유기성 슬러지의 직접 매립 금지와 가까운 장래에 해양투기가 금지될 전망이므로 발생되는 슬러지의 적절한 처리에 대한 발전된 기술의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 슬러지 건조기술 중 하나인 폐유를 활용하여 하수슬러지를 유중 건조시키는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 이 공정의 기본 원리는 오일을 가열함으로써 형성되는 급격한 압력변화에 의해 슬러지 공극을 통하여 수분이 빠르게 증발하도록 하는 것이다. 일련의 건조 실험 결과, 건조온도, 건조시간, 오일종류, 슬러지 형상 등 중요한 실험변수에 따른 건조곡선이 얻어졌다. 건조 오일로 폐식용유를 사용한 경우 건조시간에 따른 수분함유량 변화는 건조시간 10분이 지나면서 현저히 감소하기 시작하여 14분 이후에는 건조온도에 관계없이 수분함유량이 5% 이내로 감소하였다. 유중 건조 온도는 120$^{\circ}C$에 비해 140$^{\circ}C$ 이상에서 수분 증발이 급격히 증가한 것으로 나타났다. 그러나 140$^{\circ}C$ 이상에서는 큰 차이를 나타내지 않았다. 슬러지 직경이 감소할수록 효율적으로 건조되는 것으로 나타났는데 이는 단위체적당 표면적의 증가에 기인하는 것이다. 오일 종류의 변화에 따른 영향을 살펴보면 폐 엔진오일을 사용한 경우 점도가 증가함에 따라 폐식용유에 비하여 수분 증발이 현저히 지체되는 현상이 나타났다. 그러나 건조온도 140$^{\circ}C$ 이상에서는 120$^{\circ}C$에 비하여 건조시간이 경과함에 따라 수분 증발이 비교적 크게 증가하는 결과를 나타내었다. 그러므로 폐오일의 종류에 관계없이 건조온도는 140$^{\circ}C$ 이상으로 유지하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.
유기성 슬러지의 직접 매립 금지와 가까운 장래에 해양투기가 금지될 전망이므로 발생되는 슬러지의 적절한 처리에 대한 발전된 기술의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 슬러지 건조기술 중 하나인 폐유를 활용하여 하수슬러지를 유중 건조시키는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 이 공정의 기본 원리는 오일을 가열함으로써 형성되는 급격한 압력변화에 의해 슬러지 공극을 통하여 수분이 빠르게 증발하도록 하는 것이다. 일련의 건조 실험 결과, 건조온도, 건조시간, 오일종류, 슬러지 형상 등 중요한 실험변수에 따른 건조곡선이 얻어졌다. 건조 오일로 폐식용유를 사용한 경우 건조시간에 따른 수분함유량 변화는 건조시간 10분이 지나면서 현저히 감소하기 시작하여 14분 이후에는 건조온도에 관계없이 수분함유량이 5% 이내로 감소하였다. 유중 건조 온도는 120$^{\circ}C$에 비해 140$^{\circ}C$ 이상에서 수분 증발이 급격히 증가한 것으로 나타났다. 그러나 140$^{\circ}C$ 이상에서는 큰 차이를 나타내지 않았다. 슬러지 직경이 감소할수록 효율적으로 건조되는 것으로 나타났는데 이는 단위체적당 표면적의 증가에 기인하는 것이다. 오일 종류의 변화에 따른 영향을 살펴보면 폐 엔진오일을 사용한 경우 점도가 증가함에 따라 폐식용유에 비하여 수분 증발이 현저히 지체되는 현상이 나타났다. 그러나 건조온도 140$^{\circ}C$ 이상에서는 120$^{\circ}C$에 비하여 건조시간이 경과함에 따라 수분 증발이 비교적 크게 증가하는 결과를 나타내었다. 그러므로 폐오일의 종류에 관계없이 건조온도는 140$^{\circ}C$ 이상으로 유지하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.
Considering the severe regulation associated with sludge treatment such as direct landfill and ocean dumping, there is no doubt in that an advanced study for the proper treatment of sludge is urgently needed in near feature. As one of viable method for sludge treatment, fry-drying of sludge by waste...
