슬러지탈수처리방법
淸州市 下水終末處理場의 슬러지 脫水效率에 關한 調査硏究
A Study on the Dewatering Efficiency of Sludge
at Cheong-ju Sewage Treatment Plant
환경연구사 김영주
ABSTRACT
In this study, it were investigated reaction conditions such as the kinds and inputs of coagulants, pH, temperature, mixing duration and intensity for maximum efficiency of dewatering sludge released from Cheong-ju sewage treatment plants by belt filter press process, and the correlation between SRF(specific resistance of filtration) and CST(capillary suction time)
The dewatering efficiency of CST and SRF represent very favorable linear term, and CST can replace SRF under the same conditions and apparatus. Also there is no difference between CST and SRF in determining the amounts of coagulant for the improvement of sludge.
CST can availably be used for the determination of appropriate chemicals and amounts inchemical treatment because it can evaluate the dewaterability of sludge precisely andexpeditiously with a simple apparatus.
The optimum conditions for maximum dewatering efficiency by using a digested sludge in Cheong-ju sewage treatment plants are 6.7mg/g-TSS aluminum sulfate, 3.3mg/g-TSS moderate cationic polymer(SC-050) and 120sec mixing duration, and 120rpm mixing intensity under pH6.3 .
Under above conditions, the value of CST decreased from 51sec to 31sec respectively and dewatering efficiency enhanced about 39.2%.
Ⅰ. 緖 論
하수처리장에서 발생되는 슬러지의 양은 처리되는 하수양에 비해 적은 비율로 발생되나 처리경비및 관리상의 문제점은 그 양에 비례하고 있지 않다. 슬러지의 처리비용은 하수 전체 처리비용의 25∼50% 정도 소요된다(5). 따라서 슬러지 처리과정 중 탈수는 매우 중요한 과정이라 할 수 있다. 탈수효율을 증진시키기 위해서는 슬러지 개량이 선행되어야 하며 슬러지 개량효율이 증진되어야 탈 수가 용이하게 되며 처리경비의 절감도 기대할 수 있다.
슬러지 개량의 목적은 슬러지의 물리적 특성을 변화시켜서 탈수나 농축이 잘 되도록 하여 슬러지 처리비용을 절감하고자 함에 있는 것이다.
슬러지 탈수성은 슬러지의 pH와 입자의 전하, 결합수의 함량, 고형물의 함량, 알카리도, 입자의 기계적 강도, 공극율, 입자의 크기, 유기물함량, 압축계수, 슬러지의 종류, 슬러지 개량제의 종류 및 양, 탈수시 운전조건 등 수많은 인자에 의해 영향을 받는다(1). 따라서 슬러지 개량시에는 영향을 미치는 물리ㆍ화학적인 인자의 검토가 선행되어야 한다. 일반적으로 탈수기는 슬러지 floc 사이의 자유수등 물리적으로 구속된 물만 제거할 수 있고 수소결합에 의한 물이나 화학적 결합에 의한 물은 건조나 소각등과 같은 특수한 방법으로만 제거할 수 있다.
그러므로 탈수에 의한 고액분리는 분명한 한계내에서 응집제 종류, 투입량 등의 운전인자를 최적화 함으로써 탈수의 효율을 향상시키고 운영비를 절감하는 것이 주된 목적이라 하겠다(1,4). 또한 탈수는 슬러지의 후속 처리 및 처분을 위하여 반드시 거쳐야 할 1차공정이므로 이에 대한 특성분석과 운영상의 표준화 작업이 우선적으로 수행되어야한다. 실험실에서 슬러지의 탈수성 평가는SRF(Specific Resistance to Filtration), CST(Capillary Suction Time)실험등이 이용되고있다.
