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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 오존을 이용한 잉여슬러지의 가용화 시스템에 있어서 오존의 접촉효율을 높이기 위해 오존을 마이크로버블화 하여 오존의 접촉효율을 높여, 마이크로버블을 이용한 오존을 이용하여 슬러지처리를 평가하고, 오존의 전처리로서 산처리 혹은 알칼리처리를 병행하여 오존에 의한 슬러지 가용화 효율 변화를 검토하였다.
- 주입 오존량에 대한 오존 소모율의 평가는 주입오존량에 대한 폐오존 발생량을 기초로 하여 평가되었다. 이 등15)의 연구에서는 오존주입율 0.
제안 방법
- 5 kgf/cm2였다. 가압펌프를 이용하여 슬러지를 오존용해탱크로 가압 주입함과 동시에 오존발생기(OZAT CFS-1, Ozonia)에서 발생된 오존가스를 가압펌프의 전단에 공급하여 자연 흡입되게 하였다. 오존용해탱크로 공급된 슬러지와 오존은 가압펌프의 압력만큼 가압된 상태에서 접촉되게 하였다.
- 여기서, 발생된 기포입자는 층류에서 부상한다고 가정하면, 식 2의 좌변은“0”이 된다. 따라서 기포의 운동방정식을 이용하고 기포의 여러 가지 직경에 대한 점성저항, 관성저항을 고려하여 종단속도에 이를 때까지의 시간 등을 구하여, 실험에서 얻어진 값과 비교하였다. 그 결과를 Fig.
- 오존에 의한 산화는 CT(농도×시간)값에 의존하는 것으로 알려져 있으나, 실험 결과 동일량의 오존주입율에 대해 오존의 기체상 농도가 150 g O3/Nm3에서 가장 높은 가용화효율을 나타내었다. 따라서 본 실험에서는 기체상 오존 주입농도를 150 g O3/Nm3로 고정하여 실험을 실시하였다.
- 마이크로버블 모듈에 의해 발생된 기포의 사이즈를 측정 하기 위해 수조에 격벽을 설치하여 마이크로버블 모듈의 분사력이 기포의 부상에 영향을 주지 않도록 하였다. 수조내의 격벽을 통과하여 이동한 기포를 최대 500배 배율의 CCD Microscope (Moritex, Japan)를 사용하여 촬영하였다.
- 05 g O3/g SS로 하였다. 산과 알칼리의 전처리는 산, 알칼리 각각 0.010, 0.025, 0.050 N의 농도로 주입하고, 오존을 이용하여 슬러지를 처리하였다. 전처리 없이 오존 단독으로 처리할 경우 SS 제거량이 81.
- 마이크로버블 모듈에 의해 발생된 기포의 사이즈를 측정 하기 위해 수조에 격벽을 설치하여 마이크로버블 모듈의 분사력이 기포의 부상에 영향을 주지 않도록 하였다. 수조내의 격벽을 통과하여 이동한 기포를 최대 500배 배율의 CCD Microscope (Moritex, Japan)를 사용하여 촬영하였다. 촬영된 영상으로부터 기포의 직경 및 부상속도를 측정하였다.
- 슬러지의 가용화율은 TCOD에서 SCOD로의 전환율을 기준으로 평가하는 경우가 많으나, 본 실험에 있어서는 SS 제거량을 기준으로 평가하였다. 가용화율 평가에 있어서 파쇄기나 초음파와 같은 경우에는 SS의 감량보다는 슬러지의 셀을 파괴되어 SCOD가 증가하므로 SCOD의 증가분에 대해 평가하는 방법이 타당할 수 있으나,13,14) 오존처리의 경우에는 SCOD의 증가와 함께 증가된 SCOD가 무기화되어 CO2와 H2O로 전환되므로 가용화와 함께 감량효과가 동시에 일어난다.
