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[신기술] 초음파 이용 하수슬러지 감량화
<공동연구자= 윤용수 교수(단국대 미래과학연구소장) / 심덕섭 (주)울트라텍 엘티디>
2006년 12월 17일 (일) 00:00:00 편집국 waterjournal@hanmail.net


[신기술] 초음파를 이용한 하수슬러지 감량화·소화효율 기술

혐기성 소화조 운전조건·처리효율 향상
잉여슬러지 발생량 감소로 운전·처리비 절감
가스정제 시스템 이용 자동차 연료 사용 가능

초음파를 이용한 하수슬러지 감량화 시킬 수 있는 기술이 개발됐다. 단국대 윤용수 교수(미래과학연구소장)와 (주)울트라텍 엘티디는 ‘혐기소화 공정에서 초음파를 이용한 슬러지 감량 및 소화효율 개선 기술’을 개발, 지난 11월 16일 환경부에 환경기술평가를 신청했다.

이 기술은 슬러지 리액터로 액체매질에 초음파를 조사할 때 발생되는 케비테이션(Cavitation 공동화현상)의 힘으로 슬러지 플럭 구조를 파괴하여 난분해성 유기물질을 가용화함으로 소화공정에서 슬러지 감량 및 바이오가스 증산을 유도하는 기술과 소화효율 증진과 슬러지리액터의 효율을 극대화하기 위하여, 1차 슬러지를 저동력 중력벨트 농축기로 농축하고 통상적인 소화조 순환라인의 순환방향과 달리하는 순환라인상에 가온용 스팀을 콤팩트하게 구성하여 수행하는 기술이다.       <편집자 주>
        
Ⅰ. 서  론

도시인구의 증가와 산업의 급진적인 발전은 물의 사용량을 증대시키고 이에 따른 폐수의 증가를 가져왔으며, 우리나라 역시 물의 사용이 매우 빠르게 증가되어 사용된 물의 처리량 또한 증대되고 있다. 이러한 가운데 생활하수는 인구의 증가에 비례하여 매우 빠른 속도로 증가되었으며 이에 따라 그 처리를 위한 각종 하·폐수처리장 증설 및 신설에 투자가 지속적으로 이루어졌다.

   
▲ [그림 1] 최근 5년간 하수슬러지 발생량 변화.
우리나라는 2004년 현재 전국에 시설용량 2천153만 톤 규모의 268개소 하수처리장이 가동되고 있으며 하수도 보급률이 81.4%에 이른다. 추후 2015년 하수도 보급률을 90%로 향상시킬 계획으로 하수종말처리시설 설치 및 증설사업을 계속 추진하고 있어 그에 따른 하수슬러지 발생량 또한 증대될 것으로 예상되며 하수슬러지 발생량에 관한 최근 5년간의 추이를 [그림 1]에 나타내었다.

이러한 하수슬러지를 처리하기 위한 방법으로는 육상매립, 해양투기, 고화, 퇴비화, 건조, 소각, 용융 등이 있으며 이러한 방법들은 고에너지를 요구하여 경제성이 떨어지고 그 처리효율 또한 낮으며 2차 환경오염을 일으키는 등의 많은 단점을 안고 있다. [표 1]은 국내 하수종말처리장으로부터 배출되는 하수슬러지의 처리 방법을 나타낸 것으로 해양투기에 의한 처리가 주로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.

그러나 해양투기는 오물관리, 저장, 운반, 기상조건 등에 의해 처리비용이 증가하고 있는 추세이며 장기적으로 해양오염을 유발하고 더욱이 전세계적 해양오염의 방지를 위한 조약인 런던협약(London con- vention)이 2012년 1월부터 국내에서 전면적으로 실시될 예정이어서  하수슬러지에 대한 근본 대책 마련이 필요한 실정이다.

슬러지 처리와 관련된 주된 문제는 발생된 폐기물의 함수량과 부피, 관리비용 그리고 부적절한 처리 시 발생되는 건강상의 위협 등이며 이러한 슬러지를 적절치 않게 조절, 처분하는데 따른 환경적 충격이 점차 증대되고 있다. 혐기성 소화는 거의 일반적으로 하수슬러지 안정화를 위한 기술로서 사용되고 있는데, 이 방법은 슬러지 내 유기물 감소, 병원균의 제거나 감소 그리고 최종 처리에 앞서 탈수 가능한 최종슬러지를 만드는데 그 목적을 두고 있다.

