전기장과 초음파를 이용한 하수슬러지의 가용화 특성...

大韓環境工學會誌論文 - Original Paper 636~643. 2011

† Corresponding author E-mail: [email protected] Tel: 032-860-7561 Fax: 032-865-1425

전기장과 초음파를 이용한 하수슬러지의 가용화 특성 연구

Study on Characteristics of Solubilization for Sewage Sludge Using Electronic Field and Ultrasonification

서장원ㆍ한지선ㆍ안창민ㆍ민동희ㆍ유연선ㆍ윤순욱ㆍ이종규*ㆍ이종연**ㆍ김창균†

Jang-Won SeoㆍJi-Sun HanㆍChang-Min AhnㆍDong-Hee MinㆍYeon-Sun YooㆍSoon-Uk YoonㆍJong-Gyu Lee*ㆍJong-Yeon Lee**ㆍChang-Gyun Kim†

인하대학교 환경공학과․*포항산업과학연구원․**한국환경공단Environmental Engineering, Inha University, *Research Institute of Industrial Science & Technology,

**Korean Environment Corporation

(2010년 10월 14일 접수, 2011년 9월 28일 채택)

Abstract : Sludge solubilization using sonification has been increasingly used for sludge volume reduction along with enhancing digestion efficiency during anaerobic biogas production. In this study, either electric field or ultrasonification or in combination with were investigated using three types of sludge (return, excess and mixed at G sewage treatment facility) for the most efficient solubi-lization. As a the closed loop, 200 L of sludge was continuously passing through the solubilization system at an average flow rate of 0.7 m3/h, which is equivalent to 3.5 times treated per hour for up to 84 times (24 h). Only implying electric field showed no variation for sCOD/tCOD before and after treatment on sludge solubilization regardless of types of sludge. However, employing the ultrasonic or combined system could both increasingly solubilize sludge with regard to the number of passing-through, which more enhanced by the combined. In addition, VSS/TSS was lowered to in the range of 2 and 6% while its particle size, diameter (0.9) and diameter (0.5) were more minimized than that of raw sludge. For return sludge, ultrasonification was more efficiently facilitated for solubilization, whereas electric field-ultrasonification was more preferably applied for excess and mixed sludge. It is concluded that depending on types of sludge, solubilization system must be selectively applied for the most efficient break-up of them.Key Words : Sludge, Solubilization, Ultrasound, Electric Field, Combined Treatment

요약 : 초음파를 사용한 슬러지 가용화는 슬러지 부피 감소 및 혐기성 바이오가스 생산시의 소화효율 강화를 위해 그 이용이 증가하고 있다. 본 연구에서는 세 종류의 슬러지(G 하수처리장의 반송슬러지, 잉여슬러지와 혼합슬러지)를 대상으로 가장 효율적인 가용화를 위해 전기장단독처리와 초음파단독처리 및 전기장-초음파 복합처리를 연구하였다. 폐쇄된 회로로서, 평균 0.7 m3/h의 유량으로 200 L의 슬러지(이는 1시간당 3.5회 처리에 해당)를 24시간 동안 84회까지 연속적으로 가용화 공정을 통과시켰다. 전기장만 단독으로 적용하였을 때의 경우 슬러지 종류와 관계없이, 처리 전과 후에 어떤 sCOD/tCOD 변화도 발생하지 않았다. 그러나 초음파 단독 또는 복합된 공정을 이용한 경우 통과횟수에 따라 두 방법 모두 슬러지 가용화율이 증가하였고 복합된 경우 더 크게 증가하였다. 또한, 입자의 직경(0.9)과 직경(0.5)이 원 슬러지보다 감소하는 동시에 VSS/TSS는 2~6% 범위까지 감소하였다. 잉여슬러지와 혼합슬러지에는 전기장 및 초음파 복합처리가 더 적합했던 것에 비해 반송슬러지는 초음파 처리가 더 가용화를 효과적으로 촉진하였다. 가장 효율적인 슬러지 파괴를 위해서는 슬러지 종류에 따라 가용화 공정이 선택적으로 적용되어져야 할 것으로 판단할 수 있었다.주제어 : 슬러지, 가용화, 초음파, 전기장, 복합처리

