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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.30 No.3 pp.245-255
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2021.30.3.245

Effect on Drying Efficiency of the Sewage Sludge (Digested, non digested) according to Polymer dose Ratio

Seung-Won Lee*
Department of Environmental Engineering, Dong-Eui University, Busan 47340, Korea
*Corresponding author: Seung-Won Lee, Department of Environ -mental Engineering, Dong-Eui University, Busan 47340, Korea Phone: +82-51-890-1870 E-mail: 12967@deu.ac.kr
04/01/2021 05/02/2021 08/02/2021

Abstract


In this study, we evaluated the effect of the type of sewage sludge (digested, non digested) on drying efficiency according to the polymer injection rate. The drying characteristics were shown using a near-infrared ray (NIR) and a microwave. As a result of the drying characteristics with NIR at a polymer dose ratio of 8%, the heating up period is up to 6 minutes after the start of the drying experiment. Afterwards, the constant rate drying period of the digested sludge (A, C and G sites) was 6 minute → 18 minute, showing a rapid decrease in moisture. On the other hand, non digested sludge (B, D, E, F, H, I, J and K sites) showed gradual drying characteristics compared to digested sludge until complete drying (10%). As the polymer dose ratio of 10% and 12%, the heating up period for digested sludge is up to 6 minute after the start of the experiment. Afterwards, the constant rate drying period of the digested sludge was 6 minute → 20 minute, showing a rapid decrease in moisture. On the other hand, the heating up period of non digested sludge was up to 10 minute after the start of the experiment, and the constant rate drying period was 10 minute → 22 minute, which was shorter than digested sludge. As a result of the drying characteristics with microwave at a polymer dose ratio of 8%, 10% and 12%, the constant rate drying period the digested sludge was 4 minute → 20~22 minute, showing a rapid decrease in moisture. On the other hand, non digested sludge of the constant rate drying period was 4 minute → 22~30 minute, which was longer than digested sludge.



약품 주입비율에 따른 하수 슬러지 형태(소화·비소화)가 건조효율에 미치는 영향
- 근적외선 및 마이크로파를 중심으로 -

이 승원*
동의대학교 환경공학과

    1. 서 론

    슬러지는 정수나 폐수처리 시 발생되는 액체로부터 분리되어 침전된 찌꺼기를 말하며, 90% 이상의 많은 수 분을 함유하고 있다(Yoon, 2004). 하수 슬러지를 좁은 의미로는 1차 슬러지, 잉여 슬러지, 반송 슬러지, 비소화 슬러지 및 소화 등이라고 하고, 넓은 의미로는 폐수처리 공정에서 제거되는 성분들로는 침사, 스크린, 협잡물 및 Scum, 슬러지 등이 포함된다(Shin, 2005).

    슬러지의 성상은 2018년 기준 B시 연간 평균 함수율 78.3% 전후, 유기물 함량은 47.0% 전후를 보여 선진외 국에 비교하여 함수율이 높고, 유기물 함량이 낮은 결과 를 보여주고 있다. 함수율과 유기물함량은 비례하는 것 으로 나타났으며, 이러한 값을 보이는 것은 유기물 함량 이 높을수록 점성으로 되어 탈수효율이 낮아 수분함량이 높은 결과를 보여주고 있다(Yun et al., 2004)

