[2012. 02. 22 / 원문은 파일첨부 참조]

 

하수슬러지 자원화 연구 추진
■ 서론 최근 국제적으로 지속가능한 발전 및 자원순환형 사회 구축을 위한 폐기물관리체계 전환 추세에 따라 국내외적으로 가연성 폐기물의 고형연료화, 유기성폐기물의 바이오가스화 등 폐기물 에너지화와 온실가스 감축이 활성화되고 있다. 이러한 에너지원의 다변화는 화석에너지의 고갈 우려와 빈번한 에너지 파동 등의 위기상황에 대비해 국가 안보차원에서도 필요한 시점이다.

유기성 자원인 하수슬러지는 하수종말처리시설의 증가 및 고도처리화로 그 발생량이 매년 증가하고 있으나 기존의 육상매립과 해양투기로는 처리에 한계가 있다. 따라서 현재까지의 하수슬러지 처리정책을 재검토해 경제적·효율적인 중장기정책 수립은 물론, 세계 환경규제 강화와 폐기물 처리 패러다임 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 기술개발이 필요하다.

▲ 대구광역시 환경시설공단은 폐기물 에너지화와 온실가스 감축을 위한 에너지 다원화 연구의 일환으로 ‘하수슬러지 탈수성·열량개선 위한 폐지·카본 혼합탈수 연구’를 수행한 결과, 함수율 감소, 발열량 기준 충족, 탈수케이크 감소 등의 결과를 얻어냈다.

여과보조제 슬러지 탈수성 개선
막대한 양의 도시하수 슬러지를 효과적으로 처리 또는 처분하기 위한 슬러지 감량화 및 안정화 기술에는 호기성 소화, 혐기성 소화, 탈수, 습식산화, 건조, 액화, 가스화 및 소각 등이 있다.

 

이 중, 열처리 방법은 슬러지의 높은 함수율과 건조 고형물당 낮은 발열량이 문제점으로 지적되고 있다. 따라서 도시하수 슬러지의 수분함량 감소는 슬러지의 부피감량, 악취저감, 저장, 수송 및 취급용이 등의 효과와 슬러지 후속처리 방법의 다양성 증대 등의 장점이 있다.

이러한 슬러지 탈수성 개선을 위해 여과보조제를 사용할 수 있다. 여과보조제로는 규조토, 톱밥, 폐지, 소각재 비산재와 석탄 등 여러 가지 물질이 사용되고 있다. 여과보조제는 탈수케이크에서 여과보조제 부피만큼의 수분을 제거하고, 탈수케이크 압축성 개선은 물론 배수구조를 제공한다. 또한 슬러지의 비저항을 감소시켜 탈수속도와 탈수효율을 증진시키고 여과보조제 선택에 따라 탈수케이크의 건조고형물당 발열량을 증진시킨다.

폐지·카본 혼합해 슬러지 재활용
환경부하를 최소화하면서 경제적이고 효과적인 하수슬러지 자원화 및 에너지화의 대표적 기술에는 고형 연료화가 있다. 하수슬러지는 수분을 제외하면 50% 이상이 가연성 유기물이며, 건조열량이 2천㎉/㎏ 이상으로 저급 탄소계 연료에 해당한다.

 

 따라서 낮은 발열량을 보충하기 위해 고발열량 열가소성 플라스틱, 무연탄, 슈트 또는 코우크스 등의 열량보강제가 사용된다. 하수슬러지를 건조 후 연료화하는 기술과 저온탄화기술은 하수슬러지의 높은 수분제거에 소요되는 에너지 비용에 비해 에너지원 발생 효율이 낮아 실용화가 쉽지 않다.

이번 연구는 고농도 유기물을 함유한 원심농축슬러지 탈수시, 여과보조제 및 열량개선제로써의 폐지와 카본의 영향을 연구함으로서 폐지·카본의 적정 혼합에 따른 효율적인 시설운영 및 자원재활용 기술연구를 위한 기초자료로 제시하고자 했다.

서부하수처리장 원심농축슬러지 사용
■ 실험재료 이번 실험은 대구시 서부하수처리장의 원심농축슬러지를 대상으로 실시했다. 원심농축슬러지는 유기물 함량이 높으며 소화슬러지에 비해 발열량이 높으나, 응집반응시 응집제 소요량이 많고 응집반응후의 플록강도가 약해 플록이 쉽게 해체되는 단점이 있다. 이에 탈수성 개선을 위해 폐지용액을 농도별로 원심농축슬러지와 혼합, 여기에 카본을 추가해 응집반응을 수행했다.

