번 호

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1 <DICER Report, 토픽리뷰, 2009 년 11 월 > 초음파를이용한폐슬러지전처리방법 포항공과대학교환경공학부 장용수 < 목차 > 개요 1. 이론적배경 (back ground) 2. 생물학적안정화에대한장해요소 3. 슬러지분해를위한이론적설명 4. 초음파분해 4.1 초음파전처리의장점과단점 4.2 초음파분해매카니즘 4.3 초음파에너지생성의원리 4.4 초음파에너지의전달 4.5 슬러지에들어가는에너지와전력의정량화 4.6 초음파분해효율에대한판단 4.7 초음파분해효율에영향을미치는인자 슬러지 ( 고형물 ) 특성 초음파조건 5. 결론 6. 참고문헌 1

2 개요 생활폐수의슬러지나활성슬러지는미생물세포의분해단계로인하여 1차고형물에비해서소화가어렵다. 슬러지내에존재하는원핵미생물의경우세포벽과세포막 Peptidoglycan, Teichoic acid나복잡한 polysaccharide와같이생물학적분해가어려운유기물질로이루어져있기때문에현재활성슬러지의소화를위해물리적전처리방법을사용하고있으며, 그중초음파처리는근래에활성슬러지의소화를위한새로운방법으로부각되기시작했다. 초음파를이용한처리의간단한원리는미생물의세포가초음파에너지에노출되면세포벽과막이파괴되고내부유기물이빠져나옴으로써슬러지의소화효율을향상시키게된다는것으로요약할수있다. 본리뷰는초음파를이용한활성슬러지소화의대표적인방법을요약하고초음파공정의효과를설명하고자한다. 또한초음파에대한기본이론을다루고초음파효과를측정하는다양한방법과생물학적슬러지소화공정에초음파를적용하는기술적인측면을다루고자한다. 이를통하여초음파를이용한슬러지소화에대한이해를향상시키고향후이를통한연구방향의윤곽을제시하는것을이번리뷰의목표로하고있다. 초음파의밀도가시간보다슬러지의소화에더중요하다는것은잘알려진사실이며, 발간된논문에의하면초음파전처리를거친뒤에활성슬러지의용해도가 40% 증가된다는사실또한잘알려져있다. 이러한연구들을기반으로동역학적모델을이용하여초음파공정에영향을주는주요요소들의중요도를나열하면다음과같다. 슬러지의 PH > 슬러지의농도 > 초음파의강도 > 초음파의밀도 1. 이론적배경 (back ground) 미국에서는하루당 330만갤런의생활폐수가발생하고이를처리하기위하여매년 250억달러가넘는돈을폐수처리에사용하고있다.[Water Infrastructure Network(WIN)]. 이러한폐수처리공정의대부분이생물학적공정으로이루어져있으며, 활성슬러지공정과같은생물학적폐수처리공정을이용하여단지 35% 의유기물만이미생물에의하여이산화탄소나물로무기화된다 (Rittman and McCarty, 2001). 이를제외한나머지유기성분은미생물의세포로저장되어새로운세포를합성하는데사용된다. Publicly owned treatment works (POTWs) 에서는 2005년미국의연간슬러지발생량 (1차와 2차모두 ) 을건조량기준, 760만톤으로계획하였고이는 1998년자료와비교할때약 10% 가증가 2

3 하였으며 2010년까지약 8.3톤이증가할것으로예상된다 (U.S. EPA, 1999). 유럽연합은연합내국가들의슬러지생산량이 1998년이내에약 6.6톤에서 11톤이증가할것으로예상하였다 (EC, 1991). 이러한예상량은 1998년에서 2005년사이거의 67% 나증가한것으로나타났으며, 처리와운전그리고과잉슬러지에제거를위해총폐수처리비용에거의 60% 에가까운값이소모되고있다 (Canales et al., 1994). 이러한문제를해결하기위한방법중전통적처리방법 ( 매립, 소각등 ) 은추가관리의필요로인하여점차사용가치가낮아지고있다. 따라서슬러지의생산량을최대한감소하는동시에슬러지에서발생하는가치있는부산물과에너지를이용하는방안을활용하고자하는추세가높아지고있다. 모든폐수슬러지는토지매립적합기준에준하도록충분히안정화되어야하며이는 40개의대표적인국제단속코드 (the Code of Federal Regulations [CFR]) 와 503부분의조항이설정되어있다 (U.S. EPA, 2003). 이기준에적합한슬러지의처리를위하여생물학적안정화, 즉호기나혐기소화는슬러지의총부피를줄이고안정화된고형물을생산하며메탄가스와같은에너지생산에널리이용되고있다. 하지만폐수의슬러지는활성슬러지의경우와같이부분적으로 Biomass가포화되어있고세포분해율의한계에의해소화가어렵다 (Pavlostathis and Gossett, 1986). 따라서활성슬러지는슬러지의처리시생물학적분해속도를높이고소화율을높이기위해서전처리가필요하다. 이러한처리전처리방법들은물리적인전처리, 화학적전처리, 열적혹은생물학적전처리로구별된다. 전처리의주요목적은세포벽을파괴하고세포내부물질의확산을용이하게하여차후의소화과정을돕는것이다. 이러한전처리과정을이용한생슬러지의소화기술, 즉기계적, 열적, 화학적, 생물학적인방법에대한리뷰는다양하게소개가되어있다 (Weemaes and Verstraete, 1998). 따라서이에대한내용은본리뷰에서는다루지않도록하겠다. 초음파는몇가지장점으로인하여현재생물학적슬러지의전처리에대해새롭게부각되고있는기술이다. 지난 10년동안초음파시스템에대한디자인, 그중에서도높은에너지 (20kHz 주파수에서 5kW 이상 ) 를변환시키는방법은매우큰발전을이루었다. 게다가새로운전력공급방법은다중변환장치를통해하나의 Horn에서더큰전력량을가능하게하였을뿐만아니라에너지자동주파수추적과자동파장조정을가능하게하였다 (Roberts,2000). 새로운 Horn의디자인을통하여더나은에너지전환능력과효율을발생시킬수있다는것역시또따른중요발전이다. 또한초음파기술은추가관리부분에있어서도엄청난잠재력을가지고있다. 이글에서는존재하는문헌에근거하여슬러지전처리응용에응용가능한초음파기술에대해핵심적으로논의하고차후연구가필요한기술에대해여기술하도록하겠다. 3

4 2. 생물학적안정화에대한장해요소 도시의슬러지 (1차슬러지, 활성슬러지 ), 생물의분뇨, 농업부산물과같이높은고형물함량을지닌폐기물대부분은자연상태에서분해속도가매우느리다. 따라서폐기물의입자화나가수분해는생물학적처리과정에서속도를결정하는단계가된다.(Eastman and Ferguson, 1981; Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991). 도시폐기물슬러지는부분적으로활성슬러지이며이는세포분해율의한계로인해 1차슬러지에비해훨씬더소화가어렵다. 이것은원핵생물의세포벽과세포막은 peptidoglycan, teichoic acid, 그리고 complex polysaccharide과같이생분해저항성이강한복합유기물질유기물질로이루어져있기때문이다 (Pelczar et al.,1993). 이와같이낮은소화율을가지는유기물의경우생물학적처리를위해서 30~60일정도의긴체류시간을가지게한다 (Metcalf and Eddy, 2003). 3. 슬러지분해를위한이론적설명 슬러지분해의가장큰목적은세포벽의파괴와수계로세포내부물질을확산시키는것이며이는차후의분해를가속화하고소화를위한체류시간을감소시키기위함이다. 또한슬러지의분해는다른유기입자를파괴하여낮은분자량의물질로만들어줄뿐만아니라생물학적질소제거공정 (BNR) 과같은폐수처리현장에가용할수있는용해기질로슬러지를변화시켜줄수도있다 (Weemaes and Verstraete, 1998). 이러한슬러지분해는물리적 ( 기계적 ), 열적, 화학적혹은생물학적으로달성가능하다. Weemaes and Verstraete (1998) 는이에대하여좋은리뷰를작성하였다. 하지만이리뷰에는초음파분해가슬러지에는가능하지않다고기술하고있다. 따라서이글에서는초음파분해가활성슬러지분해에사용가능함을밝히고호기성및혐기성소화공정과슬러지의탈수능및고형화의질에미치는영향을알아보고자한다. 이리뷰에서는호기성및혐기성슬러지소화에대한기초를기술하지는않는다. 도시폐수슬러지의호기성소화공정에대한대표적인리뷰는 Parkin and Owen (1986) 에의해출판되어있다. 또한혐기성소화공정에대한리뷰는 Metcalf and Eddy (2003) 와 Grady et al. (1999) 에의해출판되어있다. 4

