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문제 정의
- TS와 VS 측정 결과 무기개량제를 이용하였을 경우 무기성분의 증가로 인해 TS는 증가하였고 VS/TS는 감소를 하는 것으로 나타났다. 또한 TS함량이 증가하면 한 공극에 훨씬 많은 입자가 동시에 도착하여 다공성 케이크가 형성되어 탈수성을 향상시킨다 하였다.22) 일반적으로 여액의 탁도는 입자가 작아질수록 탈수성이 악화되지만 무기개량제의 주입량에 따라 SRF 실험 시 발생하는 탁도는 감소하였다.
- 본 실험에서는 무기개량제와 기존에 사용되고 있는 유기고분자 응집제를 이용하여 슬러지 개량 후 여과시간실험(TTF: Time to Filter Test), 비저항계수(SRF: Specific Resistance to Filtration)등 탈수성 영향인자를 측정하여 비교함으로써 유기고분자 응집제의 대체소재인 무기개량제 개량제의 적용성에 대하여 평가하였다.
제안 방법
- 5-7) 또한 화학적 방법으로 처리장에서 대부분 사용하고 있는 유기고분자 응집제와 금속염 응집제, 차아염소산과 철염을 이용하여 슬러지 탈수성을 평가하여 개선효과를 확인하였다.8-10)
- 공극크기가 0.11 µm인 Whatman사의 No. 1 여지 및 직경이 9 cm인 Buchner funnel을 이용하여 시료를 각각 50 ml씩 여과하였다.
- 공단폐수처리시설에서 발생된 소화슬러지와 농축 슬러지를 대상으로 탈수성 개선에 대하여 무기개량제와 유기고분자 응집제를 비교·검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험에 사용된 혐기성 소화슬러지 및 농축슬러지에 0.1%로 제조된 개량제를 5, 10, 15, 20, 25 ml로 각각 투입하였고, Jar-tester를 이용하여 150 rpm에서 5분간 급속교반 및 45 rpm에서 20분간 완속교반을 실시하였다. 개량 후 탈수성 평가로 TTF, SRF와 SRF 실험시 발생하는 슬러지 cake의 함수율을 측정하였으며, 탁도는 Hach 2100N을 이용하여 SRF 실험시 발생하는 여과액을 측정하였고 TS, VS는 개량 후 슬러지 15 ml를 폐기물공정시험기준16)에 준하여 실험하였다.
- 진공압력을 550 mmHg를 유지하여 TTF와 같은 방법으로 실험하였다. 여액의 양이 분당 1ml 이하이거나 진공도가 깨질 때까지 시간을 측정하였으며18) 여과비저항계수값은 Carman-Kozney의 이론을 이용하여 산출하였다.
- 무기개량제는 SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O, MgO 등을 주요성분으로 구성되어 있으며. 천연미네랄광석과 고령토, 황토를 주요 소재로 사용하여 1,000~1,200℃에서 열처리 후 2,000 mesh 이상의 미세한 입자로 분말화하였다. 무기개량제 주성분 중 Si는 4가 금속으로써 분자구조 내에 삽입되면 입자간 crosslinking 때문에 응집효과가 크게 개선될 수 있고, 전(2011)은 Ca2+, Mg2+와 같은 2가의 금속이온들은 양이온성 플록을 생성시켜 응집효율 향상을 나타낸 것으로 볼 수 있다 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 슬러지는 경기도 A시에 위치한 A공단의 폐수처리장에서 발생되는 혐기성 소화슬러지와 농축슬러지를 사용하였으며 슬러지의 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 응집제는 (주)E사의 유기고분자 응집제 3종류(A-P, N-P, C-P)와 (주)G사의 무기개량제를 이용하였다. 무기개량제는 SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O, MgO 등을 주요성분으로 구성되어 있으며.
이론/모형
- SRF실험시 여액의 양이 1ml이거나 진공도가 깨질 때까지 발생하는 슬러지 cake를 이용하여 슬러지의 탈수 후 함수율을 측정하였으며 폐기물공정시험 기준16)에 준하여 측정하였다.