    B시의 하수처리장에서 발생되는 슬러지는 2018년을 기준으로 연간 약 21.4만 ton 정도 발생하고 있으며 하수 슬러지의 처분은 소각이 7,344.5 ton/year(3.4%), 연료 화가 130,179.5 ton(60.7%), 퇴비화 421.8 ton/year (0.2%), 기타 재활용 14,236.7 ton/year(6.6%), 그 외 기 타의 방법으로 62,146.7 ton/year(29.0%) 등으로 대부 분이 재활용에 의해 처리되고 있으며(Ministry of Environment, 2019;Ministry of Environment, 2020), 또한 2012년 2월부터 하수 슬러지 해역배출이 금지됨에 따라 육상에서 처리하고 있으며, B시의 경우 S화력발전 소 보조연료로 대부분 사용하고 있다. 하수 슬러지 재활 용 중 연료화의 경우 건조과정이 필수적이며, 본 연구자 는 약품 주입비율에 따라 하수 슬러지 점성도 변화(Lee et al., 2016) 및 열풍건조에 따른 건조특성에 관한 연구 (Yun and Lee, 2017) 등을 실시하여 건조효율에 약품사 용량 및 비율이 미치는 영향을 검증하였다. 그러나 약품 주입비율에 따른 하수 슬러지의 배출(소화‧비소화 슬러 지)형태에 따라 건조방법에 미치는 건조효율 특성의 연 구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 근적외선, 마이크로파 건조 시 계절별 약품 주입비율의 변화와 하 수 슬러지 형태(소화‧비소화 슬러지)가 건조효율에 미치 는 특성을 파악하였다.

    2. 연구방법

    2.1. B시 하수처리장 현황 및 실험조건

    2.1.1. B시 하수처리장 현황

    본 연구에 사용된 B시 소재 11개 Site의 처리공법에 따른 현황을 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 혐기 성 소화조의 유·무에 따라서 소화 슬러지(A, C 및 G site)와 비소화 슬러지(B, D, E, F, H, I, J 및 K site)로 구분하였다. 이 중 F site는 벨트프레스 방식의 탈수기, G site는 원심분리 및 벨트프레스 방식, 그 외 sites는 원심 분리 탈수기를 각각 사용 중인 것으로 확인되었다(Busan metropolitan city, 2019).

    2.1.2. 실험조건

    B시 소재 11개 site의 처리공법별 응집처리공정에서 의 약품 주입비율을 Table 2에 나타내었다. 각 site의 현 재 운영하고 있는 비율(10%)을 기준으로 ± 2%(8% 및 12%)를 적용하여 근적외선 및 마이크로파를 이용한 건 조특성 실험을 실시하였다.

    2.2. 분석원리 및 분석장치

    2.2.1. 근적외선의 건조원리

    사용된 근적외선은 적외선 중 가시광선에 가장 근접 한 파장 범위를 말하며 파장범위는 0.8~1.4 ㎛이며 인체 에 온열효과를 느끼게 하는 파장 영역이다(Mujumdar, 1987). 사용된 근적외선의 건조 조건은 Fig. 1로 표현하 였으며, 근적외선의 건조는 기존의 열 대류방식이 아닌 직접 투과하는 빛 에너지에 의해 열이 전달되어 모재에 서 반사되며 표면부의 안에서부터 건조가 되는 방식이다. 특히 근적외선 파장에 Solvent, OH, H2O 등이 직접 공 진하며, 즉시 배출되어 수초 이내에 모든 건조가 이루어 지고, 모재가 열을 받는 시간이 워낙 짧아 열에 민감한 것 에도 사용이 가능하여 여러 프로세스에서 적용 가능하다.

    2.2.2. 마이크로파 원리

    본 연구에서 사용한 마이크로파 건조기는 전자 에너지 의 일종으로 파장이 cm unit로 측정되는 전자파의 총칭으 로, 전파법상으로는 300 MHz에서 300 GHz 사이를 마 이크로파로 규정하고 있다(Park et al., 2005). 마이크로 파에 의한 가열원리는 쌍극자 회전(dipole rotation)과 이 온전도(ionic conduction)에 의한 유전가열(dielectric heating) 방식이다. 쌍극자를 가진 유전체물질에 흡수되 어 마이크로파 주파수에 의해 매질간의 상호작용으로 마 찰에 의해 열에너지로 변환되어 순간적으로 가열되는 내 부가열방식이다(Garcia Reimbert, 1996). 마이크로파의 효율은 물질과 에너지 전달, 물질의 특성, 온도, 밀도 등에 결정되며 가열되는 물질의 특성을 부도체 절연체 흡수체의 종류에 따라 흡수, 투과, 반사가 결정된다. 또한 물질의 온도, 수분, 밀도, 분자에 따라 마이크로파의 처리 효율에 영향을 준다(Metaxas, 1983).

