는 유기용매의 기능을 더욱 촉진하기 위해 보조용매를 전처리조에 사전 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 탈수 및 분리를 위한 화학적 처리방법.
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