- 1%로 제조된 개량제를 5, 10, 15, 20, 25 ml로 각각 투입하였고, Jar-tester를 이용하여 150 rpm에서 5분간 급속교반 및 45 rpm에서 20분간 완속교반을 실시하였다. 개량 후 탈수성 평가로 TTF, SRF와 SRF 실험시 발생하는 슬러지 cake의 함수율을 측정하였으며, 탁도는 Hach 2100N을 이용하여 SRF 실험시 발생하는 여과액을 측정하였고 TS, VS는 개량 후 슬러지 15 ml를 폐기물공정시험기준16)에 준하여 실험하였다.
- 진공압력을 550 mmHg를 유지하여 TTF와 같은 방법으로 실험하였다. 여액의 양이 분당 1ml 이하이거나 진공도가 깨질 때까지 시간을 측정하였으며18) 여과비저항계수값은 Carman-Kozney의 이론을 이용하여 산출하였다.19) 또한 이때 여액의 점도는 물의 점도와 같다고 가정하였다.
성능/효과
- 1) 무기개량제를 이용하여 탈수성을 평가한 결과 TTF 실험은 소화슬러지에서 40 sec, 농축슬러지에서 39 sec까지 개선되었으며 SRF 실험 결과 소화슬러지에서 3.43 × 1012m/kg, 농축슬러지에서 1.90 × 1012m/kg까지 개선되었다.
- 11) 무기개량제를 이용한 슬러지 개량 후 SRF 실험 시 발생하는 슬러지 cake의 함수율 측정결과 주입량이 증가할수록 감소하였는데 이러한 이유로는 탈수 cake를 다공질화시키고 나노입자로 구성된 무기개량제가 자유수와 표면수를 제외한 공극수와 부착수까지 영향을 미쳐 슬러지 내수분의 제거로 인한 것으로 판단된다.
- 2) 무기개량제를 이용하였을 경우 여액의 탁도는 소화슬러지와 농축슬러지에서 각각 31.1 NTU, 27.1 NTU까지 개선되었으며, TS 함량은 소화슬러지에서 10.41 kg/m3, 농축슬러지에서 10.67 kg/m3로 주입량이 늘어날수록 증가하였고 VS/TS비는 감소하였다.
- 또한 TS함량이 증가하면 한 공극에 훨씬 많은 입자가 동시에 도착하여 다공성 케이크가 형성되어 탈수성을 향상시킨다 하였다.22) 일반적으로 여액의 탁도는 입자가 작아질수록 탈수성이 악화되지만 무기개량제의 주입량에 따라 SRF 실험 시 발생하는 탁도는 감소하였다. 이는 무기개량제의 주성분인 제올라이트와 황토 등의 흡착능에 의한 것으로 판단되며 특히 천연광물은 입자가 작을수록 비표면적이 넓어져 흡착능을 증가시킬 수 있는데23) 본 실험에 사용한 무기개량제는 2,000 mesh 이상의 미세한 입자로 분말화되어 미세입자의 흡착능을 증가시켜 여액의 탁도 개선효과를 가져온 것이라 판단된다.
- TS와 VS 측정 결과 무기개량제를 이용하였을 경우 무기성분의 증가로 인해 TS는 증가하였고 VS/TS는 감소를 하는 것으로 나타났다. 또한 TS함량이 증가하면 한 공극에 훨씬 많은 입자가 동시에 도착하여 다공성 케이크가 형성되어 탈수성을 향상시킨다 하였다.
- 6은 주입량에 따라 SRF 실험 후 여액의 탁도를 측정한 결과를 나타내었다. 개량 전 여액의 탁도는 소화슬러지와 농축슬러지에서 57.2 NTU, 66.2 NTU로 높게 측정되었으나 무기개량제를 이용하였을 경우 여액의 탁도는 소화슬러지에서 41.3~31.1 NTU, 농축슬러지에서 27.1~32.8 NTU로 유기고분자 계열 개량제에 비해 낮게 측정되었다. 탁도의 경우 주입량 증가에 따라 일정하게 감소하지는 않았으며 탁도만으로 슬러지 탈수성 평가에는 어려움이 있을 것으로 판단된다.
