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채무 운
4 years ago
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 12, No. 2 pp , 2011 전기분해에의한하수슬러지가용효과연구 이지선 1, 장인성 2*, 이철구 3, 정선용 3 1 호서대학교대학원 BK21 반도체디스플레이공학과, 2 호서대학교환경공학과, 3 금강엔지니어링 ( 주 ) Study on solubilization of sewage sludge using electrolysis techniques Ji-Sun Lee 1, In-Soung Chang 2*, Chul-Ku Lee 3 and Seun-Young Joung 3 1 Dept. of Semiconductor & Display Engineering, Graduate School of BK21, Hoseo University, 2 Dept. of Environmental Engineering, Hoseo University, 3 KumKang Environmental Engineering Co. 요약지속적인하수처리장증설에따른하수슬러지발생량이증가하고있으나, 런던협약발효에의해 2012년부터해양투기가금지되어서효과적인슬러지감량화및처분에대한기술수요가꾸준히제기되고있다. 따라서본연구에서는슬러지처분법의대안으로전기분해를활용한슬러지가용화연구를수행하였다. 전극은티타늄 (Titanium) 에이리듐 (Iridium) 을코팅한불용성전극을사용하여직류전원공급장치 (DC power supply) 를이용하였다. 전압은 20V로고정하여폐슬러지가용화실험을수행하였다. 전기분해에의해처리된슬러지의여액을분석한결과 Soluble COD, TN, TP가각각 151%, 22%, 6% 가량증가하였다. 또한, 슬러지의플록크기가전기분해후에 0.1 ~ 1.0 μm 영역에있는입자들이다량증가하였다. 이상의결과는전기분해에의하여미생물세포가파괴되어세포내유기물질이세포밖으로용출됨으로써미생물이이용가능한상태로전환되었음을의미한다. 이는고도처리공정에서슬러지발생저감과함께전기분해에의해가용화된슬러지를반송시킴으로써외부탄소원으로활용할수있는장점이있다. Abstract Although sludge production has been increased due to the number of the wastewater treatment plants expanded, needs of the techniques for the sludge reduction and disposal has been issued importantly because the sludge dumping to ocean is prohibited from 2012 by the London Dumping Convention. Therefore, the sludge solubilization using electrolysis as an alternative techniques for the sludge disposal was carried out in this study. Iridium coated titanium based insoluble electrodes were used and 20 volt was applied to the electrolysis reactor using DC power supply. Supernatants of the treated sludge was monitored: The soluble COD, TN, TP of it was increased to 151%, 22% and 6% respectively. And the sludge floc size distribution was changed, that is, the flocs ranged from 0.1 to 1.0 μm were increased. All of these results indicate that the cells were lysed and the internal matters bursted out of the cell after electrolysis. As well as the reduction of the sludge production, the soluble organic matters from the cells could be used as an external carbon sources in the advanced wastewater treatment plants. Key Words : Sewage sludge, Solubilization, Electrolysis 1. 서론 하 폐수발생량의증가에따라슬러지발생량이증가 하고있으며, 2008년환경부자료에의하면 2007년 7,631 ton/day에서 2011년 10,259 ton/day의하수슬러지가발생할것으로예상하고있다. 현재하수처리장에서발생하 본연구는교육과학기술부와한국산업기술진흥원의지역혁신인력양성사업과 2010 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업 (KRF ) 지원을받아수행된연구결과임 * 교신저자 : 장인성 (cis@hoseo.ac.kr) 접수일 10 년 12 월 06 일수정일 (1 차 11 년 01 월 17 일, 2 차 11 년 02 월 07 일 ) 게재확정일 11 년 02 월 10 일 979