1. 서 론

하수슬러지는 하수처리 과정에서 발생하는 부산물로서 2009 년 기준으로 전국에 가동 중인 공공하수처리시설에서는 연평

균 3,025천톤의 하수슬러지가 발생하고 있다. 발생된 하수슬러지는 해양투기(46.9%), 재이용(25.6%), 소각(11.2%), 육상매립(16.3%) 등으로 처리되고 있다.1) 그러나 ‘72런던협약 및 ‘96개정 의정서 등 국제적인 해양배출 규제에 따라 하수슬러지의 적정처리법을 찾는 것이 새로운 과제로 대두되고 있

다. 따라서 슬러지의 단순 감량화 기술 및 슬러지를 에너지원으로 이용하기 위한 혐기성 소화 전처리 기술에 대한 연

구의 필요성이 높아지고 있다.

슬러지는 바이오매스로써 활용이 가능하므로 에너지원으

로 이용될 수 있으며, 특히 혐기성 소화 공정에 의한 유기성 폐기물의 처리는 슬러지 감소 및 바이오가스의 생산 등 친

환경적인 측면에서 적절한 대안으로 주목 받고 있다. 그러나 슬러지 내 미생물 세포벽은 쉽게 파괴되지 않아 생분해율

이 낮고 소화 시 긴 체류시간이 필요한 문제점을 가지고 있

다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기계적인 물리적 파괴 처리, 열을 가해 세포 내 물질을 용출시키는 열처리, 산 등의 화학 물질을 첨가하는 화학적 처리, 동결ㆍ융해처리, 생물학적 처리, 초음파처리 등의 단일처리와 두 가지 이상의 전처리방법을 조합한 병합처리 등 슬러지의 가용화율을 향

상시키기 위한 전처리방법들이 개발되고 있다.2)

637大韓環境工學會誌論文전기장과 초음파를 이용한 하수슬러지의 가용화 특성 연구

대한환경공학회지 제33권 제9호 2011년 9월

Fig. 1. Schematic diagram of sludge pre-treatment device.

초음파를 이용한 슬러지 전처리는 슬러지를 파괴하는 효

과적인 방법으로 알려져 있으며 초음파로 슬러지를 파괴하

면, 슬러지는 공동화 현상에 의해 미세하게 분쇄되고 이 과정에서 표면에 흡착되어 있는 간극수까지 방출된다. 수중입자가 초음파에 의하여 분쇄되면 입자의 표면적은 증대되고

증대된 표면에 다시 입자가 결합되고 다시 분쇄되는 과정을

반복하며 입자는 더욱 미세하게 분쇄된다.3) 또한 공동화 현상 때 발생된 기포는 파괴될 때 고온․고압의 가스를 순간

적으로 방출하면서 열분해 및 강한 산화반응을 일으켜 각종

화학반응에서 반응율을 증대시킬 수 있는 것으로 알려져 있

다.4) 이와 같이 초음파에 의한 슬러지의 세포파괴를 통하여 용해성 유기물질이 고농도로 용출되면 혐기성 소화의 가수

분해단계 및 소화조 반응시간이 단축되는 동시에 소화효율

이 증가하여 유기물질의 분해도가 증가하게 된다. Onyeche 등7)은 41, 207, 360 및 1068 kHz의 다양한 주파수를 가진 초음파 발생기를 이용하여 활성슬러지를 파괴한 결과 41 kHz의 가장 낮은 주파수에서 가장 높은 슬러지 가용화 효율을 나

타내었다고 보고하였다. Lee and Park8)은 주파수 28 kHz, 출력 700 W인 초음파 장치로 잉여슬러지를 처리한 결과 조사시간 1, 5, 20 및 60분에서 sCOD 전환율이 각각 2.8, 7.1, 23 및 40% 증가하였다고 보고하였다.

