초록 ▼

Ⅰ. 제 목 저비용 전자빔을 이용한 슬러지 분해 및 재활용 패키지 신기술 개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 환경부 보고서에 따르면 국내 하수처리장에서 생성되는 연간 하수 슬러지의 양은 1999년에 약 1,447,200 톤이었고 2005년에는 약 2백만톤이 될 것으로 예상된다. 이 보고에 의하면 앞으로 하수처리장의 확충과 비례하여 슬러지 처리 및 폐기 비용이 증가할 것으로 예상된다. 국내 하수 슬러지의 대부분은 매립(56.1%)과 해양투기(39.1%)에 의해 처분되어 왔으며 일부분만이 재활용(2.4%) 및 소각(1.5%

Ⅰ. 제 목 저비용 전자빔을 이용한 슬러지 분해 및 재활용 패키지 신기술 개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 환경부 보고서에 따르면 국내 하수처리장에서 생성되는 연간 하수 슬러지의 양은 1999년에 약 1,447,200 톤이었고 2005년에는 약 2백만톤이 될 것으로 예상된다. 이 보고에 의하면 앞으로 하수처리장의 확충과 비례하여 슬러지 처리 및 폐기 비용이 증가할 것으로 예상된다. 국내 하수 슬러지의 대부분은 매립(56.1%)과 해양투기(39.1%)에 의해 처분되어 왔으며 일부분만이 재활용(2.4%) 및 소각(1.5%)되었다. 환경부는 2001년부터 슬러지의 직매립을 금지하는 법규를 제정하였다. 따라서 슬러지 처분에 대한 새로운 대안을 찾지 않으면 안되게 되었다. 소각과 건조는 슬러지 처리/처분에 대한 대안의 하나로 고려될 수 있으나 이 방법들은 작업 및 유지비용이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 게다가 소각은 다이옥신발생 등의 문제로 인해 여론뿐만 아니라 지방 및 국가 단체에 의해 점점 더 엄격하게 규제되고 있다. 최근에는 분쇄, 초음파, 열, 알칼리 및 오존처리에 의한 슬러지 분해 방법들이 하수 슬러지 재활용을 위한 전처리 방법으로 수행되고 있다. 또한 분해된 슬러지는 생물학적 영양소 제거를 위한 목적으로 사용되고 있다. 오존에 의한 하수 슬러지 분해는 폭기조와 소화조 내에서의 슬러지 팽화문제를 조절할 수 있는 것으로 보고되었다. 슬러지 무방류를 위해 잉여 슬러지를 오존 처리한 후 처리된 슬러지를 생물반응조로 반송시키는 연구가 있었으나, 오존에 의한 슬러지 처리는 슬러지 삭감과 슬러지 활동을 위한 독립적인 방법으로서 많이 연구되지는 않았다. 따라서 오존 처리를 독립된 슬러지 처리 공정으로 사용하는 슬러지 감량화 및 처리된 슬러지의 재활용 시스템 개발을 기본 목표로 하고 이에 필요한 기초 실험 및 파일럿 플랜트 운전 및 오존 처리 효과, 최적 운전조건 등과 처리된 슬러지의 재활용을 통한 오존 슬러지 처리 시스템의 실용화가 필요한 시점이다. Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 본 연구에서는 슬러지 감량화 및 슬러지의 탈수성 증대에 대한 오존처리의 영향이 조사되었다. 오존 주입량을 변화시키면서 슬러지 분해 양상을 조사하고 최종 탈수케잌의 함수율과 슬러지의 탈수성에 대한 오존 처리의 효과를 조사하였다. 또한 오존 처리 후의 고액분리액의 생물 하수처리로의 반송 영향 및 효과, 오존슬러지의 복토재로서 활용 및 오존 슬러지처리 시스템의 경제성을 평가하였다. 파일럿 규모의 오존 처리 시스템을 설치하여 오존 슬러지 처리 시스템에 대한 실용화 실증 연구를 실시하였다. Ⅳ. 연구개발결과 1. 오존처리에 의한 슬러지 분해 슬러지의 분해에 있어 오존에 의한 산화가 매우 효과적임을 밝혔고, 소멸화(mineralization), 가용화(solubilization) 및 잔류 고형물 특성을 조사함으로써 슬러지 오존처리의 영향을 평가하였다. 분해와 가용화 정도는 각각 총 화학적 산소요구량(TCOD)과 가용성 화학적 산소요구량(SCOD)를 측정함으로써 얻어내었다. 슬러지분해는 오존 주입량에 따라 증가하였으나 매우 높은 오존 주입량에서는 SCOD가 감소하였다. 낮은 오존 주입량에서 고액분리액에서 차지하는 가용화와 부유 미세 고형물(unsettled micro-solid) 분율은 많았으나 소멸 분율은 상대적으로 작았다. 그러나 오존 주입량이 증가할수록 소멸되는 분율도 증가하였다. 이러한 결과는 세포의 분열과 가수분해에 의한 가용화에 이은 가용성 유기물의 이산화탄소로의 산화의 결과로 해석할 수 있다. 슬러지 오존처리의 최종 생성물은 소멸화, 반송, 고형잔류물의 측면에서 평가되었다. 소멸화는 오존처리 전후의 TCOD의 차로 정의하였는데, 이것은 슬러지의 감량화를 나타낸다. 반송량은 농축, 탈수후의 SCOD와 부유 미세 고형물의 합으로 정의하였는데, 이것은 분해 및 처리를 위해 생물반응조로 반송되어 처리된다. 마지막으로, 고형잔류물은 최종 처분될 슬러지이다. 2. 탈수성 및 슬러지 개?에 의해 슬러지의 세포벽이 파괴되어 세포내 고분자 물질이 용출되어 SCODCr이 증가하였으며(가용화, 생분해성 향상), TCODCr의 감소로 무기화가 됨을 알 수 있었다. 오존전처리에 의해 SVI, 케이크 함수율이 개선되었으며, 침강성 및 농축성이 개선되었다. 오존전처리에 의해 탈수성의 영향인자인 입경, 표면전하, 부착수 함량이 변화하였는데, 낮은 오존농도에서는 슬러지가 분해되어 평균입경이 감소하였으나, 높은 오존농도에서는 표면전하가 감소하여 평균입경이 증가하였다. 슬러지 플록이 파괴되어 세포내의 간극수 유출과 슬러지 플록의 소수성 증가로 부착수의 함량이 감소하였다. 높은 오존농도로 처리한 슬러지의 평균입경의 증가로 여과성이 향상되었고, 기계적인 탈수방법으로 제거가 되지 않는 부착수의 함량이 감소하여 탈수 케이크의 고형물 함량이 2배 이상 증가되어 탈수성이 향상되었다. 침강성, 농축성, 탈수성의 개선으로 감량화 효과를 얻을 수 있다. 산을 사용하여 오존처리 후의 슬러지를 개량한 결과, 고분자 응집제 주입량을 증가시키지 않고도 탈수 케이크의 고형물 함량이 크게 향상되었다. 그리고 소석회로 개량을 했을 경우 오존처리 전의 슬러지와 비교해 여과성과 탈수성이 모두 증가하였다. 따라서 오존처리에 의한 슬러지 처리 처분성의 개선은 농축속도 증가 및 탈수 케이크의 함수율 저하로 인하여 처리공정이 콤팩트화될 뿐만아니라 처분될 슬러지양을 대폭 줄일 수 있는 공정으로서 슬러지 처리의 새로운 대안이 될 수 있을 것이다. 3. 