KR100845174B1 - 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄과 기름의 단단한 응집물 핵을 형성토록 하고, 상호 물성이 다른 하수슬러지 중 유기성분만 고분자 응집제에 선택적으로 풀록(floc)을 형성되도록 한 후에 석탄-기름 응집핵 주변에 부착되도록 하여 유기물질만 선택적으로 응집이 잘 형성되도록 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하며,

상술한 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법은, 석탄슬러지와 혼합오일을 교반하여 석탄-기름의 응집핵을 형성하는 응집핵형성과정과; 하수슬러지를 소수성을 가지도록 컨디셔닝한 후 응집제를 첨가하여 교반하는 컨디셔닝과정과; 상기 응집핵형성과정에서 생성된 응집핵과 상기 컨디셔닝된 하수슬러지를 교반하여 응집핵의 외부면에 슬러지가 부착된 2중 응집물을 형성하는 2중 응집과정과; 상기 2중 응집과정에서 생성된 2중 응집물을 텀블러에 의해 텀블링하여 단단하고 큰 응집물을 형성하는 텀블링과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

하수슬러지, 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집, 응집핵, 탈수처리, 응집제

Description

하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법{METHOD FOR TREATMENT OF SEWAGE SLUDGE BY MEANS OF SLUDGE-COAL-OIL DUAL STEPWISED SELLECTIVE AGGLOMERATION}

도1은 본 발명에 따른 슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법의 공정도,

도 2는 종래기술로서의 대한민국특허 제 0491329호의 하수슬러지-석탄-기름 공동응집 모형도,

도3은 본 발명에 따른 하수슬러지-석탄-기름의 2중 응집물의 모형도,

도 4는 본 발명에 따른 하수슬러지-석탄-기름의 2중 응집물의 200배 확대 사진,

도 5는 개략적인 하수슬러지의 성분 구성도,

도 6는 석탄 혼합량에 의한 석탄-기름-슬러지 응집물의 함수율 및 회분 변화 그래프,

도 7은 석탄에 목탄 혼합량에 의한 석탄-기름 응집물의 함수율, 회분 및 입경 변화 그래프,

도 8은 기름 종류에 의한 석탄-기름 응집물의 함수율 및 회분 변화 그래프,

도 9은 기름 첨가량 변화에 따른 석탄-기름 응집물의 함수율, 회분 및 입경 변화 그래프,

도 10는 고분자응집제 종류에 의한 석탄-기름-하수슬러지 응집물의 함수율, 회분 및 입경 변화 그래프,

도 11은 응집강도 증진용 첨가물 종류에 의한 석탄-기름-하수슬러지 응집물의 함수율 및 회분 변화 그래프이다.

본 발명은 하수슬러지 처리에 관한 것으로서, 석탄과 기름의 단단한 응집물 핵을 형성토록 하고, 상호 물성이 다른 하수슬러지 중 유기성분만 고분자 응집제에 선택적으로 풀록(floc)을 형성되도록 한 후에 석탄-기름 응집핵 주변에 부착되도록 하여 유기물질만 선택적으로 응집이 잘 형성되도록 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 하수슬러지 처리에 관한 일반적인 기술내용 및 현재의 기술상황을 소개하여 보면 다음과 같다.

현재 하수슬러지 처리 또는 처분에 이용되고 있는 단위공정은 처리목적과 기능에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.

농축⇒혐기성소화⇒탈수⇒건조→매립,토양개량제

퇴비화 → 토양개량제, 유해성검토 후 녹농지 비료

지렁이사료 →지렁이 사육, 토양개량제

고화 → 매립, 복토제

소각 →매립, 소각재 건설자재화(벽돌, 시멘트 원료)

용융 →건설자재(로반재, 경량골재, 블록), 매립

열분해 → 가스, 오일, 차르등의 연료화

육상매립, 해면매립, 해양투기

위와 같이 슬러지 처리공정은 전처리 프로세스 및 중간처리 프로세스 그리고 최종처분 프로세스로 구분할 수 있다. 전처리 프로세스라고 하는 것은 농축, 소화, 기계탈수와 같이 감량화를 주요 목적으로 하고 있다. 중간처리 프로세스는 최종처분을 위하여 탈수케이크를 감량 또는 안정화시키는 공정으로 퇴비화, 소각, 용융, 고화 등이 이에 해당한다. 한편, 최종처분 처리공정에서 발생되는 최종산물을 매립 또는 재이용하는 경우도 있으나 대부분 매립은 건조전에 행해지고 있으며, 이로 인한 침출수 문제 등이 발생되고 근래에는 육상/해면 매립 및 해양 투기가 금지되는 추세여서, 대량처리의 방안으로 소각이 각광을 받고 있다.

