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문제 정의
- 이6)는 생물학적 슬러지의 응집(bioflocculation)에 있어 일정한 개량 조건에서 개량제로 주입된 3가 양이온인 Al3+와 Fe3+ 가 슬러지 플럭을 형성하는 2가 양이온(Ca2+와 Mg2+)과 이온교환이 이루어져 플럭의 응집성이 증가하여 탈수성이 향상되고 케이크 내의 함수율이 감소된다고 하였다. 본 연구는 기존에 사용되는 개량제(응집제)를 이용하여 폐 슬러지 플럭의 응집성을 향상시켜 폐 슬러지 케이크의 탈수성을 높이고자 하였으며, 슬러지 개량시 슬러지 농도와 개량제의 종류 및 주입량에 따른 슬러지 케이크의 탈수성을 정량적인 비교를 하였다.
가설 설정
- 여과시간과 여액부피의 상관관계로부터 t/V와 V의 관계로부터 슬러지의 평균여과비저항을 계산하였다. 이때 슬러지여액의 점도는 물의 점도와 같다고 가정하였다.
제안 방법
- 세척된 슬러지는 2,380∼29,000 mg/L의 농도로 조절하여 슬러지 개량과 탈수 실험을 위해 사용하였으며, 이 조건은 채취된 소화슬러지 농도인 약 30,000 mg/L 조건에서 소화슬러지 농도와 응집제 주입량에 대한 정량적인 상관관계 도출이 어려웠기 때문에 저농도에 응집제 주입량과 탈수성 실험을 수행한 후 고농도 슬러지에 대한 탈수성을 비교하였다.
- 슬러지 개량은 2,380∼29,000 mg/L로 농도로 조절된 슬러지 현탁액 500 mL에 Table 1에 나타낸 농도 범위로 조제된 응집제 용액을 5 mL씩 주입하였으며, 표준용액의 희석하여 응집제를 슬러지 g당 0.5∼40.0 mmol 이 되도록 주입하였다.
- 개량 및 탈수 실험에 사용된 슬러지는 도시 생활하수를 처리하는 부산 S 하수처리장의 혐기성 소화슬러지를 전처리한 후 사용하였다. 소화슬러지의 전처리는 다른 이온의 영향을 줄이기 위하여 탈 이온수로 3회 세척하여 1가와 2가 이온이 개량 조건에 미치는 영향을 최소화하였다. 세척된 슬러지는 2,380∼29,000 mg/L의 농도로 조절하여 슬러지 개량과 탈수 실험을 위해 사용하였으며, 이 조건은 채취된 소화슬러지 농도인 약 30,000 mg/L 조건에서 소화슬러지 농도와 응집제 주입량에 대한 정량적인 상관관계 도출이 어려웠기 때문에 저농도에 응집제 주입량과 탈수성 실험을 수행한 후 고농도 슬러지에 대한 탈수성을 비교하였다.
- 슬러지 개량은 Saveyn 등7)의 슬러지 개량 조건과 유사하게 Jar-tester를 이용하여 개량 조건을 급속교반(rapid mixing)이 250 rpm(748.2 s-1)에서 60초와 완속교반(slow mixing) 이 30 rpm(30.1 s-1)에서 900초로 일정하게 하여 여과비저항을 비교하였다. 슬러지 개량은 2,380∼29,000 mg/L로 농도로 조절된 슬러지 현탁액 500 mL에 Table 1에 나타낸 농도 범위로 조제된 응집제 용액을 5 mL씩 주입하였으며, 표준용액의 희석하여 응집제를 슬러지 g당 0.
- 슬러지의 탈수성은 식 (1)과 같이 Darcy 식으로 표현되는 여과평균비저항(specific resistance to filtration)으로 비교하였다.
- 2에 나타낸 Buchner funnel test를 사용하여 측정하였다. 수류식 진공 펌프(aspirator)를 이용하여 700 mmHg 정도로 진공압력을 고정하고 직경 3.63 cm 의 원통형 유리 실린더에 일정 농도의 슬러지 부유액을 주입한 후 여과시간(t)에 따른 여액부피(V)를 측정하였다. 여과시간과 여액부피의 상관관계로부터 t/V와 V의 관계로부터 슬러지의 평균여과비저항을 계산하였다.