Considering the severe regulation associated with sludge treatment such as direct landfill and ocean dumping, there is no doubt in that an advanced study for the proper treatment of sludge is urgently needed in near feature. As one of viable method for sludge treatment, fry-drying of sludge by waste oil has been investigated in this study. The fundamental mechanism of this drying method lies in the phenomenon of rapid moisture escape in the sludge pore toward oil media. This is caused by the severe pressure gradient formed by the rapid oil heating between sludge and oil. As part of research effort of fry-drying using waste oil, a series of basic study has been made experimentally to obtain typical drying curves as function of important parameters such as drying temperature, drying time, oil type and geometrical shape of sludge formed. Based on this study, a number of useful conclusion can be drawn as following. The fry-drying method by oil immersion was found quite effective in the removal efficiency of sludge moisture, in general, the moisture content decreases significantly after 10 minutes and the whole moisture content was less than 5% after 14 minutes regardless of the drying temperature. The increase of oil temperature up to 140$^{\circ}C$ favors significantly for the removal of moisture but there was no visible difference above 140$^{\circ}C$. As expected, the decrease of diameter in sludge was efficient in drying due to the increased surface area per unit volume. Further, the effect of oil property by the change of oil type was noted. To be specific, for the case of engine oil the efficiency was found to be remarkably delayed in moisture evaporation compared with that of vegetable oil due to the increased viscosity of engine oil. It produced a result of increasing the evaporation of moisture largely relatively high in the drying temperature over 140$^{\circ}C$ compared with the drying temperature 120$^{\circ}C$ drying temperature as the drying time passed. Accordingly, the drying temperature is considered desirable as keeping over 140$^{\circ}C$ regardless of a sort of used oil.
Considering the severe regulation associated with sludge treatment such as direct landfill and ocean dumping, there is no doubt in that an advanced study for the proper treatment of sludge is urgently needed in near feature. As one of viable method for sludge treatment, fry-drying of sludge by waste oil has been investigated in this study. The fundamental mechanism of this drying method lies in the phenomenon of rapid moisture escape in the sludge pore toward oil media. This is caused by the severe pressure gradient formed by the rapid oil heating between sludge and oil. As part of research effort of fry-drying using waste oil, a series of basic study has been made experimentally to obtain typical drying curves as function of important parameters such as drying temperature, drying time, oil type and geometrical shape of sludge formed. Based on this study, a number of useful conclusion can be drawn as following. The fry-drying method by oil immersion was found quite effective in the removal efficiency of sludge moisture, in general, the moisture content decreases significantly after 10 minutes and the whole moisture content was less than 5% after 14 minutes regardless of the drying temperature. The increase of oil temperature up to 140$^{\circ}C$ favors significantly for the removal of moisture but there was no visible difference above 140$^{\circ}C$. As expected, the decrease of diameter in sludge was efficient in drying due to the increased surface area per unit volume. Further, the effect of oil property by the change of oil type was noted. To be specific, for the case of engine oil the efficiency was found to be remarkably delayed in moisture evaporation compared with that of vegetable oil due to the increased viscosity of engine oil. It produced a result of increasing the evaporation of moisture largely relatively high in the drying temperature over 140$^{\circ}C$ compared with the drying temperature 120$^{\circ}C$ drying temperature as the drying time passed. Accordingly, the drying temperature is considered desirable as keeping over 140$^{\circ}C$ regardless of a sort of used oil.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 음식물 조리나 튀김 후 재활용 되는 폐유 및 폐 엔진오일을 이용하여 슬러지 처리의 핵심인 건조공정에 적용하고자 하는 연구로써 높은 수분제거 효율을 달성 및 기존의 건조공정의 단점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.1,2)
본 연구는 자동차나 선박 및 산업체 등에서 발생하는 폐유나 음식물 조리나 튀김 후 재활용 되는 폐유를 이용하여 슬러지 처리의 핵심인 건조공정에 적용하고자 하는 기초 연구로써 이론적, 실험적 연구가 수행되었다.
본 연구에서 착안하고 있는 연구의 주안점은 수분과 오일의 대체 기전에 영향을 미치는 제반 중요변수에 따라 슬러지 건조에 미치는 영향을 조직적으로 연구 검토하고자 하는 것이다. 아래에 슬러지 처리에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상 되는 주요 운전변수를 나타내었다.
제안 방법
유기화합물의 주요 성분인 탄소, 수소, 질소, 황, 및 산소는 자동원소분석기(Element Analyzer 1010)를 사용하여 정성, 정량 분석하여 함수율에 따른 발열량을 계산하였다. 건조 슬러지는 현재 토지 개량제 및 복토제등으로 사용을 제한하고 있는데 하수 슬러지의 경우 중금속 때문에 재이용 분야가 한정되고 있어 ICP-MASS에 의해 건조 하수 슬러지의 중금속을 분석하였다.
