[논문]전처리 방법에 따른 하수슬러지 가용화 비교연구

권재현; 김봉준; 김민규; 염익태; 김형수

문제 정의

이는 가용화에 의해 슬러지의 생분해성이 크게 향상됨을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 하수슬러지의 생분 해성을 높이기 위해 알칼리처리, 초음파처리. 오존처리 및 이들의 병합처리와 같은 다양한 전처리 방법을 사용하여 슬러지 가용화 효율을 비교하고 적정 처리 조건을 도출하여 효율적인 전처리 방법을 알아보고자 한다.
일반적으로 하수슬러지를 구성하는 미생물은 견고한 세포벽으로 둘러 싸여 있어 생분해성이 낮으며, 세포 내부수나 간극수 등과 같은 부착수(hound water) 함량이 높고 친수성이 높아 고액분리성이 좋지 못하다 (ErdinclerandVesilind, 2000). 슬러지 전처리의 목적은 세포벽을 파괴하여 세포구성물질들의 가수분해를 촉진시켜 슬러지의 생분해성을 높이는 것이다. 이를 통해 세포나 미세한 플럭 내부에 갇혀 있던 수분이 유출되면서 고형물로부터 수분의 분리가 용이해진다.
따라서 본 연구에서는 하수슬러지의 생분 해성을 높이기 위해 알칼리처리, 초음파처리. 오존처리 및 이들의 병합처리와 같은 다양한 전처리 방법을 사용하여 슬러지 가용화 효율을 비교하고 적정 처리 조건을 도출하여 효율적인 전처리 방법을 알아보고자 한다.

가설 설정

4. Variations in (a) SCOD/TCOD and (b) VSS/TS of sludge according to sonicated time.

제안 방법

523mg/l로 크게 증가하였다. 가용화 효율에 대한 수분증발효과의 영향을 없애기 위해 각 조건에서 전처리된 시료들의 SCOD, VSS, TCOD, TS 농도와 슬러지 부피 변화를 각각 측정하여 질량 단위로 환산한 후에 가용화율을 나타내었다. 슬러지 1Z, 초음파 전력조건 L300W에서 반응시간에 따른 SCOD/TCOD비와 VSS/TS비의 변화는 각각 Fig.
300W 조건에서 초음파 처리한 경우이다(A3 + S). 두 번째 는 동일한 알칼리 주입량에서 알칼리 주입 직후에 동일한 조건으로 초음파 처리하였으며 (A+S). 마지막으로 초음파로 1시간 처리한 후에 알칼리로 3시간 처 리하였다(S1+A3).
본 연구에서는 오존과 슬러지의 접촉시간을 변화시키면서 슬러지의 가용화 효율을 측정하였는데, 오존처 리장치와 실험방법은 권 등(2002)이 이용한 방법으로 행하였다. 알칼리, 초음파, 오존 단독처리와 함께 병 합처리가 슬러지 가용화에 미치는 영향을 알아보기 위해 알칼리처리 후 초음파처리. 초음파처리 후 알칼 리처리 , 알칼리처리 후 오존처리도 실시하였다.
초음파와 시료와의 반응시간, 시료부피 및 전력조건을 변화시키면서 슬러지의 TCODcr, SCOEL, TS, VSS의 변화를 각각 측정하였다. 오존 처리는 직경 10cm, 높이 1m의 아크릴 원통형 반응조에 슬러지 1.6/를 채워 실시하였고, 오존발생기는 Ozonia사의 TOG-2를 사용하였으며 송기량은 5l/min, 오존 주입농도는 4.3mgC)3/l air로 고정하였다. 본 연구에서는 오존과 슬러지의 접촉시간을 변화시키면서 슬러지의 가용화 효율을 측정하였는데, 오존처 리장치와 실험방법은 권 등(2002)이 이용한 방법으로 행하였다.
1과 같다. 초음파 발생기는 Sonic Korea사의 SKB-25OO 모델을 사용하였는데 주파수는 15kHz로 고정하고, 전력은 9OO-1, 3(X)W로 변화시켰다. 시료 용기는 바닥이 평평한 2.
5/의 스테인레스 용기를 사용하였고, Sonotrode의 위치는 시료 수면에서 1cm 잠기도록 하였다. 초음파와 시료와의 반응시간, 시료부피 및 전력조건을 변화시키면서 슬러지의 TCODcr, SCOEL, TS, VSS의 변화를 각각 측정하였다. 오존 처리는 직경 10cm, 높이 1m의 아크릴 원통형 반응조에 슬러지 1.
알칼리, 초음파, 오존 단독처리와 함께 병 합처리가 슬러지 가용화에 미치는 영향을 알아보기 위해 알칼리처리 후 초음파처리. 초음파처리 후 알칼 리처리 , 알칼리처리 후 오존처리도 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 S시 K하수처리장의 잉여슬러지를 채취하여 실험재료로 사용하였는데 그 특성은 Table 1과 같다. 슬러지의 TS는 약 1.

