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1 하 폐수고도처리및핵심요소기술 Advanced Sewage And Wastewater Treatment And Development of Important Point Technologies 유체유동을이용하여오 폐수분해및분리장치개발 ( 하수고도화및슬러지처리중심으로 ) Development Of Sewage/Wastewater Degradation And Separation Plant Using A Fluid Fluctuation (Focused On The Sewage Advanced Treatment And Sludge Treatment) ( 주 ) 에코데이 환경부

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3 제출문 환경부장관귀하 본보고서를 유체유동을이용하여오 폐수분해및분리장치개발 ( 하수고 도화및슬러지처리중심으로 ) 과제의보고서로제출합니다 년 7 월 31 일 주관연구기관명 : ( 주 ) 에코데이 연구책임자 연구원 : 최홍복 : 이재기, 박주형 최은주, 김정래 - 1 -

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5 과제번호 연구사업명 대분야명 중분야명 연구개발과제명 연구책임자 연구기관명및소속부서명 국문명 영문명 최홍복 해당단계연구기간 보고서초록 ~ 구분 차세대핵심환경기술개발사업 하 폐수처리고도화 하 폐수고도처리및핵심요소기술 3 차년 / 3 차년 유체유동을이용하여오 폐수분해및분리장치개발 ( 하수고도화및슬러지처리중심으로 ) Development of sewage/wastewater degradation and separation plant using a fluid fluctuation(focused on the sewage advanced treatment and sludge treatment) 총 : 5 명정부 : 70,000 천원해당단계해당단계내부 : 5 명기업 : 24,000 천원참여연구원수연구개발비외부 : - 명계 : 94,000 천원총 : 20 명정부 : 394,000 천원총연구기간총내부 : 16 명기업 : 146,000 천원참여연구원수연구개발비외부 : 4 명계 : 540,000 천원 ( 주 ) 에코데이기술연구소참여기업명 ( 주 ) 에코데이 국제공동연구상대국명 : 상대국연구기관명 : 위탁연구연구기관명 : 연구책임자 : 요약 ( 연구개발결과를중심으로개조식 500 자이내 ) 1. 유체유동을이용한생물반응기개발 보고서면수 충분한미생물확보와높은산소전달효율을갖는고농도페수처리용생물반응기개발 일반반응조의 CSTR 형태에서벗어나처리효율이높은 PFR 형태의다단반응기구조 고농도미생물유지및활성 (MLSS 20,000mg/L 이상 ) 반응기각단에기체체류공간을확보하여유체유동에의한혼합효과와높은산소전달효율 고농도음식물폐수의처리를통해 BOD 99% 의제거효율 ( 총처리시간 4 일 ) 2. 슬러지의호기성소화 슬러지의호기성처리시간 4 일이내 TS 60%, 슬러지부피 70% 이상감량화 호기성소화후유출수내 VS 함량 40~45% 로안정화 반응기의높은산소전달율 (25% 이상 ) 로인한포기시동력비절감 소화슬러지의농축효율및탈수성향상 반류수중의질소제거로수처리계통의고도화 슬러지감량화기술적용전과비교시슬러지처리비용의 46% 절감 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글슬러지감량화, 호기성소화, 고형물분리, 유체유동, 슬러지전처리 영어 Sludge reduction, Aerobic digestion, Solids separation, Fluids fluctuation, Sludge pre-treatment - 2 -

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7 요약문 Ⅰ. 제목 유체유동을이용하여오 폐수분해및분리장치개발 ( 하수고도화및슬러지처리중심으로 ) Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 생활수준향상및환경문제에대한관심이높아지면서환경질개선에관한요구의증가로대도시지역뿐만아니라중 소도시에서도하수도정비 ( 하수처리시설및하수관거정비 ) 가활발히진행되고있으며, 2006 년 2월현재하수도보급률이선진국수준인 83% 로금년내 85% 까지증가시킬계획이다. 이에따라서현재우리나라전체에서발생하는슬러지는 2003 년연간 227 만톤으로, 하수처리시설정비및산업발전에의하여계속적으로증가될것으로예측되고있다. 하수슬러지의처리는매립에의존하여왔으나, 1993 년도부터슬러지의해양배출이시작되면서직매립금지조항이설정된초기인 2000 년도부터해양배출량이급격히증가되어최근에는발생되는슬러지의 70% 이상이해양배출에의존하고있다. 육상에서의처리 처분및자원화를유도하기위하여시행된직매립금지조치가해양배출로집중되는현상이관찰되고있는것이다. 그러나하수슬러지의해양배출은런던덤핑협약과관련된 96의정서가 2006 년발효되었고, 이에따라해양배출기준이단계별로강화되고 2012 년부터하수슬러지등의해양배출을전면금지하는법안을입법화하고있어, 이에대한근본적인대책이필요하다. 그러나소각, 건조, 퇴비화, 고형화, 탄화등의슬러지자원화기술은해양배출보다많은운영비를지출해야하고악취, 대기오염등의 2차오염방지, 자원화기술에대한신뢰성, 자원화산물의질적확보를위해서는탈수슬러지의성상이매우중요하다. 그러 - 3 -

8 나일반적으로슬러지의성상별상관성을검토해보면, 유기물의함량이높을수록탈수케이크의함수율이높아재활용기술을적용하기에어려운문제점들이있다따라서슬러지의안정화와감량화기술의적용을통해슬러지재활용산물의경제성을확보하고자원화산물의질을향상시켜야할것이다. Ⅲ. 연구개발의내용및범위 본연구에서개발할슬러지처리공정은 1차슬러지, 2차슬러지의농축을유도하여 MLSS의농도를증가시키는고액분리장치, 오존의접촉효율을높여경제적소독및슬러지전처리용도의오존접촉조, 유체유동인 PFR 형태의반응기구조로고농도폐수및슬러지의감량화를효과적으로하기위한호기성생물반응기를통해서통합슬러지처리공정을개발하여슬러지감량화를통해슬러지처리의경제성을확보하고, 아울러슬러지처리계통에서발생하는반류수의영향을최소화시켜하수처리장수처리계통의효율을높이는것이다. 1. 유체유동을이용한생물반응기개발 고농도오 폐수의고효율처리가가능한생물반응기개발 처리효율이높은 PFR 형태의다단반응기구조 고농도미생물및활성유지 유체유동에의한혼합효과와높은산소전달효율 2. 슬러지농축장치개발 스컴, 플록을배제하고상등수인출 ( 상등수의 SS유출최대한억제 ) 저류조 / 농축조내슬러지계면을최대한높게하여슬러지농축및상등수배출 공기주입및배출에의한상등수를유출시키는부상또는고정식장치개발 회분식농축을통해활성슬러지 2배이상농축 표면장력을이용한표면적배출로상승유속최소화 - 4 -

9 3. 오존접촉장치개발 오존용해속도를극대화시킬수있는슬러지전처리용오존접촉조개발 혼합효과촉진에의한소량의오존주입에의한전처리 NaOH 등화학적전처리에의한경제성비교 오존체류시간조정에의한짧은시간에오존용해 4. 슬러지의호기성소화 슬러지의호기성처리시간 4~5 일이내슬러지조기안정화유도 슬러지의최종처분방식을복토제등자연순환형으로검토할수있을정도의슬러지안정화지표에맞추어슬러지처리 슬러지농축및탈수성향상 반응기의높은산소전달율 (25% 이상 ) 로인한포기시동력비절감 반류수중의질소제거로수처리계통의고도화 Ⅳ. 연구개발결과 슬러지의호기성소화및반류수내질소 인의제거를통한하수고도화를위한단위 기술의개발및 ER-1 반응기를이용한슬러지호기성소화공정을개발하였으며이에 대한연구결과는다음과같다. 1. 유체유동을이용한생물반응기개발 충분한미생물확보와높은산소전달효율을갖는고농도페수처리용생물반응기개발 일반반응조의 CSTR 형태에서벗어나처리효율이높은 PFR 형태의다단반응기구조 고농도미생물유지및활성 (MLSS 20,000mg/L 이상 ) 반응기각단에기체체류공간을확보하여유체유동에의한혼합효과와높은산소전달효율 ( 산소전달율 25~40% ) 고농도음식물폐수및축산폐수의처리를통해 BOD 99% 의제거효율 - 5 -

10 2. 슬러지농축장치개발 스컴을배제하고상등수인출할수있는구조의농축장치 ( 디켄터 ) 개발 농축조내슬러지계면을최대한높게하여슬러지농축및상등수배출 ( 배출구와슬러지계면간의거리 10~20cm) 회분식농축 ( 활성슬러지 2배이상농축, TS 20,000 mg/l 이상 ) 표면장력을이용한표면적배출로상승유속최소화 디켄터적용시침전조또는농축조를 30% 이상활용효과증대 3. 오존접촉장치개발 오존용해속도를극대화시킬수있는슬러지전처리용오존접촉조개발 혼합효과촉진에의한소량의오존주입에의한전처리 오존체류시간조정에의한짧은시간에오존용해 (3분이내 ) 하수소독에적용시기존오존접촉장치에비해오존량약 2.5 배, 접촉조용적은 4배이상감소 하수슬러지전처리장치로활용시오존주입량 0.3gO 3 /MLVSS일때 1,739% 가용화 4. 슬러지의호기성소화 슬러지의호기성처리시간 4일이내 TS 60%, 슬러지부피 70% 이상감량화 호기성소화후유출수내 VS 함량 40~45% 로안정화 반응기의높은산소전달율 (25% 이상 ) 로인한포기시동력비절감 ( 산소전달율이외에통기저항이 1/2~1/3 수준이하 ) 소화슬러지의농축효율및탈수성향상 슬러지의최종처분방식을복토제등자연순환형으로검토할수있을정도의슬러지안정화지표에맞추어슬러지처리 반류수중의질소제거로수처리계통의고도화 슬러지감량화기술적용전과비교시슬러지처리비용의 46% 절감 - 6 -

11 Ⅴ. 연구개발결과의활용계획 ER-1 반응기를이용한호기성소화기술의핵심은생물반응기를프로그흐름 (PFR) 으로구성하여고농도오폐수의호기성처리에서부족되기쉬운산소공급충족, 빠른물질분해속도유도, 고도처리문제를동시에해결한것이다. 본연구에의해개발된고효율호기성생물반응기 ER-1은그기술의우수성을인정받아신기술인증 (NET 제K055 호, 과학기술부 ), 신제품인증 (NEP , 산업자원부 ), 및조달청우수제품인증 ( 제 호, 조달청 ) 을받은바있다. 또한하수슬러지의호기성소화및대표적인고농도오 폐수인음식물폐수와축산폐수분야에적용하여처리효율및경제성을확보하였다. 이러한연구성과를확대하여보다다양한분야에적용할계획에있으며, 적용가능한분야를세분화하면다음과같다. 하수슬러지의호기성소화에의한감량화및안정화 하수슬러지혐기성소화조개선 음식물자원화시설에서발생하는폐수처리시설 축산폐수처리시설 식품폐수등기타고농도폐수처리시설 이중음식물폐수처리기술은아직까지처리기술이확립되지않은분야이며, ER-1 반응기를이용한효율분석을통해그가능성을확인한바있다 년부터음식물직매립이금지되면서음식물의재활용이필수적인화두로대두되었다. 그러나지금까지음식물의재활용은퇴비화, 사료화, 탄화, 소각, 감압증발, 혐기성소화등고형물처리위주의공법이주류를이루고각각의처리공정의부산물로나타나는침출수, 탈리액등의폐수처리부분에대해서는특별한대안이없이대부분해양배출에의존하고있다. 따라서현장화를통해서안정된음식물침출수처리를입증하는과정은매우시급하고중요한사안이라고할수있다. 따라서음식물폐수처리는하수슬러지와시기적으로환경정책과연계성이매우높은과제라고할수있다

12 환경부, 해양수산부의음식물침출수해양배출억제대책과일치 축산분뇨, 하수슬러지등고농도폐수처리해법의제시 총량규제의대응에적합 ( 높은제거된오염물질의부하량 / 비용 ) 따라서지금까지 3 차년에걸쳐연구한본실용화연구결과와연계하여실증화사업 으로음식물폐수에대한실증화사업으로활용범위를넓혀보고자한다. 그필요성을 구체적으로보면아래와같다. 본장치가대형화되었을때음식물폐수와같이유입수에높은 SS 가함유되는 경우, SS 의침전에의한 MLSS 활성저하효과실험및확인이필요함 유입수의상태변화 ( 하절기지나친 ph 저하, 계절별부하량의변화등 ) 에대응하 는고농도전용공정개발이필요함 고농도유입수에서견딜수있는운전모드확인이필요함 하수슬러지의경우많은실험을통해서더이상의실증화실험이요구되지않으 며, 대형장치의경우음식물침출수처리자료를활용할수있음 실증화사업의취지인 공정의최적화, 규모의확장 주변기술의확보 를동시 에충족시킬수있음 - 8 -

13 S U M M A R Y Ⅰ. Title Development of sewage/wastewater degradation and separation plant using a fluid fluctuation(focused on the sewage advanced treatment and sludge treatment) Ⅱ. Purpose and Necessity The purpose of this research is to develop an aerobic digestion process for sludge reduction which minimize an side stream wastewater effect. Excess sludge resulting from municipal and industrial wastewater treatment is becoming a serious issue owing to prohibition disposal land and ocean dumping. But, there is no a suitable process to sludge treatment instead of incinerating, drying, composting and solidification process. A considerable part of the sludge from large scale wastewater plant is treated anaerobic digestion process. Aerobic digestion is to ask lower power consumption for aeration. Because anaerobic digestion is to appear a low treatment efficiency. Ⅲ. Research Contents and Scope 1. Development of Bioreactor using Fluid fluctuation Development of high efficiency bioreactor for high concentration wastewater Multi stage and PFR structure High concentration biomass and activity - 9 -

14 Mixing effect and oxygen efficiency by fluid fluctuation 2. Sludge Separated and Concentration system Supernatant outflow without scum and floc Keep up maximum sludge level of sludge thickener and settling tank Floating and fixed type Batch thickening Minimum sludge rising velocity using surface tension 3. Development of Ozone Contactor Development of ozonecontactor for high ozone soluble rate High efficiency pretreatment for a small quantity of ozone by promote of mixing Economic evaluation in comparison with chemical(naoh) pretreatment Short time of ozonization by control of ozone retention time 4. Sludge Aerobic Digestion Short period sludge stabilization, aerobic digestion time within 4~5 day Improvement of thickening and dewaterability Reduce of power cost by high oxygen transfer rate Removing nitrogen and phosphorus in the side stream wastewater Ⅳ. Results 1. Development of Bioreactor using Fluid fluctuation Development of high efficiency bioreactor(er-1) with the enough biomass(more than MLVSS 20,000mg/L) and high oxygen transfer rate(more than 25%). Bioreactor composed of multi-stage upflow PFR structure. Gas Holdup space each section in Bioreactor has mixture effect and high oxygen transfer rate(more than 25~40%) due to Fluid fluctuation

15 Also food wastewater and livestock wastewater removal efficiency of BOD 99%. 2. Sludge Separated and Concentration system Effluent of supernatant exclusive of scum and keep up maximum sludge level(under 10~20cm from the effluent point). Batch concentration(concentrating more than double of general thickened sludge). Minimization of sludge overflow velocity by surface tension. The Decanter will increase above 30% application volume for settling tank or sludge thickener. 3. Development of Ozone Contactor Development of ozone contact for the sludge pretreatment which has the ozone solubility increase 1,739% at 0.3gO 3 /MLVSS. Minimum inject ozone for a pretreatment due to a promotion of mixture effective. Ozone solution time less than 3 minutes by the gas holdup. In sewage disinfecting, it compares in generation reactor, In comparison of generation reactor, this reactor decreases to 2.5 times. 4. Sludge Aerobic Digestion Aerobic digestion time within 4day, reduce the sludge TS 60% and cake volume 70%. After aerobic digestion VS ratio less than 40~45%(stabilization). Other than oxygen transfer rate, ventilation resistance below 1/2~1/3 of general diffuser. Improvement of Thickening Characteristics and Dewatering ability Nitrogen and phosphorus removal efficiency 60~70% in the side stream wastewater

16 46% save in expenditures of sludge cake Disposal comparison with Before applying the sludge aerobic digestion. Ⅴ. A pplication Plans The aerobic digestion process using ER-1 is focused on PFR flow. Which simultaneously solves oxygen supply for high concentration treatment, high speed mass transfer velocity and nutrients removal. ER-1 which developed in research of EcoDays Ltd. demonstrate the superiority of technical power and receives New Excellent Product(NEP , Ministry of Commerce, Industry and Energy), New Excellent Technology(NET-K055, Ministry of Science and Technology) and Excellent Product( , Public Procurement Service). Also it applied in the food wastewater and livestock wastewater where the representative of high concentration wastewater. This research result will apply in the field which is various and application as follows. Reduction of solid and stabilization by aerobic digestion of sewage sludge Improvement of the existing sludge digestion facilities(usually anaerobic) Food wastewater, livestock wastewater and other high concentration wastewater treatment plant

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18 C O N T E N T S Chapter 1. Introduction Section 1. Background and Necessity 31 Section 2. Objectives and Scopes 33 Chapter 2. Current State of Technology Development Section 1. Status of Internal and External Technologies Statues of Domestic Technologies Foreign Domestic Technologies 45 Section 2. Sewage Sludge Digestion Classification of Sludge Treatment Biological Digestion Chemical Sludge Treatment Mechanical Sludge Treatment 61 Section 3. Reuse of Sludge Composting Solidification and Alkaline Stabilization Vermicomposting 70 Chapter 3. Research Contents and Results Section 1. Development of Bioreactor using Fluid fluctuation Background Method and Results

19 Section 2. Sludge Separated and Concentration system Theory of Separation Development of Sludge Thickening Devices 156 Section 3. Ozone Contactor Theory of Ozonation Development of Ozone Contactor 188 Section 4. Sludge Aerobic Digestion and Sewage Advanced Background Method and Results Aerobic Digestion Efficiency and Economic evaluation using ER Section 5. Results Development of Bioreactor using Fluid fluctuation Sludge Separated and Concentration system Development of Ozone Contactor Sludge Aerobic Digestion 290 Chapter 4. Goal A chievement and Contributions Section 1. Achievement of Research Development 295 Section 2. Extenrnal Contributions 298 Chapter 5. Applicaion of Research Results 305 Chapter 6. Reference

20 目 次 제 1 장서론 제 1 절연구개발의필요성 31 제 2 절연구개발목표및내용 연구개발의최종목표 33 가. 유체유동을이용한생물반응기개발 33 나. 슬러지농축장치개발 33 다. 오존접촉장치개발 34 라. 슬러지의호기성소화 연차별연구개발목표및내용 35 가. 단계별연구개발목표및범위 35 나. 각단계연차별연구개발목표 36 다. 각단계연차별연구개발내용및범위 37 제 2 장국내외기술개발현황 제 1 절국내외하수슬러지처리현황 국내하수슬러지발생및처리현황 국외하수슬러지발생및처리현황

21 제 2 절하수슬러지감량화기술 슬러지처리 처분방법의분류 생물학적처리에의한감량화기술 화학적처리에의한감량화기술 물리적처리에의한감량화기술 61 제 3 절하수슬러지자원화기술 퇴비화 고화및고형화 지렁이분변토재활용기술 70 제 3 장연구개발수행내용및결과 제 1 절유체유동을이용한생물반응기개발 이론연구 72 가. 생물학적처리기술의일반이론 72 나. 반응기흐름에의한특징 76 다. 유체유동적용반응기해석 실험방법및결과 91 가. 유체유동을이용한생물반응기의개발 91 (1) 반응기의구조및특성 91 (2) 추적자 (Tracer) Test를통한반응기의유체흐름특성실험 97 (3) 반응기각단추가에따른특성실험

22 (4) 산소전달효율 (KLa) 의측정 105 (5) 반응기내미세기포측정 110 (6) OUR(Oxygen Uptake Rate) Test 115 (7) ER-1의운전시진동측정 120 (8) 전산모사를통한 ER-1 반응기의유체유동해석 127 나. ER-1 반응기의고농도오 폐수분해효율 133 (1) ER-1을이용한축산폐수처리 133 (2) ER-1을이용한음식물폐수처리 141 제 2 절고형물분리장치의개발 여과이론 149 가. 분리막여과 150 나. 분리막의특성비교 슬러지농축장치개발 156 가. 분리막을이용한고형물제거장치개발 156 (1) ES 반응기의금속망을이용한고액분리실험결과 162 (2) 평막을이용한일반 MBR과 ES의비교실험결과 164 나. 상등수배출장치의개발 168 제 3 절오존접촉장치의개발 오존산화이론 174 가. 오존의분해메카니즘 177 나. 오존의물에대한용해성

23 다. 오존의응용 오존접촉반응장치 188 가. 실험장치개요 190 나. 실증 pilot test를통한반응기설계 191 다. 오존량에따른처리성능최적화실험 192 라. 실험결과 194 (1) 오존주입률에따른처리성능비교결과 194 (2) ER-2 연속운전결과 196 (3) 초과유입수및초기강우의오존처리공정의적용성실험결과 200 제 4 절슬러지호기성소화및하수고도화기술개발 이론연구 202 가. 하수슬러지물리화학적성상 204 나. 슬러지의호기성소화 실험방법및결과 219 가. 슬러지의전처리를통한가용화 219 (1) 오존을이용한슬러지전처리실험방법 219 (2) 알칼리전처리실험 226 (3) 전처리효율및경제성평가 229 나. ER-1 반응기를이용한호기성소화 231 (1) 1차슬러지 ( 생슬러지 ) 의호기성소화실험 231 (2) 잉여슬러지와생슬러지를이용한호기성소화 238 (3) 회분식호기성소화실험

24 (4) 연속호기성소화실험 253 (5) 혐기성소화액대상호기성소화 263 다. 슬러지최종처분방법 273 (1) ER-1을이용한소화슬러지의지렁이퇴비화가능성검토 273 (2) 지렁이퇴비화적용을위한슬러지의전처리 274 (3) 지렁이입식및조사 ER-1을이용한호기성소화공정의감량화효율및경제성검토 278 가. 혐기성소화기술 278 나. ER-1을이용한호기성소화공정의특징 278 다. ER-1 반응기를이용한슬러지감량화경제성검토 279 제 5 절결론 유체유동을이용한생물반응기개발 슬러지농축장치개발 오존접촉장치개발 슬러지의호기성소화 설계인자도출 292 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 1 절연구개발목표의달성도 295 제 2 절대외기여도

25 1. 신기술및신제품인증 특허및실용신안등록 학회및세미나발표실적 기타사항 301 제 5 장연구개발결과의활용계획 연구개발결과의활용계획 305 제 6 장참고문헌 참고문헌 309 부록 1. 연구관련데이타

26 그림목차 Fig 연도별슬러지발생량추이 31 Fig. 2-1 전국하수슬러지발생및처리현황 42 Fig 표준활성슬러지법의처리공정 51 Fig 슬러지감량화기술의종류 52 Fig 혐기성소화에의한유기물의분해단계 54 Fig 온도변화에따른가스생성량의상대속도 55 Fig 초음파처리를이용한슬러지저감화기술 62 Fig 볼밀파쇄기의구조 63 Fig 볼충진율이가용화율에미치는영향 63 Fig. 3-1 활성슬러지공정의예 73 Fig CSTR 반응조 76 Fig PFR 반응조 78 Fig 차반응에서체류시간에따른 CSTR/PFR의비율 82 Fig. 3-5 수중에서기 / 액면의 Two-film theory 84 Fig 수면에서 surface film형성의모식도 86 Fig 실험에사용된고효율호기성생물반응기 (ER-1) 92 Fig ER-1의공기공급에의한유체이동반응 92 Fig 일반반응기 GR와 ER-1 반응기에서유체의흐름형태비교 94 Fig ER-1(Type A, B) 의체류시간에따른전기전도도의변화 99 Fig ER-1(Type C) 의체류시간에따른전기전도도의변화 99 Fig ER-1(Type C) 의각단별유기물, DO, MLVSS 분포도 100 Fig 반응기산소전달효율측정을위한실험장치 101 Fig 유체이동관수의시간에따른 DO 농도변화 102 Fig 유체이동관 1단설치시용해속도 103 Fig 유체이동관 1 2단설치시용해속도 103 Fig 유체이동관 1 2 3단설치시용해속도 104 Fig ER-1반응기및산소전달율실험

27 Fig 공기주입량에따른 ER-1 용존산소농도변화 109 Fig B구간에서의총괄물질전달계수 (K L a) 109 Fig 미세기포측정장치의구성 111 Fig 현미경에의해측정된미세기포사진 112 Fig 현미경에의해측정된미세기포사진 (5 7mm) 112 Fig 반응기내미세기포의크기별분포도 114 Fig 반응기내상 / 하단의기포형태사진 114 Fig 기질소모와성장에따른호흡율의관계모식도 116 Fig ER-1 반응기내슬러지의 OUR 측정을위한장치도 117 Fig F/M비에따른 OUR값의변화. 119 Fig 진동측정에사용된 ER-1 실제사진 120 Fig ER-1의측면 (A,B,C,D) 의구조 121 Fig A면높이에따른진동의변화 (36개지점 ) 124 Fig C면높이에따른진동의변화 (36개지점 ) 124 Fig 반응기전체높이에따른평균진동값의변화 (93개지점 ) 125 Fig ER-1 반응기원형방향에따른진동측정지점및반응기부착물위치 126 Fig ER-1 반응기원형방향에따른진동측정 126 Fig 유체유동해석에사용된 ER-1의개략도 130 Fig Distribution of velocity contour. 130 Fig Distributions of velocity vectors. 132 Fig 일반적인분뇨및축산폐수처리방법 135 Fig ER-1을이용한축산폐수처리공정 136 Fig ER-1을이용한축산폐수 Batch Test 결과 137 Fig 공정별축산폐수처리효율 137 Fig 음식물폐수처리공정도 142 Fig 음식물폐수처리 Pilot Plant 전경 142 Fig 음식물폐수의 BOD 제거효율 144 Fig 음식물폐수의 T-N 제거효율 144 Fig 음식물폐수의 T-P 제거효율

28 Fig 음식물폐수처리결과 145 Fig 음식물폐수처리공정별상태사진 146 Fig Membrane Processes for liquid separation 150 Fig 일반적인막의구조 153 Fig ES의유체흐름 157 Fig ES의투과압력의변화 158 Fig ES의내부구조변화 161 Fig ES의운전후내부막오염현상 162 Fig 시간에따른 Flux 변화 153 Fig 막지지대로인한표면적감소 153 Fig 유체의흐름형태 166 Fig 평막과 MBR system 과 ES system 의사진 166 Fig MBR system 과 ES system 연속운전에따른차압의변화 167 Fig G 하수처리장슬러지처리공정 170 Fig 표면장력을이용한상등수배출장치 171 Fig 표면장력을이용한상등수배출장치의개략도 171 Fig 디켄터를이용한 2차슬러지의농축 173 Fig 디켄터로배출되는상등수의 TS 농도 173 Fig 오존분자의구조 174 Fig 오존분해메카니즘 177 Fig 오존접촉용해방식 189 Fig 오존유량에따른오존량및농도변화 190 Fig ER-2 장치의내부구조 191 Fig ER-2 장치의오존주입률에따른대장균군의처리효율 195 Fig 오존처리전 후사진 195 Fig ER-2 장치의연속운전에대장균군의처리효율 196 Fig ER-2 장치의연속운전에 CODCr의처리효율 197 Fig ER-2 장치의 SS의처리효율 197 Fig 오존주입률에따른 1차침전조월류수의 CODMn 농도변화 201 Fig 오존처리후활성탄여과처리효율

29 Fig Schematic representation of the activated sludge floc on an arbitrary scale of size. 211 Fig 세포소기관으로서의기체물질이동경로에대한도식적모형 216 Fig 오존을이용한슬러지전처리에실험장치구성도 220 Fig 슬러지 g당오존주입량에따른가용화율그래프 222 Fig 오존주입량에따른 BOD변화 222 Fig 오존주입량에따른 TSS, VSS변화 223 Fig 오존주입량에따른 T-N, T-P변화 223 Fig 오존주입량에따른 ph, 전기전도도경향 224 Fig 오존주입량에따른슬러지의침강성과탈수성 224 Fig 오존주입량에따른슬러지색도변화 225 Fig 오존접촉반응기배오존가스농도측정 225 Fig 시간에따른 ph와용해율의변화 226 Fig NaOH 주입량에따른용해율과 ph 228 Fig 시간에따른 NaOH 주입량별가용화율의변화 228 Fig 생슬러지의 TS와 VSS 233 Fig 생슬러지와 ER-1 내의 ph 변화 233 Fig ER-1반응기하단과상단의 MLSS, MLVSS, MLFSS변화 234 Fig 유입생슬러지와처리수의 CODcr 234 Fig 원수 ( 생슬러지 ) 와처리수의 NaOH처리후의 SCODcr 변화 237 Fig ER-1을이용한슬러지호기성소화실험장치구성도 239 Fig 잉여슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른유기물농도변화 ) 241 Fig 잉여슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른고형물량의변화 ) 242 Fig 잉여슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른질소계열농도변화 ) 242 Fig ER-1 반응기내각단별시간에따른 OUR 비교 244 Fig ER-1 반응기내각단별시간에따른 OUR 평균값

30 Fig 차혼합슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른고형물의농도변화 ) 246 Fig 차혼합슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른 TCODcr 농도변화 ) 247 Fig 차혼합슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른 SCODcr 농도변화 ) 247 Fig 호기성소화시분해가능한 VS과 t와의관계 249 Fig 회분식호기성소화시유입슬러지조건에따른 VS 감소율 250 Fig 회분식호기성소화시유입슬러지조건에따른 SCODcr 감소율 250 Fig 차슬러지와혼합슬러지를이용한호기성소화슬러지의탈수성실험 252 Fig 원심분리를이용한혼합슬러지호기성소화의침강성실험 252 Fig ER-1을이용한호기성소화연속처리시간에따른 TS의변화 255 Fig ER-1을이용한연속처리시간에따른 TCODcr의변화 255 Fig ER-1을이용한연속처리시간에따른 SCODcr의변화 256 Fig 호기성소화유입, 유출수중의 TCODcr과 TS 비교 256 Fig 호기성소화유입, 유출수중의 SCODcr과 TS 비교 257 Fig 호기성소화유입, 유출수중의 VS와 TS 257 Fig 차슬러지대상 ER-1 유입, 유출슬러지중의 VS와 TS 258 Fig 혼합슬러지대상 ER-1 유입, 유출슬러지중의 VS와 TS 258 Fig 호기성소화연속실험시유입슬러지조건에따른고형물의제거량비교 259 Fig 혼합슬러지대상호기성소화슬러지의질소농도그래프 261 Fig 혼합슬러지대상호기성소화슬러지의질소농도그래프 261 Fig 내부순환에의한유입 / 유출슬러지의 ph 변화 262 Fig 내부순환운전방법시시간에따른 ORP와 DO 농도그래프 262 Fig Pilot Plant 시설사진 263 Fig 혐기성소화액 ( 원수 ) 와 ER-1 유출수 ( 처리수 ) 의 TS, VS 비교 266 Fig 혐기성소화액의호기성소화중 BOD의제거효율 266 Fig 혐기성소화액의호기성소화중질소의성상

31 Fig 혐기성소화액의호기성소화중 T-P의제거효율 268 Fig 농축효율비교 ( 농축시간 12시간 ) 269 Fig ER 반응기를이용한혐기성소화액의고형물감량화율 270 Fig 호기성소화후슬러지형상 ( 640) 270 Fig ER 반응기를이용한혐기성소화액의 TS 감량화 272 Fig CST를이용한탈수성실험 273 Fig 지렁이 40g 을입식하여 40일후의생체량변화 277 Fig ER-1을이용한호기성소화공정도 279 Fig ER-1 반응기를이용한슬러지감량화기술적용후탈수케이크발생량비교 281 Fig Removal efficiency according to MLSS and HRT

32 표목차 Table 2-1. 전국하수처리장하수처리량, 슬러지발생량 41 Table 2-2. 처리공법별슬러지발생비교 41 Table 2-3. 하수슬러지의재활용현황 43 Table 2-4. 폐기물의해양배출기준 44 Table 2-5. 미국의하수슬러지처리율 (%) 변화 45 Table 2-6. 미국주요도시의슬러지처리 처분현황 46 Table 2-7. 미국의하수슬러지처리현황, 1998 년기준 46 Table 2-8. 유럽주요국가의하수슬러지발생량및처리현황 47 Table 2-9. 영국의하수슬러지처분현황및처분계획 48 Table 일본의하수슬러지처리현황 49 Table 하수슬러지의유효이용사례 50 Table 슬러지소화시설운영에따른장 단점비교 53 Table 농림부의부산물비료의종류및규격 66 Table 부숙토의원료기준및제품기준 67 Table 3-1. 공기와물에서동점성계수 87 Table. 3-2 일반산기식생물학적처리장치와의비교 96 Table 3-3. 추적자 Test에사용된생물반응기사양 97 Table 3-4. 산소전달특성실험에사용된 ER-1반응기의사양 106 Table 3-5. 미세기포측정에사용된 ER-1 반응기의구성 111 Table 3-6. OUR test에사용된미생물과기질 117 Table 3-7. OUR test시 F/M비변화 119 Table 3-8. ER-1의진동측정결과 123 Table 3-9. Distribution of velocity and volume fraction for air. 131 Table 축종별오염물질발생농도 134 Table 음식물폐수의성상 141 Table 음식물폐수처리효율

33 Table 하수종말처리시설의설계 운영및연계음식물처리수농도 148 Table 음식물처리수의연계처리를가정하였을때운영수질변화 148 Table 음식물처리수를 10~30m 3 /d의규모로연계처리시운영수질변화 148 Table MF막소재별분류와그특성 151 Table RO 공정에영향을미치는주요인자들 154 Table RO, UF와 MF막의특성비교 155 Table 반응기설계과정 160 Table 슬러지농축실험결과 172 Table 오존의물리정수 175 Table 수처리에서오존이용 176 Table 오존과염소의소독력에대한상대적비교 185 Table 미생물을 99% 살균하는데소요된오존의농도와접촉시간 185 Table 대상시료유입수성상 193 Table 수질분석방법 193 Table 슬러지종류에따른특성및고형물 203 Table Definition of four categories of water in sludge. 210 Table Property of sludge used in this study. 220 Table 산업용전기전력량요금계 (1,000kW 이상 ) 229 Table 슬러지호기성처리실험에사용된 ER-1 반응기의구성및실험조건 232 Table 기질로사용된생슬러지의특성 232 Table 차년도호기성소화실험진행내용 238 Table 슬러지호기성처리실험에사용된 ER-1의구성및실험 238 Table 호기성소화에사용된잉여슬러지의성상 240 Table 호기성소화에사용된 1,2 차혼합슬러지의성상 245 Table 연속호기성소화실험초기유입슬러지조건 253 Table 적용대상 G시의혐기성소화액의성상 264 Table 농축슬러지와상등수의성상 271 Table 농축슬러지와상등수의성상 (TS, FS, VS) 272 Table 하수슬러지의이화학적성상

34 Table 지렁이 40g 을입식하여 40일동안처리속도와처리량 276 Table 하수종말처리장슬러지및탈수케이크발생현황 280 Table ER-1을이용한슬러지감량화기술적용후경제성비교 282 Table 소화조운영시경제성세부내역비교 283 Table 소화조미운영시경제성세부내역비교 284 Table 5-1. 음식물침출수와하수슬러지 ( 소화및혼합슬러지 ) 의특징 306 Table 5-2. 실용화과제를통해서도출된음식물폐수설계인자

35 제 1 장서론 제 1 절연구개발의필요성 생활수준의향상으로환경문제에대한관심이높아지면서환경질개선에관한요구가증가되고있다. 따라서대도시지역뿐만아니라중 소도시와댐상류지역에서도하수도정비사업 ( 하수처리시설및하수관거정비 ) 이활발히진행됨에따라 2006 년 2월현재국내하수도보급률은선진국수준인 83% 이며, 금년내 85% 까지증가시킬계획이다. 환경부자원순환국에서발표된 유기성오니처리종합대책 ( ) 에따르면 05 년전국에서발생되는슬러지는 18,501 톤 / 일 ( 하수슬러지 7,052 톤 / 일 (38%), 폐수슬러지 11,449 톤 / 일 (62%)) 이며, 99 년부터 05 년까지 6년동안하수슬러지는하수종말처리시설신 증설등으로약 159% 증가되었고폐수슬러지는섬유 피혁등고농도폐수배출업종의폐쇄및해외이전등으로약 4.3% 감소된것으로조사되었다 ,968 11,536 11,841 11,301 11,449 발생량 ( 톤 / 일 ) ,725 5,396 5,981 6,268 7, 하수오니 폐수오니 Fig 연도별슬러지발생량추이

36 하 폐수슬러지의처리는초기에매립에의존하여왔으나, 90년대중반에수도권매립지에서침출수및악취, 작업단계에서지반다짐문제등이발생하였고, 유기성슬러지가재활용자원으로재평가됨에따라폐기물관리법에의해 03 년 7월부터처리용량 10,000m 3 / 일이상인하 폐수종말처리시설과 2,000m 3 / 일이상인폐수배출시설에대한유기성오니의직매립이금지되었다. 육상에서의처리처분및자원화를유도하기위하여직매립금지조치가시행되었으나, 실제소각및재활용비율은그다지증가하지않은채해양배출로집중되는현상이관찰되고있다. 그러나하수슬러지의해양배출은런던덤핑협약과관련된 96 의정서가 06 년 3월 24일발효됨에따라유기성오니의해양배출기준이대폭강화 ( 해양오염방지법시행규칙개정 ) 되었고, 12 년부터하수슬러지등의해양배출금지입법이추진되고있어육상에서처리할수있는감량화및재활용기술의확립이필요하다. 현재까지슬러지재활용기술은소각, 건조, 퇴비화, 고형화, 지렁이사육, 탄화등이적용되고있으나, 현재의해양배출보다도많은운영비를지출해야하고악취, 대기오염등의 2차오염및최종적으로생성되는자원화산물의공급과유통의문제로인해기술도입을미루고있는실정이다. 슬러지의재활용기술에대한신뢰성및자원화산물의질적확보를위해서는적용대상탈수케이크의성상이매우중요하다. 일반적으로슬러지의성상별상관성을검토하면유기물의함량이높을수록함수율이높아재활용기술을적용하고정상운영하기에어려운문제점들이있다. 예를들면퇴비화적용시토양내에서유기물의급속한분해가일어나지않으면서식물에대하여영양원을제공할수있는정도까지의안정화를이루는데많은시간이소요되고, 건조에적용시에는건조시간이길고악취가발생하는등의문제점이발생되므로환경성 경제성이떨어지고있다. 따라서슬러지의안정화및감량화기술의적용을통해슬러지재활용산물의경제성을확보하고질을향상시켜야할것이다. 슬러지감량에서가장중요한것이탈수케이크가발생하기전단계의농축및소화공정의효율적인설치및운영을통해슬러지의소화율및탈수효율을높이는것이중요하다. 우리나라의경우이러한슬러지감량화및안정화를위한시설로대부분혐기성소화조를적용하여운영하고있으나소화효율과탈수효율이현저히낮을뿐만아니라반류수에의한수처리계통의질소 인부하의문제점도야기되고있는현실이다. 최근선진국에서슬러지 Zero 화라는프로젝트명으로슬러지의감량에많은연구와노력이진행되고있다. 선진국에서개발되어보급되고있는슬러지감량화시스템은다

37 양하며, 이러한다양한기술중에서효율이높은시스템을국산화함과동시에효율을증대시킬수있는방안이개발된다면, 슬러지처리문제를근본적으로해결하는것과동시에슬러지처리의경제성을확보하는것이가능하다. 국내에서도슬러지감량화기술에대한관심이점점높아가고있는상황에서매립과해양배출를일부분대신할슬러지처리기술로서의타당성에대해검토해야할시점에있다고할수있다. 제 2 절연구개발목표및내용 1. 연구개발의최종목표 본연구는 1차슬러지 ( 생오니 ), 2차슬러지 ( 잉여오니 ) 의농축을유도하여 MLSS의농도를증가시키는고액분리장치, 오존의접촉효율을높여경제적소독및슬러지전처리용도의오존접촉조, 유체유동을이용한 PFR 형태의반응기로고농도폐수및슬러지의감량화를효과적으로하기위한공정을개발하는것이다. 이로인하여, 슬러지감량화를통해슬러지처리의경제성을확보하고, 아울러슬러지처리계통에서발생하는반류수의영향을최소화시켜하수처리장수처리계통의효율을높이고자한다. 가. 유체유동을이용한생물반응기개발 (1) 고농도오 폐수의고효율처리가가능한생물반응기개발 (2) 처리효율이높은 PFR 형태의다단반응기구조 (3) 고농도미생물유지및활성 (4) 유체유동에의한혼합효과와높은산소전달효율 나. 슬러지농축장치개발 (1) 스컴, 플록을배제하고상등수인출 ( 상등수의 SS유출최대한억제 ) (2) 저류조 / 농축조내슬러지계면을최대한높게하여슬러지농축및상등수배출 (3) 부상식또는고정식장치개발 (4) 회분식농축 ( 활성슬러지 2배이상농축 )

38 (5) 표면장력을이용한표면적배출로상승유속최소화 다. 오존접촉장치개발 (1) 오존용해속도를극대화시킬수있는슬러지전처리용오존접촉조개발 (2) 혼합효과촉진에의한소량의오존주입에의한전처리 (3) NaOH 등화학적전처리에의한경제성비교 (4) 오존체류시간조정에의한짧은시간에오존용해 라. 슬러지의호기성소화 (1) 슬러지의호기성처리시간 5~7 일이내슬러지조기안정화유도 (2) 슬러지의최종처분방식을복토제등자연순환형으로검토할수있을정도의슬러지안정화지표에맞추어슬러지처리 (3) 응집제없이슬러지농축및탈수유도및탈수성향상 (4) 반응기의높은산소전달율로인한포기시동력비절감 (5) 반류수중의질소제거로수처리계통의고도화

39 2. 연차별연구개발목표및내용 가. 단계별연구개발목표및범위 유체유동을이용하여오 폐수분해및분리장치개발 1 차년도 (2003 년 ) 1 생물반응기의물질분해및유체유동특성분석 / 현장규모설계 2 고형물분리장치현장실험 / 설계인자도출 3 오존접촉장치소독효과 / 효율분석 ( 오존 ) 1, 2, 3 장치의유체역학적특성분석완료 /1, 3 장치상용화 4 슬러지농축장치 5 생물반응기호기성소화 6 슬러지전처리장치 2 차년도 4, 5, 6 장치배열에의한슬러지처리공정시스템구성 (2004 년 ) 슬러지최종처분방식의다양성검토 ( 복토제, 퇴비화등 ) 3 차년도 (2005 년 ) Pilot plant 통한하수처리장슬러지처리효율개선공정의확립현장시설에서의주변환경요인에의한유지비용분석등최종설계

40 나. 각단계연차별연구개발목표 주요사업내용및범위 제품의목표, 사양, 성능등 생물반응기개발 생물반응기개발 고형물형태에따라서추적자 test 실시 고형물형태에따라서추적 test 실시및 및반응기특성확인 유체유동변화에따른내부치수와거품제거및배출방안검토 실험실규모생물학적처리 ( 유기물안정화 / 질소제거가능성검토 ) 안정화된슬러지특성분석 반응기구조확정 거품이다량발생할경우에반응기구조결정 실험실규모생물학적처리 ( 유기물안정화 / 질소제거시 ) 시간확정 처리가능한조건 ( 최대농도, 슬러지상 1 차년도 분리막을이용한고형물제거장치개발태등 ) 확정 여과막내구성 test, 막교체를용이하게 고형물제거장치개발 유도하기위한구조물구성 막선정, 막교체주기, 교체방법확정 장시간여과시생물막과여과손실관계 처리조건 ( 고농도고액분리, 저농도 SS제 규명 유입수및배출수슬러지농도에따른 거 ) 에따른투과율선정 슬러지투과율분석 오존접촉장치개발 오존의체류시간조정방법 하향류식에액상이동에따른기체의체류시간변화유도 오존접촉장치개발 오존의종류체류시간에따른운전방안 선정 반응완료된기체의배출방안의선정 슬러지농축장치개발 스컴, 플록을배제시키고상등수를배출 슬러지농축장치개발 SS 유출을최소화한유출수확보 할수있는농축장치구성 부유식과고정식의안정성비교 슬러지계면확보로슬러지농축증대 침전조의유효용적확대로처리시설의 농축장치와슬러지계면과의적정거리 증설효과 슬러지전처리공정개발 슬러지전처리공정개발 1차,2차, 혼합슬러지의전처리의가용화 슬러지전처리로호기성소화기간단축 2 차년도 율비교 VSS 에따른적정오존주입율결정 조절 최적오존주입율결정으로오존의경제 배오존의최대한사용성평가 (NaOH 와비교 ) 슬러지호기성소화 소독장치에서발생하는배오존활용 Pilot test 에의한슬러지안정화에소요 슬러지호기성소화되는시간분석, 고도처리효과분석 처리시간에따른반응기설계방안선정 안정화된슬러지의재활용 ( 퇴비화, 토양 안정화된슬러지의재활용방안의표준 개량제, 복토제등기타재활용방안검 토 ) 화기준확립 전처리에의한호기성소화효율향상

41 주요사업내용및범위 제품의목표, 사양, 성능등 3 차년도 현장 plant 종합진단 현장 pilot plant 통한슬러지처리종 농축장치, 전처리장치, 고효율생물반응합설계인자도출기를이용한호기성슬러지처리시스템 시스템의처리용량 ( 수리학적부하, 유기물구성부하 ) 에따라서설계인자도출 기존혐기성소화조소화액에대한 2차 유사목적의기존장치와제작, 유지관리호기성처리등총비용분석에따른경제성평가 슬러지감량화및안정화에따른슬러지 감량화, 탈수성향상으로최종처리비용의분석최종처리비용 30% 절감 호기성소화안정화 7일이내 반류수의영향 50% 감소 기존혐기성소화조의효율개선하기위한호기성소화공법의접근타당성평가 ( 기존혐기성소화조와병행처리 ) 기존혐기성소화조의가동율증가 다. 각단계연차별연구개발내용및범위 (1) 1 차년도내용및범위 ( 가 ) 생물반응기개발 1 추적자실험 (Tracer test) 실시및반응기특성실험 ( 생물반응기각단에서혼합정도, 전체반응기의 PFR 접근도 ) 2 유체유동및기체체류시간조절에따른이론정립 3 다단으로구성된반응기의산소전달율 (K La ) 측정을통한산소전달수치해석 4 처리대상 처리용량별개발장치의구조확정 - 기체 / 액체공간의최적 ratio 결정 - 개발장치의최적단수결정

42 ( 나 ) 분리막을이용한고형물제거장치개발 1 여과막내구성 test, 막교체를용이하게유도하기위한구조물구성 2 장시간여과시생물막과여과손실관계및막교체시기결정 3 유입수및배출수슬러지농도에따른슬러지투과율분석 ( 다 ) 오존접촉장치개발 1 기체 ( 오존 ) 용해및용액혼합시에각단에서기체용해속도평가에의한단수, 수심결정 2 각단에서유체유동의변화, 교반및난류조건분석 3 소독효율및슬러지가용화효율검토 (2) 2 차년도내용및범위 ( 가 ) 슬러지농축조개발 1 상등수유출수의 SS를최대한배제시킬수있는장치개발 2 침전조슬러지계면을최대한높게하여침전지유효용량증대효과유도 3 하부수면에서상등수인출로수면에서표면장력에의한순간적인농축유도및하부의슬러지층이동을최소화 4 농축장치를고정식또는부상식으로동시에운전가능 5 기존침전조월류웨어대체사용가능검토 ( 나 ) 슬러지전처리공정개발 1 modifiec ER-2( 오존접촉조 ) 로슬러지전처리실시 (VSS와오존주입율에따른 VSS 감소율정량화하여오존주입율, 체류시간결정 ) 2 슬러지가용화효율및경제성검토 3 NaOH와오존을단독또는병행처리시슬러지전처리효과비교

43 ( 다 ) 슬러지의호기성소화 1 MLSS 20,000mg/L 이상유지가능한호기성생물반응조구성 ( 산소전달율이높고동력비가낮은반응기로고농도처리시경제성확보 ) 2 슬러지의가용화 SCODcr의안정적인처리가능 (SCODcr 90% 처리가능 ) 3 유기물안정화및간헐폭기방식으로인한탈질소효과유도 4 VSS, SOUR, 악취유발물질제거효율로슬러지안정화지표확인 5 장기운전시 ph저하에따른유기물제거효율변화확인및대책마련 (ph저하로호기성반응조의효율이저하될경우, 슬러지전처리용으로사용되는 NaOH의사용량조절로 ph저하문제해결 ) (3) 3차년도내용및범위본과제의최종년도인 3차년도에서는 1차년도와 2차년도에서개발된단위공정, 다시말해슬러지농축장치, 전처리장치, 고효율생물반응기를이용하여슬러지의안정화, 감량화및반류수의영향을최소화하여하수고도처리효율을향상시킬수있는최적의하수슬러지처리공정 pilot를구성하여연구를진행하였으며, 향후상용화에사용될구체적인설계인자에사용될것이다. 또한기존하수처리장혐기성소화조에서발생하는소화슬러지를대상으로호기성처리를시도하여하수처리장소화조효율개선방안을제시한다. ( 가 ) 하수슬러지호기성소화처리 pilot 구성 1 처리용량 0.5m 3 /day의하수슬러지처리 pilot 구성 2 목표처리량에맞는단위공정의시설용량및설계인자도출 3 슬러지처리용량에따른슬러지처리시스템의설계인자도출 4 기술적용을통한경제성분석 ( 나 ) 기존시설혐기성소화액의호기성처리 1 기존하수처리장혐기성소화조에서발생하는소화액을대상으로호기성처리 2 혐기소화슬러지대상으로하는생물반응기운전 mode 확립 3 혐기, 호기과정을거친슬러지의최종감량화및안정화율측정 4 최종처리된슬러지의탈수성분석

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45 제 2 장국내외기술개발현황 제 1 절국내외하수슬러지처리현황 1. 국내하수슬러지발생및처리현황 가. 국내하수슬러지발생현황매년환경부에서발간하는 하수도통계 를이용하여, 1996 년도부터 2004 년까지하수처리장에서발생하는하수슬러지량을조사하였다 (Table 2-1). 우리나라는계속적인하수도정비사업에의해하수도보급률이 80% 대로증가됨에따라매년하수처리장의수가 1996 년 91개소 (1,145 만톤 / 일 ) 에서 2004 년 268 개소 (2,134 만톤 / 일 ) 로약 2배가량증가되었다. 하수처리장의실제처리량의증가에따라하수슬러지의발생량이매년 7~20% 증가하여총발생량이 1996 년도 117 만톤에서 2004 년도에는 243 만톤으로약 207% 발생된것으로조사되었으며, 현재전국적으로하수관거및하수처리장정비사업이진행됨에따라하수처리량및 BOD, SS 부하증가에따라앞으로도계속적으로하수슬러지의양이증가될것으로예상된다. 전국하수처리시설의시설규모별슬러지발생비율은운영상황, 처리공법및시설규모에따라다소차이가있다 ). 하수처리장의운영상황을보면담당하는처리구역의관거정비상태, 분류식오수관거의유무, 산업폐수의유입비율, 분뇨의투입여부등여러가지요인에의해유입수의수질이높은곳이 300mg/L 에서낮은곳은수십 mg/l로많은차이를보이고있다. 처리공법도대부분표준활성슬러지법을사용하고있으나장기폭기법, HBR, 회전원판법, 산화구법등다양한처리방식이적용되고있으며, 최근의질소, 인의관리강화에따라고도처리방식이적용된처리공법이다양하게변화하고있다. 하수처리장에서발생하는슬러지의량의조사결과를살펴보면 (Table 2-2) 하수 1톤처리당평균 0.226~0.359kg/m 3 의슬러지가발생되며, 처리공법별발생비율은산화구법이 0.389kg/m 3 로가장많이발생되고접촉산화공법으로 0.038kg/m 3 으로가장적게발생된다. 산화구법, 장기포기법및접촉산화법은미생물로처리되는포기조등의체류시간이길어슬러지가적게발생되는것으로판단된다

