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문제 정의
- 본 연구에서는 하수슬러지와 응집슬러지를 효과적으로 처리하기 위하여 슬러지 특성분석을 수행하였다. 사용된 하수슬러지와 응집슬러지의 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 하수슬러지의 개량을 위한 무기개량제의 이용 및 대체소재로서 응집슬러지의 이용에 대해 적용가능성 및 특성을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 하수슬러지의 탈수성 및 침강성 개선을 위한 개량제로서 응집슬러지의 사용 가능성을 살펴보고, 적절한 혼합비율을 제시하며 하수슬러지의 처리 및 처분의 개선과 함께 응집슬러지의 처리방안을 제시하고자 하였다.
- 앞의 실험 결과 무기개량제를 이용한 하수슬러지의 응집 특성을 확인하였다. 본 절에서는 무기개량제의 사용을 저감하고 대체소제로서 응집슬러지를 사용하기 위해 다양한 비율의 혼합 실험을 통해 응집슬러지의 대체소재 가능성을 살펴보았다.
- 앞의 실험 결과 하수슬러지 및 응집슬러지의 침강성 및 탈수 특성을 확인하였다. 본 절에서는 이를 개선하기 위해 무기개량제를 주입하여 하수슬러지의 개량 가능성을 확인하며, 무기개량제 주입량에 따른 하수슬러지의 응집 특성을 평가하였다. 무기개량제로는 PAC를 사용하여 주입량의 변화에 따른 영향을 살펴보았다.
- 하수슬러지의 개량제 대체소제로서 응집슬러지의 사용 가능성을 평가하였다. 응집슬러지의 확보를 위해 하수처리장 2차 처리수를 대상으로 응집 침전조를 이용한 연속 실험을 진행하여 실험에 필요한 응집슬러지를 확보하였다.
제안 방법
- 급속교반조의 체류시간은 1분이며 약 250 rpm으로 급속교반을 수행하였으며, 완속교반조의 체류시간은 15분으로 60 rpm으로 완속교반을 수행하였으며, 30분의 침전시간을 갖는 침전조를 이용하여 침전시킨 후 응집슬러지를 확보하였다. 13시간 연속운전을 수행하여 약 8 L의 침전된 응집 슬러지를 확보하였으며, 이를 실험에 사용하였다. 하수슬러지와 응집슬러지의 혼합은 부피비를 기준으로 9:1, 6:1, 3:1, 2:1, 1:1로 혼합하며 슬러지 개량실험을 수행하였다.
- 응집·침전조는 교반장치가 부착된 급속교반조와 완속교반조 및 침전조로 구성된다. 급속교반조의 체류시간은 1분이며 약 250 rpm으로 급속교반을 수행하였으며, 완속교반조의 체류시간은 15분으로 60 rpm으로 완속교반을 수행하였으며, 30분의 침전시간을 갖는 침전조를 이용하여 침전시킨 후 응집슬러지를 확보하였다. 13시간 연속운전을 수행하여 약 8 L의 침전된 응집 슬러지를 확보하였으며, 이를 실험에 사용하였다.
- 무기개량제 및 응집슬러지를 이용하여 개량 하수슬러지에 대하여 각각 기본특성과 침강성, 탈수성을 비교하였다. 기본 특성 파악을 위하여 각 시료의 TS, VS, 함수율을 분석하였으며, 침강성 평가를 위하여 SV30, SVI 및 농축 후 여액의 탁도를 측정하였다. 슬러지의 탈수성 평가를 위해 Triton Electronics사의 Type 319 CST 분석기를 이용하여 CST 분석하였다.
- ,1993). 다음과 같은 슬러지 특성분석을 통해 하수슬러지와 응집슬러지의 비교를 진행하였다.