5 4. 초음파분해 4.1 초음파전처리의장점과단점 초음파처리는약 10 년간생물세포를파괴하여세포내부물질을복구하는데사용되었다 (Harrison, 1991). 그리고이는도시폐수슬러지분해를위한풀스케일의공정에이용되었다 (Hogan et al., 2004). 초음파분해는물리적프로세스에필수적이며 2 차부산물과독성이크지 않다. 또한이러한처리로인한슬러지분해는많은독성물질과분해저항성이강한 방향족유기 물질, 염화지방성유기물질, 계면활성제, 유기염료등의유기오염물질을간단한구조의물질로만들어준다. 이는초음파전처리공정중에높은산화력을가진라디칼들-hydroxyl (OH.), hydrogen (H.), hydroperoxyl (HO2 ), hydrogen peroxide (H2O2) 이생성되고이를통해분해저항성이강한물질을산화분해하기때문이다 (Adewuyi,2001). 초음파전처리공정의또다른장점은다음과같다.(Harrison and Pandit, 1994; Tiehm et al., 2001; Hogan et al., 2004; Yin et al.,2004; Sandino et al., 2005) - 밀집된구조로설계가능하고현존하는시스템에서개량이간편하다. - 다른몇몇전처리공정과비교하여낮은비용으로효율적인운영이가능하다. - 탈질공정에서사용할수있는탄소원이만들어진다. - 공정의자동화가가능하다. - 소화조에서슬러지벌킹의발생을억제하고조절할수있는능력이있다. - 소화조의안정성이좋아진다. - 휘발성유기물질의 (VS) 분해와바이오가스의발생량이좋아진다. - Better sludge dewaterability. - 슬러지의탈수율이향상된다. - biosolid의질이향상된다. ( 생물분해가가능한잔여유기물질량이낮아지고병원균의양이낮아지는등.) 하지만초음파전처리공정은몇가지문제점에직면해있다. 가장큰문제점은높은시설비용 과운영비용이다. 그러나비용은기술적인측면이축적될수록낮아질수있다. 이외에도초음파 5

6 시스템은풀스케일공정에서오랜기간동안운영된데이터가아직한정적이라는약점이있다. 이러한약점들때문에엔지니어들은풀스케일공정에서초음파시스템을사용하는것을꺼리고 있는실정이다. 4.2 초음파분해매카니즘 초음파는일반인들이들을수있는범위이상의주파수를가진소리를의미한다 (>20 khz). 그림 1은주파수와소리의파동을보여주고있다. 초음파의파장이슬러지와같은매체를통과할때압축된형태와희미한형태를반복하여나타난다. 액상또는슬러리안에서낮은압력을가진희미한형태의구간은뿔뿔이흩어진다. 줄어든압력의결과로희미한구간에서는 microbubble이생성되게된다. 이러한 microbubble 은 cavitation bubbles로알려져있고필연적으로액체의증기와액상에녹아잇던가스를포함하게된다. 파동이흩어지면, microbubble은압력을받은상태에서진동하게되고터지기직전까지불안정하게커지게된다. < 그림 1> 주파소에따른음파의명칭 공동현상 (Cavitation) 은 microbubble이액상에서불안정한크기로커졌다가터질때생기는현상이다. 버블이터지는결과는보통 5000K정도의이온화온도를형성하고압력또한 180Mpa 까지올라가게한다 (Suslick, 1990; Flint and Suslick, 1991). 때문에매우많은수의 microbubble이유체내에서갑작스럽고파괴적으로파열될때강력한유체역학적전단응력이버블주변에서형성된다 (Kuttruff, 1991). 파괴된버블은인접한박테리아세포를강력한전단력으로파괴하고세포벽과세포막을부서뜨린다. 또한국지적으로고온고압이형성됨에따라슬러지의분해에도도움을준다. 높은온도에서세포질막에있는지질성분역시분해가되고세포막에구멍이생김에 따라세포질내에서있는물질들이외부로유출되게된다 (Wang et al., 2005). 6

7 온도영향을고려할때초음파전처리가가진가열능력을계산하는것은중요하다. 예를들어에너지가 0.11 W/ml(= 110 W/L 또는 110 J/L S) 들어갈때, 1L의물을 1 올리는데드는시간은 4200/110 S( 초 ) 혹은약 38초가소요된다. Chu et al., (2001) 의연구에의하면 120분동안초음파처리를시켰을때온도는약 189 가상승하였다. 혹열손실에의해서이것이가능하지않다하더라도, 고온으로온도가상승하였다. 작은샘플은열적손실이크기때문에끓는점까지온도가올라가지않을수도있다. 하지만유입에너지가 0.22 W/ml이라면온도는거의끓는점가까이도달하게된다. 따라서세포는열적영향을받아변성되게된다. 게다가초음파의진행과정중화학적인반응, 즉큰반응성을가진라디칼들 (OH, HO 2, H ) 과과산화수소가만들어지는반응을통하여슬러지의분해도를높이는데기여하게된다 (Tiehm et al.,2001). 효과가좋은슬러지의분해는낮은주파수영역인 20~40kHz의부분에서이루어진다 (Tiehm et al., 2001). 이것은대부분낮은주파수에서잘형성되는공동현상으로부터슬러지가강력한유체역학적전단력을받기때문이다. Wang et al. (2005) 는최근활성슬러지의분해에있어서 20kHz 의주파수에서초음파에의한폭발이어떻게일어나는지에대한메카니즘을연구하였다. Wang은 NaHCO 3 를이용하여 Masking agent로이용하여 hydroxyl radical(oh ) 들에의한산화영향을배제시킨상태에서초음파공정을진행하였다. 중탄삼염은즉각적으로 OH 라디칼과반응하고이에따라서라디칼에의한슬러지분해영향을제거한것이다. 따라서 NaHCO 3 를사용함에따라초음파를이용한슬러지분해는온전히유체역학적전단응력에의한것이될수있다. Wang은또한 0.384W/ml 혹은이보다낮은밀도의초음파에서 NaHCO 3 의투입으로유체역학적전단력이활성슬러지의분해에있어서가장큰영향력을가지는것을밝혀낼수있었다. 그러나초음파의밀도가 0.72 W/ml 이상인상황에서는산화라디칼의기여도가더지배적인것으로나타났다. 또다른메카니즘은슬러지가초음파에노출되어있을때음 ( 音 ) 의유동에의해일어난다. 음의유동은 1831년페러데이 (Faraday) 에의해슬러지처럼고형물과액상이섞여있는경우고형물의경계면이공명을받아유동을일으키는현상을이용해연구되었다. 슬러지공정에서음의유동에가장큰장점은혼합을돕는다는것이다. 공정에서일정한형태로분포된초음파에너지가슬러지에전달되었을때액체나열과같은것들의대류현상을돕게된다. 이를전체적으로봤을때음의유동은다음과같이 3 구역을나눌수있다. 7

8 < 그림 2> 음파흐름의지역에따른구별 가장큰구역은 Eckart streaming이라불리는부분 ( 그림 2에서 Region Ι) 으로진동장치로부터멀리떨어져있고용기의형태와액상에서음의파동에의한파동의크기에따라결정되는순환류를가지게된다. 두번째구역은장치와가까운지역으로 ( 그림에서 Region II) 음파를일으키는장치의크기와형태에의해서결정되는순환류를가지고있다. 이러한순환구간은일반적으로 Rayleigh streaming로불려지며액상에서의음파보다아주큰파장을가지고있다. 그리고마지막으로장치와아주밀접한지역 ( 그림에서 Region III) 은 Schlichting streaming로불려지며유체와음파의경계지역에존재한다. 이구간에서인접유체의속도는거의용기의표면속도에가깝다. 그리고이경계면은매우얇은데, 한예로 20 의물에 20kHz의주파수를주었을때음의경계면은 4μm이하이다 (Graff et al., 1988). 이세구간모두가유체의혼합에결정적인역할을한다. 8

