[논문]전해부상을 이용한 활성슬러지의 탈수성 향상

최영균; 박병주; 박민정; 김윤중; 정태학

문제 정의

평가를 통해 전해부상을 이용한 슬러지 탈수의 효율성을 실험적으로 검증해보고자 하였다. 또한 전기분해시 사용되는 극판의 재질별로 슬러지 탈수성이 어떻게 달라지는 지를 현재 전기분해 산화 등에 보편적으로 사용되는 재질의 극판을 선택하여 확인해보고자 하였다.
그러나 아직까지 미세기포에 의한 슬러지의 탈수성 향상은 추측에 불과하다. 본 연구에서는 이러한 부분을 보완하고자 슬러지 층에 포함된 미세기포를탈기 (degassing)하였을 경우의 SRF를 조사하여 , 탈기하기 전의 탈수성과 비교, 분석하였다. 또한 전기분해 극판에 흐르는 전류밀도를 다르게 하여 기포 발생량을 변화시킨 뒤 , 슬러지의 탈수성 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 전해부상 시스템이 활성슬러지의 농축 및 탈수특성에 미치는 영향 및 기포가 슬러 지의 탈수성에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 전해부상을 이용한 활성슬러지의탈수특성 을 다양한 침 전성을 갖는 슬러지 를 선택하여 평가해보고자 하였으며 , 아울러 중력농축 및 탈수와의 비교 . 평가를 통해 전해부상을 이용한 슬러지 탈수의 효율성을 실험적으로 검증해보고자 하였다.
본 연구에서는 활성슬러지에 약품과 같은 첨가물 없이 생물학적 고형물의 탈수성을 향상시키고자 슬러지의 농축과정에서 다량의 미세기포가 슬러지층에 함유될 수 있는 부상농축방법을 사용하였고, 미세기포의 발생을 위해 전기분해방법을 채택하였다. 부상 분리가 하 .
또한 전기분해 극판에 흐르는 전류밀도를 다르게 하여 기포 발생량을 변화시킨 뒤 , 슬러지의 탈수성 변화를 분석하였다. 이를 통해 기포발생량과 슬러지의 탈수성과의 상관성을 파악하고자 하였다.
전해부상 과정에서 발생되는 기포가 슬러지의 탈수성에 미치는 영향을 보다 정량적인 방법으로 파악하기 위해 본 연구에서는 우선 기포의 발생량 변화에 따른 슬러지의 탈수특성 변화를 분석하였다. 전기분해 과정에서 기포의 발생량은 페러데이의 법칙에 따른 극판에 인가되는 전류밀도의 함수가 된다.
비교 . 평가를 통해 전해부상을 이용한 슬러지 탈수의 효율성을 실험적으로 검증해보고자 하였다. 또한 전기분해시 사용되는 극판의 재질별로 슬러지 탈수성이 어떻게 달라지는 지를 현재 전기분해 산화 등에 보편적으로 사용되는 재질의 극판을 선택하여 확인해보고자 하였다.

