[논문]혐기성 소화조의 에너지 효율 향상을 위한 수직 왕복형 교반기 적용에 관한 연구

주윤식; 손건태; 배영준; 박정수; 이승환

doi:10.11001/jksww.2017.31.1.013

[국내논문] 혐기성 소화조의 에너지 효율 향상을 위한 수직 왕복형 교반기 적용에 관한 연구
A Study on the Effect of Energy Saving with Newly Implemented Vertical Circulating Tray Mixer in Anaerobic digester 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.31 no.1, 2017년, pp.13 - 19

주윤식 (주식회사 우진 기술연구소) , 손건태 (금오공과대학교 환경공학과) , 배영준 (주식회사 우진 기술연구소) , 박정수 (주식회사 우진 기술연구소) , 이승환 (금오공과대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Relatively low efficiency in anaerobic digestion process is mainly caused by unproper mixing method. In this study, tray motion type agitator was applied in actual anaerobic digestion tank in order to improve the digestion efficiency, equalize the flow velocity distribution and energy saving. The impeller of tray motion type agitator was reciprocated vertically. Gas lift type agitator and tray motion type agitator appears almost same mixing efficiency include digestion rates. However, tray motion type agitator have shown that lower energy consumption compared to the conventional gas lift type agitator. Implementation of tray motion type agitator in the anaerobic digestion tanks contributed to the stabilization of mixing environment, efficiency and energy efficiency of the tank.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 슬러지 입자에 의해 산기장치의 폐색이 발생하여 토출압력 증가와 교반력의 저하로 소화조 상하부 온도차 발생 등 슬러지 퇴적영역이 발생하기도 하였다. 따라서 본 연구에서는 D광역시 하수처리장 네 곳의 소화조 중 A처리장의 혐기성 소화조를 대상으로 기존 가스리프트식 교반기의 문제점을 해결하기 위한 연구를 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 혐기성 소화조에 교반방식이 다른 교반기를 실증 규모로 설치하여 교반방식에 따른 소화조의 소화효율을 비교·분석하였다. 또한 소화조의 소화효율과 함께 실제 소화조 내부에서의 슬러지 유동을 분석하여 실제 교반이 어떻게 진행되는지는 규명하였다. 그리고 본 연구에서는 기존 하수처리장의 혐기성 소화조를 활용한다는 측면에서 반응조 형상이나 온도, pH와 같은 운전인자를 변화시키지 않고, 교반기만 교체하여 교반 방식에 따른 혐기성 소화율과 교반특성 등을 검토하였다.
본 연구에서는 가스리프트식 교반방식을 적용하고 있는 하수처리장 혐기성 소화조에 수직왕복형 교반기를 대체, 적용함으로 교반기술의 최적화를 수행하였고, 연구결과 교반기술 최적화의 필요성과 중요성이 입증되었다. 기존 가스리프트식 교반기와 수직왕복형 교반기가 적용된 혐기성 소화조(6,570 m³) 내 슬러지 특성(TS, VS, 온도)을 분석한 결과, 두 교반방식 모두에서 TS 농도의 편차가 소화조전 부분에서 10% 미만으로 나타나 하수도시설기준에서 제시하고 있는 완전교반 조건을 만족하였다.
본 연구에서는 기계식 교반을 이용하여 혐기조에 적용된 교반기술을 최적화하고자 하였다. 일반적으로 기계식 교반기는 크게 회전식 교반과 수직왕복형 교반으로 나누어진다.

