KR102005213B1 - 탈수 전 슬러지 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수 슬러지에 대한 가압 탈수 처리 전에, 가압 탈수 효율을 높이기 위해 하폐수 슬러지를 전처리하는 탈수 전 슬러지 처리 방법에 관한 것으로서, 상기 탈수 전 슬러지 처리 방법은, 하수처리 시설의 최종 탈수설비로 이송되는 슬러지를 전처리하는 방법으로서, (a) 하폐수에 대한 침전, 생물반응, 농축, 소화 처리 중 하나 이상의 처리단계를 거쳐 배출, 저장된 슬러지를 슬러지저장조에서 가압탈수설비 방향으로 이송하는 단계; (b) 상기 가압탈수설비 방향으로 이송하는 경로에 발포성 산화제를 주입하기 전에 양이온을 제공하는 무기응집제를 먼저 주입하는 단계; 및 (c) 발포성 산화제를 주입하는 단계;를 포함하며, 상기 발포성 산화제에 의해 상기 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 약화되거나 파괴되고, 상기 가압탈수설비에 의한 슬러지 압착과정에서 상기 슬러지 내 잔존 미생물의 세포벽이나 세포막이 상기 발포성 산화제에 의해 발생한 기포 방향으로 팽창하여 파손되며, 상기 압착과정에서 상기 기포가 상기 슬러지 외부로 배출됨에 따라 배수통로가 형성됨으로써, 상기 가압탈수설비를 거쳐 최종 배출되는 슬러지 케이크의 함수율이 60% 이하로 저하되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

탈수 전 슬러지 처리 방법{Sludge treatment method before dehydration}

본 발명은 하폐수 슬러지에 대한 가압 탈수 처리 전에, 가압 탈수 효율을 높이기 위해 하폐수 슬러지를 전처리하는 방법에 관한 것이다.

하폐수 슬러지의 해양투기가 금지되고 각 지방의 혐오시설거부 현상으로 육상매립 또한 어려워지고 있는 바, 하폐수 슬러지를 연료화하거나 퇴비화 처리하기 위하여 하폐수 슬러지의 함수율을 낮추는 것이 시급한 과제가 되었다. 근래 필터프레스 등을 통해 하폐수 슬러지를 함수율 63~66% 선에서 배출하고 있으나 아직 자체 연소가 가능한 수준에는 미치지 못하고 있는 바, 함수율을 더욱 낮출 필요가 있다.

종래 국내·외에서 하폐수 슬러지의 함수율을 낮추는 여러 가지 방법들이 제시되어 왔는 바, 몇 가지를 예시하면 다음과 같다. 공개특허 10-2015-0053993 "슬러지의 탈수 처리방법 및 탈수 처리장치"는 슬러지 투입구측에서 가열 수증기 또는 열풍에 의해 슬러지를 직접 가열하고 스크류 프레스기 내에서 슬러지를 가열한 상태에서 탈수하는 방법을 제시하나, 충분한 효과를 얻기 위해서는 많은 에너지 비용을 감당해야 하는 문제가 있다.

등록특허 10-1237828 "첨가제 존재 하에 기계적 혼합과 압축으로 슬러지케익 내의 함수율을 40% 수준으로 재탈수시키는 방법"에서는 1차 탈수한 슬러지케익에 1~3mm 크기의 셀룰로오스분인 목분, 분쇄왕겨, 잦피분말, 팜분말, 두릅나무분말, 볏집분말 및 옥수수분말 중에서 선택되는 하나 이상의 부형제분말을 첨가하고 교반기로 150~200rpm의 회전속도로 1~2분 이내에 급속회전하여 혼합시켜 슬러지 함수율을 60±3%가 되도록 조정한 상태에서 필터프레스압착기로 50~200kg/㎠로 서서히 압축, 정지를 되풀이하면서 12분 이내에 재탈수시켜 함수율 40±3%의 슬러지케익을 얻고 이 슬러지케익을 혼합기에 넣어 150~200rpm에서 2~3분간 파쇄 및 분쇄시킨 다음 직경 1~3mm의 진동스크린에 의해 부형제만을 선별 회수하는 방법을 제시한다. 그러나 이 경우 부형제를 회수하는 설비와 그 운전비용이 막대하고, 또한 일반적인 필터프레스 장치의 압력이 15kg/㎠ 내외인 점을 비추어볼 때 50~200kg/㎠의 고압을 가하기 위한 설비를 구성해야 한다는 것이 현실적이지 않다.

등록특허 10-0891023 "하수 슬러지의 응집 및 탈수방법 및 그 장치"에서는, 고분자응집제 첨가량을 75:25 비율로 나누어 1차 75% 첨가 후 초기 플록을 고속교반을 통해 잘게 부순 후 2차로 25% 첨가하여 2중으로 플록을 만들어서 플록 내에 간극수나 자유수 량을 줄이는 방법을 제시한다. 다만 이러한 방법은 함수율 80%의 슬러지를 함수율 77.4% 수준으로 처리하는 것에 그칠 뿐 최종 가압탈수(필터프레스 등) 결과는 제시하지 못하고 있다.

