지속적인 하수처리장 증설에 따른 하수 슬러지 발생량이 증가하고 있으나, 런던협약 발효에 의해 2012년부터 해양투기가 금지되어서 효과적인 슬러지 감량화 및 처분에 대한 기술 수요가 꾸준히 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 슬러지 처분법의 대안으로 전기분해를 활용한 슬러지 가용화 연구를 수행하였다. 전극은 티타늄 (Titanium)에 이리듐 (Iridium)을 코팅한 불용성 전극을 사용하여 직류전원 공급장치 (DC power supply)를 이용하였다. 전압은 20V로 고정하여 폐슬러지 가용화 실험을 수행하였다. 전기분해에 의해 처리된 슬러지의 여액을 분석한 결과 Soluble COD, TN, TP가 각각 151%, 22%, 6% 가량 증가하였다. 또한, 슬러지의 플록 크기가 전기분해 후에 0.1 ~ 1.0 ${\mu}m$ 영역에 있는 입자들이 다량 증가하였다. 이상의 결과는 전기분해에 의하여 미생물 세포가 파괴되어 세포 내 유기물질이 세포 밖으로 용출됨으로써 미생물이 이용 가능한 상태로 전환되었음을 의미한다. 이는 고도처리 공정에서 슬러지발생 저감과 함께 전기분해에 의해 가용화된 슬러지를 반송시킴으로써 외부 탄소원으로 활용할 수 있는 장점이 있다.
지속적인 하수처리장 증설에 따른 하수 슬러지 발생량이 증가하고 있으나, 런던협약 발효에 의해 2012년부터 해양투기가 금지되어서 효과적인 슬러지 감량화 및 처분에 대한 기술 수요가 꾸준히 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 슬러지 처분법의 대안으로 전기분해를 활용한 슬러지 가용화 연구를 수행하였다. 전극은 티타늄 (Titanium)에 이리듐 (Iridium)을 코팅한 불용성 전극을 사용하여 직류전원 공급장치 (DC power supply)를 이용하였다. 전압은 20V로 고정하여 폐슬러지 가용화 실험을 수행하였다. 전기분해에 의해 처리된 슬러지의 여액을 분석한 결과 Soluble COD, TN, TP가 각각 151%, 22%, 6% 가량 증가하였다. 또한, 슬러지의 플록 크기가 전기분해 후에 0.1 ~ 1.0 ${\mu}m$ 영역에 있는 입자들이 다량 증가하였다. 이상의 결과는 전기분해에 의하여 미생물 세포가 파괴되어 세포 내 유기물질이 세포 밖으로 용출됨으로써 미생물이 이용 가능한 상태로 전환되었음을 의미한다. 이는 고도처리 공정에서 슬러지발생 저감과 함께 전기분해에 의해 가용화된 슬러지를 반송시킴으로써 외부 탄소원으로 활용할 수 있는 장점이 있다.
Although sludge production has been increased due to the number of the wastewater treatment plants expanded, needs of the techniques for the sludge reduction and disposal has been issued importantly because the sludge dumping to ocean is prohibited from 2012 by the London Dumping Convention. Therefo...
Although sludge production has been increased due to the number of the wastewater treatment plants expanded, needs of the techniques for the sludge reduction and disposal has been issued importantly because the sludge dumping to ocean is prohibited from 2012 by the London Dumping Convention. Therefore, the sludge solubilization using electrolysis as an alternative techniques for the sludge disposal was carried out in this study. Iridium coated titanium based insoluble electrodes were used and 20 volt was applied to the electrolysis reactor using DC power supply. Supernatants of the treated sludge was monitored: The soluble COD, TN, TP of it was increased to 151%, 22% and 6% respectively. And the sludge floc size distribution was changed, that is, the flocs ranged from 0.1 to 1.0 ${\mu}m$ were increased. All of these results indicate that the cells were lysed and the internal matters bursted out of the cell after electrolysis. As well as the reduction of the sludge production, the soluble organic matters from the cells could be used as an external carbon sources in the advanced wastewater treatment plants.
Although sludge production has been increased due to the number of the wastewater treatment plants expanded, needs of the techniques for the sludge reduction and disposal has been issued importantly because the sludge dumping to ocean is prohibited from 2012 by the London Dumping Convention. Therefore, the sludge solubilization using electrolysis as an alternative techniques for the sludge disposal was carried out in this study. Iridium coated titanium based insoluble electrodes were used and 20 volt was applied to the electrolysis reactor using DC power supply. Supernatants of the treated sludge was monitored: The soluble COD, TN, TP of it was increased to 151%, 22% and 6% respectively. And the sludge floc size distribution was changed, that is, the flocs ranged from 0.1 to 1.0 ${\mu}m$ were increased. All of these results indicate that the cells were lysed and the internal matters bursted out of the cell after electrolysis. As well as the reduction of the sludge production, the soluble organic matters from the cells could be used as an external carbon sources in the advanced wastewater treatment plants.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존의 슬러지 처분 방법을 보완하고자 전기분해 (Electrolysis)를 활용하여 슬러지 가용화 (solubilization)를 시도함으로써 슬러지 발생량을 저감시킬 수 있는 대안을 제시하기 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 전기분해에 의한 슬러지 가용화에 대한 연구를 수행하였다. 20 V의 전압을 가하여 20분 동안 활 성슬러지를 처리하고 여액을 분석한 결과 MLSS, MLVSS 감소하였고, Soluble COD, TN, TP와 전기전도도, pH와 전류는 모두 증가하였다.
