f _1.hwp

Transcription

1 최종보고서 ( 완결본 ) 폐기물자원화기술 Resource recycle technology of wastes 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과 병합처리에의한자원화가능성연구 The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment 국민대학교산학협력단 환경부

2 2. 제출문 제출문 환경부장관귀하 본보고서를 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의 한자원화가능성연구 의보고서로제출합니다 년 4 월 28 일 주관연구기관명 : 국민대학교산학협력단 연구책임자연구원 : 김동하 : 최지은 : 장희규 : 정창호 ( 세부 ) 위탁연구기관명 :( 주 ) 엔지에스티 ( 세부 ) 위탁연구책임자 : 이수영 - 1 -

3 과제번호 보고서초록 해당단계연구기간 연구사업명 차세대핵심환경기술개발사업 대분야명 환경친화적폐기물자원순환 중분야명 폐기물자원화기술 연구개발과제명 국문명 영문명 연구책임자김동하 ~ 구분 ( 해당단계 ) / ( 총단계 ) 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의한자원화가능성연구 The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment 해당단계참여연구원수총연구기간참여연구원수 총 : 9명 내부 : 4명 외부 : 5명 총 : 9명 내부 : 4명 외부 : 5명 해당단계연구개발비 총연구개발비 정부 : 기업 : 계 : 정부 : 기업 : 계 : 90,000천원천원 90,000천원 90,000천원천원 90,000천원 연구기관명및국민대학교참여기업명소속부서명국제공동연구상대국명 : 상대국연구기관명 : 위탁연구연구기관명 :( 주 ) 엔지에스티연구책임자 : 이수영보고서요약 ( 연구개발결과를중심으로개조식 500자이내 ) 면수 연구목표 - 연구개발의최종목표는공정의최적화실험과 CFD시뮬레이션을통하여 Cavitation 과오존을이용한유기성가용화장치를개발하고경제성평가를실시하며, 일정 규모 (100L/hr) 의파일럿장치를제작및운전하여하수고도처리공정개선및혐기성소 화공정개선을위한최적공정을도출. 연구결과 1) 가용화장치용반응기 + 고사양펌프를사용하였을때 SCOD 는단순원통반응기 + 저사 양펌프보다 3 배증가. 2) ph 9.5 로실험을수행했을때 ph 7 보다 SCOD 는 2 배이상증가. 3) 오존실험에서는 3 시간가용화처리한것보다단순히 25 분간오존처리할경우 SCOD 가약 1.7 배더증가함. 3 시간가용화한후 25 분간오존을접촉시킨 SCID 값은 단순히 3 시간가용화하였을때보다 2.1 배더증가. 25 분간오존만접촉시킨실험보다 3 시간가용화한후 25 분간오존을접촉시킨실험의 SCOD 값은약 1.2 배증가. 4) 회분식탈질실험에서가용화액을외부탄소원으로이용하였을때 NO3-N 의제거가더 잘이루어짐. 2 시간운전후탈질율은메탄올 58%, 가용화액 78%.. 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글물리ㆍ화학적처리, 전처리, 가용화, 오존, 공동화 영어 physico ㆍ chemical treatment, pre-treatment, solubilization, ozone, methane, cavitation - 2 -

4 요약문 Ⅰ. 제목 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의한자원화가능성연구 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 1. 연구개발목적연구개발의최종목표는공정의최적화실험과 CFD시뮬레이션을통하여 Cavitation 과오존을이용한유기성가용화장치를개발하고경제성평가를실시하며, 일정규모 (100L/hr) 의파일럿장치를제작및운전하여하수고도처리공정개선및혐기성소화공정개선을위한최적공정을도출하는데에있다. 2. 연구개발필요성하수처리장에서발생하는슬러지의대부분은육상매립과해양투기에의존하고있으므로현재육상매립과해양투기에의존하고있는하수슬러지의처리에대한한계와자원순환형사회를위한 zero emmision을달성하기위하여하수슬러지의발생을최대한줄이고, 자원을재활용할수있는기술의개발및도입은시급한실정이며, 선진외국에서도이를위한연구 / 개발이활발히진행되고있으나국내의연구 / 개발실적은미진한실정이다. 이에본기술을이용하여슬러지를처리할경우슬러지감량과가용화가일어나하수처리장소화조의소화율증가, 슬러지탈수율증가로인해슬러지처리비용이감소하고음식물쓰레기와함께처리하여하수처리장외부탄소원으로공급이가능해하수처리장의비용감소효과와바이오가스등에너지원으로활용할수가있어경제적이라고할수가있으며에너지산업에도새로운에너지원으로공급이가능하다

5 Ⅲ. 연구개발의내용본연구에서는고안된전처리반응조는유입되는하수슬러지와폐기물을펌프와압축공기에의해유체를회전시키면서원심력, 속도차에따른전단력, 강렬한혼합, 생물학적산화그리고내통의적은개구공을지날때의공동화현상 (cavitation) 에의해분쇄된음식쓰레기의가용화, 생물학적산화그리고공동화에의해생물슬러지의파괴와가용화를한층증가시키는것으로예측된다. 이렇게반응이복합적으로발생할때다양한반응기작 (Mechanism) 을분석하기위해전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램인 FLUENT를이용해서물리적처리장치내에서 Cavitation 발생정도를예측하고전단력, 원심력의최대화를위한모델링 (Modeling) 을실시한다. 모델링을통해얻은자료를바탕으로최적의물리적처리장치를 Lab scale로설계및제작한다. 본연구에서는 1) 슬러지가용화정도를파악하기위해 CODcr, SCODcr, SS, TN, TP ( 혹은인산-인 ), VSS를측정하고, 2) CST (Capillary Suction Test) 를통해탈수성이얼마나향상되었는지를살피며, 3) 입자분석을통해유기성폐기물이얼마나파괴되었는지를알아보고, 4)ozone주입실험을통해최적의오존량선정, 5) 외부탄소원으로공급가능성을파악하기위한탈질실험, 6) 본개발장치의후속혐기성공정을고려하여가용화슬러지를이용한혐기성분해실험을실시하여 VSS 또는메탄발생량을측정한다. Ⅳ. 연구개발결과 1) 가용화장치용반응기 + 고사양펌프를사용하였을때 SCOD는단순원통반응기 + 저사양펌프보다 3배증가. 2) ph 9.5로실험을수행했을때 ph 7보다 SCOD는 2배이상증가. 3) 오존실험에서는 3시간가용화처리한것보다단순히 25분간오존처리할경우 SCOD 가약 1.7배더증가함. 3시간가용화한후 25분간오존을접촉시킨 SCID값은단순히 3시간가용화하였을때보다 2.1배더증가. 25분간오존만접촉시킨실험보다 3시간가용화한후 25분간오존을접촉시킨실험의 SCOD값은약 1.2배증가. 4) 회분식탈질실험에서가용화액을외부탄소원으로이용하였을때 NO3-N의제거가더잘이루어짐. 2시간운전후탈질율은메탄올 58%, 가용화액 78%.. Ⅴ. 연구개발결과의활용계획본산학공동기술개발과제를통해얻은결과활용을위한향후계획은첫째, 여러형태슬러지를본장치를통해경제적인전처리및가용화달성하였고, 이를토대로하수슬러지의효율적전처리를위한지표를제시하여할계획이다. 둘째, 수소및바이오가스생성연구및전처리효율검증을위하여기존수소발생연구의조사, 문제점파악및발전방안제시하고, 유기성슬러지감량화율파악하며, 전처리유무에따른수소생성능력비교하는것이다

6 5. 영문요약서 S U M M A R Y I. Title The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment II. Background and Objectives 1. research objectives The purpose of this study is to determine the optimal method and operational conditions in pretreatment of sludge waste by using of the cavitation process with ozonation. We also have tried some biological tests of methane fermentation and denitrification by using of the solubilized sludge as a substrate. For the optimal reactor design, some CFD program simulation were executed. 2. ressearch background For the sludge solubilization, we have tried to develop a pretreatment process consisted of a reactor and pumps, which use the cavitation phenomena. Cavitation is a general term used to describe the behavior of voids or bubbles in a liquid. Cavitation is usually divided into two classes of behavior: inertial (or transient) cavitation and non-inertial cavitation. Inertial cavitation is the process where a void or bubble in a liquid rapidly collapses, producing a shock wave. Such cavitation often occurs in pumps, propellers, impellers, and in the vascular tissues of plants. Non-inertial cavitation is the process where a bubble in a fluid is forced to oscillate in size or shape due to some form of energy input, such as an acoustic field. Such cavitation is often employed in ultrasonic cleaning baths and can also be observed in pumps, propellers etc. Major places where cavitation occurs are in pumps, on propellers, or at restrictions in a flowing liquid. As an impeller's (in a pump), or propeller's (as in the case of a ship or submarine) blades move through a fluid, low pressure areas are formed as the fluid accelerates around and moves past the blades. The faster the blades move, the lower the pressure around it can become. As it reaches vapor pressure, the fluid vaporizes and forms small bubbles of gas. This is cavitation. When the bubbles collapse later, they typically cause very strong local shockwaves in the fluid, which may be audible and may even damage the blades

7 III. Research Scope and Contents Cavitation is a general term used to describe the behavior of voids or bubbles in a liquid. As an impeller's (in a pump), blades move through a fluid, low pressure areas are formed as the fluid accelerates around and moves past the blades. As it reaches vapor pressure, the fluid vaporizes and forms small bubbles of gas. A unique approach can be to use a combination of hydrodynamic cavitation with other advanced oxidation processes with O 3 has been applied to real wastewater sludges. For the optimal reactor design, some CFD(computational fluid dynamics) program simulation were executed, and a lab. sclae of 50L, cavitational apparatus consisted of a reactor and two pumps was made and tested. 1) COD and SCOD solubilization and TS reduction were measured for the extent of sludge solubilizaton, 2) ozonation and ph control were tested for the optimal operation conditions, 3) denitrification test with the solubilized sludge were accomplished, 4) for the energy recovery, some methane fermentation tests with the solubilized sludge were tested. IV. Results and discussion 1) With the cavitationaly designed vactor both COD solubilization and TS reduction increase 3 Times nigher than that with the simple reactor as the ph of sludge increase. 2) According to the experimental results, the SCOD yield was around 200% at ph 9.5 with 3 hours of cavitational mixing. 3) Combination of cavitation and ozonization has a major positive effect on the solubilization of VSS and thus increases the SCOD yields. SCOD yeild was around 500% for 15min ozonization and 3 hour cavitation. 4) NO3-N removal ratio was influenced by the using of the solubilized sludge as a external carbon source. The T-N removal ratio was 78% with the solubilized sludge after 2hour denitrification, but only 58% with the methanol addition. V. Future Utilization Plan Further investigations will be undertaken to elucidate the optimum desigen parameters and operation conditions of the cavitational pretreatment system. We will try to develop a innovated advanced wastewater treatment systems with the cavitational pretreatment process. We would like to develop a improved anaerobic - 6 -

8 fermentation process by using of the results obtaimed from this research and intend to have some related experiments for the anaerobic process improvement and higher bio-energy recovery

9 6. 영문목차 C O N T E N T S Chapter 1. Introduction 1. Objectives 2. Contents and Expectation 2.1. Contents 2.2. Expectation 3. Importance and Necessity 3.1. Survey of Sludge Treatment Technology 3.2. Development of the Cavitation process Chapter 2. Development Status of the Sludge Solubilization Processes 1. Status of the Foreign 2. Status of the Domestic 2.1. Sludge Reduction by Ultrasonic Waves 2.2. Sludge Reduction by Ozonization 3. Economic Estimation Chapter 3. Apply of the research Chapter 4. Research Results 1. experimental method 2. Results and Discussion 2.1. Results of CFD simulation 2.2. Sludge Solubilization by the Cavitation 2.3. Sludge Solubilization of Ozonization 2.4. Denitrification with the Solubilized Sludge 2.5. Methane Fermentation with the Solubilized Sludge 2.6. Dehydration and Phosphor Recovery - 8 -

10 Chapter 5. the attainment of the goal Chapter 6. the planned goal Chapter 7. information technology of the abroad Chapter 8. References (A supplement) - 9 -

11 - 10 -

12 7. 목차 목 차 제 1 장연구개발과제의개요 연구개발의목적 연구내용및기대성과 연구내용 2.2. 기대성과 3. 연구개발의중요성및필요성 연구개발대상기술의중요성 하수슬러지의처리현황및문제점 기술의경제적 산업적중요성 3.2. 연구개발의필요성 슬러지감량및가용화기술 연구개발의필요성 제 2 장국내 외관련기술의현황 국외기술현황 국내기술현황 초음파를이용한슬러지발생저감화기술 2.2. 오존을이용한슬러지발생저감화기술 3. 국내 외시장규모 제 3 장연구개발수행원리 연구개발의원리 케비테이션이론 캐비테이션 (Cavitation) 캐비테이션의종류 캐비테이션의특징 캐비테이션의침식 기포의붕괴 기포붕괴압크기와분포 캐비테이션침식에영향을주는인자

13 1.2. 사고사례 캐비테이션에의한부식 캐비테이션부식에의한누수 진동으로인한밸브전동기고장 진동으로인한디스크지지가이드이탈 2. 캐비테이션이발생되는운전조건 캐비테이션수 ( ) 2.2. 캐비테이션발생적정범위 2.3. 유속의적정범위 2.4. 압력의적정범위 2.5. 수온과증기압관계 제 4 장연구개발수행내용및결과 연구개발수행내용 ( 실험장치및방법 ) 컴퓨터시뮬레이션 (CFD) 컴퓨터시뮬레이션개요 컴퓨터시뮬레이션기법 지배방정식 계산조건과경계조건 계산격자 1.2. 실험장치 가용화장치 오존발생장치 탈질미생물반응조 메탄미생물배양조 1.3. 실험재료 1.4. 실험방법 Cavitation에의한가용화실험 오존처리에의한가용화 가용화액을이용한탈질처리 가용화슬러지를이용한메탄발효실험 탈수성능및인회수실험 1.5. 실험분석방법

14 Cavitation 에의한가용화실험 가용화슬러지에의한가용화액을이용한탈질처리 가용화된슬러지를이용한메탄발효 2. 연구개발수행결과 CFD 시뮬레이션결과 유속장 압력장 VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 측면보기 VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 단면보기 Isosurface of cavitation( 측면 ) Isosurface of cavitation( 정면 ) 단면압력변화 ( 수직축 ) 단면압력변화 ( 수평축 ) 단면유속변화 ( 수직축 ) 단면유속변화 ( 수평축 ) 펌프형상고려 2.2. Cavitation에의한가용화실험 Run1의결과 Run2의결과 Run3의결과 가용화에미치는 ph의영향 2.3. 오존처리에의한가용화 오존처리시간의영향 Cavitation 처리후오존주입에의한가용화 오존주입후 Cavitation을이용한가용화 2.4. 가용화액을이용한탈질처리 온도영향 가용화된슬러지의영향 2.5. 가용화액을이용한메탄생성 2.6. 탈수성능및인회수 제 5 장목표달성도및관련분야에의기여도 연구개발목표달성도 슬러지가용화목표달성평가

15 장치의간단성및경제성 슬러지가용화 탈질, 메탄발생 탈수성능및인회수 1.2. 슬러지가용화장치의운영인자 슬러지가용화운영인자도출 2. 경제적성과및기술발전기여도 경제적성과 2.2. 기타성과 제 6장연구개발결과활용계획 차년도의연구개발내용 차년도의연구개발내용 연구개발결과의활용방안및기대성과 연구개발결과의활용방안 3.2. 기대성과 제 7장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 기존전처리기술의외국사례 기계적처리 1.2 화학적처리 2. 슬러지전처리기술의국가별특허동향 기술별특허동향의외국사례 ( 한국, 미국, 일본 ) 한국의기술분야별특허동향 미국의기술분야별특허동향 일본의기술분야별특허동향 2.2 슬러지전처리기술의전체적경향 제 8 장참고문헌 부록 실험결과 data 2. 연구성과물 3. 공개세미나 ( 자료첨부 )

16 8. 본문 제 1 장연구개발과제의개요 1. 연구개발의목적하수슬러지 (sludge) 및음식물쓰레기 (food waste) 등의유기성폐기물 (organic waste) 처리에대한연구및개발은국내외적인주요관심사중의하나이다. 그러나지금까지개발된초음파 (ultrasound), 오존 (ozone) 처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학적처리등의전처리공정들은복잡성과처리과정에서의문제발생, 낮은처리효율, 처리효율대비비경제성등의단점을가지고있다. 그럼에도불구하고유기성폐기물에대한 1) 처리능력의극대화, 2) 유기성폐기물저감, 3) 유용한바이오가스생성, 4) 처리에따른경제성분석하나하나가중요한의미를지닌다고할수있다. 이에본연구의목표는유체회전기능을이용한유기성고형물 ( 하수슬러지 ) 의가용화장치 ( 이하 개발장치 ) 를개발하여가용화정도를파악하고오존이나알칼리를투입하여더욱빠른시간내에가용화를달성하여 SS의감량은물론생물학적고도처리를위한외부탄소원공급이나유용한바이오가스 ( 메탄이나수고 ) 의대량생산및공급이가능한다양한전처리로활용하고자한다. 본개발장치는 3중혹은 2중원통형구조와일부내통에소구경의홈이있어 cavitation 발생이가능한구조로되어져있다. 고형물을포함한유체는회전력과전단력이극대화될수있는위치에펌프에의해투입되면고속회전하면서유체와그속에포함된고형물은극렬혼합물론회전력, 마찰력, 전단력및 cavitation을격게된다. 이러한물리적작용으로거대입자는미립자화되고미립자된고형물의일부는가용화를겪게된다. 즉이러한회전력, 마찰력, 전단력및 cavitation, 유체충격등의반응기작을과학적으로밝혀내기위해 3차원적인난류회전을잘나타낼수있는 κ-ε모델 ( 난류모델 ) 을이용하여전산유체시뮬fp이션 (CFD) 을수행하여그결과를바탕으로과학적설계, 제작및보완을한다. 오존은하수슬러지감량화에많이사용되고있는추세이나기존의오존분해는많은양의오존을필요로하고설비비가많이들며 ( 오존발생장치, 오존에의한배관부식방지를위한내식성재질사용, 배오존파괴설비가필요 ) 운전비용이많이들고고도의운전기술이필요하며배오존에의한 2차대기오염의가능성이있는등단점등이있으나본개발장치를이용하면밀폐된공간에서물질간극렬혼합에의해오존사용량이극대화되므로오존투입량은적어지고기존에부작용으로발생하던거품은거의문제가되지않게된다. 즉, 슬러지의감량화와동시에 BOD 감소, 난분해성물질의처리가능, 살균이동시에진행되는등의장점이있어물리적전처리장치와함께사용할경우적은양의오

17 존으로도처리효율을극대화할수있을것으로기대되며소량의오존을사용함으로서오존처리의단점을극복할것으로기대된다. 또한본개발장치에하수슬러지를일정시간가동시키면인이자연적으로방출되고이때알칼리 (Lime) 을투입하여 ph를상승시키게되면알칼리와의반응에의한슬러지파괴와가용화가촉진되고인방출량도최대로되어 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (hydroxylapatite) 로인의침전은물론양질의외부탄소원생성도가능해질것으로판단된다. 즉, 시스템이적절히운전되면가용화가용이하게이루어지고하수처리장의외부탄소원공급이가능하며메탄가스생산시스템에서반응시간도많이줄어들것으로기대되며경제성을검토하고자한다. 2. 연구내용및기대성과 2.1 연구내용유기성폐기물이나슬러지의감량화와자원화기술확보는국내외적으로중요한의미를지닌다. 본연구에서는미생물슬러지를포함한이러한유기성폐기물을감량및가용화하여하수처리장외부탄소원공급또는메탄등유용한바이오가스를생성할수있는일석이조의효과를얻는다. 최근들어유기성폐기물과하수슬러지처리및감량화등의기술이국내에도많이개발되고있고도입되고있으며일부연구에서는전처리후유용한바이오가스생성까지기술이개발되고있다. 그러나유용한바이오가스를얻기위해지금까지개발된전처리기술-초음파, 오존처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학처리, 열분해-들은처리시설의복잡성, 처리시발생되는문제, 고가의유지관리비, 유지관리의난이성등의문제들로결국비경제적인기술들이되고말았다. 그러나최근환경적측면에서에너지전환기술개발과보유가주요현안이되면서전처리에대한개발이더욱중요하게부각되고있다. 그러나기존의단순한물리 / 화학적반응원리로는특성이다른미생물슬러지와음식쓰레기같은유기성폐기물을적절하게처리할수없다. 그러므로본연구에서는미생물슬러지와음식쓰레기의특성을감안하여기계적으로는단순하고반응은여러기작 (Multi-mechanisms) 을가지는물리적전처리를고안하였다. 고안된가용화반응기는유입되는하수슬러지와폐기물을펌프와압축공기에의해유체를회전시키면서원심력, 속도차에따른전단력, 강렬한혼합, 생물학적산화그리고내통의적은입구를지날때의공동화현상 (cavitation) 에의해분쇄된음식쓰레기의가용화, 생물학적산화그리고공동화에의해생물슬러지의파괴와가용화를한층증가시키는것으로예측된다. 이렇게반응이복합적으로발생할때다양한반응기작 (Mechanism) 을분석하기위해전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램인 FLUENT를이용해서물리적처리장치내에서 Cavitation 발생정도를예

18 측하고전단력, 원심력의최대화를위한모델링을실시한다. 모델링을통해얻은자료를바탕으로최적의물리적처리장치를 Lab scale 로설계및제작한다. 오존은하수슬러지분해에많이사용되고있는데기존의오존분해는많은양의오존을필요로하고설비비가많이들며 ( 오존발생장치, 오존에의한배관부식방지를위한내식성재질사용, 배오존파괴설비가필요 ) 운전비용이많이들고고도의운전기술이필요하며배오존에의한 2차대기오염의가능성이있는등, 단점들이있으나슬러지의감량화와동시에 BOD 감소, 난분해성물질의처리가능, 살균이동시에진행되는등의장점이있어물리적전처리장치와함께사용할경우적은양의오존으로도처리효율을극대화할수있을것으로기대되며소량의오존을사용함으로서오존처리의단점을극복할것으로기대된다. 본연구에서는 1) 슬러지가용화정도를파악하기위해 CODcr, SCODcr, SS, TN, TP( 혹은인산-인 ), VSS를측정하고, 2) CST분석을통한 50% 범위의탈수성향상을파악하며, 3) 입자분석을통한 30% 이상의효율적유기성폐기물파괴및처리를기대하며, 4) ozone 주입실험을통해 1g O3/hr이하의최적의오존주입량산정, 5) 외부탄소원으로공급가능성을파악하기위한기초적실험을수행하며, 6) 본개발장치의후속혐기성공정을고려하여본개발장치처리유무에따른간단한혐기성분해를실시하여 VSS측정이나메탄발생량을측정하여감량화율을파악한다. 본시스템이적절히운전되면감량화와가용화가용이하게이루어지고하수처리장의외부탄소원공급이가능하고하수처리장에별도의시설을증축하지않고적은공간에본장치를설치하여소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화하고부생가스발생량을극대화하며탈수효율을향상을기대한다. 후단의메탄가스생산시스템에서반응시간도많이줄어들것으로기대되며경제성을검토하고자한다 기대성과 (1) 기존하수슬러지와음식쓰레기를간단한원리의기계적장치와소량의오존으로처리하므로초기투자비용이적고유지관리가간편할것으로기대한다. (2) 전처리가용화정도의조절이다른시스템보다용이함으로경제성정도에따라가용화가가능하게된다. (3) 전치리된하수슬러지와음식쓰레기를혐기성생물처리에의해슬러지의감량화와메탄등유용한바이오가스획득이가능하다. (4) 적절한전처리는유기성슬러지의메탄등바이오가스생산장치에서선택적으로메탄발생량을늘릴수있으며처리속도를빠르게할수있다. (5) 전처리조구조의경우단순한반응조이나여러가지처리기작을보유하므로여러

19 분야에적용잠재력이있다. (6) 바이오가스생산장치에대한국내기술축적이가능하다. (7) 하수처리장에서외부탄소원공급원의역할을할수있다. (8) 소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화한다. (9) 부생가스발생량을극대화한다 (10) 탈수효율을향상한다. 3. 연구개발의중요성및필요성 3.1. 연구개발대상기술의중요성 하수슬러지의처리현황및문제점현재전국에가동중인하수처리장은 2003 년도말을기준으로 242 개소이며처리시설용량은 20,844,745 m3 / 일이고이들하수처리장대부분은활성슬러지법또는그변법을이용하고있으므로하수처리과정에서잉여슬러지가발생되고있으며, 발생되는슬러지의양은전체적으로연간 227 만톤이발생되었고, 원단위는평균 0.348kg/ m3이다. 각종유기성폐기물중에음식물쓰레기와슬러지류에대하여직매립을금지하는내용을폐기물관리법시행규칙에명시하였으며, 음식물쓰레기는 2005 년 1월부터각종슬러지류는 2003 년 7월부터직매립이금지되었다. 직매립금지조항이설정된초기인 2000 년도부터해양투기량이급격하게증가되어최근에는 70% 이상이해양투기에의존하고있다. 육상에서의처리처분, 자원화를유도하기위하여직매립금지조치가시행되었으나, 실제소각및재활용비율은그다지증가하지않은채, 해양투기로집중되었다. 하수슬러지의해양투기는런던덤핑협약과관련된 96의정서가발효되면해양투기가금지될가능성이크며, 머지않아발효될것으로예상되므로이에대비하여육상에서처리하는근본적인대책마련이필요하다. 한편 00하수처리장의경우최근 3년 ( 02~ 04 년 ) 간운영현황을살펴보면소화조투입슬러지의유기물함량은약 61.2% 로타처리장에비해다소높은특성을나타내고있으나하절기의경우합병식하수관거의특성상유기물함량이낮은토사의유입등으로인하여소화효율이저하되는것으로조사되었다. 일반적으로국내하수슬러지처리시다음과같은문제점을내포하고있는것으로나타났다