대상 원심농축슬러지는 최종침전지의 잉여슬러지를 원심농축기로 농축해 탈수단계로 이송되는 과정에서 채취했으며, pH는 6.6∼6.7의 중성으로서 총고형물 농도(TS)는 2.9∼3.1%, 유기물(VS)/고형물(TS)는 78∼80%로 비교적 고농도의 유기물 성분이 포함되어 있다. 비저항계수(SRF)는 2.8×10¹⁴m/㎏로서 응집제를 넣지 않은 원심농축슬러지를 대상으로 측정했다.

폐지용액은 시중에서 라면박스 등으로 사용하는 골판지를 건조한 후 무게를 측정해 물과 혼합, mixer에 1분간 3회 반복 분쇄해 사용했다. 골판지란 골심지의 표면 또는 양면에 라이너 원지를 첨합한 것을 말한다.

 

주로 골판지 상자를 제조하기 위한 중간 재료로 사용된다. 연료화를 위해 슬러지와 혼합하는 카본은 시중에 유통되는 무연탄을 곱게 분쇄해 규격 지름 250㎜, 두께 45㎜로, 체선의 굵기 Φ1㎜, 체 간격 2㎜인 거름용 체로 체거름해 사용했다.

 

폐지·카본, 단계별로 일정량 혼합
■ 실험방법 이번 실험은 원심농축슬러지에 폐지·카본을 혼합한 혼합시료를 제작한 후 각 시료에 대한 TS, 모세관흡입시간(CST, Capillary Suction time)을 측정했으며, 혼합시료에 대해 동일량의 고분자응집제를 주입, 응집침전시험(Jar-test)을 수행했다.

 

응집침전시험을 마친 시료에 대해 부흐너 깔때기 테스트(Buchner funnel test)를 실시해 측정된 TTF(Time to Filter)로부터 시료의 SRF를 산출하고 발생 여액의 COD 및 T-N을 측정했으며, 걸러진 슬러지는 탈수시험을 실시했다. 또한, 생성된 탈수케이크의 함수율을 측정한 후 건조된 혼합시료를 대상으로 발열량을 측정했다.

혼합시료는 원심농축슬러지와 폐지용액을 먼저 혼합했으며, 폐지의 비율이 0.2, 0.4, 0.6 및 0.8W/V(Weight/Volume)% 되도록 혼합했다. 여기에 카본을 1, 2, 4 및 8W/V% 비율로 투입해 혼합한 혼합슬러지에 대해 실험을 수행했다.

 

CST 측정·Jar-test 등 실시
CST는 여과지의 일정한 거리를 시료의 물이 흡수되어 전파되는 시간으로, 스미는 물의 비율은 슬러지 입자의 크기, 친수성 정도 및 여과지 여과능력에 따라 달라진다. 탈수성이 불량한 시료의 경우 CST 수치는 높고 탈수성이 양호한 시료의 경우는 낮게 나타난다.

응집침전시험(Jar-test)은 혼합슬러지 200mL를 취해 0.4% 에먼젼 고분자응집제 용액 15mL를 주입한 후, 200rpm에서 10초간 급속교반, 100rpm에서 20초간 완속교반을 실시했다.

 

응집제주입량은 원심농축슬러지에 대한 바탕 응집시험 결과 적정 주입량을 15mL로 결정해 수행했다. 탈수시험은 여과 Filter위에 Buchner test를 마친 혼합슬러지를 얹고 그 위에 다시 여과 Filter를 얹은 후 7㎏ 중량물을 5분간 얹어 탈수를 실시했다.

폐지·카본 동시혼합시 탈수성 향상
■ 결과 및 고찰 원심농축슬러지에 폐지·카본을 적정 비율로 함께 혼합해 제작한 혼합시료에 대한 CST 측정결과를 [표 3]에 나타냈다.

폐지·카본의 혼합에 따라 CST값은 점차 감소해 탈수성 개선을 보이고 있으며, 카본의 경우 혼합률이 2%까지는 급격히 감소하다 4% 이상에서는 완만하게 감소했다.

폐지 단독 주입시 CST는 186∼138초, 카본 단독 주입시 159∼80초로 감소하나, 두 재료를 슬러지에 동시 혼합할 경우 탈수성은 더욱 향상되는 것으로 나타났다. 다만, 카본 2.0% 이상 주입시 폐지함유율이 증가해도 CST값이 더 이상 감소하지 않았다.

 

 

폐지·카본 비례해 SRF 감소
SRF는 CST와 더불어 슬러지 탈수효율 인자로 널리 사용되고 있으며 SRF가 높으면 탈수효율은 낮은 것이다. 이번 실험에서 혼합슬러지에 대한 SRF는 폐지·카본 투여량 증가에 따라 비례적으로 감소해 탈수성이 개선됐다. 이는 폐지의 섬유성분에 의한 가교작용과 카본입자가 슬러지의 미세한 고형물이 공극을 폐쇄시키기 않도록 다공상의 배수구조를 형성해 슬러지의 발수성이 향상됐기 때문인 것이다.

