초음파슬러지 감량화 / 소화조효율 개선 공정-정유찬

 천하의 정기사, 산사람 정유찬 인사드립니다. 소개자료는 최근 각광을 받는 초음파 기술입니다.

 

 

 

초음파 슬러지 감량화 공정

 

 

1. 초음파 슬러지 처리개요

슬러지의 처리·처분기술은 다른 기간산업기술뿐만 아니라 수처리기술보다도 기술의 현대화가 늦게 시작되었다. 이는 슬러지 처리방식의 개선이 환경보전 등에 미치는 가시적인 효과가 적었기 때문이었다.

  그러나 인구의 증가 및 집중화와 병행하여 수질오염의 악화로 하수처리장의 건설이 금세기에 들어 본격화 되었으며, 이와 더불어 발생되는 슬러지가 또 다른 오염원으로 대두되면서 처리처분 기술은 다각도로 발전하고 있으나 그 기술의 완성도는 아직 미약한 수준이라 할 수 있다. 그러나 지금까지 실용화된 프로세스만 하여도 수십 종이 있으며 최근에 들어와 다양한 재이용 기술의 연구개발이 국내․외에서 활발히 진행되고 있다.

  슬러지는 하수처리 과정에서 발생하는 액상 부유물질의 총칭으로, 하수슬러지를 좁은 의미로서 1차슬러지, 잉여슬러지, 반송슬러지, 농축슬러지 및 소화슬러지 등이라 하고, 넓은 의미로는 침사, 스크린 협잡물 및 스컴(scum)도 포함된다. 슬러지 처리시설은 슬러지 중의 유기물을 무기물로 바꾸는 생화학적 안정화, 병원균을 제거하는 위생적인 안전화, 처리처분 대상량을 적게 하는 감량화, 그리고 처분의 확실성 등을 목적으로 한다. 당사에서는 상기에 기술된 기술 중 처리처분 대상량을 적게 하는 “슬러지 감량화”기술을 보급하고자 한다.

  당사의 슬러지 감량화 기술은 초음파를 이용하여 슬러지를 분해하는 것이며, 이미 독일 등 환경선진국에서 많은 성과를 보고 있는 초음파 기술 중 첨단기술인 Push-Pull Resonator를 초음파 조사기로 사용하는  최신의 기술이다.

 

 

2. 초음파 적용분야

▶ Environmental applications (e.g. sewage sludge treatment)

    소화조 효율 개선사업  : 소화조 처리용량 증대, 소화효율 개선으로 메탄가스량 증대→ 발전효율 증대 최종 탈수시 슬러지 감량

▶ 초음파 세척 ( Ultrasound cleaning )

▶ Emulsifying and dispersing

▶ Use under partial vacuum or under pressure Advantages

 

 

3. 초음파 슬러지 감량화 원리

        

              그림1. 초음파 조사전 슬러지                      그림2. 초음파 조사전 슬러지(세포분해)

 

초음파는 전기에너지를 활용하여 초음파 발생기에서 16 kHz -10 GHz로 생산하는데 사람이 들을 수 있는 청각의 한계를 넘어선 음파(sound)이다.  Sound는 기계적 진동(mechanical vibration)으로 고체, 액체 또는 기체물질에 작용한다. 이는 경로파장으로 작용하면서 물질내부에서 고압(condensation)과 진공(relaxation) 상태를 반복하면서 공동화(cavitation)를 생성하며, 나아가 공동의 성장과 매우 강력한 공동붕괴를 극한적으로 야기 시킨다. 공동은 가스로 채워진 가스공동(gas cavitation)과 수증기로 채워진 증기공동(steam cavitation)으로 구분되며, 일반적으로 이들은 동시에 생성되고 있으며, 생성량은 다르다. 지속적으로 조사되는 초음파 에너지에 의하여 극도로 성장한 공동은 순간적으로 폭파되는데 이 때 발생하는 순간적인 고압(high pressure), 전단응력(jet stream)과 고온(hot-spots)에너지에 의하여 슬러지 플럭구조에 물리-화학적 변화을 일으켜 플럭구조가 파괴되고, 나아가 미생물의 세포막(벽)이 파괴(분해)된다. 세포막 파괴로 내부에 차단되었던 유효 탄소원이 방출되는데 이를 난분해성 물질의 저분자화(유기물 가수분해)라고 한다. 방출된 유기탄소원은 혐기성 미생물에 의하여 쉽게 섭취되어 신진대사에 활용되므로 소화속도 향상, 소화효율 증대로 가스 생산량 증가는 물론, 고형물질 감소로 최종 슬러지 발생량이 감소하게 된다. 혐기성 소화조에서 가수분해 속도를 향상시켜 슬러지, 소화조 효율을 높이기 위하여 지금까지 많은 전치리 공정을 연구해 왔다. 효율적인 세포막 파괴를 위하여 화학적, 열역학적, 기계적, 오존, 전자빔, 효소첨가 및 초음파 공정이 연구되었으나, 이중 초음파 공정이 효과적이며 경제성이 뛰어나 현실화에 적합한 최적의 방법으로 평가되고 있다.

 

 

4. 초음파 슬러지 감량화 장점

▶ 잉여슬러지를 분해하여 혐기성소화조로 유입시키므로 메탄가스 발생량이 30% 증가한다.

▶ 발전전력이 30% 증가한다.

▶ 최종 처분되는 슬러지가 감량된다. (12%±1%)

▶ 혐기성소화조의 체류시간이 짧아지므로 포화상태에 있는 혐기성소화조의 개선에 좋다.