- 무기개량제 및 응집슬러지를 이용하여 개량 하수슬러지에 대하여 각각 기본특성과 침강성, 탈수성을 비교하였다. 기본 특성 파악을 위하여 각 시료의 TS, VS, 함수율을 분석하였으며, 침강성 평가를 위하여 SV30, SVI 및 농축 후 여액의 탁도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 경기도 Y하수처리장의 2차 침전지에서 채취한 침전슬러지를 이용하여 실험을 진행하였다. 무기개량제(응집제) 주입량에 따른 하수슬러지의 응집 특성을 평가하기 위해 무기개량제인 PAC(폴리염화알루미늄, Poly-aluminum Chloride)를 Al3+ 농도 기준으로 0, 5, 10, 15, 20, 25 mg Al/L로 주입하여 비교를 진행하였다. PAC는 물속의 부유물질에 대해 전기적 중화능력과 OH 가교작용에 있어 우수하여 고농도의 원수 처리에 유용하다.
- 본 절에서는 이를 개선하기 위해 무기개량제를 주입하여 하수슬러지의 개량 가능성을 확인하며, 무기개량제 주입량에 따른 하수슬러지의 응집 특성을 평가하였다. 무기개량제로는 PAC를 사용하여 주입량의 변화에 따른 영향을 살펴보았다. PAC의 주입량은 Al3+기준으로 나타내었으며 최대 25 mg/L까지 주입하여 응집실험을 진행하였다.
- 본 연구에 사용된 하수슬러지와 응집슬러지는 특성 비교를 위하여 MLSS, MLVSS, SV30, VS, TS, SRF 등 항목을 측정하였다.
- 슬러지 혼합 비율에 따른 혼합슬러지의 탈수성 및 침강성 평가를 위해 혼합 슬러지의 함수율과 SV30을 분석하여 나타내었다. Fig 5(a)에서 보듯이 함수율은 9:1 혼합비에서 약 96%, 1:1 혼합비에서는 약 80%까지 낮아졌다.
- 기본 특성 파악을 위하여 각 시료의 TS, VS, 함수율을 분석하였으며, 침강성 평가를 위하여 SV30, SVI 및 농축 후 여액의 탁도를 측정하였다. 슬러지의 탈수성 평가를 위해 Triton Electronics사의 Type 319 CST 분석기를 이용하여 CST 분석하였다. CST는 표준 CST 여과지로부터 발생한 모세관 흡인압에 의해서 부유물로부터 주지의 여과량이 흡수되는데 걸리는 시간으로부터 도출되며, 탈수성이 불량한 경우 CST 값이 크게 나타나고 탈수성이 우수한 경우 작은 값이 나타난다(Im, 2002).
- 앞의 실험 결과 무기개량제를 이용한 하수슬러지의 응집 특성을 확인하였다. 본 절에서는 무기개량제의 사용을 저감하고 대체소제로서 응집슬러지를 사용하기 위해 다양한 비율의 혼합 실험을 통해 응집슬러지의 대체소재 가능성을 살펴보았다.
- 앞의 실험 결과 하수슬러지 및 응집슬러지의 침강성 및 탈수 특성을 확인하였다. 본 절에서는 이를 개선하기 위해 무기개량제를 주입하여 하수슬러지의 개량 가능성을 확인하며, 무기개량제 주입량에 따른 하수슬러지의 응집 특성을 평가하였다.
- 응집슬러지의 확보를 위해 하수처리장 2차 처리수를 대상으로 응집 침전조를 이용한 연속 실험을 진행하여 실험에 필요한 응집슬러지를 확보하였다. 응집슬러지 확보를 위한 연속 응집실험은 하수 2차 처리수의 총 인 농도를 기준으로 무기응집제를 주입하였다. 하수 2차 처리수의 총 인 농도는 1.
- 하수슬러지의 개량제 대체소제로서 응집슬러지의 사용 가능성을 평가하였다. 응집슬러지의 확보를 위해 하수처리장 2차 처리수를 대상으로 응집 침전조를 이용한 연속 실험을 진행하여 실험에 필요한 응집슬러지를 확보하였다. 응집슬러지 확보를 위한 연속 응집실험은 하수 2차 처리수의 총 인 농도를 기준으로 무기응집제를 주입하였다.