제안 방법

5와 6에 1시간 동안의 누적 전력량과 실시간의 전력량 변화를 나타내었다. 교반기의 소비동력은 전력분석계를 사용하여 측정하였으며, 1시간 동안의 교반 시 적산되는 전력량으로 비교하였다. Table 4에 나타난 바와 같이, 기존 가스리프트식 교반기는 약 44 kWh의 동력을 소비하였으며, 수직왕복형 교반기는 1.
또한 소화조의 소화효율과 함께 실제 소화조 내부에서의 슬러지 유동을 분석하여 실제 교반이 어떻게 진행되는지는 규명하였다. 그리고 본 연구에서는 기존 하수처리장의 혐기성 소화조를 활용한다는 측면에서 반응조 형상이나 온도, pH와 같은 운전인자를 변화시키지 않고, 교반기만 교체하여 교반 방식에 따른 혐기성 소화율과 교반특성 등을 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 혐기성 소화조에 교반방식이 다른 교반기를 실증 규모로 설치하여 교반방식에 따른 소화조의 소화효율을 비교·분석하였다.
또한 실제 교반기 운전에 소비되는 동력을 분석하기 위하여 전력분석계를 이용하여 1 시간의 교반과정에서의 적산되는 전력량을 측정하였다. 전력분석계는 Yokogawa(일본)의 WT500 전력분석계를 이용하였다.
수직왕복형 교반기는 수직방향으로의 운동을 하기 때문에 기존 교반기 구동부와 다른 구동부가 사용되어야 한다. 본 연구에서는 스코치 요우크 기구를 이용한 수직왕복형의 교반기를 운전하였다. 스코치 요우크 기구는 왕복슬라이더 크랭크 기구 (reciprocation slider crank)를 응용, 변형 시킨 것이다.
소화조 내부의 교반상태와 소화효율을 살펴보기 위하여 소화조 내부에 임의의 지점에 채수기를 이용하여 슬러지를 채취하여 농도를 분석하였다. 슬러지 샘플링 위치를 Fig.
소화조 내부의 소화 특성을 보기 위하여 슬러지 농도(TS)와 슬러지의 온도를 측정하였다. 슬러지 농도는 폐기물공정시험법과 수질오염공정시험법에 따라 측정하였으며(Ministry of Environment.
전력분석계는 Yokogawa(일본)의 WT500 전력분석계를 이용하였다. 전력측정은 교반기에 전기를 공급하는 전기실에서 각 교반기에 대한 소비전력을 측정하였으며, 전력계 전원을 켠 후 각 단자에 전압과 전류를 측정할 수 잇게 연결하여 측정하였다.
3에 나타내었다. 채취지점 A에서는 소화조 상부, 채취지점 B는 소화조 소화조 중부, 채취지점 C는 소화조 하부, 채취지점 D는 소화조 최하부, 채취지점 E는 소화조 측면부에서의 슬러지를 샘플링하였다.

대상 데이터

기존 가스리프트식 교반기와 수직왕복형 교반기의 교반상태를 비교하기 위하여 온도, TS, VS 등 다양한 항목들에 대하여 측정 지점별로 측정한 값을 Table 2에 나타내었다. 본 실험에 사용된 슬러지는 슬러지 저류조에서 동일한 분배라인을 통해 각각의 소화조로 유입되었으며, 각 조의 유입된 슬러지의 성상은 동일하다(Table 3). Table 2를 통해 소화조 내부 5개 지점에 대한 TS 농도와 온도를 측정한 결과, 지점별 농도 편차는 하수도시설기준에서 정한 10% 이내에 나타났고, 온도 편차 또한 ± 1℃ 이내로 만족함으로써 두 교반공정의 교반이 원활하게 이루어지고 있는 것으로 확인되었다.

이론/모형

슬러지 농도는 폐기물공정시험법과 수질오염공정시험법에 따라 측정하였으며(Ministry of Environment., 2015, 2016), 슬러지의 농도 편차는 소화조 내부 상/중/하/최하부/측면에서 채수한 슬러지를 분석하였으며, 일반적으로 10% 이내에서 완전교반으로 평가할 수 있으며, 슬러지의 온도도 ± 1℃의 범위에서 완전교반으로 평가할 수 있다(KWWA., 2005).
또한 실제 교반기 운전에 소비되는 동력을 분석하기 위하여 전력분석계를 이용하여 1 시간의 교반과정에서의 적산되는 전력량을 측정하였다. 전력분석계는 Yokogawa(일본)의 WT500 전력분석계를 이용하였다. 전력측정은 교반기에 전기를 공급하는 전기실에서 각 교반기에 대한 소비전력을 측정하였으며, 전력계 전원을 켠 후 각 단자에 전압과 전류를 측정할 수 잇게 연결하여 측정하였다.