소각은 공기중의 산소를 이용하여 가연성물질을 연소시키는 방법으로 최근의 매립지란 해소를 위한 폐기물의 감량화, 유기물의 무기물화를 위한 부패성물질 처리를 위한 안정화 등의 폐기물의 처리공법으로도 많이 이용되고 있다. 또한 연소시 발생하는 폐열을 이용하여 발전이나 난방 등으로 재이용할 수 있어 오래전부터 도 시 폐기물처리 등에 많이 활용되어 왔으며, 유해폐기물의 경우 슬러지 특성상 안정화 및 안전화 효과보다는 매립장의 한계 등을 극복하기 위한 감량화 문제가 우선시되면서 대도시를 위주로 추진되어 왔다. 선진국에서는 대도시를 중심으로 기존의 매립방법에서 소각으로 전환하고 있는 추세이다.

소각처리의 장점으로는 위생적인 처분이 가능하고, 부패성이 없고, 탈수 케이크에 비해 혐오감이 없으며, 슬러지 용적이 최초용적의 10~20%로 감소되는 것등의 장점이 있다.

하수종말처리장의 경우 발생되는 농축슬러지는 대부분 수분이 98% 이상으로 이를 소각처리하기 위하여는 탈수하여야 하는데, 일반적인 기계적 탈수공정을 통해 수분을 75-85% 정도까지 탈수할 수 있다. 이러한 탈수과정을 마친 슬러지는 다시 건조과정을 거친 후에 소각하게 된다.

상술한 바와 같은 하수슬러지 처리 과정은 탈수 및 정제처리가 신속하면서도 용이하게 이루어지고, 슬러지 처리에 소요되는 제반 비용을 절감할 수 있도록 하며, 관련 시설을 크게 간소화 및 효율화할 수 있도록 하며, 또한 악취발생 및 대기오염의 우려가 없도록 하고, 탈수 슬러지를 고급의 연료로 활용할 수 있을 것을 요한다.

이러한 요구사항에 따라, 대한민국 특허 제 0491329호(슬러지-석탄-공동응집법에 의한 하수슬러지 처리방법)(미국 특허 US7,087,171 B2(METHOD FOR SELECTIVE RECOVERY AND DEWATERING SEWAGE SLUDGE BY CO-AGGLOMERATION)는 탄화수소의 소수성 특성을 이용하여 친수성 무기물질과 혼합된 현탄액 중에서 유기물질만 선별 정 제 회수하는 기술을 이용하는 하수슬러지 처리 방법을 개시하고 있다.

상술한 종래기술의 대한민국 특허에서는 특히 슬러지의 표면을 친유성으로 컨디셔닝(Conditioning)한 후에 기름을 미립상태에 가깝게 하여 혼합하여 소수성이면서 친유성으로 변한 슬러지 표면에 기름이 입혀지면서 이들이 서로 응집(Agglomeration)되어 작은 구형을 형성하게 되는 것을 이용하여 슬러지를 보다 효율적으로 탈수 처리할 수 있게 한다.

그러나 상술한 종래기술의 대한민국특허 제 0491329호는 응집제의 역할이 하수슬러지가 단순 친유성으로 형성되도록 하는 것을 목적으로 하는 것이므로 기존 상업용 컨디셔닝제가 주로 사용되었으며, 하수슬러지, 응집제와 석탄 및 기름이 함께 투입되어 일시에 공동응집이 형성되도록 하므로 단순히 하수슬러지-석탄-기름의 공동응집물만을 형성하게 되어 탈수처리 효과가 저하되는 문제점을 가진다.

그리고 상술한 종래기술의 대한민국특허 제 0491329호는 선택적 탈수처리에 보다 중점화되어 있어 석탄 혼합비가 높아 다량의 하수슬러지 처리에 제한적으로 이용되는 문제점을 가진다.

또한, 사용 오일도 벙커유에 한해 상당히 제한적으로 대체에너지 연료로의 전환 효과가 상대적으로 미약한 문제점을 가진다.

한편, 2단 공동응집의 방안으로 고령토 압자들을 페인트로 뭉쳐서 동질의 고령토 슬러리를 습식 텀불링(Tumbling)에 의해 입경 키우기를 할 수 있으나 입경 키 우기가 응결(Flocculation)에 가까워 응결 강도가 매우 미약하고 동일 종에 한하여 선별적이 아닌 단순한 입경 키우기 조작에 불과한 문제점을 가지게 된다.(W. Walaszek, P. Ay, "Pelleting flocculation-an alternative technique to optimise sludge conditioning", International Journal of Mineral Processing, Vol. 76(2005) 173-180).