전기장 처리는 고전압시스템에서 발생하는 전기장 에너지

를 활용하는 것으로 물의 표면장력을 감소시켜 미생물의 세

포막을 팽창․파괴하는 것이다. 전기장 형성과정에서 미생물 세포막 주위에는 자유전자에 의해 0.7~2.2 V의 입계전압이 발생되며 이로 인해 세포막에는 마이크로기공이 형성

(electroporation)되고, 형성된 기공 안으로 물 및 기타 이온성 물질이 유입되어 막의 팽창․파괴가 일어나게 된다.5) 고전압 펄스 전기장에 의한 미생물 사멸에는 전기장의 세기, 처리시간, 펄스의 형태, 온도 등 공정 변수 외에 미생물의 종류와 상태, 생육조건, 생육단계, 미생물 농도 등 미생물학적 요인, 시료의 pH, 전기전도도, 점도, 고형분의 존재, 시료내의 이온종류 및 강도 등 다양한 외부 변수에 의하여 영향

을 받게 되지만 가장 직접적인 영향 인자는 전기장의 세기와 처

리시간으로 알려져 있다.6)

본 연구에서는 하수슬러지에 대한 가용화 효율을 증가시

키기 위하여 3종류의 슬러지를 대상으로 전기장 및 초음파를 단독 또는 복합처리하여 슬러지 가용화특성을 비교 평가하

였으며 실험결과를 토대로 최적 하수슬러지 가용화 처리 조건

을 결정하고자 하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 인천광역시 소재 G 하수종말처리장의 1차 및 2차 침전조에서 발생하는 혼합슬러지, 반송슬러지라인의 반송슬러지 및 고도처리공정의 잉여슬러지 등 총 3종류의 슬러지를 대상으로 실험을 수행하였다. 즉, 하수종말처리장의 고도처리동에 설치된 전기장 및 초음파 장치를 단독 또는 복

합적으로 이용하여 슬러지를 24시간 동안 연속적으로 순환․파괴시키면서 매 시간마다 1 L씩 시료를 채취하여 분석에 이용하였다. 처리된 슬러지는 분석 전까지 4℃에서 냉장 보관하였다.

본 실험에 사용된 실험 장치는 Fig. 1과 같이 크게 슬러지 저장조, 전기장처리장치, 초음파처리장치 및 펌프로 구성하였다. 슬러지 저장조는 원통형의 폴리에틸렌 으로 총 용적은 200 L이다. 슬러지 저장조 상부에 모터를 설치하고 모터와 수직으로 연결된 교반날개를 저장조 내부에 설치하여 회

전시킴으로써 저장조 내부의 슬러지를 균일하게 혼합하였다. 전기장과 초음파 복합처리 시 슬러지 저장조에 200 L의 슬러지를 투입한 후 먼저 전기장으로 처리하고 뒤이어 연속적으

로 초음파 장치로 처리되도록 설계하였다. 그러나 단독처리 시에는 사용하지 않는 나머지 한 개의 장치의 전원은 차단

하고 실험을 수행하였다. 처리유량은 전기장 장치에 부착된 슬러지 공급펌프에 의해 결정되었으며 펌프를 최고 속도로 가

동할 경우 슬러지의 유량은 슬러지의 점도나 처리시간에 따

라 평균 0.7 m3/h (최소 0.45 m3/h ~ 최대 0.82 m3/h)로 유지되었다.

638 大韓環境工學會誌論文서장원ㆍ한지선ㆍ안창민ㆍ민동희ㆍ유연선ㆍ윤순욱ㆍ이종규ㆍ이종연ㆍ김창균

Journal of KSEE Vol.33, No.9 September, 2011

Fig. 2. Variations of sCOD on the number of passing-through during the ultrasonic, electric field and combined pretreatment for three types of sludge.

슬러지 200 L를 0.7 m3/h의 유속으로 처리할 때 저장조의 슬러지는 매 시간당 3.5회 전처리장비를 통과하는 것으로 계산되었다. 실험에 사용된 초음파 전처리 장치(독일의 Sonotro-nic Nagel GmbH)의 최대출력은 1 kW이며, 주파수는 20 kHz였다. 전기장 처리장치의 소요전력은 20 W이며, 제어장치에서 단상 교류전압 220 V를 직류전압 24 V, 전류 1.5 A로 변환시켜주고 변환된 직류전압은 파이프를 통과하며 증폭되

어 최대 40 kV, 0.75 mA로 출력된다.슬러지의 가용화율을 평가하기 위하여 전처리 전후의 슬러

지를 대상으로 COD 및 SS, VSS, SVI 측정은 Standard Me-thod 방법9)으로 분석하였으며 입도분포는 Malvern사의 Mas-tersizer 2000을 이용하여 측정하였다. 또한 슬러지 탈수 특성은 CST(Type 304M Capillary Suction Timer, Triton Electro-nics Ltd.)를 이용하여 측정하였다. 한편 tCOD 및 입도분포는 4시간 간격으로 시료를 채취하여 분석하였으며, sCOD, SS, VSS 및 SVI는 매시간 간격으로 채취된 시료를 대상으로 분석하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1. 전처리에 따른 슬러지 COD 특성 변화 평가