건조실험에 사용한 하수슬러지는 계절에 따라 함수율과 원소조성이 변화하므로 실험 전에 시료를 채취하여 함수율과 주요성분을 분석하였다. 하수슬러지의 함수율은 공정시험방법에 의해 105 ∼110℃에서 4시간 건조시킨 후 황산데시케이터 안에서 방냉하여 건조 전․후의 중량차이로부터 계산하였으며 이와 같이 측정된 함수율은 건조기의 성능을 평가하는 자료로 사용하였다.
또한 가열온도는 120∼160℃로 변화를 주어 수행하였다. 기름의 종류는 깨끗한 식용유와 폐식용유 및 폐 엔진오일을 사용하였으며, 슬러지 형상은 밀도가 일정한 원통형으로 만들어 직경 변화에 따른 함수율 변화를 살펴보고자 하였다.
본 연구는 유중 건조에 대한 기초연구로써 음식물 조리나 튀김 후 재활용 되는 폐유 및 자동차에서 배출되는 폐 엔진오일을 이용하여 슬러지 처리의 핵심인 건조공정에 적용하여 기름의 종류, 유중 건조온도, 슬러지 질량, 건조 시간, 슬러지 형상 등 다양한 운전변수에 따른 수분제거 효율을 산정하였다.
슬러지 양에 따른 수분 증발량을 좀 더 가시적으로 확인해 보고자 슬러지를 밀도를 동일하게 하여 일정한 형태, 즉 원통형으로 만들어서 슬러지 직경에 변화를 주었다. Fig.
슬러지 양은 각각 10 g, 30 g, 50 g으로 변화를 주어 수행하였으며, 각 실험은 20 L유조에 담그고 4분에서 16분까지 1∼2분 단위로 변화를 주어 튀긴 시간별 함수량을 측정하였다.
실험은 기름 20리터 용량과 전기소모량 17w/hr이고 LPG 가스를 열원으로 사용하는 통상적인 가스튀김기구로 수행하였다. 슬러지의 유실을 막고 튀김기구에 슬러지가 뜨지 않고 잠길수 있게 하고, 또한 일정시간 튀긴 후에는 끌어 올릴 수 있는 개폐형 금속질 구형망에 넣어서 실험을 수행하였다. 슬러지 양은 각각 10 g, 30 g, 50 g으로 변화를 주어 수행하였으며, 각 실험은 20 L유조에 담그고 4분에서 16분까지 1∼2분 단위로 변화를 주어 튀긴 시간별 함수량을 측정하였다.
하수슬러지의 함수율은 공정시험방법에 의해 105 ∼110℃에서 4시간 건조시킨 후 황산데시케이터 안에서 방냉하여 건조 전․후의 중량차이로부터 계산하였으며 이와 같이 측정된 함수율은 건조기의 성능을 평가하는 자료로 사용하였다. 유기화합물의 주요 성분인 탄소, 수소, 질소, 황, 및 산소는 자동원소분석기(Element Analyzer 1010)를 사용하여 정성, 정량 분석하여 함수율에 따른 발열량을 계산하였다. 건조 슬러지는 현재 토지 개량제 및 복토제등으로 사용을 제한하고 있는데 하수 슬러지의 경우 중금속 때문에 재이용 분야가 한정되고 있어 ICP-MASS에 의해 건조 하수 슬러지의 중금속을 분석하였다.
하수슬러지의 함수율은 공정시험방법에 의해 105 ∼110℃에서 4시간 건조시킨 후 황산데시케이터 안에서 방냉하여 건조 전․후의 중량차이로부터 계산하였으며 이와 같이 측정된 함수율은 건조기의 성능을 평가하는 자료로 사용하였다.
대상 데이터
5는 오일 종류에 따른 수분 증발량 결과를 나타낸 것이다. 실험 조건은 슬러지량 10 g에 대하여 건조온도를 120℃로 적용한 것으로, 오일의 종류는 신선한 식용유와 폐식용유, 폐 엔진오일을 사용하였다. 결과를 살펴보면 신선한 식용유와 폐식용유의 경우 건조시간에 따른 수분 함유량에 큰 차이를 나타내고 있지 않았지만, 폐 엔진오일의 경우 점도가 매우 크므로 그에 따라 수분 증발이 지체되는 것을 볼 수 있으며 건조시간 10분이 지나면서 수분증발이 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다.