- 63 cm 의 원통형 유리 실린더에 일정 농도의 슬러지 부유액을 주입한 후 여과시간(t)에 따른 여액부피(V)를 측정하였다. 여과시간과 여액부피의 상관관계로부터 t/V와 V의 관계로부터 슬러지의 평균여과비저항을 계산하였다. 이때 슬러지여액의 점도는 물의 점도와 같다고 가정하였다.
- 5에서 도출된 여과비저항과 응집제 주입량을 비교하였을 때, 각 슬러지 농도에서 응집제 주입량에 따라 지수함수 형태로 여과비저항이 감소하는 경향을 보였다. 따라서 슬러지 농도와 여과비저항의 관계는 지수함수 형태로 상관관계를 도출하여 정량적으로 비교하였다. 다만, 여기에서 도출된 상관성은 여과비저항과 응집제 주입량이 0∼40 mmol/L인 범위에서 지수함수적인 감소현상을 보이기 때문에 실험 범위 내로 한정화하였다.
- 본 연구는 응집제인 alium, FeCl3, 그리고 PAC를 사용하여 개량 조건 및 소화슬러지 농도에 따른 여과비저항과 탈수효율을 비교하였으며, 여과비저항과 응집제 주입량의 관계를 경험적 모델식을 이용하여 실험치와 이론적 예측치 를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 개량 및 탈수 실험에 사용된 슬러지는 도시 생활하수를 처리하는 부산 S 하수처리장의 혐기성 소화슬러지를 전처리한 후 사용하였다. 소화슬러지의 전처리는 다른 이온의 영향을 줄이기 위하여 탈 이온수로 3회 세척하여 1가와 2가 이온이 개량 조건에 미치는 영향을 최소화하였다.
- 세척된 슬러지는 2,380∼29,000 mg/L의 농도로 조절하여 슬러지 개량과 탈수 실험을 위해 사용하였으며, 이 조건은 채취된 소화슬러지 농도인 약 30,000 mg/L 조건에서 소화슬러지 농도와 응집제 주입량에 대한 정량적인 상관관계 도출이 어려웠기 때문에 저농도에 응집제 주입량과 탈수성 실험을 수행한 후 고농도 슬러지에 대한 탈수성을 비교하였다. 응집제에 의한 슬러지 개량은 Table 1에 나타낸 것과 같이 시약급 황산알루미늄(Al2(SO4)3․13-14H2O)및 철염(FeCl36H2O) 그리고 공업용 폴리염화알루미늄(PAC)를 일정한 농도의 표준용액을 제조한 후 희석하여 사용하였다.
이론/모형
- 여과비저항은 Fig. 2에 나타낸 Buchner funnel test를 사용하여 측정하였다. 수류식 진공 펌프(aspirator)를 이용하여 700 mmHg 정도로 진공압력을 고정하고 직경 3.
성능/효과
- 2) Alum, FeCl3 및 PAC가 0.7924 ~ 1.1887 mmol/g, 0.6090 ~ 1,2539 mmol/g TSS, 및 0.2068 ~ 0.3962 mmol/g TSS로 주입되었을 때, 슬러지의 여과비저항은 초기값에 비해 약 95.0% 이상 감소되었다.
- 0% 이상 감소되었다. 이 결과에서 슬러지 g당 응집제 주입량 (D)과 무차원 여과비저항(R)의 관계는 지수함수적인 관계로 나타낼 수 있었다.
- PAC는 액체상태로서 플럭 형성에 영향을 주는 알루미늄 수화물 이온이 형성된 구조이기 때문에 alum과 FeCl3에 비해 슬러지 g당 응집제 주입량이 50% 이상 적게 주입되어도 동일한 응집 및 탈수성 유지가 가능하였다. 응집제 주입에 따른 소화슬러지 현탁액의 pH는 슬러지 농도와 응집제 주입량에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 슬러지 농도가 높을수록 슬러지 플럭에 의해 pH 완충작용이 커져 pH의 감소폭은 완만하진 것으로 판단된다.
- 소화슬러지 케이크의 함수율은 응집제의 종류에 따라 차이가 있지만 여과시간이 약 200초 이상이면 함수율이 78∼80%까지 감소하였다.