따라서 본원 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 석탄과 기름의 단단한 응집핵을 형성한 후 컨디셔닝된 하수슬러지와 교반하여 탈수를 처리를 수행함과 동시에 응집핵 주위에 유기물만의 하수슬러지가 선택적으로 부착되는 2중 응집물을 형성하는 것에 의해 별도의 탈수처리 과정 없이 하수슬러지를 고에너지 효율의 에너지원으로 활용할 수 있도록 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법은, 석탄슬러지와 혼합오일을 교반하여 석탄-기름의 응집핵을 형성하는 응집핵형성과정과; 하수슬러지를 소수성을 가지도록 컨디셔닝한 후 응집제를 첨가하여 교반하는 컨디셔닝과정과; 상기 응집핵형성과정에서 생성된 응집핵과 상기 컨디셔닝된 하수슬러지를 교반하여 응집핵의 외부면에 슬러지가 부 착된 2중 응집물을 형성하는 2중 응집과정과; 상기 2중 응집과정에서 생성된 2중 응집물을 텀블러에 의해 텀블링하여 단단하고 큰 응집물을 형성하는 텀블링과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본원 발명은 소수성기를 가진 고분자 응집제를 사용하는 경우에는 컨디셔닝과정을 생략할 수도 있으며, 이 경우 본원 발명의 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법의 또 다른 구성은, 석탄슬러지와 혼합오일을 교반하여 석탄-기름의 응집핵을 형성하는 응집핵형성과정과; 상기 응집핵형성과정에서 생성된 응집핵과 친수성보다 소수성이 강한 고분자 응집제가 첨가된 하수슬러지를 교반하여 응집핵의 외부면에 슬러지가 부착된 2중 응집물을 형성하는 2중 응집과정과; 상기 2중 응집과정에서 생성된 2중 응집물을 텀블러에 의해 텀블링하여 단단하고 큰 응집물을 형성하는 텀블링과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 본원 발명의 처리과정 중 상기 응집핵형성과정은 체에 의해 상기 응집핵과 물 및 무기물을 분리하는 체분리과정;을 더 포함하여 이루어지는 것에 의해 탈수처리를 수행한다. 이 과정에서 무기물과 물은 분리되어 유기물만의 응집핵을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 응집핵형성과정은 상기 석탄에 목탄을 10% 내지 100%(전부 목탄 사용)를 첨가하여 수행될 수 있으며, 혼합오일은 벙커유에 식용 폐유와 목타르를 1: 0.1 ~1:0.1 ~1의 중량비로 첨가하여 수행될 수 있다.

상기 2중 응집과정은, 키토산 또는 전분으로 제조되는 폴리사카라이드계 고분자 응집제를 이용하여 수행되며, 이때 폴리사카라이드계 고분자 응집제는 0.1 내지 50mg/l를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 텀블링과정은 벽이 체로 형성되는 반잠수식 텀블러에 의해 수행되어 상기 2중 응집물과 무기물질 및 물을 분리하며, 텀블러의 외벽에 응결물이 부착되는 것을 방지하기 위하여 공기를 분사하며, 응집 입경 키우기와 응집강도 향상을 위한 응집조제를 첨가하여 수행될 수 있다.

상술한 본원 발명은 응집 핵 외부에 다시 도너스 형태의 응집물을 형성하는 것에 의해 선행 공정에 비해 하수슬러지 처리 효율을 향상시키고 화석연료 사용을 크게 절감할 수 있도록 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 슬러지-석탄-기름 선택적 단계응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법의 공정도이고, 도 2는 종래기술로서의 대한민국특허 제 0491329호의 하수슬러지-석탄-기름 공동응집 모형도이며, 도3은 본 발명에 따른 하수슬러지-석탄-기름의 2중 응집물의 모형도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하수슬러지-석탄-기름의 2중 응집물의 200배 확대 사진이며, 도 5는 개략적인 하수슬러지의 성분 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슬러지-석탄-기름 선택적 단계응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법은, 석탄/목탄 혼합물과 접촉성이 좋은 벙커유/ 목타르/폐유 혼합 기름을 고속교반조에서 고속교반하여 유기물만의 작은 응집 핵을 형성하는 응집핵 형성과정(S1)과; 응집핵 형성 후에 체에 의해 응집핵과 물 및 무기물을 분리하는 체분리과정(S2)과; 응집핵 형성과정(S1)과 체분리과정(S2)과 병행하여 하수슬러지와 필요시 표면조절제를 저속교반조 또는 라인믹서에서 저속교반하여 하수슬러지를 소수성을 가지도록 컨디셔닝한 후 응집제를 첨가하여 교반하는 컨디셔닝과정(S3)과; 컨디셔닝된 하수슬러지와 체분리에 의해 유기물만의 응집핵을 중속교반조에서 교반하여 응집핵의 외부면에 슬러지가 부착되어 미약한 2중 응집물을 형성하는 2중 응집과정(S4)과; 2중 응집과정(S4)에서 응집된 2중 응집물을 텀블러에 의해 텀블링하여 보다 단단하고 큰 응집물을 형성하는 텀블리과정(S5)을 수행하도록 구성된다.

본원 발명은 석탄 및 바이오메스 중 탄화수소의 친유성 특성을 이용하여, 분체 탄화수소-기름의 응집체를 형성하여 스크린을 이용하여 무기물질 현탁액과 분리한다.

이러한 과정 중 분체 탄화수소-기름의 응집체를 형성하는 과정이 상술한 도 1의 처리과정 중 상기 응집핵 형성과정(S1)에 해당된다.