실험에 사용된 폐유는 일반 치킨집에서 사용한 폐식용유와 일반 카센타에서 얻을 수 있는 폐 엔진오일을 활용하였다. Fig.
실험은 기름 20리터 용량과 전기소모량 17w/hr이고 LPG 가스를 열원으로 사용하는 통상적인 가스튀김기구로 수행하였다. 슬러지의 유실을 막고 튀김기구에 슬러지가 뜨지 않고 잠길수 있게 하고, 또한 일정시간 튀긴 후에는 끌어 올릴 수 있는 개폐형 금속질 구형망에 넣어서 실험을 수행하였다.
성능/효과
7은 폐 엔진오일을 사용한 경우 건조온도를 각각 120℃, 140℃, 160℃로 변화시킨 경우 건조시간에 따른 수분 건조곡선을 나타낸 것이다. 건조온도 120℃인 경우 건조시간이 증가해도 수분 제거효율이 서서히 증가하는 결과를 나타냈으며 건조시간 16분이 지나도 수분 함량이 36% 정도로 비교적 높게 나타났다. 140℃와 160℃의 경우 8분이 지나면서 수분 제거효율이 가파르게 상승하는 결과를 나타내고 있다.
건조온도 140℃ 와 160℃는 비슷한 양상을 나타내었으며, 140℃ 이상에서는 수분 건조곡선이 큰 차이 없이 비슷한 양상을 나타내는 것으로 판단된다. 결과로부터 유중 건조온도는 140℃ 이상이 효과적인 것으로 판단된다.
결과를 살펴보면 신선한 식용유와 폐식용유의 경우 건조시간에 따른 수분 함유량에 큰 차이를 나타내고 있지 않았지만, 폐 엔진오일의 경우 점도가 매우 크므로 그에 따라 수분 증발이 지체되는 것을 볼 수 있으며 건조시간 10분이 지나면서 수분증발이 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다. 결과로부터 폐유의 물리 화학적 특성에 따라서 건조효율이 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다.
실험 조건은 슬러지량 10 g에 대하여 건조온도를 120℃로 적용한 것으로, 오일의 종류는 신선한 식용유와 폐식용유, 폐 엔진오일을 사용하였다. 결과를 살펴보면 신선한 식용유와 폐식용유의 경우 건조시간에 따른 수분 함유량에 큰 차이를 나타내고 있지 않았지만, 폐 엔진오일의 경우 점도가 매우 크므로 그에 따라 수분 증발이 지체되는 것을 볼 수 있으며 건조시간 10분이 지나면서 수분증발이 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다. 결과로부터 폐유의 물리 화학적 특성에 따라서 건조효율이 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다.
4는 폐 식용유를 사용한 경우 슬러지 건조온도 120℃일 때 유중 건조 시간에 따른 수분함유량을 나타낸 것이다. 결과에 나타나 있듯이 건조시간 4분에서는 약 47% 수분함유량을 나타내다가 시간이 경과함에 따라 수분함량이 현저히 줄어드는 것을 볼 수 있다. 특히 10분이 지나면서 10% 이내를 나타내다가 14분 이상에서는 3% 이내로 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다.
결과에 나타나 있듯이 건조온도 120℃인 경우 유중 건조 초반에는 수분함유량이 30∼40% 이상으로 높은 반면, 140℃와 160℃의 경우 유중 건조 초반부터 수분함유량이 120℃에 비해서 현저히 낮았으며, 8분 이후에는 5% 이내로 수분 제거효율이 높게 나타났다.
최종 유중건조 후의 슬러지는 쉽게 제어되고 기존의 공기 건조된 슬러지보다 더 높은 발열량을 가진다고 보고되고 있다. 공정의 경제적 부담을 감소시키기 위해서 슬러지 튀김용 기름으로 재활용된 요리기름(RCO) 이용을 제안하였고 그 결과는 건조 동력학적으로 민감하지 않은 결과로 나타났다.3)
또한 유중 건조 온도가 140℃ 이상 일 때는 6분부터 수분 함유량이 5%로 이내로 수분제거에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 또한 슬러지의 지름이 증가함에 따라 수분 증발이 감소하는 것으로 나타났다.