- 오존의 기체상 농도는 예비실험을 통해 최적 오존농도를 결정하였다. 슬러지의 초기농도 조정은 오존접촉조에 슬러지를 채우고 일정시간 방치 후 농축을 위해서는 상부의 상등액을 인발하여 농도를 조정하였고, 희석시에는 하부의 농축된 슬러지를 하부로 인발하여 농도를 조정하였다.
- 산처리는 오존접촉조에 슬러지를 100 L 채우고, 여기에 황산(95%, 삼전화학)을 이용하여 10배 희석 후 오존접촉조에 직접 주입하였다. 알칼리처리는 수산화나트륨(삼전화학)을 증류수에 녹여 5 N로 제조 후 오존접촉조에 직접 주입하여 농도를 조정하였다. 또한 일반실험항목과 분석은 공해공정실험법에 의하여 실시하였다.
- 오존용해탱크에서 혼합·용해된 슬러지와 오존 혼합액을 마이크로버블 모듈에서 전단력을 이용하여 마이크로버블화 시켰다.
- 오존을 마이크로버블화하여 잉여슬러지의 가용화 실험을 수행하고, 오존의 전처리로서 산과 알칼리처리를 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 오존의 기체상 주입농도를 결정하기 위해 기체용 오존 농도를 각각 30, 60, 100, 150, 200 g O3/Nm3으로 변화시켜 SS 및 COD 농도 변화를 조사하였다. 오존에 의한 산화는 CT(농도×시간)값에 의존하는 것으로 알려져 있으나, 실험 결과 동일량의 오존주입율에 대해 오존의 기체상 농도가 150 g O3/Nm3에서 가장 높은 가용화효율을 나타내었다.
- 오존의 단독처리보다는 산처리 혹은 알칼리처리와의 복합 처리에 의해 오존의 소모량을 줄이고, 산화력을 보다 높이기 위해 오존의 전처리로서 산처리 및 알칼리처리를 실시하였다. 산처리는 오존접촉조에 슬러지를 100 L 채우고, 여기에 황산(95%, 삼전화학)을 이용하여 10배 희석 후 오존접촉조에 직접 주입하였다.
- 초기 SS의 농도는 다음의 5단계로 구분하여 실시하였으며, 농도는 6,447 mg/L, 5,557 mg/L, 3,180 mg/L, 1,092 mg/L 및 515 mg/L로 하였다.
- 수조내의 격벽을 통과하여 이동한 기포를 최대 500배 배율의 CCD Microscope (Moritex, Japan)를 사용하여 촬영하였다. 촬영된 영상으로부터 기포의 직경 및 부상속도를 측정하였다.
대상 데이터
- 가용화 실험에 사용된 잉여슬러지는 G시 하수사업소에 설치된 15 m3/day 규모의 혐기-무산소-호기(A2O)공정으로 구성된 파일럿 플랜트에서 발생되는 잉여슬러지를 대상으로 하였으며, 잉여슬러지의 성상을 Table 1에 나타내었다. 잉여 슬러지는 실험에 목적에 따라 농축 또는 희석하여 사용하였다.
- 마이크로버블 모듈의 분사노즐 구경은 5 mm로 고농도 슬러지에 대해서도 막힘 현상이 없고, 전단력에 의한 마이크로버블 생성으로 압력손실이 낮은 특징이 있다. 마이크로버블 모듈의 재질은 내오존성의 불소수지로 제작되었다.
- 오존접촉의 상부에는 거품발생을 억제하기 위해 스프레이 노즐을 장착하였으며, 미반응 오존량을 측정하기 위해 가용화중에 발생되는 가스 전량을 2 w/v%의 KI(99.5% 요오드화칼륨, 삼전화학) 용액으로 포집하여 측정하였다.
이론/모형
- 알칼리처리는 수산화나트륨(삼전화학)을 증류수에 녹여 5 N로 제조 후 오존접촉조에 직접 주입하여 농도를 조정하였다. 또한 일반실험항목과 분석은 공해공정실험법에 의하여 실시하였다.
성능/효과
- 1) 본 실험에 사용된 마이크로버블의 사이즈는 평균 직경 30 ㎛ 정도였고, 40 ㎛ 이하가 전체의 약 90% 정도를 나타내었다.