상기 응집핵 형성과정(기름응집)(S1)은 고체입자와 고체입자를 뭉치게 가교(Bridging) 역할을 하는 기름의 친화력이 가장 중요하며, 또한 기름의 농도에 따라 펜둘라(Pendular), 퍼니큘라(Funicular), 캐필러리(Capillary), 서스펜디드(Suspended) 등의 상태로 구분하는데, 보통 퍼니큘라 상태가 응집강도가 양호하 며 서스펜디드 상태에서는 응집강도가 극히 저하한다. 동일한 기름에 대해서도 석탄-기름간의 응집강도는 보통(1-공극률)/(응집물 직경)2의 관계가 있다. 따라서, 응집물의 직경과 공극율을 가급적 작게 유지하여 한다. 이를 위해서는 작은 입경의 기름방울 형성이 중요하며, 응집물의 공극율을 줄일 수 있는 방안이 필요한데, 이는 기계적 교반에 의해 쉽게 달성할 수 있다. 특히 교반 속도를 빠르게 할수록 단단하고 입경이 작은 응집물을 형성할 수 있으나, 교반 속도가 지나치게 높으면 응집이 형성되지 않게 되므로 교반속도를 응집핵 형성에 맞게 적절히 제어하여야 하며 이는 실시자의 경험에 의해 조절될 수 있다.

상술한 바와 같이 응집핵 형성과정(S1)에서의 적절한 응집핵의 형성을 위하여 석탄은 유연탄 또는 아역청탄 및 갈탄 또는 이들 석탄류와 목탄의 200메쉬 통과 80% 이상의 것을 사용한다. 바람직하게는 약 1.5 N-m 토크(torque)로 고속 교반하여 0.3 ~ 2mm 정도의 작고 단단한 석탄의 탄화수소-기름 응집 핵을 형성토록 하여 100메쉬 정도의 체로 분리토록 한다. 기름은 벙커 오일 또는 벙커 오일과 목타르/콜타르 혼합 오일 또는 벙커 오일, 목타르/콜타르 및 식용폐유의 혼합 오일을 사용한다. 그리고 오일류 주입량은 상기 석탄류와 펜둘라(Pendular), 퍼니큘라(Funicular) 상태를 유지할 수 있는 정도로 한다. 상술한 바와 같은 특징을 가지는 재료들은 유기물질 간에 적은 구형의 응집이 형성 되도록 고속 교반된다. 고속교반과정에서 석탄 입자 내부까지 기름이 삼투압에 의해 침투되어 석탄 내부 기공에 차 있던 수분이 기공 밖으로 나오고, 석탄 입자는 기름으로 덮여저서 석탄 유기물-기름의 응집핵이 형성된다.

또, 상기 석탄-기름 응집 단계는 퍼니큘러 상태가 되도록 기름 량을 투입하고, 응집물이 단단하고 작아지도록 고속 교반한다.

상기 응집핵 형성과정(S1)에 의한 상기 석탄-기름 응집에 사용되는 기름은 중유, 경유, 등유, 식용유, 폐식용유, 아주까리기름, 피마자유, 대두유, 대마유, 폐윤활유 또는 이들을 혼합한 합성 기름 중의 적어도 하나 이상을 선택할 수 있다.

상술한 응집핵 형성과정(S1)에 의해 선택적 기름응집을 마친 응집핵(응집물)은 진동체 등으로 석탄 탄화수소와 기름 응집물과 물 및 회재를 분리시키도록 하며 응집물에 회재가 혼입되지 않도록 약한 분무 세척을 한다. 세척을 마친 석탄-기름 응집물은 중속 교반조로 보내져 2중 응집과정(S4)이 수행된다.

상술한 바와 같은 응집핵 형성과정(S1)에 의해 응집핵이 형성된 후에는 체분리과정(S1)에 의해 응집핵을 물과 비응집된 무기성분을 분리한다. 즉, 상기 응집핵 형성과정(S1)의 교반에 의해 응집핵이 형성되면 석탄 유기물-기름 응집핵 표면의 부착수분이 감소하게 되며, 비응집된 미세 회재 성분은 물속에 입자상으로 존재하게 된다. 이러한 응집핵과 비응집된 미세 회재 선분을 포함하는 물의 혼합물을 체로 이동시킨 후 체에 의해 석탄-기름 유기응집물(응집핵)과 회재 분산액체를 선별 분리하며 이러한 처리과정이 체분리과정(S2)이 된다.

다음으로 하수슬러지는 응집핵과 2중 응집물을 형성하도록 컨디셔닝된다. 도 1의 처리과정 중 컨디셔닝과정(S3)은 상술한 응집핵형성과정(S1)과 체분리과정(S2) 의 진행과는 별도로 진행된다.

도 5와 같이 유기물질과 무기물질로 구성된 하수슬러지 오니는 콜로이드 또는 세립 현탁물질로 물속에서 침전이 어렵다. 또한 생물학적 처리에 의해 생성된 오니의 주 생성물은 점성이 강한 유기물질로서 거시적으로 보면 미생물의 신진대사에 의해 다당류와 단백질 등의 음이온기를 가진 친수성 고분자물질로서 점질성으로 피복된 미소 입자이다. 종래기술의 대한민국특허 제 0491329호의 탈수에서는 응집제를 첨가하여 미소입자들을 풀록(floc)화하여 탈수가 용이하게 하여야 하는데 이 때 점질성 풀록의 하전을 중성이 되게 하여 입자 간의 반발을 억제하고 친수성분을 소수화할 필요가 있다. 하전 중화를 위해서는 양성의 응집제가 사용되는데 하전 중화에 의해 생성된 풀록은 미소하기 때문에 보다 강한 응결력을 갖은 고분자응집제가 필요하다. 유기물질만의 선택적 응집을 위해서는 소수성 양이온 고분자 응집제 용액과 혼합하여 저속 교반으로 응집제 고분자에 하수슬러지 유기물이 달라 붙은 엉성한 응집을 형성토록 한다. 이러한 처리과정을 컨디셔닝과정(S3)이라 한다.