처리 전 슬러지의 tCOD농도는 잉여슬러지 9,600~10,300 mg/L, 반송슬러지 7,500~8,000 mg/L, 혼합슬러지 4,400~7,600 mg/L로 처리 후에도 그 농도는 거의 변화가 없었다. 슬러지의 처리 방법에 따른 3종류 슬러지에 대한 처리 횟수별 sCOD 변화를 Fig. 2에 나타내었다. sCOD는 혐기성소화에서 혐기성 미생물의 성장 및 에너지원으로 사용되는 중요한 지표로

서 슬러지 내의 sCOD 농도가 높을수록 미생물군의 수와 활동도가 증가되어 혐기성 소화가 더욱 촉진된다.

초음파 단독처리 또는 전기장-초음파 복합처리를 할 경우 그 처리 횟수가 증가함에 따라 두 가지 경우 모두 sCOD가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 84회 처리 기준(24 h)으로 초음파 단독 처리의 경우 sCOD는 각각 1,602%, 1,912% 및 480%로 증가하였다. 전기장-초음파 복합처리의 경우 각각 1,650%, 2,035% 및 594%로 증가하였다. 즉, 전기장-초음파 복합처리의 경우 sCOD 증가율은 초음파 단독처리의 경우 보다 각각 48%, 123% 및 114% 더 높은 것으로 나타났다. 따라서, 전기장-초음파 복합처리가 sCOD 증가 효율이 가장 높았다. 이는 전기장 단독처리만으로는 세포막을 완전하게 파괴시키지 못하였으나, 초음파와 연계 처리할 경우 전기장에 의해 물분자의 표면장력이 감소하여 슬러지 세포막의 변형 및

팽창을 유발시켜 그 구조가 파괴에 취약하게 된다. 그 후 후단의 초음파에 의한 약화된 세포막 구조의 파괴가 더욱 극

대화되어 sCOD가 크게 증가하는 것으로 판단되었다. 그러나 전기장 단독처리의 경우 sCOD 농도 변화는 미미하였다.

슬러지 파괴의 경우 tCOD중 sCOD가 차지하는 비율이 증가해 sCOD/tCOD 비율은 슬러지 가용화를 정량적으로 나타낼 수 있는 지표라고 할 수 있다. 본 실험에서는 Fig. 3과 같이 처리 전 원슬러지의 sCOD/tCOD는 잉여슬러지와 반송슬러지가 모두 0.01로 유사한 값을 나타내었으나, 혼합슬러지의 경우 이보다 높은 0.04~0.05의 값을 보였다.

그러나 84회(24 h)의 처리 기준으로 보면, 초음파 단독처리의 경우 sCOD/tCOD는 잉여슬러지 0.20, 반송슬러지 0.28, 혼합슬러지 0.23였으며, 전기장-초음파 복합처리의 경우 sCOD/ tCOD는 각각 0.21, 0.30 및 0.37로, 특히 혼합슬러지의 경우가 초음파 단독 처리의 경우보다 그 비율이 약 61% 더 증가하는 것으로 나타났다. 그 결과, 초음파 단독처리보다 전기장-초음파 복합처리의 경우가 슬러지로부터 용해성 유기물을 더 많이 용출시켰다. 이는 입자성 유기물질의 용해성



Fig. 3. Variations of sCOD/tCOD on the number of passing-through during the ultrasonic, electric field and combined pretreatment for three types of sludge.

Fig. 4. Variations of TSS on the number of passing-through during the ultrasonic, electric field and combined pretreatment for three types of sludge.