9 4.3 초음파에너지생성의원리 이파트에서는슬러지의초음파분해를위한이해를돕기위해초음파에너지의생성에대해간단히알아보고자한다. 낮은전력의초음파 (<1W) 를이용은의학용이나물질의비파괴검사를위해널리이용되고있으며높은전력의초음파는현재많이사용되고있지는않지만앞으로슬러지프로세스와같은곳에널리이용될것이다. 전통적으로초음파에너지를생성하는방법에는 magnetostrictive한방법과 piezoelectric한방법, 이두가지로나누어지며각각의메카니즘은장점과단점을가지고있다. Magnetostric한기술들은자기장에노출되었을때변형상태가될수있는물질에기초하고있다. 니켈과같은물질이나 Terfenol-D와같이자기변형확장성이큰합금이이와같은범주에속한다.(Clark, 1979) 이와대조적으로 piezoelectric한변환방법은전기적인변화에노출되었을때변형성이발생하는물질에기초하고있다. 초음파에너지생성에대한논의를이보다더많이하는것은본리뷰에초점을흐리게되므로좀더자세한내용을알고자하는독자는 Smith (1930), Cady (1946), Mattiat (1971) 등의자료를읽기를권한다. 4.4 초음파에너지의전달 초음파시스템에서가장중요한 3가지부품은변환기 (converter 혹은 transducer), 증폭기 (booster), Horn( 혹은 sonotrode) 이다. 변환기는전기적에너지를초음파에너지 ( 혹은진동에너지 ) 로바꿔준다. 증폭기는기계적인증폭장치로써변화기에서발생한진동을키우는역할을한다. 특별히디자인된 Horn은초음파에너지를슬러지로전달하는기능을한다. 그림 3에는일반적인초음파시스템인변화기, 증폭기, Horn의배열을잘보여주고있다. 증폭기는특정주파수를발생하도록고안되고조정되어있으며보통중첩된형태로작동한다. 예를들어장치는고정혹은추가될때각장치의절점에고정되게된다. 두장치가결합되는자리는일반적으로변화기혹은증폭기의 nodal ring 부분이다. 마찬가지로증폭기와연결되어슬러지에파동을전하는 Horn의경우는파동을더멀리증폭시켜준다. 9

10 < 그림 3> 일반적인 20kHz 의 piezoelectric 초음파시스템 또한 Horn은일반적으로파장의반정도의길이를가지고있으며총파장의설계역시일반적으로적용장치에영향을받는다. 이처럼증폭기와 Horn, 둘다초음파의이동범위를확장시키는데사용한다고볼수있다. 예를들어슬러지프로세스는일반적으로넓은접촉지역을필요로하지만내장된장치의수는한정되어있다. 따라서증폭장치가 Horn과변환기사이에위치하여파장을증폭시킬필요가있다. 장치의배합은일반적인초음파의에너지의손실인 20 μmpp 정도로맞춰야하고 50μmpp가넘는경우에는사용하기에적합하지가않다 (Elder, 1959). 이러한증폭장치 ( 그리고 Horn) 은접점면양에따라계산측정되어적합한값을찾을수가있다. 안정적인장치의운영을위해서는접점면위와아래의 Force(F)[ML/S 2 ] 은같아져야한다. 그러나만약위쪽의접점면의양 (M1) 과아래쪽접점면의양 (M2) 이다를경우에는가속도 (a1, a2)[l/s 2 ] 의값또한반드시달라야한다 Horn의설계기준들중에서가장중요한것이바로균일한진폭을가지게하는것이다. Horn이작은면적을가지는경우에는이것이큰문제가되지않을수있지만큰면적을가지는경우 ( 그림 4와같이 ) 에는균일성을가지게하는것이어려울수있다. Poisson이라부르는큰 Horn은우리가원하지않는진동을만들어내기도하는데이런경우에는 Poisson ratio 때문에구조물의외 10

11 부로확장시켜야한다. Horn 은다양한형태를가질수있으며그림 4 에서는몇가지일반적인 Horn 의구조를 제시하고있다. < 그림 4> 액체프로세스에사용되는일반적인 horn 의형태 4.5 슬러지에들어가는에너지와전력의정량화 초음파시스템의경제성은효과적인슬러지분해를달성하기위해필요한에너지 (J or kj) 와전력 (W or kw) 에값에의존하게된다. 따라서분해정도에따라필요한에너지 / 전력유입량의정량화는초음파시스템의경제성을판단하기위한결정적인요소이며, 초음파시스템을현장에서사용가능한지에대한판단을위한핵심요소이다. 원하는슬러지의분해도를얻기위해들어가는에너지혹은전력의양은슬러지의특성 ( 총고형물의양, 슬러지의점성, 유기물의비, 슬러지가 1 차슬러지인지 2 차슬러지인지등 ) 에따라달라지며초음파시스템의디자인 (Horn, 증폭기, 변환기의형태 ) 에따라달라진다. 아직까지는이러한모든요소들을만족시킬만큼의이상적인모델은없다. 따라서모든초음파시스템은실험실혹은현장에서테스트가되어에너지의효율성을판단한뒤현장에적용하여야한다. 슬러지의분해를위해필요한에너지 / 전력의양은아래와같은몇방법으로판단할수있다. - 비에너지유입량 (Specific energy input) : 이것은어떤원하는분해도를달성하기위해슬러지의총고형물양당필요한에너지유입량을비교하여판단하는방법이다. 비에너지양은초음파장치를작동시키기위한전력, 초음파지속시간, 초음파분해되는슬러지의부피와총고형물의농도, 그리고아래의계산값을통해결정할수있다 (Bougrier et al., 2005): 11

12 E spec 는유입되는비에너지양이며단위는 kws/kg TS (kj/kg TS) [L 2 /T 2 ] 이다. P 는초음파장치의전력으로 kw[ml 2 /T 3 ] 이며, t 는초음파의지속시간으로초단위 [T] 이다. 또한 V 는초음파분해된슬러지의부피를리터 [L 3 ] 단위로나타낸것이며 TS 는총고형물의농도를 kg/l[m/l 3 ] 로표시한것이다. - Ultrasonic dose( 단회초음파양 ): 이것은슬러지의단위부피당공급되는에너지의양이며 Ws/L 또는 kws/l (J/L 또는 kj/l)[m/lt 2 ] 로표시한다. 위와는달리이방법에서는총고형물의양은계산되지않는다. 단회초음파양법은특정슬러지의총고형물의양과다른슬러지의총고형물양간의직접적인비교를하기위함이아니다. 총고형물양이적합한값으로일정하다면단회초음파양은슬러지의분해량에대한에너지유입량을부피를기준으로하여표현하기에실용적인방법이다. - 초음파밀도 (Ultrasonic density): 이방법은슬러지의부피당공급되는전력량과관계가있으며단위는 W/L 및 kw/l 또는 W/ml [M/LT 3 ] 를사용한다. 초음파밀도법은슬러지부피당투입되는전력양을비교한다는점에서단회초음파양법과유사하다. 하지만초음파밀도법은초음파지속시간을고려하지않는다는점에서차이가있다. - 초음파강도 (Ultrasonic intensity): 이는변환범위안의단위슬러지양당공급되는전력량으로정의되며 W/cm 2 [M/T 3 ] 의단위로표시한다. 초음파강도는변환기의전력생성능력을반영한다고할수있다. 더큰넓이를가지는것이중요한데너큰넓이라는것은시스템의생성전력이크다는것과같다. 4.6 초음파분해효율에대한판단 초음파전처리의가장큰목표는미생물의세포벽을파괴하고세포내부물질을밖으로 유출시키는것이다. 또한초음파는미생물의플록을해체하는것을도우며, 큰유기물입자를 파괴하여작은유기입자로만들어준다. 12