이러한 컨디셔닝과정(S3)을 더욱 상세히 설명하면, 하수종말처리장에서 호기 또는 혐기소화 처리한 슬러지 및 농축슬러지를 소수성을 가지도록 화학적 또는 물리적 컨디셔닝을 하는데, 컨디셔닝은 슬러지 상태에 따라 다르다. 소수성기를 가진 고분자 응집제를 사용하는 경우에는 컨디셔닝과정(S3)을 생략할 수도 있다. 그리고 하수슬러지 중의 유기 미생물들이 모래 등의 무기물질과 분리 또는 고분자 응집제와 친화력을 높이도록 pH를 조절한 후에 다시 고분자 응집제를 혼합하여 컨디셔닝 한다. 또한 컨디셔닝을 위한 교반 작업 중에는 분자량이 큰 고분자 응집제의 체인 에 유기물질의 하수슬러지가 달라 붙을 정도로 교반 에너지를 가하여야 하는데, 이 때 결합이 너무 강하면 다음 2중 응집이 어렵고, 너무 약하면 고분자 응집물과 하수슬러지의 가교 플록(floc) 형성이 되지 않는다. 특히 양이온성 고분자 물질은 하수슬러지 중의 유기물질과 선택적으로 응집을 형성할 수 있으나 하수슬러지 표면의 친수성기를 끌어들이기 위해서는 어느 정도 친수성의 음이온이 동시에 필요하므로 키토산류 또는 전분류나 양성의 고분자 응집제인 고분자 유도체를 사용한다.

이때에 하수슬러지를 컨디셔닝하고 다시 석탄-기름 응집물과 재응집하는 고분자 응집제는 중속 교반에서도 하수슬러지 중 유기물질이 선택적으로 응결할 수 있도록 친수성의 강한 응집력과 소수성의 석탄-기름 응집물과 결합토록 하는 친유성 기를 동시에 함유되어야 한다. 이에 적합한 고분자 응집제는 양이온성의 방향족 고분자 고리를 갖은 키토산류 또는 전분류로서 양성이나 친수성보다 소수성이 강한 고분자 응집제가 적합함은 상술한 바와 같다.

컨디셔닝된 하수슬러지는 pH가 중성 또는 산성이 되도록 조절한 후에 고분자 응집제를 하수슬러지 건조 무게 기준 0.1～20% 정도 첨가하여 균일하게 혼합한 후에 중속 교반조로 보내어 석탄-기름 응집물(응집핵)과 재응집된다.

상술한 응집핵형성과정(S1)과 체분리과정(S2)에서 생성된 응집핵과 컨디셔닝과정(S3)에 의해 컨디셔닝된 하수슬러지는 중속교반조로 이송되어 교반에 의해 2중 응집물을 형성하며 이를 2중 응집과정(S4)이라 한다. 하수슬러지 중의 유기 미생물들이 모래 등의 무기물질과 분리 또는 고분자 응집제와 친화력을 높이도록 pH를 조 절한 후에 다시 고분자 응집제를 혼합하여 컨디셔닝 한 후에 석탄-기름 응집 핵과 혼합하면서 약 1 Nm 토크 정도의 중속 교반하면 석탄-기름 응집핵 주변에 컨디셔닝한 하수슬러지 풀럭이 달라붙어 0.5 ~ 5mm 정도의 엉성한 하수슬러지-기름-석탄의 응집 풀럭이 형성된다. 상기 2중 응집과정(S4)에서는 체분리과정(S2)에 의해 분리된 석탄-기름 응집물(응집핵)을 하수슬러지-고분자 혼합물과 혼합하여 교반조에 넣고 중속교반을 하면, 석탄-기름의 작은 응집물(응집핵) 주변에 엉성한 하수슬러지 응집물이 달라붙으면서 2중 응집물을 형성되며, 형성된 2중 응집물은 교반에 의해 하수슬러지 층이 보다 단단하게 응집된다.

2중 응집과정(S4)에 의해 생성된 2중 응집물은 체를 통하여 물과 하수슬러지 중의 무기물질과 분리하는 것에 의해 물리적으로 회수하여야 한다. 그러나 상기 2중 응집과정(S4)에 의해 생성된 2중 응집물은 체질(sieiving)을 하기에는 응집강도가 충분하지 못다. 즉, 엉성한 하수슬러지-기름-석탄의 응집물은 함수율이 높고, 물리적으로 취급하는 것이 용이하지 않게 된다. 따라서 2중 응집물을 물리적으로 회수하기 위해서는 보다 단단한 2중 응집물이 되어야 하므로 텀블러에서 텀블링을 수행하여 이들 2중 응집물의 입경을 키우면서 응집강도를 증진시킨다. 이러한 과정을 텀블링과정(S5)이라 한다.

