[논문]습식 사이클론을 이용한 하수슬러지내 무기성분 및 MAP 분리

이동우; 배강형; 조건상; 김성홍

doi:10.11001/jksww.2014.28.1.135

습식 사이클론을 이용한 하수슬러지내 무기성분 및 MAP 분리
Separation of Inorganic Sludge and MAP from Municipal Wastewater Sludge Using Hydrocyclone 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.28 no.1, 2014년, pp.135 - 142

이동우 (뉴엔텍(주) 환경기술연구소) , 배강형 (뉴엔텍(주) 환경기술연구소) , 조건상 (뉴엔텍(주) 환경기술연구소) , 김성홍 (조선대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of inorganic sludge separation system is evaluated. Anaerobic digester effluent sludge is used for feed sludge of this system and hydrocyclone is used for inorganic sludge separation. For phosphorus removal and recovery $MgCl_2$ is pumped into MAP growth tank, a component of inorganic sludge separation system. Using this system inorganic sludge which contained less than 40 % of organic matter can be discharged stably and the maximum amount of separated inorganic sludge is 13.4 % of influent sludge based on dry solid. The amount of phosphorus recovered as MAP(as P) is 16.7 % to influent T-P.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 하수슬러지에서 직매립이 가능한 무기성 슬러지를 별도로 배출시킬 수 있는 방안과 MAP 반응을 통해 반류수에 함유된 인을 저감시킴과 동시에 유용자원인 인을 회수하는 방안에 대해 연구를 수행하였다.
26을 사용하여 Lab scale 장치의 실험값과 비교한 결과 CFD의 입자추적 모의 결과는 실측값보다 낮으나, 수면적 부하율 증가에 대한 처리효율 감소 경향은 유사하여 사이클론 설계 이전 구조변화에 따른 효율예측을 평가하는데 CFD모의 기법이 활용될 수 있다고 판단하였다. 본 연구에서는 CFD해석기법을 사용한 모래입자 입경별 분리효율 모의를 통해 실험에 사용된 습식 사이클론의 기본적 성능을 평가하였으며, 이를 통해 향후 실규모로 확장 적용 시 사이클론 설계 및 선정을 위한 기초자료가 될 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 MgCl₂ 수용액 주입에 따른 MAP 생성을 유도함과 동시에 습식 사이클론을 이용하여 MAP를 포함한 슬러지내 무기성분을 별도로 분리코자 하였다. 습식 사이클론은 가장 일반적인 산업용 습식 분리장치로서 기계적 구동부분이 전혀 없는 침전형 분별기로 사이클론의 분리효율은 형상과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다(Kawatra 등, 1996).