등록특허 10-0793850 "하수슬러지의 처리방법 및 이로부터 생성된 탈수 케이크"에서는, 하수처리장 슬러지 처리공정에서 소화슬러지에는 석탄 등의 카본 첨가제를 혼합하여 소화슬러지 혼합물로 만들고, 원심농축슬러지에는 폐지용액과 카본 첨가제를 혼합하여 원심농축슬러지 혼합물로 만들어, 이들 각각을 탈수시킴으로써 탈수케이크의 함수율을 저감시키고 발열량을 향상시키는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리방법을 제시한다. 그러나 소화슬러지에 첨가되는 카본 첨가제의 양은 2~10중량%이며, 원심농축 슬러지 혼합물은 원심농축 슬러지 60~70중량%, 폐지용액 20~30중량% 및 카본 첨가제 10중량%로 이루어지고, 상기 폐지용액은 물 98~99중량%에 폐지 1~2중량%를 혼합하기 때문에 발생되는 슬러지케익의 고형분이 4~5배로 증가하므로 실제 적용하기 곤란하다고 판단된다.

일본공개특허 평1-111498 "하수 슬러지의 탈수 방법"에서는 응축슬러지의 고형분에 대하여 40%의 목재칩을 탈수보조제로 첨가하면 함수율 88%가 되고, 이것을 5kg/㎠로 가압탈수하면 함수율 55%가 얻어져서 소각로에서 자체연소 가능하게 되는 것으로 설명하고 있으나, 이는 단지 건조한 목재칩을 첨가하여 함수율을 낮추는 효과를 노리는 것이며, 결과적으로는 슬러지의 고형분 량이 약 1.4배 늘어날 뿐이다.

공개특허 10-2017-0116591 "하폐수 처리공정의 슬러지 농축 및 탈수 시스템 및 방법"에서는 농축부에 유입되어 수용된 2차 슬러지에 미세기포를 공급하여 폭기시킴으로써 2차 슬러지에 포함된 질소의 안정화에 따른 악취감소 및 이후 탈수기에서의 부하가 감소되어 탈수 효율 및 응집제 사용량이 감소됨은 물론, 배출되는 슬러지에 안정화된 질소가 포함되기에 이를 별도의 후처리 없이 퇴비 등의 상업적 이용이 용이하다는 장점이 제시되어 있다. 그러나 이는 어디까지나 함수율 97% 수준의 농축 슬러리를 폭기하는 과정에 관한 것으로서 최종 탈수과정(슬러지 케익 배출과정)의 효율을 높이는 것은 아니다.

등록특허 10-1162533 "마이크로버블발생기를 구비한 벤츄리관 및 이를 이용한 슬러지처리장치"에서도 마이크로버블발생기를 이용하여 농축부에 유입된 슬러지에 미세기포를 유입시킴으로써 슬러지 덩어리를 잘게 파쇄하여 소화되기 쉬운 상태로 처리함으로써 미생물에 의한 슬러지의 소화효율을 높이고 가연성 바이오가스의 생산을 증대시키는 효과가 제시되어 있다. 그러나 이 역시 최종 탈수과정(슬러지 케익 배출 과정)의 효율을 높이는 것은 아니다.

등록특허 10-0413593 "오존 처리에 의한 슬러지 감량화 및 재활용 시스템과 그 방법"은 슬러지 발생량을 감량하기 위해 하·폐수 슬러지를 오존 처리하는 기술이 제시되어 있다. 그러나 이 역시 슬러지 케익의 탈수 효율을 높이기 위한 기술이 아니다.

1. 공개특허 10-2015-0053993 "슬러지의 탈수 처리방법 및 탈수 처리장치" 2. 등록특허 10-1237828 "첨가제 존재 하에 기계적 혼합과 압축으로 슬러지케익 내의 함수율을 40% 수준으로 재탈수시키는 방법" 3. 등록특허 10-0891023 "하수 슬러지의 응집 및 탈수방법 및 그 장치" 4. 등록특허 10-0793850 "하수슬러지의 처리방법 및 이로부터 생성된 탈수 케이크" 5. 일본공개특허 평1-111498 "하수 슬러지의 탈수 방법" 6. 공개특허 10-2017-0116591 "하폐수 처리공정의 슬러지 농축 및 탈수 시스템 및 방법" 7. 등록특허 10-1162533 "마이크로버블발생기를 구비한 벤츄리관 및 이를 이용한 슬러지처리장치" 8. 등록특허 10-0413593 "오존 처리에 의한 슬러지 감량화 및 재활용 시스템과 그 방법"

본 발명은 에너지 소모를 최소화 하면서 가압탈수장치에 의한 슬러지 탈수 효과를 높이기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다. 이를 위해 하폐수에 대한 여러 가지 처리 공정(침전, 생물반응, 농축, 미생물에 의한 소화 처리, 약품 처리 등)을 거쳐 배출된 슬러리를 가압 탈수가 잘 이루어지는 상태로 형성시킬 수 있는 방법을 도출하고자 한다.

