KR102488233B1

KR102488233B1 - 폐기물 슬럿지의 감량화 방법

Info

Publication number: KR102488233B1
Application number: KR1020200175511A
Authority: KR
Inventors: 김인식; 김화영
Original assignee: 김인식
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2040-12-15
Also published as: KR20220085443A

Abstract

본 발명은 폐수처리장에서 발생하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 폐수에 응집제와 활성오니를 첨가하여 생성된 응집침전물의 슬럿지를 원심분리한 함수상태의 응집침전물 슬럿지에 생석회(CaO)를 첨가하고 가열시켜 소석회화(Ca(OH)₂)반응을 일으켜 응집침전물의 슬럿지가 케이크로 탈수되는 제1단계와, 상기의 탈수된 슬럿지케이크를 가열 및 분쇄하여 입자화시키는 제2단계를 포함하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 슬럿지 생석회 반응으로 발생되는 메칠계와 설파계 악취를 기존의 워터 스크레퍼와 산-알카리 처리설비 또는 전기집진이나 보일러 연관을 통과하여 이들 기체를 포집 감소시켜 안전하게 처리할 수 있다.

Description

폐기물 슬럿지의 감량화 방법{Method for Reduction of Waste Sludge}

본 발명은 폐수처리장에서 발생하는 폐기물 슬럿지의 감량화 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 폐기물 슬럿지에 생석회(CaO)를 첨가하고 가열시켜 소석회화(Ca(OH)₂)반응을 일으켜 응집침전물의 슬럿지가 케이크로 탈수되는 제1단계와, 상기의 탈수된 슬럿지케이크를 가열 및 분쇄하여 입자화시키는 제2단계를 포함하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 관한 것이다. 상기의 제1단계 및 제2단계에서 생석회에 염화칼슘을 혼합하여 사용하면 효과적이다.

상기에서 폐기물의 여액은 폐수처리 기준에 맞추어 방류되고, 제1단계의 탈수된 슬럿지는 생석회의 발열반응에 의하여 수분이 증발되어 감량화가 일어나게 된다. 제2단계의 가열 및 분쇄는 슬럿지가 입자화되어 토양비료나 토양개량제로 사용될 수 있게 해준다.

폐기물 슬럿지는 원폐수에 무기계 알칼리성 및 산성 응집제를 첨가하여 화학적으로 처리하여 반응시킨 다음, 호기성 또는 혐기성 미생물로 생물학적으로 처리하여 반응시켜 원심분리하면 발생한다. 한편 여과액은 중금속과 생물학적산소요구량(BOD; Biological Oxygen Demand) 및 화학적산소요구량(COD; Chemical Oxygen Demand)를 폐수처리 기준치에 맞게 방류시키고 있다. 그러나 폐수물 슬럿지는 탄수화물, 단백질, 지방, 미네랄 또는 비타민이 함유된 식품 또는 식품첨가물의 발효적 제조시 여과액 부산물이 생성되거나, 이들 원부재료의 배합 또는 가공에 따라 여과액 부산물이 생성하게 된다. 여과물인 폐기물 슬럿지는 마땅한 처리방법이 없어서 폐기물처리업체에 위탁하여 1톤당 십수만원의 비용을 지불하고 환경보존법의 테두리내에서 소각장에서 불로 태우거나, 유휴지에 매립되고 있는 실정이다.

특히 육류소비가 증가하면서 국내 소, 돼지, 닭의 도축량은 꾸준히 증가추세에 있으며 특히 닭은 2003년 대비 약 50% 증가하였다. 특히 도계량 증가에 비례하여 도계 및 육가공 공정에서 발생하는 폐기물 또한 급격히 증가하고 있음. 2015년에는 약 140천톤에 다다를 것으로 예상된다. 현재 대부분 폐기물은 위탁처리하고 있으나 환경규제 강화와 에너지비용 증가로 인해 톤당 위탁처리 비용이 2015에는 60,000 원/톤 수준에서 2020년 120,000원으로 5년사이에 100% 증가되어 사육농가에 막대한 부담이 되고 있다.

음식물류, 가축류 및 육가공품 공정에서 발생하는 폐기물은 유기물 함량이 높으므로 대부분 자체적으로 1차 처리한 다음, 폐기물은 환경업체를 통하여 2차 처리하므로 비용부담이 되고 있다.

