碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文

碩

碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文

P P

PG G GA A A와 와 와 슬 슬 슬러 러 러지 지 지 可 可 可溶 溶 溶化 化 化를 를 를 利 利 利用 用 用한 한 한 下

下

下水 水 水高 高 高度 度 度處 處 處理 理에 理 에 에 關 關 關한 한 한 硏 硏 硏究 究 究

A A A S S St t tu u ud d dy y yo o of f fA A Ad dv d v va a an n nc c ce ed e d dW W Wa a as s st t te e ew w wa a at t te e er r rT T Tr r re e ea a at t tm m me e en n nt t tu u us s si i in n ng g g P P PG G GA A A( ( (P Po P o ol l ly y y- - -γγγγ- - -G Gl G l lu u ut t ta a am m mi i ic c cA A Ac c ci i id d d) )a ) a an n nd d dS S Sl l lu u ud d dg g ge e eS S So o ol l lu u ub b bi i il l li i iz z za a at t ti i io o on n n

國 國

國民 民 民大 大 大學 學 學校 校 校 大 大 大學 學 學院 院 院 건 건 건설 설 설시 시 시스 스템 스 템 템공 공 공학 학 학부 부 부

姜 姜

姜 聲 聲 聲 旭 旭 旭

2 2 20 0 00 0 07 7 7

P P

PG G GA A A와 와 와 슬 슬 슬러 러 러지 지 지 가 가 가용 용 용화 화 화를 를 를 이 이 이용 용 용한 한 한 하

하

하수 수 수고 고 고도 도 도처 처 처리 리에 리 에 에 관 관 관한 한 한 연 연 연구 구 구

A A A S S St t tu u ud d dy y yo o of f fA A Ad dv d v va a an n nc c ce ed e d dW W Wa a as s st t te e ew w wa a at t te e er r rT T Tr r re e ea a at t tm m me e en n nt t tu u us s si i in n ng g g P P PG G GA A A( ( (P Po P o ol l ly y y- - -γγγγ- - -G Gl G l lu u ut t ta a am m mi i ic c cA A Ac c ci i id d d) )a ) a an n nd d dS S Sl l lu u ud d dg g ge e eS S So o ol l lu u ub b bi i il l li i iz z za a at t ti i io o on n n

指 指

指導 導 導敎 敎 敎授 授 授 金 金 金 東 東 東 夏 夏 夏

이 이

이 論 論 論文 文 文을 을 을 碩 碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位 請 請求 請 求 求論 論 論文 文 文으 으로 으 로 로 提 提 提出 出 出함 함 함 2

2

20 0 00 0 07 7 7年 年 年 8 8 8月 月 月 日 日 日

國 國

國民 民 民大 大 大學 學 學校 校 校 大 大 大學 學 學院 院 院 건 건 건설 설 설시 시 시스 스템 스 템 템공 공 공학 학 학부 부 부

姜 姜

姜 聲 聲 聲 旭 旭 旭

2 2 20 0 00 0 07 7 7

姜 姜 姜 聲 聲 聲 旭 旭 旭 의 의 의

碩 碩 碩士 士 士學 學 學位 位 位 請 請 請求 求論 求 論 論文 文 文을 을 을 認 認 認准 准 准함 함 함

2 2

20 0 00 0 07 7 7年 年 年 8 8 8月 月 月 日 日 日

審 審 審査 査 査委 委 委員 員 員長 長 長 印 印 印 審 審 審 査 査 査 委 委 委 員 員 員 印 印 印 審 審 審 査 査 査 委 委 委 員 員 員 印 印 印

國 國

國民 民 民大 大 大學 學 學校 校 校 大 大 大學 學 學院 院 院

요 요 요 약 약 약 문 문 문

2008.1.1일부터 방류수 수질기준에 의거하여 T-N,T-P의 대폭적인 강화가 시행될 예정이며,2011년부터 해양배출에 따른 국제 규제에 맞추어 하수슬러지처 리가 시급한 실정이다.이에 따라 하수고도처리의 시설 및 공정개선과 발생되는 하수슬러지의 병합처리가 시급한 실정이다.

본 연구는 하수슬러지 가용화, PGA(Poly-γ-glutamic acid), 간헐포기 (Intermittentlyaerationbioreactor)를 조합한 병합하수고도처리에 대한 연구이다.

1,2차 및 음식물 쓰레기를 대상으로 Cavitation을 이용하여 슬러지를 가용화하였 다.가용화된 슬러지의 SCOD를 외부탄소원으로 간헐포기의 탈질에 적용하고, PGA주입을 통해 침전 성능을 향상시켰다.하수병합처리로 보다 안정적인 수질확 보를 위한 시스템개발에 연구목적이 있다.

슬러지 및 음식물 쓰레기를 이용한 슬러지 가용화 결과 상등액COD는 최소 130%에서 최대 650%의 증가율을 나타냈다.SCOD의 농도 역시 증가를 보였으 며,최소 30%에서 최대 410%의 증가율을 나타냈다.가용화된 슬러지의 SCOD 39.2mg/ℓ를 주입하여 간헐포기를 운전한 결과 BOD는 평균 94.5%의 제거율을 나타냈다.T-N은 제거율은 85.5%였고,인 제거율은 84.9%의 안정적인 제거율을 보였다.

침강향상을 위한 PGA주입 결과,SV10이 300ml/ℓ로 평균 1.6배 정도 증가되는 것으로 나타났다.SV10은 PGA의 주입량이 늘어날수록 침전성이 증가되는 분포 를 보이지만 2.0mg/ℓ이상에서는 더 이상 증가되지 않았다.연속운전에서 PGA 1.38mg/ℓ를 주입했을 때,1시간에서 93.1%,3.75mg/ℓ에서 95.3%의 SS제거율을 나타냈다.PGA주입 후 2시간경과 후 SS와 탁도의 제거율이 가장 높게 나타났 고,제거율은 95.1%,90.6%였다.

간헐폭기를 단독으로 운영할 때 보다,간헐폭기+슬러지가용화+PGA조합을 하 였을 때,처리수질 면에서 상당한 효과가 있음을 알 수 있었다.80%이상의 T-N 과 T-P의 안정적인 처리 효율과 PGA에 의한 침강성 향상,95%이상의 SS,탁도 제거 효율을 나타내었다.본 병합처리를 이용하여 고도처리 할 경우 매우 유용할 것으로 판단된다.

