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혼합 소화공정에서 내부반송과 다양한 전처리를 통한 하수 슬러지 처리
Sewage Sludge Treatment with Internal Recirculation and Diverse Pre-treatment Methods Using Combined Digestion Process 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.5, 2018년, pp.613 - 619  

하정협 (평택대학교 환경융합시스템학과) ,  최석순 (세명대학교 바이오환경공학과) ,  박종문 (포스텍 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 유입 슬러지에 다양한 전처리 방법과 고액분리장치를 이용한 유출수의 잉여슬러지를 농축 후 내부반송을 적용하여, 중온혐기-고온호기 혼합 슬러지 처리 공정의 슬러지 소화효율과 메탄가스 생성량에 미치는 영향을 비교 검증하였다. 실험실 규모의 혼합 소화공정장치를 제작하여 서로 다른 유입 슬러지 전처리방법을 적용하여 5단계로 실험을 진행하였다. 1단계에서는 열-알칼리처리 전처리를 하여 슬러지를 공급하였고, 2, 3, 4단계에서는 유출수로부터 농축된 잉여슬러지의 내부반송과 각각 열-알칼리처리, 열처리, 알칼리 처리(7일)를 거친 유입 슬러지를 공급하였다. 마지막 5단계에서는 전처리를 하지 않은 슬러지를 공급하였다. 실험 결과, 1단계에서 4단계까지 진행되는 동안 Volatile Suspended Solid (VSS) 제거율은 유입 슬러지 전처리와 내부반송을 적용하는 경우 크게 증가하였으며, 메탄생성량 또한 2단계에서 슬러지 내부반송과 열-알칼리처리 전처리 적용의 경우 285 mL/L/day까지 크게 증가하였다. 한편, 5단계에서 전처리를 하지 않은 슬러지를 공급하였을 경우 VSS 제거율과 메탄 생성량이 크게 감소하였다. 결론적으로, 유입 슬러지의 열-알칼리처리 전처리와 유출수의 농축 잉여슬러지의 내부반송을 통해 복합 슬러지 처리 공정의 슬러지 제거 효율과 메탄생성량을 크게 증가시킬 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, various influent sludge pre-treatment methods and the internal recirculation of thickened sludge from effluents using a liquid/solid separation unit were adopted to investigate their effects on the sludge digestion and methane production in a combined mesophilic anaerobic and thermoph...

주제어

표/그림 (6)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최근, 국내 폐슬러지를 효율적으로 처리하기 위해 혼합 소화공정을 시도한 연구 및 보고는 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 혐기 소화 및 고온 호기 소화법의 단점을 극복하기 위한 혼합 슬러지 소화 공정이 개발되었으며[10], 혼합 소화공정의 슬러지 소화 효율과 메탄 생성률을 더욱 높이기 위해 기존의 혐기 소화법에 적용되던 다양한 슬러지 전처리 방법과 고온 호기 공정으로부터 배출되는 유출수의 잉여슬러지를 농축하고 혼합소화공정에 내부 반송하여 슬러지 소화 효율 및 메탄 생성량의 변화를 관찰하고 이를 바탕으로 효율적인 슬러지 처리 조건을 알아보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
혐기성 소화 공정이란 무엇인가? 하수 슬러지를 처리하는 방법 중 가장 잘 알려져 있는 것이 혐기성 소화 공정이다. 혐기성 소화 공정은 전 세계적으로 하수슬러지의 안정화와 발생량 저감을 위해 일반적으로 사용된 오래된 공정 중의 하나이며 산소가 존재하지 않는 상태에서 혐기성 미생물에 의해 유기물 질을 분해하는 방법이다. 또한, 혐기 소화법은 추가 슬러지의 발생이 적고 슬러지 내의 유기물을 메탄가스의 형태로 전환하여 에너지를 회수할 수 있다는 장점을 통해 널리 사용되고 있다[3].
혐기 소화의 단점을 보완하기 위한 노력에는 어떠한 것들이 있는가? 그러나 혐기 소화는 슬러지의 소화속도가 느리고 그에 따라 수리학적 체류시간 (hydraulic retention time, HRT)이 길어지며 이에 따라 넓은 부지가 필요해진다는 점이 단점으로 지적되고 있으며 공정의 안정적인 운전에 높은 기술수준을 요구하는 것이 문제점이다. 이러한 부분을 극복하기 위해, 슬러지를 전처리 하거나 보다 높은 슬러지 저감 효율을 가지는 고온 호기 소화법을 적용하는 등의 연구가 진행되고 있다[4,5].
하수 슬러지의 성상은 어떠한 요소의 영향을 받는가? 하수 슬러지(sewage sludge)는 생물학적 하수 처리 공정에서 발생하며 인구 증가와 그에 따른 하수처리장 건설의 증가로 인해 그 발생량은 꾸준히 늘고 있다. 하수 슬러지의 성상은 하수 처리장으로 유입되는 하수의 성상에 가장 크게 영향을 받게 되며 그 외에 하수 처리장의 구조나 하수처리 방식 등에도 영향을 받게 된다. 일반적으로 하수 슬러지는 중금속이나 화학폐기물과 같은 유해물질이 포함되어 있는 경우가 많으며, 혐기소화, 소각, 매립 등의 다양한 방법이 하수 슬러지의 처리에 적용되어 왔으나 최근까지 가장 많은 비중을 차지하고 있던 처리 방법은 해양투기였다.
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참고문헌 (18)