13 다음과같은정량적판단은최적화된초음파시스템의디자인과공정을만들기위한중요한 정보를제공해준다. (a) 선택된초음파시스템, 각각의변환기, 증폭기, Horn 디자인의효율 (b) 세포파괴를위해필요한최소한의에너지판단 (c) 슬러지분해를최대화하기위해최적화된다양한공정데이터 ( 총고형물양, 초음파지속시간, 초음파밀도, 주파수, 폭, 등 ). (d) 슬러지분해를위해초음파시스템을운영하는데사용되는총비용. 따라서정량적판단은슬러지가얼마다효과적으로분해가되는지에대한결정적판단요소로 사용될수있다. 지금까지슬러지분해에대한예측을할수있는이론적인모델이존재하지않았으며이와관련논문역시매우드물게존재한다. 이는초음파전처리와관련된변수가너무많이존재하기때문일수있다. 이러한변수들을열거하면공정주파수, Horn 과증폭기와변환기의디자인, 슬러지, 총고형물양, 유기물비, 공정온도, 초음파밀도등이다. Horn 디자인은슬러지분해효율을결정하는데중요한역할을하는요소로고려되고있으며종종그디자인은특정시스템을위해특화되어있기도하다. 이때문에초음파시스템의공정을정량화하기가힘들어진다. 발표된대부분의연구결과는랩스케일이나벤치스케일의초음파시스템을이용한결과이며이로써는모델을위한충분한데이터를얻을수가없다. 따라서이러한데이터를파일롯플랜트나풀스케일플랜트의디자인에적용하는것은잘못된결과를초래할수있다. 때문에공정한판단을위해서는랩스케일및벤치스케일연구에서얻은데이터를파일롯스케일이나풀스케일에맞게스케일업해야할필요가있다. 다른변수들역시슬러지분해효율을판단하기위해사용되고있다. 이들은보통다음과같은 3 가지의범주로나눌수있다. 1. 물리적 ( 입자의크기변화나미시적조성의변화 ) 2. 화학적 ( 용해 COD 의농도증가, 단백질의해리등 ) 3. 생물학적 ( 산소섭취율, 종속영양미생물량 ) 각범주에대한세부적인논의는다음에이어지는단락들에서이야기하겠다. 13

14 4.6.1 PHYSICAL EVALUATION 물리적판단 입자의크기분석, 미세형상, 탁도, 그리고슬러지의탈수성은초음파분해의효율을판단하기위해적용될수있는기술들이다. 물리적판단, 특히입자의크기분포와미세형상분석은슬러지분해도를정량적으로간편하게측정하기위해서널리이용되어왔다. Tiehm et al. (2001) 는초음파에차이에따른매체입자의크기와탁도변화를이용하여슬러지의분해도를판단하였다. Tiehm 은 41kHz 에서 20μm 가가장작은매체입자의크기이며탁도가가장큰경우는 120NTU 임을밝혀내었다. 하지만이논문에서는다른초음파처리에서의입자크기나탁도에대한내용은다루지않았다. Mao et al., (2005) 는활성슬러지에서초음파의밀도를 0.18, 0.33, 0.52W/ml 로했을때입자의평균크기는 47.7μm 에서각각 31.2, 21, 17.8μm 로줄어들었다고보고하였다. 이때활성슬러지의샘플은 20kHz 에서최고전력 1.5kW 으로 1 분동안초음파처리되었다. Chu et al. (2001) 또한주파수 20 khz, 최고전력 110W 를주고, 각기다른초음파밀도와시간에서플록의사이즈가변화는효과를알아보기위한실험을하였다. 120 분동안의밀도를 0.11W/ml 로한초음파처리에서플록의사이즈는변하지않았지만, 밀도를 0.22W/ml 로 올려주었을때플록의사이즈는줄어들기시작했다. 높은초음파밀도, 0.33 과 0.44W/ml 에서 20 분동안초음파반응을시켜주었을때의플록사이즈는 99μm 에서각각 22μm 와 3μm 로줄어들었다. 이를통해 Chu 는 120 분이넘게초음파반응을하더라도플록의크기가 3μm 보다더작아지지않는다는사실을알아냈다. 따라서초음파밀도는초음파반응시간보다슬러지분해효과에미치는영향이더큰것을알수있다. Bougrier et al. (2005) 는 20kHz 의주파수에서 225W 의전력을공급하였을때비에너지유입량 (kj/kgts) 을달리하였을때입자의크기분포의변화를실험하였다. 이실험에서단경, d 50 ( 입자의 50%[ 부피에서 ]) 의슬러지입자들크기는비에너지유입량에증가에따라감소하는 경향을나타내었다. 그결과로 d 50 은비에너지유입량을 0 에서 660, 1350, 6950 그리고 14550KJ/kgTS 로주었을때입자의직경은각각 32, 19.6, 18.5, 17.6 그리고 12.7μm 가되었다. 또다른연구에서는 Tiehm et al. (1997) 가슬러지입자의 d50 이주파수 31kHz, 유입전력 3.6W 에서각각 29.5 초 96 초의초음파처리를통해 165μm( 초음파처리안됨 ) 의입자에서 135, 85μm 로각각감소함을발표하였다. 슬러지분해실험에서광현미경이나전자현미경을통한분석은오랫동안널리이용되어왔다. 14

15 < 그림 5> 광학현미경을활성슬러지의관찰 : (A) 초음파처리전, (B) 2 분간 1.5kWdml 전력과 20kHz 의주파수로초음파처리한후. 광현미경은그림 5 에서와같이초음파처리중에플록에서구조의변화나섬유상의소멸에대한정성적인정보를알려준다. 그러나광현미경이미지로는세포수준의정보는알수가없다. 활성슬러지를광현미경으로관찰하였을때초음파처리를하기전많은섬유상들이플록-서로엉켜있는듯한구조를나타낸다.( 그림 5A) 2 분내의초음파처리를해주었을때섬유상들과플록이거의완벽하게분해가되고균질한직물형태의구조가관찰되었다.( 그림 5B) 주사전자현미경 (SEM) 은그림 6 에서와같이슬러지분해에있어서세포수준에서표시되는보다많은정보를알려준다 (Khanal et al., 2006c). < 그림 6> 소화되지않은활성슬러지에 1.5kW 의전력과 20kHz 의주파수로초음파처리한후 촬영한 SEM 이미지 : (A) 0 분, (B) 2 분, (C) 10 분, (D) 30 분 15

16 초음파처리를하기전많은섬유상들이플록을형성하여엉켜있는모습을관찰할수있다.( 그림 6A) 이러한섬유상 ( 구조상으로 ) 들은유기성잔해 ( 직경이 1/4 마이크론이하 ) 로써서로붙어서플록을형성한다. 2 분동안의초음파처리는그림 6B 와같이박테리아세포의붕괴없이플록의구조적파괴가강력하게일어난다. 10 분의긴초음파처리를통해서그림 6C 에서보여주듯이거의모든플록이분해가매우드문박테리아세포와섬유상들이존재하는것을알수있다. 초음파처리가 30 분이넘어가면그림 6D 에서와같이거의모든세포들이파괴가되거나구멍이뚫린세포의형태로발견된다 화학적평가 슬러지분해를측정하는데있어서화학적평가는물리적평가보다훨씬더정량적이며, 수계에서활성슬러지의용해도를측정하는데사용된다. 환경공학적으로모든유기물질은함께뭉쳐져있고용해성화학적산소요구량의증가로측정가능하다. 하지만초음파전처리는유기성잔해물을포함한세포외부의물질과세포외부의중합기질까지 (Extracellular Polymeric Substances [ESP]) 도분해하며이들또한용해성화학적산소요구량 (SCOD) 의한부분임을잊지말아야한다. 따라서 SCOD 는슬러지분해에따라서그값이커지게되는변수이다. 이때문에거의모든논문에서초음파분해를통한슬러지분해효율을측정하기위해서 SCOD 를측정하는방법을사용하고있다. 많은연구에서나타나듯이 SCOD 의값은초음파처리시간중에커지게되며, 이때문에서로다른연구의결과를비교하는것은어렵다. 이는초음파처리가고형물총량, 주파수, 슬러지타입, 단위슬러지부피당공급에너지 ( 초음파밀도 ), 온도, 초음파처리시간등의몇몇요소에의존하기때문이며이러한정보들이논문에서잘설명되어 있지않다. 더나은비교를위해서 SCOD 의발생에필요한비에너지유입량과연관하여 비교하였다.( 식 2) 그림 7 은비에너지유입량에따른일반적인 SCOD 발생패턴을나타내고있다.(Khanal et al., 2006a). 그림에서보여주듯이생물학적그리고비생물학적고형물의분해가초음파적용시간이길면길수록, 즉비유입에너지양이많을수록더좋은결과를나타낸다는것을알수있다. 이는초음파처리시간이길거나높은비에너지유입량일수록셀이나잔해유기물이파괴되는 Cavitation bubble 에의해공격받을기회가커지기때문이다. 그러나비 에너지유입량이 35KJ/gTS 를넘어가면 SCOD 의발생이느리게나타난다. 이는 Cavitation bubble 의근처에서영향을받는쉽게분해가가능한생물학적, 비생물학적유기입자들이고갈되었기때문이거나 Cavitation bubble 의생성을돕는용존가스가고갈되기때문이다. 이러한발견에근거하면 35KJ/gTS 의유입에너지양은 3% TS 를가진슬러지의분해에서최적화된값임을알수있다. 16