고액분리액의 생분해와 반송 오존처리된 슬러지의 고액분리 후 상징액 및 탈리액은 혐기 및 호기성 실험을 통하여 생분해가 충분히 가능한 것으로 나타났고, 폭기에 필요한 에너지 등을 고려할 때 무산소기간에 반송하는 것이 합리적일 것으로 생각되었다. 따라서 Pilot Plant에서는 무산소기간에 반송하였다. 높은 농도의 고형물과 유기물을 함유한 오존처리 상징액을 생물 하수처리 공정에 반송하였음에도 불구하고, 전체적인 반응조의 성능은 오히려 향상되었다. 또한 오존처리 상징액을 반응조로 반송시킴으로써, 오존에 의한 감량화와 더불어 탈수공정으로 유입되는 슬러지의 양을 줄임으로써 탈수기로 유입되는 부하를 줄여 슬러지 감량을 촉진한다. 4. 오존 슬러지의 활용 및 경제적 효용성 오존 처리한 슬러지는 유기물질의 분해 및 유해 병원균의 사멸로 처분에 필요한 안정화가 충분히 진행된 것으로 볼 수 있다. 즉 미국의 슬러지처분 법령이 말하는 바이오솔리드에 근접한 것으로 평가할 수 있다. 다만 오존처리한 슬러지 탈수 케이크의 일축압축강도는 증가하였으나, 투수성이 약간 감소하여 슬러지 자체만으로는 복토재로서의 재활용이 곤란하므로, 석회, 플라이애쉬, 전로슬래그 등을 혼합하는 개량이 필요한 것으로 판단된다. 현재의 매립지 복토재 등으로 활용하려고 할 때 소석회, 플라이애쉬 또는 제강슬래그 등으로 강도를 강화할 필요가 있다고 판단된다. 그 경우에 있어서도 슬러지 분해에 따른 부피 감량과 유기물 분해에 따른 강도의 증가 등을 고려할 때 처분비용을 대복 절감시킬 수 있다. 하수슬러지는 오존처리에 의해 분해 소멸되지만 오존 투여비용의 증가로 인하여 무한히 증가시킬수 없고 반대로 너무적게 주입되게 되면 건설비 및 오존 투여비용은 감소하지만 슬러지 감량과 고액분리면에서 불충분하여 이 부분의 비용이 증가하게 된다. 따라서 비용 면에서 최적의 오존 투여량이 존재할 것으로 판단되며 실제로 0.2 g O3/g DS 부근에서 최소의 값을 보였다. 오존처리 시스템을 기존소화 시스템 및 소각시스템과 비교했을 때 슬러지처리 시스템의 대안으로서 비용면에서도 충분한 가능성이 있는 것을 확인하였다. 슬러지 오존처리시스템은 중소규모의 하수처리장에 경제적인 공정으로 판단되며 고액분리 상징액의 탄소원 활용가능성 및 오존슬러지의 개질 및 소독에 의한 재활용성을 고려할 때 슬러지처리의 유망한 대안의 하나가 될 수 있다고 생각된다. Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획 2000년 1월 1일부터 개정 폐기물 관리법에 따라 슬러지에 대한 직매립이 금지되어 이 분야에 대한 많은 연구가 수행되었지만 아직 현장에 적용 가능한 기술이 아닌 기초 기술의 수준 정도이다. 본 연구에 의해 개발된 오존 슬러지처리 시스템 (Ozone Sludge Treatment System)은 그 독창성, 유일성 및 우수성을 충분하다고 판단되며, 본 파이롯 프랜트 성과를 중심으로 과학기술부의 KT마크, 건설교통부에서 발행하는 신기술 지정, 및 환경부의 신기술인증을 받을 계획이다. 본 연구개발 공정의 선행연구로 1단계 엔지니어링 핵심 개발사업에서 금호산업과 공동 개발한 하수처리시스템이 경기도 광주군 광동리 하수처리장등 14개소의 신설 및 증설 공사에 적용되고 있으므로 이 공정과 자연스러운 결합을 통하여 실용화, 상업화가 용이하게 이루어질 수 있을 것이다. 또한, 국내에서 축적된 know-how를 토대로 금호산업에서 하수처리장 건설로 진출중인 중국 및 동남아 등지의 하수처리분야에 개발된 신기술을 수출할 예정이다.

Abstract ▼

I. Title DEVELOPMENT OF NEW TECHNOLOGY FOR SLUDGE LYSIS AND RECYCLE USING LOW COST ELECTRON BEAM II. Purpose and Significance According to the report published by the Korea Ministry of Environment, the annual amount of wastewater sludge generated from domestic wastewater treatment in Korea was

I. Title DEVELOPMENT OF NEW TECHNOLOGY FOR SLUDGE LYSIS AND RECYCLE USING LOW COST ELECTRON BEAM II. Purpose and Significance According to the report published by the Korea Ministry of Environment, the annual amount of wastewater sludge generated from domestic wastewater treatment in Korea was about 1,447,200 tons in 1999 and predicted about 2 million tons per year in the year 2005. Based on this report, future sludge-processing and disposal cost would be prospected to increase in parallel with extension of sewage installation. Most of the domestic wastewater sludge in Korea has been disposed to landfill (56.1%), to ocean (39.1%), to recycle (2.4%) and only small portion (1.5%) goes under incineration. However, the Korea Ministry of Environment has recently established a new regulation that prohibits disposal of sludge into landfill step-by-step from the year 2001. Thus, municipal wastewater treatment plants in Korea are desperately looking for an alternative method for sludge disposal. Incineration and drying can be considered as an alternative for sludge