유기물질로의 전환이 더 크게 이루어지며 미생물 내 용해성

유기물질의 용출이 일어날 뿐만 아니라 불용성 유기물질에

서 미생물에 의해 분해되어 질 수 있는 BDICOD (Biodegrad-able Insoluble COD)가 더 효율적으로 용출되었기 때문에 sCOD/tCOD의 비율이 증가한 것으로 판단되었다. 윤등10)의 연구결과에서는 175 W/L의 음향밀도로 초음파 처리 후 가용화율이 0.51~0.63이 나왔으나, 본 연구에서는 가용화율인 0.2~0.37로 그 보다 낮게 측정되었다. 이는 본 연구에서 사용한 음향밀도가 5 W/L로 윤등10)의 경우에 비하면 그 음향밀도가 약 0.03배로 낮아 가용화율이 감소한 것으로 판단되었다.

3.2. 전처리에 따른 슬러지 TSS 및 VSS 특성 변화 평가슬러지의 처리 횟수에 따른 TSS 변화를 Fig. 4에 나타내

었다. 초음파 단독처리 및 전기장-초음파 복합처리의 경우 처리 횟수를 증가시킴에 따라 TSS가 감소하였다. 이와 같은 감소 원인은 초음파 처리의 영향으로 인하여 슬러지 입

자 중 일부가 그 크기가 1 μm 이하로 파괴되어 TSS 측정시 여재로 이용되는 GF/C 여지의 공극 크기 1 μm를 여과되지 않고 그대로 통과하여 SS 분석결과에 음의 오차를 유발하였기 때문으로 판단되었다. 그러나, 전기장 단독처리의 경우 TSS농도는 처리전후 별다른 변화가 없었다.



Fig. 5. Variations of VSS on the number of passing-through during the ultrasonic, electric field and combined pretreatment for three types of sludge.

Fig. 6. Variations of SVI on the number of passing-through during the ultrasonic, electric field and combined pretreatment for three types of sludge.

슬러지의 처리 횟수에 따른 VSS 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 초음파 단독처리 및 전기장-초음파 복합처리의 경우 처리 횟수를 증가시킴에 따라 VSS가 감소하였으나, 전기장 단독처리의 경우 처리전후 별다른 농도변화는 관찰되지 않았다.

VSS/TSS는 TSS 중 VSS의 함량을 나타내는 비로써, VSS는 일반적으로 유기성 입자의 농도를 대표한다. 따라서 VSS/ TSS값은 하수슬러지 중 유기물의 상대적 농도를 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 초음파 단독 처리의 경우 원슬러지의 VSS/TSS는 잉여슬러지 0.72, 반송슬러지 0.73, 혼합슬러지 0.69였으며, 84회(24 h) 처리 후 그 비율은 각각 1.4, 17.8 및 4.3% 감소하였다. 전기장-초음파 복합처리의 경우 원슬러지의 VSS/TSS는 각각 0.79, 0.70, 0.69였으며, 84회(24 h)

처리 후 각각 7.6, 4.3 및 7.2% 감소하였다. 잉여 및 혼합슬러지의 경우 전기장-초음파 복합처리가 초음파 단독처리에 비하여 그 감소폭은 각각 4.4 및 0.8배로 크게 증가하였다. 그러나 반송슬러지의 경우 오히려 약 3배 이상 감소하였다. Ha11)의 실험(20 kHz, 1 kW, 20분, 10 L)에서 초음파 처리실험 결과 VSS/TSS가 3% 감소되는 것과 달리 본 실험에서는 전반적으로 그 보다 높은 감소율을 나타내 처리시간에 따라

VSS 감소율이 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

3.3. 전처리에 따른 슬러지 SVI 특성 변화 평가 일반적으로 SVI (Sludge Volume Index)는 활성슬러지공정

에서 처리수와 슬러지의 분리를 나타내는 중요한 인자이다.



Fig. 7. Variations of size distribution on volume fraction(%) during electric field, ultrasonic and combined pretreatment for three types of sludge.

Fig. 8. Volume fraction of d(0.1), d(0.5) and d(0.9) on the number of passing-through during three different types of treatment for three types of sludge.

SVI는 50~150 범위에서 가장 최적으로 슬러지가 침전분리되며, 활성슬러지의 bulking 시에는 그 수치가 200~600 혹은 그 이상으로 증가하게 된다. Fig. 6과 같이 초음파 단독처리 및 전기장-초음파 복합처리의 경우 전처리 횟수를 증가시킴에 따라 SVI가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 초음파 처리 전 일정 입경 이상의 침전성 floc의 상태로 있던 대

부분의 슬러지가 파괴되어 미세한 입자가 증가하여 침강성

에 악화되었기 때문으로 판단되었다.