   
▲ [그림 2] 하수처리장의 슬러지 리엑터 적용.
이러한 혐기성 소화는 안정화 속도가 대단히 느리기 때문에 소화조에서의 체류시간이 길어져 소화조 부피가 증가한다. 슬러지의 입자성 물질과 거대 분자들의 혐기성 분해는 가수분해 단계, 산생성 단계, 아세트산생성 단계, 메탄생성 단계의 네 가지 연속적 단계에 의해 이루어지며 하수 슬러지 소화의 경우에 있어서, 생물학적 가수분해 반응이 율속단계로 알려져 있다.

그러므로 기계적, 화학적 또는 열적 분해에 의한 하수 슬러지의 전처리는 연속적 혐기성 소화 공정을 개선할 수 있다. 전형적인 혐기성 소화에 있어, 세포 분해는 종종 bio-gas로의 전환과 박테리아 소비를 위한 세포 내 유기물의 방출 속도를 결정하는 율속단계로 작용하기 때문에 이 속도를 향상시키고자 하는는 연구가 지속적으로 이루어져 오고 있다.

이러한 방법 중, 초음파를 이용한 혐기성 소화의 율속단계 향상에 관한 연구가 꾸준히 보고되어 왔다. 초음파를 슬러지에 조사하면 초음파 조사 시 발생하는 공동에 의해 슬러지 입자 크기의 감소뿐만 아니라 세포벽 파괴에 의한 세포 내 유기물질을 유출시켜 소화조 내에 미생물의 증식과 활성화를 증대하여 혐기성 소화 공정을 향상시킨다.

이러한 초음파에 의한 소화 공정의 향상에 대한 연구들을 살펴보면, Fen Wang 등과 Tiehm 등은 초음파에 대한 주 분해 메카니즘이 유체역학적 전단력(Hydro- mechanical shear forces)과 OH, H, N, O와 같은 자유 라디칼에 의한 산화작용이라는 것을 밝혔으며, 낮은 진동수에서 초음파 공동화에 의해 생성되는 유체역학적 전단력은 슬러지 분해에 매우 우수한 것으로 나타났다.

Tiehm 등과 Zhang 등은 슬러지 분해에 대한 초음파의 적용이 슬러지로의 유기성 물질을 방출시켜 상등수 내에 SCOD(Soluble chemical oxygen demand)가 증가시킨다는 것을 확인하였다. Gronroos 등은 짧은 처리 시간 동안에 높은 초음파 세기가 오랜 처리 시간 동안의 낮은 초음파 세기보다 더욱 효율적이라고 보고하였다. Bougrier 등은 biogas 생성을 목적으로 플럭 크기를 감소시키기 위해 1천kJ/kgTS 이하의 특수한 에너지를 공급하였다고 밝혔다.

또한 이들은 입자와 관련된 bio-gas 생성이 낮은 에너지 공급에 대한 물질 농도와 무관하다는 것을 확인했다. Tiehm 등은 짧은 초음파 적용시간에서, 어떠한 세포 파괴가 일어나지 않고 슬러지 플럭 덩어리들이 해체되어 혐기성 소화 공정을 향상시켰다고 보고하였다. 더 많은 처리 시간과 높은 초음파 세기에서, 미생물 세포 벽들이 파괴되었으며 내부 물질이 액상으로 방출되었다. 혐기성 소화조 내 휘발성 고형물(Volatile solids)의 증가가 슬러지 파괴 정도와 비례하여 증가했다.

Ⅱ. 재료 및 실험방법

1. 실험방법 및 장치
본 실험에서 사용된 슬러지는 서울의 T 하수처리장으로부터 채취한 생슬러지와 농축슬러지를 이용하였으며 농축슬러지 시료를 10L 유효부피를 가지는 SUS 재질의 초음파 반응기에 주입, 15분간 초음파를 조사한 후 생슬러지와 혼합하여 중온성 혐기 소화를 수행했다. 혐기성 소화조로 유입된 슬러지들은 생슬러지 대비 농축슬러지가 50:50의 비율로 유입하였다.

본 실험에서 사용된 초음파 장치는 79 W/㎠의 세기와 20 kHz의 진동수를 가진 Probe type의 장치이며 15분간 농축슬러지의 전처리를 위해 사용되었다. 혐기성 소화조는 200L 규모와 20일간의 수리학적 체류시간(HRT)을 가지는 완전 혼합형 반응조이며 소화조 내 온도는 혐기성 미생물의 최적 활성도를 위해 순환펌프에 의해 중온으로 일정하게 유지되었다.

