가축분뇨 슬러지는 유기물의 농도가 높고 일부 중금속이 높은 농도로 혼합되어 있어 해양에 배출될 경우 환경에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 본 연구에서는 가축분뇨 슬러지 처리에 열가수분해 기술을 적용하여 연료화 가능성을 판단하고 최적 운전조건을 도출하고자 하였다. 밀폐형 고압반응기를 사용하여 가축분뇨 슬러지를 $170{\sim}210^{\circ}C$까지 온도변화를 주면서 열가수분해 하였고, 반응 후 생성된 액상생성물과 탈수케이크의 분석을 실시하였다. 반응온도 $190^{\circ}C$로 운전하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 반응온도 $190^{\circ}C$일 때 고체생성물의 고위발열량은 5,050 kcal/kg, 저위발열량은 4,740 kcal/kg으로 연료로서 충분히 가치가 있는 것으로 판단되었다.
가축분뇨 슬러지는 유기물의 농도가 높고 일부 중금속이 높은 농도로 혼합되어 있어 해양에 배출될 경우 환경에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 본 연구에서는 가축분뇨 슬러지 처리에 열가수분해 기술을 적용하여 연료화 가능성을 판단하고 최적 운전조건을 도출하고자 하였다. 밀폐형 고압반응기를 사용하여 가축분뇨 슬러지를 $170{\sim}210^{\circ}C$까지 온도변화를 주면서 열가수분해 하였고, 반응 후 생성된 액상생성물과 탈수케이크의 분석을 실시하였다. 반응온도 $190^{\circ}C$로 운전하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 반응온도 $190^{\circ}C$일 때 고체생성물의 고위발열량은 5,050 kcal/kg, 저위발열량은 4,740 kcal/kg으로 연료로서 충분히 가치가 있는 것으로 판단되었다.
Livestock sludge contains high concentration of organic matter and some heavy metals. In case of discharging into the sea, it might have negative effects in the environment. In this study thermal hydrolysis reaction was applied for livestock sludge to determine the fuelization possibility and obtain...
Livestock sludge contains high concentration of organic matter and some heavy metals. In case of discharging into the sea, it might have negative effects in the environment. In this study thermal hydrolysis reaction was applied for livestock sludge to determine the fuelization possibility and obtain the best operation conditions. Livestock sludges were thermally hydrolyzed at temperature range $170{\sim}210^{\circ}C$ in sealed high-temperature reactors. Liquid products and dewatered cakes were analyzed. The operation at $190^{\circ}C$ was found to be best effective condition. High heating value and low heating value were 5,050 kcal/kg and 4,740 kcal/kg, respectively. Therefore, fuelization of livestock sludge using thermal hydrolysis reactor is found to be highly effective.
Livestock sludge contains high concentration of organic matter and some heavy metals. In case of discharging into the sea, it might have negative effects in the environment. In this study thermal hydrolysis reaction was applied for livestock sludge to determine the fuelization possibility and obtain the best operation conditions. Livestock sludges were thermally hydrolyzed at temperature range $170{\sim}210^{\circ}C$ in sealed high-temperature reactors. Liquid products and dewatered cakes were analyzed. The operation at $190^{\circ}C$ was found to be best effective condition. High heating value and low heating value were 5,050 kcal/kg and 4,740 kcal/kg, respectively. Therefore, fuelization of livestock sludge using thermal hydrolysis reactor is found to be highly effective.
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문제 정의
하지만, 가축분뇨 슬러지에 열가수분해 기술을 적용한 연구는 전무한 상황이다. 따라서 가축분뇨 슬러지 처리에 열가수분해 기술을 적용하여 최적 운전조건을 도출하고 연료화 가능성을 판단하고자 하였다.
제안 방법
10) 고체생성물의 특성과 연료화 가능성을 평가하기 위해 탈수가 가능한 반응온도 190 ℃ 이상의 탈수케이크에 대해 공업분석과 원소분석, 발열량 분석을 실시하였고, [Table 5]와 [Table 6]에 그 결과를 나타내었다.