46 Table 2-1. 전국하수처리장하수처리량, 슬러지발생량 연도 처리장수 시설용량 ( 천m3 / 일 ) 실제처리량 ( 천m3 / 일 ) 슬러지케이크발생량 ( 톤 / 년 ) ,452 10,037 1,171, ,038 12,150 1,298, ,074 13,995 1,478, ,711 15,168 1,447, ,399 15,771 1,741, ,230 16,024 1,902, ,233 17,051 2,073, ,885 17,842 2,266, ,535 18,209 2,426,070 참조. 하수도통계, 환경부 (1997~2005) Table 2-2. 처리공법별슬러지발생비교 구분계 1 차처리 표준활성 혐기호기 회전원판 산화구 장기 SBR 포기 A 2/O 접촉산화 토양접촉 기타 년 년 처리장수 ( 개소 ) 하수유입량 ( 천톤 / 일 ) 슬러지발생량 ( 톤 / 년 ) 1 톤당발생 ( kg / m3 ) 처리장수 ( 개소 ) 하수유입량 ( 천톤 / 일 ) 슬러지발생량 ( 톤 / 년 ) 1 톤당발생 ( kg / m3 ) , , ,901, ,330 1,693, ,710 3,274 11, ,843 72, , , ,751 1, ,073, ,238 1,844, ,45 3 3,762 15, , , 참조. 하수슬러지처리및자원화방안, 환경부 (2005)

47 나. 국내하수슬러지의처리현황연도별하수슬러지의처리및처분현황을살펴보면, 초기에는대부분매립에의존하여처리해왔으나, 해양배출이시작되고직매립금지조항이설정된초기인 2000 년도부터해양배출량이급격하게증가되어최근에는 70% 이상이해양배출에의존하고있다. 육상에서의처리처분, 자원화를유도하기위하여시행된직매립금지조치에의해소각및재활용비율은그다지증가하지않은채, 해양배출로집중되는현상이관찰되었다. 2,500,000 발생량처분량재활용매립소각해양투기기타미처분 2,000,000 1,500,000 톤 / 년 1,000, , Fig. 2-1 전국하수슬러지발생및처리현황 그러나하수슬러지의해양배출은런던덤핑협약과관련된 96 의정서가 06 년 3월 24일발효됨에따라하수슬러지를포함한유기성오니의해양배출기준이대폭강화되었다. 이와관련되어개정된해양오염방지법시행규칙의주요골자를살펴보면해양배출검사항목을 PCBs 등유기화학물질을추가하여 14개에서 25개로증가하였으며, 기존의용출법에서함량법으로시험방법을변경하여제1기준의유예기간을 2년 6개월, 제2기준의유예기간을 5년으로하고, 12 년부터하수오니등의해양배출금지입법을추진하고있다. 이에대비하여재활용이나소각등에의해육상에서처리하는근본적인대책마련이필요하나시설설치에따른민원및기술적안정성문제등으로오니처리시설을갖춘곳은가동중 23개소 (1,748 톤 / 일 ), 설치중 11개소 (1,124 톤 / 일 ) 뿐인것으로조사되었다

48 06 년 4월에환경부에서발표된 유기성오니처리종합대책 의하수오니성분분석결과 (10,000 톤 / 일이상의하수종말처리시설 ) 에따르면제1기준초과오니는 21% 이며, 폐수오니는 9% 로, 처리시설설치를위한설계 시공에최소 2년이상이소요되는것으로예상할때, 제1기준초과오니에대한감량화 자원화시설설치가시급한것으로판단된다. 현재발생되는하수슬러지의자원화방식은크게퇴비화, 시멘트연료화, 녹생토처리, 지렁이사육, 고형화 ( 매립장복토제 ) 등으로구분할수있다. 아래 Table 2-3 과같이하수슬러지의재활용실태를보면 02 년도를기준으로전체하수슬러지발생량 2,076 천톤중에 1.6% 인 35천톤만이재활용되고있으며, 재활용방법으로는퇴비화 49%, 지렁이사육 16%, 고형화에의한건설자재 3%, 시멘트연료등의기타방법등으로 32% 가이용되고있는것으로조사되었다. 하수슬러지의자원화시설의도입을위해서는발생되는슬러지의안정화및감량화가우선되어야할것이며, 자원화방식을채택하기위해서는지역특성에맞춰강원도나충북지역등시멘트회사인근지역에서는부가가치가높은시멘트원료화추진, 생활폐기물소각장에여유가있는지자체는혼합소각, 오니가소량발생하거나농촌지역은퇴비화그리고매립지인근지역은고화처리하여복토재로활용하는방안으로처리방법의다변화를추진하여야할것이다. Table 2-3. 하수슬러지의재활용현황 연도구분계퇴비화부숙토지렁이사육건설자재기타 재활용량 ( 톤 ) 86,850 19,345 (22.3%) 45,517 (52.4%) 6,272 (7.2%) - 15,716 (18.1%) 처리장수 ( 개소 ) 재활용량 ( 톤 ) 119,264 20,094 (16.8%) - 9,143 (7.7%) 26,815 (22.5%) 63,212 (53%) 처리장수 ( 개소 ) 재활용량 ( 톤 ) 34,467 16,753 (49%) 5,641 (16%) 1,073 (3%) 11,000 (32%) 참조, 하수종말처리장운영결과분석, 환경부 (2003.7)

49 Table 2-4. 폐기물의해양배출기준 항 목 배출허용기준 ( ml /L) 해양배출기준 ( 현행 ) 해양배출기준 ( 개정 ) 고상 (mg/kg) 액상 ( ml /L) 제 1 기준 제 2 기준 시안화합물 1 이하 1 이하 1 이하 비고 크롬또는그화합물 2이하 2이하 20이하 1, 아연또는그화합물 5이하 5이하 90이하 9,000 1,800 구리또는그화합물 3이하 3이하 15이하 2, 카드늄또는그화합물 0.1 이하 0.1 이하 1이하 20 4 수은또는그화합물 이하 이하 0.05 이하 5 1 유기인또는그화합물 1이하 1이하 1이하 비소또는그화합물 0.5 이하 0.5 이하 5이하 납또는그화합물 1이하 1이하 10이하 1, 페놀류 5이하 5이하 5이하 4, 유분 ( 광유류 ) 5이하 - 50이하 7,500 1,500 PCB 추가 PCB 추가 PCB 추가 PCB 추가 PCB 추가 PCB 추가 PCB 추가 나프탈린 추가 페난트렌 5 1 추가 안트라센 추가 벤조 a 피렌 추가 벤조 b 플루오로텐 추가 벤조 a 안트라센 5 1 추가 플루오란테 추가 주 ) 개정배출기준안의단위는 mg/kg 건중량 ( 함량법 )

50 2. 국외하수슬러지발생및처리현황 가. 미국의발생및처리현황미국의경우 1998 년기준으로 만톤 ( 건조중량 ) 의하수슬러지가발생하고있으며, 미국주요도시의슬러지처리 처분현황은 Table 2-6 과같다. 미국은사막이나불모지가많고슬러지에대한중금속규제가비교적완화되어있어사막등에다탈수슬러지를살포하는방법으로처리하는토양살포나매립처리가대부분이다. 최근에는처리비용측면에서사막지역에서건조에의하여건조한후에다시재이용하는방안에대하여많은연구가진행되고있으며, 이러한건조과정에있어서규제대상이되고있는병원성미생물에대한사멸정도에대한관심이증가하고있고가시적인성과가도출되고있다. 그러나중부및동부의대도시에서는일본의경우와마찬가지로소각을많이시행하고있다. 또한하수슬러지를 Biosolids 로정의, 자원의개념으로인식하여하수슬러지를유기비료등으로광범위하게사용하고있으며, Table 2-7 과같이 1998 년말기준으로퇴비화및농지주입 (47%), 고형화및건조화 (6%) 로약 53% 를자원으로이용하고있으며, 하수슬러지에대한관리의중요성을인식하여슬러지처리전반에대하여가이드라인을설정하여두고있으며, 측정방법, 처리방법, 유효이용방법에대하여설명, 간접적인규제를하고있다. Table 2-5. 미국의하수슬러지처리율 (%) 변화 구분매립토양사용표면처리해양배출소각계 1972 년도 (4.29) 1997 년도 (5.3) ( ) : 백만톤 / 년, * 자료 : 한국자원재생공사 (1997), 퇴비제품의안정성및효용성평가 NAP(1996), Use of reclaimed water and sludge in food crop production

51 Table 2-6. 미국주요도시의슬러지처리 처분현황 주요도시 소각 (%) 퇴비화 (%) 토지주입 (%) 매립 (%) 해양배출 (%) 단독매립 (%) 라군 / 저장 (%) 뉴욕 알라스카 콜로라도 코네이커 플로리다 인디애나 메인 미시시피 미주리 네브라스카 뉴저지 N. 캐롤라이나 오하이오 로드아일래드 테네시 유타 버지니아 워싱턴 와이오밍 참조. Sludge Management Practice in the US, Biocycle, pp. 46~47,(1991.3) 기타 (%) Table 2-7. 미국의하수슬러지처리현황, 1998 년기준 발생량 [dry 톤 / 년 ] 농지주입퇴비화고형화 ( 소석회 ) 건조매립소각기타 4,975,179 2,048, , , ,950 1,326, , , % 41.2% 5.3% 2.7% 3.1% 26.7% 15.6% 5.5% 참조. 슬러지관리와재활용방안, 99 한국폐기물학회대구 경북지역회추계산학협동학술심 포지움

52 나. 유럽의발생및처리현황유럽 17개국을대상으로하수슬러지발생량및처리현황을앞의표에서와같이살펴보면전체적으로약 36.4% 가농경지등에재이용되고있으며, 41.6% 가육상매립, 소각 10.9%, 해양배출 5.2% 로나타났다. 슬러지재이용율이높은국가들로는덴마크, 프랑스, 영국, 노르웨이, 스페인, 스웨덴, 스위스등이며이들국가의재이용율은매년증가하는것으로조사되었다. 육상매립에대한기준은많은유럽국가에서 2000 년이후부터규제가강화되는추세로매립비율은점차감소할것으로전망된다. Table 2-8. 유럽주요국가의하수슬러지발생량및처리현황 국가명 하수슬러지발생량 (dry 천톤 / 년 ) 농토재이용 ( 녹농지 ) (dry 천톤 / 년 ) (%) 육상매립 (dry 천톤 / 년 ) (%) 소각 (dry 천톤 / 년 ) (%) 해양배출 (dry 천톤 / 년 ) (%) 산지및재경작지 (dry 천톤 / 년 ) (%) 오스트리아 (18) 59.5(35) 57.8(34) (13) 벨기에 (29) 32.5(55) 8.9(15) - 0.6(1) 덴마크 (54) 34(20) 40.9(24) - 3.4(2) 핀란드 (25) 112.5(75) 프랑스 (58) 233.5(27) 130(15) - - 독일 2, (27) 1,448(54) 375.2(14) - 134(5) 영국 1, (44) 88.6(8) 77.4(7) 322(30) 121(11) 그리스 (10) 43.4(90) 아일랜드 (12) 16.6(45) (35) 2.9(8) 이태리 (33) 449(55) 16.2(2) (10) 룩셈부르크 8.0 1(12) 7(88) 네덜란드 (26) 171(51) 10(3) - 67(20) 노르웨이 (56) 41.8(44) 포르투갈 (11) 7.3(29) - 0.5(2) 14.5(58) 스페인 (50) 122.5(35) 17.5(5) 35(10) - 스웨덴 (40) 120(60) 스위스 (45) 81(30) 67.5(25) - - 총계 7, ,690.1 (36.4) 3,066.2 (41.6) (10.9) (5.19) (6) 참조. A global atlas of wastewater sludge and biosolids use and disposal, 1996, IAW Q

53 영국의경우, 하수슬러지는연간약 3,500 만톤 ( 건조중량 110 만톤 / 년 ) 이발생되며 2005 년도이후의하수처리량은보다늘어나장래하수슬러지발생량은연간 150 만톤 ( 건조중량 ) 이될것으로추정되었다. 이중약 50% 가농경지및토양에서재활용되고있고 30% 는해양배출되었으나, 98년이후에는해양배출이금지되었기때문에슬러지를효율적으로재이용할수있는방안에대한대책을마련하고있는실정이다. 특히런던시의경우소각로가준공된 1998 년이후부터는전량소각에의해하수슬러지를최종처리, 처분하고있다. Table 2-9. 영국의하수슬러지처분현황및처분계획 구 분 1995 년 2005 년 소 각 10% 28% 매 립 10% 6% 재활용 50% 66% 해양배출 30% 0% 참조. 서울시하수처리장슬러지의감량및재이용방안에관한연구, 서울시정개발연구원 (1997) 다. 일본의발생및처리현황일본의경우 98 년하수슬러지처리성상에따른처리 처분현황을살펴보면, 2001 년도에탈수슬러지로서처분된양은 6% 이며, 소각재로서처분된양은 81% 로대부분이소각에의하여처리가되고있는것을알수있다. 처분현황중자원화측면에서하수슬러지를유효활용하는사례를살펴보면 Table 2-10 에서보는바와같이전체유효이용되고있는 1,136 톤중에녹농지로이용된양이 279 천톤, 건설자재로서이용된양이 859 천톤이다. 녹농지에이용된양중에서가장많은양을차치하는것이퇴비이고, 생오니혹은건조오니의상태에서도이용되고있다. 건설자재로서의이용은대부분소각재및용융슬래그를이용한것이며, 859 천톤이각종건설용골재로서재이용되었다. 슬러지처리성상면에서보면, 소각재상태로건설자재로이용되는양이가장많았으며, 그이유는소각시발생되는소각재의성분이균일하고입상의상태가양호하여건설자재로서이용가치가높기때문인것으로알려지고있다

54 Table 일본의하수슬러지처리현황 연도 처리형태처리성상 매립 (dry 천톤 / 년 ) 유효이용 (dry 천톤 / 년 ) 육상해면녹농지건설자재 기타 (dry 천톤 / 년 ) 계 년 탈수슬러지 ,873 (73) 소각재 ( 용융슬래그포함 ) 건조슬러지 ( 퇴비화포함 ) 소화 농축슬러지 (15) (4) (8) 계 (%) 988(38) 516(20) 778(30) 287(11) 2,569 (100) 탈수슬러지 (9.5) 소각재 ,342 (71.5) 년 년 년 용융슬래그 (4.8) 퇴비화 (11.2) 건조슬러지 (2.9) 탄화슬러지 (0.1) 소화 농축슬러지 계 (%) (0) 739 (39.4) 270 (14.4) 819 (43.6) 49 (2.6) 1,877 (100) 탈수슬러지 (8) 소각재 ,565 (79) 건조슬러지 (13) 소화 농축슬러지 계 (%) (0) 738 (37.3) 1,191 (60.3) 47 (2.4) 1,976 (100) 탈수슬러지 (6) 소각재 ,650 (81) 건조슬러지 (13) 소화 농축슬러지 (0) 계 (%) 868(42.4) 1,136(55.5) 43(2.1) 2,047 (100) 참조. 하수오니의유효이용의현상과과제 (2002, 재생과이용 Vol. 25; 2003, 재생과이용 Vol. 26 ; 2004, 재생과이용 Vol. 27(103 호 ))

55 이러한일본의사례에서볼수있는것과같이일본은런던 96의정서에대비하여육상처리를전제로많은대책을수립하여왔으며, 대부분이소각으로대책이진행하면서소각재를자원화하는지자체가대부분이나, 토양개량제, 퇴비로서사용범위도탈수케이크를그대로이용하거나, 건조, 퇴비화하여이용하는방안이법적으로정비되어있어, 폭넓은처리및자원화를하고있다. Table 하수슬러지의유효이용사례 (2001 년 4 월 ~2002 년 3 월 ) 처리성상구분 계 (dry 천톤 / 년 ) 탈수슬러지 퇴비 건조오니 탄화오니 소각재 용융슬래그 합계 1, 녹 농 지 지자체에서실시 민간에게인도 소계 건설자재이용 지자체에서실시 민간에게인도 소계 참조, 하수오니의유효이용의현상과과제, 재생과이용 Vol. 27(103 호 )

56 제 2 절하수슬러지감량화기술 1. 슬러지처리 처분방법의분류 국내대형하수처리장에서적용되는공정은일반적으로표준활성슬러지법을적용하고있으며, 침사지, 1차침전조, 폭기조, 2차첨전조등의단위공정으로구성된다. 슬러지는수처리공정에서발생되는액상부유물질의총칭으로, 크게 1차침전조에서발생되는생오니 (1차슬러지 ) 와 2차침전조에서발생되는잉여오니 (2차슬러지 ) 로분류되며농축조, 소화조, 탈수기를거쳐최종처분되게된다. 하수처리장에서발생되는슬러지는낮은농축또는침전효율로인해부피가증가하여처리시설이방대해지고최종처분에많은문제점이노출되고있다. 하수유입수침사지 1차침전지폭기조 2차침전지방류 ( 처리수 ) 잉여오니 반송 농축조소화조탈수기 최종처분 ( 탈수슬러지 ) 상등액상등수여액 Fig 표준활성슬러지법의처리공정 슬러지처리시설은슬러지중의유기물을무기물로바꾸는생화학적안정화, 병원균을제거하는위생적인안정화, 처리처분대상량을적게하는감량화, 그리고처분의확실성을목적으로한다. 이러한슬러지감량화기술은 Fig. 2-3 과같이분류할수있으며, 단위기술을단독으로사용하는경우도있지만복합적으로적용하는공정이보편화되어있다. 복합공정은화학적처리또는물리적처리단위기술을적용하여슬러지의

57 Cell 을파괴하고, 생분해도를높여생물학적처리또는수처리시스템으로반송하여감량화하는기술을기본으로하고있다. 그러나단순히생분해도를높여수처리시스템으로반송하는기술은설계단계에서충분히검토되지않은하수처리장이라면유기물및질소 인의부하증가에의해정상적인처리가어려워질수있으므로생물학적호기성소화과정을거치는것이일반적이다. Fig 슬러지감량화기술의종류

58 하수처리장등슬러지발생시설에서소화시설을포함한감량화시설을적용하여운영시미운영때와비교하여시설설치비, 부지및유지관리비가소요됨에도최종처분시에발생되는비용을고려한경제성이나환경적인요인을반영한다면슬러지소화시설을운영하는방안이우선시되어야할것이다. Table 슬러지소화시설운영에따른장 단점비교 구분운영미운영 장점 슬러지안정화 슬러지부피및중량감소 슬러지내병원균사멸 슬러지최종처분비절감 시설설치비절감 단점 설치비및부지소요 슬러지비안정 유지관리비소요 비위생적 반류수내유기물및질소 인농 슬러지발생량증가로최종처분도로수처리계통의부하증가비증가 기존의하수처리장에적용된슬러지처리를위한공정은대부분혐기성슬러지소화방식으로운전조건이까다로워평균소화효율은 29.52% 로소화효율이매우낮아탈수효율이나쁘고, 처리수에용존성물질 (BOD, N, P 등 ) 이높은현상이나타나고있다. 따라서고형물분리가어려워탈수과정에서과다한응집제가투여되고, 처리여액은반류수로써재처리하는과정을거쳐야한다. 이와같은현상은국내슬러지소화공정에서공통적으로나타나는현상이며이에대한구체적인대안으로호기성소화공법이꾸준히개발되고있으나적정기술로서역할을다하지못하고있는데, 이러한이유는낮은비용으로산소를공급할수있는방안, 처리시간을단축시킬수있는방안, 처리수상등수를고도처리할수있는방안등을현실적으로해소되기어렵기때문이다

59 2. 생물학적처리에의한감량화기술 가. 혐기성소화 혐기성소화처리는예전부터기술이확립되어발전되어오고있는전통적인기술로서비교적기온이온난한지역에서고형물의함량이 10% 이내인액상및반고상폐기물의처리에이용되었다. 혐기성소화처리는일명 메탄발효 라고도하며, 폐수혹은폐기물처리와동시에메탄이라는에너지를회수하기위하여적용되고있다. 산소가없는무산소상태에서분해가능한유기물을분해시켜메탄으로전환시키는것으로초기에는통성혐기성균이작용하여가수분해와산발효를시키고, 산소가고갈되는지점에서편성혐기성균이메탄균이메탄을생성하게된다 년경부터하수처리의슬러지감량화기술로서접근되었으며, 초기에는 1개의반응에서처리하는단상메탄발효조가주되게이용되었으나, 1970 년대후반부터산분해과정과메탄생성단계를분리한 2상식메탄발효조로발전하였고여기에미생물군을담체에고정화한고정상식, 유동상식등고효율메탄발효조가개발되었다. 혐기성소화는유기물을여러미생물의분해작용에의하여메탄으로전환하는일련의프로세스로 4단계로구분하는것이가능한데, 즉고형상의유기물을액상화하고가수분해하는과정, 식초산, 프로피온산, 부틸산을생성하는휘발성유기산 (VFA) 생성과정, 이들을식초산및 H 2 가스로분해하는과정, 최종적으로메탄을생성하는과정이다. 고형폐기물다당류단백질지질 단당류아미노산글리세롤고급지방산 저급지방산알콜등 CO 2 + H 2O CH 3COOH 메탄 (CH 4) 메탄 (CH 4) CO 2, H 2, NH 3, S -2 CO 2, H 2 CO2, H 2 액화 가수분해산생성 H 2 생성메탄생성식초산생성 Fig 혐기성소화에의한유기물의분해단계

60 혐기성소화는미생물온도특성에따라중온 (35~37 ), 고온 (50~60 ) 으로구분할수있는데, 42 를경계로중온혐기성소화와고온혐기성소화두가지의온도영역이존재하고각각의최적온도는 30~35 와 55 라고보고되고있다. 혐기성소화에대한온도 (5~70 ) 의영향에종합적으로정리한그래프를 Fig. 2-5 에나타냈다. 고온소화는중온소화에비교하여 2~3 배정도의처리효율이높은것으로알려져있으나, 고온에서는에너지소비및유지관리상의문제점때문에대부분의소화조는중온으로유지되고있다. 또한투입유기물의 C/N비및 C/P비는메탄발효를위한중요한요소로서, 탄소 1g당의가스가가장활발하게혐기성반응이일어나는범위는 C/N비 12~16 이다. C/N 비가적은유기물은질소가충분히이용될수없기때문에과잉의질소가암모니아로변화하고, 메탄발효반응을저해하게된다. Fig 온도변화에따른가스생성량의상대속도

61 나. 호기성소화 (1) 중온호기성소화호기성슬러지소화는공기또는순산소를공급하여미생물을내생호흡단계로유도하여자기분해시키는것으로활성슬러지법과비슷하다. 호기성소화는생물학적으로분해가능한유기물을산소가최종전자수용체로작용하는조건하에서 CO 2 와 H 2 O로분해시키는공정으로서이용가능한기질이고갈되면미생물은우선적으로세포내에저장된에너지를사용하는내생호흡 (Endogeneous respiration) 단계에서운전된다. 이러한상태가지속되면상대적으로취약한오래된세포부터세포의분해 (lysis) 가일어나게되고세포의분해에따라용출된분해성유기물은다른미생물의생명유지에사용된다. 호기성소화에따라서세포물질은 CO 2, H 2 O등으로무기화되며미생물에의해알칼리도를소모하며아질산성질소, 질산성질소로산화되는데이과정에서 ph가저하된다. 흔히사용되는반응기형태는완전혼합반응조 (CSTR) 시스템이며, 소화공정의전단계공정인생물학적폐수처리에서분해되지않은생분해가능물질이나휘발성고형물의산화가일어난다. 유기물감량화및안정화를위한혐기성소화와비교하여호기성소화의장 / 단점은다음과같다. < 장점 > 1 호기성소화조는혐기성소화조와비교하여작은용량으로운전이가능하다. 2 소화조슬러지의혼입율이높아도소화율에큰지장이없다. 3 상징액중의 BOD농도가낮고, 운전조건에따라질소의제거가가능하다. 4 악취가없고, 부식토와비슷하며, 생물학적으로안정한최종생성물을얻는다. 5 운전이비교적쉽다. 6 건설비가적게든다. < 단점 > 1 기존의산소전달효율 ( 산기장치를이용 ) 로공급하기에는필요한산소를공급하기위하여동력비가많이든다. 2 소화슬러지는기계적으로탈수가잘되지않는특성을가지고있다. 3 소화공정이온도, 위치, 탱크재질에따라서큰영향을받는다. 4 메탄과같은부산물이생성되지않는다

62 호기성소화과정중호기성또는임의성미생물등은산소를이용하여세포질을포함한유기물을분해시켜에너지를얻는다. 결국세포들은분해되어다른미생물들의먹이가되며그들자신의 protoplasm 을산화시켜반응기내의 microbial mass를줄이게된다. 이것을내생호흡또는내호흡이라칭한다. C 5 H 7 NO 2 + 7O > 5CO 2 + 3H 2 O + NO H + C 5 H 7 O 2 N + 5O > 5CO 2 + 2H 2 O + NH 3 일반적으로호기성소화에서는위의반응식에서와같이암모니아가 NO - 3 로변하는질산화가일어나서 ph가떨어진다. 낮은 ph는상등수의암모니아농도를증가시키며소화슬러지에서인의방출을촉진시켜상등수의질을저하시킨다. 상등수의수질을좋게하기위하여화학제즉 lime 같은물질을투입하거나 anoxic 상태를만들어폭기에드는동력비도절감하고상등수의수질도개선시킬수있는 anoxic-aerobic digestion 에대한많은연구가이루어지고있다. SRT(Solids Retention Time: 고형물체류시간 ) 가증가하면소화슬러지의탈수성이악화되는데이는탈수성에밀접한관련이있는슬러지입자들의평균크기가작아지는데기인한다. 소화온도가고온 (45 C) 일경우중온 (1 0~35 C) 일경우에비하여입자의크기가 45~22 μm정도에서 35~16 μm로급격히감소하는현상을보였다. 잉여슬러지자체만소화시킬경우농축슬러지를소화시키는경우보다탈수성이좋으며특히혐기성소화보다효율이증진되는것으로보고되고있다 년 Coackly 에의해호기성소화가처음발표된이후초기의연구는온도나소화일수원슬러지성상이나농도에따른 VS 또는 VSS의감량화에중점을두고있다. Lawton(1964) 과 Norman(1964) 고슬러지의호기성소화에서 ph저하와질산성질소의증가를보고하였고 Mavinc, Koers(1982) 에질소의거동과온도의영향을포함하는내용을보고하였다 (2) 고온호기성소화고온호기성세균을이용한슬러지감량화기술은고온호기성세균에서나오는내열성효소를이용하여슬러지를가용화시키고, 가용화된슬러지를생물반응조에반송시켜가용화된슬러지가최종적으로 CO 2 등으로산화분해되어슬러지발생을저감시키는기

63 술이다. 이러한가용화는분비되는효소의종류및온도에따라효율이달라지는데, 슬 러지의가용성이가장높은것으로알려진약 60~70 의고온에서고온호기성세균에 의해슬러지를가용화한후생물반응조로반송시켜슬러지를감량화한다. 고농도액상슬러지 + O 2 CO 2 + H 2 O + 안정화물 ( 부식질 ) + 산화열 (55 이상유지 ) 호기성미생물 자기발열고온호기성시스템은산소를최대한억제한상태에서호기성미생물에의하여이유기물을분해하게하고, 유기물분해와동시에발생되는산화열을이용하여외부가온없이반응조의온도를 55 이상올려유기물의분해를촉진하는것으로, 슬러지의가용화속도를높이기위해가동초기에는고열호기성세균반응조내에자연계에서분리된 Bacillus Stearothermophilus 를식종하나, 본기술의근본원리는슬러지가용화조의운전조건에있어서자연발생적으로증식하는고온호기성세균이가지는슬러지가용화능력을이용하는것이다. 이러한원리상슬러지발생이최대한억제되기위해서는잉여슬러지가슬러지가용화조에서전부가용화되고생물반응조에는전부무기화되어야하지만, 실제순수고열호기성세균을이용한경우투입슬러지의약 50~60% 가가용화되나, 혼합배양의경우 40~50% 정도로감량화되어슬러지는잔존하게된다. 따라서슬러지감량화를향상시키기위해서는동일한프로세스가반복되어야한다. 최근에는단순폭기식호기성소화보다는슬러지의자기분해시발생되는열을이용하여소화효율을높이는 ATAD공법 (Autothermal Themophilic Aerobic Digestion), 호기성소화의동력학을다루는연구들이진행되고있다. 호기성소화를이용하면세포조직의 75~80% 가산화될수있는데나머지 20~25% 는불활성성분과폴리사카라이드 (polysaccharides), 헤미셀룰로오스등생물학적으로분해가어려운유기물이구성된다 (Metcalf and Eddy Inc., 1991). 생물학적슬러지의안정화지표로서가장많이사용하는것이휘발성슬러지고형물 (VSS) 인데생물학적으로분해가능한부분에한해서일차반응을따른다고보는것이일반적이다. 일반적으로 FSS는불변하는양으로간주하는경향이있다. 하지만 Randal(1975) 은슬러지소화정도를나타낼때 VSS량을기준으로하는것보다는 FSS가포함된 SS량을기준으로할것을제안하였는데이는미생물이분해할때세포중의 VSS만감소하는것이아니라 FSS도함께감소하는데그근

64 거를두고있다. 세포의구성성분중무기물은세포내부에서중요한역할을담당한다. 예를들면, 인산그룹은핵산구조뿐만아니라에너지전달계에포함되어있으며, 마그네슘이온은많은효소들을활성화시키고리보조움을안정화시키는데중요한구조적역할을한다. 철분은산화-환원반응에관여하여시토크롬 (cytochromes) 에서발견되고기타무기성양이온들은세포내에서음이온중합체와복합체를형성하며미생물슬러지의외부표면에부착될수도있다. 결국슬러지인미생물이분해되면무기분자들도다시수용성상태로돌아가기때문에 FSS도비례적으로감소하게되는것이다. 안정화지표로는 VSS, SS이외에냄새유발잠재력 (Oder-Producing Potential) (Hartman 등, 1979; Matsch와 Drnevich, 1977), 비산소소비속도 (Grnzarczyk 등, 1980; Mavinic 과 Kores, 1979), 산화환원전위 (Peddie 등 1990) 도있고경우에따라서는병원균의사멸정도로서소화슬러지의안정성을나타내기도한다.(Surampalli 등, 1993; Martin 등, 1990; Farrell 등 1990) 이러한자기발열고온호기성시스템은 1960 년대부터연구되어 1970 년대중반에상용화가독일을중심으로진행되어왔으나, 장치의최적화및범용화에많은문제점이제기되었으나, 1990 년대에산소공급방법등의개선으로본격적인상용화가시작되었다. 우리나라에서는축산및분뇨처리분야에는적용되어가능성이입증되고있으며, 슬러지감량화에도적용성에대한기술개발이꾸준히이루어지고있다. 3. 화학적처리에의한감량화기술 가. 오존산화오존의강한산화력을이용하여슬러지와접촉시세포벽을구성하는점성물질을해체하고, 세포벽의파괴에따라세포내원형질 ( 단당류및유기산등 ) 이용출된다. 용출된원형질은일부오존산화력에의해분해되고저분자화이분해성유기물질 (Readily Biodegradable COD, RBDCOD) 로변환된다. 이렇게이분해성으로전환된유기물질은생물반응조로반송되면기존의활성슬러지에의해산화분해되어무기화되며일부는또생체를합성하는데사용되어최종슬러지발생량이감소된다. 오존의반응방식에는, ph 무조정으로오존처리하는 오존단독처리법 과산성상태로오존처리하는 산오존처리법 이있다. 산오존처리법은, 투입오존량이오존단독처리법의약 1/2의소비전력량으로유사한슬러지가용화효율을나타내는것으로알려

65 져있다. 오존단독처리법에서슬러지고형물당오존소비율은 0.05gO 3 /gss 정도이며, 감량화율은 100%( 잉여슬러지인발을필요로하지않는상태 ) 를상한으로임으로설정할수가있는데, 오존접촉조로투입된슬러지의약 33% 가무기화된다고가정하면 100% 감량화를달성하기위해서는추정발생슬러지량 ( 슬러지감량화를실시하지않는경우 ) 의약 3.1 배이상을오존접촉조에투입하여야한다. 슬러지가용화조에서처리된슬러지가생물반응조로반송됨에따라유기물부하량이증가해산화분해에필요로하는산소량이증가되는데, 이때증가되는필요산소량은감량되는슬러지고형물 1kg 당 1.1kgO 2 정도이고, 100% 감량화를목표로할경우필요산소량은슬러지감량화를실시하지않는경우에비해약 2배정도이다. 또한오존에의한가용화단계에서질소및인성분도유기물질과일정비율로용출되므로생물반응조에서의고도처리가요구된다. 생물반응조의 SRT는잉여슬러지의배출량과슬러지가용화조로의투입슬러지량의합으로부터계산되므로저감화기술을적용하지않았을경우와비교하여 SRT가짧아지기때문에생물반응조에서질산화반응이필요할경우 SRT 관리에주의하여운전조건을설정하여야한다. 나. 알칼리처리슬러지의가용화를위해알칼리를첨가하는경우도있다. Lin 등 (1989) 의연구에따르면생분해성을향상시키기위해알칼리성전처리를적용하였는데열분해법, 알칼리성가수분해법, 산성가수분해법등일반적인화학적인전처리방법을폐활성슬러지에적용하였다. 알칼리처리는 lignocellulosic materials 와같은여러가지기질들을용해시키는데사용되어왔는데, 가수분해후의높은 ph 조건때문에생물학적인슬러지소화공정에바로적용시키기에어려운단점이있다. V.Penaud(1999) 에의한연구결과에따르면, 실온에서 NaOH 주입에따른 COD 가용화와 TS 감소율은 ph가 4에서 10으로증가하면 COD 가용화도 37% 에서 80% 까지증가하였으며, 실온보다온도가높을때 ph에따른 COD 가용화율이증가되는결과를보였다. 또한여러가지알칼리제중에서 2가염기보다 1가염기를가진알칼리제가더높은가용화율을보였다. 슬러지의알칼리전처리를도입함으로써두가지측면에서경제성을높일수있는데, 첫째는동일한가용화효율을달성하는데있어서오존단독처리시보다알칼리처리 (ph 11) 후오존처리하는경우전처리비용이절감된다는측면이며, 둘째로알칼리처리를

66 도입할경우분해반응조의 ph 저하방지를위한별도의약품투여가불필요하다는점이다. 오존단독처리만할경우오존처리와질산화에따른 ph 저하현상이두드러지게나타나며알칼리약품의투여가필수적으로요구된다. 결과적으로알칼리처리를도입함으로써오존투여량을제거대상고형물무게의 4% 수준까지낮출수있었으며추가적인알칼리처리비용도최소화할수있다. 4. 물리적처리에의한감량화기술 가. 초음파전처리인간이들을수있는음의주파수는 20Hz~20kHz 인데, 이보다높은주파수의음파를일반적으로초음파라고한다. 초음파를수용액상에조사할경우수용액매질의분자는음파에너지의전달방향으로진동에너지가전달되어압력변화를초래하게된다. 이때음압변화에의해고온, 고압의공동 (cavitation) 이형성되는데이것이초음파화학작용 (sonochemistry) 을일으키는원동력이된다. 이때공동내부의상태는약 5,000K, 1,000 기압정도로액상에용존되어있는가스및증기로구성되어있다. 이러한공동이생성되었다가붕괴되는주기는약 100ns 정도이므로, 순간적으로공동이생성되고붕괴되는과정이지속적으로일어난다. 초음파조사에의한화학반응은공동의생성및붕괴에의해이루어진다. 초음파조사는오존 / 과산화수소, 과산화수소 /UV, Gamma-ray Irradiation 등과함께최근수처리에응용가능한고급산화기술중의한종류이다. 고분자용액에초음파를조사할경우, 큰크기의고분자들이작은크기의고분자에비해쉽게절단되며, 장시간의초음파절단반응에의해 limiting sized 에도달하게된다는등의고분자물질의초음파절단에관한많은연구결과가보고되어왔다. 이러한반응을이용해서미생물의세포를파괴하여슬러지내원형질을용출시켜생물반응조에서최종적으로분해하는이른바초음파를이용한슬러지저감화기술이상용화되고있다. 따라서슬러지감량화에있어서는세포외벽을파괴하여세포내부를용출시켜서가용화, BOD화하기때문에세포외벽의구조가물리화학적으로안정된원핵세포의경우가용화율이저하될수있다. 이러한단점을보완하기위해최근에는알칼리처리와같은화학처리를통하여그효율을극대화시키는방법등이고안되고있다. 초음파를이용한슬러지저감화기술의구성요소는 Fig. 2-6 과같이잉여슬러지의농축조, 약품투입시설, 초음파조사시설,

67 중화시설등으로구성되어있으며, 최근에는초음파단독처리및대용량처리가가능한연속초음파처리장치도개발되었다. Chu 등 (2001) 의실험결과에따르면슬러지의초음파실험에서시료부피, 용기의형태, 전극의위치등이영향을미친다. 그들에의하면초음파는슬러지의표면전하에는영향을주지못하고, 플럭이파괴됨으로써상징액내 Ca 2+ 과 Mg 2+ 이온들의양이현저하게증가하였고, 슬러지의탈수성은초음파를가한후에는더욱더악화되는것으로나타났다. 또한슬러지의초음파처리를 3단계로구분하였는데 Ⅰ단계에서는 porous floc이 compact floc으로쉽게파괴되어탈수성이악화되었다. Ⅱ단계에서는플럭의크기가바뀌지않았다하더라도 heterotrophic bacteria 와 tatal coliform 이효과적으로살균되며가용화로인해 SCOD가증가되었으며, Ⅲ단계에서는온도상승으로인해 solid-state organic compounds 가 soluble form으로변환되었다. Fig 초음파처리를이용한슬러지저감화기술 나. 금속밀의마찰력및마찰열을이용한감량화기술밀 (Ball Mill) 파쇄를이용한슬러지발생저감화기술은 Fig. 2-7 과같이교반기로고속회전하는볼이충진된분쇄실로슬러지를유입시켜교반되는금속볼사이에발생하는전단마찰력과열에의해슬러지를파쇄시키고, 파쇄된슬러지를생물반응조로이송시켜최종적으로물과이산화탄소등으로무기화하여슬러지를감량화시키는방법이다. 이때입경 0.5mm 정도의유리볼이나금속볼을파쇄매체로써약파쇄실체적의 60~

68 80% 정도충진시키며, 슬러지의충분한파쇄에필요한파쇄실내체류시간은수초에서수분정도이다. 볼밀파쇄에의한가용화율은볼의특성, 충진율, 파쇄시간, 교반속도 ( 교반기의선단속도 ) 등에따라좌우된다. 볼의충진율이가용화율에미치는영향을 Fig. 2-8 에나타내었다. 이때사용된볼은유리볼 0.5~0.75mm 을이용해교반기의선단속도 8.5m/ 초의조건으로, 가용화율은파쇄전, 후의용해성 TOC농도차이로판단된결과이다. 이결과볼충진율이높을수록가용화율은증대되는경향을보이고있으나볼충진율이높을수록교반동력이증대되며발열량이많아져전력손실이증가되므로주의하여야한다. 스크린 교반기 슬러지투입 파쇄슬러지 볼충전 전동기 Fig 볼밀파쇄기의구조 가용화율 (%) 볼충진율 (%) Fig 볼충진율이가용화율에미치는영향

69 제 3 절하수슬러지자원화기술 1. 퇴비화 퇴비화는호기성조건하에서미생물의활동에의해유기물을발효부패시켜안정화하는것과함께휘발열에의해슬러지에존재하는병원성미생물이나잡초의종자를사멸시키는방법이다. 또한토양에환원할때서서히분해하여작물생육에안전하고또미생적인비료를제조하는공정으로, 슬러지의퇴비화는슬러지내의유기물을토양개량제 (Soil Condition) 나저급비료 (low-grade fertilizer) 로이용하기위해생물학적으로분해하여비교적안정한부식물질 (humus-like material) 로전환시키는공정이라정의할수있다. 슬러지퇴비화는슬러지내의분해가능한유기물을미생물에의해분해하여안정화시키는공정이다. 유기물은혐기성이나호기성조건하에서분해될수있지만호기성분해는분해속도가매우느리고악취제어가어렵기때문에대부분퇴비화를호기성상태에서행한다. 유기물의호기성분해과정을보면다음과같다. 호기성 유기물 > 안정된물질 + CO₂+H₂O + NO₃+ SO²~⁴ + 열 미생물 이와같이유기물은호기성미생물에의해비교적안정된물질과이산화탄소, 물등으로분해되고분해과정중에약 70 정도의열이발생하게된다. 따라서분해가진행됨에따라초기분해자는통온성박테리아에서약 1주일후에는친온성박테리아, Actinomycetes, 친온성 fungi가분해를담당하게된다. 약 70 이상의온도에서는포자성박테리아가주류를이루며분해가느려지게되면다시통온성박테리아및 fungi가나타나게된다. 퇴비화는 1차발효와 2차발효과정으로나눌수있으며, 퇴비화의주요공정인 1차발효는슬러지중의분해되기쉬운유기물이활발히분해되며발효열에의해온도가상승하여고온을유지하는공정이라정의할수있다. 퇴비화의진행과정을판단하기위해서는발효의지표로서온도, 이산화탄소농도, 휘발성고형물 (VS), BOD, COD와냄새등의

70 변화를추적하여진행상태를비교할수있다. 2차발효는 1차발효가끝난뒤분해되지않고남아있는분해가능성이있는유기물을서서히분해시켜안정화시키는공정이다. 1차발효를시킬때나무껍질, 왕겨, 톱밥등과같은첨가물을첨가하는경우이러한물질은분해속도가느리기때문에 1차발효기간에완열되지않고미열한상태로남아있게된다. 미열한퇴비를토지에주입하면산소결핍을유발하여식물생존의장애를일으키므로 2차발효를하여완열시킬필요가있다. 2차발효는보통야적방식으로행하며뒤집기를하여도온도상승이보이지않을때까지약 1~3 개월간행한다. 퇴비화의목적은첫째분해하기쉬운유기물은안정화하고, 둘째슬러지내에존재할가능성이있는병원균의사멸, 셋째함유수분량을감소시켜취급성을개량하는데있다. 이러한목적을달성할수있는퇴비화방법은크게개방형퇴비화방식 (Unconfined Process) 과밀폐형퇴비화방식 (Confined Precess) 의 2가지로분류할수있으며, 개방형에는야적방식과통기퇴적방식이있으며, 밀폐형은반응조를이용하는기계식이대표적이다. 퇴비화방법의근래동향을보면미국의경우거의대부분의 Plant에서통기퇴적방식을도입하고있으며, 일본이나유럽각국에서는기계적인퇴비화방법을개발하여사용하고있다. 기계식에서는초기투자비와건설비용이많이소요되긴하지만개방형보다적은대지가소요되고, 퇴비화경향인자를인위적으로제어할수있어퇴비화기간을단축할수있고퇴비화할때가장문제시되고있는냄새문제를쉽게해결할수있으며많은양의슬러지를단시일내에퇴비화할수있는장점이있다. 또한퇴비화를효율적으로행하기위한단위공정측면에서살펴보면, 탈수한슬러지의수분함량은 70~80% 로높고통기성이양호하지않기때문에함수율조정이나통기성의개선을위해대부분의 Plant에서나무껍질, 볏짚, 쌀겨, 톱밥등과같은첨가물을사용하였다. 그러나첨가물의사용으로인해퇴비화에장기간이소요되며퇴비화비용의증대원인이되고있을뿐만아니라첨가물의안정적인조달, 보관, 처분량의증대에따른설비및소요되는부지의증대등을초래한다. 따라서함수율의조절이나통기성의개량을효과적으로할수만있다면대량의슬러지를급속하게처리할수있는, 첨가물을사용하지않은퇴비화가지향되어야하며실제로퇴비화 Plant의운영측면에서도바람직하다고할수있다. 최근의동향을살펴볼때퇴비화에따른기술적문제점은많은개선을보이고있으나문제점은가격과사회적호응도가거의없다는점이다. 또한퇴비내의중금속에의한토양오염등의 2차공해발생소지가있다

71 Table 농림부의부산물비료의종류및규격 종류 유기물함량 (%) C/N 비 수분 (%) 염분 (%) 유해성분 (mg/kg-wet base) As Cd Hg Pb Cr Cu Ni Zn 참고 퇴비 ( 슬러지등 ) 25 이상 50 이하 50 이하 1 원료사용가능및 이하 불가물질별도지정 부숙겨 25 이상 50 이하 겨 70% 이상사용 재 - 50 이하 염산불용해물 30% 이하 녹비 - 30 이하 50 이하 염산불용해물 30% 이하 분뇨잔사 25 이상 50 이하 기생충無 부엽토 이하 염산불용해물 30% 이하 아미노산발효부산비료부산물동물질비료 조미료생산시액을중화처리질소전량 4% 질소전량 6% 건계분 20 이상 염산불용해물 30% 이하 건조축산폐 기물 25 이상 50 이하 도축과정시 부숙왕겨및 톱밥 30 이상 70 이하 왕겨, 톱밥 70% 이상사용 토양미생물 / 토양활성제 재비료 재배시험要 주 ) 혼합유기질비료 : 질소, 인산, 칼리전량의합계량 = 7%

72 Table 부숙토의원료기준및제품기준 구분 등 급 가등급나등급 원료기준 유해물질함량유해물질함량 비소 (As) 50이하 50이하 카드뮴 (Cd) 5이하 8이하 크롬 (Cr) 300 이하 370 이하 구리 (Cu) 500 이하 750 이하 납 (Pb) 150 이하 225 이하 수은 (Hg) 2이하 3이하 비소 (As) 50이하 50이하 카드뮴 (Cd) 5이하 8이하 크롬 (Cr) 300 이하 370 이하 구리 (Cu) 500 이하 750 이하 납 (Pb) 150 이하 225 이하 제품기준 수은 (Hg) 2이하 3이하 유기물함량 25% 이상 ( 도로절개지는 15% 이상 ) - 유기물대질소비 50이하 - 염분 (NaCl) 1% 이하 1% 이하 이물질 (%) 1% 이하 - 사용용도 정원 공원 임야 간척지 개간지 도로절개지 폐광지 토양식생복원사업지등의토지개량제또는매립지복토용으로사용 매립지복토용으로만사용 부숙도 정해진설비에의하여실험수행시실온보다 20 이상재발열이없을것. 토양시비량 연간 1천평당 13톤이상을사용하여서는아니된다 ( 도로절개지의토지개량제, 매립지복토용은제외 ). 유해물질함량의단위는건조중량을기준으로mg / kg

73 2. 고화및고형화 고형화 (Solidification) 는탈수케이크, 소각회등의폐기물에 Cement 등을혼합시켜고형화하거나, 단독또는조제와혼합하여소결시키거나용융하여고형화하는방법으로, 유해물질을포함하는폐기물의무해화처리로서의적용이고려되고있다. 소각회를포틀랜드시멘트로고형화하면경화가진행되면서균열이생겨붕괴, 분화되어버리는수가있다. 이것을회에다량함유되어있는염류가시멘트광물과반응하여부피가큰물질을생성하기때문으로피처리물질의성상을사전에조사하여적절한시멘트를선택하고, 실험적으로고형화처리를시행하여확인하는것이바람직하다. 고형화 (Solidification) 폐기물관리법내에서사용되어진고형화는지정폐기물등유해성폐기물을대상으로하여매립단계에서침출수에용해되어나오는것으로방지하기위하여시멘트등의고화제를사용하여고체화시킨후에양생과정을거친것을말한다. 고화처리 (Alkaline stabilization) 최근에고화처리라는용어가폐기물관리법내에명시되었으며, 매립목적보다는재활용의목적으로각종유기성폐기물에알칼리성의고형화제를첨가하여유기물의안정화를기하는동시에고체화시키는것을말한다. 가. 경량골재화슬러지의건설자재로의이용에대하여는미국, 일본등에서기술개발에상당한진전을이루고있으나아직은실용화를위한공업적생산규모에는이르지못하고있다. 특히일본의경우에는슬러지의처리를대부분소각에의존하고있어, 생성된소각재를중점으로경량골재화에대한기술개발이완료되어시험생산단계에까지와있다. 그러나기술적인문제가해결되어야하고또용도가있어도아직은시장유통에서는장기적으로안정된수요처의확보와생산비등의문제점들을나타내고있어기존의상품과경쟁할수있는자원화방안으로는벽돌, 골재를재조하는방법들을고려하고있다

74 나. 슬러지의시멘트고화슬러지처리방법중열에너지를필요로하지않으며비용이저렴한유효이용방법으로생각할수있는것이시멘트고화이다. 시멘트고화는산업폐기물처리의유해폐기물의고정방법으로도흔히사용하고있어서기술적인특별한어려움이없으며, 일본, 미국의경우에는상수슬러지에도적용하고있다. 슬러지를그대로매립처분하게되면분해되기쉽우므로, 고화는용출방지와취급을편리하게한다. 하수슬러지의탈수케이크 ( 함수율 80%) 에중량으로약20% 의시멘트를혼합하고필요에따라성형하여양생한다. 고화제인시멘트는보통시판되고있는포틀랜드시멘트를사용하는경우양생기간이 7일이상으로길어사용에문제가있으며, 특수 고화용시멘트가흔히사용되나값이비싼단점이있다. 특수시멘트는포틀랜드시멘트에활성알루미나, 석고 ( 황산칼슘 ) 를보강하여소성한것으로양생기간이 2일정도로짧다. 가공방법은탈수케이크에소각회와특수시멘트를가하여혼합, 혼련하고, 24시간양생하여고화시킨다. 특수시멘트의배합비는약 10%, 소각회의혼합량이많지않으면이혼합비를더떨어뜨릴수도있다. 다. Biobrick 벽돌로이용슬러지처분의일종으로개발이시도되고있는방법으로슬러지에점토 (Clay) 와 Shale( 공암 ) 또는시멘트부스러기등을섞어가공하여벽돌로만든것을 Biobrick 라고한다 년미국에서최초시험생산에의한보고에슬러지는고형물농도 15~25% 의도시하수슬러지를원료로사용하며, Clay - Shale - Sludge 혼합물을알루미늄 die를이용하여형태를주고수일동안통건한후 110 에서 36시간동안건조한다. Standard Electric Kiln에서 200~100 의 Stair-Step 의온도로가열 (36~42hr) 한다음 8~10 시간냉각한다. Kiln에서슬러지자체가가지고있는유기물이연료절감의의미는있으나이에따른성형물의부피감소로인하여균열이일어나거나또는변형이일어날수가있으므로냉각에주의하여야한다. 제품의물리적성질은슬러지함량에영향을크게받는데, 점토-공암-슬러지의혼합율은슬러지부피의 20~30% 첨가가가장적당하며, 이이상이되면흡수율과압축강도가 AS TM의벽돌규격을벗어나게된다. 그러나 Biobrick 에서의문제점은제품의질이일정하지않았다는점과고온에서의저등점중금속의휘산문제가있으나, 그밖에용출이나대기오염등에대한문제점은없다