폐기물별 처리항목의 비교

구 분	음식물류 폐기물	가축분뇨 폐기물	도계 폐기물
TS(mg/L) 총고형물	190,000	46,300	49,690
VS(mg/L) 휘발성고형물	154,300	32,000	42,420
COD Cr(mg/L)	206,100	60,400	85,900
BOD5(mg/L)	138,300	34,500	60,120
TN(mg/L)	3,600	3,500	3,600
VS/TS(%)	81	69	85
BOD/COD(%)	67	57	70
유기물제거율(%)	80	68	83
메탄생산량(톤/폐기물)	84	13	25

폐기물의 발열반응시 발생하는 악취물질

악취물질(ppm)	황화수소(H₂S)	암모니아(NH₃)	메틸멜캅탄(CH₃SH)
악취물질(ppm)	100	불검출	6
악취물질(ppm)	아세트알데히드CH₃CHO	스틸렌모노머C₆H₅CH=CH₂	트리메틸아민 (CH₃)₃N
악취물질(ppm)	2	8	불검출

상기의 표로부터 폐기물별 환경오염인자(TS, VS, COD, BOD, TN)는 음식물폐기물이 제일 높고 그 다음은 도계 폐기물과 가축분뇨 폐기물 순으로 농도가 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 이들 폐기물을 효율적으로 처리하는 것이 산업체의 환경비용 부담을 경감할 수 있다. 이것은 곧 관련산업과 국가경쟁력에도 밀접한 관련이 있다.

유기성슬러지의 감량화 및 연료화를 위한 고화탄소 생산기술(2005.03 ∼2007.02, Pittsburg Coal Conference, Industrial & EngChem. Research) 고함수 바이오매스 가스화 전처리기술(2007.10 ∼ 2010.09, 폐기물학회지, 대한환경공학회지, UKC conference, ISWA conference) 축산분뇨로부터 고열량 고체연료 생산 및 바이오가스 생산 효율 증대기술 개발(2009.04 ∼2011.03, 월간환경21 폐기물학회지 대한환경공학회지) 음식물류폐기물 처리 및 우수시설 사례집 2004.9 환경부

본 발명은 음식물류, 가축류, 분뇨류의 폐기물에 응집제로 화학적 처리한 후, 활성오니로 생물학적으로 처리하면 발생되는 응집침전물의 슬럿지는 원심분리하더라도 수분함량이 80-90%로 높고 부피가 커서 운송 보관 및 폐기시키는데 어려움이 있다. 또한 날로 부족해지는 폐기물 매립지로 인하여 지방자치단체간의 다툼이 끊이지 않고 있으며, 소각하더라도 냄새로 인한 민원이 극심해 지고 있다. 따라서 음식물류, 가축부산물류, 가축분뇨류의 응집 침전물의 슬럿지를 처리하기 위한 대책 수립이 매우 시급한 실정이다.

폐수처리장에서 발생하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 폐수의 활성오니를 가압부상하여 농축된 슬럿지에 고분자응집제(CATION)를 첨가하고 원심 분리하여 슬러지를 만들어 환경업체에 위탁 처리한다. 그러나 그 슬럿지의 수분함량은 80% 이상이다.

본 감량화 발명은 그 생성된 슬럿지케익에 생석회(CaO)의 혼합비율을 1 : 0.1 - 0.5의 비율로 첨가하고 가열시켜 소석회화 반응( Ca(OH)₂)을 일으켜 응집 침전물의 슬럿지가 화학반응에 의하여 탈수가 되고 고온에 의해고분자응집제가 분해되는 제1단계와 탈수된 슬럿지케익을 가열 및 분쇄하여 입자화 시키는 제2단계를 포함하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 관한 것이다. 상기의 제1단계에서 생석회와 염화칼슘(CaCl₂)을 첨가하면 발열반응으로 인하여 침전물 슬럿지의 탈수화를 촉진시켜 슬럿지케익의 수분함량을 낮추는 효과가 있다. 또한 제2단계에서 슬럿지케익에 염화칼슘을 첨가하면 발열반응으로 인하여 입자화하는데 효과가 있다. 상기의 제2단계에서 염화칼슘과 생석회를 0.1-0.5 : 0.5-0.9 의 비율로 혼합하여 반응시키면 효과적이다.