treatment/disposal, but these operational and management costs are expensive. Furthermore, incineration is increasingly experiencing severe restrictions by national and local guidelines as well as the publics. In recent years, several methods of sludge disintegration such as mills, ultrasounds, heat, alkali and ozone treatment have been commonly practiced as a pretreatment for recycling and reuse of wastewater sludge. Recently, sludge disintegration has been proposed to produce a carbon source for biological nutrient removal, and to enhance solid-liquid separation. Disintegration of wastewater sludge by ozone has been reported to control sludge bulking problems in the aeration tank and in the digester. The ozone treatment of excess sludge followed by recirculation of the treated sludge into bioreactor in order to achieve no sludge wasting. However, sludge treatment by ozone has not been studied so much as an independent method for sludge reduction and internal carbon source production. III. The Work Scope In this study, the effects of ozone treatment on sludge reduction and the possibility of enhancing the sludge dewaterability were investigated. The effects of ozone treatment on the water content of the final cake and the sludge filterability were determined at various ozone doses. In addition, the authors investigated the feasibility of the returned supernatant and filtrate treatment after ozone treatment under aerobic, anaerobic and anoxic conditions. A pilot-scale ozone treatment system was constructed and the feasibility of ozone treatment system for sludge reduction and recycle was investigated. IV. The Result of Research 1. Degradation of Sludge by Ozonation The effects of sludge ozonation were determined in terms of mineralization, solubilization and changes in residual solid characteristics. The extent of mineralization and solubilization was obtained by measuring the total COD (TCOD) and soluble COD (SCOD) respectively. Both the solubilization and mineralization were increased with ozone dosage, but the SCOD was decreased at very high ozone dosages. The fraction of solubilization and unsettled micro-solids (UMS) was increased at relatively low ozone dosages, but its mineralization was relatively small. However, the mineralization became dominant at higher ozone dosages. The data can be interpreted as sequential reactions involving solubilization by cell disintegration and hydrolysis, and subsequent oxidation of the solubilized organics into carbon dioxide. The experimental results also showed that a steady increase of soluble nitrogen concentration was observed with ozone dosage, indicating the sequential reaction of solubilization and mineralization. As the sludge reacted more with ozone, the organic fraction of particles decreases while the solubilized fraction increases. This could be the result in changes of the rate of mineralization, the 2nd step reaction, exceeding that of solubilization. Another interesting aspects of sludge ozonation is the increase of UMS. The final products of sludge ozonation could be characterized in terms of mineralization, seperated liquid