[논문]수열탄화를 이용한 하수 슬러지의 고형연료화 및 에너지 회수 효율

김대기; 이관용; 박기영

doi:10.11001/jksww.2015.29.1.057

수열탄화를 이용한 하수 슬러지의 고형연료화 및 에너지 회수 효율
Hydrothermal carbonization of sewage sludge for solid recovered fuel and energy recovery 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.1, 2015년, pp.57 - 63

김대기 (건국대학교 사회환경시스템공학과) , 이관용 (건국대학교 사회환경시스템공학과) , 박기영 (건국대학교 사회환경시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, Korea's municipal wastewater treatment plants generated amount of wastewater sludge per day. However, ocean dumping of sewage sludge has been prohibited since 2012 by the London dumping convention and protocol and thus removal or treatment of wastewater sludge from field sites is an important issue on the ground site. The hydrothermal carbonization is one of attractive thermo-chemical method to upgrade sewage sludge to produce solid fuel with benefit method from the use of no chemical catalytic. Hydrothermal carbonization improved that the upgrading fuel properties and increased materials and energy recovery, which is conducted at temperatures ranging from 200 to $350^{\circ}C$ with a reaction time of 30 min. Hydrothermal carbonization increased the heating value though the increase of the carbon and fixed carbon content of solid fuel due to dehydration and decarboxylation reaction. Therefore, after the hydrothermal carbonization, the H/C and O/C ratios decreased because of the chemical conversion. Energy retention efficiency suggest that the optimum temperature of hydrothermal carbonization to produce more energy-rich solid fuel is approximately $200^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 수열처리를 이용하여, 하수처리 시설에서 발생하는 생슬러지(Primary sludge, PS)와 폐활성 슬러지(Waste activated sludge, WAS)를 수열탄화 조건 200~350˚C 조건에서의 연료화 특성 변화 및 유기물 회수 효율에 관한 평가를 하였다.
본 연구에서는 수열탄화를 이용한 하수 슬러지의 고형연료화를 진행하였으며, 생슬러지와 폐활성슬러지를 적용하여 슬러지의 특성에 따른 수열탄화물 연료 특성 및 회수 효율에 대해 평가하였다. 수열탄화처리를 통해 슬러지의 연료 특성이 개선되는 결과를 얻었으며, 슬러지의 특성에 따라 탄화 및 열분해의 조건을 알 수 있었다.
이번 연구에서는 열화학적 처리(Thermo-Chemical treatment) 중 무촉매 반응 기반으로 물을 이용한 고온고압의 수열처리(Hydrothermal carbonization)을 통해 슬러지의 질적 개선, 연료화 효율 향상을 위한 연구를 진행하였다. 수열탄화는 고온과 고압을 이용하여 아임계수(Subcritical water)의 조건을 이용하여 유기물의 분해 및 탄화를 진행하여 빠른 시간에 다른 촉매 없이 진행된다는 장점이 있다.