초음파 조사된 농축슬러지와 생슬러지는 같은 비율로 혼합되어 하루에 두 번 혐기성 소화조로 유입되었으며 소화조 내로부터 소화된 슬러지는 유입될 혼합슬러지 양과 같은 양으로 혼합 슬러지를 소화조에 유입시키기 전 배출시켰다. 혐기성 소화에 대한 실험은 60일간 지속적으로 수행되었으며 초기 30일간(1 단계)은 초음파 조사되지 슬러지를 주입하여 안정화를 도모하였으며 이후 나머지 기간(2 단계) 동안에 초음파 조사된 슬러지를 주입하여 그 변화를 확인했다.

실험과정 중 pH, bio-gas 발생량, 그리고 온도 등이 연속적으로 측정되었다. Bio-gas 발생량은 mass flow meter를 이용하여 자동으로 컴퓨터에 매초마다 실시간으로 측정, 기록되었으며 flow meter는 체적분석법(volumetric method)에 의해 보정했다. 초음파 처리된 슬러지는 7분 동안 5천rpm의 속도로 원심분리되었으며, 분리된 상등수는 탁도계(HACH-turbidity meter 2100)에 의해 탁도를 분석했으며, 유입 슬러지와 소화 슬러지는 TS(Total solids), VS(Volitile solids), 알칼리도 그리고 CODCr을 각각 Standard method 5220, 2320 그리고 2540에 의해 매일 분석했다. 또한, 초음파에 의해 조사된 농축슬러지의 변화를 현미경을 통하여 확인했다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

본 실험은 200L 부피의 혐기성 소화조를 이용하여 60일간 지속적으로 수행되었으며 초기 30일간(1 단계)은 혐기성 소화조에 초음파 처리하지 않은 농축슬러지와 생슬러지를 혼입하고 30일 이후부터 60일까지(2TS rem rate(%) 단계)는 초음파 처리된 농축슬러지와 생슬러지를 혼입시켜 그 변화에 대한 결과를 Fig. 4∼6에 나타내었다.

초음파 처리된 슬러지의 SCOD 변화와 초음파 조사시간에 따른 상등수의 탁도 변화는 [그림 6]에 나타내었다. 혐기성 소화조 내의 슬러지 pH 변화는 7.1에서 안정적이였으며, 알칼리도는 2천300∼3천600mg/L의 범위에서 변화되었다. 혼합된 슬러지에 대한 혐기성 소화 공정은 중온 조건하에 10일 이후부터 안정화되기 시작했다.

1. 혐기성 소화조에서의 고형물 부하
   
▲ [그림 3] 초음파가 VS 제거율에 미치는 영향.
혐기성 소화조는 알려진 최적 TS 범위인 2∼7% TS보다 약간 낮은 1.71∼1.73% TS에서 운전되었다. 반응조의 VS 부하는 평균 0.84 gVS/L·d이었으며 알려진 최적 값 0.70 gVS/L·d보다 약간 높게 나타났다. 본 실험에서의 TS량과 VS 부하는 유입되는 생슬러지와 농축슬러지에 전적으로 의존하고 있으며 실질적으로는 매일 다르다.

2. 혐기성 소화조에서의 고형물(VS/TS) 감량에 미치는 영향
[그림 3, 4]는 혐기성 소화조의 시간에 따른 고형물(TS 및 VS) 감소율과 VS/TS의 변화를 나타낸 것으로서, 초음파 처리를 하지 않은 농축슬러지와 생슬러지를 혼합한 혼합 슬러지를 소화조에 30일간 매일 지속적으로 투입하였을 때의 기간인 1 단계 기간에서는 평균 TS와 VS 감소율이 22.27%와 31.46%, VS/TS의 평균 감소는 13.62%로 각각 나타났다.

   
▲ [그림 4] 초음파가 VS/TS 변화에 미치는 영향.
초음파 전처리한 농축슬러지와 생슬러지를 혼입한 30일 이후의 2단계 기간에서는  전체 TS와 VS 감소율이 각각 32.92%와 43.95%로 나타났으며 VS/TS의 평균 감소가 21.71%로 나타났다. 1단계 기간과 2단계 기간을 비교하였을 때, 초음파 전처리한 2단계 기간의 TS와 VS 감소율이 각각 10.65%와 12.49% 증가되었다.

이러한 결과는 농축슬러지를 초음파 전처리 하였을 때 혐기성 소화조에서의 유기물질 감소와 슬러지 부피감소에 대한 증가효과를 보이기 때문으로 사료된다.

3. Bio-gas 발생율
평균 bio-gas 발생율은 [그림 5]에 나타내었듯이 0.35 L/gVS·d로서 다른 연구자들의 보고와 유사한 값을 얻었다. 1단계 기간 동안에는 0.81 L/gVSremoval·d, 2단계 동안에는
   
▲ [그림 5] 초음파가 Bio-gas 발생량에 미치는 영향.
0.81 L/gVSremoval·d과 0.89 L/gVSremoval·d의 결과를 나타내었다. 농축슬러지에 대해 초음파 전처리한 것을 유입하였을 때 bio-gas 발생율이 9.88% 증가했다.