다양한 변수 연구 결과 슬러지의 유중건조 시간은 건조 온도에 따라 차이는 있지만 폐 식용유를 사용한 경우 보통 12분 이상에서 수분 함유량이 10% 이내로 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 유중 건조 온도가 140℃ 이상 일 때는 6분부터 수분 함유량이 5%로 이내로 수분제거에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 또한 슬러지의 지름이 증가함에 따라 수분 증발이 감소하는 것으로 나타났다.
유중 건조시 수분이 증발되면서 상대적으로 C, H의 비율이 높아지고, 수분이 빠져나간 곳을 대부분 폐유가 대신하면서 상대적으로 발열량이 높아진 것으로 나타났다. 또한 중금속 함유량은 micro wave를 이용하여 전체 시료를 녹여서 용출하여 분석하였으며 유해 중금속 함유량은 유중 건조 후 대체로 줄어든 것을 볼 수 있다. 이는 건조 공정 중에 폐유 속으로 일부 빠져나간 것으로 판단된다.
Table 1과 2는 하수슬러지 유중 건조 전후의 원소분석과 중금속 분석 결과를 나타낸 것이다. 유중 건조시 수분이 증발되면서 상대적으로 C, H의 비율이 높아지고, 수분이 빠져나간 곳을 대부분 폐유가 대신하면서 상대적으로 발열량이 높아진 것으로 나타났다. 또한 중금속 함유량은 micro wave를 이용하여 전체 시료를 녹여서 용출하여 분석하였으며 유해 중금속 함유량은 유중 건조 후 대체로 줄어든 것을 볼 수 있다.
폐 엔진오일을 사용한 경우 점도가 증가함에 따라 폐식용유에 비하여 수분 증발이 현저히 지체되는 현상이 나타났다. 그러나 건조온도 140℃ 이상에서는 120℃에 비하여 건조시간이 경과함에 따라 수분 증발이 급격히 증가하는 결과를 나타내었다.
후속연구
결과에서 유중 건조 공정은 높은 수분제거 효율을 달성할 수 있고, 향후 수분과 기름의 함량사이의 상관관계를좀 더 세부적으로 연구해야겠지만, 기존의 슬러지 건조공정의 단점을 보완할 수 있고 슬러지의 새로운 건조공정으로 충분히 고려될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
간접 가열식 건조기의 단점은?
일반적인 건조공정에 사용되는 건조기들은 간접 가열식 건조기의 경우 고응집성 슬러지에 대해서는 적용이 어려운 단점을 갖고 있고, 직접 가열식 건조기의 경우 악취발생에 대한 처리 문제 등이 있다. 이에 폐유를 이용한 슬러지 fry-drying 기술은 슬러지 열건조 기술의 대안으로 고려될 수 있다.
직접 가열식 건조기의 단점은?
일반적인 건조공정에 사용되는 건조기들은 간접 가열식 건조기의 경우 고응집성 슬러지에 대해서는 적용이 어려운 단점을 갖고 있고, 직접 가열식 건조기의 경우 악취발생에 대한 처리 문제 등이 있다. 이에 폐유를 이용한 슬러지 fry-drying 기술은 슬러지 열건조 기술의 대안으로 고려될 수 있다.
슬러지 처리에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상 되는 주요 운전변수 중 운전 및 장치 변수에는 무엇이 있는가?
○ 운전 및 장치 변수 : 처리량, 운전온도 등
참고문헌 (6)
Dermibas, A., 'Biomass Resource Facilities and Biomass Conversion Processing for Fules and Chemicals,' Energy Conversion and Management, 42, 1357-1378(2001)
Gamble, M. H., Rice, P., and Selman, J. D., 'Relationship Between Oil Uptake and Moisture Loss During Frying of Potato Slices from c.v. Record U.K. Tuber,' International Journal of Food Science and Technology, 22, 233-241(1987)
Daniela P. da Silva, Victor R., Osvaldir P.T., 'Drying of sewage sludge through immersion frying,' 14th IDS Symposium, vol. B, 1005-1012(2004)
Daniela P. da Silva, Victor R., Osvaldir P.T., 'Drying of sewage sludge through immersion frying,' 14th IDS Symposium, vol. B, 1005-1012(2004)
Mittelman(Ashkenazi), N., Mizrahi, Sh., and Berk, Z, Heat and Mass Transfer in Frying, chap.12 in 'Engineering and Food,' McKenna, B.M.(ed), Elsevier Applied Science Publishers(1984)
Niessen, W., 'Combustion and Incineration Processes,' Applications in Environmental Engineering, 2nd edition, Marcel Dekker Inc.,(1995)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.