제안 방법

전해부상을 이용하여 농축된 슬러지와의 탈수특성 비교를 위해 Fig. 1(a)에 제시한 동일한 반응조를 이용하여 중력농축된 슬러지의 탈수실험을 병행하였다. 기포발생량 측정을 위해 Fig.
1(a)에 제시한 반응조의 상부를 밀폐한 뒤, Fig. 1(b)와 같이 반응조 옆면에 설치된 유출관으로 배출되는 배가스의 유량을 pyrex 재질의 gas flowmeter를 이용하여 측정하였다. 슬러지층에 함유된 미세기포와슬러지 탈수성 간의 상관관계를 확인하기 위해 농축된 슬러지에 함유된 미세기포를 제거하여 동일한 탈수실험을 병행하였다.
음극의 경우, 각 극판의 유효 표면적은 15cm? 였으며양극은 30cm²였다. 극판의 인가전압과 전류는 각각 10V와 300mA로 고정하였다. 전해부상을 이용하여 농축된 슬러지와의 탈수특성 비교를 위해 Fig.
본 연구에서는 이러한 부분을 보완하고자 슬러지 층에 포함된 미세기포를탈기 (degassing)하였을 경우의 SRF를 조사하여 , 탈기하기 전의 탈수성과 비교, 분석하였다. 또한 전기분해 극판에 흐르는 전류밀도를 다르게 하여 기포 발생량을 변화시킨 뒤 , 슬러지의 탈수성 변화를 분석하였다. 이를 통해 기포발생량과 슬러지의 탈수성과의 상관성을 파악하고자 하였다.
슬러지의 침전성은 SVI30을 이용하여 평가하였다. 또한 전해부상에 의해 부상농축되는 슬러지와 단순 침전에 의해 중력농축되는 슬러지의 농축과정을 정성적으로 평가하기 위해 농축 시간대별로 슬러 지의 계면 형성과정을 사진촬영을 통해 분석하였다.
탈기 전후, 슬러지의 육안 관찰 결과, 플록의크기에는 큰 변화가 없는 것으로 판단되었다. 미세기포의 함유 여부에 따른 슬러지의 탈수성 분석은 위에서 제시한 4종류의 슬러지가 아닌 별도의 활성슬러지를 이용하여 수행되었으며. 농축 전 이 슬러지의 MLSS 농도는 3, 980mg/L, SVRe 145ml/g이었다.
본 연구에서 사용된 네 종류의 활성슬러지 중에서 AS2의 침전에 따른 중력농축과 전해부상에 의한 부상농축과정을 Fig. 2에 비교하여 제시하였다. AS2의 SVI30은 81ml/g인 것으로 분석되어 침전성이 상당히 양호하였다.
따라서 극판의 인가 전류밀도 변화에 따른 기포 발생량을 우선 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 현재 전기분해 에 많이 사용되는 재 질 인 stainless steel과 coated titaniuni을 극판으로 사용하였을 경우의 기포 발생량을 조사하여 Fig. 6(a)에 제 시 하였다. 각 극판의 두께 .
1(b)와 같이 반응조 옆면에 설치된 유출관으로 배출되는 배가스의 유량을 pyrex 재질의 gas flowmeter를 이용하여 측정하였다. 슬러지층에 함유된 미세기포와슬러지 탈수성 간의 상관관계를 확인하기 위해 농축된 슬러지에 함유된 미세기포를 제거하여 동일한 탈수실험을 병행하였다. 슬러지층에 포함된 미세기포는 부상 농축된 슬러지 를 Jar-tester 반응기 로 옮긴 뒤 , 1 시간 동안 90rpm으로 교반시킴으로써 제거할 수 있었다.
기포발생량의 증가에 따라 슬러지의 농축 및 탈수성이 향상되는 것으로 나타남에 따라 전해부상 시 스템으로부터 발생되는 기 포가슬러지의 농축 및 탈수성 향상에 중요한 역할을 한다고 결론 내릴 수 있었다. 이러한 기포의 역할을 보다 명확히 하기 위하여, 농축된 슬러지 층에 포함된 기포를 제거하였을 경우 슬러지의 탈수성을 미세기포가 포함된 슬러지의 탈수성과 비교, 분석하였다.

대상 데이터

AS3과 AS4는 중력 농축된 슬러지의 고형물의 농도가 너무 낮아 SRF의 측정이 불가능하였다. 따라서, AS3과 AS4는 2시간이상 중력농축된 슬러지를 대상으로 탈수실험을 실시하였다. AS1-AS4 각슬러지의 SRF를 Fig.
1(a)에 제시한 것과 같이 유효부피 1L의 아크릴 반응조에서 수행하였다. 미세기포 발생을 위해 30mm(높이 ) 50mm(폭) 0.5rrun(두께)의 stainless steel 극판을 반응조 하단에 5mm 간격으로 부착하여 사용하였다. 음극의 경우, 각 극판의 유효 표면적은 15cm? 였으며양극은 30cm²였다.
실험에 사용된 활성슬러지는 모두 4가지로서 1가지 (activated sludgel, AS1)는 표준활성슬러지 공법으로 운전되는 경상북도 K 하수처리장 포기조에서 채취하였고, 나머지 3가지 (activated sludge2 , AS2 ; activated sludge3, AS3 ; activated sludge4, AS4) 는 질소, 인제거를 위해 고도처리공법을 도입하고 있는 대구와 경상북도의 A, G, S 하수처리장 포기조에서 채취하였다. 각 슬러지의 초기 MLSS 농도는 3, 620 (AS1), 3, 57O(AS2), l, 990(AS3), 3, 560(AS4)mg/L였다.

