슬러지의 에너지 최적 처리방안

문서에서 하수처리장 에너지・자원화를 위한 잠재력 평가 및 활용기술 동향 (페이지 107-129)

앞에서 설명했던 바와 같이 슬러지의 혐기성소화는 슬러지의 감량화, 에너지화 후 안 정화 및 자원화의 목적을 달성하기 위한 슬러지처리공정의 핵심 과정이다. 슬러지를 최 적으로 처리하는 것은 다음과 같은 몇 가지 중요한 요소들을 요구한다.

A. 각 공정의 에너지 효율 개선 B. 기본적인 소화조 운전 성능 개선 C. 효율적인 슬러지 가용화 처리

D. 바이오가스 증산을 위한 유기성 폐기물 연계처리 E. 생산된 바이오가스의 효율적 활용

F. 소화슬러지의 연료화, 자원화 처리

G. 소화 탈리액, 탈수여액의 반송 시 인회수 H. 각종 관련제도 제정, 개선으로 최적 처리 촉진

각 공정의 에너지 효율 개선 :

각 공정의 소비 에너지 효율을 개선하는 것은 최적처리를 위한 에너지 절감에 가장

기초적인 단계이다. 전술한 ‘에너지 소비 절감 대책’에서 언급한 것처럼 각 공정의 최적 설계, 주요 에너지 소비 기기에 대한 효율성 제고, 통합제어를 통한 운전기법의 개선 등 의 방법을 통해 에너지 효율을 개선하도록 한다.

기본적인 소화조 운전 성능 개선 :

소화조의 운영은 슬러지 처리의 핵심적인 공정이므로, 소화효율 개선을 위해 가장 먼 저 여기서 언급하는 최소한의 개선은 반드시 이루어야 한다. ‘혐기성소화조의 설계’와

‘소화효율에 영향을 미치는 인자’를 참고하여 가능하면 소화조구성을 2단으로 하여 혐 기성소화와 고액분리가 별도의 조에서 진행되도록 하고, 에너지 효율이 높은 간접가온 방식으로 소화조를 가온하며, 소화조의 온도는 35±2 를 유지하면서 상·하부의 온도차 를 적고 충분한 혼합이 이루어지도록 적절한 교반을 실시한다. 조 내 pH를 7.0 7.5로 유지하고, 유입기질에 이분해성 유기물질 농도를 높이면서 C/N비를 적절히 조절할 수 있는 방법을 강구한다. 소화조 운전 성능 개선을 위해서는 예상치 못한 상황에서도 효과 적으로 대처할 수 있도록 소화조 운전을 위한 전문인력의 양성도 필요할 것이다.

<그림 3-15> 하수슬러지 최적처리의 개념도

효율적인 슬러지 가용화 처리 :

혐기성소화의 기질로 하수슬러지만을 이용하게 되면 쉽게 분해할 수 있는 유기질이 부족하여 반응이 충분히 일어나지 않게 되는데, 슬러지의 세포벽을 파괴하여 이분해성 유기질을 공급하도록 하여 소화효율을 높인다. 이 방법은 혐기성소화의 감량효과 및 바 이오가스 증산에 매우 효율적인 것으로 알려져 있으나, 가용화 자체를 위한 비용이 지나 치게 증가하지 않도록 하는 것이 필요하다.

바이오가스 증산을 위한 유기성 폐기물 연계처리 :

소화조에 유입되는 유기물농도를 높이는 방법으로 유기성 폐기물의 연계처리를 시도 할 수 있다. 이를 통해 바이오가스를 증산할 수 있다. 다만 하수슬러지만 소화시킬때보 다 소화슬러지의 양이 늘어날 수 있고, 소화조 탈리액에서 유기물농도와 질소, 인의 농 도가 증가하여 수처리계통에 부하가 커질 수 있다. 그러나 유기성 폐기물들을 별도로 처리하기 위해서 소화조를 비롯한 슬러지처리시설과 폐수처리시설을 별도로 운영하는 것과 비교하면, 기존에 운영하고 있던 하수처리시설을 활용하여 바이오가스를 증산하 고, 유기성 폐기물을 동시에 처리하는 것이 훨씬 경제적이고, 기술적으로 효율적이다.

단, 기존의 하수처리시설에 과부하를 주지 않도록 적절한 양을 연계처리하는 것이 중요 하다.

생산된 바이오가스의 효율적 활용 :

혐기성소화조에서 발생한 바이오가스는 과거에는 보일러 연료로만 사용하면서 보일 러에서 생산된 증기를 소화조에 주입시킴으로써 혼합효과와 가온효과를 주는 데 많이 활용되었고, 그 나머지는 소각시켜 폐기되었다. 하지만 이제는 바이오가스의 전처리와 고질화(개질화) 기술이 많이 발달하여, 고급의 에너지원으로서 열병합발전, 자동차 혹은 도시가스 연료로 공급, 연료전지 이용 등을 추진하고 있다. 기술개발과 함께 바이오가스 공급과 사용에 관한 제도적인 보완이 뒷받침될 필요가 있다.