  1. H. W. Cho, S. K. Park, J. H. Ha, and J. M. Park, An innovative sewage sludge reduction by using a combined mesophilic anaerobic and thermophilic aerobic process with thermal-alkaline treatment and sludge recirculation, J. Environ. Manag., 129, 274-282 (2013). 

  2. J. H. Ha and J. M. Park, Simultaneous treatment of sewage sludge and food wastewater using combined digestion process, Appl. Chem. Eng., 24(3), 279-284 (2017). 

  3. G. Parkin and W. F. Owen, Fundamental of anaerobic digestion of wastewater sludge, J. Environ. Eng., 112, 867-920 (1986). 

  4. S. K. Park, H. M. Jang, J. H. Ha, and J. M. Park, Sequential sludge digestion after diverse pre-treatment conditions: Sludge removal, methane production and microbial community changes, Bioresour. Technol., 162, 331-340 (2014). 

  5. S. Liu, N. Zhu, and L. Y. Li, The one-stage autothermal thermophilic aerobic digestion for sewage sludge treatment, Chem. Eng. J., 174, 564-570 (2011). 

  6. A. Elliot and T. Mahmood, Pretreatment technologies for advancing anaerobic digestion of pulp and paper biotreatment residues, Water Res., 41, 4273-4286 (2007). 

  7. J. Kim, C. Park, T. H. Kim, M. Lee, S. Kim, S. W. Kim, and J. Lee, Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge, J. Biosci. Bioeng., 95(3), 271-275 (2003). 

  8. J. E. Alleman and T. M. Lapara, Thermophilic aerobic biological wastewater treatment, Wat. Res., 33(4), 895-908 (1999). 

  9. M. N. Layden, D. C. Mavinic, H. G. Kelly, and R. Moles, Autothermal thermophilic aerobic digestion (ATAD)-Part I: Review of origins, design, and process operation, J. Environ. Eng. Sci., 6, 665-678 (2007). 

  10. H. M. Jang, J. H. Ha, M. S. Kim, J. O. Kim, Y. M. Kim, and J. M. Park, Effect of increased load of high-strength food wastewater in thermophilic and mesophilic anaerobic co-digestion of waste activated sludge on bacterial community structure, Water Res., 99, 140-148 (2016). 

  11. APHA, Standard Methods for the Examination of water and Wastewater, 20th ed., American Public Health Association (APHA), Washington DC, USA (1998). 

  12. H. M. Jang, S. K. Park, J. H. Ha, and J. M. Park, Microbial community structure in a thermophilic aerobic digester used as a sludge pretreatment process for the mesophilic anaerobic digestion and the enhancement of methane production, Bioresour. Technol., 145, 80-89 (2013). 

  13. H. M. Jang, S. S. Choi, J. H. Ha, and J. M. Park, Influence of food wastewater loading rate on the reactor performance and stability in the thermophilic aerobic process, Appl. Chem. Eng., 24(3), 279-284 (2013). 

  14. H. M. Jang, J. H. Ha, J. M. Park, M. S. Kim, and S. G. Sommer, Comprehensive microbial analysis of combined mesophilic anaerobic-thermophilic aerobic process treating high-strength food wastewater, Water Res., 73, 291-303 (2015). 

  15. S. H. Lee, H. J. Kang, Y. H. Lee, T. J. Lee, K. Han, Y. Choi, and H. D. Park, Monitoring bacterial community structure and variability in time scale in full-scale anaerobic digesters, J. Environ. Monit., 14(7), 1893-1905 (2012). 

  16. K. R. Pagilla, H. Kim, and T. Cheunban, Aerobic thermophilic and anaerobic mesophilic treatment of swine waste, Water Res., 34(10), 2747-2753 (2000). 

  17. A. G. Vlyssides and P. K. Karlis, Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion, Bioresour. Technol., 91, 201-206 (2004). 

  18. D. Sasaki, T. Hori, S. Harta, Y. Ueno, M. Ishii, and Y. Igarashi, Methanogenic pathway and community structure in a thermophilic anaerobic digestion process of organic solid waste, J. Biosci. Eioeng., 111(1), 41-46 (2011). 

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