목

목 목 차 차 차

요

요 요 약 약 약 문 문 문

표

표 표 목 목 목 차 차 차

그

그 그 림 림 림 목 목 목 차 차 차

Ⅰ

Ⅰ Ⅰ 개 개 개 요 요 요

1.1 연구배경 및 목적 ···1

1.2 연구내용 및 범위 ···4

Ⅱ Ⅱ Ⅱ 문 문 문 헌 헌 헌 고 고 고 찰 찰 찰

2.1 하수슬러지의 가용화 ···6

2.1.1 하수슬러지의 특성 ···6

2.1.1.1 하수슬러지 발생 및 처리현황 ···7

2.1.2 하수슬러지 가용화 기술 ···12

2.1.2.1 외국의 기술현황 ···15

2.1.2.2 국내 기술현황 ···19

2.1.3 Cavitation을 이용한 하수슬러지 가용화 ···20

2.1.3.1 Cavitation원리 ···20

2.1.3.2 슬러지 가용화 시스템 ···24

2.2 간헐포기 시스템 ···27

2.3 PGA(Poly-γ-GlutamicAcid) ···31

2.3.1 PGA의 특성 ···32

2.3.2 PGA활용 ···34

Ⅲ Ⅲ Ⅲ 실 실 실 험 험 험 방 방 방 법 법 법

3.1 실험장치 개요 ···36

3.2 실험 방법 ···38

3.2.1 Cavitation실험 ···38

3.2.2 PGA주입 ···39

3.2.3 간헐포기 연속실험 ···40

3.3 대상 시료 및 수질분석방법 ···40

3.3.1 대상 시료 ···40

3.3.2 수질분석 ···42

Ⅳ Ⅳ Ⅳ 실 실 실 험 험 험 결 결 결 과 과 과

4.1 슬러지 가용화 ···43

4.1.1 하수슬러지 및 음식물쓰레기의 가용화 ···43

4.1.1.1 1차 슬러지 가용화 ···43

4.1.1.2 2차 슬러지 가용화 ···44

4.1.1.3 음식물 쓰레기가용화 ···47

4.1.1.4 가용화에 미치는 슬러지 농도의 효과 ···48

4.1.1.5 가용화에 미치는 온도의 효과 ···50

4.1.1.6 대상 시료별 가용화 비교 ···52

4.2 간헐폭기 시스템(IABR Process) ···58

4.2.1 공정제어 인자 ···58

4.2.2 폭기/비폭기 주기결정 ···60

4.2.3 간헐폭기 시스템 연속운전 ···64

4.2.3.1 슬러지 가용화를 이용한 외부탄소원 생성 ···64

4.2.3.2 간헐폭기 연속운전 결과 ···65

4.3 침전성능 향상을 위한 PGA주입 ···71

4.3.1 PGA batchtest···71

4.3.2 PGA주입에 따른 연속운전 ···74

4.4 슬러지가용화,PGA주입에 의한 고도처리 ···78

Ⅴ Ⅴ Ⅴ 결 결 결 론 론 론

참 참 참 고 고 고 문 문 문 헌 헌 헌

A A AB B BS S ST T TR R RA A AC C CT T T

감

감 감사 사 사의 의 의 글 글 글

표 표

표 목 목 목 차 차 차

<표 1-1> 방류수 수질기준 ···1

<표 1-2> 처리공법별 현황 ···2

<표 1-3> 항목별 방류수질 현황 ···2

<표 1-4> 하수 슬러지의 해양배출 처리규제에 대한 국제 동향 ···3

<표 1-5> 연도별 하수슬러지 발생현황 ···4

<표 2-1> 하수슬러지의 일반적인 특성 ···7

<표 2-2> 하수슬러지의 발생현황 ···8

<표 2-3> 시설규모별 하수슬러지 발생량 ···9

<표 2-4> ‘05년도 하수슬러지 처리현황 ···10

<표 2-5> 하수슬러지 재이용 현황 ···10

<표 2-6> 슬러지 감량화 기술의 분류 ···12

<표 2-7> 오존을 이용한 하수슬러지의 가용화 기술의 장․단점 ···13

<표 2-8> 국외 슬러지 감량화 연구현황 ···16

<표 2-9> 국내 슬러지 감량화 연구기술 현황 ···20

<표 2-10> PGA 생산균주의 특성 ···33

<표 3-1> 간헐폭기 시스템의 설계조건 ···37

<표 3-2> 슬러지 가용화 항목 및 실험방법 ···38

<표 3-3> 회분식 PGA 6000KDa적정주입 실험조건 ···39

<표 3-4> 간헐폭기 연속운전 구분 ···40

<표 3-5> 대상 시료의 성상 ···41

<표 3-6> 슬러지 가용화 전처리 및 운전조건 ···41

<표 3-7> 희석 후의 슬러지 및 음식물 쓰레기의 특성 ···42

<표 3-8> 분석항목 및 방법 ···42

<표 4-1> 슬러지 및 음식물 쓰레기의 가용화 후 SS농도 변화 ···53

<표 4-2> 슬러지 및 음식물 쓰레기의 가용화 후 상등액COD와 SCOD 농도변화 55 <표 4-3> IABR+슬러지가용화+PGA 조합처리 시 처리수질 예측결과 ···79

그 그 그 림 림 림 목 목 목 차 차 차

<그림 2-1> 일반적인 하수처리공정 ···8

<그림 2-2> 하수슬러지의 일반적인 처리현황 ···9

<그림 2-3> Ultra-sonicchemicalreactionofthridkindssphere ···14

<그림 2-4> Cavitation발생 시 물성변화 ···21

<그림 2-5> Cavity의 생성과 파괴과정 ···22

<그림 2-6> Cavitation-jet장치내의 흐름 시각화 ···22

<그림 2-7> 회분식 반응조에서 T-N,NOx-N,NH3-N의 변화 ···28

<그림 2-8> PGA의 흡습력과 보습력 ···31

<그림 2-9> Poly-γ-glutamicacid의 구조와 다양한 산업적 용도 ···32

<그림 3-1> PGA와 슬러지 가용화를 이용한 간헐포기 시스템 공정개요도 ····36

<그림 4-1> 1차슬러지 가용화 후의 SS,상등액COD,SCOD 변화 ···43

<그림 4-2> 2차슬러지 가용화 후의 SS,상등액COD,SCOD 변화 ···45

<그림 4-3> 2차슬러지 가용화 후의 사진 ···46

<그림 4-4> 음식물 쓰레기 가용화 후의 SS,상등액COD,SCOD 변화 ···47

<그림 4-5> 음식물쓰레기 가용화 후의 사진 ···50

<그림 4-6> 2차고농도 슬러지 가용화 후의 SS,상등액COD,SCOD 변화 ···49

<그림 4-7> 농도별 슬러지 가용화 변화 ···50

<그림 4-8> 2차 고온 슬러지 가용화 후의 SS,상등액COD,SCOD 변화 ···51

<그림 4-9> 2차 슬러지를 이용한 온도별 변화 ···52

<그림 4-10> 슬러지 및 음식물쓰레기의 SS농도 변화 ···53

<그림 4-11> 슬러지 및 음식물쓰레기의 SS감소율 ···54

<그림 4-12> 슬러지 및 음식물쓰레기 가용화 후의 변화 비율 ···55

<그림 4-13> 슬러지 및 음식물쓰레기 가용화 후의 상등액COD증가율 ···56

<그림 4-14> 슬러지 가용화 후의 상등액COD의 변화 ···56

<그림 4-15> 슬러지 및 음식물쓰레기 가용화 후의 SCOD 변화 ···57

<그림 4-16> 호기/무산소 조건에서의 DO 농도변화 ···58

<그림 4-17> 호기/무산소 조건에서의 ORP 농도변화 ···59

<그림 4-18> 호기/무산소 조건에서의 pH 농도변화 ···60

<그림 4-19> 폭기시간별 BOD,SS 농도변화 ···61

<그림 4-20> 폭기시간별 T-N,NH3,NO3농도변화 ···62

<그림 4-21> 폭기시간별 T-N,T-P 농도변화 ···62

<그림 4-22> 120min에서의 T-P의 농도변화 ···63

<그림 4-23> 탈질공정 주입에 필요한 슬러지 가용화 결과 ···64

<그림 4-24> 간헐폭기 공정의 pH 변화 ···65

<그림 4-25> 간헐폭기 공정의 연속운전 시 MLSS,SVI변화 ···66

<그림 4-26> 간헐폭기 공정의 연속운전 시 BOD농도 변화 ···67

<그림 4-27> 간헐폭기 공정의 연속운전 시 SS농도 변화 ···67

<그림 4-28> 각 반응단계별 질소화합물과 pH의 변화 ···68

<그림 4-29> 간헐폭기 공정의 연속운전 시 T-N농도 변화 ···68

<그림 4-30> 간헐폭기 공정의 연속운전 시 T-P농도 변화 ···69

<그림 4-31> PGA 6000KDa주입 후의 침강성 증가 분포 ···71

<그림 4-32> PGA 주입 후의 BOD농도 변화 ···72

<그림 4-33> PGA 주입 후의 SS농도 변화 ···72

<그림 4-34> PGA 주입 후의 T-N농도 변화 ···73

<그림 4-35> PGA 주입 후의 T-P농도 변화 ···73

<그림 4-36> 활성슬러지 공정에 PGA주입에 따른 SS제거율 ···74

<그림 4-37> 활성슬러지 공정에 PGA주입에 따른 Turbidity제거율 ···75

<그림 4-38> 활성슬러지 공정에 PGA주입에 따른 BOD 제거율 ···75

<그림 4-39> 활성슬러지 공정에 PGA주입에 따른 T-N,T-P제거율 ···76

<그림 4-40> IABR,슬러지가용화,PGA 조합에 의한 BOD,SS제거효율 비교 77

<그림 4-40> IABR,슬러지가용화,PGA 조합에 의한 T-N,T-P제거효율 비교 78

Ⅰ Ⅰ Ⅰ 개 개 개 요 요 요 1

1

1. . . 1 1 1 연 연 연구 구 구배 배 배경 경 경 및 및 및 목 목 목적 적 적

본 논문은 Cavitation(공동화)을 이용하여 폐기되는 슬러지로부터 일부 가 용화하고 가용화된 슬러지를 간헐퍽기공법의 외부탄소원으로 주입한다.이에 따 라 질소·인 처리에 따른 수질향상과 배출되는 폐 슬러지의 일부를 처리하는 시스 템이다.폭기조 후단에 고분자응집제 PGA를 이용하여 침전성능을 향상시켜 고도 처리의 효율을 극대화시키는 방법이다.본 연구는 경제적 처리공법을 이용한 하 수와 슬러지처리를 병합처리 하고자 하는데 목적이 있다.

2006년 환경통계연감에 따르면 현재 우리나라 하수처리장은 2005년 말 294개 소(시설용량 22,469,495천톤/일,사업비 17,107,114백만원)하수처리장이 가동 중이 며,전년도 대비 26개소,용량은 858천톤/일 증가한 추세를 나타내고 있다.2006 년 하반기에 환경부의 조사에 따르면 운영되고 있는 국내하수처리장은 320에 달 하며,전년도에 비해 26개소가 증가하였고,매년 증가되는 추세이다.

규제개혁위원회는 하수종말처리장의 방류수 수질기준에 대장균군 항목(3000개/

㎖)을 신설하고 팔당특별대책지역과 잠실권역에 적용한 방류수 수질기준을 4대강 수계(한강상류.낙동강.금강.영산강)과 기타지역에까지 엄격하게 적용키로 했다.

이에 따라 2008년 1월 1일부터 시행되는 4대강과 기타 지역 하수종말처리장은 대장균군 항목이 포함된 엄격해진 방류수 수질기준을 충족시켜야 하며 시행될 강화 수질기준은 <표 1-1>과 같다.하수도용 자재로는 KS표시품,환경인증 표 시품(ISO),신기술(NT)또는 품질인증보증(EM)제품 등만을 사용할 수 있고,방 류수 수질기준을 위반할 경우 행정당국으로부터 시설개선명령을 받게 되며,미 이행 시 1년 이하의 징역 및 500만원 이하의 벌금처벌을 받는다.따라서 적정 방 류수수질기준에 충족할 수 있는 하수고도처리방법이 시급한 실정이다.

<표 1-1> 방류수 수질기준

구 구

구분분분 BBBOOODDD ( ( (mmmggg///LLL)))

C C COOODDD ( ( (mmmggg///LLL)))

S S SSSS (((mmmggg///LLL)))

T T T---NNN (((mmmggg///LLL)))

T T T---PPP ( ( (mmmggg///LLL)))

대 대 대장장장균균균군군군 수 수

수(((개개개///mmmLLL))) 특정지역기준 10이하 40이하 10이하 20이하 2이하

3,000이하 기타지역기준 20이하 40이하 20이하 60이하 8이하

현재 국내 하수처리공법은 표준활성슬러지법, 산화구법 등이 있으며, <표 1-2>와 같이 표준활성슬러지법이 83개소(28.2%)로 가장 많은 비중을 차지했다.