제안 방법

Energetic retention efficiency 와 Energy densification은 수열처리의 효율적인 처리 온도를 제시하고, 에너지원 회수 효율에 대해 나타냈다(Fig. 6). 수열처리 후에 Energy densification는 높아 졌음을 보인다.
반응기의 크기는 1000ml의 용량이며, 실험에는 샘플 300ml와 동일한 양의 물을 첨가하여 실험을 실시하였다. 반은 온도는 200˚C에서 350˚C까지 50˚C간격으로 변화를 주며 실험을 실시하였으며, 반응 시간은 목표 온도에 도달 후 30분으로 하였다. 반응 후, 스팀을 제거하고 얻어진 결과물을 전량 수거하여 발생량 및 특성을 분석하여 비교하였다.
반은 온도는 200˚C에서 350˚C까지 50˚C간격으로 변화를 주며 실험을 실시하였으며, 반응 시간은 목표 온도에 도달 후 30분으로 하였다. 반응 후, 스팀을 제거하고 얻어진 결과물을 전량 수거하여 발생량 및 특성을 분석하여 비교하였다.
수열처리가 끝난 후, 얻어진 샘플을 105±5˚C 건조한 후 250μm이하로 미분하여 공업 분석 및 원소 분석을 실시하였다.
수열탄화의 효율성 및 자원 회수에 대한 평가를 위해 Table 2의 식들을 이용하여 슬러지의 수열처리 효율을 평가하였다. 슬러지의 유기물(Organic material) 중의 탄소와 고정탄소의 회수 효율에 평가를 Table 5와 Fig.
수열처리가 끝난 후, 얻어진 샘플을 105±5˚C 건조한 후 250μm이하로 미분하여 공업 분석 및 원소 분석을 실시하였다. 원소분석은 PerkinElmer 2400 Series II CHN organic elemental analyzer(PerkinElmer, Waltham, MA, USA)을 이용하여 각 원소별 무게기준 비율로 분석하였으며, 공업분석은 SHIMADZU D-50 simultaneous TGA/DTA analyzer을 이용하여 ASTM에 따라 무게 비율로 분석하였다. 발열량 분석은 건조된 시료를 이용하여 IKA Calorimeter System C 5000을 이용하여 분석하였으며, 그 방법은 EPA-Method 5050 (Calorimetric standard method)을 따라 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 하수슬러지는 I 시 하수종말처리장에서 발생되는 슬러지 중 생슬러지(PS)와 폐활성 슬러지(WAS)를 이용하였으며, 생슬러지의 경우는 평균 함수량이 93%, 폐활성 슬러지는 88%였다. 두 슬러지의 화학적 특성은 Table 1과 같다.
4의 Van Krevelen diagram은 Atomic O/C ratio와 Atomic H/C ratio를 비교하여, 수열탄화를 통해 얼마나 석탄화(Coalification)가 일어났는지를 상대적으로 나타냈다. 수열탄화를 통한 슬러지의 Char와 비교하기 위해 실제 사용되는 석탄인 무연탄(Anthracite), 역청탄(Bituminous), 아역청탄(Sub-bituminous) 그리고 저질석탄인 갈탄(Lignite)의 위치를 표시하였다. 수열탄화반응이 일어남에 따라 O/H ratio와 H/C ratio의 감소를 볼 수 있다.

이론/모형

원소분석은 PerkinElmer 2400 Series II CHN organic elemental analyzer(PerkinElmer, Waltham, MA, USA)을 이용하여 각 원소별 무게기준 비율로 분석하였으며, 공업분석은 SHIMADZU D-50 simultaneous TGA/DTA analyzer을 이용하여 ASTM에 따라 무게 비율로 분석하였다. 발열량 분석은 건조된 시료를 이용하여 IKA Calorimeter System C 5000을 이용하여 분석하였으며, 그 방법은 EPA-Method 5050 (Calorimetric standard method)을 따라 실시하였다.