제안 방법

MAP 성장조에는 유입 PO4-P 대비 몰비 2 ~ 4배의 MgCl2 를 주입하여 MAP 반응을 통한 인제거를 수행하였다.
유입 슬러지는 1시간 주기로 유입 저류조(feed tank)에서 MAP 성장조로 공급되고 MAP 성장조에서 유출된 슬러지는 MAP 저류조로 이송된다. MAP 저류조 슬러지는 습식 사이클론을 거쳐 무기성 슬러지는 습식 사이클론 하부(Apex)에서 분리 배출되고, 무기성분이 제거된 슬러지는 후속 공정인 호기성 소화조로 공급되어 슬러지 감량이 진행되도록 공정을 구성하였다. 습식 사이클론 펌프는 MAP 저류조에 설치된 레벨 스 위치와 연동되어 일정수위에 도달하면 자동으로 운전되며 분리된 무기성 슬러지는 MAP 성장조에 축적되도록 하였다.
분리 슬러지에 함유된 MAP 성분을 확인하기 위해 분리 슬러지에 대한 용출실험을 수행하였다. 실험에 사용된 분리 슬러지의 성상을 Table 6에 제시하였다.
무기슬러지 인발은 VS 함량이 40 % 이하가 될 수 있도록 인발주기를 조정하며 간헐적으로 수행되었다. 산기방식에 의한 교반이 수행된 MAP 성장조의 하부에 비중이 큰 무기성분의 침적이 일부 발생되는 것이 관찰되어 무기슬러지 인발시에는 습식 사이클론 펌프를 MAP 성장조 하부로 연결시켜 침적된 무 기성분이 인발될 수 있도록 하였다. 습식 사이클론 하부를 통해 무기슬러지 인발이 진행되는 동안에는 습식 사이클론을 거친 상부 월류 슬러지는 다시 MAP 성장조로 순환시켰으며 목표한 습식 사이클론 하부 인발량에 도달되면 다시 정상적인 자동운전 조건으로 전환시켰다.
MAP 저류조 슬러지는 습식 사이클론을 거쳐 무기성 슬러지는 습식 사이클론 하부(Apex)에서 분리 배출되고, 무기성분이 제거된 슬러지는 후속 공정인 호기성 소화조로 공급되어 슬러지 감량이 진행되도록 공정을 구성하였다. 습식 사이클론 펌프는 MAP 저류조에 설치된 레벨 스 위치와 연동되어 일정수위에 도달하면 자동으로 운전되며 분리된 무기성 슬러지는 MAP 성장조에 축적되도록 하였다. 무기슬러지 인발은 VS 함량이 40 % 이하가 될 수 있도록 인발주기를 조정하며 간헐적으로 수행되었다.
습식 사이클론의 형상은 보다 효율적인 것으로 평가된 경사면 접선공급(Ramped)방식으로 모래 입자(비중 2,645 kg/m3)에 대하여 1 ∼ 500 ㎛의 입자사이즈 중 10개에 대해 고형물을 유입 시킨 후 정상상태 모의를 수행하였다.
실험에 사용된 분리 슬러지의 성상을 Table 6에 제시하였다. 용출실험은 분리 슬러지를 100 배 희석한 후 황산(0.25 %)을 주입하여 시간에 따른 농도 변화를 분석하는 방식으로 수행되었다. 실험조건은 Table 7과 같고 실험 결과는 Fig.

대상 데이터

실험에 사용된 무기슬러지 분리장치는 가용화 설비를 겸비한 5 m³ 규모의 파일롯 호기성 소화 장치 전단에 설치하였으며 설비 개요는 다음 표 및 그림과 같다.
실험에 사용된 슬러지는 경기도 소재 N물재생센터 혐기성 소화슬러지를 사용하였으며 슬러지 성상은 다음의 표와 같다.
파일롯 시설에 적용된 습식 사이클론은 내경 96 mm, 높이 630 mm이고, 습식 사이클론에서의 압력손실은 2 kg/cm²을 적용하였으며 이때 습식 사이클론 처리유량은 평균 3.9 m³/hr로 운전되었다. MAP 성장조에는 유입 PO₄-P 대비 몰비 2 ~ 4배의 MgCl₂ 를 주입하여 MAP 반응을 통한 인제거를 수행하였다.

데이터처리

습식 사이클론의 제작을 위한 방법으로 상용 CFD 프로그램인 ANSYS fluent v.13.0 을 이 용한 전산유체해석을 수행하였다. 습식 사이클론의 형상은 보다 효율적인 것으로 평가된 경사면 접선공급(Ramped)방식으로 모래 입자(비중 2,645 kg/m³)에 대하여 1 ∼ 500 ㎛의 입자사이즈 중 10개에 대해 고형물을 유입 시킨 후 정상상태 모의를 수행하였다.