20 문제점 슬러지농축조의농축효율저하 ( 일반적으로 2~3%, 설계시 5% 로설계 ) 소화조의소화효율저하 ( 설계시 80% 정도로설계되나, 실제는 40~50% 임, 특히겨울철에소화율이낮음 ) 슬러지개량시고분자응집제에의존 ( 다양한응집제의혼용, 특히무기응집제의혼용이필요하나검토가이루어지지않음 ) 탈수기의벨트프레스로의일원화 ( 대부분의처리장에서벨트프레스로운영중이나상대적으로탈수효율이낮음 ) 일반적으로하수처리시설에서발생하는잉여슬러지는유기물을이용하여성장한미 생물의세포로구성되어있으며, 세포의특성상쉽게분해되지않고소화조에서의감 량화율또한낮아처리에많은문제점을가지고있다. 또한소화효율저하시세포액 으로구성된내부수 ( 표 1.1 참조 ) 로인하여탈수효율저하를일으키고탈수에소요되 는약품량의증가를초래하는원인이되기도한다. 따라서소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화하고부생가스발생량을극 대화하며탈수효율을향상시키기위한슬러지전처리기술의도입은반드시필요한것 으로판단된다. 표 1.1 수분의분포형태및특성 구분분포상태및특성 제거방법 모관결합수 간극모관결합수 쐐기상의모관결합수 표면부착수 슬러지입자의갈라진틈을가득채우는수분형태 물이집합밀도가높은슬러지고형물의미세한부분에둘러싸이면모세관현상에의해각각의입자들에부착 슬러지입자에둘러싸인공간을채우고있는모관수 고형질의미세편에둘러쌓여갈라진틈새에존재 금속결합결정수등 모관압에의해슬러지입자와슬러지입자를쐐기상으로결합시키고있는모관수 슬러지입자표면에부착되어있는물 미세오니와생물학적처리로발생하는콜로이드상입상결합수로각입자에화학적결합 기계적탈수 기계적탈수 기계적탈수 응집 (or floc 형성 ) 내부수 슬러지입자를형성하고있는세포의세포액으로존재 세포파괴 - 소화 ( 혐기, 호기 ) - 가열및파쇄 - 오존및약품처리등 결합강도 내부수 > 표면부착수 > 쐐기상모관결합수 > 간극모관결합수 > 모관결합수

21 기술의경제적 산업적중요성하수처리장에서발생하는슬러지의대부분은육상매립과해양투기에의존하고있으므로현재육상매립과해양투기에의존하고있는하수슬러지의처리에대한한계와자원순환형사회를위한 zero emmision 을달성하기위하여하수슬러지의발생을최대한줄이고, 자원을재활용할수있는기술의개발및도입은시급한실정이며, 선진외국에서도이를위한연구 / 개발이활발히진행되고있으나국내의연구 / 개발실적은미진한실정이다. 이에본기술을이용하여슬러지를처리할경우슬러지감량과가용화가일어나하수처리장소화조의소화율증가, 슬러지탈수율증가로인해슬러지처리비용이감소하고음식물쓰레기와함께처리하여하수처리장외부탄소원으로공급이가능해하수처리장의비용감소효과와바이오가스등에너지원으로활용할수가있어경제적이라고할수가있으며에너지산업에도새로운에너지원으로공급이가능하다 연구개발의필요성 슬러지감량및가용화기술하수처리장에서발생하는슬러지의대부분은육상매립과해양투기에의존하고있으므로현재육상매립과해양투기에의존하고있는하수슬러지의처리에대한한계와자원순환형사회를위한 zero emmision 을달성하기위하여하수슬러지의발생을최대한줄이고, 자원을재활용할수있는기술의개발및도입은시급한실정이다. 하수슬러지의감량화에이용되는방법은표 1.2 와같이분류할수있다. 표 1.2 슬러지감량화기술의분류 처리기술생물화학적처리방법화학적처리방법물리적처리방법복합처리방법 처리방법고온호기성세균을이용한방법소화균을이용하는방법오존을이용한처리방법전기분해를이용한처리방법알칼리약품처리법, 펜톤처리법초음파를이용한처리방법 Cavitation, Mill 파쇄법초임계수를이용한방법알칼리처리 + 기계적파쇄감압파쇄 + 가열 + 초음파

22 (1) 오존을이용한슬러지감량화기술오존을이용한처리방법은 2차침전지로부터인출되어진잉여슬러지를오존처리설비 ( 오존접촉반응조 ) 에서산화력이강한오존과접촉반응시켜시킨후, 포기조로순환반송하여미생물에의하여계속적으로처리하게함으로써슬러지를궁극적으로감량화시키는간단한원리이다. 잉여슬러지는오존의강력한산화작용에의하여미생물세포벽이파괴되어미생물이먹기쉬운형태로가용화되어생물학적분해가가능한유기물 ( 저분자유기물 ) 로변화한다. 이시스템의특징은다음과같다. 1 장외반출슬러지의처분지확보가불필요해진다. 2 슬러지탈수처리가불필요해져, 그때문의설비및운전관리원이불필요 3 오존슬러지처리설비는, 물리적처리설비의일환으로서취급이가능. 4 슬러지처분비용를포함한유지관리비는큰폭으로삭감할수있다. 5 슬러지처리에수반하는고농도악취의발생이없어져, 악취대책이용이하게된다. 일차 침전지 포기조 이차 침전지 반송 슬러지 오존 반응조 오존 가스 오존 발생장치 그림 1.1 오존에의한슬러지감량화시스템 다. 오존을이용한하수슬러지의감량화기술이갖고있는장 단점은다음표 1.3 과같

23 표 1.3 오존을이용한하수슬러지의감량화기술의장 단점 장점단점 기존의처리시설에설치가능 슬러지의감량화와동시에 BOD 감소 난분해성물질의처리가능 살균이동시에진행 설비비용이많이듦 - 오존발생장치 - 오존에의한배관부식방지를위한내식성재질사용 - 배오존파괴설비가필요 운전비용이많이듦 고도의운전기술이필요 배오존에의한 2차대기오염의가능성 표 1.4 오존산화를이용한감량화기술 구분내용비고 개 요 오존의산화력을이용하여세포벽을산화시켜슬러지를가용화시 킨후생물반응조로유입시켜최종적으로이산화탄소로분해되고일 부는생체합성에사용되어잉여슬러지감량화 일차침전지 포기조 이차침전지 기본공정 반송슬러지 오존반응조 오존가스 오존발생장치 주요설비 오존반응조 ( 가용화조 ), 오존발생기, ph 조정설비, 폐오존처리장치등 감량화율 분류식 : 95~98% 장점 반응이빠르고시설이콤팩트 오존발생기유지관리복잡 장단점 가용화액의반류부하큼. 단점 생물반응조의발포현상우려 침강성이약간악화 처리수질악화 (COD:10~40% 상승, T-P:50~90% 상승 ) 적용실적 하수 ( 산화구법등 ), 공장폐수등에적용 일본

24 (2) 자기발열고온호기성처리에의한감량화자기발열고온호기성시스템은산소를최소한으로억제한상태에서호기성미생물에의하여유기물을분해하게하고, 유기물분해와동시에발생되는산화열을이용하여외부가온없이반응조의온도를 55 이상올려유기물의분해를촉진하는원리이다. 이러한자기발열고온호기성시스템은 1960 년대부터연구되어 1970 년대중반상용화가독일을중심으로진행되어왔으나, 장치의최적화및범용화에많은문제점이제기되었으나, 1990 년대에산소공급방법등의개선으로본격적인상용화가시작되었다. 고농도액상슬러지 + O 2 CO 2 + H 2O + 안정화물 ( 부식질 ) + 산화열 ( 55 이상유지 ) 호기성미생물 표 1.5 자가발열고온호기성소화 (ATAD) 를이용한감량화기술구분내용비고 ATAD는외부의열유입없이자체적으로 45~60 까지가온이되는 2단계호기성소화공정으로, 고온에서짧은시간 ( 약 6 개요일 ) 내에소화가진행되어작은용량의소화조에서도많은슬러지를처리할수있는공정 공정도 외부가온이없고특정미생물균주가불필요함. 컴팩트한원형탱크구조물로가능특징 증설이용이하고낮은운영비 운전기간 (6~10일이내 ) 이짧아많은슬러지처리가능감량효율 VSS기준약 65~75% 분뇨및축산폐수전처리용도 고농도유기폐수전처리 하 폐수 Sludge 소화처리

25 (3) 가압파쇄원리에의한하수슬러지의감량화본시스템은잉여슬러지에포함되는미분화한유기물을인출하여압력을가하여파쇄 ( 가용화 ) 하고, 이것을원래의처리조에반송하여재차분해처리하는것으로서종래의처리방법에서는분해할수없었던잉여슬러지까지도분해할수있는시스템이다. 처리시설의특성에따라약간씩차이는있으나, 슬러지발생량을미설치된것과비교하였을때본시스템으로 70% 이상감량화할수가있다. 종래의처리방법으로필요했던특수한미생물이나약제, 오존발생기등은불필요하고, 시스템은컴팩트하여설치현장에서한계는없다. 그림 1.2 가압파쇄시스템의구성도 (4) 수열반응에의한슬러지감량화시스템슬러지는유기고형물이나미생물세포로구성되어있다. 세포내물질은생물학적으로분해가가능한물질이지만세포벽은난분해성의고분자물질로구성되어있어통상의생물학적인방법으로는분해가곤란하다. 수열 생물법의원리는수열반응과생물기능을편성해슬러지를처리 소멸하는것이다. 수열공정으로슬러지중의유기고형분이나세포벽등의난분해성성분을수열반응에의해저분자화하여생물분해성의물질로개질하고, 이것을생물학적인처리시스템으로보내어미생물에의하여대사 소멸시키는방법이다. 수열반응의경우에는세포를구성하는고분자물질을그기본단위물질, 예를들면, 단당이나아미노산등으로분해할필요는없으며미생물에의해섭취 대사분해

26 가능한분자크기까지분해할수있으면분해반응이가능하다. 수열 생물법에서는슬러지를처리하여생물분해가능한물질로변환하는것을슬러지의기질화라고하며에너지절약을위해서도낮은온도영역에서수열반응을유도하는것이장치나운전의비용을삭감할수있다. 표 1.6 임계처리를이용한감량화기술 구분내용 임계처리란압력과온도의변화에따른물의상태변화원리를이용하여슬러지를감량화하거나슬러지내부착수를제거하여탈수가용이하도록처리하는공정 슬러지감량화를위한일반적인공정의원리는온도와압력이높아지개요면기체와액체의경계가소실되는임계점에도달하게되고열수분자에의한가수분해반응 ( 수열반응 ) 이발생 이러한수열반응을이용해슬러지중의유기고형분이나세포벽등의난분해성성분을저분자및생물분해성물질로전환하여미생물에의해대사 소멸시키는공정 비 고 기본원리 특징 용도 하수슬러지를고율로저분자화, 용해화하고생물공정의적용성이높음 화학약품첨가없이물만을이용하여처리하므로친환경적 슬러지용해화시무기성분의제거가가능하고, 생물공정에서의무기물축적방지 음식물쓰레기등의연계처리가능 슬러지처리액중의인을거의완전하게회수가능 하수처리시설에서슬러지절감 슬러지로부터인의회수 탈수및건조공정을위한전처리로이용

27 (5) 가용화미생물을사용한슬러지의감량화최근에슬러지처리가문제가등장하면서슬러지를가용화할수있는미생물에대한관심이증가하고있으며, 이들을분리하기위하여많은노력을하고있다. 그실제는확인되고있지않으나일부의연구자들이호열균혹은용균성의미생물을분리하여실제응용화를하고있다. 그중에서호열균을이용한사례에대해소개하고자한다. 최종침전지에서인출되어진잉여슬러지를호열균으로활성화되어있는반응조로보내어서처리한한후에다시생물학적처리반응조로순환반송하여유기물을분해시킨후에슬러지의탈수등으로확인할시에슬러지감량화를확인하는것이가능하다. 어떤종류의호열균은체외로효소를분비하여이효소가잉여슬러지중의세포를가용화하는것이가능하며, 가용화된세포는미생물이먹기쉬운형태, 이른바생물분해가능한유기물에변화되어반응조에반송된다. 호열균처리된잉여슬러지는폐수처리반응조에서미생물에의해탄산가스 물로분해되고소멸화되어용적이축소된다. 표 1.7 미생물제재를이용한감량화기술 구분내용 개요 기대효과 단백질과지질을분해하는미생물을이용하여최종슬러지발생량 을감소시키고, 가스발생량을증가시켜에너지자원으로활용 소화조내사각지대의제거효과및 2 단소화조의침전성향상 소화조상등수의 COD 및 SS 의농도감소에따른수질개선효과 유기물감소로인한탈수성증가및고분자응집제사용량절감효 과와슬러지감량화 가스발생량증가로에너지자원으로활용가능 적용실적 부산수영하수처리장에적용국내 비 고 (6) 초음파에의한슬러지감량화초음파를이용한하수슬러지처리방법은상기한초음파의공동화현상을이용하는기술로써공동화에의한순간적인고열과높은압력에의하여발생되는고압의 jet stream 에의한물리적인세포의파괴에의하여일어난다. BOD나 COD를포함한폐수처리에있어서다량의박테리아, 이른바잉여슬러지가발생되게된다. 잉여슬러지의발생량은폐수량의 1~10% 정도로, 일반적으로는응집제첨가에의해슬러지를개량한후에탈수되고탈수케이크로서매립처분이나소각처분되고있다. 슬러지의발생량

28 을제로에가까운레벨까지감량화할수가있다. 슬러지감량의원리는, 세포막을파괴해용해시키며파괴에필요한에너지를초음파에서얻을수있으므로, 다른동류기술과비교처리성능 건설비 유지관리비가현저하게좋다는장점을가지고있다. 초음파를이용하여슬러지를파괴시켜재이용하는기술은슬러지의발생량을기존의기술과비교했을때 20% 정도로줄일수있으며, 무산소탈질조의탄소원으로사용할수있을뿐아니라용출된유기물이하수처리공정으로유입되기때문에빈영양상태인하수처리장의경우 F/M 조절에도도움이될수있는기술로판단된다. 표 1.8 초음파처리를이용한감량화기술구분내용비고 액체매질에초음파를조사할경우공동화 (Cavitation) 현상이발생하게되고이때발생된공동화기포들의충격파에의한높은온도와에너지로슬러지일부를파괴 파괴된슬러지는미생물이쉽게이용할수있는탄소원으로전환되개요고, 소화조에주입시미생물소화를도와가수분해를향상시킴으로써소화효율향상 생물반응조의탄소원공급및소화조효율개선을위한전처리로많이사용 기본공 정 특징 용도 초음파로파괴된잉여슬러지일부를탄소원으로이용 잉여슬러지를재활용하여 20~35% 정도의슬러지감량화 고농도및난분해성유기물을함유한하 폐수에매우효과적 슬러지침전시발생하는섬유상미생물과가스방울에의한슬러지부상방지 고농도및난분해성유기폐수전처리 하수처리장고도처리공정 하 폐수 Sludge 소화전처리

29 (7) 기타처리법 표 1.9 고열호기성세균을이용한감량화기술 구분내용비고 개요 가용화처리시설에서약 55~65 로활성슬러지를가열하면활성슬러지를보호하는점성물질이해체되고, 고열호기성세균이활성화되어효소를분비함으로써세포벽을파괴하여원형질용출 용출된원형질은 BOD성분으로고열호기성세균에의해일부분해되고나머지는생물반응조로유입되어최종적으로이산화탄소로분해되고일부는생체합성에사용되어잉여슬러지감량화 일차침전지 포기조 이차침전지 기본공정 반송슬러지 열교환기 가용화처리장치 주요설비감량화율장장단점점단점적용실적 고열호기성세균, 배양조 ( 가용화조 ), 열교환기, 송풍기, 가온설비등 분류식 : 90~95% 합류식 : 85~90% 운전비가저렴하고 2차오염이적음. 일부무기화되어반류부하감소 설치면적이크고가용화조에서취기발생 처리수질악화 (COD:10~50% 상승, T-P:30~80% 상승 ) 하수 ( 산화구법, 표준활성슬러지법등 ) 공장폐수등에적용 일본

30 표 1.10 전기분해를이용한감량화기술 구분내용비고 개요 전기분해를이용한하수의전처리기술은오 폐수처리, 슬러지탈수성향상, 소화효율증가등다양한목적에이용 슬러지탈수성향상은전류에의해전기이중층계면에서물을이동시켜탈수가이루어지는전기침투식탈수방식과슬러지의성질을개량하여부착수 (bound water) 를분리시키는전처리기법으로이용 또한고전압펄스를이용한잉여슬러지를전처리할경우, 입자성유기물질의가용화및슬러지의세포벽파괴로인한소화효율을증대시키는공정도개발 공정도 JWP Proces s 특징 용도 탈수전처리공정으로이용시탈수시간감소및탈수효율증대 슬러지감량화및병원균사멸등으로양질의소화슬러지생산 산화분해와응집증진효과가동시에이루어짐으로서고분자응집제사용량감소 현재는에너지투입량이증대되는역효과가커실용성에많은어려움이있는실정 고농도및난분해성오 폐수의고도처리 하 폐수슬러지탈수공정 탈수및소화공정전처리

31 표 1.11 금속밀의마찰력및마찰열을이용한감량화기술 구분내용비고 개요 잉여슬러지를농축후금속밀파쇄기에유입시키고금속밀을상호유동시켜볼과볼사이의마찰력과마찰열에의해활성슬러지의세포벽을강제적으로파쇄하여가용화시킨후생물반응조로유입 유입된슬러지는최종적으로이산화탄소로분해되고일부는생체합성에사용되어잉여슬러지감량화 일차침전지 포기조 이차침전지 기본공정 반송슬러지 금속밀파쇄기 농축기 주요설비 밀파쇄장치, 농축기등 감량화율 합류식 : 85~88% 장점 시설이콤팩트 장단점 단점 가용화액의반류부하큼. 금속볼의교체비용고가 침강성이악화되고전기소비량이많음. 처리수질악화 (COD:10~60% 상승, T-P:50~90% 상승 ) 적용실적 공장폐수등에적용 일본 연구개발의필요성하수슬러지 (sludge) 및음식물쓰레기 (food waste) 등의유기성폐기물 (organic waste) 처리에대한연구및개발은국내외적인주요관심사중의하나이다. 그러나지금까지개발된초음파 (ultrasound), 오존 (ozone) 처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학적처리등의전처리공정들은복잡성과처리과정에서의문제발생, 낮은처리효율, 처리효율대비비경제성등의단점을가지고있다. 이에본연구과제에서 ozone 과 cavitation 을이용하여단순하고간단한유기성폐기물 ( 하수슬러지 + 음식물쓰레기 ) 가용화전처리시스템을개발 하여기존기술대비효율이우수하고경제적인하수처리장의외부탄소원공급및메탄등유용한바이오가스생산의전처리로활용하고자한다

32 제 2 장국내 외관련기술의현황 1. 국외기술현황하수슬러지및음식쓰레기의처리대안으로건조-소각 ( 탄화 ) 또는퇴비화재활용등이제시되고있으나, 슬러지내함수율에의해이들공정의경제성이좌우되며, 시설및처리비용이고가이고부가적인대기오염방지시설이필요하므로합리적이며저비용의슬러지처리대안이시급히요구되고있는실정이다. 일본. 독일등을중심으로실용화기술을소개하면고온호기성균을이용한슬러지저감화기술 (S-TE공법)/ 고온 (250), 고압 (55bar) 순산소및구리촉매산화시스템 / 초음파기술 + 혐기성소화 ( 메탄발전 )/ 기계적전처리 ( 고에너지회전력 )+ 탈수성향상 / 열적전처리 / 화학적처리등으로감량화및에너지보급을수행하고있다. 일본일본의경우소각기술의발달로발생되는슬러지의대부분을소각으로처리하고있다. 동경의갈서하수처리장의경우자체처리시설에서발생하는슬러지와주변의다른하수처리장으로부터관을통하여이송된농축슬러지를탈수하여소각처리하고있으며, 일부는다른방법으로처리를위한소규모연구설비에활용하고있다. 이처리장에는하루 900 톤을처리할수있는 4기의유동층소각로를보유하고있으며, 소각열을이용하여건조시킨후소각처리하고있다. 동경하수도국주도로동경시내의하수처리장에서발생하는슬러지를이용하여 오데이 란제품명을가진비료를생산한바있으나시판의어려움으로가동이중단된상태이다. 그러나공공녹지에사용할경우상업화가능성이있다. 농축슬러지의양이많기때문에탈수슬러지를 1차처리한수생성된유동성슬러지액을이용하여메탄발효를하거나수소를생산하는연구를수행하고있다 년부터연구를시작하여현재하루 3톤규모의경량골재생산시설이가동되고있으며, Sludgelight 라는이름으로생산되고있다. 이공정은슬러지회분을알코올발효폐수 (binder) 와혼합하고, 축축한상태에서입자화기에넣고 0.6~3.5mm 직경의펠렛으로만든후고온으로소성하여제조한다. 이때생성된펠렛은규격별로분류되어출하되는경량골재와거의비슷하여많은용도로의사용이가능하며, 특히하수처리장의여과재료로사용하고있다. 일본군마 ( 君馬 ) 縣에소재한시마하수처리장에서가동하고있는오존을이용한슬러지감량화기술은산화구공법으로가동중인처리장을 2계열로나누어제1계열은일반적인산화구법에의하여처리하고제2계열 (800m3/day) 에오존발생장치를설치하여발생하는슬러지를오존단독, 황산 + 오존처리하여잔존오존은탈기시키는공정을

33 도입하여운전중에있다. 제 2 계열에서오존처리를한경우발생되는슬러지의양은 대조군에비하여 1/3.4 로감량되는것으로보고되었다. 독일슬러지자체의발열량부족을도시쓰레기와혼합하여소각함으로써해결하고있다. Krefeld 지역의경우에는하수처리장에슬러지및도시쓰레기소각시스템을갖추고있어소각열을이용하여발전과스팀의생산을병행하고있다. 이소각시스템은다단스토카방식을채택하고있으며, 연간 210,000 톤의쓰레기와 12,000 톤의건조슬러지를연소하여 12MW 의전기를생산하며, 이와동시에시간당 40톤의스팀을생산한다. 생산된스팀과전기는절반정도는시스템의에너지로사용되고나머지는주변지역에판매하고있다. Aahen 지역의하수처리장에는발생한슬러지를퇴비화하는소규모의시험설비가설치되어가동되고있으며, 주변의농지에적용하고있다. 자기발열고온호기성시스템은 1960 년대부터연구되어 1970 년대중반에상용화가독일을중심으로진행되어왔으나, 장치의최적화및범용화에많은문제점이제기되었으나, 1990 년대에산소공급방법등의개선으로본격적인상용화가시작되었다. 대부분의상용화는유럽을중심으로이루어지고있으며, 최근에미국및캐나다에서기술을인정하여연구가활발하게이루어지고있는상태이다. 유럽유럽 17개국을대상으로하수슬러지발생량및처리현황은약 36.4% 가농경지등에재이용되고있으며, 41.6% 가육상매립, 소각 10.9%, 해양투기 5.2% 로나타났다. 슬러지재이용율이높은국가들로는덴마크, 프랑스, 영국, 노르웨이, 스페인, 스웨덴, 스위스등이며이들국가의재이용율은매년증가하는것으로조사되었다. 육상매립에대한기준은많은유럽국가에서 2000 년이후부터강화되는추세로매립비율은점차감소할것으로전망된다. 영국의경우, 하수슬러지는연간약 3,500 만톤 ( 건조중량 110 만톤 / 년 ) 이발생되며이중약 50% 가농경지및토양에서재활용되고있고 30% 는해양투기되었으나, 98년이후에는해양배출을실시하지않고있다. 또한소량의슬러지가토양의개량제로이용되기도하였다. 또한 1998 년에해양투기가금지되었기때문에슬러지를효율적으로재이용할수있는방안에대한대책을마련하고있는실정이다. 특히런던시의경우소각로가준공된 1998 년이후부터는전량소각에의해하수슬러지를최종처리, 처분하고있다

34 미국미국의경우톱밥이나덤불조각등과혼합하여처리하는슬러지퇴비화시설이 200 개가넘으며, 일반가정의정원용및공공시설용비료로공급되고있다. 최근에 Geneyst Int., Inc. 에서는미국의 Colorado 에 Deep Well Oxidation process" 의시범플랜트를설치하였다. 이공정은농축슬러지를습식산화의방법으로처리하는기술로서, 기존의습식산화와는달리지하 1,500m 까지의수직의관을통하여농축슬러지와공기또는산소와공급하면지열과중력에의해자연적으로초임계상태에서산화반응을일으켜 COD의감소효과가 80% 이상, 휘발성고형분의 90% 이상을처리할수있는것으로보고하고있다. 미국 Wisconsin 주의 A Wisconsin Energy Corporation 에서는하수슬러지, 제지슬러지등의유기성고형폐기물을유리질화공정에서무기물은용융시켜유리질골재를얻고, 유기물은자체의열운으로활용하여, 폐열을이용하여스팀과전기를생산할수있는시스템을상업화하였으며, 현재연간 35만톤의슬러지를처리하는 Fox Valley Glass Aggregate Plant를설치중에있다. 유리질골재는기존의제품성능을능가하여, 모래대용품, 아스팔트충진제, 로반재등으로활용이기대되고있다. 2. 국내기술현황 대표적인슬러지감량화기술은아래표 2.1 과같고초음파와오존처리에관해설 명한다. 표 2.1 대표적인슬러지감량화기술 구분종류 생물학적처리 화학적처리 물리적처리 복합처리 오존처리 초음파처리 고온호기성세균전해처리캐비테이션파쇄알칼리처리 + 기계파쇄고온호기성소화균알칼리처리열처리감압파쇄 + 가열 + 초음파처리원생동물의포식작용과산화수소수임계처리 + 철촉매처리 압밀파쇄 2.1. 초음파를이용한슬러지발생저감화기술수중에강한초음파를조사하면격렬한가압, 감압이반복되어 20KHz의경우, 초당 2,000회의진공부 (Cavitation) 현상이발생한다. 이러한진공부현상이액체상태에서이루어지게되면, 급격히감압된액체는국소적으로기화되어미세한기포 (Cavity)

