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문제 정의
- 이에 본 연구는 초음파 및 알칼리 병합 전처리를 이용하여 하수처리장에서 발생하는 폐활성슬러지의 농도에 따른 가용화 및 혐기성 소화를 통해 하수처리공정에 슬러지 전처리가 미칠 수 있는 영향을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 폐활성슬러지의 농도에 따른 전처리시 가용화 효율을 평가하기 위하여 슬러지를 Table 2에 제시된 것과 같이 희석 및 침전을 통하여 시료를 준비하였다. TS가 9,370 mg/L인 폐활성슬러지를 5시간 침전 및 희석을 하였다.
- 가용화 실험을 위해 하루 평균 처리량 300,000m3의 표준활성슬러지공법을 사용하는 S시 하수처리장의 최종침전지에서 발생하는 폐활성슬러지를 사용하였다. Table 1에는 폐활성슬러지와 성상을 제시하고 있다.
- 그리고 단백질, 탄수화물, TN, TP의 용존성 농도는 30분 동안 3,000 rpm으로 원심분리 후 상등액을 GF/C 여과지(∅47mm, 0.45 μm)로 여과한 시료로 분석하였다.
- 그리고 전처리 전⋅후의 현미경촬영을 진행하였다.
- 메탄의 함량은 열전도도 검출기(Thermal Conductivity Detector, TCD)가 장착된 가스 크로마토그래피(Gas Chromtography, GC Gow Mac series 580, USA)를 이용하여 분석하였다. 회분식 실험에서 구한 결과값은 식(7)에 제시한 수정 Gompertz 식을 이용하여 지체기(λ), 최대 메탄 발생속도(Rm) 및 최종 메탄수율(P)을 평가하였다19).
- 적용 대상 물질인 폐활성슬러지의 TS 농도가 달라짐에 따라 상대적인 비교가 어려워 비 에너지 투입량 기준으로 가용화 효율의 경향을 평가하였다. Fig.
- 전처리된 폐활성슬러지의 혐기성 생분해도 평가를 위해 회분식 실험을 수행하였다. 혐기성 회분식 실험에 사용된 식종슬러지는 S시 하수처리장 혐기성 소화조의 소화슬러지를 이용하였다.
- 초음파 단독처리는 초음파장치에 5L의 대상 슬러지를 넣어 전처리하였으며 반응시간은 0, 10, 30, 60, 120분으로 설정하였다. 초음파-알칼리 병합 전처리는 5N KOH를 이용하여 pH를 12로 설정하고 24시간동안 반응시킨 후 초음파 처리하였다.
- 초음파 처리는 동일한 장치와 반응시간을 적용하고 대상 물질인 폐활성슬러지의 TS 농도를 달리하여 가용화 효율을 평가하였다. TS 농도 4,940 mg/L인 폐활성슬러지의 초음파 단독 처리(반응시간 120분) 시 COD, 단백질 그리고 탄수화물의 가용화 효율은 22.
- 초음파와 알칼리 전처리를 이용하여 폐활성슬러지의 혐기성 생분해도를 BMP (Biochemical Methane Potential) 실험을 통해 평가하였다. 그 결과, Fig.
- 1로 조정하였다. 최종적으로 질소가스를 이용하여 10분 동안 탈기 후 35℃로 고정된 회전식 진탕 배양기에서 실험을 수행하였다. 회분식 실험에서 발생된 메탄가스의 발생량은 식(7)과 같이 계산하였으며, 온도와 증기압을 보정하였다.
- 폐활성슬러지의 전처리를 위하여 초음파 및 알칼리 전처리를 이용하였다. 실험에 사용된 초음파장치는 Fig.
- 폐활성슬러지의 초음파 및 알칼리 전처리에 따른 가용화 효율을 평가하기 위해 총 고형물(Total Solids, TS), 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS), 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD), 단백질, 탄수화물, 총 질소(Total Nitrogen, TN), 총 인(Total Phosphorus, TP) 그리고 점도를 분석하였다. 그리고 전처리 전⋅후의 현미경촬영을 진행하였다.
- 하수처리장에서 발생하는 폐활성슬러지를 대상으로 농도별로 초음파 및 알칼리리 전처리를 통해 하수슬러지의 처리, 처분 및 혐기성 생분해도의 향상을 평가하기 위해 실험을 수행하였고 그 결과는 다음과 같다.
- 혐기성 배지 내의 알칼리도 유지를 위해 NaHCO3 5.04 g/L로 첨가하였으며, 2N HCl과 5N KOH를 이용하여 초기 식종 pH를 7.0±0.1로 조정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 기질은 전처리를 수행하지 않은 폐활성슬러지와 전처리 및 알칼리 전처리된 것을 이용하였다. 주입된 기질의 양은 가수분해에 따른 반응조 내부에서 극심한 pH의 저하를 방지하기 위하여 2g VS/L로 고정하였다.
- 폐활성슬러지의 전처리를 위하여 초음파 및 알칼리 전처리를 이용하였다. 실험에 사용된 초음파장치는 Fig. 1과 같이 10 L 용량의 진동판 형식으로 스테인리스강(stainless steel) 재질이며, 출력과 주파수는 600 W 및 20 kHz이다.