성능/효과

7 %의 인성분이 MAP로 회수될 수 있는 것으 로 평가된다. MAP 생성이 PO4 -P와의 결합을 통해서만 생성될 수 있다는 점과 유입 PO4 -P가 유입 T-P 대비 평균 9.0 %인데 반해 16.7 %가 회수된 점을 고려할 때 혐기성 소화슬러지에 이 미 상당량의 MAP 성분이 존재하고 있는 것으로 추정할 수 있다.
MgCl₂는 8월 11일 ~ 8월 25일 기간에는 유입 PO₄ -P 대비 2몰을 주입하였고, 8월 26일 ~ 10월 2일 기간에는 4몰을 주입하여 주입률에 따른 처리효율 변화를 확인하였다. MgCl2 2몰 주 입시 MAP 성장조 PO4 -P 농도는 9.87 mg/L 로 65.4 %의 제거율을 보였으며, MgCl2 4몰 주 입시 MAP 성장조 PO4 -P 농도는 5.45 mg/L 로 77.7 %의 제거율을 보였다. MAP 성장조 후 단에 설치된 호기소화조는 포기 영역과 비포기 영역으로 분리되어있고, 비포기 영역으로 슬러 지 반송이 이루어지도록 구성되어 있어 생물학적 인제거 반응을 통한 추가적인 인제거가 가능 하다.
25 %로 모래제거효율 이 급격히 증가되었다. No.1, No.2를 이용한 실제 운전결과 분리슬러지의 유기성분함량이 50 %이상으로 본래 의도한 40 %이하를 만족시킬 수 없었으며 본 논문에 제시된 실험결과는 No.3 을 이용하여 실험한 결과이다.
7 mgP가 된다. 따라서, 운 전기간 V에서의 평균 유입 T-P 381 mg/L 대비 16.7 %의 인성분이 MAP로 회수될 수 있는 것으 로 평가된다. MAP 생성이 PO4 -P와의 결합을 통해서만 생성될 수 있다는 점과 유입 PO4 -P가 유입 T-P 대비 평균 9.
MAP 성장조 후 단에 설치된 호기소화조는 포기 영역과 비포기 영역으로 분리되어있고, 비포기 영역으로 슬러 지 반송이 이루어지도록 구성되어 있어 생물학적 인제거 반응을 통한 추가적인 인제거가 가능 하다. 따라서, 후속 공정인 호기소화조를 거친 슬러지의 PO4 -P 농도는 2몰 및 4몰 주입률에서 각각 5.1 mg/L, 3.2 mg/L로 감소하였으며 전체적인 PO4 -P 제거율은 각각 82 % 및 87 % 로 증가하였다.
무기슬러지 분리장치 구성요소인 MAP 성장 조에 MgCl2 를 투입한 결과, 유입 PO4 -P 대비 2몰 주입시 MAP 성장조에서의 평균 PO4 -P는 9.87 mg/L로 65.4 %의 제거율을 보였고, 4몰 주입시 5.45 mg/L로 처리되어 77.7 %의 제거 율을 보였다.
무기슬러지 분리장치 최적화 연구를 수행한 결과, 안정적인 무기슬러지 배출을 위해서는 무 기슬러지 인발주기와 습식 사이클론의 하부유량 제어가 매우 중요한 운전인자로 평가되었고, 인 발주기를 4일 이상으로 하고 습식 사이클론 처리 량 대비 하부유량 비율을 6.5 % 이하로 유지할 경우 유기물 함량 40 % 이하의 무기슬러지를 안 정적으로 배출할 수 있었으며, 무기슬러지 분리 량은 최적 운전조건에서 유입 고형물량(TS) 대 비 13.4 %(건량 기준) 인발이 가능하였다.
운전기간별 일평균 유입량 및 동기간 평균 슬러지 인발량을 Table 5에 제시하였다. 무기슬러지 분리장치의 인발조건에 따라 분리되는 슬러 지의 VS 함량이 달라졌으며 운전 최적화를 통해 운전기간 III 에서부터는 VS 함량 40 % 이하인 무기성 슬러지를 분리 배출할 수 있었으며, 분리 량은 운전기간 V에서 유입 고형물량(TS) 대비 최대 13.4 % 인발이 가능하였다.
습식 사이클론으로 분리된 무기슬러지에 함 유된 MAP 성분은 2,450 mg-P/L였으며, 평균 유입 T-P 381 mg/L 대비 16.7 %의 인성분을 MAP 형태로 회수할 수 있었다.