    Fig. 2에 나타난 바와 같이 물질이 마이크로파의 흡수 와 반사에 결정되기도 한다. 특히 수분은 마이크로파 적 용 시 중요한 인자이며 함수율이 높을수록 진동을 증가 시켜 건조속도가 빠르게 된다(Im et al., 2004).

    2.2.3. 분석장치

    ① 근적외선 장치

    연구에 사용된 근적외선 장치를 회분 식으로 사용하 였으며, Fig. 3에서 보는 바와 같이 가로 0.255 m × 세로 0.34 m × 높이 0.255 m 의 철재 건조기에 높이 0.155 m의 근적외선 램프(Hanahalogen, NIR SK15, 350 mm, 1 kW, 230 V)를 설치하고, 한쪽 벽면에서 시료를 투입할 수 있는 투입구를 만들었다.

    시료는 용기에 담아 건조기의 중앙부에 투입하여 건 조실험을 하였고, 용기는 가로 0.1 m × 세로 0.1 m × 높 이 0.02 m의 알루미늄 호일 용기를 사용하였다.

    ② 마이크로파 장치

    연구에서 사용된 마이크로파 장치를 회분 식으로 사 용하였으며, Fig. 4에서 보는 바와 같이 가로 0.295 m × 세로 0.303 m × 높이 0.219 m 의 마이크로파(정격 전압 220 V, 60 Hz, 정격소비전력 1120 W, 고주파출력 700 W, ISM공칭주파수 2,450 MHz)로 건조장치 내부의 용 기는 유리용기를 사용하였다.

    3. 연구결과

    3.1. 근적외선 장치의 건조특성 평가

    3.1.1. 약품 주입비율 8%에서의 소화 · 비소화 슬러 지 비교

    본 연구에 사용된 B시 소재 Site 중 소화조가 있는 A, C 및 G Site와 그 외 Site를 구분하여 약품 주입비율 8% 에서 근적외선 장치를 이용하여 건조특성 평가를 비교하 여 실시하였으며, 이를 Fig. 5에 나타내었다.

    약품 주입비율 8%에서 근적외선으로 건조한 결과 소 화‧비소화 슬러지가 대부분 재료예열기간은 건조실험 시 작 후 6분까지로 이때 각 하수 슬러지의 온도를 상승시켜 재료에 포함된 수분이 증발 될 수 있는 온도까지 가열하 는 시간으로 전체적으로 유사한 경향을 나타내었다. 이 후 소화 슬러지(A, C 및 G Site)는 6분→18분의 항률건 조기간에서 수분함량이 급속히 감소는 경향을 나타낸 반 면, 비소화 슬러지(B, D, E, F, H, I, J 및 K site)는 항률 건조기간에서 완만한 형태의 건조효율을 나타내었다.

    문헌연구에 의하면 유기물 함량이 높을수록 점성으로 되어 탈수효율이 낮아 수분함량이 높고 이에 따라 건조 효율 역시 낮아지는 경향이 있는 것으로 보고되고 있다 (Yun et al., 2004).

    이는 같은 약품 주입비율 일지라도 소화 슬러지에 비 해 비소화 슬러지의 유기물 함량 비율이 높으며, 이에 따 라 수분함량 및 건조효율이 낮아지는 것으로 판단된다.

    3.1.2. 약품 주입비율 10% 및 12% 에서의 소화 · 비 소화 슬러지 비교

    B시 소재 Site 중 소화조가 있는 A, C 및 G Site와 그 외 Site를 구분하여 약품 주입비율 10% 및 12%에서 근 적외선 장치를 이용하여 건조특성 평가를 비교하여 실시 하였으며, 이를 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다.