- 하수슬러지 내 휘발성 고형물(VS)의 비율 증가는 슬러지의 단위체적 당 밀도를 낮춰 농축성과 탈수성을 저하시키는 것으로 알려져 있어, 하수슬러지의 탈수성은 응집슬러지의 탈수성에 비해 낮을 것으로 예상되었다. 이에 따라 슬러지 탈수성 평가를 위한 비여과저항(SRF)을 측정하였다. SRF는 여과가 일어나면서 쌓이는 고체층에 의한 저항을 의미하며 값이 클수록 탈수성이 나쁨을 의미한다.
- 13시간 연속운전을 수행하여 약 8 L의 침전된 응집 슬러지를 확보하였으며, 이를 실험에 사용하였다. 하수슬러지와 응집슬러지의 혼합은 부피비를 기준으로 9:1, 6:1, 3:1, 2:1, 1:1로 혼합하며 슬러지 개량실험을 수행하였다.
대상 데이터
- PAC는 물속의 부유물질에 대해 전기적 중화능력과 OH 가교작용에 있어 우수하여 고농도의 원수 처리에 유용하다. 본 실험에서 무기개량제는 PAC ([Al2(OH)nCl6-n]m, 17% as Al2O3,영진환경, 한국)을 사용하였다.
- 본 연구에서는 경기도 Y하수처리장의 2차 침전지에서 채취한 침전슬러지를 이용하여 실험을 진행하였다. 무기개량제(응집제) 주입량에 따른 하수슬러지의 응집 특성을 평가하기 위해 무기개량제인 PAC(폴리염화알루미늄, Poly-aluminum Chloride)를 Al3+ 농도 기준으로 0, 5, 10, 15, 20, 25 mg Al/L로 주입하여 비교를 진행하였다.
성능/효과
- 1) 무기개량제를 이용하여 탈수성 및 침강성을 평가한 결과, 25 mg/L 까지 주입량이 증가함에 따라 슬러지의 탈수성 및 침강성이 향상되는 것으로 나타났다.
- 2) 하수슬러지의 개량에 있어, 무기개량제의 대체소재로서 응집공정에서 나오는 응집슬러지의 활용 가능성을 확인하였으며, 슬러지의 특성 및 현장 조건에 따라 적절한 비율로 활용 시 하수슬러지 개량 효율을 높일 수 있을 것으로 기대되었다. 또한, 무기개량제 사용량 저감 및 슬러지 처분성 개선에 따라 경제성에서도 효과적일 것으로 예상되었다.
- Fig 5(a)에서 보듯이 함수율은 9:1 혼합비에서 약 96%, 1:1 혼합비에서는 약 80%까지 낮아졌다. 9:1 부피비 혼합에서 슬러지의 함수율 감소는 다소 미비했으나, 응집슬러지의 혼합 부피비를 증가시킴에 따라 2:1, 1:1 혼합 실험에서는 무기개량제를 25 mg/L 주입한 결과(약 84 %)보다 개선되는 결과를 확인하였다. 하수슬러지와 응집슬러지의 혼합으로 추가적인 플록 형성 및 플록 크기가 증대되어 나타난 결과로, 플록의 크기가 커짐에 따라 슬러지의 탈수성이 개선된 것으로 보인다 (Fitria et al.
- 그러나 1:1 부피비로 혼합하였을 때는 SRF 값이 약 1.8×1011 m/kg으로 혼합 이전보다 약 68% 감소하여 무기개량제를 25 mg/L로 주입했을 때보다 탈수성이 우수한 결과를 얻었다.
- 하수슬러지와 응집슬러지를 9:1 부피비로 혼합하였을 때 CST는 약 182 sec로 측정되었으며, 이는 무기개량제를 10 mg/L 주입한 결과(약 202 sec)보다 짧은 결과로 상당한 개선 효과를 확인하였다. 또한 부피비를 1:1로 혼합하였을 때 CST는 101 sec로 아주 낮은 CST 결과로 앞선 실험에서 무기개량제를 최대주입량(25 mg/L)으로 주입한 결과(약 137 sec)보다 우수한 것으로 나타났다. 이는 응집슬러지 내 수산화알루미늄과 같은 금속수화물이 하수슬러지 입자 표면의 정전기를 중화하며, 플록을 증대시킨 결과로 판단되며 이로 인해 침전률이 향상된 것으로 보인다.