성능/효과

Table 2를 통해 소화조 내부 5개 지점에 대한 TS 농도와 온도를 측정한 결과, 지점별 농도 편차는 하수도시설기준에서 정한 10% 이내에 나타났고, 온도 편차 또한 ± 1℃ 이내로 만족함으로써 두 교반공정의 교반이 원활하게 이루어지고 있는 것으로 확인되었다.
가스리프트식 교반기가 적용된 소화조에서의 TS 편차는 224로 수직왕복형 교반기가 적용된 소화조의 TS 편차 124에 비해 약 2배 가량 높은 편차를 나타내었으며, 온도의 경우 가스리프트식 교반기가 적용된 소화조에서 수직왕복형 교반기가 적용된 소화조에 비해 약 0.1 정도 낮은 편차값을 나타내었다. 또한 VS의 농도로 본 소화율에서 수직왕복형 교반기가 적용된 소화조에서 1% 정도 높은 소화율을 나타내고 있으나 그 차이는 미미하다.
기존 가스리프트식 교반기와 수직왕복형 교반기가 적용된 혐기성 소화조(6,570 m³) 내 슬러지 특성(TS, VS, 온도)을 분석한 결과, 두 교반방식 모두에서 TS 농도의 편차가 소화조전 부분에서 10% 미만으로 나타나 하수도시설기준에서 제시하고 있는 완전교반 조건을 만족하였다. 그러나 가스리프트식 교반기는 44 kWh의 동력이 소비되었고, 그에 비해 수직왕복형 교반기는 1.6 kWh의 동력을 소비함으로써, 약 96%의 소비동력이 절감되는 것으로 나타났다. 따라서 혐기성 소화조 소화공정에서 동일한 교반목적을 달성하고자 할 경우에 가스리프트식 교반기에 비해 수직왕복형 교반기가 소비동력 측면에서 적합한 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 가스리프트식 교반방식을 적용하고 있는 하수처리장 혐기성 소화조에 수직왕복형 교반기를 대체, 적용함으로 교반기술의 최적화를 수행하였고, 연구결과 교반기술 최적화의 필요성과 중요성이 입증되었다. 기존 가스리프트식 교반기와 수직왕복형 교반기가 적용된 혐기성 소화조(6,570 m³) 내 슬러지 특성(TS, VS, 온도)을 분석한 결과, 두 교반방식 모두에서 TS 농도의 편차가 소화조전 부분에서 10% 미만으로 나타나 하수도시설기준에서 제시하고 있는 완전교반 조건을 만족하였다. 그러나 가스리프트식 교반기는 44 kWh의 동력이 소비되었고, 그에 비해 수직왕복형 교반기는 1.
6 kWh의 동력을 소비하는 것으로 측정되었다. 기존 가스리프트식 교반기와 수직왕복형 교반기의 소비동력 비교 시, 약 96%의 소비동력이 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 이 결과를 통해, 동일한 교반목적을 달성하는데 수직왕복형 교반기가 더 최적화 된 것으로 나타났다.
기존 가스리프트식 교반기와 수직왕복형 교반기의 소비동력 비교 시, 약 96%의 소비동력이 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 이 결과를 통해, 동일한 교반목적을 달성하는데 수직왕복형 교반기가 더 최적화 된 것으로 나타났다.
또한 VS의 농도로 본 소화율에서 수직왕복형 교반기가 적용된 소화조에서 1% 정도 높은 소화율을 나타내고 있으나 그 차이는 미미하다. 따라서 측정 항목별로 우세한 교반방법이 나타나고 있으나, 위에서 기술한 바와 같이 모든 항목에서 하수도시설기준에 따른 완전한 혼합 조건을 충족하고, 편차의 차이가 미미하기 때문에 전체적인 교반효율에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
그에 비하여 본 연구에 사용된 교반기는 수직왕복형 교반기로 모터의 회전 캠을 사용하여, 교반기 축의 운동을 수직왕복운동형으로 전환시키며, 교반기 하부의 임펠러를 통해 교반이 이루어지는 장치이다. 따라서 회전식 교반기에 비해 경량화가 가능하고, 소비동력이 적으며, 유지관리가 용이하다. Fig.
이는 수직왕복형 교반기가 수직으로 교반할 때 수직방향으로 발생되는 교반력이 가스리프트식 교반기에 비하여 강하기 때문에 조 바닥 부분에서의 슬러지 교반이 충분히 일어나는 것으로 보인다. 또한 수직방향으로의 교반력을 통해 소화조 공간을 최대로 사용하고 있는 것으로 나타났다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혐기성 소화조의 소화단계는?	현재 대부분의 혐기성 소화조는 가수분해-산생성메탄생성의 3단계로 이루어지고 있으며, 일반적으로 낮은 슬러지 생산량, 낮은 영양염류 요구도, 메탄가스 생성 등 호기성 소화에 비해 많은 장점을 지니고 있다(Kim et al, 2002; Kim et al., 2004).
	혐기성 소화조의 장점은?	현재 대부분의 혐기성 소화조는 가수분해-산생성메탄생성의 3단계로 이루어지고 있으며, 일반적으로 낮은 슬러지 생산량, 낮은 영양염류 요구도, 메탄가스 생성 등 호기성 소화에 비해 많은 장점을 지니고 있다(Kim et al, 2002; Kim et al., 2004).
	국내 혐기성 소화조의 소화율을 높이기 위해 해결해야하는 문제는?	, 2004). 그러나 현재 국내의 소화조는 선진국에 비하여 소화조의 소화효율이 낮게 나타나는데, 그 이유는 낮은 유기물 농도의 투입, 소화조 내의 낮은 교반 효율, 잉여슬러지의 고분자성 유기물의 난분해 등이 있다(Owen et al., 1979; Malina and Pohland.