- 2) 마이크로버블 오존을 이용한 슬러지 처리에 있어서는 슬러지 농도에 상관없이 오존주입율을 0.34 g O3/g SS 이하로 주입할 경우, 폐오존의 발생없이 오존소모율이 100%인 것으로 조사되었다.
- 3) 슬러지의 초기 SS 농도를 6,447 mg/L, 5,557 mg/L, 3,180 mg/L, 1,092 mg/L 및 515 mg/L로 하였을 경우, 동일한 오존주입율에 있어서 초기 SS의 농도가 증가할수록 제거되는 SS량이 증가하는 경향을 나타내어, 오존의 산화효율을 높이기 위해서는 초기 SS의 농도가 높은 슬러지를 처리하는 것이 효과적이었다.
- 4) 오존의 전처리로서 산처리를 이용하는 것이 알칼리처리에 비해 효과적이었으며, 슬러지에 주입하는 황산의 농도를 0.01 N로 하고, 오존주입율 0.05 g O3/g SS로 처리한 경우, 제거된 SS의 양은 153.9 g으로 오존단독처리시 81.2 g에 비해 1.9배의 많은 양이 제거되었다.
- 6) 잉여슬러지의 가용화에 의한 재순환 프로세스가 결합된 활성슬러지 가용화 시스템에서 잉여슬러지의 무방류 시스템을 만든 개념은 복잡한 미생물의 성장과정을 이해하면서 개발되어져 왔으며,7) 슬러지의 처리를 위해 압착파쇄(mill), 초음파, 가열, 알칼리처리 그리고 오존산화와 같은 방법들이 개발되어지고 있다.
- 2배 높은 제거효율을 나타내었다. CODMn의 제거에 있어서도 초기 농도가 높을수록 제거되는 CODMn의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 4에는 오존 주입율에 따른 SS의 제거효율 변화를 나타내었다. SS 농도가 가장 높은 6,447 mg/L인 경우 오존주입율 0.25 g O3/g SS에서 42.6%의 제거효율을 나타내었고, SS 농도가 가장 낮은 515 mg/L인 경우 오존주입율 0.26 g O3/g SS에서 59.7%의 제거효율을 나타내어 제거율면에 있어서는 초기 SS의 농도가 낮을수록 높은 제거효율을 나타냈다. 그러나 초기 SS 농도 변화에 따른 SS 제거량 변화와 비교하면 SS 6,447 mg/L인 경우 오존 주입율 0.
- 34 g O3/g SS로 충분한 반응이 진행된 상태이다. SS 농도가 높아짐에 따라 폐오존 발생량은 거의 없었으며, 고농도의 SS에서도 단위 슬러지량 당 오존주입율이 0.5 g O3/g SS 이전에는 폐오존이 발생되지 않았다.
- 7에는 오존 주입율에 따른 SCODMn/TCODMn의 변화를 나타내었다. 각 농도에 있어서 오존주입율이 증가하면서 SCODMn/TCODMn의 변화비는 오존 반응 전에 각 농도에서 2% 미만이었으나 오존주입율이 증가하면서 SCODMn/ TCODMn 비가 급속히 증가되어지는 것으로 조사되었다. 초기 TCODMn이 1,680 mg/L인 경우에는 오존주입율 1.
- 1%의 제거효율을 나타내었다. 거의 동일한 오존 주입율에서 CODMn의 제거량이 약 5배의 차이를 나타내었고, 제거효율은 농도가 낮은 쪽에서 2.2배 높은 제거효율을 나타내었다. CODMn의 제거에 있어서도 초기 농도가 높을수록 제거되는 CODMn의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 그러나 pH가 낮은 경우에는 거품의 발생이 억제되는 효과를 나타내게 된다. 따라서 산과 알칼리, 오존을 결합한 슬러지의 복합처리 공정에서는 오존의 전처리로 산처리를 하는 것이 오존의 효율을 극대화하고, 거품발생 제어와 같은 운전적인 요소에서는 유리한 장점이 있는 것으로 판단된다.