폐지·카본 혼합의 증가에 따라 1.60×10¹²이던 원심농축슬러지의 SRF가 폐지 0.8%에서 8.84×10¹¹로, 카본 8%에서 2.42×10¹¹까지 감소했다. 일반적으로 문헌에 보고되는 개량 활성슬러지의 SRF는 약 1.4×10¹²로 그 이하인 경우 탈수성이 좋은 것으로 판단할 수 있다. 이번 실험의 경우 폐지 0.4, 0.6, 0.8% 및 카본 1, 2, 4, 8% 전 혼합률에서 슬러지 탈수성이 양호한 것으로 나타났다. CST에서와 마찬가지로, 폐지·카본을 동시에 혼합한 경우 SRF의 감소가 뚜렷하게 나타났다.

SRF는 CST 측정값과 일정한 상관 경향을 나타내는데, [그림 3]의 그래프에서 보는 바와 같이 이번 실험에서도 높은 상관성(R2=0.8602)을 나타냈다. 상관 그래프를 이용하면 비교적 측정이 간편한 CST값으로부터 SRF값을 유추해 보다 쉽게 슬러지의 탈수성 정도를 판단 할 수 있을 것으로 보인다.

 

 

폐지·카본 혼합률 증가시 함수율 감소
원심농축슬러지를 단독으로 응집, 탈수한 케이크의 함수율은 89.5%로서 가장 높았으며, 폐지·카본의 혼합률이 증가할수록 탈수케이크 함수율은 감소했다.

이는 여과보조제인 폐지와 카본에 의해 콜로이드 상태로 슬러지내에 갇혀있던 내부수(內部水)가 빠져나 올 물길이 확보되면서 탈수성이 개선된 것이다. 폐지의 섬유성분은 케이크가 쉽게 부서지지 않고 강도를 향상시키는 역할을 하며 특히 원심농축슬러지와 같은 난탈수성 슬러지인 경우 폐지의 역할은 큰 것으로 생각된다.

폐지를 혼합한 탈수케이크의 함수율은 88.5∼84.4% 소폭 저감됐으며, 카본을 혼합한 탈수케이크는 86.1∼69.7%로서 최대 약 20%까지 개선됐다. 특히, 카본 4% 혼합률 이상에서는 전 혼합시료가 2010년 서부하수처리장 현장운영 함수율인 77.0%이하를 만족했다.

 

 

발열량, 카본 혼합률 비례해 증가
탈수여액 수질은 전반적으로 카본 혼합률의 증가에 따라 감소한 반면 폐지 함유율의 증가와 더불어 상승하는 경향을 나타냈다. 원심농축슬러지 단독 탈수에 비해 카본을 주입해 탈수할 경우, 탈리여액의 COD 및 T-N은 각각 최대 65 및 24㎎/L정도 감소했으며, 폐지의 경우는 COD 40㎎/L, T-N 15㎎/L 정도 상승했다. 이는 폐지의 COD 및 T-N의 영향으로 그리 높은 수준은 아니다.

원심농축슬러지, 카본(무연탄), 폐지(골판지)의 발열량은 각각 3천700, 4천500 및 3천300㎉/㎏로서 카본(무연탄)의 발열량이 가장 높게 나타났다. 혼합재료 중 무연탄을 제외하고는 모두 하수슬러지 연료탄 발열량 기준인 4천㎉/㎏에 미달했다. 폐지의 발열량은 원심농축슬러지의 발열량보다 낮게 나타났다.

폐지·카본 혼합슬러지의 발열량은 발열량이 가장 높은 카본의 혼합률에 비례해 증가하고, 발열량이 가장 낮은 폐지의 함유율에 따라 점차 감소했다. 카본을 추가로 계속 투입할 경우 발열량은 높아지나 과다 투입되면 적정하게 혼합되지 못하고 카본 자체의 무게로 인해 하부에 침전되어 적정한 응집반응이 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 발열량을 증가시킬 필요가 있을 경우에는 탈수과정을 마친 탈수케이크에 카본이나 발열량이 높은 유연탄을 혼합하는 것이 적절할 것으로 보인다.

 

 

폐지·카본 혼합시 응집제 사용 감소
폐지·카본의 응집제 저감효과를 분석하기 위해 대상 슬러지에 응집제를 단계별로 주입해 각각의 경우에 대한 CST 변화를 비교했으며 그 결과를 [표 6]에 나타냈다.