Bio-gas 발생율이 증가되는 것은 초음파 처리된 하수슬러지의 입자크기 감소와 SCOD의 증가에 의해 설명되어 질 수 있으며, [그림 6]에 초음파 조사시간에 따른 SCOD 변화를 나타내었다. 다른 초음파 조사 시간에서 슬러지 플럭의 현미경 사진을 Fig. 8(a)∼(f)에 나타내었으며, 초음파 조사시간 20분에서 슬러지 플럭들이 거의 파괴되어진 것을 확인 할 수 있었다.

   
▲ [그림 6] 초음파 조사시간에 따른 SCOD 변화.
SCOD는 초음파 조사 20분 후에 약 9배 증가하다 일정화되며 상등수의 탁도는 Fig. 9에 나타나 있듯이 전체적으로 초음파 조사시간 동안 증가했다.

질적으로, TS 감소와 bio-gas 발생율 모두는 혐기성 반응조 내 TS 농도 및 VS 부하와 비례적으로 변화한다. 최종적으로는 유입되는 생슬러지와 농축슬러지에 크게 의존한다.

[그림 3]에서 보여 졌듯이, TS와 VS의 감소율은 1 단계 기간에서는 최대 31.5% 및 43%로 나타나 있으며 VS 부하가 높았던 2 단계 기간에서는 각각 최대 48.5%와 65.3%로 나타났다. 상대적으로 상응하여, Bio-gas 발생율은 [그림 5]에서 나타났듯이, VS 부하에 의존하여 첨가된 0.41 L/gVS보다 높은 것을 알 수 있다.

Ⅳ. 결 론

초음파는 발생되는 슬러지의 부피를 줄이는데 사용될 수 있으며 하수 슬러지에 대한 혐기성소 화를 향상시키고, 또한 슬러지 안정화 증가와 bio-gas 발생량 개선을 위한 새롭고 발전된 기술로 사료된다.

   
본 연구에서는 이러한 초음파를 이용하여 하수슬러지의 혐기성 소화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 초음파로 하수슬러지를 전처리 한 후 200L 규모의 혐기성 소화조에서 혐기 소화하였을 때 슬러지의 특성과 VS, Bio-gas 발생량 변화량을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

첫째, 혐기성 소화조에
서 1.71∼1.73%TS로 운전하였을 때 반응조의 VS 부하는 평균 0.84 gVS/L·d로 나타났다. 이것은 알려진 최적 VS 부하인 0.70 gVS/L·d 보다 약간 높게 나타난 것이며 유입
   
▲ [그림 7] 초음파처리 전(위)과 후(아래)의 슬러지.
되는 슬러지의 성상에 따라 다소 차이가 나며 또한 TS 농도와 VS 부하율을 증가시킴으로 인하여 시스템 운전효율을 향상시키는 것이 가능하게 한다.

둘째, 혐기성 소화조에서의 고형물(VS/TS) 감량에 미치는 영향을 확인하여 본 결과, 초음파 전처리하지 않은 혼합슬러지를 혐기성 소화조에 유입시켰을 때보다 초음파 전처리를 한 혼합슬러지를 유입시켰을 때 TS 및 VS가 각각 10.65%와 12.49% 증가됨을 확인할 수 있었으며 이러한 결과는 농축슬러지를 초음파 전처리 하였을 때 혐기성 소화조에서의 유기물질 감소와 슬러지 부피감소에 대한 증가효과를 보이기 때문으로 판단된다.

   
▲ [그림8] 시간변화에 따른 상등수 탁도 변화율.
셋째, 혐기성 소화조로부터 발생되는 Bio-gas 발생율은 초음파 전처리 한 혼합슬러지를 혐기성 소화조에 유입한 것이 초음파 전처리하지 않은 혼합슬러지를 유입한 것에 비해 9.88% 증가하였다. 이러한 결과로부터 초음파 처리된 혼합슬러지가 혐기성 소화에 주요 역할을 하는 혐기성 미생물 활성에 더욱 효율적으로 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구의 결과로부터 농축슬러지의 초음파 전처리는 하수처리장의 혐기성 소화조로부터 발생되는 슬러지의 감량화, 최종 슬러지 처리비용 절감, 소화효율 증대, 소화기간 단축 등을 가능하게 할 수 있으며, 더 나아가 바이오가스 발생량 증가에 따른 바이오에너지 자원화 등을 기대할 수 있다.

 

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