경제성을 고려했을 때 190 ℃로 운전하는 것이 가장 효과적인 것으로 판단되며, 고형연료로 사용하기 위해서는 중금속 함량이 기준치 이상을 초과하지 않아야 하기 때문에 반응온도가 190℃인 탈수케이크에 대해 중금속 분석을 실시하였고, 그 결과를 [Table 7]에 나타내었다. 환경부가 2015년 중 입법 예고한 “가축분뇨 고체연료 시설의 설치 등에 관한 고시(안)”에 따르면, 가축분뇨 고체연료 기준은 저위발열량 3,000 kcal/kg 이상, 수분 함유량 20 % 이하, 회분 함유량 30 % 이하, 황분 함유량 2 % 이하, 수은 12.
운전에 총 소요된 시간은 승온시간 60분, 증기 투입시간 60분, 운전(반응)시간 30분, 감온⋅감압 시간 60분, 총 210분이었다. 문헌조사7)와 전차 연구를 통해 도출해 낸 열가수분해 최적 운전시간은 30분으로 운전시간을 길게 하면 열가수분해 효율이 증가되기는 하지만, 반응 시간이 증가할수록 투입되는 에너지의 양 또한 증가되고, 30분 이상이 되면 효율 증가도 미미한 것으로 나타나 경제성을 고려했을 때 최적 운전시간인 30분간 운전을 진행하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 슬러지는 충청남도 D 가축분뇨 처리시설에서 채취한 슬러지로 전처리 슬러지 케이크와 잉여슬러지 케이크를 처리시설에서 발생하는 비율과 동일하게 7:3으로 혼합하여 사용하였다. 혼합 슬러지의 함수율은 78 %였으며, 40 kg을 채취하여 실험 장치에 투입하였다.
실험에 사용된 열가수분해 설비는 증기를 생산하기 위한 스팀 보일러와 가수분해를 진행하는 반응기, 반응 후 고온의 반응물을 배출하기 위한 응축설비, 그리고 배출된 액상생성물을 탈수하기 위한 탈수기로 구성되어 있다. 반응의 효율을 높이기 위해 교반기에서 240rpm으로 교반을 하였으며, 열가수분해 반응 후 생성된 액상생성물은 필터프레스(filter-press) 탈수기로 탈수과정을 거친 후 탈수케이크와 탈리액으로 분리된다.
데이터처리
실험 후 발생된 액상생성물 및 탈리액의 특성을 분석하기 위하여 수질오염공정시험기준에 따라 수질분석을 실시하였다. 또한, 탈수과정 후 생성된 고체 생성물의 화학적 조성을 분석하기 위해 Elemental Analyzer(Flash EA 1112 series)를 이용하여 원소분석을 진행하였고, 연료로서의 가치를 평가하기 위해 KS E3709 규정에 근거하여 공업분석과 발열량을 측정하였으며, 환경 중 위해성을 평가하기 위하여 수질오염공정 시험기준에 따라 중금속 함량을 분석하였다.
이론/모형
실험 후 발생된 액상생성물 및 탈리액의 특성을 분석하기 위하여 수질오염공정시험기준에 따라 수질분석을 실시하였다. 또한, 탈수과정 후 생성된 고체 생성물의 화학적 조성을 분석하기 위해 Elemental Analyzer(Flash EA 1112 series)를 이용하여 원소분석을 진행하였고, 연료로서의 가치를 평가하기 위해 KS E3709 규정에 근거하여 공업분석과 발열량을 측정하였으며, 환경 중 위해성을 평가하기 위하여 수질오염공정 시험기준에 따라 중금속 함량을 분석하였다.
성능/효과
1. 밀폐형 고압반응기를 사용하여 가축분뇨 슬러지를 열가수분해 한 후 생성된 액상생성물의 수질분석 결과, 반응온도가 올라감에 따라 가용화율을 나타내는 대표적인 지표인 SCODcr, NH3-N의 농도가 각각 30 %, 49 %까지 증가하였으며, SS는 61 %까지 감소하는 등 용존성 물질이 증가하는 것을 확인하였다.
2. 열가수분해 반응온도 170 ℃, 180 ℃에서는 액상생성물이 탈수가 되지 않았으며, 190 ℃부터 탈수능을 저하시키는 EPS가 파괴되어 탈수가 가능하였다. 190 ℃가 탈수에 필요한 최소 반응 온도인 것으로 판단되었다.