- 기존의 연구는 각 슬러지 농도 조건에서 최적의 응집제 주입량을 결정하는 것이었고, 슬러지 농도, 여과 비저항 및 응집제 주입량과 같은 실험 조건에 따라 달라지는 응집제 주입량과 여과비저항의 상관관계에 대한 정량적인 비교는 하지 않았다. 본 연구에서는 Fig. 3, Fig. 4, 그리고 Fig. 5에서 도출된 여과비저항과 응집제 주입량을 비교하였을 때, 각 슬러지 농도에서 응집제 주입량에 따라 지수함수 형태로 여과비저항이 감소하는 경향을 보였다. 따라서 슬러지 농도와 여과비저항의 관계는 지수함수 형태로 상관관계를 도출하여 정량적으로 비교하였다.
- 7105 mmol/g TSS로 나타났다. 이 결과에서 PAC는 alum과 FeCl3에 비해 50% 이상 적게 응집제를 주입하여도 동일한 R값을 얻을 수 있었다. 식 (2)를 이용한 무차원 여과비저항(R)과 g 슬러지당 응집제 주입량(D)의 상관관계는 응집제 주입량에 따른 여과비저항을 예측하기보다는 여과 비저항을 최소화할 수 있는 응집제 주입량을 결정을 위해 용이할 것이며, 이상의 범위에서는 과량의 응집제로 인하여 슬러지 플럭의 해체현상이 발생하여 여과비저항이 높아지는 경향을 보이기 때문에 적용성이 낮아질 것이다.
- 그러나, 78% 이하의 함수율을 얻기 위해서는 500초 이상의 긴 여과시간이 요구되었다. 본 실험에서 함수율 78%까지는 자유수가 제거되는 구간으로 볼 수 있으며 그 이하의 함수율을 가지는 구간은 결합수가 일부 제거된 것으로 판단된다. 초기 여과비저항이 95% 이상 감소되는 개량조건에서 60%의 함수율을 얻기 위해서는 1,000초 이상의 여과시간이 소요되었다.
- 3) 하수슬러지 농축 및 탈수 공정은 중력식으로 농축하여 원심분리, 필터프레스, 및 벨트프레스를 이용하여 탈수하는 것이 일반적으로 이루어지고 있다. 이 공정의 운영을 포함한 처리비용은 하수 전체 처리 비용의 20∼25%를 차지하고 있어 슬러지 부피를 감량화 및 제반 처리비용을 줄이는 것이 중요한 문제이다.
- 초기 여과비저항이 95% 이상 감소되는 개량조건에서 60%의 함수율을 얻기 위해서는 1,000초 이상의 여과시간이 소요되었다. 개량전 슬러지와 3종의 응집제로 개량한 슬러지를 비교하면, 60%의 동일한 함수율을 얻기 위해서는 약 1,300초의 여과시간이 요구된다는 것을 알 수 있었으며, 이는 PAC는 응집제 주입량과 여과비저항을 비교한 실험과 유사하게 alum과FeCl3에 비해 낮은 응집제 주입량으로 높은 탈수효율을 얻을 수 있었다. Colin과 Gazbar11)는 낮은 기계적인 압력 및 원심력에서 자유수(free water)가 제거되며 압력 및 원심력이 높아지면 슬러지 플럭의 구조에 포함된 부착수(bound water)가 제거된다는 결과와 유사하게 본 실험에서도 동일한 개량조건에서 슬러지 케이크의 함수율 은 여과시간에 비례하여 감소하였다.
- 1) PAC는 플럭 형성에 영향을 주는 알루미늄 수화물 이온이 형성된 구조이기 때문에 alum과 FeCl3에 비해 응집제 주입량이 50% 정도 적게 주입되어도 효율적인 응집 및 탈수가 가능하였다. 개량제 주입에 따른 소화슬러지 현탁액의 pH는 alum, FeCl3, 그리고 PAC의 주입량에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 응집제의 종류에 따라 감소폭이 차이를 보였다.
- 에 비해 응집제 주입량이 50% 정도 적게 주입되어도 효율적인 응집 및 탈수가 가능하였다. 개량제 주입에 따른 소화슬러지 현탁액의 pH는 alum, FeCl3, 그리고 PAC의 주입량에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 응집제의 종류에 따라 감소폭이 차이를 보였다.
- 3) Alum, FeCl3, 그리고 PAC를 각각 0.79, 0.92 및 0.16 mmol/g TSS로 주입하여 동일한 슬러지 개량조건에서 개량시킨 소화슬러지는 슬러지 케이크의 함수율을 78% 이하로 낮추기 위해서는 500초의 여과시간이 필요하였으며, 60% 이하로 함수율을 낮추기 위해서는 1,000초 이상의 여과시간이 필요하였다.
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