3.4. 전처리에 따른 슬러지 입도분포 특성 변화 평가

Fig. 7에 입도분포별 각 입도가 차지하는 부피비율(%)을 나타내었다. 전기장 단독처리 후 입도분포는 처리전과 비교



Fig. 9. Variations of CST on the number of passing-through during the ultrasonic, electric field and combined pretreatment for three types of sludge.

해서 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 초음파 단독처리 및 전기장-초음파 복합처리의 경우 처리 횟수가 증가함에 따라 입도 크기가 전반적으로 감소하는 것을 알

수 있었다. 따라서, 그래프의 기울기 및 분포도가 전체적으로 작은 입자 크기로 넓게 이동하였다.

Fig. 8은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 슬러지 처리에 따라 그 입경 분포도에 변화가 발생하게 된다. 이 때 각각 10, 50 및 90%에 해당하는 입경, 즉 d (0.1), d (0.5), 및 d (0.9)의 값을 슬러지 종류별로 처리 횟수에 따라 나타내었다. 초음파 단독처리 및 전기장-초음파 복합처리의 경우 슬러지의 종류에 관계없이 처리 횟수가 증가함에 따라 초기 운전 단계인 10~ 20회에서 빠르게 감소하는 것으로 나타났다. 이 가운데 반송슬러지의 경우 초음파 처리의 경우가 전기장-초음파 처리의 경우보다 더 빠르게 감소하였다. 나머지 두 종류의 슬러지의 경우 이와는 반대로 전기장-초음파 처리의 경우 더 빠르게 감소하였다. 이러한 결과는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 반송슬러지의 VSS/TSS비가 초음파 처리시 전기-초음파처리의 경우보다 더 높은 감소율을 나타낸 것과 상호관련이

있는 것으로 판단되었다. 즉, 반송슬러지의 경우 미생물 세포의 활성이 여전히 높아 전기장에 의한 세포벽 파괴 전처리

효과가 상대적으로 낮은 반면 오히려 초음파에 의한 파괴 효

과가 더 크게 작용하였기 때문으로 판단되었다. 그러나 잉여 및 혼합슬러지의 경우 일정시간 동안의 저류 효과에 의한 슬

러지 ageing현상이 발생하여 전기장에 의한 세포 파괴 전처리 효과가 상대적으로 높아 후단의 초음파와의 연계처리시

초음파 단독 처리의 경우보다 더 효율적인 슬러지의 파괴가

발생한 것으로 여겨졌다.

3.5. 전처리에 따른 슬러지 CST (Capillary Suction Time) 특성 변화 평가

탈수성 측정을 위하여 CST (Capillary Suction Time)를 Fig. 9와 같이 측정하였다. 실험결과 초음파 단독처리의 경우 원슬러지의 CST는 잉여슬러지가 32.6초, 반송슬러지가 64.3초, 혼합슬러지가 45.9초였다. 3.5회(1 h) 처리 후 CST는 각각 234.7, 210.9 및 146.1초로 급격하게 증가하여 슬러지 탈수 특성이 악화되었다. 한편 84회(24 h) 처리 후 CST는 각각 108.1, 84.6 및 144.9초로 3.5회(1 h) 처리 경우보다 CST는 감소하는 경향을 나타내어 탈수성이 향상되는 것을 보였다. 그러나 여전히 원슬러지의 경우보다 높은 CST값을 유지하였다. 초음파 적용 시 초기에는 CST가 급격히 증가하는데, 이는 슬러지의 세포막 파괴로 의해 내부 물질이 용출되어 슬

러지의 점도가 증가하고 그 결과 탈수성이 악화되었기 때문

으로 판단되었다. CST가 초기에 증가하다가 84회 처리 후 CST가 감소하는 것은 초음파의 에너지가 일정량 이상 슬러지에 흡수되고 나면 세포막이 모두 파괴되어 입자로부터 흡

착수 분리가 일어나기 때문인 것으로 판단되었다. 즉, 본 실험에서도 슬러지 처리 횟수가 증가함에 따라 10회 이하까지 CST가 급격히 상승하였다가 이후 감소하는 경향을 나타내어 슬러지로부터 흡착수의 분리가 발생했다는 것을 알 수 있