실험결과에서 보듯이 황산 주입량이 많을수록 용출속도가 빨라지는 것을 알 수 있으며, 황산 40 mL 주입한 Test #3의 경우 반응시간 30분 이내에 용출이 완료되었다. Test #3에서의 평균 PO₄ -P 및 NH₄ -N 농도는 각각 24.
5에 제시하였다. 유입 슬러지의 TS 농도는 2.03 ~ 2.61 %(평균 2.29 %)로 유입되었고, MAP 성장조 내부의 TS 농도는 1.98 ~ 2.71 %(평균 2.27 %)로 유지되었다.
무기슬러지 인발조건에 따른 분리슬러지 성상은 Table 4에서 보듯이 무기슬러지 인발주기 와 사이클론 하부 유출유량(Apex flow) 비율에 따라 큰 차이를 보였다. 인발주기가 길어질수록 그리고 사이클론 하부 유출유량 비율이 작아질 수록 분리슬러지의 TS 농도는 증가하고 유기물 함량은 감소하는 경향을 보였으며(Fig. 6, Fig. 7), 인발주기를 4일 이상으로 하고 습식 사이클 론 유입량 대비 습식 사이클론 하부 유출유량 비율을 6.5 % 이하로 유지할 경우 유기물 함량 40 % 이하의 무기슬러지를 안정적으로 배출할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 확인된 MAP 생성, 분리 기술과 용출 방법을 활용하면 고농도 하수 슬러지에서 MAP 성분을 선택적으로 회수할 수 있는 실용화 된 기술의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하수슬러지는 유기물 함량에 따라 무엇으로 구별되는가?	하수처리장에서 발생되는 하수슬러지는 유기물 함량에 따라 유기성 슬러지와 무기성 슬러지로 구별되며, 유기물 함량이 40 % 이하인 경우 무기성 슬러지로 분류되며 별도의 처리(대표적으로 고 화처리) 없이 함수율만 85 % 이하로 조정하면 직매립이 가능한 장점이 있다. 그러나, 하수처리장 에서 발생되는 하수슬러지의 유기물 함량은 50 ~ 80 % 수준으로 직매립하기에는 유기물 함량이 높고, 대체연료로 활용되기에는 발열량이 낮은 경우가 많아 고화처리 후 매립하는 방안이 증가하고 있는 실정이지만 고화처리에 높은 비용이 소요되고 폐기물의 부피와 중량이 증가하는 단점이 있어 이를 대체할 수 있는 효율적인 처리방안 개발이 요구된다.
	일차 슬러지에 습식 사이클론을 적용하는 경우 슬러지 농도에 따라 어느정도 입자크기까지 제거할 수 있는가?	습식 사이클론은 가장 일반적인 산업용 습식 분리장치로서 기계적 구 동부분이 전혀 없는 침전형 분별기로 사이클론 의 분리효율은 형상과 매우 밀접한 관계를 가지 고 있다(Kawatra 등, 1996). 일차 슬러지에 습 식 사이클론을 적용하는 경우 슬러지 농도 1 % 에서는 75 μm 그리트를 95 % 제거할 수 있으 나 농도가 3 %인 경우 제거할 수 있는 입자의 크 기는 210 μm로 증가한다. 그러나, 소화슬러지 는 점성이 낮고 섬유성 물질을 적게 함유하므로 3 ~ 4 %의 농도에서도 75 μm보다 큰 입자가 제거될 수 있는 것으로 알려져 있다(Metcalf & Eddy, 2005).
	혐기성 소화의 장단점은?	슬러지 감량 기술로 널리 적용되어 있는 혐기성 소화는 슬러지 감량과 동시에 유용한 에너지 자원인 바이오가스를 생산할 수 있는 장점이 있으나, 슬러지 감량효율에 한계가 있고 고농도의 반류수가 발생하는 단점을 지니고 있다. 특히, 인의 경우 수처리 과정에서 농축된 인이 혐기소화 과정에서 고농도로 방출되는 단점이 있어 수처리시설의 유입부하를 10 % 이상 증가시켜 수처리기능 악화를 유발하고 있어 별도의 반류수 처리시설 도입이 증가하고 있는 추세이다.

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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