도시 하수 슬러지 건조 특성에 관한 연구

가져가다 탈수 슬러지칭푸구시 하수 처리 본 논문은 식물을 원료로 하여 슬러지의 건조 전후 특성 차이를 산업적 분석, 미세 형태, 기본 성분 및 발열량 측면에서 연구하고, 슬러지 건조 및 소각 실현을 위한 기초 자료를 제공한다.

슬러지는 부산물입니다. 하수 처리 과정하수 슬러지는 수분 함량이 높고(일반적으로 약 98%), 부피가 크며, 처리하기 어렵다는 특징이 있습니다. 또한 슬러지 구성 성분이 복잡하여 유기물, 중금속, 염류, 난분해성 물질, 병원성 미생물, 기생충 알 등 다량의 물질을 함유하고 있습니다. 하수 처리 심화에 따라 슬러지의 합리적인 처리 및 처분이 더욱 중요해지고 있으며, 미처리 슬러지는 환경에 큰 위협이 됩니다.

E20 연구소의 자료에 따르면, 하수처리장에서 발생하는 슬러지의 절반 이상이 위생 매립을 통해 처리 및 폐기되고 있으며, 18% 이상의 슬러지는 손실되고 있습니다. 탈수된 슬러지의 80% 이상, 즉 수분 함량이 50%를 넘는 슬러지는 단순 매립 방식으로 처리되고 있습니다. 이러한 처리 방식은 심각한 환경 2차 오염을 유발할 뿐만 아니라 넓은 면적을 차지하며, 장기적으로는 매립할 부지가 부족해질 것입니다. 본 제안은 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 제시합니다. 슬러지 처리 '물 10대 계획'과 '제13차 5개년 계획'의 폐기물 처리 요건은 우호적인 정책 환경 속에서 슬러지 처리 및 폐기 시장의 성장을 촉진했으며, 관련 처리 기술 및 장비 또한 빠르게 발전해 왔습니다.

「하수처리장의 슬러지 처리 및 처분을 위한 최적의 기술 지침」에서는 슬러지 건조 및 소각이 우리나라가 앞으로 나아가야 할 방향이라고 보고 있다. 고효율 저에너지 소비 슬러지 건조 및 소각을 실현하기 위해서는 건조 전후 슬러지의 특성을 다각도로 체계적으로 연구해야 한다.

본 논문에서는 건조 전후 탈수 슬러지의 특성을 기본 분석, 미세 형태, 기본 조성 및 발열량 측면에서 연구하여 슬러지 건조 및 소각 실현을 위한 기초 자료를 제공하였다.

실험 장비

시 탈수 슬러지 탈수 슬러지는 박막 건조기를 이용하여 건조되며, 박막 건조기의 구조도는 그림에 나타나 있다. 박막 건조기는 쉘, 로터 및 구동 장치로 구성된다. 로터는 탈수 슬러지를 쉘 재킷의 내벽에 얇은 층으로 펼치고, 재킷 내부의 고온 증기 또는 열전도 오일을 이용하여 슬러지를 건조시킨다.

슬러지 건조 전후의 기본 분석 및 비교

160℃, 0.6Mpa의 과열 증기를 박막 건조기에 통과시켜 수분 함량이 약 80%인 탈수 슬러지를 30% 미만으로 건조시켰다. 건조 전후의 슬러지 시료를 여러 차례 채취하여 분석한 결과, 건조 후 슬러지의 휘발성 물질 함량이 감소했으며, 건조 원료의 휘발성 물질 함량은 4.53%~8.66% 감소한 것으로 나타났다. 동시에 슬러지의 회분 함량은 증가했고, 건조 원료의 고발열량은 0.335~1.15MJ/kg 감소했다. 이는 주로 열 건조 과정에서 슬러지 내 휘발성 유기 화합물과 일부 미세 슬러지 입자가 건조 수증기와 함께 건조 배기가스가 되어 후속 배기가스 처리 공정으로 유입되기 때문이다.

건조 전후 슬러지의 미세구조 비교

다음 그림은 건조 전후 슬러지의 미세구조를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 건조 전 슬러지 구조는 비교적 느슨하며, 다수의 세포외 고분자가 콜로이드 외부에 둘러싸여 모여 뚜렷한 응집 구조를 형성합니다. 이러한 방식으로 슬러지 내의 결합수, 간극수, 세포내수는 슬러지 응집체에 둘러싸여 있어 물리적, 화학적 작용에 의한 추가적인 탈수가 어렵습니다. 건조 후 슬러지와 비교했을 때, 건조 전 슬러지는 다공성이 높고 비표면적이 넓으며 압축성이 강하여 낮은 기계적 힘이나 열로도 쉽게 파괴됩니다. 슬러지 내 수분이 증발함에 따라 슬러지 응집체 구조는 점차 붕괴되어 오른쪽 그림과 같이 표면 구조가 조밀하고 공극이 점차 줄어드는 응집 구조를 형성합니다. 그러나 슬러지 공극률이 감소함에 따라 수분 증발 효율 또한 감소합니다.

건조 전후 슬러지의 성분 비교

이 그림은 슬러지 건조 전후의 적외선 분광 분석 결과를 보여줍니다. 건조된 슬러지의 대표적인 작용기는 주로 유리수소(H₂O), -OH, -CH₂, -CH₃, 방향족 고리, C=C, CO, 할로겐화 탄화수소 등입니다. 이는 슬러지 내 유기물 함량이 높으며, 단백질, 지질, 전분, 셀룰로오스 등의 유기물로 구성되어 있음을 나타냅니다. 연구에 따르면 슬러지 유기물의 단백질 함량은 60% 이상, 지질은 약 20%, 전분과 셀룰로오스는 약 15%를 차지하며, 이러한 유기물의 분해 과정에서 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S), 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 악취 가스가 생성됩니다.