2 한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 는유기성슬러지의대부분해양투기에의해처분되고나머지는매립, 소각, 퇴비화등으로처분된다 [1]. 그러나런던협약 96 의정서 발효에의해 2012년부터해양투기가금지되고, 매립장및소각장의신규건설은님비 (NIMBY) 현상에의해제한받기때문에효과적인슬러지처분및가용화방법이요구되고있다. 현재초음파 [2] 나열처리 [3], 오존 [4,5], 미생물처리 [6,7] 등물리, 화학, 생물학적처리방안이연구되고있으나이러한방법들은에너지과소비, 2차오염물질발생에따른처리비용증가등의단점을가지고있다. 따라서본연구에서는기존의슬러지처분방법을보완하고자전기분해 (Electrolysis) 를활용하여슬러지가용화 (solubilization) 를시도함으로써슬러지발생량을저감시킬수있는대안을제시하기위한연구를수행하였다. 2. 실험재료및방법 에서직접일정량의잉여슬러지 (MLSS) 를배출하여정 상상태에도달하도록하였으며활성슬러지반응조의운 전조건은표 2에나타내었다. [ 표 2] 활성슬러지반응조의운전조건 Parameter Unit Values F/M ratio gcod/gmlvss 0.10 ~ 0.12 HRT day 1 SRT day 20 Aeration zone volume L 6 Settling zone volume L 4 Settling time min 30 Air flow rate L/min 2.0 ph ± 0.5 Temperature 20 ± 3 MLSS mg/l 활성슬러지배양 본실험에사용된활성슬러지는슬러지가용화실험 전에안정된상태를유지하기위하여 3개월동안표 1에 나타낸조성의인공폐수로순응시켜실험에사용하였다. [ 표 1] 인공폐수조성 Composition Concentration (mg/l) glucose 1,500 pepton 450 yeast extract 1,200 (NH 4) 2SO MgSO 4 7H 2O 240 KH 2PO NaHCO CaCl 2 2H 2O 24 MnSO 4 4H 2O 실험장치전기분해를위한시스템은그림 1, 2, 3에제시하였다. 그림 1에서는전기분해실험장치를제시하였고, 그림2 는전기분해조의사진 (top view) 이다. 그림 3은전기분해장치에사용된전극의모습을찍은사진이다. 그림 1의전기분해장치는직류전원공급장치 (DC Power Supply), 반응조, 전극으로각각구성되었다. 직류전원공급장치는최대전압 30 V, 최대전류 30 A까지조절가능하였다. 활성슬러지의배양은 8 L의원통형아크릴반응조를사용하여 SBR 공정으로운전을하였고반응조의용존산소 (DO, dissolved oxygen) 공급은컴프레서 (compressor) 를통해나오는압축공기를다공성산기관 (porous diffuser) 으로전달하여 2.0 L/min으로공급을하였으며, 이때산기관을통해나오는공기의순환에의해반응조의교반및용존산소전달이잘이루어지도록하였다. SRT (Sludge Retention Time) 는활성슬러지반응조안 [ 그림 1] 전기분해실험장치그림 2와같이반응조의크기는 220 mm(w) x 110 mm(l) x 210 mm(h) 이고실용적 3 L 이다. 반응조의상부에는전극을침지시켜고정될수있도록 2 mm 간격의홈을만들어제작하였다. 980

전기분해에의한하수슬러지가용효과연구 [ 그림 2] 전기분해조의사진 (top view) [ 표 3] 분석방법및장치 Item Methods and Apparatus Conductivity Conductivity meter (Hach HQ14d) ph ph meter (Orion model 720A) Particle size distribution Laser

19) TN Persulfate method, Standard Method TP Vanadomolybdophosphoric acid method, Standard Method, COD cr Open reflux, Standard Method MLSS Gravimetric method, Standard Method MLVSS Gravimetric