본 발명은 폐수슬럿지의 수분함량이 50% 내지 90% 정도로 감량화 됨으로서 슬럿지 매립에 따른 비용절감은 물론 매립용 토지를 저감시키는 효과가 있다. 더욱이 입자화된 슬럿지는 유기물과 무기물을 함유하고 있으므로 상호보완되어 토양미생물의 생육을 좋게 한다. 더욱이 산성화되어 있는 토양에 미네랄을 주성분으로 하는 알칼리성 성분을 공급해 줄 수 있다. 또한 폐기물 슬럿지를 자원화함으로서 지속가능한 재활용 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 탈수된 슬럿지케이크를 가열 및 분쇄한 입자이다.
도 2는 폐기물 응집침전물의 슬럿지를 나타낸 것이다.

본 발명은 폐수처리장에서 발생하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 함수상태의 응집침전물 슬럿지에 생석회(CaO)를 첨가하고 가열시켜 소석회화(Ca(OH)₂)반응을 일으켜 응집침전물의 슬럿지가 케이크로 탈수되는 제1단계와, 상기의 탈수된 슬럿지케이크를 가열 및 분쇄하여 입자화시키는 제2단계를 포함하는 폐수슬럿지의 감량화 방법에 관한 것이다. 상기의 제1단계에서 생석회(CaO)와 염화칼슘(CaCl₂)을 첨가하면 발열반응으로 인하여 침전물 슬럿지의 탈수화를 촉진시켜 슬럿지케익의 수분함량을 낮추는 효과가 있다. 또한 제2단계에서 슬럿지케익에 염화칼슘을 첨가하면 발열반응으로 인하여 입자화하는데 효과가 있다.

<실시예 1> 도계 폐기물 처리

도계장에서 발생하는 폐수는 도계후 세척으로 인한 혈액, 닭털, 닭잔유물, 세척수 등으로 구성되어 있다. 이들 도계 폐기물에는 총고형물(TS(mg/L)이 49,690, 휘발성고형물(VS(mg/L)이 42,420, COD Cr(mg/L) 85,900, BOD5(mg/L 60,120, TN(mg/L) 3,600으로 비교적 높은 편이다.

폐수처리장에 투입된 도계폐기물은 알루민산소다와 폴리염화알루미늄으로 1차반응시킨 다음 양이온계 응집제로 응집시킨 후, 활성오니를 첨가하여 호기적으로 반응시켜 1차 응집침전물의 슬럿지를 분리한다. 상등액에 상기의 응집제로 2차반응시킨 다음 2차 응집침전물을 1차 응집침전물과 섞어 농축한 후, 원심분리하여 슬럿지케익을 얻는다.

상기의 슬럿지케익 1kg에 생석회 0.1-0.5kg을 1: 0.1-0.5의 비율로 혼합한 다음 10-30분간 교반한 후, 총중량과 함수율을 측정하였다. 그 결과는 다음의 표 3에 나타냈다.

슬럿지와 생석회의 혼합비율에 따른 슬럿지케익의 함수율(%)

구 분	실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
슬럿지/생석회	1:0.1	1:0.2	1:0.3	1:0.4	1:0.5
반응시간	10분	15분	20분	25분	30분
함수율(%)	55.5	52.6	48	43.8	40.5

상기의 결과로부터 슬럿지와 생석회의 혼합비율을 1 : 0.1 - 0.5의 비율로 섞었을 때 슬럿지케익의 함수율은 40.5-65.5%를 나타내는 것을 알 수 있었다. 따라서 원래의 슬럿지케익의 수분함량 81-82%에서 40.5-55.5%로 감소되어 슬럿지의 총중량을 50% 정도 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 감량화된 슬럿지케익을 폐기처리하면 저장운반을 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라 매립장소를 줄일 수 있으므로 경제적이다. 이와함께 도축장(소, 돼지, 염소 등)의 폐수처리 후 발생하는 슬럿지 경우도 비슷한 실정으로서 생석회로 처리하면 경제적 효과를 얻을 수 있다.

상기의 제1단계에서 도계폐기물에 생석회(CaO)와 염화칼슘(CaCl₂)을 5:5, 6:4, 7:3, 8:2, 9:1의 비율로 첨가하여 실험예 1 내지 5와 동일하게 반응시키고 분리하여 함수율을 측정한바, 슬럿지케익의 함수율이 35-50%로서 차이가 있다는 것을 확인하였다.