- 하수슬러지와 응집슬러지의 혼합 비율이 증가함에 따라 TS와 VS가 각각 약 59%, 53% 증가되어 슬러지 플록의 크기가 증대하는 것을 확인하였다. 또한 응집슬러지의 VS 함량은 하수슬러지에 비해 적기 때문에, 혼화를 통해 VS/TS가 약 81 % 수준까지 감소하는 것으로 나타났다. 혼합 전 하수슬러지 여액의 탁도는 약 99 NTU, 응집슬러지 여액의 탁도는 약 46 NTU 였으나, 1:1 비율로 혼합 뒤 여액의 탁도는 약 16 NTU 수준까지 감소하였다.
- 또한, CST 실험을 통하여 도출된 하수슬러지의 SRF 값은 약 5.6×1011 m/kg으로 나타났으며 무기개량제를 최대 25 mg/L로 주입했을 때, 약 2.28×1011 m/kg으로 낮아지는 결과를 확인하였다.
- 2) 하수슬러지의 개량에 있어, 무기개량제의 대체소재로서 응집공정에서 나오는 응집슬러지의 활용 가능성을 확인하였으며, 슬러지의 특성 및 현장 조건에 따라 적절한 비율로 활용 시 하수슬러지 개량 효율을 높일 수 있을 것으로 기대되었다. 또한, 무기개량제 사용량 저감 및 슬러지 처분성 개선에 따라 경제성에서도 효과적일 것으로 예상되었다.
- 하수슬러지의 함수율은 약 99 % 에서 무기개량제를 주입함에 따라 최대 약 84%까지 낮아졌으며, SV30 또한 95%에서 최대 44%까지 낮아져 무기개량제의 주입이 슬러지의 함수율과 침강성 개선에 상당한 효과가 있는 것으로 판단되었다. 또한, 하수슬러지의 혼합 농축 후 여액의 탁도는 무기개량제 주입 전에는 약 98.7 NTU 수준으로 높았으나, 무기개량제를 주입량을 5, 10, 15, 20, 25 mg/L로 증가시킴에 따라 약 67, 54, 46, 44, 36 NTU로 개선되는 경향을 나타냈다. 이는 무기개량제로 주입된 PAC의 3가 양이온인 Al3+가 슬러지 플럭을 구성하는 2가 양이온(Ca2+, Mg2+ 등)과의 이온교환으로 플럭응집성을 증가시고 케이크 내 함수율을 감소시킨 결과 때문인 것으로 보인다 (Lee, 2008).
- 하수슬러지의 초기 TS는 약 9950 kg/m3, VS는 약 8400 kg/m3이였으며, 무기개량제를 최대 25 mg/L로 주입했을 때 TS는 약 14,150 kg/m3, VS는 약 10,700 kg/m3까지 증가되었다. 무기개량제 주입량이 증가하며 TS와 VS가 점차적으로 증가함에 따라, 슬러지 플럭이 응결되며 플록의 크기가 증대한 결과로 판단되었다.
- Fig 1(a)에서 보듯이 무기개량제를 주입하지 않은 하수슬러지의 CST는 약 234 sec로 측정되었으며, 무기개량제 주입량이 증가함에 따라 CST가 점차 낮아지는 경향을 나타내었다. 무기개량제를 최대 25 mg/L로 주입했을 때, 약 137 sec의 짧은 CST로 측정되어 탈수성 개선에 상당한 효과가 있는 것으로 판단되었다. 이는 무기개량제가 탈수 케이크를 다공질화하며 수분구조에 영향을 미친 결과로 사료된다 (Song, 2008).