소화슬러지의 연료화, 자원화 처리 :

소화된 슬러지는 가장 단순하면서 에너지가 적게 소비되는 방법으로 연료화시키는 것이 가장 바람직할 것으로 생각된다. 퇴비화, 고화 등의 자원화는 그 소비처를 확보할 수 있을 때에만 추진하는 것이 좋을 것으로 생각된다. 재활용품으로 만들어 놓고도 소비 되지 않으면 재활용품이 다시 처리해야 할 폐기물이 되기 때문이다. 연료로서의 품질이

그리 높지는 않더라도 스스로 연소할 수 있는 발열량 기준 이상만 되도록 만들면, 기존 에 운영되는 화력발전소에서 기존의 연료와 함께 혼소시키는 것이 가장 합리적일 것이 다. 소각처리를 위한 소각장을 새로 건설하는 것이 매우 어려운 것도 기존 화력발전소에 서 혼소시키고자 하는 이유 중의 하나이다. 슬러지 연료가 소량 투입되는 것은 기존 화 력발전소의 연소가스 배출이나 연소잔재 발생 증가에 큰 영향을 미치지 않는다. 단, 기 존 연료보다 낮은 발열량으로 발전소 운전에 문제가 되지 않도록 혼소에 대한 기준을 마련하는 것이 중요하다. 소화슬러지의 연료화, 자원화를 통해서 단순 매립을 최소화하 도록 한다.

소화 탈리액, 탈수여액의 반송 시 인회수 :

하수처리 방류수의 수질기준이 강화되었기 때문에 인을 제거하기 위해 응집 등의 방 법을 이용하면 수질기준은 달성할 수 있으나 새로이 처리해야 할 슬러지가 발생한다.

이러한 방법보다는 비교적 운전이 복잡하고 초기설치비가 소요되지만, 세계적으로 인자 원이 고갈되고 있는 상황속에서, 고농도의 인이 함유되어 있는 소화 탈리액과 탈수여액 은 인을 자원으로 회수하기에 아주 적합하다. 인은 비료로서의 가치가 입증되어 외국에 서는 상용화 기술로 활용되고 있다.

각종 관련제도 제정, 개선으로 최적 처리 촉진 :

연료화 및 자원화과정을 통해서 생산되는 재활용제품들의 소비를 촉진하기 위해서는 재활용품의 품질향상이 필수적이지만, 재활용품 소비를 막는 법적 제한이 있는 경우 충 분한 검토 후 법적조치를 개선하여 재활용품 소비를 촉진할 수 있도록 해야 한다. 바이 오가스의 도시가스 공급 기준, 슬러지연료의 화력발전소 혼소 기준, 열병합발전의 전력 구매 기준 등이 마련되고, 하수처리수준을 벗어난 다른 기관과의 협력이 원활히 이루어 질 수 있도록 각종 장려정책이 마련되어야 할 것이다.

다음 절에는 슬러지를 최적으로 처리하기 위한 요소들 중에서 슬러지 전처리로서의 가용화처리, 유기성 폐기물 연계처리에 대해서 살펴보기로 한다.

2) 슬러지 전처리 - 가용화

우리나라의 많은 하수처리장에는 혐기성소화조가 설치되어 있으나, 이들 혐기성소화 조의 소화효율이 낮은 관계로 메탄가스의 유효이용정도도 낮을 뿐만 아니라 감량화 효 과 및 에너지 회수가 충분히 이루어지지 않고 있다. 따라서 잠재적인 재생에너지원인 슬러지로부터 바이오가스 형태의 에너지를 효율적으로 회수하기 위해서는 소화조 효율 을 개선시킬 수 있는 여러 가지 방안이 필요하다. 그 유력한 방법들 중의 하나는 소화조 투입 전단계에서 슬러지를 대상으로 전처리를 행하여 소화효율을 높이는 방법이다. 이 러한 슬러지 전처리 기술은 슬러지 내 미생물의 견고한 세포벽을 파괴하여 미생물의 생 분해성을 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 이들을 크게 분류하면 아래 표에 나타나 있 는 바와 같이 볼밀처리, 초음파처리 등의 기계적 방법, 알칼리나 오존 등을 사용하는 화 학적 방법, 높은 온도와 그에 수반하는 고온을 이용하는 열적 방법, 효소나 미생물제재 를 사용하는 생물학적 방법 등으로 구분할 수 있으며, 이들 중 두 가지 이상을 결합하여 전처리 효과를 극대화할 수도 있다.

처리 기술 처리 방법

생물화학적 처리방법 고온 호기성 소화를 이용한 방법 소화균을 이용하는 방법

화학적 처리방법

오존을 이용한 처리방법 전기분해를 이용한 처리방법 알칼리 약품처리법

펜톤 처리법

물리적 처리방법

캐비테이션 파쇄법(초음파, 수리동력학) 초임계수를 이용한 방법

볼밀(Ball mill) 파쇄법

복합 처리방법 알칼리 처리 + 기계적 파쇄 감압파쇄 + 가열 + 초음파

<표 3-20> 슬러지 전처리 가용화 기술의 분류

(1) 고온 호기성 소화를 이용한 가용화

이 기술은 고온 호기성 세균에서 나오는 내열성 효소를 이용하여 오니를 가용화시키 고, 가용화된 오니를 생물반응조에 반송시켜 가용화된 오니가 최종적으로 CO2 등으로

산화 분해되어 오니 발생을 저감화시키는 기술이다. 이러한 가용화는 분비되는 효소의 종류 및 온도 등에 따라 그 정도는 달라지는 것으로 보고되고 있다.

슬러지의 가용화 속도를 높이기 위해 가동초기에는 고온 호기성 세균 반응조 내에 자 연계에서 분리된 Bacillus Stearothermophilus를 식종하나, 이 기술의 근본원리는 슬러지 가용화조의 운전조건에서 자연발생적으로 증식하는 고온 호기성 세균이 가지는 슬러지

슬러지의 가용화 속도를 높이기 위해 가동초기에는 고온 호기성 세균 반응조 내에 자 연계에서 분리된 Bacillus Stearothermophilus를 식종하나, 이 기술의 근본원리는 슬러지 가용화조의 운전조건에서 자연발생적으로 증식하는 고온 호기성 세균이 가지는 슬러지

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