35 가발생하며감압중에는기포가성장하지만가압분포가이동하여감압에서가압상태로전환하면기포가압축된다. 압축된기포는액화되어파괴되며기포가파괴될때에는국소적으로매우강한충격력과단열압축에의한온도상승이발생하여일부수천도까지상승하는경우도있다. 이러한기포파괴시국소적인고온, 고압은초임계상태를출현시키기도하고라디칼 (Radical) 반응을촉진시키기도하여특수한화학반응을일으킬가능성도지적되고있다. 이러한반응을이용해서미생물의세포를파괴하여슬러지내원형질을용출시켜생물반응조에서최종적으로분해하는이른바초음파를이용한슬러지저감화기술이상용화되고있다. 단점으로는대용량으로설치시비용이많이든다 오존을이용한슬러지발생저감화기술슬러지가오존과접촉시, 오존의산화력은슬러지를구성하고있는세균의세포벽을구성하는점성물질을해체하고세포벽을구성하고있는다당성분을분해하거나저분자화하여결과적으로는세포벽을파괴하게된다. 이러한세포벽의파괴에따라세포내원형질 ( 단당류및유기산등 ) 이용출되며이물질은일부오존산화력에의해분해되나일부분은이분해성유기물질 (Readily Biodegradable COD) 로변환된다. 오존주입율이 0.05g O3/g SS까지는슬러지의가용화와이분해성유기물질의증가가거의비례관계로증가되나, 그이후슬러지의가용화는미미해지나이분해성유기물질의증가는계속증가되는추세를나타내고있다. 이는가용화이후고형물상태에서도오존과계속접촉하게되면이분해성유기물질이증가됨을알수있다. 이렇게이분해성으로전환된유기물질은생물반응조로반송되면기존의활성슬러지에의해산화분해되어무기화되며일부는또생체를합성하는데사용된다. 한편, 이러한오존에의한세포벽의파괴는오존처리후의세균이삼투압에의해팽창되는것과, 세포벽을구성하는다당류의절단단면이증가하는현상으로부터도확인할수있다. 장점으로는기존의처리시설에설치가능, 슬러지의감량화와동시에 BOD 감소, 난분해성물질의처리가능, 살균이동시에진행된다는것이고단점으로는설비비가많이들고오존에의한배관부식방지를위한내식성재질을사용해야하며배오존파괴설비가필요하고운전비용이많이든다는점이다

36 표 2.2 슬러지량조정기구에관한기술일람 방식 / 공동연구기업밀파쇄방식유니티카 ( 주 ) 고온미생물방식 ( 주 ) 신코환경솔루션 ( 주 ) 히타치플랜트테크놀로지초음파 (M) 방식마츠시타환경공조엔지니어링 ( 주 ) 전해방식수도기공 ( 주 ) 고압분류방식얌마 ( 주 ) 산화제방식신니혼제철 ( 주 ) 환경엔지니어링 ( 주 ) 마에자와공업 ( 주 ) 오존방식구리다공업 ( 주 ) 초음파 (T) 방식 ( 주 ) 도리시마제작소 원리습식비즈밀파쇄기의 Mill실에오니를연속적으로 투입하고, 교반디스크를고속회전시켜비즈사이에서 발생하는전단력등으로오니를강제적으로파쇄한다. 60~70 의호기조건하에서활발하게증식하는 Bacillus stearothermophilus 에속하는고온미생물이 분비하는프로테아제등의오니가용화효소에의해 오니를가용화한다. 초음파를조사하여캐비테이션에의한국소적인고 온고압의반사장을형성시키고여기에오니를작용시 킴으로써미세화 사멸시킨다. 오니에 NaCl 을첨가하고전압을가해전해함으로써 발생하는차아염소산및감전작용에의해오니를일 부손상시켜사멸시킨다. 고압펌프에의해압력이상승한오니를노즐이있 는반응조안으로투입하고노즐앞뒤에서발생하는 급격한압력변화에의해캐비테이션을발생시켜오니 를파괴 세분화한다. 무기계산화제, 반응보조물질등을오니에첨가시켜 발생한 OH 라디칼의산화력을이용하여오니중의세 균을살균처리하고세포벽의산화분해, 세포질의저분 자화를실시한다. 오니를오존반응탑에공급하여오존과접촉시켜 오존의강력한산화력에의해오니의세포벽을파괴 해서사멸시킴으로써생물분해가가능한유기물로변 화시킨다. 초음파를조사하여캐비테이션을연속발생시키고 전단류와고온고압장을국소적으로발생시킨초음파 리액터안에오니를통과시켜오니를재기질화한다

37 3. 국내 외시장규모산업자원부는 2004 년 1월 16일 ' 환경산업포럼 ' 에서세계환경시장을 2000 년 5180 억달러규모에서 2005 년 7097 억달러, 2010 년에는 8635 억달러로예상, 연평균 5% 이상급성장할것으로전망했다. 환경부의발표에따르면국내환경시장도 2004 년도국내환경산업의매출액이 21조 4000 억원으로 2000 년대비약 90% 가증가하였음을알수있다. 이는 2003 년 12월국회환경노동위원회에서예측한 2005 년국내환경시장규모인 19조원을 2004 년에이미넘어선상황이다. 이위원회의 2010 년예상치인 32조원도 2010 년이전에넘어설것으로예상되고있다. 표 2.3 국내 외시장규모구분현재의시장규모예상되는시장규모세계시장규모 6,940,000억원 (2010년) 8,850,000억원한국시장규모 5,700억원 (2010년) 10,000억원 * 산출근거 : 한국기술거래소시장동향 한편일본의노무라종합연구소는 2005 년에현재성장산업중평균성장률이가장높은분야로정보통신, 환경, 신유통물류등3개분야를선정했다. 특히환경분야는환경친화형제품의개발, 폐기물처리, 폐기물리사이클등의분야에서 2010 년까지 6% 이상의평균성장률을예상하고있다. 일본의미쓰비시종합연구소와미국의스탠퍼드연구소도 21세기유망기술로에너지기술과폐기물분야및환경엔지니어링분야를선정하는등 21세기환경시장을매우관심있게보고있어환경시장의이러한확대가일시적인현상이아님을뒷받침하고있다

38 제 3 장연구개발수행원리 1. 연구개발의원리 1.1. 캐비테이션이론 캐비테이션 (Cavitation) 유동하는액체속에서유속의증가나압력의감소로유체의정압이부분적으로증기압이하로저하했을때액체가증발하여기포가발생한다. 이와같이액상 (liquid phase) 이기상 (gas phase) 으로상변화 (phase change) 를하고, 액상과기상이공존하는이상유동 (two-phase) 현상을캐비테이션이라한다. 캐비테이션은 19세기말영국의구축함 HMS Dearing 호가예상보다속도가떨어지는원인을연구하던중발견되고, 1895년 R. E. Froude에의해명명되었다. 캐비테이션이펌프나밸브와같은유첵기계에발생하면성능의저하, 소음, 진동의발생, 구성부재의침식 (erosion) 이나손상 (damage) 등을가져오는원인이된다. 이때문에캐비테이션을동반하는유동의해명과예측기술의향상은고속유체기계설계및개발에있어서중요한과제가되고있다 캐비테이션의종류 캐비테이션의종류와모양은유동조건에따라다르고, 또그종류에따라영향도 다르다. 캐비테이션은보통발생형태에따라다음과같이분류된다. (1) 버블캐비테이션 : 주로저압부에서발생하고하류쪽으로유출하면서성장및붕과하는구 (sphere) 형에가까운기포를말하며, 캐비테이션의거동으로보아진동캐비테이션이라고한다. 기포가크며반구형상이된다. (2) 시트캐비테이션 : 부재표면에부착하여발생하는기포로보통전연 (leading edge) 부근에선단을갖고기포후단은유동과함께형상이변화한다. 거동상고정된캐비테이션이라고도한다. (3) 보텍스캐비테이션 : 와류중심의저압부에발생하는기포로, 다수의기포열이나집합체로구성된면사형상의캐비테이션을말한다. (4) 기포군캐비테이션 : 다수의기포의집합체로시트캐비테이션등의후단에서유동중에방출되는기포군을의미한다. 침식이나높은소음을유발할위험성이크다. 또한발생장소에따라부압면캐비테이션 (cavitation on suction side), 압력면캐비 테이션 (cavitation pressure side), 누수캐비테이션 (Leakage cavitation), 팁보텍스캐

39 비테이션 (Tip vortex cavitation) 으로분류하기도하며, 유동형태에따라캐비테이팅유동 (cavitating flow), Cavitation surge, 역류보텍스캐비테이션 (vortex cavitation in revise flow), 선회캐비테이션 (rotating cavitation), 분류캐비테이션 (cavitation liquid jet) 등으로분류하기도한다 캐비테이션의특징캐비테이션을동반하는유동을캐비테이팅유동이라하며, 다음과같은특징을갖는다. (1) A phase change phenomena (2) Mixed incompressible/compressible nature (3) Large range of sound speed (4) Large variations of the local mach number (5) Wide range of void fraction (6) Complicated unsteady flow 본연구에서적용된밸브유동장은 (1) 과 (5) 에해당되는매우복잡한유동장이다 캐비테이션의침식캐비테이션기포가압력이회복하는곳에서기포가붕과, 소멸할때충격압이나마이크로제트가발생하여유체기기의부재표면을손상시킨다. 이를캐비테이션침식이라한다. 캐비테이션손상은유체역학과재료강도학의경계영역의현상이다. 주요요인인캐비테이션붕괴는통계및확률적이고도고속미시적인복잡현상으로이론적인해명이곤란하다. 따라서오늘날까지도손상을이론적으로정확히예측하는것은불가능하다. 캐비테이션손상면을살펴보면, 처음에침식면에요철이증가하여까칠까칠한정도이지만이것이이윽고작은점침식 (pit) 가연결된해면상의침식면이형성된다. 눈으로도관측될정도의뚜렷한침식이일어나기까지는많은시간이경과되므로손상면에는기포붕괴압이다수반복작용됨음을알수있다. 캐비테이션침식은진동 소음과는달리캐비테이션이발생하자마자곧인식되는것은아니지만손상이심한경우운전불능상태에이르게된다. 이런캐비테이션침식은 super-cavitation( 유체기계에서의도적으로발생되는캐비테이션 ) 이되기이전의상태에서현저하게나타나므로밸브의운전상특히주의가필요하다. 캐비테이션침식이심한경우에는설계를변경하거나운전을제한하거나침식한부위를일종의소모품으로생각하고교환하거나, 내침식성이뛰어난재료를사용하는

40 등의대책이필요하다. 그러나무엇보다도중요한것은장시간운전후에있을침식량 을과거의실적이나실험데이터등을통하여미리예측하는일이다 기포의붕괴기포의붕괴는복잡한물리현상으로기포내외의정압차이로인하여성장, 수축, 재팽창, 재수축을거듭하면서붕괴해간다. 기포가수축했다가재팽창하는것은수축하는과정에서기포가순간과수축될때, 기포중에포함되어있는공기등의가스정압이더높아지기때문이며, 이때강한충격파를동반하다. 구형기포가벽면근방에서붕괴하는경우는반드시구형인상태로붕괴한다고는볼수없다. 보통벽면근처보다반대편이더빨리찌그러들고기포가도넛형이되면서벽면을향해액체제트즉마이크로제트를발생한다. 이것이벽면부재에 pit를형성시키는주원인이다. 이와같은기포붕괴에는벽면과의상대위치가중요한인자가된다. 보통고체표면에전달되는압력은충격파마이크로젯, 울트라젯의세가지의이론이있다 기포붕괴압크기와분포기포의붕괴시간은고작 2ms정도이지만최대붕괴압은 1GPa이상에달한다. 이값은파괴응력 1GPa 이상인공구강이나 stellite 등고강도재료의표면을충격적으로파괴시키는데충분한값으로이들재료가캐비테이션에의해충격적으로 pit를형성하고있음을납득할수있는일이다. Knapp의실험보고와같이보통캐비테이션유동에서는다수의기포가기포군 (cloud) 형태로붕괴하여기포하나가갖는조건에따라다양한크기의붕괴압으로침식을유발한다 캐비테이션침식에영향을주는인자캐비테이션침식에영향을주는인자는표 3.1 과같이액체유동에관계하는것과액체의물리적특성에관계하는것, 재료의기계적, 물리 화학적특성에관계하는것들이있다

41 표 3.1 캐비테이션침식에영향을주는인자 항목 인자 유동인자캐비테이션계수, 속도, 압력, 진폭, 진동수, 기기의형상과치수 액체인자 재료인자 온도, 중기압, 음향임피던스, 표면장력, 점도, 압축성, 부식성 (ph), 공기함유도, 캐비테이션핵의분포 기계적성질 ( 탄성계수, 경도, 비틀림에너지, 항복점, 피로강도 ) 금속학적성질 ( 조직, 결정입자, 결정구조, 가공경화성, 잔류응력 ) 표면상태 ( 표면처리, 표면거칠기 ) 1.2 사고사례 캐비테이션에의한부식일례로밸브설치후운전을시작해서얼마지나지않아, 특히 30m 이상의수두의밸브에니들정점, 후부라이너, 밸브바로아래의방류관에일률적인손상이발견되었다. 대부분그손상정도는매우심하고방류작업을계속하는것은위험할정도로생각되었다. 이파괴현상은절대압력의저하 ( 고도의진공 ) 와관련있을것으로인식되었다. 이손상을없애기위해여러가지시험이행해졌지만효과가없었다. 최초에는손상개소에 퍼티 를붙여수리했다. 콘크리트면은파서오목한부분에는콘크리트모르타르를투입하고금속표면의구멍에는 스무스온 이라고하는철분, 염화암모늄, 유황의혼합물로충진시켰다. 그러나이충진물도불완전하였기때문에용접에의해구멍을메우는시도가이루어졌다. 대부분예외없이충진물은모재보다도빨리부식해버렸다. 이부식의원인이압력저하에기인한것이라는것을안후에는압력저하현상을없애기위한시도가행해졌다. 여러종류의크기의콘크리트라이너를밸브하류의방류관중간에설치하고하류의확산을막고압력을높이는시도가행해졌다. 라이너의두께가충분하고방류관의끝단에서는밸브를전개로운전하는경우에는손상이발생하지않았다. 그러나반개의경우에는효과가없었다. 또한압력저하를막기위해공기도입을시도해보았다. 공기관을여러개설치해보았지만, 그위치가적당하지않아서대부분성공하지못했다. 여러가지시험에실패한결과방류는가능한한좁은범위에서행하게되었다. 저수지의용도가다목적으로됨에따라밸브를교축하여운전하게되는것은곤란하게되었다 캐비테이션부식에의한누수 일부댐의사용되는비상방류밸브중사용되는 1,500mm 의버터플라이밸브에대한

42 현장진동측정결과밸브의개도 30~70% 사이에서 2.5mm/s 의진동이수평과수직에서일어나고있었다. 이러한원인은밸브시트의개폐에의한캐비테이션결과로판단된다. 본문에서언급되었지만, 방류용형태로설치된버터플라이밸브의캐비테이션은관벽면을통하여전파되고있음을알수있다. 그림 3.1 오리피스교축부와난류발생 진동으로인한밸브전동기고장영천댐의경우비상방류밸브로는 1,200mm 의버터플라이밸브를사용하고있는데현장진동측정결과밸브의개도 30~70% 사이에서상당히심하게일어나고있음을알수있었다. 이러한원인은밸브시트의개폐에의한캐비테이션결과로판단된다 진동으로인한디스크지지가이드이탈하류취수탑에연결되는하천유지수밸브 (1,200mm) 의노후는소음과진동의발생원인이되고심할경우디스크지지가이드가밸브에서이탈될경우소수력설비가소손되는대형사고및하천유지수공급불가등의사태가발생할수있다. 2. 캐비테이션이발생되는운전조건 2.1 캐비테이션수 ( ) 노즐의경우상류측, 그리고목부위, 하류측간의압력차가크면 p1> > p2> > pw 가되

43 기때문에아래와같은식이가능하다. 여기서, p1 은노즐상류측압력, p2 는노즐하류측압력, pw 는유체의포화수증기 압을나타낸다. 즉, 캐비테이션수 ( ) 는노즐의경우상류측압력에대한하류측압력비율로서 가 크다는것은캐비테이션이일어나기어려운상태라는말한다. 2.2 캐비테이션발생적정범위 는 0.001~0.5 가가능하나 0.01~0.1 이바람직하다고함 미만인경우캐비테이션붕괴시주위와의압력차가낮기때문에효과가적고, 0.5 보다큼경우는압력차가낮아캐비테이션이발생하기어렵다. 2.3 유속의적정범위 분사액의유속은 1~200m/s 이가능하나 1m/s 인경우압력저하가낮고 200m/s 보다 큰경우고압을필요로하여특수장치가요구되므로비용적으로불리하다. 2.4 압력의적정범위노즐또는오리피스관을통해분사액을분사하여캐비테이션발생시킬때에는분사액 ( 상류측압력 ) 은 0.01~30Mpa 이가능하나 2~10Mpa 가바람직하다. 0.01Mpa 미만의경우압력차를발생하기가어렵고 30Mpa 이상인경우특수용기나특수압력펌프등이요구되며소비에너지가커지기에비경제적이다. 2.5 수온과증기압관계캐비테이션은주어진온도에서포화수증기압이하가될때발생하며수온이높을수록발생가능성이높다. 그림처럼수온이 50( ) 이후로급격히포화수증기압이증가하여캐비테이션이발생하기가쉬워진다. 표 3.2 온도와증기압의관계 온도 ( ) 증기압 (mh 2 O)

44 증기압 (mh2o) y = e 0.048x R 2 = 수온 ( ) 그림 3.2 수온과증기압의관계

45 - 44 -

46 제 4 장연구개발수행내용및결과 1. 연구개발수행내용 ( 실험장치및방법 ) 1.1. 컴퓨터시뮬레이션 (CFD) 컴퓨터시뮬레이션개요컴퓨터시뮬레이션은유체와열전달과관련된제반물리적현상을수학적접근을통해컴퓨터를이용하여해석하는분야로서기계, 항공, 및물리그리고최근에는건축설비에이르기까지방대한적용영역을가지고있다. 컴퓨터시뮬레이션은유체, 열그리고물질전달을지배하는편미분방정식들의해 (solutions) 를구함으로써다양한물리값 ( 기류, 온도및기타오염물질분포, 연소등 ) 들의특성을파악한다. 최근컴퓨터의급속한발전으로불과 10년전에불가능한직접모사법 (DNS) 및대와동모사법 (LES) 등이가능하게되었고유체와관련된대부분의영역 ( 자동차, 항공, 전자 ( 반도체 ), 전기, 바이오, MEMS, 환경및건축등 ) 에서폭넓게활용되고있다. 기존기계및항공에국한된해석영역이다양한영역으로확장되면서열분해용융시설과관련된제반시설들에대한적용이활발해지고있다. 본연구에적용된밸브내유동장문제는난류, 캐비테이션, 카르만보텍스등과같은복합된복잡한물리적특성을가지고있기때문에비용이많이들어가는특성상실험이용이하지않으므로컴퓨터시뮬레이션으로정성적자료도출및데이터베이스확보가매우중요하며비상방류용밸브로버터플라이밸브의사용에따른문제파악에있어경제적인이득과더불어물리적특성을얻을수있다. 따라서, 본연구용역에서는소규모댐의비상방류및유지보수용밸브적용에있어고양정대유량에적합한할로우제트밸브, 콘밸브와부속설비에대하여밸브의종류, 관경, 댐규모, 유속등의특성을고려하여밸브내외부제현상 ( 캐비테이션, 디스크채터링, 진동등 ) 파악을위한컴퓨터시뮬레이션을통하여고유속에따른몸체안정성검토, 버터플라이밸브의적용시문제점등을종합적으로검토 분석하고자하였다 컴퓨터시뮬레이션기법컴퓨터시뮬레이션해석에사용된 Solver 는 CFX-10 이며, 유체기계해석에최적화된상용코드인 CFX-TASCflow 의기술과다상유동해석, 화학반응해석, 연소해석등의목적으로최적화된 CFX-4를결합한형태의 Fully implicit pressurebased AMG coupled solver 이다. 이에따른구조는그림 4.1과같다

47 Geometry Modelling and Grid Generation Solver CFX-Launcher Pre-processing Cad Import Cad solutions export solutions Ansys Ansys CFX- CFX- Solver Solver ICEM- ICEM- CFD CFD CFX- CFX- Pre Pre CFX- CFX- Post Post AVS AVS Hexa, Tetre mesh Solid-fluid coupled problem analysis 그림 4.1 CFX10 의구조 DEF Libraries/ output files 본연구에적용된 CFX 의구조은그림 4.2 에서보는바와같이전처리과정, 주처리 과정및후처리과정으로나누어지게된다. - 전처리과정격자생성 (Hexahedral mesh, Tetra mesh) Structure/Unstructured Grids 경계조건부여모델링부여 - 주처리과정지배방정식의해 ( 그림 4.2 참조 ) - 후처리과정 XY Plotting, Animating Graphics, Visualization CFD결과를표시하기위한그래픽툴 그림 4.1 에서나타낸그림은컴퓨터시뮬레이션의주처리과정프로세스를의미하는데생성된격자와운동량방정식과같이문제를해결해나가는방법을나타내고있다. 반복적으로해를풀어가면서어느정도해가정확한답으로접근해나가는것을수렴 (convergence) 이라고하고, 그반대의경우를발산 (divergence) 라고한다. 만약의경우발산이일어날경우는해를정확히얻지못하기때문에처음부터다시시작하여야만

48 한다. 그림 4.2 일반적인 CFD 의구조 그림 4.3 주처리과정의프로세스

49 1.1.3 지배방정식유기성고형물가용화장치내에서의유동특성을해석하기위하여적용된지배방정식은식 (5.1) 과식 (5.2) 과같다. 식 (5..1) 은연속방정식이며, 식 (5..2) 는운동량방정식으로 F=ma를의미한다. u j x j = 0 (5.1) ρu j u i x j = - p x i + x j [ μ e( u i + u j ) x j x i ] (5.2) 여기서, u i 는속도벡터이고, ρ 는밀도 (density), μ e 는유효점성계수 (effective viscosity) 이며, p 는각각정압을나타낸다. 유기성고형물가용화장치에서유동장문제에대한지배방정식을해석하기위하여유한체적법을이용하여비엇물림격자계 (non-staggered grid system) 에대한이산화방정식을구하였다. 지배방정식의대류항은 high-resolution 방법을이용하였다. 또한, 운동량방정식의압력항처리는압력수정방법을이용하는 SIMPLE-C방법을적용하여압력수정에관한근사이산화방정식을압력과속도의상관관계를고려한연속방정식의이산화방정식으로부터구하였다. 난류모델인경우정확한수치결과의확보를위해서는일반적으로점성저층 (viscous sublayer) 영역을안정적으로처리할수있는최적화된난류모델의적용이필요하다. 따라서본연구에적용한난류모델은박리 (separation) 에의한 2차유동 (secondary flow) 의정확한모사와저레이놀즈영역인벽면경계층에의한영향을정확히모사하기위해 1994 년 Menter 에의해제안된 k-ε 모델모델을적용하였다. 본연구에서적용된경우에사용된방정식들을정리하면다음과같다. 일반적인유동장문제 연속방정식 ( 식 5.1), 운동량방정식 ( 식 5.2) 캐비테이션문제 Two-phase 유동문제 (Water, Vapor) - VOF(Volume of Fraction) 캐비테이션모델 (5.3) 본연구에서는유기성고형물가용화장치내에서발생하는유동해석을위해 CFX

50 에서제공하는식 (5.3) 과같이 Cavitation 모델 (Rayleigh Plesset 모델 ) 을적용하였으 며, Water 20 C 의 saturation pressure 를 2,339Pa 로설정하였다 계산조건과경계조건 본연구에서는컴퓨터시뮬레이션을위하여표 4.1 과같이운전조건에따라유동해 석을수행하였다. 표 4.1 계산조건 유입펌프 (lpm) 흡입순환 펌프 (lpm) 조건 case1 case2 case3 case4 case5 case6 case7 유입 l 유출대기압대기압대기압대기압대기압대기압대기압 유입 유출 수온 ( ) 캐비테이션조건이용이용이용이용이용이용이용 특수조건 내부구조없을때 경계조건설정 o case 1 : 장치고안시고려했던펌프유량과수온조건 o case 2 : case1 보다수온이높을때 o case 3 : case1의유입펌프유량과흡입펌프의유량을바꿨을때 o case 4 : case1에서내부구조물이없을때 o case 5 : case1 과비교하여흡입순환펌프의유량이늘어나고, 가압등으로유출되는량이줄어들고, 수온이높은상태 o case 6 : case1과비교하여최대의펌프운전범위조건인유입유량이 1000 lpm이며수온이높은상태 o case 7 : case6과비교하여가압등으로유출되는유량이줄어든상태. 운전조건에따른연구를수행하기위하여경계조건은표 4.1 과같이설정하였다. 그림 4.4 의경우는대부분의캐비테이션을고려한것이므로 VOF( 체적비 ) 의값을표 4.2 와같이설정하여야한다. 중요한것은유동장내에서는 VOF의값은항상 1이되어야한다

51 그림 4.4 유기성고형물가용화장치경계조건 표 4.2 다상유동문제의 VOF 설정값 유체입구영역물 1.0 증기 0.0 합 1.0 그림 4.4 에서수중펌프는공급하는 유입펌프 를의미하고순환펌프는 흡입순환 되는펌프를나타낸다. 현재실험실규모장치를모사하여규모를크게하여시뮬레이션을한결과주요크기는다음과같다 o 직경외통 : 450mm, 내통 : 275mm o 높이외통 : 450 mm, 내통 : 850mm o 펌프유입펌프 ( 수중펌프 ) 유량변화 : 200, 400, 1000 lpm 흡입순환펌프유량변화 : 200, 400 lpm case4 는그림 4.5 처럼내부장치가있을경우와없을경우를구분한것으로캐비테이

52 션발생조건이구조물과펌프등의영향을구분하였다. 그림 4.5 반응기내부구조물유무에따른형상비교 계산격자현재까지잘알려진대로 CFD 해석에있어계산격자의중요성은해석결과의신뢰성및해의수렴성에직접적인영향을미치고있다. 그렇다고해서조밀한격자의보장은계산시간과처리시간의증가로경제성이떨어진다. 본연구에서는우수한계산격자의확보를위해격자전용생성툴인 ICEM-CFD 10을사용하여격자생성을수행하였다. 유기성고형물가용화장치내의복잡한형상을정확히반영하는우수한품질의계산격자를효율적으로생성하기위해그림 4.6 과같이 Tetra 타입의격자요소를사용하였으며, 전체격자노드수는각각의경우약 120 만노드로하였다. CFD 해석에적용될난류모델로써밸브시트를통과하는작동유체의복잡한 3차원유동현상을정확히해석하기위해 k-ε 모델을적용하였고이를위해경계층영역에대한해석격자의공간해상도를높게확보할필요가있으며, 통상 y+ 값을기준으로 10 이하의공간해상도를확보하였다

53 그림 4.6 계산격자 (tetra-prism) 1.2 실험장치 가용화장치폐기되거나버려지는유기성폐기물을그림 4.7 과같은기계적장치를구성하여처리하게되면폐기물폐기비용절감은물론슬러지와유기성폐기물양을줄이고향후고부가바이오가스 ( 수소등 ) 생성이용이하게된다. Cavitation 현상을이용한가용화장치는그림 4.7 과같이크게유입조, 반응조, 유입펌프, 흡입순환펌프로구성되어있다. 물리적 Cavitation 을유도하기위해장치의구성은노즐장치, 선회류유도, 가용화촉진장치로구성되었다. 상세한사양은표 4.3 과같다. 그림 4.7 전체가용화장치공정도