- 슬러지 내 총 고형물(TS) 및 휘발성고형물(VS) 분석결과 하수슬러지의 총 고형물 내 휘발성 고형물 함량(VS/TS)은 응집슬러지보다 2배 이상 높게 나타났다. 하수슬러지 내 휘발성 고형물(VS)의 비율 증가는 슬러지의 단위체적 당 밀도를 낮춰 농축성과 탈수성을 저하시키는 것으로 알려져 있어, 하수슬러지의 탈수성은 응집슬러지의 탈수성에 비해 낮을 것으로 예상되었다.
- 슬러지 침강성 평가를 위한 분석 결과 하수슬러지와 응집슬러지의 SV30은 각각 95, 90%로 높았으며, SVI 값은 각각 11.2, 36.7로 나타났다. 슬러지의 침강속도를 나타내는 SVI 값은 50~150이 적정한 값으로 알려져 있으나, 모두 50 이하의 값으로 슬러지의 침강성이 다소 나쁜 것으로 판단되었다.
- 7로 나타났다. 슬러지의 침강속도를 나타내는 SVI 값은 50~150이 적정한 값으로 알려져 있으나, 모두 50 이하의 값으로 슬러지의 침강성이 다소 나쁜 것으로 판단되었다. 이는 슬러지 여액의 탁도가 다소 높은 것과 상응하는 결과로 하수슬러지 및 응집슬러지의 처분을 위해서는 약품을 이용한 개량 등의 처리가 필요함을 알 수 있었다.
- SRF는 여과가 일어나면서 쌓이는 고체층에 의한 저항을 의미하며 값이 클수록 탈수성이 나쁨을 의미한다. 응집슬러지의 SRF 값은 하수슬러지에 비해 약 2배 이상 높게 나타나 하수슬러지에 비해 탈수성이 나쁜 것으로 확인되었다. 이는 슬러지 농도 및 VS/TS 결과로 예상한 것과 반대되는 경향으로 하수슬러지의 MLSS 함량 및 VS함량은 응집슬러지에 비해 높지만 슬러지 플록의 형태에 따라 탈수성 및 침강성에 영향을 받은 것으로 보인다.
- 혼합 전 하수슬러지 여액의 탁도는 약 99 NTU, 응집슬러지 여액의 탁도는 약 46 NTU 였으나, 1:1 비율로 혼합 뒤 여액의 탁도는 약 16 NTU 수준까지 감소하였다. 이를 통해 추가적인 개량제의 주입 없이 응집슬러지와의 혼합으로 하수슬러지의 개량뿐만 아니라 슬러지 여액의 수질 개선에도 효과가 있음을 확인하였다.
- 이후 응집슬러지 비율을 증가시켜 6:1, 3:1, 2:1로 혼합비를 증가시켰을 때, SRF 값은 약 3.0×1011 m/kg으로 응집슬러지 비율 증가에 따른 감소는 미비한 것으로 확인되었다.
- 다양한 혼합비율로 실험한 CST, SRF 결과를 Fig 4에 나타내었다. 하수슬러지와 응집슬러지를 9:1 부피비로 혼합하였을 때 CST는 약 182 sec로 측정되었으며, 이는 무기개량제를 10 mg/L 주입한 결과(약 202 sec)보다 짧은 결과로 상당한 개선 효과를 확인하였다. 또한 부피비를 1:1로 혼합하였을 때 CST는 101 sec로 아주 낮은 CST 결과로 앞선 실험에서 무기개량제를 최대주입량(25 mg/L)으로 주입한 결과(약 137 sec)보다 우수한 것으로 나타났다.
- Fig 6은 하수슬러지와 응집슬러지의 혼합 비율에 따라 TS, VS 및 VS/TS 결과를 나타낸 것이다. 하수슬러지와 응집슬러지의 혼합 비율이 증가함에 따라 TS와 VS가 각각 약 59%, 53% 증가되어 슬러지 플록의 크기가 증대하는 것을 확인하였다. 또한 응집슬러지의 VS 함량은 하수슬러지에 비해 적기 때문에, 혼화를 통해 VS/TS가 약 81 % 수준까지 감소하는 것으로 나타났다.