본 연구에서는 발생되는 슬러지를 belt filter press의 기계적 탈수장치를 이용하여 탈수 처리하고 있는 청주시 하수종말처리장의 탈수공정전의 소화슬러지를 이용하여 최대의 탈수효율을 가질 수 있도록 최적의 전처리를 위한 응집제의 종류 및 투입량, pH, 온도 등의 조건에 대한 영향을 조사 하였고, 탈수특성을 정량적으로 나타내는 방법인 Coakley(9)에 의해 개발된 SRF(specific Resis-tance to Filtration) 와 정량적이지는 않지만 빠르고 간단한 시험인 Gale과Baskerville(7)에 의해 개발 된 CST(Capillary Suction Time) 와의 상관관계를 조사하였다. 본 연구는 도내 하수처리장의 효율적인 하수처리를 위한 기초자료로 제시코져한다.
Ⅱ. 實驗材料 및 方法
본 실험에 사용된 슬러지는 청주시 하수종말처리장의 탈수공정전의 소화슬러지를 대상으로 하였으며 최적 탈수 조건을 위한 평가 방법으로는 Buchner funnel method 와 CST 장치를 이용하였다
1. 실험재료 및 장치
ㅇ 슬러지 시료 50ℓ
ㅇ Buchner funnel method(8) ( Fig. 1. )
ㅇ CST 장치(12) ( Fig. 1. )
ㅇ Jar Tester ( DAI HAN GAUAGE TRADING , 40W, 6 Paddle 2.5 (H) x 5.0 (W) )
ㅇ 건조기 : 제일과학산업주식회사 C-DS3
ㅇ 회화로 : Thermolyne Furnace 47900 Temp. range 100∼1200??
ㅇ 화학조정제
- 고분자응집제 : 양이온계: SC-050, YCX-686, 음이온계: A-601P,
비이온계: N-302P
- 무기응집제 : 황산알루미늄 Al2(SO4)3˙18H2O
염화제2철 Fecl3˙6H2O
- pH 조정제 : 황산, 수산화나트륨
- 여과지 : Whatman No2
2. 실험방법
균질화된 소화슬러지를 취해 화학조정제를 사용 최적 탈수 조건을 SRF 측정법과 CST 측정법을 이용해 분석하였다.
가. 슬러지 시료 조제
균질한 슬러지 시료를 확보하기 위하여 50ℓ의 시료를 채취하였고 균질성이 유지되게 천천히 교반 한 후 즉시 Jar에 2ℓ의 균질한 슬러지를 채취하였다. 실험결과는 슬러지의고형물 농도, 온도차이, 시간 변화에 따른 슬러지 특성변화와 같은 요인들에 의해 영향을 받으므로(1) 여러번의 예비실험을 거쳐서 본 실험결과를 도출하였다. 매 실험시에는 온도에 따른 특성변화를 방지하기 위하여 일정 온도를 유지하였고 시간변화에 따른 시료간의 균질성 확보를 위해 시료 채취후 3일 이내에 실험을 하였다.
나. SRF 측정법
슬러지의 탈수특성을 나타내는 방법으로는 SRF가 가장 널리 사용되어 왔지만 실험법이 복잡하고 측정에 많은 시간이 소요되는 단점이 지적되어 왔다(10,11). 본 실험에서는 Graduated cylinder와 Buchner funnel을 이용하여 1분 30초간 중력여과후 여과액이 분당 1㎖ 까지 떨어지거나 진공도가 깨질때까지 진공여과 시켜 시간경과에 따른 여과된 여액의 양을 측정하는 방법을 이용하였다. 표준진공압력은 24in.Hg 이었고 측정 시료의 부피는 100㎖를 취했다.
SRF는 다음식에 의거 구한다(9).
t/V = μγC/2PA2ㆍV + Rmμ/PA
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Fig. 1. Schematic diagram of the CST(top) and SRF(bottom) apparatus
V = 여액의 부피(m3)
μ = 여액의 점성계수(kg/m-sec)
P = 진공압력(N/m2)
γ = 슬러지의 평균 비저항계수(SRF,m/kg)
Rm = 여과포의 비저항계수(m/kg)
A = 여과지 면적(m2)
이 식을 간단히 하면 아래와 같다.
t/V = bV + a
Buchner funnel 실험을 하여 t/V와 V의 상관관계를 도시하면, b값은 그 기울기로 부터 구할 수 있다. 따라서 비저항계수(SRF)는 다음과 같이 구할 수 있다.