54 표 4.3 전체 system 장치의사양 NO. 구분 사양 1 유입조 전체용량 :40L 2 수중펌프 저사양 : 145L/min, 250W 고사양 : 170L/min, 400W 3 유입구 1 32A 12A 4 가용화반응기 ( 처리조 ) 25 L 5 유입조반송 32A 6 흡입순환펌프 저사양 : 25L/min, 350W 고사양 : 50L/min, 2.2KW 7 유입구 2 32A 12A 같다. Cavitation 에의한가용화를일으키기위해개발되어진본실험장치는그림 4.8 과. 그림 4.8 가용화장치 원수조에 40L 의원수슬러지를채운후수중펌프를작동하여반응기내부로슬러 지가들어가도록한다. 반응기 ( 총 25L) 에채워진슬러지는가압펌프의작용으로가용

55 화장치전체의교반과순환이일어나게한다. 그림 4.9 는본장치내에서가용화가일어나는과정을알기쉽게표현한것이다. 그림 4.9 물리적가용화장치개념도 오존발생장치 오존을이용한슬러지가용화실험장치는아래그림에나타난바와같이크게오 존발생장치 ( 그림 4.10) 와반응조, 배오존장치 ( 그림 4.11) 로나눌수있다. 그림 4.10 오존발생장치 그림 4.11 배오존장치

56 본실험에사용한오존은산소발생기로부터발생된산소의아크방전을통해생성되었으며오존접촉조하부에위치한산기석을통하여슬러지와접촉하도록하였다. 산소주입량을 3L/min으로하여오존이 10g/hr 로발생하도록하였다. 오존발생장치에대한자세한사양은표 4.4 에나타내었다. 표 4.4 오존발생장치사양 탈질미생물반응조 탈질미생물의증식시키기위한반응조는그림 4.12 와같이먹이유입조, 반응조, 침전조로구성되어있다. 그림 4.12 탈질미생물배양조

57 유입수는표 4.4 과같은조성으로인공폐수를제조하여사용하였다. 탄소원은 Glucose 를사용하였으며, CODcr 이 255mg/L, 질소는 22mg/L, 인은 5.1mg/L 로 C/N 비 율이 11 이되도록운영하고기타미생물성장에필요한무기염류등을첨가하였다. 표 4.5 인공폐수의조성 표 4.6 인공폐수의유입농도 (20L기준) 성분 중량 (g) Item 농도 (mg/l) C 6 H 12 O BOD Starch soluble 0.18 CODcr 255 KNO T-N 22 KH 2 PO T-P 5.1 NaHCO SS 114 탈질반응조는표 4.7 과같은조건으로운전되었다. 반응조가정상적으로잘운영되고있는지판단하기위하여주 2회유입수및유출수의질산성질소를측정하여처리효율을측정하였다. 또한 DO, PH, MLSS, ORP를주기적으로측정하였다. 약 2개월동안의미생물적응기간이경과한이후에정상상태에도달한반응조의운전결과는다음과같다. SCOD는제거효율 95% 이상이었으며, 15 mg/l이하로처리되었다. 침전조에서는 sludge wash-out 현상이발생하지않았으며유출수의 SS는 5 mg/l이하를유지하였다. 반응조의 SCOD의제거는탈질박테리아에의하여 NOx-N을전자수용체로하는무산소호흡이진행되면서탄소원으로사용된결과이다. NO3-N 의경우유입농도가 23 mg/l일때유출수의농도는 3~4mg/L 을보여 84% 의안정적인제거효율을보였다

58 표 4.7 탈질반응조의운전조건및운전결과 MLSS BOD COD SS 항목 Conc. Unit 항목 Conc. Unit ph 6.5~7.5 처리용량 20.0 L/day Temp 20~2 5 폭기조용량 8.6 L 폭기조 2000 mg/l 유입유량 ml/min 반송농도 8000 mg/l 유출유량 ml/min 폐기농도 8000 mg/l Influent 150 mg/l Effluent 8.0 mg/l Removal(%) 95% 간헐폭기 / 비폭기시 ORP 간 30 분후 슬러지부피 Influent 225 mg/l SVI 비폭 기 40min/20min -100~450 mv 250 ml/l 유지 80~150 ( 120) Effluent 12.0 mg/l SDI 0.7 이상 0.8 Removal(%) 95% HRT 8.26 hr Influent 100 mg/l F/M 비 0.17 Effluent 5.0 mg/l BOD 용적부하 Kg BOD/Kg MLSS day Kg BOD/ m3 day Removal(%) 95% 반송률 0.50 Q Influent 23 mg/l 반송유량 6.94 ml/min T-N Effluent 3.5 mg/l SRT 13 day Removal(%) 84% m3 /day T-P Influent 5.0 mg/l 슬러지폐기량 L/hr Effluent 2.5 mg/l 7.17 ml/hr Removal(%) 50% 0.12 ml/min

59 메탄미생물배양조메탄미생물배양조는원형으로유효용적은 6L( 총용적 6.8L) 이고아크릴로제작되었으며반응조내의교반을위해모터를이용하여 40rpm 에서운전하였다. 반응기가설치된항온조는공기가열식히터로온도를유지하였고, 연구기간동안 35±1 로일정하게온도가유지되도록하였다. 발생된가스는 counter weight가부착된부상식원통형에포집하여가스량을측정하였고, 가스포집시가스의용해를막기위하여황산을가한포화식염수 (ph 2) 를채웠다. 반응기상부에 rubber septa 를설치하여생성가스의성상분석을할수있도록하였다. 그림 4.13 메탄생성반응조

60 1.3. 실험재료가용화 (Cavitation) 실험에사용된슬러지는남양주시 H하수처리장의 2차침전슬러지를사용하였다. 슬러지의원수를분석한후그성상의변화가일어나지않도록 4 의냉장고에보관해두었다. 가용화실험에사용된슬러지의수질특성은표 4.8 과같다. 표 4.8 슬러지의수질적특성 항 목 폐활성슬러지 Total suspended solid (mg/l) 3800 ± 500 Volatile suspended solid (mg/l) 3100 ± 200 Total COD (mg/l) 3800 ± 70 Soluble COD (mg/l) 70 ± 30 탈질미생물반응조에사용된슬러지는남양주시 H하수처리장의최종침전지에서반송되어지는슬러지를채취하여사용하였다. 반응조의원활한운전을위하여 SS가 2000mg/L 가되도록희석하였다. 메탄미생물생성을위해사용된식종균은경기도의정부소재의하수 분뇨처리장의혐기성소화조에서채취한미생물을중력침강에의해농축시킨후사용하였다. MLSS농도는초기 VSS 농도가 4000mgVSS/L 가되도록조절하여주입하였다

61 1.4. 실험방법 Cavitation 에의한가용화실험가용화장치에대한효과를알기위해실험조건에변화를주어성능에대한비교분석을하였다. 그실험조건은표 4.9 와같다. 표 4.9 가용화실험의실험조건 Run number 실험조건 ph Run1 Run2 Run3 단순원통반응기 ( 반응기1) + 저사양펌프 ( 펌프1, 145L/min, 250W) 단순원통반응기 ( 반응기1) + 저사양펌프 ( 펌프1, 145L/min, 250W) 공동화장치용반응기 ( 반응기2) + 고사양펌프 ( 펌프2, 170L/min, 400W) Run4, 5 슬러지의 ph 조절 (8.5, 9.5) 후가용화 8.5, 9.5 여기서단순원통반응기란반응기내부에특별한구조물이들어있지않은것을말한다. 공동화 (Cavitation) 장치용반응기는반응기내부에공동화현상을위하여복잡한구조물이부착된것을말하며이는반응기내부의공동화를적극적으로유도하게된다. 가용화실험을통하여다음의조건들에대한비교결과를구하게된다. 1 반응기형태및펌프사양에따른가용화 : 펌프의힘에따른캐비테이션효과파악및연구 2 SS 농도에따른가용화 : 생물슬러지의농도에대한파괴및분해 3 ph 에따른가용화 : ph 변화 ( , 9.5) 에의한파괴및분해 가용화실험시간은최대 180 분으로하였으며반응기가일정하게이루어지게하기위하여유량계를이용하여조절해주었다. 채취즉시시료의 MLSS, PH, 온도를측정하였으며, SCOD, TSCOD, 상등수COD를중심으로분석하였다. 분석항목에따른시료의채취및전처리방법은표 4.10 과같다

62 표 4.10 분석의전처리방법 실험재료 2차슬러지 운전시간 (min) 0~180min 총반응시료량 원수조 40L + 반응기 25L TCOD 혼합슬러지의 COD 측정 SCOD 1µm 으로여과된슬러지의 COD 측정 상등수 COD 1시간동안슬러지를침전시킨후상등수의 COD 측정 오존처리에의한가용화 오존발생기의산소발생량은 3L/min, 오존주입량은 10g/hr 로고정하였다. 고형물에대한오존주입비율은밑의실험식을이용하여계산하였다. 오존주입비율 접촉시간 min 송기량 min 오존주입농도 흡수율 슬러지부피 min min 계산결과본실험에사용된오존주입비율은 go3/gss이다. 오존처리에의한가용화장치는그림 4.14 에나타낸바와같이직경30cm 의원통형아크릴재질로제작되었으며총용량은 14L 이며반응유효부피는 6.8L 이다. 반응조를통과하여나가는오존은배오존장치를통하여배출되게하였다. 그림 4.14 오존주입에의한가용화장치

63 오존주입에의한가용화정도를알아보기위하여표 4.11 과같은실험조건으로실험 을수행하였다. 표 4.11 오존주입에의한가용화의실험조건 항목 오존처리시반응시간의효과 가용화 + 오존처리 실험조건 슬러지에오존주입후 25 분동안반응 3 시간가용화시킨후 25 분동안오존처리 가용화액을이용한탈질처리 본가용화장치에의해얻어진슬러지가외부탄소원으로서의장점을가질수있는 지를알아보기위해그림 4.15 와같은회분식탈질실험장치를사용하였다. 그림 4.15 회분식탈질장치 메탄올과의비교실험을통해 NO3-N의측정을통해탈질율및탈질화속도를분석하여외부탄소원으로서의활용가치를평가하고자한다. N원으로 KNO3를사용하여, 가용화된슬러지의 SCOD는 300mg/L, NO3-N는 60mg/L 로 C/N비가 5가되도록조정하였다. 메탄올또한 C/N 비가 5로하였으며온도에대한영향을알아보기위해 2 0, 25 로하여온도변화를주었다

64 회분식장치는탈질미생물반응조에서키워진탈질균 500ml, 기질 500ml 를주입하여총용량 1000ml 로하였다. 반응장치의교반속도는 80rpm 으로하여최대한낮은속도로완전혼합이일어나도록해주었다. 실험에사용되어진반응기질 ( 외부탄소원 ) 와운전조건은표 4.12 와같다. 표 4.12 회분식탈질실험운전조건 항목 메탄올주입 1 2 가용화슬러지주입 MLSS (mg/l) C / N 비율 SCOD (mg/l) NO3-N 온도 ( ) PH ORP(mV) -150 이하 -100 이하 -150 이하 온도, PH, DO, ORP meter 를통해반응장치의상태를계속측정함으로써운전 조건이잘이루어져활발한탈질반응이일어날수있도록하였다. 반응시간은최대 6 시간 (300 분 ) 까지하였다 가용화슬러지를이용한메탄발효실험 그림 4.16 회분식장치

65 가용화슬러지의메탄생성효율을알기위하여중온 (35±1 ) 에서회분식장치 ( 그림 4.16) 를사용하여수행하였다. 실험에사용된회분식반응기에는식종균 100ml, 기질 ( 가용화슬러지 ) 400ml 를주입하여실험하였으며, 혐기성조건을유지하기위하여그림 4.17 과같이 Ar gas로 10분동안탈기시키고밀봉한후실험을실시하였다. 그림 4.17 Ar gas를이용한회분식반응기의탈기회분식반응기는항온진탕기를이용하여중온 (35±1 ) 으로 60rpm 으로교반하였다. 실험기간은최대 15일로하여메탄발생량과메탄함량을측정하도록한다. 실험에사용되어진기질의조건은다음과같다. 표 4.13 회분식메탄실험의실험조건 유입수 구분 실험시 ph SCOD(mg/L) 가용화하지않은슬러지액 원수 가용화시킨슬러지액 (ph 7) 저농도 가용화시킨슬러지액 (ph 9.5) 고농도 원수는가용화되지않은슬러지로 SCOD 값은 200mg/L 의값을가진다. 본가용화장치에의해가용화되어진슬러지는저농도, 고농도로나누어저농도의경우 180 분동안가용화한 SCOD 459mg/L, 고농도는 ph 9.5 로가용화되어진슬러지를사용하여 SCOD의값이 870mg/L 가되게하였다. 회분식메탄실험시작시 ph 7로모두조절하여초기조건을같게하였다

66 1.4.5 탈수성능및인회수실험본연구에서원슬러지와가용화후의슬러지의탈수성능을비교하기위하여 CST 를이용한탈수성능실험도수행하였다. 우리나라의하수처리장에는보통원슬러지의경우인의농도가 3~4mg/L 가된다. 슬러지가파괴되거나붕괴되면서슬러지내에있던인의성분이유출되는사실을바탕으로가용화후의인농도를측정하여증가된인을응집제를이용하여침전시키고회수하여비료의성분으로재상품화시키는실험도수행한다

67 1.5. 실험분석방법 Cavitation 에의한가용화실험 Cavitation 에의한가용화실험에사용되어진분석항목과장치는표 4.14 와같다. 표 4.14 분석항목및장치 Items ph Temp TS SS SVI CODcr Methods Digital Ionalyzer / 501Model, ORION RESEARCH Digital Ionalyzer / 501Model, ORION RESEARCH Standard Method (Dry oven, 105, 2hr) Whatman, England, GF/C, Dry oven, 105, 2hr Standard Method 18th edition Manganese Method (HACH DR-4000) T-N HACH DR-4000 CAT.NO : T-P HACH DR-4000 CAT.NO : 가용화슬러지에의한가용화액을이용한탈질처리회분식탈질실험은시료를 5분 ~ 1시간의간격을두어 15ml 씩채취하여분석하였으며, 분석항목은온도, SCOD, NO3-N 을측정하였다. NO3-N의측정은시료채취즉시 Whatman membrane filter 1µm(5c) 여과후 1시간내로분석값을측정하였다. 회분식탈질실험의분석에사용되어진분석방법과기기는표 4.14 와같다. 표 4.15 시료분석방법및기기 항목방법및분석기기 Item Methods 온도 Hidrix T-P DR4000 ph Orion DO Orion MLSS 공정시험법 SS method ORP HORIBA D-52 Reactor Digestion Method Cadmium Reduction Method CODcr UV VIS Spectrophotometer NO3-N UV VIS Spectrophotometer DR4000, HACH DR4000, HACH

68 1.5.3 가용화된슬러지를이용한메탄발효 회분식메탄실험에서메탄발생량은 100ml 용량의 galss syringe 를통하여실험기 간동안매일생산가스의양을측정하였으며, 그측정모습은그림 4.18 과같다. 그림 4.18 메탄가스발생량측정 가스의조성은 head space 내의가스를 gas tight syringe로 100 μl를취하여 conductivity detecter 를장착한 gas chromatography(agilent 6850 A) 를이용하여측정하였다. GC에사용된 column 은수소와메탄, 이산화탄소의농도분석을위해 6ftx1/8inch steel column with Porapak Q(80/100) 를이용하였으며, carrier gas로는 Ar를사용하였다. 수소분석의조건은 column 온도 60, injector 온도 120, detecter 온도 200 이었으며, flow rate는 20ml/min 으로유지하였다. 그림 4.19 GC 장치

69 2. 연구개발수행결과 2.1 CFD 시뮬레이션결과시뮬레이션은각각의조건에대해최신컴퓨터사양에서 8시간이상구동하여충분한수렴 (convergence) 발생하였을때결과를얻은것으로발산 (divergence) 의경우다시시작하여결과조건을도출하였다 유속장 case1 유속장 ( 측면 ) case2 유속장 ( 측면 ) case1 유속장 ( 정면 ) case2 유속장 ( 측면 )

70 case3 유속장 ( 측면 ) case4 유속장 ( 측면 ) case3 유속장 ( 정면 ) case4 유속장 ( 측면 )

71 case5 유속장 ( 측면 ) case6 유속장 ( 측면 ) case5 유속장 ( 정면 ) case6 유속장 ( 측면 )

72 case7 유속장 ( 측면 ) case7 유속장 ( 정면 ) 유속장은유체의흐름과유속상태를볼수있다. 유속측면은하단왼쪽에서중간원통접선면으로유입되고내원통바닥에흡입순환펌프가있어우측으로순환라인이연결되어져있다. 중간높이이상의유출관을통해처리수가유출되며이유출수는저류조에서다시원수펌프에의해유입됨으로유입순환된다. 유속정면은유속측면을반시계방향으로 90도회전시켜놓은것으로유입관은정면에서들어가고내통바닥아래의흡입관은정면으로나온다. 그리고순환관은중간통하단왼쪽에서유입펌프에의해유입관을통해원수가유입된다. 중간높이이상에설치된유출관들은정면에서나오는모양이다. case1 은외통중간통, 내통에유체가골고루분포하고하고있으나 case 2 의경우수온만차이가나는데유체흐름이상이하다. 수온의경우 case 1과 case 4만 20도이고나머지는 50도로해석을하였는데 case4 의경우내부구조물이없는관계로가운데물의소용돌이정도가있는형태이다. 그러므로 case 4를제외한다면유체의순환은 case1 이좋고그이후의조건에서는캐비테이션발생가능성이높은편이다

73 2.1.2 압력장 case1 case2 case3 case4-72 -

74 case5 case6 case7 압력은파스칼기준으로나타내었으며대기압을약 100,000Pa로본다면그이하로진행되고있고 2300pa 정도되면포화수증기압조건이되어캐비테이션발생가능성이높아진다

75 case5 case6 case7 VOF는부피비율로서액체당기체가차지하는비율이다. 즉, 파란색은유체만빨간색은기체만존재하는부분으로 case 1만제외하고기체부분이존재하므로캐비테이션발생가능성이높다

76 2.1.3 VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 측면보기 case1 case2 case3 case4-75 -

77 2.1.4 VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 단면보기 case5 case6 case7 VOF 해석에서외통하단과중간통하단에기체공간이많이형성되어있었으며그중외통단면의 VOF를본것이다. case1과 4를제외하고수주가분리되어중간통단면부분은유체가없는것으로나타나있으므로캐비테이션발생가능성이높다

78 case1 case2 case3 case4-77 -

79 2.1.5 Isosurface of cavitation( 측면 ) case1 case2 case3 case4-78 -

80 case5 case6 case7 캐비테이션발생면을나타낸것으로서본그림은 VOF 16% 즉기체가 16% 로차지하는부분의동일면 (Isosurface) 를나타낸것으로이전 VOF를참조하면경향을알수가있다. Case1 VOF 16% 를나태내는등표면을보이지않고있으나나머지는조건에서는각각의조건에따라형상이나타내고있다

81 2.1.6 Isosurface of cavitation( 정면 ) case1 case2 case3 case4-80 -

82 case5 case6 case7 case5-1: case5 의 VOF 0.72 조건 현재 Isosurface of cavitation 해석은 VOF 16% 이나 case5-1 은 case5 에서 VOF 가 72% 일때를나타낸것이다. case 5 이상에서는대두분의결과가유사하게나타나고 있다

83 2.1.7 단면압력변화 ( 수직축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.20 단면압력변화 ( 수직축 )

84 2.1.8 단면압력변화 ( 수평축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.21 단면압력변화 ( 수평축 )

85 2.1.9 단면유속변화 ( 수직축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.22 단면유속변화 ( 수직축 )

86 단면유속변화 ( 수평축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.23 단면유속변화 ( 수평축 )

87 그림 4.20 ~ 4.23 은한수직축, 수평축에서압력변화와유속변화를나타낸것으로아래그림처럼수직축 ( 노란선 ) 은내통중앙가장긴선이고수평축 ( 노란선 ) 은중간통하단가운데를나타내고있다. 그림 4.20 ~ 4.23 해석에서수직축에대한내용은 x축좌가수직축아래를우가수직축위를나타내고, 수평축에대한내용은 x축좌가수평축좌를, 우가수평축우를나타낸다. 수직축 수평축 case 1을제외하면압력선해석에서하단부분에압력저하가가장크나유속은중간부분이가장빠른것으로나타나고있다. 수직축압력의경우각통의경계를잘보여주고있다. case 5이상은거의같은형상을하고있어조건변화의극한치를보여주고있다. 결론적으로유입조건 600lpm 과흡입순환조건 200lmp 를중심으로혼합과캐비테이션조건을볼수있었으며유입 600lpm, 흡입순환 200lmp, 수온 50 조건 (case 2) 이나유입 200lpm, 흡입순환 600lmp, 수온 50 조건 (case 3) 에서캐비테이션이발생하는것으로나타났으며 case 4를제외한 case5,6,7 은비경제적은것으로나타났다. 그러므로경제적인운전을위해서는유입과순환유량의합이 800 lpm을넘지않는것이중요하다. 본시뮬레이션에서전체적인해석은압력저하가높고유속이빠르며, 수온이높은조건에서캐비테이션이발생하기좋으며같은수온에서도압력저하와유속이빠른곳이캐비테이션이발생하기좋다

88 펌프형상고려앞서소개된내용은유량, 수온중심의변화였으나실제로펌프의사양 ( 펌프압이나임펠라형상등 ) 에따라서도처리효율이달라질수있다. 시뮬레이션에서고려된펌프는유입을위해수중펌프가이용되고흡입순환을위해볼텍스펌프가사용되어진다. (a) 유입 ( 수중펌프 ), (b) 흡입순환 ( 볼텍스 ) 펌프 그림 4.24 유기성고형물가용화장치에이용될수있는펌프 실제로는펌프형상 ( 케이스, 임펠라등 ) 등세부조건에따라결과가상이하게나올수있으나그림 4.24 처럼유입펌프는유량을많이보낼수있잇는수중펌프를흡입순환펌프는슬러지이송과압력전달에강한볼텍스를선정하여그림 4.25 와그림 4.26 처럼나타내었다. 본연구결과압력캐비테이션의발생, 성장및붕괴를적절히조절하기위해서는수온, 유속, 그리고압력에따라등의영향을많이미치므로향후에는압력변화를주어서이를활용할수있는부가장치를고안하고본연구의유기성가용화장치와결합한후실험과시뮬레이션을통해보다정확한설계인자를용이하게도출할수있을것이다

89 그림 4.25 유입 ( 수중펌프 ) 형상조건구현 그림 4.26 흡입순환 ( 볼텍스펌프 ) 형상조건구현

90 2.2. Cavitation 에의한가용화실험 Run1의결과본실험의기본조건은단순원통반응기 ( 이하 1번반응기 ) 와수중펌프는볼류트형일반배수용 ( 자동식 ) 펌프인 IP-317-F( 온양정 3m일때양수량 145L/min, 이하 1번수중펌프 ) 를사용했고흡입펌프는급수용펌프 ( 자동식 ) 인 PW-350SMA( 온양정 12m 일때양수량 25L/min, 이하 1번흡입펌프 ) 를사용하였다. 2차반송슬러지를이용한가용화 Run 1 실험에사용한슬러지의초기조건은 SS 13000mg/l, SCOD 61mg/l, 상등액 COD 508mg/l 이었다. 3시간동안의가용화처리후결과는그림 4.27 과같다. 상등COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10 SS(mg/L) COD(mg/L) 시간 (min) SS(mg/L) 그림 4.27 Run1 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화 180 분가용화실험결과, SS는 13000mg/L 에서 12200mg/L 으로낮아져약 6% 의감소율을보였고 SCOD는 61mg/L 에서 98mg/L 로약 61% 증가하였다. 상등액 COD는증가율은 508mg/L 에서 1790mg/L 로 252% 증가하였다. SS의경우고농도의 SS로인해슬러지가 1 μm 이하로분해되는데어려움이많아낮은감소율을보였을것으로예상한다. SCOD와상등액 COD의증가율로보아본 1 번반응기실험장치에의하여 1 μm이하까지분해가되지않은수 μm 크기의콜로이드수준의미세입자들이많이발생한것을짐작할수있다. 본가용화실험에서는 1 μm 이하의완전한가용화보다는그전단계까지의가용화가주로진행되었음을알

91 수있다 Run2의결과가용화실험장치에대한조건은 Run1과동일하게한후 Run2 실험을수행하였다. 2번째실험에사용한슬러지의초기조건은 SS는 3600mg/L, SCOD는 60mg/L, 상등액 COD는 266mg/L 이었다. 상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10 SS(mg/L) COD(mg/L) SS(mg/L) 시간 (min) 그림 4.28 Run2 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의변화 180 분가용화실험결과, SS는 3600mg/l 에서 2500mg/l 로약 31% 의감소율을보였고 SCOD는 60mg/l 에서 89mg/l 로약 48% 증가하였으며, 상등액 COD는 266mg/l 에서 1561mg/l 로약 487% 의큰증가율을나타내었다. 이로부터본가용화장치를이용할경우 SS 감량화와유기물가용화는충분히이뤄질수있을것으로판단된다. 그러나가용화 Run1 실험과 Run2 시험에서알수있듯이 SS의고농도, 저농도여부에따라 SS의감소율이판이하게다름을알수있었다. 이것은슬러지가세포로구성되어가용화가정상적으로이뤄졌다면가용화진행시세포의파괴로인하여 SS가감소해야하는것을알수있으나고농도 SS에선비중이무거운슬러지 Floc들이가용화가진행될때세포의파괴가쉽게이뤄지지않아 Run1 실험에서는 SS의감소율이낮게나타나는것임을짐작할수있다

92 SS 감소율 SCOD 증가율상등액 COD 증가율 600% 500% 487% 변화율 (%) 400% 300% 200% 100% 0% 6% 252% 61% 31% 48% Run1(SS13000mg/L) Run2(SS3600mg/L) 그림 4.29 SS 농도별가용화율비교그림 4.29 은 SS 농도별가용화율에대한그림이다. 앞에서도언급했듯이 Run1 실험은 SS 농도가 13000mg/L 로고농도이고 2차실험은 3600mg/L 로저농도로실험을수행하였다. Run1 실험과 Run2 실험의 SS 농도감소량은큰차이가없으나감소율에서상당한차이를보였다. 이것은 Run1 실험이고농도일때슬러지의 Floc들이쉽게가용화되지않아고농도일때장치에대한효율이비효율적임을알수있었다. 그러나 Run1 실험에서가용화된슬러지들은 Run2 실험과비교했을때 SCOD와상등액 COD의비율을보면 Run1 실험은상등액COD의가용화율은낮고 SCOD 가용화율은높은것을알수있다. 이것은 SS가펌프의효과와반응기, 슬러지들간의충돌로인하여슬러지세포들이붕괴되고파괴되지만전체의슬러지들이순환되지못하고일부의슬러지들만이순환되어가용화된슬러지들이 1 μm 이하로가용화가많이되었을것으로판단된다. 본가용화실험에따른조건및 Scale적인요소에있어 Lab Scale은실제조건을완전히만족시키기에는부족함이있었다. 첫째, 가용화실험장치인 1번반응기의용량은 1회실험을수행할때 33L 로 1번흡입펌프의능력으로는선회류를유도하기에부족함이있었다. 둘째, 고농도의 SS로가용화실험을할경우압력과유량조절장치에슬러지가퇴적되어막힘현상이생겨때때로실험을지속하기어려운상황도있었다. 추후이러한문제점에대해서는정확한모델링분석과입자의영향에따른해석이필요하다고판단되며가용화실험장치인반응기나펌프의영향력도고려하여실험을수행할것이요구된다