본 연구에서는 전기분해에 의한 활성 슬러지의 가용화 효율을 알아보았다. 그림 4는 전기분해 전, 후의 활성슬러지의 SCOD, TN, TP 농도 변화를 나타내었다.
본 연구에서는 활성슬러지를 전기 분해함으로써 슬러지의 성상 변화를 파악하기 위하여 전기전도도, pH, 온도, 입자크기분포, TN, TP, COD, SS, VSS 등을 분석하였다. 전기분해에 의하여 처리된 활성슬러지는 GF/C 여과지로 여과한 여액을 사용하였다.
제안 방법
전극 사이 간격은 18 mm, 처리 시간은 20 min으로 하였다. 전극은 양극과 음극 모두 Ti/IrO2 의 mesh 형을 이용하여 총 전극 개수는 양극과 음극 각각 5개로 실험하였다.
전기 분해에 의하여 세포벽이 손상되고 세포내 물질이 용출되면서 변화된 활성슬러지의 입자크기 분포 변화를 측정하였다. 표 4는 전기분해 처리 전, 후의 입자의 평균 직경이다.
실험에 사용된 운전조건은 다음과 같다. 전압은 20 V 로 고정하고, 전기분해 실험이 진행되면서 변화하는 전류는 직류전원 공급장치를 통하여 5분마다 모니터링하였다. 전극 사이 간격은 18 mm, 처리 시간은 20 min으로 하였다.
활성슬러지의 배양은 8 L의 원통형 아크릴 반응조를 사용하여 SBR 공정으로 운전을 하였고 반응조의 용존산소 (DO, dissolved oxygen) 공급은 컴프레서 (compressor) 를 통해 나오는 압축공기를 다공성 산기관 (porous diffuser)으로 전달하여 2.0 L/min으로 공급을 하였으며, 이때 산기관을 통해 나오는 공기의 순환에 의해 반응조의 교반 및 용존산소 전달이 잘 이루어지도록 하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 활성슬러지는 슬러지 가용화 실험 전에 안정된 상태를 유지하기 위하여 3개월 동안 표 1에 나타낸 조성의 인공폐수로 순응시켜 실험에 사용하였다.
전극 재료로는 티타늄 (Ti, Titanium)에 이리듐 (Ir, Iridium)을 코팅하여 전극으로 사용하였으며 형태는 mesh형으로 제작, 사용하였다. 전극 크기는 90 mm(W) x 170 mm(L) x 1 mm(H)이다.
이론/모형
19)를 이용하였다. 그 외의 모든 항목은 Standard Method (APHA, 1995)에 준하여 측정하였다.
각 항목에 따른 분석방법 및 장치는 아래의 표 3에 나타내었다 [8]. 전기전도도 와 pH는 Conductivity meter와 pH meter를 사용하였으며, Particle size distribution는 Laser scattering method (Mastersizer S Ver.2.19)를 이용하였다. 그 외의 모든 항목은 Standard Method (APHA, 1995)에 준하여 측정하였다.
성능/효과
본 연구에서는 전기분해에 의한 슬러지 가용화에 대한 연구를 수행하였다. 20 V의 전압을 가하여 20분 동안 활 성슬러지를 처리하고 여액을 분석한 결과 MLSS, MLVSS 감소하였고, Soluble COD, TN, TP와 전기전도도, pH와 전류는 모두 증가하였다. 또한 입자크기 측정 결과 0.
이러한 결과는 그림 5와 6에 나타난 MLSS, MLVSS, MLVSS/MLSS 비율의 변화를 통해서도 확인할 수 있다. MLSS는 5,746 mg/L에서 4,387 mg/L로 감소하였고, MLVSS도 5,558 mg/L에서 4,367 mg/L로 감소하였다. 즉 세포가 가용화됨에 따라 슬러지의 MLSS, MLVSS는 감소한 반면에 세포 내의 유기성 물질이 모용액 (bulk solution)으로 용출됨에 따라 MLVSS/MLSS 비율은 0.
그림 4는 전기분해 전, 후의 활성슬러지의 SCOD, TN, TP 농도 변화를 나타내었다. SCOD 는 95 mg/L에서 239 mg/L로 가용화 효율이 151 % 증가하였고 TN은 48 mg/L에서 180 mg/L로, TP는 82 mg/L에 서 87mg/L로 각각 22 %와 6 % 증가하였다. 이는 전기분해에 따라 미생물 세포벽이 파괴되면서 세포 내의 물질이 용출되었기 때문으로 판단된다.