3. 탈수케이크의 물리⋅화학적 특성 분석 결과 반응 온도별로 수분량과 회분량, 원소조성, 발열량에 큰 차이가 없었다.
4. 가축분뇨 슬러지의 열가수분해 최적운전 조건을 도출한 결과, 반응온도 190 ℃에서 운전하는 것이 가장 경제적이고 양질의 고형연료를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
6) 따라서 본 실험에서는 운전온도를 170 ℃에서 210 ℃까지 10 ℃ 단위로 변화를 주면서 최적온도를 찾고자 하였으며, 운전압력은 설정 운전온도 증가에 따라 12.72 ~ 22.20 kg/cm2 까지 증가되었다. 이때 반응기 내부의 압력은 슬러지의 부피증가로 인해 해당 온도의 포화수증기압보다 좀 더 높은 수증기압이 형성되게 된다.
반응온도 190 ℃일 때의 고위발열량은 5,050 kcal/kg, 저위발열량은 4,740 kcal/kg이었으며, 구리와 아연을 제외한 대부분의 중금속이 검출되지 않았다. 고형연료로 사용할 수 있는 법적 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 연료로서 충분히 가치가 있는 것으로 판단되었다.
미생물로 구성되어 있는 유기성 슬러지는 혐기성소화에 어려움이 있으나 열가수분해 기술을 통해 처리하면 유기물의 생분해도가 증가되어 메탄가스 발생량이 많아질 뿐 아니라 탈수성이 향상되어 감량화가 가능해지며, 고체생성물의 저위발열량은 약 4,000 kcal/kg으로 고형연료로 사용 가능한 것으로 나타났다. 또한 고온의 처리과정을 통해 슬러지 내 병원균이 제거되므로 열가수분해가 완료된 슬러지는 퇴비, 액비, 복토재 등 다양한 방법으로 자원화가 가능하다는 결과가 제시되었다. 하지만, 가축분뇨 슬러지에 열가수분해 기술을 적용한 연구는 전무한 상황이다.
3]과 같이 SCODcr, NH3-N의 농도가 높아지는 것을 확인 할 수 있었으며, NH3-N/T-N의 비율도 증가하였는데 열가수분해 반응이 진행되면서 유기성 질소들이 암모니아성질소로 변환된 것으로 사료된다. 또한, 반응온도가 높아짐에 따라 TS와 TCODcr은 증가하고 SS가 감소하는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 열가수분해 반응을 통해 고형물의 액상화가 진행되고 용존성 물질이 증가한 것으로 판단된다.
그동안 슬러지 자원화 관련하여 하수슬러지 분야에 열가수분해 기술이 적용되어 연구되어 많은 결과를 얻었다. 미생물로 구성되어 있는 유기성 슬러지는 혐기성소화에 어려움이 있으나 열가수분해 기술을 통해 처리하면 유기물의 생분해도가 증가되어 메탄가스 발생량이 많아질 뿐 아니라 탈수성이 향상되어 감량화가 가능해지며, 고체생성물의 저위발열량은 약 4,000 kcal/kg으로 고형연료로 사용 가능한 것으로 나타났다. 또한 고온의 처리과정을 통해 슬러지 내 병원균이 제거되므로 열가수분해가 완료된 슬러지는 퇴비, 액비, 복토재 등 다양한 방법으로 자원화가 가능하다는 결과가 제시되었다.
8) 일반적으로 가용화 특성을 알아보는 대표적인 지표로서 사용되는 것이 SCODcr, NH3-N과 SCODcr/TCODcr 비율의 증가를 들 수 있다. 본 실험에서는 반응온도가 증가함에 따라 [Table 3]과 [Fig. 3]과 같이 SCODcr, NH3-N의 농도가 높아지는 것을 확인 할 수 있었으며, NH3-N/T-N의 비율도 증가하였는데 열가수분해 반응이 진행되면서 유기성 질소들이 암모니아성질소로 변환된 것으로 사료된다. 또한, 반응온도가 높아짐에 따라 TS와 TCODcr은 증가하고 SS가 감소하는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 열가수분해 반응을 통해 고형물의 액상화가 진행되고 용존성 물질이 증가한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 가축분뇨 슬러지 처리에 열가수분해 기술을 적용하여 최적 운전조건을 도출하였으며, 고형연료화가 가능하다는 결론을 얻었다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
분석 결과 반응 온도별로 수분량과 회분량, 원소조성, 발열량에 큰 차이가 없었다. 수분은 0.