93 2.3.3 Run3의결과이후실험에서는반응기와펌프의교체가이루어졌다. 본실험의기본조건은단순원통반응기에는가용화를촉진시킬수있는내부구조물과선회류를급히유도할수있도록내부구조물을부착하였으며펌프는위실험시사용한펌프사양의약 2배정도성능의펌프를사용하여실험을수행하였다. 펌프의사양은다음과같다. 수중펌프는볼텍스형일반배수용펌프 IPV-435( 온양정 6m일때 170L/min, 이하 2번수중펌프 ) 를사용했고흡입펌프는급수용펌프 PW-2200M( 온양정 52m 일때 50L/min, 이하 2번흡입펌프 ) 이다. 가용화 Run3 실험의초기조건은 SS가 4600mg/L, SCOD는 200mg/L, 상등액COD 340mg/L 이었다. 가용화 Run3 실험을수행한결과는그림 5.30 과같다. 상등수 COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10 SS(mg/L) COD(mg/L) SS(mg/L) 시간 (min) 그림 4.30 Run3 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화 가용화 Run3 실험의결과는 SS가 4600mg/L 에서 3500mg/L 으로약 24% 낮아졌으며 SCOD는 200mg/L 에서 440mg/L 로약 120% 증가하였다. 상등액COD는 340mg/L 에서 1887mg/L 로 455% 로크게증가하였다. 본실험에서초기상등액COD의값이 5min 가용화한값보다현저히작은것은서울 J하수처리장에서슬러지채취후냉동보관하여며칠이지난후얼은시료를녹여실험을수행하였다. 따라서원수의슬러지들은침전성이매우좋았으며 5분동안가용화한후의슬러지들은차츰침전성이떨어져서상등액 COD값이큰차이를보인것으로판단된다. 그림 4.32 는 Run3 실험에서 1시간침전후찍은사진이다

94 2번반응기와 2번수중펌프, 흡입펌프의교체이후 SCOD와상등액 COD 값들이 1 번반응기와 1번수중펌프, 흡입펌프의 SCOD, 상등액 COD 값들보다크게증가하는것을알수있다. 이것은 2번반응기와 2번수중펌프, 흡입펌프의효과로인하여슬러지의세포파괴가원활히이루어지며특히나슬러지의세포를 1 μm 이하의세포로파괴하는데도크게기여하는것임을알수있다. 또한펌프의성능이커져서빠른유속으로인하여압력게이지나유량게이지에슬러지가퇴적되지않아실험이손쉽게이루어질수있었다. 그러나반응기와펌프의교체로 SCOD, 상등액 COD의증가효과를보았지만이러한것들이 2번반응기에의한것들인지 2번펌프들의영향인지차후과 제로남게되었다. 600% SS 감소율 SCOD 증가율상등액 COD 증가율 500% 487% 455% 변화율 (%) 400% 300% 200% 100% 0% 31% 48% 24% Run2 단순반응기 120% Run3 가용화용반응기 그림 4.31 반응기, 펌프종류에따른가용화율비교 그림 4.31 은각반응기와펌프에따른가용화정도를파악하기위해 180min 동안가용화한결과들을단순반응기와가용화용반응기별로나타내었으며그림을통해 SS의감소율, SCOD, 상등액COD의증가율을비교할수있다. 본가용화실험결과 SCOD와상등액 COD는 2번반응기를사용했던실험이상당한가용화율을보였다. 특히 SCOD는 1번반응기를사용했을때보다가용화율이약 3 배정도차이가났다. 이것은 2번반응기로인하여슬러지들이 1 μm 이하로세포가파괴되어가용화되었음을나타낸다

95 따라서 2번 반응기의 운전 실험이 Cavitation에 의해 발생하는 순간적인 고압(High pressure), 전단응력(jet stream)과 고온(hot-spots)에너지에 의하여 Sludge Floc이 물 리-화학적 변화를 일으켜 파괴되는 것을 알 수 있다. 그림 차 반송슬러지 가용화 후의 사진

96 2.2.4 가용화에미치는 ph의영향 1) Run4(pH 8.5) 의결과 ph에따른슬러지의성상변화를파악하기위해 2차반송슬러지에 ph를 8.5, 9.5 로변화시켜가용화시슬러지변화의효과를알아보기실험을수행하였다. 가용화실험장치의기본조건은 2번반응기와 2번수중펌프, 흡입펌프로제한하였다. 본실험에사용된슬러지의초기조건은 SS 4000mg/L, SCOD 727mg/L, 상등액 COD 750mg/L 이며먼저 ph를 8.5 로변화시켜실험을수행하였다. 상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L) SS(mg/L) COD(mg/L) 시간 (min) SS(mg/L) 그림 4.33 Run4(pH 8.5) 에서의 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화 ph 8.5 의가용화실험결과 SS는 4000mg/L 에서 3200mg/L 로 20% 의감소율을보였으며 SCOD는 727mg/L 에서 1445mg/L 로 718mg/L 이증가하여약 99% 의증가율을보였다. 상등액COD는 750mg/L 에서 2593mg/L 로약 246% 증가율을보였다. 본실험에서비록증가율은크지않지만증가량이많은것을볼수있다. SCOD는 718mg/L 증가하고상등액COD는 1843mg/L 나증가하여 1 μm 전후의전처리가크게가용화되었음을알수있다. 2차슬러지는대부분이미생물로이루어져있기때문에 ph를변화시켜알카리성으로만들어줄경우슬러지에주는영향은슬러지의세포벽을약하게만들어가용화되기쉽게만들어주어큰효과를기대할수있을것으로판단된다

97 2) Run5(pH 9.5) 의결과가용화실험장치의기본조건은위와동일하며 ph를 9.5 로변화시켜실험을수행하였다. 슬러지의초기조건은다음과같다. SS는 3800mg/L, SCOD 205mg/L, 상등액 COD는 624mg/L 이었다. 상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L) SS(mg/L) COD(mg/L) SS(mg/L) 시간 (mg/l) 그림 4.34 Run5(pH 9.5) 에서의 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화 ph 9.5 로변화후의가용화실험결과는 SS가 3800mg/L 에서 3000mg/L 로약 21% 감소율을보였으며 SCOD는 205mg/L 에서 682mg/L 로약 233% 증가하였다. 상등액 COD는 624mg/L 에서 2655mg/L 으로증가하여약 325% 증가율을나타내었다. 본실험에서 ph8.5 와 ph9.5 의결과를보면 SS의감소율은 20%, 21% 로거의유사한값을갖지만 SCOD의증가율은 99% 와 233% 로큰차이를보였다. 또한상등액 COD도 246% 와 325% 로차이가있었다. 이실험들의결과로 ph의변화즉, 알칼리성의변화는슬러지를가용화시키기에충분한영향을주는것을확인할수있었으며 ph가높을수록 SCOD, 상등액COD의가용화율이커질것을짐작할수있었다. 그림 4.35 는 ph를 7에서 9.5 까지변화시켜 180 분동안가용화실험을수행한결과를나타낸것이다. Run3 실험은가용화실험하기전 ph 변화없이 (ph 7) 실험을하였고 Run4 실험은 ph를 8.5로변화시켜가용화실험을하였고 Run5 실험은 ph를 9.5 로변화시켜실험을수행하였다

98 SS 감소율 SCOD 증가율상등액 COD 증가율 변화율 (%) 500% 400% 300% 200% 100% 0% 455% 325% 246% 233% 120% 99% 24% 20% 21% Run3(pH 7) Run4(pH 8.5) Run5(pH 9.5) 그림 4.35 가용화에미치는 ph 의영향 그래프에서알수있듯이 SS의감소율은거의비슷했으며가용화 3차실험과 Run 4 실험에서 SCOD는큰차이없고 Run5 실험에서 Run3, Run4 실험보다 50% 더가용화된것을알수있다. 여기서특이할점은 Run4, Run5 실험의상등액COD의증가율이 ph를변화시키지않은 3차실험보다작다는점이다. 그러나실험원수, 가용화 180min 후의값을보면알수있듯이 ph를변화시킨실험은원수의상등액cod 값이처음부터높게나타났으며차츰서서히올랐다는것이다. 이것은 ph의변화 (Run4 ph 8.5, Run5 ph 9.5) 가슬러지의세포벽을약하게만들어미리슬러지가파괴되고붕괴되었을것이며그리하여가용화시키기에도수월했을것으로판단된다. 그림 4.36 이앞의설명을뒷받침해준다. SCOD, 상등액COD 모두변화율 (%) 보다는변화량 (= 최종농도-최초농도, mg/l) 에서많은차이를보여준다. Run4 실험과 Run5 실험에서상등액 COD의변화율 (%) 은오히려 Run3 실험값보다적게나왔다. 하지만변화량에서는 Run3 실험값보다 Run4와 Run5 실험값이 500mg/L 정도더높게나왔다. 특히 SCOD 증가량의경우 ph 7보다 ph8.5 에서 3배정도높게증가하였다. 이것은 ph가슬러지세포에주는영향이지대함을알수있다

99 SS 감소량 SCOD 증가량상등액 COD 증가량 변화량 (mg/l) Run 3 Run 4 Run 5 그림 4.36 ph 변화에따른 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화량 (mg/l) 2.3. 오존처리에의한가용화 오존처리시간의영향오존주입시간에따른슬러지의분해특성을알아보기위하여오존주입량 10g/hr, 오존주입속도 3L/min, 고형물에대한오존주입비율 0.074gO3/gSS 의조건하에서 25 분동안반응을진행하였다. 오존에의하여분해된슬러지의 SS, SCOD 변화를관찰하였다. 실험의초기조건은 SS 2900mg/L 이고 SCOD는 310mg/L 이었다. 그림 4.37 오존처리실험후의 SS, SCOD 의변화

100 25분동안의오존처리실험결과 SS는 2900mg/L 에서 2400mg/L 로약 17% 감소했으며 SCOD는 310mg/L 에서 1050mg/L 로약 239% 증가하였다. 오존역시강력한산화력으로인하여슬러지의세포를파괴하는데매우효과적이었다. 오존처리와 Cavitation 가용화를동시에반응시키면큰효과를볼수있을것으로기대된다 Cavitation 처리후오존주입에의한가용화생물학적하수처리공정의슬러지반송라인에서채취한 MLSS 농도 4000mg/L 범위의하수슬러지를이용하여 180분간가용화용반응기에서가용화를실시하였다. SCOD 617mg/L의가용화슬러지에대하여 25분간오존처리를실시하였다. 시간별 SCOD의변화량은다음그림과같다. 그림 4.38 가용화처리후오존반응시 SCOD 의변화 그림 4.38 과같이가용화장치에서 3시간동안가용화하였을때 SCOD는 617mg/L 로증가되었다. 3시간동안가용화한슬러지에오존처리를 10분간하였을때 SCOD 값은 1016mg/L 로약 65% 증가하였고 25분간오존을주입하였을때 1300mg/L 로약 111% 증가하였다. 그러나시간대비증가율이그다지크지않음을그림의곡선에서알수있다. 가장효율적인오존처리시간을구하는것이차후과제로남게되었다

101 2.3.3 오존처리후 Cavitation을이용한가용화 15분오존처리후 180 분간가용화반응기에가용화를실시한결과는다음그림 4.39 과같다. 상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L) SS(mg/L) COD(mg/L) SS(mg/L) 0 0 원수 오존 (15 분 ) 시간 (min) 그림 4.39 오존주입후가용화처리시 SCOD 변화 실험결과 SS 는 3400mg/L 에서 1700mg/L 로 50% 감소했고. 상등액 COD 는 455mg/L 에서 2185mg/L 로 380% 증가했으며, SCOD 는 350mg/L 에서 1515mg/L 로 328% 증가 하였다. 이실험결과는위실험인가용화처리후오존주입실험과비교해보았을 때더높은효율을보인것을알수있다 SCOD(mg/L) 1500 SCOD(mg/L) 가용화 (3hr) 오존 25min 가용화 (3hr)+ 오존 (25min) 오존 (15min)+ 가용화 (3hr) 그림 4.40 반응조건별최종 SCOD 농도

102 그림 4.40 은각각의반응조건별최종 SCOD 농도값이다. 그림에서알수있듯이오존주입후가용화처리시가장높은 SCOD의값을얻을수있었다. 오존 15분주입후 3시간가용화처리한실험은단순히가용화 3시간한실험보다약 2.5 배높으며단순히 25분간오존처리한실험보다는약 1.5 배높고가용화를먼저처리후오존주입한실험보다는 SCOD가약 1.2 배더증가하였음을알수있다 gscod / KW hr 가압형공동화 (14hr) ¹ 초음파 ² 오존 + 공동화 ( 본연구, 1hr) 그림 4.41 타연구결과 1) 와의비교 (1) 그림 4.41 은타연구결과들과본연구를 1kWh당얼마만큼의 SCOD를발생시키는지비교한그림이다. 그림비교결과본연구의결과 1kWh당 24.5g 의 SCOD를발생시켰으며 1시간수행만으로도초음파와동일한결과값을얻는것으로보아운전비용측면에서도상당히경쟁력이있는것으로판단된다. 이것은그림 4.42 의일본교또대학교의실험중오존소비량과가용화율 (3~7g SS/gO3) 의관계에서본실험의결과값을비교해보아도우수한수준의결과이다. 1) 1. 김희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적캐비테이션을이용한슬러지의가용화, 대한상하수도학회 한국물환경공학회공동추계학술발표회 2. 희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적캐비테이션을이용한슬러지의가용화, 대한상하수도학회 한국물환경공학회공동추계학술발표회

103 가용화율 ( % 그림 4.42 일본결과와의비교 오존소비량 (mg O3/g SS) ΔSCOD/gCOD 초음파 ¹ 오존 ² 가압형공동화 ( 벤츄리 2개, 14hr)³ 그림 4.43 타연구결과 2) 와의비교 (2) 오존 + 공동화 ( 본연구, 1hr) 그림 4.43 에서알수있듯이본연구의결과값이타연구결과값보다상당히우수 한것을알수있다. 본공법을이용할경우 0.3g SCOD/g COD 로약 30% 의슬러지 를가용화시킬수있을것으로기대된다. 2) 1. 김희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적캐비테이션을이용한슬러지의가용화, 대한상하수도학회 한국물환경공학회공동추계학술발표회 2. 송경근 (2003) 오존분해에의한슬러지의기질화및미생물재성장이수반된하수고도처리시스템에서잉여슬러지감소와질소제거의개선 3. 희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적캐비테이션을이용한슬러지의가용화, 대한상하수도학회 한국물환경공학회공동추계학술발표회

104 2.4. 가용화액을이용한탈질처리 온도영향 40 메탄올 1 (20 ) 메탄올 2 (25 ) NO3-N (mg/l) Time (min) 그림 4.44 외부탄소원으로메탄올사용시 NO3-N의농도변화 그림 4.44 은외부탄소원으로온도변화를준메탄올을사용하였을때 NO3-N 의농도변화를보여준다. 5시간반응후 20 에서탈질제거율은 40%, 25 에서탈질제거율은 60% 이다. 그림 5.41 에서 2시간후부터는완만한곡선을이루고있는것을볼수있다. 따라서 2시간정도가가장효율적인탈질반응시간임을알수있다. 외부탄소원으로메탄올을사용하였을때, 5시간동안의평균비탈질속도는표 4.16 과같다. 표 4.16 비탈질속도 외부탄소원 온도 ( ) 비탈질속도 (mg NO3-N/g MLSS.hr) 메탄올 메탄올 위표에서보는바와같이메탄올의비탈질속도는 20 에서 1.70(mg NO 3 -MLSS hr) 이었고, 25 에서는 2.30(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 이었다. 온도가 5 높아지면비탈질속도가약 1.4 배커짐을알수있다. 2시간후비탈질속도는메탄올1(20 ) 은 3.25mg NO 3 -N/g MLSS hr을메탄올2(2 5 ) 는 4.93mg NO 3 -N/g MLSS hr 의값을나타낸다

105 2.4.2 가용화된슬러지의영향 그림 4.45 외부탄소원에따른 NO3-N 의변화량 그림 4.45 의회분식탈질실험결과로부터메탄올보다가용화된상등액을 ( 이하가용화액 ) 외부탄소원으로이용하였을때 NO3-N의제거가훨씬더잘이루어졌음을알수있다. 2시간운전후탈질율은메탄올의경우 58%, 가용화액의경우 78% 이었다 % NO 3 -N 제거율 (%) 60 58% 40 37% 20 가용화슬러지메탄올 2 메탄올 1 그림 시간후의 NO 3-N 의제거율

106 그림 4.46 에서보는바와같이 2시간후의 NO 3 -N 제거율을비교하였을때가용화액의경우 78%, 메탄올2는 58%, 메탄올1은 37% 를나타내어가용화액이가장높은효율을보였다. 본 Cavitation 장치에의해가용화액과메탄올 1, 2의 5시간평균비탈질속도를표 4.17 에나타내었다. 표 4.17 외부탄소원제거속도비교 외부탄소원 온도 ( ) 제거속도 (mg NO 3-N/gMLSS.h) 가용화슬러지 메탄올 메탄올 가용화슬러지는 25 에서 2.69(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 의비탈질속도를나타냈고메탄올2는 25 에서 2.30(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 을나타내었다. 또한회분식탈질실험의반응시간 120 분, 180 분에서의비탈질속도는가용화액의경우 5.43, 4.28(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 이였으며, 메탄올은 4.93, 3.65(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 의값을나타내었다. 따라서표 4.18 의다른연구결과로부터구한값들과비교해보았을때가용화액의비탈질속도는메탄올보다높으며 acetate 와비슷한값을나타내었다. 표 4.18 비탈질속도비교 항목 SDNR (mg NO 3-N/gMLSS hr) Reference Acetate Acetate Methanol RBCOD Henze(1991) Bolzomella 등 (2001) Bolzonella 등 (2001 Kujawa와 Klapwijk(1999) Wastewater 1-5 Henze(1991) Kujawa와 Klapwijk(1999) Endogeneous Henze(1991) Kujawa와 Klapwijk(1999) Ozonized sludge (Activated sludge) RBCOD SBCOD This study This study 이상으로부터본장치에의해가용화되어진슬러지가탈질을위한외부탄소원으로 서충분히효과적일것으로판단된다

107 2.5 가용화액을이용한메탄생산 50 원슬러지저 SCOD 고 SCOD 40 가스부피 (ml) time( 일 ) 그림 4.47 주입기질농도별메탄생산변화 실험시작 1일째부터메탄가스가발생되기시작했고최고메탄발생량은실험일수 5일째에서가장높게발생했다. 5일째에메탄생산량은가용화되지않은원슬러지의경우 36(ml/d) 를저 SCOD는 38(ml/d) 의값을가졌으며고 SCOD의경우 44(ml/d) 로기질중가장높은값을보였다. 모든주입기질들의메탄발생량은 7일이후로급격히감소하면서 15일째에그발생이종료되었다. 원슬러지와비교하였을때저SCOD와고SCOD는각각 14% 와 30% 의증가율을보였다. 실험시작후 15일동안의총메탄발생량은그림 4.48 와같다. 그림 4.48 주입농도별누적가스생산량 (15 일 )

108 메탄함량 (5 일째 ) % 메탄 (%) % 58% 원슬러지저 SCOD 고 SCOD 그림 4.49 발생가스중의메탄함량 실험 5일째에서발생된메탄의가스분석결과는그림 4.49 와같다. 비교해본결과원슬러지와저SCOD의메탄함량은별차이가없었으며고SCOD 원수는와저SCOD보다 15% 더많은것으로나타났다. 따라서, 주입기질농도간의메탄발생량실험 5일째에가장높은값을가졌고, 원슬러지와저SCOD는각각 36, 38ml 고SCOD는 44ml로가장높은메탄발생량을나타냈다. 15일동안발생된메탄의누적량을살펴보면원슬러지와비교하였을때저SCOD 와고SCOD는각각 14% 와 30% 의증가율을보였다. 즉, 높은 SCOD값을가질수록메탄생산의증가를알수있었으며본장치에의해가용화된슬러지의높은 SCOD는메탄발생에있어좋은먹이가되며가스발생량의증가를보였다. 2.6 탈수성능및인회수다음그림 4.50 은원슬러지 (SS 3400mg/L) 와오존 15분주입후 3시간가용화처리한슬러지의탈수율을 CST 측정을통하여비교하였다. 그림 4.50 에서 CST가 90에서 300 으로나빠졌는데이는슬러지입자들이가용화처리로인해파괴되어밀도가높아져서탈수율이나빠졌을것으로판단된다

109 CST (Sec) 원슬러지 가용화후 그림 4.50 슬러지에따른 CST 탈수율 원슬러지의 T-P 농도는 5.7mg/L 였고오존 15분주입 + 가용화 3시간처리후에는 19mg/L로증가하였다. 이것은슬러지내에있던 P 성분이가용화되면서빠져나와농도의증가를나타냈다. P 농도 19mg/L 인가용화슬러지 Al3(PO4)2 로침전시키기위해 1L에응집제인 PGAl 1g의투여하여침전시킨결과 1.5mg/L 로 P농도가낮아졌다. T-P(mg/L) T-P(mg/L) 원슬러지 가용화된슬러지 PGAl 응집처리된 슬러지 그림 4.51 가용화된슬러지의 T-P 응집처리

110 제 5 장목표달성도및관련분야에의기여도 1. 연구개발목표달성도 연구개발목표및평가착안점에입각한연구개발목표의달성도는다음의표 5.1 과 같다. 표 5.1 연구목표및평가기준에따른달성내용 세부연구목표평가의착안점및기준달성내용 달성도 (%) 물리적전처리를고안및설계제작 CFD를이용한 Cavitation 발생예측 Cavitation 및원심회전력, 전단력을고려한설계처리용량 (10~20L/hr) 설계제작된장치와모델링값의비교분석 20L/hr 또는총용량 60L 규모의 Cavitation 반응장치설계및제작 100 CFD 를이용한 cavitation 시뮬레이션 (7 가지조건 ) 으로 모델링 100 오존주입실험 0.1-2gO 3 /hr 에서최적의오존량선정 go 3 /gss의최적조건확인 100 가용화실험 SCOD 등의분석을통한 30% 이상의가용화정도파악 300% 이상의 SCOD 증가 ( 최대 30% 슬러지가용화달성 ) 100 탈수성실험 CST 를통해 50% 범위의 탈수성향상파악 가용화결과탈수성능 10% 저하 90 대조군과의비교를통한 500ml 회분식반응기 3set 이용, 메탄발효실험 메탄발생량비교 5L Lab scle 용메탄발효기운전 100 (Lab scale : 5L/day) 메탄발효 30% 정도향상됨 탈질실험 대조군과의비교 메탄올보다제거율 20% 우수, 비탈질속도우수함 100 오존 (0.05gO3/gSS) 15 분접촉, 최적운전인자도출 실험실험결과종합분석 가용화 3 시간, ph 9 의최적조건 100 도출함 슬러지가용화목표달성평가 장치의간단성및경제성본가용화장치는펌프와반응기 (Powermax), 오존주입장치만으로간단하게장치로구성되어있다. 펌프를이용하여대상하수슬러지와폐기물을반응기에유입시키면극렬한회전과함께반응기내에서원심력, 속도차에따른전단력, 강렬한혼합, 생물학

111 적산화그리고내통의적은개구공을통과할때발생되는공동화현상 (cavitation) 등에의해하수 2차슬러지는붕괴되고파괴되어가용화된다. 여기에오존의강력한산화력을더하면가용화에대한상승작용이크게일어날것으로기대된다. 또한본장치는타장치에비해저렴한전력비용과간단한구조로설계되어있어경제적이기때문에타기술과의경쟁력이있다고판단된다 슬러지가용화하수 2차슬러지는대부분이미생물로이루어져있기때문에본가용화장치를이용한다면 SCOD, 상등액COD의증가율로보아가용화가원활히이룰수있을것이다. 단순원통반응기와저사양펌프를이용한 Run1(13000mg/L) 과 Run2(3600mg/L) 의실험결과에서는 SS 감소량은큰차이가없으나감소율에서상당한차이를보였다 (Run1, 6%, Run2, 31%.) SCOD의증가율은각각 61% 와 48% 로비슷하다. 상등액 COD는 Run1, 252%, Run2, 487% 로큰차이를보였다. 이는본실험장치에의하여 1 마이크로이하까지분해가되지않은수마이크로크기의콜로이드수준의미세입자들이많이발생한것을말한다. 즉, 이실험에서는 1마이크로이하의완전한가용화보다는그전단계까지의가용화가다량진행되었음을말한다. 단순원통반응기, 저사양펌프실험 (Run2) 과공동화장치용반응기, 고사양펌프 (Run3) 의실험결과 SS 감소율 (Run2, 31%, Run3, 24%) 과상등액 COD(Run2, 487%, Run3, 355%) 는큰차이가없었다. SCOD 증가율은큰차이 (Run 2-48%, Run 3-120%) 를보였다. 본실험장치와펌프로인하여 1마이크로이하까지분해가되지않은수마이크로크기의콜로이드수준의미세입자들이가용화가많이이루어졌음을알수있다. 수시간이상본가용화장치를가동할경우보다획기적인감량화및가용화가가능할것으로예측된다. 슬러지의가용화에미치는 ph의영향을알아보기위하여실험 (Run3, ph 7, Run4, ph 8.5, Run5, ph 9.5) 을수행한결과, SS의감소율은큰차이 (Run3, 24%, Run4, 20, Run5, 21%) 가없었으며 SCOD 증가율은 Run5에서 2배의값을나타내었다 (Run3, 120%, Run4, 99%, Run5, 233%). 이것은 ph의증가가슬러지세포벽을약하게만들어슬러지세포를파괴시키거나가용화장치를통한가용화가손쉽게이뤄질수있게도와주는것을알수있다. 오존실험에서는오존주입후가용화처리시가장높은 SCOD의값을얻을수있었다. 오존 15분주입후 3시간가용화처리한실험은단순히가용화 3시간한실험보다약 2.5 배높으며단순히 25분간오존처리한실험보다는약 1.5 배높고가용화를먼저처리후오존주입한실험보다는 SCOD가약 1.2 배더증가하였음을알수있다