          

▶ 혐기성소화조의 거품발생 원인인 filamentous bacteria 가 파괴되므로 거품발생이 없다.

▶ 하수처리 주처리공정인 생물학적처리시설에 적용시 filamentous bacteria 가 조절되므로

   부상, 벌킹 등의 문제가 해결된다.

   

 

 

5. Sys.의 특징

▶ 시스템에 적용된 초음파발생장치는 수명이 길다 (5년이상의 수명을 보증)

▶ 초음파 발생장치는 특별한 티타늄으로 제작되었으며 양쪽 머리부분에서 초음파를 발생하므로 에너지 효율이 매우 높다. (>95%).

▶ 에너지 소비가 적어 운영경비를 절감할 수 있다.

▶ 기존 소화조 개선사업에 적용할 경우에도 설치면적이 적어 효용성이 높다.

▶ 초음파 발생장치는 모듈타입으로 설치되므로 유지보수가 쉽다.

▶ 설비가 간단하여 현장설치가 쉽다.

▶ S-PPR 초음파 장치는 액체로 세정하지 않으며 자동으로 건조 상태의 운전을 한다.

 

 

6. 적용 사례

그림3. 처리용량 1,000Kg TS/시간의 하수처리장 적용사례

 

            그림4. 적용사례사진                           그림5. MMI화면                      그림6. Pilot Plant

 

 

                                       그림7. 40만톤/일 규모 하수처리장 적용시의 평면도

 

7. 초음파슬러지 감량기술 비교검토 

 

 

 

 

 ※ 본 비교검토서는 개인이 만들어 주관성이 있음을 밝히는 바입니다. 양해바랍니다, 사진이 잘 안나오네요

 

 

 

8. 적용사례(독일 밀텐베르그 하수처리장)  중 운영사례고찰 

가. 개  요

2004년에 초음파 가공설비 (6 초음파 반응기, 1 교반기, 1 펌프)의 하루 에너지소비는 180 ㎾/일로 집게 되었다. 이로 인하여 년 약 65,000 kWh 전기에너지를 소요했다. 나아가 초음파 가공에 의하여 약 13%의 전력생산량이 증가하였다. 이는 2004년에 106,00 kWh/a 전력 생산량 증가에 비하여 65,000 kWh/a의 전력을 소모하였다.

2005년에는 초음파 가공설비의 효율적인 개선으로 하루 전력생산량을 145 kW/일로 감소하였다 (약 53,000 kWh/a). 소화가스 생산량은 더욱 증가하여 초음파 가공 전보다 약 29%의 증가율을 보이고 있다. 2005년도에 초음파 공정을 통하여 약 235,000 kWh/a의 에너지 생산량 증가가 있었다. 추가 생산량에서 53,000 kWh/a의 자체 소모량을 제외하면 약 16,400 ?堧? 에너지 절감효과를 얻게 된다(0.09 ??/kWh_전기). 폐열을 회수하면 추가적으로 약 10,000 ?堧? 난방에너지를 추가적으로 절감할 수 있다(0.02 ??/kWh_열). 합하면 년 약 60,000 ?堧? 절감효과를 얻을 수 있다.

나. 처리결과

Miltenberg 하수처리장에 설치한 초음파 슬러지 가공(분해)설비는 다음 사항들 때문에 매우 성공적이라고 평가 한다:

첫째, 소화조의 효율 개선은 성공적이었다. .

둘째, 고유 소화가스 생산량 증가는 2004년 13%와 2005년 29%를 확인되었다. 이는 가스-슬러지-비율이 2003년 7.6에서 2004년에 9.3으로 그리고 2005년에 10.0 으로 증가함을 의미한다. 가스 생산량 증가로 초음파 설비가 소요한 에너지의 3배를 생산할 수 있다.

셋째, 하수슬러지에 함유한 유기물 산화는 약 11 %～ 22 %의 증가를 보여 평균 46.8%에서 52.0% ～ 57.4%의 산화효율을 보였다.

넷째, 최종 슬러지 감량이다,  하수처리장 운영자의 자료에 의하면 초음파 슬러지 가공공정을 활용하여 약 12.5 %(440 m³)의 최종슬러지 처분량을 줄일 수 있었다.

초음파 슬러지 가공설비의 투자비와 운영유지관리비를 초음파 공정에 의한 절감액을 비교하면 총 비용 회수기간(손익 분기점)이 약 4년이면 된다.

 

 

간단히 소개를 했습니다. 초음파슬러지 감량화 공정은 소화조효율개선사업에 최적인 시스템입니다. 그러나 초음파가공만 잘한다고 모든 소화조가 효율이 개선되는 것은 아니라고 사료됩니다. 기존 운영중인 소화조의 운영상태를 파악하여 소화조의 개선을 제안할 수 있는 능력이 되어야만 소화조효율개선사업 및 이를 통한 슬러지 감량화를 이룩할 수 있습니다. 

          

             도표1. 소화조 기본설계도표                               그림8. 소화조 가스교반 상태불량

 

 

 

상담이 필요하신다면 제 메일(chungofsbr@hanmail.net)로 연락주시면 성실한 답변을 드리도록 하겠습니다.  (앞으로도 이러한 국내외 좋은 환경기술을 제 불로그에서 지속적으로 소개를 하겠습니다. 많은 관심 부탁드리겠습니다, 저희는 언제든지 열려 있습니다.)