75 3. 지렁이분변토재활용기술 최근들어 Vermiculture, Vermicomposting 및 Vermistabilization 등의용어가사용되는것을볼수있는데, Vermes 는라틴어로 Worm( 벌레 ) 라는뜻을의미하며, Culture는사육, 양육의기른다는뜻의의미를, Compost 는퇴비를, Stabilization 은안정화를의미하는합성어로이루어진것이다. 이단어들은 Earthworm( 지렁이 ) 을활용한다는뜻을공통적으로포함하고있으면서아울러지렁이의기능적역할의변천과정을나타내기도한다. Vermi + culture( 사육, 양육 ) : 지렁이사육 + composting( 퇴비 ) : 지렁이퇴비화 + stabilization ( 안정화 ) : 지렁이안정화 Vermiculture 라는단어는세단어중가장먼저생성된것으로지렁이를사육한다는의미를내포하고있으며사육된지렁이는낚시용이나기타용도에공급하기위한목적으로이용되는개념으로생각되며, Vermicomposting 은유기성물질을지렁이가섭취한후배설하는물질이충분히부숙되기때문에증식된지렁이를이용하는것은물론더나아가지렁이가배설하는분변토를토양개량제등으로사용할수있는물질로변경시킨다는의미가강하다. 지렁이를이용한퇴비화처리법은기존의슬러지처리방법보다간편하며, 시설과운전비용이적게들고슬러지처리후발생되는부산물 ( 지렁이 + 분변토 ) 의재활용이가능한새로운처리기술로알려지고있다. 이방법은 1970 년 Fosgate 와 Babb가동물의분을이용, 인공적으로지렁이를증식시켜그가능성을입증하였다. Hartenstein 등은하수처리장의탈수슬러지, Loehr등은액상슬러지 (TS : 9 17%), Camp Dresser 는도시고형폐기물을대상으로하여지렁이가유기성물질을안정화시킬수있다는것을연구하여 Vermicomposting 이폐기물처리의한분야로서이용될수있는기술적토대를성립시켰다. 우리나라에서지렁이를이용하여유기성폐기물을처리하는방법은먼저민간에서시작되어이용되었으나소규모로개인이영리를위하여제한적으로이용되고있었으나, 1990 년부터국립환경연구원에서지렁이를이용한유기성폐기물처리기술개발을수행을

76 시작으로현재는 80여개소에서연간 10만톤의폐기물을처리하고있다. 10만톤의유기성폐기물을지렁이를이용하여처리할경우약 20억원의매립비용과매립용량이절약되는효과가있음과동시에유기성슬러지를먹고증식된지렁이자체가약 80억원, 비료와토양개량제로이용되는분변토를판매하여 6억원등 106 억원의판매수익이창출될것으로추정되어국가및지렁이처리업소에모두도움이되는것으로나타났다. 그러나이러한장점에도불구하고지렁이사육을위해넓은부지면적이필요한점과하수슬러지내중금속성분과영양분부족으로인하여지렁이의사멸율이높은점등으로인하여기술적용이더디게진행되고있는실정이다

77 제 3 장연구개발수행내용및결과 제 1 절유체유동을이용한생물반응기개발 1. 이론연구 가. 생물학적처리기술의일반이론생물학적폐수처리공정에서미생물이생장하는형태는부유식생장 (Suspended growth) 과부착식생장 (Attached growth) 으로나눌수있다. 부유식생장을이용한처리방법에는활성슬러지법, 안정지, 혐기성소화법등이있으며, 부착식생장을이용한폐수처리방법을생물막공정또는고정막 (Fixed film) 공정이라부른다. 생물막공정의예로는살수여상법, 회전원판법, 침적여상법, 혐기성생물막공법등이있다. 산소의이용유무에따라생물학적처리공정을호기성공정 (Aerobic process) 과혐기성공정 (Anaerobic process) 으로나눌수있다. 호기성처리에서는호기성미생물에의해유기물이분해되어최종적으로이산화탄소와물이생성되며, 미생물들의생장이빠르고처리가신속하나고농도의폐수의경우에는산소소모속도에비하여산소전달속도가느리기때문에호기성처리가어려워지는것으로알려져있다. (1) 호기성폐수처리공정의분류 ( 가 ) 활성슬러지공정활성슬러지법 (Activated sludge process) 은폐수내에존재하는유기물및영양염류 ( 질소, 인등 ) 를산화시키기위해호기성생물체들을혼합배양한다. 활성슬러지라는용어는생물체들이자유롭게부유한 floc의형태로존재하는공정에대하여일반적으로적용할수있다. Floc 형태로존재하는미생물들은최종적으로중력식또는기계식분리장치에의해상등액과분리되어슬러지의형태로유출되어, 일부는포기조의미생물농도유지를위해반송되고일부는슬러지처리시설로유입되어처리된다. 활성슬러지공정에서포기조의형태및운전방식등에따라완전혼합법, 플러그흐름법, 점감식폭기법, 계단식폭기법, 접촉안정법등으로나눌수있다

78 a) 1 차침전지에서 F 1 폭기조 v, x 1 2 차침전지 방류수 F 2, x 2 반송슬러지 폐슬러지 F 3, x 3 b) 폭기조 1 차침전지에서 2 차침전지 반송슬러지 c) 폭기조 1 차침전지에서 2 차침전지 d) 1 차침전지에서 반송슬러지 폐수의분배 2 차침전지 폭기조 반송슬러지 e) 1 차침전지에서 폭기조 2 차침전지 안정조 Fig 활성슬러지공정의예 (a) 완전혼합법, (b) 플러그흐름법, (c) 점감식폭기법, (d) 계단식폭기법, (e) 접촉안정법

79 1 완전혼합법완전혼합법 (Continuous stirred tank reactor, CSTR) 은 Fig. 3-1(a)) 에서와같이 1차침전지에서나온폐수를폭기조내에서반송슬러지와완전히혼합한후 5~24 시간정도포기하여전체폭기조내의유기물농도와산소이용률을균일하게한다. 2 플러그흐름법반송슬러지와 1차침전지에서보내진폐수가포기조입구에서혼합된후길이방향으로흐르도록설계된것이플러그흐름법 (Plug-flow Reactor, PFR) 이다 (Fig. 3-1(b)). 포기조를따라흐르는동안유기물의분해가일어나므로폐수내기질 ( 유기물 ) 농도와산소요구량이달라지는데폭기조유입부에서는유기물농도와산소요구량이높고, 포기조유출부에서는유기물농도와산소요구량이낮게된다. 따라서공기유입을전포기조내에균일하게하면포기조위치에따라용존산소농도에차이가생긴다. 3 점감식포기법점감식포기법 (Tapered aeration system) 은이러한용존산소농도의차이를시정하기위해포기조유입부쪽에공기를많이주입하고유출부쪽으로갈수록공기주입량을줄이는방법이다 (Fig. 3-1(c)). 4 계단식폭기법계단식폭기법 (Step-aeration system) 이란폐수가전량포기조유입부에공급되는것이아니라폭기조의길이에따라몇번에나뉘어주입함으로써유기물농도와산소요구량을비교적균일하게만드는것이다 (Fig. 3-1(d)). 5 접촉안정법접촉안정법 (Contact-stabilization system) 은폐수를포기조에서짧은시간 ( 약 30분 ) 동안포기시킨후 2차침전지에서슬러지를분리시키고안정조 (Stabilization tank) 에서반송슬러지를약 6시간재폭기시키는방법이다 (Fig. 3-1(e)). 이방법은높은흡착능력을가진미생물을이용하여폭기조내의유기물질을슬러지에신속히흡착시켜제거하며, 이런폭기조를일명접촉조 (Contact tank) 라고도부른다. 6 장기폭기법장기폭기법 (Extented aeration system) 은폭기를 12시간이상장시간하는방법으로폭기조내미생물들이유기물고갈로인해자산화 (Autoxidation) 되어균체량 ( 슬러지량 ) 의상당량이감소하여폐기될잉여슬러지의양을적게하는방법이다

80 ( 나 ) 생물막처리법생물막처리법은폐수가고체입자의표면에형성된생물막을따라흐르면서호기성미생물들에의해대사되는방법이다. 폐수내의용해성유기물과용존산소는막내부로확산되고이산화탄소, 물, 그리고기타대사산물은폐수층으로방출된다. 이과정을통해생물막이점차두꺼워지면서유기물과산소의농도기울기가생기고표면에 0.1~0.2 mm 정도의호기성층안쪽으로는산소나유기물이전혀확산되어들어가지못하는혐기성층이생긴다. 이혐기성층에서는미생물들이내생호흡 (Endogenous respiration) 을하게되며고체표면에대한부착력을잃어버린다. 이때폐수흐름또는고체매질의이동으로전단력 (Shear force) 이생겨서막이떨어지는탈리 (Sloughing) 가일어난다. 막이탈리되면보통표면에얇은생물막이남게되는데이생물막에산소와유기물이공급되어새로운생물막이형성된다. 떨어져나온생물막 (Sloughed biofilm) 은침전조에서침전시켜제거한다. 생물막을이용한실제폐수처리방법으로는살수여상법 (Trickling filter), 회전원판법 (Rotating biological contactor), 활성생물막법 (Activated biofilter), 침적여상 (Submerged filter) 등이있다. (2) 혐기성폐수처리혐기성처리는호기성처리에비해높은생물학적산소요구량 (Biological oxygen demand, BOD) 를가진폐수나폐기물의처리에적합하다. 혐기성소화공정은하수처리에서나오는폐슬러지의안정화, 축산폐수등고농도폐수의처리에주로이용되고있다. 혐기성소화의주된목적은악취를제거하고, 부패현상을저하시키며, 병원체의숫자와미생물활성을감소시키는것등이다. 혐기성처리는산소전달의제한을받지않으므로호기성처리에서감당하지못하는고농도기질의폐수도처리할수있다. 혐기성대사는에너지생성률및세포생장률이낮아서슬러지발생량도매우적으며, 최종산물인메탄은가연성기체이므로에너지원으로활용할수있다. 그러나혐기성시스템은처리속도가늦어 20~30 일이상의체류시간을요구하며, 독성물질에대한민감성이크고, 심한악취발생및공정이불안정한단점을가지고있다

81 나. 반응기흐름에의한특징생물학적폐수처리공정의설계에중요한과정중하나는처리공정에사용되는반응조의형태를선정하는것이다. 이에따라 1처리공정의반응동역학, 2산소요구량, 3 처리공정의물질수지, 4설치및유지비용이결정되기때문이다. 반응조의형태를선정함에있어서반드시고려되어야할운전요소는 1처리하고자하는대상폐수의특성, 2반응의특성 ( 균일혹인비균일반응 ), 3처리공정을주도하는반응속도, 4공정성능의필수요건그리고 5지역의환경조건등을포함한다. 또한현장시설에서반응조를선택하는데있어서는시공비용과운전및유지비용등도고려되어야할것이다. 화학반응이나생물학적반응은대부분적용대상물질의농도, 반응속도상수, 접촉시간의함수로나타나고있다. 그러나유체는기하학적구조물에따라서점도와형태를변형시킬수있는유체유동이다양하게변화되므로, 유체간의접촉빈도수, 반응속도상수, 반응시간등을동시에변화시킬수있다. 이러한사항에대해서대표적으로설명할수있는반응조의형태는 Fig. 3-2 에서와같이크게완전혼합반응조 (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR) 과플러그흐름반응조 (Plug Flow Reactor, PFR) 으로나눌수있다. (1) 완전혼합반응조 (CSTR) 완전혼합반응조의이상적흐름은유체입자들이반응조에유입되는순간반응조내에균일하게완전혼합이이루어지는것으로, 반응조내농도는균일하게연속적으로재분포되어지며반응조가원통형이든혹은정방형이든상관없이완전혼합이이루어질수있다. 완전혼합조건에도달하는데소요되는실제시간은반응조의구조와투입물질의부하에따라달라진다. 아래와같이부피가 V인 CSTR 반응조에 C Ai 의농도의물질을유량 Q로유입한다고가정할때, 반응조내에존재하는물질의농도 C A 는다음과같이나타낼수있다. Q,C Ai Q,C A V, C A Fig CSTR 반응조

82 (3-1) 1 차반응이라가정하면 이고, 이므로, (3-2) 정상적인상태에서 는일정하므로, 식 (3-2) 를 C = 0 CA, t = 0 t 사이에서 적분하면아래와같다 (3-3) (3-4) (3-5) (3-6)

83 (2) 플러그흐름반응조 (PFR) 플러그흐름반응조의이상적흐름은반응조로유입된유체입자들이반응조를통과하면서길이방향의혼합전혀없는상태로유입된순서와동일하게유출되는것으로입자들은정체성을유지하면서이론적인지체시간과동일한시간동안반응조내에체류한다. 이런형태의흐름은길이방향의분산이적거나없는긴개방형탱크나폐쇄된관형반응조등과같은구조를갖는다. PFR 반응기는유체의흐름방향으로의혼합이나반응이일어나지않는다는이론적인가정아래아래의그림에서나나탠것처럼매우작은계면인 에대하여이루어져야한다. 분산이없는 PFR 반응기의해석을위한기초적인물지식에서농도가 C Ai 인물질이유입된다고가정할경우, 유출되는 C A 의농도는다음과같이표현할수있다. Fig PFR 반응조 (3-7) 이고 가 0 에접근함에따라식 (3-8) 이된다 (3-8)

84 일반적으로 Q 가일정하므로다음과같은변형된것으로나타낼수있다 (3-9) 여기서, 정상상태, 1차반응에서, 이므로식 (3-9) 를식 (3-8) 에대입하면, (3-10) C=C Ai, 에서 C=C A, θ H =0 에서 θ H =θ H 사이에서적분을하면, θ H 의함수로서정상상태 에서유출수농도를결정한다 (3-11) (3-12)

85 (3) 직렬연결형완전혼합반응조 (CSTR in Serious) 완전혼합형태의반응조가한개이상직렬로연결되어있는형태로, 완전혼합반응조와플러그흐름반응조에대응하는수리학적흐름영역을모델화하는데사용된다. 즉완전혼합형태의반응조의직렬연결이한개로구성된다면완전혼합영역이지배적이고, 무수히많은반응조로구성한다면 PFR 흐름이지배적이라할수있다. ln (3-13) ln (3-14) 만약 CSTR 의일련의반응조수가무한히많아지면, PFR 에근접하게된다. lim (3-15) 로두면, lim (3-16) lim ln 이므로, (3-17)

86 (4) 반응기모델의성능비교 CSTR과 PFR을정상상태의조건에서반응물질의농도를달성하기위해필요한부피혹은체류시간을비교할수있다. 따라서앞에서 CSTR과 PFR에대해각각유도된식을 θ H 에대해재정리해보면다음과같다. 1 1 차반응 ( ) CSTR (3-18) PFR (3-19) 2 2 차반응 ( ) CSTR (3-20) PFR (3-21) 상기의유도된식을이용하여 CSTR과 PFR의직접적인비교가가능하며, 1차반응에대한 CSTR과 PFR의수리학적체류시간 (HRT, θ H ) 의비를 Fig. 3-4 에나타내었다. CSTR의경우처리시간에따라서유입수와처리수가단순한 1차함수관계로표현되며, PFR의경우지수함수로표현되므로, 약간의처리시간의증가에서도처리효율이급격히증가하는것으로나타난다. 일반적인폐수처리시설은보통유입 BOD의 80~90% 이상의처리효율을요구하므로, C A /C Ai = 0.1~0.2 의값을갖는데, 처리효율이 80% 이상이될경우 CSTR/PFR의체류시간비가최소한 2배이상되어야가능하다는것이다. 이러한특성은처리효율높게요구될수록, 즉유입 BOD 농도가높으면높을수록 PFR 에서의체류시간에비해 CSTR의체류시간의요구량이커질것이다

87 그러나이상적인 PFR의경우유체의이동과정에서혼합을배제하고다만분자확산에의한물질반응만을고려하였으므로실질적으로다양한고형물이포함되어있는오염물질의경우낮은처리효율을나타낼수있다. 반면에난류발생에의한물질반응속도를개선할수있는측면도있으나난류에의해서전체유체의흐름인프로그흐름이방해되는상반된문제점을극복해야하는과제가남아있다. 따라서수처리에적절하게적용하기위해서는난류등물리적인혼합효과를유도하는동시에수처리에관여하는용존산소, 유기물, 미생물등이전체적으로 PFR 구조가되어야효과개선이가능할수있다 HRT(CSTR/PFR) CA/CAi Fig 차반응에서체류시간에따른 CSTR/PFR 의비율 다. 유체유동적용반응기해석수처리분야에서반응기구조뿐만아니라기체와액체의관계는매우중요한요소로작용되는데호기성처리과정자체가공기중에산소를포기 (aeration) 하여폐수중으로쉽게용해시켜미생물의작용을유도하는공정이기때문이다. 또다른목적으로는축산폐수내암모니아, 유기용제폐액등과같이폐수중에서공기중으로이탈가능한가

88 스를탈기 (stripping) 시키는과정이라고할수있다. 이러한 2개의공정 ( 포기와탈기 ) 은기 / 액간의물질이동에의해이루어지는현상이며, 일련의물질반응사이에서평형과정으로진행되는현상의한부분이므로기 / 액비, 접촉방법, 물질의특성, 반응용기, 교반효과등이최적일경우에물질평형에쉽게도달하게된다. 그러나실질적으로짧은시간에이러한조건을유도하기위해서는산소전달효율을높이기위하여미세기포를생성하는산기장치를사용할경우미세기포발생에소요되는동력비, 산기관막힘현상, 미세기포에의한슬러지혼합의한계성이나타나며, 반대로기포의크기를증가시켜교반효과를개선할경우에는산소전달효율이낮아지는문제가발생하는문제점이있다. 탈기과정도유사한현상과원리로설명될수있다. 따라서본연구에서는 1차적으로현재문헌중심으로나타나는근본적인요소들을살펴보고개선할수있는방법을찾고자한다. (1) 기 / 액접촉에의한산소용해일반적으로물리적인현상에의해서공기중의산소를수중에용해시키는과정은반응조하부에서디스크산기관등을통해주입하는방법, 반응조내부에서기계식포기장치를이용하는방법그리고반응기주입구에서가압노즐등을이용하여주입하는방법으로구분할수있다. 공급된기체의이동을묘사하는데사용될수있는간략한모델이 1923 년 Whitman에의해제안된 Two-film theory 를 Fig. 3-3 에나타내었다. 그림에나타낸것처럼기체- 액체의경계면에이중의막이존재한다는물리적모델에근거를두고있으며, Liquid phase와 Gas phase 사이에서기체분자가지나갈때저항을유발시킨다. O 2, N 2, CO 2 등과같이용해도가작은기체는수막에서이동될때속도제한을받고, 반면에 NH 3 와같이용해도가큰기체는기막에서이동될때속도제한을받는다. 용해도가크지도작지도않은기체의경우두막모두가속도제한을받게된다

89 Tubulent Laminar flow Tubulent C gas Gas phase (bulk) g P i l Liquid phase (bulk) Partial pressure or concentration C i C Liquid Gas film Liquid film Area or Distance interface Fig 수중에서기 / 액면의 Two-film theory 정상상태조건하에서한기체가기체막을지나는질량전달속도는액체막을지나는 전달속도와일치해야한다. Fick s 1st law(3-22) 을이용하여각각의상에서기체흡수 에대한질량 Flux( 단위면적 - 단위시간당질량전달속도, r) 를다음과같이쓸수있다 (3-22) (3-23) 기체및액체막의질량전달계수 (K G, K L ) 는경계면에서의조건에좌우되고, (P G -P ) i 와 (C i -C L ) 는각각기체와액체상에서질량전달을일으키게하는구동력을나타낸다. (P G -P ) i 와 (C i -C L ) 을기체와액체의막두께 (δ G, δ L ) 로나누면구동력은단위두께로표현할수있다. 따라서질량전달정도는속도를제어하는막이어느것이냐에따라막의두께를줄임으로써향상될수있다

90 기 / 액간의질량전달에대한모든저항이액체막에의해발생된다고가정하면, 질량 전달속도는총괄액체질량전달계수 (K L ) 에의해다음과같이정의될수있다 (3-24) 식 (3-23) 와 (3-24) 에의해주어진두가지표현식을같다고하면, K L 과기체및액체 의막사이의관계가다음과같이유도될수있다 (3-25) 여기에 Henry 의법칙 ( ) 에근거하여, P G =HC s 와 P i =HC 의 i 관계를경계면 에적용하면다음의관계식을구할수있다. 액체막이질량전달을제어하는경우, (3-26) 기체막이질량전달을제어하는경우, (3-27) 다. 식 (3-26) 과 (3-27) 을이용한총괄액체및기체상전달계수사이의관계는다음과같 (3-28) 산소와같이기체상에서액체상으로용해도가낮은기체의단위시간 - 면적당질량흐 름 (mass Flux) 을알아보기위해서, 식 (3-24) 의 C L 에 C t 를대입하면다음과같이나타낼 수있다

91 (3-29) 대응하는단위부피 - 시간당질량전달속도는식 (3-29) 에면적 A 를곱하고, 부피 V 로 나누면구할수있다 (3-30) 여기서 K L a는수질과포기설비의유형에따라달라지며고유값을갖기때문에일반적으로실험적에의해결정된다. 산소의용해는앞에서와같이기 / 액간의접촉에의한물질반응외에도수면난류의증가로인한혼합또한물질이동및반응에중요한역할을한다. 물의자유표면에서난류에따른물질이동변화를대표할수있는 surface film 형성모식도를 Fig. 3-6 에나타내었다. C s δ y C Fig 수면에서 surface film 형성의모식도 c q= - A D m y = - A D C s - C m δ = - A K L (C s - C) ---- (3-31) K L = D m δ = D m r (3-32) 식 (3-31) 와 (3-32) 에서보면, 폐수의자유표면을형성되는조건에서물질전달은무교 란상태일때는분자확산에의해서이루어지나, 난류를증가시켰을경우에새로운수면

92 으로교체되는속도 (r) 증가로계면의두께 (δ) 가무시할정도의매우낮은값으로전환되어물질전달이증가된다. 또한 Cs-S 의절대값을높게유지하는것도확산을촉진시킬수있는중요한변수가된다. 일반적으로수처리에서보면자유수면은하나의포기조에서하나가형성된다. 그러나수면에는대부분거품이형성되어있거나포기조하부에서이동한저농도의산소를함유한공기가정체하고있어자유수면에서산소용해도가낮다. 또한포기조의 MLSS의농도가높고자유수면의압력이대기압이므로산소가용해되는속도는이론적인값보다매우낮다. 유체에있어서동점성계수 ( 운동성계수 ) 는낮은밀도에점성도를높여외부에서공급되는에너지의파급효과를높이기위한수단으로판단할수있는것으로써통상적으로 Table 3-1과같이공기가물보다높게나타난다. Table 3-1. 공기와물에서동점성계수 공기 (1 atm) 물 온도 ( ) 동점성계수 (cm 2 /s) 온도 ( ) 동점성계수 (cm 2 /s) 난류는 이외에 Schmidt number, Prandtl number 의해서동시에나타낼수있는데 Schmidt number은 molecular mass diffusivity(d m ) 와동점성계수의관계를나타낸것이고, Prandtl number은 molecular heat diffusivity(a m ) 동점성계수의관계를나타낸것으로써동점성계수를증가시킬경우분자확산의효과가무시될수있다는사실을나타내주고있다. 따라서물질확산및이동의조건을효과적으로나타내기위한수단으로써 N Re, Schmidt number, Prandtl number이동시에적용될수있다. N Re = vz ρ μ = 4Q g H L ρ w πμz(z/4+ H L ) (3-33)

93 + [ K d K a K r (1- e - K a ( X / u ) )- K d K a - K r (e - K r ( X / u ) - e - K a( X / u ))]L r + (1- e - K a( X / u )) S B K a H (3-34) K a = CU m H n S p e (3-35) PV = nrt (3-31) 식 (3-34) 는하천에서산소가용해되는재포기에따른산소농도를나타낸식이다. 식 (3-35) 과 (3-36) 은수면에서공기의접촉, 이동하는공기유속, 공기중의산소가물속으로용해되는관계식으로용해도가낮은가스가다량존재할경우에가스존재량과변화상태에따라서가스가물에용해되는정도를나타낸것이다. 이식에서보면산소의용해속도는결국 K a 에의해서결정되며 K a 는표면유속 (U), 수심 (H) 와수면경사 (S) 가상수화되어있는값 (C, ; m, ; n, ; p, 0 0.4) 으로나타나고있다. 상수 C는결국수면에노출된공기의접촉난류등에서나타난값으로써 K a 값을결정하는가장큰변수로나타나고있다. Boyle, Charles, Gay-Lusaac, Avogadro 의통합식식 (3-36) 에서물과접촉하는절대공기량 (V) 을증가시켜접촉산소몰수 (n) 의증가를통해산소의용해속도를증가시키는효과를얻을수있으며, Louis. C. 등 (2001) 의주장에의하면심해의염분도, 온도조건등이수면의조건에의해서매우쉽게변화될수있다는것을강조하고있다. 교반효과를동력 (Pb) 의항목으로표시할경우에식 (3-37~39) 로나타낼수있다. 교반효과를증가시킬수있는대표적인요소는수심, 기포의크기, 기포의갯수또는유량, 기포유속, 오폐수의유속으로나타낼수있다. 기포및오폐수의유속은기포의부력에의해서이동하는유속 ( 기포의크기에따라서차이가있으나대체로 20~60 cm/s 로이동 ) 에의해서결정되며기포유동에의한난류의정도를나타낼경우, N R e 는 3,000~5,000 으로되어있어약한난류형태를나타내고있다. N Re 는식 (3-33) 과같이유체의유속과반응기의직경에의해서결정되고있다. 유체유속은결국유입되는공기량에의해서결정되므로소량의공기에의해서유도할수있는교반효과는매우제한적으로나타나게된다

94 P b = πd 3 ρ w g v b (3-37) n b = Q gt c V b = Q gh L V b v b (3-38) v l = 4Q g H L πz 2 (Z/4+ H L ) (3-39) (2) 생물반응기내산소전달효율을높이는방안앞에서기 / 액접촉에따른산소전달효율에관한이론적고찰을살펴보았다. 이를종합하여생물반응기내에서산소용해율을높이기위한방법으로는, 1 Two-film theory 에서질량전달속도를제어하는경계막의두께를줄이는방법, 2 기 / 액간의접촉면적을넓이는방법, 3 유체의난류를이용하여동점성계수 ( 운동성계수 ) 를증가시켜분자확산효율을높이는방법, 4 기체와의반응시간을높이는방법으로요약할수있다. 기존의방식 ( 반응기 ) 으로는산기기등의미세기포발생장치를이용하여상기 2의기 / 액접촉면적을높이는방법만을제한적으로사용할수있었으나, ER-1 반응기에서는아래와같은인자들을이용하여산소전달효율을높일수있는대부분의조건을만족할수있도록유도하였다. 식 (3-31) 에의해서수두압에의한반응압력증가 ( 기체용해속도증가 ) 각단수면에서공기와물의동점성계수의차이로 N Re 증가에의해서상부기체가반복해서수중으로주입 기 / 액의이동마찰력에의해서미세기포발생 액적이기포의핵을이루어기 / 액접촉면적증가 각단상부기체공간으로인한강한난류효과 식 (3-38) 에서기포의하향과상향이동이동시에나타나기포의이동거리 (H L ) 증가 식 (3-32) 에서기액막의두께를무시할정도로최소화하였고유입된공기가지속적으로배출되므로수면에서산소용해속도증가유도

95 ER-1 반응기의다단구조와 Gas Holdup 에의한높은산소전달효율을다음절에서 실험을통해좀더자세히알아보도록하겠다

96 2. 실험방법및결과 가. 유체유동을이용한생물반응기의개발지금까지수처리공법은대부분하수와같은저농도처리공법의개념에서접근하여왔다. 따라서일반적인 CSTR 반응기구조를이용하여고농도오폐수를처리하기위해서는불가피하게긴체류시간과반송수에의한희석등저농도처리조건을임의적으로조성해야하고, 이에따른처리효과나효율이낮아지는문제가발생되어유입수의부하량변동시에공정불안의원인이된다. 기본적으로수처리에서의호기성미생물학반응기는다음과같이 3가지조건을효과적으로유도하여야한다. 즉 1유기물, 미생물, 용존산소와같은반응물질이상호간에충분히접촉및반응할수있는조건이조성되고, 2가능한빠른시간내에생성물 ( 슬러지 ) 을생성할수있도록유도하고, 3간단한설비와낮은운전비용이소요되도록하여야한다. 본연구에서는고농도폐수처리를기본으로위와같은조건을유도할수있는호기성생물학적처리에적합한생물반응기를개발하였다. 본연구과정에서고농도폐수처리의호기성생물학적처리시가장큰문제점이미생물활성을유지하기위한충분한산소를공급하지못하는데있다는것을확인하였으며, 이문제점은고농도유기물제거를위한빠른산소소비속도를산소용해속도가미처따라가지못하기때문에발생된다. 따라서반응기내유체유동을이용하여산소전달효율과혼합효과를높여생물학적처리효율을확보하는데주력하였다. (1) 반응기의구조및특성본연구에서개발한고효율호기성생물반응기 (ER-1) 는 Fig. 3-7 과같이원통형입상반응기로유입폐수와공기가모두상향류식흐름을갖는다. 반응기내부는분리판에의해여러개의단으로나뉘고, 분리판에유체이동관을부착하여유체가이동할수있게함으로써 PFR 흐름을유도하였다. 또한반응기내각단상부에유체이동관의길이만큼형성된기체공간을확보하는 Gas Holdup 기술을적용하였다

97 Fig 실험에사용된고효율호기성생물반응기 (ER-1) [A : 정체시 ] [B : 공기공급시 ] Fig ER-1 의공기공급에의한유체이동반응

98 ER-1의호기성생물학적수처리를위한공기의공급은반응기최하단에서별도의산기관없이단순배관을통해공급되며, 공급된공기는수중에서기포의형태로상향이동하고반응기각단상부의 Gas Holdup 공간에 bulk air volume 상태로변화하게되어물에서부터기포가소멸되고, 혼합효과및공기압에의해 bulk air volume에서수중의기포로재생성되는현상이반복된다. 이러한수면의 Renewal 및혼합효과에의해기포가재형성되고, 기포의크기가작아지면작아질수록비표면적이증가함에따라기 / 액간의접촉면적과횟수가증가하므로산소전달율이증가하게된다. 또한반응기내기 / 액간미세한압력차이로인해, 같은수두압을갖는일반반응기와비교할때공기중의산소가용해되는속도가더빠르게일어난다. 공기주입방법에있어서일반적인포기조와같은 CSTR형반응기는기체가산기장치를통과하며통기저항이증가함은물론이고, 기포는선형또는수직상승하며기포합체 (bubble coalescence) 현상이일어나고수직상승에따른수압감소로기포의크기는커지게되어기 / 액간접촉면적이감소하여물질이동속도는일정한한계를가진다. 이렇듯 ER-1 반응기는각단을이동할때마다기포가재형성되어기 / 액의접촉효과는매우높아질수있는조건이형성될수있다. 반복되는기포의이동과포기조의농도를고려할때, 물과공기의점성도차이 ( 물 kg/m 2 /s, 공기 kg/m 2 /s) 와동점성계수 (Table. 3-1) 차이로각단수면에서 N Re 는약 50배이상증가할수있다. 이러한높은난류에의해서유체이동관을통하여상향이동하는기포와대조적으로각단의상부에있는폐수는쉽게하향이동하는현상이나타나고있다. Fig. 3-9 는일반적인포기조와같은 CSTR 반응기 (General reactor) 와 ER-1(EcoReactor) 의유체흐름도를나타낸것이다. 두개의반응기모두중앙에서공기가공급되면공기의부력에의해유체가상승하고, 바깥방향의유체흐름은아래쪽으로흐르게된다. 따라서하부 (a) 의유체흐름은중심으로이동하고, 상부 (b) 의유체는바깥방향으로이동하면서혼합이형성된다. 일반적으로완전혼합반응기의경우에는이러한흐름이반응기전체에걸쳐형성되나, ER-1의경우에는반응기각단에서이러한유체의흐름이형성되므로동일한공기공급량으로짧은혼합 cycle 로더큰혼합효과가발생하게되는것이다

99 b b a b a a General reactor EcoReactor Fig 일반반응기 GR(General reactor, CSTR) 와 ER-1 반응기 (EcoReactor, PFR) 에서유체의흐름형태비교 (a: 반응기하부에서유체가이동하는흐름도 b: 반응기상부에서유체의흐름도 ) 반응기내부의공기는일반적인대기압 (Pa) 이외에수두차에의한압력 (Ph) 과공기부력의압력 (Pb) 에의한압력의영향을받게된다. 일반반응기의경우폐수중에주입된공기가표면까지이동하는동안거의동일한부력 (ρgv) 을받으면서상승하므로상승속도가갖는힘의에너지만큼수압을적게받는다. 반면에 ER-1 반응기의경우공기가정체되어있거나유체유동에의해서수중으로다시하향이동하게되어높은충격압력을받게된다. 수중에서기포의하향이동은기포에미치는주변의힘이기포의부력에 2배이상의힘이작용하므로용해속도를높일수있게된다. ER-1 반응기의 PFR형다단구조와 Gas holdup 기술은기포의이동거리와기체접촉면을증가시켜산소전달율을높이는주요원인으로작용하며, 각각의단에서유체기작이이루어져반응기전체의산소전달율이높게나타나는것이라할수있다

100 이러한반응기구성의목적및특성을정리하면아래와같다. 1 일반적인 CSTR 반응기에공급된기체는기포의크기와상관없이부력에의해서부상하는기본적인특성때문에수중에서액체와반응하는시간이매우제한적으로나타난다. 따라서반응기내의구조물의변화에의해서유체이동관의길이만큼의 Gas holdup 공간의변화를통해기체의체류시간을확보하여임의적으로기체와액체의접촉시간을증가시키는반응기를구성하였다. 2 교반이전제될경우, 수중반응기내기체의상승부력으로발생되는운동에너지는기포의빠른이동으로수중에서공기가차지하는부피가 5% 이며, 이는기체의용해속도를증가시키는조건을약화시킨다. 따라서주어진반응기내부에서공기층을형성시켜공기와물이 1:1 로접촉하게하여용해속도를증가시키는데최대한기여하는반응기를구성하였다. 3 일반포기조수면에서산소용해도속도증가와혼합효과를높이는데는한계가있다. 따라서본반응기는난류의지표가되는 N R e 에서관성력을증가시키는방법보다, 기체와액체간의점도를낮게유지하여난류효과를증가시키는방법을선택하였다. 즉반응기내의기체와물의밀도차이에의해서반응기내부에서부분적으로기체의점도가액상의점도로대체 ( 물의점도는기체의점도의 50배이상됨 ) 하여반응기의각단에서유체의유동성을증가시켜수면에서기액의경계면을와해시켜수면을경계로하는산소농도가매우짧은시간에기체상과액체상에서평형을이루도록유도하였다

101 Table. 3-2 일반산기식생물학적처리장치와의비교 구분 고효율호기성생물반응기 (ER-1) 일반호기성반응조 ( 포기조 ) 유출 유출 장치개략도 기체층 공기, 폐수유입 공기 공기, 폐수유입 ( 산기관 ) 공기 특징비교 반응기구조 PFR 형태 ( 수심 5~6m) CSTR 형태 ( 수심 4~5m) 포기형태 반응기내기체체류시간 산소용해방법 산소전달효율 고도처리효과 산기장치없이유체를유동시켜용존산소공급및혼합 기체체류시간이조절가능하며재포기현상으로인한기체체류시간증가 공기의체류시간, 이동거리, 기포의생성및소멸효과에의존하고이러한유체유동은외부동력에의해서공급되는것이아니라공기자체의부력임 25~35% 4~10gO 2 /kw 고농도처리에서별도의고도처리시설이없는경우통상적인 C:N:P = 100:5:1 에비례하여제거되므로고농도유기물이있을경우질소, 인제거율이높음. 높은 MLSS 유지 ( 반송없이유지 ) 로아질산단계에서질소제거가가능하고전체질산화및탈질속도가높음무산소교반시폐수가일정거리로이동하고슬러지부분은거의고정되어있어탈질시가스분리가용이하여탈질속도의증가 산기장치에의한용존산소공급및혼합 기포상승속도에의존하여제한적임 미세기포에의한산소전달효율증가 ( 슬러지부상, 혼합효과저하등의문제발생 ) 를유도하므로동력비증가, 미세기포발생정도에비례하여외부에서공급되는동력이증가됨 10% 1~2gO 2 /kw 고농도처리의경우전처리에서유기물을대량제거 ( 제거하지않을경우처리불가능 ) 하여 C:N:P = 100:5:1 에비례하여제거후질소가다량존재하여별도의질소처리시설이부가됨슬러지반송량 (30% 이상 ) 의증가로포기조의체류시간증가무산소교반의한계점때문에탈질시가스분리가어려워탈질속도가낮음

102 (2) 추적자 (Tracer) Test를통한반응기의유체흐름특성실험 ER-1은다단으로구성된반응기로각단에서는 CSTR, 반응기전체적으로는 PFR 흐름을구현할수있도록개발되었다. 이러한 PFR로의접근도를추적자실험을통해알아보았다. 실험에사용된 ER-1은유입된유체가각단사이에있는배관을통해상부로이동할수있도록되어있고각단의수면을중심으로상부는기층이형성되어상부수두에의해서압축상태의공기또는가스로체류 (holdup) 하도록구성되어있다. 이러한기체공간에압축성공기가존재하므로고밀도, 고점도인액체의유동성을증가시킬수있는조건이조성된다. 또한각단상부의자유수면에있는밀도가낮은물질들이우선적으로상단으로이동하므로각단별로차별화된밀도유지 ( 상단은저농도, 하단은고농도 ) 가가능하다. 추적자실험은청수로채워진반응기에 1N NaOH 사용하여 1회주입하고, 주입시점으로부터반응기상부에서 Conductivity meter 로연속적인전기전도도값을수집하였다. 실험형태의구분은반응기의구조와크기에따라서 Table 3-3 과같이 Type A, B, C로나누어실험되었다. Type A와 Type B는외형으로는동일한구조의반응기이나유체이동관의길이가각각 50mm 와 300mm 로배관길이만큼내부에공기를확보할수있는공간의차이를두었다. 공기가확보되는공간이증가하면반응기내기체공간이증가하여반대로물이차지할수있는공간 ( 유효용량 ) 은그만큼감소하게된다. Type C 는반응기규모가증가하고단수가감소했을때나타나는현상을알아보기위하여반응기의지름을 Ø150mm 에서 Ø600mm 로증가시키고, 반응기의단수를 3단으로하여실험하였다. Table 3-3. 추적자 Test 에사용된생물반응기사양 Type ( 단수 ) A (4) 반응기용적 ( 유효용적 ) Ø150mm H4000mm = 0.07m 3 (0.046m 3 ) 반응기내부유체이동관 Ø20mm H300mm (2ea/ 단 ) 체류시간 (HRT) NaOH (Normal Conc./L) 유입공기 (L/min) 1hr 1/1 30 B (4) Ø150mm H4000mm = 0.07m 3 (0.06m 3 ) Ø20mm H50mm (2ea/ 단 ) 1hr 1/1 30 C (3) Ø600mm H4500mm = 1.27m 3 (0.48m 3 ) Ø20mm H600mm (3ea/ 단 ) 1hr 4/1 160 주 ) Type A, B 는아크릴로제작되어있고, Type C 는스테인리스로제작되어있음

103 Type A와 B는대체로유사한유체흐름구조를나타나고있고, Type A의경우, 유입된 NaOH는이론적체류시간의 1/3 시점에서최고값으로검출되어 CSTR과 PFR 반응기의중간형태에접근하고있는것으로나타나고있다 (CSTR의경우이론적체류시간 1/10 이전시점에서최고값을나타냄 ). 반면에 Type B의경우는이론적인체류시간에접근하는시점까지최대값의전도도가유지되어물질의종류에따라반응기내에누적되는다른양상을보여주고있다. 따라서내부의배관길이는가능한짧게유지할경우보다 PFR 반응기에접근하고있는것으로나타났다. 이러한현상에서 ER-1은작은부피의공기공간이확보되어도반응기내수면을기점으로하여반응기하부에서유입되는물질을순차적으로이동시킬수있는기능을확보할수있는것으로나타났다. Fig 은 Type A, B의유체흐름특성을나타낸것이다. Type A와 Type B는반응기내유체이동관길이의차이로인한체류하는공기량의차이에서나타난현상으로, Type A에비해 Type B가 PFR에가까운흐름을나타내는결과를얻을수있었다. 여기서 Type A의경우는긴유체이동관으로인하여공기의체류시간은증가하나유입된물의절대체류시간의감소로인한현상으로보인다. Type C에대한유체이동양상을살펴보기위하여반응기내이론적인체류시간을 1시간에맞춰유입수를주입했을때, 각단에서나타나는전기전도도를 Fig 에나타내었다. 반응기의내부구조는 Type A에유사한구조 ( 내부연결배관이긴형태 ) 로 Fig 의 Type A와유사한결과를보일것으로예상하였으나, 실질적으로보여진현상은배관이짧은 Type B와같은형태로나타나반응기크기가증가함에따라 PFR에점진적으로접근하고있는것으로나타났다. 그림에서보면유입초기의경우최하단 (1단) 에서전기전도도가매우높게나타나고있으나상부 ( 유출 ) 에는낮게나타났고, 반응기단수가증가함에따라이러한현상은보다뚜렷하게나타날수있을것으로판단되며처리대상폐수에따라서선별적으로단수를결정할필요가있다. 이러한현상을통해반응기각단별단위로보면완전혼합을나타내고반응기전체를보면 PFR형태의반응기구조를나타내는것을확인할수있었다

104 HRT : 1hr Type A Type B Condutivity (us/cm) 초기 Time (min) Fig ER-1(Type A, B) 의체류시간에따른전기전도도의변화 단 2 단유출 Condutivity (us/cm) 초기 Time (min) Fig ER-1(Type C) 의체류시간에따른전기전도도의변화

105 Fig 는실질적으로반응기에슬러지 ( 미생물 ) 를주입했을때각단에서나타나는 PFR 양상을알아본것으로, 상기에서언급된바와같이반응기하부에슬러지가집중화되는현상이나타났다. 그러나결과적으로하부에서슬러지, 유입수, 용존산소가동시에최대값으로나타나므로경제적인처리의가능성과동시에 PFR 반응기를이용한고농도폐수의문제점인유입초기의충격부하에잘대처할수있을것으로판단된다 Organic loading DO loading MLVSS loading % Stage 1 Stage 2 Stage 3 Fig ER-1(Type C) 의각단별유기물, DO, MLVSS 분포도 (Stage 1: 최하단, Stage 2: 중간, Stage 3: 최상단 ) (3) 반응기각단추가에따른특성실험 ER-1 반응기의단수가증가됨에따라물질전달율의변화특성을살펴보기위하여다음과같은실험을수행하였다. 실험에사용된 ER-1 반응기는총용량 53L( 130mm H4,000mm) 의아크릴소재원통형반응기로, 각단에 Gas holdup을위한유체이동관이부착되어있다. 본실험은같은조건하에유체이동관을단계적으로추가설치하였을때그에따른용해속도상수를구하는실험으로다음과같은방법으로수행하였다

106 3 단 DO meter DO meter DO meter 2 단 2 단 1 단 1 단 1 단 Air Pressure gauge Air Pressure gauge Air Pressure gauge Return pump Return pump Return pump ER-1 (1 단 ) ER-1 (1,2 단 ) ER-1 (1,2,3 단 ) Fig 반응기산소전달효율측정을위한실험장치 실험대상수는수돗물 ( 수온 25, DO 4.88mg/L) 에환원제인아황산나트륨 (Na 2 SO 4 ) 과촉매제인염화코발트 (CoCl 2 ) 를투입하여탈산소화시켜수중의용존산소가없는무산소상태로만들어사용하였다. 실험대상수를반응기에채운후 2L/min(1.08 O 2 g) 의공기를연속적으로주입하고, 50L/min 의유량으로반응기상단에서하단으로내부순환을하면서반응기상단에설치된 DO electrode 를이용하여용존산소농도 (DO) 의변화를실시간으로측정하였다. 본실험은반응기내기체공간을증가시켰을때물질전달율에대한효율을알아보기위한실험으로반응기유체이동관을 11단만설치하였을경우와 2 1 2단, 단을설치하였을때 ( 반응기대비각각의기체공간율 4.5, 9.0, 13.5%), 용해속도상수값을시간에따른 DO 변화를통하여산출하였다. Fig 는각조건에서시간에따른 DO 변화를나타낸것으로반응기내에유체이동관수를증가시킬수록 DO(dC/dt) 가빠르게증가되는것으로나타났다. 이는각단기체공간 (holdup) 증가와함께기 / 액접촉면적 ( 수면적 ) 이증가되면서기 / 액접촉효과를증대시킨것으로나타났다. 또한각단기체공간내에공기밀도증가로압축된공기 ( 기체압력증가 ) 가수면으로쉽게용해되어나타난것으로각단에기체공간을확보하기위한유체이동관수를증가시킴으로써용해속도가증가되는것으로판단할수있었다

107 Fig. 3-15~17 의결과를아래와같은 1 차반응식을이용하여유체이동관수에따른용 해속도 (k L a) 를나타내었다. dc dt = k La (C s - C ) ln (C s - C t ) = - k t (3-40) (C s - C o ) dc/dt : 시간 t에있어서농도변화또는기체의흡수속도 Cs : 포화농도 (25, DO 농도 8.26mg/L) Ct : 시간 t 때의농도 t : 시간 k L a : 반응속도상수 D O co nc. (m g / L ) 단설치 1, 2 단설치 1, 2, 3 단설치 Time (s ec) Fig 유체이동관수의시간에따른 DO 농도변화

108 ln{(cs-ct)/(cs-co)} y = x R 2 = T ime (sec) Fig 유체이동관 1 단설치시용해속도 ln{(cs-ct)/(cs-co)} y = x R 2 = T ime (sec) Fig 유체이동관 1 2 단설치시용해속도

109 ln{(cs-ct)/(cs-co)} y = x R 2 = T ime (sec) Fig 유체이동관 단설치시용해속도 Fig. 3-15~17 에서와같이 ER-1 반응기에서유체이동관수에따라측정되어진용해속도 (k L a) 는 1단, 1 2단, 1 2 3단설치시각각 3.14min -1, 3.59 min -1, 4.42min -1 로나타났다. 1단에만설치했을때를기준으로각각의용해속도가 1 2단에설치했을때 10%, 1 2 3단에설치하였을때약 20% 증가로용해속도가빠르게진행된것으로나타났다. 이는각단별기체공간을확보함으로써기체를일정시간체류시킬수있으며, 연속적으로 renewal 한공기가계속해서생성되고용해되는반복과정에기인된것으로사료된다. k la = A V K L (3-41) A/V : 비표면적 (A : m2, V : m3 ) K L : 기체이전계수 (m/sec)

110 또한위식과같이속도상수 (k L a) 는비표면적 (A/V) 에비례하는것을알수있다. 즉유체이동관수가증가됨에따라기 / 액접촉면적이증가되면서각각 (A+α)/V, (A+2α)/V, (A+3α)/V [α : 기 / 액접촉면적 ] 의비표면적이커짐으로써용해속도가빠르게진행되고반응기내에기 / 액접촉효율이증대되는것으로판단할수있었다. 이와같이 ER-1은단일반응기내에여러개의단을나누어기 / 액접촉면을확보함으로써외부압력으로기 / 액혼합을유도하는장치이상의기 / 액접촉을유도할수있었고타방법에서와같이높은동력을요구하지않아기존기 / 액접촉장치보다효율면에서나경제적인면에서우수함을알수있었다. (4) 산소전달효율 (K L a) 의측정 ER-1( 호기성반응기 ) 에서교반 (mixing) 과포기 (aeration) 는가장중요하게설계되어야할인자다. 특히본반응기를통해연구하고자하는고농도슬러지의호기성처리는반응기내부의산소전달효율에따라그성패가좌우되기도한다. 호기성소화에서적절한산소공급이종종호기성소화의결정적인요인이되며. 심지어산소의일시적인고갈이세포를재생할수없도록손상시키기도한다. 그러므로산소가미생물에의해서요구하는산소량을충족시킬수있도록공급되어야하며, 이경우산소전달이세포성장및대사작용에있어서속도제한단계 (limiting step) 가된다. 호기성반응기의산소전달속도는실제호기성소화가진행되는동안미생물과기질을포함하는반응조에서측정될수있다. 그러나기질과미생물의혼합액의복잡한성질, 세포성장에따른유동학적변화에따른측정을실행하는것은어려우며, 이는반응기고유의산소전달율을나타내는것은아니다. ER-1 반응기를이용한산소전달율실험은미국토목학회 (ASCE) 의표준규정에따른아황산나트륨 (Na 2 SO 3 ) 산화방법을적용하였다. 먼저수돗물의용존산소를환원제인아황산나트륨 (Na 2 SO 3 ) 과촉매제인염화코발트 (CoCl 2 ) 를투입하여대상수를탈산소시켜용존산소농도가없는무산소상태로만든후에폭기를시키면서 DO를측정했다. 무산소상태로만들기위한이론적인 Na 2 SO 3 주입량인 1mg/L O 2 당 7.88mg/L 보다 20~ 30% 더많은 Na 2 SO 3 가소모되었다. 실험은주입공기량 (50, 70, 100L/min) 에따른반응기내의유체혼합및유체유동정도를육안으로관찰하며 DO회복속도를측정하고, 공기주입량에따른총괄물질전달계수 K L a(unit: min -1 ) 를구하기위해진행되었다. 자세한실험장치와실험방법은 Fig 과같다

111 기체층 액체층 DO 측정변화기록초기 DO 가 0.1mg/L 이하인지확인후실험진행 ER-1 반응기로유입 ( 반응기용량 150L) 소돗물 1m 3 에아황산나트륨과염화코발트를사용하여 DO 를 0.1mg/L 이하로조제 공기유량계를각실험마다 50, 70,100mL/min 으로고정 Fig ER-1 반응기및산소전달율실험 Table 3-4. 산소전달특성실험에사용된 ER-1 반응기의사양 구분내용 재질 / 형태 아크릴수지 / 원통형 크기 Ø300mm H1,000mm 3 단 총용량 유효용량 반응기내부유체이동관 212L 160L( 액체층 150L, 기체층 8.5L) Ø20mm H60mm 각단별 2 개 특 징 기체가체류할수있는기체층즉 Headspace 가존재 산소전달효율을높이기위한별도의산기장치없음

112 Fig 3-19 는공기주입량변화 (50, 70, 100L/min) 에따른 ER-1 상부의 DO농도변화를나타낸것으로실험이실시된온도 16 에서의포화농도인 9.87mg/L 에도달하는시간에차이가있는것을알수있다. 앞에서설명한바와같이 ER-1 반응기는미생물의신진대사에필요한산소를공급함에있어별도의산기장치와혼합장치를필요로하지않는구조를가진반응기다. 공기증가량에따라 DO농도의회복속도가증가하였다는것은누구나쉽게이해할수있다. 그러나공기량 50L/min 의경우, 70, 100L/min 으로공기를주입했을때의 DO회복변화곡선에서예상할수있는 DO회복곡선의형태보다낮은속도의그래프를보였다. 이는 ER-1 반응기내부에서의혼합과교반은기체층 (Head-space) 과액체층을분리하는 2개의유체이동관을통해기체와액체가서로상이한방향으로 (2개의유체이동관중 1개는기체가, 나머지하나는액체가이동 ) 이동함으로혼합과교반효과를내는데, 이렇게유체가서로상이한방향으로이동하는것은공급되는공기의양과유체유동으로인한미세한내부압력차이로인한것이다. 다시말해공기량 50L/min 의경우에서와같이 ER-1반응기내부에서유체유동이충분히일어날수있을만큼의공기량이확보되지않으면반응기내부에기체와액체의충분한혼합이이루어지지않아 ER-1 반응기에서의높은산소전달효율을얻지못할수있다. 하지만고농도유기성폐수에서는혼합과교반효과를충분히발휘할수있을만큼의공기공급이확보되므로일정시간기체가체류할수있는공간 (head-space) 으로인해별도의산기장치를설치하지않고도높은산소전달율과교반 / 혼합효과를동시에가지는구조를갖는반응기의역할을할수있다. ER-1은 MLSS(20,000mg/L) 이상으로미생물의농도를유지하면서고농도유기물부하를가진슬러지를안정화하는것을연구대상으로하므로, 반응기내부의혼합이안될정도의적은공기유량으로 ER-1반응기를운전하지않음으로혼합부족으로인한산소전달율저하는문제되지않을것으로판단된다. 실험에서의결과 (Fig. 3-19) 에서 A, B, C의세구간으로나누어보면, A구간은잔류하는 Na 2 SO 3 가존재하여실질적으로산소증가폭이둔화될수있고, C구간은포화상태에도달하여증가폭이감소하는현상이나타나는것으로예상된다. 따라서 ER-1 반응기의연속적인흐름에서의산소용해속도특성을알아보기위하여 B구간에서의산소용해속도를이용한 K L a를 Fig 에나타내었다. 공기량이 50, 70, 100L/min 일때, ER-1 반응기에