3 전기분해에의한하수슬러지가용효과연구 [ 그림 2] 전기분해조의사진 (top view) [ 표 3] 분석방법및장치 Item Methods and Apparatus Conductivity Conductivity meter (Hach HQ14d) ph ph meter (Orion model 720A) Particle size distribution Laser scattering (Mastersizer S Ver.2.19) TN Persulfate method, Standard Method TP Vanadomolybdophosphoric acid method, Standard Method, COD cr Open reflux, Standard Method MLSS Gravimetric method, Standard Method MLVSS Gravimetric method, Standard Method [ 그림 3] Ti/IrO 2 전극전극재료로는티타늄 (Ti, Titanium) 에이리듐 (Ir, Iridium) 을코팅하여전극으로사용하였으며형태는 mesh형으로제작, 사용하였다. 전극크기는 90 mm(w) x 170 mm(l) x 1 mm(h) 이다. 실험에사용된운전조건은다음과같다. 전압은 20 V 로고정하고, 전기분해실험이진행되면서변화하는전류는직류전원공급장치를통하여 5분마다모니터링하였다. 전극사이간격은 18 mm, 처리시간은 20 min으로하였다. 전극은양극과음극모두 Ti/IrO 2 의 mesh 형을이용하여총전극개수는양극과음극각각 5개로실험하였다. 2.3 분석항목및방법본연구에서는활성슬러지를전기분해함으로써슬러지의성상변화를파악하기위하여전기전도도, ph, 온도, 입자크기분포, TN, TP, COD, SS, VSS 등을분석하였다. 전기분해에의하여처리된활성슬러지는 GF/C 여과지로여과한여액을사용하였다. 각항목에따른분석방법및장치는아래의표 3에나타내었다 [8]. 전기전도도와 ph는 Conductivity meter와 ph meter를사용하였으며, Particle size distribution는 Laser scattering method (Mastersizer S Ver.2.19) 를이용하였다. 그외의모든항목은 Standard Method (APHA, 1995) 에준하여측정하였다. 3. 결과및고찰 본연구에서는전기분해에의한활성슬러지의가용화효율을알아보았다. 그림 4는전기분해전, 후의활성슬러지의 SCOD, TN, TP 농도변화를나타내었다. SCOD 는 95 mg/l에서 239 mg/l로가용화효율이 151 % 증가하였고 TN은 48 mg/l에서 180 mg/l로, TP는 82 mg/l에서 87mg/L로각각 22 % 와 6 % 증가하였다. 이는전기분해에따라미생물세포벽이파괴되면서세포내의물질이용출되었기때문으로판단된다. 전기분해는직접및간접산화반응으로나타낼수있다. 오염물이양극판에접견하고양성전자교환에의해파괴되는직접양극산화와전기분해시에생성된하이포아염소산 (Hypochlorous acid) 과같은강한산화물이오염물을파괴시키는간접산화가있다. 즉, 활성슬러지내에는다량의염소가존재한다. 그러므로염소의양극산화가빠르게진행되기때문에이를전기분해하면간접산화효과가발생하게된다 [9]. 이러한결과는그림 5와 6에나타난 MLSS, MLVSS, MLVSS/MLSS 비율의변화를통해서도확인할수있다. MLSS는 5,746 mg/l에서 4,387 mg/l로감소하였고, MLVSS도 5,558 mg/l에서 4,367 mg/l로감소하였다. 즉세포가가용화됨에따라슬러지의 MLSS, MLVSS는감소한반면에세포내의유기성물질이모용액 (bulk solution) 으로용출됨에따라 MLVSS/MLSS 비율은 에서 0.995로다소증가한결과로해석할수있다. 981

한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 [ 그림 4] 전기분해전, 후의 SCOD, TN, TP 농도 [ 그림 7] 전기분해전, 후의온도와전류변화 [ 그림 5] 전기분해전, 후의

전기전도도와 ph의변화를그래프로표현하였다. 전기분해가진행됨에따라온도가상승함을관찰할수있었고동시에전류도초기 5 A에서 20분후 9 A로증가하는것을관찰할수있었다.

65 ms/cm로증가하였고, ph도동시에증가함을관찰할수있었다. 전기분해에의하여세포벽이손상되고세포내물질이용출되면서변화된활성슬러지의입자크기분포변화를측정하였다.