이론/모형

3에 나타내었다. 낮은 주파수 영역에서 가용화 효율이 높 다는 기존 연구결과(Tiehm 등, 2001)에 따라 본 연구에서는 주파수를 15kHz로 고정하였다. 주파수 15kHz, 전력 l, 300W 조건에서 슬러지 부피 0.
3mgC)3/l air로 고정하였다. 본 연구에서는 오존과 슬러지의 접촉시간을 변화시키면서 슬러지의 가용화 효율을 측정하였는데, 오존처 리장치와 실험방법은 권 등(2002)이 이용한 방법으로 행하였다. 알칼리, 초음파, 오존 단독처리와 함께 병 합처리가 슬러지 가용화에 미치는 영향을 알아보기 위해 알칼리처리 후 초음파처리.
SS/TS, VSSfTS, SCOD/TCOD비가 각각 89%, 70%, 2%로 고형물 중에서 현탁성 유기성분함량이 높고 용존성 유기성분은 매우 낮음을 알 수 있다. 잉여슬러지의 가용화 효율을 평가하기 위한 지표로서 COD 가용화율 (SCOIe/TCODcr)과 세포잔존율(VSS/TS)을 사용하였다.

성능/효과

2) 초음파 처리시 가용화 효율은 처리시간과 전력이 커지면 증가하였고 슬러지 부피가 늘어나면 감소하였다. 초음파 주파수 15kHz, 전력 1.
3) 알칼리와 초음파의 병합처리는 초음파 처리 1시간 후에 COD 가용화율 47-53%, VSS/TS비 42- 43%로 초음파 단독처리에 비해 높은 가용화 효율을 보였다. 알칼리와 오존의 병합처리도 오존단독처리 에 비해 높은 가용화율을 나타내 오존처리시간을 1/2 이하로 감소시켰다.
마지막으로 초음파로 1시간 처리한 후에 알칼리로 3시간 처 리하였다(S1+A3). COD 가용화율이나 VSS 잔존량으로 볼 때 알칼리나 초음파의 단독처리보다 이들의 병합처리가 슬러지 가용화율을 훨씬 높였다. 병합처 리의 방법에 따라 반응시간별로 가용화율에 다소 차이를 보였는데, 초음파 처리 1시간을 기준으로 알칼리 3시간 후 초음파 처리가 53%의 COD 가용화율과 42%의 VSS, 잔존율을 보여 알칼리와 초음파의 동시 처리나 초음파 후 알칼리 처리에 비해 높은 가용화 효율을 나타내었다.
2%이며. SS/TS, VSSfTS, SCOD/TCOD비가 각각 89%, 70%, 2%로 고형물 중에서 현탁성 유기성분함량이 높고 용존성 유기성분은 매우 낮음을 알 수 있다. 잉여슬러지의 가용화 효율을 평가하기 위한 지표로서 COD 가용화율 (SCOIe/TCODcr)과 세포잔존율(VSS/TS)을 사용하였다.
l1) COD 가용화율을 기준으로 알칼리 처리의 적정 조건은 NaOH 주입량 30meq/L, pH 12, 반응시간 3시 간이었으며, 초기 2%이었던 COD 가용화율이 이 조건에서 17%로 증가하였다.
또한 오존처리나 기계적인 전처리는 알칼리처리에 비해 시설비나 유지관리비가 높다. 따라서 이상의 결과로 볼 때 초음파나 오존과 같이 전력비가 많이 소요되는 전 처리 방법에 약품비가 저렴한 알칼리 처리를 병용하 면 고가의 초음파나 오존 비용을 줄이면서 높은 슬러 지 가용화율을 얻을 수 있어 하수슬러지의 생분해성 을 높이기 위한 전처리 방법으로 알칼리를 이용한 병합처 리가 효과적임을 본 연구를 통해 알 수 있었다.
3(a)]. 또한 초음파 조사시간 90분에서 슬러지 부피가 증가할수록 SCOD 농도는 크게 감소하였으며, 초음파 조사시간 20분에서 전력의 영향을 조사한 결과 전력이 높을수록 SCOD 농도는 증가하였다[Fig. 3(b)].
COD 가용화율이나 VSS 잔존량으로 볼 때 알칼리나 초음파의 단독처리보다 이들의 병합처리가 슬러지 가용화율을 훨씬 높였다. 병합처 리의 방법에 따라 반응시간별로 가용화율에 다소 차이를 보였는데, 초음파 처리 1시간을 기준으로 알칼리 3시간 후 초음파 처리가 53%의 COD 가용화율과 42%의 VSS, 잔존율을 보여 알칼리와 초음파의 동시 처리나 초음파 후 알칼리 처리에 비해 높은 가용화 효율을 나타내었다. 알칼리와 초음파의 동시처리는 초음파 처리시간 2시간에서 69%라는 가장 높은 COD 가용화율을 나타내었다.