- 4는 주입량에 따른 TS 변화를 나타내었다. 개량전 소화슬러지의 TS는 9.25 kg/m3, VS/TS는 67.34%로 조사되었고 농축슬러지의 TS는 9.44 kg/m3, VS/TS는 65.04%로 조사되었다. 무기개량제의 경우 소화슬러지와 농축슬러지에서 각각 10.
- 양이온계 개량제는 소화 슬러지에서 양이온계 개량제 5 ml/L-sludge 주입 이후 17 sec로 여과시간은 크게 감소하였다. 또한 농축 슬러지에서도 15~36 sec로 주입량 증가에 따라 감소하였으며, 음이온계 개량제와 비이온계 개량제를 사용하였을 경우 무기개량제와 양이온계 개량제보다 소화슬러지와 농축슬러지에서 개선효과가 낮게 측정되었다.
- 개량 전 슬러지의 TTF는 소화슬러지와 농축슬러지에서 각각 90 sec, 103 sec로 측정되었다. 무기개량제를 사용하였을 경우 주입량이 증가함에 따라 소화슬러지에서 40~54 sec로 주입량이 25 ml/ L-sludge일때 40 sec로 가장 낮게 측정되었으며, 농축 슬러지에서는 주입량이 25 ml/L-sludge에서 39 sec로 가장 낮게 측정되어 개량 전에 비해 여과시간이 감소하는 것으로 조사되었다. 양이온계 개량제는 소화 슬러지에서 양이온계 개량제 5 ml/L-sludge 주입 이후 17 sec로 여과시간은 크게 감소하였다.
- 물리적 방법으로 초음파를 이용하여4) 슬러지의 탈수특성 연구는 초음파 자체만으로는 슬러지 처리에 저해를 받는 것으로 나타났고 폐굴껍질과 황토, 소각재 등을 이용하여 슬러지 탈수의 개선효과를 확인하였다.5-7) 또한 화학적 방법으로 처리장에서 대부분 사용하고 있는 유기고분자 응집제와 금속염 응집제, 차아염소산과 철염을 이용하여 슬러지 탈수성을 평가하여 개선효과를 확인하였다.
- 주입량에 따른 소화슬러지와 농축슬러지의 함수율 측정 결과 개량하지 않은 슬러지의 함수율은 각각 87.9%, 88.9%로 측정되었고, 무기개량제를 사용하였을 경우 소화슬러지에서 83.9~85.2%로 감소하였으며 주입량이 25 ml/L-sludge일 때 83.9%로 가장 낮게 측정되었고 농축슬러지에서도 주입량이 증가함에 따라 함수율은 낮아졌으며 주입량이 25 ml/L-sludge일때 82.6%로 가장 낮게 측정되었다. 양이온계 개량제를 사용하였을 경우 소화슬러지에서 82.
후속연구
- 12) 김 등(2008)은 아크릴아미드가 인체상피세포의 발암화에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였으며 인체세포독성을 평가한 결과 100 µM까지 뚜렷한 독성이 나타나지는 않았지만 발암성이 있음을 확인하였다.13) 따라서 아크릴아미드를 함유하고 있는 유기고분자 응집제를 대체할 수 있는 보다 안전성이 높은 소재의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
- 그러나 슬러지 탈수는 슬러지의 특성과 후속처리, 즉 탈수방법에 따라 많은 차이점을 가지고 있어 적용방법 및 슬러지 종류에 따른 후속연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 유기고분자 응집제를 이용한 탈수 cake의 재활용 시 환경보건적인 측면을 고려하여 탈수 cake의 안전성과 함유물질에 대한 관심과 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 또한 무기개량제는 2,000 mesh의 미세한 입자로 인해 표면적이 넓어짐으로써 슬러지와의 흡착능의 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.21) 실험은 증류수를 이용하여 응집제함량이 0.
- 그러나 슬러지 탈수는 슬러지의 특성과 후속처리, 즉 탈수방법에 따라 많은 차이점을 가지고 있어 적용방법 및 슬러지 종류에 따른 후속연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 유기고분자 응집제를 이용한 탈수 cake의 재활용 시 환경보건적인 측면을 고려하여 탈수 cake의 안전성과 함유물질에 대한 관심과 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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