4 한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 [ 그림 4] 전기분해전, 후의 SCOD, TN, TP 농도 [ 그림 7] 전기분해전, 후의온도와전류변화 [ 그림 5] 전기분해전, 후의 MLSS, MLVSS 농도 [ 그림 8] 전기분해전, 후의전기전도도와 ph 변화 [ 그림 6] 전기분해전, 후의 MLVSS/MLSS 비율 다음그림 7, 8은전기분해처리전, 후의온도, 전류, 전기전도도와 ph의변화를그래프로표현하였다. 전기분해가진행됨에따라온도가상승함을관찰할수있었고동시에전류도초기 5 A에서 20분후 9 A로증가하는것을관찰할수있었다. 이는슬러지가가용화됨에따라세포내부의물질이용출되어전도성물질이증가하여전류가증가한것으로판단된다. 따라서전기전도도는 2.47 ms/cm에서 2.65 ms/cm로증가하였고, ph도동시에증가함을관찰할수있었다. 전기분해에의하여세포벽이손상되고세포내물질이용출되면서변화된활성슬러지의입자크기분포변화를측정하였다. 표 4는전기분해처리전, 후의입자의평균직경이다. 입자크기는전기분해전, 후에큰차이가없는것으로나타났다. 전기분해전입자크기의중간값 (median) 이 230 μm에서처리후 232 μm로예상과는달리처리전, 후에입자크기에큰변화가없음을알수있다. 그러나이는입자의부피로측정된값으로큰입자몇개가전체의대부분을차지하는오류로인해발생하는현상으로이해된다. 982

5 전기분해에의한하수슬러지가용효과연구 [ 표 4] 전기분해전, 후입자의평균직경 (Volume base) Mean Diameters 처리전 처리후 D(v, 0.1) μm μm D(v, 0.5) μm μm D(v, 0.9) μm μm D(4, 3) μm μm D(3, 2) μm μm 따라서입자의개수에의존한통계처리를통하여크기 분포도를재작성하여이를근거로입자크기분포도를작 성하여그림 9에제시하였다. 4. 결론 본연구에서는전기분해에의한슬러지가용화에대한연구를수행하였다. 20 V의전압을가하여 20분동안활성슬러지를처리하고여액을분석한결과 MLSS, MLVSS 감소하였고, Soluble COD, TN, TP와전기전도도, ph와전류는모두증가하였다. 또한입자크기측정결과 0.1 ~ 1.0 μm 영역에있는입자가대폭증가함을확인하였다. 결국활성슬러지미생물이가용화되었음을확인할수있었다. 이는전기분해에의해발생되는산소나하이포염소산과같은산화제에의한산화메커니즘에의해미생물의세포벽이파괴되면서세포내물질이용출되었다고판단된다. 이상의결과는국내하 폐수의낮은 C/N비때문에무산소조에메탄올과같은외부탄소원을공급하는대신에별도의탄소원공급없이가용화된슬러지를반송시킴으로써슬러지저감에따른폐기비용과운전비용의절감을기대할수있어, 근본적인슬러지발생을저감시킬수있는대안으로평가받을수있다. 참고문헌 [ 그림 9] 처리전, 후부피및개수로환산한활성슬러지입자크기분포 : Volume 1 ( 처리전의부피환산분포도 ), Volume 2 ( 처리후의부피환산분포도 ), Number 1( 처리전의개수환산분포도 ), Number 2 ( 처리후의개수환산분포도 ) 그림에서부피로환산된분포도 (Volume 1, 2) 는전기분해전, 후에큰차이가없지만개수로환산된분포도 (Number1, 2) 에서는전기분해전, 후에큰차이가있음을알수있다. 물리화학적인방법으로슬러지를처리하는경우, 슬러지입자의크기가작아지고탈수능력이증가하며고형물질은분해하면서용존유기물로전환되었기때문에 0.1 ~ 1 μm 영역에있는입자들이대폭증가한것을확인할수있었다 [10,11]. 이상에서살펴본바와같이슬러지가용화를위한전기분해기술은세포벽을손상시켜세포내물질을용출시키기에매우효과적인기술임을확인하였다. [1] 환경부, 하수도통계, [2] 이채영외, 하수슬러지의초음파전처리를통한가용화및혐기성생분해도향상, 유기성자원학회논문지, 제16권, 제3호, pp , [3] A.G. Vlyssides et al, Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion, Bioresource Technology, 91, pp , 2004 [4] 이창근외, 오존을이용한하수슬러지의감량화와안정화, 한국물환경학회논문지, 제20권, 제3호, pp , [5] Li-Bing Chu et al, Enhanced sludge solubilization by microbubble ozonation, Chemosphere, 72, pp , [6] 양현상외, 유산균접종에의한하수슬러지의가용화, 한국미생물 생명공학회논문지, 제36권, 제3호, pp , [7] Peng Liang et al, Excess sludge reduction in activated sludge process though predation of Aeolosoma hemprichi, Biochemical Engineering Journal, 28, pp , [8] APHA, AWWA, WEF. Standard Method for the Examination of Water and Wastewater, 19th edition, USA (1995) 983