- 오존에 의한 산화는 CT(농도×시간)값에 의존하는 것으로 알려져 있으나, 실험 결과 동일량의 오존주입율에 대해 오존의 기체상 농도가 150 g O3/Nm3에서 가장 높은 가용화효율을 나타내었다.
- 3회에 걸친 실험 측정값과 계산값은 잘 일치하였다. 이 결과에 의하면, 평균 직경은 약 30 ㎛ 정도였고, 40 ㎛ 이하가 전체의 약 90% 정도를 차지하였다.
- 25 g O3/g SS에서 초기 SS 농도 변화에 따른 제거된 SS의 양을 비교하여 나타내었다. 이 결과에서 처리하고자 하는 SS 농도가 증가할수록 제거되는 SS의 양이 직선적으로 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 처리 대상 SS의 농도가 1,000 mg/L 증가함에 따라 제거되는 SS의 양은 22.
- 1 g O3/g SS에서 약 371 mg/L로 예상되며 그 차이는 144 mg/L의 감소밖에는 일어나지 않았다. 이상의 결과에서, 본 실험의 초기 농도 조건에서는 SS의 초기 농도가 증가할수록 농도 변화 폭은 훨씬 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이와 같이 오존산화시 오존을 마이크로버블화 하여 주입할 경우 폐오존 발생량을 최소화 하면서 오존 접촉효율을 극대화 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 050 N의 농도로 주입하고, 오존을 이용하여 슬러지를 처리하였다. 전처리 없이 오존 단독으로 처리할 경우 SS 제거량이 81.2 g이었으나, 산처리에 따라 0.010 N 주입 후 오존처리시 153.9 g이 제거되어고, 0.025 N 주입후 오존처리시는 173.9 g이 제거되어 황산을 이용한 전처리에 의해 오존산화시 제거되는 SS의 양이 약 2배 정도 증가하였다. 그러나 알칼리 처리의 경우 0.
- 이 결과에서 처리하고자 하는 SS 농도가 증가할수록 제거되는 SS의 양이 직선적으로 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 처리 대상 SS의 농도가 1,000 mg/L 증가함에 따라 제거되는 SS의 양은 22.4 g 씩 증가된다는 것을 확인할 수 있다. 오존은 유기물 산화에도 소모가 되지만 자기분해도 급속히 일어나므로 산화 대상물질이 많이 존재하는 것이 오존의 불필요한 소모를 감소시킬 수 있다.
- 6에 오존 주입율에 따른 CODMn의 제거량 변화를 나타내었다. 초기 CODMn이 1,680 mg/L의 경우, 오존 주입율 0.96 g O3/g CODMn에서 15.0 g의 제거량을 나타내어, 17.9%의 제거효율을 나타내었고, 초기 CODMn 156 mg/L의 경우, 오존 주입율 0.87 g O3/g CODMn에서 1.8 g의 제거량이 나타내어, 23.1%의 제거효율을 나타내었다. 거의 동일한 오존 주입율에서 CODMn의 제거량이 약 5배의 차이를 나타내었고, 제거효율은 농도가 낮은 쪽에서 2.
- 9에는 각 슬러지 농도에서 오존주입율에 따라 미반응 오존이 발생한 시점을 나타낸 결과이다. 초기 MLSS의 농도에 따라 약간의 차이는 있으나 오존주입율이 0.34 g O3/g SS에서부터 미반응 오존이 발생되고 있는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 발생된 폐오존의 농도와는 무관하고 발생된 시점만을 나타낸 결과이다.
후속연구
- 오존은 유기물 산화에도 소모가 되지만 자기분해도 급속히 일어나므로 산화 대상물질이 많이 존재하는 것이 오존의 불필요한 소모를 감소시킬 수 있다. 따라서 동일량의 오존을 주입하는 경우에는 초기 농도가 높은 SS를 처리하는 것이 보다 효율적인 오존처리 방법이 될 것으로 판단된다.
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