- 사용된 하수슬러지와 응집슬러지의 특성은 Table 1에 나타내었다. 하수슬러지의 MLSS는 8450 mg/L, MLVSS는 7400 mg/L로 응집슬러지의 MLSS가 2450 mg/L, MLVSS가 1300 mg/L인 것에 비해 높게 나타났다. 하수슬러지의 MLVSS/MLSS 비율은 약 0.
- 하수슬러지의 MLSS는 8450 mg/L, MLVSS는 7400 mg/L로 응집슬러지의 MLSS가 2450 mg/L, MLVSS가 1300 mg/L인 것에 비해 높게 나타났다. 하수슬러지의 MLVSS/MLSS 비율은 약 0.876으로 응집슬러지가 0.531의 비율을 가지는 것에 비해 높아, 무기개량제의 주입 및 낮은 유기물 함량을 가지는 응집슬러지와 혼합이 하수슬러지의 처리특성에 영향을 미칠 것으로 예상되었다. 슬러지의 탈수성은 슬러지 농도 증가에 따라 감소하는 것으로 보고되었으나 (Lee et al.
- 을 분석하여 나타낸 것이다. 하수슬러지의 함수율은 약 99 % 에서 무기개량제를 주입함에 따라 최대 약 84%까지 낮아졌으며, SV30 또한 95%에서 최대 44%까지 낮아져 무기개량제의 주입이 슬러지의 함수율과 침강성 개선에 상당한 효과가 있는 것으로 판단되었다. 또한, 하수슬러지의 혼합 농축 후 여액의 탁도는 무기개량제 주입 전에는 약 98.
- 또한 응집슬러지의 VS 함량은 하수슬러지에 비해 적기 때문에, 혼화를 통해 VS/TS가 약 81 % 수준까지 감소하는 것으로 나타났다. 혼합 전 하수슬러지 여액의 탁도는 약 99 NTU, 응집슬러지 여액의 탁도는 약 46 NTU 였으나, 1:1 비율로 혼합 뒤 여액의 탁도는 약 16 NTU 수준까지 감소하였다. 이를 통해 추가적인 개량제의 주입 없이 응집슬러지와의 혼합으로 하수슬러지의 개량뿐만 아니라 슬러지 여액의 수질 개선에도 효과가 있음을 확인하였다.
후속연구
- 3) 하수슬러지 및 응집슬러지는 발생 시기 및 지역, 공정, 사용 약품 등에 따라 많은 차이점을 가지고 있어 대체소재로서 응집슬러지를 사용하기 위해서는 다양한 조건에 대한 후속연구가 진행돼야 할 것으로 판단된다.
- 향후 현장적용을 위해서는 총인 처리를 위한 응집시설에서는 배출되는 응집슬러지를 별도 저장하여 슬러지 농축조 주입 전 하수슬러지와 일정비율로 혼합하여 농축조로 이송함으로써 슬러지의 침전성을 향상시킬 수 있을 것이며, 하수처리시설 여건 등으로 응집슬러지의 확보가 어려운 경우에는 정수공정에서 배출되는 응집슬러지의 혼합도 고려해 볼 수 있을 것이다. 이 경우에는 추가적인 실험을 통하여 슬러지의 특성 변화를 확인하고 적절한 혼합비율을 확인할 필요가 있다.
- 향후 현장적용을 위해서는 총인 처리를 위한 응집시설에서는 배출되는 응집슬러지를 별도 저장하여 슬러지 농축조 주입 전 하수슬러지와 일정비율로 혼합하여 농축조로 이송함으로써 슬러지의 침전성을 향상시킬 수 있을 것이며, 하수처리시설 여건 등으로 응집슬러지의 확보가 어려운 경우에는 정수공정에서 배출되는 응집슬러지의 혼합도 고려해 볼 수 있을 것이다. 이 경우에는 추가적인 실험을 통하여 슬러지의 특성 변화를 확인하고 적절한 혼합비율을 확인할 필요가 있다.
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