종래에 하폐수 슬러지에 대한 탈수처리를 통해 함수율이 63~66%에 도달하는 사례가 있으나, 더 이상의 탈수가 어려운 이유는 하폐수 슬러지 내 미생물 체내의 함수율이 75% 내외에 달하기 때문이다.

본 발명에서는 하폐수 슬러지의 함수율을 더욱 낮추기 위해,

(1) 하폐수 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 약하게 하거나 손상시키고,

(2) 나아가 상기 세포벽 또는 세포막을 파손시킴으로써 세포 내 물을 체외로 배출시키고,

(3) 세포내에서 배출된 물이 슬러지 케익 밖으로 배출되도록 하는 통로가 확보되도록 한다.

위와 같은 작용을 위해, 본 발명은 「(a) 하폐수에 대한 침전, 생물반응, 농축, 소화 처리 중 하나 이상의 처리단계를 거쳐 배출, 저장된 슬러지를 슬러지저장조에서 가압탈수설비 방향으로 이송하는 단계; (b) 상기 가압탈수설비 방향으로 이송하는 경로(이하 '이송경로')에 발포성 산화제를 주입하기 전에 양이온을 제공하는 무기응집제를 먼저 주입하는 단계; 및 (c) 발포성 산화제를 주입하는 단계;를 포함하여, 상기 발포성 산화제에 의해 상기 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 약화되거나 파괴되고,상기 가압탈수설비에 의한 슬러지 압착과정에서 상기 슬러지 내 잔존 미생물의 세포벽이나 세포막이 상기 발포성 산화제에 의해 발생한 기포 방향으로 팽창하여 파손되며, 상기 압착과정에서 상기 기포가 상기 슬러지 외부로 배출됨에 따라 배수통로가 형성됨으로써, 상기 가압탈수설비를 거쳐 최종 배출되는 슬러지 케이크의 함수율이 60% 이하로 저하되도록 하는 것을 특징으로 하는 탈수 전 슬러지 처리 방법」을 제공한다.

또한, 상기 발포성 산화제와 함께 계면활성제를 함께 주입할 수 있으며, 산기장치에 의해 용해도를 초과하는 양의 기포를 함께 주입할 수 있다.

아울러, 상기 이송경로에 상기 발포성 산화제를 주입하기 전에 고분자응집제를 먼저 주입할 수 있다.

본 발명이 제공하는 시스템 및 방법에 따르면 다음의 효과를 기대할 수 있다.

1. 가압 탈수 공정에 유입되기 전의 슬러지에 계면활성제를 첨가함으로써 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 용해 또는 훼손을 촉진시킨다.

2. 상기 계면활성제와 함께 기포를 주입함으로써 슬러지에 배수통로가 형성되도록 하여 가압탈수장치에 의한 슬러지 케익의 탈수 효율을 향상시킨다.

3. 상기 계면활성제에 의해 상기 기포의 분산성이 향상된다.

4. 가압 탈수 공정에 유입되기 전의 슬러지에 오존, 과산화수소 등의 발포성 산화제를 첨가함으로써 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 파괴되도록 하여, 세포액을 탈수시킬 수 있다.

5. 최종 배출되는 슬러지 케익의 함수율을 저하시키기 위해 열에너지를 도입하거나, 각종 첨가제를 첨가하여 슬러지의 체적을 증가시킨다거나, 가압탈수설비의 압력을 향상시키는 등의 조치 없이 종래의 하폐수처리설비에 본 발명을 간단하게 적용할 수 있다.

6. 최종 배출되는 슬러지 케익은 함수율이 60% 미만으로 낮춰지므로 소각로에서 자체연소 가능하다.

도 1은 하폐수처리 시설을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 기포에 의해 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 파손되고, 배출된 체액이 기포에 의해 형성된 배수통로로 배출되는 개념을 도시한 것이다.
도 3은 기포에 의해 형성된 슬러지 내 배수통로의 개념을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 산기장치의 여러 가지 실시예를 도시한 것이다.

본 발명은 하폐수 슬러지의 함수율을 낮추는 방법 중 가압 탈수 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 적용되고 있는 하폐수 슬러지 가압 탈수 처리 과정을 [도 1]의 하폐수 처리 시설 개념도와 함께 간단히 살펴보면 다음과 같다. 하폐수 처리 시설에 유입된 하폐수는 침사지(100)에서 흙, 모래 등 비중이 무거운 물질을 침강시켜 제거하고 최초침전지(200)에서 부상, 응집 등의 방법으로 각종 유기물과 무기물을 침전시킨다. 수질이 양호한 상징수(침전지 또는 최초침전조에서 고체물질을 침전시킨 후 그 상부에 존재하는 물)는 최종침전지(400)로 보낼 수 있고 침강된 슬러리는 성상에 따라 생물반응조(300) 또는 농축조(500)로 이송된다.