γ = 2PA2b/μC
다. CST 측정법
여과지의 일정한 거리를 시료의 물이 흡수되어 전파 되어 가는 시간을 측정하는 것으로 슬러지 입자의 크기 및 친수성 정도에 따라 측정되는 시간이 다르게 나타난다. 즉 탈수성이 불량한 시료의 경우 CST 수치는 높게 나타나고 탈수성이 양호한 시료의 경우는 짧게 나타나게 된다. 이 장치는 다른 탈수성능을 측정하는 방법에 비하여 장치가 간단하고 측정시간이 짧다는 장점이 있어 최근 들어 많이 사용되고 있는 방법이다. 본 실험에서 CST 측정장치는 아크릴수지로 제작하였으며
Fig. 1에서 보는 바와 같이 내경 1.5㎝의 관에 20㎖의 시료를 넣고 수분이 제1감지기(sensor 1)
통과시부터 제2감지기(sensor 2)에 도달하여 신호음이 울릴 때까지의 시간을 측정하였다. 여과지에 일정한 압력을 가하기 위하여 윗 판에 100g의 추 4개를 액주를 중심으로 서로 반대 방향으로 일정한 위치에 놓았다. 여과지를 작게 사용하였을 때는 CST 변화폭이 작아 개량제에 의한 탈수성 증가를 민감하게 알수 없다는 단점이 있어 이를 보완하고자 CST측정시 여과지 4매를 중첩하여 사용하였다(3).
Darcy의 이론을 기초로 하여 CST에 관한식은 다음과 같다(12).
t = ( D22 - D12)πd/AP ㆍμC/χ
D1,D2 = 수분이 퍼져나가는 동심원의 직경 (m)
d = 여지의 두께 (m)
A = 액주의 바닥면적(m2)
P = 모세관 현상에 의한 여지의 흡입압력(N/m2)
μ = 여액의 점성계수(kg/m-sec)
C = 고형물농도 (kg/m3)
χ = 실험조건에 따른 계수(kg/m2-sec2)
t = CST (sec)
CST는 χ에 의존하며, χ는 슬러지의 탈수특성 뿐만 아니라 여지의 공극크기 등 사용된 여지의 특성에도 영향을 받는다. 따라서 동일 장치와 동일 여지를 이용한다면 슬러지의 탈수특성을 CST 측정으로 평가할 수 있다(12).
라. 소화슬러지의 총고형물질(TS), 휘발성고형물질(VS) 및 최종슬러지 함수율 측정법 청주시 하수종말처리장의 소화슬러지와 탈수기를 통과한 최종슬러지를 채취하여 폐기물공정시험방법에 의한 수분 및 고형물 측정 방법에 따라 실험하였다. 총고형물질은 슬러지를 105 ∼ 110℃에서 4시간 수분을 증발 시킨후의 잔류물이며 함수율은 증발된 수분 양을 말한다. 총고형물질(TS)
은 강열잔류고형물(FS)와 휘발성고형물(VS)로 이루어졌으며 휘발성고형물질은 TS를 온도 600±25℃로 30분간 강열 또는 작열로써 회화 시켰을 때 타서 휘발되어 감량되는 부분 즉 유기물이며,잔류하는 부분은 강열잔류고형물 즉 무기물을 의미한다(6).
본 실험결과를 도출할 때의 소화슬러지의 TS는 3.0%, VS는 54.7%였다. 실험이 모두 끝났을 때의 소화슬러지의 TS와 VS에 대한 비교 수치는 거의 변화가 없었다.
Ⅲ 結果 및 考察
1. CST와 SRF의 상관관계 검토
약품투여량, pH 등의 조건변화에 따른 CST와 SRF를 측정하여 그 상관관계를 나타내 보았다.