이러한 텀블링과정(S5)에서는 작고 단단하게 형성된 석탄-기름 응집물 주변에 컨디셔닝한 하수슬러지-고분자 응집제 풀럭이 달라붙도록 교반속도를 약 600rpm 정도 중속 교반으로 미약한 2중 응집물을 형성한다. 그리고 중속 교반을 통해 선택 적 유기성 오니-기름-석탄 응집을 형성한 미약한 2차 응집물은 입경이 커지면서 단단한 입경이 되며, 입구에서 출구측으로 이동되면서 입경이 커지고, 부착수분도 적어지게 된다. 이때에 입구측의 경우에는 수분이 많이 존재하며, 수분이 많이 있으면 텀불링과정(S5)에서 체로된 텀블러 벽에 응집물이 달라붙을 수 있어 압축공기를 불어 넣거나 제3의 응집조제를 섞어주어 텀블러의 벽에 부착되는 것을 방지한다. 제 3의 응집조제로는 전분, 설탕의 액체나 겨 및 톱밥의 고체 분말을 응집물의 1-5% 정도 사용한다. 이렇게 하면 2중 응집물의 응집 강도도 높아지고 탈수효과도 좋아진다.

상기 텀블링 과정(S5) 반잠수식 텀블러에 의해 수행될 수 있으며, 반잠수식 텀블러에서 텀블링이 수행됨에 따라 입경이 보다 커지면서 단단하고 함수율도 80% 이하로 낮아진다. 이러한 텀블링을 위하여 반잠수식 텀블러는 입구 측에서 이들 응집물이 깨지지 않으면서 무기물질 및 물을 분리할 수 있게 다공망 또는 체로 외벽이 형성되게 하여 회전하면서 입경을 키우고 부착된 물도 압착에 의해 응집물에서 빠질 수 있는 구조가 되어야 한다.

종래기술의 특허 제041329호의 경우에는 도 2와 같이 하수슬러지-석탄-기름의 공동응집물을 형성하나, 본원 발명은 상술한 처리과정에 의해 하수슬러지를 탈수 공정을 거치지 않고 직접연료화할 수 있으며, 도3과 같이 응집 핵 외부에 다시 도너스 형태의 응집물을 형성한다. 하수슬러지를 탈수 공정을 거치지 않고 직접 연료화 함에 있어, 본 발명과 종래기술로서의 대한민국특허 제 0491329호의 기술과는 다음 <표1>과 같은 차이가 있다.

<표 1>

구분	종래기술(특허 제041329호)	본 발명
응집 방법	하수슬러지-석탄-기름 선택적 동시 공동 응집	선택적 2단 개별 응집 - 내부에 석탄-기름 응집 - 내부 응집물 외부에 유기물 오니
석탄 사용량	하수슬러지의 5∼10배 사용	하수슬러지의 2∼5배 사용. 또한 사용 석탄의 10∼30% 목탄으로 대체.
벙커유 사용량	석탄의 20∼40% 정도 사용	석탄의 25∼45% 정도 사용. 폐식용유 및 목타르 사용 기름의 30∼50% 대체 가능.
고분자 응집제	분자량 200만 이상의 상업용 양이온 응집제를 하수슬러지 컨디셔닝제로 사용시 선택적 응집작용 있음.	방향족 고리가 키토산류 또는 전분류에 부착된 분자량 200만 이상의 양이온 또는 양성의 응집제로 2단의 선택적 응집작용 있음.
응집 효율	함수율 : 60% 이내 유지 가능함 유기물질 회수율 : 95% 이상 응집강도 : 물리적 취급 용이함	함수율 : 60% 이내 유지 어려움 유기물질 회수율 : 95% 이상 응집강도 : 물리적 취급시 유의 필요
경제성	벙커유 사용량이 많아 기존 IGCC에 비해 미약한 경쟁력 있음.	벙커유 및 석탄을 폐자원으로 상당부분 대체함으로 기존 IGCC에 비해 절대적인 경쟁력 있음.
기대 효과	하수슬러지 자원화 및 처리환경 개선	바이오 폐유기물 자원화와 처리환경 개선 및 화석연료 부분적 대체

도 6 내지 도 11은 본원발명의 특성을 나타내는 그래프로서 도 6는 석탄 혼합량에 의한 석탄-기름-슬러지 응집물의 함수율 및 회분 변화 그래프이고, 도 7은 석탄에 목탄 혼합량에 의한 석탄-기름 응집물의 함수율, 회분 및 입경 변화 그래프이며, 도 8은 기름 종류에 의한 석탄-기름 응집물의 함수율 및 회분 변화 그래프이고, 도 9은 기름 첨가량 변화에 따른 석탄-기름 응집물의 함수율, 회분 및 입경 변화 그래프이며, 도 10는 고분자응집제 종류에 의한 석탄-기름-하수슬러지 응집물의 함수율, 회분 및 입경 변화 그래프이고, 도 11은 응집강도 증진용 첨가물 종류에 의한 석탄-기름-하수슬러지 응집물의 함수율 및 회분 변화 그래프를 나타낸다.