17 < 그림 7> 비에너지의유입량에따른 SCOD 의증가량 ( 주파수 : 20kHz; 최대전력 : 1.5kW; TS 함량 : 3%; 초음파밀도 : 1.07W/ml). 여기서가장중요한포인트는효율적인슬러지분해를위해서소요되는에너지요구량을최적화하는것은초음파슬러지분해의비용적인면에서매우중요하다는것이다. 그러므로각운전단위 ( 총고형물양, 슬러지타입등 ) 에따른테스트를반드시실시하여최적의조건 ( 초음파운전시간, 초음파강도및밀도, 주파수등 ) 의값을최적화하여야한다. Kunz and Wagner 는 분해의정도 (degree of disintegration [DD]) 로알려진슬러지의분해효율을알아보기위한지표를처음제시하였다.(Schmitz et al., 2000) DD 의값을결정하기위해가장기초적인측정은아래의계산식에따른 COD 의측정이다. COD ultrasound 는초음파테스트샘플에서상등액의 COD(mg/L) [M/L 3 ] 이며, COD original 은 상등액에 1M 의 NaOH 를투입하고 22 시간이지난뒤의 COD(mg/L) [M/L 3 ] 값이다. 또한 COD NaOH0 는 NaOH 1M 을상등액에투입하는시점에서측정한 COD(mg/L) [M/L 3 ] 의값이며 COD NaOH* 는 NaOH 1M 을투입한뒤바로측정한 COD(mg/L) [M/L 3 ] 의값이다. COD homogenization 은본래샘플을균질화된다음에측정한 COD(mg/L) [M/L 3 ] 값이다. 식 3 에서, (COD ultrasound - COD original ) 은초음파분해에의해서늘어난 COD 의값을나타내며, (COD NaOH22hr -COD NaOH0 ) 은화학적분해에의해서늘어난 COD 값을의미한다. NaOH 에의해생성되는 COD 의값은슬러지의완전분해에의한결과로가정하고이를위해서 COD 의값을인용하였다. COD NaOH 와 COD homogenization 의비율은샘플에 1M 의 NaOH(1:3.5 의비율로 20 에서 ) 를투입하기전화후의 17

18 값을비교하기위해서나타낸다. Mϋller 는위에서기술한 DD COD 계산식을아래와같이수정하여 제시하였다 (Schmitz et al., 2000). 이계산식에서 COD ultrasound 는초음파처리된샘플의상등액의 COD(mg/L) 이고, COD original 은 원래샘플 ( 처리되지않은것 ) 상등액이가진 COD(mg/L) 이다. COD NaOH 는상등액에 NaOH 를 넣은뒤배출되는 COD 의최대량을의미한다. NaOH 소화는슬러지샘플에 1M 의 NaOH 를 1:2 의비율로 10 분간 90 로처리한것이다. 상등액은 4 에서보관한슬러지를 10 분동안 30,000g 로원심분리하여얻은것이다. Rai et al. (2004) 는 Mϋller 의방법을적용하여자신이 연구하는초음파기술에 DD COD 값을결정하였다. 여기서 Rai 는 10,000g 에서원심분리한 용액을 0.45μm 의공극사이즈를가진맴브레인필터로걸러서사용하였다. Tiehm et al. (2001) 또한 Mϋller 의방법을적용하여 DD COD 의값을계산하였다. 그러나슬러지의화학적소화를 1M 의 NaOH 를 1:2 비율로넣고 20 에서 22 시간동안처리하여사용하였다. 이와는다르게한연구에서는, Bougrier et al. (2005) 이 Mϋller 의방법을 DD COD 를결정하는데사용하였다. 하지만 Bougrier 는 1mol/L 의 NaOH 를 24 시간동안실내온도에서처리하여화학적분해량을결정하였다. 비록논문에서는화학적분해조건에대한결정적인판단을할수있음을보여주지만화학적분해를통해얻고자하는최종목표는슬러지로부터나오는용해성유기물의최대배출값을찾는것이다. 이데이터는초음파처리의효율을명백하게하기위한기초자료로서사용된다. 하지만슬러지의화학적분해실험은슬러지의타입과총고형물양에따라서좌우될수있음을알고있어야한다. 따라서연구자들은연속된실험을통해서농도와사용된 NaOH 의양, 체류시간그리고온도등에따른표준화된조항을찾아내고이를슬러지샘플에따라이상적으로적용하여슬러지의화학적분해량을결정할수있도록해야한다. 분해의정도가 COD 결정에가장기초가되는반면, DD 값의결정이하루라는작은범위안에서존재하고다량의샘플에서 COD 분해를수행하여높은비용이소모된다는점에서연구자들사이에서다양한논의가펼쳐지고있다.(Schmitz et al., 2000). 따라서저자는 DD COD 의결정대신에단백질의측정을대안으로제시하였다. 이들의연구에서단백질에 증가 ( protein ) 와 DDKW 사이, 그리고 DDM 와초음파처리를통해서생산되는바이오가스의증가 량 ( biogas ) 사이의상관계수 (R 2 ) 는새로운슬러지분해에대한판단을기술로써적합한지를 평가하기위해비교사용된다. 18

19 슬러지샘플은한번에 2 개씩수집하며이때하나는플랜트에서다른하나는초음파처리가된 플랜트에서수집을한다. 이연구에서저자는 protein / biogas 에대한상관계수 (R 2 =.97) 들이 DD KW / biogas 상관계수 (R 2 =.54) 나 DD M / biogas 상관계수 (R 2 =.83) 보다높다는것을발견하였고슬러지소스간의상관관계, 채집시간, 단백질결정량이초음파를이용한슬러지분해를위해서더믿을만한기술이라고제안하였다. Wang et al. (2006) 은활성슬러지를각각다른비에너지유입량의슬러지초음파분해를할때수계에서단백질과 polysaccharide 그리고 deoxyribonucleic acid (DNA) 의방출량에대한실험을수행하였다. 단백질은고유수계에서초음파처리된슬러지의전구물질이며에너지유입량이 50KJ/g TS 일때까지는농도가거의기하급수적으로 2500mg/L 의값까지증가한다. 그다음부터는, 비에너지유입량이증가하더라도단백질의농도의증가량이서서히감소한다. DNA 와 polysaccharide 의증가량은거의한계점까지다다랐다. 액상에초음파처리에의해방출되는용해성단백질과탄수화물의 COD Cr 는초음파처리시간에따라달라진다는것을 Wang et al.(1999) 이조사하였다. 이연구에서 Wang 은용해성단백질이다른두변수보다초음파처리에의해훨씬높은값으로방출된다는것을밝혔다. 초음파처리시간이 0 에서부터 10, 20, 30, 40 분으로증가함에따라수계에서용해성단백질의농도는 50 에서 1200, 3000, 5200, 6000 mg/l 로증가하였다. 단백질은모든세포의구조를 조성하는데중요한요소이며, 미생물에의한 세포외중합기질 (extracellular polymeric substances [EPS]) 또한단백질을포함하여활성슬러지에서발생하는플록과같이미생물의집합적구조를이루게하는물질이다. Wang et al. (2006) 은 3% 의총고형물량에서단백질이 EPS 와미생물의세포각각 698 과 11,338 mg/l 의값으로나타남을보고하였다. 따라서활성슬러지분해의정량화에서단백질을측정하는것은유효하다는것을알수있다. 그러나실제현장에적용할때에는, 보고된연구들의방법을통해단백질을측정하여초음파슬러지분해에대한효율을분석하는것이여전히일반적이지않다. Khanal et al. (2006c) 는활성슬러지를초음파로분해하는과정에서비에너지유입량 (kj/g TS) 와총고형물양의차이에따라방출되는 암모니아 -N 의농도가어떻게나타나는지에대하여연구하였다. 그결과에따르면방출되는 암모니아 -N 의농도는총고형물량과비에너지유입량이커질수록증가하는것으로 나타났다.( 그림 8) 19