조건변화후의 슬러지와 슬러지 자체의 비저항계수(SRF)가 6.70x108 ∼ 1.14x1010m/Kg 의 범위
에 해당되었고 CST는 26 ∼ 538sec에 해당되었다. 슬러지 개량제를 이용하여 슬러지 를 개량 시킨
후 약품투여량, pH 등의 조건변화에 따른 SRF 와 CST의 상관계수는 0.9798( n=33 ) 으로 높아
상관관계가 매우 양호하게 나타났다.( Fig. 2. )
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|
Fig. 2. CST versus SRF plots as a linear correlation
결국 CST측정에 의한 탈수측정은 간편하면서도 신속히 탈수성을 측정하는데 유효함을 알 수 있으며 SRF에 의한 탈수성 측정을 대신할 수 있음을 알 수 있다.
2. 소화슬러지의 총고형물질(TS), 휘발성 고형물질(VS)과 최종슬러지 함수율과의 관계
Table 1.은 청주시 하수종말처리장의 일일분석 결과를 토대로 하여 월평균치를 격월별로 나타낸 것이다.
그 결과를 보면 소화오니의 TS가 높을수록, VS가 낮을수록 탈수기를 통과한 최종슬러지의 함수율이 낮아 탈수효율이 좋았으며, 또한 TS, VS와 최종슬러지 함수율과의 관계는 계절적 영향을 받는 것으로 나타났다. 겨울철에는 TS가 낮아지고 VS가 높아져 결과적으로 탈수기를 통과한 최종슬러지 함수율이 높았으며 여름철에는 상대적으로 TS가 높아지고 VS가 낮아져 최종슬러지 함수율이 낮아짐을 알 수 있다.
Table 1. TS, VS versus final sludge waterability after passage belt filter press
|
Month Items |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
11 |
|
TS(%) |
2.5 |
2.5 |
3.1 |
3.6 |
4.0 |
3.0 |
|
VS(%) |
53.2 |
55.3 |
51.1 |
38.0 |
39.1 |
51.4 |
|
Final sludge waterability after passage belt filter press |
84.2 |
83.8 |
81.8 |
78.4 |
78.7 |
82.4 |
|
3. 최대의 탈수효율을 가질 수 있는 최적의 전처리 조건 가. 고분자응집제 종류 및 주입율 결정 고분자응집제에 의한 슬러지 조정 메카니즘은 floc 입자와 결합함으로서 가교작용에 의해 거대한 입자를 형성하여 탈수가 용이하도록 하는 것이다. 따라서 슬러지의 고형물 농도에 적절한 양을 투입해 주는 것이 최적의 탈수효과를 얻는데 중요하다고 할 수 있다. 과량을 투입해 주었을 경우에는 응집제 자체가 하나의 입자를 형성하거나 floc을 둘러싸므로 가교작용을 방해하여 탈수효율을 악화시킬 수도 있다. 고분자응집제로는 양이온계, 비이온계, 음이온계 고분자응집제가 있으며 양이온계와 음이온계는 이온성에 따라 강ㆍ중ㆍ약이온계로 세 분류된다(2). 본 실험에서는 시중에서 주로 사용되고 있는 고분자응집제를 선별하여 강 양이온계(YCX-686), 중 양이온계(SC-050), 비이온계(N-302P) 고분자 응집제간의 슬러지 고형물농도에 대한 투입률에 따른 슬러지 탈수 특성을 비교해 보았다.(Table 2, Fig. 3.) 음이온계 고분자응집제를 투입했을 경우 원 시료보다 CST가 높게 측정되어 Table 2와 Fig. 3.에 기재하지 않았다. Table 2 . Effect of type of conditioners on dewaterability of sludge (Conditioner: YCX-686,SC-050, N-302P) |
|
Polymer |
Dosage (mg/g∼TSS) |
CST (sec) |
|
None |
raw |
538 |
|
CATION (YCX-686) |
1.3 |
256 |
|
2.0 |
242 | |
|
2.7 |
26 | |
|
4.0 |
28 | |
|
CATION (SC-050) |
1.3 |
343 |
|
2.0 |
282 | |
|
2.7 |
93 | |
|
3.3 |
51 | |
|
4.0 |
43 | |
|
NONION (N-302P) |
1.3 |
346 |
|
2.0 |
331 | |
|
2.7 |
340 |
|
|