고도처리공법을 도입하여 운영중인 하수처리장은 152개소(51.7%)이며,전년도에 비해 41개소 증가하였다.중․대규모 처리장(10천톤/일 이상)은 대부분 표준활성 슬러지공법,소규모 처리장(10천톤/일 미만)은 장기포기 또는 산화구법 등을 도입 하였다.고도처리공법의 경우 중․대규모 처리장은 A2O 공법,소규모 처리장은 SBR 공법을 다수 도입하였다.

<표 1-2> 처리공법별 현황 년년년도도도별별별 구구구 분분분 계계계 111차차차

처처처리리리 표 표 표준준준 활 활 활성성성

장장장기기기

포포포기기기 산산산화화화구구구 회회회전전전 원원원판판판

접 접 접촉촉촉 산 산 산화화화

고 고

고도도도처처처리리리 공공공법법법 AAA222///00 S0 SSBBBRRR 기기기타타타 2005 처리장 294 - 83 11 26 13 9 66 53 33 비율 100.0 - 28.2 3.7 8.9 4.4 3.1 22.5 18.0 11.2 2004 처리장 268 - 95 15 27 11 9 37 42 32

비율 100.0 - 35.4 5.6 10.1 4.1 3.4 13.8 15.7 11.9

6월이상 가동한 287개소 하수처리장 중 시설용량 대비 실제 유입하수량 비율 이 50% 이상인 하수처리장은 231개소이며,이 중 46개 하수처리장은 시설용량을 초과하여 하수가 유입되었다.반면,6개 하수처리장은 20% 미만으로 하수가 유입 시설용량 초과 및 유입율 저조 처리장은 시설용량 증설,하수관거정비가 필요 ('06년에 용량증설 6개소 197억원,관거정비 142km 432억원 국고 지원)한 실정이 다.

<표 1-3> 항목별 방류수질 현황 연

연

연도도도별별별 구구구 분분분 BBBOOODDD CCCOODODD SSSSSS TTT---NNN TTT---PPP

2005

유입수질(A) 126.1 73.0 123.8 32.056 3.415 방류수질(B) 8.7 11.4 5.6 16.207 1.313

제거율

(A-B/A) 93.1 84.4 95.5 49.2 61.8

2004

유입수질(A) 117.8 69.3 119.9 30.820 3.269 방류수질(B) 9.7 11.7 6.0 16.907 1.265

제거율

(A-B/A) 91.7 83.1 95.0 44.8 64.0

<표 1-3>에 나타난 바와 같이,하수처리장의 유입수질 농도는 전년도에 비해 다소 증가하였으며,평균 유입수질은 BOD 126.1㎎/ℓ,COD 73.0㎎/ℓ,SS 123.8

㎎/ℓ,T-N 32.056㎎/ℓ,T-P 3.415㎎/ℓ로 유입되었다.고도처리공법 적용,운전 기술 향상 등으로 오염물질 제거율이 높아져 연평균 방류수질 농도가 전년도에 비하여 다소 낮아졌음을 알 수 있다.

하수처리장의 개소수의 증가와 더불어 발생되는 하수 슬러지는 2005년 기준 전국에 가동중인 294개 하수처리장에서 1일 평균 7,052톤/일의 하수슬러지 발생 된다.하수종말처리시설 신․증설 등으로 ’99년부터 ’05년까지 6년동안 159% 증 가,’11년에는 1일 1만톤에 이를 것으로 전망하고 있다.

<표 1-4>에 나타난 바와 같이 국제적인 규제가 이루어진 가운데 해양수산부 는 ’96런던협약 의정서 발효와 함께 폐기물의 해양배출기준을 대폭 강화(해양오 염방지법)하였다.제1기준은 2008년 2월,제2기준은 2011년 2월에 시행되어 사실 상 2012년부터는 하수슬러지 해양배출이 금지된다.

<표 1-4> 하수 슬러지의 해양배출 처리규제에 대한 국제 동향

‘

‘

‘777222런런런던던던협협협약약약 ‘‘‘999666개개개정정정의의의정정정서서서

∙모든 물질의 해양투기는 가능하지만 아래 열거한 물질의 해양투기 금지 (NegativeListingSystem) -유기할로겐 화합물

-수은과 수은화합물 -카드뮴과 카드뮴화합물 -지속성 플라스틱류 -원유와 그 폐기물 -방사성 폐기물

-생물 화학전을 위하여 생산한 물질

∙모든 물질의 해양투기는 불가능하지만 아래 열거한 물질의 해양투기 허용 (PositiveListingSystem) -준설물질

-하수오니

-생선 및 생선가공 과정 발생폐기물 -선박,플랫폼,해상 인공구조물 -비활성,무기질 지질물질 -천연성,유기물질

-컨테이너,고철 및 벌커형태의 폐기물

※ ‘96개정의정서 발효시 하수 슬러지는 해양투기 가능물질이나 폐기물의 특성,생태계의 영향,모니터링 등 평가체제 도입으로 해양배출이 점차 어려워질 것으로 예측

2005년말 기준 294개 하수처리시설에서 연간 2,557,374톤의 하수슬러지가 발생 되었으며, 재활용122,365톤(4.8%), 육상매립 43,740톤(1.7%), 소각 285,778톤 (11.2%)및 해양배출 1,993,865톤(78.0%)의 방법으로 처리하였다.

국내의 경우 ‘05말 현재 하수슬러지의 77%를 해양배출하고 있다.따라서 단계

별 규제일정에 맞추어 하수슬러지의 육상처리기반을 확충하기 위한 체계적인 계 획 수립 필요하게 되었다.또한 2008년부터 시행되는 방류수수질기준강화에 따른 하수고도처리 시설 및 공정개선과 하수처리에서 발생되는 하수슬러지의 병합처 리가 요구되고 있다.

<표 1-5> 연도별 하수슬러지 발생현황 구

구

구 분분분 111999999999년년년 222000000222년년년 222000000333년년년 222000000444년년년 222000000555년년년 하수종말처리장수(개소) 150 207 242 268 294

시설용량(천톤/일) 17,712 20,233 20,954 21,535 22,394 슬러지발생량(톤/일) 5,216 5,396 5,981 6,268 7,052

최근 몇 년 동안 많은 연구가 진행되어 기존 공법으로 유기물과 영양염류(N, P)의 제거가 불충분한 부분을 동시에 해결할 수 있는 고도처리(Advanced Treatment)시설의 개발로 현재에는 도입 시점에 이르렀다.대부분의 처리장에서 유입수질 저농도 등으로 고도처리 효율이 떨어질 것으로 예상된다.그에 따라 국 내 실정을 감안한 보다 높은 처리효율과 에너지 절감,그리고 기존 처리장을 활 용한 효율적 시설보완 사업이 시행될 수 있도록 운전개선 혹은 시설개선 차원의 고도처리설비가 현실적으로 시급하다 하겠다.

따라서 본 논문에서는 Cavitation을 이용한 슬러지가용화,간헐포기공법을 이용 한 하수고도처리,고분자응집제 PGA를 이용한 침전향상의 병합처리 함으로써 2008.1.1에 시행될 방류수수질기준에 적합할 수 있게 처리수질을 향상시키는 병 합고도처리 연구에 목적을 두었다.

1 1

1. . . 2 2 2 연 연 연구 구 구내 내 내용 용 용 및 및 및 범 범 범위 위 위

본 연구는 하수처리 후 발생되는 하수슬러지를 물리적 방법 중의 하나인 Cavitation을 이용하여 가용화한 후,가용화 된 탄소원을 하수고도처리방법의 하 나인 간헐포기공법에 주입하여 적절한 탈질을 유도하기 위한 목적으로 물리적인 하수슬러지의 가용화와 고도처리를 병행 한 실험적 연구이다.

실험에 사용된 전처리 장치는 자체 설계․제작된 장치로써 제작된 장치에 1차 슬러지와 2차 슬러지 조성을 달리한다.여기에 음식물 쓰레기 첨가 비율을 조절 하면서 정량적으로 어느 정도 감량화가 이루어지는지 VS감량화율 및 SCOD증가 율을 실험을 통해 파악하며,용출액 중의 유기물함량 증가를 통하여 분석하였다.

간헐포기공법에 탈질부족을 유도한 후 가용화된 하수슬러지를 외부탄소원으로 이용하였다.환경 소재인 PGA(Poly-γ-Glutamic Acid)를 이용하여 침전성능과 수질향상 도모를 위한 하수슬러지의 처리와 하수고도처리공법의 최적화 연구를 수행하였다.

다음은 본 논문의 연구범위 관한 내용이다.

1 1

1)))하하하수수수슬슬슬러러러지지지 및및및 음음식음식식물물물쓰쓰쓰레레기레기기 가가가용용용화화화

각 시료의 일정한 혼합비를 구성하여 가용화 시료를 분석한 후 가 장 좋은 고효율의 시료를 결정한 후 시간,온도,성상에 따른 SS, COD,SCOD 및 수질을 비교 분석하여 가용화 정도를 파악하여 주입 가능 여부를 결정한다.

2 2

2)))간간간헐헐헐폭폭폭기기기 시시시스스스템템템 운운운전전전

간헐폭기공법의 폭기/비폭기 시간을 각각 60∼120min의 주기로 설 정하여 최적의 조건을 도출한다.탈질반응에 가용화된 슬러지를 외부 탄소원으로 주입하여 처리수질의 질소,인 제거율을 검토한다.

3 3

3)))PPPGGGAAA(((PPPooolllyyy---γγγγ---gggllluuutttaaammmiiicccaacacciiiddd)))주주주입입입

회분식 실험을 통해 PGA(6000KDa)를 각각 1000mg/ℓ～0.1mg/ℓ를 제조하여 각 농도별로 주입한 후 침전속도 및 주입량을 검토한다.