성능/효과

Energetic retention efficiency 결과는 수열탄화의 효율적인 처리 온도를 제시할것으로 판단되며, 생슬러지의 경우는 가장 높은 Energetic retention efficiency는 200˚C에서 이며 폐활성슬러지는 250˚C 정도에서로 보인다. 슬러지의 고형연료화를 위해 수열탄화를 이용할 경우, 슬러지의 특성에 맞는 온도 조건이 필요하며 열분해 온도보다 낮은 온도에서 가장 높은 회수효율과 높은 연료 특성을 나타내는 것으로 판단된다.
수열탄화를 통한 슬러지의 화학적 특성변화는 결과적으로 고위 발열량(High heating value, HHV) 의 증가와 비례하는 결과를 얻었다. Fig. 3의 결과와 같이, 수열탄화 후 HHV는 증가하는 결과를 보였으며, 생슬러지의 경우는 탄소함량의 변화와 비슷한 결과인 200˚C까지 증가한 이후 떨어지는 결과를 보였으며 폐활성 슬러지의 경우는 250˚C까지 증가하다 이후 낮아지는 결과를 보였다. HHV improvement를 계산한 결과(Fig.
3의 결과와 같이, 수열탄화 후 HHV는 증가하는 결과를 보였으며, 생슬러지의 경우는 탄소함량의 변화와 비슷한 결과인 200˚C까지 증가한 이후 떨어지는 결과를 보였으며 폐활성 슬러지의 경우는 250˚C까지 증가하다 이후 낮아지는 결과를 보였다. HHV improvement를 계산한 결과(Fig. 3), 생슬러지의 경우는 200˚C에서 가장 높은 결과를 보였으며, 폐활성 슬러지의 경우는 250˚C에서 가장 높은 결과를 보였다. 이는 슬러지의 유기물의 특성이 온도에 따른 분해 특성의 차이에 의한 것으로 보인다.
5에 나타내었다. 고정탄소 회수 효율의 경우, 생슬러지는 200˚C에서 가장 높은 1.03이 였으며 폐활성슬러지는 250˚C에서 1.49의 결과를 보였다. 탄소 회수 효율에서도 비슷한 경향을 보였다.
폐활성슬러지의 경우는 250˚C까지는 탄소 함량이 높아졌으며, 이후 낮아지는 결과를 보였다. 또한 공업분석 결과를 이용하여 Fuel ratio (=fixed carbon/volatile matter) 결과, 탄화 전에는 모두 0.11이었으나 처리 후에는 증가함을 보였다. 생슬러지의 경우는 0.
수열 탄화 후, 탄소(C)의 함량이 높아짐을 볼수 있었다. 또한, 연료로서의 평가 기준(Jenkins et al, 1998; Guo et al, 1999)이 될 수 있는 고정탄소 (Fixed carbon) 함량도 높아지는 결과를 보였다(Fig. 2). 슬러지의 종류에 따라서는 생슬러지의 경우는 200˚C에서 가장 좋은 결과를 보였으며, 이후 높은 온도에서는 탄소 함량이 낮아지는 결과를 보였다.
탄소 회수 효율에서도 비슷한 경향을 보였다. 생슬러지는 200˚C에서 폐활성슬러지는 250˚C에서 가장 높은 결과를 보였다. 열분해 온도에 따라 효율의 변화를 보여주었으며, 수열탄화의 석탄화 반응에서 나타낸 것과 같이 유기물의 특성에 따라 열분해 온도의 차이에 따라 각각 다른 결과를 보였다.
생슬러지와 폐활성슬러지의 결과를 비교해보면 슬러지에 따라 열분해 온도의 차이가 있음을 알 수 있었다. 기존의 폐활성 슬러지를 이용한 수열탄화 연구 (Kim et al.
11이었으나 처리 후에는 증가함을 보였다. 생슬러지의 경우는 0.15, 0.21로 증가하는 결과를 보였으며, 폐활성슬러지는 0.15, 0.23 으로 증가하였다가 300˚C 이상에서 0.21로 약간 낮아지는 결과를 보였다. 이는 수열탄화를 통해, 슬러지를 처리함에 따라 연료 특성이 개선되었음을 보여주는 지표가 될 수 있다.
수열탄화를 통한 슬러지의 화학적 특성변화는 결과적으로 고위 발열량(High heating value, HHV) 의 증가와 비례하는 결과를 얻었다. Fig.
, 2013). 수열탄화를 통해 하수 슬러지의 재생에너지로서 향상 및 자원회수에 대한 개선이 이루어졌음을 설명하였다.
이를 통해 탄소 회수 효수율 또한 증가한 결과를 얻었다. 수열탄화의 적정 처리 온도는 Energetic retention efficiency의 결과를 통해 제시하였으며, 슬러지는 열분해 온도보다 낮으며 높은 Energetic retention efficiency를 나타내는 200~250˚C가 적정 수열탄화 온도 범위로 보인다. 하수 슬러지의 효율적인 고형연료의 생산 및 개선을 위해서 수열탄화처리는 효율적인 처리 방식으로 판단된다.