    약품 주입비율 10% 및 12%에서 근적외선으로 건조 한 결과 소화 슬러지의 경우 대부분 재료예열기간은 각 하수 슬러지의 온도를 상승시켜 재료에 포함된 수분이 증발 될 수 있는 온도까지 가열하는 시간으로 건조실험 시작 후 6분의 시간을 나타내었다. 반면 비소화 슬러지는 건조 시작 후 10분까지 재료예열기간이 형성되는 것으로 판단되어 소화 슬러지와 다소 차이가 있었다. 이후 소화 슬러지(A, C 및 G Site)는 6분 → 20분의 항률건조기간 에서 수분함량이 급속히 감소는 경향을 나타낸 반면, 비 소화 슬러지(B, D, E, F, H, I, J 및 K Site)는 10분~22분 에서 항률건조기간이 생성되어, 비소화 슬러지의 항률건 조기간이 소화 슬러지에 비해 다소 짧은 시간을 유지하 는 것으로 검토되었다. 특히 약품 주입비율 8%에 비해 약품 주입비율이 높을수록 소화‧비소화 슬러지의 항률건 조기간에서의 시간적 차이는 뚜렷하게 나타났다.

    이는 소화‧비소화 슬러지의 유기물 함량의 차이와 고 비율의 응집제에 의한 영향으로 판단된다.

    3.2. 마이크로파 장치의 건조특성 평가

    3.2.1. 약품 주입비율 8%, 10% 및 12%에서의 소 화 ‧ 비소화 슬러지 비교

    B시 소재 Site 중 혐기성소화조가 있는 A, C 및 G Site와 그 외 Site를 구분하여 약품 주입비율 8%, 10% 및 12%에서 마이크로파 장치를 이용하여 건조특성 평가 를 비교하여 실시하였으며, 이를 Fig. 8∼Fig. 10에 나타 내었다.

    약품 주입비율 8%, 10% 및 12%에서 마이크로파로 건조한 결과 소화 슬러지(A, C 및 G Site)는 4분 → 완전 건조(20분~22분)까지 항률건조기간으로 수분함량이 급 속히 감소는 경향을 나타내었으며, 역시 비소화 슬러지 (B, D, E, F, H, I, J 및 K Site)는 4분~완전건조(22 분~30분)까지 항률건조기간이 생성되어, 전체적으로 항 률건조기간이 지속적으로 이루어지는 것으로 검토되었 다. 특히 마이크로파의 경우 하수 슬러지의 함수율이 하 수 슬러지의 한계함수율에 도달하여 증발속도가 감소하 게 되는 감률건조기간이 매우 짧은 특징을 나타내었다.

    3.3. 건조장치별 건조효율 비교

    3.3.1. 소화 슬러지의 건조특성 비교

    본 연구에서는 소화 슬러지를 근적외선 건조 장치와 마이크로파 장치를 이용하여 건조특성 평가를 비교하여 실시하였으며, 이를 Fig. 11∼Fig. 13에 나타내었다.

    연구 결과 마이크로파가 근적외선에 비해 하수 슬러 지 건조효율이 높은 것으로 검토되었다. 특히 마이크로 파의 경우 재료예열기간은 건조실험 시작 후 4분의 시간 을 나타내었던 반면 항률건조기간이 4분 → 완전건조 시 까지로 근적외선 장치에 비해 긴 시간을 유지하는 특징 을 나타내었다. 근적외선 장치의 경우 재료예열단계와 항률건조기간이 뚜렷한 경향을 나타내어 이후 설비 운영 에 있어서 큰 장점이 있는 것으로 판단된다.

    3.3.2. 비소화 슬러지의 건조특성 비교

    본 연구에서는 비소화 슬러지를 근적외선 장치와 마 이크로파 장치를 이용하여 건조특성 평가를 비교하여 실 시하였으며, 이를 Fig. 14∼Fig. 16에 나타내었다.

    연구 결과 마이크로파가 근적외선에 비해 하수 슬러 지 건조효율이 높은 것으로 검토되었다. 특히 마이크로 파의 경우 재료예열기간은 건조실험 시작 후 2∼4분의 시간을 나타내었던 반면 항률건조기간이 2∼4분 → 완전 건조 시까지로 근적외선 장치에 비해 긴 시간을 유지하 는 특징을 나타내었다. 근적외선 장치의 경우 재료예열 기간과 항률건조기간이 뚜렷한 경향을 나타내어 이후 설 비 운영에 있어서 큰 장점이 있는 것으로 판단된다. 특히 근적외선 및 마이크로파 처리에서 비소화 슬러지가 소화 슬러지 대비 완전건조 도달시간이 22분 대비 24∼26분 으로 2∼4분 길어지는 특징을 보였으며, 이는 본 연구방 식인 회분 식 연구에서 나타난 결과이므로 연속식 설비 에서는 완전건조 도달시간이 달라질 수 있다고 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 약품 주입비율에 따른 하수 슬러지 형 태(소화‧비소화)가 건조효율에 미치는 영향을 연구하였 으며, 이를 근적외선 장치와 마이크로파 장치를 이용하 여 평가하였다.