PGA(6000KDa),1.38mg/ℓ와 3.75mg/ℓ를 연속주입한 후 수질향상에 대해 검토한다.

4 4

4)))가가가용용용화화,화,,PPPGGGAAA,,간,간간헐헐헐폭폭폭기기기의의의 조조조합합합공공공정정정

간헐폭기 단독,간헐폭기+슬러지가용화,간헐폭기+PGA,간헐폭기 +PGA+슬러지 가용화의 각 조합공정의 처리 수질을 비교 검토한다.

Ⅱ Ⅱ Ⅱ 문 문 문 헌 헌 헌 고 고 고 찰 찰 찰

2 2 2. . . 1 1 1 하 하 하수 수 수슬 슬러 슬 러 러지 지 지의 의 의 가 가 가용 용 용화 화 화 2

2

2. . . 1 1 1. . . 1 1 1 하 하 하수 수 수슬 슬 슬러 러 러지 지 지의 의 의 특 특 특성 성 성

지속적으로 증가되는 하수도 보급율과 상수도 보호를 위한 각 수계별 총 량관리를 위한 해당 각 지방자치단체의 총량관리 목표수질 설정에 대한 관리 목 표를 달성하기 위해 하수처리장이 증설되고 있다.따라서 하수처리장에서 발생되 는 슬러지는 하수처리장의 증설과 고도처리로 계속 증가 될 것으로 전망된다.

하수 슬러지의 특성은 하수의 구성성상에 따라 그 특성이 다르며 대부분 최초 침전지에서의 침전찌꺼기와 생물학적처리 과정에서 발생하는 2차 슬러지가 발생 된다.침전 찌꺼기는 주로 고형물질이 제거되는 침전물과 유기물이 혼합된 생슬 러지로 취급이 곤란하며,수분을 다량 함유하고 있다.또한 생물학적 처리에서 발생되는 슬러지는 하수 중에 포함된 유기물이 주로 제거되면서 발생된다.이와 같은 하수 슬러지는 액상 부유 물질의 특징을 갖고 있다.한편 미국에서는 하수 슬러지를 자원화의 의미로 “Biosolids"로 정의한다.

발생된 슬러지의 특성은 하수처리방법,하수 처리장의 설계,운영 등에서 그 특성이 달라질 수 있으나 일반적 특성은 <표 2-1>과 같은 특성을 나타낸다.국 내 하수 처리장에서 발생되는 슬러지의 비중은 일반적으로 1.0032～1.054이고 고 형물 농도는 1차슬러지:4.0～10.0,2차슬러지:0.8～2.5,혼합슬러지:0.5～1.5,농 축슬러지:2.0～8.0,혐기성슬러지 2.0～7.5정도이다.함수율은 년 평균 78% 전후, 유기물 함량은 47% 내외로써 선진국의 슬러지 함수율에 비하여 높고,유기물 함 량은 낮은 특성을 나타내고 있다.이와 같이 함수율이 높고,유기물 함량이 낮은 이유는 우수와 하수가 같이 유입되는 합류식 하수관거이기 때문이며,유기물의 농도가 낮으며 탈수 효율이 낮은 이유는 다음과 같은 이유인 것으로 알려져 있 다.① 낮은 슬러지 농축조의 농축율 ② 소화조의 낮은 소화 효율 ③고분자 응 집제에 의한 슬러지 개량 ④ 벨트 프레스로 일관된 탈수방법에 있다.

또한 하수 슬러지의 유해성은 중금속 및 PCB,농약류 등의 화학물질에 대한 유해성 및 병원균 및 윤충류 등에 의한 위생적인 면에서의 유해성으로 구분될 수 있다.

<표 2-1> 하수슬러지의 일반적인 특성

2 2

2. . . 1 1 1. . . 1 1. 1 . . 1 1 1 하 하 하수 수 수슬 슬 슬러 러 러지 지 지 발 발 발생 생 생 및 및 및 처 처 처리 리 리현 현 현황 황 황

수처리과정 중에 발생하는 미생물의 응집체(활성슬러지)또는 침전하여 퇴적되는 물질(생슬러지)들인 슬러지의 일반적인 발생 및 처리과정은 <그림 2-1>과 같다.

<그림 2-1> 일반적인 하수처리공정

2006년 환경통계연감에 따르면 2005년 국내 하수처리장에서 6월이상 가동한 하수처리장 287개소에서 연간 발생된 슬러지량은 2,543천톤이었다.

<표 2-2> 하수슬러지 발생현황

연연연도도도별별별 유유유입입입하하하수수량수량량 슬슬슬러러러지지지 발발발생생생량량량 1

1

1일일일(((천천천톤톤톤))) 연간연연간간(((천천천톤톤톤))) 1일11일일(((톤톤톤))) 연연연간간간(((천천천톤톤톤))) 2005 18,320 6,642,289 6,967 2,543 2004 18,147 6,605,903 6,645 2,426

하수슬러지 발생량의 대부분(90.4%)이 5만톤/일 이상의 하수처리장에서 발생되 며,1만톤/일 미만의 하수처리장의 경우 140개소로 개수는 많으나 슬러지 발생량 은 미미한 실정이다.

<표 2-3> 시설규모별 하수슬러지 발생량

연 연

연도도도별별별 슬슬슬러러지러지지발발발생생생량량량 (

(

(천천천톤톤톤///년년년)))

시시시설설설규규규모모모별별별 발발발생생생현현현황황황(((천천천톤톤톤///년년년))) 5

5

5000000이이이상상상 505500000미미미만만만 111000000미미미만만만 555000미미미만만만 111000미미미만만만

2005 2,543 1,238 900 160 204 41 비율(%) 48.7 35.4 6.3 8.0 1.6

2004 2,426 1,182 861 126 216 42 비율(%) 48.7 35.4 5.2 8.9 1.7

최근 슬러지처리에 대해 많은 연구와 공정이 적용되고 있으며,국내 하수슬러 지의 일반적인 처리는 <그림 2-2>와 같다.

<그림 2-2> 하수슬러지의 일반적인 처리현황

<표 2-4>에 나타난바와 같이 슬러지 처리현황을 살펴보면 직매립 금지조항이 설정된 초기인 2000년도부터 해양투기량이 급격하게 증가되어 최근에는 70%이 상이 해양투기에 의존하고 있다.육상에서의 처리처분,자원화를 유도하기 위하 여 직매립 금지조치가 시행 되었으나,실제 소각 및 재활용비율은 그다지 증가하 지 않은 채,해양투기로 집중되었다.하수슬러지의 해양투기는 런던덤핑협약과 관련된 ‘96의정서가 발효되면 해양투기가 금지될 가능성이 크며,머지않아 발효 될 것으로 예상되므로 이에 대비하여 육상에서 처리하는 근본적인 대책 마련이 필요하다.

하수슬러지 처리방법은 해양투기가 전체의 75.0%로 가장 높으며,재이용,소각, 육상매립 순서로 나타났고,하수슬러지 1톤당 처리비용은 소각이 55,936원으로 높고,해양투기가 27,896원으로 가장 낮게 나타났다.

<표 2-4> ’05년도 하수슬러지 처리현황(톤/일)

구 구

구 분분분 발발발 생생생 처처처 리리리 육

육

육상상상매매매립립립 소소소각각각 재활재재활활용용용 해해해양양양배배배출출출

물량 7,052 76 805 748 5,423

% 100 1 11 11 77

※ 육상매립이 허용되는 시설용량 1만톤/일 미만 하수처리장은 142개소로 122톤/일,슬러지 발생(전체 슬러지 발생량의 1.7%)

또한 하수슬러지 재이용현황을 살펴보면 85개소 하수처리장에서 연간 전체 하 수슬러지 발생량의 11.0%인 280,477톤을 매립장 복토재 ,퇴비 등으로 재이용하 고 있다.

<표 2-5> 하수슬러지 재이용 현황

연연연도도도별별별 구구구 분분분 계계계 퇴퇴퇴비비비화화화 지렁지지렁렁이이이사사사육육육 매매매립립립지지지 복복복토토토 기기기 타타타

2005

재이용량

(톤) 280,477 20,073 (7.2%)

15,885 (5.7%)

63,787 (22.7%)

180,732 (64.4%) 처리장수

(개소) 85 9 20 4 52

2004

재이용량

(톤) 239,085 4,617 (1.9%)

15,486 (6.5%)

80,529 (33.7%)

138,390 (57.9%) 처리장수

(개소) 72 6 16 5 45

슬러지처리에 대한 문제점을 살펴보면,하수 슬러지 퇴비화의 문제점은 하수 슬러지의 퇴비화 시설 부지 확보 곤란(완전부숙),저장 및 공정중에 발생하는 악 취 및 침출수 처리,유해물질 포함 여부,2005년부터 음식물쓰레기의 직매립 금 지에 따른 퇴비화 등의 운전과 계획 등에 수요처 확보곤란,사용농가의 노동인구 감소 및 노령화,퇴비사용 계절의 적재량 보존 (곰팡이 등 발생-변질),슬러지의 녹농지 환원방법 및 시비량의 기준(토양/식물)등의 문제가 있다.하수슬러지의 사

료화는 부적절하며,사료 첨가제의 추출정제 사용(경제성),유해성,가축 질병 등 의 문제를 발생시킨다.1979년 미국 EPA에 의해 처음으로 제시된 슬러지의 토지 주입이용은 슬러지성분에 의한 지하수 오염,중금속의 토양 축적 및 작물 섭취에 의한 위해성이 거론 될 수 있다.미국에서는 액상 주입인 경우에는 6% TS,탈수 케익의 경우에는 22% TS에 주입하고 있다.Spray하는 경우에는 도로로부터 슬 러지를 물로 희석하여 10% TS로 하는 것을 기준으로 하고 있다.