유기물 성분이 많은 슬러리는 생물반응조(300)로 이송하여, 미생물(이 과정에서는 주로 호기성 미생물)을 이용하여 유기물 성분을 분해 처리한다. 상기 생물반응조(300)에서 처리된 물은 최종침전지(400)에서 침전시켜 상징수는 살균 후 방류하며 침전된 슬러리는 원심농축기(700)에서 농축 후 슬러리저장조(800)로 이송된다. 상기 최초침전지(200)에 침강된 슬러리 중 유기물 성분이 적은 경우에는 농축조(500)로 이송되어 농축과정을 거친 후 소화조(600)로 이송되어 미생물에 의해 소화처리된다. 이 과정에서는 대체로 혐기성 미생물을 이용하여 메탄가스 등을 발생시키고 상기 메탄가스는 연료로 활용한다. 농축과정을 거친 슬러리를 상기 소화조(600)로 이송할 때에는 필요시 온도 조절을 위해 열교환기(610)를 사용한다. 소화처리된 슬러리는 다시 슬러지저장조(800)로 이송된다.

상기 슬러지저장조(800)에서 가압탈수설비(1000)로 슬러지를 공급할 때에는 약품주입설비(900)를 이용하여 필요한 약품을 주입하고 탈수를 진행한다. 탈수시 배출된 배출수는 전단계 설비(최초침전지 또는 농축조 또는 생물반응조 또는 소화조 중 적당한 곳)로 이송되고 탈수된 슬러지 케익은 처분한다. 상기 가압탈수설비(1000)로는 밸트프레스, 필터프레스 등을 적용할 수 있는데, 슬러지 내 수분이 고형분에 갇히는 경우에는 탈수가 제대로 이루어지지 않게 된다.

본 발명은 「하수처리 시설의 최종 탈수설비로 이송되는 슬러지를 전처리하는 방법으로서, (a) 하폐수에 대한 침전, 생물반응, 농축, 소화 처리 중 하나 이상의 처리단계를 거쳐 배출, 저장된 슬러지를 슬러지저장조(800)에서 가압탈수설비 (1000)방향으로 이송하는 단계, (b) 상기 가압탈수설비(1000) 방향으로 이송하는 경로(이하 '이송경로')에 발포성 산화제를 주입하기 전에 양이온을 제공하는 무기응집제를 먼저 주입하는 단계 및 (c) 발포성 산화제를 주입하는 단계를 포함하며,

상기 발포성 산화제에 의해 상기 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 약화되거나 파괴되고, 상기 가압탈수설비(1000)에 의한 슬러지 압착과정에서 상기 슬러지 내 잔존 미생물의 세포벽이나 세포막이 상기 발포성 산화제에 의해 발생한 기포 방향으로 팽창하여 파손되며, 상기 압착과정에서 상기 기포가 상기 슬러지 외부로 배출됨에 따라 배수통로가 형성됨으로써, 상기 가압탈수설비(1000)를 거쳐 최종 배출되는 슬러지 케이크의 함수율이 60% 이하로 저하되도록 하는 것을 특징으로 하는 탈수 전 슬러지 처리 방법」을 제공한다.

상기 이송경로는 탈수설비연결관(1110)의 입구, 탈수설비연결관(1110) 등을 통칭한다. 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 파괴하는 측면에서 상기 가압탈수설비(1000) 방향으로 이송되는 슬러지에 과산화수소, 오존 등의 발포성 산화제를 첨가할 수 있다. 상기 발포성 산화제는 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 녹이거나 얇게 만들어 세포액이 쉽게 배출되도록 함으로써 슬러지에 대한 탈수성이 개선된다. 특히 과산화수소를 첨가하는 경우에는 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 파괴하면서 과산화수소 기포가 발생한다. 이렇게 발생한 과산화수소 기포는 슬러지에 대한 가압 탈수 공정에서 부피변화에 따라 세포벽 또는 세포막에 변형을 일으켜 터지도록 하고, 가압에 의해 상기 과산화수소 기포가 배출되면서 슬러지 케익에 배수통로를 형성시키는 역할도 겸한다.

[도 2]는 기포에 의해 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 파손되고, 배출된 체액이 기포에 의해 형성된 배수통로로 배출되는 개념을 도시한 것이다. [도 2]의 (a)에 도시된 바와 같이 슬러지 내에 기포가 없는 경우에는 슬러지를 가압하여도 부피변화는 거의 없다. 그러나 [도 2]의 (b)에 도시된 바와 같이 슬러지 내에 기포가 있는 경우에는 슬러지를 가압하면 기포의 부피가 줄어들면서 세포벽 또는 세포막이 기포방향으로 팽창되어 파손된다. 파손된 세포벽 또는 세포막의 틈으로 세포 내 체액이 흘러나와 슬러지 압착과정에서 기포의 배출에 의해 형성된 배수통로를 따라 배출되는 것이다.

상기 발포성 산화제는 약품주입설비(900)에서 슬러지저장조(800)의 안쪽으로 연결되는 약품주입관(903)을 통해 탈수설비연결관(1110) 입구에 유입되도록 하거나(슬러지저장조 내의 슬러지와 함께 탈수설비연결관쪽으로 빨려들어가도록 하는 간접 연통 방식), 상기 산기장치(1100) 쪽으로 연결된 약품주입관(901) 또는 상기 가압탈수설비(1000) 쪽으로 직접 연결된 약품주입관(902)을 통해 슬러지에 주입할 수 있다(직접 연통방식). 또한, 상기 이송경로에는 계면활성제를 함께 주입할 수 있다. 상기 계면활성제는 상기 탈수설비연결관(1110)에 직·간접적으로 연통된 약품주입관(901, 902, 903)을 통해 주입 가능하다.