<실시예 2> 감량화된 슬럿지의 분말화

실시예 1에서 얻은 감량화된 슬럿지케익(수분함량 40.5-55.5%)에는 생석회(CaO)가 소석회(CaOH)2)화되어 분말화하기가 용이하다. 상기의 슬럿지케익의 슬러리를 가열기와 교반기가 구비된 장치를 이용하여 40-50℃에서 30-40rpm으로 강력하게 30-60분 동안 교반하였다. 수증기와 악취는 스크라버에 흡수시켜 수분함량 2-3%의 분말 또는 과립 형태의 무기질과 슬럿지가 혼합된 입자를 얻었다. 상기의 슬럿지 입자는 토양비료나 토양개량제로 사용할 수 있을 것이다. 슬럿지 생석회 반응으로 발생되는 메칠계와 설파계 악취를 기존의 워터 스크레퍼와 산-알카리 처리설비 또는 전기집진이나 보일러 연관을 통과하여 이들 기체를 포집 감소시켜 안전하게 처리할 수 있다.

상기의 실험예 1 내지 5와 같은 반응조건하에서 슬럿지케익을 분말화시킨 입자의 수분함량을 측정하여 다음의 표 4에 나타냈다.

감량화된 슬럿지 분말 입자의 수분함량(%)

구 분	실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
슬럿지케익 수분(%)	55.5	52.6	48	43.8	40.5
분말입자 수분(%)	3.5	3.1	2.8	2.5	2.1

상기의 표 2로부터 슬럿지케익에 생석회 함유율이 높을수록 수분함량이 낮다는 것을 알 수 있다. 상기의 제2단계에서 슬럿지케익에 생석회(CaO)와 염화칼슘(CaCl₂)을 5:5, 6:4, 7:3, 8:2, 9:1의 비율로 첨가하여 실험예 1 내지 5와 동일하게 반응시키고 분리하여 함수율을 측정한바, 슬럿 분말의 함수율이 1.5-3%로서 차이가 있다는 것을 확인하였다.

감량화된 슬럿지케익을 가열 분쇄하여 분말화시키면 수분함량이 2-3%로서 저장운반이 용이하고 매립장소를 줄일 수 있다. 또한 토양비료나 토양개량제로 이용할 수 있다.

<실시예 3> 가축 분뇨 폐기물 처리

가축분뇨에서 발생하는 폐기물의 총고형물(TS)은 46,300 mg/L, 휘발성 고형물(V/S)은 32,000 mg/L, COD Cr 60,400 mg/L, BOD5 34,500 mg/L, TN 3,500 mg/L 으로 비교적 높은 편이다.

한편 돼지 분뇨 슬러리는 총고형물 (TS) 가 약 8.50%, 휘발성고형물 (VS)/ 총고형물 (TS) 는 68.94%, BOD는 13,380 mg/L, COD는 15,721 mg/L, SS는 23.636 mg/L, TP는 1,198 mg/L, TKN은 9,800 mg/L 이다. 보통 양돈장에서 발생되는 냄새물질은 휘발성지방산(VFA: Volatile Fatty Acid), 페놀류, 인돌류, 질소화합물류로 구성되어 있다(Schaefer, 1977; Williams and Evans, 1981).

본 발명에서는 돼지농장에서 수집한 돈분을 분리하여 액체는 폐수처리하고 고체 돈분을 시료로 사용하기로 하였다. 수분함량 45∼50% 돈분 1kg에 대하여 생석회 0.1-0.5kg을 1: 0.1-0.5의 비율로 혼합한 다음 10-30분간 교반한 후, 총중량과 함수율을 측정하였다. 그 결과는 다음의 표 5에 나타냈다.

돈분과 생석회의 혼합비에 따른 돈분케익의 함수율(%)

구 분	실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
돈분/생석회	1:0.1	1:0.2	1:0.3	1:0.4	1:0.5
반응시간	10분	15분	20분	25분	30분
함수율(%)	25.5	26	26.5	27	27.5

상기의 결과로부터 돈분과 생석회의 혼합비율을 1 : 0.1 - 0.5의 비율로 섞었을 때 돈분케익의 함수율은 25.5∼27.5% 를 나타내었다. 따라서 돈분케익의 함수율이 45∼50%에서 생석회로 30분간 가열반응시킴으로써 25.5-27.5%로 감소되는 것을 알 수 있다.

상기의 수분함량 25-27%로 감량화된 돈분 슬럿지케익을 실시예 2와 동일하게 처리하여 수분함량 2-3%의 분말 또는 과립 형태의 무기질과 슬럿지가 혼합된 입자를 얻었다. 상기의 슬럿지 입자는 토양비료나 토양개량제로 사용할 수 있다.