선박이 4노트 이상의 항해 상태에서 배출하는 “확산식”과 선박이 정지된 상태 에서 “집중식”으로 배출(비중 1.2이상)되는 해양투기의 문제점은 바람에 혼합된 표층이 저밀도 슬러지의 흐름을 유도하고 먼 거리까지 유도되어 해안에 밀려올 가능성이 있다.특히 유류,가공물질 등이 해변가로 휩쓸려 와서 해안 환경을 손 상시키며 양식장의 피해도 나타날 것이다.또한 해저의 퇴적물은 생태계에 악영 향을 미칠 수도 있는데 혐기성화가 일어나 부패지역이 되어 어류 및 조개류가 피해를 받아 해양 유기체에 재해가 유발될 수 있다.

일반적으로 국내 하수슬러지처리 시 다음과 같은 문제점을 내포하고 있는 것 으로 나타났다.

• 슬러지 농축조의 농축효율 저하(일반적으로 2～3%,설계 시 5%로 설계)

• 소화조의 소화효율 저하(설계 시 80%정도로 설계되나,실제는 40～50%임, 특히 겨울철에 소화율이 낮음)

• 슬러지 개량 시 고분자응집제에 의존(다양한 응집제의 혼용,특히 무기 응집제의 혼용이 필요하나 검토가 이루어지지 않음)

• 탈수기의 벨트프레스로의 일원화(처리량이 대규모로 설정되어 대부분의 처리장에서 벨트프레스로 운영 중이나 상대적으로 탈수효율이 낮음)

소화조 효율을 향상시켜 슬러지 발생량을 최소화하고 부생가스 발생량을 극대 화하며 탈수효율을 향상시키기 위한 슬러지 전처리기술의 도입은 반드시 필요한 것으로 판단된다.

2 2

2. . . 1 1 1. . . 2 2 2 하 하 하수 수 수슬 슬 슬러 러 러지 지 지 가 가 가용 용 용화 화 화 기 기 기술 술 술

현재 육상 매립과 해양투기에 의존하고 있는 하수 슬러지의 처리에 대한 한계와 자원순환형 사회를 위한 Zero emission을 달성하기 위하여 하수 슬러지 의 발생을 최대한 줄이고,자원을 재활용할 수 있는 기술의 개발 및 도입은 시급 한 실정이다.선진 외국에서는 이를 위한 연구/개발이 활발히 진행되고 있으나 국내의 연구/개발 실적은 미진하다.하수 슬러지의 감량화에 이용되는 방법은

<표 2-6>과 같이 분류할 수 있다.

<표 2-6> 슬러지 감량화 기술의 분류

처리 기술 처리 방법

생물화학적 처리방법 고온 호기성 세균을 이용한 방법 소화균을 이용하는 방법

화학적 처리방법

오존을 이용한 처리방법 전기분해를 이용한 처리방법 알칼리 약품처리법

펜톤 처리법

초음파를 이용한 처리방법

물리적 처리방법

Cavitation파쇄법 초임계수를 이용한 방법 Mill파쇄법

복합 처리방법 알칼리 처리 +기계적 파쇄 감압파쇄 +가열 +초음파

대표적인 처리방법으로는 고온 호기성 미생물을 이용한 방법,오존을 이용한 방법,초음파를 이용한 방법 등이 있으며,각 처리방법은 아래와 같다.

( (

(111)))고고고온온온호호호기기기성성성 세세세균균균을을을 이이이용용용한한한 방방방법법법

가용화처리시설에서 약 55～65℃로 활성슬러지를 가열하면 활성슬러지를 보호 하는 점성물질이 해체되고,고열호기성세균이 활성화되어 효소를 분비함으로써 세포벽을 파괴하여 원형질 용출된다.용출된 원형질은 BOD성분으로 고열호기성

세균에 의해 일부 분해되고 나머지는 생물반응조로 유입되어 최종적으로 이산화 탄소로 분해되고 일부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지 감량화된다.

본 처리방법의 장점은 운전비가 저렴하고 2차오염이 적고,일부 무기화되어 반 류부하 감소된다.그러나 설치면적이 크고 가용화조에서 취기 발생되며,처리수 질 악화(COD:10～50%상승,T-P:30～80%상승)의 단점이 있다.

( (

(222)))오오오존존존을을을 이이용이용용한한한 처처처리리리방방방법법법

오존을 이용한 가용화시스템은 2차 침전지로부터 인출되어진 잉여 슬러지를 오존처리설비(오존접촉 반응조)에서 산화력이 강한 오존과 접촉 반응시킨다.포 기조로 순환 반송하여 미생물에 의하여 계속적으로 처리하게 함으로써 슬러지를 궁극적으로 감량화 시키는 간단한 원리이다.잉여 슬러지는 오존의 강력한 산화 작용에 의하여 미생물 세포벽이 파괴되어 미생물이 먹기 쉬운 형태로 가용화되 어 생물학적 분해가 가능한 유기물(저분자 유기물)로 변화한다.오존을 이용한 가용화 시스템의 특징은 장외 반출 슬러지의 처분지 확보와 슬러지 탈수 처리가 불필요하다는 것이다.그 때문에 설비 및 운전 관리원이 필요하지 않다. 오존 슬러지 처리 설비는,물리적 처리 설비의 일환으로서 취급이 가능하고,슬러지 처분 비용을 포함한 유지 관리비는 큰 폭으로 삭감 할 수 있다.또한 슬러지 처 리에 수반하는 고농도 악취의 발생이 없어져,악취 대책이 용이하게 된다.

오존을 이용한 슬러지의 처리방법은 <표 2-7>과 같은 장단점이 있다.

<표 2-7> 오존을 이용한 하수슬러지의 가용화 기술의 장⋅단점 장

장

장 점점점 단단단 점점점

▪ 기존의 처리시설에 설치 가능

▪ 슬러지의 감량화와 동시에 BOD 감소

▪ 난분해성 물질의 처리 가능

▪ 살균이 동시에 진행

▪ 설비비가 많이 듦

-오존 발생장치,오존에 의한 배관 부식 방지를 위한 내식성 재질 사용,배 오존 파괴 설비가 필요,

▪ 운전비용이 많이 듦

▪ 고도의 운전기술이 필요

▪ 배 오존에 의한 2차대기오염의 가능성

( (

(333)))초초초음음음파파파에에에 의의의한한한 슬슬슬러러러지지지 감감감량량량화화화

초음파를 이용한 하수 슬러지 처리방법은 상기한 초음파의 공동화 현상을 이 용하는 기술로써 공동화에 의한 순간적인 고열과 높은 압력에 의하여 발생되는 고압의 Jetstream에 의한 물리적인 세포의 파괴에 의하여 일어난다.BOD나 COD를 포함한 폐수처리에 있어서 다량의 박테리아,이른바 잉여 슬러지가 발생 되게 된다.잉여 슬러지의 발생량은 폐수량의 1～10% 정도로,일반적으로는 응집 제첨가에 의해 슬러지를 개량 한 후에 탈수되고 탈수 케이크로서 매립 처분이나 소각 처분되고 있다. 본 감량화 시스템은 잉여 슬러지를 초음파와 알칼리 처리 를 조합하는 것에 의해 가용화 하여 다시 생물학적 반응조로 보내어 탄산가스와 물에 분해시키는 원리이다.슬러지의 발생량을 제로에 가까운 레벨까지 감량화 할 수가 있다.

슬러지 감량의 원리는,<그림 2-3>에 나타난 바와 같이 초음파 조사에 의한 화학반응은 공동의 생성 및 붕괴에 의해 기인하며,이러한 화학반응은 세 부분으 로 구분할 수 있다.첫째,공동 내부(Gascavitationbubble)의 고온-고압 상태에 서의 반응.둘째,공동껍질(Cavitation shell),즉 기체-액체 경계부분.셋째는,공 동 외부위 수용액상(Bulkaqueousphase)에서의 반응으로 설명될 수 있다.

<그림 2-3> Ultra-Sonicchemicalreactionofthridkindssphere

세포막을 파괴해 용해시키며 파괴에 필요한 에너지를 초음파에서 얻을 수 있 으므로,다른 동류 기술과 비교 처리 성능․건설비․유지관리비가 현저하게 좋다 는 장점을 가지고 있다.초음파를 이용하여 슬러지를 파괴시켜 재이용하는 기술 은 슬러지의 발생량을 기존의 기술과 비교했을 때 20% 정도로 줄일 수 있다.무 산소 탈질조의 외부탄소원으로 사용할 수 있을 뿐 아니라 용출 된 유기물이 하 수 처리 공정으로 유입되기 때문에 빈 영양 상태인 하수 처리장의 경우 F/M비 조절에도 도움이 될 수 있는 기술로 판단된다.

( (

(444)))가가가압압압파파파쇄쇄쇄원원원리리리에에에 의의한의한한 하하하수수수슬슬슬러러지러지지의의의 감감감량량량화화화

본 시스템은 잉여 슬러지에 포함되는 미분화한 유기물을 인출하여 압력을 가 하여 파쇄(가용화)하고,이것을 원래의 처리조에 반송하여 재차 분해 처리하는 것으로서 종래의 처리 방법에서는 분해할 수 없었던 잉여 슬러지까지도 분해 할 수 있는 시스템이다.처리 시설의 특성에 따라 약간씩 차이는 있으나,슬러지 발 생량을 미설치된 것과 비교하였을 때 본 시스템으로 70%이상 감량화 할 수가 있다.종래의 처리 방법으로 필요했던 특수한 미생물이나 약제,오존 발생기 등 은 불필요하고,시스템은 간단해서 설치현장에 대한 적용성이 좋다.