20 < 그림 8> 다른비에너지유입량과 TS 함량에서슬러지소화를통해배출되는 NH 3-N 양 암모니아-N 의농도는총고형물양이 2.0, 2.5, 3% 에서비에너지유입량이 20kWs/gTS 일때, 혹은총고형물양이 1.5% 에서비유입에너지유입량이 10kWs/gTS 일때, 거의평형상태로도달한다. 초음파처리중에박테리아의세포는파괴되고세포내부의질소유기물들은세포밖의수계로방출되어, 그뒤암모니아로가수분해된다. 이때문에수계에암모니아질소의값이계속커지는것이다. 이외에도비생물학적잔해물에포함된유기질소들이암모니아로방출되어수계의암모니아라질소의농도에기여한다. Bougrier et al. (2005) 는농축활성슬러지의초음파처리에서비에너지유입량에변화에따른질소 ( 용해성유기물형태나암모니아질소 ) 방출에대한연구를수행하였다. 슬러지에서총킬달질소 (TKN) 는비에너지유입량에따라전혀변하지않았다. 이것은초음파처리가질소의무기화나휘발화에전혀기여를하지않는다는점을명백하게나타낸다. 그러나초음파처리시간중에고형물상의유기질소가감소하는동시에수계상의암모니아질소와유기질소가증가하는것을알수있었다. 또한유기질소의최대용해도는비에너지유입량이 10kJ/g TS 일때도달되는것을확인하였다. 따라서수계에서암모니아와용해성유기질소는초음파를통한분해효율을측정할수있는, 또다른유용수단임을알수있다. 그러나표준화된실험을위해서는또다른조건들의변화에따라암모니아의방출이어떻게변화하고관계되는지에대한세부적인추가연구가필요하다. 20

21 4.6.3 생물학적평가 생물학적평가는종속영양미생물의개체수분석 (heterotrophic plate counts) 과비산소섭취율 specific oxygen uptake rate (SOUR) 을포함한다. 종속영양미생물은생물학적활성슬러지의주요성분이므로초음파처리중에살아남은종속영양미생물군의측정은초음파처리분해효율의중요한판단기준이된다. Chu et al. (2001) 은종속영양미생물이초음파 0.33W/ml 밀도에서 120 분동안초음파처리를했을때, 약 44% 의생존율 ( 처리전샘플에대비하여초음파처리한후의값 ) 을나타냄을보고했다. 그러나종속영양미생물의개체수분석은실제현장적용에서슬러지분해효율을판단하는데실용적인분석이아니므로여기서는논의하지않도록하겠다. 활성슬러지의주요성분은호기성미생물과임의성미생물이다. 따라서산소섭취율을측정하는것은활성슬러지의생물학적활성을판단하는데좋은방법이다. 초음파처리는미생물의세포를파괴하기때문에초음파처리된활성슬러지의분해효율을판단하는데비산소섭취율을측정을사용할수있다. 앞서이야기한바와같이, Khanal et al. (2006c) 는초음파처리시간에따라변화되는비산소섭취량 (SOUR) 에대한실험을수행하였다. 비산소섭취량 (SOUR) 테스트는 1.5% 의총고형물량을가진 20ml 의초음파처리된슬러지와 SCOD 500mg/L 의탄소원과같은필수영양물질을포함한합성기질을사용하여실험하였다. 비산소섭취율 (SOUR) 실험의결과는그림 9 에나타나있다. < 그림 9> 초음파처리시간에따른활성슬러지의 SOUR 값변화 21

22 그림에서나타나듯이, 슬러지의생물학적활성은초음파처리가시작된뒤 16 분동안은 기하급수적으로감소하여그뒤에는낮은비율로감소한다. 활성슬러지의활성은대조군 ( 초음파처리되지않은슬러지 ) 과비교하였을때초음파처리된 16 분동안약 55% 감소하였다. 이결과는초음파처리가미생물의세포를분해하는효율을판단하는데효과적이라는것을제시해준다. 이것은또한 SCOD 의방출이초음파분해의효율을판단하는적절한수단이아닐수도있음을시사해준다. 세포내부물질의방출에박테리아세포의파괴가꼭필요한것은아니다. 그러나이를통해세포물질이외부효소에노출되고이때문에소화효율이향상되게된다. 따라서산소섭취율은세포의분해를판단하는데실용적이면서도유용한수단이될수있다. Rai et al. (2004) 은산소섭취율 (oxygen uptake rate [OUR]) 을기초로하여비활성도 (degree of inactivation [DDOUR]) 의개념을만들어냈고이는흔히분해도 (degree of disintegration [DDCOD]) 와비슷한개념으로사용된다. DDOUR 은아래와같이표현될수있다 : 여기서 OURsonocated 은초음파처리된슬러지의산소섭취율 (mgo 2 /L-min[M/L 3 T]) 이며 OUR original 은원래슬러지 ( 초음파처리되지않은 ) 의산소섭취율이다. DD OUR 은비에너지유입량이 40kJ/gTS 까지는매우빨리증가하다가그이후에는그림 10 과 같이증가량이낮아지는경향을나타낸다 (Rai et al., 2004). < 그림 10> 비에너지유입량차이에따른비활성도 22

23 비에너지유입량이 8kJ/g TS 에서 DD OUR 은음의값으로나타난다. 이것은초음파처리된 슬러지의산소섭취율이그렇지않은경우보다높음을나타내는것이다. 이러한결과의주된이유는낮은에너지의유입으로미생물이세포가파괴되지않은상태에서간단한슬러지의플록이해체되면서미생물이각자떨어지게되고미생물의활성도가커지게되는것이다. 산소섭취율의측정은비교적간단하고 20 분이나그이하의시간으로측정이가능하다. 게다가이는생물학적활성에대한결과를나타내어준다. 따라서 OUR 의측정에근거한 DD OUR 판단은실제공정에서 ( 특히활성슬러지공정에서 ) 초음파처리를통한슬러지의분해효율을판단하는데유용한수단이될수있다. 그러나이방법의활용도를늘리기위해서는다른조건에대해서많은실험을하고호기성 / 혐기성조건에따라슬러지의분해가어떤상관관계를가지는지에대해연구해야한다. 4.7 초음파분해효율에영향을미치는인자 초음파분해효율은몇가지인자에의해지배를받는다. 이러한인자들을폭넓은범위로 나누면다음의세가지분야로넓게분류된다. (a) 슬러지 ( 고형물 ) 의특성 (b) 초음파조건 (c) 초음파장치의구성 이들에대한자세한설명은다음단락에서이어가겠다 슬러지 ( 고형물 ) 특성 슬러지의특성, 예를들어 [ 슬러지의타입 ( 생슬러지, 폐활성슬러지혹은동물의분뇨, 등.), TS 양, 그리고입자의사이즈 ] 은초음파분해에강력한영향을미친다. Grönroos et al. (2005) 는최대건조고형물양 (DS) 에서 SCOD 농도의최대값에대한 연구를보고하였다. 그러나, Grönroos 가보고한 mg SCOD/g DS 데이터에서는고농도의 고형물함량을지닌상태에서슬러지분해능력의어떻게달라지는가에대한정보가포함되지않았다. 이에 Khanal et al. (2006c) 는비에너지유입량에차이에있어서 SCOD 방출에총고형물양이어떠한영향을미치는가에대한연구를집중적으로수행하였다. 그연구의결과는그림 11. 에나타나있다. 23