상기 계면활성제는 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 얇게 만들어 세포벽 또는 세포막이 쉽게 파괴되도록 한다. 슬러지 내에 포함되어 있는 미생물은 세포벽 또는 세포막 내에 세포액을 가두어 두고 있으며 이러한 세포액은 슬러지 케익의 함수율이 낮아지지 않는 원인 중의 하나이다. 종래에도 소화조(600)에서 약품 첨가를 통해 슬러지 내의 유기물이 소화조 내 미생물의 먹이로 활용되도록 하여 소화 효율을 높이는 방법은 있었으나, 이렇게 하더라도 최종적으로는 새로이 성장한 미생물의 세포벽 또는 세포막이 유지됨으로써 세포액이 탈수되지 않는 문제는 상존한다. 따라서, 상기 계면활성제에 의해 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막을 얇게 만들고, 슬러지 가압 시 상기 발포성 산화제에 의해 형성된 기포에 의해 발생되는 세포벽 변형에 의해 상기 세포벽 또는 세포막이 파괴됨으로써 세포액을 배출시키는 것이 슬러지 케익의 함수율을 낮추는데 이바지한다. 상기 계면활성제를 발포성 산화제와 함께 적용하는 경우에는 슬러지 내에 상기 발포성 산화제에 의해 형성된 기포가 고르게 분산되도록 하여, 가압 탈수 공정 전에 상기 기포가 미리 세어 나가는 것을 방지하는 시너지 효과도 있다.

상기 이송경로에는 산기장치(1100)에 의해 형성시킨 기포를 함께 주입할 수 있다. 상기 산기장치(1100)에 의해 형성된 기포에 의해 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 파손되도록 하는 효과는 전술한 바와 같으며, [도 3]에 도시된 바와 같이 슬러지 내에 기포에 의한 배수통로가 형성되도록 함으로서, 가압탈수설비(1000)를 통해 슬러지에 압력이 가해질 때 고형분에 갇힌 수분이 쉽게 배출될 수 있는 상태를 보다 쉽게 형성시킬 수 있다. 상기 산기장치(1100)에 의해 형성된 기포는 발포성 산화제에 의해 형성된 기포보다 장기간 존속되는 장점이 있다. 또한, 상기 기포의 주입 공정은 계면활성제 주입과 동시에 또는 계면활성제 주입 이후에 순차적으로 진행하여, 상기 계면활성제에 의해 기포의 분산성을 향상시킬 수 있다.

다시 [도 1]과 함께 설명하면, 상기 산기장치(1100)는 탈수설비연결관(1110)의 중간에 기포를 주입할 수 있도록 설치할 수 있다. 즉, 하폐수에 대한 침전, 생물반응, 농축, 소화 처리 중 하나 이상의 단계를 거쳐 배출, 저장된 슬러지를 슬러지저장조(800)에서 가압탈수설비(1000) 방향으로 이송하기 위한 탈수설비연결관(1110)에 산기장치(1100)가 구비되는 것이다. 상기 산기장치(1100)에 기포를 주입하기 위해서는 마이크로버블 발생기를 도입할 수도 있으나, 에너지 소요의 최소화를 위해서는 공기압축기(1200)를 통해 압축공기가 공급되는 과정 또는 베르누이의 원리를 이용하여 공기가 흡입되는 과정에서 미세기포로 파쇄되도록 구성하는 것이 바람직하다.

[도 4]에는 상기 산기장치(1100)의 여러 실시예가 도시되어 있다. 상기 산기장치(1100)는 슬러지를 탈수설비 쪽으로 이동시키기 위한 탈수설비연결관(1110)에 공기를 주입하는 장치로서, 관로 상에 다수 미세공을 타공하여 형성시킨 미세공 타공부 또는 관로의 일부를 다공성 재질로 형성시킨 다공성 재질부를 통해 유입되는 공기가 미세기포 형태로 공급되도록 할 수 있다. 이하에서는 상기 탈수설비연결관(1110)의 관로상에 형성된 미세공 타공부 또는 다공성 재질 형성부를 공기확산부(1120)라 통칭한다. 상기 탈수설비연결관(1110)에는 상기 공기확산부(1120) 주변을 커버하는 공기안내부(1130)가 결합되어 있으며, 상기 공기안내부(1130)에는 공기유입관(1140)이 결합되어 있다. 상기 공기확산부(1120), 공기안내부(1130) 및 공기유입관(1140)은 [도 4]에 도시된 산기장치(1100) 실시예들의 공통된 구성요소이다.

[도 4]의 (a)는 공기압축기(1200)에서 제공되는 압축공기를 상기 공기확산부(1120)에 공급하도록 구성된 산기장치(1100)의 실시예가 도시되어 있다. 따라서 상기 공기유입관(1140)의 일단은 상기 공기압축기(1200)에 연통되어 있고, 타단은 상기 공기안내부(1130)에 연통되어 있다.