도 6 내지 도 11을 참조하여 본원발명의 특징을 설명하면 다음과 같다.

가. 석탄 혼합비 및 촤콜 혼합비 효과

하수슬러지-석탄-기름 동시 공동응집의 특허 제041329호의 기술(이하 "종래기술")에서는 활성 오니 슬러지의 경우 건조 슬러지 기준 석탄을 적어도 6배 이상 10배 정도, 혐기소화 슬러지의 경우 적어도 3∼5배 정도 투입되어야 응집 목적을 달성할 수 있는데 본 발명은 선택적 2중 응집을 적용하는 것에 의해 도 6에서 보는 바와 같이 활성오니 건조 슬러지의 2배정도 석탄을 혼합하여도 응집이 가능하다. 그러나 물리적 취급 및 탈수를 하기 위해서는 건조 슬러지 기준 혐기소화 슬러지의 경우 석탄을 2배 이상, 활성오니 슬러지의 경우 석탄을 3배 이상 투입하는 것이 바람직하다.

석탄의 사용을 목탄으로 대체하는 것은 도 7에서 보는 바와 같이 석탄의 50% 이하로 하는 것이 취급 가능한 응집물 입경을 얻을 수 있다. 응집물의 회분 함유량은 목탄 혼합비와 상관없이 거의 일정하며 석탄의 30% 이하에서는 함수율과 회분 함유량이 순수 석탄만 사용하는 경우와 크게 차이가 없다.

나. 혼합류 사용효과 및 적정 혼합유 사용량

하수슬러지-기름-석탄 공동응집에서는 기름의 선택이 매우 중요하여 여러 기름을 적용하기가 여의치 못하다. 그러나 본 발명의 2중 응집과정에서는 하수슬러지와의 2중 응집은 고분자응집제를 통하여 이루어지게 됨으로 보다 다양한 기름의 적 용이 가능하다. 도 8에서 보는 바와 같이 종래기술에서는 벙커A 위주로 활용하던 것을 벙커C와 다른 폐유 및 목타르 등을 혼합한 기름의 사용이 가능하고 응집강도도 단단하며 하수슬러지-고분자 응집물과의 재응집이 용이하다.

도 9과 같이 석탄에 대해 기름의 농도가 낮은 경우 유기물질과 기름의 적심 상태가 펜둘라(Pandular) 상태로 응집력이 약한 느슨한 상태로 되어 유기물 입자간에 잔존하는 수분 등으로 수분 농도가 높게 되고, 응집이 충분이 형성되지 않아 회수율이 저하한다. 그러나, 기름의 농도를 높이면 퍼니큘라(Funicular) 상태로 되면서 수분 농도도 낮아지고 회수율은 크게 향상되며, 그 이상 계속 기름 농도를 높이면 캐필러리(Capillary)상태로 되나 수분 농도나 회수율의 변화는 거의 없는 상태에 도달한다. 그러나 동일 조건에서 교반속도는 응집물 형성과 응집물 파괴 및 기름의 미립자 형성에 영향을 미친다. 석탄과 기름을 일정량 넣고 교반속도를 변경한 경우 수분농도와 유기물질 회수율의 변화를 보여 준다. 교반속도가 지나치게 낮은 경우는 기름의 분산이 전연 이루어지지 않아 응집물이 형성되지 못하고 일부 기름에 적셔진 석탄 유기물들은 기름의 현탁(Suspended) 상태로 남아 체의 기공이 작은 경우는 에멀죤과 같이 되어 체 눈금을 막아버리게 된다. 교반속도가 어느 정도 강하게 되면 회수율은 급격히 상승되면서 함수율도 낮아지게 되고 교반속도가 지나치게 높아지면 응집물의 직경도 작아지고 함수율은 낮아지나 응집물의 회수율이 저하되게 된다. 교반속도는 유기물질과의 접촉각에 따라 다르나 연료유의 점도가 높으면 교반속도를 높게 유지하여야 하며, 장치 형상에 따라 필요한 전단력 힘은 다르나, 회분식 장치에서와 연속식 장치에서는 거의 같은 수준으로 유지된다. 특히 교 반속도가 일정 수준에서는 함수율이나 회수율에 크게 영향을 미치지 않는다.