24 < 그림 11> 각기다른에너지유입량과 TS 함량에따른 SCOD 방출량 그림에서보여주듯이, SCOD 의방출량은 TS 의양과에너지유입량에증가와함께동반상승하는것을알수있다. 그러나 SCOD 의방출증가비는모든 TS 양에서에너지유입량이 35kWs/gTS 을넘어선뒤로서서히감소하는경향을나타낸다. 이그림에서 TS 양이 1.5, 2.0, 2.5 그리고 3.0% 일때 SCOD 방출량은 1.6, 2.2, 2.5 그리고 3.2 mg/kws 으로각각나타났으며, TS 양이 1.5% 일때와비교하여각 2.0, 2.5 그리고 3.0% 에서 38, 59 그리고 98% SCOD 방출량증가를나타내고있다. Wang et al. (2005) 역시 SCOD 방출에대한총고형물의중요한영향에대하여연구하였다. SCOD 의방출은 30 분동안의초음파처리에서 TS 양이 0.5 에서 1% 로증가하는가운데 3,966mg/L 에서 9,019 mg/l 로증가하였고이때의초음파밀도는 1.44W/ml 라고보고한바가있다. 이러한발견을통해높은 TS 양이낮은양에비해서초음파분해에있어더큰에너지효율을가지는것으로생각할수있다. 초음파처리기간동안캐비테이션버블 (Cavitation bubbles) 이형성되는데, 이버블이수중에서격렬하게붕괴하면서두가지의현상을유발하게된다. 한가지현상은유체역학적전단력이라불리며박테리아세포의분해와유기잔해물의분해를용이하게한다. 또다른현상은초음파화학반응 (Sonochemical reaction) 이라불리며이반응의결과로높은에너지를가진라디칼들 (e.g., OH, HO2, H ) 을만들고과산화수소를만들게된다. 20kHz 의낮은주파수에서는전단응력이세포분해의주요매카니즘이된다 (Tiehm et al., 2001). 흥미롭게도높은 SCOD 방출은높은 TS 양에서만이루어진다. 이에대한가설은다음과같이세울수있다. 높은 TS 양에서미세기포의격렬한붕괴가기포근처에있는입자들에의해가속화되고이반응에의해다시근접한입자들이파괴된다는것이다. 이는높은 TS 양에서풍부한 24

25 입자가입자간의충돌에의한슬러지분해를촉진시키는것과유사하다. 그러나슬러지구조안 Cavitation bubble 에서고형물의입자수에의한효과는여전히명확하게밝혀지지않았다. 초음파의분해효율경감역시슬러지의구조에지배를받는다. 일반적으로비생물학적고형물 ( 예를들어생슬러지또는동물배변 ) 은활성슬러지와같은생물학적슬러지와비교해상대적으로분해가쉽다고생각한다. 그러나슬러지타입이나입자크기에따른초음파슬러지분해효율차이에대한연구는이루어지지않고있다. 이러한연구는만약초음파기술을생슬러지나동물의배변분해에이용하고자한다면중요한부분이다. 생슬러지나동물배변에대한연구에서생물학적슬러지분해에대한데이터는분해의정도등이다르기때문에직접적으로이용될수없다 초음파조건 초음파시간, 강도, 밀도, 온도, ph, 진동주파수, 진폭, 그리고 power input 은초음파분해에영향을미치는중요한변수들이다. 식 2 에서알수있듯이비에너지유입량은초음파시간과비례한다. 긴초음파시간은높은비에너지유입량을의미하고그결과로높은 SCOD 방출이일어난다. 초음파조건의변화에따른분해도에대한결과는표 1 에정리되어있다. Wang et al. (2006) 은총고형물량 3%, 주파수 20 KHz, 초음파강도 0.768W/ml 의조건에서 5 분, 15 분, 20 분의 3 가지다른초음파시간을두고 SCOD 농도가어떻게달라지는지에대한실험을시행하였다. 이를통해 SCOD 의방출이초음파시간이 5 분에서 15 분으로증가할때 2581mg/L 에서 7509mg/L 로증가한것을관찰할수있었다. 그러나분해가 20 분까지지속되었을때 SCOD 의방출은급격하게감소하면서최종 SCOD 의농도가 8912mg/L 가되었다. 이러한경향에대한연구는몇번에걸쳐진행되었다.(Wang et al., 2005; Khanal et al., 2006c; Zhang et al., 2007). 비록높은 SCOD 의방출값을얻었지만초음파전처리의주요목적은 SCOD 의방출과초음파에너지유입의 ( 초음파밀도, 초음파강도혹은비에너지유입량 ) 상관관계이다. 이러한상관관계를통해서슬러지분해효율을최대화하는에너지요구량을최적화할수있다. 비에너지유입과초음파밀도에따른 SCOD 방출량의차이에대한한연구내용은표 1 에나타나있다. 비록비에너지유입의증가에따라분해도가증가하지만그증가세가에너지의유입과직접적인비례관계를가지지는않는다. 한예로 Khanal et al.(2006c) 은 16.2% 의 SCOD/COD 를 66,800kJ/kgTS 에서얻은반면, Bougrier et al. (2005) 는위의두배에가까운값을겨우 6951kJ/kg TS 에서얻을수있었다. TS. 또다른연구에서는 40% 의 DD COD 를비에너지유입량 60,000kJ/kg TS 에서 (Tiehm et al. 2001) 얻은반면, Rai et al.(2004) 의경우에는 25% 의 DD COD 값을 64,000 kj/kg TS 의에너지유입량에서얻었다고보고하였다 25

26 < 표 1> 초음파처리조건변화에따른유기물질의분해 슬러지타입 에너지 유입량 (W) 주파수 (khz) 비에너지유입량 (kj/kg TS) 초음파 밀도 또는강도 SCOD 배출량 (mg/l) 분해도 DD COD (%) SCOD/ COD (%) reference 0(control) 1, ,000 2, 폐활성슬러지 (TS: 3%) ,600 28, W/ml 3,540 4,824 N/A Khanal et al. (2006c) 34,600 5, ,800 7, (control) 410 영양물질제거를 0.1 W/ml 1,050 포함한폐활성슬러지 N/A 25 N/A 0.2 W/ml 0.5 W/ml 1,500 3,150 N/A N/A Zhang et al. (2007) (TS: 1%) 1.0 W/ml 4, W/ml 5,400 0(control) 775 폐활성슬러지 (TS: N/A) N/A 0.18 W/ml 0.33 W/ml 950 1,200 N/A N/A Mao et al. (2005) 0.52 W/ml 1,500 0(control) 5.8 폐활성슬러지 (TS; 1.85%) ,355 2,700 N/A N/A N/A Bougrier et al. (2005) 6, 농축 폐활성슬러지 (TS: 2.45%) N/A 27 0(control) 3,000 14, W/ml 1,300 2,600 4,050 N/A N/A Gronroos et al. (2005) SBR 에서나온 생물학적슬러지 (TS:0.5%) N/A 20 N/A 60 W/ml 120 W/ml 230 W/ml N/A N/A Wang et al. (2005) 8, 폐활성슬러지 (TS: 0.48%) 500 N/A 24,000 40,000 N/A N/A 8 10 N/A Rai et al. (2004) 64,

27 0(control) 5.8 폐활성슬러지 (TS: 2%) ,355 2,707 6,951 N/A N/A N/A Bougrier et al. (2004) 14, , 농축 폐활성슬러지 (TS: 2.59%) N/A 41 10,000 25,000 40, W/ml N/A N/A Tiehm et al. (2001) 60,000 일부데이터들은표로부터추출하였음 ; N/A 는없거나사용불가능한데이터를의미함. 40 이런변화는초음파단위당에너지전달효율에영향을미친다. 주파수 20kHz 에서 40kHz 사이의다양한슬러지분해연구가표 1 에나타나있다. 흥미롭게도동일한 3 W-min/ml 의초음파에너지유입에서 6 분간초음파밀도 0.5 W/ml 를적용하였을때 DD COD 수율은 9.2% 였지만초음파밀도가 0.1 W/ml 인상태에서 30 분간적용하였을때는 7.3% 의 DD COD 수율을나타내었다. 동일한선상에서저자는 10 분간초음파밀도가 0.5W/ml 를적용하여 15.8% 의 DDCOD 수율을얻었고, 0.2 W/ml 의밀도에서 30 분간적용하였을때는 의수율을얻을수있었다. 이때의에너지유입량은각각 5 와 6Wmin/ml 이다. Grönroos(2005) 은또한같은비에너지유입량에서높은초음파밀도로짧은처리를하는것이낮은초음파밀도에서긴시간동안처리하는것에비해더나은슬러지분해율을나타낸다는것을관찰하였다. 이러한발견들은슬러지분해효율에있어서초음파밀도가처리시간보다훨씬중요하다는것을의미한다. 또한초음파슬러지분해효과측정에있어서 ph 나온도와같은변수들역시중요하다. ph 조건에따른 SCOD 의방출은높은 ph 에서더높게나타난다는것을그림 12 에서알수있다 (Wang et al., 2005). 27