and biosolids residual. The mineralization was defined as a difference between the total CODs (TCODs) before and after ozonation, which represented a mass reduction of sludge to be treated. The seperated liquid here was defined as the sum of soluble COD (SCOD) and suspended micro-solids available after thickening and dewatering processes, which was returned into the bioreactor biological degradation under anoxic condition. Finally, the biosoilds residual was defined as the ozonated sludge to be ultimately disposed/recycled. 2. Enhancement of Separation Process The effects of ozone treatment on sludge dewaterability were determined by measuring the cake water content and the filterability at various ozone doses. It was observed that ozone treatment significantly reduce the cake water content. The filterability of sludge got worse with ozone dose up to 0.3 g-O3/g-SS and bounced back to the initial level at 0.6g-O3/g-SS. The change of sludge filterability with ozone dose shows a pattern very similar to that of particle size distribution. It is suggested that viscous, high molecule organics attached at cell surfaces are oxidized by ozone, resulting in the reduction of the surface charge of sludge particle and promotion of the flocculation. The decrease of bound water after ozone treatment indicates that the release of the interstitial water trapped inside cells or flocs by ozone treatment is responsible for the observed decrease of water content of the dewatered cake. From the experimental observations, it was concluded that ozone treatment has a potential to significantly enhance sludge dewaterability and to produce more compact cake without severe deterioration of its filterability. 3. Return to Wastewater Treatment Supernatant and filtrate separated from ozonated sludge were easily biodegradable through the anaerobic, anoxic and aerobic condition, however it seems to be reasonable to return them in anoxic period considering the energy necessary for aeration. Therefore, they were returned to the wastewater treatment plant in anoxic period. Although ozonated supernatant and filtrate containing micro-particles and organics in high concentration were returned to the wastewater treatment plant, the efficiency of overall reactor was improved because of increased C/N ratio. It also implies that the load for dewatering device can be reduced by the return of the ozonated supernatant. 4. Disposal, Recycle and Economic Efficiency It can be predicted that stabilization of ozonated sludge is progressed sufficiently through the decomposition of organics and the extinction of pathogens by ozonation, that is, ozonated sludge approaches to biosolids defined in U. S. Environmental Protection Agency (EPA). It is estimated that ozonated sludge should be modified using additives such as lime, fly-ash and slag, because it is impossible to reuse the ozonated sludge itself as landfill cover soil due to the insufficiency of water permeability and strength. In other words, in spite of addition of solidification process of ozonated sludge, curtail of disposal cost can be obtained through reduction of volume