0 μm 영역에 있는 입자가 대폭 증가함을 확인하였다. 결국 활성슬러지 미생물이 가용화되었음을 확인할 수 있었다. 이는 전기분해에 의해 발생되는 산소나 하이포염소산과 같은 산화제에 의한 산화 메커니즘에 의해 미생물의 세포벽이 파괴되면서 세포내 물질이 용출 되었다고 판단된다.
이는 슬러지가 가용화됨에 따라 세포내부의 물질이 용출되어 전도성물질이 증가하여 전류가 증가한 것으로 판단된다. 따라서 전기전도도는 2.47 mS/cm에서 2.65 mS/cm로 증가하였고, pH도 동시에 증가함을 관찰할 수 있었다.
또한 입자크기 측정 결과 0.1 ~ 1.0 μm 영역에 있는 입자가 대폭 증가함을 확인하였다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 슬러지 가용화를 위한 전기분해 기술은 세포벽을 손상시켜 세포 내 물질을 용출 시키기에 매우 효과적인 기술임을 확인하였다.
전기분해가 진행됨에 따라 온도가 상승함을 관찰할 수 있었고 동시에 전류도 초기 5 A에서 20분 후 9 A로 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 슬러지가 가용화됨에 따라 세포내부의 물질이 용출되어 전도성물질이 증가하여 전류가 증가한 것으로 판단된다.
MLSS는 5,746 mg/L에서 4,387 mg/L로 감소하였고, MLVSS도 5,558 mg/L에서 4,367 mg/L로 감소하였다. 즉 세포가 가용화됨에 따라 슬러지의 MLSS, MLVSS는 감소한 반면에 세포 내의 유기성 물질이 모용액 (bulk solution)으로 용출됨에 따라 MLVSS/MLSS 비율은 0.967 에서 0.995로 다소 증가한 결과로 해석할 수 있다.
후속연구
이상의 결과는 국내 하·폐수의 낮은 C/N비 때문에 무산소조에 메탄올과 같은 외부 탄소원을 공급하는 대신에 별도의 탄소원 공급 없이 가용화된 슬러지를 반송시킴으로써 슬러지 저감에 따른 폐기 비용과 운전비용의 절감을 기대할 수 있어, 근본적인 슬러지 발생을 저감시킬 수 있는 대안으로 평가받을 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 어떻게 활성슬러지를 배양하였는가?
활성슬러지의 배양은 8 L의 원통형 아크릴 반응조를 사용하여 SBR 공정으로 운전을 하였고 반응조의 용존산소 (DO, dissolved oxygen) 공급은 컴프레서 (compressor) 를 통해 나오는 압축공기를 다공성 산기관 (porous diffuser)으로 전달하여 2.0 L/min으로 공급을 하였으며, 이때 산기관을 통해 나오는 공기의 순환에 의해 반응조 의 교반 및 용존산소 전달이 잘 이루어지도록 하였다.
본 연구에서 활성슬러지를 전기 분해함으로써 슬러지의 성상 변화를 파악하기 위해 무엇을 분석하였는가?
본 연구에서는 활성슬러지를 전기 분해함으로써 슬러지의 성상 변화를 파악하기 위하여 전기전도도, pH, 온도, 입자크기분포, TN, TP, COD, SS, VSS 등을 분석하였다. 전기분해에 의하여 처리된 활성슬러지는 GF/C 여과 지로 여과한 여액을 사용하였다.
전기분해 전, 후의 활성슬 러지의 SCOD, TN, TP 농도는 어떻게 변화하였는가?
그림 4는 전기분해 전, 후의 활성슬 러지의 SCOD, TN, TP 농도 변화를 나타내었다. SCOD 는 95 mg/L에서 239 mg/L로 가용화 효율이 151 % 증가하였고 TN은 48 mg/L에서 180 mg/L로, TP는 82 mg/L에 서 87mg/L로 각각 22 %와 6 % 증가하였다. 이는 전기분 해에 따라 미생물 세포벽이 파괴되면서 세포 내의 물질이 용출되었기 때문으로 판단된다.
참고문헌 (11)
환경부, 하수도 통계, 2008.
이채영 외, "하수슬러지의 초음파 전처리를 통한 가용화 및 혐기성 생분해도 향상", 유기성자원학회 논문지, 제16권, 제3호, pp. 83-90, 2008.
A.G. Vlyssides et al, "Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion", Bioresource Technology, 91, pp.201-206, 2004
양현상 외, "유산균 접종에 의한 하수 슬러지의 가용화", 한국미생물.생명공학회 논문지, 제36권, 제3호, pp. 233-239, 2008.
Peng Liang et al, "Excess sludge reduction in activated sludge process though predation of Aeolosoma hemprichi", Biochemical Engineering Journal, 28, pp. 117-122, 2006.
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