이론/모형

각 슬러지의 초기 MLSS 농도는 3, 620 (AS1), 3, 57O(AS2), l, 990(AS3), 3, 560(AS4)mg/L였다. 슬러지의 침전성은 SVI30을 이용하여 평가하였다. 또한 전해부상에 의해 부상농축되는 슬러지와 단순 침전에 의해 중력농축되는 슬러지의 농축과정을 정성적으로 평가하기 위해 농축 시간대별로 슬러 지의 계면 형성과정을 사진촬영을 통해 분석하였다.
농축 전 이 슬러지의 MLSS 농도는 3, 980mg/L, SVRe 145ml/g이었다. 슬러지의 탈수성은 Christensen and Dick( 1985)가 제시한 방법에 따라 수행되었으며, 기타 분석은 Swndard Method(1995)에 따라 수행되었다.

성능/효과

Fig. 7(a)에 제시하였듯이, 인가전류밀도의 증가에 따라 SRF가 급격히 감소하는 것으로 분석되었으며, 특히 10mA/cm² 의 전류밀도에서 그 감소폭이 가장 컸다. Cake solids content도 전류밀도 10mA/cm² 이상에서는 큰 변화 없이 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
극판에 인가되는 전류밀도를 변화시키면서 전해부상에의 한 슬러지 농축효율을 조사한 결과 전류밀도가 슬러지의 농축특성에 우선 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 1.25-25mA/cm² 범위에서 전류밀도를 변화시킬 경우, lOmA/cm, 의 전류밀도까지 큰 폭으로 부상 슬러지 층의 높이가 감소하는 것으로 조사되었다. 그러나 lOmA/cm² 이상의 전류밀도에서는 부상슬러지 층의 높이 감소가 미미한 것으로 분석되어 10~MmA/cm2의 범위에서 효과적인 전해부상을 진행할 수 있을 것으로 파악되었다.
svl30이 상당히 높아 벌킹슬러지로 분류될 수 있었던 AS3과 AS4 슬러지의 경우, 중력침전에 의해서는 농축 및 슬러지의 부피감량(10% 미만)이 거의 불가능하였던 반면, 전해부상을 적용하였을 경우, 부상농축을 통해 90% 이상의 슬러지 부피감량이 가능한 것을 확인하였다.
25-25mA/cm² 범위에서 전류밀도를 변화시킬 경우, lOmA/cm, 의 전류밀도까지 큰 폭으로 부상 슬러지 층의 높이가 감소하는 것으로 조사되었다. 그러나 lOmA/cm² 이상의 전류밀도에서는 부상슬러지 층의 높이 감소가 미미한 것으로 분석되어 10~MmA/cm2의 범위에서 효과적인 전해부상을 진행할 수 있을 것으로 파악되었다. Fig.
중력농축의 경우, AS3과 AS4에서는 부피 감량이 10%에도 못 미치는 것으로 나타났다. 그러나 전해부상을 이용한 농축에서는 모든 종류의 슬러지에서 불과 30분의 부상 농축시간에도 불구하고 90% 이상의 높은 부피 감량 효율을 얻을 수 있었다. 특히.
이는 기포의 발생량 변화를 극판에 인가되는 전류밀도의 변화로 조절하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 극판에 인가되는 전류밀도를 변화시키면서 전해부상에의 한 슬러지 농축효율을 조사한 결과 전류밀도가 슬러지의 농축특성에 우선 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 1.
6(a) 를 참고하여 구할 수 있다. 기포발생량의 증가에 따라 슬러지의 농축 및 탈수성이 향상되는 것으로 나타남에 따라 전해부상 시 스템으로부터 발생되는 기 포가슬러지의 농축 및 탈수성 향상에 중요한 역할을 한다고 결론 내릴 수 있었다. 이러한 기포의 역할을 보다 명확히 하기 위하여, 농축된 슬러지 층에 포함된 기포를 제거하였을 경우 슬러지의 탈수성을 미세기포가 포함된 슬러지의 탈수성과 비교, 분석하였다.
2). 다른 슬러지 (AS1, AS3, AS4)의 경 우에도 전해부상에 의한 부상농축속도가 중력농축보다 월등히 빠른 것으로 나타났다.