112 탈질, 메탄발생회분식탈질실험결과로부터메탄올보다가용화액을외부탄소원으로이용하였을때 NO 3 -N의제거가훨씬더잘이루어졌음을알수있다. 2시간운전후탈질율은메탄올의경우 58%, 가용화액의경우 78% 이었다. 따라서가용화액이탈질을위한외부탄소원으로서충분히효과적일것으로판단된다. 또한 5시간동안의평균비탈질속도는가용화슬러지가 25 에서 2.69(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 이었고메탄올는 25 에서 2.30(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 을나타내었다. 한편또한반응시간 120 분에서의비탈질속도는가용화액의경우 5.43(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 이였으며, 메탄올은 4.93(mg NO 3 -N/g MLSS hr) 의값을나타내었다. 따라서가장높은효율은반응시간 120 분에서일어났음을알수있었다. 메탄발생실험은 5일째가장높이발생했고 15일간기질별메탄총발생량은원슬러지는 229mL/d 이고전SCOD는 262mL/d, 고SCOD는 298mL/d 로고SCOD가가장많이발생했다. 또한발생량중메탄함량은원슬러지가 59%, 저SCOD는58% 로큰차이없었으나고SCOD는 65% 로원슬러지나저SCOD보다 15% 더많은함량을가진것을확인할수있었다 인회수인제거실험은원슬러지에서 T-P 5.7mg/L 의농도가오존 (15min) + 가용화 (3hr) 처리후 T-P 19mg/L 로증가하였다. 따라서가용화슬러지 Al3(PO4)2 로침전시키기위해 1L에응집제인 PGAl 1g의투여하여침전시킨결과 1.5mg/L 로 P농도가낮아졌다 슬러지가용화장치의운영인자 슬러지가용화운영인자도출 2차슬러지를가용화한결과설계는회분식공정에서는펌프및저장조의용량에따라반응기 (Powermax) 를변경설계해야하며, 반응기의용량및 Cavitation 정도에따라서펌프의용량을산정해야한다. 본실험에사용된펌프의용량은단순원통반응기 33L 의처리를위해저사양수중펌프 ( 온양정 3m일때양수량 145L/min) 와흡입펌프 ( 온양정 12m 일때양수량 25L/min) 를사용하였다. 공동화장치용반응기 25L 의처리를위해서는고사양수중펌프 ( 온양정 6m일때 170L/min) 와흡입펌프 ( 온양정 52m 일때 50L/min) 를사용하였다. 공동화를위한복합반응기와고사양펌프를사용한결과 SS 감소율, 상등액COD의증가율은비슷하였지만 SCOD는단순원통반응기와저사양펌프를사용했을시비교하여볼때약 3배정도높은효율을보았다. 또한 ph의영향도고려할수있는데 ph의변화실험 (ph7, ) 결과 ph의변

113 화는슬러지의세포를붕괴시키고파괴시켜가용화하는데큰영향을끼치는것을알수있었다. 향후적절한펌프의운전인자 (KW/ hr) 와오존주입율 (go3/gss), 반응시간, 적정 ph 등에관한추가실험을수행할예정이다. 표 5.2 독일 biogest 사와의연구개발성과비교 평가항목 ( 주요성능 Spec) 비중 (%) 세계최고수준 ( 보유국 / 보유기업 ) 연구개발전국내수준 개발목표치 개발의결과 1. 장치의간단성 10 단순구조 ( 독일 /biogest사) 대부분의장치가복잡함 간단구조의 장치개발 펌프, 반응조, compressor로간단함 2. 슬러지 가용화정도 (SCOD 증가율 ) 30 타기술의본장치로소화가스증가량30% 소화가스증가량 SCOD 30% ( 독일 /biogest사) 은200% 증가달성 SCOD 증가 : % 3. 슬러지감량화정도 30 VS감량화율20% ( 독일 /biogest사) 타기술의감량화율은약 70% 정도 본장치로 50% 정도감량화 SS감량 : 24-86% 4. 장치의경제성 10 비용이저렴 ( 독일 /biogest사) 타기술은효율은좋으나고가격 저비용의펌프전기동력만장치개발사용되어저렴 2. 경제적성과및기술발전기여도 2.1 경제적성과현재전국의하수처리장에서발생하고있는슬러지량은년간 230 만톤이다 년부터슬러지의해양투기가전면금지되기때문에슬러지처리가큰문제가될것이다. 현재해양투기는톤당약 2-4 만원 ( 평균 3만원 / 톤 ), 소각의경우에는톤당 6만원, 그리고메탄발효의경우도톤당 6만원정도비용이드는것으로알려져있다. 본공법을적용할경우, 슬러지발생량은 80% 이상줄어들수있다. 슬러지감소로말미암은처리장운전비용은전체처리장운전비의 60% 수준으로줄어들게된다. 현재국내하수고도처리비용이톤당 400 원 ( 환경관리공단, 2005) 정도인데본공법을적용할경우 240 원으로약 40% 운전비용절감이가능할것으로보인다. 또한탈질용메탄올공급비용도절약이가능하다. 약 30% 의처리장에서본공정을적용할경우를가정하여계산하면경제적효과는다음과같다

114 1. 슬러지해양투기비용절약 = 230만톤 X0.3X0.8X3( 만원 / 톤 ) = 166억원 / 년 2. 슬러지소각비용절약 = 230만톤 X0.3X0.8X6( 만원 / 톤 ) = 332억원 / 년 3. 탈질용메탄올약품비 ; 하수량 1톤 / 일X25gN/ 톤 X5(g메탄올 /gn)x1.5( 원 /g메탄올) = 113원 / 톤 / 일 4. 전체처리장의 30% 에적용할경우, 그리고실제메탄올은계산값의절반만필요하다고가정하면, 2300 만톤X0.3X113 원X0.5 = 3.9억 / 일 ==> 1423 억 / 년과같이되어년간 1400 억원정도의운전비절감효과가기대된다. 실제충북의 oo 하수처리장에본공법을적용할경우경제성평가결과는다음과같다. 그림 5.1 표준 A/S를이용한처리공법 2만톤하수처리시설에서현재 1일 94m³ 의슬러지가발생하고있는데여기에슬러지가용화장치인 COS(Cavitation-Ozonation Solubilization Facility) 장치를이용하여고도처리시설로개선할경우슬러지발생량은 19m³/d 로개선전보다 1/5로감소될것으로보인다. 최종처분슬러지량도 1/4로감소하여개량전 12m³/d 에서 2m³/d 로크게줄어들게된다. 그림 5.2 COS 장치를이용한고도처리

115 표 5.3 COS 공법과표준 A/S 공법의유지비비교 표준 ( 현상태, 억원 ) 인건비 전력비 약품비 개보수비 슬러지처리비 기타 총계 COS( 억원 ) 표 5.4 COS 공법과타공법과의비교 표준 A/S 공법고안장치개조고도처리개조신설고도처리 건설비 240 억 280 억 320 억 360 억 유지관리비 6.82 억 특성 내부순환없는해양투기, 간단한 BNR 소화조없음탈수용랭 N, P제거미미 80% 이상저감및하수및슬러지약품, 전력비저감오염심화질소및인제거효율극대화 질소, 인제거 소화조설치 질소, 인제거분리농축 (1차, 2차 ) 소화조설치고도처리공정및슬러지처리공정수용 위표5.3, 5.4 와같이건설비와운전비를비교해보았을때, 건설비는 40~80 억원절감할수있으며운전비는년간 8천만원절감효과를볼수있다. 일반하수처리 (AS) 건설비는톤당 120 만원이며, 고도하수처리건설비는톤당 393 만원 ( 환경부 2~5 만톤 / 일규모 ) 이다. 고도처리개조비용은 AS(120 만원 )+40 만원 = 톤당 160 만원인데 COS 개조비용은 AS(120 만원 ) + 20만원 = 톤당 140 만원에불과하다. 그리고일반고도처리운전비용은톤당 390 원 (10만톤미만 ) 인데비하여 COS 적용시운전비용은톤당 82원으로 20% 수준으로줄어들것으로예상된다. 2.2 기타성과기술적측면에서보면원심력, 전단력, 공동현상등의물리적현상을응용하여개발한기술이고그러면서도단순구조의공정인것이특징이고환경적측면에서의성과는저비용으로버려지는유기성폐기물 ( 하수 2차슬러지 ) 의부피를감량화하여전체발생량을감소시키는데일조를하고향후바이오가스발생기술과연계하여수소및바이오가스라는에너지자원으로활용이가능하며슬러지소각시발생하는대기오염및매립시문제가되는침출수의지하수오염등.. 환경문제를해결할수있다

116 제 6 장연구개발결과의활용계획 본과제의후속과정으로써실용화를준비중이며, 채택될경우다음과같은추가 연구를추진할계획이다. 1. 1차년도의연구개발내용 1) CFD 구성및현상규명전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램을이용가용화처리공정을구성하고최적의설계및운전인자를도출한다. 2) 유기성가용화장치의성능개선및최적운전조건도출 1 소규모설계인자실험용 Lab scale 장치를이용하여조건에따른가용화처리속도측정 2 처리가속화공정결합에따른가용화처리속도측정 - 물리적캐비테이션장치 ( 벤츄리장치 ) - 오존투입 - 열처리 ( 수온증가 ) - 알카리처리 3 원슬러지농도에따른가용화처리속도 (0.1~1.0%, 원슬러지농도 ) 측정 4 원슬러지에성상 (1차슬러지, 2차슬러지, 음식물쓰레기 ) 에따른처리속도측정. 여기서, 가용화처리속도 = SCOD증가량 / 처리부피 / 단위시간 / 단위동력 3) 연구개발용가용화장치의설계및제작 1 소규모설계인자실험용 Lab scale 장치설계및제작 (10~40L 규모 ) 2 Piolt ( 처리용량 100~200L 규모 ) 의가용화장치설계파일럿크기 : 지름 500mm x 높이 1,000mm 2. 2차년도의연구개발내용 1) 파일럿규모장치의제작및응용적용파일럿규모 (1일하수처리용량 4~8m³, 슬러지처리용가용화장치용량 100~200L, 지름 500mm x 높이 1,000mm) 장치를설계제작하여현장적용실험을진행하며, 가용화된슬러지는소화조및탈질처리의효율개선에사용한다. 1 소화조개선적용 ( 혐기성소화조, 용량 0.5m³, 체류시간 20일 ) 2 탈질처리공정개선적용 ( 탈질반응조용량 1m³, 체류시간 6시간 ) 2) 경제성평가 : 선진외국기술과의처리속도비교단위시간, 단위동력, 단위처리량당 SCOD 발생량을파악하여선진외국기술과비교

117 한다. 슬러지, 음식물쓰레기, 가축폐수등 ) 을대상으로미립화나가용화정도를파악하고병합처리로오존이나알칼리를투입하게되면빠른시간내가용화율을높여 SS의감량은물론생물학적고도처리를위한외부탄소원공급이나유용한바이오가스의대량생산및공급이가능한다양한전처리로활용하고자하는것이다. 향후현장을대상으로활성슬러지처리장을단시간내감량화시키면서메탄발생량을최대화하여폐기물을직접에너지원으로활용하는데있다. 3. 연구개발결과의활용방안및기대성과 3.1 연구개발결과의활용방안초음파, 오존처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 열적처리, 화학적처리등의전처리공정들은복잡성과처리과정의문제발생그리고처리효율자체가낮거나처리효율대비경제성이떨어지는단점이있는데본기술을이용하여슬러지를처리할경우슬러지감량과가용화가일어나하수처리장소화조의소화율증가, 슬러지탈수율증가로인해슬러지처리비용이감소하고음식물쓰레기와함께처리하여하수처리장외부탄소원으로공급이가능해하수처리장의비용감소효과와바이오가스등에너지원으로활용할수가있어경제적이라고할수가있으며에너지산업에도새로운에너지원으로공급이가능하다. 추후에상용화나실증화사업에참여하여본연구를실용화시켜나갈예정이다. 3.2 기대성과 (1) 기술적측면 1 원심력, 전단력, 공동현상등의물리적현상을응용한개발기술임 2 단순구조의공정임 3 고효율의혐기성발효를통한바이오가스발생기술임 (2) 환경적측면 1 버려지는유기성폐기물을바이오가스라는에너지자원으로활용함 2 슬러지소각시발생하는대기오염및매립시문제가되는침출수의지하수오염등의환경문제를해결함 3 하수처리장에서외부탄소원공급원의역할을할수있음 4 소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화 5 부생가스발생량을극대화 6 슬러지탈수효율을향상

118 (3) 경제적 산업적측면 1 기존하수슬러지와음식쓰레기를간단한원리의기계적장치와소량의오존으로처리하므로초기투자비용이적고유지관리가간편할것으로기대 2 전처리된하수슬러지와음식쓰레기를혐기성생물처리에의해슬러지의감량화와메탄등유용한바이오가스획득이가능하다. 기술보급시비용에대한부담이없어여러곳에적용이가능 3 전처리조구조의경우단순한반응조이나여러가지처리기작을보유하므로여러분야에적용잠재력이있음 4 바이오가스생산장치에대한국내기술축적이가능

119

120 제 7 장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 본연구개발과정에서수집한해외과학기술 3)4)5) 은다음과같이간단히요약하였다. 1. 기존전처리기술의외국사례 1.1 기계적처리기계적슬러지의전처리는동역학적에너지주입에의한전단력에의해미생물의세포벽을파괴하는것이다. Milling에의하여 90% 의슬러지미생물이파괴되었지만이를위하여고형물 kg당 60MJ 의에너지를소비하였다. Kunz 등은이와유사한 ball mill을 Phoredox 하수처리장에도입, 하수처리수와슬러지소화를하나의조에서운전한결과, 38% 의슬러지생산량을줄일수있었으며 SBR 공정에적용한결과약 80% 의슬러지감량을보고하고있다. 독일에서같은방식의전처리설비로슬러지를처리하여탈질을위한외부탄소원으로사용한결과 65% 의슬러지생산량을줄일수있었다고보고하고있다. 한편, 대규모운전에보편적으로쓰이고있는기계적전처리장치중하나가고압 homogeniser(hph) 이다. 슬러지에 60MPa 정도의압력을가한후노즐로분사충격링에뿜어주면슬러지는교란이나공동, 전단력에의하여세포파괴를유도하는방법이다. HPH는비교적낮은에너지범위 (30~50HJm-3) 내에서약 85% 까지셀을파괴할수있는것으로보고되고있다. Neis등은혐기성소화공정에초음파처리를도입하여 45~50% 의소화효율을증가시켰을뿐만아니라소화체류시간을 22에서 8일로단축시켜보았을때도소화효율저하가발생하지않았음을보고하고있다. 셀파괴의측면으로보았을때기계적전처리는매우효과적인방법임에는틀림이없지만이의적용에있어문제점은높은에너지레벨을필요로하는것이다. 3) Ludovico Spinosa P.Aarne Vesilind (2007) 슬러지의진화, 동화기술 4) 김래현 (2005) 바이오매스의에너지변환과산업화, 아진 5) 한국특허정보원 (2006) 하, 폐수슬러지처리및자원화기술및시장특허분석보고서, 산업자료센터

121 표 7.1 기계적처리의외국사례 연구자및공법 Milling Kunz 등독일 Homogeniser (HPH) Neis 등 연구결과 90% 의슬러지미생물이파괴 이를위해서는고형물 kg 당 60MJ 의에너지소비가필요 유사한 ball mill 을 Phoredox 하수처리장에도입 하수처리수와슬러지소화를하나의조에서운전한결과 - 슬러지생산량 38% 감소 - SBR 공정에적용시슬러지생산량약 80% 감소 전처리설비로써탈질을위한외부탄소원으로사용결과 - 65% 의슬러지생산량을줄일수있음을보고 슬러지에 60MPa 정도의압력을가한후노즐로분사충격링에뿜어주어슬러지의세포파괴를유도하는방법 HPH 는비교적낮은에너지범위 (30~50HJm-3) 내에서약 85% 까지셀을파괴할수있는것으로보고 혐기성소화공정에초음파처리를도입하여 45~50% 의소화효율을증가 소화체류시간을 22 에서 8 일로단축 문제점 - 높은에너지레벨을필요 1.2 화학적처리화학적전처리는산이나염을슬러지에첨가하여셀을가수분해하는방법으로높은온도를사용해야하는열처리에비해상대적으로매우낮은온도에서도같은슬러지가용화율을얻을수있는방법이다. 화학적전처리에대한 Inagakie등의연구내용을살펴보면 35 에서 ph를 9로유지시키기만해도슬러지분해율이 35% 증가하며혐기성소화시켰을때고형물감량효율이 60% 에달하였다고주장하였다. Smith와 Goransson 은 H2SO4를이용하여전처리를시행하여슬러지의 30~50% 를가용화시켰다

122 표 7.2 화학적처리의외국사례 연구자및공법 Inagekie Smith 와 Goransson 연구결과 35 에서 ph 를 9 로유지 - 슬러지분해율 35% 증가 혐기성소화에적용시 - 고형물감량효율이 60% 에달함 H2SO4 를이용하여전처리를시행 - 슬러지의 30~50% 를가용화시켰다. 2. 슬러지전처리기술의국가별특허동향 2.1 기술별특허동향의외국사례 ( 한국, 미국, 일본 ) 한국의기술분야별특허동향 연도별그림에서한국의경우기계, 물리적및화학적전처리가비슷한출원량을보이며, 생물학적전처리기술레비해많은충원양을나타냄을알수있다. 3가지전처리기술들은 90 년대중후반부터출원양을증가하기시작하고, 99 년과 2002 년도에각각변곡점을가짐을알수있다. 구간별그림을살펴보면, 기계 / 물리, 생물, 화학적전처리모두구간별로출원양이증가하였고, 출원양의대부분이 97~2000, 2001~2004 년도에집중되는것을알수있다. 표및그림으로나타낸기술별구간별특허건수는아래의그림 7.1 과같다. 그림 7.1 한국의기술별구간별특허건수

123 2.1.2 미국의기술분야별특허동향 연도별그림에서미국의경우화학적전처리가가장많은등록양을보이며, 생물학적, 물리 / 기계적전처리순으로나타난다. 대체적으로완만한곡선을나타내지만, 생물학적처리에있어서 99~2001 년도에등록양이급격하게증가하였음을알수있다. 구간별그림 7.2 를살펴보면기계 / 물리, 생물, 화학적전처리모두구간별로등록양이증가하는것을알수있다. 그림 7.2 미국의기술별구간별특허건수 일본의기술분야별특허동향 연도별그림에서일본의경우화학적전처리가가장많은충원양을보이며, 물리 / 기계적전처리는비슷한수준을보인다. 화학적전처리는 96 년과 2001 년에급격하게출원양이증가한것을알수있다. 구간별그림 7.3 을살펴보면, 전반적으로상승하고있으나, 화학적전처리의증가폭이가장큰것을알수있다

124 그림 7.3 일본의기술별구간별특허건수 2.2 슬러지전처리기술의전체적경향슬러지전처리기술의국가별점유율을살펴보면, 일본이 659 건으로 48% 의가장높은점유율을나타냈으며, 그다음으로한국어 382 건으로 28%, 미국이 323 건으로 24% 를나타내고있다. 기술별점유율을살펴보면, 한국, 미국, 일본모두화학적전처리가가장높은점유율을나타내고있는데, 가용화효율과경제성이높기때문에화학적전처리기술의특허출원 ( 등록 ) 양이가장높은점유율을나타내고있는것으로사료된다. 슬러지의자원화의전체적인경향을살펴보면미국과일본은슬러지의자원화는 90 년대중반에정점을이루는반면한국은 2004 년에정점을이룬다. 이것은미국과일본의슬러지의환경오염등의문제로인한규제가한국보다빨리시행되었고한국은최근의슬러지의매립금지와해양투기규제강화에대한정부의정책으로출원이증가하는것으로판단된다

125

126 제 8 장참고문헌 1. 고현웅, 정병길, 정연화, 김형석, 장성호, 성낙창, 회분식초음파전처리를이용한하수슬러지의분해에관한연구, 유기성자원학회, 유기물자원화, Vol. 12,No. 4, pp , 권재련, 김봉준, 김민규, 염익태, 김형수, 전처리방법에따른하수슬러지가용화비교연구, J, KSWW, Vol. 17, No. 4, pp , 김동건, 김지성, 박호일, 박대원, 오니슬러지전처리및수소 / 메탄생성공정개발 ", J. KSEE, 춘계학술연구발표회, Vol. 0, No. 0, pp , 김명숙, 고현웅, 성낙창, 강동효, 김형석, " 음식물쓰레기처분 ; 초음파처리에의한하수슬러지의분해향상과외부탄소원의개발 ", KSEE, 춘계학술연구발표회, Vol. 0, No. 0, pp , 김민철, 송주형, 임점호, 라원식, 박종웅, " 물리, 화학적전처리에의한음식물쓰레기의가용화효과 ", J. KSWM, Vol.2001, No.1, pp , 김현식, 효성에바라, Cavitation 에의한 Pump 고장및 Sump Model Test", 한국소음진동공학회, 제 5회설비진단기술강습회교재, pp , 김희준, 박재석, 김윤중, 김대영, 정태학, " 알칼리전처리가음식물쓰레기의가용화및산발효에미치는영향 ", J. KSCE, 대한토목학회논문집B, Vol.23, No.1, pp , 박기영, 김대영, 정태학, " 하수슬러지의혐기성소화에미치는가용화전처리의효과 ", J.KSWW, Vol.14, No.1, pp , 박종훈, 고현웅, 정유진, 정연화, 김형석, 성낙창, " 음식물쓰레기처분 ; 하수슬러지의초음파전처리에서주파수와음향밀도의영향 ", J. KSEE, 춘계학술연구발표회, Vol.0, No. 0, pp , 배준환, 선효성, 이수갑, " 수중익캐비테이션유동해석에관한수치적연구 ", Proceedings of th Annual Autumn Meeting, SNAK, Yongin, 3-4, pp , November, 손종원, 차건종, 김덕줄, 오리피스형상에따른단공노즐의내부가시화와분무특성, 한국액체미립화학학회지, Vol. 7, No. 1, pp , 손진수, 구윤희, 명규남, 유명진, 슬러지처리 / 관로, 관망 : 하수슬러지가용화에의한탈질시내부탄소원의공급, J..KSWW, Vol.2004, No.0,

127 pp.40-46, 신성하, 강광남, 최석순, 윤용수, 초음파와오존처리에의한도시하수슬러지의처리, 한국공업화학회, 응용화학, Vol. 6, No. 1, pp , 이상익, 김창종, 오세헌, 김영욱, 공동현상이론을고압분사주입공법에적용하기위한실험적연구, 한국지반공학회논문집, Vol. 12, No. 1, pp , 이원식, 홍승모, 민경석, "Microwave 를이용한하수슬러지의전처리특성및회분식세정산발효를이용한슬러지가용화 ", J. KSWQ, 수질보전, Vol.22, No.6, pp , 윤용수, 배철호, 최석순, " 오존과초음파에대한도시하수슬러지의처리특성 ", 한국공업화학회, 공업화학 Vol.13, No.7, pp , 정진호, 김희준, 김대영, 정태학, " 효소전처리를이용한음식물쓰레기의가용화효율향상 ", J. KSWW, Vol.2002, No.0, pp , 윤용수, 김광남, 최석순, " 초음파를이용한하수슬러지분해에서유기물방출과질소거동 ", 유기성자원학회, 유기물자원화, Vol. 10, No. 4, pp , 정병길, 고현웅, 송한용, 김대용, 박재홍, 하상안, " 하수슬러지가용화를위한초음파-알칼리전처리에관한연구 ", J. KSWW, Vol.2005, No.0, pp , 장광언, 황선진, 장현섭, " 기계적전처리를이용한하수슬러지감량화에대한연구 ", J. KSWW, 공동춘계학술발표회논문집, Vol. 2005, No. 0, pp , 최홍복, 황경엽, 신응배, " 하수슬러지의혐기성소화개선을위한기계적전처리 ", J. of KSEE, Vol. 18, No. 9, pp , 최홍복, 황경엽, 신응배, " 혐기성소화전단계에서의활성슬러지의기계적전처리공정 ", 한국폐기물학회지, Vol. 14, No. 2, pp , 첨단환경기술편집부, 오니감량화기술의동향과과제, 첨단환경기술 2006 년 9월호. 24. APHA(American Public Health Association) (2000), Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, APHA. 25. A. G. Vlyssides, and P. K. Karlis, "Thermal-alkaline solubilization of

128 waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion", Bioresource Technology Vol 91, Issue 2, pp , January A. Tiehm, K. Nickel, M. Zellhorn and U. Neis, "Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization", Water Research, Volume 35, Issue 8, pp , June David C. Stuckey and Perry L. McCarty, "The effect of thermal pretreatment on the aerobic biodegradability and toxicity of waste a ctivated sludge", Water Research, Vol 18, Issue 11, pp , Frdric Caupin, Eric Herbert, "Cavitation in water: a review", Comptes Rendus Physique, Volume 7, Issues 9-10, pp , November-December Hasegawa S, Shiota N, Katsura K, Akashi A., "Solubilization of organix sludge by thermophlic aerobic as a pretreatment for anaerobic digestion", Water SCI Technol, Vol. 41, Issue 3, pp , Hazel B. Gonzales, Kazunori Takyu, Hideki Sakashita, Yoichi Nakano, Wataru Nishijima, Mitsumasa Okada, "Biological solubilization and mineralization as novel approach for the pretreatment of food waste", H.B. Gonzales et al. Chemosphere 58, pp , Hong Chen, Xiaojing Li, Mingxi Wan and Supin Wang, High-speed observation of cavitation bubble cloud structures in the focal region of a 1.2 MHz high-intensity focused ultrasound transducer", Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 3, 7, pp , March Jess Ildefonso Daz a, Sébastien Martin, "On the instantaneous formation of cavitation in hydrodynamic lubrication", C. R. Mecanique 334, pp , K. Wójs, T. Gudra and R. Redzicki, "Experimental research into the avitation noise spectrum in water solutions of high molecular weight polymers",ultrasonics, Vol. 44, Issue 4, pp , November Qunhui Wanga, Masaaki Kuninobub, Kohji Kakimotoa, Hiroaki I.-Ogawaa