( (

(555)))금금금속속속밀밀밀의의의 마마마찰찰찰력력력 및및및 마마찰마찰찰열열열을을을 이이이용용용한한한 감감감량량량화화화기기기술술술

본 방법의 원리는 잉여슬러지를 농축 후 금속밀 파쇄기에 유입시키고 금속밀 을 상호 유동시켜 볼과 볼사이의 마찰력과 마찰열에 의해 활성슬러지의 세포벽 을 강제적으로 파쇄하여 가용화시킨 후 생물반응조로 유입한다.유입된 슬러지는 최종적으로 이산화탄소로 분해되고 일부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지 감 량화시키는 방법이다.본 장치의 장점은 시설이 간단한 구조로 이루어져 있으나, 가용화액의 반류부하 크고,금속볼의 교체비용 고가이며,침강성이 악화되고 전 기소비량이 많으며,처리수질이 악화(COD:10∼60%상승,T-P:50∼90%상승)된다 는 단점이 있다.

2 2

2. . . 1 1 1. . . 2 2 2. . . 1 1 1 국 국 국외 외 외 기 기 기술 술 술현 현 현황 황 황

하수슬러지 및 음식쓰레기의 처리대안으로 건조-소각(탄화)또는 퇴비화

재활용 등이 제시되고 있으나,슬러지 내 함수율에 의해 이들 공정의 경제성이 좌우된다.시설 및 처리비용이 고가이고 부가적인 대기오염 방지시설이 필요하므 로 합리적이며 저비용의 슬러지 처리대안이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

슬러지 자원화 및 처리를 위한 국외의 기술은 국내보다는 연구가 활발한 상태 이며,<표 2-8>은 국외의 슬러지 감량화 연구개발 현황을 나타내었다.

<표 2-8> 국외 슬러지 감량화 연구현황

연구수행 연구수행 연구수행

연구수행 기관기관기관기관 연구개발의 연구개발의 내용 연구개발의 연구개발의 내용 내용 내용

연구개발연구개발연구개발 연구개발 성과의 성과의 성과의 성과의 활용현황활용현황활용현황 활용현황 (주)신코

환경솔루션 (주)히타치플랜트

테크놀로지

60~70℃의 호기조건 하에서 활발하게 증식하는 Bacillus stearothermophilus에 속하는 고온미생물이 분비하는 프로테아제 등의 오니 가용화효소에 의해 오니를 가용화(고온미생물방식)

마츠시타 환경공조 엔지니어링

초음파를 조사하여 캐비테이션에 의한 국소적인 고온고압의 반사장을 형성시키고 여기에 오니를 작용시킴으로써 미세화 ·사멸시킨다.(초음파(M)방식) 수도기공(주)

오니에 NaCl을 첨가하고 전압을 가해 전해함으로써 발생하는 차아염소산 및 감전작용에 의해 일부 손상시켜 사멸

얌마(주)

고압펌프에 의해 압력이 상승한 오니를 노즐이 있는 반응조 안으로 투입하고 노즐 앞뒤에서 발생하는 급격한 압력변화에 의해 캐비테이션을 발생시켜 오니를 파괴

·세분화 신니혼제철

환경엔지니어 마에자와공업

무기계 산화제, 반응보조물질 등을 오니에 첨가시켜 발생한 ·OH라디칼의 산화력을 이용하여 오니 중의 세균을 살균처리하고 세포벽의 산화분해, 세포질의 저분자화 구리다공업

오니를 오존반응탑에 공급하여 오존과 접촉시켜 오존의 강력한 산화력에 의해 오니의 세포벽을 파괴해서 사멸시킴으로써 생물분해가 가능한 유기물로 변화 도리시마 제작소

초음파를 조사하여 캐비테이션을 연속 발생시키고 전단류와 고온고압장을 국소적으로 발생시킨 초음파 리액터 안에 오니를 통과시켜 오니를

재기질화(초음파(T)방식)

일본.독일 등을 중심으로 실용화기술을 소개하면 고온 호기성균을 이용한 슬 러지 저감화기술(S-TE공법)/고온(250),고압(55bar)순산소 및 구리촉매산화 시 스템/초음파기술 + 혐기성소화(메탄발전)/기계적전처리(고에너지 회전력)+ 탈수 성 향상/열적전처리/화학적처리 등으로 감량화 및 에너지 보급을 수행하고 있 다.

( (

(111)))일일일본본본의의의 처처처리리리기기기술술술현현현황황황

일본의 경우 소각기술의 발달로 발생되는 슬러지의 대부분을 소각으로 처리하 고 있다.동경의 갈서 하수처리장의 경우 자체 처리시설에서 발생하는 슬러지와 주변의 다른 하수 처리장으로부터 관을 통하여 이송된 농축 슬러지를 탈수하여 소각처리하고 있다.일부는 다른 방법으로 처리를 위한 소규모 연구 설비에 활용 하고 있다.이 처리장에는 하루 900톤을 처리할 수 있는 4기의 유동층 소각로를 보유하고 있으며,소각열을 이용하여 건조시킨 후 소각처리하고 있다. 동경 하 수도국 주도로 동경시내의 하수처리장에서 발생하는 슬러지를 이용하여 ‘오데이’

란 제품명을 가진 비료를 생산한바 있으나 시판의 어려움으로 가동이 중단된 상 태이다.그러나 공공녹지에 사용할 경우 상업화 가능성이 있다.농축슬러지의 양 이 많기 때문에 탈수 슬러지를 1차 처리한 후 생성된 유동성 슬러지 액을 이용 하여 메탄발효를 하거나 수소를 생산하는 연구를 수행하고 있다.1974년부터 연 구를 시작하여 현재 하루 3톤 규모의 경량골재 생산 시설이 가동되고 있으며,

‘Sludgelight’라는 이름으로 생산되고 있다.이 공정은 슬러지 회분을 알코올 발효 폐수(binder)와 혼합하고,축축한 상태에서 입자화기에 넣고 0.6∼3.5mm 직경의 펠렛으로 만든 후 고온으로 소성하여 제조한다.이때 생성된 펠렛은 규격별로 분 류되어 출하되는 경량 골재와 거의 비슷하여 많은 용도로의 사용이 가능하며,특 히 하수처리장의 여과 재료로 사용하고 있다.

일본 군마(君馬)縣에 소재한 시마 하수처리장에서 가동하고 있는 오존을 이용 한 슬러지 감량화 기술은 산화구 공법으로 가동 중인 처리장을 2계열로 나누어 져있다.제1계열은 일반적인 산화구법에 의하여 처리하고 제2계열(800㎥/day)에 오존 발생장치를 설치하여 발생하는 슬러지를 오존 단독,황산+오존 처리하여 잔 존 오존은 탈기시키는 공정을 도입하여 운전 중에 있다.제2계열에서 오존 처리 를 한 경우 발생되는 슬러지의 양은 대조군에 비하여 1/3.4로 감량되는 것으로 보고되었다.

하수슬러지 처리에 대해 일본국토교통성은 2005년6월13일,산관학 기관들과 제 휴를 하여 진행하고 있는 하수도기술개발프로젝트「SPRIT 21」가운데,2005년도 부터 연구개발을 시작하고 있는「하수오니자원화·첨단기술유도프로젝트 LOTUS 프로젝트」의 연구개발 추진체제를 발표했다⁶⁾.

저비용의 하수오니자원화기술개발을 목표로 하는 「LOTUS 프로젝트」에서는 (1)하수오니의 처분 비용보다 가격이 싼 오니리사이클기술,(2)매전가격과 동등 하던가,그것보다 싼 하수슬러지에 의한 바이오매스발전 기술을 개발할 방침이 다.프로젝트의 진행스케줄에서는 2005년 안에「비용의 목표치와 평가방법」을 정리한 목표치와 평가방법을 근거로,(1)에 관한 5기술,(2)에 관한 4기술,(1)과 (2)의 일괄개발기술 1기술을 참가개발기술로서 공모 후에 결정하게 되며 2005년4 월부터 2009년3월까지 연구개발을 실시하게 된다.

이번에 발표된 연구개발추진체제는 (1)을 담당하는「슬러지·제로·방전 기술개 발연구위원회」와 (2)를 담당하는「그린·슬러지·에너지 기술개발연구위원회」의 2개의 개발 연구위원회를 세워서 심의를 실시한다고 한다.덧붙여 12자치체가 실 증을 위한 필드 제공과 기술에 대한 조언을 실시하는 기술 요망자로 위원회에 참가하고 있다.

( (

(222)))독독독일일일의의의 처처처리리리기기기술술술현현현황황황

슬러지 자체의 발열량 부족을 도시쓰레기와 혼합하여 소각함으로써 해결하고 있다.Krefeld 지역의 경우에는 하수처리장에 슬러지 및 도시쓰레기 소각시스템 을 갖추고 있어 소각열을 이용하여 발전과 스팀의 생산을 병행하고 있다.이 소 각 시스템은 다단 스토카 방식을 채택하고 있다.연간 210,000톤의 쓰레기와 12,000톤의 건조 슬러지를 연소하여 12MW의 전기를 생산하며,이와 동시에 시 간당 40톤의 스팀을 생산한다.생산된 스팀과 전기는 절반정도는 시스템의 에너 지로 사용되고 나머지는 주변 지역에 판매하고 있다.Aahen 지역의 하수처리장 에는 발생한 슬러지를 퇴비화 하는 소규모의 시험 설비가 설치되어 가동되고 있 으며,주변의 농지에 적용하고 있다.