었다. Kim 등12)의 초음파를 이용한 슬러지 파괴 실험(20 kHz, 100~500 W, 0.5~2.5 hr, 200~300 mL)에서 본 실험과 마찬가지로 초기에는 CST가 증가하였으며 0.5 hr이 지난 후부터 CST가 감소하여 최대 750%까지 탈수성이 증가하였다고 보고하였다. 그러나 본 실험 조건에서는 슬러지 파괴 후 CST가 원수의 CST 보다 높아 초음파가 슬러지의 탈수성에 부정적인 영향을 주는 것으로 확인하였다. 따라서 슬러지 가용화 효과 이외에 탈수성을 개선하기 위해서는 전처리 통

과횟수를 더욱 증가시키거나 초음파의 공급에너지 밀도(본실험 5 W/L)를 높이는 것 이외에 폴리머 등의 보조응집제의 투여가 필요할 것이라 판단되었다. 전기장-초음파 복합



처리의 경우 원슬러지의 CST는 잉여슬러지가 37.9초, 반송슬러지가 88.1초, 혼합슬러지가 49.5초였다. 3.5회(1 h) 처리한 경우 각각 234.3, 283.1 및 171.7초로 급격하게 증가하였다. 84회(24 h) 처리 후 CST는 각각 128.6, 144.2 및 254.2초로 잉여 및 반송슬러지의 경우 감소하였으나 혼합슬러지의

경우 오히려 증가하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 3종류의 슬러지를 대상으로 3종류의 가용화 처리 조건을 기준으로 각각 가용화 특성을 평가하는 동

시에 탈수특성도 조사하였다. COD/tCOD비를 기준으로 전기장과 초음파를 복합 연계처리 할 경우 슬러지 종류에 관

계없이 두 개의 다른 처리 조건 보다 더 높은 가용화 효과

를 나타내었다. 특히 혼합슬러지의 경우 초음파 단독 처리 및 전기장-초음파 복합 처리의 경우가 그 가용화율 차이가 가장 높게 나타나 슬러지의 특성에 따라 처리 공정의 적용

성이 크게 영향을 받을 수 있음을 확인하였다.VSS/TSS의 경우 반송슬러지의 초음파 처리 후 그 비가 가

장 높게 감소하였다. 그와는 반대로 전기장-초음파 연계처리 시 잉여 및 혼합슬러지의 감소폭이 반송슬러지의 그 것

보다 더 높은 감소폭을 나타내었다. 입도분포의 경우 초음파 단독처리 및 전기장-초음파 복합처리의 경우 슬러지의 종류에 관계없이 처리 횟수가 증가함에 따라 초기 운전 단계

인 10~20회에서 빠르게 감소하는 것으로 나타났다. 이 가운데 반송슬러지의 경우 초음파 처리 시 전기장-초음파 처리의 경우보다 더 빠르게 감소하였다. 나머지 두 종류의 슬러지의 경우 이와는 반대로 전기장-초음파 처리의 경우 더 빠르게 감소하였다. 따라서 슬러지 특성별 VSS/TSS 및 입도분포 변화가 서로 연관이 있는 것으로 판단되었다.

CST 실험 결과 탈수효율을 증가시키기 위해서는 처리 횟수를 더욱 증가시키거나 초음파의 공급에너지 밀도(본실험 5 W/L)를 175 W/L까지 증가시키는 것 이외에 폴리머 등의 보조응집제의 투여가 필요한 것이라 판단되었다.

결과적으로, 초음파 단독처리는 반송슬러지의 가용화에 가장 효과적이고, 전기장-초음파 복합처리는 잉여슬러지와 혼합슬러지의 가용화 처리에 적합한 것으로 판단하였다. 따라서 가장 효율적인 가용화율을 얻기 위해서는, 처리하고자 하는 슬러지의 타입에 따라 선택적으로 슬러지 가용화 전처리

시스템을 도입해야 함을 판단할 수 있었다.

사 사

본 연구는 포항산업과학기술연구원(RIST)의 “전처리에 의한 바이오가스 생성효율 증대 및 바이오가스 중 메탄에 기

인한 메탄올 합성기술개발”과제 및 환경부의 “폐기물 에너지화 특성화대학원사업”의 지원으로 수행되었습니다.

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전기장과 초음파를 이용한 하수슬러지의 가용화 특성...

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