- 폐활성슬러지의 농도에 따른 전처리시 가용화 효율을 평가하기 위하여 슬러지를 Table 2에 제시된 것과 같이 희석 및 침전을 통하여 시료를 준비하였다. TS가 9,370 mg/L인 폐활성슬러지를 5시간 침전 및 희석을 하였다.
- 전처리된 폐활성슬러지의 혐기성 생분해도 평가를 위해 회분식 실험을 수행하였다. 혐기성 회분식 실험에 사용된 식종슬러지는 S시 하수처리장 혐기성 소화조의 소화슬러지를 이용하였다. 하수처리장의 혐기성 소화조는 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT) 20일이며 중온(35℃)으로 운전되고 있으며 소화슬러지의 TS와 VS는 각각 34,920 mg/L 및 24,954 mg/L이다.
이론/모형
- 회분식 실험에서 구한 결과값은 식(7)에 제시한 수정 Gompertz 식을 이용하여 지체기(λ), 최대 메탄 발생속도(Rm) 및 최종 메탄수율(P)을 평가하였다19).
성능/효과
- 1. 폐활성슬러지 농도에 따른 전처리 시 용존성 유기물의 농도에 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 폐활성슬러지의 전처리 시 COD에 대한 가용화 효율은 농도가 증가함에 따라 효율이 감소하는 경향으로 나타났다.
- 2. 초음파 단독 처리보다 알칼리 전처리와 병행할 경우 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 알칼리 전처리를 통해 폐활성슬러지의 결합 구조가 깨지게 되면서 초음파 단독 처리에 비해 알칼리 전처리와 병행하는 경우 가용화 효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 3. 초음파와 알칼리 전처리를 이용하여 폐활성슬러지의 혐기성 생분해도를 평가한 결과 누적 메탄 발생량과 메탄 발생 속도가 증가하였으며, 지체기는 단축되는 경향이 나타났다. 초음파와 알칼리 전처리의 병행시 TS 농도 9,370mg/L에서 210.
- 0003로 TS 농도 4,920 mg/L에 비해 높게 나타났다. TS 농도 11,860 mg/L인 폐활성슬러지는 COD 가용화 효율의 증가율이 0.0005로 TS 농도 4,940 mg/L인 것에 비해 2.5배 높게 나타났다. TP의 경우 TS 농도 4,940 mgL인 폐활성슬러지에서는 비 에너지 투입량 대비 증가율(8.
- TS 농도 4,940 mg/L인 폐 활성슬러지의 비 에너지 투입량 대비 가용화 효율의 증가율은 COD>단백질>TN>탄수화물>TP 순으로 나타났으나 TS 농도 9,370 mg/L와 11,860 mg/L인 시료에서는 TP>단백질>COD>탄수화물>TN 순으로 조사되었다.
- TS 농도 4,940 mg/L인 폐활성슬러지는 초음파 단독처리 시 COD의 비 에너지 투입량 대비 가용화 효율의 증가율이 가장 높게 나타났으나 초음파-알칼리 전처리 시 단백질의 증가율이 가장 높은 것으로 조사되었다. TS 농도 9,370 mg/L 및 11,860 mg/L인 폐활성슬러지에서는 초음파 단독 처리 시 TP의 비에너지 투입량 대비 가용화 효율이 가장 높게 나타났으나 초음파-알칼리 처리하는 경우에는 각각 단백질과 탄수화물이 가장 높은 증가율을 보였다.
- 초음파 처리는 동일한 장치와 반응시간을 적용하고 대상 물질인 폐활성슬러지의 TS 농도를 달리하여 가용화 효율을 평가하였다. TS 농도 4,940 mg/L인 폐활성슬러지의 초음파 단독 처리(반응시간 120분) 시 COD, 단백질 그리고 탄수화물의 가용화 효율은 22.0%, 13.3% 그리고 20.9%로 나타났다. TS 농도 9,370 mg/L인 폐활성슬러지의 경우에는 각각 16.
- TS 농도 4,940 mg/L인 폐활성슬러지는 초음파 단독처리 시 COD의 비 에너지 투입량 대비 가용화 효율의 증가율이 가장 높게 나타났으나 초음파-알칼리 전처리 시 단백질의 증가율이 가장 높은 것으로 조사되었다. TS 농도 9,370 mg/L 및 11,860 mg/L인 폐활성슬러지에서는 초음파 단독 처리 시 TP의 비에너지 투입량 대비 가용화 효율이 가장 높게 나타났으나 초음파-알칼리 처리하는 경우에는 각각 단백질과 탄수화물이 가장 높은 증가율을 보였다.
- 0002로 가장 높게 나타났다. TS 농도 9,370 mg/L인 폐활성슬러지의 COD 항목에 관한 비 에너지 투입량 대비 가용화 효율의 증가율은 0.0003로 TS 농도 4,920 mg/L에 비해 높게 나타났다. TS 농도 11,860 mg/L인 폐활성슬러지는 COD 가용화 효율의 증가율이 0.