28 < 그림 12> 30 분간의초음파처리에서 ph 조건변화에따른 SCOD 배출량의변화 이는알칼리성분을첨가하여 ph 를높임으로써박테리아의세포벽을약하게하고더초음파처리기간동안의효율을높일수있음을의미한다. 따라서슬러지의알칼리처리를초음파처리에응용함으로써목표하는슬러지분해도를적은에너지비용을통해얻을수있다. 그러나이러한연구는알칼리성분을첨가와슬러지분해에관한추가실험이필요하다. 분해에미치는여러인자의영향은동역학적모델을이용한다변량선형회귀분석을통해실험하였다. 그결과이 저자들은 1 차분해도에있어서초음파의각변수간에미치는영향관계를다음의순으로 정리하였다. 슬러지 ph > 슬러지농도 > 초음파강도 > 초음파밀도. 슬러지의초음파분해결과로수계의온도를상승하게된다. 이러한온도의상승은초음파의시간과밀도에영향을받는다. Tiehm et al. (1997) 은 31 khz 주파수로플로우타입의초음파처리를 64 초간하였을때슬러지의온도가 15 에서 45 도로상승하였다. Chu et al. (2001) 는 120 초간의초음파처리를하였을때슬러지의온도상승에대해평가하였다. 0.11, 0.22, 0.33, 044 W/ml 의초음파밀도에서각 30, 42, 51, 56 의온도를나타냈다. 일정한 0.44W/ml 의밀도에서 20, 60, 120 초로초음파처리를하였을때각슬러지의온도는 19 도에서 30, 50, 56 도로상승하였다. 흥미롭게도온도의상승은초음파의밀도의상승과정비례의관계를가지고있다. 각각의밀도 0.11, 0.22, 0.33, 0.44W/ml 에서슬러지온도상승률은 0.15, 0.28, /ml 로나타났다. 이러한사실에의해서초음파밀도는슬러지의온도상승효과에있어서초음파시간보다훨씬더높은의미를가지는것을알수있다슬러지의용해에있어초음파처리를통한온도상승은열적효과에영향을미친다. 하지만 분해도에열적효과의영향을파악하는것이쉽지는않다. 한연구에따르면, 60 초간 0.33W/ml 의밀도로온도컨트롤없이초음파처리하였을때와 15 도로온도컨트롤을한경우를 비교하였을때 SCOD 의생성은약 2.4 배상승하였다 (Chu et al., 2001). 그러나이연구에서는 28

29 최종처리된슬러지의온도에대한데이터가나와있지않다. Grönorros et al. (2005) 또한초음파슬러지분해에서온도가미치는중요한영향에대해보고하였다. 저자들은실험에서슬러지의온도를조정하였고 30 분동안의초음파처리기간동안 SCOD 의방출에대해측정하였다. 온도를 30 에서 60 도로상승시켰을때초음파처리하지않은경우 SCOD 의방출이 750 에서 1550 mg/l 로나타났고, 초음파처리를한경우에는 2150 에서 2950mg/L 의방출이일어났다. 그러나어떤연구에서는온도가초음파처리에있어크게중요하지않다는결과를보고하고있기도하다 (Wang, et al., 2005; Shirgaonkar and Pandit, 1997; Cheung and Kurup, 1994). 때문에체계적인연구를위해모든슬러지분해에있어서온도가미치는영향에대해연구할필요가있다. 운전주파수는효과적인초음파처리시스템에있어서중요한인자중하나이다. 이것은운전주파수가케비테이션버블의사이즈에중요한영향을끼치기때문이다. 높은주파수폭에서케비테이션효과는크게감소하는반면낮은주파수범위에서는파괴적인케비테이션효과가나타난다. Tiehm et al. (2001) 는초음파의공동현상으로인해발생하는유체역학적마찰력이입자를파괴하는가장중요한역할을한다고보고하였다. 저자는 41, 207, 360, 1068kHz 의 주파수에서각 13.9, 3.6, 3.1, 1.0% 의 DDCOD 의값을얻을수있었고, 결과적으로낮은 주파수인 41kHz 에서가장좋은슬러지분해수율을얻을수있었다. 초음파화학적반응은특히높은주파수인 200 에서 1000kHz 에서뛰어난것으로보고된다 (Mark et al., 1998). 따라서거의모든슬러지분해테스트는 20kHz 보다낮은주파수영역안에서이루어진다 (Wang et al., 2005; Bougrier et al., 2005; Khanal et al., 2006a, b). 5. 결론 초음파는도시폐수의전처리에큰잠재력을가지고있으며, 폐슬러지처리에응용하여슬러지분해효율을높이고바이오가스의수율을향상시켜준다. 벤치스케일의초음파처리연구는통하여활성슬러지의분해효율이 40% 향상됨을확인했다. 대부분의연구에서초음파처리에있어서초음파의밀도가초음파처리시간보다슬러지의분해에더큰영향을준다는사실동의하였으며, 동역학적모델을기반으로한연구를통해슬러지의분해에영향을미치는요소의중요도를다음과같이파악할수있었다. 슬러지의 ph > 슬러지의농도 > 초음파강도 > 초음파밀도. 이러한연구를바탕으로랩스케일및풀스케일의연구를통해서초음파처리를통해슬러지분해효율에큰향상을얻을수있음을여러연구를통해확인할수있었다. 29

30 따라서효율적인초음파전처리를폐수처리에응용한다면비용과처리효율두가지모두를 만족시키며처리된슬러지의매립량역시획기적으로줄일수있을것으로기대할수있다. 6. 참고문헌 (1) Adewuyi, Y.G. Sonochemistry: Environmental science and engineering application, Ind. Eng. Chem. Res. 40(22), , (2) Bien, J., and Wolny, L. Changes of some sewage sludge parameters prepared with an ultrasonic field, Water Sci. Technol. 36(11), , (3) Bougrier, C., Carr`ere, H., and Delgenes, J.P. Solubilization of waste-activated sludge by ultrasound treatment, Chem. Eng. J. 106, , (4) Bougrier, C., Carr`ere, H., Battimelli, A., and Delgen`es, J.P. Effects of various retreatments on waste activated sludge in order to improve matter solubilization and anaerobic digestion. In Proceedings of 10th World Congress on Anaerobic Digestion (Vol. 2; pp ), Montr eal, Canada, (5) Cady, W.G, Piezoelectricity, Vol. 1. Dover, New York, (6) Canalese, A., Pareilleux, A., Rols, J.L., Goma, G., and Hyyard, A. Decreased sludge production strategy for domestic treatment, Water Sci. Technol. 30, , (7) Cheung, H.M., and Kurup, S. Sonochemical destruction of CFC 11 and CFC 113 in dilute aqueous solution, Environ. Sci. Technol. 28, , (8) Chu, C.P., Chang, B.-V., Liao, G.S., Jean, D.S., and Lee, D.J. Observations on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge, Water Res. 35(2), , (9) Clark, A. Magnetostrictive transducer, U.S. patent 4,158,368, (10) Eastman, J.A., and Ferguson, J.F. Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion, J. Water Pollut. Control Fed. 53, , (11) EC, Commission of European Communities. Proposal for a Council Directive on Landfill of Wastes, COM (91). 102 SYN 235, (12) Elder, S.A. Cavitations microstreaming, J. Acoust. Soc. Am. 31(1), 54 64, (13) Faraday, M. On peculiar class of acoustical figures; and on certain form assumed by groups of particles upon vibrating elastic surfaces, Phil. Trans. R. Soc, Lond. 121, , (14) Flint, E.B. and Suslick, K.S. The temperature of cavitation, Science 253, , (15) Gr onroos, A., Kyll onen, H., Korpij arvi, K., Pirkonen, P., Paavola, T., Jokela, J., and Rintala, J. Ultrasound assisted method to increase soluble chemical oxygen demand (SCOD) of sewage sludge for digestion, Ultrason. Sonochem. 12, , (16) Grady, C.P.L, Jr., Daigger, G.T., and Lim, H.C. Biological Wastewater Treatment. 2 nd 30

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