113 서의 K L a는각각 3.5, 13.9, 20.5 min -1 로, 유체이동관이없는같은조건의 CSTR형반응기에서일반적인디스크산기관을이용한 K L a 값 16.3 min -1 ( 공기량 100L/min 일때 ) 과비교하면약 26% 향상된결과이다. 그러나실험의특성상반응기최상단에서 DO가측정된점, 산소소모율없이포화산소농도만고려된점등을고려하면, ER-1 반응기의실질적인산소전달효율은더높을것으로기대할수있다. 즉일반적으로반응기최하단에서는공급되는실질적인산소의양이상단에비해높고, 수두압에의해산소용해속도가높아지므로최상단에비해하단에서의산소전달효율이더높다. 또한오폐수의생물학적처리와같이산소소모율이적용되는경우에는적은 K L a 차이에의해서도산소공급에필요한동력은많은차이를나타낼수있다. 특히 ER-1 반응기의경우에는 Gas holdup 특성에의해일반적인포기조와달리기체체류시간을길게가져갈수있기때문에, 청수에대한산소전달효율보다오폐수에적용시더높은값을기대할수있다. 고농도오폐수에적용할경우, 실규모반응기에서의산소전달율은뒷부분고농도폐수적용실험에서다루었다

114 A B C 50L/min 75L/min 100L/min DO(mg/L) Time(sec) Fig 공기주입량에따른 ER-1 용존산소농도변화 kla(hr-1) L/m in 70L/m in 100L/m in Fig B 구간에서의총괄물질전달계수 (K L a)

115 (5) 반응기내미세기포측정일반적인 CSTR 반응기를이용한호기성생물학적처리에서미생물을위해산소를공급하기위해서는단순배관을통해폐수중으로공급할수는있으나, 산기장치등을활용하지않으면공급되는공기를충분히효과적으로이용할수가없으므로, 일반적으로산기장치등미세기포를발생할수있는장치를사용하고있다. 그러나산기장치등은구조와배치를적절하게하고생물반응조전체에공기를균일하게분산해공급하지않으면산소의용해성능이저하되고교반불량을일으키는곳이발생하여생물학적처리가원활하게이루어질수없을뿐만아니라역류가될경우슬러지에의해막힘현상이나타나게되고멤브레인이찢어질경우산소전달효율이떨어지게되는문제점이있다. ER-1 반응기는산기장치없이송풍기와연결된단순배관을통해산소를공급함에도불구하고, 산기장치를사용하는일반적인생물반응조에비하여산소전달효율면에서우수한특징들을나타내었다. 이러한특성은앞에서설명한것과같이반응기내혼합효과와 Gas Holdup 공간을통한 renewal 현상이반복되어 Bulk bubble이 Fine bubble( 미세기포 ) 로전환되는효과를갖기때문이다. 따라서반응기내형성되는미세기포의분포를확인하기위하여, bubble trap을사용하여 cam과연결된현미경을이용하여측정하였다. 반응기내의미세기포를포집하기위하여, 가로 20cm, 세로 7cm, 두께 0.5cm 의규격의 Trap을투명아크릴로직접제작하였으며, 유입구의길이는 0.5cm, 내경은 0.3cm 로하여미세기포포집시 3mm 이상의 coarse bubble은제외시키고, 포집시미세기포가깨지거나뭉치지않도록고려하였다. 또한기체포집후직접현미경으로관찰하기위하여관찰면은 1mm 두께로하였다. 실험은 Table 3-5 와같은규격의반응기에청수를적용하여실험하였으며, Compresure 를이용하여 80L/min 으로공기를 20분간주입후실험에임하였다. 공기가주입되고있는반응기최상단에미세기포포집장치를넣고, 포집장치의한쪽끝을개방하고다른쪽끝은 tube와연결된펌프를통해포집하였다. 포집직후표면의물기를제거하고광학현미경 (M5 biological microscope, Motic, Canada) 으로관찰후 Cam(Moticam 350, Motic) 을이용하여컴퓨터로이미지를전송받아기포의크기를측정하였다

116 Fig 미세기포측정장치의구성 Table 3-5. 미세기포측정에사용된 ER-1 반응기의구성 구분내용 재질 / 형태 아크릴수지 / 원통형 크기 Ø300mm H500mm 8 단 총용량 282.6L 유효용량 212L( 액체층 170L, 기체층 42L) 반응기내부유체이동관 Ø20mm H70mm 각단별 3 개 Fig 는미세기포를현미경으로측정한이미지이며, Motic image program 을이용하여측정하고자하는범위를지정하면기포의직경뿐만아니라면적까지손쉽게구할수있다. Fig 은미세기포의사이즈별분포를알아보기위하여, 포집장치의 5 7mm 의구획을정하고, 범위내에측정된미세기포의측정결과를나타낸이미지이다. 이미지에표시된기포의사이즈는배율을고려하여 Motic image process 에의해계산된값으로, 현미경으로관찰이가능한 50μm이하의미세기포만나타내었다

117 Fig 현미경에의해측정된미세기포사진 5m m 7mm Fig 현미경에의해측정된미세기포사진 (5 7mm)

118 Fig 을근거로 ER-1 반응기내미세기포의크기별분포는 Fig 와같이 2~ 15μm에대부분분포함을알수있었다. 수중의기포는그사이즈에따라 450 μm이하의 fine bubble과 450μm ~5mm 에이르는 coarse bubble로나뉘어지는데 fine bubble일수록액체와의접촉면적이크기때문에산소전달효율이좋아지지만, 산기관을사용할경우 coarse bubble에비해막힘현상이심한단점이있었다. 그러나 ER-1 반응기의경우는공기가단순배관에의해서공급되므로막힘현상등의문제점이발생되지않고, 일반산기기를이용한미세기포발생장치의경우최소 100 μm이상인것과비교할경우산소전달효율면에서매우우수하고경제적이다. ER-1 반응기는포기조의산소전달효율을증가시키기위해산기관등미세기포발생장치를사용하지않고단순배관에의해공기가공급됨에도불구하고기포의사이즈면에서더높은효율을나타내는것으로나타났다. 이처럼 ER-1 반응기내의미세기포는다단으로구성된반응기내에서하단에서상단으로유체이동관을통해이동한공기는각단상부의기체층으로방출되고, 상부기 / 액접촉면에서재용해되는과정이반복될뿐아니라반응기내유체유동에의해 coarse bubble이서로충돌에의해기포의사이즈가작아지는것으로판단된다. Fig 에서와같이송풍약 10분이후관찰된반응기의기포형태로같은시간상단과하단을촬영한것으로, 상단에서하단으로기포가이동하면서미세기포가발생하는현상을볼수있으며위와같은반응기의구조적특징을뒷받침해준다

119 50 40 분포 ( % ) ~5 μm 5~10 μm 10~15 μm 15~20 μm 20 μm ~ 기포크기 ( μm ) Fig 반응기내미세기포의크기별분포도 < 반응기최하단 > < 반응기최상단 > Fig 반응기내상 / 하단의기포형태사진

120 (6) OUR(Oxygen Uptake Rate) Test 미생물에서발생하는기질전환및미생물의성장과같은대사적과정은호흡율과관계가있다. 이러한호흡율을미생물자체내에서측정하는것은불가능하기때문에미생물이포함되어있는물이나폐수로부터간접적으로측정해야한다. 호흡율은보통 respirometer 로측정되어지며, respirometer 는미생물이소모하는산소를측정하기위한기술에그기초를두고있다. 미생물에의한산소소모는직접적으로생물량증가, 기질분해와연관되어있으며, 용존산소 (DO) 측정에의한직접적인방법과기체형태의산소를측정하는간접적인방법을통해수행되어질수있다. Respirometer 는 BOD병형태의간단한것부터자동적으로호흡율을계산하고보정하는기능을가진것가지매우다양하며, 주로상업적인 respirometer 가쓰이고있지만 DO sensor 를이용하여제작된 respirometer 또한여러영역의환경에서미생물의활성을조사하는데쓰이고있다 (Henri Spanjers, 1996). 호흡율은모든미생물이사멸될때까지점진적으로감소하게된다. 이러한과정에서의호흡율을내생호흡율 (endogenous respiration rate) 이라하며, 내생호흡율은외부기질원이없을때의산소호흡율로정의내릴수있고, 이러한정의에의한내생호흡은미생물의사멸 ( 사멸재생산모델의경우미생물성장까지 ) 뿐만아니라원생동물에의한산소소모까지포함하게된다. 반면생물학적분해가능한물질의농도가매우높을때미생물은최대비율로성장하게되고, 산소소모율은최대의값에가깝게도달할것이다. 이것을최대호흡율 (maximum respiration rate) 이라한다. Fig 은세가지상 ( 미생물, 액체, 기체 ) 에서의기질의제거와미생물의성장그리고호흡율과의관계를나타낸것으로, 호흡율은액체의기체상에서의산소변화로부터분석되어질수있다 (Henri Spanjers et al). 미생물의생리적특성은조건과시간에따라변화될수있으므로미생물의활성이변화되기전에실험이끝나거나아니면반응기의상태와유사한조건을유지해야만연속적반응기에서의미생물활성을대변하는실험값을구할수있다

121 Fig 기질소모와성장에따른호흡율의관계모식도 ER-1 반응기의 OUR 측정실험은직접제작한경질의 respirometer bottle를호기성소화가진행되고있는반응기와직접연결에의해이루어졌다. 이에대한개략도는 Fig 과같으며, 펌프를이용한순환을위하여슬러지의유입 / 유출라인과필요에따라주사기로시료채취와기질주입을하기위한 Septa 를설치한 port 를측면에구성하였다. Respirometer 의총용량은 615ml 로측정시외부로부터공기의유입이차단되도록제작되었으며, OUR 측정시 respirometer 내부를공기층없도록완전히밀폐시켰다. 본실험은 ER-1 반응기가고농도의 MLSS(20,000mg/L) 이상을유지하면서슬러지를안정화시키는역할을하는데있어기본적으로미생물에필요한산소소모량을알아보기위한실험이다. 따라서기질주입이없는상태에서의 DO변화를측정하여내생호흡에필요한 OUR값을측정하였고, 기질주입양의변화, 즉 F/M를변화시켜기질주입량변화에따른미생물의활성도를알아보았다. 실험은미생물을 24시간공폭기후의 SCODcr 과 28시간공폭기후의 SCODcr값을측정하여더이상의기질소모가없는것을확인한후다음과같이 F/M비를변화시켜 OUR test 를실시하였다

122 DO meter Inf. Magnetic stirrer P Fig ER-1 반응기내슬러지의 OUR 측정을위한장치도 Table 3-6. OUR test 에사용된미생물과기질 구분 ( 단위 :mg/l) M LSS(TS) MLVSS (VSS) MLFSS (FSS) SCODcr 미생물 (ER-1 에서생슬러지에적응된미생물 ) 24,520 16,720 (68.2%) 7, (±18) 기질 ( 하수처리장생슬러지 ) 27,140 16,940 (62.4%) 10,200 4,

123 Fig 3-28 은 F/M비에따른 OUR test 의결과로 F/M비가 0.25 이상에서도실험을실시하였으나, 용존산소의변화폭이너무빨라측정의재현성에문제가있어제외시켰다. F/M비가 0.25 라해도유기물부하가크지않은것으로보이나, 이는높은 MLVSS로인해전체적인 F/M비가낮아졌을뿐이지실질적인유기물총량은매우높은값에서실험이실시된것이다. 그래프에서보는것과같이 F/M비가증가할수록 OUR값은선형에가깝게비례적으로증가하는것으로나타나 ER-1에서순응된미생물의활성이양호한상태임을알수있었다. 또한기질을주입하지않은상태에서도 OUR값이 22mg/L/hr 을보이고있어고농도의 MLVSS을유지하기위해서는내생호흡에필요한산소소모량도상당히많이요구되는것으로판단된다. 재래식활성슬러지에서 F/M비가 0.4 일때 SOUR값이 15mgO 2 /gvss hr 인것과본실험에서의 F/M가 0.24 일때 SOUR값이 14.8mgO 2 /gvss hr 인것을비교하면재래식활성슬러지의평균 MLVSS의농도가 2~2,500mg/L 전 후이고, ER-1 반응기에서의 MLVSS의농도가대략 16,000mg/L 인것을고려할때 F/M비가작음에도고농도의 MLVSS을유지하는일반적인호기성반응조에서는 7~8 배의공기량이더필요하다고할수있다. 다시말해고농도의 MLVSS를유지하며고농도의기질 ( 슬러지, 축폐 ) 을호기성처리하기위해서는일반적인저농도 MLVSS 공정에서필요로하는공기량의 7~8 배를주입해야한다 ( 하수도시설기준에서는생슬러지를처리할경우잉여슬러지의 9배공기량을소모한다고언급 ). 많은양의공기량을공급한다는것은시설비및운영비의증가를의미하는것이고, 일반적인기체전달효율을갖는반응기로 20,000mg/L MLSS를유지한다는것은현실적으로매우어려운일이다. 따라서본연구에서진행하는 ER-1을이용한미생물을고농도로유지하며고부하유기물 (sludge) 을안정화시키는실험은매우의미있는일이라할수있다

124 Table 3-7. OUR test 시 F/M 비변화 미생물량 (ml) 기질의양 (ml) F/M 비 (SCODcr K g/m LVSS K g) 비고 기질소모에따른미생물활성도측정 내생호흡을하는미생물의활성도측정 OUR(O2 mg/l/hr) F/M 비 (SCODcr Kg/ MLVSS Kg) Fig F/M 비에따른 OUR 값의변화

125 (7) ER-1의운전시진동측정 ER-1 반응기는앞에서언급한바와같이난류발생에의한혼합효과가매우크다. 이러한특성에의해 ER-1 반응기를실규모로제작하는데있어서진동발생에의한구조적안정성을판단하기위해전문가의도움을받아현장에설치된 12.7m 3 규모의반응기 (fig. 3-30) 의진동을측정하였다. 이는향후 ER-1 반응기의설계에반영되어현장설치시구조적안정성을확보하는기초자료로활용될것이다. 진동측정에사용된 ER-1 반응기는 12.7m 3 (D 1.8m, H 5m) 로반응기실제사진과외부구조로, 사진에서보는것과같이 ER-1 반응기외부에는유입, 유출배관을비롯해서유지보수용안전사다리, 공기유입배관, 지지대들이부착되어있다. Fig 는 ER-1 반응기구조의측면도로하부에는반응기를지탱하는 4개의지지대가있으며각측면별로사다리, 유입배관, 유출배관, 공기유입배관이위치해있다. 반응기외부에용접부위는 ( ) 로표현되었으며 ( ) 로표현된부위는진동측정지점이다. 배관을포함하는반응기는 SUS 304 로제작되었으며, 반응기본체의두께는 3mm이다. ER-1 상부 ER-1 중앙부 ER-1 하부 Fig 진동측정에사용된 ER-1 실제사진

126 6cm A 면부착물 B 면부착물 C 면부착물 D 면부착물 사다리, 원수배관유출수배관사다리공기유입배관 Fig ER-1 의측면 (A,B,C,D) 의구조 반응기의높이에따른진동변화를알아보기위해 60cm 간격으로진동을측정했으며, 외부에부착된구조물의영향을파악하기위해 A면을기준으로 22.5 간격으로측정하여총 93개지점에서진동을측정했다. 측정한결과는 Table 3-8 과같다. 반응기의높이, 각단의용접부위, 반응기외부부착물에따라일정한경향을나타내고있으며반응기전반적으로평균 0.14g, 최고 0.53g, 최저 0.04g 값을보이고있다. 반응기의진동현상은주로송풍기를통해유입되는 bulk air에의한것이다. 반응기에사용되는 bulk air는반응기혼합효과및산소전달율을높이는주요 factor 로작용하지만, 반응기의구조안정성에영향을주어서는안된다. Fig 은 A면, Fig 는 C면, Fig 은반응기전체의높이에따른진동변화를나타낸그래프다. 반응기의형태가원통형으로축대칭 (axisymmetry) 에가깝게설계되었음에도 A면과반대면인 C면의진동의크기가다른이유 ( 주로 1단에서 ) 는진동을유발하는공기유입방향이가장큰원인으로판단된다. 그러나 1단을제외한 2,3,4 단의진동값의차는크지않아반응기전체적으로는진동이한쪽방향으로치우치지않고있음을알수있다

127 Fig. 3-31~33 에서보여주는공통점은, 첫째 1단에서진동값이가장크고, 둘째반응기가종 ( 높이 ) 방향으로진행될수록진동이감소된다는것, 셋째각단의환형용접부에서진동이급격하게감소한다는것이다. 첫번째현상의이유는송풍기에서미세기포발생장치 ( 산기장치 ) 없이유입되는 air에의한가진성분이 1단에가장많은영향을주기때문이며, 둘째종 ( 높이 ) 방향으로진동이감소하는것은 air에의한가진성분이각단의유체이동관을통해상부로이동하면서액체와혼합되어미세기포화되어 air의가진성분이분산되어반응기에전달되기때문이다. 셋째, 각단용접부위에서급격하게진동이감소하는이유는용접부를따라원주방향으로소위노달라인 (nodal line) 이형성되어진동이매우작아지는결과를나타내는것으로보여진다. 여기서노달라인 (nodal line) 이란마디, 매듭, 교점이란뜻으로정상파에있어서진동이없거나극히작은부분을의미한다. 1단에서의비교적강한진동을저감하기위해서는 1단내부에환영지지대 (annular type) 를추가설치하여일종의 nodal line 역할을할수있게함으로서진동량을저감시킬수있을것으로판단된다. 또한환형지지대는구조보강의역할도하여반응기전체의안정성에도도움을줄수있다

128 Table 3-8. ER-1 의진동측정결과 ( 단위 : 높이 cm, 각도, 진동 g=9.8m/s 2 ) 구분 1 단 2 단 3 단 4 단 측면 높이각도 하중상중상중상중 A B C D

129 각도 0 각도 22.5 각도 45 각도 67.5 평균 480 반응기높이 (cm) 진동크기 (g=9.8m/s 2 ) Fig A 면높이에따른진동의변화 (36 개지점 ) 480 각도 180 각도 각도 225 각도 평균 반응기높이 ( cm ) 진동크기 ( g=9.8m/s 2 ) Fig C 면높이에따른진동의변화 (36 개지점 )

130 반응기높이 (cm) 진동크기 (g=9.8m/s 2 ) Fig 반응기전체높이에따른평균진동값의변화 (93 개지점 )

131 0 o 315 o 45 o D A 270 o 90 o C B 225 o 135 o 180 o 0 o 90 o 180 o 270 o 360 o 사다리, 배관 사다리 공기유입배관 Fig ER-1 반응기원형방향에따른 진동측정지점및반응기부착물위치 사다리 공기유입배관 진동크기 ( G=9.8m/S 2 ) 유출배관 각도 ( o C ) 0cm 60cm 120cm 180cm 240cm 300cm 360cm 420cm 평균 Fig ER-1 반응기원형방향에따른진동측정

132 Fig 는 ER-1 반응기의원형방향에따른진동측정지점을, Fig 는각지점에서의진동값을나타낸그래프이다. 반응기원둘레를따라진동의평균값은 0.105~ 0.253g 값을나타냈으며, 1단 60cm 지점 ( 진동이가장심하며원둘레에따른진동변화폭도 1단에서가장큰지점 ) 을제외하고는높이에따른변화폭은크지않은것으로나타났다. Fig 에서주의깊게살펴볼사항은반응기외부부착물과진동증폭에관한것으로, 사다리나배관등의외부부착물이설치된지점에서의진동이확대되는것을알수있다. 이러한현상은사다리나배관등이반응기외부또는내부에종 ( 높이 ) 방향으로구조물에용접되어부착될때용접부위에따라진동량의크기가크게달라지기때문이다. C면에부착된사다리의경우 air 유입구쪽에위치해있으면서반응기의최대진동이일어나는 1단 60cm 부근에용접되어있어반응기와사다리의진동이연성되어증폭되는양상을보여주고있다. 따라서이러한내 / 외부부착물은그용접부위가노달라인 (nodal line), 즉각단사이의칸막이부분에위치시켜야하며, 비교적저주파수대역에있는진동의기생모드를없애기위해서는외부구조물의용접부위숫자도늘려진동수를높이는것이바람직하다. 마지막으로 air유입에의한진동외에블로워에연결된파이프를타고오는구조적인형태의진동을저감하기위해서는플렉시블파이프 (flexible pipe) 로블로워와반응기를연결하는것도좋은방법이다. 향후구체적인유한요소해석 (finite element analysis) 등을통한반응기의진동모드를먼저구해진동의교합, 즉커플링 (coupling) 이일어나는복잡한진동양태를측정해야하겠지만, 현재의측정수치가나타내는진동의크기는과히우려할만한사항은아니라할수있다. ( 참고 : 일본의도로운행기준승용차뒷자석에서느낄수있는진동 0.6g, 트럭화물칸에서의진동 2~3g, 출처 : " 진동이란무엇인가?( 자연현상을통한진동의이해 )", 양보석, , 일오출판사 ) (8) 전산모사를통한 ER-1 반응기의유체유동해석슬러지를호기성소화를통해효과적으로처리하기위하여개발된 ER-1 반응기에대한유체유동효과와이에대한이론적정립및개발장치의설계인자도출을위하여, ER-1 반응기대한유동현상과산소전달특성을전산모사를통하여해석하였다. ER-1 반응기의설계및운전을위하여필수적인유동장의전산모사및처리공정의구현을위하여반응기내에서유입되는폐수와공기의운동량 ( 속도 ) 및조성 ( 함수율 ) 의유동변화에대한전산모사자료와관련기술의축적을통한반응기의엄밀설계기법을

133 확보함으로써, 대규모화설계기법을비롯한관련기술을확보하고, 신뢰성있는슬러지처리장치로서부상할수있을것이다. 따라서본연구에서는연속형슬러지호기성소화반응기의처리용량을현재설계장치에대하여유동모사를수행하면서대규모화에대한가능성을타진하고이에대한기본자료들을도출하고자한다. 본공정은폐수와공기가병류로공급되어폐수로부터산소전달량을증대시키는운동량과물질이동시에전달되는 ER-1 반응기이다. 그동안국내외적으로폐수처리를위한폭기조내의산소공급장치의설계및제작에대한기술개발체계는계속적인관심과지원에비하여그개발수준은미흡하여다양한슬러지의처리에대하여기술이유연하게대처하지못한상황이다. 이러한기술적인난점을극복하기위해서는슬러지호기성소화공정에대한기초적인연구들과함께 ER-1 반응기내의공기유동과해석이필수적인것이다. 즉외국의경우에는폭기조내의공기유동의해석에의하여 ER-1 반응기의설계및운영조건의변경에관한인자들을체계적으로도출하고있음을주목하여야한다. 또한슬러지의대규모처리와처리효율개선을위하여다각적으로기술개발을추진하고있으며성능향상기술, 공정자동화기술, 환경문제해소등에관련된기술에중점을두고기술개발을추진하고있다. 이와같은배경하에본연구에서는유체유동해석에막강한적용능력을갖고있는상업용코드인 Fluent를이용하여, ER-1 반응기에대한유동장을해석하고자한다. ER-1 반응기는다단으로구성되어각단별전달특성의향상조건의도출이가능하며처리효율및운영비용이기존의폭기조에비하여우수함으로슬러지를비롯한다양한고농도폐수처리공정에활용될수있을것이다. 또한본연구는 ER-1 반응기에서 Fluent를이용한최초의해석이며이것을시작으로폭기조에대한모사가보다더활발히진행될것으로기대한다. 그리고본연구를통하여확보되는자료들의상업용코드의폭기조설계및운전공정의해석기법의확보는물론실제의 ER-1의설계및조업인자의도출에있어서많은도움을줄것이다. 본연구에서는일차적으로 Fig 에서와같이개략적 ER-1에대한 CFD해석을기본계로설정하였다. 컬럼은원통형관의모양을갖고있으며, 호기성슬러지처리공정에사용되는것과같이유입되는최하단과유출되는최상단을포함하여총 6개단으로구성되어있다. 각단은원판으로구분되어있으며, 각판은 3개의원형구멍 ( 유체이동관 ) 이 120 각도로균일하게배치되어있다. 따라서각각의관으로유입되는물과공기는단별차단판의구멍을통하여상부로이동하게되며, 최상부의단에서는표면에부유물과

134 함께공기가배출되며처리수는관을통하여배출되어진다. 유입관과유출관은반응기와직접연결된볼밸브에튜브로공급되며, 실측되는폐수의유입량은 180L/day 또는 90L/day 이며, 조성은하수처리과정에서발생하는슬러지로서부유성고형물농도가 20,000~30,000 mg/l로측정되었다. 또한유입슬러지밀도 1.02 g/cm 3 로서비중은 1이다. 폐수유입관은 12A SUS 볼밸브로서밸브길이 10cm 내경이 12mm 이다. 또한유출관은밸브길이가 25cm 내경이 50mm 이다. 따라서 Fluent 에서는실측도면과거의동일한형태의 3차원구조로하고, 공기가하단에서동시에주입되는계로설정하였다. 이와같은시도를통하여, 유입되는물과공기의유동현상을모사하고이를기반으로하는물질전달계의해석에기반이되도록하였다. 유동은상업용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드인 Fluent를이용하여모사하였다. Fluent는유한체적법 (Finite Volume Method) 에기초하며, GUI 방식으로유체의이동현상을해석하는데있어서널리사용된다. ER-1 반응기는 Fig 에나타나있듯이 3차원의원통형좌표계로가정하였으며, Fig 에나타나있는실측치로서설정하였다. 이와같은조건들에대하여 Pre-processor 인 GAMBIT에서대상물의기하구조를모사하고, 이를바탕으로하여수치해석프로그램인 Fluent에서연산을수행하였다. 전산결과들은적절한 Post-processor 를활용하여각종필요한정보들을그래픽화면으로전환된다. 본연구에서 ER-1 반응기의모사는 3차원구조를사용하였고 Mesh는 3각형셀로서 173,345 의 3차원셀로서설정하였으며, 이때총 node 수는 39,553 개다. 유동모델은정상상태의 k-e 난류모델로서혼합모델을가정하였다. 전산모사의결과로서벌크유동현상을파악하기위하여, 물과공기의혼합유체에대한속도등고선 (velocity contour) 을 Fig 에나타내었다. 그림의하단부에서보이는좌측관은공기의유입을그리고우측관은물의유입을보여주고있다. 유입되는공기의평균유속은 5.4m/s 그리고물의평균유속은 1.84m/s 로가정되었다. 공기의유입부분의속도가크게나타나고있으며, 각단을구분하는판주변에서는판간의원통형통로에서속도장이큰것으로나타나고있다

135 폐수유출 공기유입 (50~150L/min) 폐수유입 공기유입 ( 아크릴 ) 300 공기유입관내경 20mm, 외경 26mm Fig 유체유동해석에사용된 ER-1 의개략도 Fig Distribution of velocity contour

136 Table 3-9. Distribution of velocity and volume fraction for air. Stage Air velocity (m/s) Volume fraction of air 단별평균유속의크기는공기가유입되는단을 1단으로가정했을때다음의 Table 3-9 와같다. 표에보이는바와같이유입되는공기의평균속도는유입되는단에서는 m/s 로나타나며, 2, 3단에서는다소낮아지다가 4단과 5단에서다시증가하여제 5단에서최대유속인 m/s 를보여주며출구가있는 6단에서는크게낮아져서 m/s 를보여주고있다. 평균유속은부피평균값을통하여산출되었으며공기의유동량및물의유량에의하여변동될수있으나각단별의난류혼합의유동현상을가정하면, 제2단과제3단에서는벌크혼합에의한유동이다른단에비하여비교적강하게작용하여물의상하부로의유동을포함함으로서공기와물의혼합을더욱강화하는것으로고려된다. 혼합의상태가어느정도정상상태에도달하면더이상혼합의효과가증가하지는않고다음단으로공기가이송되므로 4, 5단에서는공기의평균유속이증가되는것으로고려된다. 이때에는물의유동량이상부로의주흐름방향으로점차증가되는현상을의미하게되며, 최종단에서는원활한공기배출로인하여다소낮아지는것으로나타나고있다. 유입단에서공기와물의속도벡터를나타내면다음의 Fig 과같다. 그림에서물과공기의최대속도의위치가혼합과관련이깊은평균유속에대한설명을간접적으로보여주고있으며, 물의최대속도와공기의최대속도가모두공기의유입부에위치하고있음이흥미롭다. 즉, 공기의유입으로인하여공극부분이공기의유입부에넓은영역에걸쳐분포함으로서상대적으로공기의량이낮으며, 이에따라평균유속의값이낮아지는결과를보여주며혼합및유속이평준화되는상부단에도달하면평균유속은어느정도일정한값에도달하는것으로고려할수있다. 이때에는유입하는방향으로의흐름과상부방향으로의흐름방향이수직방향이므로이로인한유동의운동량감소가혼합의효과를적게산정하는것으로감안할수있다. 각단별공기의부피분율은평균적으로 0.27 의값을보여주고있으며, 유입단에서는공기에비하여물의유입이상대적으로많음을보여주고있다

137 (a) water (b) air Fig Distributions of velocity vectors

138 본연구에서는 ER-1 반응기에서공기와물의다상유동에대한이동현상을전산유체기법을활용하여해석하였다. 해석결과공기와물의유동장은각단별로가정된모델에적합하게수렴되었으며, 수치결과로부터혼합의효과를간접적으로확인할수있었다. 이와같은연구결과를배경으로하여산소전달모델이고려된반응기의특성변화와대규모화된장치의설계에대한전산모사가유동상황별로모사될것으로기대된다. 따라서본연구의결과들의유동장의해석상난점이있는다상계의 ER-1의설계에있어서효과적으로활용될수있는가능성이충분히있으며, 대규모화 (scale-up) 변수의설정및설계에있어서기초자료로서활용될수있을것이다. 나. ER-1 반응기의고농도오 폐수분해효율앞에서와같이 ER-1 반응기는반응속도가높은 PFR 형태로높은산소전달효율과교반효과로빠르고안정적인오염물질제거성능을갖는다. 이러한 ER-1 반응기의특성을이용하여하수슬러지의호기성소화에적용한결과는제4절에서자세히언급하기로하고, 대표적인고농도유기성오니 ( 폐수 ) 로알려진축산폐수 ( 가축분뇨 ) 와음식물폐수 ( 침출수, 탈리액 ) 에적용하여보았다. 축산폐수와음식물폐수는하수슬러지와마찬가지로현재까지해양배출에의존도가매우크며, 96 런던의정서발효에의해해양배출이강화됨으로인하여처리방식의확립이시급한시점으로 ER-1 반응기의적용범위를넓이기위하여실험하였다. (1) ER-1을이용한축산폐수처리축산폐수의처리방법은처리대상에따라분처리법, 뇨처리법, 분뇨동시처리법으로분류할수있는데, 국내축산농가는슬러리돈사형태가많으며, 일부스크레퍼돈사의경우에도관리미비로인하여대부분의처리시설은분과뇨과혼합되어유입된다. 축산폐수의발생성상은가축의종류, 사료의종류및양, 축사의구조및관리방법에따라그특성이상이하며, 축종별분과요의오염물질농도는다음과같다

139 Table 축종별오염물질발생농도 ( 단위 : mg/l) 구분 BOD COD Mn SS T-N T-P 한우 젖소 돼지 분 26,539 71, ,482 2, 요 6,686 7,696 1,412 4, 분 18,294 52, ,889 2, 요 5,455 8, , 분 68,187 63, ,257 8,518 2,152 요 4,543 3, , 참조. 가축분뇨자원화및이용기술개발, 축산기술연구소 (2000 년 ) 기존에설치운영되고있는축산폐수처리시설의경우전처리시설과생물학적처리시설및슬러지처리시설로구성되어있는것이일반적이며, 생물학적처리시설은주로활성슬러지법이사용되고있다. 활성슬러지공법은앞에서언급한바와 CSTR 형태의포기조를이용한처리공법으로축산폐수와같이고농도의유기물을함유한폐수에대해서는긴처리시간을요구한다. 따라서처리시간을짧게하고효율을높이기위해서대부분희석수를사용하고, 전처리단계에서고액분리 ( 과다한응집제사용 ) 를통해유기물의부하를낮춰유입하기때문에 Carbon/Nitrogen 의비가감소되어질산화는충분히이루어지더라도탈질반응에필요한유기물의부족으로탈질이이루어지지않거나, 효율이떨어져질소의방류수기준을유지하기어려움에따라외부에서탄소원을공급해야하는문제점을갖고있다. 고농도를수용가능한 ER-1 반응기를이용한축산폐수처리기술은 Fig 와같이응집제사용이나희석수등을이용하여저농도폐수로전환하지않고, 전처리단계에서응집제 ( 무약주 ) 없이고형분 (SS) 을제거함으로써고효율의안정적폐수처리가가능할뿐만아니라제거된고형물을자원화에최대한이용이가능하다. 또한 ER-1 반응기의처리수는유기물이안정화되어있고, 악취가없어액비로서바로이용이가능하다

140 축산폐수유입 고액분리 응집제투여 SS 제거효율이높음 고액분리 응집제투여없음 SS 제거효율이낮음 저농도 BOD 15,000mg/L 이하 C/N 비낮음 (3 이하 ) 알칼리도낮음 고농도 BOD 15,000mg/L 이상 C/N 비높음 (3~10) 알칼리도높음 고농도수용가능생물반응기 유기물제거에비례하여질소제거고농도 MLSS 에서질소제거용이높은산소전달효율이요구됨 일반적인생물학적처리시설 C/N 비의불균형으로유기물및질소제거의어려움 일반적인생물학적처리시설 잔류유기물및질소제거 방류수기준충족불가능 방류수농도기준접근 후처리설비 ( 필수 ) 후처리설비 ( 선택 ) Fig 일반적인분뇨및축산폐수처리방법

141 Fig ER-1 을이용한축산폐수처리공정 ER-1 반응기를이용한축산폐수처리공정을 Fig 에나타내었으며, 가축분뇨를 처리하는일반적인타공법과비교하여다음과같은차이점을갖는다. (1) 전처리과정에서의고액분리시, 고형물 (SS) 제거효율이다소낮더라도응집제 를사용하지않도록계획하였다. (2) 앞서언급된바와같이고농도폐수에적합한생물반응기를이용하여높은유기물부하에도안정적인처리가가능하며, PFR 흐름을유도하여물질반응속도를증가시켜완전혼합반응기 ( 활성슬러지공법 ) 보다짧은체류시간에유기물제거가가능하며, 유기물제거와동시에간헐폭기와내부순환등의운전방법으로인하여질소의제거가가능하다. (3) ER-1 반응기의 MLVSS 유지를위한슬러지반송이없으므로고형물체류시간 (SRT) 이매우짧아슬러지의침강성및탈수성이우수함으로, 2 차고액분리에서 도응집제등약품사용이없거나최소화할수있다. (4) 고액분리에의해발생되는고형분은응집제등의화학약품이쓰이지않았기때 문에독성이적어비료로서의가치가높고, 퇴비화에이용하여자원화로써의부 가가치도기대할수있다

142 9000 미생물 seeding Conc. (mg/l) 공폭기 BOD(mg/L) NH3-N 1500 탈기 Time(hr) Fig ER-1 을이용한축산폐수 Batch Test 결과 25,000 20,000 15,000 BOD CODmn 10,000 5,000 - 원수 1 차고액분리 ER-1 유출수 2 차고액분리폭기조침전조 Fig 공정별축산폐수처리효율

143 Fig 은 ER-1을이용한축산폐수 Batch Test 결과이다. 초기에미생물 Seeding 없이반응기내에축산폐수를가득채우고 8시간동안공폭기한결과약 50% 정도의암모니아탈기효과를얻을수있었다. 이후미생물공급을위해인근하수처리장의잉여슬러지를 seeding 한시점부터유기물의농도는급격하게감소하여, 24시간후약 80% 의 BOD 제거효율을얻을수있었다. ER-1 반응기를이용한연속적인전체공정에서 1차고액분리를거친폐수는 ER-1 반응기에서 14시간의체류시간 (HRT) 동안 70~80% 의 BOD 제거율을나타내었으며 (Fig. 3-42), 높은산소전달효율과혼합효과에의한물질전달율의증가로인한빠른미생물성장속도로 MLVSS를 15,000~25,000mg/L 수준으로유지할수있었다. 또한 ER-1에서유출되는처리수의 C/N비는약 1.5 정도이고, 악취가거의없으며, 슬러지상태가좋아액비로서의가치도갖는다. 본실험에서 ER-1 반응기는고농도의 MLVSS에도불구하고, DO를 2mg/L 이상으로유지할수있었으며, 아래의송풍량계산식을이용하여산출한산소전달효율 (E A ) 이 25~33% 이상으로매우우수한결과를얻을수있었다. 송풍량 (3-42) (3-43) 송풍량 여기에서, E A : 산소전달효율 (%) SOR : 표준산소요구량 (m 3 /d) O W : 공기중산소의질량비 (0.231) ρ : 0, 1atm, 건조공기의밀도 (1.293) T : 온도 (K) t : 포기시간 (min/d) a : 여유율 (1.2)

144 산소전달율의계산 1. 생물반응기유입조건구분 농도 구분 농도 유입유량 (Q) 17 m 3 /d MLVSS 8,130 mg/l 반응조용량 (V) 10 m 3 유입 BOD 10,628 mg/l HRT(θ) 14 hr 유출 BOD 2,273 mg/l 송풍량 4 m 3 /min 유입 NH + 4 -N 1,240 mg/l 온도 (T) 15 유출 NH + 4 -N 442 mg/l 2. 표준산소요구량 (SOR) 산소요구량 (AOR) = O D1 + O D2 + O D3 + O D4 O D1 = BOD 산화에필요한산소량 = A ( 제거 BOD - K 탈질량 ) 여기서, A: 제거 BOD당필요한산소량 (0.6kgO 2 /kgbod) K: 탈질에의해소비되는 BOD량 (2.86kgBOD/kgN) = 0.6 (142 kgbod/d kgn/d) = 85.2 kgo 2 /d O D2 O D3 O D4 = 내생호흡에필요한산소량 = B V MLVSS/1,000 여기서, B: 단위 MLVSS당내생호흡에의한산소소비량 (0.1 kgo 2 /kgmlvss/d) = m 3 8,130 mg/l / 1,000 = 8.1 kgo 2 /d = 질산화반응에필요한산소량 = C 질산화된암모니아량여기서, C: 질산화에필요한산소량 (4.57kgO 2 /kgn) = 4.57 kgo 2 /kgn 13.6 kgnh + 4 -N/d = 62.0 kgo 2 /d = 반응조유출수에의해조외로소비된산소량 = kgo 2 /d AOR = kgo 2 /d

145 표준산소요구량 (SOR) SOR 여기서, α = 보정계수 (0.80) β = 표면장력계수 (0.95) ϒ = 안전계수 (1.2) C SW = 20 에서포화산소농도 (9.08 mg/l) C S = T 에서포화산소농도 (10.07 mg/l) C A = 반응조내산소농도 (2 mg/l) = m 3 /d 산소전달율 (E A ) E A 송풍량 = 31.6 %

146 (2) ER-1을이용한음식물폐수처리음식물폐수는각가정이나소규모음식점등에서배출된음식물류폐기물을수거하여사료화또는퇴비화방식으로자원화하는시설에서고형분과의분리과정에서발생하는탈리액, 침출수및자원화공정에서배출되는응축수등을포함한다. 음식물류폐기물은 2005 년 1월 1일부터직매립이금지되면서공공처리시설규모의자원화시설이급속도로증가하고있는실정이나음식물폐수는대부분생물학적으로처리가가능한물질임에도불구하고유기물및질소 인의농도가매우높은악성고농도폐수로이에대한처리기술은거의전무한실정이며, 대부분해양배출되고있다. 그러나음식물폐수에대한해양배출도슬러지와같이 96 런던의정서가발효됨에따라 1 년의유예기간을두어 2007 년 6월부터함수율 95% 이상으로해양배출규정이강화되었으며, 향후전면금지될계획이다. 이에에대한 ER-1 반응기의적용가능성을알아보기위한실험에사용된음식물폐수는음식물류폐기물을사료화방식의자원화하는서울시 G구의음식물탈리액으로그성상은 Table 3-11 과같으며, ER-1을이용하여 Fig 과같은공정을적용하였다. Table 음식물폐수의성상 항 목 원 수 BOD 59,400 ~ 77,000 CODmn 54,500 ~ 87,500 SS 32,000 ~ 46,700 T-N 2,800 ~ 3,500 T-P 450 ~

147 음식물폐수유입 1 차생물반응기 (HRT 2.5d) 1 차고액분리 2 차생물반응기 (HRT 1.5d) 2 차고액분리 하수연계또는고도처리 Fig 음식물폐수처리공정도 Fig 음식물폐수처리 Pilot Plant 전경 실험에사용된 ER-1 반응기는아크릴소재원통형실험용 ER-1 반응기로유효용량은 1차 180L, 2차 103L 의아크릴소재원통형반응기를적용하였고, 각각 HRT 2.5 일과 1.5 일로폐수를정량펌프 ( 모노펌프 ) 를이용해연속적으로주입하였다. 폐수와공기는아래에서공급되고상부에서유출되는상향류식으로유체이동관을이용하여각단의높이가 0.5m 인 6개단으로구성되었다. ER-1 반응기를이용한음식물폐수처리실험은미생물안정화기간을제외하고 45 일간운전하였다. 음식물폐수원수는평균 BOD 농도가 67,979mg/L 의매우높은고농도폐수로서이러한고농도폐수를호기성생물학적방법으로처리하는데있어서가장큰문제점은미생물의성장과활동을위한충분한산소의공급이어렵다는것이다. 그

148 러나이런문제를일반적인생물학적방법으로극복하기위해서는산소전달률의한계와반송수등을이용한희석등에의해서과다한동력비를소모하게된다. 이처럼충분한미생물의성장에가장중요한요인이라할수있는원할한산소공급이이루어져 DO 가 2이상으로유지가능하다면, 종속영양미생물과의산소기질경쟁이적어져독립영양미생물인질산화균에의한질산화가이루어질수있고, 유입수내충분한유기물이존재하기때문에별도의탄소원주입없이내부반송만으로도탈질반응이이루어질수있는장점이있다. 실험에사용된 ER-1 반응기는 Gas holdup과유체유동을이용한다단의반응기로, 별도의산기장치없이고효율의산소전달율 (25% 이상 ) 을갖는반응기내에고농도의미생물과적정수준이상의 DO를유지가능하다. 따라서생물학적처리효율을높이고, 시설규모와시간을단축시킬수있는장점이있으며, 장치가단순하여고장의염려가적고, 산기장치의막힘현상이나파손으로인한문제가발생되지않으며, 송풍기의압력손실이적어동력비가적게들뿐만아니라, 타워형반응기로최소한의부지면적을요구하기때문에경제적인장점을갖는다. Fig. 3-45~47 은음식물폐수를이용한 pilot test의유입 / 유출수성상을나타낸것으로유기물과질소 인모두실험기간동안안정적인처리수질을확인할수있었으며, 평균농도를적용한각단계별처리효율을 Fig 과 Table 3-12 에나타내었다. ER-1 반응기내 MLSS는 1차반응기 45,771mg/L, 2차반응기 12,545mg/L 로유입수내의 SS를제외하면유기물제거에의해형성되는고형물 (MLVSS) 의양은각각 7,271mg/L 와 7,345mg/L 로 ER-1 반응기내에서고농도오폐수를제거하기위한충분한미생물농도유지가가능한것으로판단된다. 이는앞에서언급한바와같이고농도폐수에서의문제점인 MLVSS의확보와충분한 DO 공급이 ER-1 반응기내에서는동시에만족할수있기때문이다

149 100,000 원수 1 차처리수 2 차처리수 80,000 BOD Conc.(mg/L) 60,000 40,000 20, Operation Time(day) Fig 음식물폐수의 BOD 제거효율 4,500 4,000 원수 1 차처리수 2 차처리수 3,500 T-N Conc.(mg/L) 3,000 2,500 2,000 1,500 1, Operation Time(day) Fig 음식물폐수의 T-N 제거효율

150 T-P Conc.(mg/L) 1, 원수 1 차처리수 2 차처리수 Operation Time(day) Fig 음식물폐수의 T-P 제거효율 70,000 60,000 음식물폐수원수 1 차처리수 2 차처리수 50,000 Conc.(mg/L) 40,000 30,000 20,000 10,000 0 BO D COD SS T-N T-P Fig 음식물폐수처리결과

151 Table 음식물폐수처리효율 ( 단위 : %) 1차처리효율 2차처리효율 Total BOD COD SS T-N T-P 음식물폐수원수 ER-1 1 차처리수 ER-1 2 차처리수 Fig 음식물폐수처리공정별상태사진 ( 고액분리후 )

152 이렇듯음식물폐수를산소전달률과물질전달률을높일수있는방법으로호기성생물학적처리할경우, 유출수의 BOD 5 기준으로 1,000 mg/l 이하로안정적인처리가가능하다고판단되며, SRT를증가시켜질산화를유도하고내부순환을통해더낮은수준의질소제거가가능할것으로사료된다. 따라서이러한처리수질로인근하수처리장으로연계처리할경우에오염물질부하량의증가에따른운영상의문제점에대해검토하였다. Table 3-13 에서와같은설계 운영수질을가진하수종말처리시설에음식물처리수의농도로연계처리하였을경우를가정하여하수종말처리시설의용량별예상되는운영수질을알아보았다. 연계될하수종말처리시설의운영유입용량이 1,000, 5,000, 10,000, 50,000, 100,000 m 3 /d일경우에, 음식물처리수가 40 m 3 /d로유입될때예상되는운영수질을 Table 3-14 에나타내었다. Table 3-14 의결과에서와같이 10,000 m 3 /d 이상의유입용량을갖는하수종말처리시설에서설계유입수질이하로운영이가능할것으로판단된다. 10,000 m 3 /d의처리용량을갖는하수종말처리시설을기준으로연계되는음식물처리수의유입량 (10, 30, 50, 80 m 3 /d) 에따라운영수질농도를알아보았다 (Table 3-15). 검토결과음식물처리수의연계용량이 50 m 3 /d 이하에서는설계유입수이하로운영이가능할것으로판단되나, 그이상일경우에는농도과부하에의해운영상저해가될우려가있다. 이렇듯음식물류폐기물의재활용공정에서발생되는폐수를적정농도이하로처리하여인근하수종말처리시설로유입코자할경우에는연계될음식물처리수의농도와유량, 하수종말처리시설의현재운영 설계유입수질과농도를면밀히검토한후하수종말처리시설의안정적처리에영향을끼치지않도록설정되어야할것이다. ER-1 반응기를이용한음식물폐수처리성능을알아본본연구는반응기의고농도폐수적용을 Test 하기위한실험으로음식물폐수에대한가능성과하수연계처리시하수처리시설의운영수질변화를확인할수있었으며, 이를실용화하기위해서는보다다각적인연구를통해처리성능을확인하고설계인자를도출하여야할것이다

153 Table 음식물류폐기물폐수의연계처리를가정하였을때, 하수종말처리시설 의설계 운영및연계음식물처리수농도 ( 단위 : mg/l) 구분 BOD COD SS T-N T-P 설계유입수 현재유입수 음식물처리수 2,000 1, Table 하수종말처리시설의유입용량 (1,000~100,000m 3 /d) 에따라음식물처리 수의연계처리를가정하였을때운영수질변화 ( 단위 : mg/l) 유입용량 BOD COD SS T-N T-P 1,040 m 3 /d ,040 m 3 /d ,040 m 3 /d ,040 m 3 /d ,040 m 3 /d Table ,000 m 3 /d 의하수유입용량을갖는하수종말처리시설로음식물처리 수를 10~30m 3 /d 의규모로연계처리시운영수질변화 ( 단위 : mg/l) 유입용량 BOD COD SS T-N T-P 10,010 m 3 /d ,030 m 3 /d ,050 m 3 /d ,080 m 3 /d

154 제 2 절고형물분리장치의개발 1. 여과이론 여과기술은물 ( 水 ) 환경에서원래상수도의기간기술로서발전하여온것으로여과형태는크게여재 ( 모래, 안트라사이트등 ) 를이용한것과분리막 (MF, UF, RO) 을이용한것으로나눌수있다. 여재여과는일반적으로정수기술에서모래를여재로한현재와같은형식의여과법으로써런던의 Chelsea 수도회사의기술자 James Sipson 에의해처음으로사용되었다. 그가발명한것은여과속도 3~6m/day 로지극히천천히모래층을통과시키는완속여과법으로, 모래층표면에자연스럽게생성되는생물막에의해수중의부유물질은물론, 세균류, 용해성유기물, 철, 암모니아까지도제거할수있었다. 분리막여과기술은예로부터포도주등의알콜류의식료를만드는데처음으로사용하였다. 분리막중에서가장역사가오래된 MF막은 1864 년 Schoenbien 이클로디온 (Collodion) 합성중에균일한미세공구조를발견하였으며 19세기후반에 Fick와 Sanell 에의해서 Nitrocellulose 의막이만들어져혈액이나세균의연구가진행되었다 년에는 Bechhold 에의해서 Collodion 액의농도를다르게해서 Pore를변화시켜액체의투과나 Bubble Point에의해미세공구조의평가가이루어졌다. 더욱이 1919 년에는 Zsigmody는 nitrocellulose, 빙초산, 물등의처리에있어서 Pore Size를자유롭게제거하는것에성공하였고, 본격적인제품특허가출원되어 The Name of Membrane Filter 로상품화되어무균수의제조등에사용되었다. UF막과 RO막은, 먼저 Fick등에의해서막분리기구의연구가되었고본격적인연구는 1960 년전후에이루어졌다. Michales 는 Colloid 의연구로부터각각의혼합비의산성고분자전해질과염기성고분자전해질을사용하여물-Acetone- 취화 ( 臭化 ) 나트륨계의용매에서여러가지분획분자량의 UF막을만들어시판에성공하였다. Lobe와 Sourirsjan 은해수담수화를위하여, Na + 와 Cl - 의이온으로잔존하는물을신속히투과시키는 Acetylenecellulose RO막을만드는데성공하였다. 이것은비대칭막으로물과염과의선택적인투과성을가진다. 이것의성공은기존의어느 MF막에접목되어막분리기술의획기적인전망을일으켰다. 그후담수의탈염이나유기물의제거를목적으로 UF막과 RO막의중간에위치한 NF막이개발되었다