2(a)에 나타내었다. 알칼리 처리 전에 SCOD 농도가 259mg/l였는 데 NaOH₈₀meq/l를 주입하였더니 슬러지의 pH가 13까지 상승하였고, 알칼리의 가수분해 작용에 의해 6시간 반응 후에 SCOD 농도가 2, 925mg/l로 약 11배 증가하여 21.5%의 가용화율을 보였다. 각 반응시간 에서 NaOH를 30meq/l 이상 주입하면 가용화율의 변화가 적어 이 주입 량을 적정한 값으로 결정하였으며, 이때의 pH는 12이었다.
3) 알칼리와 초음파의 병합처리는 초음파 처리 1시간 후에 COD 가용화율 47-53%, VSS/TS비 42- 43%로 초음파 단독처리에 비해 높은 가용화 효율을 보였다. 알칼리와 오존의 병합처리도 오존단독처리 에 비해 높은 가용화율을 나타내 오존처리시간을 1/2 이하로 감소시켰다. 따라서 알칼리 처리 후 오존이나 초음파와의 병합처리는 오존, 초음파 단독처리에 비해 슬러지 가용화율을 높일 뿐만 아니라 처리시간을 크게 단축시켜 슬러지 생분해성을 향상시키기 위한 전처리 방법으로 효과적일 것으로 기대된다.
병합처 리의 방법에 따라 반응시간별로 가용화율에 다소 차이를 보였는데, 초음파 처리 1시간을 기준으로 알칼리 3시간 후 초음파 처리가 53%의 COD 가용화율과 42%의 VSS, 잔존율을 보여 알칼리와 초음파의 동시 처리나 초음파 후 알칼리 처리에 비해 높은 가용화 효율을 나타내었다. 알칼리와 초음파의 동시처리는 초음파 처리시간 2시간에서 69%라는 가장 높은 COD 가용화율을 나타내었다. COD 가용화율 30% 를 기준으로 초음파 단독처리는 약 1시간의 처리시간이 요구되는 반면에 알칼리 전처리 후에 초음파 처리는 약 20분으로 초음파 처리시간이 1/3로 단축되었다.
6은 오존단독처리와 pH 12 조건에서 NaOH 로 3시간 처리한 후에 오존처리한 결과로 오존접촉시간에 따라 슬러지 가용화율이 비례적으로 증가하였다. 알칼리와의 병합처리는 오존단독처리에 비해 동일한 오존접촉시간에서 가용화율을 크게 높였다. 이는 일정한 가용화율을 얻기 위해 소요되는 오존처리 시간을 감소시키는 긍정적인 효과를 나타내어, 30% COD 가용화율을 기준으로 알칼리와의 병합처리는오존처리시간을 약 1/2 이하로 단축시켰다.
3시간 이후 SCOE/TCOD비는 거의 변화가 없어서 반응시간은 3시간이 적정하였다. 이상의 결과를 토대로 알칼리처리의 적정 조건은 NaOH 주입량 30meq//, pH 12, 반응시간 3시간으로 하였으며 , 이 조건에서 슬러지의 가용화율 SCOD/TCOD비는 처리 전 2%에서 17%로 증가하였다. Lin 등(1998)은 TS 1%의 폐활성슬러지에 대한 알칼리 적정 주입량을 NaOH 30meq/l로 보고한 버} 있는데, 이 결과는 본 연구결과와 일치하였다.
3(b)]. 이상의 결과에서 초음파 조사 시간, 시료부피, 전력 등이 슬러지 가용화에 영향을 미침을 알 수 있었고, 초음파 주입량은 위 3가지 요인을 고려하여 kW . h// 혹은 kW .
낮은 주파수 영역에서 가용화 효율이 높 다는 기존 연구결과(Tiehm 등, 2001)에 따라 본 연구에서는 주파수를 15kHz로 고정하였다. 주파수 15kHz, 전력 l, 300W 조건에서 슬러지 부피 0.5Z, 1/, 21 각각에 초음파 조사시간을 3시간까지 변화시킨 결과, 모든 시료부피에서 처리시간에 따라 SCOD는 계속 증가하였다(Fig. 3(a)].
2) 초음파 처리시 가용화 효율은 처리시간과 전력이 커지면 증가하였고 슬러지 부피가 늘어나면 감소하였다. 초음파 주파수 15kHz, 전력 1.300W 조건에서 슬러지 1l를 초음파 처리하였더니 처리시간 1시간 후에 COD 가용화율은 크게 증가하여 32%를 나타내었으며 VSS/TS비는 초기 70%에서 55%로 감소하였다.

후속연구

알칼리와 오존의 병합처리도 오존단독처리 에 비해 높은 가용화율을 나타내 오존처리시간을 1/2 이하로 감소시켰다. 따라서 알칼리 처리 후 오존이나 초음파와의 병합처리는 오존, 초음파 단독처리에 비해 슬러지 가용화율을 높일 뿐만 아니라 처리시간을 크게 단축시켜 슬러지 생분해성을 향상시키기 위한 전처리 방법으로 효과적일 것으로 기대된다.

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