자기발열 고온호기성시스템은 1960년대부터 연구되어 1970년대 중반에 상용화 가 독일을 중심으로 진행되어 왔으나,장치의 최적화 및 범용화에 많은 문제점이 제기되었다.1990년대에 산소공급 방법 등의 개선으로 본격적인 상용화가 시작되 었다.대부분의 상용화는 유럽을 중심으로 이루어지고 있으며,최근에 미국 및

캐나다에서 기술을 인정하여 연구가 활발하게 이루어지고 있는 상태이다.

( (

(333)))미미미국국국의의의 처처처리리리기기기술술술현현현황황황

미국의 경우 톱밥이나 덤불 조각등과 혼합하여 처리하는 슬러지 퇴비화 시설 이 200개가 넘으며,일반 가정의 정원용 및 공공시설용 비료로 공급되고 있다.

최근에 Geneyst Int.,Inc.에서는 미국의 Colorado에 “Deep well oxidation process"의 시범플랜트를 설치하였다.이 공정은 농축 슬러지를 습식산화의 방법 으로 처리하는 기술로서,기존의 습식산화와는 달리 지하 1,500m까지의 수직의 관을 통하여 농축 슬러지와 공기 또는 산소와 공급한다.지열과 중력에 의해 자 연적으로 초임계상태에서 산화반응을 일으켜 COD의 감소효과가 80% 이상,휘발 성 고형분의 90% 이상을 처리할 수 있는 것으로 보고하고 있다.

미국 Wisconsin주의 A wisconsin energy corporation에서는 하수슬러지,제지 슬러지 등의 유기성 고형 폐기물을 유리질화 공정에서 무기물은 용융시켜 유리 질 골재를 얻는다.또한 유기물은 자체의 열운으로 활용하여,폐열을 이용하여 스팀과 전기를 생산할 수 있는 시스템을 상업화 하였다.현재 연간 35만톤의 슬 러지를 처리하는 Foxvalleyglassaggregateplant를 설치 중에 있다.유리질 골 재는 기존의 제품 성능을 능가하여,모래대용품,아스팔트 충진제,로반재 등으로 활용이 기대되고 있다.

2 2

2. . . 1 1 1. . . 2 2 2. . . 2 2 2 국 국 국내 내 내 기 기 기술 술 술현 현 현황 황 황

환경부의 “소화조 효율 개선사업”추진에 따라 진주하수처리장의 경우도 소화조를 기존처럼 운영하는 것으로 계획하였다.그러나 농축효율 및 소화온도 저하와 유입하수의 낮은 VS함량 등으로 인하여 현재 소화효율이 평균 24.0%로 설계치(50.0%)보다 훨씬 낮은 것으로 나타남에 따라 소화조 효율 향상을 위한 전처리 기술의 도입이 필요한 실정이다.자기발열 고온호기성시스템은 우리나라 의 경우에는 농업분야에서 액비화에 대한 규제완화를 계기로 동형의 기술이 선 보이고 있으나,아직까지 안정된 기술까지 개발이 되어있지 않은 상태이다.해당 기술을 이용하여 분뇨 및 정화조폐액에 적용하여 상용한 사례가 있다.기존의 호 기성소화조에 비교하여 관리가 용이하며,탈수성이 개선되어 처리효율에 기여하

고 있는 것으로 평가되고 있다.

우리나라에서는 이와 같이 축산 및 분뇨 처리 분야에는 적용되어 가능성이 입 증되고 있다.그러나 슬러지 감량화에는 지금까지 적용된 사례가 없다.서울지역 하수처리장에 슬러지의 건조시설과 소각시설을 설치하여 가동 중에 있으나 비용 이 많이 들어 가동율이 낮은 형편이다.또한 열병합 발전시설이나 소각 시설에서 슬러지를 혼합 연소하는 것을 시도하였다.그러나 소각로 벽면에 녹아 붙는 등의 문제로 대부분 실패하였으며,일부 제지공장에서 슬러지를 나무껍질이나 고분자 폐기물과 혼합 연소하여 열을 공정의 에너지로 사용하고 있다.

<표 2-9> 국내 슬러지 감량화 연구기술 현황⁴⁴⁾

연 연

연구구구수수수행행행 기기기관관관 연연연구구구개개개발발의발의의 내내내용용용 연연연구구구개개개발발발성성성과과과 의

의

의 활활활용용용현현현황황황 엔바이로텍

KIST 오존분해기술을 이용한 슬러지 자원화 및 감량화 기술 환경신기술 등록(06)

제닉스ENG 태 영

오존처리 및 가성소다를 이용 슬러지를 분해 시키고 호기성소화 및 침지식 평막을 결합한 하수슬러지

저감기술

환경신기술 등록(06)

(주)수환경R&D S-TE Process

농축 슬러지를 소화조에 혐기성 분해하여 메탄가스를 생성함으로써 에너지를 회수하거나,생성된 메탄가스를 이용하여 발전을 하는 기술이다.국내 대부분의 하수처리장에 중온혐기성 소화 방식의 소화조가 설치되어 가동되고 있다.그러나 계절의 변화가 심해 가동율이 낮은 형편이다.<표 2-9>는 국내의 슬러지 감량화 기술을 나타낸 것이며,슬러지 자원화 및 감량화를 위한 많은 연구들이 이루어 져야 할 것이다.

2 2

2. . . 1 1 1. . . 3 3 3 C C Ca a av v vi i it t ta a at t ti i io o on n n을 을 을 이 이 이용 용 용한 한 한 하 하 하수 수 수슬 슬 슬러 러 러지 지 지 가 가 가용 용 용화 화 화 2

2

2. . . 1 1 1. . . 3 3 3. . . 1 1 1 C C Ca a av v vi i i t t ta a at t ti i i o o on n n의 의 의 원 원 원리 리 리

유체의 공동 현상을 개략적으로 설명하면 액체의 기화는 액체의 온도가 상승하여 액체가 끓거나 또는 액체 내의 압력이 증기압 이하로 저하함에 따라 캐비테이션이 일어나는 두 가지 발생과정으로 구별된다.본 연구과제는 후자의 현상을 응용한 것이다.즉 비압축성 유체의 에너지 보존 법칙은 아래의 베르누이 의 정리로 나타낼 수 있다.

---(2-1)

위의 식에서,υ는 유속,P는 압력,ρ는 밀도,g는 중력가속도,z는 임의의 수평 면에서의 높이이다.유체의 속력이 증가하게 되면 유체 내의 압력이 국소적으로 액체의 포화 증기압 이하로 저하되는데,이 때 액체 내에는 물 분자와 비응축성 기체 분자로 이뤄진 캐비테이션 기포군(cavitationcloud)이 발생하게 된다.또한 액체 상태에 Cavitation이 발생되면 <그림 2-4>와 같이 기체형태로 변환된다.

<그림 2-4> Cavitation발생 시 물성변화

아울러 <그림 2-5>와 같이 유속이 감소하면서 압력이 회복되면 각각의 캐비 테이션 기포 (cavitation bubble)는 수축-재팽창(rebound)-붕괴의 과정을 거친다.

수 GPa에 이르는 충격압과 약 5,000〫K에 이르는 고온 환경을 기포 근방에 형성 하는 동시에 붕괴되는 기포 내에는 마이크로 제트를 발생시킨다.붕괴되는 기포 주위에는 기포 및 계면 구성 물질로부터 유리된 라디칼(하이드록실기 및 과산화

수소 등등)을 생성시킨다.

<그림 2-5> Cavity의 생성과 파괴 과정(Cavitation)

이 때 기포 주위에 생성된 라디칼과 초고 충격파,초고압 마이크로 제트 등은 함께 미세한 반응기(micro reactor)처럼 작용한다.이때 약 5,000℃ 정도의 고온 과 수 GPa의 압력으로써 주위의 물체를 산화,분해,침식,절삭시키게 된다.

<그림 2-6> Cavitation-jet장치내의 흐름 시각화

대기 중에 분사되는 동일한 수력(jetpower)의 워터 제트에 비교하여 볼 때, 최소한 수배 이상의 월등한 산화,분해,침식,절삭 등의 능력을 갖게 된다.이러 한 캐비테이션 기포군의 상대적인 강도는 하기 수학식 2로 나타내어지는 캐비테 이션 수 (cavitationnumber)σ로 정의된다.

---(2-2)

식 (2-2)에서,P1은 워터 제트 분사 압력 (MPa)또는 상류압력,P2는 반응기 내의 유체 압력 (MPa)또는 하류압력,그리고 Pυ 는 유체의 포화 증기압 (MPa) 이다.

캐비테이션 기포군이 발생하는 최적 조건은 기포핵의 존재 양상 및 용존 기체 농도,반응기 내의 유체 압력과 속도 액체의 증기압,표면 장력,동점성 계수,압 축성,비열,열전도율,증발 잠열,난류도이다.그리고 캐비테이션 기포가 성장하 기에 충분한 시간적 여유 등의 여러 가지 요인에 따라 변화하나 대개 0.01∼0.06 사이의 범위에 있다

일반적인 Cavitation의 종류는 다음과 같다.

1)얇은층 공동 현상 (Sheetcavitation)

-날개 앞날에서부터 시작하여 얇은층 형상으로 발생하며,일반적으로 안정적이지만 공동 체적의 변화가 진동의 주요 원인이 된다.

2)기포형 공동 현상 (Bubblecavitation)

-고속 프로펠러의 경우 프로펠러의 날개가 비교적 두껍고,받음각이 작은 날개의 경우에 날개의 최대 두께 위치 근처에서 공동현상이 발생한다.

이는 매우 불안정하여 프로펠러의 성능 저하와 날개 표면의 침식 등 손상의 원인이 된다.