155 가. 분리막여과막분리공정은막을이용하여기체상태혹은액체상태의혼합물로부터요구되는요소를분리농축해내는기술로써, Driving Force( 추진력 ) 로는농도차, 압력차, 전위차등이될수있다. 폐수처리에는추진력으로주로압력차를사용한다. 막분리공정은상온에서행해지므로온도에민감한물질등의처리에유리하다. 막은세공의크기에따라 MF(Micro Filtration, 정밀여과 ), UF(Ultra Filtration, 한외여과 ), NF(Nano Filtration, 나노여과 ), RO(Revers Osmosis, 역삼투 ) 로나누어지는데, 각각 MF 0.01~10μm, UF 15~100A, RO 5~10A 의 Pore Size 범위를가지고있다. Fig 은각각의분리막공정에서이론적으로분리가능한용질들을분류한그림이다. 이들막이실제적사용에적용되기위해서는충진밀도가높고비표면적이확대되어야하며, 이를위해일반적으로 Plate and Flame Type( 평판형 ), Tubular Type( 관형 ), Spiral Type( 와권형 ), 그리고 Hollow Fiber Type( 중공사형 ) 의 4가지모듈형태가사용되고있다. 이중중공사형이충진밀도가높아같은용적당막면적이크고상대적으로낮은압력하에서도다른형태의막과비슷한 Flux를얻을수있다. Fig Membrane Processes for liquid separation

156 (1) 정밀여과 (Microfiltration, MF) MF의공극은 0.04~20μm 의범위로서곰팡이박테리아의분리에적당하고세공경의크기에따라바이러스도분리하므로의약이나약품산업에서살균수를만들고양조업과식료업에서효모, 곰팡이탁도를제거한다. 또한 RO, NF 등의전처리공정에사용되기도한다. 대부분이평판막형이고카트리지혹은일회용으로서전여과방식에사용된다. 반복사용을위한살균, 열에대한저항그리고세척을위한내화학적으로우수한막으로써세라믹을사용한무기질막을들수있다. 이는 Multiporous Body가결합제에결합되어그사이의공극으로여과를실시하게된다. 이막위에얇은 Gel층막이작은입자들의기질을포획한다. 이러한 MF막은주로부유물질과 Colloid 입자의제거를위한처리기술이다. 막소재로서 Table 3-16 에나타내었다. Table MF 막소재별분류와그특성 막소재공경 (μm) 친 소수성내열성내약품성기타 니트로셀룰로오스 0.2~5 약소수성약약흡착성 트리아세틸셀룰로오스 0.1~5 약소수성강중가공성약함 재생세룰로오스 0.2~2 친수성강강 폴리카보네이트 0.05~1 친수성강중 폴리염화비닐 0.2~1 친수성강중 폴리아미드 0.1~0.45 친수성강중흡착성 폴리설폰 0.1~0.45 약소수성강중 폴리에틸설폰 0.2~0.45 친수성강중

157 (2) 한외여과 (Ultra Filtration, UF) UF에서는 MF와는달리정확한 Pore Size를정할수없기때문에분획분자량개념을이용한다. 즉어떤용질이 90% 이상제거되었을때그용질의분자량을분리한계로정하여분획분자량이라한다. 일반적인막의구조는 Fig 과같으나, 특히한외여과막은표면미세공의크기가 1~200μm, 운전압력이 200~800Kpa 에서도가능하고 Cross- Flow Type으로운전되며주로 Cellulose 유도체, Polysulfone 및 Polyacrylonit-Rile 등이사용되고있다. 막의세공이작아짐에따라막을관통하는흐름에요구되는에너지가증가되므로일반적으로한외여과 (UF) 는정상운전시 psi 의압력공급이필요하다. 막부근의농도분극과 Gel층의제거를위해 CF(Cross Flow) 여과방식이사용되고있다. UF의용도는처음에 Cheese Whey로부터단백질회수및농축에사용되어왔으나, 최근에는응용범위가확장되어화학기계및전자산업등에도많이응용되고있다. 대표적인예로는자동차공업에서의전착도료회수, Oil-Water 에멀전이나 Latex 에멀전의농축, 펄프혹은종이제조업에서의공정수처리등이있으며, 병원균과병원체 Virus도분리해재이용가능한처리수를얻을수있다. 최근에는전자산업의발달에기인한초순수의제조와생물학적폐수처리시설과조합하여유기성폐수의처리등으로응용범위가확대되고있다. 관형모듈의한외여과는큰입자를포함하는원수에이용되고일반적으로 500 m 보다큰입자의경우에사용하게된다. 관형의유속은 0.25psi/ft 2 의압력하에서 2 6m/s 이고모듈당표면적은 2 20 ft 2 의범위로사용된다. 관형은에너지소비량이가장크나유지관리 ( 세정 ) 가쉽다. 중공사형모듈은직경 mm 의범위로관형에비해작은입자를제거하는데적용되며, 막체적당표면적의증가시키는이점이있으며높은생산성을갖는다 mm 범위의직경을갖는중공사형은 50 3,000 개중공섬유로묶여있고압력에견딜수있으며, 표면적은 2 30ft 2 의범위로다양하고, 공급속도는 25 psi의최대압력으로 1.5 8ft/sec 의범위로운전한다. 중공사형은용기의길이가짧아서높은생산성과최소한의압력손실을얻기때문에높은농도의원수에사용된다. 평판형모듈은분리를위해평판으로서지지하는프레임에개별적으로장착하는단순한한외여과막으로, 평판형의생산성과고형물제거능은관형과중공사형의중간이다. 평판형-한외여과에서는더큰세공크기 (0.45 m ) 에비해 6 1,000g/sfd 의범위로보다높은플럭스를가질수있다

158 Fig 일반적인막의구조

159 (3) 역삼투 (Reverse Osmosis, RO) 반투막을사이에두고용액과물을접촉시키면물의일부는반투막을통과하여용액쪽으로이동해평형을이루는현상을삼투라고한다. 이때막양쪽에는압력차 (P) 가발생하며여기에서발생한압력차를그용액의삼투압이라고부른다. 이삼투압을이겨내는정도의외압을농후용액쪽에첨가하면반대로용액중의용매가물쪽으로이동하는이현상을역삼투라고하며, 이것을이용하여용액에서용매를분리하는방법이역삼투 (RO) 법이다. 이온정도까지의제거가목적인역삼투막에는세공이라는공극은없으며, 투과수 ( 처리수 ) 의생산은막오염혹은 Scaling 에의해제한받게된다. 막오염은공급수에존재하는입자 ( 콜로이드, 박테리아등 ) 들이막의생산성을방해할때일어나며, Scaling 은공급수에용존용매가고형물 ( 침전물 ) 을형성하고막의생산성을방해할때일어난다. Table 은 RO 공정에영향을미치는다양한인자에관하여나타내었다. Table RO 공정에영향을미치는주요인자들 경도 Na + Alkalinity NO 3 - 철 & 망간 SDI (Silt Density Index) 용액에서침전되어 scale 의유발가능성, 효과적인 R/O system 을운 용하기위해서경도성분을조절 Na + 는고순도의물에중요한요소로작용, Na + 는 1 가양이온, R/O membrane 에의해다른이온들처럼잘제거되지않음. 고순도를요하는설비에서는주요오염물질이될수있으므로 Na + 는반도체등의회로에서불량을내는주요원인이될수있음. 물은 Alkalinity 를흡수하는능력, 자연상태의물에는 calcium carbonate 가거의포화, 이러한물이 RO 에서농축되면 CaCO 3 의침전물이생성될수있음. 다른염들보다선행되어발생하는것이보통, R/O system 에서는 CaCO 3 의침전을막을수있는방안을검토하는것이필요. RO 공정에이온교환수지에의해잘제거되지않음 산소가 system 안에들어오거나다른산화제가있을경우철과망간 은물에녹지않는형태로산화되어막에 fouling 을일으키게됨. Fouling index 라고도하며막에 fouling 이일어날수있는가능성을 나타내는척도로사용

160 나. 분리막의특성비교막을구성하는고분자는서로뒤얽히기도하고바로정렬해있기도하지만, 고분자는서로특유의일정한거리를유지하는데이것을분자간간격이라고도부른다. 이간격은 1nm이하로한외여과막의공극과는다른개념이다. 공극이없는막을어떻게투과할것인지, 역삼투메카니즘에는여러가지설이있으며아직완전히는밝혀지지않았다. RO 는 μm정도의작은공극을갖고있으며, 200~600psi 의압력으로운전한다. RO는매우섬세한막표면을갖고있기때문에사용하는분야가어디든간에전처리가중요한요소이다. Table RO, UF 와 MF 막의특성비교 Item MF UF RO Membrane Porous (0.1~10μm) isotrpic Porous (10A ~0.1μm) asymmetric Nonporous asymmetric or composite Pore size 0.05~10μm 0.002~0.05μm 3~10,000A Transfer mechanism Sieving mechanism (The solutes migrate Sieving and preferential adsorption Diffusion law (The solutes migrate by diffusion mechanism) by convection) Law governing Darcy' s law Darcy' s law Fick' law the transfer Type of solution Solution with solid Solution with Ions, small molecules treated particles collids and/or macromolecules Permeability 10~100 1m 3 /(m 2 bar d) 0.01m 3 /(m 2 bar d) treated m 3 /(m 2 bar d) Pessure applied 1bar 1~5bars 20~80bars ph - 1~10 4.5~7.5 (depending on membrane type)

161 2. 슬러지농축장치개발 가. 분리막을이용한고형물제거장치개발분리막공정은법적규제에대처할수있는안정적인처리와소규모시설이가능하여시설시많은부지가필요하지않다는이점과막을결합한생물학적처리공정 (MBR) 에서높은 MLSS의유지할수있는등에장점을가지고있다. 그러나막분리공정중발생하는막오염 (Fouling) 현상에의한 Flux 감소는여전히막분리공정의경제성을제약하는요소로남아있다. 이에지난수년동안막오염방지에의한 Flux 향상을위해많은연구를수행해오고있지만아직까지뚜렷한해결방안이제시되지않고있는실정이다. 일반적으로알려진막 Fouling에대한원인인자로세공 (Pore) 저항 (Rp), Cake층저항 (Rc), 막자체저항 (Rm) 세가지저항에의해투과 Flux가결정되는데, 막의 Pore Size에따라지배하는저항이다르게나타난다. 세공경이작은 0.01 μm부분에서는 Rm이여과저항을지배하며, 0.05~0.2 μm의범위에서는여과저항이최소가되며, Rc가대부분을차지하고, 0.2 μm이상에서는 Rp가대부분이지배한다고나타내고있다 ( 田中, 1990). 따라서본연구에서는막 Fouling의원인을제어할수있는방안을이론적으로접근하여해결하고자하였다. Fig 는본연구에서개발된고형물제거장치 (Eco-Separator, "ES") 로서기존분리막의근본적인원인인 Cake층을연속적으로제어하기위한장치로반응조내에서의유체의흐름에대하여나타낸것이다. 대상여과수의이동경로는초기하향류에서상향류로 U" 자형흐름이유도되어최종방류되고공기는반응기하단에서연속주입되어여과시막 (Sieve) 표면에형성되는고형물 Cake층과겔 (Gel) 층을 Head Space 내 Turbulence 를일으켜제거하고막의세공 (Pore) 을통과하여여과수와함께배출되거나중앙배관을통하여배출된다

162 유입수 처리수 지지대 Sieve 공기유입 공기 농축슬러지배출 Fig ES 의유체흐름 ES의막표면에형성되는케이크층을제어하는방법으로식 (3-44) 에의해서설명할수있다. 즉, N Re 를증가 ( 점성이낮을수록 N Re 는증가함 ) 시키기위하여공기 ( 기체의점성 (μ) 은액체의점성보다낮음 ) 를주입함으로써막표면에강렬한난류현상으로부착되어있는고형물을제어하게된다. 또한아래 Fig 은구체적인 ES의 Fouling에미치는원인과이를제어할수있는기본원리에대하여제시하였다. N Re = ρ υ D μ (3-44) 여기서, N Re : Reynold 수, ρ : 유체의단위중량, ν : 유체의속도 D : 유체의직경, μ : 유체의점성을나타낸다

163 세부적인압력 ( 힘 ) 의분포도 총압력 ( 힘 ) 의분포도 펌프의내압 막 Fouling 의제어인자 수두차의압력 Rc,Rm,Rp 오폐수의특성막 Fouling 의원인인자 수두차의압력난류에의한유동 -Rc,-Rm,-Rp 표면장력고형물의함량공기투과 ( 단, 화살표는힘의크기를나타낸것이고힘의방향을나타낸것이아님 ) Fig ES 의투과압력의변화 즉, 절대값을비교하면 Rc> > Rc, Rm> Rm, Rp> Rp으로막투과유량 (Jv) 을유지하는데저해하는요인 (Resistance) 들을근본적으로해결하여막의 Fouling 현상을지연하고운전시일정한여과수량 (Flux) 을확보하는것으로그원리는식 (3-45) 에서의설명할수있다. J v = P μ ( R p + R c + R m ) (3-45) 여기서, Jv : 막투과유속, P : 압력, μ : 점도, Rp : 세공 (Pore) 저항, Rc : Cake층저항, Rm : 막자체저항을나타낸다

164 식 (3-45) 에서나타낸것과같이투과유속을높이기위한방법으로압력 ( 가압또는흡인압 ) 을높이는방법과 Rc, Rp, Rm을감소시키는방법을들수있다. 여기서압력을높이는방법은높은동력을요구하기때문에비경제적이므로 R(Resistance) 을제어하는방안이필요하다고하겠다. 따라서 ES의원리는막의 Fouling 현상을일으키게하는원인중가장크게차지하는케이크층 (Rc, 막 Fouling의 80%) 부분을막표면에난류를형성시켜제어하는기본원리로써 Fouling의원인인자를근본적으로제어함으로써아래와같은기대효과를얻을수있다. 1 Rc의근본적차단 2 Fdt( 유체의난류형성에이용되는힘 ) + 표면장력 > > SS의 Sieve 표면부착력 3 Rp의일부차단 ( 공기투과에의한 pore 확보 ) 4 점도의최소화 (Rc의차단으로슬러지압착에의해발생되는고점도성분제어 ) 5 P의최대화 ( 외압수두차, 배출펌프 ; 내압 ) ES의기본실험계획은다음과같은목표를두고수행하였다. 여과막내구성 test, 막교체를용이하게유도하기위한구조물구성 장시간여과시생물막과여과손실관계및막교체시기결정 유입수및배출수슬러지농도에따른슬러지투과율분석등의유체의밀도차, 유체유동을이용하여슬러지케이크에의한비저항을최소화시키는데목적을두고, 실험을진행하였다. 대상시료는 "G 하수처리장 " 방류수 (SS 30mg/L 이하 ) 와폭기조 (SS 2,000~3,000mg/L) 를 Type A, B, C, D에사용하였고, Type E는잉여슬러지 (SS 7,500~ 9,300 mg/l) 를사용하였다. Pilot plant를통하여반응기사양에대한변화와원인분석을 Table 3-19 에나타내었고, Fig 는구조변화과정에대하여나타내었다. ES System 은아크릴재질로총용적 106L(Ø260mm H2,000 mm) 이고반응기중앙에관 (Ø80mm H150mm) 을설치하여유체의흐름을유도하였다. 실험에사용된막 (Mesh) 은 Pore size 17μm로표면적은 0.1m 2 이고막표면의케이크층을제어하기위한공기주입은반응기하단에서 30L/min 량을주입하였다. Type E는아크릴재질로총용적 57.8L(W70mm L550mm H1,500mm) 이고반응기폭을중심으로격자판을두어일반 MBR 방식과높이간격 30cm 에유체흐름방해판을설치하여두가지의특성을살펴보았다

165 Table 반응기설계과정 Type 원인분석에대한대처방안변경후현상 A Flux 유지를위한흡인펌프이용 막지지대가수두압과공기압에밀려파손. 막과여과대상수의수면사이에일부공기가상부로이동하지않고기층을형성하는현상이나타남. B 지지대보안 막과수면사이에기층을제거하기위한목적으로다공판및 Mesh 망의경사를줌 변경인자 : 다공판추가, 흡인펌프 다이어후램펌프로변경공기량증가 (30 80L/min) 기층의제거 (90% 정도 ) 초기 5분정도까지높은 Flux (3,000LMH;L/m 2 /hr) 유지하였으나운전 10분후급격한저하로거의 0으로나타남. 펌프교체후유출부에서음압 50cmHg 의높은압이나타나막의 Fouling 간접적으로확인됨. C Type 1, 2에서막과수면사이의기층의문제점을보완하기위하여관형 (Pipe type) 으로변경 ( 전량여과에서십자형여과로전환 ) 막표면적증가 변경인자 : 막면적 ( m 2 로변경 ), 공기방향전환판 * 추가 Flux는 Type 2의형태와유사하게나타남. 반응기분리후 Mesh의상태를확인해보니타공부분에만슬러지케이크층이형성됨. (Fig b참조 ) D 공기에의해막표면에부착되어있는슬러지케이크층을제어하는데어려움이있어공기방향전환판주위에스폰지를부착시켜슬러지케이크층을제어함 공기방향전환판주위에스폰지에역할도앞서나타난값과같이 Flux는증가되지않음. (R c 값은저하되나오히려 R p 값이증가된현상으로추정함 ) E 기존에 Mesh 망은반응조내에서차지하는막표면적이작아 Flux와실질적으로확보될수있는유량이작음 평막으로대체 ( 공기유량 20L/min) 일반 MBR 방식을적용하여반응조내부에유체흐름방해판유무에따른공기의흐름방향및막의 Fouling 현상평가 (* 공기방향전환판의역할 : 하단에서주입되는공기를막표면에마찰이되도록유도한것으로공기의흐름은 Fig 에 Type C 와같다.)

166 유입수 볼트 ( 잠그는역할 ) 오링아크릴원 ( 두께 50 유출수 다공판지지대 Mesh 17 오링 ( 직경 280mm) 두께 10mm 두께 3mm 다공판 ( 각도 15 ) Mesh(17 μm ) 오링 ( 두께 10mm) 공기주입 조임쇠 <type A> <Type B> 막표면 스폰지 Type C pump 주입된공기의흐름방향 Type D Inf. pump eff. 유체 ( 공기 ) 흐름방해판 일반적형태의 MBR system 유체유동을이용한 system 평막 Air Blower Type E Fig ES의내부구조변화

167 a. ES 외형 b. 운전후타공부분에막오염상태 Fig ES 의운전후내부막오염현상 (1) ES 반응기의금속망 (mesh) 을이용한고액분리실험결과 (Type A, B, C, D) 장치의최적화를위하여구조에따른문제점을보완하여고액분리장치 ES의처리성능을 SS 및유기물의처리효율을통하여검토하였다. 반응장치는 Fig 의 Type C로막면적이 0.2m 2 이고막표면에형성되는케이크층을제거하기위하여하단에서주입되는공기와막표면이마찰되도록원뿔형방향전환판을관 (pipe) 내에설치하여상하로이동하면서막에부착되어있는케이크층을제어하였다. Fig 에시간에따른 Flux 변화를나타내었으며, 운전초기에서부터 240 분까지하수처리장방류수 (SS 28mg/L) 를이용하였고, 이후 SS 2,140mg/L 의농도를주입하여 Flux를측정하였다. 그결과운전초기부터 240 분까지는 1,800LMH 에서 1,450LMH 로높게유지되었으나고농도의고형분을주입한후단시간 (20분 ) 에막오염을일으켜 Flux가 0에가깝게측정되었다. 이때내부압의증가로막지지대에막의밀착으로막과지지대사이의폐쇄현상이가중되었다. 흡인압 (suction pressure) 은초기 50~ 450mmHg 에서고농도시료를주입후진공에가까운 750mmHg 를나타내었으며, ES의처리성능은 SS는 90% 이상, COD Cr 은 40~60% 의제거효율을나타내었다

168 Flux (L/m 2 /hr) SS : 2.000mg/L 주입막의함몰현상가중 Time (min) Fig 시간에따른 Flux 변화 sieve 유출 막지지대 여과수지지대로인한여과수량감소 Fig 막지지대로인한표면적감소

169 본실험을통해 ES의기본원리에적합한막의종류및형태, 그리고반응기의구조등의선정에있어서많은문제점들이발생되었다. 높은흡인압과막의 Fouling현상등기존분리막에서안고있는문제점들과유사한효과가나타났다. 이러한현상이나타난원인은다음과같다. 1 분리막과분리막지지대사이의공간이확보되지않아막자체의 Cake층보다는막지지대선정에서문제발생 - Fig 에서와같이타공부분에서만여과수가확보되며, 지지대와맞닿은막 (Sieve) 에서는표면적을감소시키는원인으로나타남 (Fig. 3-55(b) 참조 ) - 또한운전시지지대타공부분에서밀리는현상은 Cake층을제거하기위해주입된공기에서도좋지않은영향을나타낸것으로추정 2 슬러지연계처리시스템이구축되지않아현재는처리효과를판단하기어려움 - ER-1에서양질의슬러지생성시 Flux의차이가높을것으로예상 3 일반화된분리막및지지대선정의필요성 따라서아래와같은관점에서실험을실시할것이다. 1 기존막-지지대확보 2 슬러지처리와연계처리 (ER-1 양질의여과대상수확보 ) 3 현재까지실험한최적유체유동조건선정 (2) 평막을이용한일반 MBR system과 ES system의비교실험결과 (Type E) 앞에서막의선정에따른문제점을보완하고일정량의처리유량을확보하기위하여평막을이용한실험을수행하였다. 실험은일반적으로적용되는 MBR system 과유체유동을적용한 system 을비교검토하였다. Fig 3-54 의 Type E는일반적인평막폭기법과유체유동원리가적용된장치의구조및형태차이를나타낸것이다. 이러한 ES system 은 MBR system 과같이막과막사이의공기가통과하는구간간의간격이 5mm 이격되어있고, 하부로부터 30cm 간격으로방해판 3개가설치되어있다

170 방해판과막사이는 2mm 간격으로이격되어있으며, 평막이방해판을중심으로좌우로유동할수있어방해판이부착된부위에서막과방해판사이의간격은불규칙하게좌우로움직일수있다. 이러한구조물때문에하부에서유입된공기는상하의방해판과좌우의막고정대에의해서몇차례의내부순환을거듭한후에다음단계방해판으로이동하게되며결과적으로공기부력의힘은난류등유체유동의형태로나타나막에부착하려는슬러지 (Rc 에의해서발생되는저항 ) 를사전에차단하는데에사용될수있다. Fig 과 59는일반적인 MBR system 과유체유동원리를이용한 system 의유체 ( 공기 ) 의흐름방향을나타낸그림이다. 그림에서나타난바와같이일반적인 MBR system 의경우공기방향이일방적으로수직상승하고, 수두압차이에의해서초기에유입된기포는수면으로부상할수록점진적으로부피가커지는것으로나타나고있는반면에유체유동원리를이용한 system 은방해판사이에서공기의이동거리, 방해판과막사이의좁은간격으로공기의순간이동속도의증가를유도할수있다. 이와같은 2종류의 system 에서반응조에고농도슬러지가존재할경우막투과상태를관찰하기위하여투과율정도실험을실시하였다. 실험에사용된슬러지는 2차침전조에서배출되어농축조로배송되는잉여슬러지로써슬러지의 MLSS 농도는 8,500mg/L 이며침전지를거친슬러지므로미생물 floc 상태는대체로불량한것으로판단되었다. 본실험에서는비교적악조건의슬러지의투과효과를개선하기위한것이므로이러한슬러지를대상으로실험을실시하였다. 본실험에사용된막은막전문 S사의일반적으로활성슬러지의폭기조에서 SS를제거하기위한용도로써 pore size 0.4 μm으로써 18L/m 2 /h이지속적으로투과할수있는것으로되어있으며활성슬러지상태 ( 미생물의활성, MLSS 농도등 ) 에따라서역세척의기간은매우다양하게나타날수있는막이다. 또한통상적으로운전가능한진공압으로 100~400 mmhg로규정되어있다. 따라서본실험에서도막의특성을고려하여본막에의해서투과되는양이 18L/m 2 /h의시점에서시간경과에따라서투과되는처리수의변화를관찰하였다

171 공기흐름방향 Air Air MBR system ES system Fig 유체의흐름형태 (Type E 의정면모습 ) 평막일반산기식 E S Fig 평막과 MBR system 과 ES system 의사진

172 MBR system ES system vaccum (mmhg) initial Time (hr) Fig MBR system 과 ES system 연속운전에따른차압의변화 Fig 은역세없이연속적으로 5일동안운전하여차압의상태를나타낸그래프이다. 두형태모두초기에는차압 0mmHg 시작되어점진적으로증가하다가 1일째되는시점에서부터차이가나타나기시작하였다. MBR system 에서막의슬러지케이크에의한저항이증가하여최종적으로차압이 600mmHg 로나타났고유체유동을유도할경우는 400mmHg 으로 200mmHg 정도의낮은차압을나타났다. 또한 MBR system에서는막투과율이감소하여본막의일반적인투과기준의 30% 이하가되는시점인 12 L/m 2 /h로나타났고유체유동을유도할경우에는 18L/m 2 /h유지되는것으로나타났다. 본연구는이시점까지진행되었으며더이상의실험은막의재질, 성능등유체유동과상관이없는요소들에의해서막투과율이결정될것으로판단되어막분리전문기관또는회사와더불어계속연구를진행하고자한다. Fig 에서 Type E의하부에서공기주입장치는평막형태의막분리에서매우중요한부분으로, 여기서중요한것은본장치는일반적인산기장치와다르게산소공급이외에막전체에공기가고르게분배되어야하는기능이포함되어야한다는것이다. 따라서고량의공기가유입되어각각의공기토출구를통해서고르게분산되는기능이필요하며, 실질적으로현재침지형막분리기술에있어서가장중요한요소중에하나라고할수있다. 따라서본연구에서는 Type E와같이일정한배관의끝부분이수면에

173 닿을정도로노출시키므로써유입되는공기압력, 공기량에상관없이각각의배관을통하여일정량의공기가상향이동하도록되어있다. 다만, 설치과정에서산기장치자체가수평으로유지되어야한다. 본장치에의해서실험한결과전체공간에공기를고르게분배시킬수있었다. 나. 상등수배출장치의개발침전또는농축공정에서슬러지와분리된상징수를배출하는상등수배출장치 ( 디켄터 ) 는승강방법으로부유식과기계식그리고승강기능이없는고정식이있으며, 다음과같은기본적인특징을가져야한다. 1 침전분리된슬러지를교란시키지않으면서, 정량을배출할수있을것 2 분리된청징한처리수를얻기위해, 수면근처에집수기구를설치하며, 상징수가배출됨에따라수위변동할때, 이를따라서배출할수있을것 3 배출및배출정지의작동이원활하게이루어지고, 오작동이나동작불량이없이내구성을가질것 부유식은수면에부상한상태에서수위에따라승강함에따라배출장치의승강은수위에의하여결정한다. 일반적으로배출장치의승강이수위에의해자동적으로조정되므로기구의간소화가이루어지는반면, 배출유량의설정및배출기능에영향을주는집수부의끝부분등에충분히주의를할필요가있다. 기계식은집수부의승강을기계를사용하여강제적으로수행하는방식으로, 배수유량과수위는집수부의승강속도에따라결정된다. 때문에배출과수위제어는확실히이루어지지만, 승강을위해동력을필요로하고, 처리메카니즘이복잡하다. 또한, 배출개시수위와정지수위는수위계에의한제어도검토할필요가있다. 고정식은가장간단한메카니즘으로될수있지만, 수위에따라배출유량이변동하므로집수부를복수단으로하여야하고, 유출비가작은시설에사용하는것이좋다. 고정식은비상시배출장치로서적합한방법이다. 처리수의배출방법은, 반응조의유출수위와방류점의수위간에수위차가충분히큰경우에는자연유하방식의채용이가능하며, 수위차가크지않은경우에는, 펌프에의한강제적인배출방식을사용한다

174 디켄터의배출유량제어에는다음의방식이있다. 1 전동밸브의개폐에의한방법 2 기계적인승강메카니즘에의한방법 3 부력조정에의한방법 4 사이펀및사이펌브레이커에의한방법 5 펌프에의한방법 집수메카니즘에는집수관에의한방법과웨어및월류관에의한방법이있지만, 집수부가수중에있게되는경우에는, 혼합액의혼입을피하기위해서초기배출수의분리를고려할필요가있다. 배출장치의성능과관련하여, 슬러지계면상의최소수심은, 슬러지가따라올라오는것을방지한다는점에서중요한항목이된다. 기능상가능하면수심을낮게하는것이바람직하다. 슬러지침전공정상스컴이축적되기쉽기때문에, 스컴의제거대책이필요하다. 반응공정종료전 5~10 분간소포수를살포하여스컴을침전시키는방법, 스컴제거기및부유식펌프등에의해강제적으로스컴을제거하는방법등이있다. ( 가 ) 상등수배출장치의효율슬러지호기성소화는 G하수종말처리시설의 1,2 차슬러지를이용하였다. G하수종말처리시설의경우과거에는 1차슬러지와 2차슬러지를농축혼합하여혐기성소화후탈수처리하였으나, 2차슬러지를혼합하여혐기성소화할경우혐기성소화효율이낮아지는경향이있어 1차슬러지와 2차슬러지를각각농축하여 1차슬러지농축액만혐기성소화한후혐기성소화슬러지와 2차슬러지농축액을혼합하여탈수처리하고있다. 실험에사용된 1차슬러지는 1차슬러지농축조에서, 2차슬러지는침전조반송슬러지저류조에저장된슬러지를사용하였다. 디켄터를이용한슬러지농축실험은 2차슬러지를대상으로실시하였다. 실험은 2m 3 의농축조에 2차슬러지를채운후수면상부에디켄터를설치하여, 침전후상등수를배출하는역할을수행하게했다. 이때슬러지의농축은연속회분식으로진행되었으며, 침전시간은 4시간이상으로하되일정한시간을정해놓지는않았다

175 1 차슬러지 농축조 2 차슬러지 농축조 혐기성소화 탈수 G 하수처리장과거슬러지처리공정 1 차슬러지농축조 혐기성소화 탈수 2 차슬러지 농축조 G 하수처리장현재슬러지처리공정 Fig G 하수처리장슬러지처리공정 Fig 는슬러지의농축을위해고안된상등수배출장치 ( 디켄터 ) 를촬영한것이고, 이의계략도는 Fig 에나타내었다. 상등수배출장치는공기와수면간에발생하는표면장력을이용하여상징액과고형물을효과적이고안정적으로분리할수있도록고안되었으며, 고정식이아닌수면의증 / 감에따라자유롭게이동할수있도록부상식으로제작되었다. 또한최하단상등수유입구의면적을크게하여이동하는액체의이동선속도를감소시킴으로써펌프의흡입력에의한고형물유출을감소시킬수있도록설계되었다. 표면장력을이용하여상등수를배출하게함으로써침전조, 농축조의슬러지계면을최대한유지할수있어침전조, 농축조의실제유효용량을증가시키는효과를기대할수있으며상등수유입구가수면보다낮게설계되어침전지나농축조에서발생하는스컴의영향을최대한배제시킬수있다. 스컴제거에관한사항은실제적용시스컴제거기를사용하여발생하는스컴을충분히제거할수있다

176 Fig 표면장력을이용한상등수배출장치 수면 OUT 수면 Air IN Air Air Air Fig 표면장력을이용한상등수배출장치의개략도

177 2차침전조에서발생하는반송슬러지를대상으로디켄터를이용하여슬러지를농축한결과는다음과같다. 실험에사용된 2차반송슬러지 TS농도는평균 9,192mg/L, 최소 5,240mg/l, 최대12,580mg/L 로일반적으로알려진반송슬러지의농도 6,000~8,000mg/L 보다높았다. 이는실제 G하수처리장농축조로유입되기전저류조에있는것을사용하였기때문에슬러지저류조에서약간의농축이일어난것으로판단된다. 디켄터를사용할경우 2차슬러지를 19,470~43,950mg/L, 평균 331% 농축할수있는것으로나타났다. 이때농축조의높이 (H=117cm) 대비슬러지계면의평균높이 (42cm) 는 36% 로, 상등액이존재하는공간의비가 64% 임을알수있었다. 실제실험에서디켄터는슬러지계면의높이보다 10~20cm 위까지수직이동하여상등수를배출하였음을감안할때, 디켄터를활용하여상등수를배출할경우, 침전조나농축조를 30% 이상더활용할수있을것으로판단된다. 배출된상등액의 TS를분석한결과는 Table 3-20 과같으며, 평균 188mg/L 의 TS가반류될것으로나타났으나, 발생되는반류수의양이하수유입수대비 1~3% 이하이므로하수처리에커다란영향을끼치지못하는수준이다. Table 슬러지농축실험결과 구 분 TS 농도 (mg/l) 최대최소평균 2 차슬러지 12,580 5,240 9,192 농축슬러지 43,950 19,470 30,426 %

178 농축슬러지 2 차반송슬러지 TS(mg/L) Time(day) Fig 디켄터를이용한 2 차슬러지의농축 TS(mg/L) Time(day) Fig 디켄터로배출되는상등수의 TS 농도

179 제 3 절오존접촉장치의개발 1. 오존산화이론 오존처리는수처리공정에있어서살균, 색이나이취미의제거, 유기물의산화 분해, 철이나망간의제거, 미립자플로그화의조성등각종의목적으로이용되고있다. 이는오존의강력한산화력과 THM 생성능에대한대책, 탈색, 이취제거등의부수적인효과도있기때문에정수장의살균및유기물제거를위한고도처리외에하 폐수처리분야에서도오존의사용이적극검토되고있는추세이다. 오존은산소의불안정한동위체로서분자식 O 3 으로표시되며그구조는 Fig 에나타낸바와같이결합각도 116.8, O-O 결합거리 1.278A 을가지고있고 4개의혼성체로되어있다. 물리적성질은 Table 3-21 과같으며, 일반적으로무색의기체로자극적인냄새 ( 공기중에는 0.01~0.1ppm 정도도냄새를느낌 ) 를가지고있고공기또는산소와혼합되어농도가희박한상태로존재하고있다. O 1.278A ( 결합거리 ) O ( 결합각도 ) O O + O + O O O O O O O + O O O + Fig 오존분자의구조

180 Table 오존의물리정수 Measured value: Unit Ozone Molecular Mass 48 Boiling Point Ion Potential ev 12.8 Electron Affinity ev 1.9~2.7 Dielectric Constant(Gas 0 ) (Liquid -183 ) 4.73 Mol Volume Nm 3 /kmol 21.6 Density : Gas Liquid(Tempature) Solid(Tempature) kg/nm 3 kg/l( ) kg/l( ) (-183) 1.728(-196) Final Boiling Point -112 Heat of Vaporization kj/g 316 Heat of Formation kj/mol 144 Heat of Dissolution kj/mol 15.3 Critical Points Pressure Tempature Density Volume bar kg/l 1/Mol Triple Point Tempature -252 Melting Point -192 Surface Tension dyne/cm 38.4 at Tempature -183 Viscosity -183 cp cp 4.2 Magn. Susceptibility Gas Liquid Dipole Moment cgs cgs Debye

181 수처리에적용되는오존의그이용범위는아래 Table 3-22 와같으며, 수처리분야에서의오존이용은앞으로도널리이용될것으로사료되나, 동시에오존처리에갖는의문점, 예를들면경제성문제와반응생성물의위험성, 오존가스자체의독성과취급의어려움등에대한연구가뒷받침되어야할것이다. Table 수처리에서오존이용 적용분야오존의효과비고 상수도분야오수처리폐수처리분뇨처리산업에의이용공장용수 소독 맛 냄새의제거, 응집침전효율향상, 발암뭎질생성억제, 미량유기물제거 BOD COD 제거및탈색, 냄세제거 BOD COD 제거와탈색 NBDCOD, BOD의 BDCOD BOD화 CN 등독성물질의초기산화고도처리탈취작용, BOD COD 제거용탈색 P.E 접착성강화용펄프 제지의표백의약품제조 화학공업냉각탑살균지하수이용시 Fe, Mn 제거, 소독, 탈취 초대형 대형오존발생장치시설이대부분이며현재까지거의수입품이주류임 년까지전국에약 80% 설치예정처리결과가양호하며색도의처리로주민의민원유발이거의없다. 중 대형장치가많으며오존처리시경제성이타처리공법에비해뛰어나지않다. 탈취용사용이 250g/hr 이하의소형이며수처리용도탈색에이용시효과가높다. 주사바늘의접착성강화로바늘의탈착방지초대형오존발생장치가이용되며 1,500kg/hr 용량도있다. 산화용도이며부패방지용도도잇다. 재활용용수의처리에적합하며, 대형건물의중수도처리등에적합하다

182 가. 오존의분해메카니즘 Hoigne 등은수중에서의용해성유기물과오존의반응은 1오존에의한직접반응과 2오존을분해하여생성하는 OH 라디칼에의한간접반응의 2가지가있다고주장한다 (Fig 참조 ). 오존의직접반응은유기물과오존분자가직접반응하여일차중간생성물을형성시키고일차중간생성물질들은다시오존과느리게반응하여다른산화생성물또는최종생성물로전환한다. 이러한반응은 ph조건에크게좌우되며직접반응은오존의자기분해가일어나지않는산성영역에서일어나고, 간접반응은한계 ph값위에서유기물과반응에앞서자기분해가된다. 이때생성된 OH 라디칼 (Radical) 과같은오존분해중간생성체가중요한산화제가되어유기물과반응한다. 보통폐수처리에오존의이용은오존의간접반응의결과로 OH 라디칼을다량생성시켜유기물및기타오염물을감소시키는원리로사용된다. O 3 M M OXID M M + H + - O 3 O2 - O 2 HO 2- ROO R M OXID HO 3+ OH O 2 M Fig 오존분해메카니즘

183 (1) 직접반응 오존분자는공명구조를가지고있어쌍극자, 친전자체, 친핵체로작용한다. ( 가 ) Cyclo addition(criegee mechanism) 쌍극자구조의특성으로인하여오존분자는불포화결합에 1~3 쌍극자고리결합을하여 1차적인 ozonide(Ⅰ) 가형성된다. 특히, 물속에서는알데히드또는케톤과같은카르보닐화합물이외에 zwittion(Ⅱ) 이형성되고이는바로 hydroxy-hydropoxide(Ⅲ) 로전환된후카르보닐화합물과 hydrogen poxide로분해된다. ( 나 ) 친전자체반응 (Electrophilic reaction) 친전자체반응은방향족고리에서전자밀도가높은 OH, NH 3 치환기를가진탄소의 ortho, para 위치에서잘일어난다. 그러나 COOH, NO 2 와같이전자밀도가낮은치환기를가진방향족은낮은반응성을보이며, 비활성정도가가장낮은 meta 위치에서일어난다. 이러한오존의친전자적반응으로페놀이나아닐린과반응을일으킨다. ( 다 ) 친핵체반응 (Nucleophilic reaction) 친핵체반응은주로전자결함을가지고있는분자와반응한다. 이상과같이분자상태에서의오존반응은아주선택적이며, 불포화방향족이나지방족, 그리고, 특정작용기와강하게반응한다

184 (2) 간접반응 용존오존은 ph, UV, 오존농도, radical scaveng 에의하여많은영향을받는다. ( 가 ) Hoigne, Staehel and bad mechanism 오존분해반응은개시단계 (1, 2), 전개단계 (3~7), chain breakdown 단계 (8, 9) 로 나누어진다. 1 O 3 + OH - HO 2 + O2-2 HO 2 O H + 3 O 3 + O 2 - O O O 2 4 O H + HO 3 5 HO 3 OH - + O 2 6 OH - + O 3 HO 4 7 HO 4 OH + O 2 8 HO 4 + HO 4 H 2 O 2 + 2O 3 9 HO 4 + HO 3 H 2 O 2 + O 3 + O 2 오존분해메타니즘의전체형태중, 개시반응에서는전자한개가 hydroxide ion 에 서오존으로이동하였다. O 3 + OH - O HO 2 최근에는두개의전자또는산소원자가오존에서 hydroxide ion 으로이동하는메카 니즘이 Gordon, Tomiyasu and Fukutomi 에의하여제안되었다

185 ( 나 ) Gordon, Tomiyasu and Fukutomi mechanism 여기서는 Hoigne 의메카니즘과는달리두중간생성물인 HO 3 와 HO 4 가제안되지않 았다. 1 O 3 + OH - HO 2 + O 2-2 HO O 3 O HO 2 3 HO 2 + OH - O H 2 O 4 O O 3 O O 2 5 O H 2 O OH + O 2 + OH - 6 O OH O HO 2 7 O OH O 3 + OH - 8 OH + O 3 HO 2 + O 2 9 OH + CO 2 OH- + CO 3-10 CO O 3 products (CO 2 + O 2 - +O 2 ) 이상의두메카니즘에서오존이분해되는과정으로생성된많은중간물질들은다른 물질과의강한반응성을나타내며수중의오염물질을산화시킨다. 나. 오존의물에대한용해성하부에서상부로진행하는오존가스의기포에서물로오존물질전달이이루어지는것은가스의체류시간에따라서가스상의오존농도가감소되는것으로해석할수있다. 이때물질전달을좌우하는오존물질전달상수 (Ozone mas s transfer coefficient, k L ) 은셔우드상수 (Sherwood number) 와기포의크기에의해서결정된다. 셔우드상수는연관된경험식에의해서계산될수있고따라서상승하는가스상의오존농도와접촉하는물속으로전달되는오존농도는유동해석결과를바탕으로계산될수있다. 따라서오존

186 물질전달을해석하기위해서도가스와물이교반될때단위체적을가지는가스의상승경로와시간을알기위해서가스의유동을좌우하는물의유동을파악하는것이첫단계이다. 단위체적을가지는물의체류시간경과에따른오존농도의감소는오존분해속도 (k c ) 에의해서산출될수있으며다음과같이농도 C의오존이 n 차의 order 로분해된다면오존분해속도 (k c ) 는다음과같이나타낼수있다 (3-46) 오존의물질거동을파악하기위해서는물질수지식을통하여접근하는데접촉조의해석을위해서는다음과같은몇가지가정이전제되었을때에만물질수지식이성립될수있다. 오존접촉조내에서 steady-state 한교반과흐름이일어나고액상에서만확산이일어나며 two film theory 에기초한다면다음과같이물질수지식을세울수가있다. 단위가배제된 (dimensionless) 일차원체류시간 z에따른물에서의오존농도 c와가스상에서의오존농도 y/m의변화는다음의두식으로정리될수있다. ± (3-47) (3-48) c : ozone concentration in liquid phase(mg/l) y : ozone concentration in gas phase(mg/l) N L : k L a/ U L (dimensionless) N D : k c a/ U L (dimensionless) S : mu G / U L (dimensionless) m : Henry' s law constant(dimensionless) U G : Q G / A apparent gas welocity(cm/min) Q G : gas flow rate(cm 3 /min)

187 여기서오존물질전달상수 (Ozone mass transfer coefficient, k L ) 은오존기포의크기, 셔우드상수 (sherwood number), 오존의확산계수 (diffusion coefficient) 에따라서계산 될수있는데다음과같이나타낼수있다 (3-49) Sh : Sherwood number(dimensionless) D L : the diffusivity of ozone in water(cm 2 /min) d B : the average bubble diameter(cm) 여기서셔우드상수 (Sh) 는다음과같이기포상승속도에따라서달라지는경험식에 의해계산될수있다. --- (3-50) Re G : d B V B / v L, gas-phase Reynolds number(dimens ionless) Sc L : v L / D L, liquid-phase Schmidt number(dimens ionless) V B : bubble rise velocity(cm/min) g : gravitational constant(cm/min 2 ) v L : water kinetic viscosity(cm 2 /min) 평균적인기포의크기 d B 는 diffuser 기공의크기와가스풍량에의해서나타낼수있 는다음과같은경험식을통해계산될수있다 (3-51) 가스기포의상승속도 V B 는기포의크기가 1.8~4mm 의미세기포라고가정할때, 다 음과같은경험식으로역시정리될수있다

188 (3-52) μ : the water viscosity(cp) 기포의표면적 (a) 는기포크기와기포상승속도그리고가스풍량, 물의유량에의해서 다음과같이경험식으로정리된다 (3-53) 또한오존의 Henry' s law constant(m) 은다음과같이온도에따른경험식에서구할 수가있다. log (3-54) log (3-55) 식 3-50~55 까지의경험식들을역순으로계산하여식 3-49 의오존물질전달상수 (K L ) 을계산하고, 이물질전달상수값을바탕으로식 3-47 과 48의물질수지식에대입하면가스상과액체상에서오존농도를연속적으로계산할수있고, 교반효과에의해서오존이물로전달되고오존접촉시간에따라서오존농도가변하는것을예측할수있다. 오존이물에용해하는속도는기포중에오존농도를높이고, 기체-물접촉의비교환면적 ( 임의체적의기체에대한총표면적 ) 의증가에의해향상시킬수있다. 기체의비교환면적을증가시키기위해서는기포의직경을가능한작게공급하는방법과기포의직경을고정하고오존농도를높여총괄면적 a를감소시키는방법이있다. 그러나후자는최적량의오존농도가존재하므로, 그농도를넘는오존의용해속도는저하될수있다. 여기서최적량의오존농도이상으로오존의용해속도를높이기위해서는압력 P를증가시키거나, 수온을낮춰기체의용해속도를높이는방법을사용할수있다. 분배계수 m은수온의함수로 10 에서 0.37, 20 에서 0.21, 30 에서 0.14 로급속하게저하되므

189 로, 저온일때기체의용해속도는증가하게된다. 이와같이평형상태에서수중에용해 가능한오존의최대량은압력, 온도및공기중의오존농도의함수로써변화한다. 다. 오존의응용상수원및폐수에포함되어있는유기성과무기성의오염물질들을오존의강력한산화력을이용하여처리하기위한많은응용기술이개발되고있다. 초기의오존사용은살균만을이용한것이었으나, 최근에는생물학적처리공정과병합하거나, 조류, 중금속, 시안및질화물제거그리고상수소독에서염소처리에서생성되는독성물질인 THM (Trihalomethane) 을방지하기위하여도입되고있다. (1) 박테리아살균최근음용수에서소독에대한중요성이특히강조되고있는추세이다. 오존은염소, 이산화염소등으로살균되지않는균종에대해서도살균효과가비교적뛰어나며, 최근이에대한탁월성이크게입증된바있다. 프랑스에서처음사용된오존은오염된물속에존재하는박테리아를제거하기위한소독의목적으로사용되었다. 우리나라에서도특히하수나축산폐수가상수원수로유입이가능한하천특성을가지므로, Cryptosporidium 과같은병원성미생물이음용수원에존재할가능성을충분히내포하고있다. Cryptosporidium 을 99% 불활성화 (inactivation ) 시키기위한염소와오존의살균력을비교할때염소의경우잔류염소를 0.2 ppm으로유지할경우 600 시간의장기접촉시간이소요되며, 오존의경우잔류오존 0.2 ppm으로약 15분의접촉시간이소요된다. O Donovan 은정수처리에서박테리아를제거하기위하여필요한오존주입량은 1.5~2mg/L 이며, 물속에용존해있는무기물이나유기물의농도가높을경우에는이보다높은양의오존농도가필요하다고발표한바있다. 또한 Nobel 은일정량의오존이소모된후에야미생물살균이진행된다고하였으며, 초기오존의소모는수중에존재하는유기물에기인한다고하였다. 유기물이산화되는동안에살균속도가 0은아니지만매우늦다고하였고일단초기오존소모가끝나면살균은급속도로진행된다고하였다. 초기용존유기물량이초기미생물량보다오존주입량에훨씬더큰영향을미친다고보고하였다. 박테리아제거를위한오존의사용은온도의제약이없고, 낮은농도의오존주입시는조금더긴접촉시간을요구한다. 그러나오존은잔류성이없으므로관로에서의미

190 생물이재성장할가능성이있으므로염소나이산화염소를투여하여박테리아의성장을 제어하여야한다. Table 오존과염소의소독력에대한상대적비교 소독제 Fecal coil A moeba cyst Virus Cyst O HOCl as Cl OCl-as Cl <0.02 <0.005 NH 2 Cl as Cl Table 미생물을 99% 살균하는데소요된오존의농도와접촉시간 미생물종류 ph 온도 ( ) E. coil M.fortunium Coxsackievirus (Ag) Polio 1 농도 (C) (mg/l) 접촉시간 (t) (min) C t (mg-min)/l Polio G. lamblia G. muris N. gruberi E. histolytica

191 (2) 색도및이취미물질의제거일반적으로음용수의색도는휴믹산과같은 NOM(natural organic matt) 의분해에기인하며, NOM과같은물질에포함되어있는이중결합과단일결합이교대로있는불포화구조로인하여생성된다. 오존은반응성이큰이중결합과반응하여탄소와탄소의결합을끊어버리고케톤, 알데히드, 산으로바꿔버려물속의색도를제거하게된다. 이렇게오존은유기물질을완전히산화시켜이산화탄소와물로전환시키는것이아니고, 분자량이작고생분해성이높은유기물로바꾼다. 염색공장에서배출되는폐수에포함된염료는 NOM과같은구조를가지고있는고리모양을하고있다. 이구조는오존과같은강력한산화제에의하여용존유기물로변화된다. 원수중의맛, 냄새의원인, 물질로서는조류의분비물에의한흙냄새, 곰팡이냄새, 생선냄새가대표적인것으로알려져있는데다, 보통 5가지즉 Geosmin, TCA, IPMP, IBMP, 2-MIB(2-methylisoborneol) 로분류하고있다. 오존의산화효과는 ClO 2, KMnO 4 등맛과냄새를유발하는저분자유기화합물의제거에효과적인것으로알려져있다. Hoigne 등은잔류오존농도를 0.5mg/l 이라가정했을때, 대부분의맛, 냄새물질이산화분해되는데걸리는시간이 10분이내라고실험결과를제안한바있다. (3) 유기물의산화수중에존재하는유기물은입자성물질 (SS, suspended solid) 과용존유기물 (DOC, dissolved organic carbon) 로나누어진다. 하천수에포함된용존유기물의대부분은 amino acids, fulvic acid, carbohydrates 등의 NOM이나 aromatics, aliphatic hydrocarbon, 페놀, 농약성분등의물질로나누어진다. 일반적으로할로겐화물질들은오존을이용한산화가힘든반면, 페놀유도체는 OH라디칼이높은전자밀도를갖고있기때문에오존과반응이잘일어나며, 특히 ortho, para 위치의탄소를친전자체공격에의해메카니즘이시작된다. 페놀을 CO 2 나물로완전산화시키는데높은농도의오존이요구되나, 부분적으로산화시키기위해서는낮은농도로도충분하다. Eisenhau 은오존을 30분간접촉시켜페놀을제거하였으며, catechol, hydroquinone, p-quinone, cis-muconic acid가생성되었다고발표했다. 페놀 1mol에대하여 1.5mol 의오존을투입하였을경우 CO 2 생성은없었으며, 오존 4mol 을투여하였을경우페놀이 CO 2 로조금생성되었다