[도 4]의 (b)는 상기 탈수설비연결관(1110) 내측, 상기 공기확산부(1120) 형성구간에 슬러지가 흘러갈 유로의 단면적을 줄여서 유속을 빠르게 하기 위하여 흐름제어부(1160)를 설치한 것이다. 상기 흐름제어부(1160)는 전체적으로 유선형 몸체로 구성하여 흐름저항을 낮출 수 있고, 머리부분에는 나선형으로 휘어진 흐름안내판(1170)을 설치하여 슬러지가 나선형으로 회전하며 이동하도록 구성된 실시예가 도시되어 있다. 이 경우에는 상기 산기장치(1100)가 상기 공기압축기(1200)에서 압축공기를 제공받도록 구성할 수 있으나, 상기 공기유입관(1140)을 공기압축기(1200)에 연통시키지 않고, 상기 흐름제어부(1160)에 의해 슬러지의 유속을 빠른 속도로 이동하면서 발생하는 탈수설비연결관(1110) 내부의 부압에 의해 외부(대기 중)의 공기가 상기 공기유입관(1140)을 통해 흡입되도록 구성할 수도 있다.

[도 4]의 (c)는 상기 탈수설비연결관(1110)의 공기확산부(1120) 형성 구간의 관경을 좁게 구성하여 해당 구간의 압력을 낮춤으로써 외부(대기 중)의 공기가 상기 공기유입관(1140)을 통해 흡입되도록 구성된 산기장치의 실시예이다. 상기 산기장치(1100)를 통해 주입되는 공기가 모두 슬러지에 용해되면 본 발명이 이루고자 하는 소정의 효과를 얻을 수 없게 되므로 용해도를 초과하는 공기량을 주입하는 것이 중요하다.

한편, 기포가 주입된 슬러지에는 회전력을 가하여 상기 기포를 분산시킬 수 있다. 구체적으로는 상기 탈수설비연결관(1110) 내부에 인라인믹서(1150)를 설치하여 기포가 주입된 슬러지에 회전력을 가할 수 있다. 상기 이송경로에 발포성 산화제를 주입하기 전에는 양이온을 제공하는 무기응집제를 먼저 주입시킴으로써, 슬러지 내의 유기물이 응집되도록 할 수 있다. 상기 무기응집제로는 염화제2철, 황산제2철, 황산알루미늄, 폴리알루미늄클로라이드 등을 적용할 수 있다.

본 발명이 적용되는 탈수 전의 슬러지 상태는 이미 함수율 98% 가량이 되도록 침전, 생물반응, 농축, 소화 처리 등이 이루어진 상태이므로 물 속에서 음이온 상태로 존재하는 유기물을 상기 무기응집제로 응집시킨 후 처리하는 것이다. 또한, 상기 이송경로에 발포성 산화제를 주입하기 전에는 고분자응집제를 먼저 주입할 수도 있는데, 상기 고분자응집제는 분자량이 큰 만큼 멀리 떨어져 있는 유기물을 응집시키는데 유리하다. 탈수 전 슬러지의 상태에 따라 상기 무기응집제 또는 고분자응집제를 선택적으로 적용할 수 있다. 물론, 양자를 혼용하는 조건을 배제하지 않는다.

이하에서는, 실험데이터와 함께 본 발명의 효과를 살펴보기로 한다.

[실시예 1]

슬러지 20kg(농도 2.2%)에 염화제2철(38%용액, 비중 1.4) 200ml를 넣고 2분간 교반한 후 발포성 산화제로서 과산화수소(35% 용액)를 아래표와 같이 투입비를 조절하여 투입하고 1분간 교반한 후 파이로트 가압탈수장치(필터 프레스)에 펌프를 이용하여 6kg/㎠ 압력으로 주입한 후 상기 가압탈수장치로 15kg/㎠ 압력에서 16분간 탈수하였다. 탈수 후 케익을 샘플링하여 110℃에서 15시간 건조한 후 함수율을 측정하였다.

아래 [그래프 1]에 나타난 바와 같이 과산화수소를 투입하지 않은 시험예에서 배출된 슬러지 케익의 함수율은 65.5%이나, 35% 과산화수소 용액을 상기 슬러지 중량 대비 0.125% 투입하였을 때, 배출된 슬러지 케익의 함수율이 54%로 저감되었다. 다만, 상기 35% 과산화수소 용액 투여량을 2배 늘리더라도 배출된 슬러지 케익의 함수율 변화는 크지 않았다.

[그래프 1]

[실시예 2]

슬러지 20kg(농도 2.2%)에 염화제2철(38%용액, 비중 1.4) 200ml(슬러지 중량 대비 1.4%)를 넣고 2분간 교반한 후 계면활성제로 로릴황산나트륨(SLS, 90%)을 아래 [표 1]과 같이 슬러지 중량의 기준으로 투입비를 조절하여 투입하고 1분간 교반한 후 과산화수소(35% 용액)를 상기 슬러지 중량 대비 0.125% 투입하고 1분간 교반한 후 파이로트 가압탈수장치에 펌프를 이용하여 6kg/㎠ 압력으로 주입한 후 상기 가압탈수장치에서 15kg/㎠ 압력으로 16분간 탈수하였다. 탈수 후 케익을 샘플링하여 110℃에서 15시간 건조한 후 함수율을 측정하였다.