참고문헌 (12)

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Kim. D. Y, Kim. H. J, Chung. T. H (2004) Behaviors of upflow anaerobic sludge disgestion based on HRT and evaluation of SRT as an operating parameter, J. Korean Society of Environmental Engineering, 26(10), pp. 1137-1144.
Kim. H. S, Song. Y. C, Sung. N. C (2002) The effect of HRT variation on acidogenic fermentation with municipal primary sludge, Journal of The Organic Resource Recycling Association, 10(3), pp. 68-73.
Owen. W. P, Stuckey. D. C, Healy. J. B, Young. L. Y, McCarty. P. L (1979) Bioassay for monitoring biochemical methane potential and anaerobic toxicity, Water Res, 13, pp. 485-492.

상세보기
Malina. J. F and Pohland. F. G (1992) Design of anaerobic processes for the treatment of industrial and municipal wastes, Technomic Publishing, pp. 173-182.
Shelton. D. R, Tiedje. J. M (1984) General method for determining anaerobis biodegradation potential, Appl. Environ. Microbid, 47, pp. 850-857.
Mills. P. J (1979) Minimization of energy input requirements of an anaerobic digester, Agric. Wastes, 1(1), pp. 57-59.

상세보기
Ben-Hasson. R. M, Ghaly. A. E, Singh. R. K (1985) Design and evaluation of no-mix energy efficient anaerobic digester, Proceedings, Annual Meeting, Canadian Soc of Agric Engineering, pp. 105-112.
Dolfing. J (1992) The energetic consequences of hydrogen gradients in methanogenic ecosystems, FEMS Microbiol. Ecol, 101(3), pp. 183-187.

상세보기
Ministry of Enviroment (2015), Official test methods of solid wastes, pp. 53-59.
Ministry of Enviroment (2016), Official test methods of water quality, pp. 55-71.
Korea Water and Wastewater Works Association (2005), Sewage disposal plants-Environmental aspects, Korea.

저자의 다른 논문 :

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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