첫째, 진공 여과 과정에서 형성된 압력이 슬러지 층에 존재하는 기포의 파괴로 이어지고, 이에 따라 슬러지의 농축이 보다 가속화 되었을 것이라는 점이다. 둘째, 진공 여과 과정에서 기포가 파괴되면 이 공간이 여액의 흐름을 위한 통로 역할을 할 수 있을 것이라는 점이다. 이는 미 세 입 자에 의한 blinding effect가 여 액 의 흐름을 방해한다는 점과 완전히 반대되는 측면이라 할 수 있다.
전해부상 시스템에 의해 부상농축된 슬러지 층에서 기포를 제거한 뒤, 슬러지의 탈수특성을 분석한 결과, 기포가 포함된 슬러지에 비해 전반적으로 탈수성이 악화되는 것으로 나타나 미세기포를 포함한 기포가 농축슬러지의 진공여과에 큰 영향을 미치는 것을 재차 확인하였다.
전해부상 시스템에서 극판의 전류밀도를 증가시킨 결과, 기포발생량이 선형적으로 증가하였고, 이에 따라 슬러지의 탈수성도 급격히 향상되는 것으로 나타났다. 이는 전기분해를 통해 발생된 기포가 슬러지 탈수성 향상에 직접적인 영향을 미치는 결과라고 판단되 었다.
뚜렷하게 향상시킬 수 있었다. 전해부상에 의한 농축슬러지는 중력농축된 슬러지에 비해 SRF 값이 11-82% 감소하였다.
AS1, AS3, AS4의 SV%)은 각각 130, 254, 179ml/g인 것으로 조사되었다. 전해부상에 의한슬러지의 부상농축은 중력농축에 비해 고액분리 및 농축 시간이 월등히 빠른 것으로 분석되었다. 슬러 지층의 두께만으로 두 가지 농축방법을 비교한다면 AS2의 경우, 3분가량의 전해부상 농축효과와 30~60 분가량의 중력농축효과가 비슷한 것으로 조사되었다 (Fig.
30분간의 농축시간을 기준으로 했을 때. 전해부상에 의해 농축된 슬러지의 고형물 농도는 14, 450~28.760mg/L로 조사되어 중력농축된 슬러지의 고형물 함량보다 2.1 ~ 12.5배 가량 높은 것으로 분석되었다. 참고적으로 전해부상시 각 슬러지의 A/S(Air to Solids) 비는 기포발생시간(부상농축시간) 30분을 기준으로 할 때, 0.
6(b)에서 제시한 부상 농축슬러지에 대해 SRF와 cake solids content(CSC)를 각각 조사하였다. 조사결과 극판의 인가 전류밀도가 슬러지의 농축특성과 마찬가지로 탈수 특성에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다(Fig. 7). 즉, 기포발생량이 슬러지의 탈수성과 밀접한 관련이 있다는 것이 증명 되 었다고 할 수 있다.
특히. 중력농축에서 농축효율이 불과 9.5와 6.5%에 불과했던 AS3 과 AS4의 경우, 전해부상에 의한 부상농축시 스템에서는 농축효율이 무려 95와 94%로 향상되는 것으로 나타났다. 30분간의 농축시간을 기준으로 했을 때.
두 가지 원인 때문이라 판단된다. 첫째, 진공 여과 과정에서 형성된 압력이 슬러지 층에 존재하는 기포의 파괴로 이어지고, 이에 따라 슬러지의 농축이 보다 가속화 되었을 것이라는 점이다. 둘째, 진공 여과 과정에서 기포가 파괴되면 이 공간이 여액의 흐름을 위한 통로 역할을 할 수 있을 것이라는 점이다.
4에 제시하였듯이, 전해부상에 의해 농축된 슬러지가 중력 농축된 슬러지에 비해 SRF가 모두 낮게 나타난 것을 알 수 있다. 특히, 침전성이 좋지 않았던 AS3과 AS4에서 중력 농축된 슬러지 에 비해 SRF의 감소가 두드러졌다. 뿐만 아니라 전해부상에 의해 농축된 슬러 지 의 cake solids content가 중력 농축된 슬러 지보다 전반적으로 높게 나타난 것도 전해부상이 활성슬러지의 탈수성을 향상시킬 수 있다는 증거라고 할 수 있다(Fig.

후속연구

따라서 슬러지 탈수성 향상에 미치는 기포의 영향은 직접적이면서도 매우 중요한 인자로 인식되어야 할 것이다. 그러나 미세기포를 포함한 기포가 슬러지의 탈수성을 향상시키는 정확한 메커니즘에 대해서는 향후 추가적인 연구가 필요한 부분이다.

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