192 일반하수에많이포함되어있는세척제성분은 linear alkyl sulfonates, linear alkylbenzene sulfonates, aliphatic quatnary amino compound 로구성되어있으며, 주로 linear alkyl sulfonates 와 linear alkylbenzene sulfonates 가많이사용된다. Gilbt는술폰산을가진화합물이그렇지않은화합물에비해오존의산화가어려우며, ph가 3~7 인경우오존 1kg은 1.2 kg의 COD를제거할수있다고하였다. 이런세척제성분은오존접촉조에서생기는많은거품을통하여쉽게인지할수있다. 농약성분은종류에따라오존과의반응성이많은차이를보인다. phosalone 나 aldrin 은낮은농도의오존에쉽게산화되는반면, dieldrin, cholrdane, lindane, DDT, PCBs, PCP, endosulfan 은별다른영향을받지않는다. 농약성분중에일부는오존을통하여산화된부산물이더욱안정되고독성이강한물질로변환되기도한다. (4) 생물학적공정의전처리기술오랜기간동안사용한응집침전이나산화공정만으로는용존유기물의제거에한계를지니게되자생물학적공정을이용하기시작하였다. 일반적으로오존에의해산화된유기물은분자량이작고극성이높은물질로서보다생물학적분해가빠른물질이기때문에미생물의대사작용에쉽게이용될수있다. 호기성미생물로인하여유기물을제거하는데있어필수조건인높은농도의용존산소량을유지할수있도록분해된오존은산소로전환된다. 특히암모니아성질소는농도가높은지역에서는생물학적처리를통한질산화 (nitrification) 공정이필수적이다. 이질산화공정에서는상당한양의산소가전자수용체 (electron acceptor) 로작용하게되고산소양이불충분할경우인체에유독한아질산이온이생성되게된다. 이렇게호기성생물공정에서의산소양은대단히중요한변수이므로, 오존은용존산소를높이기에충분한기술이라할수있다. 프랑스근교의 Choisyle-Roi, My-sur-Oise Neuilly-sur-Marine 정수장에서는모래여과, anthracite 여과, GAC여과에앞서오존처리공정을도입하고있으며, 각여과재에서높은활성의미생물이성장하고있음이밝혀졌다. 프랑스의 Rouen-la-Chapelle 정수장이나독일의 Dohne 정수장에서는활성탄에의한흡착과활성탄에부착된미생물에의한동시처리목적으로사용하고있는생물학적활성탄 (BAC) 를오존과연계하여사용하고있다

193 2. 오존접촉반응장치 오존접촉반응장치는그효율에따라서전체 System 의오존사용량, 접촉시간, 반응조의체적, 배오존처리장치의사양등주요사양들이결정됨으로가장핵심적인장치라할수있다. 따라서오존의용해효율, 반응시간, 살균처리의안정성, 유기물제어등을충분히고려하여효과적인 System 을선정하는것이가장중요하다. 일반적인오존접촉반응장치및용해방식으로기포통, 기계교반식접촉탑, 벤추리 인젝터, 가압식인젝터등의방식이사용되고있다. 기포통방식 의경우통상 3~3.5m 높이의접촉통바닥에서세라믹제 ( 투과율 20~ 60) 또는오존내성플라식틱제등의산기판을통하여오존을포함한가스가공급된다. 기포는통상 3~6 mm정도의지름을가지며, 20~25 cm /sec 속도에서수면까지상승하며, 하향류식또는상향류식으로운전된다. 이방식은소량에서부터대량에이르기까지대부분의오존처리적용목적에이용할수있어, 오존을이용한수처리에가장일반적으로이용되는방법이다. 기계교반식접촉탑 은완전혼합형의조작으로, 해석이용이하기때문에실험실규모나 Pilot Plant 규모에서의오존처리에주로이용되고있다. 이접촉조에서는기포를장기간수중에체류시킬수있어서효율적이고, 조작상의융통성도높지만기계교반을위한에너지소모와완전혼합특성때문에실규모오존처리에그다지이용되고있지않다. 벤츄리 인젝터방식 은펌프에의해압력이걸린상태에서처리대상수를벤츄리관에통과시키면부압이일어나기 / 액혼합상태에서접촉조에송압하는장치이다. 오존이동효율은비교적좋지만에너지소비량이많고, 기 / 액비의조작범위가작다. 가압식인젝터방식의접촉조 는 6~12 psig(pounds per square inch) 정도의압력에서오존가스를불어넣어기 / 액간의용해및반응속도를향상시키는방식으로벤츄리 인젝터방식의접촉조와같이페놀이나시안등오존과의반응속도가빠른물질을함유하는배수처리에효과적이고, 처리수의살균에도좋은효율을가지고있다. 그러나본방식에서는처리대상의가압에많은에너지를필요로하는단점이있다. 그밖에오존용해효율을높이기위해서스타틱 믹서가고안되고있다. 이장치는수류에의의해서운반되는오존함유기포를스타틱 믹서에의해분단하여보다작은기포로하여기 / 액접촉면적을증가시키는것이다

194 O.D 원수 오존발생 인젝터 원수 처리수 가압펌프 처리수 Diffuser 오존발생기 POROUS DIFFUSER INJECTOR 원수 원수 Mass Transfering 장치 O.D 처리수 오존발생기 처리수 오존발생기 RADIAL DIFFUSER OZONE DYNAMIC REACTOR Fig 오존접촉용해방식

195 가. 실험장치개요본실험에사용된실험장치는오존발생기 (AT-A 1001, 국내 ), 산소탱크, Chiller, 아크릴재질의반응기 (ER-2) 로구성하였으며, 오존발생을위한주입가스는순도 99.9% 이상의순산소를사용하였다. ER-2 반응장치의사양및특징으로직경 150mm, 높이 3,000mm (1,000mm/ 단 - 총3 단 ) 으로총용량은 53L( 유효용적 39.7L) 이다. 각단에오존가스와대상수의수회접촉을유도하기위하여내부순환펌프를설치하였고펌프토출라인에는나선형노즐 (Spiral Nozzle) 을부착하여각단의수표면층에난류 (turbulence) 와작은미세기포를형성시켜기 / 액접촉을원활하게하였다. 각단별기 / 액층 (gas-liquid) 용적비율은 1:3 으로기층은오존 gas를 Holdup 시켜줌으로써접촉조내에서긴체류시간으로대부분의오존을소모되도록유도하였다. 반응기내부에두개의유체유동관을설치하였으며각각의사양은 Ø40mm H700 mm으로액체의흐름을유도하는관이고 Ø10mm H250mm 로기체의흐름을유도하는관으로연속적인유체의흐름을유도하였다. Fig 는오존발생기의성능을나타낸것으로써오존유량 (Flow rate) 에따른오존량 (g/hr) 과오존농도 (g/m 3 ) 의변화를나타낸그래프이다 O zone output (g/hr) O zone Conc. (g/m 3 ) 5 Ozone Conc. Ozone out put with oxygen Ozone Flow rate (L/min) Fig 오존유량에따른오존량및농도변화

196 나. 실증 pilot test를통한반응기설계 ER-2는오존의용해율을높이고배오존의외부유출을최소화하기위하여설계된장치로서, 초기에계획했던원리와는차이가없지만 pilot test 를통하여발생된문제점에대한대처과정에서반응기내부구조를변경하여성능을개선하였다. Fig 은 ER-2의내부구조의변화를나타낸것으로, 각각의관 (pipe) 의사양은 Type A는 Ø20mm H50mm 2ea, Type B는 Ø7mm H50mm( 노즐길이 ) 2ea 로분사각이 120 인 Spiral Nozzle, Type C는 Ø7mm H50mm Spiral Nozzle 과내부유출흐름관 Ø40mm H700mm, Ø10mm H250mm 을나타낸그림이다. [Type A] [Type B] [Type C] Fig ER-2 장치의내부구조 Type A는각단기층에일부존재하는오존가스를용해시키지못하는단점을가지고있다. 이는간단한 batch test 를통하여기층의오존소모시간을통해확인할수있었다. 오존량 5L/min(0.4gO 3 ) 을기체공간내에 1분간주입한후오존소모시간을측정한결과약 25분이지난후에오존이소모되는것으로나타났다. 이는오존가스를 holdup 시키는데에는효과적이였으나기체공간내에존재하는오존가스를용해시키는데에는오랜시간이걸려한계성을드러내었다. 이를개선하기위한방법으로분사각이 120 인 Spiral Nozzle 을부착시켜같은방법으로오존소모시간을 test 한결과 12~13 분사이에기층에존재하는오존이모두소모되는것을확인할수있었다. 이는노즐에의해분사되는과정에서기체공간내에존재하는가스를회전류에의하여보다빨리용해시키는결과라판단되며, 또한 Type A 형태보다기 액접촉면을크게하는미세기포가많이

197 형성되어용해율을증가시키는효과를나타난것으로추정된다. Type C 는 Type A, B 의구조에서의실험결과를토대로적절하게조합하여원활한유체의흐름과가스의용 해율을증대시키기위한최종적인형태의구조를나타낸것이다. 다. 오존량에따른처리성능최적화실험본실험은오존량에따른 ER-2의성능을최적화하기위한기초실험으로총 3가지 test를수행하였다. Test Ⅰ은오존주입률 ( 오존량 / 처리대상수 ) 에따른대장균군처리성능을비교하였고, Test Ⅱ는 Test Ⅰ에서도출된값을이용하여연속운전을수행하였으며, Test Ⅲ는하수처리장에유입되는초과유입수및초기강우의대처방안으로오존처리공정의적용성여부에대하여간단한 test를수행하였다. 각각의실험조건은다음과같다. 1 Test Ⅰ 오존주입률 2, 3, 6, 9g/m 3 대한각각의대장균군처리성능평가실험 대상시료 : 하수처리장방류수 접촉시간 (Contact time) : 2min 2 Test Ⅱ 오존주입률 3g/m 3 에서연속운전실험 대상시료 : 하수처리장방류수 접촉시간 : 2min 3 Test Ⅲ 초과유입수및초기강우의오존처리공정의적용성실험 대상시료 : 1 차침전조월류수 접촉시간 : 15min. 활성탄조 : Ø150mm H1m ( 체류시간 10 분 )

198 실험대상유입수는 G 하수처리장 의 1차침전조월류수와 2차침전조상등수 ( 방류수 ) 를사용하였다. Table 3-25 는유입수성상에대한분석자료로방류수는 2차침전조상등수를 pumping하는과정에서침전조기벽에부착되어있는고형물이약간포함되어나타난것으로일반하수처리장의방류수수질보다높은값을나타냈다. 항목별수질분석은 Table 3-26 과같이 Standard Method와환경오염공정시험법을토대로분석하였다. Table 대상시료유입수성상 Item Range A verage BOD ~39mg/L 64.3~85mg/L* 33.1mg/L 74.7mg/L* COD Cr 40~ mg/L COD Mn 15.5~22.5mg/L 35~67.4mg/L* 19mg/L 51.2mg/L* TOC 8.8~15.8mg/L 12.3 SS 21~35.5mg/L 68~75.6mg/L* 56.5mg/L 71.8mg/L* E. Coli. 4,500~6,750ea/mL 5,625ea/mL * 하수처리장 1 차침전조월류수그외방류수임. Table 수질분석방법 항목 BOD 5 COD Cr COD Mn TOC 분석방법및기기 5201B, 5-Day BOD Test, YSI 58 DO-met 5220C, Closed ReFlux, Titrimetric Method 수질오염공정시험방법, 0.025N KMnO 4 적정법 TOC-5000A (SHIMADZU) SS 2540D, Total Suspended Solidsied at 103~105 E. Coli. 수질오염공정시험방법, 최적확수시험법

199 라. 실험결과 Test Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 실험에앞서하수방류수를이용한 Batch test 를통해대장균의제거율을살펴보았다. 문헌을통해기존접촉조의성능과 ER-2의성능을살펴보고타업체에서운전중인플랜트와비교해본결과같은양에오존을주입하였을때대장균제거율이 ER-2에서더높은것으로나타났다 ( 기존장치보다용해율이높음을입증 ). 따라서본연구에서계획했던소독의처리성능과함께소비된오존량 (g) 에따른유기물제거량을검토하여유기물대비필요오존량을산정한값으로각각의 Test를수행하였다. (1) 오존주입률에따른처리성능비교결과하수처리장방류수를대상으로오존주입률 2, 3, 6, 9g/m 3 에각각의실험결과초기대장균군 3,750ea/mL 에서각각 367, 0, 0, 0ea/mL 로주입률 2g/m 3 을제외한나머지주입률에서는 100% 의제거율을나타내었다 (Fig. 3-71). 이는일반적인하수처리유출수살균시오존주입률 8~10g/m 3 과접촉시간이약 10분이라는점에서비교하였을때, 간접적으로기존오존접촉조에비하여오존용해율및분해속도가수배빠른것으로예측할수있었고오존량은약 2.5배, 반응기용적은 4배정도감소시킬수있는것을확인할수있었다. 또한 Fig 는처리전 후의사진을나타낸것으로써육안확인시오존에의한기타오염물 ( 유기물, 색도, SS 등 ) 의제거에도기여하는것으로예측할수있었다. 본실험결과를토대로오존주입률 3g/m 3 에서연속운전을수행하여각각의오염물질실험분석결과를나타내었다

200 Removal E. coli E. Coli (ea/ml) Removal (%) raw w ater Ozone Dose (g/m 3 ) 80 Fig ER-2 장치의오존주입률에따른대장균군의처리효율 Fig 오존처리전 후사진

201 (2) ER-2 연속운전결과오존주입률 3g/m 3 에서연속운전한결과대장균및유기물, SS 제거율에대하여각각 Fig. 3-73~75 에나타내었다. 각각에대한분석결과대장균군은일반정수처리시오존주입률 1.5~2g/m 3 라고한다. 하지만물속에용존해있는무기물이나유기물의농도가높을경우즉, 하수처리방류수와같이 SS성분또는용존된유기물이포함된폐수에서는이보다높은양의오존농도가필요하다고한다. 본실험에서는 99% 이상의대장균군수의처리효율을나타내었다. 유기물은 20~30% 로오존주입률과유기물제거의관계에서도쿄하수도국에서 2차처리수를대상으로실험한결과오존주입율 3, 5, 10g/m 3 으로증가해도 10~30% 정도로제거되는것으로보고된바있다 ( 東京都下水道局, 1989). 이는오존은강한산화제이지만, 그것만으로는유기물이물과탄산가스로의완전한분해가되지는않고실제적인오존처리의조건에서는산생성의단계에서그치는경우가많다는보고된연구논문내용에서언급한바있다 (Joy P. Gilbt E. and Eble S. H. 1980). 유기물제거에대한오존의소비되는값은약 0.2g O 3 consumption/g CODCr removal 로비교적낮은오존소모량이나타났으나앞에서언급한바와같이완전분해의어려움때문에처리효율에한계성을나타내었다. 기타 SS에경우에는 45~ 70% 로대장균군다음으로높은처리효율을나타내었다 Removal E.coli E. coli (ea/ml) Removal (%) raw water Time (hr) 50 Fig ER-2 장치의연속운전에대장균군의처리효율

202 50 50 Removal CODcr Conc CODCr Conc. (mg/l) Removal (%) raw water Time (hr) 0 Fig ER-2 장치의연속운전에 CODCr 의처리효율 Remonval SS Conc. 80 SS Conc. (mg/l) Removal (%) 20 0 raw water Time (hr) 0 Fig ER-2 장치의 SS 의처리효율

203 [ 공공기관분석의뢰결과데이터 ] 외부의뢰기관 : 환경보전협회 오존주입률 : 3g/m 3 Sampling : 환경보전협회관계자참관과동시에채취 분석결과 구분 대장균 BOD COD Mn COD Cr SS 색도 원수 처리수 처리수 제거율 (%) (unit : 대장균 - 대장균수 /100mL, BOD, CODMn, CODCr, SS - mg/l, 색도 - 도 ) * 처리수 1 : 연속운전 30분후 sample 처리수 2 : 연속운전 2시간후 sample 제거율 : 처리수 1과처리수 2의평균값으로나타냄

204

205 (3) 초과유입수및초기강우의오존처리공정의적용성실험결과현재우리나라하수처리장은산업발전과인구증가로인하여다양한오염물질이유입되고있으며, 특히합류식배수시스템을적용한지역에서는강우사상으로인해증가된유량의하수처리장과다유입으로인해기존하수처리장의정상운영의문제점을야기시키고있다. 강우사상으로인한증가된유입유량은고농도의오염물질을포함하고있을뿐만아니라하수처리장의적정처리부하를초과하게되어적절한대안이요구되고있는실정이다. 따라서본실험에서는강우사상으로인해설계유량이상으로증가되어유입되는유량에대해단시간에오염물질을저감시키고자오존처리공정을이용한실험을수행하였다. Fig 은오존주입률에따른 COD Mn 처리효율을나타낸것으로 5g/m 3 의낮은오존농도에서 15% 의처리효율을보인이후주입률이 10g/m 3 씩증가할때마다처리되는증가폭이 2~3% 로낮은처리효율을나타내었다. 이는앞에서언급한것과같이유기물을물과이산화탄소로완전하게분해하기위해서는많은오존량과긴접촉시간이요구되는것으로사료된다. 이러한문제점을개선하기위한방법으로간이적인 test을수행하였다. 활성탄조를이용한연계처리로 Fig 은오존처리, 오존처리후활성탄여과후과정의 COD Mn 농도의변화를나타내었다. 오존처리후 25% 의처리효율이나타났고이후활성탄조를거친방류수는 70% 의개선된수질을나타내었다. 오존처리로고분자의유기물이저분자의유기물로환원되어미세세공을통한활성탄흡착에유리한조건으로만들었기때문에하수방류수수질이하로낮아진것으로판단된다. 이러한결과를토대로분석한결과현재시설에증설을위한소요부지면적이작고, 빠른처리로단시간에집중되는초기강우의대처가가능하며, 초과되는하수처리장의유입수를간단한처리로최종방류수계에오염농도를저감시킬수있다고판단된다. 따라서현재초과유입수및초기강우에대한시급한문제를간단한오존처리공정으로대처하는방안에대한가능성검토가필요할것으로사료된다

206 Removal CODmn Conc. 40 CODMn Conc Removal (%) raw water 5 g/m3 10 g/m3 20 g/m3 30 g/m3 40 g/m3 50 g/m3 0 Fig 오존주입률에따른 1 차침전조월류수의 COD Mn 농도변화 CODMn Conc. (mg/l) Removal (%) 10 Removal CODmn Conc raw w ater Ozone GAC 0 Fig 오존처리후활성탄여과처리효율

207 제 4 절슬러지호기성소화및하수고도화기술개발 1. 이론연구 우리나라폐기물관리법에서는수분함량이 95% 미만이거나고형물함량이 5% 이상인것을 오니 라고명하고있으며 ( 본장의슬러지는오니와같은개념으로표현 ), 슬러지의재자원화측면에서 Biosolids 의개념이확산되고있다. 대형하수처리장의경우서울시는물론전세계적으로가장널리활용되고있는수처리프로세스는표준활성슬러지법이라고할수있는데, 일반적으로다음 Table 3-27 과같은단위공정으로구성되어있으며발생되는슬러지의특성은도시특성에따라차이가있으나, 도시생활하수가주요발생원일경우유입수의성상이일정한범위에있어거의유사한특성을가지고있다. 슬러지는하수처리과정에서발생하는액상부유물질의총칭으로좁은의미로서 1차슬러지, 잉여슬러지, 반송슬러지, 농축슬러지및소화슬러지등이라하고, 넓은의미로는침사, 스크린협잡물및스컴 (scum) 도포함된다. 슬러지처리시설은슬러지중의유기물을무기물로바꾸는생화학적안정화, 병원균을제거하는위생적인안전화, 처리처분대상량을적게하는감량화, 그리고처분의확실성등을목적으로한다. 일반적으로표준활성슬러지법의수처리공정에서발생되는생슬러지와잉여슬러지양은전체유입하수량의약 0.3~1% 정도가발생하며고형물량의 40~90% 가유기물로구성되어있고함수율이 97~99% 로서최종처분하는데는많은문제점이있다. 즉슬러지중에다량포함된유기물은극히불안정하여부패하기쉽고부패시악취발생은물론인체와생물에유해한물질이발생될수있으며위생상의문제를유발시킬수가있다. 또한함수율이높은슬러지는최종처분장으로의운반에많은비용이소요되고또한보다넓은폐기장소를필요로한다. 따라서슬러지는기본적으로안정화와안전화및감량화가필수적인데대부분의하수처리장에있어서소화조에유입되는슬러지의유기물함유율이 40~50% 정도이어서소화에의한감량화효과가적어최종처분하는탈수케이크과소각재발생량이상대적으로크다

208 Table 슬러지종류에따른특성및고형물 슬러지종류특성 고형물농도 (%) 생슬러지 (1 차슬러지 ) 회색, 점착성, 악취가심하다. 4.0 ~ 10.0 잉여슬러지 (2 차슬러지 ) 갈색, 흙냄새가나며, 단독또는생슬러지와 혼합하여소화가가능. 0.8 ~ 2.5 혼합슬러지 생슬러지와잉여슬러지의혼합. 농축전 분배조에서혼합시생성 0.5 ~ 1.5 농축슬러지 생, 잉여, 혼합슬러지를소화시키기전감량시킨 슬러지 2.0 ~ 8.0 소화슬러지 혐기성또는호기성소화처리해서농축 분해된슬러지 ( 대부분혐기성소화 ). 암갈색내지흑갈색으로다량의가스포함. 소화후악취발생이없고슬러지가건조되면가스는날아가고양토화된다. 2.5 ~ 7.0 탈수슬러지 (Cake) 슬러지의수분을감소, 운반과소각, 최종처분을 용이하게하기위함. 20 ~

209 가. 하수슬러지물리화학적성상일반적으로하수슬러지의성상은도시의구조, 하수의배제방식, 생활양식, 하수처리방식등에영향을받으며, 또한이러한슬러지중에는중금속을비롯한다양한종류의유해물질이함유되어있다. 지금까지조사된여러보고서에의하면, 공장폐수등이유입되지않은농촌지역의경우에는유해성이없는것으로나타나고있으나, 대단위공단이입지되어있는하수처리장의경우에는중금속등유해물질이포함되어퇴비화등이불가능하며, 소각등에의한처리가바람직한것으로밝혀지고있다. 하수에대한유해물질의유입원으로치과등에서사용하는수은아말감, 사진현상과정의인화재료나페인트, 농약등이하수관거로유입되는경우와각가정에서사용되고있는수도관로의부식에의한 Zn, Cd, Cu, Pb 등의누출, 강우시지표에침전된자동차배가스중 Pb의하천유입및하 폐수처리장에서사용되고있는여러가지약제에포함된미량중금속류가슬러지내로유입되는것등으로추정되고있다. 선진국에서유해물질의유입을방지하기위하여상기에열거한사업장의배출원관리감독을철저히하고있다 년잠정적으로하수슬러지의전면적인매립지반입금지를유보하면서함수율 75% 이내의하수슬러지에대해서는매립지반입을허용하였으나, 실제로대부분의하수처리장은 75% 이하의함수율조건을충족시키는데많은어려움을겪고있다. 여름철에는각종무기물이다량유입되어유기물농도가낮아탈수율을 75% 이하를유지하나, 겨울철에는유기물농도가높아함수율 75% 선을유지하는것이곤란하기때문이다. 하수슬러지의주요성상은처리장별, 응집제의종류별, 소화여부등에따라많은차이가있다. 유기물의함량은낮게는 35% 전후에서높게는 70% 전후로관찰되고있으며, 다른물질에비교하여질소원및영양염류가풍부한것으로토지개량제로서의효과가기대된다. 우리나라하수처리장의슬러지처리계열은대부분농축조 소화조 슬러지개량 탈수기로구성되어소화조가설치되어있으며, 슬러지개량조에고분자응집제를사용하고있는것이특색이며, 대부분의탈수기는벨트프레스시스템에의존하고있다. 이는선진외국에서후단처리시스템의특징에따라소화조설치유무를결정하고있으며, 무기및유기응집제를병용혹은단독으로사용하고있거나, 벨트및가압탈수기를처리장의특성에맞게사용하고있는것과큰차이가있다. 또한 90년대중반까지설치된대부분의국내하수처리장은집중처리개념에의하여대형으로실치되어각종환경문제의대형화등의문제점이지적되면서, 최근에건설되고있는처리장은중소규모로계

210 획되고있으며, 다양한처리방법이적용되고있다. 국내하수슬러지의성상은연평균함수율 78% 전후로선진외국에비교하여함수율이높고, 유기물함량이낮은특성을나타내고있다. 유기물의함량이낮은이유는대부분의하수관거가우수와하수가함께유입되는합류식하수관거이기때문이며, 유기물함량이상대적으로다른나라에비교해서낮으면서탈수효율이떨어지는하수처리장이많은것으로밝혀지고있다. 그문제점은다음과같은것이지적되고있다. 1 슬러지농축조의농축도가낮음 ( 일반적으로 2~3% 설계시에 5% 로설계 ) 2 소화조의소화효율이낮음 ( 설계시에는 80% 정도로설계되나, 실제는 40~50% 에머물고있음. 특히겨울철에소화율이낮음 ) 3 슬러지개량시고분자응집제에의지 ( 다양한응집제의혼용, 특히무기응집제의혼용이필요하나검토가이루어지지않음 ) 4 탈수기의벨트프레스로의일원화 ( 처리량이대규모로설정되어대부분이벨트프레스로상대적으로탈수효율이낮음 ) 기타슬러지내의유기물, 수분, 중금속함량은처리방법을좌우하는인자로서중요하다. 슬러지의낮은유기물함량및높은수분함량에기인하여발열량이낮고, 이러한결과로부터하수슬러지소각시에는발열량의부족으로직연이불가능하다는결론이얻어지고있으며, 건조후에소각하는공정이타당할것으로조사되어, 초기에설치된일부직연소소각로는실패했고, 최근의소각로는건조, 소각공정으로문제없이처리되고있다. 중금속의경우에는다른나라에서측정된결과와큰차이가없으며, 폐기물관리법에서정하고있는용출시험방법에의해사업장일반폐기물로구분하고있으며, 함량실험결과대상시료의 1/3이농림수산부비료공정규격보다높게나타났고, 환경부 부숙토기준 에비해일부도시지역및공단이입지되어있는곳에서중금속이높게관찰되었다. 일부보고서에는 PCB 및다이옥신등이시료의 5% 이내에서검출된것으로보고되고있다. 따라서처리에있어서이러한슬러지성상과그특성을파악한다면, 유기성폐기물로서의하수슬러지를좀더효율적으로처리할수있을것이다

211 (1) 입도분포 (Particle Size Distribution) 탈수성에대한입경의영향을살펴보면, 대형입자로구성된케이크는동일한부피의미세입자로구성된케이크보다비표면적이작고투수성이양호하다. 슬러지의개량은입자를응결시켜탈수성을향상시킨다. Karr와 Keinath(1978) 는여러가지영향인자에의한탈수성의변화를입도분포변화의기준으로설명하면서입도분포를탈수성에가장큰영향인자로보고한바있으며, 특히 1~100 μm의초콜로이드성 (superacolloidal) 입자가탈수성에가장큰영향을준다고기술하였다. 그리고슬러지의종류가달라도입도분포가동일하면평균비저항도비슷하게나타난다는결과를나타내었다. Knocke 등 (1980) 은금속수산화물슬러지의탈수성에플럭크기가가장큰영향을미친다는사실을규명하고, 폴리머개량에의한탈수성향상의주원인이입경의증가에있으며이로부터응집메카니즘을입자간가교현상으로기술하였다. Friedrich 등 (1993) 은슬러지의종류에관계없이입자의표면전하와입도분포로탈수성을예측할수있으며, 평균입경으로미세입자의영향에민감한표면적평균입경인 Sauter 평균입경의사용을권장하였다. Lotito 등 (1993) 은하수처리장에서배출되는다양한슬러지를대상으로입도분포를분석하여 100 μm이하의미세입자비율이높을수록평균비저항은증가한다고하였다. Olboter 와 Vogelpohl(1993) 은하수처리장에서발생하는여러슬러지의입도분포를측정한결과, 동일한시료를폴리머로개량하면입도분포가변화하고탈수성도그에상응하는변화를보여양호한상관관계를보였으나, 시료의종류와근원이다른경우는슬러지응결체의내부특성 ( 친수성, 제타전위, 플럭밀도등 ) 도달라지기때문에입도분포만으로탈수성을예측할수없다고하였다. 그리고슬러지의입도분포는반데르발스 (Van der waals) 결합이나폴리머간의가교에의해결정이된다고하였다. (2) 제타전위 (Zeta-Potential) 입자가수중으로이동할때고정층과확산층의전단면에전위를생성하는데이것을제타전위라한다. 제타전위가큰입자는입자간의정전기적반발력이반데르발스력 (Van der waals force) 보다강해안정성이높아지고응집되기어렵다. Friedrich 등 (1993) 은제차전위차가입도분포와함께탈수성에영향을미치는가장큰인자라고보고하였다

212 보통콜로이드는그자체의정전기력때문에부유상태, 다시말해안정된상태에있고, 음의전하를띄고있어유사한전하끼리반발하기때문에결합이어려워부유상태로존재한다. 응집제를첨가할경우, 이들전하를중화하여반발력을감소시킨다. 보통 ±5mV 에서양호한응집이일어나고슬러지의탈수성도향상된다. 제타전위에있어가장중요한요인은 ph인데, 현탁액내에알칼리를첨가하게되면물의 OH - 와전해질의음이온이물질의표면에결합하기때문에보다더음전하를띠게되며, 반대로산을첨가하게되면표면전하가중화되고, 양의표면전하가나타나게된다. 즉 ph에따라서제타전위가변화하고 0의제타전위를통과하게되는데, 전하가없는이곳을등전점 (isoelectric point) 이라하고, 이곳에서의전하를영점전하 (point of zero charge) 라한다. (3) ph Karr와 Keinath(1978) 는다른 ph값을갖는활성슬러지의 ph를감소시킴으로서탈수성이향상된다는결과를발표하였다. 이는음전하를갖는클로이드의표면전하가 ph가감소함에따라중화됨으로써응집이촉진되고, 이로인해슬러지내입자의표면적이감소되고여과비저항 (Specific Resistance to Filtration, SRF) 도감소되어탈수성이향상된다. (4) 탁도 (Turbidity) Karr와 Keinath(1978) 는탁도가여과비저항으로측정된탈수성과상관성이높았다고하였으며, 0.45~10 μm의매우작은입자나콜로이드들이탁도를증가시켰다. 그리고탁도의증가는약화된슬러지구조의징후로서고려될수있으며, 이런약화된구조의붕괴가탈수성을악화시켰다. Bruus 등 (1992) 은활성슬러지에대하여양이온을첨가하는이온교환실험및 EGTA 의첨가실험을통하여플럭내 Ca 2+ 의추출이가능함을보였고, 이로인해탈응집이발생하면전기전도도및탁도가증가하고입도분포가감소하여탈수성이악화된다고보고한바있다. Bruus 등 (1993) 은활성슬러지의혐기성저장기간이길어질수록활성슬러지플럭내에존재하는콜로이드, 체외고분자물질및지방산같은발효폐산물 (fermentation waste products) 의배출로인하여탁도및용해성유기탄소 (dissolved organic carbon) 의양이증가하고, 탈수성을향상시키기위해첨가하는응집제의소비량을증가시키는것으로보았다

213 이러한응집제의소비는슬러지내음전하를갖는구성성분에따라달라지고, 슬러지여과성은슬러지플럭의개량정도에따라결정된다고할수있다. 결국, 슬러지플럭의분열로인해탁도, DOC 및전기전도도가증가하게되고, 따라서탈수성에영향을미친다고보고하였다. (5) 점성 (Viscosity) 다공성매체를통한유체의흐름이층류인경우마찰항력은유속에비례하여증가하고유속은온도의영향을받는점성에반비례한다. 유체점성의영향인자는슬러지탈수의경우에두가지요인이추가되는데, 첫째입자이동이있는경우에유체점성에대한여재공극형태의영향이다. 그러나대부분의연구는유체점성에대한고형물의영향을무시하여유체의점성을같은온도의물의점성과동일하게간주하고있다. 여기에는용해성물질의영향이아주작다는가정이첨가되어야한다. (6) 수분분포 (Water Distribution) Heukelekian 과 Weisberg(1956) 가슬러지내의수분상태에대해서발표한후슬러지의수분분포가탈수성에미치는영향에관한연구가시작되었다. 수분분포에대한정의는여러연구자들에의해논의되었으나. 측정방법에따라정의가다르고현재가지통일된정의는없다. Vesilind(1994) 는슬러지내의수분분포를자유수 (free water), 간극수 (interstitial water), 인접수 (vicinal water), 수화수 (water of hydration) 4가지로분류하였으며, 이중간극수의일부와인접수및수화수를합하여부착수로정의함이타당하다고기술하였다. 그리고자유수와간극수는기계적탈수나폴리머개량에의해제거될수없다고하였다. 또한슬러지내수분분포의추정이가능하면탈수를통해생성되는케이크의최대고형물농도를예측할수있다고하였다. 일반적으로슬러지내의수분은자유수와간극수일부, 인접수, 수화수를포함한부착수 (bound water) 2가지로분류된다. 슬러지의고형물은대부분친수성이므로유체와상호반응한다. 이반응때문에탈수후에도유체의일부는고형물에부착되어케이크내에남아있게되는데, 이처럼기계적탈수에의해쉽게분리되지않는부착수는탈수능력에실제적인제약조건이된다. 자유수는일반적인탈수공정에의해제거가능한수분의형태이고, 부착수는제거가되지않는수분의형태이다. 부착수의함량은슬러지의탈수성에직접적으로연관되어있으며, 슬러지탈수케이크의함수율에영향을끼친

214 다. 물의부착에기여하는여러요인을고려할수있는데고형물입자로의물의흡착은표면현상이므로부착수량은입자표면특성의영향을받는다. 또한슬러지고형물은응결성을갖고있으므로응결체가형성될때응결체내부로액체가흡수되며그중일부가부착되기도한다. 하수슬러지세포내에함유되어있는물도세포파괴가일어나지않으면제거될수없으므로부착수로분류할수있다. 따라서액체의부착여부와부착방법에따라슬러지내의수분을분류할수있으며그분류법이나측정방법은다양하다. Sato 등 (1982) 은일정한온도 (35 ) 와제한된습도에서등온건조기법 (constant temperature drying techniques) 에의해슬러지의수분증발속도의차이를나타내는건조곡선에서임계수분량을찾아슬러지내의수분을자유수와부착수로구분한뒤, 부착수와탈수케이크의고형물농도간에밀접한상관관계가있음을밝혔다. 또한그들은건조기법에의해측정한부착수함량을 NMR법에의해재확인하였다. Smollen(1990) 은생물학적슬러지를대상으로 Sato 등과동일한방법으로부착수함량을정량화하였는데, 케이크의고형물농도와는높은상관관계를보였지만평균비저항과는명확한관련성이없었다. 슬러지의함수율은슬러지의부피에큰영향을미친다. 함수율과슬러지부피의관계는다음과같다 (3-56) 여기서, V 1, V 2 : 슬러지의부피 W 1, W 2 : 슬러지의함수율 (%)

215 Table Definition of four categories of water in sludge. Category Free water Interstitial water Vicinal water Water of hydration Definition water that is not associated with and not influenced by the suspended solid particles. water that is trapped in the crevices and interstitial spaces of the flocs and microorganisms. water that is associated with the multiple layers of water molecules held tightly to the parkticle surface. water that is chemically bound to the parkticles and can only be removed by thermal destruction of the parkticles. 보통슬러지의함수율이 99% 정도되므로이를수분 90% 로낮출경우, 위의계산식에따라계산하면부피는초기부피의 10% 의부피로감용된다. 따라서수분함량이높은경우에는수분 1% 차이가엄청난차이를보이게된다. 하지만수분이낮은경우, 예를들면, 초기 50% 의함수율이 40% 로 10% 의수분이제거될때, 실제부피는초기부피의 80% 로감용되어실제로는 20% 정도의부피감용밖에일어나지않는다. 그러므로슬러지처리프로세스의공정중탈수는감량화및처리의용이성에있어서중요한공정이라할수있다. (7) 체외고분자물질 (Extracellular Polymers ; ECPs) 다당류, 단백질, RNA 그리고 DNA 등을포함하고있는체외고분자물질 (extracellular polymers ; ECPs) 은 capsule 과 slime의두가지형태로나누고, capsular 물질은세포에고착되어있는반면, slime 물질은다소느슨하게세포에붙어있거나자유로운상태로있는것으로보았다. 체외고분자물질은플럭형성, 침강성, 탈수성을포함한특성측정에서중요인자이다. 전반적인플럭의구조는음전하를띠며이것은주로박테리아미생물, 무기입자 ( 규산염, 인산, 칼슘, 산화철등 ), 체외고분자물질과다가양이온사이의물리 화학적상호작용의결과로야기된다. 이러한현상을 Ubain 등 (1993) 은 Fig 과같이묘사한바있다. 또한체외고분자물질은미생물의물질대사나분해에의해발생 ( 단백질, DNA, 다당류및지질 ) 되고, 폐수자체로부터발생 ( 셀룰로오스,

216 휴믹산등 ) 하기도한다. 오존이미생물의세포벽을용해하여세포중의바이오폴리머를수중에용출시키며, 용출된바이오폴리머가응집제로서작용한다. 그리고 Schroeder(1977) 은체외고분자물질이플럭형성메카니즘에중요한역할을하고있으며, 플럭은많은세균으로형성되고, 이들은폴리머 (polymetric material) 에의해연결되어있다고보고하였다. 체외고분자물질은부흡착성 (negative adsorption) 을나타내는음전하화학기 (chemical groups of negative charge) 로서 Ca 2+ 및 Mg 2+ 과같은 2가양이온과가교하는성질을가지고있다. 그러나고농도의체외고분자물질은오히려침강성을불량하게만든다고 Urbain 등 (1992) 은보고하였다. Liu 등 (2001) 은하수슬러지에오존을적용하는연구를하였는데, cell-bound ECPs와 soluble ECPs의합은오존농도의증가와함께증가한반면, cell-bound ECPs의농도는변화하지않는다고하였다. Fig Schematic representation of the activated sludge floc on an arbitrary scale of size

217 (8) 여과비저항 (Specific Resistance to Filtration, SRF) 슬러지의탈수효율은두가지방법으로표현할수있다. 첫번째는제거된물의양으로나타낼수있고탈수케이크의고형물농도로표현이가능한탈수성 (dewaterability), 두번째로 SRF, TTF, CST 등의방법으로평가할수있는여과성 (filterability) 이다. 탈수시설의설계시슬러지의탈수효율을향상시키기위해서는탈수속도의증가, 탈수케이크함수율의저감이라는두가지과제에접하게되는데, 슬러지의탈수속도를특성화하는데가장일반적으로이용되는방법이시간에따른여액량의변화를측정하여계산하는여과비저항 (Specific Resistance to Filteration, SRF) 이다. 이것은슬러지의탈수속도를나타내는지표로서케이크내입자크기의영향을받고, 케이크여과이론에서비롯되어 Darcy에서시작하여 Tiller 에이르기까지케이크여과에관련된해석의개념적변천이있어왔다. (9) CST(Capillary Suction Time) 탈수효율을높이기위해사용되는약품개량제의주입량을결정할수있는방법중의하나가 CST를측정하는것이다. 이것은영국 Stevenage Laboratory 의 Water Research Center 에서최초로개발되었으며, 빠른시간내에측정이가능하고, 쉽고, 값싼장점때문에지금도이용되고있는방법이다. CST는슬러지의여액이여과지 1cm를통과하는데걸리는시간으로나타낸다. 여과비저항이나 CST의측정을통해탈수시험에서최적응집제와적정주입량을결정할수있다. CST 실험에서는일반적으로 Whatman filter (No. 17) 를여과지로사용하고, 시료양은 5~7 ml로한다. (10) TTF(Time to Filter) TTF는슬러지부피의 50% 가여액으로빠져나오는데걸리는시간을측정하여나타내는데, CST와함께실험실규모에서슬러지의탈수성을평가하기위해많이사용된다. CST 측정보다는시간이많이걸리지만재현성이뛰어난장점이있다. Buchner funnel( 9cm ) 에 Whatman filter(no. 1 or 2) 를여지로하여시료 100 ml을 51kPa(382 mmhg) 의압력으로진공여과하여측정한다. (11) 케이크고형물농도 (Solid content of cake, Ck) 탈수후배출되는케이크의고형물농도는현장처리에서가장중요하게여기는지표이다. 이는실제처리장의운전비용에밀접한관계를가지며, 슬러지처분의활용성과경제성에영향을주는요인이다

218 나. 슬러지의호기성소화 호기성소화는슬러지를공기또는순산소를이용해장기폭기함으로써, 미생물을내생성장단계에이르도록유도하여고형물을분해하고안정화하는공정으로, 결국에는미생물이자기분해에의해감소되는반응이기때문에 SRT(Sludge Retention Time) 가길수록미생물의대사가저해되지않는범위내에서유기물의감소량이증가한다. 생물학적슬러지의안정화지표로서가장많이사용되는것이휘발성고형물 (Volatile Sludge Solids) 로서, 슬러지소화효율을나타내는지표로서총량개념으로계산한다 (Koers, 1979). 아래식에서유입과유출그리고반응조내에축적되는고형물의양을기준으로하여슬러지고형물의제거량을백분율로간단하게나타낼수있는장점이있다. 슬러지인발이있을경우에는 C eff 를인발량만큼감안하여야할것이다. 또한이식은슬러지고형물의감량효율뿐만아니라 BOD, COD, 질소, 인등의제거효율계산에도유용하게사용될수있을것이다. Solids Reduced = %Sodids Reduced = C in : Concentration of Solid in raw sludge(mg/l) V in : Volume of raw sludge(l) C R : Concentration of Solid in reactor sludge(mg/l) V R : Volume of reactor sludge(l) C eff : Concentration of Solid in effluent(mg/l) V eff : Volume of effluent(l)

219 (1) 호기성소화에영향을미치는영향인자호기성소화조의설계에서고려하여야할인자로서는온도, 고형물질의감량, 탱크의부피 ( 수리학적체류시간 ), 산소요구량, 소화조의운전과혼합을위한에너지요구량등이있다. 이중호기성소화조에가장많은영향을주는인자는온도와산소요구량으로이에대한연구가활발히이루어지고있다. ( 가 ) 온도와산소전달 Heterotrophic bacteria 인호기성박테리아는유기물의산화및내생호흡과정에서산소를필요로하기때문에산소공급량을조절함으로써소화정도에영향을줄수있다. 앞의반응식에나타낸것과같이호기성소화에서흔히발생하는질산화 (nitrification) 과정에소요되는이론적산소요구량은 1.98 kgo 2 /kgvss removed 이며, 질산화가발생하지않았을경우의 1.42 kgo 2 /kgvss removed 보다 0.56 kgo 2 가더많이요구됨을알수있다. Surucu 와 Chain(1976) 은체류시간에따른용존산소소모특성에대한연구에서짧은 SRT에서에너지를얻기위해대부분의산소가유기물의산화에이용되고미생물의내생호흡에는비교적적은양의산소가소모된다고하였으며, 긴 SRT에서는반대로많은양의산소가내생호흡에소모되며 SRT가길어질수록산소요구량은더증가된다고하였다. Hartman등 (1979) 은호기성소화에서일반적인운전인자로서 OUR(Oxygen Uptake Rate) 을측정하며이 OUR을슬러지 VSS(Volatile Suspen양 Solids) 농도로나누어 SOUR (Specipic Oxygen Uptake Rate) 을정의하였으며, SOUR이 1mg/g VSS hr 이하이면안정된슬러지라고할수있다. 호기성소화조운전온도 5~45 C 에서소화초기에 SOUR이증가했으며이는시료슬러지에서기질로이용가능한부분이분해되었기때문이라고판단하였다. 한편호기성소화초기의증가후에소화일수 10일까지는급격한감소를나타냈으며, 나머지소화기간에도지속적인감소를나타내었다. Randall 등 (1975) 은 20 C보다는 30 C에서 OUR이높다고하였으며, 온도가감소할수록그리고 SRT가증가할수록 OUR값은줄어들며이것은호기성박테리아가온도에민감한영향을받으며또한활동이왕성한미생물들이점차줄어들어내생호흡단계로진행되는것을의미한다고하였다. Ekium 등 (1977) 은호기성소화에서순안정화정도 (net stability) 는임의의시간에시스템내에서소화되고있는고형물의산소섭취율로측정할수있으며이러한 SOUR은활성슬러지운전지표로도흔히사용된다고하였다

220 호기성소화공정에서호기성박테리아에의한슬러지의내생호흡은많은학자들에의하여연구되었으며총 VSS보다는분해가능한 VSS의양을기초로한내생호흡계수 b를구하였다. 내생호흡은슬러지의특성에따라변하며일반적으로일차반응으로가정되고있다. dm/dt = - bm (3-57) 식 (3-57) 을적분하면 Mt/Mo = e -bt (3-58) 여기서, Mt = 시간 t 에서남아있는분해가능 VSS, mg/l Mo = 초기분해가능 VSS, mg/l b = 내생호흡계수, day -1 t = 소화일수, days Mt 는 0 이될수없으므로소화가진행될수록생물학적으로분해가불가능한 Mi 에 근접하므로식 (3-58) 은식 (3-59) 로나타낼수있다. (Mt-Mi)/(Mo-Mi) = e -bt (3-59) 여기서, Mi = non-biodegradable VSS, mg/l Gossett(1980) 은잉여슬러지는기질로서이용되는유기물이부족한상태에있으므로일차반응식을적용하는것이가능하나농축슬러지는일차슬러지가비교적많은양의 noncellular 유기물질을포함하고있으므로외부기질의역할을할수있기때문에일차반응식을적용하는것은부적절하다고하였다. 그러나일반적으로많은학자들이슬러지의종류에관계없이일차반응모델을적용하여내호흡계수를구하였다. 내호흡계수는온도뿐만아니라시료슬러지의농도에도영향을받는것으로알려졌으며초기슬러지농도와 b 사이에는역전적인관계가있는데이는높은시료슬러지농도에서는산소

221 전달효율이좋지않기때문에일어난다고추정하였다. 내호흡계수는온도변화에따 라차이를나타내는상관계수인 Arrehenius 관계식에의하여나타낼수있다. Kt = k 20 θ (T-20) (3-60) 여기서, Kt = T C에서의기질제거속도상수, day -1 K 20 = 20 C 에서의기질제거속도상수, day -1 T = 소화온도, 내생호흡계수, C θ = 기질제거에영향을미치는온도보정인자 Randall 등 (1974) 은식 (3-60) 에서중온 (20~35 C) 에서의 θ는 1.02~1.07 정도로나타내지며 θ를 1.07 이라고할때소화조의온도가 11 C 증가할때마다 k값은약 2배로증가하는것을알수있다. 그러나이것은중온에서만적용할수있으며소화온도가 35 C 이상일경우에는적용할수없다고하였다 미생물 기포 Fig 세포소기관으로서의기체물질이동경로에대한도식적모형

222 기포로부터미생물내부의세포소기관 (organelle) 으로기체상의물질이동경로는다 음과같이여러단계로구분할수있다. 1 기포안의벌크기체로부터상대적으로비혼합된기체층으로의전달 2 상대적으로비혼합된기체층을통한확산 3 기포주위에있는상대적으로비혼합된액체층을통한확산 4 상대적으로비혼합된액체층으로부터벌크액체로의전달 5 벌크액체로부터미생물주위의상대적으로비혼합된액체층으로의전달 6 상대적으로비혼합된액체층을통한확산 7 미생물의표면으로부터산소가이용되는세포기관으로서의확산 기포및미생물의상대적으로비혼합된액체층을통한확산인단계 3과단계 5는이미언급된단계들중가장느린단계이며, 결과적으로총괄물질전달속도를조절한다. 교반과통기는이러한단계에서의물질전달속도를증진시키며기체와액체의상호접촉면적을크게한다. 산소전달은다음과같은몇가지인자들에의해영향을받는다. 1 Air flow rate( 공기유량 ) 2 Bubble diameter( 공기방울지름 ) 3 Temperature( 온도 ) 4 Viscosity( 점도 ) 5 Basin geometry(affects contact time between gas and liquid) 6 Wastewater composition(salts, surfactants, biomass)

223 ( 나 ) ph와알칼리도일반적인호기성소화에서는발생되는암모니아성질소의산화에따라알칼리도가감소하고 ph는저하되는데이를보충하기위해서가성소다 (NaOH), 석회 (CaCO 3, Ca(OH) 2 ) 등을주입하는경우가있다. Bisop과 Farmer(1978) 는알칼리도소모로 ph는 5.0~5.5 까지감소하였으며알칼리도를주입하여 ph를 5.5 이상으로유지한결과암모니아생성속도보다느려졌고, 이때문에암모니아성질소가축적되었으나여전히질산화도일어났다고보고하였다. ph와소화율에관한관계는아직까지도논쟁이되고있는데 Anderson 과 Mavinic(1984) 은석회를주입하여 ph를조절한경우가석회를주입하지않아 ph가낮아진반응조에비해 VSS의제거율이높게나타났음을보고한반면 Kim과 Hao(1990) 는 A/O조를이용한슬러지소화에서 VSS의제거율은 ph조절과무관하다고하였다. ( 다 ) 기타영향인자슬러지의체류시간은운전온도와더불어가장중요한호기성소화운전인자이다. 슬러지의소화는미생물이자기분해하는반응이기때문에슬러지령 (sludge age) 또는고형물체류시간 (SRT) 이길면그만큼고형물의감소량도커지게된다. 일반적으로호기성소화에서고형물의제거율은온도와고형물체류시간의곱에대한함수로커지게된다. 일반적으로호기성소화에서고형물의제거율은온도와고형물체류시간의곱에대한함수로나타낸다. 고형물의제거율은온도와슬러지령이높을수록증가하지만온도가지나치게높으면미생물의생존이저해되어제거율이떨어지며또한슬러지령을지나치게길게하더라도미생물의분해는한계가있기때문에제거율은더이상증가하지않게된다. Ganczarcy 등 (1980) 은소화율이슬러지의종류에도관계됨을보였는데일반적으로폐활성슬러지는일차슬러지보다소화율이낮게나타난다. 이는단순한유기물들의일차슬러지에비해생명력이있는세포나사멸된세포라하더라도세포벽에의해안정된구조를형성하고있는폐활성슬러지가분해에대해저항성을가지고있기때문이다. 기타슬러지의호기성소화에영향을미치는인자로는간헐포기인경우의폭기시간, 산소전달율, 슬러지와미생물의종류, 교반, 슬러지의성장환경, 영양염류들이있다

224 2. 실험방법및결과 가. 슬러지의전처리를통한가용화하수의생물학적처리과정에서발생하는잉여슬러지 (2차슬러지) 는대부분미생물의군집으로이러한미생물들은세포벽구조를가지고있어생물학적으로분해속도가매우느린것으로알려져있다. 따라서이들슬러지를소화하여안정화 / 감량화하기위해서는전처리공정을구성하여기계적및화학적기작에의해미생물의세포벽을파괴하고미생물을가용화시키고, 고분자물질들을저분자물질로전환시켜줌으로써슬러지의생분해성을높여주는역할을한다. 일반적으로슬러지의용해성을증가시키기위한전처리방법으로열처리, 산처리, 알칼리처리, 초음파처리및오존처리등이사용되고있으며, 본연구에서는이러한전처리방법중에서오존과알칼리처리에의한슬러지전처리의처리조건및용해효과와경제성을비교하여 ER-1을이용한호기성소화공법의전처리공정을구성하는데활용하고자한다. (1) 오존을이용한슬러지전처리실험방법슬러지소화를위한전처리에오존을사용할경우, 오존의강력한산화력으로슬러지분해에매우효과적이며슬러지소화시간을단축할수있는것으로알려져있다. 오존접촉반응장치로개발된 ER-2는앞절에서하수종말처리시설의초과유입수등의소독에적용하여본바있다. 본실험에서는 ER-2의우수한오존접촉효율을이용하여오존에의해슬러지를분해하여가용화에적용해보았다. 오존을이용한슬러지의전처리효과를알아보기위해 2차슬러지를대상으로오존주입량 (go 3 /gmlss) 의변화에따른슬러지의성상과가용화를통한고형물량의감량화, 세포분해에의한고액분리향상을목적으로실험하였다. 실험에사용된오존접촉반응장치인 ER-2 반응기는아크릴재질의원통형반응기로총용적은 53L(Ø130mm H4,000mm) 이고, 각단 (H1,000mm/ 단 ) 의기 ( 氣 ) 층을포함한유효용적은 43L이며, 각단기 / 액층공간 (Head space) 의비율을 1:4로고정하여연구를수행하였다. 오존발생장치 (Ozone generator) 는 AT사의 T-A 1001 제품을사용하였고, 회분식으로 2차슬러지를반응기내에채운후오존을연속적으로주입하였다. 슬러지의오존접촉횟수를최대로하고거품발생을줄이기위하여 2단에서 1단으로 30분마다 10L/min