Fig. 3. Effect of type of conditioners on dewaterability of sludge (Conditioner : YCX-686,
SC-050, N-302P)
|
전체적으로 고분자응집제간의 차이가 큰 것으로 나타났다. 양이온계 고분자응집제는 비이온계 보다 개량효과가 큼을 알 수 있었으며, 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 보다는 강 양이온계 고분자 응집제(YCX-686)의 CST가 낮게 나타났으나 경제성과 효율 정도를 비교해 보았을 때 중 양이온계 고분자응집제의 효율이 더 좋다고 볼 수 있다. 최적주입율은 3.3mg/g-TSS(0.1g/ℓ)로 나타났다. 나. 무기응집제인 응집보조제를 이용한 CST 상승효과 비교 본 실험에서는 우수한 응집특성과 일반적으로 많이 이용되는 무기응집제인 황산알루미늄 Al2(SO4)3˙18H2O 또는 염화제2철 Fecl3˙6H2O을 투여 후 고분자응집제인 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 3.3mg/g-TSS(0.1g/ℓ)를 투입하여 상호 무기응집제의 투입량에 따른 탈수 특성을 비교하였다.(Table 3, Fig. 4.). 황산알루미늄이나 염화제2철 같은 무기응집제를 투입하고 고분자응집제인 SC-050을 투여하였을경우 약간의 탈수성이 개선됨을 알 수 있었으며 염화제2철 보다는 황산알루미늄을 첨가했을 때탈수성이 더 좋음을 알 수 있었다. 최적주입율은 황산알루미늄 6.7mg/g-TSS(0.2g/ℓ), 염화제2철 13.3 mg/g-TSS(0.4g/ℓ)이었다. Table 3. Effect of type of conditioners on dewaterability of sludge ( Conditioner : Al2(SO4)3˙18H2O, Fecl3˙6H2O ) |
|
Coagulant |
Dosage coagulant (mg/g∼TSS) |
CST (sec) |
|
Al2(SO4)3ㆍ18H2O |
3.3 |
49 |
|
6.7 |
44 | |
|
13.3 |
43 | |
|
16.7 |
44 | |
|
Fecl3ㆍ6H2O |
3.3 |
50 |
|
6.7 |
48 | |
|
13.3 |
46 | |
|
16.7 |
46 |
|
|
Fig. 4. Effect of type of conditioners on dewaterability of sludge
( Conditioner : Al2(SO4)3˙18H2O, Fecl3˙6H2O )
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다. pH에 따른 탈수특성 청주시 하수종말처리장의 소화슬러지 자체의 pH는 7.3이었으며 H2SO4(1+5)와 NaOH (10%)로 탈수 pH조건을 5.5 ∼ 10.0 으로 변화시켜 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 3.3mg/g-TSS를 투여했을 때의 CST를 비교해 보았다.(Table 4, Fig.5.) pH를 5.5 ∼ 10.0 으로 변화하였을 경우 pH 7.3이하에서는 CST가 낮아져 탈수성이 증가됨을 알 수 있었으며, pH가 7.3 이상으로 증가하였을 경우 CST가 급격히 높아져 탈수성이 감소됨을 알 수 있었다. pH 6.3 정도의 약산성일 때 효율이 가장 좋은 것으로 판단된다. Table 4. Effect of pH of sludge on dewaterability |
|
pH |
5.7 |
6.3 |
7.3 |
8.8 |
9.5 |
10.0 |
|
CST(sec) |
46 |
46 |
51 |
512 |
852 |
912 |
|
|
Fig. 5. Effect of pH of sludge on dewaterability
|
라. 온도 변화에 따른 슬러지 탈수 특성 슬러지의 온도 조건을 10℃ ∼ 55℃ 로 변화시켜 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 3.3mg/g-TSS를 투여했을때의 CST를 비교해 보았다.(Table 5, Fig. 6.) 온도를 저온이나 고온으로 조절했을 때보다 온도 조절을 하지 않은 슬러지 자체온도인 중온(31℃) 상태에서 CST 값이 가장 낮음을 알 수 있었다. 마. 슬러지 탈수 전처리의 최적조건 결정을 위한 교반시간 결정 슬러지 개량제와 슬러지를 최적의 교반강도 및 교반시간으로 혼합 시켜줌으로서 탈수효율을 향상시킬 수 있다. 본 실험의 슬러지 탈수 전처리 조건인 pH 6.3, Alum 6.7mg/g-TSS 투입후 120rpm에서 교반시간에 따른 CST값을 측정하였다. (Table 6, Fig. 7.) |