- 초음파와 알칼리 전처리를 이용하여 폐활성슬러지의 혐기성 생분해도를 BMP (Biochemical Methane Potential) 실험을 통해 평가하였다. 그 결과, Fig. 5에 제시된 것과 같이 전처리 하지 않은 폐활성슬러지보다 초음파 단독 처리 그리고 초음파와 알칼리 전처리 병행시에 메탄 발생 속도 및 최대 발생량이 증가하는 것으로 나타났다. 초음파와 알칼리 전처리의 병행시 TS 농도 9,370 mg/L에서 최대 210.
- 폐활성슬러지의 전처리 시 COD에 대한 가용화 효율은 농도가 증가함에 따라 효율이 감소하는 경향으로 나타났다. 그러나 초음파 전처리 시 비 에너지 투입량에 따른 가용화 효율의 증가율은 TS 농도가 높을수록 증가하는 경향으로 나타났다.
- 2(c)는 각각 9,370 mg/L 및 11,860 mg/L인 시료를 적용하였다. 대상 물질의 초기 TS 농도와는 관계없이 지속시간이 증가할수록 모든 항목에 대하여 가용화 효율은 증가하는 경향으로 나타났다. 그러나 초음파 전처리의 출력 및 반응시간은 동일하지만 초기 대상 물질의 TS 농도에 따라 비 에너지 투입량에 따른 증가율은 상이하게 나타났다.
- 7배가 증가한 것으로 조사되었다. 따라서 초음파 및 알칼리 전처리를 이용한 폐활성슬러지의 전처리는 혐기성 소화 시 율속단계로 작용하는 가수분해 단계를 촉진시켜 지체기를 포함한 반응 시간을 단축시키고, 메탄 발생속도 및 최종 메탄 수율을 증가시키는데 효과적이라고 판단된다.
- 7배가 증가한 것으로 조사되었다. 또한, 초음파 단독 처리시 메탄 발생량에 비해 알칼리 전처리와 병행하여 처리한 경우 TS 농도에 따라 8.2~17.5%까지 메탄 수율이 증가한 것으로 나타났다.
- 초음파 단독 처리보다 알칼리 전처리와 병행할 경우 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 알칼리 전처리를 통해 폐활성슬러지의 결합 구조가 깨지게 되면서 초음파 단독 처리에 비해 알칼리 전처리와 병행하는 경우 가용화 효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 7%로 유사한 결과를 보였다. 알칼리 처리한 폐활성슬러지의 COD, 단백질 및 탄수화물에 대한 가용화 효율은 초음파 단독 처리한 것에 비해 전체적으로 높은 것으로 나타났다.
- 초음파-알칼리 전처리를 적용함에 따라 폐활성슬러지의 모든 항목에 관하여 가용화효율은 증가하였으며 이 중 단백질이 가장 큰 폭으로 향상되었다. 이는 알칼리 처리 시 폐활성슬러지와 첨가한 알칼리가 반응하여 세포벽의 비누화 반응(saponification) 등에 의해 분해 또는 융해되어 내부 물질이 용출된 것으로 판단된다21).
- 5에 제시된 것과 같이 전처리 하지 않은 폐활성슬러지보다 초음파 단독 처리 그리고 초음파와 알칼리 전처리 병행시에 메탄 발생 속도 및 최대 발생량이 증가하는 것으로 나타났다. 초음파와 알칼리 전처리의 병행시 TS 농도 9,370 mg/L에서 최대 210.8 ml CH4/g VSadded의 메탄 수율을 보였으며, 전처리하지 않은 폐활성슬러지의 비해 약 1.7배가 증가한 것으로 조사되었다. 또한, 초음파 단독 처리시 메탄 발생량에 비해 알칼리 전처리와 병행하여 처리한 경우 TS 농도에 따라 8.
- 초음파와 알칼리 전처리를 이용하여 폐활성슬러지의 혐기성 생분해도를 평가한 결과 누적 메탄 발생량과 메탄 발생 속도가 증가하였으며, 지체기는 단축되는 경향이 나타났다. 초음파와 알칼리 전처리의 병행시 TS 농도 9,370mg/L에서 210.8 ml CH4/g VSadded의 메탄 수율을 보였고, 전처리하지 않은 폐활성슬러지의 비해 약 1.7배가 증가한 것으로 조사되었다. 따라서 초음파 및 알칼리 전처리를 이용한 폐활성슬러지의 전처리는 혐기성 소화 시 율속단계로 작용하는 가수분해 단계를 촉진시켜 지체기를 포함한 반응 시간을 단축시키고, 메탄 발생속도 및 최종 메탄 수율을 증가시키는데 효과적이라고 판단된다.
- 폐활성슬러지 농도에 따른 전처리 시 용존성 유기물의 농도에 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 폐활성슬러지의 전처리 시 COD에 대한 가용화 효율은 농도가 증가함에 따라 효율이 감소하는 경향으로 나타났다. 그러나 초음파 전처리 시 비 에너지 투입량에 따른 가용화 효율의 증가율은 TS 농도가 높을수록 증가하는 경향으로 나타났다.
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