190 ℃부터 EPS 물질이 파괴되기 시작하여 200 ℃부터는 EPS 물질이 대부분 파괴된 것으로 판단된다. 상기 결과를 종합하여 판단하면, 190 ℃가 탈수에 필요한 최소온도인 것으로 사료되며, 가용화율을 나타내는 지표인 SCODcr/TCODcr 비율 또한 190 ℃부터 1에 수렴하는 것을 봤을 때 경제성까지 고려한 열가수분해 반응 최적온도는 190℃인 것으로 판단된다.
분석 결과 반응 온도별로 수분량과 회분량, 원소조성, 발열량에 큰 차이가 없었다. 수분은 0.7~1.0 %, 가연분은 60.1~60.5 % 회분은 29.4~29.8 %, 고정탄소는 9.0~9.5로 나타났고 원소분석 결과 탄소(C)함량은 40 % 이상으로 다른 원소보다 높게 분석되었다. 회분함량이 비교적 높아 연료화 특성은 좋은 편은 아니지만, 반응온도 190 ℃일 때의 고위발열량은 5,050 kcal/kg, 저위발열량은 4,740 kcal/kg으로 연료로서 충분히 가치가 있는 것으로 판단되었다.
열가수분해 반응 후 생성된 액상생성물의 수질 분석 결과, 운전(반응) 온도가 올라감에 따라 가용화율이 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 가용화란 슬러지 내 미생물의 세포벽을 파괴하여 고상물질을 용존성 물질로 변화시키는 것으로 생분해성을 높여 혐기소화 시 바이오 가스를 증가된다.
5로 나타났고 원소분석 결과 탄소(C)함량은 40 % 이상으로 다른 원소보다 높게 분석되었다. 회분함량이 비교적 높아 연료화 특성은 좋은 편은 아니지만, 반응온도 190 ℃일 때의 고위발열량은 5,050 kcal/kg, 저위발열량은 4,740 kcal/kg으로 연료로서 충분히 가치가 있는 것으로 판단되었다. 열가수분해 설비의 자체 열원으로 사용이 가능하며, 발전설비에 공급하는 등 활용 가치가 높을 것으로 사료된다.
후속연구
회분함량이 비교적 높아 연료화 특성은 좋은 편은 아니지만, 반응온도 190 ℃일 때의 고위발열량은 5,050 kcal/kg, 저위발열량은 4,740 kcal/kg으로 연료로서 충분히 가치가 있는 것으로 판단되었다. 열가수분해 설비의 자체 열원으로 사용이 가능하며, 발전설비에 공급하는 등 활용 가치가 높을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가축분뇨 관리의 중요성이 대두되고 있는 이유는 무엇인가?
가축분뇨는 고농도의 유기성물질과 영양물질을 함유하고 있어 하천으로 유입 될 경우 수질오염 가능성이 매우 크다. 환경부(2012) 보고에 따르면, 가축분뇨의 발생량은 전체 하․폐수 대비 1 %에 불과하지만 질소, 인의 농도가 매우 높아 하천에 미치는 오염부하량이 37 %에 달하는 것으로 추정되어 가축분뇨 관리의 중요성이 대두되고 있다.1)
가축 분뇨 슬러지의 연료화에 대안으로 어떤 방법이 있는가?
이에 대한 대안으로 최근 열가수분해 기술을 이용한 슬러지 처리 방법이 각광을 받고 있다. 열가수분해는 슬러지를 고온(150~200 ℃), 고압(10~20 kg/cm2)의 증기를 사용하여 처리함으로써 슬러지에 존재하는 미생물의 세포막과 세포벽을 파괴하여 저분자 액상물질로 분해하는 기술이다.
가축분뇨 슬러지의 부정적인 영향은 무엇인가?
가축분뇨 슬러지는 유기물의 농도가 높고 일부 중금속이 높은 농도로 혼합되어 있어 해양에 배출될 경우 환경에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 본 연구에서는 가축분뇨 슬러지 처리에 열가수분해 기술을 적용하여 연료화 가능성을 판단하고 최적 운전조건을 도출하고자 하였다.
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