129 and Yasuhiko Katoa, "Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by ultrasonic pretreatment', Bioresource Technology, Vol. 68, Issue 3, pp , June Ludovico Spinosa P.Aarne Vesilind (2007) 슬러지의진화, 동화기술 34. 김래현 (2005) 바이오매스의에너지변환과산업화, 아진 35. 한국특허정보원 (2006) 하, 폐수슬러지처리및자원화기술및시장특허분석보고서, 산업자료센터 36. Fen Wang, Yong Wang, Min Ji (2005) Mechanisms and kinetics models for ultrasonic waste activated sludge disintegration, Journal of Hazardous Materials, Volume 123, Issue 1-3, Pages A. Tiehm, K. Nickel, M. Zellhorn and U. Neis (2001) Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization, Water Research, Volume 35, Issue 8, Pages Yongjin PARK, Hiroshi TSUNO, Taira HIDAKA and Jihoon CHEON (2005) Effect of Thermal Pretreatment of Sewage Sludge on Solubilization and Thermophilic Anaerobic Biodegradability, Advances in Asian Environ. Eng. Vol. 4, No.1, p Hideaki NAGARE, Hiroshi TSUNO, Jeeranee WEERAPAKKAROON (2002) Excess Sludge Reduction and Phosphorus Recovery by Incorporation ozonation in Wastewater Treatment Process, The 4th Seminar of JSPS-MOE core University program on Urban Environment, Kirashiki, Japan 40. M.Yosino, MYao, H.Tsuno, I.Somiya (2003) Removal and recovery of phosphate and ammonium as struvite from supernatant in anaerobic digestion, Water Science and Technology. Vol. 48(1), W. Saktaywin, H. Tsuno, H. Nagare, T. Soyama, J. Weerapakkaroon (2005) Advanced sewage treatment process with excess sludge reduction and phosphorus recovery, Water Research, 39, Y.J park, H.Tsuno, T.hidaka, H. Matsuvara (2005) Evaluation of pretreatment methods of sewage sludge on anaerobic digestion: Thermal pretreatment and co-digestion with garbage, conference proceedings, (1), Session 3a: Collection&pre-treatment W. Saktaywin, H. Tsuno, H. Nagare and T. Soyama (2006) Operation of a new sewage treatment process with technologies of excess sludge

130 reduction and phosphorus recovery, Water Science & Technology, Vol.53, No12pp Heqing Zhang, Harumi Yamada, Sung-Eun Kim, Hyo-sang Kim and Hiroshi Tsuno (2006) Removal of endocrine-disrupting chemicals by ozonation in sewage treatment, Water Science & Technology, Vol.54 No 10pp

131

132 1. 실험 data 부록 표 1. Run1 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화 ( 그림 4.27) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) 상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L)* 표 2. Run2 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의변화 ( 그림 4.28) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) 상등액 SCOD(mg/L)*10 COD(mg/L) 표 3. SS 농도별가용화율의비교 ( 그림 4.29) 구분 SS 감소율 SCOD 증가율상등액 COD 증가율 Run1 (SS 13000mg/L) Run2 (SS 3600mg/L) 6% 61% 252% 31% 48% 487%

133 표 4. Run3 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의변화 ( 그림 4.30) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) 상등액 SCOD(mg/L)*10 COD(mg/L) 표 5. 반응기, 펌프종류에따른가용화율비교 ( 그림 4.31) 구분 SS 감소율 SCO 증가율 상등액 COD 증가율 Run2 31% 48% 487% Run3 24% 120% 455% 표 6. Run4(pH 8.5) 에서의 SS, SCOD, 상등액 COD 의변화 ( 그림 4.33) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) 상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L)

134 표 7. Run5(pH 9.5) 에서의 SS, SCOD, 상등액 COD의변화 ( 그림 4.34) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) 상등액 SCOD(mg/L) COD(mg/L) 표 8. 가용화에미치는 ph의영향 ( 그림 4.35) 구분 SS 감소율 SCOD 증가율 상등액 COD증가율 Run3 (ph 7) 24% 120% 455% Run4 (ph 8.5) 20% 99% 246% Run5 (ph 9.5) 21% 233% 325% 표 9. ph 변화에따른 SS, SCOD, 상등액 COD의변화량 ( 그림 4.36) 구분 SS 감소량 SCOD 증가량 상등액 COD 증가량 Run Run Run 표 10. 오존처리실험후의 SS, SCOD 의변화 ( 그림 4.37) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) SCOD(mg/L)

135 표 11. 오존주입후가용화처리시 SCOD 변화 ( 그림 4.39) 시간 ( 분 ) SS(mg/L) 상등액COD(mg/L) SCOD(mg/L) 원수 오존 (15분 ) 표 12. 가용화반응조건별최종 SCOD 농도의비교 ( 그림 4.40) 구분 SCOD(mg/L) 가용화 (3hr) 617 오존 25min 1050 가용화 (3hr)+ 오존 (25min) 1300 오존 (15min)+ 가용화 (3hr) 1515 표 13. 타연구결과와의비교 (1) ( 그림 4.41) 구분 SCOD(mg/L) 가압형공동화 (14hr) 9.7 초음파 24.6 오존 + 공동화 ( 본연구,1hr) 24.5 표 14. 타연구결과와의비교 (2) ( 그림 4.43) 구분 Δg SCOD/g COD 초음파 0.39 오존 0.1 가압형공동화 ( 벤츄리2개,14hr) 0.14 오존 + 공동화 ( 본연구,1hr)

136 표 15. 외부탄소원으로메탄올사용시 NO3-N 의농도변화 ( 그림 4.44) 시간 메탄올 메탄올 표 16. 외부탄소원에따른 NO 3-N의변화량 ( 그림 4.45) 시간 가용화 슬러지 메탄올 표 시간후의 NO3-N 의제거율 ( 그림 4.46) 구분 NO 3 -N제거율 가용화슬러지 78 메탄올2 58 메탄올1 27 표 18. 주입농도별누적가스생산량 (15 일 ) ( 그림 4.48) 구분 메탄발생량 (ml) 원수 229 저 SCOD 262 고 SCOD 298 표 19. 발생가스중의메탄함량 ( 그림 4.49) 구분 메탄함량 (%) 원슬러지 59 저 SCOD 58 고 SCOD 65 표 20. 가용화된슬러지의 T-P 응집처리 ( 그림 4.50) 구분 T-P(mg/L) 원슬러지 5.7 가용화된슬러지 19 PGAl응집처리된 1.5 슬러지

137 < 연구성과물 > 공동화 (Cavitation) 현상을이용한하수슬러지의 가용화에관한연구 A Study of Sludge Solubilization using the Cavitation 강성욱 6) 김동하 이수영 7) Kang, sungouk Ki m, dongha Lee, sooyoung 국민대학교건설시스템공학부 ( 주 ) 엔지에스티 1. 서론 국내의경우 05년말현재하수슬러지의 77% 를해양배출하고있고, 96의정서발효와함께폐기물의해양배출기준을대폭강화하였다. 따라서하수슬러지의육상처리기반을확충하기위한체계적인계획수립필요하다. 하수슬러지및음식물쓰레기등의유기성폐기물처리에대한연구및개발은국내 외적인주요관심사중의하나이다. 그러나지금까지개발된초음파, 오존처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 열적처리, 화학적처리등의전처리공정들은복잡성과처리과정의문제가발생되었고, 처리효율자체가낮거나처리효율대비경제성이떨어지는단점이있었다. 현재기술들은국내적용실적이부족하며, 환경신기술은오존을이용한슬러지가용화방법만이지정되어있는실정이다. 공동화 (Cavitation) 는유체의속력이증가하게되면유체내의압력이국소적으로액체의포화증기압이하로저하되는데, 이때액체내에는물분자와비응축성기체분자로이루어진 Cavitation cloud가발생하게된다. 유속이감소하면서압력이회복되면각각의 Cavitation bubble은수축-재팽창 (rebound)-붕괴의과정을거친다. 붕괴되는기포주위에는기포및계면구성물질로부터유리된라디칼 (hydroxyl group과 H 2 O 2 등 ) 을생성시킨다. 기포주위에생성된라디칼과초고충격파, 초고압마이크로제트등은미세반응기처럼작용한다. 이때고온과수 GPa 의압력으로써주위의물체를산화, 분해, 침식, 절삭시키게된다. 공동화에의해발생하는순간적인고압 (high pressure), 전단응력 (jet stream) 과고온 (hot-spots) 에너지에의하여 Sludge Floc구조 6) 국민대학교건설시스템공학부 med1024@kookmin.ac.kr 7) ( 주 ) 엔지에스티 sylee@ngst.co.kr

138 에물리-화학적변화를일으켜 Sludge Floc구조가파괴된다. 나아가미생물의세포막 ( 벽 ) 이파괴 ( 분해 ) 되는데, 고온에따른세포막의세포막파괴로내부에차단되었던유효탄소원이방출되는데이를난분해성물질의저분자화 ( 유기물가수분해 ) 라고한다. 본연구는공동화현상을이용하여간단하면서도경제적인유기성폐기물의가용화장치를개발하는데그목적이있다. 2. 연구방법 2.1. 실험장치공동화 (Cavitation) 를이용한전처리장치는침전지의반송및폐기되는슬러지를이용 하여가용화하기위한장치이다. 전처리장치의원수탱크는 500L 의 FRP 재질로제작되 었으며, 원수탱크내부의슬러지를이송하기위한양정 20m 의수중펌프가장착되어있 다. 수중펌프에의해원수유입관경 50 mm에서전처리장치도입부에관이 32 mm로축소 되면서 1 차 Cavitation 을유도하였다. 전처리장치는 122L 이며, 유입된유체는제 1 내 통의하부에서상향으로고속회전을하면서외통과제 2 내통으로이동하게된다. 빠른 유속과마찰이발생하도록제 1 내통외벽에각 2 10 cm의홈을 2~3 개두어노즐효과 를유도하였다. 전처리장치상부 50 mm의 2 개의관을통하여원수탱크로다시유입되며, 전처리장치 하부 50 mm의관으로부터 2 차 Cavitation 발생을유도하기위해양정 10m, vortex pump 로부터흡입된다. 관경 32 mm로전처리장치에재유입되며, Cavitation 이극대화 되도록하였다. 또한흡입후순환되는 Line 에 2.5Hp 의 Air Compressor 를두어공 기가주입되도록설계하였다. Fig. 1 Sludge solubilization equipment with the cavitation 2.2. 시료및실험방법공동화 (Cavitation) 를이용한슬러지가용화의효율과기초실험은 Table 1 과같이 5 개 항목의샘플시료를선정하였다. 각샘플시료에대해적절한희석과전처리를실시한 후본장치의원수로사용하였다. Table 1. Experimental conditions for sludge solubilization 슬러지종류 농도실험 1 차 S(1780mg/L), 2 차 S(1270mg/L), 음식물 (1880mg/L) 저 (1933mg/L), 중 (5100mg/L), 고 (9338mg/L) 온도실험 20, 35, 50 각시료는서울시의 J 하수처리장에서채취하여수돗물로적절하게희석 농축한후실

139 험에즉시사용하였다. 음식물쓰레기는서울에소재한 K대학교의학생식당에서회수하였다. 음식물쓰레기의균일한입자를추출하기위해서후드믹서 HMF-1000(220VAC/60Hz, 680w, 500ml, Hanil Co,.) 분쇄기를사용하였다. 약 300 ml정도의음식물을분쇄기에채워서분쇄, 커터과정을 5회이상반복한후 1mm직경으로된망채를이용하여 1mm정도의균일한입자를회수하였다. Tab Water와혼합하여희석후 SS농도 1800mg/l로본실험에사용하였다. 희석후각시료의특성은 Table 2와같다. Table 2. Characteristics of sludge and food wastes Items ph Supernatant Temp MLSS & SS SCOD COD Mn ( ) (mg/l) (mg/l) (mg/l) 2차슬러지 차슬러지 고농도2차슬러지 고온2차슬러지 음식물쓰레기 각항목들을대상으로시간변화에따른가용화정도를파악하였다. 균일혼합과실험 조건의획일성을유지하지위해원수조의 3/4 지점, 약 300H 에서시료채취하고,

140 STIRRER(CHANG SHIN MSH-1) 로 1분간혼합하여 10분간침전후분석에사용하였다. 각시료별가용화정도를파악하기위해성상별원수를원수조에 400~500L까지채운후시간에따라 0~60min의범위에서각각의시간변화에따른 SS, 상등액COD, SCOD를분석하여가용화효율을알아보았다. 각항목에대한분석은수질오염공정시험법과 Standard Methods(APHA, 2000) 에기준하여수행하였다. 3. 결과본실험수행에따른조건및 Scale적인요소에있어서 Lab Scale에따른조건을완전히만족하기에는어려움이발생되었다. 첫째, 적정한슬러지시료량을확보하는것이매우어려웠다. 본실험에서 Storage Tank는약 700L로써 1회실험을수행할때, 슬러지의완전한교반과이동성에따른제약이있었다. 둘째, 슬러지가용화촉진을위한장치인 vortex pump는 30분이상가동할경우내부에서발생하는열때문에고온과소음이발생되어더이상의실험을지속하기가어려웠다. 슬러지전처리장치에서추가적인 Cavitation 유도를위한 vortex pump의흡인능력이내부의유량에비례하여더흡인력이높아임펠러및흡인에따른동력에대한부하가걸린것으로예상된다. 추후이러한문제점에대한정확한모델링분석과, 입자의영향에따른해석이필요하다고판단된다. 배관라인과펌프관경, 대용량의반응기용적등의조건때문에실제현장에서발생하는 1% 이상의슬러지를이용한실험이이루어지지않았다. 실험실에서는펌프의폐쇄등을고려하여수천 (mg/l) 의저농도슬러지만을이용하여실험을실시하였다 차슬러지 1 차슬러지를이용한가용화실험의결과는 Fig. 2 와같다. 실험에사용한슬러지의 특성은 SS 1777mg/l, COD Mn 134mg/l, 상등액 COD 27.5mg/l, SCOD 16.3mg/l 이었 다. 30 분가용화실험결과, SS 는 1044mg/l 로낮아져서, SS 의감소율은 41% 나되었 다. 그러나 1 차슬러지의경우자유낙하에따른침전물이대부분이며무기성물질인 Silt 및 Clay 등이대부분을차지한다. 따라서 COD 및 SCOD 의가용화증가는 2 차 슬러지의가용화결과와비교했을때다소낮게나타났다. SCOD 값은 20.5mg/l 로증가하여 1.3 배증가하였다. 30 분침전후상등수의 COD 를 조사해보면, 반응전 28mg/l 에서반응종료후 85mg/l 로 3 배나 증가하였다. 이는 본실험장치에의하여 1μm이하까지분해가되지않은수마이크로크기의콜로이드수준의미세입자들이많이발생한것을말한다. 즉 30분동안의가용화실험기간에서는 1μm이하의완전한가용화보다는그전단계까지의가용화가다량진행하고있음을말한다. 수시간이상본가용화장치를가동할경우보다획기적인감량화및가

141 용화가가능할것으로예측된다 SS(mg/L) COD( 상 ) SCOD SS(mg/L) Conc(mg/L) Time(min) 0 Fig. 2. Conc. change of 1st Sludge after the solubilization 차슬러지 2 차슬러지를이용한가용화실험의결과는 Fig. 3 과같다. 실험에사용한슬러지 의특성은 SS 1273mg/l, CODMn 50mg/l, 상등액 COD 18mg/l SCOD 11.2mg/l 이었 다. 30 분가용화실험결과, SS 는 613mg/l 으로낮아져서, SS 의감소율은 52% 나되었 다. SCOD 값은 36mg/l 로증가하여 3.2 배증가하였다. 이로부터본가용화장치를사 용할경우 SS 감량화와유기물가용화는충분히달성할수있을것으로판단된다. 가용화실험전후의슬러지침전특성을살펴보면 30 분침전후슬러지부피를나타 내는 SV30 의값은 90 전후로거의변화가없었으나 SVI 는약 2.5 배증가되는결과를 나타내었다. 장시간운전을할경우슬러지의침전성은나빠지는것을알수있었다. 슬러지는세포로구성되며, 가용화가정상적으로발생되었다면, 세포의파괴로인한 수질혼탁이예상될수있다. 본실험에서도 Fig. 4 와같이비중이무거운슬러지 Floc 상태에서가용화가진행될수록세포의파괴가발생되어수질이매우혼탁해짐을관 찰할수있었다

142 SS(mg/L) SS(mg/L) COD( 상 ) SCOD Time(min) Fig. 3. Conc. change of 2nd sludge after the solubilization Conc(mg/L) < 운전전 > < 운전후 > Fig. 4. photograph of 2nd Sludge solubilized 3.3. 음식물쓰레기본장치를이용하여음식물쓰레기를이용하여가용화실험을수행하였다. 실험에사 용한음식물의특성은 SS 1883mg/l, COD Mn ( 혼합 ) 3485mg/l, 상등액 COD 710mg/l, SCOD 115mg/l 이었다. 15 분가용화실험결과, SS 는 1433mg/L 로낮아져서, SS 의

143 감소율은 24% 나되었다. SCOD는 470mg/L로증가하여 4.1배증가하였다. 30분침전후상등액의 COD는반응전 710mg/l에서반응종료후 915mg/l로 1.3배나증가하였다. 이는본실험장치에의하여 1마이크로이하까지분해가되지않은수마이크로크기의콜로이드수준의미세입자들이많이발생한것을말한다. 즉 30분동안의가용화실험기간에서는 1μm이하의완전한가용화보다는 1μm이상의가용화가다량진행하고있음을알수있었다. 수시간이상본가용화장치를가동할경우보다획기적인감량화및가용화가가능할것으로예측된다. 본실험에사용한음식물쓰레기의전처리에서 1mm로의입자분쇄가어려운해조류와유분이다량포함되었다. 이런입자들은균일혼합이이루어지지않았고, 비중이무겁기때문에 Storage Tank 하부에다량으로쌓이는현상이많이나타났다. 실제측정값은비혼합시료의영향으로측정된값보다더높은측정값을나타낼것이다. 상등액 COD 및 SCOD 역시본측정값보다실제값이더높게나타남을고려해야할것이다. 또한일일마다의음식물성분이다르므로, 균질한시료를사용과유분에따른저해인자의조건을충분히고려해야할것으로판단된다 SS(mg/L) COD( 상 ) SCOD 900 SS(mg/L) Conc(mg/L) Time(min) 100 Fig. 5. Change of SS, supernatant COD, SCOD after the solubilization of food wastes 3.4. 슬러지가용화에미치는농도의영향 2 차슬러지의가용화특성을파악하기위해고농도의슬러지를이용한실험을수행하 였다. 본연구에사용된고농도슬러지는 SS 9333mg/l, COD Mn 138mg/l, 상등액 COD 35mg/l, SCOD 15mg/l 이었다. 1 시간가용화한결과, SS 4133mg/l 으로낮아져, SS 의감소율은 56% 로나타났다. SCOD 는 26mg/l 로증가하여 1.7 배증가하였으며, 결과

144 는 Fig. 6에나타내었다. 운전초기 5분간급격한 SS감소와상등액COD증가의결과를나타냈으며, 30분까지는가용화가천천히이루어졌다. 30분이후 1시간까지는매우빠르게 SCOD값이증가하는결과는나타내었다. 하수처리장에서의반송슬러지를본장치에의해가용화하였을경우최소한 1시간이상에서수시간정도반응이계속되어야높은감량화및가용화를얻을수있다는점을본실험을통해알수있었다. 30분침전후상등액의 COD 는, 반응전 35mg/l에서반응종료후 150mg/l으로 4.3배가증가하였다. 이는본실험장치에의하여 1마이크로이하까지분해가되지않은수마이크로크기의콜로이드수준의미세입자들이많이발생한것을말한다 SS(mg/L) COD( 상 ) SCOD SS(mg/L) Conc(mg/L) Time(min) 0 Fig. 6. Conc. change of 2nd Sludge(9300mg/L) of hi concentration sludge solubilization 슬러지의가용화에미치는농도의영향을알아보기위한실험을수행하였다. 2 차슬 러지의농도를각각 1273mg/l( 저농도 ), 5100mg/( 중간농도 ), 9300mg/l( 고농도 ) 에서 30 분동안가용화실험을수행한결과를 Fig. 7 에나타내었다

145 SS 상등수 COD SCOD 100% 80% 변화율 (%) 60% 40% 20% SS(mg/L) Fig. 7. Effect of sludge concentration on the solubilization SS감소율은 52% 에서 56% 로큰변화는나타나지않았다. COD상등수는저농도에서 6.5배증가하였으나고농도에서는 4.3배로고농도일수록감소되는결과를나타내었다. 슬러지의농도가높을수록함수율이낮아져서반응이진행됨에따라고형물입자가가수분해하는데어려워지는것으로판단된다. SCOD값의변화는 1.3배에서 1.7배로농도가증가함에따라약간상승하는것으로나타났다 슬러지가용화에미치는온도의영향온도에따른영향을알아보기위하여 2 차슬러지 ( 농도 1273mg/l) 를 20, 35, 5 0 에서각각 30 분동안가용화실험을수행한결과를 Fig. 8 에나타내었다. SS 감소율은 52%(20 ), 68%(35 ), 86%(50 ) 로온도의상승에따라크게증가하 여온도의영향이대단히큼을알수있었다. 상등액 COD 는저온에서 3.43 배증가하 였고, 중온에서 6.0 배로증가하였다. 중온의조건일경우는 SCOD 보다는상등액 COD 의가용화가잘되는것을알수있다. 고온이될수록슬러지의가용화는효율적으로 증가되고, 상등액 COD 보다는 1 μm이하의 SCOD 가고농도일수록더많이가용화되는결 과를나타내었다. 고온에서의증가율은각각 SS 7.25 배, 상등액 COD 2.95 배, SCOD 5.37 배의증가율을나타냈다. 2 차슬러지는대부분이미생물로이루어져있기때문에 고온에서 2 시간이상으로장시간반응시킬경우상당량의가용화가가능할것으로판 단된다. 가용화를수행하는동안 ph 의큰변화는거의일어나지않았다. 음식물쓰레기의경 우에는 5.7 에서 5.9 로약간상승하였으나큰변화는없었다

146 100% SS SCOD 상등액 COD 80% 변화율 (%) 60% 40% 20% 0% Temp( ) Fig. 8. Effect of temperature on the sludge solubilization 3.6. 시료별가용화비교슬러지및음식물쓰레기는 5 분후에눈에띄게감소하는것으로나타났으며, 시간이 경과할수록지속적으로감소되는것을알수있다. 각평균 SS 감소율은 2 차슬러지 55.5%, 1 차슬러지 41.0%, 2 차고농도와고온 2 차슬러지는평균 62.52%, 86.2% 가 감소되었으며, 음식물은 23.9% 가감소된것으로나타났다. 5 분후에가장많은감소율 을보인것은 2 차고온슬러지였으며, 슬러지온도가높아짐에따라슬러지를가용화 할때더많은 SS 감소효율을나타낼것으로판단된다. 상등액 COD 와 SCOD 의농도변화는 Fig. 9 와같으며, 상등액 COD 는최소 130% 에서 최대 650% 의증가율을나타냈다. SCOD 의농도역시증가를보였으며, 최소 30% 에 서최대 410% 의증가율을나타냈다. 무기물함량이많은 1 차슬러지의경우슬러지 의가용화효율이낮게나타났다. 세포의파괴및찢김이두드러진 2 차슬러지및고온슬러지에서 COD 의가용화가많 이일어난것으로나타났다. 음식물의경우본래의상등액 COD 성분보다는미립자화 된 SCOD 의증가가두드러짐을알수있었다

147 600% 650% SS 상등액 COD SCOD 540% 비율 (%) 400% 320% 300% 430% 295% 410% 200% 0% 170% 130% 52% 41% 86% 56% 30% 24% 2차슬러지 1차슬러지 2차고농도 2차고온 음식물 Fig. 9. Change of percentage of sludge and food waste after the solubilization Fig. 10 은각성분에따른상등액 COD 의변화농도를나타내었으며, 고농도 2 차슬러지 의경우 30 분가용화하였을경우최대 150mg/l 이상의가용화가진행되었음을알수 있다 차고농도음식물 2 차고온 100 상등액 COD(mg/L) 상등액 COD(mg/L) Time(min) 0 Fig. 10. Change of supernatant SCOD after the solubilization 일반적으로슬러지를가용화했을경우에 15분정도운전하는것이 SCOD 증가에가장효율적인것으로판단된다. 장시간운전했을경우, SCOD는더많은증가율을보일것으로예상된다. 15분운전후 SCOD 농도에서 2차슬러지는최대 35mg/l이었다. 1차슬러지는 19.6mg/l, 2차고농도슬러지는 15.8mg/l이었고, 2차고온은

148 63.5mg/l, 음식물쓰레기는 470.0mg/l 로나타났다. 4. 결론 공동화 (Cavitation) 를이용한슬러지장치를이용하여 1.2차슬러지및음식물쓰레기를가용화한결과상등액COD는최소 130% 에서최대 650% 의증가율을나타냈다. SCOD의농도역시증가를보였으며, 최소 30% 에서최대 410% 의증가율을나타냈다. 무기물함량이많은 1차슬러지의경우슬러지의가용화효율이낮게나타났으며, 세포의파괴및찢김이두드러진 2차슬러지및고온슬러지에서 COD의가용화가많이일어난것으로나타났으며, 음식물의경우 SCOD의증가가 4.1배로두드러짐을알수있었다. 감사의글 본연구는중소기업청 '06 산학연공동기술개발사업 슬러지감량화및고부가바이오 가스생성을위한하이브리드형전처리장치개발 의연구비로수행되었으며, 이에감 사드립니다. 참고문헌 고현웅, 정병길, 정연화, 김형석, 장성호, 성낙창, 회분식초음파전처리를이용한하수슬러지의분해에관한연구, 유기성자원학회, 유기물자원화, 12(4), pp , 권재련, 김봉준, 김민규, 염익태, 김형수, 전처리방법에따른하수슬러지가용화비교연구, J, KSWW,. 17(4), pp , 김동건, 김지성, 박호일, 박대원, 오니슬러지전처리및수소 / 메탄생성공정개발 ". J. KSEE, 춘계학술연구발표회, pp , 김명숙, 고현웅, 성낙창, 강동효, 김형석, " 음식물쓰레기처분 ; 초음파처리에의한하수슬러지의분해향상과외부탄소원의개발 ", KSEE, 춘계학술연구발표회, pp , 김민철, 송주형, 임점호, 라원식, 박종웅, " 물리, 화학적전처리에의한음식물쓰레기의가용화효과 ", J. KSWM, 2001(1), pp , 신성하, 강광남, 최석순, 윤용수, 초음파와오존처리에의한도시하수슬러지의처리, 한국공업화학회, 응용화학, 6(1), pp ,

149 이상익, 김창종, 오세헌, 김영욱, 공동현상이론을고압분사주입공법에적용하기위한실험적연구, 한국지반공학회논문집, 12(1), pp , 장광언, 황선진, 장현섭, " 기계적전처리를이용한하수슬러지감량화에대한연구 ", J. KSWW, 공동춘계학술발표회논문집, pp , 첨단환경기술편집부, 오니감량화기술의동향과과제, 첨단환경기술 2006년 9월호. 하수슬러지의효율적처리방안 (1회-최종회), 환경관리공단, ~ Jess Ildefonso Daz a, Sébastien Martin, "On the instantaneous formation of cavitation in hydrodynamic lubrication", C. R. Mecanique 334, pp , A. Tiehm, K. Nickel, M. Zellhorn and U. Neis, "Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization", Water Research, 35(8), pp , June David C. Stuckey and Perry L. McCarty, "The effect of thermal pretreatment on the aerobic biodegradability and toxicity of waste activated sludge", Water Research, 18(11). pp , Frdric Caupin, Eric Herbert, "Cavitation in water: a review", Comptes Rendus Physique, 7(9-10), pp , November-December Hazel B. Gonzales, Kazunori Takyu, Hideki Sakashita, Yoichi Nakano, Wataru Nishijima, Mitsumasa Okada, "Biological solubilization and mineralization as novel approach for the pretreatment of food waste", H.B. Gonzales et al. Chemosphere 58, pp , Hong Chen, Xiaojing Li, Mingxi Wan and Supin Wang, High-speed observation of cavitation bubble cloud structures in the focal region of a 1.2 MHz high-intensity focused ultrasound transducer", Ultrasonics Sonochemistry, 14(3, 7), pp , March 2007.