225 의유속으로 2 분간내부순환하였다. 또한슬러지혼합및기 / 액접촉효율을증가시키 기위해반응기하단에설치된산기관을통해오존을주입하였다. 실험에사용된하수 슬러지의특성은 Table 3-29 에나타낸바와같다. Table Property of sludge used in this study. TCOD(mg/L) SCOD(mg/L) TS(mg/L) TSS(mg/L) ph sample # sample # sample #1 : 오존전처리, sample #2 : 알칼리처리 Off gas 5132 PPM mg/l 3 단 2 단 1 단 O 3 input 산기관 O 2 gas tank chiller Ozone generator ER-3 Fig 오존을이용한슬러지전처리에실험장치구성도

226 오존전처리는 1g MLSS당 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 go 3 으로연속주입후 TCODcr, SCODcr, TSS, VSS를분석함으로써가용화효율을평가하기위한지표를나타내었다. 오존을이용한슬러지의가용화는오존의강력한산화력에의해슬러지의세포벽이분해됨으로써세포내의고분자유기물질이용출되어가용화 (solubilization) 되는것으로, 세포액의용출로인해 SCODcr이증가하고, TCODcr은유기물질이오존에의해산화되어무기화 (mineralization) 되기때문에감소한다. Fig 에서보여지는것과같이오존주입량을 0.05~0.6 go 3 /gmlss으로변화하여연속주입하였을때, 오존주입량이증가됨에따라 TCODcr은 6,808mg/L 에서 3,080mg/L 로감소되었으며 SCOD는 115mg/L 에서 2,962mg/L 로증가하여, 최대 26배증가되었다. SCODcr의농도는오존주입량과비례하여증가되었지만, BOD의경우오존주입량이 0.3gO 3 /gmlss일때가장높은농도를보였다 (Fig. 3-82). 오존주입량이 0.3gO 3 /gmlss까지는오존주입량이증가됨에따라슬러지내세포파괴가이루어지면서가용화효율이증가되었으나, 0.4gO 3 /gmlss이상에서는슬러지의분해보다분해된유기물의무기화가빠르게진행되는것으로판단된다. Fig 에서는오존주입량에따른고형물의농도변화를나타낸그래프로오존주입량이 0.05~0.6 go 3 /gmlss으로점차증가됨에따라슬러지내 TSS와 VSS는모두감소되었다. 슬러지가오존과반응함에따라부유성고형물이용존성유기물로전환되고일부는산화되었기때문으로, 초기 TSS가 7,670mg/L 에서 4,080mg/L 로약 47% 감소하였으며 VSS 또한비슷한경향으로감소하여 VSS/TSS비는오존주입량증가에따라약 64~75% 정도로나타났다. Fig 는오존주입량에따른 T-N과 T-P 변화를나타낸결과로오존주입량을 0.6gO 3 /gmlss로처리하였을때, T-N은초기 12mg/L 에서 243mg/L 로 20배증가되었으나, T-P는 83mg/L 에서 140mg/L 로 1.7 배로증가하여오존을이용한슬러지의전처리시질소의용출에비해인의용출은적은것으로나타났다. 오존주입량에따른 ph변화와전기전도도를측정한결과 (Fig. 3-85) 에서오존주입량이증가할수록 ph가감소하였고, 음전하를가지는세포표면의점성이오존에의해분해됨으로써입자간의반발력감소에의해전기전도도는증가하였다. SVI, CST는오존주입량을 0.05~0.3gO 3 /gmlss 까지증가함에따라 SVI는감소하고 CST는증가하는경향을보이다가오존주입량이 0.4gO 3 /gmlss 이후에는 SVI는증가하고 CST는감소되었다 (Fig. 3-86)

227 8000 T COD SCOD SCOD/ T COD 100 TCOD, SCOD Conc. (mg/l) SCOD/TCOD(%) Ozone dose (g O3/g M LSS) 0 Fig 슬러지 g 당오존주입량에따른가용화율그래프 80 VSS/ TSS BOD VSS/TS S (% ) BOD C onc. (mg/l) Ozone dose (g O3/g M LSS) 0 Fig 오존주입량에따른 BOD 변화

228 TSS, VSS Conc. (mg/l) VSS/TSS (%) Ozone dose (g O3/g MLSS) TSS VSS VSS/TSS 50 Fig 오존주입량에따른 TSS, VSS 변화 T-N, T-P Conc. (m g/l) Ozone dose (g O3/g MLSS) T-N T-P Fig 오존주입량에따른 T-N, T-P 변화

229 ph Ozone dose (g O3/g MLSS) ph 전기전도도 전기전도도 (μs) Fig 오존주입량에따른 ph, 전기전도도경향 SVI (ml/g) CST (sec) Ozone dose (g O3/g MLSS) SVI CST 0 Fig 오존주입량에따른슬러지의침강성과탈수성

230 Fig 의사진은각각의오존주입량에따른슬러지의성상을찍은것이다. 앞의고형물농도변화그래프와마찬가지로전처리전의슬러지와오존주입량을높일수록 TSS 감소로인해슬러지의색도가개선되고있음을확인할수있다. Fig 은오존접촉반응기내의반응시간에따라유출된배오존가스농도를측정한결과로오존접촉반응기에유입된오존주입농도는약 37,000ppm 으로반응시간이 10분후일정량의약 4,200ppm 의배오존이측정되었으나반응시간이길어질수록약 7,400ppm 까지의농도가측정되었다. 0.3g 0.4g 0.5g 0.6g 잉여슬러지 0.05g 0.1g 0.2g Fig 오존주입량에따른슬러지색도변화 Off gas Conc. (ppm) 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1, Operation tim e (m in) Fig 오존접촉반응기배오존가스농도측정

231 (2) 알칼리전처리실험슬러지의호기성소화를위해생분해도를높이기위한전처리방법으로 NaOH를첨가하여실험하였다. 알칼리에의한슬러지의가용화는 ph를 10이상으로하여미생물의세포벽을용해에의해파괴함으로써용존성물질을높이는데목적이있다. 알칼리의주입량과 ph에따른용해효과를알아보기위하여, 농축된 2차슬러지를대상으로 NaOH의주입량을 blank, 0.04, 0.1, 0.2, 0.4, 2.0 gnaoh/gvs로주입하여, 상온에서 3일간 magnetic stirrer 를이용하여균일하게혼합하며반응시켰다. 이때슬러지와 NaOH 혼합액의 ph는각각 6.2, 7.2, 9.4, 10.1, 11.9, 12.2 로 NaOH 주입량에따라증가하였다. NaOH를 0.4gNaOH/gVS(pH 10.1) 주입한슬러지혼합액의용해율 (soluble ratio) 은시간에따라 Fig 와같이, NaOH의주입과함께용해율이급격히증가한후반응시간에따라서서히증가하며, 이와동시에 ph는서서히감소되었다. Soluble ratio (% ) = NoOH treated SCODcr 100 un treated SCODcr Soluble ratio(%) soluble(%) ph ph Time(hr) Fig 시간에따른 ph 와용해율의변화 (NaOH 주입률 : 0.4gNaOH/gVS)

232 NaOH를농도별로주입하여 3일간혼합하여반응하였을때, 각각의평균적인용해율 (soluble ratio) 은 Fig 에나타낸것과같이, NaOH 주입량이 0.04~0.4gNaOH/gVS 에서는주입량이증가할수록용해율도증가되었으나, 2.0gNaOH/gVS 에서는오히려감소하는경향을보였다. 이는알칼리처리를통한슬러지의전처리가약품의주입량이증가하는것과비례하여용해속도가증가하지않음을보여주는결과이다. 슬러지전처리의목적이세포벽파괴에의한생분해도향상이라고한다면전처리효과는 BOD( 호기적생분해도 ) 또는 BMP( 혐기적생분해도 ) 테스트를통해평가될수있다. 그러나이러한측정방법들은결과를얻기까지다소긴소요시간이걸리므로, 전처리효과를평가하기위한좀더간편한방법으로슬러지의가용화정도, 즉 SCODcr 또는 VS의변화를측정하는방법이일반적으로사용되고있다. SCODcr/TCODcr를통해알아본알칼리처리에의한슬러지의가용화율은 NaOH 주입후혼합하여계속반응시켰을때가용화율이변화하는지를알아본결과 (Fig. 3-91), 1일째이후부터 3일째까지가용화율이변화하지않거나 2일째다소감소하는결과를볼수있었다. 그러나 NaOH를첨가하지않은슬러지혼합액과 NaOH를 2.0g/gVS 를주입한결과를제외하고는초기단계에비해 3일째분석결과에서가용화율이증가되었다. 그러나 Fig 과 3-91 의결과로볼때, 시설의크기등경제성을고려한효율면에서알칼리와슬러지가전처리조내에서충분히혼합될경우에, 반응시간을 2시간이상으로길게유지하는것은바람직하지않은것으로판단된다

233 2000 treated/untreated(%) ph 14 Soluble ratio(%) ph NaOH dos age(naohg/v S g) Fig NaOH 주입량에따른용해율과 ph SCODcr/TC ODcr(% ) day after 2day after 3day after Fig 시간에따른 NaOH 주입량별가용화율의변화

234 (3) 전처리효율및경제성평가오존전처리의경우오존주입량 0.6gO 3 /gm LSS 이상의경우에도단위오존주입량당가용화비율이점차로증가하는것으로나타났다 (Fig. 3-81) 0.4gO 3 /gm LSS 이상에서는 BOD 농도가낮아지는경향을보여오존은주입량이 0.3gO 3 /gm LSS 일때최대의전처리효율을나타내는것으로판단되며, 알칼리처리의경우에는 0.4gNaOH/gVS 이상에서는약품주입량당가용화비율이감소하는것으로관찰되었다 (Fig. 3-91). 0.3gO 3 /gmlss와 0.4gNaOH/gVS 일때, 용해율은오존전처리의경우 1739%, 알칼리전처리의경우 1,797% 로최대효율은비슷한결과를나타내었다. 전처리방법의경제성을파악하기위하여고형물의건조중량이 1톤인슬러지를전처리하기위하여 0.3gO 3 /gmlss와 0.4gNaOH/gVS 로각각처리한다고가정하여처리비용에따른경제성을다음과같이평가하였다. Table 산업용전기전력량요금계 (1,000kW 이상 ) 전력량요금 ( 원 /kwh) 구분 여름철 (7~8 월 ) 봄, 가을 (4~6, 9 월 ) 겨울 (10~3 월 ) 평균 산업용고압전기 자료 : 한국전력공사 (2005 년 3 월현재 ) * 오존전처리시 MLSS/TS = 1 이라가정하면, 고형물 1 톤을전처리하기위한오존주입량 0.3gO 3 /gmlss 1tonTS = 300kgO 3 일반적인오존발생기의소비전력 15~17kW 의평균값적용시전력사용량 300kgO 3 16kW/kgO 3 = 4,800kW 산업용전력량요금은계절평균 54.6 원 /kw 4,800kW 원 /kw = 285,744 원

235 * 알칼리전처리시 VS 함량이 70% 라가정하면, 고형물 1톤중 VS의량 1tonTS 0.7VS/TS = 0.7tonVS 0.7ton 의 VS를전처리하기위한 NaOH 사용량 0.7tonVS 0.4gNaOH/gVS = 280kgNaOH 산업용가성소다 (70%) 사용시요구량 ( 한국물가정보 : 650,000 원 /tonnaoh, ) 280kgNaOH 100/70 650,000 원 /tonnaoh = 182,000 원 고형물의건조중량이 1ton 인슬러지는수분함량이 98% 라고가정하면, 총중량은 50ton 으로이를고려하여하수처리장에서발생하는슬러지를호기성소화를위한전처리비용을계산하면, 오존전처리의경우톤당 5,715 원, 알칼리전처리의경우톤당 3,640 원이요구된다. 이러한결과로살펴보면오존전처리의경우알칼리전처리에비해약 1.6 배가량비용이더발생하는것으로나타났다

236 나. ER-1 반응기를이용한호기성소화 (1) 1차슬러지 ( 생슬러지 ) 의호기성소화실험 ER-1은슬러지의안정화를위하여개발된호기성생물반응기로그림과같이장치를구성하여 1차슬러지를대상으로호기성처리를실시하였다. 본연구의최종목표는슬러지를안정화하는것으로비교적고농도이며유기물부하량이큰 1차슬러지를대상으로하였으며, 실험에사용된 1차슬러지는 G하수처리장 1차침전조생오니이송배관에서취했으며, 혐기성소화후의반류수가간헐적으로포함되어있다. 본실험은 ER-1로고농도부하의슬러지를처리할경우 ER-1의안정성을살펴보기위한실험으로반응기내에서의미생물의농도변화, 유입수와처리수의유기물농도를중심으로분석하였다. 따라서질소와인의처리효율은다음 (2) 의생슬러지와잉여슬러지의호기성소화실험부분에서다루도록한다. 앞선실험에서 ER-1 반응기내부에서유체가충분히유동될수있는조건인 70~ 100L/min 으로공기량을조절하여유기물처리효율을중심으로슬러지의안정화정도를살펴보았다. 실험은주로동절기에이루어졌으나반응기내부의온도저하를막기위해열선 (heating device) 을반응기외부에감아반응기내부의온도가 20±3 되도록유지시켰다. 또한기질로사용된생슬러지를정량펌프 (tube size 내경 8mm,. 외경 11.2mm) 로연속주입하는데있어생슬러지내의이물질로인한막힘현상을없애기위해약 3mm 의 mesh로거른후에생슬러지저장조에담아 stirrer 를사용하여 24시간교반하며연속주입 (HRT 10, 7, 5day) 하였다. 실험이진행되는슬러지의인위적인인발은하지않았으며, 반응기내부의 MLSS, MLVSS, MLFSS, ph, SCODcr의변화를살펴보았다. 생슬러지의호기성소화실험은약 100 일간진행되었으며, 기질로사용된생슬러지의성상은다음과같다. 실험에사용된생슬러지의 TS, VSS, SCODcr의변화폭이크게나타났으며, TSS중 VSS는평균65%(42~82%) 로일반적으로잉여슬러지의 VSS가 70% 전후인것과비교할때다소낮은값을나타냈다. 그러나생슬러지중의 VS는잉여슬러지처럼미생물군집에의한유기성분이아니라서생물학적인처리시분해속도는잉여슬러지보다빠를것으로판단된다

237 Table 슬러지호기성처리실험에사용된 ER-1 반응기의구성및실험조건 구분내용 재질 / 형태 아크릴수지 / 원통형 크기 Ø300mm H1,000mm 3 단 총용량유효용량반응기내부유체이동관유입수미생물기타 212L 160L( 액체층 150L, 기체층 8.5L) Ø20mm H60mm 각단별 2개 G 하수처리장생슬러지연속주입 HRT 10day( 15L/day) HRT 7day( 21L/day) HRT 5day( 30L/day) G 하수처리장잉여슬러지를초기 seeding 생슬러지로 20일이상순응공기공급 : compressor 2대교대운전 (70~100mL/min) 상향류식연속운전 Table 기질로사용된생슬러지의특성 항목 Conc.(mg/L) 비고 TS 27,850(16,100~37,200) VSS 18,235(12,000~24,400) 65%(42~82%) FSS 9,547(3,520~16,600) 35%(18~58%) ph SCODcr DO 6.0(4.5~6.8) 3,785(742~6,520) 0.1 이하 Temp 3~

238 40,000 35,000 30,000 Conc.(mg/L) 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 - TS VSS Time(day) Fig 생슬러지의 TS 와 VSS 8 7 생오니반응조 ph Tim e(day) Fig 생슬러지와 ER-1 내의 ph 변화

239 3 5,0 0 0 H R T 1 0 d a y H R T 7 d a y H R T 5 d a y 3 0, ,0 0 0 Conc.(mg/L) 2 0, , , , T im e (d a y) E R 하단 M L S S E R 상단 M L S S E R 하단 M L V S S E R 상단 M L V S S E R 하단 M L F S S E R 상단 M L F S S Fig ER-1 반응기하단과상단의 MLSS, MLVSS, MLFSS 변화 SCODcr(mg/L) T im e (d a y) 유입 ( 생슬러지 ) 처리수 Fig 유입생슬러지와처리수의 CODcr

240 유입되는생슬러지의평균 ph는 6.0 으로변화폭이그리크지않았으나, 간헐적으로 ph 5이하인경우가발생하였다. 이는 G하수처리장혐기성소화조의반류수가 1차침전지전단으로이송되어나타나는현상으로 ER-1 운전상에큰영향을준정도는아니었다. ER-1은호기성소화가진행되는동안질산화등의이유로 ph가계속떨어져 ph5.1 정도에서유지되며운전되었다. 그러나이는반응기내의 MLVSS농도의변화 SCODcr 처리효율화를고려할때호기성소화효율에큰영향을미치지않는다고판단된다. 이는소화효율과 ph의상관관계를연구한많은학자들에의하여도밝혀지는데심지어 ph가 4이하로떨어지는경우에도호기성소화에는큰지장을주지않는다고발표한경우도있다. Fig 3-94 는 ER-1 내부에축적되는 MLSS의인위적인인발없이생슬러지를 HRT 10 일, 7일, 5일로주입하여운전한 ER-1 반응기내부의 MLSS, MLVSS, MLFSS의변화를나타낸그래프다. 운전초기반응조내의 MLSS, MLVSS, 가급속하게증가한것은미생물이대사작용을함으로서증식된것이라기보다는고농도의생슬러지를주입하므로반응조내에 MLSS, MLVSS, MLFSS가축적된것으로보여진다. 그러나운전시작 25일이후에는반응조내의 MLFSS가더이상증가되지않아유입되는생슬러지의영향으로인한축적현상은더이상진행되지않고있음을알수있었다. 반응조내의 MLVSS는 15,000mg/l 를기준으로서서히증가하고있는추세이며, 기질소모에따른미생물증식에관한자세한동역학적인인자들은실험이더진행된후에논의할예정이다. Fig 3-95 는진행되었던처리기간동안의유입수 ( 생슬러지 ) 와처리수의 SCODcr값을나타낸것으로유입생슬러지의농도 ( 평균 3,785mg/L, 최대 6,520mg/L, 최소 742mg/L) 와, HRT(5~10day) 변화가심했음에도처리수의 SCODcr는평균546mg/L( 최대 785mg/L, 최소 364mg/L) 는매우안정적으로처리되고있었다. 또한기질로사용된생슬러지는심한악취를가지고있으나, 호기성처리후에는생슬러지특유의악취가전혀나지않았다. 여기서, 반응조내에서실질적으로제거되는유기물농도를알아보기위해유입되는생슬러지와 ER-1에서처리된처리수에 NaOH를가해가수분해로인한가용화정도를비교하였다. 실험은각각의시료 500ml 에 4N NaOH를가해 ph를 7, 9, 11로조정 (ph 조정오차 ± 0.3) 한후 3시간동안 magnetic stirrer 로반응시켜 GF/C로여과한여과액

241 의 SCODcr를측정하여비교하였다. 실험은 HRT 10, 7, 5day 일때각각 1회실시하여처리수의 HRT별 SCODcr 증가율을비교하려하였으나, ph조절시가해진각시료에주입된 NaOH의양이달라 SCODcr 증가율을비교하는데어려움이있었다. Fig 은실시된실험 3회평균값을나타낸것이다. Fig 3-96 에서 ph 조정후에원수나처리수의 SCODcr가상당부분증가한것을알수있다. ph 11로조절했을때, 원수의경우 312%, 처리수의경우 281% 의 SCODcr이증가하여, 비슷한가수분해율을보이고있었다. 그러나, 증가된유기물을농도값으로비교하면원수의경우 10,150mg/L, 처리수의경우 1,486mg/L 로나타나그총량에있어많은차이를보이고있다. 다시말해, ER-1 에서실질적으로제거된유기물은 NaOH 처리후가용화된원수 ( 생슬러지 ) SCODcr값과처리수 SCODcr값으로보아야하며그제거율에있어 85% 이상을보이고있어생슬러지가매우안정화된상태로변환되었음을알수있다

242 SCODcr(mg/l) 원수 ph 조정없이 ER-1 에서미생물에의해제거된실질적인유기물 처리수 NaOH 처리후 SCOD 가용화증가율 (%) 350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% 원수 처리수 ph 조정없이 0% 0% 7 29% 40% 9 117% 80% % 281% Fig 원수 ( 생슬러지 ) 와처리수의 NaOH 처리후의 SCODcr 변화

243 (2) 잉여슬러지와생슬러지를이용한호기성소화 ER-1은호기성소화를통해슬러지의안정화와감량화를위해서개발된호기성생물반응기로생슬러지 (1차슬러지 ) 를이용하여호기성소화의가능성을확인하였다. 본연구에서는 ER-1을이용한호기성소화의소화효율을높일수있는슬러지의초기조건을찾는것을목적으로잉여슬러지 (2차슬러지 ) 와생슬러지와잉여슬러지의혼합슬러지 (1 2차혼합슬러지 ) 를대상으로호기성소화실험진행하였다. 즉다음 Table 3-33 에서와같이 2차슬러지의전처리유 / 무에따른호기성소화, 1 2차혼합슬러지의호기성소화를통해 ER-1 반응기를이용한호기성소화에효과적인슬러지의초기조건을확립하고자한다. Table 차년도호기성소화실험진행내용 대상슬러지 실험내용 1 2차슬러지 전처리없이회분식호기성소화실험 2 1,2 차혼합슬러지 전처리없이회분식호기성소화실험 3 2차슬러지 NaOH 가용화후연속식호기성소화실험 4 2차슬러지 전처리없이연속식호기성소화실험 5 2 차슬러지 NaOH 가용화후 H 2 SO 4 로 ph 조절후연속식호기성소화실험 6 1,2 차혼합슬러지전처리없이연속식호기성소화실험 7 1,2 차혼합슬러지 전처리없이간헐폭기 / 내부순환을통한연속식호기성소화실험 Table 슬러지호기성처리실험에사용된 ER-1 반응기의구성및실험 구분내용 재질 / 형태 아크릴수지 / 원통형 크기 Ø300mm H500mm 8 단 총용량 282.6L 유효용량 212L( 액체층 170L, 기체층 42L) 반응기내부유체이동관 Ø20mm H70mm 각단별 3 개

244 호기성소화에적용된 ER-1을포함한장치의구성은 Fig 과같으며, 하수종말처리시설에서발생하는잉여슬러지 (2차슬러지) 와생슬러지 (1차슬러지) 를이용하여실험하였고, 잉여슬러지는상등수배출장치 ( 디켄터 ) 를이용하여농축하여실험에사용하였다. 슬러지의공급시펌프의막힘현상을배제하기위하여스크린조를두어 2~3mm mesh screen 을통해 1,2 차슬러지의협잡물을제거한후호기성소화실험을실시하였다. 전처리조 ( 저류조 ) 에서 ER-1 반응기로유입되는슬러지는 HRT에따라유량을조절하여정량펌프 (masterflax, tubesize 내경 8mm) 에의해연속주입하였으며, 호기성소화에필요한공기는 70~100mL/min 의유량으로 compressor 2대를교반운전으로하여 24시간공급하였다. 실험이진행되는동안슬러지의인위적인인발은이루어지지않았으며, 반응기내부의 TS, FS, VS, TCODcr, SCODcr, ph 및 DO 등은주기적으로체크하였다. 하수종말처리장슬러지유입 디켄터 M P P P 농축조 스크린조 전처리조 ( 오존 or NaOH ER-1 반응기 유출수조 Fig ER-1 을이용한슬러지호기성소화실험장치구성도 (Pilot plant)

245 (3) 회분식호기성소화실험 ER-1 반응기를이용한호기성소화의운전조건과슬러지의유입성상에따른처리특성을파악하기위하여회분식호기성소화실험을수행하였다. 유입슬러지는농축된전처리하지않은잉여슬러지의단독처리와이것을생슬러지와부피비 1:1 로혼합한슬러지를대상으로실험하였다. ( 가 ) 잉여슬러지를이용한회분식호기성소화실험에사용된잉여슬러지는하수종말처리시설의반송슬러지를디켄터를사용하여농축하여, 오존이나 NaOH 등의전처리과정없이사용하였으며, 실험에사용된잉여슬러지의구체적인성상은아래와같다. Table 호기성소화에사용된잉여슬러지의성상 ( 디켄터농축후 ) 항목 농도 (mg/l) 항목 농도 (mg/l) TS 25,450 T-N 41 FS 10,020 NO 2 -N 25 VS 15,460 NO 3 -N 3 TCODcr 22,158 NH 3 -N 25 SCODcr 321 질소계열은 soluble 분석값임 회분식호기성소화실험은상온 (18~22 ) 에서공기주입량 50~70L/min 로 17일간실시되었으며, 슬러지의감량화효율을분석하기위해 TS, VS, TCODcr, SCODcr을분석하였다. 슬러지의호기성소화는기본적으로유입되는용존유기물이없거나매우부족한상태에서나타나는활성슬러지법으로볼수있는데 (Wargner, 1986), 기질의결핍으로인해기질을이용한미생물합성속도보다내생호흡에의한종속영양세균의감소속도가더큰경우이다. 호기성소화에서고형물의감소는생물학적으로분해가능한부분에한해서만이차반응을따르기때문에고형물의감소를예측하기위해서는생물학적으로분해가불가능한량을산정하여야한다. 생물학적으로분해가불가능한고형물은의미상으로는시간이무한정경과하더라도더이상감소하지않는부분이며따라

246 서실험적으로구하기는어렵다 ( 김성홍, 1999). 호기성소화는주로 2단계로이루어지는데첫단계인용해 ( 가수분해 ) 단계에서생성된산물중폴리사카라이드 (polysaccahrides) 등은난분해성으로미생물이충분히적응하지못한시스템에서는대부분분해되지못할수도있다. Fig. 3-98~100 은잉여슬러지를대상으로 ER-1을이용한회분식소화실험을실시한결과로 TCODcr, TS, VS는감소하는경향을보였으나, SCODcr과질소계열은고형물이분해되면서농도가점차증가하는경향을보이고있다. 이는예상했던고형물의분해속도보다서서히진행되는결과로호기성으로성장한미생물 (2차슬러지) 이기질이제한되고이용가능한산소가고갈된환경에서급속히사멸되고세포가파괴되어용해된용존성유기물과무기물등을혐기성미생물을사용하여고형물을감량화시키는방법인혐기성소화에반하여, 산소제한없이기질의제한만으로내생호흡단계까지이르게하여고형물을감소시키는호기성소화법은고형물이분해되는데상당한시간이요구되는것으로나타나잉여슬러지를대상으로전처리없이단독호기성소화하는것은효율면에서바람직하지않은것으로판단된다. T C O D ( m g/l ) S C O D ( m g/l ) T CODcr SCODcr Operation time(day ) Fig 잉여슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른유기물농도변화 )

247 6 5 TS FS VS 4 고형물량 ( k g ) Operation time(day) Fig 잉여슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른고형물량의변화 ) 700 N it ro g e n C o n c.( m g / L ) ammonia nitrite nitrate Operation time(day ) Fig 잉여슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른질소계열농도변화 )

248 2차슬러지를대상으로회분식으로 17일째호기성소화중인 ER-1 반응기내에서측정하고자하는단과 respirometer 를직접연결하여펌프를통해슬러지가순환하도록하였다. 이때연결배관을통해반응기내의공기는대부분소멸되었고, 안정적인 DO data 를위하여 respirometer 내에유입된잔류공기를최대한제거되도록하였으나, 슬러지에포집되어있는미세공기는제거가어려워그대로측정하였다. 일정시간순환후펌프를정지하고유입배관의밸브를닫은이후부터 DO를측정하기시작하였다. DO data는 DO probe 와연결된 DO meter(235d, ISTEK) 로부터컴퓨터로 on-line 전송되어시간및온도와함께 10초에한번씩엑셀파일로바로입력되며, DO가 0.1mg/L 이하로내려가면측정을종료하고엑셀파일저장후시간에따른 OUR 을계산하였다. 저장된 DO 데이터는 DO probe 가가지는측정오차를최소화하기위하여 6개의평균값을대표값으로하는 data moving window 를거쳐 OUR을계산하였다. 또한 OUR 측정이끝난시료는일정량채취하여비산소섭취율 (SOUR, Specific oxygen uptake rate) 의계산을위한 VSS(Volatile Suspended Solids) 분석에사용하였다. 실험결과반응기내 DO 농도는하단 7.9mg/L, 상단 6.5mg/L 로많은차이가있었으며, MLVSS 또한하단과상단각각 15,370mg/L 과 14,710mg/L 로분석되었다. 이러한결과는반응기내에상 / 하단간 Plug 흐름에의해농도차이가발생하는것으로보이며, 유입공기의상향류식이동에의해하단이상단보다더높은용존산소와미생물량이유지되고있음을확인할수있었다. 이러한결과는 OUR 측정데이터에서도볼수있는데, Fig 과 102에서보이듯이하단과상단의 OUR 평균값은각각 24.2 와 11.8mg/L 로두배이상의차이가발생하였다. OUR 값은미생물의농도와영향이있기때문에 SOUR을통해각단별미생물의활성을비교하였다

249 40 반응기상단 반응기하단 O U R ( m g/l /h r ) T ime ( min ) Fig ER-1 반응기내각단별시간에따른 OUR 비교 OUR(mg/L/hr) 반응기상단 반응기하단 Fig ER-1 반응기내각단별시간에따른 OUR 평균값

250 SOUR은호기성소화에서는슬러지의안정화정도를평가하는주요한인자로, ER-1 반응기내상 / 하단의 OUR과이때의 MLVSS 농도를이용한 SOUR값은상단 0.8, 하단 1.6mgO 2 /gmlvss/hr로나타났다. 이러한결과는높은미생물과용존산소농도에의해반응기상단이하단에비해더빨리내생호흡단계로접근하고있다고판단된다. 이러한특성에의해 ER-1 반응기가전체적인흐름으로살펴볼때반응기구조적특성이 PFR 에접근하고있음을확인할수있었다. Hartman 등 (1979) 은호기성소화에서 SOUR이 1mgO 2 /gmlvss/hr 이하이면안정되었다고판단할수있다하였으며, Ahlberg 등 (1972) 또한 SOUR이 0.5~1mgO 2 /gmlvss/hr 일때안정화된슬러지라발표한바있다. 이러한연구결과에따르면 ER-1 반응기상단 ( 유출부 ) 은반응완료에의해안정화된반면, 하단 ( 유입부 ) 은슬러지안정화에이르지못하고있는것으로판단될수있다. ( 나 ) 혼합슬러지를이용한회분식호기성소화실험실험에사용된혼합슬러지는디켄터를이용하여농축한잉여슬러지와하수종말처리시설의생슬러지농축조에서 pumping한슬러지를 1차 : 2차 1 : 1( 부피비 ) 로혼합하여 24시간교반후저류하여 ER-1 반응기에주입하여실험을실시하였다. Table 호기성소화에사용된 1,2 차혼합슬러지의성상 항목 농도 (mg/l) 항목 농도 (mg/l) TS 23,630 SCODcr 812 FS 8,170 TCODcr 21,540 VS 15, 실험결과잉여슬러지를단독으로호기성소화결과와비교할때, 상당히빠른속도로유기물과고형물이분해되는것이확인되었다. 잉여슬러지의경우대부분이포기조에서발생된미생물군집으로서분해속도가매우느리나, 생슬러지의경우일반적인유기성성분으로잉여슬러지에비해생물학적분해속도가빠른것으로판단되며, 실험진행시간 10일을기준으로감소율을살펴보면 TCODcr 49%, TS 44%, VS 45% 의감소율을보이고있다. 또한기질로사용한혼합슬러지는심한악취를가지고있으나, ER-1 반응

251 기를통해호기성소화처리를거친소화슬러지는슬러지특유의악취가전혀발생하지않았다. Fig 은 ER-1 최상단내부에서샘플링을통해분석한시간에따른고형물농도의변화그래프이다. 운영초기 5일이내에 TS, FS, VS가비슷한기울기로감소하였으며, 5일이후에는운전 13일째까지감소량이미미하였다. 이러한결과는 TCODcr(Fig. 3-98) 의감소그래프와매우유사한결과를나타내며, SCODcr는초기 2일이내에전체제거량의 95% 이상이급격히감소되었으나, 3일째이후부터 160~200mg/L 수준에서유지되었으며이는대부분생물학적으로분해가어려운물질들로판단된다. 혼합슬러지를이용하여 ER-1 반응기를통해 13일간회분식소화결과, TS 기준으로 56% 의고형물이감소되었으며, SCODcr 기준으로 64% 의유기물이감소되었다. TS, VS, FS( 혼합슬러지 ) TS, VS, FS(mg/L) TS VS FS Time(day) Fig 차혼합슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른고형물의농도변화 )

252 TCODcr( 혼합슬러지 ) TCODcr(mg/L) Time(day) Fig 차혼합슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른 TCODcr 농도변화 ) 1000 SCODcr( 혼합슬러지 ) 800 SCODcr(mg/L) Time(mg/L) Fig 차혼합슬러지회분식호기성소화실험 ( 시간에따른 SCODcr 농도변화 )

253 Adams et al.(1974) 는아래와같은방법으로슬러지의감소율을표현하였는데, dx V dt = dx b dt = - kx b (3-61) 여기서, X V = concentration of VSS(mg/L) X b = concentration of biodegradable VSS, = X V -Xn(mg/L) Xn = concentration of nondegradable VSS(mg/L) t = digestion time(d) k = rate constant of biodegradable VSS decomposition(d -1 ) 식 (3-61) 을다음과같이정리하여 k 값을구할수있다. X b X b0 = X V- X n = exp (- kt ) (3-62) X V0 - X n 여기서, X b0 = initial value of X b (mg/l) X X0 = initial value of X V (mg/l)

254 VS( 혼합슬러지 ) VS(mg/L) Time(day) Fig 호기성소화시분해가능한 VS 과 t 와의관계 1,2 차혼합슬러지회분식호기성소화실험에서나타난 VS의결과값 (Fig ) 을식 (3-62) 를이용하여계산하면 k 값을구할수있다. 일반적인호기성소화의분해상수 (k) 값이 0.1~0.2d -1 정도이며, 고온소화인경우에도 0.35d -1 를넘지않는것 ( 김성홍, 1999) 을고려한 1 2차혼합슬러지의회분식호기성소화실험에서 k값이 0.41d -1 으로나타난것은매우고무적이라할수있다. ( 다 ) 유입슬러지조건에따른회분식호기성소화실험에사용된시료는 2차슬러지와혼합슬러지 (1차슬러지와 2차슬러지를 1:1 로혼합 ) 를이용한호기성소화슬러지를대상으로하였다. 두시료모두호기성소화를위해동일한규격의 ER-1 반응기내에서회분식으로운전되었으며, 두가지실험모두 2차슬러지를대상으로화학적전처리는하지않았다. 또한공급된공기량은동일하였다. Fig 는 2차슬러지와혼합슬러지의회분식호기성소화기간동안 TS 중 VS의함량을나타낸결과이다. 그래프에나타난바와같이 2차슬러지는호기성소화기간에걸쳐 VS의함량이서서히감소되었으나, 혼합슬러지를이용한호기성소화시에는 60% 전후에서크게변하지않는결과를보이고있다. 이러한경향은혼합슬러지에비해용해성유기물의농도가낮은 2차슬러지를대상으로호기성소화할경우에내생호흡에의해미생물군집의소멸이혼합슬러지의경우에비해더원활한것으로판단된다

255 V S / T S Operation time(d) 2 차슬러지혼합슬러지 Fig 회분식호기성소화시유입슬러지조건에따른 VS 감소율 5 4 S C O D c r/t C O D c r Operation time(d) 2 차슬러지혼합슬러지 Fig 회분식호기성소화시유입슬러지조건에따른 SCODcr 감소율

256 초기유입되는슬러지의성상에따른호기성소화슬러지의탈수효율을 CST를통해알아보았다. Fig 의 CST 결과를살펴보면혼합슬러지의경우 13일간의회분식호기성소화에의해처리수의 CST가급격히감소됨을확인할수있는데반하여, 2차슬러지를이용하여회분식 17일경과후의소화슬러지의경우 40% 정도의감소에그쳤다. 이는각시료를대상으로소화된슬러지가지닌입자의크기와분포, 소화과정그리고소화과정중발생된점액질등에기인한것으로판단된다. 2차슬러지는대부분호기성미생물로구성되어있어슬러지의농축및침전과정에서형성된 floc 사이의간극수, 슬러지내부수등에의해호기성소화시기질을섭취하는데장애요인으로작용된것으로보이며, 이로인한호기성소화미생물상태의악화와미제거된다량의점액성물질로인하여유출되는슬러지의탈수성이개선되지못한것으로판단된다. 아래의 Fig 은원심분리를통하여슬러지의탈수성을알아보기위한것으로혼합슬러지의 CST에사용된동일한혼합슬러지와그소화슬러지를대상으로하였다. 실험은시료를 15ml tube에각각담고 3,500rpm 에서 3분간원심분리 (Hanil Sci., HA-12) 를통하여수행하였고상등수는추출하여고형물을측정하였다. 실험결과혼합슬러지 ( 유입 ) 는계면의형성은이루어졌으나, 상등액이매우혼탁하여사진으로구분이어려운반면, ER-1 반응기를통해유출된슬러지는뚜렷한차이를보였다. 상등수의고형물 (TSS) 농도는혼합슬러지 ( 유입 ) 의경우 280mg/L, 소화슬러지 ( 유출 ) 는 80mg/L 로침강성이상당히증가되었음을확인할수있었다. 슬러지의감량화는고형물의농도뿐만아니라슬러지의침강성과탈수성또한중요한인자로작용되고있다. 이러한면에서혼합슬러지를이용한호기성소화가 2차슬러지를대상으로한호기성소화에비해더효율적이라할수있다

257 유입수 유출수 300 C S T(se c ) 차슬러지혼합슬러지 65 Fig 차슬러지와혼합슬러지를이용한호기성소화슬러지의탈수성실험 Fig 원심분리를이용한혼합슬러지호기성소화의침강성실험

258 (4) 연속호기성소화실험하수슬러지소화공정의효율개선을위하여 G하수종말처리장에설치된 pilot plant 규모의 ER-1을이용한하수슬러지의호기성소화의연속공정을위하여호기성소화대상슬러지와전처리등의실험조건을 Table 3-37 과같이변경하여연속적으로실험을진행하였다. 호기성소화공정을위한 ER-1을포함한공정의구성은앞절의회분식실험에서의구성과동일하며, ER-1의재질및규격또한그와동일하다. Table 연속호기성소화실험초기유입슬러지조건 대상슬러지초기유입슬러지조건실험기간 (d) 1 2 차슬러지 NaOH 가용화후연속식호기성소화실험 1~ 차슬러지전처리없이연속식호기성소화실험 34~ 차슬러지 NaOH 가용화후 H 2 SO 4 로 ph 조절후연속식호기성소화실험 58~76 4 1,2 차혼합슬러지전처리없이연속식호기성소화실험 77~ ,2 차혼합슬러지 전처리없이간헐폭기 / 내부순환을통한연속식호기성소화실험 103~170 위의표에서와같은유입슬러지조건의구분없이연속실험기간동안의 TS(Fig ), TCODcr(Fig ), SCODcr(Fig ) 에대한결과를아래에나타내었다. 아래의결과에서보여지는것과같이 ER-1 반응기내연속실험초기 TS농도가점차증가하여연속운전 50여일이후부터는유입슬러지중의 TS 농도와상관없이 20,000mg/L 전후에서유지되는것으로나타났다. TS와 TCODcr은매우비례적인결과를보였다. 슬러지내용존성유기물인 SCODcr의경우, 유입슬러지중의 SCODcr의농도는전처리등의변화에따라매우급격히증가또는감소되었으나 ER-1의유출수인소화슬러지내의 SCODcr는비교적안정적으로처리되었다. 제거되지않은 SCODcr의대부분은하수에유입되어슬러지에포함되었거나, 슬러지소화의전처리단계에서또는호기성소화과정에서세포파괴에의해발생되는생물학적으로분해가어려운물질에의한것으로판단된다. 호기성소화를이용하면세포조직의 75~80% 정도가산화될수있는데나머지 20~25% 는불활성성분과 polysaccharides, hemicellulose, cellulose 등생물학적

259 으로분해가어려운유기물로구성된다 (MatCalf and Eddy Inc., 1991). 유입슬러지와유출 ( 소화 ) 슬러지중의고형물과유기물의농도는하수종말처리시설의유입수및운영상황에따라, 또슬러지의농축및전처리효율에따라큰차이가발생되었다. ER-1을이용한호기성소화에서유입과유출되는 TS와 TCODcr를비교한 Fig 에서와같이유입슬러지의종류의구분없이 ER-1을이용한호기성소화결과, TS는 700~2,000g/d, TCODcr은 600~1,600g/d 의범위에서유입되고, 각각 300~ 1,300g/d, 200~800g/d 의범위에서유출되는슬러지안정화효율을보였다. 생물학적슬러지의안정화지표로서가장많이사용되는것이휘발성슬러지고형물 (Volatile Sludge Solids) 인데휘발성슬러지고형물은실험에서 VS(Volatile Solids) 를통하여측정하였다. Fig 은연속적호기성소화총실험기간동안 TS와 VS의유입 / 유출량을비교한결과그래프이다. 유입되는하수슬러지중의 VS/TS는 60~65% 수준에서크게변동하지않으나, 유출되는소화슬러지의경우는 VS/TS가최대 20% 까지감소되며평균 40~45% 수준으로유출되는결과를볼수있다. 유기성하수슬러지는 VS의농도가전체고형물농도 (TS) 의 40% 이상이면유기성슬러지, 40% 미만이면무기성슬러지로규정하고있으며, 이러한규정을통해보면 ER-1을이용한호기성소화슬러지는매우안정화되고있다고판단할수있다. 또한 Randall 등 (1975) 의연구결과에서와같이미생물이분해할때세포중의 VS만감소하는것이아니라 FS 성분도비례적으로감소한다고볼때, ER-1의호기성소화의안정화효율은더증가될것이다. 이러한결과를호기성소화유입슬러지가 2차슬러지 (Fig ) 와혼합슬러지 (Fig ) 일때로구분하여살펴보면, Fig 에서 2차슬러지를대상으로전처리없이운전했던기간과, 알칼리전처리및중화하여 HRT를 3일로운전했던기간은 VS의감량효율이비교적좋지않은결과를보였으며, 이때를제외하면 2차슬러지대상소화슬러지 ( 유출 ) 는 TS와 VS가비례하여안정적으로유출되는결과를보였다. 혼합슬러지대상호기성소화의경우, 유입슬러지의 TS와 VS의량은서로비례하나, 유출되는소화슬러지는 TS 량과상관없이일정한량의 VS가유출되는결과를보였다 (Fig ). ER-1을이용한호기성소화는반응기의우수한산소전달효율과혼합효과로인하여, 높은유기물농도와 20,000mg/L 이상의미생물 (VS) 농도에도불구하고, 높은용존산소농도 ( 약 DO 6mg/L) 를유지할수있는특징으로유기물산화와동시에암모니아성질소의질산화가동시에일어나는결과를볼수있었다

260 T S C o n c. (m g / L ) Operation Time(day ) Fig ER-1 을이용한호기성소화연속처리시간에따른 TS 의변화 ( 유입, 유출 ) T C O D c r C o n c. (m g / L ) Operation Time(day ) Fig ER-1 을이용한호기성소화연속처리시간에따른 TCODcr 의변화 ( 유입, 유출 )

261 S C O D c r C o n c. ( m g / L ) Operation Time(day ) Fig ER-1 을이용한호기성소화연속처리시간에따른 SCODcr 의변화 ( 유입, 유출 ) T C O D c r ( g / d ) TS(g/d) Fig 호기성소화유입 ( ), 유출수 ( ) 중의 TCODcr 과 TS 비교

262 S C O D c r TCODcr Fig 호기성소화유입 ( ), 유출수 ( ) 중의 SCODcr 과 TS 비교 V S (g / d ) TS (g/d) Fig 호기성소화유입 ( ), 유출수 ( ) 중의 VS 와 TS

263 VS(g/d) TS (g/d) Fig 차슬러지대상 ER-1 유입 ( ), 유출 ( ) 슬러지중의 VS 와 TS V S(g /d ) TS (g/d) Fig 혼합슬러지대상 ER-1 유입 ( ), 유출 ( ) 슬러지중의 VS 와 TS

264 500 TS FS VS 400 TS,FS,VS(g/d) A B C D E F 구간대상슬러지 HRT 알칼리전처리 유입슬러지조건 A 2차슬러지 5일 유 B 2차슬러지 4일 유 C 2차슬러지 4일 무 D 2차슬러지 3일 유 ( 중화 ) E 혼합슬러지 4일 무 F 혼합슬러지 4 일무 Fig 호기성소화연속실험시유입슬러지조건에따른고형물의제거량비교

265 2차슬러지를대상으로알칼리전처리하여유입하였을경우에는유입수가다소높은 ph로유입되어반응기내질산화에의한 ph 감소는문제되지않았으나, 혼합슬러지의경우에는질산화로인하여유출수내 ph가 6이하로감소하는현상이발생되었다. 따라서 ph의회복과질산화물의탈질효과를유도하여호기성소화시유기물과질소를동시에제거, 안정화뿐만아니라반류수에의한하수처리시설의효율저하를방지하기위한목적으로내부순환을실시하였다. 내부순환은 ER-1의최상단에서수중펌프를이용하여위에서아래로내부순환하였으며, 내부순환시에는원수유입과폭기는중단하였다. 즉 2시간폭기 / 유입, 1시간내부순환으로타이머를통해자동운전하였다. 내부순환결과유출슬러지의 ph는점차증가하여유입수와동일한수준으로유지되는결과를보였다 (Fig ). 이와동시에 Fig 와 Fig 의결과에서와같이질산화효율또한 76% 에서 93% 로증가하였으며, 내부순환이후에는질산화된 NO - 3 -N이대부분탈질에의해제거되었다. 운전방법을 2시간폭기 / 유입, 1시간내부순환으로반복적으로운전함에따라, ER-1 반응기내생물학적반응에따른 ORP의변화와폭기시 DO 회복속도를알아보기위하여 ORP와 DO를연속적으로측정해보았다. 측정은 ORP meter(740p, Istek) 를노트북과연결하여 1분간격으로데이터를측정하여엑셀로자동전송받아저장하였으며, DO 는 DO meter(235d, Istek) 의 data 저장기능을이용하여 4분간격으로측정하였으며, 내부순환후폭기되는순간 ORP와 DO의측정을동시에시작하였다. Fig 의결과에서와같이폭기가시작됨과동시에 DO의농도가회복되기시작하여 30~40 분사이에 6mg/L로유지되었으며, 2시간후유입펌프와 compressure 가꺼지고내부순환이시작되면서 DO는급격히감소되어 0mg/L가되었다. 이와동시에 ORP 또한폭기와내부순환의운전방법에의해동일한그래프를나타냈으며, 폭기시 150mV, 내부순환 ( 비폭기 ) 시 -100mV 정도로유지되었다

266 500 유입슬러지 400 Nitrogen Conc. (mg/l) Operation T ime(day) Fig 혼합슬러지대상호기성소화슬러지의시간에따른질소농도그래프 (NH 3 -N, NO 2 -N, NO 3 -N ) 500 유출 ( 소화 ) 슬러지 400 Nitrogen Conc. (mg/l) Operation Tim e(day) Fig 혼합슬러지대상호기성소화슬러지의시간에따른질소농도그래프 (NH 3 -N, NO 2 -N, NO 3 -N )

267 ph 유입슬러지 4.5 유출슬러지 Operation Tim e(day) Fig 내부순환에의한유입 / 유출슬러지의 ph 변화 O R P (m V) ORP DO Operation Time(min) D issov e d O x y ge n (m g/l ) Fig 내부순환운전방법시시간에따른 ORP 와 DO 농도그래프

268 (5) 혐기성소화액대상호기성소화하수처리장소화조개선과혐기성-호기성소화공정을적용하기위하여경기도 G하수처리장의혐기성소화조소화슬러지를대상으로하였으며, 실험에적용한경기도 G시하수슬러지처리시설은수처리시설에서발생하는슬러지를 2단계혐기성소화조를적용하여감량화 안정화한후탈수하여최종적으로소각하여처리한다. ER 반응기에대한실험조건은 2단계혐기성소화중 1단계혐기성소화조 (HRT 30d) 에서 2단계로월류되는슬러지를약품이나물리적인전처리없이 ER 반응기내로유입하여처리되고있으며, 반응기내가온없이단순포기에의한호기성소화를적용하였다. 1 Pilot Plant 컨테이너전경 2 컨테이너내부 3 생물반응기 (ER-1) Fig Pilot Plant 시설사진

269 실험에사용된 ER-1 반응기는 SUS304 재질의유효용량 2m 3, 총높이 4m의원통형반응기로반응기내부는중간분리판에의해 4단으로나뉘어져있다. 혐기성소화액의호기성소화는 9월부터이듬해 1월까지 120 여일에걸쳐수행되었으며, 동계에반응기내부의온도저하를막기위해열선 (Heating device) 을반응기외부에감아반응기내부의온도가 20±3 가되도록유지하였다. 또한원수 ( 혐기성소화액 ) 의주입이정량적이고안정적으로유입될수있고혐기성소화액내의머리카락등의이물질에영향이최소화할수있게용적식펌프로선정하여, 원수유입을위해서는모노펌프 (3~30L/hr, 0.5hp) 를, 무산소운전기간에반응기내혼합을위해 Spurt pump(0.1m 3 /min) 를사용하였다. 호기성소화에필요한공기의공급을위해 Roots Blower(200~400L/min) 를이용하였다. ER-1 반응기를이용하여슬러지감량화와반류수내질소제거를위해호기 1시간과무산소 2시간으로운전하였으며, 호기조건에서는원수와공기가주입되고, 무산소조건에서는원수와공기가중단되고순환펌프가작동될수있는운전모드를적용한자동화시스템을도입하였고, 원수주입펌프및브로워는인버터를통해유량을조절할수있도록하였다. 슬러지호기성소화를위해적용된혐기성소화액의성상은다음과같다. Table 적용대상 G 시의혐기성소화액의성상 구 분 농 도 (mg/l) 범위평균 TS 12,700 ~ 22,500 16,500 VS 5,800 ~ 11,000 8,100 FS 6,900 ~ 11,500 8,400 BOD 300 ~ T-N 348 ~ T-P 37.6 ~ ph 7.1 ~

270 Fig 는실험기간중혐기성소화액 ( 원수 ) 과호기성소화반응조인 ER-1 반응기의유출수 ( 처리수 ) 의 TS와 VS 농도를나타낸것으로, 원수와비교하여유출수에서의 TS와 VS가모두감소되었다. 그러나 1차슬러지와혼합슬러지의 TS, VS 효율과비교하면제거효율이 30~40% 정도의낮은결과로이는 Fig 에서와같이혐기성소화과정에서생물학적으로분해가능한유기물성분이제거되어호기성소화를통해제거될수있는양이적었기때문으로판단된다. 유입되는혐기성소화액의유기물과질소 인의농도는슬러지혐기성소화조의유입수및운영상황에따라큰차이가발생하는반면, ER-1 유출수는비교적안정적인유출수형태를보였다. 유입수의 ph는 7.0 수준에서크게변화하지않았으나, 질산화로인하여유출수내의 ph가 6.0~6.4 로감소되는현상이발생되었다. 따라서 ph의회복과질산화물의탈질효과를유도하여슬러지감량화와동시에반류수에의한수처리계통의효율저하를방지하기위한목적으로내부순환주기를두어운전하였다. 내부순환의운전방식은앞에서와같이호기 1시간과무산소 2시간을주기로운전하였으나, 앞절의오폐수처리시또는혼합슬러지의적용시와는달리질산화물의탈질이이루어지지않았다 (Fig ). 이는탈질미생물이쉽게이용할수있는유기물의양이부족하고, 혐기성소화액의 Alkalinity가 1,850mg/L as CaCO 3, ER-1 유출수가 63.5mg/L as CaCO 3 로질산화가일어나기에매우부족한것으로판단되었다