한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 [9] 황웅공, 전기분해에의한하수슬러지감량화와고도처리특성연구, 서울시립대학교도시과학대학원환경공학과석사학위논문, 2005.

이철구 (Chul-Ku Lee) [ 정회원 ] 1998 년 2 월 : 건국대학교환경공학과 ( 공학사 ) 2009 년 2 월 : 호서대학교환경공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 2 월 ~ 현재 : 금강엔지니어링 ( 주 ) 환경연구소차장 이지선 (Ji-Sun

오수처리전기분해이용수처리기술 정선용 (Seun-Young Joung) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 호서대학교환경공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 2 월 ~ 현재 : 금강엔지니어링 ( 주 ) 대표이사 장인성 (In-Soung Chang) [ 정회원

6 한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 [9] 황웅공, 전기분해에의한하수슬러지감량화와고도처리특성연구, 서울시립대학교도시과학대학원환경공학과석사학위논문, [10] 이병헌외, 전기분해를이용한하수슬러지감량, 한국물환경학회논문지, 제22권, 제2호, pp , [11] 이창근외, 오존을이용한하수슬러지의감량화와안정화, 한국물환경학회논문지, 제20권, 제3호, pp , 이철구 (Chul-Ku Lee) [ 정회원 ] 1998 년 2 월 : 건국대학교환경공학과 ( 공학사 ) 2009 년 2 월 : 호서대학교환경공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 2 월 ~ 현재 : 금강엔지니어링 ( 주 ) 환경연구소차장 이지선 (Ji-Sun Lee) [ 준회원 ] 2007 년 2 월 : 호서대학교환경공학과 ( 공학사 ) 2009 년 2 월 ~ 현재 : 호서대학교대학원 BK21 반도체 / 디스플레이공학과석사과정 용수처리, 폐수처리, MBR, 플라즈마이용수처리기술 하, 폐수처리, 오수처리전기분해이용수처리기술 정선용 (Seun-Young Joung) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 호서대학교환경공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 2 월 ~ 현재 : 금강엔지니어링 ( 주 ) 대표이사 장인성 (In-Soung Chang) [ 정회원 ] 1990 년 2 월 : 서울대학교공업화학과 ( 공학사 ) 1992 년 2 월 : 서울대학교공업화과 ( 공학석사 ) 1996 년 2 월 : 서울대학교공업화과 ( 공학박사 ) 1997 년 2 월 ~ 현재 : 호서대학교환경공학과교수 수처리, 수질오염, 환경오염방지시설설계, 시공 수처리, 수질오염, 분리막기술, MBR, 청정기술, 반도체관련공정기술및반도체산업폐수처리 984

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