<실시예 4> 음식물 폐기물 처리

음식물 폐기물에서 발생하는 총고형물(TS) 190,000 mg/L, 휘발성고형물(VS) 154,300 mg/L, COD Cr 206,100 mg/L,, BOD5 138,300(mg/L), TN 3,600 mg/L으로 폐기물 중에서 가장 높은 편이다. 음식물폐기물은 가정 69%, 음식점 19%, 집단급식소 5%, 농수산시장 4%, 대규모점포 2%, 관광숙박시설 1% 순으로 전체 88%가 가정과 음식점에서 발생한다. 음식물폐기물은 배출원에 따라 그 조성과 함량이 다르지만 비교적 단백질 함량이 높아 사료로서 이용가치가 있으나 수분함량이 높아 병원성 미생물의 증식 위험이 있으므로 습식사료화는 선별, 파쇄, 가열, 발효/저장, 선별, 제품생산하고 건식사료화는 선별, 파쇄, 가열/건조, 선별, 제품생산한다.

상기에서 음식물폐기물의 처리과정에서 선별, 파쇄를 거친 것을 대상으로 하여 고체와 액체를 분리한 다음 얻은 음식물폐기물을 시료로 사용하였다.

수분함량 45∼50% 음식물폐기물 1kg에 대하여 생석회 0.1-0.5kg을 1: 0.1-0.5의 비율로 혼합한 다음 10-30분간 교반한 후, 총중량과 함수율을 측정하였다. 그 결과는 다음의 표 6에 나타냈다.

음식물폐기물과 생석회의 혼합비율에 따른 음식물케익의 함수율(%)

구 분	실험예 1	실험예 2	실험예 3	실험예 4	실험예 5
슬럿지/생석회	1:0.1	1:0.2	1:0.3	1:0.4	1:0.5
반응시간	10분	15분	20분	25분	30분
함수율(%)	25.5	26	26.5	27	27.5

상기의 결과로부터 음식물케익과 생석회의 혼합비율을 1 : 0.1 - 0.5의 비율로 섞었을 때 음식물케익의 함수율은 25.5∼27.5% 를 나타내었다. 따라서 음식물케익의 함수율이 45∼50%에서 생석회로 30분간 가열반응시킴으로써 25.5-27.5%로 감소되는 것을 알 수 있다.

상기의 수분함량 25-27%로 감량화된 음식물 슬럿지케익을 실시예 2와 동일하게 처리하여 수분함량 2-3%의 분말 또는 과립 형태의 무기질과 슬럿지가 혼합된 입자를 얻었다. 상기의 슬럿지 입자는 토양비료나 토양개량제로 사용할 수 있다.

본 발명은 폐수슬럿지의 수분함량을 50% 내지 90% 정도로 감량화 시킴으로서 슬럿지 매립에 따른 비용절감은 물론 매립용 토지를 저감시키는 효과가 있다. 더욱이 입자화된 스럿지는 유기물과 무기물을 함유하고 있으므로 토양의 수분활성과 호흡에 길항작용을 하여 토양미생물의 생육을 좋게 한다. 또한 폐기물 슬럿지를 자원화함으로서 지속가능한 재활용시스템을 제공할 수 있다.

Claims

응집제와 활성오니로 폐수처리하여 얻은 폐기물 슬럿지에 생석회(CaO) 및 염화칼슘을 첨가하고 가열시켜, 소석회화 반응에 의해 폐기물 슬럿지가 탈수되어 슬럿지케이크를 얻되, 상기 폐기물 슬럿지에 생석회 및 염화칼슘을 1 : 0.4-0.45 : 0.05-0.1의 중량 비율로 첨가하여 반응시키는 제1단계, 및
상기의 탈수된 슬럿지케이크를 가열 및 분쇄하여 입자화시키는 제2단계를 포함하는 폐기물슬럿지의 감량화 방법.
제1항에 있어서, 상기 폐기물은 가축류, 분뇨류 또는 음식물류 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폐기물슬럿지의 감량화 방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 입자화는 탈수된 슬럿지케이크를 열기구와 교반기가 구비된 장치를 이용하여 40-50℃에서 30-40rpm으로 30-60분 동안 가열 및 분쇄하는 것을 특징으로 하는 폐기물슬럿지의 감량화 방법.
삭제