271 14,000 12,000 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) V S(mg /L) 10,000 8,000 6,000 4,000 2, ,000 10,000 15,000 20,000 25,000 TS mg/l) Fig 혐기성소화액 ( 원수 ) 와 ER-1 유출수 ( 처리수 ) 의 TS, VS 비교 1,200 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) B OD C o nc.(m g /L) 1, Time(day ) Fig 혐기성소화액의호기성소화중 BOD 의제거효율

272 혐기성소화액 ( 원수 ) 800 ammonia nitrite nitrate N itr o g en C o nc.(m g / L) Time(day ) ER 소화슬러지 ( 유출수 ) 800 ammonia nitrite nitrate N itro g en Co nc.(m g /L) Time(day ) Fig 혐기성소화액의호기성소화중질소의성상

273 일반유기물의탈질반응식은아래의반응식과같으며, 탈질에필요한메탄올요구량은 MaCarty(1969) 에식 (3-63) 을이용하여계산할수있다. 이식을이용하여 ER-1 반응기유출수의아질산성질소와질산성질소의농도를대입하면, 탈질에필요한유기물의양은약 500mg/L 이필요하고암모니아성질소가 100% 질산화될경우에 1,000mg/L 이상이필요하다. 그러나반응기유출수내유기물의농도는 200mg/L 로탈질을하기에유기물량이절대적으로부족하다. 따라서혐기성소화액을호기성소화할때반류수내질소의제거를위해서는호기운전시간을줄여탈질에필요한유기물을다소확보하고, 질산화를위한알칼리도를추가하는것이바람직할것으로판단된다. 5(Organic-C) + 2H 2 O + 4NO 3-2N 2 + 4OH - + 5CO 2 M = 2.47N o N i DO (3-63) 여기서, M = 메탄올요구량 N o = 유입수의질산성질소농도 N i = 유입수의아질산성질소농도 DO = 유입수의용존산소농도 70 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) 60 T-P Conc.(mg/L) Time(day ) Fig 혐기성소화액의호기성소화중 T-P 의제거효율

274 혐기성소화액 ( 원수 ) 과 ER-1 유출수 ( 처리수 ) 를각각 1,000mL 메스실린더를이용하여시간별농축효율을알아보았다. Fig 는농축전과농축 12시간후의시료사진이며, Fig 은시간별농축슬러지의부피를나타낸그래프이다. 결과에서와같이혐기성소화액은침전성이매우낮고상등수와농축슬러지의경계를구별하기어려울만큼슬러지내 SS성분이많았으며, ER-1 유출수의경우상등수의색과침전성이많이개선된결과를나타내었다. 이때농축슬러지의구성을현미경을통해관찰해본결과, Fig B] 에서와같이 혐기성소화액을 ER 반응기를이용하여호기성소화했을 때, 슬러지의농축효율은매우향상되었으며, 현미경을이용한슬러지내미생물의군집 구조또한플럭화된결과를확인할수있다. A B A B Fig 농축효율비교 ( 농축시간 12 시간 ) (A: ER-1 유출수 ( 처리수 ), B: 혐기성소화액 ( 원수 ))

275 1,200 1,000 슬러지부피 (ml) A B 혐기성소화액처리수 time(hr) Fig ER 반응기를이용한혐기성소화액의고형물감량화율 [A] [B] Fig 호기성소화후슬러지형상 ( 640) (A: 혐기성소화액 ( 원수 ), B: ER-1 유출수 ( 처리수 ))

276 다. 혐기성소화액과 ER-1 유출수의농축슬러지와상등수 ( 반류수 ) 의성상은아래와같 Table 농축슬러지와상등수의성상 ( 단위 : mg/l) 구 분 BOD CODmn SS T-N T-P 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) 제거율 (%) 이때, 농축후슬러지의감량화율을비교하면 TS 기준으로 32.4% 제거된것으로분석되었다. 이는앞절에서 1차슬러지또는혼합슬러지를대상으로호기성소화에의한감량화효율에비하면비교적적은양이나, 혐기성소화에의해생물학적으로분해가능한 VS가적기때문으로하수슬러지의발생에서부터감량화율을비교하면혼합슬러지를대상으로한감량화효율과비슷할것으로판단된다. 일반적인하수처리시설에서혐기성소화조에서의감량화또는안정화효율이매우낮은것으로알려져있으며혐기성소화액의운전조건에따라침전성이매우불량하여최종처분방식의어려움이있는것으로알려져있다. 그러나혐기성소화액을대상으로한연구결과에서보면, ER-1을이용한호기성소화를통해고형물량을 TS 기준으로 30% 이상감량화할뿐아니라, Fig 에서와같이 CST(Capillary Suction Time) 를통한탈수성이혐기성소화액 240 sec에서 ER-1 유출수 145 sec로매우향상된결과로탈수에의한탈수케이크감량화도크게기대할수있을것이다

277 Table 농축슬러지와상등수의성상 (TS, FS, VS) 구농축전슬러지농축후슬러지농축후상등수 분 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) mg/l g mg/l g TS 16, , FS 8, , VS 7, , TS 30, , FS 16, , VS 13, , TS 1, FS VS 상등수 TS 농축슬러지 TS 8.0 TS(g) 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) Fig ER 반응기를이용한혐기성소화액의 TS 감량화

278 CST(sec) 혐기성소화액 ( 원수 ) ER-1 유출수 ( 처리수 ) Fig CST 를이용한탈수성실험 다. 슬러지최종처분방법 (1) ER-1을이용한소화슬러지의지렁이퇴비화가능성검토본연구에서는 ER-1 소화슬러지의최종처분및재활용의한방법으로서최근부각되고있는지렁이퇴비화법으로슬러지를처리가능성을알아보았다. 지렁이를이용한퇴비화처리법은기존의슬러지처리방법보다간편하며, 시설과운전비용이적게들고슬러지처리후발생되는부산물 ( 지렁이 + 분변토 ) 의재활용이가능한새로운처리기술로알려지고있다. 이방법은 1970 년 Fosgate 와 Babb가동물의분을이용, 인공적으로지렁이를증식시켜그가능성을입증하였다. Hartenstein 등은하수처리장의탈수슬러지, Loehr등은액상슬러지 (TS : 9 17%), Camp Dresser 는도시고형폐기물을대상으로하여지렁이가유기성물질을안정화시킬수있다는것을연구하여 Vermicomposting 이폐기물처리의한분야로서이용될수있는기술적토대를성립시켰다. 현재까지연구된바에의하면지렁이는유기성물질을잘섭취하므로먹이에제한을받지않을것으로생각되었으나, 실제현장규모에서슬러지를지렁이먹이로이용하여개발시킨경우는제지, 하수, 분뇨슬러지및우분등이있을뿐이다. Kaplan 등 (1980) 은혐기성슬러지를지렁이먹이로공급한결과이를처리하는지렁이모두가사멸되었으

279 나 1~2 개월부숙시킨후독성이사라져먹이로서가능한것을밝힌바있으며, Curry(1976) 는우, 돈, 가금류의분뇨슬러지를먹이로공급한결과지렁이모두가사멸되었고시간이지남에따라생존과생장이가능하다는것을밝힌바있다. 또한 Roy Hartenstain(1979) 는마분을직접주었을경우에는지렁이분변토를발견할수없었으나지렁이생육조건에적합한 3일이후부터는지렁이가슬러지를먹고배설하는분변토를발견할수있었다고보고한바있다. 이와같이지렁이처리에적용한물질에따라정도의차이는있으나지렁이먹이로이용되기위한조건이충족된다면친환경적이고부가가치가높은지렁이를이용한퇴비화가가능한것으로판단된다. (2) 지렁이퇴비화적용을위한슬러지의전처리 ER-1을이용한호기성소화슬러지와 G시하수종말처리시설의탈수케이크을지렁이퇴비화에적용하기위하여다음과같이전처리하였다. 지렁이의생육특성을알아보기위한실험에앞서서원시료를 25±3 정도에서한달간부숙하여사용하였다. 지렁이퇴비화를위해적합한전처리방법을알아보기위하여다음과같이혼합부산물을달리하였으며, 대조군으로 pilot plant가설치된 G시하수종말처리시설의혐기성소화슬러지의탈수케이크를사용하여지렁이급이에이용하였다. 1 2차슬러지호기성소화 (ER-1) 슬러지의직접적용 2 혼합슬러지호기성소화 (ER-1) 슬러지와버섯폐목혼합 : 건조된버섯폐목을수분함량이 65% 가되도록혼합 3 혼합슬러지호기성소화 (ER-1) 슬러지와돈분혼합 : 소화슬러지와돈분을 1:1 로혼합 4 G시하수종말처리시설의탈수케이크와돈분혼합 : 소화슬러지와돈분을 1:1 로혼합 (3) 지렁이입식및조사 cm(L D H) 의사육상자에 40g의줄지렁이 (Eisenia fetida) 를입식한후, 처리된슬러지 160g 의먹이를공급하여 24시간간격으로지렁이의섭식속도를조사하였다. 상자내의먹이를모두섭식하면다시 100g 의먹이를투입하고같은방법으로조사

280 하였다. 지렁이입식 40 일후에상자내의지렁이생체량을조사하였다. 각시료당반복 수는 3 개로하였다. ( 가 ) 이화학성상조사 ph는시료와증류수를 1:5 비율로혼합하여 100rpm 으로 1시간교반한후에 ph meter(orion 420A) 를이용하여측정하였다. 전기전도도 (EC) 는시료와증류수를혼합하여 5B 여과지로여과한후 Conductivity meter(orion 130) 로측정하였다. 수분함량은시료를 dry oven(104 ) 에서 24시간건조시켜측정하였다. 유기물함량은 dry oven(10 4 ) 에서건조된시료를 muffle furnace(600 ) 에서 8시간연소후에측정하였다. ( 나 ) 실험결과지렁이는중성을선호하는것으로알려져있으며, 산성도에대한내성범위는 ph 5. 4~8.5 로보고되고있다. 또한지렁이는강산성이나강알카리성만아니면적응하여서식하는것으로알려져있다. 산화환원전위에대한내성범위는 -122~210mV, 전기전도도에대한내성범위는 750~15,000 μs/cm 이었다고보고하고, 염류농도가높을경우에는지렁이는치명적인영향을받게되며, 낮은경우에는지렁이성장이이루어지지않는것으로알려져있다 (Flack, 1984). 또한국내의지렁이농장에서먹이로이용하는인분케이크, 제지슬러지, 가축분등과같은유기성슬러지의이화학적성상은 ph 6.0~7.0, 산화환원전위 110~170mV, 전기전도도 (EC) 1,950~4,900 μs/cm의범위를나타내었다고보고하였다. 지렁이가잘서식하고있는농장임을고려할때, 상기의이화학적성상값들은지렁이생장에적정한범위가될수있음을시사한다. 한편먹이의수분함량에대한지렁이의내성범위는 60~85% 로비교적넓은것으로알려져있다따라서실험에사용된 ER-1을이용한호기성소화슬러지의경우는이화학적성상이지렁이에게한계요인으로작용하지않는것으로보인다

281 Table 하수슬러지의이화학적성상 구분 ph EC ( μs / cm ) Eh ( mv ) 수분함량 (%) 유기물함량 (%) 2 차슬러지소화슬러지 8.1± ± ± ± ±0.00 혼합슬러지소화슬러지 + 버섯폐목 8.6± ± ± ± ±0.52 혼합슬러지소화슬러지 + 돈분 (30 일부숙 ) 7.1± ± ± ± ±0.52 G 하수처리장탈수케이크 + 돈분 (30 일부숙 ) 6.7± ± ± ± ±0.88 Table 지렁이 40g 을입식하여 40 일동안하수슬러지처리속도 (day/ 슬러지 160g/40g 지렁이 ) 와처리량 (g) 구분처리속도 ( 일 ) 40 일간하수슬러지 처리량 (g) 2 차슬러지소화슬러지 6.5 ± ± 0.00 혼합슬러지소화슬러지 + 버섯폐목 혼합슬러지소화슬러지 + 돈분 (30 일부숙 ) G 하수처리장탈수케이크 + 돈분 (30 일부숙 ) 6.0 ± ± ± ± ± ±

282 전처리조건 2-2 A B C D 생체량변화량 (g) 구분 전처리조건 A 2차슬러지대상 ER-1 유출슬러지 B 혼합슬러지대상 ER-1 유출슬러지 + 버섯폐목 C 혼합슬러지대상 ER-1 유출슬러지 + 돈분 D G시하수종말처리장탈수케이크 + 돈분 Fig 지렁이 40g 을입식하여 40 일후의생체량변화 생체량변화 = 40 일후생체량 - 초기입식량 Table 3-42 의결과에서보면 G시하수종말처리장에서발생하는혐기성소화후탈수케이크에비해 ER-1을이용한호기성소화슬러지의처리속도가더빠른것으로나타났으며그중혼합슬러지의호기성소화슬러지와버섯폐목을혼합하여급이하였을시에가장높은처리효율을나타내었다. 그러나 Fig 에서와같이모든시료에서급이 40일후에생체량이감소되는결과를나타내었다. 이러한결과에서 ER-1을이용한호기성소화슬러지의지렁이퇴비화를적용하기위한전처리방법으로는돈분을 1:1 로혼합하여급이하는방법이 40일간슬러지처리량 1,013.3 ± 92.38g, 지렁이생존율 80% 로지렁이퇴비화의가능성을확인할수있었다. 이를토대로분변토의질적특성과생산량등도차후검토되어야할것으로판단된다

283 3. ER-1 을이용한호기성소화공정의감량화효율및경제성검토 가. 혐기성소화기술하수슬러지발생량은 2001 년 1,901 천톤 / 년, 2002 년 2,072 천톤 / 년, 2003 년에 2,266 천톤 / 년으로매년증가하고있으나, 2000 년 7월부터시행된하수슬러지육상매립금지 ( 시설용량 1만톤 / 일이상인하수처리장 ) 로발생량의 72% 를해양투기에의존하고있는실정이다. 9) 그러나 2006 년 3월 24일해양배출과관련된런던덤핑조약인 96 의정서가발효되고해양배출의규제가강화됨에따라슬러지처분의근본적인해결책인슬러지발생량감소가절실히요구되고있는실정이다. 혐기성소화는 1900 년경부터하수처리의슬러지감량화기술로서접근되어온전통적인기술로서초기에는 1개의반응에서처리하는단상메탄발효조가주로이용되었으나, 1970 년대후반부터산분해과정과메탄생성단계를분리한 2상식메탄발효조로발전하였고, 여기에담체를이용한고효율메탄발효조가개발되고있다. 전국 242 개하수처리장중소화조가설치된처리장이 69개소 (28.5%) 이며, 전부혐기성소화시설로이중 62개소가운영중으로소화조설치처리장 69개소중 75%(52 개소 ) 가 2000 년이전에설치된시설이다. 저농도하수유입및고도처리등으로인한슬러지내유기성분이적어소화조유지관리비용측면에서경제성이떨어진다는이유로소화조설치를기피하는실정으로주로 10천톤 / 일이상의하수처리장에서운영중이다. 9) 2005 년에환경부에서발표된 ( 생활하수과 719 호 ) 소화조정밀진단결과에따르면계획대비발생가스량이 80% 이상인처리장이 12개소 (19.4%) 에불과하며, 20% 도발생되지않는처리장이 6개소 (9.7%) 로매우저조하였으며, 발생하는메탄가스는대부분소화조가온용으로사용하고있으며, 잉여가스는소각처리하는것으로조사되었다. 일반적으로알려진소화조운영상발생되는문제점은소화조가온을위한보조에너지필요가필요하며 ( 부생가스를활용한다면별도의보조에너지불필요 ), 유지관리및운전기술이어렵고, 퇴적물에대한제거작업미실시로소화조용적축소로인한효율감소이다. 나. ER-1 을이용한호기성소화공정의특징 본연구에서와같이 ER-1 을이용한호기성소화공정은기존의혐기성소화기술과 비교하여다음과같은특징을갖는다

284 고효율호기성생물반응기 (ER-1) 를적용하여호기성소화에소요되는기간 4일 - 슬러지감량화에소요되는시간이짧아소요부지면적및시설설치비가적다. TS 50% 이상감량화및 VS함량 40% 이하로안정화 - 호기성소화된슬러지는농축 탈수성향상되어탈수케이크발생량감소 - 탈수케이크발생량감소및 VS 안정화로탈수케이크를이용한최종부산물의처리효율증가및처리비용감소 반류수에의한수처리계통의영향최소화 - 반류수중의유기물및질소 인농도감소로하수고도화유도 생슬러지 (1차침전조슬러지 ) 잉여슬러지 (2차침전조슬러지 ) 호기성생물반응기 (ER-1) (TS 60% 이상감량화 ) 농축조탈수 탈수케이크 반류수 Fig ER-1 을이용한호기성소화공정도 다. ER-1 반응기를이용한슬러지감량화경제성검토 ER-1 반응기를이용한슬러지감량화공정을적용할때, 몇개의실제운영중인하수처리시설을모델로하여기술적용후의결과를예상하여감량화시설미운영및혐기성소화시설을운영하는하수처리장과비교검토하였다. 이때 ER-1 반응기의 TS 감량화효율은앞절의호기성소화결과를이용하여 60% 로적용하였고, 탈수케이크의함수율은 75% 로예상하였다. 비교대상하수처리장의적용값은 하수종말처리장고도처리시설실태점검결과 ( 환경부 / 환경관리공단, ) 의처리장별시설현황및운영결과 (Table 3-43) 의운영치의평균값을사용하였다. 감량화시설미운영시는 TS 감량화효율없이탈수케이크함수율 80.3% 을적용하였고, 혐기성소화조운영시에는 TS 감량화효율 12%, 탈수케이크함수율 80.4% 를적용하였다

285 Table 하수종말처리장슬러지및탈수케이크발생현황 감량화시설미운영시 처리장명 슬러지발생량 (m 3 /d) 슬러지 TS (%) 소화슬러지 TS(%) 케이크발생량 (m 3 /d) 케이크함수율 (%) A B C D E F 평균 혐기성소화조운영시 처리장명 슬러지발생량 (m 3 /d) 슬러지 TS (%) 소화슬러지 TS(%) 케이크발생량 (m 3 /d) 케이크함수율 (%) G H I 1, J 1, K 1, L 평균 1, 참조 ) 하수종말처리장고도처리시설실태점검결과 ( 환경부 / 환경관리공단, ) 하루 1,000m 3 의농축슬러지 (TS 2.5%) 가발생하는하수처리장에감량화미운영시, 혐기성소화시, ER-1 반응기를이용한감량화기술적용시를가정하여각각의탈수케이크발생량을산출하였다. 검토결과 ER-1 반응기를이용한슬러지감량화기술적용시감량화시설미운영시에비해탈수케이크발생량이 73.8% 감소되었으며, 혐기성소화운영시보다 70.3% 감소되는결과를보인다

286 감량화시설미운영시슬러지발생량 하수슬러지 탈수케이크 Q 1,000 m 3 /d Q m 3 /d WC 97.5 % WC 80.3 % 혐기성소화시슬러지발생량 하수슬러지 혐기성소화액 탈수케이크 Q 1,000 m 3 /d Q 1,000 m 3 /d Q m 3 /d WC 97.5 % WC 97.8 % WC 80.4 % ER-1 호기성소화적용후슬러지발생량 하수슬러지 혐기성소화액 탈수케이크 Q 1,000 m 3 /d Q 1,000 m 3 /d Q 40.0 m 3 /d WC 97.5 % WC 99.0 % WC 75.0 % Fig ER-1 반응기를이용한슬러지감량화기술적용후 탈수케이크발생량비교 위의검토된슬러지발생량을바탕으로경제성 ( 운영비 ) 을비교하여 Table 에나타내었다. 적용된일일감량화비용은감량화공정을적용시발생되는전력비를고려한것으로감량화시설미적용시에는 0으로산출하였으며, 감량화시설이용시는소화전슬러지량을기준으로혐기성소화시 810 원 / 톤 (Table 3-45), ER-1 반응기를이용한호기성소화시 1,000 원 / 톤을적용하였다. 탈수시발생되는폴리머비용은혐기성소화시 5,149 원 / 톤, 미운영시는 5.6원 / 톤 (Table 3-46), ER-1 반응기의호기성소화시는실험적설계수치에따라약품량 (TS 1kg 당폴리머 1% 적용 ) 과시중폴리머금액 (6,000 원 /kg) 을적용하였다. 또한발생되는탈수케이크의최종처리방식은모두고화로예상하여탈수케이크 m 3 당 30,000 원으로예상하였다

287 Table ER-1 반응기를이용한슬러지감량화기술적용후경제성비교 구 분 슬러지발생량 (m 3 / 일 ) 탈수케이크발생량 (m 3 / 일 ) ER-1 이용한감량화기술적용후 감량화시설미운영시 혐기성소화운영시 1,000 1,000 1, 감량화비용 1, 운영비 ( 천원 / 일 ) 폴리머비용 600 5,600 5,149 탈수케이크처리비용 1,200 3,807 3,366 계 2,800 9,407 9,325 년간처리비용 ( 천원 / 년 ) 1,022,000 3,433,555 3,403,625 경제성비교 주 ) 년간처리일수 365 일 이의검토결과를살펴보면감량화기술적용시감량화를위한운영비용이발생하지만탈수성향상및 TS 감소에의한폴리머사용량감소와탈수케이크의처리비용이감소하여전체적으로감량화기술적용에따라슬러지의처리비용이감소되는것으로검토되었다. 그러나혐기성소화운영시에는미운영시와큰차이를보이지않았다. ER-1 반응기를적용할경우와비교할때, 감량화시설미운영시와혐기성소화시에비해약 70% 비용절감으로경제성이매우우수하였다. 여기에서경제성비교를위한혐기성소화조의객관적인시설비자료가부족하여운영비만을검토하였으나, ER-1 반응기를이용한슬러지감량화기술은공정이단순하고 Compact 하며체류시간이적어혐기성소화공법과비교하여시설비가 40~50% 이상감소하여상당한경제적우월성을갖는것으로판단된다

288 Table 소화조운영시경제성세부내역비교 ( 03 년운영자료 ) 처리장명 슬러지발생량 ( 톤 ) 슬러지처리비용 ( 천원 / 년 ) 총계최종처분약품비 소화조유지관리비 보조연료구입비 전력비유지보수비 평균 35,286 1,552,588 1,289, ,695 14,616 28,595 38,593 총계 352,859 15,525,877 12,890,901 1,816, , , ,926 TCH 26,124 4,352,225 3,496, , , ,488 SO 47, , , , ,887 22,226 SN 132,628 3,756,944 3,354, , ,454 54,274 DS 24, , , , ,795 9,970 AS 69,923 3,808,806 3,470, ,280 16,000 65,111 16,215 AJ 17, , , ,421 30,488 24,688 68,934 AEJ 17, , ,164 94,339 5,617 15,555 27,536 FH 10, , ,205 50,421 5,760 5,432 3,546 AJU 4, ,660 91,114 15,766 84,000 6,704 9,076 ANJ 1, ,657 38, ,393 4,295 3, 출처 : 하수처리장소화조효율개선사업추진계획, 환경부생활하수과 -719 호 ( )

289 Table 소화조미운영시경제성세부내역비교 ( 추정치 ) 처리장명 미소화시슬러지발생량 ( 톤 ) 슬러지처리비용 계처분비용약품비 평균 54,099 2,361,372 2,055, ,523 총계 540,990 23,613,727 20,558,499 3,055,228 TCH 48,342 7,536,026 6,469,621 1,066,405 SO 99,040 1,737,443 1,375, ,243 SN 150,096 4,134,371 3,796, ,345 DS 40,123 1,252,702 1,002, ,909 AS 114,985 6,103,370 5,706, ,775 AJ 29,688 1,113, , ,644 AEJ 32, , , ,408 FH 14, , ,065 71,216 AJU 9, , ,815 29,730 ANJ 2, ,596 68, ,553 출처 : 하수처리장소화조효율개선사업추진계획, 환경부생활하수과 -719 호 ( )

290 제 5 절결론 본연구개발의최종목표는고농도유기성슬러지감량화의경제성을확보하고, 아울러슬러지처리계통에서발생하는반류수의영향을최소화시켜, 수처리계통의고도화를유도하는것이다. 슬러지의감량화및안정화를위한호기성소화는공기또는순산소를공급하여미생물을내생호흡 (Endogenous respiration) 단계로유도하여자기분해시키는것으로혐기성소화와비교하여 1소화시간이짧아작은용량으로운전이가능하며, 2상징액중의 BOD가낮고운전조건에따라질소 인의농도가낮아수처리계통의반류수영향이적고, 3운전이비교적쉽고소화율이안정적인특징이있다. 그러나호기성소화는혐기성소화에비해우수한효율을가짐에도불구하고산소를공급하기위한높은동력비와낮은탈수성등의단점이있어본연구에서는이러한문제를해결하기위해반응기의구조와높은산소전달효율및물질전달효율을갖는 ER-1 반응기를개발하였다. 하수슬러지호기성소화를위한단위공정으로 1차슬러지 ( 생오니 ), 2차슬러지 ( 잉여오니 ) 의소화효율을높이기위해 MLSS의농축하는고액분리장치, 오존의접촉효율을높여경제적소독및슬러지전처리용도의오존접촉조, 유체유동을이용한 PFR 형태의 ER-1 반응기를개발하였고, 고농도폐수및슬러지의감량화를효과적으로하기위한공정을확립하였다. 1. 유체유동을이용한생물반응기개발 폐수중에포함된유기물의생물학적처리에서가장중요한단위기술은단연생물반응기의구성이라고할수있다. 생물반응기의형태에따라 1처리공정의반응동역학, 2산소요구량, 3처리공정의물질수지, 4설치및유지비용이결정되기때문이다. 이와같은반응기의형태는크게완전혼합반응조 (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR) 와플러그흐름반응조 (Plug Flow Reactor, PFR) 으로나눌수있는데, 본연구에서는일반 CSTR 형태의반응조에서벗어나 PFR에접근하는다단구조의상향류식반응기 ER-1을개발하였다. ER-1 반응기는반응기내부에일정간격을두고내부분리판으로인해상하로분리되어있으며, 유입된폐수와공기는내부분리판에연결된유체이동관

291 을통해하단에서상단으로연속적으로이동하게됨으로써, 반응기의각단에서는 CSTR을반응기전체로는 PFR에가까운흐름을구현하게된다. 이러한유체흐름의특성을확인하기위한추적자테스트결과 ER-1 반응기는 PFR과약 70% 유사한흐름을갖는것으로확인되었다. CSTR과 PFR의 1차반응식에의한처리효율과체류시간의상관관계그래프인 Fig 을보면고농도에있어서반응조의형태가얼마나큰영향을미치는지알수있 다. CSTR: PFR : 100% 100% removal efficiency(%) 80% 60% 40% 20% P FR ER-1 CS TR removal efficiency(%) 80% 60% 40% 20% P FR ER-1 CS TR 0% % HRT(day ) HRT(day ) [A]: MLSS 3,000mg/L [B]: MLSS 20,000mg/L Fig Removal efficiency according to MLSS and HRT. ( : PFR, : ER-1, : CSTR) Fig [A] 는 MLSS가 3,000mg/L( ) 일때일차반응식을이용한 PFR과 CSTR의 HRT( ) 에따른제거효율 ( ) 을나타낸것으로, 90% 제거효율에서 CSTR은 PFR과 ER-1 반응기에비해처리시간 ( 또는반응조용적 ) 이각각 3.8 배와 2.7 배를더요구하게된다. MLSS가 20,000mg/L( ) 로유지된다면 (Fig [B]), CSTR은 PFR과 ER-1과유사하게접근하는것으로보이지만, 처리시간이각각 4배와 2배를더요구하게된다. 게다가 CSTR에서는 MLSS 20,000mg/L 이상으로유지하기어려울뿐만아니라 ( 산소공급능력이부족 ) 유입되는물질 ( 폐수또는슬러지 ) 이고농도

292 일수록유출수의농도를일정수준이하로확보하기어렵다. 따라서하수슬러지와같이고농도의유기물과 MLSS를요구하는경우에 ER-1 반응기와같이 PFR 흐름에접근하고그특성을최대한활용할수있는기술이적합하다고할수있겠다. ER-1 반응기는 PFR 흐름뿐만아니라, 반응기내부각단상부에유체이동관길이만큼의기체공간을확보하는 Gas holdup 기술을적용함으로써유체유동에의해산소전달효율과교반효과가뛰어나다. 유체이동관에의해공기가일정시간동안체류할수있는공간의형성은기 / 액접촉면과난류가발생되어산소전달효율이높으며, 호기성소화에서의문제점인용존산소의충분한공급을가능하게한다. ER-1 반응기의산소전달효율을알아본청수테스트결과, 공기량이 50, 70, 100L/min 일때 ER-1 반응기에서의 K L a 는각각 3.5, 13.9, 20.5min -1 로, 유체이동관이없는 CSTR형반응기에서디스크산기관을이용한 K L a 값 16.3min -1 ( 공기량 100L/min 일때 ) 과비교하면약 26% 향상된결과를보였다. 그러나실험의특성상용존율이가장낮은반응기최상단에서 DO가측정된점, 산소소모율없이포화산소농도만고려된점등을고려하면, ER-1 반응기의실질적인산소전달효율은더높을것으로나타났다. 이는산소소모율이적용되는고농도오폐수에있어서의 ER-1 반응기산소전달효율이 25~35% 로, 유체이동관없이미세기포발생장치인멤브레인산기장치의산소전달효율 5~10% 에비해 2~3 배높은결과로확인할수있다. 일반적으로반응기최하단에서는공급되는실질적인산소의양이상단에비해높고, 수두압에의해산소용해속도가높아지므로최상단에비해하단에서의산소전달효율이더높다. 실폐수에있어서는산소소모율이적용되는데특히 ER-1 반응기의경우에는 Gas holdup 특성에의해일반적인포기조와달리기체체류시간을길게가져갈수있기때문에, 실폐수에적용시더높은산소전달효율을얻을수있는것이다. 또한별도의산기장치없이단순배관을통한공기의주입으로통기저항이낮고산기관교체등의문제가없어유지관리비가적게소요되며, 고농도유입부하와동시에고농도의미생물 (MLVSS) 유지, 높은산소전달효율에의한용존산소로인하여생물학적수처리의처리효율과경제성을확보하였다. 호기성소화를위해개발된 ER-1 반응기의유체유동에의한높은산소전달효율과혼합효과를바탕으로하수슬러지뿐만아니라기존의처리방법으로는많은어려움을갖고있는축산폐수, 음식물폐수 ( 음식물탈리액및침출수 ) 등기타고농도유기성폐수처리에적용성이뛰어난결과를얻을수있었다. 대표적인고농도폐수인축산폐수와음식물폐수에적용한결과, 별도의전처리 ( 응집제를이용한고액분리, 희석등 ) 없이도

293 축산폐수의경우에 14~16 시간, 음식물폐수의경우 2~4 일만에 BOD 80~90% 의처리 효율을얻을수있었으며, 기존의처리방식에의한처리시간에비해서약 5~10 배이상 개선된결과이다. 처리효율이높은 PFR 형태의다단반응기구조 - ER-1 반응기는반응기내부에내부분리판과유체이동관을반응기의각단에서는 CSTR을반응기전체로는 PFR에가까운흐름을구현 - 추적자테스트결과를통해 PFR과약 70% 유사한흐름확인 유체유동에의한혼합효과와높은산소전달효율 - ER-1 반응기각단상부의 Gas Holdup 에의해공기체류시간, 기 / 액접촉면적및교반효과증가 - 산소소모율이적용되는고농도오폐수에있어서의 ER-1 산소전달효율 : 25~35% - 단위동력소비량당용해되는산소량이멤브레인산기관에비해 6배이상높은효율로경제성확보 2. 슬러지농축장치개발 본연구에서개발된슬러지농축장치는두가지의개념으로구분된다. 첫째는생물반응조내슬러지 ( 미생물 ) 확보를위한침지막형태의 ES system 이고, 둘째는고형물농축개념의상등수배출장치 ( 디켄터 ) 이다. ES system 은기존분리막의근본적인원인인 Cake층을연속적으로제어하기위한장치로대상여과수의이동경로는초기하향류에서상향류로 U" 자형흐름이유도되어최종방류되고공기는반응기하단에서연속주입되어여과시막 (Sieve) 표면에형성되는고형물 Cake층과겔 (Gel) 층을 Head Space 내 Turbulence 를일으켜제거하고막의세공 (Pore) 을통과하여여과수와함께배출되거나중앙배관을통하여배출된다. 따라서공급되는공기가상하의방해판으로인하여막전체에고르게분배되므로막에부착하려는슬러지를사전에차단하는효과가있다. 이러한특성으로인하여역세없이 5일동안운전한결과슬러지저항으로인한차압이기존의 MBR system 의 600mmHg 에비해 400mmHg 로 30% 이상개선되었으며, 막투과율또한기존 MBR system 은초기

294 18L/m 2 /h에서 5일운전후 12L/m 2 /h로 30% 감소되었으나 ES system 의경우에는 18L/m 2 /h가계속적으로유지할수있었다. 슬러지처리공정에서디켄터는농축조또는침전조에서상등액배출시스컴을배제하고, 슬러지를고농도로농축함으로써슬러지처리공정의규모를줄이고효율을높이는데활용된다. 본연구에서개발한디켄터는부상식으로수면의높이에따라이동하며, 공기와수면간에발생하는표면장력을이용하여상등액의이동선속도를감소시킴으로써펌프의흡입력에의한고형물유출을감소시킬수있도록설계되었다. 2차침전조에서발생하는반송슬러지를대상으로슬러지를농축한결과, TS농도는평균 9,192mg/L 에서평균 30,425mg/L 로 331% 농축되었으며, 이때농축조의높이 (H=117cm) 대비슬러지계면의평균높이 (42cm) 는 36% 로, 상등액이존재하는공간의비가 64% 임을알수있었다. 실제실험에서디켄터는슬러지계면의높이보다 10~20cm 위까지수직이동하여상등수를배출하였음을감안할때, 디켄터를활용하여상등수를배출할경우, 침전조나농축조의유효용량을 30% 이상증가시키는효과를얻을수있었으며, 상등액의 TS가평균 188mg/L 로상등수유입구가수면보다낮게설계되어스컴의영향을최대한배제시킬수있었다. 3. 오존접촉장치개발 본연구를통해호기성소화를위한슬러지전처리를목적으로오존접촉장치 (ER-2) 를개발하였다. ER-2는 ER-1 반응기와비슷한원리로 (ER-1: 산소의용해 ) Gas Holdup 기술을적용함으로써, 오존체류시간을조정하여배오존을최소화하고, 짧은시간에오존의용해속도를극대화하는데중점을두고개발하였다. ER-2는직경 150mm, 높이 3,000mm(1,000mm/ 단 - 총3단 ) 로오존가스와대상수의수회접촉을유도하기위하여내부순환펌프를설치하였고펌프토출라인에는나선형노즐을부착하여각단의수표면층에난류와작은미세기포를형성시켜기 / 액접촉을원활하게하였다. 각단별기 / 액층용적비율은 1:3 으로기층은오존가스를 Holdup 시켜줌으로써접촉조내에서긴체류시간으로대부분의오존을소모하고배오존이최소화되도록유도하였다. ER-2의오존접촉효율을확인하기위해하수처리유출수를대상으로대장균제거실험을수행하였다. 오존주입률 2, 3, 6, 9g/m 3 에서접촉시간 2분으로실험하였을때, 주

295 입률 2g/m 3 을제외한나머지는 100% 의제거율을나타내었으며, 이는일반적인하수처리유출수살균시오존주입률 8~10g/m 3 과접촉시간이약 10분이라는점에서비교하였을때오존량은약 2.5 배, 반응기용적은 4배정도감소시킬수있는것을확인할수있었다. ER-2를이용한슬러지전처리의경우오존주입량을 0.05~0.6gO 3 /gmlss으로변화하여연속주입하였을때, 오존주입량이증가됨에따라 TCODcr은 6,808mg/L 에서 3,080mg/L 로감소되었으며 SCOD는 115mg/L 에서 2,962mg/L 로증가하여, 최대 26배증가되었다. SCODcr의농도는오존주입량과비례하여증가되었지만, BOD의경우오존주입량이 0.3gO 3 /gmlss일때가장높은가용화율을보였다. 오존주입량이 0.3gO 3 /gmlss 까지는오존주입량이증가됨에따라슬러지내세포파괴가이루어지면서가용화효율이증가되었으나, 0.4gO 3 /gmlss 이상에서는슬러지의분해보다분해된유기물의무기화가빠르게진행되는것으로판단된다. 이처럼오존주입량 0.6gO 3 /gmlss 이상의경우에도단위오존주입량당가용화비율이점차로증가하는결과를얻을수있었으나, 0.4gO 3 /gmlss 이상에서는 BOD의가용화농도가낮아지는경향을보여, 오존의주입량이 0.3gO 3 /gmlss 일때최대의주입량으로결정하였으며, 이때슬러지의가용화율은 1,739% 로나타났다. 오존용해속도를극대화시킬수있는오존접촉장치개발 - 오존주입률 3g/m 3, 접촉시간 2분일때, 대장균 100% 의제거율 - 일반적인오존접촉설계율인오존주입률 8~10g/m 3 과접촉시간이약 10분과비교할때오존량약 2.5 배감소, 반응기용적은 4배감소 혼합효과촉진에의한소량의오존주입에의한전처리 - 슬러지가용화를위한오존주입량결정 : 0.3gO 3 /gmlss 일때 - 슬러지가용화율 1,739% 4. 슬러지의호기성소화 하수슬러지의호기성소화의공정은앞에서와같은단위공정, 즉생물반응기 (ER-1), 농축장치 ( 디켄터 ), 오존전처리장치 (ER-2) 으로구성하였으며, 3 개년에걸친연구기간

296 동안경기도 G시하수종말처리장에 Pilot Plant를설치하였다. 실험에사용된 G시하수종말처리장의 1차슬러지 ( 생오니 ) 의 TSS중 VSS는평균65%(42~82%) 로 2차슬러지 ( 반송슬러지 ) 의 VSS가 70% 전후인것과비교할때다소낮은값을나타내나 1차슬러지중의 VS는 2차슬러지와같이미생물군집에의한유기성분이아니라서생물학적분해속도는 2차슬러지에비해빠른것으로분석되었다. 하수슬러지호기성소화의최적의처리공정확립을위하여 1차슬러지, 2차슬러지그리고혼합슬러지 (1+2 차슬러지 ) 를대상으로호기성소화특성에대한여러가지실험을수행한결과, 1차슬러지와 2차슬러지를별도의전처리없이각각농축하여혼합하는혼합슬러지공정이처리효율과경제성면에서가장적합하였다. 혼합슬러지를이용한 ER-1 반응기의호기성소화는디켄터를이용하여농축한 2차슬러지와하수종말처리시설의 1차슬러지농축조슬러지를 1 : 1( 부피비 ) 로혼합하여 ER-1 반응기로유입하였다. 생물학적슬러지의안정화지표로서 VS(Volatile Solids) 함량을살펴보면유입되는하수슬러지중의 VS/TS는 60~65% 수준에서크게변동하지않으나, 유출되는소화슬러지의경우는 VS/TS가평균 40~45% 수준으로유출되는결과를볼수있다. 유기성하수슬러지는 VS의농도가전체고형물농도 (TS) 의 40% 이상이면유기성슬러지, 40% 미만이면무기성슬러지로규정하고있으며, 이러한규정을통해보면 ER-1을이용한호기성소화슬러지는매우안정화되고있다고판단할수있다. 호기성소화에서는슬러지의안정화정도를평가하는주요한인자로서 SOUR 측정결과 ER-1 반응기내에서상단 0.8, 하단 1.6mgO 2 /gmlvss/hr로높은미생물과용존산소농도에의해반응기상단이하단에비해더빨리내생호흡단계로접근하고있다고판단된다. Hartman 등 (1979) 은호기성소화에서 SOUR이 1mgO 2 /gmlvss/hr 이하이면안정되었다고판단할수있다하였으며, Ahlberg 등 (1972) 또한 SOUR이 0.5~ 1mgO 2 /gmlvss/hr 일때안정화된슬러지라발표한바있다. 이러한연구결과에따르면 ER-1 반응기상단 ( 유출부 ) 은반응완료에의해안정화된반면, 하단 ( 유입부 ) 은슬러지안정화에이르지못하고있는것으로판단될수있다. 이러한특성에의해 ER-1 반응기가전체적인흐름으로살펴볼때반응기구조적특성이 PFR에접근하고있음을다시한번확인할수있었다. 적용된혼합슬러지호기성소화공정에서 ER-1의체류시간은 4일로결정되었으며, 이때 TS의 60% 이상제거되고, 탈수케이크로발생시호기성소화전과비교하여부피가 95% 이상감량화되는결과를얻을수있었다. 이러한결과는기존의혐기성소화조의

297 체류시간이 25일이상인것과비교할때, 처리시간및용량이무려 84% 감소되는효과를얻는것이다. 또한슬러지감량화와동시에수처리계통으로유입되는상등액 ( 반류수 ) 의농도를혐기성소화시와비교하면, T-N 70%, T-P 60%, SS 60% 개선된효과를얻을수있었다. ER-1을슬러지감량화에적용할경우에감량화를위한운영비용이발생하지만탈수성향상및 TS 감소에의해, 감량화시설미운영시와혐기성소화시에비해약 70% 비용절감으로우수한경제성을갖는다. 5. 설계인자도출 고농도오 폐수의고효율처리가가능한생물반응기 (ER-1) 개발 항목하수슬러지축산폐수음식물폐수 유입수농도 (mg/l) TS 20,000~25,000 BOD 20,000~30,000 BOD 60,000~100,000 HRT(d) ~ MLVSS(mg/L) 15,000~20,000 15,000~20,000 20,000~40,000 용적부하 (kg/m 3 /d) F/M (kgbod/kgmlvss/d) 5.0~6.3 10~15 20~ ~ ~ ~1.7 반송이없는시스템으로 HRT=SRT 오존접촉장치개발 항목 오존용해율반응율 슬러지가용화를위한전처리 설계인자 오존주입률 3g/m 3, 접촉시간 2 분일때, 대장균 100% 의제거 오존주입량 0.3gO 3 /gmlss 일때슬러지가용화율 1,739%

298 ER-1 반응기를이용한슬러지호기성소화 항목유입 TS 농도 HRT TS 감량화율 설계인자 20,000 ~ 35,000 mg/l 4 일 60% 이상 탈수케이크함수율 75% 반류수내질소인제거효율 T-N 70%, T-P 60%

299 Notation ( ) = 단위부피당질량전달경계면의면적 = Tracer 의초기농도 = 반응조내 Tracer 의농도 = 반응조내물질 A의농도 = 물질 A의초기농도 = 기체중의성분 A의부분압력 P 와 i 평형을이루는경계면에서의부분압력 = 액체상본체에서의성분 A의농도 = 성분 A의기체와의평형농도 = Molecular mass diffusivity = Henry coefficient = average depth of flow = 액체막질량전달계수 = 기체막질량전달계수 = 총괄액체질량전달계수 = 총괄기체질량전달계수 N R e = Reynold number Q t = 액체상에서성분 A의농도 C A 와평형을이루는경계면에서의부분압력 = 기체상본체에서의성분 A의부분압력 = 유량 = 반응물질 A의반응속도 = 단위면적-시간당질량전달속도 = 단위부피-시간당질량전달속도 = time = kinematic viscosity = 반응조의부피 = Tank diameter or other characteristic dimension = viscosity density = Hydraulic retention time = Liquid film thickness = Gas film thickness

300 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 1 절연구개발목표의달성도 본연구에서개발한슬러지처리공정은 1차슬러지, 2차슬러지의농축을유도하여 MLSS의농도를증가시키는고액분리장치, 오존의접촉효율을높여경제적소독및슬러지전처리용도의오존접촉조, 유체유동인 PFR 형태의반응기구조로고농도폐수및슬러지의감량화를효과적으로하기위한호기성생물반응기를통해서통합슬러지처리공정을개발하여슬러지감량화를통해슬러지처리의경제성을확보하였고, 아울러슬러지처리계통에서발생하는반류수의영향을최소화시켜하수처리장수처리계통의고도화를유도하였다. 연구개발목표연구개발내용달성도 유체유동을이용한생물반응기개발 유체유동을이용한생물반응기개발 100% 고농도오폐수처리가가능한생물반 다단으로구성된상향류식생물반응 응기개발 기의개발 처리효율이높은 PFR 형태의다단 반응기내부각단상부의기체공간 반응기 확보 (Gas Holdup) 를통해혼합효과 고농도미생물유지및활성 와산소전달효율이높은특성확인 유체유동에의한혼합효과와높은 고농도유기성폐수 ( 축산폐수, 음식 산소전달효율 물폐수 ) 적용에따른유기물및질소 제거효율향상 Tracer test 를이용하여반응기의 PFR 특성확인 반응기내 MLVSS 20,000mg/L 유지 및고농도유기물및고농도미생물 에서반응기내 DO 농도 2mg/L 유지

301 연구개발목표달성도달성도 슬러지농축장치개발 슬러지농축장치개발 100% 스컴을배제하고상등수인출할수 슬러지와상등액의표면장력을이용 있는구조의농축장치개발 하여이동선속도를최소한으로감소 저류조 / 농축조내슬러지계면을최 시킴으로써, 슬러지면의해체를최소 대한높게유지 화하고고형물유출을최소화함 부상식또는고정식장치개발회분식농축효율향상표면정력을이용한표면적배출로상승유속최소화 슬러지와상등액간의계면높이를 20cm 이하로운전가능하므로침전조또는농축조의유효용적을 30% 이상증가 회분식농축효율향상으로 TS 농도 3.5 배향상 (12,580mg/L 43,950mg/L) 상등수유입구를수면보다낮게설 계하여스컴유출최소화 오존접촉장치개발 오존접촉장치개발 100% 오존용해도를극대화시킬수있는 혼합효과촉진에의한소량의오존 슬러지전처리용오존접촉조개발 주입에의한슬러지전처리로배오 오존체류시간조정에의한짧은시 존최소화 간에오존용해 화학적전처리와경제성비교 오존주입량 0.3gO 3 /gmlss 일때, 슬러지가용화율 1,739% 향상 하향류식액상이동에따른기체의 체류시간변화유도 기존오존접촉장치에비해오존주입 량약 2.5 배감소, 접촉장치용적 4 배이상감소효과

302 연구개발목표달성도달성도 슬러지호기성소화 슬러지호기성소화 100% 슬러지호기성처리시간 5~7 일이 내슬러지조기안정화유도 응집제없이슬러지농축및탈수 성향상 반응기의높은산소전달효율로인 한포기시동력비절감 반류수중의질소제거로수처리계 통의고도화 ER-1의체류시간 4일동안 TS 60% 이상감량, 탈수케이크부피의 70% 이상감량화 기존의혐기성소화방식과비교시처리시간 84% 감소 산소전달효율 25% 이상및기존산기관사용방식에비해통기저항이 1/2~1/3 감소로동력비절감 수처리계통으로유입되는상등액 ( 반류수 ) 의농도를혐기성소화시와비교하면, T-N 70%, T-P 60%, SS 60% 개선 ER-1을이용한슬러지감량화기술적용시, 적용전과비교하여슬러지처리비용약 50% 감소 소화슬러지의지렁이퇴비화적용가능성검토 소화슬러지내 VS 함량 40% 수준으로고화등의최종처분방식적용시고화제사용의최소화되는등최종처분방식을다양하게적용가능함

303 제 2 절대외기여도 1. 신기술및신제품인증 가. 신기술인증 (NET) 등록번호 : 제 K055 호기술명 : Gas Holdup을이용한일체형호기성생물반응기의생물학적처리기술인증일 : 2004 년 12월 10일인증기관 : 과학기술부 나. 신제품인증 (NEP) 등록번호 : NET 제품명 : 가스체류방식을이용한다단호기성생물반응기인증일 : 2004 년 12월 31일인증기관 : 산업자원부 다. 우수제품인증등록번호 : 제 호제품명 : 고효율생물반응기 (ER-1) 인증일 : 2005 년 6월 23일인증기관 : 조달청

304 2. 특허및실용신안등록 가. 국내특허등록 명 칭 : 일체형오 폐수처리장치의생물반응조구성방법및장치 등록번호 : 제 호 등록일 : 2004 년 8 월 30 일 명 칭 : 유체유동에의한수처리공정및장치 등록번호 : 제 호 등록일 : 2005 년 1 월 31 일 나. 해외특허출원 명 칭 : Fluids fluxion method and plant for wastewater treatment 출원번호 : PCT/KR2004/ 출원일 : 2004 년 6 월 15 일 다. 실용신안등록 명 칭 : 가스용해및반응장치 출원번호 : 제 호 출원일 : 2004 년 2 월 3 일 3. 학회및세미나발표실적 가. 대한환경공학회춘계학술회의 논문명 : 효율적기액접촉조건의유도를위한반응기구성 자 자 : 최홍복, 박주형, 지덕기, 김연권 발표일 : 2004 년 4 월 30 일 발표장소 : 부산경성대학교

305 나. 대한환경공학회춘계학술회의 논문명 : 오존접촉반응장치 (ER-2) 를이용한하수방류수의 E.coli 와부유물질처리 에대한 Pilot test 저 자 : 지덕기, 박주형, 최홍복, 김연권, 양형재 발표일 : 2004 년 4 월 30 일 다. 대한상하수도학회추계학술회의 논문명 : Gas holdup 을이용한 CSTRs in series 형태의호기성생물반응기의특성 에관한연구 저 자 : 박주형, 최홍복, 지덕기, 최은주, 박진아, 류수현, 석종혁 발표일 : 2004 년 11 월 16 일 라. 제 6 회환경신기술발표회 기술명 : ER 반응기를이용한하수슬러지및음식물침출수처리기술 발표일 : 2005 년 10 월 28 일 주 관 : 환경부 마. 하수슬러지자원화기술설명회기술명 : 고효율호기성생물반응기 (ER-1) 를이용한하수슬러지의호기성소화감량화및건조 고화전처리기술발표일 : 2005 년 11월 7일 주 관 : 환경관리공단

306 4. 기타사항 가. 학술발표연구회논문상수상제목명 : 오존접촉반응장치 (ER-2) 를이용한하수방류수의 E.coli 와부유물질처리에대한 Pilot test 저자 : 지덕기, 박주형, 최홍복, 김연권, 양형재수여일 : 2004 년 11월 4일기관명 : 사단법인대한환경공학회 나. 전시회참가실적 (1) 제 26 회국제환경기술전 (ENVEX2004) < 전시회관련사진 > (2) 제 28 회국제환경기술전 (ENVEX2006) < 전시회관련사진 >

307 다. 환경기술개발사업성과세미나 (1) 제 6 회환경기술개발사업성과세미나포스터발표 발표기간 : 2004 년 6 월 14 일 ~ 6 월 17 일 장 소 : COEX 태평양홀 (2) 제 8 회환경기술개발사업성과세미나구두발표 발표기간 : 2006 년 6 월 13 일 ~ 6 월 16 일 장 소 : COEX 태평양홀

308 라. 유사시설활용실적 (1) 가축분뇨폐수처리시설적용시설명 : 충남 D농장축산폐수처리시설시설용량 : 17 m 3 / 일 < 시설전경 > < 적용된 ER-1 반응기 >

309 (2) 식품폐수처리시설적용 시설명 : 경기도 J 농협전통장류가공공장폐수처리시설 시설용량 : 25 m 3 / 일 < 적용된 ER-1 반응기 >