폐지를 혼합할 경우, 응집제를 주입하지 않은 원심농축슬러지의 CST 197초는 폐지 0.4% 및 0.6% 혼합의 경우, 각각 176 및 165초로 낮아졌다. 이는 슬러지 1L당 응집제 10∼20mL를 주입한 것과 동일한 결과에 해당하며, 카본 혼합의 경우에는 응집제를 주입하지 않은 원심농축슬러지의 CST는 197초, 카본을 2% 및 4% 비율로 혼합할 경우, 각각 147 및 122초로 나타났다.

 

이는 슬러지 1L당 응집제 20∼30mL를 주입한 것과 동일한 결과에 해당한다. 따라서, 폐지·카본 혼합시 슬러지의 탈수성이 향상되어 응집제 사용량도 감소할 것으로 예상된다.

 

탈수케이크 발생량 감소로 비용절감
탈수실험이 현장테스트가 아닌 Lab-test로 시행됨에 따라 함수율 저감에 따른 비용 절감효과를 직접적으로 산정할 수는 없었으나, 원심농축슬러지 단독 탈수 및 혼합슬러지 탈수시 예상되는 탈수케이크 발생량을 상대적으로 비교했다. 여기서, 슬러지량은 2010년 서부하수처리장 1일 원심농축슬러지 발생량인 220㎥/일을 적용했다.

[표 7]에서 보는 바와 같이, 폐지 혼합 및 카본 1∼2% 혼합시에는 원심농축슬러지를 단독으로 탈수하는 경우보다 케이크 발생량이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 폐지와 카본의 첨가에 따른 고형물의 증가량보다 탈수로 제거되는 수분량이 더 많기 때문인 것으로 보이며, 탈수케이크 발생량 저감에 따른 슬러지 처리비용 절감도 예상된다. 또한, 이를 하수슬러지 연료탄으로 판매할 경우에는 슬러지 처리비용 절감뿐만 아니라, 하수슬러지 연료탄 판매수익도 발생할 것으로 예상된다.

폐지·카본 혼합시 비용절감 예상
■ 결론 이번 연구에서는 폐지·카본 혼합에 따른 하수 슬러지의 탈수성 향상 및 열량개선을 위해 원심 농축슬러지에 폐지·카본을 단계별로 일정량 혼합해 사용했으며, 이번 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출했다.

실험에 사용된 원심농축슬러지의 pH는 6.6∼6.7, 총고형물은 2.9∼3.1%, VS/TS는 0.78∼0.8로서 유기물의 농도가 비교적 높았다. SRF는 2.8×10¹⁴로 응집 및 탈수가 어려운 범위에 속했다. 이러한 원심농축슬러지에 폐지·카본을 각각 혼합하는 것보다 동시에 혼합하는 것이 탈수성 개선에 효과가 더 큰 것으로 나타났다. 대부분의 혼합시료에서 CST 및 SRF값이 양호하게 나타났다.

CST 및 SRF값은 상관관계가 큰 것으로 나타났으며, 상관 그래프로부터 대상 슬러지의 CST 측정 후 SRF값을 유추하면 슬러지 탈수성을 쉽게 판단할 수 있을 것으로 보인다.

폐지·카본 혼합량이 증가함에 따라 탈수케이크 함수율은 감소했으며, 카본 혼합에 의한 함수율 저감이 더욱 큰 것으로 나타났다. 특히 카본 4%이상 혼합시 탈수케이크의 전 시료가 도시하수처리장 운영 함수율인 77%이하를 만족했다.

폐지·카본 혼합시료의 탈수케이크는 카본 2%이상 혼합시 하수슬러지 연료탄 발열량 기준을 만족했다. 더 높은 발열량이 요구될 경우 탈수케이크에 카본 투입이나 발열량이 높은 유연탄으로의 대체를 고려해 볼 수 있다.

이처럼 원심농축슬러지에 폐지·카본을 동시에 혼합할 경우 폐지 0.4% 및 0.6% 혼합시에는 슬러지 1L당 응집제 10∼20mL를 주입하는 효과가 나타났으며, 카본 2% 및 4% 혼합시에는 슬러지 1L당 응집제 20∼30mL를 주입한 것과 동일한 CST결과를 나타냈다. 이에 따라 폐지·카본 혼합에 따른 응집제 사용량 감소가 예상된다.

폐지 혼합 및 카본 1∼2% 혼합시에는 원심농축슬러지 단독 탈수보다 케이크발생량이 감소해 슬러지 처리비용 절감이 예상되며, 이를 하수슬러지 연료탄으로 판매할 경우, 이에 따른 판매수익도 발생할 것으로 예상된다. 향후 현장적용을 통해 구체적인 절감내역을 산정할 수 있을 것으로 보인다.