EPS는 단백질, 다당류, 소량의 지질, 핵산 및 부식질로 구성된 고분자입니다. EPS 특성 화합물의 검출은 슬러지에 다량의 EPS가 존재함을 나타냅니다. 슬러지의 중요한 유기 성분인 EPS 함량은 슬러지 특성 작용기의 적외선 흡수 강도를 결정합니다. 건조 전후 슬러지의 적외선 스펙트럼을 비교하고 분석 과정에서 슬러지 내 불순물의 미세한 간섭을 배제하면, 건조 전 슬러지의 적외선 흡수 강도가 건조 후 슬러지보다 현저히 높은 것을 알 수 있습니다. 건조 전 슬러지와 비교했을 때, 건조 후 슬러지의 스펙트럼에서는 1654cm⁻¹ 및 1543cm⁻¹(C=C), 2924cm⁻¹(CH), 1076cm⁻¹(CO)에서의 어깨 피크가 작아졌는데, 이는 슬러지 건조 과정에서 단백질 유사 물질이 분해되었음을 나타냅니다. 이는 슬러지 건조 후 유기물 함량과 휘발성 물질 함량이 감소하는 이유를 설명해 줍니다.

건조 전후 슬러지의 수분 함량, 유기물 함량 및 발열량 비교

슬러지 내 유기물은 슬러지 발열량의 주요 공급원이며, 슬러지의 수분 함량 또한 발열량에 큰 영향을 미칩니다. 슬러지의 수분 함량이 높을수록 발열량이 낮아져 슬러지 소각에 불가피하게 영향을 미칩니다. 더욱이, 슬러지 건조 공정에서 시스템 에너지 소비는 주로 슬러지 내 수분을 증발시키는 데 사용됩니다.

건조 후 슬러지의 유기물 함량은 약간 감소했고, 이에 따라 건조 기준 고열량 값도 약간 감소했다. 슬러지 수분 함량과 열량 값의 상관관계, 그리고 슬러지 유기물 함량과 열량 값의 상관관계를 각각 연구하고, 선형 회귀 분석을 통해 변수 간의 상관계수를 구하여 상관 분석을 수행했다.

건조 슬러지의 수분 함량과 저열량 사이에는 음의 상관관계가 있으며, 수분 함량이 증가함에 따라 저열량은 감소합니다. 그러나 건조 슬러지 수분 함량과 저열량 사이의 상관계수는 0.882이고, 95% 신뢰 수준에서 F 검정의 P값은 0.061입니다. F 검정의 P값이 0.05보다 크므로, 건조 슬러지의 수분 함량은 저열량과 유의미한 선형 상관관계를 나타내지 않습니다.

원슬러지의 유기물 함량과 건조 기준 고열량가 사이의 상관계수는 0.997이었고, 95% 신뢰수준에서 F 검정의 P값은 0.0033이었다. F 검정의 P값이 0.05보다 작으므로, 원슬러지의 유기물 함량은 건조 기준 고열량가와 유의미한 상관관계를 가진다.

건조 슬러지의 유기물 함량은 건조 기질의 고열량과 양의 상관관계를 보였으며, 유기물 함량이 증가함에 따라 건조 기질의 고열량도 증가했다. 또한, 건조 슬러지의 유기물 함량과 건조 기질의 고열량 간의 상관계수는 0.973이었고, 95% 신뢰수준에서 F 검정의 p값은 0.014였다. F 검정의 p값이 0.05보다 작으므로, 건조 슬러지의 유기물 함량과 건조 기질의 고열량 사이에는 유의미한 상관관계가 있음을 알 수 있다.

위 분석에서 알 수 있듯이, 슬러지의 발열량은 수분 함량 및 유기물 함량과 밀접한 관련이 있으며, 슬러지의 유기물 함량과 건조 슬러지 기준 발열량 사이에는 유의미한 양의 상관관계가 있습니다. 이는 하수처리장에서 발생하는 슬러지의 조절 및 탈수 과정에 다량의 무기 첨가제를 사용할 경우, 탈수 효과는 크지만 슬러지 건조 공정의 부하를 증가시킬 뿐만 아니라 슬러지의 유기물 함량을 크게 감소시켜 후속 슬러지 건조 및 소각에 악영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.

결론

본 논문에서는 상하이 칭푸구의 탈수 슬러지를 원료로 사용하여 건조 전후의 탈수 슬러지 특성을 분석하였다.

(1) 건조가 진행됨에 따라 슬러지의 표면 구조가 점차 닫히고 간극이 점차 줄어들며 건조 효율이 점차 감소합니다.

(2) 슬러지 건조 과정에서 소량의 유기물 분해가 일어나므로 건조 후 슬러지의 유기물 및 휘발성 물질 함량이 약간 감소합니다.

(3) 슬러지의 낮은 열량은 수분 함량과 음의 상관관계를 가지지만 명확한 선형 관계는 없다. 슬러지의 높은 열량은 유기물 함량과 양의 선형 상관관계를 가진다. 따라서 슬러지의 열량을 확보하기 위해서는 슬러지의 수분 함량을 줄이고 슬러지 내 유기물 함량 손실을 줄여야 한다.