150 2. 연구성과물 PGA 와슬러지가용화를이용한하수고도처리에관한연구 A Study of Sludge Solubilization using the Cavitation 강성욱 8) 김동하 최지은 Kang, sungouk Ki m, dongha Choi, j i eun 국민대학교건설시스템공학부 1. 서론 2006년환경통계연감에따르면현재우리나라하수처리장은 2005년말 294개소의하수처리장이가동중이며, 전년도대비 26개소, 용량은 858천톤 / 일로매년증가추세를나타내고있다. 이는전년도에비해 26개소가증가하였고, 매년증가되는추세이다. 2008년 1월 1일부터시행되는 4대강과기타지역하수종말처리장은대장균군항목이포함된엄격해진방류수수질기준을충족시켜야하며시행될강화수질기준은매우엄격해졌다. 8) 국민대학교건설시스템공학부 med1024@kookmin.ac.kr

151 최근몇년동안많은연구가진행되어기존공법으로유기물과영양염류의제거가 불충분한부분을동시에해결할수있는고도처리시설의개발로현재에는도입시점 에이르렀다. 대부분의처리장에서유입수질저농도등으로고도처리효율이떨어질 것으로예상된다. 그에따라국내실정을감안한보다높은처리효율과에너지절감, 그리고기존처리장을활용한효율적시설보완사업이시행될수있도록운전개선혹 은시설개선차원의고도처리설비가현실적으로시급하다하겠다. 하수처리에서발생되는하수슬러지는현재소각또는해양투기에많은의존을하고 있으나, 개정의정서에따른해양방지법이적용되는시점부터하수슬러지의해양폐기가 금지되고, 이에따른하수슬러지의육상처리대책이시급한실정이다. 따라서고도처 리와하수슬러지처리에관한하수병합고도처리의연구및공정개발이필수적이라하 겠다. 본연구는하수슬러지가용화, PGA(Poly-γ-glutamic acid), 간헐포기 (Intermittently aeration bioreactor) 를조합한하수고도처리에관한연구이다. 1, 2 차및음식물쓰 레기를대상으로 Cavitation 을이용하여슬러지를가용화하였다. 가용화된슬러지의 SCOD 를외부탄소원으로간헐포기의탈질반응에적용하고, 반응조후단에는 PGA 주입 을통해침전성능을향상시켰다. 2. 연구방법 2.1. 실험장치본장치는 Lab-scale 로설계되었으며, Fig. 1 과같다. 원수탱크는총부피가 40L 로 대상시료에대하여펌프 (GQ 400) 를이용하여일정량 (Q) 을본장치로공급하고단계 별반응조에서는자연유하되도록유도하였다

152 DO, ORP, ph, Temp PGA 600KDa Influent Effluent IABR Return T A P P P Waste Sludge Carbon Source P Return Waste Sludge VP VP SP SP Fig. 1 Flow diagram of advanced wastewater treatment using the PGA and sludge solubilization 간헐폭기조는부피 8.0L로 5mm투명아크릴재질로제작되었으며, 독일 theben사의절전형콘덴서타이머 (220v/60Hz, 7 7cm ) 를 Aerator전원에부착시켜폭기 / 비폭기를유도하였다. 반응조내부의 DO, ORP, ph, 온도를측정하기위한장치를부착하였다. 교반기를설치하여반응조내의완전혼합을유도하였고, 반응조의설계조건은 Table 1에나타내었다. 반응조내부의 MLSS 농도는 2000~3000mg/L로유지하였고, SRT 13day를유지하기위해슬러지를하루에한번침전지에서인위적으로적정량폐기하였다. 폭기시반응조의 DO는 0.5~4.0mg/L로조절하였으며비폭기때에는 0.02이하로유지되었다. 침전지는상부에감속기를설치하여 0.5rpm으로회전하도록하였고, 슬러지의반송을원활히하기위하여감속기축하부에스테인리스재질의스크레이퍼를제작설치하였다. Table 1. Operation parameters of wastewater treatment reactor

153 Item SRT BOD loading F/M ratio HRT Data 13 day 0.56 kg BOD/ m3 day 0.28 Kg BOD/Kg MLSS day 5.12 hr Cavitation을이용한전처리장치는침전지의반송및폐기되는슬러지를이용하여가용화하기위한장치이다. 전처리장치의원수탱크는 500L의 FRP재질로제작되었으며, 원수탱크내부의슬러지를이송하기위한양정 20m의수중펌프가장착되어있다. 수중펌프에의해원수유입관경 50mm에서전처리장치도입부에관이 32mm로축소되면서 1 차 Cavitation을유도하였다. 전처리장치는 122L이며, 유입된유체는제1내통의하부에서상향으로고속회전을하면서외통과제2내통으로이동하게된다. 빠른유속과마찰이발생하도록제1내통외벽에각 2 10cm의홈을 2~3개두어노즐효과를유도하였다. 전처리장치상부 50mm의 2개의관을통하여원수탱크로다시유입되며, 전처리장치하부 50mm의관으로부터 2차 Cavitation발생을유도하기위해양정 10m, Vortex type의펌프로부터흡입된다. 관경 32mm로전처리장치에재유입되며, Cavitation이극대화되도록하였다. 또한흡입후순환되는 Line에 2.5Hp의 Air Compressor를두어공기가주입되도록설계하였다. PGA주입장치는 Feed Pump(GQ 400) 를이용하였으며, 간헐폭기조에서침전조로이송되는 Line에일정량을연속주입되도록위치하였다 실험방법 Cavitation 을이용한슬러지가용화는회분식실험을통하여 SCOD 증가율및외부 탄소원으로써이용여부를평가하였다. 본실험에서 2 차침전지의반송슬러지 (MLSS 8,000~10,000mg/l) 를이용하였다. 30 분이상전처리장치를통해가용화하였으며, 생성된탄소원을이용하여 C/N 비를계산하였다. 탈질조건에투입하여가용화된슬러 지를외부탄소원으로공급하여원활한탈질이이루어지도록하였다. 간헐폭기공정은효율적인질소, 인제거를위한고도처리공법으로 2 달이상의운전기 간에걸쳐시스템안정화를실시하였다. 각간헐폭기시스템의정상적인연속운전을위 해공정에필요한제어인자평가실험을수행하였고, 탈질을위한회분식실험을통하 여폭기 / 비폭기주기의조건을선정하였다. 간헐폭기연속운전에서는, 폭기 / 비폭기의 주기를 60 분 /60 분 (IA-1), 90 분 /90 분 (IA-2), 120 분 /60 분 (IA-3) 로구분하여운전하였 다. IA-1 은 1~8day, IA-2 는 9~30day, IA-3 는 31~36day 이다. 각조건은 Table 2 와같다. 앞의폭기 / 비폭기조건에서결정된 IA-3 에서가용화된슬러지의 SCOD 를주

154 입하여적절한탈질이이루어지도록한후수질을분석하였다. PGA주입실험은회분식실험을선행하여최적주입농도를선정하였다. PGA연속주입실험은간헐포기공법내에 PGA(6000KDa) 를제조하여농도를각각 1.38mg/l와 3.75mg/l를연속주입하였다. 주입유량을 5ml /min으로하여공정내에유입시켰다 시료및분석방법간헐폭기공정의유입원수는일반하수와유사하게 BOD 5 100~200mg/l, T-N 20~ 30mg/l, T-P 3~8mg/l 의범위로인공조제하여사용하였다. 각각 Glucose, Starch, NH 4 HCO 3, KH 2 PO 4 등을투여하여인공하수를조제한후간헐포기반응조의유입원 수로사용하였다. 실험에사용된시료의성상은 Table 2 와같다. 평균 BOD mg/l, CODcr 171.5mg/l, T-N 26.4mg/l, T-P 6.15mg/l, SS 120.7mg/l 이였 다. Table 2. Characteristics of artificial wastewater (Unit : mg/l) Item Range Average ph Temp.( ) BOD COD Cr SS T-N T-P 수질에대한분석은시료채취후실험실에서즉시실험하였다. 경우에따라 4 냉암 소에보관한후 24시간이내에실험하였다. 각항목별수질분석은미국의 Standard Method 21st Edition을참고자료로사용하고, 환경오염공정시험법을토대로분석하였 다. 3. 결과 3.1. 가용화결과본실험에사용되는외부탄소원인 SCOD 는 2 차슬러지를이용하러가용화한후본 실험에사용하였다. 슬러지를가용화하는동안 Vortex Pump 의부하에따른소음과 진동의발생으로 15 분만가용화를실시하였고, 각시간별 SS, COD, SCOD 를분석하 였다. 유입슬러지원수는 J 하수처리장의반송슬러지 SS 7640mg/l 를폭기조내의 SS 에맞게희석하였으며, 희석원수의 SS 는 2880mg/l 였다. 희석원수중평균 COD 혼합 농도는 135.4mg/l, 상등액 COD 는 16.7mg/l, SCOD 는 16.3mg/l 이었다. 가용화장치를

155 이용하여슬러지를가용화한결과는 Fig. 2 와같다. 200% SS 상등액 COD SCOD 150% 비율 (%) 100% 50% 0% -50% Time(min) Fig. 2. Change of conc.s after the sludge solubilization SS는 2880mg/l에서 15분가용화를수행한후 1850mg/l로 35.8% 가감소된결과를나타내었고, 가용화 5분후에 SS, 상등액COD, SCOD 모두가가장많은감소와증가의효율을나타냈다. 본장치를이용하여짧은시간의가용화만으로충분한효과를나타낼수있을것으로판단된다. 상등액COD는 16.6mg/l에서최종 41.2mg/l로 147.4% 의높은증가율을나타내었고, SCOD도 39.5mg/l로증가율은 192.6% 나되었다 연속운전결과본공정의운전은약 12 주간수행되었으며, 분석일은총 36 일간수행되었다. 초기반 응조의온도조작의오류로인해수온이 28 로유지되었으며, 온도의증가에의한 영향이측정항목에영향이있을것으로판단된다. Fig. 3 은연속운전의 MLSS 와 SVI 변화의결과를나타내었다. ph 는운전기간동안 7.28~7.15 범위로큰변화는없었으며, 수온도 21.2~27.1 미 생물활성에적절한온도가유지되었다. MLSS 는 ~2482.2mg/l 로유지되었 고, SVI(Sludge Volume Index) 는 134.8~168.4mL/l 로운전기간동안대체적으로양 호한침전성능을나타내었다

156 MLSS (mg/l) SVI IA-1 IA-2 IA MLSS(mg/L) SVI(mL/L) Tme(day) Fig. 3. Change of MLSS and SVI In Out Removal 100% 120 Conc(mg/L) IA-1 IA-2 IA-3 90% Removal(%) 0 80% Time(day) Fig. 4. Change of concentration and removal efficiency of BOD Fig. 4는운전기간동안의 BOD 결과를나타냈으며, IA-3에서 BOD 처리효율은 IA-1, IA-2와비교하였을때, 미소하나마약간상승되었다. IA %, IA %, IA % 의평균제거율을나타났으며, IA-1의초기의경우수온에따른미생물활성도영향에의해제거율이다소높아진것으로사료된다. SS는 IA-1, 80.3%, IA %, IA % 의평균제거율을나타났으며, 최대 91.2% 의제거율을나타내었고, Fig. 5에나타내었다

157 Conc(mg/L) In Out Removal IA-1 IA-2 IA Time(day) 100% 90% 80% 70% 60% Removal(%) Fig. 5. Change of concentration and removal efficiency of SS 고도처리에서 C/N비는질소및인제거효율에중요한 Factor로작용을한다. 일반적인하수처리를위한 C/N비는 6.5~7.5의범위이며, 본실험에서의 C/N비는 6.84였다. 또한각반응단계별로질소화합물의농도를측정하여원활한질산화및탈질화가이루어지는지알아보았으며, 그결과를 Fig. 6에나타내었다 T-N NH3-N NO3-N ph N Conc(mg/L) ph 0 Influent Oxic Anoxic Effluent Operation Step 6.5 Fig. 6. Change of nitrogen concentrations at each stage 탈질반응에이용되는 NO 3 -N는폭기가끝난시점에서분석하였으며, 질산화가진행되면서호기조건의 T-N은 8.06mg/l, NH 3 -N 0.24mg/l로급격히감소하고질산화에의한 NO 3 -N의농도 6.91mg/l로증가하였다. 무산소조건에서는 T-N과 NO 3 -N가 4.11mg/l, 2.85mg/l로감소하였고, NH 3 -N의농도 2.85mg/l로약간증가되었다. 탈질단계의암모니아농도가증가하는것은인방출반응에서방출되는암모니아성질소

158 로인해증가하는것으로인흡수에서다시 NO 3 -N으로산화된다. ph의경우에는초기에 7.1이었으나질산화반응종료후에는 7.01로 ph가감소되다가탈질이끝난시점에는 7.32로증가한것을알수있다. 탈질과정에서알칼리도가증가하는이론을증명할수있다. Fig. 7에나타난바와같이연속운전결과, IA-1에서의평균질소의처리율은 63.5% 였고, IA-2에서는 72.6% 이었다. 외부탄소원 ( 슬러지가용화액, SCOD 39.2mg/L) 을주입한시점인 IA-3에서는 T-N이 22.28mg/l에서 3.24mg/l로감소되었고, 질소제거율은 85.5% 에달했다. 30 In Out Removal 90% Conc(mg/L) IA-1 IA-2 IA-3 80% 70% 60% Removal(%) % Time(day) Fig. 7. Change of concentration and removal efficiency of T-N Fig. 8은연속운전에따른인제거에대한변화를보여주고있다. IA-1에서의평균제거율은 51.9%, IA-2에서는 61.5% 였다. 외부탄소원을주입한시점인 IA-3의조건에서는 84.9% 의안정적인제거율을보였다. 7 In Out Removal 90% Conc(mg/L) IA-1 IA-2 IA-3 80% 70% 60% 50% Removal(%) Time(day) 40% Fig. 8. Change of concentration and removal efficiency of T-P 3.3. 최종운전결과

159 본연구는슬러지가용화, PGA주입, 간헐포기공정을조합한고도처리로서, 조합을통해각조건별평균수질특성을분석하였다. Fig. 9, 10과같이간헐폭기생물공정인 IABR에서 BOD, SS의평균제거율은 93.1%, 85.1% 이고, 슬러지가용화 +IABR과비교했을때큰차이는나타나지않았다. SS의경우간헐폭기공정에 PGA를주입하였을경우 PGA에의해 95% 이상의 SS제거율을나타냈다. 간헐폭기 +PGA+ 슬러지가용화에서는 SS와 BOD의제거율은점차적으로증가되는것을알수있다. 간헐폭기 (IABR) 에서 T-N, T-P의처리효율은 69.7%, 61.7% 의제거율을나타냈다. 슬러지가용화 + 간헐폭기와비교하였을때, 슬러지가용화를통한외부탄소원주입으로탈질에따른질소의제거로 88.4% 의제거율을나타냈다. 간헐폭기 +PGA에서는 T-N 과 T-P의제거율이각각 78.5%, 68.1% 로 IABR보다는약간상승했으나, PGA주입에따른높은제거율은나타나지않았다. 간헐폭기를단독으로운영할때보다, 간헐폭기 + 슬러지가용화 +PGA조합을하였다. 100% BOD SS 95% 제거효율 (%) 90% 85% 80% IABR IABR+S IABR+PGA IABR+PGA+S - *IABR : Intermettently Aeration Bioreactor ** : Sloublization Fig. 9. Removal efficiency of SS and under the several treatment combinations

160 100% T-N T-P 90% 제거효율 (%) 80% 70% 60% IABR IABR+S IABR+PGA IABR+PGA+S - * : Intermettently Aeration Bioreactor ** : Sloublization Fig. 10. Removal efficiency of T-N, T-P under the several treatment combinations BOD, SS제거율은 4.2%p, 13.1%p가상승했다. T-N과 T-P제거율역시 IABR단독보다 18.7%p, 23.7%p가상승하였다. 간헐폭기 + 슬러지가용화 +PGA조합을이용하여고도처리할경우 2008년부터강화되는방류수수질기준을충분히만족할수있을것으로예측된다. 4. 결론 Cavitation에의한슬러지의가용화는평균 30% 정도의 COD와 SCOD를생성시키고, 이러한 SCOD는외부탄소원으로써탈질반응에이용할수있다. 그결과간헐폭기공정단독으로운영할때보다, 탈질에의한 T-N처리효율이 20%P 향상되었다. 간헐폭기 + 슬러지가용화 +PGA조합을하였을때, 처리수질면에서상당한효과가있음을알수있었다. 80% 이상의 T-N과 T-P의안정적인처리효율과 PGA에의한침강성향상, 95% 이상의 SS, 탁도제거효율을나타내었다. 따라서본병합처리를이용하여고도처리할경우매우유용할것으로판단된다. 감사의글 본연구는중소기업청 '06 산학연공동기술개발사업및환경기술진흥원 07 차세대핵심 과제 - 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의한자원화 가능성연구 의연구비로수행되었으며, 이에감사드립니다

161 참고문헌 하수처리장 DO, MLSS 농도모니터링및제어, 1, 2차년도, 한국수자원공사, 김재헌, 혐기-간헐포기공정에서기질종류에따른 biosorption 특성평가, 한양대대학원석사논문, 김종민, 간헐폭기활성슬러지공정을이용한유기물과질소제거, 부산대학교석사학위논문, 류홍덕, 접촉안정형영양염류처리하이브리드공정개발, 충북대대학원, 2005 박주석, 간헐폭기를이용한고도처리공정에서 SRT와인제거의상관관계, 한양대학교석사학위논문, 박재완, 간헐폭기활성슬러지공정에서용존산소소모율과영양염류제거율의정량화에관한연구, 연세대학교석사논문, 서준석, ORP와 ph 측정에의한간헐포기공정에서의질소및인거동의예측, 연세대학교대학원석사학위논문 신응배,, 박주섭,, 이두진,, 주봉현, 간헐폭기를이용한고도처리공정에서 SRT 와인제거의상관관계, 대한환경공학회지, 23(2), pp , 신항식, 곽종운., 환경실무자를위한질소 인처리기술, 환경관리연구소, 이원호, 다단간헐폭기활성슬러지시스템을이용한유기물, 질소, 인의동시처리, 충북대학교박사학위논문 이유승, 이단간헐폭기공정에서의인제거향상조건도출, 건국대학교석사논문, 이정훈, " 활성슬러지 Floc의유기물질응집특성연구 ", 충북대환경공학과, 수질보존학회지, 이해군외 4인, 간헐폭기활성슬러지에서질소제거를위한폭기-비폭기주기및 ORP 적용성평가, 대한환경공학회지, 20(1). pp.9-18,1998. 양태두, 자동제어간헐폭기공정을이용한질소제거시스템, 장안대학논문집. 제 25집, pp , 권재련, 김봉준, 김민규, 염익태, 김형수, 전처리방법에따른하수슬러지가용화비교연구, KSWW, 17(4), pp , 김동건, 김지성, 박호일, 박대원, 오니슬러지전처리및수소 / 메탄생성공정개발 ". KSEE, 춘계학술연구발표회, pp , 김명숙, 고현웅, 성낙창, 강동효, 김형석, " 음식물쓰레기처분 ; 초음파처리에의한하수슬러지의분해향상과외부탄소원의개발 ", KSEE, 춘계학술연구발표회, pp , 권기복, 음이온성고분자 γ-pga를이용한하수의응집특성에관한연구, 광운대학교, 석사논문, 한국정책평가연구원, 한국형선진환경산업의육성책개발을위한기초조사 (II)- 환경분야별기술현황조사, 연구보고서 (re-5-1), pp ,

162 3. 공개세미나 3.1. 회의록일련번호 회의록 회의주제 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의한 자원화가능성연구. 국민대공대일시 월장소회의주관자 225 호강선홍, 장윤영, 김두일, 이수영, 참석자참석인원김상길, 고대훈등회의목적기업홍보및자문 김동하교수 14 명 회의안건및내용 Question 1. 현재수행하는실험이인하대배재호교수팀과가용화부분에서비슷한데어떤 차이가있습니까? ( 강선홍교수 - 광운대 ) Answer : 배재호교수팀은가압펌프를이용한최적의벤츄리형상을이용한전처리시스템을바탕으로슬러지가용화실험을수행한반면저희팀은펌프2대 ( 가압, 흡입 ) 와공동화용반응기로구성된공동화장치를개발함으로인해슬러지를가용화하는것에차이가있습니다. Question 2. 슬러지의대상은하수슬러지인지음식물슬러지인지무엇이었습니까? ( 김두일박사 - KIST) Answer : 양쪽다사용을할수있고, 본실험에서는하수슬러지를위주로사용하였으며, 기초실험에서음식물슬러지를가지고실험하였으나하수슬러지와비슷한 값들을얻었습니다. Question 3. O 3 만단독으로수행했을때의연구결과들이있는데 Cavitation 과 함께사용했을때상승효과라든가시너지효과같은게있습니까? ( 김두일박사 ) Answer : 가용화실험을하면 1um 이하로파괴되는슬러지가있는반면에중간단계의

163 1um 이상의비교적큰, 파괴되지않는슬러지들이있는데그런슬러지를 O 3 을사용하게되면 1um 이하까지파괴할수있어가용화장치를단독으로 이용했을때보다더큰효과를볼수있었습니다. Question 4. 본실험에서가용화의정의를어떻게정의하고있습니까? ( 장윤영교수 - 광운대 ) Answer : SCOD 로측정이되는즉, 1um 이하로파괴된슬러지들을가용화되었다고 정의하고있습니다. Question 5. 본실험에서슬러지를가용화시키는이유는무엇입니까? ( 장윤영교수 ) Answer : 슬러지감량화와유용한바이오가스생성의중요한탄소원으로사용하기위해서 본실험을수행하고있습니다. Question 6. 본실험이경제성부분을봤을때도이익이있습니까? ( 강선홍교수 ) Answer : 구체적으로비교해보진않았지만, 메탄올대신가용화슬러지를넣는비용절약 ( 약 100 원 / 톤 ) 과슬러지발생량의 80% 감소에따른슬러지처리비용의절약 ( 슬러지소각시약 6만원 / 톤 ) 하수처리장운전비용의 40% 절약 (140 원 / 톤 ) 등의경제성효과를기대할수있습니다. Question 7. 메탄발생량비교실험에서메탄올이나가용화슬러지의질량은똑같이 맞추었나요? ( 김두일박사 ) Answer : Carbon 질량을똑같이맞추고실험해봤습니다. Question 8. 탈질비교에서메탄올에는순수유기성물질만존재하지만가용화슬러지에는 유기성물질만있지않을텐데미생물들의먹이로사용할경우영향이있지 않을까요? ( 강선홍교수 ) Answer : Carbon 외의다른슬러지들이가용화될경우그러한것들이시너지효과를더줄수있을것으로예상합니다. 그러나가용화하였을때질소나인같은물질들이나오기도해하수에오염도예상되어서그런부분은좀더연구수행이이루어져야할것같습니다

164 Question 10. 메탄올과가용화슬러지의탈질속도비교실험에서 ph 변화를주고 한실험입니까? ( 김두일박사 ) Answer : 탈질속도실험에서는동일한 ph 7 로실험했습니다. Question 11. O3 + 가용화 or 가용화 +O3 에서어느것이더효과가큰가요? ( 장윤영교수 ) Answer : 아무래도 O3 을먼저주입시키면슬러지들의형상에많은영향을주어 즉, 파괴시키거나약하게만들어가용화를더원활히이룰수있을것으로 예상합니다. 자문및활용내역 CFD 시뮬레이션관련 자문 : 1. Case 설명에서간단한설명이있으면이해하기쉬울것같습니다. ( 김상길대표 ) 2. CFD 시뮬레이션을통해좋은조건을얻은결과에맞춰장치를설계, 제작하는것이좋을듯합니다. ( 장윤영교수 ) Cavitation 가용화장치 장윤영 ( 광운대학교교수 ) 1. 국내. 외의유사연구결과를비교표로준비해서본실험이얼마나더효과를보았는지 알려주면보는사람의입장에서이해하기쉬울듯합니다. 2. O3 은 Soluble 슬러지에서효과가더크게나타나기때문에가용화시킨슬러지에다 O3 을주입하는것이더효과적일것같습니다. 3. 가용화, 오존처리, PH 영향별로의세밀한실험및데이터가더욱필요하다. : 가용화장치 + 오존처리, 오존처리 + 가용화장치의추가적실험을통하여데이터를보충 하였다. 그래프를통한자세한설명이함께이루어졌다

165 김두일 (KIST 공학박사 ) 1. 타대학및유사연구수행과의데이터비교가필요하다. : D 대학, I 대학, J 대학의논문및연구발표자료를통하여본데이터와의비교, 분석하였다. 그결과는최종보고서에수록하였다. 2. 일본데이터와의비교가필요하다. : 일본으로의출장을통하여교토대학의쯔노교수님께방문을하였다. 본과제에대한오존및 SCOD 증가량에대한자문을구하였으며일본연구자료및데이터 를받을수있었다. 이에대한자료는최종발표를통하여전달하겠다 연구책임자김동하 ( 인 )

166 3.2 사진첨부