다. 고분자응집제의 선택적 응집 효과

하수슬러지 중에 존재하는 수산화염의 금속성분은 양 하전을 띠어 음이온 응집제가 적합하며 하수슬러지 중 카르복실기 등은 음 하전을 띠어 양이온 응집제에 효과적으로 응집된다. 탈수를 목적으로 하는 응집에서는 하수슬러지 중의 유기물질과 무기물질을 함께 응집하여야 하므로 양이온 응집제나 음이온 응집제 어느 것을 사용하여도 효과를 가져 올 수 있으나 본 발명에서와 같이 하수슬러지 중 유기물질만 선별적으로 응집할 때는 양이온 응집제가 효과적이다. 특히 석탄-기름 응집물과 2차 응집을 형성하기 위해서는 친유성 관능기를 일부 포함하여야 하며 선택적 응집 형성을 위해 중간 강도의 교반을 하여야하므로 하수슬러지와 강한 응집력을 가져야 한다. 이에 적합한 고분자 응집제는 양이온성의 방향족 고분자 고리를 갖은 키토산류 또는 전분류나 양성의 고분자 응집제가 도 10와 같이 시도되었는데 방향족 기가 포함된 키토산이 보다 우수한 것으로 나타났다.

라. 응집강도 제고의 텀불링 효과

중속 교반에 의해 석탄-기름 응집물 외부에 하수슬러지 유기물이 미약한 응결을 이루어 이를 물리적으로 취급 용이하도록 응집강도를 높일 필요가 있다. 이를 위하여 텀불링의 방식을 채택할 때 텀불러 외벽에 응집물들이 달라붙어 입경이 커지지 않거나 또는 계속 텀불링을 하여도 응집강도가 미약하다. 이를 개선하기 위해 제 3의 물질을 첨가하여 입경 키우기나 응집강도 증진 장애를 개선할 수 있다. 도 11에서 보는 바와 같이 글루코스나 리그닌 등은 입경 키우기나 응집강도 개선재로 효과적이다.

상술한 바와 같은 본원 발명은 하수슬러지와 석탄 중의 무기물질을 분리한 2단계 응집 방법(응집핵 형성 및 2중 응집물 형성)으로 하수슬러지-석탄 정제 혼합물의 고급 연료화를 기할 수 있도록 함으로써 하수슬러지를 에너지 자원화함에 있어 부족한 에너지원 보충의 방안으로 화석연료 사용을 최소화하고, 바이오메스 폐자원을 최대 활용하는 대체연료 개발에 적용될 수 있도록 하며, 하수슬러지, 톱밥 등과 목재건류 폐기물인 목타르, 목탄 부스러기 및 폐식용유 등을 최대한 재활용하여 가연 유기성 폐자원에 의한 환경오염을 방지할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본원 발명은 연료 제조 공정 또한 새로운 개념의 처리 방식으로 공정 기술의 발전은 물론이며 하수슬러지를 탈수나 건조 없는 처리 방안의 기술발전에 기여할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본원 발명은 바이오메스 등의 유기물질 폐자원의 활용이 증가되어 하수슬러지 연료화의 경제성 제고에 크게 기여하는 효과를 제공한다.

또한, 본원 발명은 새로운 고분자응집제의 개발로 신물질 산업화의 신규 유용한 화학제품 생산의 효과를 제공한다.

Claims (8)

1. 석탄슬러지와 혼합오일을 교반하여 석탄-기름의 응집핵을 형성하는 응집핵형성과정과;

   하수슬러지를 소수성을 가지도록 컨디셔닝한 후 응집제를 첨가하여 교반하는 컨디셔닝과정과;

   상기 응집핵형성과정에서 생성된 응집핵과 상기 컨디셔닝된 하수슬러지를 교반하여 응집핵의 외부면에 슬러지가 부착된 2중 응집물을 형성하는 2중 응집과정과;

   상기 2중 응집과정에서 생성된 2중 응집물을 텀블러에 의해 텀블링하여 단단하고 큰 응집물을 형성하는 텀블링과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
2. 석탄슬러지와 혼합오일을 교반하여 석탄-기름의 응집핵을 형성하는 응집핵형성과정과;

   상기 응집핵형성과정에서 생성된 응집핵과 소수성을 가진 고분자 응집제가 첨가된 하수슬러지를 교반하여 응집핵의 외부면에 슬러지가 부착된 2중 응집물을 형성하는 2중 응집과정과;

   상기 2중 응집과정에서 생성된 2중 응집물을 텀블러에 의해 텀블링하여 단단하고 큰 응집물을 형성하는 텀블링과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
3. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응집핵형성과정은 체에 의해 상기 응집핵과 물 및 무기물을 분리하는 체분리과정;을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
4. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응집핵형성과정은 상기 석탄에 목탄을 10% 내지 100%(전부 목탄 사용)를 첨가하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
5. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응집핵형성과정의 상기 기름은 벙커유에 식용 폐유와 목타르를 1:(0.1~1):(0.1~1)의 중량비로 첨가하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
6. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2중 응집과정은, 키토산 또는 전분으로 제조되는 폴리사카라이드계 고분자 응집제를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
7. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 텀블링과정은 벽이 체로 형성되는 반잠수식 텀블러에 의해 수행되어 상기 2중 응집물과 무기물질 및 물을 분리하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.
8. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 텀블링과정은 텀블러의 외벽에 응결물이 부착되는 것을 방지하기 위하여 공기를 분사하며, 응집 입경 키우기와 응집강도 향상을 위한 응집조제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지-석탄-기름 2중 응집법에 의한 하수슬러지 처리 방법.

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