and increase of strength by decomposition of organic A simple economic feasibility was examined on the basis of the cost equations published by Korea MOE. If the ozonation of waste activated sludge is targeted to reduce sludge mass or volume, a high degree of ozone dosage might be necessary. A higher ozone dose, however, results in a significant increase of the total cost. Likewise, a low ozone dose means a low capital and energy cost, but sludge reduction and dewaterability improvement may not be sufficient. Thus, there might exist an optimal ozone dose for economical sludge treatment and disposal. V. Application of Research Achievement The process can be applied to small and medium scale wastewater treatment plants on the basis of the results of fundamental experiments and pilot plant working. Also, the process can be applied to small scale wastewater treatment facilities. Reuse of sludge as a landfill cover soil by solidification process to be considered in the next step after thickening and dewatering process is possible due to the improvement of dewaterability by ozonation. Solidification is essential considering the waste management laws and regulations to be enforced from 2001, and it can easily be applied to the process if fundamental research would be performed. Because the supernatant produced after ozonation treatment can be return to bioreactor, it can be combined with the advanced wastewater treatment plant developed by our research team, and therefore, effect of pollution reduction by combination of the unit process may be expected.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...21
• 제 1 절 연구배경 및 필요성...21
• 제 2 절 연구목적 및 내용...23
• (1) 연구개발 목적...23
• (2) 개발공정도...23
• 제 3 절 연구범위 및 내용...24
• (1) 연구범위...24
• (2) 연구내용...25
• (3) PilotPlant 시스템의 구성...26
• 제 2 장 국내외 기술개발 동향...27
• 제 1 절 오존 처리...27
• 2.1.1 오존 및 오존분해...27
• 2.1.2 오존접촉방법...33
• 2.1.3 배오존 처리방법...35
• 2.1.4 오존을 적용한 환경기술 동향...37
• 제 2 절 슬러지 고액분리...38
• 2.2.1. 슬러지 전처리...38
• 2.2.2 탈수 전처리로서 오존처리...43
• 2.2.3 탈수이론...46
• 2.2.4 탈수성의 영향인자...52
• 2.2.5 탈수성의 평가지표와 응집...61
• 제 3 절 슬러지 분해방법의 비교...65
• 2.3.1 하수슬러지 분해...65
• 2.3.2 슬러지 분해효과와 영향...70
• 제 4 절 슬러지 처분방안 및 경제성 평가...72
• 2.4.1 국내외 슬러지 처분 및 재활용 현황...72
• 2.4.2 효과적 슬러지 관리 및 처리방안...76
• 2.4.3 슬러지처리 경제성평가...94
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과...96
• 제 1 절 슬러지 분해...97
• 3.1.1 분해장치의 선정...97
• 3.1.2 각 분해 장치별 특성...102
• 3.1.3 슬러지 분해 및 가용화...106
• 3.1.4 슬러지 분해 파일롯트 플랜트...114
• 3.1.5 오존에 의한 슬러지 분해...120
• 3.1.6 거품제거 및 접촉조 활용방안...141
• 제 2 절 고액분리, 탈수성 향상을 통한 슬러지삭감...147
• 3.2.1 고액분리 개선 시험 방법...147
• 3.2.2 응집제를 사용한 농축성개선...162
• 3.2.3 오존조사를 사용한 농축성개선...169
• 3.2.4 오존처리에 의한 탈수성변화...177
• 3.2.5 오존슬러지의 탈수성 향상...188
• 3.2.6 PilotPlant 탈수시험 결과...193
• 제 3 절 상징액 및 탈리액 반송의 생물처리 영향...196
• 3.3.1 오존처리 반송액의 생분해...196
• 3.3.2 오존처리액의 생물처리 영향...240
• 3.3.3 PilotPlant (오존처리 고액분리액 반송의 영향)...264
• 제 4 절 경제성 및 처분/재활용 방안...287
• 3.4.1 경제성평가...287
• 3.4.2 처분/재활용 방안...318
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...328
• 제 1 절 연구개발목표의 달성도 및 자체 평가...328
• 제 2 절 대외기여도...331
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...332
• 제 6 장 참 고 문 헌...333