[그래프 2]

위의 [실시예 1]에서 35% 과산화수소 용액 투입량만을 늘렸을 때 탈수 후 슬러지 케익의 함수율에 가시적인 개선이 없었던 것에 비해, 계면활성제인 로릴황산나트륨을 슬러지 중량 대비 0.025% 첨가할 때 배출된 슬러지 케익의 함수율이 1% 저감되는 유의미한 효과가 나타났다.

[실시예 3]

슬러지 20kg(농도 2.2%)에 염화제2철(38%용액, 비중 1.4)의 투입비를 아래 [표 2]와 같이 조절하여 투입하고 2분간 교반한 후 계면활성제인 로릴황산나트륨(SLS, 90%)을 투입하고 1분간 교반한 후 과산화수소(35% 용액)를 투입하고 1분간 교반한 후 파이로트 가압탈수장치에 펌프를 이용하여 6kg/㎠ 압력으로 주입한 후 상기 가압탈수장치에서 15kg/㎠ 압력으로 16분간 탈수하였다. 탈수 후 케이크를 샘플링하여 110℃에서 15시간 건조한 후 함수율을 측정하였다.

[그래프 3]

슬러지 중량 대비 염화제2철 용액을 1.4% 투여했을 때보다, 염화제2철 용액 투여량을 1.0%로 낮추더라도 계면활성제인 로릴황산나트륨과 발포 산화제인 35% 과산화수소 용액을 함께 첨가함에 따라 탈수 후 배출된 슬러지 케익의 함수율이 약 7.6% 가량 크게 저감되었다. 또한, 상기 로릴황산나트륨과 35% 과산화수소 용액 첨가량이 동일한 조건에서는 상기 염화제2철 용액 첨가량을 증가시킴에 따라 배출된 슬러지 케익의 함수율의 저감량도 많게 나타났다.

[실시예 4]

슬러지 20kg(농도 2.2%)에 염화제2철(38%용액, 비중 1.4) 200ml를 투입하고 2분간 교반한 후 계면활성제 로릴황산나트륨(SLS, 90%)을 아래 [표 3]과 같이 투입하고 1분간 교반한 후 과산화수소(35% 용액)를 아래 [표 3]과 같이 투입하고 1분간 교반한 후 파이로트 가압탈수장치에 펌프를 이용하여 6kg/㎠ 압력으로 주입한 후 상기 가압탈수장치에서 15kg/㎠ 압력으로 16분간 탈수하였다. 탈수 후 케이크를 샘플링하여 110℃에서 15시간 건조한 후 함수율을 측정하였다.

[그래프 4]

염화제2철 투여량이 동일한 조건에서 슬러지 중량 대비 SLS 0.10%, 및 35% 과산화수소 용액 0.35%일 때 탈수 후 슬러지 케익의 함수율이 52.6%로 가장 낮고, 상기 35% 과산화수소 용액 첨가량 또는 SLS 첨가량을 줄이는 경우 슬러지 케익의 함수율이 다소 증가한다.

[실시예 5]

슬러지 20kg(농도 2.2%)에 염화제2철(38%용액, 비중 1.4) 의 200ml를 투입하고 2분간 교반한 후 계면활성제 로릴황산나트륨(SLS, 90%)을 아래표와 같이 투입하소 1분간 교반한 후 과산화수소 (35% 용액)를 아래표와 같이 투입하고 1분간 교반한 후 파이로트 가압탈수장치에 펌프를 이용하여 6kg/㎠ 압력으로 주입한 후 상기 가압탈수장치에서 15kg/㎠ 압력으로 16분간 탈수하였다. 탈수 후 슬러지 케익을 샘플링하여 110℃에서 15시간 건조한 후 함수율을 측정하였다.

상기 가압탈수장치에 슬러지를 주입할 때에는 물이 새어나가면서 필터 내표면에 고형분 매트가 형성되고, 점차적으로 상기 고형분 매트가 두꺼워지면서 슬러지 주입에 과압이 부하되면 주입 작업을 종료한다. 본 발명에서는 이러한 공정 시간을 슬러지 주입시간이라 칭하며, SLS와 35% 과산화수소 용액을 첨가하지 않은 상태의 슬러지 주입시간이 350초임에 반해 SLS 0.1% 및 35% 과산화수소 용액 0.38%를 첨가한 경우에는 배출된 슬러지 케익의 함수율이 13% 저감되면서, 슬러지 주입시간도 189초로 크게 단축됨이 확인된다. SLS 및 과산화수소 용액 첨가에 의해 슬러지의 탈수조건이 개선되었기 때문이라 사료된다. 상기 SLS 첨가량을 0.05%로 줄이고, 35% 과산화수소 용액 첨가량을 0.25%로 줄이는 경우에도 슬러지 케익의 함수율 저감효과 및 슬러지 주입시간 단축 효과가 여전히 크게 나타난다.