본 연구에서는 수열탄화를 이용한 하수 슬러지의 고형연료화를 진행하였으며, 생슬러지와 폐활성슬러지를 적용하여 슬러지의 특성에 따른 수열탄화물 연료 특성 및 회수 효율에 대해 평가하였다. 수열탄화처리를 통해 슬러지의 연료 특성이 개선되는 결과를 얻었으며, 슬러지의 특성에 따라 탄화 및 열분해의 조건을 알 수 있었다. 이번 연구에서 적용한 생슬러지와 폐활성슬러지를 적용 온도 250˚C와 300˚C 이하에서 처리하였을 때 탄소 함량 및 고정탄소 함량을 증가하였으며, 결론적으로 연료로서의 가치의 척도인 발열량 또한 증가하였다.
2). 슬러지의 종류에 따라서는 생슬러지의 경우는 200˚C에서 가장 좋은 결과를 보였으며, 이후 높은 온도에서는 탄소 함량이 낮아지는 결과를 보였다. 폐활성슬러지의 경우는 250˚C까지는 탄소 함량이 높아졌으며, 이후 낮아지는 결과를 보였다.
생슬러지는 200˚C에서 폐활성슬러지는 250˚C에서 가장 높은 결과를 보였다. 열분해 온도에 따라 효율의 변화를 보여주었으며, 수열탄화의 석탄화 반응에서 나타낸 것과 같이 유기물의 특성에 따라 열분해 온도의 차이에 따라 각각 다른 결과를 보였다.
수열탄화처리를 통해 슬러지의 연료 특성이 개선되는 결과를 얻었으며, 슬러지의 특성에 따라 탄화 및 열분해의 조건을 알 수 있었다. 이번 연구에서 적용한 생슬러지와 폐활성슬러지를 적용 온도 250˚C와 300˚C 이하에서 처리하였을 때 탄소 함량 및 고정탄소 함량을 증가하였으며, 결론적으로 연료로서의 가치의 척도인 발열량 또한 증가하였다. 이를 통해 탄소 회수 효수율 또한 증가한 결과를 얻었다.
수열탄화를 통한 잠재적 NOx 및 SOx의 저감 효과를 보일 것으로 보인다. 즉, 원소 분석 결과 두 종류슬러지 모두에서 질소(N)와 황(S)의 함량이 낮아지는 결과를 보였다. 이는 유기성 질소의 경우, 조건 온도에서 분해되어 스팀 또는 가스 상으로 배출되었을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하수슬러지 연료화 및 재활용 방안은 대표적으로 무엇들이 있는가?	이러한 하수슬러지 연료화 및 재활용 방안은 지속적으로 연구가 진행되고 있으며, 대표적으로 다음과 같이 분류 할 수 있다. 생물학적 처리(Biological treatment)를 통한 바이오가스(Biogas) 또는 바이오오일(Bio-oil)생산, 화학적 처리를 통한 바이오오일 생산, 열적 처리(Thermal treatment)를 통한 가스화(gasification, syngas) 및 고형연료화(carbonization) 등으로 있다(Tyagi and Lo, 2013; Manara and Zabaniotou, 2012).
	수열탄화의 장점은 무엇인가?	이번 연구에서는 열화학적 처리(Thermo-Chemical treatment) 중 무촉매 반응 기반으로 물을 이용한 고온고압의 수열처리(Hydrothermal carbonization)을 통해 슬러지의 질적 개선, 연료화 효율 향상을 위한 연구를 진행하였다. 수열탄화는 고온과 고압을 이용하여 아임계수(Subcritical water)의 조건을 이용하여 유기물의 분해 및 탄화를 진행하여 빠른 시간에 다른 촉매 없이 진행된다는 장점이 있다. 또한 기존의 탄화(Carbonization)의 조건인 400~500˚C보다 낮은 온도인 약 200˚C정도에서 이루어진다.
	하수슬러지가 건조 및 처리에 필요한 전처리 비용이 상당이 높은 이유는?	, 2013), 현재 건설되어 있는 소각로에 혼합 소각을 하기 위해서는 소각로내의 온도를 유지하면서 적정 소각이 가능하도록 하수슬러지를 투입하여야 하는 문제가 제기 되고 있다. 또한, 하수슬러지는 건조 중량 기준으로 유기물 함량은 높은데 반해, 수분함량이 약 85~95%에 달하고 있어 건조 및 처리에 필요한 전처리의 비용이 상당이 높은 것으로 평가되고 있다. 이러한 하수 슬러지를 건조 후 바로 소각을 실시할 경우, 소각로 운전 변수로 작용할 우려가 높으며, 소각로 적정 온도 제어의 문제와 함께 미연분이 다량 발생할 우려가 있어, 폐기물 관리법상에 규정에 있는 바닥재의 강열감량이 5%이하를 만족하기도 어렵게 된다(MOE, 2012; Cho et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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