    • (1) 약품 주입비율 8%에서 근적외선 장치의 건조특성 은 재료예열기간은 6분까지이며, 이후 소화 슬러지(A, C 및 G sites)는 항률건조기간이 6분 → 18분으로 완전건 조까지 수분이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 반 면 비소화 슬러지(B, D, E, F, H, I, J 및 K sites)는 완전 건조까지 소화 슬러지에 비해 완만한 건조특성을 보였다.

    • (2) 약품 주입비율 10% 및 12%에서의 소화 슬러지는 재료예열기간이 6분까지이며, 이후 항률건조기간이 6분 → 20분으로 수분이 급격히 감소하는 경향을 나타내었 다. 반면 비소화 슬러지는 재료예열기간이 10분까지이 며, 이후 항률건조기간 역시 10분 → 22분으로 소화 슬러 지에 비해 다소 짧은 시간을 유지하였다.

    • (3) 마이크로파 장치의 건조특성은 약품 주입비율 8%, 10% 및 12%에서 소화 슬러지(A, C 및 G sites)는 항률건조기간이 4분 → 20분~22분으로 수분이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 비소화 슬러지(B, D, E, F, H, I, J 및 K sites)는 4분 → 22분~30분으로 완전 건조까지 항률건조기간이 소화 슬러지에 비해 지속적으 로 이루어지는 것으로 나타났다.

    이후 약품 주입비율에 따른 하수 슬러지 형태(소화‧비 소화)가 근적외선과 마이크로파의 건조속도에 미치는 영 향과 이에 따른 경제성 평가를 실시할 예정이다.

    Figure

    JESI-30-3-245_F1.gif

    An infrared transmission phenomenon according to the wave length(Jang, 2004).

    JESI-30-3-245_F2.gif

    Radio and microwave spectral band(Laverghetta, 1996).

    JESI-30-3-245_F3.gif

    Schematic of batch near infrared ray dryer.

    JESI-30-3-245_F4.gif

    Schematic of batch microwave dryer.

    JESI-30-3-245_F5.gif

    Drying characteristics of near infrared ray at 8 % polymer dose ratio.

    JESI-30-3-245_F6.gif

    Drying characteristics of near infrared ray at 10 % polymer dose ratio.

    JESI-30-3-245_F7.gif

    Drying characteristics of near infrared ray at 12 % polymer dose ratio.

    JESI-30-3-245_F8.gif

    Drying characteristics of microwave at 8 % polymer dose ratio.

    JESI-30-3-245_F9.gif

    Drying characteristics of microwave at 10 % polymer dose ratio.

    JESI-30-3-245_F10.gif

    Drying characteristics of microwave at 12 % polymer dose ratio.

    JESI-30-3-245_F11.gif

    Comparing drying characteristics of near infrared and microwave at 8 % digested sludge.

    JESI-30-3-245_F12.gif

    Comparing drying characteristics of near infrared and microwave at 10 % digested sludge.

    JESI-30-3-245_F13.gif

    Comparing drying characteristics of near infrared and microwave at 12 % digested sludge.

    JESI-30-3-245_F14.gif

    Comparing drying characteristics of near infrared and microwave at 8 % non digested sludge.

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    Comparing drying characteristics of near infrared and microwave at 10 % non digested sludge.

    JESI-30-3-245_F16.gif

    Comparing drying characteristics of near infrared and microwave at 12 % non digested sludge.

    Table

    Processing method status by treatment sites(Busan metropolitan city, 2019)

    Polymer dose ratios by treatment sites

    Reference

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