[그래프 5]

아래의 [표 5]와 [그래프 6]은 첨가제 첨가량과 슬러지 가압 탈수시간에 따른 슬러지 케익의 함수율 변화에 대해 실험한 결과를 정리한 것이다. 타 조건이 동일한 상황에서는 슬러지 가압 탈수시간이 증가할수록 슬러지 케익의 함수율은 저감되는 경향이 있으나, SLS 및 35% 과산화수소 용액의 첨가 없이 슬러지 가압 탈수시간만을 30분으로 늘린 경우보다, SLS 0.025% 및 35% 과산화수소 0.25%를 첨가한 조건에서 슬러지 가압 탈수시간을 9분으로 단축시킨 경우가 슬러지 케익의 함수율이 오히려 더 낮게 나타났다. 따라서, 상기 SLS 및 35% 과산화수소 용액의 첨가에 의해 슬러지 가압 탈수 공정의 소요 시간도 단축시킬 수 있다.

[그래프 6]

정리하면, 아래 [표 6] 및 [그래프 7]에 나타난 바와 같이 탈수 전 슬러지에 계면활성제 및 발포성 산화제를 첨가하지 않은 상태에서 가압 탈수시간을 늘림으로써 배출된 슬러지 케익의 함수율을 일부 저감시킬수는 있으나, 상기 계면활성제 및 발포성 산화제 첨가에 따라 슬러지 주입시간이나 가압 탈수시간을 단축시키면서도 슬러지 케익의 함수율의 저감 폭은 더욱 크게 할 수 있다.

[그래프 7]

[실시예 6]

슬러지 20kg(농도 2.2%)에 폴리철(황산제2철, 11%용액, 비중 1.4) 200ml를 투입하고 2분간 교반한 후 계면활성제 로릴황산나트륨(SLS, 90%) 및 과산화수소(35% 용액)를 아래표와 같이 투입하고 1분간 교반한 후 파이로트 가압탈수장치에 펌프를 이용하여 6kg/㎠ 압력으로 주입한 후 가압탈수장치에 15kg/㎠ 압력으로 탈수 공정을 진행하였다. 탈수 후 케이크를 샘플링하여 110℃에서 15시간 건조한 후 함수율을 측정하였다. 아래 [표 7]에 나타난 바와 같이 상기 SLS 0.025% 및 35% 과산화수소 용액 0.25%를 첨가했을 때 짧은 가압시간에 함수율 저감효과는 24% 이상의 큰 차이를 보였다.

이상에서 본 발명에 대하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명은 위의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 및 변형을 포함한다.

[부호의 설명]

100 : 침사지 200 : 최초침전지

300 : 생물반응조 400 : 최종침전지

500 : 농축조 600 : 소화조

610 : 열교환기 700 : 원심농축기

800 : 슬러지저장조 900 : 약품주입설비

901, 902, 903 : 약품주입관 1000 : 가압탈수설비

1100 : 산기장치 1110 : 탈수설비연결관

1120 : 공기확산부 1130 : 공기안내부

1140 : 공기유입관 1150 : 인라인믹서

1160 : 흐름제어부 1170 : 흐름안내판

1200 : 공기압축기

Claims (4)

1. 하수처리 시설의 최종 탈수설비로 이송되는 슬러지를 전처리하는 방법으로서,
   (a) 하폐수에 대한 침전, 생물반응, 농축, 소화 처리 중 하나 이상의 처리단계를 거쳐 배출, 저장된 슬러지를 슬러지저장조에서 가압탈수설비 방향으로 이송하는 단계;
   (b) 상기 가압탈수설비 방향으로 이송하는 경로에 발포성 산화제를 주입하기 전에 양이온을 제공하는 무기응집제를 먼저 주입하는 단계; 및
   (c) 상기 가압탈수설비 방향으로 이송하는 경로에 발포성 산화제를 주입하는 단계; 및
   (d) 상기 발포성 산화제에 의해 발생한 기포가 존재하는 상태에서 상기 가압탈수설비에 의해 슬러지를 압착하는 단계;를 포함하며,
   상기 발포성 산화제에 의해 상기 슬러지 내 미생물의 세포벽 또는 세포막이 약화되거나 파괴되고, 상기 가압탈수설비에 의한 슬러지 압착과정에서 상기 슬러지 내 잔존 미생물의 세포벽이나 세포막이 상기 발포성 산화제에 의해 발생한 기포 방향으로 팽창하여 파손되며, 상기 압착과정에서 상기 기포가 상기 슬러지 외부로 배출됨에 따라 배수통로가 형성됨으로써, 상기 가압탈수설비를 거쳐 최종 배출되는 슬러지 케이크의 함수율이 60% 이하로 저하되도록 하는 것을 특징으로 하는 탈수 전 슬러지 처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 경로에 계면활성제를 함께 주입하는 것을 특징으로 하는 탈수 전 슬러지 처리 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 경로에 산기장치에 의해 용해도를 초과하는 양의 기포를 함께 주입하는 것을 특징으로 하는 탈수 전 슬러지 처리 방법.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경로에 상기 발포성 산화제를 주입하기 전에 고분자응집제를 먼저 주입하는 것을 특징으로 하는 탈수 전 슬러지 처리 방법.

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