Table 5. Effect of Temperature of sludge on dewaterability
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Temp(℃) |
10 |
15 |
20 |
31 |
39 |
55 |
|
CST(sec) |
63 |
59 |
55 |
51 |
76 |
156 |
|
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Fig. 6. Effect of Temperature of sludge on dewaterability
Table 6. Effect of Mixing duration on dewaterability of sludge
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Mixing duration (sec) |
30 |
60 |
120 |
180 |
300 |
|
CST(sec) |
37 |
31 |
31 |
32 |
38 |
|
|
Fig. 7. Effect of Mixing duration on dewaterability of sludge
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교반시간에 대한 영향은 커다란 차이는 보이지 않았지만 120rpm으로 유지한 경우 60∼120sec에서 가장 효율이 좋았다. 이는 교반시간이 적은 경우는 개량제와 슬러지와의 접촉 기회가 적었기 때문이며, 교반시간이 긴 경우에는 교반이 증가함에 따라 기 형성되었던 floc이 파괴되고 미세 floc이 증가되어 탈수효율이 감소되었기 때문인 것으로 판단된다. Table 6.을 보면 60sec와 120sec에서 동일한 CST값을 보이나 실험후의 슬러지 혼합상태를 보면 120sec에서 보다 더 안정적이고 고른 floc이 형성됨으로 교반시간이 120sec에서 효율이 가장 좋은 것으로 판단된다. 4. 청주시 하수종말처리장의 처리방식과 실험조건변화에 따른 처리방식과의 탈수효율 비교 청주시 하수종말처리장의 처리방식인 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 3.3 mg/g-TSS (0.1g/ℓ)투입하는 방법으로 실험한 결과 SRF 1.51x109, CST 51sec로 나타났다. 본 실험 결과에서 얻은 최적조건인 pH6.3, 황산알루미늄 6.7mg/g-TSS(0.2g/ℓ), 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 3.3mg/g - TSS (0.1g/ℓ), 혼합조건 120rpm에서 120sec 동안 교반하여 얻은 결과는 SRF 7.01x108, CST 31sec 로 CST 기준으로 볼때 39.2% 정도의 효율 증대를 기대할 수 있는 것으로 나타났다. Ⅳ. 結 論 청주시 하수종말처리장 슬러지의 탈수효율에 관한 조사연구로서 탈수효율을 향상시키기 위해 얻은 연구결과는 다음과 같다. 1. CST와 SRF는 매우 양호한 상관관계를 나타냄으로써 청주시 하수종말처리장의 슬러지 탈수를 위한 적정 약품 종류 및 투여량 결정시 시간이 많이 걸리는 SRF를 CST로 대체할 수 있음을 확인 하였다. 2. 소화슬러지의 총고형물질(TS)과 휘발성 고형물질(VS)은 TS가 높고 VS가 낮을수록, 겨울철 보다는 여름철에 탈수가 잘되는 것으로 나타났다. 3. 최적의 전처리조건으로서 고분자응집제는 중 양이온계 고분자응집제(SC-050) 3.3mg/g-TSS (0.1g/ℓ), 응집보조제는 황산알루미늄 6.7mg/g-TSS(0.2g/ℓ)을 투입하고 pH는 6.3, 탈수온도는 중온(31℃), 교반은 120rpm에서 120sec로 나타났다. 4. 이와 같은 조건을 충족시키면 CST 기준으로 볼때 39.2% 정도의 탈수증대효과가 기대된다 |
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