3)앞면 공동 현상 (Facecavitation)

-날개의 받음각이 작거나 음의 값을 가질 때,날개 앞면 앞날 근처에 공동 현상이 발생한다.주로 허브 가까이의 날개 단면에서 많이 관찰되며, 날개 침식의 주요 원인중의 하나이다.

4)줄꼴 공동 현상 (Streakcavitation)

-Chord방향으로 길게 뻗어 나오는 형태이며 주로 날개 결함에서 기인한다.

5)Chordcavitation

-불안정한 SheetCavitation의 후반부에 뿌옇게 발생한다.

6)Vortexcavitation

-VortexCore의 낮은 압력에서 기인한다.

2 2

2. . . 1 1 1. . . 3 3 3. . . 2 2 2 슬 슬러 슬 러 러지 지 지 가 가 가용 용화 용 화 화 시 시 시스 스 스템 템 템

111...미미미생생생물물물세세포세포포의의의 파파파괴괴괴원원원리리리

미생물세포의 구조는 <그림 2-7>과 같다. 이 가운데 세포막(cell membrane)은 세포질을 둘러싸고 있는 이중 막으로 모든 세포가 공통으로 있으 며,기능은 선택적 투과성,반투성이다.영양분을 흡수하고 노폐물 배설,세포외 효소 분비한다.인지질 이중층에 단백질이 결합하고 있는 구조이고,약 60% 단백 질과 약 40% 인지질로 구성된다. 세포질은 시토졸(cytosol), 세포소기관 (organelle-입자상),리보솜 등 함유하고 있고,세포소기관 주변 환경으로 중요하 며,각종 생화학적 반응을 진행한다.약 70%가 수분이며,유리수와 결합수(고분 자와 결합)형태로 존재한다.또한 단백질,각종의 대사물질,무기질 함유하며, pH 6.8-7.1이다.

핵역 선모 세포질

과립 메소솜 리보솜

협막 편모

세포막 세포벽

<그림 2-7> 미생물 세포의 구조

형태유지,세포운동,세포 내 물질 수송에 관여하고,volutin과립,전분,글리코 겐,지방구의 저장물질을 함유한다.리보솜은 RNA와 단백질의 복합체 - 단백질 의 합성 장소로써 60%가 RNA:rRNA(ribosomalRNA),40%가 단백질이며, r-protein(ribosomalprotein)로 구성되어있다.세포벽(cellwall)은 세포의 외부를 둘러싸고 있는 강인하고 안정한 구조로 되어있다.

최근 국내에 적용되는 전처리기술(초음파,오존,알칼리 사용 등)들은 세포가 가지는 폴리머인 점액질 등에 의해 효과가 줄어들거나 과잉의 양이 투입되어져 점액층이 제거되고 세포벽과 세포질막이 파괴될 정도가 되어야 효율적으로 작용 한다.그러나 본 논문에 사용된 전처리 장치는 먼저 회전력,전단력,극렬혼합 혼 합 등에 의해 점액질이 탈착되고 내통으로의 이송 시 캐비테이션과 유체충격작 용으로 세포의 일부가 파괴를 겪는다.

본 논문에 사용된 유기성폐기물의 물리적 전처리 장치는 고속으로 투입된 슬 러지가 원통내부의 공간부를 따라 초고속으로 와류를 일으킨다.상승 이동하는 오니 수는 내관과의 마찰력과 전단속도에 의해 강렬한 전단현상이 발생됨으로써 회전 및 와류되면서 상승 이동하는 동안 슬러지 세포에 대한 충돌 및 충격,전단 력이 작용되게 하여 슬러지 세포를 둘러싼 강하고 딱딱한 세포막의 분쇄 및 파 쇄가 이루어진다.초 미립자화 되고 내부로 유입 시 오리피스에 의한 Cavitation 발생장치를 두어 Cavitation 을 일으키는데 Cavitation bubble이 붕괴(collapse) 할 때 그 주위에 발생하는 고온(약 5,000〫K 정도),수 GPa의 초고압 그리고 라 디칼로써 슬러지를 분해·산화․파쇄 시키고 후단에 오리피스 형 2차 Cavitation 장치를 두어 가용화를 촉진한다.

222...CCCaaavvviiitttaaatttiiiooonn을n을을 이이이용용용한한한 물물물리리적리적적 전전전처처처리리리장장장치치치

물리적 전처리장치는 난분해성 유기물을 파괴하여 생분해 가능한 크기로 변환 시키거나 미생물의 세포벽을 파괴함으로써 세포액을 방출하고 효소 및 생분해성 물질 증가로 인한 미생물의 활성도를 향상시킴으로써 슬러지 감량화를 도모하기 위한 시설이다.

물리적 전처리 장치는 크게 Storagetank,물리적 처리장치,가용화촉진장치로 구성된다.물리적 처리장치는 상․하부가 막힌 외관과 내부 중심의 수직방향으로 일체로 입설된 내관으로 본체를 구성하고,상기 본체의 외관 하부와 상부에 외관 내부로 통하는 유기성 폐기물 유입구와 산소유입구가 있다.배출구는 내관 하부

에 있으며 후단에 캐비테이션 발생장치가 위치한다.

상기 본체의 외관과 내관 사이의 공간부에 의해 수류챔버가 형성되는 것으로 서,외관의 유입구를 통해 공급된 유기성 폐기물은 상기 수류챔버 내부로 강제 유입된다.내관을 따라 하부에서 상부 측으로 상승하여 캐비테이션 발생장치를 거쳐 내관으로 유입되어 하부의 배출구를 통해 배출된다.배출된 유기성폐기물은 후단의 추가적인 캐비테이션 발생장치를 거치면서 가용화가 촉진된다.

고속으로 와류를 일으키면서 상승 이동하는 하수슬러지는 내관과의 마찰력과 전단속도에 의해 강렬한 전단현상이 발생된다.이런 현상으로 슬러지 세포는 전 술한 바와 같이 격렬한 충격 및 충돌과 함께 강렬한 전단력을 받아 슬러지 세포 를 둘러싸고 있는 강하고 딱딱한 세포막이 찢김에 의한 분쇄 및 파쇄 되어 세분 화,미립자화 된다.이때 미생물의 공격 또는 먹기 좋은 상태가 됨은 물론 수분 으로 이루어진 세포막 내부의 영양물질의 탈수작용이 간단하게 이루어지게 되는 것이다.

전단속도는 고속층류와 저속층류를 끊김 없이 부딪히게 하는 것으로서,본체의 내관을 중심으로 수류챔버의 하부에서 상부로 고속 회전하면서 상승 이동되는 수류는 안쪽과 바깥쪽 간의 속도차가 발생하게 된다.즉,안쪽의 회전반경보다 바깥쪽의 회전반경이 크므로 바깥쪽의 속도는 안쪽의 속도보다 빠르게 나타나게 되는 것이다.이로써 바깥쪽과 안쪽 간에는 고속층류와 저속층류가 생겨 끊임없 이 부딪히게 되는 전단속도에 따라서 슬러지세포에 대한 전단현상이 발생하게 되는 것이다.

2 2

2. . . 2 2 2 간 간 간헐 헐 헐폭 폭 폭기 기 기 시 시 시스 스 스템 템 템

국내 하수처리는 대부분 표준 활성슬러지 공법의 의해 처리되고 있으나 질소 및 인 등의 영양물질은 이와 같은 활성슬러지공법에 의해서는 소량만 제거되고 있다.기존 외국에서 개발된 공법 Bardenpho,A2/O,VIP,UCT 등으로도 국내하 수 특성을 고려해 본다면 높은 처리효율을 기대하기 어렵다.이러한 특성을 해결 하기 위한 방안으로 국내하수특성을 고려한 활성슬러지 변법들이 많이 개발되어 실용화 단계에 있다.그러나 5～6이상의 반응조로 이루어져 넓은 설치면적을 필 요로 할 뿐만 아니라 원수로부터 외부탄소원을 얻기 위해 탈질조가 질산화조 전 에 설치되어 내적순환에 대한 동력비가 추가되는 등의 단점들이 있다.

이런 단점을 고려하여 공정이 간단하면서 유기물질 이외 질소와 인을 효율적 으로 제거할 수 있는 공법으로 간헐폭기 시스템(IABR)에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있다.즉 1개의 동일 반응조에서 질산화 및 탈질이 이루어져 기존공정에 비해 2～3배 간단하며 탈질 시 필요한 유기탄소원을 원수로부터 직접 내적순환 없이 얻을 수 있는 장점이 있다.

기존의 회분식 질소처리에서는 2개 이상의 반응조가 필요하며 단위처리 싸이 클도 6～12시간정도로 길다.뿐만 아니라 전술한 바와 같이 탄소원을 원수로 얻 기 위해서는 내적순환이 필요한 단점이 있다.반면 간헐폭기 시스템에서는 1개의 반응조에서 질산화 및 탈질이 일어나며 내적순환이 필요 없다.

<그림 2-7>에 나타난 바와 같이 단위처리 cycle도 3시간 정도로 짧다.간헐폭 기 시스템에서는 폭기 시 질산화가 일어나 NH3-N의 농도는 감소한다.대신 NOX-N의 농도가 증가해 일정한 T-N농도를 유지한다.이런 NH3-N,NOX-N거 동이 주기적,연속적으로 이루어져 질소 제거가 이루어진다.

간헐폭기 공정에서는 질산화에 소요되는 최소한의 폭기시간을 가지는 것이 총 질소 제거에 유리하다는 연구결과가 보고되었다.폭기/비폭기의 한 사이클 운전 에서 최적의 폭기시간 비(AerobicFraction = Aereation time/cycletime)는 0.2 5～0.30범위라는 연구보고가 있다(Katsutoetal.,1986).